x53铣床的经济型数控化改造设计

毕业设计 x53铣床的经济型数控化改造设计机械工程系125011333黄洋学生姓名： 学号： 机械设计制造及其自动化系 部： 许鑫专 业： 指导教师： 二零一四 年 六月I诚信声明 本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。 本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： x53铣床的经济型数控化改造设计 系部： 机械工程系专业： 机械设计制造及其自动化 学号： 125011333 学生：黄洋 指导教师（含职称）： 许鑫（讲师） 专业负责人： 田静 1设计的主要任务及目标主要任务：（1）利用原机床改装三坐标数控机床（2）完成X Y 轴机械结构改装设计（3）绘制机械结构装配图目标：经过改进的数控机床，加工精度较原机床有较大的提高，提高了生产效率，扩大的加工范围，减轻了劳动体力。2设计的基本要求和内容将普通立式铣床改装成数控铣床，完成X Y轴的机械结构改装设计，并绘制机械结构装配图。机械部分是通过铣床的纵向、横向机构进行改造实现数控的。为了保证铣床能由计算机控制,首先拆去了纵向、横向离合器和纵、横向手轮,将手轮端通过一对齿轮与步进电机相联,利用步进电机控制工作台横、纵向的移动。3主要参考文献1 张新义.经济性数控机床系统设计.J北京:机械工业出版社，19942 林其骏.微机控制机械系统设计. J上海:上海科技技术出版社，19913 余英良.数控改造普通铣床. J北京:新技术新工艺杂志，1992.5期4 陈绍廉主编.数控机床改造技术. J北京:航空工业出版社，19895李善术主编.数控机床及其应用. J北京:机械工业出版社，19956 濮良贵,纪明刚.机械设计.7版. J北京：高等教育出版社，20014进度安排设计各阶段名称起 止 日 期1进行调查研究，查阅资料，完成开题报告2014年3月29日-2014年4月9日2课题总体方案的确定2014年4月10日-2014年4月17日3根据立式铣床的结构选择改造所需的零件2014年4月18日-2014年4月25日4完成X,Y轴的机械结构改装并绘制装配图2014年4月26日-2014年5月20日5整理、打印设计说明书及答辩等2014年5月21日-2014年6月18日x53铣床的经济型数控化改造设计摘要:本文主要介绍了在X53 铣床上采用了CNC 数控系统和步进电动机作为驱动执行元件的开环控制来实现了X 、Y 、Z三坐标联动，从而将普通的机床改装成简易的数控机床。在原机床的三个进给方向上拆除原有丝杠换成滚珠丝杠，滚珠丝杠的传动效率高，无爬行，预紧后可消除反向间隙，精度高；并在丝杠上尾部加减速齿轮和步进电动机来实现自动进给，此改装结构简单，调试方便，易改装。经过改进的数控机床，加工精度较原机床有较大的提高，提高了生产效率，扩大的加工范围，减轻了劳动体力。关键词： CNC控制系统 铣床 滚珠丝杠 步进电机 减速齿轮Vertical milling machines CNC modification designAbstract:This paper describes the open-loop control that the X53 k using CNC milling machine CNC system and stepper motor-driven actuator，it achieved X, Y, Z coordinate linkage. Three of the original machine feed direction were changed to remove the screw ball screw, ball screws transmission is efficiency, no crawling, after preload to eliminate backlash, high accuracy; and screw on the rear plus reduction gear and stepper motor to achieve the automatic feed. Which will be converted into simple ordinary machine tools CNC machine tools, this modification is simple, convenient debugging, easy to modify. Improved CNC machine tools, precision machine tools have more than the original increase and improve production efficiency, expand the scope of processing to reduce manual labor. Keywords: CNC control system, milling, ball screws, stepper motor, reduction gear目 录1 绪 论1 2 X53铣床改造的总体设计22.1 总体设计要求22.2 数控铣床运动方式的确定32.3 伺服进给系统的确定32.3.1 伺服驱动控制系统的选择32.4 伺服驱动电机的选择52.5 微机系统的选用52.5.1 方案的确定52.5.2 单片机的选择52.6 伺服进给系统的改造方案设计83 纵向机械部分设计改造93.1 已知条件93.2 确定系统脉冲当量103.3 工作台的质量103.4 切削力的计算103.5 滚珠丝杠副的选择计算113.5.1 滚珠丝杠的特点113.5.2 滚珠丝杠的组成及工作原理113.5.3 工作负载计算123.5.4 滚珠丝杠寿命计算123.5.5 最大动载荷计算及丝杠型号选择123.5.6 刚度计算143.5.7 效率计算143.5.8 轴承的选择153.6 传动齿轮的设计与计算163.6.1 齿轮的选择计163.6.2 齿轮传动间隙的调整173.7 伺服电机的选择计算183.7.1伺服电机的特点183.7.2 步进电机的选择计算194 横向进给系统的改造设计214.1 工作负载计算214.2滚珠丝杠副的选择计算214.2.1 滚珠丝杠寿命计算214.2.2 最大动载荷计算及丝杠型号选择224.2.3 刚度计算234.2.4 效率计算244.3 传动齿轮计算244.4 齿轮传动间隙的调整254.5 丝杠支撑的选择254.6 伺服电动机的选择计算264.6.1步进电机的选择计算26结 论29参考文献30致 谢32 第II页共II页太原工业学院毕业设计1.绪 论数控机床与普通机床相比,增加了功能,提高了性能,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力，以实现额定的加工工艺目标。中国现拥有300多万台机床，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。3本次毕业设计的题目是立式铣床的数控改装技术，目的是将普通的立式铣床经过简单的改装后成为简单的数控铣床，普通立式铣床在我国有很大的储备量，有很多技术人员也曾经研究过类似的改造，改造投资少，可充分利用现有资源。但是，普通立式铣床改造后只能加工精度要求不高，形状较简单的零件。对精度要求高，形状复杂的零件还是不能加工的。限于本人的知识水平，设计过程中的不足之处在所难免，望各位老师不吝赐教，给予批评指正。2X53铣床改造的总体设计2.1 总体设计要求普通立式铣床改装成经济型数控铣床，应实现普通立式铣床原有功能，在铣床精度性能方面除保有原有性能和精度外还应有所提高。给定条件及要求：普通立式铣床采用微机组成的经济型数控系统。脉冲当量：0.01mm/脉冲快速移动速度：X轴 1m/minY轴 1m/min 图2.1铣床改造后总体结构图2.2 数控铣床运动方式的确定数控系统的运动方式有点位运动、直线运动、轮廓运动三种运动方式。点位运动控制系统控制机床运动部件的精确位置，即控制刀具与工件的相对位置对运动过程中的运动轨迹没有严格要求。这种运动方式主要用于数控钻床、数控镗床、数控冲床等，其相应的数控装置称为点位控制系统。直线控制系统，不仅控制机床运动部件点与点之间的准确位置还需保证其移动轨迹为一直线，而且对位移速度也必须进行控制，以适应不同刀具及工件材料的加工要求。简单的数控车床、镗铣床都采用这种系统。另外，这类系统应具有刀具长度与半径的补偿功能以及主轴转速控制功能。轮廓控制系统亦称轨迹控制，能够连续控制两个或两个以上坐标方向的联合运动。为了使刀具按规定的轨迹加工工件的曲线轮廓，数控装置具有查补运算的功能，是刀具的运动轨迹以最小的误差逼近规定的轮廓曲线，并协调个坐标方向的运算速度，以便在切削过程中始终保持规定的进给速度。采用这类控制的有数控铣床、数控车床、数控磨床和加工中心等。综上所述，由于改造后的数控铣床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工等功能，所以我选用轮廓控制方式。2.3 伺服进给系统的确定2.3.1 伺服驱动控制系统的选择伺服驱动控制系统按其控制方式可分为开环、半闭环、全闭环控制伺服系统。开环控制伺服系统没有检测反馈装置，其驱动电动机只能采用步进电动机，这种控制系统的精度完全取决于步进电动机的步距精度以及齿轮、丝杠的传动精度。因此，这类系统结构简单，控制方便，价格便宜，维护也比较方便。 图2.2 开环伺服系统框图 半闭环控制伺服系统转角检测元件。直接安装在伺服电机或丝杠的端部。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此，可获得较稳定的控制特性。 图2.3 半闭环伺服系统框图全闭环控制伺服系统的位置反馈采用直线位移检测元件，安装在机床的床鞍部位上，即直接检测机床坐标的直线位移量，通过反馈可以消除从电机到机床床鞍整个机械传动链中的传动误差，得到很高的机床定位精度。但是，整个闭环系统的设计和调整都相当复杂。因此，这种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的机床。 图2.4 全闭环控制系统 由于我们所做的是经济型数控改造，精度要求不高。所以，采用开环控制伺服系统。该系统投资少，安装调试方便。2.4 伺服驱动电机的选择 目前，使用比较广泛的驱动电机有：步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机。由于我们选用的是开环控制伺服系统，其驱动电机只能采用步进电机。这种驱动系统价格低、结构简单，安装调试和维修都很方便。2.5 微机系统的选用2.5.1 方案的确定方案一：采用单片机控制系统。单片机编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种复杂的逻辑编程。单片机系统还可用数码管或液晶来显示处理的数据，可以实现较好的人机对话。系统整理结构简单。方案二：PLC(英文全称Programmable Pogic Controller,中文全称可编程逻辑控制器)控制系统。适用于工业现场较大的系统控制，其可靠性，性价比高。但对于本设计来说，其体积大，成本高，相对性价比低。方案三：DSP（digital singnal processor，是一种独特的微机处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件）控制系统。DSP实现了流水作业，可以极大的提高处理速度。但对控制器要求过高。比较以上三种方案。方案一操作灵活简单，成本低廉；方案二成本较高，不适合于本次改造；方案三对控制器要求过高，也不适用于本次改造。所以在本次设计中，采用方案一。 2.5.2 单片机的选择系列单片机是集中，端口及部分等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用芯片作为主控芯片。(1)存储器扩展电路设计单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用芯片。在选择芯片时要考虑与时序的匹配。所能读取的时间必须大于所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定0口提供为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低位的地址信息，一般采用芯片作为地址锁存器，并由发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。由以上分析，采用EPROM芯片的程序存储器扩展电路框图如下图所示 A12 A8 2764A7A0 D7 D0P1.7P1.0P2.4P2.0ALEP0.7P0.0 译码电路G74LS372 图2.5 扩展2764电路框图(）数据存储器的扩展由于内部只有字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示： P2.4 P2.0ALE P0.7 P0.0 译码电路 A12 A8A7 6264A0D7D0 D0G74LS372 图2.6 扩展6264电路框图(）译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于和容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。2.6 伺服进给系统的改造方案设计第一种方案：根据改造目的，需将纵向和横向还有主轴Z向进给运动改造为微机控制。横向、纵向进给系统需作以下改动：奖励和崎脱开，去掉手轮，将首轮直接与步进电动机相连，由步进电机驱动横向、纵向工作台；工作台由原来的手轮进给，现改为由伺服电机驱动，Z向也如此，并自行设计滚珠丝杠副等元件。第二种方案：通过铣床的纵向、横向机构进行改造实现数控的。为了保证铣床能由计算机控制，首先拆去纵、横向离合器和纵、横向手轮，手轮端通过一对齿轮与步进电机相联利用步进电机控制工作台横、纵向的移动。工作台的垂直进给仍可用手动实现，使铣床传动结构的改动尽可能地减少，数控部分发生故障时仍能用手工半自动操作。使用中发现，由于铣床纵向丝杠长、使用频繁、横向丝杠承受负载大，应将其换成滚珠丝杠。采用滚珠丝杠，必须利用双螺母消除间隙和调节预紧力，同时必须对其刚度、导程变化总误差和稳定性进行验算。第一种方案中，如果将步进电机直接与丝杠联结,将简化传动结构,有利于提高精度,减少转动惯量、摩擦、磨损和损耗;但由于电机很重,为了避免产生大的侧倾力,又为了使改造后的机床外观造型协调和均衡,本设计采用第二种方案。改造后的X53立式铣床的传动系统图如下图：计算机光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Y向工作台 图2.7 X53 传动系统图3纵向机械部分设计改造数控机床要求机械传动系统尽量采用低摩擦的传动副；尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差；缩短传动链以及用预紧的传动方法提高传动系统的刚度，选用最佳的降速比；为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能快速的达到跟踪指令。对纵向进行机构的机械结构改造时，将原先机床丝杠拆换成滚珠丝杠；把原机床的首轮拆除换成步进电动机以及原机床的轴承也一起换掉。3.1 已知条件表3.1 X53参数工作台面积400mm1600mm工作台纵向最大行程（手动/机动）900/880mm工作台横向最大行程（手动/机动）315/300mm工作台垂直最大行程（手动/机动）385/365mm主轴转速范围301500r/min工作台纵向进给速度范围23.5-1180mm/min工作台横向进给速度范围15-786mm/min工作台垂直向进给速度范围8-394mm/min工作台横向及纵向快速移动速度700 mm/min主传动电动机功率10kW主传动电动机转速1450r/min外形尺寸2556mm X 2800 mm X 2000mm质量3500 kg3.2 确定系统脉冲当量脉冲当量p是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。3.3 工作台的质量根据给定X53工作台简图和工作台的材料，估算工作台及移动部件承载重量为G=320 X 7.8=2500N。3.4 切削力的计算机床的最大切削功率可根据式 （式3.1）计算，取 查机床说明书则=10x0.8x0.96kw=7.86kw切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或转矩）和最大切削速度来计算，按最大切削力来计算，取切削速度v=100mm/min，由式来计算主切削力： (式3.2)x=根据式 和取： (式3.3)3.5 滚珠丝杠副的选择计算3.5.1 滚珠丝杠的特点数控机床为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动效率高达85%98%,是普通丝杠的24倍。滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上没有什么差别。滚珠丝杠可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高精度和刚度。3.5.2 滚珠丝杠的组成及工作原理（1）组成：丝杠、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。（2）工作原理：在丝杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠。而滚珠则沿着滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。回珠管两端还起挡珠作用，以防滚珠沿着管道掉出如下图所示： 图3.1 滚珠螺母副的结构图 滚珠丝杠的选择要根据机床的实际情况及工作负载情况，计算出丝杠的最大动载荷及丝杠的工作寿命等参数，然后根据这些参数进行选择。最大载荷必须小于丝杠的额定动载荷。滚珠丝杠螺母副是标准化生产，其规格型号都是按国际查表得出的，其选择的详细计算如下：3.5.3 工作负载计算工作负载的数值可用进给牵引力的公式 (式3.4)计算，取K=1.15，f=0.17则： 对于三角形导轨 K=1.15 ，f =0.030.5,选f =0.17(因为是镶粘塑料导轨)3.5.4 滚珠丝杠寿命计算滚珠丝杠转速n=计算， （式3.5）取、螺距则 n= 寿命t可按下式，数控机床T取15000h。 G= （式3.6）3.5.5 最大动载荷计算及丝杠型号选择根据切削力和运动部件的质量引起的阻抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据式 （式3.7）计算出丝杠副应能承受的最大动载荷C。其中取；,则： 因为n=12r/min，按额定动载荷来选取丝杠。由C查滚珠丝杠产品样式或机电设计手册后选丝杠直径为，型号为CMD4006-5-P5的结构如图所示 图3.2 CMD4006-5-P5的结构图具体技术参数见表3.2： 表3.2 CMD4006-5-P5丝杠具体参数滚珠丝杠型号公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹底径/mm循环圈数CMD4006-5406 3.969 39.5 35.1 2.5x2 续表3.2 CMD4006-5-P5丝杠具体参数额定动载荷/N额定静载荷/mm接触刚度R/（N/）2877195970 2191 表3.3 CMD4006-5-P5螺母安装连接尺寸 单位：mmDBhLCM10971 90 15 9 15 9138 54 63.5.6 刚度计算滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起基本导程的变化，因此滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化量很小（滚动摩擦，使得对丝杠受扭变化小），可忽略不计。故工作负载引起的变化量可由式= (式3.8)计算。取钢弹性模量E=20.6;滚珠丝杠截面积，按丝杠螺纹底径确定=3.51cm，则 A= （式3.9）=（“+”用于拉伸时，“-”用于压缩时）丝杠1m长度上导程变形总量误差四级精度丝杠允许的螺距误差2520.07，故此丝杠精度足够。3.5.7 效率计算根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率可根据式 （式3.10）计算。其中摩擦角取，则=3.5.8 轴承的选择滚珠丝杠的左端设计了一个专用轴承支承座，采用一个轴套式滑动轴承作为径向支承，在滑动轴承的两端分别布置一对推力球轴承，承受两个方向的轴向力。滚珠丝杠右端通过联轴器和减速器的输出轴连接，在丝杠托架上布置一个轴套式滑动轴承作为径向支承。滚珠丝杠的中间支承为滚珠螺母，与床鞍直接连接。为了满足机床所需要的精度及刚度，传动系统的丝杠采用一段轴向固定，另一端浮动的结构形式，使丝杠的轴向位移留有移动的空间，这样可以减小机床的震动和传动的误差，避免轴承卡死以及丝杠受热伸长变形情况的发生。固定端采用一对角接触球轴承，选择7602035TVP轴承面对面组配，成对使用，能限制两个方向的轴向位移，轴承的具体参数见表3.4。因为额定载荷C=30000N=3996.2N，所以7602035TVP满足使用要求。 表3.4 7602035TVP轴承具体参数轴承型号尺寸/mm额定载荷/N预载荷/mm极限转速/(r/min)质量/kg安装尺寸/mmdDBC脂7602035TVP35721730000710000330019000.14446.550.51 表3.5 6007深沟球轴承具体参数轴承型号尺寸/mm额定载荷/N极限转速/(r/min)质量/kg安装尺寸/mmdDBC脂油6007356214116200105009000120000.13304713.6 传动齿轮的设计与计算3.6.1 齿轮的选择计算脉冲当量、步距角、丝杠螺距和降速比之间的关系为 = （式3.11） 一般的数控机床取0.01，变速比要求较高，所以=0.75，=6mm，则齿轮的传动比为 根据一般的设计原则，为了提高传动精度，应尽量减少传动级数，并且尽量避免采用升速的传动比。为了提高传动的平稳性，减少冲击振动，同时也防止外来的废屑进入到齿轮中，采用闭式设计装置。由于滚珠丝杠随工作台运动，而伺服电动机不随工作台运动，这样给运动的传递造成困难。如果X轴与丝杠之间也需要相对运动，会增加传递齿轮与丝杠之间的传动间隙，且不易消除。在本设计中，使用一级传动来实现设计的要求。但为了消除传动间隙、尽可能减小误差，要采用一系列措施来消除，以保证传动平稳。一般闭式齿轮传动转速较高，所以齿数多一点则冲击振动相对较小。小齿轮可取2040， 则大齿轮齿数。取模数m=2mm则:分度圆直径: 根据国家标准规定：对于正常齿，=1，=0.25则：齿顶圆直径: （式3.12） （式3.13）齿根圆直径: （式3.14） （式3.15）齿距P=m=6.28齿厚S=P/2=3.14齿槽宽e=P/2=3.14中心距: （式3.16）分度圆压力角: 3.6.2 齿轮传动间隙的调整大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮齿轮传动间隙的调整方法采用偏心套调整法。如图3.4所示：将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1上，通过转动偏心套的转角，就可调整两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿轮间隙。 图3.4 偏心套调整1.偏心套 2.电机 3.减速器 4、5.减速齿轮3.7 伺服电机的选择计算3.7.1伺服电机的特点伺服电动机作为伺服系统的执行元件，应该具有精确度高、响应快、调速范围广及转矩大等特性。数控机床还有一个很重要的特点就是要实现无级调速，这是异步或同步电机无法实现的。经过改造的X53铣床，要实现轮廓的控制，就必须有能快速响应性能好的伺服电动机。在进给系统中，对进给伺服电机的要求主要有以下几点：（1）调整范围宽和低速平稳性，要求速比应大于1:10000，速比达0.1r/min时无爬行。（2)负载特性要硬。要求即使在低速时也具有达的负载能力和过载能力。（3）反应速度快，要求电动机在0.2秒以内以静止启动，升速到1500r/min，因此要求电动机惯量小、堵转力矩大、机电时间常数和起动电压小、加速度达4000rad/以上。（4）可以频繁起动、制动和反转。从经济性及系统要求方面综合考虑，选用步进电动机作为伺服系统的执行元件。步进电动机与丝杠的连接如图3.5所示：图3.5 步进电动机与丝杠连接简图1.丝杠 2.从动齿轮 3.主动齿轮 4.支架5.步进电动机3.7.2 步进电机的选择计算1负载转矩的计算工作台及夹具等的转动惯量可按以下式估算。取G=2500N;=0.75;=0.01，则 （式3.17）对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按（式3.18）计算根据前面已知，m=2mm，取计算值，宽，则小齿轮的转动惯量： （式3.18）对于齿轮2，宽，则齿轮2的转动惯量：根据前面计算所得的滚珠丝杠参数，以及X53铣床说明书的滚珠丝杠、，则滚珠丝杠的转动惯量：那么，负载转动转量由式 （式3.19）计算得 =24.272 最大切削负载转矩的计算根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩按下式计算： Tm =36Fm/2 （式3.20）=(360.013996.2)/(20.750.980.990.990.94) =3.31N.m式中 脉冲当量（mm/step）； Fm进给牵引力（N） 步距角，初选双拍制为0.75； 电机丝杠的传动效率，为齿轮、轴承、丝杠效率之积，分别为0.98、0.99、0.99和0.94；若不考虑起动时运动部件惯量的影响，则起动转矩按下式（式3.21）计算。取安全系数为0.4，则Tq=Tm/0.4 =3.31/0.4=8.275Ncm （式3.21）式中安全系数的范围是0.30.5 对于工作方式为三相六拍的步进电动机，其最大静转矩按式（式2.22）计算。取=0.866，则 =/=8.275/0.866N.m=9.56 N.m （式2.22）已知工作台 纵向进给速度范围是23.51180mm/min，工作台横向及纵向快速移动速度是2300mm/min。当工作台快速移动时（=1m/min）,电动机的转速按式（式3.23）计算，则 （式2.23）取t=25ms，由式（式3.24）得 =24.27 （式3.24）按式（式3.25）可得 N.m=0.33 N.m （式3.25）为预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3，即 =/3=3996.2/3N=1332.1N滚珠丝杠预紧所引起的折算到电机上的附加转矩由式（式3.26）得 =3.31 （式3.27）则电机轴上的总转矩T得 T=+=(2.11+0.33+3.31) =5.57 （式3.28）3步进电动机的最高工作频率根据已知参数，取纵向进给速度为=1m/min，根据下式计算得 =1666.67HZ （式3.29）根据计算结果，综合考虑后选择BF系列步进电动机，型号为110BF004，具体参数见下表3.6。 表3.6 110BF004具体参数型号相数保持转矩/N.m步距角（。）静态相电流/A空载运行频率/HZ空载起动频率/HZ相电感/mH使用电压范围/v质量/kg110BF00434.90.75470005003080325104横向进给系统的改造设计4.1 工作负载计算工作负载的数值可用进给牵引力的公式 (式4.1)计算，取K=1.15，f=0.16则：4.2滚珠丝杠副的选择计算 4.2.1 滚珠丝杠寿命计算滚珠丝杠转速n= （式4.2）计算，取则 n= 寿命t可按下式，数控机床T取15000h。 G= （式4.3）4.2.2 最大动载荷计算及丝杠型号选择根据切削力和运动部件的质量引起的阻抗力，计算出丝杠的轴向载荷，再根据式计算出丝杠副应能承受的最大动载荷C。其中取；,则： （式4.4） 因为n=12r/min，按额定动载荷来选取丝杠。由C查滚珠丝杠产品样式或机电设计手册后选丝杠直径为，型号为CMD4006-5-P5的结构如图所示 图4.1 CMD4006-5-P5的结构图具体技术参数见表4.1： 表4.1 CMD4006-5-P5丝杠具体参数滚珠丝杠型号公称直径/mm基本导程/mm钢球直径/mm丝杠外径/mm螺纹底径/mm循环圈数CMD4006-5406 3.969 39.5 35.1 2.5x2 续表4.1 CMD4006-5-P5丝杠具体参数额定动载荷/N额定静载荷/mm接触刚度R/（N/）2877195970 2191 表4.2 CMD4006-5-P5螺母安装连接尺寸 单位：mmDBhLCM10971 90 15 9 15 9138 54 64.2.3 刚度计算滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起基本导程的变化，因此滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化量很小（滚动摩擦，使得对丝杠受扭变化小），可忽略不计。故工作负载引起的变化量可由式=计算。 （式4.4）取钢弹性模量E=20.6;滚珠丝杠截面积，按丝杠螺纹底径确定=3.51cm，则 A= （式4.5）=（“+”用于拉伸时，“-”用于压缩时）丝杠1m长度上导程变形总量误差四级精度丝杠允许的螺距误差2517.4，故此丝杠精度足够。4.2.4 效率计算根据机械原理，丝杠螺母副的传动效率可根据式 （式4.6）计算。其中摩擦角取，则 = （式4.7）4.3 传动齿轮计算脉冲当量、步距角、丝杠螺距和降速比之间的关系为 = （式4.8） 一般的数控机床取0.01，变速比要求较高，所以=0.75，=6mm，则齿轮的传动比为 （式4.9） 一般闭式齿轮传动转速较高，所以齿数多一点则冲击振动相对较小。小齿轮可取2040， 则大齿轮齿数。取模数m=2mm则:分度圆直径: 根据国家标准规定：对于正常齿，=1，=0.25则：齿顶圆直径: 齿根圆直径: 齿距P=m=6.28齿厚S=P/2=3.14齿槽宽e=P/2=3.14中心距: 分度圆压力角: 4.4 齿轮传动间隙的调整为了提高传动精度和传动平稳性，避免齿轮在旋转中产生冲击和噪声，对于横向齿轮需要设计中心距地调整机构。由于主、从动齿轮在制造过程中不可避免的存在加工误差，为使这一对相互啮合的齿轮在安装后的中心距达到标准中心距，齿轮传动间隙的调整方法采用偏心套调整法。如图3.4所示：将相互啮合的一对齿轮中的一个齿轮4装在电机输出轴上，并将电机2安装在偏心套1上，通过转动偏心套的转角，就可调整两啮合齿轮的中心距，从而消除圆柱齿轮正、反转时的齿轮间隙。4.5 丝杠支撑的选择为了满足机床所需要的精度及刚度，传动系统的丝杠采用一段轴向固定，另一端浮动的结构形式，使丝杠的轴向位移留有移动的空间，这样可以减小机床的震动和传动的误差，避免轴承卡死以及丝杠受热伸长变形情况的发生。固定端采用一对角接触球轴承，选择7602035TVP轴承面对面组配，成对使用，能限制两个方向的轴向位移。浮动端支撑采用6209/P5型深沟球轴承，只承受丝杠重力，轴承的具体参数见表4.2。因为额定载荷C=31500N=3446.28N，所以7602035TVP满足使用要求。 表4.3 6007深沟球轴承具体参数轴承型号尺寸/mm额定载荷/N极限转速/(r/min)质量/kg安装尺寸/mmdDBC脂油620945851913150020500700090000.185278114.6 伺服电动机的选择计算伺服电动机作为伺服系统的执行元件，应该具有精确度高、响应快、调速范围广及转矩大等特性。再进给系统中，伺服电机要调整范围宽和低速平稳性，反应速度要快，可以频繁起动、制动和反转等。同时伺服电动机的负载能力和过载能力也要强，惯量小，堵转力矩大，以便在出现闷车时能有一定的克服时间而不导致电动机烧坏，要求速比应大于1:10000，速比达0.1r/min时无爬行。4.6.1步进电机的选择计算1负载转动惯量的计算工作台及夹具等的转动惯量可按以下式估算。取G=2500N;=0.75;=0.01，则 对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量可按式（式3.18）计算根据前面已知，m=2mm，取计算值，宽，则小齿轮的转动惯量： 对于齿轮2，宽，则齿轮2的转动惯量：根据前面计算所得的滚珠丝杠参数，以及X53铣床说明书的滚珠丝杠、，则滚珠丝杠的转动惯量：那么，负载转动转量由式 计算得 =16.712最大切削负载转矩的计算根据能量守恒原理，电动机等效负载转矩按下式计算： Tm =36Fm/2 =(360.013446.28)/(20.750.980.990.990.94) =2.87N.m式中 脉冲