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山東輕工業(yè)學(xué)院2011畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明 第46頁(yè)
簡(jiǎn)易木工車(chē)床設(shè)計(jì)
作 者 姓 名 魏田
專(zhuān) 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
指導(dǎo)教師姓名 趙建國(guó)
專(zhuān)業(yè)技術(shù)職務(wù) 教授
摘 要
木工車(chē)床，它由床身、安裝在床身的導(dǎo)軌尾部的尾座、安裝在床身的導(dǎo)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(pán)、安裝在床頭箱上的電機(jī)、安裝在電機(jī)軸和主軸及床頭箱上的變速傳動(dòng)裝置所構(gòu)成，其特征在于所說(shuō)的變速傳動(dòng)裝置由固定在主軸端部的從動(dòng)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(dòng)變速三角帶輪的可動(dòng)半輪、以軸承安裝在可動(dòng)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(dòng)的齒條、與齒條嚙合端部穿過(guò)床頭箱的齒輪軸、以小軸安裝在齒輪軸端部的開(kāi)口槽中且?guī)в惺直钠妮啞惭b在電機(jī)軸或其連接軸上的主動(dòng)變速三角帶輪的可動(dòng)半輪和固定半輪、安裝在可動(dòng)半輪和電機(jī)軸或其連接軸端部的擋圈之間的壓簧以及安裝在主動(dòng)和從動(dòng)變速三角帶輪上的三角皮帶所構(gòu)成。 [1] 用木工車(chē)刀加工木料旋轉(zhuǎn)表面或復(fù)雜外形面的木工機(jī)床。木工車(chē)床分為普通木工車(chē)床、仿形木工車(chē)床和圓棒機(jī)等。
普通木工車(chē)床 工件裝夾在卡盤(pán)內(nèi)，或支承在主軸及尾架兩頂尖之間作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)（ [普通木工車(chē)床]）。車(chē)刀裝在刀架上，由溜板箱帶動(dòng)作縱向或橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，也可手持車(chē)刀靠在托架上進(jìn)給。普通木工車(chē)床用于車(chē)外圓、車(chē)端面（見(jiàn)車(chē)削）、切槽和鏜孔（見(jiàn)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(chē)床的歷史 1
1.1.2 木工車(chē)床的發(fā)展 2
1.1.3市場(chǎng)分析 3
1.1.4 生產(chǎn)分析 3
1.1.5 綜合分析 3
1.2 木工車(chē)床的基本結(jié)構(gòu)……………………………………………………………….4
1.2.1機(jī)床本體……………………………………………………………….. …………4
1.2.2 按加工工藝分類(lèi)………………………………………………………………… 4
1.2.3 木工車(chē)床按驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)分類(lèi)……………………………………………… 4
1.2.4 木工車(chē)床的特點(diǎn)………………………………………………………………….4
1.2.5 木工車(chē)床的應(yīng)用范圍…………………………………………………………….4
第二章主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 5
2.1概述 5
2.2床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 5
2.2.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式 6
2.2.2 主傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸電動(dòng)機(jī)的選型 6
2.2.3交流主軸電機(jī)的調(diào)速 8
2.2.4分級(jí)變速齒輪箱的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 9
3.2.5主傳動(dòng)系統(tǒng)組件的結(jié)構(gòu)形式 13
第三章伺服進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算 13
3.1伺服進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)概述 13
3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及開(kāi)環(huán)進(jìn)給控制 14
3.3縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 15
3.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù) 15
3.3.2縱向進(jìn)給切削力的確定 16
3.3.3 縱向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 16
3.3.4縱向進(jìn)給減速齒輪的設(shè)計(jì)與校核 19
3.3.5縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型 20
3.4橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 23
3.4.1橫向進(jìn)給切削力的確定 23
3.4.2橫向進(jìn)給切削力的確定 23
3.4.3 橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 24
3.4.4橫向進(jìn)給減速齒輪的設(shè)計(jì)與校核 25
3.4.5橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)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(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì) 35
4.1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架主要類(lèi)型及特點(diǎn) 35
4.2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的設(shè)計(jì)計(jì)算 36
4.2.1自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選用 36
4.2.2自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的蝸輪蝸桿設(shè)計(jì)計(jì)算 36
結(jié)論參考文獻(xiàn)
致謝 40
第一章 概述
1.O 引言
木工車(chē)床，它由床身、安裝在床身的導(dǎo)軌尾部的尾座、安裝在床身的導(dǎo)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(pán)、安裝在床頭箱上的電機(jī)、安裝在電機(jī)軸和主軸及床頭箱上的變速傳動(dòng)裝置所構(gòu)成，其特征在于所說(shuō)的變速傳動(dòng)裝置由固定在主軸端部的從動(dòng)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(dòng)變速三角帶輪的可動(dòng)半輪、以軸承安裝在可動(dòng)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(dòng)的齒條、與齒條嚙合端部穿過(guò)床頭箱的齒輪軸、以小軸安裝在齒輪軸端部的開(kāi)口槽中且?guī)в惺直钠妮啞惭b在電機(jī)軸或其連接軸上的主動(dòng)變速三角帶輪的可動(dòng)半輪和固定半輪、安裝在可動(dòng)半輪和電機(jī)軸或其連接軸端部的擋圈之間的壓簧以及安裝在主動(dòng)和從動(dòng)變速三角帶輪上的三角皮帶所構(gòu)成
。
1.1.1 木工車(chē)床的歷史
用于加工木材的車(chē)床出現(xiàn)較早。15世紀(jì)末，歐洲有了人力、畜力、風(fēng)力和水力驅(qū)動(dòng)的簡(jiǎn)單木工鋸機(jī)。1791年，英國(guó)的S.邊沁先后發(fā)明了平刨床、單軸木工銑床、鏤銑機(jī)和木工鉆床等。1805 年，英國(guó)的M.I.布津內(nèi)爾發(fā)明圓鋸機(jī)。1828年，美國(guó)的W.伍德沃思發(fā)明壓刨機(jī)。1834年，美國(guó)的G.佩奇和J.A.費(fèi)伊分別發(fā)明榫槽機(jī)和開(kāi)榫機(jī)。1880 年 ，發(fā)明了框鋸機(jī)。1900年，發(fā)明了多聯(lián)帶鋸機(jī)。此后隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，各種自動(dòng)木工機(jī)床相繼出現(xiàn)。
1.1.2木工車(chē)床的發(fā)展
國(guó)內(nèi)木工機(jī)械以山東青島，廣東倫教較為集中。 改革開(kāi)放以來(lái)，以前的老國(guó)有企業(yè)紛紛改制，轉(zhuǎn)變經(jīng)營(yíng)理念，像哈爾濱木工機(jī)械，蘇州福馬集團(tuán)，山西榆次熱壓機(jī)廠，山東威海木工機(jī)械廠，青島木工機(jī)械總公司等等，都完全轉(zhuǎn)變?yōu)槭袌?chǎng)經(jīng)營(yíng)體制。
砂光機(jī)以德國(guó)，意大利見(jiàn)長(zhǎng)，臺(tái)灣產(chǎn)砂光機(jī)在50-80年代占據(jù)了中低端市場(chǎng)，近二十年來(lái)，大陸產(chǎn)砂光機(jī)異軍突起，在大陸及世界各地運(yùn)轉(zhuǎn)生產(chǎn)，但是質(zhì)量仍然有待提高，質(zhì)量及性?xún)r(jià)比上以青島千川木業(yè)設(shè)備有限公司的“千川”牌，青島建成豪，新動(dòng)力等市場(chǎng)占有率較高，目前在國(guó)內(nèi)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(guó)的木工機(jī)械出口勢(shì)頭甚猛，主要市場(chǎng)以第三世界國(guó)家為主，東南亞，南亞地區(qū)為主，有些質(zhì)量比較好的甚至出口到美洲，歐洲市場(chǎng)。
總之，我國(guó)的木工機(jī)械發(fā)展已經(jīng)有了很大提高，但是質(zhì)量上仍然亟需提高才能在世界木機(jī)之林占有一席之地。
1.1.3 市場(chǎng)分析
據(jù)國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)，訂購(gòu)新的木工車(chē)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿(mǎn)足用戶(hù)需要。因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿(mǎn)足市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)充手段。
1.1.4 生產(chǎn)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(chǎn)占有相當(dāng)大的比重。若要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專(zhuān)用機(jī)床或木工車(chē)床，其中木工車(chē)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。
1.1.5 綜合分析
木工機(jī)電一體化技術(shù)的新成果不斷涌現(xiàn)，木工機(jī)械從純粹機(jī)械產(chǎn)品想機(jī)電一體化技術(shù)過(guò)渡，數(shù)控機(jī)械的普及率大大提高，加強(qiáng)數(shù)控?cái)?shù)控技術(shù)在木工機(jī)床上的應(yīng)用，重視和發(fā)展數(shù)控車(chē)床，以適應(yīng)多品種小批量生產(chǎn)需要的木工機(jī)械，發(fā)展木材加工機(jī)械的新產(chǎn)品
。
1.2 木工車(chē)床的基本結(jié)構(gòu)
1.2.1機(jī)床本體
木工車(chē)床的機(jī)床本體與傳統(tǒng)機(jī)床相似，由主軸傳動(dòng)裝置、進(jìn)給傳動(dòng)裝置、床身、工作臺(tái)以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置
1.2.2 按加工工藝方法分類(lèi)
木材切削類(lèi)木工車(chē)床
有木工車(chē)床、刨床、鉆床、磨床等。
1.3.3 木工車(chē)床按驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)分類(lèi)
1．開(kāi)環(huán)控制木工車(chē)床
控制系統(tǒng)不帶反饋裝置，使用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)。
開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低。但是不能進(jìn)行誤差校正，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的失步、步距角誤差、齒輪與絲杠等的傳動(dòng)誤差將影響被加工零件的精度。開(kāi)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(chē)床，特別是簡(jiǎn)易小型經(jīng)濟(jì)型木工車(chē)床。
2．半閉環(huán)控制木工車(chē)床
半閉環(huán)控制木工車(chē)床的特點(diǎn)是，在伺服電動(dòng)機(jī)的軸或木工車(chē)床的傳動(dòng)絲杠上裝有角度檢測(cè)的裝置（如光電編碼器等），通過(guò)檢測(cè)絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測(cè)移動(dòng)部件的實(shí)際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，對(duì)誤差進(jìn)行修正。半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的調(diào)試比較方便，且具有很好的穩(wěn)定性。目前大多將角度檢測(cè)裝置和伺服電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)成一體，并使結(jié)構(gòu)更加緊湊。
3．閉環(huán)控制木工車(chē)床
閉環(huán)控制木工車(chē)床的特點(diǎn)是在機(jī)床移動(dòng)部件上直接安裝直線位移檢測(cè)裝置，將測(cè)量的實(shí)際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移值進(jìn)行比較，用差值對(duì)機(jī)床進(jìn)行控制，且使移動(dòng)部件
1.4 木工車(chē)床的特點(diǎn)
1．對(duì)加工對(duì)象的適應(yīng)性強(qiáng)
在木工車(chē)床上改變加工零件時(shí)，只需重新編制（更換）程序，輸入新的程序就能實(shí)現(xiàn)新零件的加工。
2．生產(chǎn)效率高
木工車(chē)床能有效的減少機(jī)動(dòng)時(shí)間和輔助時(shí)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(yùn)動(dòng)時(shí)間。因而消耗在快進(jìn)、快退、和定位的時(shí)間比手工少得多
3.加工精度高
木工車(chē)床加工精度高，比手工加工精度高，適合對(duì)工件尺寸要求高的生產(chǎn)
4．良好的經(jīng)濟(jì)效益
在單件、小批量生產(chǎn)的情況下，可以節(jié)省工藝裝備費(fèi)用、輔助生產(chǎn)工時(shí)、生產(chǎn)管理費(fèi)用及降低廢品率，從而能夠獲得良好的經(jīng)濟(jì)效益。
1.4.2木工車(chē)床的應(yīng)用范圍
木工車(chē)床主要用于加工軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)等回轉(zhuǎn)體零件。通過(guò)數(shù)控加工程序的運(yùn)行，可自動(dòng)完成內(nèi)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(jìn)行車(chē)槽、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等工作。車(chē)削中心可在一次裝夾中完成多個(gè)工序的加工，提高加工精度和生產(chǎn)效率，尤其適合于復(fù)雜形狀回轉(zhuǎn)類(lèi)零件的加工。
第二章主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1概述
主傳動(dòng)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開(kāi)停、變速、換向和和制動(dòng)。
主傳動(dòng)系統(tǒng)包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，相比普通車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，因?yàn)樽兯俟δ苡芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)承擔(dān)，省去了復(fù)齒輪變速機(jī)構(gòu)，只有二級(jí)或三級(jí)齒輪變速系統(tǒng)以擴(kuò)大電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速的變速范圍。
2.1.1木工車(chē)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)
與普通機(jī)床比較，木工車(chē)床主傳動(dòng)系統(tǒng)具有下列特點(diǎn)：
1) 轉(zhuǎn)速高、功率大。使木工車(chē)床能進(jìn)行大功率切削和高速切削，實(shí)現(xiàn)高效率加工。
2) 變速范圍寬。一般Rn>100,以保證加工時(shí)能選用合理的切削用量，獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。
3) 主軸變速迅速可靠。木工車(chē)床的變速是按照控制指令自動(dòng)進(jìn)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。
主軸組件的耐磨性高，使傳動(dòng)系統(tǒng)具有良好的精度保持性。
2.1.2木工車(chē)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
1) 主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)，以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開(kāi)停、變速、換向和和制動(dòng)。
2) 主電動(dòng)機(jī)具有足夠的功率，機(jī)構(gòu)和元件具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以滿(mǎn)足機(jī)床的動(dòng)力要求。
3) 主傳動(dòng)的有關(guān)結(jié)構(gòu)，主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲小，傳動(dòng)效率高，以滿(mǎn)足機(jī)床的工作性能要求。
4) 操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤(rùn)滑密封好，從而足機(jī)床的使用要求。
5) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工藝性好，成本低，滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性要求。
2.2主傳動(dòng)系統(tǒng)的配置
2.2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的主軸電動(dòng)機(jī)的選型
木工車(chē)床的調(diào)速是按照控制指令自動(dòng)執(zhí)行的，因此變速機(jī)構(gòu)必須適應(yīng)自動(dòng)操作的要求。主傳動(dòng)系統(tǒng)中，多采用交流主軸電動(dòng)機(jī)和直流主軸電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速系統(tǒng)。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，適應(yīng)低速大轉(zhuǎn)矩的要求，經(jīng)常應(yīng)用齒輪有級(jí)調(diào)速和電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速相結(jié)合的調(diào)速方式。此處選用交流主軸電動(dòng)機(jī)配以齒輪變速箱實(shí)現(xiàn)分級(jí)無(wú)級(jí)調(diào)速。
交流調(diào)速電機(jī)體積小，轉(zhuǎn)動(dòng)慣性小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，沒(méi)有電刷，達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速比同功率的直流電動(dòng)機(jī)高，磨損和故障也少。中小功率領(lǐng)域已占優(yōu)勢(shì)，故本次設(shè)計(jì)選用交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)。通過(guò)調(diào)節(jié)供電頻率的辦法調(diào)速。功率特性見(jiàn)下圖：
主軸電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速時(shí)輸出全部功率和最大轉(zhuǎn)矩，隨著轉(zhuǎn)速的變化，功率.轉(zhuǎn)矩將發(fā)生變化。在額定轉(zhuǎn)速到最低轉(zhuǎn)速為恒轉(zhuǎn)矩速度范圍，在額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率速度范圍時(shí)。恒功率的速度范圍只有1：3速度比。當(dāng)電動(dòng)機(jī)速度超過(guò)某一定值之后，功率——速度曲線又會(huì)向下傾斜，不能保持恒功率。
2.2.2車(chē)床交流主軸電機(jī)的調(diào)速
交流主軸電動(dòng)機(jī)是交流感應(yīng)電動(dòng)機(jī),當(dāng)定子三相繞組通上交流電時(shí),將建立旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng),其主磁通Φm的空間轉(zhuǎn)速即同步轉(zhuǎn)速,其值為
n0 = 60f1/p (r/min)
式中 f1--定子供電電源頻率（HZ）
p—旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)極對(duì)數(shù)
感應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)數(shù)n為
n= n0（1-s）=60f1（1-s）/p
式中 s—轉(zhuǎn)差數(shù),s= n0-n / n0
由上式可知，調(diào)速方法大致可分為兩類(lèi)。第一類(lèi)改變同步轉(zhuǎn)數(shù)n0的調(diào)速，它分為兩種方法，一種是改變電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)p。由于p是整數(shù)，所以只能得到級(jí)差很大的有級(jí)調(diào)速，不能滿(mǎn)足一般木工車(chē)床的要求；另一種是改變電動(dòng)機(jī)的供電頻率f1?？傻玫狡交臒o(wú)級(jí)調(diào)速，是一種高效型的交流調(diào)速，范圍寬，精度高。第二種是不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速，一般的有調(diào)壓調(diào)速和電磁調(diào)速。由于轉(zhuǎn)差功率損耗，效率低，特性軟，不適合木工車(chē)床的調(diào)速。
在實(shí)際調(diào)速時(shí)，單純改變電源頻率是不行的，由“電動(dòng)機(jī)學(xué)”可知，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以n0速度切割定繞組，在每相繞組感應(yīng)電勢(shì)為
E1=4.44f1k1w1Φm≈u1
式中 k1w1—-定子每相繞組等效匝數(shù)；
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(diào)速中，保持定子電壓u1不變，主磁通大小將會(huì)發(fā)生變化。如頻率從工頻往下調(diào)節(jié)，則上升，導(dǎo)致鐵心過(guò)熱，功率因數(shù)下降，電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載能力降低。所以，必須在降低頻率的同時(shí)，降低電壓，以保持不變。這就是恒磁通變頻調(diào)速中的“調(diào)速控制”。
只用變頻調(diào)速，并且是有效方法。變頻調(diào)速主要環(huán)節(jié)是為交流電機(jī)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(wǎng)交流電經(jīng)整流器變?yōu)橹绷?，?jīng)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(méi)有中間環(huán)節(jié)，是直接將電網(wǎng)的交流電變?yōu)轭l率和電壓都可變的交流電。
目前對(duì)于中小功率電機(jī)，用最多的是電壓型交–直–交變頻器。
2.2.3車(chē)床分級(jí)變速齒輪箱的傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)木工車(chē)床主傳動(dòng)時(shí)，須考慮電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸功率特性匹配問(wèn)題。由于主軸要求的恒功率變速范圍（Rnp）遠(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)恒功率范圍Rdp，所以在主軸之間要串聯(lián)一個(gè)分級(jí)變速箱，從而擴(kuò)大其恒功率變速范圍，以滿(mǎn)足低速大功率切削時(shí)對(duì)電動(dòng)機(jī)的輸出功率的要求。
先設(shè)定主軸的最高轉(zhuǎn)速為4000r/min,最低轉(zhuǎn)速為了30r/min,計(jì)算轉(zhuǎn)速為150r/min，最大切削功率為5.5KW，交流主軸電機(jī)額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,最高轉(zhuǎn)速為4500r/min.
主軸要求的恒功率變速范圍Rnp=4000/150=26.7
電動(dòng)機(jī)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(yuǎn)大于電動(dòng)機(jī)所能提供的恒功率變速范圍，故必須配以分級(jí)變速箱。
變速箱的公比Φf等于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍Rdp, 即Φf=Rdp=3，功率特性圖是連續(xù)的，無(wú)缺口無(wú)重合的。變速箱的變速級(jí)數(shù)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(jí)數(shù) Z=lgRnp/lgΦf=2.99
取Z=3
變速齒輪箱采用一級(jí)變速三對(duì)齒輪副數(shù),齒數(shù)分別為:高速級(jí)Z1:Z2=112:58；中速級(jí)Z1:Z2=68：102；低速大轉(zhuǎn)矩級(jí)Z1:Z2=30：140
利用原車(chē)床主軸箱內(nèi)的第三軸和主軸，車(chē)床圖冊(cè)，兩軸的中心距為170mm。因所選用電機(jī)與原電機(jī)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(dòng)機(jī)輸出功率為7.5KW,額定轉(zhuǎn)速為1500r/min,則經(jīng)同步帶傳動(dòng)，第三根軸的轉(zhuǎn)速為750r/min。經(jīng)Z1:Z2=30/140傳動(dòng)后，主軸轉(zhuǎn)速為160r/min.
<2>大、小齒輪均采用45鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,選小齒輪硬度HBS260～290,大齒輪硬度HBS220～250,精度選6級(jí)。m=2mm,a=20°,齒寬b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齒輪傳動(dòng)效率η=0.98
<3>齒輪幾何尺寸計(jì)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(zhuǎn)矩
P——電動(dòng)機(jī)的輸出功率
η——齒輪傳動(dòng)效率 取0.96
2) 動(dòng)載荷系數(shù)
KA ——使用系數(shù)取1
Kv——?jiǎng)虞d荷系數(shù)取1.15
KB——齒向載荷系數(shù)取1.15
Ka——齒向載荷分配系數(shù)
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(yīng)力
——彎曲疲勞極限；=460N/mm2 =390N/mm2
——彎曲壽命系數(shù)
YX——尺寸系數(shù)取1
SF——安全系數(shù)取1.3
4) 齒要彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算
——齒形系數(shù) =2.4 =2.25
——應(yīng)力修正系數(shù) =1.653 =1.75
——重合度系數(shù)
則
故齒根彎曲強(qiáng)度足夠，滿(mǎn)足要求。
傳動(dòng)系統(tǒng)圖見(jiàn)下圖
轉(zhuǎn)速圖見(jiàn)下圖
主軸轉(zhuǎn)速4000r/min至145r/min由AB、BC、CD在段連接而成，在電動(dòng)機(jī)的恒功率區(qū)，從145r/min降至30r/min上圖中的CD段為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)。取總效率η=0.75，則電動(dòng)機(jī)功率P=5.5/0.75=7.3KW?？捎帽本?shù)控設(shè)備廠的BESK-8型交流主軸電動(dòng)機(jī)，額定輸出功率為7.5KW。
2.2.4主傳動(dòng)系統(tǒng)組件的結(jié)構(gòu)形式
在原有主軸軸承完好、運(yùn)轉(zhuǎn)正常的前提下保留原有主軸支撐方式。
保留原機(jī)床的主軸手動(dòng)變速，改造后使其主/運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主電機(jī)的作用為帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)。增加一只電磁離合器，接收數(shù)控系統(tǒng)的停機(jī)制動(dòng)信號(hào)從而控制原制動(dòng)裝置制動(dòng)停車(chē)。
在加工螺紋時(shí)，保證主軸每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀具準(zhǔn)確移動(dòng)一個(gè)導(dǎo)程，須主軸脈沖發(fā)生器作為主軸位置信號(hào)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(shí)現(xiàn)角位移信號(hào)傳遞的同時(shí)，能吸收車(chē)床主軸的部分振動(dòng)，從而使主軸脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)動(dòng)平.穩(wěn)，傳遞信號(hào)準(zhǔn)確。
木工車(chē)床主軸帶傳動(dòng)變速常常用多楔帶和同步帶。同步帶又稱(chēng)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(zhuǎn)速不高和小功率動(dòng)力傳動(dòng)中，圓弧齒多用在數(shù)控加工中心等要求較高木工車(chē)床主運(yùn)動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)中。選用H型梯形齒同步帶。
查閱手冊(cè)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(chē)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算
3.1車(chē)床伺服進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)概述
木工車(chē)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行等部件組成。它作用是接收數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出進(jìn)給速度和位移指令信號(hào)，由伺服驅(qū)動(dòng)電路作轉(zhuǎn)換和放大后，經(jīng)由伺服驅(qū)動(dòng)裝置（直流、交流伺服電動(dòng)機(jī)、功率步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)）和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床的工作臺(tái)、主軸刀架等執(zhí)行部件從而實(shí)現(xiàn)工作進(jìn)給和快速運(yùn)動(dòng)。木工車(chē)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)與一般機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)有本質(zhì)上的差別，它能根據(jù)指令信號(hào)精確地控制執(zhí)行部件的運(yùn)動(dòng)速度與位置，幾個(gè)執(zhí)行部件按一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)所合成的運(yùn)動(dòng)軌跡。
伺服進(jìn)給系統(tǒng)的基本要求：
1) 精度要求 伺服系統(tǒng)必須保證機(jī)床的定位精度和加工精度。對(duì)于低檔型數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制精度一般為0.01mm；而對(duì)于高性能數(shù)控系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)控制精度為1um甚至為0.1um。
2) 響應(yīng)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(yīng)特性，即要求跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快。
3) 調(diào)整范圍 調(diào)整范圍Rn指生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)能提供的最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)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(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須具有足夠?qū)挼恼{(diào)整范圍。
4) 低速、大轉(zhuǎn)矩 機(jī)床的加工特點(diǎn)，經(jīng)常在低速下進(jìn)行重切削，在低速下進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)必須有大的轉(zhuǎn)矩輸出。
伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制包括開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)三種方式。開(kāi)環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不高問(wèn)題，步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會(huì)積累。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速輸入脈沖頻率也有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，具有在負(fù)載能力范圍內(nèi)不隨電流、電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化的特點(diǎn)。步進(jìn)電機(jī)控制的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)不存在位置檢測(cè)與反饋控制的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，方便控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的進(jìn)展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進(jìn)電機(jī)傲為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)足以滿(mǎn)足加工要求，適宜于在精度要求不很高的數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。
雖閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實(shí)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(cè)、反饋比較以及伺服放大等環(huán)節(jié)，除給安裝調(diào)試增加了工作量和復(fù)雜性外，從控制理論角度看，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，難度也將大為提高。此次設(shè)計(jì)精度要求不是很高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，我們采用了微機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。
3.2步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及開(kāi)環(huán)進(jìn)給控制
步進(jìn)電機(jī)，是把電脈沖信號(hào)變成直線位移或角位移的執(zhí)行元件，是一種用脈沖信號(hào)來(lái)控制的電動(dòng)機(jī)，也稱(chēng)脈沖電動(dòng)機(jī),在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)將來(lái)自數(shù)控裝置的進(jìn)給脈沖輸出，電動(dòng)機(jī)角位移與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率為正比。對(duì)每一個(gè)電脈沖,步進(jìn)電機(jī)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的步進(jìn)角位移,每一個(gè)脈沖每步的轉(zhuǎn)角稱(chēng)步進(jìn)電機(jī)的步距角θb, θb取為0.75。每個(gè)脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角,這個(gè)轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲杠副使工作臺(tái)移動(dòng)一定距離"每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的執(zhí)行件的移距,稱(chēng)為脈沖當(dāng)量或分辨率根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量δp，縱向：0．01mm／步；橫向：0．005 mm／step。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于控制繞組與電源接通和斷開(kāi)的脈沖變化頻率。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是以開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)而無(wú)需反饋,無(wú)穩(wěn)定性問(wèn)題,無(wú)累積定位誤差,響應(yīng)數(shù)字信號(hào),適合于數(shù)字計(jì)算機(jī)控制,機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,很少需要維護(hù),不易受污染,可重復(fù)地堵轉(zhuǎn)并且不會(huì)損壞,相當(dāng)堅(jiān)固耐用。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)缺點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)的增量和步距是固定的，在步進(jìn)分辯率上缺乏靈活性，承受大慣性負(fù)載的能力有限供使用的電機(jī)尺寸和輸出功率是有限的。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的種類(lèi)很多，分為三種類(lèi)型：反應(yīng)式、永磁式.混合式。反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是采用磁阻轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的，是國(guó)內(nèi)現(xiàn)在使用最廣泛的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)形式。
3.3縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.3.1 設(shè)計(jì)參數(shù)
加工最大直徑：在床面上Φ400mm，在床鞍上Φ210 mm；
加工最大長(zhǎng)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(jìn)給速度：縱向O．8 m／min；
主電動(dòng)機(jī)功率：P主=7，5 kW；
起動(dòng)加速時(shí)間：30 ms；
機(jī)床定位精度：±0．015 mm。
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量δp，縱向：0．01mm／步；橫向：0．005 mm／步。
3.3.2縱向進(jìn)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(shí)的最低速度
主切削力Fz按經(jīng)驗(yàn)公式估算：
Fz=0.67Dmax1.5=5360N
式中Dmax為車(chē)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(jìn)給滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
滾珠絲杠工作原理及特點(diǎn)：
滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的傳動(dòng)裝置，是木工車(chē)床伺服系統(tǒng)中使用廣泛的傳動(dòng)裝置。在絲杠和螺母上分別加工出圓弧形螺旋槽，這兩個(gè)圓弧形槽合起來(lái)形成了螺旋滾道，在滾道內(nèi)裝入滾珠。當(dāng)絲杠相對(duì)螺母旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在螺旋滾道內(nèi)滾動(dòng)，使二者發(fā)生軸向相對(duì)位移。為了防止?jié)L珠從螺母中滾出來(lái)， 螺母的螺旋槽兩端設(shè)有回程引導(dǎo)裝置，使?jié)L珠能返回絲杠螺母之間構(gòu)成一個(gè)閉合回路。滾珠的存在，絲杠與螺母之間是滾動(dòng)摩擦，僅在滾珠之間存在滑動(dòng)摩擦。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)有下列特點(diǎn)。
1) 摩擦損失小、且傳動(dòng)效率高。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)效率可達(dá)0.92～0.96是普通滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的3～4倍，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的四分之一。
2) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時(shí)無(wú)爬行.由于主要存在的是滾動(dòng)摩擦，不僅動(dòng)、靜摩擦因數(shù)小，而且其差值也很小，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，動(dòng)作靈敏，即使是在低速情況下也不會(huì)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(shí)現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度，反向時(shí)無(wú)空行程，定位精度高。
4) 磨損小、壽命長(zhǎng)、和維護(hù)簡(jiǎn)單，使用壽命是普通滑動(dòng)絲杠的4～10倍。
5) 傳動(dòng)具有可逆性、不能自鎖，因?yàn)槟Σ烈驍?shù)小，不能自鎖因而該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)具有可逆性，不僅可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，而且還可把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
6) 同步性好，用幾套相同的滾珠絲杠副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的部件，可獲得較好的同步性。
7) 有專(zhuān)業(yè)工廠生產(chǎn)，選用配套方便，滾珠絲杠不僅廣泛應(yīng)用于木工車(chē)床，而且越來(lái)越多地代替普通絲杠螺母機(jī)構(gòu)，用于各種精密機(jī)床和精密裝置。
(1)計(jì)算進(jìn)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(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1．15；
f′——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取：0．15～0．18；
G——溜板及刀架重力，G=800N。
(2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Cm=,
L=60nT/106
n=1000Vs/L。
式中L——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L。=8mm；
Vs——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的(1／2～1／3)，此處Vmax=0．8m／min；
T——使用壽命，木工車(chē)床用滾動(dòng)絲杠壽命15000h；
fw——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)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(jìn)給滾珠絲杠螺母副的選型
滾珠絲杠副選擇的依據(jù)是工作動(dòng)負(fù)荷Cm (N)必須小于滾珠絲杠的額定動(dòng)負(fù)荷Ca(N),即必須滿(mǎn)足: Cm
傳動(dòng)比的選定
對(duì)于步進(jìn)電機(jī),當(dāng)脈沖當(dāng)量δp確定,并且滾珠絲杠導(dǎo)程的L0和電機(jī)步距角θb選定后,該軸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比
i=θb?L0/(360δp)=0.75*8/(360*0.01)=1.667
<2>齒輪的設(shè)計(jì)
大、小齒輪采用45鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,選小齒輪硬度HBS260～290,大齒輪硬度HBS220～250,精度選6級(jí)。m=2mm,a=20°,z1=42,z2=70,齒寬b=17mm,ha*=1,c*=0.25,齒輪傳動(dòng)效率η=0.98
<3>齒輪幾何尺寸計(jì)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(zhuǎn)矩 T1=T*K1
式中 T——電動(dòng)機(jī)的輸出功率
K1——J電動(dòng)機(jī)效率 取0.96
則T1=9600Nmm
6) 小齒輪的轉(zhuǎn)速
7) 小齒輪的圓周速度
8) 動(dòng)載荷系數(shù)
式中 KA ——使用系數(shù)取1
Kv——?jiǎng)虞d荷系數(shù)取1.15
KB——齒向載荷系數(shù)取1.15
Ka——齒向載荷分配系數(shù)
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(yīng)力
式中：——彎曲疲勞極限；1=460N/mm2 2=390N/mm2
——彎曲壽命系數(shù)
YX——尺寸系數(shù)取1
SF——安全系數(shù)取1.3
則
10) 齒要彎曲疲勞強(qiáng)度校核計(jì)算
由式
式中 ——齒形系數(shù) =2.4 =2.25
——應(yīng)力修正系數(shù) =1.653 =1.75
——重合度系數(shù)
則
故齒根彎曲強(qiáng)度足夠，滿(mǎn)足要求。
3.3.5縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型
(1)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣性量計(jì)算
傳動(dòng)系統(tǒng)算到電機(jī)軸上總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
式中 JM—— 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg/cm2，
J1,J2 — —齒輪z1，z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg/cm2
Js —— 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量kg/cm2
初選磁滯式(反應(yīng)式)步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM=10 kg/cm2
對(duì)材料為鋼的圓柱形零件,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算:
式中 D—圓柱形零件直徑
L—零件軸向長(zhǎng)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(zhǎng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)慣量=46.345 kg/cm2
(2)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
a.快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩Mq=Mamax+Mf+M0
式中 Mq----快速起動(dòng)時(shí)所需力矩
Mamax—快速空載時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的最大加速力矩
Mf-----折算到電動(dòng)機(jī)軸的摩擦力矩
M0-----絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加摩擦力矩
當(dāng)工作臺(tái)快速移動(dòng)時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩Mf=FoLo/2ηi
式中 Fo----導(dǎo)軌的摩擦力Fo=f′(Fz+G)
Fc----垂直方向切削力
η----主傳動(dòng)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(yù)加負(fù)荷取1/3Fm=2530/3=843N
ηs----滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取為0.9
Mq=Mamax+Mf+M0=808.87+88.218+28.980=926.07Ncm
b. 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩Mk= Mf+M0=88.218+28.980=117.198Ncm
c. 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩MQ= Mf+M0+Mt
式中 Mt----折算到電動(dòng)機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩=FxLo/2ηi=127.96 Ncm
則MQ=88.218+28.980+127.96=245.158Ncm
從上面計(jì)算可以看出，Mq ，Mk ，MQ三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大。以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。查表，查表，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)
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(zhuǎn)矩，查表，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)矩為1372 Ncm。大于所需最大靜力矩，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。
(3)計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高工作頻率
Fmax=1000Vmax/60δ=1000*2.4/60/0.01=4000Hz
150BF002型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載起動(dòng)頻率為2 800 Hz，運(yùn)行頻率為8 000 Hz。由150BF002步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性曲線看出當(dāng)步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)， =2 500 Hz時(shí)，M=100 Ncm。不能滿(mǎn)足此機(jī)床所需求的空載起動(dòng)力矩(926.07Ncm)，直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以采用升降速控制(用軟件實(shí)現(xiàn))，將運(yùn)動(dòng)頻率降到1 000H2時(shí)，起動(dòng)力矩可增到588．4 Ncm，然后在電路上采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，可將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大1倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率特性可以滿(mǎn)足要求。
根據(jù)計(jì)算綜合考慮選150BF002型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù):
型號(hào): 150BF002
相數(shù): 5
步距角(°): 0.75
電壓/V: 80/12
相電流/A: 13
最大靜轉(zhuǎn)矩/(N·m): 13.72
空載起動(dòng)頻率/(step/s): 2800
空載運(yùn)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(zhì)量/kg: 14
3.4橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.4.1橫向進(jìn)給切削力的確定
設(shè)計(jì)參數(shù)：
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(jìn)給速度：橫向0．4 m/min；
主電動(dòng)機(jī)功率：P主=7，5 kW；
起動(dòng)加速時(shí)間：30 ms；
機(jī)床定位精度：±0．015 mm。
滾珠絲杠導(dǎo)程取為6mm
3.4.2橫向進(jìn)給切削力的確定
橫向進(jìn)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(jìn)給滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
(1) 選型
橫向?yàn)檠辔矊?dǎo)軌，則軸向進(jìn)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(shí)驗(yàn)系數(shù)，燕尾導(dǎo)軌取K=1.4；
f′——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，?。?.2；
G——溜板及刀架重力，G=600N。
(2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載Cm=,
L=60nT/106
n=1000Vs/L。
式中 L——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L。=6mm；
Vs——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的(1／2～1／3)，此處Vmax=0．4m／min；
T——使用壽命，木工車(chē)床用滾動(dòng)絲杠壽命15000h；
fw——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)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(jù)Cm值，Cm 傳動(dòng)比的選定
對(duì)于步進(jìn)電機(jī),當(dāng)脈沖當(dāng)量δp確定,并且滾珠絲杠導(dǎo)程L0和電機(jī)步距角θb選定后,則該軸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比
i=θb?L0/(360δp)=0.75*6/(360*0.005)=2.5
<2>齒輪的設(shè)計(jì)
采用二級(jí)齒輪傳動(dòng),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(jìn)行調(diào)質(zhì)處理,選小齒輪硬度HBS260～290,大齒輪硬度HBS220～250,精度選6級(jí)。m=2mm,a=20°,齒寬b=20mm,ha*=1,c*=0.25,齒輪傳動(dòng)效率η=0.98
<3>齒輪幾何尺寸計(jì)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(jí)齒輪副強(qiáng)度校核：
1) 小齒輪轉(zhuǎn)矩 T1=T*K1
式中 T——電動(dòng)機(jī)的輸出功率
K1——J電動(dòng)機(jī)效率 取0.96
則T1=9600Nmm
2) 小齒輪的轉(zhuǎn)速
3) 小齒輪的圓周速度
4) 動(dòng)載荷系數(shù)
式中 KA ——使用系數(shù)取1