論文設(shè)計普通車床C6132進行機電一體化改造設(shè)計

1、 摘 要隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，中國已成為世界加工工廠，產(chǎn)品暢銷世界各國。但是隨著世界各國經(jīng)濟的整體提升，人們的生活水平進一步提高，對產(chǎn)品的質(zhì)量，美觀以及價格提出了更高的要求。我國擁有龐大的制造業(yè)，但是制造業(yè)相對比較落后。機械設(shè)備落后陳舊，自動化程度低嚴重制約著我國制造加工業(yè)整體競爭水平。我國目前擁有大量超期服役和技術(shù)陳舊的機床急待更新的情況下，對機床進行機電一體化改造已迫在眉睫。機電一體化改造是一條節(jié)約資金、快速有效的途徑。 本文對普通車床C6132進行機電一體化改造。包括對機床關(guān)鍵部件參數(shù)的計算、對機床結(jié)構(gòu)的設(shè)計、對機床改造方案優(yōu)化選擇、選擇合適的機床伺服系統(tǒng)、導軌以及刀架的改造。改造后的

2、車床提高了原機床的使用價值，降低了成本，具有良好的經(jīng)濟性。關(guān)鍵詞:普通車床，改造，步進電機。 第一章 緒論1.1 數(shù)控機床的歷史和現(xiàn)狀采用數(shù)字控制技術(shù)進行機械加工的思想，最早是40年代初提出的。當時，美國北密執(zhí)安的一個小型飛機承包商派爾遜斯公司在制造飛機框架和直升飛機的機翼葉片時，利用全數(shù)字電子計算機對葉片輪廓的加工路徑進行了數(shù)據(jù)處理，并考慮了刀具半徑對加工路徑的影響，使得加工精度達到10.03 81mm，這在當時水平是相當高的。1952年美國麻省理工學院成功地研制出一臺3坐標聯(lián)動的試驗型數(shù)控銑床，這是公認的世界上第一臺數(shù)控機床，當時的電子元件是電子管。1959年，開始采用晶體管元件和印制線路

3、板，出現(xiàn)了帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，稱為加工中心.從1960年開始，其他一些工業(yè)國家，比如德國、日本等也陸續(xù)開發(fā)生產(chǎn)出了數(shù)控機床。1965年，數(shù)控裝置開始采用小規(guī)模集成電路，使數(shù)控裝置的體積減小，功耗降低，可靠性提高.但仍然是硬件邏輯數(shù)控系統(tǒng)。1967年，英國首先把幾臺數(shù)控機床連接成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的柔性制造單元。1970年，在美國芝加哥國際機床展覽會上，首次展出了用小型計算機控制的數(shù)控機床。這是第一臺計算機控制的數(shù)控機床。1974年，微處理器直接用于數(shù)控系統(tǒng)，促進了數(shù)控機床的普及應(yīng)用和數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。80年代初，國際上出現(xiàn)了以加工中心為主體，再配上工件自動裝卸和監(jiān)控檢測裝置的柔

4、性制造單元。柔性制造系統(tǒng)和柔性制造單元被認為是實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng)的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。我國從1958年開始研究數(shù)控技術(shù)，直到60年代中期處于研制、開發(fā)階段。1965年，國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。60年代初到70年代初研制成功X53K-1G數(shù)控銑床、CJK-18數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控非圓齒輪插齒機。從70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車、銑、鉆、銼、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。但由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平低，致使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性問題沒有得到解決，因此未能廣泛推廣。這一時期，數(shù)控線切割機床由于結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、價格低廉，在模具加工中得到了推廣。80年代我

5、國先后從日本、美國等國家引進了部分數(shù)控裝置和伺服系統(tǒng)技術(shù)，并于1981年在我國開始批量生產(chǎn)。在此期間，我國在引進、消化吸收的基礎(chǔ)上，跟蹤國外先進技術(shù)的發(fā)展，開發(fā)出了一些高檔的數(shù)控系統(tǒng)，如多軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、分辨率為0.02um的高精度數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)字仿形系統(tǒng)、為柔性單元配套的數(shù)控系統(tǒng)等。為了適應(yīng)機械工業(yè)生產(chǎn)不同層次的需要，我國開發(fā)出了多種經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并得到了廣泛應(yīng)用。現(xiàn)在，我國已經(jīng)建立了中、低檔數(shù)控機床為主的產(chǎn)業(yè)體系，90年代主要發(fā)展高檔數(shù)控機床。1.2 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢和研究方向隨著科學技術(shù)的發(fā)展，世界先進制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技

6、術(shù)的應(yīng)用，對數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動、機床及結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標。隨著FMS的迅速發(fā)展和CMS的不斷成熟，又將對數(shù)控機床的可靠性、通訊功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出了更高的要求。隨著微電子計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日益完善，數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴大。當今數(shù)控機床正在不斷采用最新技術(shù)成就，朝著高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。1.2.1 高速度、高精度化速度和精度是數(shù)控機床的兩個重要指標，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是在超高速切削、超精密加工技術(shù)的實施中，它對機床各坐標軸位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，這兩項技術(shù)指

7、標又是互相制約的，也就是說要求位移速度越高，定位精度就越難提高?，F(xiàn)代數(shù)控機床配備了高性能的數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)，分辨率可達到lum,0.lum, 0.0lum。為實現(xiàn)更高速度、更高精度的指標，自前主要在下述幾方面采取措施和進行研究。（1）數(shù)控系統(tǒng)。采用位數(shù)、頻率更高的微處理器，以提高系統(tǒng)的基本運算速度。目前己由8位CPU過渡到16位和32位CPU，并向64位CPU發(fā)展，頻率已由原來的5MHz提高到16MHz, 20MHz和32MHzo同時也采用了超大規(guī)模的集成電路和多種微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補運算的速度和精度。(2) 伺服驅(qū)動系統(tǒng)。隨著超高速切削、超精密加工等先進工藝的

8、提出，使得在旋轉(zhuǎn)伺服電動機加滾珠絲杠的傳統(tǒng)機械進給機構(gòu)已無法實現(xiàn)。為此采用直線電動機直接驅(qū)動機床工作臺的零傳動直線伺服進給方式，將極大地提高機床直線進給的各項伺服性能指標， 特別是高速度和動態(tài)響應(yīng)特性是以往任何伺服機構(gòu)無法比較的。(3) 前饋控制技術(shù)。過去的伺服系統(tǒng)是將位置指令值與所檢測到的實際值比較，所得的差乘以位置環(huán)的增益，其積再作為速度指令去控制電動機。由于這種控制方式總是存在著位置跟蹤滯后誤差，即當進給速度為F時，其伺服系統(tǒng)的最終滯后位F/G，這使得在加工拐角及圓弧切削時加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這樣將使位置跟蹤滯后誤差大大減小，以改善拐

9、角切削加工精度。(4) 機床動、靜摩擦的非線性補償控制技術(shù)。機床動、靜摩擦的非線性會導致機床爬行。除了在機械結(jié)構(gòu)上采取措施降低靜摩擦外，新型的數(shù)控伺服系統(tǒng)具有自動補償機械系統(tǒng)動、靜摩擦非線性的控制功能。(5) 伺服系統(tǒng)的速度環(huán)和位置環(huán)均采用軟件控制。由于采用軟件控制具有較高的柔性，適應(yīng)不同類型的機床對不同精度及速度的要求，進行加、減速性能的調(diào)整，并能實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，以滿足高性能控制的要求。(6) 采用高分辨率的位置檢測裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)裝微處理器組成的細分電路，使得分辨率大大提高。(7補償技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用。現(xiàn)代數(shù)控機床利用計算機控制系統(tǒng)的軟件補償功能對伺服系統(tǒng)進行多種補

10、償，以提高機床的位置精度和動態(tài)伺服性能，如軸向運動定點誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒輪間隙補償、熱變形補償和空間誤差補償?shù)取?8) 高速大功率電主軸的應(yīng)用。由于在超高速加工中.對機床主軸轉(zhuǎn)速提出了極高的要求，傳統(tǒng)的齒輪變速主傳動系統(tǒng)已不能適應(yīng)其要求。為此，采用了所謂內(nèi)裝式電動機主軸，簡稱電主軸。它是采用主軸電動機與機床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，即采用外殼電動機，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，即機床主軸單元的殼體就是電動機座。實現(xiàn)了變頻電動機與機床主軸一體化，以適應(yīng)主軸高速運轉(zhuǎn)的要求。(9) 超高速切削刀具的應(yīng)用。為適應(yīng)超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和

11、金剛石涂層刀具已開始得到應(yīng)用。(10) 配置高速、強功能的內(nèi)裝式可編程控制器(ProgrammableL ogicController，簡稱PLC)。以提高PLC的運行速度，滿足數(shù)控機床高速加工的要求。新型的PLC具有專用的CPU，基本指令執(zhí)行時間達0. 2us/步，可編程步數(shù)可擴大到16000步以上。利用PLC的高速處理功能，將CNC與PLC之間有機地結(jié)合起來，能夠滿足數(shù)控機床運行中的各種實時控制要求。1.2.2多功能化(1) 數(shù)控機床采用一機多能，提高了設(shè)備利用率。配有自動換刀機構(gòu)的各類加工中心，能在同一臺機床上同時實現(xiàn)銑削、銼削、鉆削、車削、鉸孔、擴孔、攻螺紋，甚至磨削等多種工序的加工。

12、工件一經(jīng)裝夾，各種工序和工藝加工過程集中到同一臺設(shè)備上完成，從而避免了工件多次裝夾所造成的定位誤差，確保零件的形位公差，減少裝夾輔助時間，減少設(shè)備臺數(shù)和占地面積。為了進一步提高工效，現(xiàn)代數(shù)控機床采用了多主軸、多面體切削，即同時對一個零件的不同部位進行不同方式的切削加工，如各類五面體加工中心。(2) 前臺加工、后臺編輯的前后臺功能?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用了多CPU結(jié)構(gòu)和分級中斷控制方式，可以在一臺機床上同時進行零件加工和程序編制，實現(xiàn)所謂的前臺加工后臺編輯.即操作者可在機床進入自動循環(huán)加工的空余期間，同時利用數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤和CRT進行零件加工的編制，并利用CRT進行動態(tài)圖形模擬顯示及所編程序的加工軌跡

13、，進行程序的調(diào)試和修改，以充分提高工作效益和機床利用率。(3) 具有更高的通信功能。為了適應(yīng)FMC,F MS以及進一步聯(lián)網(wǎng)組成CIMS的要求，一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有RS-232C和RS-422高速遠距離串行接口，可以按照用戶級的格式要求，同上一級計算機進行多種數(shù)據(jù)交換。高檔的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)有的DNC接口，可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控機床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對幾臺數(shù)控機床進行控制?，F(xiàn) 代 數(shù) 控機床，為了適應(yīng)自動化技術(shù)的進一步發(fā)展，滿足工廠自動化規(guī)模越來越大的要求，滿足不同廠家不同類型數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)的需要，采用了MAP工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在已經(jīng)實現(xiàn)了MAP3.0 版本，為現(xiàn)代數(shù)控機床進入FMS和C工MS創(chuàng)造了條件

14、。1.2.3智能化(1) 引進自適應(yīng)控制技術(shù)。自適應(yīng)控制的目的是要求在隨機變化的加工過程中，通過自動調(diào)節(jié)加工過程中所測得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評價指標自動校正自身的工作參數(shù)，己達到或接近最佳工作狀態(tài)。由于在實際加工過程中，大約有30余種變量直接和間接影響加工效果，如工件毛坯余量不勻、材料硬度不一致、刀具磨損、工件變形、機床熱變形、化學親和力的大小、切削液的粘度等，難以用最佳參數(shù)進行切削。而自適應(yīng)控制系統(tǒng)則能根據(jù)切削條件的變化，自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，如伺服進給參數(shù)、切削用量等，使加工保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。(2)

15、故障自診斷、自修復(fù)功能。主要是利用CNC系統(tǒng)的內(nèi)裝程序?qū)崿F(xiàn)在線診斷，即在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進行自動診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障時，立即采用停機等措施，并通過了CRT進行故障報警、提示發(fā)生故障的部位、原因等。并利用冗余技術(shù)，自動使故障模塊脫機，而接通備用模塊，以確保在無人化工作環(huán)境的要求。為實現(xiàn)更高的故障診斷要求，最近又提出了人工智能專家診斷系統(tǒng)，它主要由知識庫、推理機和人機控制器三部分組成。(3) 刀具壽命自動檢測更換。利用紅外、聲發(fā)射、激光等各種檢測手段，對刀具和工件進行監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，進行及時報警、自動補償或更換備用刀具，以保證產(chǎn)

16、品質(zhì)量。(4) 進行模式識別技術(shù)。應(yīng)用圖像識別和聲控技術(shù)，使機器自己辨認圖樣，按照自然語音命令進行加工。1.2.4數(shù)控系統(tǒng)小型化數(shù)控系統(tǒng)體積小型化便于將機、電裝置融合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印制電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度的安裝，可以較大的縮小了系統(tǒng)的占有空間。此外，用新型的TFT彩色液晶薄膜型顯示器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陰極射線管CRT，即可使數(shù)控操作系統(tǒng)進一步小型化。這樣可更方便地將它安裝在機床設(shè)備上，更便于對數(shù)控機床的操作使用。1.2.5數(shù)控編程自動化由于微處理機的應(yīng)用，使數(shù)控編程從脫機編程發(fā)展到在線編程，實現(xiàn)了人機對話，給程序編輯、調(diào)試、修改帶來了極大的方便

17、。并進一步采用了前臺加工后臺編輯的前后臺功能，使數(shù)控機床的利用率得到更大的發(fā)揮。隨著計算機應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD被彈入圖形交互式自動編程已得到應(yīng)用，它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，自動生成NC零件加工程序，實現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程方式，它與CAD/CAM系統(tǒng)編程的最大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數(shù)不必有人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫獲得。另外，還出現(xiàn)了測量、編程、加工一體化系統(tǒng)。它是通過激光快速掃描成型系統(tǒng)、三坐標測量機等對樣機零件進行測量，并把所測得數(shù)據(jù)直接送入計算機內(nèi)，一方面通過CAD系統(tǒng)而獲得樣機

18、零件圖樣，另一方面通過數(shù)控自動編程系統(tǒng)，將其處理生成NC加工程序，然后通過通信接口送入數(shù)控機床，進行控制自動加工。1.2.6更高的可靠性數(shù)控機床工作的可靠性是用戶最關(guān)注的主要指標，它主要取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅(qū)動單元的可靠性，為提高可靠性，目前主要在以下幾個方面采取措施。(1) 提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量.采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模和超大規(guī)模的專用機混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，精簡外部連線和降低功耗，對元器件進行嚴格篩選，采用高質(zhì)量的多層印制電路板，實行三維高密度安裝工藝，并經(jīng)過必要的老化、振動等有關(guān)考機試驗。(2) 模塊化、標準化和通用化。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求

19、，同時采用硬件結(jié)構(gòu)模塊化、標準化和通用化，既提高了硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。(3) 增強故障自診斷、自恢復(fù)和保護功能。通過自動運行啟動診斷、在線診斷、離線診斷等多種自診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進行故障診斷和報警。利用報警提示，及時排除故障;利用容錯技術(shù)，對重要部件采取冗余設(shè)計，以實現(xiàn)故障自恢復(fù);利用各種測試、監(jiān)控技術(shù)，當產(chǎn)生超程、刀損、干擾、斷電等各種意外事件時，自動進行相應(yīng)的保護。1.3機床數(shù)控化改造的必要性從微觀上看數(shù)控機床相對傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性。這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的特性。(1) 可以加工出傳統(tǒng)機床無法加工的曲線、曲面等復(fù)雜的零

20、件。由于計算機可以瞬時準確地計算出每個坐標軸的運動量，就可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線和曲面。(2) 可實現(xiàn)加工的自動化，且是柔性自動化，效率比傳統(tǒng)機床提高3-7倍。計算機可以將輸入的程序記憶和存儲，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。傳統(tǒng)機床可以靠凸輪或擋塊等實現(xiàn)自動化，稱之為剛性自動化。但凸輪制造及調(diào)整比較費時，只有進行大批量生產(chǎn)時才經(jīng)濟合理。而數(shù)控機床只要更換一個程序就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動化，稱之為“柔性自動化”。(3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。加工過程自動化，不受人的情緒高低和疲勞因素的影響。計算機還可以自動進

21、行刀具壽命管理，不會因為刀具磨損而影響工件精度和一致性。此外數(shù)控系統(tǒng)中增加了機床誤差、加工誤差修正補償?shù)墓δ?，使加工精度得到進一步提高。(4) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運是自動化帶來的效果(可以自動更換刀具)。如加工中心在工件裝夾后，可實現(xiàn)鉆、銑、鏗、攻絲、擴孔等多工序的加工。現(xiàn)在己出現(xiàn)其他工序集中的機床、如車削中心、車銑中心、磨削中心等。(5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人加工。在配備多種傳感器條件下，工人只工作8小時，而機床可工作24小時，勞動生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)周期的縮短等效益是非常明顯的。此外，機床數(shù)控化還是推行FMC(柔性制造

22、單元)、FMS(柔性制造系統(tǒng))以及CIMS(計算機集成制造系統(tǒng))等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。從宏觀上看工業(yè)發(fā)達國家的軍、民機械工業(yè)在70年代末、80年代初己開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)(包括軍、民機械工業(yè))的技術(shù)改造，除采用數(shù)控機床外、還包括推行CAD, CAE,CAM及MIS(管理信息系統(tǒng))、CMS(計算機集成制造系統(tǒng))。以及在其產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造(稱之為信息化)，最終使得產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強，而我國在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家落后約20年，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進

23、口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性。從20世紀80年代開始，我國的數(shù)控機床在引進、消化國外技術(shù)的基礎(chǔ)上，進行了大量的開發(fā)工作，到1995年底，我國數(shù)控機床的可供品種己超過300種，其中數(shù)控車床占40%以上。但是大型臥式銼銑床由于其精度高，加工零件曲線的不規(guī)則，對數(shù)控系統(tǒng)及機床結(jié)構(gòu)等方面要求都高，目前國內(nèi)的大部分均采用昂貴的進口設(shè)備。1.3 本文所研究的主要內(nèi)容 1）根據(jù)數(shù)控化改造后車床所具備的功能，制訂了車床總體改造方案，并繪制了改造后車床總體布置圖； 2）為使改造后的車床主軸能夠?qū)崿F(xiàn)無級變速、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及停止等功能，本次改造采用了變頻器驅(qū)動主電機的方式，本文對主軸變頻器

24、的選用做了相應(yīng)的說明；3）為使改造后的車床能夠加工螺紋，改造時，拆除原來的掛輪架部分，在機床軸伸出端安裝主軸脈沖編碼器，本文對脈沖編碼器的安裝方法作了簡要論述； 4）在電氣改造方面，設(shè)計了車床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路圖，橫向步進電機的計算和選型也作了詳細闡述； 5）在機械改造方面，對縱橫向伺服進給機構(gòu)，特別是滾珠絲杠螺母副作了詳細設(shè)計研究，并對數(shù)控轉(zhuǎn)位刀架的安裝和選用作了介紹； 6）在軟件設(shè)計方面，對MCS-51單片機做了簡要的介紹，并在8031單片機的基礎(chǔ)上編制了相應(yīng)的程序。第二章 機床改造的任務(wù)及總體思想2.1機床改造的總體任務(wù)將一臺C61432普通車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。主要技術(shù)指標如下：（

25、1）床身上最大加工直徑320mm；（2）最大加工長度1000mm；（3）X方向（橫行）的脈沖當量0.005/脈沖,Z方向（縱向）的脈沖當量0.01/脈沖；（4）X方向最快移動速度vmax3000mmmin，Z方向為vmax6000mmmin；（5）X方向最快工進速度vmax400mmmin，Z方向為vmax800mmmin；（6）X方向定位精度±0.01mm，Z方向定位精度±0.02mm；（7）可以車削柱面，平面，錐面與球面等；（8）安裝螺紋編碼器，可以車削公/英制的直螺紋與錐螺紋，最大導程為24mm；（9）主動控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止，并可輸出主軸有級變速與無極變速信號

26、；（10）安裝四工位立式電動刀架，系統(tǒng)自動控制選刀；（11）自動控制冷卻泵的起與停；（12）安裝電動卡盤，系統(tǒng)控制工件的夾緊與松開；（13）縱，橫安裝限位開關(guān)；（14）數(shù)控系統(tǒng)可與PC機串行通信；（15）顯示界面采用LED數(shù)碼管，編程采用ISO數(shù)控代碼。 2.1機床改造的總體任務(wù)總體方案應(yīng)考慮車床數(shù)控系統(tǒng)的運行方式，進給伺服系統(tǒng)的類型，數(shù)控系CPU的選擇，以及進給傳動方式和執(zhí)行機構(gòu)的選擇等。 （1）普通數(shù)控車床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標定位，兩坐標直線插補，圓弧 插 補以及螺紋插補的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計成連續(xù)控制型。（2）普通數(shù)控車床數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提

27、下，應(yīng)簡化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)常采用步進電動機的開環(huán)系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術(shù)指標中的最大加工尺寸，最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟性要求，決定選用MCS-51系列的8位單片機作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機具有功能多，速度快，抗干擾能力強，性/價比高等優(yōu)點（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤與顯示電路，IO接口電路，DA轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等；還要選擇步進電動機的驅(qū)動電動以及主軸電動機的交流變頻器。（5）為了達到技術(shù)指標中的速度和精度要求，縱，橫向進給傳動應(yīng)選擇摩擦力小，傳動效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動間隙提高傳動剛度，滾珠絲杠螺母應(yīng)有

28、預(yù)緊機構(gòu)等。（6）計算選擇步進電動機，為了圓整脈沖當量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)。（7）選擇四工位自動回轉(zhuǎn)刀架與電動卡盤，選擇螺紋編碼器等。 2.3運動系統(tǒng)方案確定2.3.1伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)：開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置的控制指令直接通過驅(qū)動裝置控制步進電機的運轉(zhuǎn)，然后通過機械傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成刀架或工作臺的位移。這種控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋校正，位移精度一般不高，但其控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測裝置安裝在機床刀架或工作臺等執(zhí)行部件上，用以直接檢測這些執(zhí)行部件的實際運行位置（直線位移

29、），并將其與CNC裝置的指令位置（或位移）相比較，用差值進行控制。但是，由于很多機械傳動環(huán)節(jié)包含在閉環(huán)控制的環(huán)路中，各部件的摩擦性，剛性等都是非線性量，直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，因此，閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)速都有很大難度。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度要求高的場合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測元件裝在電機或者絲杠的端頭，通過測量伺服電機的角位移間接計算出機床工作臺等執(zhí)行部件的實際位置（或位移），然后進行反饋控制。由于將絲杠螺母副及機床工作臺等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，不能補償他們的運動誤差，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調(diào)試比較方便、價格也較全閉環(huán)系統(tǒng)便宜。本次改造由于使用步進電機，所以可

30、以選擇開環(huán)控制系統(tǒng)。2.4.主傳動系統(tǒng)的改造方案2.4.1 主軸無級變速的實現(xiàn) C6132車床的主軸變速為手動、有級變速?？紤]到數(shù)控車床在自動加工的過程中負載切削力隨時會發(fā)生變化，為了保證工件表面加工質(zhì)量的一致性、提高工件加工質(zhì)量，主軸要能實現(xiàn)恒切削速度切削。這就要求主軸能實現(xiàn)無級變速。目前實現(xiàn)無級變速主要有兩種方式，其一是采用變頻器驅(qū)動電機的方式，同時保留原有的主傳動系統(tǒng)和變速操縱機構(gòu)，這樣既保留了車床的原有功能，又減少了改造量；其二是用雙速或者是四速電動機替代原有車床的主電動機。由于多速電機的功率是隨著轉(zhuǎn)速的變化而變化的，所以要選擇功率較大一些的電動機，隨之電動機的尺寸也變大了，機床改造相

31、對較麻煩，另外在這種改造方式下，主傳動系統(tǒng)也要拆除并進行重新設(shè)計，這樣可以得到加工精度和穩(wěn)定性更高的車床，但是加大了改造成本。 考慮到改造的成本，我決定采用第一種方式，這樣可以利用原車床的三相異步電動機。即由數(shù)控系統(tǒng)控制變頻器，變頻器驅(qū)動異步電動機實現(xiàn)主軸無級變速。 交流異步電動機的轉(zhuǎn)速與電源頻率，電動機磁極對數(shù)nfp以及轉(zhuǎn)差率之間的關(guān)系式為：對于C6132，電動機磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)差率是定值，因此利用變頻器改變電源頻率fn即可改變電動機的轉(zhuǎn)速。另外，變頻器能方便地與數(shù)控系統(tǒng)連接，控制電動機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及停止。 變頻器的控制方式主要有Uf恒定控制方式、無反饋矢量控制方式和有反饋矢量控制方式。數(shù)控車床

32、除了在車削毛坯時，負荷大小有較大變化外，以后的車削過程中，負荷的變化通常是很小的。因此，就切削精度而言，選擇Uf恒定控制方式是能夠滿足要求的。但在低速切削時，需要預(yù)置較大的Uf，在負載較輕的情況下，電動機的磁路常處于飽和狀態(tài)，勵磁電流較大。因此，從節(jié)能的角度看，并不理想。數(shù)控車床屬于高精度、快響應(yīng)的恒功率負載加工設(shè)備，應(yīng)盡可能選用矢量控制高性能型通用變頻器，而且中、小容量變頻器以電壓型變頻器為主。有反饋矢量控制方式雖然是運行性能最為完善的一種控制方式，但由于需要增加編碼器等轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)，不但增加了費用，而且編碼器的安裝也比較麻煩。所以，除非對加工精度有特殊要求，一般沒有必要選擇此種控制方式。

33、目前，無反饋矢量控制方式的變頻器已經(jīng)能夠做到在05Hz時穩(wěn)定運行。所以，完全可以滿足主運動系統(tǒng)的要求。而且無反饋矢量控制方式能夠克服Uf控制方式的缺點，因此可以說，是一種最佳選擇。 數(shù)控車床連續(xù)運轉(zhuǎn)時所需的變頻器容量(kVA)計算式如下：式中 PM負載所要求的電動機的軸輸出功率； 電動機的效率(通常約O85)； cos電動機的功率因素(通常約O75) MU電動機的電壓，380V； MI電動機工頻電源時的電流，為154A； k電流波形的修正系數(shù)(PWM方式時取105-110)； PCN變頻器的額定容量，kVA； ICN變頻器的額定電流，A；由以上公式可得： 選擇變頻器時應(yīng)同時滿足以上三個等式的關(guān)

34、系。綜合以上分析計算，確定選用三菱FR-A540系列變頻器，具體型號為FR-A540-75K-CH。 (1) 用低摩擦高精度的傳動元件：如滾珠絲杠螺母副，滾動導軌。(2) 采用消隙齒輪減小傳動間隙。2.5.螺紋編碼器的安裝方案為了使改造后的數(shù)控車床能自動加工螺紋，須配置主軸脈沖編碼器作為車床主軸位置信號的反饋元件，其目的是用來檢測主軸轉(zhuǎn)角的位置，通過主軸脈沖編碼器數(shù)控系統(tǒng)步進電機的信息轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，實現(xiàn)主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架縱向移動一個導程的車螺紋運動。 主軸脈沖編碼器的安裝，通常采用兩種方式：一種是同軸安裝，另外一種是異軸安裝。同軸安裝的結(jié)構(gòu)簡單，缺點是安裝后不能加工穿入車床主軸孔的零件，限制了工件的

35、加工長度，而異軸安裝不會遇到這種問題，因此，異軸安裝較合適。主軸通過主軸箱中軸和軸的5858及軸和軸的3333兩級齒輪(實現(xiàn)傳動比1：1)把動力傳遞給掛輪軸X，如圖2-3、2-4所示，主軸脈沖編碼器1通過支架2固定，并通過聯(lián)軸器3與悶頭4相連，悶頭4通過過盈配合與主軸箱內(nèi)X軸連接。C6132主軸轉(zhuǎn)速范圍是202000 r/min，可以選擇歐姆龍E6B2-CWZ6C型光電脈沖編碼器，其允許的最高轉(zhuǎn)速為6000r/ min，所以滿足設(shè)計要求。2.6 橫向進給傳動系統(tǒng)的改造 2.6.1橫向傳動系統(tǒng)的改造 將車床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的普通絲杠、螺母拆除，

36、在該處安裝橫向進給滾珠絲杠螺母副， 伺服電機與絲杠間采用一級減速器聯(lián)接, 以縮小傳動鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動鏈誤差。橫向伺服電動機與齒輪減速器總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠通過膜片聯(lián)軸器相連。膜片聯(lián)軸器的特點是易平衡，不需潤滑。結(jié)構(gòu)簡單，有一定的補償性能和緩沖性能。因其尺寸較大，故可將其放在減速箱內(nèi)。2.6.2 齒輪傳動間隙的消除 齒輪傳動初定傳動比為2，可取Z1=24 則Z2=48,齒寬B=16.在設(shè)計齒輪傳動時，為了提高傳動精度，必須消除齒輪副的間隙。數(shù)控機床進給系統(tǒng)由于經(jīng)常處于變向狀態(tài),反向時如果驅(qū)動鏈中的齒輪等傳動副存在間隔,就會使進給運動的反向滯后于指令信號,從而影響其驅(qū)動

37、精度,因此24/48這一對齒輪還必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙,以提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的驅(qū)動精度。齒輪間隙的調(diào)整采用圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯齒法來實現(xiàn)2.7.進給系統(tǒng)的改造與設(shè)計方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動機與同步帶減速箱總成。（3）拆除溜板箱總成與快刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座和螺母座墊架。（4）拆除四方刀架與上溜板總成，在橫溜板上方安裝四位工位立式電動機刀架。（5）拆除橫溜板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一段（見圖一）鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸

38、承，換上滾珠絲杠副。（6）將橫向進給步進電動機通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。（7）拆去三桿（絲桿、光桿與操縱桿），更換絲桿的右支承。 改造后的橫向、縱向進給傳給系統(tǒng)見圖一、圖二。2.8數(shù)控系統(tǒng)軟硬件總體設(shè)計為了使數(shù)控系統(tǒng)能夠長期、可靠、方便地在工業(yè)環(huán)鏡中運行，在制定數(shù)控系統(tǒng)總體方案時必須重點考慮以下幾個方面。(1) 加強系統(tǒng)可靠性。影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的因素很多，硬件規(guī)模和硬件的制造工藝水平往往是影響可靠性的關(guān)鍵因素。因此，應(yīng)選用高性能的CPU作為系統(tǒng)的運算和控制核心，并盡量用軟件來實現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能。在系統(tǒng)的具體硬件構(gòu)成上，選用可靠性高的工控PC作為數(shù)控系統(tǒng)硬件

39、平臺，減少自制硬件數(shù)量。此外，在軟件設(shè)計、電源選用、接插件設(shè)計與選用、接地與屏蔽設(shè)計等方面采用強抗干擾、高可靠性的設(shè)計，從而全面提高系統(tǒng)的可靠性。(2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。數(shù)控系統(tǒng)的控制精度是保證機床加工精度的關(guān)鍵。因此，它在數(shù)控系統(tǒng)中處于重要位置。如提高數(shù)控系統(tǒng)的最小分辨率，使用高精度的步進電機，采用高速高精度插補算法，提高軌跡生成精度;增強位置環(huán)控制能力;增加補償功能等。(3) 提高使用方便性。提高數(shù)控編程的方便性，是提高數(shù)控系統(tǒng)使用方便性的關(guān)鍵。因此，數(shù)控系統(tǒng)除提供全屏幕編輯進行手工編程外，還應(yīng)該配置自動編程系統(tǒng)，從而大大提高數(shù)控編程的速度和智能化程度，大大方便普通用戶的使用。另外

40、，因為現(xiàn)代工人都比較熟悉個人計算機，數(shù)控系統(tǒng)在操作方面應(yīng)采用標準計算機鍵盤或與其兼容的薄膜鍵盤等輸入設(shè)備，也可用軟盤、移動磁盤、串行通訊、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等輸入零件程序。此外，數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置仿真功能，便于用戶在加工前檢查零件程序的正確性。2.9數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)由工控PC硬件平臺、數(shù)控操作面板(包括LCD顯示器，鍵盤)、數(shù)控接口板卡(工/0板，D/A板)和驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)等組成。PC硬件平臺包括工控電源、無源母板、工控PC主板和軟盤驅(qū)動器、硬盤驅(qū)動器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數(shù)控接口板卡是計算機與外部執(zhí)行裝置間進行信息交換和轉(zhuǎn)換的通道，對內(nèi)通過無源母板與工控PC主板相連，對外通過屏蔽

41、電纜與驅(qū)動執(zhí)行裝置相連接。該系統(tǒng)的驅(qū)動執(zhí)行環(huán)節(jié)包括四個子系統(tǒng):進給軸控制與驅(qū)動子系統(tǒng);主軸控制與驅(qū)動子系統(tǒng);開關(guān)量控制系統(tǒng)。主軸控制與驅(qū)動子系統(tǒng)的功能包括兩方面:主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制，以滿足寬范圍切削速度的要求;主軸轉(zhuǎn)角的精確控制，以滿足加工螺紋時的主軸與進給軸的聯(lián)動控制和換刀時的主軸精確定位控制要求。開關(guān)量控制系統(tǒng)完成機床的邏輯順序運動控制，如主軸起停控制、刀具交換、工件裝夾、冷卻開關(guān)、行程保護等任務(wù)。開關(guān)量控制系統(tǒng)與其它模塊相配合，共同完成機床工作過程的控制。2.10數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)軟件為實時多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務(wù)在數(shù)控實時操作系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)進行。(1) 數(shù)控實時操作系統(tǒng)。它是數(shù)

42、控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對系統(tǒng)中的資源進行統(tǒng)一管理，對各任務(wù)進行動態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊的高效運行，并輔助完成各任務(wù)間的通訊和信息交換。(2) 信息預(yù)處理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補前的坐標轉(zhuǎn)換和刀補運算。(3) 軌跡插補。它是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊，其任務(wù)是根據(jù)信息預(yù)處理給出的希望軌跡和從檢測裝置獲得的實際軌跡信息，實時生成機床各坐標軸的移動指令，并完成機床運動的加減速控制。(4) 運動控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補運算結(jié)果，通過高速算法對機床各坐標軸進行高精度位置控制，并完成主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的控制任務(wù)。(5) 加工仿真模塊。該模塊以動畫方式對數(shù)控加工過程進行動態(tài)仿真，

43、從而在加工前檢驗參數(shù)輸入正確性和機床運動合理性第三章 進給伺服系統(tǒng)傳動計算縱、橫向進給傳動部件的計算和選型主要包括：確定脈沖當量、計算切削力、選擇滾珠絲桿螺母副、設(shè)計減速箱、選擇步進電動機。 3.1.脈沖當量的確定根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，X方向（橫向）的脈沖當量為x=0.005脈沖，Z方向（縱向）為z=0.005脈沖。3.2.切削力的計算 縱向切削力的詳細計算過程。設(shè)工件材料為碳素機構(gòu)鋼，b=650MPa;刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角，前角0=100，刃傾角s=50；切削用量為： =3mm背吃刀量，進給量f=0.6mmr，切削速度 =105mmin。查表10-1，得： =27

44、95， =1.0， =0.75， =0.15。查表10-3，得：主偏角Kr的修正系數(shù) =0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。由經(jīng)驗公式（10-2），算得主切削力 =2673.4N。由經(jīng)驗公 ：Ff ： =1：0.35：0.4，算得縱向進給切削力Ff=935.69N，背向力 =1069.36N。3.3.滾珠絲桿螺母副的計算和選型（縱向）（1）工作載荷F的計算 已知移動部件總重量G=1300N；車削力 =2673.4N， =1069.36N，F(xiàn)f=935.69N。如圖10-20所示，根據(jù) = ， = ， =Ff的對應(yīng)關(guān)系，可得：=2673.4 ， =1069.36N， =9

45、35.69N。選用矩形三角形組合滑動導軌，查表10-29，得K=1.15，=0.16代人Fm=KFX （G），得工件載荷F1712N。（2）最大動載荷FQ的計算 設(shè)本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進給速度v=0.8mmin，初選絲桿基本導軌Ph=6mm，則此時絲桿轉(zhuǎn)速n=1000vPh 133rmin。取滾珠絲桿的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT106，得絲杠壽命L0=119.7。查表10-30，取載荷系數(shù)fm=1.15、硬質(zhì)系數(shù)=1，代入式（10-23），求得最大動載荷。（3）初選型號 根據(jù)計算的最大動載荷，查表10-34，選擇啟東潤澤機床附件有限公司生產(chǎn)的FL4006型滾

46、珠絲桿副。其公稱直徑為32mm，基本導程為6mm，雙螺母滾珠總?cè)?shù)為3×2=6圈，精度等級取4級，額定動載荷為13200N，滿足要求。（4）傳動效率的計算 將公稱直徑d0=40mm，基本導程Ph=6mm，代入= Ph(d0)，得絲桿螺旋升角=2044，將摩擦角=10，代入=tantan(+)，得傳動效率=94.2。（5）剛度的計算 Z向滾珠絲桿副的支承，采用一端軸向固定，一端簡支的方式，見圖二。固定端采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為a=1497mm；鋼的彈性模量E=2.1×105MPa；查表10-34，得滾珠直徑=3.968

47、8mm，算得絲杠底徑d2=公稱直徑d0滾珠直徑則絲杠截面積S=d224=1019.64mm2。忽略式（10-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉壓變形量1=(ES) 0.01197mm。根據(jù)公式Z=（d0）3，求的單圈滾珠數(shù)目Z=29；該型號絲杠為雙螺母，滾珠總?cè)?shù)為3×2=6，則滾珠總數(shù)量Z=29×6=174。滾珠絲桿預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力FYJ=Fm3571N；則由式（10-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2=0.00117mm。因為絲杠加有預(yù)緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減小一半，取2=0.000585mm。將以上計算的1和2代入

48、總，求得絲杠總變形量總=0.012555mm=12.555m。由表10-27知，四級精度滾珠絲杠任意300mm軸向行程內(nèi)行程的變動量允許16m，而對于跨度為1497mm的滾珠絲杠，總的變形量總只有12.555m，可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式（10-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷，查表10-31，取支承系數(shù)=2；由絲杠底徑d2=36.0312mm，求得截面慣性矩I=d2482734.15mm4；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥底式安裝）；滾動螺母至軸向固定處得距離取最大值1497mm。代入式（10-28），得臨界載荷FK51012N，遠大于工作載荷Fm(1712N)，故絲杠不會失穩(wěn)

49、。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。3.4.同步帶減速箱的設(shè)計（縱向）為了滿足脈沖當量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)的負載慣量盡可能的減小，傳動鏈中常采用減速傳動，本例中Z向減速箱選用同步帶傳動。設(shè)計同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳動的功率P；主動輪轉(zhuǎn)速n1和傳動比i;傳動系統(tǒng)的位置和工作條件等。根據(jù)改造經(jīng)驗，C6132車床Z向步進電動機的最大轉(zhuǎn)矩通常在1525N. m之間選擇。今初步選電動機型號為130BY5501，五相混合式，最大轉(zhuǎn)矩為20N.m，十拍驅(qū)動時步進角為0.720。運行矩特性曲線如下圖。（1）傳動比的確定 已知電動機的步距角=0.720，脈沖當量z=0.01

50、mm脈沖，滾珠絲杠導程Ph=6mm。根據(jù)公式（10-12）算得傳動比=1.2。（2）主動輪最高轉(zhuǎn)速n1 由Z向拖板的最快移動速度vzmax6000mmmin，可以算出主動輪最高轉(zhuǎn)速n1=(z) ×360=1200rmin。（3）確定帶的設(shè)計功率Pd 預(yù)選的步進電動機在轉(zhuǎn)速為1200/min時，對應(yīng)的步進脈沖頻率為：=1200×360(60×)=1200×360(60×0.72)=10000Hz。從表9-2差得，當脈沖頻率為10000Hz時，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8N.m，對應(yīng)的輸出功率為POUT=n×T9.55=1200×

51、3.89.55477.5W。同步帶傳遞的負載功率應(yīng)該小于477.5，今取P=0.32KW，從表10-18中取工作情況系數(shù)FA=1.2，則由式（10-14），求得帶的設(shè)計功率Pd=KAP=1.2×0.32KW=0.384KW。（4）選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的設(shè)計功率Pd=0.384KW和主動輪最高轉(zhuǎn)速n1=1200rmin。，從圖10-14中選擇同步帶，型號為XL型，節(jié)。距 =5.08mm。（5）確定小帶輪齒數(shù)z1和小帶輪節(jié)圓直徑d1 取z1=25，則小帶輪節(jié)圓直徑d1= Pdz1=40.43mm。當n1達到最高轉(zhuǎn)速1200/min時，同步帶的速度為v=d1n160×1000=

52、2.54ms，沒有超過XL型帶的極限速度40m/s。（6）確定大帶輪齒數(shù)z2和大帶輪節(jié)圓直徑d2 大帶輪齒數(shù)z2=iz1=30，節(jié)圓直徑d2=id1=48.51mm。（7）初選中心距a0、帶的節(jié)線長度L0p、帶的齒數(shù) 初選中心距a=1.3(d1d2)=115.662mm，圓整后取a0=120mm。則帶的節(jié)線長度為k。根據(jù)表10-13，選取接近標準節(jié)線長度F，相應(yīng)齒數(shù)F。（8）計算實際中心距a 實際中心距。 （9）校驗帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) ，嚙合齒數(shù)比6大，滿足要求。（10）計算基準額定功率P0（所選型號同步帶在基準寬度下所允許傳遞的額定功率） 式中：Ta帶寬為的bs0許用工作拉力，由表10-2

53、1查得Ta =50.17N； m帶寬為bs0的單位長度的質(zhì)量，由表10-21查得m=0.022kgm； v 同步帶的帶速，由上述（5）可知v=2.54ms。算得P0=0.127KW。（11）確定實際所需同步帶寬度 式中：bs0 選定型號的基準寬度，由表10-21查得bs0=9.5mm； KZ 小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由表10-22查得KZ=1。由上式算得bs25.07mm，再根據(jù)表10-11選定最接近的帶寬bs25.4mm。（12）帶的工作能力驗算 根據(jù)式（10-22），計算同步帶額定功率P的精確值： 式中，Kw為齒寬系數(shù)：；經(jīng)計算得P=0.390KW，而Pd=0.384KW，滿足PPd。因此，帶

54、的工作能力合格。3.5.步進電動機的計算和選型（縱向）（1）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量已知：滾珠絲杠的公稱直徑，總長（帶接桿），導程，材料密度；縱向移動部件總重量G=1300N；同步帶減速箱大帶輪寬度28mm，節(jié)徑48.51mm,孔徑30mm，輪轂外徑42mm，寬度14mm；小帶輪寬度28mm，節(jié)徑40.43mm，孔徑19mm，輪轂外徑29mm，寬度12mm；傳動比i=1.2。參照表11-1，可以算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量；小帶輪的轉(zhuǎn)動慣量；大帶輪的轉(zhuǎn)動慣量；在設(shè)計減速箱時，初選的Z向步進電動機型號為130BYG5501，從表11-5

55、查得該型號電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量。則步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：（2）計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩分快速空載荷啟動和承受最大工作負載兩種情況進行計算?？焖倏蛰d啟動時的電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式（11-8）可知，包括三部分：快速空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高。根據(jù)（11-12）式可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有： 根據(jù)式（11-9），考慮Z向傳動鏈的總效率，計算快空載啟動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：式中： 對應(yīng)Z向空載最快移動速度的步進

56、電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min； 步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間，單位s。其中： 式中： Z向空載最快移動速度，任務(wù)書指定為6000mm/min； Z向步進電動機步距角，為0.720。 Z向脈沖當量，本例=0.01mm脈沖。將以上各值代入式（9-3），算得=1200rmin。設(shè)步進電動機由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需的時間Ta=0.4s，Z向傳動鏈總效率=0.7。則由式（9-2）求得： 由式（11-10）可知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： 式中：導軌的摩擦系數(shù)，滑動導軌取0.16； 垂直方向的工作負載，空載時取0； Z向傳動鏈總效率，取0.7。則由式（9-4），得： 最后由式（9-1），求得快速空載啟動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩為： 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩由式(11-1