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基于CATIA
二级减速器设计
基于
CATIA
二级
减速器
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基于CATIA 二级减速器设计,基于CATIA,二级减速器设计,基于,CATIA,二级,减速器,设计
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专业课程设计任务书题目：C6140卧式车床数控化改造设计任务：将一台C6140卧式车床改造成经济型数控车床。主要技术指标如下：1) 床身最大加工直径400mm2) 最大加工长度980mm3) X方向（横向）的脉冲当量 mm/脉冲，Z方向（纵向）脉冲当量 mm/脉冲4) X方向最快移动速度vxmax=2700mm/min，Z方向为vzmax=5900mm/min5) X方向最快工进速度vxmaxf=410mm/min，Z方向为vzmaxf=750mm/min6) X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm7) 可以车削柱面、平面、锥面与球面等8) 安装螺纹编码器，最大导程为25mm9) 自动控制主轴的正转、反转与停止，并可以输注主轴有级变速与无极变速信号10) 自动控制冷却泵的起/停11) 纵、横向安装限位开关12) 数控系统可与PC机串行通讯13) 显示界面采用LED数码管，编程采用相应数控代码摘 要机械制造工业是为现代化建设提供各种机械装备的部门，在国民经济的发展中具有十分重要的地位。机械制造工业的发展规模和水平是反映国民经济实力和科学技术水平的重要标志，因此，我国一贯都把发展机械制造工业作为发展国民经济的战略重点之一。针对C6140普通旧车床进行数控化改造其现实意义在于提高普通车床的生产效率，提高加工精度。本设计说明书包括概括总体设计方案的拟定、验证主动传动部分的改造设计、进给系统的改造设计等部分改造后的机床主运动实现自动变速纵向横向进给系统进行数控控制并要求到达纵向最小运动单位为0.05mm/脉冲，横向最小运动单位0.005mm/脉冲，并能自动切削螺纹。关键词：数控车床，电气控制系统，改造计划目 录第一章 总体方案确定错误!未定义书签。第二章 纵向传动部件的计算与选型32.1导轨上移动部件的重量估算32.2脉冲当量的确定32.3切削力的计算32.4滚珠丝杆螺母副的计算和选型42.5轴承的选型62.6 导轨的选择72.7联轴器的选型82.8减速箱的的设计9第三章 横向传动部件的计算与选型103.1 传动方式的确定103.2切削力的计算103.3滚珠丝杠副的计算与选型103.4 轴承的选型133.5 导轨的选择133.6 联轴器的选型15第四章 控制系统设计164.1 需求分析16 4.2 控制方法的选择16 4.3 控制流程图分析17 4.4 I/O口分配18 4.5 电气元件的选型18 4.6 电气原理图和电气接线图27 4.7 PLC程序28 4.8 控制系统仿真与调试32总结35参考文献36第1章 总体方案确定根据参数要求，改造C6140车床为数控车床。设计方向如下纵向设计构件主要有：1-步进电机，2-齿轮组，3-直线导轨，4-Z向导轨底座，5-丝杆螺母座，6-丝杆螺母，7-单轴承座，8-直线滑块，9-丝杆，10-双轴承座横向设计构件主要有：11-X向导轨底座，12-直线导轨，13-步进电机，14-凸缘联轴器，15-等径孔双螺柱轴承座，16-工作台，17-丝杠，18-等径孔双螺柱轴承座纵向设计思路为：直线导轨安装于Z向导轨底座上，丝杆安装Z向导轨底座中间，采用一端固定，一端游动方式支撑丝杆固定，在Z向导轨底座的一端，装有步进电机，步进电机输出轴端还连接有齿轮减速箱，丝杆上安装有螺母，螺母上安装有螺母座，螺母座连接X方向导轨座，直线导轨上有4个直线滑块两两等间距与X方向导轨底座相连。通过控制步进电机传动到减速箱，减速箱输出轴带动丝杆转动，丝杆每转动一圈，带动X方向导轨行走6mm。选用plc与相应的步进驱动器来控制步进电机，实现变速驱动等横向的工作原理：当电机接通电源的时候，电机运行的同时凸缘联轴器也同时运行，从而带动了丝杠的转动，因为有轴承座的固定，丝杠在转动的同时并不会发生偏移，而我们安装在底座上的滑轨被固定住，就能让工作台在底座上平滑的运动，既平稳又确保了精度要求。最后利用相对应的程序，实现刀具的进刀与退刀都能在规定的行程范围内运行。第二章 纵向传动部件的计算与选型纵向进给传动部件的计算和选型主要包括：确定脉冲当量、计算切削力、选择滚珠丝杠螺母副、设计减速箱、选择步进电动机等。2.1导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1000N。2.2脉冲当量的确定根据设计任务要求，X方向（横向）的脉冲当量 mm/脉冲，Z方向（纵向）脉冲当量 mm/脉冲2.3切削力的计算2.3.1 纵向切削力的计算设工件为碳素结构钢,MPa,则选用刀具材料为硬质合金YT15，根据表3-3,取刀具几何参数为：主偏角，前角，刃倾角；根据表3-4,取切削用量为：背吃刀量mm，进给量f=0.6mm/r，切削速度m/min。通过查表得到，=2795、=1.0、=0.75、=-0.15。主偏角的修正系数；刃倾角、前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0。由经验公式：可以算得主切削力，由经验公式，算得纵向进给切削力N，背向力N。2.4滚珠丝杆螺母副的计算和选型2.4.1工作载荷的计算设移动部件总重N；车削力N，N，N。根据拖板所载荷与车削力存在以下对应关系：进给方向的载荷，横向载荷，垂直载荷则可得：N，N，N。根据表3-29,选用矩形三角形组合滑动导轨，取K=1.15，代入，则得工作载荷N。2.4.2最大动载荷的计算本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度0.75m/min，初选丝杠基本导程PhVmaxnmax=6mm,则此时丝杠转速125r/min。选取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h (数控机床及一般机电设备取T=15000h)，查表初选滚珠丝杠的精度等级为3级精度，则取，取载荷系数，再取可靠性系数为=1，则最大动载荷的计算公式为： =9236.6N代入数据得最大动载荷Cam=9236.6N。1）按精度要求确定滚珠丝杠的最小螺纹底径已知X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm，则L=(1.11.2)行程+（1014）=1200mm。滚珠丝杠允许的最大轴向变形量=0.005则：=a=14.05mm2）初选型根据计算出来的最大动载荷，选择在南京工艺装备制造厂生产的滚珠丝杠，其型号为FFZL2506-3，其动载荷为11300N,丝杠底径为=20.9mm,公称直径为25mm,基本导程为6，双螺母滚珠总圈数为3x2=6圈，精度等级取3级，满足要求。3）效率计算将公称直径mm，基本导程Ph=6mm，代入，得丝杠螺旋升角=4.360。将摩擦角，代入，得传动效率=96%。4）刚度的验算纵向滚珠丝杠的支承，采取一端轴向固定，一端游动的方式。其特点是：压杆稳定性和临界转速比同长度的一端固定一端自由型高；丝杠有热肿胀的余地；适用于较长的卧式安装丝杠。固定端采取一对角接触球轴承，因为面对面安装轴承刚性强，对主轴支撑较好，它的轴向分力向外。而背对背安装柔性好点，补偿能力强，轴向分力向内，故选用面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a=1200mm；钢的弹性模量；查表3-33得滚珠直径mm，则丝杆截面积=376.49mm。丝杠的拉伸或压缩变形量式中：为丝杠的最大工作载荷 a为丝杠两端支撑间的距离 E为丝杠的弹性模量 S为丝杠按底径确定的截面积代入数据算的0.02根据公式，求得单圈滚珠数目Z=19,该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为，则滚珠总数量=619=114。当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半左右。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力=554.59。则由式,求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量=0.001588。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的，所以实际变形量可减小一半，取=0.0007584。将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量=0.0217。由表3-27知，3级精度滚珠丝杠任意1000mm轴向行程内行程的变动允许量24，而对于跨度为1200mm的滚珠丝杠，总的变形量为0.0217，可见丝杠刚度足够。5）稳定性的验证根据式（式3-28），计算失稳时的临界载荷。查表3-34，取支承系数；由丝杠底径=20.9mm，求得截面积惯性矩=9361.27；压杆稳定安全系数取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离取最大值1200mm。代入式，得临界载荷2857.79N,大于工作载荷，故丝杠不会失稳。综上所选的纵向滚珠丝杠符合要求。2.5轴承的选型轴承初选成对角接触球轴承，其型号为7205C（1） 求比值，查表可得角接触球轴承e=0.38,故e,则X=1，Y=0（2） 计算当量动载荷P，查表13-6，=1.21.8,取=1.2，根据公式为P=1.212673.4=3208.08N，则轴承的基本额定动载荷为： =16083.06N故选择的C=16.5KN的7205C轴承满足题目要求。2.6 导轨的选择滚珠直线导轨副具有摩擦因数小、不易爬行、便于安装和预紧、结构紧凑等优点，广泛应用于精密机床、数控机床和测量仪器等。本次使用直线滚动导轨副，作为进给传动的移动副，采用双导轨、四滑块的支承形式。初选型号为济宁博特公司生产的JSA型导轨，导轨副型号为JSA-LG35KL22x1200-2J。1）工作载荷的计算式中：滑块上的工作载荷F为垂直于工作台面的外加载荷G为工作台的重力距离尺寸假设，工作载荷加载在工作台的正中心，得：400/2=200mm=415.945N2）距离额定寿命的计算 所选滚动体为球，得：式中一一距离额定寿命一一额定动载荷，查资料为40kN一一滑块上的工作载荷一一硬度系数，取0.8一一温度系数，取1.0一一接触系数，取0.81一一精度系数，取1.0一一载荷系数，取1.0代入数据得到L=62.32常见球导轨的距离期望寿命为50，所得结果大于导轨的预期寿命，即初选的导轨型号满足要求。2.7联轴器的选型一般联轴器的选用依据是其工作条件和形式。在选型时，主要考虑以下几点：1）选择联轴器的类型根据传递的转矩大小和转速高低，以及对缓冲和振动的要求，参考各类联轴器特点，选择刚性套筒式联轴器。其具有重量轻，超低惯量和高灵敏度、免维护、结构简单、成本低、可传递较大转矩、刚性大、超强抗油和耐腐蚀性等特点。缺点是装拆困难，且要求两轴轴线严格对中。2）计算联轴器的转矩由于机械启动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象，所以应当按轴上的最大转矩作为联轴器的计算转矩T，并按下式计算：式中：T表示公称转矩，已知纵向电动机的最大静转矩T=16Nm，查表可知,则联轴器的转矩为=181.5=24Nm（3） 确定联轴器的型号选用的GT4型套筒式联轴器符合纵向进给各零件轴的直径大小，即25mm。此外，该联轴器允许的轴的相对位移偏差为，规定丝杠输入输出两轴的响应安装精度为H7/h6。故选用GT4型套筒式联轴器。2.8减速箱设计根据选用电动机的步距角=1.2o，脉冲当量z=0.05mm/脉冲，滚珠丝杆导程Ph=6mm。根据式i=Ph360o，算得传动比i=2。则纵向传动进给机构设置一级增速装置。因齿轮减速具有传动更可靠等特点，故采用一级传动齿轮系来达到i=2的增速，采用直齿齿轮对增速，根据工作的传动功率，强度等一系列要求，选用小齿轮模数为m=1.25，齿数为24，齿宽为20mm,大齿轮模数为m=1.25,齿数Z为48,齿宽为20mm。 第三章 横向（X方向）传动部件的计算与选型3.1 传动方式的确定 传动比i的确定：电机选用的步距角，脉冲当量mm/脉冲，滚珠丝杆导程mm。根据式，算得传动比。则横向传动进给机构不设置减速装置。3.2切削力的计算查阅相关资料得，横向的切削力一般为纵向切削力的，即主切削力，横向进给切削力，背向切削力力。3.3滚珠丝杠副的计算与选型1） 工作载荷的计算假设移动部件的重量为600N,采用燕尾型导轨，查得K=1.4，由公式，算得工作载荷为=1042.33N。2）最大动载荷的计算 根据题设，本车床在x向的最快工进速度v为410mm/min，初选滚珠丝杠的基本导程为5，丝杠的转速为82r/min。则取滚珠丝杠的使用寿命为T=15000h，查表初选滚珠丝杠的精度等级为4级精度，则取，取载荷系数，再取可靠性系数为=1，则最大动载荷的计算公式为： =6013.20N3)按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径滚珠丝杠螺母的安装方式为一端固定，一端游动支撑方式，滚珠丝杠螺母的两个固定支撑之间的距离为：L=1.4行程+30=1.4200+305=430mm,已知本车床横向进给的定位精度0.01mm，由公式可得：=27.4mm4）初选型根据其最小螺纹底径和最大动载荷选型，选用滚珠丝杠的型号为FFZL3205-3，其动载荷为11.7KN,丝杠底径为=28.9mm,公称直径为32mm,基本导程为5，双螺母滚珠总圈数为3x2=6圈，精度等级取4级，故满足要求。5）验算刚度 横向滚珠丝杠的支承，采取一端轴向固定，一端游动的方式。其特点是：压杆稳定性和临界转速比同长度的一端固定一端自由型高；丝杠有热肿胀的余地；适用于较长的卧式安装丝杠。固定端采取一对角接触球轴承，因为面对面安装轴承刚性强，对主轴支撑较好，它的轴向分力向外。而背对背安装柔性好点，补偿能力强，轴向分力向内，故选用面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a=430mm；钢的弹性模量；查表3-33得滚珠直径mm，则丝杆截面积=985.89mm。6）丝杠的拉伸或压缩变形量式中：为丝杠的最大工作载荷 a为丝杠两端支撑间的距离 E为丝杠的弹性模量 S为丝杠按底径确定的截面积代入数据算的0.00216。7）滚珠与螺纹滚道间的接触变形量根据公式，求得单圈滚珠数目Z=32,该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为，则滚珠总数量=632=192。当滚珠丝杠副有预紧力，且预紧力达轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半左右。滚珠丝杠预紧时，取轴向预紧力=347.44。则由式,求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量=0.000273。 因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的，所以实际变形量可减小一半，取=0.000137。将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量=0.002296。由表3-27知，4级精度滚珠丝杠任意500mm轴向行程内行程的变动允许量19，而对于跨度为430mm的滚珠丝杠，总的变形量为0.002296，可见丝杠刚度足够。8）压杆稳定性校核根据计算失稳时的临界载荷。查资料得，支承系数；由丝杠底径mm，求得截面惯性矩；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值430mm。代入式，得临界载荷680088N，远大于工作载荷=1042.33N，故丝杆不会失稳。综上所述，所选的滚珠丝杠满足要求。3.4 轴承的选型轴承初选成对角接触球轴承，其型号为7208C1）求比值，查表可得角接触球轴承e=0.38,故e,则X=1，Y=02）计算当量动载荷P，查表13-6，=1.21.8,取=1.4，根据公式为P=1.411336.7=1871.38N，则轴承的基本额定动载荷为： =19200.08N故选择的C=136.8KN的7208C轴承满足题目的要求。3.5导轨的选择直线导轨因其摩擦阻力小，只需较小动力便能让移动部件运动。摩擦产生摩擦热小，因而运动部件可高速运动。导轨在设计时的结构提供了同时满足四方向的相同额定载荷能力，因而导轨适合各种安装方式的应用。导轨在组装时只需要将整套直线导轨安装在机器的装配基准面上用螺钉压紧，并能保证安装精度，所以装配方便、维修容易。所以本次机床改造采用双导轨、四滑块的支承形式。初选型号为南京哈宁轴承有限公司生产的GGB四方向等载荷直线型导轨，导轨副型号为GGB20AAL MN 2 P1 2x700（2）-4。1）工作载荷的计算式中：滑块上的工作载荷F为垂直于工作台面的外加载荷G为工作台的重力距离尺寸假设，工作载荷加载在工作台的正中心，得：=400mm=1042.33N2）距离额定寿命的计算 所选滚动体为球，得：式中一一距离额定寿命一一额定动载荷，查资料为26.50kN一一滑块上的工作载荷一一硬度系数，取0.8一一温度系数，取1.0一一接触系数，取0.81一一精度系数，取1.0一一载荷系数，取1.0代入数据得到L=51.86常见直线导轨的距离期望寿命为50，所得结果大于导轨的预期寿命，即初选的导轨型号满足要求。3.6联轴器的选型一般联轴器的选用依据是其工作条件和形式。在选型时，主要考虑以下几点：1）选择联轴器的类型根据传递的转矩大小和转速高低，以及对缓冲和振动的要求，参考各类联轴器特点，选择鼓型齿式凸缘联轴器。其结构简单，制造方便，成本较低，工作可靠，装拆、维护均较简便，传递转矩较大，能保证两轴具有较高的对中精度，一般常用于载荷平稳，高速或传动精度要求较高的轴系传动。2）计算联轴器的转矩由于机械启动时的动载荷和运转中可能出现的过载现象，所以应当按轴上的最大转矩作为联轴器的计算转矩T，并按下式计算：式中：T表示公称转矩，已知横向电动机的最大静转矩T=14Nm，查表可知,则联轴器的转矩为=141.5=21Nm3）确定联轴器的型号选用GIICL型鼓型齿式联轴器符合横向进给各零件轴的直径大小，即32mm。此外规定丝杠输入输出两轴的响应安装精度为H7/h6。故选用GIICLJB/T8854.2-2001型鼓型齿式联轴器。第四章 控制系统的设计4.1需求分析此次课程设计任务是将经济型C6140卧式车床数控化改造设计，目的在于节约成本，满足我们的生产需求的前提下提高设备的生产效率。经济型数控机床改造方案不同，得到的经济效益也不同。这是许多机械生产厂家在没有大量资金投入的情况下所走的设备技术改造的方法，尤其对于一些小型企业。4.2控制方法的选择不用的控制的方法需要设计不同的控制系统，可结合成本，技术，人员等实际情况多方面参考。在自动化技大发展的今天，控制方法也是多种多样，下面进行生产企业种常用的控制装置的性能比较。控制装置普通微机系统工业控制计算机可编程控制器比较项目单片机系统工业PC机PLC（小型）控制系统组成自行研制整机已成系统，外部另行配置按使用要求进行选购相应产品硬件制作量多较少很少输出负载能力差较强强抗干扰能力较差好很好可靠性较差好很好环境适应性较差一般很好价格低较高高表4.1控制装置的性能比较由以上分析可知，虽然相对来说使用PLC控制装置的成本会高一些，但是它能够让生产活动更加有效、可靠的持续进行下去，且设计不那么困难，故控制装置选择PLC控制。4.3控制流程图分析图4.1 控制流程方框图4.4 I/O分配 (Y2=步进电机1（X方向）脉冲输出，Y3步进电机2（Z方向）脉冲输出，Y4=步进电机1（X方向）控制方向输出，Y5=步进电机2（Z方向）控制方向输出)输入名称输出名称X000启动按钮Y000主轴正运转(中速)X001运行按钮Y001主轴反转（中速）X002Y002=1 Y004=0X方向电机正转 (左移)X003Y003=1 Y005=0Z方向电机正转（前移）X004X方向（横向）限位MAXY002=1 Y004=1X方向电机反转（右移）X005X方向（横向）限位MINY003=1 Y005=1Z方向电机反转（后移）X006Z方向（纵向）限位MINY006主轴正运转(低速)X007Z方向（纵向）限位MAXY007主轴正运转(高速)X010冷却泵启停按钮Y010主轴反转(低速)X011复位按钮Y011X012紧急停止按钮Y012等待指示灯X013主轴低速按钮Y013复位指示灯X014主轴高速按钮Y014工作指示灯X015主轴低速按钮（反转)Y015车床照明灯X016主轴有级调速Y016冷却泵电机Y017表4.2 I/O分配4.5 电气元件的计算与选型4.5.1纵向（Z方向）步进电机的计算与选型初选步进电机的型号为110BYG3502，其最大静转矩为16N.m，步距角为1.2。1）传动比i的确定已知电动机的步距角=1.2o，脉冲当量z=0.05mm/脉冲，滚珠丝杆导程Ph=6mm。根据式i=Ph360o，算得传动比i=2。则纵向传动进给机构设置一级增速装置。电动机的转速:nm=vmaxpn=983.3r/min则其对应的步进脉冲频率为fmaxf=vmaxf60=750600.05=250HZ2）步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq的计算滚珠丝杆的公称直径d0=25mm，总长l=1200mm，导程Ph=6mm，材料密度=7.8510-3kg/cm3得滚珠丝杆的转动惯量为：JS=mD28=SlD28=2.95kgcm2主动齿轮的直径为75mm，质量为134g，齿数为60；从动齿轮的直径为30mm，质量为57.6g，齿数为24，得齿轮的转动惯量为：Jz1=mD28=0.95kgcm2Jz2=mD28=0.064kgcm2移动部件总重量G=1000N，得折算到丝杠上的传动惯量为Jw=Ph22m=0.0092kg.cm2由查表得所选电动机的转子转动惯量为: Jm=15kg/cm2工作台的质量为mi=9.6kg，则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：Jeq=Jm+Jz1+z1z2Jz2+Js+miJw=35.4kg/cm23）折算到电动机的总负载转矩的计算快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：Teq1=Tamax+Tf+T0式中:Tamax一一快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；Tf一一移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；T0一一滚珠丝杆预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。4）计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：Tamax=Jeq=2Jeqnm60taamax式中Jeq一一步进电动机转轴上的总转动惯量；一一电动机转轴的角加速度；nm一一电动机的转速；ta一一电动机加速所用时间，一般在0.31s中选取,则选取t=0.4s；代入数据可以求得Tamax=0.0026Nm5）移动部件运动时则算到电动机转轴上的摩擦转矩：Tf=F摩Ph2i式中F摩一一导轨的摩擦力。Tf=(Fc+G)Ph2i表示导轨的摩擦因数，滑动导轨取0.16；Fc表示垂直方向的工作载荷。 代入数据，得：Tf=0.16（2673.4+1000）0.00620.962Nm0.585Nm则快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：Teq1=Tf+Tamax+T0=0.0026+0.585+0Nm=0.59Nm6） 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： Teq2=Tt+Tf+T0式中：Tt一一折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩。折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩：Tt=FfPh2i式中Ff一一进给方向最大工作载荷。代入数据，得：Tt=935.690.00620.962Nm0.466Nm即：Teq2=Tf+Tt+T0=0.585+0.466+0 N.m =1.051N.m综上所述，加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：Teq=max【Teq1,Teq2=1.051N.m7）步进电动机的性能校核1）最快工作进给速度时电动机输出转矩校核：根据所给条件，算得电动机对应的运行频率fm=vmaxf60=750600.05=250HZ在此频率下，从矩频特性曲线上可以看出其输出转矩为15.8N.m，大于工作最大负载转矩Teq2，故满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核：fmax=vmax60=5900600.05=1967HZ 在此频率下，从矩频特性曲线上可以看出其输出转矩为14N.m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1，故满足要求。4.5.2横向（X方向）步进电机的计算与选型初选步进电机的型号为110BYG550C-0301，其最大静转矩为14N.m，步距角为=0.36。已知车床在X方向的最快移动速度=2700mm/min，x方向最快工进速度，mm/脉冲。则可得电机的最高转速为 ：=540r/min。其对应的步进脉冲频率为： 9000HZ1）步进电动机转轴上的总转动惯量的计算滚珠丝杆的公称直径，总长，导程，材料密度得滚珠丝杆的转动惯量为： 移动部件总重量，得折算到丝杠上的传动惯量为：0.37kg.cm由查表得所选电动机的转子转动惯量为: =14.6kg/cm则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：J=15.76kg/cm2）折算到电动机的总负载转矩的计算快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：式中:一一快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一一移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；一一滚珠丝杆预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。3）计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：式中一一步进电动机转轴上的总转动惯量；一一电动机转轴的角加速度；一一电动机的转速；一一电动机加速所用时间，一般在0.31s中选取,则选取t=0.4s；代入数据可以求得1.592Nm4）移动部件运动时则算到电动机转轴上的摩擦转矩：式中一一导轨的摩擦力。表示导轨的摩擦因数，滑动导轨取0.16；表示垂直方向的工作载荷，空载时取。代入数据，得：则快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为：5）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：式中：一一折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩。折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩：式中一一进给方向最大工作载荷。代入数据，得：即：=3.48+5.25=8.726N.m综上所述，加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：N.m6）步进电动机的性能校核根据所给条件，算得电动机对应的运行频率=18.98HZ图4.2 矩频特征曲线在此频率下，从矩频特性曲线上可以看出其输出转矩为11N.m，大于工作最大负载转矩，故满足要求。4.5.3步进电机驱动器的选型要求步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速和定位的目的。,步进电机选驱动器主要是选择驱动器的输入电压和输出电流要和电机的额定的匹配。型号步距角最大静转矩额定电压额定电流X方向电机110BYG550C0.3614NM110V3AZ方向电机110BYG35021.216NM110V3A由以上设计计算可知，在本次设计中，X向的步进电机型号为110BYG550C,Z向的步进电机型号为110BYG3502。可查的两种步进电机的参数如下：表4.3 步进电机参数4.5.4 进电机驱动器的选型X向的步进电机为110BYG550C，配用选择其驱动器为SH-50806BSH-50806B型驱动器主要用于驱动90及110机座号五相混合式步进电动机。SH-50806B采用数字式升频升压驱动方式，并结合了恒电流控制技术，电机采用五根线接法。由于可针对不同电机参数而提供任意非线性升频升压曲线，因此无论匹配何种五相电机皆可通过调整升频升压曲线而获得低速运行平稳、高速力矩大的优异性能。同时克服了模拟升频升压电路固有的参数温飘，抗冲击性差等缺点，使驱动器的可靠性得到进一步的提高。图4.3步进驱动器参数Z向的步进电机为110BYG3502，配用选择其驱动器为3DM2283DM2283驱动器，采用32位DSP技术技术，主要驱动86、110型三相混合式步进电机。微步细分为16种，步数为30000步/转；工作峰值电流范围为2.2A-8.0A，输出电流共8种，能够满足大多数场合的应用需要。由于采用内置微细技术，即使在低细分的条件下，也能够达到高细分的效果，低中高速运行平稳，噪音小。具有半流，够压、过流等保护电路。驱动器内部集成了参数自动整定功能，能够针对不同电机自动生成优运行参数，限度发挥电机的性能。该驱动器为交流供电，工作范围为AC110V-200V。4.5.5变频器选用要求1. 变频器功率 按所带的负载功率选取。多大功率电机就选多大的功率的变频器。大一规格也可以。2. 变频器型号 不同用途选不同的变频器。 例如 有通用的变频器，有风机水泵专用的变频器， 有机床主轴专用的变频器。等等。3. 负载惯性大的，要同时选择制动单元和制动电阻。4.查电动机的铭牌额定电流，(没有铭牌时测出额定电流).变频器的额定电流比电动机的最大运行电流大就可以了.4.5.6可编程控制器选型根据I/O分配可知，可编程控制器的输入口至少需要10个，输出端口至少需要11个，还不包括显示灯等，需要具有一定的存储器空间，需要具有良好的抗干扰能力，需要具有联网通讯等功能。需要运动控制，根据这些需求，再结合使用成版本，课=可采用具有晶体管三菱plc控制器工作台可选择FX3SA-30MT-CM 。参数：AC电源100-240v，额定频率50/60HZ消耗功率21w，DC24V供给电源，400mA以下输入形式：漏型/源型，输出种类：晶体管/漏型输出输入端口16个，输出端口16个地址范围（输入）X000-X017地址范围（输出）Y000-Y017内置8K容量的RAM存储器，最大可以扩展到16KCPU运算处理速度0.08S/基本指令4.6 电气原理图和电气接线图4.6.1电气原理图图4.4电气原理图4.6.2电气接线图图4.5 电气接线图4.7 PLC程序4.8 调试与仿真为验证控制系统设计的正确与否，以及更好的完善控制系统的功能，我们需要对其进行多次的调试与仿真，在一次次的调试与仿真中总结经验和纠正错误，让整个控制系统更加符合我们的生产需求。4.8.1虚拟调试与仿真虚拟调试与仿真，在使用三维软件UG和GX-work2结合，并有中间软件MXOPC作为联接的情况下，进行协同仿真。在不适用实物的前提下，我们可以模拟出我们需要实物完成的动作要求，不仅可以检验我们控制系统的准确可靠性，还可以判断出其是否符合我们的工作需求，做出进一步的改良和优化。 主要完成的仿真动作是X和Z的两个进给方向的配合，仿真出快进和工进两种状态的转变。1.仿真过程：（1）在UG上建立数控车床的X轴与Z轴进给系统模型，并在GX-works2上输入PLC运行控制程序，通过MXOPC将UG与GX-works2进行信号连接。（2）在仿真过程中，给PLC程序输入端输入信号，观察模型的动作是否按照程序运行。2.仿真结果：由于UG软件对于限位开关传感器的仿真存在延时，所以并不能很好的将XZ轴进给系统的复位过程仿真出来。于是采用定时器方法，代替限位开关传感器，实现了进给系统的复位、快进、工进、快退等仿真。图4.6 OPC仿真4.8.2实物调试与仿真实物调试与仿真，使用电机、驱动器、PLC等实物进行仿真。这是一个简易的控制系统的模型构造，它能够更加直观可靠的对我们的控制系统设计进行良好的检验，检验我们是否能够真正实现控制，控制的正确与否等。实物仿真的主要是通过时间继电器，让两个的进给
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