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中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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(mǎn)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(chē)床 完全用數(shù)控車(chē)床加以替換根本 不可能 解決這個(gè)問(wèn)題 必須走普通車(chē)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(zhuān)業(yè)化公 司為用戶(hù)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(chē)床 因此 普通車(chē)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(chē)床某些部位作一定的改造 配上數(shù)控裝置 從而使車(chē)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(mǎn)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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(mǎi)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(hù)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(kāi)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(mǎn)足用戶(hù)需要 因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿(mǎn)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(zhuān)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(xiě)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 3 頁(yè) 3 1 輸入裝置 數(shù)控加工程序可通過(guò)鍵盤(pán) 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)?存儲(chǔ)器中逐段調(diào)出進(jìn)行加工 2 數(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(xiàn) 圓弧或其他非圓弧曲線(xiàn)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(xiàn)段軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)值等數(shù)據(jù) 不能 滿(mǎn)足要求 因此要進(jìn)行軌跡插補(bǔ) 也就是在線(xiàn)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(kāi)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(kāi)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(kāi) 夾緊 分度工作臺(tái)轉(zhuǎn)位分度等 開(kāi)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁(yè) 4 1 3 數(shù)控機(jī)床的分類(lèi) 1 3 1 按加工工藝方法分類(lèi) 1 金屬切削類(lèi)數(shù)控機(jī)床 有數(shù)控車(chē)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(lèi)數(shù)控機(jī)床 數(shù)控電火花線(xiàn)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(lèi)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(lèi) 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(chēng)為點(diǎn)位數(shù)控裝置 2 點(diǎn)位直線(xiàn)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(xiàn)切削加工 主 要有簡(jiǎn)易數(shù)控車(chē)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(xiàn)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(chē)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(xiàn)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(lèi) 1 開(kāi)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) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 5 頁(yè) 5 開(kāi)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(kāi) 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(xiàn)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 6 4 混合控制數(shù)控機(jī)床 將以上三類(lèi)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 混合控制數(shù)控機(jī)床特別適用于大型或重型數(shù)控機(jī)床 混合控制系統(tǒng)又分為 兩種形式 1 開(kāi)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(kāi)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(xiàn)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(xiàn)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè) 8 第二章 經(jīng)濟(jì)型車(chē)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(xiàn)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(mǎn)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(chē)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(chē)床的手動(dòng) 尾座改造成為可控電動(dòng)尾座 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁(yè) 9 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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(kāi)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(chē)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 Rn 100 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(kāi)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)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(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁(yè) 11 3 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(méi)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(jiàn)下圖 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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(xiàn)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 m 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(lèi) 第一類(lèi)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(mǎn)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(lèi)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?電動(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 44f1k1w1 m u 1 式中 k 1w1 定子每相繞組等效匝數(shù) m 每極磁通量 u1 定子相電壓 所以 m 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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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?再經(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(méi)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(mǎn)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 f 等于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍 Rdp 即 f 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 f Z 1 Rdp f Z 故變速箱的變速級(jí)數(shù) Z lgRnp lg f 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(chē)床主軸箱內(nèi)的第三軸和主軸 查車(chē)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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 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 齒輪傳動(dòng)效率 取 0 96 2 動(dòng)載荷系數(shù) AVK 式中 KA 使用系數(shù)取 1 Kv 動(dòng)載荷系數(shù)取 1 15 KB 齒向載荷系數(shù)取 1 15 Ka 齒向載荷分配系數(shù) 由 12 83 cos1 758Z 查表并插值得 K 1 179 則 K 1 1 15 1 15 1 179 1 56 3 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 2 YX 尺寸系數(shù)取 1 SF 安全系數(shù)取 1 3 則 2F1lim 35 8 NXFSm 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁(yè) 15 2F2lim2 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(mǎn)足要求 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁(yè) 16 傳動(dòng)系統(tǒng)圖見(jiàn)下圖 轉(zhuǎn)速圖見(jiàn)下圖 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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 0 75 則電動(dòng)機(jī)功率 P 5 5 0 75 7 3KW 可選用北京數(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(chē) 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(chē)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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(chēng)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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(kāi)環(huán) 閉環(huán) 半閉環(huán)三種方式 開(kāi)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(kāi)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(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿(mǎn)足加工要求 適宜于在精度要求 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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(chē)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(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng) 4 2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及開(kāi)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(xiàn)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(chēng)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(chēng)為步進(jìn)電 機(jī)的步距角 b b 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(chēng)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 p 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(kāi)的脈沖變化頻率 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn) 可以開(kāi)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(lèi)很多 通常分為三種類(lèi)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(zhuān)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁(yè) 21 CNC 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 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 齒 輪 箱 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 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 齒 輪 箱 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(lèi)很多 有專(zhuān)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(zhuān)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁(yè) 22 CNC 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 HALF DIR CLK 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(xiàn)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 A A 0 0 1 A B 0 1 1 B 0 1 0 B C 1 1 0 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁(yè) 23 C 0 0 C A 1 0 1 4 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 單電壓簡(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(kāi)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(kāi)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(xiàn)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) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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 工作臺(tái)的進(jìn)給速度 V V 60 f 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(xiàn) 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 b 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(chēng)為步距角 以 b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 角度 稱(chēng)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(chēng)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 的關(guān)系叫矩角特性 近似為正弦曲線(xiàn) 該矩角特性上的靜態(tài) 轉(zhuǎn)矩最大值稱(chēng)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 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 27 頁(yè) 27 高頻率 稱(chēng)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(chēng)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(chēng)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 400mm 在床鞍上 210 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 p 縱向 0 01mm 步 橫向 0 005 mm 步 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 28 頁(yè) 28 4 3 2 縱向進(jìn)給切削力的確定 P主 Pm m FzV 10 3 m 式中 m 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(chē)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 4 Fx 5360 0 25 1340N Fy 5360 O 40 2144N 4 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(xiàn)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(xiàn)運(yùn)動(dòng) 而且還可以把直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁(yè) 29 6 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(zhuān)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Fm Fm 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) 取 0 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 fwFmL3 L 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 5 L 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 45 Cm 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(mǎn)足 Cm Ca 公稱(chēng)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(chēng)直徑dm為 30 80mm 取dm 40mm 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(chēng)直徑 do 40mm 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(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 tgr tg r O 956 式中y 螺旋升角 CDM4008 5滾珠絲杠 y 3 38 摩擦角 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 L FmLo ES 式中 Lo 絲杠導(dǎo)程0 8cm 進(jìn)給牽引力Fm 2530N E 彈性模量20 6 N cm2610 s 滾珠絲杠截面積 按外徑d1 3 9cm確定s 11 94cm 2 則 L FmLo ES 8 229 10 6cm 絲杠1m長(zhǎng)度上導(dǎo)程變形總誤差 L總 100 L 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 1 l 絲杠長(zhǎng)度 取 2000mm E 絲杠彈性模量 對(duì)鋼材質(zhì)取 E 20 6 N cm2610 I 絲杠截面慣性矩 對(duì)實(shí)心圓柱體 I cm46 d Pcr 65KN 2 EIul 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 31 頁(yè) 31 許用安全系數(shù) n st 4 穩(wěn)定性安全系數(shù) n Pcr Fm 65000 2530 25 691 4 故滾珠絲杠滿(mǎn)足穩(wěn)定性要求不失穩(wěn) 4 3 4 縱向進(jìn)給減速齒輪的設(shè)計(jì)與校核 1 齒輪的設(shè)計(jì) 傳動(dòng)比的選定 對(duì)于步進(jìn)電機(jī) 當(dāng)脈沖當(dāng)量 p 確定 并且滾珠絲杠導(dǎo)程 L0 和電機(jī)步距 角 b 選定后 則該軸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比 i b L0 360 p 0 75 8 360 0 01 1 667 齒輪的設(shè)計(jì) 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 z1 42 z2 70 齒寬 b 17mm ha 1 c 0 25 齒輪傳動(dòng)效率 0 98 齒輪幾何尺寸計(jì)算 d1 z1m 84mm d2 z2m 140mm da1 z1 2 m 88mm da2 z2 2 m 144mm df1 z1 2 5 m 79mm df2 z2 2 5 m 135mm a z1 z2 m 2 112mm 齒輪校核 5 小齒輪轉(zhuǎn)矩 T1 T K1 式中 T 電動(dòng)機(jī)的輸出功率 K1 J 電動(dòng)機(jī)效率 取 0 96 則 T1 9600Nmm 6 小齒輪的轉(zhuǎn)速 max1625 in30yvnr 7 小齒輪的圓周速度 1 7 Vdms 8 動(dòng)載荷系數(shù) AK 式中 KA 使用系數(shù)取 1 Kv 動(dòng)載荷系數(shù)取 1 15 KB 齒向載荷系數(shù)取 1 15 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 32 頁(yè) 32 Ka 齒向載荷分配系數(shù) 由 12 83 cos1 758Z 查表并插值得 K 1 179 則 K 1 1 15 1 15 1 179 1 56 9 許用彎曲應(yīng)力 Flim NXFYS 式中 彎曲疲勞極限 1 460N mm2 2 390N mm2Flimli1Flim2 彎曲壽命系數(shù) NYN 2 YX 尺寸系數(shù)取 1 SF 安全系數(shù)取 1 3 則 2F1lim 35 8 NXFSm 2li20Y 10 齒要彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算 由式 F1FaS1F KT 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 69 2KT bdm 2 4 13 2 94 8 250Y5706173 故齒根彎曲強(qiáng)度足夠 滿(mǎn)足要求 4 3 5 縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 33 頁(yè) 33 122 2MS0J Z J G L g 式中 JM 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg cm 2 J1 J2 齒輪z1 z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg cm 2 Js 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg cm 2 參考同類(lèi)機(jī)床 初選磁滯式 反應(yīng)式 步進(jìn)電機(jī)150BF 其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JM 10 kg cm2 對(duì)材料為鋼的圓柱形零件 其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 47 8 10JDL 式中 D 圓柱形零件直徑 L 零件軸向長(zhǎng)度 J1 7 8 10 4d4 1 7kg cm2 J1 6 6 kg cm 2 J2 7 8 10 4d4 1 7kg cm2 J2 50 94 kg cm 2 Js查表查出 1m長(zhǎng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為15 18 kg cm 2 則Js 15 18 2 30 36 kg cm2 G 800 N 得 1 325 kg cm220G L g 則總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 46 345 kg cm2J 1 6 4 70 5 9 3 6125 2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 a 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩Mq Mamax Mf M0 式中 Mq 快速起動(dòng)時(shí)所需力矩 Mamax 快速空載時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的最大加速力矩 Mf 折算到電動(dòng)機(jī)軸的摩擦力矩 M0 絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦力矩 當(dāng)工作臺(tái)快速移動(dòng)時(shí) 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 max Vmax b y 360 2400 0 75 0 01 360 500r min Mamax J 2 nmax 60T 46 345 2 500 10 2 60 0 03 808 87Ncm 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩Mf FoLo 2 i 式中 Fo 導(dǎo)軌的摩擦力Fo f Fz G Fc 垂直方向切削力 主傳動(dòng)效率 0 8 Mf FoLo 2 i f Fc G Lo 2 i 0 16 5360 800 0 8 2 0 8 1 667 88 218 Ncm 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 34 頁(yè) 34 附加摩擦力矩Mo FpoLo 1 s 2 2 i 28 980Ncm 式中 Fpo 滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷取1 3Fm 2530 3 843N s 滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取為0 9 Mq Mamax Mf M0 808 87 88 218 28 980 926 07Ncm b 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 Mk Mf M0 88 218 28 980 117 198Ncm c 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 MQ Mf M0 Mt 式中 Mt 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 FxLo 2 i 127 96 Ncm 則 MQ 88 218 28 980 127 96 245 158Ncm 從上面計(jì)算可以看出 Mq Mk MQ三種工況下 以快速空載起動(dòng)所 需力矩最大 以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù) 查表 查表 當(dāng)步進(jìn)電機(jī) 為五相十拍時(shí) Mq Mjmax 0 951 最大靜力矩 Mjmax Mq 926 07 0 951 973 786Ncm 按此最大靜轉(zhuǎn)矩 查表 150BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為1372 Ncm 大于所需最 大靜力矩 可作為初選型號(hào) 但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性 和運(yùn)行矩頻特性 3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高工作頻率 Fmax 1000Vmax 60 1000 2 4 60