两轴实验型数控系统的总设计(PLC控制系统)

摘  要
论文介绍了两轴实验型数控系统的设计。通过对各种实验型设备的调研，了解到现阶段我国用于实验型设备的数控系统设备的台套种类、数量与学生规模反差较大的现况，设备落后，加之由于各种客观和主观的原因，全国大专院校机电类学生工程实践能力普遍较差，其动手能力与理论更是难结合在一起，严重影响到实训、培训效果。
主要成果是：⑴本设计对已有的设备进行分析，结合实际教学要求，进行各零部件的设计计算，并最终进行校核。该设备可主要应用于高校及职业技术学校中相关专业的数控教学，它具有体积小、价格低、功能完善、安全系数高、性能优越等系列优点；⑵在设计过程中，同时进行了电器方面的改进，主要应用PLC进行控制，引入了数控部分，采用步进电动机，齿轮变速机构，安装了变频器、步进驱动器等设备。通过弱电控制强电，计算机数字化控制电路，并成功地实现了工作要求，使其具有能控制各进给方向电动机启停、正反转、变频调速、两轴联动等功能。在机械部分设计过程中，尽量考虑节约成本和可互换性，在保证X、Y进给选用相同的步进电机、滚珠丝杠等零部件。
关键词：数控铣床，两坐标，实验

课题的意义
通过对实验型两轴数控系统的设计，要求学生能够综合运用所学过的数控技术、微机原理与接口技术、软件程序设计、工艺等知识，掌握数控机床机械结构设计计算及控制系统的设计开发过程。重点掌握步进电机驱动、控制系统的设计开发过程，机床工作台及其相应的夹具及机床配件设计。为毕业后从事机械电子设备的研制和使用打下良好的基础。
 
数控系统总体方案的设计
主要包括以下几个方面：
（1）　运动功能设计。包括确定机床所需运动的个数、形式（直线运动、回转运动）、功能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序，最后画出机床的运动功能图。
（2）　基本参数设计。包括尺寸参数、运动参数和动力参数设计。
（3）　传动系统设计。包括传动方式、传动原理图及传动系统图设计。
（4）　总体结构布局设计。包括运动功能分配、总体布局机构形式及总体结构方案图设计。
（5）　控制系统设计。包括控制方式及控制原理、控制系统图设计。
根据前面所提到的数控机床应满足的基本要求就可以进行总体设计。在各项基本要求中以工艺要求最为重要。由工艺要求决定机床所需要的运动。完成每个运动又有相应的功能部件。这就可以确定各部件的相对运动和相对位置关系。机床的总体布局也就可以大体确定下来。
因此，总体方案设计是一项全局性的设计工作，直接影响机床产品的结构、性能、工艺和成本，关系到产品的技术水平和市场竞争能力。

两轴实验型数控系统的方案拟定
对教学试验型微型数控铣床的设计，一方面，要求其功能完善、结构开放，具有与一般生产型数控铣床一样的工作原理和工作性能；另一方面，要求其体积小、价格低，有利于此类铣床的普及推广。所以本课题的设计主要是两个方面：其一：机械结构的设计；其二：控制系统的设计。这里有两个方案：
方案一、采用减速箱，并对滚珠丝杠进行两端支撑；
减速箱采用圆注齿轮变速，这种方案可以通过增加减速箱，达到：1.增大转动扭矩；2.提高脉冲当量；3.匹配惯量。对滚珠丝杠进行两端支撑，可以尽量减少由于一端支撑，可能产生的弯曲，减少误差，提高精度。
方案二、直接采用套筒式联轴器连接步进电动机和滚珠丝杠，对滚珠丝杠进行一端支撑，该设计结构简单。

方案的比较与选择
方案一、由于切削石蜡、塑料等材料，根据计算切削力较小，选用步进电机，脉冲当量为2mm/min，采用减速向变速，传动比选用1.25，通过计算可以提高脉冲当量为1.02mm/min。对滚珠丝杠采用两端支撑，可以提高滚珠丝杠的刚度，提高滚珠丝杠寿命。
方案二、直接采用套同式联轴器联接电动机轴和滚珠丝杠，精度不高，电机功率太小，直接带动滚珠丝杠在长时间工作时，对步进电机损耗较大。采用一端支撑，会导致滚珠丝杠产生挠度，影响滚珠丝杠的刚度，从而影响其寿命。
根据实际工作要求，考虑其工作寿命，最终选择第一种方案：采用减速箱，并对滚珠丝杠采用两端支撑。

两轴实验型数控系统的方案确定
教学试验型微型数控铣床的总体长为300mm，宽为180mm，高为400mm，工作台宽度180mm，长180mm。可以实现X轴、Y轴和Z轴三坐标联动。X轴、Y轴的进给是通过电机带动丝杠，丝杠又与螺母传动来实现。电机与丝杠的连接可以通过销钉来达到。在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做水平移动，从而带动工作台运动。Z轴的进给也是通过电机带动丝杠，丝杠又与Z轴螺母传动来实现。主轴套与Z轴螺母相连，在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做上下移动，从而带动主轴做上下运动。
控制系统部分：通过采用三菱公司的FX2N系列单片微机构成的控制系统来实现对步进电机的启停、正反转、两轴联动和变频调速的控制，从而实现加工过程的自动控制。其中重点是确定硬件电路的总体方案和软件设计，主要有：存储器扩展电路设计，输入输出接口电路设计，步进电机接口和驱动电路（光电隔离电路，功率放大电路），其他辅助电路（时钟电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等等），流程图的绘制和程序的书写。

目  录   16000字
第一章 引  言    1
1.1 课题的背景    1
1.2 课题的意义    2
第二章  两轴实验型数控系统的总体设计    3
2.1 数控系统总体方案的设计    3
2.2 两轴实验型数控系统的方案拟定    3
2.３ 方案的比较与选择    3
2.4 两轴实验型数控系统的方案确定    4
第三章  机械部件的计算和选择    6
3.1电动机的选择    6
3.2   轴承的选择    9
3.3  导轨的选择    10
3.4滚珠丝杠的选择    12
3.5  联轴器的选择    17
3.6  传动装置的选择    18
第四章  控制系统    20
4.1 PLC控制系统    20
4.2 步进电机驱动器的选择    21
4.3 变频器的选择    22
4.3.1 外部结构    22
4.3.2 运行方式    24
4.4 定位模块的选择    24
4.5继电器的选择    25
4.6 其它辅助电路的选择    25
4.6.1越程报警电路    25
4.6.2 掉电保护电路    25
第五章  总结    27
第六章  致谢及声明    28
参考文献    29