数控多工位立式钻床设计使用说明书

1、毕 业 论 文（设 计）论文（设计）题目：专用机床的机构设计 （数控多工位立式钻床）姓 名 学 号 院 系 机电工程学院 专 业 机械设计制造及其自动化 年 级 指导教师 2015年05 月08 日目 录摘 要1Abstract2第1章 数控机床的工作原理与组成41.1数控机床的工作原理41.2 数控技术的发展现状与趋势41.3 我国数控产业现状及发展5第2章 机械结构选择6第3章 机械传动部件设计73.1 切削力的计算73.2 主轴齿轮传动方案确定93.3 主轴结构设计及计算143.4 纵向进给运动的分析及计算18第4章 纵向进给步进电机加工匹配选择204.1 纵向进给滚珠丝杠的校核204.

2、2 横向进给运动的分析及计算214.3 Z向进给负载分析及计算244.4 齿轮强度校核274.5 回转工作台运动的分析计算29第5章 齿轮强度校核325.1 齿面接触疲劳强度计算325.2滑动导轨的结构345.3 导轨及齿轮传动间隙调整分析39结 论41参 考 文 献42新乡学院本科毕业设计(论文)摘 要随着先进制造技术的进步与发展，数控加工已成为机加工过程中的一种主流技术。这一技术的运用提高了机加工过程中工作效率和加工精度。数控多工位钻床就是提高钻削加工精度和效率的一种很好的机加工工具。对数控多工位钻床的设计，采用了普通车床设计的步骤和方法，综合考虑数控机床的特点。从切削力入手确定主轴及电机

3、，到整个机床的结构设计和机床的控制。最后到对机床初始化程序设计。 所做的工作有，完成数控多工位钻床的资料收集与国、内外现状的调查比较，提出较为可行的方案；完成机床的机械结构设计计算与电气控制系统设计，初步完成控制系统的软硬件设计；提交论文及机械系统的装配与关键零部件的相应图纸及数控系统的硬件图，同时提交电子文档；编写设计计算说明书。关键词：数控技术；钻床；钻削；程序设计AbstractWith the manufacturing development, numerical control manufacturing has become one of the major advanced t

4、echnologies. efficiency and accuracy has been improved in application of the technology. Numerical control auto-drilling machine is a kind of the new machine tools that can improve the machining accuracy and efficiency. The paner has designed for Numerical control auto-drilling machine, using design

5、 method of the ordinary lathe, and considering the characteristic of the numerical control machine tools synthetically. cutting force has been calculated, the structural and the control system has been designed. Finally, the software routine has been explored.This paner has finished major works:Comp

6、leted a investigation of internal and external of current situation for numerical control multistage-drilling machine, and compared it, put forward a feasible scheme;Completed the mechanical structural design an calculated and designed the electric control system, and finished the software and hardw

7、are of the control system tentatively; Submit thesis and the assembly of mechanical system and hardware picture of key spare part and drawing of numerical control system, submit the electronic file at the same time;Write the specification of designing and calculating, has designed an economy numeric

8、al control machine tool. Keywords： :numerical control machining；drilling machine；drilling；procedure control前 言 回首过去的“十一五”规划的五年，机床工具行业之所以能够实现平稳较快发展，得益于全行业在新形势下把握住了“抓创新、调结构、促改革”这一工作主线，使行业面貌有了明显改观。召开的党的十七届五中全会通过了关于制定国民经济发展第十二个五年规划的建议，国务院也已正式审议通过了关于加快培育发展新兴战略产业的决议。在有关文件的精神指导下，数控机床专项已制定了“十二五”的实施计划，行业的“十二

9、五”规划正在实施中。“十二五”期间将以科学发展观为主题，以转变经济发展方式为主线，以调整结构为切入点，工业行业最主要的是抓好产业结构调整和升级，以保持行业的长期、健康、快速发展。数控技术是机械加工现代化的重要基础与关键技术。应用数控加工可大大提高生产效率、稳定加工质量、缩短加工周期、增加生产柔性、实现对各种复杂精密零件的自动化加工，易于在工厂或车间实行计算机管理，还使车间设备总数减少，节省人力、改善劳动条件，有利于加快产品的开发和更新换代，提高企业对市场的适应能力并提高企业综合经济效益。数控加工技术的应用，使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程联为一体，使零件的计算机辅助设计（CAD）、计

10、算机辅助工艺规划（CAPP）和计算机辅助制造（CAM）的一体化成为现实，使机械加工的柔性化自动化水平不断提高。 目前的数控加工主要应用于以下两方面：一方面的应用是常规零件加工，如二维车削、箱体类镗铣等。其目的在于：提高加工效率，避免人为误差，保证产品质量；以柔性加工方式取代高成本的工装设备，缩短产品制造周期，适应市场需求。这类零件：一般形状较简单，实现上述目的的关键一方面在于提高机床的柔性自动化程度、高速精加工能力、加工过程的可靠性与设备的操作性能，另一方面在于合理的生产组织、计划调度和工艺过程安排。另一方面的应用是复杂形状零件加工，如模具型腔、涡轮叶片等。该类零件在众多的制造行业中具有重要的

11、地位，其加工质量直接影响以至决定着整机床品的质量。这类零件型面复杂，常规加工方法难以实现，它不仅促使了数控加工技术的产生，而且也一直是数控加工技术的主要研究及应用对象。由于零件型面复杂，在加工技术方面，除要求数控机床具有较强的运动控制能力（如多轴联动）外，更重要的是如何有效地获得高效优质的数控加工程序，并从加工过程整体上提高生产效率。数控机床在机械制造领域中得到日益广泛的应用，是因为它具有如下特点：高柔性、生产效率高、加工精度高、加工质量稳定可靠、自动化程度高、能完成复杂型面的加工、有利于生产管理的现代化。4新乡学院本科毕业论文（设计）第1章 数控机床的工作原理与组成1.1数控机床的工作原理

12、数控机床是数字信息进行控制的机床。即凡是用代码化和数字信息将刀具移动轨迹信息记录在程序介质上，然后送入数控系统，经过译码和运算，控制机床刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的一类机床即为数控机床。数控加工基本过程见图1所示： 图1 计算机数字控制（PLC）系统框图数控机床加工零件时，首先编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，再由数控装置机床主运动的变速、启停，进给运动的方向、速度和位移大小，以及其他诸如刀具选择交换，工件夹紧、松开和冷却、润滑的启、停等动作，使刀具与其他辅助装置严格地按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度等符合要求

13、的零件。 数控机床的组成: 数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床来讲，它由信息输入装置、数控装置、伺服系统、机床本体以及复杂装置组成。1.2 数控技术的发展现状与趋势近十几年来，数控机床借助于微电子、计算机技术的飞速进步着高精度、多功能、高速化、高效率、，正向复合加工功能、智能化等方向迈进，明显地反映出时代的特征，其主要表现为以下几方面。1) 精度化2） 高速度化3） 高柔性化4） 高自动化5） 复合化6) 智能化7) 网络化8) 高可靠性1.3 我国数控产业现状及发展 20世纪80年代以来，国家对数控机床的发展十分重视，经历了“六五”、“七五”期间的消化吸收引进技术，“八五”期间科

14、技攻关开发自主版权数控机床的产业化奠定了良好基础，并取得了长足的进步。“九五”期间数控机床发展已进入实现产业化阶段，产业化规模有了较大幅度的提高，形成了十几个普及型数控机床的产业化基地和开发中心，数控机床的年销量从“八五”末期底1000多台发展到2000年的14万多台，机床的产值数控化率从“八五”的12%增长到2000年的近30%，一些重点企业已达到70%以上，使高档数控机床的进口幅度减少，突破了西方在关键设备方面对我国的进口限制，国产数控机床“八五”期间的市场占有率只有23%，到2000年已达到50%。数控机床新开发品种300个，已有一定的覆盖面。新开发的国产数控机床产品大部分达到国际20世

15、纪80年代中期水平，部分达到90年代水平，为国家重点建设提供了一批高水平数控机床。在技术上也取得了突破，如高速主轴制造技术（12000r/min1800r/min）、快速进给（60m/min）、快速换刀（1.5s）、柔性制造、快速成形制造技术等为下一步国产数控机床的发展奠定了基础。当前，我国数控系统正处在由研究开发阶段向推广应用阶段过度的关键时期，也是由封闭型数控系统向开放型系统过渡的时期。从生产规模上看，已有像航天数控集团、华中数控系统有限公司、北京机床研究所等可实现批量生产的产业化基地。我国数控系统在技术上已趋于成熟，在重大关键技术上（包括核心技术），已达到国外先进水平，以开发出具有自主知

16、识产权的基于PC机的开放式智能化数控系统。数控机床的可靠性指标有大幅度提高。我国数控机床的可靠性指标（MTBF）一直是其市场信誉及市场竞争力的主要问题。“九五”时期，我国加工中心的MTBF已达到400h，数控车床从平均200h提高到平均450h；数控系统从5000h提高到10000h以上，最高达到20000h。曾长期捆扰我国，并受到西方国家封锁的多坐标联动数控系统和数控技术已渐成熟，并进入生产应用阶段。“九五”期间，我国生产的五轴联动及五面加工机床已有多个品种，并在军工、航天、船舶等领域里应用，有效地打破了国外对我国进口此类设备的限制。第2章 机械结构选择经过毕业设计给出的题目要求和数据:要设

17、计加工工件的最大直径为10mm，且其工作行程为300×300×70的数控多工位钻床。根据这一特点表明要设计的机床是一台中小型的数控钻床，而且是用于一般的机加工中。所以设计这样的机床考虑其经济性、合理性应该是最为重要的和成为设计的主导思想！查相关数控机床资料和数控机床的市场调查，选择确定合理的机床结构很重要。传统的数控机床结构包括立式、卧式两大类。立式机床的主轴定位多数是相同的，它的优点在于：机床小巧、占地空间小、经济实惠。适合于工作单一加工工件较小及加工尺寸小的场合。而卧式数控机床的主轴结构及主轴箱布局可为单面悬挂主轴箱和主轴箱位于立柱对面内。后者的优点在于：主轴箱的自重不

18、会使立柱产生弯曲变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲和扭转变形均大为减小。这样就相当于提高了机床的刚度。故要是采用对数控机床结构设计成为卧式结构的话就应该选用主轴箱位于立柱内的布局形式。然而一般的卧式数控机床的加工尺寸都很大，对于我们要设计的机床加工零件的尺寸是很小的：仅为最大加工为10mm的孔。从经济的角度上来说：我们设计的机床采用立式的结构更为节省空间，节省材料。同时机床看上去更为小巧，然而完全可以达到要求加工范围的要求。包括此类机床的其它特点都很满足我们要设计机床的要求。 所以，我们通过对数控机床结构的了解和认识我们认为：对于我们即将设计的机床，采用立式的结构是完全可行的。方案的确定结果

19、是：数控多工位立式钻床。第3章 机械传动部件设计由于电机工作时，其负载阻力有切削力、摩察阻力、惯性力，只有克服这些阻力，才能正常启动及运行。因此要对进给系统进行必要的设计及计算。3.1 切削力的计算3.1.1 初始条件 要求加工的最大孔为=10mm,刀具为高速钢麻花钻（以磨损）。工件材料为45#钢（=0.638GPa）；灰铸铁190HBS。加工精度为：IT8IT10级以下孔初加工。3.1.2 确定切削力和扭矩（1）当工件材料为 45井钢时，根据以知条件查机械加工工艺手册表2.4-38高速钢钻头钻孔时的进给量知：10mm钻头初加工的进给量为0.220.28。由表2.4-41高速钢钻头切削时切削速

20、度、扭矩及轴向力可选取进给量的两极限值f=0.08mm/r-0.30mm/r,对应的它们的切削速度为V=0.99m/s0.43m/s,则由得 钻头或工件的转速 由金属切削刀具计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及表3-1麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知： 其中对于钢=0.638GPa =61.2 =1.0 =0.7 =0.0311 =2.0 =0.8 对于已磨损钻头=1 =1工件材料= =0.98938则最小进给量f=0.08mm/r=9.81×61.2×10××0.98938×1=1013.79N=9.81×0.0

21、311×××0.98938×1=4.0Nm=2×3.14×4.0×31.53×=0.79Kw最大进给量f=0.30mm/r=9.81×61.2×10××0.98938×1=2557.22N=9.81×0.0311×××0.98938×1 =11.52Nm=2×3.14×11.52×13.69×=0.99Kw (2) 当工件材料为 灰铸铁HB190时，根据以知条件查机械加工工艺手

22、册表2.4-41高速钢钻头钻孔时的进给量知：10mm钻头初加工的进给量为0.22-0.28。由表2.4-41高速钢钻头切削时切削速度、扭矩及轴向力可迭取进给量的两极限值f=0.12mm/r-0.70mm/r，对应的它们的切削速度为V=0.79m/s-0.33m/s,则由得 (3) 钻头或工件的转速 由金属切削刀具计算钻头轴向力F和扭矩T的经验公式及表3-1麻花钻轴向力和扭矩表达式中的系数、指数及修正系数可知： 其中对于灰铸铁 =42.7 =1.0 =0.8 0.021 =2.0 =0.8 对于已磨损钻头=1 =1工件材料=（/190）0.6=1则最小进给量f=0.12mm/r=9.81

23、5;42.7×10××1×1=768.14N=9.81×0.021×××1×1=3.78Nm=2×3.14×3.78×25.16×=0.597Kw最大进给量f=0.70mm/r=9.81×42.7×10××1×1=3149.02N=9.81×0.021××0.700.8×1×1=15.49Nm=2×3.14×10.51×15.49

24、5;=1.02Kw由此可得钻头的最大转矩=15.49Nm 最大转矩=3149.02N 最大切削功率=1.02Kw则钻头主轴所需要的功率为： 其中深沟球轴承=0.99 （取3个）角接触推力轴承=0.98 （取2个）花键轴=0.97-0.98 由金属切削机床查得：=0.97×0.993×0.982=0.904 则=1.02/0.904=1.03Kw 对于主轴电机的选择，查机械产品目录，对于中小功率的电机，一般额定转矩只有2.1-4，而主轴所需要的最大扭矩为15.49Nm，故必须采用齿轮组进行减速以提供大的转矩达到符合相应电机的额定转矩。 在数控机床多工位钻床的设计过程中，要求数

25、控机床能够进行多级变速。在这种情况下，我们正好可以采用一个变速器来解决。无级变速器就是能使主轴达到相应转矩和使主轴传递的转矩符合要求。 同时，根据主轴特点设计钻床主轴的特点是主轴在轴向方向上有移动，就是说上端的花键轴外面必须套有内花键的齿轮或其它才能将电动机的运动传递给主轴，使主轴转动。在本次设计中我们就选用花键的齿轮作为传动件，把电机的转动传给主轴，则从主轴来的传动方式为： 主轴（花键轴）内花键齿轮啮合齿轮（一组或多组）联轴器无级变速器主轴电动机3.2 主轴齿轮传动方案确定3.2.1 设定齿轮传动方案如图3-1所示：轴为机床主轴，设计为齿轮花键轴。由前面知齿轮花键轴的功率为P1图3-1 主轴

26、传动示意图 即轴 P= P1=1.13Kw 轴 P= P/齿轮 =1.13/0.97=1.16Kw （取=0.97，精度等级为8级） 则主轴电机输出功率P2=1.16/0.99=1.18Kw根据机械产品目录选择电机可用YCP802-2，1.1Kw额定功率和YCP90S-2，1.5Kw额定功率最为接近功率要求。而前者略小于最大输出功率，而加一个无级变速器相对于电机来说其传递功率也不会消耗太多，粗略估算则选用后者YCP90S-2，额定功率为1.5Kw，额定电压为380V，额定电流为3.4A，转速为2840r/min，最大额定转矩为2.3Nm。选择了电动机就可根据所选择电动机确定相应的无级变速器。根

27、据电动机功率和转矩及主轴所必须达到的最小转矩，可确定变速器，查机械设计手册第四卷可选择的无级变速器为：HZXD1500L。根据无级变速器的相关数据和主轴所需要的相关数据，无级变速器提供的转矩已经可以达到主轴要求的转矩，同时转速也能达到要求。故在接下来设计的齿轮组中，主要达到的目的为将电动机的转动传递给主轴使主轴完成转动，并不影响轴向的进给运动。对于齿轮组的设计就是要完成传动。为了设计需要，可以仅设计一组齿轮即可。又因为转矩完全达到要求，转矩要求的差又不是太大，从对主轴箱结构设计入手（对主轴箱的总体布局和结构合理、比例合适），可将这对齿轮设计成一组惰轮，即不改变变速器传递出来的转矩和转速，仅将转

28、动传给主轴，达到了设计要求和目的。3.3.2 设计齿轮在齿轮设计中，取转矩最大时设计用到最大转矩15.49,切削速度=631r/min。首先小齿轮（主动齿轮）用40Cr，调质处理，硬度241HB286HB，平均取为260HB，大齿轮（从动齿轮）用45钢，调质处理，硬度229HB286HB，平均取为240HB。计算如下： 关于主轴传动中的第一组齿轮齿面接触疲劳强度计算1）初步计算：转矩:TII= 5.49Nm=5490Nmm齿宽系数: 由表12.13（该节中所指的表均指机械设计一书中的表） 取1.0接触疲劳极限： 由机械设计图12.17c可取 =710MPa =580MPa初步计算的许用接触硬力

29、:=0.9=0.9×710=639MPaAd值由表12.16，取Ad85初步计算的小齿轮直径：d1=29.14(其中u=I=1, T=5490Nmm)取90mm 初取齿宽：b=1×90=90mm2）校核计算：圆周速度: 精度等级：由机械设计表12.6选8级精度 齿数Z和模数m: 取齿数=60, =1×60=60模数由机械设计表12.3取m=1.5 则 =60使用系数:由表12.9取1.5 动载系数:由表12.9取1.1 齿间载荷分配系数:由表12.10先求： 端面重合度： 重合度系数:=0.74 由此得： 齿间载荷分布系数: 由机械设计表12.11（非对称支撑）

30、载荷系数：=1.5×1.1×1.81×1.28=3.82 弹性系数由表12.12取189.8 节点区域系数:由机械设计手册图12.16可取2.5 接触最小安全系数:由表12.14取1.05 总工作时间：=10×300×8×20%=4800h 应力循环次数:由表12.15估计：107<<109 则指数：m=8.78 =60×1×631×4800×(1×0.2+×0.5+ ×0.3) =3.65× 原估计应力循环次数正确。 接触寿命系数:由机械设计

31、图12.18可取=1.13 =1.18许用接触应力H： 验算： 503.4MPa计算结果表明,接触疲劳强度较为适合，齿轮齿寸无需调整。3）确定传动主要尺寸：实际分度圆直径d,因模数取标准值时，齿数并未调整，故分度圆直径不会改变，即：=90mm =90mm 中心距齿宽b=90mm 4）齿根弯曲疲劳强度验算：重合度系数：齿间载荷分配系数: 由机械设计表12.10 齿向载荷分布系数KF: 由机械设计手册表12.14 =1.25载荷系数K:=1.5×1.1×1.49×1.25=3.07齿形系数: 由机械设计图12.21 =2.8 =2.29应力修正系数: 由机械设计图12

32、.22 =1.54 =1.74弯曲疲劳极限:由机械设计图12.23C=60MPa 450Mpa弯曲最小安全系数:由表12.14 1.25应力循环次数:由表12.15，估计3×106<<1010则指数m=49.91 =60×1×631×4800×(1×0.2+×0.5+ ×0.3) =3.63×原估计应力循环次数正确。弯曲寿命系数: 由机械设计图12.24 0.93 0.95尺寸系数: 由机械设计图12.25 1.0 许用弯曲应力: 验算： 传动无过载，故不作静强度校核。3.3 主轴结构设计及计

33、算主轴材料45钢，调质到HB220250左右3.3.1 轴的确定轴的最小直径 由机械设计表16.2查得：45钢=35Mpa取轴最小直径20mm。根据最小轴径确定各阶轴径。主轴如图3-2所示：3.3.2 在所在主轴上使用的轴承选择如下图3-2主轴结构图选用深沟球轴承和推力球轴承：a处有：6206 d=30 D=62 B=16 51206 d=30 D=52 B=16b处有：6206 d=30 D=62 B=16 (两个) 51206 d=30 D=52 B=16则a段取长设计为35，b段取长设计为50。3.3.3 轴上轴承和花键的确定花键轴上花键的选择定型为：由机床设计手册表4.2-13，根据轴

34、的最小径可取花键为：ZD×d×B=422×19×8，=18.3， C=0.3， r=0.2由机械设计表7.2对花键轴联接传递的转矩计算： 动联接过程T=KZhlrmP 花键选用矩形花键，外径定心，其定心精度高，表面硬度高于40HRc 工作条件中等，齿面经过热处理。 由机械设计手册7.2查得P=515Mpa 取P= 15Mpa 选择齿的接触长度l即为Z4齿的齿宽l=b4=30mm 取载荷不均匀系数K=0.8 则T（动联接）=0.8×4×0.9×10-3×12.75×10-3×0.030×

35、15×106=16.53Nm>=15.49Nm 则花键轴能够达到所需传递的转矩。 对于花键轴传递转矩转动中产生的摩擦力为：取=0.1=µf=5338×0.1=533.8N而 则轴所受轴向力：F合= F花+ Fmax =154.5+3149.02=3304N则轴向方向齿条受力F合K=1.1×F合=3635N（K=1.1）3.3.4 轴向进给设计 在主轴外设计一套筒：设长为80mm的齿条由齿轮带动。先设计用一级减速接步进电机使主轴进给。如图3-3所示：图3-3主轴进给图示 由机电一体化课程设计指导书：I=×t0/3600×其中步距角

36、（deg） 脉冲当量（钻床取0.02mm） t0齿距（t0=m）根据机电一体化课程设计指导书选步进电机 取=0.1 m=1.25 取=0.75时取I=3.2（=0.1时）可取：=20 =64 m=1.25 b=20mm =200=25mm =28 =83齿轮设计成直齿圆柱齿轮，齿轮材料为45钢，则大小齿轮转动惯量分别为：根据机电一体化课程设计指导书表1，预选步进电机为200BF001，查得电机转子轴的转动惯量为：折算到电动机轴上的转动惯量： 等效负载转矩Tm的计算：取V=2m/min Tm=（F轴+F摩）V主轴进给/2nm 3.3.5 起动惯量矩的计算 以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速

37、度或制动减速度的时间t=0.3s，由于步进电机的角速度则： =则J+T惯=1.04+5.038=6.08Nm3.3.6 步进电机的匹配选择 如考虑机械传动系统的效率为n，安全数值为K，则此时负载总转矩为： 由预选的步进电机型号200BF001，五相十步，步距角0.1%Step，其最大静转矩=14.7Nm，为保证正常的起动和停止，步进电机的起动转矩必须大于或等于T，由表可知的比值，取=0.951，则=14.7×0.951=13.98Nm>13.03Nm故选择合适。3.4 纵向进给运动的分析及计算3.4.1 摩擦阻力摩擦阻力应等于正压力乘以摩擦系数。正压力应包括轴向力F=1175N

38、及工作台加纵向轨道之重力，设工作台重量为400Kg，纵向轨道重量为400Kg.=（400+400）×101175×0.1=917.5N 3.4.2 等效转动惯量计算根据要求粗选：=0.75 to=5 =0.005可取 =25 , =52 m=1.5 b=25mm =20o=1.5×25=37.5mm =1.5×52=78mm 40.5mm =81mm将齿轮看作近似的圆柱体，材料为45#钢，则大、小齿轮的转动惯量分别为:J=7.8××b×2=7.8××2.5×=3.86× =7.8

39、15;×2.5×=8.40×Kgm2滚珠丝杆直径选择为=25mm, L=700mm,材料钢，则丝杆的转动惯量可近似的算出为：=7.8××70×=2.13×Kgm2由机电一体化课程设计指示书表1，预选步进电机为110BF004，查得电机转子轴的转动惯量为 =3.43×Kgm2折算到电机轴上的总转动惯量为： 3.4.3 丝杠摩擦阻力矩的计算由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。3.4.1.4 等效负载转矩的计算：由3.4.4 起动惯性阻力矩的计算以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速式制动减速的时间t=0

40、.5s(一般在0.11s之间)，由于步进电机的角速度角加速度=6.26××174.44=0.11Nm3.4.5 步进电机输出轴总的负载转矩的计算J=0.35+0.11=0.46Nm第4章 纵向进给步进电机加工匹配选择由预选的步进电机型号为110BF004，三相六拍，步距角0.75%step.其最大转矩=4.9Nm为保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩必须大于或等于,由表查出=0.866=4.9×0.866=4.24Nm>0.99Nm 故选择合适。确定选用110BF004步进电机。4.1 纵向进给滚珠丝杠的校核初选丝杠型号为CMD2504-3，因此必须进行

41、以下几个项目的校核4.1.1承载能力的校核fHfWPmaxCO 式中L滚珠丝杠寿命系数（）Pmax=F纵+F摩0+917.5917.5NfH=1 fW=1.2 T=15000N选丝杆CMD25043查表得丝杆额定载荷为O=8.2KN>Q满足要求。4.1.2 压杆稳定性验算取双推简支式支承，由FK=2E-钢的弹性模量2.1×（Mpa）I-丝杠小径的截面惯性矩（）查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1 =21.9mm取压杆稳定安全系数K=4丝杠长度L=LS=700mm故满足要求。4.1.3 刚度验算 丝杠的刚度是保证第一导程的变动量要在允许范围内 丝杠最小截面积 设T0=0.5=2.

42、26cm4 M= i=4.9×2.08=10.20Nm=1020Ncm“”号用于拉伸，“一”号用于压缩，都取“”号，则: 由于选择要求滚珠丝杠精度等级为C级，L0=±4m>0.681m所以满足要求。4.1.4 纵向进给轴承的选择推力球轴承：51305向心球轴承：62054.2 横向进给运动的分析及计算4.2.1 摩擦阻力 当钻床的工作台与导轨间的相对运动为滑动摩擦，取摩擦系数 摩擦阻力应等于正压力乘摩擦系数。正压力应包括轴向力及工作台之重力。工作台的重量为400kg 。故可算出起摩擦阻力为： F摩（400+1175）×0.1517.5N4.2.2 等效转动惯

43、量计算根据要求粗选：=0.36 to=5 =0.002 初取 =20 , =50 m=1.5 b=25mm =20odf1=mZ1=1.5×20=30mm df2=mZ2=1.5×50=75mm de133mm de2=78mm将齿轮看作近似的圆柱体，材料为钢，则大、小齿轮的转动惯量分别为：J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2)JZ1=7.8×3.34×2.5×10-4=2.31×10-5Kgm2 JZ2=7.8×7.84×2.5×10-4=7.22×10-

44、4Kgm2滚珠丝杆直径选择为=20mm, L=700mm,材料钢，则丝杆的转动惯量可近似的算出为：JS=7.8××70×=0.87×Kgm2预选步进电机为90BF006,查得电机转子轴的转动惯量为：=1.764×Kgm2折算到电机轴上的总转动惯量为： 丝杠摩擦阻力矩的计算： 由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。4.2.3 等效负载转矩的计算=(+) V工作/2nm钻床工作台行程速度为2 m/min根据丝杆螺距算出丝杆速度。再根据齿轮减速比算出步进电机的转速为由4.2.4 起动惯性阻力矩的计算 以最不利条件下的快速起动计算，设起动加

45、速式制动减速的时间 t=0.5s(一般在0.11s之间)，由于步进电机的角速度角加速度J×=4.96××209.44=0.14Nm 步进电机输出轴总的负载转矩的计算：=+=0.16+0.14=0.30 Nm4.2.5 横向进给步进电机加工匹配选择如果考虑机械传动系统的效率为=0.7,安全系数为K=1.5,则此时的负载总转矩应考虑为 由预选的步进电机型号为90BF006，五相十拍，步距角0.36%step,其最大转矩=2.156Nm。为保证正常的起动与停止，步进电机的 起动转矩必须大于或等于T',由表查出/T'=0.951=2.156×0.

46、951=2.05Nm>0.49Nm。所以选择合适。 确定选用90BF006步进电机。4.2.6 横向进给滚珠丝杠的校核初选丝杠型号为CMD2005-3，因此必须进行以下几个项目的校核承载能力的校核： 式中L滚珠丝杠寿命系数（） =F横+F摩0+517.5517.5N=1 =2 T=15000 选丝杆CMD20053查表得丝杆额定载荷为O=9KN>Q满足要求4.2.7 压杆稳定性验算取双推简支式支承，由=2E-钢的弹性模量2.1×（MPa）I-丝杠小径的截面惯性矩（）查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1 =1.69mm取压杆稳定安全系数K=2.5丝杠长度L=LS=700mm

47、故满足要求。4.2.8刚度验算 丝杠的刚度是保证第一导程的变动量要在允许范围内丝杠最小截面积 设T0=0.5I=0.80cm4 M= =0.882×2.5=2.21Nm=221“”号用于拉伸，“一”号用于压缩，都取“”号，则 由于选择要求滚珠丝杠精度等级为C级，L0=±4m>0.602m所以满足要求。4.2.9 横向进给轴承的选择推力球轴承：51304向心球轴承：62044.3 Z向进给负载分析及计算 摩擦阻力应等于正压力乘以摩擦系数。因主轴箱自重被平衡，对轨道无压力，所以摩擦阻力为零。4.3.1 等效转动惯量计算 根据要求粗选：=0.75 to=5 =0.02可取

48、=46 , =24 m=1.5 b=25mm =20o=mZ1=1.5×46=69mm =mZ2=1.5×24=36mm 72mm =39mm将齿轮看作近似的圆柱体，材料为钢，则大、小齿轮的转动惯量分别为： J=7.8×d4 ×b×10-4 (kgm2)=7.8×7.24×2.5×10-4=5.24×10-5Kgm2 =7.8×3.94×2.5×10-4=0.45×10-4Kgm2滚珠丝杆直径选择为=32mm, L=400mm,材料钢，则丝杆的转动惯量可近似的算出为

49、：=7.8××40×=3.27×Kgm2由机电一体化课程设计指示书表1，预选步进电机为110BF003，查得电机转子轴的转动惯量为 =4.61×Kgm2折算到电机轴上的总转动惯量为： 4.3.2 丝杠摩擦阻力矩的计算由于用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。4.3.3 等效负载转矩的计算=(0+1175)×2/2×208.33=1.80Nm由4.3.4 起动惯性阻力矩的计算以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速式制动减速的时间 t=0.5s(一般在0.11s之间)，由于步进电机的角速度角加速度×=2.59

50、×10-3×43.62=0.11Nm 步进电机输出轴总的负载转矩的计算：=+=1.80+0.11=1.91Nm4.3.5 Z向进给步进电机加工匹配选择考虑机械传动系统的效率为,安全系数为K,则比时的负载总，转矩应考虑为T'= (K/)T=(1.5/0.7)×1.91=4.09Nm 由预选的步进电机型号为110BF003，三相六拍，步距角0.75%.其最大转矩=7.84Nm为保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩必须大于或等于,由表查出=0.866=7.84×0.866=6.79Nm>4.09Nm 故选择合适。确定选用110BF003步进电

51、机。4.3.6 Z向进给滚珠丝杠的校核初选丝杠型号为CMD3205-5，因此必须进行以下几个项目的校核 承载能力的校核： 式中L滚珠丝杠寿命系数（）117501175N=1 =2 T=15000 选丝杆CMD3205-5查表得丝杆额定载荷为O=19.2KN>Q满足要求。取双推简支式支承，由=2E-钢的弹性模量2.1×（Mpa）I-丝杠小径的截面惯性矩（）查手册可知，所用丝杠的最小径为：d1 =2.89mm取压杆稳定安全系数K=4丝杠长度L=700mm故满足要求。刚度验算：丝杠的刚度是保证第一导程的变动量要在允许范围内丝杠最小截面积设=0.5I=6.85 M= =7.84

52、5;0.5208=4.083Nm=408.3Ncm“”号用于拉伸，“一”号用于压缩，都取“”号，则 由于选择要求滚珠丝杠精度等级为C级，L0=±4m>0.438m所以满足要求。4.3.7 Z向进给轴承的选择推力球轴承：51307向心球轴承：62074.4 齿轮强度校核4.4.1 齿面接触疲劳强度计算转矩:=0.35Nm=350Nmm齿宽系数: 由表12.13（该节中所指的表均指机械设计 主编一书中的表） 取接触疲劳极限： 由图12.17c可取 =710MPa =580MPa初步计算的许用接触硬力:=0.9=0.9×710=639MPaAd值由表12.16，取Ad85初步计算的小齿轮直径：>85=9.94取33mm初取齿宽：b=0.75×33=25mm 校核计算： 圆周速度:V=2m/min 精度等级：由表12.6选8级精度 齿数Z和模数m:取齿数Z1=20,Z2=iZ1=50,模数 由表12.3取m=1.5 则 使用系数KA:由表12.9取KA1.5 齿间载荷分配系数KH:由表12.10先求： 端面重合度：重合度系数:Z=0.88由此得：齿间载荷分布系数KH:由机械设计手册表12.11（对称支撑） 载荷系数：K=1.5×1.1×1.29×1.27=2.