数控车床液压系统设计

数控车床液压系统设计（精选十篇）

数控车床液压系统设计 篇1

1 数控车床液压系统结构组成

数控车床液压系统主要由OPTION液压回路、尾架顶紧和松开回路、刀塔锁紧和换位回路、卡盘松开和夹紧回路等部分组成, 如图1所示。其设有空气滤清器、进油滤油器, 用于数控车床油液的清洁, 减少回转液压缸的磨损, 延长数控车床的使用期限。为了降低数控车床的功耗, 根据其运行要求, 利用变量叶片泵进行供油, 在液压泵出口位置设置单向阀, 避免数控车床外负载过大或者突然断电造成液压油倒流。

2 数控车床液压系统设计

2.1 选择合适的液压泵

2.1.1 液压泵最大工作压力Pp

液压泵最大工作压力Pp的计算公式为:

式 (1) 中:P1为液压马达或者液压缸最大工作压力;∑ΔP为从液压马达或者液压缸到液压泵出口之间的管路损失。

根据数控车床液压系统管路图准确计算元件, 对于液压系统设置有调速阀的, ∑ΔP= (0.5~1.5) MPa;对于流速小、管路简单的液压系统, ∑ΔP= (0.2~0.5) MPa。

2.1.2 液压泵流量Qp

当数控车床液压马达或者多个液压缸同时工作时, 液压泵输出流量Qp:

式 (2) 中:K为液压系统泄漏系数, 取1.1~1.4;∑qmax为液压马达或液压缸同时动作的最大总流量, 对于采用节流调速的液压系统, 应合理设置溢流阀最小溢流量, 通常情况下取5×10-5m3/s。

液压系统采用蓄能器作为动力源, 有如下公式:

式 (3) 中:K为液压系统泄漏系数, 取K=1.2;Z为液压马达或者液压缸的个数;Vi为液压马达或者液压缸的工作周期以内的总耗油量, m2;Tt为液压设备工作周期, s。

2.2 液压阀选择

结合数控车床液压系统的实际液压阀最大流量和工作压力, 选择标准的液压阀件;根据液压泵最大流量, 选择溢流阀;结合数控车床液压系统的最小稳定流量, 选择合适的调速阀和节流阀, 满足数控车床的最低稳定速度运行要求。

2.3 液压回路设计

数控车床液压系统采用恒流供油方式, 根据机械设计手册, 液压系统缩回速度设置为15.8 mm/s, 伸出速度设置为10 mm/s。为了确保液压系统在运行过程中能够按照数控车床设计要求的速度进行动作, 通过节流进行调速, 优化液压系统流程, 液压油流过调速阀、减压阀和单项阀, 由液控单向阀和电磁换向阀进入液压缸, 然后回到油箱, 通过溢流阀调节和控制变量泵运行压力, 发挥防止液压系统过载和安全保护的作用。

2.4 主轴箱液压系统设计

合理调整液压系统运行参数, 重型数控车床液压系统压力设计为1.3 MPa, 通过溢流阀进行压力调整, 压力范围为0.8~3 MPa。主轴箱润滑和变速用液压元件, 利用双电磁铁四通阀、控制阀, 定量叶片泵, 采用额定功率约0.75 k W的液压电机。

2.5 尾台液压系统设计

尾台液压系统由润滑装置、控制阀、操纵板、管式单向阀、吸油过滤器、空气滤清器、高压叶片泵等组成。通过电磁换向阀控制液压系统缸动作。这种尾台液压系统设置有四个液压锁紧缸, 在尾座上锁紧蝶形弹簧, 确保其安全。液压系统调整范围控制在15~16 MPa, 利用溢流阀调整和控制液压系统压力, 保持22 L/min的工作流量。

3 数控车床液压系统动作设置要求

3.1 工件松开、夹紧

在数控车床运行的过程中, 快速旋转切削工件, 因此对于工件的夹紧设置有着特殊要求。在突然停电、机床运行故障等特殊情况下, 确保可靠夹持工件, 设置多重保护设备, 提高数控车床的可靠性和安全性。

3.2 工件轴向顶紧

结合零器件的加工设计要求, 利用活动顶尖顶紧工件, 从而提高工件强度和刚性, 避免零件切削过程中出现扭曲或者振动, 数控车床具有自动化、高效的特点, 通过液压油缸推动套管用于数控车床套管伸缩。

3.3 拖板平衡

数控车床的小托板、刀盘、刀台等部件连接为一个整体, 通过伺服电动机利用x轴滚珠丝杠进行移动。为了确保零件的切削加工精度, 当小托板发生倾斜时, 应合理控制小滚珠丝杠受力, 通过平衡法进行调整, 注意调整平衡阀、减压阀或者溢流阀。

4 结束语

数控车床在多个领域应用广泛, 根据液压系统结构组成和工作原理, 为了确保液压系统的可靠性和安全性, 不仅要考虑到液压系统的实用性和可靠性, 还要注意数控车床的维护维修, 优化数控车床液压系统设计, 严格把关液压系统各个设计环节, 科学设置液压系统参数, 提高数控车床的稳定性。

参考文献

[1]张志英.数控车床液压系统设计[J].机械制造与自动化, 2012 (01) :33-35, 60.

数控钻铣床电气系统控制毕业设计 篇2

设计说明书

课 题：

数控钻铣床电气系统控制毕业设计

子课题:

同课题学生姓名:

专

业

学生姓名

班

级

学

号

指导教师

完成日期

前言

随着社会生产和科学技术的发展与进步，PLC技术正在不断地深入到各个领域并迅速地向前推进，特别是近几年来在机械加工领域引起了许多深刻的改革。《双面钻孔组合机床在运用》就是运用了PLC技术与机床电气的过程及注意事项，实现了机电一体化的运用，这便使双面组合钻床操作更加方便，大大提高了工作效率。

目前，在机械制造业中已不再是仅仅要求单机自动化，而是要求实现一条生产线，一个车间、一个工厂甚至更大规模的全盘自动化，这便体现PLC技术的重要性。在设计中，参考了机电一体化技术方面和PLC方面的教材和资料，在书后的参考文献中列出，这些宝贵的资料对我完成毕业设计起到了重要的作用，在设计中有许多不妥之处，敬请老师提出宝贵指正.摘要

数控钻铣床是现代工业生产中不可缺少的部分，可以高速、精确的切削零件。本文就对钻铣床的机械结构、电气控制和数控三部分进行了设计，基本可以满足钻铣床的运行。本系统采用的数控装置集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。详细给出了主/控制回路图及一些元件的选择。

关键字：数控装置

PLC 主/控制回路

目 录

第一章 绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

1.1数控机床的发展史„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1.2数控机床的现状„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1.3数控机床的特点和用途„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

1.4 PLC相关技术的发展入应用领域„„„„„„„„„„„„„„„ 1.4.1 PLC技术简介„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1.4.2 PLC的基本结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1.4.3 PLC应用领域„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第二章 电气系统控制设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

2.1可编程器的选择和可行性的论证„„„„„„„„„„„„„„„ 2.1.1设计的内容及任务„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.1.2可行性论证„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.2总体方案的拟订和论证„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.2.1总体设计方案的拟订„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.3电气部分设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.3.1选件„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.3.2电源„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.3.3数控装置与软驱单元的连接„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.3.4数控装置与外部计算机的连接„„„„„„„„„„„„„„„ 2.3.5数控装置开关量的输入/输出„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.3.6数控装置与手持单元的连接„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.3.7数控装置与主轴装置的连接„„„„„„„„„„„„„„„… 2.3.8数控装置与进给驱动装置的连接„„„„„„„„„„„„…… 2.3.9急停与超程解除的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.3.10电磁兼容设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2.3.11数控机床系统总体设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„

第三章 伺服电机的选择与计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3.1伺服电机的选择计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3.2惯量匹配计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第四章 数控部分设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

4.1基本结构与主要功能„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4.1.1基本配置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4.1.2主要技术规格„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4.2操作装置„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4.2.1操作台结构„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4.2.2显示器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4.2.3NCP键盘„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

第五章 外文翻译„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 第六章 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

第一章 绪论

1.1数控机床的发展史：

1949年帕森斯公司正式接受美国空军委托，在麻省理工学院伺服机构实验室的协助下，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952年试制成功世界第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床，这便是数控机床的第一代。

1953年，美国空军与麻省理工学院协作，开始从事计算机自动编程的研究。这就是APT自动编程的开始。

1958年美国克耐·杜列克公司在世界上首先研制成功了带自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。

1959年，计算机行业研制出晶体管元器件，因而数控装置中广泛采用晶体管和印制电路板，从而跨入第二代数控时代。

1965年，出现了小规模的集成电路。由于它体积小、功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，标志数控系统发展到第三代。

随着计算机技术的发展，小型计算机的价格急剧下降。小型计算机开始取代专用数控计算机，数控的许多功能由软件程序实现。这样组成的数控系统称为计算机数控系统（CNC）。1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了这种系统，称为第四代数控。

1974年美国、日本等国首先研制出以微处理器为核心的数控系统。近20年来，微处理器数控系统的数控机床得到了飞速发展的广泛应用，这就是第五代数控系统。

1.2数控机床的现状：

数控技术是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，现代的CAD/CAM、FMS、CIMS等，都是建立在数控技术之上，离开了数控技术，先进制造技术就成了无本之木。同时，数控技术关系到国家战略地位，是体现国家综合国力水平的重要基础性产业，其水平高低是衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志，实现加工机床及生产过程数控化，已经成为当今制造业的发展方向。

国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。我国进口的数控系统基本为德国西门子（SIMENS）和日本法那克（FANUC）两家公司所垄断，这两家公司在世界市场的占有率超过８０％。

1.3数控机床的特点和用途：

（1）具有较强的适应性和通用性

数控机床的加工对象改变时，只需要新编制相应的程序，输入计算机就可以自动地加工出新的工件。同类工件系列中不同尺寸、不同精度的工件，只需要局部修改或增删零件程序的相应部分。随着数控技术的迅速发展，数控机床的柔性也在不断扩展，逐步向多工序集中加工方向发展。

（2）获得更高的加工精度和稳定的加工质量

数控机床是按以数字形式给出的指令脉冲进行加工。目前增量值普遍到达了0.001mm。进给传动链的反向间隙与丝杠导程误差等均可由数控装置进行补偿，所以可获得较高的加工精度。

（3）具有较高的生产率

数控机床不需人工操作，四面都有防护罩，不用担心切削飞溅伤人，可以充分发挥刀具的切削性能。因此，数控机床的功率的刚度都比普遍机床性能高，允许进行大切削用量的强力切削。这有效地缩短了切削时间。

（4）改善劳动条件，提高劳动生产率

应用数控机床时，工人不需直接操作机床，而是编好程序调整好机床后由数控系统来控制机床，免除了繁重的手工操作。一人能管理几台机床，提高了劳动生产率。当然，对工人的文化技术要求也提高了。数控机床的操作者，既是体力劳动者，也是脑力劳动者。

（5）能实现复杂零件的加工

普通机床难以实现或无法实现轨迹为二次以上的曲线或曲面的运动，如螺旋桨、气轮机叶片之类的空间曲面。而数控机床由于采用了计算机插补技术和多坐标联动控制，可以实现几乎是任意轨迹的运动和加工任何形状的空间曲面，适用于各种复杂曲面的零件加工。（6）便于现代化的生产管理

用计算机管理生产是实现管理现代化的重要手段。数控机床的切削条件、切削时间等都是由预先编好的程序决定，都能实现数据化。这就便于准确地编制生产计划，为计算机管理生产创造了有利条件。数控机床适宜与计算机联系，目前已成为计算机辅助设计、辅助制造和计算机管理一体化的基础。

1.4PLC相关技术的发展入应用领域

1.4.1 PLC技术简介：

随着微处理器：计算机和数字通信技术发展，计算机控制已经扩展到几乎所有领域。当前用于工业控制的计算机可分为几类，例如，可编程序控制器，基于单片机的测控装置，用于模拟量闭环控制的可编程序调节器，集散控制系统。PLC由于应用面广、功能强大、使用方便，所以成为当代工业自动化的主要设备之一，PLC已经广泛地应用在各种机械设备和生产过程的自动化的控制系统中。

1.4.2 PLC的基本结构

PLC主要由CPU模块、输入模块、输出模块和编程装置组成。

1、CPU模块：

CPU模块主要由微处理器（CPU芯片）和存储器组成，在PLC控制系统中，CPU模块相当于人的大脑和心脏，不断地采集输入信号执行用户程序，刷新系统的输出，存储器用来存储程序和数据。

2、I/0模块：

输入（input）模块和输出模块简称I/0模块，它是系统的眼、耳、手、脚是联系外部现场设备和CPU模块的桥梁，输入模块用来接收和采集输入信号，开关量输入模块用来接收按钮选择开关、限位开关等。

3、编程器：

编程器用来生成用户程序，并用它进行编程修改和监视用户程序的执行情况，使用编程软件可以在主算机上直接生成编辑梯形图或指令表程序，并可实现不同编程语言的相互转换，程序被编译后下载到PLC，也可以将PLC中的程序上传到计算机。

4、电源:

PLC一般使用AC220V电源或DC24V电源，内部的开关为各模块提供不同电压等直流电源，小型PLC可以为输入电路和外部的电子传感器提供DC24V电源驱动PLC负载的直流电源一般用户提供。

1.4.3 PLC应用领域：

在发达的工业国家，PLC已经广泛地应用所有的工业部门，随着其性能价格比的不断提高，应有范围不断扩大，如

1、运动控制、金属切削机床、金属成形机械、装配机械、机器人、电梯。

2、闭环控制如：塑料挤压成形机、加热炉以及轻工化工机械冶金电力。

3、数据处理：可用于通信功能传送到智能装置或者将他们打印制表。

4、通信联网：PLC与其它智能控制设备一起可以组成集中管理、分散控制的分布式控制系统。

第二章电气系统控制设计

2.3.1选件：

2.3.1.1数控装置（选件）：

选择华中“世纪星”HNC-21 系列数控装置（HNC-21T HNC-21M）特点：“世纪星”HNC-21系列数控装置（HNC-21T、HNC-21M）采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机、高性能32位中央处理器，配置7.5彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口于一体，支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，主要适用于数控车、铣床和加工中心的控制。具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点；

图1所示为NNC-21数控装置与其他装置、单元连接的总体框图。

注：图中除电源接口外，其他接口都不是必须使用的。

图1 总体框图

图2 HNC-21数控装置接口图

XS1：电源接口

XS2：外接PC键盘接口 XS3：以太网接口

XS4：软驱接口

XS5：RS232接口

XS6：远程I/O板接口 XS8：手持单元接口

XS9：主轴控制接口

XS10、XS11：输入开关量接口

XS20、XS21：输出开关量接口 XS30~XS33：模拟式、脉冲式（含步进式）进给轴控制接口 XS40~XS43：串行式NSV-11型伺服轴控制接口

若使用软驱单元则XS2、XS3、XS4、XS5为软驱单元的转接口。2.3.1.2软驱单元（选件）：

软驱单元为系统的数据交换单元，该单元可为系统扩展软盘数据交换、外接键盘、RS232、DNC和以太网接口等功能。需要通过转接线与HNC-21数控装置连接使用。

软驱单元接口如图3所示：

图3 软驱单元接口图

前视图接口用于和外部计算机连接，后视图接口用于和HNC-21连接。2.3.1.3手持单元（选件）：

手持单元提供急停按钮、使能按钮、工作指示灯、坐标选择（OFF、X、Y、Z、4）、倍率选择（X1、X10、X100）及手摇脉冲发生器。手持单元仅有一个DB25的接口。如图4所示：

图4 手持单元接口图 手持接口插头连接但HNC-21数控装置的手持控制接口XS8上。

2.3.1.4I/O端子板（选件）：

I/O端子板分输入端子板和输出端子板两种，通常作为HNC-21数控装置XS10、XS11、XS20、XS21接口的转接单元使用，以方便连接及提高可靠性。输入端子板与输出端子板均提供NPN和PNP两种端子。

每块输入端子板含20位开关量输入端子；每块输出端子板含16位开关量输出端子及急停（两位）与超程（两位）端子。

图5 输入端子板接口图

图6 输出端子板接口图

2.3.1.5远程I/O端子板（选件）：

远程I/O端子板分远程输入端子板与远程输出端子板两种，HNC-21数控装置通过XS6控制。最多可连接4块远程输入端子板与4块远程输出端子板。每块远程输入端子板提供32位输入开关量端子，并且支持NPN和PNP两种信号类型。每块远程输出端子板提供32位NPN开关量输出端子。

图7 远程输入端子板接口图

J1：与数控装置或上级远程I/O端子板连接接口； J2：与下级远程I/O端子板连接接口；

J3：输入开关量（NPN和PNP）和直流24V电源端子。

J1：与数控装置或上级远程I/O端子板连接接口； J2：与下级远程I/O端子板连接接口；

J3：输出开关量（NPN型）和直流24V电源端子。

2.3.2电源：

2.3.2.1供电要求

电源容量：数控装置（外部电源1）：AC24V或DC24V 100W。

PLC电路（外部电源2）：DC24V 不低于50W。

电 源 线：采用屏蔽电缆或双绞线。

外部电源1采用交流AC24V电源时（参见供电方式一），建议数控装置不与其他外部设备共用电源。

外部电源2建议采用直流DC24V/50W开关电源。若开关量输出信号控制的直流24V继电器较多，可适当增加电源容量，或另外提供电源，但必须与外部电源2共地。若Z轴抱闸和电磁阀也虚DC24V供电，尽量不要与外部电源2共用，以减少电磁阀等器件对数控装置的干扰。

外部电源1采用直流DC24V电源时，可以与外部电源2共用一个容量不低于150W的直流24V开关量（参见供电方式二）。

外部电源1，2经过数控装置内部电路，由XS8向手持单元上的开关元件及手摇脉冲发生器提供电源，如图11所示。

远程I/O端子板上的输入/输出开关量可在本地单独使用电源。2.3.2.2供电方式一：

采用交流24V+直流24V供电：

图9 供电方式一

2.3.2.3供电方式二：

采用直流24V供电：

图10 供电方式二

2.3.2.4接地：

2.3.2.4.1接大地：

XS1的6脚在内部已与数控装置的机壳接地端子接通。由于电源线电缆中的地线较细，因此，必须单独增加一根截面积不小于2.5平方毫米的黄绿铜导线作为地线与数控装置的机壳接地端子相连。2.3.2.4.1接信号地：

XS1的4脚在数控装置内部已与XS10、XS11、XS20、XS21开关量接口的1、2、14、15脚连通。但为了提高开关量信号的抗干扰能力，XS10、XS11、XS20、XS21开关量接口的1，2，14，15脚应采用单独的电线连接到外部DC24V电源地上，以减少流过XS1的4脚（24V地）的电流，如图11所示。

若某些输入/输出开关量控制或接收信号的电气元件（如继电器、按钮灯、接近开关、霍尔开关）的供电电源是单独的，则其供电电源必须与输入输出开关量的供电电源共地。否则，数控装置不能通过输出开关量可靠地控制这些元器件，或从这些元器件接收信号。

2.3.3数控装置与软驱单元的连接

软驱单元含3.5软驱驱动器及标准PC键盘接口（小圆口）、RS232接口、以太网接口。各接口的功能和引脚定义与HNC-21数控装置完全相同。图12为软驱单元与数控装置的连接图。

图12 与软驱单元的连接框图

图中连接软驱单元的四根扩展线接线方式，均以相应引脚一一对应焊接，如图13所示。

图13 软驱单元的接线图

软驱单元与HNC-21数控装置之间的距离主要是受软驱连接电缆的长度限制，所以二者之间的电缆长度不宜超过1米。2.3.4数控装置与外部计算机的连接：

HNC-21数控装置可以通过RS232或以太网与外部计算机连接，并进行数据交换与共享。在硬件连接上，可以直接由HNC-21数控装置背面的XS3、XS5接口连接，也可以通过软驱单元上的串口接口进行转接。2.3.4.1通过RS232口与外部计算机连接：

图15 数控装置通过RS232口与PC计算机连接（有软驱单元的情况）

2.3.4.2连接以太网：

通过以太网与外部计算机连接是一种快捷、可靠的方式。可以是与某台外部计算机直接电缆连接（见图16和图17），也可以是先连接到HUB（集线器），再经HUB连入局域网，与局域网上的其他任何计算机连接（见图18和图19）。在硬件上，可以直接使用HNC-21背面的以太网连接，也可以通过软驱单元转接后，用软驱单元上的以太网口连接。

连接电缆请使用网络专用电缆。以太网接口插头型号均为RJ45。直接电缆连接：

图16 数控装置通过以太网口与外部计算机直接电缆连接（没有软驱单元的情况）

图17 数控装置通过以太网接口与外部计算机局域网连接（没有软驱单元的情况）

图18 数控装置通过以太网口与外部计算机局域网连接（有软驱单元的情况）

2.3.5数控装置开关量的输入/输出

2.3.5.1开关量输入输出接口

世纪星HNC-21数控开关量输入/输出接口，有本机输入/输出（可通过输入/输出端子板转接）和远程输入输出两种，其中本机输入有40位，本机输出32位，远程输入/输出各128位（选件）。2.3.5.1.1开关量输入接口特性

1．等效电路

NPN开关量输入：

图20 输入开关量接口等效电路—NPN型

PNP开关量输入：

图21 输入开关量接口等效电路—PNP型

注： 1．HNC-21本机输入为NPN开关量输入；

2．输入端子板可提供NPN和PNP两种开关量输入端子； 3．远程输入板可提供NPN和PNP两种开关量输入端子。

2．技术参数：

（1）.采用光电耦合技术，最大隔离电压2500VRMS（一分钟）

（2）.电源电压24V

（3）.导通电流IF=5~9mA

（4）.最大漏电流≤0.1mA

（5）.滤波时间约2毫秒

注：用有源开关器件（如无触点开关、霍尔开关等）时，必须采用DC24V规格。

2.3.5.1.2开关输入接口引脚定义：

1．HNC-21本机开关量输入接口：

图22 HNC-21本机开关量输入接口图

2．输入端子板接口：

图23 输入端子板接口图

图24

3．远程输入端子板接口：

图25 远程输入端子板接口图

J1：与数控装置或上级远程I/O端子板连接接口； J2：与下级远程I/O端子板连接接口；

J3：输入开关量（NPN和PNP）和直流24V电源端子。

对于同一位，N型和P型不能同时使用。

图26 2.3.5.1.3开关量输出接口特性

1．等效电路

NPN开关量输出接口：

图27 输出开关量接口等效电路—NPN型

PNP型开关量输出接口：

图28 输出开关量接口等效电路—PNP型

注：1.HNC-21本机输出为NPN型输出；

2.输出端子板可同时提供PNP和NPN型输出；

3.远程输出端子板分为两种，可分别提供NPN型和PNP型两种端子。

2．技术参数

（1）.采用光电耦合技术，最大隔离电压2500VRMS（一分钟）

（2）.电源电压24V

（3）.最大输出电流100mA 2.3.5.1.4开关量输出接口引脚定义

1．HNC-21本机开关量输出接口：

图29 HNC-21本机开关量输出接口图

2．输出端子板接口：

图30 输出端子板接口图

图31

注：对应于同一位，N型和P型不可同时使用。

3．远程输出端子板接口：

图32 远程输出端子板接口图

J1：与数控装置或上级远程I/O端子板连接接口； J2：与下级远程I/O端子板连接接口；

J3：输出开关量（NPN型）和直流24V电源端子。

图33

注：对于端子为PNP型的远程输出端子板，J3端子3~34脚的信号为P0~P31。3.5.2直接连接到数控装置：

可将外部的输入/输出信号，直接连接到世纪星HNC-21装置上的X10、X11插座。这种连接方式一般用于所需I/O点较少，数控装置与电气柜一体的情况。具有成本低，连接简单的特点，缺点是不方便电缆拆装，没有PNP型输入、输出端子。

图34 开关量输入接线图

图35 开关量输出接线图

2.3.5.3通过I/O端子板连接：

如图36 所示，分线电缆将HNC-21数控装置的XS10、XS11与输入端子板的J1、XS20、XS21与输出端子板的J1相连。NPN或PNP型开关量输入/输出元器件连接杂端子板的J2上。

该连接方式适用于所需用的I/O点不多，且数控装置与强电控制电路分装在不同机柜内的情况；具有电路调试、维护方便的优点。

图36 通过I/O端子板连接输入/输出开关量

输入端子板上J1与J2各信号的对应关系如下表所示：

输出端子板上J1与J2个信号的对应关系如下表所示：

端子板每位开关量都有NPN、PNP两种接线端子，以及发光二级管指示灯，便于系统的调试和故障检测。

输入/输出端子板的J1接口与HNC-21数控装置的XS10、XS11、XS20、XS21接口之间互连电缆的连接方式如图37 所示。

图37 输入/输出端子板与数控单元互联线缆图

2.3.5.4通过远程I/O端子板连接

采用通讯方式工作，通过HNC-21数控装置的XS6接口连接到各远程I/O端子板。通讯电缆将HNC-21数控装置的XS6与远程I/O端子板的J1相连，再通过J2与下一块远程I/O端子板相连。如图38 所示。

该连接方式适用于需用的I/O点很多，需要扩展I/O点数的状况。其优点是所有远程I/O端子板与HNC-21数控装置只需要一根通讯电缆串联连接，简化了系统结构，有效距离可以达到50米，且板上每位开关量都有发光二级管指示灯，便于系统的调试和故障检测。最多可分别连接4块远程I/O输入端子板和4块远程I/O输出端子板。

图38 通过远程端子板连接输入/输出开关量

远程I/O端子板上的输入/输出开关量，按板卡的连接顺序排列。远程输入端子板的开关量从第六组即I48开始（HNC-21占用五组：I0~I39，I40~I47保留）。远程输出端子板的开关量，从第四组即032开始（HNC-21占用四组：00~031）。

最后一块远程I/O端子板J2接口必须接入一个终端插头（DB9头孔）。接线图见图39。

图39 远程I/O端子板与HNC-21数控装置互联线缆图

如图39 所示，数控装置的XS6接口与远程I/O端子板的J1接口之间管脚一一对应连接；远程I/O端子板的J2接口与另一块远程I/O端子板J1接口之间管脚一一对应连接；最后一块远程I/O端子板的J2借口，应接入一个终端插头，将1—

9、4—6管脚短接。

2.3.6数控装置与手持单元的连接

2.3.6.1HNC-21手持接口定义：

HNC-21数控装置通过XS8接口（DB25座孔）与手持单元连接。

XS8的引脚定义如下：

图40

手持单元中坐标选择、增量倍率选择、使能按钮、指示灯等需要占用PLC输入/输出开关量。因此，手持接口（XS8）占用了数控装置的开关量输出中的4路输出（028—031）、开关量输入中的8路输入（I32—I39）。

注意：若系统中未选用手持单元，或所选手持单元上没有急停按钮时，应该通过DB25头针插头将XS8上的第4、17脚短接。2.3.6.2连接标准手持单元：

标准手持单元，接口为DB25头针插头，可以直接连接到HNC-21数控装置的XS8接口上。

针对标准手持单元，HNC-21手持接口提供标准引脚定义（主要涉及输入/输出开关量），引脚定义见表：

表.手持接口标准引脚定义（输入/输出开关量）

若未安装手持单元，则需要通过一个DB25插头短接手持单元控制接口XS8上的4（ESTOP2）、17（ESTOP3）脚。否则，HNC-21数控装置将会因面板上的急停按钮不起作用，而导致数控装置出现急停报警。

图41 数控装置与手持单元连接图

2.3.7数控装置与主轴装置的连接：

HNC-21数控装置通过XS9主轴控制接口和PLC输入/输出接口，可连接各种主轴驱动器，实现正、反转、定向，调速等控制，还可以外接主轴编码器，实现铣床上的刚性攻线功能。2.3.7.1与主轴相关的接口定义

2.3.7.1.1主轴控制接口XS9

XS9主轴控制接口，包括主轴速度模拟电压指令输出和主轴编码器反馈输入，其信号定义如下表。

信号特性：

1．主轴速度模拟电压信号

电压范围：AOUT1

-10V~+10V

AOUT2

0~+10V 负载电流：最大10mA 2．主轴编码器接口

电源输出：+5V

最大200mA 编码器信号：RS422电平

使用主轴变频器或主轴伺服单元时，在连接前一定要确认主轴单元模拟指令电压接口的类型，若为-10V~+10V，应使用AOUT1（6脚）和GND；若为0~+10V，应使用AOUT2（14脚）和GND。

2.3.7.1.2与主轴控制相关的输入/输出开关量

连接主轴装置时需要使用输入/输出开关量控制主轴电机的启停、及接收相关的状态与报警信息。

与主轴控制有关的输入/输出开关量信号的定义如下：

表.与主轴控制有关的输入/输出开关量信号

2.3.7.2主轴启停：

主轴启停控制由PLC承担，标准铣床PLC程序中关于主轴启停控制的信号如下表所示。

表.与主轴启停有关的输入/输出开关量信号

利用Y1.0、Y1.1输出即可控制主轴装置的正、反转及停止，一般定义接通有效，这样当Y1.0接通时可控制主轴装置正转，Y1.1接通时，主轴装置反转，二者都不接通时，主轴装置停止旋转。在使用某些主轴变频器或主轴伺服单元时也可用Y1.0、Y1.1作为主轴单元的使能信号。

部分主轴装置的运转方向由速度给定信号的正、负极性控制，这时可将主轴正转信号用作主轴使能控制，主轴反转信号不用。

部分主轴控制器有速度到达和零速信号，由此可使用主轴速度到达和主轴零速输入，实现PLC对主轴运转状态的监控。2.3.7.3主轴速度控制：

HNC-21通过XS9主轴接口中的模拟量输出可控制主轴转速，其中AOUT1的输出范围为-10V~+10V用于双极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用使能信号控制主轴的启、停；AOUT2的输出范围为0~+10V，用于单极性速度指令输入的主轴驱动单元或变频器，这时采用主轴正转、主轴反转信号控制主轴的正、反转。2.3.7.4主轴定向控制：

实现主轴定向控制的方案一般有：

1．采用带主轴定向功能的主轴驱动单元； 2．采用伺服主轴即主轴工作在为控方式下； 3．采用机械方式实现。

对应于第一种控制方式，标准铣床PLC程序中定义了相关的输入/输出的信号。

表.与主轴定向有关的输入/输出开关量信号

由PLC发生主轴定向命令即Y1.3接通，主轴单元完成定向后送回主轴定向完成信号X3.3。

第二种控制方式，主轴作为一个伺服轴控制，可在需要时可由用户PLC程序控制定向到任意角度。

第三种控制方式，根据所采用的具体方式，用户可自行定义有关PLC输入/输出点，并编制相应PLC程序。2.3.7.5主轴换档控制：

主轴自动换档通过PLC控制完成，标准铣床PLC程序中关于主轴换档控制的信号如下表所示。

表.与主轴换档控制有关的输入/输出开关量信号

使用主轴变频器或主轴伺服时，需要在用户PLC程序中根据不同的档位确定主轴速度指令（模拟电压）的值。

车床通常为手动换档，如果安装了主轴编码器，则需要在用户PLC程序中根据主轴编码器反馈的主轴实际转速自动判断主轴目前的档位，以调整主轴速度指令（模拟电压）的值。2.3.7.6主轴编码器连接：

通过主轴接口XS9可外接主轴编码器，用于螺纹切割、攻丝等，本数控装置可接入两种输出类型的编码器，差分TTL方波或单极性TTL方波。

一般使用差分编码器，从而确保长的传输距离的可靠行及提高抗干扰能力。编码器规格要求：

1．+5V电源（200mA以内，若超过200mA需要设计外部电源供电）； 2．TTL电平输出；

3．差分A、B、Z信号输出。

常用主轴编码器型号为：LEC-□BM-G05D（L、H）2.3.8数控装置与进给驱动装置的连接：

HNC-21数控装置提供了三类轴控制接口：串行接口、脉冲接口、模拟接口，可与目前流行的大多数驱动装置连接，其对应关系如表。

表.2.3.8.1接口定义：

2.3.8.1.1串行进给驱动接口：

串行进给驱动接口是与HSV-11系列交流伺服驱动装置连接的专用接口。它的特点是连接简便，抗干扰能力强，无漂移。

HNC-21□C和HNC-21□F最多可提供4个串行进给驱动接口XS40、XS41、XS42、XS43（第4轴是选项）。1.信号定义：

2.技术规格： 电平：RS232 通讯波频率：9600 2.3.8.1.2脉冲进给驱动接口：

脉冲式接口使用脉冲信号，传递位置指令，可控制各种步进电机驱动装置、脉冲接口伺服驱动装置。其特点是通用性强，信号传递抗干扰能力强，不会发生漂移，但构成全闭环需在驱动装置中完成。

HNC-21□D和HNC-21□F最多可提供4个脉冲进给驱动接口，连接插座为XS30、XS31、XS32、XS33（第4轴是选项）。1.信号定义：

注：OUTA模拟指令信号在HNC-21□D型号中无效。

2.技术规格：

最高脉冲频率：800KHZ； 编码器电源：+5V

150mA； 编码器信号：RS422电平； 3.等效电路：

脉冲指令输出：

图42 脉冲指令输出接口等效电路

码盘信号输入：

图43 码盘信号输入接口等效电路

4.脉冲形式：

在数控装置内部，通过修改硬件配置参数，可以将脉冲输出形式设定为脉冲加方向，双脉冲，两项正交三种模式。

2.3.8.1.3模拟进给驱动接口：

模拟式接口使用模拟量信号传递速度指令控制控制伺服驱动装置，可连接各种交、直流伺服驱动装置。其特点是通用性强，可构成全闭环控制；缺点是容易被干扰，发生漂移，不适合长距离连接。

HNC-21□A和HNC-21□F最多可提供4个模拟量轴接口，连接插座为与脉冲式接口相同，为XS30、XS31、XS32、XS33（第4轴是选项）。

1.信号定义：

注：CP+、CP-、DIR-脉冲指令信号在HNC-21□A型号中无效。

2.技术规格：

速度指令输出范围：-20mA~+20mA（电流型）；

编码器电源：+5V 150mA；

编码器信号：RS422电平；

3.等效电路：

速度指令输出：

图44 速度指令输出接口等效电路

码盘信号输入接口的等效电路见图43。2.3.8.2连接HSV-11系列交流伺服驱动装置

使用HSV-11系列交流伺服驱动装置，需选用HNC-21□C或HNC-21□F数控装置，通过XS40~XS43轴通讯接口连接HSV-11伺服驱动装置，最多可连接4台伺服驱动装置。

图45 为HNC-21连接HSV-11伺服驱动装置的总体框图。

图45 HNC-21控制HSV-11系列交流伺服驱动器的总体框图

图46 是HNC-21连接HSV-11伺服驱动的一个实例。图46 HNC-21与HSV-11型伺服驱动器的连接

2.3.9急停与超程解除的设计

HNC-21数控装置操作面板和手持单元上，均设有急停按钮，用于： 当数控系统或数控机床出现紧急情况，需要使数控机床立即停止运动或切断动力装置（如伺服驱动器等）的主电源；

当数控系统出现自动报警信息后，须按下急停按钮。待查看报警信息并排除故障后，再松开急停按钮，使系统复位并恢复正常。该急停按钮及相关电路所控制的中间继电器（KA）的一个常开触点应该接入HNC-21数控装置的开关量输入接口，以便为系统提供复位信号。

HNC-21数控装置操作面板设有超程解除按钮，用于机床压下超程限位开关后，手工操作解除超程状态。

HNC-21数控装置为此设计了接口电路，相关信号如表所示。

表.内部电路关系和外部电路的设计如图47 所示。

除数控装置操作面板和手持单元处的急停按钮外，系统还可根据实际需要，设置更多急停按钮。所有急停按钮的常闭触点以串联方式，连接到系统的急停回路中。在正常情况下，急停按钮处于松开状态，其触点处于常闭状态。按下急停按钮后，其触点断开，使得系统的急停回路所控制的中间继电器KA断电，而切断移动装置（如进给轴电机、主轴电机、刀库/架电机等）的动力电源。同时，连接在PLC输入端的中间继电器KA的一组常开触点，向系统发出急停报警。此信号在打开急停按钮时则作为系统的复位信号。

图47 急停与超程解除信号内部电路关系和外部电路建议接法

系统中，各轴的正向、负向的超程限位开关的常闭触点以串联方式，连接到系统的超程回路中。同时，每个超程限位开关另有一个常开触点连接PLC输入端，是系统能够判断各超程限位开关的状态。在正常情况下，超程限位开关处于松开状态。若用户操作机床，不慎将某轴的超程限位开关压下，其常闭触点断开，使得系统的超程回路断开，同时，使急停回路中的中间继电器KA断电，而自动切断移动装置的动力电源。超程限位开关连接在PLC输入端的常开触点向系统发出超程报警信息（发生超程的坐标轴及超程方向），并使超程解除按钮上的指使灯发光。

与急停报警一样，发生超程时，中间继电器KA断电也会断电，中间继电器KA的一组常开触点也会通过PLC输入端，向系统发出急停报警信号。但系统的PLC除检测中间继电器KA的常开触点外，还检测各超程限位开关的常开触点的状态，以此区分急停报警和超程报警。

发生超程后，系统处于超程报警状态，各进给装置的动力电源已被切断。为了解除超程，用户应该按以下步骤操作：

1）按住数控装置操作面板上的超程解除按钮，使系统复位。在解除超程前，不得松开超程解除按钮；

2）手动操作机床的进给轴按正确的方向移动，使被压下的超程限位开关松开（此时，超程解除按钮上的指示灯将熄灭）； 3）松开超程解除按钮。设计建议：

以上涉及的如系统复位信号、超程按钮灯点亮与熄灭、超程的坐标轴及方向的判别需要有PLC程序实现。

在编制PLC程序，应保证操作者解除超程时，若按错解除超程的方向，其进给轴不得移动。只有操作者按解除超程的正确方向时，进给轴才会移动。否则，可能会出现滚珠丝杠严重损坏的故障。3.10电磁兼容设计

为了保证数控系统在工业环境中能够正常工作，系统必须达到GB8832-1999.5“数控系统通用技术条件”中的电磁兼容性要求。

电磁兼容性（EMC）是指：

电气设备产生的电磁干扰不应超过其预期使用场合允许的水平。

设备对电磁干扰应有足够的抗扰度水平，以保证电气设备在预期使用环境中可以正确运行。

数控系统电磁兼容性主要内容：

数控系统电磁兼容性主要包括以下四个方面：

 电压中断和电压暂降

在交流输入电源任一周期内的任一时刻中断半周期；电压暂降时间不超过一个周期，幅值降为额定值的40%，数控系统应能正常工作。 快速瞬变电脉冲群抗扰性

1．数控系统工作时，在交流供电电源端和保护地端之间进行快速瞬变电脉冲群抗扰性试验，加入脉冲电压峰值2KV，重复率5KHz，实验时，数控系统应能正常工作。

2．数控系统工作时，在I/O信号、数据和控制端口电缆用耦合加入峰值为1KV，重复率5KHz脉冲群，系统应能正常工作。

 浪涌抗扰性

在交流输入电源中叠加峰值为1KV浪涌电压，在交流输入电源对地端叠加峰值为2KV浪涌电压，系统应能正常工作。 静电放电抗扰性

数控系统工作时，对操作人员经常触及的所有部位进行静电放电试验，接触放电电压6KV，空气放电电压8KV，放电试验中，系统应能正常工作。

2.3.11数控铣床系统总体设计： 2.3.11.1系统简介：

机床：四坐标铣床，X、Y、Z直线坐标轴+A旋转坐标轴（选项）；

控制柜结构：强电控制柜+吊挂箱；

主轴：变频器，液压换档，分高速、低速两档。

表.数控系统设计主要器件

2.3.11.2总体框图：

图48 数控系统设计总体框图

2．3.11.3输入输出开关量的定义：

以下为典型铣床数控系统对输入输出开关量的定义，有些开关量虽然给出了定义但并未使用。

XS8插座中的I30—I39、028—031信号与XS11和XS21插座中各同名信号均为并联关系，留给手持单元使用，直接由XS8引出。对输入I和输出0重新标号为X和Y，是为了与PLC状态显示相一致，在PLC编程中也更方便。X0.0、X0.1…X1.2与I00、I01…I10相对应。即X0代表PLC输入第0个字节，X1代表PLC输入第1个字节；X1.3代表PLC输入第1个字节的第三位，即输入开关量的I11。

XS21（DB25/F）未用。

XS8（DB25/F头针座孔）手持单元接口： 引脚号 信号名 标号 信号定义 13 5V地

手摇脉冲发生器+5V电源地 25 +5V 手摇脉冲发生器+5V电源 12 HB 手摇脉冲发生器B相 24 HA 手摇脉冲发生器A相 11 O28 Y3.4 未定义； 23 O29 Y3.5 未定义； 10 O30 Y3.6 手持单元工作指示灯，低电平有效； 22 O31 Y3.7 未定义； 9 I32 Y4.0 手持单元坐标选择输入X轴，常开点，闭合有效； 21 I33 Y4.1 手持单元坐标选择输入Y轴，常开点，闭合有效； 8 I34 Y4.2 手持单元坐标选择输入Z轴，常开点，闭合有效； 20 I35 Y4.3 手持单元坐标选择输入A轴，常开点，闭合有效； 7 I36 Y4.4 手持单元增量倍率输入X1，常开点，闭合有效； 19 I37 Y4.5 手持单元增量倍率输入X10，常开点，闭合有效； 6 I38 Y4.6 手持单元增量倍率输入X100，常开点，闭合有效； 18 I39 Y4.7 手持单元使能输入，常开点，闭合有效； 5 空

ESTOP3 ES3 手持单元急停按钮串接到急停回路的端子 4 ESTOP2 ES2 手持单元急停按钮串接到急停回路的端子 3.16 +24V 24V 为手持单元的输入输出开关量供电的DC24V电源

为手持单元的输入输出开关量供电的DC24V电源1.2.14.15 24V地 24G

地

XS10（DB25/F头针座孔）PLC输入接口（I0~I19）： 引脚号 信号名 标号 信号定义 13 I0 X0.0 X轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效； 25 I1 X0.1 X轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效； 12 I2 X0.2 Y轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效； 24 I3 X0.3 Y轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效； 11 I4 X0.4 Z轴正向超程限位开关，常开点，闭合有效； 23 I5 X0.5 Z轴负向超程限位开关，常开点，闭合有效； 10 I6 X0.6 A轴正向超程限位开关，常开点，闭和有效； 22 I7 X0.7 A轴负向超程限位开关，常开点，闭和有效； 9 I8 X1.0 X轴回参考点开关，常开点，闭合有效； 21 I9 X1.1 Y轴回参考点开关，常开点，闭合有效； 8 I10 X1.2 Z轴回参考点开关，常开点，闭合有效； 20 I11 X1.3 A轴回参考点开关，常开点，闭合有效； 7 I12 X1.4 冷却系统报警，常闭点，断开有效；（未用）19 I13 X1.5 润滑系统报警，常闭点，断开有效； 6 I14 X1.6 压力系统报警，常闭点，断开有效； 18 I15 X1.7 未定义； 5 I16 X2.0 主轴一档（低速）到位，常闭点，断开有效； 17 I17 X2.1 主轴二档（高速）到位，常开点，闭合有效； 4 I18 X2.2 未定义； 16 I19 X2.3 未定义； 3 空

1.2.14.15 24V地

外部直流24V电源地

XS11（DB25/F头针座孔）PLC输入接口（I20~I39）： 引脚号 信号名 标号 信号定义 13 I20 X2.4 外部运行允许，常开点，闭合有效； 25 I21 X2.5 伺服电源准备好，常开点，闭合有效； 12 I22 X2.6 伺服驱动模块OK，常开点，闭合有效； 24 I23 X2.7 电柜空气开关OK，常开点，闭合有效； 11 I24 X3.0 主轴报警，常闭点，断开有效； 23 I25 X3.1 主轴速度到达，常开点，闭合有效； 10 I26 X3.2 主轴零速，常开点，闭合有效 22 I27 X3.3 主轴定向完成，常开点，闭合有效；（未用）9 I28 X3.4 未定义； 21 I29 X3.5 未定义； 8 I30 X3.6 未定义； 20 I31 X3.7 未定义；

与XS8并联，用于手持单元的坐标选择输入、增7、16-19 I32-I39 X4.0-X4.7

量倍率输入、使能按钮输入； 空

1.2.14.15 24V地

外部直流24V电源地

XS20（DB25/F头孔座针）PLC输出接口（O0~O15）： 引脚号 信号名 标号 信号定义 13 OOO Y0.0 运行允许，低电平有效； 25 O01 Y0.1 系统复位，低电平有效； 12 O02 Y0.2 伺服允许，低电平有效； 24 O03 Y0.3 SV-CWL（伺服减电流），低电平有效 11 O04 Y0.4 升降轴抱闸，低电平有效； 23 O05 Y0.5 冷却开，低电平有效； 10 O06 Y0.6 刀具松，低电平有效； 22 O07 Y0.7 未定义； 9 O08 Y1.0 主轴正转（主轴使能），低电平有效； 21 O09 Y1.1 主轴反转（主轴使能），低电平有效； 8 O10 Y1.2 主轴制动，低电平有效；（未用）20 O11 Y1.3 主轴定向，低电平有效；（未用）7 O12 Y1.4 主轴一档（低速），低电平有效； 19 O13 Y1.5 主轴二档（高速），低电平有效；（未用）6 O14 Y1.6 未定义；（主轴三档备用，低电平有效。）18 O15 Y1.7 未定义；（主轴四档备用，低电平有效。）5 空

ESTOP3 急停回路驱动KA继电器控制动力电源的输出端子 4 ESTOP1 急停回路与超程回路的串联的接入端子 16 OTBS2 超程限位开关的接入端子 3 OTPS1 超程限位开关的接入端子 1.2.14.15 24V地

外部直流24V电源地 2.3.11.4电气原理图简介：

下面以示意图的形式，给出电气原理图的主要部分。对于线号，仅给出了在不同的页面均出现的线缆的线号。2.3.11.4.1电源部分：

在本设计中，照明灯的AC24V电源和HNC-21的AC24V电源是各自独立的；工作电流较大的电磁阀用DC24V电源与输出开关量（如继电器、伺服控制信号等）用的DC24V电源也是各自独立的，且中间用一个低通滤波器隔离开来。

总电源进线、变压器输入端等处的抗干扰磁环和高压瓷片电容未在图中表示出来。

图49 中QF0~QF4为三相空气开关；QF5~QF11为单相空气开关；KM1~KM4为三相交流接触器；RC1~RC3为三相阻容吸收器（灭弧器）；RC4~RC7为单相阻容吸收器（灭弧器）；KA1~KA10为直流24V继电器；V1、V2、V3、VZ为续流二极管；YV1、YV2、YV3、YVZ为电磁阀和Z轴电机抱闸。

图49数控系统电气原理图-主、控制回路 ☆

表示该部分信号在其他原理图中需要使用。

2.3.11.4.2继电器的输入输出开关量：

继电器主要是由输出开关量控制的，输入开关量主要是指进给装置、主轴装置、机床电气等部分的状态信息与报警信息。

图50 数控系统电气原理图-继电器部分

图中KA1~KA10为中间继电器；

SQX-

1、SQX-3分别为X轴的正、负超程限位开关的常闭触点；

SQY-

1、SQY-3 分别为Y轴的正、负超程限位开关的常闭触点；

SQZ-

1、SQZ-3 分别为Z轴的正、负超程限位开关的常闭触点；

440为来自伺服电源模块与伺服驱动模块的故障连锁；

100为图49 中DC24V 50W开关电源的地；

图51 数控系统电气原理图-输入输出开关量1

图中100，为图49中DC24V 50W开关电源的地；

手持单元的部件标识为31，并由PLC系统参数中按其部件号来引用该设备。

图52 数控系统电气原理图-输入输出开关量2 2.3.11.4.3主轴单元接线图：

图53 数控系统电气原理图-主轴单元

2.3.11.4.4伺服驱动器接线图：

图54 数控系统电气原理图-伺服驱动电路

用HSV-11型伺服驱动器驱动1FT6系列伺服电机时要特别注意： 伺服电机电源线V、W应该与图54 所示的接法交换。各电缆线的连接见图55

图55 数控系统电气原理图-伺服驱动电缆连接

第三章伺服电机的选择计算

3.1伺服电机的选择计算：

伺服电动机是伺服系统控制的直接对象，它是将电信号转变为机械运动的关键元件。数控机床目前使用的主要是各种类型的伺服电动机，如步进电动机、各种惯量的直流伺服电动机以及交流伺服电动机。本系统采用的为兰州电机厂出产的1FT6074型伺服电机。

为了满足数控机床的加工质量和生产率等方面的要求，伺服电动机应具有下列的性能；调速范围宽，并具有良好的稳定性，尤其是低速时的稳定性；负载特性硬，特别是低速时应具有足够的负载能力；响应速度快；可频繁启动、停止及换向。

根据牛顿第二定律，进给传动系统所需的驱动力矩T，等于系统的总的转动惯量J乘以电动机的角加速度ε，即T=Jε。当进给伺服电动机已选定，则T的最大值基本不变。如果希望ε的变化小，则应使转动惯量J的变化尽量小些。

进给系统的总的转动惯量J，是由伺服电动机的转子惯量JM和负载惯量JL两部分组成，即

J=JM+JL

负载惯量JL由丝杠的转动惯量和工作太折算到电动机轴上的转动惯量组成，它会因夹具、工件或刀具的不同而有所变化。如果希望J的变化小些，则最好使JL所占的比例小些。这就是惯量匹配原则。因此机床伺服电动机的选择计算，应从保证伺服电动机所需转距，满足传动系统惯量匹配的角度进行。初选1FT6074型伺服电动机，然后进行惯量匹配计算和转距计算，验证其是否满足要求。

3.2.惯量匹配计算：

通常，JM应不小于JL，但JM应有所限制，以免使J过大。否则，为了足够大的角加速度ε而采取过大的伺服电动机和伺服系统，这将是不合理的。对此，可按下式确定：

0.25＜JL/JM＜1

由电机产品目录可知，伺服电动机的转动惯量为：

JM=215.8N·cm 代入上式得：

JL/JM=0.566 故所选电动机满足惯量匹配原则。

2.2.2伺服电动机转距计算：

快速空载启动时所需力矩为：M=Mamax+Mf+Mo

最大切削负载时所需力矩为：M=Mat+Mf+Mo+Mt

快速进给时所需力矩为：

M=Mf+Mo 式中：

Mamax：空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；

Mf：

折算到电机轴上的摩擦力矩；

Mo：

由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力距；

Mat：

切削时折算到电机轴上的加速度力矩；

Mt：

折算到电机轴上的切削负载力矩；

当n=namax时，namax=Vamax/L0，得：

Mamax=Jnmax/9.6t×10-4=19.55kgf·cm 式中：

J：系统总的转动惯量；

t：传动系统的启动加速时间（s），t=(3~4)tM=3×0.02=0.06s, tM为电动机机械时间常数。

当n=nt时，nt=n主f/L0，n主=1000V/ПD，得：

Mat=Jnt/9.6t×10-4=1.173kgf·cm

又：

Mf=F0L0/2∏η=fWL0/2∏η

当η=0.8，fˊ=0.16时，得：

Mf=0.729kgf·cm

又：

M0=P0L0/2∏η×（1-η02）

当η0=0.9时，预加载荷P0=FX/3，则：

M0=0.378kgf·cm Mt=FXL0/2∏η=9.122kgf·cm

所以，快速空载启动时所需力矩：

M=Mamax+Mf+M0=216.6N·cm

切削时所需力矩：

M=Mat+Mf+M0+Mt=124N·cm

快速进给时所需力矩：

M=Mf+M0=11.07N·cm

由以上分析计算可知，所需最大力矩Mmax发生在快速空载启动时。由伺服电动机工作特性得知，机床进给部件快速空载启动所虚的加速度，取决于伺服电动机所能提供的最转距。而本系统选用1FT6074型伺服电机的最大转距为14N·cm，连续转距为2.8N·cm，因此能够满足系统的需求。

第四章数控部分设计

4.1基本结构与主要功能：

4.1.1基本配置

（1）数控单元

a）工业控制机：

中央处理器板：原装进口嵌入式工业PC机 中央处理器：高性能32位微处理器

存储器：4MB RAM加工缓冲区，采用CF卡，容量大、抗干扰性强 程序断电保护与存储：1MB 显示器：5.7英寸LCD RS232接口：最大传输速率为11.52kb 网络接口：以太网接口

b)控制轴数：钻铣床（HNC-21，3轴）

c)伺服接口：数字量，可选配各种脉冲接口交流伺服单元或步进电机

驱动单元。

d)开关量接口：输入32点，输出24点

e)其他接口：控制面板：防静电薄膜标准机床控制面板 f)手持单元：3轴MPG一体化手持单元（选件）

g)NC键盘：包括精简型MDI键盘、七个主菜单功能键和F1~F6六个子菜单功能键

h)软件：华中世纪星HNC-21高性能钻铣床数控软件（2）进给系统

HSV-11系列交流永磁伺服驱动与伺服电机 各种伺服电机驱动单元与电机 各种脉冲接口伺服电机驱动系统

（3）主轴系统

接触器+主轴电机 变频器+主轴电机

主轴伺服单元+主轴电机

4.1.2主要技术规格

主轴数：1

直线、圆弧、螺旋线、极坐标插补

小线段连续高速插补

CNC通信功能：RS-232和以太网

内部已提供 标准PLC程序，也可按要求自行编程PLC

4.2操作装置

4.2.1操作台结构

华中世纪星数控系统操作台大致可分为：机床操作面板、NCP键盘、主菜单功能键、子菜单功能键、显示器。4.2.2显示器

操作台左上部为5.7英寸液晶显示器，用于汉字菜单、系统状态、故障报警的显示和加工轨迹的图形仿真等。4.2.3NCP键盘

NCP键盘包括45个按键，标准化的字母、数字键、编辑操作键和亮度调节键，其中的大部分具有上档键功能。NCP键盘用于零件程序的编制、参数输入、MDI及系统管理操作等。

数控车床液压系统设计 篇3

关键词：异型轧辊数控车床 切削进给系统 设计理论 关键技术

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）03（b）-0031-01

1 数控车床以及异型轧辊数控车床

所谓数控车床是一种用电子计算机或专用电子计算装置控制的自动化机床。数控车床是集多种技术为一体的高度机电一体化的产品，其具有加工速度快、精确度高、进行大批量生产等特点，促使其具有良好的应用性，尤其是应用于复杂的零件生产。而异型轧辊数控车床是在数控车床的基础上增加异型轧辊功能，使机床能够生产各种复杂截面零件。数控机床只能够进行直线插补和圆弧插补，而异型轧辊数控车床能够对零件轮廓进行精确的弧度调整，促使生产出来的零部件轮廓曲线几乎逼近设计图纸的要求，从而大大提高零部件使用效果。因此，异型轧辊数控车床具有良好的应用性，为生产出标准的零件创造有利条件。

2 异型轧辊数控车床切削进给系统的设计理论

异型轧辊数控车床对于零件截面形状的要求非常高，为到达生产要求，异型轧辊数控车床的切削进给系统发挥了重要作用，通过此系统的控制刀具能够精准的进行直线进给运动和径向进给运动，从而保证零件截面形状的标准和规范。异型轧辊数控车床切削进给系统之所以具有良好应用的原因是其以曲线拟合理论、机械运动学、动力学理论、优化方法及有限元方法等为设计理论，从而实现异型轧辊数控车床切削进给系统合理而有效的应用。

（1）曲线拟合理论的应用

所谓曲线拟合是指用连续曲线近似地刻画或比拟平面上离散点组所表述的坐标之间函数关系。为了实现异型轧辊数控车床切削进给系统能够进行环状孔型曲线加工，需要以曲线拟合理论为基础，进行轧制工艺设计，从而实现异型轧辊横截面外轮廓曲线拟合，实现零件外轮廓精确的加工。

（2）机械运动学的应用

机械运动学在异型轧辊数控车床切削进给系统设计中的应用是进行进给系统动态性能分析，异型轧辊数控车床能否有效的利用与进给系统的动态性能有很大关系。因此，需要运用机械运动学进行机械系统的时域响应分析、频率特性分析、稳定性分析，从而构建状态空间模型，对U向和X向的进给系统进行检测，从而分析出异型轧辊数控车床进给系统动态性能，为合理而有效的应用异型轧辊数控车床做铺垫。

（3）动力学理论

异型轧辊数控车床切削进给系统之所以能够进行有效的进给运动，其原因是结合了动力学原理，通过构建动力学模型，这个模型代表真实的动力系统，进而体现动力系统的动力学特征，能够进行各种精确的计算并有效的与仿真软件相结合，发挥动力系统的作用，实现对机床动力分析和动态设计。

（4）优化方法

产生于20世纪60年代的优化方法在当下的工程设计中越来越重要。在异型轧辊数控车床切削进给系统设计过程中应用的是机械优化方法，其以计算机为基本工具，从异型轧辊数控车床切削进给系统需求的角度出发进行具体的设计，并在此基础上以给定荷载为条件，进行设计优化，最大限度的保证切削进给系统具有良好的应用性、安全性、高效性、功能性、经济性，从而达到设计优化的目的。

（5）有限元方法

有限元方法的原理是从一个连续的无线自由度问题变成离散的有限自由度问题。有限元方法在异型轧辊数控车床切削进给系统设计中的应用是进行车削部件的受力分析，从而达到车削合理而有效应用的目的。在异型轧辊数控车床切削进给系统设计时主要是应用有限元算法建模。就异型轧辊数控车床切削进给系统的需求出发，应用静态力学进行分析，确定所建立的模型的作用和功能，从而进行具体的有限元算法建模，应用模型进行车削部分受力计算，实现合理应用车削的目的。

3 异型轧辊数控车床切削进给系统的关键技术

为了实现异型轧辊数控车床能够进行高精度、高效率、高效益的加工非圆截面零件的目的，在异型轧辊数控车床切削进给系统中应用了多种关键技术，尽量提高异型轧辊数控车床的应用效果。其中在进行轧制工艺方面应用曲线逼近方法对异型轧辊环状孔型曲线的优缺点进行分析，拟定出最为合适的异型轧辊环状孔型曲线。在异性轧辊车削方面应用的是仿真技术，对刀具径向进给运动进行仿真处理，最大限度的优化和完善刀具径向进给运动，确定车削异型轧辊零件所需的刀具进给参数值。总体来说，异型轧辊数控车床切削进给系统能够高效利用的主要原因之一是各种关键技术的综合应用，通过各种关键技术的应用，提高异型轧辊数控车床的应用性、有效性、高效性，促使其能够进行复杂截面零件生产。

4 结语

数控车床的出现为高效的、智能的进行零件生产创造条件，而异型轧辊数控车床的出现在数控车床的基础上还能够进行复杂截面零件的批量生产。异型轧辊数控车床本身就非常的复杂，是结合多种设计理论和关键技术构建而成的，才促使异型轧辊数控车床具有良好的应用性。尤其是异型轧辊数控车床切削进给系统，其是结合动力学理论、优化方法、有限元方法、机械运动学、曲线拟合理论等理论，并合理的应用仿真技术、曲线逼近方法等关键技术才构成的。可以说，异型轧辊数控车床是理论与技术有效结合的产物。

参考文献

[1]廖伯瑜，周新民，尹志宏.现代机械动力学及其工程应用—建模、分析、仿真、修改、控制、优化[M].1版.北京：机械工业出版社，2004.

[2]陈艺，张子军，潘明.结构优化设计&有限元分析在机械设计中的应用—— ABAQUS分析桁架结构[J].现代农业装备，2007（5）.

[3]赵韩，徐林森，田杰，等.浅析数控机床技术发展[C]//2004“安徽制造业发展”博士科技论坛论文集，2004.

[4]王培功.XK717数控铣床进给传动系统的动力学建模及动态优化设计[D].浙江工业大学，2005.

数控高速冲床液压系统设计 篇4

一、冲压设备的概述

要使冲压技术得到更大发展,拥有更先进的冲压设备是一个必备的前提,冲压系统是冲压设备重要的组成部分,是目前世界各国冲的压系统主要采用机械式和液压式,机械式是一种比较传统的冲压方式,其主要通过曲柄压力机这一设备实现冲压,曲柄压力机的主要零部件有滑块、曲轴、连杆等。液压式冲压机应用液压传动系统来实现冲压功能,其基本工作原理为YA1中有电流通过时液压油在泵的作用下经过电磁换向阀流入液压缸下腔,这时液压缸上腔的液压油就会经由单向阀3、电磁换向阀2后流回油箱,滑块在活塞的带动下向上运动;这时对YA2通电,电磁换向阀2的右位开始工作,滑块会在活塞的带动下向下运动,对工件进行冲压,实现冲压功能。

二、数控高速冲床液压系统的设计

2.1系统的工况分析及方案的确定

设计的该款高速冲床不仅可以冲压金属,还能够进行冲孔加工。对工件冲压式,滑块快速下降,接触到工件时,滑块速度降低,但压力变大,以保证工件准确的成形,完成冲压过程后,滑块快速上升。该液压系统为达到快速冲压的目的,设计系统的回路时采用了蓄能器+双泵供油+差动连接的组合。选定比例伺服方向阀作为冲床液压系统的控制元件,以满足系统工作时需快速频繁换向的要求。下图是高速数控冲床液压系统的原理图。

1、电机2、高压大流量泵3、低压小流量泵4、压力表5、过滤器6、空气滤清器7、冷却器8、液动换向阀9、电磁换向阀10、15.单向阀11、16.蓄能器12、溢流阀13、比例伺服阀14、液压缸

由上图可知系统的工作原理:比例伺服阀的右位工作,泵2排除的液压油和泵3排出后经过液动换向阀8的液压油一起流经比例伺服阀,流入液压缸的上腔,同时,缸上腔的油依次流经8和13两阀后也流进上腔,这样就构成差动回路,冲头产生一个向下的快速运动。冲头接触到工件时,收到的压力增大,达到阀8的最大承受压力时,阀8的左位接通,泵3停止工作,差动回路中断,此时泵2排出的高压油流经阀13后进入液压杆上腔,冲头缓慢向下运动,冲压工件。冲压到规定的极限时,SQ2发出信号,比例阀接到负的输入电压信号,左位接通,同时系统的压力自动降低,接通阀8的右位后,泵2和泵3一起将油泵如入液压缸的下腔,上腔的油流经阀13后回到油箱,冲头在活塞的带动下迅速向上运动,至此就是一个工作循环的全过程。

2.2液压系统基本工作参数

系统的额定最大工作载荷F=200 Kn.系统由两个泵供油,低压泵额定压力为7 Mpa,高压泵额定压力31.5 MPa。冲床的最大行程S为40mm,冲压周期随行程的变化而变化,当冲压行程设为12mm时,冲压周期T为0.2s。

(1)计算缸筒内径D。已知系统最大负载为200KN,最大压力P为0.8pn=25Mpa,设所受阻力f为25KN,根据公式D≥4(Fmax+f)pπ得D=110mm。(2)活塞杆直径d。活塞向下时的速度为v1=4qπd2,上升时速度为v2=4qπ(D2-d2),求v1+v2=V的最大值,发现22D=d=77.8时活塞完成一个工作循环用时最少。所以取d=80mm。(3)泵的排量。在一个工作循环中,油箱的出油量应等于其进油量,所以一个工作循环的需要的总流Q=8πDSf=34.2 L/min,所以低压泵的理论流量为qt2=30 L/min,高压泵的为qt1=10 L/min设定两个泵的转速均为1500 r/min。

根据公式qt=Vn得,高压泵排量V1=6.7 m L/r,低压泵排量V2==20 m L/r

根据以上计算,低压泵决定选用排量V2=20 m L/r,额定压力pn2=7 Mpa

的GFZB-5型齿轮泵,高压泵选用排量V1=6.3 m L/r,额定压力pn1=31.5 MPa的GFZB-6阀配流轴向柱塞。

2.3速度验算

以行程为12 mm,冲压板的厚度为1 mm的条件下进行速度验算。当活塞下行时v1=4(q1+q2)πd2=13.09 cm/s,活塞上行时v2=4(q1+q2)π(D2-d2)=14.68 cm/s,这时的频率为4.25HZ,即每分钟内可对工件冲压265次。可见当S=10mm,对厚度为1mms的工件冲压时,可以实现f达到300/min以上的预定目标。

三、结语

本文对冲床液压系统进行了设计,采用比例伺服方向控制阀作为系统的控制元件,压力系统根据负载的变化自动调整,且采用了双泵交替供油的设计方案。其次根据冲床的使用要求,确定冲程、周期、频率、压力等工作参数,然后设计计算出了液压系统的主要元件液压缸的各个数据,最后经过验算,确定可以实现最初的设计目标。

摘要：开发设计适应我国实际环境的高速冲床液压系统是当前我国科技工作的一个重要课题。本文将比例伺服控制的原理应用到高速数控冲床液压系统的开发设计中,这样设计出的冲床液压系统不仅安全可靠、结构简单,而且具有较高的冲压频率。

关键词：冲压设备,高速数控冲床,液压系统

参考文献

[1]臧贻娟.数控高速冲床液压系统设计及仿真[D].山东:山东大学,2006.

[2]吴宗泽.机械设计师手册[M].北京:机械工业出版社,2002.

数控仿真系统在数控教学的应用 篇5

关键词：数控教学;数控仿真软件;教学效果

进入21世纪，我国制造业在世界上所占的比重越来远大，随着我国逐渐成为“世界制造业中心”进程的加快，制造业的主力军――技能人才严重缺乏已成为制约我国制造业快速发展的瓶颈。

数控机床在现代机械制造业中广泛应用，社会急需大批熟练掌握现代数控机床编程、操作、维修的一线工数控技术工人。

职业技术学校作为生产一线操作和技术人才的培养基地，如何更快更好地培养出满足市场需要，掌握数控机床编程、操作与维修等技能的高质量的技术人才，早已是数控教学工作者研究的课题。

现在职业院校数控专业普遍采用数控仿真软件辅助数控教学。

现浅谈如何利用数控仿真软件作为辅助教学工具，与数控教学有机地结合起来，提高数控教学水平，培养高素质的应用型技术人才。

一、采用数控仿真软件作用

1.节约设备投入，实习耗材的使用

现在数控设备价格比较高。

数控车床最少7、8万，数控铣床一般也在20万左右。

加工中心一般要50万左右，多则达百万甚至上千万。

数控机床的实训如果完全按照实操进行，不但投入大，而且消耗多、成本高，即使是实力雄厚的院校或企业也难以承受此种消耗和投入。

数控仿真软件包含多种数控系统，使用其作为教学辅助工具，可以使数控教学达到投入少，教学内容多样性，培养的学生适应能力强的目的。

它能避免学生初期实习时不熟悉数控系统及面板操作带来的设备、人身安全等问题;又能克服学生因为刚刚接触数控机床产生的畏难心理，增强学生操作熟练度和信心，能对机床的功能有深入了解，达到熟悉数控机床的目的，学生还可以通过仿真对所编程序进行验证。

可以克服人多而设备少的矛盾，保证了学生实习时间，同时同样数量机床可以满足更多学生实习，降低了实习消耗，节约了成本。

2.提高学生编程、操作能力

数控仿真软件具有多种数控系统、多种机床，它可以逼真的进行数控编程和操作。

可以让学生在实际动手操作之前，先用仿真软件在计算机上模拟操作，这样能让学生在实际操作机床之前就已经有了一定的熟练度和自信心。

在实习时，合理安排数控仿真和实操课时比例，一般为1:1。

仿真练习可以进行编程和加工工艺学习，学生利用仿真软件可以进行程序编写，工件仿真加工等操作，通过完整的、接近于实际操作的模拟操作过程的教学让学生掌握数控机床加工零件的全部过程。

这一过程将数控编程、制造工艺、刀具、数控机床、数控加工等课程有机地结合起来，使学生觉得以前所学的知识不再孤立、枯燥，达到了融会贯通，巩固了学生的加工工艺方面的知识，强化了数控教学的效果。

学生可以更快、更好地掌握编程、操作，同时培养学生独立解决实际问题的能力。

3.拓展学生所学的知识面

现在学校购买的数控机床一般是FANUC系统，但有的企业使用西门子系统、广州数控等系统。

为了使学生在毕业后有更多的就业选择，在进行仿真教学时可以不仅仅练习FANUC系统编程、加工，还应拓展数控系统的学习。

利用仿真软件学习其他企业常用的数控系统的编程和操作，使学生了解并掌握不同系统、不同数控机床编程与操作方法。

提高学生对不同系统、不同操作面板的编程与操作的适应能力，拓展学生知识面。

4.提高理论教学效果

数控理论教学尤其是数控编程与操作的学习，最好使用仿真数控软件辅助教学。

在教室里枯燥的学习数控编程，学生不容易理解指令的使用，而且无法检验编写的程序正确与否。

在课堂上讲解按键作用和操作，只能靠学生的想象，枯燥无味，教学的效果甚微。

如果将数控仿真软件引入理论教学，可以在课堂上将学生的程序编写逼真的演示出来，可以及时发现程序中存在的问题，对指令的理解更加容易。

可以使学生在教室中看到和实际加工基本相同的加工过程，学生更容易理解数控加工操作。

这不但有利于激发学生学习兴趣，提高数控理论教学效果，更有助于学生编程能力的提高，也为以后的实际操作奠定了坚实的基础。

二、使用中存在问题及解决措施

数控仿真软件的使用不仅仅包括优点，还存在不足之处需要改进。

1.学生不注意仿真和实操之间的不同

数控仿真软件只是对工件的编程、加工过程的模拟，并非真实的加工过程，仿真系统只有在选择过大切削深度时才会提示报警。

在使用仿真软件练习时，不用考虑切削用量的影响，程序就能加工合格的工件，学生不能感觉到实际加工时的切削用量的选择、零件装夹对加工的影响。

长此下去，学生在生产加工中就不会考虑到切削用量、刀具、材料等因素对加工的影响，只会按照仿真系统编程。

这样的程序一旦用于实际操作，很容易发生崩刀、撞车等安全问题或影响零件的加工质量。

对此教师要高度重视，合理的安排仿真和实操的课时，使学生始终保持安全生产的意识，养成良好的工作习惯。

2.有可能影响学生的学习

一方面，长时间使用数控仿真软件教学，会使学生认为数控编程、加工比较简单，放松对自己的要求，不认真听讲，懒于上数控机床操作，致使技术退步。

另一方面，有些学生自控能力较差，长时间使用仿真软件教学，学生趁机利用电脑上网、玩游戏或看小说，放弃学习。

这就要求教师加强责任心，提高管理水平，改进教学方法，减少数控仿真软件在教学中的负效应。

总之，把数控仿真软件用于数控教学之中，将激发学生的学习积极性，将有利于改进数控教学条件，提高数控教学效果，但要正确处理其在使用中产生的问题，以便收到事半功倍的效果。

【参考文献】

[1]黄凤岐，潘宏歌.数控仿真技术的教学应用.科教文汇.(19)：185.

数控机床GPRS监控系统的设计 篇6

关键词：数控机床；GPRS；远程监控；系统设计

中图分类号：TG659 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）11-0020-03

数控机床作为一种新型高端产品应用于工业生产已非常广泛，在GPRS广泛应用的今天，将GPRS监控系统作为一种高效率、高性能的技术应用到数控机床的使用中，对有效发挥数控机床生产效率将产生深远的意义，除了可以迅速解决用户现场问题外，制造商还可以得到直接用户更多的一手资料，从而有效指导用户使用并可以找到自己设计制造的不足。

1 数控机床使用的现状及应用GPRS的可能性

（1）随着科技的进步，许多行业都用先进的科技手段来武装自己，人们的日常生活已常用到GPRS。数控机床工作效率高、精度高，但其具有高新技术的难度，使得这类设备在维修时需要专业人员进行检查和处理，造成使用、维修费用增加。为降低数控机床的使用成本，在对数控机床进行管理时采用GPRS远程监控技术已经成为新时期下数控技术的发展趋势。

（2）目前的数控机床基本上形成了自动化运行模式，但管理方式上大多还按部就班，尤其在发生故障时仍采用文字和电话汇报的形式进行解决、沟通，加上个人理解和语言表达的不同，信息常传达不到位，以致不能在第一时间发现和解决故障。原始的人工管理方式的不足，抑制了数控机床优越性的发挥。

（3）GPRS系统融合了通信、计算机网络、远程故障诊断及远程处理等先进技术，有效地监控数控机床工作，在报警的同时及时发现故障并作出诊断，从根本上解决了用户人工控制难以解决的问题，节约了人工成本，提高了解决问题的效率。由于GPRS监控系统可以在故障出现时第一时间接收到现场信息，进行诊断和消除数控机床故障，这就减少了给生产造成的影响。另外，可以有效地延长数控机床的使用时间，能给企业创造更多的经济效益。

2 GPRS设计思想

2.1 系统整体设计

数控机床中的GPRS系统主要由四部分组成，其中包括GPRS网络、Internet、数控机床监控中心和监控终端。Internet在数控机床监控中心和监控终端网络中起到了连接作用，能够将数控机床的具体工作情况传送到监控终端，可以有效解决人工控制中不易解决的问题，提高了工作的效率。

2.2 各部分的设计

数控机床的监控中心：通过Internet，采用IP+UDP的协议同GPRS实现互动和对话，监控中心的信息能及时地传送给监控终端，并接受监控终端发出的监控、警报、故障诊断等控制指令；Internet通过网络将GPRS在监控中心和监控终端间紧密联系在一起；GPRS网络是整个监控系统的载体，我国目前GPRS已经被广泛地运用到各个领域中，其最大的特点就是传输的速度快，高效准确。数控机床的监控系统可以通过GPRS来实现数控机床监控中心和监控终端之间点对点专业报文数据的互传；监控终端是整套系统的核心，其主要作用是将数控机床监控中心通过Internet发送的数据进行接收并处理；分析处理后将结果传送到数控机床监控中心，指挥数控机床按照新的指令运行。

3 数控机床中GPRS监控系统的软件设计分析

3.1 GPRS监控系统采用的通信协议

要有相应的通信协议来实现数控机床和监控终端之间的协调。GPRS以媒介的形式将数控机床的监控中心和监控终端用Internet来进行互联，这样能有效地采集数据并能够第一时间发送数据进行处理，可以实现对监控中心的远程监控。对将要传送的数据设定开始和结束的标志，然后在监控终端设定不同的序号，这些序号就是区分不同数控机床的标志。监控终端可以将GPRS技术通过通信协议来对整个数控机床进行管理和控制。

3.2 监控系统的软件设计

在整个软件系统模块中，监控终端和监控中心是极其重要的两个部分，在计算机上有不同的软件运行，也有两个系统来设计不同的数据库，通过GPRS和Internet将整个系统联系起来。其中监控中心是由数据库服务器、应用服务器和通信前置机三部分组合而成，从而实现信息之间的交换和联系。监控终端的功能是将数据从监控中心搜集到自己的存储器上，对数据进行储存并且进行必要的分析，通过对数据的分析和对比可以发现数控机床的运行情况；如果没有按照既定的轨迹运行，那么监控终端会立即发出警报，同时会将相应的数据进行备份。

3.3 监控终端程序设计

监控终端程序的设计主要是完成初始化和网络连接等操作，初始化函数主要完成芯片的引脚状态和特殊功能寄存器的设置。对GPRS模块进行初始化设置，并在模块中找到GPRS的命令模式，通过相应的串口将指令发送给GPRS模块，同时和数据信息中心相联系。在建立连接以后，GPRS模块可以通过GPRS网络登录到GGSN，并转到在线模式中。这时串口发出的数据将会通过GPRS模块传送到GGSN中，形成双方的信息互通。在系统方案中，系统主站服务器使用的是静态IP，并且将IP地址写入到GPRS模块中，可以完成IP地址和主服务器之间的连接。在嵌入式环境下，根据具体的功能需求，可以对网络的指令进行函数封装，通过创建相应的联系而实现其功能。

4 数控机床中GPRS监控系统的硬件设计分析

监控终端硬件的开发包括单片机的选择和复位、时钟电路、电源模块和模块接口电路，可以采用无线模块拨号上网并开发相关的终端程序。GPRS终端监控系统的结构主要包括单片机最小系统、GPRS模块、信号采集、天线、SIM卡和电源模块。其中单片机部分采用的是控制芯片微处理器，结合软件开发平台，可以实现编程、调试、仿真，能够保证GPRS终端的功能性、可维护性和可升级性。GPRS数据传输模块选用的是一款尺寸较小的三频模块，此模块支持标准的指令和协议，具有良好的温度特性和稳定的工作性能。模拟信号主要包括数控机床运行轴的控制电压和数控机床的温度等，其中控制电压可以有效地对机床运行轴的旋转状态进行判断。数控机床的运行状态和温升等可以通过数字信号模块进行判断，可以通过对定时器中断方式来进行信号的采集。电源模块可以为单片机和GPRS模块提供稳定的电源，可以保证GPRS模块对电流最大值的要求。

5 结语

相对于传统人工控制方式，GPRS远程监控系统可以有效地解决数控机床管理中出现的一些问题，处理效率较高。数控机床对GPRS监控系统的应用是以GPRS为媒介，将信息数据准确快速地上传到监控终端，同时按照监控终端的新指令工作，继而由监控终端集中控制数控机床的使用。对于一些大型的、较多使用数控机床的企业，应该大力推广GPRS监控系统，从使用的效果来看，其具备良好的使用性，能给企业带来更多的经济效益。

参考文献

[1]许东磊，鞠志鑫.数控机床中GPRS监控系统的设计[J].科技传播，2013，（3）.

[2]赵瑞旺.基于GPRS的数控机床监控系统设计[J].物联网技术，2011，（2）.

[3]罗诗风，颜永红，周继辉.基于GPRS的数控机床远程监控系统[J].微计算机信息，2008，（34）.

数控车床液压系统设计 篇7

目前, 数控机床、加工中心以半闭环控制为主, 数控系统在进给传动系统没有位置检测反馈, 进给系统死区误差直接影响工件与刀具的定位精度。产生死区误差的原因有:机械传动系统的间隙;为克服摩擦力而产生的摩擦死区;系统中电气、液压元件的死区等几方面。失动量的大小在开环数控系统中直接影响机床控制精度, 在闭环数控系统中过大的失动量会对系统稳定性产生影响。对常值系统误差引起的失动量可以通过各类间隙消除机构和适当预紧解决, 而传动系统刚度引起的失动量成为数控系统失动量产生的主要原因。经济型数控机床进给系统一般采用开环控制, 该系统精度取决于组成进给系统各环节的精度, 其误差由滚珠丝杠副制造的误差 (滚珠丝杠副制造误差由所选丝杠副精度决定) 和载荷与温度变化的作用产生的丝杠、螺母、轴承、联轴器及伺服系统的误差等部分造成。

2 X向进给系统方案确定

数控车床CK6140属于半闭环控制系统, 数控车床要求有较高的加工精度和重复定位精度, X向进给采用伺服电机, 通过同步带轮和同步带带动丝杠转动, 同步带传动具有带传动、链传动和齿轮传动的优点, 其缺点是制造和安装精度要求较高。滚珠丝杠的支撑方式对X向进给精度有重要的影响, 资料表明, 进给系统中滚珠丝杠的轴向刚度是影响失动量和定位精度的主要因素, 滚珠丝杠安装方式不同, 其刚度也不同, 两端止推安装优于一端止推、一端向心的支撑方式, 从而为进给系统结构设计提供理论依据。

丝杆传动的综合拉压主要是由丝杆的拉压刚度KL、支承刚度KB、螺母刚度KN等三部分组成。滚珠丝杆螺母副的预紧一般采用各种形式的双螺母机构和带预紧的滚珠丝杆螺母副, 并要求预紧力的数值应大于最大轴向力1/3倍。滚珠丝杆的预拉伸可以补偿丝杆的热变形, 提高丝杆的拉压刚度。一般选用一端用角接触轴承背靠背组合 (TBT) 和另一端采用角接触轴承加预紧固定。

3 进给系统设计方案的计算

3.1 X向进给系统的设计计算与选型

进给系统设计涉及到的计算为:工作台重量W, 脉冲当量δp, 机床定位精度δ, 横向最高进给速度vmax。

传动比的选定对于步进电机来说, 当脉冲当量δP确定, 并且滚珠丝杠导程L0和电机步距角θb选定后, 则该轴伺服传动系统的传动比:i=θbL0/ (360δP)

X向进给切削力的确定:PE≥Pm/ηm=FzV×10-5/ηm

式中, ηm=0.75~0.85;V-主轴传递全部功率时最低速度。

主切削力为:FZ=0.67Dmax×1.5 (根据经验公式) ,

式中:Dmax为车床床面上加工的最大直径, Dmax=600mm。

进给抗力Fx和切深抗力Fy可按下列比例分别求出Fz∶Fx∶Fy=1∶0.25∶0.4。因为车刀装夹在拖板上的刀架内, 车刀受到车削抗力将传递到进给拖板和导轨上。作用在进给拖板上的载荷按以下方法求出:拖板上进给方向载荷FL=Fz;拖板上垂直方向载荷Fv=Fy=0.4F;拖板上横向载荷Fc=Fx=0.25Fz。

滚珠丝杠螺母副选用。结合数控机床加工要求和《机械工程及自动化简明设计手册》选定滚珠丝杠的公称直径;数控机床及精密机械可选2~3级, 因滚珠丝杠副的精度直接影响定位精度、承载能力和接触刚度, 故选择3级精度。

3.2 X向进给转动惯量计算

数控机床进给系统加在电机轴上的负载有两种:负载转矩和负载惯量。因此, 数控机床加工参数决定进给系统所选用伺服电机的类型。由电机驱动的所有运动部件, 无论是旋转运动还是直线运动部件, 认为都是电机的负载惯量。

回转运动件的转动惯量:

X向丝杠转动惯量:

式中:d-直径;l-长度 (取丝杠直径0.025m, 则d=0.025m, l=0.556/2.36m) ;ρ-钢密度7800kg/m3。

同步带轮转动惯量:

式中:b-同步带轮宽度。

直线运动件向丝杠折算的惯量:直线运动件质量M为150kg, 丝杠螺距P为0.005m。

折算到电机轴上的总惯量为:

式中, i-为降速比, i=1。

3.3 电机扭矩的计算

在实际设计中通常分两部分进行, 一是计算快速空载启动时所需最大扭矩。二是计算机床重切时所需最大扭矩, 以计算得出的最大扭矩为选择电机依据。

快速时, 折算到电机轴上的最大加速力矩:

式中:nmax-x向快移速度时电机的转速, nmax=10/0.005=2000r/min;J-折算到电机轴上的系统总惯量;ta-加速时间, ta=9/Ks;Ks-系统增益, 取Ks=20s-1, 则ta=9/Ks=0.45s。满足系统稳定性要求所需机械传动链固有频率Wn必要条件由系统增益Ks和导轨阻尼比ξ确定, 即:Wn>Ks/2ξ。

根据经验, 对于点位直线控制方式Ks=8~15s-1已足够, 一般取Ks=10s-1, 而导轨阻尼比ξ与所选择的导轨类型、润滑条件、工作台进给速度等有关。

折算到电机轴上的摩擦扭矩为:

式中:F0-导轨摩擦力, F0=M·g·f=150×9.8×0.018≈26.46N, P-丝杠螺距, 0.005m;η-传动链总效率, 滚珠丝杠副η=0.85;i-齿轮减速比。

折算到电机轴上由丝杠预紧引起的附加摩擦力矩:

式中:P0-滚珠丝杠预加载荷Fz/3=3330/3=1110N;η0-滚珠丝杠未预紧时的传动效率为0.9;i-降速比。

快速空载启动时所需的最大扭矩:

重切时, 切削负载转矩:

式中, Fx-X向进给力为2500N。

摩擦扭矩:

式中:M-质量 (包括溜板、床鞍、刀架等) ;Fx-X向切削分力;f-摩擦系数0.018。

折算到电机轴上的加速扭矩:

式中, nat-要求电机重切时进给转速, nat=5r/min;J-折算到电机轴上的总惯量J=0.00029kg·m2;ta-加速时间, ta=0.03s。

重切所需扭矩:

则根据经验得出:一般推荐电机惯量Jm与负载惯量Jt的匹配关系;通过以上计算结果可知, 电机扭矩惯量应满足1/4≤Jt/Jm≤1。在α伺服电机系列中符合条件且最为合适的电机应该是α22/3000, 该电机额定扭矩为12N·m转动惯量0.012kg·m, 1≤Jt/JM=0.00029/0.012≈0.024≤4, 可以满足数控车床X向进给伺服驱动的需要。

4 X向进给校核计算

进给牵引力为Fm, 进给导轨为矩形导轨, 拖板底面采用贴塑处理:

式中:Fz、Fx、Fy-切削分力;Fz=8330N;Fx=3330N;Fy=2500N;G-移动部件的重量, 取值为1470N;f′-导轨上的摩擦系数, 取值0.05;K-考虑颠覆力矩影响的实验系数, 取值1.1。

计算最大动载荷C

式中:L0-滚珠丝杠导程, 初选6;Vs-最大切削力下的进给速度, 取Vs=1.5m/min;T-使用寿命按25000h;Fw-运转系数, 取1.2;L-寿命, 以106r为1单位。

该设计所选用的丝杠为银泰FDWC, 其额定载荷为Ca>77560.6N, 由此可知所选丝杠满足需求。

传动效率计算, 银泰滚珠丝杠的传动效率很高, 大于90%是高效率的传动部件, 符合使用的要求。

刚度验算, 滚珠丝杠的支撑方式如图1, 最大牵引力3406.5N, 支撑间距L=450mm, 丝杠螺母及其轴承均进行预紧, 预紧力为最大轴向负荷的1/3。

丝杠的拉伸变形量δ1, 根据最大的牵引力为3406.5N, D0=25mm, L0=5mm可算出:

式中, Fm-工作载荷即进给力, Fm=3406.5N;E-材料弹性模量, 钢E=206GPa;F-滚珠丝杠的截面积 (按内径计算) ;F=3.14×12.52=490.625mm2;L0-滚珠丝杠的导程。

由于两端采用角接触推力球轴承, 且丝杠又进行了预紧拉伸, 故其拉压刚度可以提高4倍, 其变形量δ1′:

滚珠与螺纹滚道间接接触变形δ2:

式中, Fm-轴向工作负载;d0-滚珠直径, 3.969mm;Fy-预紧力, 1110N;ZΣ-滚珠数量, ZΣ=Z×圈数×列数=28.5×2×2.5=142.5;Z为一圈的滚珠数, Z=3.14×25/3.969=19.8°。

支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形δ3:

采用日本NSK精密滚珠轴承, 其精密滚珠轴承的轴向接触变形可以查使用说明书的计算公式:

式中, dp-轴承滚动体的直径;Z-轴承滚动体的数目, δ3=0.002mm。

根据以上系统总变形δ:

稳定性校验, 计算临界负荷FK

式中, E-材料弹性模量, 钢E=206GPa;I-截面惯性距丝杠, I=πd14/64=1.92, d1为丝杠的内径;L-丝杠两支撑端距离;f2-丝杠支撑方式系数, 因为一端固定, 一端半固定所以f2=2.00。

nK=70996/3851.5=18.43>[nK] (一般[nK]=2.5~4) , 因此滚珠丝杠不会产生失稳。

摘要：数控机床进给传动部分可用质量-弹簧-阻尼组成的二阶系统数学模型表示, 在模型中由于存在质量和弹簧两个储能元件与传动部件存在间隙、摩擦、弹性变形以及电动机运行误差等因素产生失动量, 导致执行部件滞后或振荡概率增加。如果机械传动设计参数选择不当, 将对数控机床的快速性、稳定性及稳、动态误差产生影响。文中介绍了正确设计、选择进给系统的各个部件的方法, 精确计算其强度、稳定性、失动量影响, 以确保数控机床的定位精度和传动精度。

关键词：失动量,进给:定位精度

参考文献

[1]徐创文, 朱琪.数控机床进给系统刚度所引起的失动量分析计算[J].淮海工学院学报 (自然科学版) , 2002 (3) :16-19.

[2]刘凤国, 王晓燕, 张宁菊.CA6140型车床进给系统及刀架的数控改造[J].煤矿机械, 2005 (2) :95-97.

[3]吴南星, 等.数控车床丝杠进给刚度对定位精度的影响[J].中国工程科学, 2004 (4) :46-49.

数控车床液压系统设计 篇8

近年来, 随着信息化和工业化融合的不断深入, 计算机信息技术在数控机床上的渗透也不断深化。装备制造业在信息技术的推动下, 正在逐步改造升级, 国际上数控机床正在朝高精度、复合化、智能化、网络化等方向快速发展。而国内机床业仍存在自动化水平低、加工精度低等问题。在这一大背景下, 本文针对数控车床加工中刀具检测的技术难题进行了研究, 研究旨在实现加工过程中刀具磨损的自动化检测, 进而提高车床加工整体自动化水平。刀具磨损不仅是影响工件加工精度、表面质量的直接原因, 同时其检测技术也制约着整个加工过程的自动化水平。传统的刀具磨损检测手段, 如卡尺、量规、轮廓仪等, 均需要人为的离线操作, 已不能满足现代数控机床加工自动化的要求。本文提出的基于图像处理的刀具检测方案具有在线、实时的显著特征, 方案可使刀具进行在线非接触式检测, 并在检测后实时地将检测结果反馈给数控车床从而调整加工参数, 形成车床加工的闭环控制, 这种检测和反馈的功能可有效提高加工效率和精度, 从刀具磨损检测的角度提升数控加工自动化水平。

二、刀具磨损检测总体方案概述

本文所提出的刀具检测方案以无锡易嘉通精密机械制造有限公司所生产的单轴数控车床为平台 (机床型号CKZ20) , 在其上设计并实现了基于图像处理的刀具磨损检测系统。

整个刀具检测系统主要分为硬件和软件两大部分。功能实现的原理大致如下:首先, 在车床开始加工后, 按照设定的图像采集参数, 每当加工时间达到设定的周期值时, 刀具退刀并自动运动至拍照点, 由硬件部分完成对刀具图像的实时采集, 并将图像传入工业计算机;然后由软件部分实现对刀具图像的数字处理, 并得出刀具磨损检测的结果;最后软件部分针对检测结果计算出刀具补偿量, 并将其反馈至机床控制器, 机床控制器以此为依据调整相关的加工参数, 机床进入下一轮周期内的加工, 依此循环。图1是刀具磨损检测系统的功能流程示意图。

三、硬件系统的设计

硬件系统由软件系统控制, 主要完成采集刀具图像并传入计算机的功能。其中主要包括光源、工业摄像机、图像采集卡、工业PC机等。其中工业PC机用于运行检测方案的软件部分, 软件部分的功能指令均借由工业PC机来向机床控制器和图像采集设备发送。各主要部件如表1所示。

刀具图像的采集, 在光源OPT-RI9000的辅助下进行, 其中光的强度设置集成在软件系统上, 可通过软件控制光源控制器来设定光源强度值。摄像机负责在线获取高精密度的刀具图像, 并通过图像采集卡转换后将刀具图像传入工业计算机。考虑到在实际生产中, 刀具磨损部分主要是靠近刀尖的部分, 且刀具前刀面图像最能够直观地反映刀具磨损状态, 因此安装时要保证使得镜头光轴与前刀面相垂直。至于刀具图像采集设备在机床上的安装, 经过对CKZ20数控车床的结构分析, 将其安装在机床钢导轨的极限位置处, 在保证不发生碰撞的前提下, 为确保所采集的图像质量及检测精度, 主要考虑两点问题:一是摄像头位置的固定性;二是镜头与刀尖之间的距离在摄像机参数范围内。

四、软件系统的设计

软件系统由图像数据采集模块、机床通讯模块两大部分组成, 其中图像处理及计算模块是整个系统的核心部分, 它的好坏直接影响到整个检测系统的精度。软件系统基于Windows xp操作系统, 采用Visual Studio 2008开发。

(一) 图像采集模块。

图像采集模块工作流程是:检测时车床自动退刀, 光源照明开启, 然后刀具移动至摄像机的图像采集点, 完成图像的获取并将其传输给工控机。考虑到采用1394a图像采集卡, 因此图像采集模块的程序实现可调用NI-IMAQdx驱动程序来开发实现。NI-IMAQdx支持IEEE 1394工业数字摄像机的高速图像信息采集。为满足刀具磨损检测实时性的要求, 系统采用NI-IMAQdx中的High-level functions。

(二) 机床通讯模块。

机床通讯模块即负责工业PC机与数控机床控制器之间的通讯, 模块的功能主要有两点:一是负责向机床控制器反馈图像处理的结果, 控制器根据所计算的补偿量来调整相关的加工参数;二是实时控制加床的运行状态, 通过与机床控制器的通讯来控制机床停开机, 使刀具停在合适的位置以便摄像头在停机时采集图像。本研究基于FANUC的0i-D系统, 因此该模块的功能开发主要调用FANUC所提供的FOCAS函数库来实现。

五、结语

本文在已有的关于刀具磨损检测图像处理算法研究的基础上, 以数控车床CKZ20为研究平台, 以车床刀具的刀尖部分为研究对象, 设计了一套基于图像处理技术的在线实时刀具磨损检测方案。初步实现了在数控机床加工过程中自动完成刀具磨损状态的在线检测与自动补偿功能。方案从刀具磨损检测的角度有效提高了数控机床加工的自动化水平。由于实际加工环境的恶劣, 如机床加工时冷却液的飞溅与水汽的影响等, 导致所获取刀具图像的质量不稳定, 使得整套方案的效果只能持续较短的时间, 但是研究所预期的功能基本实现, 为进一步的改进和研究打下基础。后续的研究方向, 将更全面地考虑图像采集设备的防护措施, 保证能够持续获取高质量高精度的刀具图像, 从而提高检测方案的有效时间范围。

摘要：本文设计并初步实现了一套基于图像处理技术的数控车床刀具磨损状态在线、实时检测系统。系统以无锡易嘉通公司数控车床CKZ20为平台, 完成了检测方案硬件系统的设计与制造, 同时完成了软件系统的开发。在软件系统的控制下, 通过硬件设备在线实时采集刀具图像, 并由软件处理刀具图像后计算确定磨损状态, 最后进行相应补偿。经过测试, 显示该方案在功能上具有可行性, 能实现自动化的刀具在线检测。

关键词：刀具磨损,刀具检测,图像处理

参考文献

[1].寇星源, 王晨升, 李磊.A Detection System of Tool Condition Based on Image Processing Technology[C].Advanced Materials Research Vol.510 (2012) :375～379

经济型车床数控系统精插器的设计 篇9

1 精插器原理及意义

经济型数控车床是指具有针对性加工功能但功能水平较低且价格低廉的数控机床, 它主要是由机械和电气控制两大部分组成。其故障按故障源可分为机械故障和控制系统故障两类;按运行情况分有不运行类, 运行加工尺寸超差无规则类和运行加工尺寸超差有规则类等;就其数控系统而言又可分为硬件故障, 软件故障和干扰故障三大类。经济型车床数控系统当中的精插是决定坐标轴联动过程中各坐标轴的运动顺序、位移、方向和速度的协调。数控系统精插功能由软件或者软硬件结合来实现, 就叫做精插器。精插器也叫插补器。精插补是车床数控系统的主要功能。数控系统根据数控系统编程时的数据, 产生基本线型, 再以此为基础完成最终的所需轮廓轨迹的加工拟合工作, 就是数控系统精插补的工作过程。采用软件粗插补和硬件精插补相结合的设计方式是当下经济型车床数控系统精插器设计的主要方法。数字增量和脉冲增量是目前推广运用面相对较大的精插补技术方法。精插器作用通常由数控系统软硬件共同配合完成。系统软件首先计算好下一个运动数据, 通过数据总线输送给精插补器, 精插器在插补周期均匀发出相应数量脉冲, 驱动进给轴进行相应运动, 运动合成最终完成工件的加工轨迹。单次脉冲发完后精插器出现一次信号中断, CPU继续输送数据到二级数据缓冲区, 不断循环直到加工指令完成。

2 数控系统精插器设计

数控系统精插器的设计应用当中, 最主要最关键的部件设计就是数字脉冲乘法器的设计使用。数字脉冲乘法器通常又称为二进制比例乘法器, 是经济型数控车床精插器设计当中最简单的直线精插补器。数字脉冲乘法器具有方便实现多坐标插补的特点, 是精插器的重要部件, 是数控系统精插器的脉冲发生器, 完成插补数据的脉冲转换和输出。

2.1 数字脉冲乘法器的定义

数字脉冲乘法器可完成多种运算。以四位二进制比例乘法器CD4089为参考对象, 其主要功能特点是数据转换输出的脉冲数等于输入时钟脉冲乘以一个系数。系数通过四位二进制输入端A0到A3置数来确定, 通常范围为1/16到15/16之间。比如当数量为11的时候, 每输入16时钟脉冲, 输出端可以得到11个脉冲。

2.2 数字脉冲乘法器的设计实现

数字脉冲乘法器实质就是由一个N位的乘法门矩阵和一个N位脉冲分频器所组成的逻辑电路。功能目的就是将输入数控系统数据数量转换成为相对应数量的脉冲后输出。数字脉冲乘法器在单次脉冲输出间隔内, 数控系统所输出的脉冲总数等于控制端的二进制数输入量。在同间隔基础内, 改变控制量同时也就改变了脉冲数量及频率, 这意味数字脉冲乘法器同时也可以应用到步进机的转速和位置控制上。在设计数字脉冲乘法器的时候, 在数字脉冲输出端增加装置脉冲均匀化处理电路, 可以有效解决脉冲串不均匀引起的插补折线与实际直线出现偏差, 数控系统加工精度降低的问题。脉冲均匀器就是一个二进制分频器, 通常采用2级或3级。在加装脉冲均匀处理电路时需要相应提高CLKIN输入的频率。脉冲输出频率的计算公式为:

数字脉冲乘法器设计的实现是经济型数控系统精插器设计的关键点, 是精插器发挥效用的重要步骤。在数字脉冲乘法器的设计过程当中, 因数字脉冲乘法器是精插器的组成构件之一, 所以数字脉冲乘法器的设计实现不仅要依照其本身工作原理和实际作用的要求, 同时需要考虑到精插器综合效用及数控系统运行应用实际状况。数字脉冲乘法器是经济型车床数控系统的脉冲发生器, 数字脉冲乘法器结合控制逻辑电路就组成了精插补器, 可应用到实际的车床项目当中。硬件精插补和软件粗插补两种技术相互结合应用, 能够大幅度提高精插器运算的效率, 同时提高精插器插补精度。通过实际设计应用表明, 数字脉冲乘法器技术方法使用简单且性能可靠, 脉冲转换和输出均匀稳定, 能够保障高精度的经济型车床数控系统的脉冲产生。当前该技术在经济型车床数控系统的应用已呈批量投产使用的态势, 在各项如加工速度、加工精度、稳定性和可靠性等项目指标上, 都达到和满足了经济型车床数控系统的设计预期和加工需求。

2.3 精插器设计基本要求

数字脉冲乘法器作为经济型车床数控系统精插器的关键, 其设计实现需要有一定的标准和准则作为指导和监督保障。 (1) 精插器插补工作所需原始数据较少。 (2) 数字脉冲乘法器必须具备较高的插补精度, 插补结果没有累计误差, 局部偏差不能超过允许的误差, 即误差需保证小于规定的分辨率。 (3) 数据脉冲沿进给路线, 脉冲进给速度需恒定且符合经济型车床数控系统加工要求。 (4) 数字脉冲乘法器硬件实现需具备简单可靠、软件算法简便、计算速度快的特点。

3 结语

车床刚度在线测量系统的设计 篇10

1 车床动态刚度的测量原理

在对车床加工偏心试件时, 利用误差复映原理, 加工前毛坯上存在的误差将会复映到最终零件上, 其主要原因是处于工艺系统中的车床零部件受力发生变形, 使得工件和刀具间产生相对弹性变形位移。在这个过程中, 车床加工的系统刚度越大, 最终复映在工件上的误差将会越小。当其他条件完全相同时, 已加工表面偏差与坯料偏心的比值, 就表现为刚度。机床—工件—刀具工艺系统的刚度计算公式为

式中:Ks为工艺系统的刚度;Km为机床系统的刚度, N/mm;Kw为工件的刚度, N/mm;Kc为刀具的刚度, N/mm。检测时, 假定刀具的刚度和工件的刚度远远大于机床的刚度, 计算时忽略工件和刀具的变形, 此时有

加工偏心试件时, 工件在旋转一周时, 切削深度将从最小切深ap2变到最大切深ap1, 对应切削力的变化为从Fz2到Fz1, 同时, 机床的变形也将从最小的变形y2到最大的变形y1, 此时得到带有偏心的已加工的表面。机床对应的变形为

已加工的表面偏差变为

式中:Fz1, Fz2分别为加工时对应的最大和最小切削力, N。

假设y1-y2=Δ为已加工工件的偏心偏差, mm;同时忽略变形y1和y2对切削力的影响, 将式 (2) 变形则得到

用车刀在试件的前端1、中间2和后端3处分别进行加工, 机床不同部位处的刚度间关系为

式中:Kst, Ksz, Ksw分别为车刀在加工1, 2, 3偏心处时机床的系统刚度;Kmt, Kmw, Kmd分别为车床的床头、床尾和刀架处刚度, N/mm。解上述方程组得

通过以上所述, 经过测量刀具在加工试件时的切削力大小以及试件已加工的表面偏差值, 就可以得到车床的系统刚度和部件刚度。试件已加工表面的偏差值用千分表来测定, 切削力大小则采用压电测力仪来测定。

2 车床刚度测量系统

文中测定刚度的方法是:在加工偏心试件时, 首先对偏心试件的不同位置进行车削, 同时用压电测力仪测定车削力、用千分表测偏心距, 进而可以计算出车床的头架、尾架和刀架等各部分的刚度值。此外, 在Delphi运行环境下, 开发出车床静刚度在线测量的系统软件, 该软件由压电测力仪标定系统和刚度测量系统两部分组成, 实现数据的采集、处理和存储等功能, 利用“最小二乘法”去求解出标定系数, 同时采用二阶多项式拟合的方法建立求解车床的刚度曲线。

2.1 系统的硬件设计

车床的刚度测量硬件系统由测力仪标定硬件系统、工件、采集卡和刚度测量硬件系统组成。压电测力仪标定硬件系统的核心是测力仪标定台, 测力仪标定系统可以得到测力仪的灵敏系数, 为刚度测量做准备。刚度测量的硬件系统由车床、工件、测力仪、采集卡和工业计算机组成, 其中刚度测量系统是该实验的核心。

压电测力仪标定原理见图1, 测力仪标定台上设有三向加力机构, 通过这个快速标定装置可以给压电式测力仪施加标定力。标定时施加的力通过快速标定装置上的力传感器→输入电荷放大器/接线盒→PCI9118数据采集卡的第4通道。

PCI9118数据采集卡的运算放大器作用有2个:一是将动态应变仪输出的信号放大实现与A/D转换器输入电压匹配;二是将信号进行有源滤波等信号调理。PCI9118数据采集卡的A/D转换器实现12位A/D转换, 转换结果送入计算机。

计算机控制信号的采集及处理, 在显示器上显示各路信号的电压, 帮助实现系统调零;进行数据采集, 并实现系统标定及车削力实测, 在显示器上以数据及图形方式显示数据处理结果;在打印机上输出数据处理结果。

2.2 系统的软件设计

Delphi提供了各种开发工具, 包括集成环境、图像编辑 (Image Editor) 以及各种开发数据库的应用程序, 如Desktop Data Base Expert等。此外, 还允许用户挂接其他应用程序的开发工具, 如Borland公司的资源编辑器 (Resourse Workshop) 等。在Delphi的众多优势中, 数据库方面的特长显得尤为突出:适应于多种数据库结构、从客户机/服务机模式到多层数据结构模式、高效率的数据库管理系统和新一代的数据库引擎、最新的数据分析手段和大量的企业组件。

2.2.1 系统的软件设计

在用压电测力仪实际标定过程中, 用快速加载机构给传感器施加一定方向的力, 标定传感器会测出其大小, 并将其存储在计算机里。压电测力仪的输出量通过信号调理电路和数据采集卡, 进入计算机, 然后经数据处理绘制出测力仪的标定曲线。

标定时, 通常是按阶梯加载方法进行加载。每加载到一定值Fi (i=1, 2, …, n) , 待力稳定后, 测得电势差Ei, 即压电测力仪三方向的输出量。将n个力及其对应的电势差利用最小二乘法原理对数据进行处理, 可得到标定曲线。由于测力仪的输出量同力成比例关系, 因此在系统设计时, 运用了一阶函数对实验数据进行拟合。拟合效果较好, 所有的点几乎在同一条直线上 (见第78页图2) 。

2.2.2 实切车床刚度检测

实切试件数据采集完毕后, 利用千分表测得偏心试件已加工表面的偏差量, 利用偏差导入系统输入偏差数据。通过标定结果, 将实切采集数据利用干扰方程解得实际切削的力, 通过程序寻找测得已加工表面的偏差量位置对应的实际切削力, 分别绘制出实切床尾、中部、床头位置试件车床的系统刚度曲线, 并获得对应的车床系统刚度值以及车床床尾、刀架、床头部件的刚度值。以实切床尾测试的数据为例, 数据处理结果见图3。

刚度曲线见图3, 拟合效果不是很好, 经分析可能是用的拟合多项式阶次太低的原因, 用阶次高的拟合多项式拟合效果会好一点。千分表测偏心距误差太大, 导致数据不精确, 引起上面偏移严重的问题。另外, 车削力与偏心距对应的不是十分准确, 这也是造成拟合效果不好的主要原因。

3 结论

本文研制了车床刚度测量系统, 由压电测力仪、信号调理电路、PCI-9118数据采集卡以及计算机组成, 并基于Delphi编制了一套实验软件。该系统具有如下特点。

1) 基于Delphi编制的这套实验软件系统具有精度高、界面友好和智能化等优点, 使实验精度和实验效率都得到了很大的提高。

2) 利用系统软件绘制标定曲线、切削力变化曲线和机床的刚度曲线, 代替传统的人工绘制曲线, 数值精确且更加直观。

3) 车床静刚度的电测方法不仅能提高系统标定的准确度, 还能减少重复测量的误差。

4) 用最小二乘法处理标定数据获得系统灵敏度, 建立被测切削力与对应电信号的线性关系, 通过解干扰方程, 得到精确的实际切削力数据。

5) 通过对实际切削偏心试件数据的处理, 获得机床的刚度曲线、机床的系统刚度值以及机床部件 (床尾, 刀架, 床头) 的刚度值。

6) 由于刚度曲线不是一条直线, 可以得出:车床的变形不是单纯的弹性变形, 还有一定的塑性变形。

摘要：利用现代计算机技术在测试系统上的巨大优势, 研究基于计算机技术实现车床刚度在线自动测试的方法, 利用Delphi软件, 开发出车床刚度在线测量系统的新方法。实验表明, 该测试系统具有高的精度、小的误差和高的测量效率等优点。因此, 该系统测量出的刚度值具有更高的参考价值。

关键词：车床刚度,压电测力仪,刚度测量,Delphi

参考文献

[1]王刚, 杨丽杰.工件偏心距检测方法[J].东方电机, 2007 (3) :35-38.