机电设备维修与管理专业毕业论文

毕业设计（论文）题 目： CA6140普通车床的数控改造 班 级：机电设备维修与管理 CA6140车床数控化改造摘要数控技术水平的高低和数控设备拥有的多少已成为衡量一个国家工业现代化的重要标志。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。但是，发展数控技术的最大障碍就是添置设备的初期投资大，这使许多中小型企业难以承受。如果淘汰大量的普通机床，而去购买昂贵的数控机床，势必造成巨大的浪费。因此，普通机床的数控化改造大有可为。针对现有常规CA6140普遍车床的缺点提出数控改装方案设计，提高加工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设计过程，较详尽地介绍了CA6140各个改造部分的设计。通过对CA6140普通车床的数控改造，实现了加工精度明显提高，定位准确可靠，操作方便，大大提高了工作效率，稳定了零件的加工质量，并保留了原机床的基本结构和部分工作性能，能节约资金，缩短生产周期，是工厂进行机械设备技术化改造的趋势。关键词：车床，数控，改造，精度，进给系统目录一 绪论11.1数控机床的发展史11.2机床数控化改造的意义11.3数控化改造后机床的优越性11.4机床数控化改造的内容2二 设计要求及系统的选型32.1总体方案设计要求32.2设计参数32.3其他要求32.4系统的确定42.5系统的特点42.6GSK980TA的参数4三 车床丝杠的改造与伺服系统的改造设计73.1滚珠丝杠的优点73.2换用滚珠丝杠的设计73.3纵向滚珠丝杠选型与设计73.4横向滚珠丝杠的选用与设计123.5滚珠丝杠的支撑与轴承的选用163.6步进电机的选用原则163.7步进电机的选用183.8驱动器的选择24四 CA6140其他部分的改造特点264.1电气控制系统的改造设计264.2主轴脉冲发生器的选用与安装294.3导轨副的改装294.4联轴器的安装29五 总结30致谢31参考文献32附录33II一 绪论1.1数控机床的发展史1946年诞生了世界上第一台电子计算机。6年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。（注：两个阶段：数控NC阶段和计算机数控CNC阶段。六代：即电子管时代、晶体管时代、小规模集成电路时代、小型计算机时代、微处理器时代和基于PC时代）。必须指出，数控系统发展到了第五代以后，才从根本上解决了可靠性低、价格极为昂贵、应用很不方便（主要是编程困难）等极为关键的问题。因此，数控技术经过了近30年的发展才走向普及应用。1.2机床数控化改造的意义 机床数控化改造，顾名思义就是在机床上增加微型计算机控制装置，使其具有一定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。众所周知，企业要在激烈的市场竞争中获得生存、得到发展,就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本,制造出满足市场需求、性能合适的产品。目前,采用先进的数控机床已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,而改造旧机床、配备数控系统把普通机床改装成数控机床也是提高机床数控化率的另一条有效途径。机床数控化改造的市场目前在我国有很大的发展空间，现在我国机床数控化率不到3。用普通机床加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高等不良因素，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和发展，所以必须大力提高机床的数控化率。近年来，美国、日本、德国、英国等发达国家，在制造大量数控机床的同时，也非常重视对普通机床的数控化改造，机床的技术改造市场十分活跃。机床改造业正逐步从机床制造业中分化出来，形成了用数控技术改造机床和生产线的新的行业和领域。1.3数控化改造后机床的优越性（1）机床数控化改造可以提高零件的加工精度和生产效率。（2）机床数控化改造可以提高机床的性能和质量，加工出普通机床难以加工或者不能加工的复杂型面零件。（3）机床数控化改造后可以实现加工的柔性自动化，效率可比传统机床提高37倍。（4）可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运，降低工件的定位误差。（5）拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自检功能，更好的调节了机床加工状态，还可以提示操作者机床故障或编程错误等机床运行中出现的问题。（6）数控加工降低了工人的劳动强度，节省了劳动力，减少了工装，缩短了新产品试制周期很生产周期，并可对市场需求做出快速反应。1.4机床数控化改造的内容（1）精度恢复和机械传动部分的改进。随着机床使用的役龄的增加，机床的机械传动部件，如导轨、丝杠、轴承等都有不用程度的磨损。因此，机床改造过程中的首要任务是对旧机床进行类似于通常的机床大修，以恢复机床精度，达到新机床的制造标准。（2）选定数控系统和伺服系统。根据要求进行数控化改造机床的控制功能要求，选择合适的数控系统是至关重要的。选择是，除了考虑各项功能满足要求外，还一定要确保系统工作可靠性。伺服驱动系统的选取，也按改造数控机床的性能要求决定。（3）数控机床辅助装置的选取。辅助装置指的是数控机床的一些必须的配套部件。如冷却系统、自动换刀装置等（4）在进行机床数控化改造时，原机床的电器控制部分要做改造，重新按数控化改造要求进行设计制作。数控机床的强电控制部分设计中要特别注意的是，数控系统各接口信号的特点和形式要相配，并且在设计过程中应尽量简化强电控制线路。还要在设计时考虑电磁干扰的问题。（5）整机联接调试。旧机床上述各个部件的改造过程完成后，就可对组装后改造机床各个部件进行调试。一般先对电气控制部分进行调试，看单个动作是否正常，然后再进行联机调试。经数控化改造的机床就成为了数控机床，具有数控机床的特点，如数控机床本身具有的高速、高效和高精度，工序集中，可靠性高等特点。但是改造后的机床也具有一定的局限性，主要有机床原有结构精度限制了改造后机床的加工精度和加工性能；机床原有的结构形式限制了改造后机床的加工范围和数控化程度。这些不利条件最终影响了改造后机床的速度和精度。随着数控产业整体水平的提高，数控系统的性能、伺服电动机及其驱动装置等配套产品的性能也提高很多，对数控化改造中机床速度和精度的提高都非常有利。二 设计要求及系统的选型2.1总体方案设计要求（1）改造前要求机床的状况良好，各种基础构件有足够的刚性，机械性能良好，符合数控改造的要求。（2）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，控制精度Z轴为0.01mm，X轴为0.005mm因此，数控系统选连续控制系统。3）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（4）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床的系统一般采用国产机床系统，如广州数控设备厂的GSK980TA数控系统，其为两轴联动，功能比较齐全，价格便宜。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。（8）为了减少改造的复杂性，主轴要求不改造。2.2设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。改造CA6140机床设计参数如下：最大加工直径：在床面上400mm 在横刀架以上210mm最大加工长度：1000mm快进速度：纵向2.4m/min横向1.2m/min最大切削进给速度：纵向0.5m/min横向0.25m/min溜板及刀架重力：纵向800N横向600N主电机功率：7.5KW控制坐标数：2最小指令值（脉冲当量）： 纵向 0.01mm/脉冲 横向0.005mm/脉冲进给传动链间隙补偿量： 纵向0.15mm横向0.075mm2.3其他要求（1） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。2.4系统的确定在选择数控系统的型号时，要考虑CA6140机床的加工精度，加工精度可达IT7级，要求6140能加工复杂的零件，所以数控系统选择连续型控制的，开环控制系统。以满足数控化改造后的定位，插补，循环加工，和螺纹加工等功能。根据经济性，实用性的比较，确定使用国产数控系统，广州数控厂的GSK980TA数控系统，此系统功能齐全，价格便宜，操作方便，性能稳定，比较适合与经济型的数控机床。选择数控系统时，应尽量向一个厂家靠拢，这样有利于维修和管理，也有利于备件的购买。在改造中应考虑有类似的数控装置。2.5系统的特点GSK980TA的特点如下：（1）该系统采用16bit高速微处理器（CPU）和超大规模可编程门阵列（CPLD）进行硬件插补，实现高速微米级控制。（2）全封闭式装置，集成高度，整机工艺结构合理，抗干扰能力强，可靠性强。（3）直线型、指数型加减速方式，可配套步进电机、伺服电机，应用灵活。（4）可变电子齿轮比，应用方便。（5）320*240点阵列式液晶显示。（6）中文、英文（选配）菜单，界面友好，操作方便。2.6GSK980TA的参数运动控制功能控制轴：X、Z两轴 最小指令单位：0.001mm插补方式：X、Z两轴直线、圆弧插补位置指令范围：-9999.999mm+9999.999mm最高速度：7600mm/min 3000mm/min（选配）最高进给速度：直线7600mm/min（电子齿轮为1 ：1）没转进给：0.001500mm/r（需安装1024p/r主轴编码器）进给倍率：0%150%十六级实时调节快速倍率：F0、25%、50%、100%四级加减速方式：直线型快速加减速，指数型进给加减速，参数可调电子齿轮比：（1127）/（1127）显示界面显示器类型：320*240点阵式蓝底液晶（LCD），CCFL背光显示方式：中文菜单 图形显示功能：有G功能共有23种G指令，包括3种单一固定循环指令和7种复合循环指令，8种用户宏指令可读写，最多16点输入，6点输出，二重子程序调用。螺纹功能米制/英制单头直螺纹、锥螺纹及米制/英制端面螺纹，螺纹退尾长度可定。螺纹螺距：0.001500mm主轴编码器：1024p/r增量式编码器补偿功能反向间隙补偿：X、Z轴螺距误差补偿：X、Z轴刀具半径补偿：X、Z轴刀具补偿：16组刀具长度补偿刀具功能适配刀架：最大设定8工位电动刀架（可选配12工位刀架功能，就进选刀，无卡盘，尾座控制功能）刀位信号输入方式：直接输入换刀方式：MDI自动换刀，正转选刀，反转锁紧对刀方式：定点对刀，试切对刀刀补执行方式：移动刀具，坐标偏移主轴功能控制方式：可设置为四档位控制或模拟控制档位控制：S1、S2、S3、S4直接输出模拟控制：可设置四档主轴自动控制或手动换挡，输出0100V电压控制主轴转速恒线速切削功能：有辅助功能手动/MDI/自动方式控制主轴正转、反转、停止;切削液启停，卡盘夹紧/松开，尾座进退，MDI/自动方式可控制主轴变频自动换挡程序编辑程序容量：40kb，63个程序子程序：可编程通信RS232通信接口为标准配置，可选配通信功能，提供通信软件及通信电缆，与PC机双向传送程序抗干扰能力符合GB/T 17626.22006的要求适配部件开关电源：GSK PB（配套使用，已安装连线）驱动装置：DF3A系列三相反应式，DY3B系列混合式，DA98系列交流伺服刀架控制器：GSK TB装配形式标准面板，大面板，箱式一体化下出线，一体化后出线外形尺寸（420*260*136mm）/（420*320*136mm）（小/大）质量6.0kg（含开关电源） 本章节主要介绍了此次改造的数控系统的选型，对系统的要求，以及一些系统参数的列举。通过对该系统的了解，进一步明白该系统的优越性。三 车床丝杠的改造与伺服系统的改造设计3.1滚珠丝杠的优点（1）传动效率高。一般可达95%以上，是滑动丝杠的24倍。（2）运动平稳，摩擦小，灵敏度高，低速无爬行。（3）可以预紧、消除丝杠副的间隙，提高轴向接触刚度。（4）定位精度和重复精度高。（5）使用寿命为普通滑动丝杠的410倍，甚至更高。（6）同步性好，用几套相同的滚珠丝杠副同时传动几个相同的部件装置时，可获得较好的同步性。（7）不自锁，可逆向传动，即螺母为主动，丝杠为被动。旋转运动变为直线运动。（8）有专厂生产，选用配套方便。3.2换用滚珠丝杠的设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺。母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。3.3纵向滚珠丝杠选型与设计（1）切削力的计算。由机床设计手册可知，切削功率Pc = PK （3-1）式中 P主轴电动机功率，P =7.5KW； 主传动系统总效率，一般为0.750.85，一般取=0.8:； K进给系统功率系数，取K=0.96;则PC =7.50.80.96kw =5.76kw 切削功率应该在各种加工情况下经常遇到的最大切削力和最大切削转速来计算，即 PC = （3-2）式中 Fz主切削力（N） V切削速度（m/min）按最大切削速度计算，取v=100m/min，则主切削力Fz= （3-3）由机床设计手册可知，在外圆车削时：Fx =（0.10.55）Fz，Fy =（0.150.65）Fz （3-4）取纵向切削分力Fx =0.5Fz，横向切削分力Fy =0.6Fz，则 Fx =0.5Fz=0.53456N =1728N Fy =0.6Fz =0.63456N =2073.6N（2）滚珠丝杠设计计算螺纹滚道型面的选型：单圆弧型面、双圆弧型面。要求：经济、易调试、稳定。方案：选用双弧形面。原因：双圆弧型面接触角不变，双圆弧交接处尚有小空隙可容纳一些脏污，这对滚珠丝杠有利而不至于堵塞。滚珠循环方式：内循环、外循环。方案：选用外循环。原因：结构简单、工艺性优良、适合成批生产、经济适用，适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统，是目前应用最广泛的结构。轴向间隙的调整和预紧力的选择：垫片式、螺纹式、齿差式。要求：经济可靠、易拆装、刚度好。方案：选用双螺母垫片式预紧。原因：结构简单、装卸方便、刚度好。（3）计算进给牵引力Fm（N）。可根据机床设计手册中进给牵引力的试验公式计算，纵向为三角形导轨，则 Fm = KFx + f（Fz + G） （3-5）式中 Fx切削分力（N）; K颠覆力矩影响的试验系数，K =1.15； f滑动导轨摩擦因数， f =0.150.18，取f =0.16 G溜板及刀架重力， G =1000N则 Fm =1.151728N +0.16 (3456 +1000)N =2700.16N(4)计算最大动载荷C(N) C = fwfh Fm （3-6）其中 t = n =式中 t寿命，以106为1单位； n丝杠转速； P0滚珠丝杠导程，初选P0=6mm Vs最大切削力下得进给速度，可取最高进给速度的1/31/2，本机床取1/2； fw运转系数，按一般运转fw，取fw =1.3； fh硬度系数，为60HRC时，fh =1，小于60HRC时，fh 1，本机床取1； T使用寿命，按15000H计算。则 n = r/min =50r/min（3-7） t = = 万r =45万r （3-8） C = fw fhFm = 1.3 1 2700.16N =12485.8N （3-9）（5）选择滚珠丝杠螺母副。查机械设计手册，根据C 12485.8N,故强度足够。CDM40065型滚珠丝杠具体参数见表3-1. 表3-1 CDM40065型滚珠丝杠具体参数公称直径/mm导程/mm钢球直径/mm螺纹底径/mm丝杠外径/mm额定负载/N接触刚度/（N/m）d0P0Dwd1d 2CaC0a4063.96935.139.528770959702191表3-2螺母安装连接尺寸/mmDD1D3D4BD5D6hLL1CAM71110901591591385473M6（6）滚珠丝杠的验证 1）传动效率计算。根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率0为 （3-10）式中 摩擦角， =10，； 螺旋升角，根据tan=螺距 （3.14 公称直径），可得则 =0.9662）刚度验算。滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程P0的变化，因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可以忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量P0为： P0 = （3-11）式中 E材料弹性模量，对于刚，E =20.6 104MPa A滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定d，即d =3.51cm，则 A =d2 =9.67cm2 （3-12） P0滚珠丝杠导程，P0 =6mm =0.6cm。其中，“+”用于拉伸时，“”用于压缩时。P0 = = 8.133 10-6cm 滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量P1很小，可以忽略不计，即P1 =P0，所以导程变形总量误差 P总 =式中 P总纵向最大行程，由机床说明书可知，P总=900mm=90cm。则 P总 =8.133 106m = 12. 2m （3-13）由机床说明书可知，丝杠纵向有效行程为900mm，且丝杠精度等级为3级，查机械零件设计说明说手册电子版，纵向行程允许的行程变动量为17m，CDM400065的P总为12.2m 17m,故刚度足够。3）稳定性校核。要使滚珠丝杠不失稳的条件是：临界负载荷FkFmax。根据公式 Fk = （3-14）式中 丝杠的支撑方式系数，查机械零件设计手册可知，=0.2（双推支撑） E材料弹性模量，对于钢，E=20.6104 MPa L丝杠两支撑端距离，查机械零件设计手册可知，CDM40065丝杠两支撑端距离为1600mm =160cm； K滚珠丝杠的静安全系数，取 K = 1/4; I截面惯性矩。 I =， 其中d =（d0 1.2Dw） （3-15）式中 d0滚珠丝杠的公称直径，d0 = 40mm=4 cm； Dw滚珠丝杠的滚珠直径，Dw =3.969mm=0.3969cm。则 I =(4 1.20.3969)4CM4 =7.532 CM4 （3-16） Fk = （3-17）3.3.1纵向齿轮传动比的确定 传动比计算公式： i= （3-18）其中，p =0.01mm/步；参考实用微电机手册，初选= Po =6 mm，则 i= （3-19） 可初选齿轮的齿数比为 i= 齿轮材料采用40Cr，调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8024型流动轴承，齿轮传动时效率为。由于进给运动时齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取模数m=2mm，由经验公式可知，齿宽b =20mm，则分度圆直径分别为： （3-20） （3-21）中心距为： （3-22）3.4横向滚珠丝杠的选用与设计（1）切削力的计算。 因为横向进给量为纵向的1/31/2，取1/2，则横向主轴切削力约为纵向的1/2. 由机床设计手册可知，其经验公式为： 式中 Fx横切端面时的进给力； Fy背向力。 （3-23） （3-24）(2)滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠的选型的方案可以参考纵向滚珠丝杠的设计选型，方案来设计。即：螺纹滚道型面的选型：单圆弧型面、双圆弧型面。滚珠循环方式：内循环、外循环。轴向间隙的调整和预紧力的选择：垫片式、螺纹式、齿差式。（3）计算进给牵引力Fm（N）。可根据机床设计手册中进给牵引力的试验公式计算，横向为燕尾槽导轨，则 （3-25）则 (4)计算最大动载荷C(N) ：由 (5)选择滚珠丝杠螺母副根据C 8824.4N,故强度足够。CDM20045型滚珠丝杠具体参数见表4-2表3-3CDM20045型滚珠丝杠具体参数公称直径/mm导程/mm钢球直径/mm螺纹底径/mm丝杠外径/mm额定负载/N接触刚度/（N/m）d0P0Dwd1d 2CaC0a2042.38117.019.710639287221178表3-4螺母安装连接尺寸/mmDD1D3D4BD5D6hLL1CAM406653115.81061003943M6（6）滚珠丝杠的验证 1）传动效率计算。根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率为0其中，则 （3-26）2）刚度验算。滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程P0的变化，因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可以忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量P0为： P0 = （3-27） 式中 E材料弹性模量，对于刚，E =20.6104MPa A滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定d，即d =1.7cm，则 A =d2 =2.27cm2 （3-28）则 （3-29）滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量P1很小，可以忽略不计，即P1 =P0，所以导程变形总量误差 P总 =P总/P0 *P0式中 P总纵向最大行程，由机床说明书可知，P总=240mm=24cm。则 P总 = （3-30）由机床说明书可知，丝杠纵向有效行程为900mm，且丝杠精度等级为3级，查机械零件设计说明说手册电子版，纵向行程允许的行程变动量为12m，CDM20045的P总为10.78m 12m,故刚度足够。3）稳定性校核。要使滚珠丝杠不失稳的条件是：临界负载荷FkFmax。根据公式 Fk = （3-31）式中 丝杠的支撑方式系数，查机械零件设计手册可知，=0.2（双推支撑） E材料弹性模量，对于钢，E=20.6104 MPa L丝杠两支撑端距离，查机械零件设计手册可知，CDM20045丝杠两支撑端距离为L=600mm =60cm； K滚珠丝杠的静安全系数，取 K = 1/4; I截面惯性矩。 I =， 其中d =（d0 1.2Dw） （3-32）式中 d0滚珠丝杠的公称直径，d0 = 20mm=2cm； Dw滚珠丝杠的滚珠直径，Dw =2.381mm=0.2381cm。则 I =(2 1.20.2381)4CM4 =0.41 CM4 Fk = 3.4.1横向齿轮传动比的确定传动比计算公式： i= （3-33）其中，p =0.01mm/步；参考实用微电机手册，初选= Po =4mm，则 i= （3-34）可初选齿轮的齿数比为 i= 齿轮材料采用40Cr，调质处理，精度等级取7级，前后轴承选用8024型流动轴承，齿轮传动时效率为。由于进给运动时齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取模数m=2mm，由经验公式可知，齿宽b =20mm，则分度圆直径分别为： （3-35） （3-36）中心距为： 3.5滚珠丝杠的支撑与轴承的选用滚珠丝杠的支撑形式的选择。为了满足高精度、高速度进给系统的要求，除了应采用高精度、高速度的滚珠丝杠副外，还必须充分重视支撑的设计，注意选用轴向刚度好、摩擦力矩小、运行精度高的轴承。滚动轴承的选用丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠重力外，一般无外载荷，对丝杠轴承主要要求轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要尽量小。固定支撑采用的有60度角接触球轴承、双向推力角接触球轴承、滚针轴承和推力滚子轴承等。根据实际需要，选用深沟球轴承，固定支撑可选用60度角接触球轴承，其特点如下：1）接触角大、刚球数多、承载能力强=刚度高。2）既能承载轴向载荷，也能承载径向载荷，支撑结构可以简化。3）轴承是按规定的预紧力供应的，使用者不需要自己调整。4）轴承起动摩擦力矩小，降低丝杠副驱动功率，提高进给系统的灵敏度。3.6步进电机的选用原则 3-3 开环控制系统原理图选用步进电动机时，通常希望步进电动机的输出转距，启动频率和运行频率高，步距误差小，性能价格比高。但增大转距也快速运行存在一定矛盾，高性能也低成本存在矛盾，因此实际选用时，必须全面考虑。1)首先，应考虑系统的精度和速度的要求。为了提高精度，希望脉冲当量小。但是脉冲当量越小，系统的运行速度越低。故因兼顾精度也速度的要求来选定系统的脉冲当量。在脉冲当量确定以后，又可以为依据来选择步进电动机的步距角和传动机构的传动比。2)其次，对位移误差的要求。步进电动机的步距角从理论上说是固定的，但实际上还是有误差的。此外，负载转距也将引起步进电动机的定位误差。应将步进电动机的步距误差、负载引起的定位误差和传动机构的误差全部考虑在内，使总的误差小于数控机床允许的定位误差。3)第三，步进电动机的特性曲线对步进电动机参数选择有影响的特性曲线包括：起动距频特性曲线和反映转距也连续运行频率之间关系的工作距频特性曲线。4)第四，步进电动机的选择既要满足快速进给的要求，又要满足切削进给的要求。在这两种情况下，对转距和进给速度有不同的要求。若要求进给驱动装置有如下性能：在切削进给时的转距为 ,最大切削进给速度为v,在快速进给时的转距为 ，最大快速进给速度为 。3.6.1步距角步距角应满足： = （3-37）式中， i传动比：系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角。3.6.2精度步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足：mi s （3-38） 式中， m 步进电动机的累积误差。s系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。3.6.3转矩为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件：a. 起动力矩。一般选取为Mq MLo/0.3-0.5 式中，Mq电动机起动力矩 MLo电动机静负载力矩3.6.4启动频率由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足： Ftfopm （3-39） 式中，ft极限启动频率， fopm要求步进电动机最高启动频率。3.7步进电机的选用3.7.1CA6140纵向步进电机的选用1）负载转矩（Tm）及最大静转矩（Tjmax）的计算。根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩可按下式估算： （3-40）若不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩为： （3-41）取安全系数为0.3，则 （3-42）查实用微电机手册，当步进电机为五相十拍时，选步进电机的起动转矩和最大静转矩的关系 （3-43）2）初选步进电机的型号。查实用微电机手册，根据估算出来的最大静转矩 Tjmax=11.94，可初选步进电机为150BF002型步进电机，其最大静转13.72基本可满足要求。3）各种工况下转矩的计算负载转动惯量计算。折算到电动机轴上的转动惯量按下式估算。 Jf =J1 +( Z1/Z2)2J2 + J3 + G/g(P0/2)2 （3-44）式中 ； ； ； ； g重力加速度。对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量按下式估算： （3-45）式中 D圆柱零件的直径； L零件轴向长度；则有公式可知：快速空载起动时所需的转矩T0 。因为数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时，应满足快速空载起动时所需的转矩T的要求： （3-46）式中 Tamax快速空载起动时所需的转矩； Tf克服摩擦所需的转矩； T0丝杠顶紧所需引起的折算到电动机轴上的附加转矩，由动力学可知： （3-47）其中 ，t为加速时间常数，t=30ms=0.03s，则 （3-48） （3-49） 式中 F0预加载荷，一般最大为轴向载荷的1/3，即 （3-50）则 快速移动时所需转矩T快： （3-51）最大切削负载时所需转矩T切 （3-52）由以上计算可以看出，快速空载起动时所需起动转矩T、快速移动时所需转矩T快和最大切削负载时所需转矩T切三种情况下，快速空载起动时所需转矩T最大。所以，以此项作为校核电动机的依据，初选步进电机为五相十拍。由前面查得结果可知，步进电机为五相十拍时，起动转矩和最大静转矩的关系：，则 （3-53）步进电机的最高工作频率： （3-54）由以上选型及计算，最终选用150BF002型反应式步进电机，其主要参数如下表：型号相数额定电压/V静态电流/A不距角/(。)保持转矩/N。m空载起动频率/Hz空载运行频率/Hz150BF002580/120120.75/1.513.7228008000 根据机电一体化机械系统设计150BF002型反应式步进电机允许的最高空载启动频率为2800Hz，允许的最高空载运行频率为8000Hz。所以，必须采用升降速控制和高低压驱动电路。3.7.2CA6140横向步进电机的选用1）负载转矩（Tm）及最大静转矩（Tjmax）的计算。根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩可按下式估算： 若不考虑起动时运动部件惯性的影响，则起动转矩为： （3-55）取安全系数为0.3，则 （3-56）查实用微电机手册，当步进电机为五相十拍时，选步进电机的起动转矩和最大静转矩的关系 （3-57）2）初选步进电机的型号。查实用微电机手册，根据估算出来的最大静转矩 Tjmax=8.2，可初选步进电机为130BF001型步进电机，其最大静转9.31基本可满足要求。3）各种工况下转矩的计算负载转动惯量计算。折算到电动机轴上的转动惯量按下式估算。 Jf =J1 +( Z1/Z2)2J2 + J3 + G/g(P0/2)2 （3-58）式中 ； ； ； ； g重力加速度。对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量按下式估算： （3-59）式中 D圆柱零件的直径； L零件轴向长度；则 有公式可知：快速空载起动时所需的转矩T0 。因为数控机床对动态性能要求较高，确定电动机最大静转矩时，应满足快速空载起动时所需的转矩T的要求： （3-60）式中 Tamax快速空载起动时所需的转矩； Tf克服摩擦所需的转矩； T0丝杠顶紧所需引起的折算到电动机轴上的附加转矩，由动力学可知： （3-61）其中 ，t为加速时间常数，t=30ms=0.03s，则 式中 F0预加载荷，一般最大为轴向载荷的1/3，即 （3-62）则 快速移动时所需转矩T快： （3-63）最大切削负载时所需转矩T切 （3-64）由以上计算可以看出，快速空载起动时所需起动转矩T、快速移动时所需转矩T快和最大切削负载时所需转矩T切三种情况下，快速切削负载时所需转矩T切最大。所以，以此项作为校核电动机的依据，初选步进电机为五相十拍。步进电机为五相十拍时，起动转矩和最大静转矩的关系：，则 （3-65）步进电机的最高工作频率： （3-66）由以上选型及计算，最终选用130BF001型反应式步进电机，其主要参数如下表：型号相数额定电压/V静态电流/A不距角/(。)保持转矩/N。m空载起动频率/Hz空载运行频率/Hz130BF001580/120101.5/0.759.31300016000根据机电一体化机械系统设计130BF001型反应式步进电机允许的最高空载启动频率为3000Hz，允许的最高空载运行频率为16000Hz。所以，必须采用升降速控制和高低压驱动电路。3.8驱动器的选择由GSK980TA数控装置技术参数可知，它的驱动器适配的装置有：DF3A系列三相反应式步进电机驱动器、DY3B系列三相混合式步进电机驱动器、DA98系列交流伺服。根据驱动器同时要和数控系统及X、Z轴电动机匹配的原则，X、Z轴选用的是反应式步进电机，所以在这里应选取DF3A系列三相反应式电动机驱动器。根据系列的型号，选取DF3A06三相反应式步进电机驱动器较合适。（1）DF3A06三相反应式步进电机驱动器的特点：1）可靠性高。2）低速性好。3) 高速性能优。输入信号频率不大于250kHz（20细分时），输入电流频率可达15kHz，由于采用单高压（300V）恒流斩波、高速特性好，驱动步进电机的空载运行最高速不低于7000mm/min。（4）使用面广。输入电流312A可调，可驱动90BF、110BF、130BF、150BF步进电机。DY3B系列三相混合式步进电机驱动器部分参数如下：表3-5DF3A06三相反应式步进电机驱动器的参数本章节主要讲述了数控化改造时，丝杠的选型，要求丝杠的类型以及丝杠的安装和设计，系统的介绍了在改造时应做的工作。其次又介绍了伺服系统和伺服电机的选型，通过计算，设计，选出了合适的伺服电机，列举了伺服电机的部分参数，为设计做了更好的说明。四 CA6140其他部分的改造特点4.1电气控制系统的改造设计一台典型的数控机床其全部的电气控制系统如图所：数据输入装备数控系统CNC机床 电气部分主轴驱动系统电气硬件电路接口可编程序逻辑控制器进给伺服系统外部设备 图4-1电气控制系统在电气系统的设计中应遵循以下原则：1）最大限度地满足生产机械对电气控制的要求，这些生产机械的生产工艺要求是电气控制设计的依据。2）在满足控制系统要求的前提下，设计方案力求简单、经济，不适宜盲目追求自动化和高指标，力求控制系统的简单、使用与维修方便。3）正确、合理地选用电气元件，确保控制系统的俄安全可靠地工作，同时考虑技术进步，造型美观。4）为适应生产的发展和工艺的改进，在选择控制设备时，设备能力应留有合适当量。CA6140车床的控制系统主要由四个基本部分组成：主机部分、驱动部分、控制部分、检测和显示部分。电气改造中，电器元件可保留原机床中的变压器、自动断路器、接触器等，主要增加的电气元件包括X、Z轴驱动器，电动刀架控制器，以及必要的控制开关、继电器等。改造后拆除原电控箱，原位安装改造后的电控箱。卧式车床的动力控制系统一般是由三相异步电机来实现。三相异步电机是由接触器拉控制的。电气控制线路一般应由电源电路、主电路、控制电路和CNC控制回路等构成。在改造中，选用GSK980TA数控系统时，同时配置了与该数控系统配套的电源电路。电气原理图如下：图4-2 主电路电气原理图图4-3控制电路原理图4.1.1自动回转刀架的设计（1）本刀架结构图如下：图4-4刀架结构图此设计采用的是常州宏达机床数控设备厂LD4CK6132立式转位刀架，其大致尺寸如下图。 表4-5LD4CK6132立式转位刀架参数型号L1L2L3H1H2H3LD4CK6132360226152174703813自动回转刀架工作原理：微电动机经弹簧安全离合器至蜗杆副带动螺母旋转，螺母抬起刀架使定位用的端齿盘的上盘与下盘分离，随即带动刀架转到位。然后发出信号使电动机反转锁紧，完成刀架换位后，在进行切削加工。一般情况下，回转刀架的换刀动作包括刀架抬起、刀架转位、刀架定位、刀架压紧。其工作原理如下图： 1电动机 2固定安装丝杠 3安全离合器 4上刀架4.2主轴脉冲发生器的选用与安装脉冲编码器是一种旋转式脉冲发生器，它把机械角变成电脉冲，是一种常用角位移传感器。光电式脉冲编码器根据编码方式的不同，分为绝对式编码盘和增量式编码盘。绝对式编码盘能够直接给出对应于每个角位置的二进制数码，便于计算机处理，但其结构较为复杂，光源寿命较短，而增量式编码器结构简单，价格低，寿命长等特点。目前广泛应用。因此，在改造设计中结合GSK980TA数控系统选用增量式编码器。主轴部位安装主轴脉冲发生器,为保证脉冲发生器与主轴等速旋转,即主轴转一周,主轴脉冲发生器也转一周。主轴脉冲发生器的安装方式很重要。改装时,主轴传动必须经过原有CA6140车床主轴箱中58/58和33/33两级齿轮(实现11)传递到原有CA6140车床的挂轮轴X,拆除挂轮留出空间,安装脉冲发生器,并用法兰盘固定。4.3导轨副的改装对数控车床来说，导轨除应具有普通车床导向精度和工艺性外，还要有良好的耐摩擦、磨损特性，并减少因摩擦阻力而致死区。同时要有足够的刚度，以减少导轨变形对加工精度的影响，要有合理的导轨防护和润滑。 普通车床导轨大多采用的是滑动导轨，其动、静摩擦系数大，在使用一段时间后都会有不同程度的磨损，对机床传动精度和其保持性带来很大的影响。因此在对其进行数控化改造的同时必须针对机床导轨状况进行必要的检修处理，改造后决定采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 4.4联轴器的安装传动丝杠轴线上各联轴套上的锥销孔座按十字分布方式进行配做。这是因为同一联轴套上分布的锥孔都由同一方向加工时，往往会引起轴线的直线度误差增大，从而使安装在丝杠上各零件间的同轴度误差增大，产生传动附加载荷，影响丝杠副的传动性能。本章主要介绍了在数控化改造时，对电气部分和机械部分的改造，改造时完全按照设计说明的原则，尽量不改动机床本体的要求。再次有说明了设计回转刀架和主轴脉冲发生器的安装导轨的改造和联轴器的安装等，利用图示，更清晰明了。五 总结在这次毕业设计中，我感觉，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，