x6132型普通铣床经济型数控改造毕业设计论文

1、x6132型普通铣床经济型数控化改造 摘要 随着计算机技术的飞速发展，发展现代计算机化数字控制（cnc）机床，是当前机械制造业进行技术改造，技术革新的必由之路，是未来工厂自动化的基础。因此，这次对普通机床进给系统的数控改造设计更显得重要。 本文是对x6132铣床进行数控改造，主要分五个部分进行了介绍。第一部分是数控机床的概述，第二部分是进给系统的总体设计方案，第三部分是伺服进给机械部分设计计算，第四部分是经济与环保性能的简要分析，第五部分是机械结构三维造型。基于步进电机的机械改装减少了人的工作量，把手动转变为电动。本次改造用了三个步进电机，分别控制机床的三个方向（纵向、横向和垂向）的进给，通过

2、齿轮或带轮带动滚珠丝杠轴向运动。用滚珠丝杠螺母副传动结构代替原有传动结构，在综合性能上得到了较好的改善。 关键词：铣床,丝杠,步进电机,数控 the economic digital control retransformation of the milling machine x6132 abstractas the development of computer technology, producing the modern computer numerical control(cnc) machine becomes the trend of technique transformat

3、ion and reformation in the manufacturing industry and the foundation of automation factories in the future. therefore, the project of automating the machine is important to the prospective study and work. the paper describes the digital control retransformation of x6132 miller and the introduction h

4、as been mainly underway by five branches. the introduction on computer numerical control (cnc) machine will be presented in section 1. the overall designing scheme will be proposed in section 2. the calculation and data of mechanical parts is in section 3 and in section 4 the economy is analyzed aga

5、inst the environmental protection performance profile. in section 5 is mechanical three-dimensional modeling. the reformation of the machine based on the stepping motor decreases the workload by turning the hand operation to electric control. three motor controlling three directions respectively mov

6、e the ball screws by gears and strap wheels. replacing original drive composition with the ball leading screw nut pair drive composition can make the overall performance better improved.key words: milling machine, ball screw, stepping motor, computer numerical control 目录1 绪论11.1数控机床的发展11.1.1 数控机床的历史

7、和现状11.1.2 数控机床的发展趋势21.2 机床数控技术的概述41.2.1 数控技术在机械制造业的应用41.2.2 数控技术优越性61.2.3 数控机床分类72 总体方案设计82.1 铣床改造方案的确定82.1.1 计算机系统的选择82.1.2 系统运动方式的确定82.1.3 伺服系统的选择82.1.4 执行机构传动方式的确定92.2 进给机构传动方案拟订93 进给系统机械部分设计计算103.1 设计要求103.2 确定系统脉冲当量103.3 纵向进给系统的确定103.3.1 切削力的计算103.3.2 纵向丝杠的选择113.3.3 齿轮传动比计算143.3.4 纵向步进电机的计算和选择1

8、43.4 横向进给系统确定173.4.1 横向丝杠的选择173.4.2 齿轮传动比计算193.4.3 横向步进电机的计算和选择193.5 垂向进给系统的确定223.5.1 垂向丝杠的选择223.5.2 同步带及带轮的选择234 机械结构三维造型274.1 solidworks软件介绍274.2 绘制草图284.3 装配体设计304.4 三维造型325 经济环保性分析325.1 经济性分析335.2 环保性分析33结论34致谢35参考文献36附录37 1 绪论1.1数控机床的发展1.1.1 数控机床的历史和现状 采用数字控制技术进行机械加工的思想，最早是40年代初提出的。当时，美国北密执安的一个

9、小型飞机承包商派尔逊斯公司在制造飞机框架和直升飞机的机翼叶片时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了数据处理，并考虑了刀具半径对加工路径的影响，使得加工精度达到10.0381mm，这在当时水平是相当高的。 1952年美国麻省理工学院成功地研制出一台三坐标联动的试验型数控铣床，这是公认的世界上第一台数控机床，当时的电子元件是电子管。 1959年，开始采用晶体管元件和印制线路板，出现了带自动换刀装置的数控机床，称为加工中心。 从1960年开始，其他一些工业国家，比如德国、日本等也陆续开发生产出了数控机床。 1965年，数控装置开始采用小规模集成电路，使数控装置的体积减小，功耗降低，可靠性

10、提高，但仍然是硬件逻辑数控系统。 1967年，英国首先把几台数控机床连接成具有柔性的加工系统，这就是最初的柔性制造单元。 1970年，在美国芝加哥国际机床展览会上，首次展出了用小型计算机控制的数控机床，这是第一台计算机控制的数控机床。 1974年，微处理器直接用于数控系统，促进了数控机床的普及应用和数控技术的发展。 80年代初，国际上出现了以加工中心为主体，再配上工件自动装卸和监控检测装置的柔性制造单元。柔性制造系统和柔性制造单元被认为是实现计算机集成制造系统的必经阶段和基础。 我国从1958年开始研究数控技术，直到60年代中期处于研制、开发阶段。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。60年

11、代初到70年代初研制成功x53k-1g数控铣床、cjk-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从70年代开始，数控技术在车、铣、钻、锉、磨、齿轮加工、电加工等领域全面展开，数控加工中心在上海、北京研制成功。但由于电子元器件的质量和制造工艺水平低，致使数控系统的可靠性、稳定性问题没有得到解决，因此未能广泛推广。这一时期，数控线切割机床由于结构简单、使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。80年代我国先后从日本、美国等国家引进了部分数控装置和伺服系统技术，并于1981年在我国开始批量生产。在此期间，我国在引进、消化吸收的基础上，跟踪国外先进技术的发展，开发出了一些高档的数控系统，如多轴联动数控系统

12、、分辨率为0.02um的高精度数控系统、数字仿形系统、柔性单元配套的数控系统等。为了适应机械工业生产不同层次的需要，我国开发出了多种经济型数控系统，并得到了广泛应用。现在，我国已经建立了中、低档数控机床为主的产业体系，90年代主要发展高档数控机床。 1.1.2 数控机床的发展趋势 数控技术是先进制造技术的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。数控装备的整体水平标志着一个国家工业现代化水平和综合国力的强弱。数控机床的发展在很大程度上取决于数控系统的性能和水平，而数控系统的发展及其技术基础离不开微电子技术和计算机技术。随着计算机及其软硬件技术的飞速发展，数控系统的硬件平台趋于一致

13、化，而控制系统软件的竞争日益加剧。我国的数控系统经过“六五”期间的引进，“七五”期间的数控系统开发，“八五”期间的数控应用技术研究以及“九五”期间的主数控系统软件开发应用，已逐步形成了以航天数控、蓝天数控、华中数控和中华数控为主的数控系统产业。 1、持续稳定发展 近年来，我国数控机床的产量持续增长，数控化率也显著提高。另一方面我国数控产品的技术水平和质量也不断提高。目前我国一部分普及型数控机床的生产已经形成一定的规模，产品技术性能指标较为成熟，价格合理，在国际市场上具有一定的竞争力。我国数控机床行业所掌握的五轴联动数控技术较为成熟，并已有成熟商品走向市场。我国在数控机床高端产品的生产上取得了一

14、定的突破。目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床生产国和高精度精密数控机床生产国的行列。 2、主要存在二点不足 和发达国家相比，我国数控机床行业在信息化技术应用上仍然存在很多不足。 （1）信息化技术基础薄弱，对国外技术依存度高。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。 （2）创新能力低，市场竞争力不强。我国生产数控机床的企业虽达百余家，但

15、大多数未能形成规模生产，信息化技术利用不足，创新能力低，制造成本高，产品市场竞争能力不强。 3、当今发展方向 随着柔性制造系统的迅速发展和计算机集成系统的不断成熟，对数控加工技术提出了更高要求。当今数控机床信息化正朝着以下几个方面发展。 （1）高速度、高精度化。速度和精度是数控机床的两个重要指标，它直接关系到加工效率和产品质量。目前，我国生产的第六代数控机床系统均采用位数、频率更高的处理器，以提高系统的基本运算速度，使得高速运算、模块化及多轴成组控制系统成为可能。同时，新一代数控机床将采用超大规模的集成电路和多微处理器结构，以提高系统的数据处理能力。 （2）智能化。现代数控机床的智能化发展将通

16、过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、自动感知加工系统内部状态及外部环境，快速作出实现最佳目标的智能决定，对机床的工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 （3）基于cad和cam 的数控编程自动化。随着计算机应用技术的发展，目前cad/cam 图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它是利用cad绘制的零件加工图以实现cad与cam的集成。随着 cims 技术的发展，当前又出现了cad/capp/cam 集成的全自动编程方式，其编程所需的加工工艺参数不必由人工参与，直接从系统内的capp 数据库获得，推动数控机床系统自动化的进一步发展。 （4

17、）发展可靠性最大化。数控机床的可靠性一直是用户最关心的主要指标。新一代的数控系统将采用更高集成度的电路芯片，利用大规模或超大规模的专用及混合式集成电路，减少元器件的数量，从而提高可靠性。同时通过自动运行诊断、在线诊断、离线诊断等多种诊断程序，实现对系统内硬件、软件和各种外部设备进行故障诊断和报警。 1.2 机床数控技术的概述1.2.1 数控技术在机械制造业的应用 数控技术是数控技术是一门集计算机技术、自动化控制技术、测量技术、现代机械制造技术、微电子技术、信息处理技术等多学科交叉的综合技术。它是为适应高精度、高速度、复杂零件的加工而出现的，是制造业实现自动化、数字化、柔性化、信息化、集成化、网

18、络化的基础，对制造业起着举足轻重的作用，有着广泛的应用领域和广阔的应用前景。在机械制造中数控技术的应用，主要以不同分工的机械制造业为分界点来阐述： 1、工业生产在工业生产中，数控技术主要运用于机器设备的生产线上(例如：轻工业中的食品加工制造、造纸印刷、纺织缝纫等)，或者运用于复杂恶劣的劳动环境下(例如：重工业中的金属冶炼、化肥农药的加工、资源开采等)，完成人类难以完成的工作。工业生产中，数控技术的应用有这样的好处：a.有助于改善劳动条件，保证生产人员的人身安全。b.机械化的生产线，大大节省了劳动力，并且有助于生产效率的提高，实现最低成本。c.保证了生产的质量，机械化生产下的产品，是由统一的系统

19、发出相同的数据，继而生产出的产品，基本无差异。在实际操作中，主要是由计算机系统进行控制，让生产设备按照写入的程序或编入的程序码，发生生产制造动作，计算机系统有着同步检测执行的动作，一旦出现错误或者发生故障，传感系统和检测系统就会将错误和发生的故障信息传达给计算机控制系统。并发出报警信号和相应的停止保护动作。有的使用数控后，仍雇佣一小部分工人对铀造设备进行监督，帮助执行机构在驱动元件的作用下更好地完成规定操作，并及时地在故障出现的时候，帮助计算机系统执行保护动作。 2、煤矿机械采煤业丰厚的利润，促进了采煤业的迅速发展，带动了相关产业采煤机的发展;由于开采环境的不同，现代采煤机开发速度快、品种多，

20、而且都是小批量的生产。各种机壳的毛坯制造越来越多地采用焊件，传统机械加工难以实现单件的下料问题，而使用数控切割，代替了过去流行的仿型法，使用龙骨板程序对采煤机叶片、滚筒等下料，从而优化套料的选用方案。在煤矿板机中，使用数控技术的优势体现：a.使采煤机的切割速度快，提高它的采煤的速度，在相同时间内，锋利的切割叶片能完成更多的采集。b.质量可靠，比传统的机械加工具有更好的效果，能够更好的完成采矿任务。c.从另一方面来看，避免了人工采矿的危险性，避免了煤矿事故的多发。d.一些零件的焊接板口可直接割出，大大提高了生产效率。在这同时，效控气割机有自动可调的切缝补偿装置。它允许对构件的实际轮廓进行程序控制

21、，好比数控机床上对铣刀的半径补偿一样。这样可以通过调节切缝的补偿值来精确的控制毛坯件的加工余量。更好地配置资源，实现最优生产利润。 3、汽车工业随着我国现代化进程和跨国公司的兴起，汽车工业也迅速发展，在汽车工业的发展过程中，汽车零部件的加工技术也在不断快速发展。数控技术的出现，更加快了复杂零部件快速制造的实现过程，更加巩固了我国汽车工业在国际市场上为加工大国的地位。将高速加工中心和其它高速数控机床组成的高速柔性生产线集“高柔性”与“高效率”于一体，既可满足产品不断更新换代的要求，做到一次投资，长期受益，又有接近于组合机床刚性自动线的生产效率，从而打破汽车生产中有关“经济规模”的传统观念，实现了

22、多品种、中小批量的高效生产。数控加工技术中的快速成形制造技术在复杂的零部件加工制造中可以很轻易方便的实现，不仅如此，数控技术中的虚拟制造技术、柔性制造技术、集成制造技术等等，在汽车制造工业中都得到了广泛深入的应用。 4、机床设备机械设备是机械制造中的最重要最关键性的因素，面对现代机械制造业的需求，具备了控制能力的机床设备是现代机电体化产品的重要组成部分。数控技术是现代机床设备的灵魂和核心，它为机械制造业提供了良好的机床控制能力，就是把计算机控制装置运用到机床上，也就是用数控技术对机床的加工实施控制，这样的机床就是数控机床。它是以代码实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置、主

23、轴变速、刀具的选择、冷却泵的起停等各种操作和顺序动作数字码记录在控制介质上，从而发出控制指令来控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需零件。 5、航空和宇航工业在航空和宇航工业领域中，有一些特殊的零部件为薄壁和薄筋需要加工，材料可能为铝或者铝合金，刚度很差，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。这对我们传统的切割工艺是一项挑战，因而，致控技术的高速、高精、高柔性的特点正符合要求，数控技术的应用，使得切割能够顺利并迅速地进行，有效地节省更多的能源。1.2.2 数控技术优越性 1、加工精度高 数控机床是高度综合的机电一体化产品，它由精度很高的机械和自动化控制

24、系统组成，机床的传动系统与机床结构都有很高的刚度和热稳定性，在设计传动结构是采取了减少误差的措施。由于在加工过程中操作者不参与操作，这就消除了操作者人为误差，提高了同批次零件加工尺寸的一致性，提高了工件的精度和合格率。 2、可加工形状复杂的零件 数控机床的刀具运动轨迹是由加工程序所决定的。通常只要能编制出程序即可加工出形状复杂的零件。 3、加工生产率高，具有良好的经济效益 数控机床具有良好的刚性，可进行强力切削及快速空行程进给，减少切削时间；数控机床有较高的重复定位精度，大大地缩短了生产准备周期，节省了测量和检测时间；又由于加工精度高、质量稳定的特点，减少废品率，使生产成本下降，能够为企业获得

25、良好的经济效益。 4、自动化程度高，改善劳动条件 数控机床调整好后，除了手工装夹毛坯外，全部加工过程都是自动完成，简化了人工操作，减轻了操作者的劳动强度，改善了劳动条件。 5、便于生产管理的现代化（现代数控机床有联网功能） 利用数控机床进行加工，可以准确计算出零件的加工工时，并能有效简化检验、工件夹具和半成品的管理工作，易于实现生产的现代化管理。 1.2.3 数控机床分类 1、按工艺用途分类切削加工类：数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、fmc等。成型加工类：数控折弯机、数控弯管机等。特种加工类：数控线割机、电火花加攻机、激光加工机等。 其它类型：数控装配机、数控测量机

26、、机器人等。 2、按运动方式分类定位控制数控机床 、直线运动控制数控机床 、轮廓控制的数控机床 3、按控制方式分类开环控制系统、半闭环控制系统、闭环控制系统 4、按功能水平分类 一般把数控机床分为精密型、普通型、经济型。 5、按控制功能分类 点控制系统、轮廓控制系统。2 总体方案设计2.1 铣床改造方案的确定2.1.1 计算机系统的选择微机系统由cpu、存储器扩展电路、i/o接口电路、伺服电机驱动电路等几部分组成。由于mcs-51系统单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰性强等特点，决定采用mcs-51系列的831单片机的扩展系统，程序存储器选用两个2716，数据存储器选用静态数

27、据存储器6264。2.1.2 系统运动方式的确定要求该机床具有定位、直线插补、顺逆圆插补、暂停循环加工、公英制螺纹加工等功能，因而选用连续控制系统。2.1.3 伺服系统的选择数控机床伺服进给系统是以机械位移为直线控制目标的自动控制系统，简称伺服系统。伺服系统主要由伺服驱动单元、伺服电动机、机械传动装置、执行元件和位置检测反馈等单元组成，其中开环控制伺服系统无位置检测反馈单元。数控系统的输入和数控插补器相联，完成预定的直线或传角位移。 1、伺服系统的主要特点如下： （1）多种反馈比较与方法，包括脉冲比较，相位比较和幅值比较三种位置闭环系统。 （2）高性能伺服电动机作为驱动元件。用于高效和复杂型面

28、加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。 （3）宽速度范围的速度调节系统。在数控机床中，一般驱动系统的工作进给速度达3-5m/min，有的快速移动速度高达15-24m/min，甚至更高。 （4）采用低摩擦高刚度的传动副和摩擦副。如常用滚动导轨、贴塑导轨、滚珠丝杠、齿轮消隙机构等以提高传动精度与刚度。 （5）能长时间的连续可靠性工作。 2、伺服系统可以分为以下三类: （1）按数控加工轨迹分为点位控制、点位置先控制和轮廓控制。 （2）按有无检测元件及检测元件的安装位置可分为开环控制、闭环控制和半闭环控制。 （3）按反馈信息和比较方法的不同可分为脉冲比较、相位比较和幅值比较。本方案

29、采用开环伺服系统，用步进电机驱动，没有反馈电路和检测装置，指令信号是单向传送的，并且结构简单，价格低廉。2.1.4 执行机构传动方式的确定结合本机床的加工要求，为实现机床所需要的分辨率，采用步进电机经同步带传动减速，再经丝杠传动。为保证一定的传动精度、灵敏度和平稳性，为防止爬行，尽量降低摩擦并减少动静摩擦系数之差，进给传动机构选用滚珠丝杠副。根据机床特点和加工要求，本方案拟采用内循环浮动式的滚珠丝杠螺母副，其精度应根据主机点运动精度选取。由于执行件的进给速度比较低，所以在步进电机到滚珠丝杠的传送中要有较大的降速，本方案在垂直进给系统结构中选取了高效的同步带降速传动。2.2 进给机构传动方案拟订

30、各进给系统的运动是由以单片机为核心的微机电路系统控制步进电机的运转进而带动起执行部件运动来实现的。这就是要求电机转子转过的角度与输入的脉冲个数保持严格的比例关系，并且转动的脉冲在时间上同步，故而选择步进电机为伺服系统的驱动元件。为保证数控系统的传播精度及灵敏度和工作平稳性，采用滚珠丝杠螺母传动副，同步带等传动件。对与数控系统的选择，可根据目前数控技术的发展状况，从市场上从本机床可选择现有的各种经济数控系统如国内的华中数控型、中华数控、航天数控和蓝天数控，德国的恩华得、凯恩第数控系统。 3 进给系统机械部分设计计算3.1 设计要求 主要设计参数如下： 工作台最大行程：纵向：680mm 横向：24

31、0mm 垂直：300mm 刀架快速进给速度：纵向：2.3m/min 横向：1.2m/min 垂直：0.77m/min 切削速度：0.06m/min 定位精度：0.015mm/300mm 移动部件重量：纵向：220kg 横向：450kg 垂直：1000kg 加速时间：30ms 电机功率：7.5kw 3.2 确定系统脉冲当量 经济型数控铣床常用的脉冲当量是0.01-0.005mm/脉冲，本文取0.01mm/ 脉冲。 3.3 纵向进给系统的确定 3.3.1 切削力的计算 切削力与刀具材料、工件、刀具进给量有关。铣刀为高速钢立铣刀，铣削材料为碳钢。 （3.1） 式中：主切削力； 道具系数， 铣削接触弧

32、深度，； z铣刀系数，z=4； 每齿进给量，； 铣刀直径，=32mm。 选用不对称切削的逆袭 （3.2） （3.3） 3.3.2 纵向丝杠的选择 1、计算进给牵引力 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动部件重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因此，其数值的大小和导轨的类型有关。 导轨类型为燕尾导轨 （3-4）式中: k考虑颠复力影响的实验系数 导轨上的摩擦系数0.2 g移动件重量，n2、计算最大负载 选用滚珠丝杠副的直径时，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该滚珠丝杠所能承受的最大动负载c，计算如

33、下： (3.5) （3.6) (3.7) 式中：滚珠丝杠导程， =6mm； 最大切削力下的进给速度， =0.06m/min； t使用寿命，对于数控机床取，t=15000h； 运转系数，一般运转系数=1.2 1.5，此处取=1.2； l寿命，以为单位。 3、滚珠丝杠的初选 初步选择滚珠丝杠直径40 ，螺旋升角，导程=6mm。 4、传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 （3.8） 式中：摩擦角，摩擦角约为； r丝杠螺旋升角。 =。5、 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转的平稳性。因此选用丝杠时应考虑丝杠的轴向刚度。丝杠的轴向拉伸或压缩变形量是否满足要求：3（不预紧）

34、计算如下： 在工作负载的作用下引起导程的变化量l = (3.9)式中：l在工作负载下引起的每一导程的变化量； 工作负载，即进给牵引力，n； 滚珠丝杠导程，mm； e材料弹性模量，对于钢； f滚珠丝杠横截面积，mm。 (3.10) 滚珠丝杠总长度上的变形量 = (3.11) 根据实用机床设计手册滚珠丝杠副的传动刚度主要由丝杠本身拉压刚度、丝杠副内接触刚度、轴承和轴承座刚度三大部分组成，通常三大部分各占1/3，因此近似估算时，丝杠刚度取拉压刚度的1/3。 变形量 (3.12)两端固定时的最小拉压刚度为一端固定时最小拉压刚度的4倍。 (3.13)两端固定的总变形量为0.0256mm/1300mm，满

35、足定位精度0.015/ 300mm。 6、稳定性校核 无需进行稳定性校核。 7、滚珠丝杠副螺母的选型 考虑数控铣床的结构、精度和以上的计算，查阅中国义工的滚珠丝杠副样本可采用ff4006-5内循环浮动式滚珠丝杠副，额定动载荷为23.5kn。3.3.3 齿轮传动比计算 丝杠传动比 (3.14) 式中：脉冲当量，mm，=0.01mm； 基本导程，mm，=6mm； 步进电动机的步距角（初选）=0.75。 根据实际结构要求，齿轮齿数取：丝杠上的齿轮=30，电机上的齿轮=24，因为进给伺服系统传递的功率不大，一般取模数m=12 ，数控铣床可取m=2。由二维图测的惰轮与电机上的齿轮间的中心距d=89，由公

36、式得=65。表3-1 纵向传动齿轮几何参数 齿数分度圆直径d=mz齿顶圆直径齿根圆直径齿宽中心距2448524320 8965130134125303060645520 3.3.4 纵向步进电机的计算和选择 1、转动惯量的计算 齿轮的转动惯量 (3.15) l=b=20mm，=48mm 齿轮的转动惯量 l=20，=60mm 主轴的转动惯量 折算到电机轴上的转动惯量 (3.16)式中： 齿轮的转动惯量； 齿轮的转动惯量； 主轴的转动惯量。 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。 传动系统折算到

37、电机轴上的总等效转动惯量 (3.17)式中：电机转子转动惯量，初取为4.1。 主电机最大转速 (3.18) 起动加速时间 =30ms 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩 (3.19) 工进时折算到电机轴上摩擦力矩 （3.20） 式中：导轨摩擦力矩n（空起时）； 传动链总效率； i降速比i =1.25。 由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩 （3.21） 式中：滚珠丝杠预加载荷，一般取； 滚珠丝杠传动效率； 折算到电机轴上的负载力矩 （3.22） （1）快速空载起动时所需力矩 （3.23） （2）快速进给时所需力矩 （3.24） （3）最大切削负载时所需力矩 (3.25)从上面的计算可以看出，在

38、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，步进电机为三相六拍时， （3.26） 最大静转矩 （3.27） 按此最大静转矩查步进电机型号表（三相）可查出，110byg3508型最大静转矩为大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动力矩频率特性和运行频率特性。 3、计算电机工作频率 步进电机快速运行 （3-28） 最高工作频率 （3-29） 从电机表中查出110byg3508型步进电机的空载起动频率为30000hz，运行频率为1600hz。 3.4 横向进给系统确定 3.4.1 横向丝杠的选择 1、计算进给牵引力 导轨类型为矩形导轨，由式（3.4）得

39、 式中: k考虑颠复力影响的实验系数； 导轨上的摩擦系数0.15； g移动件重量，n。2、计算最大负载c 丝杠转速n，由式（3.5）得 寿命，由式（3.6）得 最大动载荷c，由式（3.7）得 3、滚珠丝杠的初选 初步选择滚珠丝杠直径，螺旋升角，导程=6mm。 4、传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率，由式（3.8）得 =5、刚度验算 滚珠丝杠副横截面f，由式（3.10）得 在工作负载的作用下引起导程的变化量l，由式(3.9)得 l= 滚珠丝杠副总长度上的变形量 两端固定时的最小拉压刚度为一端固定时最小拉压刚度的4倍。 两端固定的总变形量为0.00973mm/400mm，满足定位精度 0.01

40、5/ 300mm。 6、稳定性校核 无需进行稳定性校核。 7、滚珠丝杠副螺母的选型 考虑数控铣床的结构、精度和以上的计算，查阅中国义工的滚珠丝杠副样本可采用ff3206-5内循环浮动式滚珠丝杠副，额定动载荷为20.2kn。3.4.2 齿轮传动比计算 丝杠传动比i ，由式（3.14）得 丝杠传动比 式中：步进电机的布距角（初选）=0.75。 根据实际结构要求，齿轮齿数取：=30，=24，因为进给伺服系统传递的功率不大，一般取模数m=12，数控铣床可取m=2。 表3-2 横向传动齿轮几何参数 齿数分度圆直径 d=mz齿顶圆直径 齿根圆直径齿宽中心距24485243205430606455203.4

41、.3 横向步进电机的计算和选择 1、转动惯量的计算 由式（3-15）得齿轮的转动惯量 l=b=20mm，=48mm 齿轮的转动惯量 l=20，=60mm 主轴的转动惯量 折算到电机轴上的转动惯量 式中：齿轮的转动惯量； 齿轮的转动惯量； 主轴的转动惯量。 传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量，由式（3.17）得 式中：电机转子转动惯量，初取为4.1。 主电机最大转速 起动加速时间 =30ms 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩，由式（3.19）得 工进时折算到电机轴上摩擦力矩，由式（3.20）得 由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩，由式（3.21）得 折算到电机轴上的负载力矩，由式（3.2

42、2）得 （1）快速空载起动时所需力矩，由式（3.23）得 （2）快速进给时所需力矩，由式（3.24） （3）最大切削负载时所需力矩，由式（3.25） 从上面的计算可以看出，在三种工况下，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，步进电机为三相六拍时， 最大静载荷，由式（3.27）得 按此最大静转矩查步进电机型号表（三相）可查出，110byg3508型最大静转矩为大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动力矩频率特性和运行频率特性。 3、计算电机工作频率 步进电机快速运行 ，由式（3.28）得 最高工作频率 ，由式（3.29） 从电机表中查出110byg350

43、8型步进电机的空载起动频率为30000hz，运行频率为1600hz。 3.5 垂向进给系统的确定 3.5.1 垂向丝杠的选择 1、计算进给牵引力 导轨类型为矩形导轨，由式（3.4）得 式中: k考虑颠复力影响的实验系数 ； 导轨上的摩擦系数0.2； g移动件重量，n。 2、计算最大负载c 丝杠转速n，由式（3.5）得 寿命，由式（3-6）得 最大动负载c，由式（3.7）得 3、滚珠丝杠的初选 初步选择滚珠丝杠直径60，螺旋升角，导程=12mm。 4、传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率，由式（3.8）得 = 5、刚度验算 滚珠丝杠副横截面f，由式（3.10）得 在工作负载的作用下引起导程的变

44、化量l ，由式(3.9)得 l=滚珠丝杠副总长度上的变形量 一端固定，一端自由的的总变形量为0.0117mm/350mm，满足定位精度 0.015/ 300mm。 6、稳定性校核 无需进行稳定性校核。 7、滚珠丝杠副螺母的选型 考虑数控铣床的结构、精度和以上的计算，查阅中国义工的滚珠丝杠副样本可采用ff6012-4内循环浮动式滚珠丝杠副，额定动载荷为50.3kn3.5.2 同步带及带轮的选择 传动比i =1.25，则齿数取=20 ，=25 查慈溪恒力同步带轮有限公司带轮得 小轮型号为20l ，节径 =60.63mm，外径 =59.88mm 大轮型号为25l ，节径 =75.80mm，外径=75

45、.04mm 同步带型号为382l，节线长971.55mm，齿数102 。3.5.3 垂向步进电机的计算和选择 1、转动惯量的计算 由式（3.15）得齿轮的转动惯量 l=b=20mm， =48mm 齿轮的转动惯量 l=20，=60mm 圆锥齿轮的转动惯量 l=25， 圆锥齿轮的转动惯量 l=50， 主轴的转动惯量 折算到电机轴上的转动惯量 2、电动力矩的计算 传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量 ，由式（3.17）得 式中：电机转子转动惯量，初取为4.1。 主电机最大转速 起动加速时间 =30ms 空载起动时折算到电机轴上的加速力矩，由式（3.19）得 工进时折算到电机轴上摩擦力矩，由式（3.

46、20）得 由于丝杠预紧时折算到电机轴的附加力矩，由式（3.21）得 折算到电机轴上的负载力矩，由式（3.22）得 （1）快速空载起动时所需力矩，由式（3.23）得 （2）快速进给时所需力矩，由式（3.24） （3）最大切削负载时所需力矩，由式（3.25） 从上面的计算可以看出，在三种工况下，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，步进电机为三相六拍时， 最大静载荷，由式（3.27）得 按此最大静转矩查步进电机型号表（三相）可查出，110byg3508型最大静转矩为8大于所需静转矩，可作为初选型号。但必须进一步考核步进电机起动力矩频率特性和运行频率特性。 3、计算电机工作频率 步进电机快速运行，由式（3.28）得 最高工作频率 ，由式（3.29） 从电机表中查出110byg3508型步进电机的空载起动频率为30000hz，运行频率为1600hz 。 4 机械结构三维造型4.1 solidworks软件介绍solidworks是由著名的三维cad软件开发商solidworks公司开发的，是世界上第一个基于windows开发的三维机械设计软件，其技术创新符合三维cad技术的发展潮流和趋势。随着新产品的不断升级和改进,solidworks正逐渐成为三维cad软件中的标准，solidworks的文件格式已成为三维软件当中使用率最高的格式。使用s