车床改进毕业设计.doc

1 摘 要 随着当今工业设备对精密程度的要求越来越高，加工设备的机械加工 设备的加工的精密程度也要求越来越高。而在中国的机械加工设备的车床 中普通车床占了很大比例。这已经越来越制约着当今工业的发展。而数控 机床由于价格昂贵，且需要较高技术的加工工人。所以对机床进行自动化 改造很是必要。本篇论文是在对普通卧式车床 ca6140 的基础上对其进行 机电一体化改造。 作者在搜索、查阅研究大量有关资料的基础上，对机床自动化改造技 术进行了深入的研究和分析，并描述了机床控制系统的设计。整个改造过 程主要对车床纵、横向进给系统进行改造，丝杠选用摩擦损失小，效率高， 精度高，寿命长的滚珠丝杠,电机选用步进电机,电动机与滚珠丝杠用齿轮减 速；刀架改造成能自动换刀的回转刀架，由脉冲发生器来加工所需要的螺 纹；整个控制系统以 jkw-15t 型号的单片机为中心，通过编程对机床的驱 动设备进行控制以达到所需要的加工程度。 关键词关键词：机床改造； 自动化机床； 控制系统 2 abstract with the development of industry equipment, the precision required of industry equipment is more and more high. the more and more precision of equipment which machined the industry equipment is required. but in china the common lathe have a very great comparison in the machined equipment, this already restrict the development of industrial nowadays. but the cn lathe is more expensive, and needed workers with higher technically. so it is a necessity very much to modify the common lathe to lathes automatic. this paper is in the foundation of the commonness horizontal lather ca6140 and modified it to lathes automatic. the author has performed the further research and for the lathes automatic modification on the basis of the constant consultation of abundant relative documents, which focuses on describing the design of control of the machine. screw on the choice of friction loss, high efficiency, high precision, long life of the ball screw, the electrical selected stepper motor, motor and the ball screw with gear deceleration.the main to modify the lathe is to modify the portrait, horizontal enter to the system in the whole modification process and choose the automatic knife rest and be processed the thread need by pulser. the whole control system with the cpu of jkw-15t is to control the machine for center, through a plait distance drive tool machine an equipments to carry on control to attain need of process degree. key words: machinery tool reform； lathes automatic； servo system 3 目目 录录 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 机电一体化的发展 .1 1.1.1 机电一体化技术 .1 1.1.2 机电一体化发展概述 .2 1.2 机电一体化改造的必要性 .3 1.2.1 机床改造的意义 .3 1.2.2 机床改造的市场 .4 1.3 机电改造的内容 .6 1.4 本文的选题及主要研究内容 .8 1.4.1 本文的选题 .8 1.4.2 主要研究内容 .8 1.5 车床总体改造方案 .9 1.5.1 设计基本思路 .9 1.5.2 设计要求 10 第二章车床改造的机械部分设计第二章车床改造的机械部分设计13 2.1 进给系统机械结构改造设计 13 2.2 进给伺服系统机械部分的计算与选型 15 2.2.1 确定系统的脉冲当量 15 2.2.2 切削力计算 16 2.3 滚珠丝杠的设计计算与选用 17 2.3.1 滚珠丝杠简介 17 2.3.2 纵向滚珠丝杠的设计与计算 18 2.3.3 横向滚珠丝杠的设计与计算 26 2.3.4 滚珠丝杠的安装与使用 33 2.4 电机与滚珠丝杠连接用减速齿轮的设计与校核36 2.4.1 齿轮传动 36 2.4.2 纵向减速齿轮的设计与校核 37 2.4.3 横向减速齿轮的设计与校核41 2.5 进给系统的步进电动机的计算与选择 45 2.5.1 步进电动机45 4 2.5.2 纵向电机的计算与选择48 2.5.3 横向电机的计算与选择51 2.6 电动刀架选择与介绍55 第第 3 3 章章 主轴脉冲发生器介绍与选型主轴脉冲发生器介绍与选型.58 3.1 光电编码器原理58 3.2 主轴脉冲发生器的安装60 3.3 主轴脉冲发生器的选择60 第四章第四章 控制装置的选用控制装置的选用.63 4.1 jwk-15t 的简介63 4.2 功能分配65 4.3 程序设计67 第五章第五章 结论结论78 参考文献参考文献79 英文原文英文原文81 中文译文中文译文90 致致 谢谢97 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 机电一体化的发展机电一体化的发展 1.1.11.1.1 机电一体化技术机电一体化技术 机电一体化的实质是机械工程技术与微电子技术的结合。机电一体化技 术是一门跨学科的综合性的复合技术，它随机械工程技术、微电子技术、 计算机技术、激光技术、材料工程技术的发展而进步。机电一体化的一些 共性关键技术有：信息处理技术、检测传感技术、自动控制技术、伺服传 动技术、精密机械技术、系统总体技术等。 把机电一体化技术应用于生产和生活所开发出来的新产品叫做机电一体 化产品。数控机床、机器人、全自动智能洗衣机等是典型的机电一体化产 品。在发达国家中，机床的数控化已达 25%以上，而我国还不到 1%。但是， 随着国民经济的发展，各行业对数控机床的需求量将增加。世界机器人的 拥有量在未来 10 年将以 25%30%的速度增长，将进入生产自动化、航天、 深海以及军事、农业、办公、医院、家庭、社区等诸多领域。像全自动智 能洗衣机这样生活领域中的许许多多机电一体化产品已经被人们所喜爱， 还在被大量地开发出来。 以信息为主要工作对象，既有控制功能的系统工程可称为机电一体化系 统。比如，cims 是比较大的机电一体化系统工程。它将制造系统、设计系 统、经营管理系统、信息数据系统通过计算机系统及通信网络联系起来。 它是一个闭环反馈系统，输入的是关于产品的概念和需要，输出的是经检 验合格可交付使用的产品，实现机械工厂综合自动化。 2 1.1.1.21.2 机电一体化发展概述机电一体化发展概述 人类用机器体系代替手工劳动生产是在 1785 年蒸汽机在纺织工厂的使用 而开始的。1873 年出现的第一台凸轮控制车床，开始了机械自动化的进程。 19101920 年美国福特汽车公司通过设计制造大量专用机床，首先建立生产 流水线，创造平均每分钟生产一辆汽车的记录，并使生产成本大大降低。 20 世纪 40 年代后期，人们利用机器的、电气的和液压的自动化装置，设计 制造出各种高效的自动化机床，并用自动输送带将各个单独的机床连接成 自动生产线，从而使单一的品种大量生产为特征的刚性自动化生产达成成 熟阶段。自动化生产对提高劳动生产率、保证产品质量，降低产品成本和 推动社会进步起了不可估量的作用。 20 世纪 40 年代世界上诞生了第一台数字计算机，使数控技术 （numerical control-nc）的出现成为可能，1952 年美国麻省理工学院首先 研制成专用电子计算机控制的三坐标立式数控铣床，解决了单件小屁生产 自动化问题，开创了将计算机应用于机械装备自动控制的新时代。1958 年， 第一台具有自动换刀装置和刀库的数控机床即加工中心（machining center- mc）在美国研制成功，进一步提高了数控机床的自动化程度。第一台工业 机器人（industrial robot）于 1959 年出现于美国。最早的工业机器人是极 坐标式的，它的出现对自动化制造技术具有很大的意义。工业机器人可自 动进程装配、焊接、喷漆、热处理、清砂、浇注铸件以及在恶劣环境中工 作等。1960 年，美国研制成功自适应控制机床（adaptive control machine tools） ，使机床具有一定的智能，可以有效提高加工质量。1962 年和 1963 年又相继在美国出现了圆柱坐标式工业机器人和计算机辅助设计及绘图系 统（computer aided design-cad） ，后者为自动化设计与制造之间的集成奠 定了基础。 进入 20 世纪 70 年代以来，以大规模集成电路和微型电子计算机为代表 3 的微电子技术，迅速地被应用到机械工业中，促进了机械工业突飞猛进发 展，出现了种类繁多的微电子技术控制的机械、仪器和军械装备，以及柔 性制造线 fml、柔性制造系统 fms 和自动化制造系统，这样就大幅度地提 高了产品质量和劳动生产率，适应了市场对产品多样化的要求，丰富了热 门类的物质文明。今天，机械装备的面貌已焕然一新，成为机与电高度融 合的整体，不仅成为人类体力的延伸，而且成为人类智力的延伸。 1.2 机电一体化改造的必要性机电一体化改造的必要性 1.2.1 机床改造的意义机床改造的意义 通常说“机床的真正价值在于使用” 。随着科学技术的发展，即使原来属 于新颖，先进的机床也会逐渐变得陈旧，落后，满足不了产品种类的日益 增加，质量不断提高的需要，因此， “技术老化”是客观规律。 据有关资料报导，在一些工业发达国家里，设备的平均役龄控制在 1020 年之间，设备的“技术老化”期已短于 10 年，10 年役龄以内的设备能够达 到设备总数的 50%左右。由此可见，设备速度相当快，一是用技术更为先 进的新设备来代替技术性能“老化”了的旧设备；另一是进行有效的技术 改进，使旧设备适应新的生产需要。例如，美国和西欧的一些工业先进国 家，在钢铁企业中虽然早已实现了现代化，可是旧设备并没有全部毁弃， 而是通过技术改造的方法，使一些旧的设备能够达到使用新技术，新工艺 的需要，继续生产出具有竞争能力的优质产品。 目前，我国的工厂企业，除了一些新建单位外，大多数都存在“技术老 化”的问题设备役龄在 15 年以上的，所占比重相当大，面对这么多陈旧设 备应该怎么办？这是一个急待解决的大问题。 为实现工业现代化，我们同样要创造和引进新技术，新工艺，新设备， 进行必要的设备更新。另一方面动员机械制造业的广大职工，坚持自力更 4 生和勤俭本企业的方针，大搞技术革新，挖掘设备潜力，更具有现实意义。 而改造机床是深受大家欢迎的一种革新形式，为满足生产的需要已经做出 了重大的贡献。例如，某机械厂生产的只要产品是板框压滤机，生产批量 很大，仅虑压板每年需要两万多块，总重量 2200 多吨。为了满足生产的需 要，如果设计制造一条新的加工作业线，需要投资 20 余万元，便改装成了 专用加工作业线。此作业线自 1960 年投产以来，到现在已使用了 20 多年 了，一直负担者全部虑压板的生产任务，并且加工质量很稳定。又如，这 个厂利用一台报废了的皮带传动龙门刨的床身，改装成了一台行程 8 米的 导轨磨，从 1972 年改装成功到现在，共大修本厂机床 400 多台次，协助兄 弟厂大修床身百余台，并且修磨精度高，光洁度好；然而改装这台机床只 投资 5000 元，可是购买一台新的导轨磨床却要花费 10 几万元。 改造机床的效益是多方面的，再从提高生产率看，假设改造机床 100 万 台，每台生产率提高 20%，这就等于多生产 20 万台新机床；反之，如果不 对旧机床实行技术改造，当前生产的新机床在技术水平上或数量上又不能 及时地满足生产需要时，那就势必会影响国民经济的高速发展。 通过上述事例不难看出，机床改造不但是解决设备“技术老化”的重要 途径，能够满足生产发展的需要，而且可以获得十分客观的经济效果。 1.2.2 机床改造的市场机床改造的市场 （1）机床数控化改造的市场 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 5 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，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。 （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，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。 6 1.3 机电改造的内容机电改造的内容 一.控制部分 目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制、 实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工， 不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用 微机实现机床的机电一体化改造的方法有两种，一种是以微机为中心设计 控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置， 前者需要重新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内标准化的微机空控 制系统，比较简单。这种标准的微机控制系统通常采用单板机、单片机、 驱动电源、步进电机及专用控制程序组成的开环控制，如图 1-1 所示，其 结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是用单片机单板机按照输入 的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配，输出 一系列脉冲，净功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电机，实现刀具 按规定的轮廓线轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让单板机 没完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。 二机械部分 机电一体化系统的机械系统与一般的机械系统相比，除要求具有较高的 定位精度之外，还应有较好的动态响应特性，就是说相应要快、稳定性要 好。一个典型的机电一体化系统，通常由控制部件、接口电路、功率放大 电路、执行元件、机械传动部件、导向支承部件，以及检测传感部件等部 分组成。为确保机械系统的传动精度和工作稳定性，在设计中，常提出无 间隙、低摩擦、地惯量、高刚度、高谐振频率、适当的阻尼比等要求。为 达到上述要求主要从一下几个方面采取措施。 （1） 采用低摩擦阻力的传动部件和导向支承部件，如采用滚珠丝杠副、 7 滚动导向支承、动（静）压导向支承等。 （2） 缩短传动链，提高传动与支承刚度，如用加预紧的方法提高滚珠 丝杠副和滚珠导轨副的传动与支承刚度；采用大扭矩、宽调速的 直流或交流伺服电机直接与丝杠螺母副连接以减少中间传动机构； 丝杠的支承设计中采用两端轴向预紧或拉伸支承机构等。 （3） 选用最佳传动比，以达到提高系统分辨率、减少等效到执行元件 输出轴上的等效转动惯量，尽可能提高加速能力。 （4） 缩小反向死区误差，如采取消除传动间隙、减少支承变形的措施。 （5） 改进支承及架体的结构设计以提高刚性、减少振动、降低噪声。 如选用复合材料等来提高刚度和强度，减轻重量、缩小体积使结 构紧密化，以确保系统的小型化、轻量化、高速化和高可靠性化。 刀架 电机 刀架控制电路 继电器 回 转 刀 架 （ ） 车 床 纵 横 等 轴 限 位 主 轴 脉 冲 发 生 器 光 电 隔 离 驱 动 器 功 率 放 大 电 路 / 口 扩 展 存 储 器 扩 展 微 机 急停、 清 零 等 功能按钮 电 机 电 机 电 机 8 图 1-1 开环控制系统框图 1.4 本文的选题及主要研究内容本文的选题及主要研究内容 1.4.11.4.1 本文的选题本文的选题 目前，我国的工厂企业，除了一些新建单位外，大多数都存在“技术老 化”的问题设备役龄在 15 年以上的，所占比重相当大，面对这么多陈旧设 备应该怎么办？这是一个急待解决的大问题。 用普通卧式车床去加工有时一个人加工的东西都会误差很大，这样给所 造设备带来很多的小问题。而如果要新买一台新的数控车床，一是总体成 本太高，因为性价比不是太高，容易浪费资源，二是工厂没有工人精通数 控车床，所以要培训工人一定又要花费很多时间影响生产进度。 所以设想决定对其数控改造，改造的同时让操作人员一直在旁边学习，学 习怎么改装，怎么安装，并讲解如何使用。 把所要加工的零件程序输入到存储器中，用到时直接调用即可，这样一个 人即可操作两台机床，而且效率提高了好大，精度也会提高很高，会为厂 带来很大经济利益。 1.4.21.4.2 主要研究内容主要研究内容 1. ca6140 车床数控化改造总体机械部件设计。 2.进给系统的设计和选用。包括了进给滚珠丝杠的设计与选用，消隙 9 减速齿轮系的设计计算与校核，进给用步进电机的选择与校核。 3主轴脉冲发生器的安装 4刀架的选用 5.数控系统的选择 1.5 车床总体改造方案车床总体改造方案 1.5.11.5.1 设计基本思路设计基本思路 普通车床（如 c616,c618,c620,ca6140,c630）等是金属切削加工最常 用的一类机床。400普通车床的布局如图如图 1-21-2 所示所示。当工件随主轴回 转时，通过刀架的纵向和横向移动，能加工出内外圆柱面、圆锥面、端 面、螺纹面等。借助成形刀具，还能加工出各种成形回转面。 普通车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、纵溜板、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 的纵向进给和横向进给不能联动，切削次序也由人工控制。 图图 1-2 400mm 普通车床的结构布局图普通车床的结构布局图 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造成为 微机控制的、能独立运动的进给伺服系统；刀架改造成能自动换刀的回 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。由于切削加工中的切削参数，切削次序和刀具都会按程序自 动进行调节和更换，再加上纵向和横向进给联动的功能，数控改装后的 10 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， 从而提高了生产率和加工精度，也能适应小批量多品种复杂零件的加工。 1.5.21.5.2 设计要求设计要求 1.总体设计要求 总体方案设计应考虑机床数控系统的运动方式，伺服系统的类型，计 算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择。 （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 系统选择连续控制系统。 （2）车床数控改装设计后属于经济型数控机床，再保证一定加工精度 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。再 8 位微机中，mcs-51 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， 具有很高的性能价格比。因此，可选择 mcs-51 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 11 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。 （8）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。 进给伺服系统总体方案方框图如图如图 1-3 所示所示 已知：传递功率为 1.8kw，电动机驱动，小齿轮转速1500r/min， 1 n 传动比 i2.5，载荷平稳。使用寿命 10 年（10000h） 。 （1） 选择齿轮材料，确定许用应力 由表 6.2 选 小齿轮 40cr 调质 =260hbs 1 hbs 大齿轮 45 正火 =210hbs 2 hbs 许用接触应力由式 6-6， h 接触疲劳极限查表 6-4 =700,=550 limh 1 limh 2 mmn 2 limh 2 mmn 接触强度寿命系数，应力循环系数 n 由式 6-7 n z = 1 60 h nnjl 4 10150060 8 109 8 8 1 2 106 . 3 5 . 2 109 i n n 查图 6-5 得 , 1 1 n z7 . 1 2 n z 接触强度最小安全系数1 lim h s n h h h z s lim lim 12 ， 2 700 1 1700 1 mmn h 2 lim 935 1 7 . 1550 2 mmn h =700 h 2 mmn 许用弯曲应力由式 6-12， f nn f f f xy s lim lim 弯曲疲劳极限查图 6-7，双向传动乘以 0.7，则 limf 2 lim 378 1 mmn f 2 lim 294 2 mmn f 弯曲强度寿命系数 查图 6-8 n y1 21 nn yy 弯曲强度尺寸系数 查图 6-9 （设模数 m 小于 3）=1 x y x y 弯曲强度最小安全系数 则4 . 1 lim f s 2 lim 270 4 . 1 11378 1 mmn f 2 lim 210 4 . 1 11294 2 mmn f （2）齿面接触疲劳强度设计计算 确定齿轮传动精度等级 ，估取圆周速度3 1 11 )022 . 0 013 . 0 ( n p n ，参考表 6.7，表 6.8 取公差组 8 级。sm t 1 . 4 小齿轮分度圆直径 d，由式 6-5 得 u uktzzz d dh he ) 1(2 ) ( 12 1 齿宽系数 查表 6.9 因单级齿轮传动为对称布置，=1 d d 小齿轮齿数在推荐值 2040 中选 =25 1 z 1 z 大轮齿数 圆整取 =62 5 . 62 12 izz 2 z 13 齿数比48 . 2 25 62 1 2 z z 小轮转矩mmn n p t.47750 1500 5 . 7 1055 . 9 1055 . 9 6 1 6 1 载荷系数 k kkkk va -使用系数 查表 6.3 =1 a k a k -动载荷系数 由推荐值 1.051.4 取=1.2 v k v k -齿间动载荷分配系数 由推荐值 1.01.2 取=1.1 k k -齿向载荷分配系数 由推荐值 1.01.2 取=1.1 k k 载荷系数= k kkkk va 45 . 1 1 . 11 . 12 . 11 材料弹性系数 查表 6.4 e z 2 8 . 189mmnze 节点区域系数 查图 6-3（）=2.5 h z0,0 21 0 xx h z 重合度系数，由推荐值 0.850.92 =0.87 z z 故 5 . 38 48 . 2 148 . 2 1 4775045 . 1 2 ) 700 87 . 0 5 . 2 8 . 189 ( 3 2 1 d 齿轮模数， 按表 6.6 圆整 m=254 . 1 25 5 . 38 1 1 z d m 小轮分度圆直径50252 11 mzd 圆周速度sm d n /925 . 3 60000 150050 60000 1 1 标准中心距mm zzm a87 2 )6225(2 2 )( 21 齿宽mmdb d 50501 1 大齿宽mmbb50 2 小轮齿宽（510）=50+5=55mm 21 bb 14 (3)齿根弯曲疲劳强度校核计算 由式 6-10 2 1 1 fsafa m f yyy bd kt 齿形系数查表 6.5 小轮 fa y62 . 2 1 fa y 大轮 272 . 2 2 fa y 应力修正系数查表 6.5 小轮 sa y59 . 1 1 sa y 大轮 734 . 1 2 sa y 重合度 )tan(tan)tan(tan 2 1 2211 zz )20tan) 22622 20cos622 s(tan(arcco62)20tan) 22252 20cos252 s(tan(arcco25 2 1 0 0 0 0 =1.7 重合度系数 69 . 0 7 . 1 75 . 0 25 . 0 75 . 0 25 . 0 y 故 2 6 . 79 25050 69 . 0 59 . 1 62 . 2 4775045 . 1 2 1 mmn f 2 3 . 75 25050 69 . 0 734 . 1 272 . 2 4775045 . 1 2 2 mmn f （4）齿轮其他主要尺寸计算 大轮分度圆直径 mmmzd124622 22 根圆直径 mmhdd ff 45225. 12502 1 1 mmhdd ff 119225 . 1 21242 1 2 顶圆直径 mmhdd aa 5422502 1 1 mmhdd aa 128221242 2 2 15 2.4.32.4.3 横向减速齿轮的设计与校核横向减速齿轮的设计与校核 （以下公式参考自机械设计）（以下公式参考自机械设计） 已知：传递功率为 1.8kw，电动机驱动，小齿轮转速1500r/min， 1 n 传动比 i2.5，载荷平稳。使用寿命 10 年（10000h） 。 （2） 选择齿轮材料，确定许用应力 由表 6.2 选 小齿轮 40cr 调质 =260hbs 1 hbs 大齿轮 45 正火 =210hbs 2 hbs 许用接触应力由式 6-6， h 接触疲劳极限查表 6-4 =700,=550 limh 1 limh 2 mmn 2 limh 2 mmn 接触强度寿命系数，应力循环系数 n 由式 6-7 n z = 1 60 h nnjl 4 10150060 8 109 8 8 1 2 106 . 3 5 . 2 109 i n n 查图 6-5 得 , 1 1 n z7 . 1 2 n z 接触强度最小安全系数1 lim h s ， 2 700 1 1700 1 mmn h 2 lim 935 1 7 . 1550 2 mmn h =700 h 2 mmn 许用弯曲应力由式 6-12， f n h h h z s lim lim 16 nn f f f xy s lim lim 弯曲疲劳极限查图 6-7，双向传动乘以 0.7，则 limf 2 lim 378 1 mmn f 2 lim 294 2 mmn f 弯曲强度寿命系数 查图 6-8 n y1 21 nn yy 弯曲强度尺寸系数 查图 6-9 （设模数 m 小于 3）=1 x y x y 弯曲强度最小安全系数 则4 . 1 lim f s 2 lim 270 4 . 1 11378 1 mmn f 2 lim 210 4 . 1 11294 2 mmn f （2）齿面接触疲劳强度设计计算 确定齿轮传动精度等级 ，估取圆周速度3 1 11 )022 . 0 013 . 0 ( n p n ，参考表 6.7，表 6.8 取公差组 8 级。sm t 1 . 4 小齿轮分度圆直径 d，由式 6-5 得 u uktzzz d dh he ) 1(2 ) ( 12 1 齿宽系数 查表 6.9 因单级齿轮传动为对称布置，=1 d d 小齿轮齿数在推荐值 2040 中选 =25 1 z 1 z 大轮齿数 圆整取 =62 5 . 62 12 izz 2 z 齿数比48 . 2 25 62 1 2 z z 小轮转矩mmn n p t.47750 1500 5 . 7 1055 . 9 1055 . 9 6 1 6 1 载荷系数 k kkkk va -使用系数 查表 6.3 =1 a k a k 17 -动载荷系数 由推荐值 1.051.4 取=1.2 v k v k -齿间动载荷分配系数 由推荐值 1.01.2 取=1.1 k k -齿向载荷分配系数 由推荐值 1.01.2 取=1.1 k k 载荷系数= k kkkk va 45 . 1 1 . 11 . 12 . 11 材料弹性系数 查表 6.4 e z 2 8 . 189mmnze 节点区域系数 查图 6-3（）=2.5 h z0,0 21 0 xx h z 重合度系数，由推荐值 0.850.92 =0.87 z z 故 5 . 38 48 . 2 148 . 2 1 4775045 . 1 2 ) 700 87 . 0 5 . 2 8 . 189 ( 3 2 1 d 齿轮模数， 按表 6.6 圆整 m=254 . 1 25 5 . 38 1 1 z d m 小轮分度圆直径50252 11 mzd 圆周速度sm d n /925 . 3 60000 150050 60000 1 1 标准中心距mm zzm a87 2 )6225(2 2 )( 21 齿宽mmdb d 50501 1 大齿宽mmbb50 2 小轮齿宽（510）=50+5=55mm 21 bb (3)齿根弯曲疲劳强度校核计算 由式 6-10 2 1 1 fsafa m f yyy bd kt 齿形系数查表 6.5 小轮 fa y62 . 2 1 fa y 大轮 272 . 2 2 fa y 18 应力修正系数查表 6.5 小轮 sa y59 . 1 1 sa y 大轮 734 . 1 2 sa y 重合度 )tan(tan)tan(tan 2 1 2211 zz )20tan) 22622 20cos622 s(tan(arcco62)20tan) 22252 20cos252 s(tan(arcco25 2 1 0 0 0 0 =1.7 重合度系数 69 . 0 7 . 1 75 . 0 25 . 0 75 . 0 25 . 0 y 故 2 6 . 79 25050 69 . 0 59 . 1 62 . 2 4775045 . 1 2 1 mmn f 2 3 . 75 25050 69 . 0 734 . 1 272 . 2 4775045 . 1 2 2 mmn f （4）齿轮其他主要尺寸计算 大轮分度圆直径 mmmzd124622 22 根圆直径 mmhdd ff 45225. 12502 1 1 mmhdd ff 119225 . 1 21242 1 2 顶圆直径 mmhdd aa 5422502 1 1 mmhdd aa 128221242 2 2 2.5 进给系统的步进电动机的计算与选择进给系统的步进电动机的计算与选择 2.5.12.5.1 步进电动机步进电动机 19 步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自 动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与 日俱增，在各个国民经济领域都有应用。 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接 收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度 (称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制 脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制 脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电 机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差(精度为 100%)的 特点，广泛应用于各种开环控制。 现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（vr） 、永磁式步进电机 （pm） 、混合式步进电机（hb）和单相式步进电机等。 永磁式步进电机一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 7.5 度 或 15 度；反应式步进电机一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 1.5 度，但噪声和振动都很大。反应式步进电机的转子磁路由软磁材料制成， 定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。 混合式步进电机是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五 相：两相步进角一般为 1.8 度而五相步进角一般为 0.72 度。这种步进电机 的应用最为广泛，也是本次细分驱动方案所选用的步进电机。 步进电机的一些基本参数： 电机固有步距角： 它表示控制系统每发一个步进脉冲信号，电机所转动的角度。电机出厂时 给出了一个步距角的值，如 86byg250a 型电机给出的值为 0.9/1.8（表示 半步工作时为 0.9、整步工作时为 1.8） ，这个步距角可以称之为电机固有 步距角，它不一定是电机实际工作时的真正步距角，真正的步距角和驱动 器有关。 20 步进电机的相数： 是指电机内部的线圈组数，目前常用的有二相、三相、四相、五相步进 电机。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为 0.9/1.8、 三相的为 0.75/1.5、五相的为 0.36/0.72 。在没有细分驱动器时，用户主 要靠选择不同相数的步进电机来满足自己步距角的要求。如果使用细分驱 动器，则相数将变得没有意义，用户只需在驱动器上改变细分数，就可以 改变步距角。 保持转矩（holding torque）： 是指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机 最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步 进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而 变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当 人们说 2n.m 的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 2n.m 的步进电机。 detent torque： 是指步进电机没有通电的情况下，定子锁住转子的力矩。detent torque 在国内没有统一的翻译方式，容易使大家产生误解；由于反应式 步进电机的转子不是永磁材料，所以它没有 detent torque。 步进电机的一些特点： 1一般步进电机的精度为步进角的 3-5%，且不累积。 2步进电机外表允许的最高温度。 步进电机温度过高首先会使电机的磁性材料退磁，从而导致力矩下降乃 至于失步，因此电机外表允许的最高温度应取决于不同电机磁性材料的退 磁点；一般来讲，磁性材料的退磁点都在摄氏 130 度以上，有的甚至高达 摄氏 200 度以上，所以步进电机外表温度在摄氏 80-90 度完全正常。 3步进电机的力矩会随转速的升高而下降。 21 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率 越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而 相电流减小，从而导致力矩下降。 4步进电机低速时可以正常运转,但若高于一定速度就无法启动,并伴有啸 叫声。 步进电机有一个技术参数：空载启动频率，即步进电机在空载情况下能 够正常启动的脉冲频率，如果脉冲频率高于该值，电机不能正常启动，可 能发生丢步或堵转。在有负载的情况下，启动频率应更低。如果要使电机 达到高速转动，脉冲频率应该有加速过程，即启动频率较低，然后按一定 加速度升到所希望的高频（电机转速从低速升到高速） 。 步进电动机以其显著的特点，在数字化制造时代发挥着重大的用途。伴 随着不同的数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将 会在更多的领域得到应用。 2.5.22.5.2 纵向电机的计算与选择纵向电机的计算与选择 以下公式参考自以下公式参考自机电一体化系统设计机电一体化系统设计 该车床的纵向进给丝杠改用滚珠丝杠，其基本导程 mml5 0 ，工作台质 量 nw800 1 ，工件最大质量 nw200 2 。脉冲当量 stepmm01 . 0 ；这 里取工进给速度为 v=0.5m/min，快进给 min4 . 2m ，步进电机的步距角 预选为 step 0 8 . 1 ，传动比 5 . 2i 解：（1）纵向进给运动的负载分析 步进电机的负载有外力负载（切削力） ，摩擦负载和惯性负载，所选步进电 机必须克服这些负载，才能作正常的进给驱动 1）切削负载 若采用如图 2-6 所示的刀具角度，切削用量范围： min5 . 0m ， 22 mmap4 ，f=0.3mm/r,则其主切削力（可根据切削原理近似公式计算） nfz5360 （垂 向 图图 2-6 刀具角度刀具角度 向） ，取 nff zx 134025 . 0 （纵） ， nff zy 21444 . 0 （横） 2）摩擦阻力 当溜板箱导轨为贴塑导轨，则摩擦系数 05 . 0 ，因主切削力压向导轨，则 摩擦阻力 nf31805 . 0 )5360200800( 摩 其他摩擦未算 3）等效转动惯量计算 根据理论力学公式计算进给系统中回转零部件的转动惯量,由前面减速齿轮 的设计与校核可知： 0 21 20)(550,(2;62,25, 5 . 2，齿宽模数）cmmmbmzzi mmdmmdmmdmmd aaff 128,54,119,45 2121 则 齿轮的转动惯量分别为（齿轮为 45 号钢，并将齿轮近似看做圆柱体） 2424444 .10316 . 3 .316 . 3 1054 . 58 . 7108 . 7 11 mkgcmkgbdj az 23 2424444 .1069.104.689.104105 8 . 128 . 7108 . 7 22 mkgcmkgbdj az 滚珠丝杠选用型号为 ffzd4005-5-p5/14001150 的丝杠 其长度为 1400mm，直径为 40mm，则丝杠的转动惯量近似为 s j 2244 .96.27.96.271014048 . 7mkgcmkg 设电动机转子的转动惯量为 m j 4.6 42 10.kg m （当有效到电动机轴上 的负载转动惯量大于电动机转子