(wo)數(shù)控刀架的設(shè)計(jì)

(wo)數(shù)控刀架的設(shè)計(jì),wo,數(shù)控,刀架,設(shè)計(jì) 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架的數(shù)控改造 學(xué) 生：鄒 劍 學(xué) 號：04011030532 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級：機(jī)電一體化2004.2 指導(dǎo)教師：劉康 四川理工學(xué)院機(jī)電工程系 二00八年六月 摘 要 摘要 所謂數(shù)字控制機(jī)床是按照含有機(jī)床(刀具)運(yùn)動(dòng)信息程序所指定的順序自動(dòng)執(zhí)行操作的過程。而計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床就是數(shù)控機(jī)床在計(jì)算機(jī)監(jiān)控下進(jìn)行工作。它的優(yōu)點(diǎn)很多,可以在同一機(jī)床上一次裝夾可完成多個(gè)操作，生產(chǎn)率顯著提高等優(yōu)點(diǎn)，但它的價(jià)格昂貴。由于我國現(xiàn)在使用的機(jī)床大多數(shù)為普通車床，自動(dòng)化程度低,要更新現(xiàn)有機(jī)床需要很多資金。為了解決這個(gè)問題,也為了適應(yīng)多品種中、小批量零件加工我們選擇機(jī)床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造?？v向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆去原機(jī)床的溜板箱、光杠與絲杠以及安裝座,配上滾珠絲杠及相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)及減速箱安裝在車床的床尾,不占據(jù)絲杠空間。橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造：拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠,由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)?？傮w設(shè)計(jì)方案:CA6140車床主軸轉(zhuǎn)速部分保留圓機(jī)床的手動(dòng)變速功能。車床的縱向和橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。最后,根據(jù)已知條件對縱向橫向伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與計(jì)算。 關(guān)鍵詞:數(shù)控、車床、改造 Ⅰ Abtract ABSTRACT Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automaticallu in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the vertical mechanism: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. The overall master design: the spindle’s gearshift of the CA6140 mechanism controlled by the former operating lever. The moving of the vertical table and the horizontal table is drove by the ball screw, which is drove by the Stepper motors. The last, we design the vertical and horizontal mechanism on the basis of known numbers. Key word: Numerical Control、 machining、?? information?? Ⅱ 目錄 摘要 Ⅰ ABSTRACT Ⅱ 目錄 Ⅲ 第一章 緒論 1 1.1機(jī)床數(shù)控改造的意義 2 1.2數(shù)控機(jī)床的主要改造步驟 2 第二章 計(jì)的任務(wù)及要求 4 2.1 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架數(shù)控改造設(shè)計(jì)的任務(wù) 4 2.2 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架數(shù)控改造設(shè)計(jì)的要求 4 第三章 改造設(shè)計(jì)的總體方案 5 3.1設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 5 3.2改造方案的確定 6 3.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 6 3.2.2機(jī)械傳動(dòng)方式 6 第四章 絲杠副的設(shè)計(jì)和計(jì)算 8 4.1選擇脈沖當(dāng)量 8 4.2計(jì)算切削力 8 4.2.1縱車外圓 8 4.2.2橫切端面 8 4.3滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型 9 4.3.1滾珠絲杠軸向進(jìn)給切削力的計(jì)算 9 4.3.2滾珠絲杠的平均轉(zhuǎn)速計(jì)算 10 4.3.3滾珠絲杠的壽命計(jì)算 10 4.3.4滾珠絲杠副在高速和定工作載荷的情況下的選用 10 4.3.5滾珠絲剛副在受動(dòng)載荷的情況下的選用 12 4.3.6按額定靜載荷選用滾珠絲杠副 13 4.3.7滾珠絲杠副的選型 13 4.3.8滾珠絲杠副的剛度驗(yàn)算 16 4.3.8.1絲杠副的軸向變形量 16 4.3.8.2滾珠與螺紋滾道間接接觸變形 16 4.3.8.3支承滾珠絲杠副軸承的軸向變形 17 4.3.9滾珠絲杠副的穩(wěn)定性驗(yàn)算 19 第五章 減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 20 第六章 步進(jìn)電機(jī)的選型及計(jì)算 22 6.1等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 22 6.2根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號 23 6.2.1步距角 23 6.2.2矩頻特性 24 6.2.2.1空載啟動(dòng)所需力矩 24 Ⅲ 6.2.2.2快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 26 6.2.2.3最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 26 6.3啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性校核 28 6.3.1啟動(dòng)矩頻校核 28 6.3.1.1突跳啟動(dòng) 28 6.3.1.2升速啟動(dòng) 28 6.3.2運(yùn)行矩頻校核 29 6.3.2.1快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻校核 29 6.3.2.2工進(jìn)運(yùn)行矩頻特性校核 30 6.4步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸 31 第七章 刀架的改造設(shè)計(jì) 32 7.1刀架改造的意義 32 7.2自動(dòng)換刀裝置形式的選擇 32 7.3螺旋轉(zhuǎn)位刀架的工作原理 34 7.4對自動(dòng)換刀裝置的要求 36 7.5自動(dòng)換刀裝置的主要部件設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇 36 7.5.1桿、蝸輪的設(shè)計(jì)計(jì)算 36 7.5.1.1桿、蝸輪材料的選擇 36 7.5.1.2桿、蝸輪傳動(dòng)基本參數(shù)的選擇 36 7.5.2電機(jī)的選擇 38 第八章 結(jié)論 39 參考文獻(xiàn) 41 致 謝 42 Ⅴ 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第一章 緒論 隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機(jī)床業(yè)已進(jìn)入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心的機(jī)電一體化時(shí)代，其中數(shù)控機(jī)床就是代表產(chǎn)品之一。數(shù)控機(jī)床是制造業(yè)的加工母機(jī)和國民經(jīng)濟(jì)的重要基礎(chǔ)。它為國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效應(yīng)。目前，歐、美、日等工業(yè)化國家已先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，“十五”期間，中國數(shù)控機(jī)床行業(yè)實(shí)現(xiàn)了超高速發(fā)展。其產(chǎn)量2001年為17521臺，2002年24803臺，2003年36813臺，2004年51861臺，是2001年的3.7倍，平均年增長39％；2005年國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量59639萬臺，接近6萬臺大關(guān)，是“九五”末期的424倍。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢頭依然強(qiáng)勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國、機(jī)床進(jìn)口第一大國，2004年中國機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá)94.6億美元，國內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢，充分認(rèn)識國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。 為了彌補(bǔ)我國數(shù)控機(jī)床的嚴(yán)重不足，許多企業(yè)與廠家都對原有的普通機(jī)床改裝成數(shù)控機(jī)床。目前機(jī)床數(shù)控化改造的市場在我國還有很大的發(fā)展空間，現(xiàn)在我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。用普通機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展，所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。但是機(jī)床的數(shù)控改造，主要是對原有機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，最終使機(jī)床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型代表，其機(jī)械結(jié)構(gòu)同普通的機(jī)床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控機(jī)床不是簡單地將傳統(tǒng)機(jī)床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)機(jī)床的基礎(chǔ)上，僅對局部加以改進(jìn)而成（那些受資金等條件限制，而將傳統(tǒng)機(jī)床改裝成建議數(shù)控機(jī)床的另當(dāng)別論）。傳統(tǒng)機(jī)床存在著一些弱點(diǎn)，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動(dòng)面的摩 1 第一章 緒論 擦阻力大及傳動(dòng)元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控機(jī)床對加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)率以及使用壽命等要求。現(xiàn)代的數(shù)控技術(shù)，特別是加工中心，無論是其支承部件、主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、刀具系統(tǒng)、輔助功能等部件結(jié)構(gòu)，還是整體布局、外部造型等都已經(jīng)發(fā)生了很大變化，已經(jīng)形成了數(shù)控機(jī)床的獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，我們在對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造的過程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通機(jī)床的各項(xiàng)性能指標(biāo)盡可能地與數(shù)控機(jī)床相接近。 1.1機(jī)床數(shù)控改造的意義 一、節(jié)約成本。機(jī)床的數(shù)控改造同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級也只需花費(fèi)購買新機(jī)床60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有地基。 二、改造時(shí)間短。 三、性能更穩(wěn)定。在改造過程中可以對原機(jī)床的機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)到原有精度；采用數(shù)控軟件控制機(jī)床各部分，更加可靠。 四、設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)小。對普通的舊機(jī)床改造，即使改造失敗，也不會(huì)造成較大損失。 五、可以更好的體現(xiàn)用戶的愿望。在改造過程中，用戶可以根據(jù)自己的需求對機(jī)床進(jìn)行調(diào)整。 六、機(jī)械性能穩(wěn)定可靠。原機(jī)床床身立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，改造后機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以繼續(xù)作為新設(shè)備使用多年。 七、采用最新的控制技術(shù)。可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，提高機(jī)床的自動(dòng)化水平和工作效率，提升設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改造成當(dāng)今水平的機(jī)床。 八、提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3至5倍。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。 九、更有利于使用和維護(hù)。 1.2數(shù)控機(jī)床的主要改造步驟 一、作好改造的前期準(zhǔn)備工作。對被改造機(jī)床進(jìn)行結(jié)構(gòu)、性能、精度等技術(shù)現(xiàn)狀的全面分析。 dfgsdfget45768@3245ERTIUI#$%#^*^SDFSDHFJjVs中國設(shè)備管理網(wǎng) http://www.sbgl.netWP0 ?二、進(jìn)行電氣改造的機(jī)床一般均需進(jìn)行機(jī)械修理。要確定修理的要求、范圍、內(nèi)容，也要確定因改造而需進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)改動(dòng)的要求和內(nèi)容。為配合電氣改造而需進(jìn)行的機(jī)械 2 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 大修改造的測量、計(jì)算、設(shè)計(jì)、繪圖、零件制作等應(yīng)先期完成。停機(jī)后需拆、改、加工的部分等也應(yīng)事先規(guī)劃完畢，提出明確要求。機(jī)械性能完好是電氣改造成功的基礎(chǔ)。 dfgsdfget45768@3245ERTIUI#$%#^*^SDFSDHFJjVs中國設(shè)備管理網(wǎng) http://www.sbgl.netWP0 ?三、改造前應(yīng)熟悉技術(shù)資料，做到思路清晰，層次分明。 dfgsdfget45768@3245ERTIUI#$%#^*^SDFSDHFJjVs中國設(shè)備管理網(wǎng) http://www.sbgl.netWP0 ?四、原系統(tǒng)的拆除必須對照原圖紙進(jìn)行，并及時(shí)作出標(biāo)記，防止遺漏或過拆。 dfgsdfget45768@3245ERTIUI#$%#^*^SDFSDHFJjVs中國設(shè)備管理網(wǎng) http://www.sbgl.netWP0 ??五、根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙合理配置新系統(tǒng)，以確保連線工藝規(guī)范、線徑合適、正確無誤、可靠美觀。 dfgsdfget45768@3245ERTIUI#$%#^*^SDFSDHFJjVs中國設(shè)備管理網(wǎng) http://www.sbgl.netWP0 ??六、調(diào)試必須按事先確定的步驟和要求進(jìn)行。調(diào)試人員應(yīng)頭腦冷靜，隨時(shí)記錄，以便發(fā)現(xiàn)和解決問題。調(diào)試中首先試安全保護(hù)、系統(tǒng)靈敏度，防止發(fā)生人身及設(shè)備事故。 3 第二章 設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求 第二章 設(shè)計(jì)的任務(wù)及要求 在本次改造中以CA6140普通車床為例，重點(diǎn)將放在車床的橫向進(jìn)給系統(tǒng)和刀架，下面將介紹改造的具體任務(wù)和要求。 2.1 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架數(shù)控改造設(shè)計(jì)的任務(wù) 本次設(shè)計(jì)任務(wù)是將CA6140型普通車床的橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架數(shù)控改造與設(shè)計(jì)，根據(jù)工作量及時(shí)間要求完成以下內(nèi)容： 1.數(shù)控改造總體方案設(shè)計(jì) 2.橫向進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)，刀架機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)。裝配圖兩張，零件圖兩張。 3.橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)及計(jì)算，選擇伺服電機(jī)。刀架機(jī)械部分改造設(shè)計(jì)及計(jì)算，選擇伺服電機(jī)。 2.2 CA6140橫向進(jìn)給系統(tǒng)及刀架數(shù)控改造設(shè)計(jì)的要求 本次設(shè)計(jì)要求是將CA6140型普通數(shù)控車床的橫向進(jìn)給系統(tǒng)改造成由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，絲杠螺母副傳動(dòng)，開環(huán)控制的進(jìn)給系統(tǒng)。要求改造后的車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)具有以下功能： 1.保證原機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的功能不變； 2.橫向直線，圓弧插補(bǔ)； 3.螺紋切削； 4.軟件自動(dòng)變速驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)； 5.掉電保護(hù)、越位報(bào)警、急停、復(fù)位等輔助功能。 刀架部分是拆除原刀架，換上設(shè)計(jì)好的自動(dòng)換刀裝置。要求改造后具有以下功能： 1.能一次裝夾多把刀具； 2.通過指令能快速的自動(dòng)換刀。 4 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第三章 改造設(shè)計(jì)的總體方案 3.1設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 并不是所有的舊機(jī)床都可以進(jìn)行數(shù)控改造，機(jī)床的改造主要應(yīng)具備兩個(gè)條件：第一，機(jī)床基礎(chǔ)件必須有足夠的剛性。第二，改造的費(fèi)用要合適，經(jīng)濟(jì)性好。在改裝車床前，要對機(jī)床的性能指標(biāo)做出決定。改裝后的車床能加工工件的最大回轉(zhuǎn)直徑以及最大長度、主電動(dòng)機(jī)功率等一般都不會(huì)改變。加工工件的平面度、直線度、圓柱度以及粗糙度等基本上仍決定于機(jī)床本身原有水平。主要有下述性能和精度的選擇需要在改裝前確定。 最大加工直徑： 車床身上： 400mm 車床鞍上： 210mm 最大加工長度： 1000mm 快進(jìn)速度： 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 最大切削進(jìn)給速度： 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min 脈沖當(dāng)量： 縱向 0.01mm/step 橫向 0.005mm/step 脈沖分配方式： 逐點(diǎn)比較法 控制坐標(biāo)數(shù)： 2 機(jī)床定位精度： ±0.015 溜板及刀架重力： 縱向： 800N 橫向： 600 5 第三章 橫向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改造的總體要求 自動(dòng)生降速性能： 有 起動(dòng)加速時(shí)間： 30ms 主電機(jī)功率： 7.5Kw 當(dāng)數(shù)控車床的性能和精度等內(nèi)容基本選定后，可根據(jù)此來確定改造方案。目前機(jī)床數(shù)控改造技術(shù)已經(jīng)日趨成熟，專用化的機(jī)床數(shù)控改造系統(tǒng)所具備的性能和功能一般均能滿足車床的常規(guī)加工要求。因此，較典型的車床數(shù)控改造方案可選擇為：配置專用車床數(shù)控改造系統(tǒng)，更換進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的滑動(dòng)絲杠傳動(dòng)為滾珠絲杠傳動(dòng)、采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、配置脈沖發(fā)生器實(shí)現(xiàn)螺紋加工功能、配置自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀功能。 3.2改造方案的確定 由于被改裝的機(jī)床本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)不是按數(shù)控機(jī)床的要求設(shè)計(jì)的，其精度和剛度等性能指標(biāo)往往不能滿足數(shù)控機(jī)床的要求，因此將普通機(jī)床改造為全功能的數(shù)控機(jī)床，一味追求先進(jìn)指標(biāo)則會(huì)得不償失，所以確定總體方案的原則應(yīng)當(dāng)是在滿足生產(chǎn)需要的前提下，對原機(jī)床盡可能減少機(jī)械部分的改動(dòng)量，選擇簡單易用的數(shù)控系統(tǒng)，達(dá)到合理的性價(jià)比。本次改造設(shè)計(jì)要求就是根據(jù)這一原則提出的。根據(jù)設(shè)計(jì)要求、依據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及 床數(shù)控改造的理解，總體方案確定如下： 3.2.1系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 3.2.2機(jī)械傳動(dòng)方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲桿，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)度，盡量減少摩擦量力，選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 橫向進(jìn)給機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案： 拆除原中拖板絲桿，安裝滾珠絲桿副，為提高橫向進(jìn)給系統(tǒng)剛度，支承方式采用兩端裝止推軸承。步進(jìn)電機(jī)、齒輪箱安裝于機(jī)床后側(cè)，為了使減速機(jī)構(gòu)不影響走刀，同時(shí) 6 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 消除傳動(dòng)過程的沖擊，減速機(jī)構(gòu)采用一級傳動(dòng)，從動(dòng)輪采用雙薄片錯(cuò)位消除間隙。 刀架部分機(jī)械結(jié)構(gòu)改造方案： 刀架部分則是拆除原車床上的普通刀架，換上設(shè)計(jì)的自動(dòng)換刀裝置。 7 第四章 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)和計(jì)算 第四章 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)和計(jì)算 4.1選擇脈沖當(dāng)量 步進(jìn)電機(jī)是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)變成直線位移或角位移的執(zhí)行元件。對于每一個(gè)電脈沖步進(jìn)電機(jī)都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)恒定的步進(jìn)角位移。每一個(gè)脈沖或每步的轉(zhuǎn)角稱為步進(jìn)電機(jī)的步距角，每脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角。這個(gè)轉(zhuǎn)角經(jīng)齒輪副和滾珠絲杠使工作臺移動(dòng)一定的距離。每個(gè)脈沖所對應(yīng)的執(zhí)行元件的移動(dòng)距離，就稱為脈沖當(dāng)量或分辨率。記為，單位mm/脈沖。 脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床或工作臺進(jìn)給系統(tǒng)所要求的定位精度來確定?？紤]到機(jī)械系統(tǒng)存在傳動(dòng)誤差，脈沖當(dāng)量必須小于定位精度值。在此改造中，機(jī)床定位精度的設(shè)計(jì)要求是0.015mm,根據(jù)該精度要求可以確定縱向傳動(dòng)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.01mm。又因?yàn)闄M向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量一般為縱向進(jìn)給系統(tǒng)的一半，所以橫向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量為0.005mm。 4.2計(jì)算切削力 4.2.1縱車外圓 主切削力（N）按經(jīng)驗(yàn)公式估算： （4—1） 按切削力各分力比例可得： （4—2） （4—3） 4.2.2橫切端面 主切削力根據(jù)經(jīng)驗(yàn)比較為縱車的0.5，所以 8 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （4—4） 此時(shí)走刀力，吃刀抗力，仍按上述方法計(jì)算，則： （4—5） （4—6） 4.3滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型 由于我國現(xiàn)在已經(jīng)有了生產(chǎn)滾珠絲杠副的專業(yè)工廠，因此，這次在改造中需要的滾珠絲杠就完全沒有必要自己從頭到來研制它，只應(yīng)根據(jù)它的使用條件，承載能力和壽命等合理地選用符合需要的滾珠絲杠副就可以了。 現(xiàn)在選用滾珠絲杠副的方法比較多，但是通過比較和參考同類選用經(jīng)驗(yàn)，如果還采用經(jīng)驗(yàn)法或類比法來選用滾珠絲剛副，就容易出現(xiàn)選用不合理的現(xiàn)象，造成結(jié)構(gòu)尺寸過大，增加驅(qū)動(dòng)裝置的負(fù)荷等缺陷。目前人們認(rèn)為教合理的選用方法是按照滾珠絲杠的額定靜載荷 (其轉(zhuǎn)速)和額定動(dòng)載荷 (其轉(zhuǎn)速)及傳動(dòng)速比的要求來確定所需選用的滾珠絲杠副的公稱直徑和基本導(dǎo)程。如今各滾珠絲杠生產(chǎn)廠家都在他們所制定的結(jié)構(gòu)系列表中列出了其各型號滾珠絲剛副的的額定靜載荷和額定動(dòng)載荷值。 從實(shí)際應(yīng)用中可知，滾珠絲杠副的螺紋滾道在一定的軸向載荷作用下，經(jīng)歷一定的應(yīng)力循環(huán)之后，就要產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象。因此，當(dāng)滾珠絲杠副在較高轉(zhuǎn)速（一般轉(zhuǎn)速）下工作時(shí)，應(yīng)按其使用壽命選則基本尺寸，并校核其載荷能力是否超過額定動(dòng)載荷。當(dāng)滾珠死杠副在低速（一般轉(zhuǎn)速）下工作時(shí)，應(yīng)按其使用壽命和額定靜載荷兩種方法來確定其基本尺寸，并選擇其中較大的。當(dāng)滾珠絲杠副在靜載荷下工作時(shí)，則只需按額定靜載荷選擇其結(jié)構(gòu)尺寸。 4.3.1滾珠絲杠軸向進(jìn)給切削力的計(jì)算 因?yàn)闄M向?qū)к墳檠辔残螌?dǎo)軌，所以可用下公式計(jì)算： （4—7） 9 第四章 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)和計(jì)算 試中 K——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，燕尾形導(dǎo)軌取K=1.15 ——滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，=0.15～0.18。在此設(shè)計(jì)中取0.17。 G——溜板及刀架重力，G=600N 4.3.2滾珠絲杠的平均轉(zhuǎn)速計(jì)算 最大切削力下的進(jìn)給速度 (r/min),可取最高進(jìn)給速度的1/2～1/3(取為1/2),橫向最大進(jìn)給速度為0.3m/min,絲杠導(dǎo)程選,則滾珠絲杠的平均速度為： （4—8） 4.3.3滾珠絲杠的壽命計(jì)算 滾珠絲杠的使用壽命取，則滾珠絲杠的壽命為： （4—9） 4.3.4滾珠絲杠副在高速和定工作載荷的情況下的選用 如前所訴，滾珠死杠副在高速或較高速的情況下工作時(shí)，它的失效形式主要是螺紋滾道或滾珠表面的疲勞點(diǎn)蝕。滾珠絲杠副抵抗疲勞點(diǎn)蝕的能力用額定動(dòng)載荷表示。實(shí)驗(yàn)研究表明，滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷與使用壽命的關(guān)系為： （4—10） 式中 ——額定動(dòng)載荷，N ——滾珠絲杠副的軸向載荷，N ——滾珠絲杠副的額定壽命，轉(zhuǎn) 由上式可見，對于選定的滾珠絲杠副而言，它的使用壽命與其所承受的軸向載荷的三次方成反比，即它所承受的軸向載荷越大則其使用壽命越短。 對于在轉(zhuǎn)速，和工作壽命時(shí)間T一定的條件下，滾珠絲杠副的總轉(zhuǎn)速N為： 10 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （4—11） 式中 ——平均轉(zhuǎn)速， ——使用壽命時(shí)間， 對應(yīng)的工作壽命為： （4—12） 在生產(chǎn)實(shí)際中常以小時(shí)數(shù)表示額定的工作壽命，則得以小時(shí)計(jì)算的滾珠絲杠副的壽命為： （4—13） 式中 ——工作壽命，h。各類機(jī)械對滾珠絲杠副的壽命要求，可以參照下表4—1 ——額定壽命，轉(zhuǎn) 表4—1各類機(jī)械對滾珠絲杠副的壽命要求及壽命系數(shù) 機(jī)械類別 壽命L（h） 壽命系數(shù)K 普通機(jī)械 5000～10000 2.15～2.71 普通金屬切削機(jī)床 10000 2.71 數(shù)控和精密機(jī)械 15000 3.11 測試機(jī)械和儀器 15000 3.11 航空機(jī)械 1000 1.26 由上表和知選中的滾珠絲杠的壽命是合乎要求的。 在高速或定載荷的情況下滾珠絲杠的工作壽命所對應(yīng)的計(jì)算動(dòng)載荷值為： 11 第四章 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)和計(jì)算 （4—14） 式中 ——滾珠絲杠副軸向進(jìn)給切削力，N ——運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，此處取1.2 ——精度系數(shù)，絲杠副精度等級選3級，則精度系數(shù)為1 對于選用的滾珠絲杠副，其計(jì)算動(dòng)載荷應(yīng)滿足下列條件： （4—15） 4.3.5滾珠絲剛副在受動(dòng)載荷的情況下的選用 車床在運(yùn)行過程中，難免存在一定的沖擊振動(dòng)，溫度等因數(shù)也會(huì)引起硬度的變化，這些都會(huì)對滾珠絲杠副的壽命產(chǎn)生影響，所以應(yīng)對其進(jìn)行計(jì)算。在此情況下滾珠絲杠副的計(jì)算動(dòng)載荷值可按下式計(jì)算： （4—16） 式中 ——壽命系數(shù)，參照表4—1選取。此處選=3.11 ——轉(zhuǎn)速系數(shù)，取=1.1 ——載荷性質(zhì)系數(shù)，參照表4—2選取。此處選=1.2 ——?jiǎng)虞d荷硬度影響系數(shù)，參照表5—3選取。此處選 ——軸向工作載荷，N 表4—2載荷性質(zhì)系數(shù) 載荷性質(zhì) 系數(shù)K 平穩(wěn)或輕微沖擊 1.0～1.2 中等沖擊 1.2～1.5 教大沖擊或振動(dòng) 1.5～2.5 表5—3硬度影響系數(shù) 12 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 硬度（HRC） 58 55 52.5 50 47.5 45 40 動(dòng)載荷硬度影響系數(shù) 1.0 1.11 1.35 1.56 1.92 2.4 3.85 靜載荷硬度影響系數(shù) 1.0 1.11 1.40 1.67 2.1 2.65 4.5 同在高速和定工作載荷情況一樣，按使用壽命選用選用滾珠絲杠副尺寸系列時(shí)，其額定動(dòng)載荷值應(yīng)等于或大于計(jì)算動(dòng)載荷值，即應(yīng)滿足下列條件： （4—17） 4.3.6按額定靜載荷選用滾珠絲杠副 滾珠絲杠副在低速（ ）下工作時(shí)，其主要失效形式螺紋滾道或滾珠表面產(chǎn)生較大的塑性變形。而滾珠絲杠副抵抗塑性變形的能力用額定靜載荷表示。當(dāng)滾珠絲杠副的工作載荷是靜載荷或其轉(zhuǎn)速小于10r/min時(shí)，則應(yīng)按額定靜載荷選用滾珠絲杠副的尺寸系列。其計(jì)算靜載荷值應(yīng)按下式計(jì)算： （4—18） 對于按額定靜載荷所選用的滾珠絲杠副，應(yīng)使其額定靜載荷值大于或等于計(jì)算靜載荷值。即應(yīng)滿足下式： （4—19） 式中 ——額定靜載荷值，N ——計(jì)算靜載荷值，N ——載荷性質(zhì)系數(shù)，可從表4—2中查出 ——靜載荷硬度影響系數(shù)，可從表5—3中查出 ——軸向工作載荷，N 4.3.7滾珠絲杠副的選型 應(yīng)該指出的是按上述3種情況選用的滾珠絲杠副的主要尺寸和預(yù)緊力對滾珠絲 13 第四章 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)和計(jì)算 杠副的傳動(dòng)特性是有一定影響的。 從滾珠絲杠副的尺寸系列表中可見，滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)是公稱直徑和基本導(dǎo)程。上述的，的確定和所加預(yù)緊力的大小對該絲杠副的傳動(dòng)特性，如剛度、傳動(dòng)精度、驅(qū)動(dòng)力矩和使用壽命等均有密切的關(guān)系。因此，在選擇滾珠絲杠副的系列尺寸時(shí)，需要加以全面的考慮。現(xiàn)就滾珠絲杠副的主要尺寸參數(shù)，和所加預(yù)緊力對其剛度、傳動(dòng)精度、驅(qū)動(dòng)力矩和使用壽命等的影響情況列表4—4中比較說明： 表4—4滾珠絲杠副的主要尺寸對其傳動(dòng)精度的影響 主要尺寸參數(shù) 剛度 位移 精度 慣量 驅(qū)動(dòng) 力矩 壽命 公稱 直徑 增大 增大 —— 增大 增大 —— 減小 減小 —— 增大 減小 —— 基本 導(dǎo)程 增大 增大 降低 減小 增大 延長 減小 減小 增高 增大 減小 降低 預(yù)緊力 增大 增大 增大 —— 增大 降低 減小 減小 降低 —— 減小 增高 根據(jù)上述的計(jì)算和分析結(jié)合滾珠絲杠副的尺寸系列或產(chǎn)品樣本就可以初選滾珠絲杠副的型號了。在此次的改造中選用江漢絲杠廠的HJG—S系列滾珠絲杠副。該系列絲杠結(jié)構(gòu)先進(jìn)，性能良好。與老結(jié)構(gòu)相比，軸向、徑向尺寸都有明顯的縮小，機(jī)械效率可達(dá)90%～95%，比梯形絲杠的效率提高了3倍左右。下表4—5就是截選自江漢絲杠廠的滾珠絲杠副的產(chǎn)品樣本。 表4—5 HJG—S系列滾珠絲杠副的尺寸系 14 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 結(jié)合上表綜合考慮，2506—3內(nèi)循環(huán)單螺母滾珠絲杠副，額定動(dòng)載荷為12945N（滿足式4—15和式4—17），額定靜載荷29026N（滿足式4—19）。 15 第四章 滾珠死杠副的設(shè)計(jì)和計(jì)算 4.3.8滾珠絲杠副的剛度驗(yàn)算 對于精密傳動(dòng)的滾珠絲杠副通常要進(jìn)行剛度驗(yàn)算。而滾珠絲杠副的剛度主要取決于該滾珠絲杠副在載荷的情況下，絲杠的軸向變形，滾珠與滾道間的接觸變形和支撐絲杠的軸承的軸向接觸變形的大小。 4.3.8.1絲杠副的軸向變形量 滾珠絲杠副的軸向變形，當(dāng)絲杠長度L較大時(shí)，它在滾珠絲杠副總的軸向變形量中所占的比重較大。其軸向變形量的大小與滾珠絲杠副的支承方式有很大關(guān)系。在此次改造中選用一端固定，一端浮動(dòng)，三點(diǎn)支承的形式。 所以滾珠絲杠副的軸向變形量為： （4—20） 式中 ——軸向進(jìn)給切削力引起導(dǎo)程的變化量 （4—21） ——軸向進(jìn)給切削力，N ——滾珠絲杠材料的彈性模量，對于鋼 A——滾珠絲杠的橫截面積 由于滾珠絲杠一端采用推力球軸承支承，又因滾珠絲杠進(jìn)行了預(yù)緊，故絲杠的剛度可比一端固定的絲杠提高4倍左右。所以其實(shí)際變形量為： （4—22） 4.3.8.2滾珠與螺紋滾道間接接觸變形 對于滾珠絲杠副，其滾珠與螺紋滾道在工作過程中會(huì)產(chǎn)生接觸變形，該變形量在 16 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 總的變形量中也占有較大的比重。應(yīng)該注意的是滾珠與螺紋滾道間接接觸變形在有無預(yù)緊時(shí)的變形量是有很大區(qū)別的，在本次改造中因?yàn)闈L珠絲杠要進(jìn)行預(yù)緊，所以應(yīng)按下式計(jì)算： （4—23） 式中 ——軸向進(jìn)給切削力，N ——預(yù)緊力，N（一般取的1/3） ——滾珠直徑，mm （4—24） ——工作螺母的滾珠數(shù)目。 （4—25） ——圈數(shù) ——列數(shù) ——一圈的滾珠數(shù)目 （4—26） 其中一圈的滾珠數(shù)目不可能為小數(shù)，所以取整為19。 ——滾珠絲杠的公稱直徑 4.3.8.3支承滾珠絲杠副軸承的軸向變形 由于滾珠絲杠副大都采用滾動(dòng)軸承支承，次改造也不例外。在實(shí)際應(yīng)用中，如果支承滾珠絲杠副的軸承剛度不足，將會(huì)影響到整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)的精度。為了保證絲杠副的工 17 第四章 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)和計(jì)算 作性能，必須提高支承滾珠絲杠副軸承的剛度。在眾多軸承系列中，推力球軸承能較大提高軸向剛度，所以在此改造中選用推力球軸承。但是，支承滾珠絲杠副的推力球軸承仍會(huì)產(chǎn)生一定的變形量，此變形量對整個(gè)剛度還是有較大影響。其變形量的計(jì)算過程：如下： （4—27） 式中 ——軸承的軸向載荷，N ——軸承的滾動(dòng)體數(shù)目 ——軸承的滾動(dòng)體直徑 因?yàn)閭鲃?dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了預(yù)緊，所以 （4—28） 除上述變形外，螺母座及軸承支座（含緊固螺釘）的變形也會(huì)影響到滾珠絲杠副的剛度。但是，該變形量的計(jì)算較為困難，一般根據(jù)滾珠絲杠副的精度要求在結(jié)構(gòu)上盡量增強(qiáng)螺母座及軸承剛度，而不做變形量的計(jì)算。 所以，滾珠絲杠副的剛度驗(yàn)算，主要是校核絲杠副的軸向變形量、滾珠與螺紋滾道間接接觸變形和支承滾珠絲杠副軸承的軸向變形三者之和不大于滾珠絲杠副傳動(dòng)精度所允許精度的一半。即： （4—29） （4—30） 絲杠副的傳動(dòng)精度等于機(jī)床定位精度的0.8倍，所以 （4—31） 由4—29、4—30、4—31可知，滾珠絲杠副的剛度是符合要求的。 18 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4.3.9滾珠絲杠副的穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于在此次改造中滾珠絲杠副采用一端推力球軸承支承一端固定的支承方式，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，所以不用做絲杠的穩(wěn)定性驗(yàn)算。 通過上述的驗(yàn)算分析，所選滾珠絲杠副完全符合使用要求。 19 第五章 減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 第五章 減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算 為了減小沖擊和調(diào)整步進(jìn)電機(jī)的輸出速度，在步進(jìn)電機(jī)和絲杠之間加一個(gè)減數(shù)器。在此只對減速器的齒輪做設(shè)計(jì)，其他部件如支承齒輪的軸和軸承等根據(jù)實(shí)際情況而定。 由設(shè)計(jì)要求可知橫向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠的導(dǎo)程為6mm, 初選的步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角為，由此可計(jì)算傳動(dòng)比如下： （5—1） 式中 ——電動(dòng)機(jī)步距角 ——滾珠絲杠導(dǎo)程 ——步進(jìn)電機(jī)步距角 由式5—1可知，橫向傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比為5/2，小于5，所以可以選擇一級傳動(dòng)。大小齒輪均采用45鋼并進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。選小齒輪硬度HBS為260～290，大齒輪硬度為HBS220～250。齒輪副精度選為6級。 由傳動(dòng)比公式可知大小齒輪 的齒數(shù)有多種分配方式，但是在此次改造任務(wù)中要盡量減小減速器的重量和合適的外觀尺寸。綜合考慮下做出如下選擇： 中心距： （5—2） （5—3） （5—4） （5—5） 20 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （5—6） （5—7） （5—8） 在這次設(shè)計(jì)中為了減小減速器的外觀尺寸，所以大小齒輪均采用懸臂布置，由此可確定齒寬系數(shù)為0.2，故大齒輪的齒寬為： （5—9） （5—10） 由式5—10取。 21 第六章 步進(jìn)電機(jī)的選型及計(jì)算 第六章 步進(jìn)電機(jī)的選型及計(jì)算 目前在伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中常用的是步進(jìn)電機(jī)、電液脈沖馬達(dá)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)等設(shè)備。在此次改造設(shè)計(jì)中選用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)設(shè)備，它與其他設(shè)備相比有如下優(yōu)點(diǎn)： ① 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速僅取決于脈沖頻率，而不受電壓高低、電流大小及波形的影響。 ② 可以開環(huán)控制，也可閉環(huán)控制，控制靈活。開環(huán)控制不需要位置或速度的檢測元件，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，能方便的控制脈沖的個(gè)數(shù)和脈沖的頻率實(shí)現(xiàn)定位和調(diào)速。采用位置反饋和速度反饋的閉環(huán)控制系統(tǒng)，不僅可以控制精確的位置和平穩(wěn)的轉(zhuǎn)速，而且擴(kuò)大了步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。 ③ 輸出轉(zhuǎn)角（步距角）沒有長期積累誤差。每轉(zhuǎn)一圈，積累誤差會(huì)自動(dòng)消除。 ④ 啟動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)及其他運(yùn)行方式的改變，都可以在少量的脈沖周期內(nèi)完成，并具有定位轉(zhuǎn)矩。 選用步進(jìn)電機(jī)主要考慮三個(gè)問題，一是步距角要滿足系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的要求；二是滿足最大靜轉(zhuǎn)矩的要求；三是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)頻率、工作運(yùn)行轉(zhuǎn)矩與運(yùn)行頻率必須滿足所選電機(jī)型號相應(yīng)的啟動(dòng)矩頻特性和工作矩頻特性。 6.1等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量可由下式計(jì)算： （6—1） 式中 ——總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ——小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ——大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ——滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ——電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， ——工作臺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以按下式計(jì)算： 22 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （6—2） 小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （6—3） 大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （6—4） 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （6—5） 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為110BF，由此可知電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為4.7 。 工作臺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （6—6） 所以傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量為： （6—7） 6.2根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號 6.2.1步距角 初選步進(jìn)電機(jī)型號為110BF003，并從步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表（見《機(jī)電設(shè)計(jì)指導(dǎo)》）中查出步距角或。 23 第六章 步進(jìn)電機(jī)的選型及計(jì)算 從式5—1可知，步距角、減速比、脈沖當(dāng)量和絲杠導(dǎo)程有如下關(guān)系： （6—8） 初選電動(dòng)機(jī)型號時(shí)要合理選擇步距角和傳動(dòng)比。結(jié)合分析和式5—1可以確定電動(dòng)機(jī)的步距角為。 6.2.2矩頻特性 6.2.2.1空載啟動(dòng)所需力矩 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電動(dòng)機(jī)在沒有外加工作載荷情況下的啟動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)所需的空載力矩可按下式計(jì)算： （6—9） 式中 ——空載啟動(dòng)力矩， ——空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)行部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩 ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩， ——由于絲杠預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 加速力矩計(jì)算： （6—10） 式中 ——傳動(dòng)系統(tǒng)各部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ——為電機(jī)最大角加速度， ——與運(yùn)動(dòng)部件最大進(jìn)給速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 （6—11） 24 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） ——為運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)家加速到最大快速進(jìn)給所需要的時(shí)間（一般為30ms） ——為運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 ——脈沖當(dāng)量 ——電機(jī)步距角 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩的計(jì)算： （6—12） 式中 ——運(yùn)動(dòng)部件總重量 ——為導(dǎo)軌摩擦系數(shù) ——齒輪傳動(dòng)比 ——傳動(dòng)總效率 ——絲杠導(dǎo)程 附加力矩計(jì)算： （6—13） 式中 ——滾珠絲杠預(yù)緊力 ——滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取大于或等于0.9 結(jié)合式6—10、式6—12和式6—13就可以得出步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)力矩了。即式 25 第六章 步進(jìn)電機(jī)的選型及計(jì)算 6—9計(jì)算如下： （6—14） 6.2.2.2快速移動(dòng)時(shí)所需力矩 （6—15） ——快速移動(dòng)所需力矩 ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩， ——由于絲杠預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 6.2.2.3最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 （6—16） 式中 ——附加摩擦力矩， ——摩擦力矩， ——折算到電機(jī)軸上的工作載荷，對于數(shù)控系統(tǒng)則是切削負(fù)載力矩，按下試計(jì)算： （6—17） 上式中的為沿進(jìn)給方向的切削負(fù)載，因?yàn)檐嚨栋惭b在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上，如下圖所示： 26 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 圖6—1車削時(shí)進(jìn)給拖板上的載荷關(guān)系 從上述分析計(jì)算可以很明顯的看出在快速空載啟動(dòng)、快速移動(dòng)和最大切削負(fù)載三種工況下，以快速空載啟動(dòng)所需力矩最大，故以此種情況作為選擇步進(jìn)電機(jī)的主要依據(jù)。由步進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù)表可查出初選電動(dòng)機(jī)110FB003的最大靜轉(zhuǎn)矩，即： （6—18） 步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩有如下表關(guān)系： 表6—1步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩關(guān)系 步進(jìn)電機(jī) 相數(shù) 三相 四相 五相 六相 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 選擇步進(jìn)電機(jī)為三相六拍，則步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為： （6—19） 所選步進(jìn)電機(jī)型號需滿足下式： （6—20） 由計(jì)算結(jié)果可以明顯看出滿足式6—18。所以電機(jī)型號110BF003可作為選擇型號。但是還需進(jìn)一步校核步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 27 第六章 步進(jìn)電機(jī)的選型及計(jì)算 6.3啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性校核 步進(jìn)電機(jī)有三種工況：啟動(dòng)，快速進(jìn)給運(yùn)行，工進(jìn)運(yùn)行。 前面已經(jīng)提出，這僅僅是指初選步進(jìn)電機(jī)后檢查電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，還不能保證電機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)會(huì)不會(huì)丟步。因此，還必須要對步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率進(jìn)行校核。同理，電機(jī)的快進(jìn)和工進(jìn)時(shí)也不一定會(huì)不會(huì)丟步，所以在后面還要對電機(jī)的快進(jìn)、工進(jìn)的運(yùn)行矩頻特性作校核。 6.3.1啟動(dòng)矩頻校核 步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)分突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)，下面就分別作介紹： 6.3.1.1突跳啟動(dòng) 在零時(shí)刻（），步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率從零突跳為最大運(yùn)行頻率，如圖6—1，即瞬間。但在實(shí)際應(yīng)用中，突跳是不可能瞬間完成的，實(shí)際上突跳的過程極短，但是加速力矩會(huì)很大，啟動(dòng)時(shí)丟步是無法避免的。因此，突跳啟動(dòng)是很少用的。 圖6—2 步進(jìn)電機(jī)的突跳啟動(dòng) 6.3.1.2升速啟動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，在零時(shí)刻（），啟動(dòng)頻率。在一段時(shí)間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速，如圖6—2。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到最高運(yùn)行速度，此時(shí)相應(yīng)的運(yùn)行頻率為，即當(dāng)時(shí)，啟動(dòng)過程結(jié)束，啟動(dòng)頻率與最高運(yùn)行頻率相等，即。在整個(gè)升速、勻速運(yùn)行、降速過程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時(shí)間足夠長，啟動(dòng)過程緩慢，空載啟動(dòng)力矩中的加速力矩就不會(huì)很大，一般就不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降 28 四川理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 低了工作效率。升速時(shí)間過短，則步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩中的加速力矩就會(huì)很大，就容易發(fā)生丟步現(xiàn)象了。所以需要校核啟動(dòng)矩頻特性。 圖6—3步進(jìn)的升速啟動(dòng) 初選步進(jìn)電機(jī)110BF003，從它的啟動(dòng)頻矩特性曲線圖6—3中由前面計(jì)算出的空載啟動(dòng)力矩值找出對應(yīng)的啟動(dòng)啟動(dòng)頻率。 圖6—4 110BF003啟動(dòng)矩頻特性 當(dāng)啟動(dòng)力矩，對應(yīng)的啟動(dòng)頻率。啟動(dòng)頻率應(yīng)小于允許的啟動(dòng)頻率，即：