普通车床的数控改造—横向进给系统的设计

1、1前言1.1 数控技术与数控机床1.1.1 数字控制与数控技术数字控制(NumericalControlNC)是一种借助数字、字符或其它符号对某一工作过程(如加工、测量、装配等)进行可编程控制的自动化方法1。数控技术(NumericalControlTechnology)采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。数控机床(NumericalControlMachineTools)是采用数字控制技术对机床的加工过程进行自动控制的一类机床。数控系统(NumericalControlSystem)实现数字控制的装置。计算机数控系统(ComputerNumericalControlCNC以计

2、算机为核心的数控系统。数控化技术就是以数字程序的形式实现控制的一门技术，它是随着电子计算机的发展而发展起来的，综合了各个技术领域里的新成就，具有广泛的通用性，是高自动化程度的工业自动控制技术。现代数控技术所涉及到的技术领域、学科很多，范围较广，需要信息技术来解决问题。计算机在数控技术方面的应用，出现于70年代，突出的应用产品就是CNC计算机数控技术多以通用的小型或微型计算机为核心，再增加适当的接口电路及外围设备，来代替NC数控柜中的专用电子计算装置。计算机数控系统不仅比原来的NC数控系统使用范围广、功能全，而且还有相当大的通用性，改善了对机床操作的控制。计算机数控系统具有以下特点：灵活性强，这

3、是CNC系统的突出特点，对于传统的NC系统，一旦提供了某些控制，就不能改变，除非改变相应的硬件。而对于CNC（统，硬件是通用的、标准化的，对于各种不同的机床进行控制的要求，只需改变相应的控制程序即可，不必制造新的硬件；通用性好；可靠性高，在CNCK统中，加工程序常常是一次送入计算机存储器内，避免了在加工过程中由于纸带输入机的故障而产生的停机现象，由于许多功能均由软件实现，硬件系统所需元器件数目大为减少，整个系统的可靠性大大改善，特别是随着大规模集成电路和超大规模集成电路的采用，系统的可靠性大为提高；易于实现多功能、高复杂程度的控制，由于计算机有丰富的指令系统，能高速的进行复杂的计算，所以实现多

4、功能高复杂程度控制比用硬件系统方便的多；使用维修方便；具有通信功能。1.1.2 数控系统与数控机床的组成数控系统与数控机床的组成如图1所示，它可分为六个部分2。计算机数控系统机床I/O电路和装置1 F操作面板PLC计 机詈主轴伺服单进给伺服单 tC-主轴驱动装置进给驱动装置机床主进辅 运给助 动传控 机动置 构机机 构构测量装置,控装置1.1数控系统与数控机床的组成（ 1）操作面板它是操作人员与数控装置进行信息交流的工具。组成：按钮站、状态灯、按键阵列和显示器，它是数控车床特有部件。（ 2）控制介质与输入输处设备控制介质是记录零件加工程序的媒介。输入输出设备是CNC（统与外部设备进行交互装置。

5、交互的信息通常是零件加工程序。即将编好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC8统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。（ 3）CNO置组成：计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通讯接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件。作用：根据输入的零件加工程序进行相应的处理，然后输出控制命令到相应的执行部件，所有这些工作是由CNCI置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊的进行工作的，CNO置是CNCK统的核心。（4）伺服单元、驱动装置和测量装置1）伺服单元和驱动装置主轴伺服驱动装置和主轴电机进给伺服驱动装置和进给电机2）测量装置位置和速度测量装置，以实现进

6、给伺服系统的闭环控制。作用：保证灵敏、准确的跟踪CNCg置指令。进给运动指令：实现零件加工的成形运动。主轴运动指令：实现零件加工的切削运动。（5）PLG机床I/O电路和装置PLC用于完成与逻辑运算有关顺序动作的I/O控制，它由硬件和软件组成。机床I/O电路和装置：实现I/O控制的执行部件，由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路。功能：接受CNC勺MS、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关操作。接受操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNCg置，经其处理后，输出指令控制CNC8统的工作状态和机床的工作。（6）机床机床：数控机床的主体，是实现制造加工

7、的执行部件。组成：主要由主运动部件、进给运动部件（工作台、托板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统、工件自动交换系统）和辅助装置（如排屑装置等）组成。1.1.3数控机床特点（1）数控车床的优点数控机床的操作和监控全部在这个数控单元完成，它是数控机床的大脑。与普通机床相比，数控机床有如下特点：1）加工精度高，具有稳定的加工质量；2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；3)加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；4) 机床本身的精度高、刚性大，可选择有力的加工用量，生产率高(一般为普通机床的35倍)；5) 机床自动化程度高，可以减轻劳

8、动强度；6) 对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。(2)数控车床的适用范围数控车床确存在一般车床所不具备的许多优点，但是这些优点都是以一定条件为前提的。数控车床的应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替其他类型的机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。数控车床通常最适合加工具有以下特点的零件。1) 多品种小批量生产的零件；2) 结构比较复杂的零件；3) 需要频繁改变的零件；4) 价格昂贵、不允许报废的关键零件；5) 需要最短生产周期的急需零件。1.2 数控化改造的内容普通车床的数控化改造主要内容有以下几点3：(1) 恢复原功能：对机床存在的故障部分进行诊断并恢复；

9、(2)NC化：在普通车床上增加竖线装置，或者增加数控系统，将其改造成NC车床、CNM床；(3) 翻新：为提高精度、效率和自动化程度，对机械、电气部分进行翻新，对机械部分重新装配加工，恢复原精度；对其不满足生产要求的CNC(统以最新CNC行更新；(4) 技术更新或技术创新:为提高性能或档次，或为了使用新工艺、新技术，在原有基础上进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度大地提高水平和档次的更新改造。本次设计的主要指导思想是将原车床原来纯机械结构改造为有数控装置控制的机电一体化产品，改造费用低，经济性好，加工精度高，生产效率高。改造后的简易数控车床既能保持原普通车床的功能，又能使小批量，多品种复杂

10、的零件的加工精度和生产率得到提高。其中主要应解决的问题是如何将机械传动的进给和手工控制的刀架转位，进给改造成单片机控制的刀架，自动转位以及自动进给的自动加工车床。纵横向进给部件，采用微机数控装置进行开环控制。1.3 数控技术的发展状况1.3.1 产生背景从工业化革命以来人们实现机械加工自动化的手段由：自动机床、组合机床、专用自动生产线。这些设备的使用大大提高了机械加工自动化的程度，提高了劳动生产率，促进了制造业地发展。但它也存在固有的缺点：1)初始投资大；2)准备周期长；3)柔性差。数控技术产生和发展的内在动力：市场竞争日趋激烈，产品更新换代加快，大批量产品越来越少，小批量产品生产的比重越来越

11、大，迫切需要一种精度高、柔性好的加工设备来满足上述需求。电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC机床的进步提供了坚实的技术基础。数可能高技术正是在正是背景下诞生和发展起来的。它的产生给自动化技术带来了新的概念，推动了加工自动技术的发展。1.3.2 发展战略从我国的基本国情出发，以我国的战略需求和国民经济的市场需要，选择能够主导我国21世纪初期制造装备业发展的关键技术以及能够支持产业化发展的支撑技术与配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨越发展4。强调市场需要为导向，以数控的终端产品为主，以整机带动数控产业的发展。重点解决数控系统与相关功能部件的可能性和生产规模问题。没有规模就不会有高可能

12、性产品；没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产品；没有规模中国的数控装备就最终难以有出头之日。在竞争数控技术前，要强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技术和产品，为我国的数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。1.3.3 发展趋势进入九十年代以来，随着国际上计算机技术突飞猛进的发展，数控技术不断采用计算机、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着下述方向发展:运行高速化、加工高精化、功能复合化、控制智能化、体系开放化、驱动并联化、交互网络化。1（1） 运行高速化、加工高精化速度和精度是数控设备的两个重要指标，它们是数控技术永恒追求的目标。因为直接关系到加工效率和产品质量，新

13、一代数控设备在运行高速化、加工高精化等方面都有了更高的要求。由于计算机技术的不断进步，促进了数控技术水平的提高，数控装置、进给伺服驱动装置和主轴伺服驱动装置的性能也随之提高，使得现代的数控设备在新的技术水平下，可同时具备运行高速化、加工高精化的性能。（2）功能复合化复合化是指在一台设备能实现多工艺手段加工的方法。（3）控制智能化随着人工智能技术的不断发展，并为满足制造业生产柔性化、制造自动化发展需求，数控技术智能化程度不断提高，具体体现在以下三个方面：加工过程自适应控制技术、加工参数的智能优化与选择和智能故障与自修复技术。（4）体系开放化具有在不同的工作台上均能实现系统功能、且可以与其它的系统

14、应用进行互操作的系统。开放式数控系统的特点：系统的构件（软件和硬件）具有标准化、多样化和互换性的特征。允许通过对构件的增减来构造系统，实现系统“积木式”的集成。构造应该是可移植的和透明的。向未来技术开放:由于软硬件接口都遵循公认的标准协议，只需少量的重新设计和调整，新一代的通用软硬件资源就可能被现有系统所采纳、吸收和兼容这就意味着系统的开放费用将大大降低而系统性能与可靠性将不断改善并处于长生命周期。（5）驱动并联化并联加工中心（又称6条退数控化机床、虚轴机床）是数控机床在结构上取得的重大突破。其特点是：并联结构机床是现代机器人与传统加工技术相结合的产物；由于它没有传统机床所必需的床身、立柱、导

15、轨等制约机床性能提高的结构；具有现代机器人的模块化程度高、重量轻和速度快等优点。（6）交互网络化支持网络通讯协议，既满足单机需要，又能满足FMC、FMS、CIMS对基层设备集成要求的数控系统，该系统是形成“全球制造”的基础单元。网络资源共享、数控系统的远程监视与控制、数控系统的远程培训与教学、数控装备的数字化服务。2设计方案的确定C616型车床是一种加工效率高，操作性能好，社会拥有量大的普通车床。实践证明，把这种车床改造为数控车床，已经收到了良好的经济效果。2.1 设计任务本次设计是对c616普通车床的数控改造横向进给系统的设计，数控车床的改造一般是对某些部位做一定的改造，配上数控装置，从而使

16、车床有数控加工的能力。此次设计的基本要求是：工作台重w=30kgf=300n,时间常数t=25ms,行程s=190mm,基本导程：10=4mm脉冲当量sp=0.005mm/step,步距角a=0.75d/step,快速进给速度Vmax=1m/min2.2 总体设计方案的确定总体方案的设计应考虑数控系统的运动方式，伺服系统的类型，计算机的选择，以及传动方式和执行机构的选择等。（ 1）车床数控化改造属于经济型数控机床，在保证其加工精度的前提下，应该简化其结构，降低其成本。所以，横向进给系统采用步进电机的开环控制。（ 2）为保证进给伺服系统传动精度和平稳性，选用摩擦小和传动效率高的滚珠丝杠副，并加有

17、预紧机构，从而提高刚度和消除间隙。（ 4）纵、横向进给是两套独立传动链，它们是由步进电机、齿轮副和滚珠丝杠副组成，其传动比要满足机床所需要的分辨率。（ 5）刀架采用自动转位刀架。（ 6）根据普通车床的最大加工尺寸、加工精度、控制速度和经济性要求，经济型的数控车床一般采用8位的微机。在8位微机中，优先考虑MCS-51系列单片机,因为它的集成度高、功能强、可靠性好、抗干扰能力强、速度快，还具有很高的性能价格比。所以可选择MCS-51系列单片机的扩展系统。综上所述，数控改造的方案图如下图所示：数控程序悭率放大器步进电jd八肉轮主轴编 码器车r_l步进电机图2.1数控改造方案图其工作的原理是：由MCS

18、-51单片机控制步进电机的动作，步进电机经齿轮箱减速后驱动滚珠丝杠，从而使刀架横向运动。3结构设计3.1 传动装置的设计3.1.1 齿轮的设计齿轮传动是机械传动中最重要的传动之一，C616机床的齿轮主要集中在主轴箱和变速箱中。齿轮传动装置设计的准则：精度高、稳定性好、响应速度快。为了保证其传动精度，数控机床上使用的齿轮精度等级都比普通机床的要高，以保证机床加工精度。数控机床的进给系统中常用齿轮副来达到一定的传动比和转矩要求。由于齿轮加工不可能达到理想齿面的要求，总是存在着一定的误差，因此一对啮合齿轮，总应有一定的齿侧间隙才能正常的工作。但是齿侧间隙会造成进给系统的反向失动量，并产生反向死区从而

19、影响加工精度，因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙。常用的有刚性调整法和柔性调整法：刚性调整法又包括偏心套调整法和轴向垫片调整法，柔性调整又包括轴向弹簧调整法和周向调整法5。纵、横向进给机构都采用了一级齿轮减速，并用双片齿轮错齿法消除间隙，双片齿轮间没有加弹簧自动消除间隙，因为弹簧的弹力很难适应负载的变化情况。当负载较大时弹簧的弹力显小，起不到自动消除间隙的作用；当负载较小时，弹簧的弹力显大，则加速齿轮的磨损。为此采用人工定期调整螺钉紧固的办法来消除间隙。3.1.2 滚珠丝杠的设计滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠及滚珠循环返回装置等组成6。（1）滚珠丝杠副的传动特点：传动效率高，摩擦损失小；定位

20、精度高，刚度好；启动力矩小，运动平稳无爬行现象，传动精度高；有可逆性；磨损小使用寿命长，精度保持性好；制造工艺复杂；不能自锁。（2）滚珠丝杠副的支撑：滚珠丝杠采用推力轴承支承，以提高轴向刚度。安装支撑的方式有：1）一端装推力轴承，这种方式承载能力小，轴向刚度低，适用于短丝杠；2）一端装推力轴承，另一端装向心球轴承，适用于较长的丝杠；3）两端装推力轴承，这种方式有助于提高刚度但对丝杠的热变形较为敏感；4）两端装推力轴承及向心球轴承，但这种方式不能预先测定预紧力不能提高其承载能力和支架的刚度。（3）滚珠丝杠副制动方式有：采用具有刹车作用的制动电机；在传动链中配置逆转效率低的高减速比系统；采用超越离

21、合器。（4）滚珠丝杠副的防护：丝杠预紧后，轴向间隙减小，当杂质落入滚道内时，会阻止滚珠的运转，所以需要加有防护装置。常用的有：密封圈和防护罩。3.1.3 数控机床改造的设计步骤将普通机床改造成为数控机床，是一件技术要求很高的工作，必须根据加工对象实际情况，确定改造的方案，故改造设计的一般过程如下7：（ 1） 对加工的对象进行工艺分析，并确定工艺方案被加工的工件既是机床改造的依据，也是机床改造后的加工对象。不同的形状，不同的技术要求工件，其加工的方法也不同，对机床的要求也不尽不同。如，对于圆柱形的零件可用车削与外圆磨等方法加工，而平面则一般用铣削或平面磨等方法加工；对精度和表面粗糙度要求不高的外

22、圆柱表面，常用车削加工；对于精度高和表面粗糙度要求低的则可在外圆磨床上加工。在工艺分析的基础上，绘制了工序图，初步选定了切削用量和刀具运动路线，并计算生产率。最后计算切削力和切削功率，从而计算得出进给系统需要的功率和力矩。这是选择方案和驱动部件的依据，现在多用类比法或测定法完成。改造机床和设计机床是大2）.分析被改造的机床，确定被改造机床的类型不相同的，机床的设计是根据设计的任务书，对机床整机进行设计，然后将机床各组成零、部件逐一制造，最后装成机床；而机床的改造则是围绕着某台机床进行工作得，不仅要考虑机床本身结构改造，还要考虑工艺系统中刀具、夹具和其它辅具的改进，以满足生产需要。在制定机床改造

23、的方案时，可现根据制定的工艺方案，初步选定改造机床的类型，然后对被选定的机床进行认真的分析，了解被改造机床的技术规格，技术状况，各部联系尺寸等，分析机床的强度和刚度，分析被改造机床能否适应改造的要求以和经济性等。最后确定被改造机床型号。（ 3） .拟定技术措施制定改造的方案根据加工对象要求和被改造机床实际情况，拟定应采取的技术措施，制定出机床的改造方案，选用外购件时一定要保证质量。在拟定技术措施，制定改造方案的过程中，应充分进行技术经济分析，力求是改造的机床不仅能满足技术性能的要求，还要获得最佳的的经济效益，是技术的先进性与经济的合理性较好的统一起来。（ 4） .设计或选用数控装置在满足加工零

24、件要求的同时，尽量使设计的数控装置功能强，稳定可靠，通用性好，价格低，或选用国内生产较好的专用数控装置。（ 5） .进行机床改造的技术设计。（ 6） .绘制机床改造的工作图。（ 7） .整机安装调试。以上七步，并非一成不变，而是依据实际的情况而定。3.2导轨的设计无论是数控机床还是普通机床，都有导轨。在导轨面上安装工作台、刀架等部件。导轨的作用不仅承受这些部件的载荷，而且还保证各部件的相对位置和相对运动精度。导轨主要由运动件和承导件两部分组成，运动件是指需要做直线运动的零部件，承导件用于支持并限制运动件，时使其只能按给定的要求和规定的方向作直线运动。（ 1）导轨设计的基本要求：导向精度高、刚度

25、大、耐磨、运动灵活和平稳。（ 2）滑动导轨的特点：优点是结构简单，制造方便，接触刚度大；缺点是摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦系数差别大，低速易产生爬行。（ 3）滑动导轨间隙的调整：为保证导轨的正常运动，运动件与承导件之间应保持适当的间隙。间隙过小会增加摩擦力，使运动不灵活；间隙过大，会使导向精度降低。调整的方法有：1）采用磨、刮相应的结合面或加垫片的方法，以获取适当的间隙。2）镶条的调整，这是侧向间隙常用的调整方法，镶条有直镶条和斜镶条两种。（4）滚动导轨的特点：优点是摩擦因数小，动、静摩擦因数差小，运动轻便灵活，摩擦发热少、磨损小，精度保持性好。缺点是结构比较复杂、制造比较困难、成本比较高、抗

26、振性较差。对赃物比较敏感，还必须要有良好的防护装置。（5）导轨的选择：数控机床上，常使用滑动导轨和滚动导轨。滚动导轨摩擦系数小，动静摩擦系数接近，因而运动灵活轻便，低速运行时不易产生爬行现象。精度高，但价格贵。经济型数控一般不使用滚动导轨，尤其数控改造，若使用滚动导轨，将大大增加机床床身的改造工作量和改造成本。因此，数控改造一般仍使用滑动导轨。为了使结构紧凑，能承受倾侧力矩，选用滑动燕尾形导轨。如图3.1所示：图3.1燕尾形导轨(6)导轨材料：滑动导轨常用材料是灰铸铁和耐磨铸铁。灰铸铁通常以HT200或HT300故固定导轨，以HT150或HT200做动导轨。(7)导轨的热处理：一般重要的导轨，

27、铸件粗加工后进行一次时效处理，高精度导轨铸件半精加工后还需进行第二次时效处理。3.3 自动转位刀架的设计自动转位刀架的设计是普通机床的数控改造方面的关键。由微机控制的自动转位刀架具有工作刚性好、性能可靠、重复定位精度高、使用寿命长和工艺性好等特点。这类刀架由控制系统直接控制，刀架能自动完成抬起回转、选位、下降、定位和压紧这样一系列的动作网。(1)刀架的抬起利用压缩弹簧的恢复力来完成刀架的抬起或者是利用螺纹传动，将旋转运动变成轴向直线运动，从而达到抬起刀架的目的。(2)刀架的回转和选位刀架由一个微电机通过传动系统来带动。刀架的转动轴线是竖直的，而转速比起电机来要慢的多。刀架转过一定角度后要选位，

28、即看一看转到这个位置的刀具是符合加工要求。这一功能是由微机程序来实现。具体地说，当刀架转到此位置是，程序自动的将该位置的编码与所需刀具编码加以比较。若相同，该刀具就选定此位；否则，再转动重复上述过程。（3）刀架的下降、定位和压紧刀架选定位置后，斜面销插入斜面槽中，使之粗定位。然后由微机控制使微电机正反转。由于斜面销的棘轮作用，只是下降，再由精定位元件来精确定位。定位完毕，需要压紧刀架压紧力是由刀架下降到底后，电机继续转动后所产生的。压紧力的大小应是切削力大小的两倍以上，而且能调整，当达到调整数值时，电机停转。考虑到重复定位精度高、工作刚性好、使用寿命长、工艺性好等特点，经济型数控车床一般选用L

29、D4-I型四工位自动刀架。3.4 开环控制系统的设计数控机床所采用的开环控制系统，大都采用了步进电机作为工作台的运动控制器件，所以，也可称为开环步进式伺服系统。数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环、闭环之分。采用闭环控制的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但它结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价高。所以采用闭环控制系统的必要性不大。采用半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间，由于调速范围宽，过载能力强，又具有反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈调节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单系统的稳定性较易保证

30、，所以比闭环容易实现。但是，采用半闭环控制，调试比开环控制要复杂得多，设计上有其自身的特点，技术难度较大。由于是经济型数控改造，通常情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单，设计制造容易，控制精度较好，容易调试，价格便宜，使用维修方便等优点。开环控制系统图如下9:图3.2开环控制系统的图4设计计算4.1 横向进给系统的设计与计算4.1.1 横向进给系统的设计经济型数控改造横向进给系统的设计比较简单，一般是将步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大托板上，用法兰盘将步进电机和机床大托板连接起来，以保证其同轴度，提高传动精度10。4.1.2 横向进给系统

31、的设计计算已知条件：工作台重w=30kgf=300n,时间常数t=25ms,行程s=190mm基本导程10=4mmf冲当量sp=0.005mm/step,步距角a=0.75d/step,快速进给速度Vmax=1m/min（1）切削力计算由机床设计手册得，切削功率NcNK（4.1）式中N电机功率，查机床说明书，N=4kW；主传动系统总效率，一般为0.60.7取0.65K进给系统功率系数，取为K=0.96所以Nc=4X0.65X0.96=2.kW又因为NFv/6120cz（4.2）所以Fz6120Nc/vzc式中切削线速度，取 v=100m/min。主切削力Fz=6120X25/100=1530(

32、N)由机械制造技术基础得，主切削力FzCfzpXFZfYFZKFZ(4.3)查表得：CFZ=187kgf/m2=1870MPaXfz=1Yfz=0.75Kfz=1则可计算Fz如下表所示：表4.1p(mm)222333f(mm)0.20.30.40.20.30.4Fz(N)111521891682282832541777把Fz=1520N时，切削深度p=2mm走刀量f=0.3mm作为下面计算的依据由机床设计手册得，在一般外圆车削时：Fx=(0.10.6)FzFy=(0.150.7)Fz所以FX=0.5Fz=0.5X530=765(N)FY=0.6Fz=0.61530=918(N)则横向进给系统的

33、切削力为：Fx=1/2X530=765(N)在切断工件时：Fy=0.5>765=383(N)(2)滚珠丝杠设计计算1)强度计算对于燕尾型导轨：PKFyf(FZW)(4.4)取K=1.4f=0.2WJP=1.4X383+0.2X76.5+30)=74.92(kgf)=749.2(N)寿命化Li60niTi/106(4.5)601515000=正13.5最大动负载：Qq匚fWfHP(4.6)313.51.2174.922141(N)根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。例如，可选取FdB系列，滚珠丝杠公称直径为小20mm基本导程为4mm负荷总圈数为5圈，型号为FdB20M-5-E2左，

34、其额定动负荷为5393N,故强度满足。2)效率计算：螺旋升角=3o38"摩擦角=10/则传动效率由公式(3-7)得(4.7 )tg/tg()tg3 38 /tg(3 3810)=0.963）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量由公式（3-8）得(4.8 )LiPLo/EF所以 L174.92 10 0.4 4/20.6 106 1.76192 3.145.9710 6 (cm)滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略，即：LL1所以,导程变形总误差为100LL0(4.9)100L=100/0.45.97106=14.9(um/m)L0表4.2丝杠弹性变形允许的螺距误

35、差（1m长）丝杠精度等级允许误差（um/m）丝杠精度等级允许误差（um/m）C5F30D10G60E15H100查表4.2可得E级精度丝杠弹性变形允许的螺距误差（1m长）为15仙m/m故刚度满足。4）稳定性验算：由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强,故稳定性也满足。(3)齿轮及转矩有关计算1)有关齿轮的计算传动比iLo/360p(4.10)0.7543600.005=1.67取zi18Z230m2mmb20mm200d136mmd260mmda140mmda264mma48mm2)转动惯量的计算180 p工作台

36、质量折算到电机轴上的转动惯量(4.11)21800.005130-3.140.751000.044(kg?cm2)丝杠的转动惯量Js7.810424500.62(kg?cm2)齿轮的转动惯量Jz17.81043.6420.26(kg?cm2)Jz27.81046422.02(kg?cm2)电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量(4.12)12(JsJz2)Jz1Jii1.6720.622.020.260.0441.25(kg?cm2)3）所需转动力矩的计算快速空载启动时所需的力矩MamaxMfM0最大切削负载时所需的力矩MaMfMoMt快速进给时所需力矩MfMo式中Mamax空载启动时折算

37、到电机轴上的加速度力矩;Mf折算到电机轴上的摩擦力矩;M0由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩;Mat切削时折算到电机轴上的加速度力矩;Mt折算到电机轴上的切削负载力矩。(4.13)VmaxinmaxL010001.674418(rmin)amaxJnmax1049.6T(4.14)Mat1.251.25418“4109.60.0252.18(kgf?cm)n主fi1000vfiniL°DL°10001000.1553.14604333(rmin)_4100.17(kgf?cm)FoLofWL。2i2i0.23000000.4323.140.850.29(kgf

38、?cm)(4.15)339.60.025(4.16)FyL02M0一°)(4.17)38.30.4363.140.85(10.92)0.012(N?m)FyL。Mty(4.18)2i38.30.4323.140.850.183(N?m)所以，快速空载启动所需转矩MMamaxMfM0(4.19)2.180.290.01224.82(N?m)切削时所需力矩：MMaMfM0Mt(4.20)0.170.290.121.8324(N?cm)快速进给时所需转矩：MMfM0(4.21)0.290.124.1(N?cm)以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时Mmax24.82N?m4.2传动轴的校核

39、4.2.1 轴的强度校核（1）径向支撑力：由圆柱齿轮的圆周力可知Ft446.7NFrFttg200162.59N由材料力学可得11:RV1RV2Fr14.4RV1RV2（302.4）0解得:RV1112.56NRV250.03N（2）水平支撑力12：14.4RH132.4RH20RhiRh2Ft解得：RH1309.26NRH2137.44N故MV112.5614.41620.86(N?mm)MH309.2614.44453.34(N?mm)M=M；M；,1620.8624453.3424739.14(N?mm)Mca.M2T校核轴的强度.4739.1420.61340.524806.91(N?

40、mm)(4.22)(4.23)4806.91ca33一d32(4.24)4806.913233.14179.97(MPa)轴的材料为45钢，故：即强度满足。4.2.2轴的刚度校核轴的扭转变形用扭转角来表示，圆周扭转角的计算公式13:经调质淬火处理，查表ca=60MPacacaca5.371042m(4.25)LGIPi13402.5 10 35.37104314611038.1104421033229103322103323434341710315103121030.6(0.m)经查表得0.51°/m,即，故满足要求要求。4.3步进电机的选择步进电机也叫脉冲电机，是将电脉冲信号转换成

41、相应的角位移或线位移的电磁机械装置，是一种输出与输入数字脉冲对应的增量驱动元件。当给步进电机一个电脉冲信号时，步进电机便转动一个步距角。如按一定规律给步进电机一串连续电脉冲信号，步进电机便一步一步的连续旋转。步进电机可广泛用于数模转换速度控制和位置控制系统中，是开换控制系统的理想执行元件1404.3.1 选用的基本原则步进电机的选择是一个比较复杂的问题，要根据电机的工作情况，经分析后正确选用。(1)步距角a步距角应满足：mn/i(4.26)式中i传动比；mn系统对步进电机所驱动部件的最小转角。(2)转矩为了保证步进电机正常运行，正常启动并能满足对转速的需要，必须考虑：MqML0/0.30.5式

42、中Mq电动机启动力矩；Mlo电动机静负载力矩。根据步进电机的相数和拍数，启动力矩选取如表4.3所示。Mjm为步进电机的最大静转矩，是步进电机技术数据中给出的。表4.3步进电机相数、拍数、启动力矩表运行相数33445566方式拍数3648510612My,Mjm0.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.8662)在要求的运行频率范围内，电动机运行力矩应大于电动机的静载力矩与电动机转动惯量(包括负载的转动惯量)引起的惯性矩之和。(3)精度步进电机的精度可用积累误差或步矩误差衡量。积累误差是指转子从任意位置开始，经过任意步后，转子的实际转角与理论转角之差的最大值，用积累误差衡量精度比较实用。所选用的步进电机应满足15:Qmis(4.27)式中Qm步进电机的积累误差；s一系统对步进电机驱动部分允许的角度误差。(4)启动频率因此相应负载由于步进电机的启动频率随着负载力矩和转动惯量的增大而降低,力矩和转动惯量的极限启动频率应满足:ftfoPm式中ft极限启