专业课程设计—CA6140车床数控化改造

专业课程设计CA6140车床数控化改造,专业课程,设计,ca6140,车床,数控,改造 专业课程设计说明书题目：CA6140普通卧式车床数控化设计专业：机械工程班级：姓名：学号：指导老师：时间：2017年9月18日44 机电一体化课程设计说明书目录：摘要：4一、设计任务5二、CA6140普通卧式车床简介6（一） CA6140普通卧式车床组成6（二） CA6140普通卧式车床功能6（三） CA6140普通卧式车床传动系统7（四） CA6140普通卧式车床电气系统8三、 总体方案设计9（一） 车床数控系统的的运行方式9（二） 进给伺服系统的类型9（三） 主传动系统10（四） 进给传动系统11四、 纵向进给传动部件的计算与选型12（一） 计算切削力12（二） 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（纵向）12（三） 导轨副的确定（纵向）14（四） 同步带减速箱的设计（纵向）14（五） 步进电动机的计算和选型（纵向）17（六） 同步带传递功率的校核21（七） 其他部件的选型（纵向）21五、 横向进给传动部件的计算与选型22（一） 计算切削力22（二） 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（横向）23（三） 导轨副的确定（横向）24（四） 步进电动机的计算和选型（横向）24（五） 其他部件的选型（横向）29六、车床控制系统设计30（一） 设计要求30（二） 控制流程图及运行模式31（三） 电气元件清单32（四） I/O表分配33（五） PLC选型34（六） 变频器34（七） PLC与变频器37（八） 主电路、控制电路、PLC接线图40（九） PLC梯形图40七、总结44参考文献45摘要：随着科学技术的迅速发展，对机械产品的性能和质量要求不断提高，产品的更新换代也不断加快。为了适应新时代生产零件结构复杂、高精度、产品批量生产、零件外形多变等一系列的问题，机床的数控化改造迫不及待，用数控技术对普通机床进行改装设计，不仅可以提高机床加工精度，提高生产率，使产品改形容易，也可以大大减轻工人的劳动强度，使普通机床具有较好的柔性。CA6140型普通车床，是一种通用型车床，主轴正转18级转速，最大加工直径400mm，可完成普通车床的各种回转表面加工和螺纹加工，为提高该机床的加工精度和效率，本文将对CA6140型普通车床进行数控化改造设计，而用微电子技术和计算机技术对普通车床进行数控化改造是最经济可靠的路径之一。本文保留CA6140型普通车床一部分原有机械结构，对其的横纵向进给机构、回转刀架进行机械部分改进，并选用合适的PLC与PC端联接，设计控制电路以控制机床的各部分机械结构的运转和各部分电气元件，以实现车床数控化改进的目的。关键词：车床机械改进 数控化设计改造 控制系统设计机电一体化课程设计说明书一、设计任务题目：CA6140普通卧式车床数控化设计任务要求： 将一台CA6140普通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460mm 2）最大加工长度1250mm 3）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=2900mm/min，Z方向为vzmax=5800mm/min 5）X方向最快工进速度vxmaxf=380mm/min，Z方向为vzmaxf=750mm/min 6）X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm 7）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25mm 9）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二、CA6140普通卧式车床简介（1） CA6140普通卧式车床组成（1） 主轴箱。它固定在机床身的左端，装在主轴箱中的主轴(主轴为中空，不仅可以用于更长的棒料的加工及机床线路的铺设还可以增加主轴的刚性)，通过夹盘等夹具装夹工件。主轴箱的功用是支撑并传动主轴，使主轴带动工件按照规定的转速旋转。（2） 床鞍和刀架部件。它位于床身的中部，并可沿床身上的刀架轨道做纵向移动。刀架部件位于床鞍上，其功能是装夹车刀，并使车刀做纵向、横向或斜向运动。（3） 尾座。它位于床身的尾座轨道上，并可沿导轨纵向调整位置。尾座的功能是用后顶尖支撑工件。在尾座上还可以安装钻头等加工刀具，以进行孔加工。（4） 进给箱。它固定在床身的左前侧、主轴箱的底部。其功能是改变被加工螺纹的螺距或机动进给的进给量。（5） 溜板箱。它固定在刀架部件的底部，可带动刀架一起做纵向、横向进给、快速移动或螺纹加工。在溜板箱上装有各种操作手柄及按钮，工作时工人可以方便地操作机床。（6） 床身。床身固定在左床腿和右床腿上。床身是机床的基本支撑件。在床身上安装着机床的各个主要部件，工作时床身使它们保持准确的相对位置。（2） CA6140普通卧式车床功能CA6140卧式车床，C代表车床，A代表改进型号，6代表该车床属于落地及卧式车床组，1代表该车床属于卧式车床系中的基本型，40代表该车床的最大车削直径为400mm。CA6140车床具有全面的实用性，可以对各种轴类、套筒类零件进行加工，甚至盘类零件上的回转表面也能适用，对于车削端面和各种常用螺纹的加工轻而易举，在这些零件上还能进行钻孔、扩孔、铰孔、滚花等加工。（3） CA6140普通卧式车床传动系统原CA6140机床的传动系统有俩大部分构成：（1） 主运动传动链：主运动传动链的作用是将能量源（主轴电动机）的动力传递给主轴，让工件跟主轴一起做旋转运动，从而实现机床的主运动。（2） 进给运动传动链：进给运动传动链的作用是带动刀架的纵向和横向移动及车螺纹运动。动力是从电动机传递给进给运动传动链、溜板箱再传至刀架，实现刀架的运动。（4） CA6140普通卧式车床电气系统（1） 主电路分析：接触器KM1控制主轴电动机M1的正转（应还有一个接触器KM控制主轴电动机M1反转），热继电器FR1为主轴电动机M1提供过载保护接触器KM2控制冷却泵电机M2的启动，FR2是为冷却泵电机M2提供过载保护的热继电器。接触器KM3控制刀架快速移动，因为快速移动电机M3是短期工作，所以可以不加过载保护。（2） 控制电路分析：1 主轴电动机M1的控制：按下起动按钮开关SB2，线圈KM1通电，接触器KM1闭合，控制主轴电动机M1正转，按下停止按钮开关SB1，电动机停转。2 冷却泵电动机M2的控制：只有当线圈KM1获电，然后触点KM1闭合，主轴电动机M1启动后，再合上开关SA，使线圈KM2获电，然后KM2主触点闭合，冷却泵电动机M2才能启动。3 刀架快速移动电动机的控制：刀架快速移动电动机M3的启动，是由安装在进给操纵手柄顶端的按钮开关SB3来控制，它与交流接触器KM3组成电动控制环节。将操纵手柄扳到所需的方向，压下按钮开关SB3，接触器KM3获电吸合，电动机M3获电起动，刀架就向指定方向快速移动。4 图中的EL为机床的低照明灯，由开关SA2控制，HL为电源信号灯。3、 总体方案设计对机床进行数控化改造设计时，根据改造的经济性和简易性的原则，可以尽量利用原来车床上的零部件，来减少不必要的改动量，特别是车床上相对大点的部件，比如床身、工作台、导轨等，尽可能地利用原有的组件，这样只需要做少量的维修加工改造，可以极大得降低成本，缩短改造的周期。CA6140型普通车床数控化改造后应实现的功能要满足上面所提出的设计任务，可以初步制定总体改造方案，对车床数控系统的运行方式，进给伺服系统的类型，主传动系统，进给传动系统，数控电路控制系统进行改造设计：（1） 车床数控系统的的运行方式数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线控制系统，轮廓控制系统，连续控制系统。车床是控制刀具以给定速率沿指定路线运动来加工工具轮廓复杂的零件，其各坐标轴的运动之间有着精确的函数关系，根据车床加工这一特点，采用连续控制系统比较合适，连续控制系统具有点位控制系统的功能，故定位方式采用增量坐标控制。普通数控车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补，圆弧插补以及螺纹插补的功能，因此车床数控系统应设计成连续控制系统。（2） 进给伺服系统的类型进给伺服系统是实现位置伺服控制有开环、半闭环、闭环三种方式。开环控制的伺服系统存在着精度不能达到太高的基本问题，但是步进电机具有位移和输出脉冲的严格对应关系，使误差不能积累，转速和输出脉冲频率有严格的对映关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件和波动变化的特点，数据装置发出信号的流向是单向的，对移动部件如工作台的实际位置工位检测。并且伴随电子技术和计算机控制技术的发展，目前大多采用直流电动机或交流电动机作为执行元件。虽然半闭环、闭环对控制系统能够实现较高精确的位置伺服，但由于反馈环节必须的技术条件要控制闭环系统的良好的稳态和动态性能，其难度也大为提高。本设计是基于CA6140普通型的车床的经济化、数控化改造故采用步进电动机实现开环伺服系统（3） 主传动系统（1） 有级变速若需提高车床的自动化程度，在加工中自动变速，则可选2-4档的多速电动机代替原来的单速主电机，在本例子中，当采用有级变速时，可选用浙江超力电力机有限公司生产的YD系列7.5KW变极多速三相异步电动机，实现24档变速。（2） 无极变速要实现无极变速的时候应加转交流变频器，采用变频器驱动电机，通过数控系统控制变频器，变频器驱动三相异步电动机实现主轴变速，由公式n=60f/p（1-s）可知，电源频率f，电动机磁极对数P以及转差率S与交流异步电动机的转速有一定的关系，改变电源频率f即可改变电动机的转速n。变频器能通过与数控系统连接，控制电动机的正转，反转，停止和变速。（3） 螺纹编码器的安装螺纹编码器又称主轴脉冲发生器或圆光栅。数控车床加工螺纹时，需要配置主轴脉冲发生器，作为车床主轴位置信号的反馈元件，它与车床主轴同步转动。螺纹编码器通常有两种安装形式：同轴安装和异轴安装。同轴安装是指将编码器直接安装在主轴后端，与主轴同轴，这种方式结构简单，但它堵住了主轴的通孔。异轴安装是指将编码器安装在主轴的箱的后端，一般尽量装在与主轴同步是旋转输出轴，如果找不到同步轴，可将编码器通过一对传动比1:1的同步齿形带与主轴联接起来。需要注意的是，编码器的轴头与安装轴之间必须采用无间隙柔性联接，且车床主轴的最高转速不允许超过编码器的最高许用转速。（4） 自动回转刀架为了提高加工精度，实现一次装夹完成多道工序，将车床原有的手动刀架换成自动回转刀架。常见的自动回转刀架有四工位立式自动回转刀架和六工位卧式自动回转刀架。如下图所示。自动回转刀架在结构上必须具有良好的强度和刚性，以承受粗加工时的切削抗力。为了保证转位之后具有高得复杂定位精度，自动回转刀架还要选择可靠的定位方案和合理的定位结构。自动回转刀架的自动换刀由控制系统和驱动电路来实现的。 （5） 电动卡盘装配电动卡盘，利用PLC控制系统和驱动电路控制卡盘的松开和夹紧。（4） 进给传动系统（1） 拆除挂轮架所有齿轮，在此寻找的同步轴，安装螺纹编码器。（2） 拆除进给箱总成，在此位置安装纵向进给步进电动机与同步带减速箱总成。（3） 拆除溜板箱总成与快刀的齿轮齿条，在纵溜板的下面安装纵向滚珠丝杠的螺母座和螺母座垫架。（4） 拆除四方刀架与上溜板总成，在横溜板上方安装四位工位立式电动机刀架。（5） 拆除横溜板下的滑动丝杠螺母副，将滑动丝杠靠刻度盘一段（见图一）锯断保留，拆掉刻度盘上的手柄，保留刻度盘附近的两个推力轴承，换上滚珠丝杠副。（6） 将横向进给步进电动机通过法兰座安装到横溜板后部的纵溜板上，并与滚珠丝杠的轴头相连。（7） 拆去三杆（丝杆、光杆与操纵杆），更换丝杆的右支承。4、 纵向进给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、选择滚珠丝杆螺母副、选择滚动直线导轨副、设计减速箱、选择步进电动机。根据设计任务的要求Z方向（纵向）为z=0.04mm脉冲。（1） 计算切削力纵向切削力的详细计算过程。设工件材料为碳素机构钢，b=650MPa;刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角，前角0=100，刃倾角s=50；切削用量为： =3mm背吃刀量，进给量f=0.6mmr，切削速度 =105mmin。查表3-1，得： =2795， =1.0， =0.75， =0.15。查表3-3，得：主偏角Kr的修正系数 =0.94；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（3-2），算得主切削力 =2673.4N。由经验公式：Ff ： =1：0.35：0.4，算得纵向进给切削力Ff=935.69N，背向力 =1069.36N。（2） 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（纵向）（1） 工作载荷F的计算 已知移动部件总重量G=1300N；车削力 =2673.4N， =1069.36N，Ff=935.69N。如图3-20所示，根据 = ， = ， =Ff的对应关系，可得：=2673.4N ， =1069.36N， =935.69N。选用矩形三角形组合滑动导轨，查表3-29，得K=1.15，=0.16代人Fm=KFX （G），得工件载荷F1712N。（2） 最大动载荷FQ的计算 设本车床Z向在承受最大切削力条件下最快的进给速度v=0.75mmin，初选丝杆基本导轨Ph=6mm，则此时丝杆转速n=1000vPh 125rmin。取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT106，得丝杠寿命L0=112.5。查表3-30，取载荷系数=1.15、硬质系数=1，代入式（3-23），求得最大动载荷。（3） 初选型号 根据计算的最大动载荷，查表3-34，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL4006（）型滚珠丝杆副。其公称直径为40mm，基本导程为6mm，双螺母滚珠总圈数为32=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为13200N，满足要求。（4） 传动效率的计算 将公称直径d0=40mm，基本导程Ph=6mm，代入= Ph(d0)，得丝杆螺旋升角=2044，将摩擦角=10，代入=tantan(+)，得传动效率=94.2。（5） 刚度的计算 Z向滚珠丝杆副的支承，采用一端轴向固定，一端简支的方式，见图二。固定端采用一对推力角接触球轴承7305C，面对面组配，另一端采用深沟球轴承6204，丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a=1870mm；钢的弹性模量E=2.1105MPa；查表3-33，得滚珠直径=3.9688mm，算得丝杠底径d2=公称直径d0滚珠直径=36.0312,则丝杠截面积S=d224=1019.64mm2。忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉压变形量1=(ES) 0.01495mm。根据公式Z=（d0）3，求的单圈滚珠数目Z=29；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为32=6，则滚珠总数量Z=296=174。滚珠丝杆预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm3571N；则由式（10-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.00117mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取2=0.000585mm。将以上计算的1和2代入总，求得丝杠总变形量总=0.0155mm=15.5m。由表3-27知，四级精度滚珠丝杠任意1600mm-2000mm轴向行程内行程的变动量允许48m，可见丝杠刚度足够。（6） 压杆稳定性校核 根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷，查表10-31，取支承系数=2；由丝杠底径d2=36.0312mm，求得截面惯性矩I=82734.15mm4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧底式安装）；滚动螺母至轴向固定处得距离取最大值1870mm。代入式（3-28），得临界载荷FK32691N，远大于工作载荷Fm(1712N)，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。（3） 导轨副的确定（纵向）纵向导轨用回原CA6140机床的导轨，以减少改造成本，更经济可行。原CA6140的导轨是矩形三角形综合导轨。（4） 同步带减速箱的设计（纵向）为了满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能的减小，传动链中常采用减速传动，本例中Z向减速箱选用同步带传动。设计同步带减速箱需要的原始数据有：带传动的功率P；主动轮转速n1和传动比i;传动系统的位置和工作条件等。根据改造经验，C6140车床Z向步进电动机的最大转矩通常在1525N. m之间选择。今初步选电动机型号为110BYG2502，两相混合式，最大转矩为20N.m，八拍驱动时步进角为0.90。运行矩特性曲线如下图。（1） 传动比的确定 已知电动机的步距角=1.80，脉冲当量z=0.04mm脉冲，滚珠丝杠导程Ph=6mm。根据公式（3-12）算得传动比=0.75。（2） 主动轮最高转速n1 由Z向拖板的最快移动速度vzmax =5800mmmin，可以算出主动轮最高转速n1=(z) 360=725rmin。（3） 确定带的设计功率Pd 预选的步进电动机在转速为725/min时，对应的步进脉冲频率为：=725360(60)=725360(601.8)=2417Hz。从表9-2查得，当脉冲频率为2417Hz时，电动机的输出转矩约为9N.m，对应的输出功率为POUT=nT9.55=72599.55683W。今取P=0.683KW，从表10-18中取工作情况系数FA=1.2，则由式（3-14），求得带的设计功率Pd=KAP=1.20.683KW=0.820KW。（4） 选择带型和节距 根据带的设计功率Pd=0.820KW和主动轮最高转速n1=725rmin。，从图3-14中选择同步带，型号为H型，节距 =12.700mm。（5） 确定大带轮齿数z1和大带轮节圆直径d1 取z1=24，则大带轮节圆直径d1= z1=97.02mm。当n1达到最高转速725/min时，同步带的速度为v=d1n1601000=3.68ms，没有超过H型带的极限速度35m/s。（6） 确定小带轮齿数z2和小带轮节圆直径d2 小带轮齿数z2=iz1=18，节圆直径d2=id1=72.77mm。（7） 初选中心距a0、带的节线长度L0p、带的齿数 初选中心距a=1.1(d1d2)=186.77mm，圆整后取a0=187mm。则带的节线长度为641.49。根据表3-13，选取接近标准节线长度，相应齿数。（8） 计算实际中心距a 实际中心距。 （9） 校验带与大带轮的啮合齿数 ，啮合齿数比6大，满足要求。（10） 计算基准额定功率P0所选型号同步带在基准宽度下所允许传递的额定功率 式中：Ta带宽为的bs0许用工作拉力，由表3-21查得Ta =2100.85N； m带宽为bs0的单位长度的质量，由表3-21查得m=0.448kgm； v 同步带的带速，由上述（5）可知v=3.68ms。算得P0=7.71KW。（11） 确定实际所需同步带宽度 式中：bs0 选定型号的基准宽度，由表3-21查得bs0=76.2mm； KZ 小带轮啮合齿数系数，由表3-22查得KZ=1。由上式算得bs10.7mm，再根据表3-11选定最接近的带宽bs=19.1mm。（12） 带的工作能力验算 根据式（3-22），计算同步带额定功率P的精确值： 式中，Kw为齿宽系数：；经计算得P=1.93KW，而Pd=0.637KW，满足PPd。因此，带的工作能力合格。（5） 步进电动机的计算和选型（纵向）（1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径，总长（带接杆），导程，材料密度；纵向移动部件总重量G=1300N；同步带减速箱大带轮宽度22.6mm，节径97.02mm,孔径16mm，轮毂外径66mm，宽度15mm；小带轮宽度22.6mm，节径72.77mm，孔径30mm，轮毂外径55mm，宽度15mm；传动比i=0.75。参照表4-1，可以算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量；拖板折算到丝杠上的转动惯量；大带轮的转动惯量小带轮的转动惯量；在设计减速箱时，初选的Z向步进电动机型号为110BYG2502，从表11-5查得该型号电动机转子的转动惯量。则步进电动机转轴上的总转动惯量为：（2） 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩分快速空载荷启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 速空载启动时的电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-8）可知，包括三部分：快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高。根据（4-12）式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有： 根据式（4-9），考虑Z向传动链的总效率，计算快空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： 式中： 对应Z向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位s。其中： 式中： Z向空载最快移动速度，任务书指定为5800mm/min； Z向步进电动机步距角，为1.80。 Z向脉冲当量， =0.04mm脉冲。将以上各值代入式，算得=725rmin。设步进电动机由静止到加速至转速所需的时间Ta=0.4s，Z向传动链总效率=0.7。则由式求得： 由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 式中：导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16； 垂直方向的工作负载，空载时取0； Z向传动链总效率，取0.7。则由式得： 最后由式，求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为： 大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式(4-13)可知，包括如下三个部分，即：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt：移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。T0相对于Tt和很小，可以忽略不计。则有： 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由（4-14）式计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷Ff=935.69N，则有： 在有式（4-10）计算承受最大工作载荷（Fc=2673.4N）情况下，移动部件时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： 最后由式，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 经计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩 （3） 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 对于前面预选的110BYG2502型步进电动机，由表4-5可知，其最大静转矩=20N.m，可见完全满足要求。（4） 步进电动机的性能校核最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定Z向最快工进速度，脉冲当量，由（4-16）式求出电动机对应的运行频率的运行矩频特性图9-4可以看出在此频率下，电动机的输出转矩，远远大于最大工作负载转矩，满足要求。 快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定Z向最快空载移动速度，仿照（4-16）式求出电动机对应的运行频率。从图9-4查得，在此频率下，电动机的输出转矩,大于快速空载启动时的负载转矩，满足要求。最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度对应的电动机运行频率，查表4-5可知110BYG2502的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。 动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子自身的转动惯，查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率。则由式（4-7）可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为 上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率必需小于627Hz。实际上，在采用软件升降频时，启动频率选的很低，通常只有100Hz。综上所述，本例中Z向进给系统选用110BYG2502步进电动机，可以满足要求。（6） 同步带传递功率的校核（1） 快速空载起动电动机从静止到加速至，由（9-5）式可知，同步带传递的负载转矩,传递的功率为。（2） 最大工作负载、最快工进速度由（9-7）式可知，带需要传递的最大工作负载转矩，任务书给定最快工进速度，对应电动机转速，传递的功率为。 可见，两种情况下同步带传递的负载功率均小于带的额定功率7.71KW。因此，选择的同步带功率合格。（7） 其他部件的选型（纵向）（1） 联轴器的选型联轴器是一种常用的机械传动装置，主要用来联接轴与轴（或联接轴与其他回转零件），以传递运动和转矩。在纵向进给传动机构中，为实现步进电机输出的转矩经变速箱传递到滚珠丝杠上，此处选用刚性套筒式联轴器。刚性套筒式联轴器结构简单、径向尺寸小，可用于纵向的连接，左右俩段均使用刚性套筒式联轴器中的锥销联接式。（2） 轴承的选择纵向滚珠丝杠副的支承，采用一端轴向固定，一端简支的方式，其中固定端采用一对推力角接触球轴承7305C，面对面组配，另一端采用深沟球轴承6204，丝杠加上两端接杆后，左、右支承的中心距离约为a=1870mm。这种双推简支的支承形式，具有临界转速、压杆稳定性较高，丝杠有热膨胀的余地，适合用于较长的卧式安装的丝杠等优点。（3） 减速箱输出轴减速箱输出轴，把步进电机传递过来的速度转矩，经同步带变速后传递给滚珠丝杠，实现纵向移动。减速箱输出轴中部的键与带轮配合，左右轴端与角接触球轴承7305C相配合，最右端配有锥销孔，用于与刚性套筒式联轴器配合，输出轴的具体形状尺寸请参考零件图。（4） 接杆接杆的作用是通过刚性套筒式联轴器配合，实现纵向滚珠丝杠的支承。接杆右端与深沟球轴承6204配合。接杆的具体形状尺寸请参考零件图。（5） 防尘罩（纵向）纵向防尘罩通过螺母座托架联接，这样可以保证防尘罩与滚珠丝杠副一起移动，起到保护横向滚珠丝杠的作用，防止灰尘，碎屑进入滚珠丝杠，对滚珠丝杠产生影响。5、 横向进给传动部件的计算与选型横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、选择滚珠丝杆螺母副、选择直线滚动导轨副、选择步进电动机。根据设计任务的要求，X方向（横向）的脉冲当量为x=0.007mm脉冲。减速箱的设计的目的是为了获得整量化得脉冲当量或将步进电动机的输出转矩进行放大，同时也为了使传动系统的负载惯量尽可能地减小。对于横向机构，滚珠丝杠路程短，所需要的力矩转矩应该满足（下面会进行验证是否满足），为了简化结构、降低噪声、提高精度，在横向机构的进给传动机构设计中，直接把步进电动机与滚珠丝杠相联接。（1） 计算切削力 横向切削力的详细计算过程。设工件材料为碳素机构钢，b=650MPa;刀具材料为硬质合金YT15；刀具几何参数为：主偏角，前角0=00，刃倾角s=00；切削用量为： =1mm背吃刀量，进给量f=0.3mmr，切削速度 =145mmin。查表3-1，得： =3600， =0.72， =0.8， =0。查表3-3，得：主偏角Kr的修正系数 =0.89；刃倾角、前角的修正系数值分别为1.1 1.0。由经验公式（3-2），算得横向主切削力 =1222.9N。由经验公式： ：Ff =1：0.35：0.4，算得横向进给切削力 =428.02N，背向力Ff=489.16N。（2） 滚珠丝杠螺母副的计算与选型（横向）（1） 工作载荷F的计算 已知移动部件总重量G=700N；车削力 =1222.9N， =489.16N，Ff=428.02N。如图3-20所示，根据 = ， = Ff， =的对应关系，可得：=1222.9N ， =428.02N， =489.16N。选用矩形三角形组合滑动导轨，查表3-29，得K=1.15，=0.16代人Fm=KFX （G），得工件载荷F870.2N。（2） 最大动载荷FQ的计算 设本车床X向在承受最大切削力条件下最快的进给速度v=0.38mmin，初选丝杆基本导轨Ph=6mm，则此时丝杆转速n=1000vPh 63rmin。取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT106，得丝杠寿命L0=56.7。查表3-30，取载荷系数=1.15、硬质系数=1，代入式（3-23），求得最大动载荷。（3） 初选型号 根据计算的最大动载荷，查表3-33，选择启东润泽机床附件有限公司生产的FL2004（490410）型滚珠丝杆副。其公称直径为20mm，基本导程为4mm，双螺母滚珠总圈数为32=6圈，精度等级取4级，额定动载荷为4900N，满足要求。（4） 传动效率的计算 将公称直径d0=20mm，基本导程Ph=4mm，代入= Ph(d0)，得丝杆螺旋升角=3038，将摩擦角=10，代入=tantan(+)，得传动效率=95.5。（5）刚度的计算 X向滚珠丝杆副的支承，采用一端轴向固定，一端自由的方式，。有端采用一对推力球轴承8203。丝杠加上右端横向联接轴后，左、右支承的中心距离约为a=530mm；钢的弹性模量E=2.1105MPa；查表3-34，得滚珠直径=2.3812mm，算得丝杠底径d2=公称直径d0滚珠直径=17.6188,则丝杠截面积S=d224=243.8mm2。忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉压变形量1=(ES) 0.009mm。根据公式Z=（d0）3，求的单圈滚珠数目Z=23；该型号丝杠为双螺母，滚珠总圈数为32=6，则滚珠总数量Z=236=138。滚珠丝杆预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm3290N；则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.00103mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取2=0.00517mm。将以上计算的1和2代入总，求得丝杠总变形量总=0.0142mm=14.2m。由表3-27知，四级精度滚珠丝杠任意500-600mm轴向行程内行程的变动量允许22m，而对于跨度为530mm的滚珠丝杠，总的变形量总只有14.2m，可见丝杠刚度足够。（6） 压杆稳定性校核 根据公式（10-28）计算失稳时的临界载荷，查表3-34，取支承系数=0.25；由丝杠底径d2=17.6188mm，求得截面惯性矩I=4730.15mm4；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧底式安装）；滚动螺母至轴向固定处得距离a取最大值530mm。代入式（3-28），得临界载荷FK2908N，远大于工作载荷Fm(870.2N)，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。（3） 导轨副的确定（横向） 横向导轨用回原CA6140机床的导轨，以减少改造成本，更经济可行。原CA6140的导轨是燕尾式导轨。（4） 步进电动机的计算和选型（横向）根据改造经验，C6140车床X向步进电动机的最大转矩通常在1525N. m之间选择。今初步选电动机型号为110BYG2502，两相混合式，最大转矩为20N.m，四拍驱动时步进角为1.80。运行矩特性曲线如下图。（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径，总长（带接杆）l=710mm，导程，材料密度；横向移动部件总重量G=700N。参照表4-1，可以算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杠的转动惯量；拖板折算到丝杠上的转动惯量；初选的Z向步进电动机型号为110BYG2502，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量。则步进电动机转轴上的总转动惯量为：（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩分快速空载荷启动和承受最大工作负载两种情况进行计算。 速空载启动时的电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-8）可知，包括三部分：快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高。根据（4-12）式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有： 根据式（4-9），考虑Z向传动链的总效率，计算快空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： 式中： 对应X向空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位s。其中： 式中： X向空载最快移动速度，任务书指定为2900mm/min； X向步进电动机步距角，为1.80。 X向脉冲当量， =0.007mm脉冲。将以上各值代入式，算得=2071rmin。设步进电动机由静止到加速至转速所需的时间Ta=0.4s，X向传动链总效率=0.9。则由式求得： 由式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： 式中：导轨的摩擦系数，滑动导轨取0.16； 垂直方向的工作负载，空载时取0； X向传动链总效率，取0.9。则由上式得： 最后由式，求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩为： 大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式(4-13)可知，包括如下三个部分，即：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt：移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。T0相对于Tt和很小，可以忽略不计。则有： 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由（4-14）式计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知进给方向的最大工作载荷Fp=428.02N，则有： 在有式（4-10）计算承受最大工作载荷（Fc=1222.9N）情况下，移动部件时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： 最后由式，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 经计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩 （3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 对于前面预选的110BYG2502型步进电动机，由表4-5可知，其最大静转矩=20N.m，可见完全满足要求。（4）步进电动机的性能校核最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定X向最快工进速度，脉冲当量，由（4-16）式求出电动机对应的运行频率的运行矩频特性图9-4可以看出在此频率下，电动机的输出转矩，远远大于最大工作负载转矩，满足要求。 快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定X向最快空载移动速度，仿照（11-16）式求出电动机对应的运行频率。从上图查得，在此频率下，电动机的输出转矩,大于快速空载启动时的负载转矩，满足要求。最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度对应的电动机运行频率，查表4-5可知110BYG2502的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。启动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子自身的转动惯，查表4-5可知电动机转轴不带任何负载时的最高空载启动频率。则由式（11-7）可以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为 上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率必需小于1686Hz。实际上，在采用软件升降频时，启动频率选的很低，通常只有100Hz。综上所述，本例中X向进给系统选用110BYG2502步进电动机，可以满足要求，且不需要减速箱设计，简化结构，降低成本。（5） 其他部件的选型（横向）（1） 联轴器的选型联轴器是一种常用的机械传动装置，主要用来联接轴与轴（或联接轴与其他回转零件），以传递运动和转矩。在横向进给传动机构中，为实现步进电机输出的转矩传递到滚珠丝杠上，此处选用刚性套筒式联轴器，将步进电机与滚珠丝杠联系起来。刚性套筒式联轴器结构简单、径向尺寸小，可用于横向的连接，左右俩段均使用刚性套筒式联轴器中的锥销联接式。（2） 轴承的选择横向滚珠丝杠副的支承，采用一端固定，一端自由的方式，右端采用一对推力球轴承8203。丝杠加上右端横向联接轴后，左、右支承的中心距离约为a=530mm。这种双推自由的支承形式，适合用于较短丝杠的安装。（3） 横向联接轴横向联接轴不但起着对横向滚珠丝杠的右端支承，还联接着刻度盘，通过旋转手轮可以对滚珠丝杠副进行微调节。横向联接轴的具体形状尺寸请参考零件图。（4） 刀架滑板刀架滑板通过螺钉，圆锥销与滚珠丝杠螺母连接，由步进电机带动滚珠丝杠移动，带到刀架滑板移动，从而实现了刀的横向进给。刀架滑板上部与自动回转刀架相联接。（5） 防尘罩（横向）横向防尘罩通过开槽盘头螺钉与刀架滑板联接，当横向滚珠丝杠的螺母进行移动时，带动刀架滑板进行横向移动时，防尘罩也跟着移动，起到对横向滚珠丝杠保护的作用，防止灰尘，碎屑进入滚珠丝杠，对滚珠丝杠造成影响。六、车床控制系统设计（1） 设计要求CA6140车床经数控化改造后，应具备以下功能：1 可以车削柱面、平面、锥面与球面等2 安装螺纹编码器，最大导程为25mm3 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4 自动控制冷却泵的起/停5 纵、横向安装限位开关6 数控系统可与PC机串行通讯7 显示界面采用LED数码管，编程采用相应数控代码数控化改造后的车床，主轴的正转反转及无极调速靠变频器实现，纵横进给机构皆由各自的步进电动机驱动实现，安装螺纹编码器，实现了主传动系统和进给传动系统的联系，实现螺纹的加工，使用PLC对上述各元件进行控制。（2） 控制流程图及运行模式普通数控车床数控化改造后应具有单坐标定位，两坐标直线插补，圆弧插补以及螺纹插补的功能，因此车床数控系统运动方式应设计成连续控制系统，采用步进电机开环伺服系统，其控制流程图如下：其中经改造后的数控车床有三大运行模式可供选择，分别是手动模式，自动模式，编程模式。运行方式：1 手动模式：（1） 可供操作人员手动对毛坯进行试切，以进行工件坐标系、刀具刀尖坐标点等的确定与录入系统。（2） 可供操作人员手动操作，完成某些特殊的调整。（3） 可供操作人员手动完成毛坯的加工。2 自动模式：（1） 可以自动根据所输入的程序，由PC，CNC系统以及PLC来控制完成毛坯或工件的加工。3 编程模式：（1） 为操作人员提供对程序的修改或编写。（2） 为在进行自动运行模式前，进行某些参数的修改与设定。（3） 可以将手动模式下获得的参数、数据进行记录，录入系统。（3） 电气元件清单将改造后的数控车床所用到的电气元件进行编辑记录，有以下的电气元件：（4） I/O表分配根据列出的电气元件清单，以及所需要的控制要求，对PLC的I/O口进行分配，分配如下：（5） PLC选型在本次改造的数控系统中，根据I/O表分配，需要31个输入端口，需要15个输出端口，而且要使用的PLC需要发出脉冲信号和方向信号来控制步进电机驱动器进而控制驱动步进电机，综合以上因素，PLC型号选择为三菱的FX-1N-60MT-001(晶体管型)。（6） 变频器（1） 变频器控制控制主轴基本原理由异步电机理论可知，主轴电机的转速公式为： n=60f/p（1s）式中：P电动机的极对数； S转差率； f供电电源的频率从上式可知，异步电动机的调速方法分为三大类：1.变极调速方法；2.变转差率调速方法；3.变频调速方法。变频调速是改变电动机定子电源的频率来实现调速的方法。一般是对笼型异步电动机采用变频器进行调速，具有宽广的调速范围，较高的运行效率，较好的静态稳定性，使用方便可靠，显著的经济效益等优点（2） 变频器的选用原CA6140普通车床主轴电机M1，完成主轴主运动和刀具的纵向进给的驱动.该电机为不调速的笼型三相异步电动机。级数为四级，额定功率7.5kw，额定转速1450r/min，额定功率50HZ根据原电机的参数，选择欧瑞变频器F1000-G0075T3B来实现对主轴转速的调控。欧瑞F1000-G0075T3B的形状如下：（3） 变频器的操作运行方式F1000-G系列变频器共用14种调速运行方式，分别为点动运行、键盘调速运行、端子调速运行、“三段速”调速运行、“七段速度”运行、“自动循环”运行、模拟量调速运行、键盘与端子组合调速运行、“三、七段速”与端子组合调速运行、“三、七段速”与键盘组合调速运行、模拟量与“三段速”组合调速运行、模拟量与“七段速”组合调速运行、编码调速运行、通讯调速。下面将对PLC如何控制变频器进而控制主轴电机进行论述。（7） PLC与变频器PLC与变频器的连接方式有很多种。1) PLC的开关量信号控制变频器（端子口控制）PLC(MR型或MT型)的输出点、COM点直接与变频器的STF(正转启动)、RH(高速)、RM(中速)、RL(低速)、输入端SG等端口分别相连。PLC可以通过程序控制变频器的启动、停止、复位； 也可以控制变频器高速、中速、低速端子的不同组合实现多段速度运行。但是，因为它是采用开关量来实施控制的，其调速曲线不是一条连续平滑的曲线，也无法实现精细的速度调节。这种开关量控制方法，其调速精度无法与采用扩展存储器通讯控制的相比。2) PLC的模拟量信号控制变频器硬件：FX1N型、FX2N型PLC主机，配置1路简易型的FX1N-1DA-BD扩展模拟量输出板； 或模拟量输入输出混合模块FX0N-3A； 或两路输出的FX2N-2DA； 或四路输出的FX2N-4DA模块等。优点： PLC程序编制简单方便，调速曲线平滑连续、工作稳定。缺点： 在大规模生产线中，控制电缆较长，尤其是DA模块采用电压信号输出时，线路有较大的电压降，影响了系统的稳定性和可靠性。另外，从经济角度考虑，如控制8台变频器，需要2块 FX2N-4DA模块，其造价是采用扩展存储器通讯控制的57倍3) PLC采用RS-485无协议通讯方法控制变频器这是使用得最为普遍的一种方法，PLC采用RS串行通讯指令编程。优点：硬件简单、造价最低，可控制32台变频器。 缺点：编程工作量较大。从本文的第二章可知：采用扩展存储器通讯控制的编程极其简单，从事过PLC编程的技术人员只要知道怎样查表，仅仅数小时即可掌握，增加的硬件费用也很低。这种方法编程的轻松程度，是采用RS-485无协议通讯控制变频器的方法所无法相比的。4) PLC采用RS-485的Modbus-RTU通讯方法控制变频器三菱新型F700系列变频器使用RS-485端子利用Modbus-RTU协议与PLC进行通讯。优点： Modbus通讯方式的PLC编程比RS-485无协议方式要简单便捷。 缺点： PLC编程工作量仍然较大。5) PLC采用现场总线方式控制变频器三菱变频器可内置各种类型的通讯选件，如用于CC-Link现场总线的FR-A5NC选件； 用于Profibus DP现场总线的FR-A5AP(A)选件； 用于DeviceNet现场总线的FR-A5ND选件等等。三菱FX系列PLC有对应的通讯接口模块与之对接。优点： 速度快、距离远、效率高、工作稳定、编程简单、可连接变频器数量多。 字串4 缺点： 造价较高，远远高于采用扩展存储器通讯控制的造价。 对于上述5中连接控制方式，采用RS485无协议通讯方法控制变频器，可以实现主轴的正转反转已经无极变速的要求。对于三菱FX1N系列的PLC只需添加FX1N-485-BD通讯模块，将通讯模块的发送和接收的端子正极和正极，负极和负极相连，得到俩条线再与变频器F1000-G0075T3B的通讯口相连接就可以完成接线。三菱FX系列PLC在进行无协议通讯（RS指令）时需要对通讯格式（D8120）进行设定。其中包含波特率、数据长度、奇偶校验、停住位和协议格式。改好格式后通过相应程序完成PLC与变频器实现通讯联接。在本例子中，已找到相应程