【文章內容簡介】 算到電機軸上的摩擦力矩；——由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩；又： 式中： ——慣量和，；——電機最大角加速度；又： 其中： ——電機最大轉速；——運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間取25ms 又： 則： 則： 故： 又因為： 式中： ——導軌的摩擦力；——傳動鏈總效率，一般可取 ，現取 ；又： 式中： ——垂直方向的切削力， ；——導軌摩擦系數， (貼塑導軌)；——橫向工作臺及夾具重量，；則： =103N故： 又： 式中： ——滾珠絲杠預加載荷，取；——滾珠絲杠預緊時的傳動效率， ； 故： =140++= 依據公式：而： 故有： 根據公式：式中：——折算到電機軸上的切削負載力矩；又有公式： 式中：——進給方向最大切削力，則： 故： 依據文獻《實用機床設計手冊》上，有：（1）對于在最大切削力下工作時所需要電機最大靜轉矩為：（2）對于空載起動時所需要的電機最大靜轉矩為：由（1）和（2）可知，以計算得：恒大于 所以就以作為選取步進電機最大靜轉矩的依據。而初選的步進電機為110BF003 ，它的最大靜轉矩為：所以初選的步進電機型號符合要求。由《數控技術》得：動矩頻特性： 運行矩頻特性： 其中： ——最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度 的，現取中間值，即。所以： =2431由步進電機110BF004的矩頻特性和運行矩頻特性參數可以看出所選步進電機在起動時力矩是滿足要求的。所以最終就確定步進電機的型號為：110BF004反應式步進電動機。其結構簡圖為圖32。圖32 橫向進給結構簡圖傳動比的計算：根據脈沖當量和電機步距角、螺距之間的關系得所以電機與絲桿的傳動比為4:1 縱向（Y軸）滾珠絲杠螺母副的選型縱向工作臺及夾具重量： = 2200 N（估計值）滾珠絲杠的基本導程： = 8mm螺紋升角：　 行程：S=450mm（最大縱向行程）快速進給速度：取 = （經驗值）經過計算得Y軸絲桿與X軸的絲桿型號一樣，為FFZD5008，內循環(huán)浮動返向器，計算及檢驗過程同上。 Y軸方向步進電動機的選擇Y軸銑削圓周力： =1500N則有Y向絲杠牽引力：= +=1500+4410=1562N則有電機軸負載力矩： 其中： ——導軌摩擦系數，————Y向絲杠牽引力 f——若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩為：，則有：=步進電機最大啟動力矩： 電機最大工作頻率：綜合以上可選取步進電機型號為：110BF004反應式步進電動機。步進電機110BF004的外型尺寸為：，軸徑為。 Y軸的絲杠選擇與X軸一樣為FFZD5008，內循環(huán)浮動返向器，電機與絲桿同樣以齒輪傳動，傳動比為1:4，計算公式同X軸。其結構簡圖為圖33所示。圖33 縱向進給結構簡圖 Z軸方向進給設計 Z軸滾珠絲桿螺母副的選型垂直方向工作臺及夾具重量： = （估計值）滾珠絲杠的基本導程： = 8mm螺紋升角：　 行程：S= 350mm（最大垂直方向行程）快速進給速度：取 = （經驗值）經過計算得Z軸絲桿與X軸和Y軸的絲桿一樣，為FFZD5008，內循環(huán)浮動返向器，計算及檢驗過程同上。 Z軸方向電機的選擇垂直方向的切削力， 則有Z向絲杠牽引力：= +=375+(4410+2200)=468N則有電機軸負載力矩： T = 89Nm其中： ——導軌摩擦系數，————Z向絲杠牽引力 F——若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩為： ，則有：=步進電機最大啟動力矩： 電機最大工作頻率：綜合以上可選取步進電機型號為：110BF004反應式步進電動機。步進電機110BF004的外型尺寸為：，軸徑為。 Z向蝸輪蝸桿的選擇設計原則：根據給定的中心距及傳動比（或按照結構及設計的要求自定中心距和傳動比）然后從蝸桿傳動中心距標準值系列表中選取中心距的標準系列值，然后從經驗公式先估算相關參數值，估算后在參考標準值系列表，確定標準值。圖34 垂直方向渦輪蝸桿簡圖1．計算傳動比上式中：δp為脈沖當量，β為步距角，L為滾珠絲杠導程。2．初選幾何參數參照蝸輪蝸桿參數推薦值表[1]，i=3時，選z1=6；則z2= i z1=18；3．蝸輪輸出轉矩T2 式中：P1， n1分別為蝸桿軸輸入功率，轉速。為螺旋副嚙合效率；為軸承效率，滾動軸承時??； 為攪油及濺油效率， ；μ為嚙合摩擦系數；η0為標準圓盤滾子試件摩擦系數；Rz為設計蝸桿的齒面粗糙度；Rz0為標準圓盤試件的表面粗糙度；代入數據得=根據所選電機得P1=，n1=350r/min 所以 =93Nm4．載荷系數 上式中：K為載荷系數；K1為動載荷系數，；K2為嚙合質量系數，；K3為小時載荷率系數，；K4為環(huán)境溫度系數，；K5為工作情況系數。代入數據得：5．計算m和q代入數據：查表取 m= q=186．主要幾何尺寸7．蝸桿傳動強度及剛度驗算確定許用接觸應力σHp采用錫青銅蝸輪：分別查滑動速度曲線表，滑動速度影響系數表及壽命系數得 所以 確定許用接觸應力σH代入數據得：76可見,所以接觸強度足夠。 進給控制部分設計該系統是由數控單元和步進驅動單元組成?？刂坪诵陌凑账斎氲募庸こ绦驍祿?，經計算處理，發(fā)出所需要的脈沖信號，經驅動電路放大功率后，驅動補進電機，由步進電機帶動滾珠絲杠副，從而使工作臺按零件加工所需的進給速度及方向移動，實現機床的開環(huán)自動控制。系統的定位精度由軟件中適當的降頻處理來保證，重復定位采用固定間隙來改善。最終使系統靈活性大 ，通用性強，數控功能豐富，可靠性高，且易于實現機電一體化，使用維護方便?；貐⒖键c方式采用磁感應開關，回參考點過程中使用減速擋塊。 控制系統的主要功能 控制系統的主要功能有：（1）手動暫停，手動快速返回坐標原點。（2）六個方向點動傳給，手動快速進給。（3）間隙補償功能，刀具補償功能。（4）用戶指令掉電保護功能。（5）具有程序暫停、延時、局部循環(huán)、自動循環(huán)功能。（6）用戶指令編輯、修改、刪除、清零功能。（7）錯誤操作診斷、錯誤操作顯示功能。（8）可自行進行直線、斜線、圓弧的加工系統的硬件組成如下所示。主要有主控制器CPU、存儲器、鍵盤顯示器、I/O接口和驅動電路等。部分可參照《單片機原理》書中所述。如圖35所示 圖35 數控系統硬件框圖 步進電機驅動電路用步進電機作為執(zhí)行元件的數控系統，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經濟型數控機床最為主要的一種驅動元件，步進電機的驅動電路一般由4部分組成：計算機接口、脈沖分配器、光電隔離電路和功率放大電路。脈沖分配器的作用是為步進電機提供符合控制指令要求的脈沖序列，其實現方法有硬件和軟件2種。為降低硬件的成本及故障源，本設計采用軟件方法進行實現。步進電機驅動電路中，脈沖信號經過放大后送給步進電機勵磁繞組，為防止強電干擾，在功放電路之前接上光電耦合電路進行隔離。步進電機所需電流較大，必須將光電耦合器輸出的信號放大后才能驅動步進電機正常運轉。步進電機的驅動電路由三部分構成：環(huán)形分配器；光電耦合器；功率放大器。1. 環(huán)形分配器 環(huán)行分配器的主要作用是把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉換成控制步進電機定子繞組通電、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數及順序與進給脈沖的數量及方向對應。硬件環(huán)型分配器是有觸發(fā)器和門電路構成的硬件邏輯電路（如型號YB015）。2. 光電耦合器 選用 GO102 型光電耦合器，其電路圖如圖36所示：圖36 光電耦合電路圖3. 功率放大器 因為輸出的脈沖功率很小，電流只有幾毫安，故需要進行功率放大，使脈沖電流達到1～10 A，才足以驅動步進電機正常工作。其電路圖如圖35所示： 圖37 單電壓供電功放電路通過綜合的考慮本設計決定采用： 高低壓驅動電路第4章 主傳動系統的設計 主傳動系統方案的確定主傳動系統是用來實現機床主運動的傳動系統，他應具有一定的轉速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實現運動的開停、變速、換向和制動等。 數控機床主傳動系統主要包括電動機、傳動系統和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統相比在結構上簡單，這是因為變速功能全部或大部分主軸電動機的無極調速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構，有些只有二級或三極齒輪變速系統用以擴大電動機無級調速的范圍。機床主軸，一般用于給機床加工提供動力，通常主軸驅動被加工工件旋轉的是車削加工，所對應的機床是車床類；主軸驅動切削工件旋轉的是銑削加工，所對應的機床是銑床類。主軸電機通常有普通電機與標準主軸電機兩種（與之對應的驅動裝置也分為開環(huán)與閉環(huán)兩種）。 對于X5032的傳動系統我們選擇半閉環(huán)控制： 半閉環(huán)控制數控機床的特點是在伺服電動機的軸或數控機床的傳動絲杠上裝有角度檢測裝置，通過檢測絲杠的轉角間接地檢測移動部件的實際位移，然后反饋到數控裝置中去，數控機床與輸入的指令位移值進行比較，用比較的差值對機床進行控制。由于反饋環(huán)內沒有包含傳動絲杠，數控機床其傳動誤差照樣會影響工作臺的位移精度，故稱半閉環(huán)控制。 半閉環(huán)控制的精度沒有閉環(huán)控制高，但調試比較方便，并且具有較好的穩(wěn)定性，價格較低。 主傳動系統的要求主傳動系統的要求有：（1）主軸具有一定的轉速和足夠的轉速范圍、轉速級數，能夠實現運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。（2）主電動機具有足夠的功率，全部機構和元件具有是夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。 （3）主傳動的有關結構，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。 （4）操縱靈活可靠，調整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。 （5）結構簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經濟性要求。 主傳動的類型及方案的選擇1．具有變速齒輪的主傳動 這是大、中型數控機床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求。一部分小型數控機床也采用此種傳動方式以獲得強力切削時所需要的扭矩。 2．通過帶傳動的主傳動 通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲。 3．由調速電機直接驅動的主傳動 這種主傳動是由電動機直接驅動主軸，即電動機的轉子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結構，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。近年來，出現了一種新式的內裝電動機主軸，即主軸與電動機轉子合為一體。其優(yōu)點是主軸組件結構緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應特性，并利于控制振動和噪聲。缺點是電動機運轉產生的熱量亦使主軸產生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內裝電動機主軸的關鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內裝電動機最高轉速可達20000r/min。 本次設計采用變速齒輪主傳動系統。使主軸獲得較高的轉速和較大的轉矩。二級以上齒輪變速系統雖然此種結構復雜，制造和維修費用高，但和以上兩種驅動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結構，可以使用可調的交、直流無級變速電動機，經齒輪變速后，實現分段無級變速，調速范圍增加，且能滿足各種切削運動的轉矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統作為主傳動的變速方式。 主傳動變速系統主要參數計算銑削時的切削力，公式如下式中 ——銑削時的主切削力（N） ——加工材料影響的系數 ——每齒進給量（mm） ——背吃刀量（mm） ——銑削寬度 ——銑刀齒數 ——銑刀直徑(mm) 用直徑=50mm的四齒錐柄立銑刀，銑刀寬=40mm的剛工件，=，=4mm，=68mm， 計算得： =132N切削時所消耗的功率稱為切削功率。 切削功率的公式計算： 式中： ——切削功率（kw） ——切削力（N） ——切削速度（m/min） 根據機床設計手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍，取Vc=100m/min 計算得： = 主軸最高轉速為n=2000r/min，最低轉速為n=40r/min 用下列粗略估算主電動機的功率式中，η為銑床主傳動系統總機械效率，主運動為回轉運動時，η=~；主運動為直線運動時，η=~。 取主傳動的總效率η= 則初選電動機功率P=。1．由4中初選電動機功率P為4kw,計算轉速依據如下公式計算:則電動機的恒功率調速范圍: =2000/1500 =1. 3主軸恒功率調速范圍: = =2000/205=10因此主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機所能提供的恒功