机电一体化毕业设计（论文）-XA5032普通立式铣床的数控改造 (2).doc

山山 东东 英英 才才 学学 院院 毕毕业业设设计计 题题 目目 xa5032xa5032 普通立式铣床的数控改造普通立式铣床的数控改造 专专 业业 机电一体化机电一体化 姓姓 名名 指导教师指导教师 二 o 年 月 日 山东大学自学考试毕业设计（本科） 2 摘要 本文提供了一种 xa5032 铣床的经济型数控化改造方案，改造的主要模块有：机械部 分和数字控制电路部分。机械部分主要是对丝杠、驱动元件和减速齿轮的改造。改造后 的系统是以步进电机为驱动执行元件的开环控制系统，以 mcs-51 型单片机为控制处理芯 片，实现 x、y 两坐标联动改造,使得改造后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简 单的零件外，还能加工形状复杂（如加工圆弧面、斜面及凸轮等）的零件。改造后的数 控机床具有高精、高效及加工产品范围广等特点。最后再对系统的误差及精度进行分析， 并提出改进的方法、建议。 关键词：xa5032xa5032 数控化 改造 单片机 山东大学自学考试毕业设计（本科） 3 abstract in this paper ,in base of our countrys eco- momic condition and the expensive cnc, in order to extend machining scope, high accuracy , small batch, and has a good condition in excitely complicative market .so,the numerization rebuilding of xa5032 is so necessary and feasible. this paper provides a way of how to implement the synchronied motion of the two axes in the x and y plane with cnc system and an open-loop control which use stepping motors as actuators on a xa5032 mill，and the microcomputer is mcs-51. the numerization rebuilding of xa5032 milling machine not only is used for machining keyway,plane and hole etc,but also, it can ma- nufacting complicated shap and the accuracy is high. the technology of cnc has became the key and basic technology in the manufacturing industry . keywords: xa5032mill numerization rebuilding single chip computer 山东大学自学考试毕业设计（本科） 4 目目 录录 摘要 2 abstract 3 绪 论 .6 第一章 整体改造方案 .8 1.1 总体设计方案： .8 1.1.1 机床改造的方案比较.8 1.1.2 实现的目标 10 1.2 主传动的系统改造： 10 1.2.1 机械部分的数控化改造： 10 1.2.2 电气部分的数控化改造 11 1.3 进给系统的改造 11 1.3.1 进给机构的改造.11 1.3.2 xa5032 的改造要求 11 1.3.3 导轨副的改造 12 1.4 微机系统的硬件与软件设计 12 1.4.1 系统软件的设计12 1.4.2 硬件系统设计12 第二章 横纵向系统的设计和计算过程 13 2.1 纵向方向（x 轴）的设计：.13 2.1.1 铣削力 c f 的计算14 2.1.2 滚珠丝杠所受的平均轴向载荷 m f 的计算15 2.1.3 丝杠副工作负荷计算及丝杠型号的选择 16 2.1.4 传动效率的计算.17 2.1.5 刚度验算 18 2.1.6 稳定性的验算 18 2.1.7 齿轮传动设计的有关计算： 19 2.1.8 齿轮材料的选用及许用应力： 20 2.1.9 直齿圆柱齿轮副的计算20 2.1.10 步进电机型号的计算选择 .22 山东大学自学考试毕业设计（本科） 5 2.1.11 纵向步进电机选择计算 .23 2.1.12 步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性 .27 2.2 横向(y 轴)的设计.28 第三章 数控部分设计 30 3.1 系统硬件设计 30 3.1.1 主控制器（cpu） .31 3.1.2 存储器扩展电路 31 3.1.3 扩展 i/o 接口 32 3.1.4 步进电机驱动电路 32 3.1.5 行程控制 34 3.1.6 键盘与显示 34 3.1.7 复位电路 34 3.1.8 紧急停车 34 3.2 编程时应注意的问题 35 3.3 步进电机系统软件控制 35 第四章 误差来源及精度分析 36 4.1 误差的来源 36 4.1.1 机械结构原因 36 4.1.2 数控部分原因 36 4.2 误差补偿措施 36 4.2.1 齿轮副误差补偿分析 36 4.2.2 数控系统误差补偿分析 37 4.2.3 滚珠丝杠副误差补偿分析 37 结 论 39 致 谢 40 参考文献 .41 山东大学自学考试毕业设计（本科） 6 绪 论 该课题来源于生产实践的需要，利用大量闲置旧机床，对其进行数控化改造后，成 为一种高效的、多功能的经济型数控机床，是一种推陈出新、盘活存量资金的有效办法， 是低成本自动化的必由之路。 数控技术及数控机床是以数控系统为代表的新技术，对传统机械制造产业的渗透形 成的机电一体化产品：数控机床；其技术范围涉及很多领域： 机械制造技术；信息处理技术；自动控制技术；伺服驱动技术；传感器技术；软件 技术等。 数控机床即是采用了数控技术的机床，或者说是装备了数控系统的机床。现代数控机床 都采用计算机（微型机算计）作为控制系统，它由 cnc 系统，机床主机及辅助装置组成。 数控未来发展的趋势 往高精，高速，高柔性化及高复合化加工方向。 集成化、模块化、网络化、通用型开放式闭环控制模块。 高效多轴化、实时智能化、用户界面图形化、科学计算可视化、插补和补偿方式 多样化。 内装高智能 plc，多媒体技术的应用。 应用自适应控制技术，引入专家系统指导加工，引入故障诊断专家系统。 数控化改造的优缺点 减少投资额，交货期短 机械性能稳定可靠，结构受限 熟悉了解设备，便于操作维修 可充分利用现有的条件 可更好的因地制宜，合理删选功能 可及时采用最新技术，充分利用社会资源 数控改造对机械传动系统的要求 山东大学自学考试毕业设计（本科） 7 运动副之间的摩擦系数小，传动无间隙。 有高的静动态刚度。 功率大，低振性，可靠性高。 便于操作和维修 机床数控改造的必要性 数控机床是一种典型的机电一体化产品，它集精密，柔性，和集成与一身，它可以 较好的解决形状复杂，精密，小批多变的零件加工问题，能够稳定加工质量和提高生产 效率，是一种高度自动化机床。其造价较低，改造周期短，可靠性高，改造技术也日趋 成熟，加之我国特有的经济实用产品“经济型数控装置”的技术指标不断的提高，产品的更 新和完善的进度不断的加快，产量不断的提高，故有广阔的前景，其必要性还体现在： 由于数控改造费用低，可充分利用原有的设备和闲置设备，把它们改造成数控， 使它们的原有功能和改造后新增加的功能得到充分的利用，提高了机床的使用价值。 易于对现有机床实现自动化，而且针对性强，即可针对新加工的零件类型及机床 来进行改造，改造后机床没有多余的功能。 改造后的机床加工精度得到提高，工人的劳动强度得到降低。 减少了辅助加工时间，可提高机床的生产效率。 数控改造可在企业技术人员参加下开发，所以他们可熟悉，掌握改造后的机床 性能，操作等，为以后的生产，维护，修理打下基础。 本文对 xa5032xa5032 数控改造的主要过程： 收集：收集资料，查与 xa5032 相关的技术参数。 设计：对 xa5032 数控改造的总体思路。 计算：对横向（x 轴）和纵向（y 轴）的改造计算， 绘图： ：绘制改造后 x 轴、y 轴的装配图，和改造后外型布局图。数控部分的电路原 理图。 分析：分析在数控改造中可能会出现的问题，以及解决问题的参考方法。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 8 第一章 整体改造方案 1.1 总体设计方案： 1.1.1 机床改造的方案比较 方案 1：将 xa5032 数控化改造后，使系统能够控制主轴的转速，并实现其正反转控 制工作台，实现其纵、横向进给运动以及垂直方向的运动，控制冷却和润滑。通过键盘 输入加工程序。xa5032 铣床数控化改造后是升降台式的。床身的上部内装主轴传动系统 为主轴变速系统，这部分采用原机床的主轴传动系统即保留原机床的电动机等等，还有 添加的变速箱。床身的底部是可作冷却液箱的底座，数控系统显示器及按键位于操作者 的右边，便于调试、和操作观察。床身右侧的电器箱内装有两坐标的进给伺服控制系统， 床身左侧的电器箱内装有主控器和强电系统。显示器采用 led，用以显示输入的程序， 机床的实际位置和已存储的各种信息。手动操作时，显示器可作为数字读出装置使用。 数控系统采用为两坐标开环控制，由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。 可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。采用系列单片机组成微机控制 系统，它的可靠性高、能在恶劣的环境下工作，适应能力较好，且功能强，速度高。数 控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能，自诊断功能，可进行自动加、减速，并具 有备用电池，停电时可做存储已编程序的电极。采用微机对数据进行计算 处理，由 i/o 接口输出脉冲信号，经光电隔离电路，功率放大再传给步进电机，步进电动 机驱动滚珠丝杠转动，从而实现 x、y 两个方向的进给运动，加工零件。总体设计如图 1.1 所示： 信号分配及 放大电路 步 进 电 动 机 工作台（x 轴） 信号分配及 放大电路 步 进 电 动 机 工作台（y 轴） 图 1.1 无反馈控制电路 控 制 部 分 山东大学自学考试毕业设计（本科） 9 方案方案 2：将 xa5032 数控化改造后，使系统能够控制主轴的转速，并实现其正反转控 制工作台，实现其纵、横向进给运动以及垂直方向的运动，控制冷却和润滑。通过键盘 输入加工程序。xa5032 铣床数控化改造后是升降台式的。如果床身的下部内装主轴传动 系统为主轴变速系统，这部分采用原机床的主轴传动系统即保留原机床的电动机等等， 还有添加的齿轮变速箱。如果床身的上部是可作冷却液箱的底座，数控系统显示器及按 键位于操作者的左边。床身左侧的电器箱内装有两坐标的进给伺服控制系统，床身左侧 的电器箱内装有主控器和强电系统。显示器采用 led，用以显示输入的程序，机床的实 际位置和已存储的各种信息。手动操作时，显示器可作为数字读出装置使用。假如数控 系统采用为两坐标闭环或者半闭环控制，那么必须要有电路反馈信息，反馈位移或 角位移的电路，这样可以有更加精确的加工路线，更加便于操作者了解机床的行经过程。 仍由步进电机经一级齿轮变速箱后减速驱动。可实现两坐标直线插补和两坐标圆弧插补。 采用系列单片机组成微机控制系统，它的可靠性高、能在恶劣的环境下工 作，适应能力较好，且功能强，速度高。数控系统还具有刀具长度偏移和半径补偿功能， 自诊断功能，可进行自动加、减速，并具有备用电池，停电时可做存储已编程序的电极。 采用微机对数据进行计算处理，由 i/o 接口输出脉冲信号，经光电隔离电路， 功率放大再传给步进电机，步进电动机驱动滚珠丝杠转动，从而实现 x、y 两个方向的 进给运动，加工零件。如图 1.2 所示 反馈电路 反馈电路 控 制 部 分 信号分配及 放大电路 信号分配及 放大电路 步 进 电 机 工作台(轴) 工作台(轴) 步 进 电 机 图 1.2 有反馈控制电路 方案的取舍：比较两者的改造方案，方案 1 的布置比较合理，完全按照机床的正常布置 山东大学自学考试毕业设计（本科） 10 而设计，没有其他什么多余的功能，是经过了市场调查后而进行的，依照原 xa5032 机床 的特点，适当的进行了数控改造，比较符合大多数工厂的生产需要，可以说适应性还是 比较强的，也很符合当前社会市场上竞争的需求。虽然没有位移的反馈信息电路，加工 精度也不如方案 2 高，但是却可以节约资金，在很多加工要求不必太高，不需要反馈信 息进行控制的电路时，也是能够达到精度要求的，所以在本设计中无须反馈电路，即采 用开环系统。在很多的小工厂里也是可以进行这种数控改造，其范围广。并且对 cnc 和 nc 控制作比较，cnc 的功能比 nc 强大许多，在现在软件发展如此之快的情况下，cnc 已经完全取代了 nc，采取 cnc 不但经济，而且功能又符合 xa5032 机床的数控改造。综 合上诉，在本设计中，方案 1.1 是可行的方案。 1.1.2 实现的目标 在论文中主要讨论在对 xa5032 立式升降台式铣床进行数控化改造 xa5032 立式铣床 是铣削键槽、平面及铣孔的通用机床，它没有准确可靠的定位装置，铣孔与铣键槽的位 置精度一般靠模板的精度和人工划线的精度来保证，故其加工精度低于数控机床。由于 普通铣床的柔性差，不能满足市场对形状复杂、精度高、小批量、多品种零件需求。而 数控化改造后系统采用步进电机为驱动执行元件的开环系统，并且采用 cnc 数控系统控 制 x、y 工作台，即采用以 mcs-51 单片机为控制系统，实现两坐标联动改造,使得改造 后的机床能加工除了铣削键槽、平面及孔等简单的零件外，还能加工形状复杂（如加工 圆弧面、斜面及凸轮等）的零件，且加工精度高、效率高，满足市场的需求，且价格较 廉，增加了市场的竞争力。 1.2 主传动的系统改造： 1.2.1 机械部分的数控化改造： 数控机床机械结构的主要特点： 结构简单，操作方便，自动化程度高； 广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品； 具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件； 对机械结构、零部件的要求高。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 11 主传动系统不变，还是采用原有的电动机（7.5kw） 。进给系统采用滚动丝杠副螺母 副代替原有丝杠副，以提高机床运行精度和传动效率。考虑到改造的目标及成本的原因， 决定 x52k 铣床的主轴支承仍采用滚动轴承支承，导轨仍使用动压导轨。 1.2.2 电气部分的数控化改造 由于是将 xa5032 铣床改造成为经济型的开环控制的数控铣床，机床加工的零件多属 中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流电机就能够满足加工要求。因此其主传 动系统的电气部分仍采用其原来配置的 7.5kw 的交流电动机驱动。 1.3 进给系统的改造 1.3.1 进给机构的改造 考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈电路，故进给系统尽可能的要减少中 间传动环节。本铣床的 x，y，z 两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节， 直接采用了步进电机一级减速齿轮滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少 量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副,带动工作台移动。本设计选用步进 电机的型号为 110bf004，步进电机步距角选用，扭距是 4.61nm，电机脉冲当 75 . 0 b 量：。stepmm p 01 . 0 1.3.2 xa5032 的改造要求 进给伺服系统改造后性能的好坏将直接影响到整个系统的性能的好坏。也因此对进 给伺服系统提出了改造设计要求： 提高传动部件的刚度，减小传动部件的惯量； 减小传动部件的间隙，并减小系统的摩擦阻力； 高精度 就是说伺服系统的输出量能复现输入量的精确程度。 稳定性好 指系统在给定输入或受外界干扰作用下，能在短暂的调节后，达到新 的或者恢复到原来的平衡状态。 快速响应，无超调 它是衡量伺服系统动态品质的重要指标，反映了系统的跟踪 精度。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 12 低速大转矩 机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低 速时要有大的转矩输出。 调速范围宽 指机械要求电机能提供的最高转速和最低转速之比。在数控机床中， 由于加工用刀具、被加工材质及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最 佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。 1.3.3 导轨副的改造 xa5032 铣床采用的是铸铁-淬火钢滑动导轨，动、静摩擦系数相差较大，低速易出现 爬行，平稳性和定位精度较低，能量损失大。在数控改造中可采用在原导轨上粘贴聚四 乙炔软带涂层的方法，以减小摩擦系数，增加耐磨性，且具有良好的自润滑性和抗震性， 该方法实现易、费用底。 1.4 微机系统的硬件与软件设计 1.4.1 系统软件的设计 本系统采用 8031 单片机对步进电机进行控制，使机床移动部件沿 x、y 坐标方向移 动，实现刀具与工件的相对运动，完成零件加工。软件系统由初始化模块、键盘处理模 块、led 显示模块、输入输出处理模块等组成。其中步进电机控制程序由软件实现脉冲 分配（由单片机实现环形分配） ，通过改变相应端口的状态完成控制过 程。 1.4.2 硬件系统设计 本系统采用 mcs-51 系列单片机芯片为控制器，片的 作为程序存储器扩展芯片；数据存储器扩展芯片用片的 ；而选用片可编程并行接口芯片作为系统扩展的 口，对、轴步进电机及主轴进行控制,通过键盘的命令可使 x、y 工作台联动， 并可以灵活地输入切削程序和数据。用片做为机床开关、刀架控制信号及主 轴编码器反馈信号口用；片作为键盘显示器接口，识别键盘按键信 号，对显示器自动扫描，完成键盘输入和显示控制功能；采用做 为统一地址译码器寻址，并用为地址锁存器，并由对各步进电 山东大学自学考试毕业设计（本科） 13 机脉冲信号进行环形分配，如图 1.3 所示。 6264ram 功率 放大 光 电 隔 离 变频调速器 74ls138 8255 2764 eprom 8155 光电 隔离 主轴反馈 刀架转位 限位开关 冷却、润滑 led 显 示 8279 键盘 8031 单片机 主轴电机 x y z 图 1.3 数控系统硬件结构框图 为避免强电干扰可采用光电耦合电路(go102)进行光电隔离。因为 8255 输出的信号 功率很小，故用功率放大器对输出的脉冲信号放大，以驱动步进电机工作。 第二章 横纵向系统的设计和计算过程 2.1 纵向方向（x 轴）的设计： 工作台的进给运动是由步进电动机由一级消隙齿轮经滚珠丝杠螺纹副，带动工作台 移动。其中在纵向（轴）进给系统的改造布置中，滚珠丝杠、轴承支架固定在工作台 上，随工作台移动。步进电动机经降速齿轮和滚珠丝杠的螺母固定在床鞍上，通过滚珠 丝杠的转动，实现工作台与床鞍之间的相对移动。滚珠丝杠螺母副，它的特点是在具有 螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上 为滚动摩擦。 滚珠丝杠螺母副的优点有： 1） 传动效率高，摩擦损失小，使用寿命长。 2） 给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区， 防止失步；定位精度高，刚度好。 3） 有可逆性 丝杠和螺母都可以作为主运动件，故可以从旋转运动转换为直线运 动，也可以从直线运动转换为旋转运动。 4） 运动平稳，无爬行现象，传动精度高。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 14 xa5032 机床的主要技术规格：如表 2-1 所示 机床进给部件参数初选： 纵向工作台及夹具重量： = 2200 n（估计值）gx 滚珠丝杠的基本导程： = 8mm 0 l 螺纹升角： 行程：s= 680mm（最大纵向行程） 039 3 快速进给速度：取 = 2.5m/min（经验值） max v 2.1.1 铣削力的计算 c f 现在以工作寿命和实际加工过程中的最大铣削力为基础进行设计计算，以确保平常 工作状态下的工作安全和可靠。 工件材料为 ：40 锻件并调质 gr 铣削宽度 e a ：22 mm 铣削深度 p a ：5 mm 刀具直径d ：mm32 每齿切厚 z f ：0.08 mm/z 刃齿数 z ：4 刀具材料为 ：高速刚立铣刀 表 2-1 x52k 基本技术规格 主轴端面到工作台的距离 400mm 30mm max d min d 主轴轴线到床身垂直导轨面的距离350mm 面积： 宽长 3201250mm 最大纵向行程手动（机动） 700（680）mm 最大横向行程手动（机动）260（240）mm 最大升降行程手动（机动）370（350）mm 进给级数 18 级 进级量范围 纵向：23.5 1180mm/min 横向：15 786mm/min 垂直：8 394mm/min 孔径 29mm 主轴孔锥度7：24 山东大学自学考试毕业设计（本科） 15 刀杆公称直径32 50 mm 转速级数 18 级 转速范围30 1500r/min 轴向调整距离70 mm 主轴电动机功率7.5kw 工作台进给电动机功率1.5kw 最大工件质量 150 kg 机床进给部件重量横向 4410n 纵向 2200n 据机床设计手册 有公式： 86 . 0 72 . 0 86 . 0 2 . 6581 . 9 dzafafp zec 86 . 0 172 . 0 86 . 0 324508 . 0 22 2 . 6581 . 9 1500n 2.1.2 滚珠丝杠所受的平均轴向载荷 的计算 m f 用高速钢立铣刀逆铣合金刚时,工件的切削力可查数控机床书中得: 纵向进给力 （取中间值：1.1） f f11.2 f c f f =1.1=1.11500=1650n f f c f 横向进给力 （取中间值：0.375） e f0.35 0.4 e c f f = 0.375=0.3751500=562.5n e f c f 垂直进给力 （取中间值：0.25） fn f0.2 0.3 fn c f f =0.25=0.251500=375n fn f c f 故可知在插补平面内的合力为: 22 efr fff =1734n 那么丝杠所受的平均工作载荷： 221743 1162 33 mr ffn 所以丝杠轴向所受载荷 ：fx 山东大学自学考试毕业设计（本科） 16 fx)( om fmgf 其中为横向分力 =0.85=1275n o f o f c f mg 为纵向工作台及夹具重量 mg =2200n 为颠覆力矩影响系数 取 1.1 m 为当量摩擦系数 m 取 1.18 那么 =1.11162 + 0.18(2200+1275) x f =1903n 2.1.3 丝杠副工作负荷计算及丝杠型号的选择 初始估计丝杠的基本导程为 mm 8 0 l 现在根据最大当量动载荷计算公式： a wx m f ffl c 3 式中： 运转系数，取 w f1.2 w f 精度系数，取 a f9 . 0 a f 丝杠所受轴向载荷（） ， x fn1903 x fn 寿命值，可据公式 l 6 10 60nt l 为丝杠平均转速（r / min）n =156.3 r/min 1 1000*2.5* 2 8 式中： 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度 s v 0 1000 s v n l 山东大学自学考试毕业设计（本科） 17 的 max 2.5(min)vmm 1 2 则： 6 10 60nt l -使用寿命时间，据查经济型数控机床设计手册取 t=15000t 小时 l 140.625 6 60 156.3 15000 10 从而， a wx m f ffl c 3 3 140.625 1903 1.2 0.9 13194n 根据机床设计手册得， 故可选丝杠型号为：（内循环浮动返向器） ，5008ffzd 的基本尺寸为：5008ffzd 公称直径： =50mm， 螺距：=8mm o d o l 刚球直径： =5mm， 螺纹升角，= q d 3 39 丝杠外径，d =- (0.20.3)= 48.9 o d q d 螺纹底径，=30mm 1 d 其动载荷 =25000=13194n 故选择符合要求，丝杠可用。 a c m c 2.1.4 传动效率 的计算 根据机械设计原理滚珠丝杠的传动效率 的计算公式为： tan tan 式中： 丝杠的螺旋升角，由以上参数表知，= 3 39 摩擦角，滚珠丝杠副的摩擦角 10 则可得： =97% )01392tan( 393tan 山东大学自学考试毕业设计（本科） 18 2.1.5 刚度验算 滚珠丝杠受工作负荷引起的导程的变化量： x f 01 lfl x /ef 其中：弹性模量对于钢为：e=21 26 /10cmn 滚珠丝杠横截面积：f（） 2 cm 而： f= 22 3 22 d = 9 4 2 cm 则： 01 lfl x /ef cm 6 6 1903 0.8 10.2 10 21 107.1 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，故 ； 2 l 1 ll 故导程的变形误差为： 1 100100 10.2 0.8 o ll l =12.8 m /m 查表得 e 级精度丝杠所允许的螺纹无厂误差（1m 长）为 15/，故刚度足够。 m m 2.1.6 稳定性的验算 (1)临界压缩载荷的验算 由于纵向（x 轴）的滚珠丝杠两端采用的是滚珠丝杠螺纹副固定，丝杠一般不会受压， 又由于机床的原普通丝杠的直径大于滚珠丝杠的直径，故稳定性一定能满足要求。 (2)临界转速的验算 由计算得已知丝杠平均工作转速为： 156.3min100minnrr 山东大学自学考试毕业设计（本科） 19 因此，必须进行临界转速的验算，即： crc cr fl a ei f nn 2 2 max 30 其中式中符号表示： 丝杠的最大转速： maz n max 0 10001000*2.5 312.5min 8 maz v nr l 丝杠支承方式系数取（因为没有受压） 2 f73 . 4 2 f =9910 rc n 2 22 2 c f d l =- 1.2=40-1.25 = 34mm 2 d o d q d 丝杠的长度。 = 工作最大行程 + 螺母长度 + 两端余量（取 40mm）l 螺母长度由机床零部件设计上可查得，丝杠设计部分 = 680 + （131 + 40） 2 l = 680 + 342 = 1022mm 支撑跨距 应略大于 取 = 1100 1 ll 1 l 临界转速计算长度 = 680 + 131 + 40 + c l 1100 1022 2 = 811 + 40 + 39 = 890mm 2 4.730.034 9910 0.892 rc n =9533 /minr 可见满足： max 312.5 /min rc nnr 所以满足稳定性的要求。 2.1.7 齿轮传动设计的有关计算： 由于初选的步进电动机（110bf004）的系统脉冲当量为=0.01mm/step。 p 步距角为：0.75 b 丝杠导程为： 8 o lmm 如果不采取齿轮传动，那么每个脉冲对应的丝杠螺母传动的距离为： 0.75 360 o l l = 8 0.75 360 =0.0167脉冲当量 0.01mm 所以需要有减速机构，也就是要设计齿轮减速。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 20 采用减速齿轮具有如下特点： 便于配置出所要求的脉冲当量 减小工作台以及丝杠折算到电动机轴上的惯量 放大电动机输出扭矩，即增大工作台的推力 但采用减速齿轮会带来额外的传动误差，使机床的快速移动速度降低，并且其自身 又引入附加的转动惯量，这些应引起注意。 2.1.8 齿轮材料的选用及许用应力： 由于闭式齿轮主要失效形式是齿面点蚀和轮齿折断，因此按照齿面接触强度来设计 来计算，最后校合弯曲强度。初选 7 级精度。 查机械设计基础 ，取小齿轮材料为 45#钢；则齿轮硬度为 220hbs。 大齿轮也采用 45#钢，其齿轮硬度为 180hbs。 由于： 1limh 560mpa， 2limh 530mpa 取1 . 1 h s =509mpa 1h 1 . 1 560 1lim h h s =482mpa 1h 1 . 1 530 2lim h h s 又， 取mpa f 190 1lim mpa f 170 1lim 1.4 f s lim1 1 190 136 1.4 f f f mpa s lim2 2 170 121 1.4 f f f mpa s 2.1.9 直齿圆柱齿轮副的计算 (1)计算减速器的传动比 由 stepmm p 01 . 0 和步距角为：，丝杠导程为： 75 . 0 b mmlo8 则传动比： 山东大学自学考试毕业设计（本科） 21 = p bl i 360 0 67 . 1 01 . 0 360 875 . 0 o (2)粗选小齿轮齿数 ，则大齿轮齿数：32 1 z izz 12 67 . 1 32 =53.44 53 （可参照机械设计基础169 页） 则实际传动比为：656 . 1 32 53 i 满足误差要，取齿轮压力角，初选模数 m=2.5mm，则： o 20 小齿轮直径：mm 11 2.5 3280dmz 大齿轮直径：mm 22 2.5 53133dmz 小齿轮大径：mm 11 2802 1.082 a a ddh 大齿轮大径：mm 22 21332 1.0135 aa ddh 中心距：mm 12 2.5 ()(3253)106 22 m azz 圆整中心距：取mm110a 齿宽为： 大齿轮：mm ab a*2 0.4 11044 圆整为：mm 2 45b 小齿轮： mm(为了补偿安装误差通常使小齿轮齿宽略宽一些) 1 50b (3)齿轮弯曲强度应力校核 查机械设计基础中表得齿性系数 34 . 2 ,59 . 2 21 ff yy 处载荷系数为 k=1.5，最大转矩查步进电机相关参数，转矩取 f=4.9n m 验算齿轮弯曲强度（按最小齿宽 50mm 来计算）： 5 11 11 22 22 1.5 4.9 2.59 10 3.81 50 2.532 f ff kty mpa bm z =136mpa 2 22 1 2.34 3.813.44121 2.59 f ff f y mpampa y 这里 1 tf 山东大学自学考试毕业设计（本科） 22 所以符合安全要求。 (4)齿轮的圆周速度 可据公式： 1 6000 60 0.75 875min 360 nr 1000*60 11n d v 3.14 80 875 60 1000 3.66m s10/m s 上式中： -为小齿轮的转速即步进电机轴的转速，可据初选步进电机 110bf004 1 n 的运行频率： ，和步距角：0.75来计算。sstep7000 可知选用 7 级精度是满足要求的。 2.1.10 步进电机型号的计算选择 步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电信号转换成响应角位移的机电元件。 每输入一个脉冲，步进电动机转轴就转过一定角度，它与普通的匀速旋转的电动机不同， 它是步进式的，所以称步进电机。它的优点有：角位移输出与输入的脉冲数相对应,改变 通电顺序可以改变步进电机的旋转方向；步矩误差不会长期积累；在负载范围内步矩角 和转速不受电源电压波动的影响，而仅与脉冲频率有关；维持控制绕组的电流不变，电 机便停在某一位置上不动，即步进电机有自整角能力，不需要机械制动，步矩角可在很 大的范围内变化；步进电机的主要特性：步矩角、启动频率、连续运行频率和加减速特 性。步进电机的缺点是效率低，拖动负载的能力不大，脉冲当量不能太小，调整范围不 大，最高输入脉冲频率一般不超过 18000 hz。 数控系统对伺服电机的基本要求是调速范围宽，伺服电机需满足调速要求。负载特 性硬，在调速范围内电机应有足够的驱动力矩，动态响应快，为了使步进电机正常工作 运行（不失步、不超程） ，正常启动并满足对转速的要求，电机最大静转矩（步进电机技 术数据） ，必须大于电机的实际最大启动力矩。电机的运行频率必须大于电机实际最高工 作频率。系统脉冲当量是机床移动部件相对于每一个进给脉冲信号的位移量，其大小视 机床的加工精度而定。根据 x52k 铣床工作状况选系统脉冲当量为 0.01mm/step。步矩角 。75 . 0 山东大学自学考试毕业设计（本科） 23 根据同类型的机床及以往的经验，结合重量轻、功耗小、外观尺寸和与步距角相配 合的原则，初选步进电动机类型，然后验算是否满足使用要求，否则选取其它型号，最 后直到满足要求为止。 初选步进电机型号为：110bf004 反应式步进电动机。 2.1.11 纵向步进电机选择计算 (1)计算工作台、丝杠以及齿轮折算到电机轴上的惯量 d j 根据机电一体化基础所提供的计算公式： 2 2 2 1 2 1 p g g jj i jj x sd 式中：-折算到电机轴的惯量； d j)( 2 cmkg -小 大齿轮的惯量； 21,j j)( 2 cmkg -丝杠惯量； s j)( 2 cmkg -横向工作台及夹具重量,； x g)(nngx2156 -丝杠螺距，；p)(cmcmp8 . 0 齿轮及丝杠转动惯量的计算：由于有些传动件（如齿轮、丝杠等）的转动惯量不易 精确计算，可将其等效成圆柱体来近似计算。 圆柱体的转动惯量可依据公式： 32 4l d j 式中： 材料密度,对钢取；)( 3 cmkg 35 108 . 7cmkg 圆柱体直径.(对于齿轮、丝杠等就是其等效直径)；d)(cm 圆柱体长度,(对于齿轮、丝杠等就是其等效齿宽或长度)l)(cm 则： 32 1 4 1 1 bd j 54 3.14 7.8 1085.0 32 2 0.157kg cm 山东大学自学考试毕业设计（本科） 24 32 2 4 2 2 bd j 54 3.14 7.8 1013.34.5 32 2 1.078kg cm 32 4 0 ld js 54 3.14 7.8 105102.2 32 2 0.489kg cm 则可算得： 2 2 2 1 2 1 p g g jj i jj x sd 2 2 122000.8 0.1571.0780.489 1.679.82 3.14 2.03 2 2.025kg cm 2 /kg cm (2)惯量匹配验算 初选的步进电机 110bf004 的转子的转动惯量：=4.61kg m j 2 cm 转动系统与步进电机的惯量匹配条件： 1 4 1 m d j j 而： 12.03 0.441 44.61 d m j j 所以惯量是匹配的。 (3)负载转矩计算及最大静转矩选择 计算快速空载起动时所需力矩 起 m 依据公式： 0max mmmm fa 起 式中： 起 m -快速空载起动力矩 )(cmn ； 山东大学自学考试毕业设计（本科） 25 -空载起动时折算到电机轴上最大加速力矩； maxa m)(cmn f m -折算到电机轴上的摩擦力矩 )(cmn ； -由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩； 0 m)(cmn 又： * max jma 式中： -惯量和，； j)(cmn 2.034.616.64 dm jjjn cm -电机最大角加速度 )( 2 srad ； 又： 2 60 max a t n 其中： -电机最大转速； max n)min(r a t -运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间 )(s 取 25ms 又： 360 max max p b v n 则： max 2500 0.75 521 /min 0.01 360 nr 则： 521 60 0.025 2 3.14 2 21.8rad s 故： jmamax 6.64 21.8140n cm 又因为： i lf m f 2 00 式中： 0 f -导轨的摩擦力 )(n ； -传动链总效率，一般可取 ，现取 ；85 . 0 7 . 085 . 0 山东大学自学考试毕业设计（本科） 26 又： )( 0xfn gfff 式中：垂直方向的切削力，； fn f)(n(0.20.3)375 fnc ffn: 导轨摩擦系数， (贴塑导轨)；f04 . 0 f 横向工作台及夹具重量，； y g)(n2200 x gn 则： =103n 0 0.04 (3752200)f 故： 103 0.8 2 3.14 0.8 1.67 f m 9.8cm 又： 2 0 00 0 1 2 i lf m p 式中： -滚珠丝杠预加载荷，取； 0p f 0 1 387 3 pm ffn -滚珠丝杠预紧时的传动效率， ； 0 0 95% 故： 2 0 387 0.8 1 0.95 2 3.14 0.8 1.67 m 37(1 0.9)3.7n cm =140+9.8+3.7=153.5 0max mmmm fa 起 cmn (4)快速进给时所需力矩 快 m 依据公式： 0 mmm f 快 而： 9.83.713.5mn cm 快 故有： 13.5153.5mn cmmn cm 快起 (5)最大切削负载时所需力矩 切 m 根据公式： tf mmmm 0切 山东大学自学考试毕业设计（本科） 27 式中： 折算到电机轴上的切削负载力矩； t m)(cmn 又有公式： i lf m f t 2 0 式中： -进给方向最大切削力，； f f)(n(11.2)1.2 15001800 fc ffn: 则： 1800 0.8 2 3.14 0.8 1.67 t m 172n cm 故： tf mmmm 0切 9.83.7 172 185.5n cm (6)最大静转矩选择 依据文献实用机床设计手册上，有： 对于在最大切削力下工作时所需要电机最大静转矩为： 5 . 03 . 0 1max 切 m m j 185.5 0.3 0.5 371 618n cm 对于空载起动时所需要的电机最大静转矩为： 951 . 0 2max 起 m m j 153.5 0.95 161.6n cm 由和可知，以计算得：恒大于 所以就以作为选取步进电机 max1j m 2maxj m 1maxj m 最大静转矩的依据。而初选的步进电机为 110bf003 ，它的最大静转矩为： max1 689 j n cmm 所以初选的步进电机型号符合要求。 山东大学自学考试毕业设计（本科） 28 2.1.12 步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性 由数控技术得：动矩频特性： p v f 60 1000 max max 1000 2.5 60 0.01 =4167hz 运行矩频特性： p s e v f 60 1000 其中：- 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度 e v)min(m 的，现取中间值，即。 max 2.5minvm 3 1 2 1 max 7 1.46min 12 s vvm 所以：=2431 e f 1000 1.46 60 0.01 hz 由步进电机 110bf004 的矩频特性和运行矩频特性参数可以看出所选步进电机在起动 时力矩是满足要求的。 所以最终就确定步进电机的型号为：110bf004 反应式步进电动机。 2.2 横向(y 轴)的设计 y 轴的丝杠选择与 x 轴一样为 ffzd5008，内循环浮动返向器 y 轴的齿轮副设计也与 x 轴相同，这里不再累赘。 y 轴方向步进电动机的选择： y 轴铣削圆周力： =1500n yo f 则有 y 向丝杠牵引力： = +1.414f=1500+1.41444100.01=1562n y f yo f y g 则有电机轴负载力矩： t = mn gf yyp 58 . 1 97 . 0 75 . 0 2 44101 . 0156201 . 0 36 2 36 其中：-导轨摩擦系数，取 0.1 -步进电机步矩角为 0.75 山东大学自学考试毕业设计（本科） 29 -y 向丝杠牵引力 y f f-当量摩擦系数取 0.01 若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为： 5 . 03 . 0 t tq 可取安全系数极限值 0.3，则有：= 5 . 03 . 0 t tqmn t 27 . 5 3