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中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 1 第一章 概述 1 O 引言 由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展 普通機床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝 及提高勞動生產(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 所以最經(jīng)濟的辦法 就是進行普通機床的數(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 采用此方法對中 小型企業(yè)來說是十分理想的選擇 1 1 經(jīng)濟型數(shù)控改造的實際意義 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 解決這個問題 必須走普通車床數(shù)控改造之路 日本大企業(yè)中有 26 的機床經(jīng)過數(shù)控化改造 而中小企業(yè)則占 74 美國有許多數(shù)控專業(yè)化公 司為用戶提供數(shù)控改造服務(wù) 我國擁有 300 萬臺機床 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 在過去的幾十年里 金屬切削機床的基本動作原理變化不大 如今科 學(xué)技術(shù)發(fā)展很快 特別是微電子技術(shù) 計算機技術(shù)的發(fā)展更快 應(yīng)用到機 床控制系統(tǒng)上 它既能提高機床的自動化程度 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 實踐證明 改造后的機床滿足了技術(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)濟分析 由于新型機床價格昂貴 一次性投資巨大 如果把舊機床設(shè)備全部以 新型機床替換 要花費大量的資金 而替換下的機床又會閑置起來造成浪 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 2 費 若采用數(shù)控技術(shù)對舊機床加以改造 和購買新機床相比 則可以節(jié)省 50 以上的資金 一套經(jīng)濟型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(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 也對實力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了較大的吸引力 1 1 3 市場分析 據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計 訂購新的數(shù)控機床的交貨周期一般較長 往往不能 滿足用戶需要 因此機床的數(shù)控改造就成為滿足市場需求的主要補充手段 1 1 4 生產(chǎn)分析 在現(xiàn)代機械制造工業(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) 不外乎選擇通用機床 專用機床或數(shù)控 機床 其中數(shù)控機床是最能適應(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 易于實現(xiàn)機電 一體化 經(jīng)濟性可觀等優(yōu)點 為此 在舊有機床上進行數(shù)控改造可以提高 機床的使用性能 降低生產(chǎn)成本 用較少的資金投入而得到較大的經(jīng)濟效 益 1 2 數(shù)控機床的基本結(jié)構(gòu)及工作原理 數(shù)控機床加工零件的工作過程分以下幾個步驟實現(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床數(shù)控裝置中 3 數(shù)控裝置對程序 代碼 進行翻譯 運算之后 向機床各個坐標(biāo) 的伺服驅(qū)動機構(gòu)和輔助控制裝置發(fā)出信號 驅(qū)動機床的各運動部件 并控 制所需要的輔助運動 4 在機床上加工出合格的零件 下面對其各組成部分加以介紹 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 3 1 輸入裝置 數(shù)控加工程序可通過鍵盤 用手工方式直接輸入數(shù)控系統(tǒng) 還可由編 程計算機用 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)部的存儲器 加工時再從 存儲器中逐段調(diào)出進行加工 2 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的中樞 數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲器中取出或接受輸 入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序 經(jīng)過數(shù)控裝置它的邏輯電路或系 統(tǒng)軟件進行編譯 運算和邏輯處理后 輸出各種控制信息和指令 控制機 床各部分的工作 使其進行規(guī)定的有序運動和動作 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 工過程中必須按零件形狀和尺寸的要求進行運動 即按圖形軌跡移動 但 輸入的零件加工程序只能是各線段軌跡的起點和終點坐標(biāo)值等數(shù)據(jù) 不能 滿足要求 因此要進行軌跡插補 也就是在線段的起點和終點坐標(biāo)值之間 進行 數(shù)據(jù)點的密化 求出一系列中間點的坐標(biāo)值 并向相應(yīng)坐標(biāo)輸出脈 沖信號 控制各坐標(biāo)軸 即進給運動各執(zhí)行部件 的進給速度 進給方向 和進給位移量等 3 驅(qū)動裝置和檢測裝置 驅(qū)動裝置接受來自數(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)動機床的移動部件 以加 出符合圖樣要求的零件 驅(qū)動 裝置包括控制器 含功率放大器 和執(zhí)行機構(gòu)兩大部分 目前大都采用直 流或交流伺服電動機作為執(zhí)行機構(gòu) 檢測裝置將數(shù)控機床各坐標(biāo)軸的實際位移量檢測出來 經(jīng)反饋系統(tǒng)輸 入到機床的數(shù)控裝置中 數(shù)控裝置將反饋回來的實際位移量值與設(shè)定值進 行比較 控制驅(qū)動裝置按指令設(shè)定值運動 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 經(jīng) 過編譯 邏輯判別和運算 再經(jīng)功率放大后驅(qū)動相應(yīng)的電器 帶動機床的 機械 液壓 氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的開關(guān)量動作 這些控制包括 主軸運動部件的變速 換向和啟停指令 刀具的選擇和交換指令 冷卻 潤滑裝置的啟停 工件和機床部件的松開 夾緊 分度工作臺轉(zhuǎn)位分度等 開關(guān)輔助動作 現(xiàn)廣泛采用可編程控制器 PLC 作數(shù)控機床的輔助控制裝置 5 機床本體 數(shù)控機床的機床本體與傳統(tǒng)機床相似 由主軸傳動裝置 進給傳動裝 置 床身 工作臺以及輔助運動裝置 液壓氣動系統(tǒng) 潤滑系統(tǒng) 冷卻裝 置等組成 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 4 1 3 數(shù)控機床的分類 1 3 1 按加工工藝方法分類 1 金屬切削類數(shù)控機床 有數(shù)控車床 銑床 鉆床 磨床 齒輪加工機床和加工中心等 2 特種加工類數(shù)控機床 數(shù)控電火花線切割機床 數(shù)控電火花成型機床 數(shù)控等離子弧切割機 床 數(shù)控火焰切割機床以及數(shù)控激光加工機床等 3 板材加工類數(shù)控機床 數(shù)控壓力機 數(shù)控剪板機和數(shù)控折彎機等 4 非加工設(shè)備 如數(shù)控多坐標(biāo)測量機 自動繪圖機及工業(yè)機器人等 1 3 2 按控制運動的方式分類 1 點位控制數(shù)控機床 機床移動部件只能實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確定位 在移動 和定位過程中不進行任何加工 如 數(shù)控坐標(biāo)鏜床 數(shù)控鉆床 數(shù)控沖床 數(shù)控點焊機等 點位控制 數(shù)控機床的數(shù)控裝置稱為點位數(shù)控裝置 2 點位直線控制數(shù)控機床 機床移動部件不僅要實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確移動定位 而且要控制工作臺以一定的速度沿平行坐標(biāo)軸方向進行直線切削加工 主 要有簡易數(shù)控車床 數(shù)控鏜銑床等 3 輪廓控制數(shù)控機床 輪廓控制數(shù)控機床不僅可完成點位及點位直線控制數(shù)控機床的加工功 能 而且能夠?qū)蓚€或兩個以上坐標(biāo)軸進行插補 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)控機床 輪廓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比點位直線控制系統(tǒng)更為復(fù)雜 在加工過程中需要 不斷進行插補運算 然后進行相應(yīng)的速度與位移控制 1 3 3 按驅(qū)動裝置的特點分類 1 開環(huán)控制數(shù)控機床 其控制系統(tǒng)不帶反饋裝置 通常使用功率步進電動機為伺服執(zhí)行機構(gòu) 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 5 開環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 成本較低 不能進行誤差校正 步進電動機的失 步 步距角誤差 齒輪與絲杠等傳動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)控機床 特別是簡易經(jīng)濟 型數(shù)控機床 2 半閉環(huán)控制數(shù)控機床 半閉環(huán)控制數(shù)控機床的特點是在伺服電動機的軸或數(shù)控機床的傳動絲 杠上裝有角度檢測裝置 如光電編碼器等 通過檢測絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢 測移動部件的實際位移 然后反饋到數(shù)控裝置中去 并對誤差進行修正 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 度檢測裝置和伺服電動機設(shè)計成一體 使結(jié)構(gòu)更加緊湊 3 閉環(huán)控制數(shù)控機床 閉環(huán)控制數(shù)控機床的特點是在機床移動部件上直接安裝直線位移檢測 裝置 將測量的實際位移值反饋到數(shù)控裝置中 與輸入的指令位移值進行 比較 用差值對機床進行控制 使移動部件 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 6 4 混合控制數(shù)控機床 將以上三類數(shù)控機床的特點結(jié)合起來 就形成了混合控制數(shù)控機床 混合控制數(shù)控機床特別適用于大型或重型數(shù)控機床 混合控制系統(tǒng)又分為 兩種形式 1 開環(huán)補償型控制方式 其特點是基本控制選用步進電動機的開環(huán) 伺服機構(gòu) 另外附加一個校正電路 通過裝在工作臺上的直線位移測量元 件的反饋信號校正機械系統(tǒng)的誤差 2 半閉環(huán)補償型控制方式 其特點是用半閉環(huán)控制方式取得高速度 控制 再用裝在工作臺上的直線位移測量元件實現(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)控機床的特點及應(yīng)用范圍 1 4 1 數(shù)控機床的加工特點 1 加工精度高 目前數(shù)控機床的脈沖當(dāng)量普遍達到了 0 001 mm 而且進給傳動鏈的反 向間隙與絲杠螺距誤差等均可由數(shù)控裝置進行補償 數(shù)控機床的加工精度 由過去的 0 01 mm 提高到 0 005 mm 定位精度 90 年代初中期已 達到 0 002mm 0 005 mm 2 對加工對象的適應(yīng)性強 在數(shù)控機床上改變加工零件時 只需重新編制 更換 程序 輸入新 的程序后就能實現(xiàn)對新零件的加工 3 自動化程度高 勞動強度低 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 7 頁 7 數(shù)控機床對零件的加工是按事先編好的程序自動完成的 操作者除了操 作面板 裝卸零件 關(guān)鍵工序的中間測量以及觀察機床的運行外 其他的 機床動作直至加工完畢 都是自動連續(xù)完成 不需要進行繁重的重復(fù)性手 工操作 勞動強度與緊張程度均可大為減輕 勞動條件也得到了相應(yīng)的改 善 4 生產(chǎn)效率高 數(shù)控機床能有效的減少機動時間與輔助時間 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動時間 因而消耗在快進 快退 和定位的時間比一般機床少得多 5 良好的經(jīng)濟效益 在單件 小批量生產(chǎn)的情況下 可以節(jié)省工藝裝備費用 輔助生產(chǎn)工 時 生產(chǎn)管理費用及降低廢品率等 因此能夠獲得良好的經(jīng)濟效益 6 有利于現(xiàn)代化管理 用數(shù)控機床加工零件 能準(zhǔn)確地計算零件的加工工時 并有效地簡化 了檢驗和工夾具 半成品的管理工作 這些特點都有利于使生產(chǎn)管理現(xiàn)代 化 1 4 2 數(shù)控機床的應(yīng)用范圍 數(shù)控機床最適合加工具有以下特點的零件 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 價格昂貴 不允許報廢的關(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 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 8 頁 8 第二章 經(jīng)濟型車床數(shù)控改造總體方案的確定 2 1 設(shè)計任務(wù) 1 采用 ISO 標(biāo)準(zhǔn)語言 絕對 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)程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器各 8KB 2 2 總體數(shù)控改造方案設(shè)計 本次設(shè)計屬于經(jīng)濟型數(shù)控化改造 基本原則是在滿足使用要求的前提 下對機床的改動盡可能少 以降低成本 總體方案為 本設(shè)計利用數(shù)控裝置對 CA6140 普通車床進行控制 主傳動系統(tǒng)部分 采 用交流調(diào)頻主軸電動機經(jīng)帶輪及分級齒輪變速箱驅(qū)動主軸 通過變頻器和 齒輪變速箱實現(xiàn)分段無級變速 進給系統(tǒng)采用步進電機通過減速后驅(qū)動滾 珠絲杠運動 在縱向進給系統(tǒng)中通過一級齒輪減速后驅(qū)動滾珠絲杠 在橫 向進給系統(tǒng)中通過二級齒輪減速驅(qū)動滾珠絲杠 刀架改為自動轉(zhuǎn)位刀架 四 工位 從而實現(xiàn)自動換刀 通過 MCS 51 系列 8051 單片機對數(shù)據(jù)進行計算處 理 由 I O 接口輸出步進脈沖信號控制進給速度和行程 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 尾座改造成為可控電動尾座 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 9 頁 9 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 10 頁 10 第三章主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3 1 概述 主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng) 它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速 和一定的變速范圍 并能方便地實現(xiàn)運動的開停 變速 換向和和制動 主傳動系統(tǒng)包括電動機 傳動系統(tǒng)和主軸部件 相比普通車床的主傳 動系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比較簡單 因為變速功能由主軸電動機的無級調(diào)速來承擔(dān) 省去了復(fù)雜的齒輪變速機構(gòu) 只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動 機無級調(diào)速的變速范圍 3 1 1 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點 與普通機床比較 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)具有下列特點 1 轉(zhuǎn)速高 功率大 使數(shù)控機床能進行大功率切削和高速切削 實現(xiàn)高效率加工 2 變速范圍寬 一般 Rn 100 以保證加工時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)控機床的變速是按照控制指令自動進行 的 因此變速機構(gòu)必須適應(yīng)自動操作的要求 主軸組件的耐磨性高 使傳動系統(tǒng)具有良好的精度保持性 3 1 2 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計要求 1 主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍 轉(zhuǎn)速級數(shù) 能夠?qū)崿F(xiàn) 運動的開停 變速 換向和和制動 2 主電動機具有足夠的功率 全部機構(gòu)和元件具有足夠的強度和 剛度 以滿足機床的動力要求 3 主傳動的有關(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 傳動效率要高 以滿足機床的工作性能要求 4 操縱靈活可靠 調(diào)整維修方便 潤滑密封良好 以滿足機床的 使用要求 5 結(jié)構(gòu)簡單緊湊 工藝性好 成本低 以滿足經(jīng)濟性要求 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 11 頁 11 3 2 主傳動系統(tǒng)的配置方式 3 2 1 主傳動系統(tǒng)的主軸電動機的選型 數(shù)控機床的調(diào)速是按照控制指令自動執(zhí)行的 因此變速機構(gòu)必須適應(yīng) 自動操作的要求 在主傳動系統(tǒng)中 目前多采用交流主軸電動機和直流主 軸電動機無級調(diào)速系統(tǒng) 為了擴大調(diào)速范圍 適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求 也 經(jīng)常應(yīng)用齒輪有級調(diào)速和電動機無級調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式 我們選用交 流主軸電動機配以齒輪變速箱實現(xiàn)分級無級調(diào)速 由于交流調(diào)速電機體積小 轉(zhuǎn)動慣性小 動態(tài)響應(yīng)快 沒有電刷 能 達到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動機高 磨損和故障也少 在中小功率 領(lǐng)域已占優(yōu)勢 故本次設(shè)計選用交流調(diào)速電動機 通過調(diào)節(jié)供電頻率的辦 法調(diào)速 功率特性見下圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 12 頁 12 主軸電動機在額定轉(zhuǎn)速時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)電動機速度超過某一定值之后 其功率 速度曲線又會向下傾斜 不能保持恒功率 3 2 2 交流主軸電機的調(diào)速 交流主軸電動機屬于交流感應(yīng)電動機 當(dāng)定子三相繞組通上交流電時 將建立起旋轉(zhuǎn)磁場 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)磁場極對數(shù) 感應(yīng)電動機轉(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 一是改變電動機極對數(shù) p 由于 p 是整數(shù) 所以只能得到 級差很大的有級調(diào)速 不能滿足數(shù)控機床的要求 二是改變電動機的供電 頻率 f1 可得到平滑的無級調(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)控機床調(diào)速 在實際調(diào)速時 單純改變電源頻率是不夠的 因為由 電動機學(xué) 可 知 旋轉(zhuǎn)磁場以 n0速度切割定繞組 同在每相繞組感應(yīng)電勢為 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)致鐵心過熱 功率因數(shù)下降 電動機帶負載能力降低 因此 必須在降低頻率的同時 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 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 13 頁 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 目前對于中小功率電機 用得最多的是電壓型交 直 交變頻器 3 2 3 分級變速齒輪箱的傳動系統(tǒng)設(shè)計 在設(shè)計數(shù)控機床主傳動時 必須考慮電動機與機床主軸功率特性匹配 問題 由于主軸要求的恒功率變速范圍 Rnp 遠大于電動機的恒功率范圍 Rdp 所以在主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱 以擴大其恒功率變速范圍 滿足低速大功率切削時對電動機的輸出功率的要求 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 計算 轉(zhuǎn)速為 150r min 最大切削功率為 5 5KW 交流主軸電機額定轉(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 電動機的恒功率變速范圍 Rdp 4500 1500 3 主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機所能提供的恒功率變速范圍 故必須配以分級變速箱 取變速箱的公比 f 等于電動機的恒功率變速范圍 Rdp 即 f Rdp 3 功率特性圖是連續(xù)的 無缺口無重合的 如變速箱的變速級數(shù) 為 Z 則主軸的恒功率變速范圍 Rnp 等于 Rnp f Z 1 Rdp f Z 故變速箱的變速級數(shù) Z lgRnp lg f 2 99 取 Z 3 變速齒輪箱采用一級變速三對齒輪副數(shù) 齒數(shù)分別為 高速級 Z1 Z2 112 58 中速級 Z1 Z2 68 102 低速大轉(zhuǎn)矩級 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 兩軸的中心距為 170mm 因所選用電機與原電機功率相同 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 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 14 頁 14 已知電動機輸出功率為 7 5KW 額定轉(zhuǎn)速為 1500r min 則經(jīng)同步帶 傳動 第三根軸的轉(zhuǎn)速為 750r min 經(jīng) Z1 Z2 30 140 傳動后 主軸轉(zhuǎn)速 為 160r min 大 小齒輪均采用 45 鋼并進行調(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 m 2mm a 20 齒寬 b 20mm ha 1 c 0 25 齒輪傳動效率 0 98 齒輪幾何尺寸計算 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 電動機的輸出功率 齒輪傳動效率 取 0 96 2 動載荷系數(shù) AVK 式中 KA 使用系數(shù)取 1 Kv 動載荷系數(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 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 15 頁 15 2F2lim2 30 NXFYSm 4 齒要彎曲疲勞強度校核計算 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 故齒根彎曲強度足夠 滿足要求 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 16 頁 16 傳動系統(tǒng)圖見下圖 轉(zhuǎn)速圖見下圖 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 17 頁 17 主軸轉(zhuǎn)速從 4000r min 至 145r min 由 AB BC CD 在段連接而成 屬 電動機的恒功率區(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 則電動機功率 P 5 5 0 75 7 3KW 可選用北京數(shù)控 設(shè)備廠的 BESK 8 型交流主軸電動機 連續(xù)額定輸出功率為 7 5KW 3 2 4 主傳動系統(tǒng)組件的結(jié)構(gòu)形式 在檢查原有主軸軸承完好 運轉(zhuǎn)正常的前提下 保留原有主軸支撐方 式 保留原機床的主軸手動變速 改造后使其主 運動和進給運動分離 主 電機的作用僅為帶動主軸旋轉(zhuǎn) 增加一只電磁離合器 用以接收數(shù)控系統(tǒng) 的停機制動信號以控制原制動裝置制動停車 加工螺紋時 為保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn) 刀具準(zhǔn)確移動一個導(dǎo)程 須配置 主軸脈沖發(fā)生器作為主軸位置信號的反饋元件 脈沖發(fā)生器采用同軸安裝 橡膠管柔性聯(lián)接 意在實現(xiàn)角位移信號傳遞的同時 又能吸收車床主軸的 部分振動 從而使主軸脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)動平 穩(wěn) 傳遞信號準(zhǔn)確 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 18 頁 18 數(shù)控機床主軸帶傳動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)速不高或小功率動力傳動中 而圓弧齒多用在數(shù)控加工 中心等要求較高的數(shù)控機床主運動傳動系統(tǒng)中 我們選用 H 型梯形齒同 步帶 查手冊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 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 19 頁 19 第四章伺服進給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算 4 1 伺服進給傳動系統(tǒng)概述 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電路 伺服驅(qū)動裝置 機械傳動 機構(gòu)及執(zhí)行部件組成 它的作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的進給速度和位移指 令信號 由伺服驅(qū)動電路作轉(zhuǎn)換和放大后 經(jīng)伺服驅(qū)動裝置 直流 交流 伺服電動機 功率步進電機 電液脈沖馬達等 和機械傳動機構(gòu) 驅(qū)動機 床的工作臺 主軸刀架等執(zhí)行部件實現(xiàn)工作進給和快速運動 數(shù)控機床的 伺服進給系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差別 它能根據(jù)指令信號 精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置 以及幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運 動所合成的運動軌跡 伺服進給系統(tǒng)的基本要求 1 精度要求 伺服系統(tǒng)必須保證機床的定位精度和加工精度 對于低 檔型數(shù)控系統(tǒng) 驅(qū)動控制精度一般為 0 01mm 而對于高性能數(shù)控 系統(tǒng) 驅(qū)動控制精度為 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 蹤指令信號的響應(yīng)要快 3 調(diào)整范圍 調(diào)整范圍 Rn 是指生產(chǎn)機械要求電動機能提供的最高 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 就要求進給驅(qū)動系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)整范圍 4 低速 大轉(zhuǎn)矩 根據(jù)機床的加工特點 經(jīng)常在低速下進行重切削 即在低速下進給驅(qū)動系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出 伺服系統(tǒng)實現(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題 但步進電機具有角位移與輸入 脈沖的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系 使步距誤差不會積累 步進電機的轉(zhuǎn)速和輸入脈沖 頻率也有嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系 而且具有在負載能力范圍內(nèi)不隨電流 電壓 負載 環(huán)境條件的波動而變化的特點 此外 步進電機控制的開環(huán)系統(tǒng)不 存在位置檢測與反饋控制的問題 結(jié)構(gòu)比較簡單 易于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與 調(diào)試 并且隨著電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展 在改善步進電機控制 性能方面也取得了可喜的進展 因此 在一定范圍內(nèi) 這種采用步進電機 傲為驅(qū)動執(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 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 20 頁 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 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 要實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng) 的良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能 其難度也將大為提高 考慮到是在普通車床上進 行改造 精度要求不是很高 為了簡化結(jié)構(gòu) 降低成本 我們采用了微機 控制的步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng) 4 2 步進電動機及開環(huán)進給控制 步進電機是一種把電脈沖信號變成直線位移或角位移的執(zhí)行元件 是 一種用脈沖信號控制的電動機 也稱為脈沖電動機 在負載能力及動態(tài)特性 范圍內(nèi) 步進電動機將來自數(shù)控裝置的進給脈沖輸出 電動機的角位移與 控制脈沖數(shù)成正比 轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率成正比 對于每一個電脈沖 步進 電機都將產(chǎn)生一個恒定的步進角位移 每一個脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進電 機的步距角 b b 取為 0 75 每脈沖代表電機一定的轉(zhuǎn)角 這個轉(zhuǎn)角經(jīng) 齒輪副和滾珠絲杠副使工作臺移動一定的距離 每個脈沖所對應(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 步進電動機的轉(zhuǎn)速決定于控制繞 組與電源接通和斷開的脈沖變化頻率 步進電動機的優(yōu)點 可以開環(huán)驅(qū)動而無需反饋 無穩(wěn)定性問題 無累積定 位誤差 能響應(yīng)數(shù)字信號 適合于數(shù)字計算機控制 機械結(jié)構(gòu)簡單 很少需要 維護 不易受污染 可重復(fù)地堵轉(zhuǎn)而不會損壞 相當(dāng)堅固耐用 步進電動機的 缺點 運動的增量和步距是固定的 在步進分辯率上缺乏靈活性 承受大 慣性負載的能力有限 可供使用的電機尺寸和輸出功率是有限的 步進電動機的種類很多 通常分為三種類型 反應(yīng)式 永磁式和混合 式 反應(yīng)式步進電動機是利用磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動的 是我國使用最廣泛 的步進電動機形式 4 2 1 步進電動機的驅(qū)動控制 步進電機是一種特殊的機電元件 不能直接接到交直流電源上工作 必 須使用專用的驅(qū)動器 步進電機的驅(qū)動控制系統(tǒng)框圖如下圖所示 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 21 頁 21 CNC 環(huán) 形 分配 器 步 進 電 動 機功 率 放 大 器指 令脈 沖 n 電 源 步 進 電 動 機 齒 輪 箱 環(huán) 形 分配 器 步 進 電 動 機功 率 放 大 器指 令脈 沖 電 源 步 進 電 動 機 齒 輪 箱 環(huán)形分配器用來接收來自控制器的脈沖信號 每來一個脈沖 環(huán)形分 配器的輸出轉(zhuǎn)換一次 因此 步進電機轉(zhuǎn)速的高低 升或降速 啟動和停 止都完全取決于控制器的有無或頻率 同時 環(huán)形分配器還必須接受控制 器的方向信號 從而決定步進電機的轉(zhuǎn)動方向 1 脈沖分配控制 步進電機驅(qū)動電路完成由弱電到強電的轉(zhuǎn)換和放大 也就是將邏輯電平 信號變換成電機繞組所需的具有一定功率的電流脈沖信號 驅(qū)動控制電路由環(huán)形分配器和功率放大器組成 環(huán)形分配器是用于控 制步進電機的通電方式的 其作用是將數(shù)控裝置送來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自控制環(huán)節(jié)的時鐘脈沖串按一定的規(guī)律 分配給步進電機各相驅(qū)動器的輸入端以控制勵磁繞組的導(dǎo)通或截止 同時 由于電動機有正反轉(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)步進電機的相數(shù)和控制方式設(shè)計的 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)式三相步進電機設(shè)計的環(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 每來一個脈沖 CLK 則電動機正轉(zhuǎn)一步 當(dāng) DIR 0 時 每來一個脈沖 CLK 則電動機反轉(zhuǎn)一步 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 22 頁 22 CNC 裝置 電源 環(huán)形 分配器 A相驅(qū) 動B相驅(qū) 動C相驅(qū) 動 FULL HALF DIR CLK M 三相硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動控制 2 軟件脈沖分配的控制 軟件脈沖分配器是指實現(xiàn)步進電機脈沖分配控制的計算機程序 硬件 脈沖分配器不占用計算機資源 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 但要占用計算機運行時間 軟環(huán)形分配器的設(shè)計方法有多種 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)步進電機與計算機的 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 器中 運行時按節(jié)拍序號查表獲得相應(yīng)控制數(shù)據(jù) 在規(guī)定時刻通過輸出口 將數(shù)據(jù)輸出到步進電動機的驅(qū)動電路 對于三相六拍環(huán)形分配器 每當(dāng)接收到一個進給脈沖指令 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 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 23 頁 23 C 0 0 C A 1 0 1 4 2 2 步進電機的驅(qū)動放大電路 一般步進電機需要幾個安培的電流 而環(huán)形分配器的輸出電流很小 不能直接驅(qū)動步進電機 因此需要功率放大電路實現(xiàn)對脈沖分配回路弱信 號的放大 產(chǎn)生電機脈沖信號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)動放大器的作用 將環(huán)形分配器發(fā)出的 TTL 電平信號放大至幾安培 到十幾安培的電流 送至步進電動機的各繞組 驅(qū)動放大器的控制電路 單電壓簡單驅(qū)動 高低壓切換驅(qū)動 高壓恒 流斬波 調(diào)頻調(diào)壓 細分驅(qū)動等 a 單電壓功率放大電路 單電壓功率放大電路是步進電動控制中最簡單的一種驅(qū)動電路 其中 L 是步進電機的電感 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 是一個外接的功率電阻 也是一個限流電阻 V 是大功率開關(guān) 晶體管 電路的時間常數(shù)為 T L RL RC 時間常數(shù)表示開關(guān)回路在導(dǎo)通時允許步進電機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)通時允許步進電機按指數(shù)曲線上升越快 達到穩(wěn)定時間越短 T 越大 電流上升越慢 達到穩(wěn)定值的時間就越長 驅(qū) 動電路時間常數(shù) T 對電機繞組的電流到達穩(wěn)態(tài)值的時間有極大的關(guān)系 它 影響步進電機的工作頻率 T 越小 電流到達穩(wěn)態(tài)的時間越短 則電機的工 作頻率就可越高 反之 T 越大 電流到達穩(wěn)態(tài)的時間越長 電機的工作頻 率就越低 單電壓功率放大電路最大的特點是結(jié)構(gòu)簡單 但它的缺點是工作效率 低 在高頻工作狀態(tài)時其效率很差 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電動機的驅(qū)動 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 24 頁 24 單電壓功率放大電路 單電壓基本改進電路如下圖所示 單電壓基本改進電路 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 25 頁 25 它在外接電阻 Rc 的兩端并聯(lián)了一個電容 C 同時在貫注回路中串聯(lián)一 個電阻 Rd 在 Rc 上并聯(lián)電容 C 可以改善步進電機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 迫使流過繞組的電流上升進 一步加快 這樣可使電流的前沿明顯變陡 從而提高了步進電機的高頻性 能 在 Rc 上并聯(lián) C 俁的在一個步進的周期中 注入繞組的平均電流值相 對增加了 從而提高了步進電機的轉(zhuǎn)矩 特別是在高頻段工作時更為明顯 這種電路在實際應(yīng)用中有著較多的應(yīng)用 步進電機驅(qū)動電路的主要功能是功率放大 它將光電隔離電路進來的 弱信號經(jīng)功率放大 變成較強的電信號 直接驅(qū)動步進電機 如圖所示 當(dāng)控制脈沖來時 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v2 v1為步進電機某一相繞組La供電 使其電流上升沿變 陡 經(jīng)過tb時間后脈沖電流消失 使V2截止 Gh與繞組之間被切斷 Ga 通 過v5 V1為La供電 提供電動機所需的額定電流 通過調(diào)整脈沖變壓器的 磁芯和R5可改變高壓供電的時間寬度tb 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 26 頁 26 速度控制 進給脈沖頻率 f 定子繞組通電 斷電狀態(tài)變化頻率 f 步進電機轉(zhuǎn)速 工作臺的進給速度 V V 60 f 硬件環(huán)分 控制 CLK 的頻率 控制電動機的速度 軟件環(huán)分 控制相鄰兩次軟件環(huán)分狀態(tài)之間的延時時間 可電動機線 圈通電狀態(tài)的變化頻率 光電隔離電路 在步進電機驅(qū)動電路中 脈沖信號經(jīng)功率放大器后控 制電動機勵磁繞組 由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高 約80v 電流較大 約6A 若將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián) 將會引起強電干擾 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 步進電動機參數(shù)說明 1 步距角 b 每輸入一個脈沖信號步進電動機所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角 以 b表示 步距誤差是指步進電機運行時 轉(zhuǎn)子每一步實際轉(zhuǎn)過的角度與理論步距角 之差值 360bmKZ m 電機相數(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 如果在電機軸上外加一個負載轉(zhuǎn)矩 Mz 轉(zhuǎn)子會偏離平衡位置向負載轉(zhuǎn)矩方 向轉(zhuǎn)過一個角度 角度 稱為失調(diào)角 有失調(diào)角之后 步進電機就產(chǎn)生 一個靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 也稱為電磁轉(zhuǎn)矩 這時靜態(tài)轉(zhuǎn)矩等于負載轉(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 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 啟動頻率 空載時 步進電機由靜止?fàn)顟B(tài)突然起動 并進入不失步的正常運行的最 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 27 頁 27 高頻率 稱為啟動頻率或突跳頻率 加給步進電機的指令脈沖頻率如大于 啟動頻率 就不能正常工作 步進電機在帶負載 尤其是慣性負載 下的 啟動頻率比空載要低 而且 隨著負載加大 在允許范圍內(nèi) 啟動頻率會 進一步降低 4 連續(xù)運行頻率 步進電機起動后 其運行速度能根據(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)運行頻率 其值遠大于啟動頻率 它也隨著電 機所帶負載的性質(zhì)和大小而異 與驅(qū)動電源也有很大關(guān)系 5 矩頻特性與動態(tài)轉(zhuǎn)矩 矩頻特性是描述步進電機連續(xù)穩(wěn)定運行時輸出轉(zhuǎn)矩與連續(xù)運行頻率之間的 關(guān)系 該特性上每一個頻率對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩稱為動態(tài)轉(zhuǎn)矩 當(dāng)步進電機正常運 行時 若輸入脈沖頻率逐漸增加 則電動機所能帶動負載轉(zhuǎn)矩將逐漸下降 在使用時 一定要考慮動態(tài)轉(zhuǎn)矩隨連續(xù)運行頻率的上升而下降的特點 步進電機與滾珠絲杠聯(lián)接方式 一種是直聯(lián) 結(jié)構(gòu)簡單但運動位移的 脈沖不是 5 的整數(shù)倍時給編程計算帶來不便 另一種是在步進電動機與滾 珠絲杠間能過減速器聯(lián)接在一起 結(jié)構(gòu)較復(fù)雜但有利于編程計算有利于提 高加工精度 4 3 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 4 3 1 設(shè)計參數(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 最大進給速度 縱向O 8 m min 主電動機功率 P主 7 5 kW 起動加速時間 30 ms 機床定位精度 0 015 mm 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量 p 縱向 0 01mm 步 橫向 0 005 mm 步 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 28 頁 28 4 3 2 縱向進給切削力的確定 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的最低速度 主切削力Fz按經(jīng)驗公式估算 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 4 Fx 5360 0 25 1340N Fy 5360 O 40 2144N 4 3 3 縱向進給滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠工作原理及特點 滾珠絲杠螺母機構(gòu)是回轉(zhuǎn)運動與直線運動相互轉(zhuǎn)換的傳動裝置 是數(shù) 控機床伺服系統(tǒng)中使用最廣泛的傳動裝置 在絲杠和螺母上分別加工出圓 弧形螺旋槽 這兩個圓弧形槽合起來便形成了螺旋滾道 在滾道內(nèi)裝入滾 珠 當(dāng)絲杠相對螺母旋轉(zhuǎn)時 滾珠在螺旋滾道內(nèi)滾動 迫使二者發(fā)生軸向 相對位移 為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來 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)成一個閉合回路 由于滾珠的存 在 絲杠與螺母之間是滾動摩擦 僅在滾珠之間存在滑動摩擦 滾珠絲杠 螺母機構(gòu)有下列特點 1 摩擦損失小 傳動效率高 滾珠絲杠螺母機構(gòu)的傳動效率可達 0 92 0 96 是普通滑動絲杠螺母機構(gòu)的3 4倍 而驅(qū)動轉(zhuǎn)矩僅為 滑動絲杠螺母機構(gòu)的四分之一 2 運動平穩(wěn) 摩擦力小 靈敏度高 低速時無爬行 由于主要存在的 是滾動摩擦 不僅動 靜摩擦因數(shù)小 且其差值也很小 因而啟動 轉(zhuǎn)矩小 動作靈敏 即使在低速情況下也不會出現(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 的間隙并可實現(xiàn)滾珠的預(yù)緊 因而軸向剛度 反向時無空行程 定 位精度高 4 磨損小 壽命長 維護簡單 使用壽命是普通滑動絲杠的4 10倍 5 傳動具有可逆性 不能自鎖 由于摩擦因數(shù)小 不能自鎖因而使該 機構(gòu)的傳動具有可逆性 即不僅可以把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動 而且還可以把直線運動轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運動 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 29 頁 29 6 同步性好 用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的部件或裝 置時 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 機床 而且越來越多地代替普通絲杠螺母機構(gòu) 用于各種精密機床 和精密裝置 1 計算進給牽引力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驗系數(shù) 綜合導(dǎo)軌取K 1 15 f 滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 取 0 15 0 18 G 溜板及刀架重力 G 800N 2 計算最大動負載Cm fwFmL3 L 60nT 106 n 1000Vs L 式中L 滾珠絲杠導(dǎo)程 初選L 8mm Vs 最大切削力下的進給速度 可取最高進給速度的 1 2 1 3 此處Vmax 0 8m min T 使用壽命 數(shù)控機床用滾動絲杠壽命15000h fw 運轉(zhuǎn)系數(shù) 按一般運轉(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)是工作動負荷Cm N 必須小于滾珠絲杠的 額定動負荷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)控機床常用進給絲杠的公稱直徑dm為 30 80mm 取dm 40mm 滾 珠絲杠副按其使用范圍及要求分為7個精度等級 即 1 2 3 4 5 7 10 1級最高 其余依次降低一般選用4 7級 數(shù)控機床 及精密機械可選2 3級 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 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 30 頁 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 額定動載荷 Ca 31714N 額定靜壓載荷 Coa 101702N 剛 度 1240N um kc 4 傳動效率計算 絲杠副傳動效率 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 滾動摩擦系數(shù)0 003 0 004 5 絲杠的剛度驗算 工作時受軸向力和扭轉(zhuǎn)作用 因絲杠受扭時引起的導(dǎo)程變化很小 可 忽略不計 故工作負載引起的導(dǎo)程變化量 L FmLo ES 式中 Lo 絲杠導(dǎo)程0 8cm 進給牽引力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長度上導(dǎo)程變形總誤差 L總 100 L Lo 10 286um m 三級精度滾珠絲杠允許誤差為 15um m 故剛度足夠 6 絲杠的穩(wěn)定性計算 滾珠絲杠失穩(wěn)時臨界負載 Pc 2 EIul 式中 u 絲杠軸端系數(shù) 兩端鉸支取 u 1 l 絲杠長度 取 2000mm E 絲杠彈性模量 對鋼材質(zhì)取 E 20 6 N cm2610 I 絲杠截面慣性矩 對實心圓柱體 I cm46 d Pcr 65KN 2 EIul 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 31 頁 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 故滾珠絲杠滿足穩(wěn)定性要求不失穩(wěn) 4 3 4 縱向進給減速齒輪的設(shè)計與校核 1 齒輪的設(shè)計 傳動比的選定 對于步進電機 當(dāng)脈沖當(dāng)量 p 確定 并且滾珠絲杠導(dǎo)程 L0 和電機步距 角 b 選定后 則該軸伺服傳動系統(tǒng)的傳動比 i b L0 360 p 0 75 8 360 0 01 1 667 齒輪的設(shè)計 大 小齒輪均采用 45 鋼并進行調(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 m 2mm a 20 z1 42 z2 70 齒寬 b 17mm ha 1 c 0 25 齒輪傳動效率 0 98 齒輪幾何尺寸計算 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 電動機的輸出功率 K1 J 電動機效率 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 動載荷系數(shù) AK 式中 KA 使用系數(shù)取 1 Kv 動載荷系數(shù)取 1 15 KB 齒向載荷系數(shù)取 1 15 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 32 頁 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 齒要彎曲疲勞強度校核計算 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 故齒根彎曲強度足夠 滿足要求 4 3 5 縱向進給步進電動機的計算和選型 1 等效轉(zhuǎn)動慣性量計算 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上總的轉(zhuǎn)動慣量 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 33 頁 33 122 2MS0J Z J G L g 式中 JM 步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量kg cm 2 J1 J2 齒輪z1 z2的轉(zhuǎn)動慣量kg cm 2 Js 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量kg cm 2 參考同類機床 初選磁滯式 反應(yīng)式 步進電機150BF 其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 JM 10 kg cm2 對材料為鋼的圓柱形零件 其轉(zhuǎn)動慣量計算 47 8 10JDL 式中 D 圓柱形零件直徑 L 零件軸向長度 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長絲杠轉(zhuǎn)動慣量為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)動慣量 46 345 kg cm2J 1 6 4 70 5 9 3 6125 2 負載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 a 快速空載起動時所需力矩Mq Mamax Mf M0 式中 Mq 快速起動時所需力矩 Mamax 快速空載時折算到電動機軸上的最大加速力矩 Mf 折算到電動機軸的摩擦力矩 M0 絲杠預(yù)緊時折算到電動機軸上的附加摩擦力矩 當(dāng)工作臺快速移動時 電動機轉(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 折算到電動機軸上的摩擦力矩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 中國礦業(yè)大學(xué) 2007 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 34 頁 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)加負荷取1 3Fm 2530 3 843N s 滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率取為0 9 Mq Mamax Mf M0 808 87 88 218 28 980 926 07Ncm b 快速移動時所需力矩 Mk Mf M0 88 218 28 980 117 198Ncm c 最大切削負載時所需力矩 MQ Mf M0 Mt 式中 Mt 折算到電動機軸上的切削負載力矩 FxLo 2 i 127 96 Ncm 則 MQ 88 218 28 980 127 96 245 158Ncm 從上面計算可以看出 Mq Mk MQ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) 查表 查表 當(dāng)步進電機 為五相十拍時 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 但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性 和運行矩頻特性 3 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率 步進電動機的最高工作頻率 Fmax 1000Vmax 60 1000 2 4 60