φ500mm普通臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計含5張CAD圖

φ500mm普通臥式車床數(shù)控化改造設(shè)計含5張CAD圖,mm,妹妹,普通,臥式,車床,數(shù)控,改造,設(shè)計,cad φ500mm普通臥式車床數(shù)控化改造 摘 要 由于當(dāng)今工業(yè)設(shè)備對精密程度的要求越來越高，加工設(shè)備的機(jī)械加工設(shè)備的加工的精密程度也要求越來越高。普通機(jī)床越來越不能滿足加工的需求，其勞動強(qiáng)度大，需要人工控制走刀，方便性、安全性差，且不能滿足現(xiàn)代切削加工的批量生產(chǎn)需要。在操作的機(jī)械加工設(shè)備的車床中普通車床占了很大比例，這是制約著當(dāng)今我國工業(yè)的發(fā)展一大因素。 因此，本設(shè)計順應(yīng)時代要求，提出對“CA6150型普通機(jī)床數(shù)控化改造設(shè)計”，設(shè)計包括對機(jī)械部分和電氣部分控制改造，其中具體內(nèi)容為對滾珠絲杠螺母副相關(guān)計算和選型，步進(jìn)電機(jī)的選型及相關(guān)強(qiáng)度的計算校核等。 關(guān)鍵詞：普通車床；數(shù)控改造；單片微機(jī) Numerical Control Transformation of φ 500mm horizontal Lathe Abstract With the increasing demand for precision of industrial equipment today, machining equipment for machining equipment the precision of processing is also increasingly demanding. Ordinary machine tools can not meet the demand of processing more and more. Its labor intensity is big, which requires manual control of the knife, which is convenient and safe, and can not meet the needs of mass production of modern cutting. In the lathe of the operating machine, the ordinary lathe accounts for a large proportion, which restricts the development of the industry in our country. Therefore, this design complies with the requirements of the times, and puts forward the " CA6150 type ordinary machine tool numerical control transformation design ", which includes the control and transformation of the mechanical part and the electric part, the specific content of the ball screw is related to the calculation and selection, the selection of stepper motor and the calculation and verification of the related strength. Key words: Center lathe； Numerical control transformation； Single chip microcomputer II 目 錄 1. 緒論 1 1.1數(shù)控機(jī)床與數(shù)控技術(shù) 1 1.1.1數(shù)控機(jī)床與發(fā)展趨勢 1 1.1.2數(shù)控技術(shù) 2 1.1.3數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 3 1.1.4數(shù)控機(jī)床目前在工業(yè)中的地位 4 1.2數(shù)控改造的必要性 4 1.2.1機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 4 1.2.2機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 5 1.3數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺 6 1.4對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 7 1.4.1形勢考慮 7 1.4.2發(fā)展策略 7 1.5設(shè)計任務(wù) 8 1.5.1原始數(shù)據(jù)： 8 1.5.2主要研究內(nèi)容 8 2. 數(shù)控車床總體改造方案及機(jī)械部分設(shè)計 9 2.1設(shè)計要求 9 2.1.1設(shè)計基本思路 9 2.1.2改造方案的確定 9 2.1.3設(shè)計目的 10 2.1.4總體方案設(shè)計 10 3. 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計和計算 10 3.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 10 3.2 計算切削力 11 3.2.1.縱車外圓 12 3.2.2.橫切端面 12 3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 12 3.3.1 縱向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計計算 16 3.3.2 橫向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計計算 16 3.4 齒輪箱的計算 20 3.4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱的計算 20 3.4.2 橫向進(jìn)給齒輪箱的計算 21 3.5 步進(jìn)電動機(jī)的選型和計算 22 3.5.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計算 22 3.5.2 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計算 25 3.6 繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖 29 3.7電動刀架選擇與介紹 29 4. 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計 30 4.1硬件電路的設(shè)計 30 4.1.1控制對象及要求 30 4.1.2總體方案的確定 30 4.1.3中央處理器CPU的選用 31 4.1.4存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計 31 4.1.5擴(kuò)展鍵盤及 I/O接口電路的設(shè)計 32 4.2 8031單片機(jī)的簡介及其擴(kuò)展 32 4.2.1 8031單片機(jī)的引腳及其功能 32 4.2.2 8031單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 33 4.2.3 8031單片機(jī)的應(yīng)用特性 33 4.2.4 8031單片機(jī)的系統(tǒng)擴(kuò)展 34 4.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 38 4.3.1 脈沖分配器（環(huán)行分配器） 39 4.3.2 光電隔離電路 39 4.3.3 功率放大器 39 4.3.4其他輔助電路的設(shè)計 40 4.4 數(shù)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計 42 4.4.1 軟件脈沖分配器 43 4.4.2 逐點比較法插補(bǔ)程序 45 4.4.3 步進(jìn)電機(jī)升降速軟件設(shè)計 47 5. 總結(jié) 49 參考文獻(xiàn) 50 致 謝 60 1 緒論 1.1數(shù)控機(jī)床與數(shù)控技術(shù) 1.1.1數(shù)控機(jī)床和發(fā)展趨勢 （1）數(shù)控機(jī)床：1946年7月誕生了世界上第一臺電子計算機(jī)，表明了人類能創(chuàng)造增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的變化，為人類進(jìn)入信息社會奠定了堅實基礎(chǔ)。 在6年后，計算機(jī)技術(shù)就應(yīng)用到了機(jī)床上，隨后在美國誕生了第一臺數(shù)控機(jī)床。從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。短短半個世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。 ①數(shù)控階段(NC) 由于早期計算機(jī)的運(yùn)算速度低，不能適應(yīng)機(jī)床實時控制的要求，人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機(jī)床專用計算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(jīng)了三代，分別為:1952年的第一代--電子管、1959年的第二代--晶體管、1965年的第三代--小規(guī)模集成電路。 ②計算機(jī)數(shù)控階段　(CNC) 到1970年，通用小型計算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是把它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計算機(jī)數(shù)控（CNC）階段，到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機(jī)的兩個最核心的部件--運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。 到了1990年，PC機(jī)的性能已發(fā)展到很高的階段，基本可以作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件，數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。 總之，計算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。分別為:1970年的第四代--小型計算機(jī)、1974年的第五代--微處理器、1990年的第六代--基于PC。 特別指出的是，雖然國外早已改稱為計算機(jī)數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實質(zhì)上已是指"計算機(jī)數(shù)控"了。 1.1.2數(shù)控技術(shù) 隨著計算機(jī)、信息、自動控制、精密檢測及機(jī)械制造技術(shù)的高速發(fā)展，機(jī)床數(shù)控技術(shù)有了很大的進(jìn)步。近幾年一些相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，如刀具及新材料的發(fā)展，主軸伺服和進(jìn)給伺服、超高速切削等技術(shù)的發(fā)展，以及對機(jī)械產(chǎn)品質(zhì)量的要求越來越高等，加速了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床正朝著高速度、高精度、高工序集中度、高復(fù)合化和高可靠性等方向發(fā)展。世界數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。 ① 高速高效高精度 高生產(chǎn)率:由于數(shù)控裝置及伺服系統(tǒng)功能的改進(jìn)，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度大大提高，減少了切削時間和非切削時間。加工中心的進(jìn)給速度已達(dá)80m/min~120m/min，換刀時間小于1s。以前汽車零件精度的數(shù)量級通常為10 μm，對精密零件要求為1 μm，由于精密產(chǎn)品的出現(xiàn)，對精度要求提高到0.1 μm，有些零件甚至已達(dá)到0.01 μm，高精密零件要求提高機(jī)床加工精度，包括采用溫度補(bǔ)償?shù)取ＮC(jī)電加工，其加工零件尺寸大小一般在1mm 以下，表面粗糙度為納米數(shù)量級，要求數(shù)控系統(tǒng)能直接控制納米機(jī)床。 ②柔性化 柔性化包括兩個方面的柔性：一是數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，便于不同用戶的需求；二是DNC 系統(tǒng)的柔性，同一個DNC系統(tǒng)能夠依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮DNC 系統(tǒng)的功能。 ③工藝復(fù)合化和多軸化 數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化，是指工件在一臺機(jī)床上裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或旋轉(zhuǎn)工作臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。已經(jīng)出現(xiàn)了集鉆、鏜、銑功能于一身的數(shù)控機(jī)床，可完成鉆、鏜、銑、擴(kuò)孔、鉸孔、攻螺紋等多工序的復(fù)合數(shù)控加工中心，以及車削加工中心，鉆削、磨削加工中心，電火花加工中心等。此外數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步也提供了多軸控制和多軸聯(lián)動控制功能。 ④ 實時智能化 早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能，則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W(xué)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)與人工智能已實現(xiàn)相互結(jié)合，人工智能正向著具有實時響應(yīng)的更加復(fù)雜的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展，因此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。 ⑤ 結(jié)構(gòu)新型化 在20 世紀(jì)90 年代一種完全不同于原來數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的新型數(shù)控機(jī)床被開發(fā)成功。這種新型數(shù)控機(jī)床被稱為“6條腿”的加工中心，它能在沒有任何導(dǎo)軌和滑臺的情況下，采用能夠伸縮的“6條腿”(伺服軸)支撐并聯(lián)，并與安裝主軸頭的上平臺和安裝工件的下平臺相連。它可實現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動加工，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工精度、加工效率是普通加工中心高2～10 倍。這種數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)將給數(shù)控機(jī)床技術(shù)帶來重大變革。 1.1.3數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 數(shù)控技術(shù)發(fā)展不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對我國一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面: ①高速、高精加工技術(shù)是裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會(CIRP)將其確定21世紀(jì)的中心研究方向之一。 ②智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等;簡化編程、如智能化的自動編程、智能化的人機(jī)界面等;還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。 ③數(shù)控設(shè)備更注重安全性、操作性 數(shù)控設(shè)備是集機(jī)電一體化的產(chǎn)品，由于其自動化程度高，所以對其安全性和可操作性提出了更高的要求。 1.1.4數(shù)控機(jī)床目前在工業(yè)中的地位 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，而且在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。 2001年，我國機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值己上升到世界第5名，機(jī)床消費額在世界排名上升到第3位，達(dá)47. 39億美元，僅次于美國的53. 67億美元。但是由于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場的需求，使我國機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24. 06億美元，比上年增長27％。 最近幾年里我國出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎機(jī)等幾十種機(jī)床，出口的數(shù)控機(jī)床品種主要以中低檔為主。 1.2數(shù)控改造的必要性 1.2.1機(jī)床與生產(chǎn)線數(shù)控化改造的市場 （1）機(jī)床數(shù)控化改造的市場 　　我國目前機(jī)床總量380余萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上都使用了10年以上。用這些機(jī)床加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低等問題，因此在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的市場效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以需大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 （2）進(jìn)口設(shè)備和生產(chǎn)線的數(shù)控化改造市場 　　自我國改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計，僅1979～1988年10年間，全國引進(jìn)技術(shù)改造項目就有18446項，大約165.8億美元。 　　在這些項目里，大部分項目為我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國外引進(jìn)以后，有的研究不好和維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時只注意引進(jìn)設(shè)備，忽視軟件、工藝、管理等，造成項目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因為設(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)。反正種種原因使部分設(shè)備不僅沒有取得利益，反而虧本。 　　這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個難題，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財富。只要找出主要的技術(shù)難點，解決關(guān)鍵問題，就可以最小的投資爭取到最大的經(jīng)濟(jì)效益，這也是一個極大的改造市場。 1.2.2機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 （1）微觀看改造的必要性 從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下優(yōu)點，大致提現(xiàn)為:可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件；可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面；可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍；可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"；擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。 （2）宏觀看改造的必要性 從宏觀方面看，機(jī)械裝備發(fā)達(dá)國家，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家大約落后20年。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。 1.3數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺 （1）國外改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們把機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)行業(yè)。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個"永恒"的課題。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 （2）數(shù)控化改造的內(nèi)容 機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點： 其一是恢復(fù)原功能，對機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷和恢復(fù)； 其二是NC化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機(jī)床、CNC機(jī)床； 其三是翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新； 其四是技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。 （3）數(shù)控改造中主要機(jī)械部件改裝探究 ①滑動導(dǎo)軌副 對數(shù)控車床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通車床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的剛度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。 ②齒輪副 一般機(jī)床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證傳動精度，數(shù)控機(jī)床上使用的齒輪精度等級都比普通機(jī)床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動，因而改造時，機(jī)床主要齒輪必須滿足數(shù)控機(jī)床的要求，以保證機(jī)床加工精度。 ③滑動絲杠與滾珠絲杠 絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。被加工件精度要求不高時可采用滑動絲杠，但應(yīng)檢查原絲杠磨損情況，如螺距誤差及螺距累計誤差以及相配螺母間隙。一般情況滑動絲杠為3級，螺母間隙過大則更換螺母，一般采用滾珠絲杠。 滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩和運(yùn)動時力矩相接近，可以降低電機(jī)啟動力矩，因此可滿足較高精度零件加工要求。 1.4對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略見解 1.4.1形勢考慮 我國是制造裝備大國，必須掌握核心裝備技術(shù)才能在當(dāng)今競爭日益激烈的國際市場中有一席之地，其次，如果沒有掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展。 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題，從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看，西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”都是就是最好的例證。 1.4.2發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)競爭能力為目標(biāo)，加強(qiáng)創(chuàng)新，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。 以市場需求為導(dǎo)向，以整機(jī)(如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、典型數(shù)字化機(jī)械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等)帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品。 1.5設(shè)計任務(wù) 1.5.1原始數(shù)據(jù)： 床身上最大工件回轉(zhuǎn)直徑：500mm； 最大工件長度：1000mm； 最大車削長度：900mm； 刀架上最大工件回轉(zhuǎn)直徑：280mm 溜板及刀架重力：縱向 1100N； 橫向 700N 刀架快移速度：縱向 2.4m/min； 橫向 1.2m/min 最大進(jìn)給速度：縱向 0.6m/min； 橫向 0.3m/min 主電機(jī)功率：5.5KW； 起動加速時間：30ms 機(jī)床定位精度：±0.015mm； 代碼制：ISO 脈沖分配方式：逐點比較法； 控制坐標(biāo)數(shù)：2 最小指令值：縱向 0.01mm/脈沖； 橫向 0.005mm /脈沖 刀具補(bǔ)償量：0~99.99mm； 進(jìn)給傳動鏈間隙補(bǔ)償量：縱向 0.15mm，橫向 0.075mm。 1.5.2主要研究內(nèi)容 將一臺φ500mm普通車床改造成微機(jī)數(shù)控車床。對原車床的縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化改造設(shè)計，采用MCS-51系列單片機(jī)控制系統(tǒng)，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，開環(huán)（或半閉環(huán)）控制，具有直線、圓弧插補(bǔ)功能及升降速控制功能，改裝后的車床應(yīng)有自動回轉(zhuǎn)刀架和切削螺紋的功能。系統(tǒng)分辯率縱向0.01mm，橫向0.005mm. 對原車床進(jìn)行改造的總體方案設(shè)計； 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計計算（縱、橫向）和強(qiáng)度、剛度校核及裝配圖設(shè)計； 單片微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計（CPU選型、存儲擴(kuò)展、I/O接口電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路等）； 控制系統(tǒng)程序設(shè)計（初始化、插補(bǔ)程序等）； 對系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析和說明； 結(jié)合本課題查閱并翻譯1萬印刷符號的英文資料； 編寫設(shè)計說明書。 2 數(shù)控車床總體改造方案及機(jī)械部分設(shè)計 2.1設(shè)計要求 2.1.1設(shè)計基本思路 改造C6150車床的基本思路是把原來的機(jī)床進(jìn)行大修，只保留機(jī)床導(dǎo)軌、主軸、溜板、尾座等部件，其余的全部撤除。帶之以滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)，用單片機(jī)系統(tǒng)來驅(qū)動各軸的運(yùn)動。經(jīng)過嚴(yán)密的計算和論證，選擇絲杠和驅(qū)動電機(jī)，根據(jù)使用要求，選擇系統(tǒng)配置和設(shè)計控制電路。 2.1.2改造方案的確定 C6150車床主要用于對中小型軸類、盤類以及螺紋零件的加工，這些零件加工工藝要求機(jī)床應(yīng)完成的工作內(nèi)容有:控制主軸正反轉(zhuǎn)和實現(xiàn)其不同切削速度的主軸變速;刀架能實現(xiàn)縱向和橫向的進(jìn)給運(yùn)動，并具備在換刀點自動改變四個刀位完成選擇刀具;冷卻泵、潤滑泵的啟停:加工螺紋時，應(yīng)保證主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，刀架移動一個被加工螺紋的螺距或?qū)С?。這些工作內(nèi)容，就是數(shù)控化改造數(shù)控系統(tǒng)控制的對象。察看C6150車床及有關(guān)資料，并且參照數(shù)控車床的改造經(jīng)驗，確定總體改造方案為:①對機(jī)床的改造部位是:拆掉手動刀架和小拖板裝上數(shù)控刀架;拆掉普通絲桿、光桿進(jìn)給箱、溜板箱，換上滾珠絲杠螺母副;主軸后端加一光電編碼器用波紋管連接，供加工螺紋使用由于改造設(shè)計的是簡易型經(jīng)濟(jì)數(shù)控，所以在考慮具體方一案時，基本原則是在滿足需要的前提下，對于機(jī)床盡可能減小改動量，以降低成本?？傮w改造如下圖所示。 對該機(jī)床進(jìn)行機(jī)械修理以便恢復(fù)機(jī)械精度要求，修理的主要目的是恢復(fù)機(jī)床導(dǎo)軌、主軸、拖板的精度，撤除機(jī)床主軸箱和溜板箱內(nèi)的傳動部件以及傳動絲杠，只保留導(dǎo)軌、主軸、溜板、尾座。修理后已恢復(fù)其主要部件的精度。 2.1.3設(shè)計目的 利用數(shù)控系統(tǒng)對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，縱向脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，橫向脈沖為0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電動機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副，刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架，主軸采用變頻器控制。 2.1.4總體方案設(shè)計 由于是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時，基本原則是在滿足使用要求的前提下，對機(jī)床的改動盡可能少，以降低成本。根據(jù)C616車床有關(guān)資料，總體方案的確定如圖22所示:采用單片機(jī)8031控制系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理。步進(jìn)電動機(jī)經(jīng)同步帶輪傳動或直接傳動后，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動。主軸變速采用變頻器調(diào)速控制。 3 伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計和計算 3.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù),經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床常采用的脈沖當(dāng)量是0.01~0.005mm/脈沖。 在任務(wù)書中直接給出了脈沖當(dāng)量：縱向0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖。 3.2 計算切削力 車削外圓時的切削抗力有﹑﹑，主切削力與主切削速度方向一致垂直向上，是計算機(jī)床主軸電機(jī)切削功率的主要依據(jù)。切深抗力與縱向進(jìn)給垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進(jìn)給力與進(jìn)給方向平行且相反指向，設(shè)計或校核進(jìn)給系統(tǒng)是要用它。圖1為切削時總切削力的分解。圖2橫切和縱切時切削力的示意圖。 圖1 切削時總切削力的分解 圖2 橫切和縱切時切削力的示意 3.2.1.縱車外圓 主切削力根據(jù)經(jīng)驗估算: =0.67D (3.1) =0.67×500=7491（N） 其他切削力分別為： (3.2) =7491×0.25=1873（N） =7491×0.4=2996（N） 3.2.2.橫切端面 主切削力取縱切外圓主切削力的1/2. （N） (3.3) 此時走刀抗力為(N),吃刀抗力為.仍按上述比例粗略計算: ::=1:0.25:0.4 (3.4) =3745×0.25=936（N） =3745×0.4=1498（N） 3.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 普通車床大多數(shù)采用的是矩形螺紋絲杠等滑動絲杠副，與滾珠絲杠副相比摩擦阻力大、傳動效率低，不能適用于高速運(yùn)動。另外由于磨損快，從而造成其精度差和壽命較低等缺陷。因此，在普通車床的數(shù)控化改造設(shè)計中經(jīng)常將其改變?yōu)闈L珠絲杠螺母副。 滾珠絲杠副有以下一些優(yōu)點：摩擦損失小，傳動效率高，可達(dá)0.90～0.96；絲杠螺母預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高傳動剛度；摩擦阻力小，幾乎與運(yùn)動速度無關(guān)，動靜摩擦力之差極小，能保證運(yùn)動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象；磨損小、壽命長、精度保持性好。但應(yīng)注意，由于滾珠絲杠副不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動，或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，因此絲杠立式和傾斜使用時，應(yīng)增加制動裝置或平衡裝置。滾珠絲杠副的計算步驟如下。 3.3.1 縱向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計計算 3.3.1.1 計算進(jìn)給牽引力(N) 縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌： (3.5) =1.15×1873+0.16×(7491+1100) =3465(N) 式中 —考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K=1.15； —滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.15~0.18; —溜板及刀架重力：G=1100N。 3.3.1.2 計算最大動載荷C C (3.6) L (3.7) n (3.8) 式中 ：指滾珠絲杠導(dǎo)程，初選=6； n：指絲杠轉(zhuǎn)速，（r/min）； ：指最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/2~1/3，此處取=0.6； ：指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機(jī)床取T=15000h.。 L：指壽命，以10轉(zhuǎn)為一單位； ：指運(yùn)動系數(shù)，見表1，選=1.2。 表1 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài) 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 無沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.0~1.2 一般運(yùn)轉(zhuǎn) 1.2~1.5 有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn) 1.5`~2.5 則 n( r/min) L （N） 3.3.1.3 滾珠絲杠螺母副的選型 經(jīng)查文獻(xiàn)[12]附錄A表3得，可采用外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，額定動載荷＞=14790N 因此，初選滾珠絲杠的型號為型，主要參數(shù)為：滾珠直徑 圈數(shù)列數(shù)，其額定動載荷為16400N，精度等級選3級。 3.3.1.4 傳動效率計算 (3.9) 式中 ：指螺旋升角，=244 ：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。 3.3.1.5 剛度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運(yùn)動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，滾珠和螺紋滾道間的接觸變形，滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。 先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖，如下圖3所示。最大牽引力3465N。支撐間距L=1500mm,絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。 圖3 縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖 (1)絲杠的拉伸或壓縮變形量 查文獻(xiàn)[12]〈滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖〉，根據(jù)=3465N,Do=40mm,查出L/L=1.5×10-5可算出 =(L/L)×1500＝0.0225mm (3.10) 由于兩端采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量為 (3.11) (2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量 由于選用的滾珠絲杠副為W系列2.5 圈1列，可得：mm因進(jìn)行了預(yù)緊，所以： (3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 查《機(jī)械設(shè)計手冊》中表6-2-82，采用51107型推力球軸承，=35mm，滾動體直徑=6.35mm，滾動體數(shù)量Z=18 (3.12) 因施加預(yù)緊力，所以： 絲杠的總變形量查表知3級精度絲杠允許的螺距誤差為0.015mm，故所選絲杠合格。 3.3.1.6 穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需作穩(wěn)定性校核。 3.3.2 橫向滾珠絲杠螺母副的設(shè)計計算 3.3.2.1 計算進(jìn)給牽引力 對于燕尾型導(dǎo)軌： (3.13) 由于是燕尾形導(dǎo)軌式中：K=1.4，=0.2 3.3.2.2 計算最大動載荷C （N） (3.14) n( r/min) (3.15) L (3.16) 3.3.2.3 滾珠絲桿螺母副的選型 經(jīng)查文獻(xiàn)[12]附錄A表3得，可采用外循環(huán)螺紋預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，額定動載荷＞=12596N，因此，初選滾珠絲杠的型號為型，主要參數(shù)為：滾珠直徑=3.969mm，=6mm,D0=25mm，,,其額定動載荷為13100N,精度等級選3級。 3.3.2.4 傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率: (3.17) 3.3.2.5 剛度驗算 橫向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖如圖4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=450mm, 因絲杠長度較短，不需要預(yù)緊。 圖4 橫向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖 (1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量 查圖表可得： (3.18) (2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形量 由于選用的滾珠絲杠副為W系列2.5圈1列，故可得 考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，所以： (3.19) (3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形 查《機(jī)械設(shè)計手冊》中表6-2-82，采用51102型推力球軸承，其=15mm, 滾動體直徑=4.763mm, 滾動體數(shù)量Z=12， (3.20) 考慮到進(jìn)行了預(yù)緊，故： 絲杠的總變形量＞0.015mm。顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度要求，應(yīng)該采取相應(yīng)的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導(dǎo)軌=0.03~0.05。重新計算如下： (3.21) 查表可得：時，，，則。此變形量仍不能滿足，如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸，剛度還可提高4倍，則變形量 (3.22) 故所選絲杠合格。 3.3.2.6 穩(wěn)定性校核 臨界負(fù)載與工作負(fù)載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.5~4。 計算臨界負(fù)載（N）： (3.23) 式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）； I：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）； ：絲杠兩支承端距離（cm）； ：絲杠支承方式系數(shù)，見表2，這里。 表2 滾珠絲杠支承方式系數(shù) 方式 一端固定一端自由 兩端簡支 一端固定一端簡支 兩端固定 0.25 1.00 2.00 4.00 則 所以此絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。 3.3.2.7 滾珠絲杠副的精度等級 滾珠絲杠副的精度，按機(jī)械工業(yè)部標(biāo)準(zhǔn)JB3162.2-91的規(guī)定，分為七個等級，即1、2、3、4、5、6、7和10級，1級精度最高，依次逐級降低。通常數(shù)控機(jī)床根據(jù)定位精度的要求選用1-5級精度的滾珠絲杠。表3給出1-5級精度的行程公差。如下表所示： 表3 滾珠絲杠行程公差 (μm) 項目 符號 有效行程（mm） 精度等級 1 2 3 4 5 目標(biāo)行程公差 e 6 8 12 16 23 315~400 7 9 13 18 25 400~500 8 10 15 20 27 500~630 9 11 16 22 30 行程變動量公差 V 6 8 12 16 23 315~400 6 8 12 17 25 400~500 7 10 13 19 26 500~630 7 11 14 21 29 任意300 mm行程變動量 V 6 8 12 16 23 弧度內(nèi)行程變動量 V 4 5 6 7 8 3.3.2.8縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 表4 WL4006及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù) 名稱 符號 WL4006 WL2506 螺 紋 滾 道 公稱直徑 40 25 導(dǎo)程 6 6 接觸角 鋼球直徑 3.969 3.969 滾道法面半徑 2.064 2.064 偏心距 0.056 0.056 螺紋升角 螺 桿 絲杠外徑 39 24 絲杠內(nèi)徑 35.984 23 螺桿接觸直徑 36.035 19.35 螺 母 螺母螺紋直徑 44.016 28 螺母內(nèi)徑 40.793 24.2 3.4 齒輪箱的計算 3.4.1 縱向進(jìn)給齒輪箱的計算 已知縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 ，選擇絲杠導(dǎo)程，初定步進(jìn)電機(jī)步距角，計算傳動比: (3.24) 可以選擇的齒輪齒數(shù)為： 或 或 3.4.2 橫向進(jìn)給齒輪箱的計算 已知橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.005，所選絲杠導(dǎo)程=6mm，步距角,所以傳動比為： (3.25) 從結(jié)構(gòu)上考慮，不能使大齒輪直徑過大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可以用兩級齒輪降速： 因進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。齒輪有關(guān)參數(shù)參照下表： 表5 齒輪參數(shù) 縱 向 橫 向 齒數(shù) 32 40 24 40 20 30 分度圓 64 80 48 80 40 60 齒頂圓 68 84 52 84 44 64 齒根圓 59 75 43 75 35 55 齒寬 20 20 20 20 20 20 中心距 72 64 50 3.5 步進(jìn)電動機(jī)的選型和計算 3.5.1 縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計算 3.5.1.1 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算 計算簡圖見圖4，傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算： （3.26） 式中 ：指步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量；參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF002，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 =10 、：指齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量； ：指滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量； ：指工件及工作臺重量（N）； ：指絲杠導(dǎo)程（）； 對于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度； 對于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長度。 具體計算如下： 代入上式3.26： 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題（）基本滿足慣量匹配的要求。 3.5.1.2 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 電機(jī)在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算： (1) 快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （3.27） ?快速空載起動時折算到電動機(jī)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 （3.28） （3.29） ?移動部件運(yùn)動時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 (3.30) ?滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 由于滾珠絲杠的傳動效率很高，所以由上述公式計算的值很小，通?？梢院雎圆挥?。則有： (2) 最大工作狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承擔(dān)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （3.32） （3.33） （3.34）經(jīng)上述計算后，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 以此作為初步選擇步進(jìn)電動機(jī)的選擇依據(jù)。 (3)步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 由表6得：當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)為三相六拍時，，則 表6 步進(jìn)電動機(jī)起動轉(zhuǎn)距與最大靜轉(zhuǎn)距關(guān)系 步進(jìn) 電機(jī) 相 數(shù) 三 相 四 相 五 相 六 相 拍 數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 從文獻(xiàn)[12]表4-23中查出，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72，比所需最大靜轉(zhuǎn)距要大，所以可選作初選型號，但是也必須再一次考核步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動矩頻特性和起動矩頻特性。 (4)計算步進(jìn)電動機(jī)的工作頻率和切削時的空載起動頻率 步進(jìn)電動機(jī)的起動頻率： （3.35） 最高工作頻率: （3.36） 從文獻(xiàn)[12]表4-23中可查得150BF002型的步進(jìn)電動機(jī)所允許的最高空載啟動頻率為2800，運(yùn)行頻率為8000，再從圖5看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動時，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能夠滿足機(jī)床的空載啟動力矩（5.49），如果直接使用就會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到5.88，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩擴(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時，150BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。 圖5 150BF002型步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 3.5.2 橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計算 3.5.2.1 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算 計算簡圖見圖4，折算到電動機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量的計算： （3.37） 式中 —步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 、、、—齒輪、、、的轉(zhuǎn)動慣量 —滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 參考這類型的機(jī)床，初步選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)110BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量=4.606 代入上式3.37： 由此可見步進(jìn)電機(jī)與傳動系統(tǒng)慣量的匹配滿足慣量匹配的要求。 3.5.2.2 步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算 電機(jī)在不同的工作狀態(tài)下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面就進(jìn)行分別的計算： (1)快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （3.38） ?快速空載起動時折算到電動機(jī)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 （3.39） （3.40） ?移動部件運(yùn)動時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 ?絲杠預(yù)緊以后折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 （3.41） 由于滾珠絲杠的傳動效率很高，所以由上述公式計算的值很小，通常可以忽略不計。則有： (2)最大工作狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 （3.42） （3.43） （3.44） 經(jīng)上述計算后，得到加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 以此作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 (3)步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 由表3-6得：當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)為三相六拍時， ，則 從文獻(xiàn)[12]表4-23中查出，110BF003型最大靜轉(zhuǎn)距為7.84，比所需的最大靜轉(zhuǎn)距還大，可成為初步選擇的型號，但是還是需要進(jìn)一步考慮步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)動矩頻特性和啟動矩頻特性。 (4)計算切削時的工作頻率和空載時的啟動頻率 步進(jìn)電動機(jī)的啟動頻率： （3.45） 最高工作頻率: （3.46） 從文獻(xiàn)[12]表4-23中查得110BF003型步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行頻率為7000，最高空載啟動頻率為1500，不能滿足（4000Hz）的要求。再從圖6查出110BF002步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性和起動矩頻特性。不能滿足此機(jī)床所要求的空載起動力矩（1.27），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到400，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩擴(kuò)大一倍左右。當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時，110BF002型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻則完全可以滿足要求。 圖6 110BF002型步進(jìn)電機(jī)起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 3.6 繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖 完成了絲杠螺母副的選型、齒輪箱的計算和步進(jìn)電動機(jī)的選型以后，就可以開始繪制進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)的裝配圖了。在繪制裝配圖時需要注意一下幾點： （1） 了解原機(jī)床的詳細(xì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、床鞍、中滑板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。 （2） 根據(jù)載荷特點和支撐形式，確定絲杠兩端軸承的型號、軸承座的結(jié)構(gòu)，以及軸承的預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式。 （3） 考慮各部件之間的定位、連接和調(diào)整方法。 （4） 考慮密封和防護(hù)、安全機(jī)構(gòu)以及潤滑等等的問題。比如：絲杠的潤滑、軸承的潤滑及密封、防塵、防鐵屑、行程限位保護(hù)裝置等。 （5） 在進(jìn)行各零部件設(shè)計時，應(yīng)注意裝配的工藝性，考慮裝配的順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。 本設(shè)計具體的裝配圖和零件圖見圖紙。 3.7電動刀架選擇與介紹 選用常州宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的四工位電動刀架，型號LD4-CK6132 LD4系列電動刀架工作原理及特點： LD4型系列立式電動刀架采用渦輪蝸桿傳動，上下齒盤嚙合，螺桿夾緊的工作原理。具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的優(yōu)點。發(fā)信轉(zhuǎn)位采用霍爾元件，使用壽命長。 表7 技術(shù)參數(shù) 型 號 電動功率 W 電機(jī)轉(zhuǎn)速 r/min 夾緊力 T 重復(fù)定位精度 mm 壽 命 (次) 換刀時間(S) 90° 180° 270° LD4-CK0620 30