基于CCD成像技术的刀具测量装置设计说明

1、 . . . e毕业设计说明书题 目 基于CCD成像技术的刀具测量装置设计 学生 ee 学号 ee 所在院(系) 机械工程学院 专业班级 ee 指导教师 e 2009 年 5 月 20日基于CCD成像技术的刀具测量装置设计ee(ee)指导老师：ee摘要数字图像处理技术为刀具尺寸测试提供了一种行之有效的测量方法，它不仅可以克服常规测试方法存在的诸多缺陷，而且具有相对较高的测试精度。本文介绍了一种基于CCD成像技术的刀具测量装置，文主要阐述的是进给系统的设计与计算，简要介绍了其工作原理。刀具测量装置主要由机械运动平台、CCD相机、。系统的工作原理是采用机械运动平台移动调整CCD摄像机的位置以便提取

2、刀具头像，利用USB接口将图像传输到计算机中，通过标定计算出刀具的基本参数。本文重点讨论了机械运动平台的实现，传动结构的选择、设计与计算。关键词：刀具测量装置，传动结构， 设计计算，原理 Based on CCD Imaging Technology of Measuring Device DesigneeeeTutor:eeAbstract:The measurement of the size of cutting tools based on digital image processing technology is a convenient method because it has

3、 high precision and can overcome many shortages encunteed in traditional methods.This paper introduces based on CCD imaging technology of tool Measuring device,Paper describes the feed system design and calculation, and an overview of its works.Tool measuring device mainly consists of mechanical mot

4、ion platform, CCD camera, digital image processing software modules.The system works using a CCD camera to extract the tool head use the USB interface to transfer images to your computerAnd though the calibration calculating the basic parameters of the tool.This article focuses on the mechanical mot

5、ion platform, drive structure selection, design and calculationKey words：Tool measuring deviceTransmission structuredesign and calculationWorking principle3 / 54目 录引言11.毕业设计的目的和意义12.与本题目相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法与应用领域11.刀具测量装置的总体方案设计41.1 装置功能需求41.2进给传动系统的组成与其原理41.3工作台的组成、结构、特点51.3.1工作台的主要组成51.3.2工作平台的结构51.

6、3.3工作台的特性61.4 合理拟定并选择传动方案61.4.1丝杠与螺母的相对运动分61.4.2 按摩擦性质不同分类71.5确定工作台的结构和零部件的类型71.5.1确定二维工作平台的结构类型71.6确定导轨类型71.6.1普通滑动导轨81.6.2. 滑块导轨间隙调整81.7 选择轴承类型与支撑方式91.7.1 轴承类型选择91.7.2 支承方式101.8联轴器的选择101.9进给传动控制伺服系统的选择101.9.1开环控制系统:101.9.2半闭环控制系统:111.9.3闭环控制系统:111.9.4数控机床对进给伺服系统机械传动部件的要求121.10 选择控制电机122.进给系统的传动结构1

7、62.1 螺旋传动结构概述162.2传动类型的选择162.3滚动丝杠与螺母设计172.3.1滚珠丝杠副的工作原理172.3.2螺纹滚道型面182.3.3滚珠返回的循环方式192.3.4轴向间隙和预紧的调整方法202.4滚珠丝杠副主要尺寸的确定233.Z和Y方向丝杠的具体设计243.1先设计Y方向的丝杠螺母副与其步进电机243.1.1运动部件的主要参数243.1.2Y方向丝杠受力分析与丝杠轴向力计算243.1.3丝杠设计计算与尺寸选择253.1.4电机的选择263.1.5珠丝杠螺母副承载能力校核283.1.6滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核293.2设计Z方向的滚珠丝杠螺母机构与其步进电机293.2

8、.1 Z方向主要参数293.2.2丝杠设计计算与选择303.2.3电机的选择323.2.4珠丝杠螺母副承载能力校核333.2.5滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核344.滚珠丝杆螺母副支撑用的轴承确定354.1杠轴承的具体选择354.1.1类型选择354.2确定Y向轴承的尺寸374.2.1对滚动轴承进行校核374.2.2Y方向深沟球轴承（型号6002）的校核计算374.2.3深沟球轴承的寿命计算：384.3确定Z向轴承尺寸394.3.1对滚动轴承进行校核394.3.2 角接触轴承的寿命计算404.4选择轴承润滑方式405.进给系统其他部件的确定415.1联轴器415.1.1 联轴器选择考虑因素415

9、.1.2计算联轴器的转矩415.1.3校核最大转速425.1.4协调轴孔直径425.1.5规定部件相应的安装精度425.1.6 进行必要的校核435.1.7确定联轴器的型号435.2导轨的选择445.2.1导轨副应满足的要求445.2.2 滑动导轨副的结构与选择445.3 滚珠丝杠的保护446.工作原理457.装置建模467.1进给机构的建模46致48参考文献49引 言1.毕业设计的目的和意义先进技术的发展日新月异，精密测试技术应用应该适应这种发展。精密测试技术在机械学科中的作用是为先进制造服务，担负起质量技术保证的重任。金属切削刀具是切削加工必不可少的重要工具之一,在机械制造、汽车、模具、医

10、疗器械、国防工业和航空航天等行业中占有十分重要的地位。刀具质量好坏直接影响到加工对象的表面质量、精度与加工效率。对刀具尺寸的精密测量是保证数控机床实现精密加工的前提。利用CCD成像技术对刀具进行测量，能快速对图像进行采样处理，使加工效率大大提高，利于实现自动化。图像测量技术是一种非接触测量技术，它可以对刀具进行高精度的测量，利用图像处理软件还可过摄取被测目标的图像，利用数字图像处理技术进行分析，从而得到被测目标的结构尺寸。在刀具测量中运用图像测量技术，例如通过选取高精度的摄像系统，并采用先进的数字图像处理方以实现测量的自动化，在数控加工大减少对刀时间，提高测量效率和加工效率。综上所述基于CCD

11、成像技术的刀具测量装置具有良好的应用前景。2.与本题目相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法与应用领域目前，英国、美国、德国、日本等国都有多种型号的刀具预调测量仪产品，如德国的Zoller和美国的EX-CELL公司的产品，不仅能迅速对刀具进行瞄准，对刀具的迸给速度无特别要求。我国的大部分类似的刀具测量系统仍停留在机械光学式，依靠人眼通过影屏将刀具放大后进行瞄准测量，容易带来主观误差，同时测量速度低。近来我国科研人员也开发了一些新型的刀具测量系统和测量方法，例如采用解调测量法的计算机视觉二维刀具检测仪、基于图像处理的刀具测量仪以与原子力显微镜（AFM）测量法。下面主要介绍几种典型的刀具测量方法。

12、1. 机械式测量法机械式测量法是指人工用卡尺测量或将测量尺固定于机床上测量。文献1介绍了一种测量装置，可测量刀具悬伸长度和刀具半径，该装置主要由千分表、测量杆、弹簧和测量座构成1。光学投影法光学投影法是指将刀具的光学影像通过光路放大变换，显示在投影屏上，然后人工瞄准测量。文献2介绍了利用光学投影的方法来测量刀具的坐标位置和刀尖角度、圆角。该装置将刀具放入定位主轴中，并用投影屏瞄准定位，即可在光栅显表上显示出刀具的坐标值，同时可测量出其他几何参数2。3.图像测量法图像测量法是指利用图像传感器摄取刀具的对刀图像，传输到计算机中经过数字图像算法处理，得到刀具几何参数的测量结果。图像测量法具有非接触、

13、高精度、高效率等许多优点。文献3介绍了一种二维图像测量机系统，可以用来测量工件、刀具的坐标位置和尺寸参数，获得很高的精度3。3.图像测量技术图像测量技术是指测量被测对象时，把图像当作检铡和传递信息的手段或载体加以利用的测量方法，其目的是从图像中提取有用的信号。图像测量技术主要包括摄影测量，光测量和利用图像传感器测量等很多测量方法。图像测量技术在国外发展很快，已广泛应用到几何量的尺寸测量，航空遥感测量，精密复杂零件的微尺寸测量和外观检测，医学图像观测辅助诊断，以与光波干涉图，盈利应变场状态图等许多方面。在工业生产中，图像测量技术主要指利用图像传感器进行测量。图像测量技术的迅速崛超和发展除了由于应

14、用领域的不断发展，还得益于计算机技术的突飞猛进和数字图像处理技术的日益完善：低价位微处理器支持的并行处理技术；用于图像数字化的低成本图像卡；用于大容量，低成本存储阵列的新存储技术；以与低成本，高分辨率的彩色显示系统等，更进一步推动着这一技术领域的成长。与传统测量方法相比，图像测量技术有着独特的优越性。首先，图像测量技术有效的扩展了人类自身的视觉能力，它利用光电成像技术对所得的光学图像进行处理，促成了人类视觉探测域的延伸和时间暂留。通过选择合适的放大镜头，该技术可以对不同尺寸大小的零件进行测量，极扩大了测量围。其次，图像测量技术利用电子计算机与各种软件功能进行图像处理，有效的避免了人眼读数等因素

15、造成的误差，减少了重复性测量的误差和仪器本身形成的误差，有利于提高精度。另外，由于测量系统本身的特性，测量自动化程度提高，能在一定程度上实现测量手段的非接触、高精度、高速度与自动化。1.刀具测量装置的总体方案设计总体设计非常重要，是对一部机器的总体布局和全局的安排。总体设计是否合理将对后面几步的设计产生重大影响，也将影响机器的尺寸大小、性能、功能和设计质量。所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少返工现象。因此要首先了解测量装置的功能需要，然后才能确定方案。1.1 装置功能需求该装置需要用CCD相机对刀具进行图像采集，因此需要对CCD相机的位置进行调整，因采用5倍变焦的相机，所以在X方向

16、不需要对相机进行位置控制，在Y和Z方向需要对相机的位置进行控制，为了是能对相机的位置进行快速准确的进行控制，选用数控驱动系统驱动对Y、Z方向进行控制。装置有以下几点要求：（1）首先要满足测量要求、工作精度、经济性等各种要求。（2）应便于操作、调整和维修。（3）体积小、重量轻，节约材料，降低制造成本，外观美观大方。1.2进给传动系统的组成与其原理数控机床进给伺服系统是数控机床的关键组成部分。一般由控制电路、电器驱动部件和执行部件组成。进给传动部件一般认为是从电机到工作台之间的传动链。进给传动部件的动态特性的好坏直接影响到一台机床的工作性能和加工精度。进给传动部件的振动会影响进给系统的定位精度。另

17、外，机械传动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能的影响也很大。现代数控机床日益向着高速、高效率、高精度方向发展。对机床进给传动部件的设计要求也越来越高。数控机床的进给系统，与普通机床不同。数控机床的进给指令，来自数控系统，经进给电动机和驱动机构，使执行部件如刀架、工作台、主轴箱等按程序的规定运动。进给传动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，决定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中，进给驱动系统的研制和发展总是放在首要的位置。数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动的。数控机床的进给传动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是

18、快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。1.3工作台的组成、结构、特点1.3.1工作台的主要组成工作台主要是由工作台滑板（滑块）、直线移动导轨、螺旋传动（丝杠）机构、驱动电机、控制装置、和机体（机座）组成。1.3.2工作平台的结构工作平台的结构有两种分类方法（一）、按电机与机座、工作台滑板的相对位置分为三种1.驱动电机与Z方向（或Y方向）工作台滑板连成一体。这种形式简单，但造成低层驱动重量大，电机振动会影响工作台的精度，它适用于低速传动。2.下层电机不与工作台连成一体，而是装在机座

19、上，上层电动机则与工作台滑板连在一起。这种形式结构复杂，但是减少了下层电机的驱动重量，适用于中、高速传动，应用较广。3.将全部电机放在机座上，电机通过一套较长的传动装置驱动工作台移动，这样的结构虽然减轻了下层工作台的承载重量和电机振动的影响，但却影响了传动系统的刚度和运动速度的提高。根据Y方向和Z方向的运动和载荷，确定Y方向和Z方向电机都放在机座上。 （二）、工作台的空间位移方向本刀具测量装置，在XOY平面只需要做Y方向的直线进给运动，Y方向的丝杠布置在水平面。这种结构能承受大的载荷，而且结构紧凑、工作可靠、稳定，定位精度高。在XOZ平面，需要做Z方向的直线进给运动，丝杠布置在铅垂面。这种结构

20、虽然丝杠与导轨的支承刚度低，承受的载荷能力小，但此装置在Z方向只需带动相机运动，载荷小，够满足要求。1.3.3工作台的特性、静态性能工作台的几何精度：它包括X-Y工作台导轨在水平面的直线性、垂直平面直线性、X方向与Y（Z）方向的垂直度、-（）方向的反向间隙和反向精度以与工作台与运动平面间的不平行性。系统的静刚度：工作台传动系统受重力、摩擦力和其他外力的作用而产生的相应变形，其比值成为静刚度。工作台的定位精度和重复定位精度：指步进电机每走一步（发一个脉冲）工作台沿丝杠轴向方向所能产生的位移大小，一般为几微米至几十微米。2、动态性能包括工作台系统的振动特性和固有频率，速度和加速度特性，负载特性，系

21、统的稳定性等。1.4 合理拟定并选择传动方案工作平台传动方案的选择很重要，主要的的传动机构有，丝杠螺母、齿轮齿条、等等。根据此装置的结构和要求选取丝杠螺母机构。 1.4.1丝杠与螺母的相对运动分按丝杠与螺母的相对运动来分，传动方案可分为四种。丝杠转动，螺母移动； 螺母转动，丝杠移动；螺母固定，丝杠转动、移动；丝杠固定，螺母转动、移动；对于此装置，考虑到工作台空间大小选用丝杠转动，螺母移动。该传动方式结构简单、紧凑。1.4.2 按摩擦性质不同分类按摩擦性质不同，传动方案可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动两种。滑动丝杠螺母机构（滑动螺旋传动）滑动丝杠螺母机构具有结构简单，运动平稳，传动精度高，螺纹导

22、程小，降速比大，牵引力大等优点。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，螺纹中有侧向间隙，故反向有空行程。滚珠丝杠就具有螺旋滚道的丝杠和螺母间充满滚珠。这些滚珠作为中间传动件，在螺母闭合的回路中循环滚动，使丝杠螺母副的运动由滑动变成滚动，减小摩擦。滚珠丝杠的传动效率很高，具有较高的定位精度，启动转矩小，传动灵敏，不易磨损，使用寿命长。根据工作平台的要求，参看两种传动的特点，我们设计选择滚珠丝杠螺母传动。1.5确定工作台的结构和零部件的类型1.5.1确定二维工作平台的结构类型根据前面拟定的几个传动方案，选择一个最佳方案。a.电机与滑动工作台连成一体b.下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板上c.

23、全部电机放在机座上根据前面工作结构三种形式的介绍，对于工作台我们初步选择下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板上的结构（即选择第二种类型）。此结构适合低速运动。当速度较高时，也可以选择下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板上。1.6确定导轨类型常用导轨按其接触面的摩擦性质，可分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨三大类。若按其结构特点分为力封式和自封式。力封式又称为开式，必须借助外力（如重力或弹力）才能保证运动件和承导面间的接触，从而保证运动件按给定的方向作直线运动；自封式又称闭式，无需借助外力，而靠导轨本身的结构形状便能保证运动件和承导面间的接触。由于滚动摩擦导轨接触应力大、对精度

24、要求高，结构较为复杂，所以，我们选择滑动摩擦导轨。1.6.1普通滑动导轨普通滑动导轨是指动、静两导轨面直接接触的导轨，它具有结构简单、制造容易、承载能力大、接触刚度高、抗振性好，对几何的形状误差不敏感等优点。缺点是摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦系数差别大，重载或低速时容易产生爬行现象。1.滑动摩擦导轨的类型面：导向精度高，导轨磨损后会自动下降补偿，不会产生间隙，但是该导轨在水平、垂直两方向上的误差相互影响，故给制造、检验和维修带来一定的困难，一般顶角取90度，也可根据载荷和导向精度来定。2.矩形截面：结构简单、制造和检修方便、精度高、承载能力大优点，但是，该导轨不可避免的 存在侧向间隙，因而，导

25、向精度差，磨损后用镶条来补偿间隙。3.燕尾形截面：具有尺寸紧凑、能承受颠覆力矩的优点，但是刚度差，制造维修不方面，摩擦力也较大，适用于精度要求不高与移动速度较慢的场合。4.圆形截面：制造简单，可以做到精密配合，但是，它是封闭结构，对温度变化比较敏感，磨损后很难进行调整和补偿，故这种导轨多用于承受垂直载荷很小的场合。根据本结构和设计的要求，选用圆形截面导轨。1.6.2. 滑块导轨间隙调整为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，要费很大的劳动量，而且导轨经长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要与时调整，故导

26、轨应有间隙调整装置。矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。在垂直方向上，一般采用下压板调整它的底面间隙，其方法有：1） 刮研或配磨下压板的结合面.。这种方法调整比较麻烦，适用于不常调整、导轨耐磨性能好或间隙对加工精度影响不大的场合；2）用螺钉调节镶条位置，这种方法调整方便，但刚度稍差；3）改变垫片的片数或厚度。这种方法省去修刮工序，但增加了结合面的层数，刚度较差。在水平方向上，常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。1）采用平镶条调整导轨侧面间隙。平镶条横截面积为矩形或平行四边形（用于燕尾导轨），以镶条的横向位移来调整间隙。平镶条一般放在受力小的一侧，用螺钉拧紧，螺母锁紧。因各螺钉单独拧紧，

27、收紧力不易一致，使镶条在螺钉的着力点有挠度，是接触不均匀、刚性差、易变性、调整较麻烦，故用于受力较小、或短的导轨。2）采用斜镶条调整导轨侧面间隙。调整时拧动螺钉，是斜镶条纵向（平行运动方向）移动来调整间隙。为了缩短斜镶条的长度，一般将斜镶条放在移动件上。斜镶条是在全长上支承，其斜度为1:401:100，镶条长度L越长，斜度应越小，以免两端厚度相差过大。一般时（H为导轨高度），取1:40；时，取1:100.1.7 选择轴承类型与支撑方式1.7.1 轴承类型选择滑动轴承和滚动轴承各有其优缺点滑动轴承具有承载能力高、工作平稳可靠、抗震性好、噪音低、寿命长、具有剖分式、安装方便、运转精度较高等优点；缺

28、点是摩擦力大、起动力矩大、成本高。滚动轴承是标件，具有以下几个优点：滚动轴承起动转矩比滑动轴承小得多（80%90%），有利于负载起动。径向游隙小，向心角接触轴承可用预紧的方法消除游隙，运转精度高。对于同尺寸的轴颈，滚动轴承的宽度比滑动轴承小，可使机器的轴向结构紧凑。大多数滚动轴承可同时承受径向和轴向载荷。故轴承组合结构简单。互换性好，标准化程度高，成批生产，成本较低。滚动轴承的缺点是接触应力高、抗冲击能力差，高速重载时寿命低、噪音大，减震能力低。由于工作台载荷不大，速度低，步进电机启动频繁，根据上述各自的优缺点，这里设计选择滚动轴承。1.7.2 支承方式丝杠支承是丝杠结构中重要的组成部分。它的

29、结构形式和安排布置对传动精度影响很大。因此，支撑结构必需保证丝杠在其旋转时不会产生过大的轴向和径向跳动，否则，即使丝杠的精度再高，工作台仍不能得到准确的位移。在丝杠的支承中，丝杠的转速较低，可装在两个轴承或径向滚珠轴承或滚针轴承中，为了使丝杠承受轴向力并防止丝杠轴向移动，需采取高精度的滚珠止推轴承或滑动止推轴承。常见的丝杠支承方式有三种：A、将止推轴承装于丝杠两端支撑外侧，属于两端固定。当丝杠受热伸长时，能作轴向移动，故对稳定性无影响。B、它是将止推轴承装于丝杠两端支撑侧，以属于两端固定。当丝杠受热时将产生弯曲，并使轴承负载加重，它只适用于恒温或很短的丝杠。C、采用一端双向固定，而另一端为游动

30、的支承方式。它是将两个止推轴承装在丝杠一端的支承中，作为固定的支承，而另一端为游动的支承。比较三种支承方式，这里选择第一种，这样滚动轴承的类型也能方便的确定下来。固定端的轴承可以是角接触或是圆锥滚子轴承，这样结构简单，装配方便。1.8联轴器的选择 联轴器有刚性和挠性两种，刚性联轴器适用于两轴严格对中不发生相对位移的地方。挠性联轴器适用于两轴有偏斜（可分为同轴线、相交轴线）或在工作中有相对位移（可分为轴向位移、径向位移、角位移、综合位移）的地方。挠性联轴器又有无弹性元件的、金属弹性元件的和非金属弹性元件的之分。后两种称为弹性联轴器。此二维工作平台是高精度机电系统，要求定位精度高，启动灵活、频繁。

31、这就要求联轴器输出地角位移、转矩与电机输出地角位移、转矩同步性好，因此选择刚性联轴器。选凸缘联轴器。1.9进给传动控制伺服系统的选择1.9.1开环控制系统:这类数控系统驱动不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件.CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构(齿轮箱，丝杠等)带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，被广泛应用于经济型数控系统中。图1.1 开环控制系统1.9.2半闭环控制系统:位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运

32、行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制，其控制框图如图1.2所示。由于闭环的环路不包括丝杠、螺母副与机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如闭环控制数控系统，但其调试方便，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。用的最多。图1.2 半闭环控制系统1.9.3闭环控制系统:位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置(直线位移)，并将其与CNC装置计算出的指令位置(或位移)相比较，用差值进行控制。这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副与机床工作台这些大

33、惯性环节放在闭环，调试时，其系统稳定状态调试比较麻烦。高档精密机床使用。数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床组成机床本体的各机械部件组成。图1.3 闭环控制系统1.9.4数控机床对进给伺服系统机械传动部件的要求消除传动系统中的传动间隙，提高传动刚度，减少运动件的摩擦阻力，减小运动惯量，系统要有适当阻尼，提高系统传动件传动精度。根据需求，并且考虑到经济的效益，故选择开环控制系统。1.10 选择控制电机控制电机应根据转矩、位移速度、理论定位精度、工作行程和载荷大小来确定，常用的控制电机有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机（又分为同步交流和异步交流）。步进电机好控制，也可以做伺服电机。

34、步进电机是一种离散运动的装置，在目前国的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能做一比较。1、控制方式不同步进电机是利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电机，发一个脉冲电机就转过一个步距角（走一步）；而伺服电机是一种部有位置或速度反馈的电机，是将控制电压信号转换为相对应的角位移，或线位移的一种电机。控制信

35、号电压的大小与电机转过的角位移或线位移的大小存在一一对应的关系。2、控制精度不同两相混合式步进电机步距角一般为3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。3、低频特性不同步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半，这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机在低速时，一般采用阻尼技术来克服低频震动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低

36、数时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。4、矩频特性不同步进电机的输出力矩虽转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600。交流伺服电机为恒力矩输出，即在于其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。5、过载能力不同步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进

37、电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取交大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。6、运动性能不同步进电机的控制一般为开环控制（也可用于闭环控制），启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，部构成位置环或速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。7、速度响应性能不同步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，

38、以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速停止的控制场合。综上所述交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。由于我们设计的CNC二维工作平台速度低，要求也不高，所以，这里我们选择步进电机作为驱动电机。下面着重介绍步进电机。步进电机又称脉冲电动机，且是数字控制系统中一种执行原件，其功用是将脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移。步进电机是关系到数控机床加工精度和加工速度等性能的关键性元件。步进电机

39、分为三种：永磁式（），反应式（VR）和混合式（HB）。永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5°或15°。反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5°，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰。混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相，两相步进角一般为1.8°而五相步进角一般为0.72°。这种步进电机应用最广泛。控制系统对步进电机的基本要求：在一定的速度围，步进电机能稳定的运行，输出轴转过的步数必须等于输入的脉冲数，不能“失步”。每输入一个脉冲信号，输出轴所转过的角度或前进的距离称

40、为步距角，该值小而高，能保证控制系统的精度。允许脉冲频率高，这样才能动作迅速，减少辅助工时，提高生产效率，但脉冲频率不宜过高，否则转矩将变小。步进电机的基本特点：步进电机不是恒定通电，而是按一定的方式轮流通电，是通过“环形分配器”来实现的。反应式步进电机可以按指令进行角度控制，也可以进行速度控制，这对本设计很重要，可以实现程序定位。反应式步进电机无自锁能力，为保证步进电机转子能停在最后一个脉冲信号的角位移终点位置上采用带电定位方法（电磁制动装置）。步距角越小，运动稳定性越好，Ts（最大负载转矩）越接近Tmax（最大静转矩）。可选择不同的步距角（改变通电方式即可）。CNC工作台的步进电机（包括X

41、向和向）我们选择混合式步进电机，采用带电定位（电磁制动装置），步距角的选择要结合理论定位精度和丝杠来确定，脉冲频率可查电机的有关参数，再根据转速确定。由于电机的选择与要结合丝杠，所以具体的参数设计将在丝杠设计时一起进行。2.电机选择2.1电动机选择（倒数第三页里有东东）2.1.1选择电动机类型2.1.2选择电动机容量电动机所需工作功率为：；工作机所需功率为：；传动装置的总效率为：；传动滚筒滚动轴承效率闭式齿轮传动效率联轴器效率代入数值得：所需电动机功率为：略大于即可。选用同步转速1460r/min ；4级；型号 Y160M-4.功率为11kW2.1.3确定电动机转速取滚筒直径1.分配传动比（1

42、）总传动比(2)分配动装置各级传动比取两级圆柱齿轮减速器高速级传动比则低速级的传动比2.1.4 电机端盖组装CAD截图图2.1.4电机端盖2.2 运动和动力参数计算2.2.1电动机轴2.2.2高速轴2.2.3中间轴2.2.4低速轴2.2.5滚筒轴3.齿轮计算3.1选定齿轮类型、精度等级、材料与齿数1>按传动方案，选用斜齿圆柱齿轮传动。2>绞车为一般工作机器，速度不高，故选用7级精度（GB 10095-88）。3>材料选择。由表10-1选择小齿轮材料为40Cr（调质），硬度为280 HBS，大齿轮材料为45钢（调质）硬度为240 HBS，二者材料硬度差为40 HBS。4>

43、选小齿轮齿数，大齿轮齿数。取5初选螺旋角。初选螺旋角3.2按齿面接触强度设计由机械设计设计计算公式（10-21）进行试算，即3.2.1确定公式的各计算数值（1）试选载荷系数1。（2）由机械设计第八版图10-30选取区域系数。（3）由机械设计第八版图10-26查得，则。（4）计算小齿轮传递的转矩。（5）由机械设计第八版表10-7 选取齿宽系数（6）由机械设计第八版表10-6查得材料的弹性影响系数（7）由机械设计第八版图10-21d按齿面硬度查得小齿轮的接触疲劳强度极限；大齿轮的接触疲劳强度极限。13计算应力循环次数。（9）由机械设计第八版图（10-19）取接触疲劳寿命系数;。（10）计算接触疲劳

44、许用应力。取失效概率为1%，安全系数S=1，由机械设计第八版式（10-12）得（11）许用接触应力3.2.2计算（1）试算小齿轮分度圆直径=49.56mm（2）计算圆周速度（3）计算齿宽与模数=2mmh=2.252.252=4.5mm49.56/4.5=11.01（4）计算纵向重合度0.318124tan=20.73（5）计算载荷系数K。已知使用系数根据v= 7.6 m/s,7级精度，由机械设计第八版图10-8查得动载系数由机械设计第八版表10-4查得的值与齿轮的一样，故由机械设计第八版图 10-13查得由机械设计第八版表10-3查得.故载荷系数2=2.2（6）按实际的载

45、荷系数校正所算得分度圆直径，由式（10-10a）得（7）计算模数3.3按齿根弯曲强度设计由式（10-17）3.3.1确定计算参数（1）计算载荷系数。=2.09（2）根据纵向重合度，从机械设计第八版图10-28查得螺旋角影响系数（3）计算当量齿数。（4）查齿形系数。由表10-5查得（5）查取应力校正系数。由机械设计第八版表10-5查得（6）由机械设计第八版图10-24c查得小齿轮的弯曲疲劳强度极限；大齿轮的弯曲强度极限；（7）由机械设计第八版图10-18取弯曲疲劳寿命系数，；（8）计算弯曲疲劳许用应力。取弯曲疲劳安全系数S1.4,由机械设计第八版式（10-12）得（9）计算大、小齿轮的并加以比较

46、。=由此可知大齿轮的数值大。3.3.2设计计算对比计算结果，由齿面接触疲劳强度计算的法面模数大于由齿面齿根弯曲疲劳强度计算的法面模数，取2，已可满足弯曲强度。但为了同时满足接触疲劳强度，需按接触疲劳强度得的分度圆直径100.677mm 来计算应有的齿数。于是由取 ，则 取3.4几何尺寸计算3.4.1计算中心距a=将中以距圆整为141mm.3.4.2按圆整后的中心距修正螺旋角因值改变不多，故参数、等不必修正。3.4.3计算大、小齿轮的分度圆直径3.4.4计算齿轮宽度圆整后取.低速级取m=3;由取圆整后取表 1高速级齿轮：名称代号计算公式小齿轮大齿轮模数m22压力角2020分度圆直径d=227=5

47、4=2109=218齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直径表 2低速级齿轮：名称代号计算公式小齿轮大齿轮模数m33压力角2020分度圆直径d=327=54=2109=218齿顶高齿根高齿全高h齿顶圆直径4.轴的设计4.1低速轴4.1.1求输出轴上的功率转速和转矩 若取每级齿轮的传动的效率,则4.1.2求作用在齿轮上的力因已知低速级大齿轮的分度圆直径为圆周力 ,径向力 与轴向力 的4.1.3初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据机械设计第八版表15-3,取 ,于是得输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选

48、取联轴器型号.联轴器的计算转矩, 查表考虑到转矩变化很小,故取 ,则:按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003或手册,选用LX4型弹性柱销联轴器,其公称转矩为2500000 .半联轴器的孔径 ,故取 ,半联轴器长度 L=112mm ,半联轴器与轴配合的毂孔长度.4.1.4轴的结构设计（1）拟定轴上零件的装配方案图4-1（2）根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度1)根据联轴器为了满足半联轴器的轴向定位要示求,1-2轴段右端需制出一轴肩,故取2-3段的直径 ;左端用轴端挡圈,按轴端直径取挡圈直径D=65mm.半联轴器与轴配合的毂孔长度,为了保证轴端挡圈只压在半

49、联轴器上而不压在轴的端面上,故1-2 段的长度应比 略短一些,现取.2)初步选择滚动轴承.因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选用单列圆锥滚子轴承.参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组 、标准精度级的单列圆锥滚子轴承30313。其尺寸为dDT=65mm140mm36mm，故 ；而。3）取安装齿轮处的轴段4-5段的直径 ；齿轮的右端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为90mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取 。齿轮的左端采用轴肩定位，轴肩高度 ，故取h=6mm ，则轴环处的直径 。轴环宽度 ，取。4）轴承端盖的总宽度为20mm（由

50、减速器与轴承端盖的结构设计而定）。根据轴承端盖的装拆与便于对轴承加润滑脂的要求，取端盖的外端面与半联轴器右端面间的距离l=30mm，故取低速轴的相关参数：表4-1功率转速转矩1-2段轴长84mm1-2段直径50mm2-3段轴长40.57mm2-3段直径62mm3-4段轴长49.5mm3-4段直径65mm4-5段轴长85mm4-5段直径70mm5-6段轴长60.5mm5-6段直径82mm6-7段轴长54.5mm6-7段直径65mm（3）轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=20mm12mm，键槽用键槽铣刀加工，长为L=63mm,同时为了保证齿轮与

51、轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。4.2中间轴4.2.1求输出轴上的功率转速和转矩4.2.2求作用在齿轮上的力（1）因已知低速级小齿轮的分度圆直径为：（2）因已知高速级大齿轮的分度圆直径为：4.2.3初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取 ,于是得：轴的最小直径显然是安装轴承处轴的直径。图 4-24.2.4初步选择滚动轴承.（1）因轴承同时受有径向力和轴向力的作用,故选

52、用单列圆锥滚子轴承，参照工作要求并根据,由轴承产品目录中初步选取 0 基本游子隙组、标准精度级的单列圆锥滚子轴承。其尺寸为dD*T=35mm72mm18.25mm，故，；（2）取安装低速级小齿轮处的轴段2-3段的直径；齿轮的左端与左轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为95mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取。齿轮的右端采用轴肩定位，轴肩高度，故取h=6mm，则轴环处的直径。轴环宽度，取。（3）取安装高速级大齿轮的轴段4-5段的直径齿轮的右端与右端轴承之间采用套筒定位。已知齿轮轮毂的宽度为56mm，为了使套筒端面可靠地压紧齿轮，此轴段应略短于轮毂宽度，故取。4.

53、2.5轴上零件的周向定位齿轮、半联轴器与轴的周向定位均采用平键连接。按查表查得平键截面b*h=22mm14mm。键槽用键槽铣刀加工，长为63mm,同时为了保证齿轮与轴配合有良好的对中性，故选择齿轮轮毂与轴的配合为；同样，半联轴器与轴的连接，选用平键为14mm9mm70mm，半联轴器与轴的配合为。滚动轴承与轴的周向定位是由过渡配合来保证的，此处选轴的直径公差为m6。中间轴的参数：表4-2功率10.10kw转速362.2r/min转矩263.61-2段轴长29.3mm1-2段直径25mm2-3段轴长90mm2-3段直径45mm3-4段轴长12mm3-4段直径57mm4-5段轴长51mm4-5段直径

54、45mm4.3高速轴4.3.1求输出轴上的功率转速和转矩若取每级齿轮的传动的效率,则4.3.2求作用在齿轮上的力因已知低速级大齿轮的分度圆直径为4.3.3初步确定轴的最小直径先按式初步估算轴的最小直径.选取轴的材料为45钢,调质处理.根据表15-3,取 ,于是得：输出轴的最小直径显然是安装联轴器处轴的直径.为了使所选的轴直径与联轴器的孔径相适应,故需同时选取联轴器型号.联轴器的计算转矩 , 查表 ,考虑到转矩变化很小,故取 ,则:按照计算转矩应小于联轴器公称转矩的条件,查标准GB/T 5014-2003 或手册,选用LX2型弹性柱销联轴器,其公称转矩为560000 .半联轴器的孔径 ,故取 ,