1、韶关学院 2009 届毕业论文第 1 页 共 37 页目录1.绪论 22.设计要求 32.1 总体方案设计要求 32.2 设计参数 42.3.其它要求 73.进给伺服系统机械部分设计与计算 83.1 进给系统机械结构改造设计 83.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 .83.2.1 确定系统的脉冲当量.93.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 93.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 123.2.4 齿轮有关计算 .163.2.4(1)纵向齿轮及转矩的有关计算 .163.2.4(2)横向齿轮及转矩的有关计算 .194. 步进电动机的计算与选型 234.1 步进电动机选
2、用的基本原则 234.2 步进电动机的选折 245.主轴交流伺服电机 .26韶关学院 2009 届毕业论文第 2 页 共 37 页5.1 机床主运动电机的确定 .265.2 主轴的变速变速范围 265.3 初选主轴电机的型号 265.4 主轴电机的校核 266. 微机控制系统硬件电路设计 276.1 控制系统的功能要求 .27 6.2 硬件电路的组成 .276.3 设计说明 277. 车床改造的结构特点 307.1.滚珠丝杆 .307.2 导轨副 .307.3 安装电动卡盘 .297.4 脉冲发生器 308安装调整中应注意的问题 318.1 滚珠丝杠副的特点 .318.2 滚珠丝杠螺母副的选择
3、 318.3 滚珠丝杠螺母副的调整 318.4 联轴器的安装 .318.5 主轴脉冲发生器的安装 31韶关学院 2009 届毕业论文第 3 页 共 37 页结论 .32参考文献 .33全套图纸，加 153893706摘要针对把 CA6132 车床改造为经济型数控车床的目标，对车床的进给系统进行设计。其设计的思路是根据执行件所受到的载荷，选择并校核其相关的零部件，包括滚珠丝杠螺母副、减速齿轮和电机，本文还对机构的重要零件作了比较详细地介绍。关键字：切削力；滚珠丝杠副；减速齿轮；步进电机韶关学院 2009 届毕业论文第 4 页 共 37 页韶关学院 2009 届毕业论文第 5 页 共 37 页Co
4、mmon machine tools numerical alteration- feed system designAbstracthis article talks about the design of feed system bases on the aim of changing the CA6132 lathe into numerical lathe of economic style.Its designing method is selecting and checking the related parts,containing ball screw,speed-decre
5、aseing gear and engine from the force that is loaded in the executive parts.This article also makes detailed introduction on the important parts in this mechanism.Key words:cutting force；ball screw；speed-decreasing gear ；walking engine韶关学院 2009 届毕业论文第 6 页 共 37 页1 绪论数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,简化了结构.较好地解
6、决形状复杂、精密、小批量及形状多变零件的加工问题。能获得稳定的加工质量和提高生产率，其应用越来越广泛，但是数控的应用也受到其他条件限制：（1）数控机床价格昂贵，一次性投资巨大，中小企业常是心有力而力不足；（2）目前，各企业都有大量的普通机床，完全用数控机床替换根本不可能，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费；（3）在国内，订购新数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产急需；（4）通用数控机床对某一类具体生产项目有多余功能。要较好的解决上述问题，应走通用机床数控改造之路。普通机床的改造就是在普通机床上增加微机数控装置，使其具有一定的自动化能力，以实现额定的加工工艺目标。这一工作早在 20 世
7、纪 60 年代已经在开始迅速发展，并有专门企业经营这门业务。目前，国外已发展成为一个新兴产业部门，从美国、日本等工业化国家的经验看，机床的数控化改造也必不可少，如日本的大企业中有 26%的机床经过数控化改造，中小企业则达 74%。在美国有许多数控专业化公司为世界各地提供数控化改造业务。中国是拥有300 多万台机床的国家，其中大部分是多年积累生产的普通机床，自动化程度低。要想在近几年用自动和精密设备更新现有机床，不论是资金还是中国机床制造厂的能力都是办不到的，因此，普通机床的数控化改造大有可为，它适合中国的经济水平、生产水平和教育水平，已成为中国设备技术改造的主要方向之一。机床数控化改造的优点：
8、（1）改造闲置设备，能发挥机床原有的功能和改造后的新增功能，提高了机床的使用价值，可以提高固定资产的使用效率；（2）适应多品种、小批量零件生产；（3）自动化程度提高、专业性强、加工精度高、生产效率高；（4）降低对工人的操作水平的要求；（5）数控改造费用低、经济性好；（6）数控改造的周期短，可满足生产急需。因此，我们必须走数控改造之路。普通车床（如 CA6132，CA6140）等是金属切削加工最常用的一类机床。普通机床刀架的纵向和横向进给运动是由主轴回转运动经挂轮传递而来，通过进给箱变速后，由光杠或丝杠带动溜板箱、纵溜箱、横溜板移动。进给参数要靠手工预先调整好，改变参数时要停车进行操作。刀架的纵
9、向进给运动和横向进给运动不能联动，切削次序也由人工控制。对普通车床进行数控化改造，主要是将纵向和横向进给系统改为用微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成为能自动换刀的回转刀架。这样，利用数控装置，车床就可以按预先输入的加工指令进行切削加工。由于加工过程中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自动调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的车床就可以加工出各种形状复杂的回转零件，并能实现多工序自动车削，从而提高了生产效率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。韶关学院 2009 届毕业论文第 7 页 共 37 页2 设计要求2.1 总体方案设计要求总体方案设计应考虑机
10、床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）普通车床数控化改造后应具有定位、纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）车床数控化改装后属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）根据普通车床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及经济性要求，经济型数控机床一般采用 8 位微机。在 8 位微机中，MCS51 系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、具有很高的性价比，因此，可选 MCS51 系列单片机扩展系统
11、。（4）根据系统的功能要求，微机数控系统中除了 CPU 外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器、I/O 接口电路；包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路，此外，系统中还应包括螺纹加工中用的光电脉冲发生器和其他辅助电路。（5）设计自动回转刀架及其控制电路。（6）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（7）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。
12、（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。总体方案设计图如下图（1）所示：进给伺服系统总体方案方框图如图（2）所示：韶关学院 2009 届毕业论文第 8 页 共 37 页图 1 图 2 2.2 设计参数设计参数包括车床的部分技术参数和设计数控进给伺服系统所需要的参数。现列出 CA6132 卧式车床的技术数据：名称 技术参数 在床身上 400mm工件最大直径在刀架上 210mm顶尖间最大距离 650;900;1400;1900mm宋制螺纹 mm 1-12(20 种)加工螺纹范围 英制螺纹 t/m 2-24(20 种)模数螺纹 mm 0.25-3(11 种)径节螺纹 t/m 7-96(24 种)韶关
13、学院 2009 届毕业论文第 9 页 共 37 页最大通过直径 48mm孔锥度 莫氏 6#主轴 正转转速级数 24正转转速范围 101400r/min反转转速级数 12反转转速范围 14-1580r/min纵向级数 64进给量 纵向范围 0.028-6.33mm/r横向级数 64横向范围 0.014-3.16mm/r滑板行程 横向 320mm纵向 650;900;1400;1900mm最大行程 140mm刀架 最大回转角 90刀杠支承面至中心的距离 26mm刀杠截面 BH 2525mm顶尖套莫氏锥度 5#尾座横向最大移动量 10mm外形尺寸 长宽高 241810001267mm圆度 0.01m
14、m韶关学院 2009 届毕业论文第 10 页 共 37 页工作精度 圆柱度 200:0.02平面度 0.02/300mm表面粗糙度 Ra 1.6-3.2m主电动机 7.5kw电动机功率总功率 7.84kw改造设计参数如下:最大加工直径 在床面上 400mm在床鞍上 210mm最大加工长度 1000mm快进速度 纵向 2.4m/min横向 1.2m/min最大切削进给速度 纵向 0.5m/min横向 0.25m/min溜板及刀架重力 纵向 800N横向 600N代码制 ISO脉冲分配方式 逐点比较法输入方式 增量值、绝对值通用控制坐标数 2韶关学院 2009 届毕业论文第 11 页 共 37 页
15、脉冲当量 纵向 0.01mm/脉冲横向 0.005mm/脉冲机床定位精度 0.015mm刀具补偿量 0mm-99.99mm进给传动链间隙补偿量 纵向 0.15mm横向 0.075mm自动升降速性能 有2.3.其它要求（1） 原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改动量 ，以降低成本缩短改造周期。（2）机械结构改装部分应注意装配的工艺性，考虑正确的装配顺序，保正安装、调试、拆卸方便，需经常调整的部位调整应方便。韶关学院 2009 届毕业论文第 12 页 共 37 页3 进给伺服系统机械部分设计与计算3.1 进给系统机械结构改造设计进给系统改造设计需要改动的主要部分有挂轮架、进给箱、溜板箱、溜板刀
16、架等。方案如下：挂轮架系统：全部拆除，在原挂轮主动轴处安装光电脉冲发生器。进给箱部分：全部拆除，在该处安装纵向进给步进电机与齿轮减速箱总成丝杠、光杠和操作杠拆去，齿轮箱连接滚珠丝杠，滚珠丝杠的另一端支承座安装在车床尾座端原来装轴承座的部分。溜板箱部分：全部拆除，在原来安装滚珠丝杠中间支撑架和螺母以及部分操作按钮。横溜板箱部分：将原横溜板的丝杠的、螺母拆除，改装横向进给滚珠丝杠螺母副、横向进给步进电机与齿轮减速箱总成安装在横溜板后部并与滚珠丝杠相连。刀架：拆除原刀架，改装自动回转四方刀架总成。3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削
17、力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如图（3）所示： 图 3 韶关学院 2009 届毕业论文第 13 页 共 37 页3.2.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机床执行部件产生的进给量,它是衡量数控机床加工精度的一个基本参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为 0.01mm/step 和 0.005mm/step,在 CA6140 的技术参数中，要求纵向脉冲当量 fp 为 0.01mm/step。横向脉冲当量为fp=0.005mm/step。3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与
18、校核步骤（1）最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷 Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于原普通 CA6132 车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式 3-1 计算工作载荷的大小。（3-1） )(GFfkvlm1）车削抗力分析车削外圆时的切削抗力有 FxFyFz，主切削力 Fz 与主切削速度方向一致垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力 Fy 与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力 Fx 与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用
19、它。纵切外圆时，根据车床参数，参考机械制造技术基础车，选取车床的，f=0.5mm, ,床的主切削力 Fz 可以用下式计算：map2.4mNkc/25（3-2） faAFpDc韶关学院 2009 届毕业论文第 14 页 共 37 页由金属切削原理知：Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （3-3） 得 Fx=1340(N)Fy=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷 Fv 和 Fc 与车刀所受到的车削抗力有对应关系。lF因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出：托板上的进给方向载荷 =Fx=1340(N)l托板上
20、的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N)托板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作载荷 )(GFfkvlm=1.151340+0.04(5360+909.8)=1790.68(N) 对于三角形导轨 K=1.15, =0.030.05,选 =0.04(因为是贴塑导轨)，G 是纵向ff横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为 75kg,刀架重量为15kg.（2）最大动载荷 C 的计算滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca 选用，可用式 3-4 计算：C= fmFm （3-4）L 为工作寿命，单位为 10r，L=60nt10;n 为丝杠转速（rmin）,n=1000vL 0;v
21、为 最大切削力条件下的进给速度（mmin）,可取最高进给速度的 1/21/3;L0 为丝杠的基本导程，查资料得 L0=12mm;fm 为运转状态系数，因为此时有冲击振动，所以取fm=1.5.V 纵向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/minn 纵向=v 纵向1/2/L 0=22261/2/12=92.75r/min L=60nt/10 6=6092.7515000/106=83.5则 C= fmFm = 1.51790.68=11740（N）初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷 Ca 不得小于最大载荷 C;因此有CaC=11740N另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转
22、下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷 Coa 是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷 Fm,一般使 Coa/Fm=23.初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。韶关学院 2009 届毕业论文第 15 页 共 37 页因此初选滚珠丝杠的型号为:CD638-3.5-E，主要参数为Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,= ，圈数列数:3.51 1920图 5 滚珠丝杆传动示意图 （3）纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 =t/tg(+)=tg
23、 /tg( + )=0.92 （3-5）1920012）刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。1 丝杠的拉压变形量 11=Fml/EA （3-6）=1790.682280/20.610(31.5) 2=0.0064mm2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2采用有预紧的方式，因此用公式 2=0.0013 （3-7）=0.0013 3 236.1458.7906.4=0.0028mm在这里 Fyj =1/3Fm=1/
24、31790.68=597NZ=dm/Dw=3.1463/4.763=41.53Z=41.533.51=145.36 丝杠的总变形量 =1+2=0.0064+0.0028=0.0092mm4所以丝杠很稳定。3.2.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤（1）型号选择1）最大工作载荷计算由于导向为贴塑导轨，则：k=1.4 =0.05, 为工作台进给方向载荷，flF=1340N,Fv=5360N,Fc=2144N,G=60kg,t=15000h,lF最大工作载荷：Fm=k + (Fv+2Fc+G)lFf=1.41340+0.05(5360+22144+9.860)=2387.8N2）最大动载荷的
25、计算V 横=1400r/min0.79mm/r=1106mm/minn 横丝=v 横1/2/L 0纵=11061/2/4=138.25r/minL=60nt/=60138.2515000/106=124.43C= fmFm = 1.52387.8=17881.2N韶关学院 2009 届毕业论文第 17 页 共 37 页初选滚珠丝杠型号为：CD506-3.5-E其基本参数为 Dw=3.969mm,= ,L0=6mm,dm=50mm,圈数列数：3.5112(2) 横向滚珠丝杠的校核1）传动效率 计算=tg/tg(+)=tg /tg( + )=0.9300122) 刚度验算1. 丝杠的拉压变形量1=
26、FmL/EA=3440.4320/20.610 425 2=0.0027mm2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0013 =0.0013 3 246.138.2796.=0.0079mm在这里 Fyj=Fm/3=2387.8/3=795.9NZ=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56Z=39.563.51=138.46丝杠的总变形量=1+2=0.0027+0.0079=0.0124mm0.015mm查表知 E 级精度允许的螺距误差为 0.015mm，故所选丝杠合格（3）滚珠丝杠螺母副的精度等级：数控机床根据定位精度的要求通常选用 1-5 级精度的滚珠丝杠，1-5 级度丝杠的行程公
27、差数值如表（2）所示：精度等级项目 符号 有效行程 lm/mm 1 2 3 4 5315 6 8 12 16 23315400 7 9 13 18 25400500 8 10 15 20 27 目标行程公差 ep500630 9 11 16 22 30315 6 8 12 16 23315400 6 8 12 17 25400500 7 10 13 19 26行程变动量公差 Vmp500630 7 11 14 21 29任意 300mm 内行程变动量 V300p 6 8 12 16 23韶关学院 2009 届毕业论文第 18 页 共 37 页2rad 内行程变动量 V2p 4 5 6 7 8表
28、（2）滚珠丝杠行程公差/m(4) 滚珠丝杠加工工艺基于滚珠丝杠是纵向进给的关键零件，它的传动精度将直接影响机床的切削精度，因此对所加工零部件的精度有很大的影响。为了达到所需的传动精度，丝杠在制造过程中必须采用特定的工艺方法，以下就丝杠的工艺进行分析。丝杠属于轴类零件，其加工方法可以参照轴类零件加工方法。毛坯选择铸件，加工工艺过程如下确定毛坯加工余量：根据切削加工简明手册上的说明，径向加工余量为 4mm，轴向加工余量为 1.5mm. 基准选择：加工丝杠的过程中要用到两个定位基准，分别为端面中心孔和外圆表面。在加工外时，如轴颈、丝杠螺纹选择中心孔作为定位基准，在校直中心孔时选择外圆表面作为定位基准
29、。表（3）丝杠加工工艺过程工序号 工序名称 工序内容 定位基准1 下料 锯棒料2 热处理正火，校直（径向圆跳动1.5mm)韶关学院 2009 届毕业论文第 19 页 共 37 页3 粗车车两端面,打中心孔,外圆表面精车各段外圆,各留2.53mm 加工余量中心孔工序号 工序名称 工序内容 定位基准4 校直冷校直到径向圆跳动0.5mm5 修正孔 修正中心孔 外圆表面6 半精车半精车各外圆,各留磨余量 0.57 ；车槽至尺寸(槽深加磨余量)；粗车螺纹,留0.50.7 加工余量中心孔7 铣键槽在轴颈装齿轮处铣出键槽中心孔8 校直用反向锤击法敲打螺纹小径处进行校直,径向圆跳动0.2mm9 热处理 低温时
30、效韶关学院 2009 届毕业论文第 20 页 共 37 页10 修正孔 修正中心孔 外圆表面11 半精车螺纹半精车螺纹,每侧面留0.15mm 加工余量中心孔12 校直冷校直到径向圆跳动0.15mm3.2.4 齿轮有关计算(1)纵向齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算，由前面的条件可知：工作台重量：W=80kgf=800N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=12mm步距角: =0.75/step脉冲当量: p=0.01mm/step快速进给速度：V max=2m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i= = = =2.5 （3-9） 齿轮的有关参数选取如下: Z1=32 , Z2=40 ,模
31、数 m=2mm齿宽 b=20mm 压力角 =20齿轮的直径 d 1=mz1=232=64mmd2=mz1=240=80mmd2 =d1+2ha*=68mmd2 =d2+2ha*=84mm两齿轮的中心矩 a= = =72mm韶关学院 2009 届毕业论文第 21 页 共 37 页2）转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量:J1=W( )2= ( )2 80 =0.467kg.cm2 （3-10）对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算:J=7.810-4D4L kg.cm2 （3-11） 式中 D-圆柱形零件的直径,cmL-零件的轴向长度,cm所以,丝杠的转动惯量:J1=7.
32、810-4D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 kg.cm2齿轮的转动惯量: =7.810-46.442=2.617 kg.cm2 =7.810-4842=6.39 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（J S+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.5 2)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2丝杠名义直径/mm 导程/mm1m 长丝杠的转动惯量kg.cm2丝杠名义直径/mm 导程/mm1m 长丝杠的转动惯量kg.cm24 0.94 10 35.76205 0
33、.84 50 12 31.985 2.24 8 81.58256 2.00 10 78.025 4.916012 74.96306 4.47 8 157.355 9.26 10 150.476 8.727012 145.13358 8.30 10 263.4940 5 16.29 80 12 255.84韶关学院 2009 届毕业论文第 22 页 共 37 页6 15.45 10 420.318 15.18 90 12 392.756 26.13 12 649.568 24.54 16 615.164510 22.6310020 562.446 39.75 20 1233.93508 37.6
34、4 120 24 1144.60表(4)滚珠丝杠的转动惯量3）所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩M=Mamax+Mf+Mo最大切削负载时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt快速进给时所需力矩M=Mf+Mo式中, Mamax-空载启动时折算到电动机轴上的加速度力矩;Ma-折算到电动机轴上的加速度力矩;Mf-折算到电动机轴上的摩擦力矩;Mo-由丝杠预紧所引起,折算到电动机轴上的附加摩擦力矩;Mat-切削时折算到电动机轴上的加速力矩;Mt-折算到电动机轴上的切削负载力矩;Ma= 10-4N.m （3-12）式中, J-转动惯量, kg.cm 2n-丝杠转速,r/minT-时间常数,s当 n=nm
35、ax时 M a=Mamaxnmax= = =416.7 r/minMamax= 10-4=2.49 N.m当 n=nt时, M a=mat韶关学院 2009 届毕业论文第 23 页 共 37 页nt= = = =24.88 r/minMat= 10-4 = 0.0616N.mMf= = N.cm （3-13）式中 -导轨上的摩擦系数fnt-切削加工时的转速，r/min;w-移动不见的重量，N;Lo-丝杠导程，cm;i-传动比；- 传动效率。当 =0.8 =0.16 时，fMf= = 12.23 N.cmMo= (1- ) （3-14）式中， o-丝杠未预紧时的效率，取 0.9FO-预加载荷，一
36、般为最大轴向载荷的 1 / 3，即 FP / 3则 M o= = (1-0.92)=8.108N.cmMt= = =128 N.cm所以，快速空载启动所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338 N.cm切削时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42 N.cm快速进给时所需力矩M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338 N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mamax发生在快速启动时Mmax=123.338 N.cm(2)横向齿轮及转矩的有关计算韶关学院 2009 届毕业论文第 24 页 共
37、 37 页1)有关齿轮计算，由前面的条件可知：工作台重量：W=30kgf=300N(根据图纸粗略计算)滚珠丝杠的导程: Lo=4mm步距角: =0.75/step脉冲当量: p=0.005mm/step快速进给速度：V max=1m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i= = = =1.67齿轮的有关参数选取如下: Z1=18 , Z2=30 ,模数 m=2mm齿宽 b=20mm 压力角 =20d1=36mm d2=60mmda1 =40mm da2=64mm a=48mm2)转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量:J1=W( )2= ( )2 30 =0.0439 kg.cm2丝
38、杠的转动惯量:Js=7.810-42450=0.624 kg.cm2齿轮的转动惯量: =7.810-43.642=0.262 kg.cm2 =7.810-4642=2.022 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（J S+Jz2）+Jz1+J1=( )2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58N. cm23)所需转动力矩计算韶关学院 2009 届毕业论文第 25 页 共 37 页nmax= = =416.7 r/minMamax= 10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cmnt=
39、 = = =33.17 r/minMat= 10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cmMf= = = =0.287kgf.cm=0.028N.mMo= = (1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.mMt= = =10.242kgf.cm =1.024 N.m所以，快速空载启动所需力矩M=Mamax+Mf+Mo=2.18+0.287+0.065=2.532kgf.cm =25.32 N.cm切削时所需力矩M=Mat+Mf+Mo+Mt=0.174+0.287+0.649+10.242=11.352kgf.cm=113.52 N.cm快速进给时所需力矩M=Mf+Mo=
40、0.287+0.649 =0.936kgf.cm = 9.36N.cm由以上分析计算可知：所需最大力矩 Mamax发生在快速启动时Mmax=2.532 kgf.cm =25.32 N.cm（3）绘制进给伺服系统的机械装配图在完成滚珠丝杠螺母副和步进电机的计算选型，完成齿轮传动比计算后可以着手绘制进给伺服系统的机械装配图。在绘制机械装配图时，除了从总体上考虑机床布局情况以及伺服进给机构与原机床的联系外，还应认真的考虑与具体结构设计有关的一些问题。1）了解原机床的详细结构，从有关资料中查阅床身、纵溜板、横溜板、刀架等的结构尺寸。2）根据载荷特点和支承形式确定丝杠两端支承轴承的型号，轴承座的结构以及
41、轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。韶关学院 2009 届毕业论文第 26 页 共 37 页3）减速齿轮的参数和结构尺寸计算，确定齿轮侧隙的调整方法，在满足装配工艺的前提下，合理设计齿轮箱结构。4） 考虑各部位间的定位、联接和调整方法。例如，应保证丝杠两端支承与滚珠丝杠螺母同轴，保证丝杠与机床导轨平行，考虑螺母座。轴承座在安装面上的联接与定位、齿轮箱在安装面上的定位、步进电机在齿轮箱上的联接与定位等。5）考虑密封、防护、润滑以及安全机构等问题。例如，丝杠螺母的润滑、防尘、防铁屑保护、轴承的润滑及密封、齿轮的润滑及密封、行程限位保护装置等。6）在进行各零部件结构设计时，应注意装配的工艺
42、性，考虑正确的装配顺序，保证安装、调试和拆卸的方便。此外，注意绘制装配图时的一些基本要求。例如，制图标准、视图布置及图形画法要求、重要的中心距、中心高、联系尺寸和轮廓尺寸的标准、重要配合的标注、装配技术要求、标题栏要求等。图 6韶关学院 2009 届毕业论文第 27 页 共 37 页4 步进电动机的计算与选型4.1 步进电动机选用的基本原则合理选用步进电动机是比较复杂的问题，需要根据电动机在整个系统中的实际工作情况，经过分析后才能正确选择。现仅就选用步进电机最基本的原则介绍如下：4.1.1 步距角 步距角应满足 （4-1）式中， i-传动比 min-系统对步进电动机所驱动部件要求的最小转角4.
43、1.2 精度步进电动机的精度可以用步距误差或累积误差衡量，累积误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用累积误差衡量精度比较实用，所选用的步进电动机应满足： mi s （4-2）式中， m -步进电动机的累积误差。 s-系统对步进电动机驱动部分允许的角度误差。 4.1.3 转矩为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）正常启动并满足对转速的要求，必须考虑以下条件a. 起动力矩。一般选取为MqMLo/0.3-0.5 （4-3）式中，M q-电动机起动力矩MLo-电动机静负载力矩根据步进电动机的相数和拍数，启动力矩选取如表（5）所示，表中 MJM为步进电动机
44、的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。韶关学院 2009 届毕业论文第 28 页 共 37 页相数 3 3 4 4 5 5 6 6运行方式 拍数 3 6 4 8 5 10 6 12Mg/Mjm 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866表（5）步进电动机相数、拍数启动力矩表在要求的运行频率范围内，电动机运行运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量（包括负载的转动惯量）引起的惯性矩之和。4.1.4 启动频率由于步进电动机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低，因此，相应负载力矩和转动惯量的极限启动频率应满足：Ftfopm (4-4
45、)式中，f t-极限启动频率，fopm-要求步进电动机最高启动频率。4.2 步进电动机的选折4.2.1 CA6132 纵向进给系统步进电机的确定Mq= =308.35 N.cm为满足最小步距要求，电动机选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.866所以步进电动机最大静转矩 Mjm为：Mjm= =356.06 N.cm步进电动机最高工作频率：fmax= =3333.3 HZ综合考虑，查步进电机技术数据表选用 90BF002 型直流电动机，能满足使用要求。4.2.2 CA6132 横向进给系统步进电机的确定Mq= =63.3 N.cm电动机仍选用三相六拍工作方式，查表知：Mq/Mjm=0.
46、866韶关学院 2009 届毕业论文第 29 页 共 37 页所以步进电动机最大静转矩 Mjm为：Mjm= =73.09 N.cm步进电动机最高工作频率：fmax= =3333.3 HZ为了便于设计和采购，仍选用 90BF002 型直流电动机，能满足使用要求。韶关学院 2009 届毕业论文第 30 页 共 37 页5 主轴交流伺服电机5.1 主轴的变速范围主轴能实现的最高转速与最低转速之比称为变速范围 Rn，即 Rn=nmax/nmin,数控机床的工艺范围宽，切削速度与刀具，工件直径变化很大，所以主轴变速范围很宽。由于 Nmax=1800 nmax=14Nmax/nj=2nj/min (5-1)则 nj= =113r/min这里 nj 为电动机的额定转速，该机床主轴要求的恒功率调速范围 Rn 为：Rn= nmax /nj=1800/113=15.9 (5-2)主轴电机的功率是：7.5kw5.2 初选主轴电机的型号选主轴电机的型号为：SIMODRIVE 系列交流主轴驱动系统型号为 1HP6167-4CB4，连续负载
