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C616车床的横向伺服进给单元改造设计【5张CAD图纸+毕业答辩论文】

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C616车床的横向伺服进给单元改造【全套CAD图纸+毕业答辩论文】.rar

全套设计-C616车床的横向伺服进给单元改造

A0-横向进给装配图.dwg

A0-电气原理图.dwg

A2-丝杠.dwg

A3-轴.dwg

A3-齿轮.dwg

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关键词：: c616 车床横向伺服进给单元改造全套 cad 图纸毕业答辩论文

资源描述：

摘　　要

本次设计主要是针对C616车床的横向进给伺服系统改造，机械方面的改造过程是：拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。

机械部分采用步进电动机驱动滚珠丝杠，然后再通过滚珠螺母副来动工作台运作。电器部分采用MCS—8051单片机来对步进电动机进行适时有效的控制，同时为了便于人机对话，通过输入程序来更好的解决形状复杂、精密、难加工的问题。这次设计可以准确地实现规定的动作、自动化程度较高、能灵活迅速的适应加工零件的更变。

关键字：车床步进电动机单片机人机对话精密

abstract

The system is mainly aimed C616 lathe infeed servo system transformation, the transformation process is mechanical: the original manual turret removed and a small carriage, the installation of CNC turret; removed ordinary screw, rod feed box and slide crate, put the ball screw nut; retain the original manual body for adjusting operation, the support structure to retain the original, with a gear, stepper motor, gear box installed in the extension unit back.

Stepping motor drive mechanical ball screw, and then through the ball nut to move the operation table. Electrical part to the use of MCS-8051 single-chip stepper motor for timely and effective control, and in order to facilitate the man-machine dialogue, by entering the program to better solve the shape of the complex, sophisticated and difficult to process problems. The design can be accurately specified action to achieve high degree of automation, flexibility to quickly adapt to change more parts processing.

Keywords: Lathe; Stepper motor; SCM; Man-machine dialogue; Precision

目　　录

摘要II

AbstractIII

绪论2

1 机械部分改造的设计及计算3

1.1 课题的来源与意义及总体方案的确定3

1.1.1 课题的来源与意义：3

1.1.2 总体方案的确定：4

1.2 滚珠丝杠副的计算和选型5

1.2.1 确定系统的脉冲当量5

1.2.2 切削力计算6

1.2.3 传动效率8

1.3 步进电动机的选择10

1.3.1 传动比的计算10

1.3.2 转动惯量的计算11

1.4 齿轮设计及强度校核计算15

1.4.1 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数15

1.4.2 按照齿面接触疲劳强度校核16

1.4.3 校核齿根弯曲疲劳强度18

1.5 轴的设计（中间轴）及校核19

1.5.1 选择轴的材料19

1.5.2 初步估算轴的最小直径19

1.5.3 轴的结构设计20

1.5.4 按弯扭合成应力校核轴的强度20

1.5.5 精确校核轴的疲劳强度23

1.6 滚动轴承的选择和计算28

1.7 键联接的选择和强度校核（即中间轴）29

1.7.1 大齿轮2与轴的键联接29

1.7.2小齿轮3和轴的键联接30

2机床横向伺服进给单元电气控制部分设计31

2.1电气控制系统方案的确定31

2.1.1 步进电动机与丝杠的联接32

2.1.28051单片机的选择32

2.2 步进电动机开环控制系统设计32

2.2.1 脉冲分配器33

2.2.2 光隔离电路36

2.2.3 步进电动机驱动电路37

2.3 8255可编程控制芯片的扩展39

2.4 辅助电路的设计40

2.4.1 8051单片机的时钟电路40

2.4.2 复位电路41

2.4.3 越界报警电路41

2.5 操作面板设计的简要介绍42

2.6 绘制机床电气控制电路原理图42

结论44

致谢45

参考文献46

绪论

随着我国生产技术进步，在机械制造业中，数控机床越来越受到企业的欢迎。企业一方面投入大量资金购买数控车床，另一方面更新改造现有普通机床，通过为普通机床添加数控装置，将普通机床改造成数控机床，这是许多中小型企业面临的重要技改措施。

数控机床能够适应市场对产品多样化、高精度的要求。因此得到了越来越广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格高，一致于推广应用受到限制，而我国又现存有大量的普通机床，利用较先进的数控系统，对现有普通机床进行技术改造，对提高我国机械行业的数控加工技术具有更重要意义。数控机床是衡量一个国家机械制造业水平的重要指标。根据我国机床拥有量大，生产规模小的具体国情，将普通机床通过数控化改造为经济型数控机床是我国机械工业技术改造的这样目标。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大，而且从目前企业所面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。

因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计针对性强、时间短，改造设计后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。

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内容简介：: 济源职业技术学院毕业设计题目 C616 车床的横向伺服进给单元改造系别机电系专业机电一体化技术班级机电 0510 姓名李文成学号 05011012 指导教师高清冉日期 2007 年 12 月 nts济源职业技术学院毕业设计 I 设计任务书设计题目： C616 车床的横向伺服进给单元机电一体化改造设计设计要求：将原机床中横向装置改装成由步进电动机驱动，包括刀架的自动换刀改装，根据负载转动惯量选择与之相匹配的步进电动机（包括力矩和功率）。采用微机完成数据处理和运动控制，具有简单的接口电路设计，选择驱动电路，设计通用接口和专用接口以及 CPU 与辅助电路的连接。设计进度要求：设计时间为八周：第一周：拟定题目第二周：列写大纲第三周：收集查看资料第四周：材料的整理和录入第五周：论文排版、编辑第六周：论文的修改第七周：打印论文指导教师（签名）： nts济源职业技术学院毕业设计 II 摘要本次设计主要是针对 C616 车床的横向进给伺服系统改造，机械方面的改造过程是：拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。机械部分采用步进电动机驱动滚珠丝杠，然后再通过滚珠螺母副来动工作台运作。电器部分采用 MCS 8051 单片机来对步进电动机进行适时有效的控制，同时为了便于人机对话，通过输入程序来更好的解决形状复杂、精密、难加工的问题。这次设计可以准确地实现规定的动作、自动化程度较高、能灵活迅速的适应加工零件的更变。关键字：车床步进电动机单片机人机对话精密 nts济源职业技术学院毕业设计 III Abstract The system is mainly aimed C616 lathe infeed servo system transformation, the transformation process is mechanical: the original manual turret removed and a small carriage, the installation of CNC turret; removed ordinary screw, rod feed box and slide crate, put the ball screw nut; retain the original manual body for adjusting operation, the support structure to retain the original, with a gear, stepper motor, gear box installed in the extension unit back. Stepping motor drive mechanical ball screw, and then through the ball nut to move the operation table. Electrical part to the use of MCS-8051 single-chip stepper motor for timely and effective control, and in order to facilitate the man-machine dialogue, by entering the program to better solve the shape of the complex, sophisticated and difficult to process problems. The design can be accurately specified action to achieve high degree of automation, flexibility to quickly adapt to change more parts processing. Keywords: Lathe; Stepper motor; SCM; Man-machine dialogue; Precisionnts济源职业技术学院毕业设计 1 目录摘要 . II ABSTRACT . III 绪论 . 1 1 机械部分改造的设计及计算 . 1 1.1 课题的来源与意义及总体方案的确定 . 1 1.1.1 课题的来源与意义： . 1 1.1.2 总体方案的确定： . 1 1.2 滚珠丝杠副的计算和选型 . 2 1.2.1 确定系统的脉冲当量 . 3 1.2.2 切削力计算 . 3 1.2.3 传动效率 . 5 1.3 步进电动机的选择 . 8 1.3.1 传动比的计算 . 8 1.3.2 转动惯量的计算 . 8 1.4 齿轮设计及强度校核计算 . 13 1.4.1 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 . 13 1.4.2 按照齿面接触疲劳强度校核 . 13 1.4.3 校核齿根弯曲疲劳强度 . 15 1.5 轴的设计（中间轴）及校核 . 16 1.5.1 选择轴的材料 . 17 1.5.2 初步估算轴的最小直径 . 17 1.5.3 轴的结构设计 . 17 1.5.4 按弯扭合成应力校核轴的强度 . 18 1.5.5 精确校核轴的疲劳强度 . 20 1.6 滚动轴承的选择和计算 . 25 1.7 键联接的选择和强度校核（即中间轴） . 27 1.7.1 大齿轮 2 与轴的键联接 . 27 1.7.2 小齿轮 3 和轴的键联接 . 27 2 机床横向伺服进给单元电气控制部分设计 . 28 2.1 电气控制系统方案的确定 . 28 2.1.1 步进电动机与丝杠的联接 . 29 2.1.2 8051 单片机的选择 . 29 nts济源职业技术学院毕业设计 2 2.2 步进电动机开环控制系统设计 . 29 2.2.1 脉冲分配器 . 30 2.2.2 光隔离电路 . 33 2.2.3 步进电动机驱动电路 . 34 2.3 8255 可编程控制芯片的扩展 . 36 2.4 辅助电路的设计 . 37 2.4.1 8051 单片机的时钟电路 . 37 2.4.2 复位电路 . 38 2.4.3 越界报警电路 . 38 2.5 操作面板设计的简要介绍 . 39 2.6 绘制机床电气控制电路原理图 . 39 结论 . 1 致谢 . 1 参考文献 . 1 nts济源职业技术学院毕业设计 1 绪论随着我国生产技术进步，在机械制造业中，数控机床越来越受到企业的欢迎。企业一方面投入大量资金购买数控车床，另一方面更新改造现有普通机床，通过为普通机床添加数控装置，将普通机床改造成数控机床，这是许多中小型企业面临的重要技改措施。数控机床能够适应市场对产品多样化、高精度的要求。因此得到了越来越广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格高，一致于推广应用受到限制，而我国又现存有大量的普通机床，利用较先进的数控系统，对现有普通机床进行技术改造，对提高我国机械行业的数控加工技术具有更重要意义。数控机床是衡量一个国家机械制造业水平的重要指标。根据我国机床拥有量大，生产规模小的具体国情，将普通机床通过数控化改造为经济型数控机床是我国机械工业技术改造的这样目标。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大，而且从目前企业所面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计针对性强、时间短，改造设计后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。 nts济源职业技术学院毕业设计 1 1 机械部分改造的设计及计算 1.1 课题的来源与意义及总体方案的确定 1.1.1 课题的来源与意义：社会发展的今天，现代工业发展非常迅速突出，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。如果设备全部更新换代不仅资金投入大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大浪费。所以最简易经济的办法就是进行数控化改造。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大，而且从目前企业所面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计针对性强、时间短，改造设计后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。 1.1.2 总体方案的确定：根据改造设计内容确定方案。有设计内容可知，该 C616 车床的改造设计是将原机床中手动进给装置改装成有步进电动机驱动，采用微机控制步进电动机来完成数据的处理运动控制。由此可见改造设计以后的车床具有一定的数控机床功能和特点，大大提高了车床的数控化程度和生产效率，是一种经济型的数控机床。翻阅查看 C616 车床是一种小型的车床，床身最大工件回转直径 320mm 加工工件最大长度 750mm，主要用于加工中小型类零件。根据我们的设计内容要求参考数控机床的改造设计经验，我们设计确定如图 1-1 1-2 所示总体改造方案。 nts济源职业技术学院毕业设计 2 图 1 1 总体改造方案图 1 2 C616 普通车床的数控改造方案图该方案中以步进电动机作为驱动元件，采用开环伺服控制，无检测反馈机构，具有结简单，使用维护方便，可靠性高，制造成本低等一系列的优点。从设计题目中可知，我们改造设计的是基于 C616 车床的横向伺服进给单元机电一体化改造设计。所以针对横向进给机构进行如下改造：拆除原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱，拆除原丝杠安装滚珠丝杠并仍然安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可以减小装配现场，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而是横向进给整体的刚性提高，优胜于以前的，横向进给机构采用二级齿轮减速，并用双片齿轮销齿法消除间隙。其余部分的改造设计尽量按照原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改装的部位，以降低生产成本，节约改造生产时间，提高生产效率。 1.2 滚珠丝杠副的计算和选型 nts济源职业技术学院毕业设计 3 进给伺服系统机械部分的计算与选型的内容包括 :运动参数、动力参数的计算、传动比的分配、转动惯量、等效转矩等计算 .计算简图如图 1-3: 图 1 3 进给伺服系统机械部分的计算 1.2.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使车床执行部件产生的进给量 ,它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数 .因此脉冲当量应根据机床精度来确定 .对于经济车床来说横向采用的脉冲当量为 0.005mm/脉冲 1.2.2 切削力计算在进给系统的传动的计算过程中 ,选用步进电动机时都需要用到切削力 (机床的主要负载 ),则可用公式计算出车床切削力最大切削功率 (或转矩 ) =P 主式中 P 主 .主电动机的功率 ,C616 车床 P 主 =8 kw .主传动系统的总功率一般为 0.7 0.85 取 =0.8 则 P 切 =(8 0.8) kw=6.4 kw 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 (或转矩 )来计算 ,即 : P 主 =cF 310- /60 式中 cF 主切削力 ( N ) nts济源职业技术学院毕业设计 4 最大切削速度 (m/min).按用硬质合金刀具半精车钢件是的速度取 =100m/min cF= 60 6.4 310 /100 = 3840( N ) 在一般情况外圆车削时 , fF=(0.10.55) cFpF=(0.150.65) cF取 fF= 0.48cF= 1843.2N pF= 0.58cF= 2227.2N 滚珠丝杠副的选择和性能验算 ,横向进给为综合型导轨 ,由公式可得丝杠轴向进行切削 ,其中 k= 1.15, f =0.16 则 : mF= kfF+ f (cF+W) 式中 cF.fF.pF 切削分力 ( N ) W 移动部件的重量 ( N ) f 导轨上的摩擦系数 ,随导轨型式不同而不同 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数即 mF=1.15 1843.2+0.16 (3840+200)N=2766.08N 最大切削力下的进给速度sv可取最高进给速度的 1/2 1/5,取为 1/2.横向进给速度为 2m/min,丝杠导程选取 6mm,则丝杠转速为 : n = 1000sv/0L= 1000 2/6 = 333.33r/min 丝杠使用的寿命时间取为 T = 15000h,则丝杠的计算寿命 L为 : L = 60nt/ 610 = 60 333.33 15000/ 610 = 300 ( 610 ) 根据工作负载mF、寿命 L,按公式计算滚珠丝杠副承受的最大的动载荷mC取wf= 1.2 af= 1 nts济源职业技术学院毕业设计 5 mC=3LmF wf/af=3300 1.2 2766.08=22220N 由当量载荷mC,从手册或样本的滚珠丝杠系列表中初选滚珠丝杠的型号和有关参数 .选用是要注意公称直径0d和导程0L应用优先组合，同时还需要满足数控系统和伺服系统对导承的要求。同时还受最大静载荷的影响和限制，因当滚珠丝杠在静态或低速 (n 10r/min)情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是滚珠与滚道型面在接触点上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会使滚珠丝杠副无法正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。此时的轴向负载oaC称为额定静载荷。选用时应将相应的滚珠丝杠的额定静载荷oaC满足以下条件： maxF=foaC/sf式中 maxF 滚珠丝杠的最大轴向工作载荷； sf 静态安全系数。一般sf 1 2,有冲击时 sf=2 3 由mC参照表查出该滚珠丝杠型号为 W5006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副。 1列 3圈，其额定动负载为 24000N，强度足够应，精度选用 5级，其几何参数如下：公称直径0d=50mm，导承0L=6mm，螺纹升角 v=arctg0L/0d=211 繭钢球直径为3.969mm，螺杆内径为 45.88mm。滚道半径 R为： R=0.52 3.969=2.06388mm 偏心距为： e=0.07（ R-0d/2） =0.07（ 2.064-3.969/2） =5.6 310 mm 螺杆内径： 1d=0d+2e-2R=50 2 5.6 310 -2 2.06388=45.88mm 1.2.3 传动效率滚动丝杠副的传动效率可用下式计算。 =tgr/tg（ r+ ）式中 r 丝杠的螺旋升角 nts济源职业技术学院毕业设计 6 摩擦角。滚珠丝杠副的滚动摩擦系数因数 f=0.003-0.004，摩擦角约等于 10 即 =tg211 /tg(211 +10 ) 0.927 横向进给滚珠丝扛支承方式如前图所示，支承间距 L=400mm，丝杠螺母及轴承均进行了预紧，预紧力的最大轴向负载荷的 1/3，丝杠的变形量计算如下：滚珠丝杠截面积按丝杠螺纹的底径确定 A=/4 45.882mm2=1653.24mm 工作载荷mF引起导程0L的变化量 0L可用下式计算 0L=mF 0L/EA=2766.08 6/20 104 1653.24=0.487 410 mm 式中 E 丝杠材料的弹性模量，对钢 E=2.06 1011N/ 2m 则丝杠的拉伸或压缩变形量1： 1=0L/0LL =0.487 410 /6 1500=1.22 210 mm 由于两端均采用角接触球轴承，且丝杠又进行了预紧故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高 4倍。其实际变形量为 1=1/41=0.305 210 mm 滚珠与螺纹通道间接触变形 2=0.0013mF/ 23oyd F Z=0.0072mm 式中 mF 轴向工作载荷（ N）； yF 预紧力（ N） wd 滚珠直径（ mm）； Z 滚珠数量， Z =Z j k其中 j为圈数， k为列数， Z每圈螺纹滚道内的滚nts济源职业技术学院毕业设计 7 珠数：外循环时 Z=0d/wd；内循环时 Z 0d/wd-3 0d 滚珠丝杠公称直径（ mm）；因丝杠加有预紧力；且预紧力为轴向最大负载的 1/3时 , 2可减少一半，因此实际变形量为： 2 =0.0072/2=0.036 210 mm 支承滚珠丝杠的轴承为 8209型推力球轴承，几何参数为1d=45mm，滚动体直径Qd=7.06mm，滚动体数量QZ=20轴承的轴向接触变形3为： 3=0.024 23 2mQQFdz式中mF 轴承所受轴向载荷（ N）；Q z 轴承的滚动体数目； Qd 轴承的滚动体直径；即 3=0.024 23 2mQQFdz=0.024 2322766.087.06 20=0.03346mm 注意：此公式mF的单位为 Kgf 因施加预紧力故实际变形量 3 =1/23=1/2 0.03346mm=0.0167mm 根据以上计算总变形量为： =1 +2 +3 =（ 0.00305+0.0036+0.0167） mm=0.0234mm 五级精度丝杠允许逻辑误差为 27m/m ，故刚度足够。因为滚珠丝杠的两端都采用推力球轴承并预紧，因此不会产生失稳现象，故不需要作稳定性校核。 nts济源职业技术学院毕业设计 8 1.3 步进电动机的选择 1.3.1 传动比的计算根据给定的横向进给的脉冲当量 0.005mm，滚珠丝杠导程0L=6mm，及初选的步进电机步距角 0.75，可计算出传动比 i： =360/0L式中脉冲当量（ mm/步）； 0L 滚珠丝杠导程（ mm）；步进电机步距角（）；减速齿轮考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程故采用两级齿轮降速，根据传动比，即 i=360/ 0L选齿轮 Z1=28， Z2=56， Z3=24， Z4=30 一级降速传动比为 0.5 二级降速传动比为 0.8 初选步进电动机型为 150BF002,因为进给伺服系统传递功率不大 ,一般选模数取m=1 2，本次设计选用 m=2。 1.3.2 转动惯量的计算选择步进电动机时 ,必须根据机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量 ,分别计算各种情况下所需要的力矩 ,再根据步进电动机最大静转矩和启动运行频率特性选择合适的步进电动机 ,负载惯量是驱动系统的主要参数之一 ,它对选择步进电动机 ,设计传动比等都有十分重要的意义 ,如果该惯量与电动机的匹配不当 ,系统就得不到快速反应 ,甚至失效 . Z1=28,z2=56,z3=24,z4=30 齿轮1, 2, 3, 4Z Z Z Z的转动惯量1 2 3 4, , ,J J J J。 341 1 11032J d L nts济源职业技术学院毕业设计 9 = 334 107 . 8 / ( 5 . 6 ) 3 . 532k g c m c m c m =2.6358 2.kgcm 342 2 21032J d L = 334 107 . 8 / ( 1 1 . 2 ) 332k g c m c m c m =36.148 2.kgcm 343 3 31032J d L =1.4227 2.kgcm 344 4 41032J d L = 334 107 . 8 / ( 3 ) 332k g c m c m c m =0.186 2.kgcm 丝杠的转动惯量可以从表中查得负载转动惯量 22131 2 3 4242222 8 62 . 6 5 3 8 3 6 . 1 4 8 1 0 4 2 2 7 0 . 1 8 6 1 5 . 9 0 . 4 1 7 . 5 2 25 6 2LSZZLwJ J J J J Jg Z ZWg 216Z（）（）Z考虑步进电动机与负载转动系统惯量匹配问题即 0.571 满足惯量匹配要求。而惯量 J 由伺附电动机的惯量 mJ 和进给系统惯量 LJ 组成 1 0 1 7 . 5 2 2 2 7 . 5 2 2mLJJ J mJ 伺附电动机的惯量 LJ 进给系统惯量负载转矩计算及最大静转矩选择：机床在不同的情况下，其所需要的转矩不同，下面分别进行计算快速空载启动是所需要的转矩为 m a x 0afM M M M 起 nts济源职业技术学院毕业设计 10 式中： M 起快速空载启动力矩 maxaM 空载启动折算到电动机上的加速力矩 fM 折算到电动机轴上的摩擦力矩 0M 由于丝杠加紧时折算到电动机轴上的附加力矩将已知数据代入 m a x2 0 0 0 0 . 7 5 8333 6 0 0 . 0 0 5 3 6 0 m i nbpv r maxn 2m a xm a x 2 1060aatnMJ 式中 J 传动系统折算到电动机轴上的等效的转动惯量 at 运动部件从停止启动加速到最大快进速度所需要的时间 maxn 电动机的最大转速 2m a x 2 8 3 32 7 . 5 2 2 1 0 6 9 4 . 4 2 8 .6 0 0 . 0 2 5 3aM N c m 折算到电动机轴上的摩擦力矩 002F FLM i 式中 0F 导轨的摩擦力 0 cF f F W cF 垂直方向的切削力 W 运动部件的总重量 f 导轨的摩擦系数 i 齿轮降速比传动链总效率，一般取 0.7 0.85 nts济源职业技术学院毕业设计 11 00 0 . 1 6 3 8 4 0 2 0 0 0 . 6 3 0 . 8 72 2 0 . 8 2 . 5F FLM i 附加力矩： 2000012 PFLM i 式中： 0PF 滚珠丝杠预加负荷前一般取 0L 滚珠丝杠导程 0 滚珠丝杠拧紧时的效率一般大于 0.9 于是： m a x 0 7 3 0 . 4 2 4aFM M M M 起快速移动时需要的力矩： 0 3 5 . 9 9 6FM M M 快最大切削负载时所需要的力矩： 0 1 2 4 . 0 4FtM M M M 切从以上计算可以看出三种工况下以快速空载启动所需要的力矩最大，依次作为出选电动机的依据。对于工作方式与五相十拍的步进电动机最大静转矩： m a x 7 . 6 80 . 9 5 1j MM N m 起从相关资料可以查出 150BF002 型号的步进电动机最大静转矩为 13027N.M 大于所需要的最大静转矩可以作为初选型号大需要考虑电动机启动矩频特性和运行它。步进电动机的空载启动频率： m a xm a x 1000 6 6 6 6 . 760 vf H Z m a xm a x 1000 6 6 6 6 . 760 vf H Z nts济源职业技术学院毕业设计 12 由相关资料知道 150BF002 步进电动机允许的作大空载启动频率为 2800HZ，运行频率为 8000HZ，有下图（ a)可以看出步进电动机启动是频率为 2500HZ，远不能满足机床所需。直接使用回产生失步现象，所以必须采取升降速度控制（可以用软件实现）将启动频率降到 1000HZ 时，启动扭矩可以增高到 588 。然后在电路上再采用高低压驱动电路，可以将步进电机输出转矩扩大一倍左右。当快速运动和切削进给时，由 150BF002 型号的步进电动机矩频特性（ b)知道电动机可以满足要求。根据上述计算综合考虑，横向进给系统采用 150BF002 型号电动机（ a)步进电动机启动频率（ b) 步进电动机矩频特性图 1 4 步进电动机的启动频率和矩频特性 nts济源职业技术学院毕业设计 13 零件的设计计算，传动轴的初步计算及结构设计，支撑方式和部件的选择计算 . 1.4 齿轮设计及强度校核计算 1.4.1 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数该传动方案选用直齿圆柱齿轮传动 .速度不高 ,所以齿轮选 8 级精度；齿轮材料选用价格便宜并且硬度合适的材料；齿轮 Z1， Z3， Z4 材料为 45#钢 (调质 )；齿轮 Z2 材料为 45 钢 (常化 )。根据传动比选取小齿轮 Z1=28.Z2=56.Z3=24.Z4=30 因齿面硬度小于 350HBS的闭式传动 ,所以按照齿面接触疲劳强度设计 ,然后校核齿根弯曲疲劳强度 . 1.4.2 按照齿面接触疲劳强度校核 2131 12 . 3 2 5 1Ed HK T zudtu 由公式确定公式中各参数的值选择载荷系数 1.3tK 51 9 . 5 5 1 0 1 1 9 2 3 . 1 6PT N m mn 计算小齿轮传递的转矩查表选择齿宽系数 0.8d 查表得出弹性影响系数 1 8 9 .8EZ M p a l i m 1 l i m 3 l i m 4l i m 2590470H H HHM p aM p a nts济源职业技术学院毕业设计 14 由表查出 F t F a s aF FmK Y Yb 由公式确定公由表查出寿命系数 1 2 3 4 1H N H N H N H NK K K K 计算接触疲劳强度许用应力 ,取失效概率为 1%,安全系数 S=1. 由公式 l i mH N HH HK S 可得 1 3 4 590H H H M p a 2 470H M p a 计算小齿轮分度圆直径 2131 12 . 3 2 5 1Ed HK T zudtu 计算圆周速度 11 2 . 2 56 0 1 0 0 0d t n mV s 计算载荷系数 . 根据 1 0.45100VZ 查表 1.04VK 因为是直齿圆柱齿轮 ,取同时由表查得 1AK ， 1 . 1 2 1 . 2 5aKK 所以载荷系数 1 1 . 0 4 1 1 . 0 2 1 . 1AVK K K K K 按实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径 nts济源职业技术学院毕业设计 15 3311 1 . 15 1 4 81 . 3kd d t m mkt 计算模数：取模数 1 2m 根据综合因素的考虑及传递的力矩不大 ,故选用： 112 8 2 5 6 , 2d m m m 计算分度圆直径： 1 2 8 2 5 6 ,d m m 2 5 6 2 1 1 2d m m 3 2 4 2 4 8 ,d m m 4 3 0 2 6 0d m m 计算中心距： 1 2 3 4128 4 , 5 422d d d daa 计算齿轮宽度： 11 0 . 8 5 6 4 4db d m m 由于传递振动不大， 1.4.3 校核齿根弯曲疲劳强度式中各个参数值 ,计算圆周力： 112 2 1 1 9 2 3 . 1 6 4 2 5 . 8 2 756TTF d 查取应力校正系数： 112 . 8 0 , 1 . 5 5 .F a S aYY222 . 4 0 , 1 . 6 7F a S aYY 332 . 8 0 , 1 . 5 5 .F a S aYY442 . 6 2 , 1 . 5 9F a S aYY 1 1 48 2 24 d m= z nts济源职业技术学院毕业设计 16 计算载荷系数： 1 1 . 0 4 1 1 . 2 5 1 . 3AVK K K K K 查取弯曲强度极限及寿命系数：查表得： l i m 1 l i m 2 l i m 3 l i m 44 5 0 , 3 9 0 , 4 5 0 , 4 5 0F F F FM p a M p a M p a M p a 查表知道； 1 2 3 4 1F N F N F N F NK K K K 计算弯曲疲劳许用应力 ,取弯曲疲劳安全系数： 1.4FSS 由公式： limF N FF FK S 所以 1 l i m 11 3 4 3 2 1 . 4 3F N FF F FK M p aS 2 l i m 22390 2 7 8 . 5 71 . 4F N FFK M p aS 校核计算： 1 11 . 3 4 2 5 . 8 2 7 2 . 8 0 1 . 5 5 4 4 . 4 9 12 7 2F FM p a 221121 22 4 0 1 . 6 74 4 . 4 9 1 4 1 . 0 8 72 . 8 0 1 . 5 5s a F aFF FS a F aYY M p aYY 3 34 1 . 9 2F F 4 44 0 . 2 3 7F F 1.5 轴的设计（中间轴）及校核 nts济源职业技术学院毕业设计 17 1.5.1 选择轴的材料选取 45 钢，调制硬度 HBS=230，强度极限B=650Mpa，屈服极限S=360Mpa,弯曲疲劳极限1=300Mpa,剪切疲劳极限1=155Mpa,对称循环变应力时的许用应力-1 b =60Mpa 1.5.2 初步估算轴的最小直径取0A=110，得： d0A 232pu=1103 0.98416.5 15mm 由于采用步进电动机驱动，选用 150BF002 型，它的轴径 d 为 18mm，为了配合二级齿轮传动，在此选择最小轴径为 15mm，便于受力均匀，结构紧凑，便于安装。 1.5.3 轴的结构设计由轴的结构和强度要求选取轴承孔的轴径 d=15mm，初选轴承型号 6202 的深沟球轴承，齿轮轴处轴孔 d=25mm,轴肩直径 d=35mm,轴的结构如附图两轴承支点间的距离为 L=2T+1+3B+3+u+1+2T式中 T 轴承的宽度，查表可知 6205 轴承 T=11mm 1 齿轮端面与箱体内壁的距离，查表可知取1=8mm 3B 齿轮 3 的齿宽，3B=32mm 3 齿轮 2 与齿轮 3轮毂端面间的距离，取3=8mm L 齿轮 2 的轮毂长度， L=（ 1.2 1.5） d B,u=34mm 代入以上各数值得 L=11+8+27+34+8+13.5=96mm 齿轮 3的对称线与左轴承支点的距离为： nts济源职业技术学院毕业设计 18 1L=2T+1+32B=5.5+8+13.5=27mm 齿轮 3的对称线与齿轮 2的对称线间的距离为： 2L=32B+3+2u=13.5+8+17=38.5mm 齿轮 2的对称线与右轴承支点间的距离为： 3L=2u+1+2T=17+8+5.5=30.5mm 1.5.4 按弯扭合成应力校核轴的强度绘轴的计算简图轴的计算简图如图 1-5(a) 所示计算作用轴上的力大齿轮 2 受力分析圆周力 2tF=222Td = 2 2 2 4 7 0 .5 8 8192 =401.26N 径向力 2rF=2tF tg=401.26 tg 20o =146.05N 小齿轮 3 受力分析圆周力 3tF=232Td = 2 2 2 4 7 0 .5 8 848 =936.27N 径向力 3rF=3 20tF tg o=936.27 20tg o =340.77N 计算支反力：水平面 BM=0 AHR 96-3tF 69.5-2tF 32.5=0 AHR=805.30N nts济源职业技术学院毕业设计 19 Fy=0 BHR=2tF+3tF-AHR=532.23N 垂直面 BM=0 AVR 96-3rF 69+2rF 30.5=0 AVR=198.52N Fy=0 BVR=3rF-2rF-AVR=-3.8N 作弯矩图水平面弯矩图 (b) cHM=-AHR 28.5=-803.5 27.5=-21743.1N.mm DHM=-BHR 32=-523.23 30.5=-16233.015 N.mm 垂直面弯矩图 (c) 1CVM=AVR 28.5=198.52 27=5360.04 N.mm 1DVM=BVR 32=-3.8 30.5=-115.9 N.mm 合成弯矩 CM= 22C H C VMM= 22( 2 1 7 4 3 . 1 ) 6 3 6 0 . 0 4 =22393.92 N.mm DM= 22C H D VMM= 22( 1 6 2 3 3 . 0 1 5 ) ( 1 1 5 . 9 ) =16233.42 N.mm 做扭矩图 (d) 2T=22470.588 N.mm nts济源职业技术学院毕业设计 20 作计算弯矩图图 (e) 考虑减速器的刹车和启动，转矩产生的切应力应按脉动循环变化，故取 a=0.6。则： 1cacM=1cM=22393.92 N.mm 22caM= 2212()CMT= 222 2 3 9 3 . 9 2 ( 0 . 6 2 2 4 7 0 . 5 8 8 ) =26139.27 N.mm 2caDM= 222()DMT= 221 6 2 3 3 . 4 2 ( 0 . 6 2 2 4 7 0 . 5 8 8 ) =21102.079 N.mm 按弯扭合成应力校核周 6的强度由计算弯矩图可知， C 剖面的计算弯矩最大，该处的计算应力为： cac= 2cacMW=326139.270.1cd=326139.270.1 25 =16.729Mpa 16.729Mpa1b=60Mpa 故安全 1.5.5 精确校核轴的疲劳强度由玩具图和转矩图可知弯矩最大，但从应力集中对轴的疲劳度的影响看，剖面，处的过盈配合引起的应力集中最严重，由于过盈配合及键槽的应力集中两端，故 C 剖面处受影响不大，在剖面处的载荷比剖面处的载荷要大，而剖面，的尺寸相同，因而在此只需要校核剖面两侧的疲劳强度。剖面左侧弯矩及弯曲应力 nts济源职业技术学院毕业设计 21 弯矩： 252 1 1 0 2 . 0 7 9 ( 2 5 6 1 3 9 . 2 7 2 1 1 0 2 . 0 7 9 )3 8 . 5M =243

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