车床横向进给系统数控改造设计

1、XX 大学大学 毕毕 业业 设设 计（论计（论 文）文） 题 目：CA6140 型卧式车床的数控化改造 总体设计及横向进给设计 院 （系）： 专 业： 班 级： 学生姓名： 导师姓名： 职称： 起止时间： 摘 要 针对大多数企业,具有数量众多和较长使用寿命的普通机床，其加工精度较 低、不能批量生产，自动化程度不高，自适应性差，但考虑投资成本，产业的 连续性，又不能马上被淘汰。 数控机床作为机电液气一体化的典型产品，能解决机械制造中结构复杂、 精密、批量、零件多变的问题，加工质量稳定，生产效率较高。 购买新的数控机床是提高产品质量和效率的重要途径,但是成本高，许多企 业在短时间内无法实现，这严重

2、阻碍企业设备更新的步伐。为此把普通机床数 控化改造，不失为一条投资少、提升产品质量及生产效率的捷径，提升企业竞 争力，在我国成为制造强国的进程中，占有一席之地。本文的主要内容有： 1对普通车床数控化改造经济性评价详细论证，确定普通车床数控化改造 方案； 2对进给系统的滚珠丝杠型号选择与装配设计，支承方式的设计与轴承型 号选择，步进电机选择等进行了详细研究； 3对常用进口数控装置系统和国产数控装置系统进行仔细比较，根据所改 造的性能和精度指标来选配数控装置系统和自动刀架型号，提出选择方法； 4.为保持切削螺纹的功能，仔细研究了在主轴上安装脉冲发生器的选型， 脉冲发生器直接与主轴间连接方法，并形成

3、了相应的技术图； 5.拆卸普通机床，甩掉原有进给箱等，对主传动系统的进行大修，滑板贴 塑与铲刮调试，对机床相关部件和参数进行测绘、测量； 6.绘出相应的零件图和装备图； 7给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。 关键词：普通车床、数控、改造 ABSTRACT Most enterprises still have large amounts general-purpose machine tools which have longevity of service, low precision, can not adapt to mass production, low automatizat

4、ion and adaptability, but can not be washed out because of its low cost and continuity of enterprises production. As a representative production of mechanical, electronic, hydraulic and pneumatic integration, numerically controlled machines have a stabilization quality and high efficiency, and can s

5、olve problems such as complex structure, high precision, mass production, part variety in machining. Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises equip

6、ment updating step are counteracted severly. So General lathes numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The

7、 main contents is: 1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimums synthesize adjudicate principle. 2. The ball screws type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motorof feeding system is designed. 3. The i

8、mport and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming. 4. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its c

9、onnection with the principal axis, and draw out a techniquediagram. 5. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe. 6. Draw out parts di

10、agrams and assemble diagram. 7 .Methods of installing and testing of general purpose lathes numerically controlled reforming were put forward. Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform 目录目录 1 前言前言-6 1.11.1 问题的提出问题的提出-6 6 1.1.1 国内外数控系统发展概况 -6 1.1.2 国内外数控技术发展趋势 -7 1.1.3 智能化新一代 PCN

11、C 数控系统 -7 1.21.2 普通机床数控改造的经济性评价普通机床数控改造的经济性评价-8 8 1.2.1 微观看改造的必要性 -8 1.2.2 宏观看改造的必要性 -9 1.31.3 普通机床数控化改造市场普通机床数控化改造市场-9 9 1.3.1 改造的市场 -9 1.3.2 进口设备和生产线的数控化改造市场 -10 2.设计要求.3 2.1 总体方案设计要求.3 2.2 设计参数 .4 4 2.3.其它要求 .4 3.进给伺服系统机械部分设计与计算.8 3.1 进给系统机械结构改造设计.9 9 3.2 横向进给伺服系统机械部分的计算与选型 .10 3.2.1 确定系统的脉冲当量.10

12、 3.3.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤.14 3.3.4 齿轮有关计算.16 3.3.4 (2)横向齿轮及转矩的有关计算 .20 4. 步进电动机的计算与选型.23 4.1 步进电动机选用的基本原则 .2323 4.2 步进电动机的选折 .24 5.主轴交流伺服电机.24 5.1 机床主运动电机的确定 .2626 5.2 主轴的变速范围 .26 5.3 初选主轴电机的型号.27 5.4 主轴电机的校核 .2727 7安装调整中应注意的问题.31 7.1 滚珠丝杠副的特点 .3131 7.2 滚珠丝杠螺母副的选择 .32 7.3 滚珠丝杠螺母副的调整.32 7.4 联轴器的安装 .

13、3232 7.5 主轴脉冲发生器的安装 .32 结论.35 参考文献.3636 1 前言 1.11.1 问题提出问题提出 数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少 的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、 精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。 企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展,就必须在最短的时间内以 优异的质量、低廉的成本,制造出合乎市场需要的、性能合适的产品,而产品质 量的优劣,制造周期的快慢,生产成本的高低,又往往受工厂现有加工设备的直接 影响。 购买新的数控机床是提高数控化率的主要途径,但是成

14、本太高，很多工厂在 短时间内都无法有那么多的资金，这严重阻碍企业的设备更新和设备改造的步 伐；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通机床， 由于普通机床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生 产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。 而改造现有旧机床、配备与之相适应的数控系统，把普通机床改装成数控机床， 是当前许多企业对现有设备改造换代的首选办法，也是提高机床数控化率的一 条有效途径，不失为一条投资少、提升产品加工精度及质量，提高生产效率的 捷径，使企业提升竞争力，在我国成为世界制造业中心及制造强国的进程中， 占有一席之地。

15、 1.1.1 国内外数控系统发展概况 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于 计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化 技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。 随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发 达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在 现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自 动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特 点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前， 数控技术正在发生根本

16、性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式 实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超 小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多 学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、 调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理；在网络化基础上， CAD/CAM 与数控系统集成为一体，机床联网，实现了中央集中控制的群控加 工。 长期以来，我国的数控系统为传统的封闭式体系结构，CNC 只能作为非智 能的机床运动控制器。加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工 程序在实际加工前用手工方式或通过 CAD/CA

17、M 及自动编程系统进行编制。 CAD/CAM 和 CNC 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中 CNC 只是一个封 闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程中的刀具组合、 工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步长、加工余量等加 工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通 过反馈控制环节随机修正 CAD/CAM 中的设定量，因而影响 CNC 的工作效率 和产品加工质量。由此可见，传统 CNC 系统的这种固定程序控制模式和封闭式 体系结构，限制了 CNC 向多变量智能化控制发展，已不适应日益复杂的制造过 程，因此，对数控技术实行变革势在必行。

18、1.1.2 数控技术发展趋势 1 性能发展方向 (1) 高速高精高效化 速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速 CPU 芯 片、RISC 芯片、多 CPU 控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字 伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精 高效化已大大提高。 (2) 柔性化 包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面 大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统 能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大 限度地发挥群控系统的效能。 (3) 工艺复合性和多轴化 以减

19、少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功 能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过 自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。 数控技术轴，西门子 880 系统控制轴数可达 24 轴。 (4) 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以 确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智 能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向 着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、 更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控

20、制这一新的领域。在数控技术领 域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊 控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中 配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿 等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、 动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控 系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。 1.1.3 智能化新一代 PCNC 数控系统 当前开发研究适应于复杂制造过程的、具有闭环控制体系结构的、智能化 新一代 PCNC 数控系统已成为可能。 智能化新一代 P

21、CNC 数控系统将计算机智能技术、网络技术、 CAD/CAM、伺服控制、自适应控制、动态数据管理及动态刀具补偿、动态仿 真等高新技术融于一体，形成严密的制造过程闭环控制体系。 1.2 普通机床数控化改造经济性评价 根据对市场的调研，目前新的经济数控车床，8.5 万/台，普通新车床 CA6140，售价 3.8 万/台，使用寿命 8-10 年，而已使用了 6-8 年的旧车床 CA6140，估价 0.5 万/台，通过改造还可使用 4-6 年。普通车床 CA6140 每台数 控化改造所需价格大约 3 万，数控加工的生产率可提高 20-30%。因此需要对普 通车床的数控化改造进行经济性评价。 设备现代化

22、改造是指应用现代技术成就和先进经验，适应生产的需要， 改变现有设备的结构（包括更换新部件、新装置、新附件等） ，改善现有设备的 技术性能，使之全部或局部达到新设备的性能。 1.2.1 微观看改造的必要性 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性 均来自数控系统所包含的计算机的威力。 (1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应 该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。 (2) 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机床 提高 37 倍。由于计算机有记忆和存储能力

23、，可以将输入的程序记住和存储下 来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换 一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自动 化，故被称为实现了柔性自动化。 (3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要修配。 (4 ) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。 (5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长 时间无人看管加工。 由以上五条派生的优点：(1)降低了工人的劳动强度；(2)节省了劳动力 （一个人可以看管多台机床） ；(3)减少了工装；缩短了新产品试制周期和生产 周期；(4)可对市场需求作出快速

24、反应等等。 以上这些优越性是前人想象不到的，是一个极为重大的突破。此外，机床 数控化还是推行 FMC（柔性制造单元） 、FMS（柔性制造系统）以及 CIMS（计算 机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成为制造业自动化 的核心技术和基础技术。 1.2.2 宏观看改造的必要性 从宏观上看，工业发达国家的军、民机械工业，在 70 年代末、80 年代初已 开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民 机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC、FMS 外，还 包括在产品开发中推行 CAD、CAE、CAM、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS（管理

25、信息系统） 、CIMS 等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包 括人工智能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造 （称之为信息化） ，最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为 增强。而我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 年。如我国机 床拥有量中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已达 20.8，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了 机床数控化改造的必要性。 1.3 普通机床数控化改造市场 1.3.1 改造的市场 我国目前机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万

26、台，即 我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元。机床的年产量数控化率为 6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到 20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床 占 60以上） 。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数是 传统的机床，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来 的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、 国内市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益。所以必须大 力

27、提高机床的数控化率。 1.3.2 进口设备和生产线的数控化改造市场 我国自改革开放以来，很多企业从国外引进技术、设备和生产线进行技术 改造。据不完全统计，从 19791988 年 10 年间，全国引进技术改造项目就有 18446 项，大约 165.8 亿美元。这些项目中，大部分项目为我国的经济建设发 挥了应有的作用。但是有的引进项目由于种种原因，设备或生产线不能正常运 转，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，严重的使企业陷入困境。一些设备、 生产线从国外引进以后，有的消化吸收不好，备件不全，维护不当，结果运转 不良；有的引进时只注意引进设备、仪器、生产线，忽视软件、工艺、管理等， 造成项目不完整，

28、设备潜力不能发挥；有的甚至不能启动运行，没有发挥应有 的作用；有的生产线的产品销路很好，但是因为设备故障不能达产达标；有的 因为能耗高、产品合格率低而造成亏损；有的已引进较长时间，需要进行技术 更新。种种原因使有的设备不仅没有创造财富，反而消耗着财富。 这些不能使用的设备、生产线是个包袱，也是一批很大的存量资产，修好 了就是财富。只要找出主要的技术难点，解决关键技术问题，就可以最小的投 资盘活最大的存量资产，争取到最大的经济效益和社会效益。这也是一个极大 的改造市场。 2 设计要求 2.12.1 总体方案设计要求总体方案设计要求 总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式

29、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。 （4）根据系统的功能

30、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。

31、（8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 2.22.2 设计参数设计参数 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 CA6140 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 mm0.25-3(11 种) 径节螺纹 t/m7-96(24 种) 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

32、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 BH2525mm 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 0.01mm 工作精度圆柱度200:0.02 平面度0.02/300mm 表面粗糙度 Ra1.6-3.2m 主电动机7.5kw 电动机功率 总功率7.84kw 改造设计参

33、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 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 2.3.2.3.其它要求其它要求 （1） 原机床的主

34、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。 3 进给伺服系统机械部分设计与计算 3.13.1 进给系统机械结构改造设计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 刀架等改造的方案不是唯一的。以下是其中的一种方案： 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

35、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。 3.23.2 横向进给伺服系统机械部分的计算与选型横向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 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。计算简图如下图所示： 3.2.13.2.1 确定系统的脉冲当

36、量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。 3.2.23.2.2 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 （1 1）型号选择）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 f=0.05,F1 为

37、工作台进给方向载荷， Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h, 最大工作载荷：Fm=kF1+f(Fv+2Fc+G) =1.42144+0.05(5360+21340+9.875) =3440.4N 2）最大动载荷的计算 V 横=1400r/min0.79mm/r=1106mm/min n 横丝=v 横1/2/L0纵=11061/2/4=138.25r/min L=60nt/=60138.2515000/106=124.43 C=fmFm =1.53440.4=25763.7N 初选滚珠丝杠型号为：CD506-3.5-E 其基本参数为 Dw=3.96

38、9mm,=2o11,L0=6mm,dm=50mm,圈数列数3.51 (2)(2) 横向滚珠丝杠的校核横向滚珠丝杠的校核 1）传动效率 计算 =tg/tg(+)=tg2o11 /tg(2o11 +10)=93% 2) 刚度验算 1. 丝杠的拉压变形量 1=FmL/EA=3440.4320/20.6104252=0.0027mm 2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2=0.0013 =0.00132 =0.0070mm 在这里 Fyj=Fm/3=3352.6/3=1118N Z=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56 Z=39.563.51=138.48 丝杠的总变形量 =1+2=0.00

39、27+0.0070=0.0097mm0.015mm 查表知 E 级精度允许的螺距误差为 0.015mm，故所选丝杠合格 3.2.33.2.3 齿轮有关计算齿轮有关计算 (1)(1)纵向齿轮及转矩的有关计算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：Vmax=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 ,模数 m=2mm 齿宽

40、 b=20mm 压力角 =20 齿轮的直径 d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm d2=d1+2ha*=68mm d2=d2+2ha*=84mm 两齿轮的中心矩 a= = =72mm 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,cm L-零件的轴向长度,cm 所以,丝杠的转动惯量: J1=7.810-4+D4L1=7.810-43.24140.3=

41、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)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39） +2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2 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

42、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.cm2 n-丝杠转速,r/min T-时间常数,s 当 n=nmax时 Ma=Mamax nmax=416.7 r/min Mamax= 10-4=2.49N.m 当 n=nt时, Ma=mat nt=24.88 r/min Mat= 10-4=0.0616N.mMf= N.cm （3-13） 式中 f-

43、导轨上的摩擦系数 nt-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 f=0.16 时， Mf= = 12.23 N.cmMo=(1-) （3-14） 式中， o-丝杠未预紧时的效率，取 0.9 FO-预加载荷，一般为最大轴向载荷的 1 / 3，即 FP / 3 则 Mo=(1-0.92)=8.108N.cm Mt=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

44、.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)(2)横向齿轮及转矩的有关计算横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=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：Vmax=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=

45、18 , Z2=30 ,模数 m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角 =20 d1=36mm d2=60mm da1 =40mm da2=64mm a=48mm 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 30=0.0439 kg.cm2 丝杠的转动惯量: 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)（JS+Jz2）+Jz1+J1=

46、()2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 kg.cm2=12.58N. cm2 3)所需转动力矩计算 nmax=416.7 r/min Mamax= 10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm nt=33.17 r/min Mat= 10-4=0.0174N.m=0.174 kgf.cm Mf= = =0.287kgf.cm=0.028N.m Mo=(1-0.92) =0.649kgf.cm =0.065N.m Mt=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

47、.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=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 4 步进电动机的计算与选型 4.14.1 步进电动机选用的基本原则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

48、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： 4.1.14.1.1 步距角步距角 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 4.1.24.1.2 精度精度 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。 4.1.34.1.3 转矩转矩 为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）

49、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，Mq-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（4）所示，表中 MJM为 步进电动机的最大静载矩，是步进电动机技术数据中给出的。 相数 33445566运行 方式拍数 3648510612 Mg/Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866 表（4）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。 4.1.44.1.4 启动频率启动频率 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) 式中，ft-极限启动频率， fopm-要求步进电动机最高启动频率。 4.24.2 步进电动机的选折步进电动机的选折 4.2.14.2.1 CA6140CA6140 横向进给系统步进电机的确定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=0.866