毕业设计（论文）-CA6150普通车床的数控技术改造（含全套CAD图纸）

毕毕 业业 设设 计计 (论论 文文) 机机械械动动力力工工程程系系 系 数控数控 专业 毕业设计（论文）题目 CA6150 普通车床的数控技普通车床的数控技 术改造术改造 全套全套 CAD 图纸，联系图纸，联系 153893706 学 生 姓 名 班 级 数控三班 学 号 指 导 教 师 完 成 日 期 2007 年 6 月 15 日 - 2 - 目录目录 第一章 绪论- 3 - 数控技术和装备发展趋势- 3 - 第二章 数控机床系统总体设计- 8 - 一 总体方案设计内容- 8 - 二 总体方案确定- 8 - 第三章 进给系统设计计算- 10 - 一 选择脉冲当量- 10 - 二 计算切削力- 10 - 三 滚珠丝杠螺母副的计算和选型- 11 - 四 齿轮进给齿轮箱传动比计算- 20 - 五 步进电机的计算和选型- 21 - 第四章 微机数控系统的设计- 26 - 一 微机数控系统的设计纲要- 26 - 一 硬件电路设计- 26 - 二 软件电路设计- 27 - 二 8031 单片机及其扩展- 27 - 一 8031 单片机的简介- 27 - 二 8031 单片机的系统扩展- 28 - 三 存储器扩展- 30 - 四 I/O 口的扩展- 31 - 三 步进电机驱动电路- 32 - 一 脉冲分配器（环行分配器）- 32 - 二 光电隔离电路- 33 - 三 功率放大器- 33 - 四 其他辅助电路- 34 - 四 数控系统的软件设计- 35 - 一 软件脉冲分配器- 35 - 二 逐点比较法插补程序- 37 - 三 步进电机升降速软件设计- 38 - 第五章 数控机床零件加工程序- 40 - 第六章 总结与展望- 41 - - 3 - 第一章第一章 绪论绪论 数控技术和装备发展趋势数控技术和装备发展趋势 当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状， 在此基础上讨论了在我国加入WTO 和对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数 控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和策 略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数 控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术 及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装备。马克思曾经说 过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产，用什么劳动资料生产”。 制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料，而数控技术又是当今先进制 造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能 力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外世界上各工业发达国家 还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控 技术及其产业，而且在 “高精尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。 总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发 展、提高综合国力和国家地位的重要途径。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备是以数 控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品， 即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技术； (2)信息处理、 加工、传输技术； (3)自动控制技术； (4)伺服驱动技术； (5)传感器技术； (6)软件 技术等。 1 数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象 征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业 （IT、汽车、轻工、 意料等）的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备 的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看， 其主要研究热点有 以下几个方面 14。 11 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提 - 4 - 高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端技术研究会 将其列为 5 大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为 21 世纪 的中心研究方向之一。 在轿车工业领域，年产 30 万辆的生产节拍是 40 秒/辆，而且多品种加工是轿 车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁 和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下， 才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机 翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使 构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性 的要求。 从 EMO2001 展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高， 空运行速度可达 100m/min 左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车 公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 CINCINNATI 公司的 HyperMach 机床进给速度最大达 60m/min，快速为 100m/min，加速度达 2g，主轴转速已达 60 000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用 30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需 8h；德国 DMG 公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm 和 1g。 在加工精度方面，近 10 年来，普通级数控机床的加工精度已由10m 提高到 5m，精密级加工中心则从 35m，提高到 11.5m，并且超精密加工精度已开 始进入纳米级 (0.01m)。 在可靠性方面，国外数控装置的MTBF 值已达 6 000h 以上，伺服系统的 MTBF 值达到 30000h 以上，表现出非常高的可靠性。 为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发 展，应用领域进一步扩大。 1.2 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光 洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1 台 5 轴联动机床的效率可以等于2 台 3 轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时， 5 轴联动加工可比 3 轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5 轴联动数控系统、主 机结构复杂等原因，其价格要比3 轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大， 制约了 5 轴联动机床的发展。 当前由于电主轴的出现，使得实现5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化， 其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类 型 5 轴联动机床和复合加工机床（含5 面加工机床）的发展。 在 EMO2001 展会上，新日本工机的 5 面加工机床采用复合主轴头，可实现4 个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5 面加工和 5 轴加工可在同一台机床上 实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG 公司展出 DMUVoution 系列加 工中心，可在一次装夹下5 面加工和 5 轴联动加工，可由 CNC 系统控制或 CAD/CAM 直接或间接控制。 1.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中 - 5 - 的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制， 工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参 数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面 的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方 面的内容、方便系统的诊断及维修等。 为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。目前许 多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC(The Next Generation Work- Station/Machine Control)、欧共体的 OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的 OSEC(Open System Environment for Controller)，中国的 ONC(Open Numerical Control System)等。数控系统开放化 已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一 的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功 能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快 速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前 开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库 以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化 将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模 式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数控机床和数控系 统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001 展中，日本山 崎马扎克（ Mazak)公司展出的 “CyberProduction Center”（智能生产控制中心，简称 CPC)；日本大隈（ Okuma）机床公司展出 “IT plaza”（信息技术广场，简称 IT 广场)； 德国西门子 (Siemens)公司展出的 Open Manufacturing Environment（开放制造环 境，简称 OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 1.4 重视新技术标准、规范的建立 1.4.1 关于数控系统设计开发规范 如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧 共体和日本等国纷纷实施战略发展计划，并进行开放式体系结构数控系统规范 (OMAC、OSACA、OSEC)的研究和制定，世界 3 个最大的经济体在短期内进行了几 乎相同的科学计划和规范的制定，预示了数控技术的一个新的变革时期的来临。我国 在 2000 年也开始进行中国的 ONC 数控系统的规范框架的研究和制定。 1.4.2 关于数控标准 数控标准是制造业信息化发展的一种趋势。数控技术诞生后的50 年间的信息 交换都是基于 ISO6983 标准，即采用 G，M 代码描述如何（ how）加工，其本质特 征是面向加工过程，显然，他已越来越不能满足现代数控技术高速发展的需要。为此， 国际上正在研究和制定一种新的CNC 系统标准 ISO14649（STEPNC)，其目的是 提供一种不依赖于具体系统的中性机制，能够描述产品整个生命周期内的统一数据模 型，从而实现整个制造过程，乃至各个工业领域产品信息的标准化。 STEP-NC 的出现可能是数控技术领域的一次革命，对于数控技术的发展乃至整个 - 6 - 制造业，将产生深远的影响。首先，STEP-NC 提出一种崭新的制造理念，传统的制 造理念中， NC 加工程序都集中在单个计算机上。而在新标准下，NC 程序可以分散 在互联网上，这正是数控技术开放式、网络化发展的方向。其次，STEP-NC 数控系 统还可大大减少加工图纸（约75）、加工程序编制时间（约35）和加工时间 （约 50）。 目前，欧美国家非常重视STEP-NC 的研究，欧洲发起了 STEP-NC 的 IMS 计划 (1999.1.12001.12.31)。参加这项计划的有来自欧洲和日本的20 个 CAD/CAM/CAPP/CNC 用户、厂商和学术机构。美国的STEP Tools 公司是全球范围 内制造业数据交换软件的开发者，他已经开发了用作数控机床加工信息交换的超级模 型(Super Model)，其目标是用统一的规范描述所有加工过程。目前这种新的数据交换 格式已经在配备了 SIEMENS、FIDIA 以及欧洲 OSACA-NC 数控系统的原型样机上进 行了验证。 2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于 1958 年，近 50 年的发展历程大致可分为3 个阶段：第 一阶段从 1958 年到 1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁 和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、 “七五”期间以及 “八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。 在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国 数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在 国家的“八五”的后期和 “九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此 阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机 床的国内市场占有率达 50，配国产数控系统（普及型）也达到了10。 纵观我国数控技术近 50 年的发展历程，特别是经过4 个 5 年计划的攻关，总体 来看取得了以下成绩。 a.奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了 从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已 具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。 b.初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如 华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控 等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控 主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。 c.建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。 虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也要清醒地认 识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水平现状与我国的 现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快，但横向比（与国外对 比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距，即一些高精尖的数控装备 的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数控技术水平和产业化水平估计 大致如下。 a.技术水平上，与国外先进水平大约落后1015 年，在高精尖技术方面则更大。 b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；功能部件 专业化生产水平及成套能力较低；外观质量相对差；可靠性不高，商品化程度不足； - 7 - 国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。 c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较弱；数控技 术应用领域拓展力度不强；相关标准规范的研究、制定滞后。 分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。 a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不足；对市 场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；对我国数控技术应用水平及 能力分析不够。 b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产业链的 角度综合考虑数控产业化问题的时候少；没有建立完整的高质量的配套体系、完善的 培训、服务网络等支撑体系。 c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产品创新， 且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。 d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力不强。机 床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。 3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考 3.1 战略考虑 我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，即要掌握 先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将进一步“空 芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新经济格局中的国 际“加工中心 ”和“组装中心 ”，而非掌握核心技术的制造中心的地位，这样将会严重影 响我国现代制造业的发展进程。 我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会安全看， 因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而 且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把 高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件 ”和 “考克斯报告 ”就是最好的例证。 3.2 发展策略 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以 提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主 导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、 配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。 强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数控车床、 铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备等）带动数控 产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统与电机、高速电主 轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性 的产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品。 - 8 - 第二章第二章 数控机床系统总体设计数控机床系统总体设计 一一 总体方案设计内容总体方案设计内容 接到一个数控装置的设计任务以后，必须首先拟定总体方案，绘制系统总体框图， 才能决定各种设计参数和结构，然后再分别对机械部分和电气部分进行设计。 机床数控系统总体方案的拟定包括以下内容：系统运动方式的确定、伺服系统的 选择、执行机构的结构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。 一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最 后确定一个可行的总体方案。 一、系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位直线控制系统和连续控制系统。 二、控制方式的选择 系统可分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。 经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置， 数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部 件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统 的性能。开环伺服系统主要由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反应迅速，调 试和维修都比较简单。 二二 总体方案确定总体方案确定 （1） 、系统的运动方式伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控机床应具备定位，直线插补，顺、逆圆弧插补，暂停， 循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。考虑达到属于经济型数 控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 （2） 、数控系统 根据机床要求，采用 8 位微机。由于 MCS-51 系列单片机具有集成度高，可靠性 好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能价格比等特点，决定采用 MCS- 51 系列的 8031 单片机扩展系统。 控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率 放大电路等组成，系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管 显示加工数据及机床状态等信息。 - 9 - （3） 、机械传动方式 为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杆，为保证一定 的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚 度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。 系统总体方案框图如下： 图 1系统总体方案框图 - 10 - 第三章第三章 进给系统设计计算进给系统设计计算 一一 选择脉冲当量选择脉冲当量 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采 用的脉冲当量是 0.010.005mm/step。 根据机床精度要求确定脉冲当量： 纵向：0.01mm/step, 横向：0.005mm/step(半径) 二二 计算切削力计算切削力 用车床经验公式 F=D来计算主切削力 z 67 . 0 5 . 1 max 式中 D指车床身上最大加工直径（mm） 。横切端面时主切削力可取纵切时 maxz F F的 1/2。 z 求出主切削里 F以后再按以下比例分别求出分力 F和 F。 zzy F：F ：F =1 ：0.25 ：0.5 z xy 式中 F ：指走刀方向的切削力（N） ； x F ：指垂直走刀方向的切削力（N） 。 y 下图为纵切和横切时切削力的示意图。 - 11 - 图 2纵切和横切时切削力的示意图 1、 纵车外圆 主切削力 F(N)按经验公式估计算： z F=D= （N） z 67 . 0 5 . 1 max 751.749150067 . 0 5 . 1 按切削力各分力比例： F：F ：F =1 ：0.25 ：0.4 z xy F（N） x 1872.71125 . 0 751.7491 F（N） y 2996.3354 . 0751.7491 2、 横切端面 主切削力（N）可取纵切的 1/2。 z F （N） z F 3745.421F 2 1 s （N） x F 936.34025 . 0 421.3745 （N） y F 1498.1654 . 0421.3745 三三 滚珠丝杠螺母副的计算和选型滚珠丝杠螺母副的计算和选型 （一） 纵向进给丝杠 1、 计算进给轴向力 F（N） m - 12 - 纵向进给这里为三角形导轨：Fm)(GFfkF zx 式中 K：指颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取 K=1.15； ：指滑动导轨摩擦系数取 0.150.18 之间的值； f G：指流板及刀架重力，G=1100N。 则 F=（N） m 3614.052)1101816.7490(17 . 0 707.187215 . 1 2、 计算最大动负载 Q 考虑滚珠丝杠在运转过程中冲击扰动对寿命的影响，则最大动负载 Q 的计算公式为： Q mwF fL 3 L 6 10 60Tn n 0 1000 L vs 式中 ：指滚珠丝杠导程，初选=8； 0 L 0 L n：指丝杠转速， （r/min） ； ：指最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的 s v 1/21/3，此处取=0.3； s vmm ：指使用寿命时间（h）,对于数控机床取 T=15000h.。T L：指寿命，以 10 转为一单位； 6 ：指运动系数，见表 1，选=1.3。 w f w f 表 1运转系数 运转状态运转系数 无冲击运转1.01.2 一般运转1.21.5 有冲击运转1.5-2.5 则 n( r/min)37.47 8 5 . 06 . 010001000 0 L vs L76.33 10 1500047.3760 10 60 66 Tn Q（N） 15183.17483614.0543 . 176.33 33 mwF fL - 13 - 3、 滚珠丝杠螺母副的选型 从手册或样本的滚珠丝杠副的尺寸系列表中可以找到相应的动负载 C 的滚珠丝杠副的 尺寸规格和结构类型，选用时应满足 Q C 的条件。 查表：可采用 W L5008 外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5 圈 1 列，其额定动 1 负载为 23400N，符合 Q C 的条件。精度等级按表 2，选为 1 级。 Vmm p300 3 106 表 2滚珠丝杠行程公差 精 度 等级 项目符号 有效行程 （mm） u L 12345 31568121623 31540079131825 400500810152027 目标行程公差 e p 500630911162230 31568121623 31540068121725 400500710131926 行程变动量公差 Vmp 500630711142129 任意 300 mm 内 行程变动量 V p300 68121623 2弧度内行程 变动量 V p 2 45678 4、传动效率计算 )( tg tg 式中 ：指螺旋升角，=2 55 ：指摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数其摩擦角,004 . 0 003 . 0 f ，约等于。arctgf0 1 则 95 . 0 )0155 2( 55 2 )( tg tg tg tg 5、刚度验算 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图 3 所示，最大轴向力为N，3614.054 支承间距 L=1500mm, 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3。 - 14 - 图 3纵向进给系统计算简图 计算如下： （1） 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm） 1 F=N， m 3614.054 L =8mm, 0 EN/mm (材料弹性模数，对钢来说是等于这个值)， 4 10 6 . 20 2 mm, R=2.477, e=0.068mm50 0 D 则 d( mm) 1 ReD22 0 182.45477 . 2 2068 . 0 250 A(mm) （A 指滚珠丝杠按内径定160342114 . 3 ) 2 182.45 () 2 d ( 221 的 截面积） 丝杠导程 L 的变化量为： 0 5 4 0 10748 . 8 421.160310 6 . 20 8055.3614 EA LF L m 总长度 L=1500mm，丝杠上的变形量，由于两端均采用推力球轴承，则值： 1 (mm) 1 3- 5 0 104.1211500 8 10748 . 8 4 1 4 1 L L L (2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm） 2 - 15 - 由 d =4.763mm, F=kgf, bm 361.4 承载滚珠数量 ZZ 列数圈数 列数圈数 b d D0 15 . 2 763. 4 5014 . 3 82.4477 由于滚珠丝杠副施加预应力，且预应力 F为轴向负载的 1/3，则变形 p =0.0013 2 3 2 ZFd F pb m 3 2 4477.82 3 4 . 361 763 . 4 4 . 361 0013 . 0 （mm） 3 10979 . 2 (3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变（mm） 3 这里采用有预紧时的推力球轴承则 3 2 4 3 10746 . 1 pw m FZD F 查机械设计手册中表 6-2-82，采用 51109 型推力球轴承，其 d=45mm, 滚动体直径 D=3.969 mm, 滚动体数量 Z=22， W 3 2 4 3 10746 . 1 pw m FZD F 32 4 3/054.361422969 . 3 054.3614 10746. 1 （mm） 3 10782 . 4 则定位误差 p V300 321 333-3 10610782 . 4 1098 . 2 104.103 =0.01785mm0.025mm(规定定位精度) 6、稳定性校核 滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，故不需作稳定性校核。 - 16 - （二） 横向进给丝杠 1、 计算进给轴向力 m F 横向导轨为燕尾形，计算如下： m F)2(GFFfFk yzx 由于是燕尾形导轨式中： K=1.4，=0.2 f 则 N2759)500166.14982414.3745(2 . 0354.9364 . 1 m F 2、计算最大动负载 Q n( r/min)26 6 5 . 03 . 010001000 0 L vs L 5 . 22 10 150002560 10 60 66 Tn Q（N）1012527593 . 1 5 . 22 33 mwF fL 查表：可采用 W L2506 外循环调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，2.5 圈 1 列，其额定动负载 1 为 13100N，符合 Q C 的条件。精度等级按表 2滚珠丝杠行程公差表，选为 1 级。 Vmm p300 3 106 4、传动效率计算 958 . 0 )0122 4( 22 4 )( tg tg tg tg 5、刚度验算 横向进给滚珠丝杠支承方式如图 4 所示，最大轴向力为 2759N，支承间距 L=550mm, 因丝杠长度较短，不需要预紧。 - 17 - 图 4横向进给系统计算简图 计算如下： (1) 丝杠的拉伸或压缩变形量（mm） 1 根据 N， D =25mm, EN/mm , R=2.064, e=0.056mm2759 m F 0 4 10 6 . 20 2 d( mm) 1 ReD22 0 20.9832064 . 2 2056 . 0 225 A(mm)345.834114 . 3 ) 2 984.20 () 2 d ( 221 （mm） 2 4 0 1 1013 . 2 550 833.34510 6 . 20 2759 L EA F L L L m (2) 滚珠与螺纹滚道间接触变形（mm） 2 对滚珠丝杠副施加预紧力 F 为轴向负载的 1/3。 由 mm, kgf969 . 3 b d 9 . 275 m F 承载滚珠数量 ZZ 列数圈数 列数圈数 b d D0 15 . 2 969 . 3 2514. 3 49.46 =0.0013 2 3 2 ZFd F pb m - 18 - 32 46.493/ 9 . 275969 . 3 9 . 275 0013 . 0 （mm） 3 1072 . 3 (3) 支承滚珠丝杠轴承的轴向接触形变（mm） 3 这里采用有预紧时的推力球轴承则 3 2 4 3 10746 . 1 pw m FZD F 查机械设计手册中表 6-2-82，采用 51104 型推力球轴承，其 d=20mm, 滚动体直径 D=3.175 mm, 滚动体数量 Z=14， W 3 2 4 3 10746 . 1 pw m FZD F 32 4 3/275914175 . 3 2759 10746 . 1 （mm） 3 108 . 5 则定位误差 p V300 321 333-2 106108 . 51072 . 3 1013 . 2 =0.03682 (mm) 显然变形量已大于规定的定位精度（） ，应该采取相应的措施修改，因横向mm025 . 0 溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨来减少摩擦力，从而减少轴向力， 采用贴塑导轨=0.030.05。重新计算如下： f m F)2(GFFfFk yzx )500166.14982414.3745(03 . 0 355.9364 . 1 N1528 Q（N）560615273 . 1 5 . 22 33 mwF fL 由此可知：滚珠丝杠螺母副和轴承的型号可不改变。 此时的变形量为： （mm） 2 4 0 1 1017 . 1 550 833.34510 6 . 20 1528 L EA F L L L m - 19 - =0.0013 （mm） 2 3 2 ZFd F pb m 32 47.493/ 8 . 152969 . 3 8 . 152 0013 . 0 3 1051 . 2 3 2 4 3 10746 . 1 pw m FZD F 32 4 3/152814175 . 3 1528 10746 . 1 （mm） 3 1091 . 3 定位误差 p V300 321 333-2 1061091 . 3 1051 . 2 1017 . 1 0.02412 (mm) 0.025mm(规定定位精度) 6、稳定性校核 临界负载与工作负载 之比称为稳定性系数，如果，则压杆 k F m F k n m k k F F n k n 稳定，为许用稳定性安全系数，一般=2.54。 k n k n 计算临界负载（N）： k F 2 2 )( l EJ Fk 式中 E：指丝杠材料弹性模量，对钢 E（N/mm ） ； 4 10 6 . 20 2 J：指截面惯性矩（mm ）,丝杠截面惯性矩 J（为丝杠螺纹的底径） ； 4 4 1 64 d 1 d ：丝杠两支承端距离（mm） ；l ：丝杠支承方式系数，见表 3，这里。00 . 2 表 3滚珠丝杠支承方式系数 方式一端固定一端自由两端简支一端固定一端简支两端固定 0.251.002.004.00 则 N155993 )55100 . 2 ( 974.20 64 14 . 3 10 7 . 2014 . 3 )( 64 2 442 2 4 1 2 l dE Fk 47.10 1528 155992 m k k F F n k n 所以此丝杠不会产生失稳。 （三）纵向及横向滚珠丝杠副几何参数 其几何参数见表： 表 4W L5008 及 W L2506 滚珠丝杠几何参数 11 - 20 - 名称符号 W L5008 1 W L2506 1 公称直径 0 D 5025 导程 0 L 86 接触角 552 224 钢球直径 b d 4.7633.969 滚道法面半径R b dR52 . 0 2.4772.064 偏心距e sin)2/( b dRe 0.0680.056 螺 纹 滚 道 螺纹升角 0 0 D L arctg 552 224 丝杠外径d b dDd)25 . 0 2 . 0( 0 48.524 丝杠内径 1 dReDd22 01 45.18220.984 螺 杆 螺杆接触直径 z dcos 1bz ddd 40.42417.025 螺母螺纹直径D ReDD22 0 54.81829.016 螺 母 螺母内径 1 D b dDD)25 . 0 2 . 0( 01 51.19025.992 四四 齿轮进给齿轮箱传动比计算齿轮进给齿轮箱传动比计算 1、纵向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距01 . 0 p mmL8 0 角，可计算出传动比： 75 . 0 b 12 i 12 i668 . 1 01 . 0 360 875 . 0 360 0 p bL 在闭式软齿面齿轮传动中，齿轮的弯曲强度总是足够的，因此齿数可取多些，推荐取 Z=2440。所以可选定齿轮数为： 12 i 24 40 1 2 Z Z 2、横向进给齿轮箱传动比计算 已确定纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电机步距005 . 0 p mmL6 0 角，可计算出传动比： 75 . 0 b 12 i - 21 - 12 i7 . 2 005 . 0 360 675 . 0 360 0 p bL 可选定齿轮数为： 12 i 18 45 1 2 Z Z 因进给运动齿轮受力不大，模数 m 取 2。有关参数参照表 5。 表 5传动齿轮几何参数 所处位置纵 向横 向 齿数24401845 分度圆直径mzd 48803690 齿顶圆直径 mdda2 52844094 齿根圆直径 mdd f 25 . 1 2 43753185 齿宽（610）m16161616 中心距)( 2 1 21 ZZmA6463 五五 步进电机的计算和选型步进电机的计算和选型 （一） 纵向进给步进电机计算 1、 等效转动惯量计算 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：)( 2 cmkgJ 20 2 2 1 2 1 ) 2 ()()( L g W JJ Z Z JJJ sM 式中 ：指步进电机转子转动惯量； M J)( 2 cmkg 、：指齿轮、的转动惯量； 1 J 2 J 1 Z 2 Z)( 2 cmkg ：指滚珠丝杠转动惯量； s J)( 2 cmkg ：指工件及工作台重量（N） ；W ：指丝杠导程（） ； 0 Lcm 参考同类型机床，初选反应式步进电机 150BF，其转子转动惯量。 2 10cmkgJM （分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽）dLJ 3 1 1078 . 0 Ld和 2 Z - 22 - 6 . 18 . 41078 . 0 43 )(66 . 0 2 cmkg （分别表示齿轮的分度圆直径和齿宽）dLJ 3 2 1078 . 0 Ld和 1 Z 6 . 181078 . 0 43 )(11 . 5 2 cmkg （分别表示纵向滚珠丝杠的公称直径和支承间距）dLJs 3 1078 . 0 Ld和 15051078 . 0 43 )(73.134 2 cmkg 把这些数据代入上式： 20 2 2 2 1 1 ) 2 ()()( L g W JJ Z Z JJJ sM ) 2 8 . 0 ( 8 . 9 1100 )125.7311 . 5 () 40 24 (66 . 0 10 2 )cmkg(97021 . 3 4 2 2、 电机力矩计算 机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按个阶段计算： （1）快速空载起动力矩 起 M 在快速空载起动阶段，加速度所占的比例较大，具体计算公式如下： 0max MMMM fa 起 a a a t n J t n JJM 60 102 10 2 60 2 max2max max 360 max max b p n iG LF M f 2 00 )1 ( 2 2 0 0 0 i LF M p 以上式中 ：指空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩（） ； maxa McmN ：指折算到电机轴上的摩擦力矩（） ； f McmN ：指丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩（） ； 0 McmN - 23 - ：指传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量； J)( 2 cmkg ：指电机最大角加速度（） ； 2 /srad ：指电机最大转速（） ； max nmin/r ：指运动部件最大进给速度（） ； max min/mm ：指脉冲当量（） ； p stepmm/ ：指步进电机步距角（） ； b deg ：指运动部件从停止起动到最大快进速度所需时间（s） ，这里是 30ms； a t ：指导程的摩擦力（N） ，； 0 F)( 0 WFfF z ：指垂直方向的切削力（N） ； z F ：指工件及工作台重量（N） ；W ：指导轨摩擦系数，； f 18 . 0 15 . 0