可拆式数控铣床教学仪器的设计与制造毕业论文.doc

可拆式数控铣床教学仪器的设计与制造The design and manufacture of Detachable CNC milling teaching equipment machine摘 要毕业设计内容详细介绍了可拆式数控铣床教学仪器的设计与制造过程，此过程大致可分为以下两部分：第一部分主要进行了数控铣床的设计。首先，论证了各种方案的优缺点，从而在总体布局上有所把握。其次，我们通过分析比较各种设计方案，根据合理性和经济性的指导思想，决定采用立式结构，十字工作台式，床身导轨水平放置。为便于实验，机床外形尺寸基本定400*400*400mm，为便于观察，床身使用有机玻璃，主轴用刀柄改装， X、Y向导轨采用直线导轨，至于Z向导轨，准备自己制作成燕尾型导轨。一方面，可以节约成本，另一方面，受力性能比圆柱型导轨好。滚珠丝杠是要定做的。其它零部件进行选择和校核，采用在生产中已经非常专业化的深沟球轴承、步进电动机等。在机械部分设计过程中，尽量考虑节约成本和互换性，保证X、Y、Z三坐标的进给选用相同的步进电机、滚珠丝杠等零部件。第二部分主要进行了数控铣床的制造。我们用认为最合理以及最经济的方案到市场进行考查，通过比较列出一份详单，再对其进行选择、采购。最终制作采用的方案是：床身与设计时一样，还是使用有机玻璃，主轴购买刀具加强杆来代替刀柄， X、Y、Z向导轨均采用直线导轨，订做的是直径为10mm长为280mm的滚珠丝杠，X、Y、Z向采用型号为42BYGH4604的步进电机，电机步距角为1.8度，其主要优点是：低转速，高扭矩，低噪音。主轴的电机则采用交流电机，其余像电机座、轴承座、联轴器等用硬铝利用加工中心加工。关键词：数控铣床，可拆式，三坐标，制造ABSTRACT Graduation described in detail the contents of the removable CNC milling machine teaching instrument design and manufacturing process, this process can be divided into two parts: The first part is mainly made CNC milling machine design. First of all, demonstrates the advantages and disadvantages of various options, which have to grasp the overall layout. Second, we analyzed and compared by design, based on reasonable and economy of the guiding ideology, decided to adopt the vertical structure of cross-working desktop, horizontal bed rail. For experiments, the basic tool set dimensions 400 * 400 * 400mm, is easy to observe, using plexiglass bed, spindle handle conversion, X, Y using the linear guide rail, as Z to the track, ready to produce their own into Dovetail-type rail. On the one hand, you can save costs, on the other hand, mechanical properties better than the cylindrical guide. Ball is to custom-made. Select and check other components used in production has been very professional and deep groove ball bearings, stepper motors. In the mechanical design process, try to consider cost savings and interoperability, to ensure that X, Y, Z coordinate the feed use the same motor, ball screws and other components. The second part was the manufacture of CNC milling machine. We think the most reasonable and most economical solution to a market test, a single detail by comparing the lists, then its choice of procurement. Making use of the final solution is: the same bed with the design, or the use of plexiglass, the spindle instead of buying the tool shank stiffeners, X, Y, Z are used to the linear guide rail, made the long diameter of 10mm For the 280mm ball screw, X, Y, Z model 42BYGH4604 to use the stepper motor, the motor step angle of 1.8 degrees, and its main advantages are: low speed, high torque, low noise. AC spindle motor is the motor, the other as motor blocks, housings, couplings, etc. with a hard aluminum using machining center.Keywords: CNC milling machine, removable, coordinate, manufacturing目 录1 绪论11.1 数控机床概述11.1.1 基本概念11.1.2 数控机床的特点11.1.3 数控机床的组成11.2 各国数控机床发展历史21.2.1 美国的数控发展史21.2.2 德国的数控发展史31.2.3 日本的数控发展史31.2.4 我国的数控发展史31.3 研究背景及课题的提出41.3.1 研究的背景41.3.2 课题提出41.4 研究的内容52 可拆式数控铣床教学仪器的总体设计62.1 总体设计的基本要求62.2 总体设计的主要内容62.3 方案的比较与选择62.4 可拆式数控铣床教学仪器设计方案的拟定73 数控铣床机械部分设计的一般过程83.1 铣削力的计算83.2 主轴电机的选择93.3 X、Y、Z轴铣削力的计算93.4 步进电机的选择103.5 滚珠丝杠的选择133.6 轴承的选择173.7 导轨的选择183.8 联轴器的选择203.9 传动装置的选择214 可拆式数控铣床教学仪器机械部分的设计及制造224.1 电机的选择224.1.1 步进电机的选择224.1.2 主轴电机的选择254.2 滚珠丝杠的选择264.3 导轨的选择294.4 主轴配重的选择294.5 各零部件的设计及加工304.5.1 电机座的设计及加工304.5.2 轴承座的设计及加工314.5.3 联轴器的设计及加工314.6 铣床主体的设计及加工325 可拆式数控铣床教学仪器的控制系统335.1 数控系统的组成335.2 步进电机驱动器的选择345.2.1 概 述345.2.2 特 点345.2.3 电气参数345.2.4 控制脉冲355.3 控制系统的选择385.4 开关电源的选择386 可拆式数控铣床教学实验指导396.1 控制部分导线连接396.2 机械部件连接步骤416.3 编程软件界面介绍（中文）436.3.1 机床零点设置436.3.2 程序输入与运行436.3.3 简单动作程序控制案例46结论51参考文献52附录 1:中英文翻译53致谢651 绪论1.1 数控机床概述1.1.1 基本概念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，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。1.1.2 数控机床的特点数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点： 1.工精度高，具有稳定的加工质量；2.可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；3.加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；4.机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的35倍）；5.机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；6.对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。在数控加工中，数控铣削加工最为复杂，需解决的问题也最多。除数控铣削加工之外的数控线切割、数控电火花成型、数控车削、数控磨削等的数控编程各有其特点。 1.1.3 数控机床的组成数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用；伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，把来自数控装置的脉冲信号转换成机床移动部件的运动指令，使刀具和零件执行数控代码规定的运动；检测系统则是用来检测机床执行件(工作台、转台、滑板等)的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动；机床传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置；辅助系统种类繁多，如：固定循环(能进行各种多次重复加工)、自动换刀(可交换指定刀具)、传动间隙补偿（机械传动系统产生的间隙误差)等等。1.2 各国数控机床发展历史1948年，美国帕森斯公司接受美国空军委托，研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备。由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出计算机控制机床的设想。1949年，该公司在美国麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下，开始数控机床研究，并于1952年试制成功第一台由大型立式仿形铣床改装而成的三坐标数控铣床，不久即开始正式生产，于1957年正式投入使用。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。美、德、日三国是当今世上在数控 机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 1.2.1 美国的数控发展史美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床，1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重于基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。1.2.2 德国的数控发展史德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，於1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。1.2.3 日本的数控发展史日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年*始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。1.2.4 我国的数控发展史我国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有电子管数控系统的数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。1965年，出现了第三代的集成电路数控装置，不仅体积小，功率消耗少，且可靠性提高，价格进一步下降，促进了数控机床品种和产量的发展。60年代末，先后出现了由一台计算机直接控制多台机床的直接数控系统（简称DNC），又称群控系统；采用小型计算机控制的计算机数控系统（简称CNC）,使数控装置进入了以小型计算机化为特征的第四代。1974年，研制成功使用微处理器和半导体存贮器的微型计算机数控装置（简称MNC），这是第五代数控系统。第五代与第三代相比，数控装置的功能扩大了一倍，而体积则缩小为原来的1/20，价格降低了3/4，可靠性也得到极大的提高。80年代初，随着计算机软、硬件技术的发展，出现了能进行人机对话式自动编制程序的数控装置；数控装置愈趋小型化，可以直接安装在机床上；数控机床的自动化程度进一步提高，具有自动监控刀具破损和自动检测工件等功能。1.3 研究背景及课题的提出1.3.1 研究的背景数控机床编程及其操作课程是机械类专业的一门重要专业课。该课程的教学目的是：通过本课程的学习，使学生适应机电一体化的发展趋势，获得数控机床的基本知识，为今后应用数控技术进行产品加工打下基础。该课程的特点是：1基础知识综合应用广；为培养学生综合应用知识的能力，建议教学中增加剖析典型案例的方法进行有关内容的阐述，启发学生分析案例中所涉及的各知识点及综合应用基础知识和专业知识的能力，以期让学生达到“知其然，且知其所以然”。 2实践性强； 由于大多数学生是从校门到校门，缺乏生产实践经验，若程序的编制内容仅进行课堂理论讲授，学生会对所学内容感觉到十分抽象、似懂非懂。所以我们应该改变传统的“教师讲，学生听，满堂灌”的教学模式。利用“理论、实践一体化”教学模式，采用现场教学法，边教边学边做，边听边看边练，有针对性地解决课堂教学中存在的疑点和难点问题。3新材料、新工艺、新设备的广泛应用；数控机床在现代制造业技术中发挥着越来越重要的作用。许多新技术、新工艺、新设备应用到数控加工技术中来，数控机床加工技术的发展，又出现了多种先进制造的生产模式，这就要求在教学中，除注重数控机床课的基础理论，基本知识讲授外，还需引导学生有意识地加强新知识的学习，培养应用新知识的能力。1.3.2 课题提出随着科学技术和社会生产力的迅速发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化成为实现上述要求的最重要措施之一。数控技术正是在这种条件下应运而生的。发展先进制造技术，必须发展数控技术。因而数控机床编程及其操作这门课程也成为各高校机电专业学生的必修课。实践教学是高校全面实现人才培养目标的重要实践环节，它的独特功能和作用，是其它教育环节无法替代的。对于机电专业学生来说，他们不仅应具有一定的数控知识、编程基础，而且也应具有一定的机床操作能力，而这也正是我校的办学特色所在，这样他们在走向社会时才能具有更强的竞争力。然而，就我校当前数控机床操作实验的现状而言，虽然每年的数控实验都在进行着一定程度的更新，但总体来说还是以实验演示、数控编程和中级工技能培训为主，刚开始时利用仿真软件进行手工编程及各种数控软件，如CAXA、MASTERCAM等让学生对铣床、车床的自动编程，而后是数控机床的实际操作，即中级工技能培训。因此，该研究课题旨在致力于自制一种可拆式数控教学仪器，一方面，该教仪设计和制作不仅可以体现出教师的教学理念、工程经验，培养学生的动手能力和创造能力，提高学生学习理论知识的积极性，同时还可以有效地节约实验室建设经费。另一方面，该教仪能够较为合理的展示数控加工机床结构及工作原理，同时可实现对该教仪的简易拆装及机床基本原理分析。最终，该教仪的设计和制造可拓展我校数控机床课程实验教学的深度和广度，丰富实验教学的内容，提高实验教学的质量。总结下来，采用可拆式数控机床教学仪器有以下的优点：1.降低成本，节约了大量机床占用时间。2可拓展我校数控机床课程实验教学的深度和广度，丰富实验教学的内容，提高实验教学的质量。3培养学生的动手能力和创造能力，提高学生学习理论知识的积极性。4巩固和加强原有的教学方法，提高学生解决工程问题的综合能力。1.4 研究的内容数控铣床与一般的数控机床一样，是由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成对实验型数控铣床的设计，一方面，要求其功能完善、结构开放，具有一般生产实用型数控铣床的工作原理和工作性能；另一方面，要求其体积小、价格低，以利于此类实验型铣床的普及推广。数控铣床的设计主要是两个方面：其一：机械结构的设计；其二：控制系统的设计。而该课题主要进行数控铣床的机械部分设计及其制造。2 可拆式数控铣床教学仪器的总体设计2.1 总体设计的基本要求1. 满足各种加工要求，如加工范围、加工精度等。2. 确保实现既定工艺方法所要求的工件和刀具的相对位置与相对运动。在既经济又合理的条件下，尽量采用较短的传动链，以简化机构，提高传动精度和传动效率。3. 确保铣床具有与所要求的加工精度相适应的刚度、抗振性、热变形及噪声水平。4. 应便于观察加工过程，便于操作、调整和维修。5. 结构简单，合理可靠。6. 体积小，重量轻。2.2 总体设计的主要内容1. 运动功能设计。包括确定机床所需运动的个数、形式（直线运动、回转运动）、功能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序。2. 基本参数设计。包括整体尺寸参数、零件尺寸参数、运动参数和动力参数设计。3. 传动系统设计。包括传动方式、传动系统设计。4. 总体结构布局设计。包括运动功能分配、总体布局结构形式及总体结构布局的设计。2.3 方案的比较与选择数控铣床与一般的数控机床一样，是由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。对可拆式数控铣床教学仪器的设计，一方面，要求其功能完善、结构开放，具有与一般生产实用型数控铣床一样的工作原理和工作性能；另一方面，要求其体积小、价格低，以利于此类铣床的普及推广。本课题的设计主要是机械结构的设计。这里有两个方案：方案一、采用减速箱，并对滚珠丝杠进行两端支撑；减速箱采用圆柱齿轮变速，这种方案可以通过增加减速箱，达到：1.增大转动扭矩；2.提高脉冲当量；3.匹配惯量。对滚珠丝杠进行两端支撑，可以尽量减少由于一端支撑，可能产生的弯曲，减少误差，提高精度。方案二、直接采用套筒式联轴器连接步进电动机和滚珠丝杠，一端固定一端自由。这种设计结构简单，加工安装方便。综合考虑，由于切削石蜡、塑料等材料，根据计算切削力较小，最终选用步进电机，电机步距角为1.8度。无减速装置，直接采用套筒式联轴器联接电动机轴和滚珠丝杠。因为可拆式数控铣床教学仪器的主要目的是用于演示实验，行程较短，对加工精度要求不高，传递的转动扭矩也不是很高，而一端固定一端自由的支承形式结构简单，刚度、临界转速、压杆稳定性比较低，适用于较短和竖直的丝杠。2.4 可拆式数控铣床教学仪器设计方案的拟定可拆式数控铣床教学仪器采用立式结构，十字工作台式，床身导轨水平放置，这样布局不仅有利于减少占地面积。总体机床长为600mm，宽为350mm，高为424mm，工作台宽200mm，长350mm，可以实现X轴、Y轴、Z轴三坐标联动。电动机与丝杠的连接可以通过联轴器来实现，用顶丝来紧固步进电机及滚珠丝杠的伸出端。在工作过程中，X轴、Y轴和Z轴都是步进电机带动丝杠旋转，滚珠螺母沿丝杠做水平移动，从而带动工作台沿导轨在水平面前后左右移动，Z轴上下运动，电机带动主轴旋转，从而完成铣削过程。3 数控铣床机械部分设计的一般过程3.1 铣削力的计算现假设刀具材料为高速钢，工作材料为碳钢()。Z轴铣削工作时铣削力的计算：最大铣削直径，最小直径。由实用机床手册得：铣削功率 3-1铣削力 3-2铣削力修正系数 3-3其中工件材料系数 高速钢铣刀,前角系数主偏角= =1.0 因此工件材料的抗拉强度；铣削深度；毎齿进给量；铣削宽度；铣削直径；Z铣刀齿数，现取=0.05mm/Z =4mm Z=4 =10mm =8mm n=400r/min ，=64240.0581040.9255=907.8N 3-4=3.1410400/1000=12.56mm/s 根据公式3-1，=907.812.56/60000=0.193.2 主轴电机的选择选主轴电机时按铣削计算，因为铣削时最大的铣削力为：根据公式3-2，=64240.058440.9255=1996.3N根据公式3-4，=3.1441600/1000=20.1 mm/s根据公式3-1，=1996.320.1/60000=0.68主轴功率P= =0.68/0.88=0.77 3-5所以，选电动机为=1.1，型号：Y90S4型3.3 X、Y、Z轴铣削力的计算主转动中主轴功率P=0.77KW，则=0.77/1.1=0.7电动机的额定功率=1.1KW。铣削力同样遇刀具材料、被铣削工件的材料、切削量等因素有关，现以刀具材料为高速钢，共建材料为碳钢进行计算。主传动功率P包括铣削功率，空载功率，附加功率三部分，即：P =+，对于一般轻载高速的中、小型机床，取=0.5P，故总功率为：P=+0.5 P+（1），=0.5P/(2)， 在进给传动中铣削功率： 3-6查机床设计手册得k=0.85那么，=0.850.51.1/(20.7)=0.36切削时主轴上的扭矩为： 3-7则主轴上最大扭矩为：=974000.36/400=876.6（）铣刀的最大直径为：10mm。主切削力=876.6/1=876.6N。铣削加工时主切削力与铣削进给抗力之间的值由机床设计手册查得/=1.01.2，取/=1.2。则=1.2=1051.9N，垂直分力与的比值为0.750.8，取/=0.8，=0.8=841.5N。3.4 步进电机的选择步进电动机又称脉冲电动机。它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。其输入一个电脉冲就转动一步，即每当电动机绕组接受一个电脉冲，转子就转过一个相应的步距角。转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲数及频率成正比，并在时间上与输入脉冲同步，只要控制输入电脉冲的数量频率以及电动机绕组的通电顺序，电动机即可获得所需的转角转速及转向，很容易用微机实现数字控制。1.应用中需要注意的几点：.步进电机应用于低速场合每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。.步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。.由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。.转动惯量大的负载应选择大机座号电机。.电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一是电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。.高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少。.电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。.电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。.应遵循先选电机后选驱动的原则。 2.步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。.步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。而本设计中选用1.8度步距角。.静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。3.电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循步骤如图3-1所示： 图3-1 选择电机的步骤4.力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P=M =2n/60P=2nM/60 3-8其中P为功率，单位为瓦；为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿米。P=2fM/400(半步工作) 3-9其中f为每秒脉冲数（简称PPS）。（3）混合式步进电机控制系统优缺点混合式步进电机控制系统的优点正是由混合式步进电机特殊的结构所带来的，简而言之它具有稳定可靠、性能好、运行平稳等优点，以和最具有可比性的反应式步进电机系统相比为例。首先，混合式步进电机系统可靠性和稳定性较高，由于驱动器是系统中可靠性最薄弱的一个部分，所以系统可靠性和稳定性主要是由驱动器的可靠性来决定的。混合式电机转子上有永磁体，部分磁场已由转子上的磁钢产生，所以混合式电机绕组电流可以设计得比较小，而反应式电机磁场完全由绕组电流产生，故欲和混合式电机产生相同的转矩，在电机体积相差不太大的情况下，反应式电机所需电流就要大得多。在当前电力电子器件水平限制下，混合式电机的驱动器就比反应式电机的驱动器要可靠得多，同时由于大的绕组电流，反应式电机本体的发热情况也要严重的多。实际上，为产生相同的转矩，反应式电机不仅线圈电流大，而且定子线圈匝数多，电机体积大，绕组电感也大。由于绕组电感大，反应式驱动器必须要以高压驱动才会有比较好的高频性能，但这样驱动器的可靠性会明显变差；如果反应式驱动器取和混合式驱动器一样的驱动电压时，电机的高频转矩明显要小，这也是反应式电机系统性能比混合式电机系统差的一个重要原因。混合式步进电机一般步距角较小，再加上混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，在控制步进电机升降频规律一致的情况下，运行要比反应式步进电机稳定。混合式步进电机系统的缺点在于混合式步进电机的制造比较复杂，电机的成本相对较高；其次是虽然混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，但依然影响性能。考虑到该机床垂直进给方向需用自锁机构，所以选用具有自锁功能的混合式步进电机。4.计算选择.步进电机转轴上启动力矩的计算 3-10铣削时：=1051.9N, =841.5N，根据公式3-11,分别取=0.03，G=300N,=1.8mm/step=360.011051.9+0.03（300+841.5）/(21.80.7) =49.4由手册可知：/=0.866，步进电机最大静转矩=/0.866=49.4/0.866=57 .确定步进电机最高工作频率 3-11根据公式3-12,假定=0.025m/s=10000.025/0.02=1250根据以上参数，初选混合式步进电机。57BYGH6403采用两相四拍的通电方式。相数，3；步距角，；电流，2.5A；静力矩,110；转动惯量，280；引线数，4。3.5 滚珠丝杠的选择1. 滚珠丝杠的特点滚珠丝杠螺母副（以下简称滚珠丝杠副）是回转运动与直线运动相互转话的一种新型传动机构，在数控铣床中得到了广泛的应用。它的结构特点是具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠，使丝杠和螺母之间的运动成为滚动，以减少摩擦。在数控机床的传动中，经常用于代替滑动丝杠，以提高传动精度。丝杠螺母副的特点：.用较小的扭矩转动丝杠（或螺母），可使螺母（或丝杠）获得较大的轴向牵引力。.可达到很大的降速比，使降速机构大为简化，传动链的以缩短。.能达到较高的传动精。用于进给机构时,还可兼作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小数值可达0.0001mm。.传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠的传动效率=0.920.96,而一般的常规（滑动）丝杠螺母副的=0.200.40。所以滚珠丝杠的传动效率比常规丝杠的传动效率提高了34倍。因此功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的1/31/4。.给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。与常规丝杠螺母副比较有较高的轴向精度。.运动平稳，无爬行现象，传动精度高。滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎和运动速度完全无关，这样就可以保证运动的平稳性。由于滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，与常规丝杠螺母副比较不宜出现爬行现象，故传动精度高。.有可逆性，由于滚珠丝杠副摩擦系数小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以由直线运动转换为旋转运动。丝杠和螺母都可以作为主动件，也可以作为从动件。.制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求较高，光洁度要求也高，故制造成本高。例如丝杠和螺母上的螺旋槽滚道，一般都要求磨削成型表面的。.不能自锁，特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的关系，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需要添加制动装置。2. 滚珠丝杠的选择计算1).载荷C的计算 3-12其中载荷系数取为1.0，硬度系数取为1.2，最大的工作负载L使用寿命工作负载F是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，他的数据可用进给牵引力的实验公式计算：对于类似燕尾型导轨的机床= 3-13X方向的切削力Y方向的切削力Z方向的切削力G移动部件的重量导轨上的摩擦系数k考虑牵引力矩影响的实验系数选用滚动导轨，在正常润滑情况下，对于类似燕尾型导轨k=1.4 ，=0.03在铣削过程中，=841.5N ，=0， =1051.9N ，G=300N 根据公式3-13,=1.40+0.03(841.5+21051.9+300)=97.4N而L=60nT/10式中n滚珠丝杠的转速（r/min）T使用寿命（小时）对于数控机床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，因为L=60125015000/10=1125根据公式3-12,C=1.01.294.7=1181.9N查表初步选用的型号为N系列1604-3，3列Q=4612N较为合适，这是一种内循环垫片调隙单螺母的滚珠丝杠副，其主要参数如下：名义直径：=20mm，基本导程t=5mm，钢球直径：=3.725 mm ，丝杠内径=17.96mm，丝杠外径=19.4mm ，循环列数3，额定动负载=6367 N ，螺母外径D=72 mm，螺母内径=32 mm，螺母长度L=40 mm。2）.校核效率计算： 从机械原理中得知，滚珠丝杠螺母副的传动效率式中：螺纹的螺旋升角；=摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数=0.0030.004，其摩擦角约等于(=0.0030.004)。0.965刚度的验算：数控机床的滚珠丝杠是一种精密的传动元件，它在工作负载P的作用下，将伸长或缩短，在扭矩M的作用下，将向一方或另一方扭转，这样，滚珠丝杠的螺距就要产生变化，从而影响其传动精度和定位精度，因此，滚珠丝杠应验算其满载时的变形量。从材料力学中得知，滚珠丝杠受工作负载（轴向力）P的作用而引起一个螺距t的变化量,可按下式计算： (cm) 3-14其中：P工作负载；t滚珠丝杠螺距；E弹性模数，对钢而言（E=20.1）；F滚珠丝杠的横截面积（按内径而定）；根据公式3-14 =1.4cm滚珠丝杠受扭矩M作用而引起一个螺距t的变化量，可以按下式计算： (cm) 3-15其中在扭矩M的作用下，滚珠丝杠每一螺距长度两截面上的相对扭转角； 其中，M扭矩（）, 3-16=6.43G扭转弹性；对钢而言，G=滚珠丝杠载面积的极惯性矩（其中d滚珠丝杠的内径，cm） =2889.8根据公式3-16,=1.06根据公式3-15, =6.75cm(可忽略不计)如果Y方向的滚珠丝杠的长度为100cm,则整个工作长度上的螺距变形总误差： =100/0.4=3.5cm/m查表得对E级丝杠，允许误差=15，故该滚珠丝杠满足要求。稳定性验算：机床的进给丝杠通常是一种受轴向力的压杆，如果轴向力过大，可使丝杠失去稳定性而产生翘曲。机床上的进给丝杠一般均为长柱。长柱压杆失稳时的临界负载，可用材料力学中的欧拉公式计算（N） 3-17E丝杠材料的弹性模数，对钢而言E=2.1；J截面惯性矩，对实心圆杆而言，=1445；l丝杠的工作长度，l=20cm；u丝杠的轴端系数，由支撑条件决定，本设计是两端向心轴承，u=1根据公式3-17,=7.5N 临界负载与工作负载P之比成为稳定性安全系数。如果稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数，则该压杆安全不致失稳。7.7=4故此滚珠丝杠不致失稳。由于钻、铣工作时，滚珠丝杠的转速比较低，滚珠丝杠传动时的振动就会非常小，所以临界转速就不用校核了。3.6 轴承的选择机床传动轴的滚动轴承的失效形式，主要是在循环接触应力下的作用，滚动体和滚道表面上出现疲劳破环。即通常所说的疲劳剥落。而丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠和工作台的重量外，一般无外载荷，对丝杠轴承的要求主要是轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要小。所以选用角接触球轴承，该轴承是与滚珠丝杠配合的专用轴承，其主要特点如下：.接触角大，钢球数多，承载能力高，刚度高。.既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷，支撑结构可以简化。.轴承启动摩擦力矩小，降低丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。现选用7000C型号，基本尺寸为:d=10mm，外径D=26mm，宽度B=8mm，基本额定动负荷=4.29KN，基本额定静载荷=2.25KN，极限转速（油润滑）为28000。对轴承的疲劳寿命进行校核：由机械设计可知，轴承的基本额定寿命为： 3-18式中：P当量动载荷； 基本额定寿命； 寿命指数，一般球轴承=3；n轴承工作转速，n=1250；C基本额定动载荷，C=2250N；其中：冲击载荷系数，取1.1；径向载荷；X、Y径向动载荷系数和轴向动载荷系数。X=0.44,Y=1；P=1.1(0.440+97.4)=107.1N根据公式3-18,123628.3h15000h所以该轴承的选用也是合格的。3.7 导轨的选择铣床上的直线运动部件都是沿着它的床身、立柱、横梁等支承件上的导轨进行运动的，导轨的作用概括地说是对运动部件起导向和支承作用。在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的另一方（如工作台导轨）叫作动导轨，不动的另一方（如床身导轨）叫做支承导轨。按摩擦性质分为滑动导轨和滚动导轨。在滑动导轨中有静压导轨、静压导轨和普通滑动导轨。静压导轨的原理和静压滑动轴承相同，该导轨多用于进给运动导轨。动压倒轨，当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体的动压效应是导轨的油腔处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成以液体摩擦，这种导轨只能用于高速的场合，故仅用作主运动导轨，例如立式铣床导轨。普通滑动导轨的摩擦状态有的为混合摩擦。按受力状态可分为开式导轨和闭式导轨。在部件自重和外载作用下，导轨面在导轨全长上可以始终贴合的称为开式导轨，如龙门铣床的工作台和床身导轨。部件的自重不能使主导轨面始终贴合，就必须增加压板，形成辅助导轨面，称为闭式导轨。1.导轨选择考虑的因素：导向精度导轨在空载下运动和在切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。保证轴承运动的准确性，是保证导轨工作质量的前提。几何精度直线运动导轨的几何精度一般包括：导轨在竖直平面内的直线度（简称A项精度）；导轨在水平平面内的直线度（简称B项精度）；两导轨面间的平行度，也叫作扭曲（简称C项精度）。在A、B两项精度中，都规定了导轨在每米长度上和导轨全长上，两导轨面间在横向每米长度上的扭曲值。接触精度磨削和刮研的导轨表面，接触精度按的规定，采用着色法进行检查。用接触面所占的百分比或面积内接触点数衡量。精度保持性影响精度保持性的主要因素是磨损。提高耐磨性以保持精度，是提高机床质量的主要内容之一，也是科学研究的一大课题。常见的磨损形式有磨料（硬粒）磨损、粘着磨损（或咬焊）和接触疲劳。磨料磨损经常发生在边界摩擦和混合摩擦状态。磨粒夹在导轨面间随之相对运动，形成对导轨面的切削，使导轨面产生划伤。磨料磨损很难避免，是导轨防护的重点。粘着磨损也称为分子机械磨损。当两个摩擦表面相互接触时，在高压强下材料产生塑性变形，相对运动时的摩擦，又使表面层的氧化膜破坏，在新暴露出来的金属表面之间，就会产生分子间的相互吸引和渗透，使接触点粘结而发生咬焊。咬焊是不允许发生的。接触疲劳发生在滚动摩擦副中，也是无法避免的。低速运动平稳性当导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，即不出现滑移现