最大加工X轴进给传动系统设计.doc

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1、NANCHANG UNIVERSITY本科生毕业设计（论文）题 目 最大加工直径为320毫米数控车床进给系统X轴进给传动系统设计学 校： 南昌大学 专 业： 机电一体化工程 学 号： 学生姓名： 指导教师： 起讫日期： 2011年9月2011年10月 目录第一章：绪论4 1.1数控机床的概念、组成、特点 41.1.1数控机床的概念 41.1.2数控机床的组成41.1.3数控机床的特点5 1.2数控机床的发张趋势与现状5 1.3设计的内容与方法6第二章：数控机床进给传动系统总体方案 8 2.1进给传动系统的组成和原理8 2.2进给系统传动部件9 2.3进给传动伺服系统的选择10 2.4数控伺服系

2、统的选择11 2.5机械传动方式的选择14第三章：机床横向进给系统机械部分设计计算 17 3.1确定系统脉冲量17 3.2切削力计算18 3.3进给系统机械部分的结构计算20 3.4步进电机的计算和选型22第四章:微机数控机床硬件系统的分析和设计 24 4.1微型计算机的选择24 4.1.1 MCS-51的信号引脚24 4.1.2 8051单片机基本组成 264.2扩展存储器的选择27 4.3确定I/O及键盘接口29 4.3.1按键开关去抖动问题29 4.3.2 按键连接方式 30 4.3.3键盘扫描控制方式31结束语 33参考文献 34 摘 要 随着科学技术和社会的不断发展，社会对产品多样化

3、的要求日益提高，产品更新换代越来越快，多品种小批量生产比重加大，零件形状越来越复杂，精度越来越高，此外，激烈的市场竞争要求产品研制周期越来越短，传统的加工设备和制造手段已经难于满足这种变化，为了解决这些问题，数控机床就这样应运而生。 数控技术是集，机，电，液及计算机等各项技术为一体的综合技术，数控机床以其精度高，效率高，能适应小批量多种复杂零件加工的特点，在机械加工中得到日益广泛的应用。 在本次设计中，就包括了关于数控技术的基础知识，并且针对本次设计的课题，拟定了一系列的方案，进给系统的总体方案，数控车床进给传动系统的机械部分，以及数控系统的硬件分析和设计。关键字：数控机床 单片机数控系统 伺

4、服电机 传动系统Abstract As science and technology and continuous development of society, societys demands for increasing product diversification, product upgrades faster and faster, and more varieties of small batch production increased in importance, more and more complex shape parts, increasing accuracy,

5、 In addition, the fierce market competition requires product development cycles are getting shorter, conventional processing equipment and manufacturing methods have been difficult to meet such changes, in order to solve these problems, numerical control machine tools came into being this way.CNC te

6、chnology is the set of mechanical, electrical, hydraulic and computer and other technology as an integrated technology, CNC machine tools for its high precision, high efficiency, small quantities can adapt to the characteristics of a variety of complex parts processing, mechanical processing has bee

7、n increasing in wide range of applications.In this design, it includes information on the basics of digital technology and design for this project, developed a series of solutions into the overall solution to the system, CNC lathe feed drive system of mechanical parts, and CNC system hardware analys

8、is and design.Keywords: CNC machine CNC servo motor drive system microcontroller第一章：绪论1.1数控机床的概念，组成，特点 1.1.1数控机床的概念数控机床是数字控制机床的简称，是指用数字指令来控制机械执行预图1-1数控机床定的动作，通常由硬件电路发出数字化信号，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作数控折弯机并加工零件。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机

9、床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。1.1.2数控机床的组成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，其中实线部分表示开环系统。为提高加J精度，再加入测量装置，由虚线构成反馈，称为闭环系统。 1、控制介质机床是在自动控制下工作的，工作时所需的各种控制信息靠某种中间载体携带和传输，这种载体称作“控制介质”。控制介质有多种，如穿孔带、磁带及磁盘等，现代数控机床多为磁盘直接读人，采用哪一种取决于数控装置的类型。 2、数控装置机床数控装置由输入部分、控制运算部分（包括控制器及运算器）、输出部分组成。输入部分的作用是进行译码转换，将数字信息（与运动轨迹有关的数字）送入运算器

10、进行插补运算-将开关信息（主轴启停、变速；润滑及冷却液电机启停；换刀指令）送入控制器。 控制器按输入信息对数控装置进行统一协调和指挥。 运算器（插补器）的功能为进行插补运算。对于加工的工件，直线运动时输入直线的起点和终点坐标数值；圆弧运动时，提供圆心、圆弧起点坐标值、圆弧终点坐标值及圆弧半径。插补的作用是算出刀具作轨迹运动时所需要的一系列中间位置数值。插补算出的各点应在图形轨迹的附近，所形成的加工误差不应超出允许值。 输出部分的功能是将插补器计算出来的刀具运动轨迹信息，顺序地以脉冲或电压模拟量的形式输出。这些信息经功率放大后提供给机床的伺服装置，驱动机床使刀具按计算的轨迹运动。输出部分的另一功

11、能则是将指令的开关量输出绐相应的装置，以控制机床的工作状态。 随着计算机技术的发展，机床数控装置逐步由通用的计算机代替了专用的计算机。通用计算机通用性强、性能好、价格低廉，这一改变使数控机床的功能得到了进一步扩大和完善。 3、伺服系统数控机床与通用机床最大的不同之处就在于采用了由数控装置控制的伺服进给元件。数控机床的进给伺服控制系统主要分为开环系统和闭环系统两类。不同的伺服控制系统采用不同性质的伺服元件。 对于开环系统，其伺服元件为步进电机或电液脉冲马达。开环系统的结构简单、性能稳定、成本较低，但受伺服电机和传动件精度及动态特性的影响，不能达到很高的位移精度。对于闭环系统，其伺服元件为直流或交

12、流伺服电机。闭环系统的精度主要取决于检测装置的精度。因此，闭环系统可以达到较高的位移精度，但它的检测装置较复杂，造价较高，调试较困难。 4、机床本体在开始阶段，机床本体为通用机床的主要机械结构部分，只是在自动变速、J架或工作台自动转位和手柄等方面做些改变。实践证明：由于切削用量大、连续加工及发热等多种因素，通用机床的结构刚性和抗振性均较差、传动部件的惯量大、传动副的摩擦及间隙大等均不能适应自动化精加工的要求。数控机床是一个完垫系统，数控装置、伺服系统和机床本体等应有机地连为一体。因此，机床的本体必须能保证数控装置和伺服系统的功能很好地实现。1.1.3数控的特点数控机床与普通机床的比较，a：数控

13、机床，操作者可以在较短的时间内掌握操作和加工技能，它加工精度高，质量稳定，较少依赖于操作者的操作水平，编制程序花费的时间较多，加工的零件比较复杂，适合多工序的加工，易于加工工艺标准化和刀具管理规范化，数控机床还可以长时间无人操作和加工自动化，比且借助计算机辅助生产控制，生产率高等特点。b:普通机床:要求操作者有较高的长期的实战经历，高质量，高精度的零件要求操作者具有较高的技能水平，普通机床适合加工形状简单，单一的工序的产品，加工过程要求具有直觉和技巧，操作者以自己的方式完成加工，加工方式多样化，很难实现标准化，是实现自动化加工的准备环节必不可少的，例如材料应去除多少，普通机床很难提高加工的专门

14、技术，不利于知识系统化和普及，生产率比较低，质量不稳定。1.2数控机床的发展趋势与现状数控机床以其独特卓越的柔性自动化的性能、优异稳定的精度、灵活敏捷多样化的功能引起广泛的关注，它开创了机械产品并向机电一体化发展的开始，成为先进制造技术当中的一门核心技术。数字控制系统技术的快速发展为数控机床的技术进步提供了条件。目前我国的数控机床的发展趋势主要体现在，高速、精密、复合、智能和绿色等几个方面。1、高速、高效，数控机床逐渐向高速化方向发展，它大大的提高加工效率、降低加工生产成本，并且还达到了提高零件的表面质量及其加工精度。高速化的加工技术对一些企业制造业提供了更高效，优质，成本低生产比较广泛适用性

15、。 目前在一些发达的国家数控机床的高速运行，其高速主轴单元，电主轴转速可达15000 100000r/min，快移速度在60120m/min范围之内，切削进给速度高达60m/min、一系列高性能控制伺服系统以及数控工具系统都有新的突破，数控机床发展到了更高的水平。2、现在的数控机床比以前的普通车床加工的零件更加的精密，精密加工技术有了相当大的提高，加工精度已从原来的丝级(0.01mm)提升到目前的微米级(0.001mm)，甚至有些品种已达到0.05m左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05m左右，形状精度可达0.01m左右。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精

16、密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代3、智能化，数控机床的智能化现在又有了新的突破，在数控系统的性能上得到了充分的体现。比如说：自动调整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段等等，数控机床的智能化提升了机床的功能及其品质。4、现代的数控机床在还有较高的可靠性，而且复合化，多轴化，网络化等方面都得到了大大的提高。1.3设计的内容与方法用微机数控技术改造加工零件时，数控改造必须首先拟定总体方案，绘制系统总统框图，才能觉得各种设计参

17、数和结构，然后选择数控机床，数控机床的选择，其进给传动系统的组成和原理，分析伺服系统的选择，怎样达到控制要求，合理的选择机械传动方式，数控机床坐标的进给伺服系统既可以采用步进电机驱动也可以用直流或交流伺服电机驱动。数控车床进给系统机械部分的计算，例如，脉冲当量，切削力和滚珠，丝杆削等等一些物理量的计算，还有应该对车床数控系统的硬件分析和设计，比如说：数控系统的总体设计及其一些扩展，存储和通信的设计，比且还要加以计算，必要时要绘图分析，数控机床的进给分为横向进给和纵向进给，本次设计为横向进给传动系统设计。通过以上的一些内容完成本次设计课题用微机数控技术改造最大加工直径为400mm普通车床的横向进

18、给传动系统的设计！第二章：数控机床进给传动系统总体方案2.1进给传动系统的组成和原理数控机床进给传动系统的作用：数控机床的进给传动系统是负责接受数控机床系统发出的脉冲指令，并经放大和转换之后驱动机床运动执行件来达到预期的运动。为保证数控机床加工精度，所以必须要求进给传动系统有比较高的传动精度、高的灵敏度，工作稳定、有高的构件刚度及使用寿命、小的摩擦及运动惯量，并能清除传动间隙。进给传动系统一般有四种：1步进伺服电机伺服进给系统2直流伺服电机伺服进给系统 3交流伺服电机伺服进给系统4直线电机伺服进给系统伺服进给系统的主要组成部分当中就包括进给系统机械传动结构，它主要由四大机构组成，传动机构、运动

19、变换机构、导向机构、执行件组成，由于数控机床的进给运动是由数字信号控制的直接对象，被加工的零件的一些参数都是由进给运动控制的！工作原理是数控装置内的计算机对以数字和字符编码方式所记录的信息进行一系列处理后，向机床进给等执行机构发出命令，执行机构则按其命令对加工所需各种动作，如刀具相对于工件的运动轨迹、位移量和速度等实现自动控制，从而完成工件的加工。2.2进给系统传动部件对于数控机床加工零件，就必须要求其零部件有较好的性能，比如说部件的刚度，运动副之间的摩擦，传动间隙，等等。一般的数控进给系统主要部件有：1、滚珠丝杠螺母副，图2-1数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。

20、2、回转工作台，每一台数控机床都有其工艺范围，为了扩大数控机床的工艺范围，数控机床除了沿X、Y、Z三个坐标轴作直线进给外,往往还需要有绕Y或Z轴的圆周进给运动。数控机床的圆周进给运动一般由回转工作台来实现，对于加工中心,回转工作台已成为一个不可缺少的部件。 数控机床中常用的回转工作台有分度工作台和数控回转工作台。 （1）分度工作台 分度工作台只能完成分度运动,不能实现圆周进给，它是按照数控系统的指令，在需要分度时将工作台连同工件回转一定的角度。分度时也可以采用手动分度。分度工作台一般只能回转规定的角度(如90、60和45度等)。 （2）数控回转工作台 数控回转工作台外观上与分度工作台相似，但内

21、部结构和功用大不相同。数控回转工作台的主要作用是根据数控装置发出的指令脉冲信号，完成圆周进给运动，进行各种圆弧加工或曲面加工，它也可以进行分度工作。 3、导轨，导轨是进给传动系统的重要环节，是机床基本结构的要素之一，它在很大程度上决定数控机床的刚度、精度与精度保持性。目前，数控机床上的导轨形式主要有滑动导轨、滚动导轨和液体静压导轨等。安全防护，改造效果必须以安全为前提。在机床改造中要根据实际情况采取相应的措施，切不可忽视。滚珠丝杠副是精密元件，工作时要严防灰尘特别是切屑及硬砂粒进入滚道。在纵向丝杠上也可加整体铁板防护罩。大拖板与滑动导轨接触的两端面要密封好，绝对防止硬质颗粒状的异物进入滑动面损

22、伤导轨。2.3进给传动伺服系统的选择一般数控机床的伺服系统可分为开环控制系统，半闭环控制系统。伺服系统的作用是将机械运动的驱动设备，电动机作为控制对象，将数控控制器为核心，利用电力电子功率变换装置为执行机构，在自动控制理论的指导下组成的电气传动自动控制系统。这类系统控制电动机的转矩、转速和转角，将电能转换为机械能，实现运动机械的运动要求。具体在数控机床中，伺服系统接收数控系统发出的位移、速度指令，经变换、放调与整大后，由电动机和机械传动机构驱动机床坐标轴、主轴等，带动工作台及刀架，通过轴的联动使刀具相对工件产生各种复杂的机械运动，从而加工出用户所要求的复杂形状的工件。伺服系统可分为开环控制系统

23、，半闭环控制系统。开环控制系统中，没有检测反馈装置，数控装置发出的信号的流程是单向的，也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检测，所以机床加工精度要求不太高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环伺服系统主要是由步进电机驱动。这类机床工作比较稳定，反映迅速，调试和维修比较简单。目前经济型数控机床普通采用开环伺服系统。半闭环控制系统中，对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测速发电机或光电编码盘等间接测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位置量，用此值与指令植进行比较，用差值来实现控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比比环

24、方便。闭环控制系统有机床移动部件上的检测反馈装置，在加工时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置想符合，以期达到很高的加工精度。闭环系统多采用直流伺服电机或交流电机驱动。这类机床的优点是精度高，速度快，但是调试个维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，所以在设计是必须对稳定性给予足够的重视。2.4数控伺服系统的选择图2-2数控机床伺服系统数控机床对数控进给伺服系统的要求：（1）输出位置精度要高静态啊飞求定位精度高 / 重复定位精度高，即 定位误差要小 / 重复定位误差要小。保证尺寸精度。动态：要求跟随精度高，即跟随误差要小，以保证轮廓精度，另外，要求灵敏度高，有足够高的分辩率（2）响

25、应速度快且无超调： 对伺服系统动态性能的要求反映了系统对插补指令的跟踪精度；为了保证轮廓切削形状精度和低表面粗糙度，要求响应速度快。超调或超调很小的前提下，执行部件的运动速度的建立时间 tp 应尽可能短。通常要求从0Fmax(Fmax0)，其时间应小于200ms，且不能有超调或超调图2-3很小，否则对机械部件不利，有害于加工质量。（3）良好的稳定性伺服系统在给定输入和外界干扰下，能在短暂的调节过程后，恢复到原有的平衡状态或达到新的平衡状态，即有较强的抗干扰能力。稳定性是保证数控机床正常工作的条件，直接影响数控加工的精度和表面粗糙度。在系统负载范围内，负载特性要硬当负载变化时，输出速度应基本不变

26、。即F尽可能小；当负载突变时，要求速度的恢复时间短且无振荡。即t尽可能短；这要求伺服系统有良好的静态与动态刚度。 图2-4（4）低速大扭矩：数控加工的特点是在低速时切削深度和进给量较大。系统的可靠性高，维护使用方便，成本低。综上所述：a、 对伺服系统的要求包括静态和动态特性两方面。b、 对高精度的数控机床，对其动态性能的要求更严。 2.5机械传动方式的选择机械传动，包括螺旋传动、摩擦轮传动，带、链传动，齿轮传动，多点啮合柔性传动。1、皮带传动 皮带传动能够生产连续的旋转运动，将力从一个传动轮传导到另外一个上面。早在公元前一世纪，中国就出现了皮带传动。公元前15年历史典籍中就有关于皮带传送的记载

27、。皮带传送的最早出现和中国丝绸业的发展有着密切的关系。 皮带传动对纺车的最终发明起着极为重要的作用。其后出现的链条传动是在皮带传动的基础上出现的另一改进。皮带传动技术随着纺车一同传入了欧洲，其后推动了众多相关的发明。皮带传动是将A传动轮转到B传动轮，也是现代传动技术的前身。皮带传动是由主动轮、从动轮和紧张在两轮上的皮带所组成。由于张紧，在皮带和皮带轮的接触面间产生了压紧力，当主动轮旋转时，借摩擦力带动从动轮旋转，这样就把主动轴的动力传给从动轴。皮带传动分为平皮带传动和三角皮带传动。皮带传动的特点：可用于两轴中心距离较大的传动。皮带具有弹性、可缓冲和冲击与振动，使传动平稳、噪声小。当过载时，皮带

28、在轮上打滑，可防止其它零件损坏。结构简单、维护方便。由于皮带在工作中有滑动，故不能保持精确的传动比。外廓尺寸大，传动效率低，皮带寿命短。三角皮带的断面国家规定为O、A、B、C、D、E、F、T等8种，从O到T皮带剖面的面积逐渐增大，传动的功率也逐渐增大。在机械传动中常碰到传动动比的概念，什么是传动比呢？它是指主动轮的转速n1与从动轮的转速n2之比，用I表示：即I=n1/n2。由于皮带传动中存在“弹性滑动”现象，上述传动比公式只是个近似公式，那么皮带传动中这种“弹性滑动”现象是怎样表现的呢？概括如下：在主动轮处，传动带沿带轮的运动是一面绕进，一面向后收缩：在从动轮处，传动带沿带轮的运动是一面绕进，

29、一面向前伸展。|2、齿轮传动齿轮传动。其实在我国古代早就都使用了相当复杂的齿轮传动系统。古代这些齿轮只用来传递运动，其强度要求不高。在生产上所采用的齿轮，要传递较大的动力，受力一般较大，强度要求较高。古代在利用水力和风力进行提水、粮食加工等工作时，都要应用此类齿轮，比如在翻车上，须应用一级齿轮传动机构，以改变运动的方位和传递，适应翻车的工作要求。齿轮传动是由分别安装在主动轴及从动轴上的两个齿轮相互啮合而成。齿轮传动是应用最多的一种传动形式，它有如下特点1）能保证传动比稳定不变。2）能传递很大的动力。3) 结构紧凑、效率高。4)制造和安装的精度要求较高。5)当两轴间距较大时，采用齿轮传动就比较笨

30、重齿轮的种类很多，按其外形可分为圆柱齿轮和圆锥齿轮两大类。圆柱齿轮的外形呈圆柱形、牙齿分布在圆柱体的表面上，按照牙齿与齿轮轴的相对位置，圆柱齿轮又分为直齿圆柱齿轮和斜齿圆柱齿轮，（现在出现了人字形齿轮），圆柱齿轮多用于外啮合齿轮传动，也可以用作内啮合传动和齿轮齿条传动。在我们所用的许多转动设备的减速器内部使用圆柱齿轮传动结构。圆锥齿轮又叫伞齿轮，他的牙齿分布在圆锥体表面上。常用于相交轴之间的运动，轴线夹角可以是任意的，但最常见的是90度。一对齿轮的传动比计算如下式：I=n1/n2=z2/z1，n1、n2分别表示主动轮和从动轮转速rpmn1、z2分别表示主动轮和从动轮的牙齿数3、链传动：是由两个

31、具有特殊齿形的的齿轮和一条闭合的链条所组成，链传动在我国古代也早就开始使用了，商代的马具上已有青铜链条，其他青铜器和玉器上也有用链条作为装饰的，自行车也就是使用了链轮链条传动原理。它工作时主动连轮的齿与链条的链节相啮合带动与链条相啮合的从动链轮传动，链传动的特点如下：1）和皮带传动比链传动的传动比比较的精确。2）与齿轮传动相比链传动可以在两轴中心距较远的情况下传递动力3）链传动比较独特它只能用于平行轴间传动4）链传动的链条在长时间使用后磨损，可能会发生拖链现象链传动与齿轮传动它们的传动比计算相同4、蜗轮蜗杆传动蜗轮蜗杆传动在机械中是很重要的一个传动，它用于两轴交叉成90度，但是彼此既不平行又不

32、相交的情况下，一般在蜗轮传动中，蜗杆是主动件，而蜗轮是被动件。蜗轮蜗杆传动：它结构紧凑、并能获得很大的传动比，一般传动比为7-80。工作平稳无噪音传动功率范围大，可以自锁，传动效率低，蜗轮常需用有色金属制造。蜗杆的螺旋有单头与多头之分。传动比的计算如下：n1-蜗杆的转速 n2-蜗轮的转速 K-蜗杆头数 Z-蜗轮的齿数5、螺旋传动在机械传动系统中还有一个螺旋传动，其特点是传动精度高，而且工作比较平稳无杂音，容易自锁，而且传动较大的动力等特点，螺旋传动用的螺旋分为传力螺旋、传导螺旋和调整螺旋，这是按照特点分的。按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。传力螺旋:以传递动力为主,它

33、用较小的转矩产生较大的轴向推力,一般为间歇工作,工作速度不高，而且通常要求自锁，例如螺旋千斤顶上的螺旋。传导螺旋：以传递运动为主，常要求具有高的运动精度，一般在较长时间内连续工作，工作速度也较高，如机床的进给螺旋。调整螺旋：用于调整并固定零件或部件之间的相对位置，一般不经常转动，要求自锁，有时也要求很高精度，如机器和精密仪表微调机构的螺旋。按螺纹间摩擦性质，螺旋传动可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动。滑动螺旋传动又可分为普通滑动螺旋传动和静压螺旋传动。第三章：机床横向进给系统机械部分设计计算3.1确定系统脉冲量进给系统机械部分设计计算内容包括：确定系统负载、确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空

34、载启动及切削力矩计算，确定伺服电机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图及零件图等。现分别如下：主要参数：在床身上 320在床鞍上 175最大加工长度 700溜板及刀架重量 纵向800N 横向400N 刀架快进速度 纵向1.6m/min 横向0.8m/min最大进给速度 纵向1.0m/min 横向1.5m/min主电机功率 2.2KW起动加速时间 25ms机床定位精度 0.02最小分辨率 纵向 0.01mm 横向 0.005mm脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个技术参数。就普通经济型数控车床常采用的脉冲当量是0.010.005mm/step。已知条件：工作台重（根据图纸粗略计

35、算） W=30kgf=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L=4mm左旋行程 S=230mm脉冲当量 =0.005mm/step步距角 =0.75 /step快速进给速度 max=1mm/min3.2切削力计算切削力，是指在切屑过程中产生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。通俗的讲：在切削加工时，工件材料抵抗刀具切削时产生的阻力，切削力有三个垂直的分力：切削力， 背向力、进给力。A.切削力计算 横向进给量为纵向的1/21/3,取1/2,则切削力约为纵向的1/2 F=(1/2)152.76=76.38kgf=763.8N 在切断工件时：F=0.5F=0.5076.38=

36、38.19kgf=381.9N B.滚珠丝杠设计计算a.强度计算对于燕尾型导轨：P=KFy+f(Fz+W) 取K=1.4 f=0.2则 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N 寿命值 L=13.5 最大动负载 Q=1.2174.74=213.55kgf=2135.5N 在切削的过程当中影响切削力的主要因素工件材料的影响 ：工件材料的物理机械性能、加工硬化能力、化学成分和热处理状态，都对切削力产生影响。工件材料的硬度愈高，则切削力愈大。工件材料虽然硬度、强度较低，但塑性、韧性大，加工硬化能力大，其切削力仍很大，切削脆性材料（如铸铁）时，塑性变形小，加工

37、硬化小，切屑与前刀面接触少，摩擦小，因此切削力也较小。切削用量的影响 :背吃刀量 a p和进给量 f是通过对切削面积和单位切削力的变化而影响切削力的。背吃刀量 a p增大，切削宽度 b d也增大，剪切面积 As和切屑与前刀面的接触面积按比例增大，第一变形区和第二变形区的变形与摩擦相应增大。当背吃力量增 大一倍时，切削力也增大一倍。进给量 f增大，切削厚度 h d增大，而切削宽度 b d 不变，这时剪切面积虽按比例 增大，第二变形区的变形未按比例增大。而进给量增大，平均变形变小，单位切削力降低，因此，进给量 f增大一倍，切削力约增加 70 80。还有刀具几何参数的刀尖圆弧半径，影响，在刀具几何参

38、数中前角对切削力的影响最大，主偏角的影响，刃倾角的影响，其它影响因素。3.3进给系统机械部分的计算在机床的进给系统中要涉及到许多的计算，比如：效率计算，稳定性验算，刚度验算，下面就针对各部分作具体分析：A.滚珠丝杠设计计算a.强度计算对于燕尾型导轨：P=KFy+f(Fz+W) 取K=1.4 f=0.2则 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N 寿命值 L =13.5 最大动负载 Q=1.2174.74=213.55kgf=2135.5N （3-6）根据最大动负荷Q的值，可选择滚珠丝杠的型号。查参考文献2可知，选用型号为WL2004-2.5X1B左，其

39、额定动负荷为6100N，所以强度足够用。b.效率计算螺旋升角=339，摩擦角=10则传动效率 =0.956 c.刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量L=5.9610-6cm （3-8）滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量L2很小，可忽略，即：L=L。所以，导程变形总误差为=L=5.9610-6=14.9m/m 查表知E级精度丝杠允许的螺距误差1m长为15m/m，故刚度足够。d.稳定性验算由于选用滚珠丝杠的直径与原丝杠直径相同，而支承方式由原来的一端固定、一端悬空，变为一端固定，一端径向支承，所以稳定性增强，故不用验算。C.齿轮及转矩有关计算a.有关齿轮计算传动比 故取 Z=18 Z=30

40、m=2mm b=20mm =20d=36mm d=60mm d=40mm d=64mma=48mmb.转动惯量计算工作台质量折算到电机轴上的转动惯量JI=（）2W=（）2300.01=0.0439kgfcm2（3-11）丝杠转动惯量JS=7.810-42450=0.624kgfcm2 齿轮的转动惯量J=7.810-43.642=0.262kgfcm2 J=7.810-4642=2.022kgfcm2 电机转动惯量很小可忽略，因此，总的转动惯量J= =1.258kgfcm2 （3-15）c所需转动力矩计算 n=41607r/min M=Nm=2.23kgfcm m=0.1775kgfcm 所以，

41、快速空载启动所需转矩，切削时所需力矩：从以上计算可知：最大转矩发生在快速启动时， =2.633kgfcm=26.33Ncm3.4步进电机的计算与选型步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量 步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。 步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。广泛应用于机电一体化产品中，如：数

42、控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。 选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。 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。在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。精度是由电机的固有特性所决定。 选择功