铣床X5032经济型数控化改造设计.doc

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1、 目录目录7第1章 绪论91.1 数控机床的组成和特点91.2 数控机床的分类101.3 数控机床的发展111.4 机床数控化改造的意义11第2章 总体改造方案132.1机械部分的改造要求132.2电气部分的改造要求13第3章 进给传动系统的设计153.1 进给传动系统简介153.1.1 进给传动系统的作用153.1.2数控机床进给传动系统的要求153.1.3进给传动系统的组成153.2 X、Y轴滚珠丝杆的选型和电机的选择163.2.1 横向（X轴）和纵向（Y轴）滚珠丝杆螺母副的选型163.2.2 X轴纵向步进电机选择计算213.2.3 Y轴方向步进电动机的选择263.3 Z轴方向进给设计27

2、3.3.1 Z轴滚珠丝杆螺母副的选型273.3.2 Z轴方向电机的选择273.4 Z向蜗轮蜗杆的选择283.5 进给控制部分设计303.5.1 控制系统的主要功能303.5.2 步进电机驱动电路31第4章 主传动系统的设计334.1 主传动系统方案的确定334.1.1 主传动系统的要求334.1.2 主传动的类型及方案的选择334.2 主传动变速系统主要参数计算344.2.1切削力的计算344.2.2切削功率的计算354.2.3主轴转速及传动功率354.2.4分级变速箱的传动系统的设计及主轴电动机的功率确定354.3 主轴设计374.3.1概述374.3.2轴的分类374.3.3主轴材料及结构

3、设计384.3.4 主轴强度的校核414.4 轴承以及主轴箱的设计444.4.1概述444.4.2主轴轴承的选择444.4.3主轴的支承454.4.4 主轴箱的设计454.5 自动拉刀装置的设计464.5.1 刀具自动夹紧机构464.5.2 拉刀装置的工作原理46第5章 数控系统的选型485.1 西门子802S的性能和组成485.1.1 选用系统的原因485.1.2西门子802S系统的简介485.1.3西门子802S 数控系统特点485.2 西门子802S系统的组成495.2.1硬件介绍495.2.2控制系统的软件505.3 数控系统各部分的连接及接口设计50第6章 数控系统的安装与调试566

4、.1系统的调试566.1.1保护级566.1.2硬件的安装与连接566.1.3机床电气设备维护576.1.4主轴驱动系统的调试576.2 操作面板及其功能576.3 机床数据设置596.4 操作简介60元器件清单65论文心得66参考文献67第1章 绪论数控机床是综合应用计算机、自动控制、自动检测及精密机械等高新技术的产物,是技术密集度及自动化程度很高的典型机电一体化加工设备。它与普通机床相比,其优越性是显而易见的,不仅零件加工精度高,产品质量稳定,且自动化程度极高,可减轻工人的体力劳动强度,大大提高了生产效率,特别值得一提的是数控机床可完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂曲面的零件加工,因

5、而数控机床在机械制造业中的地位愈来愈显得重要。1.1 数控机床的组成和特点数控机床主要由程序介质、数控装置、伺服系统、机床主体四部分组成。其中，程序介质用于记载机床加工零件的全部信息。如零件加工的工艺过程、工艺参数、位移数据、切削速度等。常用的程序介质有磁带、磁盘等。也有一些数控机床采用操作面板上的按钮和键盘将加工程序直接输入或通过串行接口将计算机上编写的加工程序输入到数控系统。在计算机辅助设计与计算机辅助制造(CAD/CAM)集成系统中，加工程序可不需要任何载体而直接输入到数控系统。 数控装置是控制机床运动的中枢系统，它的基本任务是接收程序介质带来的信息，按照规定的控制算法进行插补运算，把它

6、们转换为伺服系统能够接收的指令信号，然后将结果由输出装置送到各坐标控制的伺服系统。 伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，是数控系统的执行部件。它的基本作用是接收数控装置发来的指令脉冲信号，控制机床执行部件的进给速度、方向和位移量，以完成零件的自动加工。 通常数控系统由数控装置和伺服系统两部分组成，各公司的数控产品也是将两者作为一体的。 机床主体也称主机，包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如底座、立柱、滑鞍、工作台(刀架)、导轨等。数控机床与普通机床不同，它的主运动和各个坐标轴的进给运动都是由单独的伺服电动机驱动，所以它的传动链短、结构比较简单。为了保证数控机床的快

7、速响应特性，在数控机床上还普遍采用精密滚珠丝杠副和直线滚动导轨副。在加工中心上还配备有刀库和自动换刀装置。同时还有一些良好的配套设施，如冷却、自动排屑、自动润滑、防护和对刀仪等，以利于充分发挥数控机床的功能。此外为了保证数控机床的高精度、高效率和高自动化加工，数控机床的其他机械结构也产生了很大的变化。数控机床与普通机床加工零件的区别，在于数控机床是按照程序自动加工零件的，而普通机床是由工人手工操作来加工零件。在数控机床上只要改变控制机床动作的程序，就可以达到加工不同零件的目的。由于是一种程序控制过程，数控机床相应形成了以下几个特点：1. 采用数控机床可以提高零件的加工精度、稳定产品的质量。因为

8、数控机床按照预定的加工程序进行加工，加工过程中消除了操作者人为的操作误差，所以零件加工的一致性好，而且加工精度还可以利用软件来进行校正补偿，因此可以获得比机床本身所能达到的精度还要高的加工精度及重复定位精度。2. 数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的具有复杂曲面的零件的加工。因此它在航空航天、造船、模具等加工业中得到广泛应用。3. 采用数控机床比普通机床可以提高生产效率23 倍，尤其是对某些复杂零件的加工，生产效率可以提高十几倍甚至几十倍。4. 可以实现一机多用。一些数控机床将几种普通机床功能合一，加上刀库与自动换刀装置构成加工中心，如果能配置数控转台或分度转台，则可以实现一次安装

9、、多面加工。5. 采用数控机床有利于向计算机控制与管理生产方面发展，为实现生产过程自动化创造了条件。1.2 数控机床的分类目前，数控机床的品种齐全，规格繁多。为了研究的方便起见，可以从不同的角度对数控进行分类，常见的有以下几种分类方法：1.按工艺用途分类： 1)金属切削类数控机床。如数控车床、数控铣床、加工中心、数控钻床、数控镗床、数控齿轮加工机床、数控平面磨床等； 2)金属成型类数控机床。如数控折弯机、数控弯管机、数控冲床、数控回转头压力机等； 3)数控特种加工机床。如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光加工机床等； 4)测量绘图类数控机床。如数控绘图仪、数控坐标测量仪、数控对刀仪等

10、。2.按控制轨迹的特点分类： 1)点位控制数控机床。该类机床的特点:数控装置只能控制点与点的精确定位，并且两相关位置之间的移动是先快后慢的顺序进行。常使用于数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机及数控测量机等； 2)直线控制数控机床。该类机床的特点:机床能控制两相关点的位置，还要控制两相关点之间的移动速度和路线，并且路线由与各个轴线平行的直线段组成。常使用于简易数控车床、数控镗/铣床、数控加工中心等机床； 3)轮廓控制数控机床。该类机床的特点:数控装置能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制，用于加工复杂形状的零件。常使用于数控铣床、数控车床、数控磨床、加工中心及数控绘图仪等。3.按

11、可控制坐标轴数分类：按照机床可连续控制的坐标轴数(可联动轴数)，数控机床又叫分二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动数控机床。二轴联动可同时控制X、Y、Z三轴中二轴联动，加工曲线柱面；二轴半联动指其中二轴联动，第三轴作周期进给，采用形切法加工三维空间曲面；三轴联动可同时控制X、Y、Z三轴联动，或控制X、Y、Z三轴中二轴联动再加控制某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴(A轴、B轴或C轴)，可作三维立体加工；四轴联动可同时控制X、Y、Z三轴联动，加上控制一个旋转坐标轴(A轴、B轴或C轴)；五轴联动可同时控制X、Y、Z三轴联动，加上控制两个旋转坐标轴(A轴、B轴或C轴)。4.按伺服系统的应用类

12、型分类：1)开环控制系统数控机床。这类机床的数控系统不带位置检测装置。数控系统根据控制介质上的指令信号，经控制运算发出指令脉冲，使伺服驱动元件(步进电机)转过一定的角度，并通过传动齿轮或滚珠丝杠螺母副使工作台移动或转动； 2)闭环控制系统数控机床。这类机床的数控系统带有位置检测装置及反馈系统，检测装置安装在工作台上； 3)半闭环控制系统数控机床。这类机床的数控系统与闭环控制系统相似，也带有位置检测装置及反馈系统，不同的是半闭环控制系统采用的是角位移检测装置，安装在伺服电机或丝杠端部，间接测量工作台的实际位移。5.按数控系统的功能水平分类： 1)采用高级型数控系统的数控机床。高级型数控机床机床采

13、用全功能数控系统，控制功能比较齐全，属于高档数控系统。在数控系统中采用32位或64位微处理器，进给系统中采用闭环或半闭环高响应特性的伺服驱动，可控制五个轴，能实现五轴五联动以上控制，分辨率可达到0.1um，进给速度在15100m/min之间，能显示三维图形，具有RA232、DNC、MAP及网路通信功能。2)采用普及型数控系统的数控机床。普及型数控机床采用全功能数控系统，控制功能比较齐全，属于中档数控系统。通常采用16位或32位微处理器的数控系统，机床进给系统采用半闭环的交流伺服或直流伺服驱动，能实现四轴四联动以下的控制，分辨率为1，进给速度在1524m/min之间，有齐全的CRT显示功能，能显

14、示字符、图形并具有人机对话功能，具有RS232串行通信口或DNC直接数字控制通信接口。3)采用经济型数控系统的数控机床(经济型数控：在我国指由单板机、单片机和步进电动机组成数控系统和其它功能简单、价格低的数控系统)。经济型数控机床的控制系统比较简单，通常采用以步进电机作为伺服驱动元件的开环控制系统，分辨率为10，进给速度在815m/min之间，最多能控制三个轴。 1.3 数控机床的发展随着电子技术、信息技术、网络技术和自动控制技术的迅猛发展使得新一代数控技术水平大大提高，这促进了数控机床产业的蓬勃发展，也促进了现代制造技术水平的快速发展。在数控机床性能上数控机床正朝着高速度、高精度、高可靠性、

15、复合化、网络化、智能化、柔性化等方向发展。而现代制造业正在迎来一场新的技术革命，这有利的促进了数控系统向以下几个方向快速发展：数控系统向开放式体系结构发展；数控系统向软数控方向发展；数控系统控制性能向智能化方向发展；数控系统向网络化方向发展；数控系统向高可靠性方向发展；数控系统向复合化方向发展；数控系统向多轴联动化方向发展。1.4 机床数控化改造的意义数控技术是先进制造技术的核心，它的整体水平标志着一个国家工业现代化的水平和综合国力的强弱，具有超越其经济价值的战略物资地位。目前我国企业机械制造整体水平和发达国家相比还有很大的差距。由于我国企业大部分数控机床和数控系统依赖进口，企业承受不了巨额购

16、置费，且易受国外的控制，另外数控机械设备维修能力薄弱，进口的备件维修成本高，设备完好率低，大部分进口机床数控系统已经崩溃，有的甚至在进口后还没使用就已因为各方面原因不能使用等等原因。因此目前我国大部分企业机床数控化比例较低，很难满足企业高技术产品的生产需求和生产效率。因此对数控机床进行新的设计改造以满足生产加工需求，即提高了生产效率，又节约了资金，并且能缩短设备更新的时间，对企业生产来说，显得极为必要。数控机床改造具有以下重要意义：(1)节省资金。机床数控改造设计同购置新机床相比一般可节省60%左右的费用，大型及特殊设备尤为明显。一般大型机床改造只需花新机床购置费的1/3。即使将原机床的结构进

17、行彻底改造升级也只需花费购置新机床60%的费用，并可以利用现有地基。 (2)性能稳定可靠。因为机床各基础件经过长期时效，几乎不会产生应力变形而影响精度。 (3)提高生产效率。机床数控改造后即可实现加工的自动化效率可比老式机床提高3至5倍生产效率。对复杂零件而言难度越高功效提高得越多。并且可以不用或少用工装，不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期。第2章 总体改造方案X5032铣床经济型数控化改造设计，在经济性和适用性的原则条件下，我们进行的组要设计内容如下：进给轴机械传动部分的设计、伺服驱动装置选择设计、伺服系统控制方案设计、主轴的机械传动以及主轴电机的选择、刀库的选择和换刀驱动装置的选择、润

18、滑冷却系统及PMC控制设计、电气控制系统设计、各辅助装置的确定和反馈设计、参数的设置和机床安装调试设计等。 2.1机械部分的改造要求机械部分的改造要求有：提高传动部件的刚度，减小传动部件的惯量；减小传动部件的间隙，并减小系统的摩擦阻力；高精度 就是说伺服系统的输出量能复现输入量的精确程度。稳定性好 指系统在给定输入或受外界干扰作用下，能在短暂的调节后，达到新的或者恢复到原来的平衡状态。快速响应，无超调 它是衡量伺服系统动态品质的重要指标，反映了系统的跟踪精度。低速大转矩 机床加工的特点是在低速时进行重切削。因此，要求伺服系统在低速时要有大的转矩输出。调速范围宽 指机械要求电机能提供的最高转速和

19、最低转速之比。在数控机床中，由于加工用刀具、被加工材质及零件加工要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求伺服系统具有足够宽的调速范围。2.2电气部分的改造要求1. 由于是将X5032铣床改造成为经济型的开环控制的数控铣床，机床加工的零件多属中小型，且加工精度要求不是很高，原有的交流电机就能够满足加工要求。因此其主传动系统的电气部分仍采用其原来配置的7.5KW的交流电动机驱动。2. 控制系统设计的总体考虑：（1）确定功能指标；（2）明确硬件分工（3）重视接口设计；为避免强电干扰可采用光电耦合电路(GO102)进行光电隔离。因为8255输出的信号功率很小，故用功率放大器对输出的脉

20、冲信号放大，以驱动步进电机工作。考虑到该数控系统是开环控制，没有位置反馈电路，故进给系统尽可能的要减少中间传动环节。本铣床的X，Y两轴进给系统去掉了原来的进给系统的中间传动环节，直接采用了步进电机一级减速齿轮滚珠丝杆的传动方案。拆除原来的丝杆，增加少量的机械附件，就可安装步进电机及滚珠丝杆螺母副,带动工作台移动。机构的主要特点：结构简单，操作方便，自动化程度高；广泛采用高效、无间隙传动装置和新技术、新产品；具有适应无人化、柔性化加工的特殊部件；表2-1 铣床X5032主要技术参数主轴端面至工作台距离(mm)45415主轴中心线到床身垂直导轨的距离(mm)350主轴孔锥度7:24 ISO50主轴

21、孔径(mm)27主轴转速 (r.pm)(18Steps)404000立铣头最大回转角度45度工作台工作面（宽度长度）（mm）3201325工作台行程纵向/横向/垂向（手动/机动)(mm)600/680、 600/680 、300/350进给电机脉冲当量0.002 mm/step主轴电机功率(kw)5.5进给电机功率(kw)1.5机床定位精度0.001 mm/step机床重复定位精度0.0005 mm/step机床进给部件重量横向4410N 纵向 2200N第3章 进给传动系统的设计3.1 进给传动系统简介3.1.1 进给传动系统的作用数控机床的进给传动系统常用伺服进给系统来工作。伺服进给系统的

22、作用是根据数控系统传来的指令信息，进行放大后控制执行部件的运动，它不仅控制进给运动的速度，同时还要精确控制刀具相对于工件的移动位置和轨迹。因此，数控机床的进给系统，尤其是轮廓控制系统，必须对进给运动的位置和速度两方面同时实现自动控制。3.1.2数控机床进给传动系统的要求数控机床进给传动系统要满足以下要求：进给摩擦阻力小；运动惯量小；传动精度与定位精度高；进给调速范围宽；能无间隙传动；进给稳定性好，使用寿命长；并且使用维护要方便。3.1.3进给传动系统的组成一个典型的数控机床半闭环控制进给系统，通常由位置比较、放大元件，驱动单元，机械传动装置等组成，其中，机械传动装置是位置控制环中的重要环节。机

23、械传动装置是指将驱动源旋转运动变为工作台直线运动的整个机械传动链，包括减速装置、联轴器、丝杠螺母副等。减速装置采用齿轮机构和带轮机构，导向元件采用导轨。进给系统的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工质量。数控机床进给系统部分设计,计算内容包括:确定系统的负载,确定系统的脉冲当量,部分部件惯量计算,空载启动及切削刀矩计算,确定电机转动及导向元件的设计,计算及选用绘制部分装配及零件工作图等1双联齿轮 2双联齿轮 3齿轮轴 4主轴电机 5齿轮 6主轴齿轮 7主轴齿轮8纵向滚珠丝杠 9薄片齿轮 10纵向步进电机 11横向步进电机12薄片齿轮 13横向滚珠丝杠 14垂直步进电机 15薄片齿轮16圆

24、锥齿轮 17垂直进给丝杠图3-1 X5032铣床传动示意图3.2 X、Y轴滚珠丝杆的选型和电机的选择3.2.1 横向（X轴）滚珠丝杆螺母副的选型1. 丝杠副工作负荷计算及丝杠型号的选择工作台的进给运动是由步进电动机由一级消隙齿轮经滚珠丝杠螺纹副，带动工作台移动。其中在纵向（X轴）进给系统的改造布置中，滚珠丝杠、轴承支架固定在工作台上，随工作台移动。步进电动机经降速齿轮和滚珠丝杠的螺母固定在床鞍上，通过滚珠丝杠的转动，实现工作台与床鞍之间的相对移动。滚珠丝杠螺母副，它的特点是在具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦，丝杠与螺母之间基本上为滚动摩擦。导轨采用燕尾形贴塑导轨。滚珠

25、丝杠螺母副的优点有：1）传动效率高，摩擦损失小，使用寿命长。2）给予适当预紧，可消除丝杠和螺母的螺纹间隙，反向时就可以消除空程死区，防止失步；定位精度高，刚度好。3）有可逆性丝杠和螺母都可以作为主运动件，故可以从旋转运动转换为直线运动，也可以从直线运动转换为旋转运动。4）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。图3-2 滚珠丝杆螺母副纵向工作台及夹具重量： = 2200 N（估计值）滚珠丝杠的基本导程： = 8mm螺纹升角： 行程：S= 680mm（最大纵向行程）快速进给速度：取 = 2.5m/min（经验值）现在根据最大当量动载荷计算公式：式中：运转系数，取 精度系数，取 丝杠所受轴向载荷（），

26、寿命值，可据公式 为丝杠平均转速（r / min）= 156.3r/min式中：最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度 的 则： 使用寿命时间，据查经济型数控机床设计手册取T=15000小时L 140.625从而， 2.铣削力的计算现在以工作寿命和实际加工过程中的最大铣削力为基础进行设计计算，以确保平常工作状态下的工作安全和可靠。据机床设计手册 及刀具相关资料有公式： 1500N3.滚珠丝杠所受的平均轴向载荷 的计算用高速钢立铣刀逆铣合金刚时,工件的切削力可查数控机床书中得:纵向进给力 （取中间值：1.1）=1.1=1.11500=1650N横向进给力 （取中间值：0.375）= 0.375

27、=0.3751500=562.5N垂直进给力 （取中间值：0.25） =0.25=0.251500=375N故可知在插补平面内的合力为:=1734N那么丝杠所受的平均工作载荷： 所以丝杠轴向所受载荷 其中为横向分力 =0.85=1275NMg 为纵向工作台及夹具重量 Mg =2200N 为颠覆力矩影响系数 取 1.1M 为当量摩擦系数 M 取 1.18那么 =1.11162 + 0.18(2200+1275)=1903N根据机床设计手册得， 故可选丝杠型号为：（内循环浮动返向器），的基本尺寸为：公称直径： =50mm， 螺距：=8mm 刚球直径： =5mm， 螺纹升角，=丝杠外径，d =- (

28、0.20.3)= 48.9螺纹底径，=30mm其动载荷 =25000=12179.2N 故选择符合要求，丝杠可用。4.传动效率的计算根据机械设计原理滚珠丝杠的传动效率的计算公式为：式中： 丝杠的螺旋升角，由以上参数表知，= 摩擦角，滚珠丝杠副的摩擦角10则可得： =97%5.刚度验算滚珠丝杠受工作负荷引起的导程的变化量： /EF其中：弹性模量对于钢为：E=21滚珠丝杠横截面积：F（）而： 则： 滚珠丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可以忽略，故 ；故导程的变形误差为： 查表得E级精度丝杠所允许的螺纹无厂误差（1m长）为，故刚度足够。6. 稳定性的验算由于纵向（X轴）的滚珠丝杠两端采用的是滚珠丝杠

29、螺纹副固定，丝杠一般不会受压，又由于机床的原普通丝杠的直径大于滚珠丝杠的直径，故稳定性一定能满足要求。7.临界转速的验算由计算得已知丝杠平均工作转速为：因此，必须进行临界转速的验算，即：其中式中符号表示：丝杠的最大转速： 丝杠支承方式系数取（因为没有受压） =9910 =- 1.2=40-1.25 = 34mm丝杠的长度 = 工作最大行程 + 螺母长度 + 两端余量（取40mm），螺母长度由机床零部件设计上可查得： = 680 + （131 + 40） 2 = 680 + 342 = 1022mm支撑跨距 应略大于 取 = 1100临界转速计算长度 = 680 + 131 + 40 + = 8

30、11 + 40 + 39 = 890mm可见满足：所以满足稳定性的要求，故可选丝杠型号为：（内循环浮动返向器），丝杆支撑部件选用角接触滚子轴承，与丝杆之间采用过盈配合。3.2.2 X轴纵向步进电机选择计算1.计算工作台、丝杠以及齿轮折算到电机轴上的惯量 根据机电一体化基础所提供的计算公式：式中：折算到电机轴的惯量；小、大齿轮的惯量；丝杠惯量；横向工作台及夹具重量,；丝杠螺距，；齿轮及丝杠转动惯量的计算：由于有些传动件（如齿轮、丝杠等）的转动惯量不易精确计算，可将其等效成圆柱体来近似计算。圆柱体的转动惯量可依据公式：式中：材料密度,对钢取；圆柱体直径.(对于齿轮、丝杠等就是其等效直径)；圆柱体长

31、度,(对于齿轮、丝杠等就是其等效齿宽或长度)则： 则可算得：2.032.惯量匹配验算初选的步进电机110BF004的转子的转动惯量：=4.61Kg转动系统与步进电机的惯量匹配条件：而：所以惯量是匹配的。3.负载转矩计算及最大静转矩选择计算快速空载起动时所需力矩 依据公式： 式中：快速空载起动力矩；空载起动时折算到电机轴上最大加速力矩；折算到电机轴上的摩擦力矩；由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩；又： 式中： 惯量和，；电机最大角加速度；又： 其中： 电机最大转速；运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间取25ms 又： 则： 则： 故： 又因为： 式中： 导轨的摩擦力；传动链总效率

32、，一般可取 ，现取 ；又： 式中： 垂直方向的切削力， ；导轨摩擦系数， (贴塑导轨)；横向工作台及夹具重量，；则： =103N故： 又： 式中： 滚珠丝杠预加载荷，取；滚珠丝杠预紧时的传动效率， ； 故： =140+10.2+3.7=153.94.快速进给时所需力矩 依据公式：而： 故有： 5.最大切削负载时所需力矩 根据公式：式中：折算到电机轴上的切削负载力矩；又有公式： 式中：进给方向最大切削力，则： 故： 6.最大静转矩选择依据文献实用机床设计手册上，有：（1）对于在最大切削力下工作时所需要电机最大静转矩为：（2）对于空载起动时所需要的电机最大静转矩为：由（1）和（2）可知，以计算得：

33、恒大于 所以就以作为选取步进电机最大静转矩的依据。而初选的步进电机为110BF003 ，它的最大静转矩为：所以初选的步进电机型号符合要求。7.步进电机动载荷矩频特性和运行矩频特性由数控技术得：动矩频特性： 运行矩频特性： 其中： 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度 的，现取中间值，即。所以： =2431由步进电机110BF004的矩频特性和运行矩频特性参数可以看出所选步进电机在起动时力矩是满足要求的。所以最终就确定步进电机的型号为：110BF004反应式步进电动机。其结构简图为图3-2。图3-2 横向进给结构简图传动比的计算：根据脉冲当量和电机步距角、螺距之间的关系得所以电机与丝杆的传动

34、比为4:13.2.3 纵向（Y轴）滚珠丝杠螺母副的选型纵向工作台及夹具重量： = 2200 N（估计值）滚珠丝杠的基本导程： = 8mm螺纹升角： 行程：S=450mm（最大纵向行程）快速进给速度：取 = 2.5m/min（经验值）经过计算得Y轴丝杆与X轴的丝杆型号一样，为FFZD5008，内循环浮动返向器，计算及检验过程同上。3.2.4 Y轴方向步进电动机的选择Y轴铣削圆周力： =1500N则有Y向丝杠牵引力：= +1.414f=1500+1.41444100.01=1562N则有电机轴负载力矩： 其中： 导轨摩擦系数，取0.1步进电机步矩角为0.36Y向丝杠牵引力 f当量摩擦系数取0.01

35、若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为：可取安全系数极限值0.3，则有：=步进电机最大启动力矩： 电机最大工作频率：综合以上可选取步进电机型号为：110BF004反应式步进电动机。步进电机110BF004的外型尺寸为：，轴径为。 Y轴的丝杠选择与X轴一样为FFZD5008，内循环浮动返向器，电机与丝杆同样以齿轮传动，传动比为1:4，计算公式同X轴。其结构简图为图3-3所示。图3-3 纵向进给结构简图3.3 Z轴方向进给设计3.3.1 Z轴滚珠丝杆螺母副的选型垂直方向工作台及夹具重量： = （估计值）滚珠丝杠的基本导程： = 8mm螺纹升角： 行程：S= 350mm（最大垂直方向行程）快

36、速进给速度：取 = 2.5m/min（经验值）经过计算得Z轴丝杆与X轴和Y轴的丝杆一样，为FFZD5008，内循环浮动返向器，计算及检验过程同上。3.3.2 Z轴方向电机的选择垂直方向的切削力， 则有Z向丝杠牵引力：= +1.414f=375+1.414(4410+2200)0.01=468N则有电机轴负载力矩： T = 89Nm其中： 导轨摩擦系数，取0.1步进电机步矩角为0.36Z向丝杠牵引力 F当量摩擦系数取0.01若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩为： 可取安全系数极限值0.3，则有：=步进电机最大启动力矩： 电机最大工作频率：综合以上可选取步进电机型号为：110BF004反

37、应式步进电动机。步进电机110BF004的外型尺寸为：，轴径为。3.4 Z向蜗轮蜗杆的选择设计原则：根据给定的中心距及传动比（或按照结构及设计的要求自定中心距和传动比）然后从蜗杆传动中心距标准值系列表中选取中心距的标准系列值，然后从经验公式先估算相关参数值，估算后在参考标准值系列表，确定标准值。图3-4 垂直方向涡轮蜗杆简图1计算传动比上式中：p为脉冲当量，为步距角，L为滚珠丝杠导程。2初选几何参数参照蜗轮蜗杆参数推荐值表1，i=3时，选z1=6；则z2= i z1=18；3蜗轮输出转矩T2 式中：P1， n1分别为蜗杆轴输入功率，转速。为螺旋副啮合效率；为轴承效率，滚动轴承时取； 为搅油及溅

38、油效率， ；为啮合摩擦系数；0为标准圆盘滚子试件摩擦系数；Rz为设计蜗杆的齿面粗糙度；Rz0为标准圆盘试件的表面粗糙度；代入数据得=0.76根据所选电机得P1=1.5kW，n1=350r/min所以 =93Nm4载荷系数 上式中：K为载荷系数；K1为动载荷系数，当蜗轮圆周速度时K1取1.0；K2为啮合质量系数，查表得0.95；K3为小时载荷率系数，查表得0.78；K4为环境温度系数，查表得1.09；K5为工作情况系数，查表得1.0。代入数据得：5计算m和q代入数据：9.9查表取 m=6.3 q=186主要几何尺寸7蜗杆传动强度及刚度验算确定许用接触应力Hp采用锡青铜蜗轮：分别查滑动速度曲线表，

39、滑动速度影响系数表及寿命系数得 所以 确定许用接触应力H代入数据得：76可见,所以接触强度足够。3.5 进给控制部分设计该系统是由数控单元和步进驱动单元组成。控制核心按照所输入的加工程序数据，经计算处理，发出所需要的脉冲信号，经驱动电路放大功率后，驱动补进电机，由步进电机带动滚珠丝杠副，从而使工作台按零件加工所需的进给速度及方向移动，实现机床的开环自动控制。系统的定位精度由软件中适当的降频处理来保证，重复定位采用固定间隙来改善。最终使系统灵活性大 ，通用性强，数控功能丰富，可靠性高，且易于实现机电一体化，使用维护方便。回参考点方式采用磁感应开关，回参考点过程中使用减速挡块。3.5.1 控制系统

40、的主要功能 控制系统的主要功能有：（1）手动暂停，手动快速返回坐标原点。（2）六个方向点动传给，手动快速进给。（3）间隙补偿功能，刀具补偿功能。（4）用户指令掉电保护功能。（5）具有程序暂停、延时、局部循环、自动循环功能。（6）用户指令编辑、修改、删除、清零功能。（7）错误操作诊断、错误操作显示功能。（8）可自行进行直线、斜线、圆弧的加工系统的硬件组成如下所示。主要有主控制器CPU、存储器、键盘显示器、I/O接口和驱动电路等。部分可参照单片机原理书中所述。如图3-5所示 图3-5 数控系统硬件框图3.5.2 步进电机驱动电路用步进电机作为执行元件的数控系统，可采用较为简单的开环控制，因而成为经

41、济型数控机床最为主要的一种驱动元件，步进电机的驱动电路一般由4部分组成：计算机接口、脉冲分配器、光电隔离电路和功率放大电路。脉冲分配器的作用是为步进电机提供符合控制指令要求的脉冲序列，其实现方法有硬件和软件2种。为降低硬件的成本及故障源，本设计采用软件方法进行实现。步进电机驱动电路中，脉冲信号经过放大后送给步进电机励磁绕组，为防止强电干扰，在功放电路之前接上光电耦合电路进行隔离。步进电机所需电流较大，必须将光电耦合器输出的信号放大后才能驱动步进电机正常运转。步进电机的驱动电路由三部分构成：环形分配器；光电耦合器；功率放大器。1. 环形分配器 环行分配器的主要作用是把来自于加减速电路的一系列进给

42、脉冲指令，转换成控制步进电机定子绕组通电、断电的电平信号，电平信号状态的改变次数及顺序与进给脉冲的数量及方向对应。硬件环型分配器是有触发器和门电路构成的硬件逻辑电路（如型号YB015）。2. 光电耦合器 选用 GO102 型光电耦合器，其电路图如图3-6所示：图3-6 光电耦合电路图3. 功率放大器 因为输出的脉冲功率很小，电流只有几毫安，故需要进行功率放大，使脉冲电流达到110 A，才足以驱动步进电机正常工作。其电路图如图3-5所示： 图3-7 单电压供电功放电路通过综合的考虑本设计决定采用： 高低压驱动电路第4章 主传动系统的设计4.1 主传动系统方案的确定主传动系统是用来实现机床主运动的

43、传动系统，他应具有一定的转速和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的实现运动的开停、变速、换向和制动等。 数控机床主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上简单，这是因为变速功能全部或大部分主轴电动机的无极调速来承担，省去了复杂的齿轮变速机构，有些只有二级或三极齿轮变速系统用以扩大电动机无级调速的范围。机床主轴，一般用于给机床加工提供动力，通常主轴驱动被加工工件旋转的是车削加工，所对应的机床是车床类；主轴驱动切削工件旋转的是铣削加工，所对应的机床是铣床类。主轴电机通常有普通电机与标准主轴电机两种（与之对应的驱动装置也分为开环与闭环两种）。 对于X5032的传动系统我们选择半闭环控制： 半闭环控制数控机床的特点是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置，通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，数控机床与输入的指令位移值进行比较，用比较的差值对机床进行控制。由于反馈环内没有包含传动丝杠，数控机床其传动误差照样会影响工作台的位移精度，故称半闭环控制。 半闭环控制的精度没有闭环控制高，但调试比较方便，并且具有较好