数控清角机数控系统设计说明书

目 录目 录 .11 前言 .21.1 设计的目的和意义 .21.2 塑窗设备的发展现状 .21.2.1 现状分析 .21.2.2 发展趋势 .41.3 主要设计内容 .52 系统设计方案 .62.1 机械部分设计 .62.2 电气部分设计 .72.3 气动控制部分的设计 .73 机械部分设计 .83.1 数控清角机工作原理 .83.2 各机械部分的计算和选型 .93.2.1 气缸的选型计算 .93.2.2 滚珠丝杠螺母副的选型 .123.2.3 电动机的选型计算 .154 电气原理部分设计 .234.1 硬件系统平台 .234.2 各部分功能的实现 .245 结 论 .261 前言1.1 设计的目的和意义随着塑料门窗设备在人们生活中的应用越来越多，人们对塑窗的要求也越来越高。相应的，塑窗生产厂家为满足市场的需求，也日渐注重生产效率的提高以及产品的美观性。同时随着我国经济的发展，我国工业水平也必将向着高度自动化的现代化企业方向发展，与发达国家同行业相比，我国现有塑窗组装生产设备的总体自动化程度还不能适应高度自动化及现代化企业生产的需要。本次设计就是在此基础上提出的。即要将清角机设计成为高生产效率，高加工精度的自动化设备。1.2 塑窗设备的发展现状1.2.1 现状分析1、设备种类、品种、功能目前，我国塑料门窗组装设备有锯切类设备、铣削类设备、焊接类设备、清角类设备、加工中心自动线类、其他类及车台类共七大类设备，约一百多个品种的不同性能、不同规格和满足不同生产工艺需要的设备。设备铣削类设备主要包括仿形铣、水槽铣设备、端面铣设备、封盖铣设备、锁孔槽加工机及门板锁孔组合钻等，该类设备用于塑料门窗构件各种槽孔的铣削加工及门板锁孔加工等。焊接类设备主要包括两位焊机、三位焊机、四位焊机、平面布置的四角焊机以及单点焊机等。焊接类设备的主要功能是完成塑料门窗组装中的塑料型材的焊接成框和成扇的过程。不同机型适用于不同规模和不同工艺要求的设备配置。清角类设备主要包括数控角缝清理机、成型刀类角缝清理机、V 型角缝清理机、单面手提清角机、内外角铣等，用于清理框、扇焊后焊接角缝处焊瘤，以保证焊接部位不影响塑窗使用性能及获得令人满意的外现。其它设备包括圆弧窗机、螺钉紧固机、组合螺钉紧固机、门板加工中心、型材冲压机系列、及门窗五金件实验机等。辅助车台类设备包括型材料架设备、型材周转车设备、密封条推车设备、五金配件推车设备、五金配件安装台设备、胶条安装台设备、塑窗组装工作台设备、成窗周转车等用于塑料门窗组装过程中的辅助设备和工具。2、总体状态清角类设备主要包括数控角缝清理机、成型刀类角缝清理机、V 型角缝清理机、单面手提清角机、内外角铣等，用于清理框、扇焊后焊接角缝处焊瘤，以保证焊接部位不影响塑窗使用性能及获得令人满意的外现。3、与国外塑窗组装设备的差距以及结合我国具体国情需要注意和改进的几点 与国外塑窗组装设备相比，我们有些塑窗组装设备厂家在一定程度上存在着重硬件、轻软件，重设计、轻工艺的倾向，即单纯追求设备的设计和生产销售而忽略设备本身的制造工艺，不注重设备使用过程中应如何满足塑料门窗加工工艺性能的要求而提供与之相完美适应的设备。这些，一方面是因为与我们国家整体的工业水平有关，另一方面的原因可能就是有些设备厂家对我们塑料门窗的行业特点、工艺特点不很明确或不很重视。（1）与发达国家同行业设备相比，我们国产塑料门窗组装设备自身制造精度相对来说略低，即设备机械零件制造粗糙、部件装配精度不高，及生产、装配和检验等过程中工艺控制的技术手段不完备，致使设备调试以及设备使用过程中人工调整量较大。尤其是有些过于追求低价位的设备制造商提供的设备，不能满足加工高档门窗的工艺要求。（2）现有设备对地理气候及工业环境的适应性不高，可以说，在塑窗设备的引进和吸收的过程中，没有充分注意到我国地理气候条件及工业生产环境与其他国家气候条件及生产环境之间的差异。我国地域广阔，地域之间气候差异较大，现有设备不能满足气温在 10以下且没有取暖设施的生产条件下的需要，尤其是焊接角强度较低；同时，我们国家尚处于发展中国家水平，现有的工厂生产条件与国外存在一定差距，而现有的某些塑窗组装设备很难在这些具体生产条件下组装出较高质量的塑料门窗。（3）较之与发达国家同行业设备相比，我们现有塑窗设备的生产系统可靠性相对较差，故障率较高。（4）随着塑料门窗市场的发展，尤其是经济发展较好的一些地区，大规模塑料门窗生产厂应运而生。有些厂家设备体系不能很好的满足大批量、规模化生产的配套需要，因此，这就需要设备供应商能够提供可以满足大批量生产规模需求的专业性更强的塑窗组装设备。（5）有些厂家的设备不能很好地满足特殊型材体系的工艺要求，比如美式型材体系、出材率较高的薄壁型材、圆角及其它特殊形状、特别尺寸型材的工艺要求等。4、机械技术、电气控制技术水平机械结构上，双角锯、焊接机等长直线导轨，由专门的机械加工，直线轴承、同步齿形带等精密机械零件参照国外机型选购和使用，基本可以满足机械系统稳定性、塑窗组装中的定位精度及加工成窗的尺寸精度要求。塑料门窗组装设备广泛采用气压传动，可以满足塑料型材对焊接保压压力、型材切割力、压紧力等要求。控制部分除采用传统的继电器控制外，一般国产焊接机均采用数显温度控制系统和使用可编程序控制器（PLC）控制整机的动作，使设备操作简单，提高加工效率高。1.2.2 发展趋势应该说，使整个塑料门窗组装设备体系更加完善，能够更好的满足塑料门窗组装工艺需要，将是今后塑料门窗组装设备的整体发展趋势。1、研制、开发出能够满足高度自动化生产需要的系列设备该类设备的特点是设备自动化程度高、加工效率和加工精度较高。通过该类设备的不同组合配置，可实现年产塑料门窗不低于 1020 万平方米，能够充分满足大规模、高自动化要求的现代企业生产需要。塑料门窗焊接清角自动线由塑料门窗数控四角焊接机、输送装置及数控清角机等组成。当贴有标识的型材输送到焊接工序时，焊接机的控制部分根据标识的含义，命令机器执行标识所代表的成窗尺寸并自动完成焊接过程。焊接后的窗框或窗扇被输送装置送至清角工位，数控清角机根据框扇规格等信息自动调出相应的清角程序，自动完成塑料门窗框或扇的焊后角缝清理，依次自动换角，四角全部清理后自动拖出。2、设备性能的更加提高设备整机性能包括设备精度、设备稳定性、设备可靠性及设备满足具体工艺要求的性能。(1)提高设备的可靠性设备所采用的电、气元件的质量和可靠性是决定设备出故障率多或少的关键，是决定设备可靠性的关键。设备供应商应根据我国塑料门窗生产组织及生产环境的具体特点，如生产的间歇性、间断时间内的大批量高使用频率，生产环境特点（低温、潮湿等） ，供电稳定程度等选用相应性能特点的元件，并坚持对元件的具体使用性能情况进行总结，积累经验，来不断提高设备的可靠性，减少塑窗设备组装厂家在生产过程中因设备维修引起的停工停产带来的经济损失。(2)提高设备精度及设备的系统稳定性通过结构的改进，以及设备零部件制造、装配精度的控制和提高，实现设备整机系统稳定性的提高，减少和杜绝在使用过程中设备本身尺寸精度的改变，减少设备使用中工人的调整量。如改善悬臂支架等结构的受力情况；对机座、机架进行有效的时效处理；特别是借鉴机械制造行业的先进经验，针对焊机、双角锯等关键工序所用设备制订切实可行的从零件到部装到总装以及整机性能的一系列检验工艺，并研制一批相应的检验工艺工装，以上改进将使得结构更合理、整机系统更稳定，为组装塑料门窗提供更精良的工艺保证。1.3 主要设计内容1. 机械实体部分的设计该部分具体分为窗框的定位；定位后夹紧压头装置在气缸的带动下对塑窗型材进行压紧；切削机构的设计：圆盘铣刀机构清洗焊接后窗角外立面的焊接材料，上下拉刀机构清洗焊接后上下平面的焊缝，圆柱铣刀机构清洗焊接后内角的焊接材料；进给机构的设计，导轨及丝杠轴承的选择等。窗框定位系统 窗框定位系统主要是实现对窗框的准确定位，以保证进行角缝清理时，清理外立面角的圆盘铣刀以及清理上下平面缝的拉刀相对于塑窗框保持正确的位置，进而进行准确的清洗以保证铣削质量。该部分有拨料杆气缸、定位杆等机构组成。当有窗框或型材放到工作台上并给与感应开关一定压力后，拨料杆将型材输送到紧靠定位杆的位置。夹紧装置 窗框的夹紧装置主要由压紧气缸、气缸支架以及夹紧压头组成。由压紧气缸带动夹紧压头实现对塑窗型材的压紧。同时，压紧气缸作用在型材上的位置可以根据窗框的宽度作适当的调整。切削机构 由于该清角机既可以清洗外角，还可以清洗窗框焊缝，因此该清角机的切削机构主要由外立面圆盘铣刀机构、上下拉刀机构以及拖板等构成。其中，外立面铣刀机构实现焊接后窗角外立面的铣削，上下拉刀机构实现上下平面焊缝的处理。以上机构均安装在拖板上，并由拖板在进给丝杠的带动下实现相对于窗框的进给及回程运动。进给机构 进给机构主要由进给气缸、气缸座和进给导轴组成。2. 电路原理部分的设计包括主电路及控制电路的设计。该清角机采用基于 PLC 的开放式数控系统。其中控制电路由电机、可编程序控制器、急停控制、电源指示、安全开关等部分组成，并通过低压断路器实现过载保护。安全开关安装在进给机构的外壳内侧，只有在外壳盖上按下安全开关的触点时控制电路才得电；否则，若外壳敞开，则全部控制电路失电，机器不能工作。控制电路部分通过低压断路器进行过载保护。可编程序控制器通过预先设定的程序控制电磁阀是否运动，进而控制其他机械部分做出相应的动作。3. 气动原理部分的设计气动控制部分主要由门窗定位缸气动控制、门窗夹紧缸气动控制、进给缸的气动控制。门窗调整缸的气动控制等。气动控制部分通过节流阀控制气缸内气体的流入与流出，进而引起气缸杆的伸入与伸出部分的大小，进一步的控制门窗定位缸、拨料杆的来回运动，门窗压紧缸夹紧压头的上下运动。2 系统设计方案2.1 机械部分设计机械部分的设计包括：床身、窗框定位装置、夹紧装置、切削装置等。1.床身设计 床身主要目的是为了支撑丝杠、工作台、电气以及控制箱等。床身的设计不仅要达到使用的要求，同时还要具有一定的美观性。2.切削装置 该装置主要包括以下部分：外立面铣削装置和拉刀装置以及内角铣削装置。1电机支架；2电动机；3气缸；4气缸支架；5拉刀支架；6型材；7铣刀图 2.1 外立面铣刀及拉刀装置A)外立面铣削装置 该装置是为了清除窗框外角的焊缝。铣刀可以根据窗框的规格尺寸设计定制。铣刀由拖板带动在气缸的作用下作相对于窗框外角的铣削进给运动及回程运动。B)拉刀装置 该装置由拖板、拉刀架、拉刀等组成，其功能是完成焊后窗框上下表面的焊缝处理。拉刀架上的调整气缸的作用是在进行拉削时，将拉刀压紧在窗框拉削部位。并可通过电机带动丝杠的转速调整拉刀的工作速度。3.窗框定位装置 窗框定位系统由工作台、定位杆、定位拨杆等部件组成。焊接后的窗框或窗扇角落部位靠近定位杆，使其触动接近开关，并激发控制程序。使拨杆运动将待清理的窗框或窗扇的角部拉到准确的定位位置，从而实现对塑窗型材的定位。4.夹紧装置 窗框的夹紧装置主要由夹紧气缸、气缸支架以及夹紧压头组成。由夹紧气缸带动夹紧压头实现对塑窗型材的压紧。同时，夹紧气缸作用在型材上的位置可以根据窗框的宽度作适当的调整。2.2 电气部分设计 该部分主要设计内容为主电路及控制电路的设计。可编程序控制器，电源经熔断器至可编程序控制器。根据输入信号，在预先设置的程序下，输出相应的开关量，控制电磁阀的得电与否。电磁阀再据此做出是否动作，然后根据程序进行下一步动作。电磁阀的换位与否则控制气动执行元件气缸的回程或进给运动，气缸杆再进一步带动各机械结构的动作。急停控制。按下急停按钮后，机器的控制回路失电，电机停止运转，可编程序控制器的全部动作会自动停止，所有机构恢复原位。控制电路有电源开关作为急停按钮，按下急停按钮机器的控制回路失电，电机停止运转，可编程控制器控制的动作自动停止，所有机构恢复原位。同时控制电路通过低压断路器进行过载保护。2.3 气动控制部分的设计气动控制部分包括气源、气源处理器、压力表、节流阀及消声器等组成。气动控制系统部分主要由门窗定位缸气动控制、门窗夹紧缸气动控制等组成。门窗定位缸被触动后控制拨杆装置将塑窗或窗扇的一部分输送到正确位置，门窗压紧气缸带动夹紧压头将定位缸输送过来的塑窗型材夹紧固定，进给气缸带动拖板相对于窗框外角作进给及回程运动，刀盒调整缸为单作用气缸，缸内气压的大小决定压紧装置压紧力的大小，并可通过控制电机来调整拉刀的拉削速度。3 机械部分设计3.1 数控清角机工作原理清角的目的是：使焊瘤不影响窗扇的使用功能，使门窗更显美观。焊后外角清理要求清理到位以免影响装饰效果，又不能清理过深，以免影响焊接角强度。上下表面焊缝的清理及技术要求一般是清理槽宽 2.53mm，槽深小于 0.3mm，表面轮廓清晰规则。1拨料杆；2被加工型材；3压紧装置；4接近开关；5定位杆；6铣刀图 3.1 主要机械结构之间的几何关系机械结构组成及原理（1） 门窗框定位系统 型材定位系统的作用是实现对待加工窗框的正确定位，以保证进行角缝清理时，清洗外角的圆盘铣刀及清理上下平面的拉刀相对于窗框保持正确的位置，进而保证角缝清理的质量，保证窗框的整洁美观。（2） 夹紧装置 窗框夹紧装置由压紧气缸、气缸支架以及夹紧压头组成，由夹紧压头带动压头实现对型材的压紧。压紧气缸在窗框上的作用位置可以根据待加工型材的宽度作适当的调整。（3） 切削机构 本数控清角机的切削机构主要由外角圆盘铣刀机构，拉刀机构，传动机构等组成。外角铣削机构主要由电机，圆盘铣刀等组成，铣刀通过电动机安装在拖台上，并由电机通过丝杠分别带动其在水平和垂直方向相对于型材外角的铣削进给运动及回程运动。该机构的主要作用是清理焊后型材外角的焊缝。铣刀的规格可根据型材规格定制。1定位杆；2压紧气缸；3工作台；4拨料杆气缸；5推盘图 3.2 定位装置示意图拉刀装置由拉刀架，气缸，拖台等组成，该装置主要为完成焊后型材上、下表面的焊缝清理。拉刀架包括上下两部分，上下拉刀通过拉刀架固定在拖台上，并由丝杠带动拉刀进行拉削行程。（4） 进给机构 进给机构主要由电机、丝杠、拖台等组成。由电机的带动丝杠的旋转使拖台做相对于型材的进给或回程运动。3.2 各机械部分的计算和选型3.2.1 气缸的选型计算本设备所采用的气缸均是目前使用最广泛的单活塞杆双作用气缸。这种气缸只在活塞的一侧有活塞杆，所以压缩空气作用在活塞两侧的有效面积是不相等的。活塞左行时产生的推力 F1，活塞右行时产生的推力 F2。=D 2p/4- 1Z(3.1)=(D 2-d2)p/4- FZF(3.2)式中 活塞杆的推力(N)；1F活塞杆的拉力(N)；2D活塞直径(m)；d活塞杆直径(m)；气缸工作的总阻力(N)；ZFp气缸工作压力(N)。再工作过程中，气缸受到的总阻力与众多因素有关，比如运动部件的惯性力，密封处的摩擦力等，这些因素都以载荷率 的形式记入公式。气缸的动态参数要求一般，且工作频率较低，基本匀速运动时，其载荷率可取=0.70.85。由此可求得气缸的缸径 D当推力做功时 D= （3.3）)(41pF当拉力做功时 D= （3.4）pd2计算过程中，活塞杆 d 可根据气缸的拉力预先估计。估定活塞杆直径可取=0.20.3 计算（必要时也可取 0.160.4） 。将其代入式中可得：DdD=（1.011.09） （3.5）pF24一 压紧气缸的选型压紧气缸的作用主要就是为了压紧塑窗型材，防止在铣削过程中型材因为受力而发生移动，影响加工精度。计算过程中取载荷率 =0.85 d/D=0.4 气缸工作压力p=0.7Mpa 活塞杆的拉力是活塞杆所连接的压紧气缸的压头的重力和活塞杆本身的重力 )(150).()(212 NgmF由此根据公式(3.5)计算可得 )(67.085.140. mDD 圆整为标准值为 80mm 所以活塞杆直径为 32mm由于本设备所设计的要加工型材的加工高度在 20130mm 之间，为防止再加工过程中气缸支架影响型材的进出，所以支架必须保证和型材有一个安全距离，因此气缸支架距离工作台 200mm，故气缸支架不会因为型材的高度发生变化而出现不利影响，进而发生无法加工的现象。同时气缸在工作的过程中不能满行程工作，所以活塞杆的长度不应低于 200mm。综合考虑气缸的安装形式，活塞杆长度等各方面的因素，所以该压紧气缸应选择 LG 系列的 LGF80*1000*MF1。二 拨料杆气缸的选择拨料杆的目的是当型材放到工作台上后，将待加工的型材推送到紧靠定位杆的位置，进行准确定位，提高加工的精度。该气缸的选型计算过程与压紧气缸相类似。载荷率 =0.85 d/D=0.4 气缸工作压力 P=0.7Mpa当拉力做功时，活塞杆受力 即为与活塞杆相连接的推盘及其支架的重力2F)(301)(N因此据公式计算可得 )(82.705.40. mD将计算所的结果圆整为标准值为 100mm 所以活塞杆直径为 40mm结合其工作目的原理，拨料杆气缸应该具有大行程的特点。同时由于压紧气缸的位置已经确定，待加工型材所形成的角度必为 90，而推杆在加工过程中的行程计算为：当推盘与型材接触时，两个接触点的距离为 118mm，推盘的原始位置与型材被固定后的位置间的距离为 360mm。推盘移动后与被压紧型材的距离： =（118 1/2）/tag45=59(mm)1L推盘的位移： =360-L1=301(mm)2L综上所述，拨料杆气缸的推杆的行程不能低于 301mm，另外，该气缸采用一端固定的方式，所以该设备上采用的气缸为 LG 系列的 LGF100*1000*MF1。三 拉刀气缸的选择该气缸的得主要工作目的即是带动拉刀的上下咬合，实现与型材的充分接触，进行对型材上下表面的拉削工作。取载荷率为 0.85 d/D=0.4 工作气压 P=0.7Mpa拉力做功时，气缸受力 即为拉刀支架，活塞杆本身和拉刀的重力之和：2F)(4510)35(1N由此可得该气缸的缸径 )(98.0785.401. mD将计算所的得值圆整为标准值为 100mm 活塞杆直径即为 40mm同时，该气缸必须保证其行程在型材的厚度发生变化时仍可满足加工需求，所以其行程不能小于 200mm。综合以上因素，该气缸选择 LG 系列的LGF100*1000*MF1。3.2.2 滚珠丝杠螺母副的选型一 水平方向螺母副的选型水平进给移动部件重力 12000N 最大进给速度 0.6m/min脉冲当量 0.01m/步计算进给丝杠牵引力 MF水平进给丝杠主要是带动工作台在圆柱滚珠导滚上的移动，因此牵引力主要是用来克服其在导滚上的滑动摩擦力。因此有进给牵引力的计算公式： )(2401.0NGFM式中： 进给牵引力；MF滑动摩擦系数，0.150.2；G移动部件的重力。计算最大动载荷(3.6)MwFfLC3(3.7)610Tn(3.8)0Lv式中： L 0滚珠丝杠的导程，初选 L0=6mm；v最快进给速度，v=0.2m/min；T使用寿命，按 15000h；fw运转系数，按照一般运转取 fw=1.21.5；L使用寿命，以 106转为一单位。min)/(3.2.010rLvn05.66T)(3.1824.303 NFfCMw滚珠丝杠螺母副的选型经查阅机械手册，可采用 W1L12020 型滚珠丝杠螺母副，1 列 2.5 圈，其额定动负载为 12800N，精度等级为三级。传动效率的计算(3.9)tan(式中： 螺旋升角，W 1L12020 =3 02；传动效率；摩擦角 取 10； 90.)123tan()tan(0联轴器的选择已知水平方向的脉冲当量为 0.0125，滚珠丝杠导程 L0=6mm，初选步进电机的步距角为 0.750，由此可得其传动比 i1675.036LibP因此，可得其传动比为 1，可选用 GY5 型凸缘联轴器，其公称转矩为400Nm，该凸缘联轴器的轴孔直径为 40mm，轴孔长度为 112mm。二 垂直方向螺母副的选型垂直方向进给丝杠，选取普通型导轨。其垂直方向的牵引力主要是由电动机及其工作台上的支架的重力引起的。仍可按照公式进行计算)(16082.0 NGFM式中： 进给牵引力；滑动摩擦系数：0.150.2；G移动部件的重力。计算最大动载荷min)/(3.62.010rLvn53.6)(36.74510. NFfCMw滚珠丝杠螺母副的选型经过查阅机械设计手册，可采用 W1L2506 型滚珠丝杠螺母副，1 列 2.5 圈，其额定动负载为 8810N，精度等级为三级。传动效率的计算92.0)12tan()tan(0 垂直方向联轴器的选择已知垂直方向的脉冲当量为 0.0125，滚珠丝杠导程为 L0=6mm，初选步进电机的步距角为 0.75 度，由此可得传动比 i1675.0236LibP传动比为 1，所以可将步进电机的轴端通过联轴器直接连到滚珠丝杠的轴端。经查阅机械设计手册，可选用 GY2 型凸缘联轴器，其公称转矩为 63Nm，该凸缘联轴器的轴孔直径为 25mm，轴孔长度为 90mm。3.2.3 电动机的选型计算根据该本设计机器的工作要求，其工作环境大多在海拔较低的平原地带，工作环境的温度一般低于+40，相对湿度在 95%以下，额定电压为 380V，频率为 50Hz 的情况，且该机器无其他特殊要求。故该设备的电动机选择 Y 系列即可满足使用需求。该系列还具有国际互换性的特点。该电动机为一般用途全封闭自扇冷式笼型三相异步电动机，具有防止灰尘，铁屑或其他杂物侵入电动机内部之特点，B 级绝缘。一 主铣刀的电动机选择根据设计方案的设计，该电动机直接与铣刀相连接，带动铣刀实现直接铣削运动。根据该设备的工作需要，铣刀的最大转速为 2800r/min，电动机功率为 5.5KW，所以在 Y 系列电动机中的 Y132S12 电机即可以满足设备对电动机的需要。二 水平方向进给电动机的选择水平方向电动机主要是带动丝杠的旋转，通过丝杠带动与其相连接的滚珠丝杠螺母副运动，由此带动拖台来回运动，从而实现其上的铣刀相对于型材的进给及回程运动。等效转动惯量的计算计算简图如 3.2 所示。传动系统折算到电动机轴上的转动惯量J （Kgcm 2）可由下式计算：图 3.2 进给丝杠计算简图MSJLgGJ)2(01(3.10)(3.11) 1431078.dJsSL(3.12) 式中： J m步进电机转子的转动惯量（Kgcm 2）:初选 Jm=10 2cmKgJ1联轴器的转动惯量（ ） ；cmKgJS滚珠丝杠的转动惯量（ ） ；2G移动部件的重力：G=12000N；g重力加速度：g=9.8m/s 2L0滚珠丝杠螺母副副的导程 L 0=6mm；d1联轴器的凸缘直径：d1=120mm；L1联轴器的长度：L1=260mcm；ds滚珠丝杠的直径：ds=25mm；Ls滚珠丝杠的长度：Ls=20cm； )(394.205.178.01078. 2433 cmKgLdJsS 6.141 )(08.49)2(8.9134.0526.)2( 201 cgJgGJMS 考虑步进电机与转动惯量相匹配问题 204.8.491JM基本满足惯量匹配的要求。电机力矩的计算a 快速空载起动力矩 M 起在快速空载起动阶段，加速力矩占的比重比较大，具体计算公式如下：M 起 =Mamax+Mf+M0 (3.13) 式中： M amax空载时折算到电动机轴上的加速力矩 ；)(mNMf折算到电机轴上的摩擦力矩 ；)(M0由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩 。)(2maxmax 106tnJ(3.14) 360axmabpvn(3.15) 式中： J 传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量：J =59.90 2cKg电机最大角加速度（rad/s 2） ；nmax电机的最大转速（r/min） ；vmax运动部件的最大进给速度：vmax=0.2mm/min； p脉冲当量：p=0.125mm/步；b步进电机的步进角：b=0.75；ta运动部件从停止到加速到最大进给速度所需的时间：ta=30ms。iLFMf20(3.16)式中： F0导轨的摩擦力：F0=2400N；i传动比： i=1；传动链的总效率，一般可取为 =0.70.85。)1(2200iLFMp（3.17）式中： Fp0滚珠丝杠的预加载荷，一般取为 Fp0= =533.3（N）m3L0滚珠丝杠的导程：L0=6mm；滚珠丝杠未 预紧时的传动效率，一般取 0.9。将因子代入以上公式的以下结果：min)/(360125.7.360maxa rvnbp )(6510.9.22axmax cmNtnJM )(2.86.0240 cNiLFf )(1.35)1(00 miMpM 起 =Mamax+Mf+M0=655+286.2+12.1=947.3Ncmb 快速移动时所需力矩 M 快M 快 =Mf+M0=286.2+12.1=298.3Ncm 由以上的计算可以看出，M 快 、M 起 两种情况下，以快速空载所需力矩最大，以此项作为选择步进电机的依据。查阅机械设计手册，当步进电机为五相十拍时(3.18) jnaxq最大静力矩 cmNMqj 2.89651.0347max按此最大静力矩查阅机械设计手册，150BF002 型步进电机的最大静转矩为 13.72Nm，大于所需的最大静转矩，故可作为初选型号，但还必须进一步的校验。三 垂直方向电动机的选择垂直方向电动机连接丝杠，通过丝杠上的滚珠螺母副带动与螺母副一体的电机实现上下运动，进而实现铣刀的上下进给。等效转动惯量计算传动系统折算到电动机轴上的转动惯量 J （Kgcm 2）可由下式计：)2()()102LgWJZJSM1431078.d22LJ式中： J m步进电机转子的转动惯量（Kgcm 2）:初选 Jm=10 2cmKgJ1联轴器的转动惯量（ ） ；cmKgJS滚珠丝杠的转动惯量（ ） ；2G移动部件的重力：G=8000N；g重力加速度：g=9.8m/s 2L0滚珠丝杠螺母副副的导程；d1联轴器的凸缘直径：d1=90mm；L1联轴器的长度：L1=90mm；ds滚珠丝杠的直径：ds=25mm；Ls滚珠丝杠的长度：Ls=200mm； )(394.205.178.01078. 2433 cmKgLdJsS 8.69.141 )(90.5)2(.34.058.6)2( 201 cgJgGJMS 考虑步进电机与转动惯量相匹配问题175.06.JM基本满足惯量匹配的要求电机力矩的计算a 快速空载起动力矩 M 起在快速空载起动阶段，加速力矩占的比重比较大，具体计算公式如下：M 起 =Mamax+Mf+M0 （3.19）式中： M amax空载时折算到电动机轴上的加速力矩 ；)(mNMf折算到电机轴上的摩擦力矩 ；)(M0由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩 。)( 2maxmax 106tnJM（3.20）360maxabpvn（3.21）式中： J 传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量：J= 56.90 2cmKg电机最大角加速度（rad/s 2） ；nmax电机的最大转速（r/min） ；vmax运动部件的最大进给速度：vmax=0.2mm/min；p脉冲当量：p=0.125mm/步；b步进电机的步进角：b=0.75；ta运动部件从停止到加速到最大进给速度所需的时间：ta=30ms。iLFMf20（3.22）式中： F0导轨的摩擦力：F0=1600N；i传动比： i=1；传动链的总效率，一般可取为 =0.70.85。（3.23）)1(2200iLFMp式中： Fp0滚珠丝杠的预加载荷，一般取为 Fp0= =533.3（N）mF3 L0滚珠丝杠的导程：L0=0.6cm；滚珠丝杠未 预紧时的传动效率，一般取 0.9。将因子代入以上公式的以下结果：min)/(360125.7.360maxa rvnbp )(6510.9.22axmax cmNtnJM )(1.98.02610 cmNiLFf )(.2.35)(00iMp.85619max0 f起 cNb 快速移动时所需力矩 M 快2.031.290f 快 )(cmN（3.24）由以上的计算可以看出，M 快 、M 起 两种情况下，以快速空载所需力矩最大，以此项作为选择步进电机的依据。查阅机械设计手册，当步进电机为五相十拍时(3.25)jnaxq最大静力矩 cmNMqj 2.89651.0max按此最大静力矩查阅机械设计手册，150BF002 型步进电机的最大静转矩为 13.72Nm，大于所需的最大静转矩，故可作为初选型号。4 电气原理部分设计本设备以 PLC 为硬件平台构成开放式数控系统，将运动控制器和 PC 机作为核心，运动控制器插在 PCI 标准插槽上，PLC 辅助控制模块通过输入/ 输出接口与运动控制器相连。4.1 硬件系统平台(1) 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，电气控制的结构框