毕业设计（论文）-数控机床数控改造设计.docx

2014届机电一体化专业毕业设计(论文)目 录第1章 绪 论31.1 数控机床发展趋势31.2 经济型数控机床51.3 数控机床改造的必要性51.4 数控机床的改造的优缺点6第2章 总体方案的设计82.1 机床伺服系统82.2驱动元件92.3机械传动部分（进给部分）92.4自动刀架10第3章 数控机床进给系统的设计（纵向）123.1切削力的计算123.2进给牵引力的计算133.3滚珠丝杠副选型计算143.3.1强度计算143.3.2 传动效率计算163.3.3 刚度验算163.4步进电动机选型计算173.4.1 负载转矩193.4.2 启动转矩203.4.3 最大净转矩203.4.4 步进电机的最高工作频率203.5确定齿轮传动比、模数及有关尺寸213.6校核计算223.6.1丝杠的稳定性校验223.6.2 马达力矩校验23第4章数控机床进给系统的设计（横向）274.1切削力的计算274.2进给牵引力的计算274.3滚珠丝杠副选型计算284.3.1 强度计算284.3.2 传动效率计算294.3.3刚度验算304.4步进电机选型计算304.4.1负载转矩314.4.2启动力矩314.3.3 最大静转矩314.4.4 步进电机的最高工作频率314.5确定齿轮传动比、模数及有关尺寸324.6校核计算344.6.1 丝杠的稳定性校核344.6.2马达力矩校验35第5章 车床进给系统机械部分设计改造395.1齿轮间隙的消除395.2 滚珠丝杠405.2.1滚珠丝杠的安装405.2.2 滚珠丝杠螺母副轴向间隙的消除415.2.3 滚珠丝杠的防护和润滑41第6章 自动转位刀架的设计426.1 自动刀架的总体设计446.2 自动刀架的设计计算446.2.1降速机构传动比及其分配446.2.2 由刀架加紧力P确定升丝杠即涡轮的传动力矩T456.2.3 由传动力矩T确定蜗轮副m、q值466.2.4计算电机功率476.3刀架结构分析476.3.1 转位476.3.2 定位486.3.3 精定位486.3.4 夹紧48第7章 数控系统的设计497.1 数控系统的硬件结构497.1.1 概述497.1.2 8031单片机507.1.3 程序存储器EPROM的扩展547.1.4 数据存储器的扩展547.1.5 常用的扩展器件557.1.6 键盘显示器接口8279577.1.7 LED数码显示器接口587.1.8 可编程RAM/IO/CTC接口8155587.1.9 步进电机控制与驱动的相关元器件597.2 数控系统的控制软件设计607.2.1 开环系统步进电机的插补程序617.2.2 软件设计62第8章 结论67参考文献68致谢69第1章 绪 论数控化加工是机械行业朝高质量，高精度、高成品率、高效发展的趋势。而结合我国处于并将长期处于社会主义初级阶段的这一基本国情，经济型数控机床是我国得以实现数控化加工的一个重要的途径。而普通机床的数控化改造又是其中最符合我国现阶段的机械行业实线数控化加工的最为有效，最经济的方法。1.1 数控机床发展趋势随着计算机技术的高速发展，传统的制造开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代化制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制技术等高新技术于一体，具有精度高、效率高、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。（一）是高速加工技术发展迅速高速加工技术发展迅速，在高档数控机床中得到广泛的应用。它用新的机床运动学理论和先进的驱动技术，优化机床结构，采用高性能功能部件，移动部件轻量化，减少运动惯量。在刀具材料和结构的支持下，从单一的刀具切削高速加工，发展到机床加工全面高速化，如数控机床的转速从每分钟几千转发展到几万转、几十万转；快速移动部件从每分钟十几米发展到几十米和超过百米；换刀时间从十几秒下降到10秒、3秒、1秒以下，换刀速度加快了几倍到几十倍。应用高速加工技术达到缩短切削时间和辅助时间，从而实现加工制造的高质量和高效率。（二）是精密加工技术有所突破通过机床结构优化、制造和装配的精化，数控系统和私服控制的精密化，高精度功能部件的采用和温度、振动误差补偿技术的应用等，从而提高机床加工的几何精度、运动精度，减少形位误差、表面粗糙度。加工精度平均每8年提高一倍，从1950年至2000年50年内提升100倍。目前，精密数控机床的重复定位精度可以达到1m，进入亚微米超精加工时代。（三）是技术集成和技术复合趋势明显技术集成和技术复合是数控机床技术最活跃的发展趋势之一，如工序符合型车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工技术复合，跨加工类别技术复合金切与激光、冲压与激光、金属烧结与镜面切削复合等，目前已由机加工复合发展到非机加工复合，进而发展到零件制造和管理信息及应用软件的兼容，目的在于实现复杂形状零件的全部加工及生产过程集约化管理。技术集成和复合形成了新一类机床复合加工机床，并呈现出复合机床多样性的创新结构。（四）是数字化控制技术进入了智能化的新阶段数字化控制技术发展历经了三个阶段：数字化控制技术对机床单机控制；集合生产管理信息形成生产过程自动控制；生产过程远程控制，实现网络化和无人化工厂的智能化新阶段。智能化指工作过程智能化，利用计算机、信息、网络等智能技术有机结合，对数控机床加工过程实行智能监控和人工智能自动编程等。加工过程智能监控可以实现工件装卡定位自动找正，刀具直径和长度误差测量，加工过程刀具磨损和破损诊断、零件装卸物流监控，自动进行补偿、调整、自动更换刀具等，智能监控系统对机床的机械、电气、液压系统出现故障自诊断、报警、故障显示等，直至停机处理。随着网络技术的发展，远程故障诊断专家智能系统开始应用。数控技术具有在线技术后援和在线服务后援。人工智能自动编程系统能按机床加工要求对零件进行自动加工。在线服务可以根据用户要求随时接通INTERNET接受远程服务。信息化技术在制造系统上的应用，发展成柔性制造单元和智能网络工厂，并进一步向制造系统可重组的方向发展。（五）是极端制造扩张新的技术领域极端制造技术是指极大型、极微型、极精密型等极端条件下的制造技术。极端制造技术是数控机床技术发展的重要方向。重点研究微纳机电系统的制造技术，超精密制造、巨型系统制造等相关的数控制造技术、检测技术及相关的数控机床研制。1.2 经济型数控机床经济型数控机床是指价格低廉、操作使用方便，适合我国国情的装有数控系统的高效自动化机床。经济型数控机床以驱动和定位方式分为三类：（一）步进电机式采用步进电机驱动和定位，是开环系统，同时限于造价，不再采用其他措施补偿位置误差。由于目前功率步进电机的力矩还不太大，所以机床的空形成速度较低，一般用于半精加工。（二）交流点位式采用交流电机变频驱动，用光栅数字点定位控制。与步进电机相比，提高了定位精度，光栅的分辨率可达0.001mm，重复定位精度为0.005mm，加工精度较高。由于采用交流电机驱动，功率大，可进行大切削用量加工。交流点位式系统只能加工柱面，功能上有限，且成本较高。（三）半闭环连续控制式采用直流伺服电机驱动，以脉冲编码器检测位置，实现半闭环连续控制，由于采用了高性能直流伺服电机驱动，扭矩大，速度高，过载能力强，可以进行强力切削。该系统切削功能齐全，带有可编程控制器，使强电设计大大简化，但造价太高。1.3 数控机床改造的必要性数控机床可以较好的解决复杂、精密、小批量多变零件加工的问题，能够稳定加工质量和提高生产率。但是数控机床的应用也受到了其它条件的限制；数控机床的价格昂贵，一次性投资巨大，但对中小企业常常是心有余而力不足；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是不可能的，而且替代下的机床闲置起来又会造成浪费。较好的解决上述问题，应走普通机床数控改造之路。在国外已发展成为一个新型的工业部门。我国是拥有300多万台机床的国家，而这些机床又大多是多年积累的通用机床，自动化程度低，想要在近几年内用自动和精密设备更新现有的机床，不论资金不足，还是我国机床制造厂的能力都是办不到的。因此，普通机床的数控改造大有可为。它适合我国的经济水平、教育水平和生产水平，已成为我国设备技术改造的主要方向之一。1.4 数控机床的改造的优缺点（一）减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省60%80%的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床数控的改造，只需花新机床购置费用的1/3，交货期短。（二）机械性能稳定可靠，结构受限所利用的床身、立柱等基础件是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高，质量好，可以作为新设备使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。（三）熟悉了解设备，便于操作维修购置新设备时，不了解新设备是否能够满足其加工要求。改造则不然，可以精确的计算出机床的加工能力；另外，由于多年的使用，操作者对机床的性能早已了解，在操作使用和维修方面培训时间短、见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。（四）可充分利用现有的条件可以充分利用现有的地基，不必像新购入设备时那样需重新构筑地基。第2章 总体方案的设计次设计是针对CA6150车床进行数控改造，参数如下：被加工零件最大加工直径：500mm；最大加工长度：2m；横向脉冲当量：0.005mm/脉冲；纵向脉冲当量：0.01mm/脉冲；走刀箱重量：100120公斤。2.1 机床伺服系统开环伺服系统在负荷不大时多采用功率步进电动机作为私服电机。开环控制系统由于没有检查反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但是开环系统结构简单，调整维修容易。在速度和精度要求不高的场合得到广泛应用。本次设计采用开环伺服系统，原理图如图2-1所示：图2-1 开环伺服系统原理图2.2驱动元件伺服系统的驱动元件是把低能量的电信号经过功放而转换成机械运动，为保证数控加工机床的质量，驱动元件应具备如下要求：（一）调整范围宽而有良好的稳定性，尤其是低速时的速度稳定性；（二）负载特性硬，即使在低速时，也应有足够的负载能力；（三）反应速度快；（四）可频繁的启动及换向。本设计采用步进电动机作为驱动元件。步进电动机是一种将脉冲信号变成角位移与输入脉冲数成正比，在时间上与输入脉冲同步。因此，只需控制输入脉冲的数量、频率及电机绕组的通电相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。2.3机械传动部分（进给部分）进给运动机械传动部分由齿轮及滚珠丝杠螺母副组成。数控机床的进给部分是数字控制的直接对象，被加工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，进给系统设计时应充分注意减少摩擦阻力，提高传动精度和刚度，消除传动间隙以及减少运动件的惯性。进给系统的摩擦阻力主要来自丝杠和导轨，本设计采用滚珠丝杠螺母副和导轨贴塑来减少摩擦阻力，因为采用贴塑可减少两个相对运动面的动静摩擦系数之差，从而提高运动的平稳性，减小震动。考虑到电机步距角丝杠导成只能按标准选取，为达到要求的脉冲当量，采用齿轮降速传动，同时为了保证正反转时的精度，齿轮采用消除间隙结构。为挺高传动精度和刚度，在进给传动链中加入减速齿轮，可减小脉冲当量，从设计角度看可以提高传动精度。此外，还采用合理的预紧来消除滚珠丝杠螺母副的间隙；采用双片齿轮结构来消除齿轮传动间隙，这些措施都有利于提高传动精度。2.4自动刀架自动刀架的设计是普通机床数控改造中机械部分的关键之一。回转刀架换刀是一种最简单的自动换到装置，常用于数控车床。根据不同的加工对象，它可以设计成四方刀架和六方刀架等多种形式。回转刀架上分别安装着四把、六把或更多的刀具，并按数控装置的指令换刀。本设计采用的是四工位自动转位刀架，如图22所示：图22 自动转位刀架工作原理图1刀架；2固定安装丝杠；3安全隔离器；4电机自动刀架的基本工作原理：当微机程序发出换刀信号，经放大线路驱动继电器使电机正转，通过减速机构和升降螺母机构将刀架台升至一定高度后，刀架回转到所选刀位，信号复合后粗定位完成。同时电机反转，使刀架下降，通过端齿盘精定位，并通过蜗杆锁紧涡轮使刀架固定，待夹紧力达到预先调好的状态时，压紧发讯开关，电机停转，并向微机发出换刀答复信号，加工程序往下进行。第3章 数控机床进给系统的设计（纵向）3.1切削力的计算如图31的车削示意图中，车削力Px，Py，Pz可以用一下公式计算：（1）车床纵向切削时： Pz=0.67D1.5max（N） (3.1) 式中：Dmax为机床床身上加工的最大直径（mm） 因Dmax=500mm Pz=0.675001.5=7490.83（N） 车床在纵向切削时，Pz，Px，Py可以用下式进行简化计算 Pz：Px：Py=1：0.25：0.4 故 Px=1872.71（N） Py=2996.33（N）（2）车床横向切削时：切削力可取1/2的纵向切削力。 图31所以 Pz=3745.42（N）Px=936.36（N）Py=1498.17（N）3.2进给牵引力的计算在水平面内运动时所需要的牵引力用表31计算：表31 牵引力的计算导轨形式牵引力P牵（N）Kf三角形导轨或三角形矩形组合P牵=KPx+ （Pz+G）1.150.150.18燕尾形导轨P牵=KPx+ (Pz+2Py+G）1.40.2矩形导轨P牵=KPx+ (Pz+Py+G）1.10.15圆导轨P牵=（1+0.15f）Px+2Mn/d0.15注：贴塑导轨=0.030.05，Px：走刀方向，Py：垂直走刀方向在本次设计中，车床的纵向进给采用贴塑三角形导轨。查表31可得： K=1.15 =0.030.05 取=0.04（导轨贴塑）在车床中，当刀架沿X向进给时，移动部件的重量为G1，当刀架沿纵向进给时，移动部件的重量为G2，其值可参考表32所示：表32 车床移动部件的参考重量参考型号G1(N)G2(N)61635065061324007006140450800615060010061638001200本次设计内容是CA6150的数控化改造，因此，查表32可得： G=G1=1000N因此，牵引力P牵=KPx+ （Pz+G） （3.2）其中K=1.15,Px=1872.71（N）, =0.04，Pz=7490.83（N），G=1000（N）P牵=1.151872.71+0.04（7490.83+1000）=2493.25（N）3.3滚珠丝杠副选型计算3.3.1强度计算一般情况下，滚珠丝杠副的强度条件是当量动载荷Cm（工作中滚珠丝杠副的最大动载荷）应小于所选用的滚珠丝杠副的额定动载荷Ca，即CaCm。当量动载荷Cm（N）的计算方法与滚动轴承相同。滚珠丝杠副的当量动载荷Cm为 Cm=Fm3LfwfHfa（N）式中：寿命L：（单位：百万转）L=60nT106其中：n=1000VSt（r/min）Vs：最大切削力条件下的进给速度（r/min） Vs=0.508 r/mint：丝杠螺距（初取t=6mm）T：寿命时间，取1000015000小时，这里取12000小时Fm轴向平均载荷（N），一般取FmP牵，故Fm =2493.25Na精度系数。1、2、3级丝杠a=1，丝杠精度取3级，a=1w运转系数，w=1.01.5，一般取1.2H硬度系数，取值见表33，H=2表33 硬度系数H硬度HRC60555045硬度系数H11.223.3有上述公式和数据可得Cm=（Fm*3L* fw* fH）/ fa=23550.06(N)有滚珠丝杠副的强度条件CaCm，查数控机床课程设计指导书P39页，初选滚珠丝杠的型号为：4006-4.5型（注：汉江机床厂HJG系列FYC1D型，即垫片预紧法兰圆柱式）3.3.2 传动效率计算丝杠传动效率由下式计算： 丝= tantan（+） （3.4）式中：为螺旋升角 为摩擦角，=10查表可知：4006-4.5型丝杠，=244 丝= tan244tan（244+10） =0.943.3.3 刚度验算滚珠丝杠在轴向载荷的作用下将伸长或缩短，从材料力学中得知，滚珠丝杠在轴向载荷的作用下引起单个螺距t的变化量：t= FmtEA（mm）丝杠螺距t=6mm轴向平均载荷Fm=2493.25N弹性模量E=200GPa滚珠丝杠的截面积A,按内经计算内经d1=外径d-钢珠直径dw =40-3.969=36.031(mm)A=d122=40-3.9692/4=1019.11(mm) 则 t=FmtEA=2493.2562001019.11103=0.000073mm通常用300mm长丝杠螺距的变化量应小于允许的螺距误差 =t300t （3.6）查指导书P47页表可知=12m 而 =t3006=0.0000733006=3.5m=3.5m故丝杠也符合刚度要求。3.4步进电动机选型计算步进电机的基本原理：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，步距角一般为7.5度或15度；反应式步进电机一般为三相，可以实现大转矩输出，步距角一般为1.5度，但噪声和震动都很大。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。步进电机的一些特点：1、一般步进电机的精度为步距角的3%5%，且不积累。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10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8090度完全正常。3、步进电机的力矩会随转速的升高而下降。当步进电机转动时，电机各项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（或转速）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。3.4.1 负载转矩Tm=36010-3P牵2（Nm）式中：脉冲当量（mm/P） 步距角（度） 电机至丝杠的传动效率因=0.01mmP =1.5 =0.8 故： Tm=3600.0110-32493.2521.50.8=1.19（Nm）3.4.2 启动转矩 Tq=Tm0.30.5Nm纵向时取0.4，所以： Tq=1.190.4=2.98（Nm）3.4.3 最大净转矩 Tjmax=TqTa（Ncm）式中Ta由表34差得：表34相数334455拍数3648510Ta0.50.8660.7070.9070.8090.951初选3相6拍，则Ta=0.866 Tjmax=2.980.866=3.4411（Nm）=344.11（Ncm）3.4.4 步进电机的最高工作频率 max=1000快60Hz （3.10） 快=2m/min =0.01 所以 max=10002600.01=3333.33Hz根据上述计算数据所得参数选步进电机型号为110BF004，步距角为1.5，最大净转矩500Ncm，最高空载启动频率500step/s。3.5确定齿轮传动比、模数及有关尺寸在开环系统中，为达到一定的脉冲当量，当步进电机的步距角、丝杠的导程选定后，可得步进电机与丝杠之间的齿轮副的传动比。齿轮副传动比与步距角、导程之间的关系为： i=360Ph （3.11）一般采用一级齿轮或二级齿轮传动，故 i=Z1Z2 或 i=Z1Z2Z3Z4Z1, Z2为主动齿轮齿数，Z3，Z4为从动齿轮齿数。当总传动比一定时，通常按最小负载惯量原则来分配齿轮传动比，按该原则设计的齿轮系统，折算到电机轴上的负载惯量最小。两对齿轮间满足最小惯量要求的速比关系式： 1 （2i2）1/6 （3.12） 2 122 （3.13）式中： 1，2两对齿轮的速比，其值均大于1。纵向时：=0.01mm/P =1.5 Ph=6mm i=3600.011.56=0.4 取小齿轮Z1=24 大齿轮 Z2=60，m=3 则分度圆直径 d1=m1Z1=324=72mm d2=m1Z2=360=180mm 齿顶圆直径 da1=Z1+2ha*m1=24+213=78mm da2=Z2+2ha*m1=60+213=186mm a=（d1+d2）/2=（72+180）/2=126mm 齿宽 b2=dd1因为小齿轮采用悬臂支持 d=0.5所以 b2=0.572=36mm 取35mm则 b1=40mm齿轮2的材料为45钢，齿轮1的材料为40Cr。3.6校核计算3.6.1丝杠的稳定性校验当丝杠受压时，会产生失稳，失稳时的临界载荷为： ac=2sul2 max （3.14） 式中： max 最大轴向载荷（N）；K：安全系数，取2.55；E：弹性模量； s：螺杆截面的惯性矩（按中经计算）， s=d464； l：丝杠的工作长度（m），取其两支承间的距离； u：丝杠的轴端系数，有支承条件决定，见表35所示：一端固定一段自由一端固定一端绞支两端绞支两端固定u=2u=23u=1不失稳因 maxm=2493.25（N） =200103（N/mm2）200Gpa 丝杠支承方式选一端固定一端绞支，则u=2/3 l=2250mm d=d外-d珠=39.5-3.969=35.531（mm）s=d464=35.531464=78195.07mm2 取K=5则 ac=2sul2=220010378195.072250232=68530.85N而acK max=52493.25=12466.25（N）显然有 acK max故丝杠的稳定性符合要求。3.6.2 马达力矩校验（1）惯量匹配计算惯量匹配条件：为了保证足够的角加速度使系统反应灵敏度和满足系统的稳定性要求，伺服电动机与进给系统负载惯量匹配条件为： 1JLJM4 （3.15）式中：JL伺服电动机转子的转动惯量，单位是Kgm2； JM负载惯量，单位是Kgm2。（2）马达力矩校验纵向时电机至丝杠的转动示意图如图32所示图32纵向传动原理1）负载转动惯量：设其负载转动惯量为JL，则： JL=J1+1u12J2+Js+Wgt22 （3.16）式中：Ji各个齿轮的转动惯量 Js丝杠的转动惯量 W工作台重量，W=1000（N） g重力加速度，g=980cm/s2 t丝杠螺距（cm），t=6mm=0.6cm齿轮转动惯量：J1=7.810-4D14L1=0.787210-143510-110-6 =7.3410-3Kgfcms2 J2=7.810-4D24L2=0.7818010-143510-110-6 =0.2865Kgfcms2丝杠的转动惯量Js：Js=7.810-439.510-1-3.96910-12422510-3 =2.6210-3Kgcms2=2.6210-4Kgfcms2Wgt22=10009800.622=93.1410-4Kgfcms2故： JL=7.3410-3+12.520.2865+2.6210-4+93.1410-4 =51.410-4Kgfcms2查机床设计手册可得90BF003型伺服电动机转子的转动惯量 JM=17.6410-4Kgfcms2由式（3.15）计算可知结果满足1JLJM4。折算到马达轴上的总惯量 J： J= JL+ JM=51.410-4+17.6410-4 =69.0410-4Kgfcms22）马达力矩校验快速空载启动所需的力矩M： M=Ma max+M+M0Tj max（选用值） （3.17）式中： Ma max空载启动折算到马达轴上的加速力矩： Ma max= Jn9.6TKgfcm 3.18 nmax=快1000ti=2100060.4=416.7rpm T：加速度时间常数，T取值为0.0250.040s 当n= nmax时： Ma max=6.90410-3416.79.60.03=9.99Kgfcm M折算到马达轴上的摩擦力矩： M=F0t2iKgfcm 3.19式中：F0：导轨摩擦力Kgf ：传动系统总效率 i：传动比F0=,Pz+G=0.043745.4+600=173.8N=17.38Kgfcmi=10.4=2.5所以 M=17.380.620.9542.5=0.696Kgfcm M0由丝杠预紧拉伸引起的折算到马达轴上的附加摩擦力矩： M0=P0t2i1-02Kgfcm 3.20其中：P0：丝杠预加载荷，取13FaP0=13Fa=131604.6=534.9N=53.5Kgf ：丝杠未预紧时的传动效率，取=0.92 M0=P0t2i1-2=53.50.61-0.92220.9542.5=0.329Kgfcm而 M=Ma max+M+M0 =9.99+0.696+0.329=11.015Kgfcm=110.15Kgfcm由手册可查得110BF004型伺服电机的最大静转矩为40Kgcm即400Ncm。所以 MTj max故电机力矩校验合格。第4章数控机床进给系统的设计（横向）4.1切削力的计算车床横向切削时：切削力可取1/2的纵向切削力。所以 Pz=3745.4N Px=936.4N Py=1498.2N4.2进给牵引力的计算在水平面内运动时需要的牵引力用表间表31所示：本次设计中导轨选取为燕尾型导轨，且导轨贴塑。查表31可得： K=1.4 ,=0.030.05 取 ,=0.04（导轨贴塑）在车床中，当刀架沿X向进给时，移动部件的重量为G1，当刀架沿纵向进给时，移动部件的重量为G2，其值可参考表32所示。本次设计的车床型号为CA6150，参考32可得：G=G1=600(N)则 P牵=KPx+,Pz+2Py+G 4.1式中： K=1.4 ,=0.04 G=G1=600NP牵=1.4936.4+0.043745.4+21498.2+600=1604.6N4.3滚珠丝杠副选型计算4.3.1 强度计算一般情况下，滚珠丝杠副的强度条件是当量载荷Cm（工作中滚珠丝杠副的最大动载荷）应小于所选用的滚珠丝杠副的额定动载荷Ca，即CaCm。当量动载荷Cm（N）的计算方法与滚动轴承相同。滚珠丝杠副的当量动载荷Cm为 Cm=Fm3LwHaN 4.2式中： 寿命L：（单位：百万转）L=60nT106 其中：n=1000Vstr/min Vs：最大切削力条件下的进给速度（m/min） Vs=0.24m/min t:丝杠螺距mm t=4mm T:寿命时间，取1000015000小时，故取T=12000小时n=10000.24460r/min 故 寿命L=43.2（百万转）轴向平均载荷Fm（N），一般取FmP牵，故：Fm=1604.6（N） 精度系数a=1（选取3级丝杠） 运转系数w=1.01.5，取w=1.2 硬度系数H，取值见表23所示： 取H=2由上述公式和数据可得：Cm=1604.6343.21.22=8107.5（N）有滚珠丝杠副的强度条件CaCm，查数控机床课程设计指导书P36页，初选滚珠丝杠的型号为：32043.5型。（注：汉江机床厂HJG系列FYC1D型，即垫片预紧法兰圆柱式）4.3.2 传动效率计算丝杠传动效率由下式计算： =tantan+ （4.3）式中：为螺旋升角 ：为摩擦角，=10查表可知： 32043.5型丝杠，=216丝=tan216tan216+10=0.9314.3.3刚度验算滚珠丝杠在轴向载荷的作用下将伸长或缩短，从材料力学中得知，滚珠丝杠在轴向载荷的作用下引起单个螺距t的变化量： t=FmtEAmm （4.4）丝杠螺距t=4mm轴向平均载荷FmP牵=1604.6（N）弹性模量E=200105（N/mm2）=200Gpa滚珠丝杠的截面积A,按内经计算 内经d1=外经-钢珠直径dw =31.5-3.175=28.325（mm）A=d122=28.32522=630.13（mm2）则 t=FmtEA=1406.66200630.13103=0.04920110-3（mm）通常用300mm长丝杠螺距的变化量应小于允许的螺距误差 =t300t （4.5）查指导书P4页表可知=12m而=0.049201300410-3=3.69103=3.69m=12m故丝杠也符合刚度要求。4.4步进电机选型计算4.4.1负载转矩 Tm=36010-3P牵2N （4.6）式中：脉冲当量（mm/p） 步距角（度） 电机至丝杠的传动效率 因 =0.005mm/p， =1.5 =齿轴承丝=0.950.9820.93=0.73 故：Tm=3600.00510-31604.621.50.73=0.42Nm=42（Ncm）4.4.2启动力矩 Tq=Tm0.30.5N （4.7）横向时取0.45，所以： Tq=0.420.4=105N 4.3.3 最大静转矩 Tj max=TqTaNcm （4.8）式中Ta由表34查得：初选3相6拍。则Ta=0.866 Tj max=1050.866=121.24（Ncm）4.4.4 步进电机的最高工作频率 max=1000快60Hz （4.9）因 快=1m/min 所以： max=10001600.005=3333.3Hz根据上述计算数据所得参数选步进电机型号为90BF003，步距角为1.5，最大静转矩200Ncm，最高空载启动频率1500step/s，运行频率为8000 step/s。4.5确定齿轮传动比、模数及有关尺寸在开环系统中，为达到一定的脉冲当量，当步进电机的步距角、丝杠的导程选定后，可得步进电机与丝杠之间的齿轮副的传动比。齿轮副传动比与步距角、导程之间的关系为： i=360Ph （4.10）一般采用一级齿轮或二级齿轮传动，故： i=Z1Z2 或 i=Z1Z2Z3Z4Z1，Z3为主动齿轮齿数，Z2，Z4为从动齿轮齿数。当总传动比一定时，通常按最小负载惯量原则来分配齿轮传动比，按该原则设计的齿轮系统，折算到电机轴上的负载惯量最小。两对齿轮间满足最小惯量要求的速比关系式：