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山東輕工業(yè)學院2011畢業(yè)設計說明 第46頁
簡易木工車床設計
作 者 姓 名 魏田
專 業(yè) 機械設計制造及其自動化
指導教師姓名 趙建國
專業(yè)技術職務 教授
摘 要
木工車床，它由床身、安裝在床身的導軌尾部的尾座、安裝在床身的導軌中部的刀架、安裝在床身頭部的床頭箱、安裝在床頭箱上的主軸及其上的卡盤、安裝在床頭箱上的電機、安裝在電機軸和主軸及床頭箱上的變速傳動裝置所構成，其特征在于所說的變速傳動裝置由固定在主軸端部的從動變速三角帶輪的固定半輪、套裝在主軸上且與固定半輪插合的從動變速三角帶輪的可動半輪、以軸承安裝在可動半輪端部的推拉臂、安裝在推拉臂和床頭箱之間的壓簧、固定在推拉臂上與主軸平行并可在床頭箱的孔中滑動的齒條、與齒條嚙合端部穿過床頭箱的齒輪軸、以小軸安裝在齒輪軸端部的開口槽中且?guī)в惺直钠妮?、安裝在電機軸或其連接軸上的主動變速三角帶輪的可動半輪和固定半輪、安裝在可動半輪和電機軸或其連接軸端部的擋圈之間的壓簧以及安裝在主動和從動變速三角帶輪上的三角皮帶所構成。 [1] 用木工車刀加工木料旋轉表面或復雜外形面的木工機床。木工車床分為普通木工車床、仿形木工車床和圓棒機等。
普通木工車床 工件裝夾在卡盤內，或支承在主軸及尾架兩頂尖之間作旋轉運動（ [普通木工車床]）。車刀裝在刀架上，由溜板箱帶動作縱向或橫向進給運動，也可手持車刀靠在托架上進給。普通木工車床用于車外圓、車端面（見車削）、切槽和鏜孔（見鏜削）等加工。
ABSTRACT
The NC machine plays a very great role in mechanical engineering．Although the investment needs a great deal of money，it is a good way to try digital modification for ordinary lathe.The spindle speed of CA6140 remains the manual function of shifting gears．The alteration is easy and it can reduce labor intensity
and improve productive efficiency． but the NC Machine larger one-time investment, NC machine tools for the transformation of a good after all. The design of the device using NC Lathe CA6140 control, part of the main transmission system using AC spindle motor and graded by the pulley driven spindle gearbox, through the inverter and gearbox to achieve sub; Feed System used by stepper motor driven ball screw slowdown after campaign vertical feed system through a gear after the ball screw drive, in the horizontal feed system through two gear-driven ball screw; Tool to automatically transfer tool carrier (4-position), thus achieving automatic tool change; by MCS-51 series 8051 data to be dealt with. from the I / O interface stepper pulse output signal to control the feed rate and itineraries; In order to maintain the function of cutting thread, to the outer end of spindle or other appropriate location loaded pulse generator; Lathe will be transformed into Tailstock manually controlled electric Tailstock. The design of the NC transformation of the economy - the application, transforming simple, can reduce labor intensity, improve production efficiency. Introduced a major economic NC machine tool servo system design. Expounded the CA6140 ordinary NC lathe spindle system improvements and vertical machine, horizontal feed system of the design and calculation.
Keywords：CA6140 lathe；digital modification；ball screw；stepping motor
目 錄
摘要
1.O 引言 1
1.1.1 木工車床的歷史 1
1.1.2 木工車床的發(fā)展 2
1.1.3市場分析 3
1.1.4 生產分析 3
1.1.5 綜合分析 3
1.2 木工車床的基本結構……………………………………………………………….4
1.2.1機床本體……………………………………………………………….. …………4
1.2.2 按加工工藝分類………………………………………………………………… 4
1.2.3 木工車床按驅動裝置的特點分類……………………………………………… 4
1.2.4 木工車床的特點………………………………………………………………….4
1.2.5 木工車床的應用范圍…………………………………………………………….4
第二章主傳動系統(tǒng)設計 5
2.1概述 5
2.2床主傳動系統(tǒng)的特點 5
2.2.1主傳動系統(tǒng)的配置方式 6
2.2.2 主傳動系統(tǒng)的主軸電動機的選型 6
2.2.3交流主軸電機的調速 8
2.2.4分級變速齒輪箱的傳動系統(tǒng)設計 9
3.2.5主傳動系統(tǒng)組件的結構形式 13
第三章伺服進給系統(tǒng)的結構設計與計算 13
3.1伺服進給傳動系統(tǒng)概述 13
3.2步進電動機及開環(huán)進給控制 14
3.3縱向進給系統(tǒng)的設計計算 15
3.3.1 設計參數 15
3.3.2縱向進給切削力的確定 16
3.3.3 縱向進給滾珠絲杠螺母副的計算和選型 16
3.3.4縱向進給減速齒輪的設計與校核 19
3.3.5縱向進給步進電動機的計算和選型 20
3.4橫向進給系統(tǒng)的設計計算 23
3.4.1橫向進給切削力的確定 23
3.4.2橫向進給切削力的確定 23
3.4.3 橫向進給滾珠絲杠螺母副的計算和選型 24
3.4.4橫向進給減速齒輪的設計與校核 25
3.4.5橫向進給步進電動機的計算和選型 28
3.5 滾珠絲杠的安裝 30
3.5.1滾珠絲杠的安裝形式 30
4.5.2滾珠絲杠軸承的校核 31
3.5.3消除齒輪間隙的措施： 34
第四章自動回轉刀架的設計 35
4.1自動回轉刀架主要類型及特點 35
4.2自動回轉刀架的設計計算 36
4.2.1自動回轉刀架步進電動機的選用 36
4.2.2自動回轉刀架的蝸輪蝸桿設計計算 36
結論參考文獻
致謝 40
第一章 概述
1.O 引言
木工車床，它由床身、安裝在床身的導軌尾部的尾座、安裝在床身的導軌中部的刀架、安裝在床身頭部的床頭箱、安裝在床頭箱上的主軸及其上的卡盤、安裝在床頭箱上的電機、安裝在電機軸和主軸及床頭箱上的變速傳動裝置所構成，其特征在于所說的變速傳動裝置由固定在主軸端部的從動變速三角帶輪的固定半輪、套裝在主軸上且與固定半輪插合的從動變速三角帶輪的可動半輪、以軸承安裝在可動半輪端部的推拉臂、安裝在推拉臂和床頭箱之間的壓簧、固定在推拉臂上與主軸平行并可在床頭箱的孔中滑動的齒條、與齒條嚙合端部穿過床頭箱的齒輪軸、以小軸安裝在齒輪軸端部的開口槽中且?guī)в惺直钠妮?、安裝在電機軸或其連接軸上的主動變速三角帶輪的可動半輪和固定半輪、安裝在可動半輪和電機軸或其連接軸端部的擋圈之間的壓簧以及安裝在主動和從動變速三角帶輪上的三角皮帶所構成
。
1.1.1 木工車床的歷史
用于加工木材的車床出現(xiàn)較早。15世紀末，歐洲有了人力、畜力、風力和水力驅動的簡單木工鋸機。1791年，英國的S.邊沁先后發(fā)明了平刨床、單軸木工銑床、鏤銑機和木工鉆床等。1805 年，英國的M.I.布津內爾發(fā)明圓鋸機。1828年，美國的W.伍德沃思發(fā)明壓刨機。1834年，美國的G.佩奇和J.A.費伊分別發(fā)明榫槽機和開榫機。1880 年 ，發(fā)明了框鋸機。1900年，發(fā)明了多聯(lián)帶鋸機。此后隨著電子技術和計算機技術的發(fā)展，各種自動木工機床相繼出現(xiàn)。
1.1.2木工車床的發(fā)展
國內木工機械以山東青島，廣東倫教較為集中。 改革開放以來，以前的老國有企業(yè)紛紛改制，轉變經營理念，像哈爾濱木工機械，蘇州福馬集團，山西榆次熱壓機廠，山東威海木工機械廠，青島木工機械總公司等等，都完全轉變?yōu)槭袌鼋洜I體制。
砂光機以德國，意大利見長，臺灣產砂光機在50-80年代占據了中低端市場，近二十年來，大陸產砂光機異軍突起，在大陸及世界各地運轉生產，但是質量仍然有待提高，質量及性價比上以青島千川木業(yè)設備有限公司的“千川”牌，青島建成豪，新動力等市場占有率較高，目前在國內山東臨沂，菏澤，江蘇邳州，浙江嘉善，南潯，福建莆田，廣西，四川等木業(yè)加工密集地區(qū)都有大量分布；目前我國的木工機械出口勢頭甚猛，主要市場以第三世界國家為主，東南亞，南亞地區(qū)為主，有些質量比較好的甚至出口到美洲，歐洲市場。
總之，我國的木工機械發(fā)展已經有了很大提高，但是質量上仍然亟需提高才能在世界木機之林占有一席之地。
1.1.3 市場分析
據國內資料統(tǒng)計，訂購新的木工車床的交貨周期一般較長，往往不能滿足用戶需要。因此機床的數控改造就成為滿足市場需求的主要補充手段。
1.1.4 生產分析
在現(xiàn)代木材制造工業(yè)中，多品種、中小批量甚至單件生產占有相當大的比重。若要完成這些生產任務，不外乎選擇通用機床、專用機床或木工車床，其中木工車床是最能適應這種生產需要的。
1.1.5 綜合分析
木工機電一體化技術的新成果不斷涌現(xiàn)，木工機械從純粹機械產品想機電一體化技術過渡，數控機械的普及率大大提高，加強數控數控技術在木工機床上的應用，重視和發(fā)展數控車床，以適應多品種小批量生產需要的木工機械，發(fā)展木材加工機械的新產品
。
1.2 木工車床的基本結構
1.2.1機床本體
木工車床的機床本體與傳統(tǒng)機床相似，由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置
1.2.2 按加工工藝方法分類
木材切削類木工車床
有木工車床、刨床、鉆床、磨床等。
1.3.3 木工車床按驅動裝置的特點分類
1．開環(huán)控制木工車床
控制系統(tǒng)不帶反饋裝置，使用功率步進電動機為伺服執(zhí)行機構。
開環(huán)控制系統(tǒng)結構簡單，成本低。但是不能進行誤差校正，步進電動機的失步、步距角誤差、齒輪與絲杠等的傳動誤差將影響被加工零件的精度。開環(huán)系統(tǒng)僅適用于加工精度要求不是很高的中小型木工車床，特別是簡易小型經濟型木工車床。
2．半閉環(huán)控制木工車床
半閉環(huán)控制木工車床的特點是，在伺服電動機的軸或木工車床的傳動絲杠上裝有角度檢測的裝置（如光電編碼器等），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，對誤差進行修正。半閉環(huán)數控系統(tǒng)的調試比較方便，且具有很好的穩(wěn)定性。目前大多將角度檢測裝置和伺服電動機設計成一體，并使結構更加緊湊。
3．閉環(huán)控制木工車床
閉環(huán)控制木工車床的特點是在機床移動部件上直接安裝直線位移檢測裝置，將測量的實際位移值反饋到數控裝置中，與輸入的指令位移值進行比較，用差值對機床進行控制，且使移動部件
1.4 木工車床的特點
1．對加工對象的適應性強
在木工車床上改變加工零件時，只需重新編制（更換）程序，輸入新的程序就能實現(xiàn)新零件的加工。
2．生產效率高
木工車床能有效的減少機動時間和輔助時間，每一道工序都能選用最有利的切削用量，選用了很高的空行程運動時間。因而消耗在快進、快退、和定位的時間比手工少得多
3.加工精度高
木工車床加工精度高，比手工加工精度高，適合對工件尺寸要求高的生產
4．良好的經濟效益
在單件、小批量生產的情況下，可以節(jié)省工藝裝備費用、輔助生產工時、生產管理費用及降低廢品率，從而能夠獲得良好的經濟效益。
1.4.2木工車床的應用范圍
木工車床主要用于加工軸類、盤類等回轉體零件。通過數控加工程序的運行，可自動完成內外圓柱面、圓錐面、成形表面、螺紋和端面等工序的切削加工，并能進行車槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等工作。車削中心可在一次裝夾中完成多個工序的加工，提高加工精度和生產效率，尤其適合于復雜形狀回轉類零件的加工。
第二章主傳動系統(tǒng)設計
2.1概述
主傳動系統(tǒng)是實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，它具有一定的轉速和一定的變速范圍，能方便地實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和和制動。
主傳動系統(tǒng)包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，相比普通車床的主傳動系統(tǒng)結構上比較簡單，因為變速功能由主軸電動機的無級調速來承擔，省去了復齒輪變速機構，只有二級或三級齒輪變速系統(tǒng)以擴大電動機無級調速的變速范圍。
2.1.1木工車床主傳動系統(tǒng)的特點
與普通機床比較，木工車床主傳動系統(tǒng)具有下列特點：
1) 轉速高、功率大。使木工車床能進行大功率切削和高速切削，實現(xiàn)高效率加工。
2) 變速范圍寬。一般Rn>100,以保證加工時能選用合理的切削用量，獲得最佳的生產率、加工精度和表面質量。
3) 主軸變速迅速可靠。木工車床的變速是按照控制指令自動進行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。
主軸組件的耐磨性高，使傳動系統(tǒng)具有良好的精度保持性。
2.1.2木工車床主傳動系統(tǒng)的設計要求
1) 主軸具有一定的轉速和足夠的轉速范圍、轉速級數，以實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和和制動。
2) 主電動機具有足夠的功率，機構和元件具有足夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。
3) 主傳動的有關結構，主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲小，傳動效率高，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，潤滑密封好，從而足機床的使用要求。
5) 結構簡單緊湊，工藝性好，成本低，滿足經濟性要求。
2.2主傳動系統(tǒng)的配置
2.2.1 主傳動系統(tǒng)的主軸電動機的選型
木工車床的調速是按照控制指令自動執(zhí)行的，因此變速機構必須適應自動操作的要求。主傳動系統(tǒng)中，多采用交流主軸電動機和直流主軸電動機無級調速系統(tǒng)。為了擴大調速范圍，適應低速大轉矩的要求，經常應用齒輪有級調速和電動機無級調速相結合的調速方式。此處選用交流主軸電動機配以齒輪變速箱實現(xiàn)分級無級調速。
交流調速電機體積小，轉動慣性小，動態(tài)響應快，沒有電刷，達到的最高轉速比同功率的直流電動機高，磨損和故障也少。中小功率領域已占優(yōu)勢，故本次設計選用交流調速電動機。通過調節(jié)供電頻率的辦法調速。功率特性見下圖：
主軸電動機額定轉速時輸出全部功率和最大轉矩，隨著轉速的變化，功率.轉矩將發(fā)生變化。在額定轉速到最低轉速為恒轉矩速度范圍，在額定轉速至最高轉速為恒功率速度范圍時。恒功率的速度范圍只有1：3速度比。當電動機速度超過某一定值之后，功率——速度曲線又會向下傾斜，不能保持恒功率。
2.2.2車床交流主軸電機的調速
交流主軸電動機是交流感應電動機,當定子三相繞組通上交流電時,將建立旋轉磁場,其主磁通Φm的空間轉速即同步轉速,其值為
n0 = 60f1/p (r/min)
式中 f1--定子供電電源頻率（HZ）
p—旋轉磁場極對數
感應電動機轉子的轉數n為
n= n0（1-s）=60f1（1-s）/p
式中 s—轉差數,s= n0-n / n0
由上式可知，調速方法大致可分為兩類。第一類改變同步轉數n0的調速，它分為兩種方法，一種是改變電動機極對數p。由于p是整數，所以只能得到級差很大的有級調速，不能滿足一般木工車床的要求；另一種是改變電動機的供電頻率f1?？傻玫狡交臒o級調速，是一種高效型的交流調速，范圍寬，精度高。第二種是不改變同步轉速的調速，一般的有調壓調速和電磁調速。由于轉差功率損耗，效率低，特性軟，不適合木工車床的調速。
在實際調速時，單純改變電源頻率是不行的，由“電動機學”可知，旋轉磁場以n0速度切割定繞組，在每相繞組感應電勢為
E1=4.44f1k1w1Φm≈u1
式中 k1w1—-定子每相繞組等效匝數；
Φm—每極磁通量；
u1—定子相電壓
所以
Φm= u1/4.44f1k1w1
由上式可知，如在變頻調速中，保持定子電壓u1不變，主磁通大小將會發(fā)生變化。如頻率從工頻往下調節(jié)，則上升，導致鐵心過熱，功率因數下降，電動機帶負載能力降低。所以，必須在降低頻率的同時，降低電壓，以保持不變。這就是恒磁通變頻調速中的“調速控制”。
只用變頻調速，并且是有效方法。變頻調速主要環(huán)節(jié)是為交流電機提供變頻、變壓電源的變頻器，變頻器有：
·交–直–交變頻器分為電壓型和電流型。電壓型先將電網交流電經整流器變?yōu)橹绷?，經逆變器變?yōu)轭l率和電壓可變的交流電壓。電流型是切換一串方波，方波電流供電，用于大功率。
·交–交變頻器該變頻器沒有中間環(huán)節(jié)，是直接將電網的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。
目前對于中小功率電機，用最多的是電壓型交–直–交變頻器。
2.2.3車床分級變速齒輪箱的傳動系統(tǒng)設計
設計木工車床主傳動時，須考慮電動機與機床主軸功率特性匹配問題。由于主軸要求的恒功率變速范圍（Rnp）遠大于電動機恒功率范圍Rdp，所以在主軸之間要串聯(lián)一個分級變速箱，從而擴大其恒功率變速范圍，以滿足低速大功率切削時對電動機的輸出功率的要求。
先設定主軸的最高轉速為4000r/min,最低轉速為了30r/min,計算轉速為150r/min，最大切削功率為5.5KW，交流主軸電機額定轉速為1500r/min,最高轉速為4500r/min.
主軸要求的恒功率變速范圍Rnp=4000/150=26.7
電動機的恒功率變速范圍 Rdp=4500/1500=3
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率變速范圍，故必須配以分級變速箱。
變速箱的公比Φf等于電動機的恒功率變速范圍Rdp, 即Φf=Rdp=3，功率特性圖是連續(xù)的，無缺口無重合的。變速箱的變速級數為Z，則主軸的恒功率變速范圍Rnp等于Rnp=ΦfZ-1 Rdp=ΦfZ
故變速箱的變速級數 Z=lgRnp/lgΦf=2.99
取Z=3
變速齒輪箱采用一級變速三對齒輪副數,齒數分別為:高速級Z1:Z2=112:58；中速級Z1:Z2=68：102；低速大轉矩級Z1:Z2=30：140
利用原車床主軸箱內的第三軸和主軸，車床圖冊，兩軸的中心距為170mm。因所選用電機與原電機功率相同，軸不必另行校核。
三副齒輪只校核低速重載齒輪副即可。校核如下：
<1>已知電動機輸出功率為7.5KW,額定轉速為1500r/min,則經同步帶傳動，第三根軸的轉速為750r/min。經Z1:Z2=30/140傳動后，主軸轉速為160r/min.
<2>大、小齒輪均采用45鋼并進行調質處理,選小齒輪硬度HBS260～290,大齒輪硬度HBS220～250,精度選6級。m=2mm,a=20°,齒寬b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齒輪傳動效率η=0.98
<3>齒輪幾何尺寸計算:
d1=z1m=60mm,
d2=z2m=280mm,
da1=(z1+2)m=64mm,
da2=(z2+2)m=284mm,
df1=(z1-2.5)m=55mm,
df2=(z2-2.5)m=275mm,
a=(z1+z2)m/2=170mm
<3>齒輪校核:
1) 小齒輪轉矩
P——電動機的輸出功率
η——齒輪傳動效率 取0.96
2) 動載荷系數
KA ——使用系數取1
Kv——動載荷系數取1.15
KB——齒向載荷系數取1.15
Ka——齒向載荷分配系數
由
查表并插值得Kα=1.179
K=1*1.15*1.15*1.179=1.56
3) 許用彎曲應力
——彎曲疲勞極限；=460N/mm2 =390N/mm2
——彎曲壽命系數
YX——尺寸系數取1
SF——安全系數取1.3
4) 齒要彎曲疲勞強度校核計算
——齒形系數 =2.4 =2.25
——應力修正系數 =1.653 =1.75
——重合度系數
則
故齒根彎曲強度足夠，滿足要求。
傳動系統(tǒng)圖見下圖
轉速圖見下圖
主軸轉速4000r/min至145r/min由AB、BC、CD在段連接而成，在電動機的恒功率區(qū)，從145r/min降至30r/min上圖中的CD段為恒轉矩區(qū)。取總效率η=0.75，則電動機功率P=5.5/0.75=7.3KW?？捎帽本悼卦O備廠的BESK-8型交流主軸電動機，額定輸出功率為7.5KW。
2.2.4主傳動系統(tǒng)組件的結構形式
在原有主軸軸承完好、運轉正常的前提下保留原有主軸支撐方式。
保留原機床的主軸手動變速，改造后使其主/運動和進給運動分離，主電機的作用為帶動主軸旋轉。增加一只電磁離合器，接收數控系統(tǒng)的停機制動信號從而控制原制動裝置制動停車。
在加工螺紋時，保證主軸每轉一轉，刀具準確移動一個導程，須主軸脈沖發(fā)生器作為主軸位置信號的反饋元件。脈沖發(fā)生器采用同軸安裝，橡膠管柔性聯(lián)接，在實現(xiàn)角位移信號傳遞的同時，能吸收車床主軸的部分振動，從而使主軸脈沖發(fā)生器轉動平.穩(wěn)，傳遞信號準確。
木工車床主軸帶傳動變速常常用多楔帶和同步帶。同步帶又稱為同步齒形帶，按齒形不同可分為梯形齒同步帶圓弧齒同步帶兩種。其中梯形齒多用在轉速不高和小功率動力傳動中，圓弧齒多用在數控加工中心等要求較高木工車床主運動傳動系統(tǒng)中。選用H型梯形齒同步帶。
查閱手冊選兩梯形齒同步帶用帶輪為Z1:Z2=22：44，帶寬為50.8mm,小帶輪節(jié)圓為80mm, 大帶輪節(jié)圓為194mm。帶高4.3mm齒高2.29mm節(jié)距12.7mm。
第三章車床伺服進給系統(tǒng)的結構設計與計算
3.1車床伺服進給傳動系統(tǒng)概述
木工車床的伺服進給系統(tǒng)是由伺服驅動電路、伺服驅動裝置、機械傳動機構及執(zhí)行等部件組成。它作用是接收數控系統(tǒng)發(fā)出進給速度和位移指令信號，由伺服驅動電路作轉換和放大后，經由伺服驅動裝置（直流、交流伺服電動機、功率步進電機、電液脈沖馬達）和機械傳動機構，驅動機床的工作臺、主軸刀架等執(zhí)行部件從而實現(xiàn)工作進給和快速運動。木工車床的伺服進給系統(tǒng)與一般機床的進給系統(tǒng)有本質上的差別，它能根據指令信號精確地控制執(zhí)行部件的運動速度與位置，幾個執(zhí)行部件按一定規(guī)律運動所合成的運動軌跡。
伺服進給系統(tǒng)的基本要求：
1) 精度要求 伺服系統(tǒng)必須保證機床的定位精度和加工精度。對于低檔型數控系統(tǒng)，驅動控制精度一般為0.01mm；而對于高性能數控系統(tǒng)，驅動控制精度為1um甚至為0.1um。
2) 響應速度 為了保證輪廓切削形狀精度和加工表面粗糙度，除了要求有較高的定位精度外，要有良好的快速響應特性，即要求跟蹤指令信號的響應要快。
3) 調整范圍 調整范圍Rn指生產機械要求電動機能提供的最高轉速nmax和最低轉速nmin之比。保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求進給驅動系統(tǒng)必須具有足夠寬的調整范圍。
4) 低速、大轉矩 機床的加工特點，經常在低速下進行重切削，在低速下進給驅動系統(tǒng)必須有大的轉矩輸出。
伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置伺服控制包括開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)三種方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不高問題，步進電機具有角位移與輸入脈沖的嚴格對應關系，使步距誤差不會積累。步進電機的轉速輸入脈沖頻率也有嚴格的對應關系，具有在負載能力范圍內不隨電流、電壓、負載、環(huán)境條件的波動而變化的特點。步進電機控制的開環(huán)系統(tǒng)不存在位置檢測與反饋控制的問題，結構比較簡單，方便控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調試。且隨著電子技術和計算機控制技術的發(fā)展，改善步進電機控制性能方面也取得了可喜的進展。因此，在一定范圍內，這種采用步進電機傲為驅動執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)足以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的數控系統(tǒng)中應用。
雖閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實現(xiàn)高精度位置伺服控制提供了可能，但是在系統(tǒng)中增加了位置檢測、反饋比較以及伺服放大等環(huán)節(jié)，除給安裝調試增加了工作量和復雜性外，從控制理論角度看，實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，難度也將大為提高。此次設計精度要求不是很高，為了簡化結構，降低成本，我們采用了微機控制的步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)。
3.2步進電動機及開環(huán)進給控制
步進電機，是把電脈沖信號變成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，是一種用脈沖信號來控制的電動機，也稱脈沖電動機,在負載能力及動態(tài)特性范圍內，步進電動機將來自數控裝置的進給脈沖輸出，電動機角位移與控制脈沖數成正比，轉速與控制脈沖頻率為正比。對每一個電脈沖,步進電機都會產生一個恒定的步進角位移,每一個脈沖每步的轉角稱步進電機的步距角θb, θb取為0.75。每個脈沖代表電機一定的轉角,這個轉角經齒輪副和滾珠絲杠副使工作臺移動一定距離"每個脈沖所對應的執(zhí)行件的移距,稱為脈沖當量或分辨率根據機床精度要求確定脈沖當量δp，縱向：0．01mm／步；橫向：0．005 mm／step。步進電動機的轉速決定于控制繞組與電源接通和斷開的脈沖變化頻率。
步進電動機的優(yōu)點是以開環(huán)驅動而無需反饋,無穩(wěn)定性問題,無累積定位誤差,響應數字信號,適合于數字計算機控制,機械結構簡單,很少需要維護,不易受污染,可重復地堵轉并且不會損壞,相當堅固耐用。步進電動機缺點是運動的增量和步距是固定的，在步進分辯率上缺乏靈活性，承受大慣性負載的能力有限供使用的電機尺寸和輸出功率是有限的。
步進電動機的種類很多，分為三種類型：反應式、永磁式.混合式。反應式步進電動機是采用磁阻轉矩使轉子轉動的，是國內現(xiàn)在使用最廣泛的步進電動機形式。
3.3縱向進給系統(tǒng)的設計計算
3.3.1 設計參數
加工最大直徑：在床面上Φ400mm，在床鞍上Φ210 mm；
加工最大長度：1 000 mm；
溜板及刀架重力：縱向800 N；
刀架快速速度：縱向2．4m/min；
最大進給速度：縱向O．8 m／min；
主電動機功率：P主=7，5 kW；
起動加速時間：30 ms；
機床定位精度：±0．015 mm。
根據機床精度要求確定脈沖當量δp，縱向：0．01mm／步；橫向：0．005 mm／步。
3.3.2縱向進給切削力的確定
P主≥Pm/ηm=FzV*10-3/ηm
式中ηm =0.75～0.85;
V--主軸傳遞全部功率時的最低速度
主切削力Fz按經驗公式估算：
Fz=0.67Dmax1.5=5360N
式中Dmax為車床床面上加工的最大直徑
按切削力各分力比Fz：Fx ：Fy =1：0．25：0．4
Fx=5360×0．25=1340N
Fy=5360×O．40=2144N
4.3.3 縱向進給滾珠絲杠螺母副的計算和選型
滾珠絲杠工作原理及特點：
滾珠絲杠螺母機構是回轉運動和直線運動相互轉換的傳動裝置，是木工車床伺服系統(tǒng)中使用廣泛的傳動裝置。在絲杠和螺母上分別加工出圓弧形螺旋槽，這兩個圓弧形槽合起來形成了螺旋滾道，在滾道內裝入滾珠。當絲杠相對螺母旋轉時，滾珠在螺旋滾道內滾動，使二者發(fā)生軸向相對位移。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來， 螺母的螺旋槽兩端設有回程引導裝置，使?jié)L珠能返回絲杠螺母之間構成一個閉合回路。滾珠的存在，絲杠與螺母之間是滾動摩擦，僅在滾珠之間存在滑動摩擦。滾珠絲杠螺母機構有下列特點。
1) 摩擦損失小、且傳動效率高。滾珠絲杠螺母機構的傳動效率可達0.92～0.96是普通滑動絲杠螺母機構的3～4倍，驅動轉矩僅為滑動絲杠螺母機構的四分之一。
2) 運動平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時無爬行.由于主要存在的是滾動摩擦，不僅動、靜摩擦因數小，而且其差值也很小，因而啟動轉矩小，動作靈敏，即使是在低速情況下也不會出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。
3) 軸向剛度高、反向定位精度高，由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙實現(xiàn)滾珠的預緊，因而軸向剛度，反向時無空行程，定位精度高。
4) 磨損小、壽命長、和維護簡單，使用壽命是普通滑動絲杠的4～10倍。
5) 傳動具有可逆性、不能自鎖，因為摩擦因數小，不能自鎖因而該機構的傳動具有可逆性，不僅可以把旋轉運動轉化為直線運動，而且還可把直線運動轉化為旋轉運動。
6) 同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時傳動幾個相同的部件，可獲得較好的同步性。
7) 有專業(yè)工廠生產，選用配套方便，滾珠絲杠不僅廣泛應用于木工車床，而且越來越多地代替普通絲杠螺母機構，用于各種精密機床和精密裝置。
(1)計算進給牽引力Fm
Fm= KFx+f′(Fz+G)
=1．15×1340+0．16(5360+800)=2530N
式中 K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數，綜合導軌取K=1．15；
f′——滑動導軌摩擦系數，?。?．15～0．18；
G——溜板及刀架重力，G=800N。
(2)計算最大動負載Cm=,
L=60nT/106
n=1000Vs/L。
式中L——滾珠絲杠導程，初選L。=8mm；
Vs——最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的(1／2～1／3)，此處Vmax=0．8m／min；
T——使用壽命，木工車床用滾動絲杠壽命15000h；
fw——運轉系數，按一般運轉取1．2～1.5
L——壽命，以106r為1單位。
n=1000Vs/L。=1000×0．8×0．5/8=50r／min，
L=60nT/106 = L=60*50*15000/106=45
Cm== C=
(3) 縱向進給滾珠絲杠螺母副的選型
滾珠絲杠副選擇的依據是工作動負荷Cm (N)必須小于滾珠絲杠的額定動負荷Ca(N),即必須滿足: Cm
傳動比的選定
對于步進電機,當脈沖當量δp確定,并且滾珠絲杠導程的L0和電機步距角θb選定后,該軸伺服傳動系統(tǒng)的傳動比
i=θb?L0/(360δp)=0.75*8/(360*0.01)=1.667
<2>齒輪的設計
大、小齒輪采用45鋼并進行調質處理,選小齒輪硬度HBS260～290,大齒輪硬度HBS220～250,精度選6級。m=2mm,a=20°,z1=42,z2=70,齒寬b=17mm,ha*=1,c*=0.25,齒輪傳動效率η=0.98
<3>齒輪幾何尺寸計算:
d1=z1m=84mm,
d2=z2m=140mm,
da1=(z1+2)m=88mm,
da2=(z2+2)m=144mm,
df1=(z1-2.5)m=79mm,
df2=(z2-2.5)m=135mm,
a=(z1+z2)m/2=112mm
<3>齒輪校核:
5) 小齒輪轉矩 T1=T*K1
式中 T——電動機的輸出功率
K1——J電動機效率 取0.96
則T1=9600Nmm
6) 小齒輪的轉速
7) 小齒輪的圓周速度
8) 動載荷系數
式中 KA ——使用系數取1
Kv——動載荷系數取1.15
KB——齒向載荷系數取1.15
Ka——齒向載荷分配系數
由
查表并插值得Kα=1.179
則K=1*1.15*1.15*1.179=1.56
9) 許用彎曲應力
式中：——彎曲疲勞極限；1=460N/mm2 2=390N/mm2
——彎曲壽命系數
YX——尺寸系數取1
SF——安全系數取1.3
則
10) 齒要彎曲疲勞強度校核計算
由式
式中 ——齒形系數 =2.4 =2.25
——應力修正系數 =1.653 =1.75
——重合度系數
則
故齒根彎曲強度足夠，滿足要求。
3.3.5縱向進給步進電動機的計算和選型
(1)等效轉動慣性量計算
傳動系統(tǒng)算到電機軸上總的轉動慣量：
式中 JM—— 步進電機轉子轉動慣量kg/cm2，
J1,J2 — —齒輪z1，z2的轉動慣量kg/cm2
Js —— 滾珠絲杠轉動慣量kg/cm2
初選磁滯式(反應式)步進電機150BF，其轉子轉動慣量JM=10 kg/cm2
對材料為鋼的圓柱形零件,其轉動慣量計算:
式中 D—圓柱形零件直徑
L—零件軸向長度
J1=7.8×10-4d4*1.7kg/cm2：J1=6.6 kg/cm2，
J2=7.8×10-4d4*1.7kg/cm2：J2=50.94 kg/cm2，
Js查表查出:1m長絲杠轉動慣量為15.18 kg/cm2，則Js=15.18*2=30.36 kg/cm2
G=800 N，得=1.325 kg/cm2
則總的轉動慣量=46.345 kg/cm2
(2)負載轉矩計算及最大靜轉矩選擇
a.快速空載起動時所需力矩Mq=Mamax+Mf+M0
式中 Mq----快速起動時所需力矩
Mamax—快速空載時折算到電動機軸上的最大加速力矩
Mf-----折算到電動機軸的摩擦力矩
M0-----絲杠預緊時折算到電動機軸上的附加摩擦力矩
當工作臺快速移動時,電動機轉速
ｎmax=Vmaxθb /(δy*360)=2400*0.75/0.01/360=500r/min
Mamax=J*2*nmax/(60T)=46.345*2*500*10-2/60/0.03=808.87Ncm
折算到電動機軸上的摩擦力矩Mf=FoLo/2ηi
式中 Fo----導軌的摩擦力Fo=f′(Fz+G)
Fc----垂直方向切削力
η----主傳動效率=0.8
Mf=FoLo/2ηi= f′(Fc+G) Lo/2ηi =0.16*(5360+800)*0.8/(2*0.8*1.667)=88.218 Ncm
附加摩擦力矩Mo=FpoLo(1-ηs2)/2ηi=28.980Ncm
式中 Fpo----滾珠絲杠預加負荷取1/3Fm=2530/3=843N
ηs----滾珠絲杠未預緊時的傳動效率取為0.9
Mq=Mamax+Mf+M0=808.87+88.218+28.980=926.07Ncm
b. 快速移動時所需力矩Mk= Mf+M0=88.218+28.980=117.198Ncm
c. 最大切削負載時所需力矩MQ= Mf+M0+Mt
式中 Mt----折算到電動機軸上的切削負載力矩=FxLo/2ηi=127.96 Ncm
則MQ=88.218+28.980+127.96=245.158Ncm
從上面計算可以看出，Mq ，Mk ，MQ三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大。以此項作為初選步進電機的依據。查表，查表，當步進電機為五相十拍時
λ= Mq ／ Mjmax = 0．951。
最大靜力矩 Mjmax= Mq/λ=926.07/0.951=973.786Ncm
按此最大靜轉矩，查表，150BF002型最大靜轉矩為1372 Ncm。大于所需最大靜力矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。
(3)計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率
步進電動機的最高工作頻率
Fmax=1000Vmax/60δ=1000*2.4/60/0.01=4000Hz
150BF002型步進電機允許的最高空載起動頻率為2 800 Hz，運行頻率為8 000 Hz。由150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線看出當步進電機起動， =2 500 Hz時，M=100 Ncm。不能滿足此機床所需求的空載起動力矩(926.07Ncm)，直接使用則會產生失步現(xiàn)象，所以采用升降速控制(用軟件實現(xiàn))，將運動頻率降到1 000H2時，起動力矩可增到588．4 Ncm，然后在電路上采用高低壓驅動電路，可將步進電機輸出力矩擴大1倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行頻率特性可以滿足要求。
根據計算綜合考慮選150BF002型步進電動機
磁阻式步進電動機技術數據:
型號: 150BF002
相數: 5
步距角(°): 0.75
電壓/V: 80/12
相電流/A: 13
最大靜轉矩/(N·m): 13.72
空載起動頻率/(step/s): 2800
空載運行頻率/(step/s): 80
電感/mH:
電阻/Ω: 0.121
分配方式: 五相十拍
外形尺寸/mm: φ150×155
質量/kg: 14
3.4橫向進給系統(tǒng)的設計計算
3.4.1橫向進給切削力的確定
設計參數：
溜板及刀架重力：橫向600 N；
刀架快速速度：橫向1．2 m/min；
最大進給速度：橫向0．4 m/min；
主電動機功率：P主=7，5 kW；
起動加速時間：30 ms；
機床定位精度：±0．015 mm。
滾珠絲杠導程取為6mm
3.4.2橫向進給切削力的確定
橫向進給力為縱向的1/2～1/3，取為1/2，則Fz=1/2F縱=2680N
按切削力各分力比Fz：Fx ：Fy =1：0．25：0．4
Fx=2680×0．25=670N
Fy=2680×O．40=1072N
3.4.3 橫向進給滾珠絲杠螺母副的計算和選型
(1) 選型
橫向為燕尾導軌，則軸向進給切削力Fm
Fm= KFx+f′(Fz+2Fy+G)
=1．4×670+0．2(2680+2*670+600)=1754N
式中 K——考慮顛覆力矩影響的實驗系數，燕尾導軌取K=1.4；
f′——滑動導軌摩擦系數，?。?.2；
G——溜板及刀架重力，G=600N。
(2)計算最大動負載Cm=,
L=60nT/106
n=1000Vs/L。
式中 L——滾珠絲杠導程，初選L。=6mm；
Vs——最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的(1／2～1／3)，此處Vmax=0．4m／min；
T——使用壽命，木工車床用滾動絲杠壽命15000h；
fw——運轉系數，按一般運轉取1．2～1.5
L——壽命，以106r為1單位。
n=1000Vs/L。=1000×0．4×0．5/6=33.33r／min，
L=60nT/106 = L=60*33.333*15000/106=30
Cm== C=
根據Cm值，Cm 傳動比的選定
對于步進電機,當脈沖當量δp確定,并且滾珠絲杠導程L0和電機步距角θb選定后,則該軸伺服傳動系統(tǒng)的傳動比
i=θb?L0/(360δp)=0.75*6/(360*0.005)=2.5
<2>齒輪的設計
采用二級齒輪傳動,i1=2;i2=1.25
取Z1=36；Z2=72；Z3=40；Z4=50
大、小齒輪均采用45鋼并進行調質處理,選小齒輪硬度HBS260～290,大齒輪硬度HBS220～250,精度選6級。m=2mm,a=20°,齒寬b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齒輪傳動效率η=0.98
<3>齒輪幾何尺寸計算:
46
d1=z1m=72mm,
d2=z2m=144mm,
da1=(z1+2)m=76mm,
da2=(z2+2)m=148mm,
df1=(z1-2.5)m=67mm,
df2=(z2-2.5)m=139mm,
a1=(z1+z2)m/2=108mm
d3=z3m=80mm,
d4=z4m=100mm,
da3=(z3+2)m=84mm,
da4=(z4+2)m=104mm,
df3=(z3-2.5)m=75mm,
df4=(z4-2.5)m=95mm,
a3=(z3+z4)m/2=90mm
<3>齒輪校核:
一級齒輪副強度校核：
1) 小齒輪轉矩 T1=T*K1
式中 T——電動機的輸出功率
K1——J電動機效率 取0.96
則T1=9600Nmm
2) 小齒輪的轉速
3) 小齒輪的圓周速度
4) 動載荷系數
式中 KA ——使用系數取1