用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為400毫米普通車床的進(jìn)給系統(tǒng)

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準(zhǔn)考證號： 本 科 生 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計 ） 用微機(jī)數(shù)控技術(shù) 改造 最大加工直徑為 400 毫米普通車床的進(jìn)給系統(tǒng) 學(xué) 院： 江 西 科 技 學(xué) 院 專 業(yè)： 機(jī) 電 一 體 化 班 級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 何 暉 暉 完成日期： 2015 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） I 本科論文原創(chuàng)性申明 本人鄭重申明：所呈交的論文（設(shè)計）是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 本科論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 江西科技學(xué)院 可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名（手寫）： 指導(dǎo)老師簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 針對現(xiàn)有常規(guī) 遍車床的缺點提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計過程，較詳盡地介紹了 械改造部分的設(shè)計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計。采用以 8031 為 控制系統(tǒng)對信號進(jìn)行處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動， 從而實現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動。 結(jié)合我國實際國情，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是我國從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺階。利用現(xiàn)有的普通車床，對其進(jìn)行數(shù)控化改造是一條低成本，高效益的途徑。數(shù)控車床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。我國作為機(jī)床大國，數(shù)控機(jī)床的占有率還不足百分之三，但是在歐美等發(fā)達(dá)國家數(shù)控機(jī)床的占有率達(dá)到了百分之三十六以上，單從數(shù)字上來看我過和歐美等發(fā)達(dá)國家還有相 當(dāng)大的距離。其主要原因為數(shù)控車床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。對普通機(jī)床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。在金屬加工行業(yè)中車床在所有加工設(shè)備中占有最大比重，例如最常見的軸類零件，就是由車床加工而成本論文針對目前國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀，以 通車床為例提出簡易型經(jīng)濟(jì)數(shù)控改造思路和設(shè)計方法。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床， 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，改裝設(shè)計， 伺服電機(jī) 傳動系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 電氣控制線路 經(jīng)濟(jì)實惠 數(shù)控改造， 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） of o of a of is to s to of of We 031 as to 。 by to s NC is to C of NC is as a an to of to of a in to 6% of NC is a NC a to of be a in of is of to C 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 緒 論 ........................................................... 1 ................................................ 1 ................................................ 2 ........................................ 2 ............................................ 3 ............................................ 3 第 1 章 床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案 的擬定 ........... 4 總體方案確定 ............................................... 5 統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 ......................... 5 算機(jī)系統(tǒng) ............................................. 5 械傳動方式 ........................................... 5 設(shè)計 控工作臺及其控制系統(tǒng) ............................. 5 第 2 章 床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分 設(shè)計計算 ............. 6 統(tǒng)脈沖當(dāng)量的選擇 .......................................... 7 的計算削力 ................................................ 7 車外圓 ............................................... 7 切端面 ............................................... 8 第 3 章 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 ............................. 8 向進(jìn)給絲杠 ................................................ 9 ) ............................... 9 算最大動負(fù)載 Q ....................................... 9 珠絲杠螺母副的選型 .................................. 10 動效率計算 .......................................... 10 度驗算 .............................................. 11 向進(jìn)給絲杠 ............................................... 12 ..................................... 12 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） Q ...................................... 13 .................................... 12 .......................................... 12 .............................................. 12 第 4 章 齒輪傳動比計算 ......................................... 16 向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算 ................................... 16 向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算 ................................... 16 第 5 章 步進(jìn)電機(jī)的計算和選型 .................................. 17 向步進(jìn)電機(jī)的計算和選型 ................................... 17 效轉(zhuǎn)動慣量計算 ...................................... 17 機(jī)力矩計算 .......................................... 18 算步進(jìn)電動機(jī)空載啟動頻率及切削時工作頻率 ............ 20 向步進(jìn)電機(jī) ............................................... 21 ...................................... 21 .......................................... 22 算步進(jìn)電動機(jī)空載啟動頻率及切削時工作頻率 ............ 23 第 6 章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 ............................. 24 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容 ............................ 24 制系統(tǒng)電器控制的結(jié)構(gòu)框圖 ............................ 24 擇中央處理器的類型 .................................. 24 儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 .................................... 25 — 51 系列單片機(jī)的選用 ................................... 23 8031 單片機(jī)的基本特性 ................................ 24 8031 芯片引腳及其功能 ................................ 26 8031 芯片內(nèi)部的存儲器結(jié)構(gòu)及地址分配 .................. 28 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 ........................................ 29 序存儲器的擴(kuò)展 ...................................... 29 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 ..................................... 32 譯碼電路設(shè)計 ......................................... 32 I/................................ 33 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 255 可編程接口芯片 ................................... 31 盤顯示接口電路 ...................................... 31 第 7 章 數(shù)控車床的加工程序 ..................................... 32 第 8 章 心得與體會 ............................................... 37 總 結(jié) ......................................................... 38 參考文獻(xiàn) ： ....................................................... 39 致 謝 ......................................................... 38 1緒 論 隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型，普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng) 、 加工精度高 、 加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。它綜合應(yīng)用了電子計算機(jī) 、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型 機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機(jī)床控制的發(fā)展方向。 1、 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 數(shù)控機(jī)床最早是從美國開始研制的。 1948 年，美國帕森斯公司在研制加工直升機(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時，提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。 1949 年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實驗室合作，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。并于 1952 年試制成功世界上第一臺數(shù)控機(jī)床實驗性樣機(jī)。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進(jìn)和自動編程研究，于 1955 年進(jìn)入實用階段。一直到 20 世紀(jì) 50 年代末，由于價格和技術(shù)原因， 品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了 60 年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展應(yīng)用范圍。 2、 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 自 1952 年，美國研制成功第一臺數(shù)控機(jī)床以來，隨著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、自動控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。 第一代數(shù)控： 1952控裝置。 第二代數(shù)控：從 1959年開始采用晶體管電路的 第三代數(shù)控：從 1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的 第四代數(shù)控：從 1970 年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機(jī)控制的系統(tǒng)。 第五代數(shù)控：從 1974年開始采用微型電子計算機(jī)控制的系統(tǒng)。 目前，第五代微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強(qiáng)的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強(qiáng)，幾乎只需改變軟件，就 可以適應(yīng)不同類型機(jī)床的控制要求，具有江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 2 很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴(kuò)大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。 近年來，微電子和計算機(jī)技術(shù)的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機(jī)械制造的各個領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機(jī)床今后的發(fā)展趨勢。 3、 我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 我國從 1958 年由北京機(jī)床研究所和清華大學(xué)等首先研制數(shù)控機(jī)床，并試制成功第一臺 電子管數(shù)控機(jī)床。從 1965年開始，研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到 60年代末和 70年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機(jī)等獲得成功。與此同時，還開展了數(shù)控加工平面零件自動編程的研究。 1972如：清華大學(xué)研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域開始研究與應(yīng)用；數(shù)控加工中心機(jī)床研制成功；數(shù)控升降臺銑床和數(shù)控齒輪加工機(jī)床開始小批生產(chǎn)供應(yīng)市場。從 80 年代初開始，隨著我國開放政策的實施，先后從日本、美國、德國等國家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。上海機(jī)床研究所 引進(jìn)美國 司的 控系統(tǒng)等。在引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，北京機(jī)床研究所又開發(fā)出 空航天部 706 所研制出 控系統(tǒng)等。進(jìn)而推動了我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，使我國數(shù)控機(jī)床在品種上、性能上以及水平上均有了新的飛躍。我國的數(shù)控機(jī)床已跨入一個新的發(fā)展階段。 4、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進(jìn)入更高層次的柔性制造系統(tǒng) 和計算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。 在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的國的 美國的 司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了 16位和 32位微機(jī)處理機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到 1床分辨率可達(dá) 速進(jìn)給可達(dá) 100m/制軸數(shù)可達(dá) 16個，并采用先進(jìn)的電裝工藝。 在驅(qū)動系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運(yùn)算放大器等模擬器件為主的控制 器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 3 5、數(shù)控機(jī)床改造的意義 數(shù)控機(jī)床改造在國外已發(fā)展成一個新興的工業(yè)部門，早在 60 年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場和生產(chǎn)上的原因。我國是擁有 300多萬臺機(jī)床的國家。而這些機(jī)床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機(jī)床，不論資金和我國機(jī)床制造廠的能力都是辦不到的。因此，盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機(jī)床實現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床，正是適應(yīng)了這一要求。它是建立 在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在機(jī)床改造中引入微機(jī)的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動化改裝方案，有較大的通用性與可調(diào)性。而且所投入的改造費(fèi)用低，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的 1/3至 1/5，用戶承擔(dān)的起。從若干單位成功應(yīng)用的實例可以證明，投入使用后，確實成倍地提高了生產(chǎn)效率，減少了廢品率，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟(jì)型數(shù)控這一中間技術(shù)的基礎(chǔ)上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù) 改造主要方向之一。同時，它還可以作為全功能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，為今后使用全功能數(shù)控機(jī)床，培養(yǎng)人才，積累維護(hù)、使用經(jīng)驗，而且也是實現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化的方向過渡的主要內(nèi)容之一。 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 4 第 1 章 床 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案 的擬定 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強(qiáng)弱。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 及傳動方式的確定，計算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。 1 總體方案確定 系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，由于在銑削加工中，要求工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸運(yùn)動有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速率相對于工件沿加工路徑運(yùn)動，所以不能選用點位系統(tǒng)，因為點位控制系統(tǒng)要求工件相對于刀具移動過程中不進(jìn)行切削。因此，應(yīng)選用 連續(xù)控制系統(tǒng)。 工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)，因閉環(huán)控制系統(tǒng)適用于精度要求較高的機(jī)床設(shè)計，且閉環(huán)控制系統(tǒng)的造價昂貴。 計算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位微機(jī)。由于 列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性能價格比等特點，因此采用 031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、 I/進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制 命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 機(jī)械傳動方式 為實現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副以及滾動導(dǎo)軌。江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 5 同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的消隙齒輪結(jié)構(gòu)。 2 設(shè)計 控工作臺及其控制系統(tǒng) 計任務(wù)及參數(shù)在任務(wù)書中已經(jīng)給出。系統(tǒng)總體方案見圖 1據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，采用連續(xù)控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和滾動導(dǎo)軌。為盡量消除傳動間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙。計算機(jī)系統(tǒng)仍采用高性能價格比的 圖 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體方案框圖 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 6 第 2 章 床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分 設(shè)計計算 一臺 造成微機(jī)數(shù)控車床，采用 進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，具有升降速控制功能。其主要設(shè)計參數(shù)如下： 最大加工直徑 ( 在床身上 φ 400 在床鞍上 φ 210 加工最大長度 ( 750板及刀架重量（ N）： 縱向 1000 橫向 500 刀架快速速度（ m/: 縱向 2 橫向 1 最大進(jìn)給速度（ m/: 縱向 向 小分辨率 （ 主電機(jī)功率（ 4 起動加速時間（ 30 定位精度（ : 服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動部件慣量計算，空載起動及切削力計算，確定伺服電機(jī)，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算及選 用，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖?，F(xiàn)分述如下： 統(tǒng)脈沖當(dāng)量的選擇 一個進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動部件產(chǎn)生位移量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位。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)控車床銑床常采用的脈沖當(dāng)量是 沖。 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向： 沖，橫向： 沖。 切的計算削力 在設(shè)計機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導(dǎo)向元件，選用伺服電機(jī)等都需要用到切削力，下面介紹數(shù)控車床中的切削力的計算。 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 7 縱車外圓 主切削力 (N)按經(jīng)驗公式估算 : 5360(N) 按切削力各分力比例： :: ?5360× 340(N) 5360× 144(N) 橫切端面 主切削力 )(' 取縱切的 1/2. 268021' ?? F(N) 此時走刀抗力為 'N),吃刀抗力為 )(' 仍按上述比例粗略計算 : ' ' '1:2680× 70(N) '2680× 072(N) 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 8 第 3 章 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠 螺母副的設(shè)計首先要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑 杠外徑 d）、導(dǎo)程 珠的工作圈數(shù) j、列數(shù) K、精度等級等。 滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。如參考書 [1]中的圖 4示。我們在此選用螺旋槽式外循環(huán)：在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，同螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套蓋住。在通孔口設(shè)有擋珠器，引導(dǎo)滾珠進(jìn)入通孔。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿，并焊 上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的優(yōu)點是：工藝簡單，螺母外徑尺寸較小。缺點是：螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。 滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等。 本設(shè)計采用雙螺母螺紋式預(yù)緊結(jié)構(gòu)，它通過調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。其特點是結(jié)構(gòu)較緊湊，工作可靠，滾道磨損時可隨時調(diào)整，預(yù)緊量不很準(zhǔn)確，應(yīng)用較普遍。 縱向進(jìn)給絲杠 ) 作用在 滾珠絲杠上的進(jìn)給率引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動部件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。 按縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌 )= K 'f ( G) 由前所知： 1340 N 5360 N G =1000 N K =f =： N)= K 'f ( G) =1340+(5360+1000) 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 9 = 式中 K — 考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù) ,綜合導(dǎo)軌取 K='f 選 'f = G G =1000 N. 算最大動負(fù)載 Q 利用滾珠絲杠副的直徑 須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（ 106轉(zhuǎn)）后在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)載 Q，可以用下式計算： Q=61060 01000s?? 式中 0初選0L=6㎜ ; 取最高進(jìn)給速度的 (1/2～ 1/3),此處.6 mm/ 按 15000h; 一般運(yùn)轉(zhuǎn)取選 L 106 轉(zhuǎn)為 1個 單位。 將數(shù)據(jù)分別帶入上式得： 01000s?? = 6 ? =50r/ =61060 =610150005060 ?? =45 Q= 3 3 4 5 1 . 2 2 5 5 8 . 6 1 0 9 2 0 . 8f F N? ? ? ?珠絲杠螺母副的選型 查閱附錄 A 表 3,可采用 3006循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副 ,1列 其額定動負(fù)載為 14200 N,精確等級按表 2 級。 動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為： 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 10 η =)( ?? ??tg ? — 螺旋升角 , 3005 ? =3° 39′ ? 0′滾動摩擦系數(shù) 各數(shù)據(jù)帶入上式得： η =)( ?? ??tg 3 3 9 ' 0 . 9 7( 3 3 9 ' 1 0 ')?度驗算 滾珠絲杠副的軸向變形會影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動的平穩(wěn)性因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形；支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形；滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量；和螺母座及軸承支座的變形。最后一種常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，但變形量計算較為困難，一般根據(jù)其精度要求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強(qiáng)其剛度而不 作計算。 因此滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是前三種變形量，他們的和應(yīng)不大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半，否則，應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。 先畫出縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖 大牽引力為 =1500 ㎜，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)載荷的 31 。 J 1Z 2 J 2L 1L 2圖 縱向進(jìn)給滾珠絲桿支承方式草圖 （ 1） 絲杠的拉伸或壓縮 變形量 1? 根據(jù) 0d =300L =61d =E=104N/西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 11 式中 L? — 是在工作載 N — 工作負(fù)載，即進(jìn)給牽引力；0 E — 材料彈性摸數(shù)，對鋼 0E ??； F 滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）； “ +”用于拉深，“ ? ”用于壓縮； 絲杠有效截面 A= 221 2 5 . 9 8 4( ) ( ) 5 3 0 . 322d ? ? ? ?絲杠導(dǎo)程的變化量 30 42 5 5 8 . 6 6 0 . 1 4 1 02 0 . 6 1 0 5 3 0 . 3m ?? ? ? ? ??? 滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 3'3101 1 0 . 1 4 1 0 1 5 0 0 8 . 7 5 1 04 4 6L L m ???? ? ? ? ? ? ? ? （ 2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 由 數(shù)量 0 302 . 5 2 . 5 5 9 . 3 63 . 9 6 9?? ? ? ? ? ?(個 ) 由于對滾珠絲杠副施加預(yù)緊力，且預(yù)緊力 ，則變形3?33 232 59 6 50 0 1 1 ???????? )定位誤差 331238 . 7 5 1 0 3 . 1 4 1 0 0 . 0 1 3 2 0 . 0 2 50 . 9 0 . 9??? ??? ? ? ?? ? ? （ 4）穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端面推理軸承不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象故不需作穩(wěn)定性校核 向進(jìn)給絲杠 橫向?qū)к墳檠辔残?,計算如下 : 由前所知： '072 N， '70 N， '680 N， 'G = 500 N， 'f =江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 12 式中： k— 為雙燕尾形導(dǎo)軌的系數(shù) 'f — 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) 'f =： =' 'f ( 2 ' 'G ) =670+(2680+2× 1072+500) = 負(fù)載 'Q ''3 f F? 1000= 1 0 0 0 0 . 3 0 . 5 3 0 / m i n5 r?? ? '660 10?? =610150003060 ?? =27 'Q =33 27 × 從表中查出 , 2005 1列 額定動載荷為 8800 N,可滿足要求，選定精度為 3級 . η =)( ?? ??tg ''4 3 0(4 3 0 ' 1 0 )=剛度驗算 橫向進(jìn)給絲杠支承方式如圖 大牽引力為 2425 N，支承間距 L =450㎜，因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 13 圖 橫向進(jìn)給絲桿支承方式圖 （ 1）絲杠的拉伸或壓縮變形量 '1?查圖 據(jù) =2003 N, '0d=2010 2 2 2 0 0 . 0 9 3 . 2 0 2 1 6 . 7 8 8d d e R m m? ? ? ? ? ? ?' ' 2 2111( ) ( 1 6 . 7 8 8 ) 3 . 1 4 2 2 1 . 3 522A d m m? ? ? ? ? ? ?422 0 . 6 1 0 /E N m m?? 可算出 '1?= '' ' ' 3' ' 402 0 0 . 2 8 4 5 0 1 . 9 7 6 1 02 0 . 6 1 0 2 2 1 . 3 5 L m A ??? ? ? ???(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量 '2?''13xm 202 . 5 2 . 5 4 9 . 4 5 (3 . 1 7 5?? ? ? ? ? ? 個 ）'' 2 2 3332 1 1 6 6 . 7 60 . 0 0 3 8 ( ) 0 . 0 0 3 8 ( ) 3 . 1 5 8 1 03 . 1 7 5 4 9 . 4 5?? ? ? ? ? ?式中： ' 軸向工作負(fù)載 0d— 滾珠直徑 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 14 (3) 定位誤差 '' 331201 . 9 7 6 1 0 3 . 1 5 8 1 0= 0 . 0 0 5 7 0 . 0 2 50 . 9 0 . 9??? ??? ? ? ???‘ 此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。 縱向及橫向滾珠絲杠 副幾何 參數(shù)如下表 表 向及橫向滾珠絲杠副幾何 參數(shù) 名稱 符號 1 紋 滾 道 公 稱 直 徑 0d 30 20 導(dǎo) 程 0l 6 5 接 觸 角 ? |339? '433? 鋼 球 直 徑 道法面半徑 R 0 心 距 e ( / 2 ) s i d ??? 紋 升 角 r 00/r a r c d?? |339? '433? 螺 桿 螺 桿 外 徑 d 0 ( 0 . 2 0 . 2 5 ) bd d d?? 29 桿 內(nèi) 徑 1d 1022d d e R? ? ? 桿接觸直徑 1 c o d d ??? 母 螺母螺紋直徑 D 0 22D d e R? ? ? 母 內(nèi) 徑 1D 10 ( 0 . 2 0 . 5 2 ) bD d d?? 30 西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 15 第 4 章 齒輪傳動比計算 縱向進(jìn)給齒 輪箱傳動比計算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 P? =珠絲杠導(dǎo)程0L=6 ㎜，初選步進(jìn)電機(jī)步距角 可計算出傳動比 i i =0360Lb p?? =?=選定齒輪齒數(shù)為 : i =21向進(jìn)給齒輪箱傳動比計算 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 P? =滾珠絲杠導(dǎo)程0L=5 ㎜ ,初選步進(jìn)電機(jī)步距角 計算傳動比 i : i =0360Lb p?? =?=慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程 ,故此處可采用兩級齒輪降速 : i=2153 × 54 =4024 × 2520 1Z =32、 2Z =40、3Z=20、 4Z =25 因進(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，模數(shù) m 取 2。有關(guān)參數(shù)如下 表 齒輪參數(shù) 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓 64 80 48 80 40 50 齒頂圓 a 2?? 68 84 52 84 44 54 齒根圓 2 1 fd d m? ? ? 59 75 43 75 35 45 齒寬 （ 6~10） m 20 20 20 20 20 20 中心距 2/)( 21 ? 72 64 45 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 16 第 5 章 步進(jìn)電機(jī)的計算和選型 縱向步進(jìn)電機(jī)的計算和選型 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 計算簡圖見前面，傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 2()J kg ?為： 22 01122( ) [ ( ) ( ) ]2Z J J ? ? ? ? ? ? 式中 為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 2()kg ； 12 為齒輪12轉(zhuǎn)動慣量 2()kg ； 為滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 2()kg ； 參考同類機(jī)床，初選步進(jìn)電機(jī)為 150應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量： 210MJ kg ； 對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉(zhuǎn)動慣量計算公式 430 1 0J d L ???2()kg ； 則： 4 3 4 3 21 1 10 . 7 8 1 0 0 . 7 8 6 . 4 2 1 0 2 . 6 1 7J d L k g c m??? ? ? ? ? ? ? ?4 3 4 3 22 2 20 . 7 8 1 0 0 . 7 8 8 2 1 0 6 . 3 9J d L k g c m? ? ? ? ? ? ? ?4 3 4 3 20 . 7 8 1 0 0 . 7 8 3 1 5 0 1 0 9 . 4 7 7s s sJ d L k g c m??? ? ? ? ? ? ? ?1000 代入上式： 22 01122( ) [ ( ) ( ) ]2Z J J ? ? ? ? ? ? 223 2 1 0 0 0 0 . 61 0 2 . 6 1 7 ( ) [ ( 6 . 3 9 9 . 4 7 7 ) ( ) ]4 0 9 . 8 2 ?? ? ? ? ? ?= kg 電機(jī)力矩計算 機(jī)床在不同的工況下，所需的力矩也不同，分別計算： （ 1）、快速空載起動力矩 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 17 在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，其計算公式為： m a x 0 M M? ? ?起； 2m a x m a 0 / ( 6 0 ) J n t?? ???? ? ? ? ? ?； m a x m a x / ( 3 6 0 )??； 式中 為快速空載起動力矩 ()N ； 為空載起動時折算到電機(jī)軸上的加速力矩 ()N ； 為折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 ()N ； 0M— 由于絲杠預(yù)緊時折算到電機(jī)軸上的附加摩擦 力矩 ()N ； 其它符號意義同前。 m a x m a x 2 0 0 0 0 . 7 5/ ( 3 6 0 ) 4 1 6 . 7 / m i 0 1 3 6 0v r??? ? ? ?； 起動加速時間： 30at 22m a x m a x 2 4 1 6 . 72 1 0 / ( 6 0 ) 2 3 . 3 7 1 0 3 3 9 . 9 36 0 0 . 0 3 J n t N c m??? ???? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 '0 0 0()22 L f F W LM ? ? ?????； 式中 0F— 為導(dǎo)軌的摩擦力， '0 ()zF f F W??；其它參數(shù)含義及取值同前， ? — 為傳動鏈總效率，一般可取 0 ? ? ，這里取 ； '0 0 0() 0 . 1 6 ( 5 3 6 0 1 0 0 0 ) 0 . 6 9 7 . 2 22 2 2 0 . 8 1 . 2 5 L f F W c ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ???； （ 2）附加摩擦力矩0M： 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計） 18 0 200(1 )2 ????； 式中 滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷，一般取 13 0?— 滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取0 ?； 其它符號含義