幸贵武课程设计

1、课程设计设计题目：ZX5型数控钻铣床工作台设计 课程名称： 数控技术课程设计 学 院： 机械学院 专 业：机械设计制造及其自动化姓 名： 幸贵武 学 号： 1008030218 年 级： 2010 任课教师： 胡月明 杨文杰 2013年12月28日贵州大学本科课程设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 日 期： 贵州大学本科课程设计任务书学生信息学号1008030218学院机械学院班级姓名幸贵武专业机械设计制造及其自动化机自

2、103教师信息姓名胡月明职称副教授学历硕士教师信息姓名杨文杰职称副教授学历硕士任务书发出时间2013年12月9日设计题目ZX5型数控钻铣床工作台设计论文（设计）起止时间2013年12月16日2014年1月3日共需周数3主要内容: 设计一套数控钻铣床XY工作台 结合设计任务的要求拟定总体机械和电气控制设计方案。 根据拟定的机械设计方案进行XY坐标数控工作台的机械结构设计计算和元件的选用。 根据拟定的电气设计方案进行数控系统方案框图设计及步进电机驱动电路的设计计算及相关元器件选用。 完成工作台机械结构的工程图和相关电气原理图的绘制。 编写设计说明书。主要要求: 方案拟定正确，设计计算根据来源可靠，

3、计算数据准确无误。 元气件选用正确规范符合国家颁布标准。 机械装配图纸及相关电气图纸的绘制要求视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。 机械和电气部份图纸折合总量不低于 1 张“0”号图量，其中必须含工作台机械装配图1张、电气控制原理框图、相关步进驱动控制电路等电气原理图12张。 课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案确定、系统框图分析、电气元件选用说明、机械传动和驱动电路的设计、选用以及机械和电气的其它部分。说明书要突出重点，图文并茂、文字通畅、计算正确、字迹清晰、内容完整。说明书页数不少于 20 页。预期目标:设计出符合任务书要求的的数控钻铣床XY联动工作台、

4、电气控制原理框图、步进电机驱动电路，撰写不低于20页左右设计论文，并附录相关资料及设计图纸。计划进程:序号计划时间进程112.912.16课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案212.1612.17总体方案论证及确定312.1712.23机械部分方案论证确定及计算412.2312.30电气部分方案论证确定及设计512.301.1撰写论文及绘制相关图纸61.3答辩主要参考文献:1李斌. 数控技术M.华中科技大学出版社，2013.12尹志强.机电一体化系统设计课程设计指导书，2007.73成大先. 机械设计手册(单行本· 机械传动)M. 北京：化学工业出版社，2004.14沈爱琴

5、. 数控技术课程设计指导书Z. 贵阳：贵州工业大学机电教研室，1998.95张毅刚. 单片机原理及应用M. 北京：高等教育出版社，2004.16机电一体化技术手册编委会. 机电一体化技术手册M. 北京：机械工业出版社，1999.97陆昆，奚大顺，李之权等. 电子设计技术M. 北京：电子科技大学出版社，1998.10ZX5型数控钻铣床工作台设计数据说明参数指标单位量纲钻铣床型号ZX1ZX2ZX3ZX4ZX5ZX6ZX7ZX8加速时间TS0.10.10.20.20.30.30.40.4Y向以上质量（含台面、工件及夹具等）Kg5055606570758090X向坐标行程 mm100150200200

6、240250250300Y向坐标行程 80100120150160200240250工作台面(X×Y)mm2120×100180×150220×150220×180280×200280×220280×260320×280工作台最快快速进给速度（快进）mm/min1000150020002500工作台最大切削进给速度（工进）400500500600脉冲当量mm/pulse0.01定位精度mm0.05重复定位精度mm0.03步进电机步距角°自定导轨类型自定滚珠丝杠螺距自定控制系统类型自定设备使用寿命

7、10年；年均工作280天；每天8小时加工参数立铣刀最大直径D=15mm立铣刀齿数Z=3大铣削宽度铣削深度每齿进给量0.1mm铣刀转速500r/min加工材料碳素钢或有色金属ZX5型数控钻铣床工作台设计摘 要数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。数控机床是现代加工车间最重要的装备。它的发展是信息技术与制造技术结合发展的结果。现代的CAD/CAM、FMS、

8、CIMS、敏捷制造和智能制造技术，都是建立在数控技术之上的。掌握现代数控技术知识是现代机电类专业学生必不可少的。本次设计内容介绍了数控铣床的特点、电机选型、减速箱的设计、驱动电路设计、控制系统设计、机械传动部件计算及选型、滚珠丝杠选型、轴承选型、机械传动系统刚度计算、以及程序实例等。关键词：数控技术，步进电动机，电气控制，减速箱，机械传动贵州大学本科课程设计论文 第 34 页目 录摘 要 I第一章 前 言11.1 数控铣床X-Y工作台概述11.2 国内外的研究现状分析11.3 工作台的应用21.4 发展趋势21.5 数控钻铣床系统XY工作台设计的目的 2第二章 数控机床的总体设计 32.1 导

9、轨副的选用42.2 伺服电机的选用42.3 丝杠螺母副的选用5 2.4 减速装置的选用5 2.5 控制系统的设计5第三章 机械传动部件的计算与选型 63.1 工作台外形尺寸及重量初步估算63.2 计算切削力83.3 直线滚动导轨副的计算与类型93.3.1 工作载荷的计算93.3.2 小时额定工作寿命的计算93.3.3 距离额定寿命计算93.3.4 额定动载荷计算103.3.5 产品选型103.3.6 距离额定寿命L的计算113.4 滚珠丝杠副设计计算及其型号选择113.4.1 最大工作载荷的计算113.4.2 最大动工作载荷的计算123.4.3 初选型号123.4.4 传动效率的计算123.4

10、.5 刚度的验算 133.4.6 压杆稳定性校核133.4.7 临界转速的验算143.4.8 滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定143.5 确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号15第四章 计算机械传动系统的刚度 164.1 计算滚珠丝杠的拉压刚度 164.2 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度 174.3 计算滚珠与滚道的接触刚度 174.4 计算进给传动系统的综合拉压刚度K184.5 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算 18第五章 步进电动机减速箱的选用 19第六章 步进电机的传动计算及电动机的选用 206.1 加在步进电动机转轴上的总转动惯量206.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 2

11、1 6.3 步进电动机最大静转矩的选定 23 6.4 步进电动机的性能校核 246.5 其余附件的选择 246.5.1 联轴器的选择246.5.2 步进电动机驱动电源的选用25第七章 驱动电路及控制系统的设计 257.1 步进电动机的控制与驱动267.2 驱动电路流程设计267.3 驱动电路的时间常数277.4 电源电路的确定277.5 元器件的确定287.5.1 确定三极管287.5.2 确定R2和R3287.6 驱动电源的选用及驱动电源与控制器的接线方式287.7 进给控制系统原理框图307.8 钻铣床的加工程序举例 30第八章 结 论31第九章 参考文献 32致 谢32第一章 前 言1.

12、1 数控铣床X-Y工作台概述X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图1.1。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。

13、1.2 国内外的研究现状分析国家的繁荣是以其先进机器作为辅助，机床包括床身、立柱、工作台、进给机构等机械部件。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的XY工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，工作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液压驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。1.3 工作台的应用目前工作台的种类繁多，传统的

14、工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。1.4 发展趋势随着国际上各种技术的突飞猛进的发展，工作台的功能也向多功能复合化发展，工作台也会不断采用数控技术、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着运行高速化、加工高精化、功能复合化、控制智能化等方向发展。1.5 数控钻铣床系统XY工作台设计的目的1.使工作台实现数控控制：让数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工；提升机床的加

15、工精度、柔性、生产率和操控，实现计算机控制，排除人为误差，使零件的加工一致性好，质量稳定可靠；提升机床自动化程度，降低操作人员劳动强度。2.能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论的有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过毕业设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。第二章 数控机床的总体设计机床设计的第一步，是总体设计。总体设计

16、是机床和零件的设计依据，对整个机床的设计影响较大。因此必须全面地、周密的考虑，使总体设计在技术上合理先进，同时尽量降低他的成本，提高机床的效率。机床的总体设计主要包括下列的主要内容：1.拟订机床的总体方案。2.确定机床主要参数，如计算和选择尺寸参数，运动参数，动力参数等。把机床的设计步骤归纳一下可以分成下面的步骤如图所示。（1）主要的技术指标设计主要技术指标设计是后续设计的前提和依据设计认为的来源不同。（2）总体方案设计总体方案的设计主要包括运动功能设计、基本参数的设计、传动系统设计、总体布局设计、控制系统设计。（3）总体方案的综合评价与选择在总体方案的设计阶段，对其各种方案进行综合评价，从中

17、选择较好的方案（4）总体方案的设计修改或优化对所选的方案进行进一步的修改或优化，确定最终方案上面的设计内容，在设计过程中要交叉进行。（5）详细设计包括确定结构原理方案、装配图的设计、分析计算或优化（6）机床综合评价对所设计的机床进行整机性能分析和综合评价。上面步骤可以反复进行，一直达打设计结果满意为止。在设计过程中，设计与评价反复进行，可以提高依次设计成功率。同时设计的过程中尽量要考虑机床的操作部位的布局，要求达到人机达到和谐。设计任务机床主要技术指标设计机床总体方案设计总体方案设计总体方案综合评价与选择总体方案的设计修改（优化）图续：详细设计机床整机的综合评价满足设计要求结束机床的总体方案的

18、依据包括：机械传动部件的选择、导轨副的选用等。 2.1 导轨副的选用要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。2.2 伺服电机的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，空载最快移动速度也只有2000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。2.3 丝杠螺母副的选用 步进电动机

19、的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度±0.05mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是±0.017mm和±0.025mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快的移动速度V

20、xmax = Vymax =2000mm/min，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即“一端固定，一端游动”的轴承配置形式。2.4 减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机拟采用相同的型号和规格。2.5 控制系统的设计根据技术指标中最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，选用MCS-5

21、1系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、I/O接口电路等。 步进电机控制XY轴系统总体框图第三章 机械传动部件的计算与选型3.1 工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量和。选择碳钢，密度为7.81-7.85g/cm3 ，故选约7.83 g/cm3。XY工作台如图所示:图3.1X向拖板(上拖板)尺寸为: 长×宽×高=320×280×40重量:按重量=体积*材料比重估算为: =

22、320×280×40×7.83×10-3×10-3×9.8=275NY向拖板(下拖板)尺寸为: 长×宽×高=320×320×40重量=320×320×40×7.83×10-3×10-3×9.8=314N上导轨(含电机)、台面、 夹具及工件等估算重量为：70×9.8=686NX-Y工作台运动部分总重量为:W=275N+314N+686N=1275N按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速

23、箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1275N。3.2 计算切削力根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数：立铣刀 最大直径的D=d=15mm立铣刀齿数Z=3大铣削宽度=15mm铣削深度=8mm设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢。由数控加工工艺与编程中P13页的表中，可知d=15mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：每齿进给量fz=0.1mm铣刀转速n=500r/min由金属切削原理与刀具中P200,查得立铣时切削力计算公式为：代如上式得： FC =118×150.85×0.10.75 ×15-0.73&#

24、215;81.0×5000.1×3=1407N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由金属切削原理与刀具中查得，各铣削力之间的比值范围如下：=(1.01.2) 取1.1/=(0.20.3) 取0.25/=（0.350.4） 取0.38考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险的工况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： Ff=1.1FC=1548N（与丝杠轴线平行） Ffn=0.25FC=352N（与工作台面垂直） Fe=0.38FC=535N（与丝杠轴线垂直）考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平

25、方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为。FX=Ff=1548N Fy= Ffn=352NFZ=Fe=535N3.3 直线滚动导轨副的计算与类型3.3.1 工作载荷的计算工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=1275N,外加载荷外加载荷F=Fe=535N。得最大工作载荷Fmax=853.75N=854N=0.854KN查机械设计师手册查表341表根据工作载荷=0.854kN，初选直线滚动导轨副的型号为

26、KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷，额定静载荷。3.3.2 小时额定工作寿命的计算预期工作台的工作寿命为10年，一年365天，取工作时间为280天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿Lh=22400h3.3.3 距离额定寿命计算由公式，从而得到式中：为小时额定工作寿命。 n为移动件每分钟往复次数（46）取5S为移动件行程长度，由加工范围为280mm×200mm取300mm代入数据，得：L=4032km .3.3.4 额定动载荷计算由公式从而得到：式中：为额定动载荷L为距离工作寿命，由上式可知为4032kmF为滑块的工作载荷，由上式可知为854N代入数据得： =7379N=

27、0.7379N<<7.94KN3.3.5 产品选型根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型其结构形式如下：图3.2 直线滚动导轨副1、导轨 2、滑块 3、返向器 4、密封端盖 5、注油杯图其主要参数如下：表3.1 JSA-LG15型直线滚动导轨副参数额定载荷静态力矩/N.m滑座重量Kg导轨重量Kg/m导轨长度L/mm动载荷KN静载荷KN7949.55555880.603.10640滑座个数M单行程长度S（m）每分钟往返次数n474任务书规定工作台的有效行程为LX=240mm,LY=160mm ,工作台面尺寸280

28、5;200mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表按标准系列，选取导轨的长度为640mm。3.3.6 距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过C，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数=1.0，温度系数=1.00，接触系数=0.81，精度系数=0.9，载荷系数=1.5，代入式，得距离寿命： =4762km 工作寿命的计算 Lh =26456h>22400h 故导轨工作寿命足够。3.4 滚珠丝杠副设计计算及其型号选择3.4.1 最大工作载荷的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝

29、杠轴线平行）=154N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=352N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）=Fy=535N。已知移动部件总重量W=1275N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=Feq=KFx+(Fv+Fy+W)=1.1×1548+0.005×( 535+352+1275)= 1714N 3.4.2 最大动工作载荷的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=500mm/min，初选丝杠导程P=6mm,则此时丝杠转速=v/P=83r/min。预计滚珠丝杠的工作10年, 一

30、年365天，取工作时间为280天，每天工作8小时，由此得使用寿命为：T=10×280×8=22400h，根据数控机床系统设计中P110，公式54得：其中： T使用寿命 22400 h, 滚珠丝杠的当量转速 83r/min。求得： =112（）查数控机床系统设计中P110，表5-1、5-2得，受中等冲击载荷取值范围，现取，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值，由数控机床系统设计中P109，式(5-3) 代入数据得：CC=10741N3.4.3 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3206-4型滚珠丝杠副，为内循环固定

31、反向器单螺母式，其公称直径=32mm，导程=6mm，循环滚珠为4圈×1系列，精度等级取5级，额定动载荷=18292N，大CC，满足要求。3.4.4 传动效率的计算 将公称直径d0=32mm，导程=6mm，代入，得丝杠螺旋升角=。将摩擦角=10，代入,得传动效率=95.5%3.4.5 刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定，一端游动的轴承配置”的方式。钢的弹性模量E=2.1105Mpa;查表得滚珠直径dw=DW=3.969mm，丝杠底径=27.2mm,丝杠截面积。丝杠的拉伸或压缩变形量在总变形量中占的比重较大，按忽略式中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉

32、/压变形量=0.008mmA.滚珠丝杠滚道间的接触变形量2 根据公式=26-3=23，求得单圈滚珠数Z=23；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为41，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=92。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=571N。则由式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2=0.0017933=0.002因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.001mm。B.将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度600mm）=0.008+0.001=0.009mm=9本例中，丝杠的有效行程为300mm，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315-400mm时，行程偏差

33、允许达到25，可见丝杠刚度足够。3.4.6 压杆稳定性校核根据公式计算失稳时的临界载荷。取支承系数=1；由丝杠底径=27.2mm求得截面惯性矩26855；钢的弹性模量E=2.1105Mpa；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值600mm。代入式，得临界载荷=51485N，远大于工作载荷=1714N，故丝杠不会失稳。表3.2 G系列滚珠丝杠副尺寸参数规格代号公称直径导程滚珠直径丝杠底径丝杠外径循环列数额定载荷/NG3206-43263.96927.231.241829247148螺母安装尺寸油杯LBhM50826760137712M6综上所述，初选的滚

34、珠丝杠副满足使用要求。3.4.7 临界转速的验算对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速，由数控技术课程设计中P111式5-10得：其中: 32-1.2×3.969=27.24mm 为临界转速计算长度LC=27.2mm 为丝杠支承方式系数=3.927（一端固定，一端游动）代入数据得：nc =5627r/min临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。3.4.8 滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列3206-4型滚珠丝杠副，完全符合满足所需要求，故确定选用该型号，由表一可知丝杠所需的安装连接尺寸3.5 确定滚

35、珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号按公式计算滚珠丝杠的预拉伸力。已知滚珠丝杠螺纹底径=27.2mm，滚珠丝杠温升变化值t=2。则X：=1.81×t×=1.81×2×27.22=2678N 同Y：=1.81×t×=2678N(1)按数控技术课程设计公式2-33计算轴承所受的最大轴向载荷FmaxX横向: =+1/2FX=3452N Y横向：=+1/2Fy=2854N(2)计算轴承的预紧力X横向: =1151NY横向： =951N(3)计算轴承的当量轴向载荷 X横向:=+=2699N Y横向: =1303N(4)按数控技术课程设计公式2-15

36、计算轴承的基本额定动载荷已知轴承的工作转速n=2000/6=333r/min，轴承所承受的当量轴向载荷=2699N。轴承的基本额定寿命L=20000h。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为：X横向： =×cos60°=2699×0.5N=1349.5N Y横向： =651.5NX横向： =×sin60°=2699×0.87N=2348.13N Y横向： =1133.61N=1.742.17 查数控技术课程设计表2-25得，径向系数x=1.9，轴向系数y=0.54故：X横向： P=X+Y=3832.04N Y横向： P=X+Y=1850NX横

37、向： C=·=28225.30NY横向： C=·=13626.37N(5)确定轴承的规格型号。因为滚珠丝杠螺母副拟采用预拉伸措施，所以选用60°角接触球轴承组背对背安装，以组成“一端固定，一端游动”的轴承配置支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径=27.2mm，所以选用轴承内径d为27mm以满足滚珠丝杠结构的需要。在滚珠丝杠的两端均选择国产60°角接触轴承，轴承的型号为：760306TNI/P4DFB，尺寸（内径×外径×宽度）为27 mm×72 mm×19mm，选用脂润滑，该轴承的预载荷能力=2900 N ,大于计算所得

38、的轴承预紧力=1151N。并在脂润滑状态下的极限转速为1900 r/min ,高于滚珠丝杠的最高转速n=333r/min，故满足要求。该轴承的额定动载荷为=34500 N,而该轴承在20000h工作寿命下的额定载荷 C=28225.30N，也满足要求。第四章 计算机械传动系统的刚度4.1 计算滚珠丝杠的拉压刚度本工作台的丝杠支承方式为“一端固定，一端游动”的轴承配置，由图知，当滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支承的中心位置（a=L/2，L=600mm）时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度，可按数控技术课程设计公式（2-45）计算。=6.6×=813.8N/m当a=L=450mm或a=

39、LJ =150mm时（即滚珠丝杠的螺母中心位于行程的两端位置时）滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度，可按公式计算。=6.6×=1507N/m4.2 计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度已知轴承接触角=60°，滚珠体直径=7.144mm；滚珠体个数Z=17，轴承的最大轴向（X横向）工作载荷=3452N，查数控技术课程设计表得：=4×2.34×=1428.16N/mY横向： =2854N=4×2.34×=1304.41N/m4.3 计算滚珠与滚道的接触刚度查数控技术课程设计A-3得滚珠与滚道的接触刚度K=1585N/m，额定动载荷=46500N，

40、滚珠丝杠上承受的最大轴向（X横向）载荷=1548N，故由数控技术课程设计公式（2-46b）得:=K() =1585=1098.50N/mY横向： =352N=K()=670.49 N/m4.4 计算进给传动系统的综合拉压刚度K由数控技术课程设计公式得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为：=+= =0.0029=344.83N/m由数控技术课程设计公式得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为：=+ =0.0028=357.14N/m同理Y横向： =+=0.0025=400N/m=+=0.003=333N/m4.5 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算由计算知，扭矩作用点之间的距离L=600mm，已知剪切模

41、量G=8.1×MPa滚珠丝杠的底径=27.2×m，由公式得：=7250.85Nm/rad第五章 步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。已知工作台的脉冲当量=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=6mm， 初选步进电动机的步距角=0.75°。根据式，算得减速比：=（0.756）/（3600.01）=1.25 本设计选用

42、常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。因传递的扭矩较小，取大小齿轮模数均为1mm，齿数比为80：64，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为a=（80+64）1/2mm=72mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。如图所示，薄片齿轮2与轴整体锻造而成，保证了机构的强度，薄片齿轮1套装在轴上，两片薄齿轮之间可作相对回转运动。图5.1 双片薄齿轮错齿调整机构1、2-薄齿轮 3-弹簧 4、8-凸耳 5-调节螺钉 6、7-螺母小齿轮齿数：=64 大齿轮齿数：=80分度圆直径：d1=mz1=1×64=64mm d2=mz2=1×80

43、=80mm齿顶圆直径：da1=d1+2ha=64+2=68mm da2=d2=2ha=80+2=82mm齿根圆直径：df1=d1-2hf=64-2.5=61.5mm df2=d2-2hf=80-2.5=77.5mm第六章 步进电机的传动计算及电动机的选用6.1 加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径滚珠丝杆总长L=600mm基本导程Ph=6mm材料密度=7.83g/cm3移动部件总重力G=W=1275N小齿轮宽度b1=20mm小齿轮直径d1=64mm大齿轮宽度b2=10mm大齿轮直径d2=80mm传动比i=80/64=1.25得滚珠丝杆的转动惯量JS=LR4/2=4.834k

44、g.cm2托板折算到丝杠上的转动惯量JW=JT=(Ph/2).2G/g=1.188 kg.cm2小齿轮的转动惯量JZ1=b1R4/2=0.161 kg.cm2大齿轮的转动惯量JZ2=b2R4/2=0.0806 kg.cm2初选步进电动机型号为110BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为，从机械设计师手册表(4-5)查得该型号电动机转子的转动惯量。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=19.067 kg.cm26.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。(1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由

45、式机械设计师手册（4-8）可知，包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动是折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式机械设计师手册（4-12）可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有：根据式机械设计师手册（4-9），考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩： 式中： 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； 步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s. 其中： 式中： 空载最快移动速度，任务书指定为2000mm/

46、min； 步进电动机步距角，预选电动机为； 脉冲当量，本设计=0.01 mm/pulse。将上式各值代入式机械设计师手册（6-15）,算得nm=417r/min设步进电动机由静止到加速至转速所需时间ta=0.3s，传动链总效率。则由式机械设计师手册（6-14）求的：Tamax=0.396=0.40N.M由式机械设计师手册（4-10）可知，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：式中： 导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005； 垂直方向的切削力，空载时取0； 传动链总效率。取0.7.则由式机械设计师手册（6-16），得：=0.01N.m最后由式（6-16）,求得快速空载起动时电动机转轴所承受

47、的负载转矩：=+ =0.40+0.01=0.41N.m(2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由式（4-13）机械设计师手册可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动是折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。相对于和很小，可以忽略不计。则有：其中，由式机械设计师手册（4-14）计算。已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷FX=Ff=1548N，则有：Tt=FfPh/2i=1.69 N.m再由式机械设计师手册（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载（FZ=535N）情况下，移动部件运动时折算到电

48、动机转轴上的摩擦转矩：Tf=(FZ+G)Ph/ 2i=0.01N.m最后由式机械设计师手册（6-18），求的最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：=1.69+0.01=1.70 N.m经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：Teq=maxTeq1,Teq2=1.70 N.m6.3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： Tjmax4Teq=4×1.7

49、0=6.80 N.m上述选定的步进电动机型号为110BYG2602，由表机械设计师手册4-5查得该型号电动机的最大静转矩。显然，满足要求。6.4 步进电动机的性能校核(1)最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度500mm/min，脉冲当量0.01mm/pulse，由式得fmaxf=833Hz从110BYG2602电动机的运行频率特性机械设计师手册表4-7中可以查得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于最大工作负载转矩Teq2=1.70 N.m，满足要求。(2)最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作最快空载移动速度2000mm/min，由式fmaxf=3333Hz

50、，从机械设计师手册表4-7查得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载起动式的负载转矩Teq1=0.20 N.m，满足要求。(3)最快空载移动时的电动机运行频率校核 与最快空载移动速度2000mm/min对应的电动机运行频率为fmaxf=3333Hz，查机械设计师手册表4-5可知110BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见满足要求。(4)起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=4.834kg/cm2，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带负荷负载时的空载起动频率（查表4-51），则由式可以求出步进克服惯性负载的起动频率：fL=1565 Hz上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时侯的起动频率都必须小于1565 Hz。综上所述，本设计工作台的Y向进给步进电动机选用110BYG2602型号的完全满足设计要求。6.5 其余附件的选择6.5.1 联轴器的选择刚性联轴器结构比较简单，制造容易， 免维护，超强抗油以及耐腐蚀，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便是有偏差产生负荷时，刚性联轴器还是刚性传递扭矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高