CA6140普通車床數(shù)控化改造畢業(yè)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、說明書】

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隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，衡量一個(gè)國家機(jī)械制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志是數(shù)控機(jī)床。我國普通機(jī)床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情，需要采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。機(jī)電一體化技術(shù)涉及電子、機(jī)械、以及控制等多門學(xué)科，是衡量一個(gè)國家機(jī)械裝備發(fā)展水平的重要標(biāo)志，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎(chǔ)技術(shù)和核心技術(shù)之一。雖然這門學(xué)科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機(jī)械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，更是綜合國力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應(yīng)該重視該學(xué)科的研究，大力發(fā)展這門學(xué)科，逐漸縮小與日美等發(fā)達(dá)國家的差距。本次設(shè)計(jì)是對CA6140普通車床的數(shù)控化改造。我設(shè)計(jì)時(shí)先對數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，然后對進(jìn)給系統(tǒng)、齒輪箱傳動(dòng)比及步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行了計(jì)算，最后我對電氣系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在國內(nèi)，盛行普通車床改造成數(shù)控車床，此設(shè)計(jì)就是針對著這以目的而設(shè)計(jì)的，這縮短了工業(yè)化的進(jìn)程，降低了生產(chǎn)成本，同時(shí)為廣大的生產(chǎn)廠家所接受。 關(guān)鍵詞：數(shù)控改造 ;數(shù)控 ;步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 目 錄 1 緒論 1 2 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2 2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 2 2.2 總體方案確定 3 3 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 4 3.1 選擇脈沖當(dāng)量 4 3.2 計(jì)算切削力 4 3.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 5 4 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 13 4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 13 4.2 橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 13 5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 14 5.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 14 5.2 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型 18 6.CA6140車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) 21 6.1數(shù)控系統(tǒng)選型 21 6.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器選型 24 6.3驅(qū)動(dòng)器信號輸入輸出 29 7.CA6140電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì) 32 7.1概述 32 7.2電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì) 32 7.3強(qiáng)電柜的安裝與連接 33 總結(jié) 34 參考文獻(xiàn) 35 致謝 36 1 緒論 我國的大多數(shù)企業(yè)的生產(chǎn)和制造行業(yè)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、檔次低、品種少、成本高、供貨期長，從而在國內(nèi)、國際市場上缺乏競爭力，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以普通車床的數(shù)控改裝已成必然。 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用，在大中企業(yè)己有較多的使用。在以上數(shù)控機(jī)床中，除少量機(jī)床以FMS模式集成使用外，大多數(shù)處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。2001年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值己進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47. 39億美元，這僅次于美國的53. 67億美元，消費(fèi)額比上一年增長25%。但由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24. 06億美元，比上年增長27. 3% ，我國很有必要進(jìn)行數(shù)控化改造。 在日本、美國和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造將是個(gè)"永恒"的課題。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在日本、美國、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了生產(chǎn)線和機(jī)床數(shù)控改造的新的行業(yè)。 企業(yè)要在當(dāng)前市場競爭激烈，需求多變的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最好的質(zhì)量、最低價(jià)格、最短的時(shí)間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機(jī)床已不適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)要求，數(shù)控機(jī)床則綜合了微電子技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、自動(dòng)檢測技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，最適宜加工高精度、小批量、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當(dāng)變更加工對象時(shí)只需要換零件加工程序，不需對機(jī)床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。 普通車床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸會發(fā)生較大變化，主要傳動(dòng)零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達(dá)到大修驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而且費(fèi)用較高。 數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用逐漸廣泛。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，一方面是高性能、全功能；另一方面是簡單實(shí)用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，具有自動(dòng)加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)通常用的是開環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)，功率步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，無需檢測反饋機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達(dá)±0.0~0.02mm，已能滿足CA6140車床改造后加工零件的精度要求。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下的優(yōu)點(diǎn)：一是適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；二是生產(chǎn)效率高；三是加工精度高；四是經(jīng)濟(jì)效益好；五是減輕勞動(dòng)強(qiáng) 2 度，改善勞動(dòng)條件；六是有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要內(nèi)容。許多工廠一面購置數(shù)控機(jī)床，一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 2 數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 接到一個(gè)數(shù)控裝置的設(shè)計(jì)任務(wù)以后，首先必須擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和參數(shù)，然后再分別對機(jī)械部分和電氣部分進(jìn)行設(shè)計(jì)。 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的確定、伺服系統(tǒng)的選擇及傳動(dòng)方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案。 2.1.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。 2.1.2 控制方式的選擇 系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機(jī)床移動(dòng)部件的實(shí)際位置不做檢測，所以機(jī)床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這類機(jī)床工作比較穩(wěn)定，反應(yīng)迅速，調(diào)試和維修都比較簡單。 I 2.2 總體方案確定 2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具備定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓弧插補(bǔ)，循環(huán)加工，暫停，公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]達(dá)到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 2.2.2 機(jī)械傳動(dòng)方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿，為保證一定的平穩(wěn)性和傳動(dòng)精度，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為消除間隙和提高傳動(dòng)剛度，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。 系統(tǒng)總體方案框如圖2-1： 圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖 3 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 3.1 選擇脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床、銑床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/step。 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量： 縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑) 3.2 計(jì)算切削力 用車床經(jīng)驗(yàn)公式F=D來計(jì)算主切削力 式中D指車床身上最大加工直徑（mm）。橫切端面時(shí)主切削力可取縱切時(shí)F的1/2。 求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。 F：F：F=1 ：0.25 ：0.5 式中 F：指走刀方向的切削力（N）； F：指垂直走刀方向的切削力（N）。 圖3-1縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖。 圖3-1 縱切和橫切時(shí)切削力的示意圖 3.2.1 縱車外圓 主切削力F(N)按經(jīng)驗(yàn)公式估計(jì)算： F=D= （N） 按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N） F（N） 3.2.2 橫切端面 主切削力（N）可取縱切的1/2。 （N） （N） （N） 3.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 3.3.1 縱向進(jìn)給絲杠 3.3.1.1 計(jì)算進(jìn)給軸向力F（N） 縱向進(jìn)給這里為三角形導(dǎo)軌：F 式中K：指顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15； ：指滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)取0.15~0.18之間的值； G：指流板及刀架重力，G=1000N。 則 F=（N） 3.3.1.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q 考慮滾珠絲杠在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中沖擊擾動(dòng)對壽命的影響，則最大動(dòng)負(fù)載Q的計(jì)算公式為： Q L n 式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=6； n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）； ：指最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，此處取=0.6； ：指使用壽命時(shí)間（h）,對于數(shù)控機(jī)床取T=15000h.。 L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位； ：指運(yùn)動(dòng)系數(shù)，見表3-1，選=1.2。 表3-1 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.0~1.2 一般運(yùn)轉(zhuǎn) 1.2~1.5 有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.5`-~2.5 則 n( r/min) L Q（N） 3.3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型 從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應(yīng)的動(dòng)負(fù)載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時(shí)應(yīng)滿足Q C的條件。 查表：可采用WL4006外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動(dòng)負(fù)載為16400N，符合Q C的條件。精度等級按表 3-2，選為3級。 表3-2 滾珠絲杠行程公差 項(xiàng)目 符號 有效行程（mm） 精度等級 1 2 3 4 5 目標(biāo)行程公差 e 6 8 12 16 23 315~400 7 9 13 18 25 400~500 8 10 15 20 27 500~630 9 11 16 22 30 行程變動(dòng)量公差 V 6 8 12 16 23 315~400 6 8 12 17 25 400~500 7 10 13 19 26 500~630 7 11 14 21 29 任意300 mm內(nèi)行程變動(dòng)量 V 6 8 12 16 23 2弧度內(nèi)行程變動(dòng)量 V 4 5 6 7 8 3.3.1.4 傳動(dòng)效率計(jì)算 式中 ：指螺旋升角，=244 ：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。 則 3.3.1.5 剛度驗(yàn)算 先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3-2所示，最大軸向力為2558.6N，支承間距L=1500mm, 絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。 圖3-2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖 （1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） 查圖，根據(jù)F=mm, 查出,可算出 由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高四倍，其變形量為：。 (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm） 查圖，W系列1列2.5圈滾珠與螺紋滾道接觸變形量μm，因進(jìn)行了預(yù)緊，μm。 (3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm） 這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中表6-2-82，采用51107型推力球軸承，其=35mm, 滾動(dòng)體直徑=6.35mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=18， 因施加預(yù)緊力，故 根據(jù)以上計(jì)算 =定位精度 3.3.1.6 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。 3.3.2 橫向進(jìn)給絲杠 3.3.2.1 計(jì)算進(jìn)給軸向力 橫向?qū)к墳檠辔残危?jì)算如下： 由于是燕尾形導(dǎo)軌式中： K=1.4，=0.2 則 N 3.3.2.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Q n( r/min) L Q（N） 查表：可采用WL2505外循環(huán)調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動(dòng)負(fù)載為9700N，符合Q C的條件。精度等級按表 2—滾珠絲杠行程公差表，選為3級。 3.3.2.3 傳動(dòng)效率計(jì)算 3.3.2.4 剛度驗(yàn)算 橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式如圖3-3所示，最大軸向力為2023N，支承間距L=450mm, 因絲杠長度較短，不需要預(yù)緊。 圖3-3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖 計(jì)算如下： (1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） 查圖，根據(jù)F= mm, 查出,可算出 。 (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm） 查圖，W系列1列2.5圈滾珠與螺紋滾道接觸變形量μm，因進(jìn)行了預(yù)緊，μm。 (3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm） 這里采用有預(yù)緊時(shí)的推力球軸承則 查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》中表6-2-82，采用51102型推力球軸承，其d=15mm, 滾動(dòng)體直徑=4.763 mm, 滾動(dòng)體數(shù)量Z=12， ，考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，故 mm 則定位誤差 =0.0279 (mm) 顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導(dǎo)軌=0.03~0.05。重新計(jì)算如下： N 根據(jù)，查圖知，，，不變，則 (mm) 定位精度為0.015mm，故此變形量仍不能滿足要求，如果經(jīng)滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸，剛度還可以提高四倍，則變形量<0.015 ，滿足要求。 3.3.2.5 穩(wěn)定性校核 臨界負(fù)載與工作負(fù)載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.5~4。 計(jì)算臨界負(fù)載（N）： 式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）； I：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）； ：絲杠兩支承端距離（cm）； ：絲杠支承方式系數(shù)，見表3-3，這里。 表3-3 滾珠絲杠支承方式系數(shù) 方式 一端固定一端自由 兩端簡支 一端固定一端簡支 兩端固定 0.25 1.00 2.00 4.00 則 N 所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。 3.3.3 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 其幾何參數(shù)見表3-4： 表3-4 WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù) 名稱 符號 WL4006 WL2505 螺 紋 滾 道 公稱直徑 40 25 導(dǎo)程 6 5 接觸角 鋼球直徑 3.969 3.175 滾道法面半徑 2.064 1.651 偏心距 0.056 0.045 螺紋升角 螺 桿 絲杠外徑 39 24.365 絲杠內(nèi)徑 35.984 21.78 螺桿接觸直徑 36.035 21.86 螺 母 螺母螺紋直徑 44.016 23.212 螺母內(nèi)徑 40.793 20.635 4 齒輪進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比： 在閉式軟齒面齒輪傳動(dòng)中，齒輪的彎曲強(qiáng)度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取Z=24~40。所以可選定齒輪數(shù)為： 4.2 橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角，可計(jì)算出傳動(dòng)比： 可選定齒輪數(shù)為： == 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取3。有關(guān)參數(shù)參照表4-1。 表4-1 傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù) 所處位置 縱 向 橫 向 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓直徑 96 120 72 120 60 75 齒頂圓直徑 102 126 78 126 66 81 齒根圓直徑 88.5 112.5 64.5 112.5 52.5 67.5 齒寬 （6~10）m 24 20 24 20 24 中心距 108 96 67.5 5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 5.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算 5.1.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算： 式中 ：指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 、：指齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ：指工件及工作臺重量（N）； ：指絲杠導(dǎo)程（）； 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距） 把這些數(shù)據(jù)代入上式： 5.1.2 電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個(gè)階段計(jì)算： 5.1.2.1 快速空載起動(dòng)力矩 在快速空載起動(dòng)階段，加速度所占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： 以上式中 ：指空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（）； ：指折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（）； ：指絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩（）； ：指傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ：指電機(jī)最大角加速度（）； ：指電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（）； ：指運(yùn)動(dòng)部件最大進(jìn)給速度（）； ：指脈沖當(dāng)量（）； ：指步進(jìn)電機(jī)步距角（）； ：指運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間（s），這里是30ms； ：指導(dǎo)程的摩擦力（N），； ：指垂直方向的切削力（N）； ：指工件及工作臺重量（N）； ：指導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，； ：指運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）； ：指齒輪降速比；按計(jì)算； ：指傳動(dòng)鏈總效率，一般可?。? ：指滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載，一般取/3，為進(jìn)給軸向力（N）； ：指滾珠絲杠導(dǎo)程； ：指滾珠絲杠未加預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取。 將以前計(jì)算所得數(shù)據(jù)代入： （） （） （） 則 （） 5.1.2.2 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 （） 5.1.2.3 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 （） 從上面計(jì)算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 由表5-1得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)，，則（N）。 表5-1 步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系 步進(jìn) 電機(jī) 相 數(shù) 三 相 四 相 五 相 六 相 拍 數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)動(dòng)矩頻特性。 5.1.2 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 可查出150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為2800運(yùn)行頻率為8000，再從圖5-1查出150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。從圖中看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（748.8），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），半起動(dòng)頻率降到1000，起動(dòng)力矩可提高到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。 圖5-1 150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 5.2 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型 5.2.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算： 把這些數(shù)據(jù)代入上式： 5.2.2 電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按個(gè)階段計(jì)算： 5.2.2.1 快速空載起動(dòng)力矩 （） （） （） 則 （） 5.2.2.2 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 （） 5.2.2.3 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 （） 從上面計(jì)算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 由表5-1得：當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)，， 則（）。 按此最大靜轉(zhuǎn)距從表中查出，110BF003型最大靜轉(zhuǎn)距為7.84，大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)動(dòng)矩頻特性。 5.2.3 計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率 可查出110BF003型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為1500運(yùn)行頻率為7000，不能滿足（4000Hz）的要求。再從圖5-2查出110BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩（446.92），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），半起動(dòng)頻率降到1000，起動(dòng)力矩可提高到400，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，110BF003型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。 圖5-2 110BF003型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 6 CA6140車床數(shù)控化改造的數(shù)控系統(tǒng) 6.1 數(shù)控系統(tǒng)選型 數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床的核心，在選擇時(shí)要對其性能、經(jīng)濟(jì)性及維修服務(wù)等進(jìn)行綜合考慮。數(shù)控系統(tǒng)主要有3種類型：步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)；異步電動(dòng)機(jī)或直流電機(jī)拖動(dòng)，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；交，直流伺服電機(jī)拖動(dòng)，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。 其中步進(jìn)電機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要是步進(jìn)電機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機(jī)的角位移精度，齒輪絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。但該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。 我國國內(nèi)使用的數(shù)控系統(tǒng)基本上分為兩大類：一類是從國外引進(jìn)技術(shù)制造的產(chǎn)品，如日本FANUC公司生產(chǎn)的FANUC-0iMate、德國西門子公司的SINUMERIKDMT-802系列；另外一類是在引進(jìn)、吸收的基礎(chǔ)上研制、開發(fā)、生產(chǎn)的數(shù)控裝置，如華中數(shù)控系列，GSK系列，南京華興等。對比國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)：國外產(chǎn)品在性能、可靠性、使用壽命上占有很大優(yōu)勢，但價(jià)格很高，使得改造成本提高。國內(nèi)產(chǎn)品雖然大轉(zhuǎn)矩、大功率伺服電機(jī)的能力沒有國外產(chǎn)品強(qiáng)大，但也能滿足我們的要求，而且綜合成本低。最終我們將數(shù)控系統(tǒng)的選擇定位在國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)上，其中南京華興數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司生產(chǎn)的WA310M數(shù)控系統(tǒng)是一款能滿足以上要求的數(shù)控系統(tǒng)，所以我們選擇這款專門為中國數(shù)控機(jī)床市場而開發(fā)的經(jīng)濟(jì)型CNC控制系統(tǒng)。 WA310M是南京華興數(shù)控設(shè)備有限責(zé)任公司集十多年數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，在原有多代成熟產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，推出的新一代高性能銑床用數(shù)控系統(tǒng)，如圖6-1所示。系統(tǒng)采用超大規(guī)?？删幊屉娐贩桨福哂懈叩募庸た刂破焚|(zhì)和系統(tǒng)升級空間。該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的控制功能，可控制數(shù)字式交流伺服單元和三相細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。系統(tǒng)的電子齒輪功能可與任意螺距絲桿直連，螺距補(bǔ)償功能使機(jī)床的精度檢驗(yàn)大為簡化，并提高機(jī)床的綜合精度，強(qiáng)大的參數(shù)功能使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。系統(tǒng)可控制數(shù)字式交流伺服驅(qū)動(dòng)器及三相細(xì)分步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器；系統(tǒng)的電子齒輪功能使得系統(tǒng)可與任意螺距絲杠直聯(lián)；螺距補(bǔ)償功能使機(jī)床的精度檢驗(yàn)大為簡化；顯示采用7.4英寸液晶屏彩色顯示，具有加工零件圖形實(shí)時(shí)跟蹤顯示以及坐標(biāo)字符顯示的功能，界面設(shè)計(jì)更為豐富人性化；圖形模擬功能更為強(qiáng)大，具有三維立體模擬和二維平面模擬顯示的功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)采用整體式工程塑料壓模件，造型美觀；便捷的U盤接口，可實(shí)現(xiàn)U盤與系統(tǒng)間的程序互存，以及系統(tǒng)在現(xiàn)場升級功能和直接進(jìn)行U盤DNC加工的功能。 圖6-1 WA310M數(shù)控系統(tǒng) 表6-1 WA310M車床數(shù)控系統(tǒng)參數(shù) WA310M車床數(shù)控系統(tǒng)參數(shù) 1 適用機(jī)床 4軸車床 2 用戶存儲區(qū) 配512K電子盤，121個(gè)程序 3 編程尺寸 ±99999.999mm 4 分辨率 0.001MM 5 最大移動(dòng)速度 60m/min(1MPPS) 6 插補(bǔ)軌跡 直線、圓弧、螺紋、快速定位 7 輸入/輸出 32路/24路，所有I/0口功能均有參數(shù)定義，用戶可設(shè)置、修改I/O口功能 8 編程方式 ISO代碼、鍵盤、RS232串行錄入、USB接口定義 9 快速速度范圍 1mm/min ～ 15m/min 10 電子齒輪 16位：16位 11 螺距補(bǔ)償 160點(diǎn)/軸，2～4軸 12 軟件限位 每軸可任意設(shè)定區(qū)間 13 參考區(qū) 刀具、系統(tǒng)參數(shù)、螺紋、位參數(shù)等 14 操作方式 自動(dòng)、手動(dòng)、步進(jìn)、MDI、單段/連續(xù)、暫停、手脈、串行或USB下DNC加工 15 顯示界面 具有同步字符顯示功能和圖形界面 16 系統(tǒng)升級 通過U盤或串行口可在現(xiàn)場進(jìn)行系統(tǒng)升級，無須打開機(jī)箱 17 進(jìn)給倍率設(shè)置 16擋撥段開關(guān)，倍率范圍5%～300% 18 主軸倍率設(shè)置 16擋撥段開關(guān)，倍率范圍5%～300% 19 模態(tài)指示燈 指示當(dāng)前操作狀態(tài) 20 圖形模擬 三維立體和二維平面圖形模擬 6.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器選型 6.2.1 驅(qū)動(dòng)器選型 根據(jù)設(shè)計(jì)方案，主傳動(dòng)的主軸電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)保持原有設(shè)備。X、Z進(jìn)給傳動(dòng)的設(shè)計(jì)已在第5章完成，已確定了滾珠絲杠的型號、步進(jìn)電機(jī)的型號等。 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器主要由環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路兩個(gè)部分組成，功率驅(qū)動(dòng)電路將環(huán)形分配器輸出的微弱電流進(jìn)行放大，滿足步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，因此選擇步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的良好性能是保證普通銑床數(shù)控化改造的精度之一。常見的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率驅(qū)動(dòng)電路有五種，其中細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路是通過控制繞組中的電流數(shù)值來調(diào)整步進(jìn)電機(jī)步距角的大小，控制精度高。根據(jù)第2章已選擇的進(jìn)給傳動(dòng)選擇的步進(jìn)電機(jī)分別為：110BYG550A、110BYG550C。 查閱相關(guān)資料以及產(chǎn)品可知，南京華興數(shù)控設(shè)備有限公司的WD5HN5系列?五相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，高速高轉(zhuǎn)矩輸出。采用先進(jìn)的五H橋IGBT驅(qū)動(dòng)電路，鎖定無電磁噪音；信號輸入方式靈活：單/雙脈沖控制、脈沖前/后沿走步均可?；輸入信號經(jīng)光電隔離和數(shù)字濾波器處理后，抗干擾性極高?；撥碼開關(guān)直接設(shè)定整步/半步運(yùn)行方式?；封閉結(jié)構(gòu)，外部風(fēng)冷，尤其適合惡劣環(huán)境中使用等優(yōu)點(diǎn)。 表6-2 WD5HN5驅(qū)動(dòng)器技術(shù)參數(shù) 供電電源 單相80V+15%，50、60HZ。容量200VA/軸 輸出電流 3~4.5A/相 驅(qū)動(dòng)方式 PWM斬波、半流鎖定 配套電機(jī) 110、130BYG五相十線混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁方式 五相十拍（0.72度）/五相二十拍（0.36度） 綜合以上產(chǎn)品特點(diǎn)和技術(shù)參數(shù)，步進(jìn)電機(jī)110BYG 550A、110BYG 550C的驅(qū)動(dòng)器選擇為：南京華興數(shù)控設(shè)備有限公司的WD5HN5系列?五相混合式步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，電氣安裝尺寸如圖6-2所示。 圖6-2 WD5HN5驅(qū)動(dòng)器安裝尺寸 6.2.2 分配器 環(huán)形分配器的作用是把來自于加減速電路的一系列進(jìn)給脈沖指令，轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)定子繞組通電、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的數(shù)量及方向?qū)?yīng)。如對于三相三拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，若“1”表示通電，“0”表示斷電，A，B，C是其三相定子繞組，則經(jīng)環(huán)形分配器后，每來一個(gè)進(jìn)給脈沖指令，A，B，C應(yīng)按（100）→（010）→（001）→（100）→…的順序改變一次。環(huán)形分配器有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種形式。 硬件環(huán)形分配器是由觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的硬件邏輯線路。實(shí)際上現(xiàn)在市場上已經(jīng)有集成度高、抗干擾性強(qiáng)的PMOS和CMOS環(huán)形分配器芯片供選用。下面主要介紹用計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)脈沖序列分配的軟件環(huán)形分配器。 下面是基于查表法的軟件環(huán)形分配器的程序設(shè)計(jì)方法，本次銑床改造我們采用五相混合式步進(jìn)電機(jī)。如圖6-3所示為三坐標(biāo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)框圖。x向y向和z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的五相定子繞組分別為A1、B1、C1、D1、E1相,A2、B2、C2、D2、E2相和A3、B3、C3、D3、E3相，分別經(jīng)各自的放大器、光電耦合器與計(jì)算機(jī)的PIO（并行輸入/輸出接口）的PA0—PA14相連。環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表如表6-1、表6-2和表6-3所示。表中的內(nèi)容即是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁狀態(tài)，與接口接線緊密相關(guān)。 圖6-3三坐標(biāo)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)伺服進(jìn)給系統(tǒng)框圖 查表法的關(guān)鍵是根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)當(dāng)前勵(lì)磁狀態(tài)和要求的正向或反向運(yùn)轉(zhuǎn)的要求，如何從表中找到相應(yīng)單元地址，并取出地址的內(nèi)容輸出。當(dāng)然要用查表程序中用的基址（表格首址）加索引值（序號）的方法。正轉(zhuǎn)時(shí)，只要步進(jìn)電動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)序號不是表底序號，序號加1就是一下狀態(tài)的序號：若是表底序號，需要將表底序號修改成表首序號。反轉(zhuǎn)時(shí)，須判斷當(dāng)前序號是不是表首序號，若不是表首序號則序號減1；若是表首序號，需要將表首序號修改成表底序號。 表6-3 X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表 表6-4 Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表 6.2.3 放大器 從環(huán)形分配器來的進(jìn)給控制信號的電流只有幾毫安，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子繞組需要幾安培電流。因此，需要對環(huán)形分配器來的信號進(jìn)行功率放大，以提供幅值足夠、前后沿較好的勵(lì)磁電流。常用的有單電壓供電功放電路和雙電壓供電功放電路。這里我們選擇雙電壓供電功放電路。雙電壓供電功率放大器又稱高低電壓供電功放器，如圖6-4所示為高低壓供電定時(shí)切換電路的工作原理。 該電路包括功率放大級（由功率管Vg，Vd組成）、前置放大器和單穩(wěn)延時(shí)電路。二級管VDd是用作高低壓隔離的，VDg和Rg是高壓放電回路。高壓導(dǎo)通時(shí)間由單穩(wěn)延時(shí)電路整定，通常為100～600μs，對功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)可達(dá)幾千微秒。 當(dāng)環(huán)形分配器輸出高電平時(shí)，兩只功率放大管Vg，Vd同時(shí)導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)繞組以+80V電壓供電，繞組電流按L/（Rd+r）的時(shí)間常數(shù)向電流穩(wěn)定值ug/（Rd+r）上升，當(dāng)達(dá)到單穩(wěn)延時(shí)時(shí)間時(shí)，Vg管截止，改由+12V供電，維持繞組額定電流。若高低壓之比為ug/ud，則電流上升率也提高ug/ud倍，上升時(shí)間明顯減小。當(dāng)?shù)蛪簲嚅_時(shí)，電感L中儲能通過Rg，VDg及ug和ud構(gòu)成的回路放電，放電電流的穩(wěn)態(tài)值為（ug-ud）/(Rg+Rd+r)，因此也加快了放電過程。這種供電電路由于加快了繞組電流的上升或下降過程，故有利于提高步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)頻率和最高連續(xù)工作頻率。由于額定電流是低壓維持的，只需較小的限流電阻，所以功耗大為減小。 （a）原理方框圖 （b）波形圖 圖6-4 雙電壓供電功率放大器 6.2.4 系統(tǒng)連接 1 數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成體系 （1）數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成的機(jī)床數(shù)控體系應(yīng)包括以下內(nèi)容，系統(tǒng)組成 如圖6-5所示。1）CNC 控制單元及附件；2）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源/脈沖式伺服單元；3步進(jìn)電機(jī)/伺服電機(jī)；4）機(jī)床配電柜。 圖 6-5 數(shù)控系統(tǒng)組成 2 數(shù)控系統(tǒng)外部連接 如圖6-6所示，其中4J0、4J1、4J2、4J3為電機(jī)接口，5J1為刀架接口，7J1為串行通信接口，8J1為主軸控制接口，5J2為輸入/輸出接口，6J1為主軸編碼器接口，5J3外接手輪接口。 圖6-6 數(shù)控系統(tǒng)外部連接 6.3 驅(qū)動(dòng)器信號輸入輸出 6.3.1 信號輸入輸出 1、信號輸入：CW+、CW-、CCW+、CCW- 雙脈沖控制方式時(shí)，CW為正轉(zhuǎn)步進(jìn)脈沖信號，CCW為反轉(zhuǎn)步進(jìn)脈沖信號，脈沖上升沿有效，其控制器的輸出電路分別為NPN型（如圖6-7（a）中當(dāng)一路輸出脈沖時(shí)，另一路必須保持高電平）和PNP型（如圖6-7（b）中當(dāng)一路輸出脈沖時(shí)，另一路必須保持低電平）時(shí)的波形和時(shí)序如圖6-3所示。 單脈沖控制方式時(shí)，CW此時(shí)為步進(jìn)脈沖信號，CCW為電機(jī)方向信號。脈沖上升沿有效。波形和時(shí)序圖如圖6-8所示，（a）圖為控制器輸出的電路為NPN型（b）圖為控制器的輸出電路為PNP型?？刂破鬏敵龅拿}沖信號CP接驅(qū)動(dòng)器電源的CW，控制器輸出的方向信號CW接驅(qū)動(dòng)電源的CCW。 （a）控制器的輸出電路為NPN型 （b）控制器的輸出電路為PNP型 圖6-7雙脈沖控制方式波形和時(shí)序圖 （a）控制器的輸出電路為NPN型 （b）控制器的輸出電路為PNP型 圖6-8 單脈沖控制方式波形和時(shí)序圖 電機(jī)使能信號FREE+、FREE-，接口電路原理如圖6-9所示。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電源內(nèi)部光電耦合導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)上電鎖定；內(nèi)部光電耦合不導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)處于自由狀態(tài)，如果控制器不輸出該控制信號時(shí)，可將FREE+接+5V，而FREE-接5V地。 （a）NPN型接口電路圖 （b）PNP型接口電路圖 圖6-9 接口電路圖 2、信號輸出 NORMAL:綠色環(huán)分指示燈 零位信號輸出，整步運(yùn)行每十拍亮一次，半步運(yùn)行時(shí)每二十拍亮一次。 WARN:紅色報(bào)警指示燈 驅(qū)動(dòng)器出現(xiàn)過流或損壞時(shí)此燈亮，知道驅(qū)動(dòng)器斷電時(shí)熄滅。 6.4.2 面板開關(guān)說明 WD5HN5驅(qū)動(dòng)電源有一個(gè)四位撥碼開關(guān)用來控制電機(jī)運(yùn)行的狀態(tài)，撥動(dòng)開關(guān)必須在斷電的狀態(tài)下進(jìn)行。 H/F：開關(guān)的第四位在下方即ON狀態(tài)時(shí)，電機(jī)為整步即步距角為0.72度。開關(guān)在上方即OFF狀態(tài)時(shí)，電機(jī)為半步即步距角為0.36度。 CW/CCW：開關(guān)的第三位在下方即ON狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)為正轉(zhuǎn)。關(guān)在上方即OFF狀態(tài)時(shí)，電動(dòng)機(jī)為反轉(zhuǎn)。 CURRENT1、CURRENT2：用來調(diào)整電機(jī)工作時(shí)相電流的大小，開關(guān)撥下即ON狀態(tài)時(shí)相電流減小，相電流調(diào)整如表6-5所示。 表6-5相電流調(diào)整表 CURRENT1 ON OFF ON OFF CURRENT2 ON ON OFF OFF 相電流 2.5A 3A 3.5A 4A 7 CA6140電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì) 7.1 概述 任何生產(chǎn)機(jī)械電氣的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)都包括兩個(gè)基本方面，一個(gè)是滿足生產(chǎn)機(jī)械和工藝的各種控制要求，另一個(gè)是滿足電氣控制系統(tǒng)本身的制造、使用及維修的需要。因此，電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括原理設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)兩個(gè)方面。前者決定一臺設(shè)備的使用效能和自動(dòng)化程度，即決定生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備的先進(jìn)性、合理性，而后者決定電氣控制設(shè)備生產(chǎn)可行性、經(jīng)濟(jì)性、外觀和維修等方面的性能。 查CA6140普通車床電氣原理圖可知主電路中有3臺電動(dòng)機(jī)，M1為主軸電動(dòng)機(jī)，M2為冷卻泵電動(dòng)機(jī)，M3為工作臺進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。轉(zhuǎn)換開關(guān)SA5控制M1的正反轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)，并由橋式整流器VC供給直流能耗制動(dòng)，由接觸器KM4和KM5控制M3的正、反方向運(yùn)轉(zhuǎn)，由機(jī)械傳動(dòng)得到前后、左右和上下的進(jìn)給和快速移動(dòng)。在變速時(shí)M1和M2都能有沖動(dòng)作。 CA6140型車床改造前控制內(nèi)容較多，改造后電氣部分主要采用數(shù)控系統(tǒng)來總體控制，因此，電氣控制相對簡單。 7.2 電氣系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì) 本次改造主軸的控制中，主要控制主軸的正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)/停止以及冷卻泵的啟動(dòng)/停止，對機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)電氣改造，在拆除原機(jī)床工作臺進(jìn)給電機(jī)以及相應(yīng)強(qiáng)電電路，設(shè)計(jì)由KA1控制主軸電機(jī)正轉(zhuǎn)，KA2控制反轉(zhuǎn)，KM4控制冷卻泵的啟動(dòng)/停止，各電器元件功過電纜與系統(tǒng)控制箱連接，接受系統(tǒng)的控制。機(jī)床電氣原理見附錄D 。 主電路的工作原理是將鑰匙開關(guān)向右旋轉(zhuǎn)，再扳動(dòng)斷路器QF1以及空氣開關(guān)，將電源引入。主軸電動(dòng)機(jī)M1由接觸器KM2、KM3控制，由數(shù)控裝置發(fā)出指令，接觸器KM2得電，主軸電動(dòng)機(jī)M1正轉(zhuǎn)，接觸器KM3得電，主軸電動(dòng)機(jī)M1反轉(zhuǎn)；熱繼電器FRl作過載保護(hù)，熔斷器FU作短路保護(hù)。冷卻泵電動(dòng)機(jī)M2由QF3以及接觸器KM4控制，與主軸電動(dòng)機(jī)M1控制電路構(gòu)成順序控制，熱繼電器FR2作過載保護(hù)。 控制電路中由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出控制指令，M03主軸正轉(zhuǎn)、M04主軸反轉(zhuǎn)、M05主軸停止，伺服驅(qū)動(dòng)器控制進(jìn)給電機(jī)工作。 1 坐標(biāo)軸的限位緊急停機(jī)，是當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)緊急情況時(shí)，而采取的停機(jī)措施。按下急停按鈕（SB1）后，驅(qū)動(dòng)器失電，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)失電，主軸電機(jī)停止。 2 啟動(dòng)按鈕（SB2）和停止按鈕（SB3） 啟動(dòng)按鈕控制驅(qū)動(dòng)器上電，停止按鈕使驅(qū)動(dòng)器失電，最終導(dǎo)致步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的停止。 3 機(jī)床原點(diǎn)，是為保證數(shù)控系統(tǒng)加工的精度及可靠性而設(shè)置的。系統(tǒng)是用3個(gè)行程開關(guān)SQ1、SQ2、作為機(jī)床各坐標(biāo)軸的原點(diǎn)檢測器件，可根據(jù)實(shí)際情況將它們裝在各坐標(biāo)軸的相應(yīng)位置。車床的機(jī)床原點(diǎn)，升降坐標(biāo)(Z)設(shè)在接近下限位處，縱向(X)坐標(biāo)面對機(jī)床設(shè)在接近右限位處。 4 坐標(biāo)軸的限位，是為保護(hù)數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)行安全而設(shè)置的。在機(jī)床升降坐標(biāo)的上下極限位、縱向坐標(biāo)的左右極限位、橫向坐標(biāo)的里外極限位，各附設(shè)一行程開關(guān)和機(jī)械撞塊。將系統(tǒng)的信號線接到3個(gè)行程開關(guān)SQ1、SQ2、SQ3上，即可實(shí)現(xiàn)對各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)限位。 5 冷卻開、停按鈕（SB4和SB5）冷卻電機(jī)采用AB-25型電機(jī)，SB4控制冷卻開，SB5控制冷卻關(guān)（本次設(shè)計(jì)冷卻不受系統(tǒng)控制） 7.3 強(qiáng)電柜的安裝與連接 將CA6140普通車床數(shù)控化改造后的電氣控制系統(tǒng)和原理圖，控制元件比普通機(jī)床多，因此需重新設(shè)計(jì)電氣柜。對原有機(jī)床的控制元件進(jìn)行測試，主要的接觸器和繼電器還可繼續(xù)使用，其它的控制元件，重新選配。電氣柜主要安裝機(jī)床主軸電動(dòng)機(jī)的電氣控制元件、進(jìn)給系統(tǒng)的電氣控制元件、數(shù)控裝置的電氣控制元件、冷卻泵電路控制元件等。 電器柜由四個(gè)螺釘把合在機(jī)床后側(cè)，數(shù)控系統(tǒng)通過一支撐穿線管固定主機(jī)箱，使其位于機(jī)床右邊，以利于操作者操作方便，機(jī)床電源線以及控制線路由電器柜右下角引入。 機(jī)床改造后的供電電源為單機(jī)交流380V/50HZ。在機(jī)床內(nèi)部，火線、零線和地線都相對獨(dú)立，其插座、插頭的接法均按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。機(jī)床在接通電源之前，盡量派電氣專業(yè)人員對機(jī)床全部電氣設(shè)備進(jìn)行檢查，如有元件受潮、發(fā)霉、接線脫落、接插件松動(dòng)、脫落等現(xiàn)象，必須加以解決。 總結(jié) “ 工欲善其事，必先利其器；士欲宣其義，必先讀其書。”這句話是我本次畢業(yè)設(shè)計(jì)最深刻的體會。 畢業(yè)設(shè)計(jì)是對這幾年大學(xué)學(xué)習(xí)的一次檢驗(yàn)，是對我們大學(xué)生活的一次反思。它給了我又一次對本專業(yè)知識系統(tǒng)掌握的機(jī)會，讓我對以后的工作生活有所準(zhǔn)備。我畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是CA6140普通車床的數(shù)控化改造，這是一個(gè)數(shù)控技術(shù)的設(shè)計(jì)題目。在李老師的指導(dǎo)下，我先從機(jī)械部分入手，先進(jìn)行計(jì)算，選擇縱向橫向進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠及步進(jìn)電機(jī)，然后繪制出縱向橫向進(jìn)給系統(tǒng)裝配圖。當(dāng)然這其中遇到了很多問題，如裝配圖的結(jié)構(gòu)問題、電機(jī)啟動(dòng)頻率不能滿足要求等等，在李老師的細(xì)心指導(dǎo)下都順利的得到了解決。通過機(jī)械部分的設(shè)計(jì)我對機(jī)械裝配和結(jié)構(gòu)有了更深入的學(xué)習(xí)，CAD繪圖也更加熟練了。設(shè)計(jì)基本完成后，經(jīng)過李老師的多次檢查使我的設(shè)計(jì)更加完美。再次對敬愛的李瑞斌老師致以最真誠的感謝。謝謝您，李老師！ 參考文獻(xiàn) [1] 太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院．?dāng)?shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，內(nèi)部資料 [2] 吳宗澤.機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊.機(jī)械工業(yè)出版社，2003年 [3] 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編委會.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊.第三版.機(jī)械工業(yè)出版社，2004年 [4] 常興、田勇、劉國峰. 普通車床數(shù)控化改造及其設(shè)計(jì)計(jì)算.現(xiàn)代制造工程.2005年第8期 [5] 于濤、袁國久. 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