X502型立式铣床微机数控改装机电一体化课程设计完整版【含CAD图纸】
一、确定总体方案:如更换丝杆,把手轮拆卸换成步进电机、齿轮箱更换二、机械系统的设计 1 力学分析 2 滚珠丝杠选用计算 强度校核、 效率计算 、刚度验算 、稳定性验算 3 齿轮的转动力矩相关计算 转动惯量计算 、所需转动力矩计算 、齿轮模块设计、 精度等级的选择 、齿轮的轴向定位及计算(估算 、计算(验算) 、轴间齿轮模数的计算(验算)、按接触疲劳计算齿轮模数、根据弯曲疲劳计算、齿轮模数的验算4 步进电机的选择 三、数控系统设计:单片机及其扩展 1 存储器扩展电路 2 步进电机驱动电路 3 键盘显示电路 4 其它电路:报警、限位等5 控制面板设计6 数控机床的零件加工程序 课程设计指导书(第一章)1第 一 章 课 程 设 计 的 目 的 和 要 求第 一 节 课 程 设 计 的 目 的 和 内 容机 电 一 体 化 产 品 ( 或 工 程 ) 课 程 设 计 的 目 的 在 于 培 养 学 生 对 机 电 一 体 化 产 品 的 设 计能 力 。 鉴 于 机 电 一 体 化 产 品 设 计 正 处 在 发 展 阶 段 , 有 必 要 在 全 面 阐 述 课 程 设 计 的 目 的 和 要求 之 前 , 对 机 电 一 体 化 技 术 和 产 品 有 系 统 的 了 解 。一 、 机 电 一 体 化 概 述新 技 术 革 命 以 微 电 子 技 术 为 先 导 , 以 电 子 计 算 机 的 发 展 内 及 其 普 遍 应 用 为 标 志 , 给 整个 国 民 经 济 、 社 会 生 活 和 工 厂 企 业 带 来 了 深 刻 的 变 化 。 计 算 机 和 微 电 子 技 术 的 迅 速 发 展 ,促 进 了 电 子 技 术 与 机 械 技 术 的 有 机 结 合 , 不 仅 使 各 种 机 械 设 备 以 崭 新 的 面 貌 出 现 , 而 且 产生 了 一 些 单 纯 靠 机 械 或 电 子 技 术 都 难 以 达 到 优 良 功 能 的 新 产 品 。现 代 工 业 大 量 采 用 “复 合 化 技 术 ”。 复 合 是 指 一 些 相 同 或 不 同 的 领 域 的 技 术 , 有 机地 组 合 ( 融 合 ) 形 成 一 种 具 有 新 功 能 地 技 术 , 机 电 一 体 化 也 是 一 种 复 合 化 技 术 , 其 效 果 表现 为 以 下 两 种 形 式 。1、 机 械 产 品 的 电 子 化原 有 的 机 械 产 品 由 于 采 用 了 电 子 技 术 , 使 产 品 在 质 量 、 功 能 、 效 率 和 节 能 方 面 向 更 高水 平 发 展 , 或 使 产 品 产 生 新 的 功 能 。( 1) 在 原 有 的 机 械 产 品 上 采 用 电 子 控 制 设 备 , 实 现 高 性 能 和 多 功 能 。 例 如 , 微 计 算 机 控制 的 数 控 机 床 、 电 子 式 自 动 变 速 器 、 全 自 动 洗 衣 机 和 工 业 机 器 人 等 。( 2) 原 来 起 控 制 作 用 的 机 构 被 电 子 装 置 所 取 代 。 例 如 电 子 缝 纫 机 中 用 微 处 理 器 代 替 了 原来 的 凸 轮 机 构 。( 3) 原 来 执 行 信 号 处 理 功 能 的 机 械 被 电 子 装 置 所 取 代 。 例 如 石 英 电 子 钟 表 代 替 了 机 械 式钟 表 , 全 电 子 电 话 交 换 机 代 替 了 机 电 式 电 话 交 换 机 等 ;( 4) 机 械 的 主 功 能 被 全 部 取 代 。 例 如 , 1950 年 的 电 火 花 加 工 机 床 , 1970 年 的 计 算机 控 制 线 切 割 机 床 等 均 能 代 替 原 有 的 机 械 加 工 功 能 。2、 机 械 技 术 与 电 子 技 术 有 机 结 合 开 辟 了 两 者 单 独 都 达 不 到 的 新 的 应 用 领 域( 1) 信 息 设 备 和 电 子 装 置 有 机 结 合 。 例 如 传 真 机 、 打 印 机 等 ;( 2) 检 测 系 统 中 电 子 装 置 与 结 构 有 机 结 合 。 例 如 自 动 探 伤 机 、 CT 扫 描 诊 断 装 置 和生 物 化 学 自 动 分 析 仪 等 ;二 、 课 程 设 计 的 目 的机 电 一 体 化 系 统 设 计 课 程 设 计 是 机 电 一 体 化 系 统 课 程 的 最 后 一 个 教 学 环 节 , 同 时 也 是一 次 对 学 生 进 行 全 面 的 机 电 一 体 化 设 计 训 练 , 其 基 本 目 的 是 :1、 综 合 运 用 机 电 一 体 化 系 统 设 计 课 程 和 其 它 有 关 先 修 课 程 的 理 论 及 生 产 实 践 的 知 识 去 分析 和 解 决 机 电 一 体 化 系 统 设 计 问 题 , 并 使 所 学 知 识 得 到 进 一 步 巩 固 和 深 化 ;2、 学 习 机 电 一 体 化 系 统 设 计 的 一 般 方 法 , 了 解 和 掌 握 常 用 的 机 电 一 体 化 系 统 中 的 机 械 设计 及 接 口 电 路 的 设 计 方 法 , 培 养 正 确 的 设 计 思 想 和 分 析 问 题 、 解 决 问 题 的 能 力 , 特 别使 总 体 设 计 和 零 部 件 设 计 的 能 力 ;3、 通 过 计 算 和 绘 图 , 学 会 运 用 标 准 、 规 范 、 手 册 、 图 册 和 查 阅 有 关 技 术 资 料 等 , 培 养 机电 一 体 化 系 统 设 计 的 基 本 技 能 。目 前 , 国 内 外 专 家 认 为 , 构 成 机 电 一 体 化 系 统 的 因 素 很 多 , 但 归 纳 起 来 主 要 有 五 大 要素 。 机 电 一 体 化 系 统 一 般 由 动 力 、 传 感 器 、 机 械 主 体 、 执 行 机 构 和 计 算 机 等 五 大 要 素 组 成 。课程设计指导书(第一章)2五 大 要 素 的 性 能 越 好 , 配 合 越 协 调 , 其 总 体 功 能 就 发 挥 得 越 充 分 , 它 们 的 相 互 关 系 如 图 1-1、 图 1-2 所 示 。机 电 一 体 化 产 品 作 为 一 个 系 统 , 核 心 问 题 是 控 制 。 按 其 控 制 系 统 , 有 单 一 输 入 、 输 出的 简 单 系 统 , 也 可 能 包 括 多 参 量 的 系 统 , 采 用 古 典 控 制 理 论 和 传 递 函 数 的 数 学 模 型 已 无 法达 成 有 效 的 控 制 , 采 用 现 代 控 制 理 论 和 计 算 机 的 技 术 手 段 , 有 可 能 从 硬 件 和 软 件 两 个 方 面进 行 系 统 分 析 , 用 状 态 方 程 的 数 学 模 型 对 系 统 进 行 动 态 描 述 , 利 用 计 算 机 的 信 息 处 理 功 能和 控 制 功 能 达 到 最 优 控 制 。如 图 1-3 所 示 , 机 电 一 体 化 系 统 的 硬 件 一 般 由机 械 主 体 部 分 、 传 感 器 、 信 息 处 理 部 分 和 执 行 元 件 构成 。数 控 机 床 一 般 都 涉 及 上 述 内 容 , 是 机 电 一 体 化 的典 型 产 品 之 一自 1952 年 美 国 开 发 数 控 铣 床 以 来 , 日 本 在1957 年 开 发 了 数 控 车 床 , 1958 年 开 发 了 带 刀 具 自动 更 换 装 置 的 自 动 送 料 装 置 , 1959 年 开 发 了 数 控坐 标 镗 床 。数 控 机 床 的 早 期 产 品 中 数 控 装 置 是 专 用 的 , 但 近 年 来 数 控 装 置 中 的 逻 辑 电 路 已 被 计 算机 取 代 , 从 而 实 现 了 控 制 多 样 化 和 多 功 能 化 , 这 些 控 制 功 能 包 括 输 入 输 出 控 制 功 能 、 运 算处 理 功 能 和 其 它 控 制 功 能 ( 如 自 动 校 正 ) 等 。从 复 合 化 技 术 的 观 点 看 , 增 强 控 制 功 能 , 使 数 控 机 床 操 作 自 动 化 , 不 是 最 终 目 的 , 也很 难 说 是 好 的 机 电 一 体 化 产 品 , 控 制 功 能 应 达 到 最 佳 控 制 和 自 适 应 控 制 , 为 此 应 增 加 诊 断功 能 , 通 过 传 感 器 反 馈 , 实 现 加 工 智 能 化 , 并 保 证 系 统 的 可 靠 性 。数 控 机 床 是 高 级 机 械 产 品 , 由 于 采 用 了 电 子 控 制 设 备 , 实 现 了 高 性 能 和 多 功 能 , 属 于上 述 机 器 的 电 子 化 第 一 类 情 况 。其 它 如 工 业 机 器 人 、 电 火 花 加 工 机 等 , 它 们 的 设 计 内 容 可 归 纳 为 以 下 几 个 方 面 :1、 采 用 微 机 ( 包 括 单 片 机 ) 进 行 数 据 采 集 、 处 理 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 。2、 选 用 驱 动 控 制 电 路 , 对 执 行 机 构 进 行 控 制 。 主 要 考 虑 电 机 的 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 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 的 主 要 功 能 ( 如 传 递 运 动 、 动 力 、 位 置 控 制 、 微 调 、 精 密 定 位 或 高 速运 转 等 ) , 进 行 力 ( 力 矩 ) 、 负 载 功 率 、 惯 性 ( 转 动 惯 量 ) 、 加 ( 减 ) 速 控 制 和误 差 计 算 , 提 出 装 配 图 和 零 件 加 工 图 , 提 出 对 电 机 驱 动 和 计 算 机 控 制 要 求 。4、 采 用 传 感 器 和 计 算 机 控 制 要 求 。课程设计指导书(第一章)35、 学 会 使 用 手 册 及 图 表 资 料 。并 非 每 一 个 机 电 一 体 化 产 品 都 包 括 上 述 全 部 内 容 , 但 作 为 课 程 设 计 , 则 尽 可 能 多 涉 及一 些 。第 二 节 课 程 设 计 的 要 求一 、 设 计 的 要 求课 程 设 计 的 内 容 主 要 是 为 对 原 有 普 通 机 床 进 行 数 控 改 造 , 通 过 课 程 设 计 完 成 以 下 工 作量 :1、 机 械 装 配 图 1 张 ( A1)2、 系 统 硬 件 电 路 原 理 图 1 张 ( A1)3、 编 写 完 整 的 设 计 计 算 说 明 书机 械 装 配 图 及 系 统 硬 件 电 路 图 需 采 用 计 算 机 出 图 , 说 明 书 内 容 应 包 括 : 课 题 来 源 现 实意 义 , 总 体 方 案 的 确 定 , 系 统 框 图 的 分 析 , 电 气 执 行 元 件 的 选 用 步 骤 , 机 械 传 动 设 计 计 算以 及 机 械 和 电 气 其 它 部 分 的 选 用 说 明 , 由 于 要 求 学 生 对 所 进 行 的 设 计 能 系 统 明 确 的 表 达 ,说 明 书 一 般 不 少 于 30 页 。课 程 设 计 必 须 经 过 答 辩 , 合 格 者 取 得 学 分 , 并 记 入 考 试 成 绩 中 。二 、 课 程 设 计 时 间 安 排 ( 仅 供 参 考 , 具 体 由 指 导 教 师 安 排 )周 日 程( 天 ) 工 作 内 容 安 排2了 解 设 计 任 务 书 , 明 确 设 计 要 求 、 工 作 条 件 、 设 计 内 容 和 步 骤 , 针对 设 计 任 务 收 集 资 料 , 进 行 系 统 总 体 方 案 的 确 定 , 画 出 系 统 的 设 计框 图13 机 械 部 分 的 改 装 设 计 计 算 ( 丝 杠 和 电 机 )3 用 AUTOCAD 画 出 改 装 部 分 的 机 械 设 计 装 配 图1 确 定 硬 件 系 统 的 组 成21 光 电 耦 合 电 路 及 功 率 放 大 电 路 的 设 计2 用 Protel 画 出 系 统 硬 件 部 分 的 电 路 图2 编 写 完 整 的 设 计 说 明 书31 整 理 设 计 资 料 , 提 交 给 指 导 教 师 并 进 行 答 辩三 、 注 意 事 项在 设 计 过 程 中 要 注 意 :1) 独 立 思 考 , 继 承 与 创 新任 何 设 计 都 不 可 能 是 设 计 者 独 出 心 裁 、 凭 空 想 象 , 不 依 靠 任 何 资 料 所 能 实 现 的 。 设 计时 , 要 认 真 阅 读 参 考 资 料 , 继 承 或 借 鉴 前 人 的 设 计 经 验 和 成 果 , 但 不 能 盲 目 地 全 盘 抄 袭 ,应 根 据 具 体 地 设 计 条 件 和 要 求 , 独 立 思 考 , 大 胆 地 进 行 改 进 和 创 新 , 只 有 这 样 , 才 能 做 出高 质 量 地 设 计 。2) 全 面 考 虑 系 统 的 强 度 、 刚 度 、 工 艺 性 、 经 济 性 和 维 护 等 要 求 ;任 何 产 品 机 构 和 尺 寸 的 要 求 , 除 了 考 虑 它 的 强 度 和 刚 度 外 , 还 应 综 合 考 虑 零 件 本 身 及整 个 部 件 的 工 艺 性 要 求 ( 如 加 工 和 装 配 工 业 性 ) 、 经 济 性 要 求 ( 如 制 造 成 本 低 ) 、 使用 要 求 ( 如 维 护 方 便 ) 等 才 能 确 定 。3) 使 用 标 准 和 规 范课程设计指导书(第一章)4设 计 时 应 尽 量 使 用 标 准 和 规 范 , 这 有 利 于 零 件 的 互 换 性 和 工 艺 性 , 同 时 也 可 减 少 设 计工 作 量 , 节 省 设 计 时 间 , 对 于 国 家 标 准 或 部 门 规 范 , 一 般 都 要 严 格 遵 守 和 执 行 。 设 计 中 采用 标 准 或 规 范 的 多 少 , 是 评 价 设 计 质 量 的 一 项 标 准 。 因 此 , 在 课 程 设 计 中 , 凡 有 标 准 或 规范 的 , 应 尽 量 采 用 。课程设计指导书(第三章)14第 三 章 机 床 进 给 伺 服 系 统 机 械 部 分 设 计 计 算主 要 内 容 ( 横 向 )( 垂 直 方 向 ) 、台 上 )工 作 载 荷 ( 在 进 给 工 作传 动 系 统 等 效 转 动 惯 量和 传 动 比脉 冲 当 量基 本 计 算 CVLp FFJi步 进 电 机 的 选 型 及 校 核 及 校 核滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 选 型基 本 设 计 谐 波 减 速 器 选 型同 步 带 传 动 设 计齿 轮 传 动 消 隙 方 法其 他 精 密 传 动基 本 要 求 1、 掌 握 脉 冲 当 量 的 概 念 。 正 确 理 解 传 动 比 i 对 脉 冲 当 量 和 传 动 系 统 结 构 设 计 的影 响 。2、 理 解 各 传 动 部 件 转 动 惯 量 向 电 机 轴 折 算 的 目 的 ; 掌 握 传 动 系 统 等 效 转 动 惯 量 的 计算 方 法 。3、 掌 握 车 削 、 铣 削 的 切 削 力 分 析 及 计 算 , 注 意 应 用 简 便 的 公 式 和 实 验 数 据 。 理 解 工作 台 上 进 给 方 向 载 荷 FL、 垂 直 方 向 载 荷 FV、 横 向 载 荷 FC 与 切 削 力 有 何 对 应 关 系 。4、 掌 握 滚 珠 丝 杠 副 工 作 载 荷 ( 轴 向 牵 引 力 ) 的 计 算 公 式 ; 滚 珠 丝 杠 副 的 分 类 、 主 要参 数 、 代 号 标 注 、 预 紧 方 式 、 选 型 及 校 核 的 方 法 和 步 骤 。 理 解 滚 珠 丝 杠 副 最 大 动 载 荷 校 核的 实 质 是 工 作 寿 命 校 核 ( 类 同 滚 动 轴 承 ) 、 刚 度 验 算 的 实 质 是 轴 向 变 形 量 校 核 、 稳 定 性校 核 的 实 质 是 细 长 杆 纵 向 屈 曲 校 核 。5、 掌 握 步 进 电 机 的 选 型 核 校 核 方 法 。 理 解 最 大 静 转 矩 校 核 、 启 动 矩 频 特 性 校 核 、 运行 矩 频 特 性 校 核 的 不 同 点 。6、 了 解 齿 轮 传 动 消 隙 的 意 义 , 正 确 选 用 齿 轮 传 动 消 隙 的 方 法 。第 一 节 脉 冲 当 量 和 传 动 比 的 确 定机 械 系 统 的 主 要 技 术 参 数 通 常 由 设 计 任 务 书 或 产 品 样 本 给 出 , 一 般 包 括 功 能 参 数 和精 度 参 数 两 部 分 。 例 如 , 一 台 立 式 钻 削 加 工 中 心 使 用 的 两 坐 标 ( X 和 Y) 数 控 十 字工 作 台 主 要 功 能 参 数 有 最 大 钻 孔 直 径 ( mm) , 工 作 台 尺 寸 ( 长 宽 ) ( mm) 、 坐 标 行程 ( X、 Y) ( mm) 、 快 速 定 位 速 度 ( m/min) 等 , 主 要 精 度 参 数 有 定 位 精 度 ( mm) 、重 复 定 位 精 度 ( mm) 等 。课程设计指导书(第三章)15一 、 确 定 系 统 脉 冲 当 量脉 冲 当 量 是 衡 量 数 控 机 床 加 工 精 度 的 一 个 基 本 技 术 参 数 。 每 个 脉 冲 所 对 应 的 执 行 机 构( 如 工 作 台 ) 的 移 动 距 离 , 称 为 脉 冲 当 量 。 记 为 , 单 位 是 mm/脉 冲 。p应 根 据 机 床 或 工 作 台 进 给 系 统 所 要 求 的 定 位 精 度 来 选 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 。 例 如 , 普 通 车 床 进 行 数 控 改 造 , 对 于 机床 定 位 精 度 的 设 计 要 求 是 , 根 据 该 精 度 要 求 可 确 定 脉 冲 当 量 为m015.。 又 如 , 某 数 控 镗 铣 加 工 中 心 的 数 控 工 作 台 要 求 重 复 定 位 精 度 为脉 冲/01.mp, 根 据 该 精 度 确 定 脉 冲 当 量 为 。6 脉 冲/03.mp经 济 型 数 控 车 床 、 铣 床 常 采 用 的 脉 冲 当 量 是 0.010.005mm/脉 冲 , 经 济 型 数 控 磨床 常 采 用 脉 冲 当 量 为 0.0020.001mm/脉 冲二 、 传 动 比 的 选 定设 传 动 副 的 传 动 比 为 i, 若 为 一 对 齿 轮 减 速 传 动 , 则 , z1 为 主 动 齿 轮 的 齿2i数 , z2 为 从 动 齿 轮 的 齿 数 。 若 是 多 级 齿 轮 减 速 , 则 i 为 总 传 动 比 , 确 定 总 传 动 比 后 ,首 先 根 据 总 减 速 比 分 配 各 级 齿 轮 减 速 比 , 再 计 算 和 选 取 各 级 齿 轮 齿 数 。对 于 步 进 电 机 , 当 脉 冲 当 量 确 定 后 , 初 选 定 步 进 电 机 的 步 距 角 后 , 可 根 据 下 式b计 算 初 该 伺 服 传 动 系 统 总 的 传 动 比 。pbLi360式 中 : 步 进 电 机 的 步 距 角 )滚 珠 丝 杠 的 基 本 导 程 (步 )脉 冲 当 量 (bp mL0/尽 可 能 使 i=1, 这 样 可 使 步 进 电 机 直 接 与 丝 杠 连 接 , 有 利 于 简 化 结 构 , 提 高 精 度 。齿 轮 的 模 数 一 般 为 m=12,数 控 钻 取 m=1,数 控 车 和 数 控 铣 取 m=2; 齿 轮 宽b=(36)m,为 了 消 除 齿 轮 侧 隙 , 齿 宽 可 加 大 到 ( 610) m第 二 节 工 作 载 荷 分 析 及 计 算切 削 力 的 计 算 可 有 多 种 方 法 , 对 于 数 控 车 床 来 说 , 可 采 用 按 经 验 公 式 计 算 切 削 力 法 、按 切 削 用 量 计 算 切 削 力 法 和 按 主 电 机 功 率 计 算 切 削 力 法 三 种 ; 对 于 数 控 铣 床 来 说 , 可 采 用按 切 削 用 量 计 算 切 削 力 法 和 按 主 电 机 功 率 计 算 切 削 力 法 两 种 。 按 切 削 用 量 计 算 切 削力 法 计 算 比 较 复 杂 , 但 计 算 出 来 的 切 削 力 较 为 准 确 , 而 按 主 电 机 功 率 计 算 切 削 力 法 计 算 较为 简 单 , 但 由 于 主 轴 电 机 功 率 往 往 都 是 按 最 大 功 率 原 则 选 取 的 缘 故 , 用 这 样 计 算 的 主 轴 切削 力 来 计 算 x、 y 轴 的 驱 动 电 机 的 额 定 转 矩 ( 或 额 定 功 率 ) 的 冗 余 量 会 很 大 , 造 成 成 本 大为 提 高 。 在 设 计 时 要 根 据 实 际 要 求 选 择 一 种 切 削 力 的 计 算 方 法 , 一 般 来 说 , 对 于 经 济 型 数控 车 床 , 可 选 择 用 经 验 公 式 计 算 切 削 力 , 对 于 经 济 型 数 控 铣 床 , 可 采 用 按 主 电 机 功 率 计 算切 削 力 法 。课程设计指导书(第三章)16一 、 车 削1、 车 削 抗 力 分 析车 削 外 圆 时 的 切 削 抗 力 Fx, Fy 及 Fz 如 图 3-1 所 示 。 主 切 削 力 Fz 与 切 削 速 度 v的 方 向 一 致 , 垂 直 向 下 , 是 计 算 车 床 主 轴 电 机 切 削 功 率 的 主 要 依 据 。 切 深 抗 力 Fy 与纵 向 进 给 方 向 垂 直 , 影 响 加 工 精 度 或 已 加 工 表 面 质 量 。 进 给 抗 力 Fx 与 进 给 方 向 平 行且 相 反 指 向 , 设 计 或 校 核 时 要 用 到 它 。图 3-1 车 削 时 进 给 拖 板 上 的 载 荷2、 拖 板 工 作 载 荷 的 计 算( 1) 确 定 主 切 削 力 Fz1) 用 经 验 公 式 计 算纵 切 : )(67.05.1maxNDz横 切 : zDmax-车 床 床 身 上 加 工 最 大 直 径 ( mm)2) 按 切 削 用 量 计 算 ZzFzFzz nypFz KvfC)60(81.9yyyyyxyaxxFxFxx npFxf)(.式 中 : Fz, Fy, Fx-主 切 削 力 、 切 深 抗 力 、 进 给 抗 力 ( N)ap-切 削 深 度 ( mm) 、 v-切 削 速 度 ( mm/s) 、 f-进 给 量 ( mm/r)、 为 修FzFzyFyFxxzyx zC、 xyZFK、正 系 数 , 包 括 由 于 工 件 材 料 强 度 、 硬 度 改 变 、 刀 具 材 料 改 变 、 刀 具 几 何 角 度 不 同 等 因 素 对切 削 力 的 修 正 系 数 。3) 采 用 主 电 机 功 率 确 定由 于 Fz 与 Fy 所 消 耗 的 切 削 功 率 可 以 忽 略 不 计 , 因 此 车 床 的 切 削 功 率 Pm 为课程设计指导书(第三章)17)(103kWvFPzm式 中 : Fz 和 v 的 单 位 分 别 为 N 和 m/s.考 虑 到 机 床 的 传 动 效 率 , 机 床 的 电 机 功 率 PE 为)(3kvmzE式 中 : 为 机 床 主 传 动 系 统 传 动 效 率m精 密 机 床 : 85.0中 型 机 床 : 7大 型 机 床 : .因 此 , 主 切 削 力 Fz 的 大 小 可 以 按 机 床 主 电 机 功 率 计 算)(103NvPmE式 中 : v 可 取 主 轴 传 递 全 部 功 率 时 的 最 低 切 削 速 度 ( m/s) 。 ( 2) 进 给 抗 力 Fx 和 切 深 抗 力 Fy 的 确 定进 给 抗 力 Fx 和 切 深 抗 力 Fy 可 按 下 列 比 例 分 别 求 出4.0:251:yz因 为 车 刀 装 夹 再 拖 板 上 的 刀 架 内 , 车 刀 受 到 的 车 削 抗 力 将 传 递 到 进 给 拖 板 和 导 轨 上 。如 图 3-1 所 示 , 车 削 作 业 时 作 用 在 进 给 拖 板 上 的 载 荷 FL, FV 和 FC 与 车 刀 所 受 到 的 车削 抗 力 有 对 应 关 系 。 因 此 , 作 用 在 进 给 拖 板 上 的 载 荷 可 以 按 下 式 求 出拖 板 上 进 给 方 向 载 荷 FL=Fx拖 板 上 垂 直 方 向 载 荷 Fv=FZ拖 板 上 横 向 方 向 载 荷 Fc=Fy 二 、 铣 削1、 铣 削 抗 力 分 析铣 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 上 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 。 圆 柱 铣 刀 和 端 铣 刀 的 切 削 部 分 都 可 以 看 作 车 刀 头 部 的 演 变 ,铣 刀 的 每 一 个 刀 齿 相 当 于 一 把 车 刀 , 它 的 切 削 基 本 规 律 与 车 削 相 似 , 所 不 同 的 是 铣 刀 回 转 ,刀 齿 数 多 。通 常 都 假 定 铣 削 时 铣 刀 受 到 的 铣 削 抗 力 是 作 用 在 刀 齿 的 某 一 点 上 , 如 图 3-2 所示 。 设 刀 齿 上 受 到 的 切 削 抗 力 的 合 力 为 F, 将 F 沿 铣 刀 轴 线 、 径 向 和 切 向 进 行 分 解 ,则 分 别 为 轴 向 铣 削 力 Fx, 径 向 铣 削 力 Fy 和 切 向 铣 削 力 Fz。 切 向 铣 削 力 Fz 是 沿 铣 刀主 运 动 方 向 的 分 力 , 它 消 耗 铣 床 主 电 机 功 率 ( 即 铣 削 功 率 ) 最 多 , 因 此 , 切 向 铣 削 力 Fz 可按 铣 削 功 率 Pm(kW)或 主 电 机 功 率 PE( kW) 算 出 。对 于 现 有 机 床 的 改 装 设 计 , 可 以 从 已 知 机 床 的 电 机 功 率 和 主 轴 上 传 动 的 功 率 反 推 出 工作 台 进 给 时 的 铣 削 力 。 若 该 机 床 的 主 传 动 和 进 给 传 动 均 用 一 个 电 机 , 进 给 传 动 的 功 率 较小 , 可 在 主 传 动 功 率 上 乘 以 一 个 系 数 。 由 机 床 设 计 手 册 查 得 铣 床 传 动 系 数k=0.85。课程设计指导书(第三章)18图 3-2 铣 削 力 及 工 作 台 上 的 载 荷主 传 动 功 率 包 括 切 削 功 率 Nc, 空 载 功 率 Nm0, 附 加 功 率 Nmc 三 部 分 , 即N=Nc+Nm0+Nmc。 空 载 功 率 Nm0 是 当 机 床 无 切 削 负 载 时 主 传 动 系 统 空 载 所 消 耗 得 功 率 ,对 于 一 般 轻 载 高 速 的 中 、 小 型 机 床 , 可 达 总 功 率 的 50%, 现 取 Nm0=0.5N, 附 加 功 率Nmc 是 指 有 了 切 削 载 荷 后 所 增 加 的 传 动 件 的 摩 擦 功 率 , 它 直 接 与 载 荷 大 小 有 关 。 可 以 用 下式 计 算 , Nmc=( 1-) Nc, 所 以 总 功 率 为 : )(1(5.0kWc为 传 动 效 率 主 电 机 的 功 率主 轴 上 的 传 动 功 率则 : )(2.kc在 进 给 传 动 中 切 削 功 率 )(25.0kNct切 削 时 在 主 轴 上 的 扭 矩 为 .9cmnMtn式 中 : n-主 轴 的 最 小 转 速 ( r/min)切 向 切 削 力 )(NdFnz式 中 : d-铣 刀 的 最 大 直 径 ( cm)2、 进 给 工 作 台 工 作 载 荷 计 算作 用 在 进 给 工 作 台 上 的 合 力 F/与 铣 刀 刀 齿 上 受 到 的 铣 削 抗 力 的 合 力 F 大 小 相 同 ,课程设计指导书(第三章)19方 向 相 反 , 如 图 3-2 所 示 。 合 力 F/就 是 设 计 和 校 核 工 作 台 进 给 系 统 时 要 考 虑 的 工 作 载 荷 ,它 可 以 沿 着 铣 床 工 作 台 运 动 方 向 分 解 为 三 个 力 : 工 作 台 纵 向 进 给 方 向 载 荷 FL,工 作台 横 向 进 给 方 向 载 荷 FC 和 工 作 台 垂 直 进 给 方 向 载 荷 Fv。工 作 台 工 作 载 荷 FL, FC 和 Fv 与 铣 刀 的 切 向 铣 削 力 Fz 之 间 有 一 定 的 经 验 比 值( 见 表 3-1) 。 因 此 , 求 出 Fz 后 , 即 可 计 算 出 进 给 工 作 台 的 工 作 载 荷 FL, FC 和 Fv。表 3-1 铣 削 加 工 的 主 切 削 力 与 其 它 切 削 分 力 的 比 值不 对 称 铣 削铣 削 条 件 比 值 对 称 铣 削逆 铣 顺 铣zLF0.30.4 0.60.9 0.150.3zv0.850.95 0.450.7 0.91.0端 铣ae=(0.40.8)dt(mm)af=0.10.2(mm/齿 ) zcF0.50.55 0.50.55 0.50.55zL1.01.2 0.80.9zv0.20.3 0.750.8圆 周 铣 削 ( 立 铣 刀 、 圆 柱 铣 刀 、盘 铣 刀 、 片 铣 刀 和 成 形 铣 刀 等 )ae=0.05dt(mm)af=0.10.2(mm/齿 ) zcF_0.350.4 0.350.4注 意 : 对 于 不 对 称 铣 削 加 工 , 由 于 无 法 确 定 在 实 际 加 工 时 是 顺 铣 或 是 逆 铣 , 因 此 设 计时 因 以 顺 铣 或 是 逆 铣 中 的 最 大 值 为 设 计 时 选 择 的 依 据 。第 三 节 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 选 型 和 校 核一 、 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 类 型 选 择滚 珠 丝 杠 副 是 由 丝 杠 、 螺 母 、 滚 珠 等 零 件 组 成 的 机 械 元 件 , 其 作 用 是 将 旋 转 运 动 转变 为 直 线 运 动 或 将 直 线 运 动 转 变 为 旋 转 运 动 , 它 是 传 统 滑 动 丝 杠 的 进 一 步 延 伸 发 展 。这 一 发 展 的 深 刻 意 义 如 同 滚 动 轴 承 对 滑 动 轴 承 所 带 来 得 改 变 一 样 。 滚 珠 丝 杠 副 因 优 良 的 摩擦 特 性 使 其 广 泛 的 运 用 于 各 种 工 业 设 备 、 精 密 仪 器 、 精 密 数 控 机 床 。 尤 其 是 近 年 来 ,滚 珠 丝 杠 副 作 为 数 控 机 床 直 线 驱 动 执 行 单 元 , 在 机 床 行 业 得 到 广 泛 运 用 , 极 大 的 推 动 了 机床 行 业 的 数 控 化 发 展 。 这 些 都 取 决 于 其 具 有 以 下 几 个 方 面 的 优 良 特 性 : 传 动 效 率 高 、定 位 精 度 高 、 传 动 可 逆 性 、 使 用 寿 命 长 、 同 步 性 能 好 。滚 珠 丝 杠 螺 母 副 一 般 由 专 业 厂 生 产 并 成 套 供 货 , 且 都 附 有 使 用 说 明 书 , 其 中 除 列 有 型号 、 规 格 、 螺 母 安 装 面 的 结 构 等 外 , 还 附 有 允 许 负 载 、 预 加 负 载 、 刚 度 、 典 型 支 撑 方 式 、驱 动 力 矩 和 功 率 等 指 导 性 材 料 供 设 计 时 参 考 。滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 设 要 选 择 结 构 类 型 : 确 定 滚 珠 循 环 方 式 、 滚 珠 丝 杠 副 的 预 紧 方 式 ;结 构 类 型 确 定 之 后 , 再 计 算 和 确 定 其 它 技 术 参 数 , 包 括 : 公 称 直 径 、 导 程 、 滚 计 首 先 珠 的工 作 圈 数 和 列 数 、 精 度 等 级 等 。课程设计指导书(第三章)20表 3-2 国 产 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 不 同 循 环 方 式 比 较内 循 环 外 循 环循 环 方 式浮 动 式 固 定 式 插 管 式 螺 旋 槽 式JB3162.1-82部 标 代 号 F G C F循 环 滚 珠 链 最 短 , 螺 母 外 径 比 外 循环 小 , 结 构 紧 凑 , 反 向 装 置 刚 性 好 ,寿 命 长 , 扁 圆 形 反 向 器 的 轴 向 尺 寸短 , 制 造 工 艺 复 杂循 环 滚 珠 链 较 长 , 轴 向 排 列 紧 凑 , 承 载 能 力 较高 , 径 向 尺 寸 较 大结 构 特 点具 有 较 好 的 摩 擦 特性 , 预 紧 力 矩 为 固定 反 向 器 的1/31/4, 在 预 紧力 时 , 预 紧 力 矩 上升 平 缓制 造 、 装 配 工艺 性 不 佳 , 摩擦 特 性 次 于F 型 , 优 于L 型结 构 简 单 , 工 艺 性 优良 , 适 合 成 批 生 产 ,回 珠 管 可 设 计 、 制 造成 较 理 想 的 运 动 通 道在 螺 母 体 上 的 回 珠 螺旋 槽 与 回 珠 孔 不 易 准确 平 滑 联 接 , 拐 弯 处曲 率 变 化 较 大 , 滚 珠运 动 不 平 稳 , 挡 珠 机构 刚 性 差 易 磨 损适 用 场 合各 种 高 灵 敏 、 高 刚 度 的 精 密 进 给 定位 系 统 。 重 载 荷 、 多 头 螺 纹 、 大 导程 不 宜 采 用重 载 荷 传 动 、 高 速 驱动 及 精 密 定 位 系 统 。在 大 导 程 、 小 导 程 、多 头 螺 纹 中 显 示 出 独特 优 点一 般 工 程 机 械 、 机 床 。在 高 刚 度 传 动 和 高 速运 转 的 场 合 不 宜 采 用备 注 是 内 循 环 产 品 中 ,有 发 展 前 途 的 结 构正 逐 渐 被 F型 取 代是 目 前 应 用 最 广 泛 的结 构表 3-3 国 产 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 预 加 负 载 方 式 及 其 特 点预 加 负载 方 式双 螺 母 齿差 预 紧双 螺 母 垫片 预 紧双 螺 母 螺纹 预 紧变 位 导 程 单 螺 母 自 预 紧单 螺 母 钢 珠过 盈 预 紧部 标代 号 Ch D L B结 构 特点可 实 现0.002mm 以 下精 密 微 调 , 预紧 可 靠 不 会 松弛 , 调 整 预 紧力 较 方 便结 构 简 单 , 刚性 高 , 预 紧 可靠 , 不 易 松 弛 ,适 用 中 不 便 随时 调 整 预 紧 力预 紧 力 调 整 方 便适 用 中 随 时 调 整 ,不 能 定 量 微 调 螺母 , 轴 向 尺 寸 长结 构 最 简 单 ,尺 寸 最 紧 凑 ,避 免 了 双 螺 母形 位 误 差 的 影响 , 使 用 中 不能 随 时 调 整结 构 简 单 , 尺 寸紧 凑 , 不 需 任 何附 加 预 紧 机 构 。预 紧 力 大 时 , 装配 困 难 , 使 用 中不 能 随 时 调 整调 整 方法当 需 重 新 调 整预 紧 力 时 , 脱开 差 齿 圈 , 相对 于 螺 母 上 的齿 在 圆 周 上 错位 , 然 后 复 位 。改 变 垫 片 的 厚度 尺 寸 , 可 使双 螺 母 重 新 获得 所 需 的 预 紧力旋 转 预 紧 螺 帽 使双 螺 母 产 生 相 对轴 向 位 移 , 预 紧后 需 锁 紧 螺 帽拆 下 滚 珠 螺 母 , 精 确 测 量 原 装 钢 球直 径 , 然 后 根 据 预 紧 力 需 要 , 重 新更 换 装 入 大 若 干 微 米 的 钢 球适 用 场合要 求 获 得 准 确预 紧 力 的 精 密定 位 系 统高 刚 度 、 重 载荷 的 传 动 定 位系 统 , 目 前 用得 较 普 遍不 要 求 得 到 准 确预 紧 力 , 但 希 望随 时 可 调 节 预 紧力 大 小 的 场 合中 等 载 荷 对 预紧 力 要 求 不 大 ,又 不 经 常 调 节预 紧 力 的 场 合 。课程设计指导书(第三章)21二 、 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 型 号 选 择 及 校 核 步 骤1、 计 算 最 大 工 作 载 荷 Fm滚 珠 丝 杠 螺 母 副 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 进 给 牵 引 力 。 它 包 括 滚 珠 滚 珠 丝 杠 上 的走 刀 抗 力 及 与 移 动 体 重 力 和 作 用 在 导 轨 上 的 其 他 切削 分 力 相 关 的 摩 擦 力 ( 如 图 3-3) 。 Fm 可 以 用 表3-4 中 的 实 验 公 式 计 算 。表 3-4 最 大 工 作 载 荷 Fm 的 计 算 式导 轨 类 型 m参 数矩 形 导 轨 )( GfKFCVLm 15.0.fK燕 尾 形 导 轨 2 24三 角 形 或 综 合 导 轨 )(fVL 8.f上 列 摩 擦 系 数 均 是 指 滑 动 导 轨 , 如 果 采 用 贴 塑 导 轨 , 滚 动 导 轨053f, 静 压 导 轨05.2.f 05.f2、 计 算 最 大 动 负 载 CmHwFfL3L-寿 命 610nTn-丝 杠 转 速 ( r/min) , 0Lvsvs-最 大 切 削 力 条 件 下 的 进 给 速 度 (m/min),可 取 最 高 切 削 进 给 速 度 的 312L0-丝 杠 的 导 程 (mm)T-使 用 寿 命 ( h) , 对 于 数 控 机 床 T=15000hfw-运 转 系 数fH-硬 度 系 数表 3-5 运 转 系 数 表 表 3-6 硬 度 系 数 表运 转 状 态 运 转 系 数无 冲 击 运 转 1.01.2一 般 运 转 1.21.5有 冲 击 运 转 1.52.5从 手 册 或 样 本 的 滚 珠 丝 杠 副 的 尺 寸 系 列 表 中 可 以 找 出 相 应 的 额 定 动 载 荷 Ca 的 滚珠 丝 杠 螺 母 副 的 尺 寸 规 格 和 结 构 类 型 , 选 用 时 应 使 。aC单 独 只 根 据 选 择 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 , 将 得 到 很 多 型 号 , 因 此 在 选 择 之 初 时 还 因aCHRC 硬 度 系 数 58 1=55 1.11=52.2 1.35=50 1.56=45 2.4图 3-3 工 作 载 荷课程设计指导书(第三章)22考 虑 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 的 基 本 导 程 的 大 小 , 一 般 来 说 , 导 程 越 小 , 传 动 系 统 的 精 度 越 高 , 因此 实 际 应 用 时 以 基 本 导 程 为 4、 6、 8 的 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 最 为 常 用 , 超 过 12mm 以 上的 大 螺 距 丝 杠 副 很 少 采 用 。因 此 设 计 时 要 选 择 基 本 导 程 为 4、 6、 和 8, 并 且 其 满 足 条 件 的 三 组 滚 珠 丝aC杠 螺 母 副 型 号 进 行 检 验 。 检 验 的 内 容 包 括 三 项 : 传 动 效 率 验 算 、 刚 度 的 检 验 、 稳 定 性 的 检验 , 只 有 当 这 三 项 都 符 合 要 求 后 , 才 表 示 该 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 符 合 设 计 要 求 , 否 则 必 须 重 新选 择 。 若 有 多 组 数 据 都 满 足 要 求 , 以 基 本 导 程 较 大 的 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 作 为 最 终 选 择 。3、 传 动 效 率 计 算)(tg式 中 : 其 摩 擦 角 约 等 于 滚 动 摩 擦 系 数摩 擦 角 , 滚 珠 丝 杠 副 的丝 杠 螺 旋 长 升 角 10,04.3.f要 求 时 满 足 设 计 要 求 。9.04、 刚 度 验 算1) 丝 杠 的 拉 伸 或 压 缩 变 形 量 ( 在 总 的 变 形 量 中 占 的 比 重 较 大 , 可 采 用 计 算 方 法 或 图1表 的 方 法 决 定 )EFLm0)滚 珠 丝 杠 的 截 面 积 ( )(材 料 弹 性 模 数 , 对 钢 )滚 珠 丝 杠 的 导 程 ( )最 大 工 作 载 荷 ( )变 化 量 (作 用 下 引 起 每 一 导 程 的在 工 作 负 载 2240 /106.mFNEL mmm421dReD0螺 纹 滚 道 的 半 径偏 心 距丝 杠 的 公 称 直 径 0则 滚 珠 丝 杠 总 长 度 上 拉 伸 或 压 缩 变 形 量 为 :1L01L-滚 珠 丝 杠 在 支 承 间 的 受 力 长 度 ( mm)若 两 端 采 用 角 接 触 球 轴 承 , 且 丝 杠 由 进 行 了 预 紧 , 预 紧 力 为 最 大 工 作 载 荷 的 1/3时 , 其 拉 伸 刚 度 可 比 一 端 固 定 的 丝 杠 提 高 4 倍 , 其 实 际 变 形 量 为 :1/2) 滚 珠 与 螺 纹 滚 道 间 接 触 变 形 ( mm) ( 此 项 在 总 变 形 量 中 也 占 比 较 大 的 比 重 )2无 预 紧 时 :课程设计指导书(第三章)233202)(18.ZFdm有 预 紧 时 :32021.Fym式 中 : )滚 珠 丝 杠 公 称 直 径 ( ( 内 循 环 )( 外 循 环 )一 圈 的 滚 珠 数 列 数圈 数滚 珠 数 量 )滚 珠 直 径 () , 为 最 大 工 作 载 荷 的预 紧 力 ( )最 大 工 作 载 荷 ( mDdDZdDZZdkgfFNkfym 0 000 3/1) )01(当 滚 珠 丝 杠 有 预 紧 力 , 且 预 紧 力 为 轴 向 工 作 载 荷 的 1/3 时 , 值 可 减 少 一 半 。 即 :22/3) 滚 珠 丝 杠 的 轴 承 的 轴 向 接 触 变 形 3轴 向 接 触 变 形 在 变 形 中 一 般 占 的 比 重 也 比 较 大 , 不 同 类 型 的 轴 承 的 接 触 变 形 量 可3用 不 同 的 公 式 计 算 :推 力 球 轴 承32304.ZdFQm向 心 推 力 ( 角 接 触 ) 球 轴 承323sinsin2. dQm圆 锥 滚 子 轴 承9.0.8.0.3sinsin6.ZlFum推 力 滚 子 轴 承 9.0836.lum式 中 :课程设计指导书(第三章)24)滚 子 倒 圆 角 半 径 ()滚 子 长 度 ( )轴 承 滚 子 有 效 程 度 (轴 承 的 接 触 角 )轴 承 滚 动 体 直 径 ( 目两 边 轴 承 总 的 滚 动 体 数)最 大 工 作 载 荷 ( mrl rldZkgfFuuQm2若 轴 承 中 的 滚 动 体 数 目 在 手 册 中 无 法 查 出 时 , 可 采 用 下 式 粗 略 计 算 :-3TDdZ)(式 中 : D-轴 承 的 外 径 ( mm)d-轴 承 的 内 径 ( mm)T-轴 承 的 宽 度 ( mm)4) 滚 珠 丝 杠 的 扭 转 变 形 引 起 的 导 程 的 变 化 量 4024LlIEM其 中 : )/(106.264.0 25141mlLNE dIdI丝 杠 总 的 工 作 行 程 (导 程 (基 本钢 的 弹 性 模 量的 惯 面 惯 性 矩 (丝 杠 小 径 )丝 杠 上 的 扭 矩 (一 般 占 的 比 重 比 较 小 , 可 忽 略 不 计5) 螺 母 座 及 轴 承 支 座 的 变 形常 为 滚 珠 丝 杠 副 系 统 刚 度 的 薄 弱 环 节 , 但 变 形 量 计 算 较 为 困 难 , 一 般 根 据 其 精 度 要 求 ,在 结 构 上 尽 量 增 强 刚 度 而 不 作 计 算 。因 此 , 滚 珠 丝 杠 副 刚 度 的 验 算 , 主 要 是 验 算 之 和 不 应 大 于 机 床 精 度 要321、求 允 许 变 形 量 的 一 半 , 否 则 , 应 考 虑 选 用 较 大 直 径 的 滚 珠 丝 杠 副 。 由 于 滚 珠 丝 杠 副 通 常 都采 用 预 紧 的 方 法 来 加 强 其 刚 度 , 因 此 设 计 时 可 采 用 :若 , 则 滚 珠 丝 杠 的 刚 度 符 合 设 计 要 求 ; 否 则 , 重 新 选 用 较机 床 加 工 精 度321大 直 径 的 滚 珠 丝 杠 副 进 行 刚 度 的 验 算 。5、 稳 定 性 验 算对 已 选 定 尺 寸 的 丝 杠 在 给 定 的 支 承 条 件 下 , 承 受 最 大 轴 向 负 载 时 , 应 验 算 其 有 没 有 产生 纵 向 弯 曲 ( 失 稳 ) 的 危 险 。产 生 失 稳 的 临 界 负 载 PK 可 用 下 式 计 算 :2lEIfFZ课程设计指导书(第三章)25式 中 : 丝 杠 的 支 承 方 式 系 数 )丝 杠 两 端 支 承 距 离 ()截 面 惯 性 矩 ()(钢丝 杠 材 料 弹 性 模 量 , 对Zf ml dII mNEE414 246/0.2表 3-7 丝 杠 支 承 方 式 系 数方 式 一 端 固 定 一 端 自 由 两 端 简 支 一 端 固 定 一 端 简 支 两 端 固 定fZ 0.25 1 2 4临 界 负 载 FK 与 最 大 工 作 负 载 Fm 之 比 称 为 稳 定 性 安 全 系 数 nk。如 果 : kmnn则 丝 杠 不 致 失 稳 。nK-许 用 稳 定 性 安 全 系 数 , 一 般 取 45.2Kn三 、 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 几 何 参 数 计 算表 3-8 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 几 何 参 数 计 算 式名 称 符 号 计 算 公 式公 称 直 径 d0螺 距 L0接 触 角 滚 珠 直 径 dq滚 道 法 面 半 径 R R=0.52dq偏 心 矩 E e=(R-dq/2)sin螺 纹 滚 道螺 纹 升 角 0Larctg螺 纹 外 径 D D=d0-(0.20.25)dq螺 纹 内 径 d1 d1=d0+2e-2R-螺 杆螺 纹 接 触 直 径 dz dz=d0-dqcos螺 母 螺 纹 直 径 D D=d0-2e+2R螺 母螺 母 内 径 ( 外 循 环 ) D1 D1=d0+(0.20.25)dq注 意 :接 触 角 的 值 一 般 选 择 为 450 课程设计指导书(第三章)26第 四 节 进 给 伺 服 系 统 传 动 计 算目 前 在 伺 服 驱 动 系 统 中 常 用 的 驱 动 电 机 是 步 进 电 机 、 电 液 脉 冲 马 达 、 直 流 伺 服 电 机 和交 流 伺 服 电 机 等 。步 进 电 机 是 一 种 把 电 脉 冲 信 号 变 换 成 直 线 位 移 或 角 位 移 的 执 行 元 件 , 广 泛 应 用 于 数 控设 备 中 。 与 交 流 或 直 流 伺 服 电 机 相 比 , 步 进 电 机 系 统 有 如 下 优 点 :1) 步 进 电 机 的 转 速 仅 取 决 于 脉 冲 频 率 , 而 不 受 电 压 高 低 、 电 流 大 小 及 其 波 形 的 影 响 ;2) 可 以 开 环 控 制 也 可 以 闭 环 控 制 。 开 环 控 制 不 需 要 位 置 或 速 度 的 检 测 元 件 , 系 统 结构 简 单 , 能 方 便 地 控 制 脉 冲 的 个 数 和 脉 冲 的 频 率 实 现 定 位 和 调 速 。 采 用 位 置 反 馈 和 速 度 反馈 的 闭 环 控 制 系 统 , 不 仅 可 以 控 制 精 确 的 位 置 和 平 稳 的 转 速 , 而 且 扩 大 了 步 进 电 机 的 应 用领 域 。3) 输 出 转 角 ( 步 距 角 ) 无 长 期 积 累 误 差 , 每 转 一 圈 积 累 误 差 会 自 动 消 失 。4) 启 动 、 停 止 、 反 转 及 其 他 运 行 方 式 的 改 变 , 都 可 以 在 少 量 的 脉 冲 周 期 内 完 成 。随 着 计 算 机 技 术 的 普 及 和 应 用 , 使 步 进 电 机 的 控 制 方 式 大 大 简 化 , 步 进 电 动 机 的 应 用 领 域越 来 越 引 起 重 视 。 仅 以 数 控 机 床 为 例 , 车 床 、 铣 床 、 磨 床 、 冲 床 等 各 类 机 加 工 设 备 均 成 功地 应 用 了 步 进 电 动 机 系 统 。 同 时 , 考 虑 到 学 习 的 要 求 , 故 在 这 里 只 讲 述 步 进 电 机 的 选 用 。一 、 转 动 惯 量 的 计 算1、 齿 轮 、 轴 、 丝 杠 等 圆 柱 体 惯 量 计 算).(1078. 2342cmkgLDMJ式 中 : )圆 柱 体 长 度 或 圆 度 ()圆 柱 体 直 径 ()圆 柱 体 质 量 ( c2、 工 作 台 折 算 到 丝 杠 的 转 动 惯 量).()2(20mkgGLgnvJG式 中 : )丝 杠 导 程 (重 力 加 速 度 ( )工 作 台 重 量 ()丝 杠 转 速 ( )工 作 台 移 动 速 度 (cmLsgNrc0 2)/8.9in/i/3、 传 动 系 统 折 算 到 电 机 轴 上 的 转 动 惯 量).()1)2( 22120 ckgnJigGJiimjL课程设计指导书(第三章)27式 中 : ).(min/).122ckgJrniimki电 机 的 转 动 惯 量电 机 的 转 速各 转 动 体 的 转 速各 转 动 体 的 转 动 惯 量 (系 统 总 的 减 速 比 (4、 系 统 总 的 转 动 惯 量).(2cgL式 中 : Jm-电 机 的 转 动 惯 量 ( kg.cm2)二 、 步 进 电 机 的 计 算 和 选 用步 进 电 机 选 用 主 要 考 虑 三 个 问 题 : ( 1) 步 距 角 要 满 足 系 统 脉 冲 当 量 的 要 求 ;b( 2) 满 足 最 大 静 转 矩 的 要 求 ; ( 3) 启 动 转 矩 与 启 动 频 率 、 工 作 运 行 转 矩 与 运 行 频 率 必须 满 足 所 选 电 机 型 号 相 应 的 启 动 矩 频 特 性 和 工 作 矩 频 特 性 。1、 电 机 力 矩 的 计 算步 进 电 机 能 正 常 工 作 所 需 的 力 矩 受 到 多 方 面 的 影 响 , 主 要 包 括 快 速 空 载 起 动 时 所 需 力 矩M 起 、 快 速 进 给 时 所 需 力 矩 M 快 、 最 大 切 削 负 载 时 所 需 力 矩 M 切 , 其 中 快 速 进 给 时所 需 力 矩 M 快 较 小 , 因 此 在 M 起 、 M 切 两 种 力 矩 中 取 其 大 者 作 为 选 择 步 进 电 机 的 依 据 。对 于 大 多 数 数 控 机 床 来 说 , 因 为 要 保 证 一 定 的 动 态 性 能 , 系 统 时 间 常 数 较 小 , 而 等 效 转 动惯 量 又 较 大 , 故 电 机 力 矩 主 要 是 用 来 产 生 加 速 度 的 , 而 负 载 力 矩 往 往 小 于 加 速 力 矩 , 故 常常 用 快 速 空 载 起 动 力 矩 M 起 作 为 选 择 步 进 电 机 的 依 据 。快 速 空 载 起 动 时 所 需 力 矩 ).(0maxcmNf起最 大 切 削 负 载 时 所 需 力 矩 0tf切( 1) 空 载 起 动 时 折 算 到 电 机 轴 上 的 加 速 力 矩 Mamax2maxmax106tnJ式 中 : )时 间 (速 到 最 大 进 给 速 度 所 需运 动 部 件 从 停 止 起 动 加 )电 机 最 大 转 速 ()上 的 总 等 效 转 动 惯 量 (传 动 系 统 折 算 到 电 机 轴 st r ckgain/ .x 2360maxbpvnvmax-运 动 部 件 最 大 快 进 速 度 ( mm/min)( 2) 摩 擦 力 矩 Mf ).(0/cNiLGf式 中 : G-运 动 部 件 的 总 重 量 ( N)f-导 轨 摩 擦 系 数i-齿 轮 总 减 速 比课程设计指导书(第三章)28-传 动 链 总 效 率 , 一 般 可 取 =0. 70.85( 3) 附 加 摩 擦 力 矩 M0 ).(1(220cmNiLFp式 中 : Fp0-滚 珠 丝 杠 预 加 负 载 ( N) , 一 般 取 最 大 工 作 载 荷 的 1/3L0-滚 珠 丝 杠 导 程 ( cm)0-滚 珠 丝 杠 未 预 紧 时 的 传 动 效 率 , 一 般 取 9.0( 4) 折 算 到 电 机 轴 上 的 切 削 负 载 力 矩 Mt).(20cNiMttFt-进 给 方 向 最 大 切 削 力 ( N)2、 步 进 电 机 的 选 择( 1) 首 先 根 据 最 大 静 态 转 矩 Mjmax 初 选 电 机 型 号步 进 电 机 的 起 动 转 矩 切起q表 3-9 最 大 静 态 转 矩 Mjmax 与 Mq 之 间 的 关 系相 数 三 相 四 相 五 相 六 相步 进电 机 拍 数 3 6 4 8 5 10 6 12max/jq0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866( 2) 计 算 电 机 工 作 频 率1) 最 大 空 载 起 动 频 率 pkvf1max2) 切 削 时 的 最 大 工 作 频 率 sef60式 中 : vmax-运 动 部 件 最 大 快 速 进 给 速 度 ( m/min)vs-最 大 切 削 进 给 速 度 ( m/min)-脉 冲 当 量 ( mm/step)p( 3) 校 核 步 进 电 机1) 步 进 电 机 转 矩 和 惯 量 的 匹 配 条 件为 了 使 步 进 电 机 具 有 良 好 的 起 动 能 力 及 较 快 的 响 应 速 度 , 通 常 推 荐45.0maxmLjLJM及式 中 : Mjmax-步 进 电 机 的 最 大 静 态 转 矩 ( N.m)ML-传 动 系 统 折 算 到 电 机 轴 上 的 负 载 转 矩 ( N.m)Jm-步 进 电 机 转 子 的 转 动 惯 量 ( kg.m2)JL-传 动 系 统 折 算 到 步 进 电 机 转 子 上 的 等 效 转 动 惯 量 ( kg.m2)2) 校 核 起 动 矩 频 特 性 和 运 行 矩 频 特 性根 据 计 算 出 的 最 大 空 载 起 动 频 率 和 切 削 时 最 大 工 作 频 率 分 别 查 出 在 此 频 率 下 电 机 不 失步 时 所 允 许 的 最 大 力 矩 Mdme 和 Mdmk, 应 该 满 足 :课程设计指导书(第三章)29dmekM切起一 般 数 控 机 床 往 往 不 能 满 足 M 起 Mdmk 的 要 求 , 必 须 采 用 升 降 速 措 施 。 如 果 步 进 电机 起 动 力 矩 还 不 能 满 足 要 求 , 则 可 以 采 用 高 低 压 驱 动 功 放 电 路 , 将 步 进 电 机 起 动 力 矩 再 扩大 一 倍 左 右 。例 如 : 某 机 械 传 动 系 统 采 用 步 进 电 动 机 为 驱 动 装 置 。 已 知 系 统 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 负载 转 矩 TL=2.3(N.m), 折 算 到 电 动 机 转 子 上 的 等 效 转 动 惯 量 JL=13.5kg.cm2,最 快 进 给速 度 为 2.4m/min, 该 系 统 的 脉 冲 当 量 为 0.01mm。 若 所 选 电 机 的 技 术 参 数 如 下 表 所 示 ,试 确 定 该 电 机 能 否 适 用 于 此 机 械 传 动 系 统 。参 数型 号相数最 大 静 转 矩(N.m)空 载 启 动 频 率(Hz)空 载 运 行 频 率(Hz)转 子 转 动 惯 量(kg.cm2)A 3 4.9 1500 7000 3.43根 据 步 进 电 动 机 的 转 矩 和 惯 量 匹 配 原 则 :满 足 要 求 5.06.2maxjLT 493mLJ步 进 电 动 机 的 快 速 进 给 频 率 为 : HzvfK01.6201max满 足 要 求 HzfK70ax再 根 据 计 算 出 的 最 大 空 载 起 动 频 率 和 切 削 时 最 大 工 作 频 率 分 别 查 出 在 此 频 率 下 电 机 不失 步 时 所 允 许 的 最 大 力 矩 Mdme 和 Mdmk, 若 满 足 , 该 电 机 则 适 用 于 此 机 械 传 动 系 统 。课程设计指导书(第三章)30表 3-10 反 应 式 步 进 电 机 技 术 指 标型 号 相数 步 距 角( 0C ) 电 压( V) 电 流( A)保 持 转 矩N.m( kg.cm)空 载起 动频 率(Hz)运 行频 率(Hz)电 感 L( mH)内 阻 Rm( )36BF002-II 3 1.5 27 1.5 0.078 3100 15.4 1.645BF003-II 3 1.5 60 2 0.196 3700 12000 15.8 0.9445BF005-II 3 1.5 27 2.5 0.196 3000 15.8 0.9455BF004 3 1.5/3 27 3 0.49(5) 2200 0.5455BF005 3 3.75/7.5 30 3 0.343(3.5) 130055BF009 4 0.9/1.8 27 3 0.784(8) 250070BF001 5 1.5/3 60 3.5 0.392(4) 4000 1600070BF003 3 1.5/3 27 3 0.784(8) 170070BF004 4 0.9/1.8 27 3 0.882(9) 210075BF001 3 1.5/3 24 3 0.392(4) 1750 19 0.6275BF003 3 1.5/3 30 4 0.882(9) 1250 35.5 0.8275BF004 3 1.5/3 80 5.8 0.49(5) 2500 1600090BF001 4 0.9/1.8 80 7 3.92(40) 2000 8000 17.4 0.390BF002 5 0.75/1.5 80 7 3.92(40) 3800 1600090BF003 3 1.5/3 60 5 1.96(20) 1500 800090BF004 5 0.75/3 60 7 2.45(25) 4000 1600090BF006 5 0.36/0.72 24 3 2.156(22) 2700 0.76110BF003 3 0.75/1.5 80 6 7.84(80) 1500 7000 35.5 0.37110BF003(新 ) 3 0.75/1.5 80-300 6 7.84(80) 1400 15000 35.5 0.37110BF004 3 0.75/1.5 30 4 4.9(50) 500 56.5 0.72130BF001 5 0.75/1.5 80/12 10 9.31(95) 3000 16000 0.162150BF002 5 0.75/1.5 80/12 12 13.524(138) 2800 8000 0.121150BF003 5 0.75/1.5 80/12 13 15.386(157) 2600 8000 0.127200BF001 5 10 24 4 16.464(168) 1100 11000 0.77表 3-11 反 应 式 步 进 电 机 外 型 图课程设计指导书(第三章)31型 号 D(h) D(h) 口 b E L h1 h2 d d2 d1 键 A E1 E2 M90BF003 90 70 92 25 145 3 6 9-0.0119-0.027 107 6.6 半 圆3x10 - - -90BF006 90 70 92 25 145 3 6 9-0.0119-0.027 107 6.6 半 圆3x10 - - -90BC340 90 70
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