钻铣机床工作台传动部分设计毕业论文

1、摘要钻铣机床工作台传动部分设计学生 ： _，机械工程学院指导老师 ：_，机械工程学院 【摘要】本文是关于数控钻铣机床工作台传动部分的设计，就是对其机械传动的设计计算。其中主要是对机床工作台的导轨、丝杠、步进电机和与其相关的连接部件的选择与校核。本设计的目的是了解和掌握钻刻机床工作台的传递方式方面的设计，并且能有所创新。数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。数控机床加工精度高，具有稳定的加工质量杂可节省生产准备时间，所以生产率高。【关键词】 数控加工 工作台 机床Des

2、ign of CNC drilling and milling machine tables transmission part【Abstract】This article is a design of CNC drilling and milling machine tables transmission part .It is the mechanical transmission of its calculation. The main thing is the selection and verification of the guide, lead screw ,stepper mo

3、tor and the connected components on table. The purpose of this design is to understand and grasp the drilling machine table carved design transfer mode, and can be innovative. CNC machine tools is referred to as the digital control machine tool is equipped with an automated machine tool control syst

4、em. The control system can control the logic to deal with coding, or other symbols the procedure laid down instructions and decoding, and then action and processing machine parts. CNC machining with high precision, processing and quality of a stable hybrid can save production time, so it own high pr

5、oductivity.【Keywords】 NC machining table machine tool 第 35 页( 共 39 页)引言1.引言1.1机床简介数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。 数控机床的操作和监控全部在这个数控单元中完成，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).

6、机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，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。 1.2机床组成部件数控机床一般由下列几个部分组成： 1)主机，他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。 2).数控装置，是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 3).驱动装置，他是数控机床执行机构的驱动部件，

7、包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。 4).辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 5).编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。 自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件

8、和软件方面，都有飞速发展。1.3数控机床分类1) 按工艺用途分类金属切削类数控机床,包括数控车床,数控钻床,数控铣床,数控磨床,数控镗床发及加工中心.这些机床都有适用于单件、小批量和多品种和零件加工，具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生产率和自动化程度，以及很高的设备柔性。金属成型类数控机床；这类机床包括数控折弯机，数控组合冲床、数控弯管机、数控回转头压力机等。数控特种加工机床；这类机床包括数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机、数控激光切割机床、专用组合机床等。其他类型的数控设备；非加工设备采用数控技术，如自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。2) 按运动方

9、式分类点位控制；点位控制数控机床的特点是机床的运动部件只能够实现从一个位置到另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行任何加工工序。如数控钻床、数按坐标镗床、数控焊机和数控弯管机等。直线控制；点位直线控制的特点是机床的运动部件不仅要实现一个坐标位置到另一个位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或控制两个坐标轴实现斜线进给运动。轮廓控制；轮廓控制数控机床的特点是机床的运动部件能够实现两个坐标轴同时进行联动控制。它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点坐标位置，而且要求控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要求控制运动轨迹，将零件加工成在平面内的直线、曲线或在空间的曲面。3

10、) 按控制方式分类开环控制；即不带位置反馈装置的控制方式。半闭环控制；指在开环控制伺服电动机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角间接地检测出运动部件的位移反馈给数控装置的比较器，与输入的指令进行比较，用差值控制运动部件。闭环控制；是在机床的最终的运动部件的相应位置直接直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。4) 按数控制机床的性能分类经济型数控机床；中档数控机床；高档数控机床；1.4 钻铣机床的组成结构机身部分：1）铸件，这是构成机床最主要的的部分，直接影响着机床的精

11、度、稳定性、耐磨度，机床的寿命。铸件 做好了之后，不是马上就用到生产当中，好的铸件是那是经过风吹雨打，阳光暴晒，经过自然风化，有的还通过海水对其进行浸泡，待到铸件不变行后再拿到加工当中，这样做出来的机床不容易变型，能长时间保持机床的稳定性，保持精度。2）主轴，主轴是用来直接面对加工工件，他由电机带动工作，进行高速旋转，在主轴上装上刀柄，就可以对加工件进行切屑，满足各种生产需要，主轴的好坏也会直接影响加工精度，内部轴承如果有磨损就容易造成主轴的摇摆加工出来的东西精度自然有偏差几个丝。现主轴的转速一般在8000转左右，高速机可以做到2万转以上，每台机只有一个主轴。3）丝杆，也是机身一部分，它由伺服

12、电机驱动，通过丝杆铜套带动工作台的位移，实现加工需要，丝杆如果有间隙，也一样直接体现在加工精度，及光洁度上面。4）电机，电机有伺服电机和变频电机两种，用伺服电机稳定性好，主轴驱动电机功率大，三轴驱动电机协率小。5）联轴器，在丝杆与电机之间都加装有联轴器，只是一个连动作用。6）润滑冷动系统，由机油自动泵油机，主轴油冷机，和切屑液循环系统组成。机油自动给油，不需人工可以自动泵油，在机床工作时，几分钟泵油 一次，油管接到各个角落，如丝杆，导轨，等处，如果油路不通极易造成导轨磨损，影响精度。主轴油冷是为了给主轴降温而加的一个循环冷动系统，8000转的主轴可要可不要，8000转以上的主轴一定要配。切屑液

13、循环系统由抽油马达将油箱的油抽上来冲到正在加工的工件上。7）钣金，对钣金的要求不是太高，只要不漏油就行，但也牵涉到外观美观，形象的问题。系统部分：1）显示器，现在大都是用液晶彩显的了。2）操作面板3）处理器，4）驱动器系统的构造原理很复杂，但一般很少坏，市面上主要有日本发那克系统，日本三菱系统，德国西门子。等等1.5发展背景和趋势随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是制造业的加工母机和国民经济的重要基础。它为国民经济各个部门提供装备和手段，具有无限放大的经济与社会效应。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数

14、控机床产业化进程，而中国从20世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。“十五”期间，中国数控机床行业实现了超高速发展。其产量2001年为17521台，2002年24803台，2003年36813台，2004年51861台，2004年产量是2000年的3.7倍，平均年增长39；2005年国产数控机床产量59639台，接近6万台大关，是“九五”末期的4.24倍。“十五”期间，中国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快、汽车和机械制造行业发展迅猛、外商投资企业增长速度加快所致。2006年，中国数控金切机床产量达到85756台，同比增长32.8%，增幅高于金切机床产量增幅18.4个

15、百分点，进而使金切机床产值数控化率达到37.8%，同比增加2.3个百分点。此外，数控机床在外贸出口方面亦业绩骄人，全年实现出口额3.34亿美元，同比增长63.14%，高于全部金属加工机床出口额增幅18.58个百分点。2007年，中国数控金切机床产量达123,257台，数控金属成形机床产量达3,011台；国产数控机床拥有量约50万台，进口约20万台。2008年10月，中国数控机床产量达105,780台，比2007年同比增长2.96。长期以来，国产数控机床始终处于低档迅速膨胀，中档进展缓慢，高档依靠进口的局面，特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口，技术受制于人。究其原因，国内本土数控机床企

16、业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时中国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，中国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。国外公司在中国数控系统销量中的80以上是普及型数控系统。如果我们能在普及型数控系统产品快速产业化上取得突破，中国数控系统产业就有

17、望从根本上实现战略反击。同时，还要建立起比较完备的高档数控系统的自主创新体系，提高中国的自主设计、开发和成套生产能力，创建国产自主品牌产品，提高中国高档数控系统总体技术水平。“十一五”期间，中国数控机床产业将步入快速发展期，中国数控机床行业面临千载难逢的大好发展机遇，根据中国数控车床1996-2005年消费数量，通过模型拟合，预计2009年数控车床销售数量将达8.9万台，年均增长率为16.5%。根据中国加工中心1996-2005年消费增长模型，预计2009年加工中心消费数量将达2.8万台，较2005年年均增长率为17.8%。2.钻铣机床加工工作台简介2.1 方案简介系统的总体方案设计包括：1系

18、统的结构设计。2系统的功能设计。3系统实现的方法。由于是数控钻刻机床的工作台传动部分与数控部分的设计，所以我们首先要作的工作就是弄清工作台所包括的部分。其次要弄清工作台的运动方式。最后才是怎么让他们配合起来。其方框图如下图2：工作台步进电机导轨支撑滚珠丝杠 机构轴承数控中心- 图 22.2系统的结构设计：（1）工作台的选型。工作台的类型大体有以下几中A 桥框式钻铣机床工作台简介B 悬臂移动式C 立柱式桥框式和悬臂移动式的工作台基本固定，机床的主轴部分驱动来进给作业，这类驱动在技术上要求较高，而且长时间的作业会让悬臂变形，影响精度作业。本设计选用的是X-Y工作台，即立柱式工作台，其结构牢靠、精度

19、高，可以加工与检测合为一体，但是他有一个缺点就是XY两个方向运动，相对占用空间大一些。（2）工作台支撑部分的设计。 工作台的内部丝杠靠实干螺母副支撑，工作台的大部分外部壳体式铸造的。（3）驱动电路。（4）导轨类型。根据需要选取合适的导轨标准件。2.3系统的功能设计：（1）丝杠的传动。 丝杠螺母副与导轨连接，丝杠走丝时，带动导轨运动进给。（2）工作台的移动导轨的设计。导轨的选择和计算，长度，宽度的选择。2.4系统实现的方法：（1）滚珠丝杠的设计是本设计中一个比较重要的部分，其教核以及计算要仔细。（2）工作台的移动是由步进电机来带动的，因此选择合适的电机很有必要。（3）数控设计是工作台传动的实质化

20、工作。2.5工作台的类型及选择（1）回转工作台（立式车床）电机带动工作台旋转，电机和工作台的连接方式根据机床的种类，参数，和结构不同而不同 ； （2）移动工作台（大多数机床）一般是通过伺服电机为动力，通过联轴器把把动力传递给滚珠丝杠，以滚珠丝杠的旋转运动转化为工作台的直线运动，工作台的前后（左右）是通过电机的正反转来实现的，精度是通过安装光栅尺来保证的，工作台的极限位置一般是先由系统设定一个极限位置坐标（软限位），再就是通过装行程开关和挡铁来实现硬限位。本设计选用移动工作台。2.6数控机床的选用、组成和应用范围数控机床的合理选用 不同类型的数控机床有着不同的用途，在选用数控机床之前应对其类型、

21、规格、性能、特点、用途和应用范围有所了解，才能选择最适合加工零件的数控机床。根据数控加工的特点和国内外大量应用实践，数控机床通常最适合加工具有以下特点的零件。 （1）数控机床的应用范围不同类型的数控机床有着不同的用途，在选用数控机床之前应对其类型、规格、性能、特点、用途和应用范围有所了解，才能选择最适合加工零件的数控机床。根据数控加工的特点和国内外大量应用实践，数控机床通常最适合加工具有以下特点的零件。 1.多品种、小批量生产的零件或新产品试制中的零件。 2.形状复杂，加工精度要求高，通用机床无法加工或很难保证加工质量的零件。 3.在普通机床加工时，需要昂贵的工装设备（I具、夹具和模具）的零件

22、。 4.具有难测量、难控制进给、难控制尺寸型腔的壳体或盒型零件。 5.必须在一次装夹中完成铣、镗、锪、铰或攻丝等多工序的零件。 6.价格昂贵，加工中不允许报废的关键零件。 7.需要最短生产周期的急需零件。 从数控机床的类型方面考虑，数控车床适用于加工具有回转特征的轴类和盘类零件。数控镗铣床、立式加工中心适用于加工箱体类零件、板类零件、具有平面复杂轮廓的零件。卧式加工中心较立式加工中心用途要广一些，适宜复杂箱体、泵体、阀体类零件的加工，如图1所示。多轴联动的数控机床、加工中心可以用来加工复杂的曲型面、叶轮螺旋桨以及模具，如图2所示。 （2）把握好技术经济尺度，选择数控机床 在数控机床上加工零件时

23、，通常有两种情况。一是有被加工零件要选择合适的加工设备，二是有数控机床选择适合的加工零件。无论哪种情况，通常都要根据被加工零件的精度、材质、形状、尺寸、数量和热处理等因素来选择。是选用普通机床加工，还是数控机床加工，或者选用专用机床来加工，究竟如何选择，概括起来要考虑3个方面因素。 （a）.要保证被加工零件的技术要求，加工出合格的产品； (b）.有利于提高生产率； (c）.尽可能降低生产成本（加工费用）。 数控机床加工范围的定性分析如下：当零件不太复杂、生产批量不大时，宜采用普通机床；随着零件复杂程度的提高，数控机床就显得更为适用了。同时，在多品种、小批量（100件以下）生产时，使用数控机床可

24、获得较好的经济效益，零件批量的增大，对所选用的数控机床是不利的。各种数控机床的应用范围：数控车床：包括主轴、溜板、刀架等。数控系统包括显示器、控制面板、强电控制等。数控车床一般具有两轴联动功能，Z轴是与主轴平行方向的运动轴，X轴是在水平面内与主轴垂直方向的运动轴。远离工件方向为轴的正向。另外在最新的车铣加工中心，还增加了一个C轴，可用于工件的分度功能，在刀架中安放铣刀，对工件进行铣加工。刀具超过12把称为加工中心。数控车床主要用来加工轴类零件的内外圆柱面，圆锥面、螺纹表面、成形回转体面等。对于盘类零件可以进行钻孔、扩孔、绞孔、镗孔等。机床还可以完成车端面、切槽、倒角等加工。数控铣床：适于加工三

25、维复杂曲面，在汽车、航空航天、模具等行业被广泛采用。可分为数控立式铣床、数控卧式铣床、数控仿形铣床等。加工中心：一般认为带有自动刀具交换装置（ATC）的数控镗铣床，称为加工中心。可以进行铣、镗、钻、扩、铰、攻丝等多种工序加工。不能包括磨削功能，因为微细的磨粒可能进入机床导轨，从而破坏机床的精度。而磨床上有特殊的保护措施。加工中心可分为立式加工中心、卧式加工中心。立式的主轴是垂直方向的，卧式的主轴是水平方向的。数控钻床：分为立式钻床和卧式钻床。主要完成钻孔、攻丝功能，同时也可以完成简单的铣削功能。刀库可以存放多种刀具。数控磨床：用在高硬度、高精度加工表面。平面磨床、内圆磨床、轮廓磨床等。随着自动

26、砂轮补偿技术、自动砂轮修整技术和磨削固定循环技术的发展，数控磨床的功能越来越强。数控电火花成形机床：（EDM Machine）特种加工方法，利用两个不同极性的电极在绝缘体中产生放电现象，去除材料进而完成加工，适用于形状复杂的模具、难加工材料。数控线切割机床：原理与电火花成形机床一样，就是电极是电机丝，加工液一般是去离子水3钻铣机床加工进给机构的设计3.1横向导轨设计导轨是机床的关键部件之一，其性能好坏，将直接影响机床的加工精度、承载能力和使用寿命。导轨设计应满足：导向精度、耐磨性、低速运动平稳性、刚度、结构简单、工艺性好、便于间隙调整，具有良好的润滑和防护等要求。1.导轨类型的选择 导轨类型很

27、多，分类不一。常用的导轨类型有普通滑动导轨（滑动导轨）、塑料导轨（贴塑导轨）、镶金属导轨、滚动导轨、静压导轨、支压导轨。在一般雕刻加工机床中，选用滚动导轨，这是因为滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。12滚动导轨类型的选择滚动导轨类型很多，有直线运动和回转运动导轨；按滚动体的开关分有滚珠，滚柱和滚针；按滚动体是否循环分为滚动体不循环和滚动体循环导轨。在此次设计中选用滚动体循环的直线滚动导轨副，这是因为直线滚动导轨副中，滚珠沟槽接触，因而许用载荷和刚度与点接触相比有较大提高，又采用直线滚动导轨副可简化设计、制造和装配工作。其定位精度可达到0.1-0.2

28、m，用于精密机械加工。 3直线滚动导轨类型的选择 根据使用要求不同，国内已开发出两种类型的直线滚动导轨副，选用适用于X-Y工作台的GGA型，其特性和结构如下表所示 表1直线导轨副的特性和结构钻铣机床4选择导轨的尺寸、补偿及调整装置因为该工作台为双层，工作范围为200*400mm,根据实用机床设计手册（以后简称手册）可取上层导轨长1000mm,下层导轨800mm，导轨外形刻间零件图2。其补偿调整装置选用塞块调整间隙，其精度和刚度均较高。 5润滑的选择直线滚动导轨副常用钠基润滑脂润滑，为防止异物侵入和润滑剂的泄出，滑座两端装上耐油橡胶密封圈。6.材料的选择选用CrWMn，进行冷处理和低温时效，使其

29、表面达到58HRC，(由于产品技术要求规定，滚到硬度不得低于58HRC2)最大限度地消除导轨在使用中的变形。7.导轨的防护装置 导轨常用的防护装置有：1）刮板式 其宽度、形状与导轨相同，耐热性好但只能排除大的颗粒；2）伸缩式 有软式皮腔式和叠层式。这类结构可以把导轨全部封闭起来，防护可靠，在滚动导轨和滑动导轨中都能使用。其中皮腔式防护多用帆布、皮革做成，结构简单，但是不耐热；而叠层式的盖板由钢板制成，耐热性好，强度高，刚性好，寿命长。本设计选用伸缩叠层防护装置。3.2横向滚珠丝杠的设计1基本传动方式的选择根据丝杠和螺母相对运动组合情况，其基本传动形式有四（1）螺母固定，丝杠转动并移动；（2）丝

30、杠转动，螺母移动；（3）螺母转动，丝杠移动；（4）丝杠固定，螺母转动并移动。如图4所示。选择螺母固定、丝杠转动并移动传动形式。图4 基本传动形式该传动形式国螺母本身起着支承作用，消除了丝杠轴承可能产生的附加轴向窜动，结构较简单，可获得较高的传动精度，且其轴向尺寸不是太长，适用于300400mm的行程。2结构形式的选择（1）螺纹滚道型面（法向）的形状选择我国生产的滚珠丝杠有单圆弧型和双圆弧型，因为双圆弧型的螺纹滚道的接触角在工作过程中基本保持不变。两圆弧相交处有一小空隙，可使滚道底部与滚珠不接触，并能存一定的润滑油以减少摩擦和磨损，应用广泛，因此选用双圆弧型的螺纹滚道。（2）滚珠循环方式的选择滚

31、珠丝杠副中滚珠的循环方式有内循环和外循环二种。选用内循环方式，其优点是滚珠循环的回路短、流畅性好、效率高、螺母的径向尺寸也较小，选用浮动式反向器，这种反向器的优点是：在高频浮动中达到回珠圆弧槽进出口的自动对接，通道流畅、摩擦特性较好，适用于高速、高灵敏度、高刚性的精密进给系统。3滚珠丝杠副主要技术参数的确定（1）基本导程的选择基本导程的大小应根据机电一体化系统的精度要求确定，因此设计精度要求较高，要选取较小的基本导程。由国际标准化组织（ISO/DIS3408-2-1991）知尺寸系列：基本导程：1，2，2.5，3，4，5，6，8，10，12，16，20，25，32，40尽可能选用2.5，5，1

32、0，20及40。因此选用P0=10mm（2）螺母选择由于数控机床对滚珠丝杠副的刚度有较高的要求，故选择螺母时应注重其刚度的保证，按高刚度要求选择预载的螺母形式。其中内循环浮动反向器法兰直筒组合具有较好的磨擦特性，适用于各种高灵敏度、高刚度的精密进给定位系统，材料选用45钢。滚珠的工作圈数i和列数j的确定滚珠的工作圈数、列数和工作滚珠的数量N由试验可知：第一、第二和第三圈或列分别承受轴载荷的50%、30%和20%左右。因此，工作圈或列数一般取2.53.5，滚珠总数N一般不超过150个。因此选用为，滚珠总数取120个。法兰形状的选择 按安装由标准形状选择。选择平顶法兰盘。（3）导程精度选择根据机床

33、定位精度10m，确定滚珠丝杠副导程的精度等级。按下式估算式中：E累计代表导程偏差，m 机床有效行程的定位精度由实用手册查得选择精度等级（4）丝杠长度的计算丝杠螺纹长度按下式计算式中：机床工作台有效行程，mm余程（按表选取），mm螺母长度，mm表2 余程导程（mm）456810121620余程（mm）1620243240455060 = 400 = 40 =18丝杠螺纹长度：l = 498mm。支撑跨距应略大于，取为（5）滚珠丝杠副轴向间隙调整与预紧的选择滚珠丝杠副在负载时，其滚珠与滚道接触点处将产生弹性变形。换向时，其轴向间隙会引起空回，这种空回是非连续的，既影响传动精度，又影响系统的动态性能

34、。单螺母丝杠副的间隙消除相当困难，实际应用中，有多种调整预紧方法，其中，双螺母垫片调整预紧式的结构简单刚度高，预紧可靠。（6）滚珠丝杠副支承方式的选择（a）单推单推式(b)双推双推式（c） 双推-简支式(d) 双推自由式图5滚珠丝杠副的支承方式实践证明，丝杠的轴承组合及轴承座以及其它零件的连接刚性不足，将严重影响滚珠丝杠副的传动精度和刚度，常用轴承的组合方式有以下几种：单推单推式、双推双推式、双推简支式及双推自由式，各如图所示。选用双推 简支式。（6）横向进给系统滚珠丝杠基本导程P0=10mm，脉冲当量取为0.01mm/step，步进电机的步距角选为0.750/step。(7)横向进给运动负载

35、分析步进电机的负载有外力负载、摩擦负载和惯性负载，所选电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动。A切削负载切削力是在切削过程中为克服被切金属的变形抗力和刀具与工件、刀具与切屑之间的摩擦力所需的力。用材料力学的原理，可使用切削力的理论公式，但是在公式推倒的过程中简化了很多的因素，因此与实际情况出入较大。下面使用的是切削力的指数公式，该公式是有实验得到，属于经验公式的一种。FC=CFCapFCfyFCvcnFCKFC以切削材料为结构钢为例查表可得相关参数CFC=367 3KFC=（0.637/0.637）0.75=1其余参数均为背吃刀量（背吃刀量ap指主刀刃与工件切削表面接触长度在主运动方向和进给

36、运动方向所组成平面的法线方向上测量的值）、进给量（f 刀具在进给运动方向上相对于工件的位移量）、切削速度的指数FC=3671000.720.30.811=36727.50.38=3862.1NB摩擦阻力横向导轨是滚动导轨，为导轨的摩擦系数，由表1查得=0.04导轨形式kf燕尾形1.40.2矩形1.10.15三角形组合形1.150.150.18钻镗主轴圆导轨0.015滚动导轨0.030.04表1已知工作台工作范围为200400mm，先预算其重力约为7.852040409.8/1000=2461.8N，工件模型为100200200mm,在其重量约为312N则摩擦阻力为F=（2461.8+312+3

37、862）0.04=265.4N初选滚珠丝杠副型号为CBM4010-5,其参数如下:公称直径: d0=40mm基本导程: P0=10mm钢球直径: Dw=6.35mm丝杠外径: d=39mm螺纹底径: d1=32.3mm循环圈数: 2.52额定动载荷: Ca=29427N额定静载荷: C0a=73409N长度: l=1.0m刚度: Ke=1170N/m根据理论力学公式计算进给系统中各回转零件的转动惯量。该系统转动惯量为由手册查得式中：JM步进电机转子惯量JS滚珠丝杠的转动惯量滚珠丝杠的转动惯量Jm1m长丝杠转动惯量，kg.cm.s2W工件和工作台的重量,kgg重力加速度其中设电机转子的转动惯量为

38、由手册查得预选电机型号为130BF001工作台的折算转动惯量由手册查得可知：该系统转动惯量为速度V采用最不利于机床启动时的速度，这里选用V=2000mm/min，则（8）丝杠摩擦阻力矩的计算由于丝杠受轴向载荷，又由于采取了一定的预紧措施，故滚珠丝杠副产生摩擦力，但由于其效率高其摩擦阻力矩相对于其它负载力矩小的多，因此忽略不计。（9）等效负载转矩（10）启动惯性阻力矩（T惯）的计算以最不利于快进速度计算时，设启动加速时间为t=0.3s，由于电机转速取加速曲线为等加速梯形曲线，故角加速度为则步进电机输出轴上总负载转矩的计算如下：33步进电机的匹配选择上述计算未考虑机械系统的传动效率，当选择机械总效

39、率为0.7时，则选择安全系数为1.5，则步进电机可按以下总负载转矩选取为保证带负载能正常加速启动，应使查负载系数为0.87选用130BF001反应式步进电机合适。130BF001反应式步进电机技术性能参数如下3：相数 3 步距角 0.750电压 80V 相电流 10A最大静转矩 9.5N.m空载启动频率 3000步/s外形尺寸 130*165质量 10Kg3.4滚珠丝杠的校核（1）承载能力的校核计算作用于丝杠轴向最大动载荷Q，然后根据Q值校核公称直径由公式Coa （1）滚珠丝杠副寿命系数L，单位为转，式中T为使用寿命时间（h），数控机床为15000h转载荷系数，平稳或轻度冲击时为1.01.2，

40、取硬度系数，因为滚道的硬度一般，所以取为丝杠的轴向所受的最大载荷，而此载荷即为丝杠在轴向所受的摩擦阻力，此摩擦阻力是由工作台和工件的重量引起的， Pmax=F=265.4N为丝杠的当量转速,对于移动部件重量较切削力为大的大型机床和高精度精密机床的进给系统，传动件的计算转速是取在最大快速运动时的速度，即将所有数据代入公式（1）得 查手册表,型号CBM4010-5,额定载荷，大于算出的Q值（2.7KN），所以这种丝杠是可用的。（2）压杆稳定性验算根据公式PK=fK2EI/KlPmax1其中fK=2（双推简支）取K=4，L=Ls=60cm(3)刚度检验式中：L0=1.0mS=3.143.22=32.

41、2cm2I=10.3cm4将所有数据代入公式得：（4）预拉伸计算a. 温升引起的伸长量。设温升为，则螺纹部分伸长量为： 式中：为热膨胀系数，取=可得：丝杠全长的伸长量为：为此，丝杠的目标行程可定为比公称行程小，丝杠在安装时，进行预拉伸，拉伸量为b. 预拉伸力。根据材料力学欧拉公式得35轴承的选择横向滚珠丝杠主要受轴向力，使用滚动轴承。为承受其轴向负载，设计使用推力轴承。考虑到机床在加工过程中温度变化，为避免造成不必要的应力，使用一端固定一端游动的支承方案。欲选滚动轴承61808和双向推力球轴承52210。因为滚动轴承不承受径向压力，所以61808深沟球轴承不必验算，它可以满足使用要求。滚动轴承

42、0204的基本参数如下4：内径 40mm外径 52mm宽度 7mm额定负荷 C=4.65KN C0=3.25KN极限转速 （脂）9500r/min （油）13000r/min 双向推力轴承5204的基本参数如下：内径40mm外径 78mm厚度 39mm（1）预负荷轴承的预负荷不应小于轴承最大载荷的1/3。丝杠两端固定，故轴承的最大载荷等于预拉伸力加最大外载荷的一半。故符合要求（2）疲劳寿命计算轴承要求的动载荷可按下式（3）计算：考虑到数控机床本身的特点，上式中使用系数、转速变化系数、齿轮轮换工作系数均取1。速度系数，其中为寿命指数，对球轴承取=3，故有若额定寿命取，又寿命系数，故进给力的方向是

43、可变的，轴承载荷可能是，也可能是，两者几乎相等，故取其平均值将所有数据代入式中得可以看出，轴承额定动负荷4650N足够，选用此轴承合适。36联轴器的设计联轴器的类型很多、且已标准化。机床常用的联轴器类型有刚性联轴器、挠性联轴器和安全联轴器。由于刚性联轴器制造容易、径向尺寸小、装拆时需移动轴，用于要求两轴对中性好、工作平衡无冲击、经常正反转的场合，适用于本设计，选用此联轴器，并由手册查得其材料为45钢5，其大小尺寸如图8所示。 37定位销设计定位销主要是用来固定零件之间的相对位置，一般不受载荷或只受很小的载荷，故不作强度计算。销装入每一个被联接件的长度约为销的1-2倍6。在本设计中使用圆锥销固定

44、联轴器和轴。圆锥销的大头直径dmax=8mm,小头直径dmin=7.9mm,锥度1：50，材料Q235钢。38纵向进给系统的设计由图1可知纵向进给系统位于横向进给系统之上，因此受力肯定小于横向进给系统所受的力，因此可以将横向进给系统的设计应用于纵向。虽然纵横向的有效行程不同，纵向的为400，其丝杠螺纹长度由前面公式可计算为498mm，但总跨长仍可取1000mm。因此它的校核完全同于横向进给系统的校核，参见3.13.7。4机床伺服驱动系统的选择4.1步进电机的简介（1）结构和转距图9所示为一种反应式步进电动机的结构示意图。机床伺服驱动系统的选择图9步进电动机的结构示意图图中电动机定子上有6个磁极

45、：U1、U2、V1、V2、W1、W2，每个磁极上有5个均匀分布的矩形小齿。相信两个磁极之间相隔。相对的两个磁极组成一相，磁极上绕有一相线圈。此图所示的为三相步进电动机（U1-U2相，V1-V2相，W1-W2相）。当某一相绕组有电流通过时，该绕组所在的两个磁极形成N极和S极。转子上没有绕组，有40逐步形成矩形小齿均匀分布在圆周上，相邻两个小齿之间的夹角为9o与定子上小齿的齿距相等。当某相绕组通电时，所在的磁极产生磁场，与转子形成磁路。若此时该定子磁极的小齿与转子的小齿没有对齐，相互之间就会产生圆周方向的力矩，使转子齿转过一个角度，直到与定子齿对齐为止。可见在步进电动机中，定转子错齿是使转子得到步

46、进转矩的基本因素。（2）转子转动方向按照次序给绕组轮流通电，转子就顺时针方向转动。按照次序给绕组轮流通电，转子就逆时针方向转动。所以，步进电机的转动方向取决于定子绕组通电的顺序。（3）工作方式三相步进电动机有三种工作方式：1）单三拍，通电方式为2）双三拍，通电方式3）六拍，通电方式为42伺服驱动系统的选择伺服驱动系统在数控机床的作用：接受控制机发出的进给脉冲信号，并把它变换成模拟角，径功率放大后去驱动工作台，使工作台进行精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合精度并要求的零件。因此，伺服机构的性能变是决定数控机床的加工表面质量，生产率和机床的可靠性的关键之一。目前在数控机床改造中

47、常用的驱动器件是步进电机、电脉冲马达、直流伺服电机，交流伺服电机。这些驱动器件，配以适当的功放装置组成伺服驱动系统。对本设计电火花线切割机床的设计来说，机床的纵横向均采用步进电机驱动。步进电机将计算机输出的每一个脉冲信号变成一定量的机械角位移，实际上它就是利用电磁铁的作用原理。定子的三相绕组依次通电，转子被吸引着一步步前进，转子便旋转起来。步进电机的特点如下：1步进电机的功率小，输出力矩小，使用于中小机电一体化系统。2无论从电机还是驱动电源，体积都比较小，伺服系统可以不需反馈元件，因而驱动装置整体体积小。3 进电机的控制性能好，可以精确地控制转子的转角和转速，有良好的缓冲定位能力。步进电机本身

48、是一种脉冲或数字控制的装置，极易与计算机和微处理器联接，构成智能化系统。4 控制系统比较简单，特别是在微机控制的情况下，硬件电路更加简单。步进电机既是驱动元件又是脉冲角位移变换元件。不需反馈元件，因而控制方法比较简单。5 脉冲当量很小，或细分数较大时，很难获得很高的速度。由于步进电机的调速性、灵活性和准确性好，体积又小，也不需要反馈传感器，因而是一种较好的驱动系统，使用于运动轨迹较复杂的、动作要求高的中小型设备。体积小、自定位、价格低是步进电机驱动的三大优势。由于它性能好，价格便宜，所以步进电机广泛用于经济型数控的开环系统中。电液脉冲马达是利用小功率的步进电机带动一个随动滑阀，通过随动滑阀来控

49、制油马达工作。油马达容易获得较大的输出扭矩，故可用于大功率数控机床，但该系统必须有液压站，占地面积大，且易产生漏油。直流伺服电机在闭环控制系统中具有较好的转矩连速特性。国内的直流或交流伺服系统，价格较高，技术难度大，正努力改进。因此选用步进电机作为本机床的驱动系统。43步进电动机控制系统的选择 采用计算机控制系统，用软件实现对步进电动机的驱动控制，使控制系统在为简化。这不仅简化了线路，降低了成本，而且控制方便，提高可靠性。图10所示为微机控制步进电动机的系统结构图。微型计算机接口驱动器步进电动机负载图10微机控制步进电动机的系统结构图因此本设计采用计算机控制系统。在步进电动机的微机控制系统中，

50、脉冲的产生以及步数、方向和速度的控制都由微机来实现；通过接口进行信号传递，并作必要的隔离；驱动器的作用是将脉冲信号进行放大。 44步进电动机与MCS-51系列单片机的接口电路图11所示为三相步进电动机与MCS-51的接口电路。此接口电路包括光电耦合和功率驱动两部分。用8031单片机P1.0、P1.1、P1.2分别控制U相、V相、W相，定时器产生1ms的延时，时间到P1.0输出为1，U相绕组通电，间隔1ms，.P1.1输出为1，V相绕组通电，再隔1ms，W相通电，周而复始。硬件工作以U相为例，当P1.0为1时，光电耦合器的光敏三极管截止，使达林顿驱动管导通，U绕组通电，电机步进一步。图11三相步

51、进电动机与MCS-51的接口电路45步进电机控制系统在步进电动机启动和停止的过程中，往往需要改变速度。为了步进电动机的转子运动能跟上步进脉冲的频率，即不失步，对于脉冲频率是有限制的。因此，为了使步进电动机尽量加快工作过程而又不致辞发生失步现象，应以较低的工作频率开始启动，在启动过程中逐渐加速，然后稳定在较高的工作频率。一般情况下，升速的过程约在（0.11）s之间。反之，步进电动机从高速运行到停止也应进行减速。减速过程的加速度绝对值常比加速过程的大。现有以下三种变速控制的方法：1步进电动机的工作方式 利用改变步进电动机的工作方式可以实现变速控制。2均匀地改变步进脉冲的间隔 步进电动机的加速或减速控制，可以通过均匀地减少或增加脉冲间隔来实现。具体来说就是均匀改变延时子程序中的时间常数。这种方法的变速范围比较宽。3定时器的变速控制 步进脉冲的时间间隔也可以由单片机内部的定时器来提供。定时器初始化的时间常数为步进电动机启动时所需值。每隔一定时间定时器向CPU申请中断。CPU响应中断后，送出一次控制脉冲，同时修改时间常数，减小定时。采用这种方法也能方便地实现步进电动机的