本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 1 頁(yè)1第一章 概述1.O 引言由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新?lián)Q代，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造，這樣既可以提高生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，采用此方法對(duì)中、小型企業(yè)來(lái)說(shuō)是十分理想的選擇。1.1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的實(shí)際意義目前，各企業(yè)一般都有不少普通車床，完全用數(shù)控車床加以替換根本不可能。解決這個(gè)問(wèn)題，必須走普通車床數(shù)控改造之路。日本大企業(yè)中有26%的機(jī)床經(jīng)過(guò)數(shù)控化改造，而中小企業(yè)則占 74%;美國(guó)有許多數(shù)控專業(yè)化公司為用戶提供數(shù)控改造服務(wù)。我國(guó)擁有 300 萬(wàn)臺(tái)機(jī)床，其中大量的是通用車床。因此，普通車床的數(shù)控改造，大有可為。數(shù)控改造一般是指對(duì)普通車床某些部位作一定的改造，配上數(shù)控裝置，從而使車床具有數(shù)控加工能力。1.1.1 技術(shù)分析在過(guò)去的幾十年里，金屬切削機(jī)床的基本動(dòng)作原理變化不大。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快。應(yīng)用到機(jī)床控制系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工的精度，有些企業(yè)已在這方面做了有益的嘗試。實(shí)踐證明，改造后的機(jī)床滿足了技術(shù)發(fā)展的需要，提高了生產(chǎn)率和產(chǎn)品精度，增大了設(shè)備適應(yīng)能力和型面加工范圍。1.1.2 經(jīng)濟(jì)分析由于新型機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換，要花費(fèi)大量的資金，而替換下的機(jī)床又會(huì)閑置起來(lái)造成浪本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè)2費(fèi)，若采用數(shù)控技術(shù)對(duì)舊機(jī)床加以改造，和購(gòu)買新機(jī)床相比，則可以節(jié)省50％ 以上的資金。一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的1／3到l／5，一般用戶都能夠承擔(dān)得起，這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)改造開創(chuàng)了新路，也對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了較大的吸引力。1.1.3 市場(chǎng)分析據(jù)國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)，訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足用戶需要。因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿足市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)充手段。1.1.4 生產(chǎn)分析在現(xiàn)代機(jī)械制造工業(yè)中，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重。若要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。1.1.5 綜合分析從上述分析中不難看出，數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，具有可靠性高、柔性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化、經(jīng)濟(jì)性可觀等優(yōu)點(diǎn)。為此，在舊有機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較大的經(jīng)濟(jì)效益。1.2 數(shù)控機(jī)床的基本結(jié)構(gòu)及工作原理數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過(guò)程分以下幾個(gè)步驟實(shí)現(xiàn)：（1）根據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫程序。（2）所編程序指令輸入機(jī)床數(shù)控裝置中。（3）數(shù)控裝置對(duì)程序（代碼）進(jìn)行翻譯、運(yùn)算之后，向機(jī)床各個(gè)坐標(biāo)的伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出信號(hào)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的各運(yùn)動(dòng)部件，并控制所需要的輔助運(yùn)動(dòng)。（4）在機(jī)床上加工出合格的零件。下面對(duì)其各組成部分加以介紹。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè)31．輸入裝置數(shù)控加工程序可通過(guò)鍵盤，用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng)。還可由編程計(jì)算機(jī)用 RS232C 或采用網(wǎng)絡(luò)通信方式傳送到數(shù)控系統(tǒng)中。零件加工程序輸入過(guò)程有兩種不同的方式：一種是邊讀入邊加工，另一種是一次將零件加工程序全部讀入數(shù)控裝置內(nèi)部的存儲(chǔ)器，加工時(shí)再?gòu)拇鎯?chǔ)器中逐段調(diào)出進(jìn)行加工。2．?dāng)?shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的中樞。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲(chǔ)器中取出或接受輸入裝置送來(lái)的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置它的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機(jī)床各部分的工作，使其進(jìn)行規(guī)定的有序運(yùn)動(dòng)和動(dòng)作。零件的輪廓圖形往往由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過(guò)程中必須按零件形狀和尺寸的要求進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，即按圖形軌跡移動(dòng)。但輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值等數(shù)據(jù)，不能滿足要求。因此要進(jìn)行軌跡插補(bǔ)，也就是在線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化” ，求出一系列中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈沖信號(hào)，控制各坐標(biāo)軸（即進(jìn)給運(yùn)動(dòng)各執(zhí)行部件）的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。3．驅(qū)動(dòng)裝置和檢測(cè)裝置驅(qū)動(dòng)裝置接受來(lái)自數(shù)控裝置的指令信息，經(jīng)功率放大后，嚴(yán)格按照指令信息的要求驅(qū)動(dòng)機(jī)床的移動(dòng)部件，以加“出符合圖樣要求的零件。驅(qū)動(dòng)裝置包括控制器（含功率放大器）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。檢測(cè)裝置將數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸的實(shí)際位移量檢測(cè)出來(lái)，經(jīng)反饋系統(tǒng)輸入到機(jī)床的數(shù)控裝置中。數(shù)控裝置將反饋回來(lái)的實(shí)際位移量值與設(shè)定值進(jìn)行比較，控制驅(qū)動(dòng)裝置按指令設(shè)定值運(yùn)動(dòng)。4．輔助控制裝置輔助控制裝置的主要作用是接收數(shù)控裝置輸出的開關(guān)量指令信號(hào)，經(jīng)過(guò)編譯、邏輯判別和運(yùn)算，再經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電器，帶動(dòng)機(jī)床的機(jī)械、液壓、氣動(dòng)等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關(guān)量動(dòng)作。這些控制包括主軸運(yùn)動(dòng)部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤(rùn)滑裝置的啟停，工件和機(jī)床部件的松開、夾緊，分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位分度等開關(guān)輔助動(dòng)作。現(xiàn)廣泛采用可編程控制器（PLC）作數(shù)控機(jī)床的輔助控制裝置。5．機(jī)床本體數(shù)控機(jī)床的機(jī)床本體與傳統(tǒng)機(jī)床相似，由主軸傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、床身、工作臺(tái)以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻裝置等組成。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè)41.3 數(shù)控機(jī)床的分類1.3.1 按加工工藝方法分類1．金屬切削類數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、銑床、鉆床、磨床、齒輪加工機(jī)床和加工中心等。2．特種加工類數(shù)控機(jī)床數(shù)控電火花線切割機(jī)床、數(shù)控電火花成型機(jī)床、數(shù)控等離子弧切割機(jī)床、數(shù)控火焰切割機(jī)床以及數(shù)控激光加工機(jī)床等。3．板材加工類數(shù)控機(jī)床數(shù)控壓力機(jī)、數(shù)控剪板機(jī)和數(shù)控折彎?rùn)C(jī)等。4．非加工設(shè)備，如數(shù)控多坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、自動(dòng)繪圖機(jī)及工業(yè)機(jī)器人等。1.3.2 按控制運(yùn)動(dòng)的方式分類1．點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床機(jī)床移動(dòng)部件只能實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確定位，在移動(dòng)和定位過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。如：數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點(diǎn)焊機(jī)等。點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位數(shù)控裝置。2．點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床 機(jī)床移動(dòng)部件不僅要實(shí)現(xiàn)由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確移動(dòng)定位，而且要控制工作臺(tái)以一定的速度沿平行坐標(biāo)軸方向進(jìn)行直線切削加工。主要有簡(jiǎn)易數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床等。3．輪廓控制數(shù)控機(jī)床輪廓控制數(shù)控機(jī)床不僅可完成點(diǎn)位及點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床的加工功能，而且能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸進(jìn)行插補(bǔ)，因而具有各種輪廓切削加工功能。常用的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制數(shù)控機(jī)床。輪廓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，在加工過(guò)程中需要不斷進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，然后進(jìn)行相應(yīng)的速度與位移控制。1.3.3 按驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)分類1．開環(huán)控制數(shù)控機(jī)床其控制系統(tǒng)不帶反饋裝置，通常使用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè)5開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低。不能進(jìn)行誤差校正，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步、步距角誤差、齒輪與絲杠等傳動(dòng)誤差都將影響被加工零件的精度。開環(huán)系統(tǒng)僅適用于加工精度要求不很高的中小型數(shù)控機(jī)床，特別是簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。2．半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是在伺服電動(dòng)機(jī)的軸或數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)絲杠上裝有角度檢測(cè)裝置（如光電編碼器等） ，通過(guò)檢測(cè)絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測(cè)移動(dòng)部件的實(shí)際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，并對(duì)誤差進(jìn)行修正。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試比較方便，并且具有很好的穩(wěn)定性。目前大多將角度檢測(cè)裝置和伺服電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成一體，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。3．閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是在機(jī)床移動(dòng)部件上直接安裝直線位移檢測(cè)裝置，將測(cè)量的實(shí)際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移值進(jìn)行比較，用差值對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，使移動(dòng)部件本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè)64．混合控制數(shù)控機(jī)床將以上三類數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，就形成了混合控制數(shù)控機(jī)床?；旌峡刂茢?shù)控機(jī)床特別適用于大型或重型數(shù)控機(jī)床?；旌峡刂葡到y(tǒng)又分為兩種形式：（1）開環(huán)補(bǔ)償型控制方式。其特點(diǎn)是基本控制選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，另外附加一個(gè)校正電路。通過(guò)裝在工作臺(tái)上的直線位移測(cè)量元件的反饋信號(hào)校正機(jī)械系統(tǒng)的誤差。（2）半閉環(huán)補(bǔ)償型控制方式。其特點(diǎn)是用半閉環(huán)控制方式取得高速度控制，再用裝在工作臺(tái)上的直線位移測(cè)量元件實(shí)現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速度與高精度的統(tǒng)一。1.4 數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍1.4.1 數(shù)控機(jī)床的加工特點(diǎn)1．加工精度高目前數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量普遍達(dá)到了 0．001 mm，而且進(jìn)給傳動(dòng)鏈的反向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進(jìn)行補(bǔ)償。數(shù)控機(jī)床的加工精度由過(guò)去的± 0．01 mm 提高到 ± 0．005 mm。定位精度 90 年代初中期已達(dá)到±0.002mm～±0．005 mm。2．對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)在數(shù)控機(jī)床上改變加工零件時(shí)，只需重新編制（更換）程序，輸入新的程序后就能實(shí)現(xiàn)對(duì)新零件的加工。3．自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè)7數(shù)控機(jī)床對(duì)零件的加工是按事先編好的程序自動(dòng)完成的,操作者除了操作面板、裝卸零件、關(guān)鍵工序的中間測(cè)量以及觀察機(jī)床的運(yùn)行外，其他的機(jī)床動(dòng)作直至加工完畢，都是自動(dòng)連續(xù)完成，不需要進(jìn)行繁重的重復(fù)性手工操作，勞動(dòng)強(qiáng)度與緊張程度均可大為減輕，勞動(dòng)條件也得到了相應(yīng)的改善。4．生產(chǎn)效率高數(shù)控機(jī)床能有效的減少機(jī)動(dòng)時(shí)間與輔助時(shí)間，每一道工序都能選用最有利的切削用量，選用了很高的空行程運(yùn)動(dòng)時(shí)間。因而消耗在快進(jìn)、快退、和定位的時(shí)間比一般機(jī)床少得多。5．良好的經(jīng)濟(jì)效益在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省工藝裝備費(fèi)用、輔助生產(chǎn)工時(shí)、生產(chǎn)管理費(fèi)用及降低廢品率等，因此能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。6.有利于現(xiàn)代化管理用數(shù)控機(jī)床加工零件，能準(zhǔn)確地計(jì)算零件的加工工時(shí)，并有效地簡(jiǎn)化了檢驗(yàn)和工夾具、半成品的管理工作。這些特點(diǎn)都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代化。1.4.2 數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍數(shù)控機(jī)床最適合加工具有以下特點(diǎn)的零件：（1）多品種小批量生產(chǎn)的零件；（2）形狀結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的零件；（3）精度要求高的零件；（4）需要頻繁改型的零件；（5）價(jià)格昂貴，不允許報(bào)廢的關(guān)鍵零件；（6）需要生產(chǎn)周期短的急需零件；（7）批量較大，精度要求高的零件。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè)8第二章 經(jīng)濟(jì)型車床數(shù)控改造總體方案的確定2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)(1)采用 ISO 標(biāo)準(zhǔn)語(yǔ)言，絕對(duì)/增量方式混合編程。(2)連續(xù)方式控制 X,Z 向二軸。(3)脈沖當(dāng)量:X 向，0. 005mm/脈沖;Z 向 0.Olmm/脈沖。(4)快速定位速度:X 軸為 lm/min, Z 軸為 3m/min。(5)最大編程尺寸:士 9999. 99mm, 8 位數(shù)碼管。(6)最大加工速度:直線為 1. 5m/min，圓弧為 0. 6m/min。(7)螺紋加工:公制 0. 25～12mm，英制 33.5～3 牙/吋。(8)數(shù)控系統(tǒng)程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各 8KB。2.2 總體數(shù)控改造方案設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造，基本原則是在滿足使用要求的前提下對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少,以降低成本。總體方案為：本設(shè)計(jì)利用數(shù)控裝置對(duì) CA6140 普通車床進(jìn)行控制,主傳動(dòng)系統(tǒng)部分 采用交流調(diào)頻主軸電動(dòng)機(jī)經(jīng)帶輪及分級(jí)齒輪變速箱驅(qū)動(dòng)主軸，通過(guò)變頻器和齒輪變速箱實(shí)現(xiàn)分段無(wú)級(jí)變速；進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)通過(guò)減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠運(yùn)動(dòng)，在縱向進(jìn)給系統(tǒng)中通過(guò)一級(jí)齒輪減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，在橫向進(jìn)給系統(tǒng)中通過(guò)二級(jí)齒輪減速驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠；刀架改為自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架(四工位)從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀；通過(guò) MCS-51 系列 8051 單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖信號(hào)控制進(jìn)給速度和行程；為了保持切削螺紋的功能，要在主軸外端或其它適當(dāng)部位裝上脈沖發(fā)生器；將車床的手動(dòng)尾座改造成為可控電動(dòng)尾座。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè)9本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 10 頁(yè)10第三章主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1 概述主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停、變速、換向和和制動(dòng)。主傳動(dòng)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，相比普通車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樽兯俟δ苡芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)承擔(dān)，省去了復(fù)雜的齒輪變速機(jī)構(gòu)，只有二級(jí)或三級(jí)齒輪變速系統(tǒng)用以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的變速范圍。3.1.1 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)與普通機(jī)床比較，數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)：1) 轉(zhuǎn)速高、功率大。使數(shù)控機(jī)床能進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。2) 變速范圍寬。一般 Rn100,以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，從而獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。3) 主軸變速迅速可靠。數(shù)控機(jī)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。主軸組件的耐磨性高，使傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的精度保持性。3.1.2 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求1) 主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停、變速、換向和和制動(dòng)。2) 主電動(dòng)機(jī)具有足夠的功率，全部機(jī)構(gòu)和元件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿足機(jī)床的動(dòng)力要求。3) 主傳動(dòng)的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動(dòng)效率要高，以滿足機(jī)床的工作性能要求。4) 操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤(rùn)滑密封良好，以滿足機(jī)床的使用要求。5) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟(jì)性要求。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè)113.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式3.2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸電動(dòng)機(jī)的選型數(shù)控機(jī)床的調(diào)速是按照控制指令自動(dòng)執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。在主傳動(dòng)系統(tǒng)中，目前多采用交流主軸電動(dòng)機(jī)和直流主軸電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求，也經(jīng)常應(yīng)用齒輪有級(jí)調(diào)速和電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。我們選用交流主軸電動(dòng)機(jī)配以齒輪變速箱實(shí)現(xiàn)分級(jí)無(wú)級(jí)調(diào)速。由于交流調(diào)速電機(jī)體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，沒有電刷，能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動(dòng)機(jī)高，磨損和故障也少。在中小功率領(lǐng)域已占優(yōu)勢(shì)，故本次設(shè)計(jì)選用交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。通過(guò)調(diào)節(jié)供電頻率的辦法調(diào)速。功率特性見下圖：本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁(yè)12主軸電動(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)速時(shí)輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速的變化，功率和轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化。在額定轉(zhuǎn)速至最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩速度范圍，在額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率速度范圍。恒功率的速度范圍只有 1：3 的速度比。當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度超過(guò)某一定值之后，其功率——速度曲線又會(huì)向下傾斜，不能保持恒功率。3.2.2 交流主軸電機(jī)的調(diào)速交流主軸電動(dòng)機(jī)屬于交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī),當(dāng)定子三相繞組通上交流電時(shí),將建立起旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其主磁通 Φm 的空間轉(zhuǎn)速為同步轉(zhuǎn)速,其值為n0 = 60f1/p (r/min)式中 f 1--定子供電電源頻率（H Z）p—旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù) n 為n= n0（1-s）=60f 1（1-s）/p式中 s—轉(zhuǎn)差數(shù),s= n 0-n / n0由上式可知，調(diào)速方法可分為兩類。第一類是改變同步轉(zhuǎn)數(shù) n0的調(diào)速，它分為兩種方法，一是改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù) p。由于 p 是整數(shù)，所以只能得到級(jí)差很大的有級(jí)調(diào)速，不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求；二是改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率 f1。可得到平滑的無(wú)級(jí)調(diào)速，是一種高效型交流調(diào)速，范圍寬，精度高。第二類是不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，常用的有調(diào)壓調(diào)速和電磁調(diào)速。由于有轉(zhuǎn)差功率損耗，效率低，特性軟，不適合數(shù)控機(jī)床調(diào)速。在實(shí)際調(diào)速時(shí)，單純改變電源頻率是不夠的，因?yàn)橛伞半妱?dòng)機(jī)學(xué)”可知，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以 n0速度切割定繞組，同在每相繞組感應(yīng)電勢(shì)為E1=4.44f1k1w1Φm≈u 1式中 k 1w1—-定子每相繞組等效匝數(shù)；Φm—每極磁通量；u1—定子相電壓所以Φm= u 1/4.44f1k1w1由上式可知，如在變頻調(diào)速中，只保持定子電壓 u1不變，則主磁通大小將會(huì)發(fā)生變化。如果頻率從工頻往下調(diào)節(jié)，則上升，將導(dǎo)致鐵心過(guò)熱，功率因數(shù)下降，電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力降低。因此，必須在降低頻率的同時(shí)，降低電壓，以保持不變。這就是所謂的恒磁通變頻調(diào)速中的“調(diào)速控制”。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁(yè)13只能用變頻調(diào)速，并且是有效方法。變頻調(diào)速的主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)提供變頻、變壓電源的變頻器，變頻器分為：·交–直–交變頻器分電壓型和電流型。電壓型先將電網(wǎng)的交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷鳎俳?jīng)逆變器變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。·交–交變頻器該變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。目前對(duì)于中小功率電機(jī)，用得最多的是電壓型交–直–交變頻器。3.2.3 分級(jí)變速齒輪箱的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)時(shí)，必須考慮電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問(wèn)題。由于主軸要求的恒功率變速范圍 Rnp 遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)的恒功率范圍Rdp，所以在主軸之間要串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱，以擴(kuò)大其恒功率變速范圍，滿足低速大功率切削時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出功率的要求。我們先設(shè)定主軸的最高轉(zhuǎn)速為 4000r/min,最低轉(zhuǎn)速為了 30r/min,計(jì)算轉(zhuǎn)速為 150r/min，最大切削功率為 5.5KW，交流主軸電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,最高轉(zhuǎn)速為 4500r/min.主軸要求的恒功率變速范圍 Rnp=4000/150=26.7電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍 Rdp=4500/1500=3主軸要求的恒功率變速范圍遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)所能提供的恒功率變速范圍，故必須配以分級(jí)變速箱。取變速箱的公比 Φf 等于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍 Rdp, 即Φf=Rdp=3，功率特性圖是連續(xù)的，無(wú)缺口無(wú)重合的。如變速箱的變速級(jí)數(shù)為 Z，則主軸的恒功率變速范圍 Rnp 等于 Rnp=Φf Z-1 Rdp=Φf Z故變速箱的變速級(jí)數(shù) Z=lgRnp/lgΦf=2.99取 Z=3變速齒輪箱采用一級(jí)變速三對(duì)齒輪副數(shù),齒數(shù)分別為:高速級(jí)Z1:Z2=112:58；中速級(jí) Z1:Z2=68：102；低速大轉(zhuǎn)矩級(jí) Z1:Z2=30：140利用原車床主軸箱內(nèi)的第三軸和主軸，查車床圖冊(cè)，兩軸的中心距為170mm。因所選用電機(jī)與原電機(jī)功率相同，故軸不必另行校核。三副齒輪只校核低速重載齒輪副即可。校核如下：本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁(yè)14已知電動(dòng)機(jī)輸出功率為 7.5KW,額定轉(zhuǎn)速為 1500r/min,則經(jīng)同步帶傳動(dòng)，第三根軸的轉(zhuǎn)速為 750r/min。經(jīng) Z1:Z2=30/140 傳動(dòng)后，主軸轉(zhuǎn)速為 160r/min.大、小齒輪均采用 45 鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,選小齒輪硬度HBS260～290,大齒輪硬度 HBS220～250,精度選 6 級(jí)。m=2mm,a=20°,齒寬b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齒輪傳動(dòng)效率 η=0.98齒輪幾何尺寸計(jì)算:d1=z1m=60mm,d2=z2m=280mm,da1=(z1+2)m=64mm,da2=(z2+2)m=284mm,df1=(z1-2.5)m=55mm,df2=(z2-2.5)m=275mm,a=(z1+z2)m/2=170mm齒輪校核:1) 小齒輪轉(zhuǎn)矩 950*9.7PTNm???式中 P——電動(dòng)機(jī)的輸出功率η——齒輪傳動(dòng)效率 取 0.962) 動(dòng)載荷系數(shù) AVK????式中 KA——使用系數(shù)取 1Kv——?jiǎng)虞d荷系數(shù)取 1.15KB——齒向載荷系數(shù)取 1.15Ka——齒向載荷分配系數(shù)由 12[.83()]cos1.758Z????????查表并插值得 Kα=1.179則 K=1*1.15*1.15*1.179=1.563) 許用彎曲應(yīng)力 Flim[]=/NXFYS?式中： ——彎曲疲勞極限； =460N/mm2 =390N/mm2Flimli1Flim2?——彎曲壽命系數(shù) NYN?2YX——尺寸系數(shù)取 1SF——安全系數(shù)取 1.3則 2F1lim[]=/35.8/NXFSm??本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè)152F2lim2[]=/30/NXFYSm??4) 齒要彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算由式 F1FaS1FKT/bd[]???式中 ——齒形系數(shù) =2.4 =2.25a1Fa2Y——應(yīng)力修正系數(shù) =1.653 =1.75SaYSS——重合度系數(shù) ? 0.57/0.6??????則 F1FaS1 F2*.691=2KT/bdm=*2.43.=19.82[]?? ??250Y570638故齒根彎曲強(qiáng)度足夠，滿足要求。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè)16傳動(dòng)系統(tǒng)圖見下圖轉(zhuǎn)速圖見下圖本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁(yè)17主軸轉(zhuǎn)速?gòu)?4000r/min 至 145r/min 由 AB、BC、CD 在段連接而成，屬電動(dòng)機(jī)的恒功率區(qū)，從 145r/min 降至 30r/min 上圖中的 CD 段為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。如取總效率 η=0.75，則電動(dòng)機(jī)功率 P=5.5/0.75=7.3KW?？蛇x用北京數(shù)控設(shè)備廠的 BESK-8 型交流主軸電動(dòng)機(jī)，連續(xù)額定輸出功率為 7.5KW。3.2.4 主傳動(dòng)系統(tǒng)組件的結(jié)構(gòu)形式在檢查原有主軸軸承完好、運(yùn)轉(zhuǎn)正常的前提下，保留原有主軸支撐方式。保留原機(jī)床的主軸手動(dòng)變速。改造后使其主/運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主電機(jī)的作用僅為帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。增加一只電磁離合器，用以接收數(shù)控系統(tǒng)的停機(jī)制動(dòng)信號(hào)以控制原制動(dòng)裝置制動(dòng)停車。加工螺紋時(shí)，為保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具準(zhǔn)確移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，須配置主軸脈沖發(fā)生器作為主軸位置信號(hào)的反饋元件。脈沖發(fā)生器采用同軸安裝，橡膠管柔性聯(lián)接，意在實(shí)現(xiàn)角位移信號(hào)傳遞的同時(shí)，又能吸收車床主軸的部分振動(dòng)，從而使主軸脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)平.穩(wěn)，傳遞信號(hào)準(zhǔn)確。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁(yè)18數(shù)控機(jī)床主軸帶傳動(dòng)變速常用多楔帶和同步帶。同步帶又稱為同步齒形帶，按齒形不同又可分為梯形齒同步帶和圓弧齒同步帶兩種。其中梯形齒多用在轉(zhuǎn)速不高或小功率動(dòng)力傳動(dòng)中，而圓弧齒多用在數(shù)控加工中心等要求較高的數(shù)控機(jī)床主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中。我們選用 H 型梯形齒同步帶。查手冊(cè)選兩梯形齒同步帶用帶輪為 Z1:Z2=22：44，帶寬為 50.8mm,小帶輪節(jié)圓為 80mm, 大帶輪節(jié)圓為 194mm。帶高 4.3mm 齒高 2.29mm 節(jié)距12.7mm。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁(yè)19第四章伺服進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1 伺服進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)概述數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。它的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)伺服驅(qū)動(dòng)裝置（直流、交流伺服電動(dòng)機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸刀架等執(zhí)行部件實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差別，它能根據(jù)指令信號(hào)精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置，以及幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求：1) 精度要求 伺服系統(tǒng)必須保證機(jī)床的定位精度和加工精度。對(duì)于低檔型數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制精度一般為 0.01mm；而對(duì)于高性能數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制精度為 1um 甚至為 0.1um。2) 響應(yīng)速度 為了保證輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，除了要求有較高的定位精度外，還要有良好的快速響應(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。3) 調(diào)整范圍 調(diào)整范圍 Rn 是指生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速 nmax 和最低轉(zhuǎn)速 nmin 之比。為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)整范圍。4) 低速、大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機(jī)床的加工特點(diǎn)，經(jīng)常在低速下進(jìn)行重切削，即在低速下進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出。伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)三種方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不高的問(wèn)題，但步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會(huì)積累。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率也有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且具有在負(fù)載能力范圍內(nèi)不隨電流、電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化的特點(diǎn)。此外，步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)不存在位置檢測(cè)與反饋控制的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的進(jìn)展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進(jìn)電機(jī)傲為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁(yè)20不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在系統(tǒng)中增加了位置檢測(cè)、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了給安裝調(diào)試增加了工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其難度也將大為提高。考慮到是在普通車床上進(jìn)行改造，精度要求不是很高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，我們采用了微機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。4.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及開環(huán)進(jìn)給控制步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)，也稱為脈沖電動(dòng)機(jī),在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖輸出，電動(dòng)機(jī)的角位移與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成正比。對(duì)于每一個(gè)電脈沖,步進(jìn)電機(jī)都將產(chǎn)生一個(gè)恒定的步進(jìn)角位移,每一個(gè)脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角 θb, θb 取為 0.75。每脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角,這個(gè)轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲杠副使工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離“每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行件的移距,稱為脈沖當(dāng)量或分辨率根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量 δp，縱向：0．01mm／步；橫向：0．005 mm／step。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于控制繞組與電源接通和斷開的脈沖變化頻率。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn):可以開環(huán)驅(qū)動(dòng)而無(wú)需反饋,無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題,無(wú)累積定位誤差,能響應(yīng)數(shù)字信號(hào),適合于數(shù)字計(jì)算機(jī)控制,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,很少需要維護(hù),不易受污染,可重復(fù)地堵轉(zhuǎn)而不會(huì)損壞,相當(dāng)堅(jiān)固耐用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的缺點(diǎn)：運(yùn)動(dòng)的增量和步距是固定的，在步進(jìn)分辯率上缺乏靈活性，承受大慣性負(fù)載的能力有限，可供使用的電機(jī)尺寸和輸出功率是有限的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類很多，通常分為三種類型：反應(yīng)式、永磁式和混合式。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是利用磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的，是我國(guó)使用最廣泛的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)形式。4.2.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制步進(jìn)電機(jī)是一種特殊的機(jī)電元件，不能直接接到交直流電源上工作，必須使用專用的驅(qū)動(dòng)器。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)框圖如下圖所示。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè)21CNC 環(huán) 形 分配 器 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)功 率 放 大 器指 令脈 沖 n電 源 動(dòng) 動(dòng) 動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)動(dòng) 動(dòng) 動(dòng)環(huán) 形 分配 器 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)功 率 放 大 器指 令脈 沖電 源環(huán)形分配器用來(lái)接收來(lái)自控制器的脈沖信號(hào)，每來(lái)一個(gè)脈沖，環(huán)形分配器的輸出轉(zhuǎn)換一次。因此，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速的高低、升或降速、啟動(dòng)和停止都完全取決于控制器的有無(wú)或頻率。同時(shí)，環(huán)形分配器還必須接受控制器的方向信號(hào)，從而決定步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。1、脈沖分配控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路完成由弱電到強(qiáng)電的轉(zhuǎn)換和放大，也就是將邏輯電平信號(hào)變換成電機(jī)繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號(hào)。驅(qū)動(dòng)控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成。環(huán)形分配器是用于控制步進(jìn)電機(jī)的通電方式的，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按照一定的順序和分配方式加到功率放大器上，控制各相繞組的通電、斷電。環(huán)形分配器的主要功能是把來(lái)自控制環(huán)節(jié)的時(shí)鐘脈沖串按一定的規(guī)律分配給步進(jìn)電機(jī)各相驅(qū)動(dòng)器的輸入端以控制勵(lì)磁繞組的導(dǎo)通或截止。同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，所以脈沖環(huán)分配既是周期性的，又是可逆的。因此環(huán)形分配器是一種可逆循環(huán)的特殊編碼計(jì)數(shù)器。其功能可由硬件或軟件產(chǎn)生，硬件環(huán)形分配器是根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和控制方式設(shè)計(jì)的1、脈沖分配控制——硬件（環(huán)形分配器）硬件環(huán)形分配器的種類很多，有專用基金的集成電路，可以用JK觸發(fā)器或D觸發(fā)器構(gòu)成，還可以用通用的可編程邏輯器件組成。集成CH250是一種專為反應(yīng)式三相步進(jìn)電機(jī)設(shè)計(jì)的環(huán)形分配器。該集成電路采用CMOS工藝，集成度高，可靠性好。如下圖示當(dāng) DIR=“1”時(shí)，每來(lái)一個(gè)脈沖（CLK）則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)一步；當(dāng) DIR=“0”時(shí)，每來(lái)一個(gè)脈沖（CLK）則電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)一步。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè)22CNC裝置電源環(huán)形分配器A相驅(qū)動(dòng)B相驅(qū)動(dòng)C相驅(qū)動(dòng)FULL/HALFDIRCLK M三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動(dòng)控制2 軟件脈沖分配的控制軟件脈沖分配器是指實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)脈沖分配控制的計(jì)算機(jī)程序。硬件脈沖分配器不占用計(jì)算機(jī)資源，但需要電路的支持，硬件成本較高。軟件脈沖分配器不需額外電路，但要占用計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間。軟環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)方法有多種，如查表法、比較法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。查表法的基本思路是：根據(jù)步進(jìn)電機(jī)與計(jì)算機(jī)的接線情況及通電方式求出所需要的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表，將其存入存儲(chǔ)器中，運(yùn)行時(shí)按節(jié)拍序號(hào)查表獲得相應(yīng)控制數(shù)據(jù)，在規(guī)定時(shí)刻通過(guò)輸出口將數(shù)據(jù)輸出到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于三相六拍環(huán)形分配器，每當(dāng)接收到一個(gè)進(jìn)給脈沖指令，環(huán)形分配器軟件根據(jù)下表所示真值表，按順序及方向控制輸出接口將 A、B、C 的值輸出即可。導(dǎo)電相 工作狀態(tài)C B AA 0 0 1A B 0 1 1B 0 1 0B C 1 1 0本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè)23C 0 0C A 1 0 14.2.2、步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)放大電路一般步進(jìn)電機(jī)需要幾個(gè)安培的電流，而環(huán)形分配器的輸出電流很小，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因此需要功率放大電路實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖分配回路弱信號(hào)的放大，產(chǎn)生電機(jī)脈沖信號(hào)工作所需的激磁電流，。功率放大電路有單電壓、雙電壓、斬波型等。驅(qū)動(dòng)放大器的作用：將環(huán)形分配器發(fā)出的 TTL 電平信號(hào)放大至幾安培到十幾安培的電流，送至步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的各繞組。驅(qū)動(dòng)放大器的控制電路：?jiǎn)坞妷汉?jiǎn)單驅(qū)動(dòng)、高低壓切換驅(qū)動(dòng)、高壓恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細(xì)分驅(qū)動(dòng)等。a 單電壓功率放大電路單電壓功率放大電路是步進(jìn)電動(dòng)控制中最簡(jiǎn)單的一種驅(qū)動(dòng)電路。其中L 是步進(jìn)電機(jī)的電感；RL 是繞組電阻；D 是二續(xù)流二極管；它為繞組放電提供回路；Rc 是一個(gè)外接的功率電阻，也是一個(gè)限流電阻，V 是大功率開關(guān)晶體管。電路的時(shí)間常數(shù)為T=L/（RL+RC）時(shí)間常數(shù)表示開關(guān)回路在導(dǎo)通時(shí)允許步進(jìn)電機(jī)繞組電流上升的速率。T越小，則在晶體管 V 從截止變成導(dǎo)通時(shí)允許步進(jìn)電機(jī)按指數(shù)曲線上升越快，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間越短，T 越大，電流上升越慢，達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間就越長(zhǎng)。驅(qū)動(dòng)電路時(shí)間常數(shù) T 對(duì)電機(jī)繞組的電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)值的時(shí)間有極大的關(guān)系，它影響步進(jìn)電機(jī)的工作頻率。T 越小，電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越短，則電機(jī)的工作頻率就可越高；反之，T 越大，電流到達(dá)穩(wěn)態(tài)的時(shí)間越長(zhǎng)，電機(jī)的工作頻率就越低。單電壓功率放大電路最大的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它的缺點(diǎn)是工作效率低，在高頻工作狀態(tài)時(shí)其效率很差。它的外接電阻 Rc 消耗相當(dāng)大的一部分能量，并且 Rc 還會(huì)發(fā)熱影響到電路工作的正常穩(wěn)定狀態(tài)。所以單電壓功率放大電路一般只用于小功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 24 頁(yè)24單電壓功率放大電路單電壓基本改進(jìn)電路如下圖所示單電壓基本改進(jìn)電路本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 25 頁(yè)25它在外接電阻 Rc 的兩端并聯(lián)了一個(gè)電容 C，同時(shí)在貫注回路中串聯(lián)一個(gè)電阻 Rd。在 Rc 上并聯(lián)電容 C 可以改善步進(jìn)電機(jī)繞組的電流前沿特性。在功率晶體管 V 導(dǎo)通的瞬間，電容相當(dāng)于短路，迫使流過(guò)繞組的電流上升進(jìn)一步加快，這樣可使電流的前沿明顯變陡，從而提高了步進(jìn)電機(jī)的高頻性能。在 Rc 上并聯(lián) C，俁的在一個(gè)步進(jìn)的周期中，注入繞組的平均電流值相對(duì)增加了，從而提高了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。特別是在高頻段工作時(shí)更為明顯。這種電路在實(shí)際應(yīng)用中有著較多的應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的主要功能是功率放大，它將光電隔離電路進(jìn)來(lái)的弱信號(hào)經(jīng)功率放大，變成較強(qiáng)的電信號(hào)，直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，如圖所示。當(dāng)控制脈沖來(lái)時(shí)，vl，v3，v4全導(dǎo)通，并使脈沖變壓器Tc的副邊產(chǎn)生一定寬度的脈沖電流，使v2導(dǎo)通，使v5處于反向偏置，將低壓Ga與繞組La切斷，高壓電源Gh通過(guò)v2、v1為步進(jìn)電機(jī)某一相繞組La供電，使其電流上升沿變陡。經(jīng)過(guò)tb時(shí)間后脈沖電流消失，使V2截止，Gh與繞組之間被切斷。Ga 通過(guò)v5、V1為L(zhǎng)a供電，提供電動(dòng)機(jī)所需的額定電流。通過(guò)調(diào)整脈沖變壓器的磁芯和R5可改變高壓供電的時(shí)間寬度tb。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁(yè)26速度控制：進(jìn)給脈沖頻率 f→定子繞組通電/斷電狀態(tài)變化頻率 f →步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速ω →工作臺(tái)的進(jìn)給速度 V。V=60δf硬件環(huán)分：控制 CLK 的頻率，控制電動(dòng)機(jī)的速度。軟件環(huán)分：控制相鄰兩次軟件環(huán)分狀態(tài)之間的延時(shí)時(shí)間，可電動(dòng)機(jī)線圈通電狀態(tài)的變化頻率。光電隔離電路：在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器后控制電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組，由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高(約80v)，電流較大(約6A)，若將輸出信號(hào)與功率放大器直接相聯(lián)，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要接上隔離電路。4.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)參數(shù)說(shuō)明1、步距角θb每輸入一個(gè)脈沖信號(hào)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角，以θb表示。步距誤差是指步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每一步實(shí)際轉(zhuǎn)過(guò)的角度與理論步距角之差值。 360bmKZ??＝m—電機(jī)相數(shù)；Z—轉(zhuǎn)子齒數(shù)； K—系數(shù)，相鄰兩次通電相數(shù)相同，K＝1； 相鄰兩次通電相數(shù)不同，K＝2。2、矩角特性與最大靜轉(zhuǎn)矩如果在電機(jī)軸上外加一個(gè)負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Mz，轉(zhuǎn)子會(huì)偏離平衡位置向負(fù)載轉(zhuǎn)矩方向轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)角度 θ，角度 θ 稱為失調(diào)角。有失調(diào)角之后，步進(jìn)電機(jī)就產(chǎn)生一個(gè)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（也稱為電磁轉(zhuǎn)矩） ，這時(shí)靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負(fù)載轉(zhuǎn)矩。靜態(tài)轉(zhuǎn)矩與失調(diào)角 θ 的關(guān)系叫矩角特性， ，近似為正弦曲線。該矩角特性上的靜態(tài)轉(zhuǎn)矩最大值稱為最大靜轉(zhuǎn)矩。3、啟動(dòng)頻率空載時(shí)，步進(jìn)電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動(dòng)，并進(jìn)入不失步的正常運(yùn)行的最本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè)27高頻率，稱為啟動(dòng)頻率或突跳頻率，加給步進(jìn)電機(jī)的指令脈沖頻率如大于啟動(dòng)頻率，就不能正常工作。步進(jìn)電機(jī)在帶負(fù)載（尤其是慣性負(fù)載）下的啟動(dòng)頻率比空載要低。而且，隨著負(fù)載加大（在允許范圍內(nèi)） ，啟動(dòng)頻率會(huì)進(jìn)一步降低。 4、 連續(xù)運(yùn)行頻率 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)后，其運(yùn)行速度能根據(jù)指令脈沖頻率連續(xù)上升而不丟步的最高工作頻率，稱為連續(xù)運(yùn)行頻率。其值遠(yuǎn)大于啟動(dòng)頻率，它也隨著電機(jī)所帶負(fù)載的性質(zhì)和大小而異，與驅(qū)動(dòng)電源也有很大關(guān)系。 5、矩頻特性與動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性是描述步進(jìn)電機(jī)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運(yùn)行頻率之間的關(guān)系，該特性上每一個(gè)頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，若輸入脈沖頻率逐漸增加，則電動(dòng)機(jī)所能帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降。在使用時(shí)，一定要考慮動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運(yùn)行頻率的上升而下降的特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠聯(lián)接方式：一種是直聯(lián)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單但運(yùn)動(dòng)位移的脈沖不是 5 的整數(shù)倍時(shí)給編程計(jì)算帶來(lái)不便；另一種是在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠間能過(guò)減速器聯(lián)接在一起，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜但有利于編程計(jì)算有利于提高加工精度。4.3 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算4.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)加工最大直徑：在床面上Φ400mm，在床鞍上Φ210 mm；加工最大長(zhǎng)度：1 000 mm；溜板及刀架重力：縱向800 N；刀架快速速度：縱向2．4m/min；最大進(jìn)給速度：縱向O．8 m／min；主電動(dòng)機(jī)功率：P主=7，5 kW；起動(dòng)加速時(shí)間：30 ms；機(jī)床定位精度：±0．015 mm。根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量δp，縱向：0．01mm／步；橫向：0．005 mm／步。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè)284.3.2 縱向進(jìn)給切削力的確定P主≥Pm/ηm=FzV*10 -3/ηm式中ηm =0.75～0.85;V--主軸傳遞全部功率時(shí)的最低速度主切削力Fz按經(jīng)驗(yàn)公式估算：Fz=0.67Dmax1.5=5360N式中Dmax為車床床面上加工的最大直徑按切削力各分力比Fz：Fx ：Fy =1：0．25：0．4Fx=5360×0．25=1340NFy=5360×O．40=2144N4.3.3 縱向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型滾珠絲杠工作原理及特點(diǎn)：滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，是數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)中使用最廣泛的傳動(dòng)裝置。在絲杠和螺母上分別加工出圓弧形螺旋槽，這兩個(gè)圓弧形槽合起來(lái)便形成了螺旋滾道，在滾道內(nèi)裝入滾珠。當(dāng)絲杠相對(duì)螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在螺旋滾道內(nèi)滾動(dòng)，迫使二者發(fā)生軸向相對(duì)位移。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來(lái)， 在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能返回絲杠螺母之間構(gòu)成一個(gè)閉合回路。由于滾珠的存在，絲杠與螺母之間是滾動(dòng)摩擦，僅在滾珠之間存在滑動(dòng)摩擦。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)有下列特點(diǎn)。1) 摩擦損失小、傳動(dòng)效率高。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率可達(dá)0.92～0.96，是普通滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的3～4倍，而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的四分之一。2) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時(shí)無(wú)爬行、由于主要存在的是滾動(dòng)摩擦，不僅動(dòng)、靜摩擦因數(shù)小，且其差值也很小，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，動(dòng)作靈敏，即使在低速情況下也不會(huì)出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。3) 軸向剛度高、反向定位精度高，由于可能完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實(shí)現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度，反向時(shí)無(wú)空行程，定位精度高。4) 磨損小、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單，使用壽命是普通滑動(dòng)絲杠的4～10倍。5) 傳動(dòng)具有可逆性、不能自鎖，由于摩擦因數(shù)小，不能自鎖因而使該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)具有可逆性，即不僅可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，而且還可以把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè)296) 同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的部件或裝置時(shí)，可獲得較好的同步性。7) 有專業(yè)廠生產(chǎn)，選用配套方便，目前滾珠絲杠不僅廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床，而且越來(lái)越多地代替普通絲杠螺母機(jī)構(gòu)，用于各種精密機(jī)床和精密裝置。(1)計(jì)算進(jìn)給牽引力FmFm= KFx+f′(Fz+G) =1．15×1340+0．16(5360+800)=2530N式中 K——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1．15；f′——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，?。?．15～0．18；G——溜板及刀架重力，G=800N。(2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Cm= ,fwFmL3L=60nT/106 n=1000Vs/L。式中L——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L。=8mm；Vs——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的(1／2～1／3)，此處Vmax=0．8m／min；T——使用壽命，數(shù)控機(jī)床用滾動(dòng)絲杠壽命15000h；fw——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1．2～1.5L——壽命，以10 6r為1單位。n=1000Vs/L。=1000×0．8×0．5/8=50r／min，L=60nT/106 = L=60*50*15000/106=45Cm= = C=fwFmL3 N7.1098253*.43?(3) 縱向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副的選型滾珠絲杠副選擇的主要依據(jù)是工作動(dòng)負(fù)荷Cm (N)必須小于滾珠絲杠的額定動(dòng)負(fù)荷Ca(N),即必須滿足: Cm Ca。公稱直徑dm越大,承載能力和剛度越大,數(shù)控機(jī)床常用進(jìn)給絲杠的公稱直徑dm為Φ30～80mm“取dm=Φ40mm“滾珠絲杠副按其使用范圍及要求分為7個(gè)精度等級(jí),即1、2、3、4、5、7、10,1級(jí)最高,其余依次降低一般選用4～7級(jí),數(shù)控機(jī)床及精密機(jī)械可選2～3級(jí),滾珠絲杠副的精度直接影響定位精度、承載能力和接觸剛度,故選擇3級(jí)精度。查表可采用CDM4008-5外循環(huán)雙螺母墊片預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副。字母含意：C：外循環(huán)插管 D：墊片預(yù)緊 M：插管埋入式。其幾何參數(shù)如下：公稱直徑 do=40mm 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 30 頁(yè)30導(dǎo) 程 Lo=8mm 鋼球直徑 Dw=4.736mm 螺 旋 角 r=3°38′絲杠外徑 d 1=39mm循環(huán)列圈數(shù) 2*2.5*2額定動(dòng)載荷 Ca=31714N額定靜壓載荷 Coa=101702N剛 度 1240N/um kc(4)傳動(dòng)效率計(jì)算絲杠副傳動(dòng)效率η=tgr／tg(r+θ)=O．956式中y—— 螺旋升角(CDM4008-5滾珠絲杠)，y=3°38′；θ— — 摩擦角，θ=10′。滾動(dòng)摩擦系數(shù)0．003—0．004。(5)絲杠的剛度驗(yàn)算工作時(shí)受軸向力和扭轉(zhuǎn)作用，因絲杠受扭時(shí)引起的導(dǎo)程變化很小，可忽略不計(jì)，故工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量ΔL=FmLo/ES式中： Lo- 絲杠導(dǎo)程0.8cm進(jìn)給牽引力Fm=2530NE-彈性模量20.6* N/cm2610s-滾珠絲杠截面積（按外徑d1=3.9cm確定s=11.94cm 2）則ΔL=FmLo/ES=8.229*10 -6cm絲杠1m長(zhǎng)度上導(dǎo)程變形總誤差ΔL總=100ΔL/Lo=10.286um/m三級(jí)精度滾珠絲杠允許誤差為 15um/m故剛度足夠。(6)絲杠的穩(wěn)定性計(jì)算滾珠絲杠失穩(wěn)時(shí)臨界負(fù)載 Pc=2()EIul?式中： u—絲杠軸端系數(shù)，兩端鉸支取 u=1l—絲杠長(zhǎng)度，取 2000mmE—絲杠彈性模量，對(duì)鋼材質(zhì)取 E=20.6* N/cm2610I—絲杠截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓柱體 I= cm46d?Pcr = =65KN2()EIul?