机床数控化改造

目录摘要1前言21. 机床数控化改造的任务.32. 机床数控改造的基本要求.3 3. 机床数控改造的一般步骤.54.机床数控改造的总体方案.64. 1 机床数控改造总体方案设计的依据64. 2 机床数控改造的工艺分析74. 3 机床数控改造的总体方案84. 4 机床数控改造主要参数确定85. 机床进给系统的改造设计.95. 1 进给系统的组成95. 2 机床进给系统的参数选择和计算.105. 3 进给电动机的选择.125. 4 进给系统设计计算实例.136. 步进电动机的控制.20 7. 机床数控改造中常用部件.23设计小结.24致 谢25参考文献.26机 床 数 控 化 改 造摘要本论文简要介绍了机床数控改造的目的和任务，介绍了机床数控改造总体方案设计及步骤，结合卧式车床 CA6140 进给系统进行了设计计算及举例，同时简要介绍了在数控改造中的常用的典型部件的结构、连接和调试，以及机床数控系统的选型、机床数控系统改造过程中的安装及调试。机床数控改造的设计计算主要由机械设计计算和电气设计计算组成。机械部分设计计算内容包括进给传动部件结构的设计及使用，传动系统的转动惯量、切削力、转矩等的计算，进给步进电动的选择。关键词：数控改造进给系统步进电动机Abstract：This papar briefly introduced the purpose of machine tools and task of CNC machine tools on the overall programme design and steps , with horizontal lathe CA6140 feeding system for the design and calculation , for example At the same time briefly in the NC, typical of the common parts of the structure ,linking and debugging,and the selection of NC machine tools , CNC machine tools in the process of installation and debugging.The design of CNC machine tools ca1culated mainly by mechanical and electrical design and calculation of design and calculation.Mechanical design calculautions to include the contents of transmission parts of design and use of the transmission system moment of inertia , cutting force , torque , and so on , into the stepper motor choice .Key words : NC to transform into the stepper motor system前言随着现代工业技术的飞速发展，机械加工设备的自动化程度越来越高，各种类型机床已相当普及。数控机床所占比例逐步增加，原有的普通机床己越来越不能满足现代加工工艺及自动化的要求。如果将现有设备全部更新换代，不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备闲置又将造成极大的浪费。提高机床的数控化率有两个途径：一是购买新的数控机床，二是把普通的旧机床改装成数控机床。最经济的办法就是对机床进行数控改造，这样既可以满足现代加工工艺及自动化的要求，又可以减少资金的投入，采用此种方法对中小企业和乡镇企业是十分理想的选择。目前，很多企业采用数控改造的办法来提高机床数控化率，加强设备的自动化技术水平。微型计算机技术应用到工业自动化控制的普及表明机床的数控化改造己有了一定的发展，并为下一步的改造的进行指明了方向。计算机数控技术的应用不仅提高了机床的自动化程度，而且解决了普通机床无法完成复杂型面数控的零件加工问题，实践证明，采用现代的数控系统改造旧机床，投资少见效快，且在结构和原理上和传统的金属切割机床几乎相同。改造后的机床基本能满足现代加工工艺的需要，提高产品的加工精度和生产效率，增强了机床的加工能力和适用范围。用数控技术改造机床和生产线具有广阔的前景和市场，已形成机床和生产线数控改造新行业，在美国，从事机床改造著名公司有 Bertsche 工程公司、Ayton 机床公司、Devlieg-Bullavd(得宝)服务集团公司和 US 设备公司，且美国得宝已在中国开办公司。在日本，从事机床改造的著名公司有大隈工程集团、岗三机械公司、千代田工公司和三本工程公司等。而我国机械制造水平与发达国家相比距离很大，机械设备陈旧，技术水平落后。虽然我国的机床拥有量极大，但大部分机床的役龄较长，在经济财力不足的情况下，采用旧机床改造来提高设备的先进性和数控率，是一个极有效和实用的途径。机床改造业作为一个新的行业，生机盎然。在我国的武汉、沈阳、北京、烟台、西安、广州、南京等省市的许多数控厂家和专门的数控改造公司，一直在从事旧机床的数控改造。从这可以看出我国的数控改造业有一定的基石，但还有待进一步提高。1 机床数控化改造的任务普通机床的数控化改造的任务，一般是指对原有机床的机械、液压、气动和电气系统做一定的改造，并在原有的普通机床上加装数控系统，使改造后的机床具有数控加工能力，从而提高机床的自动化程度、加工精度和生产效率。普通机床的数控改造过程如图 1 所示。由此可以看出普通机床数控化改造的主要任务是：1) 对加工对象进行工艺分析确定工艺方案，根据已制定工艺方案选定被改造机床的类型。2) 根据工艺和已选定的机床拟定机、电、液、气的数控改造总体实施方案。3) 机床数控改造实施及调试运行验收。图 1 普通机床数控改造框图2 机床数控改造的基本要求1、一定的加工范围机床所能完成的加工零件、零件尺寸、毛坯形式和工艺工序都是有一定的范围的。一般数控改造根据使用要求分为两种形式：一是将普通机床改造成通用数控机床，即可以完成一定的尺寸范围内的各种零件的多工序加工；另一种是为了完成一类和几类或一种和几种零件的加工，将普通机床改造成专用数控机床。一般说来，工艺范围越窄，结构越复杂，越容易实现高的生产率，同时，也可以适当降低机床的改造成本。2、保证加工精度和表面粗糙度机床应保证被加工零件的精度和表面粗糙度，并能在长时间内保持这一精度和表面粗糙度。工件的精度和表面粗糙度是由机床、刀具、夹具、切削条件和操作者等方面因素决定的。就机床方面来说，要保证被加工零件的精度和表面粗糙度，机床本身应具备一定的几何精度、传动精度和动态精度。3、有足够高的生产率和自动化程度生产率常用单位时间内机床所能加工的零件数量来表示：Q=1/T =1/ (T +T +T N)件=/ 小 时总 切 辅 准式中 Q-单位时间内的产品数量；T 一单位总时间；总T -单位切削时间切T -单位辅助时间 (如装卸工件、开停机床、快进快退等 )辅T 加工一批零件的准备终结时间 (如调整机床，装卸工夹具等循环准外的辅助时间)N-每批工件数量从上式可以看出，要提高生产率，须缩短 T 切、 T 辅、T 准。缩短 T 切的办法是提高切削用量，采用多工件多工位加工等。缩短 T 辅和 T 准的办法有自动化、快进快退、快速换刀、快速装夹等。机床自动化程度化系数表示：K=T /T 自 循式中 T -一个工作循环中由机床自动工作的时间：自T -完成一个工作循环的总时间。循提高机床的生产率和自动化程度，就是在保证工件加工质量的前提下，以最经济的方法，合理利用刀具，最大限度地缩短机动时间和辅助时间。因此，在机床数控改造时要在工艺分析的基础上，合理选择机床的主要参数 (如主轴电动机功率、主轴转速、工作台或刀架的移动速度等)和数控应具备的功能。4、操作维修方便，使用安全可靠机床的操作、观察、调整、装卸工件和刀具应方便。机床的维护维修应简单，部件便于装卸，易于查找故障和修理。使用安全主要是指设备和人身的安全，包括操作者的安全，机床误动作的防止，主轴和工作台 (刀架)超程、超载的保护，有关动作的互锁等。5、精心设计，降低成本在机床数控改造中，应在满足机床使用要求和质量的基础上，尽量降低改造成本。机械技改件、数控伺服系统的功率转矩是关键，一定要精心设计计算，特别是专用机床数控改造无可比性，设计计算和实践经验尤为重要，精确的设计计算才能避免大马拉小马和小马拉大车的现象。3 机床数控改造的一般步骤机床的数控改造中，就是将旧普通机床改造为数控机床的过程。虽然各种类型机床数控改造的细节上有差别，但归纳起来，机床数控改造的一般步骤可分为加工零件工艺分析、改造方案的设计、结构设计与计算、机床改造过程实施、改造后机床的调试运行等几个阶段。1、零件的工艺分析加工零件工艺分析是数控改造的第一步，是用来选择被改造机床的依据，也是机床改造中设计计算和方案设计的主要依据。针对加工零件形状、尺寸、工艺工序、切削用量、工作效率，估算出切削力及切削功率，确定机床运动方式、机械传动及结构。在此基础上，设计机床主轴、进给系统等的总体方案。2、改造方案设计方案主要包括机床运动方式的确定、机床执行机构的结构及传动方式的确定、数控系统和伺服系统的选择、机床电气系统的连接等内容。方案设计应根据设计任务书和具体要求进行调研，查阅相关的技术资料，提出机床改造的总体方案，在此基础上对方案进行分析论证，确定方案。其中应考虑自动化、高效能的要求和经济的合理性。3、结构设计及计算在零件工艺分析的基础上，根据初步确定的刀具、切削用量和效率，计算总切削力和切削功率，从而计算出进给系统的转矩和功率等，出此来选择数控系统的步进电动机或其他类型驱动系统。性能好的一般选择交流或直流伺服驱动系统。机械部分的整体品质将直接影响零件加工精度，选择滚珠丝杠螺母和同步齿轮带传动，将大大提高机床传动精度。4、数控机床改造过程的施1) 对机床原有零部件精度达不到设计技术要求的进行恢复或更换，如主轴、导轨、丝杠、轴承、工作台、床鞍、中滑板等。2) 改造和制造主要零部件，如床鞍、中滑板、主轴编码器支架、连轴器等。3) 选购零部件，如数控系统、伺服系统、电动刀架、滚珠丝杠副等。4) 零部件、数控系统、整机安装。 5、改造后的调试运行。这主要是指机床机械安装精度和传动链的间隙调整，机床电气控制、数控系统的功能调试与运行，进给传动系统纵向和横向的间隙进行测试等，并设置和选择数控系统的参数, 还对系统的抗干扰能力进行评估。4 机床数控改造总体方案设计改造方案的确定是机床改造的第一步，即根据被加工零件的工艺要求和被改造机床的实际情况对机床各方面进行综合分析，拟定出总体方案，作为主要部件和零件设计及数控系统选择的依据。4.1 机床数控改造总体方案设计的依据1、工件工件既是选择机床的依据，也是机床改造后加工的对象。不同类型的零件，其形状、尺寸要求和加工方法就不同，对机床的动作也不同。在工艺分析的基础上，初步确定其加工程序，刀具和主要的切削用量，并计算出切削力及切削功率，以此作为选择驱动部件的依据，常采用计算结合类比法或测定法完成。机床改造为数控通用机床时，对工件的分析应是若干个典型的工件。2、机床在确定加工的对象后，根据已制定工艺方案初步选定被改造机床的类型，根据机床的新旧程度，对该机床的结构、刚度、规格和技术状况，进行检测分析，研究机床的各部件可利用程度和零部件去留情况，如导轨、主轴等。3、使用要求使用部门根据自己的具体情况，如操作工人的技术水平、维护维修能力、刀具刃磨能力和工作环境等，提出特殊的使用要求。4、改造条件改造条件是指机床数控改造实施的现有条件。主要包括：1) 机床零部件改造和制造的条件，即本部门的加工能力和工艺水平、外协加工情况等。2) 外购零部件情况，即主要改造部件的采购。3) 装配条件，即装配能力和技术水平。4) 机床数控改造经费。4.2 工艺分析1、工艺方法对机床数控改造的影响机床上的工艺方法按工种可分为车、铣、刨、镗、钻、磨等；每个工序又可以细分如车削有车外圆、车端面、车槽、车螺纹等；按加工精度和表面粗糙度又可分粗加工、半精加工、精加工等。工艺方法对机床的性能、机床和刀具结构等影响都很大。2、通用机床的工艺分析普通机床改造成数控机床时进行工艺分析，首先应明确在机床上可以完成的典型工艺，以及实现这些工艺所需的运动。如数控车床上可以完成：车端面及镗孔、车螺纹、钻孔等。3、专用机床的工艺分析此工艺方法是针对特定加工对象拟定的，主要包括：1) 确定工艺方法2) 拟定夹具方案3) 绘制夹具示意图4) 分析机床的运动机床上的运动按功能分为表面形成运动和非表面运动。表面形成运动直接影响加工表面的精度和表面粗糙度，表面形成运动又可分为主运动和进给运动。非表面形成运动包括刀具的移近、工件的夹紧等，它不参与加工表面的形成过程，但不可缺。机床运动按照数控机床坐标系的规定，主要分为 X、Y 、Z 三个坐标轴和 A、B、C 三个旋转坐标轴方向。4.3 机床数控改造的总体方案它主要包括机床运动方式的确定及被改造机床的选择、机床传动系统改造方案的确定、数控系统和伺服系统的选择、机床液压和气动系统的改造、各部件的支撑和连接。 1. 总体布局应满足的要求1) 保证工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置和相对运动。2) 保证机床具有与所要求的加工精度相适应的刚度和抗震性。3) 便于观察加工过程，便于操作、调整和维修机床，便于装卸工件和排除切屑，并保证工作安全可靠。4) 经济性好。2. 机床运动方式及被改造机床的选择(1) 机床运动方式的确定：机床运动方式是在工艺分析的基础上确定的。工艺方法确定后，刀具和工件在切削过程中的相对运动就确定了。如：车削外圆和端面时，工件作回转运动，刀具作纵向和横向移动；车圆锥面和球面，工件作回转运动，刀具的运动是纵向和横向移动的合成运动。(2) 被改造机床的选择可以进行数控改造的机床有通用机床和专用机床两大类。选择的基本原则：一是便于实现机床所要求的运动方式；二是便于技改件的安装与调整；三是机床的零部件 (如导轨、工作台、主轴箱等)精度经过修复和改造后能达到使用要求。4.4 机床数控改造的主要技术参数确定由于不同类型的机床，其具体规格参数不尽相同，但主要类型参数基本相同。机床数控改造的主要技术参数包括：1) 机床能够加工最大零件的尺寸及工作台 (刀架)行程。2) 主轴速范围。3) 进给速度的确定。4) 快速移动速度。5) 脉冲当量。6) 机床定位及重复定位精度的确定。7) 各轴驱动的转矩功率。8) 刀具数量。9) 数控系统的功能。5 机床进给系统的改造设计机床改造中需进行必要的技术设计及计算。根据零件工艺选定的切削用量，计算切削力和切削功率，从而计算出机床进给系统所需要的功率和转矩，并由此选择数控机床进给伺服系统驱动电动机。大多数机床数控改造采用步进电动机一些性能要求高的系统采用交流或直流伺服电动机驱动。机床数控改造的设计计算主要由机械设计计算和电气设计计算组成。机械部分设计计算包括进给传动部件结构的设计和选用，传动系统的转动衡量、切削力、转矩等的计算，进给步进电动机的选择。电气控制系统的设计及计算包括强电与数控的电气控制设计计算、原机床电气系统的改造设计计算等。5. 1 进给系统的组成1. 进给系统的组成进给系统由动力源、传动装置和执行零部件组成。动力源一般采用步进电动机或交、直流伺服电动机，传动装置一般由减速器、滚珠丝杠和传动零件。执行零部件主要有工作台、床鞍、中滑板、刀架等。2. 进给系统数控改造的基本要求1) 技改件的安装、调整、润滑要方便可靠。2) 执行零部件 (如工作台、刀架等)的快速移动速度应满足使用要求。3) 在最大切削力的作用下，执行零部件 (如工作台、刀架)的运动不产生爬行现象。4) 执行零部件 (工作台、刀架)的定位及重复定位精度应满足工件的加工精度要求。5. 2 机床进给系统的参数选择和计算机床进给系统的参数计算和选择，是选择进给电动机功率类型及传动零部件结构、尺寸和规格的依据。在机床进给系统的参数选择和计算的过程中，要根据进给系统数控改造的基本要求，分析进给系统在切削过程中和快速运动状态下的受力情况，选择和计算出满足工艺要求的各项参数。步进电动机的负载由切削力 F 和工作台重力 W 运动时的摩擦力组成。步进电动机与丝杠之间为一级减速机构，zl 和 z2 为减速齿轮，Ph 为丝杠导程。进给电动机通过减速器与滚珠丝杠副连接并驱动工作合运动。1. 选择机床的脉冲当量脉冲当量是衡量机床精度的重要指标，原则上脉冲当量越小机床的精度就越高，但还要受到步进电动机的最高频率的限制。故应根据具体情况综合考虑。数控机床脉冲当量一般为 0.001-0.0lmm，普通车床纵向 (Z 轴)取 0.0lmm，横向 (X 轴) 取 0.005mm。表 1 为步进电动机驱动系统常用减速比及脉冲当量。2. 计算减速器的齿轮减速比 i根据所选步进电动机的步距角 、丝杠导程 Ph 和脉冲当量，计算减速器的减速比公式为；1= Ph/ ( 360) = z / z21式中 步进电动机的步距角P 丝杠导程 (mm)h 脉冲当量 (mm/脉冲)Z 电动机轴上齿轮的齿数；1Z 一一丝杠轴上齿轮的齿数23. 计算工作台、丝杠和齿轮折算到电动机轴上的总惯量 JzJz= J + ( J + J ) / i + (P / 2) W/ ( 9. 8i )123h2式中 J 、J Z1、Z2 齿轮的转动衡量 (kg. cm )J 丝杠的转动衡量3W机床工件及工作台重量 (N)表 1 机床改造常用速比数据表丝杠螺距 Lo/mm6 8 10 12脉冲当量/mm减速比 i步距角 0. Ol 0. 005 0. Ol 0. 005 0. Ol 0. 005 0. Ol 0. 0050.75 5/4 5/2 5/3 10/ 3 25/ 12 25/ 6 5/2 5/11.5 5/2 5/1 10/ 3 2O/ 3 25/ 6 25/ 3 5/1 10/ 1对于圆柱形的零件，如齿轮、轴、丝杠，其转动衡量可按下式计算：J= 10 p D L/ 3234式中 J 一转动衡量 (kg. cm )2D圆柱体直径 (cm)L圆柱体长度或厚度 (cm)p材料密度 (kg/cm )，对钢材 p=7. 8 10 kg/cm33对于电动机的负载衡量与转动衡量有一定的匹配要求，对于开环系统，折算到电动机上的负载衡量不得超过电动机允许的负载惯量，且负载惯量不大于电动机允许的转动衡量。4. 计算电动机输出的最大转矩表 2 给出了机床进给系统的几种运动方式及转矩构成特点(1) 最大快速空载时起动转矩 Mq(N. cm) 常采用 Mq 作为最大负载转矩来选择进给伺服驱动电动机；Mq= Ma+ Mf+ Mo(2) 最大切削负载时的转矩 Mj (N. cm)；表 2 机床进给系统转矩构成特点类别 运行方式 电动机轴输出转矩构成特点 注释起动 快速空载起动 加速转矩+摩擦转矩 无切削转矩运行 匀速运行 摩擦转矩 仅为摩擦转矩切削 带负载起动 负载转矩+摩擦转矩 无加速转矩切削 带负载变速起动 负载转矩+加速转矩+摩擦转矩 较复杂负载情况Mj= Mf+ Mo+ Mt(3) 最大匀速进给时的转矩 My (N. cm)；My= Mf+ Mo(4) 电动机输出的最大总转矩 M (N. cm)；M= KaMa+ Mf+ Mo+ Mt式中，Ma 最大加速转矩Mf工作台、丝杠和齿轮等折算到电动机轴上的摩擦转矩 (Ncm)Mo滚轴丝杠预紧折算到电动机轴上的附加转矩 (Ncm)Mt最大切削负载转矩 (Ncm)Ka比例系数，取 Ka=0. 5-15.3 进给电动机的选择 在选择电动机时通常希望其输出转矩大，起动频率和运行频率高，步距误差小。但增大转矩与快速运行存在矛盾，即高性能与低成本的矛盾，因此，须综合考虑各方面的因数。1. 步距角与脉冲当量步距角种类有 0. 18/0. 36、0. 38/0.76、0.75/1. 5、0.9/1.8，机床进给的 X 轴的脉冲当量为 0.005mm，Z 轴的脉冲当量为 0.0lmm。2. 步进电动机最大静转矩 Mfmax 选择方法：一是由 M 选择 Mfmax；二是按最大快速空载时的起动转矩 Mq 选择 MfmaxMfmax Mq/ ( 0. 2-0. 5 )Mfmax步进电动机最大静转矩Mq 输出最大空载转矩3. 最大起动频率起动频率不能过高，其过高会导致转子速度跟不上定子磁场旋转速度，以至出现丢步或震荡现象。为了能正常起动，应在起动后逐渐增加脉冲频率，直至给定值。4空载快速最高运行频率 fmax 选用步进电动机的最高运行频率应大于fmax ；Fmax= 1000 vmax/ ( 60)式中 fmax步进电动机负载下最高重复频率 (Hz)；Vmax机床工作台的最高移动速度 (m/min)脉冲当量 (mm/脉冲)5进给最高运行频率步进电动机应同时满足空载快速和进给时的最大负载转矩 Mj 的要求，公式如下：Fe= 1000 ) ve/ ( 60)式中 Fe 步进电动机负载下进给最高工作频率 (Hz)Ve机床工作台进给时的最高移动速度 (m/min)5.4 进给系统的设计计算实例以 CA6140 的纵向进给系统为例，设计计算主要依据是机床的技术规格及参数。计算内容包括机床切削力的计算，进给运动部件惯性转矩和负载转矩的计算，步进电动机。1. CA6140 卧式车床主要技术规格参数：床身上工件最大回转直径： 400mm刀架上最大工件回转直径： 210mm 最大加工长度： 900mm主电机功率： 7.5KW.最大进给速度： 纵向 600mm/min横向 300mm/min最大快移速度： 纵向 2400 mm/min横向 1200 mm/min定位精度： 土 0.0l5mm空载起动加速时间： 30ms丝杠导程： 纵向 6mm横向 5mm床鞍及刀架重量： 纵向 800N横向 600N2. 切削力的计算( 1) 最大切削功率 P 切计算公式P =P切 主 k式中 P 切 最大进给切削功率 (Kw)P 主 主电动机功率 (Kw)主传动系统总效率 K进给传动系数总效率，一般为 0.75-0.85，取 =0.8则 P 切为；P 切 = ( 7. 5 0. 8 0. 96 ) KW= 5. 76KW(2)最大主切削力 F 的计算公式ZF = 10 60P / V3切F 主切削力 (N)ZV切 削速度 (mm/min)在工艺分析的基础上，取切削速度 v=l00mm/min 为最大切削力时的速度，计算 Fz 的结果为：Fz= 10 60 5. 76/ 100N= 3456N3(3) 切削分力 Fx 和 Fy 的计算；F = (0. 1-0. 55) FXZF = (0. 15-0. 65) FY分别代入系数 0.5 和 0.55 得：F = 0. 5 3456N= 1728NXF =0.55X3456N 二 l901NY3.等效负载转动衡量的计算齿轮的转动衡量 J1、J2 计算，步距角 =0.75，脉冲当量=0.Olmm，齿a轮的齿数 zl/z2=5/4，模数 m=2，齿宽 b=20mm，分度圆直径 D1=mzl=64mm，D2=mz2=80mm，由齿轮产生的转动衡量的计算公式：J= 10 p D L/ 3234对材料为钢的圆柱体零件，J 可近似为J = 7. 8 10 D L4齿轮 zl、z2 的转动衡量的计算：J = 7. 8 10 ( ( 6. 4) 2 kg. cm1442 J = 7. 8 10 ( 8 ) 2 kg. cm2442(2) 滚轴丝杜副的转动衡量的计算由表 8-2 查出 Js=15.54kg. cm 士， CA6140 纵向最大行程 900mm，丝杠的总长=螺纹的有效长度+ 连轴器部分，取总长为 l600mm。故J = 15. 54 1. 6kg. cm32(3)步进电动机的转动衡量的计算，由步进电动机样本查到，150 反应式Jd= 10kg. cm(4)减速齿轮、丝杠及刀架折算到电动机轴上的总衡量Jz= Jl+ ( J2+ J3 ) / i + ( Ph/ 2) W/ ( 9. 8i )2 2= 2. 62+ ( 6. 40+ 24. 86) / 1. 25 + ( 0. 6/ 2) 800/ (9. 8 X 1. 25 )2= 23. l4kg. cm 2考虑到步进电动机与系统衡量的匹配，Jd/Jz=10/23. l4kg. cm =0.431，2不满足惯量匹配条件要求。4. 负载转矩计算(1) 最大加速转矩 Ma 的计算，由 CA6140 给定的条件Vmax=2400mm/min，i=z2/zl=1。25 ，滚轴丝杠导程 Ph=6mm，则Nmax= Vmax/ Ph i= 2400/ 6 1. 25r/ min把 Jd、Jz、nmax 和空载启动加速时间 ta=0.03s 代入，则Ma= 10-2 2 Jt nmax/ 60ta (Jd+ Jz )= 33. 14 1744 10- N. cm= 577. 96N. cm实际中，数控机床纵向进给最大快移速度为 6000mm/min，ta=0.03s 一般快速性要求不高场合，可增大 ta (取 0. 1-0. 2s)的办法来降低 Ma。表 3 部分滚珠丝杠的转动惯量丝杠直径/mm 丝杠螺距/mm 转动衡量/(kgcm2 ) 长度/m20 4 0.94 15 0.84 15 4. 91 1306 4.47 15 16. 29 16 15. 54 1408 15. 18 16 39. 75 18 37. 64 15010 35. 76 1(2) 摩擦转矩 Mf 的计算 已知 CA6140 的中滑板、床鞍及刀架总重量W=800N，主切削力 Fz=3456N，导轨摩擦因数 =0. 16，传动链的总效率 =0. 82，i=z2/zl=1.25，丝杠导程 Ph=6mm，故Mf= ( Fz+ W ) Ph/ 2 7 i= 0. 6 0. 16 ( 3456+ 800 ) / ( 2 0. 821. 25 ) N. cm= 63. 44N. cm(3) 滚轴丝杠附加转矩 Mo 的计算，颠覆力矩影响系数 K=1.15，轴向切削力Fx=l728N、主切削力 Fz=3456N，导轨摩擦系数 =0. 16，W=800N，Fp= KFX+ (Fz+ W) = 1. 15 1728N+ 0. 16 ( 3456+ 800) N，= 2668. 16N附加摩擦转矩 Mo，M0= ( 1- ) F Ph/ (2 i )20= 0. 097 533. 63/ 6. 44= 8. 04N. cm(4) 最大切削负载 Mf 的计算，Fx=l728N，rL =0.82， i=zl/z2=1.25，Ph=6mm ；Mo= ( 1-2 ) FOPh/ ( 2 i ) = ( 1-0. 95 ) 899. 39 0. 6/ (220 0. 82 1. 25)= 0. 097 533. 63/ 6. 44= 8. 04N. cm 5. 计算电动机的最大输出转矩(1) 快速空载起动转矩 Mq；Mq= Mf+ Ma+ Mo= 577. 96+ 63. 44+ 8. 04= 649. 44N. cm(2) 最大切削负载时切削转矩 Mj；Mj= Mf+ Mo+ Mt= 63. 44+ 8. 04+ 160. 99= 232. 47N. cm(3) 空载匀速进给时的转矩 My；My= Mf+ Mo= 63. 44+ 8. 04= 71. 48N. cm(4) 步进电动机输出的最大总转矩 M，若考虑留有一定的计算裕量，M 的结果为；M= KaMa+ Mf+ Mo+ Mt= 577. 96+ 63. 44+ 8. 04+ 160. 99= 810. 43N. cm在实际切削加工过程中，为了简化步骤，常采用空载快速起动转矩 Mq 作为最大负载转矩来选择进给伺服驱动电动机。6、步进电动机的选择在选择步进电动机时，尽量选择高性能与低成本的步进电动机，因转矩特性与驱动电路有关，故还应考虑驱动功放电路对输出转矩的影响因数。具体方法为，先计算静转矩 Mfmax，根据 Mfmax 初选步进电动机，在从电动机的转矩特性曲线中查出最大负载转矩的起动频率 fq、连续工作时负载转矩My 的最高运行频率 fmax、进给切削时负载转矩 Mj 的最高运行频率 fe。( 1) 步距角与脉冲当量 步距角选 0.75，脉冲当量选 Z 轴的脉冲当量为0，0lmm，横向 X 轴为 0.005mm。(2) 步进电动机最大静转矩 Mfmax 选择， Mfmax Mq/ (0. 2-0. 4) 649. 44/ 0. 4= 1623. 6N. cm(3) 最大空载起动频率 fq起动转矩不能过高，起动后在升降速控制下根据加工要求逐渐增加脉冲频率，采用从低到高的脉冲频率，电动机才能正常起动，但不能超过突跳频率fe。对一些快速性要求不高的机床，在步进电动机最大静转矩相同时，尽量选择相数少的步进电动机。(4) 快速最高运行频率 fmax已知 CA6140 的刀架纵向的最大移动速度为 Vmax=2.4mm/min，机床的脉冲当量=0.0lmm/ 脉冲，fmax 结果为，Fmax= 1000 Vmax/ ( 60) = 1000 2. 4/ ( 60 0. 01 ) = 4000Hz从选择的 l60BC548BC 的连续运行矩频特性曲线可以看出，其最高频率可达 l0000Hz，满足 4000Hz 的要求，其特性在 4000Hz 时的输出转矩为 13.9N. m，大于所要求的 7. l48N. m。(5 ) 进给最高运行频率 fe，Fe= 1000ve/ ( 60 ) = 1000 0. 6/ ( 60 0. 0l ) Hz= 1000Hz计算结果从转矩曲线中对应的输出转矩为 l5N. m，满足最大切削负载时切削转矩 Mj=3. 93N. m 的要求。7. 滚轴丝杠副的选择验算一般情况下，初选滚轴丝杠副后，要根据已知条件和计算数据，验算最大工作动载荷作用下的使用寿命、最大静载荷、刚度、效率等( 1) 最大动载荷验算1) 计算最大切削力下的进给速度的丝杠平均转速 n；n= 1000vg/ Ph= 1000 0. 6 5/ 6= 50r/ min2) 滚轴丝杠副的工作寿命 L，其工作寿命时间 T=2668. l6H，代入得，L= 60Tn/ 10= 60 50 16000/ 10 = 48( 10 r )663) 根据 Fp=2668.l6N，工作寿命 L，取运转系数 fa=1，代入计算最大动载荷Cm,Cm= (L) Fpfu/ fa= (48 ) 2668. 16 1. 3/ 1= 12625. 7N3/13/1根据计算出的 Cm 参照滚轴丝杠样本，可选用某厂 FN-1004-3-5L 型法兰内循环变位螺距预紧的滚珠丝杠副，3 列 3 圈，其额定动载荷为 l6672N，额定静载荷 Fe 为 47465N，精度等级为五级。主要参数：公称直径 do=40mm，导程 Ph=6mm，螺纹升角 6=2。441，钢球直径 db=3.969mm，丝杠外径 d=39.5mm。(2) 最大静载荷 Fmax 安全系数 f=2，则Fmax Fe/ f 47465N 2373. 25 N(3) 效率计算= tan / tan ( + ) = tan2o44/ tan (2 44 + 10 )0= 0. 94(4) 刚度计算由于滚轴丝杠副工作时受轴向力和转矩的作用，将引起轴向变形及导程的变化，轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。刚度验算应验算在满载时的轴向总变形量。1) 滚轴丝杠副在轴向平均载荷 Fp 作用下引起的导程变化量 p，其中 E=2.06l0 N. m，滚珠丝杠截面积 A= d /4=1016.2mm，代入得，5 2p= 土 FpPh/EA=土 2668. l6 6/ (20.6 l0l6.2 l0 )=土 0.765 10 mm442) 滚珠丝杠拉伸压缩变形量 6 1 的计算，滚轴丝杠导程Ph=6mm，1=l540mm，计算得； 1= 1 p/ Ph= 1500 0. 756 10 / 6 = 0.0 l9mm4在机床改造中，传动系统采用的原机床的机械结构，变形量一般很小，完全可以满足精度要求时，可简化或忽略这部分的计算。CA6140 车床的横向滚珠丝杠副的选择及计算与纵向相似，选择滚珠丝杠副型号 YN-2004-3-5 型，为原柱型内循环变位螺距预紧的滚轴丝杠副，3 列 3 圈，其额定动载荷为 5295N，额定静载荷为 ll474N，精度等级为五级。主要参数：公称直径 do=19.5mm，导程 Ph=4mm，螺纹升角 6=3 39 ，钢球直径 db=2.381mm，丝杠外径 。 ，d=19.5mm，左螺纹，螺母宽 L=40mm6 步进电动机的控制表 4 为单片机对三相六拍步进电机控制模型。表 4 三相六拍步进电机控制节拍 控制模型正转 反转 通电顺序 二进制 十六进制1 6 A 00000001 012 5 AB 00000011 033 4 B 00000010 O24 3 BC 00000011 O65 2 C 00000100 O46 1 CA 00000101 05占的地址空间为 0000H0FFFH，8031 的 P1 口提供步进电机的控制脉冲。于步进电机需要较高电压和较大的驱动电流，为此在 P1 口之后增加了 7406驱动器，以驱动脉冲功率放大级的达林顿复合管，使步进电机绕组的静态电流达到 2 安培。图中 P1 口作为输出口，P1.0，P1.1，P1.2 三位分别输出控制脉冲,通过 7406 驱动脉冲功率放大级的达林顿复合管。根据 P1 口输出信号的状态，即可实现对步进电机的TA 反转控制。根据步进电机控制方式，将环行节拍控制模型顺序存放在一个表中，然后依次从表中取出控制模型并输出，这样即可实现按要求对步进电机的控制。三相步进电机的控制模型如表所示。从表中可以看出，电机第一个控制模型数据为 01，从上到下输出控制模型数据电机正转。在正转模型数据之后加上反转模型第一个数据 01，从上而下输出模型数据，电机反转。步进电机运行一拍的时间决定了步进电机的转速。在输出控制模型后加入一定的延时，即可控制步进电机的转速。延时时间的长短决定了电机运行速度的高低。由前面分析可知，步进电机控制的任务就是：1) 判断旋转方向；2) 按顺序送出控制脉冲；3) 判断脉冲是否送完。其正反转控制模型数据如下表：表 5 正转控制模型数据内存