Z3063摇臂钻床的数控化改造设计（全套图纸）

1、z3063 摇臂钻床的数控化改造摇臂钻床的数控化改造 z3063 radial drilling machine of numerical control transformation 2015 年 2 月 z3063 摇臂钻床的数控化改造摇臂钻床的数控化改造 摘要：针对公司车间的 z3063 摇臂钻床的特点，结合电气系统的组建与调试对 z3063 摇臂钻床工作原理的了解及对 plc 的学习，确定了钻床的数控化改造方案，介 绍了机械的改造设计、plc 控制系统设计。改造钻床是为了提高了加工效率和加工精 度，取得了较好的应用效果，而且也加深自身对数控机床的认识，并能够初步掌握 机电一体化系统的机

2、械设计和自动化设计方法。对于自己所学的知识进行可行性实 践，培养设计能力及独立思考的能力，巩固并强化理论知识，为以后工作起到打基 础的作用，培养自己的创新意识和动手能力。 关键词：数控化改造；点位控制；plc；流程设计 abstract: in view of the company workshop z3063 radial drilling machine, the characteristics of combination of form and debugging of electrical system for z3063 radial drilling machine worki

3、ng principle of understanding and learning of plc, determine the drilling machine of numerical control transformation plan, introduced the mechanical design, plc control system design. transforming drilling machine is to improve the machining efficiency and machining accuracy and have achieved good

4、application effect, but also deepen their understanding of cnc machine tool, and can preliminary master electromechanical integration design method of mechanical design and automation of the system. feasibility for their learned knowledge to practice, raises the design ability and the ability of ind

5、ependent thinking, consolidate and strengthen the theoretical knowledge, have the effect of the groundwork for later work, cultivate their innovation consciousness and practice ability. key words: numerical control transformation; position control; plc; process design 目 录 第一章. 前言4 第二章. 数控改造的目的6 第三章.

6、 改造方案的确定7 3.1 机械部分的改造7 3.2 数控控制部分的改造7 3.2.1 plc 在电气控制系统中的应用 7 3.2.2 plc 控制系统设计的基本原则8 3.3 x 坐标机械设计 8 3.3.1 x 工作台设计 8 3.3.2 导轨的设计选型 9 3.3.3 滚珠丝杠的设计计算 11 3.3.4 步进电机的计算选型 14 3.3.5 联轴器的选择 16 3.3.6 丝杠轴承的选择 17 3.4 y 方向机械设计 20 3.4.1 y 方向步进电机的计算选型 20 3.4.2 联轴器的选择 21 3.5 z 方向机械设计 21 3.5.1 z 方向步进电机计算选型 22 3.5.

7、2 联轴器的选择 22 第四章.数控控制系统设计24 4.1 z3063 摇臂钻床分析控制对象、确定控制要求24 4.1.1 对电动机 m1 的要求24 4.1.2 对电动机 m2 的要求24 4.1.3 对电动机 m3 的要求24 4.1.4 电动机24 4.2 确定 i/o 点数24 4.3 绘制 i/o 端子接线图24 4.4 梯形图设计25 4.4.1 摇臂的升降过程25 4.4.2.主轴箱和立柱箱的松开与夹紧26 4.5 微机控制系统及接口电路27 4.6 加工程序编制及计算机辅助编程27 4.7 加工试验及结论28 4.8 改造后数控摇臂钻床的结构特点28 第五章. 总结30 第六

8、章. 致谢31 第七章. 参考文献32 第一章第一章 前言前言 据资料介绍，我国 拥有 400 多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。 这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新， 替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将 我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我 国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。在过去 的几十年里，金属切削机床的基本 动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映 到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能

9、提高加工的精度，现已有一些企 业在这方 面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的 要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使 改造后的设备适应能力加大了许多。 这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。数控机床是综合了微电子、 计算机 、自动控制、自动检测等先进技术的新型机床，最适宜加工小批量、高精度、品种 多、生产周期要求短的零件。当变更加工对象时只需要更换零件加工程序，无需对机床作 任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工要求。虽然数控机床的优势很大，但是 对于制造企业，单纯地靠购买数控机床来解决现状，一方面需要大量的资金投入；另一方 面

10、，将原有的普通机床闲置，势必造成一种浪费。为了节约资金、降低成本，在原普通机 床的基础上，进行数控化改造，是一种一举两得的有效途径，既经济又快捷。在美国、日 本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，正处黄金时代。 用数控技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形成了机床及和生产线数控改造的新行 业。数控机床是装备制造业的工作母机，是实现制造技术和装备现代化的基石。国际上一 些国家一直把高性能数控机床作为战略物资而严格控制，限制我国进口高性能数控机床。 国外装备制造业的发展经验表明，发展装备制造业，数控机床是基础。 总体来看，我国数控工业与世界先进水平相比，差距十分明显。

11、一是国产高档，数控机床 在品种水平和数量上远远满足不了国内发展需求，高档数控机床目前仍然要大量依赖进口。 二是数控机床功能部件和数控系统发展滞后，成为我国数控机床产业发展的瓶颈。三是机 床制造企业技术水平不高，制造能力、综合管理和服务能力等方面不能满足市场快节奏发 展的要求。四是大型国有企业的旧有设备比例大，设备更新所需资金缺口大。 本文针对公司车间的 z3063 摇臂钻床进行数控化改造。 采用机械预选变速机构，可节省辅助时间。 主轴正反转、停车、变速、空挡等动作，用一个手柄控制，操纵轻便夹紧。 主轴箱、摇臂、内外柱采用液压驱动的菱形块夹紧机构，夹紧可靠。 摇臂上导轨、主轴套筒及内外柱回转滚道

12、等处均进行淬火处理，可延长使用寿命。 主轴箱的移动除手动外，还能机动。 z3063 机械型摇臂钻床主要技术参数： 钻孔最大直径：铸件 63 主轴中心线至立柱母线距离：500-2040 主轴箱水平移动距离：1500 主轴端面至底座工作面距离：680-1350 主轴行程：350 立柱直径：330 主轴锥孔：5 主轴转速范围：34、47、66、90、130、180、240、340、470、650、930、1280 主轴转速级数：12 主轴进给量范围：0.10、0.15、0.25、0.40、0.63、1.00 主轴进给级数：6 主轴允许最大进给抗力：17000n 摇臂升降速度：1.3 摇臂顺转角度：3

13、60 主电机功率：5.5 升降电机功率：1.5 净重：3500 工作台尺寸：650*500*400（4 道 t 型槽） 外形尺寸：2650 x1050 x2700 z3063 摇臂钻床是工厂中常用的金属切削机床，它可以进行多种形式的加工如：钻孔、镗 孔、铰孔及螺纹等。从控制上讲，它需要机、电、液压等系统相互配合使用，而且要进行 时间控制。它的调速是通过三相交流异步电动机和变速箱来实现的。也有的是采用多速异 步电动机拖动，这样可以简化变速机构。摇臂钻床的主轴旋转运动和进给运动由一台交流 异步电动机拖动，主轴的正反向旋转运动是通过机械转换实现的。故主电动机只有一个旋 转方向。此外，摇臂的上升、下降

14、和立柱的夹紧、放松各由一台交流异步电动机拖动。 摇臂钻床适合与在大、中型零件上进行钻孔、扩口、绞孔及攻螺纹等工作，在具有工 艺装备的条件下还可以进行镗孔。 z3063 摇臂钻床由底座、外立柱、内立柱，摇臂、主轴箱及工作台等部分组成。 内立柱固定在底座的一端，外立柱套在内立柱上，工作时用液压夹紧机构与内立柱夹紧， 松开后可绕立柱回转 360 度。摇臂的一端为套筒，它套在外立柱上，经液压夹紧机构可与 外立柱夹紧。夹紧机构松开后，借助升降丝杆的正、反向旋转可沿外立柱上、下移动。由 于升降丝杆与外立柱构成一体，而升降螺母则固定在摇臂上，所以摇臂只能与外立柱一起 绕内立柱回转。 主轴箱是一个复合部件，它

15、由主传动电动机。主轴和主轴传动机构、进给和变速机构以 及机床 的操作机构部分组成。主轴箱安装与摇臂的水平导轨上，可以通过手轮操作使主轴箱沿水 平导轨移动，通过液压夹紧机构固在摇臂在。钻削加工时，主轴旋转为主运动，而主轴的 直线移动为进给运动。即钻孔使钻头一面做旋转运动，同时做纵向进给运动，主轴变速和 进给变速的机构在主轴箱内，用变速机构分别调节主轴转速和上下进给量。摇臂钻床的主 轴旋转运动和进给运动由一台交流异步电动 m1 机拖到。 摇臂钻床的辅助运动有，摇臂沿外立柱的上升、下降、立柱的夹紧和松开以及摇臂与外立 柱一起绕内立柱的回转运动。摇臂的上升、下降由一台交流电动机 m2 拖动，立柱的夹紧

16、 和松开、摇臂的夹紧与松开以及主轴箱的夹紧和松开是有另一台交流电动机 m3 拖动一台 齿轮泵，供给夹紧装置所需的压力油推动夹紧机构液压系统实现的。而摇臂的回转和主轴 箱沿摇臂水平导轨方向的左右移动。 第二章第二章 数控改造的目的数控改造的目的 随着石油化工、热能工程等行业的发展，管板类零件的加工需求越来越多，要求越 来越高。如换热器管板和折流板上钻有大量的孔，以便穿过换热管。为了使换热管能顺利 地插入管板，不仅要求每个孔有一定的尺寸精度，更重要的是孔间的相互位置精度(误差一 般要求为 0.05mm 左右)。以往加工管板、折流板的工艺流程为：划线打洋冲打中心 孔检验钻孔。这种方法不仅劳动强度大、

17、工序多、每件加工需要百余个工时，而且加工 精度低，经常出晚换热管插不进管板、折流板，造成工件报废和返工。因此使用高精度、 高自动化的数控机床加工已势在必行。但是购置专用大型数控机床或加工中心价洛昂贵， 如将工厂现有的普通摇臂钻床(如 z3063 型)进行数控化改造，则是一项费用低、收效快、 切实可行的方案。同时也可以加深对数控机床的认识，巩固加深自己所学的知识，并能够 利用所学的专业理论与实践结合。同时进一步了解机电一体化的一些基本知识，并能够初 步掌握机电一体化系统的机械设计和自动化设计方法，对于自己所学的知识进行可行性实 践培养设计能力及独立思考的能力，巩固并强化理论知识，为以后工作起到打

18、基础的作 用，培养自己的创新意识和动手能力。 第三章第三章 改造方案的确定改造方案的确定 3.3. 1 1 机械部分的改造机械部分的改造 根据摇臂钻床布局，欲加工此类管板零件，只要控制钻床主轴走出每个加工孔的点位即可， 为有直角坐标控制方式和极坐标控制方式两种改造方案。后一种方案结构紧凑，加工范围 能充分利用(由于数控转台的回转，其加工范围扩大为 y 向行程的一倍)。只要将图纸中孔 的尺寸标注从直角坐标转化为极坐标即可，这对现今使用计算机来说是极其简单的事，因 而被采用。 3.3. 2 2 数控数控 plcplc 控制系统部分的改造控制系统部分的改造 根据校企合作开发系列教材电气系统的组建与调

19、试对 z3063 摇臂钻床工作原理的 学习和对车间老师的请教以及在车间工作时对 z3063 摇臂钻床的操作，仔细阅读、分析 z3063 摇臂钻床的电气原理图，确定各部分的要求，进行 z3063 摇臂钻床的 plc 控制系 统部分的改造，使机床实现自动化，数控化的改造。 3.3. 2.2. 1 1 p pl lc c 在在电电气气控控制制系系统统中中的的应应用用 现代工业生产中，中小批量零件的生产占产品数量的比例越来越高，零件的复杂性和精度要 求迅速提高，传统的普通钻床已经越来越难以适应现代化生产的要求，制造业的竞争已从早期降 低劳动力成本、产品成本，提高企业整体效率和质量的竞争，发展到全面满足

20、顾客要求、积极开 发新产品的竞争，将面临知识技术产品的更新周期越来越短，产品批量越来越小，而对质量、 性能的要求更高，同时社会对环境保护、绿色制造的意识不断加强，因此敏捷先进的制造技术将 成为企业赢得竞争和生存、发展的主要手段。计算机信息技术和制造自动化技术的结合越来越紧 密，作为自动化柔性生产重要基础的“软”控制系统机床，在生产中所占比例将越来越高。 20 世纪 70 年代以前，电气自动控制的任务基本上是由继电器控制系统来完成。继电器控制系统的 优点是结构简单、价格低廉、抗干扰能力强， 所以当时应用的十分广泛，至今仍在许多简单的机械设备中应用。 但是，该类控制系统的缺点也十分明显，它采用固定

21、的硬件接线方式来完成各种逻辑控制，灵活 性差；另外机械性触点的工作频率低，易损坏，因此可靠性较差。 随着信息化产业的高速发展， 数控机床的功能日趋完善，数控机床已经完全取代了普通机床，而数控技术是机械加工自动化的 基础，是数控机床的核心技术，其水平高、低关系到国家战略地位、国民经济水平和体现国家综 合实力的水平。今后数控技术又将向着高精化，高速化，高效化，系统化，自动化，智能化，集 体化方向发展，并注重工艺适用性和经济性。 plc 的应用面广、功能强大、使用方便，是当代 工业自动化的主要设备之一。plc 以软件手段实现了各种控制功能，与继电器控制系统相比，灵 活性大大提高；与普通的计算机相比，

22、又具有可靠性高、抗干扰能力强、编程简单、组合灵活、 扩展方便、体积小等突出优点，因而在机床电气控制系统中得到广泛的应用。 3.2.23.2.2 plcplc 控制系统设计的基本原则控制系统设计的基本原则 1. 最大限度地满足被控对象的控制要求 充分发挥 plc 的功能，最大限度地满足被控对象的 控制要求，是设计 plc 控制系统的首要前提，这也是设计中最重要的一条原则。这就要求设计 人员在设计前就要深入现场进行调查研究，收集控制现场的资料，收集相关先进的国内、国外资 料。同时要注意和现场的工程管理人员、工程技术人员、现场操作人员紧密配合，拟定控制方案， 共同解决设计中的重点问题和疑难问题。 2

23、. 保证 plc 控制系统安全可靠 保证 plc 控制系统能 够长期安全、可靠、稳定运行，是设计控制系统的重要原则。这就要求设计者在系统设计、元器 件选择、软件编程上要全面考虑，以确保控制系统安全可靠。例如：应该保证 plc 程序不仅在 正常条件下运行，而且在非正常情况下（如突然掉电再上电、按钮按错等） ，也能正常工作。 3. 力求简单、经济、使用及维修方便 一个新的控制工程固然能提高产品的质量和数量，带来巨大 的经济效益和社会效 益，但新工程的投入、技术的培训、设备的维护也将导致运行资金的增加。因此，在 满足控制要求的前提下，一方面要注意不断地扩大工程的效益，另一方面也要注意不断地降低工 程

24、的成本。这就要求设计者不仅应该使控制系统简单、经济，而且要使控制系统的使用和维护方 便、成本低，不宜盲目追求自动化和高指标。 4. 适应发展的需要 由于技术的不断发展， 控制系统的要求也将会不断地提高，设计时要适当考虑到今后控制系统发展和完善的需要。这就 要求在选择 plc、输入/输出模块、i/o 点数和内存容量时，要适当留有裕量，以满足今后生产的 发展和工艺的改进。 3.33.3 x x 坐标机械设计坐标机械设计 x 方向是一个独立的工作台。机械改造设计的内容包括：确定工作台尺寸及重量，导轨的设计选 型，滚珠丝杠螺母副的设计计算选型，步进电机参数的计算选型，联轴器的选型，丝杠支承轴承 的选型

25、。 3.3.13.3.1 x x 工作台设计工作台设计 z3063 底座在 x 方向尺寸为 1000mm，主轴箱在摇臂上行程，即 y 方向行程为 900 毫米，z3063 适 用于加工大型零件，现确定其加工零件的最大质量为 200kg。 本方案设计的 x 工作台是用螺栓和 z3063 原工作台的 t 型槽连接的，而不拆除原有工作台。原工 作台 x，y，z 方向的尺寸为 500mm、630mm、500mm。z3063 原工作台面到钻床底座的距离，即 z 方向尺寸为 500mm，上面再增加一个滚珠丝杠驱动的工作台，总体尺寸不会超过 1000mm。此方案 相当于稍微增加了原工作台的高度。 设计工作台

26、 x，y，z 方向尺寸确定为 350mm、580mm、50mm。考虑到对工作台强度及刚度的要求， 确定工作台厚度即 z 方向尺寸 50mm。工作台上铣出 3 条 t 型槽，这样能够保证在加工最大尺寸 工件时，能够用 t 型槽与螺栓给工件定位。 确定工作台上 t 型槽各项参数：底部宽度 b=25mm，顶部宽度 a=14mm，底部高度 c=11mm，t 型槽 总高 h=28mm，槽间距 p=80mm。与 t 型槽配合的螺栓尺寸：m12，螺栓头宽 s=22mm，螺栓头厚度 k=6mm。t 型槽参考资料：gb/t 1581996，如图 3-1,图 3-2 所示 本标准等效采用国际标准 iso 299机

27、床工作台t 形槽和相应的螺栓并补充了 t 形槽 不通端型式及尺寸、t 形槽用螺母。 工作台的材料取 45 号钢，表面热处理使其硬度达到要求，密度为 =7.8kg/cm3 所以，工作台的 质量： m=v m=58010-135010-15010-17.8 =79.17kg 根据要求，加工零件的最大质量为 200kg，再估计一下工作台上各种部件的质量，x 方向滚珠丝 杠驱动的质量按 400kg 计算。 3.3.23.3.2 导轨的设计选型导轨的设计选型 原工作台 x 方向尺寸 500mm，y 方向尺寸为 630mm，设计导轨 x 方向尺寸为 720mm，导轨 y 方向最 大尺寸为 580mm。x

28、方向工作台的导轨选用矩形滑动导轨宽式组合，这种导轨的结构特点是承载 能力大，刚性较高，形状规则，制造和维修方便；但矩形导轨侧面有间隙，导向精度较低，适用 于普通精度机床。为了降低摩擦系数，在导轨面上粘贴聚四氟乙烯薄片。 矩形导轨截面如图 3-3 所示。 根据 x 工作台及原 z3063 工作台的尺寸，确定导轨的尺寸如下：导轨跨度 a=500mm，导轨宽度 b=40mm，b1=16mm，h=25mm，压板厚度 h=16，镶条厚度 b=8mm，镶条宽度 h1=24.5mm。 矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。在垂直方向上，一般采用下压板调整它的低面 间隙，其方法有：刮研或配磨下压板的结合

29、面；用螺钉调整镶条位置；改变垫片的片数或厚度。 在水平方向上，常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。 因为为了保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力； 间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，要废很大的劳动量，而且导轨经过 长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。 间隙调整装置广泛采用镶条和压板，设计时，除了考虑保证调整容易外，应该注意增强它们的刚 性。镶条装在运动部件上并位于受力较小的一侧。如果两侧受力都较大时，应选择斜镶条。但由 于受力大的一侧磨损大，间隙消除后，会使运动部件向装镶条的另一侧移动。如果不允许有横

30、向 移动 (例如用丝杠传动会引起丝杠弯曲)，可在导轨两侧各用一条镶条，以保持间隙调整后中心 位置不变。运动部件达到行程终点时，镶条不许伸出过多。 综合考虑各种因素，确定选择平镶条和矩形压板。如图 3-4 所示、 平镶条结构说明：镶条各面彼此平行，用均布的顶紧螺钉使镶条横向移动来调整间隙。这种镶条 的特点是，制造简单，调整麻烦，各处间隙很难调整到一致，沿镶条全长只有几点受力，接触刚 度差。这种平镶条用于短的或受力不大的各种不太重要的场合。 矩形压板结构说明：调整间隙时磨削或修刮压板和工作台下部的水平接合面，结构简单，调整麻 烦，要拆卸压板，用于磨损较小或间隙对加工精度影响不大的场合。 压板受力较

31、大，或导轨工作长度较短时，压板长度等于导轨长度。当压板受力不大、或导轨工作 长度较长时，只需在运动部件的两端或中间(受力区)装短压板，其长度可取为导轨工作长度的 1/3 或 1/4。在此，取压板长度等于运动的工作台 x 方向尺寸 350mm，镶条长度取相同的值 350mm。 3.3.33.3.3 滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的设计计算 x 方向定位精度要求为 0.01mm，工作台快进速度定为 1m/min，加速时间为 0.1s。 丝杠分为滑动丝杠和滚珠丝杠。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作 用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延

32、伸 发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩 擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副 作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发 展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性：传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使 用寿命长、同步性能好。由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套 滚珠丝杠副方案驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步工作。 滚珠丝杠与传统滑动丝杠相比，有以下优点：一，与滑动丝杠副相比驱动力矩为 1/3。由于滚珠 丝杠副的

33、丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动，所以能得到较高的运动效率。与过去 的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1/3 以下，即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的 1/3，在省电方面很有帮助。 二，高精度的保证。三，微进给可能。滚珠丝杠副由于是利用滚珠 运动，所以启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，能保证实现精确的微进给。四， 无侧隙，刚性高。滚珠丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的 刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加预压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝杠螺 母部的刚性增强)。五，高速进给可能。滚珠丝杠由于运动效率高，发热小，所以可实现高速

34、进 给运动。 根据额定动载荷选择 w 系列 w 型无衬套外循环单螺母 3.5 圈 1 列滚珠丝杠副，丝杠副如图 3-5 所 示。 此型号滚珠丝杠副的主要参数如下： 滚珠丝杠副型号：w3506 名义直径：d0=35mm 螺距：t=6mm 螺旋升角：=37 滚珠直径：d0=3.969mm 滚道半径：r=2.046mm 偏心距：e=0.054mm 丝杠 外径：d=34mm 螺母凸缘外径：d3=86mm 螺钉中心圆直径：d4=72mm 螺母凸缘厚度：t=12mm 螺钉尺寸： m828 螺钉个数：a=4 螺母配合外径：d=65mm 螺母长度：l1=48mm 额定动载荷：c=1940kgf 额定静载荷：c

35、0=7110kgf 此型号滚珠丝副额定动载荷 1940kgf1005.68kgf，满足驱动能力要求。 3.3.43.3.4 步进电机的计算选型步进电机的计算选型 数控机床上可以用步进电机和伺服电机控制，这里先对两者进行一下性能比较，以便更好的选择 合适的电机。 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控 制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来 越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电 机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信

36、号） ， 但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。 第一，控制精度不同。两相混合式步进电机步距角一般为 3.6，1.8，五相混合式步进电机 步距角一般为 0.72、0.36 ，也有一些高性能的步进电机步距角更小，如四通公司生产的一 种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为 0.09 ；德国百格拉公司（berger lahr）生产的三 相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为 1.8 、0.9 、0.72 、0.36 、 0.18 、0.09 、0.072 、0.036 ，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺 服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证

37、。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带 标准 2500 线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为 360 /10000=0.0036 。对于带 17 位编码器的电机而言，驱动器每接收 131072 个脉冲电机转一圈， 即其脉冲当量为 360 /131072 ，是步距角为 1.8的步进电机的脉冲当量的 1/655。 第二，低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性 能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低 频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克

38、服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常 平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性 不足，并且系统内部具有频率解析机能（fft） ，可检测出机械的共振点，便于系统调整。 第三，矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所 以其最高工作转速一般在 300600rpm。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为 2000rpm 或 3000rpm）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 第四，过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过

39、载能力。以松 下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于 克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种 惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出 现了力矩浪费的现象。 第五，运行性能不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转 的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。 交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环 和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象

40、，控制性能更为可靠。 第六，速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要 200400 毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下 msma 400w 交流伺服电机为例，从静止 加速到其额定转速 3000rpm 仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步 进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的 因素，选用适当的控制电机。 步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲，步进电机 就转一个角度，因此非常合适单片机

41、控制，在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决 于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，电机则转过一个步距角，同时步进电机只 有周期性的无累积误差，精度高。 步进电动机有如下特点：第一，步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一 圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性；第二，由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统， 既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统；第三， 步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速；第四，速度可在相当宽的范围内平稳调整， 低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。第五，步进电机只

42、能通过 脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。第六，步进电机存在振荡和失步现 象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。 步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角 1.8四相混合式步进电机为例，在 整步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转 1.8，旋转一周，则需要 200 个脉冲，在半步方 式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转 0.9，旋转一周，则需要 400 个脉冲。控制步进电机旋 转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲。 步进电机在低频工作时，会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分方式，就能很好的解决这个 问题，步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕

43、组中电流的控制，使步进电机 内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分，一般情况下，合成磁 场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距 角的大小，步进电机半步工作方式就蕴涵了细分的工作原理。 通过以上信息，可知本次设计的工作台控制精度要求不需要很高，考虑成本因素等等，选择步进 电机控制。 下面对步进电机进行计算选型。 数控机床伺服进给系统按控制形式有开环，半闭环，以及闭环三种形式。在具体设计前，首先应 根据对机床的性能要求选择适当的控制形式。一般选择原则为，精度要求高时应采用闭环控制方 式，因为各种影响定位精度的因素都可以得到补偿

44、。而开环、半闭环存在着影响定位精度的各种 因素，特别是频繁定位时。但与此同时，还必须考虑到稳定性，成本，以及机床规格大小等其他 因素。对于闭环伺服进给系统，基设计计算主要是稳定性问题，对于开环、半闭环伺服进给系统， 基设计计算主要是定位精度问题。 综合各种因素考虑，x 工作台采用开环控制方式。 要使系统协调运转，电机选型是比较重要的一环。由于电动机直接与外界负载相关联，因此，可 以先从电动机着手。选择步进电动机大致可以分为以下几个步骤：第一，计算负载转矩；第二， 计算传动构件的转动惯量；第三，计算传动比；第四，计算电动机起动转矩；第五，选取电动机。 x 工作台精度要求为 0.01mm，工作台定

45、位精度通过电机的脉冲当量控制，脉冲当量是每一个脉冲 滚珠丝杠移动的距离，脉冲当量必须小于等于要求的精度。 byg 系列混合式步进电动机外形及安装尺寸如图 3-6 所示。 90byg5503 型各项参数如下： d=90mm，b=90mm，d=14mm，l1=27mm，b=4mm，d1=70mm，h=3mm，h1=8mm，l=176mm，d2=107mm，d 1=7mm 3.3.53.3.5 联轴器的选择联轴器的选择 固定式刚性联轴器的结构最简单，零件数量少，重量轻，制造容易，成本低。适用于转速不高， 载荷平衡的场合。用固定式刚性联轴器联接的两轴可当作一个刚性的整体，当安装时调整未达到 对中要求或

46、工作过程因轴承磨损等各种原因引起两轴相对位移时，都将使联轴器承受弯矩，产生 附加径向力，增加轴和轴承上的作用力，缩短轴承的使用期。为了减轻这种附加载荷的影响，联 轴器所联两轴应采用刚性大而且稳固的轴承。同时，应调整至所联两轴的相对径向位移在 0.0020.05mm 以内(轴长时取大值)，相对角位移在 0.05mm/m 以内。 套筒式联轴器是利用一公用套筒以销、键或过盈配合等联接方式与两轴相联。套筒式联轴器制造 容易，零件数量最少，结构紧凑，径向外形尺寸最小，但装拆不方便，需要沿轴向移动较大的距 离，一般可用于无轴肩的光轴或允许沿轴向移动的轻载荷传动轴系。x 方向步进电机和丝杠选用 套筒式联轴器

47、联接。所选择的套筒联轴器的基本参数和主要尺寸如下： 轴直径：d=14mm 许用转 矩 16nm d0=25mm l=45mm l=10mm c=0.5mm c1=0.5mm 圆锥销：425，gb/t1172000 套筒式联轴器如图 3-7 所示。 3.3.63.3.6 丝杠轴承的选择丝杠轴承的选择 机器中的轴都以轴承为支承的。轴的支承结构设计对于保证轴的运转精度，发挥轴承的工作能力 起着重要作用。支承结构的设计，需要综合考虑轴承的配置、轴向位置的限定与调整、轴的热膨 胀补偿、轴承游隙调整、轴承的紧固、轴承的润滑和密封等问题。 轴一般采用双支承结构，每个支承由 12 个轴承组成。受纯径向载荷的轴

48、，两支承可取向心轴 承对称布置。受径向载荷和轴向载荷联合作用的轴，两支承通常选用同型号的角接触轴承。此时， 两轴承的配置可取：背对背排列，面对面排列，串联排列。x 坐标丝杠总长度为 700mm，由于丝 杠长度较长，根据采用一端，一端游动的支承结构。由于丝杠主要受径向力，轴承选用既能承受 径向载荷又能承受轴向载荷的角接触球轴承串联排列支承。所选型号轴承如图 3-8 所示。 固定-游动支承是指在轴的一个支承端使轴承与轴及外壳孔的位置相对固定，以实现轴在该方向 上的轴向定位。而在轴的另一支承端，使轴承与轴或外壳孔间可以相对移动，以补偿轴因热变形 及制造安装误差所引起的长度变化。 这种支承中，轴的轴向

49、定位精度取决于固定端轴承轴向游隙量的大小。因此用一对角接触球轴承 或圆锥滚子轴承组成的固定端的轴向定位精度，要比深沟球轴承的精度高。固定端轴承的内外圈， 应分别与轴和外壳孔作轴向定位和固定。 游动端对轴的长度变化的补偿，最简单有效的方法是采用内圈无挡边或外圈无挡边的圆柱滚子轴 承。当采用其他类型的轴承时，可根据载荷形式和工作条件，分别使内圈与轴或外圈与外壳孔成 间隙配合，以满足轴向游动的需要。固定-游动支承的运转精度高，对各种工作条件的适应性强， 因此在各种机床主轴、工作温度较高的蜗杆轴以及跨距较大的长轴支承中广泛应用。 x 方向丝杠支承固定端的轴向紧固有多种方式可以选择，在此选择轴承内圈的紧

50、固方式为一侧靠 轴肩定位如图 3-9 所示。 另一侧用锁紧螺母与止动垫圈紧固，如图 3-10 所示。 这种紧固方式结构简单，装拆方便，占用空间小，紧固可靠。 固定端外圈的紧固方式，一侧外 圈采用端盖紧固。如图 3-11。 这种紧固方式的特点是结构简单，紧固可靠，调整方便。 另一侧外圈采用定制的轴承座上的挡肩定位，如图 3-12 所示 这种方式特点同样是结构简单，工作可靠。 x 方向丝杠游动端紧固，只需紧固轴承内圈两侧，一侧采用锁紧螺母与止动垫圈紧固，另一侧采 用轴肩定位，和固定端轴承内圈采用同样的紧固方式。 丝杠轴公称直径 35mm，考虑到轴承安装尺寸等因素，轴承内径设计为 25mm，轴承选择

51、 7205ac 角 接触球轴承。图如 3-13。 具体参数如下： 轴承代号：7205ac 基本尺寸：d=25mm 基本尺寸：d=52mm 基本尺寸：2b=30mm 安装尺寸：da(min)=31mm 安装尺寸：da(max)=46mm 安装尺寸：db(max)=49.6mm 安装尺寸： ra(max)=1mm 安装尺寸：rb(max)=0.3mm 其他尺寸：d233.8mm 其他尺寸：d244.2 其他尺寸： r(min)=1 其他尺寸：r1(min)=0.3mm 基本额定载荷：cr=25.5kn 基本额定载荷：c0r=19.8kn 极限转速， 脂：8000 r/min 极限转速，油：1100

52、0r/min 重量：0.24kg 3.43.4 y y 方向机械设计方向机械设计 y 方向改造是将滚珠丝杠通过丝杠螺母副和 z3063 主轴箱连接，用滚珠丝杠驱动主轴箱在摇臂上 移动。机械改造设计的内容包括：滚珠丝杠螺母副的设计计算选型，步进电机参数的计算选型， 及联轴器的选型，丝杠支承轴承的选型。 丝杠副 w3506 型，名义直径 35mm，此型号滚珠丝杠副额定动载荷 c=1940kgf，满足负载要求。即 y 方向滚珠丝杠螺母副的型号可以选择和 x 工作台上的滚珠丝杠螺母副型号一样。根据摇臂长度 和主轴箱行程，并且考虑丝杠需要留下一定的富余长度，确定 y 方向丝杠最大尺寸为 1307mm。

53、3.4.13.4.1 y y 方向步进电机的计算选型方向步进电机的计算选型 y 方向步进电机的选型和 x 工作台步进电机选型方法基本一致，可以参考前面 x 方向步进电机选 型的详细说明来选择 y 方向的步进电机。 由于步进电机调速范围较大，电机和丝杠之间暂时不考虑齿轮变速。取传动比 i=1，步距角 =0.36。 转动惯量的计算 j 总=j 丝杠+j 工作台 =0.78d4l10-6(kgfcms2) d圆 柱直径(cm)， l圆柱体长度(cm)， d=35mm，l=130.7cm，按导轨最大取值算。 所选取的步进电机的最大静转矩 ms 必须大于 0.4659nm，选择 byg 系列混合式步进电

54、动机 90byg5503，步距角 0.36/0.72，静转矩 7nm，y 方向选择与 x 工作台同一型号的步进电机。 电机具体参数及外形尺寸在 x 工作台设计中已经列出。 3.4.23.4.2 联轴器的选择联轴器的选择 根据电机轴，和传递转矩要求，选择套筒式联轴器。因为 y 方向步进电机和滚珠丝杠型号一致， 所以 y 方向步进电机与丝杠联接的联轴器选择和 x 工作台用联轴器型号一致，具体参数在 x 工作 台设计中已经列出。 3.2.4 丝杠轴承的选择 由于 y 坐标丝杠主要承受轴向力，丝杠总长度确定为 1307mm，由于丝杠长度较长，根据采用一 端，一端游动的支承结构。轴承选用角接触球轴承。因

55、为 y 方向丝杠轴和 x 方向丝杠轴公称直径 一致，所以 y 方向丝杠轴承型号，丝杠支承方式和轴承轴向定位方法都与 x 工作台的丝杠相同。 具体在 x 方向工作台设计中已经有了详细地说明。 3.53.5 z z 方向机械设计方向机械设计 z 坐标为主轴上下进给运动，通过步进电机连接原机床手动微进给轴传入，并且摘掉主轴箱内的 原进给传动机构，实现控制 z 方向主轴的上下进给。z 方向的改造最为简单。仅需要将步进电机 用联轴器与机床原手动微进给轴连接即可。z 方向步进电机主要克服钻头钻削力， z 方向的设计 任务包括步进电机的计算选型，联轴器的选择。 改造前的 z3063 本身也有机动进给，原主轴

56、机动进给和主轴旋转主运动是共用一个主电机的，机 动进给机构是从主轴上获得转速，最后由进给传动进构的输出轴传送到主轴进给机构。主轴进给 机构包括蜗杆轴和水平轴，应该指出的是，进给机构的蜗杆轴即是手动微进给轴。蜗杆轴的顶部 设计有一个进给钢珠离合器，通过主轴箱底部的手动微进给装置上的一个手柄控制啮合和脱离。 离合器啮合时，机动进给传动机构上的转还可以通过离合器传动到蜗杆轴上，实现的是机动进给， 离合器脱离时，蜗杆轴不转动，必须进行手动进给。手动进给是通过主轴箱正面的大转轮控制内 部的水平轴实现的，要实现手动微进给，需要转过主轴箱底部的手动微进给进构，控制的是蜗杆 轴转动，再由蜗杆轴传动到水平轴。通

57、过查询机床图册，查得主轴转速范围一共 16 级，转速范 围是 25r/min2000r/min，主轴进给量范围也是 16 级，进给量范围是 0.04mm3.2mm/r，传动 机构转速级数和转速范围和主轴的转速级数和转速范围是一一对应的。即，传动机构输出 16 级 转速，转速范围 25r/min2000r/min。传动机构的转速是传送到蜗杆轴上的，蜗杆轴的转速范 围就是 25r/min2000r/min，蜗杆轴转速在最低一级 25r/min 时对应主轴进给量为 0.04mm/r， 手动微进给蜗杆轴转 25 圈，主轴进给 0.04mm，可以算出手动微进给蜗杆轴转动一圈，主轴进给 量为 0.0016

58、mm。现在改用步进电机给手动微进给蜗杆轴提供转速，小型步进电机的转速范围较 大，可以从几转每分钟到几百转每分钟，虽然步进电机最高转速达不到原机床机动进给的最高进 给转速 2000r/min，即改用步进电机控制主轴进给后，达不到原机床的最大进给量 3.2mm/r，但 是最大进给量在实际切削中并不常用，所以 z 方向完全可以用步进电机代替原机床的一整套进给 传动机构，从而简化了主轴箱。 3.5.13.5.1 z z 方向步进电机计算选型方向步进电机计算选型 z 方向定位精度 0.01mm，电机轴转一圈，即手动微进给蜗杆轴转一圈，主轴进给 0.0016mm，精 度完全达到要求。取步进电机步距角=0.

59、36，当步进电机接受一个脉冲时，转动 0.36。电机 转一圈时，脉冲数 1000 个。 z3063 钻削力及扭矩计算 3.5.23.5.2 联轴器的选择联轴器的选择 根据电机轴，和传递转矩要求，选择套筒式联轴器。因为 z 方向步进电机和 x 方向步进电机器型 号一致，所以 z 向步进电机选择和 x 方向工作台电机所用的联轴器相同，具体参数在 x 工作台设 计中已经列出。 z 方向步进电机与主轴箱连接问题，可以利用原主轴箱底部原有的六个 m10 的螺纹孔，通过步进 电机的法兰用螺栓和主轴箱连接，如有必要时，电机尺寸可以联系厂家进行定制，以方便安装。 z 向改造后的如图 3-14 所示。 第四章第

60、四章 数控控制系统设计数控控制系统设计 4.14.1 z3063z3063 摇臂钻床分析控制对象、确定控制要求摇臂钻床分析控制对象、确定控制要求 仔细阅读、分析 z3063 摇臂钻床的电气原理图,确定各电动机的控制要求。 4.1.14.1.1 对电动机对电动机 m1m1 的要求的要求 单方向旋转有过载保护。 4.1.24.1.2 对电动机对电动机 m2m2 的要求的要求 全压正、反转控制,点动控制,启动时,先启动电动机 m3,再启动电动机 m2,停机时,电动机 m2 先停止,然后电动机 m3 才能停止。电动机 m2 设有必要的互锁保护。 4.1.34.1.3 对电动机对电动机 m3m3 的要求