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CA6140数控改造设计【8张CAD图纸+毕业答辩论文】

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CA6140数控改造

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A0-数控总图.dwg

A0-电气原理图.dwg

A1-主轴箱装配图.dwg

A1-横向进给系统图.dwg

A1-纵向进给系统图.dwg

A1-自动回转刀架.dwg

A2-横向丝杠支座.dwg

A2-调隙式齿轮.dwg

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关键词：: ca6140 数控改造全套 cad 图纸毕业答辩论文

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摘要

数控机床在机械制造业中发挥着巨大的作用，但数控机床一次性投资较大，对机床进行数控化改造不失为一良策。本设计利用数控装置对CA6140普通车床进行控制,主传动系统部分采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架(四工位)从而实现自动换刀；通过MCS-51系列8051单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器；将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。

本次设计的数控改造为经济适用型，改造简单易行，可降低劳动强度，提高生产效率。主要介绍了经济型数控机床进给伺服系统设计计算。阐述了CA6140普通数控车床的主轴系统的改进及机床纵向、横向进给系统的改造设计及计算。

关键词： CA6140车床；数控改造；滚珠丝杠；步进电动机

ABSTRACT

The NC machine plays a very great role in mechanical engineering．Although the investment needs a great deal of money，it is a good way to try digital modification for ordinary lathe.The spindle speed of CA6140 remains the manual function of shifting gears．The alteration is easy and it can reduce labor intensity

and improve productive efficiency． but the NC Machine larger one-time investment, NC machine tools for the transformation of a good after all. The design of the device using NC Lathe CA6140 control, part of the main transmission system using AC spindle motor and graded by the pulley driven spindle gearbox, through the inverter and gearbox to achieve sub; Feed System used by stepper motor driven ball screw slowdown after campaign vertical feed system through a gear after the ball screw drive, in the horizontal feed system through two gear-driven ball screw; Tool to automatically transfer tool carrier (4-position), thus achieving automatic tool change; by MCS-51 series 8051 data to be dealt with. from the I / O interface stepper pulse output signal to control the feed rate and itineraries; In order to maintain the function of cutting thread, to the outer end of spindle or other appropriate location loaded pulse generator; Lathe will be transformed into Tailstock manually controlled electric Tailstock. The design of the NC transformation of the economy - the application, transforming simple, can reduce labor intensity, improve production efficiency. Introduced a major economic NC machine tool servo system design. Expounded the CA6140 ordinary NC lathe spindle system improvements and vertical machine, horizontal feed system of the design and calculation.

Keywords：CA6140 lathe；digital modification；ball screw；stepping motor

第一章概述1

1.O 引言1

1.1 经济型数控改造的实际意义1

1.1.1 技术分析1

1.1.2 经济分析1

1.1.3 市场分析2

1.1.4 生产分析2

1.1.5 综合分析2

1.2 数控机床的基本结构及工作原理2

1.3数控机床的分类4

1.3.1 按加工工艺方法分类4

1.3.2 按控制运动的方式分类4

1.3.3 按驱动装置的特点分类4

1.4 数控机床的特点及应用范围6

1.4.1 数控机床的加工特点6

1.4.2数控机床的应用范围7

第二章经济型车床数控改造总体方案的确定8

2.1设计任务8

2.2总体数控改造方案设计8

第三章主传动系统设计10

3.1概述10

3.1.1数控机床主传动系统的特点10

3.2主传动系统的配置方式11

3.2.1 主传动系统的主轴电动机的选型11

3.2.2交流主轴电机的调速12

3.2.3分级变速齿轮箱的传动系统设计13

3.2.4主传动系统组件的结构形式17

第四章伺服进给系统的结构设计与计算19

4.1伺服进给传动系统概述19

4.2步进电动机及开环进给控制20

4.2.1步进电动机的驱动控制20

4.2.2、步进电机的驱动放大电路23

4.2.3步进电动机参数说明26

4.3纵向进给系统的设计计算27

4.3.1 设计参数27

4.3.2纵向进给切削力的确定28

4.3.3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型28

4.3.4纵向进给减速齿轮的设计与校核31

4.3.5纵向进给步进电动机的计算和选型32

4.4横向进给系统的设计计算35

4.4.1横向进给切削力的确定35

4.4.2横向进给切削力的确定35

4.4.3 横向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型35

4.4.4横向进给减速齿轮的设计与校核37

4.4.5横向进给步进电动机的计算和选型40

4.5 滚珠丝杠的安装42

4.5.1滚珠丝杠的安装形式42

4.5.2滚珠丝杠轴承的校核43

4.5.3消除齿轮间隙的措施：46

第五章自动回转刀架的设计48

5.1自动回转刀架主要类型及特点48

5.2自动回转刀架的设计计算48

5.2.1自动回转刀架步进电动机的选用49

5.2.2自动回转刀架的蜗轮蜗杆设计计算49

第六章电动尾座的设计53

6.1设计方案53

6.2电动尾座改造部分设计计算53

6.2.1电动尾座驱动电动机的选择53

6.2.2电动尾座用的齿轮设计53

第七章主轴编码器的设计56

7．1编码器工作原理56

7．2主轴编码器的安装57

第八章数控车床数控系统设计58

8.1概述58

8.2 计算机数控（CNC）系统的简介59

8.2.1概述59

8.2.2微处理器数控（MNC）系统的组成60

8.3 CNC系统的硬件结构62

8.3.1 单微处理机与多微处理机结构62

8.3.2大板式结构与功能模块式结构63

8.4 CNC系统的软件64

8.4.1 CNC系统软件的组成与功能64

8.4.2 CNC系统软件的特点和结构67

8.4.3.CNC系统软件结构的分类69

8.5CNC系统的工作过程70

8.5.1 CNC系统的数据段历程70

8.5.2 CNC系统自动工作时的总体流程70

8.6 运动轨迹的插补原理71

8.6.1 运动轨迹插补的概念71

8.6.2 运动轨迹插补的方法72

8.6.3 逐点比较法72

结论79

参考文献80

致谢81

第一章概述

1.O 引言

由于现代工业的飞速发展，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，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造，这样既可以提高生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，采用此方法对中、小型企业来说是十分理想的选择。

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A1-主轴箱装配图.gif

A0-数控总图.gif

A1-纵向进给系统图.gif

A1-横向进给系统图.gif

A0-电气原理图.gif

A1-自动回转刀架.gif

内容简介：: 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 1 页 1 第一章概述 1.O 引言由于现代工业的飞速发展，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，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造，这样既可以提高生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，采用此方法对中、小型企业来说是十分理想的选择。 1.1 经济型数控改造的实际意义目前，各企业一般都有不少普通车床，完全用数控车床加以替换根本不可能。解决这个问题，必须走普通车床数控改造之路。日本大企业中有 26%的机床经过数控化改造，而中小企业则占 74%;美国有许多数控专业化公司为用户提供数控改造服务。我国拥有 300 万台机床，其中大量的是通用车床。因此，普通车床的数控改造，大有可为。数控改造一般是指对普通车床某些部位作一定的改造，配上数控装置，从而使车床具有数控加工能力。 1.1.1 技术分析在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术、计算机技术的发展更快。应用到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，有些企业已在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床满足了技术发展的需要，提高了生产率和产品精度，增大了设备适应能力和型面加工范围。 1.1.2 经济分析由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用数控技术对旧机床加以改造，和购买新机床相比，则可以节省 50 以上的资金。一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的 1 3到 l 5，nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 2 页 2 一般用户都能够承担得起，这为资金紧张的中小型企业的技术改造开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了较大的吸引力。 1.1.3 市场分析据国内资料统计，订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足用户需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。 1.1.4 生产分析在现代机械制造工业中，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重。若要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。 1.1.5 综合分析从上述分析中不难看出，数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础上，具有可靠性高、柔性强、易于实现机电一体化、经济性可观等优点。为此，在旧有机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较大的经济效益。 1.2 数控机床的基本结构及工作原理数控机床加工零件的工作过程分以下几个步骤实现：（ 1）根据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序。（ 2）所编程序指令输入机床数控装置中。（ 3）数控装置对程序（代码）进行翻译、运算之后，向机床各个坐标的伺服驱动机构和辅助控制装置发出信号，驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助运动。（ 4）在机床上加工出合格的零件。下面对其各组成部分加以介绍。 1输入装置数控加工程序可通过键盘，用手工方式直接输入数控系统。还可由编程计算机用 RS232C 或采用网络通信方式传送到数控系统中。零件加工程序输入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工，另一nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 3 页 3 种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从存储器中逐段调出进行加工。 2数控装置数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置它的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。零件的轮廓图形往往由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸的要求进行运动，即按图形轨迹移动。但输入的零件加工程序只能是各线段轨迹的起点和终点坐标值等数据，不能满足要求。因此要进行轨迹插补，也就是在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应坐标输出脉冲信号，控制各坐标轴（即进给运动各执行部件）的进给速度、进给方向和进给位移量等。 3驱动装置和检测装置驱动装置接受来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移动部件，以加“出符合图样要求的零件。驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测出来，经反馈系统输入到机床的数控装置中。数控装置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，控制驱动装置按指令设定值运动。 4辅助控制装置辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。现广泛采用可编程控制器（ PLC）作数控机床的辅助控制装置。 5机床本体数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 4 页 4 1.3 数控机床的分类 1.3.1 按加工工艺方法分类 1金属切削类数控机床有数控车床、铣床、钻床、磨床、齿轮加工机床和加工中心等。 2特种加工类数控机床数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。 3板材加工类数控机床数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。 4非加工设备，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。 1.3.2 按控制运动的方式分类 1点位控制数控机床机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工。如：数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。 2点位直线控制数控机床机床移动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确移动定位，而且要控制工作台以一定的速度沿平行坐标轴方向进行直线切削加工。主要有简易数控车床、数控镗铣床等。 3轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床不仅可完成点位及点位直线控制数控机床的加工功能，而且能够对两个或两个以上坐标轴进行插补，因而具有各种轮廓切削加工功能。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。轮廓控制系统的结构要比点位直线控制系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。 1.3.3 按驱动装置的特点分类 1开环控制数控机床其控制系统不带反馈装置，通常使用功率步进电动机为伺服执行机构。开环控制系统结构简单，成本较低。不能进行误差校正，步进电动机的失步、nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 5 页 5 步距角误差、齿轮与丝杠等传动误差都将影响被加工零件的精度。开环系统仅适用于加工精度要求不很高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。 2半闭环控制数控机床半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。半闭环数控系统的调试比较方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，使结构更加紧凑。 3闭环控制数控机床闭环控制数控机床的特点是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 6 页 6 4混合控制数控机床将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床。混合控制系统又分为两种形式：（ 1）开环补偿型控制方式。其特点是基本控制选用步进电动机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路。通过装在工作台上的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。（ 2）半闭环补偿型控制方式。其特点是用半闭环控制方式取得高速度控制，再用装在工作台上的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。 1.4 数控机床的特点及应用范围 1.4.1 数控机床的加工特点 1加工精度高目前数控机床的脉冲当量普遍达到了 0 001 mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿。数控机床的加工精度由过去的 0 01 mm 提高到 0 005 mm。定位精度 90 年代初中期已达到 0.002mm 0 005 mm。 2对加工对象的适应性强在数控机床上改变加工零件时，只需重新编制（更换）程序，输入新的程序后就能实现对新零件的加工。 3自动化程度高，劳动强度低 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 7 页 7 数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成的 ,操作者除了操作面板、装卸零件、关键工序的中间测量以及观察机床的运行外，其他的机床动作直至加工完毕，都是自动连续完成，不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻，劳动条件也得到了相应的改善。 4生产效率高数控机床能有效的减少机动时间与辅助时间，每一道工序都能选用最有利的切削用量，选用了很高的空行程运动时间。因而消耗在快进、快退、和定位的时间比一般机床少得多。 5良好的经济效益在单件、小批量生产的情况下，可以节省工艺装备费用、辅助生产工时、生产管理费用及降低废品率等，因此能够获得良好的经济效益。 6.有利于现代化管理用数控机床加工零件，能准确地计算零件的加工工时，并有效地简化了检验和工夹具、半成品的管理工作。这些特点都有利于使生产管理现代化。 1.4.2数控机床的应用范围数控机床最适合加工具有以下特点的零件：（ 1）多品种小批量生产的零件；（ 2）形状结构比较复杂的零件；（ 3）精度要求高的零件；（ 4）需要频繁改型的零件；（ 5）价格昂贵，不允许报废的关键零件；（ 6）需要生产周期短的急需零件；（ 7）批量较大，精度要求高的零件。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 8 页 8 第二章经济型车床数控改造总体方案的确定 2.1 设计任务 (1)采用 ISO 标准语言，绝对 /增量方式混合编程。 (2)连续方式控制 X,Z向二轴。 (3)脉冲当量 :X向， 0. 005mm/脉冲 ;Z向 0.Olmm/脉冲。 (4)快速定位速度 :X轴为 lm/min, Z 轴为 3m/min。 (5)最大编程尺寸 :士 9999. 99mm, 8 位数码管。 (6)最大加工速度 :直线为 1. 5m/min，圆弧为 0. 6m/min。 (7)螺纹加工 :公制 0. 25 12mm，英制 33.5 3牙 /吋。 (8)数控系统程序存储器和数据存储器各 8KB。 2.2 总体数控改造方案设计本次设计属于经济型数控化改造，基本原则是在满足使用要求的前提下对机床的改动尽可能少 ,以降低成本。总体方案为：本设计利用数控装置对 CA6140 普通车床进行控制 ,主传动系统部分采用交流调频主轴电动机经带轮及分级齿轮变速箱驱动主轴，通过变频器和齿轮变速箱实现分段无级变速；进给系统采用步进电机通过减速后驱动滚珠丝杠运动，在纵向进给系统中通过一级齿轮减速后驱动滚珠丝杠，在横向进给系统中通过二级齿轮减速驱动滚珠丝杠；刀架改为自动转位刀架 (四工位 )从而实现自动换刀；通过 MCS-51系列 8051单片机对数据进行计算处理，由 I/O接口输出步进脉冲信号控制进给速度和行程；为了保持切削螺纹的功能，要在主轴外端或其它适当部位装上脉冲发生器；将车床的手动尾座改造成为可控电动尾座。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 9 页 9 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 10 页 10 第三章主传动系统设计 3.1 概述主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速和一定的变速范围，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和和制动。主传动系统包括电动机、传动系统和主轴部件，相比普通车床的主传动系统在结构上比较简单，因为变速功能由主轴电动机的无级调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，只有二级或三级齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的变速范围。 3.1.1 数控机床主传动系统的特点与普通机床比较，数控机床主传动系统具有下列特点： 1) 转速高、功率大。使数控机床能进行大功率切削和高速切削，实现高效率加工。 2) 变速范围宽。一般 Rn100,以保证加工时能选用合理的切削用量，从而获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。 3) 主轴变速迅速可靠。数控机床的变速是按照控制指令自动进行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。主轴组件的耐磨性高，使传动系统具有良好的精度保持性。 3.1.2数控机床主传动系统的设计要求 1) 主轴具有一定的转速和足够的转速范围、转速级数，能够实现运动的开停、变速、换向和和制动。 2) 主电动机具有足够的功率，全部机构和元件具有足够的强度和刚度，以满足机床的动力要求。 3) 主传动的有关结构，特别是主轴组件要有足够高的精度、抗振性，热变形和噪声要小，传动效率要高，以满足机床的工作性能要求。 4) 操纵灵活可靠，调整维修方便，润滑密封良好，以满足机床的使用要求。 5) 结构简单紧凑，工艺性好，成本低，以满足经济性要求。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 11 页 11 3.2 主传动系统的配置方式 3.2.1 主传动系统的主轴电动机的选型数控机床的调速是按照控制指令自动执行的，因此变速机构必须适应自动操作的要求。在主传动系统中，目前多采用交流主轴电动机和直流主轴电动机无级调速系统。为了扩大调速范围，适应低速大转矩的要求，也经常应用齿轮有级调速和电动机无级调速相结合的调速方式。我们选用交流主轴电动机配以齿轮变速箱实现分级无级调速。由于交流调速电机体积小，转动惯性小，动态响应快，没有电刷，能达到的最高转速比同功率的直流电动机高，磨损和故障也少。在中小功率领域已占优势，故本次设计选用交流调速电动机。通过调节供电频率的办法调速。功率特性见下图： nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 12 页 12 主轴电动机在额定转速时输出全部功率和最大转矩，随着转速的变化，功率和转矩将发生变化。在额定转速至最低转速为恒转矩速度范围，在额定转速至最高转速为恒功率速度范围。恒功率的速度范围只有 1： 3的速度比。当电动机速度超过某一定值之后，其功率速度曲线又会向下倾斜，不能保持恒功率。 3.2.2 交流主轴电机的调速交流主轴电动机属于交流感应电动机 ,当定子三相绕组通上交流电时 ,将建立起旋转磁场 ,其主磁通 m的空间转速为同步转速 ,其值为 n0 = 60f1/p (r/min) 式中 f1-定子供电电源频率（ HZ） p 旋转磁场极对数感应电动机转子的转数 n为 n= n0（ 1-s） =60f1（ 1-s） /p 式中 s 转差数 ,s= n0-n / n0 由上式可知，调速方法可分为两类。第一类是改变同步转数 n0的调速，它分为两种方法，一是改变电动机极对数 p。由于 p 是整数，所以只能得到级差很大的有级调速，不能满足数控机床的要求；二是改变电动机的供电频率 f1。可得到平滑的无级调速，是一种高效型交流调速，范围宽，精度高。第二类是不改变同步转速的调速，常用的有调压调速和电磁调速。由于有转差功率损耗，效率低，特性软，不适合数控机床调速。在实际调速时，单纯改变电源频率是不够的，因为由“电动机学”可知，旋转磁场以 n0速度切割定绕组，同在每相绕组感应电势为 E1=4.44f1k1w1 m u1 式中 k1w1 -定子每相绕组等效匝数； m 每极磁通量； u1 定子相电压所以 m= u1/4.44f1k1w1 由上式可知，如在变频调速中，只保持定子电压 u1不变，则主磁通大小将会发生变化。如果频率从工频往下调节，则上升，将导致铁心过热，功率因数下降，电动机带负载能力降低。因此，必须在降低频率的同时，降低电压，以保持不变。这就是所谓的恒磁通变频调速中的“调速控制”。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 13 页 13 只能用变频调速，并且是有效方法。变频调速的主要环节是为交流电机提供变频、变压电源的变频器，变频器分为：交直交变频器分电压型和电流型。电压型先将电网的交流电经整流器变为直流，再经逆变器变为频率和电压都可变的交流电压。电流型是切换一串方波，方波电流供电，用于大功率。交交变频器该变频器没有中间环节，直接将电网的交流电变为频率和电压都可变的交流电。目前对于中小功率电机，用得最多的是电压型交直交变频器。 3.2.3 分级变速齿轮箱的传动系统设计在设计数控机床主传动时，必须考虑电动机与机床主轴功率特性匹配问题。由于主轴要求的恒功率变速范围 Rnp 远大于电动机的恒功率范围 Rdp，所以在主轴之间要串联一个分级变速箱，以扩大其恒功率变速范围，满足低速大功率切削时对电动机的输出功率的要求。我们先设定主轴的最高转速为 4000r/min,最低转速为了 30r/min,计算转速为 150r/min，最大切削功率为 5.5KW，交流主轴电机额定转速为1500r/min,最高转速为 4500r/min. 主轴要求的恒功率变速范围 Rnp=4000/150=26.7 电动机的恒功率变速范围 Rdp=4500/1500=3 主轴要求的恒功率变速范围远大于电动机所能提供的恒功率变速范围，故必须配以分级变速箱。取变速箱的公比 f等于电动机的恒功率变速范围 Rdp, 即 f=Rdp=3，功率特性图是连续的，无缺口无重合的。如变速箱的变速级数为 Z，则主轴的恒功率变速范围 Rnp等于 Rnp= fZ-1 Rdp= fZ 故变速箱的变速级数 Z=lgRnp/lg f=2.99 取 Z=3 变速齿轮箱采用一级变速三对齿轮副数 ,齿数分别为 :高速级Z1:Z2=112:58；中速级 Z1:Z2=68： 102；低速大转矩级 Z1:Z2=30： 140 利用原车床主轴箱内的第三轴和主轴，查车床图册，两轴的中心距为170mm。因所选用电机与原电机功率相同，故轴不必另行校核。三副齿轮只校核低速重载齿轮副即可。校核如下：已知电动机输出功率为 7.5KW,额定转速为 1500r/min,则经同步带传nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 14 页 14 动，第三根轴的转速为 750r/min。经 Z1:Z2=30/140 传动后，主轴转速为160r/min. 大、小齿轮均采用 45 钢并进行调质处理 ,选小齿轮硬度 HBS260290,大齿轮硬度 HBS220 250,精度选 6 级。 m=2mm,a=20 ,齿宽b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齿轮传动效率 =0.98 齿轮几何尺寸计算 : 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 齿轮校核 : 1) 小齿轮转矩 9 5 5 0 * * *1 9 1 . 2750PT N m式中 P 电动机的输出功率齿轮传动效率取 0.96 2) 动载荷系数 AVK K K K K 式中 KA 使用系数取 1 Kv 动载荷系数取 1.15 KB 齿向载荷系数取 1.15 Ka 齿向载荷分配系数由12111 . 8 8 3 . 2 ( ) c o s 1 . 7 5 8ZZ 查表并插值得 K =1.179 则 K=1*1.15*1.15*1.179=1.56 3) 许用弯曲应力F F l i m = /N X FY Y S式中：Flim 弯曲疲劳极限；Flim1=460N/mm2 Flim2=390N/mm2 NY 弯曲寿命系数 1NY 2 1NY YX 尺寸系数取 1 SF 安全系数取 1.3 则 2F 1 F l i m 1 = / 3 5 3 . 8 5 /N X FY Y S N m m nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 15 页 15 2F 2 F l i m 2 = / 3 0 0 /N X FY Y S N m m 4) 齿要弯曲疲劳强度校核计算由式F 1 F a S a 1 F= 2 K T Y Y Y / b d m 式中 FaY 齿形系数 Fa1Y=2.4 Fa2Y=2.25 SaY 应力修正系数 Sa1Y=1.653 Sa2Y=1.75 Y 重合度系数 Y 0 . 2 5 0 . 7 5 / 0 . 6 7 7 则F 1 1 F a S a 1 F2 * 1 . 5 6 * 9 1 6 0 0= 2 K T Y Y Y / b d m = * 2 . 4 * 1 . 6 5 3 * 0 . 6 7 7 = 3 1 9 . 8 2 2 0 * 6 0 * 2 F 2 1 F a S a 2 F2 * 1 . 5 6 * 9 1 6 0 0= 2 K T Y Y Y / b d m = * 2 . 2 5 * 1 . 7 5 * 0 . 6 7 7 = 6 8 . 9 3 2 0 * 2 8 0 * 2 故齿根弯曲强度足够，满足要求。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 16 页 16 传动系统图见下图转速图见下图 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 17 页 17 主轴转速从 4000r/min至 145r/min 由 AB、 BC、 CD在段连接而成，属电动机的恒功率区，从 145r/min降至 30r/min上图中的 CD 段为恒转矩区。如取总效率 =0.75，则电动机功率 P=5.5/0.75=7.3KW。可选用北京数控设备厂的 BESK-8型交流主轴电动机，连续额定输出功率为 7.5KW。 3.2.4 主传动系统组件的结构形式在检查原有主轴轴承完好、运转正常的前提下，保留原有主轴支撑方式。保留原机床的主轴手动变速。改造后使其主 /运动和进给运动分离，主电机的作用仅为带动主轴旋转。增加一只电磁离合器，用以接收数控系统的停机制动信号以控制原制动装置制动停车。加工螺纹时，为保证主轴每转一转，刀具准确移动一个导程，须配置主轴脉冲发生器作为主轴位置信号的反馈元件。脉冲发生器采用同轴安装，橡胶管柔性联接，意在实现角位移信号传递的同时，又能吸收车床主轴的部分振动，从而使主轴脉冲发生器转动平 .稳，传递信号准确。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 18 页 18 数控机床主轴带传动变速常用多楔带和同步带。同步带又称为同步齿形带，按齿形不同又可分为梯形齿同步带和圆弧齿同步带两种。其中梯形齿多用在转速不高或小功率动力传动中，而圆弧齿多用在数控加工中心等要求较高的数控机床主运动传动系统中。我们选用 H型梯形齿同步带。查手册选两梯形齿同步带用带轮为 Z1:Z2=22： 44，带宽为 50.8mm,小带轮节圆为 80mm, 大带轮节圆为 194mm。带高 4.3mm齿高 2.29mm 节距 12.7mm。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 19 页 19 第四章伺服进给系统的结构设计与计算 4.1 伺服进给传动系统概述数控机床的伺服进给系统由伺服驱动电路、伺服驱动装置、机械传动机构及执行部件组成。它的作用是接收数控系统发出的进给速度和位移指令信号，由伺服驱动电路作转换和放大后，经伺服驱动装置（直流、交流伺服电动机、功率步进电机、电液脉冲马达等）和机械传动机构，驱动机床的工作台、主轴刀架等执行部件实现工作进给和快速运动。数控机床的伺服进给系统与一般机床的进给系统有本质上的差别，它能根据指令信号精确地控制执行部件的运动速度与位置，以及几个执行部件按一定规律运动所合成的运动轨迹。伺服进给系统的基本要求： 1) 精度要求伺服系统必须保证机床的定位精度和加工精度。对于低档型数控系统，驱动控制精度一般为 0.01mm；而对于高性能数控系统，驱动控制精度为 1um甚至为 0.1um。 2) 响应速度为了保证轮廓切削形状精度和加工表面粗糙度，除了要求有较高的定位精度外，还要有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。 3) 调整范围调整范围 Rn 是指生产机械要求电动机能提供的最高转速 nmax 和最低转速 nmin 之比。为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的调整范围。 4) 低速、大转矩根据机床的加工特点，经常在低速下进行重切削，即在低速下进给驱动系统必须有大的转矩输出。伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环三种方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不高的问题，但步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累。步进电机的转速和输入脉冲频率也有严格的对应关系，而且具有在负载能力范围内不随电流、电压、负载、环境条件的波动而变化的特点。此外，步进电机控制的开环系统不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的进展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机傲为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 20 页 20 由于在系统中增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了给安装调试增加了工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。考虑到是在普通车床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，我们采用了微机控制的步进电机开环伺服系统。 4.2 步进电动机及开环进给控制步进电机是一种把电脉冲信号变成直线位移或角位移的执行元件，是一种用脉冲信号控制的电动机，也称为脉冲电动机 ,在负载能力及动态特性范围内，步进电动机将来自数控装置的进给脉冲输出，电动机的角位移与控制脉冲数成正比，转速与控制脉冲频率成正比。对于每一个电脉冲 ,步进电机都将产生一个恒定的步进角位移 ,每一个脉冲或每步的转角称为步进电机的步距角 b, b 取为 0.75。每脉冲代表电机一定的转角 ,这个转角经齿轮副和滚珠丝杠副使工作台移动一定的距离每个脉冲所对应的执行件的移距 ,称为脉冲当量或分辨率根据机床精度要求确定脉冲当量 p，纵向： 0 01mm步；横向： 0 005 mm step。步进电动机的转速决定于控制绕组与电源接通和断开的脉冲变化频率。步进电动机的优点 :可以开环驱动而无需反馈 ,无稳定性问题 ,无累积定位误差 ,能响应数字信号 ,适合于数字计算机控制 ,机械结构简单 ,很少需要维护 ,不易受污染 ,可重复地堵转而不会损坏 ,相当坚固耐用。步进电动机的缺点：运动的增量和步距是固定的，在步进分辩率上缺乏灵活性，承受大惯性负载的能力有限，可供使用的电机尺寸和输出功率是有限的。步进电动机的种类很多，通常分为三种类型：反应式、永磁式和混合式。反应式步进电动机是利用磁阻转矩使转子转动的，是我国使用最广泛的步进电动机形式。 4.2.1 步进电动机的驱动控制步进电机是一种特殊的机电元件，不能直接接到交直流电源上工作，必须使用专用的驱动器。步进电机的驱动控制系统框图如下图所示。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 21 页 21 CN C环形分配器步进电动机功率放大器指令脉冲n电源步进电动机齿轮箱环形分配器步进电动机功率放大器指令脉冲电源步进电动机齿轮箱环形分配器用来接收来自控制器的脉冲信号，每来一个脉冲，环形分配器的输出转换一次。因此，步进电机转速的高低、升或降速、启动和停止都完全取决于控制器的有无或频率。同时，环形分配器还必须接受控制器的方向信号，从而决定步进电机的转动方向。 1、脉冲分配控制步进电机驱动电路完成由弱电到强电的转换和放大，也就是将逻辑电平信号变换成电机绕组所需的具有一定功率的电流脉冲信号。驱动控制电路由环形分配器和功率放大器组成。环形分配器是用于控制步进电机的通电方式的，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按照一定的顺序和分配方式加到功率放大器上，控制各相绕组的通电、断电。环形分配器的主要功能是把来自控制环节的时钟脉冲串按一定的规律分配给步进电机各相驱动器的输入端以控制励磁绕组的导通或截止。同时，由于电动机有正反转要求，所以脉冲环分配既是周期性的，又是可逆的。因此环形分配器是一种可逆循环的特殊编码计数器。其功能可由硬件或软件产生，硬件环形分配器是根据步进电机的相数和控制方式设计的 1、脉冲分配控制硬件（环形分配器）硬件环形分配器的种类很多，有专用基金的集成电路，可以用 JK触发器或 D触发器构成，还可以用通用的可编程逻辑器件组成。集成 CH250是一种专为反应式三相步进电机设计的环形分配器。该集成电路采用 CMOS工艺，集成度高，可靠性好。如下图示当 DIR=“ 1” 时，每来一个脉冲（ CLK）则电动机正转一步；当 DIR=“ 0” 时，每来一个脉冲（ CLK）则电动机反转一步。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 22 页 22 2软件脉冲分配的控制软件脉冲分配器是指实现步进电机脉冲分配控制的计算机程序。硬件脉冲分配器不占用计算机资源，但需要电路的支持，硬件成本较高。软件脉冲分配器不需额外电路，但要占用计算机运行时间。软环形分配器的设计方法有多种，如查表法、比较法、移位寄存器法等，最常用的是查表法。查表法的基本思路是：根据步进电机与计算机的接线情况及通电方式求出所需要的环形分配器输出状态表，将其存入存储器中，运行时按节拍序号查表获得相应控制数据，在规定时刻通过输出口将数据输出到步进电动机的驱动电路。对于三相六拍环形分配器，每当接收到一个进给脉冲指令，环形分配器软件根据下表所示真值表，按顺序及方向控制输出接口将 A、 B、 C的值输出即可。导电相工作状态 C B A A 0 0 1 A B 0 1 1 B 0 1 0 B C 1 1 0 CNC 装置电源环形分配器 A相驱动 B相驱动 C相驱动 FULL/HALF DIR CLK M 三相硬件环形分配器的驱动控制 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 23 页 23 C 0 0 C A 1 0 1 4.2.2、步进电机的驱动放大电路一般步进电机需要几个安培的电流，而环形分配器的输出电流很小，不能直接驱动步进电机，因此需要功率放大电路实现对脉冲分配回路弱信号的放大，产生电机脉冲信号工作所需的激磁电流，。功率放大电路有单电压、双电压、斩波型等。驱动放大器的作用：将环形分配器发出的 TTL电平信号放大至几安培到十几安培的电流，送至步进电动机的各绕组。驱动放大器的控制电路：单电压简单驱动、高低压切换驱动、高压恒流斩波、调频调压、细分驱动等。 a单电压功率放大电路单电压功率放大电路是步进电动控制中最简单的一种驱动电路。其中 L是步进电机的电感； RL是绕组电阻； D是二续流二极管；它为绕组放电提供回路； Rc是一个外接的功率电阻，也是一个限流电阻， V 是大功率开关晶体管。电路的时间常数为 T=L/（ RL+RC）时间常数表示开关回路在导通时允许步进电机绕组电流上升的速率。 T越小，则在晶体管 V从截止变成导通时允许步进电机按指数曲线上升越快，达到稳定时间越短， T 越大，电流上升越慢，达到稳定值的时间就越长。驱动电路时间常数 T对电机绕组的电流到达稳态值的时间有极大的关系，它影响步进电机的工作频率。 T 越小，电流到达稳态的时间越短，则电机的工作频率就可越高；反之， T 越大，电流到达稳态的时间越长，电机的工作频率就越低。单电压功率放大电路最大的特点是结构简单，但它的缺点是工作效率低，在高频工作状态时其效率很差。它的外接电阻 Rc 消耗相当大的一部分能量，并且 Rc 还会发热影响到电路工作的正常稳定状态。所以单电压功率放大电路一般只用于小功率步进电动机的驱动， nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 24 页 24 单电压功率放大电路单电压基本改进电路如下图所示单电压基本改进电路 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 25 页 25 它在外接电阻 Rc的两端并联了一个电容 C，同时在贯注回路中串联一个电阻 Rd。在 Rc 上并联电容 C 可以改善步进电机绕组的电流前沿特性。在功率晶体管 V导通的瞬间，电容相当于短路，迫使流过绕组的电流上升进一步加快，这样可使电流的前沿明显变陡，从而提高了步进电机的高频性能。在Rc上并联 C，俣的在一个步进的周期中，注入绕组的平均电流值相对增加了，从而提高了步进电机的转矩。特别是在高频段工作时更为明显。这种电路在实际应用中有着较多的应用。步进电机驱动电路的主要功能是功率放大，它将光电隔离电路进来的弱信号经功率放大，变成较强的电信号，直接驱动步进电机，如图所示。当控制脉冲来时， vl， v3， v4全导通，并使脉冲变压器 Tc的副边产生一定宽度的脉冲电流，使 v2导通，使 v5处于反向偏置，将低压 Ga与绕组 La切断，高压电源 Gh通过 v2、 v1为步进电机某一相绕组 La供电，使其电流上升沿变陡。经过tb时间后脉冲电流消失，使 V2截止， Gh与绕组之间被切断。 Ga 通过 v5、 V1为 La供电，提供电动机所需的额定电流。通过调整脉冲变压器的磁芯和 R5可改变高压供电的时间宽度 tb。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 26 页 26 速度控制：进给脉冲频率 f定子绕组通电 /断电状态变化频率 f 步进电机转速工作台的进给速度 V。 V=60 f 硬件环分：控制 CLK的频率，控制电动机的速度。软件环分：控制相邻两次软件环分状态之间的延时时间，可电动机线圈通电状态的变化频率。光电隔离电路：在步进电机驱动电路中，脉冲信号经功率放大器后控制电动机励磁绕组，由于步进电机需要的驱动电压较高 (约 80v)，电流较大 (约6A)，若将输出信号与功率放大器直接相联，将会引起强电干扰。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要接上隔离电路。 4.2.3步进电动机参数说明 2、矩角特性与最大静转矩如果在电机轴上外加一个负载转矩 Mz，转子会偏离平衡位置向负载转矩方向转过一个角度，角度称为失调角。有失调角之后，步进电机就产生一个静态转矩（也称为电磁转矩），这时静态转矩等于负载转矩。静态转矩与失调角的关系叫矩角特性，近似为正弦曲线。该矩角特性上的静态转矩最大值称为最大静转矩。 3、启动频率空载时，步进电机由静止状态突然起动，并进入不失步的正常运行的最1、步距角 b 每输入一个脉冲信号步进电动机所转过的角度称为步距角，以 b表示。步距误差是指步进电机运行时，转子每一步实际转过的角度与理论步距角之差值。 360bm K Zom 电机相数； Z 转子齿数； K 系数，相邻两次通电相数相同， K 1；相邻两次通电相数不同， K 2。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 27 页 27 高频率，称为启动频率或突跳频率，加给步进电机的指令脉冲频率如大于启动频率，就不能正常工作。步进电机在带负载（尤其是惯性负载）下的启动频率比空载要低。而且，随着负载加大（在允许范围内），启动频率会进一步降低。 4、连续运行频率步进电机起动后，其运行速度能根据指令脉冲频率连续上升而不丢步的最高工作频率，称为连续运行频率。其值远大于启动频率，它也随着电机所带负载的性质和大小而异，与驱动电源也有很大关系。 5、矩频特性与动态转矩矩频特性是描述步进电机连续稳定运行时输出转矩与连续运行频率之间的关系，该特性上每一个频率对应的转矩称为动态转矩。当步进电机正常运行时，若输入脉冲频率逐渐增加，则电动机所能带动负载转矩将逐渐下降。在使用时，一定要考虑动态转矩随连续运行频率的上升而下降的特点。步进电机与滚珠丝杠联接方式：一种是直联，结构简单但运动位移的脉冲不是 5的整数倍时给编程计算带来不便；另一种是在步进电动机与滚珠丝杠间能过减速器联接在一起，结构较复杂但有利于编程计算有利于提高加工精度。 4.3 纵向进给系统的设计计算 4.3.1 设计参数加工最大直径：在床面上 400mm，在床鞍上 210 mm；加工最大长度： 1 000 mm；溜板及刀架重力：纵向 800 N；刀架快速速度：纵向 2 4m/min；最大进给速度：纵向 O 8 m min；主电动机功率： P主 =7， 5 kW；起动加速时间： 30 ms；机床定位精度： 0 015 mm。根据机床精度要求确定脉冲当量 p，纵向： 0 01mm步；横向： 0 005 mm 步。 nts 中国矿业大学 2007 届本科生毕业设计第 28 页 28 4.3.2纵向进给切削力的确定 P主 Pm/ m=FzV*10-3/ m 式中 m =0.75 0.85; V-主轴传递全部功率时的最低速度主切削力 Fz按经验公式估算： Fz=0.67Dmax1.5=5360N 式中 Dmax为车床床面上加工的最大直径按切削力各分力比 Fz： Fx ： Fy =1： 0 25： 0 4 Fx=5360 0 25=1340N Fy=5360 O 40=2144N 4.3.3 纵向进给滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠工作原理及

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