XK712数控铣床Z向步进进给系统设计 - 图文

引 言

制造业是一个国家或地区经济发展的重要支柱，其发展水平标志着该国或地区经济的实力，科技水平，生活水平和国防实力。国际市场的竞争归根到底是各国制造生产能力及机械制造装备的竞争。

随着社会生产和科学技术的发展，机械产品的性能和质量的提高。产品的更新换代也不断的加快。因此对机床不仅要求迅速适应产品零件的换代有教高的精度和生产率，而且应有教高的精度和生产率，生产的需要促使数控机床的产生。随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床迅速发展起来。数控机床的进一步设计的必要性可以解决形状复杂小批零件的加工问题，稳定加工质量和提高生产率。但是由于受其它条件的限制，例如价格、精度等问题。所以设计改造数控机床的进给系统是刻不容缓的。数控机床进给传动系统的设计，其中包括进给系统的轴向负载计算，导轨的设计与选型，滚珠丝杠螺母副的选型计算，进给传动系统的动态特性分析误差计算，驱动电动机的选型计算，驱动电动机与滚珠丝杠的连接等等。

通过这次毕业设计，可以达到以下目的：1，培养综合运用专业基础知识和专业技能来解决工程实际问题的能力；2，强化工程实践能力和意识,提高本人综合素质和创新能力；3，使本人受到从事本专业工程技术和科学研究工作的基本训练,提高工程绘图、计算、数据处理、使用计算机、使用文献资和手册、文字表达等各方面的能力；4，培养正确的设计思想和工程经济观点，理论联系实际的工作作风，严肃认真的科学态度以及积极向上的团队合作精神。

目录

第一章 数控铣床概述……………………………………………4

1.1 数控机床的产生和发展???????????????4

1.1.1数控机床的产生?????????????????????? 4

1.1.2数控系统的发展???????????????????? 5

1.2 我国数控技术的发展概况????????????? 5

1.2.1数控技术再国民经济中的重要地位???????????? 5 1.2.2.我国数控机床发展存在的问题与对策???????????6

1.3 数控机床的发展趋势????????????????7 1.4 数控铣床的主要功能及特点?????????????8 1.5数控铣床的分类和应用??????????????? 8

1.5.1 数控铣床的分类????????????????????8 1.5.2 数控铣床的应用????????????????????9

第二章XK712数控铣床Z向的总体方案设计…………………..9 第三章机床Z向步进进给系统机械部分设计算……………….. 10

3.1设计参数?????????????????????10 3.2 铣削力的计算?????????????????? 10

3.2.2计算各切削力???????????????????? 10 3.2.1计算主铣削力

FZ???????????????????10

3.3导轨的设计与选型???????????????? 11

3.3.1 导轨概述??????????????????????11

3.3.2滚动直线导轨副的计算????????????????12

3.4滚珠丝杠螺母副的设计计算与选型????????? 14

3.4.1导轨摩擦力计算??????????????????? 14 3.4.2滚珠丝杠螺母副轴向负载力的计算??????????? 14 3.4.3滚珠丝杠的动负载荷的计算与直径的估算???????? 15 3.4.4初步确定滚珠丝杠螺母副及相应轴承的规格型号????? 18 3.4.5 滚珠滚珠丝杠螺母副的承载能力校荷?????????? 21

3.5机械传动系统的刚度计算??????????????23

3.5.1机械传动系统抗拉刚度计算???????????????24 3.5.2滚珠丝杠螺母副扭转刚度计算??????????????25

2.6步进电机的选型与计算???????????????26

2.6.1计算折算到电动机轴上负载惯量?????????????26 2.6.2计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩???????27 2.6.3步进电动机最大静转矩的选定??????????????29 2.6.4步进电动机的性能校核?????????????????29

3.7联轴器的选型???????????????????30

3.7.1精密膜片弹性联轴器的选用原则?????????????30 3.7.2精密膜片弹性联轴器型号的选用?????????????31

3.9机械传动系统的动态分析??????????????31 3.9机械传动系统的误差计算与分析???????????32

第四章 微机数控系统的设计??????????????33

4.1控制系统总体方案的拟定??????????????33 4.2绘制控制系统结构框图???????????????33

4.3选择中央处理单元（CPU）的类型?????????? 34 4.4存储器扩展电路设计????????????????35

4.4.1程序存储器的扩展???????????????????35 4.4.2数据存储器的扩展???????????????????36

4.5接口电路及辅助电路设计?????????????? 36

4.5.1 I/O接口电路设计???????????????????36 4.5.2步进电机接口及驱动电路????????????????37 4.5.3其他辅助电路?????????????????????38

课设小结???????????????????? 39 参考文献???????????????????? 39

第一章 数控铣床概述

数控铣床是一种加工功能很强的数控机床，目前迅速发展起来的加工中心、柔性加工单元等都是在数控铣床、数控镗床的基础上产生的，两者都离不开铣削方式。由于数控铣床工艺最复杂，需要解决的问题很多，因此，目前人们在研究和开发数控系统及自动编程语言软件时，也一直把铣削加工作为重点。

1.1 数控机床的产生和发展

随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且要求频繁改型，特别是在宇航、造船、军事等领域所需的机械零件，精度要求高，形状复杂，批量小。加工这类产品需要经常改装或调整设备，普通机床或专用化程度高

的自动化机床一般 不能适应这些要求。为了解决上述问题，一种新型的机床——数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。他综合应用电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果。

1.1.1数控机床的产生

世界上第一台成功研制的数控机床是一台三坐标的数控铣床，于1952年由美国帕森斯公司和麻省理工学院合作完成。早在1948年，美国在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的技工机床任务时，就提出了研制数控机床的初始设想。1949年，在美国空军部门的支持下，帕森斯公司正式接受委托，与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。经过三年时间的研究，于1952 年试制成功世界上第一台数控机床试验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。其控制装置由2000多个电子管组成，占用一个普通实验室那么大。这台数控铣床的诞生，标志着机械制造的数字控制时代的开始。

1.1.2数控系统的发展

数控机床的发展是随着数控技术的发展而发展的。数控系统的发展经历了电子管—分立式晶体管—小规模集成电路—大规模集成电路—小型计算机—超大规模集成电路—微机式的数控系统等几个发展阶段。

20世纪90年代以来，数控系统朝着以通用微机为基础、体系结构开放和智能化方向发展。以上的三代数控系统是由计算机硬件和软件组成，利用内存里的软件控制系统工作，因此称为CNC系统或软件控制系统。这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。

1.2 我国数控技术的发展概况

1.2.1数控技术再国民经济中的重要地位

数控技术是用数字信息对机械运动和过程进行控制的技术，是20世纪后半叶最重要，发展最快的工业技术之一，它以制造过程为对象，以信息技术为手段，以数字坐标方式对运动部件进行位置控制为主要特征，为单件小批量生产的自动化开辟了可行的技术途径，也为现代柔性制造技术奠定了重要的技术基础。

数控机床是以数控技术为代表的新技术对传统制造业和新兴制造业的渗透

形成的机电一体化产品，其技术覆盖很多领域。其中，精密机械制造技术，信息处理、加工、传输技术，自动控制技术，伺服驱动技术，传感器及检测技术和计算机技术是数控技术涵盖的主要领域。数控机床还是运用高新技术对传统产业进行改进和提升的重要载体。

以信息化带动工业化，实现社会生产力的跨越式发展，将在一定程度上取决于数控机床的技术进步。它代表着装备工业的技术水准和现代化程度。而装备工业的技术水准和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产业、生物技术及其产业、航空航天等国防工业产业）的使能技术和重要装备。数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。现在世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。此外，世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高、精、尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要 途径。

1.2.2.我国数控机床发展存在的问题与对策

当前，国外数控技术发展很快，呈现出高速度、高精度、高可靠性、多轴控制、工艺复合、集成化、智能化、网络化和环保化发展的态势。与国外数控技术的发展相比，我国数控技术的发展仍然存在着较大差距，主要体现在以下四个方面。

(1)在技术水准上，国外对加工中心的研究已经转向高速、精密、多轴、复合、智慧和环保等技术的研究。我国加工中心的总体技术水准与国外同类产品的先进水平相比大约落后10^-15年，在“高、精、尖”技术方面则更大。 (2)在产品结构上，高端市场（即高速、精密、多轴、复合加工中心市场）基本上被美国、日本和欧洲发达工业国家所垄断，国内开发的五轴联动数控机床、复合加工中心、高速加工中心等产品，虽然已经投人使用，但多数产品与商品化尚有一段距离，而且在技术水准和性能参数上与欧、美、日等地的产品还有较大差距。低端市场（即普及型数控机床市场）受到周边的日本、韩国和我国台湾地区产品的冲击较大，形成激烈竞争。多年来，国产数控机床产量小、进口产品量大的局面一直存在。

(3)产品开发能力上，国内生产企业缺乏对产品竞争前数控技术的深人研究与开发，特别是对加工中心应用领域的拓展力度不强，集中体现在：产品开发能力较弱，对产品标准规范的研究、制定滞后，技术创新能力不强。导致开发出的产品技术先进性不明显，市场针对性不强，缺乏市场竞争力。

(4)产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小。从总体上看，加工中心还没有形成规模生产；功能部件专业化生产水平及配套能力较低；产品质量不高，主要体现在可靠性不高，商品化程度不足，关键功能部件没有自己配套的主管道；数控系统的推广应用还不够等等。

这些问题已经引起了国家有关部门的高度重视，并正在采取措施加以改进。2006年6月，国务院发布了《关于加快振兴装备制造业的若干意见｝）（以下简称《意见》），装备制造业得到了国家前所未有的重视，《意见》将在三个方面重点下四点:

第一，加快开发高档数控机床品种，缩短与世界先进水平的差距，提升我国机床工具行业整体水平，对市场急需的高档数控机床品种，要集中力量，重点突破，加大科技投人，加强基础研究和开发研究，提高原始创新和集成创新能力，掌握一批高档数控关键产品开发的核心技术，推出一批高档数控机床品种，满足重点用户急需，精心培育高档数控机床市场。

第二，积极促进功能部件产业化，培育一批功能部件的龙头企业，加大政策支持力度，重点发展高档数控系统、高速主轴单元、精密滚动功能部件、动力刀架、精密转台、高速导轨防护装置等高水平的功能部件，加快产业化进程，培育国产品牌，实现功能部件与数控机床同步发展。

第三，进一步发展普及型数控机床，我国普及型数控机床技术已经成熟，产业化迫在眉捷，急需进一步提高可靠性和质量，及时供应市场，提高产业集中度，实现稳定、可靠、快速地满足市场，以提高制造能力和生产集中度为重点，支持骨干企业快速发展。

第四，努力提高国产数控机床市场占有率，是“十一五”期间行业发展的重中之重，要从质量、可靠性、服务等方面入手，创品牌、扩市场、挡进口、争出口，争取在五年内使国产数控机床国内市场占有率有较大提高。

《意见》切中了我国数控机床发展中的关键问题，为发展国产数控机床提供了良好的政策环境。毫无疑问，随着《意见》的贯彻实施，多年来困扰我国机床工具行业发展的数控机床产业化和自主开发能力偏低的问题，将得到一定程度

的解决，国产数控机床在国内市场占有率长期不高的局面将被扭转。高等学校作为国家各类人才的培养基地，为装备制造业培养急需的数控机床开发与应用人才，是义不容辞的责任。

1.3 数控机床的发展趋势

随着科学技术的发展，制造技术的进步，以及社会对产品质量和品种多样化的要求越来越强烈。中、小批量生产的比例明显增加，要求现代数控机床成为一种精密、高效、复合、集成功能和低成本的自动化加工设备。同时，为了满足制造业向更高层次发展，为柔性制造单元、柔性制造系统，以及计算机集成制造系统提供基础设备，也要求数控机床向更高水平发展。当前，数控机床技术呈现如下发展趋势：（1） 高精度化；（2） 运动高速化；（3）柔性化；（4）高自动化；（5）高可靠性；（6）智能化；（7）复合化；（8）网络化；（9）开放式体系结构。

1.4 数控铣床的主要功能及特点

数控铣床的可分为立式、卧式和立卧两用式数控铣床，各种铣床适用的数控系统不同，其功能也不尽相同。除各有其特点之外，常具有下列主要功能： ① 点位控制功能；② 连续轮廓控制功能；③ 刀具半径自动补偿功能；④ 刀具长度补偿功能；⑤ 镜像加工功能；⑥ 固定循环功能； ⑦ 特殊功能 。 具备自适应功能的数控铣床可以在加工过程中把感受到的切削状况的变化，通过适应性控制系统及时控制机床改变切削用量，使铣床及刀具始终保持最佳状态，从而可获得较高的切削效率和加工质量，延长刀具使用寿命。

数控铣床的主要特点：（1） 高柔性及工序复合化；（2） 加工精度高；（3）生产效率高；（4）减轻操作者的劳动强度。

1.5数控铣床的分类和应用

1.5.1 数控铣床的分类：

按运动方式分：（1）点位控制数控铣床 (2）直线控制数控铣床（3）轮廓控制数控铣床；

按控制方式分：(1）开环控制数控铣床(2）死循环控制数控铣床(3）半死循

环控制数控铣床；

按主轴的布局形式分：（1）立式数控铣床：（2）卧式数控铣床（3）立卧两用式数控铣床等等

1.5.2 数控铣床的应用

数控铣床主要用于加工平面和曲面轮廓的零件，还可以加工复杂型面的零件、样板、模具、螺旋槽等。同时也可以进行钻、扩、铰、锪和镗孔的加工，但因子控铣床不具自动换刀功能，所以不能完成复杂孔的加工。数控铣床主要应用于汽车制造业、模具制造业、机床制造业、航空航天业、造船业、军事工业及其它行业

第二章XK712数控铣床Z向的总体方案设计

总体方案的确定:

根据设计任务书，有三种方案可供选择：

方案一：将工作台升降（Z向）、纵向（X向）、横向（Y向）的进给设计为微机控制，实现三坐标控制，三坐标联动的开环控制。

方案二：将主轴升降（Z向）、纵向（X向）、横向（Y向）的进给设计为微机控制，实现三坐标控制，任意两坐标联动的开环控制。

方案三：仅将工作台X、Y轴的进给运动设计为微机控制，实现两坐标控制，两坐标轴联动的开环控制。

对上述三个设计方案的综合考虑，在符合单片机控制的（经济型）数控铣床设计的一般原则的前提下，选择确定第二种方案,如下图所示：

第三章 机床Z向步进进给系统机械部分设计计算

3.1设计参数

2.1.1机床规格及参数 2、Z向行程：300mm 3、主轴箱总重：400kg 4、最高运行速度：2m/min

5、系统分辨率：开环模式：0.005mm/step 6、Z向系统定位精度8um,重复定位精度为5um.

3.2 铣削力的计算

3.2.1计算主铣削力FZ

已知机床采用交流伺服电机，额定功率P为2.2KW，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径D=125mm，主轴转速范围：50～4200r/min，则可计算主切削力FZ，即：FZ=

?Pv×10 (3-1)

3式中：v—主轴的计算转速（此时为主轴传递主轴全部功率为最低切削速度，m/s）； μ--机械效率，取μ=0.8；，n——主轴转速取n=750r/min

v=

?Dn60=

3.14?0.125?750603m/s=4.91 m/s

30.8?2.2×10=×10N=358.45 N FZ=v4.91?P3.2.2计算各切削力

表3-1 工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值

铣削7条件 端铣ae=(0.4-0.8)d0 比值 F1/ Fz Fc/Fz Fv/Fz 对称端铣 0.30-0.40 0.85-0.95 0.50-0.55 — 不对称端铣 逆铣 0.60-0.90 0.45-0.70 0.50-0.55 1.00-1.20 顺铣 0.15-0.30 0.90-1.00 0.50-0.55 0.80-0.90 圆柱铣、立铣、

F1/ Fz

盘铣和成形铣 Fc/Fz Fv/Fz — — 0.20-0.30 0.35-0.40 0.75-0.80 0.35-0.40 注：表3-1出处——《数控技术课程设计》的表2-1。

根据表2-1可得工作台纵向切削力F1、横向切削力Fe和垂向切削力FV分别为：

Fl =0.4FZ=0.4×358.45Ν=143.38Ν

Fc=0.95FZ=0.95×358.45Ν=340.53Ν

Fv=0.55FZ=0.55×358.45Ν=197.15Ν

3.3导轨的设计与选型

3.3.1 导轨概述

导轨主要用来支撑和引导运动部件沿一定的轨道运动。如图3-1导轨外形图在导轨副中，运动的一方称为支承导轨。动导轨相对与支承导轨运动，通常作直线运动和回转运动。

导轨应满足的基本要求：

（a）导向精度 导向精度主要是指动导轨

沿支承导轨运动的直线度或圆度。影响它的因素有：导轨的几何精度、接触精度、结构形式、刚度、热变形、装配质量以及液体动压和静压导轨 的油膜厚度、油膜刚度等。 图3-1 导轨外形图

（b）耐磨性 是指导轨在长期使用过程中能否保持一定的导向精度。因导轨在工作过程中难免有所磨损，所以应力求减小磨损量，并在磨损后能自动补偿或便于调整。

（c）疲劳和压溃 导轨面由于过载或接触应力不均勾而使导轨表面产生弹性变形，反复运行多次后就会形成疲劳点，呈塑性变形，表面形成龟裂、剥落而出现凹坑，这种现象就是压溃。疲劳和压溃是滚动导轨失效的主要原因，为此应控制滚动导轨承受的最大载荷和受载的均匀性。

（d）刚度 导轨受力变形会影响导轨的导向精度及部件之间的相对位置，因此要求导轨应有足够的刚度。为减轻或平衡外力的影响，可采用加大导轨尺寸或添加辅助导轨的方法提高刚度。

（e）低速运动平稳性 低速运动时，作为运动部件的动导轨易产生爬行现象。低速运动的平稳性与导轨的结构和润滑，动、静摩擦系数的差值，以及导轨的刚度等有关。

（f）结构工艺性 设计导轨时，要注意制造、调整和维修的方便，力求结构简单，工艺性及经济性好。

3.3.2滚动直线导轨副的计算

根据要求，需要使用滚动导轨，并且滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数f=0.0025~0.005；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。

（一）、滚动导轨的额定动载荷的计算

由于要计算额定动载荷首先需要计算出作用在滚动导轨副上的载荷,由资料文献可知作用在滚动导轨副上的载荷计算公式如下：

图2-3 工作台及导轨块的放置

式中的W为作用于同一平面内的若干套导轨副的总载荷在这里我的设计任务中指出了Fv?197.15N，G?1470N。则

W?Fv?G?1667.15N

式中L1、L2、l2、l3分别取L1?160mm，L2?200mm,l2?150mm，

l3?250mm

将上面的数据代入相应的公式中可得到

P1?P2?P3?P4?wl32L1?1667.15?2502?160?1302.5N

滑块上的工作载荷Pc

Pc?1302.5N

一般是根据导轨的承载量，先根据经验确定导轨的规格，然后进行寿命计算。

导轨的承载量与导轨规格一般有表4-2所列出的经验关系

表4-2 承载量/N 3000以3000下 导轨规格 30 5000 35 ～500010000 ～1000025000 ～25000～50000 50000～60000 45 55 65 85 根据工作载荷选HJG-K系列的导轨型号为DA30AL，其参数为C?3.42kN，

Co?5.73kN。

（二）、滚动导轨副的额定寿命 1、额定寿命计算 其计算公式如下： L?50( 式中 L——额定寿命；

C——额定动载荷；

Pc——滑块上的工作载荷；

ft——温度系数；运行时的温度小于100fc——接触系数；导轨上的滑块数为2fa——精度系数；精度等级为4fw——载荷系数；fw?1.3；

fhftfcfafW*CPc)3 （3-2）

查相关资料可的ft?1.00；

查相关资料fc?0.81；

级查相关资料fa?1；

fh——硬度系数；滚道硬度不得低于HRC58故通常取fh?1。

使用寿命用公式

Lh?L?1032lvn?60 （3-3）

式中 lv——单向行程，lv=250；

N——每分钟往返次数。 n?12lvvs?0.2次 （3-4）

初选直线导轨副型参为DA30AL 额定动载C=3420N。 代入公式计算得：

L?50(fhftfcfafW1.3?CPc)3 ?50?(1?1?0.81?1?3.421.3025)3 （3-5）

?220.0km2、寿命时间的计算 Lh?L?1032lvn?60?220.0?1032?0.25?0.2?60?36666.7h>15000h （3-6）

故初选型号满足设计要求。

3.4滚珠丝杠螺母副的设计计算与选型

3.4.1导轨摩擦力计算

（一）、计算在切削状态下的Z向（立柱）导轨摩擦力Fμ。

F=μ（W+f + Fv + Fc） （3-7）

μg式中：Fv、Fc主切削力的垂向切削力（N）和横向切削力。 W—移动部件的全部重量。

μ—导轨摩擦系数，取μ=0.004；

fg—导轨预紧力，其中fg=75N。

由于要求设计的主轴箱采用平衡物，丝杠只承受25%主轴箱重量，属于轻载型，已知选用主轴箱重量M=400kg，则主轴箱上的负载折算到丝杠上的重量为100kg，考虑到其他因数，取计算重量M=150kg，W=150kg×9.8N/kg=1470N。 则：Fμ=μ（W+

f + Fv + Fc）

g=0.004×（1470+75+197.15+340.53）=8.33 N

（二）、计算在不切削状态下的导轨摩擦力F?0。

F?0=μ（W+fg）=0.004×（1470+75）N=6.18 N

3.4.2滚珠丝杠螺母副轴向负载力的计算

在立柱上，滚珠丝杠螺母副轴向负载力是指滚珠丝杠螺母副在驱动主轴箱时滚珠丝杠所受的轴向力，也称为进给牵引力。

（1）最大轴向负载力Famax=F?+KF1=8.33+1.1×143.38N=166.05N （2）最小轴向负载力Famin=F?0=6.18 N 3.4.3滚珠丝杠的动负载荷的计算与直径的估算 （一）、确定滚珠丝杆的导程L0

vmaxmm （3-8）

L=

inmax0式中：vmax——移动部件的最高移动速度（mm/min）；

i ——传动比，当滚珠丝杆与电动机直接连接时i=1；

nL0?max——电动机的最高转速r/min

根据已知条件,快速进给2m/min，取步进电动机的最高转速nmax=600 r/min

vmaxinmax?20001?600mm?3.33mm有计算结果初步选用L0为5 mm 。

（二）、计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷

数控机床上使用的滚珠丝杠，应该是在变动转速和变动载荷的工作下工作，因此，在进行滚珠丝杠寿命计算时，必需将滚珠丝杠的变动转速和变动载荷折算成当量转速nm和当连载荷Fm。假设滚珠丝杠副在你n1，n2，?，nn各种转速下工作，各种转速的工作时间占用总时间的百分比分别为q1%，q2%，qn%，承受载荷为F1,F2,?，FN。则

nm=

q1100n1?q2100n2??qn100nn r/min （3-9）

nnqnnm100Fm=3F13n1q1nm100?F23n2q2nm100??Fn3 N （3-10）

1、估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷

将强力切削是的轴向载荷定为最大轴向载荷Famax，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷Famin。一般切削（粗加工）和精细切削（精加工）时，滚组丝杠螺母副的轴向载荷F2、F3分别可按下式计算

F2=Famin+20úmax ； F3=Famin+5úmax

一般情况下，计算滚珠丝杠的当量转速nm和当量载荷Fm时，只取滚珠丝杠的最大、最小轴向载荷Famax、Famin，加工和精加工时的轴向载荷F2、F3以及相应的转速n2、n3的关系如下表所示：

表3-4 数控铣床滚珠丝杠的计算

切削方式 强力切削 粗加工 精加工 快移和钻镗定位 轴向载荷/N 166.05 39.39 14.48 6.18 进给速度/（m/min） v1=0.6 v2=0.8 v3=1 v4=2 时间比例（/%） 10 30 50 10 备注 F1=Famax F2=Famin+20úmax F3=Famin+5úmax F4=Famin 注：表3-4出处——《数控技术课程设计》中的表4-2。

2、计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速i。

n1?n2?n3?n4?v1L0v2L0v3L0v4L0????0.65?100.85?1015?1025?10?3?3?3?3nr/min?120r/minr/min?160r/min

r/min?200r/minr/min?400r/min3、按式计算滚珠丝杠螺母副的平均（当量）转速nm

nm?q1100n1?q210030100n2????160?qn10050100nm?200??400)r/min?200r/min10010

?(10100

?120?4、按表计算滚珠丝杠螺母副的平均（当量）载荷Fm

F1=Famax=166.05 N

F2=Famin+20úmax=15.45+20%×166.05N=39.39 N F3=Famin+5úmax=15.45+5%×166.05N=14.48 N

F4=Famin=6.18N

按公式计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷Fm。

Fm?3F13n1q1nm1003?F2103n2nm???Fn33nnqnnm100?30100?14.48?3?3166.05?120200?100?39.39?160200200200?50100?6.18?3400200?10100N?66.26N

（三）、确定滚珠丝杆预期的额定动载荷Cam 1、按预定工作时间估算。

Cam=360nmLhFmfw100fafc N （3-11）

式中：nm——滚珠丝杠的当量转速，取nm=200r/min；

Lh——数控机床的预期工作时间，由已知条件可知道Lh=20000 h； ——可靠性系数，一般情况下可靠性系数应达到97%，取fc=0.44；

=1；

Fm——滚珠丝杠的当量载荷，取Fm=66.26N fcfa——精度系数，根据初步选择滚珠丝杠的精度等级为2级精度，取fafw——负荷系数，查表2-18，根据负荷性质，有轻微冲击，取fw=1.3。 Cam=360nmLhFmfw100fafc=1216.59 N

2、因为滚珠丝杠预期的额定动负荷

CamCam。

=feFamax N

=feFamax=747.225 N

Cam式中：fe——预加负荷系数，按中预载选取fe=4.5。

Cam3、确定滚珠丝杠预期的额定动负荷取以上两种结果的最大值，

Cam

=1216.6 N

d2m（四）、按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径

1、根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形量

?max必须满足下式：

?max=（

12~）重复定位精度?m

31从定位精度的角度考虑，规定滚珠丝杠允许的最大轴向变形量?max必须满足下式：

?max=（

14~）定位精度?m

51已知机床的定位精度为8?m，重复定位精度为5?m，则

?max=（

1315~

1214）×5?m=（1.67～2,5）?m ）×8?m=（1.6～2）?m

?max=（~

取上述计算结果较小的值，?max=1.6?m，即允许滚珠丝杠的最大轴向变形越小越好。

2、估计允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m。

滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定的支承方式，则

d2m?10

10F?0L??maxE=0.039F?0L?max㎜ （3-12）

式中：L—滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离。

L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度

?（1.2~1.4）行程+螺母长度+（25~30）L0

=（1.4×300＋95+30×5）㎜ =665 ㎜

d2m?0.039F?0L?max=1.83 ㎜

3.4.4初步确定滚珠丝杠螺母副及相应轴承的规格型号 (一)、确定滚珠丝杠螺母副 根据计算所得的

L0、

Cam、

d2m和结构的需要，按滚珠丝杠副的额定动载荷

C0大于

Cam，d2m≥1.83mm的原则，以及老师和前辈的经验， 根据《实用数

控机床技术手册》表2-3-5初步选择内循环双螺母4005-4 型滚珠丝杠，具体参数如下：

型号 公称 直径mm

导程mm 珠径mm 珠圈数 动负载 静负载N N 最小螺纹底径

mm 4005-4

1、确定滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp FP=

1340 5 3.175 4 15887 52271 37.725 Famax=

13×166.05 N=55.35 N

2、计算目标行程补偿值?t。

（3-13） ?t=??tLu=11?tLu10?6㎜

式中：?t——温度变化值（2～3?C），取?t=2?C；

，取?=11×10?6?m/?C； ?——丝杠的线膨胀系数（?m/?C）

Lu——滚珠丝杠副的有效行程（㎜）。

Lu=Z轴行程+安全行程+2×余程+螺母长度 =（300+101+2×10+95）㎜ =516㎜

?t=??tLu=11?tLu10?6=11×2×516×10?6㎜=0.014㎜

3、计算滚珠丝杠的预拉伸力Ft

Ft=

?tAELu=??t?d242E=1.81?td2 N （3-14）

2式中：d2——滚珠丝杠螺纹底径（㎜），取d2=37.324㎜

E——弹性模量（MPa），取E=2.1×105 MPa

2??mmA——滚珠丝杠轴的截面积；

?——滚珠丝杠的温升变化值（2～3C），取取?t=2?C。

?tFt=

?tAELu=??t?d242E=1.81?td2N=1.81×2×37.324N=5043 N

22（二）、确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号 1、计算轴承所承受的最大轴向载荷FBmax。 FBmax?Ft?

12Famax?5043?12?166.05?5126.02N

2、计算轴承的预紧力FBp。 FBP?13FBmax?13?5126.02?1708.67N

3、计算轴承的当量轴向载荷FBam。

FBam?FBP?Fm?1708.67?66.26?1774.93N

4、计算轴承的基本额定动载荷C。

已知轴承的工作转速n=nm=230r/min，轴承所承受的当量轴向载荷

FBam=1774.93N，轴承的基本额定寿命L=20000h。轴承的径向载荷Fr和轴向载荷Fa分别为

Fr?FBamcos600?1774.93?0.5?887.46N Fa?FBamsin600?1774.93?0.87?1544.19N

因为

FaFr?1544.19887.46?1.74?2.17，所以查《现代实用机床设计手册》949页表

3-7-53得，径向系数X=1.9，轴向系数Y=0.54，故

P?XFr?YFa?1.9?887.46?0.54?1544.19?2520.04N C?P100360nLh?2520.04100360?200?20000?15660.7N

表3-17 载荷因数 组合列数 承载列数 组合形式 FaFrFaFr2列 1列 DF X Y 1.9 0.94 0.92 1.0 2列 DT — — 0.92 1.0 1列 DFD 1.43 0.77 0.92 1.0 3列 2列 DFD 2.33 0.35 0.92 1.0 3列 1列 4列 2列 3列 4列 DTD DFT DFF DFT DTT — — 0.92 1.0 1.17 0.89 0.92 1.0 2.33 0.35 0.92 1.0 2.53 0.26 0.92 1.0 — — 0.92 1.0 ≤2.17 ≥2.17 X Y 注：表3-15出处——《现代实用机床设计手册》949页表3-7-53

5、确定轴承的规格型号。

因为滚珠丝杠螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用60°角接触球轴承组背对背安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径d2为37.324mm，所以选择轴承的内径d为30mm，以满足滚珠丝杠结构的需要。

在滚珠丝杠的两个固定端均选择国产60°角接触球轴承两件一组背对背安装，组成滚珠丝杠的两端固定支承方式。轴承的型号为7306C，尺寸（内径×外径×宽度）为30mm×72mm×19mm，选用脂润滑。该轴承的预载荷能力FBP'为2900N，大于计算所得的轴承预紧力FBP=1939.62N。并在脂润滑状态下的极限转速为8500r/min，高于滚珠丝杠的最高转速nmax=2000r/min，故满足要求。该轴承的额定动载荷为C'=26.5KN，而该轴承在20000h工作总寿命下的基本额定动载荷C=24395N，也满足要求。

3.4.5 滚珠丝杠螺母副的承载能力校荷 （一）、压杆稳定性的计算。

由于滚珠丝杠属于细长杆，其螺纹长度（有效长度）Lu=516mm，其长径比：

λ=4μLu/ d2。

表3-15 螺杆支撑方式和系数

螺杆支承方式 螺杆支承简图 长度系数μ 0.5 系数μ1 两端固定 4.730 一端固定，一端不完全固定 一端固定， 一端铰子 两端铰子 一端固定， 一端自由 注：表3-15出处——《现代实用机床设计手册》

0.6 0.7 1.0 4.730 3.927 3.112 2.0 2.875 本丝杠采用2端固定方式取μ=0.5得，

长径比 λ=4μLu/ d2=4×0.5×516/37.324=27.65 （3-15） 当λ≥40的时候需要进行压杆稳定性计算，由于丝杠采用淬火处理，可以按公式计算： Fc=

4901?0.0002?λ2?πd342=

4901?0.0002?27.652?3.14?37.32442=464781.4N

（3-21）

Fc/Famax=464781.4/166.05=2799≥4，故满足要求。

（二）、滚珠丝杠螺母副临界转速nc的校验。

滚珠丝杠螺母副转动时不产生共振的最高转速为临界转速nc。对于数控机床来说，滚组珠丝杠螺母副的最高转速是指快速移动时的转速。因此，只要此时的转速不超过临界转速就可以了。为了安全期间，一般滚珠丝杠螺母副的最高转速应低于临界转速。临界转速可以按公式计算： nc=K160?2?L222EI?A r/min （3-16）

式中：L2—临界转速的计算长度；

E—滚珠丝杠弹性模量（Mpa），一般取E=2.1×105Mpa； ρ—滚珠丝杠密度（g/mm3），一般取ρ=

1g×7.8×10-5N/mm3；

g ——重力加速度（g/mm3），g=9.8×103 g/mm3

I—滚珠丝杠的最小惯性矩（mm4），一般取I=

π64πd24；

A—滚珠丝杠的最小截面积（mm2），一般取A=d22；

4 K1—安全系数，取K1=0.8 λ—与支承方式有关的系数， 查表

表3-16 螺杆支撑方式有关的系数

支撑方式 一端固定,一端自由 一端固定,一端游动 两端固定 K2 0.25 2 4 λ 1.875 3.927 4.73 f 3.4 15.1 21.9 注：表3-15出处——《数控技术课程设计》第61页表2-44。

本丝杠采用两端固定方式，滚珠丝杠距离固定端最远距离L=570mm。 滚珠丝杠的最小惯性矩为： I=

π64d24=

3.1464?37.3244 mm4=95214.35 mm4 （3-17）

滚珠丝杠的最小截面积为： A=

π4d2=

23.144?37.3242mm2=1093.57 mm2 （3-18）

则 K1——安全系数，取K1=0.8；

?——与支撑有关的系数，由表3-16得?=4.73

nc=K160?2?L222EI?A

=0.8?60?4.73222.1?10?95214.35?9.8?107.8?10?5532?3.14?570?1093.57= 25226.5 r/min

本丝杠的最高转速为600r/min，小于其临界转速，故满足要求。 3．滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验。

滚珠丝杠螺母副的寿命主要是疲劳点蚀。它是一批尺寸、规格、精度相同的滚珠丝杠在相同的条件下回转时，其中90%不发生疲劳脱落的情况下的总时间。劳寿命L和寿命时间Lh的计算：

L=

?Ca??FF?aw???106??3r Lh=

L60n h （3-19）

式中：Ca——额定动负荷（N），查滚珠丝杠样本得Ca=15887 N

Fa——轴向载荷（N），取

Fa=

Fmax=166.05 N

n—— 滚珠丝杠螺母副转速（r/min），取n=nmax=600 r/min

fw——运转条件系数；一般运转时取fw=1.2；

L=

Lh?Ca??FF?awL60n???106r = 5.1×1011 ??3r

=h=14078708h

一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杠螺母副的总时间寿命

Lh?20000h，故满足要求。

3.5机械传动系统的刚度计算

3.5.1 机械传动系统抗拉刚度计算 （一）、计算滚珠丝杠拉压刚度Ka

由已知得滚珠丝杠的支撑方式为两端固定，可由以下求出：

Ka＝

?d2EL4a(L?a)2?10?3＝6.6×102d2L4a(L?a)2Ｎ/?m （3-20）

式中：L——两支撑间的距离（㎜） ；

a——丝杠的螺母中心到支撑端的距离（㎜）；

当a＝L/2时（即滚珠丝杠的螺母中心位于滚珠丝杠两支撑距离的中心位置时），滚珠丝杠螺母具有最小抗拉压刚度Kamin：

Kamin＝6.6×102d2L4a(L?a)2

＝6.6×102d2L2=6.6×10×

237.3245702= 1600.13 Ｎ/?m

当a＝LY或a＝LJ时（即滚珠丝杠的螺母中心位于行程的两端位置时），滚

珠丝杠螺母具有最大抗拉压刚度Kamax（LJ＝135㎜，LY＝435㎜）：

Kamax2＝6.6×102d2L4LJ(L?LJ) （3-21）

＝2231.06Ｎ/?m

（2）计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度

以知轴承接触角β=60°，滚动体直径为6.75mm，滚动体个数为Z=15，轴承的最大轴向工作载荷FBmax=5126.02N，查表：

表3-19 一个为预紧轴承的KB或一对预紧轴承的组合刚度KBO计算公式 轴承类型 角接触球轴承 未预紧KB/(N/μN) 有预紧KBO/（N/μN） 2.34×3dQZ2Famaxsin5β 2×2.34×3dQZ2Famaxsin5β

表3-20 滚珠丝杠螺母副支承刚度Kb的计算公式 滚珠丝杠螺母副支承方式 一端固定，一端自由 一端固定，一端游动 两端支承

支承刚度Kb的计算公式 Kb=KBO 固定预紧时：Kb=KB 预紧时Kb=KBO；未预紧时：Kb=KB

两端固定 固定预紧时Kb=2KBO 注：表3-19、表3-20出处——《数控机床课程设计手册》64-65页表2-45、表2-46

Kb＝2KB0=2×2×3.14×3dQZ2FBmaxsin5? （3-22） 式中：KB0——一对预紧轴承的组合刚度（N/?m）；

?——轴承接触角，取?＝60?；

dQ——滚动体直径（㎜），取dQ＝5㎜；

Z——滚动体的个数，取 Z＝17；

FBmax——轴承的最大轴向工作载荷（Ｎ），取FBmax＝5126.02 N

25Kb＝2KB0=2×2×3.14×3dQZFBmaxsin?=1850.14N/?m

（3）.计算滚珠丝杠螺母副与滚道的接触刚度Kc

滚珠丝杠螺母副有预紧时：

Kc＝K(/cFamax0.1Ca1)3 N/?m （3-23）

式中：Kc/——滚珠丝杠与滚道的接触刚度（N/?m），查滚珠丝杠样本得，

Kc/＝1680N/?m；

Ca——额定动负荷（N），查滚珠丝杠样本得，取CaFamax=15887 N；

——滚珠、丝杠所承受的最大轴向载荷（N），取Famax=166.05 N。

F1amaxKc＝Kc/(0.1Ca)3=791.36 N/?m；

（4）计算Z向进给传动系统的综合抗拉压刚度K。

Z向进给系统传动系统的综合抗拉压刚度的最大值为

1Kmax=

1Kamax+

1Kb+

1Kc=

12231.06+

11850.14+

1791.36=0.0023 （3-24）

故Kmax=444.4 N/?m

Z向进给传动系统的综合抗拉压刚度的最小为

1Kmin=

1Kamin+

1Kb+

1Kc=

11600.13+

11850.14+

1791.36=0.0024

故Kmin=416.7 N/?m

3.5.2滚珠丝杠螺母副扭转刚度计算

滚珠丝杠螺母副的扭转刚度K?可用下式计算：

K?=

?d2G32L24 N·m/rad （3-25）

式中： L2——扭转作用点之间的距离（m），即从丝杠端部（联轴器的中点处）到滚珠丝杠螺母的中心的距离，此时，螺母中心位于距离丝杠端部的位置最远，L2=435㎜；

G——剪切模量（Pa），取G=8.1×104 MPa； ，取d2=37.324×10d2——滚珠丝杠的底径（m）

K??3m；

=

?d2G32L24=

3.14?(37.324?10?3)?8.1?10?10?344632?435?10=35459.1 N·m/rad

2.6步进电机的选型与计算

2.6.1计算折算到电动机轴上负载惯量 （一）、计算滚珠丝杠的转动惯量Jr

N4?3Jr=?0.78?10J?1（3-26） DLJ

J=0.78×10?3×[34× （9.1+13.1）+3.44×9.1+44×13.2+3.44×

7.1+2.54×5.8] =28.68 kg·cm2

（二）、计算联轴器的转动惯量

J0=0.78×10?3J0

（D-d）16.3 （3-27）

244 =0.78×10（64?34）×16.3 =15.48 kg·cm （三）、计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量J

2?L?J=m?cm （3-28） ? kg·

2????32式中：m——机床执行部件的总质量（kg），取m=150kg；

L—电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离（㎝），取L=0.5㎝。

?L??0.5?2J=m?=150???? kg·c㎡=0.95 kg·cm

?2?3.14??2??22（四）、加在电动机轴上总的负载转动惯量JL的计算

2JL=J0+Jr+J=15.48+28.68+0.95=45.11 kg·cm

2.6.3计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需力矩 分快速空载启动和承受最大工作载荷两种情况计算。 （一）、快速空载启动时电动机的转轴所承受的负载转矩

Teq1，

Teq1包括三部

分：一部分是快速空载启动时折算到电动机的转轴上的最大加速转矩Tamax；一部分是移动部件运动时折算到电动机的转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机的转轴上的附加T0。因为滚珠丝杠副的传动效率很高，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：

Teq1?Tamax?T （3-29）

考虑传动链的总效率?，计算快速空载启动时折算到电动机的转轴上的最大加速转矩为：

Tamax?2?Jeqnm60ta?1? （2-30）

式中 nm——对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为rmin； ta——步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。 nm?vmax?360? （3-31）

式中 vmax——空载最快移动速度，任务书指定为2mmin； ?——步进电动机步距角，预选电动机为0.36?； ?——脉冲当量。将以上各值代入得 nm?vmax?360??2000?0.36360?0.005?400rmin （3-32）

设步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间ta?0.4s，传动链的总效率

??0.9。则

Tamax?2?Jeqnm60ta?1??2??45.11?10?4?40060?0.4?0.9?0.52N?m

（2-42）

移动部件运动时，折算到电动机的转轴上的摩擦转矩为： Tf???Fz?G?Ph2??i （3-33）

式中 ?——导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.004；

Fz——垂直方向的铣削力，空载为0； ?——传动链的总效率??0.9。

则：

Tf???Fz?G?Ph2??i?0.004??0?1470??0.0052??0.9?11?0.0052N?m

（2-44）

得快速空载启动时电动机的转轴所承受的负载转矩：

Teq1?Tamax?Tf?0.52?0.0052?0.5252N?m

（二）、最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2，Teq2包括三部分：一部分是折算到电动机的转轴上的最大工作负载转矩t；一部分是移动部件运动时折算到电动机的转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机的转轴上的附加T0。因为滚珠丝杠副的传动效率很高， T0相对于

Tt和TfT很小，可以忽略不计，则有：

Teq2?Tt?Tf （3-34）

其中，折算到电动机的转轴上的最大工作负载转矩Tamax由式4-14计算。在对滚珠丝杠进行计算时，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷FZ?197.15N，则：

Tt?FzPh2??i?197.15?0.0052??0.9?1?0.1744N?m （3-35）

再计算垂直方向承受最大工作负载的情况下，移动部件运动时折算到电动机的转轴上的摩擦转矩： Tf???Fz?G?Ph2??i?0.004??197.15?147002??0.9?1??0.005?0.0059N?m （3-36）

最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：

Teq2?Tt?Tf?0.1744?0.0059?0.1803N?m （3-37）

则加在步进电动机转轴上的的最大等效负载转矩为:

Teq?max?Teq1,Teq2??0.5252N?m （3-38）

2.6.4步进电动机最大静转矩的选定

考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K?3，则步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax?3Teq?3?0.5252?1.5756N?m （3-39）

上述初选的步进电动机型号为130BYG5503,查《实用数控机床技术手册》表3-2-20得该型号电动机的最大静转矩为Tjmax?6N?m。可见，满足要求。

2.6.5步进电动机的性能校核 （一）、转动惯量的匹配验算

在数控机床进给伺服系统的设计中，最终折算到电动机轴上的负载惯量JL与电动机自身的转动惯量Jm之比值，应控制在一定的范围内，既不能太大，也不能太小。如果这个比值太大，则进给伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，此时，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，致使整个系统的综合性能变差；如果这个比值太小，则表明电动机的选择或进给系统的设计不太合理，经济性较差。为了使系统的负载惯量达到较合理的匹配，一般那将该比值控制在下式所规定的范围内，即：

0.25?JLJm?1 （3-40）

在本例中，0.25?JLJm=0.75?1，故满足惯量匹配要求。

（二）、最快工进速度时电动机输出转矩校核 工作台最快工进速度为vmaxf?1000mmmin，脉冲当量为

??0.005mm/脉冲，则电动机对应的运行频率为

fmaxf??1000?60?0.005???3333Hz （3-41）

从130BYG5503电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动

机的输出转矩远大于最大工作负载转矩Teq2?0.1803N?m，满足要求。

（三）、最快空载移动时电动机输出转矩校核

工作台最快空载移动速度为vmax?2000mmmin，电动机对应的运行频率 fmax??2000?60?0.005???6667Hz （3-42） 在此频率下，电动机的输出转矩Tmax?2.4N?m，大于最大工作负载转矩

Teq1?0.5252N?m，满足要求。

（四）、最快空载移动时电动机运行频率校核

与最快空载移动速度vmax?2000mmmin对应的电动机的运行频率

fmax?6667Hz。可知130BYG5503电动机的空载运行频率可达15000Hz,可见没

有超出上限。 （五）、启动频率计算

已知电动机转轴上的转动惯量JeqJm?60kg?cm2?45.11kg?cm2，电动机转子转动惯量

，电动机转轴不带任何负载时的空载启动频率fq?15KHz。则步

进电动机克服惯性负载的启动频率为： fL?fq1?JeqJm?150001?45.1160?11334Hz （3-43）

上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于11334Hz.

综上所述，Z向选用的130BYG5503电动机，驱动器选用SH-51008完全满足设计要求。

3.7联轴器的选型

联轴器是把两轴直接联接在一起，在机器运转时两轴不能分离，只有在机器停止运转并将联轴器拆开后，两轴才能分离。选用精密膜片弹性联轴器。

3.7.1精密膜片弹性联轴器的选用原则

（1） 按结构要求和工作条件选定膜片弹性联轴器的型号。

（2） 主、从动端轴径不一致时，应按大端直径选联轴器的规格。 （3） 选择联轴器的主要依据是传递的最大扭矩，传递的最大扭矩应小于或等于表中许用 扭矩值，最大扭矩的确定应考虑机器起制动所需加减速扭矩和过载扭矩。但是，往往因为在设计时资料不足或分析困难，最大扭矩不易确定。这种情况下，可按计算 扭矩选用。即计算扭矩不超过表中许用扭矩值。

（4） 选用联轴器规格时，还应注意扭转刚度和轴向刚度。当然如对此无严格要求时可放宽。

3.7.2精密膜片弹性联轴器型号的选用 根据要求选用GYS2

Y22?52J24?38型联轴器。

3.8机械传动系统的动态分析

1.计算丝杠—主轴箱纵振系统的最低固有频率wnc

wncK06=

K0m rad/s （3-44）

——滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度N/m，取K0=Kmin=1600.13×

10N/m；

md——滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量（kg），m= m +

13ms

其中m、ms分别是机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量； 已知：m =150 kg

ms=md?4?3.7?131?7.83?10132?3 kg=11.02 kg

= m +=

K0mms=150+

13×11.02 kg=153.7 kg

6wnc=

1600.13?10153.7 rad/s=3226.6 rad/s

2.计算扭振系统的最低扭振固有频率wnt

wnt=

KsJs rad/s （3-45）

式中：Js——折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量（kg·㎡）；

Ks——丝杠的扭矩刚度（N·m/rad），取Ks=K?=35459.1 N·m/rad；

=（28.68+15.48）kg·cm2=44.16 kg·cm2=0.00442 kg·㎡

35459.10.0042Js=Jr+J0wnt=

KsJs= rad/s =2905.6 rad/s

由以上计算可知，丝杠—主轴箱纵振系统的最低固有频率wnc=3226.6rad/s、扭振系统的最低扭振固有频率wnt=2905.6 rad/s，都比较高 。一般按wn=2905.6 rad/s的要求设计机械传动系统的刚度，故满足要求。

3.9机械传动系统的误差计算与分析

1、计算机械传动系统的反向死区?

?=2??=

2F?Kmin?103㎜ （3-46）

式中：F?——由主轴箱重量产生的导轨静摩擦力（N），且

?0——导轨静摩擦系数，取?0=0.01；

W0——主轴箱重量（N）；取W0=1500

Kmin——进给传动系统的综合拉压刚度；

已知Z向进给传动系统的综合拉压刚度的最小Kmin=416.7×10N/m，导轨

静摩擦力F?=?0W0=0.01×1500N=15N

?2??6=

2F?Kmin?103=2×15/（416.7×10）?103=0.7×10?4㎜

6即?=0.07?m? （1/2～1/3）重复定位精度=1.67?m，故满足要求。

2、计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差?Kmax

?Kmax=F?(1Kmin?1Kmax)?10?3=15?(1416.7?1444.4)?10?3 (3-47)

=0.002 ?10?3mm

即?Kmax=0.002?m?（1/4～1/5）定位精度=1.6?m，故满足要求。 3、 计算滚珠丝杠因扭矩变形产生的误差

（1）由扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形值?的计算。 ?=

32TL2?d2G4?3602?=7.21×10?2TL2d24（度） （3-48）

式中：T——负载力矩（N·㎜），取T=TKJ=0.0233N·m=23.3 N·mm L2——扭矩作用点之间的距离（㎜），取L2=570 ㎜； d2——丝杠底径（㎜），取d2=37.324 ㎜。 ?=

32TL2?dG42?3602?=7.21×10?2TL2d42=7.21×10?2×

23.3?57037.3244=0.00049

由该扭矩变形?引起的轴向移动滞后量?将影响工作台的定位精度，?可以用以下式计算：

?=L0?360 ㎜

式中：L0——滚珠丝杠螺母副的基本导程（㎜），取L0=5㎜； ?=L0?360?0.00049360?5㎜=0.0000068 mm =0.0068?m

第四章 微机数控系统的设计

4.1控制系统总体方案的拟定

机电一体化系统由硬件系统和软件系统两大部分组成，控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床，铣床，磨床等等，控制系统的基本组成如下图所示：

通信接口 微 机 步进电机驱动电路 步进电机 数 控 铣 床 开关量控制电路 软件

主运动驱动电路 主轴电机 4.2绘制控制系统结构框图

根据总体方案及机械结构的控制要求，XK712立式铣床控制系统选用MCS-51系列单片机组成，纵向横向及垂直方向均采用步进电机控制，三个坐标采用硬件唤醒分配器，控制系统的功能包括：

1、X向、Y向、Z向进给伺服运动 2、键盘显示 3、面板管理 4、行程控制

5、其他功能，例如光电隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示硬件电路主要由以下几部分组成：

主控器，即中央处理单元（CPU）;

总线，包括数据总线、地址总线和控制总线； 存储器，包括RAM和ROM； 接口，即I/O输入输出接口电路；

外部设备，如键盘、显示器及光电输入等； 控制系统结构框图如图所示：

RAM/ROM I/O接口 信号变 换 控制对 象 CPU 外 设

4.3选择中央处理单元（CPU）的类型

在微机控制系统中CPU的选择主要考虑以下因素： 1、时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度； 2、可扩展存储器的容量；

3、指令系统功能，影响编程的灵活性；

4、I/O接口扩展能力，即对外部设备控制的能力；

5、开发手段，包括支持开发的软和硬件；

此外，还应考虑到系统的应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济价比等经济性的要求。

综合考虑以上因素，这里选用8031芯片作为CPU

4.4存储器扩展电路设计

由于8031芯片内部无程序存储器需要扩展外部程序存储器支持，同时8031

内部只有128B的数据存储器供用户使用，也不能满足控制系统的要求，故需要扩展程序存储器和数据存储器。

4.4.1程序存储器的扩展

8031的程序存储器的寻址空间为64K字节，8031芯片内部不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。根据控制系统的要求，这里扩展2片2764程序存储器。

1、地址锁存器

由于8031芯片的

p0口是分别传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系

统一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片有74LS373，它是带三态缓冲输出的8D触发器。

2、译码电路设计

由于这里的扩展容量较大扩展多个外围芯片。因此，这里使用译码法来进行编址。译码电路可使用现有的译码芯片，这里我们选用3—8译码器（74LS138），这种芯片输入端占用3根最高地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，74LS138译码器的8根输出线分别对应8K字节的地址空间。

3、8031与2764芯片的连接 （1）、地址线的连接

8031芯片的

p0和p2用来传送地址和数据。p2口传送高8位地址，

p0口传送

低8位地址和数据。因此采用74LS373锁存器，锁存低8位地址，以实现口地址和数据的分时传送AEL作为74LS373的选用信号，当AEL为高电平时，锁存器的输入和输出透明，此时，不需锁存。当AEL从高电平变为低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373的输出不在随输入变化，这样p2就用来传送数据，8031芯片p2口和74LS373的送出口p0组成16位地址线，2764是8KB需要13根地址线A0,A1?A7低八位接芯片74LS373的输出端，

A8,A9?A12接8031芯片的p2.0,p2.1?p2.4。系统采用全地址译码，两片2764芯片

的片选信号CE分别接74LS373译码器的Y0,Y1,系统复位后程序从0000H开始执

行。

（2）、数据线的连接

2764芯片的8位数据线p0,?p7与8031芯片的p0口p0.0,?p0.7直接连接单片机规定指令码火热数据线都是由p0口读入，数位对应即可。

（3）、控制线的连接

8031芯片的PSEN(外部程序存储器的读选通信号)与2764芯片的OE端连接，8031芯片的ALE（地址锁存允许信号）接地址锁存器74LS373的G引脚。

4.4.2数据存储器的扩展

由于8031芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能 满足系统的需要，因此，需要扩展片外的数据存储器（RAM）.常用的数据存储器有6116（2K×8）6264（8K×8）等。这里选用6264（8K×8），扩展两片6264,8031与6264的连接方式与8031和2764的俩接大致相同，不同的是RAM读出信号OE与8031芯片的RD引脚连接，RAM写输信号WD与8031的WR相连。由于程序存储器与数据存储器独立编址，地址可以重复使用，因此，两片6264的片选信号CE也分别连接74LS373译码器的Y0和Y1。

4.5接口电路及辅助电路设计

4.5.1 I/O接口电路设计

8031单片机共有8个并行I/O口，但可供用户使用的只有p1口和部分p2口，不能满足输入输出口的需要，因此系统必须扩展输入输出接口电路。这里根据系统功能及需要，扩展一片8155和一片8255可编程接口I/O芯片。8155的片选信号CE接74LS138的?2端，8255芯片的片选信号接74LS138的?3。74LS138三——八译码器有三个输入A、B、C分别接8031的p2.5?P2.7口，输出?0?0??78个输出端，低电平有效。?0??7对应输入A、B、C的000到111的8种组合，其中?0对应位000，74LS138还有三个使能端，其中两个（G2A,G2B）?7对应111。为低电平使能，另一个G1为高电平使能，只有当使能端处于有效电平时，输出才能产生，否则输出出油高电平无效状态。

I/O接口芯片与外部设备的连接是这样安排的：8155芯片的pA0?pA7作为显示器段选信号输出，pB0?pB7是显示器为选信号输出，pc0?pc4是键盘扫描

输入。8155芯片的I/O引脚接8031的p2.0，因此使用8155的I/O，故p2.0为高电平。

8255芯片pA0?pA7接X向、Y向、Z向步进电机硬件环形分配器，为输出。pB0?pB7为三个方向的点动及回零输入，pc4,pc5为面板上的选择开关键输入，设有编辑、单步运行、自动、手动、手动Ⅰ、手动Ⅱ等方式。

X向、Y向、Z向步进电机硬件环形分配器采用YB015，相通五相十拍工作，故

A0,A1引脚接

5V，三个芯片的选通输出控制E0分别接8255的pA0,pA3,pA5，清

零R接8255的pA1，正反转控制端接8255的pA2,pA4,pA6，时钟的输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以解决脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补不同的进给速度，可给8155芯片定时∕计数器中设置不同的时钟常数。

4.5.2步进电机接口及驱动电路

通常在经济型数控机床中，大多数采用步进电机开环控制，步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲转变成相应的角位移的电机，其角位移与电脉冲成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机转速。

驱动步进电机的脉冲需要按所需的顺序供给电机个相。脉冲分配器就是实现步进电机个相脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定的功率，需要有足够的功率提供给步进电机，因此 需要有功率放大环节。脉冲分配器及前面的微机接口芯片，工作电压一般为5V，而作为电机电源的需符合步进电机要求的额定值，为避免干扰，在它们之间采用光电隔离电路。

1、脉冲分配器（环形分配器）

这里X向、Y向、Z向三个方向均采用YB015环形分配器。 2、光电隔离电路

在步进电机驱动电路中，一般在接口电路与功率放大器之间加上光电隔离电路，实现电气隔离，通常使用光电耦合器作为光电隔离电路。

3、功率放大器

环形分配器的输出脉冲很小，还远不能满足步进电机的要求，不如将它放大，

以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，这里采用的功率放大电路如下图所示：

4.5.3其他辅助电路 1、8031的时钟电路

单片机的时钟可由内部产生，内部方式利用芯片的振荡电路，在LTAL1,LTAL2引脚上外接定时元件。

2、复位电路

单片机的复位电路都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现10ms以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000H单元开始执行程序。

3、越界报警电路

为防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关，此控制系统中有越界报警和急停处理电路，?x,?y,?z方向的越界和急停信号经或门的8031的p2.2中断源INT0同时又接到8031的p1口，采用硬件申请中断和软件查询的方法，这样无论哪个方向越界都会引起中断，在中断服务中通过软件查询的方法，便可确定是哪个方向越界，当?x,?y,?z等方向越界，则相应的红灯亮报警。

课设小结

经过两个月的忙碌工作，本次毕业设计已经接近尾声。作为一个专科生的毕业设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方。如果没有老师的督促和精心的指导及一起工作的同学支持，想要完成这次毕业设计是难以想象到的。 在这次的课程设计中，学到了一些除技能以外的其他东西，领略到了别人在处理问题时显示出的优秀品质，更深切的体会到人与人之间的那种相互协调合作的机制，最重要的还是自己对一些问题的看法产生了良性的变化，尤其是在互相的合作中。

课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次课程设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。

在这里首先要感谢我的指导老师彭玉海老师，彭老师平日里工作繁忙，但在我作毕业设计的每个阶段，从查阅资料、设计草案的确定和修改、中期的检查、后期的详细设计、装配草图等整个过程都给予了悉心的指导。我的设计较为复杂繁琐，但是彭玉海老师仍然细心的指导图纸中的错误。除了彭玉海老师的专业水平让我敬佩外，他的治学严谨和科学研究的精神也是我学习的，并将积极的影响我今后的学习和工作。

然后还要感谢大学三年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础，同时还要感谢所有的同学们，正是因为有了你们的支持和鼓励，此次毕业设计才会顺利完成。

参考文献

【1】 李金伴 马伟民《实用数控机床技术手册》 北京工业出版社2009.7 【2】 张建民《机电一体化系统设计》高等教育出版社2000.7 【3】 王爱玲 武文革等《现代数控机床》国防工业出版社 2008.11 【4】 吴宗泽 罗圣国《机械设计课程设计手册》高等教育出版社2006.5 【5】 《数控技术课程设计手册》

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