C618普通车床数控化改造设计

目录

摘要

Abstract

第1章绪论 (1)

1.1 数控机床的产生和国内外数控系统发展概况 (1)

1.1.1 数控机床的产生 (1)

1.2.1 性能发展方向 (2)

1.2.2 机电一体化系统的基本组成要素 (2)

1.3 普通机床数控化改造的必要性 (4)

1.4 数控在改造中的机械部件改造和电气部分改造 (4)

第2章C618普通车床数控改造总体方案的设计要求 (6)

2.1 总体方案 (6)

2.2 主传动系统和进给系统的改造 (7)

2.3 步进电机选择 (8)

第3章C618普通车床进给伺服机械部分设计与计算 (9)

3.1 设计要求 (9)

3.2 横向进给系统的计算设计以及设计 (9)

3.3 齿轮传动比的计算 (11)

3.3.1 效率计算 (11)

3.3.2 刚度验算 (11)

3.3.3 齿轮及转矩的有关计算 (12)

第4章C618普通机床数控改造步进电机的设计 (15)

4.1 C618数控改造步进电机的设计 (15)

4.2 横向进给步进电机计算 (15)

4.2.1 初选步进电机 (15)

4.2.2 效转动惯量计算 (16)

第5章C618普通机床自动回转刀架的选型 (21)

5.1 基本要求刀架数控车床 (21)

5.2 自动回转刀架工作原理 (21)

5.3 刀架的总体设构 (22)

参考文献 (23)

致谢 (24)

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C618普通车床数控化改造

摘要

20世纪中叶数控技术和数控机床的诞生标志着生产和控制领域的一个崭新时代的到来。科学技术和社会生产力的迅速发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要的措施之一。它不仅能够提高产品的质量、提高生产率、降低生产成本，还能够极大地改善生产者的劳动条件。

本设计是对C618普通卧式车床进行数控化改造。为了实现把C618普通卧式车床改造成经济型数控车床，针对此车床的主传动系统，X向进给系统进行数控改造，并增加了CNC 装置和伺服系统。对进给系统，通过把滑动丝杠换成滚珠丝杠，以提高精度和效率，为了保证系统有稳定的转矩，需要对数控改造步进电机设计。车床刀架由原先的手动控制，改造成由电动机控制的自动回转刀架。通过变频器实现主轴传动和进给机构的无级变速。通过单片机的设计，构成控制系统。通过对普通机床的数控改造，从国外成熟经验来看，再制造是数控机床再次利用的最有效办法。数控机床改造就是运用技术创新与技术改造相结合，改造传统产业与发展新兴产业相结合，突出重点与全面提升相结合，并将促进安全生产作为技术改造的重点任务。

关键词：数控改造；步进电机；自动回转刀架

方向阳：C618普通机床数控化改造

C618 ordinary lathe numerical control transformation

ABSTRACT

Mid-20th century birth of CNC machine tool CNC technology and marks the arrival of the production and control of a new era. The rapid development of science and technology and social productivity, quality and productivity of machinery products made increasing demands. Automated machining process has become one of the most important measures to achieve the above requirements. It can not only improve product quality , increase productivity , reduce production costs, but also can greatly improve the working conditions of producers .

The C618 is designed to be an ordinary CNC horizontal lathe transformation . In order to achieve the transformation into an economic C618 ordinary horizontal lathe CNC lathe , lathe main transmission system for this , X system to feed numerical transformation and increased CNC unit and servo systems. On the feed system , replaced by the sliding screw ball screw , to improve the accuracy and efficiency of the system in order to ensure a stable torque , the need for numerical transformation stepper motor designs. Manual control lathe turret from the original , transformed into rotation by a motor -controlled automatic turret . Stepless spindle drive and feed through the drive mechanism . By microcontroller design , constitute a control system .By numerical transformation of general machine tools from foreign mature experience, remanufacturing is the most effective way to re-use of CNC machine tools. Transformation of CNC machine tools is to use a combination of technological innovation and transformation, the transformation of traditional industries and emerging industries combined, focused and combine to enhance and promote the safe production as a key task of technological transformation. Keywords: NC transformation; stepper motor; automatic rotary knife

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第1章绪论

1.1数控机床的产生和国内外数控系统发展概况

1.11数控机床的产生

为了满足多品种，小批量的生产自动化，迫切需要一个灵活的，多功能的，能够适应频繁变化，产品的灵活的自动化工具。数控机床是产生这样的背景。它提供了处理一个单件，小批量生产的精密零件的自动化方法。

然而数控机床的应用也同时受到限制的其他条件。首先，数控机床价格比较昂贵，庞大的一次性投资，中小企业往往心有余而力不足。目前，公司有大量的普通机床，数控机床是完全不可能取代，但该机在要被替换闲置会造成浪费，在国内，订购新数型控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产的迫切需要;普及型数控机床的具体生产冗余的存在。为了更好地解决上述问题。离开道路的普通的数控改造。低成本的数控车床是先进适用技术中国的实际情况适当的改造，也为机床数控化率提高的有效途径。

机床作为机械装备制造业的重要基础，它的发展一直备受关注的原因，因为计算机技术，机器控制信息的兴起，促进了质的突破的出现，导致了数字技术的应用，为新一代的灵活的自动化机器控制数控机床的诞生和发展。

随着计算机技术的飞速发展，在制造业的根本性转变了传统的开始，工业化国家巨资现代制造技术的研究和开发投入，提出了一种新的制造模式。在现代制造系统，数字化技术是一项关键技术，它集微电子，计算机，信息处理，自动检测，自动控制等等高新技术于一体，具有高精度，高效率，柔性自动化等一些特点制造业实现柔性自动化，集成化，智能化起着举足轻重的作用。目前，数字技术正在发生根本性的变化，由一种特殊类型的开环控制模式为通用开环控制模式的实时动态发展的封闭。基于集成的数控系统实现了超薄，超小型的，在智能，基于计算机，多媒体，模糊控制，神经网络等多学科技术的组合，数控系统实现了高速，高精度，高效率控制，过程可自动纠正，调节和补偿参数，实现在线智能故障诊断和故障处理，在网络化的基础上，CAD / CAM和CNC系统集成，网络设备，实现了集中群控过程控制。

长期以来，中国的数控系统为传统的封闭式体系结构，数控机床仅作为非智能运动控制器。在预先设定过程变量基于固定参数，通过手工或CAD / CAM自动编程系统的实际加工前的准备处理程序的形式体验。没有CAD / CAM和CNC之间的反馈控制环节，数控整个制造过程仅仅是一个封闭的开环执行机构。在复杂的环境和加工工具组合中变化的条件下，工件材料，主轴转速，进给速度，刀具轨迹，切削深度，步长，津贴及其他加工参数，而不是根据现场环境的外部干扰和实时随机因素的动态调整，而不能由随机的CAD / CAM中的设定量的反馈控制部分纠正，从而影响CNC的效率和加工质量。因此，传统的数控系统，固定程序控制模式和封闭式体系结构，限制了CNC控制的智能多变量的发展，已经不能满足日益复杂的制造过程，因此，数字技术革命的实施是势在必行。

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1.2数控技术发展趋势

1.2.1性能发展方向

（1）高速高精高效

速度，精度和效率是关键绩效指标的机械制造技术。由于高速CPU芯片，交流数字伺服系统的RISC芯片，多CPU控制系统具有很高的分辨率和绝对传感元件，同时采取有效措施，提高了机器的动态和静态特性，如高速高的结果精密机床已经有效地大大增加。

（2）弹性

包括两个方面：数控系统它本身的柔性数控系统是采用模块化的设计，他具有功能覆盖面大，可裁剪性强，同时便于满足不同用户的需求;灵活的组群管理系统，该控制系统可以基于同一组需要不同的生产过程，从而使材料流以及信息流自动进行动态调整，从而最大限度群控制系统的有效性。

（3）复杂性

以减少处理时间为辅助的复合处理的主要目的，是朝多轴，多系列控制方向。数控机床技术是指在一台机器上，通过各种措施，如转盘旋转主轴头或完整的多进程，多面复合加工自动换刀一次装夹复合材料的工件。五轴联动数控技术，西门子880系统的控制轴最多24轴。

（4）实时智能

早期的实时系统的一个相对简单的，通常理想的环境，它的作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。认可机构正试图实现各种与计算模式的智能人的行为。科学技术发展到今天，相互结合，实时系统和人工智能，人工智能与实时响应是向着开发更逼真的地区，并与朝更复杂的应用程序开发的智能行为实时系统，从而产生这一新领域的实时智能控制。数控技术，研究和应用以及积极发展的几大分支的实时智能控制：自适应控制，模糊控制，神经网络控制，专家控制，学习控制，前馈控制。例如与编程专家系统，故障诊断专家系统，参数自动设定和刀具自动适应性管理和薪酬制度在数控系统中，当集成运动控制的高速加工是在早期预测和预算功能介绍，动态前馈功能，压力，温度，位置，速度控制和模糊控制等方面，对数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳的控制。

1.2.2机电一体化系统的基本组成要素

一个更完整的机电一体化系统，他包括以下基本要素：机械本体，执行机构动力学和驱动部分，测试，控制和信息处理单元的传感部分。我们总结了以下几个部分：结构组件，动态组件，组件感知，智能组件;内和之间互相这些构成要素，通过该接口耦合，远程传输，物质流，信息控制，有机融合的能量转换集成了一个完整的系统。

(1)机械本体

系统中的所有的功能元件，包括主体，支架，连接等的机械支撑结构体。由于改进了技术性能水平和功能的机电一体化产品，机械本体，以适应机械结构，材料，加工工艺和高效，多功能，可靠，高效节能，结构紧凑，重量轻，外观等方面的要求等方面的产品几何。

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(2)动力部分

该系统的功能要求，该系统提供了系统的能量和动量的正常运行。用尽可能小的输入功率，以获得最大可能的输出，是机电一体化产品的显着特征之一。在驾驶中提供的动力驱动执行机构完成各种操作和功能的控制信息部分的作用。面对一个机电一体化系统需要高效率，快速响应驱动的，而水的适应性和可靠性，油性，温度，灰尘和其他外部环境。由于高功率技术的发展，高性能步进驱动器，交直流伺服驱动器的大量应用和机电一体化系统。

(3)测试传感部分

对系统运行中所需要的内部和外界环境的各种参数及状态进行检测，变成可识别信号，传输到信息处理单元，经过分析，处理后产生相应的控制信息。其功能一般由专门的传感器和仪器仪表功能。

(4)执行机构

根据控制信息和指令，驱动对象完成要求的动作，执行机构是运动部件，一般采用机械，电磁，电液等机构。根据机电一体化系统的匹配性要求，需要考虑改善性能，如提高刚性，减轻重量，实行主件化，标准化和系列化，提高系统整体可靠性。

(5)控制及信息单元

从各传感器和一个外部输入的命令集，存储，分析，处理，信息处理结果，通过目标系统的一个相应的操作中按照一定的程序和节奏发出的控制命令的检测信息。通用计算机，可编程逻辑控制器（PLC ），数控装置和一个逻辑电路，A / D和D / A转换，I / O 接口及电脑周边设备。在信息处理单元以及机电一体化系统的控制的基本要求是：提高信息处理的速度，提高可靠性，增强了抗干扰能力，提高了系统的自诊断功能，信息处理智能化和小型化和标准化。

(6)接口耦合，能量转换

1.变换

需要两个信息交换和传输链路，由于信息通过接口或能量的不同模式，信息不能直接实施或能量交换的信息之间的转换来完成统一。

2.放大

扩增的视差的两个方面之间的信号强度差，通过该接口进行放大，以符合能源。

3.耦合

链路之间的耦合转换和放大的信号可以被可靠，快速和准确的交换，必须遵循相同的时序，信号格式和逻辑规范。该接口应保证信息的逻辑控制功能，从而使交付所需的信息模式。

(7)信息控制系统，

控制系统包括所谓的智能系统控制单元，在软件和硬件元素，以确保以实现信息的控制的目的完整的数据收集，分析，判断，决策。对于高智能化系统还包括知识和推理机制，自我学习等知识为基础，以知识为驱动的信息控制。

(8)运动传递系统

运动传动装置变换的运动传递和运动的不同类型的元件之间的传输，并用于优化的目

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的的运动控制。由于各构成要素的四项原则的结果加入到成为一个有机的整体，由于预期信息的导航控制和信息处理单元，从而使各方面刻意协调运动，从而形成机电一体化系统工程。

1.3普通机床数控化改造的必要性

数控机床相对传统机床的优越性。

（1）可以处理传统的加工复杂零件不出来的曲线，曲面等，由于计算机有高超的运算能力，可以准确地计算出每个瞬时运动锻炼的瞬时轴线因此应结合成复杂的曲线或表面。

（2）可以被自动处理，并且是柔性的自动化，可以提高比传统机床的效率更高的

3-7倍，高精确度。

（3）具有自动报警，自动监控，自动补偿，和其他自律功能，可实现长时间无人看管加工。

（4）多个进程可以集中，减少了机器的零件之间的频繁运输。

（5）加工零件，体积小分散性使装配容易，不再需要“修复”。

（6）数控机床可降低劳动强度，节省劳动力，降低模具和缩短新产品和生产周期的调试周期，能够快速响应市场需求。

数控机床改造一般常见的是在机器的某些部分做一些改造，加上数控装置，使机床具有数控加工能力。改造现有普通车床，从宏观的角度来看，军事和民用工业机械行业在发达国家，在70年代末和80年代初开始的数控机床大规模应用。其实质是利用信息技术对传统产业（包括军队，机械行业的人）进行技术改造。除了采用数控机床，FMC ，在制造过程中的FMS ，而且在产品的开发，包括CAD的实施，CAE，CAM ，虚拟

制造和生产管理，计算机集成制造系统的实施MIS （管理信息系统）等。并增加了在

其产品中，包括人工智能的内容信息技术。由于信息技术的使用外国军事和民用机械行业的深入改造（称之为信息化），最终使得他们的产品在国际军用和民用市场的竞争力大大增强。而且我们对落后20年在信息技术来改造传统产业比发达国家而言。如果机器有能力我国，数控机床（数控化率）仅在1995年1.9%的比例，而日本在1994年达到了20.8 ％，因此每年都有大量机电的产品进口。这说明需要的数控机床从宏观的转变。

需要解决的主要问题是：如何将和手工控制的刀架转位进给和械传动进给改造成由数控系统控制的自动进以及刀架自动转位的自动加工车床，即经济性车床。经济

型数控车床，主要依靠两个方面，是保证和提高加工零件的精度：首先，系统控制精度，第二，机器本身的机械精度。数控车床进给驱动系统，由于需要同时喂位置和速度的位移实现全自动控制，因此与普通车床数控车床相比，应该有更好的精度，以确保顺利传输精密机械传动系统和工作平稳性。

1.4数控在改造中的机械部件改造和电气部分改造

1.机械部件改造

数控机床应尽量达到上述规定的变换，以主要成分的转化适当的响应来满足要求，

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从而达到所需的转化的目的。数控装置不会与达到数控机床需求的一般机床考虑。

机械部分的改造包括以下几个部分：

（1）对普通机床传动系统的改造：去除多余的齿轮。经过与消除误差反向死区功能的齿轮改变。

（2）将导致围裙纵向轴滚珠丝杆传动与步进电机驱动器更换。

（3）转化的主轴，因此，它可以与标准组件KEF250式动力卡盘相匹配;既满足了数控车床的加工精度。

（4）横向丝杠传动滚珠丝杠移动炮塔与步进电机驱动器更换。

（5）替代原有的刀电刀，和标准元器件的选择匹配，适应数控机床的需求。改造后的机床，应具有高的静态和动态刚度;小的因素运动副之间的摩擦;驱动无间隙、功率大、易于操作和维护。

2.电气部分改造

保留原有的主要的电气控制电路，所有的输入和输出设备不变。对于局部改造电气系统，以保持电气部件的维护和优化调整的响应。改造后的新的电气系统完成，调试以及确定合理的验收标准。电气改造原则如下：

（1）满足被控设备或过程控制要求。

（2）以确保安全和可靠的控制系统。

（3）满足自爱的前提下，要求，力求系统简单，经济，易操作。

（4）考虑在设计能力生产工艺未来的发展和完善，应适当留有余地，进一步扩大。

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第2章 CA618普通车床数控改造总体方案的设计要求

2.1总体方案

总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，步进电机的设计，以及传动方式和执行机构的选择等。

（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。

（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。

（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用8位微机。在8位微机中，MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选MCS—51系列单片机扩展系统。

（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。

（5）设计自动回转刀架及其控制电路。

（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。

（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。

（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。

（9）原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量，以降低成本缩短改造周期。

（10）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。

总体方案设计图如2-1图所示以及进给伺服系统如图2-2

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图2-1 C618数控车床改造的总体方案示意图

图2-2 经济型数控车床进给伺服系统方案示意图

2.2主传动系统和进给系统的改造

C618型普通车床的主传动系统和进给系统都由主轴电机控制，而改造后的车床则把主传动系统和进给系统的运动分离开。分别由各自的步进电机来控制，但是为保证车床在车螺纹时主传动运动与进给运动之间的联系，所以在拆掉进给系统的同时，必须在主轴上安装一个脉冲发生器，来实现主轴传动和进给运动之间的联系。同时，为了提高机床的精度和效率，用滚珠丝杠来代替原机床的光杠，并且采用单独的步进电机来控制。这样不仅提高了机床的性能和精度，还提高了机床的使用性能。

1. 机械部分的改造

首先拆去进给箱、溜板箱；还要对车床的床鞍进行部分的改造，拆去纵向小拖板、 横向拖板，将丝杠换成滚珠丝杠，并且由一端驱动的步进电机来控制。

2. 刀架的改造

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CA6140普通车床的刀架不能满足数改后的车床的性能和精度的要求。所以，必须要换成数控自动刀架。

2.3步进电机选择

首先必须保证步进电机的输出转矩大于所负载需的转矩。所以应先计算机械系统的负载转矩，并使用电机的输出转矩有一定余量，以保证可靠运行。通用M/max j M =0.2～0.5，max j M 为步进电机最大静态转矩，M 为负载转矩。

其次应使步进电机的步距角与机械系统匹配，以得到机床所需的脉冲当量。

最后应使被选电机与机械系统的负载惯量及机床要求的启动频率相匹配，并有一定余量，还应使其最高工作频率能满足机床移动部件快速移动的要求。

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第3章c618普通机床进给伺服机械部分设计与计算

3.1 设计要求

1．系统运行模式的确定

由系统数可分为点的运动控制系统，点/线性系统和连续控制系统。

2．选择伺服系统

伺服环控制系统可以分为开环，半闭环和闭环控制系统。

开环控制系统没有反馈电路。开环系统主要由一个步进电机。安装在机器的反馈检测元件上的闭环控制系统，可移动部件上，检测位移误差的实际金额可补偿系统，从而高精度伺服控制。

闭环系统采用直流伺服电机或伺服电机驱动器的比特流。

半闭环系统和闭环控制系统中，该表不直接检测位移量，但与驱动轴角度检测元件，则表中的位移的实际量的间接计算，还有之间的反馈回路系统和闭环系统之间的开环性能。

3．执行机构传动方式。

确定执行机构的驱动方式是保证传动精度和稳定性数控系统，机械传动装置，通常由低摩擦，低惯量，高刚度，无缝，高共振，并有适当的尼日利亚比例要求的设计。在设计中应考虑以下几点：

（1）尽量采用低摩擦的驱动和导向元件。如果使用滚珠丝杠螺母传动副，滚动导轨，涂塑导轨等。

（2）尽量消除传动间隙。例如，利用空间和齿轮等。

（3）提高系统的刚度。缩短传动链可以增加传输系统的刚度，减少了传动链的误差。该方法可以用来提高系统的刚度预载荷。如使用预加负载导轨和滚珠丝杆副等。

（4）机械结构改装各部分应注意装配的工艺性能，考虑正确的保正安装、装配顺序，调试、方便拆卸，需经常调整的部位调整应方便。

3.2 横向进给系统的计算设计以及设计

3.2.1 横向进给系统设计

一般步进电机驱动减速的刀架横向移动后的滚珠丝杠。步进电机安装在一个大托盘，用法兰盘把步进电动机和机床连接，以确保其同轴和提高传动精度的步进电机。

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图3-2 二对齿轮副减速

1．横向进给系统设计计算

已知条件：

工作台质量

W=35kg=350N

时间常数 T=26ms

滚珠丝杠基本导程 L=5mm ，左旋

行程S=160

脉冲当量：

β=0.005mm ／step

(3-1) 步距角：

α=0.75／step

(3-2) 快速进给速度

Vmax=1m ／min

(3-3) 2．切削力进给计算

横向进给量纵向为 1／3—1／2，取1／2 ，则：切削力约为纵向的1／2。

Fz=2100.3=1050.15N

(3-4) 在切断工作

Fy = 0.5Fz = 0.5X105.015 = 525N

(3-5) (3)机床滚珠丝杠设计计算

1)强度计算：对于燕尾型导轨：

由《数控技术》可知，导轨车床丝杠的轴向力：

)(W F f KF P Z X +'+= 式中K=1.4 ，f '=0.15～0.18

(3-6)

取0.2，则

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- 11 - N k g f P 10055.100)3001.105(2.05.524.1==+?+?=N (3-7)

2)强度计算：

寿命值61060L i nT =5.13101500015606=??= (3-8)

最大动负载，查表得：运转系数 2.1=w f ，硬度系数1=H f Q kgf N 15.2875.28715.10012.15.133==???=N (3-9) 根据最大动负荷Q 的值，可选则滚珠丝杠的型号。所以，滚珠丝杠的型号为：

FDM2004-2.5-P3

3.3齿轮传动比的计算

3.3.1 效率计算：

根据《机械原理》书中的公式，丝杠螺母副的传动效率η为：

)(?γγ

η+=tg tg (3-10)

式中 摩擦角01'=? ，螺旋 升角933'= γ

96.0)01933(933='+''= tg tg η (3-11)

3.3.2 刚度验算：

滚珠丝杠受到工作负载P 时引起的导程的变化量

△EF PL L 01±= (3-12)

式中 40=L mm=0.4m ，26/106.20cm N E ?=

滚珠丝杠截面积

14.3)28031.2()2(22?==πd F (3-13)

△62611004.314.3)2

38.2(106.204.0105.100-?±=?????±

=L cm (3-14) 滚珠丝杠受到扭矩力引起的导程的变化量△L2很少，可以忽略。

即：△L=△L1。所以导程变形总误差△为：

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△L =0100L △L=6.71004.34

.01006=??-um/m (3-15) 查表知E 级精度的丝杠所允许的螺距误差（1m 长）为15um/m ，故刚度足够。

3.3.3齿轮及转矩的有关计算

(1)有关齿轮计算

67

.13/5005.0360475.03600==??==P L i δ?

(3-16) 故取Z1=18， Z2=30，m=2 mm ，B=20 mm ，020=α3-17

mm mz d 3618211=?==

(3-18) mm mz d 6030222=?==

(3-19) mm h d d a a 402*

11=+=

(3-20) mm h d d a a 642*

22=+=

(3-21) mm d d a 48260

36221=+=+=

(3-22) (2)转动惯量计算：

工作台质量折算到电机轴上的转动惯量

2

2

21.0139.0100/130)75.014.3005.0180()180(cm kg W J P =????==π?δ

(3-23) 丝杠的转动惯量

24414

4624.0502108.7108.7kgcm L D J Z =???=?=--

(3-24) 齿轮的转动惯量

244

.262.026.3108.71cm kg J Z =???=-3-25

24

4.022.226108.72cm kg J Z =???=-

(3-26) 电动机转动惯量很少，可以忽略

因此，总的转动惯量

1212)(1

J J J J i J Z Z Z +++=

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- 13 - 0139.0262.0)022.2624.0()5

3(2+++= =1.25892.cm kg (3-27)

所需转动力矩计算

快速空载启动时所需力矩 0m a x M M M M f a ++=3-28

最大切削负载时所需力矩 t f at M M M M M +++=03-29

快速进给时所需力矩

m N T J M n a .2184.010025.06.97

.416258.1106.94

4max max =???=?=-

(3-30) 当max n n =时 a a m a n M M =

min

/7.41643/510000max r L i

v n man =?==

(3-31) m i n

/17.33346014.3515.01001000100000r L f

D v

L f n n i i

t =??????===π主

(3-32) cm kgf m N M a .1775.0.0174.010025.06.917

.33258.1

4==???=-

(3-33) i WL f i L F M f πηπη220

00'==

当8.0=η 16.0='f 时

cm kgf M f .287.058.014.323

4.

0302.0=??????=

（3-34） )1(62000ηπη-=i L F M y m N k g f c m .011.0116.0)9.01(58.014.363

4.019.382==-?????=

（3-35） k g f c m

i L F

M y t 824.158.014.323

4.019.3820=?????==πη

（3-36） 所以，快速空载启动所需转矩

0m a x M M M M f a ++=

铜陵学院毕业设计

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cm N cm kgf .33.26.633.2116.0287.023.2==++= （3-37）

切削时所需力矩：

t f at M M M M M +++=0

824.1116.0287.01774

.0+++= =2.404kgf.cm=24.04N.cm （3-38）

快速进给时所需转矩：

cm N cm kgf M M M f .03.4.403.0106.0287.00==+=+=

（3-39） 由以上分析计算可知：

所需最大力矩maz M 发生在快速启动时

m a z M =2.633kgf.cm=26.33N.cm

（

3-40）

方向阳： C618普通机床数控化改造

- 15 - 第4章 C618数控改造步进电机的设计

4.1 C618数控改造步进电机的设计

首先必须保证步进电机的输出转矩大于所负载需的转矩。所以应先计算机械系统的负载转矩，并使用电机的输出转矩有一定余量，以保证可靠运行。通用M/Mjmax =0.2～0.5，Mjmax 为步进电机最大静态转矩，M 为负载转矩。

其次应使步进电机的步距角与机械系统匹配，以得到机床所需的脉冲当量。

最后应使被选电机与机械系统的负载惯量及机床要求的启动频率相匹配，并有一定余量，还应使其最高工作频率能满足机床移动部件快速移动的要求。

4.2 横向进给步进电机计算

4.2.1 初选步进电机

（1）计算步进电机负载转矩m T

m T =ηπθδb m

p F 236 (4-1)

p δ－脉冲当量（mm/step ）取 p δ=0.005mm/step

m F －进给牵引力（N ）取 m F =1890。65N

Ω－步距角，初选双拍制为075.0

η－电机－丝杆的传动效率，为齿轮、轴承、丝杆效率之积，分别为0 98、0.99、0.99和0.94。

m T =ηπθδb m

p F 23656.13994

.099.099.098.075.014.3265.3296005.036 ==????????=N.cm (4-2) （2）算步进电机启动转矩

根据负载转矩除以m T 一定的安全系数来估算步进电机启动转矩

q T =m T /0.3～0.5

一般纵向进给伺服系统的安全系数取0.3～0.4

T = m T /0.4=279.11/0.4=697.775N.mm

（3）计算最大静扭矩

查《综合作业指导书》表3-22，如取五相十拍，则λ=max j q

T T =0.951

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m a x

j T =/0.951=697.775/0.951=733.72N.mm (4-3) （4）计算步进电机运行的频率和最高起动频率k f

e f p s v δ601000==667.2666005

.0608.01000=??HZ =67.6666005

.06021000601000max =??=p v δHZ （4-4）

s v －最大切削进给速度m/min s v =0.8m/min

m a x v －最大快移速度m/min max v =2.4m/min p δ－脉冲当量 p δ=0.005mm/step

（5）初步选电机型号

根据估算出的最大的静转矩Tjmax=733.72N 。mm 在表3-23中查出130BF003最大静扭矩为784N>733.72N 可以满足要求，，但从表中看出130BF003步进电机最高空载起动频率为1500HZ ，不能满fk=3333HZ 的要求，此项指标可暂不考虑，可以采用软件开降速程序来解决。核步进电机转矩计算 前面所初步电机的转矩计算，均为估算，初迭之后，应该进行校核计算。

4.2.2效转动惯量计算

（1）传动系统计算到电机轴上的总的转动惯量 ∑J 可由下式计算：

J=m J ＋1J ＋2)(21Z Z [(2J ＋S J )＋g

G (2)2(0πL )] （4-5） m J —步进电机转子转动惯量（2.cm kg ）

2J —矢轮Z1Z2的转动惯量（2.cm kg ） S J —滚珠丝杆转动惯车（2.cm kg ）

参考同类型机床，初步反应式步进电机130BF

对于钢材：

J =0.784D 3

10-?L =83

MD (4-6) M —圆柱体质量kg