韓 紅

（渤海船舶職業(yè)學(xué)院，遼寧葫蘆島 125005）

0 引言

我廠機(jī)加工車(chē)間10臺(tái)C616A普通臥式車(chē)床常年加工船用管接頭，已出現(xiàn)加工精度不足、生產(chǎn)效率降低及部分零件損壞等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)多方論證及全面考慮，決定對(duì)其進(jìn)行數(shù)控化改造。主體方案如下：加裝藍(lán)天數(shù)控系統(tǒng)；拆掉主運(yùn)動(dòng)換向機(jī)構(gòu)及單速電動(dòng)機(jī)，更換為變頻器控制多速電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速并安裝螺紋編碼器；拆除進(jìn)給箱、溜板箱，更換為縱、橫向步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及同步帶減速箱并更換為滾珠絲杠副。整個(gè)改造中進(jìn)給系統(tǒng)的變化最大，同步帶減速箱、滾珠絲杠副、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器都要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格計(jì)算，縝密選擇，難度較大。下面對(duì)縱向進(jìn)給用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的整個(gè)選擇過(guò)程進(jìn)行闡述。

1 電動(dòng)機(jī)選擇前的必備數(shù)據(jù)

C616A的最大加工尺寸為φ320×750 mm，橫、縱向溜板行程分別為195 mm、820 mm。改造后縱向刀架快移速度vzmax=6 m/min，最快工進(jìn)速度vzmaxf=0.8 m/min，Z方向脈沖當(dāng)量δz=0.01 mm/脈沖。

切削力估算為縱向進(jìn)給切削力Ff=935.69 N，主切削力Fc=2673.4 N，背向力Fp=1069.36 N。移動(dòng)部件總重量約為G=1000 N，摩擦系數(shù)μ=0.15，總效率 η=0.9。

滾珠絲杠副選擇北京信必優(yōu)軸承有限公司的THK滾珠絲杠副，型號(hào)為BIF3206-5的軸端未加工精密滾珠絲杠副，絲杠公稱(chēng)直徑D=32 mm，導(dǎo)程P=6 mm，總長(zhǎng)L=1230 mm，額定動(dòng)載荷Ca=13.9 kN。

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)預(yù)選為深圳市雷賽智能控制股份有限公司的雷賽兩相混和式步進(jìn)電機(jī)，步距角α為 1.8°，若配上半步驅(qū)動(dòng)器步距角應(yīng)為α=0.9°。則同步帶減速器傳動(dòng)比i=α·P/360·δz=1.5 ， 進(jìn) 而 計(jì) 算 小 帶 輪 直 徑d1=48.51 mm，大帶輪直徑d2=68.22 mm，帶寬bs=25.4 mm。

2 初選電動(dòng)機(jī)

電動(dòng)機(jī)的選型主要是根據(jù)電動(dòng)機(jī)最大速度nm，最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax和電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM三大參數(shù)。一般要求步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大速度nm控制在600～1200 rpm之間，而最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax和轉(zhuǎn)子慣量JM要分別遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq和負(fù)載慣量JL，具體選擇如下。

2.1 計(jì)算電動(dòng)機(jī)最大速度nm

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速一般在 600～1200 rpm之間，計(jì)算公式如下：

nm= vzmax/P=1000 rpm。

2.2 計(jì)算電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式：

轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量JL的計(jì)算公式為：

先計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Js=9.9 kg·cm2，工作臺(tái)折算到滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jw=0.93 kg·cm2，大、小帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為Jz1=1.083 kg·cm2、Jz2=5.486 kg·cm2，將這些結(jié)果代入式 1，結(jié)果如下：

電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=i2·Js=22.275 kg·cm2。

以上具體計(jì)算過(guò)程如下：

2.3 計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq

負(fù)載轉(zhuǎn)矩包括電動(dòng)機(jī)空載時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩，即Teq=Teq1+Teq2。

式中，Tamax為快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩，Tf為移動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，Tt為折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩。具體計(jì)算過(guò)程如下：

1）快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩Tamax計(jì)算公式如下：

式中的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的加速時(shí)間t0一般取0.25s。

2）移動(dòng)部件時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf計(jì)算公式如下：

則 Teq1=Tamax+Tf=2.3+0.1=2.4 N·m。

電動(dòng)機(jī)工作時(shí)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩：

負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq=max｛Teq1，Teq2｝=2.4 N·m。

2.4 初選電動(dòng)機(jī)

在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，一般要求電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax≥sTeq，其中s為安全系數(shù)，可以取1～4，這里s=4，即所選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax≥9.6 N·m 即可。

而電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量一般要求JM＞JL/（2.5～3），這里取最大 2.5，即JM＞6.96 kg·cm2即可。

根據(jù)以上兩個(gè)條件初選雷塞兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)110HS20，靜扭矩20 N·m（遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 9.6 N·m），轉(zhuǎn)子慣量 11 kg·cm2（大于 6.96 kg·cm2），直接配驅(qū)動(dòng)器型號(hào)MA860H。

3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)性能校核

3.1 最快工進(jìn)速度時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核

1） 最快工進(jìn)速度時(shí)電機(jī)對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率

2） 根據(jù)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線(xiàn)，當(dāng)fmaxf=1333 Hz時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf=15 N·m。

3） 而工作時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq=2.31 N·m，Tmaxf＞＞Teq，合格。

3.2 最快空載移動(dòng)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核

1）最快空載移動(dòng)速度時(shí)電機(jī)對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率fmax=v/60αp=10000 Hz。

2）根據(jù)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性曲線(xiàn)，當(dāng)fmax=10000 HZ時(shí)，對(duì)應(yīng)輸出轉(zhuǎn)矩Tmax=6 N·m。

3）而空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf=0.1 N·m，Tmax＞Tf，合格。

3.3 最快空載移動(dòng)時(shí)電機(jī)運(yùn)行頻率校核

最快空載移動(dòng)時(shí)電機(jī)對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻率fmax=10000 Hz。而初選電機(jī)時(shí)空載運(yùn)行頻率為15000 Hz，大于fmax，合格。

3.4 起動(dòng)頻率的計(jì)算

步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：

根據(jù)前面的計(jì)算結(jié)果電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jeq=Jm+JL=39.67 kg·cm2，初選電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量 11 kg·cm2，空載啟動(dòng)頻率fq=1500 Hz，將這些數(shù)值代入上式，fL=699 Hz。此結(jié)果說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于 660Hz。實(shí)際上，在采用軟件降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得很低，通常只有100 Hz。

綜上所述，本次初選的電動(dòng)機(jī)110HS20，可以滿(mǎn)足工作要求。

4 橫向進(jìn)給用電動(dòng)機(jī)選擇

改造后橫向刀架快移速度vxmax=3 m/min，最快工進(jìn)速度vxmaxf=0.4 m/min，X方向脈沖當(dāng)量δx=0.005 mm/脈沖。

滾珠絲杠副仍選擇北京信必優(yōu)軸承有限公司的 THK滾珠絲杠副，型號(hào)為 BIF2505-5的軸端未加工精密滾珠絲杠副，絲杠公稱(chēng)直徑D=32 mm，導(dǎo)程P=5 mm，總長(zhǎng)L=520 mm，額定動(dòng)載荷Ca=9.2 kN。

經(jīng)過(guò)與縱向電動(dòng)機(jī)選擇類(lèi)似的計(jì)算，橫向電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)速nm=600 rpm，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=26.25 kg·cm2，轉(zhuǎn)換到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量JL= 15.2 kg·cm2，負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq=9.3 N·m，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量JM＞JL/（2.5～3），這里取最大2.5，即JM＞6.08 kgcm2即可，最大靜轉(zhuǎn)矩Tjmax≥9.3 N·m。根據(jù)以上兩個(gè)條件初選雷塞兩相混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)86HS85。

將縱、橫向電動(dòng)機(jī)的初選型號(hào)及相關(guān)參數(shù)與廠家協(xié)商并訂購(gòu)產(chǎn)品，廠家反饋意見(jiàn)中建議將橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)更換為 110HS12，靜扭矩 12 N·m，轉(zhuǎn)子慣量 5.5 kgcm2，直接配驅(qū)動(dòng)器型號(hào)MA860H。

5 結(jié)論

本文通過(guò)精密的計(jì)算代替以往步進(jìn)電動(dòng)機(jī)選擇中常采用的經(jīng)驗(yàn)估算法，雖然普通機(jī)床數(shù)控化改造已是成型技術(shù)，但對(duì)這種中小型普通機(jī)床改造非常少，本文就是通過(guò)這種研究探索以便找到一種普遍性規(guī)律，為此種方法的推廣打下良好基礎(chǔ)。

此次選擇的 20臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器，安裝好后，運(yùn)行良好，不但大大提高了生產(chǎn)效率，而且節(jié)約了成本。

[1] 尹志強(qiáng). 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2007.

[2] 韓紅. 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 中國(guó)人民大學(xué)出版社, 2013.

[3] THK綜合產(chǎn)品目錄, 2013.