经济型数控车床及控制系统设计说明书.doc

经济型数控车床及控制系统设计 中文摘要数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，它的发展一直备受人们关注。数控系统以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵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，因此使数控技术应用到车床成为先进制造技术中的一项核心技术。通过持续的开发研究以及对信息技术的深化应用，促进了对数控车床性能和质量的进一步提升，使数控车床床成为国民经济和国防建设发展的一个重要制造装备。应运而生的经济型数控车床正在大范围的用于生产实践 。经济型数控车床是采用直流或交流主轴控制单元来驱动主轴，按控制指令作无级变速，主轴之间不必用多级齿轮副来进行变速。在本篇设计中采用了交流伺服电动机驱动主轴，变速部分仍采用齿轮变速箱，主要考虑到机床的经济性。车床在进给系统中分为两部分，有横向进给系统和纵向进给系统，两个进给系统主要由滚珠丝杠、轴承、和步进电机构成，这样既达到了传动链短的要求，又实现了迅速进给的功能。滚珠丝杠副具有与滚动轴承相似的特征，还具有传动效率高、运动平稳、传动可逆性、可以预紧、定位精度和重复定位精度高、同步性好使用寿命长等特点。关键字： 数控车床 数控系统 滚珠丝杠 步进电机 Abstract Numerical control machine and CNC machine tools from the composition of the flexible manufacturing system is processing machinery and equipment to transform traditional industries, the number of enterprises to build an important foundation, it has been development of peoples attention. Numerical control system of flexible automation for its superior performance, outstanding accuracy and stable, agile and functional diversity caused by the world. It opened up a machinery to set a precedent for the development of mechanical-electrical integration, thus CNC lathe technology to advanced manufacturing technology to become a core technology. Through continuous research and development and the deepening of the application of information technology to promote the performance and quality of CNC Lathe further enhanced to bring bed CNC lathe has become the national economy and national defense construction and development of an important manufacturing equipment. Came into being economical CNC lathe is used in the production of large-scale practice. Economical CNC Lathe is a DC or AC control unit to drive the spindle axis, in accordance with instructions for the continuously variable control, between the spindle do not have to use multi-stage variable-speed gear pair to carry out. In this design the use of the AC servo motor driven spindle, variable speed transmission gear parts are still used, mainly to take into account the economic machine. Lathe in the feed system is divided into two parts, a horizontal and vertical feed system feeding system, the two main feeding system by ball screws, bearings, and constitute a stepping motor, so that not only met the requirements of a short transmission chain and quickly realized the function of the feed. Roller bearing ball screw with similar characteristics, also has a high transmission efficiency, sports a smooth, reversible drive, you can pre-positioning accuracy and repeatability and high precision, long life and good ynchronization and so on.Key words： numerical control machine numerical control system ball screw stepper motor - 55 -目 录中文摘要IAbstractII第 1 章 绪论-1-1.1经济型数控车床机械结构设计背景、意义- 1 -1.1.1 所选课题背景- 1 -1.1.2 所选课题意义- 1 -第 2 章 总体方案设计-3-2.1 设计参数-4-2.2 传动原理.-5 -第 3 章 主传动系统的设计-6-3.1确定变速级数- 6 -3.2转速图- 7-3.3确定齿轮齿数- 7 -3.3.1 基本组齿轮齿数- 7 -3.3.2 计算第一扩大组的齿轮的齿数- 8 -3.3.3 第二扩大组的齿轮齿数- 8 -3.3.4 传动系统图:- 9 -3.4 传动轴直径d的计算- 9 -3.5 设计齿轮模数- 10 -3.5.1 齿轮模数的估算- 10 -3.5.2 齿轮模数的验算- 11 -3.5.3 齿轮几何尺寸的计算- 12 -3.6 轴承的选取- 12 -3.7 带轮的设计计算- 13 -3.8 主轴主件的设计- 14 -3.9 主轴校核- 14-第 4 章 进给伺服系统机械部分设计与计算-17-4.1 进给系统机械结构设计- 17 -4.2 滚珠丝杠副的特点- 17 -4.3 进给伺服系统机械部分的计算与选型- 17 -4.3.1 确定系统的脉冲当量- 17 -4.3.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤- 18 -4.3.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤- 22 -4.3.4 齿轮有关计算- 24 -4.3.5 横向齿轮及转矩的有关计算- 28 -第5章 数控车床电气控制系统设计-30 -5.1 驱动电源回路- 30 -5.2 电源控制回路- 31 -5.3 交流控制回路- 32 -5.4 PLC输入/输出回路设计- 33 -5.5 数控车床运动坐标的电气控制- 34 -第6章 步进电动机计算与选型-38 -6.1纵向步进电机的选择- 38 -6.1.1 确定系统的脉冲当量- 38 -6.1.2 步距角的选择- 38 -6.1.3 矩频特性- 39 -6.2 横向步进电机的选择- 42 -6.2.1 步距角的确定- 42 -6.2.2 距频特性- 43 -第7章 经济技术分析- 45 -7.1 数控机床在国内外发展的现状- 45-7.2 数控机床产业面临挑战- 46 -7.3 数控机床发展趋势- 47 -7.4我国数控机床现况与对策- 48 -结 论-50-致 谢-51-参考文献-51-附录 A1.1-51-附录 A1.2-51-第1章 绪论1.1经济型数控车床机械结构设计背景、意义1.1.1 所选课题背景从20世纪中叶数控技术出现以来，数控机床给机械制造业带来了革命性的变化。数控加工具有如下特点：加工柔性好，加工精度高，生产率高，减轻操作者劳动强度、改善劳动条件，有利于生产管理的现代化以及经济效益的提高。数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件、需要频繁改型的零件、价格昂贵不允许报废的关键零件、要求精密复制的零件、需要缩短生产周期的急需零件以及要求100%检验的零件。数控机床的特点及其应用范围使其成为国民经济和国防建设发展的重要装备。进入21世纪，我国经济与国际全面接轨，进入了一个蓬勃发展的新时期。机床制造业既面临着机械制造业需求水平提升而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入世界贸易组织后激烈的国际市场竞争的压力，加速推进数控机床的发展是解决机床制造业持续发展的一个关键。随着制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大，并且不断发展以更适应生产加工的需要。展望未来，发展具有自己特色的机床事在必行，经济型数控机床就应运而生。 举个例子，武汉工业技术学院在校生达2500多人，其中数控、机电等工科专业学生占80%以上。学院有两个实习工厂，供学生机加工、钳焊等工种实习，其中数控车、铣床不足十台。随着社会经济的发展，社会大中型企业、集体企业、私营企业迫切需要数控人才，主要用于数控加工的编程、数控机床的操作、维护等，学校在设备数量、培养规模等方面，远远不能适应这一现状。为改善数控实训条件，改变数控机床严重短缺的现状，满足学生数控机床的操作、编程、维护等实训要求，同时还能用微机控制铣削任意弧面及轮廓曲面，并且在学校所能承受的范围内，实习工厂需购置一些价格便宜的经济型数控车床。发展经济型数控车床的意义 1.1.2 所选课题意义 在我国的国民生产总值中，民营企业占了60%以上。，大多数又是中小企业。由于中小企业资金匮乏，买不起价格高昂的高档数控铣床，所以格便宜但又能满足一般加工精度和加工要求的经济型数控铣床需求量很大。中国的职业教育也正在快速的发展，经济型数控不但能满足学生对控机床的操作、编程、维护等实训的要求而且价格低。综上所述，经济型数控铣床在我过有很大的市场和需求，发展经济型数控铣床业势在必行。数控机床是典型的机电一体化课题，通过毕业设计可使所学机械学、力学、电工学知识得到综合应用。结构设计及控制系统设计能力都能受到训练，可有力的提高学生的分析问题、解决问题能力及机电一体化水平.制定符合中国国情的总体发展战略，确立与国际接轨的发展道路，对21世纪我国数控技术与产业的发展至关重要。本文在对数控技术和产业发展趋势的分析，对我国数控领域存在的问题进行研究的基础上，对21世纪我国数控技术和产业的发展途径进行了探讨，提出了以科技创新为先导，以商品化为主干，以管理和营销为重点，以技术支持和服务为后盾，坚持可持续发展道路的总体发展战略。在此基础上，研究了发展新型数控系统、数控功能部件、数控机床整机等的具体技术途径。我们衷心希望，我国科技界、产业界和教育界通力合作，把握好知识经济给我们带来的难得机遇，迎接竞争全球化带来的严峻挑战，为在21世纪使我国数控技术和产业走向世界的前列，使我国经济继续保持强劲的发展势头而共同努力奋斗！我所做的设计是经济型数控车床机械部分的主传动系统和伺服进给系统的设计。经反复研究数控车床的结构、特点，理论联系实践，我将采用传统机床运动功能的设计方法，主要是以现有的机床设计实例为基础进行经验和类比设计。这种设计方法主要是经验设计和实验相结合，其步骤是:经验设计-样机试制-样机测试-改进设计。这种方法耗费的人力和财力小，且周期短，效果较好。除此以外，经济型数控车床主传动系统的设计不限于只满足原有的基本要求，还应考虑整体的要求，如制造控制，过程控制以及物料传输（尽可能最小）以缩短产品的加工时间，周转时间，制造周期，提高精度，最大限度的提高生产率。第 2 章 总体方案设计总体方案设计应考虑机床数控系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（1）经济型数控车床具有纵向和横向的直线插补、圆弧插补功能，还要求能暂停，进行循环加工和螺纹加工等，因此，数控系统选连续控制系统。（2）经济型数控车床在保证一定加工精度的前提下应简化原有结构、降低成本，因此，进给伺服系统采用步进电机开环控制系统。（3）设计自动回转刀架及其控制电路。（4）纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机、齿轮副、丝杠螺母副组成，其传动比应满足机床所要求的分辨率。（5）为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙，齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。（6）采用贴塑导轨，以减小导轨的摩擦力。总体方案设计图如下图（2）所示：进给伺服系统总体方案方框图如图（3）所示：图2.1总体方案图2.1 设计参数经济型数控车床最大加工直径160mm，开环系统，脉冲当量0.005mm。 表2.1参数表项目单位参数床身上最大工件回转直径mm320托板上最大回转直径mm160最大工件长度mm350主轴转速范围Rpm401800主轴电机功率Kw4刀架刀位数4尾架套筒锥孔莫氏三号车刀刀杆最大尺寸Mm20x202.2 传动原理经过设计，得出如下1 传动原理主要满足设计任务所给出的精度要求。 2 应当在保证精度的情况下尽量使结构简单。3 主轴的转速范围为401800 用交流电机实现变速。4 脉冲当量为0.0010.003米/分钟，若采用较高级数的步进电机，通过齿轮减速来带动丝杠就可以达到，并且结构简单，在该处还没有传动误差，可以使电控部分的结构及程序编制更为简单。因此，得到如下传动原理 图2.2车床传动系统总图 第3章 主传动系统的设计 根据所有主要技术参数查表71，车床最大回转直径320/360mm，刀架最大回转直径D=160/180mm。3.1确定变速级数(1) 由本小组设计题目可知公比(2) 主轴极限转速变速范围(3) 主轴转速级数Z的确定由(4) 转速级数结构式的确定:1） 确定变速组传动副数目：实现12级主轴转速变化的传动系统可以写成多种传动副组合： A12=3*4 B. 12=4*3 C。12=3*2*2 D12=2*3*2 E。12=2*2*3 方案A、B可节省一根传动轴。但是，其中一个传动组内有四个变速传动副，增大了该轴的轴向尺寸。这种方案不宜采用。根据传动副数目分配应“前多后少”的原则，方案C是可取的。2） 确定变速组扩大顺序：12=3*2*2的传动副组合，根据级比指数非陪要“前密后疏”的原则，应选用第一种方案。(5) 由机械工程及其自动化简明设计手册表2-2查得,选用额定电压为4p/kw,满载转速为1400r/min.额定转距为2.2,型号为Y112M-4型的电动机.(6) 确定是否需要增加降的定比传动副: 该机床的主传动系统的总降速比u，如每一组的最小降速比均取0.25，则3个变速组的总降速比可达，故无需增加一个降速传动。但是，为使中间的2个变速组降速缓慢，以利于减少变速箱的径向尺寸，故在电动机轴和1轴间增加一对降速的带传动（7）由机械工程及其自动化简明设计手册（2）查得。可得主轴转速系列为：40，56，80，116，160，236，315，450，630，900，1250， 18003.2转速图 图3.2转速图3.3确定齿轮齿数3.3.1基本组齿轮齿数主要计算如下：1 ub1=1,ub2=, 2 查表在u=2中找出最小齿轮齿数,其最小齿数和 3 查教材表2.1,同时满足传动比要求的齿数和有72,84,90等.4 考虑到减速器的尺寸,取5 确定各齿轮副齿数 由u=1一行找出Zb1=36. Zb1=72-36=36 由u=2.82一行找出ZB2=24. Zb2=72-24=48由u=2.82一行找出Zb3=30. Zb3=72-30=423.3.2 计算第一扩大组的齿轮的齿数1 ua1=1,ua2= 2 查表在u=2.82中找出最小齿轮齿数,其最小齿数和 3 查教材表2.1,同时满足传动比要求的齿数和有84,88等.4 在具体结构允许的情况下,选用齿数和较少的为宜,取5 确定各齿轮副齿数 由u=1一行找出Za1=42. Za1=84-42=42 由u=2.82一行找出Za2=22. Za2=84-22=623.3.3 第二扩大组的齿轮齿数 1 已知uc1=2. uc2= 2 在u=3.98中找出最小齿轮齿数,其最小齿数和 3 查教材表2.1,同时满足传动比要求的齿数和有110,114等. 4 在具体结构允许的情况下,选用齿数和较少的为宜,取 5 确定各齿轮副齿数. 由u=2一行找出Zc1=36. Zc1=108-36=72. 由u=3.98一行中找出Zc2=22. Zc2=108-22=86.3.3.4 传动系统图: 图 3.3传动系统图3.4 传动轴直径d的计算1 查表2-4,可得电动机到轴间的传动效率为0.97.由设计要求知电动机额定功率为4KW.2 查表7-11,可得传动轴每米长度上允许的扭角为0.50 10,取=0.50.3 传动轴IV的计算转数为nIV=n1=(401.413)r/min=111r/min 又转速图可知,轴的计算转速分别为900,315,160.5 计算各传动轴的输出功率 =3.51(KW) 6 估算传动轴直径d =91mm =91=91 =91=91 =91=917 计算各传动轴的扭矩 T1=9550=9550 T2=9550=9550 T3=9550=9550 T4=9550=95503.5 设计齿轮模数3.5.1齿轮模数的估算 1 由转速图可知Z=22和Z=37的计算转速为450 2 齿轮弯曲疲劳强度 3 齿轮接触疲劳强度的估算 齿轮中心距A=370 4 查机械设计基础表6-1，取齿轮模数为3mm3.5.2 齿轮模数的验算 （一）按接触疲劳强度计算齿轮模数mj1查表7-18.取m=3,c0=107,n=140则有 KT=3.43mm2查表7-19.取kn=0.933查表7-1 取4 查表7-21 取5 6查表7-17 取7 取k 8 查表7-16 取9(二)按弯曲疲劳强度计算齿轮模数1 查表7-23 取齿形系数2 查表7-22 取2203 查表7-17 取4 mn=275=2.22mm5 宗上所述,查机械设计基础表6-1,取齿轮模数为3mm.3.5.3 齿轮几何尺寸的计算 表5.3齿轮几何尺寸齿数a1a1a2a2a3a3b1b1b2b2c1c1c2c2分度圆直径10810872144901261261266618621610866258齿顶圆直径1141147815096132132132729222211472264齿根圆直径100100641368211511911959.517920910059250齿宽25252624262424242624323436343.6 轴承的选取 表5.4轴承型号dDBT类型带轮60147011020深沟球轴承一轴6206306216深沟球轴承二轴3020735721718.25圆锥滚子轴承三轴3020945851920.75圆锥滚子轴承主轴末端30211651202322.75圆锥滚子轴承主轴前端NN30188012534双列圆柱滚子轴承3.7 带轮的设计计算 (1)确定计算功率p=4kw,k为工作情况系数,去K=1.0 PJ=KP=1.0X4.0=4.0KW(2)选择三角带的型号 由PJ=4.0KW和n额=1440r/min查表选择B型带(3)取D1=125mm,则D1=1=180 D2=225mm(4)核算胶带速度V ,(4) 初定中心距 (5) 计算胶带的长度取(6) 核算胶带的弯曲次数 (7) 计算实际中心距 圆整取623(8) 核算小带轮的包角(10)确定胶带的根数 取整Z=3 B e=19 f=12.5 (查机械设计表8-10)(11)大带轮结构如下图: 图5.5齿轮3.8 主轴组件的设计 主轴：选择主轴前端直径D=80，后端直径取，则平均直径。支承形式选择两支撑，初取悬伸量，支撑跨距。 初选平键连接， .由最佳跨距可知由于主轴太短不符合要求，当L大于最佳跨距时，柔度的增加比L小于最佳跨距时慢，可以取实际跨距值大于最佳跨距值。由主轴最佳跨距计算线图可知，取a=90,L=5403.9 主轴校核1 主轴的前端部挠度=0.0002430=0.0822 主轴在前轴承处的倾角3在安装齿轮处的倾角D=79mmE取为，I= （1-）=（1-）=768329mm由于小齿轮的传动力大，这里以小齿轮来进行计算 将其分解为垂直分力和水平分力由公式可得主轴载荷图如下所示：由上图可知如下数据：a=420mm,b=170mm,l=590mm,c=85mm计算（在垂直平面）,，计算（在水平面）,，合成：.符合要求。第4章 进给伺服系统机械部分设计与计算4.1 进给系统机械结构设计经济型数控车床的进给运动是由数控装置（CNC）经伺服系统控制的，伺服驱动装置包括电动机及其控制单元，目前数控机床的进给驱动方式主要有“旋转伺服电机+滚珠丝杠副”“和直线电动机直接驱动“两种，本机床采用第一种驱动方式。它也是数控机床进给系统的最常用的驱动形式。由于滚珠丝杠历史悠久、工艺成熟、应用广泛、成本较低，因此在中等载荷、进给速度要求不是十分高（小于20m/min）、行程范围不太大、（小于4m）的数控机床和加工中心上仍被广泛使用。 4.2滚珠丝杠副的特点滚珠丝杠副具有与滚动轴承相似的特征。与滑动丝杠副或液压缸传动相比，有以下主要特点：（1） 传动效率高 滚珠丝杠的传动效率可达85%98%，为滑动丝杠副的24倍，由于滚珠丝杠副的传动效率高，对机械小型化，减少启动后的颤动和滞后时间以及节约能源等方面，都具有重要意义。（2） 运动平稳 滚珠丝杠副在工作过程中摩擦阻力小，灵敏度高，而且摩擦系数几乎与运动速度无关，启动摩擦力矩与运动时的摩擦力矩的差别很小。所以滚珠丝杠副运动平稳，启动时无颤动，低速时无爬行。4.3 进给伺服系统机械部分的计算与选型进给伺服系统机械部分的计算与选型内容包括：确定脉冲当量、计算切削力滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型、齿轮传动计算、步进电机的计算和选型等。计算简图如下图所示：4.3.1 确定系统的脉冲当量脉冲当量是指一个进给脉冲使机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参数。因此,脉冲当量应根据机床精度的要求来确定。对经济型数控机床来说，常采用的脉冲当量为0.01mm/step和0.005mm/step,在经济型数控车床技术参数中，要求纵向脉冲当量fp为0.01mm/step。横向脉冲当量为fp=0.005mm/step，纵向为0.01mm/step。4.3.2 纵向滚珠丝杠螺母副的副的型号选择与校核步骤（1） 最大工作荷载计算滚珠丝杠的工作载荷Fm（N）是指滚珠丝杠副的在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走到抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于经济型数控车床的纵向导轨是三角形导轨，则用公式4-1计算工作载荷的大小。 Fm=KFL+f(Fv+G) （4-1） 1）车削抗力分析车削外圆时的切削抗力有FxFyFz，主切削力Fz与主切削速度方向一致垂直向下，是计算机床主轴电机切削功率的主要依据。切深抗力Fy与纵向进给垂直，影响加工精度或已加工表面质量。进给抗力Fx与进给方向平行且相反指向，设计或校核进给系统是要用它。纵切外圆时，车床的主切削力Fz可以用下式计算： Fz=0.67 =0.67 （4-2） =5360(N) 由金属切削原理知：Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4 （4-3） 得 Fx=1340(N) Fy=2144(N)因为车刀装夹在拖板上的刀架内，车刀受到的车削抗力将传递到进给拖板和导轨上，车削作业时作用在进给托板的载荷F1Fv和Fc与车刀所受到的车削抗力有对应关系。因此，作用在进给托板上的载荷可以按下式求出： 托板上的进给方向载荷 F1=Fx=1340(N) 托板上的垂直方向载荷 Fv=Fz=5360(N) 托板上的横向载荷 Fc=Fy=2144(N) 因此，最大工作载荷 Fm=KFL+f(Fv+G) =1.151340+0.04(5360+909.8) =1790.68(N) 对于三角形导轨K=1.15, f=0.030.05,选f=0.04(因为是贴塑导轨)，G是纵向横向溜板箱和刀架的重量，选纵向横向溜板箱的重量为75kg,刀架重量为15kg.（2）最大动载荷C的计算C=L=N=式中：可以取最大的进给速度的1/21/3，此处=1/2； T使用寿命，对于机床取T=15000h； L寿命，以。在本次设计中： n=50r/min L=10798.7N另外例如滚珠丝杠副有可能在静态或低速运转下工作并受载，那么还需考虑其另一种失效形式-滚珠接触面上的塑性变形。即要考虑滚珠丝杠的额定静载荷Coa是否充分地超过了滚珠丝杠的工作载荷Fm,一般使Coa/Fm=23.初选滚珠丝杠为：外循环，因为内循环较外循环丝杠贵，并且较难安装。考虑到简易经济改装，所以采用外循环。因此初选滚珠丝杠的型号为型CD638-3.5-E型，主要参数为Dw=4.763mm,Lo=8mm,dm=63mm,=2o19 ，圈数列数3.51 （3）纵向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 = （4-4）式子中：r丝杠螺旋升角； 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于本设计中： =0.942）刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形将引起导程发生变化，从而影响其定位精度和运动平稳性，滚珠丝杠副的轴向变形包括丝杠的拉压变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的扭转变形引起的纵向变形以及螺母座的变形和滚珠丝杠轴承的轴向接触变形。先画出纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图，如图所示最大进给率引力为2530N,支撑间距1500mm。丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载荷的1/3。1 丝杠的拉压或者压缩变形量1，查图，根据F=2530N,查出,可算出： =mm由于两端均采用向心推力球轴承，而丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量为 =1/4=0.45mm 2 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2查机械设计手册相关图表，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量：=6.4因为进行了预紧，故=1/2=1/2=3.2mm 3支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形。采用8017型推力球轴承， 注意，公式中。因施加预紧力，故 根据以上计算轴向总变形量：=0.0045+0.0032+0.0038=0.0115mm查表知E级精度丝杠允许的螺距误差为0.015mm，故所选丝杠合格。3）压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷为Fk Fk=fz2EI/L2 （4-5）式中：E为丝杠材料弹性模量，对钢E=20.6104Mpa；I为截面惯性矩，对丝杠圆截面I=dl4/64(mm4)(dl为丝杠的底径)；L为丝杠的最大工作长度（mm）；fz为丝杠的支撑方式系数由表4-1查得。 表4-1：方式两端端自由一端固定一端自由两端固定两端简支Fz0.252.04.01.0由Fk=fz2EI/L2 且fz=2.0, E=20.6104Mpa, I=dl4/64mm4,L=2800mm为丝杠的长度由于I=dl4/64=(63-5.953)4/64=3.1457.0474/64 =519614mm Fk=23.14220.6104519614/28002 =276276 Nk=276276/1875 =1494所以丝杠很稳定。4.3.3 横向滚珠丝杠螺母副的型号选择与校核步骤（1）型号选择 1）最大工作载荷计算由于导向为燕尾导轨，则：k=1.4 f=0.05,F1为工作台进给方向载荷，Fl=2141N,Fv=5360N,Fc=1340N,G=60kg,t=15000h,最大工作载荷：Fm=kF1+f(Fv+2Fc+G) =1.42144+0.05(5360+21340+9.875) =3440.4N2）最大动载荷的计算 V横=1400r/min0.79mm/r=1106mm/min n横丝=v横1/2/L0纵=11061/2/4=138.25r/min L=60nt/=60138.2515000/106=124.43 C=3LfmFm =1.53440.4=25763.7N 初选滚珠丝杠型号为：CD506-3.5-E其基本参数为Dw=3.969mm,=2o11,L0=6mm,dm=50mm,圈数列数3.51 (2) 横向滚珠丝杠的校核 1）传动效率计算 = 式子中：r丝杠螺旋升角； 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于本设计中： =0.932) 刚度验算 1.丝杆的拉伸或压缩变形量查图，根据1=由于两端采用向心推力球轴承，而丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实际变形量为=1/4=0.47mm 2.滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2，差机电一体化设计手册相关图表，滚珠与螺纹滚道间的接触变形量=8.5mm因为进行了预紧，故=1/2=1/2=4.25mm 3支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形。采用8012型推力球轴承， 注意，公式中。因施加预紧力，故 根据以上计算轴向总变形量：=0.0047+0.00425+0.0047=0.01365mm显然此变形量大于定位精度要求，应该采取相应的措施修改设计，但因横向溜板受空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故应采取用贴塑导轨减小摩擦力，重新计算如下： Fm=kF1+f(Fv+2Fc+G) =1.42144+0.04(5360+21340+9.875) =1155N根据图4.2.3，查出Fm=1155N,=20mm时，,则，1=0.0027+0.0042+0.0047=0.0116mm定位精度为故此变形量仍不能满足要求，如果将滚珠丝杠的预紧力略微加大，刚度还可提高，则变形量可控制在要求的范围内。从上面的计算过程可以看出，设计的过程要经过反复修改参数，反复计算，才可以打到满意的结果。（3）稳定性校核计算临界负载式中：E丝杆材料弹性模量，对刚E= I截面惯性矩（c） 丝杆截面惯性矩I=(底径) l丝杆两支撑端距离（cm） ，从表4.3.2中查出，一端固定一端简支时=2.00。对于本设计： I= = 一般情况下=2.54,此滚珠丝杠不会产生失稳。 4.3.4 齿轮有关计算(1)纵向齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算，由前面的条件可知： 工作台重量：W=80kgf=800N滚珠丝杠的导程: Lo=12mm步距角: =0.75/step脉冲当量: p=0.01mm/step快速进给速度：Vmax=2m/min所以,变速箱内齿轮的传动比i= （4-6） 齿轮的有关参数选取如下: Z1=32 , Z2=40 ,模数m=2mm 齿宽 b=20mm 压力角=20齿轮的直径 d1=mz1=232=64mm d2=mz1=240=80mm d2=d1+2ha*=68mmd2=d2+2ha*=84mm两齿轮的中心矩 a= = =72mm2）转动惯量计算工作台质量折算到步进电动机轴上的转动惯量: J1=W =0.467kg.cm2 （4-7）对材料为钢的圆柱形零件,其转动惯量可按下式估算: J=7.810-4D4L kg.cm2 （4-8） 式中 D-圆柱形零件的直径,cm L-零件的轴向长度,cm所以,丝杠的转动惯量: J1=7.810-4+D4L1=7.810-43.24140.3=11.475 kg.cm2齿轮的转动惯量: JZ1=7.810-46.442=2.617 kg.cm2 JZ1 =7.810-4842=6.39 kg.cm2电动机转动惯量很小,可忽略。因此，折算到步进电机轴上的总的转动惯量J=(1/i2)（JS+Jz2）+Jz1+J1=(1/2.52)（11.475+6.39）+2.617+0.467=5.942 kg.cm2=59.42N. cm2丝杠名义直径/mm导程/mm1m长丝杠的转动惯量kg.cm2丝杠名义直径/mm导程/mm1m长丝杠的转动惯量kg.cm22040.94501035.7650.841231.982552.2460881.5862.001078.023054.911274.9664.47708157.353559.2610150.4768.7212145.1388.308010263.4940516.2912255.84615.459010420.31815.1812392.7545626.1310012649.56824.5416615.161022.6320562.4450639.75120201233.93837.64241144.60表(3)滚珠丝杠的转动惯量3）所需转