CA6140数控化改造

课程设计任务书（机电方向）时间：2011 年 11 月 22 日至 2011 年 12 月 31 日共 6 周（13-18 周）一、设计参数：1. 行程：200mm2. 快速进给：1200mm/min3. 最大切削速度：250mm/min4. 留板及刀架质量：61.22kg5. 主电动功率：7.5kw6. 定位精度：0.04mm/全行程7. 重复定位精度：0.016mm/全行程8. 程序输入方式：增量值、绝对值通用9. 控制坐标数：210.脉冲当量：0.005mm/脉冲二、具体任务：1. 总体方案确定；2. 机械部分设计及计算，要求数据具有科学性；3. 绘制装配图及其零件图若干张；4. 控制部分包括硬件和软件设计；5. 编写设计说明书（不少于 1万字） ；6. 图纸、说明书必须交电子版和纸制文档。学 生： 日 期： 指导老师： 班级 姓名 学号题 2 CA6140 型车床数控化改造（横向）CA6140 车床数控改造改造设计说明书目录绪论： 1、机床数控化改造的意义42、机床数控化改造的市场43、机床数控化改造的主要形式 44、机床改造的优缺点45、改造方案的确定46、改造方案的实施57、改造成果验收5设计要求：2.1 总体方案设计要求62.2 设计参数62.3.其它要求9进给伺服系统机械部分设计与计算：3.1 进给系统机械结构改造设计103.2 横向进给伺服系统机械部分的计算与选型103.2.1 确定系统的脉冲当量113.2.2 滚珠丝杠螺母副的型号选择以及校核113.2.3 齿轮传动部件的选择143.2.4 转动惯量的计算15步进电动机的计算与选型：4.1 步进电机惯量的确定164.2 所需转动力矩的计算174.3 精度194.4 启动频率19控制系统的选择：5.1 步进电机拖动的开环系统20控制系统的设计： 6.1 控制系统框图206.2 确定 PLC 输出以及输入点数206.3.控制脉冲产生方式的确定216.4 PLC 程序的设计（梯形图以及指令） 216.5 I/O 分配表266.6 环形分配器的选择276.7 功率放大器的选用286.8 各元件连接图297 进给系统的装配308 课设总结319 参考文献311绪论1、机床数控化改造的意义一般说来，数控机床比传统机床有以下突出的优越性。1. 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。2. 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床提高 37 倍。3. 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要工人“修配”。4. 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。5. 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。6. 降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床） ，减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。数控技术现已经成为制造业自动化的核心技术和基础技术。2、机床数控化改造的市场由于机床下游行业固定资产投资连续几年快速增长，国内机电产品市场需求年均增长30，带动了机床市场需求 30以上的增长。从 2002 年开始，我国就成为世界第一机床消费大国。2004 年国产金属切削机床年产量达到 38.94 万台、数控机床产量 5.19 万台；2005 年前三季度，我国金属切削机床和数控机床产量分别达到 34.08 万台和 4.33 万台。我国的大多数制造行业和企业的生产、加工装备大多数是传统的机床，而且多数是役龄在10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响到企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。由于近几年国内外数控系统的高速发展，使原来进口的高档数控系统已不再满足日新月异的产品需求，迫切需要更换最新的数控系统及软件。我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术改造。在这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大的改造市场。由于机床数控技术的不断进步，机床改造是个永恒 的课题。我国的机床改造业，也已进入到以数控技术为主的新的行业。3、机床数控化改造的主要形式有以下几点： 其一是恢复原功能，对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复；其二是 NC 化，在普通机床上加数控系统，改造成 NC 机床、CNC 机床；其三是翻新，为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的 CNC 系统以最新 CNC 进行更新；其四是技术更新或技术创新，为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高水平和档次的更新改造。4、机床改造的优缺点减少投资额、交货期短，同购置新机床相比，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3，交货期短。机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。用户熟悉了解设备、便于操作维修，购买新设备时，不了解新设备是否能满足其工艺要求。改造则不然，可以精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。可以采用最新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。5、改造方案的确定改造的可行性分析通过以后，就可以针对某台或某几台机床的现况确定改造方案，一般包括：1. 机械修理与电气改造相结合一般来说，需进行数控改造的机床，都需进行机械修理。要确定修理的要求、范围、内容；也要确定因数控改造而需进行机械结构改造的要求、内容；还要确定数控改造与机械修理。机械性能的完好是数控改造成功的基础。为配合数控改造而需进行的机械大修改造的测量、计算、设计、绘图、零件制作等应先期完成。同时对停机后需拆、改、加工的部分等应事先规划完毕，提出明确要求，与整个改造工作衔接得当。2. 新旧系统接口的转换设计根据每台设备改造范围不同，需事先设计接口部分转换，若全部改造的，应设计机电转换接口、操作面板控制与配置、互联部分接点、参数测量点、维修位置等，要求操作与维修方便、合理，线路走向通顺、中小连接点少，强弱电干扰最小，备有适当裕量等。局部改造的，还需要考虑新旧系统的性能匹配、电压极性与大小变换、安装位置、数模转换等，必要时需自行制作转换接口。合理的验收标准，也是技术准备工作的重要一环。改造工作涉及机械、液压、电气、控制、传感等，因为验收标准是对新系统的考核，制定时必须实事求是，过高或过低的标准都会对改造工作产生负面影响。标准一旦确定下来，不能轻易修改，因为它牵涉到整个改造工作的各个环节。6、改造方案的实施准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。实施阶段内容按时间顺序分为：1. 原机床的全面保养机床经长期使用后，会不同程度地在机械、液压、润滑、清洁等方面存在缺陷，所以首先要进行全面保养。其次，应对机床作一次改前的几何精度、尺寸精度测量，记录在案。这样既可对改造工作起指导参考作用，又可在改造结束时作对比分析用。2. 原系统拆除原系统的拆除必须对照原图纸，仔细进行，及时在图纸上作出标记，防止遗漏或过拆（局部改造情况下） 。在拆的过程中也会发现一些新系统设计中的欠缺之处，应及时补充与修正，拆下的系统及零件应分门别类，妥善保管。还有一定使用价值的，可作其他机床备件用。3. 改造的实施与调试机床改造应按预先制定好的方案按先后顺序进行。调试必须按事先确定的步骤和要求进行。调试人员应头脑冷静，随时记录，以便发现和解决问题。调试中首先试安全保护系统灵敏度，防止人身、设备事故发生。调试现场必须清理干净，无多余物品；各运动坐标拖板处于全行程中心位置；能空载试验的，先空载后加载；能模拟试验的，先模拟后实动；能手动的，先手动后自动。7、改造成果验收验收工作应聘请有关的人员共同参加，并按已制定的验收标准进行。验收工作包括：1. 机床机械性能验收经过机械修理和改造以及全面保养，机床的各项机械性能应达到要求，几何精度应在规定的范围内。2. 电气控制功能和控制精度验收电气控制的各项功能必须达到动作正常，灵敏可靠。控制精度应用系统本身的功能(如步进尺寸等)与标准计量器具(如激光干涉仪、坐标测量仪等) 对照检查，达到精度范围之内。同时还应与改造前机床的各项功能和精度作出对比，获得量化的指标差。3. 试件切削验收可以参照国内外有关数控机床切削试件标准，在有资格的操作工、编程人员配合下进行试切削。试件切削可验收机床刚度、切削力、噪声、运动轨迹、关联动作等，一般不宜采用产品零件作试件使用。2设计要求2.1 总体方案设计要求总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，本方案采用用PLC 控制步进电机的形式实现。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。2.2 设计参数CA6140 车床的主要组成部件由下图所示：图一：CA6140 车床1主轴箱 2刀架 3尾座 4床身 5右床腿 6溜板箱 7左床腿 8进给箱外形图6溜板箱 7左床腿 8进给箱（1）主轴箱: 主轴箱 1 是一部件，由箱体、主轴、传动轴、轴上传动件、变速操纵机构、润滑密封件等组成。主轴通过前端的卡盘或者花盘带动工件完成旋转作主运动，也可以安装前尖顶通过拨盘带动工件旋转。（2）刀架: 四方刀架装在小滑板上，而小滑板装在中滑板上，纵滑板可沿床身导轨纵向移动，从而带动刀具纵向移动，用来车外圆、镗内孔等。而中滑板相对于纵滑板作横向移动，用来带动刀具加工端面、切断、切槽等。小滑板可相对中滑板改变角度后带动刀具斜进给，用来车削内外短锥面。（3）尾座: 尾座 3 可沿其导轨纵向调整位置，其上可安装顶尖支撑长工件的后段以加工长圆柱体，也可以安装孔加工刀具加工孔。尾座可横向作少量的调整，用于加工小锥度的外锥面。（4）进给箱: 进给箱 8 内装有进给运动的传动及操作装置，通过改变进给量的大小，可改变所加工螺纹的种类及导程。 （5）床身及床腿: 床身 4 是机床的支承件，它安装在左床腿 7 和右床腿 5 上并支承在地基上。床身上安装着机床的各部件，并保证它们之间具有要求的相互准确位置。床身上面有纵向运动导轨和尾座纵向调整移动的导轨。（6）溜板箱: 溜板箱 6 与纵向滑板（床鞍）相连，溜板箱内装有纵、横向机动进给的传动换向机构和快速进给机构等。设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。现列出 CA6140 卧式车床的技术数据： 工件最大直径：在床身上 400mm 在刀架上 210mm顶尖间最大距离 650;900;1400;1900mm加工螺纹范围：宋制螺纹 mm 1-12(20 种)英制螺纹 t/m 2-24(20 种)模数螺纹 mm 0.25-3(11 种)径节螺纹 t/m 7-96(24 种)主轴： 最大通过直径 48mm孔锥度 莫氏 6#正转转速级数 24正转转速范围 101400r/min反转转速级数 12反转转速范围 14-1580r/min进给量：纵向级数 64纵向范围 0.028-6.33mm/r横向级数 64横向范围 0.014-3.16mm/r滑板行程：横向 320mm纵向 650;900;1400;1900mm刀架：最大行程 140mm最大回转角 90刀杠支承面至中心的距离 26mm 刀杠截面 BH 2525mm尾座： 顶尖套莫氏锥度 5# 横向最大移动量 10mm外形尺寸 长宽高 241810001267mm工作精度：圆度 0.01mm圆柱度 200:0.02平面度 0.02/300mm 表面粗糙度 Ra 1.6-3.2 m电动机功率：主电动机 7.5kw总功率 7.84kw改造设计参数如下:最大加工直径 在床面上 400mm在床鞍上 210mm最大加工长度 1000mm快进速度： 纵向 2.4m/min横向 1.2m/min最大切削进给速度 纵向 0.5m/min横向 0.25m/min溜板及刀架重力： 纵向 800N横向 600N代码制： ISO脉冲分配方式：逐点比较法输入方式： 增量值、绝对值通用控制坐标数： 2脉冲当量： 纵向 0.01mm/脉冲横向 0.005mm/脉冲机床定位精度： 0.015mm刀具补偿量： 0mm-99.99mm进给传动链间隙补偿量 ：纵向 0.15mm横向 0.075mm自动升降速性能：有2.3.其它要求（1） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。3.进给伺服系统机械部分设计与计算3.1 进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。3.2 横向进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。横向进给机构简图如下图所示：图二：横向进给示意图上图中：js 指步进电机与滚珠丝杠的转动惯量j1， j2 ，j3， j4 分别为齿轮 z1， z2， z3， z4 的转动惯量G 为溜板及到刀架的质量L 指支承跨距3.2.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的技术参数中，要求纵向脉冲当量 fp 为 0.01mm/step，横向脉冲当量为 fp=0.005mm/step。3.2.2 滚珠丝杠螺母副的型号选择以及校核1.最大工作载荷计算：滚珠丝杠的工作载荷 Fm 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时，滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力，它包括滚珠丝杠的抗力以及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。1、车削抗力分析：车削外圆的切削抗力有 Fx, Fy, Fz。主切削力 Fz 与主轴切削速度方向一致且垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力 Fy 与纵向进给垂直，影响加工精度和已加工表面的质量。进给抗力 Fx 与进给方向平行且方向相反，设计与校核系统时要求用它。纵切外圆时，车床的主切削力 Fz 可用以下公式计算：Fz=CFx =5360NFx， 由金属切削原理知：Fz ：Fx ：Fy=1:0.25:0.4得 Fx=1340NFy=2144N因为车刀装夹在托板的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给托板和导轨上，由于导轨为贴塑导轨，则 K=1.4 =0.05 F1 为工作台进给方向载荷,F1=2141N Fv=5360N Fc=1340N G=61.22kg T=15000h最大工作载荷：Fm=KF1+ (Fv+2Fc+G),=1.42144+0.05（5360+21340+1061.22 ）=3434.21N计算作用于丝杠轴向最大动载荷 FQ（N）FQ= FhFwFm3式中：L 为滚珠丝杠寿命系数（单位为 106 转）L=60nt/106(其中 t 为使用寿命时间，单位为 h)现取 t 的值为 15000hFw 为载荷系数，由于横向进给所承受的冲击为平稳或轻度冲击，所以取 Fw=1.2Fh 为硬度系数，取 HRC=55，则 Fh=1.11根据课程设计要求，车刀快速进给的速度为 1200mm/min，最大切削速度为250mm/min。暂定步进电机的步距角为 0.75。 ，并且机床要求的脉冲当量为 0.005mm/脉冲，所以在忽略传动比的前提下:丝杠的进给量 F1= 0.005mm/r3600.75=2.4mm/rN 快速 = N 进给 =1200/2.4/ 250/2.4/=500r/min =104r/min根据 N 快速、 N 进给 值的大小取 Ncp=300r/min则： L=60NT/106 =6030015000106=270FQ= FHFWFmax3= 1.111.23434.213270=29565.5N初选滚珠丝杠副的尺寸规格相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大动载荷 C，因此有CaF Q；根据以上数据初选滚珠丝杠的型号为：CD506-3.5-E其基本参数为：Dw=3.969mm，=2 011,L0=6mm,圈数列数=3.5 1丝杠传动效率的计算：=tg/tg(+)=tg2 o11 /tg(2o11 +10)=93%2.压杆稳定性校核:稳定条件：F K=fK 2EI/（KL S2）F max式中：F k 为实际承受载荷的能力，单位为 N；fk 为压杆稳定的支承系数（双推-双推为 4，单推-单推为 1，双推- 简支式为 2，双推-自由式为 0.25） ；E-刚的弹性模量，2.110 5MPaI-滚珠丝杠底径 d2 的抗弯截面惯性矩，I=d 24/64K-压杆稳定安全系数，一般取 2.5-4，垂直安装时取小值如果 FKF max 时，会使丝杠发生翘曲。两端装推力轴承与向心轴承时，丝杠一般不会发生失稳现象。由于滚珠丝杠采用双推-双推支承方式，所以取 fK=4I= d24/64= （ d0-Dw） 4/64= （ 50-23.969） 4/64=153648取安全系数 K 的值为 3，则：FK=fK 2EI/（KL S2）=4 22.1105153648/(42502)=5.09106N3434.21N综上，丝杠符合压杆稳定性条件3刚度的验算：滚珠丝杠在轴向力的作用下，将产生伸长或缩短，在扭矩的作用下将产生扭转而影响丝杠导程的变化，从而影响传动精度及定位精度，故应验算满载时的变形量。其验算公式如下：滚珠丝杠在工作载荷 F 与扭矩 T 共同作用下，所引起的每一导程的变形量L（cm ）为：L=FPhTPh22式中 E:钢的弹性模量，2.110 5MPaA：丝杠的最小截面积，cm 2T：扭矩，N.cmI：丝杠底径 d2 的抗弯截面矩“”号用于拉伸时， “”号用于压缩时。在丝杠副精度标准中一般规定每一米弹性变形所允许的基本导程误差值。f=Fm=3434.210.001=3.434NT=f（d 0-dw）/2=3.4345/2=8.58N.cm将具体数值带入公式中得: L=FPhTPh22= 3434.210.62.1105（ 5023.969） /202 8.580.6221536482.1105= 0.0007cm= 0.007mm查表知 E 级精度丝杠所允许的螺距误差为 0.015mm，故所选丝杠合格。3.2.3 齿轮传动部件的选择1.横向齿轮及转矩的有关计算：有关齿轮计算，由前面的条件可知：工作台重量：W=61.22kg滚珠丝杠的导程: Lo=6m步距角: =0.75/step脉冲当量: p=0.005/step快速进给速度：Vmax=1200mm/min最大切削速度：250mm/min所以齿轮的传动比i= = =0.756/360/0.005=2.5Z2 Z1 L0360p 齿轮的有关参数选取如下: 为缩小变速机构的尺寸，采用 2 级传动：i=i1 i2= 32 53齿轮的有关参数选取如下：第一级齿轮：Z1=16 Z2=24 模数 m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角 =20 0则：d1=mZ1=216=32mmd2=mZ2=224=48mmda1=(Z1+2)m =36mmda2= (Z2+2)m=52mma1=(d1+d2)/2=(32+48)/2=40mm第二级齿轮：Z3=18 Z4=30 模数 m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角 =20 0则：d3=mZ1=218=36mmd4=mZ2=230=60mmda3=(Z1+2)m =40mmda4= (Z2+2)m=64mma2=(d3+d4)/2=(36+60)/2=48mm3.2.4 转动惯量的计算：对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按下式计算：J=7.810-4D4L(kg.cm2)齿轮的转动惯量:JZI=7.810-43.242=0.128kg.cm2JZ2=7.810-44.842=0.828kg.cm2JZ3=7.810-43.642=0.262kg.cm2JZ4=7.810-4642=2.022kg.cm2丝杠的转动惯量：Js=7.810-43.2425=2.045kg.cm2工作台质量折算到步进电机轴上的转动惯量：JL=m（ ） 22=61.22（ ） 20.622.5=0.089kg.cm2综上：J = JZI+（J Z2+ JZ3）/i 12+( JZ4+ Js)i12i22+JL = 0.128+（0.828+ 0.262）/( )2+( 2.022+ 2.045) ( )2( )2+0.08932 32 53=1.224kg.cm24 步进电动机的计算与选型4.1 步进电机惯量的确定：惯量匹配的条件：惯量匹配是指进给系统负载惯量与电动机转子惯量相匹配。其具体条件为：1 4式中：J M 是指步进电机的转动惯量（kg.cm 2） ，可由电机技术手册查得。J 是指负载惯量（ kg.cm2） ，即进给系统（传动轴、齿轮、工作台等）折算到电机主轴上的负载转动惯量。根据前文计算所得的数据以及各项参数，初选步进电机的型号为：110BF003该步进电机的具体参数为：相数：3步距角：7.5电压：80V相电流：6A最大静转矩：7.84N.m空载启动频率：1500 步/S空载运行频率：7000 步/S电感：35.5mH电阻：0.37分配方式:3 相 6 拍外形尺寸（轴径）mm：110160（11 ）质量：6kg转子转动惯量（10 -5kg.m2）：46.1转子惯量匹配验算：J M=4.61kg.cm2J=1.224kg.cm2则： =4.61/1.224=3.76J符合惯量匹配条件4.2 所需转动力矩的计算：所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩M=Mamax+Mf+Mo最大切削负载时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt快速进给时所需力矩M=Mf+Mo式中, Mamax-空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩;Ma-折算到电动机轴上的加速度力矩 ;Mf-折算到电动机轴上的摩擦力矩;Mo-由丝杠预紧所引起 ,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩;Mat-切削时折算到电动机轴上的加速力矩;Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩;nmax= i=1200/62.5=500r/minMamax= 10-4 (T 为时间常数，本方案取 0.05S)（ +） 9.6= 50010-44.61+1.2249.60.05=0.608kg.m=5.96N.mNt= i=250/62.5=104.16r/minMat= 10-4 （ +） 9.6= 104.1610-44.61+1.2249.60.05=0.126kg.m=1.26N.mMf-由丝杠预紧所引起, 折算到电动机轴上的附加摩擦力矩;W 为滚珠丝杠轴向预紧力，一般取载荷的 1/3，本方案 W=1/3Fm=1/33434.21N=1144.74Nf， 为摩擦系数，本方案取 f， =0.15为传动效率，本方案 = 1 2 3=0.930.920.92=0.79（ 1 为丝杠传动效率； 2、 3 为齿轮 传动效率）综上Mf=f,wP2 =0.151144.740.00620.792.5= 0.083N.mMo =0(120)6=21440.006（ 10.792）60.792.5=0.13N.mMt=2=21440.00620.792.5=1.04N.m所以：快速空载启动时所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=5.96+0.083+0.13=6.173N.m最大切削负载时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=1.26+0.083+1.04+0.13=2.513N.m快速进给时所需力矩M=Mf+Mo=0.083+0.13=0.213N.m由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mamax 发生在快速启动时Mmax=6.173N.m小于初选步进电机 110BF003 的最大静转矩4.3 精度步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足： mi s 式中， m -步进电动机的累积误差。 s-系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差 。 4.4 启动频率由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：Ftfopm 式中，ft-极限启动频率，fopm-要求步进电动机最高启动频率。步进电动机最高工作频率：fmax= =4000 HZmax60 p = 1200600.005 初选步进电机 110BF003 的空载运行频率： 7000 步/S；空载启动频率：1500 步/S步进电动机最高工作频率大于所选电机的空载启动频率：1500 步/S，小于所选电机的空载运行频率：7000 步/S 。为了解决以上问题，采用变频启动，步进电机仍选取 110BF003。5.控制系统的选择5.1 步进电机拖动的开环系统：系统的伺服驱动装置主要是步进电机、功率步进电机、电液脉冲马达等。由控制系统送出的进给指令脉冲，经驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过齿轮副与滚珠丝杠副驱动执行部件。只要控制指令脉冲的数量、频率以及通电顺序，便可控制执行部件运动的位移量、速度和运动方向。这种系统不需要将所测得的实际位置和速度反馈到输入端，故称之为开环系统，该系统的位移精度主要决定于步进电机的角位移精度，齿轮丝杠等传动元件的节距精度，所以系统的位移精度较低。该系统结构简单，调试维修方便，工作可靠，成本低，易改装成功。6.控制系统的设计 6.1 控制系统框图：图三：6.2 确定 PLC 输出以及输入点数本方案：PLC 输入的信号有 15 个，主要包括:5 个控制进给量的信号；5 个控制进给速度的信号；1 个总开关信号；1 个开始进给信号；1 个快速进给信号；2 个控制步进电机正反转的信号。PLC 输出的信号有两个，1 个驱动步进电机的脉冲信号，1 个控制步进电机正反转的信号。6.3.控制脉冲产生方式的确定：第一种方法：利用时基中断程序，时基中断包括定时中断和定时器中断。第二种方法：利用通电和断电延时定时器来实现，此方法不但可以调整时钟周期，还可以产生打开和关闭时间不同的时钟脉冲。下面给出两段例子程序。第三种办法：使用高速脉冲输出。高速脉冲输出功能是指可以在可编程控制器的某些输出端产生高速脉冲，用来驱动负载实现精确控制。由于步进电动机最高工作频率：fmax= =4000 HZ（刀架快速进给时）max60 p = 1200600.005 并且所选用的步进电机 110BF003 的空载启动频率为 1500HZ，必须采用变频启动，才能保证步进电机正常启动，所以决定采用第三种办法（使用高速脉冲输出） 。相关参数的计算：快速进给时的参数：由于快速进给的速度为 1200mm/min，所以：快速进给时的脉冲频率 fmax= =4000 HZmax60 p = 1200600.005 切削时，进给速度的选择：本方案采用 5 级进给速度，分别为： 6mm/min, 30mm/min, 90mm/min, 150mm/min, 250mm/min;5 级进给速度对应的脉冲频率为：20HZ 100HZ 300HZ 500HZ 833HZ本方案采用 5 级单位进给量，分别为：0.01mm ， 0.04mm， 0.4mm，4mm， 8mm5 级单位进给量对应的脉冲数为：2， 8， 80， 800， 1600由于本方案采用 PLC 脉冲输出模块产生脉冲，以及根据本方案所要求的 PLC 输入、输出点数，决定采用三菱 FX1NC-32MT(使用 PLSY 以及 PLSR 指令产生脉冲 )6.4 PLC 程序的设计（梯形图以及指令）：6.5 I/O 分配表：表一：元件 I/O 号 信号定义 S C X015 反转控制开关S0 X001 0.01mm 单位进给 S7 X007 90mm/min 进给速度S1 X002 0.04mm 单位进给 S8 X010 150mm/min 进给速度S2 X003 0.4mm 单位进给 S9 X011 250mm/min 进给速度S3 X004 4mm 单位进给 S10 X000 切削脉冲发生开关S4 X012 8mm 单位进给 S11 X013 快速进给脉冲发生开关S5 X005 6mm/min 进给速度 S A X012 总开关S6 X006 30mm/min 进给速度 S B X014 正转控制开关图四：PLC I/O 配置及接线图6.6 环形分配器的选择：本方案采用专用环形分配器器件，该分配器的型号为 CH250，它可以实现三相步进电机的各种环形分配，使用方便，接口简单。其管脚图以及接线图如下。图五：CH250 管脚图以及三相六拍接线图6.7 功率放大器的选用：本方案采用恒流源功率放大电路：恒流源功率放大电路如下图所示。当 A 处输入低电平时 VT1(3DK2