设计说明书-XA6132 普通升降台卧式铣床数控改造

任务书

论文（设计）题目：XA6132普通升降台卧式铳床数控改造

任务目的与要求

应用所学专业理论课程和生产实际知识进行了箱体专用夹具的设计工作的实际训

练，从而培养和提高学生独立工作能力，巩固和扩充了箱体专用夹具的设计等课程所学

的内容。通过本次设计，掌握箱体专用夹具的设计的方法和步骤，掌握箱体专用夹具的

设计的基础技能，懂得了怎样分析零件的工艺性，怎样确定工艺方案，了解夹具的基本

结构，提高了计算能力，绘图能力，熟悉了相应工程设计规范和标准，同时对相关的课

程进行了全面的复习，使独立思考能力有了提高。

参考资料

[1]王仁德主编.机械装配设计基础.东北大学出版社.1995

[2]王仁德、赵春雨、张耀满主编.机床数控技术.沈阳：东北大学出社,2002

[3]贾民平、张洪亭、周剑英主编.测试技术.北京：高等教育出版社,2001

[4]荣西林.电工与电子技术.北京:冶金工业出版社，2001

进度安排

年月日起到月日止，共计周。具体安排如下：

1、搜集资料及论文提纲或设计方案确定：

2、完成论文初稿或初步设计：_________________________________________

3、撰写论文正稿或设计报告及全部设计：

4、预答辩并提交论文（设计）资料：____________________________________

5、其他：___________________________________________________________

选题表

题目：XA6132普通升降台卧式铳床数控改造

自拟毕业论文（设计）题目学生，还需填写下列栏目

目标:XA6132普通升降台卧式铳床数控改造

主要内容及相关技术（三500字）

是将一台XA6132普通升降台卧式铳床，改造成三坐标数控铳床。采用滚珠丝

杠作为传动装置。共有三根丝杠分别在纵向，横向工作台和垂直向升降台上。驱

动元件为步进电机。微机数控系统由CPU、存储扩展电路和I/O接口电路、伺服电

机驱动电路等几部分组成喽攵控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进

行工作系统的功能和系统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方

面的，但主要指标是字长和速度，字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响

加工的精度和运算精度。本设计采用的是MCS-51机，并扩展2片2764芯片，1片

6264芯片,3片8155可编程并行I/O等组成的控制系统。

已有的准备工作：Word说明书

参考资料：

[1]王仁德主编.机械装配设计基础.东北大学出版社.1995

[2]王仁德、赵春雨、张耀满主编.机床数控技术.沈阳：东北大学出社,2002

[3]贾民平、张洪亭、周剑英主编.测试技术.北京:高等教育出版社,2001

[4]荣西林.电工与电子技术.北京:冶金工业出版社，2001

指导教师审杳意见：

指导教师签名：

年月日

摘要

此次毕业设计中，设计任务是将一台XA6132普通升降台卧式铳床，改造成三坐标数控铳床。

采用滚珠丝杠作为传动装置。共有三根丝杠分别在纵向，横向工作台和垂直向升降台上。驱

动元件为步进电机。微机数控系统由CPU、存储扩展电路和1/0接口电路、伺服电机驱动电路

等几部分组成。数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能和系

统中所用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度，

字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。本设计采用的是MCS

-51机，并扩展2片2764芯片，1片6264芯片，3片8155可编程并行1/0等组成的控制系统。

结合毕业设计的的T作和时间的限制，机械部分中要解剖二个坐标轴，完成机械结构设

计，零件和参数的选择，部分计算过程；电气和微机部分主要有硬件原理图和程序框图，以

及部分程序段，共计五张A0图。

此次毕业设计中，我熟悉了机电一体化设计的基本过程，并把各门所学的知识融会贯通

形成一个有机的整体，为以后的设计工作打下了良好的基础，同时我也深深的体会到了不足

之处，准备在今后的工作中不断学习，不断实践。

关键词：XA6132普通升降台卧式铳床，数控，改造

Abstract

Inthistimegraduationdesign,thedesignmissionistoreformasetofXA6132common

workingpanellifterlyingtypemillerintothethreecoordinatenumber

controllingmiller，adoptingtheballguidescrewasthetransmissiondevice.Therearethree

silkbardifferenttotallyatlengthways,horizontalworkpedestalandperpendicularitytoascendand

descendonthestage.Thedrivingcomponentisthesteppingelectricalengineering.

ThetinymachinenumbercontrolsthesystemfromtheCPU,savetoexpandthe

electriccircuitand1/Oconnectsapeople'selectriccircuit,servoelectricalengineeringtodrive

theelectriccircuitetc.severalpartsconstitute.Thenumbercontrolsthecoreofthe

systemisatinymachine,theotherequipstoallcarryontheworkunderthecontrolofthetiny

machine.Thetinymachineuseisdirectlyrelatedin

thefunctionandsystemsofthesystem.Thenumbercontrolstherequestofsystemtotinymachineis

various,butthemainindexsignisawordtogrowandspeed,theword

islongnotonlyaffectthesystembiggesttoprocessthesize,andtheaccuracythat

influenceprocessandoperationaccuracy.Whatthisdesignadoptionismachines

MCS-5Is,andexpand2slicesof2764chips,asliceof6264chips,3slicesof8155programmable

proceedtogethertoconstitutethecontrolsystem.

Becausetheworkofgraduationprojectandrestrictionoftime,themechanicalpartdissectsthree

coordinateaxesmainly,finishesmechanicalstructuraldesign,thechoices

ofthepartandparameter,somecomputationalprocesses;Electricandthecomputer

parthaveprinciplepicturesofhardwareandprocedureblockdiagram,andsome

proceduresectionsmainly,itisfiveAOpicturealtogether.

Inthistimegraduationdesign,Iacquaintedwiththemachineelectricityintegralwholetoturn

thebasicprocessofdesign,andintegratetheknowledgethateachonelearntobecomeanorganic

whole,isalaterdesignworktobeattodescendthegoodfoundation,Ialsorealizedtheplaceofthe

shortagedeeplyatthesametime,preparing

tostudycontinuouslyintheworkoftheaftertime,practicingcontinuously.

目录

摘要..................................................................I

Abstract..........................................................................................................................II

目录..................................................................III

第一章绪论1

1.1数控机床改造的意义............................................1

1.2国内外的数控机床的比较........................................1

1.3数控未来发展的趋势............................................2

1.3.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展...................2

1.3.2向高速化和高精度化发展..................................2

1.3.3向智能化方向发展.......................................2

第二章设计任务和总体方案的确定.......................................4

2.1设计任务......................................................4

2.2总体方案设计的内容............................................4

2.2.1伺服驱动..................................................4

2.2.2数控装置..................................................5

2.2.3系统功能..................................................5

2.2.4采用环形分配器...........................................5

2.2.5采用滚珠丝杠螺母副.......................................5

第三章伺服系统机械部分设计计算.......................................6

3.1确定系统脉冲当量..............................................6

3.2滚珠丝杠螺母副的设计，计算和选型..............................6

3.2.1纵向丝杠的选择..........................................7

3.2.2横向丝杠的选择...........................................9

3.2.3垂直向丝杠的选择.......................................12

3.3传动效率计算...................................................14

3.4齿轮传动比计算................................................15

3.4.1纵向丝杠传动比...........................................15

3.4.2横向丝杠的传动比.......................................15

3.4.3垂直丝杠的传动比........................................16

3.5步进电机的计算和选用.........................................16

3.5.1纵向丝杠步进电机的计算.................................16

3.5.2横向丝杠步进电机计算..................................19

3.5.3垂直向丝杠步进电机的计算...............................21

第四章绿色设计及环保分析.............................................22

致谢...................................................................23

参考文献..............................................................24

第一章绪论

1.1数控机床改造的意义

企业要在当前市场需求多变，竞争激烈的环境中生存和发展就需要迅速地更新和开发出

新产品，以最低价格、最好的质量、最短的时间去满足市场需求的不断变化。而普通机床已

不适应多品种、小批量生产要求，数控机床综合了数控技术、微电子技术、自动检测技术等

先进技术，最适宜加工小批量、高精度、形状复杂、生产周期要求短的零件。当变更加工对

象时只需要换零件加工程序，无需对机床作任何调整，因此能很好地满足产品频繁变化的加工

要求。

数控机床在机械加工行业中的应用越来越广泛。数控机床的发展，一方面是全功能、高性

能；另一方面是简单实用的经济型数控机床，具有自动加工的基本功能，操作维修方便。经济

型数控系统通常用的是开环步进控制系统，功率步进电机为驱动元件无检测反馈机构，系统的定

位精度一般可达土。.01mm至0.02mm,已能满足C620车床改造后加工零件的精度要求。

普通车床经过多次大修后，其零部件相互连接尺寸变化较大，主要传动零件几经更换和调

整，故障率仍然较高，采用传统的修理方案很难达到大修验收标准，而且费用较高。因此合理选

择数控系统是改造得以成功的主要环节。数控机床的改造目的是要求机床稳定可靠，以尽可能

低的故障率运转。普通车床应用微机控制系统进行改造，可以提高工艺水平和产品质量，减轻

操作者的劳动强度。

1.2国内外的数控机床的比较

传统机床在我国占有比例相当大，我国目前机床总量380余万台，而其中数控机床总数

只有11.34万台，即我国机床数控化率不到3机近10年来，我国数控机床年产量约为0.6〜0.8

万台，年产值约为18亿元。机床的年产量数控化率为6%。我国机床役龄10年以上的占60%以上；

10年以下的机床中，自动/半自动机床不到20%,FMC/FMS等自动化生产线更屈指正数（美国和日

本自动和半自动机床占60%以上）可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备绝大数

是传统的机床，而且半数以上是役龄在10年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存

在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长，从而在国际、国内

市场上缺乏竞争力，直接影响一个企业的产品、市场、效益，影响企业的生存和

发展。所以必须大力提高机床的数控化率。但废弃传统机床大量引进数控机床对企业来说是

一笔巨大的负担，利用现有设备，提升传统制造业的科技含量，是适合我国国情的一条道路，

它不仅完成企业设备的更新换代，而且也有良好的经济价值。

在美国、日本和德国等发达国家，它们的机床改造作为新的经济增长行业，生意盎然，

正处在黄金时代。由于机床以及技术的不断进步，机床改造是个“永恒”的课题。我国的机

床改造业，也从老的行业进入到以数控技术为主的新的行业。在美国、日本、德国，用数控

技术改造机床和生产线具有广阔的市场，已形

成了机床和生产线数控改造的新的行业。在美国，机床改造业称为机床再生

（Remanufacturing）业。从事再生业的著名公司有：Bertsche工程公司、ayton机床公司、

Devlieg-Bullavd（得宝）服务集团、US设备公司等。美国得宝公司已在中国开办公司。在

FI木，机床改造造业称为机末改装（Retrofitting）业。从事改装业的著名公司有：大畏工

程集团、岗三机械公司、千代田工机公司、野崎工程公司、滨田工程公司、山本工程公司等。

1.3数控未来发展的趋势

1.3.1继续向开放式、基于PC的第六代方向发展

基于PC所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，更多的数控系统生

产厂家会走上这条道路。至少采用PC机作为它的前端机，来处理人机界面、编程、联网通信等

问题，由原有的系统承担数控的任务。PC机所具有的友好的人机界面，将普及到所有的数控系

统。远程通讯，远程诊断和维修将更加普遍。

1.3.2向高速化和高精度化发展这是适应机床向高速和高精度

方向发展的需要

1.3.3向智能化方向发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程

度将不

断提图。

（1）应用自适应控制技术数控系统能检测过程中一些重要信息，并自动调整系统的有关参数，

达到改进系统运行状态的目的。

（2）引入专家系统指导加工将熟练工人和专家的经验，加工的一般规律和特殊规律存入系统

中，以工艺

参数数据库为支撑，建立具有人工智能的专家系统。

（3）引入故障诊断专家系统

（4）智能化数字伺服驱动装置可以通过自动识别负载，而自动调整参数，使驱动系统获得

最佳的运行

2

第二章设计任务和总体方案的确定

2.1设计任务

（1）进给伺服系统设计计算此部分为机械部分，它包括脉冲当量的确定；滚珠丝杠螺母副的

设计、计算

和选型；进给伺服系统的传动计算；步进电机的计算和选用；设计并绘制总装配图，其中包括横

向，纵向工作台和垂直向升降台。

（2）单片机控制系统设计此部分包括设计并绘制控制系统线路图，编写直线差补程序和圆

弧差补程序。

2.2总体方案设计的内容

机床数控系统总体方案的拟订应包括以下内容：伺服系统的选择，执行机构及运动方式

的确定，控制芯片的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出儿个总体方案，进行综合

分析，比较和论证，最后选出一个合理的总体方案。

2.2.1伺服驱动在我过设备数控化改造的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动元件。

步进电机是一种特殊结构的电机，它利用通电激磁绕组产生反应力矩，将脉冲电信号的能量转

换为机械位移的电机执行元衅。当激磁绕组按一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就

会转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在

时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。

步进电机的优点是结构简单，电气控制和驱动电路也简单，体积小，重量轻，价格便宜，设

计制造较简单，容易调试，使用维修方便。位移精度较好，对各种干扰因素不敏感，结构误差

不会累积。另外，电机时间常数小，反应快。但步进电机也有缺点，主要是容易丢步，启动频

率低，工作效率也不够高，低频时振动大，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小，负

载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。

综上所述，综合了成功率，技术难度，精度和投资等因素，决定选用步进电机开环伺服驱

动

3

2.2.2数控装置

微机数控系统由CPU、存储扩展电路和I/O接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。

数控系统的核心是微机，其它装置均在微机的控制下进行工作。系统的功能和系统中所

用的微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要指标是字长和速度，字长不

仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。本设计采用的是MCS—51机，

并扩展2片2764芯片,1片6264芯片,3片

8155可编程并行I/O等组成的控制系统。

2.2.3系统功能

（1）横向，纵向，垂直方向进给伺服运动。

（2）行程控制

（3）键盘控制

（4）功能：报警电路，复位电路，隔离电路，功放电路等。

2.2.4采用环形分配器本系统采用软件环形分配器。由于铳床三个方向的三步进电机均为三相，

所

以直接与8155（2）的PA口再加上8155（1）的PA口相接就可以了，经光电耦合电路，功放电路驱

动电机。

2.2.5采用滚珠丝杠螺母副采用滚珠丝杠螺母副传动结构，具有精度高，效率高,寿命长，低能耗,

摩擦系

数小，较高紧凑,通用性强等特点.

4

第三章伺服系统机械部分设计计算

3.1确定系统脉冲当量

铳床脉冲当量应选0.01mm/脉冲

3.2滚珠丝杠螺母副的设计，计算和选型

最大回转直径：工作台宽320mm电机功率P：

7.5KW纵向快进速度:2.3m/min横向快进速

度：L2m/min垂向快进速度:0.77度min纵向

切削数据：0.06m/min横向切削速度:

0.06m/min垂向切削速度：0.06m/min定位精

度：0.015mm纵向移动部件重量：220kg横向

移动部件重量：450kg垂向移动部件重量：

1000kg加速时间：30ms

机床效率：0.8机动范围：680mm/240mm/300mm

工艺数据：

工件加工余量一一最大铳削宽度：，最大铳削深度：

刀具数据-------高速钢圆柱铳刀，直径32-40nmi,刀齿书3-4工艺数据一

主轴转速150-190rpm;40-60mm/min;

每齿切厚0.05-0.2皿取0.1加。根据机床设计手册，对高速钢圆柱铳刀,

以工件为碳钢计算

Fz=9.810.0.apZ0.86

CFZ〃86〃72%

5

CFZ=68.2,d。=7,afap=40,Z=4,d。=32

=0.1,

3.2.1纵向丝杠的选择

(1)计算进给牵引力办

在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铳削条件为准，

F/=9.810.6apZ=5528(N)(4-1)

CFZ086a72%以

ef86

力=1.1Fz;4/=0.25Fz；班二°-375Fz

用-1.1Fz-608IN;

W=0.25FZ=1382N;

B=0.375FZ=2073N；

导轨类型为燕尾导轨2_____

得打d2v1558V;0";々

八2FyFz2073/V

3

l'mkFxf』z2/yG)=1.4X1558+0.2(2073+2X0+2200)=3.0358(KN)

式中：

f'一导轨上的摩擦系数0.2

G一移动部件重量G=2200N

(2)计算最大负载C选用滚珠丝杠副的do时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转

100

万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠所能承受的最

大动负载C,计算如下：

C二.LXf(4-3)

F6

wm

,60nT

106

1000

nys

Lo

式中：L0—滚珠丝杠导程L0=6mm

vs一最大切削力下的进给速度=0.03m/min

Vs

T—使用寿命对于数控机床取T=15000h

fw—运转系数，无冲击运f犷=1.0〜1.2,此fw=1.0

转处取

L一寿命，以106转为单位。

・・.n=1222=丽——=5r/min

,60n605=4.5

L=------------=-------------------

T15000

106106

C=VZXfw厂5X1.0wX3035.8=50i2N=5.012kN

%

（3）滚珠丝杠副螺母的选型

查阅《精密滚珠丝杠副》可采用BNF4006-5型外循环插管式，导管埋入式法

兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为Ca=27.7KN

（4）刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。因此

选用丝杠时应考虑丝杠的轴I可刚度。丝杠的拉伸或压缩变形量1在总的变形量中

占很大的比重，所以要计算1是否满足要求：总31（不预紧）

计算如下：

在工作负载心的作用下引起导程£（）的变化量L：

LF,nL°(4-4)

=EF

式中：L-在工作负载/曲作用下引起每一导程的变化量(mm)

%~工作负载，即进给牵引力(N)

L。-滚珠丝杆导程(mm)

E—材料弹性模量，对于钢E=xIO4N/mm2

20.6

F-滚珠丝杠横截面积(按内径确定Xmn?)

4=L0=E=20.6x10N/mm2

3035.8N6mm4

F-冗口亡一口40口，曰256mm2

：2：兀「

口口□□

x£0_-—=0.704x1()7mm

=ExF20.6xlO4X1256

滚珠丝杠总长度上的变形量句:

5,®L^0-704x104xl()()()=0.0117mm

XLr

：.刚度5ri«35,=3x0.0117=0.0351mm>0.015(定位精度)

因此，丝杠需预紧。

(5)稳定性校核无需进行稳定性校

核。

3.2.2横向丝杠的选择

8

F”,-工作负载，即进给牵引力(N)

L。-滚珠丝杆导程(mm)

E—材料弹性模量，对于钢E=x104N/mm2

20.6

F-滚珠丝杠横截面积(按内径确定Xmm?)

2

F,a-L°=E=20.6x10N/mm

3035.8N6mm4

_0^r_140口2=1256mm2

11V

匚了口兀X二;□

□□D□

一双__0.704x1()7股

/.®L_F_m__x_L_°Z_Z

4

二ExF20.6xlOxl256

滚珠丝杠总长度上的变形量3:

8,我”0.704X10-4xl000=0.0117mm

XI

/.刚度8,,«38,=3x0.0117=0.0351mm>0.015(定位精度)

因此，丝杠需预紧。

(5)稳定性校核无需进行稳定性校

核。

3.2.2横向丝杠的选择

(1)计算进给牵引力外

在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铳削条件为准*

Z

%=9.81CFZ[J.〃r2%4)486=5528(N)

9

PH=L1%；

Pv=025Fz;

.=0.375%

2I~2T

得&CPH+=15587V;=0/V;FZ=PQ=2073N

3Pv

导轨类型为矩形导轨。

Fm=kFx+f\Fz+2/v+G)=1.21965(KN)

式中：

r—导轨上的摩擦系数o.i5

G一移动部件重量G=4500N

(2)计算最大负载C选用滚珠丝杠副的&)时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转

100

万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠所能承受的最

大动负载C，计算如下：

C=CxfXF

wm

60xHxT

LT=---------------

IO6

1000xu

n=----------

L。

式中：Lo-滚珠丝杠导程Lo=6mm

V,.-最大切削力下的进给速度=0.03m/min

T-使用寿命对于数控机床取T=15000h

fw一运转系数，无冲击运转儿=1.()〜1.2,此处取九=1.0

L一寿命，以。转为单位。

n=1xv,_1000x0.03=5r/min

Lo6

60x«xT“in

LT=-------------_60x5x15000=45

106

106

C=41xfwxFin席X1.0.X1219.65

=2014N=2.014kN

（3）滚珠丝杠副螺母的选型

查阅《精密滚珠丝杠副》可采用BNF3606-3型外循环插管式.，导管埋人式法

兰型螺母。此螺母为单螺母丝杠副，额定动载荷为Q=15KN

（4）刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。因此

选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的拉伸或压缩变形量加在总的变形量中

占很大的比重，所以要计算科是否满足要求：3培乏3d（不预紧）

计算如下：

在工作负载工，的作用下引起导程品的变化量®L:

现FmxL。

=ExF

式中：®L-在工作负载耳〃作用下引起每一导程的变化量（mm）

Fm-工作负载，即进给牵引力（N）

L。-滚珠丝杆导程（mm）

E—材料弹性模量，对于钢E=xlO4N/mm2

20.6

F-滚珠丝杠横截面积（按内径确定Xmm2）

%=L。=E-20.6x10N/mm2

1219.65N6mm_

2

F二兀口7口二□36a=10174mm2

=nx

22

□□□□

11

4

_F,”xL°_1219.65x6=0.35x1O~mm

20.6X1041017.4

ExF

滚珠丝杠总长度上的变形量3:

5,0.35xlO-4x500=0.003mm

XL

/.刚度5总«38,=3x0.003=0.009mm<0.015(定位精度)

因此，丝杠不需预紧。

(5)稳定性校核无需进行稳定性校

核。

3.2.3垂直向丝杠的选择

(1)计算进给牵引力，

在以工作寿命为基础进行计算时，应按实际加工中平均铳削条件为准，

E=9.81C「z6"6。产2%,z4-°%=5528(N)

PH=L1Fz；

B；

Pv=0.25

兄=0.375与

2I22-

得自="PH+=I558N；4=ON;Fz=6=2073N

3Pv

导轨类型为燕尾导轨

Fm=kFx+f\Fz+2FY+=5.5254(KN)

G)

式中：

/'一导轨上的摩擦系数0.2

G一移动部件重量G=10000N

(2)计算最大负载C选用滚珠丝杠副的d。时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转

100

万转后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠所能承受的最

大动负载C，计算如下：

C=xfxF

wr

60x〃x7

LT=------------

106

lOOOxv

式中：Lo一滚珠丝杠导程Lo=6mm

L-最大切削力下的进给速度=0.03m/min

T-使用寿命对于数控机床取T=15000h

fw—运转系数，无冲击运转几二1.0〜1.2，此处取九=1.0

L—寿命，以研转为单位。

.・.n=1。*认二母…有二5r/min

L()6

60xxT_60x5x15000=45

io6106

33

C=VZxfwxFm而xl.0.x5525.4

=9122N=9.122kN

(3)滚珠丝杠副螺母的选型

查阅《精密滚珠丝杠副》可采用BNF6306-5型外循环插管式，导管埋人式法

¥型螺母。此螺母为单螺母”杠副，额定动载荷为孰=45KN

(4)刚度验算

滚珠丝杠副的轴向变形将会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性。因此

选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的拉伸或压缩变形量储在总的变形量中

13

占很大的比重，所以要计算3是否满足要求：3总。(不预紧)

计算如下：

在工作负载工，的作用下引起导程。的变化量®L:

矶屋XL。

=ExF

式中：8L~在工作负载耳”作用下引起每一导程的变化量(加1)

Fm~工作负载，即进给牵引力(N)

L。-滚珠丝杆导程(mm)

E—材料弹性模量，对于钢E=x104N/mm2

20.6

F-滚珠丝杠横截面积(按内径确定Xmn?)

2

F,a-LO=E=20.6x10N/mm

5525.4N6mm4

F=兀口&匚63/二3116廊2

口5口兀X匚W□

□□□□

®LE”xL。=5525.4x6=0.52x1O-4mm

=厂厂-20.6xlO4x3006

ExF

滚珠丝杠总长度上的变形量3：

8,%0.52xIO-4500=0.0043m

xLr---------------

二L。=°

：.刚度«36,=3x0.0043=0.0126mm<0.015(定位精度)

因此，丝杠不需预紧。

(5)稳定性校核无需进行稳定性校工

核。

3.3传动效率计算

滚珠丝杠螺母副的传动效率T)

tanr

〃=------------(4-6)

tan(r+(p)

式中：r/一摩擦角,滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.003〜0.004，摩擦角n

约为10',即0.1667°

r-丝杠螺旋升角

丝杠中径d=(di+d2)/2=(19+16.7)/2=17.85mm

5

r二acrtan^=arctan=5.0977°

KX17.85

nd

n-tanr_tan5.0977°

tan(r+(p)tan(5.O977°+0.1667°)

3.4齿轮传动比计算

3.4.1纵向丝杠传动比

传动比i：i=%xL。

(4-7)

360x3〃

式中：3—脉冲当量(mm>3，=0.01mm

L0—基本导L。=6mm

程

仇-步进电机的步距角(初选)0广0.乃

.■X/0.75x650

1==----------------=-

360河，360x0.0140

根据实际结构要求取：Z2=Z3=Z,=40。

5052,

3.4.2横向丝杠的传动比

脉冲当量b.=0.01mm15

基本导程L()=6mm

初选步距角8=0.75

计算传动比i=Qhx£()二32

360x3“24

根据实际结构要求取＞Z,=24;Z2=30o

因为进给伺服系统传递的功率不大，一般取模数m=1〜2，在此取m2

O

3.4.3垂直丝杠的传动比

脉冲当量3=0.01mm

基本导程L。=6mm

初选步距角为=0.75

计算传动比i二仇xL°_0.75x12_25

，八o-360x0.01•

360x3〃

根据实际结构要求取一对锥齿轮：4=22;Z2=44

取L型同步带轮，规格如下：Z1=2l;Z2=27

3.5步进电机的计算和选用

3.5.1纵向丝杠步进电机的计算

(1)转动惯量的计算

0.7842x107%2

齿轮4的转动惯量：/,=kg.uir.(4-8)

32

40.78dZxl(T”兀

=——!------------=627.2x10-6幅.〃?2.

32

齿轮Z?的转动惯量：

().78d4Lxl(尸一

=—!--------=1377.6xIO'版.〃/

齿轮Z3的转动惯量

0.78J4LX10",,K

1

J=------=1531.2X1()Y依•〃户

132

丝杠的转动惯量

0.78J*Lxl0

"Kx1()6kgm~

J=-1-----=1959.4

132

折算到电机轴上的转动惯量：

2GL°\Z,2,

,——)+—J

Jy=J.+(4+JS

乙12兀Z、

g一

=4126.8kg/m

其中：

，-齿轮z।的转动惯量（kg.cm2）

J2~齿轮z2的转动惯量（kg.cm?）

Jy—齿轮z3的转动惯量（kg.cm2）

Js-主轴的转动惯量（kg.cm?）

（2）电动力矩的计算

电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分快速空载起动时所需力矩、快速进给时所需

力矩、工进负载时所需力矩等几部分分别计算。

①快速空载起动时所需力矩M起

17

M起Mmax+%

式中：/max-空载起动时折算到电机轴上的加速力矩

MJ-折算到电机轴的摩擦力矩

M。-由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩

电机最大转速=k0〃

max*_360

由技术要求得知招皿=479”min

起动加速时间乙二30ms_2

一22元〃maxs-，4126.8xl0x2nx479,„.2,%•

Minax=JXxlO=xl()=6.90N.Ca摩擦力矩：

60ta60x0.03

Mf==°.2XQ073+220())X86=o^2N.cm

*L。2nx0.8x1.25

271rli

式中：尸。'一导轨摩擦力N(空起时)产°'=fG

n-传动链总效率

i一降速比i=1.25

附加摩擦力矩：

Fi%)

加口~(1-ri?)=O.18NC72

02兀市0

式中：匕，一滚珠丝杠预加载荷

0

n0-滚珠丝杠传动效率

M忆=Mmax+M/'+M()=7.9N.m

②快速进给时所需力矩，=()18

③工进时需力矩M工

M1二吃+/%+M,=0

式中：Mf-工进时折算到电机轴上摩擦力矩(N.m)

-折算到电机轴上的负载力矩

从上面的计算可以看出，在M户、M快、M工三种工况下,快速空载起动所

需力矩最大，此项为初选电机的依据，从表中查出，当步进电机为三相六拍时，

X==0.79

入=MJM2=0.866

按此最大静转矩产步进电机型号表(三相)可查出，U0BC380B型最大静转

矩转矩为lON.m，人于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动矩频特性

和运行矩频特性。

(3)计算电机工作频率

步进电机快速运行f=_lOOOx=6667Hz

I'OOOi，…二

P60x0.005

最高工作频率A=1000匕=卜000x0.6=2000Hz

6%60x().(X)5

从电机表中查出UOBC380A型步进电机的空载起动频率为1400Hz，运行频率为

15000Hz

3.5.2横向丝杠步进电机计算

(1)转动惯量的计算齿轮马的转动惯

里JBL■•

7.87t-..〈今

3-r^-D4LT2=8]3x10-6万加2

=32J。

齿轮Z2的转动惯量：

7Rir19

J,--D4LT2=256.8x10-6版加

=32.10

丝杠的转动惯量：

人UT2=150x10-6奴.用2

折算到电机轴的转动惯量为：

口Z：GDL»/

Y一

J=+―!_亿+4)+口―J$

，g2兀

z

□20□□

=605x10-6kgm2

(2)电机力矩的计算

①快速空载起动时所需力矩M出加起二"max

最高转速：

%：修和=25()，/min

起动加速时间：

ta=30/775

-2

「•Me=江也4X10-2=605x10x271X25()x]0_2=0.53/V♦机摩擦力矩：

60乙60x0.03

Mf.=-^—=1219.65x=1i6N.〃2

,L。0.6

271rli2TIX().8X1.25

式中：尸。'一导轨摩擦力N(空起时)尸。』fG

n-传动链总效率

i-降速比i二1.2S

附加摩擦力矩：

M。="(l-n：)=22Ncm20

L。

271rli

••・M起二M1m+MJ+M0=1.91N•加

②快速进给所需力矩M尸

由前面所知M快＜M起

③工进所需力矩M工

Mr=M,.+M0+%

导轨摩擦力：

F。/'G=1219.65/V

**.M,FXL

=---