普通CA6140车床的数控改造（含全套图纸） .pdf

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1、1 徐 州 工 程 学 院 专科生毕业设计 姓名:学号:2004 系部:机电工程学院 专业: 数控机床应用及维护 设计题目: 普通 CA6140 车床的经济型数控改造 指导老师：韩翔职 称：讲师 2007 年 6 月 2 徐州工程学院毕业设计任务书 系部: 机电工程学院专业年级: 04 数控机床应用及维护 学生姓名: 任务下达日期:2007 年 4 月 13 日 毕业设计日期: 2007 年 4 月 13 日至 2007 年 6 月 日 毕业设计题目:普通车床的数控改造 毕业设计主要内容和要求: (1)要求: 1)设计说明书一份，20000 字，打印成册。 2)利用画图，要求视图完整。绘图数量

2、折合成零号图纸不少于三张。 (2)内容: 1）数控技术与数控机床有关文献的研读与综述。 2）伺服进给机构设计计算。 3）主轴交流伺服电机的选型与校核。 4）减速箱体的设计。 5）滚珠丝杠轴承的选型与校核。 6）微机控制系统硬件电路设计。 7）车床改造的结构特点。 8）安装调整中应注意的问题 系主任签字：指导教师签字： 3 徐州工程学院毕业设计指导老师评阅书 指导老师评语指导老师评语 ( 基础理论及基本技能的掌握; 独立解决实际问题的能力; 研究内容的理论依据和技术方法; 取得的主要成果及创新点; 工作的态度及 工作量; 总体评价及建议成绩; 存在问题; 是否同意答辩等 ): 成绩:指导老师签字

3、: 年月日 4 徐州工程学院毕业设计评阅教师评阅书 评阅老师评语评阅老师评语 ( 选题的意义; 基础理论及基本技能的掌握; 综合运用所 学知识解决实际问题的能力; 工作量的大小; 取得的主要成果及创新点; 写作的规范程度; 总体评价及建议成绩; 存在问题; 是否同意答辩等): 成绩:评阅老师签字: 年月日 5 徐州工程学院毕业设计评阅教师评阅书 评阅老师评语评阅老师评语 ( 选题的意义; 基础理论及基本技能的掌握; 综合运用所 学知识解决实际问题的能力; 工作量的大小; 取得的主要成果及创新点; 写作的规范程度; 总体评价及建议成绩; 存在问题; 是否同意答辩等): 成绩:评阅老师签字: 年月

4、日 6 答辩情况 提出问题 回答问题 正确基 本 正确 有 一 般 性 错误 有 原 则 性 错误 没有 回答 答辩委员会评语及建议成绩: 答辩委员会主任签字: 年月日 学院领导小组综合评定成绩: 学院领导小组负责人: 年月日 7 摘要摘要 普通机床的经济型数控改造主要是在合理选择数控系统的前提下， 然后再对普通车床进行适当的机械改造，改造的内容主要包括： (1) 床身的改造，为使改造后的机床有较好的精度保持性，除尽可 能地减少电器和机械故障的同时，应充分考虑机床零部件的耐磨性，尤 其是机床导轨。为此，本例中采用旧床身淬火并贴膜。 (2) 拖板的改造，拖板是数控系统直接控制的对象，所以对其改造

5、 尤显重要。 这中间最突出一点就是选用滚珠丝杠代替滚动丝杠，提高了 传动的灵敏性和降低功率步进电机力矩损失。 (3) 变速箱体的改造，由于采用数控系统控制，所以要对输入和输 出轴以及减速齿轮进行设计，从而再对箱体进行改造。 (4) 刀架的改造，采用数控刀架，这样可以用数控系统直接控制， 而且刀架体积小，重复定位精度高，安全可靠。 通过对机床的改造并根据要求选用步进电机作为驱动元件，这样 改造后的机床就能基本满足现代化的加工要求。 关键字关键字关键字关键字： 普通车床数控改造步进电机经济型数控系统数控刀架 徐州 目录目录 1.绪论 1 2.设计要求3 2.1 总体方案设计要求3 2.2 设计参数

6、4 2.3.其它要求 7 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8 3.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型8 3.2.1 确定系统的脉冲当量9 3.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤9 3.2.3横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤 12 3.2.4齿轮有关计算13 3.2.4（1）纵向齿轮及转矩的有关计算14 3.2.4 (2)横向齿轮及转矩的有关计算 15 4. 步进电动机的计算与选型 20 4.1 步进电动机选用的基本原则 20 4.2 步进电动机的选折 21 5.主轴交流伺服电机 22 5.1 主轴的变速变速范围 22 5.2 初选

7、主轴电机的型号 22 5.3 主轴电机的校核 22 6.微机控制系统硬件电路设计 23 6.1 控制系统的功能要求 23 6.2 硬件电路的组成 23 6.3 设计说明 23 7.车床改造的结构特点27 徐州 7.1.滚珠丝杆 27 7.2 导轨副27 7.3 安装电动卡盘27 7.4 脉冲发生器 27 8安装调整中应注意的问题 28 8.1 滚珠丝杠螺母副的选择 28 8.2 滚珠丝杠螺母副的调整 28 8.3 联轴器的安装 28 8.4 主轴脉冲发生器的安装 28 结论29 参考文献 30 徐州工程学院毕业论文 第 1 页 共 29 页 1 绪论 数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了

8、性能,简化了结构.较好地解决 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

9、力，以实现额定的加工 工艺目标。这一工作早在 20 世纪 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

10、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： （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 C616，C618，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

11、，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， 徐州工程学院毕业论文 第 2 页 共 29 页 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，

12、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。 徐州工程学院毕业论文 第 3 页 共 29 页 2 设计要求 2.12.12.12.1 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

13、、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

14、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。 （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（2）所示： 进给伺服系统总体方案方框图如图（3）所示： 徐州工程学院毕业论文 第 4 页 共 29 页 加工工件形状 编程 手工输入计算机磁带 控制计算机 功率放大器 车床 步进电机 变速箱 变速箱 步进电机 工件 图（2）数控车床改造的总体方案示意图 微 机 光 电 隔

15、离 光 电 隔 离 功 率 放 大 功 率 放 大 Z向 步进 电机 步进 电机 X向 床鞍及拖板 中拖板 图（3）经济性数控车床进给伺服系统方案框图 2.22.22.22.2 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 徐州工程学院毕业论文 第 5 页 共 29 页 顶尖间最大距离650;900;1400;1900mm 宋制螺纹mm1-12(20 种) 加工螺纹范围英制螺纹t/m2-24(20 种) 模数螺纹mm0.25-3(11 种) 径

16、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 徐州工程学院毕业论文 第 6 页 共 29 页 外形尺寸长宽高24181000126

17、7mm 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 徐州工程学院毕业论文 第 7 页 共 29 页 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0.005

18、mm/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 2.3.2.3.2.3.2.3.其它要求其它要求 （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。 徐州工程学院毕业论文 第 8 页 共 29 页 3 进给伺服系统机械部分设计与计算 3.13.13.13.1 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

19、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。 3.23.23.2

20、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 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： 徐州工程学院毕业论文 第 9 页 共 29 页 3.2.13.2.13.2.13.2.1 确定系统的脉冲当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/st

21、ep,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。 3.2.23.2.23.2.23.2.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择雨校核步骤 （1 1 1 1）最大工作荷载计算）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 CA6140 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

22、小。 Fm=KFL+f(Fv+G)（3-1） 1）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它。 纵切外圆时，车床的主切削力 Fz 可以用下式计算： Fz=CFzP XFzfyFzVnFz KFz（3-2） =5360(N) 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，

23、 车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨 徐州工程学院毕业论文 第 10 页 共 29 页 上， 车削作业时作用在进给托板的载荷 F1Fv 和 Fc 与车刀所受到的车削抗力有 对应关系。 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F1=Fx=1340(N) 托板上的垂直方向载荷Fv=Fz=5360(N) 托板上的横向载荷Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作载荷Fm=KFL+f(Fv+G) =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N) 对于三角形导轨 K=1.15, f=0.030.05,选 f=0.04(因为是贴塑导轨)，G 是

24、纵向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 2 2 2）最大动载荷）最大动载荷 C C C C 的计算的计算 滚珠丝杠应根据额定动载荷 Ca 选用，可用式 3-4 计算： C=fmm（3-4） L 为工作寿命， 单位为 10r， L=60nt10;n 为丝杠转速 （rmin） ,n=1000vL0;v 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=2

25、226mm/min n 纵向=v 纵向1/2/L0=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

26、且较难安装。 考 虑到简易经济改装，所以采用外循环。 因此初选滚珠丝杠的型号为型 CD638-3.5-E 型，主要参数为 Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,=2 o19 ，圈数列数 3.51 （3 3 3 3）纵向滚珠丝杠的校核）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 =tg /tg( + )=tg2 o19 /tg(2o19 +10)=92% （3-5） 徐州工程学院毕业论文 第 11 页 共 29 页 2）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

27、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1 1=Fml/EA（3-6） =1790.682280/20.610(31.5) 2 =0.0064mm 2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） =0.00132 =0.0028mm 在这里Fyj =1/3Fm=1/31790.68=597N Z=dm/Dw=3.1463/4.763=41.53 Z=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

28、.2.33.2.33.2.33.2.3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 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=1

29、1061/2/4=138.25r/min L=60nt/=60138.2515000/10 6=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=3.969mm,=2 o11,L 0=6mm,dm=50mm,圈数列数3.51 (2)(2)(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(+)=tg2 o11 /tg(2o11 +10)=93% 2) 刚度验算 1. 丝杠的拉压变形量 1=FmL/EA=3440.4320/20.610 4252=0.0027mm 2.滚珠与螺纹滚道

30、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 徐州工程学院毕业论文 第 13 页 共 29 页 =1+2=0.0027+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 3 3 3）滚珠丝杠螺母副的精度等级：）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 度丝杠的行程公差数值如表（2

31、）所示： 项目符号 有效行 程 lm/mm 精度等级 12345 目标行程公差ep 31568121623 31540079131825 400500810152027 500630911162230 行程变动量公差Vmp 31568121623 31540068121725 400500710131926 500630711142129 任意 300mm 内行程变 动量 V300p68121623 2rad 内行程变动量V2p45678 表（2）滚珠丝杠行程公差/m 3.2.43.2.43.2.43.2.4 齿轮有关计算齿轮有关计算 (1)(1)(1)(1)纵向齿轮及转矩的有关计算纵向齿轮及

32、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 b=20mm压力角=20 齿轮的直径d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm 徐州工程学院毕业论文 第 14 页 共 29 页 d2=d1+2ha *=68mm d2=d2+2ha *=84mm 两齿轮

33、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.cm 2 （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.cm 2 （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+D4L 1=7.810 -43.24140.3=11.475 kg.cm 2 齿轮的转动惯量: =7.810 -46.442=2.617 kg.cm 2 =7.810 -4842=6.39 kg.cm 2 电动机转动惯量很小

34、,可忽略。 因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量 J=(1/i 2)（J S+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.5 2)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942 kg.cm 2=59.42N. cm2 丝杠名义直 径/mm 导程/mm 1m 长丝杠 的转动惯量 kg.cm2 丝杠名义直 径/mm 导程/mm 1m 长丝杠 的转动惯量 kg.cm2 20 40.94 50 1035.76 50.841231.98 徐州工程学院毕业论文 第 15 页 共 29 页 25 52.24 60 881.58 62.001078.02 30 54.911274.96 64.47 7

35、0 8157.35 35 59.2610150.47 68.7212145.13 88.30 80 10263.49 40 516.2912255.84 615.45 90 10420.31 815.1812392.75 45 626.13 100 12649.56 824.5416615.16 1022.6320562.44 50 639.75 120 201233.93 837.64241144.60 表(3)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

36、 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.cm2 n-丝杠转速,r/min T-时间常数,s 徐州工程学院毕业论文 第 16 页 共 29 页 当 n=nmax时Ma=Mamax nmax=416.7r/min Mamax=10-4=2.49N.m 当 n=nt时, Ma=mat nt=24.88r/

37、min Mat= 10-4=0.0616N.mMf=N.cm （3-13） 式中f-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 =0.8f=0.16 时， Mf=12.23N.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=128N.cm 所以，快速空载启动所需力矩 M=Mamax+Mf+Mo=103+12.23+8.108=123.338N.cm 切削时

38、所需力矩 徐州工程学院毕业论文 第 17 页 共 29 页 M=Mat+Mf+Mo+Mt=6.16+12.23+8.108+128=151.42N.cm 快速进给时所需力矩 M=Mf+Mo=12.23+8.108=20.338N.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=123.338N.cm (2)(2)(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/ste

39、p 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=18,Z2=30,模数 m=2mm 齿宽 b=20mm压力角=20 d1=36mmd2=60mm da1=40mmda2=64mma=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.cm 2 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

40、动惯量很小,可忽略。 徐州工程学院毕业论文 第 18 页 共 29 页 因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量 J=(1/i 2)（J S+Jz2）+Jz1+J1=( ) 2（0.624+2.022）+0.262+0.0439=1.258 kg.cm 2=12.58N. cm2 3)所需转动力矩计算 nmax=416.7r/min Mamax=10-4=0.2184N.m=2.18kgf.cm nt=33.17r/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 =0.065

41、N.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=2.532kgf.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 （3 3 3 3）绘制进

42、给伺服系统的机械装配图）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 徐州工程学院毕业论文 第 19 页 共 29 页 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 构以及轴承预紧和调节方式，确定齿轮轴支承轴承的型号。 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

43、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

44、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。 4 步进电动机的计算与选型 4.14.14.14.1 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 徐州工程学院毕业论文 第 20 页 共 29 页 如下： 4.1.14.1.14.1.14.1.1 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 4.1.24.1.24.1.24.1.2 精度精度

45、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。 4.1.34.1.34.1.34.1.3 转矩转矩 为了使步进电动机正常运转（不失步，不越步）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

46、）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。 运行 方式 相数33445566 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。 4.1.44.1.44.1.44.1.4 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， 徐州工程学院毕业论文 第 21 页 共 29 页 fopm-要求步进电动机最高启动频率。 4.24.24.24.2 步进电动机的选折步进电动机的选