普通车床主轴箱改造为数控电主轴箱-毕业设计论文

毕毕 业业 设设 计计 （论（论 文）文） 设计（论文）题目设计（论文）题目: :_普通车床主轴箱改造为数控电主轴箱_ 单单 位（系别）：位（系别）：_自动化系_ _ 学学 生生 姓姓 名名：_ _ _ 专专 业业：_机械设计制造及其自动化 班班 级级：_ 学学 号号：_ 指指 导导 教教 师师：_ _ 答辩组负责人答辩组负责人：_ 填表时间：填表时间： 年年 月月 重庆邮电大学移通学院教务处制重庆邮电大学移通学院教务处制 编编 号号：_ 审定成绩审定成绩：_ 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - II 重庆邮电大学移通学院毕业设计重庆邮电大学移通学院毕业设计(论文论文)任务书任务书 设计(论文)题目 学生姓名 系别 专业 班级 指导教师 职称 联系电话 教师单位 下任务日期_ _年_月_日 主主 要要 研研 究究 内内 容容 、 方方 法法 和和 要要 求求 进进 度度 计计 划划 主主 要要 参参 考考 文文 献献 指导教师签字： 年 月 日 教研室主任签字： 年 月 日 备注：此任务书由指导教师填写，并于毕业设计(论文)开始前下达给学生。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - III 摘摘 要要 了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺 序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的 优点很多,可以在同一机床上一次装夹完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价 格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需 要很多资金。主轴箱是机床要的部件，是用于布置机床工作主轴及其传动零件和相应的附 加机构的。主轴箱采用多级齿轮定的传动系统箱内各个位置上的传动齿轮和传动轴把运动 传到主轴上，使主轴获得规定的转速和方向。轴箱传动系统的设计，以及主轴箱各部件的 加工工艺直接影响机床的性能。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠 以及安装座,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床 的床尾,不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机 带动。总体设计方案:CA6140 车床主轴转速部分保留原机床的手动变速功能。车床的纵向 和横向进给运动采用步进电机驱动。最后,根据已知条件对纵向横向伺服进给机构进行设 计与计算。 【关键词关键词】数控 车床 主轴箱 改造 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - IV ABSTRACT Understand the concept of numerical control machine tool, the so-called digital control is according to contain machine tool (cutter) movement information program automatically perform specified order operation process. And the computer numerical control machine tool is the numerical control machine tool in computer work under surveillance. Its many advantages, can be finished in the same clamping machine last multiple operations, significantly higher productivity advantages, but its expensive. Because our country now use most of the machine tool for ordinary lathe, the low degree of automation, to update the existing machine tool requires a lot of money. The spindle box is machine tool parts, is used in the layout of machine tool spindle and its transmission parts and the corresponding additional institutions. Spindle box adopts multistage gear transmission system in each position of the movement to the spindle drive gear and the shaft, make the spindle speed and direction. The design of the axle box transmission system, and the processing technology of the spindle box parts directly affects the performance of the machine tool. Longitudinal feed mechanism transformation: down the original machine slip board box, light poles and screw, and installation, with ball screw and the corresponding installation, vertical driving of stepping motor and reducer installed at the end of lathe bed, no room for screw. Transverse feeding mechanism transformation: demolition of horizontal screw ball screw, driven by stepping motor. Overall design: CA6140 lathe spindle speed part retained the original manual transmission function of the machine tool. Lathe longitudinal and transverse feed motion driven by stepping motor. Finally, according to the known conditions on the longitudinal horizontal servo feed mechanism to carry on the design and calculation. 【Key words】CNC lathe spindle box the transformation 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - V 目目 录录 前 言2 总体方案确定4 第一章 车床主传动变速箱结构分析5 第二章 数控车床床头箱结构分析7 第一节主传动系统7 第二节进给传动系统8 第三节数控机床的进给传动系统8 第四节自动回转刀架9 第三章 机床进给伺服系统机械部分以及步进电动机的设计和计算10 第一节 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案10 第二节 进给伺服机构机械部分的设计计算11 第四章 同步带传动设计21 第一节 同步齿形带的选择和校核21 第二节 主轴组件的设计23 第五章 数控系统驱动的电路设计26 第一节 硬件电路的基本组成26 第二节 控制系统的功能28 第六章 润滑系统的改造31 参考文献32 附 录33 英文原文33 英文翻译39 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 2 前前 言言 本次毕业设计主要是对普通车床机械部分进行改造,以及步进电机驱动横向进给运动、 纵向进给运动以及刀架的快速换刀,使传动系统变得十分简单，传动链大大缩短,传动件数 减少,从而提高机床的精度。 设计中，对有关普通车床，数控机床及数控改造的相关书籍、刊物进行了大量阅读,收 集了很多资料,了解了数控机床的基本概念，数控机床的发展概况，数控机床的组成及其 工作原理，扩大了我们的知识面。 随着科学技术的发展,现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进，对工件的加工质 量和加工精度的要求也越来越高。随着社会对产品多样化要求的增强，产品品种增多,产 品更新换代加速。数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势。同时，数控机床 将向着更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能发展。 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。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机 械加工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广 泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其 优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发 展的先河。 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的 相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的 起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送 入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 3 件，加工出所需的工件。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1. . 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时， 只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 2. . 加工精度高； 3. . 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. . 良好的经济效益； 6. . 有利于生产管理的现代化。 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控机机床近几年 在产业化和产品开发上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精 密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不 能满足国家建设的需要。我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差， 性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的 1/10 左右，差距太大，急待改造。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 4 总体方案的确定总体方案的确定 由于被改装的机床本身的机械结构不是按数控机床的要求设计的，其精度和刚度等性 能指标往往不能满足数控机床的要求，因此将普通机床改造为全功能的数控机床，一味追 求先进指标则会得不偿失，所以确定总体方案的原则应当是在满足生产需要的前提下，对 原机床尽可能减少机械部分的改动量，选择简单易用的数控系统，达到合理的性价比。本 次改造设计方向就是根据这一原则出发的。根据设计要求、依据设计参数及机床数控改造 的理解，总体方案确定如下： 1.系统的运动方式与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具有定位、直线插补、顺、逆插补、暂停、循环加 工、公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精 度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 2.计算机系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 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，具有很高的性能价格比等特点，决定采用 MCS 51 系列的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大 电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工 数据及机床状态等信息。 3.机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 5 杆，为保证一定的传动精度和平稳度，尽量减少摩擦量力，选用滚珠丝杆螺母副。同时， 为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的 结构。 第一章第一章车床主传动变速箱结构分析车床主传动变速箱结构分析 第一节第一节 主轴箱的结构分析主轴箱的结构分析 机床主轴箱是一个比较复杂的传动件.表达主轴箱各传动件的结构和装配关系时常用展 开图.展开图基本上是按各传动链传递运动的先后顺序,沿轴心线剖开,并展开在一个平面 上的装配图(如图 1) ： 图 1 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 6 1花键套；2带轮；3法兰；4箱体；5钢球；6齿轮；7销； 8、9螺母；10齿轮；11滑套；12元宝销；13制动盘；14制动带； 15齿条；16拉杆；17拨叉；18齿扇；19圆键 CA6140 型车床主轴箱展开图如上图所示，该图是沿轴 IV 一 I 一 II 一 III(V)一 VI 一 XI 一 X 的轴线剖切面展开的。展开图把立体展开在一个平面上，因而 其中有些轴之间的距 离拉开了。如轴 IV 画得 III 与轴 V 较远，因而使原来相互啮合的齿轮副分开了。读展开 图时 ，首先应弄清楚传动关系。 卸荷带轮电动机经皮带将运动传至轴 I 左端的带轮 2（见图 1 的左上部分）。带轮 2 与 花键套 1 用螺钉连接成一体，支承在法兰 3 内的两个深沟球轴承上。法兰 3 固定在主轴箱 体 4 上，这样带轮 2 可通过花键 1 带动轴 I 旋转，皮带 的拉力则经轴承和法兰 3 传至箱 体 4。轴 I 的花键部分只传递转距，从而可避免因皮带拉力而使轴 I 产生弯曲变 形。这种 带轮是卸荷的（既把径向载荷卸给箱体）。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 7 第二章第二章 数控车床床头箱结构分析数控车床床头箱结构分析 第一节第一节 主传动系统主传动系统 数控车床主运动要求速度在一定范围内可调，有足够的驱动功率，主轴回转轴心线的 位置准确稳定，并有足够的刚性与抗振性。 如下图所示为济南第一机床厂生产的 MJ-50 型数控车床的传动系统图。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 8 图2 MJ-50型数控车床的传动系统 第二节第二节 进给传动系统进给传动系统 数控车床进给传动系统是用数字控制 X、Z 坐标轴的直接对象，工件最后的尺 精度度和轮廓精度都直接受进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，数 控车床的进给传动系统应充分注意减少摩擦力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙以及 减少运动件的惯量等。 为使全功能型数控车床进给传动系统要求高精度、快速响应、低速大转矩，一般采用 交、直流伺服进给驱动装置，通过滚珠丝杠螺母副带动刀架移动。刀架的快速移动和进给 移动为同一条传动路线。 如图 1 所示，MJ-50 数控车床的进给传动系统分为 X 轴进给传动和 Z 轴进给传动。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 9 第三节第三节 数控机床的进给传动系统数控机床的进给传动系统 数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统实现伺服进给系统的作用是根据数控系统 发出的指令信息，进行放大后控制执行部件的运动，不仅控制进给运动的速度，同时还要 精确控制刀具相对工件的移动轨迹和坐标位置。一个典型的数控机床闭环控制进给系统通 常由位置比较、放大元件、驱动单元、机械传动装置和检测反馈元件组成。 图 数控工作台传动系统的机械结构图 （1）直流伺服电动机 （2）滑块联轴器 （3）滚珠丝杠 （4）左螺母 （5）键 （6）半圆垫片 （7）右螺母 （8）螺母座 为确保数控机床进给系统的传动精度和工作平稳性等，在设计机械传动装置时，应符 合几点一下要求： （一）运动件的摩擦阻力小和动、静摩擦力之差小，以使数控机床进给吸引获得较高 的快速回应性能和运动精度。 （二）转动惯量小，以减少对伺服机构的起动个制动特性的影响。如减小旋转零件的 直径和质量。 （三）进给传动装置有高的传动精度与定位精度，对采用步进电动机驱动的开环控制 系统尤其如此。消除传动间隙，减小反向误差，减小运动部件如蜗杆副的啮合侧隙对传动、 定好精度的影响，如采用双导程蜗杆涡轮或预紧。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 10 第四节第四节 自动回转刀架自动回转刀架 数控车床的刀架是机床的重要组成部分，其结构直接影响机床的切削性能和工作效率。 回转式刀架上各刀座用于安装或支持各种不同用途的刀具，通过回转头的旋转分度和定 位，实现机床的自动换刀。回转刀架分度准确，定位可靠，重复定位精度高，转位速度快， 夹紧性好，可以保证数控车床的高精度和高效率。 按照回转刀架的回转轴相对于机床主轴的位置，可分为立式和卧式回转刀架。 （一）立式回转刀架 （二）卧式回转刀架 第三章第三章 机床进给伺服系统机械部分以及步进电机床进给伺服系统机械部分以及步进电 动机的设计和计算动机的设计和计算 第一节第一节 进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案进给伺服系统机械部分的结构改造设计方案 一一 纵向进给机械结构改造方案纵向进给机械结构改造方案 拆除原机床的进给箱、溜板箱、滑动丝杠、光杠等，装上步进电机、齿轮减速箱和 滚珠丝杠螺母副。为了提高支承刚度，采用向心推力球轴承对加止推轴承支承方式。齿轮 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 11 间隙采用双薄片调隙方式。 利用原机床进给箱的安装孔和销钉孔安装齿轮箱体。滚珠丝杆仍安置在原来的位置， 两端仍采用原固定方式。这样可减少改装工作量，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠， 且外径比原先的大，从而使纵向进给整体刚度只可能增大。 纵向进给机构都采用了一级齿轮减速。双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙。因为弹 簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载大时，弹簧弹力显小，起不到消除间隙之目的； 当负载小时，弹簧弹力又显大，则加速齿轮的磨损。因此，采用定期人工调整、螺钉紧固 的办法消除间隙。 纵向齿轮箱和溜板箱均加外罩，以保持机床原外观，起到美化机床的效果，在溜板 箱上安装了纵向快速进给和急停按钮，以适应机床调整时的操作需要和遇到意外情况时的 急停处理需要。 二二 横向进给机械结构改造方案横向进给机械结构改造方案 拆除原中拖板丝杆，安装滚珠丝杆副，为提高横向进给系统刚度，支承方式采用两端 装止推轴承。步进电机、齿轮箱安装于机床后侧，为了使减速机构不影响走刀，同时消除 传动过程的冲击，减速机构采用二级传动，从动轮采用双薄片错位消除间隙。 第二节第二节 进给伺服机构机械部分的设计计算进给伺服机构机械部分的设计计算 一一 选择脉冲当量选择脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量， 纵向：0.01mm/步， 横向：0.005mm/步（半径） 二二 计算切削力计算切削力 2. .1 纵车外圆 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 12 主切削力 FZ（N）按经验公式估算： FZ=0.67Dmax1。5=0.67*4001。5=5360 按切削力各分力比例： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 F X=53600.25=1340 FY=53600.4=2144 2. .2 横切端面 主切削力 FZ（N）可取纵切的 0.5 FZ=0.5FZ=2680 此时走刀抗力为 FY（N） ，吃刀抗力为 Fx（N） 。仍按上述比例粗略计算： FZ/FX/FY=1/0.25/0.4 FY=26800.25=670 FX=26800.4=1072 三三 滚珠丝杆螺母副的计算和选型滚珠丝杆螺母副的计算和选型 3. .1 纵向进给丝杆 3. .1. .1 计算进给牵引力 Fm（N） 纵向进给为综合型导轨 Fm=KFx+f（Fz+G） =1.1581340+0.16（5360+800） =2530 式中 K考虑颠复力距影响的实验系数，综合导轨取 K=1.15； f滑动导轨摩擦系数：0.150.18； G溜板及刀架重力：G=800N 3. .1. .2 计算最大动负荷 C 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 13 C=3LfWFM L=60nt/106 N=1000Vs/Lo 式中 Lo滚珠丝杆导程，初选 L=6mm； Vs最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的（1/21/3） ，此处 Vs=0.6m/min T使用寿命，按 15000h； fw运转系数，按一般运转取 F=1.21.5； L寿命、以 106为一单位。 n=1000Vs/Lo=10000.60.5/6=50r/min L=60NT/106=606015000/106=45 C=3LfwFm=3451.22530=10798.7N 3. .1. .3 滚珠丝杆螺母副的选型 查阅表，可用 W1L400b 外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杆副，1 列 2.5 圈，其 额定动负载为 16400N，精度等级按表 4-15 选为 3 级（大致相当老标准 E 级） 。 3. .1. .4 传动效率计算 =tg/tg(+) 试中 螺旋升角，W1L400b=244 摩擦角 10滚动摩擦系数 0.003-0.004 =tg/tg(+) =tg244/tg(244+10)=0.94 3. .1. .5 刚度验算 最大牵引力为 2530N。支撑间距 L=1500mm 螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大 轴向负荷的 1/3。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 14 A. 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 根据 Pm=2530N，D0=40mm，查出 L/L=1.210-5 可算出： 1=L/L1500=1.210-51500=1.810-2 由于两端采用向心推力球轴承，且丝杆又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高 4 倍。其实际变形量 1(mm)为： 1=0.2510-2 B滚珠与螺纹滚道间接触变形 q W 系列 1 列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量 q ： q=6.4m 因进行了预紧， 2 =0.5q =0.56.4=3.2m C支承滚珠丝杆轴承的轴向接触变形 3 采用 8107 型推力球轴承，d1=35mm，滚动体直径 dq=6.34mm，滚动体 数量 Z=18，c=0.00243Fm2/(dqZ2) =0.002432532/(6.35182) 注意，此公式中 Fm单位为 kgf 应施加预紧力，故 3=0.5=0.50.0075=0.0038mm 根据以上计算：= 1+2+3 =0.0045+0.0032+0.0038 =0.0115mm定位精度 3. .1. .6 稳定性校核。 滚珠丝杆两端推力轴承，不会产生产生失稳现象不需作稳定性校核。 3. .2 横向进给丝杆 3. .2. .1 计算进给牵引力 Fm 横向导轨为燕尾形，计算如下： 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 15 Fm=1.4Fy+f(Fz+2Fx+G) =1.4670+0.2(2680+21072+600)2023N 3. .2. .2 计算最大动负荷 C n=1000V3/L0=10000.30.5/5=30 L=60nT/106=603015000/106 C=3LfwFm=3271.22030=7283N 3. .2. .3 选择滚珠丝杠螺母副 从附录 A 表 3 中查出，W1L20051 列 2.5 圈外循环螺纹预紧滚珠丝杠副，额 定动载荷为 8800N，可满足要求，选定精度为 3 级。 3. .2. .4 传动效率计算 =tg/tg(+)=tg433/tg(433+10)=0.965 3. .2. .5 刚度验算 横向进给丝杠支承方式如 图所示，最大牵引力为 2425N，支承间距 L=450mm， 因丝杠长度较短，不需预紧，螺母及轴承预紧。 计算如下： A.丝杠的拉伸或压缩变形量 1(mm) 查图 4-6，根据 Fm=2032N，D0=20MM，查出 L/L=5105 可算出 1= L /LL=4.2105 450=1.89102mm 显然系统应进行预拉伸，以提高刚度 故 =0.251=4.7103 B.滚珠与螺纹滚道间接触变形 查资料（机床数控改造设计与实例M1 版 ， ） 。 q=8.5m 因进行了预紧 2=0.5q=0.58.5=4.25m C.支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 16 采用 8103 型推力球轴承，dq=5 Z=13 d=17mm c=0.00243Fm2/(dqZ2) =0.00243202.3/5132=1.3103 考虑到进行了预紧，故 3=0.5 c=0.51.3103=6.5104 综合以上几次变形量之和得： =123=4.7103+4.25103/+ =0.00960.015（定位精度 ） 3.2.6 稳定性校核 滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不需作稳定性校核。传动比计算 四四 传动比计算传动比计算 4. .1 纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量 p =0.01，滚珠丝杠导程 L0=6mm，初选步进电机步距角 0.75。可计算出传动比 i i=360p / bL 0 =3900.01/0.756=0.8 可选定齿轮齿数为： I =Z1/Z2 Z1=32，Z2=40 ，或 Z1=20，Z2=25 4. .2 横向进给齿轮箱传动比计算 已确定横向进给脉冲当量 p =0.005，滚珠丝杠导程 L0=5mm，初选步进电机步距 角 0.75。可计算出传动比 i I=360p / bL 0=3600.005/0.755=0.48 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 17 考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程，故 此处可采用两级齿轮降速： i=Z1Z2/Z3Z4=34/55=2420/4025 Z1=24，Z2=40，Z3=20，Z4=25 因进给运动齿轮受力不大，模数 m 取 2。有关参数参照下表： 齿数 32 40 24 40 20 25 分度圆 d=mz 64 80 48 80 40 50 齿顶数 da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齿根数 df=d- 21.25m 59 75 43 75 35 45 齿宽 (6-8)m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=(d1+d2)/2 726445 五五 步进电机的计算和选型步进电机的计算和选型 5. .1 纵向进给步进电机计算 5. .1. .1 等效传动惯量计算 方法计算如下，传动系统折算到电机轴上的总传动惯量 J(kgcm2)可有下式计算： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2 式中：Jm步进电机转子转动惯量(kgcm2) J1，J2齿轮 Z1、Z2的转动惯量(kgcm2) Js滚珠丝杠传动惯量(kgcm2) 参考同类型机床，初选反应式步进电机 150BF，其转子转动惯量 Jm=10(kgcm2) J1=0.78103d14L1=0.781036.422=2.6 kgcm2 J2=0.78103d24L2=0.78103822=6.39 kgcm2 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 18 Js=0.7810344150=29.952 kgcm2 G=800N 代入上式： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+Js)+G/g(L0/2)2 =10+2.62+(32/40)2(6.39+29.592)+800/9.8(0.6/2)2 =36.355 kgcm2 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 Jm/J=10/36.355=0.275 基本满足惯量匹配的要求。 5. .1. .2 电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转距不同，下面分别按各阶段计算： A.快速空载启动力矩 M起 在快速空载起动阶段，加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： M起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60ta) nmax=maxb/p360 将前面数据代入，式中各符号意义同前。 nmax=maxb/p360=24000.75(0.01360)=500r/min 启动加速时间 ta=30ms Mamax=J2nmax102/(60ta) =36.3552500102/(600.03) =634.5Ncm 折算到电机轴上的摩擦力距 Mf： Mf=FOL0/2i=f(Pz+G)L0/(2Z2/Z1) 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 19 =0.16(5360+800)0.6/(20.81.25)=94Ncm 附加摩擦力距 M0 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3FtL0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/325300.6(1-0.92)/( 20.81.25) =805.30.19=15.3Ncm 上述三项合计： M起=Mamax+Mf+Ma=634.5+94+15.3=743.8Ncm B快速移动时所需力矩 M快。 M快=Mf+M0=94+15.3=109.3Ncm C快速切削负载时所需力矩 M切 M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =94+15.3+13400.6/(20.81.25) =94+15.3+127.96 =237.26Ncm 从上面计算可以看出，M起、M快和 M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大， 以此项作为初选步进电机的依据。 从有关手册机床数控改造设计与实例M查出，当步进电机为五相十拍时 =Mq/Mjmax=0.951 最大静力矩 Mjmax=743.8/0.951=782Ncm 按此最大静力矩从有关手册中查出，150BF002 型最大静转矩为 13.72Nm。大于所 需最大静转矩，可作为初选型号，但还需进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特 性。 5. .1. .3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk=1000Vmax/60p =10002.4/600.01=4000Hz Fe=1000Vs/60p =10000.6/600.01=1000Hz 从下表中查出 150BF002 型步进电机允许的最高空载起动频率为 2800Hz 运行频率为 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 20 8000Hz,再从有关手册中查出 150BF002 型步进电机起动矩频特性和运行矩频特性曲线。 当步进电机起动时，f起=2500 时，M=100Ncm,远远不能满足此机床所要求的空载起动 力矩（782Ncm）直接使用则会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现） ， 将起动频率降到 1000Hz 时，起动力矩可增加到 5884Ncm，然后在电路上再采用高低压 驱动电路，还可将步进电机输出力矩扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，150BF002 型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求。 5. .2 纵向进给步进电机计算 5. .2. .1 等效传动惯量计算 横向传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量 J 可由下式计算 J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+J3)+Z3/Z(J+J)+G/g(L0/2)2 式中各符号意义同前，其中 J1=0.78103d14L1=0.781034.822=0.83kgcm2 J2=0.78103d24L2=0.78103842=6.4 kgcm2 J3=0.78103d24L3=0.78103442=0.4 kgcm2 J4=0.78103d24L4=0.78103542=0.98 kgcm2 Js=0.781032445=0.56kgcm2 G=600n Jm=4.7 （初选反应式步进电机为 110BF） 代入上式为： J=Jm+J1+（Z1/Z2）2(J2+J3)+Z3/Z(J+J)+G/g(L0/2)2 =4.7+0.83+(24/10)2(6.4+0.4)+(20/25)2(0.98+0.56)+600/10(0.5/2)2 =8.42kgcm2 考虑到步进电机与传动系统惯量的匹配问题 Jm/J=4.7/8.42=0. 558 基本满足惯量匹配要求 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 21 5. .2. .2 电机力矩计算 A.快速空载起动力矩 M M起=Mamax+Mf+Ma Mamax=J= Jnnax102/(60ta/2) = J2nmax102/(60ta) 式中： nmax=maxb/p360 =12000.75/(0.005360)=500r/min ta=30ms Mamax=J2nmax102/(60ta) =8.422500102/(600.03)=147Ncm 折算到电机轴上的摩擦力矩 Mf Mf=FOL0/2i=f(Pz+G)L0/(2Z2/Z1) =0.2(2680+600)0.50.48/(20.8) =31.3Ncm 附加摩擦力矩 M0 MO=FPOL0(1-02)/2i=1/3FtL0(1-02)/(2Z2/Z1) =1/320230.50.48(1-0.92)/( 20.8) =6.1Ncm 上述三项合计： M起=Mamax+Mf+Ma=147+31.3+6.1=184.4Ncm B快速移动时所需力矩 M快。 M快=Mf+M0=31.3+6.1=37.4Ncm C.最大切削福载时所需力矩 M切 M切=Mf+M0+Mt=Mf+M0+ FOL0/2i =37.4+10720.50.48/(20.8) 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 22 =88.6Ncm 由上面计算可以看出, M起、M快和 M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大， 故以此项作为选择步进电机的依据。根据步进电机转矩 Mq与最大静转矩 Mjmax的关系可 知，当步进电机为三相六拍时：=Mq/Mjmax=0.866 最大静力矩 Mjmax=184.4/0.866=213Ncm 查 BF 反应式步进电机技术参数得，110BF003 型步进电机最大静转矩为 7.84Nm。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但必须进一步考核步进电机起动矩 频特性和运行矩频特性。 5. .2. .3 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 Fk=1000Vmax/60p =10002.4/600.01=4000Hz Fe=1000Vs/60p =10000.6/600.01=1000Hz 由 110BF003 型步进电机的技术参数可知其最高空载起动频率为 1500Hz，运行频率为 7000Hz。根据 110BF003 型电机的起动距频特性和运行矩频特性曲线可以看出，当步进电 机起动时 F=1500Hz，M=98Ncm，小于机床所需的起动力矩（184.4Ncm） ，直接使用 会产生失步现象，所以必须采用升降速控制（用软件实现） 。将起动频率将为 1000Hz 时， 既可满足要求。当机床快速起动和切削进给时，则完全满足运行矩频要求。 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 23 第四章第四章 同步带传动设计同步带传动设计 第一节第一节 同步齿形带的选择和校核同步齿形带的选择和校核 在车床改造时中，步进电动机与四缸传动副之间装有减速机构，通过减速机构可得到 所需的脉冲当量和增大的驱动力矩。通常采用齿轮传动或同步齿形带传动机构。同步齿形 带传动是一种新型的带传动，其利用同步带的齿型与带轮的轮齿传递运动，无相对滑动， 无噪声，无需润滑，传动精度和效率高，同步带传动的带速高达 4080m/s.传递功率可达 100KW，传动比可达 1020，传动效率 98%。因此在这次数控改造中我们采用同步齿形带 来传递运动。 同步带传动的设计步骤为： （1）模数 根据表 1.121.6 6.510.4 cA PK Pkw m=4 （2）齿数 1min ZZ 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 24 查表 1.3 选 1 30Z 21 30 1.545ZZ iA （3）带轮节圆直径为： 11 22 4 30120 4 45180 dmzmm dmzmm （4）带速为： 1 1 3000 60 100060 1000 Dn V （5）中心距为： 1212 0.7()2()ddadd则 210a16 载荷平稳1 1.11.2 载荷变动小 1.21.41.6 载荷变动大 1.41.7 2 1.23 小带轮最小齿数 min Z 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 25 小带轮转速 n1(r/min) 模数 m/mm 1.5 2 2.5,3 45710 3000 1618202224 1.24 传动比系数 k1 n1/n21/1.251/1.251/1.71/1.71/2.5 1/2.51/3.51/3.5 k11 0.950.90.850.8 1.25 聚氨酯同步带（强力层为钢丝绳）的质量和许用拉力 模数 m/mm 1.5 2 2.5 345 单位宽度每米长度的质量182430354860 单位宽度的许用拉力468101525 1.26 同步带的齿数、长度和宽度 齿数 z 模数 m 1.5 2 2.5 345 名义长度 L 35 164.9219.2274.9329.9 40 188.5251.3314.2 377 502.7628.3 50 235.6314.2392.7471.2628.3785.4 60 282.7 377 471.2565.5 754 942.5 70 329.9439.8549.8659.7879.71099.6 80377 502.7628.3 754 1005.31256.6 重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文）重庆邮电大学移通学院本科毕业设计（论文） - - 26 90 424.1565.5706.9848.2 1131 1413.7 100 471.2628.3784.4942.51256.61570.8 宽度 b83210151260126016802080 宽度系列8、10、1