1、專業課程設計任務書題目：C6140臥式車床數控化改造設計任務：將一臺C6140臥式車床改造成經濟型數控車床。主要技術指標如下：1) 床身最大加工直徑400mm2) 最大加工長度980mm3) X方向（橫向）的脈沖當量 mm/脈沖，Z方向（縱向）脈沖當量 mm/脈沖4) X方向最快移動速度vxmax=2700mm/min，Z方向為vzmax=5900mm/min5) X方向最快工進速度vxmaxf=410mm/min，Z方向為vzmaxf=750mm/min6) X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm7) 可以車削柱面、平面、錐面與球面等8) 安裝螺紋編碼器，最大導程為25mm9) 自動

2、控制主軸的正轉、反轉與停止，并可以輸注主軸有級變速與無極變速信號10) 自動控制冷卻泵的起/停11) 縱、橫向安裝限位開關12) 數控系統可與PC機串行通訊13) 顯示界面采用LED數碼管，編程采用相應數控代碼摘 要機械制造工業是為現代化建設提供各種機械裝備的部門，在國民經濟的發展中具有十分重要的地位。機械制造工業的發展規模和水平是反映國民經濟實力和科學技術水平的重要標志，因此，我國一貫都把發展機械制造工業作為發展國民經濟的戰略重點之一。針對C6140普通舊車床進行數控化改造其現實意義在于提高普通車床的生產效率，提高加工精度。本設計說明書包括概括總體設計方案的擬定、驗證主動傳動部分的改造設計、

3、進給系統的改造設計等部分改造后的機床主運動實現自動變速縱向橫向進給系統進行數控控制并要求到達縱向最小運動單位為0.05mm/脈沖，橫向最小運動單位0.005mm/脈沖，并能自動切削螺紋。關鍵詞：數控車床，電氣控制系統，改造計劃目 錄第一章 總體方案確定錯誤!未定義書簽。第二章 縱向傳動部件的計算與選型32.1導軌上移動部件的重量估算32.2脈沖當量的確定32.3切削力的計算32.4滾珠絲桿螺母副的計算和選型42.5軸承的選型62.6 導軌的選擇72.7聯軸器的選型82.8減速箱的的設計9第三章 橫向傳動部件的計算與選型103.1 傳動方式的確定103.2切削力的計算103.3滾珠絲杠副的計算與

4、選型103.4 軸承的選型133.5 導軌的選擇133.6 聯軸器的選型15第四章 控制系統設計164.1 需求分析16 4.2 控制方法的選擇16 4.3 控制流程圖分析17 4.4 I/O口分配18 4.5 電氣元件的選型18 4.6 電氣原理圖和電氣接線圖27 4.7 PLC程序28 4.8 控制系統仿真與調試32總結35參考文獻36第1章 總體方案確定根據參數要求，改造C6140車床為數控車床。設計方向如下縱向設計構件主要有：1-步進電機，2-齒輪組，3-直線導軌，4-Z向導軌底座，5-絲桿螺母座，6-絲桿螺母，7-單軸承座，8-直線滑塊，9-絲桿，10-雙軸承座橫向設計構件主要有：1

5、1-X向導軌底座，12-直線導軌，13-步進電機，14-凸緣聯軸器，15-等徑孔雙螺柱軸承座，16-工作臺，17-絲杠，18-等徑孔雙螺柱軸承座縱向設計思路為：直線導軌安裝于Z向導軌底座上，絲桿安裝Z向導軌底座中間，采用一端固定，一端游動方式支撐絲桿固定，在Z向導軌底座的一端，裝有步進電機，步進電機輸出軸端還連接有齒輪減速箱，絲桿上安裝有螺母，螺母上安裝有螺母座，螺母座連接X方向導軌座，直線導軌上有4個直線滑塊兩兩等間距與X方向導軌底座相連。通過控制步進電機傳動到減速箱，減速箱輸出軸帶動絲桿轉動，絲桿每轉動一圈，帶動X方向導軌行走6mm。選用plc與相應的步進驅動器來控制步進電機，實現變速驅動

6、等橫向的工作原理：當電機接通電源的時候，電機運行的同時凸緣聯軸器也同時運行，從而帶動了絲杠的轉動，因為有軸承座的固定，絲杠在轉動的同時并不會發生偏移，而我們安裝在底座上的滑軌被固定住，就能讓工作臺在底座上平滑的運動，既平穩又確保了精度要求。最后利用相對應的程序，實現刀具的進刀與退刀都能在規定的行程范圍內運行。第二章 縱向傳動部件的計算與選型縱向進給傳動部件的計算和選型主要包括：確定脈沖當量、計算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設計減速箱、選擇步進電動機等。2.1導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、

7、導軌座等，估計重量約為1000N。2.2脈沖當量的確定根據設計任務要求，X方向（橫向）的脈沖當量 mm/脈沖，Z方向（縱向）脈沖當量 mm/脈沖2.3切削力的計算2.3.1 縱向切削力的計算設工件為碳素結構鋼,MPa,則選用刀具材料為硬質合金YT15，根據表3-3,取刀具幾何參數為：主偏角，前角，刃傾角；根據表3-4,取切削用量為：背吃刀量mm，進給量f=0.6mm/r，切削速度m/min。通過查表得到，=2795、=1.0、=0.75、=-0.15。主偏角的修正系數；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數值均為1.0。由經驗公式：可以算得主切削力，由經驗公式，算得縱向進給切削力N，背向力N。2

8、.4滾珠絲桿螺母副的計算和選型2.4.1工作載荷的計算設移動部件總重N；車削力N，N，N。根據拖板所載荷與車削力存在以下對應關系：進給方向的載荷，橫向載荷，垂直載荷則可得：N，N，N。根據表3-29,選用矩形三角形組合滑動導軌，取K=1.15，代入，則得工作載荷N。2.4.2最大動載荷的計算本車床Z向在承受最大切削力條件下最快的進給速度0.75m/min，初選絲杠基本導程PhVmaxnmax=6mm,則此時絲杠轉速125r/min。選取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h (數控機床及一般機電設備取T=15000h)，查表初選滾珠絲杠的精度等級為3級精度，則取，取載荷系數，再取可靠性系數為=1，

9、則最大動載荷的計算公式為： =9236.6N代入數據得最大動載荷Cam=9236.6N。1）按精度要求確定滾珠絲杠的最小螺紋底徑已知X方向定位精度0.01mm，Z方向0.02mm，則L=(1.11.2)行程+（1014）=1200mm。滾珠絲杠允許的最大軸向變形量=0.005則：=a=14.05mm2）初選型根據計算出來的最大動載荷，選擇在南京工藝裝備制造廠生產的滾珠絲杠，其型號為FFZL2506-3，其動載荷為11300N,絲杠底徑為=20.9mm,公稱直徑為25mm,基本導程為6，雙螺母滾珠總圈數為3x2=6圈，精度等級取3級，滿足要求。3）效率計算將公稱直徑mm，基本導程Ph=6mm，代

10、入，得絲杠螺旋升角=4.360。將摩擦角，代入，得傳動效率=96%。4）剛度的驗算縱向滾珠絲杠的支承，采取一端軸向固定，一端游動的方式。其特點是：壓桿穩定性和臨界轉速比同長度的一端固定一端自由型高；絲杠有熱腫脹的余地；適用于較長的臥式安裝絲杠。固定端采取一對角接觸球軸承，因為面對面安裝軸承剛性強，對主軸支撐較好，它的軸向分力向外。而背對背安裝柔性好點，補償能力強，軸向分力向內，故選用面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為a=1200mm；鋼的彈性模量；查表3-33得滾珠直徑mm，則絲桿截面積=376.49mm。絲杠的拉伸或壓縮變形量式中：為絲杠的最大工作載荷 a為絲杠兩端支撐

11、間的距離 E為絲杠的彈性模量 S為絲杠按底徑確定的截面積代入數據算的0.02根據公式，求得單圈滾珠數目Z=19,該型號絲杠為雙螺母，滾珠總圈數為，則滾珠總數量=619=114。當滾珠絲杠副有預緊力，且預緊力達軸向工作載荷的1/3時，值可減少一半左右。滾珠絲杠預緊時，取軸向預緊力=554.59。則由式,求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量=0.001588。因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的，所以實際變形量可減小一半，取=0.0007584。將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量=0.0217。由表3-27知，3級精度滾珠絲杠任意1000mm軸向行程內行程的變動允許量24，而對于跨度為1200mm的滾

12、珠絲杠，總的變形量為0.0217，可見絲杠剛度足夠。5）穩定性的驗證根據式（式3-28），計算失穩時的臨界載荷。查表3-34，取支承系數；由絲杠底徑=20.9mm，求得截面積慣性矩=9361.27；壓桿穩定安全系數取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離取最大值1200mm。代入式，得臨界載荷2857.79N,大于工作載荷，故絲杠不會失穩。綜上所選的縱向滾珠絲杠符合要求。2.5軸承的選型軸承初選成對角接觸球軸承，其型號為7205C（1） 求比值，查表可得角接觸球軸承e=0.38,故e,則X=1，Y=0（2） 計算當量動載荷P，查表13-6，=1.21.8,取=1.2，根據公式為P=

13、1.212673.4=3208.08N，則軸承的基本額定動載荷為： =16083.06N故選擇的C=16.5KN的7205C軸承滿足題目要求。2.6 導軌的選擇滾珠直線導軌副具有摩擦因數小、不易爬行、便于安裝和預緊、結構緊湊等優點，廣泛應用于精密機床、數控機床和測量儀器等。本次使用直線滾動導軌副，作為進給傳動的移動副，采用雙導軌、四滑塊的支承形式。初選型號為濟寧博特公司生產的JSA型導軌，導軌副型號為JSA-LG35KL22x1200-2J。1）工作載荷的計算式中：滑塊上的工作載荷F為垂直于工作臺面的外加載荷G為工作臺的重力距離尺寸假設，工作載荷加載在工作臺的正中心，得：400/2=200mm

14、=415.945N2）距離額定壽命的計算 所選滾動體為球，得：式中一一距離額定壽命一一額定動載荷，查資料為40kN一一滑塊上的工作載荷一一硬度系數，取0.8一一溫度系數，取1.0一一接觸系數，取0.81一一精度系數，取1.0一一載荷系數，取1.0代入數據得到L=62.32常見球導軌的距離期望壽命為50，所得結果大于導軌的預期壽命，即初選的導軌型號滿足要求。2.7聯軸器的選型一般聯軸器的選用依據是其工作條件和形式。在選型時，主要考慮以下幾點：1）選擇聯軸器的類型根據傳遞的轉矩大小和轉速高低，以及對緩沖和振動的要求，參考各類聯軸器特點，選擇剛性套筒式聯軸器。其具有重量輕，超低慣量和高靈敏度、免維護

15、、結構簡單、成本低、可傳遞較大轉矩、剛性大、超強抗油和耐腐蝕性等特點。缺點是裝拆困難，且要求兩軸軸線嚴格對中。2）計算聯軸器的轉矩由于機械啟動時的動載荷和運轉中可能出現的過載現象，所以應當按軸上的最大轉矩作為聯軸器的計算轉矩T，并按下式計算：式中：T表示公稱轉矩，已知縱向電動機的最大靜轉矩T=16Nm，查表可知,則聯軸器的轉矩為=181.5=24Nm（3） 確定聯軸器的型號選用的GT4型套筒式聯軸器符合縱向進給各零件軸的直徑大小，即25mm。此外，該聯軸器允許的軸的相對位移偏差為，規定絲杠輸入輸出兩軸的響應安裝精度為H7/h6。故選用GT4型套筒式聯軸器。2.8減速箱設計根據選用電動機的步距角

16、=1.2o，脈沖當量z=0.05mm/脈沖，滾珠絲桿導程Ph=6mm。根據式i=Ph360o，算得傳動比i=2。則縱向傳動進給機構設置一級增速裝置。因齒輪減速具有傳動更可靠等特點，故采用一級傳動齒輪系來達到i=2的增速，采用直齒齒輪對增速，根據工作的傳動功率，強度等一系列要求，選用小齒輪模數為m=1.25，齒數為24，齒寬為20mm,大齒輪模數為m=1.25,齒數Z為48,齒寬為20mm。 第三章 橫向（X方向）傳動部件的計算與選型3.1 傳動方式的確定 傳動比i的確定：電機選用的步距角，脈沖當量mm/脈沖，滾珠絲桿導程mm。根據式，算得傳動比。則橫向傳動進給機構不設置減速裝置。3.2切削力的

17、計算查閱相關資料得，橫向的切削力一般為縱向切削力的，即主切削力，橫向進給切削力，背向切削力力。3.3滾珠絲杠副的計算與選型1） 工作載荷的計算假設移動部件的重量為600N,采用燕尾型導軌，查得K=1.4，由公式，算得工作載荷為=1042.33N。2）最大動載荷的計算 根據題設，本車床在x向的最快工進速度v為410mm/min，初選滾珠絲杠的基本導程為5，絲杠的轉速為82r/min。則取滾珠絲杠的使用壽命為T=15000h，查表初選滾珠絲杠的精度等級為4級精度，則取，取載荷系數，再取可靠性系數為=1，則最大動載荷的計算公式為： =6013.20N3)按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑滾珠

18、絲杠螺母的安裝方式為一端固定，一端游動支撐方式，滾珠絲杠螺母的兩個固定支撐之間的距離為：L=1.4行程+30=1.4200+305=430mm,已知本車床橫向進給的定位精度0.01mm，由公式可得：=27.4mm4）初選型根據其最小螺紋底徑和最大動載荷選型，選用滾珠絲杠的型號為FFZL3205-3，其動載荷為11.7KN,絲杠底徑為=28.9mm,公稱直徑為32mm,基本導程為5，雙螺母滾珠總圈數為3x2=6圈，精度等級取4級，故滿足要求。5）驗算剛度 橫向滾珠絲杠的支承，采取一端軸向固定，一端游動的方式。其特點是：壓桿穩定性和臨界轉速比同長度的一端固定一端自由型高；絲杠有熱腫脹的余地；適用于

19、較長的臥式安裝絲杠。固定端采取一對角接觸球軸承，因為面對面安裝軸承剛性強，對主軸支撐較好，它的軸向分力向外。而背對背安裝柔性好點，補償能力強，軸向分力向內，故選用面對面組配。絲杠加上兩端接桿后，左、右支承的中心距離約為a=430mm；鋼的彈性模量；查表3-33得滾珠直徑mm，則絲桿截面積=985.89mm。6）絲杠的拉伸或壓縮變形量式中：為絲杠的最大工作載荷 a為絲杠兩端支撐間的距離 E為絲杠的彈性模量 S為絲杠按底徑確定的截面積代入數據算的0.00216。7）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量根據公式，求得單圈滾珠數目Z=32,該型號絲杠為雙螺母，滾珠總圈數為，則滾珠總數量=632=192。當滾珠

20、絲杠副有預緊力，且預緊力達軸向工作載荷的1/3時，值可減少一半左右。滾珠絲杠預緊時，取軸向預緊力=347.44。則由式,求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量=0.000273。 因為絲杠加有預緊力，且為軸向負載的，所以實際變形量可減小一半，取=0.000137。將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量=0.002296。由表3-27知，4級精度滾珠絲杠任意500mm軸向行程內行程的變動允許量19，而對于跨度為430mm的滾珠絲杠，總的變形量為0.002296，可見絲杠剛度足夠。8）壓桿穩定性校核根據計算失穩時的臨界載荷。查資料得，支承系數；由絲杠底徑mm，求得截面慣性矩；壓桿穩定安全系數K取3（絲杠臥

21、式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值430mm。代入式，得臨界載荷680088N，遠大于工作載荷=1042.33N，故絲桿不會失穩。綜上所述，所選的滾珠絲杠滿足要求。3.4 軸承的選型軸承初選成對角接觸球軸承，其型號為7208C1）求比值，查表可得角接觸球軸承e=0.38,故e,則X=1，Y=02）計算當量動載荷P，查表13-6，=1.21.8,取=1.4，根據公式為P=1.411336.7=1871.38N，則軸承的基本額定動載荷為： =19200.08N故選擇的C=136.8KN的7208C軸承滿足題目的要求。3.5導軌的選擇直線導軌因其摩擦阻力小，只需較小動力便能讓移動部件

22、運動。摩擦產生摩擦熱小，因而運動部件可高速運動。導軌在設計時的結構提供了同時滿足四方向的相同額定載荷能力，因而導軌適合各種安裝方式的應用。導軌在組裝時只需要將整套直線導軌安裝在機器的裝配基準面上用螺釘壓緊，并能保證安裝精度，所以裝配方便、維修容易。所以本次機床改造采用雙導軌、四滑塊的支承形式。初選型號為南京哈寧軸承有限公司生產的GGB四方向等載荷直線型導軌，導軌副型號為GGB20AAL MN 2 P1 2x700（2）-4。1）工作載荷的計算式中：滑塊上的工作載荷F為垂直于工作臺面的外加載荷G為工作臺的重力距離尺寸假設，工作載荷加載在工作臺的正中心，得：=400mm=1042.33N2）距離額

23、定壽命的計算 所選滾動體為球，得：式中一一距離額定壽命一一額定動載荷，查資料為26.50kN一一滑塊上的工作載荷一一硬度系數，取0.8一一溫度系數，取1.0一一接觸系數，取0.81一一精度系數，取1.0一一載荷系數，取1.0代入數據得到L=51.86常見直線導軌的距離期望壽命為50，所得結果大于導軌的預期壽命，即初選的導軌型號滿足要求。3.6聯軸器的選型一般聯軸器的選用依據是其工作條件和形式。在選型時，主要考慮以下幾點：1）選擇聯軸器的類型根據傳遞的轉矩大小和轉速高低，以及對緩沖和振動的要求，參考各類聯軸器特點，選擇鼓型齒式凸緣聯軸器。其結構簡單，制造方便，成本較低，工作可靠，裝拆、維護均較簡

24、便，傳遞轉矩較大，能保證兩軸具有較高的對中精度，一般常用于載荷平穩，高速或傳動精度要求較高的軸系傳動。2）計算聯軸器的轉矩由于機械啟動時的動載荷和運轉中可能出現的過載現象，所以應當按軸上的最大轉矩作為聯軸器的計算轉矩T，并按下式計算：式中：T表示公稱轉矩，已知橫向電動機的最大靜轉矩T=14Nm，查表可知,則聯軸器的轉矩為=141.5=21Nm3）確定聯軸器的型號選用GIICL型鼓型齒式聯軸器符合橫向進給各零件軸的直徑大小，即32mm。此外規定絲杠輸入輸出兩軸的響應安裝精度為H7/h6。故選用GIICLJB/T8854.2-2001型鼓型齒式聯軸器。第四章 控制系統的設計4.1需求分析此次課程設

25、計任務是將經濟型C6140臥式車床數控化改造設計，目的在于節約成本，滿足我們的生產需求的前提下提高設備的生產效率。經濟型數控機床改造方案不同，得到的經濟效益也不同。這是許多機械生產廠家在沒有大量資金投入的情況下所走的設備技術改造的方法，尤其對于一些小型企業。4.2控制方法的選擇不用的控制的方法需要設計不同的控制系統，可結合成本，技術，人員等實際情況多方面參考。在自動化技大發展的今天，控制方法也是多種多樣，下面進行生產企業種常用的控制裝置的性能比較。控制裝置普通微機系統工業控制計算機可編程控制器比較項目單片機系統工業PC機PLC（小型）控制系統組成自行研制整機已成系統，外部另行配置按使用要求進行

26、選購相應產品硬件制作量多較少很少輸出負載能力差較強強抗干擾能力較差好很好可靠性較差好很好環境適應性較差一般很好價格低較高高表4.1控制裝置的性能比較由以上分析可知，雖然相對來說使用PLC控制裝置的成本會高一些，但是它能夠讓生產活動更加有效、可靠的持續進行下去，且設計不那么困難，故控制裝置選擇PLC控制。4.3控制流程圖分析圖4.1 控制流程方框圖4.4 I/O分配 (Y2=步進電機1（X方向）脈沖輸出，Y3步進電機2（Z方向）脈沖輸出，Y4=步進電機1（X方向）控制方向輸出，Y5=步進電機2（Z方向）控制方向輸出)輸入名稱輸出名稱X000啟動按鈕Y000主軸正運轉(中速)X001運行按鈕Y00

27、1主軸反轉（中速）X002Y002=1 Y004=0X方向電機正轉 (左移)X003Y003=1 Y005=0Z方向電機正轉（前移）X004X方向（橫向）限位MAXY002=1 Y004=1X方向電機反轉（右移）X005X方向（橫向）限位MINY003=1 Y005=1Z方向電機反轉（后移）X006Z方向（縱向）限位MINY006主軸正運轉(低速)X007Z方向（縱向）限位MAXY007主軸正運轉(高速)X010冷卻泵啟停按鈕Y010主軸反轉(低速)X011復位按鈕Y011X012緊急停止按鈕Y012等待指示燈X013主軸低速按鈕Y013復位指示燈X014主軸高速按鈕Y014工作指示燈X015

28、主軸低速按鈕（反轉)Y015車床照明燈X016主軸有級調速Y016冷卻泵電機Y017表4.2 I/O分配4.5 電氣元件的計算與選型4.5.1縱向（Z方向）步進電機的計算與選型初選步進電機的型號為110BYG3502，其最大靜轉矩為16N.m，步距角為1.2。1）傳動比i的確定已知電動機的步距角=1.2o，脈沖當量z=0.05mm/脈沖，滾珠絲桿導程Ph=6mm。根據式i=Ph360o，算得傳動比i=2。則縱向傳動進給機構設置一級增速裝置。電動機的轉速:nm=vmaxpn=983.3r/min則其對應的步進脈沖頻率為fmaxf=vmaxf60=750600.05=250HZ2）步進電動機轉軸上

29、的總轉動慣量Jeq的計算滾珠絲桿的公稱直徑d0=25mm，總長l=1200mm，導程Ph=6mm，材料密度=7.8510-3kg/cm3得滾珠絲桿的轉動慣量為：JS=mD28=SlD28=2.95kgcm2主動齒輪的直徑為75mm，質量為134g，齒數為60；從動齒輪的直徑為30mm，質量為57.6g，齒數為24，得齒輪的轉動慣量為：Jz1=mD28=0.95kgcm2Jz2=mD28=0.064kgcm2移動部件總重量G=1000N，得折算到絲杠上的傳動慣量為Jw=Ph22m=0.0092kg.cm2由查表得所選電動機的轉子轉動慣量為: Jm=15kg/cm2工作臺的質量為mi=9.6kg，

30、則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：Jeq=Jm+Jz1+z1z2Jz2+Js+miJw=35.4kg/cm23）折算到電動機的總負載轉矩的計算快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：Teq1=Tamax+Tf+T0式中:Tamax一一快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；Tf一一移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；T0一一滾珠絲桿預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。4）計算快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩：Tamax=Jeq=2Jeqnm60taamax式中Jeq一一步進電動機轉軸上的總轉動慣量；一一電動機轉軸的角加速度；nm一一電動機的轉速；ta一一

31、電動機加速所用時間，一般在0.31s中選取,則選取t=0.4s；代入數據可以求得Tamax=0.0026Nm5）移動部件運動時則算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：Tf=F摩Ph2i式中F摩一一導軌的摩擦力。Tf=(Fc+G)Ph2i表示導軌的摩擦因數，滑動導軌取0.16；Fc表示垂直方向的工作載荷。 代入數據，得：Tf=0.16（2673.4+1000）0.00620.962Nm0.585Nm則快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩為：Teq1=Tf+Tamax+T0=0.0026+0.585+0Nm=0.59Nm6） 最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩： Teq2=Tt+Tf+T0式中

32、：Tt一一折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩。折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩：Tt=FfPh2i式中Ff一一進給方向最大工作載荷。代入數據，得：Tt=935.690.00620.962Nm0.466Nm即：Teq2=Tf+Tt+T0=0.585+0.466+0 N.m =1.051N.m綜上所述，加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為：Teq=max【Teq1,Teq2=1.051N.m7）步進電動機的性能校核1）最快工作進給速度時電動機輸出轉矩校核：根據所給條件，算得電動機對應的運行頻率fm=vmaxf60=750600.05=250HZ在此頻率下，從矩頻特性曲線上可以看出其輸出轉

33、矩為15.8N.m，大于工作最大負載轉矩Teq2，故滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核：fmax=vmax60=5900600.05=1967HZ 在此頻率下，從矩頻特性曲線上可以看出其輸出轉矩為14N.m，大于快速空載起動時的負載轉矩Teq1，故滿足要求。4.5.2橫向（X方向）步進電機的計算與選型初選步進電機的型號為110BYG550C-0301，其最大靜轉矩為14N.m，步距角為=0.36。已知車床在X方向的最快移動速度=2700mm/min，x方向最快工進速度，mm/脈沖。則可得電機的最高轉速為 ：=540r/min。其對應的步進脈沖頻率為： 9000HZ1）步進電動機轉軸

34、上的總轉動慣量的計算滾珠絲桿的公稱直徑，總長，導程，材料密度得滾珠絲桿的轉動慣量為： 移動部件總重量，得折算到絲杠上的傳動慣量為：0.37kg.cm由查表得所選電動機的轉子轉動慣量為: =14.6kg/cm則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：J=15.76kg/cm2）折算到電動機的總負載轉矩的計算快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：式中:一一快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一一移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；一一滾珠絲桿預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。3）計算快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩：式中一一步進電動機轉軸上的總轉動慣量；一一

35、電動機轉軸的角加速度；一一電動機的轉速；一一電動機加速所用時間，一般在0.31s中選取,則選取t=0.4s；代入數據可以求得1.592Nm4）移動部件運動時則算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：式中一一導軌的摩擦力。表示導軌的摩擦因數，滑動導軌取0.16；表示垂直方向的工作載荷，空載時取。代入數據，得：則快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩為：5）最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩：式中：一一折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩。折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩：式中一一進給方向最大工作載荷。代入數據，得：即：=3.48+5.25=8.726N.m綜上所述，加在步進電動機轉軸上的最大

36、等效負載轉矩為：N.m6）步進電動機的性能校核根據所給條件，算得電動機對應的運行頻率=18.98HZ圖4.2 矩頻特征曲線在此頻率下，從矩頻特性曲線上可以看出其輸出轉矩為11N.m，大于工作最大負載轉矩，故滿足要求。4.5.3步進電機驅動器的選型要求步進電機驅動器是一種將電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速和定位的目的。,步進電機選驅動器主要

37、是選擇驅動器的輸入電壓和輸出電流要和電機的額定的匹配。型號步距角最大靜轉矩額定電壓額定電流X方向電機110BYG550C0.3614NM110V3AZ方向電機110BYG35021.216NM110V3A由以上設計計算可知，在本次設計中，X向的步進電機型號為110BYG550C,Z向的步進電機型號為110BYG3502。可查的兩種步進電機的參數如下：表4.3 步進電機參數4.5.4 進電機驅動器的選型X向的步進電機為110BYG550C，配用選擇其驅動器為SH-50806BSH-50806B型驅動器主要用于驅動90及110機座號五相混合式步進電動機。SH-50806B采用數字式升頻升壓驅動方式

38、，并結合了恒電流控制技術，電機采用五根線接法。由于可針對不同電機參數而提供任意非線性升頻升壓曲線，因此無論匹配何種五相電機皆可通過調整升頻升壓曲線而獲得低速運行平穩、高速力矩大的優異性能。同時克服了模擬升頻升壓電路固有的參數溫飄，抗沖擊性差等缺點，使驅動器的可靠性得到進一步的提高。圖4.3步進驅動器參數Z向的步進電機為110BYG3502，配用選擇其驅動器為3DM2283DM2283驅動器，采用32位DSP技術技術，主要驅動86、110型三相混合式步進電機。微步細分為16種，步數為30000步/轉；工作峰值電流范圍為2.2A-8.0A，輸出電流共8種，能夠滿足大多數場合的應用需要。由于采用內置

39、微細技術，即使在低細分的條件下，也能夠達到高細分的效果，低中高速運行平穩，噪音小。具有半流，夠壓、過流等保護電路。驅動器內部集成了參數自動整定功能，能夠針對不同電機自動生成優運行參數，限度發揮電機的性能。該驅動器為交流供電，工作范圍為AC110V-200V。4.5.5變頻器選用要求1. 變頻器功率 按所帶的負載功率選取。多大功率電機就選多大的功率的變頻器。大一規格也可以。2. 變頻器型號 不同用途選不同的變頻器。 例如 有通用的變頻器，有風機水泵專用的變頻器， 有機床主軸專用的變頻器。等等。3. 負載慣性大的，要同時選擇制動單元和制動電阻。4.查電動機的銘牌額定電流，(沒有銘牌時測出額定電流)

40、.變頻器的額定電流比電動機的最大運行電流大就可以了.4.5.6可編程控制器選型根據I/O分配可知，可編程控制器的輸入口至少需要10個，輸出端口至少需要11個，還不包括顯示燈等，需要具有一定的存儲器空間，需要具有良好的抗干擾能力，需要具有聯網通訊等功能。需要運動控制，根據這些需求，再結合使用成版本，課=可采用具有晶體管三菱plc控制器工作臺可選擇FX3SA-30MT-CM 。參數：AC電源100-240v，額定頻率50/60HZ消耗功率21w，DC24V供給電源，400mA以下輸入形式：漏型/源型，輸出種類：晶體管/漏型輸出輸入端口16個，輸出端口16個地址范圍（輸入）X000-X017地址范圍

41、（輸出）Y000-Y017內置8K容量的RAM存儲器，最大可以擴展到16KCPU運算處理速度0.08S/基本指令4.6 電氣原理圖和電氣接線圖4.6.1電氣原理圖圖4.4電氣原理圖4.6.2電氣接線圖圖4.5 電氣接線圖4.7 PLC程序4.8 調試與仿真為驗證控制系統設計的正確與否，以及更好的完善控制系統的功能，我們需要對其進行多次的調試與仿真，在一次次的調試與仿真中總結經驗和糾正錯誤，讓整個控制系統更加符合我們的生產需求。4.8.1虛擬調試與仿真虛擬調試與仿真，在使用三維軟件UG和GX-work2結合，并有中間軟件MXOPC作為聯接的情況下，進行協同仿真。在不適用實物的前提下，我們可以模擬

42、出我們需要實物完成的動作要求，不僅可以檢驗我們控制系統的準確可靠性，還可以判斷出其是否符合我們的工作需求，做出進一步的改良和優化。 主要完成的仿真動作是X和Z的兩個進給方向的配合，仿真出快進和工進兩種狀態的轉變。1.仿真過程：（1）在UG上建立數控車床的X軸與Z軸進給系統模型，并在GX-works2上輸入PLC運行控制程序，通過MXOPC將UG與GX-works2進行信號連接。（2）在仿真過程中，給PLC程序輸入端輸入信號，觀察模型的動作是否按照程序運行。2.仿真結果：由于UG軟件對于限位開關傳感器的仿真存在延時，所以并不能很好的將XZ軸進給系統的復位過程仿真出來。于是采用定時器方法，代替限位開關傳感器，實現了進給系統的復位、快進、工進、快退等仿真。圖4.6 OPC仿真4.8.2實物調試與仿真實物調試與仿真，使用電機、驅動器、PLC等實物進行仿真。這是一個簡易的控制系統的模型構造，它能夠更加直觀可靠的對我們的控制系統設計進行良好的檢驗，檢驗我們是否能夠真正實現控制，控制的正確與否等。實物仿真的主要是通過時間繼電器，讓兩個的進給