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1、v .资 料.专业课课程设计设计说明书 设计题目：数控 X-Y工作台设计 学 生：洪炎丰 学 号：8 班 级：机制 1062 指导教师：张健、李伟洪 广东海洋大学工程学院机械系 2010 年 2 月 28 日 .Word 资料 目录 序言3 摘要 4 设计目的 4 设计要求 4 总体方案设计5 机械系统设计计算 6 1、确定脉冲当量 6 2、确定传动比 6 3、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 7 4、步进电动机的选型和计算 11 5、导轨的选型和计算 13 6、启动矩频特性校核 14 控制系统设计 18 第一节 控制系统硬件的基本组成 18 第二节 步进电机控制电路 18 步进电机控制程序设计 2
2、0 其它电路辅助设计24 设计总结24 参考文献25 工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制
3、系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 序言 据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又
4、能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3 到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业
5、产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；柔性强；#易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在
6、旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社
7、会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 摘要 本课程设计是对铣床进行改造，目的在于培养对机电一体化产品的设计能力，重点是对所学知识的巩固和加强，为毕业设计及将来的工作打下坚实的基础。本课程设计由序言、设计要求、总体方案、进给系统设计、控制系统设计，以及相应元件的选择与确定和主程序框图、数控化电路原理组成。由于本人经验不足，以及对知识掌握程度的限制，设计过程还存在某方面的错漏，敬请老师提出宝贵意见。设计目的 数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特
8、别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题-数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。设计要求 课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并
9、在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机 I/O 接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。说明书的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。该课程设计的内容及方法，可以归纳如下：1.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或
10、单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。3.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。4.学会使用手册及图表资料。工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床
11、自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 总体方案设计 一般来讲，普通铣床的数控改造主要有两部分，一是设计一套简易微机数控X-Y 工作台，固定在铣床的工作台上。二是将控制铣刀上、下运动的手柄拆去，改用微机控制步进电机通过一级减速装置使铣头上下运动。本设计只对X-Y 工作台进行设计。取铣床步进
12、电机的脉冲当量可选为0.01mm/脉冲，步进电机的步距角0.9。方案 1系统运动方式的确定 数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控铣床在工作台移动过程中铣头并不进行铣孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。2伺服系统的选择 伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不
13、受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提
14、高。为此，考虑到在普通立式铣床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。3执行机构传动方式的确定 为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点：1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。2）尽量消除传动间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消隙结构。3）缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴
15、向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。X-Y 工作台传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。4计算机系统的选择 计算机数控系统一般由微机部分、I/O 接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。在简易数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。如何采用Z80CPU 或MCS-51 单片机组成的微机应用系统。工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床
16、这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 Z80CPU 有芯片价廉，通用性强，维修方便等特点。MCS-51 单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快和很高的性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用MCS-51 系列单片机作为主控制器。5实施 保留原机床主传动链，保留铣
17、床工作台和控制工作台移动手柄，在原工作台上安装一套微机数控的X-Y 工作台。由于X-Y 工作台的运动部件重量和切削力不大，因此选用有预加载荷的滚珠导轨。采用滚动导轨可减小两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm要求，需采用齿轮降速传动。综上所述，本文改造的总体方案确定为：采用MCS-51 单片机对数据进行计算处理，由I/O 接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等，机械系统设计 设计参数 系统分
18、辩率为 0.01mm,其它设计参数见下表：最大铣刀直径mm 最大铣削 宽度ae 最大铣削 深度 ap 加工材料 工作台加工 范围（mm）最大移动 速度 20mm 8mm 6mm 碳钢 x=200,y=150 3m/min 机械系统设计计算 1.脉冲当量的确定 根据机床精度要求确定脉冲当量，考虑到机械传动系统的误差存在。脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计确定脉冲当量为0.01mm/步.二.铣削力分析与计算 铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀
19、,铣刀材料选择高速钢.根据工件材料为碳钢可确定铣削力的计算公式：工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映
20、到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 FZ=9.81CFzae0.86af0.72d0-0.86apZ 式中各参数如下:CFz铣削力系数，CFz=68.2（表 2-3）ae 最大铣削宽度，本设计为 8mm ap 背吃刀量，本设计为 3mm Z 铣刀齿数，齿数取 3 d0 圆柱铣刀直径，查得 d0=20mm(技术指导)af 每齿进给量（mm/齿），即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，查得af=0.10mm/齿（技术指导）故：FZ=9.81 68.2 80.860.100.7220-0.8633=547 N 2.齿轮传动比计算 进给齿
21、轮箱传动比计算 已确定进给脉冲当量p=0.01mm滚珠丝杠导程 L=4mm，初选步进电机步距角 0.9。可计算出传动比 i：i=pbL360=0.94/360 0.01=1 因传动比为 1，这时可以使步进电机直接与丝杆联接，有利于简化结构，提高精度。3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型（1）计算进给牵引力Fm（N）工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高
22、加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 滚珠丝杠上的工作载荷 Fm(N)是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。直线滚动导轨的计算公式：Fm=KFLf，(FvFcG)式中 K考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨 K=1.1 f滚动导轨摩擦系数:0.0025 0.005；这里
23、取 0.005 G 移动部件的重力（N）：G=600N FL工作台纵向进给方向载荷 Fc工作台横向进给方向载荷 Fv工作台垂直进给方向载荷 由表 2-4查得，FL/FZ=0.90，FL=0.9FZ=493 N Fc/FZ=0.80，Fc=0.8FZ=438N Fv/FZ=0.40，Fv=0.4FZ=219 N 故：Fm=1.1 4930.005（438219600）=548N（2）计算最大动负载 C 滚珠丝杠最大动载荷可用下式计算 C=3LfmFm 工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和
24、计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 L=61060nt n=01000Lv v=afZn，式中：L工作寿命、以 106转为单位。fm 运转系数,按一般运转取
25、 fm=1.2 1.5;这里取 fm=1.5。Fm-滚珠丝杠工作载荷（N）t使用寿命，按 15000h；n-丝杠的转速 L0 滚珠丝杠导程，初选 L0=4mm；v最大切削力下的进给速度 a-每齿进给量（mm/齿）af=0.06mm/齿 Z-铣刀齿数，Z=5 n，-铣刀转速，区别与以上丝杠转速 n，n，取为 1000r/min v=0.06 51000=0.3 m/min n=01000Lv=(1000 0.3)/4=75minr L=10606tn=(60 7515000)/106=67.5 r 工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传
26、动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 C=3LfmFm=4.1 1.2858.17=3.35kN(3)螺母副的
27、选型 根据最大动载荷和公称直径选外循环滚动螺母副，选用中国南京工艺装备制造有限公司生产的 FFZL型 内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杠副,规格代号为FFZL2004-3，公称直径=20mm,滚珠直径为 Dw=3mm,圈数列数=31,螺距为4mm,螺旋升角为=338。(4)传动效率计算 =)(tgtg 式中丝杠螺旋升角,=338 摩擦角，取 10 =)(tgtg=0.064/0.0664=0.9638=96.4%(5)刚度验算 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图4-20 所示，最大牵引力为548N，支承间距 L=500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 1/3。工程学院机械系
28、年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Wo
29、rd 资料 图4-20纵向进给系统计算简图LJpGZ2 J2Z1J1Jm 1 丝杠的拉伸或压缩变形量1 1=EALFm Fm丝杠的工作载荷（N）；L滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm）；L=500mm E材料的弹性模量，对钢 E=20.6410Mpa;A滚珠丝杠按内径确定的截面积（mm2）。A=3.14 d2/4=3.14 16.92/4=224.3 mm2 故：1=(548 500/20.6 410224.3)=0.0059(mm）2 滚珠与螺纹滚道间接触变形2 有预紧：2=0.0013 32ZFDYJwmF(mm)=0.0014mm Dw为滚珠直径（mm）,D=3mm；z为滚珠总数量：zZ圈
30、数列数 工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的
31、精度现已有一些 .Word 资料 Z为一圈的滚珠数，外循环 Z=wmDd=3.14 20/3=21；故：z2131=63；md-为滚珠丝杠的公称直径（mm）,md=20mm YJF为预紧力，此处单位为 kgf，为轴向工作载荷的 1/3 时，YJF=FL/3=493/3=164N=16.8kgf mF为滚珠丝杠工作载荷，单位为 kgf。mF=548/9.8=55.9kgf 有预紧：2=0.0013 32ZFDYJwmF(mm)2=1/22=0.0014mm 3 滚珠丝杠副刚度的验算 丝杠的总变形量21应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统的定位精度的一半：21=0.0059+0.0014=
32、0.00730.025/2mm=0.0125mm(定位精度的一半)。(6)压杆稳定性验算 验算滚珠丝杠尺寸和支承方式后，应验算丝杠在承受最大轴向载荷时是否会产生纵向弯曲。滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷 FK(N)为 22LEIfFZk工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度
33、不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 E为材料的弹性模量，对钢 E=20.6 104Mpa;I为截面惯性矩，对丝杠圆截面：I=d14/64=3.14 16.94/64=4002.2mm4 L丝杠最大工作长度（mm）；L=500 mm fZ为丝杠支承方式系数，这里滚珠丝杠的支承方式采用一端固定一端简
34、支的方式，所以 fZ2 22/KzFfEIL23.14220.6 1044002.2/5002=2.0731 104N nk=Fk/Fm=2.0731 104/548=37.8 nk=4 所以，该滚珠丝杠不会失稳。nk许用稳定性安全系数，nk=2.54 4.纵向步进电机的计算和选型 一、初选步进电机 57BYG4504,步距角 b=0.9 0360bpQ Li,满足要求.二、矩频特性:等效转动惯量计算 1.滚珠丝杠转动惯量 JS=0.78D4L10-3(kfcm2)L-丝杠长度,设定为 500mm=50cm D-丝杠公称直径,D=20mm=2cm JS=0.78 245010-3=0.624
35、cm2 2.工作台转动惯量 工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动
36、化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 JG=(L0/2)2M L0-丝杠导程,L0=4mm=0.4cm M-工作台质量,M=62kg JG=(0.4/2 3.04)262=0.248 cm2 3.联轴器转动惯量 根据钢的直径为(20,22)选用定位螺丝固定平行式联轴器，型号为 SLK2-100-0608(广州菱科自动化设备有限公司)，查得：JL=0.068 cm2 4.步进电机转子转动惯量 根据初选电机型号,查得转子转动惯量为:JZ=0.46 cm2 故：J=JSJGJLJZ=0.634 0.248 0.068 0.46=1.462 cm2 三、步进电机所需空载启动的计算kqM
37、 0kqkakfMMMM kaM空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩（Ncm）；Mkf为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（Ncm）；Mo电丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。(1)加速度力矩kaM Mka=J2nmax10-2/60t(N cm)nmax=vmaxb/360 p t-运动部件从静止启动加速到最大快速所需的时间,t=0.3s vmax-运动部件最大快进速度（mm/min）,vmax=3m/min=3000mm/min 工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的
38、选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 b-初选步距角，b=0.9 nmax-与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速(r/min)故：nmax=3000 0.9/（36
39、00.01）=750 r/min Mka=1.462 23.14 75010-2/60 0.3=3.83N cm (2)空载摩擦力矩kfM Mkf=Gf L0/2 i(Ncm)G-运动部件的总重量（N），G=600N f 导轨上的摩擦系数，f=0.005;-传动系统总效率，一般取 =0.7 0.85,这里取 =0.85 Lo滚珠丝杠基本导程，Lo=0.4 cm.空载摩擦力矩：Mkf=Gf L0/2 i=6000.005 0.4（23.14 0.85 1）=0.225 Ncm(3)附加摩擦力矩 Mo M0=FYJL0（1-2）/2 i -丝杠未预紧时的传动效率，一般取o0.9，这里取o=0.96
40、；FYJ预加载荷，一般为最大轴向载荷的31,即 FYJ=31FL=183N M0=183 0.4(1-0.962)/(2 3.14 0.96 1)=0.950N cm 上述三项合计：步进电机空载启动力矩：MokfkakqMMM =3.830.2250.950 工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更
41、新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料=5.005（Ncm）步进电机名义启动力矩：从产品系列及性能参数根据电机型号查出步进电机为四相八拍；从表 2-17 根据电机拍数查出启动转矩最大静转矩 Mkq与最大静转矩的关系为 Mkq/Mjmax1=0.707 故：Mjmax1=Mkq/0.707=4.58/0.707=6.471Ncm 运动部件正常工作（数控机
42、床为工作台开始工进）时，电动机的启动为带负载启动，其总负载转矩 Mfq可按下式计算 Mfq=MkaMkfM0Mf Mf=FL/2 i(Ncm)F-作用在工作台的合力，F=（FL2FV2FC2）1/2=694.4N Mf-合力 F折算到电机上的转矩 故:Mf=694.4 0.4/（23.140.85 1）=52.01 N cm Mfq=5.005 52.01=57.015 N cm 运动部件正常运行时所需的最大静转矩 Mjmax2=Mfq/0.5=57/0.5=114 Ncm 根据电机型号查得步进电机最大静转矩:Mjmax=1.4N m=140N cm 所以 MjmaxMjmax2Mjmax1
43、初选电机型号时应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动力矩，即 Mjmaxmax Mjmax1，Mjmax2所以初选电机 57BYG4504 能满足要求。5导轨的选用与校核 工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要
44、求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 初选滚动导轨 选取中国南京工艺装备制造有限公司的GGB AA-AAL 四方向等载荷型滚动直线导 轨 副,其 额 定 载 荷Coa为 6.8KN，Ca 为 6.07KN，参 数 如 下：单 位 2)对导轨进行按下式进行校核：350WCTHaFffffCL 式中:L为滚动导轨副的距离额定寿命（km）本设计 L定为 50km；aC为额定载荷，查表aC=6.07kN；F为每个滑块上的工作载荷（N
45、）F本设计设定为 588N；Hf为硬度系数，导轨面的硬度为 58-64HRC 时Hf=1.0；Tf为温度系数，当工作温度不超过 100C 时，Tf=1；Cf为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时Cf=0.81；Wf为载荷/速度系数，无明显冲击振动或 v60m/min时，Wf=1.5-2 这里选择Wf=2。CTHwaffffLFC350/=58835050 2（10.81 1）=1361Nfq=1200 Hz,步进电机会不丢步。（2）电机快速进给矩频特性较核 最高运行频率fmax maxmax100060pVf 式中：Vmax运动部件最大快进速度 HzVfp500001.0603100060100
46、0maxmax 快进时已经不存在加速力矩项 Ma,并且一般处于空载状态，故快速进给力矩 MJK=okfMM 其中：M0为附加摩檫力矩（Ncm），MKF为快进时的折算到电机的摩檫力矩（Ncm）。所以：MJK=okfMM=1.175（Ncm）由图 2 可知道快进力矩对应允许快进频率FYK近似为 20000Hz，FmzxFYK，所以电机不会丢步。（3）、工进运行距频特性校核 工进步进电机的运行频率GJf：100060GGJpVf 式中：GV最大工作进给速度 HzVfpGGJ50001.0603.01000601000 工进时，步进电机运行所需力矩 Mkj可按下式计算：tMfGJMMMM0 （式 2-
47、39）式中：工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加
48、工的精度现已有一些 .Word 资料 0M附加摩擦力矩，fM摩擦力矩 tM折算到电机轴上的工作负载力矩 0()()2Vff FG LMN cmi (式 2-40)0()2iiF LMN cmi (式 2-41)式中：Fv垂直方向作用于工作台的工作载荷 Ft沿进给方向的切削负载，Ft=FL cmNMMfMMcmNiLFMcmNiLGFfMtGJttVf232.38893.36389.0950.0893.36185.024.04932389.0185.024.0)600438(005.02)(000 在图 2 初选步进电机的运行矩频率特性曲线中，对应工进频率 fGJ查到的允许工进运行力矩 MYJ=
49、1.08N m MGJ=0.382N m，满足工进时运行距频特性的要求。（4）步进电机的安装尺寸 工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新替代现有的机床无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可术改造迫切要求解决的重要课题在过去的几十年里金属切削机床的基本动作原理变化不大但社会生产力特别是微
50、电子技术计算机技术的应用发展快反映到机床控制系统上它既能提高机床的自动化程度又能提高加工的精度现已有一些 .Word 资料 步进电机安装尺寸/控制系统设计 第一节 控制系统硬件的基本组成 MCS-51 系列 8031 芯片 第二节 步进电机控制电路 一、开环伺服系统的原理图工程学院机械系年月日资料目录序言摘要设计目的设计要求总体方案设计机械系统设计计算确定脉冲当量确定传动比滚珠丝杠螺母副的选型和校核步进电动机的选型和计算导轨的选型和计算启动矩频特性校核控制系统设计第一节控序言据资料介绍我国拥有多万台机床绝大部分都是多年累积生产的普通机床这些机床自动化程度不高加工精度低要想在短时期内用自动化程度