机电一体化专业课程设计

1、目录铣床数控改装任务书························2前言·······················

2、3;··············5第一章数控改造总体方案的设计··············6第二章机床进给伺服系统机械部分(纵向)的设计算···············&

3、#183;······················10第一节 工作载荷分析及计算························10第二

4、节 滚珠丝杠螺母副的选型和校核················12第三节 脉冲当量和传动比的确定····················23第三章 微机控制部分的设计······&

5、#183;·········39第一节 微机控制系统概述··························39第二节 系统介绍··········&

6、#183;·······················40第三节 步进电机驱动控制电路······················48第四节 其他辅

7、助电路的设计·························60第四章 微机控制系统软件设计··············63设计小结······&#

8、183;··························66X502型立式铣床数控改装任务书一、已知条件1、机床型号：x502型立式升降台铣床2、主要参数 1）工作台面积（长×宽）750×225（mm×mm） 2）工作台及夹具总重量：G=800N 其中:横、纵向丝杆负载分别为总重量的1/2 3）工作台最大

9、行程 纵向： 500mm 横向： 190mm 4）主轴中心（端面）至台面距离：80×300mm 5）进给量：纵向： 20540mm/min横向： 14380mm/min 6）快速进给速度：纵向： 2400mm/min横向： 1600mm/min 7）立铣头最大回转角：45度 8）导轨类型：综合性导轨 9）主轴转速级数：8级 10）主轴转速公比：1：41 11）主轴转速：n=47.5，67，95，132，190，265，375，530r/min 12）主轴电机功率：N=2.2KW 13）主轴传动功率：N=1.45KW 14）主轴孔径：24mm 15）铣刀最大直径：32mm3、工件材料

10、1）碳钢，合金钢 2）铸铁4刀具材料 1）硬质合金 2）高速钢二、设计内容将一台x502型立式升降台铣床改装成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣床。该铣床用于加工中型或小型零件的平面或成型表面，也可加工具有一定斜度的平面。改装的目的一方面要提高加工的精度，另一方面利用数控方法加工任意圆弧面或凸轮的曲面。三、设计要求 1、改装后纵向横向进给精度可达：10m 2、改装后增加原铣床的功能 3、改装要方便，原铣床的改动应尽可能少，如果数控部分发生故障时仍能手工半自动操作，如果不需数控时，能很快改回原状。 4、控制部分要求运行可靠，维修方便。 5、控制部分须防尘及抗干扰。 6、改造成本低。四、改

11、装后应具有基本功能及技术指标 1、工艺范围：保持原有的铣床的工艺范围外，增加任意圆弧面或凸轮曲面的数控加工。 2、控制轴数：二坐标（纵向X、横向Y）。 3、同时控制纵、横向进给运动进行圆弧面或凸轮曲面的加工。 4、脉冲当量：0.01mm/step 5、重复定位精度：0.01mm 6、定位精度：0.01mm 7、加工精度：2级五、设计工作量 1、一张纵向（或横向）工作台的结构改装图（A1） 2、一张数控系统硬件原理图（A1） 3、一份设计说明书 包括以下主要内容： （1）前言（数控改装的意义、用途及目的等）； （2）设计的主要思路：系统方案的确定、系统控制方案设计、系统设计框图等；（3）机械部分

12、改装设计计算： 1）滚珠丝杠螺母副的确定； 2）传动齿轮的传动比和齿数的确定； 3）步进电机的选型；（4）控制系统硬件电路设计计算和参数选择；（5）步进电机接口及驱动电路设计；（6）总结及结束语六、参考书目 1、数字控制机床 廖效果、朱启逑主编，华中理工大学出版社 2、金属切削机床设计 戴曙主编，机械工业出版社 3、机床设计参考图册（车床部分） 上海纺织工学院机械制造专业教研室（学院资料室） 4、或【机床设计图册，华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主编，上海科学技术出版社】（学院资料室） 5、机电一体化机械系统设计 赵松年 张奇鹏主编 机械工业出版社，1999年6月 6、机电一体化系统设

13、计 张建民 等编著 高等教育出版社 200年8月 7、机电一体化技术手册（上、下册）机电一体化技术手册编委会编 机械工业出版社 8、单片机原理及其接口技术 胡汉才编著 清华大学出版社 9、MCS-51系列单片机系统及其应用 蔡美琴等 高等教育出版社 10、有关的机床数控改装的期刊资料前 言一、机床数控化改造的意义     一般说来，数控机床比传统机床有以下突出的优越性。     1. 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。     2. 可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比

14、传统机床提高37倍。     3. 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要工人“修配”。     4. 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。     5. 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现长时间无人看管加工。     6. 降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可以看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应等等。 二、机床改造的优缺点     减少投

15、资额、交货期短，同购置新机床相比，改造费用低。同购置新机床相比，一般可以节省6080的费用，改造费用低。特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。     机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。     用户熟悉了解设备、便于操作维修，购买新设备时，不了解新设备是否能满足其工艺要求。有的新设备由于种种原因，设备或生产线不能正常运转

16、，甚至瘫痪，使企业的效益受到影响，新设备不仅不能创造新财富，反而消耗财富。改造则不然，可以精确地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了解，在操作使用和维修方面培训时间短，见效快。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。     可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。     可以采用最新的控制技术。 可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率，提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。第一章 数控改造总体方案的设计一、系统总体改造方案的确定目前，在机械加工

17、工业中，绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现机床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控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要新设计控制系统，比较复杂；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常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组成开环控制，如下图所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大多是由单片机按照输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实现脉冲分配

18、，输出一系列脉冲，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，可以让单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速度。开环控制系统框图1、功能与技术参数分析设计的最初环节必须理解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。比如，普通铣床的数控改造要求利用数控系统代替人工或机械凸轮、靠模来控制铣床的运动，提高铣床的加工精度和自动化水平，满足多品种小批量零件加工的功能要求。改装的目的一方面要提高加工的精度，另一方面利用数控方法加工任意圆弧面或凸轮的曲面。设计任务提出了纵向走刀，横向走刀的定位精度、走刀速度、主轴变速等诸多

19、技术参数。保持原有的铣床的工艺范围外，增加任意圆弧面或凸轮曲面的数控加工。同时控制纵、横向进给运动进行圆弧面或凸轮曲面的加工。并且，要求能够进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错功能强，具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间，提高生产率。2、传动机构的选择针对设计任务的主要功能和技术指标要求提出一些原理性的构思。因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。根据上述实际条件，并考虑到经济成本问题，可以初步选用“外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧（CMD）”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副。它具有结构简单，工艺性优良，承载能力较

20、高；刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。之所以使用齿轮传动是因为齿轮传动有以下特点：1.能保持瞬时传动比恒定，平稳性高，传递运动准确可靠；2.传递的功率和速度范围较大；3.结构紧凑、工作可靠，可实现较大传动比；4、传动效率高，使用寿命长；5、通过使用齿轮减速传动的作用可以使得对电动机的要求没有那么高。3、拟订总体方案 通过对传动方式的选择之后，我们还要对运动、布局、结构、控制以及软件等方面作出总体方案设计。方案可以同时作几个，经过技术和经济评价后，选择其中一种较合理的作为最优方案加以采用。比如，普通铣床的数控化改造方案应该在满足改造设计任务的前提下，尽可能对普通铣床作较少改动，这样可以降低改造成

21、本。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。包括电机型号的选择，减速比的确定，齿数模数及齿数的确定，原有丝杠及导轨是否重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副时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。 X502型铣床的外形及传动系统如图7-16所示。工件装在机床的工作台上，铣刀装在转动的刀杆上，铣刀和工件相互间的位置可用纵向、横向和升降进给机构进行调整。根据实际要求可对机械部分进行如下的改动：保留机床的原有主轴旋转部分；保留原机床纵向进给的机动部分，将离合器脱开，去掉手轮43，将手轮轴通过一对齿轮与步进电机相连，用步

22、进电机控制系统控制纵向工作台的移动；工作台横向运动改为通过一对齿轮与步进电机相连的数控系统控制，工作台升降移动仍用手动。为了保证精度要求，横向及纵向工作台的丝杠为滚珠丝杠副传动。三、微机控制系统方案的确定1.微型控制系统的设计内容包括：1）控制系统硬件电路设计计算和参数选择；2）步进电机接口及驱动电路设计。2、微机控制系统的总体组成数控部分采用AT89S51-24PU单片机为核心的控制系统.目前，数控机床中应用最多的是AT89S51-24PU单片机，他价格低，功能强，使用灵活等特点。 存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及CPU的字长，I/0扩展芯片的个数根据整个系统需要的I/0通道的个数来确

23、定。3、软硬件系统的设计 涉及软硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生于脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。硬件系统 （1）基本组成（最小系统）（2）系统扩展 1）程序存储器扩展2）数据存储器扩展3）输入输出端口扩展 4）综合功能扩展（3）接口技术 1）键盘接口技术2）显示器接口（4）步进电机控制硬件电路。上述三个任务都可以用专用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。用硬件实现，编程比较简单，但同时硬件成本及故障。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软硬件方面的实际经验及能力。软件系统包括：（1）软件结构与基本组成（

24、2）插补原理及软件程序（3）步进电机控制软件。 计算与说明主要结果第二章机床进给伺服系统机械部分(纵向)的设计计算第一节 工作载荷分析及计算根据指导书的分析，对于数控铣床来说，可采取按切削用量计算切削力法和按主电机功率法计算切削力计算切削力法两种。一般来说，对于经济型数控铣床，可采用按主电机功率计算切削力法。一、铣削抗力分析通常都假定铣削时铣刀受到的铣削抗力是作用在刀齿的某一点上。设刀齿受到的切削抗力的合力为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力Fx，径向铣削力Fy和切向铣削力Fz。切向铣削力Fz是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床主电机功率（即铣削功率）最多，因此，切向铣

25、削力Fz可按铣削功Pm（kw）或主电机功率Pe（kw）算出。对于现有的机床的改装设计，可以从已知机床的电机的功率和主轴上的功率反推出工作台进给时的铣削力。若该机床的主传动和进给传动均用一个电机，进给传动的功率较小，可在主传动功率上乘以一个系数。由机床设计手册查得铣床传动系数k=0.85。 主传动功率N包括切削功率Nc、空载功率Nmo、附加功率Nmc三部分，即：N=Nc + Nmo + Nmc。空载功率Nmo是当机床无切削负载时主传动系统空载所消耗的功率，对于一般轻载高速的中、小型机床，可达总功率的50%，现取Nmo = 0.5N，附加功率Nmc是指有了切削载荷后所增加的传动件的摩擦功率，它直接

26、与载荷大小有关。可以用下式计算，Nmc = (1)Nc，所以总功率为：N=Nc + 0.5N + (1)Nc (KW)计算与说明主要结果则：Nc= (KW)在进给传动中切削功率：Nct = kNc = (KW)上式中k-铣床的传动系数，查机电一体化系统设计课程设计指导书P17公式38。得k=0.85为传动效率，可由下式计算由题设给定的已知条件可知，主轴上的传动功率N=1.45 KW，主电机的功率= 2.2 KW。则=0.6591所以：Nct = = 0.4596 (KW)切削时在主轴上的扭矩为：Mn = 955000= 9240.3789(N·cm)上式中n-主轴的最小转速，由题设条

27、件知n = 47.5 (r/min)切向切削力Fz= (N)上式中d-铣刀的最大直径(cm)，由题设条件知d = 3.2 cm二、计算进给工作台工作载荷、 切向铣削力= (N)计算与说明主要结果作用在进给工作台上的合力F与铣刀刀齿受到的铣削抗力的合力F大小相同，方向相反。合力F就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷,工作台横向进给方向载荷Fc和工作台垂直进给方向载荷。根据专业课程设计指导书第三章表31“铣削加工主切削力与其它切削分力的比值”列表可计算出三组、 （取范围的值计算最大值）。（1）组：端铣对称铣削=0.4 Fz

28、=0.4×=1155.05 (N)=0.95 Fz=0.95×=2473.24(N)=0.55 Fz=0.55×=1588.19 (N)（2）组：端铣逆铣=0.9Fz=0.9×=2598.86 (N)=0.7 Fz=0.7×=2021.33 (N)=0.55 Fz=0.55×=1588.19 (N)（3）组：端铣顺铣=0.3Fz=0.3×=866.29 (N)=1.0 Fz=1.0×=2887.62 (N)=0.55 Fz=0.55×=1588.19 (N) 由于铣床是两轴联动，所以只考虑端铣，无需考虑周

29、铣，则考虑采用第三组数据。计算与说明1、 指导书P16 表35主要结果第二节 滚珠丝杠螺母副的选型和校核一、滚珠丝杠螺母副结构类型的选择因为所要改装的铣床为普通铣床，精度要求并不是很高，在使用过程中不需要调整，并且加工过程中有轻微冲击运转。根据上述实际条件，并考虑到经济成本问题，通过查第三章表32和表33，可以初步选用“外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧（CMD）”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副。它具有结构简单，工艺性优良，承载能力较高；刚度高，预紧可靠，不易松弛等优点。它主要适用于重载荷、高刚度、高速驱动及较精密的定位系统，是目前应用得较广泛的结构。二、滚珠丝杠螺母副型号的选择及校核步

30、骤1、计算最大工作载荷2、 由题设已知条件，铣床导轨的类型为综合导轨。再查指导书 P38表3-29得最大工作载荷。该式中：K = 1.15；取 f = 0.16（f =0.150.18）（摩擦系数）；G为工作台及夹具总重量的1/2。由题设已知条件可得G = 400 N。将以上数值及先前计算得到的三组、数据代入上式，可得到三组相应的的最大值（1）组：Fm=1.15×1155.05+0.16× (1588.19+400)= 1646.42(N)（2）：Fm=1.15×2598.86+0.16× (1588.19+400)=3306.7794(N)（3）组：F

31、m=1.15×866.29+0.16× (1588.19+400)= 1314.34(N)由以上计算数据可知，第（2）组算得的值较大。故最大工作载荷为Fm=3306.7994(N)初选“外循环插管埋入式法兰直筒组合双螺母垫片预紧”这种结构类型的滚珠丝杠螺母副最大工作载荷Fm=3306.7994(N)计算与说明主要结果2、计算最大动负载C最大动载荷C可由下式计算 (1)(1) 式中：各参数见专业课程设计指导书-硬度系数，选1.1(HRC60) -运转系数，选1.0(有冲击运转) L -寿命，由下式计算 (2)(2) 式中：T-使用寿命(h)，对于数控机床T=15000(h)

32、n-丝杠转速(r/min)，可由下式计算 (3)(3) 式中：-最大切削力条件下的纵向进给速度 (m/min)，查指导书为540(mm/min)可取最高切削进给速度的1/21/3，现取1/3，即 =×0.54(m/min)=0.18(m/min) -所选用丝杠的基本导程，考虑到传动精度的要求，可选基本导程为4、5、6(mm)的丝杠。基本导程为4 mm时： =40.5 C1=12491.62(N)基本导程为5mm 时：=32.4 C2=11596.20(N)基本导程为6mm 时：=27 C3=10912.44(N)查机电一体化系统设计表3-11（1）当公称直径为d0=32mm时当L0=

33、4时 Ca=6668N<C1，所以不合格当L0=5时 Ca=12945N>C2，所以合格（圈数×列数=1.5×2）当L0=6时 Ca=10689N<C3，所以不合格（2）当公称直径为d0=40mm时当L0=5时 Ca=21183N>C2，所以合格（圈数×列数=1.5×2）当L0=6时 Ca=16083N>C3，所以合格（圈数×列数=2.5×1）所以 丝杆选择L0为5mm或者6mm，d0=32mm或者40mm通过查金属切削机床设计简明手册表4-143可知当公称直径=32mm、基本导程为5mm的丝杠，查得它们

34、的承载能力Ca为12945N，螺旋升角为（2.85）、，圈数×列数分别为1.5×2，滚珠直径为3.175mm，-接触角()。计 算 与 说 明主 要 结 果公称直径=40mm、基本导程为5mm的丝杠，查得它们的承载能力Ca为21183N，螺旋升角为（2.27）、，圈数×列数分别为1.5×2，滚珠直径为3.175mm，-接触角()。公称直径=40mm、基本导程为6mm的丝杠，查得它们的承载能力Ca为16083N，螺旋升角为（2.73）、，圈数×列数分别为2.5×1，滚珠直径为3.969mm，-接触角()。3、计算传动效率传动效率可由下式

35、计算上式中：-丝杠螺旋升角 -摩擦角。滚珠丝杠副的摩擦角约当公称直径=32mm、基本导程为5mm 时： =0.9446>0.9满足设计要求。当公称直径=40mm、基本导程为5mm 时：=0.9314>0.9满足设计要求。当公称直径=40mm、基本导程为6mm 时：=0.9423>0.9满足设计要求。4、刚度验算(1)丝杠的拉伸或压缩变形量当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，其实际变形量为（由指导书P39，公式324可知）： (拉伸为，压缩为)上式中：E-材料弹性模数，对于钢：L-滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm)L= 工作长度+螺纹长度+轴承宽度+端盖宽度70

36、0 mm F-滚珠丝杠的截面积()，可由下列几式计算、-滚珠直径(mm)，-接触角()，R-滚道法面半径(mm)，e-偏心距(mm)， -丝杠公称直径(mm)（1）当公称直径=32mm、基本导程为5mm时：R=0.52×3.175=1.651 (mm)d=35+2×0.045-2×1.651=28.788(mm)计 算 与 说 明主 要 结 果 =650.8979(mm)=0.017263(mm)3、 =×0.017263=0.004316（mm）指导书P41公式3-25（2）当公称直径=40mm、基本导程为5mm时：R=0.52×3.175=

37、1.651 (mm)d=40+2×0.04490-2×1.651=36.7878(mm) =1062.9125(mm) =(mm)（3）当公称直径=40mm、基本导程为6mm时：R=0.52×3.969=2.06388 (mm)d=40+2×0.056130-2×2.06388=35.984(mm) =1016.971(mm) =(mm)(2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形当丝杠进行了预紧，且预紧力为最大工作载荷的1/3时，其实际变形量为=0.0013上式中：-最大工作载荷(kgf)，Fm=418.734 (kgf) -预紧力(kgf)，=139.

38、579 (kgf) -滚珠直径(mm)，-滚珠数量，Z×圈数×列数 Z -一圈的滚珠数， (外循环)（1）当公称直径=32mm、基本导程为5mm时 31.66×1.5×2=94.99=0.0013×=0.002930(mm)当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，的值可减少一半。即：= = 0.001465(mm)（2）当公称直径=40mm、基本导程为5mm时 31.66×1.5×2=118.7373=0.0013×=0.00255955(mm)4、 当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3

39、时，的值可减少一半。指导书P42即：= = 0.00129777(mm)（3）当公称直径=40mm、基本导程为6mm时 31.66×2.5×1=79.15=0.0013×=0.003072(mm)当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，的值可减少一半。即：= = 0.001536(mm)(3)滚珠丝杠轴承的轴向接触变形（1） 当公称直径=32mm、基本导程为5mm时选用型号为51206的轴承，其参数如下：型 号内径d (mm)外径D (mm)厚度T (mm)额定动载荷(kN)5120630521628.0可由下式计算：上式中：当公称直径=40mm、基

40、本导程为5mm时：=0.00269181(mm)当公称直径=40mm、基本导程为6mm时=0.002762(mm)-最大工作载荷(kgf)，Fm=418.734 (kgf)-轴承滚动体直径(mm)，(mm)Z-两边轴承总的滚动体数目由公式Z= Z=16 所以，可估算两边总得滚动体的数目为32。将以上数据代入可得：=0.0024× =0.005693 (mm)基本导程为5mm时：=0.004316+0.001465+0.005693=0.01147(mm) >0.01(mm)可见，当公称直径=32mm、基本导程为5mm时不符合要求；（2） 当公称直径=40mm、基本导程为5mm时

41、选用型号为51207的轴承，其参数如下：型 号内径d (mm)外径D (mm)厚度T (mm)额定动载荷(kN)5120735621839.2由 Z=Z=17 所以，可估算两边总得滚动体的数目为34。将以上数据代入可得：=0.0024× =0.005257 (mm)基本导程为5mm时：=0.001279+0.002259+0.005257=0.009095(mm) <0.01(mm)可见，当公称直径=40mm、基本导程为5mm时符合要求；（3） 当公称直径=40mm、基本导程为6mm时选用型号为51207的轴承，其参数如下：型 号内径d (mm)外径D (mm)厚度T (mm)

42、额定动载荷(kN)5120735621839.2由 Z=Z=18 所以，可估算两边总得滚动体的数目为36。将以上数据代入可得：=0.0024× =0.005072 (mm)基本导程为6mm时：=0.009438(mm) <0.01(mm)可见，当公称直径=40mm、基本导程为6mm时符合要求；可见，公称直径为40，基本导程为5mm或为6mm时，稳定性均符合要求。以基本导程最大的滚珠丝杠作为最终选择，即以=6mm的作为计算依据。经查表，选用型号为CMD40062的滚珠丝杠副。其参数如下：型 号公称直径 (mm)导程(mm)钢球直径(mm)滚珠的循环圈数×列数额定动载荷

43、(N)CMD4006-2 4063.9692.5×116083当公称直径=32mm、基本导程为5mm时当公称直径=0.001465当公称直径=40mm、基本导程为5mm时=0.0012525 当公称直径=40mm、基本导程为6mm时=0.001536当公称直径=32mm、基本导程为5mm时选用型号为51206的轴承=0.005693 (mm)当公称直径=40mm、基本导程为5mm时选用型号为51207的轴承=0.005257 (mm)当公称直径=40mm、基本导程为6mm时选用型号为51207的轴承=0.005072 (mm)计 算 与 说 明主 要 结 果第三节 脉冲当量和传动比的

44、确定方案一：一、确定系统脉冲当量由题设条件知脉冲当量二、传动比的选定设传动副的传动比为i，若为一对齿轮减速传动，则，为主动齿轮的齿数，为从动齿轮的齿数。5、 对于步进电机，当脉冲当量确定和初选定步进电机的步距角后，可根据下式计算出该伺服传动系统总的传动比：公式可查机电一体化系统设计指导书P19 公式3-12 i=1.25上式中：-滚珠丝杠的基本导程6(mm)6、 -步进电机的步距角，今初选步机电一体化系统设计指导书P59三、齿轮传动的确定 对于数控机车的齿轮传动，应采用设计、结构和工艺均较简单，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比较好，因为可以减少零

45、部件的数目，简化传动链的结构，并且可以提高传动精度，减少空程误差，有利于提高传动效率。同时i=1.67较小，故在此选用圆柱直齿轮单级传动。7、 一般模数取m=12，数控铣削取m=2。 齿轮宽b=(36)m，为了消除齿侧隙，宽度可加大到（610）m。齿顶/根圆半径公式，机械原理P130，表4-3。z17，取z=39，m=2，则d= m z=239=78(mm)d= d+2 hm=78+212=82(mm)d= d-2h= d-2( h+c)md=d-2( 1+0.25)m=78-21.252=73(mm)经校验，公称直径40mm基本导程为5mm或为6mm时，稳定性均符合要求。经过前面多方面的验算

46、和比较，最终确定选用型号为CMD40062的滚珠丝杠副传动比i=1.25z=39d1=78mm计 算 与 说 明主 要 结 果b=(610) m，取b=9m=9×2=18(mm)z= zi=391.25=48.7549d=mz=249=98(mm)d= d+2 hm=98+212=102(mm) d= d-1.25m2=98-1.2522=93(mm) b=(610) m，取b=6m=62=12(mm)中心距a=88(mm) 选小齿轮齿数z=39，小齿轮的齿宽度b=18mm，大齿轮齿数z=49，大齿轮的齿宽度b=12mm。z=49d=98(mm)中心距88(mm)计 算 与 说 明主

47、 要 结 果进给伺服系统传动计算一、转动惯量的计算1、齿轮、丝杠等圆柱体惯量的计算。可由下式计算：式中：M-圆柱体质量(kg)D-圆柱体直径(cm)L-圆柱体长度或圆度(cm)对主动齿轮：对从动齿轮：对滚珠丝杠： J=0.78103.8383970=11.85192 (kg.cm)2、工作台折算到丝杆的转动惯量v-工作台移动速度(cm/min)n-丝杆转速(r/min)G-工作台的重量(N)g-重力加速度(9.8m/s)L-丝杆导程(cm)J 0.37220(kg.cm)3、传动系统折算到电机轴上的转动惯量J =0.37220(kg.cm)J =0.3722×+J1+(J2+J3)（

48、） =0.237+5.19891+(8.6336+11.95193)（） =18.4123(kg.cm)式中：i-系统总的减速比(i>1)J-各转动体的转动惯量(kg.cm)n-各转动体的转速(r/min)n-电机的转速(r/min)J-电机的转动惯量(kg.cm)4、电机的转动惯量的确定查表3.8机电一体化系统设计，因为选用电机工作方式的是三相六拍，步距角为=0.75，故符合的是：110BF003和110BF004。电机的转动惯量分别为：110BF003：110BF004：5、系统总的转动惯量 J=- J +J=18.4123+4.61=23.022(kg.cm)J=- J +J=18

49、.4123+3.43=21.8423(kg.cm)二、步进电机的计算和选用1、电机力矩的计算 快速空载起动时所需力矩： 最大切削负载时所需力矩：电机的力矩主要是用来产生加速度，而负载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进电机的依据。(1)空载起动时折算到电机轴上的加速力矩=401.809（N.cm）=381.220（N.cm）J =18.41223(kg.cm)J=23.022(kg.cm)J=21.8423(kg.cm)主 要 结 果 上式中：-滚珠丝杠预加负载(N)，一般取最大工作载荷的1/3，1102.2664(N) -滚珠丝杠基本导程0.8(cm)- 滚珠丝杠未加预

50、紧时的传动效率，一般取，今取0.95 。（4）折算到电机轴上的切削负载力 上式中：-进给方向最大切削力(N)，即前面计算进给工作台工作载荷、时所得到第（4）组数据的，所以2598.86(N) 综合以上，可得 M=401.809+6.11115+11.7964=419.7169 M=381.22+6.11115+11.7964=399.1279 M=6.1115+11.7964+248.1728=266.0807 M=6.1115+11.7964+248.1728=266.08072、步进电机的选择与校核(1)根据最大静态转矩初选电机型号 步进电机的起动：MM 对于三相六拍步进电机，>0.

51、5<0.866前面计算时已初选型号为110BF003h和110BF004的步进电机，其相关参数为：型 号相数步距角()最大静转矩()空载起动频率(步/s)空载运行频率(步/s)分配方式转子转动惯量110BF00330.75784150070003相6拍4.61110BF00430.754901500-3相6拍3.43 及 上式中：-步进电机转子的转动惯量()-传动系统折算到电机转子的等效转动惯量()-步进电机的最大静态转矩() -传动系统折算到电机轴上的负载转矩() =18.4123×计 算 与 说 (2)计算电机工作频率1)最大空载起动频率： =4000.00(step/s)

52、f < f =7000(step/s) ，满足要求。2)切削时最大工作频率 =900.00(step/s)f < f =1500(step/s) ，满足要求。=M=419.7169M=399.1279M=266.0807M=266.0807计 算 与 说 明主 要 结 果 上式中：-运动部件最大快速进给速度2.4(m/min)-最大切削进给速度0.54(m/min) -脉冲当量0.01(mm/step)由上述计算可知：系统要求的空载起动转矩频率要大于电机的空载起动频率1500Hz,且空载起动频率满足要求的电机型号较少，可以采用调压起动等方式起动电机使电机的空载起动频率满足要求；而电

53、机运行频率7000Hz可以满足系统要求。(3)校核步进电机1)根据步进电机转矩和惯量的匹配条件校核 为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通常推荐：=321.355()则：对于电机110BF003 =0.40989<0.5 <4.满足要求。而对于110BF004的步进电机 =0.6558>0.5>4不满足要求。最终选110BF003的步进电机。计 算 与 说 明主 要 结 果方案二：一、确定系统脉冲当量由题设条件知脉冲当量二、传动比的选定设传动副的传动比为i，若为一对齿轮减速传动，则，为主动齿轮的齿数，为从动齿轮的齿数。对于步进电机，当脉冲当量确定和初选定步

54、进电机的步距角后，可根据下式计算出该伺服传动系统总的传动比： i=1.25上式中：-滚珠丝杠的基本导程6(mm) -步进电机的步距角，今初选步三、齿轮传动的确定 对于数控机车的齿轮传动，应采用设计、结构和工艺均较简单，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比较好，因为可以减少零部件的数目，简化传动链的结构，并且可以提高传动精度，减少空程误差，有利于提高传动效率。同时i=1.25较小，故在此选用圆柱直齿轮单级传动。 一般模数取m=12，数控铣削取m=2。 齿轮宽b=(36)m，为了消除齿侧隙，宽度可加大到（610）m。z17，取z=45，m=2，则d= m z=245=90(mm)d= d+2 hm=90+212=94(mm)d= d-2h= d-2( h+c)md=d-2( 1+0.25)m=90-21.252=85(mm)传动比i=1.04z=45d1=90mm计 算 与