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车刀刃磨装置的结构设计

[摘要] 车刀是一种应用非常普遍的金属切削刀具，用它可以在普通车床和数控车床上加工端面、圆柱面和曲面等。在车类加工中心或车类数控机床上，车刀应用的频率更高。车刀和其它刀具一样，切削一段时间后就会变钝，此时必须对其重磨方可使用。否则，加工精度和生产效率都受到严重的影响。车刀刃磨机研究的目的就是提高其刃磨质量，降低制造成本，提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研究，实现对车刀的位置几何角度自动调整，提高刃磨质量和效率，减少工人的劳动强度，及时满足生产的需求。本课题主要研究内容是分析普通外圆车刀的几何结构即车刀几何角度和刃磨方法，建立车刀刃磨刀面的数学方程;运用步进电机控制技术来实现对执行机构的控制，从而实现对车刀刃磨角度自动精确调整。
[关键词] 车刀，车刀的几何角度，车刀的刃磨，车刀刃磨装置

目录

第一章 绪论…………………………………………………………1
（一）研究的目的和意义………………………………………....1
（二）国内外发展简况……………………………………………1
（三）课题的来源和研究的主要内容……………………………3
第二章 车刀分析以及刃磨方法……………………………………4
第一部 分车刀的参数分析………………………………………4
第二部 分车刀的刃磨方法………………………………………12
第三部分 车刀的尺寸大小及角度参数…………………………15
第三章 装置的设计............................................................................21
第一部分 车刀刃磨装置的结构分析……………………………21
第二部分 传动装置以及电动机的选择设计……………………23
第三部分 刃磨装置控制系统初步设计…………………………39
第四章 总结…………………………………………………………47
感谢......................................................................................................48
参考文献……………………………………………………………..49

第一章 绪论
一研究目的和意义
随着机械制造技术的发展，特别是数控加工技术，柔性加工的广泛应用，对金属切削加工必不可少的刀具及其制造也提出了更高的要求。
刀具状态的好坏直接影响着被加工零件的加工质量及其机械加工效率，为保证零件的加工质量，提高生产效率，降低加工成本，刀具在达到磨钝标准规定的值时就应进行重磨(重新刃磨)然后才能继续使用。对金属切削刀具的刃磨既是刀具制造过程中的最后一道工序，也是刀具多次重磨必须进行的一道工序。刀具的刃磨决定了刀具切削部分的最终形状及其几何精度，是保证刀具切削性能和产品质量的关键。
车刀是一种应用非常普遍的金属切削刀具，用它可以在车床上加工外圆、车断面和镗孔等。在大多数机加工厂中，车床数控车床得到广泛的应用，车刀应用的频率更高。车刀和其它刀具一样，切削一段时间后就会变钝，此时必须对其重磨方可使用。否则，该车刀报废，所以车刀的重磨工作量非常大。
目前，我国螺旋齿立铣刀的刃磨大约98%以上是在M6020或其变型、改进型的普通万能工具磨床上进行或者进行手工磨削。磨削质量除了取决于机床自身的刚性、精度外，还主要依赖于操作者的技艺和直观感觉。由于工具磨床是一个通用
的刀具磨床，所以这种重磨方法的缺点是:(1) 机床调整麻烦，刃磨效率低;(2) 刃磨由工人手工操作，刃磨精度低。
车刀刀刃磨技术及控制研究的目的就是提车刀的刃磨质量，降低制造成本提高生产率;通过对车刀刃磨的控制研究，实现对车刀的自动刃磨和重磨，减工人的劳动强度，及时满足生产的需求。本设计主要先了解车刀的角度及几何数，根据这些设计出数控车刀刃磨装置的结构设计以及利用单片机来控制机构运行实现车刀的刃磨。
二 国内外发展简况
对于车刀以及其他复杂形状刀具的刃磨技术和控制研究方面，国内外已有许多专家。做了不少的研究，也开发出了一些的刀具刃磨设备。
在国外，对立车刀及其他复杂刀具磨削工艺和数控工具磨床的研究开发早，己经发展到了很高的水平。对于车刀刀刃的磨削90%以上是在数控工具磨上进行的，基本上实现了一次装件自动完成刀刃的全部磨削。有的数控工具磨还实现了自动上工件(被磨刀具)、自动磨削、自动修整砂轮、自动补偿、自动工件的全过程自动化。
数控工具磨床的发展经历了从低档到高档的过程，由三轴数控发展到了六轴、八轴数控，并且己开发出十轴以上的多轴数控，多轴联动的数控工具磨床，还开发出不经铣制，直接磨出容屑槽和刀刃的整体、强力磨削的数控工具磨床。
德国 WA LTER公司的五轴HELITRONICP OWERP RODUCTIONC NC工具磨床，可用于制造各种金属切削刀具。机床配有测量定位系统，将测头固定安装在磨头上，用于实现刀具定位，可缩短磨削周期。该机床采用WALTER公司自己开发的专用数控系统HMC500及其软件。除了能提供各种通用刀具磨削软件外，它还开发了一种新的“灵活编程”软件，通过该软件可以把刀具磨床变成能够设计刀具的磨床。
瑞士 SC HNEEBERGER公司的五轴五联动GEMIN CNC工具磨床，主要用于生产和修磨各种不同形状的小尺寸刀具，能自动测量，自动上下料，实现了无人操作。机床配有自动测量系统，方便刀具的安装及磨削，它采用一个固定安装的三维测头，既可用于测定刀具毛坯几何形状，在刀具重磨前测量又可用来保证刀具磨削质量。
还有，美 国的HUFFMAN 公司的HS-87R型数控工具磨床，瑞士STRAUSAK公司的57W /CNC-4G四轴数控磨床，日本牧野公司的NX-40型十轴数控工具磨床等都是性能优越的数控机床。
为了提高我国刀具的制造工艺水平及质量，80年代后期国内部分厂家陆续从 美国、德国、日本等国引进了数控工具磨床及CNC磨削技术。主要有 :
(1) 营 口 机 床 厂从德国WALTER公司引进了Helitronic30CNC三轴数控工具磨床。该机床可实现任意两轴和三轴联动，各轴均由步进电机驱动。整机刚性和精度较好，适用于立铣刀等的磨削加工。
(2 )上 海 工具厂从日本东芝硬质合金株式会社引进了一台RBG-01型模具铣刀数控专用磨槽机。该机床数控轴数为6轴，6M-B控制x, y, A, B,C轴，SM-C控制z轴。联动轴数为4轴(x, y, A, C)由6M-B系统控制。各轴均由直流伺服电机驱动。该机床刚性好、加工精度高。机床实现了自动上工件、自动磨削、自动下工件等全过程自动化，是80年代属世界先进水平的数控工具磨床。
(3 )V L 205-CNC数控刀具磨床是从法国ROUCHAUD公司引进并进行中法合作生产的六坐标数控刀具刃磨设备。它配备NLM760数控系统，使用RENISHAW测头进行刀具参数测量，为刀具刃磨程序的参数化设计提供了极为方便的条件。
国内在数控工具磨床的研究方面开发起步较晚，可以说是从80年代中后期才开始的，其研究、开发还处于样机或单台极少量试生产阶段。国内有几家研制的数控工具磨床，其CNC系统都是从国外引进，使机床售价大大的提高，从而影响这些数控工具磨床的推广和应用。
在数 控 系 统方面，北京航空航天大学在80年代就开展了数控刀具刃磨机的研制工作，己开发了几种型号的数控刀具刃磨机。在已有的研究成果上，还开发了一套性能优越的数控刀具刃磨机数控系统。该大学在国家“八五”和“863”计划中承担了高性能开放式数控系统的开发任务。开发出了的基于Windows操作系统的开放式数控系统CH-2010,在车床、铣床、加工中心、凸轮磨床等多种机床上获得成功应用。“华 中 2 000 型 工具磨床专用数控系统”是在国家“八五”重点攻关项目 “数控万能工具磨床产品开发”科研成果的基础上，成功开发出的用于各种回转刀具磨削加工的集成化CNC系统。在数 控 磨 床方面，武汉机床厂研制的MH6030型刀具磨削中心，该机床采用8050M数控系统，实现六轴主联动控制。该机床适用于加工复杂工具、复杂刀具如模具铣刀等，还适用于磨削加工复杂的中小型零件。
咸阳机床厂MK6025/3三轴联动数控万能工具磨床是最近研制成功的新一代工具磨床，该机床采用了华工I型数控系统，配有华中理工大学各种刀具加工软件，该软件还可以针对用户自己的要求进行自行编程并设计所需软件。该机床能自动完成各类普通及复杂刀具的刃磨或重磨，解决了普通工具磨床需要附件才能完成的复杂刃磨问题;配备测量系统，在数控系统测量软件支持下，将被磨刀具的有关几何参数(如螺旋角或导程)及安装位置(如始点位置)等参数自动输入计算机系统，自检测系统可以自动判断加工刀具的起始点，自动生成加工程序并实现整个加工过程的自动磨削。还有 营 口 冠华机床厂的M6025K万能工具磨床和武汉机床附件厂的GW-1万能磨刀机，均为普通型工具刃磨机床。
主要问题
国内各大中型机械厂，对车刀类的刃磨，主要由工人在万能工具磨床上进行手工刃磨。工人劳动强度大，刃磨效率和精度低。刀具重磨时，刀具的刃形受到磨损或严重的破坏，使得手工刃磨时不容易控制，没法保证刀具的重磨质量。
在车刀刃磨技术及控制技术研究方面，国内起步较晚，而且相关设备和数控系统主要依靠进口和与国外企业合作开发，因而，多数局限于一些复杂刃形如球头车刀等的制造和建模，或者直接依赖进口特定的大型数控加工机床。
国外对刀具刃磨的研究虽然起步较早，但所开发的设备主要是三轴、多轴联动的大型数控工具磨床或磨削加工中心。对于通用型的车刀刃磨，进口该设备成本过高，不合乎国情。
三 课题来源与主要研究内容
本课题来源于陕西省教育厅培育项目“智能车刀磨装置”，，该项目为陕西理工
学院，项目主持人为戴俊平教授。
课题主要研究内容为:
根据车刀角度及几何参数，设计出车刀刃磨装置。并实现自动化控制。

第二章 车刀分析以及刃磨方法
第一部分 车刀的参数分析
一，金属切削发展简史

图2.1车刀的几何面
A． 副正交平面。中测量的角度；
副后角 副后刀面与副切削平面之间的夹角。
B． 基面中测量的角度；
主偏角。进给方向与主切削刃在基面上的投影之间的夹角。
负偏角（）进给方向与副切削刃在基面上的投影之间的夹角。
刀尖角（）主切削刃与副切削刃在基面上投影之间的夹角。有

C． 切削平面中测量的角度；
刃倾角（）主切削刃与基面之间的夹角。
刀具的前刀面，后刀面及主切削刃的方位，用前角，后角，主偏角，刃倾角4个角度就可以确定。其中，于确定了前刀面的方位，和确定了后刀面的方位，与确定了主切削刃的方位。

图2.2 车刀正交平面参考系角度标注
（3） 车刀工作切削角度及车刀种类
（图1.3[切断车刀]）。
图2.3 切断车刀
   成形车刀  成形车刀在结构上有平体形、棱体形和圆形3种（图1.4[成形车刀]）。

图2.4 成型车刀
成形车刀只有在前角为零度时其刀刃廓形才与工件的截形相同；前角不是零度时，则稍有不同，需要经过计算或用图解法求出车刀的截形。
   自动线和数控机床用车刀  这类车刀应满足一些特殊要求：切削性能稳定可靠，断屑稳定，刀具可快速更换。因此，对刀片的质量要求更高，使用中采取强制换刀，以避免过度的磨损。断屑槽的形状和尺寸必须根据加工条件经试验确定，使切屑形状为碎裂的短弧形。为了减少换刀和调整的停机时间，刀具的调整应用各种类型的对刀工具或对刀仪在机外进行。图1.5[自动线和数字控制机床用车刀]
图2.5 自动线数控车刀
是利用螺钉或楔块来调整车刀的径向尺寸L轴向尺寸W 和刀尖高度H 的自动线和数字控制机床用车刀。
第二部分车刀的刃磨方法
车刀的刃磨是切削加工中一项具有较高技术含量的基本操作,操作者需要熟悉相关理论知识和刃磨原理,熟练掌握刃磨方法及操作技巧。车刀刃磨分为如下几步：
（一）车刀刃磨大概步骤
(1) 常用车刀种类和材料,砂轮的选用
常用车刀五大类,切削用途各不同,外圆内孔和螺纹,切断成形也常用;车刀刃形分三种,直线曲线加复合;车刀材料种类多,常用碳钢氧化铝,硬质合金碳硅,根据材料选砂轮;砂轮颗粒分粒度,粗细不同勿乱用;粗砂轮磨粗车刀,精车刀选细砂轮。
(2) 车刀刃磨操作技巧与注意事项刃磨开机先检查,设备安全最重要;砂轮转速稳定后,双手握刀立轮侧;两肘夹紧腰部处,刃磨平稳防抖动;车刀高低须控制,砂轮水平中心处;刀压砂轮力适中,反力太大易打滑;手持车刀均匀移,温高烫手则暂离;刀离砂轮应小心,保护刀尖先抬起;高速钢刀可水冷,防止退火保硬度;硬质合金勿水淬,骤冷易使刀具裂;先停磨削后停机,人离机房断电源
步骤为：
1)把车刀的前.后.副后面及底面的焊渣磨掉.
2)磨前.后面的刀杆部为,角度比刀片大2~3度
3)粗磨主后角.副后角及前刀面.
4)精磨前刀面及断削槽
5)精磨主.副后刀面为：

第三部分 常用车刀的尺寸大小及角度参数
（1）车刀的种类和用途
车刀种类很多，具体可按用途和结构分类。
1.按用途分类 车刀可分为：外圆车刀、内孔车刀、端面车刀、切断车刀、螺纹车刀等。

图2.6 常用的几种车刀
a)直头外圆车刀 b)弯头外圆车刀 c)90°外圆车刀 d)宽刃精车外圆车刀
e)内孔车刀 f)端面车刀 g)切断车刀 h)螺纹车刀
按结构分类 车刀按其结构可分为：整体车刀、焊接车刀、机夹车刀和可转位车刀。
（2）焊接车刀
1. 车刀刀杆截面形状及选择 车刀刀杆截面形状有矩形、方形和圆形三种。一般用矩形，切削力较大时采用方形，圆形多用于内孔车刀。刀杆高度H可按车床中心高选择。
2. 刀槽形状及选择 刀槽形状应根据车刀类型、刀片型号选择。表1.1所列为常用车刀刀槽形状。 刀槽形状的选择原则应该是：在保证焊接强度前提下，尽量减少焊接面数及焊接面积两种。目前在于尽量减小焊接应力。
表2.1 焊接车刀常用刀槽形状
名称
简 图
特点
适用刀具
配用刀片
开口槽

制造简单，焊接面最少，刀具应力小
外圆刀、弯头刀、切槽刀
A1、C3、C4、B1、B2
半封闭槽

夹持刀片较牢固，焊接面大，容易产生焊接应力
外圆车刀
A2、A3、A4、A5、A6、B3、D1
封闭槽

夹持刀片牢固，焊接应力大，易产生裂纹
螺纹刀
C1
嵌入槽

用于底面积较小的刀片，增加焊接面，提高结合强度
切断刀
切刀槽刀
A1　C3
V形槽

燕尾槽

3.硬质合金刀片及选择
（1）刀片牌号 指车刀切削部分的刀具材料。一般根据工件材料选择刀片牌号。
（2）刀片型号 指刀片形状和规格尺寸。刀片型号由一个字母和三位数字组成。字母和第一位数字表示刀片形状的型号，后两位数字代表刀片主要尺寸参数。
我国目前将刀片分A、B、C、D、E、F六种型式，各式又有多种形状。其中A、B、C型主要用制造各种车刀，D、E用于制造铣刀、钻头和绞刀，F型用于制造工具。
表2.2为国家标准（GB5244-85、GB5245-85）中部分硬质合金刀片的常用型号
型号
刀片简图
主要尺寸 /mm
用途举例
A1

L=6～70
К1<90°的外圆车刀和内孔车刀、宽刃光刀
A2

L=8～25
端面车刀、不通孔车刀
A3

L=10～40
90°外圆车刀、端面车刀
A4

L=6～50
端面车刀、直头外圆车刀、内孔车刀
C1

B=4～12
螺纹车刀
C3

B=3.5～16.5
切断刀、切槽刀
（3）可转位车刀
1.可转位车刀特点 可转位车刀由刀杆、刀片和夹紧元件组成（图1.7）。正多边形刀
片上压制出卷屑槽并经过精磨，可以转位使用，几条切削刃全用钝后，可更换相同规格的刀片，使用起来很方便。

图2.7 可转位车刀的组成
1—刀杆 2—刀垫 3—刀片 4—夹紧元件
可转位车刀的几何角度完全由刀片和刀槽的几何角度组合而成。切削性能稳定，适合于大批量生产。
2.硬质合金可转位刀片 刀片形状很多，常用的有三角形、偏8°三角形、凸三角形、
正方形、五角形和圆形等。
3.转位车刀刀片夹紧结构 对夹紧结构的要求是：夹紧可靠，重复定位精确，操作
方便，结构简单，制造容易，而且夹紧元件不应防碍切屑流出。常用的夹紧机构有偏心式，杠销式、杠杆式、楔销式和上压式。
4. 转位车刀与焊接式的刀具比较，有以下优点：
（1） 因刀片不经焊接、刃磨，可避免热应力和裂纹，硬质合金材料保持了原有的机械性能、切削性能、硬度、抗弯强度，提高了刀具的耐用度。
（2） 可以工业大生产的方式，提供了先进的、合理的刀具几何参数。
（3） 只有这种可转位式的车刀才能采用先进的涂层刀片。
（4） 刀片转位迅速、准确，更换方便，效率提高，在数控、加工中心、自动线上尤为重要。
（5） 有利于标准化设计和大量生产，保证质量。
（6） 刀杆长期使用，节省大量钢材；省却刃磨工序，减少硬质合金的额外消耗，刀具费用降低。
（4）车刀角度的换算
在设计和制造刀具时，需要对不同参考系之间的角度进行换算。
1.法平面与正交平面角度的换算 当车刀刃倾角较大时，常需要标注出法平面内角
度。可转位车刀刀片本身角度是法平面给出的，但安装到刀槽就需计算出正交平面内的角度。
图2.8 给出了刃倾角λs≠0°车刀主切削刃上选定点在正交平面、法平面内的各标注角度。

图2.8 正交平面与法平面的角度换算
图中Mb为正交平面Po与前刀面Ar的交线，MC为法平面Pn与前刀面Ar的交线，Ma为正交平面Po、法平面Pn与基面Pr三者的交线。则有：

tanγn=tanγoCosλs
Cotαn=CotαoCosλs
2.垂直于基面的各平面角度与正交平面角度的换算 ，一般在已知γo、αo、Кr、λs的情况下，可计算出γf、αf和 γp、αp。
以上为机加车刀与普通车刀不同该车刀大多部分为一次性刀头，但是该车刀刃磨装置用于普通外圆车刀，可减少加工成本，一个车刀可多次使用因此使用。因此该装置可应用于大多数普通机加工厂。
2刀具刃磨参数
由于刀具加工材料的不同，对刀具的各项参数要求也不尽相同。故为了满足加工需求，必须选出合理的刀具参数。
如表2.3所示为刀具加工不同材料所常用的一些刀具角度。
（1） 高速钢车刀
工件材料
前角
后角
钢和铸钢
（400~500）Mp
20~25
8~12
（700~1000）MP
5~10
5~8
镍铬钢和铬钢 (700~800)MP

5~15
5~7
灰铸钢
(160~180) HBS
12
6~8
(220~260)HBS
6
6~8
可缎铸钢
(140~160)HBS
15
6~8
(170~190) HBS
12
6~8
钢铝 巴氏合金
25~30
8~12
中硬青铜及黄铜
10
8
钨
20
15
铌
20~25
12~15
铜合金
30
10~12
镁合金
25~35
10~15
电木
0
10~12
纤维纸板
0
14~16
硬橡胶
-2~0
18~20
软橡皮
40~75
15~20
塑料和有机玻璃
20~25
30
表2.3 车刀的刀具角度
根据以上金属切削资料及刀具资料设计出车刀刃磨装置的机构和具体设计及零件设计。
图3.1 车刀刃磨装置的结构图
1. 步进电机 2.. 丝杠 3. 螺母 4. x滑杆转轴 5. y滑杆转轴 6. 车刀 7. 蜗杆
8. 刀架 9. 蜗杆
Z轴是通过，蜗轮蜗杆机构实现传动的，整个装置所采用的传动部件都是具有自锁功能的，因此减少了装置的零件数目，把结构简单化了。如果在装置中不采用具有自锁功能的传动零件在整个切削过程中，刃磨装置所受磨削力是可以产生逆传动的，因此，我们采用的是非滚珠丝杠，就是在螺母中没有滚珠，虽然在传动过程中，使传动摩擦大，但是它具有自锁功能。而在z轴所采用的蜗轮蜗杆机构本身是具有自锁能力的，它们的具体细节将会在下一部分说明。
我们所设计的车刀刃磨装置，机构不仅可以用于刀具刃磨而且这种机构是可以用于其它机床加工复杂工件。我们在设计过程中，考虑到工作台面可绕x轴y轴各旋转正负30度的角度变换，而在z轴可进行完全旋转。这种机构的通用性强，使用方便，可以和多种机床进行组合。也可以把该种装置看成是一个数控夹具。
（1） 刀架板的设计
在设计刀架板时主要要考虑到刀架板在工作时是否对其它零件产生干涉，还有刀架板中刀架的位置，要能切削方便与砂轮有一个好的位置不至于砂轮闯到磨削装置上。根据这些要求我们设计出将刀架部分用一半圆弧凸出使砂轮与磨削装置有一定距离。我们设计刀架板厚20mm总长180mm在边缘处有一半径为45mm的圆弧突出。具体零件可参考刀架板零件图。
（2） 底板的设计
底板设计中，首先要考虑到板的厚度以及部分细节方面的设计
再装丝杠螺母的地方采用厚度为35mm，比其它地方后。这样要钻空放入轴承。
在其它地方板厚为15mm ，底板总长为175mm总宽为165mm。材料为q235
第二部分传动装置以及电机的选择设计
一 歩进电机选择计算
（一）步进电机的工作原理和特性
步进电机如同普通电机，有转子、定子和定子绕组分成若干相，每相的磁极上有极齿，转子在轴上也有若干齿。当某相定子绕组通以直流电激励后，便能吸引转子，使转子上的齿和定子上的齿对齐。因此，它是按电磁铁作用的原理进行工作的，在外加脉冲信号的作用一步一步的运转，是一种将电脉冲信号转换相应角位移的机电元件。步进电机定子可以做成两相或三、四、五和十相等。相绕组可以单拍或
双拍方式通电。步进电机主要技术参数指标和特性有:
(1) 步距角。
当步进电机的定子绕组为m，转子齿数为Z，通电方式系数为k时，每输入一个脉冲信号，转子转过的角度称为步距角，用表示则有
(5-1)
单拍 通 电 时k=1，双拍通电时k=2。
(2) 静态步距角误差
是指步进电机空载时，每步实际转过的角度与理论步距角之差。以角度单位或理论步距角的百分数表示。
(3) 精度
通常指的是最大步距误差和最大累积误差，步距误差是空载运行一步的实际转角的稳定值和理论值之间的最大值，用理想步距的百分数表示。累积误差时指，从任意位置开始，经过任意步后任意的实际角位移和理论角位移之差。
(4) 最大静转矩
所谓静态是指步进电机的通电状态不变，转子保持不动的定位状态。静转矩即是步进电机处于定位状态下的电磁转矩，它绕组内的电流和失调角之间的函数。
失调角就是在定位状态下，如果在转子上加一个负载使转子转过一个角度。并能稳定下来，这时转子上受到的电磁转矩和负载转矩相等，该电磁转矩即为静转矩。角度B称为失调角。对应于某式调角最大的转矩，为最大静转矩，一般来说材大的电机，负载转矩也大。
(5) 最大起动转矩
只有在外加的转矩小于峨时才能启动，该性能表示步进电机启动时的负载能力。
(6) 响应频率
在某一个频率范围内，步进电机可以任意运行而不丢步，则这一最大频率称为响应频率。通常用启动频率来作为衡量指标。它是指在一定负载下直接起动而不丢步的极限频率。
(7) 运行频率和矩频特性
运行频率指拖动一定负载使频率连续上升时，能使步进电机不失步运行的极限频率。矩频特性包括起动矩频特性和运行矩频特性。起动矩频特性指在给定的驱动条件下，负载惯量一定时，起动频率和负载转矩之间的关系，又称为牵入特性。运行矩频特性指负载惯量不变时，运行频率和负载转矩之间的关系，又称为牵出特性。矩频特性如图3.2所示。

图3.2步进电机矩频特性

图3.3 步进电机惯频特性
(8) 惯频特性
在负载力矩一定时，频率和负载惯量之间的关系，称为惯频特性。惯频特性分为启动惯频特性和运行惯频特性。如图5-2所示。
对于步进电机的控制，了解其性能参数必须的，因为在进行步进电机选择和软件设计时，它的性能决定整个控制系统的性能。
(二)步进电机选择和计算
1初选步进电机

57BYGH101

57BYGH102

57BYGH201

57BYGH202

57BYGH203
2
2.4
1.5
1.6
3.4
8
55
0.7
21
0.65
b
57BYGH204

57BYGH205

57BYGH206

57BYGH207

57BYGH208

57BYGH209

57BTGH210

57BYGH211

57BYGH212

57BYGH213

57BYGH214

57BYGH251

57BYGH301

57BYGH302

57BYGH303

57BTGH304

57BYGH306

图3.4 57电机的外形图
初步选用型号是57BYGH203系列的混合式步进电机，这种电机产品同时兼有反应式和永磁式两种步进电机优点。该产品具有体积小、驱动电流和功耗小、起动和运行频率高、动态性好的特点，同时还具有良好的内部阻尼特性，因而运行平稳，无明显的低频振荡区，噪音小，可靠性高。既可用于组建稳定、可靠的开环系统，也可用于组建闭环系统。工作中要求步进电机能严格跟随指令脉冲,不发生失频、振荡;能快速起动、停止、正反转和高效运转;能满足各项性能指标且具有良好的动态特性。步进电机选用时首先必须保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率，使电动机的矩频特性有一定余量以保证运行可靠，一般来说最大静转矩T-大的电机，负载转矩也大，通常取T /T=0.2~0.5。对于相数较多，突跳频率要求不高时取大值，反之取小值。其次要求计算机械系统的负载惯量和产品所要求的启动频率，使之与步进电机相匹配并有一定余量，并使最高连续工作频率能满足产品快速移动的要求。选用步进电机时还必须注意到要使其步距角和机械系统相匹配，以得到所需要的脉冲当量。
57电机的参数

图3.5 57BYGH203以及57BYGH301运行矩频特性
2负载转矩和惯量的计算
(1)负载转矩的估算
精确计算驱动系统的转矩是比较复杂的，习惯的做法是根据实际装置实测求取，在选择步进电机时，常常使用近似的公式，先估算出负载的转矩，从而为选定步进电机提供依据。
根据该课题的要求,估算电机的负载转矩。由机械结构可知,电机驱动丝杠螺母机构在到工作台，该直线运动系统换到电动机轴的负载转矩　一般由下式估算:
(3-1)
F一直线运动机械的轴向力，kg；
D一齿轮齿条传动中的齿轮直径，cm；
W一负载质量，kg；
i一减速传动比；
一驱动系统的效率；
一滑动摩擦系数。
式中其中，取0.1～0.3, =0.85～0.950，D=14mm。
由机床的结构参数，估算工作平台的总质量(包括旋转步进电机、蜗轮、蜗杆、刀架等)为15kg，根据刀具刃磨载荷轻的特点，直线运动受到的轴向力可根据力矩平衡原理得出，如图5-3所示，轴向力矩与摩擦分力的力矩相等：
（3-2）

=
≈0.77kg
代入（3-1）可得：

=

(2)负载惯量的计算
根据惯量的定义，物体对某轴的惯量定义为该物体微小体积的质量dm与该微小体积到轴的距离r的平方的乘积之总和，即
3-3
回转体的惯量计算：
3-4
式中：—回转体的材料密度
D—回转体直径
L—回转体的长度
该机构是经过一级蜗轮蜗杆减速传到工作台上故其转动惯量必须经过折算，其公式为：
3-5
①工作台转动惯量计算
步进电机驱动蜗轮蜗杆传动机构，通过蜗轮蜗杆机构传到工作台，这时根据动能守恒定律可得到工作台运动惯量换算到驱动轴上的等效转动惯量为：
3-6
=
=0.012k
②蜗轮轴转动惯量计算
=0.029k
③蜗轮蜗杆等效为圆柱体，其转动惯量为
=0.095 k
=0.235
④换算到电机轴上总惯性负载

=0.012+ = ≈0.012 k

(3)加速转矩
驱动负载时往往需要进行加减速度运行。惯性体就会产生加速转矩，其计算式为：

式中S—每转走的步数，，为步进电机的步距角；
F— 最大驱动频率，Hz(pps)；
T—加速时间；
g—重力加速度，。
二 丝杠螺母机构的选择计算
（一）丝杠螺母机构概述
1丝杠螺母机构的特点
（1）用较小的扭矩传动丝杠，可使得螺母获得较大的轴向牵引力；
（2）可达到很大的降速比，使得机构大为简化；
（3）能达到较大的传动精度。用于机构进给时，还可算作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小度数值可达到0.01mm；
（4）传动平稳，无噪声；
（5）在一定条件下能自锁，即丝杠螺母不能进行逆传动。此特点可用于部件升降移动，防止因部件自重而降落。
2丝杠螺母机构的选用
根据该设计方案，要求工作台能够上下移动，而且要能够自锁，故根据选用如图所示结构：
(二)丝杠螺母机构的计算
1丝杠的导程：根据结构设计和要求，选用丝杠头数k=1,螺距t=4mm,故丝杠螺母机构的导程s=kt=4mm。
2丝杠的效率：正传动的效率即回转运动转换为直线运动的效率为：
3-7
式中：—中径处的螺纹升角，；
—丝杠螺纹中径；
—当量摩擦角。

=
=
对于滑动丝杠：
，当f=0.1, =时，。
代入数据得=
=0.511
3驱动扭矩M计算
设所受的轴向力为P，则螺纹中径处的圆周力Q为：
3-8
=6.9
=1.34N
驱动扭矩M为：
3-9
用代入得：= 6.9=8.6N.M
4耐磨性计算
滑动螺旋的磨损与螺纹工作面上的压力、滑动速度、螺纹表面粗糙度以及润滑状态等因素有关。其中最主要的是螺纹工作面上的压力，压力越大，螺旋副间越容易形成过渡磨损。因此，滑动螺旋的耐磨性计算，主要是限制螺纹工作面上的压力p,使其小于材料的许用压力[p]。有耐磨性决定丝杠中径的公式为：
≥ 3-10
式中:p—丝杠所承受的最大轴向力；
—螺母的长径比，，L为螺母的长度（mm）
一般取1.2～4，但螺母的螺纹圈数一般不超过10。因为圈数越多，载荷分布越不均，第10圈以后的螺纹，实际上起不到分担载荷的作用。

=16mm
故取=16mm,耐磨性核算的公式为： 3-11
代入数据得p==72.580,故满足要求。
三 蜗轮蜗杆机构选择计算
（一）蜗轮蜗杆传动的尺寸参数
1蜗轮蜗杆传动的特点
蜗杆传动是在空间交错的两轴间传递运动和动力的一种传动机构，两轴线的夹角围任意值，通常用的为90。这种传动有以下的特点：
（1）当使用单头蜗杆（相当于单线螺纹）时，蜗杆旋转一周，蜗轮只转过一齿距，因而能实现大的传动比。在动力传动中，一般传动比i=5～80；在分度机构或手动机构中，传动比可达300。
（2）在蜗杆传动中，由于蜗杆齿是连续不断的螺旋齿，它和蜗轮齿是渐渐进入啮合及渐渐退出啮合，同时啮合的齿对有较多，故冲击载荷小，传动平稳，噪声低。
（3）当蜗杆的螺旋线升角小于啮合面的当量摩擦角时，蜗杆的传动具有自锁性。
（4）蜗杆传动与螺旋齿轮的啮合相似，在啮合处有相对的滑动。当滑动速度很大，工作条件不够良好时，会产生严重的摩擦与磨损，从而引起过分发热，使润滑情况恶化。因此摩擦损失较大，效率低；当传动具有自锁性时，效率仅为0.4左右。同时由于摩擦与磨损严重，常需耗用有色金属制造蜗轮，以便于钢质蜗杆配对组成减摩擦性良好的滑动摩擦副。通常应用于减速装置。
2蜗轮蜗杆传动的主要参数及尺寸
（1）根据结构及设计要求选用普通圆柱蜗杆，蜗杆的的头数k=1,模数m=1，压力角。和齿轮传动一样，蜗杆传动的几何尺寸也以模数为主要的计算参数。蜗杆和蜗轮啮合时在中间平面上。蜗杆的轴向模数应和蜗轮的端面模数、压力角相等。则有：

蜗杆头数： 蜗轮齿数： 传动比：
分度圆直径： 直径系数： 蜗杆导程角： （2）蜗轮蜗杆其它的尺寸参数：
中心矩：
蜗杆轴向齿距：
蜗杆导程：
蜗杆分度圆直径：
蜗杆齿顶圆直径：
蜗杆齿根圆直径：
蜗杆齿顶高：
蜗杆齿根高：
蜗杆齿高：
蜗杆导程角：
蜗轮分度圆直径：
蜗轮齿顶圆直径：
蜗轮齿根圆直径：
蜗轮齿顶高：
蜗轮齿根高：
蜗轮齿高：
由于该结构承载不大，速度不高，根据蜗杆材料的选用原则，可选用45钢，并经调质处理，硬度为220～300HBS。蜗轮材料选用铸造锡青铜
三 滑杆转轴的设计
（一）x轴滑杆转轴的形状设计
滑杆转轴是该装置非常