两轴实验型数控铣床系统设计【机械毕业设计含5张CAD图+说明书论文2.4万字58页，开题报告，任务书】
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实验
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数控
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系统
设计
机械
毕业设计
cad
说明书
仿单
论文
58
开题
报告
讲演
呈文
任务书
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!【包含文件如下】【机械设计类】CAD图纸+word设计说明书.doc[24000字，58页]【需要咨询购买全套设计请加QQ97666224】.bat
任务书.doc
大齿轮.dwg
开题报告.doc
设计说明书.doc[24000字，58页]
横梁.dwg
电路.dwg
装配图.dwg
进给系统(A1).dwg
摘 要
论文介绍了两轴实验型数控系统的设计。通过对各种实验型设备的调研，了解到现阶段我国用于实验型设备的数控系统设备的台套种类、数量与学生规模反差较大的现况，设备落后，加之由于各种客观和主观的原因，全国大专院校机电类学生工程实践能力普遍较差，其动手能力与理论更是难结合在一起，严重影响到实训、培训效果。
主要内容是：⑴本设计对已有的设备进行分析，结合实际教学要求，进行各零部件的设计计算，并最终进行校核。该设备可主要应用于高校及职业技术学校中相关专业的数控教学，它具有体积小、价格低、功能完善、安全系数高、性能优越等系列优点；⑵在设计过程中，同时进行了电器方面的改进，主要应用PLC进行控制，引入了数控部分，采用步进电动机，齿轮变速机构，安装了变频器、步进驱动器等设备。通过弱电控制强电，计算机数字化控制电路，并成功地实现了工作要求，使其具有能控制各进给方向电动机启停、正反转、变频调速、两轴联动等功能。在机械部分设计过程中，尽量考虑节约成本和可互换性，在保证X、Y进给选用相同的步进电机、滚珠丝杠等零部件。
关键词：数控铣床，两坐标，实验型
目 录
第1章 绪 论 1
1.1 课题的背景 1
1.2 课题的意义 2
第2章 两轴实验型数控系统的总体设计 3
2.1 数控系统总体方案的设计 3
2.2 两轴实验型数控系统的方案拟定 3
2.3 方案的比较与选择 4
2.4 两轴实验型数控系统的方案拟定 4
第3章 机械部件的计算和选择 6
3.1 切削力的计算 6
3.2 机械构件的选择 8
3.2.1 电动机的选择 8
3.3 丝杠的选择 12
3.3.1 轴承的选择 18
3.3.2 导轨的选择 19
3.3.3 联轴器的选择 21
3.3.4 传动装置的选择 22
3.4 Y轴进给系统设计实例 23
第4章 控制系统 28
4.1 步进电机驱动器的选择 28
4.2 变频器的选择 32
4.2.1 外部结构 32
4.2.2 运行方式 33
4.3 定位模块的选择 34
4.4 其它辅助电路的选择 34
4.4.1 越程报警电路 34
4.4.2 掉电保护电路 34
第5章 结 论 36
参考文献 37
致 谢 38
附录I 39
附录Ⅱ 40
- 内容简介：
-
辽宁工业大学 毕 业 设 计 （ 论 文 ） 任务 书 题目 两轴实验型数控铣床系统设计 机械工程 与 自动化学 院 院 机械设计 制造 及其自动化 专业 机电 063班 学生姓 名 吴 硕 学 号 060101081 指导教师 (签字 ) 设计 (论文 )工作 自 2010年 3月 2日至 2010年 6 月 26 日 发任务书日期： 2010年 3月 2日 任务书填写要求 1毕业设计（论文）任务书由指导教师根据各课题的具体情况填写，经教研室负责人审查、院（系）领导签字后生效。此任务书应在毕业设计（论文）开始前一周内填好并发给学生； 2 任务书内容必须用黑墨水笔工整书写或按教务处统一设计的电子文档标准格式（可从教务处网址上下载）打印，不得随便涂改或潦草书写，禁止打印在其它纸上后剪贴； 3 任务书内填写的内容，必须和学生毕业设计（论文）完成的情况相一致，若有变更，应当经过所在专业及院（系）分管领导审批后方可重新填写； 4 任务书内有关“院（系）”、“专业”等名称的填写，应写中文 全称，不能写数字代码。学生的“学号”要写全号，不能只写最后 2 位或1 位数字； 5 任务书内“主要参考文献”的填写，应按照国标 714 87文后参考文献著录规则的要求书写，不能有随意性； 6 有关年月日等日期的填写，应当按照国标 7408 94数据元和交换格式、信息交换、日期和时间表示法规定的要求，一律用阿拉伯数字书写。如“ 2004 年 4 月 2 日”或“ 2004 1 1、本毕业设计（论文）课题应达到的目的： 本毕业设计的题目为 两轴实验型数控铣床系统设计 ，设计过程中所涉及的内容有 机械制造 和电器控制 两 个方面的知识，通过本次毕业设计将使学生受到一次机电液一体化产品开发和设计能力的锻炼， 希望通过本次设计能够使其将大学所学的基础知识与专业知识结合起来，真正应用到实际中去，从而 提高学生的知识运用能力和解决工程实际问题的能力。 2、本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求： 要求该生 对已有的设备进行分析，结合实际教学要求， 设计一 个 能 够 实现两轴联动的实验型数控铣床，工件的 最大加工长度 180大加工宽度 180选用步进电机，脉冲当量为 2mm/ 该生主要完成 1） 试验型微型数控铣床 机械 结构 设计； 2）传动系统设计； 3）控制系统的设计等设计任务 。 工作量： 1） 两轴实验型数控铣床 总 图 1 张 0# 2） 进给系统 部装 图 1 张 1# 3）零件图 2 张 2# 4） 电 路 控制系统原理图 1 张 1# 5） 程序流程图及程序 1 张 1# 6） 撰写 15000 字毕业设计（论文）一份； 7） 完成不少于 2000 个单词的外文资料翻译的译文一份。 2 3、主要参考文献： 1、有关 机械 结构 设计、制造及工艺方面的 参考资料 2、传动系统设计、计算、选件等参考资料 3、 关于 制方面的参考资料 4、毕业设计（论文）的实习（调研）基本要求： 1） 辽宁石化职业技术学院实习培训基地 了解 铣床 的工作过程及设备 的组成 ； 2）辽宁工业大学机械学院机电控制实验室 了解 可编程控制器的 控制原理； 运行所编写的程序 。 3 5、毕业设计（论文）课题进度计划： 起讫日期 工 作 内 容 第 1 周 第 2 周 第 3 周 第 4、 5、 6 周 第 7、 8、 9 周 第 10 周 第 11、 12 周 第 13 周 第 14 周 第 15、 16 周 第 17 周 校内实习并 借阅各种 参考 资料 辽宁石化职业技术学院实习培训基地 整理毕业实习手册、论证和确定总体方案、撰写开题报告； 绘制机械结构草图并进行设计计算 绘制正式机械结构图及零件图 绘制 控制系统程序流程图 控制系统硬件电路设计 控制系统软件编程 程序调试 撰写 15000 字毕业设计论文 打印输出毕业设计资料，准备毕业答辩 教研室审查意见： 教研室主任签字： 年 月 日 院（系）意见： 院 (系 )负责人签字： 年 月 日 辽宁工业大学 毕业设计（论文） 开题报告 题目 两轴实验型数控铣床系统设计 机械工程与自动化学院 院 机械设计制造及其自动化 专业 机电 063 班 学生姓名 吴 硕 学 号 060101081 指导教师 潘 静 开题日期： 2010 年 3 月 18 日 开 题 报 告 1 题目来源及实际应用意义 经过在辽宁石化职业技术学院实习培 训 基地 的 实 习，初步了解了数控铣床的基本结构和功能。选择毕业设计题目为两轴实验型数控铣床系统设计。 现阶段我国 处 于实验型设备的数控系统设备的台套种类、数量与学生规模反差较大的现况，设备落后，加之由于各种客观和主观的原因，全国大 部分 院校机电类学生工程实践能力普遍较差，其动手能力与理论更是难结合在一起，严重影响到实训、培训效果。 通过对实验型两轴数控系统的设计，要求学生能够综合运用所学过的数控技术、微机原理与接口技术、软件程序设计、工艺等知识，掌握数控机床机械结构设计计算及控制系统的设计开发过程。重点掌握步进电机 驱动、控制系统的设计开发过程，机床工作台及其相应的夹具及机床配件设计。为毕业后从事机械电子设备的研制和使用打下良好的基础。 2、 题目主要内容及预期达到的目标 毕业设计的主要内容： 本设计对已有的设备进行分析，结合实际教学要求，进行各零部件的设计计算，并最终进行校核。在设计过程中，控制部分主要应用 行控制，引入了数控部分，采用步进电动机，安装了变频器、步进驱动器等设备 。 预期达到目标： 该设备可主 要应用于高校及职业技术学校中相关专业的数控教学，它具有体积小、价格低、功能完善、安全系数高、性能优越等系列优点 。 3、方法及手段 两轴实验型数控系统主要包括 两部分：机械结构的 设计和控制系统 的 设计，总体示意图如图 1： （注）开题报告要点： 1、毕业设计（论文）题目的来源，理论或实际应用意义。 2、题目主要内容及预期达到的目标。3、拟采用哪些方法及手段。 4、完成题目所需要的实验或实习条件。 5、完成题目的工作计划等。 （开题报告不够用时可另附同格式 ） 1 开 题 报 告 图 1 总体示意图 2 开 题 报 告 1）机械部分： 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： 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。 2）控制系统： 主要应用 行控制，引入了数控部分， 通过弱电控制强电，计算机数字化控制电路，并成功地实现了工作要求，使其具有能控制各进给方向电动机启停、正反转、变频调速、两轴联动等功能。 控制系统原理图如图 2： 图 2 控制系统原理图 3 开 题 报 告 4、完成题目所需要的实验和实习条件 程实验； 4 开 题 报 告 毕业设计（论文）课题进度计划： 起讫日期 工 作 内 容 第一周第三周 实习、调研、收集资料、整理资料 原理方案设计，整理开题报告，开题 第四周第九周 机械结构计算与设计 第十周第十三周 控制部分设计、机械系统原理图、控制硬件电路 第十四周、十五周 写论文等文字材料 第十六周、第十七周 准备答辩 5 查阅资料、文献目录 1 孙志礼 第一版 东北大学出版社 ,2 张键民 第二版 高等教育出版社 ,3 王伯平 北京 :机械工业出版社 ,4 钟肇新 华南理工大学出版社， 1999 5 熊良山 ,严晓光 ,张福润 武汉 :华中科技大学出版社 ,2000 6 杨黎明 京：国防工业出版社， 1997 7 潘存强 开放 式数控系统，宝钢技术， 2002 6 指导教师意见： (对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计结果的预测 ) 指导教师签字： 年 月 日 教研室意见： 教研室主任签字： 年 月 日 7 开 题 须 知 一、学生要认真填写开题报告。在毕业设计（论文）答辩时学生须向答辩委员会（或答辩小组）提交开题报告，作为答辩评分的参考材料，没有开题报告不能参加答辩。如果丢失要及时办理补交手续。学生毕业后，开题报告与学生毕业设计（论文 ）一并存档备案。 二、毕业设计（论文）题目一经确定，指导教师要给学生下达毕业设计（论文）任务书，学生根据任务书的要求进行开题，一般安排在毕业设计（论文）正式开始的第二周至第三周进行。 三、开题报告的审查由各专业教研室主持，每个学生的报告时间为 10 15 分钟。开题通过后学生才能正式获得毕业设计（论文）的资格。 四、学生要充分理解毕业设计（论文）题目的内容和要求，在指导教师的指导下制定切实可行的工作计划，并且要具备进行毕业设计（论文）所要求的实验或实习（调研）条件。 五、学生要按照指导教师所下达 的毕业设计（论文）任务书的要求，认真进行文献资料的检索、搜集和查阅，并做好记录。 六、开题审查不合格的学生，必须在一周内重新进行开题。 本科生毕业设计（论文） I 摘 要 论文介绍了两轴实验型数控系统的设计。通过对各种实验型设备的调研，了解到现阶段我国用于实验型设备的数控系统设备的台套种类、数量与学生规模反差较大的现况， 设备落后， 加之由于各种客观和主观的原因，全国大专院校机电类学生工程实践能力普遍较差，其动手能力与理论更是难结合在一起，严重影响到实训、培训效果。 主要 内容 是： 本设计 对已有的设备进行分析，结合实际教学要求，进行各零部件的设计计算，并最终进行校核。该设备可主要应用于高校及职业技术学校中相关专业的数控教学，它具有体积小、价格低、功能完善、安全系数高、性能优 越等系列优点；在设计过程中，同时进行了电器方面的改进，主要应用 行控制，引入了数控部分，采用步进电动机，齿轮变速机构，安装了变频器、步进驱动器等设备。通过弱电控制强电，计算机数字化控制电路，并成功地实现了工作要求，使其具有能控制各进给方向电动机启停、正反转、变频调速、两轴联动等功能。在机械部分设计过程中，尽量考虑节约成本和可互换性，在保证 X、 Y 进给选用相同的步进电机、滚珠丝杠等零部件。 关键词： 数控铣床，两坐标，实验型 本科生毕业设计（论文） on of a of s up As as in of , by of to in Do of of of It is as is of In do by to on to be so it to so on In 本科生毕业设计（论文） ey 本科生毕业设计（论文） 录 第 1 章 绪 论 . 1 题的背景 . 1 题的意义 . 2 第 2 章 两轴实验型数控系统的总体设计 . 3 控系统总体方案的设计 . 3 轴实验型数控系统的方案拟定 . 3 案的比较与选择 . 4 轴实验型数控系统的方案拟定 . 4 第 3 章 机械部件的计算和选择 . 6 削力的计算 . 6 械构件的选择 . 8 动机的选择 . 8 杠的选择 . 12 承的选择 . 18 轨的选择 . 19 轴器的选择 . 21 动装置的选择 . 22 轴进给系统设计实例 . 23 第 4 章 控制系统 . 28 进电机驱动器的选择 . 28 频器的选择 . 32 部结构 . 32 行方式 . 33 位模块的选择 . 34 它辅助电路的选择 . 34 程报警电路 . 34 电保护电路 . 34 第 5 章 结 论 . 36 参考文献 . 37 致 谢 . 38 附录 I . 39 附录 . 40 本科生毕业设计（论文） 1 第 1章 绪 论 课题的背景 我国 床的消费量在全世界仅次于美国和日本，居第三位。我国机床工业已基本形成门类较齐全的生产科研体系，数控机床是现代基础机械代表产品。 床是机床制造技术、微电子和计算机技术三者相结合的产物。床的性能水平主要取决 与 统的先进性。近年来，随着国外高档床产品的进 口和国外 术的引进，我国的 床生产取得了长足的进步。 进 入 21 世纪 ,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机 ,也遭遇到加入 激烈的市场竞争的压力。从技术层面上来讲 ,加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越 的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、 敏捷 而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。 在发达国家，数控机床已经大量普遍使用。我国制造业机床数控化率不到 2%，而且，对现有的为数不多的数控机床也未能充分利用。原因是多方面的，数控人才的匮乏是其主要原因之一。尤其迫切需要大量的从研究开发到使用维修的各个层次的技术人才。 我国经济快速发展。逐步成为世界制造中心 进入新的世纪以 后，随着我国综合国力的进一步增强和加人世界贸易组织 我国经济全面与国际接轨，并正在成为全球制造业的中心，大批跨国企业抢滩登陆在国内高起 本科生毕业设计（论文） 2 点设厂、将生产加工向中国转移；国内制造企业更是背水一战。大举通过信息化、广泛应用现代制造技术积极参与国际竞争，我国制造业进入了一个空前蓬勃发展的新时期，这必然对掌握现代信息化制造技术的技术人才、特别是对大量的一线技术工人形成了巨大需求。 近年来，由于受数控人才需求的拉动 。有的学校实训基地以普通加工设备配进口数控系统为主有的学校以 教学型数控设备为主。总的情况是，数控设备的台套种类，数量与学生规模反差较大。 用于教学实验的设备更是落后， 加之由于各种客观和主观的原因，全国大专院校机电类学生工程实践能力普遍较差，其学习和研究工作偏向计算机化、软件化，动手能力与理论更是难结合在一起。 严重影响实训、培训效果。 课题的意义 本产品立足于设计一台能够满足各大高等院校对教学用机电一体化实验系统的需求，用于学生实验所需的数控铣床。主要用于装备高等院校，中等技术专业学校及各类技术学校的机电一体化实验室设备，可用于数控机床，数控编程，数控原理等专业课程的 教学实验与培训。 本科生毕业设计（论文） 3 第 2章 两轴实验型数控系统的总体设计 数控系统 总体方案的设计 主要包括以下几个方面 ： （ 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，最后画出机床的运动功能图。 （ 2） 基本参数设计 。包括尺寸参数、运动参数和动力参数设计。 （ 3） 传动系统设计 。包括传动方式、传动原理图及传动系统图设计。 （ 4） 总体结构布局设计 。包括运动功能分配、总体布局机构形式及总体结构方案图设计。 （ 5） 控制系统设计 。包括控制方式及控制原理、控制系统图设 计。 根据前面所提到的数控机床应满足的基本要求就可以进行总体设计 。在各项基本要求中以工艺要求最为重要。由工艺要求决定机床所需要的运动。完成每个运动又有相应的功能部件。这就可以确定各部件的相对运动和相对位置关系。机床的总体布局也就可以大体确定下来。 因此，总体方案设计是一项全局性的设计工作，直接影响机床产品的结构、性能、工艺和成本，关系到产品的技术水平和市场竞争能力。 两轴实验型数控系统的方案拟定 对教学试验型微型数控铣床的设计，一方面，要求其功能完善、结构开放，具有与一般生产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，有利于此类铣床的普及推广。所以本课题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。 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； 本科生毕业设计（论文） 4 减速箱采用圆注齿轮变速，这种方案可以通过增加减速箱，达到： 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，对滚珠丝杠进行一端支撑。 该设计结构简单。 方案的比较 与选择 方案一、 由于切削石蜡 、塑料等材料，根据计算切削力较小，选用步进电机，脉冲当量为 2mm/用减速向变速，传动比选用 过计算可以提高脉冲当量为 滚珠丝杠采用两端支撑，可以提高滚珠丝杠的刚度，提高滚珠丝杠寿命。 方案二、直接采用套同式联轴器联接电动机轴和滚珠丝杠，精度不高，电机功率太小， 直接带动滚珠丝杠在长时间工作时 ，对步进电机损耗较大。采用一端支撑，会导致滚珠丝杠产生挠度，影响滚珠丝杠的刚度，从而影响其寿命。 根据实际工作要求 ，考虑其工作寿命，最终选择地一种方案： 采用减速箱，并对滚珠丝杠采用两端支撑。 两轴实验型数控系统的方案拟定 教学试验型微型数控铣床的总体长为 300为 180为 400作台宽度 180 180可以实现 X 轴、 Y 轴和 Z 轴三坐标联动。 X 轴、Y 轴的进给是通过电机带动丝杠，丝杠又与螺母传动来实现。电机与丝杠的连接可以通过销钉来达到。在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做水平移动，从而带动工作台运动。 Z 轴的进给也是通过电机带动丝杠，丝杠又与 Z 轴螺母传动来实现。主轴套与 Z 轴螺母相连，在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动， 螺母沿导轨做上下移动，从而带动主轴做上下运动。 本科生毕业设计（论文） 5 控制系统部分：通过采用三菱公司的 反转、两轴联动和变频调速的控制，从而实现加工过程的自动控制。其中重点是确定硬件电路的总体方案和软件设计，主要有：存储器扩展电路设计，输入输出接口电路设计，步进电机接口和驱动电路（光电隔离电路，功率放大电路），其他辅助电路（时钟电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等等），流程图的绘制和程序的书写。 由此，可以大体画出整体结构的系统方案图图 2 图 2体框图 口电路 驱动电路 键盘输入 数据显示 传动机 构 工作台 本科生毕业设计（论文） 6 第 3章 机械部件的计算和选择 削力的计算 该实验型数控实训设备 ，主要用来模拟加工，工件材料是石蜡或塑料， X、Y 向形成均为 200据查阅机床设计手册，因没有石蜡和塑料的铣削公式，所以在查阅手册时，以图表中最软的材料为依据进行参数的选择。 Z 轴 铣削工作时铣削力的计算 ： 现以刀具材料为高速钢，工作材料为碳钢进行计算。 1. 最大铣削直径 4实用机床手册 （ 3 1） 其中 （ b /400 (10(15902 高速钢铣刀 150 ,前角系数 偏角 750 8mm 取 4数 Z=4 6mm 642 4 6 4 773N V= d0 n/1000=2 400/1000= 0000=电动机时按铣削计算。 本科生毕业设计（论文） 7 因为铣削最大的切削力为： 642 4 10 4 = 10 1590/1000=s 0000=以选电动机为号： 4 型 2. X、 Y 轴铣削工作时铣削力的计算 其中主转动中主轴功率 动机的额定功率 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。 主转动功率包括切削功 率 空载功率 N 0m ，附加功率 部分，即： N= N 0m + 一般轻载高速的中、小型机床中， N 0m =2故总功率为： N= 0 +（ 1 2，再进给传动中切削功率： K 2， 削时主轴上的扭短为： 974000 n 则主轴上最大扭矩为 ： 74000 97=883（ 铣 刀的最大直径为： 10切削力 883/1=880N。铣削加工时主切削力 铣削进给抗力 间的值由机床设计手册查得 直部分 力 币值为 本科生毕业设计（论文） 8 机械构件的选择 动机的选择 应用中的注意点 步进电机应用于低速场合 000 转，（ 时 6666最好在 1000）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： 57用直流2486用直流 50V,110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 600）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。 本科生毕业设计（论文） 9 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 /（五相电机）、 （二、四相电机）、 /3 度 （三相电机）等。选用 。 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内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。 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示： 图 3择电机的步骤 本科生毕业设计（论文） 10 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 =2 n/60 P=2 0 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=200(半步工作 ) 其中 f 为每秒脉冲数 （简称 。 （ 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 本科生毕业设计（论文） 11 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。 脉冲当量应根据系统精度要求来确定，一般取为 取得太大，无法满足系统精度要求，如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态性能提出过高要求，使经济性降低。所以根据数控钻铣床的精度要求，步进电动机脉冲当量： p =角距 b =。由于无减速装置，所以由 p = b /3600 知，滚珠丝杠螺距，即基本导程 4般来讲，反应式步进电机步 距角较小，运行频率高，价格较低，但功耗较大，永磁式步进电机功耗较小，断电后仍有制动力矩，但步距角较大，启动和运行频率较低，混合式步进电机由上述两种电机的优点，但价格较高。 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 1. 步进电机转轴上启动力矩的计算 铣削时： p=36 300+/2 本科生毕业设计（论文） 12 根据以上计算可知，铣削时启动力矩远大于钻削启动力矩，为满足钻铣要求，以铣削时所需要求为宜。由手册可知：T=进电机最大静转矩 . 确定步进电机最高工作频率 1000 1000 1250(根据以上参数，初选混合式步进电机。 57用两相四拍的通电方式。 相数， 3；步距角， 电流， 力矩 ,110动惯量， 280g 2引线数， 4。 接线图 图 3 3线图 丝杠的选择 滚珠丝杠螺母副（以下简称滚珠丝杠副）是一种新型的传动机构。具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间元件的传动机构为滚珠丝杠副。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： 本科生毕业设计（论文） 13 （ 1）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。 （ 2）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。 （ 3）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 （ 4）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠的传动效率 =一般的常规（滑动）丝杠螺母副的 =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4131。 （ 5）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。 （ 6）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。 （ 7）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。 （ 8）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。 （ 9）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。 在设计滚珠丝杠时，首先要确定 其名义直径、螺距及滚珠直径等。确定滚珠丝杠的上述参数时，目前采用的方法是，在防止疲劳点蚀的基础上，即滚性丝杠在工作过程中受轴向负载时，在滚珠和滚道型面间使产生接触应力。在这种交变 本科生毕业设计（论文） 14 接触应力的作用下，经过一定的应力循环次数后，就要使滚珠或滚道型面产生疲劳剥伤，而使滚珠副丧失其工作性能，这是滚球丝杠副的主要破坏形式。在设计滚珠丝杠副时，必须保证在一定的轴向负载作用下，这种名义直径 D 和螺距 t 的滚珠丝杠在回转一百万转后，在他的滚道上由于受滚珠的压力而不致有点蚀现象，这个负载的最大值称为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载。 2. 滚珠丝杠的选择计算 (1) 动载荷 计算 Q= 3L 3 1） 其中 载荷系数取为 硬度系数取为 最大的工作负载 L 使用寿命 工作负载 P 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： 对于类似燕尾型寻轨的机床 f ( 2) （ 3 2） X 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 f 导轨上的摩擦系数 k 考虑颠复力矩影响的实验系数 选用滚动导轨，在正常润滑情况下，对于类似燕尾型寻轨 本科生毕业设计（论文） 15 k=1.4 f =于铣削时所需切削力均大于钻削的切削力，故意下计算均按铣削设计。 在铣削过程中， ， G=300N 0+( 00)=而 L=6006 式中 n 滚珠丝杠的转速（ T 使用寿命（小时） 对于数控机床， n 一般取 1250 T 一般取 15000h， 因为 L=60 1250 15000/106 =1125 Q= 3 1125 169N 查表初步选用的型号为 N 系列 16043 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： 0D =20本导程 t=5求直径： 杠内径 2d =丝杠外径 1d =循环列数 3，额定动负载 0C =6367 N ，螺母外径 D=72 母内径 1D =32 母长度 L=40 (2) 校核 （ 1）效率计算 从机械原理中得知，滚珠丝杠螺母副的传动效率 = + ) （ 3 3） 式中： =6* = 本科生毕业设计（论文） 16 滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 f=摩擦角 约等于 10 ( f= =) =3) 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： 1t =3 4） 其中： ； 钢而言（ E=106 2 ； 内径而定）； 26 3 =10 7 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： 2t( 其中 的作用下，滚珠丝杠每一螺距长度两截面上的相对扭转角； = （ 3 5） 其中， ,M=23 = 扭转弹性对钢而言， G=841 510 2 本科生毕业设计（论文） 17 滚珠丝杠载面积的极惯性矩4232d （ 4 （其中 2d 滚珠丝杠的内径， 2 2889 4 =4 10 2889=10 9 t=2 =10 9 /2 10 11 忽略不计 ) 如果 Y 方向的滚珠丝杠的长度为 100m,则整个工作长度上的螺距变形总误差： =100/10 7 =10 7 cm/m 查表得对 E 级丝杠，允许误差 =15um/m ， 故该滚珠丝杠满足要求。 (4) 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 22)(（ N） （ 3 6） E 丝杠材料的弹性模数，对钢而言 E=107 N/ J 截面惯性矩，对实心圆杆而言， J=6442d =64 =1445 L 丝杠的工作长度 ,l= 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。 272) =107 N 临界负载 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于许用稳定性安全系数 ，则该压杆安全不致失稳。 7 =105 =4 故此滚珠丝杠不致失稳。 本科生毕业设计（论文） 18 （ 5）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。 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 60 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： （ 1） 接触角大，钢球数多，承载能力高，刚度高。 （ 2） 既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷，支撑结构可以简化。 （ 3） 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=10径 D=26度 B=8本额定动负荷 C r =本额定静载荷 C 0r =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： (6010 3 7） 式中： 基本额定寿命； 寿命指数，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： P=+Y （ 3 8） 本科生毕业设计（论文） 19 冲击载荷系数，取 径向载荷； X、 Y 径向动载荷系数和轴向动载荷系数。 X=1； P=(305+415)=604N 36 )6042 2 50(1 2 5060 10 =21000h15000h 所以该轴承的选用也是合格的。 导轨的选择 导轨（ 功用是导向和承载。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。 导轨选择考虑的因素： 1. 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
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