BXO密封槽數(shù)控機床設(shè)計資料

1、銅陵學(xué)院畢業(yè)設(shè)計目錄摘要Abstract第1章緒論- 1 -1.1 密封槽數(shù)控機床應(yīng)用場合- 1 -1.2密封槽數(shù)控機床組成與分類- 1 -1.3設(shè)計的主要任務(wù)- 1 -第2章 BXO密封槽數(shù)控機床設(shè)計總體概述- 2 -2.1 設(shè)計總體要求- 2 -2.2 主要設(shè)計參數(shù)- 2 -2.3 總體方案設(shè)計- 2 -第3章 機械模塊設(shè)計- 4 -3.1 密封槽數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計- 4 -3.2 傳動絲杠參數(shù)設(shè)計- 5 -3.3 傳動絲杠性能校核- 7 -3.4 機床轉(zhuǎn)臂設(shè)計- 9 -第4章 驅(qū)動模塊設(shè)計- 10 -4.1 主運動驅(qū)動模塊設(shè)計- 10 -4.2 進給運動驅(qū)動模塊設(shè)計- 12 -第5章 控制

2、模塊設(shè)計- 16 -5.1 控制系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計- 16 -5.2 控制方案設(shè)計- 17 -5.3 控制電路設(shè)計- 20 -5.4 手提操作盒設(shè)計- 22 -總結(jié) .- 24-參考文獻-25-致謝-26-插圖清單圖2-1 機床系統(tǒng)構(gòu)成.-3-圖3-1 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖.-4-圖4-1 機床液壓系統(tǒng)原理圖.-11-圖5-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖.-16-圖5-2 控制系統(tǒng)組成.-19-圖5-3 控制系統(tǒng)流程圖.-19-圖5-4 液壓馬達驅(qū)動電機的控制電路圖.-20-圖5-5 液壓電磁閥控制電路圖.-21-圖5-6 PLC控制簡圖.-22-圖5-7 手提操作盒外觀圖.-23-表格清單表4-1 液壓系統(tǒng)

3、主要元件明細表.-11-表4-2 液壓閥動作組合.-12-表4-3 步進電機的電氣技術(shù)參數(shù).-14-表4-4 機械系統(tǒng)空載啟動力矩與所需步進電機最大靜力矩關(guān)系.-14-表5-1 FX2N-32MT的基本參數(shù).-17-The design of CNC machine tool BXO seal grooveAbstractCNC machine is a typical mechatronic products, it not only improves the machining precision and efficiency, but also enhances the reliabil

4、ity and flexibility of equipment. Aiming at the groove off-line repair brings a series of problems of the sealing flange of large pressure vessel, we design a special online repair of CNC machine tools, CNC machine tools is the sealing groove.The main movement, type FX2N-32MT PLC with a special func

5、tion modules of FX2N-20GM as the whole machine hub effectively control of machine tool feed motion of the tool and the workpiece, and other auxiliary devices strictly in accordance with the order, route and parameters of NC program of machining under repair, sealing groove to achieve efficient, accu

6、rate, fast, thus to improve the economic benefits of production system, production efficiency and enterprise.The development and competition of society economy and the science and technology to promote electronic, automation, computer, precision machinery, measurement and artificial intelligence tec

7、hnology closely, the mechatronics technology more mature, believe that the product will be further development and evolution, in order to adapt to the needs of social production.Keyword: NC machine tool； FX2N-32MT；FX2N-20GM； Sealing groove第1章 緒論1.1 密封槽數(shù)控機床應(yīng)用場合 密封槽數(shù)控機床是在石油、制藥、冶金、化工等相關(guān)行業(yè)，用于現(xiàn)場修復(fù)加工大型壓力容

8、器法蘭端面受損密封槽，恢復(fù)其形狀、位置精度的專用設(shè)備。隨著石油等行業(yè)的發(fā)展，大型壓力容器得到廣泛應(yīng)用，這些容器都安裝用來對接其他裝備的法蘭，法蘭上密封槽的損傷將嚴重影響容器的安全使用，因此，必須嚴格確保壓力容器法蘭上密封槽的密封性能。目前，法蘭接口上密封槽出現(xiàn)損壞等問題時，我國修復(fù)受損密封槽所采取的基本方法是離線修復(fù)，大型容器被返運回生產(chǎn)廠家，用大型普通機床進行修復(fù)加工，這一過程不僅增加了運輸成本而且降低了生產(chǎn)效率，使廠家蒙受巨大的經(jīng)濟損失。另外，用普通專用鏜床或其他機床對法蘭面密封槽修復(fù)時，若工件需多次裝夾，則會引起設(shè)計基準和定位基準不重合，而且，安裝誤差會影響加工精度、加工效率大大降低等。

9、為了節(jié)約成本，減少經(jīng)濟損失及提高加工效率和加工精度，我們設(shè)計出一臺密封槽數(shù)控機床，專門對大型壓力容器法蘭面受損密封槽進行在線修復(fù)。1.2 密封槽數(shù)控機床組成與分類密封槽數(shù)控機床控制模塊主要由FX2N-32MT型PLC與一個特殊功能模塊FX2N-20GM組成，兩者用FROM/TO指令經(jīng)擴展總線電纜進行數(shù)據(jù)交換?？删幊绦蚩刂破鱂X2N-32MT為基本控制與管理系統(tǒng)，F(xiàn)X2N-20GM控制步進電機精準運轉(zhuǎn)以及各種插補運動。驅(qū)動模塊由液壓系統(tǒng)驅(qū)動的主運動模塊和兩步進電機驅(qū)動的進給運動模塊兩部分組成，液壓馬達驅(qū)動轉(zhuǎn)臂繞法蘭軸線旋轉(zhuǎn)，步進電機1驅(qū)動刀架作平行法蘭端面的X方向進給運動，步進電機2驅(qū)動刀具作平

10、行法蘭軸線的Z方向進給運動。機械模塊作為整臺機床的骨骼，支撐系統(tǒng)運轉(zhuǎn)實現(xiàn)產(chǎn)品的構(gòu)造功能。根據(jù)機床的不同安裝形式，該密封槽數(shù)控機床分為內(nèi)卡式和外卡式兩種結(jié)構(gòu)形式，以實現(xiàn)對不同直徑的法蘭端面密封槽修復(fù)加工。對于內(nèi)孔徑大于350mm的法蘭，采用內(nèi)卡式安裝，對于內(nèi)孔徑小于350mm的法蘭，采用外卡式安裝。兩者系統(tǒng)構(gòu)成相同，只是機床安裝方式有所區(qū)別。1.3 設(shè)計的主要任務(wù)本論文的主要任務(wù)式設(shè)計出一臺針對大型壓力容器法蘭面密封槽進行在線修的專用數(shù)控機床，討論其機械模塊中傳動系統(tǒng)的設(shè)計，絲杠相關(guān)參數(shù)計算與設(shè)計；驅(qū)動模塊中液壓系統(tǒng)設(shè)計及液壓元器件的選擇，步進電機相關(guān)參數(shù)的計算和選用；控制模塊中控制器的選擇、控

11、制方案的制定、控制電路的設(shè)計等。第二章 BXO密封槽數(shù)控機床設(shè)計總體概述2.1 設(shè)計總體要求對密封槽數(shù)控機床設(shè)計的要求如下：1）質(zhì)量輕、體積小、移動方便，容易實現(xiàn)在線修復(fù)法蘭端面密封槽；2）在線修復(fù)機床裝夾簡單可靠、找正方便、操作簡單、使用安全；3）具有一定強度和剛度，加工精度高，滿足法蘭密封槽的加工技術(shù)要求，密封槽表面粗糙度應(yīng)為3.2，法蘭端面與其軸線相互垂直，偏差不大于30；4）滿足法蘭端面直徑6001250mm，孔徑6001100mm的密封面加工，包括直槽、雙15°、雙20°、雙23°、雙25°、雙30°及雙49°梯形槽密封形式

12、，梯形槽角度誤差滿足±30。2.2 主要設(shè)計參數(shù)機床總?cè)萘浚?KW；刀架移動步進電機：>2.5N·m；卡刀體移動步進電機：>2.5N·m；端面移動脈沖當(dāng)量：0.002mm；直槽移動脈沖當(dāng)量：0.002mm；端面移動進給速度：048mm/min（無級）；直槽移動進給速度：090mm/min（無級）；斜向移動進給速度：072mm/min（無級）；控制坐標數(shù)：2。內(nèi)卡式機床：法蘭密封槽端面直徑范圍：6001250mm；接管法蘭內(nèi)孔直徑范圍：6001100mm；接管法蘭密封槽最大深度：50mm；法蘭密封槽形狀：直槽、雙15°、雙20°、雙2

13、3°、雙25°、雙30°、及雙49°梯形槽。2.3 總體方案設(shè)計密封槽數(shù)控機床作為一種專用的在線修復(fù)加工設(shè)備，其總體方案的設(shè)計應(yīng)該綜合考慮機械模塊、驅(qū)動模塊、控制模塊、傳感器模塊、檢測模塊等的選用和布局。合理安排機床的總體布局，是本設(shè)計不可或缺的部分，其主要內(nèi)容有：確定機床的結(jié)構(gòu)形式，確定機床主要零部件及其相互位置關(guān)系等。由于壓力容器體積大，重量大，基本上無法移動的特點，設(shè)計機床需要安裝在壓力容器的接管法蘭上。因為機床加工半徑較大，主軸承受的扭矩較大，而對轉(zhuǎn)速并無太高要求，故采用液壓馬達作為主驅(qū)動，與機床旋轉(zhuǎn)部分采用直連方式?？梢詫崿F(xiàn)無極調(diào)速，避免設(shè)計變

14、速裝置帶來的困難，造成機床變速裝置復(fù)雜、體積過大等缺點。主運動依靠懸臂繞軸旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)，刀架可在轉(zhuǎn)臂上自由移動，分別用兩個步進電機來控制刀具在X、Z方向進給運動，完成對密封槽的加工修復(fù)。內(nèi)卡式機床系統(tǒng)由機床本體、控制柜、液壓站、手持操作盒和附件五個部分組成，如圖2-1所示。液壓站控制柜步進電機1絲杠1步進電機2絲杠2手提操作盒附件馬達法蘭孔圖2-1 機床系統(tǒng)構(gòu)成本專用機床的主要傳動結(jié)構(gòu)由以下幾個部分組成：（1）轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)傳動裝置轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)運動作為主運動由液壓馬達經(jīng)減速器間接驅(qū)動。通過控制盒對液壓系統(tǒng)節(jié)流閥進行調(diào)節(jié)，進而可以控制機床轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)速。（2）刀架移動裝置轉(zhuǎn)臂上刀架沿著導(dǎo)軌的水平移動是X方向進給運

15、動，由步進電機1經(jīng)傳動系統(tǒng)、絲杠1來驅(qū)動?？梢酝ㄟ^手提式操縱盒上按鍵驅(qū)動步進電機1，進而控制刀架的移動速度、進給量、正反方向運動、點動等。（3）卡刀體移動裝置轉(zhuǎn)臂上卡刀體平行法蘭軸線的豎直移動是Z方向進給運動，由步進電機2經(jīng)傳動系統(tǒng)、絲杠2來驅(qū)動。可以通過手提式操縱盒上按鍵驅(qū)動步進電機2，進而控制卡刀體的移動速度、進給量、正反方向運動、點動等。（4）雙23°梯形槽運動裝置雙23°梯形槽斜面運動是通過同時啟動步進電機1、步進電機2實現(xiàn)的，并且兩臺步進電機的脈沖頻率符合23°要求的比例關(guān)系，由運動合成實現(xiàn)斜面運動。第3章 機械模塊設(shè)計3.1 密封槽數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計傳動

16、系統(tǒng)是一臺機床的重要組成部分，其作用是將電機產(chǎn)生動力傳遞給機床的執(zhí)行機構(gòu)，是使電機輸出的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩與負載的相互匹配，從而實現(xiàn)預(yù)定功能的中間環(huán)節(jié)8。機床傳動系統(tǒng)一般包括主傳動系統(tǒng)和進給傳動系統(tǒng)，所設(shè)計機床有三個主要運動，由三個驅(qū)動元件進行驅(qū)動，主運動即主軸旋轉(zhuǎn)由液壓馬達驅(qū)動，兩個方向的進給運動由兩臺步進電機驅(qū)動。傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖如圖3-1所示。 圖3-1 傳動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖1-刀架；2、8-電機；3、16-滾珠螺母絲杠；4-聯(lián)軸器；5、9-螺釘；6-炭刷滑環(huán)總成；7-減速器10-轉(zhuǎn)盤；11-軸承；12-液壓馬達；13-卡盤；14-脹緊螺釘；15-轉(zhuǎn)臂圖3-1是修復(fù)法蘭密封槽加工裝置的結(jié)構(gòu)圖，該裝置

17、脹緊所加工法蘭孔中或法蘭外壁，液壓馬達驅(qū)動轉(zhuǎn)臂進行旋轉(zhuǎn)（主運動），轉(zhuǎn)臂上安裝有十字滑臺拖動刀架，使刀具向X、Z兩方向運動，兩運動各由一臺步進電機驅(qū)動。X、Z坐標的聯(lián)動形成法蘭密封槽接觸表面。該結(jié)構(gòu)的基本組成有：液壓馬達12與卡盤13固定連接，卡盤13通過脹緊螺釘14固定在所加工的法蘭孔中，液壓馬達12的輸出端連接著轉(zhuǎn)盤10，轉(zhuǎn)盤由滾動軸承11定位于卡盤13的孔中，轉(zhuǎn)臂15通過螺釘9連接在轉(zhuǎn)盤10上，從而形成主運動傳動系統(tǒng)。在轉(zhuǎn)臂上安裝有聯(lián)動運動數(shù)字控制系統(tǒng)，步進電機2帶動絲杠16旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具進行平行法蘭軸線的Z方向進給運動；步進電機8經(jīng)減速器7帶動絲杠3旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動刀具進行平行法蘭面的X方向進

18、給運動。這兩臺數(shù)字控制電機的控制總線將由炭刷滑環(huán)總成6引出。這種結(jié)構(gòu)形式簡單，使用安全可靠，兩臺數(shù)字控制電機選用步進電機，而且采用較低供電電壓。平行法蘭軸線進給傳動鏈和平行法蘭端面進給傳動鏈均采用絲杠傳遞位移和力的傳動方式，Z方向進給裝置的吃刀量和X方向進給裝置的徑向位移量決定了絲杠的結(jié)構(gòu)參數(shù)，兩者對于絲杠參數(shù)的設(shè)計原理相同，所以絲杠結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定是此設(shè)計部分的關(guān)鍵。3.2 傳動絲杠參數(shù)設(shè)計3.2.1 滾珠螺母絲杠的動載荷計算進給傳動系統(tǒng)的軸向負載實質(zhì)即為滾珠絲杠螺母副所受的軸向力。它主要由兩部分組成：一部分是主切削力在該方向上的分力，另一部分是各軸導(dǎo)軌所受的摩擦力1。1、切削力的計算對于不同

19、切削方式，計算主切削力有不同的方法，比如根據(jù)電機切削功率計算、根據(jù)切削用量計算、根據(jù)經(jīng)驗公式計算等。本設(shè)計主要根據(jù)主電機切削功率計算主切削力。已知液壓站電機額定功率5.5KW，轉(zhuǎn)速為90r/min，加工最大接管法蘭密封槽直徑為1000mm,在此條件下，刀具的切削速度計算： （3-1）取機床主傳動系統(tǒng)的傳動效率=0.8，液壓馬達工作效率為=0.7，則機床的主切削力計算1： （3-2）走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力4計算：=0.25=0.25×653.93=163.48N （3-3）=0.4=0.4×653.93=261.57N （3-4）2、導(dǎo)軌摩擦力的計算即計算

20、導(dǎo)軌在切削狀態(tài)下所受摩擦力。由分析知，導(dǎo)軌受到垂直方向切削分力=653.93N,橫向切削分力=163.48N,移動構(gòu)件的全部質(zhì)量為20kg，換算成重力約為196N，通過查表【1】知鑲條堅固力=75N，取導(dǎo)軌滑動摩擦系數(shù)=0.15，則導(dǎo)軌摩擦力為1： (3-5) 導(dǎo)軌在不切削狀態(tài)下所受摩擦力和計算： (3-6)3、滾珠螺母絲杠螺母傳動副的軸向負載計算最小軸向負載計算=40.65N最大軸向負載計算=+=261.57+163.26=424.83N (3-7)4、確定進給傳動鏈的傳動比及傳動級數(shù)由受力分析再從穩(wěn)定性及剛性角度出發(fā)，選取螺母絲杠基本導(dǎo)程=5mm，并取步進電機的步距角，端面移動脈沖當(dāng)量為m

21、m/脈沖4，則傳動比為： (3-8)查閱相關(guān)手冊3，選用XB2-50型減速器。5、滾珠螺母絲杠動載荷計算已知該機床的預(yù)期工作時間=20000h，螺母絲杠的當(dāng)量載荷=424.83N，經(jīng)查表知載荷系數(shù)；初步選擇滾珠螺母絲杠精度等級為2級，選取精度等級系數(shù)；經(jīng)查表知4，其可靠性系數(shù)，取螺母絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速=即為最大切削進給速度時的轉(zhuǎn)速，而由設(shè)計參數(shù)可得，最大切削進給速度為=100mm/min，則當(dāng)量轉(zhuǎn)速為：r/min （3-9）額定動載荷的計算1：N （3-10）3.2.2 滾珠螺母絲杠參數(shù)計算3.2.2.1 絲杠最小螺紋底徑計算所設(shè)計數(shù)控機床進給系統(tǒng)的定位精度為20m,重復(fù)定位精度為8m，因此可估算

22、出允許螺母絲杠的軸向最大變形1： （3-11） （3-12）取上述計算結(jié)果中較小的數(shù)值，即因所加工法蘭直徑為變量，為實現(xiàn)這種變直徑法蘭密封槽的修復(fù)加工，端面進給移動位移，為最大法蘭加工半徑，為最小法蘭加工半徑，同時兼顧到安裝維修方便，端面進給留有一定的位移余量，取=50mm,因此取橫向工作長度取=350mm。 滾珠螺母絲杠的最小螺紋底徑計算1： （3-13）3.2.2.2絲杠其他參數(shù)計算由以上計算所得到的相關(guān)參數(shù)以及結(jié)構(gòu)需要，選取絲杠外徑D=23mm，旋合圈數(shù)Z=10，其他參數(shù)計算如下：螺紋工作高度=0.5P=0.5=2.5；螺母高度H=Z·P=50mm；螺桿中徑；螺桿小徑；驅(qū)動轉(zhuǎn)矩

23、T=5000N·mm；當(dāng)量摩擦角： （3-14）螺紋導(dǎo)程角： （3-15）其中，為螺母高度系數(shù)，為螺母導(dǎo)程。3.3 傳動絲杠性能校核3.3.1 滾珠螺母絲杠承載能力校核3.3.1.1 滾珠螺母絲杠臨界壓縮載荷校核經(jīng)計算確定螺母絲杠的螺紋小徑，又已知滾珠螺母絲杠的最大受壓長度，螺母絲杠水平安裝，取，經(jīng)查表知1，則絲杠臨界壓縮載荷計算： （3-16）由前面計算得到的螺母絲杠的最大軸向負載力為424.83N,其值遠遠小于臨界壓縮載荷的值，即所設(shè)計滿足實際要求。2.3.1.2滾珠螺母絲杠臨界轉(zhuǎn)速校核已知絲杠彈性模量，密度，重力加速度，所設(shè)計螺母絲杠傳動副臨界轉(zhuǎn)速計算長度。則有滾珠螺母絲杠最小

24、慣性矩為1： （3-17）滾珠螺母絲杠最小截面積為1： （3-18）取，查表可得1： ，將上述參數(shù)代入公式可得： （3-19） 而要求數(shù)控機床絲杠副最高轉(zhuǎn)速20r/min，數(shù)值遠小于臨界轉(zhuǎn)速，故滿足設(shè)計要求。3.3.1.3滾珠螺母絲杠額定壽命校核通過前面計算已知滾珠絲杠額定動載荷，軸向動載荷，滾珠絲杠副最高轉(zhuǎn)速為20r/min，運轉(zhuǎn)條件系數(shù)，則有 （3-20） （3-21）由上述計算可知，所設(shè)計數(shù)控機床螺母絲杠額定壽命恰與設(shè)計壽命相等即為20000h，故滿足設(shè)計要求。3.3.2 滾珠螺母絲杠剛度校核絲杠的拉壓剛度計算： （3-22）式（3-22）中，螺母絲杠螺母中心到固定端支承中心的距離為=2

25、80mm，此時可計算出滾珠螺母絲杠最小拉壓剛度。式（3-22）中，螺母絲杠螺母中心到固定端支承中心的距離為=130mm，此時可計算出滾珠螺母絲杠最大拉壓剛度。由上述計算知，顯然所設(shè)計機床剛度滿足使用要求。3.3.3 滾珠螺母絲杠強度校核螺母絲桿所受純扭矩計算1： （3-23）式（3-23）中，為抗扭截面模量，許用扭矩切應(yīng)力，即，故滿足強度要求。3.3.4 滾珠螺母絲杠穩(wěn)定性校核絲杠實際工作長度 （3-24）長徑比 （3-25）臨界載荷 （3-26），故滿足穩(wěn)定性要求。式（3-26）中，螺桿小徑； L螺桿最大工作長度； I螺桿截面慣性矩； E螺桿材料彈性模量。長度系數(shù)；3.4 機床轉(zhuǎn)臂設(shè)計 轉(zhuǎn)臂

26、是機床的重要組成部分，除液壓馬達何其連接的固定盤外，其他安裝在法蘭上的構(gòu)件均為傳動部分，其主體為轉(zhuǎn)臂，它是整個旋轉(zhuǎn)部分的承載體，機床主要零部件都安裝在轉(zhuǎn)臂上并隨之一起轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)臂毛坯選擇鑄造形式，材料為HT300，為了增加強度和穩(wěn)定性，轉(zhuǎn)臂鑄料有加強肋板，因為整個轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)時，機床總重量不平衡，致使機床運轉(zhuǎn)不平穩(wěn)，影響加工質(zhì)量，故設(shè)計時要考慮到機床的動平衡問題。機床運轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)臂繞法蘭軸線轉(zhuǎn)動，同時刀架沿著轉(zhuǎn)臂水平移動，產(chǎn)生了動不平衡問題。為了解決此問題，本設(shè)計采用配重方法消除其影響。第4章 驅(qū)動模塊設(shè)計 所設(shè)計數(shù)控機床通過卡盤上脹緊螺釘固定在法蘭上，考慮不可能有很強的穩(wěn)定性，其吃刀量、走刀速度、切

27、削寬度不宜過大，機床體積較小、重量輕。驅(qū)動模塊作如下設(shè)計：1.主運動。刀架繞法蘭軸線轉(zhuǎn)動，要求機床驅(qū)動件、傳動鏈尺寸小，傳動力大，走刀速度可調(diào)節(jié)。選用液壓馬達進行驅(qū)動。2.X方向進給運動。對法蘭端面進行修復(fù)時，可由步進電機1驅(qū)動刀架沿法蘭面徑向進給運動。3.Z方向進給運動。切直槽時，可由步進電機2驅(qū)動刀具沿法蘭軸方向進給運動。4.雙23°梯形槽斜面進給運動。由刀具沿X方向的徑向運動和沿Z方向的軸向運動合成實現(xiàn)，即同時啟動兩臺步進電機聯(lián)合驅(qū)動。4.1 主運動驅(qū)動模塊設(shè)計4.1.1 密封槽數(shù)控機床液壓驅(qū)動原理密封槽數(shù)控機床主運動是繞被加工法蘭孔軸線的轉(zhuǎn)動，用液壓馬達來驅(qū)動，馬達輸出軸連接

28、著轉(zhuǎn)盤，轉(zhuǎn)盤又通過螺釘固連轉(zhuǎn)臂，形成主運動回轉(zhuǎn)系統(tǒng)。其優(yōu)點有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、緊湊，避免復(fù)雜的傳動系統(tǒng)帶來的體積較大等缺點。密封槽數(shù)控機床液壓原理如圖3-1所示，其基本回路由電機、液壓泵、液壓馬達、三位四通電磁換向閥、兩位兩通電磁閥、節(jié)流閥、溢流閥、軟油管等組成?？赏ㄟ^三位四通電磁換向閥進行液壓馬達的起?？刂?，通過溢流閥進行背壓控制，通過節(jié)流閥進行流量調(diào)節(jié)控制。要求機床主運動即轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)速度在：1075r/min,為了保證安全，在緊急狀況下可使機床停機，在安裝機床時要求轉(zhuǎn)臂卡死，避免轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動傷人，在調(diào)試刀具位置時，又能使轉(zhuǎn)臂松動，操作人員能夠轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)臂調(diào)試。因此設(shè)置液壓馬達的啟?？刂?、流量調(diào)節(jié)控制、

29、背壓控制，而且設(shè)有管路回油功能。在液壓馬達兩端并聯(lián)一個兩位四通電磁閥形成一個可以進行松臂控制的回路，此回路又通過一個兩位四通電磁閥與油箱相連，使得軟油管中的油流回油箱，實現(xiàn)管路回油功能。在基本回路中又連接一個溢流閥，可對整個液壓系統(tǒng)進行壓力調(diào)節(jié)。系統(tǒng)輔助裝置設(shè)置了壓力表、濾油器。在每次啟動液壓泵電機時，先關(guān)閉節(jié)流閥，打開溢流閥。轉(zhuǎn)臂開關(guān)轉(zhuǎn)到旋轉(zhuǎn)位，調(diào)節(jié)溢流閥，使壓力表指針指向6MPa左右。調(diào)節(jié)節(jié)流閥使轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)，讓轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)速度調(diào)節(jié)到加工所需轉(zhuǎn)速。機床工作時，轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)速度由節(jié)流閥調(diào)定，走刀速度由步進電機脈沖頻率設(shè)定，每一轉(zhuǎn)的走刀量必須由操作人員觀察轉(zhuǎn)臂實際轉(zhuǎn)速，再通過換算來設(shè)定步進電機的脈沖頻率。

30、 圖4-1 機床液壓系統(tǒng)原理圖4.1.2 主要液壓元件的選擇與動作所設(shè)計機床液壓元件間連接方式采用集成塊式，這樣便于設(shè)計、制造、維修。所選主要液壓元件見表4-111。在一次完整動作循環(huán)中，電磁鐵動作組合見表4-211。序號名稱型號性能參數(shù)備注1液壓泵CBF-E1815MPa 25l/min2液壓馬達ZQM2Z-0.6316MPa 169r/min3電機90889JB/T1039120024兩位四通閥24D0-B10H-T30l/min5三位四通閥34DM-B10H-T6節(jié)流閥LF-L5-107單向閥DF-b10K-22135MPa108溢流閥YF-B10H表4-1 液壓系統(tǒng)主要元件明細表電磁閥

31、轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)切轉(zhuǎn)臂鎖定轉(zhuǎn)臂手動旋轉(zhuǎn)軟油管放油1zt-+2zt-+3zt+-表4-2 液壓閥動作組合注：“+”表示電磁閥通電；“-”表示電磁閥斷電。液壓系統(tǒng)工作原理：當(dāng)三個電磁閥均未通電時，轉(zhuǎn)臂鎖緊。當(dāng)松臂控制的兩位四通電磁閥通電時，可手動控制轉(zhuǎn)臂，這時油路為：管道中油液軟油管液壓馬達軟油管兩位兩通電磁閥液壓馬達。當(dāng)只有三位四通電磁閥通電時，轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)切削，這時的油路為：液壓泵三位四通電磁閥軟油管液壓馬達軟油管節(jié)流閥溢流閥三位四通閥油箱。當(dāng)兩個兩位四通電磁閥均通電時，軟油管放油，這時油路為：管道中油液軟油管液壓馬達軟油管松臂控制兩位兩通電磁閥放油控制兩位四通電磁閥油箱。4.2 進給運動驅(qū)動模塊設(shè)計密封

32、槽數(shù)控數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)采用兩坐標分離傳動方式，轉(zhuǎn)臂上安裝有兩坐標聯(lián)合運動的數(shù)字控制進給系統(tǒng)，如圖3-1步進電機8經(jīng)減速器帶動螺母絲杠旋轉(zhuǎn)，使刀具進行X方向進給運動；步進電機2直接驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動，使刀具作Z方向進給運動。要求電機運行平穩(wěn)、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、運動精度高等性能。4.2.1 步進電機的選擇4.2.1.1計算折算到步進電機軸上的負載慣量滾珠螺母絲杠的轉(zhuǎn)動慣量計算1：（4-1） 式（4-1）中：絲杠密度，；D絲杠不同軸徑段直徑；L相應(yīng)周末徑對應(yīng)軸長度，單位cm；法蘭端面進給驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動慣量；平行法蘭軸線進給驅(qū)動絲杠轉(zhuǎn)動慣量。折算到絲杠軸上移動部件的轉(zhuǎn)動慣量的計算1： （4-2）式（4-2）中

33、：、刀架體和刀具夾頭質(zhì)量； 、兩絲杠導(dǎo)程。由上述計算所得結(jié)果，則折算到兩步進電機軸上的負載慣量1： （4-3）4.2.1.2計算折算到步進電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩前面計算可知切削狀態(tài)下軸向負載力=424.83N，絲杠轉(zhuǎn)一周，機床執(zhí)行構(gòu)件軸向移動距離、分別為5mm和3mm,進給系統(tǒng)傳動比分別為25和1，進給傳動系統(tǒng)的總效率為0.85，可得1： （4-4）折算到步進電機軸上的摩擦負載轉(zhuǎn)矩計算：在不切削狀態(tài)下軸向負載力即空載時導(dǎo)軌摩擦力=40.65N，則有：由絲杠預(yù)緊力產(chǎn)生的并折算到步進電機軸上的附加負載轉(zhuǎn)矩計算：根據(jù)預(yù)緊力經(jīng)驗公式1得=424.83×1/3=141.61N，取滾珠螺母絲杠螺母傳

34、動效率為0.94。則其轉(zhuǎn)矩為： （4-5）根據(jù)上述計算結(jié)果，則折算到步進電機軸上的負載轉(zhuǎn)矩：空載時， （4-6） 切削時， 根據(jù)所得數(shù)據(jù)，結(jié)合步進電機實際使用情況，選擇三相混合式步進電機，其型號為86BYG250A,用于平行法蘭軸線的進給絲杠的驅(qū)動；86BYG250B，用于法蘭端面進給絲杠的驅(qū)動。電氣技術(shù)參數(shù)如表3-3，其技術(shù)參數(shù)如下3。環(huán)境溫度：-25+40；絕緣電阻：500V DC 100M Min；軸向間隙：0.10.3mm；徑向跳動：0.025Max；溫升：85 Max；絕緣強度：B；保持轉(zhuǎn)矩：5.0N·m；定位轉(zhuǎn)矩：0.2N·m；配套驅(qū)動器分別為：SH-2H090

35、M、SH-2H090MH。表4-3 步進電機電氣技術(shù)參數(shù)電機型號相數(shù)步距角相電流驅(qū)動電壓最大靜轉(zhuǎn)矩相電阻轉(zhuǎn)動慣量重量空載啟動頻率/轉(zhuǎn)速86BYG250A21.8°5.0AAC40V1.2N·m0.30.64 kg·1.53kg4.8kHz288r/min86BYG250B21.8°5.0AAC40V/60V2.4N·m0.51.3 kg·2.55kg4.6kHz276r/min4.2.2 步進電機性能校核4.2.2.1 折算到步進電機軸上的加速轉(zhuǎn)矩由表4-3所列步進電機相關(guān)參數(shù)和上述計算結(jié)果，對于開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時間=0.5s，機

36、床以最快速度運時，電機最高轉(zhuǎn)速為=90r/min，可得： （4-7）式（4-7）中：、步進電機轉(zhuǎn)動慣量； 、法蘭端面進給傳動鏈和平行法蘭軸線進給傳動鏈傳動比。4.2.2.2 折算到步進電機軸上的空載啟動轉(zhuǎn)矩 （4-8） （4-9）4.2.2.3 最大靜轉(zhuǎn)矩計算由表4-4所給機械傳動系統(tǒng)空載啟動轉(zhuǎn)矩與所需步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系?？傻?，計算可得：；。步進電機相數(shù)3456運行拍數(shù)3648510612/0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866表4-4 機械系統(tǒng)空載啟動力矩與所需步進電機最大靜力矩關(guān)系8根據(jù)機械傳動系統(tǒng)切削加工時的轉(zhuǎn)矩與所需步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系可

37、知：，由此可得：；。比較計算結(jié)果，取其中較大值，則,即兩者均小于所選步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩，固本電機可在規(guī)定條件下完成正常啟動，滿足工作要求。第5章 控制模塊設(shè)計5.1 控制系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1.1 控制系統(tǒng)基本功能1. 液壓系統(tǒng)控制：通過控制液壓馬達的正反旋轉(zhuǎn)、電磁閥的通斷電，進而實現(xiàn)機床轉(zhuǎn)臂主運動。2. 步進電機控制：通過控制器直接控制兩臺步進電機正反旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)刀具進給運動。3. 進給運動操作及狀態(tài)顯示控制：通過手提式遠程操作顯示盒設(shè)定進給量、走到速度、啟停控制以及顯示進給運動狀態(tài)。5.1.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計 密封槽數(shù)控機床控制結(jié)構(gòu)圖如圖5-1所示，其中，電柜控制及顯示面板、控制器、

38、繼電器接觸器組、驅(qū)動器1、驅(qū)動器2組成電柜，液壓臺、機床、手提式遠程操作盒各為一體，液壓臺、機床之間通過20m雙端拆卸軟油管連接，其余部件用電纜連接。組成部分有：1. 液壓控制系統(tǒng)：通過遠程操作顯示盒并行控制和用電柜控制及顯示面板直接控制。2. 步進電機控制：用控制器經(jīng)步進電機驅(qū)動器分別控制步進電機1、2、3. 進給運動操作及狀態(tài)顯示：用手提式遠程操作顯示盒設(shè)定進給量、走刀速度、進給啟?？刂埔约斑M給運動狀態(tài)顯示。電柜控制及顯示面板控制器繼電器接觸器組機床步進電機驅(qū)動器1步進電機驅(qū)動器2手提遠程操作顯示盒液壓臺軟油管液壓馬達碳刷滑環(huán)總成圖 5-1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5.2 控制方案設(shè)計5.2.1 控

39、制器的選擇密封槽數(shù)控機床控制系統(tǒng)控制器選擇可編程控制器即PLC，所設(shè)計機床控制所需I/O點數(shù)并不多且是簡單的數(shù)字邏輯量輸入輸出，沒有現(xiàn)場總線控制要求，因此選用小型的PLC為控制系統(tǒng)基本上就能滿足現(xiàn)場控制要求。所選PLC系統(tǒng)除了順序動作控制外還必須具備連接位置控制模塊的功能。FX系列PLC的基本控制單元為了適應(yīng)不同情況下的使用要求，有16、32、48、64、80、128點I/O幾種規(guī)格。實際設(shè)計中為了保證I/O點數(shù)在使用基礎(chǔ)上有一定備用量，我們最終選用FX2N-32MT型PLC，其技術(shù)參數(shù)見表5-15。表5-1 FX2N-32MT的基本參數(shù)CPU性能輸入量16路輸出量16路運算方式存儲程序，反復(fù)

40、運算輸入輸出方式批處理，輸入輸出指令運算處理速度基本指令0.08m/指令應(yīng)用指令1.52數(shù)百m/指令程序語言邏輯梯形圖和指令表，可以用步進梯形指令來生成順序控制指令程序容量內(nèi)置8000步EEPROM，適用附加存儲器盒可擴展到1600步I/O設(shè)置硬件配置最多256點，與用戶選擇有關(guān)，軟件可設(shè)輸入輸出各256點指令數(shù)基本指令、步進指令基本（順序）指令26條，進步指令2條應(yīng)用指令128條輔助繼電器通用繼電器500點，M0-M499鎖存繼電器2471點，M500-M3072特殊繼電器256點，M8000-M8255狀態(tài)繼電器初始化狀態(tài)繼電器10點，S0-S9通用狀態(tài)繼電器490點，S10-S499鎖存

41、狀態(tài)繼電器400點，S500-S899信號報警器100點，S900-S999定時器100ms定時器200點，T0-T19910ms定時器46點，T200-T1991ms積算定時器4點，T246-T249100ms積算定時器6點，T250-T255計數(shù)器16位通用加計數(shù)器16位100點，C0-C9916位鎖存加計數(shù)器16位100點,C100-C19932位通用加減計數(shù)器32位20點，C200-C21932位鎖存加減計數(shù)器32位15點，C220-C234高數(shù)計數(shù)器1相無啟動復(fù)位輸入6點，C235-C2401相帶啟動復(fù)位輸入5點，C241-C2452相雙向高數(shù)計數(shù)器5點，C246-C250A/B相高

42、數(shù)計數(shù)器5點，C251-C255數(shù)據(jù)寄存器通用數(shù)據(jù)寄存器16位200點，D0-D199鎖存數(shù)據(jù)寄存器16位200點，D0-D199文件寄存器7000點，D1000-D7999特殊寄存器16位256點，D8000-D8255變址寄存器16位16點，V0-V7，Z0-Z7跳步指針跳步和子程序調(diào)用128點，P0-P127輸入特性輸入電壓DC 24V原件號DC 24V輸入電流X0-X7其他輸入點輸入時間DC 25V,8mADC 25V,6mA可調(diào)輸入時間X0-X8為0-65ms輸出特性外部電源DC 5-30V最大負載電阻負載0.5A/1點，0.8A/COM感性負載12W，DC 24V燈負載1.5W，D

43、C 24V響應(yīng)時間0.3ms；5s（僅Y0、Y1）斷路漏電流0.2mA/DC 30V電路隔離光耦合隔離器5.2.2 位置控制模塊選擇為了能有效地控制機械運動，也為了通訊連接及系統(tǒng)組建方便，與PLC連接的位置控制模塊最終選用FX-20GM型。FX-20GM是可實現(xiàn)雙軸獨立插補或獨立運動的雙軸獨立控制模塊5。本機床兩步進電機需要進行直線和圓弧插補，因此選擇FX-20GM作為位置控制模塊。FX-20GM單軸最大輸出頻率可達200kHz，兩軸插補最大輸出頻率可達100kHz。該控制系統(tǒng)采用兩軸脈沖輸出模塊分別控制X、Z軸的進給。針對加工運動控制特點，該模塊具有比較完善的運動軌跡設(shè)定功能，可通過*、!、

44、+等指令可設(shè)定各種軌跡參數(shù)。FX-20GM還備有常用輸入控制，如正向、反向限位開關(guān)、7/.、8.（近點信號）等。5.2.3控制系統(tǒng)組成及流程由修復(fù)法蘭機械加工裝置的工藝控制要求，組成如圖5-2所示控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)包括控制器、一個兩軸定位脈沖輸出模塊FX2N-20GM、兩個步進電機驅(qū)動器、執(zhí)行元件即兩臺步進電機和油泵電機及電磁閥、控按鈕指示燈和觸摸屏六部分組成。控制器最終采用三菱FX2N-32MT的PLC，他通過擴展電纜與一個兩軸定位脈沖輸出模塊FX2N-20GM相連。機床通過電磁閥對液壓馬達控制，使液壓馬達驅(qū)動轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)；FX2N-20GM與PLC通過指令進行數(shù)據(jù)交換，輸出脈沖對電機驅(qū)動器進

45、行控制，再驅(qū)動相應(yīng)步進電機在轉(zhuǎn)臂上位移，進而控制加工修復(fù)法蘭密封槽機械加工裝置按工藝要求動作。手持式遠程操顯示平臺的觸摸屏直接與PLC通過通信口通信，平臺操作按鈕及開關(guān)由PLC的輸入口輸入，可通過觸摸屏對系統(tǒng)運動參數(shù)設(shè)置和各項操作功能的選擇。機床控制流程圖表達了對機床操作的動作順序及控制加工的過程?？刂屏鞒虉D如圖5-3所示。觸摸屏按鈕指示燈FX2N-32MT PLC油泵電機電磁閥FX2N-20GM兩軸定位模塊步進電機驅(qū)動器1步進電機驅(qū)動器2X軸步進電機Y軸步進電機圖5-2 控制系統(tǒng)組成總啟動 刀架位置調(diào)整調(diào)整好裝卡道具轉(zhuǎn)臂松刀具裝卡好轉(zhuǎn)臂旋轉(zhuǎn)輸入切削速度輸入切削量啟動步進電機完成NNY圖5-3

46、 控制系統(tǒng)流程圖5.2.4 人機界面操作顯示器選擇為了方便對系統(tǒng)的設(shè)置調(diào)整及狀態(tài)監(jiān)控，本設(shè)計需要一個能與操作人員進行溝通的界面，這樣既能接受外界的輸入信號又可顯示整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)?？紤]保持整個控制系統(tǒng)的兼容性和操作維修方便，我們優(yōu)先考慮三菱GOT系列人機界面。GOT900系列操作終端作為三菱公司開發(fā)的一種操作監(jiān)控界面，具有優(yōu)越的性能，可直接在屏幕上進行開關(guān)操作，信息狀態(tài)顯示、數(shù)據(jù)顯示等一些操作2。5.3 控制電路設(shè)計5.3.1 液壓系統(tǒng)控制電路液壓系統(tǒng)分為液壓馬達的控制和液壓電磁閥的控制兩部分11。其電路圖如圖5-4、5-5所示。圖5-4 液壓馬達驅(qū)動電機的控制電路圖圖5-5 液壓電磁閥控制

47、電路圖5.3.2 PLC控制電路以PLC為主體的控制器電路，其核心部分為FX2N-32MT，他通過擴展電纜與一個特殊功能模塊FX2N-20GM相連，F(xiàn)X2N-20GM操縱兩臺驅(qū)動器，再分別驅(qū)動兩臺三相步進電機，從而實現(xiàn)直線、圓弧插補功能，完成密封槽加工所需的徑向和軸向進給。PLC控制電路簡圖如圖5-6所示，其中，X1和X2是轉(zhuǎn)臂控制鍵，X3、X4是步進電機正反轉(zhuǎn)控制鍵，Y3、Y4、Y5、Y6是控制液壓繼電器。通過手提操作盒傳輸數(shù)據(jù)和指令。 圖5-6 PLC控制簡圖5.3.3 密封槽數(shù)控機床電路密封槽數(shù)控機床電路圖及控制系統(tǒng)原件布置圖另附圖紙。5.4 手提操作盒設(shè)計基于加工條件特殊，人工操作機床不方便，設(shè)計了手提操作盒來操作機床。手提操作盒外觀設(shè)計如圖5-7所示?？紤]PLC和顯示屏對本機床的控制特點，擬采用三菱的F920GOT-BBD5-K-C型顯示屏14。顯示屏7暫停轉(zhuǎn)臂停轉(zhuǎn)臂正常正反步進電機操作功能鍵數(shù)字鍵其它鍵圖5-7 手提操作盒外觀圖結(jié)論目前我國修復(fù)加工法蘭面密封槽的基本方法是離線修復(fù)，這一方