毕业设计-经济型数控立式车床电气控制系统设计.doc

河 南 工 业 职 业 技 术 学 院毕业设计任务书指导教师 田林红一、设计题目 经济型数控立式车床电气控制系统设计二、设计的目的1）掌握数控机床的电气控制功能。2）掌握数控机床电气控制原理。 3）掌握机床电气设计方法。三、设计要求一台的普通立式车床，利用数控装置进行数控化改造。要求机床采用经济型开环数控装置：1）机床电气控制框图设计。2）选择电气控制元器件。3）电气控制原理图设计。4）安装调试说明。四、完成的技术资料要求说明详细，字迹工整，原理正确，元件选择有理。图纸规范，图形清晰，符号标准，线条均匀，用计算机画图。（1）设计图纸 原理图、元件安装布置图、接线图。（2）毕业设计说明书（15000，文字不少于6000字）1）设计题目2）设计方案论证3）控制原理说明4）元件明细表5）设计总结及改进意见6）主要参考资料五、参考文献机床数控技术基础 机械工业出版社 主编 王侃数控技术 机械工业出版社 主编 彭晓楠数控机床及应用 机械工业出版社 主编 李善术现代数控机床故障诊断与维修 国防工业出版社 主编 任建平 河 南 工 业 职 业 技 术 学 院Henan Polytechnic Institute毕业设计（论文）题 目经济型数控立式车床电气控制系统设计班 级机电姓 名郭 伟指导教师田 林 红目录摘 要5ABSTRACT6第一章 绪论7第二章 设计方案82.1 课题的来源与意义82.2 总体方案的确定8第三章 机床立式车床电气控制部分设计103.1电气控制系统方案的确定103.2 步进电动机开环控制系统设计123.3 8255可编程控制芯片的扩展193.4 辅助电路的设计213.5 操作面板设计的简要介绍233.6 绘制机床电气控制电路原理图23第四章 机械部分改造的设计244.1步进电动机的选择244.2 齿轮设计及强度校核计算304.3滚动轴承的选择和计算304.4 直流主轴驱动系统324.5 直流伺服电动机 354.6 控制方式 364.7电枢控制方式的运行特性 37设计小结39致谢语40参考文献40CW6132横向伺服进给单元装配图及零件图41机床电气控制电路原理图42摘 要在国际贸易中，很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润主要电机出口产品。世界贸易强国在进行国内机电产品贸易的同时，把高技术的机电产品出口打入国际市场，作为发展出口经济的重要战略措施，数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控车床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置。关键词 数控机床；发展趋势；智能化；柔性化ABSTRACTIn international trade,many centuries view digital lathesare as hi-techvalue-adds and profitable exports.Digital lathesare expensive mechanical and electrical products.The powerful trade nations export hi-texh mechanical snd electrical products to the world market whiledoing such business at home ,Which is now an important strategy of develop-ing their export economy.Key words digital lathe ; development tendency; intelligence; tenderness第一章 绪论 随着我国生产技术进步，在机械制造业中，经济型数控机床越来越受到企业的欢迎。企业一方面投入大量资金购买数控车床，另一方面更新改造现有普通机床，通过 为普通机床添加数控装置，将普通机床改造成经济型数控机床，这是许多中小型企业面临的重要技改措施。 数控机床能够适应市场对产品多样化、高精度的要求。因此得到了越来越广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格高，一致于推广应用受到限制，而我国又现存有大量的普通机床，利用较先进的数控 系统，对现有普通机床进行技术改造，对提高我国机械行业的数控加工技术具有 更重要意义。数控机床是衡量一个国家机械制造业水平的重要指标。根据我国机床拥有量大，生产 规模小的具体国情，将普通机床通过数控化改造为经济型数控机床是我国机械工业技术改造的这样目标。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大， 而且从目前企业所面临的情况看，因数控机 床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计 针对性强、时间短，改造设计 后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。第二章 设计方案2.1 课题的来源与意义 社会发展的今天，现代工业发展非常迅速突出，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新换代不仅资金投入大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大浪费。所以最简易经济的办法就 是进行数控化改造。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的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，大幅度地提高生产效率。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大，而且从目前企业所面临的情况看，因数控机 床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计 针对性强、时间短，改造设计 后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。2.2 总体方案的确定 根据改造设计内容确定方案。有设计内容可知，该CW6132车床的改造设计是将原机床中手动进给装置改装成有步进电动机驱动，采用微机控制步进电动机来完成数据的处理运动控制。由此可见改造设计以后的车床具有一定的数控机床功能和特点，大大提高了车床的数控化程度和生产效率，是一种经济型的数控机床。翻阅查看CW6132车床是一种小型的车床，床身最大工件回转直径320mm加工工件最大长度750mm，主要用于加工中小型类零件。根据我们的设计内容要求参考数控机床的改造设计经验，我们设计确定如图2-1 2-2 所示总体改造方案。图22 CW6132普通车床的数控改造方案图1.纵向滚珠丝杠 2.横向滚珠丝杠 3.步进电动机 4.减速齿轮 5. 减速齿轮 6. 步进电动机该方案中以步进电动机作为驱动元件，采用开环伺服控制，无检测反馈机构，具有结简单，使用维护方便，可靠性高，制造成本低等一系列的优点。从设计题目中可知，我们改造设计的是基于CW6132车床的横向伺服进给单元机电一体化改造设计。所以针对横向进给机构进行如下改造：拆除原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱，拆除原丝杠安装滚珠丝杠并仍然安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可以减小装配现场，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而是横向进给整体的刚性提高，优胜于以前的，横向进给机构采用二级齿轮减速，并用双片齿轮销齿法消除间隙。其余部分的改造设计尽量按照原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改装的部位，以降低生产成本，节约改造生产时间，提高生产效率。第三章 机床立式车床电气控制部分设计CW6132车床是一种小型的车床，对于它的伺服进给单元的机电一体化改造设计，我们从设计内容中可以知道，是用微机控制步进电动机驱动滚珠丝杠带动工作台来完成数控处理和运动控制。由此可见，改造设计后的机床具有一定的数控机床的功能特点，是一种简易经济数控机床，所以，我们就按照经济数控机床进行电气控制部分的改造设计。3.1 电气控制系统方案的确定 我们知道对于一些经济数控机床，常采用开环伺服系统，其结构如图31图31开环伺服系统结构原理图它主要由步进电动机和相适应的驱动电路组成，数控装置发出的指令脉冲驱动电路变换放大传给步进电动机，步进电动机每接受一个脉冲就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母带动机床工作台移动，步进电动机的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率和个数，反映到工作台就是工作台的移动速度和位移的大小。但系统没有位置检测反馈环节，工作台位移到位，其精度取决于步进电机齿距角精度，齿轮传动间隙和丝杠螺母精度等。由此可见，对于我们改造设计的CW6132车床的横向伺服就进给单元采用这种由步进电机驱动的开环控制系统比较合适的。该系统方案中不使用位置检测元件，也就没有闭环控制系统的稳定性问题。因此，具有结构简单，使用维修方便，可靠性高，制造成本低等一系列优点。对于CW6132车床精度要求不太高的中小型机床改造设计来说，特别适合适用这种开环步进控制系统发案。3.1.1 步进电动机与丝杠的联接对于经济数控机床，步进电动机应与进给运动的丝杠相连着主要是从进给传动链最短发出信息来考虑的，步进电动机与丝杠的联接的方法有两种：一种是与丝杠直接联接在一起，此方法结构简单，但是运行位移的脉冲当量不是5的倍数编程计算时不方便。另一种是在步进电动机输出轴端配置减速器，使减速器输出轴通才联接套于丝杠直接联接在一起，一般改造常采用这种联接方式。所以，CW6132车床改造设计也采用这种联接方式，而且从前面步进电动机计算和选择中可知采用二级传动3.1.8051单片机的选择 根据CW6132车床最大加工尺寸，加工精度，控制速度以及经济性要求，改造设计后的简易经济型数控机床一般采用8位微机进行控制，在8位微机中，MCS-51系列单片机集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能比。因此，我们设计选择应用MCS-51系列单片机作为控制微机在MCS-51系列单片机中8051为典型代表，它具有高性能8位CPU，4KROM，128字节RAM，2个16位定时/计数器，4个I/O，一个全双工异步串行口，5个中断源，可访问64K程序存储器空间和64K数据存储器空间，它与其中的8031相比，片内有4KB的ROM，而8031片内没有ROM或EPROM。8031使用时必须配置外部的程序存储器EPROM，而8051就不需要了。但它的片内ROM和片外ROM 不能同时占有，为了指示机器的这种只有生产厂家或器件设计者为用户提供了一条专用的控制引脚EA，如果EA 接+5V 高电平，则机器使用片内4KBROM ，如果EA 接低电平，则机器自动使用片外ROM，而8031引脚EA接地 所以，对于CW6132车床横向进给伺服系统就采用8051单片机进行数据传递和运动控制我们改造设计的机床，主要是横向伺服进给单元机电一体化改造设计，根据下面设计起控制电路如后面附图（B）所示 3.2 步进电动机开环控制系统设计 步进电动机又称脉冲电动机 ，使一种把脉冲信号转换成为线位移或角位移的电动机，常用作数字控制系统中的执行元件。根据前面的设计步进电动机的计算和选择可知，我们设计选用的是三相六拍的反映式步进电动机- 110BF003由于步进电动机各绕阻按一定节拍依次轮流通电才能转动，控制脉冲频率可控制其转动速度，因此 步进电动机的驱动系统由脉冲发生器，光隔离电路，脉冲功率放大器等组成，其驱动原理框图如下图32所示图32步进电动机驱动原理图图中，脉冲信号源是由CNC系统根据程序控制脉冲频率和频率的个数，脉冲分配器将脉冲信号按一定顺序分配；然后送到放大电路中进行功率放大，驱动步进电动机进行工作，其中脉冲分配器及前面的微机及接口芯片工作一般为+5V 而作为电动机电源需要符合 步进电动机的额定电压值，为避免强电对弱电的干扰，在它们之间设计采用光隔离电路。具体电路如下面所设计的3.2.1 脉冲分配器对于开环伺服驱动中，我们设计采用单片机脉冲分配器，如图3所设计的8051单片机控制步进电动机的控制电路。图33 8051单片机控制步进电动机控制电路原理图8051单片机的P1口作为输出口，用程序实现脉冲分配功能。对于三相异步电动机，用P1.0，P1.1，P1.2作为输出端，精光电隔离电路，再由驱动电路放大来驱动 步进电动机运转。对于我们改造设计的CW6132 车床的横向伺服进给单元机电一体化改造选择的是 三相六拍的反应式步进电动机 -110BF003。因此，按三相六拍的步电动机的通表电顺序，可以得出P1.0口的输出控制字表如下表1所示表1 P1.0口的输出控制字表由表可见，步进电动机第一个状态字为01H，从上而下输出控制字，步进电动机正转。从正转最后一个状态字05H 之后加上反转第一个控制字01H，此时，再接着输出控制字时，步进电动机反转，假设这些控制字在存储器地址以及读取控制字的顺序，可以画出三相六拍步进电动机的控制程序框图3-3如下图 3-3 步进电动机控制程序流程图假设，步进电动机总的运行参数放在R4转向标志存放在程序状态寄存器用户标志FI（D5H）中，当F1为“0”时，步进电动机正转。当F1为“1”时，步进电动机反转。正转时，8051的P1口的输出控制字01H，03H，02H，06H，04H，05存放在8051的片内数据存储器单元20H25H中，26H 存放结束标志00H 在27H2CH 的存储单元内存放反转时P1端口的输出控制字01H，04H，06H，.02H，03H，在2DH单元内存放结束标志00H。根据前面的控制程序表1图3-4）的控制程序控制框图，我们可以 编出步进电动机正反转及转速控制，其控制程序如下； PUSH A； MOV R4， #H CLR C； ORL C， D5H； JC R0TE； MOV R0， #20H AJMP LOOP； R0TE：MOV R0， #27H LOOP：MOV A， R0 MOV P1， A； ACALL DELAY； INC R0； MOV A， 00H ORL A， R0； JZ TPL； LOOP： DJNZ R4，LOOP； POP A； TPL MOV A， R0； CLR C； SUBB A， 06H； MOV R0， A； AJMP LOOP1； DELAY： MOV R2， M； DELAY1： MOV A， M1； LOOP： DEC A； JNZ LOOP； DJNZ R2， DELAY1； RET3.2.2 光隔离电路在这个步进电动机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电动机的励磁绕组。由于步进电动机需要的驱动电压较高（几十伏）电流也教大（几安到几十安）如果将I/O口输出信号直接与功率放大器相连，轻则影响单片机程序的正常运行，重则导致单片机接口电路的损坏。因此，在接口电路与功率放大器之间设计加光隔离电路，实现电器隔离，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由发光二级管和光敏晶体管组成如下图3-5所示的共集电极输出型光耦合器。当输入信号VI加到输入端时，发光二极管导通激发出红外光，光敏晶体管受光照后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现以光为媒介的电信号传输，输入端与输出端在电气上完全隔离。图3-5 共集电极耦合器 图 3-6 光电隔离输出电路上图36为光隔离输入与输出电路。控制信号74LS05集电极开路门反相后驱动光耦器的输入发光二 极管 。当控制信号为低电平，74LS05不吸收电 流，发光二极管不导通，从而输出的光敏晶体管截止，当控制信号为高电平，74LS05吸收电流，发光二极管导通 发光，光敏晶体管受到激励导通。我们的改造设计就采用这种光隔离电路。3.2.3 步进电动机驱动电路由于逻辑电路和单片机的输出脉冲电平很小，一般为3V左右电流为毫安无法驱动步进电动机，而需要经过驱动电路进行功率放大。我们知道常用的驱动电路有：单电源驱动电路高低压双电源驱动电路和恒流斩波驱动电路。而我们设计采用高低压双电源驱动电路 作为该系统的驱动电动。如下图所示设计的高低双电源驱动电路。 图3-7 高低双电源驱动电路 图中LA为步进电动机A相绕组，接大功率VT1和VT2之间，VT1为高压管。当脉冲分配器输出低电平是，VTI和VT2之间截止，LA无电流通过。当脉冲分配器输出高电平是，是单稳态电路翻转为高电平输出，经前端放大使VT1导通，同时功率管VT2也导通，高压电源Vn经VTI和VT2加至LA上。此时，二极管VD1因承受反向电压而截止，切断低压电路VL，由于高压源电压很高，线圈的电流 上升很快，上升沿变陡，当电流值接近步进电动机的额定值是，单稳态电路延时时间到 ，翻转为输出低电压，使高电压管VT1截止。这时，由低电压电源VL供电，VT2继续导通LA继续通过电流 。当脉冲分配器输出的脉冲为低电平时，功率VT2截止，这时为二极管VD2续流，电流随之减少为零，采用这种驱动电路是因为它于单电源驱动电路相比，高低压双电源驱动电路的电流波形上升沿变陡，使步进电机的力矩和运行频率等主要性能得到明显改善，而且驱动功率也比单电源的高；在结构上也比恒流斩波驱动电 路的简单。所以我们设计应用这种高低压双电源驱动电路3.3 8255可编程控制芯片的扩展MCS51系列单片机的特点之一就是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合可以不用I/O口系统，但是对于复杂的应用场合就需要用I/O口扩展来满足单片机运行功能的像我们设计的CW6132车床的数控化的改造就有一定的复杂程度。因此。我们对8051单片机进行I/O口扩展，扩展一片8255可编程控制芯片来达到机床控制运动功能的完善性选用的8255芯片是INTEL生产的可编程0输入输出接口芯片它具有3个8位的并行I/O口分别为PA。PB，PC口其中PC又分为高4位（PC7PC4）和低4位（PC3PC0），它们都可以使用软件编程来改变I/O口工作方式。因此，8255使用方便，通用性强，经常作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。我们设计的是8255芯片与8051直接接口电路如图38所示 图 3-8 8051扩展8255的接口电路连接图在8051单片机的I/O口上扩展一片8255芯片，无需加任何逻辑电路，从图中可以看出8255的片选信号CS及口地址选择线A0，A1分别由8051的P0.7和P0.0，P0.1经地址锁存器74LS373锁存后提供。所以8255的A口，B 口 ，C口以及控制口地址分别为FF7CH，FF7DH，FF7EH，FF7FH。8255的复位端与8051 的复位端相连，都接到8051的复位电路上。我们知道在实际应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写人操作口。根据我们的设计图38可知：A口地址：FF7CH； B口地址：FF7DH； C口地址：FF7EH； 控制口地址： FF7FH；对于8255的C口8位中的一位，均可以用指令来置位和复位。例如，如果把C口的第6位PC5置1相应的字控制为00001011B=0BH，程序如下： MOV DPTR ， #0FF7FH； MOV A， #0BH； MOVX DPTR , A； 由此可见，8255接口芯片在MCS-51系列单片机中应用非常广泛，广泛应用与外围设备，如打印机，键盘，显示器以及作为控制信息输人输出。所以我们设计扩展用8255可编程控制芯片进行数据传递和进行控制。其中，用8255的A口控制步进电动机，PA0PA5为输出口，用于控制Z向步进电动机。B口作为输入口，用于功能键的控制，其中，PB0PB4口分别控制空运行、自动、手动I、手动II、和回零 。PB5口用于报警显示，系统正常时，输出低电平，绿色灯亮；当系统出现异常情况时，输出高电平，红色灯亮，实现报警功能。C口也用作输出口，其中C0C3口控制面板上的按键，分别控制启动、暂停、连续、急停等功能。C4C7口接越程报警控制电路，当床鞍工作停止，以保护工作台正常运行。3.4 辅助电路的设计3.4.1 8051单片机的时钟电路我们知道单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，如下图3-9所示，晶体可在1.212MHZ任选，偶合电容在530PF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把XTAI直接接地，XTAL2接外 部时钟源。经过比较，我们设计采用内部时钟方式，如图3-9所示。 图 3-9 时钟电路3.4.2 复位电路 单片机的复位电路都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上高电平，单片机便实现复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序。单片机通常采用上自动复位和按钮复位两种，而我们设计应用上电与按钮复位组合的复位电路如图3-10所示。在上电瞬间，R、C电路充电，RESET引脚端出现正脉冲，只要RESET端保持10ms以上高电平，就能使单片机有效地复位。 图 3-10 复位电路3.4.3 越界报警电路 为了防止工作台越界，我们设计越界电路如图2-11所示。 图 3-11 越界报警显示电路我们改造设计的CW6132车床有4个 方向可能越界，即+X、-X、+Z、-Z。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动。其中图3-11中（a）图是报警信号的产生，（b）图是报警显示。这里利用8255PC口进行控制，只要任一个行程开关闭合，即工作台在某一个方向越界，均能产生越界信号。为了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当越界报警时红灯亮。两个灯均有一个I/O口输出控制。其他的辅助电路的设计请参照附图（B）所示3.5 操作面板设计的简要介绍根据前面的几部分的设计和机床运动控制的基本要求，我们设计的操作面板如下图所示的经济数控车床控制面板设计方案。3.6 绘制机床电气控制电路原理图 在完成前几部分的设计之后，我们就可以着手绘制改造设计之后的CW6132车床的电气控制图了。在绘制时，我们主要根据前面几部分的设计进行绘制。绘制的具体电气控制电路原理图 参看后面的附图（B）。图312所示的经济数控车床控制面板设计方案第四章 机械部分改造的设计4.1步进电动机的选择4.1.1 传动比的计算 根据给定的横向进给的脉冲当量0.005mm，滚珠丝杠导程=6mm，及初选的步进电机步距角0.75，可计算出传动比i： =360/ 式中 脉冲当量（mm/步）； 滚珠丝杠导程（mm）； 步进电机步距角（）；减速齿轮考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程故采用两级齿轮降速，根据传动比，即 i=360/选齿轮Z1=28，Z2=56，Z3=24，Z4=30一级降速传动比为0.5二级降速传动比为0.8初选步进电动机型为150BF002,因为进给伺服系统传递功率不大,一般选模数取m=12，本次设计选用m=24.1.2 转动惯量的计算选择步进电动机时,必须根据机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量,分别计算各种情况下所需要的力矩,再根据步进电动机最大静转矩和启动运行频率特性选择合适的步进电动机,负载惯量是驱动系统的主要参数之一,它对选择步进电动机,设计传动比等都有十分重要的意义,如果该惯量与电动机的匹配不当,系统就得不到快速反应,甚至失效.Z1=28,z2=56,z3=24,z4=30齿轮的转动惯量。 = =2.6358 = =36.148 =1.4227 = =0.186丝杠的转动惯量可以从表中查得负载转动惯量考虑步进电动机与负载转动系统惯量匹配问题即 0.571满足惯量匹配要求。而惯量由伺附电动机的惯量 和进给系统惯量 组成 伺附电动机的惯量进给系统惯量负载转矩计算及最大静转矩选择：机床在不同的情况下，其所需要的转矩不同，下面分别进行计算快速空载启动是所需要的转矩为 式中： 快速空载启动力矩 空载启动折算到电动机上的加速力矩 折算到电动机轴上的摩擦力矩 由于丝杠加紧时折算到电动机轴上的附加力矩将已知数据代入 式中 传动系统折算到电动机轴上的等效的转动惯量 运动部件从停止启动加速到最大快进速度所需要的时间 电动机的最大转速 折算到电动机轴上的摩擦力矩 式中 导轨的摩擦力 垂直方向的切削力 运动部件的总重量 导轨的摩擦系数 齿轮降速比 传动链总效率，一般取0.70.85 附加力矩： 式中： 滚珠丝杠预加负荷前一般取 滚珠丝杠导程滚珠丝杠拧紧时的效率一般大于0.9于是： 快速移动时需要的力矩： 最大切削负载时所需要的力矩： 从以上计算可以看出三种工况下以快速空载启动所需要的力矩最大，依次作为出选电动机的依据。对于工作方式与五相十拍的步进电动机最大静转矩： 从相关资料可以查出150BF002型号的步进电动机最大静转矩为13027N.M大于所需要的最大静转矩可以作为初选型号大需要考虑电动机启动矩频特性和运行它。步进电动机的空载启动频率： 由相关资料知道150BF002步进电动机允许的作大空载启动频率为2800HZ，运行频率为8000HZ，有下图（a)可以看出步进电动机启动是频率为2500HZ，远不能满足机床所需。直接使用回产生失步现象，所以必须采取升降速度控制（可以用软件实现）将启动频率降到1000HZ时，启动扭矩可以增高到588 。然后在电路上再采用高低压驱动电路，可以将步进电机输出转矩扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，由150BF002型号的步进电动机矩频特性（b)知道电动机可以满足要求。根据上述计算综合考虑，横向进给系统采用150BF002型号电动机（a)步进电动机启动频率（b) 步进电动机矩频特性 图42步进电动机的启动频率和矩频特性零件的设计计算，传动轴的初步计算及结构设计，支撑方式和部件的选择计算：4.2 齿轮设计及强度校核计算选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数该传动方案选用直齿圆柱齿轮传动.速度不高,所以齿轮选8级精度；齿轮材料选用价格便宜并且硬度合适的材料；齿轮 Z1，Z3，Z4 材料为45#钢(调质)； 齿轮Z2材料为45钢(常化)。 根据传动比选取小齿轮Z1=28.Z2=56.Z3=24.Z4=30因齿面硬度小于350HBS的闭式传动,所以按照齿面接触疲劳强度设计,然后校核齿根弯曲疲劳强度.4.3滚动轴承的选择和计算即中间轴滚动轴承的选择计算，按轴的结构设计，初步选用型号为6204的深沟求轴承。计算轴承载荷：图45 轴的受力图轴承的径向载荷轴承 A： 轴承 B： N按寿命计算选择轴承型号派生轴向力的计算， 查表可知 NN确定轴承的轴向载荷 故轴承1“放松”轴承2“压紧”根据当量动载荷公式计算P值 计算工作所需要的径向基本额定动载荷： 由于常温，中等冲击取，深沟球轴承寿命指数，两支承用同一型号， h若按大修期5年更换轴承，轴承的寿命足够用，故所选轴承合适 4.4 直流主轴驱动系统从原理上说，直流主轴驱动系统与通常的直流调速系统无本质的区别，但因为数控机床高速、高效、高精度的要求，决定了直流主轴驱动系统具有以下特点：1)调速范围宽。采用直流主轴驱动系统的数控机床通常只设置高、低两级速度的机械变速机构，电动机的转速由主轴驱动器控制，实现无级变速，因此，它必须具有较宽的调速范围。2)直流主轴电动机通常采用全封闭的结构形式，可以在有尘埃和切削液飞溅的工业环境中使用。3)主轴电动机通常采用特殊的热管冷却系统，能将转子产生的热量迅速向外界发散。此外，为了使电动机发热最小，定子往往采用独特附加磁极，以减小损耗，提高效率。4)直流主轴驱动器主回路一般采用晶闸管三相全波整流，以实现四象限的运行。5)主轴控制性能好。为了便于与数控系统的配合，主轴伺服器一般都带有D/A转换器、“使能”信号输入、“准备好”输出、速度/转矩显示输出等信号接口。6)纯电气主轴定向准停控制功能。由于换刀、精密镗孔、螺纹加工等需要，数控机床的主轴应具有定向准停控制功能，而且应由电气控制系统自动实现，以进一步缩短定位时间，提高机床效率。数控机床常用的直流主轴驱动系统的原理框图如图3-1所示。4-1 数控机床常用的直流主轴驱动系统的原理框图由图可见，主轴驱动系统类似于直流进给伺服系统，它也是由速度环和电流环构成的双环速度控制系统，通过控制直流主轴电动机的电枢电压实现变速。控制系统的主回路一般采用晶闸管反并联可逆整流电路。系统的工作原理可参阅直流进给伺服系统部分，在此不再赘述。图4-1的上半部分为励磁控制回路，由于主轴电动机功率通常较大，且要求恒功率调速范围尽可能大，因此，一般采用他励电动机，励磁绕组与电枢绕组相互独立，并由单独的可调直流电源供电。图中，磁控制回路的电流给定、电枢电压反馈、励磁电流反馈三组信号经比较之后输入至比例一积分调节器，调节器的输出经过电压/相位转换器，控制晶闸管触发脉冲的相位，调节励磁绕组的电流大小，实现电动机的恒功率弱磁调速。主轴定向准停控制的作用是将主轴准确停在某一固定的角度上，以进行换刀等动作。主轴定向准停的位置检测，可以利用装在主轴上的位置编码器或磁性传感器进行，通过位置闭环，使主轴准确定位在规定的位置上。图4-2为主轴定向准停控制示意图，当采用位置编码器作为位置检测器件时，为了控制主轴位置，主轴与编码器之间必须是11传动或将编码器直接安装在主轴轴端。当采用磁性传感器作为位置检测器件时，磁性器件应直接安装在主轴上，而磁性传感头则应固定在主轴箱体上。4-2 主轴定向准停控制示意图4.5 直流伺服电动机直流伺服电动机实质上就是他励式直流电动机，其结构与普通小型直流电动机相同，可分为永磁式和电磁式两种。永磁式直流伺服电动机的磁极是用永久磁铁制成，电磁式直流伺服电动机的磁极是磁极铁心套上励磁绕组组成的。直流伺服电动机的工作原理与普通直流电动机相同。励磁绕组中流过电流所产生的磁通与电枢绕组中通过的电流互相作用时即产生电磁转矩，使伺服电动机旋转，当这两个绕组中有一个断电时，伺服电动机能立即停转。直流伺服电动机是自动控制系统中一种很好的执行元件。4.6 控制方式 幼稚流电动机的调速方法和正反转方法可知，当改变电枢绕组端电压的大小和极性或改变励磁绕组励磁电流的大小和方向时，电动机的转速和旋转方向也随之改变，所以直流伺服电动机的控制方式也就有两种。 1电枢控制方式 励磁恒定，电枢电压作为控制信号，这时电枢绕组称为控制绕组，电枢电压称为控制电压。 2磁场控制方式 电枢电压恒定，励磁绕组接受控制信号，这时励磁绕组称为控制绕组，励磁电压称为控制电压。 因电枢控制方式的机械特性和调节特性均为线性，电枢回路电感小，响应迅速，所以直流伺服电动机多采用电枢控制方式。下面只介绍电枢控制方式的运行持性。 4.7 电枢控制方式的运行特性 电枢控制时直流伺服电动机的工作原理如图41所示。为分析方便，假设电机磁路不饱和，即认为磁化曲线为直线。并且不计电枢反应的影响。 我们先看一下直流伺服电动机的机械特性方程。 图41电枢