JC02-011@CA6140车床纵向系统设计
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机械毕业设计全套
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JC02-011@CA6140车床纵向系统设计,机械毕业设计全套
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机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 目录 摘要及关键词 3 正文 4 前言部分 4 本论部分 5 第 1 章 绪论 5 1.1 机床机电一体化改造总体方案的设计 5 1.2 开环伺服进给系统机械部分设计 5 第 2 章 机床机电一体化改造总体方案的设计 6 2.1 课程设计任务书 6 2.2 总体方案设计 7 第 3 章 开环伺服进给系统机械部分设计 9 3.1 确定系统脉冲当量 9 3.2 计算切削力 9 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠） 9 3.4 齿轮传动比计算 14 3.5 步进电动机的计算和选型 14 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 第 4 章 机械传动机构的调整和结构的简要说明 19 4.1 丝杠进给速度的调节 19 4.2 轴向的预紧力的调整及定位 19 结论部分 19 设计体会 20 参考文献 21 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 摘要及关键词 【 摘要 】 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，很好地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。但从目前企业面临的情况看，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。我国作为机床大国，拥有大量的普通机床。因此，对普通机床数控化改造不失为一种较好的选择。 【 关键词 】 机电一体化 开环控制纵向进给系统设计 滚珠丝杠螺母副 步进电动机 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 正文 前言部分 计算机技术和先进制造技术的发展，推动了机械加工在各方面的变革和进步。典型的数控机床已成为现代加工器械的鲜明代表。考虑到企业的 生产效率和投入成本，普通车床的数控化改造将是一个极为有意义的课题。 普通车床数控改造的设计是机电一体化系统课程设计的主要内容。作为机械设计制造及其自动化专业的学生，这次设计是本人在学习完“机电一体化系统设计”、“数控机床”等专业课程之后进行的一个重要的实践性教学环节。通过综合运用所学的机械、电子、自动控制、微机等知识，进行一次机电结合的全面训练，以培养独立分析问题，解决问题和 进行机电一体化系统初步设计的能力。此设计过程为期三个星期，在赵洪兵的指导下，本人将对普通车床进行开环控制纵向进给的改造。 由于学生水平有限，在设计乃至计算过程中难免会有一些错误，望各位老师及同学指点赐教。不胜感激。 学生郑利江 2007 年 6 月 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 本论部分 第 1 章 绪论 1.1 机床机电一体化改造总体方案的设计 1.1.1 课程设计任务书 （ 1） 题目 （ 2） 原始数据 （ 3） 主要技术参数 （ 4） 课程设计的内容及要求 1.1.2 总体方案设计 （ 1） 系统的运动方式 的确定 （ 2） 伺服系统的选择 （ 3） 执行机构传动方式的确定 （ 4） 数控系统的选择 1.2 开环伺服进给系统机械部分设计 1.2.1 确定系统脉冲当量 1.2.2 计算切削力 1.2.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠） （ 1） 计算进给牵引力m()FN（ 2） 计算最大动负载 C （ 3） 滚珠丝杠螺母副的选型 （ 4） 传动效率计算 （ 5） 刚度计算 （ 6） 稳定性校核 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 1.2.4 齿轮传动比计算 1.2.5 步进电动机的计算和选型 （ 1） 等效转动惯量的计算 （ 2） 电机力矩计算 （ 3） 计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率 1.2.6 设计绘制伺服进给系统机械装配图 第 2 章 机床机电一体化改造总体方案的设计 2.1 课程设计任务书 2.1.1 题目： 普通车床的机电一体化改造 开环控制纵向进给系统设计 2.1.2 原始数据： 最大共建回转直径：在床身上 D=400 毫米在床鞍上 D=210 毫米 最大工件长度 1000 毫米 主电动机功率 7.5 千瓦 ；转速 1450 转 /分 2.1.3 主要技术参数（均为纵向）： 最大进给速度 1.0 米 /分 最大快移速度 4 米 /分 起动加速时间 30 毫秒 移动部件重量 80 公斤 机床定位精度 0.015 毫米 2.1.4 课程设计的内容及要求： 对 CA6140 型普通车床纵向进给系统进行数控改造，主要设计内容及要求如下： （ 1）采用开环控制，选择合适的数控系统并确定伺服传动系统方案； （ 2）设 计改造后数控车床纵向伺服进给系统原理框图； nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 （ 3）设计绘制改造后数控车床纵向伺服进给系统装配图（ 0 号图纸一张）； （ 4）设计绘制主要零件图一张（由指导老师制定）； （ 5）撰写设计计算说明书一份，正文字数不少于 0.8 万字，设计说明书应包含如下内容： 设计任务书；目录；摘要及关键词；前言；正文：包括方案设计与比较论证、理论分析计算、主要机构设计说明与简图等；小结；参考文献。 设计说明书语言要流畅，书写要工整，一律使用钢笔书写。 2.2 总体方案设计 2.2.1 系统的运动方 式的确定 由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。 2.2.2 伺服系统的选择 应任务书的要求，采用步进电机开环控制系统。 2.2.3 执行机构传动方式的确定 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，若直接将电机与滚珠丝杠联必会引起丝杠温度过高即磨损加剧使其寿命降低。故在其两者之间加一消隙齿轮箱，一使丝杠速度降低，二则消除系统传动中的间隙，提高传动精度，并有效减少反向运动死区现象，消隙齿轮箱与丝杠 可采用联轴器形式连接，这样便确定了如下图 2-1 所示的传动方案。 图 2-1 执行机构传动方案 电机 消隙齿轮箱 滚珠丝杠螺母副 工作台 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 2.2.4 数控系统的选择 根据机床要求，本着经济耐用的原则，确定采用 8 位机。 MCS51 系列单片机主要有三种型号的产品： 8031、 8051 和 8751。由于MCS 51 系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，故对于简单的应用场合， MCS 51 系统的最小系统用一片 8031 外扩一片 EPROM 就能满足开环控制的要求 。 8031 单片机内含 4kb EEPROM程序存储器，具有功耗低、抗干扰能力强的特点，数据存储器WM0016DRH 是一种多功能非易失性 SRAM， 8031 单片机高速高抗干扰自保持，不怕掉电，上下电百万次数据无丢失，断电保护 10 年有效，既可高速连续读写，也可任意地址单字节操作，无需拼凑页面，随机读写不需等待，立即有效，输入输出 TTL/CMOS 兼容，上电复位输出，掉电保护，内置看门狗，电源监测，不用外加电路和电池，且引脚与标准 SRAM 兼容。 8031 单片机价格低，使用灵活，其特点具具体如下： （ 1）具有功能很强的 8 位 中央处理单元（ CPU）； （ 2）片内有时钟发生电路（ 6MH 或 12MH）； （ 3）片内具有 128 字节的 RAM； （ 4）具有 21 个特殊寄存器。 （ 5）可扩展 64K 字节的外部数据存储器和 64K 字节的外部程序存储器； （ 6）具有 4 个 I/O 口， 32 根 I/O 线； （ 7）具有 2 个 16 位定时器 /计数器； （ 8）具有 5 个中断源，配备 2 个中断优先级； （ 9）具有一个全双功串行接口； （ 10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。 从上述特性可看出这种 8031 芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。故应选 用 8031 单片机。 选用 8031单片机 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 第 3 章 开环伺服进给系统机械部分设计 3.1 确定系统脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向： 0.01mm/步，横向0.005mm/步。 3.2 计算切削力 确定切削力（纵车外圆）： 主切削力 ()ZFN按经验公式估算： 1 . 5 1 . 5m a x0 . 6 7 0 . 6 7 4 0 0 5 3 6 0ZF D N 按切削力各分力比例：zy: : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4xF F F 取： 5 3 6 0 0 . 2 5 1 3 4 0xFN y 5 3 6 0 0 . 4 2 1 4 4 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠） 3.3.1 计算进给牵引力m()FN纵向进给为综合型导轨 m ( ) ( )xzF N K F f F G 1 . 1 5 1 3 4 0 0 . 1 6 ( 5 3 6 0 8 0 0 ) 2 5 3 0 N 式中 K 考虑颠覆力矩影响 的实验系数，综合导轨取 1.15K ； f 滑动导轨摩擦系数： 0.15 0.18: G 溜板及刀架重力： g 8 0 1 0 8 0 0N kgG m k g N 3.3.2 计算最大动负载 C 3C= wmL f F 5360ZFN nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 66010nTL 01000svnL式中0L 滚珠丝杠导程，初选0 6L mm； sv 最大切削力下的进给速度，可取最大进给速度的（ 1123: ），此处取 1 . 0 m i n 0 . 5 0 . 5 m i nsv r r ； T 使用寿命，按 15000h； wf 运转系数，按一般运转取 1.2 1.5wf :； L 寿命，以 610 转为 1 单位。 01000 1 0 0 0 0 . 5 8 3 . 3 m i n6svnrL 666 0 6 0 8 8 . 3 1 5 0 0 0 7 5 . 01 0 1 0nTL 3 3 7 5 . 0 1 . 2 2 5 3 0 1 2 8 0 1 . 6wmC L f F N 3.3.3 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅附录 A 表 A-2，可采用1W 4006L外循环螺纹调整浴巾的双螺母滚珠丝杠副， 1 列 2.5 圈，其额定动负载为 164000N，进度等级按表 4-6 选为 3 级（大致相当于老标准 E 级）。 3.3.4 传动效率计算 ta nta n ( ) 式中 螺旋升角，1W 4006L， 2 44 o 摩擦角，取 10 ，滚动摩擦系数 0.003 0.004: 12801.6CN nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 t a n t a n 2 4 4 0 . 9 4t a n ( ) t a n ( 2 4 4 1 0 ) oo3.3.5 刚度计算 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图 3-1 所示。最大牵引力为 2530N，支承间距 1500L mm ，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 13。 图 3-1 纵向进给系统计算简图 （ 1）丝杠的拉伸或压缩变形量1查课程设计指导书 P17，图 4-2，根据 2 5 3 0 , 4 0mF N D m m，查出 50 1 .2 1 0L L ，可算出 52101 5 0 0 1 . 2 1 0 1 5 0 0 1 . 8 1 0L mmL 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了 预 拉伸，故其拉压刚度可以提高 4 倍。其实际变形量1 ( )mm为： 2111 0 . 4 5 1 04 （ 2） 滚珠与螺纹滚道间接触变形2查课程设计指导书 P18 图 4-3， W 系列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量2 =6.4 m，因进行预紧，2211 = 6 . 4 = 3 . 222 m 。 0.94 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 （ 3）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3采用 51107（旧代号为 8107）型推力球轴承，1 35d mm，滚动体直径 6 .3 5Qd mm，滚动体数量 z=18。 3 32 23 222530 . 0 0 2 4 0 . 0 0 2 46 . 3 5 1 8mQFdZ 0.0075mm 注：此公式中的mF单位应为 kgf。 因施加预紧力，故 3311 0 . 0 0 7 5 0 . 0 0 3 822 mm 据以上计算： 1 2 3 0 . 0 0 4 5 0 . 0 0 3 2 0 . 0 0 3 8 0 . 0 1 1 5 mm 定 位 精 度3.3.6 稳定性校核 滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，不需要作稳定性校核。 3.3.7 纵向滚珠丝杠副的几何参数，如下表 3-1。 0.0115mm nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 表 3-1 1W 4006L滚珠丝杠的几何参数 名称 符号 参 数 螺 纹 滚 道 公称直径 0d 40 导 程 0L 6 接触角 244o 钢球直径 (mm) qd 3.969 滚道法面半径 R 0.52qRd2.064 偏心距 e 2 s i nqdeR （ ） 0.056 螺纹升角 00t a nLa c t d （ ） 244o 螺 杆 螺杆外径 d 0 ( 0 . 2 0 . 2 5 ) qd d d : 39 螺杆内径 1d 1022d d e R 35.984 螺杆接触直径 zd 0 c o szqd d d 36.0355 螺 母 螺母螺纹直径 D 0 22D d e R 44.016 螺母内径 1D 10 ( 0 . 2 0 . 2 5 ) qD d d : 40.7938 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 3.4 齿轮传动比计算 已取得纵向进给 脉冲当量 0.01p ，滚珠丝杠导程0 6L mm，初选步进电动机步距角 0.6o 。可计算出传动比 i 可选定齿轮齿数为： 123636zi z 故，取1236zz，模数 m 取 2.5。有关参数表 3-2。 表 3-2 传动齿 轮的几何参数 齿 轮 编 号 1z 2z 3z 齿数 32 32 24 分度圆 d mz 80 80 60 齿顶圆 2ad d m 85 85 60 齿根圆 2 1 . 2 5fd d m 73.75 73.75 53.75 齿宽 6 10 m: 20 20 15 中心距 122A d d 80 70 3.5 步进电动机的计算和选型 3.5.1 等效转动惯量计算 计算简图见图 3-1，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量2()J kg cm 可由下式计算： 22 01122( ) ( ) ( ) 2MS LZ GJ J J J JZg 1i nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 式中 J 步进电机转子转动惯量 2()kg cm 1J、2J 齿轮1Z、2Z的转动惯量 2()kg cm SJ 滚珠丝杠转动惯量 2()kg cm 。 参考同类型机 床，初选反应式步进电机 110 3503BYG ，其转子惯量218MJ kg cm 3 4 3 41 2 1 10 . 7 8 1 0 0 . 7 8 1 0 8 2J J d L 26 .3 9 0 kg cm 3 4 20 . 7 8 1 0 4 1 5 0 2 9 . 9 5 2SJ k g c m 800GN 式中1d、2d 齿轮1Z、2Z的分度圆直径； 2L、2L 齿轮1Z、2Z的齿宽。 代入上式： 2 201122 ( ) 2MS LZ GJ J J J JZg 223 2 8 0 0 0 . 61 8 6 . 3 9 0 ( 6 . 3 9 0 2 9 . 9 5 2 ) 3 2 9 . 8 2 26 1 .4 7 7 kg cm 考虑步进电机与 传动系统惯量匹配问题。 24 3 . 4 7 7MJ J J k g c m 4 3 . 4 7 7 2 . 4 1 5 318MJJ 基本满足惯量匹配的要求。 2.415MJJ nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 3.5.2 电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算： （ 1）快速空载起动力矩 M起在快速空载起动阶段加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 0fM M M M a max起22m a x m a x2 1 01060 602 aannM J J Jtt a max将前面的数据带入，式中各符号意义同前。 m a xm a x 4 0 0 0 0 . 6 6 6 6 . 7 m i n3 6 0 0 . 0 1 3 6 0bpvnr 。 起动加速时间 30at ms2 2m a x2 1 0 2 6 6 6 . 7 1 06 1 . 4 7 76 0 6 0 0 . 0 3anMJt a max1 4 2 9 .9 8 N cm 折算到电机轴上的摩擦力矩fM： 0002122 Zff F G LFLMi z z 0 . 1 6 5 3 6 0 8 0 0 0 . 6 1 1 7 . 72 0 . 8 1 N c m 附加摩擦力矩0M： 10 22030 0 0211122po mFL FLM i z z 1 23 2 5 3 0 6 1 0 . 92 0 . 8 1 . 2 5 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 8 0 . 5 0 . 1 9 1 5 . 3 Nm 上述三项合计： 0fM M M M a max起1 4 2 9 . 9 8 1 1 7 . 7 1 5 . 3 1 5 6 2 . 9 8 N c m （ 2）快速移动时所需力矩 M快0 1 1 7 . 7 1 5 . 3 1 3 3fM M M N c m 快（ 3）最大切削负载时所需力矩 M切000 2 xf t f FLM M M M M M i 切1 3 4 0 0 . 61 1 7 . 7 1 5 . 32 0 . 8 1 1 1 7 . 7 1 5 . 3 1 6 0 . 0 3 2 9 3 . 0 3 N c m 从上面计算可以看出， M起、 M快和 M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大， 此项作为初选步进电动机的依据。 从课程设计指导书 P36表 4-13查出，当步进电动机为三相六拍时，m a x 0 . 8 6 6qjMM 。 最大静力矩m a x 1 5 6 2 . 9 8 0 . 8 6 6 1 8 0 4 . 8jM N c m 。 按此最大静转矩从下表 3-3（由网址 /bujindianji/ 和 /Production/StepMotion/350/110.asp）查出，110BYG3503 型最大静转矩为 20Nm 。大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性。 如下表 3-3 所示。 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 3.5.3 计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率 m a x1000 1 0 0 0 4 . 0 6 6 6 6 . 7 1 6 0 06 0 6 0 0 . 0 1kpvf H z H z 1000 1 0 0 0 0 . 4 6 6 6 . 76 0 6 0 0 . 0 1se pvf H z 从上表 3-3 查出 110BYG3503 型步进电动机空载起动频率为1600Hz ，图 3-2（ /docc/product2.htm）查出运行频率为 15000Hz ，且根据下图 3-2）蓝色背景区所示可知 其运行距频特性 。 表 3-3 110BYG350 系列电机的技术参数 型 号 步距角 相数 电压 线电流 静转矩 空载起动频率 空载运行频率 转动惯量 机身长 单 位 度 V A N.m KHZ KHZ （ kg.cm2) （ mm) 110BYG3501 0.6 3 110-220 5 12 1600 =30 11 144 110BYG3502 0.6 3 110-220 5 16 1600 =30 15 182 110BYG3503 0.6 3 110-220 5 20 1600 =30 18 261 图 3-2 110BYG3503 型步进电动机矩频特性 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 计 算 及 说 明 结果 从图 3-2 看出，当步进电动机起动时，若 1600f Hz起，则18M N m，能满足此机床所要求的空载起动力矩 1 5 6 2 .9 8 N cm 可直接起动。 当快速运动和切削进给时，根据图 3-2，步进电动机运行矩频特性知，6 6 6 .7ef Hz 时， 18.3M N m左右，大于 m a x 1 8 0 4 . 8jM N c m，完全可以满足要求。 第 4 章 机械传动机构的调整和结构的简要说明 4.1 丝杠进给速度的调节 由于系统为开环系统，故采用脉冲信号的变化来控制步进电机的转速，进而通过齿 轮箱到丝杠轴，对大托板的纵向进给速度进行控制。 4.2 轴向的预紧力的调整及定位 由装配图可知，在丝杠轴的两端各装有一对锁紧螺母（预紧螺母），可有这对螺母对丝杠轴的轴向预紧进行调整，并起到定位作用。每组支承部件的另一端，即与锁紧螺母对应的那端采用端盖定位。在丝杠副的一端也采用端盖定位，另一端为锁紧螺母，既预紧又定位。 结论部分 经过计算、校核、设计，表明改造任务的初步设计合理，数据准确，现改造方案已设计成图纸 见装配图（图 01）和零件图（图 02）。 该改造设计相对普通车床来说，提高了自动化程度，加入了计 算机控制，操作、结构简单化，既能降低能耗，又能提高了工作效率。但是设计者由于能力有限，经验寒酸，时间紧迫，设计及图纸中难免有不妥甚至是重大错误，望老师和同学指正。 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 设计体会 课程设计是培养学生综合运用所学知识 ， 发现 、 提出 、 分析和解决实际问题 ， 锻炼实践能力的重要环节 ， 是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程 。 回顾起此次课程设计，我感慨颇多 。 在整整 三 星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是 总体来讲，效果还是很好的 ，不仅巩固了以前所学的知识， 还 学到了很多在书本上 无法 学到的知识。 整个 设计过程不能说是 困难重 重，难免会遇到过各种各样的问题， 和第一次课程设计相比，力不从心的感觉不再那么强烈 ， 但 在设计的过程中 还是 发现了自己 许多 不足之处， 使自己认识到 对以前所学知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说 螺钉的画法根本没有掌握，全篇的螺钉没有一个画对，箱体壁厚取值太小， 电机无法固定， 并出现设计太随意，尺寸随意取，以至于设计方案难以加工。 通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合 的重要性 ，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务 ， 从而提高自己的实际动手能力和独立 思考的能力。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。 这次课程设计终于顺利完成了， 虽然很累，但看到赵老师每天都来给我们指导，并且还带大四的毕业设计，又要忙评估的事情， 就又感觉到 累其实是 充实。 是 她让我学到了很多书本上无法学到的知识，在此 ，对她孜孜不倦的指导和和蔼可亲的态度表示崇高的敬意的真挚的感谢！ 同时，对给过我帮助的所有同学和 其他 指导老师表示忠心的感谢！ nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 参考文献 查阅的图书如下： 机电一体化系统设计课程设计指导书 赵洪兵主编，西安石油大学出版。 机电一体化 系统设计 朱 林 主编，石油工业出版社出版。 机械零件手册（第五版） 周开勤主编，高等教育出版社出版。 机床设计手册 机械工业出版社出版。 机床设计图册 机械工业出版社出版。 机械设计手册 机械工业出版社出版。 机械制图 （第五版）高等教育出版社出版。 机械设计 濮良贵、纪名刚主编，高等教育出版社出版 几何量公差与检测 甘永立主编，上海科学技术出版社出版。 查阅的网站如下： /Production/StepMotion/350/110.asp /SetpMotion.asp /docc/product.htm /products_8.htm /docc/product2.htm nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 1 - 目录 摘要及关键词 3 正文 4 前言部分 4 本论部分 5 第 1 章 绪论 5 1.1 机床机电一体化改造总体方案的设计 5 1.2 开环伺服进给系统机械部分设计 5 第 2 章 机床机电一体化改造总体方案的设计 6 2.1 课程设计任务书 6 2.2 总体方案设计 7 第 3 章 开环伺服进给系统机械部分设计 9 3.1 确定系统脉冲当量 9 3.2 计算切削力 9 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠） 9 3.4 齿轮传动比计算 14 3.5 步进电动机的计算和选型 14 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 2 - 第 4 章 机械传动机构的调整和结构的简要说明 19 4.1 丝杠进给速度的调节 19 4.2 轴向的预紧力的调整及定位 19 结论部分 19 设计体会 20 参考文献 21 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 3 - 摘要及关键词 【 摘要 】 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，很好地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。但从目前企业面临的情况看，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。我国作为机床大国，拥有大量的普通机床。因此，对普通机床数控化改造不失为一种较好的选择。 【 关键词 】 机电一体化 开环控制纵向进给系统设计 滚珠丝杠螺母副 步进电动机 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 4 - 正文 前言部分 计算机技术和先进制造技术的发展，推动了机械加工在各方面的变革和进步。典型的数控机床已成为现代加工器械的鲜明代表。考虑到企业的 生产效率和投入成本， 普通车床的数控化改造将是一个极为有意义的课题。 普通车床数控改造的设计是机电一体化系统课程设计的主要内容。作为机械设计制造及其自动化专业的学生，这次设计是本人在学习完“机电一体化系统设计”、“数控机床”等专业课程之后进行的一个重要的实践性教学环节。通过综合运用所学的机械、电子、自动控制、微机等知识，进行一次机电结合的全面训练，以培养独立分析问题，解决问题和 进行机电一体化系统初步设计的能力。此设计过程为期三个星期，在赵洪兵的指导下，本人将对普通车床进行开环控制纵向进给的改造。 由于学生水平有限，在设计乃至计算过程中难免会有一些错误，望各位老师及同学指点赐教。不胜感激。 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 5 - 计 算 及 说 明 结果 本论部分 第 1 章 绪论 1.1 机床机电一体化改造总体方案的设计 1.1.1 课程设计任务书 （ 1） 题目 （ 2） 原始数据 （ 3） 主要技术参数 （ 4） 课程设计的内容及要求 1.1.2 总体方案设计 （ 1） 系统的运动方式的确定 （ 2） 伺服系统的选 择 （ 3） 执行机构传动方式的确定 （ 4） 数控系统的选择 1.2 开环伺服进给系统机械部分设计 1.2.1 确定系统脉冲当量 1.2.2 计算切削力 1.2.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠） （ 1） 计算进给牵引力m()FN（ 2） 计算最大动负载 C （ 3） 滚珠丝杠螺母副的选型 （ 4） 传动效率计算 （ 5） 刚度计算 （ 6） 稳定性校核 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 6 - 计 算 及 说 明 结果 1.2.4 齿轮传动比计 算 1.2.5 步进电动机的计算和选型 （ 1） 等效转动惯量的计算 （ 2） 电机力矩计算 （ 3） 计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率 1.2.6 设计绘制伺服进给系统机械装配图 第 2 章 机床机电一体化改造总体方案的设计 2.1 课程设计任务书 2.1.1 题目： 普通车床的机电一体化改造 开环控制纵向进给系统设计 2.1.2 原始数据： 最大共建回转直径：在床身上 D=400 毫米在床鞍上 D=210 毫米 最大工件长度 1000 毫米 主电动机功率 7.5 千瓦；转速 1450 转 /分 2.1.3 主要技术参数（均为纵向）： 最大进给速度 1.0 米 /分 最大快移速度 4 米 /分 起动加速时间 30 毫秒 移动部件重量 80 公斤 机床定位精度 0.015 毫米 2.1.4 课程设计的内容及要求： 对 CA6140 型普通车床纵向进给系统进行数控改造，主要设计内容及要求如下： （ 1）采用开环控制，选择合适的数控系统并确定伺服传动系统方案； （ 2）设计改造后数控车床纵向伺服进给 系统原理框图； nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 7 - 计 算 及 说 明 结果 （ 3）设计绘制改造后数控车床纵向伺服进给系统装配图（ 0 号图纸一张）； （ 4）设计绘制主要零件图一张（由指导老师制定）； （ 5）撰写设计计算说明书一份，正文字数不少于 0.8 万字，设计说明书应包含如下内容： 设计任务书；目录；摘要及关键词；前言；正文：包括方案设计与比较论证、理论分析计算、主要机构设计说明与简图等；小结；参考文献。 设计说明书语言要流畅，书写要工整，一律使用钢笔书写。 2.2 总体方案设计 2.2.1 系统的运动方式的确定 由于改造后的经济型 数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。 2.2.2 伺服系统的选择 应任务书的要求，采用步进电机开环控制系统。 2.2.3 执行机构传动方式的确定 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，若直接将电机与滚珠丝杠联必会引起丝杠温度过高即磨损加剧使其寿命降低。故在其两者之间加一消隙齿轮箱，一使丝杠速度降低，二则消除系统传动中的间隙，提高传动精度，并有效减少反向运动死区现象，消隙齿轮箱与丝杠可采用联轴器形式连接，这样便 确定了如下图 2-1 所示的传动方案。 图 2-1 执行机构传动方案 电机 消隙齿轮箱 滚 珠丝杠螺母副 工作台 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 8 - 计 算 及 说 明 结果 2.2.4 数控系统的选择 根据机床要求，本着经济耐用的原则，确定采用 8 位机。 MCS51 系列单片机主要有三种型号的产品： 8031、 8051 和 8751。由于MCS 51 系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，故对于简单的应用场合， MCS 51 系统的最小系统用一片 8031 外扩一片 EPROM 就能满足开环控制的要求。 8031 单片机内含 4kb EEPROM程序存储器，具有功耗低、抗干扰能力强的特点，数据存储器WM0016DRH 是一种多功能非易失性 SRAM， 8031 单片机高速高抗干扰自保持，不怕掉电，上下电百万次数据无丢失，断电保护 10 年有效，既可高速连续读写，也可任意地址单字节操作，无需拼凑页面，随机读写不需等待，立即有效，输入输出 TTL/CMOS 兼容，上电复位输出，掉电保护，内置看门狗，电源监测，不用外加电路和电池，且引脚与标准 SRAM 兼容。 8031 单片机价格低，使用灵活，其特点具具体如下： （ 1）具有功能很强的 8 位中央处理单元（ CPU）； （ 2）片内有时钟发生电路（ 6MH 或 12MH）； （ 3）片内具有 128 字节的 RAM； （ 4）具有 21 个特殊寄存器。 （ 5）可扩展 64K 字节的外部数据存储器和 64K 字节的外部程序存储器； （ 6）具有 4 个 I/O 口， 32 根 I/O 线； （ 7）具有 2 个 16 位定时器 /计数器； （ 8）具有 5 个中断源，配备 2 个中断优先级； （ 9）具有一个全双功串行接口； （ 10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。 从上述特性可看出这种 8031 芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。故应选用 8031 单片机。 选用 8031单片机 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 9 - 计 算 及 说 明 结果 第 3 章 开环伺服进给系统机械部分设计 3.1 确定系统脉冲当量 根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向： 0.01mm/步，横向0.005mm/步。 3.2 计算切削力 确定切削力（纵车外圆）： 主切削力 ()ZFN按经验公式估算： 1 . 5 1 . 5m a x0 . 6 7 0 . 6 7 4 0 0 5 3 6 0ZF D N 按切削力各分力比例：zy: : 1 : 0 . 2 5 : 0 . 4xF F F 取： 5 3 6 0 0 . 2 5 1 3 4 0xFN y 5 3 6 0 0 . 4 2 1 4 4 3.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠） 3.3.1 计算进给牵引力m()FN纵向进给为综合型导轨 m ( ) ( )xzF N K F f F G 1 . 1 5 1 3 4 0 0 . 1 6 ( 5 3 6 0 8 0 0 ) 2 5 3 0 N 式中 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取 1.15K ； f 滑动导轨摩擦系数： 0.15 0.18: G 溜板及刀架重力： g 8 0 1 0 8 0 0N kgG m k g N 3.3.2 计算最大动负载 C 3C= wmL f F 5360ZFN nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 10 - 计 算 及 说 明 结果 66010nTL 01000svnL式中0L 滚珠丝杠导程，初选0 6L mm； sv 最大切削力下的进给速度，可取最大进给速度的（ 1123: ），此处取 1 . 0 m i n 0 . 5 0 . 5 m i nsv r r ； T 使用寿命，按 15000h； wf 运转系数，按一般运转取 1.2 1.5wf :； L 寿命，以 610 转为 1 单位。 01000 1 0 0 0 0 . 5 8 3 . 3 m i n6svnrL 666 0 6 0 8 8 . 3 1 5 0 0 0 7 5 . 01 0 1 0nTL 3 3 7 5 . 0 1 . 2 2 5 3 0 1 2 8 0 1 . 6wmC L f F N 3.3.3 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅附录 A 表 A-2，可采用1W 4006L外循环螺纹调整浴巾的双螺母滚珠丝杠副， 1 列 2.5 圈，其额定动负载为 164000N，进度等级按表 4-6 选为 3 级（大致相当于老标准 E 级）。 3.3.4 传动效率计算 ta nta n ( ) 式中 螺旋升角，1W 4006L， 2 44 o 摩擦角，取 10 ，滚动摩擦系数 0.003 0.004: 12801.6CN nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 11 - 计 算 及 说 明 结果 t a n t a n 2 4 4 0 . 9 4t a n ( ) t a n ( 2 4 4 1 0 ) oo3.3.5 刚度计算 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图 3-1 所示。最大牵引力为 2530N，支承间距 1500L mm ，丝杠螺母 及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 13。 图 3-1 纵向进给系统计算简图 （ 1）丝杠的拉伸或压缩变形量1查课程设计指导书 P17，图 4-2，根据 2 5 3 0 , 4 0mF N D m m，查出 50 1 .2 1 0L L ，可算出 52101 5 0 0 1 . 2 1 0 1 5 0 0 1 . 8 1 0L mmL 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了 预拉伸，故其拉压刚度可以提高 4 倍。其实际变形量1 ( )mm为： 2111 0 . 4 5 1 04 （ 2） 滚珠与螺纹滚道间接触变形2查课程设计指导书 P18 图 4-3， W 系列 2.5 圈滚珠和螺纹滚道接触变形量2 =6.4 m，因进行预紧，2211 = 6 . 4 = 3 . 222 m 。 0.94 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 12 - 计 算 及 说 明 结果 （ 3）支承滚珠 丝杠轴承的轴向接触变形3采用 51107（旧代号为 8107）型推力球轴承，1 35d mm，滚动体直径 6 .3 5Qd mm，滚动体数量 z=18。 3 32 23 222530 . 0 0 2 4 0 . 0 0 2 46 . 3 5 1 8mQFdZ 0.0075mm 注：此公式中的mF单位应为 kgf。 因施加预紧力，故 3311 0 . 0 0 7 5 0 . 0 0 3 822 mm 据以上计算： 1 2 3 0 . 0 0 4 5 0 . 0 0 3 2 0 . 0 0 3 8 0 . 0 1 1 5 mm 定 位 精 度3.3.6 稳定性校核 滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，不需要作稳定性校核。 3.3.7 纵向滚珠丝杠副的几何参数，如下表 3-1。 0.0115mm nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 13 - 表 3-1 1W 4006L滚珠丝杠的几何参数 名称 符号 参 数 螺 纹 滚 道 公称直径 0d 40 导 程 0L 6 接触角 244o 钢球直径 (mm) qd 3.969 滚道法面半径 R 0.52qRd2.064 偏心距 e 2 s i nqdeR （ ） 0.056 螺纹升角 00t a nLa c t d （ ） 244o 螺 杆 螺杆外径 d 0 ( 0 . 2 0 . 2 5 ) qd d d : 39 螺杆内径 1d 1022d d e R 35.984 螺杆接触直径 zd 0 c o szqd d d 36.0355 螺 母 螺母螺纹直径 D 0 22D d e R 44.016 螺母内径 1D 10 ( 0 . 2 0 . 2 5 ) qD d d : 40.7938 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 14 - 计 算 及 说 明 结果 3.4 齿轮传动比计算 已取得纵向进给脉冲当量 0.01p ，滚珠丝杠导程0 6L mm，初选步进电动机步距角 0.6o 。可计算出传动比 i 可选定齿轮齿数为： 123636zi z 故，取1236zz，模数 m 取 2.5。有关参数表 3-2。 表 3-2 传动齿轮的几何参数 齿 轮 编 号 1z 2z 3z 齿数 32 32 24 分度圆 d mz 80 80 60 齿顶圆 2ad d m 85 85 60 齿根圆 2 1 . 2 5fd d m 73.75 73.75 53.75 齿宽 6 10 m: 20 20 15 中心距 122A d d 80 70 3.5 步进电动机的计算和选型 3.5.1 等效转动惯量计算 计算简图见图 3-1，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量2()J kg cm 可由下式计算： 22 01122( ) ( ) ( ) 2MS LZ GJ J J J JZg 1i nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 15 - 计 算 及 说 明 结果 式中 J 步进电机转子转 动惯量 2()kg cm 1J、2J 齿轮1Z、2Z的转动惯量 2()kg cm SJ 滚珠丝杠转动惯量 2()kg cm 。 参考同类型机床，初选反应式步进电机 110 3503BYG ，其转子惯量218MJ kg cm 3 4 3 41 2 1 10 . 7 8 1 0 0 . 7 8 1 0 8 2J J d L 26 .3 9 0 kg cm 3 4 20 . 7 8 1 0 4 1 5 0 2 9 . 9 5 2SJ k g c m 800GN 式中1d、2d 齿轮1Z、2Z的分度圆直径； 2L、2L 齿轮1Z、2Z的齿宽。 代入上式： 2 201122 ( ) 2MS LZ GJ J J J JZg 223 2 8 0 0 0 . 61 8 6 . 3 9 0 ( 6 . 3 9 0 2 9 . 9 5 2 ) 3 2 9 . 8 2 26 1 .4 7 7 kg cm 考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 24 3 . 4 7 7MJ J J k g c m 4 3 . 4 7 7 2 . 4 1 5 318MJJ 基本满足惯量匹配的要求。 2.415MJJ nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 16 - 计 算 及 说 明 结果 3.5.2 电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算： （ 1）快速空载起动力矩 M起在快速空载起动阶段加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下： 0fM M M M a max起22m a x m a x2 1 01060 602 aannM J J Jtt a max将前面的数据带入，式中各符号意义同前。 m a xm a x 4 0 0 0 0 . 6 6 6 6 . 7 m i n3 6 0 0 . 0 1 3 6 0bpvnr 。 起动加速时间 30at ms2 2m a x2 1 0 2 6 6 6 . 7 1 06 1 . 4 7 76 0 6 0 0 . 0 3anMJt a max1 4 2 9 .9 8 N cm 折算到电机轴上的摩擦力矩fM： 0002122 Zff F G LFLMi z z 0 . 1 6 5 3 6 0 8 0 0 0 . 6 1 1 7 . 72 0 . 8 1 N c m 附加摩擦力矩0M： 10 22030 0 0211122po mFL FLM i z z 1 23 2 5 3 0 6 1 0 . 92 0 . 8 1 . 2 5 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 17 - 计 算 及 说 明 结果 8 0 . 5 0 . 1 9 1 5 . 3 Nm 上述三项合计： 0fM M M M a max起1 4 2 9 . 9 8 1 1 7 . 7 1 5 . 3 1 5 6 2 . 9 8 N c m （ 2）快速移动时所需力矩 M快0 1 1 7 . 7 1 5 . 3 1 3 3fM M M N c m 快（ 3）最大切削负载时所需力矩 M切000 2 xf t f FLM M M M M M i 切1 3 4 0 0 . 61 1 7 . 7 1 5 . 32 0 . 8 1 1 1 7 . 7 1 5 . 3 1 6 0 . 0 3 2 9 3 . 0 3 N c m 从上面计算可以看出， M起、 M快和 M切三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，此项作为初选步进电动机的依据 。 从课程设计指导书 P36表 4-13查出，当步进电动机为三相六拍时，m a x 0 . 8 6 6qjMM 。 最大静力矩m a x 1 5 6 2 . 9 8 0 . 8 6 6 1 8 0 4 . 8jM N c m 。 按此最大静转矩从下表 3-3（由网址 /bujindianji/ 和 /Production/StepMotion/350/110.asp）查出，110BYG3503 型最大静转矩为 20Nm 。 大于所需最大静转矩，可作为初选型号，但还必须进一步校核步进电动机起动矩频特性和运行矩频特性。 如下表 3-3 所示。 nts 机电一体化课程设计 开环控制纵向进给系统设计计算说明书 - 18 - 计 算 及 说 明 结果 3.5.3 计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率 m a x1000 1 0 0 0 4 . 0 6 6 6 6 . 7 1 6 0 06 0 6 0 0 . 0 1kpvf H z H z 1000 1 0 0 0 0 . 4 6 6 6 . 76 0 6 0 0 . 0 1se pvf H z 从上表 3-3 查出 110BYG3503 型步进电动机空载起动频率为1600Hz ，
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