小型多工步自动推料进给装置及温控上位显示系统设计.docx

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小型多工步自动推料进给装置及温控上位显示系统设计

小型多工步自动推料进给装置及温控、上位显示系统设计

第一章绪论

1．1推料进给装置简述

自工业革命开始，机器作业逐渐代替了手工作业，而机床作为机器作业的典型代表也日益发展，从人工手动控制的老式机床发展到现在的数控机床。

相应的，作为机床作业的基础，推料进给装置的发展也成为了机床发展的一个缩影，从最当初的人工送料到现在的全自动机器送料（涉及到数据库的存取）。

随着机床的高速发展，机床设计者对推料进给装置的要求也日渐提高，无论从行程，进给方向还是进给速度方面，提高工作效率，不仅要靠机床的快速加工，迅速而准确的推料进给也是十分必要的。

因此在现在的机床推料进给装置的设计上，设计者一般都秉承着进给准确，速度合适，行程合理这几个基本原则

1．2课题的提出和课题的主要任务

我的毕业设计的题目是小型多工步自动推料进给装置及温控、上位显示系统设计，主要有两大部分，一部分是机械部分设计，进给装置的传动系统的设计，还有进给装置的结构设计；一部分是电部分的设计，即温控系统硬件和程序的设计，及其上位显示系统的设计。

1．2．2．1推料进给装置传动系统的设计

传动系统的作用是将原动机的运动和动力传递给工作机，以完成预期的功能。

常用的传动机构有齿轮机构，连杆机构，凸轮机构，螺旋机构，楔块机构，棘轮机构，槽轮机构，摩擦轮机构，挠性件机构，液气动机构，电气机构以及利用以上一些常用机构进行组合而产生的组合机构。

传动机构在使用中最主要的目的是为了实现速度或者力的变换，或实现特定运动规律的要求。

根据功率，速度，输出力三者之间的关系：

P=Fv

式中P——输出功率

F——输出力

V——输出速度

在传输功率一定的情况下，为了得到一个比较大的力输出，可以降低输出速度。

如果要使输出力按某一规律变化，则可以通过调整输出速度按某种规律变化来得以实现常见的用于运动速度或力的大小变换的传动机构主要有以下几种：

1）通过啮合方式进行传动（例如：

齿轮、蜗轮蜗杆、链传动、同步齿形带等）。

其中齿轮传动可以在平行轴或交错轴间实现准确的定传动比传动，适用功率和速度范围广，结构紧凑，传动效率高，工作可靠，寿命长，互换性好，依次得到广泛应用。

2）通过摩擦方式进行传动（例如：

摩擦轮传动、摩擦式无级变速器、带传动、滚珠丝杠副传动、滑轮传动等）。

这类机构简单，维修方便，成本低廉，由于带具有柔软性，有吸收振动的特性，且有缓冲和安全保护的作用特性使带传动适用于两轴中心距较大的传动。

3）利用楔块进行传动（例如：

螺旋传动等）。

螺旋传动主要由螺杆、螺母、机架组成，螺旋传动的优点是增力效果大，可用较小的转矩得到较大的轴向力，结构简单，传动精度高，平稳无噪音等。

4）利用流体作用原理进行传动（例如：

液压、气动传动等）。

液体可以看作一种不可压缩物体，因而液压传动可以传动较大的力，经常用于传动比不需十分精确但载荷很大的情况下，但液压传动速度较慢，例如液压千斤顶、液压挖掘机的推杆等。

相反气动传动机构一般用于传输较小的力，但作用速度快。

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原动机的输出较为常见的运动形式是匀速转动，而工作机的输出要求是多种多样的，因此进行运动形式的变换是传动机构一个很重要的任务。

机械机构中常见的运动形式主要有：

转动、平动、摆动等。

常见的用运动形式的变换机构主要有：

凸轮机构、螺旋机构、连杆机构、齿轮机构、挠性件机构、摩擦轮机构、流体机构等。

它们能将转动变换成移动，或反之，由于运动形式的变化，机构的传力方式也就随之改变。

在我的课题里，我把推料进给装置设计在冲压机床上，选择的原动件是步进电动机，做的是旋转运动，而进给动作是在一个水平方向上的直线运动，因此在传动机构方面我选用的是滚珠丝杠副，利用它将电机的旋转运动转换成一个水平方向上的直线进给运动。

而且在电机选型后，由于电机的输出轴和丝杠所在的轴可能存在粗细不同的情况，连轴器的选用也成为可能。

冲压机床由于加工材料都为较细的板材，如何将直线进给运动均匀的分摊在板材上，使板材能够平稳的进行直线运动，也成为我的考虑范围之内。

因此，在进给力的分配上，必须保证钢板在进给方向上受力均匀。

我的初步想法是将板材上的受力点设定为2个点。

1．2．2．2基于加工板材温度的要求对温控装置的设计

既然设定为冲压机床上的推料进给装置，就得考虑到机床冲压板材时可能出现由于温度过低而出现板材在冲压结束后形成裂纹。

而温控装置恰恰就能解决板材温度的问题，但是加工材料是多样的，相应的它们对于温度的要求也是不一样的，而且要将板材在达到温度要求后由于余热的影响降到最小。

要一一实现它们的温度要求，温控装置必须能够实现变阶段控温，达到每个阶段温度后的保温时间也能自我设定。

第二章推料进给装置的设计方案

2．1丝杠副的选型计算及其校核

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2．2电机的选型

电机分为步进电机和交流伺服电机，交流伺服电机与步进电机相比，二者性能又有较大不同，它主要表现为：

（1）.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（BERGERLAHR）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。

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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。

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=0.036°。

对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收217=131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360°/131072=9.89秒。

是步距角为1.8°的步进电机的脉冲当量的1/655。

（2）.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。

（3）.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300～600RPM。

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。

（4）.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。

（5）.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，控制性能更为可靠。

（6）.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200～400毫秒。

交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA400W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。

在我的推料进给装置中，基本上对启停速度要求不算太过严格，综上所述，初步选中电机类型为步进电机。

具体型号是45BF003-Ⅱ。

计算如下：

（1）、步进电机转轴上的总转动惯量Jeq的计算

J=（Ph2）m12π

式中m1为工作台质量（kg）

Ph为丝杠导程（cm）

计算：

Jeq=（0.5/6.28）*（0.5/6.28）*30=0.1902

（2）、步进电机转轴上的等效负载转矩Teq的计算

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通常考虑两种情况：

一种是快速空载启动，另一种是承受最大工作载荷。

快速空载启动时电机转轴所受的负载转矩Teq1

Teq1=Tamax+Tf+T0

单位是NmTamax——快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩，

Tf——移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩，单位是NmT0——滚珠丝杆预紧后折算到电机转轴上的附加摩擦转矩，单位是Nm

而上式中：

Tamax=Jeqε=2πJeqnm

60ta

ε——电动机转轴的角加速度，单位是rad/s2

nm——电动机的转速，单位是r/min

ta——电动机加速所用的时间，单位是s，一般在0.3~1s之间选取

经计算：

Tamax=10.750（35.83）

Tf=F摩ph2πηi

F摩——导轨的摩擦力，单位是N

ph——滚珠丝杆的导程，单位是m

η——传动链总效率，一般取η=0.7~0.85

i——总的传动比i=nm/nsnm电机的转速ns丝杆的转速

经计算：

Tf=0.0671

T0=FYJPh（1-η02）2πηi

FYJ——滚珠丝杆副的预紧力，一般取滚珠丝杆工作载荷的1/3，单位是Nη0——滚珠丝杆副未预紧时的传动效率，一般取η0>0.9

由于选择的是无预紧丝杠

最大工作载荷状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2

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Teq2=Tt+Tf+T0

由最快空载移动速度vmax（mm/min）和系统脉冲当量δ（mm/脉冲），算出电动机对应的运行频率fmax。

fmax没有超过所选电动机的极限空载运行频率。

启动频率校核

fL=ffL——总的转动惯量Jeq对应的启动频率，可以通过上式求得，也可以在步

进电动机的启动惯频特性曲线上找出

fq——电机空载启动频率，单位是HZ，由产品资料查得

Jeq——加在步进电动机上的总的转动惯量，单位是kgm2

Jm——步进电动机转子的转动惯量，单位是kgm2

算得启动频率小于fL

经计算，电机符合要求。

2．3轴承的选型计算及其校核

一般主轴常用的几种滚动轴承的配置有以下几种。

1）前支承采用双列短圆柱滚子轴承和60°角接触双列向心推力球轴承组合，承受径向和轴向载荷；后支承采用成对角接触球轴承，特点是刚度高，可以满足强力切削的要求，数控机床应用较多。

（图中a）。

2）前轴承采用成组角接触球轴承，2～3个轴承组成一套，要求背靠背安装，承受径向和轴向载荷；后轴承采用双列短圆柱滚子轴承，适用于高速、重载、精度好的主轴要求，但承受的轴向载荷比前一配置小。

（图中b）。

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3）前后支承均采用高精度的成组角接触球轴承，承受径向和轴向载荷；这类轴承具有良好的高速性能，主轴最高转速达4000r/min，它的承载能力小，适合于高速度、轻载荷、

图13数控机床主轴轴承的配置形式

高精度的数控机床主轴。

（图中c）。

4）前轴承采用双列圆锥