0185-數(shù)控臥式加工中心主軸箱及進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

0185-數(shù)控臥式加工中心主軸箱及進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì),數(shù)控,臥式,加工,中心,主軸,進(jìn)給,機(jī)構(gòu),設(shè)計(jì) 前 言 加工中心集計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、自動(dòng)化控制、傳感測(cè)量、機(jī)械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它的發(fā)展和運(yùn)用，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時(shí)代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化?，F(xiàn)在的CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。目前數(shù)控技術(shù)已經(jīng)廣泛運(yùn)用于制造業(yè)，數(shù)控技術(shù)水平的高低已成為衡量一個(gè)國(guó)家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。而加工中心的發(fā)展最為重要。 隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，市場(chǎng)上對(duì)數(shù)控的要求也有很大的改變，正要求數(shù)控系統(tǒng)朝著高速、高精度、高可靠性發(fā)展，為追求加工效率及更通用化迫使數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)模塊化、智能化、柔性化、用戶界面圖形化，科學(xué)計(jì)算可視化，內(nèi)置高性能PLC，多媒體技術(shù)應(yīng)用等方面發(fā)展。 加工中心的優(yōu)點(diǎn)有：1）提高加工質(zhì)量；2）縮短加工準(zhǔn)備時(shí)間；3）減少在制品；4）減少刀具費(fèi)；5）最少的直接勞務(wù)費(fèi)；6）最少的間接勞務(wù)費(fèi)；7）設(shè)備利用率高?？偟膩?lái)說(shuō)，加工中心的發(fā)展動(dòng)向是高速、進(jìn)一步提高精度和愈發(fā)完善的機(jī)能。 本設(shè)計(jì)說(shuō)明書以大量圖例來(lái)說(shuō)明加工中心的主軸箱設(shè)計(jì)及橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)的思路。設(shè)計(jì)中得到顏竟成教授的悉心指導(dǎo)，在此向他表示誠(chéng)摯的的感謝。由于編者的水平和經(jīng)驗(yàn)有限，加之設(shè)計(jì)時(shí)間較短、資料收集較困難，說(shuō)明書中難免有缺點(diǎn)和錯(cuò)誤，在此懇請(qǐng)讀者諒解，并衷心希望廣大讀者提出批評(píng)意見，使本設(shè)計(jì)說(shuō)明書能有所改進(jìn)。 1. 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì) 1.1機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定 根據(jù)設(shè)計(jì)要求并參考實(shí)際情況，初步選定`如下： 工作臺(tái)寬度×長(zhǎng)度 400×1600mm×mm 工作臺(tái)最大縱向行程 650mm 工作臺(tái)最大橫向行程 450mm 工作臺(tái)最大垂直行程 500mm X、Y軸步進(jìn)電機(jī) a12/3000i Z步進(jìn)電機(jī) a12/3000i 主軸最大輸出扭矩 70公斤力×米 主軸轉(zhuǎn)速范圍 45～2000r/min 主電動(dòng)機(jī)的功率 4kw 主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1500r/min 機(jī)床外行尺寸（長(zhǎng)×寬×高） 2488×1200×2710mm×mm×mm 機(jī)床凈重 500kg 1.2機(jī)床主要部件及其運(yùn)動(dòng)方式的選定 1.2.1主運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 因所設(shè)計(jì)的臥式加工中心要求能進(jìn)行車、銑和鏜，橫向方向的行程比較大，因而采用工作臺(tái)不動(dòng)，而主軸箱各軸向擺放為臥式的機(jī)構(gòu)布局；采用交流無(wú)級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速，并且串聯(lián)有級(jí)變速箱來(lái)擴(kuò)大變速范圍。為了使主軸箱在數(shù)控的計(jì)算機(jī)控制上齒輪的傳動(dòng)更準(zhǔn)確、更平穩(wěn)、工作更可靠，主軸箱主要采用離合器交換齒輪的有級(jí)變速。 1.2.2給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn) 本次所設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制，因此在X、Y、Z三個(gè)方向上，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用滾珠絲杠螺母副，其動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)通過(guò)調(diào)隙齒輪傳遞。 1.2.3數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn) 采用單片機(jī)控制，各個(gè)控制按鈕均安裝在控制臺(tái)上，而控制臺(tái)擺放在易操作的位置，這一點(diǎn)須根據(jù)實(shí)際情況而定。 1.2.4機(jī)床其他零部件的選擇 考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)床附件如油管、行程開關(guān)等，以及標(biāo)準(zhǔn)件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購(gòu)形式。 1.3機(jī)床總體布局的確定 1.3.1確定主軸箱傳動(dòng)系統(tǒng)方案： 主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)，它應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速（速度）和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的開停、變速、換向和制動(dòng)等。 加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)主要包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機(jī)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上比較簡(jiǎn)單，這是因?yàn)樽兯俟δ苋炕虼蟛糠钟芍鬏S電動(dòng)機(jī)的無(wú)級(jí)調(diào)速來(lái)承擔(dān)。 機(jī)床上常用的變速電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)和交流變頻電動(dòng)機(jī)，在額定的轉(zhuǎn)速上為恒功率變速，通常變速范圍僅為2-3；額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可大30甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)矩特性一般不能滿足機(jī)床的使用要求。為了擴(kuò)大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動(dòng)機(jī)和主軸之間串聯(lián)一個(gè)有級(jí)變速箱。 本機(jī)床采用交流調(diào)速電機(jī)變速，為了在變速范圍內(nèi)，滿足一定恒功率和恒轉(zhuǎn)矩的要求，為了進(jìn)一步擴(kuò)大變速范圍，在后面串聯(lián)機(jī)械有級(jí)變速裝置。 1.3.2確定主軸箱有級(jí)變速級(jí)數(shù)： 取變速箱的公比為等于電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍，即，功率特性圖是連續(xù)的，無(wú)缺口和無(wú)重合。如變速箱級(jí)數(shù)為Z，則主軸的恒功率變速范圍等于 變速箱的變速級(jí)數(shù)可得出： 主軸要求的恒功率變速范圍 電動(dòng)機(jī)的恒功率變速范圍 取變速箱的公比 故變速箱的變速級(jí)數(shù) 故通過(guò)圓整取 Z=12。 1.3.3確定各齒輪的齒數(shù)： 在確定齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)注意：齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過(guò)大，以免加大兩軸之間的中心距，使機(jī)床的結(jié)構(gòu)龐大，而且增大齒數(shù)和還會(huì)提高齒輪的線速度而增大躁聲，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要把齒數(shù)和控制在；為了控制每組嚙合齒輪不產(chǎn)生根切現(xiàn)象，使最小齒數(shù)，因而齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過(guò)小。 受結(jié)構(gòu)限制的個(gè)齒輪（尤其是最少齒輪），應(yīng)能可靠地裝到軸上或進(jìn)行套裝；齒輪的齒槽到孔壁或鍵槽（m為模數(shù)），以保證有足夠強(qiáng)的強(qiáng)度，避免出現(xiàn)變形或斷裂現(xiàn)象。應(yīng)保證： 標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪，其最少齒根直徑，代入上式可得： 式中：——齒輪的最少齒數(shù)； ——齒輪模數(shù)； ——齒輪鍵槽頂面至軸心線的距離。 由于此傳動(dòng)在同一變數(shù)組為同模數(shù)傳動(dòng)，各對(duì)齒輪的齒數(shù)的齒數(shù)之比，必須滿足傳動(dòng)比；當(dāng)各對(duì)齒輪的模數(shù)相同，且不采用變位齒輪時(shí)，則各對(duì)齒輪的齒數(shù)和必然相等，可列出： 式中：——分別為J齒輪副的主動(dòng)與從動(dòng)齒輪的齒數(shù)； ——J齒輪副的傳動(dòng)比； ——齒輪副的齒數(shù)和。 由上述公式可得： 因此，選定了齒數(shù)和，便可以計(jì)算出各齒輪的齒數(shù)，或者由上式確定出齒輪副的任一齒輪后，用上式算出另一齒輪的齒數(shù)。 查表選擇齒輪的齒數(shù)： 其中a代表二軸，b代表三軸，c代表四軸，d代表主軸。 1.3.4擬定主運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)速圖： 由上述計(jì)算得，12級(jí)轉(zhuǎn)速各傳動(dòng)組中傳動(dòng)數(shù)的確定方案有： 12=4×3 ，12=3×4 ，12=3×2×2， 12=2×3×2， 12=2×2×3 按照“前多后少”的原則，確定各傳動(dòng)組的傳動(dòng)副數(shù)為12=3×2×2。根據(jù)“前密后疏”的原則，確定基本組在前，后面依次擴(kuò)大，因此得結(jié)構(gòu)式為 ， 第二擴(kuò)大組的兩個(gè)傳動(dòng)比連線之間，相距格數(shù)應(yīng)為，變速范圍是，在允許的范圍內(nèi)，所選定的結(jié)構(gòu)式共有三個(gè)傳動(dòng)組。 因此變速機(jī)構(gòu)需要四軸，再加上電動(dòng)機(jī)軸共五軸，故轉(zhuǎn)速圖有五條豎線。由于齒輪傳動(dòng)比受到的限制，現(xiàn)在傳動(dòng)組C的變速范圍為?？芍@個(gè)傳動(dòng)組中兩個(gè)傳動(dòng)副的傳動(dòng)比必然是極限值，即 該傳動(dòng)組的升降速度傳動(dòng)比都達(dá)到了極限值，就確定了軸Ⅲ的六級(jí)轉(zhuǎn)速只有一種可能，即為180～1000r/min。 軸Ⅱ-Ⅲ之間，兩條傳動(dòng)比連線間應(yīng)相距3格，取 ，因此，確定軸Ⅱ的轉(zhuǎn)速為355～710 r/min。對(duì)于軸Ⅰ，取 于是決定了軸Ⅰ的轉(zhuǎn)速為1000 r/min，電動(dòng)機(jī)軸與軸Ⅰ之間為齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為1000：1440，綜合上述，主軸的調(diào)速范圍：45.63.90.125.180.250.355.5000.710.1000.1400.2000。轉(zhuǎn)速圖如下： 圖2.1 加工中心轉(zhuǎn)速圖 2.主運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1電動(dòng)機(jī)的選擇 2.1.1電動(dòng)機(jī)的功率的計(jì)算 查《機(jī)床主軸/變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)》： 端銑：硬質(zhì)合金端銑刀，銑刀材料是45號(hào)鋼； 1） 主切削力 公式中 背吃刀量， 每齒進(jìn)給量 刀具直徑 銑刀齒數(shù)z=4,選 銑刀轉(zhuǎn)速 所以主切削力 2）切削功率 銑削過(guò)程中消耗的功率主要按圓周切削力和銑削速度進(jìn)行計(jì)算 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)也消耗一些功率，一般情況下，所以總的切削力功率 ，由此可估算銑床主電動(dòng)機(jī)的功率；，取， 2.1.2電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇 在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須使得，根據(jù)這個(gè)原則，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取Y112M-4型電動(dòng)機(jī)，功率為4kw。其基本參數(shù)如下(單位為mm): 滿載轉(zhuǎn)速為1440r/min 2.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且直齒圓柱齒輪也能滿足傳動(dòng)設(shè)計(jì)要求，所以本次設(shè)計(jì)選用漸開線直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；主軸箱中的齒輪用于傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，它的精度直接與工作的平穩(wěn)性、接觸誤差及噪聲有關(guān)。為了控制噪聲，機(jī)床上主傳動(dòng)齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設(shè)計(jì)都選用7-6-6的精度。具體設(shè)計(jì)步驟如下： 2.2.1模數(shù)的估算 按接觸疲勞和彎曲疲勞計(jì)算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知道后方可確定，所以只在草圖畫后校核用。在繪草圖之前，先估算，再 標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。 齒輪彎曲疲勞的估算公式： 齒面點(diǎn)蝕的估算公式： 其中為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，A為齒輪中心距。 由中心距A及齒數(shù)、求出模數(shù)： 根據(jù)估算所得和中較大的值，選取相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。 前面已求得各軸所傳遞的功率，各軸上齒輪模數(shù)估算如下： 第一對(duì)齒輪副 所以，第一對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 第二對(duì)齒輪 所以，第二對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 第三對(duì)齒輪副 所以，第三對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 第四對(duì)齒輪副 所以，第三對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為 綜合上述，為了降低成本，機(jī)床中各齒輪模數(shù)值應(yīng)盡可能取相同，但因?yàn)閂軸的轉(zhuǎn)速比較小，扭矩比較大，為了增加其強(qiáng)度和在主軸上能起到飛輪的作用，需增加V軸齒輪的幾何尺寸。所以，本次設(shè)計(jì)中在Ⅰ→Ⅲ對(duì)齒輪模數(shù)均為 ，在Ⅳ→Ⅴ對(duì)齒輪上就取 2.2.2齒輪分度圓直徑的計(jì)算 根據(jù)漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪分度圓直徑計(jì)算公式可得各個(gè)傳動(dòng)副中齒輪的分度圓直徑為：?jiǎn)挝唬╩m） 2.2.3齒輪寬度B的確定 齒輪影響齒的強(qiáng)度，但如果太寬，由于齒輪制造誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反而容易引起振動(dòng)和噪音。一般取B=（6～10）m。本次設(shè)計(jì)中，取主動(dòng)輪寬度B=9m=18mm(最后一對(duì)齒輪也取B=79m=18mm)。 2.2.4齒輪其他參數(shù)的計(jì)算 根據(jù)《機(jī)械原理》中關(guān)于漸開線圓柱齒輪參數(shù)的計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，齒輪的其他參數(shù)都可以由以上計(jì)算所得的參數(shù)計(jì)算出來(lái)，本次設(shè)計(jì)中，這些參數(shù)在此不在一一計(jì)算。 2.2.5齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 不同精度等級(jí)的齒輪，要采用不同的加工方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的要求也不同，七級(jí)精度的齒輪，用較高精度的滾齒機(jī)或插齒機(jī)可以達(dá)到。但淬火后，由于變形，精度將下降。因此，需要淬火的7級(jí)齒輪一般滾或插后要剃齒，使精度高于7級(jí)，或者淬火后再珩齒。6級(jí)精度的齒輪，用精密滾齒機(jī)可以達(dá)到。淬火齒輪，必須達(dá)到6級(jí)。機(jī)床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。 2.2.6齒輪的校核（接觸疲勞強(qiáng)度） ∵計(jì)算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù)K，包括使用系數(shù)，動(dòng)載荷系數(shù)，齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布系數(shù)，即： 齒輪接觸疲勞強(qiáng)度滿足，因此接觸的應(yīng)力小于許用的接觸應(yīng)力。其他齒輪也符合要求，故其余齒輪不需驗(yàn)算，在此略去。 2.3軸的設(shè)計(jì)計(jì)算 2.3.1各傳動(dòng)軸軸徑的估算 滾動(dòng)軸承的型號(hào)是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的設(shè)計(jì)是在初步計(jì)算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法用下列公式進(jìn)行估算。 對(duì)于空心軸，則 式中， P——軸傳遞的功率，KW； n——軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/min; ——其經(jīng)驗(yàn)值見表 取的值為1.5。 （1）、計(jì)算各傳動(dòng)軸傳遞的功率P 根據(jù)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算選擇可知，本次設(shè)計(jì)所用的電動(dòng)機(jī)額定功率，各傳動(dòng)軸傳遞的功率可按下式計(jì)算： 由傳動(dòng)系統(tǒng)圖可以看出，本次設(shè)計(jì)中采用了聯(lián)軸器和齒輪傳動(dòng)，及軸承。則各軸傳遞的功率為： 所以，各傳動(dòng)軸傳遞的功率分別為： （2） 估算各軸的最小直徑 本次設(shè)計(jì)中，考慮到主軸的強(qiáng)度與剛度以及制造成本的經(jīng)濟(jì)性，初步選擇主軸的材料為40Cr，其他各軸的材料均選擇45鋼，取A0值為115，各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速可推算出為： 所以各軸的最小直徑為： 在以上各軸中，因有些軸上開有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的強(qiáng)度，應(yīng)將軸的最小直徑增大到5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小直徑為： 對(duì)于主軸應(yīng)該應(yīng)用公式； 故主軸為考慮到軸上有花鍵，所以應(yīng)將軸的最少直徑增大5%，將增大的直徑在圓整后取 2.3.2各軸段長(zhǎng)度值的確定 各軸段的長(zhǎng)度值，應(yīng)根據(jù)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)而定，且必須滿足以下的原則；應(yīng)滿足軸承及齒輪的定位要求。 2.3.3軸的剛度與強(qiáng)度校核 （1）軸的受力分析及受力簡(jiǎn)圖 由主軸箱的展開圖可知，該軸的動(dòng)力源由電動(dòng)機(jī)通過(guò)彈性聯(lián)軸器傳遞過(guò)來(lái)，而后通過(guò)齒輪將動(dòng)力傳遞到下一根軸。其兩端通過(guò)一對(duì)角接觸軸承將力轉(zhuǎn)移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的是直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽略不計(jì)。所以，只要校核其在XZ平面和YZ平面的受力。軸所受載荷是從軸上零件傳來(lái)的，計(jì)算時(shí)常將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作鉸鏈支座上的糧，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布置方式有關(guān)。其受力簡(jiǎn)圖如下： 在XZ平面內(nèi)： 圖2.2 XZ平面受力分析 在YZ平面內(nèi)： 圖2.3 YZ平面受力分析 （2）作出軸的彎矩圖 根據(jù)上述簡(jiǎn)圖，分別按XZ平面及YZ平面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)算結(jié)果分別作出兩個(gè)平面的上的彎矩圖。 則該軸在XZ平面內(nèi)的彎矩圖為： 圖2.4 XZ平面內(nèi)的玩矩 同理可得在YZ平面內(nèi)的彎矩圖為： 圖2.5 YZ平面內(nèi)的彎矩 （3）作出軸的扭矩圖 由受力分析及受力簡(jiǎn)圖可知， 則扭矩圖為： 圖2.6 扭矩圖 （4）作出總的彎矩圖 由以上求得的在XZ、YZ平面的彎矩圖，根據(jù)可得總的彎矩圖為： 圖2.7 合成彎矩圖 （5）作出計(jì)算彎矩圖 根據(jù)已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式求出計(jì)算彎矩，其中是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特性差異的系數(shù)，因通常由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)的邊應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力，故在求計(jì)算彎矩時(shí)，必須計(jì)及這種循環(huán)特性差異的影響。既當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取a=0.3;扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取a=0.6；若扭矩切應(yīng)力也為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取a=1。應(yīng)本次設(shè)計(jì)中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，所以取a=0.3，則計(jì)算彎矩圖為： 圖2.8 計(jì)算彎矩圖 （6）校核軸的強(qiáng)度 選擇軸的材料為45鋼，并經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得其許用彎曲應(yīng)力為60MP，由計(jì)算彎矩圖可知，該軸的危險(xiǎn)截面在B的作用點(diǎn)上，由于該作用點(diǎn)上開有花鍵，由機(jī)械設(shè)計(jì)可查得其截面的慣性矩： 其中Z為花鍵的數(shù)目，在本次設(shè)計(jì)中，所以其截面的慣性矩為W=273.5 根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪受力計(jì)算公式可得圓周力與徑向力： 其中T1為小齒輪傳遞的扭轉(zhuǎn)，；為嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，?。? 而與分別對(duì)應(yīng)與XZ平面及平面YZ的力。各段軸的長(zhǎng)度可從2號(hào)A0圖中得出，則根據(jù)前面的公式可得出該軸危險(xiǎn)截面的計(jì)算彎矩為：，則該軸危險(xiǎn)截面所受的彎曲應(yīng)力為：，所以該軸的強(qiáng)度滿足要求。其余各軸的校核步驟跟Ⅲ軸一樣，在此就不在校其余各軸。 2.3.4主軸的確定 主軸的構(gòu)造和形狀主要決定與主軸上所安裝的刀具、夾具、傳動(dòng)件、軸承等零件的類型、數(shù)量、位置和安裝定位方法等。應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的轉(zhuǎn)矩。 （1）主軸材料的選擇 考慮到主軸的剛度及強(qiáng)度，選擇主軸的材料為40Cr，并經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理； （2）主軸結(jié)構(gòu)的確定 ①主軸直徑的選擇 根據(jù)機(jī)床主電動(dòng)機(jī)功率來(lái)確定 ∵P=2.96KW，屬于中等以上轉(zhuǎn)速，中等以下載荷的機(jī)床 ∴可取=50～70mm ②主軸內(nèi)孔直徑 其中 ，---空心主軸的剛度和截面慣性矩 ，---實(shí)心主軸的剛度和截面慣性矩 當(dāng)則主軸的剛度急劇下降，故取 主軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)主軸上應(yīng)安裝的組件以及在主軸箱里的具體布置來(lái)確定，主軸的具體結(jié)構(gòu)已在三維圖上表達(dá)清楚。 ③提高主軸的性能措施 A、提高旋轉(zhuǎn)精度 提高主軸組件的旋轉(zhuǎn)精度，首先是要保證主軸和軸承具有一定的精度，此外還可以采取一些工藝措施。如選配法、裝配后精加工。 B、改善動(dòng)態(tài)特性 主軸應(yīng)有較高的動(dòng)剛度和較大的阻尼，使得主軸組件在一定副值的周期性激振力作用下，受迫振動(dòng)的振幅較小。通常，主軸組件的固有頻率是而后內(nèi)高的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于主軸的最高轉(zhuǎn)速，故不必考慮共振問(wèn)題，按靜態(tài)處理。 C.控制主軸組件溫升 主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體在滾道中磨擦、攪油，滑動(dòng)軸承乘載油膜受到剪切內(nèi)磨擦，均會(huì)產(chǎn)生熱量，使軸承溫度上升。故控制主軸組件溫升和熱變形，提高其熱穩(wěn)定性是十分必要的。主要有兩項(xiàng)措施。 1、減少支承發(fā)熱量。 2、采用散熱裝置。通常用熱源隔離法、熱源冷卻法和熱平衡法。 主軸的主要尺寸是根據(jù)結(jié)構(gòu)上確定的，一般的直徑取值都大于初始值的好幾倍， 故主軸的剛度一般都能滿足要求。在此就免于校核。 2.4離合器的選用 離合器在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中可將傳動(dòng)系統(tǒng)隨時(shí)分離或接合，對(duì)離合器的要求有：接合平穩(wěn)，分離迅速?gòu)氐祝徽{(diào)節(jié)和修理方便；外廓尺寸??；質(zhì)量??；耐磨性好和有足夠的散熱能力；操作方便省力。；離合器的類型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。由主軸箱的結(jié)構(gòu)尺寸限制，我選用了無(wú)滑環(huán)式多片摩擦式。由主軸箱的結(jié)構(gòu)尺寸限制，我選用了無(wú)滑環(huán)濕式多片摩擦電磁式離合器，此類型的離合器防爆性能好，徑向尺寸較小。選型號(hào)DLM9-25。其結(jié)構(gòu)尺寸如下： 3. 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ---臥式加工中心工作臺(tái)（X軸）設(shè)計(jì) 3.1概述 3.1.1技術(shù)要求 工作臺(tái)、工件和夾具的總質(zhì)量m=918 kg（所受的重力W=9000N），其中，工作臺(tái)的質(zhì)量 (所受的重力W=5000N）;工作臺(tái)最大行程；工作臺(tái)快速移動(dòng)速度;工作臺(tái)采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)、靜摩檫系數(shù)均為0.01；工作臺(tái)的定位精度為20，重復(fù)定位精度為8；機(jī)床的工作壽命為20000h（即工作時(shí)間為10年）。 機(jī)床采用主軸伺服電動(dòng)機(jī)，額定功率，機(jī)床采用端面銑刀進(jìn)行強(qiáng)力切削，銑刀直徑，主軸轉(zhuǎn)速，切削狀況如下表所示： 表3.1 加工中心切削狀況 切削方式 進(jìn)給速度/（m/min） 時(shí)間比例/（%） 備注 強(qiáng)力切削 0.6 10 主電動(dòng)機(jī)滿功率條件下切削 一般切削 0.8 30 粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速進(jìn)給 20 10 空載條件下工作臺(tái)快速進(jìn)給 表3.1 3.1.2總體方案設(shè)計(jì) 為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案。 （1）工作臺(tái)工作面尺寸（寬度×長(zhǎng)度）確定為400mm×1200mm。 （2）工作臺(tái)導(dǎo)軌采用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌。 （3）對(duì)滾動(dòng)絲杠螺母副進(jìn)行預(yù)緊。 （4）采用伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （5）采用錐環(huán)套筒聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠直連。 3.2設(shè)計(jì)計(jì)算 3.2.1主切削力及其切削分力計(jì)算 （1）計(jì)算主切削。 根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削（銑刀直徑，主軸具有最大扭矩并能傳遞主電動(dòng)機(jī)的全部功率，此時(shí)銑刀的切削速度為 若機(jī)械效率，則由公式可以計(jì)算主切削力： （2）計(jì)算各切削分力 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可得工作臺(tái)縱向切削力、橫向切削力 和垂直切削力分別為 3.2.2導(dǎo)軌摩檫力的計(jì)算 （1）由公式計(jì)算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩檫力，此時(shí)導(dǎo)軌摩檫系數(shù)，查表得導(dǎo)軌緊固力，則 N 又由公式計(jì)算在不在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩檫力和導(dǎo)軌靜摩檫力。 3.2.3 計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力 （1）由公式計(jì)算最大軸向負(fù)載力 （2）由公式計(jì)算最小軸向負(fù)載力 3.2.4滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算 （1）確定滾珠絲杠的導(dǎo)程 根據(jù)已知條件，取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，可得 （2）計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 1）.估算在各種切削方式下滾珠絲杠的軸向載荷，將估算結(jié)果填入下表 表3.2 臥式加工中心滾珠絲杠的計(jì)算 切削方式 軸向載荷/N 進(jìn)給速度/（m/min） 時(shí)間比例/（%） 備注 強(qiáng)力切削 935.1 10 一般切削（粗加工） 277.44 30 精細(xì)切削（精加工） 137.16 50 快移和鉆鏜定位 90.4 10 2).計(jì)算滾珠絲杠螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速。 3）.由公式計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速。 其中代表時(shí)間比例系數(shù) 4）.由公式計(jì)算滾珠絲杠螺母副的平均載荷 （3）確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷 1）.由預(yù)期工作時(shí)間按公式計(jì)算。查表 表3.3 載荷性質(zhì)系數(shù) 載荷性質(zhì) 無(wú)沖擊（很平穩(wěn)） 輕微沖擊 伴有沖擊或振動(dòng) 1—1.2 1.2—1.5 1.5—2 根據(jù)載荷性質(zhì)，有輕微沖擊，取載荷性質(zhì)=1.3； 查表 表3.4 精度系數(shù) 精度等級(jí) 1、2、3 4、5 7 10 1 0.9 0.8 0.7 根據(jù)初步選擇滾珠絲杠的精度等級(jí)為2級(jí)精度，取精度系數(shù)； 查表 表3.5 可靠性系數(shù) 可靠性（%） 90 95 96 97 98 99 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 一般情況下可靠性應(yīng)達(dá)到97%，故取可靠性系數(shù)。 2）.因?qū)L珠絲杠螺母副將實(shí)施預(yù)緊，所以還可以按公式估算最大軸向載荷。查表 表3.6 預(yù)加載荷系數(shù) 預(yù)加載荷類型 輕預(yù)載 中預(yù)載 重預(yù)載 6.7 4.5 3.4 按中預(yù)載選取預(yù)加載荷系數(shù)則 3）.確定滾珠絲杠預(yù)期的額定動(dòng)載荷，取上兩種結(jié)果的最大值，即 4）.按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底經(jīng) ① 估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。 已知工作臺(tái)的定位精度為20，重復(fù)定位精度為8，根據(jù)公式計(jì)算以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求得 取上述計(jì)算結(jié)果的最小值，即。 ② 估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑。 本工作臺(tái)（X軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用一端固定，一端游動(dòng)的支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為 又可得 5）.初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) 根據(jù)計(jì)算所得的、、和結(jié)果的需要，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲杠螺母副，型號(hào)為：FFZD4010-3，其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動(dòng)載荷和絲杠底徑如下： 故滿足要求。 6）.確定滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力 由式得 7）.確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào) ①由公式計(jì)算軸承所承受的最大軸向載荷 ②計(jì)算軸承的預(yù)緊力 ③計(jì)算軸承的當(dāng)量軸向載荷 ④由式計(jì)算軸承的基本額定動(dòng)載荷。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速與滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速相同，??；軸承的基本額定載荷壽命，軸承所承受的軸向載荷。軸承的徑向載荷和軸向載荷分別為 因?yàn)樗圆楸淼?，徑向系?shù)X，軸向系數(shù)Y分別為，故 3.2.5確定軸承的規(guī)格型號(hào) 因?yàn)闈L珠絲杠螺母副擬采用一端固定、一端游動(dòng)的支承方式，所以將在固定端選用角接觸球承組背對(duì)背安裝，以承受兩個(gè)方向的軸向力。由于滾珠絲杠螺母副的底徑為，所以選擇軸承的內(nèi)徑為，以滿足滾珠絲杠結(jié)構(gòu)的需要。 選擇國(guó)產(chǎn)角接觸球承兩件一組背對(duì)背安裝，型號(hào)為760206TNI/P4DFA，尺寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為，選用油脂潤(rùn)滑。該軸承的預(yù)載荷能力為1450N，大于計(jì)算所得的軸承預(yù)緊力。在油脂潤(rùn)滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為，高于本機(jī)床滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速，故滿足要求。該軸承的額定動(dòng)載荷為 ，而該軸承在工作壽命下的基本額定動(dòng)載荷，故也滿足要求。 3.3工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì) 圖3.1工作臺(tái)設(shè)計(jì) 3.4滾珠絲杠螺母副的承載能力的校驗(yàn) 3.4.1.滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn) 根據(jù)圖得滾珠絲杠螺母副的最長(zhǎng)受壓長(zhǎng)度，絲杠水平安裝時(shí)， 本工作臺(tái)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為遠(yuǎn)小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。 3.4.2 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗(yàn) 由圖可得滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度，其彈性模量， 已知材料密度安全系數(shù)由表得與支承有關(guān)的系數(shù)。 滾珠絲杠的最小慣性矩為 滾珠絲杠的最小截面積為 由式得 本工作臺(tái)滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為2000r/min，遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故 滿足要求。 3.4.3滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗(yàn) 查表得滾珠絲杠螺母的額定動(dòng)載荷，軸向載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，由公式得 一般來(lái)講，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)，應(yīng)保證滾珠絲杠螺母副的總工作壽命故滿足要求。 3.5計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 3.5.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算 （1）計(jì)算滾珠絲杠的拉壓剛度。 本機(jī)床工作臺(tái)的絲杠支承方式為一端固定、一端游動(dòng)。由圖可知，滾珠絲杠螺母中心至固定端的距離時(shí)，滾珠絲杠具有最小拉壓剛度，由式得 當(dāng)時(shí)，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度，由公式得 （2）計(jì)算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度。 已知軸承接觸角，滾動(dòng)體直徑，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)軸承的最大軸向工作載荷，可得 （3）計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度。 查表得滾珠絲杠的剛度，額定動(dòng)載荷，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷，又公式得 （4）計(jì)算進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度。 由公式得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 故。 由公式得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為 故。 3.5.2 滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算 由圖可知，扭轉(zhuǎn)作用點(diǎn)之間的距離，剪切模量， 滾珠絲杠的底徑故由公式得 3.6驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算 3.6.1計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量 （1）計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 已知滾珠絲杠的密度，可得 （2）計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 （3）由公式計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 已知機(jī)床執(zhí)行部件（即工作臺(tái)、工件和夾具）的總質(zhì)量，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離則 （4）由式計(jì)算加在電動(dòng)機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 3.6.2計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩 （1）由式計(jì)算切削負(fù)載力矩。 切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率，則 （2）由式計(jì)算摩擦負(fù)載力矩。 在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力故 （3）由式計(jì)算滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩。 滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力，滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程滾珠絲杠螺母副的效率，則 3.6.3計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上各種所需的力矩 （1）由公式計(jì)算線性加速力矩。 已知機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，坐標(biāo)軸的負(fù)載慣量。取進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益則加速時(shí)間，故 (2)計(jì)算階躍加速力矩。 加速時(shí)間故 計(jì)算坐標(biāo)軸所需的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種力矩。 ①由公式計(jì)算線性加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩。 ②由公式計(jì)算階躍加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩。 ③由公式計(jì)算空載時(shí)的快進(jìn)力矩力矩。 ④由公式計(jì)算切削時(shí)的工進(jìn)力矩 3.6.4選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào) （1）選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)。 根據(jù)以上計(jì)算和表格，選擇日本FANUC公司生產(chǎn)的a12/3000i型交流伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。其主要技術(shù)參數(shù)如下：額定功率，3KW；最高轉(zhuǎn)速，3000r/min;額定力矩，；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，；質(zhì)量，18kg。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的加速力矩一般為額定力矩的5～10倍，若按5倍計(jì)算，該電動(dòng)機(jī)的加速力矩為，均大于本機(jī)床工作臺(tái)線性加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩或階躍加速時(shí)的空載啟動(dòng)力矩，所以，不管采用何種加速方式，本電動(dòng)機(jī)均滿足加速力矩要求。 該電動(dòng)機(jī)的額定力矩為，均大于本機(jī)床工作臺(tái)的快進(jìn)力矩或工進(jìn)力矩。因此，不管是快進(jìn)還是工進(jìn)，本電動(dòng)機(jī)均滿足驅(qū)動(dòng)力矩的要求。 （2）慣性匹配驗(yàn)算 為了使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比一般應(yīng)滿足下式，即 在本設(shè)計(jì)中，，故滿足要求。 3.7機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 3.7.1計(jì)算絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為，其中分別為機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量，已知?jiǎng)t 3.7.2計(jì)算扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)的總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 又絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度則 由以上計(jì)算可知，絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 3.8機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析 3.8.1計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的反向死區(qū) 已知進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值，導(dǎo)軌的靜摩擦力，由公式得 即故滿足要求。 3.8.2計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 由公式得 即，故滿足要求。 3.8.3計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 （1）由公式計(jì)算由扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量。 負(fù)載力矩。由圖得扭矩作用點(diǎn)之間的距離，絲杠底徑，則 （2）由該扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動(dòng)滯后量將影響工作臺(tái)的定位精度。由公式得 3.9確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào) 3.9.1確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí) 本機(jī)床工作臺(tái)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)滿足下列要求 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級(jí)為2級(jí)，查表得查表得，當(dāng)螺紋長(zhǎng)度為時(shí)，故滿足設(shè)計(jì)要求。 3.9.2確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)為FFZD4010-3-P2/1105×850，其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程：40mm,10mm；螺紋長(zhǎng)度：850mm；絲杠長(zhǎng)度：1150mm；類型與精度：P類，2級(jí)精度。 3.10滾珠絲桿副的預(yù)緊方式 為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過(guò)盈的條件下工作，常用的預(yù)緊方式有：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)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到無(wú)預(yù)緊時(shí)的2倍。但是，預(yù)緊載荷過(guò)大，將使壽命下降和摩擦力矩加大，通常，滾珠絲桿在出廠時(shí)，就已經(jīng)由制造商調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動(dòng)載荷有一定的比例關(guān)系。 雙螺母墊片式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)見到，裝卸方便，剛度高；但調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動(dòng)。 雙螺母螺紋式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但準(zhǔn)確性差，且易于松動(dòng)，適用于剛度要求不高或隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動(dòng)。 雙螺母齒差式預(yù)緊：①調(diào)整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座4的內(nèi)齒圈，兩個(gè)螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，調(diào)整軸向位移。②能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，適宜用于高度精度的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。 3.11齒輪傳動(dòng)消隙 齒輪傳動(dòng)的間隙也叫側(cè)隙，它是指一個(gè)齒輪固定不動(dòng)，另一個(gè)齒輪能夠作出的最大角位移。傳動(dòng)間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙，為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩(wěn)性，要盡可能減小傳動(dòng)間隙。除了提高制造和裝配精度外，消隙的主要途徑有：設(shè)計(jì)可調(diào)傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)；設(shè)置彈性補(bǔ)償元件。在這設(shè)計(jì)里我采用雙片直齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法來(lái)消除間隙。 4. 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 4.1控制系統(tǒng)總體方案的擬訂 機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)的控制對(duì)象主要包括各種機(jī)床，如車床、銑床、，磨床等等?？刂葡到y(tǒng)的基本組成如下圖所示： 圖4.1 控制系統(tǒng)總體方案 控制系統(tǒng)總體方案 4.2總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 4.2.1單片機(jī)的設(shè)計(jì) （1）MCS-51系列單片機(jī)的設(shè)計(jì) MCS-51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存儲(chǔ)器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存儲(chǔ)器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。內(nèi)部沒(méi)有程序存儲(chǔ)器，必須外接EPROM程序存儲(chǔ)器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三個(gè)部分。 a.電源及時(shí)鐘引腳 此部分引腳包括電源引腳。 電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。 （40腳）：接+5V電源。 （20腳）：接地。 時(shí)鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時(shí)與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器。 （19）：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。 （18）：接外部晶體的另一端，。在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部晶體振蕩器時(shí)，該引腳接受振蕩器的信號(hào)，即把信號(hào)直接接至內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 b.控制引腳 它包括RST、 ALE 、等。此類引腳提供控制信號(hào)，有些引腳具有復(fù)用功能。 RST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)時(shí)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用能源。 ALE/（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問(wèn)外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，在兩個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。 （29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存儲(chǔ)器指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。 （31腳）：當(dāng)端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)的是內(nèi)部程序存儲(chǔ)器，但當(dāng)PC值超過(guò)某值時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲(chǔ)器內(nèi)的程序。當(dāng)端保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。對(duì)8031來(lái)說(shuō)，因其無(wú)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。所以該引腳必須接地，既此時(shí)只能訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器。 c.輸入/輸出引腳 輸入/輸出（I/O）接口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。 P0口（P0.0-P0.7）：為雙向8為三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址/數(shù)據(jù)總線口使用。 P1（P1.0-P1.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入口時(shí)，鎖存器必須置1），可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。 P2（P2.0-P2.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8位使用。 P3（P3.0-P3.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。 （2）MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟，它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏，MCS-51片內(nèi)有一個(gè)反相放大器，引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端，該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器，產(chǎn)生的時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件。單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種，大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式。 最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，不論是HMOS還是CHMOS型單片機(jī)，其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同。如下圖所示： 圖4.2 時(shí)鐘電路 MCS-51單片機(jī)允許的振蕩晶體可在1.2MHZ-24MHZ之間可以選擇，一般取11.0592MHZ。電容C1、C2的取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響。C1、C2可在20PF-100PF之間選擇，一般當(dāng)外接晶體時(shí)典型取值為30PF，外接陶瓷諧振器時(shí)典型取值為47PF，取60PF-70PF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。 在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)引腳安裝，以減少寄生電容，更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。 （3）MCS-51單片機(jī)的復(fù)位電路 計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作，單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST，高電平有效。它是施密特觸發(fā)輸入，當(dāng)振蕩器起振后，該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期（即24個(gè)時(shí)鐘周期）以上的高電平，使器件復(fù)位，只要RST保持高電平，MCS-51便保持復(fù)位狀態(tài)。此時(shí)ALE，，P0口、P1口、P2口和P3口都輸出高電平。RST變位低電平后，退出復(fù)位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容。 MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。通常因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，如下圖所示： 圖4.3 復(fù)位電路 對(duì)于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻，故電阻R2可不接。單片機(jī)在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個(gè)機(jī)器周期上的高電平（因?yàn)檎袷幤鲝钠鹫竦椒€(wěn)定大約要10ms），就能使單片機(jī)有效復(fù)位，當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHZ時(shí)，RC的典型值為。簡(jiǎn)單復(fù)位電路中，干擾信號(hào)易串入復(fù)位端，可能會(huì)引起內(nèi)部某些寄存錯(cuò)誤復(fù)位，這時(shí)可在RST引腳上接一去耦電容。 上圖那上電按鈕復(fù)位電路只需將一個(gè)常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按下開關(guān)一定時(shí)間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機(jī)復(fù)位。 4.2.2系統(tǒng)的擴(kuò)展 在以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展 程序存儲(chǔ)器，用以存放控制程序。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的存儲(chǔ)器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這種擴(kuò)展就是配置外部存儲(chǔ)器（包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器）。另外，在單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來(lái)與外圍設(shè)備連接。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時(shí)，僅有幾個(gè)內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片。 （1）程序存貯器的擴(kuò)展 MCS-51系列單片機(jī)的程序存貯器空間和數(shù)據(jù)存貯器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲(chǔ)器尋址空間為64KB（0000H-0FFFH），8031片內(nèi)不帶ROM，所以要進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。用作程序存貯器的常用的器件是EPROM。 由于MCS-51單片機(jī)的P0口是分別復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存貯器擴(kuò)展時(shí)，必須用地址鎖存器鎖存地址信號(hào)。通信地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時(shí)，鎖存器G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。 根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)程序存貯器容量要求的不同，常采用的擴(kuò)展芯片擴(kuò)展EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A （8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256A（32KB×8）和27512（64KB×8）等。以上6種EPROM均為單一+5V電源供電，維持電流為35mA—40mA，工作電流為75 mA-100 mA，讀出時(shí)間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0-A15是地址線，不同的芯片可擴(kuò)展的存貯容量的大小不同，因而提供8位地址的P2口線的數(shù)量個(gè)不相同，故2716為A0-A10，27512為A0-A15；D0-D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；CE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源，PCM是編程脈沖輸入端。 根據(jù)程序存貯器擴(kuò)展的原理，以EPROM和鎖存器74L373為例對(duì)8031單片機(jī)進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。因?yàn)?764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0-A12。如果只擴(kuò)展一片程序存貯器EPROM，故可將片選端CE直接接地。下圖為擴(kuò)展兩片EPROM的連接方法。同時(shí)，8031運(yùn)行所需的程序指令來(lái)自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會(huì)運(yùn)行。 圖 4.4 2764的擴(kuò)展電路 （2）數(shù)據(jù)存貯器的擴(kuò)展 8031單片機(jī)內(nèi)部有128個(gè)字節(jié)RAM存貯器。CPU對(duì)內(nèi)部的RAM具有豐富的操作指令。但在用于數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在這種情況下，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存貯器。 數(shù)據(jù)存貯器只使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因?yàn)槿绱耍瑪?shù)據(jù)存貯器與程序存貯器可完全重疊，均為0000H-FFFFH，但數(shù)據(jù)存貯器與I/O口與外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的，即任何擴(kuò)展的I/O口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存貯器地址。8031的P0口為RAM的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，P2口用于對(duì)RAM進(jìn)行頁(yè)面尋址（根據(jù)其容量不同，所占的P2端口不同，在對(duì)外部RAM讀/寫期間，CPU產(chǎn)生RD/WR信號(hào)。 在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這種存貯器的設(shè)計(jì)無(wú)須考慮刷新問(wèn)題，因而它與微處理器的接口很簡(jiǎn)單。最常用的靜態(tài)RAM芯片有6116（2KB×8）和6264（4KB×8）。單一+5V供電，額定功耗分別為160mW和200mW，典型存取時(shí)間均為200ns，均有雙列之插式封裝，管腳分別為24和20線。 下圖是6264與8031的連接圖。從圖可知：6264的片選接8031的P2.7，第二片選線接高電平，保持一直有效狀態(tài)。因?yàn)?264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址線。6264的地址范圍為0000H-7FFF。 對(duì)于一個(gè)完整的應(yīng)用系統(tǒng)，必須具備一定容量的程