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免费毕业论文-型数控卧式铣床电气控制系统(4)

2013-07-20 01:11 补偿；13、急停等功能。
三、元件的选用
 如果机床使用变频器作为主轴驱动单元，在设计电柜时应考虑采取必要的抗干扰的措施。变频器是很强的干扰源（主要是电源干扰和无线干扰）。如果可能，变频器可安装在独立的电柜内。当变频器和CNC必须安装在同一电柜内时，应按下列要求进行电柜布局：
变频器的电源进线和动力出线在电柜内的长度应尽可能短；
变频器的电源线和动力线应单独布线；
CNC的模拟量控制信号应屏蔽，屏蔽应在变频器端接地；
   
2.4 铣床的主要改造部位说明
 在主电动机端面加一电磁离合器，以便用指令控制主轴停转：把工作台的纵横向进给运动改造成用步进电动机来控制。垂直进给运动仍采用机动和手动方式。下面主要介绍横向进给系统的改造和数控系统的硬件设计。 1 横向进给系统设计    在横向进给系统的改造中，拆掉了原机床的丝杠螺母机构，更换上用步进电动机和一对齿轮驱动的滚珠丝杠螺母副。 工作台重量的估算 纵向工作台约重100kg，床鞍和回转盘约重200kg，总重量G=100+200=300kg。 切削力计算 切削功率为 Nc=NhK (1) 式中：N——主电动机功率，7.5kW h——主传动系统总效率，一般为0. 6～0. 7，取0.6 K——进给系统功率系数，取0.96     根据式(1)可得：Nc=4.32kW。又因为Nc=FzV/6120，则Fz=6120Nc/V，V为切削线速度，取100mm/min，所以主切削力Fz=2.59kN。通常：纵向切削分力F纵=(0.6～0.9)Fz，垂直切削分力F垂=(0.45～0.7)Fz，横向切削分力F横=(0.5～0.55)Fz。取F纵=0.6Fz=1.55kN，F垂=0.45Fz=1.165kN，F横=0.5Fz=1.295kN。 滚珠丝杠设计    工作台横向进给丝杠的轴向力 F轴=KF横+f'(F垂+W) (2) 式中：K——考虑颠覆力矩影响的实验系数，K=1.1 F横——横向切削分力f'——导轨上的摩擦系数，f'=0.15 W——工作台、床鞍和回转盘重力，W≈10G=3kN  根据式(2)可得：F轴=2.049kN 大学排名
 强度计算
 滚珠丝杠的转速：n=Vf/p，其中，进给速度Vf=60mm/min，滚珠丝杠的螺距p=6mm，则得：n=Vf/p=10r/min。取寿命时间T=15000h，则寿命值L1=60nT/106=9。取运转系数fw=1.2，硬度系数fH=1.1，则最大负载Q=(L)⅓1fwfHF轴=5.625kN。根据经验，选取滚珠丝杠的型号ND3506-1×2/E左，即内循环，双螺母垫片调隙式、公称直径为35mm、螺距为6mm、一圈二列、E级精度、左旋、滚珠直径为3.969mm。其额定动负荷为12.847kN>Q，其强度够用。 效率计算     由于所选滚珠丝杠的螺旋升角a=3°7'，摩擦角f=10'，则滚珠丝杠的传动效率h=tga/tg(a+f)=tg3°7'/tg(3°7'+10')=0.95。 纵向进给系统的设计与横向进给系统的设计类似，计算从略。2 步进电动机的选用  横向步进电动机的选取 确定步距角取系统的脉冲当量dp=0.01mm/脉冲，选用步距角qb=0.75° 启动力矩的计算 丝杠牵引力 Fs=F横+1.414f当W (3) 式中f当——当量摩擦系数，f当=0.01 代入式(3)得 Fs=1.337kN设步进电动机等效负载力矩为M，负载力为F负，根据能量守恒原理，电动机所作的功与负载所作的功相等，即Mfh=F负L，则 M=F负L/hf (4)
又F负=Fs+µ(W+F1)，数控装置发出一个脉冲后，工作台的位移量L为一个脉冲当量0.001cm，这时电动机转过的角度f=2pqb/360°，代入式(4)得 M=F负L/hf=360°dp[Fs+µ(G+F1)]/2pqbh=167N·cm式中：µ——机床导轨摩擦系数，取µ=0.18 F1——与重力方向一致，作用在移动部件上的负载力，F1=F垂=1.165kN    如果不考虑启动时的运动部件惯性的影响，则启动力矩Mq=M/0.3～0.5，取安全系数为0.3，Mq=556N·cm。对于工作方式为四相八拍的步进电动机，Mmax=Mq/0.707=786N·cm。 步进电动机的最高频率    取横向进给速度最大为Vmax=1m/min，则步进电动机的最高频率为fmax=1000Vmax/(60×dp)=1667Hz。根据以上数据和经验，选用110BFG型步进电动机较合适，该电动机步距角为0.75°/1.5°，最大静转距为800N·cm，最高空载启动频率为1800Hz。齿轮设计(横向)   据步距角qb、滚珠丝杠螺距p、脉冲当量dp，则在步进电动机与滚珠丝杠之间所加的一对齿轮的传动比为：I=Z1/Z2=dp×360°/(qb·p)=0.8，选Z1=48，Z2=60，根据经验，齿轮模数取1.5mm。3 数控系统硬件设计   所用数控系统是SINUMERIC802D数控系统是西门子公司推出的一款经济型数控系，主要由主控制系统和显示系统两部分组成。主控制系统用于控制键盘的输入和输出，工作台在X、Y方向上的超程，侧门关闭，查询，X和Y向步进电动机的相位及主轴正反转等。显示系统用于控制H716501液晶显示器。这两部分都采用了新型的单片机 GMS90C32作中央处理器，它可以与MCS-51系列单片机兼容，具有快速脉冲编程算法，采用了CMOS技术，最高工作频率可达40MHz(本设计采用18MHz)，有良好的性能价格比。

 

 

第三章  步进电动机及其控制系统

3.1、概述
 开环位置伺服系统亦叫步进式伺服系统，其驱动元件为步进电动机。功率步进电动机盛行于20世纪70年代，且控制系统的结构最简单，控制最容易，维修最方便，控制为全数字化（即数字化的输入指令脉冲对应着数字化的位置输出），这完全符合数字化控制技术的要求，数控系统与步进电动机的驱动控制电路结为一体。
随着计算机技术的发展，除功率驱动电路之外，其他硬件电路均可由软件实现，从而简化了系统结构，降低了成本，提高了系统的可靠性。而步进电动机的耗能太多，速度也不高。目前的步进电动机在脉冲当量为1um时，最高移动速度仅有2mm/min，并且功率越大，移动速度越低，故主要用于速度与精度要求不高的经济型数控机床及旧设备改造中。
此系统与闭环系统相比，他没位置反馈回路和速度反馈回路，因而不需使用位置、速度测量装置以及复杂的控制调节回路，不仅降低了成本，而且与机床配接容易、控制使用方便。图为采用功率步进电动机的开环系统示意图

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