刀具刃磨中心Z轴进给系统设计与建模毕业设计

陕西理工学院毕业设计论文毕业设计说明书题目刀具刃磨中心Z轴进给系统设计与建模

刀具刃磨中心Z轴进给系统设计与建模[摘要]本文主要阐述了刀具刃磨中心工具磨床Z轴进给系统设计与建模，数控磨床是利用磨具对工件表面进行磨削加工的机床，是高效高精度的刀具刃磨机床，特别是五轴联动的数控工具磨床，是刀具刃磨机床发展的方向。可以用来加车刀，麻花钻，工立铣刀，球头铣刀，阶梯钻，铰刀，成形铣刀，深孔钻，三角凿刀和牛头刨刀具等。进给系统采用全封闭结构，无外挂装置，内置切削液冷却循环装置及油雾回收装置。进给轴由单元电机通过高精度无间隙联轴器与精密滚珠丝杠副直联，无间隙误差。且运动平稳，传动精度高，不易磨损，使用寿命长。导轨全部采用燕尾型精密滚珠直线导轨，具有精密高，摩擦系数小，寿命长等特点。导轨、滚珠丝杠副采用具有冷却装置的全自动定时定量润滑系统。并在PROE中画出Z轴进给系统三维模型图，生成二维工程图。[关键词]刃磨中心Z轴进给系统闭环系统滚珠丝杠直线型滚动导轨

WithgrindingcenterZaxisfeedsystemdesignandmodelingJiangPengFei(Grade08,Class1,MajorMechanicaldesignandmanufactureofextremelyautomation，MechanicalEngineeringCollegeDept.，ShaanxiUniversityofTechnology，Hanzhong723003，Shaanxi)Tutor：ZhangJunfengAbstract：ThispapermainlyexpoundsWithgrindingcenterToolgrindingmachineZaxisfeedsystemdesignandmodelingNcgrinderisuseabrasivetothesurfacegrindingofmachinetoolsThehighprecisioncuttingtoolsisefficientmachinetools,especiallyforfiveaxisofjointnctoolgrindingmachine,cuttingmachinetoolisthedirectionofdevelopment.Canbeusedtoaddlathetools,manualtwistdrill,theworkersendmill,theballmillingcutterhead,ladderdrill,reamer,formingcutter,deepholedrilling,trianglechiselandshapetools,etc.Feedingsystemadoptsfullyclosedstructure,nohackingdevice,built-inliquidcoolingcycledeviceandcuttingoilmistrecyclingequipment.Themotorshaftbyunitbyhighprecisionnoclearancecouplingandprecisiontheballscrewvicestraightleague,noclearanceerror.Thesmoothmovementandhighdrivingaccuracy,noteasywearandlongservicelife.Guidealladoptthecoattails"typeprecisionballlinearguide,withhighprecision,smallfrictioncoefficient,lifeislong,etc.Guide,theballscrewviceusingacoolingdeviceofautomatictimingquantitativelubricationsystem.AndinPROEdrawintheZaxisinto3dmodelpicturetothesystem,andtogeneratetwo-dimensionalengineeringgraphics.Keywords：GangcenterZ-axisfeedsystemClosedloopsystemTheballscrewLinearrollingguide第Ι页共2页毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名：日期：

学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名： 日期：年月日导师签名：日期：年月日

目录31434引言 1148251.概述 2253211.1数控机床的概念 274841.2数控机床的组成分类及特点 2217561.2.1数控机床的组成 295991.2.2数控机床的分类 222751.2.3数控机床的特点 3274901.3数控机床的发展趋势及现状 3152481.4本设计的主要内容和方法 5191842.Z向进给传动系统总体方案的确定 6103112.1进给传动系统的组成及其原理 631552.2进给传动控制伺服系统的选择 6129192.3进给驱动系统电动机类型的确定 8129192.4进给系统的传动要求及传动类型的选择 9129192.4.1进给系统的传动要求 9129192.4.2进给系统的传动类型的选择 9129192.5电动机与丝杠连接方式的选择 13129192.6进给系统的一些其他要求 14197623.滚珠丝杠螺母副的计算和选型 143.1滚珠丝杠螺母副的种类31525 14315253.2滚珠丝杠支承方式的确定 14315253.3运动部件的主要参数 16315253.4滚珠丝杠的计算与选择 17315253.4.1滚珠丝杠导程的确定 17315253.4.2滚珠丝杠的等效转速 18315253.4.3导轨摩擦力的计算 19315253.4.4算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 20315253.4.5确定所丝杠受的最大载荷 21315253.4.6根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形 22315253.4.7估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径 22315253.4.8初步确定滚珠丝杠螺母副的型号 22315253.5滚珠丝杠螺母副承载能力校核 23315253.6计算器械传动刚度 23315253.7传动精度计算 24199064.滚珠丝杠螺母副支撑用的轴承 2569704.1支撑方式 2569704.2失效形式 27第Ⅱ页共2页2165.伺服驱动系统的设计计算 292165.1电动机的选择 292165.2伺服驱动系统的设计计算 30194905.2.1脉冲当量的计算 308385.2.2步进电机的选型与计算 308385.2.3电动机参数验证 34108846.联轴器的选择 36183656.1选择联轴器的类型 3631756.2计算联轴器的计算转矩 36107126.3确定联轴器的型号 3635586.4校核最大转速 37288116.5协调轴孔直径 3741896.6规定部件相应的安装精度 37156346.7进行必要的校核 37102796.8联轴器参数 3846697.进给系统其他部件的确定 4054167.1导轨的确定 4154167.2导轨结构 4154167.3导轨的选用 4254167.4机床的噪声控制 43162148.滚珠丝杠的保护 441198总结与体会 454847致谢 4621525参考文献 47第1页共47页引言在机械加工中，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。其质量好坏直接影响到加工对象的表面质量、精度及加工效率。采用先进的刀具刃磨机床和有效经济的工艺方法，刃磨出高效率、高精度、高可靠性的刀具，是切削加工技术水平提高的一个重要保证。刀具成本在综合加工成本中占有重要的位置，如何利用刀具刃磨机床修磨好磨损到用钝标准的刀具，延长刀具的寿命，提高刀具的利用率，降低刀具成本，是企业降低生产成本的有效途径之一。高质量、高耐用度刀具的生产需求，高效的、高精度的刀具修磨要求，促使刀具刃磨机床的功能结构由简单到复杂，自动化程度由低到高不断发展。在国内，数控工具磨床的发展基本上还停留在对普通工具磨床或原有的数控机床进行数控改造来满足特定刀具的制造刃磨的水平上。最近几年国内也有一些厂家研制开发了数控工具磨床，但由于采用的是主机自行制造、数控系统靠引进，这种数控工具磨床产品不但成本很高，而且由于通用的CNC系统没有集成刀具磨削加工技术和编程软件，难以实现刀具的磨削加工。来提高刀具刃磨效率和精度，减少废品率，降低刀具生产和修磨成本，是未来很值得研究的方向。刀具在整个加工制造成本中，看似只占很小的比例。但在整个加工效率方面，恰恰是刀具起举足轻重的作用。随着对加工精度的提高，对刀具的要求也更高，相对刀具的成本也在增加，所以刀具的重新修磨就显得尤为重要！以往的刀具刃磨仅仅只限于人工在砂轮上修磨，或者由刀具厂家回收修磨，这些方式就谈不上效率可言了。现在，加工中心的技术工人们，不可能在工作初期，用大量的时间来修磨刀具。刀具的精度、使用寿命和刀具结构越来越成为影响加工能力和生产效率的关键因素，昂贵的刀具成为生产成本的重要组成部分。因此，用于刀具修磨的刃磨机行业就越来越受到加工制造业的认可。在实际中，提高机床的传动精度，高效率，稳定的进给系统来实现刀具刃磨的精度，减低成本。因而，本次毕业设计主要围绕如何提高机床刃磨刀具的精度，设计合适的刃磨机床的进给系统来提高精度，主要以Z轴进给系统的设计为例来说明研讨，选择相应的传动方式，执行机构，并在proe中进行模型设计生成二维工程图。第2页共47页1.概述1.1数控机床的概念数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物，是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比，其优越性是显而易见的，不仅零件加工精度高，产品质量稳定，且自动化程度极高，可减轻工人的体力劳动强度，大大提高了生产效率，特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工，因而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。 数控工具磨床是精度效率高、制造修磨范围广的刀具刃磨机床。数控工具磨床与手动工具磨床最大区别是抛弃了手动工具磨床上的手摇滑台、以及特制的复杂工艺装备附件，机械结构大为简化。手动工具磨床上的特殊机构和通过人为操纵所实现的刀具刃磨形式，在数控工具磨床上则通过数控系统控制的联动轴之间的柔性协调运动来轻松地实现。1.2数控机床的组成分类及特点 1.2.1数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体组成。 1.控制介质：以指令的形式记载各种加工信息； 2.数控装置：接受输入的加工信息，经数控装置运算处理，向伺服系统发出相应的脉冲； 3.伺服系统：把数控装置的脉冲信号转换成机床运动部件的机械位移；用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。4.机械系统：包括，主轴部分、进给系统、刀库和自动换刀装置(ATC)、自动托盘交换装置(APC)等。1.2.2数控机床的分类 数控机床的品种和规格繁多，分类方法不一。根据不完全统计，目前已有近500种数控机床。第3页共47页 根据数控机床的功能和组成，一般分为以下几类： 按坐标轴数分类：一般数控机床，数控加工中心机床，多坐标轴数控机床； 按特点分类：点位控制数控机床，直线控制数控机床，轮廓控制数控机床； 按有无测量装置分类：开环数控系统，半闭环数控系统，闭环数控系统； 按功能水平分类：经济型，普及型，高级型。1.2.3数控机床的特点数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其对于约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工，更显示出其特有的灵活性。概括起来，数控机床有以下几方面的特点：1.提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定；2.提高生产效率，一般约提高效率3-5倍，使用数控加工中心机床则可提高生率5-10倍；3.可加工形状复杂的零件；4.减轻了劳动强度，改善了劳动条件；5.有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。1.3数控机床的发展趋势及现状在国外，手动工具磨床已经只是作为数控工具磨床的辅助。从目前国内市场来看，相对价格昂贵的数控工具磨床，手动工具磨床在我国相对占主导地位，它适合目前我国的国内市场需求和实际情况。主要应用于专业刀具生产企业作为数控工具磨床的辅助，和大中型企业车间中小批量刀具修磨，及结构较简单的标准和非标准刀具的生产制造。数控工具磨床已经经历了几代的产品发展过程。初期是对普通工具磨床进行数控改造，用CNC软件来简化结构，提高精度。第二代产品是数控万能刀具“磨削中心”，它适用于刀具的连续加工，使刀具制造工艺高度集成，工件一次装夹，通过几组独立砂轮的转塔磨头来完成多道工序复合加工，加工过程中自动更换砂轮，因而刀具制造精度高，适用于复杂形状型面刀具的精密磨削。MichaelDeekel公司研发的S20E-turbo磨削中心自带砂轮库，并且砂轮库由独立的伺服轴控制，完全实现砂轮的自动更换，可以实现高效率的自动化生产；采用生产、修磨一体化设计磨削软件，实现对程序的编辑、修改、编译、检查等；还集成了砂轮的自动测量、修整和刀具测量系统的全自动校准等辅助功第4页共47页能。适用于各种标准刀具、复杂刀具(非标准)的生产和修磨。S20E磨削中心，还可以集成全自动拾取式上料系统，容纳多达16支自由尺寸的各种刀具。第三代产品是生产刀具的自动化工厂、自动化生产线和柔性制造单元，它代表刀具刃磨机床的最专业、最前沿的制造生产技术。它由一组只需完成单一加工工序的2-4轴简易型CNC工具磨床组成，机床问由传输线和机械手连接，用于磨削刀具的外圆、沟槽、刃背和端面，适用于刀具的大批量生产。采用数控工具磨床对刀具进行磨削加工必须依靠刀具磨削加工技术和编程技术，而各种复杂形状刀具的磨削加工技术和编程软件，目前在国外也属于专利技术或保密技术。正因为如此，目前世界上也只有少数厂商能够生产高性能的数控工具磨床。在国内，数控工具磨床的发展基本上还停留在对普通工具磨床或原有的数控机床进行数控改造来满足特定刀具的制造刃磨的水平上。国内的数控工具磨床基本上靠进口，价格昂贵，并且这些数控机床经过相当长时间的使用后，其主机性能基本完好，仍可使用，而其数控系统则已经远远落后于现代数控系统技术，属于已淘汰产品。最近几年国内也有一些厂家研制开发了数控工具磨床，但由于采用的是主机自行制造、数控系统靠引进，这种数控工具磨床产品不但成本很高，而且由于通用的CNC系统没有集成刀具磨削加工技术和编程软件，难以实现刀具(特别是复杂刀具)的磨削加工。但总的来说我国在近几年来，在数控工具磨床上不断地努力，也取得了一定的发展，逐步缩小与世界先进水平的差距。如在第九届中国国际机床展览会(CIMT2005)上，中国武汉机床厂还展出了MK6030五轴数控工具磨床，可用于生产和修磨各种金属切削刀具，以上所述的刀具刃磨机床均是万能型的，其实刀具刃磨机床发展过程中还有另一重要分支，那就是专用刀具刃磨机床。专用刀具刃磨机床是为特定刀具批量化生产而设计制造，如，滚刀刃磨床、拉刀刃磨床、钻头刃磨床、锯片刃磨床等。这些机床通用性虽然没有万能型刀具刃磨机床好，但它具有效率高、适用于大批量生产、能有效降低刀具制造生产成本等特点，适用于专业刀具生产厂特定刀具的大批量生产，也是刀具刃磨机床的重要组成部分和发展方向。未来数控工具磨床的主要研究发展方向还有如下几个方向：1)高速磨削是世界上正大力研究并逐渐推广的一种先进的机械加工方法，与普通磨削相比，其效率可提高1～3倍，工件表面光洁度可提高1～3小级，砂轮耐用度可提高1倍左右。随着电主轴技术、直线电机技术、大导程高速精密滚珠丝杠副和新型高精度导轨的发展，高速和超高速数控工具磨床也是未来发展的一个重要方向。2)产品的小型化和加工过程的微细化是全球加工制造业发展的必然趋势，微细切削第5页共47页加工在模具、汽车、电子、生物、医疗、航空航天等行业的应用越来越广泛，是切削加工技术的一个发展方向。高精密微细刀具的生产制造是微细切削加工技术得以发展的重要保证。因此，研发刃磨微细刀具的数控工具磨床也是未来数控工具磨床的发展方向。3)砂轮是工具磨床制造生产和修磨刀具的“刀具”，是工具磨床的关键部分。砂轮的设计，其截面形状的优化、粘结剂的结合强度及其适用性、砂轮基体的材料、砂轮的制造技术，以及全自动的砂轮修整、检测控制技术也是未来工具磨床发展的一个重要方向。4)利用计算机技术及模拟技术，开发能对刀具刃磨过程、排屑过程、磨削力变化、磨削区温度、磨削精度和磨削表面质量进行仿真的数控工具磨床软件，也是未来数控工具磨床很好的一个发展方向。1.4本设计的主要内容和方法 本设计为纵向进给运动的设计，设计内容主要包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机等。设计时要求电机与丝杠采用柔性连接，电机选用伺服电机对电机的大小选择进行验证，对滚珠丝杠直径及支承形式选择进行强度较核。设计与生产实际相结合，既要满足理论要求，又要满足生产现实实际。设计应遵循先易后难、先局部后全局的规律，确定设计步骤时，应把整个数控工具磨床Z向进给传动系统分成若干个子系统进行，待各系统基本合理后再互联完成全系统工作。设计的产品应高效经济。本课题所设计的进给系统是针对经济型中档数控车床的，该系统设计成功一旦应用到生产实践中，将给中小规模的加工厂输入新的血液。显著提高生产力水平，减轻劳动强度，提高经济效益。第6页共47页2.Z向进给传动系统总体方案的确定2.1进给传动系统的组成及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。2.2进给传动控制伺服系统的选择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。第7页共47页图2.1开环控制系统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4所示。由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及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2.2半开环控制系统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、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内，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2.3闭环控制系统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，减小运动第8页共47页惯量，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，故选择半闭环控制系统。2.3进给驱动电动机类型的确定早期的数控机床采用电液伺服驱动的较多，而现代数控机床基本上都采用全电气伺服驱动系统。它可分为步进电机，直流伺服电动机和交流伺服电动机伺服驱动系统三类。步进电动机：步进电动机是一种将脉冲信号变换成相应的角位移(或线位移)的电磁装置，是一种特殊的电动机。一般电动机都是连续转动的，而步进电动机则有定位和运转两种基本状态，当有脉冲输入肘步进电动机一步一步地转动，每给它一个脉冲信号，它就转过一定的角度。步进电动机的角位移量和输入脉冲的个数严格成正比，在时间上与输入脉冲同步，因此只要控制输入脉冲的数量、频率及电动机绕组通电的相序，便可获得所需的转角、转速及转动方向。在没有脉冲输入时，在绕组电源的激励下气隙磁场能使转子保持原有位置处于定位状态。在电动机定子上有A、B、C三对磁极，磁极上绕有线圈，分别称之为A相、B相和C相，而转子则是一个带齿的铁心，这种步进电动机称之为三相步进电动机。如果在线圈中通以直流电，就会产生磁场，当A、B、C三个磁极的线圈依次轮流通电，则A、B、C三对磁极就依次轮流产生磁场吸引转子转动。直流伺服电动机具有：①稳定性好；②转向取决于控制电压的极性，控制电压为零时，转子惯性很小，能立即停止；③响应迅速，机械特性和调节特性都是线性的，而且不存在“自转”现象；④控制功率低，损耗小；⑤转矩大；⑥机械特性和调节特性都是线性的，而且不存在“自转”现象等特点。交流伺服电动机：输出或输入为交流电能的旋转电机，称为交流电机，它实际上就是两相异步电动机，所以有时也叫两相伺服电动机。交流伺服电动机的机械特性是非线性的，电容移相控制时非线性更为严重，而且斜率随控制电压的变化而变化，这会给系统的稳定和校正带来困难。机械特性很软，低速段更软，负载转矩变化对转速影响很大，而且机械特性软会使阻尼系数减小，时间常数增大。从而降低了系统品质。若交流伺服电动机设计参数选择不当，或制造工艺不良，在单相状态下会产生“自转”而失控，而且其电动机的转子电阻相当大，所以损耗大，效率低，电动机的利用程度差。除此之外交流伺服电动机结构简单，维护方便，运行可靠，适宜于不易检修的场合使用。伺服电机是根据负载条件来选取的。加在电机轴上的负载主要有两种:负载扭矩和负载惯量，其中负载扭矩包括切削扭矩和摩擦扭矩。负载扭矩应小于所选择电机的额定第9页共47页扭矩，负载扭矩与加速扭矩之和应等于所选择电机的最大扭矩。加速扭矩应考虑负载惯量和电机惯量的匹配，同时还应考虑连续过载时间在所选电机的允许范围内，负载快速运动时所需的电机转速应在电机的最高转速之内。这样可使电机在机床的伺服系统中工作性能得以充分发挥。从上述三种电动机的比较可知，步进电动机是自动控制系统中具有很高的优越性。所以在刀具刃磨中心Z轴的进给系统中使用步进电动机。2.4进给系统的传动要求及传动类型的选择2.4.1进给系统的传动要求数控机床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。为此，数控机床的进给传动系统必须满足:（1）传动精度高；（2）摩擦阻力小；（3）运动部件惯量小。2.4.2进给系统的传动类型的选择数控机床进给传动系统的基本传动方式常用的有三种：滚珠丝杠螺母副和静压丝杠螺母副和滑动丝杠螺母副。1.静压丝杠螺母副其特点是：摩擦系数小，仅为0.0005，；平稳性高；反向间隙小；但是，静压丝杠螺母副应有一套供油系统，而且对有的清洁度要求高，如果在运动中供油忽然中断，将造成不良后果。2.滑动丝杠螺母副结构简单，加工方便，在一定条件下能自锁，广泛用于一般的机床进给，调整和定位机构。3.滚珠丝杠螺母副一．概述在数控机床上，将回转运动与直线运动相互转换的传动装置一般采用滚珠丝杠螺母副。其特点是：传动效率高，一般为η=0.92～0.98；传动灵敏，摩擦力小，不易产生爬行；使用寿命长；具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，亦可将直线运第10页共47页动变成旋转运动；轴向运动精度高，施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程；珠丝杆由螺杆、螺母和滚珠组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是滚珠螺丝的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。因此，在数控机床上得到了广泛的应用，是目前中、小型数控机床的常见的传动方式。二．滚珠丝杠副的工作原理：滚珠丝杠螺母副工作原理，如图所示。图中丝杠和螺母上都加工有圆弧形的螺旋槽，当它们对合起来就形成了螺旋滚道。在滚道内装有滚珠，当丝杠与螺母相对运动时，滚珠沿螺旋槽向前滚动，在丝杠上滚过数圈以后通过回程引导装置，逐个地又滚回到丝杠与螺母之间，构成一个闭合的回路。图2.4滚珠丝杠螺母副工作原理图图2.5螺纹滚道法向截面形式三．常用的循环方式有两种：（1）外循环滚珠在循环过程结束后，通过螺母外表面上的螺旋槽或插管返回丝杠间重新进入循环。如图2.6a）所示为插管式，它用弯管作为返回管道，这种形式结构工艺性好，但由于管道突出于螺母体外，径向尺寸较大。如图2.6b）所示为螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种形式的结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。（2）内循环这种循环靠螺母上安装的反向器接通相邻滚道,使滚珠成单圈环,如图2.7所示,滚珠从螺纹滚道进入反向器,借助反向器迫使滚珠越过丝杠牙顶进入相邻滚道,实现循环。一般一个螺母上装有2～4个反向器，反向器沿螺母圆周等分分布。其优点是径向尺寸紧凑，刚性好，因其返回滚道较短，摩擦损失小。缺点是反向器加工困难。第11页共47页图2.6外循环滚珠丝杠图2.7内循环滚珠丝杠四．滚珠丝杠螺母副轴向间隙的调整滚珠丝杠的传动间隙是轴向间隙。为了保证反向传动精度和丝杠的刚度，必须消除轴向间隙。消除间隙的方法常采用双螺母结构，利用两个螺母的相对轴向位移，使两个滚珠螺母中的滚珠分别贴紧在螺旋滚道的两个相反的侧面上。用这种方法预紧消除轴向间隙时，应注意预紧力不宜过大，预紧力过大会使空载力矩增加，从而降低传动效率，缩短使用寿命。此外还要消除丝杠安装部分和驱动部分的间隙。常用的螺母丝杠消除间隙方法有：1、垫片调隙式。如图2.8所示，调整垫片厚度使左右两螺母不能相对旋转，只产生轴向位移，即可消除间隙和产生预紧力。这种方式结构简单，刚性好，调整时需要卸下调整垫圈修磨，滚道有磨损时不能随时消除间隙和进行预紧。第12页共47页图2.8垫片调隙式图2.9螺纹调隙式2、螺纹调隙式。如图2.9所示，滚珠丝杠左右两螺母副以平键与外套相联，用平键限制螺母在螺母座内的转动。调整时，只要拧动圆螺母1即可消除间隙并产生预紧力，然后用螺母2锁紧。这种调整方法具有结构简单、工作可靠、调整方便的优点，但预紧量不很准确。3、齿差调隙式。如图2.10所示，在两个螺母的凸缘上各制有圆柱外齿轮，分别与固紧在套筒两端的内齿圈相啮合，其齿数分别为z1和z2，并相差一个齿。调整时，先取下内齿圈，让两个螺母相对于套筒同方向都转动一个齿，然后再插入内齿圈，则两个螺母便产生相对角位移，其轴向位移量。例如，z1=81，z2=80，滚珠丝杠的导程为t=6mm时，s=6/6480≈0.001mm。这种调整方法能精确调整预紧量，调整方便、可靠，但结构尺寸较大，多用于高精度的传动。图2.10齿差调隙式图2.11单螺母变位螺距式4.单螺母变位螺距预加负荷。如图2.11所示，它是在滚珠螺母体内的两列循环滚珠链之间使用螺纹滚道在轴向产生一个△L0的导程突变量，从而使两列滚珠在轴向错位实现预紧。这种调隙方法结构简单，但负荷量须预先设定且不能改变。第13页共47页4特点：与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3-由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。高精度的保证-滚珠丝杠副是用日本制造的世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。3、微进给可能-滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。4、无侧隙、刚性高-滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力,在实际用于机械装置等时,由于滚珠的斥力可使丝母部的刚性增强)。5、高速进给可能-滚珠丝杠由于运动效率高、发热小、所以可实现高速进给(运动)。由以上比较，根据要求，Z向进给传动系统采用滚珠丝杠螺母副的传动方式。2.5电机与丝杠联接方式的选择滚珠丝杠螺母副与电动机的联接的型式主要有三种：1.联轴器直联接这是一种最简单的连接型式.这种结构型式的优点是:具有最大的扭转刚度；传动机构本身无间隙,传动精度高,而且结构简单,安装、调整方便，适用于像中小型号的数控车床。联轴器采用挠性联轴器，它能补偿因同轴度及垂直度误差引起的“干涉”现象.采用这种挠性联轴器把电动机与丝杠直接联接，，不仅可以简化结构，减少噪声，而且可以消除传动间隙，能减少中间环节带来的传动误差,提高传动刚度。2.通过齿轮联接这种调整方法的优点是可以在齿轮的齿厚和周节变化的情况下,保持齿轮的无间隙啮合；但是结构比较复杂,轴向尺寸大、传动刚度低、传动平稳性较差，一般用于精度要求低的机床中。第14页共47页3.通过同步齿形带联接同步齿轮带传动具有带传动和链传动的共同优点,与齿轮传动相比它结构更简单,制造成本更低,安装调整更方便。并且传动不打滑、不需要大的张紧力；但是在同步齿形传动设计时对材料的要求很高。机床主要用机械联轴器连接，机械联轴器分刚性与弹性，刚性又分固定式刚性联轴器与可移式联轴器，如套筒联轴器，滑块联轴器等。弹性又分金属弹性联轴器与非金属弹性联轴器，如簧片联轴器，轮胎联轴器等。在满足机床要求的前提下，通过对比本课题采用通过联轴器联接电机与丝杠副，这是一种简单的联接形式具有大的扭转刚度，制造成本低，传动精度高，而且结构简单，安装调整方便。2.6进给系统的一些其它要求滚珠丝杠副和其他滚动摩擦的传动器件一样，应避免硬质灰尘或切屑污物进入，因此必须装有防护装置。如果滚珠丝杠副在机床上外露，则应采用封闭的防护罩，如采用螺旋弹簧钢带套管、伸缩套管以及折叠式套管等。安装时将防护罩的一端连接在滚珠螺母的侧面，另一端固定在滚珠丝杠的支承座上。如果滚珠丝杆副处于隐蔽的位置，则可采用密封圈防护，密封圈装在螺母的两端。接触式的弹性密封圈采用耐油橡胶或尼龙制成，其内孔做成与丝杠螺纹滚道相配的形状；接触式密封圈的防尘效果好，但由于存在接触压力，使摩擦力矩略有增加。非接触式密封圈又称迷宫式密封圈，它采用硬质塑料制成，其内孔与丝杠螺纹滚道的形状相反，并稍有间隙，这样可避免摩擦力矩，但防尘效果差。工作中应避免碰击防护装置，防护装置一有损坏应及时更换。另外对滚珠丝杠安装处应进行削边。3.滚珠丝杠螺母副的计算和选型在第二章初步选择了进给饲服系统的传动类型为：滚珠丝杠螺母副。现在具体对其进行设计，计算和选型。 3.1滚珠丝杠螺母副的种类丝杠传动直接关系到传动链精度。丝杠的选用主要取决于加工件的精度要求和拖动扭矩要求。一般情况滑动丝杠应不低于6级，螺母间隙过大则更换螺母。采用滑动丝杠相对滚珠丝杠价格较低，但难以满足精度较高的零件加工。因此滑动丝杠常用在加工精度要求不是很高的普通车床中。

滚珠丝杠摩擦损失小，效率高，其传动效率可在90%以上；精度高，寿命长；启动力矩和运动时力矩相接近，可以降低电机启动力矩。因此可满足较高精度零件加工要求。在数控化改造的车床中，应把原来的滑动丝杠换为滚珠丝杠，以降低摩擦力，提高加工精度。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。3.2滚珠丝杠支承方式的确定 数控机床的进给系统要获得较高的传动刚度，除了加强滚珠丝杠螺母本身的刚度之外，滚珠丝杠正确的安装及其支承的结构刚度也是不可忽视的因素。螺母座及支承座都应具有足够的刚度和精度。通常都适当加大和机床结合部件的接触面积，以提高螺母座的局部刚度和接触强度，新设计的机床在工艺条件允许时常常把螺母座或支承座与机床本体做成整体来增大刚度。为了提高支承的轴向刚度，选择适当的滚动轴承也是十分重要的。国内目前主要采用两种组合方式。一种是把向心轴承和圆锥轴承组合使用，其结构虽简单，但轴向刚度不足。另一种是把推力轴承或向心推力轴承和向心轴承组合使用，其轴向刚度有了提高，但增大了轴承的摩擦阻力和发热而且增加了轴承支架的结构尺寸。1、一端固定——一端自由丝杠一端固定，另一端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力，这种支承方式用于行程小的短丝杠或者用于全闭环的机床，因为这种结构的机械定位精度是最不可靠的，特别是对于长径比大的丝杠(滚珠丝杠相对细长)，热变性是很明显的，1.5m长的丝杠在冷、热的不同环境下变化0.05~0.10mm是很正常的。但是由于他的结构简单，安装调试方便，许多高精度机床仍然采用这种结构，但是必须加装光栅，采用全闭环反馈。2、一端固定——另一端支承丝杠一端固定，另一端支承。固定端同时承受轴向力和径向力;支承端只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以减少或避免因丝杠自重而出现的弯曲，同时丝杠热变形可以自由的向一端伸长。这种结构使用最广泛，目前国内中小型数控车床、立式加工中心等均采用这种结构。3、两端固定丝杠两端均固定。固定端轴承都可以同时承受轴向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预紧力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。丝杠轴承的载荷主要是轴向的，径向除卧式丝杠的自重外，一般无载荷，因此对丝杠轴承轴向精度和刚度要求较高。进给系统对微小的位移要响应灵敏，股轴承的摩擦力矩要小。丝杠轴承种类很多，但从目前的情况来看，占优势的两种是：接触角为60度的推理角接触球轴承和滚针一双推理滚子组合轴承，如下图3.1所示：图3.1滚珠丝杠的支撑方式在设计中，我采用双列接触角为60度的角接触球轴承组合使用。安装方式如图3.2所示：图3.2轴承之撑3.3运动部件的主要参数 已知技术参数：纵向最大行程（Z轴）180/mm;工作给速度为1--8000mm/min;纵向快速进给速度：1.0m/min;总体估计质量：50kg;磨削深度2mm；进给量0.4mm;磨削系数300；；材料选为：HT200；3.4滚珠丝杠的计算与选择导程就是丝杆转动一周,滑块的位移.

因此导程越小,同样轴径的情况下扭矩就可以越大,当然滑块的位移则较慢,在一定轴径的情况下,导程越小,可以驱动的工件越大

就是转速一定,滑块位移速度不一样,导程小的扭矩大。3.4.1滚珠丝杠导程的确定本设计中，电机和丝杠直接相连，传动比为i=1，设电机最高工作转速在为，则丝杠导程为：取3.4.2确定丝杠的等效转速可知最大进给速度时丝杠的转速：最小进给速度时丝杠的转速：丝杠等效转速：（取）假设一般磨削力的公式为：式中;F为磨削力(N)为切削系数；为工件圆周进给速度m/min；为磨削深度mm；轴向进给量mm/r； 在一般磨削中；Fx=(0.1~0.6)FcFy=(0.15~0.7)Fc3.4.3导轨摩擦力的计算导轨受到移动部件的全部质量（包括机床夹具和工件的质量）m=50kg所受重力W=500N)，查表知紧固件的重力为f=1000N,取导轨动摩擦系数，则:计算在不磨削削状态下的导轨摩擦力和3.4.4算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力计算最大轴向负载力计算最小轴向负载力丝杠的平均载荷Fm3.4.5确定所丝杠受的最大载荷—负荷性质系数（查表可知，当一般运转时，为1.2，1.5取为1.4。）—温度系数(查表取为1.0。)—硬度系数（查表滚到实际硬度》HRC58取为1.0。）—可靠性系数（查表可靠性为90%，取为1.0。）—等效负载荷（N）—精度系数（查表精度为3级取为1.0。）—等效转速r/min——工作寿命h（查表可知=15000h）则：3.4.6根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形已知本机床进给系统的定位精度为40,重复定位精度为16，则有取上述计算结果的较小值，即。3.4.7估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用两端固定支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为：L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承≈（1.2～1.4）行程+（25～30）Ph取L=(1.4×200+30×6)mm=460mm3.4.8初步确定滚珠丝杠螺母副的型号根据以上计算所得的Ph、Cat、dm和结构的需要，初步选择型号为FF3206-5，其公称直径、基本导程P0、额定动载荷和螺纹底径如下表3.1：表3.1滚珠丝杠螺母副型号偏心距R/r=1.143.5珠丝杠螺母副承载能力校核已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径，已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度，丝杠竖直安装时，取，查表得，则有本机床Z向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为Fmax=1694N，远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度，其弹性模量，密度：重力加速度滚珠丝杠的最小惯性矩为滚珠丝杠的最小截面积为：取，查表得，则有进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m，远小于其临界转速，故满足要求。滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷，已知其轴向载荷Fmax=1694N，滚珠丝杠的转速nmax=166.67r/min，运转条件系数fw=1.4，则有本机床数控化改造后，滚珠丝杠螺母副的总工作寿命Lh=61411h>15000，故满足要求。3.6计算器械传动的刚度已知滚珠丝杠的弹性模量，滚珠丝杠的底径。当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离时，滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度当时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度已知滚动体直径dq=6.75mm，滚动体个数Z=15.轴承接触角。轴承最大轴向工作载荷。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度为：查表得滚珠与滚道的接触刚度，滚珠丝杠的额定动载。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷则进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为故。3.7传动精度计算由机械传动装置引起的定位误差为：对于3级滚珠丝杠。其任意300mm导程公差为正负12，机床定位精度为40,重复定位精度为16，则有：，可以满足由于传动刚度变化所引起的误差小于（1/3~1/5)机床的定位进度要求。再加闭环反馈系统的补偿，定位进度能进一步提高。第25页共47页4.滚珠丝杠螺母副支撑用的轴承丝杠的设计可知，丝杠两端的轴承主要承受轴向力，径向力，根据《机械设计手册》，可知用角接触球轴承。4.1支撑方式1、一端固定——一端自由丝杠一端固定，另一端自由。固定端轴承同时承受轴向力和径向力，这种支承方式用于行程小的短丝杠或者用于全闭环的机床，因为这种结构的机械定位精度是最不可靠的，特别是对于长径比大的丝杠(滚珠丝杠相对细长)，热变性是很明显的，1.5m长的丝杠在冷、热的不同环境下变化0.05~0.10mm是很正常的。但是由于他的结构简单，安装调试方便，许多高精度机床仍然采用这种结构，但是必须加装光栅，采用全闭环反馈。2、一端固定——另一端支承丝杠一端固定，另一端支承。固定端同时承受轴向力和径向力;支承端只承受径向力，而且能作微量的轴向浮动，可以减少或避免因丝杠自重而出现的弯曲，同时丝杠热变形可以自由的向一端伸长。这种结构使用最广泛，目前国内中小型数控车床、立式加工中心等均采用这种结构。3、两端固定丝杠两端均固定。固定端轴承都可以同时承受轴向力，这种支承方式，可以对丝杠施加适当的预紧力，提高丝杠支承刚度，可以部分补偿丝杠的热变形。丝杠轴承的载荷主要是轴向的，径向除卧式丝杠的自重外，一般无载荷，因此对丝杠轴承轴向精度和刚度要求较高。进给系统对微小的位移要响应灵敏，股轴承的摩擦力矩要小。丝杠轴承种类很多，但从目前的情况来看，占优势的两种是：接触角为60度的推理角接触球轴承和滚针一双推理滚子组合轴承。如表4.1所示第26页共47页表4.1轴承的选用与支撑支承方式简图K2λf一端固定

一端自由0.251.8753.4一端固定

一端游动23.92715.1二端支承13.1429.7二端固定44.73021.9丝杠两端的尺寸Ф27.9mm,可知轴承内径d=25mm轴承采用成对安装方式，轴承不宜过厚，选择厚度较小的，查《机械设计手册》选60度角接触球轴承厚度为12mm.丝杠高速运转会产生大量的热，为了具有更好的润化性和散热性，应选用外径/内径较大的轴承。这种轴承承载能力强，变形系数小，横向空间大，有利于润滑油的流动带走产生的热量，减少热变形和磨损，查《机械设计手册》，选角接触球轴承外径为52mm。轴承承受的轴向载荷Fmax=1694N.预紧力Fp=1050N,第27页共47页滚珠丝杠支撑形式采用两端固定式，所选用的轴承型号为：(GB/T292-1994)7205C如下图所示图4.17205C轴承参数加工定制否品牌NACHI型号7205C旧型号36205类型角接触球轴承内径25（mm）外径52（mm）厚度15（mm）重量0.12（kg）用途通用其额定动载荷为16.5KN。轴承的寿命：参考《机械设计》公式（13-5）可知，故所选轴承符合要求。4.2失效形式角接触球轴承可能出现的实效形式主要有：主要有因疲劳强度不足而产生的疲劳断裂、因静强度不足而产生的塑性变形或脆性断裂、磨损、超过允许范围的变形和振动等。轴承在安装、润滑、维护良好的条件下工作时，各承载元件（包括内、外圆及滚动体）在周期性变应力的作用下，主要实效形式是解除表面材料的疲劳点蚀、轴承发生疲劳点蚀后，通常会在运转时出现比较强烈的震动，噪声和发热现象，轴承的旋转精度逐第28页共47页渐下降，直至丧失正常的工作能力。疲劳点蚀是轴承最常见的失效形式。塑性变形。在过大的静载荷或者冲击载荷下，轴承元件间的接触应力超过了元件材料的屈服极限，接触部位发生塑性变形，形成凹坑，是轴承性能下降、摩擦阻力距增大。这种实效多发生在转速很低的重载或者往复摆动的轴承中。磨粒磨损。对于润滑不充分，密封不好或者润滑油不清洁，以及在多尘环境中工作的轴承，将会发生磨粒磨损，导致轴承因内、外圆与滚动体的间隙增大、振动加剧及旋转精度降低而报废。胶合。在高速重载条件下工作的轴承，因摩擦面发热而使温度急剧升高，轴承材料回火软化，润滑实效而发生胶合。5.伺服驱动系统的设计计算5.1电动机的选择伺服电动机的选择是根据负载条件来进行的，加在电动机轴上的负载有负载转距和负载惯量两种，负载转距包括切削转距和摩擦转距。选择伺服电动机应能满足下述条件：1.根据负载转距选择电机，负载转距应小于或等于电动机额定转距。最大切削负转距不得超过电动机的额定转距折算到电动机轴上的最大切削负载转距。2.电动机的转子惯量应与负载惯量相匹配，通常要求转子惯量不小于负载惯量。但也不是转子惯量越大越好，因转子惯量越大，总的惯量就越大，加速性能受影响。为了保证足够的角加速度，以满足系统反应的灵敏度，将不得不采用转距过大的电动机和它的控制系统。3.快速移动时，转距不得超过电动机的最大转距，当执行部件从静止状态加速到最大移动速度时，所需要的转距最大。但选择电机时，是按照负载转距小于额定转距，电动机转子惯量与负载惯量的合理匹配，执行部件的快速转距小于电动机的最大转距三个要素来考虑的。根据负载转距的计算，切削转距加上摩擦转距，应小于或等于电动机的额定转距。4.加速转距应等于最大转距减去负载转距。在空载时，加速转距应等于最大转距减去摩擦转距，其差值等于全部惯量（电动机+负载惯量）乘于加速度斜率。5.2伺服驱动系统的设计计算刃磨装置的机械系统设计包括伺服驱动系统的设计计算。伺服驱动系统的设计计算包括脉冲当量的计算，步进电机的选型和轴的结构设计和联轴器的选择。下面详细阐述一下设计计算的内容。5.2.1脉冲当量的计算参照普通工具磨床的参数，其定位精度一般在±0.01mm～±0.005mm，根据设计结第30页共47页构的要求，刃磨装置对定位精度要求不高，故可选脉冲当量QUOTE=0.01mm/step。初选步进电机的步距角为QUOTE=0.9°,步进电机每发一个脉冲（0.9°），因此，步进电机和轴之间无需减速装置，脉冲当量QUOTE可以满足所需精度。5.2.2步进电机的选型与计算步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。步进电机可以作为一种控制用的特种电机，利用其没有积累误差的特点，广泛应用于各种开环控制。步进电机的性能指标步进电机的常用术语及主要性能指标是：步距角指每给一个电脉冲信号，电动机转子所应转过的角度的理论值，可有下列公式来计算：式中，m为电动机相数；z为转子齿数；k为通电方式系数，当采用单三拍或双通电方式，k=1；而采用三相六拍通电方式时，k=2。(2)精度通常步进电机的精度有两种表示方法：一种用步距误差的最大值来表示；一种用步距累积误差最大值表示。前者是指电动机旋转一圈内相邻两步之间最大步距和理想步距的差值，用理想步距的百分数表示；后者是指任意位置开始经过任意步之后，角位移误差的最大值。(3)转矩保持转矩(或定位转矩)，是指绕组不通电时电磁转矩的最大值，或转角不超过一定值时的转矩值。通常反应式步进电机的保持转矩为零，而若干类型的永磁式步进电机具有一定的保持转矩。静转矩是指不改变控制绕组通电状态，即转子不转情况下的电磁转矩。它是绕组内第31页共47页的电流及失调角(转子偏离空载时的初始稳定平衡位置的电度角度)的函数。当绕组内的电流值不变时，静转矩与失调角的关系称为矩角特性。对应于某一失调角时，静转矩的值为最大，称之为最大静转矩Tk，它的值取决于通电状态及绕组内电流的值。动转矩是指转子转动情况下的最大输出转矩值，它与运行频率有关。(4)响应频率在某一个频率范围内，步进电机可以任意运行而不丢步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率QUOTE后作为衡量指标。它是指在一定负载下直接起动而不丢步的极限频率。(5)运行频率和矩频特性运行频率是指频率连续上升时，电动机能不失步运行的极限频率。它的值也与负载的大小有关。在相同负载情况下，连续频率QUOTE的值高于响应频率或起动频率QUOTE的值。运行矩频特性是指在负载惯量不变时，运行频率与负载转矩之间的关系，称之为运行矩频特性。起动矩频特性是指在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，起动频率与负载转矩之间的关系称为起动矩频特性。它们之间的关系典型曲线如图5.1所示，起动矩频特性是牵入转矩与频率之间的关系曲线，运行矩频特性是失步转矩与频率之间的关系曲线。图5.1起动矩频特性与运行矩频特性曲线图图中当工作在I区范围内，步进电机可以直接停止和再起动，或者反向转动，而不会失步。步进电机在I区的工作动矩速度上所产生的最大力矩坐标位于起动矩频特性曲线上，起频特性曲线与纵坐标的交点为最大静力矩，与横坐标的交点为最大起动频率。第32页共47页II区为单向工作区，在此区电机不能直接启动，若电机不停止、起动和换向，在此区域内工作，电机不会失步。为了在II区内工作，电机必须首先在I区内工作，然后利用控制加速度斜坡，转变到lI区。若达到不失步停止时，也要在限制加速度的条件下，由II区转移到I区，在减速时惯性反作用力矩为负，对电机有利。III区为失步区域，在任何情况下都是不允许的。(6)起动惯频特性起动惯频特性是指负载力矩一定时，起动频率与负载惯量之间的关系称为起动惯频特性或牵入惯频特性，如图5.2所示。图5.2惯性特性曲线上述各项是步进电机驱动系统的综合指标，是生产厂家产品出厂时提供的。这些指标是步进电机及其驱动器选用和静动态特性计算的重要依据。步进电机的选取原则步进电机在工作中要求能严格跟随指令脉冲，不发生失频、振荡；能快速起动、停止、正反转和高效运转；能满足各项性能指标且具有良好的动态特性。步进电机在选用时首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，使电动机的矩频特性能满足机械负载并有一定余量以保证运行可靠，一般来说，最大静转矩QUOTE缸大的电动机，负载转矩也大，通常取QUOTE～T=0.2～0.5。此外在选择步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。因此，步进电机的合理选择是保证电机安全、可靠、经济运行的重要环节。步进电机的选取计算步进电机有步距角(涉及到相数)、静转矩和相电流三大要素组成。三大要素确定下来，步进电机的型号就能确定下来了。考虑到步进电机的步距角要第33页共47页小，且有较高的起动和运行频率。初步选用型号为57BYGH203两向混合式步进电机，如图所示57BYGH203型混合式步进电机外形图。如图5.3所示：57BYGH203型混合式步进电机的优点是步距角较小，有较高的起动和运行频率，消耗功率小，有定位力矩，兼有永磁式和反应式两种步进电动机的优点，结构复杂。同时还具有良好的内部阻尼特性，因而运行平稳，无明显的低频振荡区，噪音小，可靠性高。既可用于组建稳定、可靠的开环系统，也可用于组建闭环系统。其主要性能参数如表5．1所示：图电5.3动机外形图表5.157BYGH203型步进电机主要参数表型号相数电压

（V）额定电流

(A)电阻

(Ω)电感

(mH)静转矩

(Kg.cm)定位转矩

（kg.cm）重量

(Kg)机身长

(mm)出轴长

(mm)接线图57BYGH101454521a57BYGH10225.10.756.812.550.30.454521b57BYGH2014120.717.555521a57BYGH204.080.70.655521b第34页共47页57BYGH203455521a57BYGH20455521a57BYGH205890.70.655521b57BYGH206455521a57BYGH2074321.555521a57BYGH20855521b57BYGH20924.51.535.490.70.655521b57BYGH30143.031.01.8140.91.07621a57BYGH301.9140.91.07621a57BYGH3036.8140.91.07621a57BYGH3044140.91.07621a57BYGH30622.730.92.2150.91.07621b57BYGH30842.430.81.7140.91.07621a57BYGH40142.730.91.9201.11.59621a选择电动机型号：57BYGH10225.10.756.812.550.30.454521b5.2.3电动机参数验证：1.最大切削负载转矩不得超过电动机的额定转矩。最大载荷Fmax=1694N，丝杠导程Ph=6mm=0.006m，3级滚珠丝杠η=0.9，Fp=Fmax/3=1694/3=564N2.驱动最大摩擦负载转矩3.最大动态摩擦力矩对于3级丝杠，ΔP=+40%或-40%支撑轴承所需的启动转矩查轴承表：对于Φ25的轴承，其T4=0.2N.m驱动滚珠丝杠福所需的转矩6.电机的额定转矩综上所述电动机选择根据《机械设计手册》，选择电动机型号如表5.2表5.2满足要求的电动机参数型号相数电压

（V）额定电流

(A)电阻

(Ω)电感

(mH)静转矩

(Kg.cm)定位转矩

（kg.cm）重量

(Kg)机身长

(mm)出轴长

(mm)接线图57BYGH10225.10.756.812.550.30.454521b取满足要求。第36页共47页6.联轴器的选择6.1选择联轴器的类型选择一种合用的联轴器类型可以考虑一下几点：所需传递的扭矩大小和性质以及缓冲振动功能的要求。联轴器的工作转速高低和引起离心的大小。对于高速转动轴，应选用平衡精度高的联轴器，例如膜片联轴器等，而不宜选择存在偏心的滑块联轴器等。两轴相对位移的大小和方向。在安装调整过程中，难以保持两轴严格精确对中，或工作过程中两轴将产生较大的附加相对位移时，应选用绕性连接器。联轴器的可靠性和工作环境。通常由金属元件制成的不需要润滑的联轴器比较可靠；需要润滑的联轴器，其性能容易受润滑完善程度的影响，且可能污染环境，含有橡胶等覅经书元件的联轴器对温度.腐蚀性介质及强光灯比较铭感，而且容易老化。5）联轴器的制造、安装、维护和成本。在满足使用性能的条件下，应选用装拆方便、维护简单、成本低的联轴器。例如刚性联轴器不仅结构简单，而且装拆方便，可用于低速刚性大的传动轴。一般非金属弹性元件联轴器（例如弹性套件联轴器、梅花形弹性联轴器等），由于具有良好的综合性能，广泛运用于一般小功率的传动。6.2计算联轴器的计算转矩由于机器启动时的动载负荷和运转中可能出现的过载现象，所以应当按轴上的最大转矩作为计算转矩Tca。计算转矩按照下式计算；Tca=KAT式中，T称为公称转矩，N.m;KA为工作系数。表14-1（《机械设计.高等教育出版社》KA取值；KA=1.3Tca=1.3×5N·mm=6.5N·m6.3确定联轴器的型号根据计算转矩以Tca及所选联轴器为刚性套柱销联轴器，按照TcaQUOTE的条件由联轴第37页共47页器标准中选择该联轴器的型号。上式中QUOTE为该型号联轴器的许用转矩。6.4校核最大转速被连接轴的转速n不应超过所选联轴器的最高转速nmax,即nQUOTEnmax。6.5协调轴孔直径多参数情况下，每一型号的联轴器适用的轴的型号都有一个范围。标准中或者给出轴直径最大和最小值，或者适用直径的尺寸系列，别连接的两个轴的直径应当再此范围之内。一般情况下被连接两轴的直径是不同的，两个轴端的形状也可能是不同的，如主动轴端是圆柱形，所连接的从动轴轴端是圆锥形。6.6规定部件相应的安装精度根据联轴器允许的相位偏差，规定部件相应的安装精度，通常标准中只会给出单项位移偏差的允许值，如果有多项位移偏差的存在，则必须根据联轴器的尺寸大小计算出相互影响的关系，以此作为规定部件安装精度的依据。6.7进行必要的校核如果有必要，应对联轴器的主要承载零件进行强度校核。适用非金属弹性元件的联轴器时，还应注意联轴器所在部位的工作问温度不要超过弹性元件材料允许的最高温度。6.8联轴器参数如下图所示图6.1和表6.1第39页共47页图6.1GYS型凸缘联轴器表6.1GYS型凸缘联轴器参数（单位：毫米）从GB/T5843--2003中查到得GYS1刚性凸缘联轴器的许用转矩为25N·m，轴径为12-19mm之间。第40页共47页7.进给系统其他部件的确定7.1导轨的确定数控机床导轨必需具有较高的导向精度、高刚度、高耐磨性，机床在高速进给时不振动、低速进给时不爬行等特性。目前数控机床使用的导轨主要有3种：塑料滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。目前滚动导轨副被广泛应用于精密机床、数控机床、测量机和测量仪器上。下面着重介绍下滚动导轨副。滚动导轨有多种形式，目前数控机床常用的滚动导轨为直线滚动导轨。直线滚动导轨主要由导轨体、滑块、滚柱或滚珠、保持器、端盖等组成。当滑块与导轨体相对移动时，滚动体在导轨体和滑块之间的圆弧直槽内滚动，并通过端盖内的滚道，从工作负荷区到非工作负荷区，然后再滚动回工作负荷区，不断循环，从而把导轨体和滑块之间的移动变成滚动体的滚动。为防止灰尘和脏物进入导轨滚道，滑块两端及下部均装有塑料密封垫，滑块上还有润滑油杯。最近新出现的一种在滑块两端装有自动润滑的滚动导轨，使用时无须再配润滑装置。由于滚动导轨的诸多优点,综合考虑，磨床的纵向进给系统采用直线