CA6140數(shù)控化改造的機(jī)械設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

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1、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)（Computer Numerical Control 簡(jiǎn)稱為CNC系統(tǒng)）。一個(gè)完整的現(xiàn)代化數(shù)字控制機(jī)床由數(shù)控裝置，可編程控制器，電源模塊，伺服模塊，伺服電機(jī)，反饋系統(tǒng)，機(jī)床控制面板，人機(jī)通訊單元，手持單元，液壓系統(tǒng)，潤(rùn)滑系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，機(jī)床本體，滾珠絲杠，自動(dòng)換刀系統(tǒng)，等等組成。 數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)率高，設(shè)備柔性好，使工人的勞動(dòng)強(qiáng)度大為減輕，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，能加工普通機(jī)床所不能加工的復(fù)雜形面。由于數(shù)控機(jī)床的優(yōu)越性，在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)日益激烈、產(chǎn)品品種變化頻繁的形勢(shì)下，各國(guó)都致力與開(kāi)發(fā)生產(chǎn)各種數(shù)控機(jī)床，其中將普通機(jī)床改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，簡(jiǎn)單方便，易于實(shí)現(xiàn)，使系統(tǒng)的性能價(jià)格比大為

2、提高。 本次的設(shè)計(jì)題目是將C6140普通車床改造成為MCS-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床。由于是初次設(shè)計(jì)，所以經(jīng)驗(yàn)有限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免會(huì)出現(xiàn)不足之處，還請(qǐng)各位老師，同學(xué)們多多指導(dǎo)，幫助。 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 一、脈沖當(dāng)量的選擇 脈沖當(dāng)量由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)可知： 縱向：0.01mm/脈沖 橫向：0.005mm/脈沖 縱向： 0.01mm/脈沖 橫向： 0.005mm/脈沖 二、切削力計(jì)算 1、設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給出床面上最大加工直徑為：DMAX=400mm 2、用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算下圖縱車外圓時(shí)的各切削分力：

3、 ①主切削力： FZ =0.67* DMAX1.5 =0.67*4001.5 =5360N 縱車外圓時(shí)的主切削力： FZ =5360N 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 二、切削力計(jì)算 ②再按以下比例可求出分離力FX和FY FX:FY:FZ=1:0.25:0.4 走刀方向的切削力: FX =0.25*FZ=0.25*5360=1340N 垂直走刀方向的切削力: FY =0.4*FZ=0.4*5360=2144N 3、用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算如下所示橫車端面時(shí)的各切削分力： ①主切削力F`Z(N)可取縱切的

4、一半如下： F`Z=FZ/2=5360/2=2680 ②繼續(xù)用經(jīng)驗(yàn)工式粗略計(jì)算： F`Z:F`Y:F`X=1:0.25:0.4 走刀抗力為： F`Y=2680*0.25=670 吃刀抗力為： F`X=2680*0.4=1072 縱車外圓時(shí)的切削分力： FX = 1340N FY =2144N 橫車端面時(shí)的切削分力： F`Y=670 F`X=1072 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 一、縱向進(jìn)給率引力計(jì)算。 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率引力主要包括切削時(shí)的走刀當(dāng)力以及移動(dòng)中的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力，由于 C

5、6140縱向是綜合導(dǎo)軌，為了提高機(jī)床低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，將其縱向改造為貼塑綜合導(dǎo)軌。 選用公式： Fm=K.Fx+f `(Fz+G) 上式中Fx ,Fz —切削力（N）； G—移動(dòng)部件的重量（N）； f `—導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)， K—考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。 由于改造后的機(jī)床縱向采用貼塑綜合導(dǎo)軌故選取: K=1.15 f `=0.04 縱向進(jìn)給率引力： Fm=K*Fx+f `(Fz+G) =1.15*1340+0.04*(5360+1500) = 1815.4N 縱向進(jìn)給率引力： Fm=1815.

6、4N 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 二、橫向進(jìn)給率引力計(jì)算。 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率引力主要包括切削時(shí)的走刀當(dāng)力以及移動(dòng)中的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力，由于C6140是橫向是燕尾導(dǎo)軌，為了提高機(jī)床低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，將其改造為貼塑燕尾導(dǎo)軌。 選用公式： F`m=1.4*F`y+f `(F`z+2F`x+G`) 上式中F`x,F`z, F`y—切削力（N）； G`—移動(dòng)部件的重量G`=850N； f `—導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù); 由于改造后的機(jī)床橫向采用貼塑燕尾導(dǎo)軌故選取: f `=0.04 橫向進(jìn)給率引力： F`m=1.4*F`y+f `(

7、F`z+2F`x+G`) =1.4*670+0.04*(2680+2*1072+850) ≈ 1165N 橫向進(jìn)給率引力： F`m≈ 1165N 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 三、計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載。 選用滾珠絲杠副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后，在它的滾珠上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值（即稱為滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C），可用下式計(jì)算： C=fωFm L=60*n*T/106 n=1000*vs/L0 L0—滾珠絲

8、杠導(dǎo)程，縱向初選L0=6mm, 橫向初選L`0=5mm; vs—最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的（1/2~1/3），此處 vs縱=0.5m/min*0.5, vs橫=0.2m/min*0.5; T—使用壽命，按15000h; fω—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fω=1.2~1.5，這里選取為fω=1.2; L—壽命，以106轉(zhuǎn)為1單位。 滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為： 縱向: L0=6mm; 橫向: L`0=5mm; 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 三、計(jì)算絲杠的最大動(dòng)負(fù)載。 ①縱向絲杠的最大動(dòng)載荷C縱： n縱 =1000vs縱/L0 =1

9、000*0.5*0.5/6 =41.67r/min L縱 =60*n縱*T/106 =60*41.67*15000/106 = 37.503 C縱 = 縱fωFm =*1.2*1815.4 ≈7292N ②橫向絲杠的最大動(dòng)載荷C橫： n橫 =1000vs橫/L`0 =1000*0.2*0.5/5 =20r/min L橫 =60*n橫*T/106 =60*20*15000/106 =18 C橫 =橫 fωF`m =*1.2*1165 ≈3664N 縱向絲杠的最大動(dòng)載荷C縱： C縱 = 縱fωFm =7292N

10、 橫向絲杠的最大動(dòng)載荷C橫： C橫 =橫 fωF`m ≈3664N 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 四、滾珠絲杠螺母副的選型。 查附錄A表3后： 縱向：可采用W1L4006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為16400N，精度等級(jí)按表4-15 選為3級(jí)。 橫向：可采用W1L2005外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為8800N，精度等級(jí)按表4-15 選為3級(jí)。 縱向： W1L4006 橫向： W1L2005 五、傳動(dòng)效率的計(jì)算。 傳動(dòng)效率計(jì)算工式如下：

11、 h=tgg/tg(g+j) 上式中： g—螺旋升角， 縱向：W1L4006 g=2。44` 橫向：W1L2005 g`=4。33` j—摩擦角取10`滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.003~0.004 縱向：h=tgg/tg(g+j) =tg2。44`/tg(2。44`+10`)≈0.94 橫向：h`=tgg`/tg(g`+j) =tg4。33`/tg(4。33`+10`)≈0.96 傳動(dòng)效率計(jì)算結(jié)果如下： 縱向：h≈0.94 橫向：h`≈0.96 六、滾珠絲杠縱向W1L4006和橫向W1L2005的幾何參數(shù)如下所示： 名 稱 符號(hào) 計(jì)算

12、公式 W1L4006 W1L2005 螺 紋 滾 道 公稱直徑 d0 40mm 20mm 導(dǎo) 程 L0 6mm 5mm 接 觸角 β 2044` 4033` 鋼球徑(mm) dq 3.969 3.175 滾道法面半徑 R R=0.52dq 2.064 1.651 偏 心 距 e 0.056 0.045 螺紋升角 γ γ=arctg(L0/3.14/d0) 2044` 4033` 螺 桿 螺桿外徑 d d=d0-(0.2~0.25)dp 39 19.4 螺桿內(nèi)徑 d1

13、d1=d0+2e-2R 35.984 16.788 螺桿觸直徑 dz dz=d0-dqCosβ 36.0355 16.835 螺 母 螺母螺紋直徑 D D=d0-2e+2R 44.016 23.212 螺母內(nèi)徑 D1 D1=d0+(0.2~0.25)dp 40.7938 20.635 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 七、縱向絲杠剛度驗(yàn)算。 縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式如下所示： 最大牽引力Fm=1815.4N。支承間距為L(zhǎng)=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。 ①縱向絲杠的拉伸或壓縮變形量d1按下式計(jì)算

14、： d1=ΔL/L0*L 在上式中L—滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度，L=1500（mm）; 在上式中ΔL—在工作負(fù)載作用下引起每一導(dǎo)程的變化量，(mm) ΔL可用下式計(jì)算： ΔL=Fm *L0/(E*F) Fm —工作負(fù)載，即進(jìn)給率引力，F(xiàn)m=1815.4N； L0—滾珠絲杠的導(dǎo)程，L0=6mm； E—材料彈性模數(shù)，對(duì)鋼E=20.6*104N/mm2; F—滾珠絲杠截面積，按內(nèi)徑確定為: F=1016.97mm2; 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 七、縱向絲杠剛度驗(yàn)算。 ΔL=Fm *L0/(E*F) =1815.4*6/(20.6*104*101

15、6.97) =0.000052mm d1 =ΔL/L0*L =0.000052/6*1500 =0.013mm 由于兩端均采用了向心推力球軸承,且絲杠雙進(jìn)行了預(yù)拉伸,故其拉壓剛度可以提高四倍,其實(shí)際變形量為: d`1 =d1/4=0.013/4=0.00325mm ②滾珠與螺紋滾道間接觸變形d2 經(jīng)查圖4-7,W系列1列2.5 圈滾珠各螺紋滾道接觸變形量dQ: dQ=4.5μm 因?yàn)檫M(jìn)行了預(yù)緊故: d2=dQ/2=4.5/2=2.25μm=0.00225mm ③支承滾珠絲杠的軸向接觸變形d3 采用8107型推力球軸承,d1=35mm,滾動(dòng)體直徑dQ=6

16、.35mm,滾動(dòng)體數(shù)量Z=18; 注意:式中Fm單位為Kgf; 拉伸或壓縮變形量為: d1=0.00325mm 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量為: d2=0.00225mm 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 七、縱向絲杠剛度驗(yàn)算。 dC =0.0024*(Fm2/dQ/Z2)1/3 =0.0024*(181.542/6.35/182)1/3 ≈0.0061mm 因?yàn)槭┘恿祟A(yù)緊力,故: d3 =dC /2 =0.0061/2 =0.00305mm 根據(jù)以上計(jì)算總的變形量: d=d1+d2+d3 =0.0032

17、5+0.00225+0.00305 =0.00855mm<定位精度0.015mm 支承滾珠絲杠的軸向接觸變形d3: d3=0.00305mm 結(jié)論: 總的變形量<定位精度,故滿足機(jī)床使用要求。 八、縱向絲杠穩(wěn)定性校核。 滾動(dòng)絲杠兩端采用了推力軸承,不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需要穩(wěn)定性校核。 結(jié)論: 穩(wěn)定性好。 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 九、橫向絲杠剛度驗(yàn)算。 橫向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式如下所示： 最大牽引力F`m= 1165N,D0=20mm;支承間距為L(zhǎng)=450mm;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。 計(jì)算如下: ①

18、橫向絲杠的拉伸或壓縮變形量d1(mm)： 查表4-6,根據(jù)F`m= 1165N,D0=20mm,查出 dL/L=3*10-5 ,可算出 d1 =dL/L *L =3*10-5*450 =0.0135mm 由于兩端均采用了向心推力球軸承,且絲杠雙進(jìn)行了預(yù)拉伸,故其拉壓剛度可以提高四倍,其實(shí)際變形量為: d`1 =d1/4=0.0135/4 ≈ 0.0034mm 拉伸或壓縮變形量為: d1=0.0034mm 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 九、橫向絲杠剛度驗(yàn)算。 ②滾珠與螺紋滾道間接觸變形d

19、2 經(jīng)查圖4-7,W系列1列2.5 圈滾珠各螺紋滾道接觸變形量dQ: dQ=6μm 因?yàn)檫M(jìn)行了預(yù)緊故: d2=dQ/2=6/2=3μm=0.003mm ③支承滾珠絲杠的軸向接觸變形d3 采用8102型推力球軸承,d=15mm,滾動(dòng)體直徑dQ=4.763mm,滾動(dòng)體數(shù)量Z=12; 注意:式中Fm單位為Kgf; dC =0.0024*(Fm2/dQ/Z2)1/3 =0.0024*(116.52/4.763/122)1/3 ≈0.0065mm 因?yàn)槭┘恿祟A(yù)緊力,故: d3 =dC /2=0.0065/2 ≈0.0033mm 根據(jù)以上計(jì)算總的變形量: d=d1+d2

20、+d3 =0.0034+0.003+0.0033 =0.0097mm<定位精度0.015mm 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量為: d2=0.003mm 支承滾珠絲杠的軸向接觸變形d3: d3=0.0033mm 結(jié)論: 總的變形量<定位精度,故滿足機(jī)床使用要求。 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 十、橫向絲杠穩(wěn)定性校核。 計(jì)算臨界負(fù)載FK(N) FK=fz*π2*E*I/L2 式中E—材料彈性模量,鋼: E=20.6*106N/cm2; I—截面慣性矩(cm4)絲杠: I=π/64*d14,d1為絲杠內(nèi)徑; L—絲杠

21、兩支承端距離(cm); fz—絲杠支承方式系數(shù),從表4-13中查出,一端固定,一端簡(jiǎn)支fz =2.00 I=π/64*d14 =π/64*1.67884 = 0.3899 cm4; FK=fz*π2*E*I/L2 =2.00 *π2*20.6*106* 0.3899 /452 = 78293.4N nk=Fk/F`m = 78293.4/ 1165 = 67.2>>[ nk] (一般[ nk]=2.5~4) 經(jīng)計(jì)算此滾珠絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。 nk= 67.2>>[ nk] 結(jié)論: 穩(wěn)定性好。

22、設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 一、縱向齒輪傳動(dòng)比計(jì)算。 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量δp=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ｌo＝６mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角θb=0.75o?？捎?jì)算出傳動(dòng)比i: i =360o*δp/Ｌo/θb=360o*0.01/0.75o/6 =0.8 可選齒輪齒數(shù)為： 　i =Z1/Z2 =32/40或20/25 即：取Z1＝32, Z2＝40 或Z1＝20, Z2＝25 初選步進(jìn)電機(jī)步距角為： θb=0.75o 二、橫向齒輪傳動(dòng)比計(jì)算。 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量δp=0.005mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ｌo＝5mm，。可計(jì)算出傳動(dòng)比i:

23、 i =360o*δp/Ｌo/θb=360o*0.005/0.75o/5 =0.48 考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處采用雙級(jí)齒輪降速： 　i =(Z1/Z2)* ( Z3/Z4)=(3/5)*(4/5) =(24/40)*(20/25) 即：取Z1＝24, Z2＝40 ,Z3＝20, Z4＝25 初選步進(jìn)電機(jī)步距角為： θb=0.75o 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m?。?。 有關(guān)幾何參數(shù)如下表所示： 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓 d=mz 64 8

24、0 48 80 40 50 齒頂圓 da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齒根圓 df=d-2*1.25m 59 75 43 75 35 45 齒　寬 (6~10)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 72 64 45 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 一、縱向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 一、等效傳動(dòng)慣量計(jì)算。 計(jì)算簡(jiǎn)圖如下所示： 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JΣ(Kg.cm2)可由下式計(jì)算: JΣ=JM+J1+(Z1/Z2)2[(J2+JS)+G/g(L0/

25、(2π))2] 在上公式中： JM—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）。 J1、J2—齒輪Z1、Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2） JS—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2） 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)慣量JM=10 kgcm2。 J1=0.78*10-3*D14*L1=0.78*10-3*6.44*2 =2.62 kg.cm2 J2=0.78*10-3*D24*L2=0.78*10-3*84*2 =6.39kg.cm2 Js=0.78*10-3*44*150=29.952kg.cm2 初選反應(yīng)式步進(jìn)電

26、機(jī)： 150 BF 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 一、縱向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 G=1500N 代入上式： JΣ=JM+J1+(Z1/Z2)2[(J2+JS)+G/g(L0/(2π) )2] =10+2.62+(32/40)2[(6.39+29.952) +1500/9.8(0.6/(2π))2] =36.77 kg.cm2 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題： JM/ JΣ=10/36.77=0.272 基本滿足慣量匹配要求。 二、電機(jī)的力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算： ①快速空載起動(dòng)力矩M起 在快速空載起動(dòng)階段

27、，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： M起=Mamax +Mf +Mo Mamax= JΣ*ε = JΣ*10-2*nmax/ (0.6/(2π)*ta) = JΣ*nmax*2π*10-2/ (60*ta) 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JΣ=36.77 kg.cm2 JM/ JΣ=0.272 基本滿足慣量匹配要求。 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 一、縱向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 nmax=(Vmax/δp )* (θb/360o) 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同前。 nmax=(Vmax/δp )* (θb/360o)

28、 =(2000/0.01)*(0.75 o /360 o) = 416.7 rpm 起動(dòng)加速時(shí)間：ta=25ms=0.025s Mamax = JΣ*nmax*2π*10-2/ (60*ta) =36.77*416.7*2π*10-2/ (60*0.025) =641.8 N.cm 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩Mf: Mf =FoLo/(2πηi)=f `(Fz+G)*Lo/(2πηZ2/Z1) =0.04*(5360+1500)*0.6/(2π*0.8*1.25) =26.2 N.cm 附加摩擦力矩Mo: Mo =FpoLo/(2πη

29、i)*(1-ηo2) =Fm/3*Lo/(2πηZ2/Z1)* (1-ηo2) =1815.4/3*0.6/(2π*0.8*1.25)(1-0.92) =11 N.cm 上述三項(xiàng)合計(jì)： M起=Mamax +Mf +Mo=641.8+26.2+11 =679 N.cm 快速空載起動(dòng)力矩M起： M起=679 N.cm 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 一、縱向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 ②快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快。 M快= Mf

30、+Mo=26.2+11=37.2 N.cm ③最在切削負(fù)載時(shí)所需力矩M切： M切 = Mf +Mo+Mt= Mf +Mo+FxLo/(2πηi) =26.2+11+1340*0.6/(2π*0.8*1.25) =165.2 N.cm 從上面的計(jì)算可以看出，M起、M快和M切三種工況上，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，經(jīng)此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 從表4-22查出,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)λ=M起/ Mjmax =0.951。最大靜力矩Mjmax =M起/λ=679/0.951≈714N.cm。 按此最大靜力矩從表4-23查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為1372N.

31、cm。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)頻率特性和運(yùn)行頻率特性。 三、計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率f起和切削時(shí)的工作頻率f切。 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快： M快=37.2 N.cm 最在切削負(fù)載時(shí)所需力矩M切： M切 =165.2 N.cm 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 一、縱向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 f起 =1000Vmax/60/δp=1000*2.0/60/0.01 =3333.3Hz f切=1000Vs/60/δp=1000*0.5/60/0.01 =833.3 Hz 從表4-23中查出1

32、50 BF 002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為2800Hz運(yùn)行頻率為8000Hz ，再?gòu)膱D4-17，圖4-18查出150 BF 002型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性曲線和運(yùn)行矩頻特性曲線（附第28頁(yè)）。由圖可以看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，f起 =2500Hz時(shí)，M=100N.cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩(679N.cm)直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率降到 1000Hz時(shí)。起動(dòng)力矩可增高到588.4N.cm ，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可將步進(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

33、特性完全可以滿足要求。 空載起動(dòng)頻率: f起 =3333.3Hz 切削時(shí)的工作頻率: f切=833.3 Hz 150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性曲線如下所示： 150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線如下所示： 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 二、橫向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 一、等效傳動(dòng)慣量計(jì)算。 計(jì)算簡(jiǎn)圖如下所示： 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JΣ(Kg.cm2)可由下式計(jì)算: JΣ=JM+J1+(Z1/Z2)2{ J2+J3+(Z3/Z4)2 [(J4+JS) +G/g(L`0/(2π))2]} 在上公式中： JM—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)

34、子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2）。 J1、J2、J3、J4—齒輪Z1、Z2、Z3、Z4的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2） JS—滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kgcm2） 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)慣量JM=4.7kgcm2。 J1=0.78*10-3*D14*L1=0.78*10-3*4.84*2 =0.828 kg.cm2 初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)： 110 BF 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 二、橫向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 J2=0.78*10-3*D24*L2=0.78*10-3*84*2 =6.39kg

35、.cm2 J3=0.78*10-3*D34*L3=0.78*10-3*44*2 =0.399kg.cm2 J4=0.78*10-3*D44*L4=0.78*10-3*54*2 =0.975kg.cm2 Js=0.78*10-3*24*45=0.561kg.cm2 G=850N 代入上式： JΣ=JM+J1+(Z1/Z2)2{ J2+J3+(Z3/Z4)2 *[(J4+JS)+G/g(L`0/(2π))2]} =4.7+0.828+(24/40) 2{ 6.39+0.399 + (20/25)2 [(0.975+0.561) +850/9.8*(0.5/(2π))

36、2]} =8.45kg.cm2 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題： JM/ JΣ=4.7/8.4=0.56 滿足慣量匹配要求。 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量: JΣ=8.45 kg.cm2 JM/ JΣ=0.56 滿足慣量匹配要求。 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 二、橫向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 二、電機(jī)的力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算： ①快速空載起動(dòng)力矩M起 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下： M起=Mamax +Mf +

37、Mo Mamax = JΣ*ε = JΣ*10-2*nmax/ (0.6/(2π)*ta) = JΣ*nmax*2π*10-2/ (60*ta) nmax=(Vmax/δp )* (θb/360o) 將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號(hào)意義同前。 nmax=(Vmax/δp )* (θb/360o) =(1300/0.005)*(0.75 o /360 o) = 541.7 rpm 起動(dòng)加速時(shí)間：ta=25ms=0.025s Mamax = JΣ*nmax*2π*10-2/ (60*ta) =8.4*541.7*2π*10-2/ (60*0.025

38、) = 190.6 N.cm 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 二、橫向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩Mf: Mf =FoLo/(2πηi) =f `(F`z+G)*Lo/(2πη(Z2/Z1* Z4/Z3) ) =0.04*(2680+850)*0.5/(2π*0.8*2.1) =6.69 N.cm 附加摩擦力矩Mo: Mo =FpoLo/(2πηi)*(1-ηo2) =F`m/3*Lo/(2πη(Z2/Z1* Z4/Z3))* (1-ηo2) =1165/3*0.5/(2π*0.8*2.1)(1-0.92)

39、 = 3.5N.cm 上述三項(xiàng)合計(jì)： M起=Mamax +Mf +Mo= 190.6+6.69+3.5 =200.8N.cm ②快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快。 M快= Mf+Mo=6.69+3.5 =10.2 N.cm ③最在切削負(fù)載時(shí)所需力矩M切： M切 = Mf +Mo+Mt= Mf +Mo+F`xLo/(2πηi) =6.69+3.5+1072*0.5/(2π*0.8*2.1) =60.97N.cm M起=200.8N.cm M快=10.2N.cm M切 =60.97N.cm 設(shè)計(jì)

40、項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 二、橫向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 從上面的計(jì)算可以看出，M起、M快和M切三種工況上，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，經(jīng)此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 從表4-22查出,當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為三相六拍時(shí)λ=M起/ Mjmax =0.866。最大靜力矩Mjmax =M起/λ=200.8/0.866≈231.9N.cm。 按此最大靜力矩從表4-23查出，110BF 003型最大靜轉(zhuǎn)矩為13.72N.m，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性。 三、計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率f起和切削時(shí)的工作頻率f切。 f起=1000Vmax/60/δp

41、=1000*1.3/60/0.005 =4333.3Hz f切 =1000Vs/60/δp =1000*0.2/60/0.005 =666.7 Hz 空載起動(dòng)頻率: f起 =4333.3Hz 切削時(shí)的工作頻率: f切=666.7 Hz 設(shè)計(jì)項(xiàng)目 設(shè)計(jì)過(guò)程及說(shuō)明 主要結(jié)果 二、橫向步進(jìn)電機(jī)計(jì)算。 從表4-23中查出110 BF 003型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為1500Hz,運(yùn)行頻率為7000Hz ，再?gòu)膱D4-17，圖4-18查出110 BF 003型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性曲線和運(yùn)行矩頻特性曲線（附第35頁(yè)）。 由圖可以看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)時(shí)，f起 =1500 Hz時(shí)，M=98N.cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實(shí)現(xiàn)），將起動(dòng)頻率降到1100Hz 時(shí)。起動(dòng)力矩可增高到240N.cm。 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)行矩頻特性完全可以滿足要示。 110 BF 003型步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性曲線如下所示: 110 BF 003型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線如下所示: