课程设计--EDM-7型数控线切割机床工作台设计.doc

课程设计设计题目：EDM-7型数控线切割机床工作台设计 课程名称： 数控技术课程设计 学 院：机械工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化姓 名： XOXO 学 号： 11080303X4 年 级： 2011 任课教师： 蔡XX 杨X 2014年12月12日贵州大学本科课程设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科课程设计任务书学生信息学号11080303XX学院机械工程学院班级姓名XXX专业机械设计制造及其自动化机自114教师信息姓名XXX职称副教授学历硕士教师信息姓名XXX职称副教授学历硕士任务书发出时间2014年11月28日设计题目EDM-7型数控线切割机床工作台设计论文（设计）起止时间2014年12月1日2014年12月12日共需周数2主要内容: 设计一套数控线切割机床XY工作台 结合设计任务的要求拟定总体机械设计方案。 根据拟定的机械设计方案进行XY坐标数控工作台的机械结构设计计算和零部件的选用。 完成工作台机械结构的工程图的绘制。 编写设计说明书。主要要求: 方案拟定正确，设计计算根据来源可靠，计算数据准确无误。 元气件选用正确规范符合国家颁布标准。 机械装配图纸绘制要求视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。 机械图纸折合总量不低于 1 张“0”号图量，其中必须含工作台机械装配图1张。 课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案确定、系统框图分析、零部件选用说明、机械传动设计、选用以及机械的其它部分。说明书要突出重点，图文并茂、文字通畅、计算正确、字迹清晰、内容完整。说明书页数不少于 20 页。预期目标:设计出符合任务书要求的数控线切割机床工作台，撰写不低于20页左右设计论文，并附录相关资料及设计图纸。计划进程:序号计划时间进程112.112.2课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案212.3总体方案论证及确定312.412.8机械部分方案论证确定及计算412.912.11撰写论文及绘制相关图纸512.12上交设计成果，答辩主要参考文献:1李斌. 数控技术M.华中科技大学出版社，2013.12尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书，2007.73成大先. 机械设计手册(单行本 机械传动)M. 北京：化学工业出版社，2004.14 沈爱琴. 数控技术课程设计指导书Z. 贵阳：贵州工业大学机电教研室，1998.95 张毅刚. 单片机原理及应用M. 北京：高等教育出版社，2004.16 机电一体化技术手册编委会. 机电一体化技术手册M. 北京：机械工业出版社，1999.97 陆昆，奚大顺，李之权等. 电子设计技术M. 北京：电子科技大学出版社，1998.10 贵州大学本科课程设计论文 第 IV 页EDM-7型数控线切割机床工作台设计数据说明参数指标单位量纲数控线切割机床型号EDM-1EDM-2EDM-3EDM-4EDM-5EDM-6EDM-7EDM-8加速时间TS0.10.10.20.20.30.30.40.4Y向以上质量（含台面、工件及夹具等）Kg5055606570758090X向坐标行程 mm100150200200240250250300Y向坐标行程 80100120150160200240250工作台面(XY)mm2120100180150220150220180280200280220280260320280工作台最快快速进给速度（快进）mm/min1000150020002500工作台最大切削进给速度（工进）400500500600脉冲当量mm/pulse0.01定位精度mm0.05重复定位精度mm0.03步进电机步距角自定导轨类型自定滚珠丝杠螺距自定控制系统类型自定设备使用寿命10年；年均工作280天；每天8小时目 录摘 要VI第一章 前 言11.1 X-Y工作台概述11.2 数控技术发展概况1第二章 总体设计方案32.1 工作台传动装置32.2 工作台电气控制部分3第三章 工作台传动装置的设计计算43.1 基本参数预置43.1.1 导轨上移动部件的重量估算43.1.2 切削力的计算53.2 滚动直线导轨副的选型与计算53.2.1 工作载荷的计算53.2.2 额定寿命的计算73.2.3 滚动直线导轨副的参数73.3 滚珠丝杠副设计计算及其型号与直径的选择83.3.1 初选滚珠丝杠的导程93.3.2 滚珠丝杠副的最大工作载荷的计算103.3.3 计算丝杠轴向最大动载荷103.3.4 计算滚珠丝杠副允许的最小螺纹底径113.3.5 初选滚动丝杠副规格型号123.4 滚珠丝杠副刚度的验算133.4.2丝杠在工作载荷作用下的拉压变形量133.4.3滚珠丝杠滚道间的接触变形量143.4.4验算刚度143.5 丝杠的支承方式及轴承的选择153.5.1 支承方式的选择153.5.2 轴承的选择153.6 滚珠丝杠副稳定性验算163.7 滚珠丝杠副的预紧力的确定173.8 滚珠丝杠轴预紧拉伸力的确定173.9 进给传动系统刚度计算和校核173.9.1 滚珠丝杠螺母副拉压刚度的确定173.9.2 滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度的确定183.9.3 滚珠与滚道的接触刚度的确定183.9.4 机械传动综合抗压刚度 ，的计算193.9.5 机械传动刚度变化引起的定位误差的校验193.9.6 伺服刚度引起的死区误差的校验193.10 计算电机轴上的惯量和转矩，选取步进电机203.10.1 计算传动比203.10.2 计算折算到电动机轴上的负载惯量203.10.3 计算折算到电动机轴上的负载转矩213.10.4 步进电机最大静转矩的校核233.10.5 步进电动机的性能校核233.10.6 确定步进电动机型号及其参数243.11 联轴器的选择25第四章 工作台电气控制部分的设计与计算274.1 工作台电气控制部分总体设计274.2 脉冲分配器的选择274.3 驱动电路的选择294.4 电流控制电路304.5 系统相关控制程序流程设计31第五章 装配图335.1 控制部分接线图335.2 机械部分装配图33第六章 结论34参 考 文 献35致 谢36EDM-7型数控线切割机床工作台设计摘 要 数控十字工作台是数控机床的一个重要组成部分，它的发展与机床一样有着重要的意义，它是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等，随着数控十字工作台的多样化、自动化及灵活化等，利用它能加工出许多复杂多样的零件，能够满足更高的精度要求，对数控十字工作台的研究能够进一步增强我们对机床的认识，巩固所学的专业知识，为数控机床的进一步研究打下坚实的基础。数控十字工作台是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，数控十字工作台的加工精度更高、柔性好，有利于提高材料的利用率，降低产品的成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是不可或缺的一部分，因此对数控十字工作台机电一体化系统进行研究，能够推动现代制造技术的进步，本次设计就数控十字工作台的机电一体化系统进行设计与分析，为以后在实践中可能遇到的问题打下坚实基础。关键词：数控技术，X-Y工作台，步进电动机。贵州大学本科课程设计论文 第 35 页第一章 前 言1.1 X-Y工作台概述 X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。因此研制和开发一套经济实用的X-Y数控工作台，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很大的实际意义。现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。1.2 数控技术发展概况 世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。随着算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感与检测技术、制造技术等多学科领域的发展，数控技术已经成为现代制造系统中不可或缺的基础技术，数控技术和数控机床的应用在制造业中日益普及，已成为机电一体化高新制造技术的基础和重要组成部分。数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。第二章 总体设计方案2.1 工作台传动装置1) 工作台工作面尺寸为（XY）为已知280mm260mm。2) 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的数控线切割成型机床，需要承受的载荷不大，无切削力，设计要求的脉冲当量较小、定位精度一般。3) 但脉冲当量小(0.01mm/pluse )，定位精度高，因此决定选用直线滚动导轨副。它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。4) 对滚珠丝杠螺母采用预紧措施，并对滚珠丝杠进行预拉伸。5) 采用步进电动机驱动。6) 采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。2.2 工作台电气控制部分 PC机通过串口向单片机发送控制指令来改变电机的转动方向、转速和预置脉冲数。整个系统由PC机(串口通信电路)、AT89S52单片机、脉冲分配电路、功率驱动电路、电流控制电路等5个部分组成。第三章 工作台传动装置的设计计算3.1 基本参数预置3.1.1 导轨上移动部件的重量估算工作台面选择铸钢来制造。其密度为kg/m3X向工作台面的体积估算为：长宽高=28026040=2912000mm3工作台重量为：=222.59NX向支撑台（包括导轨和电机，丝杠副）的重量估计：250N夹具和工件重量估计为：850N同理Y向工作台的重量为200N所以运动部件的总重量为：222.59+250+850+200=1522.59N取其运动部件总重量为1600N。以X向即下面的支持部分来计算所需要的部件。图3.1 工作台外观示意图3.1.2 切削力的计算 此十字工作台用于线切割机床所以切削力： 0 3.2 滚动直线导轨副的选型与计算 滚动直线导轨副由导轨、滑块、钢球、反向器、保持架、密封端盖及挡板组成，当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的滚道滚动。滚动直线导轨副具有以下几方面的优点： （1）滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动摩擦，大大降低了两者之间的运动摩擦阻力； （2）可以实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度； （3）成对使用时，具有“误差均化效应”，从而可以降低导轨安装面的加工精度，降低制造成本与难度； （4）安装与维修比较方便； （5）简化了机械结构的设计和制造。3.2.1 工作载荷的计算 根据要求，X-Y数控工作台的导轨采用水平放置，双导轨、四滑块的支承形式，精度等级参照参考文献1中表2-7、2-9、2-10选择4级精度。导轨的选型一般先根据经验选择导轨的规格，再进行寿命计算，根据1中表2-14选择导轨规格为30，查1中附表A-1初选南京工艺装备制造有限公司的GGB35AA型导轨，其额定动载荷为35.1kN，额定静载荷为47.2kN，如图3-2所示。图3.2 工作载荷是影响直线滚动导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： （3-1） 其中，移动部件重量G=1600N，外加载荷=0N，带入数据求得=400N。3.2.2 额定寿命的计算1、 距离额定寿命L的计算一般把滚动直线导轨的距离额定寿命定位50km，由1中P34式2-12有： （3-2） 式中各数据参考1中P35页，取=1.0，=1.0，=0.81，=0.9，=1.5；=400N，=35.1kN，带入计算求得：L=3878110km，大于期望值，故可用。2、 时间额定寿命的计算预期工作台的工作寿命为10年，工作时间为280天，每天工作8小时，导轨副的使用寿命为T=22400h。而时间额定寿命的计算公式由1中P35式2-13有： （3-3） 式中，l为行程长度，已知行程为250240mm，工作台尺寸为280260mm，取l=300mm；n为每分钟往返次数，一般取46，取n=5，带入数据求得=T，故可行。3.2.3 滚动直线导轨副的参数图3.3 GGB35BA型滚动直线导轨安装及外心尺寸（1中附录A，表A-1）3.3 滚珠丝杠副设计计算及其型号与直径的选择工作台在X方向和Y方向上做直线运动，因此，需将步进电动机的旋转运动通过丝杠螺母副转换成直线运动。丝杠螺母机构有滑动摩擦机构和滚动摩擦机构之分。滑动丝杠螺母机构结构简单、加工方便、制造成本低、具有自锁功能，但其摩擦阻力矩大、传动效率低（30至40）。滚珠丝杠螺母机构虽然机构复杂、制造成本高、没有自锁功能，但其最大优点是摩擦阻力矩小、传动效率高（达到92至98），同时还具有轴向刚度高、运动平稳、传动精度高、不易磨损、使用寿命长等优点。根据设计任务参数知，需要满足初选0.01mm脉冲当量，定位精度0.05mm，滑动丝杠螺母副无法做到，故选用滚珠丝杆螺母副，如图3-3所示。图3.4 内循环滚珠丝杠螺母副基本构成（1丝杆；2螺母；3滚珠；4回珠装置）滚珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环两种。内循环的滚珠在循环过程中始终与丝杠表面接触，其优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，但其反向器加工困难、装配调整不方便。外循环的滚珠在循环返回时，离开丝杠螺母滚道，在螺母体内或体外作循环运动，其优点是工艺简单、易于制造，但其挡珠器刚性差、易磨损。根据设计要求，选用内循环，如图3-1所示。丝杠与螺母相对运动有四种组合形式，即：螺母固定、丝杠转动并移动，丝杠转动、螺母移动，螺母转动、丝杠移动，丝杠固定、螺母转动并移动。本课程设计选用丝杠转动、螺母移动的传动形式，如图3-4所示，其特点是结构紧凑、丝杠刚性好，适用于工作行程较大的场合。图3.5 丝杠转动、螺母移动3.3.1 初选滚珠丝杠的导程根据已知条件，取电机最高转速1500r/min，工作台空载最快移动速度=2500 mm/min，由1中P46式2-16得 ，取=5mm。 3.3.2 滚珠丝杠副的最大工作载荷的计算已知移动部件总重量G=1600N，按矩形导轨进行计算，最大工作载荷实验计算公式及参考系数查文献5得下表：表2 最大工作载荷实验计算公式导轨类型实验公式K矩形1.10.15燕尾形1.40.2三角形或综合1.150.150.8注：表中摩擦因数均为滑动导轨。对于贴塑导轨=0.030.05，滚动导轨=0.0030.005选择矩形滚动导轨进行计算，取=0.004. =6.4N3.3.3 计算丝杠轴向最大动载荷已知工作台最快进给移动速度为，初选丝杠导程=5mm，则丝杠的平均转速=120r/min，又有预计使用寿命=22400h，由参考文献1得滚珠丝杠寿命系数： =80.64（单位为转） （3-4）由2中P38的3-23得轴向最大动载荷： = （N） （3-5）式中：为硬度系数，取=1.0；为载荷系数，取=1.2。代入式3-14得：=33.18N3.3.4 计算滚珠丝杠副允许的最小螺纹底径一、估算滚珠丝杠副允许的最大轴向变形量1、已知重复定位精度为0.03mm，由参考文献1P49中式2-23有：=（）重复定位精度 （3-6）代入数据有：=0.03=0.015mm2、已知定位精度为0.05mm，由参考文献1P49中式2-24有：=（）定位精度 （3-7）代入数据有：=0.05=0.0125mm取和中最小的作为估算滚珠丝杠副允许的最大轴向变形量，故=0.0125mm。二、估算滚珠丝杠副螺纹的底径上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定一端游动”（F-S）的轴承配置形式，这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，由参考文献1中式2-25有：210=0.078 mm （3-8） 式中：E为弹性模量，一般取E=2.1105MPa；为导轨的静摩擦力，=0.0041600=6.4N；为滚珠丝杠螺母至丝杠固定端支承的最大距离，=行程+安全行程+余程+螺母长度+支承长度（1.21.4）行程+（2530），则=1.3250+255=450mm。代入式3-8有：37.44mm。3.3.5 初选滚动丝杠副规格型号 根据计算出的最大动载荷=33.18N，最小螺母底径37.44mm和初选的丝杠导程=5mm，由1P213中附表A-3选择FFZD4005-3型内循环浮动式垫片式预紧滚珠丝杠副，如图3-5所示，其公称直径=40mm，基本导程=5mm，钢球直径=3.5mm，丝杠底径=36.9mm，循环滚珠为3圈2系列，精度等级取5级，螺母安装尺寸L=88mm，基本额定动载荷=13kN，刚度=1025N/。其中，37.44mm，故所选的滚珠丝杠副可行。图3.6 FFZD4005-3型滚珠丝杠螺母副安装及外形尺寸表4 滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm）名 称符 号计算公式和结果 丝杠滚道公称直径40螺距5接触角钢球直径3.5螺纹滚道法面半径0.52=0.523.5=1.82偏心距e=0.0449螺纹升角=arctan=arctan=2.28丝杆丝杠外径39.5丝杠底径36.9螺杆接触直径丝杠螺母螺母螺纹外径3.4 滚珠丝杠副刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定一端游动”（F-S）的轴承配置形式。这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力，左右支承的中心距约为=550mm。丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。3.4.1确定滚珠丝杠副的螺纹长度 由参考文献1中式2-34有：= （3-9） 式中：为有效行程，=行程+螺母长度，上滚珠丝杠（Y向）=240+88=328mm，下滚珠丝杠（X向）=250+88=338mm；为安全行程，=5=55=25mm；为余程，=25=10mm。则滚珠丝杠副的螺纹长度：=328+25+10=363mm；=338+25+10=373mm。3.4.2丝杠在工作载荷作用下的拉压变形量 由2P41中式3-25知可按下式进行计算： (3-10)式中，为丝杠最大工作载荷，=6.4N；为丝杠两端支撑间的距离，=550mm；E为丝杠材料的弹性模量，钢E=2.1105MPa；M为转矩，单位Nmm；I为丝杠按底径确定的截面积惯性矩，单位mm4；S为丝杠按底径确定的截面积，单位mm2。查表得滚珠直径=3.5mm，丝杠底径=36.9mm，则丝杠截面积=3.1436.92/4=1068.86mm2，忽略式3-10中第二项，带入数据可得出：= 3.4.3滚珠丝杠滚道间的接触变形量 由2P41中3-36、3-37知无预紧时， ； （3-11）有预紧时， ； （3-12）式中滚珠直径为3.5mm；为滚珠滚珠总数量，=Z圈数列数；Z为单圈滚珠数，Z=（外循环），Z=（内循环）；为预紧力。丝杠预紧时，取=/3=6.4/3N=2.13N，=3.5mm，Z=32.88，取为33（内循环）；=3332=198，带入数据可求得：=3.4.4验算刚度将前面计算的、相加，则=mm，丝杠的有效行程为338mm，查得5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到21，可见丝杠刚度足够。3.5 丝杠的支承方式及轴承的选择3.5.1 支承方式的选择支承的作用是限制两端固定轴的轴向窜动，滚珠丝杠副的支承结构形式有三种，即两端固定（F-F），一端固定、一端自由(F-O)，一端固定、一端游动(F-S)。“自由”代号为“O”，指无支承；“游动”代号为“S”，指径向有约束，轴向无约束；“固定”代号为“F”，指径向和轴向都有约束。本课程设计的X-Y数控工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定、一端游动”（F-S）的轴承配置形式，如图3-6所示，这种支承方式有以下特点： （1）需保持螺母与两支承同轴，故结构复杂，工艺较困难； （2）丝杠的轴向刚度与F-F的低； （3）丝杠的压杆稳定性和临界转速与同长度的F-O相比要高； （4）丝杠有热膨胀的余地； （5）适用于较长的卧式安装丝杠。图3.7 滚珠丝杠一端固定、一端游动轴承结构形式3.5.2 轴承的选择由于滚珠丝杠轴承所受载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠的自重外一般无外载荷。因此，对滚珠丝杠轴承的要求是轴向精度和轴向刚度要高，另外，丝杠转速一般不会很高，或高速运转的时间很短，因此发热不是主要问题。综述，选择60接触角推力角接触球轴承，查1中附录A表A-2，选择国产760208TNI型接触角推力角接触球轴承，与该轴承配合的滚珠丝杠的轴径去公差h5，轴承座孔取H6。图3.8 60接触角推力角接触球轴承选择国产760208TNI型接触角推力角接触球轴承参数如下所示：图3.9 国产760208TNI型接触角推力角接触球轴承参数3.6 滚珠丝杠副稳定性验算滚珠丝杠是受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能会出现失稳的现象，由2P42中3-28知失稳时的临界载荷应满足： （3-13）式中，为丝杠支撑系数，双推-自由时为0.25，双推-简支时为2，双推-双推时为4，单推-单推时为1，本设计取1；K为压杆稳定安全系数，一般取2.54，水平安装时取K=3；为滚珠丝杠两端支撑间的距离，取滚珠丝杠螺母至丝杠固定端支承的最大距离，L=450mm；I为转动惯量。I=3.1436.94/64mm4=90960.98mm4，带入数据计算得：=310018.38N故不会失稳。3.7 滚珠丝杠副的预紧力的确定根据最大轴向工作载荷确定：=6.4N=2.133N （3-14）3.8 滚珠丝杠轴预紧拉伸力的确定参考1中式2-32有：= (3-15)式中，为预拉伸力（N）；为丝杠螺纹底径(=36.9mm)；E为弹性模量，取E=2.1105MPa；t为滚珠丝杠的温升变化值()，一般情况下取23。代入数据求得：=1.812.536.92N=6161.28N3.9 进给传动系统刚度计算和校核3.9.1 滚珠丝杠螺母副拉压刚度的确定本工作台的支承方式为一端固定一端游动，由1中式2-42有：=1.65102 (3-16)式中，E为弹性模量取E=2.1105MPa；为滚珠丝杠底径（mm）；a为滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离（mm）。当a=450mm（即滚珠丝杠的螺母中心位于行程的两端位置）时，滚珠丝杠具有最小拉压刚度，此时=1.65102=1.65102 =499.257。当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支承的中心位置（a=L/2，L=450mm）时，滚珠丝杠具有最大拉压刚度，此时=1.65102=1.65102 =998.514。3.9.2 滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度的确定已知轴承接触角=60，滚动体直径=3.5mm，滚动体个数=198，轴承的最大轴向工作载荷=6.4N。由1中P65表2-45、2-46得：=22.34 =22.34 =427.183.9.3 滚珠与滚道的接触刚度的确定滚珠丝杠螺母副有预紧由1P65式2-46b有：= （3-17）式中，K为从滚珠丝杠样本上查取的刚度值（）；为额定动载荷（N）；为滚珠丝杠上所受的轴向工作载荷（N）。查表得K=1025，额定动载荷=13KN，滚珠丝杠上所受的最大轴向工作载荷=6.4N,带入数据得：=1025=174.373.9.4 机械传动综合抗压刚度 ，的计算 由1中P66式2-47a得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为=9.077故=110.16。由1中P66式2-47b得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为=0.01086故=99.22。3.9.5 机械传动刚度变化引起的定位误差的校验由1中式2-53有： （3-18）式中为由机床执行部件重量引起的静摩擦力（N）；，分别为进给传动系统的综合拉压刚度的最大最小值（N/m）。导轨静摩擦力=G=0.0041600N=6.4N，代入计算得：=mm=1.0mm即=1.0mm0.125mm（允许的定位误差0.05mm的1/41/5），故满足要求。3.9.6 伺服刚度引起的死区误差的校验由1中式2-52有：=2= （3-19）已知进给传动系统的最小综合拉压刚度故=99.22106N/mm，导轨的静摩擦力=6.4N，则= =mm=0.000129mm即=0.000129mm0.01mm（脉冲当量），故满足要求。3.10 计算电机轴上的惯量和转矩，选取步进电机3.10.1 计算传动比因为该铣床X、Y方向的定位精度均为0.05mm，重复定位精度0.03mm，脉冲当量为0.01mm/Pulse，考虑到最初决定不用减速箱取减速比i=1算的电机步距角：=360i/P=36010.01/10=0.36。由于传动比为1，则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器直接联接的方式。3.10.2 计算折算到电动机轴上的负载惯量 总转动惯量主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。1、 滚珠丝杠的转动惯量当圆柱体围绕其中心旋转时，其惯量可由下式计算：J=/8，对于钢材其转动惯量约为： （3-20） 式中，为丝杠公称直接40mm， L为丝杠长度=有效行程+螺母长度+设计余量+两端支撑长度（轴承宽度+锁紧螺母宽度+裕量）+动力输入连接长度（如果使用联轴器则大致是联轴器长度的一半+裕量）=338+88+60+180+56=722mm。带入数据求得：=1.410-3kgm2。2、 滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量沿直线轴移动物体的惯量为：= （3-21）式中，为丝杠导程（mm），=5mm；M为移动部件重量1600N，算为质量为160kg。带入式中求得=1.01410-3kgm2。3、 总转动惯量初选常州宝马前杨电机电器有限公司的110BYG5502型五相混合式步进电动机，可知其转子的转动惯量=1510-4kgm2，所以加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=+=1410-4+10.1410-4+1510-4 kgm2=39.1410-4 kgm24、 验算惯量匹配电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般将/比值控制在0.251之间，而/=1510-4/39.1410-4=0.3832，故符合惯量匹配要求。3.10.3 计算折算到电动机轴上的负载转矩在计算折算到电动机轴上的负载转矩时，分为空载快速和承载最大负荷两种情况。1、 承载最大负荷时情况：，分别计算各个参数： 加速力矩： （3-22）式中， 为折算到电动机轴上的总惯量=39.1410-4 kgm2；T为系统时间常数，由任务书知为T=0.4S；n切削时的转速为；带入数据求得：=0.2548Nm摩擦转矩 （3-23）式中，为导轨摩擦力=(+G)=0.004（0+1600）=6.4N；为丝杠螺距=5mm；i为齿轮降速比，i=1；为传动链总效率，为0.70.8，取=0.8；代入数据求得：= =0.00637Nm滚珠丝杠预紧后的附加摩擦力矩 = （3-24） 式中，为最大轴向预紧力，=/3=6.4/3N=2.133N；为滚珠丝杠未预紧时的效率，=0.96；其余数据同上； 代入数据求得：= 0.139Nm切削力矩 = （3-25） 式中，进给方向的最大切削力=0N；其余参数同上。代入数据得：=0Nm由此得到等效负载转矩=0.2613 Nm 2、快速空载时的情况：=+，分别计算各参数加速力矩 = (3-26) 参数同上代入数据得：= 0.2548Nm力矩摩擦 = （3-27）其中为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取=0.004；其余参数同上代入数据得：=0.00637Nm附加摩擦力矩=同式3-21，代入数据得= 0.000139Nm所以可知快速空载时电机所需力矩：=+=0.2613Nm比较和，取其较大者，就是最大等效负载，即M=0.2613 Nm 3.10.4 步进电机最大静转矩的校核考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转。因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数，取=3，则步进电机的最大静转矩应满足：3M=30.2613 Nm=0.7839Nm，由所选的电机型号110BYG5502参数可知，最大转矩=16 Nm，可知满足要求。3.10.5 步进电动机的性能校核1、 最快工进速度时电动机的输出转矩校核所给设计数据中最快进给速度=600mm/min，脉冲当量=0.01mm/pluse，求出电动机对应的运行频率=Hz=1000Hz。从110BYG5502电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩15Nm，大于最快进给时等效负载转矩=0.2613Nm，满足要求。图3.11 110BYG550电动机运行矩频特性曲线图2、最快空载移动时电动机输出转矩校核 所给设计数据中工作台最快空载移动速度=2500mm/min，求出其对应运行频=2500/(600.01)=4166.67Hz。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩8Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.2613Nm满足要求。3、最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=2500mm/min相对应的电动机运行频率为=4166.67Hz。从图4可知110BYG5502电动机的空载运行频率可达7000Hz以上，没有超出上限，满足要求。4、 启动频率的计算 在空载状态下转子从静止状态下能够不失步地启动时的最大控制频率称为空载频率，当带动负载启动时，所允许的起跳控制频率会大大下降。一般来讲，随着负载转动惯量的增加，起跳频率也会降低。 已知电动机转轴上的总转动惯量为=39.1410-4 kgm2，电动机转子的转动惯量J=1510-4kgm2，由图4可知110BYG5502的=10000Hz。由下式可知步进电动机克服惯性负载的启动频率为：=Hz=5263.64Hz 因此，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于5263.64Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。 综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG5502型步进电动机，完全满足设计要求。3.10.6 确定步进电动机型号及其参数110BYG5502型步进电动机的参数如下7：图3.12 110BYG5502型步进电动机参数图3.13 110BYG5502型步进电动机外形图图3.14 外形安装尺寸3.11 联轴器的选择根据选出的电机和丝杠的参数，选择膜片弹性联轴器（查1中附录A表A-6），不仅可以简化结构、减少噪声，而且对减少传动链的间隙、提高传动刚度也大有好处。因为滚珠丝杆的公称直径为40mm，所以选择05号内径为40的膜片弹性联轴器，其参数如下。图3.15 膜片弹性联轴器的结构和尺寸第四章 工作台电气控制部分的设计与计算4.1 工作台电气控制部分总体设计控制部分包括：脉冲信号源（选择AT89S52单片机），脉冲分配器（选择CH250芯片），功率放大器（即驱动电路）和步进电动机。步进电机必须与相应的脉冲分配器、功率驱动电路配套使用。脉冲分配器就是把单脉冲信号转换成多相绕组通电的控制信号。在本系统中就是把单片机输出的控制脉冲信号，经过PMM8714的逻辑组合转换成各相绕组通、断电的时序逻辑信号，使步进电机按确定的方式工作。由于脉冲分配器输出的电流很小，需要外接功率驱动电路，在本设计中采用5相电机专用驱动芯片PMM530310。图4.1 步进电动机控制原理（3相）4.2 脉冲分配器的选择 脉冲分配器的作用是将脉冲按照一定的顺序送到功率放大器中，驱动步进电动机工作，硬件环形分配器的原理如图7所示。 图4.2 硬件环形分配器的原理本设计选用芯片分配：PMM8714脉冲分配器是单片CMOS集成电路，采用D IP24封装。其集成电路内部由时钟选通、激励方式控制、激励方式判断、可逆环行计数器等主要部分组成。所有输入端内都设有施密特电路，提高了抗干扰能力。PMM8714 脉冲分配器适用于控制5相步进电机，根据需要可选择6种不同的激励方式：即2相、2 - 3相、3相、4相、4 - 5相、5相激励。励磁方式如表5所示。PMM8714既可作单极性也可作双极性方式控制，其中2相、3相和2 - 3相激励时为单极性，只利用A - E输出端， A- E恒为低电平，其中2相或3相激励5拍运行；2 - 3相激励10拍运行，而4相、5相、4 - 5相激励时为双极性控制，其中4相或5相激励10拍运行；4 - 5相激励20拍运行。设计的单片机与脉冲分配器接口电路如图8所示。表5 PMM8714激励方式选择图4.3 单片机和脉冲分配器接口电路4.3 驱动电路的选择步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进给0.01mm。单电源驱动电路如图9所示。图4.4 步进电机驱动电路图(单相)放大器输入的脉冲信号，输入级由开关管Q1接成射极输出器，将输入信号电流放大，以推动输出极Q2。没有脉冲时，Q1、Q2处于截至状态，电动机绕组中无电流通过，电动机不转。由于步进电机采用的是五相十拍的工作方式（五个线圈A、B、C、D、E），其正转时通电顺序为：AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEF-EF-EFA-AB.其反转的通电顺序为：AE-AED-ED-EDC-DC-DCB-CB-CBA-BA-BAE-AE。电路中的二极管D1起泄放作用，因为在功率管Q2突然关断时，在绕组中将产生一个较大的反电动势，此反电动势叠加在直流电源上加到功放管的集电极，可能会将该管击穿；有了二极管就能泄放绕组中储存的能量，从而保护了功放管。本系统中，采用集成功率放大器PMM5303将脉冲分配器输出的微弱电信号转换为强电信号。该芯片采用SIP25封装，其内部有H桥的功率晶体管，设计时选用5角形接线的4相励磁方式，电路如图8所示。4.4 电流控制电路该电路主要控制PMM5303 的输出电流大小。通过单片机的P0口控制DAC0832输出端电压值的大小。同时该输出端连接到PMM5303的第1个引脚，当该引脚的电压在0 V 114 V 之间变化时，PMM5303的输出总电流在0 A4 A之间变化，因此，可以根据选择电机的参数值来确定PMM5303第1个引脚的电压值大小，电路如图10所示。图4.5 电流控