普通型车床纵向进给系统数控升级设计说明

普通型车床纵向进给系统数控升级设计说明

机械设计制造及其自动化专业

课程设计说明书

设计题目：普通型车床纵向进给系统数控升级设计

前言

我国目前机床总量为380万余台，而其中数控机床总数只有H.34万台，这说

明我国机床数控化率不到3%。我们大多数制造业与企业的生产、加工设备大多数

是传统机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种机床加工出来的

产品普遍存在质量差、品种少、成本高等缺点，因此这些产品在国际、国内市场

上缺乏竞争了，这直接影响了企业的生存与进展。因此务必提高机床的数控化率。

在过去的几十年，尽管金属切削的基本原理变化不大，但随着社会生产力的

进展，要求制造业向自动化与精密化方向进展，而刀具材料与电子技术的进步，

特别是微电子技术、电子计算机的技术进步，运用到操纵系统中，既能帮助机床

的自动化，又能提高加工精度。这些都要求对旧机床进行改造。另外，在经济方

面，用机床的数控改造比更新设备节约50%的资金。再加上市场的原因，由于目

前机床市场供给无法满足大量的机床设备的更新需要，因此更显示出机床数控改

造的必要性。

关于我国的实际情况，大批量的购置数控机床是不现实也是不经济的，只有

对现有的机床进行数控改造。数控改造相关于购置数控机床来说，能充分发挥设

备的潜力，改造后的机床比传统机床有很多突出优点，由于数控机床的计算机有

很高的运算能力，能够准确的计算出每个坐标轴的运动量，加工出较复杂的曲线

与曲面。其计算机有经历与存储能力，能够将输入的程序经历与存储下来，然后

按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更换一个程序，

就能够实现另一工件的加工，从而实现“柔性自动化”。改造后的机床不象购买新

机那样，要重新熟悉机床操作与维修，也不熟悉能否满足加工要求。改造能够精

确计算出机床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早已熟悉，

操作与维修方面培训时间短，见效快。另外，数控改造能够充分利用现有地基，

不必像购入新机那样需要重新构筑地基，还能够根据技术革新的进展速度，及时

地提高生产设备的自动化水平与档次，将机床改造成当今水平的机床。

数控技术改造机床是以微电子技术与传统技术相结合为基础，不但技术上具

有先进性，同时在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性与可用性，

且投入费用低，用户承担得起。由于自投入使用以来取得了显著的技术经济效益，

已成为我国设备技术改造中栗紧方向之一，也为我国传统机械制造技术朝机电一

体化技术方向过渡的要紧内容之一。

普通型车床纵向进给系统数控升级设计

一、设计任务

将普通车床改造成用MCS-51系列单片机操纵的经济型的数控车床，要求该

车床纵向有直线与圆弧插补功能。系统分辨率为：O.Olmm/pulSo

二、给定参数

最大加工直径：400mm（在床面上）

最大加工长度：1000mm

丝杠纵向长度：1300“500mm

原车床丝杠纵向直径：22mm

纵向导轨类型：综合性导轨

主轴转速范围：正转（24级）10〜1400rpm

反转（12级）14〜1580rpm

溜板及刀架纵向重力：800N

刀架纵向快移速度：2.4m/min

最大纵向切削进给速度：0.6m/min

主电机功率：735kW/l450rpm

启动加速时间：30ms

机床定位精度：±0.015mm

三、设计要求

1.改装后数控车床应具有性能：

数控代码制：ISO

脉冲分配方式：逐点比较法

输入方式：增量值、绝对值通用

同时操纵坐标轴数：2坐标轴（纵向Z,横向X）

纵向脉冲当量值：0.01mm/puls

刀具补偿量：0~99.99mm

进给传动链纵向间隙补偿量：0.15mm

自动升降速性能：有

2.改装后数控车床的工艺范围：

具有快速定位，直线插补，顺、逆圆插补，暂停，循环加工。

3.对微机数控系统的要求：

微机操纵系统要有可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，具有很

高的性能价格比等特点。操纵系统的加工程序与操纵命令通过键盘操作

实现，显示器使用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

四、设计工作量

1.一张纵向进给机构的结构改装图（A1）;

2.一张驱动电路原理图（A2）

3.一份设计说明书

包含下列内容：

1)前言(数控改装的意义、用途及目的等)：

2)设计的要紧思路：系统总体方案的确定、机械系统方案设计、操纵

系统方案设计；

3)机械部分改装设计计算：

(1)滚珠丝杠螺母副的确定；

(2)传动齿轮的传动比与齿数的确定；

(3)步进电机的选择。

4)操纵系统硬件电路设计计算与参数选择；

5)步进电机接口及驱动电路设计；

6)总结及结束语

第一章系统总体方案的分析与拟订

一、系统总体改造方案的确定

目前，在机械加工工业中，绝大多数是旧式机车，假如改用微机操纵，实现

机电一体化的改造，会使机床习惯小批量、复杂零件的加工，不但提高加工精度

与生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机车的机电一体

化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计操纵部分；另一种是使用标准的

步进电机数字操纵系统作为要紧操纵装置。后者选用国内标准化的微机数控系统,

比较简单。这种标准的微机数控系统通过使用单片机、驱动电源、步进电机及专

用的操纵程序构成开环操纵系统。起结果简单、价格低廉。对机床的操纵过程大

多是由单片机按照输入脉冲的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或者硬

件实现脉冲分配，输入一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进

电机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，能够让

单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序操纵进给速度。

光

驱

电

动

隔v\

器

离

v\

继电器

急停回

(

主

车

转

蚁

轴

第条刀

I刀

横

脉刀架操纵电路刀架

架)

等

TOP冲

柚

发

/零等限

生

位

功能键器

电机

二、机械传动系统的改造方案的确定

在熟悉原机床的操作过程及传动系统后,根据设计要求确定系统的机械传动

系统改造方案。包含电机型号的选择，减速比的确定，齿轮模数及齿数的确定，

原有丝杠导轨是否栗重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副是丝杠螺母副的型号及安

装形式如何确定，导轨的设计方法等。

对CA6140车床的纵向（Z向）进给运动进行数控改造，如今可将开喝螺母

合上，离合器Ms脱开，使主运动与进给运动脱开，如今，将脱落螺杆等横向自动

进给机构调至空挡（脱开）位置。若原刀架为自动转位刀架，则能够由微机操纵

自动换刀具.否则仍由手动转动刀架。如需加工螺纹，则要在主轴外端或者其他

适合位置安装一个脉冲发生器来检测主轴转体，用它发出的脉冲来保证主轴旋转

运动与纵向进给运动的相互关系。这种改造方案成本较低。但是，为了保证加工

精度，还需根据实际情况进行检修，才能保证操纵精度。原有机床运动部件（包

含导轨、丝杠副等）安装质量的好坏，直接影响阻力与阻力矩的大小，应尽量减

少阻力（力矩），以提高步进电机驱动力矩的效率。对丝杠及轴要提高其直线度，

导轨压板及螺母的预紧力都要调得合适。为减少导轨副的摩擦阻力可改换成滚动

导轨副或者使用贴塑导轨。根据阻力（力矩），切削用量的大小及机床型号的不

一致，应通过计算，选用与之相匹配的步进电机。对加工精度要求较高的机床，

其进给丝杠应换成漆珠丝杠副。

三、微机操纵系统方案的确定

1、机操纵系统的总体构成

数控部分使用MCS-51系列的单片机操纵，其典型代表有8031、8051、

8075等，其中8031的价格低，功能强，比较适合于通常机床的数控改造，

但由于其无内存，务必外接存储器及I/O扩展芯片才能够成为一个较简单的

微机操纵系统。

存储芯片的选择根据系统操纵程序的大小及CPU的字长，I/O扩展芯片与

I/O通道的个数来确定。

2、软硬件任务合理分配

要紧是操纵步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘

扫描管理。三者都能够用专用硬件芯片或者软件编程实现。用硬件实现，编

程简单，但增加硬件成本及故障源。用软件实现，节约芯片，降低成本，但

增加编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，根据自我经验与能

力来确定。

第二章机车进给伺服系统机械部分设计计算

计算与说明要紧结果

§1系统负载的确定

一、确定系统脉冲当量

脉冲当量是衡量数控机车加工精度的一个基本

技术参数。经济型数车床使用的脉冲当量是

0・01~0.005mm/脉冲，此次改造的CA6140车床在纵向

的脉冲当量取0.01mm/脉冲。

二、切削力计算

用经验公式计算主切削力

关于车床的主切削力

纵切：Fz=0.67Dmaxk5(N)

Dmax------车床床身上加工最大直径(mm)

Fz=0.67X(400)L5=5360(N)Fz=5360(N)

按比例分别求出分力Fx与Fy

由Fz：Fx：Fy=1:0,25:0.4

Fx——走刀方向的切削力(N)

Fy------垂直走刀方向的切削力(N)

得：Fx=0.25FzFy=0.4Fz

=0.25X5360=0.4X5360Fx=1340(N)

=1340(N)=2144(N)Fy=2144(N)

§2滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型

一、计算进给率引力FM最大工作载荷)

Fm=KFx+f(Fz+G)

查表3-4选综合导轨，其K=L15,摩擦系数f=0.15~0.18取

f=0.165

工作台重量G=800(N)

(

Fm=1.15X1340+0.15X5360+800)Fm=2456(N)

=2456(N)

二、计算最大动载荷C

C=：£fwfHFm

寿命中

1000V.

n------丝杠转速(r/min),n=---

Vs------最大切削力条件下的进给速度(m/min),可取最高

进给速度的;

现取最高进给速度的的;

Lo-----丝杠的导程(mm)

T——使用寿命(h),关于数控机车T=15000h

fw——运转系数

查表得运转系数％=1.2,取硬度为60HRC,查表得硬度

系数fH=l.0o

则最大动载荷C

60x1000x0.6x^x15000

C=江fwfHFm=1--------------------/----------X1.2X1X

\LoxlO6

2456=n-X16640.53

①选基本导程Lo=4(mm)

则最大动载荷Lo=4(mm)

C=X16640.53=10482.88(N)

C=10482.88(N)

查表无法找到满足要求的内循环滚珠丝杠

②选基本导程L(>=6(mm)

则最大动载荷Lo=6(mm)

X16640.53=9157.64(N)

C=9157.64

③选基本导程L,)=8(mm)(N)

L()=8(mm)

XI6640.53=8320.265(N)

C=8320.265(N)

由C<Ca查江汉机床厂01型滚珠丝杠。其公称直径

Do=50(mm),时Lo=6(mm)Lo=8(mm)都满足C<Ca

(1)当L0=6(mm)时:

Do=50(mm)

㈠传动效率计算

传动效率I=n=产］、

tg(Y+9)

Y——丝杠螺旋升角

(P——摩擦角，滚块丝杠副的滚动摩擦系数

f=0.003~0.004,取f=0.0035,贝4摩擦角

(p=arctg0.003=0.17°

丝杠螺旋升角Y=arctgE~

兀d0

=arctg=2.18°

3.14x50

滚珠丝杠副的摩擦角(P=arctg0.0035=0.17°

但2.1即

=0.9246

tg(2.l^+0.17o)

n=0.9246

T|>0.9满足要求

㈡刚度验算

⑴丝杠的拉伸或者压缩变形量81

FmLp

AL=±

EF

△L——在工作负载在工作负载作用下引起的每一导程

的变化量(mm)

F„.——工作负载，即进给率引力(N)

Lo------滚珠丝杠的导程(mm)

E——材料的弹性模数，对钢E=20.6X104(N/mm2)

F-----滚珠丝杠的截面积(mrrP)

Do------丝杠的公称直径

c------偏心距

R——螺纹滚道半径

初选公称直径为40mm的丝杠验算：

基本导程为8mm的丝杠：

滚道法面半径R=0.52do=0.52X4.763=2.4767(mm)

偏心距e=(R-)sin3

K2・064・4763后in45"=0.0673(mm)

2

螺纹内径山=do+2e-2R

=40+2X0.0673-2X2.4767

=35.1812(mm)(11=35.18(mm)

nd；

滚珠丝杠截面积F=—L

4

3.14x35.18122

=972(mm2)F=972(mm2)

4

弹性模量E=20.6XlO^N/mm2)

则：AL=

EF

=±2456x8

20.6xlO4x972

=±9.85X10-5(mm)

则滚珠丝杠总长度上拉伸或者压缩变形量61为:

8]=^txL

L。

=±9・85，1。-5

xl300=±0.0154(mm)5i=±0.0154(mm)

8

精度不合要求，因此改选基本导程为6mm的丝杠。

滚道法面半径R=0.52do=0.52X3.969=2.064(mm)

偏心距e=(R-^-)sin0

3.969

=(2.064----)sin45°=0.056(mm)

螺纹内径di=do+2e・2RDi=35.99mm

=4012X0.056-2X2.064

=35.985(mm)

nd?

滚珠丝杠截面积F=—1

4

3.14x35.985-

=1()17(mm2)F=1017mm2

弹性模量E=20.6Xl^CN/mm2)

则：ALi=

EF

2456x6

=±

20.6X104X1017

=±7.06X105(mm)

则滚珠丝杠总长度上拉伸或者压缩变形量51为:

8i=-xL

L。

,7.06x10'5…八八_4_八八一”、

=±--------------x1300=i0.0147(mm)6i=±0.0147

(mm)

由于机床精度要求为0.015mm,因此基本导程为6、8mm

的丝杠都不合适，因此改选公称直径为50mm的丝杠。

滚道法面半径R=0.52do=0.52X3.969=2.064(mm)

偏心距e=(R-)sin0

2

3.969

=(2.064----)sin45°=0.056(mm)

螺纹内径di=do+2e-2R

=50+2X0.056-2X2.064

=45.985(mm)Di=45.99mm

nd?

滚珠丝杠截面积F=—L

4

3.14x45.985-=166O(mm2)F=1660.8mm2

弹性模量E=20.6XKHCN/mm2)

则：ALi=±

EF

i2556x6

―20.6xl04x1660.8

=±4.3072X10'5(mm)

则滚珠丝杠总长度上拉伸或者压缩变形量61为:

AL

81xL

5i=0.0093mm

43072x10-5

=±xl300=±0.0093(mm)

~6~

⑵滚珠与螺纹滚道间接触变形82

有预紧时：§2=0.0013-；=m

F,n——轴向工作载荷

Fy——预紧力(kgf)

do------滚珠直径(mm)

Zr——滚珠数量Z.ZX圈数X列数

圈滚珠数，2=用・3(内循环)

d。

Do------滚珠丝杠公称直径(mm)

预紧力Fv=1Fm

7TD

Z=-2O--3

d。

=3.14x50.3=36.6(个)

3.969

她I:Zz=36,6X1X3=109.7(个)

则滚珠与螺纹滚道间接触变形

2456

82=0.0013X%8

也96♦鬻

=0.00205(mm)

⑶支撑漆珠丝杠的轴承的轴向接触变形83

使用向心推力球轴承，用双推----双推式

轴向接触变形63=0.00133-鸳82=0.00205mm

2

VQz

Fm-----轴承所受轴向载荷(kgf)

z—轴承的滚动体数目

dQ-----轴承滚动体直径(mm)

选用51106型推力球轴承

其内径d=30(mm),外径D=47(mm),

_D・d_47-30

则：dQ=8.5(mm)

-22

轴承滚动体数目Z二九中口)

2dQ

3.14x(30+47)入、

=------------------=14.2=14(个)

2x8.5

I~

贝h83=0.00243―与一

VQZ

=0.0024?198.=0.0031(mm)

Y8.5x28?

滚珠丝杠副刚度的验算，要紧是验算61、52、63之

与不应大于机床精度要求同意变形量的一半。由于预紧的83=0.0031mm

作用，使用双螺母预紧，可将原机床的刚度提高4倍。因

此只要

8i+32+53匕机床精度要求。

而,81+62+63=0.0093+0.00205+0.0031

=0.01445(mm)

由于61+62+63小于机床的定位精度±0.015(mm),故所

选滚珠丝杠满足刚度要求。

㈢稳固性验算

对已选定尺寸的丝杠在给定上的支撑条件下,承受最满足刚度要求。

大轴向载荷时，应验算其是否具有产生纵向弯曲(失稳)危

险.

产生失稳的临界负载

F『罕

E——丝杠材料弹性模量，对刚E=2O.6X1()6

I-----截面惯性矩(cm。

1——丝杠两端支撑距离(cm)

fz—丝杠支撑系数

丝杠使用两端固定支撑方式，支撑系数fz=4

截面惯性矩I=—d；=—X45.9854=219500.07

6464

4x3.142x20.6xIQ4X2I9500.07

Fk=

13002

=1056299.2(N)

Fk=1056299.2N

Fk

稳固性安全系数nk=

1056299.2

=430.077

2456nk=430.077

取许用稳固性安全系数[nk]=4

由于nk>[rik],因此丝杠不至失稳.

(2)当导程Lo=8(mm)时:

㈠传动效率计算

传动效率n=n=

,tg量([+(p、)

Y——丝杠螺旋升角

(P——摩擦角，滚球丝杠副的滚动摩擦系数

f=0.003~0.004,取f=0.0035,她】摩擦角

(p=arctg0.003=0.17°

丝杠螺旋升角Y=arctg旦

花d0

3.14x50

滚珠丝杠副的摩擦角(p=arctg0.003=0.17°

tg2.91550

=0.9447r\=0.9447

tg(2.1Jf+0.17°)

TI>0.9满足要求

㈡刚度验算

⑴丝杠的拉伸或者压缩变形量81

△L—在工作负载在工作负载作用下引起的每一导程

的变化量(mm)

Fm——工作负载，即进给率引力(N)

Lo------滚珠丝杠的导程(mm)

E——材料的弹性模数，对钢E=20.6X104(N/mm2)

F-----滚珠丝杠的截面积(mm?)

Do------丝杠的公称直径

c------偏心距

R——螺纹滚道半径

滚道法面半径R=0.52do=0.52X4.763=2.4767(mm)

偏心距e=(R-)sin0

二(2.064.'763后in45°=0.0673(mm)

2

螺纹内径di=do+2e・2R

=50+2X0.0673-2X2.4767

=45.1812(mm)di=45.1812(mm)

nd?

滚珠丝杠截面积F=--

4

3.14x45.18122

=1603.27(mm2)F=1603.27(mm2)

~1~

弹性模量E=20.6Xl^CN/mm2)

土转

则：AL=

EF

二.2456x8

―20.6xl04x1603.27

=±5.949X105(mm)

则滚珠丝杠总长度上拉伸或者压缩变形量61为:

AL

81xL

8i=±0.0096(mm)

43072x10-5

=±xl300=±0.0096(mm)

~6~

⑵滚珠与螺纹滚道间接触变形82

有预紧时：§2=0.0013-；=m

F,n——轴向工作载荷

Fy——预紧力(kgf)

do------滚珠直径(mm)

Zr——滚珠数量Z.ZX圈数X列数

圈滚珠数，2=用・3(内循环)

d。

Do------滚珠丝杠公称直径(mm)

预紧力Fv=1Fm

7TD

Z=-O2--3

d。

=3J4x503=29.979(个)

4.763

则：Z.30X1X2.5=75(个)

则滚珠与螺纹滚道间接触变形

2456

82=0.0013X^/76次%誉8x*=

=0.002491(mm)

⑶支撑漆珠丝杠的轴承的轴向接触变形83

使用向心推力球轴承，用双推----双推式

62=0.002491(mm)

轴向接触变形83=0.00243

W2

Fm-----轴承所受轴向载荷(kgf)

z—轴承的滚动体数目

dQ-----轴承滚动体直径(mm)

选用51106型推力球轴承

其内径d=30(mm),外径D=47(mm),

_D・d_47-30

则：dQ=8.5(mm)

-22

轴承滚动体数目Z二九中口)

2dQ

3.14x(30+47)入、

=------------------=14.2=14(个)

2x8.5

I~

贝h83=0.00243―与一

VQZ

=0.0024?198.=0.0031(mm)

Y8.5x28?

滚珠丝杠副刚度的验算，要紧是验算61、52、63之

与不应大于机床精度要求同意变形量的一半。由于预紧的63=0.0031(mm)

作用，使用双螺母预紧，可将原机床的刚度提高4倍。因

此只要

8i+32+53匕机床精度要求。

而,81+62+63=0.0096+0.0024+0.0031

=0.0148(mm)

由于61+62+63小于机床的定位精度±0.015(mm),故所

选滚珠丝杠满足刚度要求。

㈢稳固性验算

对已选定尺寸的丝杠在给定上的支撑条件下,承受最满足刚度要求

大轴向载荷时，应验算其是否具有产生纵向弯曲(失稳)危

险.

产生失稳的临界负载

F『罕

E——丝杠材料弹性模量，对刚E=2O.6X1()6

I------截面惯性矩(cm。

1——丝杠两端支撑距离(cm)

fz—丝杠支撑系数

丝杠使用两端固定支撑方式，支撑系数fz=4

截面惯性矩I=—d；=—X45.18124=204550.5

6464

4x3.142x20.6xlQ4x2O455O.5

Fk=

13002

=984331.1(N)

Fk=984331.1(N)

Fk

稳固性安全系数nk=

984331.1

=400.78

2456nk=400.78

取许用稳固性安全系数[nk]=4

由于nk>[rik],因此丝杠不至失稳.

由于导程为6mm与8mm的滚珠丝杠满足要求，因此选选择导程为8mm的滚

择导程为8mm的滚珠丝杠。珠丝杠。公称直径为

50mmo

§3进给伺服系统传动计算

初选三相异步电动机的型号为28BF001,使用三相六

拍工作方式，步距角为3度。

Z

i=2=3x6=5

"Z]-360x0.01-

i=5

二、齿轮传动比的确定

1、传动链的级数与各级传动比的选择

关于数控机车的齿轮传动，应使用设计、结构与工艺

均较简单，而且易获得高精度的平行轴渐开线圆柱齿轮传

动。

通常，齿轮传动链的传动级数少一些较好，由于能够

减少零部件的数目，简化传动链的结构，同时能够提高传

动精度，减少空程误差，有利于提高传动效率。故，在此

选用渐开线圆柱斜齿轮单级传动。

通常模数取m=l~2,数控车取m=2.

齿轮宽b=(3〜6)mm为了消除齿侧隙，宽度可加大到

(6~10)mm.因此：

Zi=20Z2=100

di=mZid2=mZiZi=20

=2x20=40(mm)=2x100=200(mm)Z2=100

dai=di+2m=40+2x2da2=d2+2m=200+2x2di=40

=44(mm)=204(mm)d2=200

dn=di-1.25mx2dr2=d2-1.25mx2

=44-1.25x2x2=204-1.25x2x2

=39(mm)=199(mm)

bi=(6〜10)mbz=(6〜10)m

取bi=16(mm)取b2=14(mm)

三、步进电动机的计算与选择

1、转动惯量的计算

⑴齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算

2

MI)A.3°

J=--------=0.78D4LX10(kg.cm2)

8

M——圆柱体质量(kg)

I)------圆柱体直径(cm)

L——圆柱体长度或者圆度(cm)

J=0.78x(3.5)4x125x10

滚珠丝杠的转动惯量为:S

=14.6(kg.cm2)

齿轮的转动惯量为：

J.i,I=0.78X44X].6X10-3

=0.319kg.c机2

2

=0.78x204x1.6x103Jz2=200kgcm

=200kg.cm2

(2)拖板运动惯量转换到电动机轴上的转动惯量

\2

VG晦吟侬曲)

JG

2m)g

v工作台移动速度(cm/min)

n-----丝杠转速(r/min)

G——工作台质量(N)

g-----重力加速度(9.8m/§2)

Lo——丝杠导程(cm)

4晒

G'2x/9.8

(3)传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量

2

1m(V：nn.

+£Jil)2

i=lnk

…200+14.6

=0.32+----；——2

52JL=9.3kgcm

=93kg.c而

由于JL>4Jm=4X0.004=0.016kgXcm2,因此该电机不合

适，改选100BF004电机。

1、0b=0.75°,i=0.75X6/(360X0.01)=1.25Zi=20,Z2=25

Zi=20,di=40mm,Z2=iZi=25,(h=50mm.

Jzi=0.78X44X1.6X103=0.32kgcm2,JL=10.31kgcm2

Jz2=0.78kgcm2.

22

Ji=10.31kgcm,Jm=3.43kgcm.Jk<4Jm.

2、电机力矩的计算要紧考虑快速空载起动时所需力矩M

起，与最大切削负载时所需力矩M切

NI起=Mamax+Mf+M0(N.cm)

M切=Mf+Mo+Mt(N.cm)

电机的启动负载Tq=max[M快，M切]

1)空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mamax

MamaxF-^^xlO-2

dmax

工60tq

Umax------电机最大转速(r/min)

ta------运动部件从停止起动加速到最大速度所需时间(§)

_vmax

"也'§p360

Vmax------运动部件最大快进速度(mm/min)

运动部件最大快进速度Vma、=2.4(m/min)=2400(mm/min)

则电机的最大转速为:

2400075nmax=500r/inm

max=0.01X360=500(/7min)

电机从静止加速到最大转速需要30ms,

空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mamax查表初

选H0BF004型电动机的转动惯量为34.3kgcm2

.__21x5001八-

““max=13.7X--------------------X102~

60x30x107

=239(N.cm)

Mamax=239Ncm

2)摩擦力矩Mf

Mf=—(N.cm)

27rqi

Fo——导轨的摩擦力(N)

Fz——垂直方向的切削力(N)

G——运动部件的总重量(N)

f——导轨摩擦系数

i—齿轮降速比i=2

Z1

TI——传动链总效率，通常取T]=0.7〜0・85,

取T]=0.7

导轨的摩擦力Fo=f'(F、+G)垂直方向的切削力

Fy=2144(N),导轨摩擦系数f'=0.15

々)=/«z+G)

=().15x(536()+800)=924(N)

M(=^&N.c〃)

2m]i

924x0.6

Mf=88.4Ncm

2>rx0.8x1.25

=88.4(N.c〃!)

3)附加摩擦力矩Mo

1>0

Mo=^°(l-r|o)(N.cm)

Fpo——滚珠丝杠预加负载(N),通常取进给率引力的

1/3,

n0•一・滚珠丝杠未预紧时的传动效率，通常取no,0.9,

由前面算得n0=0.9442。

附加摩擦力矩

Mo=¥4(l・*)(N・cm)

27rqi

2456x1x0.6

=----------2-------(1-0.94422)

Mo=5.2Ncm

2^x().8xl,25

=5.2(N.cm)

4)折算到电机轴上的切削负载力矩Mt

二

27rr)i

Ft——进给方向最大切削力(N)

27nli

2456x0.6Mt=128Ncm

2〃x0.8x1.25

=128(N.cM

3、步进电机的选择

(1)首先根据最大静态转矩Mjrnax初选电机型号

ML=Mo+Mt+Mf+Mamax=128+239+5.2+88.4=461Nrrm=4.61Nm

查表得：110BF004的Mjmax为4.9Nm,由于

ML>0.5Mjmax=0.5*4.9=2.5Nm,

因此该电机不合适，改选150BF002电机。

一、减速比的确定

减速比为…并施

-脉冲当量(mm/步)

Lo-滚珠丝杠的基本导程(mm)

Q-步进电机的步距角

由系统的定位精度要求可确定系统的脉冲当量为：

aP=0.01mm

初选三相异步电动机的型号为150BF002,使用三相

六拍工作方式，步距角为a=0.75%

Z

,=2=0.75x8

l~Z]-360x0.01i=1.6667

=1.6667

二、古轮传动比的确定

1、传动链的级数与各级传动比的选择

关于数控机车的齿轮传动，应使用设计、结构与工艺

均较简单，而且易获得高精度的平行轴渐开线圆柱齿轮传

动。

通常，齿轮传动链的传动级数少一些较好，由于能够

减少零部件的数目，简化传动链的结构，同时能够提高传

动精度，减少空程误差，有利于提高传动效率。故，在此

选用渐开线圆柱斜齿轮单级传动。

通常模数取m=l~2,数控车取m=2.

齿轮宽b=(3~6)mm为了消除齿侧隙，宽度可加大到

(6~10)mm.因此：Zi=36

Zi=36Z2=60Z2=60

di=mZid2=mZidi=72(mm)

=2x36=72(mm)=2x60=120(mm)d2=120(mm)

dai=di+2m=72+2x2da2=d2+2m=120+2x2dn=67(mm)

=76(mm)=124(mm)df2=115(mm)

dfi=di-1.25mx2df2=d2-1.25mx2

=72-1.25x2x2=120-1.25x2x2bi=12(mm)

=67(mm)=115(mm)b2=8(mm)

bi=(6-12)mmb2=(6~12)mm

取bi=12(mm)取b2=8(mm)

2、减少或者消除空程误差的方法

对斜齿圆柱齿轮使用轴向垫片调整法,修正或者改变

轴向调整垫片的厚度以减少侧隙,但不能自动补偿齿源。

三、步进电动机的计算与选择

1、转动惯量的计算

⑴齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算

2

MDA-3o

J==0.78D4LX10(kg.cm2)

8

M------圆柱体质量(kg)

D------圆柱体直径(cm)

L------圆柱体长度或者圆度(cm)

J=0.78x(5)4x130x10'3

滚珠丝杠的转动惯量为：$

=63.375(kg.cm2)

齿轮的转动惯量为：

4-3

J2i=0.78x7.2xl.2xl0

o

=2.5\5kg.cm

45

J2=0.78xl2x().8x1O-

=12.939^.67772

(2)施板运动惯量转换到电动机轴上的转动惯量

六*=(»£(&网—)

0129"g2兀g

v------工作台移动速度(cm/min)

n-----丝杠转速(r/min)

G——工作台质量(N)

g-----重力加速度(9.8m/s2)

Lo------丝杠导程(cm)

7.0.8、2800......2

J=(------)x-----=1.3234Zg.c〃？

G'2x/9.8

(3)传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量

12.939+63.375+1.3234

=2.515+

1.252

=27.948必.而

2,电机力矩的计算要紧考虑快速空载起动时所需力矩M

起，与最大切削负载时所需力矩M切

、【起=\"amax+Mf+M()(N.cm)

M切=Mf+Mo+Mt(N.cm)

电机的启动负载Tq=max[M快，M切]

1)空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mamax

Max=Jy2xnmaxxio-2

ammaxL60t

a

Umax------电机最大转速(r/min)

ta——运动部件从停止起动加速到最大速度所需时间(S)

_vmax%

“皿-3P360

Vmax-----运动部件最大快进速度(mm/min)

初选150BF002型电动

运动部件最大快进速度Vmax=2.4(m/min)=2400(mm/min)

机

则电机的最大转速为：

24000.75

nmax=----x----=500(r/min)

0.01360

Mqmax=702.72

电机从静止加速到最大转速需要30ms,

空载起动时折算到电机轴上的加速力矩Mamax则电机

轴上的总等效转动惯量

心皿2%x500-

M.max=40.263X------------X102

60x30x107