Z3063摇臂钻床的数控化改造设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 臂钻床的数控化改造 F 2015 年 2 月 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 臂钻床的数控化改造 摘要 ： 针对 公司 车间的 结合 电气系统的组建与调试对 确定了钻床的数控化改造方案， 介绍了机械的改造设计、 改造钻床是为了提高了加工效率和加工精度 ， 取得了较好的应用效果 ， 而且也加深自 身对数控机床的认识 ， 并能够初步掌握机电一体化系统的机械设计和自动化设计方 法 。 对于自己所学的知识进行可行性实 践 ， 培养设计能力及独立思考的能力 ， 巩固 并强化理论知识 ， 为以后工作起到打基础的作用 ， 培养自己的创新意识和动手能 力。 关键词 ：数控化改造；点位控制； 流程设计 in of 3063 of of of 3063 of of is to NC of of to of of 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 目 录 第一章 . 前言 4 第二章 . 数控改造的目的 6 第三章 . 改造方案的确定 7 械部分的改造 7 控控制部分的改造 7 电气控制系统中的应用 7 制系统设计的基本原则 8 坐标机械设计 8 工作台设计 8 轨的设计选型 9 珠丝杠的设计计算 11 进电机的计算选型 14 轴器的选择 16 杠轴承的 选择 17 方向机械设计 20 方向步进电机的计算选型 20 轴器的选择 21 方向机械设计 21 方向步进电机计算选型 22 轴器的选择 22 第 四 章 24 3063 摇臂钻床分析控制对象、确定控制要求 24 电动机 要求 24 电动机 要求 24 电动机 要求 24 动机 24 定 I/O 点数 24 制 I/O 端子接线图 24 形图设计 25 25 26 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 机控制系统及接口电路 27 工程序编制及计算机辅助编程 27 工试验及结论 28 造后数控摇臂钻床的结构特点 28 第 五 章 . 总结 30 第六 章 . 致谢 31 第七 章 . 参考文献 32 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 第一章 前言 据资料介绍，我国 拥有 400 多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普 通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。在过去 的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方 面做了有益的尝试。实践 证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使 改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。 数控机床是综合了微电子、计算机 、自动控制、自动检测等先进技术的新型机床 ，最适宜加工小批量、高精度、品种多、生产周期要求短的零件。当变更 加工对象时只需要更换零件加工程序 ，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足 产品频繁变化的加工要求。虽然数控机床的优势很大 ，但是对于制造企业，单纯地 靠购买数控机床来解决现状 ，一方面需要大量的资金投 入；另一方面，将原有的普 通机床闲置 ，势必造成一种浪费。为了节约资金、降低成本，在原普通机床的基 础上 ，进行数控化改造，是一种一举两得的有效途径，既经济又快捷。 在美国、日本和德国等发达国家 ，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意 盎然 ，正处黄金时代。用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机 床及和生产线数控改造的新行业。数控机床是装备制造业的工作母机 ，是实现制造 技术和装备现代化的基石。国际上一些国家一直把高性能数控机床作为战略物资而严格控制 ，限制我国进口高性能数控机床。国外装备制造业的发展经验表明，发 展 装备制造业 ，数控机床是基础。 总体来看 ，我国数控工业与世界先 进水平相比 ，差距十分明显。一是国产高档， 数控机床在品种水平和数量上远远满足不了国内发展需求 ，高档数控机床目前仍 然要大量依赖进口 。二是数控机床功能部件和数控系统发展滞后，成为我国数控机 床产业发展的瓶颈 。三是机床制造企业技术水平不高，制造能力、综合管理和服务 能力等方面不能满足市场快节奏发展的要求 。四是大型国有企业的旧有设备比例 大 ，设备更新所需资金缺口大。 本文针对公司车间的 臂钻床进行数控化改造。 采用机械预选变速机构，可节省辅助时间。 主 轴正反转、停车、变速、空挡等动作，用一个手柄控制，操纵轻便夹紧。 主轴箱、摇臂、内外柱采用液压驱动的菱形块夹紧机构，夹紧可靠。 摇臂上导轨、主轴套筒及内外柱回转滚道等处均进行淬火处理，可延长使用寿命。 主轴箱的移动除手动外，还能机动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 械型摇臂钻床主要技术参数： 钻孔最大直径：铸件 63 主轴中心线至立柱母线距离： 500轴箱水平移动距离： 1500 主轴端面至底座工作面距离： 680轴行程： 350 立柱直径： 330 主轴锥孔： 5 主轴转速范围： 34、 47、 66、 90、 130、 180、 240、 340、 470、 650、 930、 1280 主轴转速级数： 12 主轴进给量范围： 轴进给级数： 6 主轴允许最大进给抗力： 17000N 摇臂升降速度： 臂顺转角度： 360 主电机功率： 降电机功率： 重： 3500 工作台尺寸： 650*500*400（ 4 道 T 型槽） 外形尺寸： 26503063 摇臂钻床是工厂中常用的金属切削机床，它可以进行多种形式的加工如：钻孔、镗孔、铰孔及螺纹等。从控制上 讲，它需要机、电、液压等系统相互配合使用，而且要进行时间控制。它的调速是通过三相交流异步电动机 和变速箱来实现的。 也有的是采用多速异步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的。故主电动机只有一个旋转方向。此外，摇臂的上升、下降和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。 摇臂钻床适合与在大、中型零件上进行钻孔、扩口、绞孔及攻螺纹等工作 ，在具有工艺装备的 条件下还可以进行镗孔。 臂钻床由底座、外立柱、内立柱 ，摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。 内立柱固定在底座的一端 ，外立柱套在内立柱上，工作时用液压夹紧机构与内立柱夹紧，松开后 可绕立柱回转 360 度。摇臂的一端为套筒 ，它套在外立柱上，经液压夹紧机构可与外立柱夹紧。夹 紧机构松开后 ，借助升降丝杆的正、反向旋转可沿外立柱上、下移动。由于升降丝杆与外立柱构成 一体 ，而升降螺母则固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起绕内立柱买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 回转。 主轴箱是一个复合部件 ，它由主传动电动机。主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以及机床 的操作机构部分组成。主轴箱安装与摇臂的水平导轨上 ，可以 通过手轮操作使主轴箱沿水平导轨移 动 ，通过液压夹 紧机构固在摇臂在。钻削加工时 ，主轴旋转为主运动，而主轴的直线移动为进给运 动。即钻孔使钻头一面做旋转运动 ，同时做纵向进给运动，主轴变速和进给变速的机构在主 轴箱内， 用变速机构分别调节主轴转速和上下进给量。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动 拖到。 摇臂钻床的辅助运动有 ，摇臂沿外立柱的上升、下降、立柱的夹紧和松开以及摇臂与外立柱一 起绕内立柱的回转运动。摇臂的上升、下降由一台交流电动机 动 ，立柱的夹紧和松开、摇臂 的夹紧与松开以及主轴箱的夹紧和松 开是有另一台交流电动机 动一台齿轮泵 ，供给夹紧装置 所需的压力油推动夹紧机构液压系统实现的。而摇臂的回转和主轴箱沿摇臂水平导轨方向的左右移动。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 第二章 数控改造的目的 随着石油化工、热能工程等行业的发展，管板类零件的加工需求越来越多，要求越来越高。如换热器管板和折流板上钻有大量的孔，以便穿过换热管。为了使换热管能顺利地插入管板，不仅要求每个孔有一定的尺寸精度，更重要的是孔间的相互位置精度 (误差一般要求为 右 )。以往加工管板、折流板的工艺流程为：划线 打洋冲 打 中心孔 检验钻孔。这种方法不仅劳动强度大、工序多、每件加工需要百余个工时，而且加工精度低，经常出晚换热管插不进管板、折流板，造成工件报废和返工。因此使用高精度、高自动化的数控机床加工已势在必行。但是购置专用大型数控机床或加工中心价洛昂贵，如将工厂现有的普通摇臂钻床 (如 )进行数控化改造，则是一项费用低、收效快、切实可行的方案。 同时也可以 加深对数控机床的认识 ， 巩固加深自己所学的知识 ， 并能够利用所学的专业理 论与实践结合。同时进一步了解机电一体化的一些基本知识 ， 并能够初步掌握机电 一体化系统的机械设计和自 动化设计方法 ， 培养设计能力及独立思考的能力 ， 巩固并强化理论知识 ， 为以后工作起到打基础的 作用 ， 培养自己的创新意识和动手能力。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 第三章 改造方案的确定 3. 1 机械部分的改造 根据摇臂钻床布局 ，欲加工此类管板零件，只要控制钻床主轴走出每个加工孔 的点位即可 ，为有直角坐标控制方式和极坐标控制方式两种改造方案。后一种方 案结构紧凑 ，加工范围能充分利用 (由于数控转台的回转 ，其加工范围扩大为 Y 向行程的一倍 )。只要将图纸中孔的尺寸标注从直角坐标转化为 极坐标即可 ，这对现今使 用计算机来说是极其简单的事 ，因而被采用。 3. 2 数控 制系统部分的改造 根据校企合作开发系列教材电气系统的组建与调试对 臂钻床工作原理的学习和对车间老师的请教以及在车间工作时对 臂钻床的操作 ，仔细阅读、分析臂钻床的电气原理图 ，确定各部分的要求，进行 臂钻床的 制系统部分的改造 ，使机床实现自动化，数控化的改造。 3. 2. 1 电气控制系统中的应用 现代工业生产中，中小批量零件的生产占产品数量的 比例越来越高，零件的复杂性和精度要求迅速提高，传统的普通钻床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竞争，发展到全面满足顾客要求、积极开发新产品的竞争，将面临知识 技术 产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强，因此敏捷先进的制造技术将成为企业赢得竞争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧密，作为自动化柔性生产重要基础的“软”控制系统机床，在生 产中所占比例将越来越高。 20世纪 70 年代以前，电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成。继电器控制系统的优点是结构简单、价格低廉、抗干扰能力强， 所以当时应用的十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备中应用。 但是，该类控制系统的缺点也十分明显，它采用固定的硬件接线方式来完成各种逻辑控制，灵活性差；另外机械性触点的工作频率低，易损坏，因此可靠性较差。 随着信息化产业的高速发展，数控机床的功能日趋完善，数控机床已经完全取代了普通机床，而数控技术是机械加工自动化的基础，是数控机床的核心技术，其水平高、 低关系到国家战略地位、国民经济水平和体现国家综合实力的水平。今后数控技术又将向着高精化，高速化，高效化，系统化，自动化，智能化，集体化方向发展，并注重工艺适用性和经济性。 应用面广、功能强大、使用方便，是当代工业自动化的主要设备之一。 软件手段实现了各种控制功能，与继电器控制系统相比，灵活性大大提高；与普通的计算机相比，又具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、扩展方便、体积小等突出优点，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 制系统设计的基本原则 1. 最 大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥 功能，最大限度地满足被控对象的控制要求，是设计 制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案，共同解决设计中的重点问题和疑难问题。 2. 保证 制系统安全可靠 保证 制系统能够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器件选 择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证 序不仅在正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等），也能正常工作。 3. 力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大的经济效益和社会效 益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在 满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工程的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和 维护方便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。 4. 适应发展的需要 由于技术的不断发展，控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就要求在选择 入 /输出模块、 I/O 点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的发展和工艺的改进。 坐标机械设计 X 方向是一个独立的工作台。机械改造设计的内容包括：确定工作台尺寸及重量，导轨的设计选型，滚珠丝杠螺母副的设计计算选型，步进电机参数的计算选型，联轴器的选型，丝杠支承轴承的选型。 工作台设计 座在 X 方向尺寸为 1000轴箱在摇臂上行程，即 Y 方向行程为 900 毫米， 用于加工大型零件，现确定其加工零件的最大质量为 200 本方案设计的 X 工作台是用螺栓和 工作台的 T 型槽连接的，而不拆除原有工作台。原工作台 X， Y， Z 方向的尺寸为 500630500工作台面到钻床底座的距离，即 00面再增加一个滚珠丝杠驱动的工作台，总体尺寸不会超过 1000方案相当于稍微增加了原工作台的高度。 设计工作台 X， Y， 5058050虑到对工作台强度及刚度的要求，确定工作台厚度即 0作台上铣出 3条 样能够保证在加工最大尺寸工件时，能够用 确定工作台上 部宽度 B=25部宽度 A=14部高度 C=11=28间距 P=80 栓头宽 S=22栓头厚度 K=6文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 158 1996，如图 3 3示 本标准等效采用国际标准 299机床工作台 T 形槽和相应的螺栓并补充了 T 形槽不通端型式及尺寸、 工作台的材料取 45 号钢，表面热处理使其硬度达到要求，密度为 =以，工作台的质量： M= V M=58010 5010 010 =根据要求，加工零件的最大质量为 200估计一下工作台上各种部件的质量， 00 轨的设计选型 原工作台 X 方向尺寸 500Y 方向尺寸为 630计导轨 20轨 80种导轨的结构特点是承载能买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 力大，刚性较高，形状规则，制造和维修方便；但矩形导轨侧面有间隙，导向精度较低，适用于普通精度机床。为了降低摩擦系数，在导轨面上粘贴聚四氟乙烯薄片。 矩形导轨截面如图 3 根据 X 工作台及原 作台的尺寸，确定导轨的尺寸如下：导轨跨度 A=500轨宽度B=406H=25板厚度 h=16，镶条厚度 b=8条宽度 矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。在垂直方向上，一般采用下压板调整它的低面间隙，其方法有：刮研或配磨下压板的结合面；用螺钉调整镶条位置；改变垫片的片数或厚度。在水平方向上，常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。 因为为了保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，要废很大的劳动量，而且导轨经过长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。 间隙调整装置 广泛采用镶条和压板，设计时，除了考虑保证调整容易外，应该注意增强它们的刚性。镶条装在运动部件上并位于受力较小的一侧。如果两侧受力都较大时，应选择斜镶条。但由于受力大的一侧磨损大，间隙消除后，会使运动部件向装镶条的另一侧移动。如果不允许有横向移动 (例如用丝杠传动会引起丝杠弯曲 )，可在导轨两侧各用一条镶条，以保持间隙调整后中心位置不变。运动部件达到行程终点时，镶条不许伸出过多。 综合考虑各种因素，确定选择平镶条和矩形压板。如图 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 平镶条结构说明：镶条各面彼此平行，用均布的顶紧螺钉使镶条横 向移动来调整间隙。这种镶条的特点是，制造简单，调整麻烦，各处间隙很难调整到一致，沿镶条全长只有几点受力，接触刚度差。这种平镶条用于短的或受力不大的各种不太重要的场合。 矩形压板结构说明：调整间隙时磨削或修刮压板和工作台下部的水平接合面，结构简单，调整麻烦，要拆卸压板，用于磨损较小或间隙对加工精度影响不大的场合。 压板受力较大，或导轨工作长度较短时，压板长度等于导轨长度。当压板受力不大、或导轨工作长度较长时，只需在运动部件的两端或中间 (受力区 )装短压板，其长度可取为导轨工作长度的 1/3或 1/4。在此，取压 板长度等于运动的工作台 50条长度取相同的值 350 珠丝杠的设计计算 X 方向定位精度要求为 作台快进速度定为 1m/速时间为 丝杠分为滑动丝杠和滚珠丝杠。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床 。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性：传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 13 用寿命长、同步性能好。由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套滚珠丝杠副方案驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步工作。 滚珠丝杠与传统滑动丝杠相比，有以下优点：一，与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3。由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率。 与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下，即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3，在省电方面很有帮助。 二，高精度的保证。三，微进给可能。滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。四，无侧隙，刚性高。滚珠丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性 (滚珠丝杠内通过给滚珠加预压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝杠螺母部的刚性增强 )。五，高速进给可能。滚珠丝杠由于运动效率高，发热小，所以可实现高 速进给运动。 根据额定动载荷选择 W 系列 W 型无衬套外循环单螺母 1 列滚珠丝杠副，丝杠副如图 3示。 此型号滚珠丝杠副的主要参数如下： 滚珠丝杠副型号： 义直径： 5距：买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 14 t=6螺旋升角： =3 7 滚珠直径： 道半径： R=心距： e=杠外径： d=34螺母凸缘外径： =86钉中心圆直径： =72母凸缘厚度： T=12钉尺寸：28 螺钉个数： a=4 螺母配合外径 ： D =65母长度： 8额定动载荷： C=1940定静载荷： 110此型号滚珠丝副额定动载荷 1940足驱动能力要求。 进电机的计算选型 数控机床上可以用步进电机和伺服电机控制，这里先对两者进行一下性能比较，以便更好的选择合适的电机。 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于 数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 第一，控制精度不同。两相混合式步进电机步距角一般为 五相混合式步进电机步距角一般为 ，也有一些高性能的步进电机步距角更小，如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 ；德国百格拉公司（ 产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 、 、 、 、 、 、 ，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准 2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为 360 /10000=。对于带 17位编码器的电机而言，驱动器每接收 131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为 360 /131072 ，是步距角为 步进电机的脉冲当量的 1/655。 第二，低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解 析机能（ 可检测出机械的共振点，便于系统调整。 第三，矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在 300 600流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000000内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 15 第四，过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。 第五，运行性能不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理 好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。 第六，速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 00静止加速到其额定转速 3000用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电 机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。 步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲，步进电机就转一个角度，因此非常合适单片机控制，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，电机则转过一个步距角，同时步进电机只有周期性的无累积误差，精度高。 步进电动机有如下特点：第一，步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟 随性；第二，由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统；第三，步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速；第四，速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。第五，步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。第六，步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。 步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角 相混合式步 进电机为例，在整步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转 旋转一周，则需要 200 个脉冲，在半步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转 旋转一周，则需要 400 个脉冲。控制步进电机旋转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲。 步进电机在低频工作时，会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分方式，就能很好的解决这个问题，步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分，一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机 旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小，步进电机半步工作方式就蕴涵了细分的工作原理。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 16 通过以上信息，可知本次设计的工作台控制精度要求不需要很高，考虑成本因素等等，选择步进电机控制。 下面对步进电机进行计算选型。 数控机床伺服进给系统按控制形式有开环，半闭环，以及闭环三种形式。在具体设计前，首先应根据对机床的性能要求选择适当的控制形式。一般选择原则为，精度要求高时应采用闭环控制方式，因为各种影响定位精度的因素都可以得到补偿。而开环、半闭环存在着影响定位精度的各种因素，特别是频 繁定位时。但与此同时，还必须考虑到稳定性，成本，以及机床规格大小等其他因素。对于闭环伺服进给系统，基设计计算主要是稳定性问题，对于开环、半闭环伺服进给系统，基设计计算主要是定位精度问题。 综合各种因素考虑， 要使系统协调运转，电机选型是比较重要的一环。由于电动机直接与外界负载相关联，因此，可以先从电动机着手。选择步进电动机大致可以分为以下几个步骤：第一，计算负载转矩；第二，计算传动构件的转动惯量；第三，计算传动比；第四，计算电动机起动转矩；第五，选取电动机。 X 工作台精度要求 为 作台定位精度通过电机的脉冲当量控制，脉冲当量是每一个脉冲滚珠丝杠移动的距离，脉冲当量必须小于等于要求的精度。 90 D=90B=90d=147b=40h=3L=17607轴器的选择 固定式刚性联轴器的结构最简单，零件数量少，重量轻，制造容易，成本低。适用于转速不高，载荷平 衡的场合。用固定式刚性联轴器联接的两轴可当作一个刚性的整体，当安装时调整未达到对中要求或工作过程因轴承磨损等各种原因引起两轴相对位移时，都将使联轴器承受弯矩，产生买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 17 附加径向力，增加轴和轴承上的作用力，缩短轴承的使用期。为了减轻这种附加载荷的影响，联轴器所联两轴应采用刚性大而且稳固的轴承。同时，应调整至所联两轴的相对径向位移在 轴长时取大值 )，相对角位移在 套筒式联轴器是利用一公用套筒以销、键或过盈配合等联接方式与两轴相联。套筒式联轴器制造容易，零件数量最少， 结构紧凑，径向外形尺寸最小，但装拆不方便，需要沿轴向移动较大的距离，一般可用于无轴肩的光轴或允许沿轴向移动的轻载荷传动轴系。 X 方向步进电机和丝杠选用套筒式联轴器联接。所选择的套筒联轴器的基本参数和主要尺寸如下： 轴直径： d=14用转矩 16N m 5=45=10=1=圆锥销： 4 25， 117 2000 套筒式联轴器如图 3 杠轴承的选择 机器中的轴都以轴承为支承的。轴的支承结构设计对于保证轴的运转精度， 发挥轴承的工作能力起着重要作用。支承结构的设计，需要综合考虑轴承的配置、轴向位置的限定与调整、轴的热膨胀补偿、轴承游隙调整、轴承的紧固、轴承的润滑和密封等问题。 轴一般采用双支承结构，每个支承由 1 2个轴承组成。受纯径向载荷的轴，两支承可取向心轴承对称布置。受径向载荷和轴向载荷联合作用的轴，两支承通常选用同型号的角接触轴承。此时，两轴承的配置可取：背对背排列，面对面排列，串联排列。 00于丝杠长度较长，根据采用一端，一端游动的支承结构。由于丝杠主要受径向力，轴承选用既能承受径向载 荷又能承受轴向载荷的角接触球轴承串联排列支承。所选型号轴承如图 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 18 固定 实现轴在该方向上的轴向定位。而在轴的另一支承端，使轴承与轴或外壳孔间可以相对移动，以补偿轴因热变形及制造安装误差所引起的长度变化。 这种支承中，轴的轴向定位精度取决于固定端轴承轴向游隙量的大小。因此用一对角接触球轴承或圆锥滚子轴承组成的固定端的轴向定位精度，要比深沟球轴承的精度高。固定端轴承的内外圈，应分别与轴和外壳孔作轴向定位和固定。 游动端对轴的长度变 化的补偿，最简单有效的方法是采用内圈无挡边或外圈无挡边的圆柱滚子轴承。当采用其他类型的轴承时，可根据载荷形式和工作条件，分别使内圈与轴或外圈与外壳孔成间隙配合，以满足轴向游动的需要。固定 各种工作条件的适应性强，因此在各种机床主轴、工作温度较高的蜗杆轴以及跨距较大的长轴支承中广泛应用。 X 方向丝杠支承固定端的轴向紧固有多种方式可以选择，在此选择轴承内圈的紧固方式为一侧靠轴肩定位如图 3 另一侧用锁紧螺母与止动垫圈紧固，如图 3示。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 19 这种紧固方式结构简单，装拆 方便，占用空间小，紧固可靠。 固定端外圈的紧固方式，一侧外圈采用端盖紧固。如图 3 这种紧固方式的特点是结构简单，紧固可靠，调整方便。 另一侧外圈采用定制的轴承座上的挡肩定位，如图 3买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 20 这种方式特点同样是结构简单，工作可靠。 X 方向丝杠游动端紧固，只需紧固轴承内圈两侧，一侧采用锁紧螺母与止动垫圈紧固，另一侧采用轴肩定位，和固定端轴承内圈采用同样的紧固方式。 丝杠轴公称直径 35虑到轴承安装尺寸等因素，轴承内径设计为 25承选择 7205接触球轴承。图如 3 具体参数如下： 轴承代号： 7205本尺寸： d=25本尺寸： D=52本尺寸： 2B=30安装尺寸： da(31装尺寸： Da(46装尺寸： Db(装尺寸：ra(1装尺寸： rb(他尺寸： 他尺寸： 他尺寸： r(1 其他尺寸： r1(本额定载荷： 本额定载荷： 限转速，脂： 8000 r/限转速，油： 11000r/量： 方向机械设计 Y 方向改造是将滚珠丝杠通过丝杠螺母副和 轴箱连接，用滚珠丝杠驱动主轴箱在摇臂上移动。机械改造设计的内容包括：滚珠丝杠螺母副的设计计算选型，步进电机参数的计算选型，及联轴器的选型，丝杠支承轴承的选型。 丝杠副 ，名义直径 35型号滚珠丝杠副额定动载荷 C=1940足负载要求。即Y 方向滚珠丝杠螺母副的型号可以选择和 X 工作台上的滚珠丝杠螺母副型号一样。根据摇臂 长度和主轴箱行程，并且考虑丝杠需要留下一定的富余长度，确定 307 方向步进电机的计算选型 Y 方向步进电机的选型和 X 工作台步进电机选型方法基本一致，可以参考前面 X 方向步进电机选型的详细说明来选择 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 21 由于步进电机调速范围较大，电机和丝杠之间暂时不考虑齿轮变速。取传动比 i=1，步距角 = 转动惯量的计