普通车床数控化改造——进给系统及刀架设计.doc

学 院毕 业 设 计设计题目：普通车床数控化改造进给系统及刀架设计 系 别： 机电工程工程系 班 级： xx机制本（2）班 姓 名： 指 导 教 师： 2013年6月7 日普通车床数控化改造进给系统及刀架设计摘 要普通车床的数控化改造一般是指对现有普通车床的某些部位做一定的改造，配上经济型数控装置或标准型数控系统，从而使原车床具有数控加工能力。数控化改造后的车床自动化程度高，专业性强，加工精度及生产率高；适应多品种、中小批量生产；数控改造费用低，经济性好；能发挥机床原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值；数控改造周期短，可满足生产急需。本文以CA6140车床为例，对普通车床进行了数控化改造设计，主要研究内容如下：分析普通车床的结构组成及其功能，研究确定普通车床数控化改造方案，并进行经济性论证。根据普通车床的加工能力，对车床的主轴箱进行部分改造并简要说明。根据机械、动力学及电气设计原理以及机床进给系统的要求，对切削力进行计算，选择合适的滚珠丝杠并进行装配设计。设计选择滚珠丝杠支承方式与相应的轴承、步进电机。选择设计自动回转刀架并进行相应的校核验算。根据所改造的性能和精度指标来选配合适的数控装置系统。给出普通车床数控化改造的安装、调试方法。关键词：普通车床 数控化改造 进给系统 刀架Numerical Control Innovation of common lathesthe Design of Feeding System &Tool PostAbstractThe numerical control innovation of common lathes generally means to transform the existing common lathes, just make transformation of certain parts, installing economic numerical control device or standard computer numerical control system, thus making the common lathe with NC machining ability. After numerical control innovation the lathes possess high degree of automation, good professional ability, high machining accuracy and productivity; adapt to the multi-species, middle and small batch production; low NC reconstruction expenses and good economical efficiency, which can play the original function and reform machine new function, and improve the use value of machine. NC innovation can meet production needs with short transformation period. Take the CA6140 lathe as an example, in this paper to process numerical control innovation design of common lathes. The main research contents are as follows: Analysis the structure, component and function of the common lathes, and identify the numerical control innovation scheme of common lathes and do economy demonstration. According to the common lathe processing ability, design partial reconstruction of the lathe spindle box, and give brief illustration. According to the mechanical and electrical design principle, and the machine feeding system requirement, making calculation of cutting force, and choose appropriate ball screw and assembly design. Design choice ball screw supporting mode and to choose corresponding bearings, stepping motor. Making selection of design automatic rotary tool post and corresponding checking calculate. According to the properties and transformation of precision index to select suitable numerical control device system. Give installation and debugging method of common lathes numerical control innovation.Key words: common lathe NC reform feeding system tool post目 录1 前言11.1 课题产生11.2 普通车床数控化改造研究现状21.3 普通车床数控化改造经济分析22 普通车床数控化改造方案52.1 改造方案设计52.2 改造内容及要求52.3 改造方案确定62.4 数控化改造步骤73 传动及进给系统改造设计83.1 设计参数83.2 传动部分改造设计83.3 进给系统改造设计83.3.1 纵向进给系统改造设计93.3.2 横向进给系统改造设计224 自动回转刀架改造设计304.1 数控改造自动回转刀架选型304.2 数控车床自动回转刀架工作原理324.3 自动回转刀架计算校验324.3.1蜗杆副的设计计算324.3.2蜗杆其他相关参数354.3.3蜗杆传动热平衡计算355 数控系统改造设计375.1车床数控系统概述375.2 数控装置的软硬件结构375.3数控系统与可编程控制器及接口395.4 数控系统总体改造设计406 改造后数控车床安装与调试426.1 改造后数控车床安装426.2 改造后数控车床调试426.3 经济型数控车床精度检验437 结论44谢辞45参考文献46外文资料翻译47xx 学 院 毕 业 设 计1 前言数控车床作为机电液气一体化的典型产品，是现代机械制造业中不可缺少的加工设备，在机械制造业中发挥着重要的作用，能解决机械制造中结构复杂、精密、批量小、零件多变的加工问题，且产品加工质量稳定，生产效率较高。企业要在激烈的市场竞争中获得生存、求得发展，就必须在最短的时间内以优异的质量、低廉的成本，制造出合乎市场需要的、性能合适的产品，而产品质量的优劣，制造周期的快慢，生产成本的高低，又往往受工厂现有加工设备的直接影响。目前，采用先进的数控车床，已成为我国制造技术发展的总趋势。购买新的数控车床是提高车床数控化率的主要途径，但是成本太高，很多中小企业在短时间内无法筹集大量资金；同时目前大多数企业还有数量众多，而且还具有较长使用寿命的普通车床，由于普通车床加工精度相对较低、不能批量生产，生产的自动化程度不高，生产自适应性差，但考虑投资成本，产业的连续性和转型周期，又不能马上淘汰。为了获得数控车床, 企业可以应用成熟的数控技术理论，以低廉的成本对普通旧车床进行数控化改造，可以恢复甚至提高原车床的精度，大大提高了车床加工的自动化水平，适应工业高速跨越式发展的要求。我们以CA6140车床为例，对普通车床进行数控化改造设计分析。对普通车床进行数控改造是提高我国车床产量数控化率的重要途径之一。通过普通车床的数控化改造,投入较少的资金但能达到经济型数控车床的使用效果, 其社会意义和经济效益是不可估量的。1.1 课题产生普通车床的数控化改造使原车床具有数控加工能力，改造后的车床自动化程度高，专业性强，加工精度及生产率高；在应用上比其他传统的自动化改造方案有较大的通用性和可调整性，适应多品种、中小批量生产；数控改造费用低，经济性好；能发挥机床原有功能和改造后的新增功能，提高机床的使用价值；数控改造周期短，可满足生产急需。具体来讲，其改造优点如下：1）从提高资本效率出发，改造闲置的普通车床，能发挥旧机床的原有功能和改造后的新功能，提高普通车床的使用价值。2）数控改造费用低，减少了投资额，经济性好。3）适合于多品种、中小批量产品的的自动化加工，对产品的适应性强。对不同零件的加工，可以通过变换不同的加工程序和更换不同的加工刀具来实现。4）提高产品质量，降低废品率。尤其是加工的产品尺寸一致性好，合格率高。5）机械性能稳定可靠，改造所利用的普通车床床身是重而坚固的铸造构件，而不是焊接构件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。而数控化改造是原有的机械结构更为简单，在减少传动链对精度影响的同时，降低了机械的故障率。6）可充分利用现有的条件。可充分利用现有地基，不需要重新构筑地基。7）增加了功能，如圆弧加工、锥度加工，甚至更复杂轮廓的加工，这是传统加工方法难以实现的。8）交货周期短，可满足生产急需。普通车床数控化改造，更换或修理磨损零件，调试大型基础零件，提高车床的精度，同时舍弃原有的进给系统，用新的数控系统驱动步进电机带动滚珠丝杠来替代。改造总费用由机械维修更新和增加的数控系统两部分组成。若车床的数控化改造的总费用仅为同类型车床价格的50%60% 时,该车床数控化改造在经济上适宜。经过考查，若购买同样配置的全新数控车床约需10万元，而车床数控改造的总费用为5.1万元，仅占51%，因此车床数控化改造在经济上是合适的。同时，增加新的数控系统及相应的机械装置大大提高了车床加工的精度和加工效率，在投资少的情况下，既满足了加工的需要，又提了高车床的自动化程度，对我国这样的一个机床大国是非常重要的1。1.2 普通车床数控化改造研究现状1990年，我国车床产量数控化率2.24%，2000年上升为7.96%，2005年车床产量的数控化率达到了13.23%的较高水平。数控车床可以较好地解决形状复杂、精密、小批及多变零件的加工问题。能够稳定加工质量和提高生产率，但数控车床的应用也受到其他一些条件的限制。数控车床价格较昂贵，对于中小企业一次性投资购买大量数控车床是非常困难的，同时各企业有大量的普通车床，完全用数控车床替换根本不可能。提高车床数控化率的重要途径之一，就是将现有的普通车床改造成数控车床。许多企业一面购置数控车床一面利用数控、数显、PC技术改造普通车床，并取得了良好的经济效益。低成本的普通车床数控化改造是一项适合我国实际改造情况的先进适用技术2。1.3 普通车床数控化改造经济分析根据对市场的调研，目前新经济型数控车床，售价8.5万/台，普通新车床CA6140，售价38万/台，使用寿命810年，而已使用了68年的旧车床CA6140，估价O.5万/台， 通过改造还可使用46年。普通车床CA6140每台数控化改造所需价格大约3万，数控加工的生产率可提高2030。因此需要对普通车床的数控化改造进行经济性分析3。设备现代化改造是广义设备更新的一种方式，因此，研究现代化改造的经济性与设备更新的其他方式相比较。一般情况下，与现代化改造并存的可行方案有：继续使用旧设备、旧设备大修理、原型设备更换和更新新设备。决策的任务就是要在各种可行方案中选择设备使用总成本最小的方案。各种方案的设备使用总成本，根据机械工程手册的“经济性分析” ，对于普通车床使用各方案投资成本及生产率以及各年使用成本见表1-1所示。由以上计算结果，比较各项更新方案中使用总成本最小者为优。如果设备只使用3年，以继续使用原设备方案为最佳；如果使用46年，则对原设备进行大修理的方案为佳；如果设备使用6年以上到8年，则最佳方案是将原旧机床改装为数控化机床；如果使用9年以上，则可更将普通机床更换为全新数控机床为最佳方案。因此通过以上经济性评价，对使用68年的普通车床，将其改造为数控化车床，是比较经济可行的。表1-1 各种更新方案的投资和各年使用费用 （万元）序号可行方案基本投资劳动生产率系数各年使用费用1234567891旧车床继续使用00.70.250.50.7511.251.51.7522.252更换为全新普通车床3.510.030.070.110.150.190.230.270.310.353更换为全新数控车床 6.56.50.020.040.060.080.10.120.140.160.184改装为数控车床3.21.20.10.180.260.340.420.50.580.660.745旧车床大修理1.80.90.10.190.280.370.460.550.640.730.82将上表中的数据代入各方案计算公式得到各方案逐年使用成本见表1-2。表1-2 各方案逐年设备使用总成本汇总表 （万元）年份方案123456789旧车床继续使用0.330.941.792.844.065.416.878.4110.02更换为全新普通车床3.593.603.683.793.914.064.224.384.56更换为全新数控车床4.074.104.134.164.204.254.304.364.41改装为数控车床2.742.873.043.253.493.754.044.334.64旧车床大修理2.102.282.532.833.183.573.984.424.872 普通车床数控化改造方案2.1 改造方案设计对于普通车床的经济型数控化改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对车床的改动应尽可能少，以降低成本。（1）数控系统运动方式的设计 数控系统按运动方式可分为点位控制系统、直线控制系统、连续控制系统。由于要求普通车床能加工复杂轮廓零件，所以选用数控系统要能实现两轴联动连续控制。（2）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分。 因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。（3）机械进给系统及刀架改造设计 车床纵、横两个方向的进给运动控制, 通常由步进驱动器控制的步进电机带动滚珠丝杠来实现，并由数控系统控制实现两个方向的进给运动的联动。刀架能在换刀点自动改变四个刀位完成换刀功能，刀架旋转和换刀是通过数控系统内置的可编程控制器控制三相异步电机来实现。2.2 改造内容及要求数控车床主要用于轴类盘类零件的加工，能自动完成外圆柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工，并能在圆柱面或端面上进行铣槽、钻孔、铰孔等工作，可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后，一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。因此，能够极大地提高生产率。本课题研究是以CA6140车床为例，普通车床主要用于对小型轴类、盘类以及螺纹零件的加工。1）车床的结构改造要求 主轴仍采用原有的变速系统，主轴箱内拆除与进给箱相连的齿轮，进给系统由步进电动机驱动。主轴和进给系统结构得到简化，传动刚度也大为提高。主轴后端安装了同步运转的脉冲编码器，用于加工螺纹时实现进给与主轴转速的同步。2）数控车床的布局要求 结构要紧凑以节省占地面积和空间，并采用全封闭或防护装置。3）床身的结构布局要求 床身是车床主要承载部件，本改造采用原有的平床身，因为平床身是在普通车床上稍加改造而成的，价格相对较低，而目它的工艺性好，加工方便，并且刀架处于水平位置，易于保证刀具运动精度。4）车床的进给系统改造要求 进给调速范围大、定位准确、无间隙误差、有较高的传动效率。所以，为满足低摩擦要求，选用滚珠丝杠、螺母传动副做传动和导向元件，可以直接选用减速步进电机，以缩小传动链，提高系统刚度，并减少传动链误差。滚珠丝杠、步进电机之间采用联轴器连接。选用两步进电机分别驱动纵向和横向的滚珠丝杠以实现进给运动。5）刀架系统要求 采用电动四方刀架，可使机械结构简单，省去大量液压管路。6）数控系统要求 采用开环控制系统，系统中没有反馈电路，不带检测装置，指令信号单方向传递。开环控制系统结构简单，成本低廉、易掌握，调试和维护比较方便简单，己广泛应用于一些数控车床。2.3 改造方案确定本设计属于经济型数控化改造，基本原则是在满足使用要求的前提下，对车床的改动尽可能少。总体设计改造方案为：( 1 ) 车床主轴正、反转和主轴变速, 在主轴的尾部安装脉冲发生器将转速信息传给计算机系统。( 2 ) 车床纵、横两个方向的进给运动控制, 通常由步进驱动器控制的步进电机带动滚珠丝杠来实现，由数控系统控制要实现两个方向的进给运动的联动。( 3 ) 刀架能在换刀点自动改变四个刀位完成换刀功能。刀架旋转和换刀是通过数控系统内置的可编程控制器控制三相异步电动机来实现。 ( 4 ) 数控系统选用南京菁华数控工程有限公司生产的JWK15T数控系统。( 5 ) 驱动系统的选择: 主轴驱动系统采用原有电动机驱动, 进给驱动系统可以采用步进驱动器和步进电机。纵向进给机构的的具体改造方案：拆除原机床的进给箱、溜板箱、传动丝杠、光杠和操纵杠，利用原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱和电机。综合考虑机床性能及经济性要求，选用开环控制的步进电机作为纵向进给运动的动力源。步进电动机通过减速装置与滚珠丝杠相连实现机床的进给运动。横向进给机构的具体改造方案：同纵向进给系统改造相似，采用步进电机带动滚珠丝杠结构，原有的支撑结构保留，步进电机安装在中拖板的后侧。此外，普通车床改装后即变成经济型数控车床，其工作时要求刀架能自动换位。本设计自动回转刀架采用电动四方刀架，且要求选取的自动回转刀架必须具有良好的强度和刚度，以承受粗加工的切削力，同时保证回转刀架每次转位的重复定位精度4。综上，对纵向、横向进给系统及刀架的改造设计方案如图2.1所示。图2.1 车床总体改造方案2.4 数控化改造步骤1）对加工对象进行工艺分析。确定工艺方案加工对象是机床改造的依据，不同工件和技术要求其加工方法不同，一般是在分析零件基础绘制工序图，初步选定切削用量、刀具运动路线，估算生产效率，计算切削力、切削功率，从而计算出进给系统需要的功率和力矩，作为选择主轴及进给系统的依据。2）分析被改造机床，确定改造类型。改造机床是围绕机床本身系统加以改进，即考虑原有结构的改进，又考虑附件的改进，根据对原机床的技术规格、技术参数、各部分尺寸的分析，改造后车床为经济型数控车床，主轴转速及最大加工件尺寸和加工螺纹功能不变。3) 准备工作就绪后，即可进入改造的实施阶段。4) 验收工作。改造的后期工作也很重要，验收工作应按已制定的验收标准进行，主要包括机床机械性能的验收，电气控制功能和控制精度的验收，试件切削验收。3 传动及进给系统改造设计3.1 设计参数对CA6140机床，最大加工直径:床面上400 mm，床鞍上210 mm；最大加工长度: 750 mm；溜板及刀架重力: 纵向800 N，横向600 N；刀架快速移动速度: 纵向24m/min, 横向12 m/min；最大进给速度: 纵向3 m/min, 横向1.5m/min；主电动机功率: 7.5 kW；起动加速时间: 30 ms。根据机床精度要求确定脉冲当量, 纵向: 0.01mm/步；横向: 0.005 mm/步。3.2 传动部分改造设计对普通车床进行数控改造时，一般可保留原有的主传动系统和变速操纵机构。这样既保留了车床的原有功能，又减小了改造量。经济型数控车床上加工螺纹或丝杠，需要配置主轴脉冲发生器作为车床主轴信号的反馈元件，其与车床主轴同步转动，发出主轴转角位置变化信号，输送到数控系统。主轴脉冲发生器的安装，通常有两种方式：一是同轴安装，二是异轴安装。脉冲发生器属精密光学元件，安装时应格外小心，避免损坏光栅盘。因主轴直径较大且其结构复杂，常采用异轴安装。通常在加工螺纹时将其安装，不使用时将其断开，避免不必要的磨损和信号干扰，延长主轴脉冲发生器的使用寿命。由于增量式脉冲编码器结构简单、价格低、精度易于保证，并且能准确测量出回转件的旋转方向、旋转角度和旋转角速度，是经济型数控机床的优先选择，并且市场上该类产品很多，直接购买即可。3.3 进给系统改造设计进给系统作为车床的一个重要组成部分，其性能的优劣，直接影响零件的加工质量和生产效率。而数控车床进给系统承担了数控车床各直线坐标轴、回转坐标轴的定位和切削进给，进给系统的传动精度、灵敏度和稳定性直接影响被加工件的最后轮廓精度和加工精度。为此，对车床进给传动系统要求是：低惯量，低摩擦阻力，高刚度，高谐振，无间隙传动。3.3.1 纵向进给系统改造设计普通车床的经济型数控改化造方案一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。我们可以直接选取减速步进电机作为进给系统的动力源，以增加系统整体的刚度，减小传动链对加工精度的影响。减速步进电机的布置，可放在丝杠的任意一端，对改造来说，外观不必像产品设计要求那么高，而从改造方便、使用方面来考虑，将其设在纵向丝杠的左端，即车床主轴箱前部，如图3.1所示56。图3.1 传动系统原理图1. 纵向切削力的计算和主传动电机功率的校核由机械工程手册第二版“机械制造工艺设备(二)分册可知：切削功率Pm ： （3-1）式中，Fc切削力(N)Vc切削速度(m/s)主传动电机功率PE： （3-2）式中，m 传动效率，m =0.750.85。车削时总切削力分解为：切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp。切削力Fc： （3-3）进给力Ff： （3-4）背向力Fp： （3-5）式中，ap 背吃刀量(mm) f 进给量(m/r) Vc 切削速度(m/min)根据厂家提供CA6140的参数，然后以Q235钢为加工材料，进行设计计算。加工零件的最大直径d=400mm，主轴最大转速n=1400r/min，刀具选择YT5和YTl5硬质合金焊接式车刀。(1)粗车时刀具选择YT5，对于长径比小于200:1，背吃刀量ap=3.5mm，进给量f =O.35O.65m/r，切削速度Vc =6075m/min。查机械工程手册第二版“机械制造工艺设备(二)表1.2-2得：CFc=2650； XFc=1；YFc=0.75；nFc=-0.15；KFc=1；CFf=2880；XFf=1；YFf=0.5；nFf=-0.4；KFf=1。机床主轴转速：取工件毛坯直径d=410mm，切削速度Vo =70m/min，则主轴转速n：查CA6140机床主轴转速系列，可选主轴转速n为63r/min。则可计算出切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp 的值切削力Fc： 进给力Ff：背向力Fp：切削功率Pm ：主传动电动机功率PE ：即CA6140普通车床提供的主传动电机功率7.5KW满足粗车要求。(2)精车时计算机床主轴转速取工件直径d=400mm，切削速度Vc=140m/min，则主轴转速n查CA6140机床主轴转速系列，可选主轴转速n为125r/min则可计算出切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp 的值 切削功率Pm：主传动电机功率PE： 即CA6140普通车床提供的主传动电机功率7.5KW满足精车要求。(3)计算结果的比较粗车和精车时切削力Fc、进给力Ff、背向力Fp的计算结果见表3-l所示。表3-l Fc、 Ff、Fp 计算结果车削类型工件直径(mm)ap(mm)f(m/r)Vc(m/min)n (r/min)Fc(N)Ff(N)Fp(N)粗车4103.50.57063288812671073精车40020.61401251698598600经比较，粗车时的切削力比精车时大，因此本系统数控化改造设计计算按照粗车时的切削参数进行。2. 纵向滚珠丝杠设计计算滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择78。(1)计算纵向滚珠丝杠轴向力F综合车床导轨对滚珠丝杠的作用可算得纵向滚珠丝杠轴向力F : (36)式中，f当量摩擦系数，对正常润滑的滑动导轨，三角形和矩形导轨,f=O.15O.18。K 倾覆力矩影响系数，三角形和矩形导轨K =1.11.15。则(2)寿命计算寿命系数Kh：式中Lh滚动螺旋副的寿命，从机械传动装置设计手册上册表10.225查得，Lh =l5000h。转速系数Kn：基本额定载荷Ca: (37)式中，KF、KH、KL分别为载荷系数、硬度系数、短行程系数，对中等冲击，从机械传动装置设计手册上册表1026、1027、1028查得， KF =1.21.5，取值1.5；硬度最大为60HRC时KH 取值1.0；行程系数最小为1是KL 取值1.0。(3)选择滚珠丝杠的型号根据计算的基本额定载荷Ca6.31KN，查机械零件设计手册上册表G184，选择滚珠丝杠的型号CDM40065P4，即外循环端盖式双螺母垫片预紧右旋滚珠丝杠副，其公称直径为40mm，导程为6mm，滚珠列数为2.5x2列，精度等级为4级(一般数控机床精度等级为4级)，额定动载荷为28772N。其结构简图如图3.2所示,具体参数见表3-2所示。图3.2 CDM滚珠丝杠结构简图表3-2 CDM4006-5-P4型滚珠丝杠的具体参数公称直径基本导程钢球直径丝杠外径螺纹底径额定载荷（KN）刚度（N/m）d0PhDwdd1动载荷Ca静载荷C0a4063.9694035.128.895.92191螺母安装连接尺寸DD3D4BD5D6hMACLL17111090159159M63713854 (4)滚珠丝杠的强度计算滚珠丝杠主要受切削工件时所产生的轴向力F和转矩T，而弯矩主要分布在机床导轨上，作用到滚珠丝杠上的弯矩较小。按照第三强度理论有：(38)转矩T根据滚珠丝杠步进电机选择计算(见后3)得，T=20 Nm。 所以，即滚珠丝杠的强度满足设计要求。 (5)纵向滚珠丝杠刚度计算滚珠丝杠受轴向负载F引起导程产生的变形量F：(39)式中：Ph=6mm，E=200GPa。滚珠丝杠截面积：则：滚珠丝杠受扭矩T(Nm)引起的导程变化量T：(310)式中：A 丝杠的截面积，A =967.62 mm2；Jc 丝杠的极惯性矩， m4；G 钢的切变模量，对于钢G=83.3 GPa；T 转矩, Nm； 式中,为当量摩擦角，tan=00025，=0.14。钢球和螺纹滚道产生的轴向变形a：式中，Kz 载荷分布不均匀系数，与制造精度有关，通常取Kz =1.21.3；Fao螺母预紧力，Fao0.33F ；ZZ圈内的钢球数，滚珠丝杠导程变形总量：纵向滚珠丝杠刚度K： 即纵向滚珠丝杠刚度足够，其刚度可满足要求。(6) 滚珠丝杠稳定性计算图3.3 一端固定一端游动结构图对于经济性数控机床，滚珠丝杠为长丝杠(长度为1500mm)，选用一端固定一端游动作为支承，其费用比较低廉，结构简图如图3.3所示。计算滚珠丝杠柔度：计算临界载荷Fc：即纵向滚珠丝杠稳定性足够。经上述计算验证，纵向进给选用滚珠丝杠CDM40065P4，各项性能指标均符合设计要求。3纵向步进电机选择计算步进电机可以作为一种控制用的特种电机, 利用其没有积累误差的特点, 广泛应用于各种开环控制。典型的步进电机控制系统如图3.4所示。步进电机控制系统主要是由步进控制器、功率放大器及步进电机组成。步进控制器是由缓冲寄存器、环行分配器、控制逻辑及正、反转控制门等组成。它的作用就是能把输入的脉冲转换成环行脉冲, 以便控制步进电机, 并能进行正、反向控制。功率放大器的作用是把控制器输出的环行脉冲加以放大, 以驱动步进电机转动。负载步进电机功率放大器脉冲步进控制器方向控制图3.4 步进电机控制的组成参考同类机床,为了满足最小步距及减速要求，通过综合考虑转矩与工作频率，选用南京菁华数控工程有限公司生产的三相反应式减速步进电机JBF-6,如图3.5所示。其结构如图3.6所示，其主要参数见表3-3所示，外形尺寸及安装尺寸见表3-4所示。而机床要求刀架快速移动速度: 24m/min, 最大进给速度: 3 m/min, 起动加速时间: 30 ms。定位精度：0.015mm。计算与校验如下：图3.6 JBF-6步进电机结构图3.5 JBF步进电机表3-3 JBF-6步进电机参数电机型号减速比步距角（/step）静转矩（Nm）配用丝杠mm脉冲当量mm出轴130BC3100A1:10.62060.01长表3-4 JBF-6步进电机外形尺寸及安装尺寸型号电机型号DD1D2D3L1L2L3L4H出轴JBF-6130BC3100A1304080320250590190长（1） 计算降速比i:式中， 步进电机的步距角，/step； Ph 丝杠螺距，mm 脉冲当量，mm/step。故步进电机上安装齿轮减速比1:1完全符合要求。（2） 转动惯量计算传动系统折算到电机轴上总的转动惯量J： (3-11)式中,Jl 负载转动惯量，Jl =J1 +Js 。 J1 工作台折算到电机轴上的转动惯量, 式中，m 工作台质量，m80 kg。Js 滚珠丝杠转动惯量, JM 步进电机转子转动惯量,查厂家提供参数,JM = 1000 kgmm2;所以，总的转动惯量J：考虑步进电机与传动系统惯量匹配的问题，由即纵向步进电机本身的转动惯量JM与总的负载的转动惯量Jl之比稍大于3，即纵向总的负载转动惯量与电动机本身的转动惯量基本相匹配，并且在快速进给时能保证强的速度能力，满足转动惯量的要求。（3）电动机力矩计算机床在不同的工况下, 所需转矩不同, 下面分别按各阶段计算: 加速力矩Ma： 摩擦力矩Mf： 式中为传动链总效率取0.8；Fo为导轨静摩擦力，Fo =30000.2=600 N。 摩擦附加力矩Mo： 快速空载起动力矩M：因此，选用20 Nm的步进电机完全满足要求。（4） 最小机械时间常数Tmin :( 3-12 ) ( 3-13 )式中， J 总的转动惯量。 max 步进电机的最大角速度，nmax为纵向丝杠最大转速， Tdmax 电机输出的电磁转矩。电机输出的最大电磁转矩Tdmax，查电机工程手册可知，在加速和减速过程中，