裝配圖車床-CA6140車床主傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造設計

裝配圖車床-CA6140車床主傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造設計,裝配,車床,ca6140,傳動系統(tǒng),數(shù)控,改造,設計 紹 興 職 業(yè) 技 術(shù) 學 院 畢業(yè)論文 (2012 屆） CA6140 車床傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造 機械部分設計 學生姓名 陳紅 學 號 083010101 系 別 機電工程系 專 業(yè) 機電一體化 指導教師 蔡曉霞 完成日期 2011.4.25 目錄 引言 .1 1 CA6140 車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析 .3 2 數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析 .4 2.1 主傳動系統(tǒng) .4 2.2 進給傳動系統(tǒng) .4 2.3 自動回轉(zhuǎn)刀架 .5 3 伺服系統(tǒng)及步進電動機的設計和計算 .5 3.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造設計方案 .5 3.1.1 縱向進給機械結(jié)構(gòu)改造方案 .5 3.1.2 橫向進給機械結(jié)構(gòu)改造方案 .5 3.2 進給伺服機構(gòu)機械部分的設計計算 .6 3.2.1 選擇脈沖當量 .6 3.2.2 計算切削力 .6 3.2.3 滾珠絲桿螺母副的計算和選型 .6 3.2.4 傳動比計算 .9 3.2.5 步進電機的計算和選型 .10 結(jié)論 .15 致謝 .15 參考文獻 .15 1 CA6140 車床傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造機械部分設計 083010101 陳紅 浙江勝達機械廠生產(chǎn)設備開發(fā)部 工程師 章魏 紹興職業(yè)技術(shù)學院 機電工程系 指導教師：蔡曉霞 摘要:了解數(shù)控機床的概念，所謂數(shù)字控制是按照含有機床(刀具)運動信息程序所指定的順序自動執(zhí)行 操作的過程。而計算機數(shù)控機床就是數(shù)控機床在計算機監(jiān)控下進行工作。它的優(yōu)點很多,可以在同一機 我國現(xiàn)床上一次裝夾可完成多個操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點，但它的價格昂貴。由于在使用的機床 大多數(shù)為普通車床，自動化程度低,要更新現(xiàn)有機床需要很多資金?？v向進給機構(gòu)的改造：拆去原機床 的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進電機及減速箱安 裝在車床的床尾,不占據(jù)絲杠空間。橫向進給機構(gòu)的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進電機帶 動。 總體設計方案:CA6140 車床主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機床的手動變速功能。車床的縱向和橫向 進給運動采用步進電機驅(qū)動。最后,根據(jù)已知條件對縱向橫向伺服進給機構(gòu)進行設計與計算。 關(guān)鍵詞:數(shù)控、車床、改造 引言 本次畢業(yè)設計主要是對機床機械部分進行改造,以步進電機驅(qū)動橫向進給運動、縱向進給運動以及 刀架的快速換刀,使傳動系統(tǒng)變得十分簡單，傳動鏈大大縮短,傳動件數(shù)減少,從而提高機床的精度。 設計中，我們對有關(guān)數(shù)控機床及數(shù)控改造的相關(guān)書籍、刊物進行大量閱讀,收集了很多資料,了解 了數(shù)控機床的基本概念，數(shù)控機床的發(fā)展概況，數(shù)控機床的組成及其工作原理，擴大了我們的知識面。 隨著科學技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進，對零件的加工質(zhì)量的要求 也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣化要求的增強，產(chǎn)品品種增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。數(shù)控機床代替普 通機床被廣泛應用是一個必然的趨勢。 同時，數(shù)控機床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。機床作為機械制造業(yè)的 重要基礎裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了 質(zhì)的突破，導致了應用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。計算 2 機的出現(xiàn)和應用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控 機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。 數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化 發(fā)展的先河。 數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置， 機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序 動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼， 運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數(shù)控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點： 1. 適應性強，適合加工單件或小批量的復雜工件；在數(shù)控機床上改變加工工件時，只需重新編制 新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生產(chǎn)效率高； 4. 減輕勞動強度，改善勞動條件； 5. 良好的經(jīng)濟效益； 6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 數(shù)控機床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機機床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和 產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復合化、精密化方面進步很大。但 是，國產(chǎn)數(shù)控機床與先進國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設的需要。我國是一 個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進工 業(yè)國家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。 3 1 CA6140 車床主傳動變速箱結(jié)構(gòu)分析 機床主軸箱是一個比較復雜的傳動件.表達主軸箱各傳動件的結(jié)構(gòu)和裝配關(guān)系時常用展開圖.展開 圖基本上 是按各傳動鏈傳遞運動的先后順序,沿軸心線剖開,并展開在一個平面上的裝配圖(如圖 1) ： 圖 1 1花鍵套；2帶輪；3法蘭；4箱體；5鋼球；6齒輪；7銷；8、9 螺母；10齒輪；11滑套；12元寶銷；13制動盤；14制動帶；15齒條；16 拉桿；17撥叉；18齒扇；19圓鍵 該圖是沿軸 IV 一 I 一 II 一 III(V)一 VI 一 XI 一 X 的軸線剖切面展開的。展開圖把立體展開 在一個平面上，因而 其中有些軸之間的距離拉開了。如軸 IV 畫得 III 與軸 V 較遠，因而使原來相互 4 嚙合的齒輪副分開了。讀展開圖時 ，首先應弄清楚傳動關(guān)系。 卸荷帶輪電動機經(jīng)皮帶將運動傳至軸 I 左端的帶輪 2（見圖 1 的左上部分） 。帶輪 2 與花鍵套 1 用 螺釘連接成一體，支承在法蘭 3 內(nèi)的兩個深溝球軸承上。法蘭 3 固定在主軸箱體 4 上，這樣帶輪 2 可 通過花鍵 1 帶動軸 I 旋轉(zhuǎn)，皮帶 的拉力則經(jīng)軸承和法蘭 3 傳至箱體 4。軸 I 的花鍵部分只傳遞轉(zhuǎn)距， 從而可避免因皮帶拉力而使軸 I 產(chǎn)生彎曲變 形。這種帶輪是卸荷的（既把徑向載荷卸給箱體） 。 2 數(shù)控車床頭箱結(jié)構(gòu)分析 2.1 主傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床主運動要求速度在一定范圍內(nèi)可調(diào)，有足夠的驅(qū)動功率，主軸回轉(zhuǎn)軸心線的位置準確穩(wěn) 定，并有足夠的剛性與抗振性。 如下圖所示為濟南第一機床廠生產(chǎn)的 MJ-50 型數(shù)控車床的傳動系統(tǒng)圖。 2.2 進給傳動系統(tǒng) 數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)是用數(shù)字控制 X、Z 坐標軸的直接對象，工件最后的尺寸精度和輪廓精度都 5 直接受進給運動的傳動精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)應充分注意減 少摩擦力，提高傳動精度和剛度，消除傳動間隙以及減少運動件的慣量等。 為使全功能型數(shù)控車床進給傳動系統(tǒng)要求高精度、快速響應、低速大轉(zhuǎn)矩，一般采用步進電機， 通過滾珠絲杠螺母副帶動刀架移動。刀架的快速移動和進給移動為同一條傳動路線。 如圖 3-3 所示，MJ-50 數(shù)控車床的進給傳動系統(tǒng)分為 X 軸進給傳動和 Z 軸進給傳動。 2.3 自動回轉(zhuǎn)刀架 數(shù)控車床的刀架是機床的重要組成部分，其結(jié)構(gòu)直接影響機床的切削性能和工作效率?；剞D(zhuǎn)式刀 架上回轉(zhuǎn)頭各刀座用于安裝或支持各種不同用途的刀具，通過回轉(zhuǎn)頭的旋轉(zhuǎn)分度和定位，實現(xiàn)機床 的自動換刀?；剞D(zhuǎn)刀架分度準確，定位可靠，重復定位精度高，轉(zhuǎn)位速度快，夾緊性好，可以保證數(shù) 控車床的高精度和高效率。 按照回轉(zhuǎn)刀架的回轉(zhuǎn)軸相對于機床主軸的位置，可分為立式和臥式回轉(zhuǎn)刀架。 從它上面我們可以看出，對 CA6140 車床的改造的方向。 3 機床進給伺服系統(tǒng)機械部分以及步進電動機的設計和計算 3.1 進給伺服系統(tǒng)機械部分的結(jié)構(gòu)改造設計方案 3.1.1 縱向進給機械結(jié)構(gòu)改造方案 拆除原機床的進給像、溜板箱、滑動絲杠、光杠等，裝上步進電機、齒輪減速箱和滾珠絲杠螺母 副。為了提高支承剛度，采用向心推力球軸承對加止推軸承支承方式。齒輪間隙采用雙薄片調(diào)隙方式。 利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲桿仍安置在原來的位置，兩端仍采用 原固定方式。這樣可減少改裝工作量，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，且外徑比原先的大， 從而使縱向進給整體剛度只可能增大。 縱向進給機構(gòu)都采用了一級齒輪減速。雙片齒輪間沒有加彈簧自動消除間隙。因為彈簧的彈力很 難適應負載的變化情況。當負載大時，彈簧彈力顯小，起不到消除間隙之目的；當負載小時，彈簧彈 力又顯大，則加速齒輪的磨損。因此，采用定期人工調(diào)整、螺釘緊固的辦法消除間隙。 縱向齒輪箱和溜板箱均加外罩，以保持機床原外觀，起到美化機床的效果，在溜板箱上安裝了縱 向快速進給和急停按鈕，以適應機床調(diào)整時的操作需要和遇到意外情況時的急停處理需要。 6 3.1.2.橫向進給機械結(jié)構(gòu)改造方案 拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進給系統(tǒng)剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。 步進電機、齒輪箱安裝于機床后側(cè)，為了使減速機構(gòu)不影響走刀，同時消除傳動過程的沖擊，減速機 構(gòu)采用二級傳動，從動輪采用雙薄片錯位消除間隙。 3.2 進給伺服機構(gòu)機械部分的設計計算 3.2.1 選擇脈沖當量 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量， 縱向：0.01mm/步， 橫向：0.005mm/步（半徑） 3.2.2 計算切削力 1）縱車外圓 主切削力 FZ（N）按經(jīng)驗公式估算： FZ=0。67Dmax1。5=0。67*4001。5=5360 按切削力各分力比例： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=53600.25=1340 FY=53600.4=2144 2）橫切端面 主切削力 FZ（N）可取縱切的 0.5 FZ=0.5FZ=2680 此時走刀抗力為 FY（N） ，吃刀抗力為 Fx（N） 。仍按上述比例粗略計算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FY=26800.25=670 FX=26800.4=1072 3.2.3 滾珠絲桿螺母副的計算和選型 1）縱向進給絲桿的選型 計算進給牽引力 Fm（N）： 縱向進給為綜合型導軌 Fm=KFx+f（Fz+G） 7 =1.1581340+0.16（5360+800） =2530 式中 K考慮顛復力距影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取 K=1.15； f滑動導軌摩擦系數(shù)：0.150.18； G溜板及刀架重力：G=800N 計算最大動負荷 C： C=3LfWFM L=60nt/106 N=1000Vs/Lo 式中 Lo滾珠絲桿導程，初選 L=6mm； Vs最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的（1/21/3） ，此處 Vs=0.6m/min T使用壽命，按 15000h； fw運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取 F=1.21.5； L壽命、以 106 為一單位。 n=1000Vs/Lo=10000.60.5/6=50r/min L=60NT/106=606015000/106=45 C=3LfwFm=3451.22530=10798.7N 滾珠絲桿螺母副的選型： 查閱表，可用 W1L400b 外循環(huán)螺紋調(diào)整預緊的雙螺母滾珠絲桿副，1 列 2.5 圈，其額定動負載為 16400N，精度等級按表 4-15 選為 3 級（大致相當老標準 E 級） 。 傳動效率計算： =tg/tg(+) 試中 螺旋升角，W1L400b=244 摩擦角 10滾動摩擦系數(shù) 0.003-0.004 =tg/tg(+) =tg244/tg(244+10)=0.94 3.1.5 剛度驗算 最大牽引力為 2530N。支撐間距 L=1500mm 螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的 1/3。 A. 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1 根據(jù) Pm=2530N，D0=40mm，查出 L/L=1.210-5 8 可算出： 1=L/L1500=1.210-51500=1.810-2 由于兩端采用向心推力球軸承，且絲桿又進行了預拉伸，故其拉壓剛度可以提高 4 倍。其實際變 形量 1(mm)為： 1=0.2510-2 B滾珠與螺紋滾道間接觸變形 q W 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 q ： q=6.4m 因進行了預緊， 2 =0.5q =0.56.4=3.2m C支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 3 采用 8107 型推力球軸承，d1=35mm，滾動體直徑 dq=6.34mm，滾動體 數(shù)量 Z=18，c=0.00243Fm2/(dqZ2) =0.002432532/(6.35182) 注意，此公式中 Fm 單位為 kgf 應施加預緊力，故 3=0.5=0.50.0075=0.0038mm 根據(jù)以上計算：= 1+2+3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm定位精度 穩(wěn)定性校核： 滾珠絲桿兩端推力軸承，不會產(chǎn)生產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 2）橫向進給絲桿 計算進給牽引力 Fm： 橫向?qū)к墳檠辔残?，計算如下?Fm=1.4Fy+f(Fz+2Fx+G) =1.4670+0.2(2680+21072+600)2023N 計算最大動負荷 C： n=1000V3/L0=10000.30.5/5=30 L=60nT/106=603015000/106 C=3LfwFm=3271.22030=7283N 選擇滾珠絲杠螺母副： 9 從附錄 A 表 3 中查出，W1L20051 列 2.5 圈外循環(huán)螺紋預緊滾珠絲杠副，額 定動載荷為 8800N，可滿足要求，選定精度為 3 級。 傳動效率計算： =tg/tg(+)=tg433/tg(433+10)=0.965 剛度驗算： 橫向進給絲杠支承方式如 圖所示，最大牽引力為 2425N，支承間距 L=450mm，因絲杠長度較短， 不需預緊，螺母及軸承預緊。 計算如下： A.絲杠的拉伸或壓縮變形量 1(mm) 查圖 4-6，根據(jù) Fm=2032N，D0=20MM，查出 L/L=5105 可算出 1= L /LL=4.2105 450=1.89102mm 顯然系統(tǒng)應進行預拉伸，以提高剛度 故 =0.251=4.7103 B.滾珠與螺紋滾道間接觸變形 查資料（機床數(shù)控改造設計與實例M1 版 ， ） 。 q=8.5m 因進行了預緊 2=0.5q=0.58.5=4.25m C.支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 采用 8103 型推力球軸承，dq=5 Z=13 d=17mm c=0.00243Fm2/(dqZ2) =0.00243202.3/5132=1.3103 考慮到進行了預緊，故 3=0.5 c=0.51.3103=6.5104 綜合以上幾次變形量之和得： =123=4.7103+4.25103/+ =0.00960.015（定位精度 ） 穩(wěn)定性校核： 滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 10 3.2.4.傳動比計算 1)縱向進給齒輪箱傳動比計算 已確定縱向進給脈沖當量 p =0.01，滾珠絲杠導程 L0=6mm，初選步進電機步距角 0.75。可計算 出傳動比 i i=360p / bL 0 =3900.01/0.756=0.8 可選定齒輪齒數(shù)為： I =Z1/Z2 Z1=32，Z2=40 ，或 Z1=20，Z2=25 2)橫向進給齒輪箱傳動比計算 已確定橫向進給脈沖當量 p =0.005，滾珠絲杠導程 L0=5mm，初選步進電機步距角 0.75。可計 算出傳動比 i I=360p / bL 0=3600.005/0.755=0.48 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可采用兩 級齒輪降速： i=Z1Z2/Z3Z4=34/55=2420/4025 Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25 因進給運動齒輪受力不大，模數(shù) m 取 2。有關(guān)參數(shù)參照下表： 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓 d=mz 64 80 48 80 40 50 齒頂數(shù) da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齒根數(shù) df=d-21.25m 59 75 43 75 35 45 齒寬 (6-8)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45 3.2.5.步進電機的計算和選型 1)縱向進給步進電機計算 等效傳動慣量計算: 方法計算如下，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總傳動慣量 J(kgcm2)可有下式計算： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2 式中：Jm步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量(kgcm2) J1，J2齒輪 Z1、Z2 的轉(zhuǎn)動慣量(kgcm2) 11 Js滾珠絲杠傳動慣量(kgcm2) 參考同類型機床，初選反應式步進電機 150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 Jm=10(kgcm2) J1=0.78103d14L1=0.781036.422=2.6 kgcm2 J2=0.78103d24L2=0.78103822=6.39 kgcm2 Js=0.7810344150=29.952 kgcm2 G=800N 代入上式： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2 =10+2.62+(32/40)2(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2)2 =36.355 kgcm2 考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。 Jm/J=10/36.355=0.275 基本滿足慣量匹配的要求。 電機力矩計算: 機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面分別按各階段計算： A.快速空載啟動力矩 M 起 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下： M 起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60ta) nmax=maxb/p360 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 nmax=maxb/p360=24000.75(0.01360)=500r/min 啟動加速時間 ta=30ms Mamax=J2nmax102/(60ta) =36.3552500102/(600.03) =634.5Ncm 折算到電機軸上的摩擦力距 Mf： Mf=FOL0/2i=f(Pz+G)L0/(2Z2/Z1) =0.16(5360+800)0.6/(20.81.25)=94Ncm 附加摩擦力距 M0 12 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3FtL0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/325300.6(1-0.92)/( 20.81.25) =805.30.19=15.3Ncm 上述三項合計： M 起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8Ncm B快速移動時所需力矩 M 快。 M 快=Mf+M0=94+15.3=109.3Ncm C快速切削負載時所需力矩 M 切 M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =94+15.3+13400.6/(20.81.25) =94+15.3+127.96 =237.26Ncm 從上面計算可以看出，M 起、M 快和 M 切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項 作為初選步進電機的依據(jù)。 從有關(guān)手冊機床數(shù)控改造設計與實例M查出，當步進電機為五相十拍時 =Mq/Mjmax=0.951 最大靜力矩 Mjmax=743.8/0.951=782Ncm 按此最大靜力矩從有關(guān)手冊中查出，150BF002 型最大靜轉(zhuǎn)矩為 13.72Nm。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩， 可作為初選型號，但還需進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率: Fk=1000Vmax/60p =10002.4/600.01=4000Hz Fe=1000Vs/60p =10000.6/600.01=1000Hz 從下表中查出 150BF002 型步進電機允許的最高空載起動頻率為 2800Hz 運行頻率為 8000Hz,再從 有關(guān)手冊中查出 150BF002 型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線。當步進電機起動時，f 起 =2500 時，M=100Ncm,遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（782Ncm）直接使用則會產(chǎn)生失 步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)） ，將起動頻率降到 1000Hz 時，起動力矩可增加到 5884Ncm，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。 當快速運動和切削進給時，150BF002 型步進電機運行矩頻特性完全可以滿足要求。 2)縱向進給步進電機計算 等效傳動慣量計算: 橫向傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣 量 J 可由下式計算 13 J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+J3)+Z3/Z(J+J)+G/g(L0/2)2 式中各符號意義同前，其中 J1=0.78103d14L1=0.781034.822=0.83kgcm2 J2=0.78103d24L2=0.78103842=6.4 kgcm2 J3=0.78103d24L3=0.78103442=0.4 kgcm2 J4=0.78103d24L4=0.78103542=0.98 kgcm2 Js=0.781032445=0.56kgcm2 G=600n Jm=4.7 （初選反應式步進電機為 110BF） 代入上式為： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+J3)+Z3/Z(J+J)+G/g(L0/2)2 =4.7+0.83+(24/10)2(6.4+0.4)+(20/25)2(0.98+0.56)+600/10(0.5/2)2 =8.42kgcm2 考慮到步進電機與傳動系統(tǒng)慣量的匹配問題 Jm/J=4.7/8.42=0. 558 基本滿足慣量匹配要求 電機力矩計算: A.快速空載起動力矩 M M 起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60ta) 式中： nmax=maxb/p360 =12000.75/(0.005360)=500r/min ta=30ms Mamax=J2nmax102/(60ta) =8.422500102/(600.03)=147Ncm 折算到電機軸上的摩擦力矩 Mf Mf=FOL0/2i=f(Pz+G)L0/(2Z2/Z1) =0.2(2680+600)0.50.48/(20.8) =31.3Ncm 附加摩擦力矩 M0 14 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3FtL0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/320230.50.48(1-0.92)/( 20.8) =6.1Ncm 上述三項合計： M 起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4Ncm B快速移動時所需力矩 M 快。 M 快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4Ncm C.最大切削福載時所需力矩 M 切 M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =37.4+10720.50.48/(20.8) =88.6Ncm 由上面計算可以看出, M 起、M 快和 M 切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，故以此項 作為選擇步進電機的依據(jù)。根據(jù)步進電機轉(zhuǎn)矩 Mq 與最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax 的關(guān)系可知，當步進電機為三相 六拍時：=Mq/Mjmax=0.866 最大靜力矩 Mjmax=184.4/0.866=213Ncm 查 BF 反應式步進電機技術(shù)參數(shù)得，110BF003 型步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩為 7.84Nm。大于所需最大 靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率: Fk=1000Vmax/60p =10002.4/600.01=4000Hz Fe=1000Vs/60p =10000.6/600.01=1000Hz 由 110BF003 型步進電機的技術(shù)參數(shù)可知其最高空載起動頻率為 1500Hz，運行頻率為 7000Hz。根 據(jù) 110BF003 型電機的起動距頻特性和運行矩頻特性曲線可以看出，當步進電機起動時 F=1500Hz，M=98Ncm，小于機床所需的起動力矩（184.4Ncm） ，直接使用會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必 須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)） 。將起動頻率將為 1000Hz 時，既可滿足要求。當機床快速起動和切 削進給時，則完全滿足運行矩頻要求。 15 結(jié)論 通過畢業(yè)設計，使我對機床數(shù)控系統(tǒng)這門課程進一步加深了理解，對機械制造技術(shù)基礎，機械制 造裝備設計和大部分專業(yè)課知識進行了復習，加深了對專業(yè)課知識的認識，同時也深深感到自己初步 掌握的知識與實際需要還有相當距離，還需在今后進一步學習和實踐。 在設計中，我通過查尋各種資料，結(jié)合所學知識，在老師的指導下掌握了設計的過程方法，更加 深該了機械行業(yè)需要嚴謹態(tài)度的認識，本次設計同樣為以后工作打下了基礎。 本設計由于時間緊和對知識的掌握程度的限制，在設計上不很周詳，許多應考慮進去的方面，可 能沒在設計上體現(xiàn)。 致謝 在這次設計過程中，我得到輔導老師的精心指導和各方面的幫助，才使設計得以順利進行，在此 要感謝我的指導老師對我悉心的指導，感謝老師給我這樣的機會鍛煉。在整個畢業(yè)設計過程中我懂得 了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作 生活有非常重要的影響。而且大大提高了動手的能力，使我充分體會到了在創(chuàng)造過程中的探索的艱難 和成功的喜悅。雖然這個項目還不是很完善，但是在設計過程中所學到的東西是這次畢業(yè)設計的最大 收獲和財富，使我終身受益。 參考文獻： 1.機床設計手冊.機械工業(yè)出版社.第三卷 2.機械設計手冊. 化學工業(yè)出版社.第三版.第三卷 3.機電一體化設計手冊. 機械工業(yè)出版社.第二卷 4. 隋明陽.機械設計.機械工業(yè)出版社 5. 中國機械工業(yè)教育協(xié)會組編.數(shù)控技術(shù).機械工業(yè)出版社 .2005 6. 中國機械工業(yè)教育協(xié)會組編.機械制造基礎.機械工業(yè)出版社.2005 7. 丁樹模主編.機械工程學.機械工業(yè)出版社. 2005 8. 鄭曉峰主編.數(shù)控原理與原理.機械工業(yè)出版社.2003 9. 陳富安主編.數(shù)控原理與原理.人民 郵電出版社.2006 16 10. 李雪梅主編.數(shù)控機床.電子工業(yè)出版社.2005