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

裝配圖車床-CA6140車床主傳動系統(tǒng)的數(shù)控化改造設(shè)計,裝配,車床,ca6140,傳動系統(tǒng),數(shù)控,改造,設(shè)計 紹 興 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 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(shè)計 學(xué)生姓名 陳紅 學(xué) 號 083010101 系 別 機電工程系 專 業(yè) 機電一體化 指導(dǎo)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(shè)計和計算 ............................................5 3.1 伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改造設(shè)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(shè)計計算 ............................................6 3.2.1 選擇脈沖當(dāng)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(shè)計 083010101 陳紅 浙江勝達機械廠生產(chǎn)設(shè)備開發(fā)部 工程師 章魏 紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系 指導(dǎo)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。縱向進給機構(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(yīng)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(shè)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(shè)計與計算。 關(guān)鍵詞:數(shù)控、車床、改造 引言 本次畢業(yè)設(shè)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(shè)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(xué)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(yīng)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(chǔ)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(dǎo)致了應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)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(fù)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(shè)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(fù)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(yīng)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(zhǔn)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(biāo)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(yīng)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(yīng)、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(zhǔn)確，定位可靠，重復(fù)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(shè)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(shè)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(yīng)負載的變化情況。當(dāng)負載大時，彈簧彈力顯小，起不到消除間隙之目的；當(dāng)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(yīng)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(shè)計計算 3.2.1 選擇脈沖當(dāng)量 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)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=5360×0.25=1340 FY=5360×0.4=2144 2）橫切端面 主切削力 FˊZ（N）可取縱切的 0.5 FˊZ=0.5FZ=2680 此時走刀抗力為 FˊY（N） ，吃刀抗力為 Fˊx（N） 。仍按上述比例粗略計算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FˊY=2680×0.25=670 FˊX=2680×0.4=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(dǎo)軌 Fm=KFx+fˊ（Fz+G） 7 =1.158×1340+0.16×（5360+800） =2530 式中 K—考慮顛復(fù)力距影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取 K=1.15； fˊ—滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15—0.18； G—溜板及刀架重力：G=800N 計算最大動負荷 C： C=3√LfWFM L=60×n×t/106 N=1000×Vs/Lo 式中 Lo—滾珠絲桿導(dǎo)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（1/2—1/3） ，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=1.2—1.5； L—壽命、以 106 為一單位。 n=1000Vs/Lo=1000×0.6×0.5/6=50r/min L=60×N×T/106=60×60×15000/106=45 C=3√LfwFm=3√45×1.2×2530=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(yù)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(dāng)老標(biāo)準(zhǔn) E 級） 。 傳動效率計算： η=tgγ/tg(γ+φ) 試中 γ—螺旋升角，W1L400bγ=2o44ˊ φ—摩擦角 10ˊ滾動摩擦系數(shù) 0.003--0.004 η=tgγ/tg(γ+φ) =tg2o44ˊ/tg(2o44+10ˊ)=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(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的 1/3。 A. 絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ1 根據(jù) Pm=2530N，D0=40mm，查出 ΔL/L=1.2×10-5 8 可算出： δ1=δL/L×1500=1.2×10-5×1500=1.8×10-2 由于兩端采用向心推力球軸承，且絲桿又進行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高 4 倍。其實際變 形量 δ1(mm)為： δˊ1=0.25×10-2 B．滾珠與螺紋滾道間接觸變形 δq W 系列 1 列 2.5 圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量 δq ： δq=6.4μm 因進行了預(yù)緊， δ2 =0.5δq =0.5×6.4=3.2μm C．支承滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形 δ3 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，δc=0.0024×3√Fm2/(dq×Z2) =0.0024×3√2532/(6.35×182) 注意，此公式中 Fm 單位為 kgf 應(yīng)施加預(yù)緊力，故 δ3=0.5δ=0.5×0.0075=0.0038mm 根據(jù)以上計算：δ= δ1+δ2+δ3 =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 Fˊm： 橫向?qū)к墳檠辔残危嬎闳缦拢?Fˊm=1.4×Fˊy+fˊ(Fz+2Fˊx+Gˊ) =1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)≈2023N 計算最大動負荷 C： n=1000×V3/L0=1000×0.3×0.5/5=30 L=60×n×T/106=60×30×15000/106 C=3√LfwFˊm=3√27×1.2×2030=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(yù)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： η=tgγ/tg(γ+φ)=tg4o33ˊ/tg(4o33ˊ+10ˊ)=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(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。 計算如下： A.絲杠的拉伸或壓縮變形量 δ1(mm) 查圖 4-6，根據(jù) Fˊm=2032N，D0=20MM，查出 δL/L=5×10ˉ5 可算出 δ1= δL /L×L=4.2×10‐5 ×450=1.89×10‐2mm 顯然系統(tǒng)應(yīng)進行預(yù)拉伸，以提高剛度 故 δˊ=0.25δ1=4.7×10—3 B.滾珠與螺紋滾道間接觸變形 查資料（《機床數(shù)控改造設(shè)計與實例[M]．1 版》 ， ） 。 δq=8.5μm 因進行了預(yù)緊 δ2=0.5δq=0.5×8.5=4.25μm 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 δc=0.00243√Fm2/(dq×Z2) =0.00243√202.3/5×132=1.3×10ˉ3 考慮到進行了預(yù)緊，故 δ3=0.5 δc=0.5×1.3×10ˉ3=6.5×10–4 綜合以上幾次變形量之和得： δ=δˊ1δ2δ3=4.7×10ˉ3+4.25×10ˉ3/+ =0.0096＜0.015（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(dāng)量 δp =0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程 L0=6mm，初選步進電機步距角 0.75?？捎嬎?出傳動比 i i=360δp / θbL 0 =390×0.01/0.75×6=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(dāng)量 δp =0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程 L0=5mm，初選步進電機步距角 0.75o?？捎?算出傳動比 i I=360δp / θbL 0=360×0.005/0.75×5=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=3×4/5×5=24×20/40×25 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 JΣ(kg?cm2)可有下式計算： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 式中：Jm—步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量(kg?cm2) J1，J2—齒輪 Z1、Z2 的轉(zhuǎn)動慣量(kg?cm2) 11 Js—滾珠絲杠傳動慣量(kg?cm2) 參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電機 150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 Jm=10(kg?cm2) J1=0.78×10-3×d14·L1=0.78×10-3×6.42×2=2.6 kg?cm2 J2=0.78×10-3×d24·L2=0.78×10-3×82×2=6.39 kg?cm2 Js=0.78×10-3×44×150=29.952 kg?cm2 G=800N 代入上式： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2〔(J2+Js)+G/g(L0/2π)2〕 =10+2.62+(32/40)2〔(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2π)2〕 =36.355 kg?cm2 考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。 Jm/JΣ=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=JΣ·ε= JΣnnax×10-2/(60×ta/2π) = JΣ×2π·nmax×10-2/(60×ta) nmax=νmax·θb/δp·360 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。 nmax=νmax·θb/δp·360=2400×0.75÷(0.01×360)=500r/min 啟動加速時間 ta=30ms Mamax=JΣ×2π·nmax×10-2/(60×ta) =36.355×2π×500×10-2/(60×0.03) =634.5N·cm 折算到電機軸上的摩擦力距 Mf： Mf=FOL0/2πηi=f1(Pz+G)×L0/(2πηZ2/Z1) =0.16×(5360+800)×0.6/(2π×0.8×1.25)=94N·cm 附加摩擦力距 M0 12 MO=FPOL0(1-η02)/2πηi=1/3×Ft×L0(1-η02)/(2πηZ2/Z1) =1/3×2530×0.6×(1-0.92)/( 2π×0.8×1.25) =805.3×0.19=15.3N·cm 上述三項合計： M 起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8N·cm B．快速移動時所需力矩 M 快。 M 快=Mf+M0=94+15.3=109.3N·cm C．快速切削負載時所需力矩 M 切 M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi =94+15.3+1340×0.6/(2π×0.8×1.25) =94+15.3+127.96 =237.26N·cm 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(shè)計與實例[M]》]查出，當(dāng)步進電機為五相十拍時 λ=Mq/Mjmax=0.951 最大靜力矩 Mjmax=743.8/0.951=782N·cm 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 13.72N·m。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/60δp =1000×2.4/60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =1000×0.6/60×0.01=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(dāng)步進電機起動時，f 起 =2500 時，M=100N·cm,遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（782N·cm）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 5884N·cm，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(dāng)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 JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2{(J2+J3)+Z3/Zф〔(Jφ+Jξ)+G/g(L0/2π)2〕} 式中各符號意義同前，其中 J1=0.78×10-3×d14·L1=0.78×10-3×4.82×2=0.83kg?cm2 J2=0.78×10-3×d24·L2=0.78×10-3×84×2=6.4 kg?cm2 J3=0.78×10-3×d24·L3=0.78×10-3×44×2=0.4 kg?cm2 J4=0.78×10-3×d24·L4=0.78×10-3×54×2=0.98 kg?cm2 Js=0.78×10-3×24×45=0.56kg?cm2 G=600n Jm=4.7 （初選反應(yīng)式步進電機為 110BF） 代入上式為： JΣ=Jm+J1+（Z1/Z2）2{(J2+J3)+Z3/Zф〔(Jφ+Jξ)+G/g(L0/2π)2〕} =4.7+0.83+(24/10)2{(6.4+0.4)+(20/25)2[(0.98+0.56)+600/10(0.5/2π)2]} =8.42kg·cm2 考慮到步進電機與傳動系統(tǒng)慣量的匹配問題 Jm/JΣ=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=JΣ·ε= JΣnnax×10-2/(60×ta/2π) = JΣ×2π·nmax×10-2/(60×ta) 式中： nmax=νmax·θb/δp·360 =1200×0.75/(0.005×360)=500r/min ta=30ms Mamax=JΣ×2π·nmax×10-2/(60×ta) =8.42×2π×500×10-2/(60×0.03)=147N·cm 折算到電機軸上的摩擦力矩 Mf Mf=FOL0/2πηi=f1(Pz+G)×L0/(2πηZ2/Z1) =0.2×(2680+600)×0.5×0.48/(2π×0.8) =31.3N·cm 附加摩擦力矩 M0 14 MO=FPOL0(1-η02)/2πηi=1/3×Fˊt×L0(1-η02)/(2πηZ2/Z1) =1/3×2023×0.5×0.48×(1-0.92)/( 2π×0.8) =6.1N·cm 上述三項合計： M 起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4N·cm B．快速移動時所需力矩 M 快。 M 快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4N·cm C.最大切削福載時所需力矩 M 切 M 切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2πηi =37.4+1072×0.5×0.48/(2π×0.8) =88.6N·cm 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(dāng)步進電機為三相 六拍時：λ=Mq/Mjmax=0.866 最大靜力矩 Mjmax=184.4/0.866=213N·cm 查 BF 反應(yīng)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 7.84N·m。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/60δp =1000×2.4/60×0.01=4000Hz Fe=1000Vs/60δp =1000×0.6/60×0.01=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(dāng)步進電機起動時 F=1500Hz，M=98N·cm，小于機床所需的起動力矩（184.4N·cm） ，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(dāng)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(shè)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(chǔ)，機械制 造裝備設(shè)計和大部分專業(yè)課知識進行了復(fù)習(xí)，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(dāng)距離，還需在今后進一步學(xué)習(xí)和實踐。 在設(shè)計中，我通過查尋各種資料，結(jié)合所學(xué)知識，在老師的指導(dǎo)下掌握了設(shè)計的過程方法，更加 深該了機械行業(yè)需要嚴(yán)謹態(tài)度的認識，本次設(shè)計同樣為以后工作打下了基礎(chǔ)。 本設(shè)計由于時間緊和對知識的掌握程度的限制，在設(shè)計上不很周詳，許多應(yīng)考慮進去的方面，可 能沒在設(shè)計上體現(xiàn)。 致謝 在這次設(shè)計過程中，我得到輔導(dǎo)老師的精心指導(dǎo)和各方面的幫助，才使設(shè)計得以順利進行，在此 要感謝我的指導(dǎo)老師對我悉心的指導(dǎo)，感謝老師給我這樣的機會鍛煉。在整個畢業(yè)設(shè)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(xué)習(xí)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(shè)計過程中所學(xué)到的東西是這次畢業(yè)設(shè)計的最大 收獲和財富，使我終身受益。 參考文獻： [1].《機床設(shè)計手冊》.機械工業(yè)出版社.第三卷 [2].《機械設(shè)計手冊》. 化學(xué)工業(yè)出版社.第三版.第三卷 [3].《機電一體化設(shè)計手冊》. 機械工業(yè)出版社.第二卷 [4]. 隋明陽.《機械設(shè)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]. 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