c616车床纵轴数控化改造设计14Word格式.docx
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从实用方便来考虑，一般都把步进电机放在纵向丝杠的左端。
一、机电一体化对机械部分的要求：
1、低摩擦导轨（滚动摩擦）精密丝杠（滚珠丝杠）。
2、无传动间隙（用丝杠螺母副消除间隙）。
3、高刚度
4、高谐振频率
5、低惯性（以提高稳定性和响应特性）。
二、设计已知条件：
1:
、工作台重量W=800N
2、起重动加速时间T=50ms
3、脉冲当量δ=0.01mm/step（纵向）
4、快速进给速度Vmax=2m/min（纵向）
5、工作台行程L=640mm
6、主轴电机功率N=4kw
7、机床定位精度0.02mm/300mm
8、切削进给速度（纵向）
三、机械设计计算：
1、切削计算
由〈〈机床设计手册〉〉可知，切削功率
Pc=PηK
式中P--电机功率，查机床说明书，P=4KW；
η--主传动系统总效率，一般为0.7～0.85取η=0.75；
K--进给系统功率系数，取为K=0.96。
则：
Pc=4×
0.75×
0.96=2.88KW
切削功率应按在各种加工条件下经常遇到的最大切削力和最大切削转速计算，
即：
按最大切削速度计算，取V=100m/min。
则主切削力：
由《机床设计手册》可知，在外圆车削时
Fx=（0.1～0.55）FzFy=（0.15~0.65）Fz
取纵向切削分力Fx=0.5Fz=0.5×
1728=864N
横向切削分力Fy=0.6Fz=0.6×
1728=1036.8N
2、滚珠丝杠设计计算
由《机械零件设计手册》可知，该方案选用双圆弧型面、外循环、双螺母垫片式预紧。
1）最大工作载荷Fm的计算
可根据《机床设计手册》中进给牵引力的经验公式计算，纵向为三角形导轨，则：
Fm=K·
Fx+f·
（Fz+G）
式中Fx—切削分力
G—移动部件的重量，G=800N
f—导轨上的摩擦系数，f=0.15~0.18，取f=0.16
K—考虑颠覆力矩影响的实验系数，K=1.15
则
Fm=1.15×
864+0.16×
（1728+800）=1398.08N
2）最大动载荷C的计算
由《机械零件设计手册》可知最大动载荷
C=
其中t=，n=
式中t—寿命，以为1单位
n—丝杠转速
—滚珠丝杠导程，初选=6mm
—最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度1/3~1/2，本机床取1/2
—载荷系数由平稳或轻度冲击取=1.2
—硬度系数由HRC58取=1
T—使用寿命，按15000h计算
则n==r/mm=50r/mm
t==万r=45万r
则C=
=N
=5967.4N
3）规格型号的初选
初选滚珠丝杠副的规格，应使其额定动载荷
当滚珠丝杠副在静态或低速状态下
长时间承受工作载荷时，还应使其额定静载荷（2~3）Fm
查《机械零件设计手册》
选丝杠型号：
CDM2506-3
具体相关参数如下：
公称直径/mm
导程/mm
钢球直径/mm
丝杠外径/mm
螺纹小径/mm
额定载荷/N
接触刚度
/（N/）
25
6
3.969
24.5
20.9
14778
34423
898
螺母安装连接尺寸：
D
B
h
L
C
A
M
50
—
76
63
11
5.8
10
110
42
7
3
M6
4）根据〈〈机械原理〉〉的公式，丝杠螺母副的传动效率为：
==0.963
式中ψ—摩擦角，ψ=10′
螺旋升角，根据tan=，可得=
5）刚度验算
滚珠丝杠工作时受轴向力和转矩的作用，将引起导程的变化，因滚珠丝杠受转矩时引起的导程变化很小，可忽略不计，所以工作负载引起的导程变化量为
=
式中E—丝杠材料的弹性模量，对于钢，取E=20.6MPa（20.6N/）
A—滚珠丝杠的截面积，按丝杠螺纹底径确定d，即d=20.9mm=2.09cm
A==3.43
—滚珠丝杠导程，=6mm=0.6cm
其中“+”用于拉伸时，“—”用于压缩时。
=
=11.87cm
滚珠丝杠受转矩引起的导程变化量很小，可以忽略不计，每米丝杠长度上螺距变形
==19.78/m
选精度等级为四级，由《机械零件设计手册》得4级，精度丝杠允许的螺距误差为27.5/m，
19.78/m<
27.5/m，故刚度足够。
6）稳定性验算
此纵向滚珠丝杠副采取一端轴向固定一端简支的方式。
滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象，失稳时，临界载荷应满足：
式中：
—临界载荷，单位为N
—丝杠支承系数，双推简支式取：
=2
K—压杆稳定安全系数，一般取为2.5~4，取k=4
a—滚珠丝杠两端支承间的距离
E—钢的弹性模量E=MPa
I—丝杠按底径确定的截面惯性矩I=/64
又：
Ls—滚珠丝杠两端支承间的距离
丝杠螺纹长度Ls=工作台行程Ly+2余程Le=640+2=688mm
其中Ly、Le均为《机电一体化手册》查得
最终得临界载荷：
=>
=1398.08N
所以满足稳定性要求。
3、齿轮
传动比
式中—步进电动机步距角，初选=0.75°
/step
—滚珠丝杠导程，取=6mm
--脉冲当量，取=0.01mm/step
得
=0.8
可选定齿轮齿数为
由于进给运动齿轮受力不大，且根据优先选用第一系列的原则，取模数m=2.5mm
小齿轮分度圆直径=m=282.5mm=70mm
大齿轮分度圆直径=m=352.5mm=87.5mm
由于齿轮传动只要求传递扭矩，故取大、小齿轮齿宽分别为
=28mm，=33mm。
齿顶圆直径=70+2=72mm
=87.5+2=89.5mm
中心距a===78.75mm
4、电机
1）等效转动惯量计算
折算到电动机轴上的转动惯量按下式估算
化算得
=+【】
式中，—折算到电动机轴上的转动惯量（）
—齿轮的转动惯量（）
—滚珠丝杠的转动惯量（）
g—重力加速度
对于材料为钢的圆柱形零件，其转动惯量按下式估算
J=7.8
式中D—圆形零件直径
L—零件轴向长度
齿轮的转动惯量：
=7.8×
×
3.3=6.18
2.8=12.80
丝杠的转动惯量：
Js=7.8×
68.8=2.10
=6.18+【12.80+2.10+】
=16.18
2）所需转动力矩计算
快速空载启动时所需力矩
最大切削负载时所需力矩
快速进给时所需力矩
M=Mf＋M0
式中Mamax—快速空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；
Mf—折算到电机轴上的摩擦力矩；
M0—由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；
Mat—切削时折算到电机轴上的加速度力矩；
Mt—折算到电机轴上的切削负载力矩。
Ma=×
N·
m
当n=时Mamax=Ma
===416.7r/min（i===1.25）
当n=时
Ma=Mat
===62.5r/min
摩擦力矩：
Mf==
式中—摩擦力（由工作台重量引起）
—进给系统的效率中型机为0.75~0.8取=0.8
—轨道摩擦系数取=0.16
附加摩擦力矩：
式中，—预加载荷，一般为最大轴向载荷的1/3.
当=0.9时预加载荷
=Fx
所以,快速空载启动时所需力矩：
=140.46＋12.23＋5.23=157.92N·
㎝
切削时所需力矩：
=21.07＋12.23＋5.23＋82.54=121.07N·
快速进给时所需力矩：
M=Mf＋M0=12.23＋5.23=17.46N·
由以上分析计算可知：
所需最大力矩Mmax发生在快速空载启动时
Mmax=157.92N·
㎝=1.5792N.m
3）步进电机选择
启动力矩一般启动力矩选取为：
式中Mq--电动机启动力矩；
Mmax--电动机最大力矩。
电机采用三相六拍式，启动力矩与最大静转矩关系
由以上选型及计算，最终选用110BF003型电动机
相关参数：
电压80V最大静转矩800最大空载启动频率1500
外径：
φ110mm长度：
160mm轴颈φ11mm步距角：
0.75°
电气部分设计
微型计算机的应用已经深入到机床数控系统，在本设计中所谓经济型计算机数控是采用八位微机系统与步进电机驱动系统租场开环两坐标进给的简易数控系统。
电气部分设计包括硬件电路的设计和软件设计两部分。
一、数控系统的硬件电路设计
硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影响整个系统的工作性能，有了硬件软件才能有效地进行。
数控系统的基本硬件电路由以下几部分组成：
控制器、存储器、接口电路、光电隔离电路、功率放大器。
1、控制器：
本系统选用8086cpu系统作为数控系统的控制器件。
1般计算机的性能指标有速度、字长、内存的大小、软件配置等。
8086一般有cpu、I/O电路、存储器三部分组成。
②时钟脉冲频率是计算机工作速度的主要因素，8086cpu的时钟频率为10MHZ。
2、存储器
20位的地址在CPU内可寻址，1M字节的内存空间，而机构内的存储器是16位的，只能寻址64k字节，8086系统把1M存储空间系统分成16个逻辑段，每个逻辑段允许在存储空间浮动，即段与段之间可以部分重叠、完全重叠、连续排列、断续排列非常灵活。
在整个存储空间中可以设置若干个逻辑段，对任意一个物理地址可以唯一的被包含在一个逻辑段内，也可以包含在多个相互重叠的逻辑段内，只要有段地址和段内偏移地址就可以访问到这个物理地址所对应的存储空间。
在8086存储空间中，把16k字节的存储空间成为一节，为简化操作，要求各个逻辑段从节的整数边界开始，也就是说段首地址第四位应该是“0”，因此，应该把段首地址的高16位称为段基址，存放在受寄存器中，段间偏移地址存放在IP或SP中，DS、CS、SS、ES的段基址分别为2058H、250AH、8FFBH和EFFOH。
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