CA6140數(shù)控改造進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計

CA6140普通車床數(shù)控化改造

CA6140數(shù)控改造進(jìn)給控制系統(tǒng)設(shè)計

摘要：

數(shù)控機(jī)床〔Numericalcontrolmachinetools〕是一種利用數(shù)字化的信息對機(jī)床運動及加工過程進(jìn)行控制的機(jī)床。它是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。而目前我國機(jī)床數(shù)控化綠極低，與美國、日本、德國等興旺國家相比存在很大的差距。用普通機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、本錢高、供貨期長等問題，因此為了提高產(chǎn)品的競爭力，必須大力提高機(jī)床數(shù)控化率。提高機(jī)床數(shù)控化率的方法有多種，其中一種是直接購置或制造數(shù)控機(jī)床來投于生產(chǎn)；一種是對現(xiàn)有的普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。

關(guān)鍵詞：

數(shù)控系統(tǒng)、變頻器、伺服驅(qū)動器、滾珠絲杠、伺服電機(jī)

英文：

CA6140designofNCfeedcontrolsystem

Summary：

CNCmachinetools(Numericalcontrolmachinetools)isadigitalinformationonthemovementofmachinetoolsandmachiningprocesscontrolledmachinetool.ItisatypicalMechatronicproducts.AtpresentChina’smachinetoolNCGreenisverylow,andtheUnitedStates,andJapan,andGermanyandotherdevelopedcountriesthereisabiggap.Machinetoolprocessingproductsaregenerallyofpoorquality,lessvariety,highcostsandlongavailabilityperiodandotherissues,soinordertoimprovethecompetitivenessoftheirproducts,wemuststrivetoincreasetherateofNCmachinetools.Improvingmachinetoolnumericalcontrolmethodofa

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CA6140普通車床數(shù)控化改造

combinationoffactors,oneoftheseisthedirectpurchaseormanufacturingCNCmachinetoolstoinvestmentinproduction,andtheotherisonanexistingmachinetoolnumericalcontroltransformation.ThisarticleCA6140machinetoolnumericalcontroltransformation,forexample,describesthemethodofmachinetool

numericalcontroltransformation,itsmainlyintroducesthez-axisnumericalcontroltransformationschemedeterminationandrelatedaccessoriesintheretrofitselectionhavecalculated.

Keyword：

numericalcontrol;frequencytransformer;servodrives;ballscrew;servomotor

本人聲明

我聲明，本畢業(yè)設(shè)計〔論文〕是由本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)及和同學(xué)討論交流下完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。

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CA6140普通車床數(shù)控化改造

目錄

第一章數(shù)控機(jī)床的概念………〔〕

1.2數(shù)控機(jī)床的特點…………………〔〕

1.3數(shù)控機(jī)床的地位和作用……………………..〔〕

1.1機(jī)械加工業(yè)的開展現(xiàn)狀……………………..〔〕

第二章普通機(jī)床數(shù)控化改造概述…………〔〕

2.1機(jī)床數(shù)控化改造的含義………〔〕

2.2機(jī)床數(shù)控化改造的必要性…………………..〔〕

2.3機(jī)床數(shù)控化改造的目的………〔〕

2.5機(jī)床數(shù)控化改造的經(jīng)濟(jì)性〔優(yōu)點〕…………………〔〕

2.4機(jī)床數(shù)控化改造的意義………〔〕

第三章對CA6140普通車床的數(shù)控化改造……………〔〕

3.1數(shù)控化改造的總體方案…………〔〕

3.1.1CA6140普通車床的原有性能特性………….〔〕

3.1.2數(shù)控化改造的所增加的功能及部件………………….….〔〕

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3.2Z軸數(shù)控化改造的具體方案〔本次設(shè)計的中心課題〕………〔〕

3.2.1數(shù)控化改造所需設(shè)備的選型…………………〔〕

1、CNC數(shù)控系統(tǒng)的選擇……………….〔〕

2、滾珠絲杠的選型及計算…………...〔〕

1〕設(shè)計參數(shù)…………………..〔〕

2〕滾珠絲杠的選型方案………………..〔〕

3〕縱向機(jī)械傳動局部的數(shù)控化改造和設(shè)計計算………....〔〕

3、Z軸伺服電機(jī)的選型與計算……………………..〔〕

4、伺服驅(qū)動器的選型…………………...〔〕

5、隔離變壓器的選擇…………………...〔〕

3.2.2電路中導(dǎo)線和電器的選型及計算………….〔〕

1、自動空氣開關(guān)的選型……………..…〔〕

2、轉(zhuǎn)換開關(guān)的選型………………………..〔〕

3、熔斷器的選型計算…………………….〔〕

4、接觸器的選型……………………….…..〔〕

5、中間繼電器的選型…………………….〔〕

6、阻容吸收器及二極管的選用……………………..〔〕

7、導(dǎo)線型號的選擇………………………..〔〕

3.3新增設(shè)備的預(yù)算……………….〔〕

3.4新增設(shè)備清單、電器元件清單………………..………..〔〕

3.4.1新增設(shè)備清單……………………..…〔〕

3.4.2電器元件清單………………………..〔〕

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第一章數(shù)控機(jī)床的概念

1.1機(jī)械加工業(yè)的開展現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷開展，對機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率提出了越來越高的要求。目前，在機(jī)械制造工業(yè)中約有加工總量75%—80%是屬于單間小批量生產(chǎn)，尤其是一些宇航、造船、機(jī)床、重型機(jī)械及國防工業(yè)部門的零件，精度要求高、形狀復(fù)雜、加工批量小、改型頻繁，采用普通機(jī)床加工這些零件效率低，勞動強(qiáng)度大，有時甚至不能加工。采用組合機(jī)床加工此類零件也不夠合理，因為需要經(jīng)常改裝與調(diào)整設(shè)備。在目前的開展中，普通機(jī)床，組合機(jī)床的缺點和缺乏日益暴露。為解決上述一系列的問題，數(shù)字程序控制機(jī)床〔數(shù)控機(jī)床〕應(yīng)運而生，有效解決了上述的一系列矛盾，為單件、小批量生產(chǎn)的精密復(fù)雜零件提供了自動化加工手段。

1.2數(shù)控機(jī)床的特點

1〕采用數(shù)控機(jī)床可以提高零件的加工精度，穩(wěn)定產(chǎn)品的質(zhì)量。因為數(shù)控機(jī)床是按照預(yù)定的加工程序自動進(jìn)行加工，加工過程消除操作者人為的操作誤差，所以零件加工的一致性好，而且加工精度還可以用軟件來進(jìn)行校正及補(bǔ)償，因此可以獲得比機(jī)床本身精度還要高的加工精度；

2〕數(shù)控機(jī)床可以完成普通機(jī)床難以完成或根本不能加工的復(fù)雜曲面的零件加工，在航天、造船、模具等加工業(yè)中廣泛應(yīng)用；

3〕采用數(shù)控機(jī)床比普通機(jī)床可以提高生產(chǎn)效率2—3倍，尤其對某些復(fù)雜零件的加工，生產(chǎn)效率可提高十幾倍甚至幾十倍；

4〕可以實現(xiàn)一機(jī)多用，能進(jìn)行鉆、鏜、銑等的一體化綜合加工，因此可以實現(xiàn)一次裝夾、多面加工，提高了加工效率，節(jié)省了廠房面積。

5〕采用數(shù)控機(jī)床有利于向計算機(jī)控制與管理生產(chǎn)反面開展。

1.3數(shù)控機(jī)床的地位和作用

由于數(shù)控機(jī)床集高精度、高效率于一身，故在許多企業(yè)的生產(chǎn)中，以代替坐標(biāo)鏜床、萬能銑床，完成精度加工任務(wù)。隨著數(shù)控機(jī)床的精度和自動化程度的不

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斷提高，數(shù)控機(jī)床已從滿足單件、小批量生產(chǎn)中的精密復(fù)雜零件，逐步擴(kuò)大到批量生產(chǎn)的柔性加工系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床已成為高度機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，是現(xiàn)代機(jī)床技術(shù)水平的重要標(biāo)志，是表達(dá)現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)工藝水平的重要標(biāo)志。

第二章普通機(jī)床數(shù)控化改造概述

2.1機(jī)床數(shù)控化改造的含義

機(jī)床數(shù)控化改造是指以可使用的普通機(jī)床為“毛胚〞，通過改造手段將其改造成為具有數(shù)控機(jī)床的功能且與同類數(shù)控機(jī)床性能相近的數(shù)控機(jī)床。

2.2機(jī)床數(shù)控化改造的必要性

1〕可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜零件；

2〕可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而提高加工效率和零件加工的多變性；

3〕加工零件的精度高，尺寸分散度小，是裝配容易；

4〕可以實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運；

5〕擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工；

6〕我國機(jī)床數(shù)控化程度極低，機(jī)電產(chǎn)品在國際軍品及民品的市場上競爭力不大，且每年需要從國外進(jìn)口很多的機(jī)電產(chǎn)品，在國際上處于被動。

2.3機(jī)床數(shù)控化改造的目的

用數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、滾珠絲杠副及其他輔助裝置等對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，將其有機(jī)結(jié)合，使普通機(jī)床根本具備同類數(shù)控機(jī)床的性能的數(shù)控機(jī)床。提高零件生產(chǎn)效率、降低勞動強(qiáng)度，提高零件加工精度，實現(xiàn)復(fù)雜曲面、曲線的自動化成型加工，實現(xiàn)“柔性自動化〞加工單件、小批量生產(chǎn)的精密零件加工，以適應(yīng)近年來機(jī)電產(chǎn)品市場不斷變化的需要。

2.4機(jī)床數(shù)控化改造的意義

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目前，各企業(yè)一般都有不少普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床加以替換根本不可能。解決這個問題，必須走普通機(jī)床數(shù)控化改造之路。通過對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造，使普通機(jī)床成為與同類數(shù)控機(jī)床的性能相近的數(shù)控機(jī)床，以適應(yīng)復(fù)雜零件加工及零件加工多變性的各項新要求，以提高企業(yè)〔工廠〕在機(jī)械加工業(yè)中的競爭力。

2.5機(jī)床數(shù)控化改造的經(jīng)濟(jì)性〔優(yōu)點〕

1〕減少投資額，交貨期短。同購置新機(jī)床相比大大節(jié)省了費用的投入，改造費用低，大型、特殊機(jī)床尤其明顯；而且交貨期短。

2〕舊機(jī)床的力學(xué)性能穩(wěn)定可靠。舊機(jī)床所利用的床身、立柱等根底件都是鞏固的鑄造件，經(jīng)過了長期的自然去應(yīng)力，機(jī)床的應(yīng)力已失效，改造后機(jī)床的性能高、質(zhì)量好，可以作為新機(jī)床持續(xù)使用多年。

3〕熟悉設(shè)備，便于操作維修。改造后的機(jī)床，可以精確的計算出機(jī)床的加工能力，并由于多年使用，操作者對機(jī)床的加工特性非常了解，在操作使用及維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。

4〕可以充分利用現(xiàn)有的條件。可以充分利用現(xiàn)有地基，及利用加工現(xiàn)場現(xiàn)有的其他條件，減少安裝費用的投入。

第三章對CA6140普通車床的數(shù)控化改造

3.1數(shù)控化改造的總體方案

對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，可以顯著提高機(jī)床的性能和減輕操作者的勞動強(qiáng)度。而合理選擇數(shù)控系統(tǒng)和改造方案，可保證改造效果和降低改造本錢。具體考慮改造方案時，要在滿足使用要求的前提下，對機(jī)床床身改動盡可能少，以降低本錢；其他增配設(shè)備也應(yīng)該盡可能合用就好，盡量防止功能過剩。

3.1.1CA6140普通車床的原有性能特性

主軸及進(jìn)給共用一臺電動機(jī)，主軸可進(jìn)行固定的多級調(diào)速，不能很好地適應(yīng)零件在加工中對切削速度的要求；進(jìn)給采用普通的絲杠完成，精度等級低，相對加工零件的質(zhì)量不高，此外，進(jìn)給只能進(jìn)行手動或機(jī)械自動的單軸進(jìn)給；刀架需

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進(jìn)行手動換刀，在加工中不能連續(xù)進(jìn)行多工序加工；控制上采用按鈕—接觸器控

制，機(jī)床布線繁多；外圍輔助裝置設(shè)計簡單，存在很多的不平安因素。

CA6140普通車床

3.1.2數(shù)控化改造的所增加的功能及部件

對CA6140普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造，主軸驅(qū)動系統(tǒng)中使用變頻器調(diào)速技術(shù)〔利用原有的電動機(jī)〕，使主軸能夠?qū)崿F(xiàn)較寬調(diào)速范圍，獲得合理的切削速度和切削效果，以滿足各種以滿足各種工況的切削要求，主軸采用1024p/r增量式主軸編碼器進(jìn)行對主軸轉(zhuǎn)速和角位移的監(jiān)控及反應(yīng)，以實現(xiàn)螺紋加工時能夠保證精度；進(jìn)給系統(tǒng)中使用滾珠絲杠更換原有的絲杠，提高傳動精度，提高加工零件的質(zhì)量；刀架更換為電動刀架，使機(jī)床能夠自動換刀，能夠一次對刀完成零件的粗精加工；采用廣州數(shù)控設(shè)備廠的全套數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)作為改造后機(jī)床的主控系統(tǒng)，對機(jī)床各執(zhí)行部件進(jìn)行自動化控制；對電氣控制柜進(jìn)行重新設(shè)計并進(jìn)行重新布線安裝，重新對電器元件進(jìn)行計算及選型；對機(jī)床的輔助裝置等外圍連接進(jìn)行數(shù)控化設(shè)計。

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數(shù)控系統(tǒng)與外部器件總體連線圖

3.2Z軸數(shù)控化改造的具體方案〔本次設(shè)計的中心課題〕

對Z軸進(jìn)行數(shù)控化改造，主要考慮傳動精度及改造后的自動性本課題擬用伺服裝置通過數(shù)控系統(tǒng)對伺服裝置的控制到達(dá)縱向自動插補(bǔ)進(jìn)給，用滾珠絲杠更換原來的絲杠和光桿。主要操作如下，第一，拆去原機(jī)床的溜板箱、進(jìn)給箱、掛輪箱、光桿、絲杠及安裝座，配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝裝置；第二，選電動機(jī)，確定減速比和保持轉(zhuǎn)矩〔采用無間隙聯(lián)軸器〕；第三，滾珠絲杠采用可預(yù)緊安裝方式；第四，安裝電動機(jī)及相應(yīng)的伺服控制裝置，并完成外部接線；最后，設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)并進(jìn)行加工精度的調(diào)整。

本方案全面考慮了改造后的零件加工精度要求，決定采用半閉環(huán)控制。半閉環(huán)控制數(shù)控機(jī)床的特點是在伺服電機(jī)軸或數(shù)控機(jī)床的傳動絲杠上裝有角度檢測裝置〔如光電編碼器等〕，通過檢測絲杠的轉(zhuǎn)角間接的檢測移動部件的實際位移，然

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后反應(yīng)到數(shù)控裝置中去，并對誤差進(jìn)行修正。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試比擬簡單方便，并具有很好的穩(wěn)定性。

機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)改造主要是數(shù)控系統(tǒng)的選擇，滾珠絲杠的選型，伺服電機(jī)的選型，驅(qū)動裝置的選配和系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)置等。

Z軸進(jìn)給傳動數(shù)控化改造的示意圖

3.2.1數(shù)控化改造所需設(shè)備的選型

1、CNC數(shù)控系統(tǒng)的選擇

在選擇數(shù)控系統(tǒng)的型號時，考慮CA6140機(jī)床適合于各類機(jī)械廠的單件、中小批量生產(chǎn)使用，加工精度要求不算太高，但要求數(shù)控改造后能進(jìn)行復(fù)雜零件的加工，所以數(shù)控系統(tǒng)選擇連續(xù)性數(shù)控系統(tǒng)，以滿足數(shù)控化改造后機(jī)床的定位、插補(bǔ)、循環(huán)加工和螺紋加工等功能。

綜合考慮性價比，在充分調(diào)研比擬的根底上，根據(jù)改造的要求，本方案選用廣州數(shù)控公司生產(chǎn)的GSK980TD車床系統(tǒng)，廣州數(shù)控公司同時生產(chǎn)與該數(shù)控系統(tǒng)相匹配的伺服驅(qū)動器，從而有利于維修和管理。GSK980TD數(shù)控系統(tǒng)采用先進(jìn)的開放體系結(jié)構(gòu)，性價比高，且屬于連續(xù)切割控制系統(tǒng)。具有以下特點：

1〕X、Z軸聯(lián)動，μm級插補(bǔ)精度，最高速度10m/min〔可選配兩軸聯(lián)動、μm級插補(bǔ)精度、最高速度20m/min；兩軸聯(lián)動、μm級插補(bǔ)精度、最高速度30m/min〕，內(nèi)置PLC可實現(xiàn)各自動刀架、主軸自動換擋等控制，梯形圖可編輯、上傳、下載；

2〕I/O口可擴(kuò)展〔選配功能〕，具有螺距誤差補(bǔ)償、刀尖半徑補(bǔ)償、反間隙補(bǔ)償功能，采用S型、指數(shù)型加減速控制，適應(yīng)高速、精加工；

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3〕具有攻絲功能，可車削公英制單頭、多頭直螺紋，錐螺紋，端面螺紋，變螺紋距螺紋，螺紋退尾長度、角度和速度特性可設(shè)定；

4〕集成中文、英文顯示界面，零件程序全屏幕編輯，可存儲6144KB、384個零件程序，提供多級密碼操作功能，方便設(shè)備管理；

5〕CNC軟件支持CNC與PC、CNC與PLC間的雙向通信，軟件程序可通信升級；

6〕安裝尺寸、電器接口、指令系統(tǒng)、操作界面顯示與GSK980TA兼容；

7〕可靠性高。軟、硬件中兩方面都采取了面向工業(yè)的抗干擾措施，因此具有很高的可靠性。

GSK980TD車床數(shù)控系統(tǒng)的重要技術(shù)參數(shù)見下表。

GSK980TD車床數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)

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CA6140普通車床數(shù)控化改造

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CA6140普通車床數(shù)控化改造

改造前CA6140普通機(jī)床的一些技術(shù)參數(shù)見下表。

CA6140主要技術(shù)參數(shù)

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CA6140普通車床數(shù)控化改造

*注：對照CA6140普通車床的技術(shù)參數(shù)及廣州數(shù)控公司的GSK980TD數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)，證明GSK980TD數(shù)控系統(tǒng)能滿足對CA6140的控制、滿足本課題改造的要求，此外再考慮系統(tǒng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)性價比及維護(hù)方便性等，本課題選用廣州數(shù)控公司的GSK980TD數(shù)控系統(tǒng)。

2、滾珠絲杠的選型及計算

1〕設(shè)計參數(shù)

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2〕滾珠絲杠的選型方案

根據(jù)下表對滾珠絲杠進(jìn)行初步選型：

1.螺紋滾道型面的選擇，要求經(jīng)濟(jì)、易調(diào)試、穩(wěn)定，選用雙圓弧型面。2.滾珠循環(huán)方式：內(nèi)循環(huán)方式、外循環(huán)方式。外循環(huán)方式結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、經(jīng)濟(jì)實用，適用于重載荷傳動、高速驅(qū)動及精密定位系統(tǒng)，在目前使用廣泛。本課題擬選用外循環(huán)方式。

3.軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊力的選擇，要求經(jīng)濟(jì)可靠、易拆裝、剛度高。選用雙螺母墊片式預(yù)緊，結(jié)構(gòu)簡單、拆卸方便、剛度高。

滾珠絲杠的預(yù)緊方式

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3〕縱向機(jī)械傳動局部的數(shù)控化改造和設(shè)計計算

1.切削力的計算。

由?機(jī)床設(shè)計手冊?可知，切削功率：

c

〔1〕

式中P—主軸電動機(jī)功率，P＝7.5KW

η—主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.75—0.85，取η

K—進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取K＝0.96

那么

＝0.80PC＝7.530.8030.96KW＝5.76KW

切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削轉(zhuǎn)速來計算，即切削功率的另一種表示方法為：

CFZ31O〔2〕6O

式中P—主軸電動機(jī)功率，P＝7.5KW

FZ—主切削力〔N〕

ν—切削速度〔m/min〕

＝100m/min,那么主切削力：

36O5761O1OO按最大切削速度計算，取νFZ6OPC31O==3456

由?機(jī)床設(shè)計手冊?可知，在外圓車削時：

FX＝〔0.1—0.55〕FZ〔3〕FY＝〔0.15—0.65〕FZ〔4〕取縱向切削分力FX＝0.5FZ，橫向切削分力FY＝0.6FZ，得：

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FX＝0.533456＝1728N

FY＝0.633456＝2073.6N

2.滾珠絲杠的設(shè)計計算。

根據(jù)切削力和運動部件的重量引起的進(jìn)給牽引力，計算絲杠軸向載荷：

根據(jù)?機(jī)床設(shè)計手冊?中進(jìn)給牽引力的試驗公式計算〔縱向為三角形導(dǎo)軌〕，那么：

FM＝K2FX﹢∫2(FZ﹢G)〔5〕

式中FM—進(jìn)給牽引力〔N〕

FX—切削分力〔N〕

K—顛覆力矩影響的試驗系數(shù)，K＝1.15

∫—滑動導(dǎo)軌摩擦因素，∫＝0.15—0.18，取∫＝0.17

G—溜板及刀架重力，G＝1200N

那么

FM＝1.1531728N﹢0.163(3456﹢1200)N＝2732.16N

3.計算最大動載荷。

〔6〕

其中

t＝60nT/1O〔7〕n＝6CtWHFm1OOOS

O

6ma〔8〕式中t—壽命，以1O為1單位；

n—絲杠轉(zhuǎn)速；O—滾珠絲杠導(dǎo)程，初選O＝6mm；

S

本—最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高速度的1/3—1/2，

課題取1/2；

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—運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)＝1.2—1.5，?。?.4；

W

W

W

—硬度系數(shù)，為60HRC時，＝1，小于60HRC時，＞1，

H

H

H

H

本機(jī)床取

＝1；

T—絲杠的使用壽命，按20000h計算。

n＝

1OOOS

O

ma

＝〔100030.530.6〕/6r/min

＝50r/min

66

t＝60nT/＝〔60350320000〕/1O1O萬r

＝60萬r

絲杠工作的最大動載荷c?！财渲?/p>

W

＝1.4，H＝1〕

C

tWHFm

＝6O31.43132732.16N

＝14955.84N4.選擇滾珠絲杠螺母副。

查?機(jī)械零件設(shè)計手冊?，根據(jù)C＜Ca〔Ca是滾珠絲杠的額定載荷，見下表〕的原那么，使選取的滾珠絲杠的額定動載荷大于計算的最大工作載荷。由上面初選絲杠導(dǎo)程及計算所得的最大動載荷，選取滾珠絲杠的型號為CDM4006—5，其表示外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠，公稱直徑為40mm，導(dǎo)程為6mm，右旋螺紋，載荷鋼球為5圈，精度等級為3級的定位滾珠絲杠副。CDM4006—5的額定載荷為28771＞14955.84N，故強(qiáng)度足夠。CDM4006—5型滾珠絲杠的具體參數(shù)見下表。

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3、Z軸伺服電機(jī)的選型與計算

本課題擬用伺服電機(jī)作為Z軸縱向進(jìn)給的帶動機(jī)構(gòu)。選用彈性聯(lián)軸器將滾珠絲杠和伺服電機(jī)直接連接，既保證傳動的緊湊性，又保證傳動精度，而且彈性聯(lián)軸器和剛性聯(lián)軸器相比在傳動過程中能減少震動，減少噪音，其傳動比為i＝1。

1.負(fù)載轉(zhuǎn)矩〔〕及最大靜轉(zhuǎn)矩〔〕的計算。

根據(jù)能量守恒原理，電動機(jī)等效載荷轉(zhuǎn)矩可按下式估算：

＝

〔9〕

式中

—電動機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩；—縱向進(jìn)給的進(jìn)給牽引力，為2732.16N；—滾珠絲杠的導(dǎo)程，＝6mm

—絲杠螺母副的傳動效率O＝tan/tan〔﹢〕—各級傳動的傳動效率，此處選用聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接，傳

動比為1，傳動效率高，傳動損失忽略不計，?。?。

O傳動效率的計算。根據(jù)?機(jī)械原理?，絲杠螺母副的傳動效率為：

〔10〕

式中O＝tan/tan〔﹢〕O—絲杠螺母副的傳動效率；

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其中

—摩擦角，1O′；＝螺距/〔3.143公稱直徑〕；—螺旋升角，根據(jù)tantan＝6/〔3.14340〕＝0.0478〔可得，＝2°73′〕那么

O＝tan/tan〔﹢〕

＝tan2°73′/tan〔2°73′﹢10′〕＝0.966

所以

＝

＝﹙2732.1636﹚／﹙233.1430.9663131﹚N2m

＝2.693N2m

假設(shè)不考慮啟動時運動部件慣性的影響，那么起動轉(zhuǎn)矩為

＝〔11〕式中

—啟動時的轉(zhuǎn)矩；

那么

—電動機(jī)的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩；τ—平安系數(shù)，取值為0.3—0.5，在此取0.3。

＝2.693/0.3＝8.98N2m

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查?實用微電機(jī)手冊?，選伺服電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩和最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：

λ＝

那么

＝0.850

查?廣州數(shù)控DA98A伺服驅(qū)動裝置說明書?，局部伺服電機(jī)的型號、規(guī)格如下：

SJT系列局部電機(jī)規(guī)格

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根據(jù)計算及上表中的數(shù)據(jù)，選擇型號為130JT—M075C的伺服電機(jī)作為本設(shè)計方案所需的電機(jī)，可見轉(zhuǎn)矩足夠大，而且加速性能好。130JT—M075C型伺服電機(jī)的主要參數(shù)為：

130JT—M075C型伺服電機(jī)

2.伺服電機(jī)傳動速度的驗算。

由于是用聯(lián)軸器直接連接，傳動比為1：

〔12〕

式中那么

—最高快速移動的速度；

—電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，取值為2000rpm；—滾珠絲杠的導(dǎo)程〔螺距〕，取值為6mm。

＝2000363m/min

＝12m/min

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本課題設(shè)計值為7.6m/min，可見傳動速度足夠，能夠滿足設(shè)計要求。

電動機(jī)的外形尺寸〔圖〕

電動機(jī)的外形尺寸〔表〕

4、伺服驅(qū)動器的選型

查?廣州數(shù)控DA98A伺服驅(qū)動裝置說明書?伺服驅(qū)動器的規(guī)格如下：

伺服驅(qū)動器規(guī)格

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根據(jù)伺服電機(jī)額定功率為1.5KW，選擇輸出功率1.7—2.3KW的伺服驅(qū)動器作為Z軸電機(jī)的驅(qū)動裝置〔選擇型號為：DA98A—25〕。

伺服驅(qū)動器接線端子及其與外部器件接線圖

5、隔離變壓器的選擇

查?廣州數(shù)控DA98A伺服驅(qū)動裝置說明書?選擇隔離變壓器的說明如下：

隔離變壓器規(guī)格

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根據(jù)Z軸伺服電機(jī)為1.5KW，在考慮到X、Z兩軸的伺服供電都是用同一個隔離變壓器，但X軸驅(qū)動的功率相比照Z軸驅(qū)動的功率小。應(yīng)選擇隔離變壓器的型號為BD—300，其容量為3.0KVA，可見容量足夠大，符合機(jī)床的各種工作要求。3.2.2電路中導(dǎo)線和電器的選型及計算

*注：其他包括照明功率、驅(qū)動器工作功率、系統(tǒng)工作功率、接觸器線圈工作功率、繼電器

線圈工作功率、散熱風(fēng)扇功率等。

1、自動空氣開關(guān)的選型

自動空氣開關(guān)即低壓斷路器，是低壓配電系統(tǒng)和電力拖動系統(tǒng)中非常重要的電器，它相當(dāng)于刀開關(guān)、熔斷器、熱繼電器和欠電壓繼電器等的組合，集多種控制及保護(hù)于一身，并具有操作平安、使用方便、工作可靠、安裝簡單、分析能力高等優(yōu)點。本課題擬用作電路中的保護(hù)器件。

①電源總開關(guān)：〔本電路中用自動空氣開關(guān)作為總回路的第二級電源開關(guān)〕電路中總回路的功率等于下面各級功率之和，即主軸〔7.5〕+X軸電機(jī)〔1.0〕+Z軸電機(jī)〔1.5〕+刀架電機(jī)〔0.75〕+冷卻泵電機(jī)〔0.5〕+油泵電機(jī)〔0.5〕+其他〔1.0〕＝12.75KW由于總功率不是很大，直接按滿載荷計算。

那么總電流為：

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〔取34A〕

應(yīng)選擇型號為DZ47LE—40的自動空氣開關(guān)作為總回路的上電控制，其額定電流為40A〔三相四線4P〕，可見符合工作要求。

②根據(jù)各級上電控制回路的功率選擇各級上電的自動空氣開關(guān)：主軸上電〔7.5KW〕、伺服上電〔約2.5KW〕、刀架電動機(jī)〔約0.75KW〕、冷卻回路〔約0.5KW〕、潤滑回路〔約0.5KW〕、接觸器工作電源〔約0.5KW〕、系統(tǒng)上電〔約0.3KW〕

應(yīng)選擇各級上電的自動空氣開關(guān)的型號如下：

各級控制回路自動空氣開關(guān)的選型

2、轉(zhuǎn)換開關(guān)的選型

轉(zhuǎn)換開關(guān)也是電源總開關(guān)中的一個，作為總回路上電的第一級，它是安裝在機(jī)床側(cè)面為了方便機(jī)床上電而設(shè)置的，它的承載能力應(yīng)與總上電的自動空氣開關(guān)相近，應(yīng)選HZ12—40型轉(zhuǎn)換開關(guān)，其額定電流為40A符合設(shè)計的選型要求。

3、熔斷器的選型計算

熔斷器是低壓配電系統(tǒng)和電力拖動系統(tǒng)中起過載保護(hù)和短路保護(hù)作用的電器元件，當(dāng)流過熔斷器的電流大于規(guī)定值時，其自身產(chǎn)生的熱量是熔體熔斷，從而實現(xiàn)過載保護(hù)和短路保護(hù)。熔斷器具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、質(zhì)量輕、使用維護(hù)方便、價格低廉、分?jǐn)嗄芰^高、限流能力良好等優(yōu)點。在本控制回路中采用熔

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斷器作為第三級總電源開關(guān)。流過熔斷器的電流與加在其上的電壓同上面的電源總開關(guān)一樣，應(yīng)選擇其型號為：RT20—40〔額定電流為40A〕。

4、接觸器的選型

接觸器是用于遠(yuǎn)距離頻繁的接通與斷開交直流主電路及大容量控制電路的一種自動切換電器。接觸器具有操作頻率高、工作可靠、價格廉價維護(hù)方便等優(yōu)點，且接觸器可實現(xiàn)欠壓保護(hù)特性。本設(shè)計課題擬用接觸器作為主電路〔包括主軸上電、伺服上電、刀架正轉(zhuǎn)、刀架反轉(zhuǎn)、冷卻回路、潤滑回路〕上電控制。根據(jù)各回路的功率分析，除主軸上電回路功率較大〔7.5KW〕其他回路功率較小且差異不大，為了維修方便可用同一型號的接觸器，但在計算時考慮符合其中最大值，即伺服上電回路，其功率約2.5KW。

①主軸回路接觸器

額定電壓：380V額定電流：＝＝A＝19.7A〔取20A〕

選擇接觸器型號為：

②其他回路接觸器

額定電壓：380V額定電流：6.57A〔取7A〕

選擇接觸器型號為：JZC1—62〔額定電流為10A，可承受電壓為660V〕

5、中間繼電器的選型

中間繼電器的作用是將一個輸入信號變成多個輸出信號或?qū)⑤斎胄盘栠M(jìn)行放大〔及增大觸點容量〕輸出，具有欠壓保護(hù)特性，其觸點不能用來接通或斷開負(fù)載電路。本設(shè)計課題將用到兩種中間繼電器，一種是由110V線圈電壓的控制輸入去接通或斷開220V電壓及利用其欠壓保護(hù)特性對強(qiáng)電的控制回路進(jìn)行欠壓保護(hù)的總控制；另一種是由將數(shù)控系統(tǒng)及其他地方輸出的+24V通過中間繼電器的信號放大作用放大成為能控制接觸器線圈動作的110V電壓，從而實現(xiàn)由弱電輸出控制強(qiáng)電輸出。

110V線圈電壓等級的中間繼電器：

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其主要是控制數(shù)控系統(tǒng)電源220V上電及接觸器控制回路的欠壓保護(hù)，應(yīng)選擇其型號為：CJX2〔線圈電壓等級110V〕

+24V線圈電壓等級的中間繼電器：

此類中間繼電器主要負(fù)責(zé)主軸電機(jī)正反轉(zhuǎn)、刀架電機(jī)正、反轉(zhuǎn)、冷卻、潤滑，它是通過觸點把弱電輸入化為強(qiáng)電輸出或直接用來控制弱電的接通或斷開。由于工作的性能要求相似，為維修方便選用同一型號的繼電器，應(yīng)選其型號為：MYZNJ〔線圈電壓等級+24V〕。

6、阻容吸收器及二極管的選用

阻容吸收器

二極管

7、導(dǎo)線型號的選擇

導(dǎo)線型號的選擇主要看導(dǎo)線的額定載流量，只要額定載流量大于負(fù)載電流那么導(dǎo)線就能用，但考慮到導(dǎo)線的本錢〔越大的線芯導(dǎo)線價格越高〕及接線的方便〔有些場合線芯太粗接線困難甚至不能接線〕，所以在選擇導(dǎo)線的型號時要考慮盡量合用就好，即在符合電路的負(fù)載要求，另外也將過載因素考慮進(jìn)去，在保護(hù)電器的保護(hù)作用響應(yīng)范圍內(nèi)不燒壞導(dǎo)線。本課題選用多股銅芯線作為機(jī)床接線，因為多股銅芯線柔性好，在機(jī)床接線中會有彎角或經(jīng)常要活動的局部，要求導(dǎo)線耐彎曲、耐疲勞性能好。

導(dǎo)線載流量

國標(biāo)GB4706.1—1992/1998規(guī)定的電線負(fù)載電流值〔局部〕

1平方銅芯線允許長期負(fù)載電流為：6A—8A

1.5平方銅芯線允許長期負(fù)載電流為：8A—15A

2.5平方銅芯線允許長期負(fù)載電流為：16A—25A

4平方銅芯線允許長期負(fù)載電流為：25A—32A

6平方銅芯線允許長期負(fù)載電流為：32A—40A

1〕機(jī)床上電總回路：

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前邊計算過：

應(yīng)選擇6平方的銅芯線作為總電路通電接線?？梢娪嗔孔銐?，符合設(shè)計要求。

2〕主軸上電回路：經(jīng)計算：＝＝A＝19.7A

應(yīng)選擇導(dǎo)線的型號為4平方，主軸上電局部回路用線不是很多，選擇4平方比選擇2.5平方貴不了多少，為平安起見選擇4平方導(dǎo)線。

3〕其他主電路：

其他主回路負(fù)載相差不大，以私服上電回路為最大，故為接線方便統(tǒng)一選用同一型號導(dǎo)線，那么：經(jīng)計算：6.57A

應(yīng)選擇其他主線路的導(dǎo)線型號為1.5平方，可見此時導(dǎo)線的在流量已足夠。

4〕控制回路

控制回路導(dǎo)線主要是供交流接觸器及中間繼電器的線圈上電，本設(shè)計的控制回路中所用到的交流接觸器和中間繼電器不多，而且都是較小型的，故回路中電流