开环控制纵向进给系统设计计算说明书.doc

目 录

摘要及关键词············································································3
正文·······························································································4
前言部分·······················································································4
本论部分·······················································································5
第1章 绪论····················································································5
1.1 机床机电一体化改造总体方案的设计··············································5
1.2 开环伺服进给系统机械部分设计····················································5
第2章 机床机电一体化改造总体方案的设计·······························6
2.1 课程设计任务书············································································6
2.2 总体方案设计···············································································7
第3章 开环伺服进给系统机械部分设计·······································9
3.1 确定系统脉冲当量·········································································9
3.2 计算切削力···················································································9
3.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠）·····································9
3.4 齿轮传动比计算···········································································14
3.5 步进电动机的计算和选型······························································14
第4章 机械传动机构的调整和结构的简要说明··························19
4.1 丝杠进给速度的调节···································································19
4.2 轴向的预紧力的调整及定位··························································19
结论部分······················································································19
设计体会····················································································20
参考文献····················································································21

摘要及关键词

【摘要】
数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从目前企业面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大使企业心有余而力不足。我国作为机床大国，拥有大量的普通机床。因此，对普通机床数控化改造不失为一种较好的选择。

【关键词】
机电一体化 开环控制纵向进给系统设计 滚珠丝杠螺母副 步进电动机

正文

前言部分
计算机技术和先进制造技术的发展，推动了机械加工在各方面的变革和进步。典型的数控机床已成为现代加工器械的鲜明代表。考虑到企业的生产效率和投入成本，普通车床的数控化改造将是一个极为有意义的课题。
普通车床数控改造的设计是机电一体化系统课程设计的主要内容。作为机械设计制造及其自动化专业的学生，这次设计是本人在学习完“机电一体化系统设计”、“数控机床”等专业课程之后进行的一个重要的实践性教学环节。通过综合运用所学的机械、电子、自动控制、微机等知识，进行一次机电结合的全面训练，以培养独立分析问题，解决问题和进行机电一体化系统初步设计的能力。此设计过程为期三个星期，在赵洪兵的指导下，本人将对普通车床进行开环控制纵向进给的改造。
由于学生水平有限，在设计乃至计算过程中难免会有一些错误，望各位老师及同学指点赐教。不胜感激。

计 算 及 说 明
结果
本论部分
第1章 绪论
1.1 机床机电一体化改造总体方案的设计
1.1.1 课程设计任务书
（1） 题目
（2） 原始数据
（3） 主要技术参数
（4） 课程设计的内容及要求
1.1.2 总体方案设计
（1） 系统的运动方式的确定
（2） 伺服系统的选择
（3） 执行机构传动方式的确定
（4） 数控系统的选择
1.2 开环伺服进给系统机械部分设计
1.2.1 确定系统脉冲当量
1.2.2 计算切削力
1.2.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠）
（1） 计算进给牵引力
（2） 计算最大动负载
（3） 滚珠丝杠螺母副的选型
（4） 传动效率计算
（5） 刚度计算
（6） 稳定性校核

计 算 及 说 明
结果
1.2.4 齿轮传动比计算
1.2.5 步进电动机的计算和选型
（1） 等效转动惯量的计算
（2） 电机力矩计算
（3） 计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率
1.2.6 设计绘制伺服进给系统机械装配图
第2章 机床机电一体化改造总体方案的设计

计 算 及 说 明
结果
案

结果
选用8031单片机

计 算 及 说 明
结果
第3章 开环伺服进给系统机械部分设计
3.1 确定系统脉冲当量
根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向：0.01mm/步，横向0.005mm/步。
3.2 计算切削力
确定切削力（纵车外圆）：
主切削力按经验公式估算：

按切削力各分力比例：
取：

3.3 滚珠丝杠螺母副的计算选型（纵向进给丝杠）
3.3.1 计算进给牵引力
纵向进给为综合型导轨

式中——考虑颠覆力矩影响的实验系数，综合导轨取；
——滑动导轨摩擦系数：
——溜板及刀架重力：
3.3.2 计算最大动负载

计 算 及 说 明
结果

式中——滚珠丝杠导程，初选；
——最大切削力下的进给速度，可取最大进给速度的（），此处取；
——使用寿命，按；
——运转系数，按一般运转取；
——寿命，以转为1单位。

3.3.3 滚珠丝杠螺母副的选型
查阅附录A表A-2，可采用外循环螺纹调整浴巾的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈，其额定动负载为164000N，进度等级按表4-6选为3级（大致相当于老标准E级）。
3.3.4 传动效率计算

式中——螺旋升角，，
——摩擦角，取，滚动摩擦系数

计 算 及 说 明
结果

3.3.5 刚度计算
先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图，如图3-1所示。最大牵引力为2530N，支承间距，丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的。

图3-1 纵向进给系统计算简图
（1）丝杠的拉伸或压缩变形量
查《课程设计指导书》P17，图4-2，根据
，查出，可算出

由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了 预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍。其实际变形量为：

（2） 滚珠与螺纹滚道间接触变形
查《课程设计指导书》P18图4-3，W系列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量，因进行预紧，。

计 算 及 说 明
结果
（3）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形
采用51107（旧代号为8107）型推力球轴承，，滚动体直径，滚动体数量z=18。

注：此公式中的单位应为kgf。
因施加预紧力，故

据以上计算：

3.3.6 稳定性校核
滚珠丝杠两端采用推力轴承，不会产生失稳现象，不需要作稳定性校核。
3.3.7 纵向滚珠丝杠副的几何参数，如下表3-1。

表3-1 滚珠丝杠的几何参数

名称
符号

参 数
螺 纹 滚 道
公称直径

40
导 程

6
接触角

钢球直径(mm)

3.969
滚道法面半径

2.064
偏心距

0.056
螺纹升角

螺 杆
螺杆外径

39
螺杆内径

35.984
螺杆接触直径

36.0355
螺 母
螺母螺纹直径

44.016
螺母内径

40.7938

计 算 及 说 明
结果
3.4 齿轮传动比计算
已取得纵向进给脉冲当量，滚珠丝杠导程，初选步进电动机步距角。可计算出传动比

可选定齿轮齿数为：

故，取，模数取2.5。有关参数表3-2。
表3-2 传动齿轮的几何参数
齿 轮 编 号

齿数

32
32
24
分度圆

80
80
60
齿顶圆

85
85
60
齿根圆

73.75
73.75
53.75
齿宽

20
20
15
中心距

80
70

3.5 步进电动机的计算和选型
3.5.1 等效转动惯量计算
计算简图见图3-1，传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下式计算：

计 算 及 说 明
结果
式中——步进电机转子转动惯量
、——齿轮、的转动惯量
——滚珠丝杠转动惯量。
参考同类型机床初选反应式步进电机，其转子惯量

式中、——齿轮、的分度圆直径；
、——齿轮、的齿宽。
代入上式：

考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。

基本满足惯量匹配的要求。

计 算 及 说 明
结果
3.5.2 电机力矩计算
机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：
（1）快速空载起动力矩
在快速空载起动阶段加速力矩占的比例较大，具体计算公式如下：

将前面的数据带入，式中各符号意义同前。
。
起动加速时间

折算到电机轴上的摩擦力矩：

附加摩擦力矩：

计 算 及 说 明
结果

上述三项合计：

（2）快速移动时所需力矩

（3）最大切削负载时所需力矩

从上面计算可以看出，、和三种工况下，以快速空载起动所需力矩最大，此项作为初选步进电动机的依据。
从课程设计指导书P36表4-13查出，当步进电动机为三相六拍时，。
最大静力矩。
按此最大静转矩从下表3-3（由网址
和
如下表3-3所示。

计 算 及 说 明
结果
3.5.3 计算步进电动机空载起动频率和切削时的工作频率

从上表3-3查出110BYG3503型步进电动机空载起动频率为，图3-2（http://hx-

表3-3 110BYG350系列电机的技术参数
型  号
步距角
相数
电压
线电流
静转矩
空载起动频率
空载运行频率
转动惯量
机身长
单  位
度

V
A
N.m
KHZ
KHZ
（kg.cm2)
（mm)
110BYG3501
0.6
3
110-220
5
12
1600
>=30
11
144
110BYG3502
0.6
3
110-220
5
16
1600
>=30
15
182
110BYG3503
0.6
3
110-220
5
20
1600
>=30
18
261

图3-2 110BYG3503型步进电动机矩频特性

计 算 及 说 明
结果
从图3-2看出，当步进电动机起动时，若，则，能满足此机床所要求的空载起动力矩可直接起动。
当快速运动和切削进给时，根据图3-2，步进电动机运行矩频特性知，时，左右，大于，完全可以满足要求。
第4章 机械传动机构的调整和结构的简要说明
4.1 丝杠进给速度的调节
由于系统为开环系统，故采用脉冲信号的变化来控制步进电机的转速，进而通过齿轮箱到丝杠轴，对大托板的纵向进给速度进行控制。
4.2 轴向的预紧力的调整及定位
由装配图可知，在丝杠轴的两端各装有一对锁紧螺母（预紧螺母），可有这对螺母对丝杠轴的轴向预紧进行调整，并起到定位作用。每组支承部件的另一端，即与锁紧螺母对应的那端采用端盖定位。在丝杠副的一端也采用端盖定位，另一端为锁紧螺母，既预紧又定位。
结论部分
经过计算、校核、设计，表明改造任务的初步设计合理，数据准确，现改造方案已设计成图纸——见装配图（图01）和零件图（图02）。
该改造设计相对普通车床来说，提高了自动化程度，加入了计算机控制，操作、结构简单化，既能降低能耗，又能提高了工作效率。但是设计者由于能力有限，经验寒酸，时间紧迫，设计及图纸中难免有不妥甚至是重大错误，望老师和同学指正。

设计体会

课程设计是培养学生综合运用所学知识，发现、提出、分析和解决实际问题，锻炼实践能力的重要环节，是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程。回顾起此次课程设计，我感慨颇多。
在整整三星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是总体来讲，效果还是很好的，不仅巩固了以前所学的知识，还学到了很多在书本上无法学到的知识。整个设计过程不能说是困难重重，难免会遇到过各种各样的问题，和第一次课程设计相比，力不从心的感觉不再那么强烈，但在设计的过程中还是发现了自己许多不足之处，使自己认识到对以前所学知识理解得不够深刻，掌握得不够牢固，比如说螺钉的画法根本没有掌握，全篇的螺钉没有一个画对，箱体壁厚取值太小，电机无法固定，并出现设计太随意，尺寸随意取，以至于设计方案难以加工。
通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合的重要性，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。通过这次课程设计之后，一定把以前所学过的知识重新温故。
这次课程设计终于顺利完成了，虽然很累，但看到赵老师每天都来给我们指导，并且还带大四的毕业设计，又要忙评估的事情，就又感觉到累其实是充实。是她让我学到了很多书本上无法学到的知识，在此，对她孜孜不倦的指导和和蔼可亲的态度表示崇高的敬意的真挚的感谢！同时，对给过我帮助的所有同学和其他指导老师表示忠心的感谢！

参考文献
查阅的图书如下：
《机电一体化系统设计课程设计指导书》……赵洪兵主编，西安石油大学出版。
《机电一体化系统设计》……朱林主编，石油工业出版社出版。
《机械零件手册》（第五版）……周开勤主编，高等教育出版社出版。
《机床设计手册》……机械工业出版社出版。
《机床设计图册》……机械工业出版社出版。
《机械设计手册》……机械工业出版社出版。
《机械制图》（第五版）……高等教育出版社出版。
《机械设计》……濮良贵、纪名刚主编，高等教育出版社出版
《几何量公差与检测》……甘永立主编，上海科学技术出版社出版。
查阅的网站如下：

http://www.hx-
http://www.baolai-
http://hx-

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