机床进给系统机电有机结合的匹配选择计算.doc

题目：机床进给系统机电有机结合的匹配选择计算

例题：设某车床，其纵向进给滑动丝杠改用滚珠丝杠，滑动导轨改用滚动导轨，步进电机工作台运动。纵向溜板箱及横向工作台与刀架等可移动部件的总质量为400Kg；定位精度控制在±0.02mm以内。工进速度、快进速度；主切削力；溜板箱与导轨之间为滚动摩擦，；溜板箱启动、制动时间。

丝杠的基本导程；长度为1.2m；丝杠使用寿命时间h；为硬度系数，以为例；为载荷系数，平稳或轻度冲击时为1.0~1.2，中等冲击时1.2~1.5，较大冲击或振动时1.5~2.5，以为例；为压杆稳定的支承系数，双推-双推式为4，单推-单推式为1，双推-简支式为2，双推-自由式为0.25，以为例；压杆稳定安全系数取2.5-4。丝杠的弹性模量。
步进电机步距角；忽略步进电机转子的转动惯量；机械系统的传动效率；在车削时，由于材料不均匀等因素的影响，会引起负载转矩突然增大，为避免步进电机丢步，取安全系数为1.5。
常用传动比的适用齿数见附表，齿顶高系数。
零部件材料均为为45﹟钢，密度为7800Kg/m3，重力加速度取10N/Kg。

一、总体方案的确定
1、机械本体
为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用滚珠丝杠螺母传动副。为提高运动平稳性，减小振动，选用滚动导轨。由于步进电机的步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到定位精度的要求，需采用齿轮减速传动机构。
2、控制和信息处理系统
控制系统由单片机、键盘、LED、I/O接口、光电隔离电路、功率放大器等组成。系统的加工程序和控制指令通过键盘操作实现，数控工作台的状态由LED显示。
3、绘制系统总体框图，例如

系统总体框图

二、计算过程：
1、纵向进给运动的负载分析
步进电机的负载有外力负载（切削力）、摩擦负载和惯性负载，所选步进电机必须克服这些负载才能正常的进给驱动。
（1）切削负载的计算
根据机床设计手册，一般车外圆时
取N

切削力的方向
（2）摩擦阻力的计算
主切削力压向导轨
∴
2、传动系统设计
脉冲当量应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度在±0.02mm以内，因此
传动比：
查《常用传动比的使用齿数》，可取，；
根据标准模数系列（1、1.25、1.5、2、2.5、3、4、5、6、8、10、12、16等），可选
齿宽（可取6~14），此处b=20mm
分度圆直径、，
齿顶圆直径=33mm，mm
3、滚珠丝杠的选型
（1）计算动载荷

查《机床设计手册》，根据动载荷和公称直径的核对，选用CBFZD4006型滚珠丝杠，其公称直径为40mm，导程为6mm，额定动、静载荷分别为26KN、84KN，丝杠底径ds为38.9mm。

（2）压杆稳定验算

（3）刚度的验算
按最大变形计算，即螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起的弹性变形方向是一致的，则

所以该型号的滚珠丝杠符合要求。
4、滚动导轨的选型
（1）计算静载荷
X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。当垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担时，单滑块所受到的垂直方向载荷最大，最大垂直载荷为：

查《机床设计手册》，根据，初选直线滚动导轨副型号GGB16AA，额定静载荷为9.5KN，额定动载荷Ca为7.94KN

（2）滚动导轨的校核
取硬度系数，温度系数，载荷系数，接触系数，精度系数。

若要求其使用寿命为6年，一年工作300天，一天8小时，每两分钟往复1次，工作行程0.2m，则要求的使用寿命为：

所以选用的导轨额定寿命比要求的使用寿命长，符合要求。
五、电机的选型
（1）计算等效转动惯量
齿轮的转动惯量分别为：

丝杠的转动惯量为：
等效转动惯量
（2）计算等效负载转矩
外力负载等效转矩：
启动惯性阻力矩：

∴步进电机输出轴上的负载转矩：

(2)步进电机的匹配选择
当机械系统的传动效率时，同时考虑在车削时，由于材料的不均匀等因素的影响，会引起负载转矩突然增大，为减小计算上的误差以及负载转矩突然增大引起步进电机丢步而导致的误差，可以适当考虑安全系数K安全（1.2~2），此处取K安全=1.5，总负载转矩可以表达为：

查附表，根据最大静转矩和步距角核对，可选用110BF003型步进电机，三相六拍下工作，步距角为0.75°，最大静转矩。
（3）启停转矩校核
为保证带负载能正常加速启动和定位停止，电机的启动转矩应大于总负载转矩。
查《机床设计手册》，
电机的启动转矩为：
所以该型号电机符合设计要求。

表1

续表

步进电机常用型号

比例系数λ
步进电机相数345拍数36485100.50.8660.7070.7070.8090.951