數(shù)控銑床設(shè)計(jì).docx

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1、第一章引言 1.1課題的來源 數(shù)控機(jī)床的教學(xué)由于比較抽象，需要借助實(shí)驗(yàn)來加深對(duì)課堂知識(shí)的理解。但由于一般數(shù)控 機(jī)床體積大，價(jià)格高，軟硬件不是很開放，不適合學(xué)生的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。為此設(shè)計(jì)一種功能齊全、結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單、軟硬件結(jié)構(gòu)開放、成本低，且有代表性的教學(xué)實(shí)驗(yàn)型鐵床系統(tǒng)。要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，經(jīng)濟(jì)適 用，易于推廣普及，且能完成教學(xué)目的的機(jī)床。通過本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，得到全面的鍛煉，為將來機(jī) 電產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和使用打下良好的基礎(chǔ)。 1.2課題的背景和意義 數(shù)控技術(shù)是機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制的核心技術(shù)，是機(jī)械制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)，其水平的高低和應(yīng) 用程度關(guān)系到國(guó)家的戰(zhàn)略地位和綜合國(guó)力。 數(shù)控技術(shù)是-門理論性和實(shí)踐性都 非常強(qiáng)的

2、課程，其教學(xué)必須理論聯(lián)系實(shí)際。長(zhǎng)期以來，數(shù)控技術(shù)教學(xué)遇到幾大難題：（1）課堂 教學(xué)難教師在課堂上對(duì)著書本講，學(xué)生看不見摸不希，如聽天書。（ 2）實(shí)驗(yàn)教學(xué) 難由于市場(chǎng)沒有適用教學(xué)的機(jī)床，教學(xué)中使用的都是生產(chǎn)型機(jī)床，這些機(jī)床體積大、造價(jià)高、使 用和維護(hù)成本高，很多學(xué)校用不起，并且有的話，大多是老師演示、學(xué)生觀看，很少有學(xué)生自己 直接操作。 教學(xué)設(shè)備問題是制約數(shù)控技術(shù)教學(xué)質(zhì)量提高的瓶頸問題， 為解決數(shù)控技術(shù)教學(xué)設(shè)備 問題，特進(jìn)行了微型三坐標(biāo)數(shù)控飩床的設(shè)計(jì)，完成了微型數(shù)控銖床的總體方案設(shè)計(jì)，確立了機(jī)床 的整機(jī)結(jié)構(gòu)、總體布局以及關(guān)鍵部件（主軸系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)等）的選型與設(shè)計(jì)，機(jī)床的本體尺寸 為320

3、mmx220mmx400mm,機(jī)床的工作空間尺寸為180mmx 180mm。該機(jī)床體積小、重量輕、功 能強(qiáng)、成本低，非常適合課堂教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)和實(shí)訓(xùn)教學(xué)，節(jié)省設(shè)備購置費(fèi)用和使用費(fèi)用的同時(shí), 將大幅度提高教學(xué)效率和教學(xué)效果，對(duì)于改變我國(guó)數(shù)控技術(shù)人才培養(yǎng)模式，降低培養(yǎng)成本、縮短 培養(yǎng)周期，具有重大意義。 價(jià)值。 3. 121步進(jìn)電機(jī)的種類 步進(jìn)電機(jī)的分類方式很多，常見的分類方式有按產(chǎn)生力矩的原理、按輸出力矩的大小 以及按定子和轉(zhuǎn)子的數(shù)量進(jìn)行分類等。由于分類方式的不同，步進(jìn) 電機(jī)可以分為多種類型，如表所示 表步進(jìn)電機(jī)的分類 分類方式 具體類型 按力矩產(chǎn)生的原理 (1) 反應(yīng)式步進(jìn)電

4、機(jī)：轉(zhuǎn)子上沒有繞組，而是由定子被勵(lì)磁所激 產(chǎn)生反應(yīng)力實(shí)現(xiàn)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。 (2) 激磁式步進(jìn)電機(jī)：在電機(jī)的正子和轉(zhuǎn)子上都有勵(lì)磁繞組，由磁 場(chǎng)產(chǎn)生的電磁力實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)。 按輸出力矩大小 (1) 伺服式步進(jìn)電機(jī)：電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的力矩在幾百分之一到幾十 分之一之間，只能帶動(dòng)較小負(fù)載的部件運(yùn)動(dòng)，在帶動(dòng)較大負(fù)載的部 件運(yùn)動(dòng)時(shí)需要液壓扭矩放大器。 (2) 功率式步進(jìn)電機(jī)：輸出的力矩一般在50 N m以上，可以帶 動(dòng)較大負(fù)載的部件運(yùn)動(dòng)。 按定子數(shù) (1)單定子式(2)雙定子式(3)三定子式(4)多定子式 按各相繞組分布 (1) 徑向分布式步進(jìn)電機(jī)：電機(jī)的每一項(xiàng)按照?qǐng)A周順序排列 (2) 軸向分布

5、式步進(jìn)電機(jī)：電機(jī)的每一項(xiàng)按照軸向順序排列 3. 1.2.2步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 目前，我國(guó)使用的步進(jìn)電機(jī)大多為反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)可分為軸向和徑向 分相兩種形式，見表所述。 圖4-2為一個(gè)典型的徑向分相、單定子式、反應(yīng)式的步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。此步進(jìn) 電機(jī)和普通的電機(jī)一?樣，由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，定子由定子鐵心和定子繞組組成。其中 由電工鋼片堆疊擠壓形成定子鐵心，詳細(xì)形狀見圖示。由繞值在定子鐵心上的分布均勻的線 圈組成定子繞組，控制繞組由直徑的方向上的相對(duì)的兩齒上的線圈串聯(lián)構(gòu)成的，圖1的步進(jìn) 電機(jī)可為三相控制繞組，也稱 為三相步進(jìn)電機(jī)。其中給任一項(xiàng)繞組通電，就能形成一組定子磁

6、極，磁極方向為圖示的NS極。定子磁極上開了 5個(gè)齒槽等寬，齒間夾角為9°勺小齒，在轉(zhuǎn)子上沒有繞 組，只有分布均勻的40個(gè)齒槽等寬、齒間夾角為9°勺小齒，結(jié)構(gòu)上和 磁極上的小齒類似。不同的是定子磁極上的小齒錯(cuò)開了三分之-?齒距的空間位置，見圖2。 當(dāng)A相磁極上的小齒與轉(zhuǎn)子上的小齒對(duì)齊的時(shí)是， B相磁極上的小 齒剛好超前（或滯后）轉(zhuǎn)子齒1/3齒距角，C相磁極上的小齒超前（或滯后）轉(zhuǎn)子齒三分 之二齒距角。 圖1單定了徑向分相反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 圖2步進(jìn)電機(jī)的齒距 圖3是?個(gè)五定子、軸向分相、反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖。圖示，在軸向步 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子和定子分成五段，

7、其中每段都由一相獨(dú)立的定子繞組、定子鐵心和轉(zhuǎn)子，具體 見圖3。其中每段定子鐵心用硅鋼片疊壓形成其形狀像內(nèi) 齒輪。轉(zhuǎn)子也是有硅鋼片疊壓形成的其形狀像外齒輪。每段釘子上的齒均勻分布在圓周方向, 各齒間搓開五分之?的齒距，但在轉(zhuǎn)子上的齒彼此間不錯(cuò)位。當(dāng)對(duì)為位于定子鐵心環(huán)形槽內(nèi) 的定子繞組通電時(shí)就會(huì)形成環(huán)行繞組，構(gòu)成如圖所示的磁力線。 除上面介紹的兩種形式的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)之外，常見的步進(jìn)電機(jī)還有永磁式步進(jìn)電機(jī)和 永磁反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，它們的結(jié)構(gòu)雖不相同，但工作原理相同。 3.23 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 步進(jìn)電機(jī)的工作原理實(shí)際上就是電磁鐵的工作原理。圖 5為一種最簡(jiǎn)單的 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，卜.面我們

8、就以此為例來說明步進(jìn)電機(jī)的工作原理。 圖5中，當(dāng)直流電通入A相繞組時(shí)，由電磁學(xué)的原理，在AA的方向上便會(huì)產(chǎn)生磁 場(chǎng)，在磁場(chǎng)力的作用下，便會(huì)吸引轉(zhuǎn)子，便會(huì)使轉(zhuǎn)子上的齒和定子 AA 極上的齒相對(duì)齊。但若B相通電，A相斷電，于是便會(huì)形成新的磁場(chǎng)，新的磁場(chǎng)力便會(huì)使轉(zhuǎn) 子上的齒定子BB極上的齒相對(duì)齊，于是轉(zhuǎn)子便會(huì)以順時(shí)針的方向轉(zhuǎn)過60度的角。所謂的步 距角a為步進(jìn)電機(jī)的繞組每改變一次通斷電的狀態(tài)其轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)過的角度。因此在圖5中步進(jìn)電 機(jī)的步距角a為60度。如果控制線路無 限的按L4C* A的順序控制步進(jìn)電機(jī)繞組的通斷電狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子 便會(huì)一直按順時(shí)針的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。若通電順序?yàn)閷?A“C“B_

9、A,步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子 會(huì)按逆時(shí)針得方向不停地轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖3五定子徑向分相反應(yīng)式伺服步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖 圖4 一段定子、轉(zhuǎn)子及磁回路 以上所述通電方式為三相三拍的。除此之外還有三相六拍的通電方式，它的通電順序是： 順時(shí)針為A - AB - B - BC - C - CA - A無限循環(huán)；逆時(shí)針為A — AC 一 C 一 CB 一 B —BA f無限循環(huán)。 當(dāng)電機(jī)以三相六拍的通電方式工作時(shí)，當(dāng)由單一的 A相通電變?yōu)锳、B相 同時(shí)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子上的磁極將同時(shí)受到A相和B相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)共同作用，在兩力的相互作 用下轉(zhuǎn)子磁極便會(huì)位于A相和B相磁極之間，此時(shí)步距角a為30度。當(dāng)A相和

10、B相同時(shí)通電 變?yōu)锽相單獨(dú)通電時(shí)，電機(jī)如果以三相六拍的方式工作，當(dāng)A相單獨(dú)通電變?yōu)锳、B兩相同時(shí)通 電時(shí)，轉(zhuǎn)子上的磁極便會(huì)同時(shí)受到A相和V相繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)的同時(shí)作用，在兩力的相互作用 下轉(zhuǎn)子的磁極便會(huì)停留在A、B兩相之間，此時(shí)步距角a為30度。當(dāng)A相和B相同時(shí)通電變?yōu)?B相單獨(dú)通電時(shí)，轉(zhuǎn)子上的磁極將再以順時(shí)針的方向旋轉(zhuǎn)30度與B相磁極對(duì)齊。這樣依此 類推重復(fù)。因此當(dāng)采用三相六拍得通電方式工作時(shí)，可使步距角 圖5步進(jìn)電機(jī)I：作原理圖 圖5（b）所示的步進(jìn)電機(jī)，定了仍然為A , B , C三相，每相為兩極，但是轉(zhuǎn)了由原來的 兩級(jí)變?yōu)樗募?jí)。當(dāng)A相繞組通電時(shí)，1、3兩極和A相的兩極相對(duì)

11、齊，以此類推，當(dāng)B相通電、 A相斷電時(shí)，2、4兩極和B相的兩極對(duì)齊。因此，在三相三拍的通電方式中，步距角a為30 度，在三相六拍通電方式中，步距角a為15度。 綜上所述，我們可以得到如下的結(jié)論： （1） 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)定子繞組改變一次通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子便會(huì)轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角 a； （2） 步進(jìn)電機(jī)定子繞組的通電順序改變，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向也會(huì)改變； （3） 步進(jìn)電機(jī)的定子繞組通電狀態(tài)改變的越快，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速越快，即通電狀態(tài)的頻率越高， 轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速越快： （4） 步進(jìn)電機(jī)步距角a與定子繞組的相數(shù)m、轉(zhuǎn)子的齒數(shù)z、通電方式k有關(guān)，可用下式 表示： :=36Oo/ mzk 式中m相m拍時(shí)，k=l ； m相

12、2m拍時(shí)，k=2；依此類推。 對(duì)于圖1所示的徑向分相、單定子式、反應(yīng)式的步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)在三相三拍通電方式下工作 時(shí)，其步距角為 ?=360. / mzk ] =3600 / 30 4 1 [=3o 若在三相六拍通電方式下工作，則步距角為 :=36Oo/ mzk = 360? / 30 4 2 =1.5° 3. 1.2.4步進(jìn)電機(jī)的主要特性 （1） 步距角。所謂的步進(jìn)電機(jī)的步距角為電機(jī)定子每改變一次通電狀態(tài)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度。 它決定著步進(jìn)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量。在數(shù)控機(jī)床上常見的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的步距角為30 度。步距角越小，機(jī)床的控制精度會(huì)越高。 （2） 矩角特性、最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩Mjma

13、x和啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Mq。電機(jī)的一個(gè)重要特性為矩角特性， 矩角特性反映電機(jī)失調(diào)角和靜態(tài)轉(zhuǎn)矩之間的變化關(guān)系。 （3） 啟動(dòng)頻率fq。啟動(dòng)頻率為步進(jìn)電機(jī)乂靜止到瞬間啟動(dòng)時(shí)， 在保證不丟步 的情況下步進(jìn)電機(jī)所能承受的最高頻率。如果啟動(dòng)的時(shí)候啟動(dòng)頻率不小于瞬跳頻率，電機(jī)就無 法保證正常的工作。在電機(jī)空載狀態(tài)啟動(dòng)時(shí)電機(jī)定子通斷狀態(tài)的頻率要小于該瞬跳頻率。 （4） 無間斷運(yùn)行時(shí)的最高頻率fmaxo最高頻率fmax是指步進(jìn)電機(jī)在持續(xù)工 作時(shí)在不發(fā)生丟步時(shí)所能接受的最高頻率，電機(jī)的速度的調(diào)整由最高頻率 fmax 決定。電機(jī)速度調(diào)整的特性是指在電機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)到啟動(dòng)狀態(tài)和電機(jī)由啟動(dòng)狀 態(tài)到靜止?fàn)顟B(tài)的過程中定子

14、繞組的通斷電狀態(tài)的頻率和實(shí)踐之間的關(guān)系。如果步進(jìn)電機(jī)的瞬跳 頻率小于啟動(dòng)頻率時(shí)，頻率的變化速度逐漸上升；當(dāng)大于啟動(dòng)頻率的工作頻率時(shí)，頻率的變化 速度逐漸下降。但逐漸上升和逐漸下降的加速時(shí)間和減速時(shí)間不太小，否則便會(huì)出現(xiàn)失步和超 步現(xiàn)象。這里我們用加速時(shí)間的常數(shù)Ta和減速的時(shí)間常數(shù)Td來描述步進(jìn)電機(jī)的升速和降速特 性，如圖 6所 示。 圖6加減速特性曲線機(jī)的最高轉(zhuǎn) 3.1.2.寫進(jìn)電機(jī)的選型計(jì)算 5 交流伺服的控制系統(tǒng)在許多性能方面都好于步進(jìn)電機(jī)。然而在部分要求不高的場(chǎng)合比如機(jī) 床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)通常用步進(jìn)電機(jī)來完成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。因此在機(jī)床控制系統(tǒng)使用設(shè)計(jì)過程中需要對(duì)控制 系統(tǒng)的要求、控制

15、系統(tǒng)的成本等各方面的因素進(jìn)行綜合的考慮從而選出性價(jià)比較高的控制電 機(jī)。 （1） 電機(jī)與絲杠是通過套筒聯(lián)軸器直接相連，傳動(dòng)比i=l,則步距角 360、i 360 0.01 i p 0. 9 / step T 6 （2） 移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 機(jī)床移動(dòng)部件的質(zhì)量等效到電機(jī)軸上轉(zhuǎn)動(dòng)的慣量 1806 180 匯 0.01 -2 2 2 J =（ p） W =（ ） 30 =12. 17kg cm not n x 0. 9 機(jī)床絲杠對(duì)軸線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式如下 J J m r2, S 2 代入數(shù)據(jù)得 m =0. 2367kg, d = 1. 6cm, 所以 J=1 6.

16、313 1.04 I.62 二o. 75N cm2 2 s 因此總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 J - J J =121. 7 0. 75 =122. 45 N cm, X I （3） 電機(jī)所需的轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 電機(jī)空載快速啟動(dòng)時(shí)所需力矩計(jì)算公式如下: 機(jī)床最大的切削負(fù)載所需力矩的計(jì)算公式如下: M =M M Mt f 0 機(jī)床快速進(jìn)給工作時(shí)所需的力矩計(jì)算公式如下： M =M M f 0 式-l-Ma^-步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)等效到電機(jī)軸上加速度力矩 廠步進(jìn)電機(jī)等效到電機(jī)軸上的摩擦力的矩 o-由電機(jī)絲杠的預(yù)緊引起的折算到電機(jī)軸的附加的摩擦力矩 ,廣機(jī)床工作時(shí)等效到步進(jìn)電機(jī)軸上的加速度的

17、力矩 廣機(jī)床正常工作時(shí)等效到電機(jī)軸上得到的切削力矩 電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nm.,x=500r/min — J n rmx Mamax 10 9. 6T “JL 122. 45x500 , c/ c - 10 = 25. 5N cm 9. 69025 V i 2000 1 n 1 T =500r /min 等效摩擦力的矩計(jì)算公式如下所示 M f 當(dāng)=0. 85, f=0. 15 時(shí)，M 0, 15 300 0,4 =3. 37N cm 2 3. 14 0. 85 1 M 堅(jiān) 8. 5 0.4 （］ _o 957）=o. 56N cm 2 3. 14 0. 85

18、1  M 匕L。 & or 6.37N cm 1 2 二 2 3. 14 0.85 1 因此機(jī)床空載情況下快速啟動(dòng)需要的力矩計(jì)算如下： M =M M虬代入數(shù)據(jù)得 nnax f M 二 25. 5 3. 37 0. 56 =29. 43N cm 機(jī)床最大的切削負(fù)載所需力矩代入數(shù)據(jù)如下： M 二 M M Mt =3. 37+0. 56+6. 37=10. 3 N cm f 0 機(jī)床快速進(jìn)給工作時(shí)所需的力矩代入數(shù)據(jù)計(jì)算如下 M =M M =3. 37+0. 56=3. 93 N cm f 0 顯然由上述計(jì)算得知：電機(jī)所需最大的力矩取在切削工作進(jìn)行時(shí)即 M “0.3Nc

19、m nax 為滿足工作要求，電機(jī)選用的工作方式為兩相四拍, 查表得M/m 0. 866 M -電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)所需力矩 q M -電動(dòng)機(jī)的靜載荷力矩 jm 湖3 =73. 6N cm 0.4 0.4 M 73. 6 M 如 q " 84.99N cm 10. 866 0. 866 步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大頻率為 V 2000 一 f JEU 60 0.01 3333. 3Hz 另外，為了防止在機(jī)床加工的過程中在某些地方需要停止時(shí)而產(chǎn)生的少量滑動(dòng)從而 影響零件的使用壽命和加工精度，電機(jī)需要具備在停機(jī)時(shí)自鎖功能，所以所選電機(jī)為混 合式步進(jìn)電機(jī)。另外，步進(jìn)電機(jī)的步距角

20、在理論上說是固定的，但實(shí)際上生產(chǎn)上還是有 誤差的。另外，負(fù)載轉(zhuǎn)矩也將會(huì)引起步進(jìn)電機(jī)的定位誤差。應(yīng)將步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距誤差、 負(fù)載引起的定位誤差和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的誤差都考慮在內(nèi)，使總的誤差小于數(shù)控機(jī)床允許的定 位誤差。 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為42BYG250B-SASS M由表查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn) 矩T =0. 43N m可見，滿足要求。 jfiax 3.2主軸設(shè)計(jì) 3. 2.1主軸設(shè)計(jì)分析 主軸的相關(guān)的組件構(gòu)成了機(jī)床的重要組成部分。主軸的重要組件一般由軸承、主軸、 固定件（如螺母）和傳動(dòng)件（齒輪、帶輪）等組成。機(jī)床在工作的時(shí)候，由主軸帶動(dòng)著 工件（車床）或者刀具直接參加工件表面的成型運(yùn)

21、動(dòng)。所以，主軸組件的好壞對(duì)機(jī)床生產(chǎn) 率和加工性能有著重要的影響。生產(chǎn)中對(duì)機(jī)床主軸的要求，有著與一般傳動(dòng)軸要求的相似 之處：都要保證在要求的轉(zhuǎn)速的情況F卜.傳遞要求的轉(zhuǎn)矩，保證軸承和軸上的傳動(dòng)件在正 常工作條件工作。但是在工作中主軸直接帶動(dòng)著刀具或工件進(jìn)行切削的，主軸組件很大程 度上決定著機(jī)床的加工精度。主軸受到刀具切削時(shí)所受到的切削力，在機(jī)床（含數(shù)控機(jī) 床）上轉(zhuǎn)速變化范圍又很大。因此，我們對(duì)主軸組件又有許多特殊要求。 為了提高剛度，主軸的直徑應(yīng)該略微大一些。前軸承到主軸前端的距離我們稱為懸 伸。懸伸房應(yīng)盡量小一些。為了利于裝配，主軸應(yīng)該制成階 1.3近年來國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀: 國(guó)內(nèi)：教學(xué)型

22、數(shù)控銃床作為高校機(jī)械類教學(xué)數(shù)控機(jī)床操作的實(shí)驗(yàn)與實(shí)訓(xùn)，已 經(jīng)在一些方面達(dá)到了一定水平?，F(xiàn)在，教學(xué)實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銃床能夠?qū)崿F(xiàn)三軸聯(lián)動(dòng)控制，具有直線插 補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、點(diǎn)動(dòng)運(yùn)行、 MDI運(yùn)行、自動(dòng)運(yùn)行、模擬運(yùn)行、程序 的動(dòng)態(tài)顯示、加工軌跡的動(dòng)態(tài)顯示等基本功能，采用 ISO規(guī)定的數(shù)控加工代碼編 程，同一臺(tái)計(jì)算機(jī)既是編程系統(tǒng)又是數(shù)控系統(tǒng)，可以完成從復(fù)雜型面的造型、自動(dòng)編程、加工模 擬仿真到數(shù)控實(shí)驗(yàn)、數(shù)控機(jī)床使用操作培訓(xùn)的全過程。教學(xué)實(shí)驗(yàn)型數(shù)控欽床是科研院所、高校、 尤其是高職學(xué)院理想的實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備。該微型數(shù)控飩床的研制和推廣，對(duì)于改變我國(guó)數(shù)控技術(shù) 人才的培養(yǎng)模式，降低培養(yǎng)成本、縮短培養(yǎng)周期，具有重大的

23、意義。但是，近幾年來隨著國(guó)內(nèi)外數(shù) 控技術(shù)的迅速發(fā)展，原來的數(shù)控統(tǒng)床在硬件和軟件方面都暴露出諸多缺點(diǎn)，該機(jī)床的重新設(shè)計(jì)、 改造也迫在眉睫。因此，為r更好的達(dá)到教學(xué)的目的，需要在原有機(jī)床的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造和升級(jí)。 國(guó)外：美、德、日三國(guó)是當(dāng)今世界上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用等方面技術(shù)最先 進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家。國(guó)外對(duì)于數(shù)控機(jī)床的研充要比較早，而且在各個(gè)方面都達(dá)到了先進(jìn)的水 平。從數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)至今的 60年，數(shù)控機(jī)床隨科技、 特別是微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步而不斷發(fā)展。目前，國(guó)外對(duì)數(shù)控機(jī)床的研究正朝著高速化、高 精度化、功能復(fù)合化、控制智能化、微型化等方面發(fā)展，產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)始終走在前

24、列。 當(dāng)前數(shù)控機(jī)床正向著高速高效、高精度、高可靠性、復(fù)合化、多軸化、智能 化、網(wǎng)結(jié)化、柔性化、綠色化的方向發(fā)展。 1.4數(shù)控鐵床加工的特點(diǎn)： 數(shù)控切削加工除了包含普通飩床加工優(yōu)點(diǎn)以外，還具有如下的特點(diǎn)： （0零件加工的范圍廣，能加工各種形狀復(fù)雜的零件并且靈活性好。 （2）能夠加工普通機(jī)床難以加工的零件、加工速度快。 （3 ）在零件一次裝夾后能加工零件的多道工序。 （4） 加工的零件精度高質(zhì)量穩(wěn)定性好。 （5） 自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)者的生產(chǎn)強(qiáng)度得以減少。 梯形。 材料的熱處理。軸的載荷相對(duì)來說不大，引起的應(yīng)力通常要求遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于桿強(qiáng)度極 限。因此，強(qiáng)度一般不是我們選材的依據(jù)。當(dāng)主

25、軸的尺寸和幾何形狀已經(jīng)確定，材料的 彈性模量決定著主軸的剛度。但各種各樣鋼材的彈性模量幾乎一樣。因此，剛度也不是 我們選材的依據(jù)。主軸的材料，主要應(yīng)該根據(jù)材料的熱處理后的變形、耐磨性選擇。普 通欽床的主軸，可用45號(hào)獲60號(hào)優(yōu)質(zhì)中碳鋼，調(diào)質(zhì)到220-252IIBS左右。對(duì)于教學(xué)型 數(shù)控銖床，不要求有太高的精度和加工難加工材料的剛度，因此主軸做成實(shí)階梯心軸， 材料45#,表面調(diào)質(zhì)處理。 軸結(jié)構(gòu)圖 3.2.2 主軸校核 主軸材料選用45鋼，調(diào)質(zhì)處理，° b=650MPa 口 s=360MPa P=0. 30 0. 98 0. 98 = 0. 29kw 3. 3. 1 軸受力：轉(zhuǎn)矩

26、 T=R 9. 55 106 =923. 17K mm n pl 銃削力T =a F銖削二5 F銖削二923. 17 2 所以F銖削=184. 6N 需用應(yīng)力值 用插入法查表得：t J = lOOMPa 0 t 60MPa 匕1 60 應(yīng)力校正系數(shù) ct= / =0.6 E l=10Q 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 :T =0.6 923. 17=553. 9N mm 當(dāng)量彎矩 M = , M 2 (: T) 2 i i m , 927. 17 軸徑 d I i =5.35mm 1 =2.0. 1J 0. 1 60 cl 10mm 此飩削力滿足工件加工要求

27、 3. 3主軸軸承的選擇 對(duì)于教學(xué)實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銖床的主軸，主軸構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，主軸所受的力相對(duì)較小，精 度和剛度也不是太高。因此，對(duì)于主軸軸承的要求也相對(duì)比較寬松，乂由于數(shù)控銳床主 要載荷為軸向力，所受的徑向力可以忽略。 又因?yàn)樯顪锨蜉S承主要承受徑向載荷，也可同時(shí)承受少量雙向軸向載荷, 工作的時(shí)候內(nèi)外圈軸線允許偏斜8， 16，。摩擦阻力小，極限轉(zhuǎn)速高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格 便宜，應(yīng)用最廣泛。又此種軸承一般不能調(diào)整，常用于精度要求和剛度要求不太高的地 方。 根據(jù)以上分析，主軸軸承可選用深溝球軸承就可以滿足設(shè)計(jì)的要求。由于實(shí)驗(yàn)型數(shù) 控銖床的主軸比較細(xì)，所選的軸承的型號(hào)也相對(duì)較小，所選深溝球軸

28、承型號(hào)為16002, 其基本尺寸參數(shù)如下d=15mm, D=32mm, B=8m基本額定載 荷Cr=5. 9kN,基本額定載荷 C0r=2. 85kN,極限轉(zhuǎn)速脂潤(rùn)滑：20000r/min,極限轉(zhuǎn)速油潤(rùn)滑：30000 r/min °其 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖及承載方向如下圖所示： 實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銃床所受栽荷 采用上述型號(hào)的軸承完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求 3. 4滾珠絲杠的選擇 341滾珠絲杠傳動(dòng)的特點(diǎn) 滾珠絲杠螺母副（以下簡(jiǎn)稱滾珠絲杠副）是一種能讓直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 相互轉(zhuǎn)化 的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它在數(shù)控貌床中已經(jīng)得到了非常高的應(yīng)用。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為在有螺旋槽的絲杠 螺母間裝著滾珠，使螺母和絲杠之間的運(yùn)動(dòng)變?yōu)闈L動(dòng)，因

29、而能減小摩擦力。在數(shù)控機(jī)床 的傳動(dòng)中，經(jīng)常用于代替滑動(dòng)絲杠，以提高傳動(dòng)過程的精度。 絲杠螺母副的特點(diǎn)： 1） 在用很小的扭轉(zhuǎn)力矩轉(zhuǎn)動(dòng)滾珠統(tǒng)杠（或幺幺杠螺母），可使絲杠螺母（或滾珠 絲杠）獲得很大的軸向力。 2） 可以得到很大的降速比，使的降速機(jī)構(gòu)大大的簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈能夠縮短。 3） 能夠得到很大的傳動(dòng)精度。在作為進(jìn)給機(jī)構(gòu)的時(shí)候，還可以作為測(cè)量元件來使 用，能夠在刻度盤上得到直線位移尺寸，精確值能夠達(dá)到 0. 0001 mm 4） 傳遞的效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率為0.92~0.94,而一般常規(guī) 絲杠螺母副傳動(dòng)效率為0.20'0.40。因此滾珠統(tǒng)杠的傳動(dòng)效率比常規(guī)絲杠傳動(dòng)

30、效率提升 了 3~4倍。因此功率損耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的 1/3~1/4 ? 5） 給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除螺母螺紋和絲杠之間的間隙，這樣反向時(shí)就可以沒 有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。 6） 沒有爬行現(xiàn)象，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，傳動(dòng)的精度很高。滾珠絲杠上受到的大多是滾動(dòng) 摩擦力，摩擦阻力較小，這樣受到的摩擦阻力幾乎和運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)速度完全沒有關(guān)系， 這樣我們就能夠保證物運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠受到的基本上為滾動(dòng)摩擦，這 樣和一般絲杠螺母副相比不容易有爬行現(xiàn)象，故其傳動(dòng)的精度高。 7） 有可逆性強(qiáng)，因?yàn)闈L珠絲杠的摩擦系數(shù)較小，可以從直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng)，也可

31、以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠和絲杠螺母都可以作為主動(dòng)件和從動(dòng) 件。 8）制造的工藝復(fù)雜性很高，絲杠螺母和滾珠絲杠等的元件要求加工精度高, 光潔度也要很高，因此它的制作制成本會(huì)很高。比如滾珠稅杠和絲杠螺母上的螺旋槽之 間滾道，其表面一般都要磨削成型。 9）不能夠自鎖，尤其垂直方向的稅杠，由于存在自重慣性力的，當(dāng)下降時(shí)候傳動(dòng) 被切斷以后，不能夠立刻停止其運(yùn)動(dòng)，故需要常常添加制動(dòng)的裝置。 為了保證滾珠統(tǒng)杠螺母副的軸向剛度和反向旋轉(zhuǎn)精度，我們必須消除其間隙，通常 我們采用雙螺母預(yù)緊的方法消除軸向間隙。其原理是通過使兩螺母產(chǎn)生軸向位移的方法 來消除他們之間間隙并且施加預(yù)緊力。常用的方法有墊

32、片調(diào)整間隙法、齒差調(diào)整間隙法 和螺紋調(diào)整間隙法。 在設(shè)計(jì)滾珠稅杠的時(shí)候，首先我們要確定它的螺距、名義直徑及滾珠直徑等。在確 定絲杠的上述參數(shù)的時(shí)候，我們經(jīng)常采用的方法是，在防止其疲勞點(diǎn)蝕的情況下，也就 是說滾性絲杠在工作過程中受到軸向負(fù)載的時(shí)候，在滾道型面和滾珠間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。 在這種交變接觸應(yīng)力下，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就會(huì)要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲 勞剝傷，從而使?jié)L珠副喪失其工作的性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。 342豎直方向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 1.初定參數(shù)：系統(tǒng)為開環(huán)，電機(jī)與絲杠直接由聯(lián)軸器連接，傳動(dòng)比 i=l，工 作臺(tái)快進(jìn)速度要求達(dá)到Vmax=2m/min0取電機(jī)最高

33、轉(zhuǎn)速nraax=500r/min,則絲杠最高轉(zhuǎn) 速為500 r/min,絲杠基本導(dǎo)程。 1.絲杠的基本導(dǎo)程計(jì)算如下： 1°°° L 10002 =4mm/r T = 500 對(duì)于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)電機(jī)，直線脈沖當(dāng)量r小意味著加工精度相對(duì)較高，但是直 線脈沖當(dāng)量選的越小數(shù)控系統(tǒng)就越復(fù)雜。一般機(jī)床的加工精度在之 0. 002-0. 1mm 間，直線脈沖當(dāng)量取0. Olmm/step. 3.滾珠絲杠設(shè)計(jì)的計(jì)算 動(dòng)載荷C的計(jì)算公式如下所示： r ' Lh x fa P c —Fm 其中f2 一絲杠的載荷穩(wěn)定性的系數(shù)，取為1.0, fi 一絲杠精度的系數(shù)， 取為1.2, F 一絲杠正常工

34、作時(shí)的最大等效負(fù)載 n L—額定使用的壽命， 工作負(fù)載F指的是數(shù)控機(jī)床正常運(yùn)行時(shí)，作用在絲杠上帶動(dòng)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)軸 向壓力，它可通過進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算： F 二 kF f (F 2F G) ni x z y F 一軸向切削力 X F，一背向切削力 F/—切削力 G-移動(dòng)的部件的重力 「一導(dǎo)軌之間接觸的動(dòng)摩擦系數(shù) k一顛復(fù)力矩對(duì)運(yùn)動(dòng)影響實(shí)驗(yàn)系數(shù) 選用燕尾型導(dǎo)軌 查表得 k=l. 4, f =0. 03 在銖削過程中，F(xiàn) =302. 9N, F 0, z x= F =0. 4 F =0.4 302.9 =121. 16N, G=300N X z

35、將以上數(shù)據(jù)帶入到公式中得 F =1.4 0 0. 03 (302. 9 2 121. 16 300)25. 36N n 而額定使用的壽命計(jì)算公式如下所示 60 n T 10 式中n一滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速(r/min) T—使用壽命(小時(shí)) 對(duì)于數(shù)控機(jī)床，通常取n=1250 r/min, T=20000h, 60 1250 20000 代入以上數(shù)據(jù)得 L 150 0 h 6 10 因此將以上數(shù)據(jù)代入公式得C =3 1500 1.0 25. 36 -653. 28N V 1.3 查表初步選用的型號(hào)為N系列1404-3, 3列即額定動(dòng)載荷Q=4212N較為合適，這 種絲杠內(nèi)循環(huán)

36、單螺母的滾珠絲杠副。 4預(yù)緊力計(jì)算 在絲杠副上施加上軸向壓力之后，軸向剛度與傳動(dòng)精度可以的到一定程度的改善， 然而絲杠副預(yù)緊力不應(yīng)該太大，太大影響到絲杠副使用壽命。因此在設(shè)計(jì)時(shí)要在滿足絲 杠副正常工作所需的壽命和精度的要求下合理選擇預(yù)緊力的數(shù)值。 由經(jīng)驗(yàn)可知，在絲杠螺母正常情況下預(yù)緊滾珠絲杠副，為了保證螺母和絲 杠配合緊密，不會(huì)出現(xiàn)間隙，應(yīng)該令預(yù)緊力近似的等于最大軸向力的 1/3左右。 載荷過小，難以保證無間隙的傳動(dòng)；載荷過大，降低傳動(dòng)副的效率和傳動(dòng)副的承載能 力。 預(yù)緊力： I】，. F-li ma-r25, 3 8. （3）校核 ① 效率計(jì)算： 從《機(jī)械原理》中得知，滾珠

37、絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 =tg] /tgC ） 式中：-一螺紋升角： R I o 二 arctg arctg 4.67 兀D 14兀 螺紋與螺母間摩擦角; 絲杠副滾動(dòng)摩擦的系數(shù)f =0. 00廠0. 005, 所以摩擦角tan, = 0. 004,進(jìn)而求得，=0. 17 tg4. 67 代入上述數(shù)據(jù)得滾珠絲杠效率為 = 0. 956 tg(4. 67 ② 滾珠絲杠螺母副剛度驗(yàn)算 滾珠稅杠在數(shù)控機(jī)床中屬于精密傳動(dòng)的元件，它在外加載荷的作用下，會(huì) 發(fā)生長(zhǎng)度的變化比如長(zhǎng)度伸長(zhǎng)或長(zhǎng)度縮短，在外加扭矩 T作用下，絲杠副會(huì)發(fā) 生扭轉(zhuǎn)變形，因此滾珠絲杠副的螺距會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而影

38、響它的傳動(dòng)與定位精 度，所以滾珠絲.杠應(yīng)校核最大載荷時(shí)變形量。 從《材料力學(xué)》課本中查得，設(shè)滾珠絲杠副在軸向載荷 P作用下引起的一 個(gè)螺距t變化量為強(qiáng)「它的計(jì)算公式如下所示： 其中：P一軸向工作載荷； t 一滾珠絲杠的螺距； E一彈性模量，對(duì)碳鋼而言(E=196X 10))； A一滾珠絲杠橫截面的面積(由內(nèi)徑確定)； 302. 9 4 4 =1.96 lOjimm 196 10 314 16 " 滾珠稅杠副在扭矩T作用下產(chǎn)生的-個(gè)螺距變化量 ..: t/計(jì)算公式如下所示: .t* t2 (in) 2兀 其中'為在扭矩T作用下，滾珠絲杠副上每一螺距兩截面上的相對(duì)

39、的扭轉(zhuǎn) 角度得大??； 1?其中，T一扭矩(Nmm), GJe Pt 302.9"4 M 201.81Nmm 2 刖 2 匯 3. 14，尺 0. 956 G—材料的切變的模量，對(duì)鋼而言， G=80 GPa I p一滾珠絲杠的橫截面對(duì)軸極慣性矩I己二山/32 （其中d一滾珠絲杠副的內(nèi)徑） 二 >14 =3769. 57mm Mt 201.81 4 = 2. 68 10 6 g/ 80 1 0：<3 7 69. 57 =1.71 X 10 mm （顯然變形量忽略不計(jì) :2 3. 14 如果滾珠絲杠副的長(zhǎng)度為1040mm,則在整體工作的長(zhǎng)度上螺距的變形總的 誤差為：

40、 △二皿? ￡ = 6. 4 10 ~9cm/m 6 查表得絲杠副允許誤差A(yù)=15 im/m,因此滾珠絲杠副滿足剛度要求。 ③ 滾珠稅桿受壓穩(wěn)定性驗(yàn)算 該絲杠是一種受軸向載荷的壓桿，一旦軸向載荷過大，絲杠就會(huì)失去穩(wěn)定性 而產(chǎn)生壓彎。機(jī)床上常用的進(jìn)給絲杠為長(zhǎng)柱形。設(shè)長(zhǎng)柱桿受壓失穩(wěn)時(shí)臨界載荷為 %由《材料力學(xué)》課本中歐拉公式如下所示： 2EI 兀 Fk 2(巧 (Ul) 2 E一絲杠副材料的彈性模量，對(duì)鋼而言E=2. 1 X 10.5 N / mm2； 4 4 一] 6 I一絲杠橫截面的慣性矩，I二主，6 一 2 ") 3215. 36 mm.； 64 64 1—絲杠工

41、作的長(zhǎng)度，I=150mni； u一絲杠副軸端的系數(shù)，此設(shè)計(jì)運(yùn)用兩端的向心軸承， u=l 口 一 么 1 10s 3215. 36 5 卜k 一 2 = 1.41 16 N (1 150) 臨界壓力F與工作壓力P之比成為穩(wěn)定安全因數(shù)n ,如果穩(wěn)定安全因數(shù)n大于許 St st 用穩(wěn)定安全系數(shù)nj,則該壓桿滿足穩(wěn)定性要求。 E 1 41 乂 10$ nst=「…' =465.5 7.7?[ n *】=4,顯然滾珠絲杠滿足穩(wěn)定性要求。 P 302. 9 對(duì)于水平方向進(jìn)給，由于移動(dòng)的部件重量及其所受力都比褒直方向小，為了簡(jiǎn)化設(shè) 計(jì)部件的數(shù)量，使機(jī)床更加方便拆換，這些方向可選用與豎直方

42、向相同型號(hào)絲杠、電機(jī) 和軸承及其他零件。 343滾珠絲杠螺母副與步進(jìn)電機(jī)的連接形式 滾珠絲杠螺母副與步進(jìn)電機(jī)的連接有以下幾種形式： 1) 與電動(dòng)機(jī)直接連接 2) 通過齒輪連接 （6）生產(chǎn)效率高。 1.5設(shè)計(jì)方案的可行性分析: 3）通過同步齒形帶連接 無論通過何種連接形式，都應(yīng)消除連接間隙，減小連接件間的同軸度誤差，以提高 傳動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度。 實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銖床由于體積小、結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)傳動(dòng)精度和傳動(dòng)剛度的要求相對(duì)較 低。在本次設(shè)計(jì)中滾珠絲杠螺母副與步進(jìn)電機(jī)的連接采用滾珠絲杠與電動(dòng)機(jī)直接連接的 形式。這種形式相對(duì)簡(jiǎn)單，即直?接通過套筒聯(lián)軸器將滾珠絲杠和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)連接起來。 電

43、機(jī)輸出軸和滾珠絲杠端部的直徑都相對(duì)較小，考慮到實(shí)驗(yàn)型數(shù)控錠床的傳動(dòng)載荷 不是太大。因此，采用將電機(jī)輸出軸和滾珠絲杠通過打銷錐連接在一起。 3. 5聯(lián)軸器的選擇 聯(lián)軸器是連接不同部件的兩根軸使其共同轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械部件。聯(lián)軸器可分為剛性聯(lián)軸 器和撓性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器在工作和裝配時(shí)要求嚴(yán)格對(duì)中；撓性聯(lián)軸器能補(bǔ)償兩軸間 的軸向位移。 對(duì)于本機(jī)床主軸與電機(jī)的連接，由于電機(jī)伸出軸帶有鍵，因此聯(lián)軸器采用簡(jiǎn)化的帶 鍵槽的套筒聯(lián)軸器，鍵的標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)電機(jī)伸出軸的鍵來確定。需注意的是電機(jī)伸出軸與聯(lián) 軸器應(yīng)是間隙配合或是預(yù)留間隙，以保證電機(jī)不受到主軸軸向力的作用。而主軸與聯(lián)軸 器為過盈配合，便于電機(jī)安裝。 因主軸

44、需傳遞轉(zhuǎn)矩，而電機(jī)伸出軸由鍵連接，所以采用普通平鍵來傳遞轉(zhuǎn) 矩。主軸與電機(jī)由聯(lián)軸器直接相連。 3.6導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)和選擇 導(dǎo)軌是相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件在運(yùn)動(dòng)的接觸而上構(gòu)成的?對(duì)滑動(dòng)副，主要是由機(jī)床的支撐部 件（床身，立柱，橫梁）和運(yùn)動(dòng)部件（主軸箱，刀架）匹配而成。導(dǎo)軌是機(jī)床的重要部 件之一，它在很大程度上決定機(jī)床的剛度，精度與精度的保持性。 3. 6. 1導(dǎo)軌的作用和設(shè)計(jì)要求 當(dāng)沿著承導(dǎo)件作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，此時(shí)導(dǎo)軌起導(dǎo)向和支承的作用，也就是說保證運(yùn)動(dòng)件 在受到外力的時(shí)候仍能沿給定直線運(yùn)動(dòng)并且支撐執(zhí)行件。導(dǎo)軌應(yīng)具備一下特性： 1） 具有一定的導(dǎo)向精度。所謂的導(dǎo)向精度指執(zhí)行件能否沿著導(dǎo)軌作直線運(yùn)動(dòng)和 與

45、相關(guān)基面間的準(zhǔn)確的相互位置關(guān)系。 2） 運(yùn)動(dòng)的輕便平穩(wěn)性。在工作的時(shí)侯保證輕便省力和速度的均勻，低速運(yùn)動(dòng)時(shí) 應(yīng)保證無爬行的現(xiàn)象。 3） 具備一定的耐磨性。所謂的導(dǎo)軌耐摩性指導(dǎo)軌在長(zhǎng)期使用時(shí)，仍然能保證具 有適當(dāng)?shù)木取Ｔ谑褂脤?dǎo)軌過程中不可避免的磨損，但要保證使磨損量較小，并且在磨 損后要能自動(dòng)的修補(bǔ)和調(diào)試。 4）要有一定的剛度。運(yùn)動(dòng)件所受到的外力施加于導(dǎo)軌上，因此導(dǎo)軌必須保證要有足夠剛 度。所以常用加大導(dǎo)軌面得寬度的方法降低導(dǎo)軌面的比壓；用添加輔助導(dǎo)軌的方法增加 外載的承受能力。 5） 對(duì)溫度變化的適應(yīng)強(qiáng)。確保導(dǎo)軌在溫度變化的情況下仍能正常工作。 6） 結(jié)構(gòu)的工藝性要好。在滿足其它要

46、求的情況下，保證導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，利于加 工、裝配和調(diào)試確保經(jīng)濟(jì)合理。 不同設(shè)備的導(dǎo)軌，必須作具體分析，對(duì)其提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。必須指出，上述六 點(diǎn)要求是相互影響的。 362導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 在對(duì)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾方面內(nèi)容： 1） 不同的工作條件選擇不同的導(dǎo)軌類型。 2） 根據(jù)實(shí)際情況在保證導(dǎo)向精度的前提下選擇不同導(dǎo)軌的形狀。 3） 確保在不同的溫度和載荷下有良好的耐磨性和足夠的剛度的前提下選擇 適合的導(dǎo) 軌結(jié)構(gòu)和尺寸，以使運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)和輕便。 4） 選擇導(dǎo)軌的調(diào)整和補(bǔ)償裝置，確保經(jīng)過長(zhǎng)期使用仍能保證需要的導(dǎo)向精度。 5） 選擇合理的潤(rùn)滑和防護(hù)裝置，確保導(dǎo)軌有良好的工作環(huán)境以便

47、減少的導(dǎo)軌磨損。 6）制訂?些導(dǎo)軌的技術(shù)條件，如選擇熱處理方法、適當(dāng)?shù)牟牧稀⒕庸し椒ê蜏y(cè)量 的方法等。 3. 6. 3導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 導(dǎo)軌的基本形式如下表所示。 1）三角形導(dǎo)軌：此導(dǎo)軌的導(dǎo)向性好并且磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償，精度保持性也較好，但他的 當(dāng)量摩擦系數(shù)較高，因而承載能力較低。 2） 矩形導(dǎo)軌：此導(dǎo)軌的當(dāng)量摩擦系數(shù)較低，剛度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性較好， 便于加工。但此導(dǎo)軌的無法自動(dòng)補(bǔ)償需設(shè)置間隙調(diào)整裝置。 3） 燕尾形導(dǎo)軌：此導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)緊湊但磨損后也無法自動(dòng)補(bǔ)償需設(shè)置間隙補(bǔ)償裝 置，適合于結(jié)構(gòu)緊湊受力小的地方。 4） 圓形導(dǎo)軌：此導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單制造方便，磨損后不能間隙補(bǔ)償。

48、適合于承受軸 向力的場(chǎng)合。 銃床上的直線運(yùn)動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)都是沿著它的床身、立柱、橫梁等支承件上的導(dǎo)軌進(jìn) 行的，導(dǎo)軌的作用概括地說是對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起導(dǎo)向和支承作用。在導(dǎo)軌副（如工作臺(tái)和床 身導(dǎo)軌）中，運(yùn)動(dòng)的另一方（如工作臺(tái)導(dǎo)軌）叫作動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的另一方（如床身導(dǎo)軌） 叫做支承導(dǎo)軌。 本次教學(xué)實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銃床的設(shè)計(jì)中由于銃床受力小導(dǎo)軌主要承受軸向 力，因而選用的導(dǎo)軌形式是圓柱形導(dǎo)軌。 圓柱形導(dǎo)軌產(chǎn)品的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)就是其圓形板可在端部支撐軸，實(shí)現(xiàn)橫跨相當(dāng)于軸 直徑的12 24倍的間隙的圓形直線軸承設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)軸完全通過固定軸的兩端進(jìn)行組建。 無論兩點(diǎn)之間的機(jī)器表面處于何種情況，無論是否只有一個(gè)點(diǎn)，該裝置

49、的精密性都不會(huì) 受到影響，僅僅取決于端部支撐裝置的準(zhǔn)確度。此夕卜，如果要通過直線導(dǎo)軌對(duì)中一套絲 杠傳動(dòng)系統(tǒng)，只需在一個(gè)板上打三個(gè)孔，即以兩個(gè)圓柱形導(dǎo)軌和絲杠軸承的支撐為基準(zhǔn)， 這是最容易做到的方法。通過這一設(shè)計(jì)，在裝配過程中無需調(diào)節(jié)。鑒于微型數(shù)控銃床的 特點(diǎn)，初步選擇滑動(dòng)導(dǎo)軌，主要是因?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工藝性好，便于保證精度剛度，在 低速均勻性及定位精度要求不高的機(jī)床中得到廣泛應(yīng)用。我們采用圓柱形導(dǎo)軌，圓柱形 導(dǎo)軌制作簡(jiǎn)單，內(nèi)孔可研磨，與磨削后的外圓可以精密配合。導(dǎo)軌的材料選擇高 碳合金鋼GCrl5.導(dǎo)軌的軸徑選擇15mm 安裝圓柱形導(dǎo)軌時(shí)最后需要考慮的是安裝在軸上的非滾珠型聚合物襯套?？刹捎眠m

50、 用于鋁或其他基底的高性能軸承級(jí)材料，以提供良好的載荷能力（相當(dāng)于滾珠襯套載荷 能力的20%）和一個(gè)在0. 05到0. 25范圍內(nèi)的較低摩擦系數(shù)在實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銃床的設(shè)計(jì)中, 采用的襯套為銅套，襯套軸承可在具有能夠損傷密封嚴(yán)實(shí)的滾珠襯套的微粒的惡劣環(huán)境 中平穩(wěn)運(yùn)行，也可在受到?jīng)_擊載荷損傷的滾珠軸承系統(tǒng)下正常工作。另一方面，滾 珠循環(huán)噪聲可能會(huì)成為滾珠襯套或方形導(dǎo)軌軸承中的一個(gè)問題，但對(duì)于上述襯套軸承卻 基本上不是問題。由于接觸面分布在一個(gè)較大的區(qū)域中，無需配有滾珠襯套的硬化鋼軸。 第四章總結(jié)與展望 通過對(duì)該教學(xué)實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銖床的方案的擬定、分析，到最后的相關(guān)計(jì)算和設(shè)計(jì)， 都達(dá)到了預(yù)期的效果。一方

51、面，其功能完善、結(jié)構(gòu)開放，具有與一般生產(chǎn)實(shí)用型數(shù)控 飩床一樣的工作原理和工作性能：另一方面，要求其體積小、價(jià)格低，以利于此類實(shí) 驗(yàn)型鐵床的普及推廣，來滿足高校和高職學(xué)院教學(xué)實(shí)驗(yàn)的要求。 這次設(shè)計(jì)我首先論證了教學(xué)實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銖床在高校教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的重要地位及其應(yīng) 用狀況。然后，我們進(jìn)行了總體的設(shè)計(jì)，論證了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，從而在大局上能 有一個(gè)把握。接著，我們通過比較分析各種設(shè)計(jì)方案，依據(jù)合理性、經(jīng)濟(jì)性的設(shè)計(jì)指 導(dǎo)思想，設(shè)計(jì)了沿X軸、Y軸兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的型式結(jié)構(gòu)。采用了在生產(chǎn)中已經(jīng)非常專業(yè) 化的宜.線導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)等部件，并且進(jìn)行了初步的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)過程中，我們能更加 清楚的了解到各個(gè)部分之間的相互關(guān)系

52、，并對(duì)一些機(jī)械部件進(jìn)行了更深入的了解。 另外，這次設(shè)計(jì)任務(wù)較多，時(shí)間又比較短，而且也是初次涉及一項(xiàng)產(chǎn)品的嚴(yán)格、 系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)。加上我們?nèi)狈ο嚓P(guān)的經(jīng)驗(yàn)，有許多問題剛開始沒有考慮到?，F(xiàn)在我就 把設(shè)計(jì)中遇到的幾個(gè)問題作一個(gè)簡(jiǎn)單的分析總結(jié)。 首先，是一個(gè)尺寸問題，我們從沒有做過產(chǎn)品設(shè)計(jì)，唯一對(duì)制造類產(chǎn)品的感性 認(rèn)識(shí)只是在實(shí)習(xí)的時(shí)候看到的。因?yàn)闆]有受過嚴(yán)格的訓(xùn)練，對(duì)尺寸不太敏感。在設(shè)計(jì) 的時(shí)候，每一個(gè)零件的參數(shù)，尺寸如果要做到盡善盡美，只有-?個(gè)可能就是每一個(gè)零 件小到-?個(gè)螺稅釘都要進(jìn)行嚴(yán)格的演算，查資料。而這個(gè)可能幾乎不可能的。其次， 我們?cè)O(shè)計(jì)的零件所取得經(jīng)驗(yàn)參數(shù)與指導(dǎo)老師的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)相差甚遠(yuǎn)，這

53、個(gè)方面是我們一 大欠缺。這說明我們?cè)趯?shí)踐環(huán)節(jié)上還是一個(gè)弱點(diǎn)，我們要加強(qiáng)這方面的訓(xùn)練。 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，加深了我對(duì)數(shù)控銳床的認(rèn)識(shí)，讓我認(rèn)識(shí)到自己的理論基礎(chǔ)和 實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)不足，因此本次設(shè)計(jì)有不少的不足之處，在以后的工作和學(xué)習(xí)中，我一定吸 取此次的經(jīng)驗(yàn)。 所設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)數(shù)控銖床，三個(gè)坐標(biāo)方向的移動(dòng)均由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，主軸電機(jī)采用交流電 機(jī)，所有電機(jī)均由電腦數(shù)控裝置進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)主要對(duì)數(shù)控洗床的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要有以下 幾個(gè)方面：X、Y,Z工作臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是滾珠絲杠的運(yùn)用；機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主 軸傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，多種方案比較了解優(yōu)缺點(diǎn)，擇優(yōu)選取 本課題原理 可靠，具體方案為用套筒式聯(lián)軸器

54、連接步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠，對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行一端（兩端）支 撐，采用圓形導(dǎo)軌，實(shí)現(xiàn)X、丫、Z軸的運(yùn)動(dòng)，，這種設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，所需要的儀器 設(shè)備、材料都較常用，成本較低。有足以保證該項(xiàng)目完成的科研能力和充分的研發(fā)時(shí)間，和相 關(guān)軟硬件的配合支持。 3預(yù)期目標(biāo)： 1. 運(yùn)動(dòng)功能的設(shè)計(jì)。確定X、丫、Z三坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)形式（直線運(yùn)動(dòng)，回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、功能（主 運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和其他運(yùn)動(dòng)）和步進(jìn)電機(jī)、主軸電機(jī)和滾珠絲杠、軸承、導(dǎo)軌的選 取。 2. 基本參數(shù)的設(shè)計(jì)。包括整體尺寸參數(shù)、零件尺寸參數(shù)（床身、底座、立柱、工作臺(tái)、主 軸、夾具），運(yùn)動(dòng)參數(shù)，動(dòng)力參數(shù)的設(shè)計(jì)。 3. 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。包括傳動(dòng)方式、傳動(dòng)原

55、理圖和傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 4. 總體結(jié)構(gòu)布局的設(shè)計(jì)。包括總體布局結(jié)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)布局方案圖的設(shè)計(jì) 第二章教學(xué)型數(shù)控銖床設(shè)計(jì)方案 2. 1數(shù)控鐵床組成和總體布局 2. 1. 1數(shù)控銃床的組成 數(shù)控機(jī)床的種類繁多， 但從組成一臺(tái)完整的數(shù)控機(jī)床上講， 它由控制 介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體以及輔助設(shè)備組成。 （1） 主軸箱包括主軸箱體和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，主 軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對(duì)加工有直接的影響。 （2） 進(jìn)給伺服系統(tǒng)由進(jìn)給電機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度 實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 （3） 控制系統(tǒng)數(shù)控靴

56、床運(yùn)動(dòng)控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機(jī)床進(jìn)行加 工。 （4） 輔助裝置 如液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。 （5） 機(jī)床基礎(chǔ)件通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。 2. 1.2數(shù)控銳床的常用布局 數(shù)控飩床的常用布局形式有臥式鐵床和立式飩床。為了減少微型銖床占用空間，減少 機(jī)床整體尺寸，并考慮應(yīng)用的廣泛性以及所做項(xiàng)目的實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)銖床采用的布局形式 為立式洗床形式，工作臺(tái) X、丫軸相互 疊加的十字結(jié)構(gòu)，主軸在 Z軸方向上移動(dòng)，床身導(dǎo)軌水平放置，這樣布局 不僅有利于減少占地面積?？傮w機(jī)床外型尺寸長(zhǎng)為 320mm,寬為220mm, 高為400mm,

57、工作臺(tái)寬180inm,長(zhǎng)180mm。 2. 2教學(xué)型數(shù)控銖床總體傳動(dòng)方案的設(shè)計(jì) 本機(jī)床可以實(shí)現(xiàn)X軸、丫軸和Z軸三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)， 采用套筒聯(lián)軸器連 接步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠，對(duì)滾珠絲杠采用一端支撐，采用圓形導(dǎo)軌，通過 步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)，后通過絲杠螺母將絲杠的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸 X和丫 的水平直線運(yùn)動(dòng)和z軸的上卜移動(dòng)。 教學(xué)型數(shù)控銃床大致飛維圖 教學(xué)型數(shù)控銃床大致二維圖 由于所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)型數(shù)控銖床不同于一般實(shí)用加工型數(shù)控疑床，它主要用來教學(xué)實(shí)驗(yàn), 加工材料主要是石蠟或塑料，機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)中沒有針對(duì)此種材料列出欽削力的計(jì)算公式，即 使套用軟的材料來估算銖削力，也難免引起大的誤差。

58、因此，不能完全按照以前的設(shè)計(jì)計(jì)算 方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)，必須綜合考慮各個(gè)方面的因素和在教學(xué)中的實(shí)際情況，力爭(zhēng)做到最優(yōu)化的 設(shè)計(jì)。接下來一章就來介紹實(shí)驗(yàn)型數(shù)控飩床機(jī)械部分的主要設(shè)計(jì)過程。 第三章機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3. 1電機(jī)的選取 3. 1. 1主電機(jī)的選取 3. 1. 1. 1銖削力的計(jì)算 長(zhǎng)期以來人們已經(jīng)對(duì)欽削加工時(shí)的銖削力有了廣泛深入的研究。但人們對(duì)欽削力的研究 只是針對(duì)特定特定加工條件下的特定工件，沒有一套應(yīng)用于各種場(chǎng)合的銖削力計(jì)算公式?，F(xiàn) 實(shí)生活中人們?cè)O(shè)計(jì)的數(shù)控的通用機(jī)床希望應(yīng)用性強(qiáng)，能滿足各種加工要求，能應(yīng)用于大多數(shù)場(chǎng) 合。因此，在對(duì)切削力的計(jì)算上，不能不考慮實(shí)際情況而用一些依靠純理

59、論推倒的公式和理 論。但是，此次設(shè)計(jì)我們可以用切削力的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式，因?yàn)榍邢髁Φ慕?jīng)驗(yàn)計(jì)算公式是人們 在現(xiàn)實(shí)生活中積累的，可以滿足現(xiàn)實(shí)生活中大多數(shù)機(jī)床的切削力計(jì)算，具有很強(qiáng)的實(shí)用性。 因此，對(duì)于本次設(shè)計(jì)切削力的計(jì)算可采用經(jīng)驗(yàn)公式，切削力可分解為三個(gè)分力：Z向的主 戒削力F以及X、丫 Z 向的銖削分力F、F” X 現(xiàn)假設(shè)刀具材料為高速鋼，工作材料為鋁 （門FOOMP）。 Q Z軸銃削工作時(shí)銖削力的計(jì)算： 最大銳削直徑d.ax=10mm,最小直徑dmin = 5mm。 由《實(shí)用機(jī)床手冊(cè)》得： 說削功率P F V n 4- 6勺0 鐵削力 F 642a a 072a o.sed

60、 ?jZK p f v o"~ FZ 銳削力修正系數(shù)Mr 高速鋼銖刀ro=15,前角系數(shù)K|；z =0. 93 主偏角 k =75 Kkh. =1.0 因此匕 K1；z =1 0. 93 1.0 匚打一工件材料的抗拉強(qiáng)度； 氣一銃削深度; a,—每齒進(jìn)給量； a —銖削寬度； d 一銖削直徑； O z一說刀齒數(shù)， 現(xiàn)取 ar =0.05mm/Z a =4mm Z=2 d。=10mm a =5mm p V n=400r/mi n , 0.72 0.86 0.86 F =642X 4X 0. 05 x 5 X 10 - X 2X 0. 9255=302. 9N

61、7. V =心 n/1000 =3. 14X 10X400/1000=12. 56m/min P =302. 9X 12.56/60000=85. 32W m 6漢10 3, 1, 1,2主電機(jī)的選擇 選主軸電機(jī)時(shí)按錠削計(jì)算。 因?yàn)殂|削時(shí)最大的銃削力為： 0.72 0.86 0.86 F =642X 4X 0. 05 X 5 X 5 X 2X 0. 9255二549. 86N z V ?do n/1000 =3. 14X 5X 1500/1000=23. 55m/min P =549. 86X 23.55/60000=0. 215kW 6 漢 10i 主軸功率 P=

62、 P /O. 88 =0. 25/0. 88=0. 244kW m 所以選電動(dòng)機(jī)為P=300W,型號(hào)：57BL-3030H1-LS-B n 3.1-2 步進(jìn)電機(jī)的種類、結(jié)構(gòu)、工作原理及選型計(jì)算 步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是典型的開環(huán)控制系統(tǒng)。在此伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí) 行元件。而步進(jìn)電機(jī)受膽動(dòng)控制系統(tǒng)控制，驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)通過控制 步進(jìn)電機(jī)電極的通電順序 和脈沖頻率，將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為具有一定速度、大小和方向的機(jī)械轉(zhuǎn)角位移量，后通過傳動(dòng)機(jī) 構(gòu)實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)。但由于此驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)沒不存在反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)，因此精度較差，速度也受 到步進(jìn)電機(jī)性能的限制。 但它的結(jié)構(gòu)和控制簡(jiǎn)單、比較容易調(diào)整，故在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合具有一定的使用