【文章內容簡介】 環(huán)系統(tǒng)的良好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，因此它的難度也隨之提高。由于本設計是在普通沖床的基礎上進行的改造，故采用步進電動機實現開環(huán)驅動控制。其系統(tǒng)框圖如下：MCS518051步進電機驅動器X 方向工作臺步進電機驅動器步進電機 Y 方向工作臺步進電機圖 21 驅動部分框圖 普通沖床數控改造的方案設計要求將普通沖床改造成數控沖床機械部分的設計參數如下：表 21 沖床改造機械部分設計參數X、Y的直線移動速度 20m/min定位精度 177。最大沖孔板厚 2mm最大沖切力 300KN最大加工板材尺寸 1250 1000mm?7 / 43第三章 進給伺服系統(tǒng)機械部分的設計與計算本次設計將普通沖床改造成數控沖床，在原沖床床身的基礎上，將原有工作臺改造成含有 X、Y 方向的工作臺。沖床數控化改造機械部分設計內容包括: 滾珠絲杠副的選型與計算，步進電機的選擇。改造后的機械圖如下： 23451步進電機 2聯軸套 3角接觸球軸承 4滾珠絲杠副 5密封氈圖 31 工作臺機械圖 工作臺重量的估算取工件的材料為 號鋼，其密度為 ，取 ，根據沖453/?kgN/?床參數尺寸可得工件的重量為： (31)gvmG . 31 ???? ??設夾具和工件的重量和為 NG1設工作臺的重量 23 電機轉速的確定根據沖床的加工要求，在本設計中選取 1500 為進給系統(tǒng)電機的轉速。/minr8 / 43 滾珠絲杠的設計計算與選擇 確定滾珠絲杠的導程根據公式 （33max10??nivPh2） 式中 ——滾珠絲杠副的導程，單位為 ；hP——電機的最高轉速, 單位為 ，根據所選電機轉速為maxn /minr1500 ；/ir——工作臺移動的最高速度，單位為 ，由參數可得， =20axv /imaxv；/in ——傳動比 ，因電機與絲杠直接連接，故 =1。i將以上已知數據代入式 32 可得=3max10??nivPh 1352? 確定脈沖當量選取三相步進電機，三相步進電機的步距角一般為 或者 ，選取步進電??機的步距角為 ，根據公式? (33)itl??360??式中 ——脈沖當量，單位為 /脈沖； l?m——步距角，單位為度/脈沖；?——滾珠絲杠的螺距，單位為 ，設為單頭螺紋， =13 ；t t?hPm——傳動比， =1。 ii將數據代入式 33 可得脈沖當量 mitl ?????? 滾珠絲杠軸向載荷的計算根據滾珠絲杠軸向載荷公式9 / 43 （3)(321GFyX?????4） 式中 ——軸向載荷，單位為 ；FN——軸向切削力，單位為 ；x——摩擦因數，取 =；??——縱向切削力，單位為 ；y——移動件的重量，單位為 ；1GN——夾具的重量，單位為 ；2——工作臺的重量，單位為 。3由于沖床在工作件移動的時候并不產生沖壓，故軸向切削力和縱向切削力均為0，故的滾珠絲杠軸向載荷為 NGF30)210(.)(321 ???????? 當量載荷的計算由滾珠絲杠當量載荷計算公式 （33 311 ????mnnmm tFntF5） 式中 ——當量速度，單位為n/ir——當量載荷，單位為mN其中，當量速度 （ nttntn?????6）滾珠絲杠副在各種轉速 ， ...... 的情況下，各轉速所占用時間的百分比為12n%， %...... %，受到的載荷為 ， ...... 。因為沖床的沖頭在工件運動時不1t2ntF會出現沖壓力，不妨設工件運動在沖壓工程中所占用的時間比列是 20%。可得當量速度 min30125rnm??10 / 43則由式 35 可得當量載荷 NFm30? 預期額定動載荷的計算根據預期額定動載荷計算公式 （3camhmmfFLnC???106037）式中 ——預期額定動載荷，單位為m N——當量速度，單位為n/inr——機械預期工作時間，單位為小時hL——負載性質系數，由于數控沖床沖擊較大，取 fw=2wf——可靠性系數，可靠性 97%，取 = cf——精度等級系數，精度等級為 7 級，取af ?a其中，機械預期工作時間為250（天） 16（小時） 10（年） （開機率）=20220 （小時） hL???（38）按預期工作時間估算，將已知數據代入式 37 可得預期額定動載荷 NCm ???擬采用預緊滾珠絲杠副，由以下公式，按最大負載 Fmax 計算 （3maxFfe?9）式中 ——預加負載類型，按中預載，取 =；ef ef——軸向負荷，單位為 ，取 。maxFNmax30N?將公式中的已知數據代入式 38 可得 FfCe ?取以上兩種結果的最大值，故得預期額定動載荷 ?11 / 43 允許的最小螺紋底徑的確定根據絲杠允許的最大軸向變形量 ，滿足 ≤（1/4 ～1/5 ）定位精度，由所設m?的定位精度 ， 由于脈沖當量為 ，所以能達到要求 。則可估算絲m02. ]3[杠允許的最大軸向變形量=m?375.根據絲杠要求預拉伸，選取兩端固定的支承形式，根據最小螺紋底徑的計算公式 （3mmm LFELFd???????10） 式中 ——最小螺紋底徑，單位為 ；m——兩個固定支撐之間的距離，單位為 ；L——靜摩擦力，單位為 ；0FN——楊式彈性模量，為 。?/m其中，靜摩擦力為 （???11）兩個固定支撐之間的距離估算公式為行程+ （3(1.~2)L??(10~4)hP12）由工作臺行程為 1250 （根據機床最大加工板材尺寸可知） ，則兩個固定支撐之m間的距離 為 mL1682341250.????將已知數據代入式 39 可得最小螺紋底徑=. 確定滾珠絲杠的尺寸規(guī)格根據上面的計算，選取的滾珠絲杠副型號為 CDM ，以下為滾珠絲杠副的尺寸：12 / 43導程： =12 ；hPm取最小螺紋底徑： = ；d公稱直徑為： =25 ；0兩固定支承距離：L=1682 ；螺紋的長度：Ls=1400 ；絲杠的總長： =1800 。 tLm 確定滾珠絲杠的預緊力根據預緊力計算公式 （3max13pF?13）式中 ——軸向負荷，單位為 ， ；maxFNax30FN?則 10pF? 滾珠絲杠預拉伸力與行程補償值的計算根據預拉伸力計算公式 （3AEtaLtaLAECFt ??????14）式中 ——滾珠絲杠的線膨脹系數，取 10 6?；a——溫度變化值，取為 ℃；t?——面積， ；A24md??——彈性模量，E= ；E510.?/N——螺紋底徑，根據上面可得 = 。mdmd將已知數據代入式 313 得預拉伸力為 NFt . 56 ????根據行程補償值 （3tLaC??15）13 / 43式中 t?——溫度變化值，取為 ℃；——滾珠絲杠的線膨脹系數，取 ；a 6108.??L——絲杠兩支撐軸承間的距離，單位為 ，由上面可得 。m1682?Lm將已知數據代入式 314，則行程補償值為=???Cu 滾珠絲杠副支承用的軸承尺寸規(guī)格的確定根據軸承所承受的最大軸向載荷計算公式 （3maxaxBtF??16）由已知數據可得 2093maxBN根據沖床加工要求，該選擇軸承類型為兩端固定的支承形式，選取背對背 15176。角接觸球軸承。軸承內徑 略小于 ，取 =17 。則ddm （??17）根據樣本選軸承型號規(guī)格，當 =17mm 要求預加負荷為大于 ，所以選型dBPF號為 7103C 的軸承。 步進電機的相關計算與選擇 作用在滾珠絲杠上轉矩的計算由外加載荷所產生的摩擦力矩 為FT （33102?????hP18）式中 ——滾珠絲杠上的外加軸向載荷，單位為 ，由于沖床只需克服摩擦力，FN故 。30N?——滾珠絲杠副的效率，取 =。??——滾珠絲杠副的導程，單位為 ， 。hPmPh12?將以上數據代入式318得外加載荷所產生的摩擦力矩 FT14 / 43mNTF ?????根據滾珠絲杠副預加載荷 產生的力矩 的計算公式ppT （332???hP19）由滾珠絲杠副預加載荷 =4000N，則由已知數據可得pF mNTP ??????? 負載轉動慣量的計算對于滾珠絲杠，計算轉動慣量時，一般可以把滾珠絲杠看作圓柱體繞其中心軸線旋轉進行計算。其慣量的計算公式為 （362108???DMJ20）對材料為鋼的圓柱零件轉動慣量可以根據下面的公式估算 （?LJ21）式中 J——慣量，單位為 ；M——單位體積質量，單位為 ；L——圓柱體長度，單位為 mm, 由上面的計算可知，滾珠絲杠的全長為1800 ；mD——圓柱體直徑，單位為 mm，滾珠絲杠的公稱直徑，根據上面的計算可知 D =25 。將已知數據代入式 321 可得慣量為 23124 mkgJ ??????? 加速轉矩的計算根據加速轉矩公式 （3dtwTa?22）經變形為15 / 43 （3aatnJT??602mx?23）式中 ——啟動（加速）時間，取 = ；at ats——電機最高轉速，根據所選電機，可得 =1500 。mxn maxn/inr將以上數據代入式 323 得加速轉矩為 NTa ?????? 電機的最大啟動轉矩 的計算r由最大啟動轉矩的計算公式 （3rapFT??24）代入已知數據可得電機的最大啟動轉矩為++= mN? 電機連續(xù)工作的最大轉矩 MT根據電機連續(xù)工作的最大轉矩計算公式 （3pF??25）代入數據可得 =+=? 電機型號的選擇根據電機選擇原則：轉動慣量應滿足 ；(1~4)mJ?電機最大轉矩大于 ；rT電機額定轉矩大于 。M因此，選擇兩臺 Y90L4 型號的步進電機分別作為為 X、Y 方向的進給電機，其參數如下表所示：表 31 步進電機參數與型號輸出功率 Pe （ KW ） 額定轉矩 Te （ .Nm）16 / 43最大轉矩 Tr （ .Nm）最高轉速 Ne ( )/inr1500重量 G ( )kg27轉動慣量 J (Kg . )電機型號 Y90L417 / 43第四章 數控系統(tǒng)硬件設計 數控系統(tǒng)的硬件組成硬 件 部 分 和 軟 件 部 分 構 成 了 一 個 數 控 系 統(tǒng) 。 硬 件 主 要 由 沖 床 、 單 片 機 以 及]4[輔 助 電 路 構 成 。 硬 件 是 數 控 系 統(tǒng) 的 基 礎 ， 它 的 控 制 性 能 的 情 況 ， 對 于 整 個 系 統(tǒng) 的工 作 性 能 會 產 生 很 大 的 影 響 。 在 硬 件 的 基 礎 上 ， 軟 件 才 能 有 效 地 運 行 。 機 床 數 控系 統(tǒng) 的 硬 件 電 路 總 結 起 來 主 要 有 四 部 分 組 成 ： 中 央 處 理 單 元 （ CPU） 、 總 線 、 存貯 器 、 I/O 接 口 電 路 。 其 中 CPU 是 數 控 系 統(tǒng) 的 核 心 ， 它 的 作 用 是 協(xié) 調 各 部 分 的 電路 工 作 情 況 和 進 行 運 算 處 理 相 關 數 據 。 存 貯 器 是 用 存 放 系 統(tǒng) 軟 件 ， 運 行 中 所 需 要的 各 種 數 據 和 工 作 過 程 中 用 到 的 程 序 。 數 控 系 統(tǒng) 與 外 界 進 行 信 息 的 交 流 要 通 過I/O 接 口 。 總 線 是 CPU 與 存 貯 器 、 接 口 以 及 其 它 轉 換 電 路 聯 接 的 通 道 ， 是 CPU與 部 分 電 路 進 行 信 息 交 換 和 通 訊 的 必 須 通 過 的 路 線 。 數 控 系 統(tǒng) 硬 件 框 如 下 圖 所 示 ：MCS51Y