CA6140車床數(shù)控化的改造畢業(yè)設(shè)計【含CAD圖紙、說明書】

I畢 業(yè) 設(shè) 計 說 明 書畢業(yè)生姓名 ：專業(yè) ：學(xué)號 ：指導(dǎo)教師 :所屬系（部） ：年五月I畢業(yè)設(shè)計評閱書題目：CA6140 普通車床數(shù)控化改造 機械電子工程 系 數(shù)控技術(shù) 專業(yè) 姓名 設(shè)計時間： 年 3 月 11 日2013 年 5 月 12 日評閱意見：成績：指導(dǎo)教師： （簽字）職 務(wù)： 201 年 月 日II畢業(yè)設(shè)計答辯記錄卡機械電子工程 系 數(shù)控技術(shù) 專業(yè) 姓名 答 辯 內(nèi) 容問 題 摘 要 評 議 情 況記錄員： （簽名）成 績 評 定指導(dǎo)教師評定成績 答辯組評定成績 綜合成績注：評定成績?yōu)?100 分制，指導(dǎo)教師為 30%，答辯組為 70%。專業(yè)答辯組組長： （簽名）201 年 月 日CA6140 普通車床數(shù)控化改造摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，衡量一個國家機械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志是數(shù)控機床。我國普通機床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情，需要采用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)對普通機床進行數(shù)控化改造。機電一體化技術(shù)涉及電子、機械、以及控制等多門學(xué)科，是衡量一個國家機械裝備發(fā)展水平的重要標(biāo)志，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)之一。雖然這門學(xué)科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，更是綜合國力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應(yīng)該重視該學(xué)科的研究，大力發(fā)展這門學(xué)科，逐漸縮小與日美等發(fā)達國家的差距。本次設(shè)計是對 CA6140 普通車床的數(shù)控化改造。我設(shè)計時先對數(shù)控機床系統(tǒng)進行了總體設(shè)計，然后對進給系統(tǒng)、齒輪箱傳動比及步進電機進行了計算，最后我對電氣系統(tǒng)進行了設(shè)計。在國內(nèi)，盛行普通車床改造成數(shù)控車床，此設(shè)計就是針對著這以目的而設(shè)計的，這縮短了工業(yè)化的進程，降低了生產(chǎn)成本，同時為廣大的生產(chǎn)廠家所接受。關(guān)鍵詞：數(shù)控改造 ;數(shù)控 ;步進電動機 目 錄1 緒論 12 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設(shè)計 22.1 總體方案設(shè)計內(nèi)容 .22.2 總體方案確定 .33 進給系統(tǒng)設(shè) 計計算 .43.1 選擇脈沖當(dāng)量 .43.2 計算切削力 .43.3 滾珠絲杠 螺母副的計算和選型 .54 齒輪進給齒輪箱傳動比計算 .134.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算 134.2 橫向進給齒輪箱傳動比計算 135 步進電機的計算和選型 .145.1 縱向進給步進電機計算 145.2 橫向進給步進電機計算和選型 186.CA6140 車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) 216.1 數(shù)控系統(tǒng)選型.216.2 步進電動機的驅(qū)動器選型.246.3 驅(qū)動器信號輸入輸 出.297.CA6140 電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計 327.1 概述.327.2 電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計.327.3 強電柜的安裝與連接 .33總結(jié) .34參考文獻 35致謝 .3611 緒論我國的大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)和制造行業(yè)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機床，用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、檔次低、品種少、成本高、供貨期長，從而在國內(nèi)、國際市場上缺乏競爭力，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以普通車床的數(shù)控改裝已成必然。近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用，在大中企業(yè)己有較多的使用。在以上數(shù)控機床中，除少量機床以 FMS 模式集成使用外，大多數(shù)處于單機運行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。2001 年，我國機床工業(yè)產(chǎn)值己進入世界第 5 名，機床消費額在世界排名上升到第3 位，達 47. 39 億美元，這僅次于美國的 53. 67 億美元，消費額比上一年增長 25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001 年進口機床躍升至世界第 2 位，達 24. 06 億美元，比上年增長 27. 3% ，我國很有必要進行數(shù)控化改造。在日本、美國和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造將是個“永恒“的課題。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在日本、美國、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了生產(chǎn)線和機床數(shù)控改造的新的行業(yè)。企業(yè)要在當(dāng)前市場競爭激烈，需求多變的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最好的質(zhì)量、最低價格、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機床已不適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)要求，數(shù)控機床則綜合了微電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、自動檢測技術(shù)等先進技術(shù)，最適宜加工高精度、小批量、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當(dāng)變更加工對象時只需要換零件加工程序，不需對機床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。普通車床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸會發(fā)生較大變化，主要傳動零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達到大修驗收標(biāo)準(zhǔn)，而且費用較高。數(shù)控機床在機械加工行業(yè)中的應(yīng)用逐漸廣泛。數(shù)控機床的發(fā)展，一方面是高性能、全功能；另一方面是簡單實用的經(jīng)濟型數(shù)控機床，具有自動加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進控制系統(tǒng)，功率步進電機為驅(qū)動元件，無需檢測反饋機構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達0.00.02mm，已能滿足 CA6140 車床改造后加2工零件的精度要求。與普通機床相比，數(shù)控機床具有以下的優(yōu)點：一是適應(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；二是生產(chǎn)效率高；三是加工精度高；四是經(jīng)濟效益好；五是減輕勞動強13度，改善勞動條件；六是有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機床的微機數(shù)控化改造已成為重要內(nèi)容。許多工廠一面購置數(shù)控機床，一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC 技術(shù)改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。 2 數(shù)控機床系統(tǒng)總體設(shè)計2.1 總體方案設(shè)計內(nèi)容接到一個數(shù)控裝置的設(shè)計任務(wù)以后，首先必須擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計結(jié)構(gòu)和參數(shù)，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設(shè)計。機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定、執(zhí)行機構(gòu)的確定、伺服系統(tǒng)的選擇及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。2.1.1 系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。2.1.2 控制方式的選擇系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修都比較簡單。42.2 總體方案確定2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應(yīng)具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，循環(huán)加工，暫停，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮達到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.2 機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的平穩(wěn)性和傳動精度，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為消除間隙和提高傳動剛度，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體方案框如圖 2-1：圖 2-1 系統(tǒng)總體方案框圖53 進給系統(tǒng)設(shè)計計算3.1 選擇脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是 0.010.005mm/step。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量：縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)3.2 計算切削力用車床經(jīng)驗公式 F = D 來計算主切削力z67.05.1max式中 D 指車床身上最大加工直徑（mm） 。橫切端面時主切削力 可取縱切時 F 的max zFz1/2。求出主切削里 F 以后再按以下比例分別求出分力 F 和 F 。z zyF ： F ：F =1 ：0.25 ：0.5zxy式中 F ：指走刀方向的切削力（ N） ；F ：指垂直走刀方向的切削力（ N） 。y圖 3-1 縱切和橫切時切削力的示意圖。圖 3-1 縱切和橫切時切削力的示意圖63.2.1 縱車外圓主切削力 F (N)按經(jīng)驗公式估計算：zF = D = （N）z67.05.1max1.54036按切削力各分力比例：F ：F ：F =1 ：0.25 ：0.4zxyF （N）5360.21340F （N）y3.2.2 橫切端面主切削力 （N）可取縱切的 1/2。 zF（N）1 2680（N）x.57（N）yF413.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型3.3.1 縱向進給絲杠3.3.1.1 計算進給軸向力 F （N）m縱向進給這里為三角形導(dǎo)軌：F )(GFfkzx式中 K：指顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取 K=1.15；：指滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取 0.150.18 之間的值；f7G：指流板及刀架重力，G=1000N。則 F = （N）m1.5340.16(50)258.63.3.1.2 計算最大動負(fù)載 Q考慮滾珠絲杠在運轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負(fù)載 Q 的計算公式為：Q mwFfL3L 610Tnn 0vs式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選 =6；0L0Ln：指絲杠轉(zhuǎn)速， （r/min） ；：指最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的sv1/21/3，此處取 =0.6 ；sm：指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機床取 T=15000h.。TL：指壽命，以 10 轉(zhuǎn)為一單位；6：指運動系數(shù)，見表 3-1，選 =1.2。wf wf表 3-1 運轉(zhuǎn)系數(shù)運轉(zhuǎn)狀態(tài) 運轉(zhuǎn)系數(shù)無沖擊運轉(zhuǎn) 1.01.2一般運轉(zhuǎn) 1.21.5有沖擊運轉(zhuǎn) 1.5-2.5則 n ( r/min)01.605svLL 6614TQ （N ）3345.28.092.8wmfF83.3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應(yīng)的動負(fù)載 C 的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時應(yīng)滿足 Q C 的條件。查表：可采用 W L4006 外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5 圈 1 列，其額定動1負(fù)載為 16400N，符合 Q C 的條件。精度等級按表 3-2，選為 3 級。表 3-2 滾珠絲杠行程公差精度等級項目 符號有效行程（ mm）uL 1 2 3 4 53156 8 12 16 23315400 7 9 13 18 25400500 8 10 15 20 27目標(biāo)行程公差e p500630 9 11 16 22 303156 8 12 16 23315400 6 8 12 17 25400500 7 10 13 19 26行程變動量公差V mp500630 7 11 14 21 29任意 300 mm 內(nèi)行程變動量V p30 6 8 12 16 232 弧度內(nèi)行程變動量V p 2 4 5 6 7 83.3.1.4 傳動效率計算tan()式中 ：指螺旋升角， =2 44：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) 其摩擦角 ,04.3.f 9，約等于 。arctnf01則 0tatan24 .9()(1)3.3.1.5 剛度驗算先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖 3-2 所示，最大軸向力為 2558.6N，支承間距 L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的 1/3。圖 3-2 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量 （mm）1查圖，根據(jù) F = mm, m258.6N40D查出 ,可算出 0l1./L m109.5210l L由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍，其變形量 為： 。1 2-11.4(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 （mm）2查圖，W 系列 1 列 2.5 圈滾珠與螺紋滾道接觸變形量 m，因進行了預(yù)緊，4.6Qm。2.312Q(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變 （mm）310這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則 32431076. pwmFZD查機械設(shè)計手冊中表 6-2-82，采用 51107 型推力球軸承，其 =35mm,1d滾動體直徑 =6.35mm, 滾動體數(shù)量 Z=18，qd22m33c 5.80.40.4z61QF3-06.7因施加預(yù)緊力，故 3-c3.根據(jù)以上計算 =定位精度321 015.92.108.2.105. 3-3-3- 3.3.1.6 穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。3.3.2 橫向進給絲杠3.3.2.1 計算進給軸向力 mF橫向?qū)к墳檠辔残危嬎闳缦拢簃)2(GFfkyzx由于是燕尾形導(dǎo)軌式中： K=1.4， =0.2則 N1.4670.2(81076)03mF3.3.2.2 計算最大動負(fù)載 Qn ( r/min)01.305svLL 66127TQ （N）3327.038wmfF查表：可采用 W L2505 外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5 圈 1 列，其額定動111負(fù)載為 9700N，符合 Q C 的條件。精度等級按表 2滾珠絲杠行程公差表，選為 3 級。3.3.2.3 傳動效率計算 0anta39 .65()(1)t3.3.2.4 剛度驗算橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖 3-3 所示，最大軸向力為 2023N，支承間距 L=450mm, 因絲杠長度較短，不需要預(yù)緊。圖 3-3 橫向進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下：(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 （mm）1查圖，根據(jù) F = mm, m203N20D查出 ,可算出 。50l1/L m1089.45210l L(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 （mm）2查圖，W 系列 1 列 2.5 圈滾珠與螺紋滾道接觸變形量 m，因進行了預(yù)緊，5.8Qm。25.412Q(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變 （mm）312這里采用有預(yù)緊時的推力球軸承則 32431076. pwmFZD查機械設(shè)計手冊中表 6-2-82，采用 51102 型推力球軸承，其 d=15mm,滾動體直徑 =4.763 mm, 滾動體數(shù)量 Z=12，qd，考慮到進行了預(yù)緊，故22m33c 0.0.4.4.094z761QF mm7.1c3則定位誤差 c210.47.30.89=0.0279 (mm)顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導(dǎo)軌 =0.030.05。重新計算如下：fmF)2(GFfkyzxN15)601726804.7.1根據(jù) ，查圖知 ， ， ， 不變，N5m 5l./L m018.40lL 23則 (mm) 定位精度為 0.015mm，故此321 .98.4.30. 變形量仍不能滿足要求，如果經(jīng)滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸，剛度還可以提高四倍，則變形量 0.015 ，滿足要求。0170.18.44321 3.3.2.5 穩(wěn)定性校核臨界負(fù)載 與工作負(fù)載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù) ，如果 ，則壓桿穩(wěn)kFmF knmkFn定， 為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般 =2.54。knkn計算臨界負(fù)載 （N）： kF2fLEIzk13式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼 E （N/mm ） ；4106.22I：指截面慣性矩（mm ）,絲杠截面慣性矩 J （ 為絲杠螺紋的底徑） ；4 41d：絲杠兩支承端距離（cm） ；l：絲杠支承方式系數(shù)，見表 3-3，這里 。zf 0.2表 3-3 滾珠絲杠支承方式系數(shù)方式 一端固定一端自由 兩端簡支 一端固定一端簡支 兩端固定0.25 1.00 2.00 4.00則 N78214456.1306.21.3642421 LdEfFzk7.803mknkn所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。3.3.3 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)其幾何參數(shù)見表 3-4：表 3-4 W L5008 及 W L2506 滾珠絲杠幾何參數(shù)11名稱 符號W L40061W L25051公稱直徑 0D40 25導(dǎo)程 L6 5接觸角 0240329鋼球直徑 bd3.969 3.175滾道法面半徑 Rbd52.02.064 1.651偏心距 esin)/(0.056 0.045螺 紋 滾 道螺紋升角 0DLarctg0240329螺桿絲杠外徑 dbd)5.2(39 24.36514絲杠內(nèi)徑 1dReD20135.984 21.78螺桿接觸直徑 z cosbzd36.035 21.86螺母螺紋直徑 044.016 23.212螺 母螺母內(nèi)徑 1 b)25.(140.793 20.6354 齒輪進給齒輪箱傳動比計算4.1 縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當(dāng)量 ，滾珠絲杠導(dǎo)程 ，初選步進電機步距角01.p06Lm，可計算出傳動比 ：75.0b2i12i0.7561.236bpL在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取 Z=2440。所以可選定齒輪數(shù)為：12i403Z4.2 橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當(dāng)量 ，滾珠絲杠導(dǎo)程 ，初選步進電機步距角05.p05Lm，可計算出傳動比 ：75.0b12i12i0.75.08336bpL可選定齒輪數(shù)為： = =12i34Z205因進給運動齒輪受力不大，模數(shù) m 取 3。有關(guān)參數(shù)參照表 4-1。表 4-1 傳動齒輪幾何參數(shù)所處位置 縱 向 橫 向15齒數(shù) 32 40 24 40 20 25分度圓直徑 mzd96 120 72 120 60 75齒頂圓直徑 a2102 126 78 126 66 81齒根圓直徑 f 5.188.5 112.5 64.5 112.5 52.5 67.5齒寬 （610）m 24 20 24 20 24中心距 )(221ZA108 96 67.55 步進電機的計算和選型5.1 縱向進給步進電機計算5.1.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 可由下式計算：2()Jkgcm 2021()(LWZJsM式中 ：指步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 ；MJ )kgc、 ：指齒輪 、 的轉(zhuǎn)動慣量 ；12122(m：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 ；sJ2()kc：指工件及工作臺重量（ N） ；W：指絲杠導(dǎo)程（ ） ；0Lcm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 。210MJkgcm（ 分別表示齒輪 的分度圓直徑和齒寬）dJ3178. L和 2Z409.622.()kgcm（ 分別表示齒輪 的分度圓直徑和齒寬）J32.和 147812.39()kc16（ 分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距）dLJs31078.和45229.()kgcm把這些數(shù)據(jù)代入上式： 2021)()(LgWJZJsM231.610.6().9.5)()49.82.75kgcm5.1.2 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個階段計算：5.1.2.1 快速空載起動力矩 起M在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下：0maxMf起22axmaxax 10166nnJJtt30maxabpniGLFMf2)1(200ip以上式中 ：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（ ） ；max Ncm：指折算到電機軸上的摩擦力矩（ ） ；fMc：指絲杠預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（ ） ；0 c17：指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 ；J 2()kgcm：指電機最大角加速度（ ） ； 2/srad：指電機最大轉(zhuǎn)速（ ） ；maxnmin：指運動部件最大進給速度（ ） ； i/：指脈沖當(dāng)量（ ） ；pstep/：指步進電機步距角（ ） ；bdg：指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（s） ，這里是 30ms；at：指導(dǎo)程的摩擦力（N） ， ；0F)(0WFfz：指垂直方向的切削力（N） ；z：指工件及工作臺重量（ N） ；W：指導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， ；f 18.05.f：指運動部件的總重量（ N） ；G：指齒輪降速比；按 計算；i 12Zi：指傳動鏈總效率，一般可取 ；85.07：指滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取 /3， 為進給軸向力（N） ；pFmF：指滾珠絲杠導(dǎo)程；0L：指滾珠絲杠未加預(yù)緊時的傳動效率，一般取 。 9.0將以前計算所得數(shù)據(jù)代入：max0024.75(/min)36.136bpnr（ ）2 2axax .10543.8.nMJt Ncm（ ）0021().6(53).6972/.8zfFLfWLGiZ18)1(2200iLFMp（ ）2 2021/3/358.60()(1.9)5.mZNcm則 （ ）ax0.7.48.fM起 5.1.2.2 快速移動時所需力矩 快（ ）09715.2.f快 Ncm5.1.2.3 最大切削負(fù)載時所需力矩 切MtfM0切（ ）0 1340.6975. 2412285xfFLiNcm從上面計算可以看出， 、 和 三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，起 快M切以此項作為初選步進電機的依據(jù)。由表 5-1 得：當(dāng)步進電機為三相六拍時， ，則max/0.951qj（N ） 。max7480951jM表 5-1 步進電機起動轉(zhuǎn)距 與最大靜轉(zhuǎn)距 關(guān)系qMmaxj相 數(shù) 三 相 四 相 五 相 六 相步進電機 拍 數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12max/jqM0.5 0.866 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002 型最大靜轉(zhuǎn)距為 13.72 ，大于所需最大MN靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。195.1.2 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 max1002.461kpf Hzfpse 0.60可查出 150BF002 型步進電機允許的最高空載啟動頻率為 2800 運行頻率為 8000Hz，再從圖 5-1 查出 150BF002 步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中看出，Hz當(dāng)步進電機起動時， 遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動,250Hzf起 10MNcm力矩（748.8 ） ，直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)） ，Ncm半起動頻率降到 1000 ，起動力矩可提高到 588.4 ，然后在電路上再采用高低壓z 驅(qū)動電路，還可以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則完全可以滿足要求。圖 5-1 150BF002 型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性5.2 橫向進給步進電機計算和選型5.2.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 可由下式計算：2()Jkgcm2034110.78JdL340.78.22.19()kgcm22 3343.J34.62.0()kc440781dL0781.527gm3.sJDl34. 2.6()kc把這些數(shù)據(jù)代入上式： 22230124+()()()M sZLZGJJJg 2 224060.54.719()3.19+.().9+()058 22.6kgcm5.2.2 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個階段計算：5.2.2.1 快速空載起動力矩 起Mmax120.750(/min)36.36bpn r（ ）2 2axax .41394.0.5nJt Ncm（ ）00().16(80)7822.zfFLfGLMii 20(1)mi（ ） 2 20/3/30.5()(1.9)08FLiNcm21則 （ ）max0394.1.780.246.9fM起 Ncm5.2.2.2 快速移動時所需力矩 快M（ ）041.78.251.98f快 Nc5.2.2.3 最大切削負(fù)載時所需力矩 切tfM0切（ ）0 670.41.78.215.9282xfFLiNcm從上面計算可以看出， 、 和 三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，起 快 切以此項作為初選步進電機的依據(jù)。由表 5-1 得：當(dāng)步進電機為三相六拍時， ，max/0.86qjM則 （ ） 。max471.68.0jMNcm按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，110BF003 型最大靜轉(zhuǎn)距為 7.84 ，大于所需最大靜N轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。5.2.3 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 max1001.2465kpf Hz.3sepf可查出 110BF003 型步進電機允許的最高空載啟動頻率為 1500 運行頻率為 7000z，不能滿足 （4000Hz ）的要求。再從圖 5-2 查出 110BF002 步進電機起動矩頻特性Hzkf和運行矩頻特性。不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（446.92 ） ，直接使用則Ncm會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)） ，半起動頻率降到 1000 ，起動Hz力矩可提高到 400 ，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進電機輸出Ncm22力矩擴大一倍左右。當(dāng)快速運動和切削進給時，110BF003 型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。圖 5-2 110BF003 型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性6 CA6140 車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng)6.1 數(shù)控系統(tǒng)選型數(shù)控系統(tǒng)是機床的核心，在選擇時要對其性能、經(jīng)濟性及維修服務(wù)等進行綜合考慮。數(shù)控系統(tǒng)主要有3種類型：步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)；異步電動機或直流電機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；交，直流伺服電機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 其中步進電機拖動的開環(huán)系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進電機、功率步進電機等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動執(zhí)行部件。該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。我國國內(nèi)使用的數(shù)控系統(tǒng)基本上分為兩大類：一類是從國外引進技術(shù)制造的產(chǎn)品，如日本FANUC公司生產(chǎn)的FANUC-0iMate、德國西門子公司的SINUMERIKDMT-802系列；另外一類是在引進、吸收的基礎(chǔ)上研制、開發(fā)、生產(chǎn)的數(shù)控裝置，如華中數(shù)控系列，GSK系列，南京華興等。對比國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)：國外產(chǎn)品在性能、可靠性、使用壽命上占有很大優(yōu)勢，但價格很高，使得改造成本提高。國內(nèi)產(chǎn)品雖然大轉(zhuǎn)矩、大功率伺服電機23的能力沒有國外產(chǎn)品強大，但也能滿足我們的要求，而且綜合成本低。最終我們將數(shù)控系統(tǒng)的選擇定位在國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)上，其中南京華興數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的WA310M數(shù)控系統(tǒng)是一款能滿足以上要求的數(shù)控系統(tǒng)，所以我們選擇這款專門為中國數(shù)控機床市場而開發(fā)的經(jīng)濟型CNC控制系統(tǒng)。WA310M 是南京華興數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司集十多年數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗，在原有多代成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，推出的新一代高性能銑床用數(shù)控系統(tǒng)，如圖 6-1 所示。系統(tǒng)采用超大規(guī)?？删幊屉娐贩桨福哂懈叩募庸た刂破焚|(zhì)和系統(tǒng)升級空間。該系統(tǒng)具有強大的控制功能，可控制數(shù)字式交流伺服單元和三相細分步進驅(qū)動器。系統(tǒng)的電子齒輪功能可與任意螺距絲桿直連，螺距補償功能使機床的精度檢驗大為簡化，并提高機床的綜合精度，強大的參數(shù)功能使系統(tǒng)具有很強的適應(yīng)性。系統(tǒng)可控制數(shù)字式交流伺服驅(qū)動器及三相細分步進驅(qū)動器；系統(tǒng)的電子齒輪功能使得系統(tǒng)可與任意螺距絲杠直聯(lián)；螺距補償功能使機床的精度檢驗大為簡化；顯示采用 7.4 英寸液晶屏彩色顯示，具有加工零件圖形實時跟蹤顯示以及坐標(biāo)字符顯示的功能，界面設(shè)計更為豐富人性化；圖形模擬功能更為強大，具有三維立體模擬和二維平面模擬顯示的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用整體式工程塑料壓模件，造型美觀；便捷的 U 盤接口，可實現(xiàn) U 盤與系統(tǒng)間的程序互存，以及系統(tǒng)在現(xiàn)場升級功能和直接進行 U 盤 DNC 加工的功能。圖 6-1 WA310M 數(shù)控系統(tǒng)24表 6-1 WA310M 車床數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)WA310M 車床數(shù)控系統(tǒng)參數(shù)1 適用機床 4 軸車床2 用戶存儲區(qū) 配 512K 電子盤，121 個程序3 編程尺寸 99999.999mm4 分辨率 0.001MM5 最大移動速度 60m/min(1MPPS)6 插補軌跡 直線、圓弧、螺紋、快速定位7 輸入/輸出 32 路/24 路，所有 I/0 口功能均有參數(shù)定義，用戶可設(shè)置、修改I/O 口功能8 編程方式 ISO 代碼、鍵盤、RS232 串行錄入、USB 接口定義9 快速速度范圍 1mm/min 15m/min10 電子齒輪 16 位：16 位11 螺距補償 160 點/軸，24 軸12 軟件限位 每軸可任意設(shè)定區(qū)間13 參考區(qū) 刀具、系統(tǒng)參數(shù)、螺紋、位參數(shù)等14 操作方式 自動、手動、步進、MDI、單段/連續(xù)、暫停、手脈、串行或 USB下 DNC 加工15 顯示界面 具有同步字符顯示功能和圖形界面16 系統(tǒng)升級 通過 U 盤或串行口可在現(xiàn)場進行系統(tǒng)升級，無須打開機箱17 進給倍率設(shè)置 16 擋撥段開關(guān)，倍率范圍 5%300%18 主軸倍率設(shè)置 16 擋撥段開關(guān)，倍率范圍 5%300%19 模態(tài)指示燈 指示當(dāng)前操作狀態(tài)20 圖形模擬 三維立體和二維平面圖形模擬