C616机床横向伺服进给单元改造设计

C616 机床横向伺服进给单元改造设计 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 MCS8051 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。将原机床中横向装置改装成由步进电动进驱动，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（包括刀活功率） ，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，选择驱动电器，设计通用接口以及 CPU 与辅助电路的连接。关键字： 车床；步进电动机；单片机；人机对话；精密AbstractThis design is mainly aimed at C616 lathe transverse servo system reform. Mechanical part adopts stepper motor drive the ball screw, then through ball nuts to moving workbench operation vice. Electrical part adopts MCS - the 8051 microcontroller to stepper motor for timing controlled effectively, and also to facilitate the man-machine dialogue, through the inputprogram to better solve complex shape, precision, and difficult process problems. This design can accurately realized provisions of action, higher automatization, flexible rapid adaptation processing components to more change. The original machine had been converted into a horizontal device by stepping electric into drive, including automatic knife knife disguised himself, and according to the load change inertia of the selection and matching the stepping motor (including knife live power), adopt computer complete data processing and motion control, has a simple interface circuit design, choose drive electronics, design universal interface and CPU and auxiliary circuit connection. Key word: lathe ;stepper motor; microcontroller; human-machine conversation ;precision 目录绪 论 .I第一章 部分改造的设计及计算 .11.1 课题的来源与意义及总体方案的确定 .11.1.1 课题的来源与意义： .11.1.2 总体方案的确定： .11.2 滚 珠 丝 杠 副 的 计 算 和 选 型 .31.2.1 确 定 系 统 的 脉 冲 当 量 .31.2.2 切 削 力 计 算 .31.2.3 传 动 效 率 .61.3 步 进 电 动 机 的 选 择 .81.3.1 传 动 比 的 计 算 .81.3.2 转 动 惯 量 的 计 算 .91.4 齿 轮 设 计 及 强 度 校 核 计 算 .141.4.1 选 定 齿 轮 类 型 ， 精 度 等 级 ， 材 料 及 齿 数 .141.4.2 按 照 齿 面 接 触 疲 劳 强 度 校 核 .141.4.3 校 核 齿 根 弯 曲 疲 劳 强 度 .171.5 轴 的 设 计 （ 中 间 轴 ） 及 校 核 .181.5.1 选 择 轴 的 材 料 .181.5.2 初 步 估 算 轴 的 最 小 直 径 .191.5.3 轴 的 结 构 设 计 .181.5.4 按 弯 扭 合 成 应 力 校 核 轴 的 强 度 .191.5.5 精 确 校 核 轴 的 疲 劳 强 度 .231.6 滚 动 轴 承 的 选 择 和 计 算 .281.7 键 联 接 的 选 择 和 强 度 校 核 （ 即 中 间 轴 ） .301.7.1 大 齿 轮 2 与 轴 的 键 联 接 .301.7.2 小 齿 轮 3 和 轴 的 键 联 接 .31第 二 章 横 向 伺 服 进 给 单 元 电 气 控 制 部 分 设 计 .322.1电 气 控 制 系 统 方 案 的 确 定 .322.1.1 步 进 电 动 机 与 丝 杠 的 联 接 .332.1.2 8051 单 片 机 的 选 择 .332.2 步 进 电 动 机 开 环 控 制 系 统 设 计 .342.2.1 脉 冲 分 配 器 .352.2.2 光 隔 离 电 路 .382.2.3 步 进 电 动 机 驱 动 电 路 .392.3 8255 可 编 程 控 制 芯 片 的 扩 展 .402.4 辅 助 电 路 的 设 计 .432.4.1 8051 单 片 机 的 时 钟 电 路 .432.4.2 复 位 电 路 .432.4.3 越 界 报 警 电 路 .442.5 操 作 面 板 设 计 的 简 要 介 绍 .452.6 绘 制 机 床 电 气 控 制 电 路 原 理 图 .45结 论 .46参 考 文 献 .46致 谢 .47 第 页I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。 第 页1第一章 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 第 页2体 改 造 方 案 。图 11 总 体 改 造 方 案图 12 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 第 页3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 13 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 第 页4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 = /60cF31-式 中 主 切 削 力 ( N )cF 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= 60 6.4 /100 = 3840( N )cF3在 一 般 情 况 外 圆 车 削 时 ,=(0.10.55) f cF=(0.150.65) pFc取 = 0.48 = 1843.2N = 0.58 = 2227.2Nfc pcF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, =0.16 则 :f= k + ( +W)mFfcF 第 页5式 中 . . 切 削 分 力 ( N )cFfpW移 动 部 件 的 重 量 ( N )导 轨 上 的 摩 擦 系 数 ,随 导 轨 型 式 不 同 而 不 同fK考 虑 颠 覆 力 矩 影 响 的 实 验 系 数即 =1.15 1843.2+0.16 (3840+200)N=2766.08NmF最 大 切 削 力 下 的 进 给 速 度 可 取 最 高 进 给 速 度 的 1/2 1/5,取 为 1/2.横 向 进 给 速 度 为sv2m/min,丝 杠 导 程 选 取 6mm,则 丝 杠 转 速 为 :n = 1000 / = 1000 2/6 = 333.33r/minsvL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/ = 60 333.33 15000/ = 300 ( )661根 据 工 作 负 载 、 寿 命 L,按 公 式 计 算 滚 珠 丝 杠 副 承 受 的 最 大 的 动 载 荷 取 = 1.2 mF mCwf= 1af= / = 1.2 2766.08=22220NmC3wfa30由 当 量 载 荷 ,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 和 导 程 应 用 优 先 组 合 ， 同 时 还 需 要 满 足 数 控 系 统 和 伺 服 系 统 对 导0d0L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 称 为 额 定 静 载 荷 。 选 用 时 应 将 相 应 的 滚 珠 丝 杠 的oaC额 定 静 载 荷 满 足 以 下 条 件 ：oaC 第 页6=f /maxFoCs式 中 滚 珠 丝 杠 的 最 大 轴 向 工 作 载 荷 ；maxF静 态 安 全 系 数 。 一 般 1 2,有 冲 击 时 =2 3sf sf sf由 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 。 1mC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 =50mm， 导 承 =6mm， 螺 纹 升 角 v=arctg / =211 繭 钢 球 直 径 为dL0Ld3.969mm， 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- /2） =0.07（ 2.064-3.969/2） =5.6 mmd 310螺 杆 内 径 ： = +2e-2R=50 2 5.6 -2 2.06388=45.88mm111.2.3 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 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 第 页7A= /4 45.882mm2=1653.24mm工 作 载 荷 引 起 导 程 的 变 化 量 可 用 下 式 计 算mF0L0L = /EA=2766.08 6/20 104 1653.24=0.487 mmmF41式 中 E丝 杠 材 料 的 弹 性 模 量 ， 对 钢 E=2.06 1011N/m则 丝 杠 的 拉 伸 或 压 缩 变 形 量 ：1= / L =0.487 /6 1500=1.22 mm104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=1/4 =0.305 mm21滚 珠 与 螺 纹 通 道 间 接 触 变 形=0.0013 / =0.0072mm2mF2oydZ式 中 轴 向 工 作 载 荷 （ N） ；mF预 紧 力 （ N）y滚 珠 直 径 （ mm） ；wd滚 珠 数 量 ， =Z j k其 中 j为 圈 数 ， k为 列 数 ， Z每 圈 螺 纹 滚 道 内 的 滚 珠 数 ：Z外 循 环 时 Z= / ； 内 循 环 时 Z / -30dw0dw滚 珠 丝 杠 公 称 直 径 （ mm） ；0d因 丝 杠 加 有 预 紧 力 ； 且 预 紧 力 为 轴 向 最 大 负 载 的 1/3时 , 可 减 少 一 半 ， 因 此 实 际 变 形2量 为 ： 第 页8 =0.0072/2=0.036 mm221支 承 滚 珠 丝 杠 的 轴 承 为 8209型 推 力 球 轴 承 ， 几 何 参 数 为 =45mm， 滚 动 体 直 径1d=7.06mm， 滚 动 体 数 量 =20轴 承 的 轴 向 接 触 变 形 为 ： QdQZ3=0.024332mFdz式 中 轴 承 所 受 轴 向 载 荷 （ N） ； 轴 承 的 滚 动 体 数 目 ；mFQ轴 承 的 滚 动 体 直 径 ； 即Qd=0.024 =0.024 =0.03346mm323mQFdz2376.8注 意 ： 此 公 式 的 单 位 为 Kgfm因 施 加 预 紧 力 故 实 际 变 形 量 =1/2 =1/2 0.03346mm=0.0167mm33根 据 以 上 计 算 总 变 形 量 为 ： = + + =（ 0.00305+0.0036+0.0167） mm=0.0234mm123五 级 精 度 丝 杠 允 许 逻 辑 误 差 为 27 m/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 。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 =6mm， 及 初 选 的 步 进 电 机 步0L距 角 0.75， 可 计 算 出 传 动 比 i： 第 页9=360 / 0L式 中 脉 冲 当 量 （ mm/步 ） ；滚 珠 丝 杠 导 程 （ mm） ；0L 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 的 转 动 惯 量 。1,23,4Z1234,J11JdL=33407.8/(5.6).kgcmcm 第 页10=2.6358 2.kgcm3410JdL=34107./(.)2c=36.148 2.kgc=1.422730JdL2.kgcm44=33407.8/()kgcm=0.186 2.丝 杠 的 转 动 惯 量 可 以 从 表 中 查 得 负 载 转 动 惯 量22131234 42862.6538.4070.15.90.7.556L SZLwJJJgW21Z（ ） （ ）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017.52.mLJmJ 伺 附 电 动 机 的 惯 量L 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max0fM起 第 页11式 中 ： M起 快 速 空 载 启 动 力 矩max空 载 启 动 折 算 到 电 动 机 上 的 加 速 力 矩f 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 摩 擦 力 矩 0 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max20.758336.6minbpvrn2axax10tnMJ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 2max2837.510694.86.5MNcm折 算 到 电 动 机 轴 上 的 摩 擦 力 矩02FLi式 中 0 导 轨 的 摩 擦 力 0cfFWc 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 第 页12 传 动 链 总 效 率 ， 一 般 取 0.7 0.850.163842.63.2.FLMi附 加 力 矩 ： 2001PLi式 中 ： 0PF 滚 珠 丝 杠 预 加 负 荷 前 一 般 取 L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 ： max073.42FM起快 速 移 动 时 需 要 的 力 矩 ：05.96F快最 大 切 削 负 载 时 所 需 要 的 力 矩 ：0124.FtM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 ：max7.680.951jMNm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 。 第 页13步 进 电 动 机 的 空 载 启 动 频 率 ：maxax106.7vf HZaxax.f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 第 页14（ b) 步 进 电 动 机 矩 频 特 性图 14 步 进 电 动 机 的 启 动 频 率 和 矩 频 特 性零 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21312. 51EdHKTzut由 公 式 第 页15确 定 公 式 中 各 参 数 的 值选 择 载 荷 系 数 1.3tK519.01923.6PTNmn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189.EZMpalimli3lim4259070HHpa由 表 查 出FtasFmKYb由公式确定公由 表 查 出 寿 命 系 数12341HNHN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limHNKS可 得 134590Mpa 第 页162470HMpa计 算 小 齿 轮 分 度 圆 直 径21312. 51EdHKTzut计 算 圆 周 速 度 12.560tnmVs计 算 载 荷 系 数 . 根 据10.45Z查 表 .VK因 为 是 直 齿 圆 柱 齿 轮 ,取 同 时 由 表 查 得1A， .21.5aK 所 以 载 荷 系 数 1.04.21AV按 实 际 的 载 荷 系 数 校 正 所 计 算 的 分 度 圆 直 径3311.548kdtm计 算 模 数 ：1148 224dm= z 取 模 数 12m 根 据 综 合 因 素 的 考 虑 及 传 递 的 力 矩 不 大 ,故 选 用 ： 第 页17112856,2dm 计 算 分 度 圆 直 径 ：12856,d212dm34,m4306计 算 中 心 距 ：1234284,5ddaa计 算 齿 轮 宽 度 ：110.8564dbm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：1293.16425.87TFd查 取 应 力 校 正 系 数 ：112.80,.5FaSaY22.40,1.67FaSaY33.,.44.,.59计 算 载 荷 系 数 ：1.04.2513AVKK查 取 弯 曲 强 度 极 限 及 寿 命 系 数 ： 第 页18查 表 得 ： lim1lim2lim3lim4450,390,450,50FFFFMpapaMpapa查 表 知 道 ； 12341FNFNKK计 算 弯 曲 疲 劳 许 用 应 力 ,取 弯 曲 疲 劳 安 全 系 数 ：1.4FS由 公 式 ：limFNKS所 以 1lim13432.4FNF MpaS2lim9078.51.NFFKS校 核 计 算 ：1 1.3425.87.0154.9F FMpa212 22.67.9.08815saFF FSY334.9F440.27F1.5 轴 的 设 计 （ 中 间 轴 ） 及 校 核1.5.1 选 择 轴 的 材 料 第 页19选 取 45 钢 ， 调 制 硬 度 HBS=230， 强 度 极 限 =650Mpa， 屈 服 极 限 =360Mpa,弯 曲 疲 劳BS极 限 =300Mpa,剪 切 疲 劳 极 限 =155Mpa,对 称 循 环 变 应 力 时 的 许 用 应 力 =60Mpa1 -1b 1.5.2 初 步 估 算 轴 的 最 小 直 径取 =110， 得 ：Ad =110 15mm0A23pu3.9846由 于 采 用 步 进 电 动 机 驱 动 ， 选 用 150BF002 型 ， 它 的 轴 径 为 18mm， 为 了 配 合 二 级 齿d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= + + + +u+ +2T13B12T式 中 T 轴 承 的 宽 度 ， 查 表 可 知 6205 轴 承 T=11mm 齿 轮 端 面 与 箱 体 内 壁 的 距 离 ， 查 表 可 知 取 =8mm1 齿 轮 3 的 齿 宽 ， =32mm3BB 齿 轮 2 与 齿 轮 3 轮 毂 端 面 间 的 距 离 ， 取 =8mm3L 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 第 页20齿 轮 3 的 对 称 线 与 左