普通车床数控改造及横纵向进给系统设计

C6140普通车床数控改造及横纵向进给系统设

计

摘要

我国是传统的机械制造大国，但是设备及其落后，尤其是老的机械制造厂主要还是旧的机床，不能满足处理的条件。制造技术和设备的现状,与现代先进技术对大型故障机,尤其是大量闲置的普通机床进行改造、升级,尽快使这批设备在经济发展中发挥能力、创造效益,的确是许多企业不能忽视一个主题,是我国制造业的发展方向。这个话题是CA6140普通车床数控改造,其现实意义在于如何找到一个可行的和扩展设备改造方法的价值,传统的机械制造技术和设备产业技术升级,为了解决设备老化带来的问题。

关键词: 滚珠丝杠滚珠丝杠螺母副单片机步进电机

ABSTRACT

China is a traditional machine manufacture great nation, however, its equipment level falls behind, In particular, in some Engineering works, and most of the machine is quite old, far from enough to meet the requirements of processing. In view of present manufacturing industry's technical equip present situation, makes the transformation, the promotion particularly with the modern vanguard technology to a large quantities of breakdown engine bed large quantities of idles ordinary engine bed, enables this batch of equipment by the small investment to display the potency, the creation benefit as soon as possible in the economic development, indeed is a many enterprise's noticeable topic, is our country manufacturing industry development direction.This topic is aims at CA6140 the ordinary worn out lathe to make the numerical control transformation, how does its practical significance lie in seeks for one kind feasible, to have the promoted value equipment to transform the method, carries on the technical promotion to the traditional machine manufacture profession's technical equip, solves the problem which the present equipment gets older brings. In this topic research process, the first convention numerically-controlled machine tool which used for the present factory has carried on the comprehensive investigation and the analysis.

Keywords: Ball screw Ball the Screw Nut is Auxiliary Monolithic Machine Step-by-step Electric Motor.

目录

绪论 (1)

第一章数控机床的改造 (2)

1.1普通机床数控改造 (2)

1.1.1普通机床数控改造的好处 (2)

1.1.2机床数控化改造的市场 (2)

1.1.3数控改造基本步骤 (3)

第二章总体方案设计 ........................................................ 错误!未定义书签。

2.1设计任务 (4)

2.2确定总体方案 (4)

2.2.1伺服系统方案的确定 (4)

2.2.2执行机构传动方式的确定 (4)

2.2.3单片微机控制方案确定 (5)

第三章机床进给伺服系统设计计算 ................................... 错误!未定义书签。

3.1运动参数计算 ................................ 错误!未定义书签。

3.2系统脉冲当量选择及切削力确定 (6)

3.2.1脉冲当量选择 (6)

3.2.2纵车外圆 (7)

3.2.2横切端面 (7)

3.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (7)

3.3.1滚珠丝杠的选型 (7)

3.3.2纵向进给丝杠的计算 (7)

3.3.3横向进给丝杠 (11)

3.4齿轮传动比计算 (14)

3.4.1纵向进给齿轮箱传动比计算 (14)

3.4.2横向同步齿形带传动比计算 (14)

第四章步进电机的选型和计算 (16)

4.1步进电机的特点与种类 (16)

4.2步进电动机的选用原则 (17)

4.3纵向步进电机的计算 (17)

4.3.1等效转动惯量计算 (17)

4.3.2电机力矩计算 (18)

4.3.3计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率 (20)

4.4横向进给步进电机计算和选型 (22)

4.4.1等效转动惯量计算 (22)

4.4.2电机力矩计算 (23)

4.4.3计算步进电机空载启动频率和切削时的工作频率 (26)

第五章控制系统的方案设计 (27)

5.1单片微机控制方案确定 (27)

5.2控制系统的作用及要求 (27)

5.2.1控制系统作用. (27)

5.2.2基本要求 (28)

5.3控制系统硬件电路的设计 (28)

5.4控制电路部分软件的设计 (29)

5.4.1存储器与I/O芯片地址分配 (29)

5.4.2控制系统的监控管理程序 (30)

5.4.3 8255芯片初始化程序 (30)

5.4.4 8289芯片初始化程序 (30)

5.5步进电机的控制与驱动 (31)

5.5.1开环步进电机控制 (31)

5.5.2软件环形分配 (31)

5.5.3步进电动机的运动控制程序 (31)

第六章经济技术分析及环保 (35)

6.1机床改造技术分析 (35)

6.2机床改造的环保问题 (35)

结论 (36)

参考文献 (37)

致谢 (38)

绪论

随着科学技术的高速成长以及经济竞争的加剧，更新产品速率慢慢变快，复杂模样的部件逐渐增多，精度要求越来越高，多样式、中等批量生产的比例也有明显增高。产品制作受市场激烈竞争的影响生产时间慢慢变短。传统的加工方法和生产方法很难适应这些不同的零件，加工要求灵活而复杂。因此近几十年来，由于开发可以有效地解决复杂，精确，小批量的CNC加工技术的多变量部件，因此世界各国都非常重视。

传统的机械制造和微电子，电脑，信息处理，现代控制理论，使制造业变成常识密集型的科学作为该类别的现代制造业，它的生产规模朝着“少量→少品种多量→多品种批次”的方面成长。

第一台数控机床是由美国在20世纪50年代制造出来，数控机床及其数控技术已有半个多世纪的开发经验。1959，因为晶体管元件在计算机行业中制造出来。随着1965年小型集成电路的呈现，小型化和低功耗进一步提高了数控系统的可靠性。CNC系统已发展到第三代。特别是这20年来，数控机床的性能价格比有了极大的提升来自于微处理器和微电子技术的成长，这不仅是提高了产品的质量和效率，还缩小了生产时间，从而改善了生产环境。

第一章数控机床的改造

1.1普通机床数控改造

顾名思义，CNC机床的改造是向机床添加微机控制器且有的自动化实现技术目标。

公司必须以高质量和低成本生产满足市场需求和性能的产品，才能在激烈的市场竞争中生存和发展。先进的数控机床的使用已变为本国制造技术成长的趋向。提升数控率的主要途径是购买新的数控机床，修改旧机床，装备数控机床。将一般机床转换成数控机床是提升机床数控速度的又一有用路径。中国数控机床改造市场有很大的发展空间，今天的数控机床中国机器不到3％。由于普通机床加工的产品质量低，机床的低数值，低等级和高成本必须显着提高机床的数控率，不然直接影响公司的产品，市场和利润，并影响公司的生存和成长。

这几年，美国、德国、英国等发达国家，尽管生产了许多的数控机床，但对于一般机床的数控转换也十分重要，机床的技术改建市场非常活跃。机床制造业中的机床改造正在从中分离出来，已经形成了新的工业和领域，用数控技术改造机床和生产线。

1.1.1 普通机床数控改造的好处

（1）机械性能稳定性高。床身和柱子等基本部件均为实心铸造件，不是焊接部件。改造后的机器质量好，性能好，可作为多年的新设备使用。CNC转换简化了原始机器结构。一则减少传动链对精密度的影响，原有的摇杆进给机构都消除，可以提升精密度；二则，它可以降低机械故障率，增加运动的可靠性。长期使用原机床的基础部件后，几乎不可能发生应力变形来影响精度。

（2）数控制改造成本低，入资额少，经济性好。

（3）我们熟悉设备，易于操作和维修，降低了技术对人员的要求，改善了管理。在购置新设备时，不知道新设备满不满足其处理讲求，并且不是转型。这样就能准确算出机床的加工能力。此外，由于长期使用，操作人员熟悉机床的特性，维护和操作培训短时间，快速的结果。一旦安装机床，它可以满负荷运行。操作人员只需要夹紧工件并按下开关，即可快速完成复杂的工件。通过计算机控制完成处理，节省了技术要求的麻烦。同时也提高定额管理水平。

（4）提升生产率。与传统机床相比，机器自动化可提高3至5倍。对于更复杂的零件，越困难，它就越有效。此外，可以使用或不使用工具，这不仅节省了成本，而且缩短了生产准备周期。

（5）增强了传统处理难以实现的功能，例如电弧处理和锥形处理[1]。

1.1.2机床数控改造市场

在过去的10年中，中国的CNC年产量已达到3万至4万台，每年大约生产值70亿元。机床的年产率不到6％。大多数制造业和制造业的大多数制造和加工设备都是传

统的机床，其中机床占了多一半。用该设备处理的产品通常具有诸如低质量，低质量，低质量，高成本和长交货时间的缺点。因此，国际国内市场缺少竞争力直接影响企业的产品，市场和利益，影响企业的生存和发展。

这些无法使用的设备和生产线是大量的股票资产，而修理是财富。只要我们找出主要的技术难点并解决关键技术问题，我们就可以最大限度地减少对最大的股票资产的投资，争取最大的经济和社会效益。

1.1.3 数控改造基本步骤

1.处理对象的过程分析以确定过程计划不仅是机床转换的基础，而且是机床转换的目的。零件的不同样子和不同的技术要求以及加工方式不一样，对机床的要求也不一样。例如，对于圆柱形器件，可以通过车削，圆柱磨削等加工，而平面一般通过铣削，平面磨削等加工;外圆柱面具有高精密度和粗糙的表面，常用来车削;精密度高，外表粗糙度要求低时，必须在外圆磨床上加工。在分析基础上，绘画工序图，首先选择切削量，刃具路径，然后估算出产率。然后计算切削力和切削功率，计算进给系统所需的功率和扭矩。这是选择程序和驱动组件的基础，目前使用类推或测量方法完成。

2.分析修改后的机床以确定要修改的机器类型。改造机床和设计机床是不一样的，机床设计是根据设计任务书，设计整个机床，然后逐个制作机床工件，最终把其安装到机床上;机床的转换不仅包括机床本身的转换，还包括机床的结构转换也参与其中。改进过程系统中的工具，夹具和其他附件，以满足生产需求。在制定机床改造计划时，可以根据既定的工艺计划初步选择要修改的机床类型，然后仔细分析所选机床，了解每个机床的技术规格，技术状态，接触尺寸。解析机床的强度和刚度，解析改进后的机床是否能够变换要求和经济性。最后确定被修改机床的模型。

3.在满足数控系统设计或所用机加工零件的要求的同时，所设计的数控系统尽可能坚固，稳定，可靠，通用且价格低廉，或在国内更好您应该使用特殊的CNC设备进行生产。

4.制订技术措施，制订改建计划。根据加工东西的要求和改建机床的实际状况，制订技术措施，制定机床改变方案。在选择采购工件，必须担保质量。在拟定技术办法和拟定改造计划的过程中，为了获得最佳的经济效益，应该充分进行技术经济分析，争取改进的机床不仅要满足技术要求，还要满足性能要求[2]。

5.机床改造的设计。

6.机床变换的图纸。

7.整个机器都已安装和调试。

上述步骤不是静态的，但应根据实际情况进行穿插，有时需要重复直至满足要求。

第二章总体方案设计

2.1设计任务

普通CA6140车床转换为经济型数控机床，由单片机MCS-51微电脑控制，采用步进电机开环控制，垂直和水平方向线性和圆弧插补它有一个功能。车床必需要有切割螺纹的能力和自动返回的能力。

原理如图2.1所示：

微

机

图 2.1经济型数控机床原理

主要数据如下：

工件最大加工直径：床面：400mm

最大工件长度：1500mm

最大速度：垂直0.6m/min

水平0.3m/min

高速齿轮交叉：垂直2.4m/min

水平 1.2m/min

主电机功率：7.5kw

2.2 确定整体计划

2.2.1 伺服系统解决方案的确定

改建后的数控车床具有停止、循环加工、螺纹加工和直线插补等能力，这就是为什么有必要使用连续控制系统。当使用步进电机开环控制系统时，应想到经济型数控机床加工精密度条件不高，结构简单，减少成本。

2.2.2确定执行器的传动方式

步进电机用于减慢驱动螺杆的速度，以达到机床所需的分辨率。为了减少可能多的摩擦，滚珠丝杠螺母对确保某些变速器的精度和稳定性。同时，采取预加载结构来

改善间隙和传动刚度。传动齿轮横向采取齿形带。除去侧面空隙的结构沿垂直使用。

2.2.3单片机控制方案

根据机器的要求使用8位机器。由于硬件设计简单，系统结构紧凑是MCS—51系列单片机的特点之一。MCS-51系统的最小系统可以通过使用一块8031扩展EPROM 来满足简单应用功能的要求，可以运用MCS—51的扩充功能，构成功能强、规模较大的系统用于复杂的应用场合。因此，应该选择使用8031 微控制器[3]。

第三章 机器进给伺服系统的设计和计算

3.1 运动参数计算

主运动参数

对于通用机床，由于完成的工艺范围相对较宽，并且必须适应一定范围的不同材料零件和不同材料尺寸的加工需求，因此需求主轴具有不同的速度[4]。

1.确定最高速度和最低速度

2. m ax n =m in

m ax 1000d v π （3.1） max

min 1000d vin n π= 在公式中m ax v 、m in v 可以根据切削量手册和车床的应用来确定，C6140车床m ax v 为200米/分钟, m in v 为15米/分钟对于通用机床一般取

KD d =max ; max min d R d d = （3.2） 其中 D — 机床的最大直径；

K — 依据现有类似机床应用的调查，车床的计划K = 0.5；

d R —范围直径一般为d R =0.2~0.25

KD d =max =0.5200400=⨯ （3.3）

max min d R d d ==0.2550200=⨯ （3.4）

m ax n =m in m ax 1000d v π=π

502001000⨯1273≈r/min （3.5） 根据实际需要和发展的储备最后确定m ax n =1300r/min ,同理10min =n r/min

3.2 系统脉冲当量选择及切削力确定

3.2.1 脉冲当量选择

经济型数控车床、铣床经常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm /脉冲, 机床精度横向：0.005mm /步 纵向:0.01mm /步

3.2.2 纵车外圆

由机床设计手册知道而且类比同规格车床，主切削力F 按经验公式估算[5] F =0.67D

5

.1

=0.67⨯5

.1400=5360N 根据切削力的力百分比 F : F x : F y =1:0.25:0.4 F x =1340N ，F y =2144N 3.2.3 横切端面

切割端面时的主要切削力 1F 它占纵向切削力的1/2

主切削力1F =

2

1

F =2680N 仍按上述比例计算： F:Fx:Fy =1:0.25:0.4

F x =2680⨯0.25=670N ，Fy =2680⨯0.4=1072N

3.3 滚珠丝杠螺母副的计算和选型

3.3.1 滚珠丝杠的选型

外循环和内循环是滚珠循环方式分为的两大类，螺旋槽式和插管式又是由外循环分为的。滚珠丝杠对的预紧方式有：双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差预紧，双螺母垫片式预紧，干涉球预紧和单螺母可变导线预紧。

3.3.2 纵向进给丝杠的计算 1..丝杠导程的确定

通常根据电机螺杆的齿轮比i 和设计目标快速移动的最大速度m ax v 以及伺服电机的最大转速m ax n 来确定导螺杆的选择。基本铅引线应满足以下公式 max max 0n i v L ⨯≥

=1300

60

=4.6mm （3.6）

主要选择L 0 = 6mm 根据设计需要

2. 计算进给牵引力F m (N)

在驾驶工作台时，滚珠丝杠副的滚珠丝杠的轴向力称为滚珠丝杠的工作载荷Fm （N ），也称为进给牵引力。它包括作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力及滚珠丝杠的走刀抗力和与移动体重力。由于普通CA6140车床源的纵向导向导轨是综合导向导轨，因此使用以下计算。

托盘上的横向负载 Fc=Fy=2144(N) 托盘上的进给负载 F1=Fx=1340(N) 托盘上的垂直负载 Fv=Fz=5360(N)

工作负载的大小:

Fm = KFx+ 'f (F+G) （3.7）

=1.15⨯1340+0.17(5360+980)

=2555N

式中'f — 滑动导轨的摩擦系数：0.15~0.18取'f =0.17

G — 垂直和水平滑动箱和刀架的重量，垂直滑动箱为80kg ，刀架为20kg 。 G=980N

K — 考虑反扭矩效应的实验系数，集成导轨取K = 1.15; 3. 计算最大动负载C

C =

()

c

a h m m w f f L n F f 100603

1 （3.8）

m n =

1000L V s

⋅ 其中 V s — 最大切削力下的进给速率，最高进给速率21—31，这里

V s =

2

1

⨯0.6=0.3 h L —预期工作寿命，可取h L =16000h

f w — 预期的工作寿命可以从表3.1中获得。f w = 1.3

f a — 从表3.2可知精度系数的值为f a = 0.9 f c — 可靠性系数其取值由表3.3知取 f c =1

表3.1载荷性质系数

表3.2精度系数

表3.3可靠性系数

n =

01000L V s ⋅= 6

3

.01000⨯= 50r/min （3.9） C =

()c a h m m w f f L n F f 100603

1=()

2.134121

9.010016000506025553.13

1

=⨯⨯⨯⨯⨯ （3.10）

4.滚珠丝杠螺母对选择

主要的滚珠丝杠是：外部循环，考虑到简单的经济改造。

根据《机械设计手册》（化学工业出版社出版发行）第三版第3卷计算出来的最大动载荷，选用汉江机床附件有限公司生产的WL4006-2.5外循环垫片，调整预紧双螺母滚珠丝杠副[6]。

5.传动效率计算

η=

)

tan(tan ϕ+r r

（3.11）

式中r — 螺旋升角， r='362o `

ϕ — 对于滚动摩擦，摩擦角为10°，系数为0.003至0.004。

η=

)tan(tan ϕ+r r =)

10362tan(362tan '''

+o o =94.2% 6.刚度验算

引线的变化是由滚珠丝杠副的轴向变形引起的，这会影响其平滑度和定位精度，以及由螺杆的扭转变形引起的纵向变形，丝杠和螺母之间滚道的接触变形，丝杠的拉压变形以及滚珠丝杠轴承的轴向接触变形和螺母座的变形指的是滚珠丝杠副的轴向变形。

本次采用两端固定来设计丝杠安装，刚度高是这种支撑的特点，导螺杆的轴向刚度在一端固定4倍。安装时，必须保持螺母两端同轴，通常，导螺杆没有压力和压杆

的稳定性没问题。绘制该纵向进给滚珠丝杠支撑3.4的草图：

图3.4纵向进给滚珠丝杠支撑

支撑距离L = 2000mm ，引力最大为2555N ，螺母和轴承预紧，预紧力为最大轴向载荷3

1。

a .螺杆张力和压缩刚度R1

滚珠丝杠的拉伸和压缩刚度取决于螺母在导螺杆上的位置，最大值是终点。

()

a L a L d R -⨯=2

21165 （3.12）

式中d 2 — 丝杠螺纹底经d2=35.2

a — 从滚珠螺母中心到轴承中心的距离a =180

()a L a L d R -⨯=2

21165=()

18020001802000

2.351652-⨯⨯⨯=1248.1N/μm

由于推力球轴承在两端使用，并且导螺杆是预张紧的，因此拉伸和压缩刚度可以增加4倍，其实际变形量为：

R 1 =41 ⨯ R 1 =4

1

⨯1248.1 = 312 N/μm

b .滚珠与螺纹滚道之间接触变形nu R

3

1

'1.0⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=c F R R p nu nu （3.13）

式中 'nu R — 查手册可得丝杠刚度'

nu R =1080[7]

F P —丝杠螺母预紧力F P =853

3

1'1.0⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛=c F R R p nu

nu =3.872160811.085310803

1=⎪⎭⎫

⎝⎛⨯⨯ N/μm c.支承滚珠丝杠轴承的轴向刚度 R b

采用8206型推力球轴承，d 1=30mm,滚动体直径d θ=7.927mm,滚动体数量Z =14.o 90=β

R Bo =352sin 95.12βθm F Z d ⨯=5.61790sin 255514927.795.12352=⨯⨯⨯o （3.14）

R b =2 R Bo =212355.617=⨯ N/μm

=Rm 1B nu R R R 1111++=6171872112481+

+=208

1

（3.15） 驱动系统的定位错误6.2208

1

540=⨯

=K σμm 0.8⨯定位精度-K σ -=0.8⨯15-2.6=9.4μm 所选丝杠副精度等级为6μm<9.4μm 因此，所选的导螺杆是合格的。 3.3.3 横向进给丝杠 1. 计算牵引力F m '

横轨是燕尾形的，计算如下：

F m '=K ⨯Fy+f '(2F x +F 1+G)

（3.16）

=1.45⨯670+0.18(2680+2⨯1072+588)=1946N

式中f ’ — 滑动导轨摩擦系数：0.18

G — 溜板及刀架重力：选纵向溜板箱的重量为40kg ,刀架重量为20kg .

G=588N

K — 考虑到反向扭矩影响的实验系数，燕尾导轨取K = 1.45; 2. 计算最大动态载荷C C =

()

c a h m m w f f L n F f 100603

1 （3.17）

n =

1000L V s

⋅ （3.18） 式中，首先选L 0=5mm V s — 最大切削力下的最高进给速率21—31，此处取

Vs=0.3⨯0.5=0.015

f w — 负载特性系数的值从表3.1中获得。 f w = 1.3

h L —预期工作寿命，可取h L =16000h

f c — 可靠性系数其取值由表3.3知取 fc=1

n = 5

015.01000⨯01000L V s

⋅==30 r/min

（3.19）

f a — 从表3.2可知精度系数的值为f a = 0.9 C = ()

c

a h m m w f f L n F f 100603

1=7238 （3.20）

3.传动效率计算

η=

)

tan(tan ϕ+r r

（3.21）

式中r — 螺旋角，W.L4006 r ='334o

ϕ — 对于滚动摩擦，摩擦角为10°，系数为0.003至0.004。

η=

)tan(tan ϕ+r r =)

10334tan(334tan '''

+o o =0.964 4. 刚度计算

横向进给丝杠仍然按两端固定安装，支撑方式如图3.5所示

支撑距离L=450mm ，最大牵引力为2023N ,因丝杠长度较短，不需预紧，而螺母及轴承预紧计算如下[8]：

（1）查手册并根据F m '=1946N,D 0=20mm 可查得丝杠的拉伸或压缩变形量δ1（mm ）

L L /δ=3.9510-⨯

（3.20）

δ1=L L /δL ⨯=3.9510-⨯450⨯=0.0176 （3.21）

图3.5横向进给丝杠支撑

（2）根据滚珠与螺纹滚道间接触变形δ2，δθ=8.6μm

因进行预紧δ 2 =

2θ

δ=21⨯8.6=0.0043mm

（3）轴承滚珠轴承的轴向接触变形 δ3 采用推力球轴承8202型d θ=0.5H=6 取Z=10

δc =0.002432

2

'.z d P m θ=0.002432

2

1066

.194⨯=0.0094mm （3.22）

考虑到预加载，因此δ3=

2

1

δc =0.0047mm 结合上述几种变形的总和：

δ=δ1+δ2+δ3=0.0176+0.0043+0.0047=0.0266mm 显然此变形量已大于定位精度要求，

应该采取相应的措施修改设计，采用贴塑导轨减少摩擦力是因横向溜板空间限制，不宜加大滚珠丝杠直径。塑料导轨的摩擦系数介于0.03和0.05之间，因此需要f =0.03以减小最大牵引力并重新计算为：

F 'm =1.4F y +)2(2

G F F f x ++ （3.23）

=1.4580107222680(03.0670+⨯++⨯)=1138N

可查手册得，F '

m =1138N ，L L /δ=2.25

10-⨯

δ1=L L /δL ⨯=2.2510-⨯450⨯=0.99⨯102-mm

（3.24） δ2和δ3不变

则δ=δ1+δ2+δ3=0.0099+0.0043+0.0047=0.0189mm 定位精度为±0.015，因此，变量仍然不满足。如果滚珠丝杠预拉伸，精度可提高4倍，并且变形量增加。

δ=41δ1+δ2+δ3=⨯4

1

0.0099+0.0043+0.0047=0.0115mm

0.0115mm<0.015mm 所以满足要求

5. 稳定性校核

Fk 为不稳定是的临界负载

2

22L

EI

f F K π= （3.25）

式中：I ——截面惯性距（cm 4） 丝杠：I =

4164

d π

，1d 为丝杠内径；

E ——材料弹性模量 钢：E=20.6N/cm ：

2f ——丝杠支撑方式系数，查手册知两端固定2f =4.00

L ——导螺杆两个支撑端之间的距离（cm ）;

I=

4164

d π =

443899.06788.164

cm =⨯π

（3.26）

222L EI f F K π==N 156428453899

.0106.2042

62=⨯⨯⨯⨯π （3.27）

[]k m

K k n F F n 7.1341155156428

'

===

（3.28） （通常[]nk 取2.5 ~ 4）所以螺丝稳

3.4 计算齿轮传动比

3.4.1 纵向进给齿轮箱传动比计算

球引线L 0 = 6 mm ，相当于垂直进给脉冲，初始步进电机步进角为0.75°，可计算齿轮比。

8.06

75.001

.03603600

=⨯⨯=

=

L i b p

θδ

（3.29）

可选定齿轮齿数为: 403221==

z z i 或25

20

321=z 、402=z 或201=z 、252=z 选择Z 1 = 32，Z 2 = 40，模数m = 2 齿宽 b=20mm 压力角α=20°

齿轮的直径是 d1=mz1=2×32=64mm （3.30）

d2=mz1=2×40=80mm （3.31）

dα1=d1+2ha*=68mm

（3.32）

dα2=d2+2ha*=84mm （3.33）

然后中心距离是 A=)(21z z m +⨯/2=72 （3.34） 3.4.2 横向同步齿形带传动比计算

（1）模数的选择 根据经验选择，初选m=1.5 （2）D m in 为滑轮的最小直径

此直径不是直接选定，而是由其最小齿数min 1z 控制，min 1z 查手册得min 1z =14.所以1

z 应大于14

（3） 大小轮齿几何参数定

已知横向进给脉冲当量p δ=0.005、滚珠丝杠导程L 0=5mm 、并且主步进电机的步进角为0.75，可以计算出传动比：

360L i b p

θδ=

=

5

75.005

.0360⨯⨯=0.48 （3.35）

可选齿数 50

2421==

z z i 即241=z 502=z （4）初选中心距

因中心距未给定，这可按下式确定

0.5（)(2)12021D D A D D +≤≤+ （3.36） D 1.D 2 — 小轮和大轮分度圆直径（mm ）,即0.5)7536(2)7536(0+⨯≤≤+⨯A .选A 0=80mm

（5） 确定长度L

从主要选择中选择中心后，在主要选择后很长： 0212210'/)(25.0)(5.02A D D D D A L -+++=π

（3.37）

=80/)3675(25.0)7536(14.35.08022-++⨯+⨯=339.02 然后将带的齿数94.71)('

'==m L z p π舍入到标准化的齿值p z =70，L=329.9 （6）最终确定中心距离A.

[]{

}

212

2

1

2

12)(2)(5.0)(5.025.0D D

D P L D D L A --+-++-=ππ （3.38）

=75.24mm

第四章步进电机的选择和计算

4.1 步进电机的功能和类型

1.根据设计方案确定本次设计采用了步进电机实现的开环驱动，伺服进给系统中的位移检测反馈装置。数控装置的命令首先通过驱动装置控制步进电机的操作，然后通过机械传动系统控制工具架或工作台的位移。

2.步进电机的功能

(1)不需要传感器进行反馈，可以进行开环控制。

(2)步进电动机的步距角有误差，在转子旋转一定数量的步骤之后也会发生累积误差，但在转子旋转一圈后累积误差变为“零”。

(3)缺点是能源效率较低。

(4)更容易连接到微型计算机，因为它可以直接由数字信号控制。

(5)良好的控制性能，在启动，停止，倒车时不易“脱落。

3.步进电机种类

常用的旋转步进电机的转子结构可分为以下三种类型：

（1）永磁型(PM-永磁体)

（2）混合型(HB-混合)

（3）VR-可变磁阻,也叫反应式步进电动机

4.根据设计需要本次设计选用可变磁阻步进电机，即反应式步进电机。

结构原理：可变磁阻步进电机又叫做反应式步进电动机，这是由软磁钢制成的齿形转子的步进驱动，其具有由定子绕组产生的反作用电磁力。结构原理如图4.1所示。线圈嵌入定子1中，转子2沿定子和转子之间的最小磁阻方向旋转，因此也称为可变磁阻型[8]。

图4.1可变电阻步进电机