毕业设计（论文）-C620普通车床进行数控改造.doc

xx 大学本科生毕业设计（论文） I 摘摘 要要 针对现有常规 C620 普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计，提高加 工精度和扩大机床使用范围，并提高生产率。本论文说明了普通车床的数控化改造的设 计过程，较详尽地介绍了 C620 机械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以 8031 为 CPU 的控制系统对信号进行处理，由I/O 接口输出步进脉冲，经一级齿轮传动 减速后，带动滚动丝杠转动，从而实现纵向、横向的进给运动。 改造过程如下：（ 1）机械部分的改造，包括纵向进给方向的改造和横向进给方向 的改造。主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选择及纵向、横向机构装 配图方案的制定。（ 2）电气控制部分的设计，主要包括MCS-51 系列单片机及扩展 芯 片的选用和电气控制图的设计。 关关键键词词：数控，单片机，步进电机，滚珠丝杠，改造 山东大学本科生毕业设计（论文） II ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather C620, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement。 Reform process as follows:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart. Key words : numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform 山东大学本科生毕业设计（论文） IV 目目 录录 引引 言言 1 第一章第一章 总体方案的设计总体方案的设计.5 1.1 设计任务5 1.2 总体方案的论证5 1.2.1 机械部分的改造设计5 1.2.2 伺服进给系统的改造设计6 1.2.3 数控系统的硬件电路设计6 1.3 总体方案的确定7 第二章第二章 机械部分的改造设计机械部分的改造设计.8 2.1 纵向进给系统的改造设计8 2.1.1 纵向滚珠丝杠副的选用8 2.1.2 步进电机的选用14 2.2 横向进给系统得改造设计18 2.2.1 横向滚珠丝杠副的选用18 2.2.2 横向步进电机的选用24 2.3 齿轮传动间隙的调整25 第三章第三章 电气控制部分的设计电气控制部分的设计.30 3.1 单片机的选择30 3.2 步进电机的驱动31 3.2.1 环形脉冲分配器的选择31 3.2.2 功率放大器的选用32 3.3 步进电机的微机控制35 结结论论.38 致谢致谢.39 参考文献参考文献.40 山东大学本科生毕业设计（论文） - 1 - 引引 言言 现代工业技术的发展，特别是能源部门的需求，使高温高压水广泛应用于相关的领 域中，对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用，例如： 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， 山东大学本科生毕业设计（论文） - 2 - 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。 现代工业技术的发展，特别是能源部门的需求，使高温高压水广泛应用于相关的领 域中，对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用，例如：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 的执行元件，加工出所需的工件。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 3 - 国外利用数字计算机进行控制加工是从40 年代开始的。 1952 年美国麻省理工学 院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它 成了世界上第一台数控机床。此后，从60 年代开始，其他一些工业国家如德国、日本 等陆续地开发生产及使用数控机床。 1974 年微处理机直接用于数控机床，进一步促进 了数控机床的普及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越 来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。 我国数控机床的研制是从 1958 年开始的，经历了几十年的发展，直至80 年代后 引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的 飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。由于现代工业的飞速发展，市 场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机 床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换， 不仅资金投入太大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技 术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能 提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数 控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人 的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型 数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。 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 山东大学本科生毕业设计（论文） - 4 - 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。 旧机床的数控化改造，顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置，使其具有一 定的自动化能力，以实现预定的加工工艺目标。 随着数控机床越来越多的普及应用， 数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化 改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、PC 技术改造 普通机床，并取得了良好的经济效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因 此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数 控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的 自动化程度，比较符合我国的国情。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改 造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。可以预料，今后，机床的 经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 5 - 第一章第一章 总体方案的设计总体方案的设计 1 1. .1 1 设设计计任任务务 本设计任务是对 C620 普通车床进行数控改造。利用 单片机对纵、横向进给系统进 行控制，纵向（ Z 向）脉冲当量为 0.01mm/脉冲，横向（ X 向）脉冲当量为 0.005mm/ 脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。 1 1. .2 2 总总体体方方案案的的论论证证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求 的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 1 1. .2 2. .1 1 机机械械部部分分的的改改造造设设计计 为了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杠。为了保证一 定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动 刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。 此设计过程主要是纵向进给和横向进给的改造，关键是步进电机和滚珠丝杠的选用。 改进后的车床简易传动系统如图1-1： 山东大学本科生毕业设计（论文） - 5 - 图 1-1 改进后的车床传动系统 1.小刀架 2.横向步进电动机 3.横向滚珠丝杆 4.大拖板 5.纵向滚珠丝杆 6.纵向步进电动机 1 1. .2 2. .2 2 伺伺服服进进给给系系统统的的改改造造设设计计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具有结构 简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所 以，本设计决定采用开环控制系统。 1 1. .2 2. .3 3 数数控控系系统统的的硬硬件件电电路路设设计计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好 坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效地运行。 在设计的数控装置中， CPU 的选择是关键，选择 CPU 应考虑以下要素： 1.时 钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 山东大学本科生毕业设计（论文） - 6 - 3. I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关 。 在我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU 和 MCS-51 系列单片机， 主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完全能满足经 济型数控机床的改造需要。本设计以8031 芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和 面板操作开关组成的控制系统。 1 1. .3 3 总总体体方方案案的的确确定定 经总体设计方案的论证后，确定C620 车床经济型数控改造 方案。C620 车床的主 轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z 轴）和横向（ X 轴）进 给运动采用步进电机驱动。 将原来机床的普通丝杠改为滚珠丝杠以减小摩擦力。并将 8031 单片机组成 的微机作为数控装置的核心，由I/O 接口、环形分配器与功率放大器 一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向、横向 进给运动。 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 7 - 第二章第二章 机械部分的改造设计机械部分的改造设计 2 2. .1 1 纵纵向向进进给给系系统统的的改改造造设设计计 2 2. .1 1. .1 1 纵纵向向滚滚珠珠丝丝杠杠副副的的选选用用 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。 丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循 环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长 工作寿命，可设置润滑件和密封件。 滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点： (1) 传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达9095，耗费能量仅为滑动 丝杆的 1/3。 (2) 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无 冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。 (3) 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度 (HRC5862)、高精度， 具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的410 倍以上。 (4) 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、无 间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。 (5) 同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 8 - 好的同步运动。 (6) 可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。 (7) 不能自锁 用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。 (8) 制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造 成本较高。 2 2. .1 1. .1 1. .1 1 确确定定系系统统的的脉脉冲冲当当量量 在数控机床中，一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫做脉冲当量，通常用表示， 也称机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数， 按机床设计的加工精度选定。本设计所要求的C620 的脉冲当量为： 纵向（Z 向）脉 冲当量为 0.01mm/脉冲，横向（ X 向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲。 2 2. .1 1. .1 1. .2 2 车车削削力力的的计计算算 在设计机床进给伺服系统时，计算传动和导向元件，选用伺服电机等都要用到切削 力。现我们利用经验公式计算主切削力。 车床的主切削力可用下式计算：)(NFZ 5 . 1 max 67 . 0 DFZ 式中车床床身加工的最大直径单位为mm。 max D 因 C620 床身加工的最大直径 410mm，则：NFZ 3 . 556241067 . 0 5 . 1 按以下比例分别求出分力和， x F y F4 . 0:25 . 0 :1: yxZ FFF 则：，NFx1391NFy2226 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 9 - 2 2. .1 1. .1 1. .3 3 滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副的的设设计计、计计算算和和选选型型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠丝杠副的预 紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：公称直径、导程、滚d 0 L 珠的工作圈数、列数、精度等级等。jk 本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。滚珠丝杠副的预紧方法选择 双螺母螺纹预紧。 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转 变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸和发展。 这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的 摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来， 滚珠丝杠螺母副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推 动了机床行业的数控化发展。 图2-1 双螺母螺纹调隙式结构 1、2-单螺母 3-平键 4-调整螺母 1 23 4 (1)计算进给率牵引力 m F xx 大学本科生毕业设计（论文） - 10 - 作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移动件的重量 和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形式有关。的计算 m F 公式如下 : 纵向进给导轨为三角形，则：)( GFfKFF zxm N)800 3 . 5562(15. 0139115. 1 ( N2554 三角形导轨选取参数：NGfK800,15 . 0 ,15 . 1 (2)计算最大动负荷C 选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100 0 d 万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承 受的最大动负荷。计算步骤如下：C 丝杠转速其中= 0 1000 L n s s min75 . 0 m6 0 L min125 6 75 . 0 1000 rn 寿命（） 6 10 60Tn L r 6 1025.11 10 150012560 6 最大动负荷 NFjLC Mw 13.858425545 . 125.11 33 (3)计算最大静负荷 当滚珠丝杠副在静态或低速（）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形min10rn 式主要是在滚珠接触面上产生变形，当塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝杠副的正 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 11 - 常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。产生大的塑性变形量的负 载称为允许的最大静负荷。选取静态安全系数=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷 0 C s f 故最大静负荷为：。2254 maxm FF510825542 max0 FfC s (4)选择滚珠丝杠副 见表 2-1 (5)传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 943 . 0 0506 . 0 0477 . 0 542tan 442tan tan tan 0 0 表 2-1滚珠丝杠副参数 型号 公 称直 径 mm 基 本导程 mm 螺 旋升角 丝 杠外径 )(mm 丝 杠内径 )(mm 额 定动载 荷)(N 丝 杠长度 mm 额定静 载荷)(N 5 . 34006 406 442o 2 .3998.3524100120082400 (6)刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩 T 共同作用下引起的每导程变形量是 m FL 否符合丝杠精度要求。 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 12 - 每导程变形量可按以下公式计算L 2 00 21 L EF LF LLL m GJ TL0 选取 )(10 6 . 20 4 mmNE 2 2 1 )(88.1017 4 mm d F mm EF LF L m5 4 0 1 103 . 7 88.1017106 .20 62554 mm L L 4 4 0 2 102 . 2 2 1028 . 2 6 2 其中： 444 1 102 . 8 64 mmdJ mmmm 4 4 1028. 2 102 . 8824 62554 则： 21 LLL 45 102 . 2103 . 7 mm 4 1093. 2 mmmL L /000293 . 0 6 100100 1 mmm/0049 . 0 查表所得，所选用的级丝杠精度允许误差为，满足要求。Dmm/10 (7) 稳定性校核 机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆。若轴向力过大，将使丝杠失 去稳定而产生翘曲，所以选用时必须进行稳定性校核。如果满足稳定性安全系数大 k n xx 大学本科生毕业设计（论文） - 13 - 于许用稳定性安全系数 ()，则丝杠安全，不会失稳： k n)( k m k k n F p n 式中 ()许用稳定性安全系数，一般取2.54。 k n 丝杠失稳时的临界负载，由： k p 2 )( l EJ pk 式中 丝杠长度 l 丝杠轴端系数，由支承条件定。 截面惯性矩，对实心圆 J 4 1 64 dJ 对于水平丝杠要考虑自重影响可取 ()4。 k n 将相关数据代入上式中可得 Npk115776 )12001 ( 102 . 810 6 . 20 2 462 )(45 2554 115776 kk nn 丝杠不会失稳。 2 2. .1 1. .2 2 步步进进电电机机的的选选用用 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况 下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影 响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上 步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进 电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 14 - 通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组 成控制系统方可使用。因此用好 步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计 算机等许多专业知识。 2 2. .1 1. .2 2. .1 1 脉脉冲冲量量的的选选择择 初选三相步进电动机的步距角为，当三相六拍（ 12 相励磁）运行 00 5 . 175 . 0 时，步距角其妹转脉冲数 0 75 . 0 rpS480 75 . 0 360360 0 00 脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为pmm01. 0i 25 . 1 48001 . 0 6 S L i 2 2. .1 1. .2 2. .2 2 等等效效负负载载转转矩矩计计算算 1.空载时的摩擦转矩 LF T m i L T s LF 046 . 0 25 . 1 8 . 02 006 . 0 80006 . 0 2 2.车削加工时的负载转矩 L T m LFWF T Si yx L 5 . 1 25 . 1 8 . 02 006 . 0 222680006 . 0 1391 2 2 2. .1 1. .2 2. .3 3 等等效效转转动动惯惯量量的的计计算算 1.滚珠丝杠的转动惯量 S J xx 大学本科生毕业设计（论文） - 15 - 2 344 0 00237 . 0 32 1085 . 7 2 . 104 . 0 32 m ld JS 2.拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量 J m i L g W Jw 5 2 2 2 2 1076 . 4 25 . 1 1 2 006 . 0 8 . 9 8001 2 3.大齿轮的转动惯量 2g J 选取大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。45 2 Z36 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 0005056 . 0 32 1085 . 7 01 . 0 09 . 0 32 m bd Jg 4.小齿轮的转动惯量 1g J 2 34 1 4 1 1 0004142 . 0 32 1085 . 7 02 . 0 072 . 0 32 m bd Jg 换算到电动机轴上的总惯性负载 L J 2 2 1 i JJ JJJ sg wgL 2 2 0023. 0 25 . 1 00237 . 0 0005056 . 0 0000476. 00004142. 0 m 2 2. .1 1. .2 2. .4 4 步步进进电电动动机机型型号号的的选选择择 步进电机分三种：永磁式（ PM） ，反应式（ VR）和混合式（ HB）永磁式步进一 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。在欧美等发达国家 80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相： xx 大学本科生毕业设计（论文） - 16 - 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。 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。 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。 四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联 接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱 动器输出电流为电机相电流的0.7 倍，因而电机发热小；并联接法一般在电机转速较 高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的1.4 倍， 因而电机发热较大。 已知 初选步进电机型号为 110BF003，步距角mTL5 . 1 23 103 . 2mJL 三相六拍。其中最大静扭矩，转子惯量，由此可 0 75 . 0 mT 8 max 23 10 8 . 36mkgJm 得： , 5 . 018 . 0 8 5 . 1 max T TL 2 3 3 25 . 0 10 8 . 36 103 . 2 m L J J xx 大学本科生毕业设计（论文） - 17 - 1 4 1 max T JL 经验算可知电动机合格。 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图如图2-2： 外型图: 图 2-2 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图 2 2. .2 2 横横向向进进给给系系统统的的改改造造设设计计 2 2. .2 2. .1 1 横横向向进进给给系系统统滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副的的选选用用 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。 丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹滚道滚动。螺母上设有返向器，与螺纹滚道构成滚珠的循 环通道。为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过盈配合，可设置预紧装置。为延长 工作寿命，可设置润滑件和密封件。 滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比，有下列特点： xx 大学本科生毕业设计（论文） - 18 - (1) 传动效率高 一般滚珠丝杠 副的传动效率达 9095，耗费能量 仅为滑动 丝杆的 1/3。 (2) 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数，启动与工作摩擦力矩差别很小。启动时无 冲击，预紧后可消除间隙产生过盈，提高接触刚度和传动精度。 (3) 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度 (HRC5862)、高精度， 具有较长的工作寿命和精度保持性。寿命约为滑动丝杆副的410 倍以上。 (4) 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆副摩擦小、温升小、无爬行、无 间隙，通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀。因此可达到较高的定位精度和重复定位精度。 (5) 同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件，可得到较 好的同步运动。 (6) 可靠性高 润滑密封装置结构简单，维修方便。 (7) 不能自锁 用于垂直传动时，必须在系统中附加自锁或制动装置。 (8) 制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造 成本较高。 2 2. .2 2. .1 1. .1 1 确确定定系系统统的的脉脉冲冲当当量量 横向（X 向）脉冲当量为 0.005mm/脉冲。 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 19 - 2 2. .2 2. .1 1. .2 2 车车削削力力的的计计算算 车床的主切削力可用下式计 算：)(NFZ 5 . 1 max 67. 0DFZ 式中车床刀架加工的最大直径单位为mm。 max D 因 C620 床身加工的最大直径 210mm，则：NFZ203921067 . 0 5 . 1 按以下比例分别求出分力和， x F y F4 . 0:25 . 0 :1: yxZ FFF 则:，NFx510NFy6 .815 2 2. .2 2. .1 1. .3 3 滚滚珠珠丝丝杠杠螺螺母母副副的的设设计计、计计算算和和选选型型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚轴循环方式，滚珠丝杠副的预 紧方式。结构类型确定后，再计算和确定其他参数，包括：公称直径、导程、滚d 0 L 珠的工作圈数、列数、精度等级等。jk 本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式。滚珠丝杠副的预紧方法 选择双螺母螺纹预紧。 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转 变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸和发展。 这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的 摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来， 滚珠丝杠螺母副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推 动了机床行业的数控化发展。 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 20 - (1)计算进给率牵引力 m F 作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移动件的重量 和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形式有关。的计算 m F 公式如下 : 横向进给导轨为燕尾形，则：)2( GFFfKFF xzym N 6 . 1873 )60051022039(2 . 0 6 . 8154 . 1 燕尾形导轨选取参数：NGfK600, 2 . 0, 4 . 1 (2)计算最大动负荷C 选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100 0 d 万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承 受的最大动负荷。计算步骤如下：C 丝杠转速其中= 0 1000 L n s s min6 . 0m5 0 L min120 5 6 . 01000 rn 寿命（） 6 10 60Tn L r 6 10 8 . 10 10 150012060 6 最大动负荷 MwF fLC 3 6212 6 . 18735 . 1 8 . 10 3 (3)计算最大静负荷 当滚珠丝杠副在静态或低速（）情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形min10rn xx 大学本科生毕业设计（论文） - 21 - 式主要是在滚珠接触面上产生变形，当 塑性变形超过一定限度就会破坏滚珠丝 杠副的 正常工作。一般允许其塑性变形量不超 过滚珠直径的万分之一。产生大的塑性变形量 的负载称为允许的最大静负荷。选取静态安全系数=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷 0 C s f 故最大静负荷为 6 . 1873 maxm FF 2 . 3747 6 . 18732 max0 FfC s (4)选择滚珠丝杠副 表 2-2 滚珠丝杠副参数 型号 公 称直 径 mm 基 本导程 mm 螺 旋升角 丝 杠外径 )(mm 丝 杠内径 )(mm 额 定动载 荷)(N 丝 杠长度 mm 额定静 载荷)(N 5 . 22005 205 3343 .192 .171265028031600 (5)传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 965 . 0 0825 . 0 0796 . 0 434tan 334tan tan tan 0 0 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 22 - (6)刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩 T 共同作用下引起的每导程变形量是 m FL 否符合丝杠精度要求。 每导程变形量可按以下公式计算L 2 00 21 L EF LF LLL m GJ TL0 选取 )(10 6 . 20 4 mmNE 2 2 1 )(23.232 4 mm d F mm EF LF L m4 4 0 1 100 . 2 23.23210 6 . 20 56 .1873 mm L L 3 3 0 2 101 . 2 2 1064 . 2 5 2 其中： 434 1 103 . 4 64 mmdJ mmmm 3 5 1064 . 2 43 . 0 10 4 . 82 5 6 . 1873 则 21 LLL 34 101 . 2100 . 2 mm 3 103 . 2 mmmL L /0023 . 0 5 100100 1 mmm/046 . 0 查手册所得，所选用的级丝杠精度允许误差为，满足要求。Gmm/60 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 23 - (7) 稳定性校核 机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆。若轴向力过大，将使丝杠失去稳 定而产生翘曲，所以选用时必须进行稳定性校核。如果满足稳定性安全系数大于许 k n 用稳定性安全系数 ()，则丝杠安全，不会失稳： k n)( k m k k n F p n 式中()许用稳定性安全系数，一般取2.54。 k n 丝杠失稳时的临界负载，由： k p 2 )( l EJ pk 式中 丝杠长度l 丝杠轴端系数，由支承条件定。 截面惯性矩，对实心圆J 4 1 64 dJ 对于水平丝杠要考虑自重影响可取 ()4。 k n 将相关数据代入上式中可得 Npk 7 2 362 1012 . 1 )2801 ( 103 . 410 6 . 20 )(6000 6 . 1873 1012 . 1 7 kk nn 丝杠不会失稳。 2 2. .2 2. .2 2 横横向向步步进进电电机机的的选选用用 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况 下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影 xx 大学本科生毕业设计（论文） - 24 - 响，即给电机加一个脉冲信号，电机则 转过一个步距角。这一线性关系的存在， 加上 步进电机只有周期性的误差而无累积误 差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步 进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像 普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等 组成控制系统方可使用。因此用好 步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及 计算机等许多专业知识。 2 2. .2 2. .2 2. .1 1 脉脉冲冲量量的的选选择择 初选三相步进电动机的步距角为，当三相六拍（ 12 相励磁）运行时， 00 5 . 175 . 0 步距角其妹转脉冲数： 0 75 . 0 rpS480 75 . 0 360360 0 00 初选脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为pmm005 . 0 i 08 . 2 480005 . 0 5 S L i 2 2. .2 2. .2 2. .2 2 等等效效负负载载转转矩矩计计算算 1.空载时的摩擦转矩 LF T m Li T s LF 017 . 0 8 . 02 48 . 0 005 . 0 60006 . 0 2 2.车削加工时的负载转矩 L T m LiFWF T S yx L 29 . 0 8 . 02 48 . 0 005 . 0 6 . 81580006 . 0 510 2 2 2. .2 2. .2 2. .3 3 等等效效转转动动惯惯量量的的计计算算 1.滚动丝杠的转动惯量 S J xx 大学本科生毕业设计（论文） - 25 - 2 344 0 000034 . 0 32 28 . 0 1085 . 7 02 . 0 32 m ld JS 2.拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量 w J mi L g W Jw 52 2 2 2 1089 . 0 48 . 0 2 005 . 0 8 . 9 600 2 3.大齿轮的转动惯量 2g J 选取大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。50 2 Z24 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 00077 . 0 32 1085 . 7 01 . 0 1 . 0 32 m bd Jg 4.小齿轮的转动惯量 1g J 2 34 1 4 1 1 000082 . 0 32 1085 . 7 02 . 0 048 . 0 32 m bd Jg 换算到电动机轴上的总惯性负载 L J 2 21 )(iJJJJJ sgwgL 2 2 000276 . 0 48 . 0 )000034 . 0 00077 . 0 (0000089 . 0 000082 . 0 m 2.2.2.4 步进电动机型号的选择 已知 初选步进电机型号为mTL29. 0 2524 1082 . 2 1076 . 2 mkgmJL 90BF002，步距角三相六拍。其中最大静扭矩，转子惯量 0 75 . 0 mT92 . 3 max ，由此可得： 25 1064.17mkgJm ,5 . 0074 . 0 92 . 3 29 . 0 max T TL 2 5 5 25 . 0 1064.17 1082 . 2 m L J J 1 4 1 max T JL xx 大学本科生毕业设计（论文） - 26 - 经验算可知电动机合格。 电动机外形图及矩频图如图2-3： 图 2-3 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图 2 2. .3 3 齿齿轮轮传传动动间间隙隙的的调调整整 在横向进给和纵向进给的步进电机和滚珠丝杠间都是通过一对减速直齿轮传动的， 这就要求我们对齿轮的传动间隙进行调整。 常用的直齿轮调整齿侧间隙的方法有以下几种。 (1)偏心套(轴)调整法 如图 2-4 所示