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寧XX大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
CA6140普通車床改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
購(gòu)買新的數(shù)控機(jī)床是提高產(chǎn)品質(zhì)量和效率的重要途徑,但是成本高，許多企業(yè)在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)，這嚴(yán)重阻礙企業(yè)設(shè)備更新的步伐。為此把普通機(jī)床數(shù)控化改造，不失為一條投資少、提升產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率的捷徑，提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力，在我國(guó)成為制造強(qiáng)國(guó)的進(jìn)程中，占有一席之地。本文的主要內(nèi)容有：
1．對(duì)普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)詳細(xì)論證，確定普通車床數(shù)控化改造方案；
2．對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號(hào)選擇與裝配設(shè)計(jì)，支承方式的設(shè)計(jì)與軸承型號(hào)選擇，步進(jìn)電機(jī)選擇等進(jìn)行了詳細(xì)研究；
3．對(duì)常用進(jìn)口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國(guó)產(chǎn)數(shù)控裝置系統(tǒng)進(jìn)行仔細(xì)比較，根據(jù)所改造的性能和精度指標(biāo)來(lái)選配數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動(dòng)刀架型號(hào)，提出選擇方法；
4.為保持切削螺紋的功能，仔細(xì)研究了在主軸上安裝脈沖發(fā)生器的選型，脈沖發(fā)生器直接與主軸間連接方法，并形成了相應(yīng)的技術(shù)圖；
5.拆卸普通機(jī)床，甩掉原有進(jìn)給箱等，對(duì)主傳動(dòng)系統(tǒng)的進(jìn)行大修，滑板貼塑與鏟刮調(diào)試，對(duì)機(jī)床相關(guān)部件和參數(shù)進(jìn)行測(cè)繪、測(cè)量；
6.繪出相應(yīng)的零件圖和裝備圖；
7、給出普通車床數(shù)控化改造的安裝、調(diào)試方法。
關(guān)鍵詞：普通車床、數(shù)控、改造
II
Abstract
Purchasing new numerically controlled machines is an important way to improve production precision and efficiency, but it may not come true to many enterprises because it cost much. Enterprises’ equipment updating step are counteracted severly. So General lathe's numerically controlled reforming is a quick way that costs less, improve production precision and efficiency, and it can improve enterprises’ competitive power. So it can takes its place in our way to a powerful manufacturing country. The main contents is:
1. The economical efficiency of the reform is evaluated in detail and the reforming scheme is maked according to misty optimum’s synthesize adjudicate principle.
2. The ball screw’s type, assembling, supporting, bearing type, and stepping motor of feeding system is designed.
3. The import and domestic NC systems were compared carefully, brought up a choose method and selected the NC system and automatic tool rest according to the function and accuracy index of reforming.
4. In order to protect the function of cutting a screw ,we carefully studied the impulse regulator and its connection with the principal axis, and draw out a technique diagram.
5. Disassembled the lathe, throw away the old feeding system, repaired the main driving system ,covered plastics on sliding surface, shoveling or scraping and testing, counted or measured the parts of the lathe.
6. Draw out parts diagrams and assemble diagram.
7 .Methods of installing and testing of general purpose lathe’s numerically controlled reforming were put forward.
Key words: General purpose lathe、 Numerical control(NC)、Reform
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 緒 論 1
1.1 課題研究的意義 1
1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向 1
1.2.1 高速度、高精度化 2
1.2.2多功能化 3
1.2.3智能化 4
1.2.4數(shù)控系統(tǒng)小型化 5
1.2.5數(shù)控編程自動(dòng)化 5
1.2.6更高的可靠性 5
1.3 機(jī)床數(shù)控改造的意義 6
1.4 本課題研究的參數(shù)要求 7
第2章 總體方案設(shè)計(jì) 8
2.1數(shù)控車床的總體任務(wù) 8
2.2運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定 8
2.2.1伺服系統(tǒng)的選擇 8
2.2.2傳動(dòng)方式的選擇 8
2.3數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì) 9
2.4數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) 9
2.5數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) 10
第3章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 11
3.1 確定脈沖當(dāng)量 11
3.2 切削力的計(jì)算 11
3.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 12
3.3.1 精度的選擇 12
3.3.2絲杠導(dǎo)程的確定 12
3.3.3 最大工作載荷的計(jì)算 13
3.3.4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 13
3.3.5 滾珠絲杠螺母副的選型 14
3.3.6 滾珠絲杠副的支承方式 14
3.4.3 傳動(dòng)效率的計(jì)算 15
3.3.8 剛度的驗(yàn)算 15
3.3.9 穩(wěn)定性校核 16
3.3.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 16
3.4 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算 17
3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 17
3.6導(dǎo)軌的特點(diǎn) 20
第4章 橫向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24
4.1切削力的計(jì)算 24
4.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 24
4.2.1 最大工作載荷的計(jì)算 24
4.2.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 24
4.2.3滾珠絲杠螺母副的選型 25
4.2.4 滾珠絲杠副的支承方式 25
4.2.5 傳動(dòng)效率的計(jì)算 25
4.2.6 剛度的驗(yàn)算 25
4.2.7 穩(wěn)定性校核 26
4.2.8臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 26
4.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 27
4.3.1確定傳動(dòng)比 27
4.3.2齒輪參數(shù)的計(jì)算 27
4.4.步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用 27
4.4.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 27
4.4.2電機(jī)力矩的計(jì)算 29
4.5步進(jìn)電機(jī)的選擇 31
第5章 單片機(jī)控制應(yīng)用系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 32
5.1硬件電路設(shè)計(jì) 32
5.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 32
5.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 32
5.2關(guān)于各線路元件之間線路連接 33
5.3.關(guān)于電路原理圖的一些說(shuō)明 34
參考文獻(xiàn) 37
致 謝 38
39
第1章 緒 論
1.1 課題研究的意義
機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石。數(shù)控機(jī)床是一種高效率、高精度，能保證加工質(zhì)量，解決工藝難題，而且又有一定柔性的生產(chǎn)設(shè)備。自五十年代末世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在美國(guó)研制成功的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，他們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，正處在黃金時(shí)代，由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)永恒的課題。在國(guó)內(nèi)，機(jī)床的數(shù)控化改造是發(fā)展我國(guó)數(shù)控設(shè)備的一個(gè)重要方面。
車床是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床，它能夠加工內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等。普通車床由于造價(jià)低廉在我國(guó)運(yùn)用十分廣泛，但是因?yàn)槠溥M(jìn)給軸不能聯(lián)動(dòng)，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且無(wú)法加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件。對(duì)普通車床的數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改成用單片機(jī)控制的并能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動(dòng)刀架換成能自動(dòng)換刀的電動(dòng)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。
數(shù)控車床針對(duì)性高，專業(yè)性強(qiáng)，可以加工出普通車床加工不了的曲線、曲面等復(fù)雜零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于裝配?？梢詫?shí)現(xiàn)多工序集中加工，提高了相關(guān)加工精度，同時(shí)減少被加工零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?，?jiǎn)化了傳統(tǒng)機(jī)床加工工藝中的工序，機(jī)床利用率大幅度提高。由于采用自動(dòng)化加工技術(shù)，可大大降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少?gòu)U品的產(chǎn)生，提高工作效率。另外其改造成本同購(gòu)置新機(jī)床相比，節(jié)省的費(fèi)用十分可觀，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床價(jià)格也要4～8萬(wàn)元，進(jìn)口機(jī)床有的近20萬(wàn)元，而對(duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造也能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求，其改造費(fèi)用僅2～3萬(wàn)元，非常符合我國(guó)國(guó)情。
1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)和研究方向
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，世界先進(jìn)制造技術(shù)的興起和不斷成熟，對(duì)數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，對(duì)數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動(dòng)、機(jī)床及結(jié)構(gòu)等提出了更高的性能指標(biāo)。隨著FMS的迅速發(fā)展和CMS的不斷成熟，又將對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性、通訊功能、人工智能和自適應(yīng)控制等技術(shù)提出了更高的要求。隨著微電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)性能日益完善，數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大。當(dāng)今數(shù)控機(jī)床正在不斷采用最新技術(shù)成就，朝著高速度化、高精度化、多功能化、智能化、系統(tǒng)化與高可靠性等方向發(fā)展。
1.2.1 高速度、高精度化
速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品的質(zhì)量，特別是在超高速切削、超精密加工技術(shù)的實(shí)施中，它對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸位移速度和定位精度提出了更高的要求:另外，這兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)又是互相制約的，也就是說(shuō)要求位移速度越高，定位精度就越難提高?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床配備了高性能的數(shù)控系統(tǒng)及伺服系統(tǒng)，分辨率可達(dá)到lum,0.lum, 0.0lum。為實(shí)現(xiàn)更高速度、更高精度的指標(biāo)，自前主要在下述幾方面采取措施和進(jìn)行研究。
（1）數(shù)控系統(tǒng)。采用位數(shù)、頻率更高的微處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度。目前己由8位CPU過(guò)渡到16位和32位CPU，并向64位CPU發(fā)展，頻率已由原來(lái)的5MHz提高到16MHz, 20MHz和32MHzo同時(shí)也采用了超大規(guī)模的集成電路和多種微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度。
(2) 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。隨著超高速切削、超精密加工等先進(jìn)工藝的提出，使得在旋轉(zhuǎn)伺服電動(dòng)機(jī)加滾珠絲杠的傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)給機(jī)構(gòu)已無(wú)法實(shí)現(xiàn)。為此采用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)的零傳動(dòng)直線伺服進(jìn)給方式，將極大地提高機(jī)床直線進(jìn)給的各項(xiàng)伺服性能指標(biāo)， 特別是高速度和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是以往任何伺服機(jī)構(gòu)無(wú)法比較的。
(3) 前饋控制技術(shù)。過(guò)去的伺服系統(tǒng)是將位置指令值與所檢測(cè)到的實(shí)際值比較，所得的差乘以位置環(huán)的增益，其積再作為速度指令去控制電動(dòng)機(jī)。由于這種控制方式總是存在著位置跟蹤滯后誤差，即當(dāng)進(jìn)給速度為F時(shí)，其伺服系統(tǒng)的最終滯后位F/G，這使得在加工拐角及圓弧切削時(shí)加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來(lái)的控制系統(tǒng)上加上速度指令的控制方式，這樣將使位置跟蹤滯后誤差大大減小，以改善拐角切削加工精度。
(4) 機(jī)床動(dòng)、靜摩擦的非線性補(bǔ)償控制技術(shù)。機(jī)床動(dòng)、靜摩擦的非線性會(huì)導(dǎo)致機(jī)床爬行。除了在機(jī)械結(jié)構(gòu)上采取措施降低靜摩擦外，新型的數(shù)控伺服系統(tǒng)具有自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)、靜摩擦非線性的控制功能。
(5) 伺服系統(tǒng)的速度環(huán)和位置環(huán)均采用軟件控制。由于采用軟件控制具有較高的柔性，適應(yīng)不同類型的機(jī)床對(duì)不同精度及速度的要求，進(jìn)行加、減速性能的調(diào)整，并能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，以滿足高性能控制的要求。
(6) 采用高分辨率的位置檢測(cè)裝置。如高分辨率的脈沖編碼器，內(nèi)
裝微處理器組成的細(xì)分電路，使得分辨率大大提高。
(7〕補(bǔ)償技術(shù)得到發(fā)展和廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床利用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件補(bǔ)償功能對(duì)伺服系統(tǒng)進(jìn)行多種補(bǔ)償，以提高機(jī)床的位置精度和動(dòng)態(tài)伺服性能，如軸向運(yùn)動(dòng)定點(diǎn)誤差補(bǔ)償、絲杠螺距誤差補(bǔ)償、齒輪間隙補(bǔ)償、熱變形補(bǔ)償和空間誤差補(bǔ)償?shù)取?
(8) 高速大功率電主軸的應(yīng)用。由于在超高速加工中.對(duì)機(jī)床主軸轉(zhuǎn)速提出了極高的要求，傳統(tǒng)的齒輪變速主傳動(dòng)系統(tǒng)已不能適應(yīng)其要求。為此，采用了所謂內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)主軸，簡(jiǎn)稱電主軸。它是采用主軸電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸合二為一的結(jié)構(gòu)形式，即采用外殼電動(dòng)機(jī)，將其空心轉(zhuǎn)子直接套裝在機(jī)床主軸上，帶有冷卻套的定子則安裝在主軸單元的殼體內(nèi)，即機(jī)床主軸單元的殼體就是電動(dòng)機(jī)座。實(shí)現(xiàn)了變頻電動(dòng)機(jī)與機(jī)床主軸一體化，以適應(yīng)主軸高速運(yùn)轉(zhuǎn)的要求。
(9) 超高速切削刀具的應(yīng)用。為適應(yīng)超高速加工要求， 目前陶瓷刀具和金剛石涂層刀具已開始得到應(yīng)用。
(10) 配置高速、強(qiáng)功能的內(nèi)裝式可編程控制器(Programmable Logic Controller，簡(jiǎn)稱PLC)。以提高PLC的運(yùn)行速度，滿足數(shù)控機(jī)床高速加工的要求。新型的PLC具有專用的CPU，基本指令執(zhí)行時(shí)間達(dá)0. 2us/步，可編程步數(shù)可擴(kuò)大到16000步以上。利用PLC的高速處理功能，將CNC與PLC之間有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，能夠滿足數(shù)控機(jī)床運(yùn)行中的各種實(shí)時(shí)控制要求。
1.2.2多功能化
(1) 數(shù)控機(jī)床采用一機(jī)多能，提高了設(shè)備利用率。配有自動(dòng)換刀機(jī)構(gòu)的各類加工中心，能在同一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)實(shí)現(xiàn)銑削、銼削、鉆削、車削、鉸孔、擴(kuò)孔、攻螺紋，甚至磨削等多種工序的加工。工件一經(jīng)裝夾，各種工序和工藝加工過(guò)程集中到同一臺(tái)設(shè)備上完成，從而避免了工件多次裝夾所造成的定位誤差，確保零件的形位公差，減少裝夾輔助時(shí)間，減少設(shè)備臺(tái)數(shù)和占地面積。為了進(jìn)一步提高工效，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床采用了多主軸、多面體切削，即同時(shí)對(duì)一個(gè)零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工，如各類五面體加工中心。
(2) 前臺(tái)加工、后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用了多CPU結(jié)構(gòu)和分級(jí)中斷控制方式，可以在一臺(tái)機(jī)床上同時(shí)進(jìn)行零件加工和程序編制，實(shí)現(xiàn)所謂的前臺(tái)加工后臺(tái)編輯.即操作者可在機(jī)床進(jìn)入自動(dòng)循環(huán)加工的空余期間，同時(shí)利用數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤和CRT進(jìn)行零件加工的編制，并利用CRT進(jìn)行動(dòng)態(tài)圖形模擬顯示及所編程序的加工軌跡，進(jìn)行程序的調(diào)試和修改，以充分提高工作效益和機(jī)床利用率。
(3) 具有更高的通信功能。為了適應(yīng)FMC,F MS以及進(jìn)一步聯(lián)網(wǎng)組成CIMS的要求，一般的數(shù)控系統(tǒng)都具有RS-232C和RS-422高速遠(yuǎn)距離串行接口，可以按照用戶級(jí)的格式要求，同上一級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行多種數(shù)據(jù)交換。高檔的數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)有的DNC接口，可以實(shí)現(xiàn)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對(duì)幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制?，F(xiàn) 代 數(shù) 控機(jī)床，為了適應(yīng)自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，滿足工廠自動(dòng)化規(guī)模越來(lái)越大的要求，滿足不同廠家不同類型數(shù)控機(jī)床聯(lián)網(wǎng)的需要，采用了MAP工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了MAP3.0 版本，為現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)入FMS和C工MS創(chuàng)造了條件。
1.2.3智能化
(1) 引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)。自適應(yīng)控制的目的是要求在隨機(jī)變化的加工過(guò)程中，通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)加工過(guò)程中所測(cè)得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評(píng)價(jià)指標(biāo)自動(dòng)校正自身的工作參數(shù)，己達(dá)到或接近最佳工作狀態(tài)。由于在實(shí)際加工過(guò)程中，大約有30余種變量直接和間接影響加工效果，如工件毛坯余量不勻、材料硬度不一致、刀具磨損、工件變形、機(jī)床熱變形、化學(xué)親和力的大小、切削液的粘度等，難以用最佳參數(shù)進(jìn)行切削。而自適應(yīng)控制系統(tǒng)則能根據(jù)切削條件的變化，自動(dòng)調(diào)節(jié)工作參數(shù)，如伺服進(jìn)給參數(shù)、切削用量等，使加工保持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較小的表面粗糙度，同時(shí)也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。
(2) 故障自診斷、自修復(fù)功能。主要是利用CNC系統(tǒng)的內(nèi)裝程序?qū)崿F(xiàn)在線診斷，即在整個(gè)工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時(shí)對(duì)CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障時(shí)，立即采用停機(jī)等措施，并通過(guò)了CRT進(jìn)行故障報(bào)警、提示發(fā)生故障的部位、原因等。并利用冗余技術(shù)，自動(dòng)使故障模塊脫機(jī)，而接通備用模塊，以確保在無(wú)人化工作環(huán)境的要求。為實(shí)現(xiàn)更高的故障診斷要求，最近又提出了人工智能專家診斷系統(tǒng)，它主要由知識(shí)庫(kù)、推理機(jī)和人機(jī)控制器三部分組成。
(3) 刀具壽命自動(dòng)檢測(cè)更換。利用紅外、聲發(fā)射、激光等各種檢測(cè)手段，對(duì)刀具和工件進(jìn)行監(jiān)測(cè)。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，進(jìn)行及時(shí)報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)償或更換備用刀具，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。
(4) 進(jìn)行模式識(shí)別技術(shù)。應(yīng)用圖像識(shí)別和聲控技術(shù)，使機(jī)器自己辨認(rèn)圖樣，按照自然語(yǔ)音命令進(jìn)行加工。
1.2.4數(shù)控系統(tǒng)小型化
數(shù)控系統(tǒng)體積小型化便于將機(jī)、電裝置融合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印制電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度的安裝，可以較大的縮小了系統(tǒng)的占有空間。此外，用新型的TFT彩色液晶薄膜型顯示器，代替?zhèn)鹘y(tǒng)的陰極射線管CRT，即可使數(shù)控操作系統(tǒng)進(jìn)一步小型化。這樣可更方便地將它安裝在機(jī)床設(shè)備上，更便于對(duì)數(shù)控機(jī)床的操作使用。
1.2.5數(shù)控編程自動(dòng)化
由于微處理機(jī)的應(yīng)用，使數(shù)控編程從脫機(jī)編程發(fā)展到在線編程，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話，給程序編輯、調(diào)試、修改帶來(lái)了極大的方便。并進(jìn)一步采用了前臺(tái)加工后臺(tái)編輯的前后臺(tái)功能，使數(shù)控機(jī)床的利用率得到更大的發(fā)揮。隨著計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD被彈入圖形交互式自動(dòng)編程已得到應(yīng)用，它是利用CAD繪制的零件加工圖樣，自動(dòng)生成NC零件加工程序，實(shí)現(xiàn)CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術(shù)的發(fā)展，目前又出現(xiàn)了CAD/CAPP/CAM集成的全自動(dòng)編程方式，它與CAD/CAM系統(tǒng)編程的最大區(qū)別是其編程所需的加工工藝參數(shù)不必有人工參與，直接從系統(tǒng)內(nèi)的CAPP數(shù)據(jù)庫(kù)獲得。另外，還出現(xiàn)了測(cè)量、編程、加工一體化系統(tǒng)。它是通過(guò)激光快速掃描成型系統(tǒng)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等對(duì)樣機(jī)零件進(jìn)行測(cè)量，并把所測(cè)得數(shù)據(jù)直接送入計(jì)算機(jī)內(nèi)，一方面通過(guò)CAD系統(tǒng)而獲得樣機(jī)零件圖樣，另一方面通過(guò)數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)，將其處理生成NC加工程序，然后通過(guò)通信接口送入數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行控制自動(dòng)加工。
1.2.6更高的可靠性
數(shù)控機(jī)床工作的可靠性是用戶最關(guān)注的主要指標(biāo)，它主要取決于數(shù)控系統(tǒng)和各伺服驅(qū)動(dòng)單元的可靠性，為提高可靠性，目前主要在以下幾個(gè)方面采取措施。
(1) 提高系統(tǒng)硬件質(zhì)量.采用更高集成度的電路芯片，利用大規(guī)模和超大規(guī)模的專用機(jī)混合式集成電路，以減少元器件的數(shù)量，精簡(jiǎn)外部連線和降低功耗，對(duì)元器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選，采用高質(zhì)量的多層印制電路板，實(shí)行三維高密度安裝工藝，并經(jīng)過(guò)必要的老化、振動(dòng)等有關(guān)考機(jī)試驗(yàn)。
(2) 模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。通過(guò)硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求，同時(shí)采用硬件結(jié)構(gòu)模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化，既提高了硬件生產(chǎn)批量，又便于組織生產(chǎn)和質(zhì)量把關(guān)。
(3) 增強(qiáng)故障自診斷、自恢復(fù)和保護(hù)功能。通過(guò)自動(dòng)運(yùn)行啟動(dòng)診斷、在線診斷、離線診斷等多種自診斷程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報(bào)警。利用報(bào)警提示，及時(shí)排除故障;利用容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)重要部件采取冗余設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)故障自恢復(fù);利用各種測(cè)試、監(jiān)控技術(shù)，當(dāng)產(chǎn)生超程、刀損、干擾、斷電等各種意外事件時(shí)，自動(dòng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)。
1.3 機(jī)床數(shù)控改造的意義
制造技術(shù)和自動(dòng)化水平的高低已成為一個(gè)國(guó)家或地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平的重要標(biāo)志，而其中最具代表性的就是數(shù)控機(jī)床。目前，我國(guó)是機(jī)床生產(chǎn)大國(guó)，但不是機(jī)床制造強(qiáng)國(guó)，國(guó)產(chǎn)機(jī)床的發(fā)展仍然難以支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防軍工的需要。與世界先進(jìn)水平相比差距仍然十分明顯。因?yàn)橐环矫嫖覈?guó)普通機(jī)床保有量大，要將普通機(jī)床淘汰掉是不經(jīng)濟(jì)的，也是不現(xiàn)實(shí)的；另一方面，從我國(guó)目前生產(chǎn)狀況來(lái)看，仍然以生產(chǎn)普通機(jī)床為主。然而，用普通機(jī)床加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、精度低、成本高、供貨期長(zhǎng)等缺點(diǎn)，從而使產(chǎn)品在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，這將直接影響一個(gè)企業(yè)的生產(chǎn)效益以及生存和發(fā)展。所以大力提高機(jī)床的數(shù)控化率已迫在眉睫，有很大的意義，而且普通機(jī)床的數(shù)控化改造將會(huì)長(zhǎng)期存在，并會(huì)不斷的發(fā)展。
1）節(jié)省資金。 機(jī)床的數(shù)控改造同購(gòu)置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購(gòu)置費(fèi)的1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級(jí)也只需花費(fèi)購(gòu)買新機(jī)床60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有地基。
2）性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期時(shí)效，幾乎不會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。
3）提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3至5倍。對(duì)復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
4）可以采用最新的控制技術(shù)?？梢愿鶕?jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度及時(shí)地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改造為具有當(dāng)今水平的機(jī)床。
1.4 本課題研究的參數(shù)要求
根據(jù)下列參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)數(shù)控車床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)，縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)和電路控制原理圖
主要技術(shù)參數(shù)：
最大加工直徑：在床面上，400mm,在床鞍上210mm,
最大加工長(zhǎng)度1000mm
行程：縱向 1000mm 橫向200mm
快速進(jìn)給：縱向 2400mm/min 橫向1200mm/min
最大切削進(jìn)給速度：縱向500mm/min 橫向250mm/min
溜板及刀架質(zhì)量：縱向81.63kg 橫向61.22kg
主電動(dòng)機(jī)功率 7.5kw
定位精度：0.04mm/全行程
重復(fù)定位精度：0.016mm/全行程
程序輸入方式：增加值，絕對(duì)值通用
控制坐標(biāo)數(shù)量：2
脈沖當(dāng)量：縱向0.01mm/脈沖橫向0.005mm/脈沖
第2章 總體方案設(shè)計(jì)
2.1數(shù)控車床的總體任務(wù)
橫向和縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算：此部分為設(shè)計(jì)計(jì)算部分，用以確定脈沖當(dāng)量，進(jìn)給牽引力，選擇絲杠螺母副，計(jì)算傳動(dòng)效率，確定傳動(dòng)比，選擇伺服電機(jī)等，并繪制機(jī)床的橫向和縱向的裝配圖及電路控制原理圖。
2.2運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)方案確定
2.2.1伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)：
開環(huán)控制系統(tǒng)中沒有檢測(cè)反饋裝置，數(shù)控裝置的控制指令直接通過(guò)驅(qū)動(dòng)裝置控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，然后通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成刀架或工作臺(tái)的位移。這種控制系統(tǒng)由于沒有檢測(cè)反饋校正，位移精度一般不高，但其控制方便、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜。
閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測(cè)裝置安裝在機(jī)床刀架或工作臺(tái)等執(zhí)行部件上，用以直接檢測(cè)這些執(zhí)行部件的實(shí)際運(yùn)行位置（直線位移），并將其與CNC裝置的指令位置（或位移）相比較，用差值進(jìn)行控制。但是，由于很多機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)包含在閉環(huán)控制的環(huán)路中，各部件的摩擦性，剛性等都是非線性量，直接影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)，因此，閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)速都有很大難度。所以，閉環(huán)控制系統(tǒng)主要用于精度要求高的場(chǎng)合。
半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測(cè)元件裝在電機(jī)或者絲杠的端頭，通過(guò)測(cè)量伺服電機(jī)的角位移間接計(jì)算出機(jī)床工作臺(tái)等執(zhí)行部件的實(shí)際位置（或位移），然后進(jìn)行反饋控制。由于將絲杠螺母副及機(jī)床工作臺(tái)等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，不能補(bǔ)償他們的運(yùn)動(dòng)誤差，精度受到影響，但系統(tǒng)穩(wěn)定性有所提高，調(diào)試比較方便、價(jià)格也較全閉環(huán)系統(tǒng)便宜。
本次改造由于使用步進(jìn)電機(jī)，所以可以選擇開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.2傳動(dòng)方式的選擇
為保證改造后的數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度及工作臺(tái)的平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)努力保證傳動(dòng)系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。因此在傳動(dòng)系統(tǒng)中注意以下幾點(diǎn)：
(1) 用低摩擦高精度的傳動(dòng)元件：如滾珠絲杠螺母副，滾動(dòng)導(dǎo)軌。
(2) 采用消隙齒輪減小傳動(dòng)間隙。
2.3數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)
為了使數(shù)控系統(tǒng)能夠長(zhǎng)期、可靠、方便地在工業(yè)環(huán)鏡中運(yùn)行，在制定數(shù)控系統(tǒng)總體方案時(shí)必須重點(diǎn)考慮以下幾個(gè)方面。
(1) 加強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。影響數(shù)控系統(tǒng)可靠性的因素很多，硬件規(guī)模和硬件的制造工藝水平往往是影響可靠性的關(guān)鍵因素。因此，應(yīng)選用高性能的CPU作為系統(tǒng)的運(yùn)算和控制核心，并盡量用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)的功能。在系統(tǒng)的具體硬件構(gòu)成上，選用可靠性高的工控PC作為數(shù)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)，減少自制硬件數(shù)量。此外，在軟件設(shè)計(jì)、電源選用、接插件設(shè)計(jì)與選用、接地與屏蔽設(shè)計(jì)等方面采用強(qiáng)抗干擾、高可靠性的設(shè)計(jì)，從而全面提高系統(tǒng)的可靠性。
(2) 提高數(shù)控系統(tǒng)的控制精度。數(shù)控系統(tǒng)的控制精度是保證機(jī)床加工精度的關(guān)鍵。因此，它在數(shù)控系統(tǒng)中處于重要位置。如提高數(shù)控系統(tǒng)的最小分辨率，使用高精度的步進(jìn)電機(jī)，采用高速高精度插補(bǔ)算法，提高軌跡生成精度;增強(qiáng)位置環(huán)控制能力;增加補(bǔ)償功能等。
(3) 提高使用方便性。提高數(shù)控編程的方便性，是提高數(shù)控系統(tǒng)使用方便性的關(guān)鍵。因此，數(shù)控系統(tǒng)除提供全屏幕編輯進(jìn)行手工編程外，還應(yīng)該配置自動(dòng)編程系統(tǒng)，從而大大提高數(shù)控編程的速度和智能化程度，大大方便普通用戶的使用。另外，因?yàn)楝F(xiàn)代工人都比較熟悉個(gè)人計(jì)算機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)在操作方面應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)鍵盤或與其兼容的薄膜鍵盤等輸入設(shè)備，也可用軟盤、移動(dòng)磁盤、串行通訊、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等輸入零件程序。此外，數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)設(shè)置仿真功能，便于用戶在加工前檢查零件程序的正確性。
2.4數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)由工控PC硬件平臺(tái)、數(shù)控操作面板(包括LCD顯示器，鍵盤)、數(shù)控接口板卡(工/0板，D/A板)和驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。PC硬件平臺(tái)包括工控電源、無(wú)源母板、工控PC主板和軟盤驅(qū)動(dòng)器、硬盤驅(qū)動(dòng)器等。數(shù)控操作面板上有液晶顯示器和薄膜鍵盤等。數(shù)控接口板卡是計(jì)算機(jī)與外部執(zhí)行裝置間進(jìn)行信息交換和轉(zhuǎn)換的通道，對(duì)內(nèi)通過(guò)無(wú)源母板與工控PC主板相連，對(duì)外通過(guò)屏蔽電纜與驅(qū)動(dòng)執(zhí)行裝置相連接。
該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)執(zhí)行環(huán)節(jié)包括四個(gè)子系統(tǒng):進(jìn)給軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng);主軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng);開關(guān)量控制系統(tǒng)。
主軸控制與驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)的功能包括兩方面:主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)速控制，以滿足寬范圍切削速度的要求;主軸轉(zhuǎn)角的精確控制，以滿足加工螺紋時(shí)的主軸與進(jìn)給軸的聯(lián)動(dòng)控制和換刀時(shí)的主軸精確定位控制要求。
開關(guān)量控制系統(tǒng)完成機(jī)床的邏輯順序運(yùn)動(dòng)控制，如主軸起?？刂?、刀具交換、工件裝夾、冷卻開關(guān)、行程保護(hù)等任務(wù)。開關(guān)量控制系統(tǒng)與其它模塊相配合，共同完成機(jī)床工作過(guò)程的控制。
2.5數(shù)控系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)
數(shù)控系統(tǒng)軟件為實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務(wù)在數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)進(jìn)行。
(1) 數(shù)控實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。它是數(shù)控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對(duì)系統(tǒng)中的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，對(duì)各任務(wù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊的高效運(yùn)行，并輔助完成各任務(wù)間的通訊和信息交換。
(2) 信息預(yù)處理。該模塊完成輸入信息譯碼，完成軌跡插補(bǔ)前的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和刀補(bǔ)運(yùn)算。
(3) 軌跡插補(bǔ)。它是數(shù)控系統(tǒng)的核心模塊，其任務(wù)是根據(jù)信息預(yù)處理給出的希望軌跡和從檢測(cè)裝置獲得的實(shí)際軌跡信息，實(shí)時(shí)生成機(jī)床各坐標(biāo)軸的移動(dòng)指令，并完成機(jī)床運(yùn)動(dòng)的加減速控制。
(4) 運(yùn)動(dòng)控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)果，通過(guò)高速算法對(duì)機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)行高精度位置控制，并完成主軸轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)角的控制任務(wù)。
(5) 加工仿真模塊。該模塊以動(dòng)畫方式對(duì)數(shù)控加工過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，從而在加工前檢驗(yàn)參數(shù)輸入正確性和機(jī)床運(yùn)動(dòng)合理性。
第3章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 確定脈沖當(dāng)量
一個(gè)進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)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(gè)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0.01～0.005mm/脈沖。
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖。
3.2 切削力的計(jì)算
切削力是指在切屑過(guò)程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力。車削外圓時(shí)的切削力如圖3-1所示。主切削力與切削速度的方向一致，垂直向下，是計(jì)算車床主軸電動(dòng)機(jī)切削功率的依據(jù)；進(jìn)給力與進(jìn)給方向平行且方向相反；背向力與進(jìn)給方向相垂直，對(duì)加工精度的影響較大。
Fz
Fx
Fy
圖3-1 車削力分析
由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，切削功率
式中：—主軸電動(dòng)機(jī)功率， ；
—主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為0.75～0.85，取=0.85；
—進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，一般取=0.96。
則
切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削速度來(lái)計(jì)算，即，式中切削速度v取0.5,縱向500mm/min則主切削力：
==734400
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式::=1:0.4:0.35，計(jì)算出：
=734400×0.4=293760
=734400×0.35=257040
3.3滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，其螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無(wú)間隙甚至有過(guò)盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長(zhǎng)工作壽命，可設(shè)置潤(rùn)滑件和密封件。
3.3.1 精度的選擇
滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/3～1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。對(duì)于車床，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)X軸為1～3級(jí)（1級(jí)精度最高），Z軸為2～5級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性，選擇X軸精度等級(jí)為3級(jí)，Z軸為4級(jí)。
3.3.2絲杠導(dǎo)程的確定
選擇導(dǎo)程跟所需要的運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿足的情況下，一般選擇較小導(dǎo)程（利于提高控制精度），本設(shè)計(jì)中初選縱向絲杠導(dǎo)程為8，橫向絲杠導(dǎo)程為5。
3.3.3 最大工作載荷的計(jì)算
最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引力,其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表3-1所示。
表3-1 實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)
導(dǎo)軌類型
實(shí)驗(yàn)公式
矩形導(dǎo)軌
1.1
0.15
燕尾導(dǎo)軌
1.4
0.2
綜合或三角導(dǎo)軌
1.15
0.15-0.18
表中為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為移動(dòng)部件總重量。溜板及刀架質(zhì)量：縱向81.63kg 橫向61.22kg
G=816 N
查表3-1選擇綜合導(dǎo)軌，取1.15,取0.18,為816；
算得=1.15×257040+0.18×（734400+816）
=427934.88
3.3.4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算
載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷。比如起重機(jī)以等速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為靜載，起重機(jī)以加速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為動(dòng)載。
對(duì)于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷計(jì)算公式如下：
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（T為使用壽命，普通機(jī)床T取5000-10000h，數(shù)控機(jī)床T取15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）；
—載荷系數(shù)，一般取1.2～1.5，本設(shè)計(jì)取1.2；
—硬度系數(shù)（HRC58時(shí)取1.0；等于55時(shí)取1.11；等于52.5時(shí)取1.35；等于50時(shí)取1.56；等于45時(shí)取2.40）；
—滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為N。
本設(shè)計(jì)中車床縱向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度,初選絲杠基本導(dǎo)程，則絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得 ：=17390N。
3.3.5 滾珠絲杠螺母副的選型
初選滾珠絲桿副時(shí)應(yīng)使其額定動(dòng)載荷, 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)使額定靜載荷。
根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL5008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級(jí)為4級(jí)，其參數(shù)如表3-2所示。
表3-2 FL5008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導(dǎo)程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1897
50
8
4.763
48.6
45.24
66
31
3.3.6 滾珠絲杠副的支承方式
滾珠絲杠副的支承主要用來(lái)約束絲杠的軸向竄動(dòng)，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用角接觸球軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長(zhǎng)度較大，本設(shè)計(jì)縱向絲杠采用雙推—簡(jiǎn)支支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。
3.4.3 傳動(dòng)效率的計(jì)算
滾珠絲杠的傳動(dòng)效率一般在0.8～0.9之間，其計(jì)算公式如下：
=
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°91′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得： ==96.67%
3.3.8 剛度的驗(yàn)算
滾珠絲杠副工作時(shí)受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。
因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對(duì)絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以、可以忽略不計(jì)，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：
=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，為3234.36，取1665，為45.24，算得：
==±0.01597=±15.97
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
表3-3 有效行程內(nèi)的目標(biāo)行程公差和行程變動(dòng)量
有效行程
精度等級(jí)
1
2
3
4
5
大于
至
—
315
6
6
8
8
12
12
16
16
23
23
400
500
8
7
10
9
15
13
20
19
27
26
1600
2000
18
13
25
18
35
25
48
36
65
51
3.3.9 穩(wěn)定性校核
由于滾珠絲杠本身比較細(xì)長(zhǎng)又受軸向力的作用，若軸向負(fù)載過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk應(yīng)該滿足：
=
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)，取2，其他方式如表3-4所示；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，垂直安裝時(shí)取最小值，本設(shè)計(jì)取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為1000；
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設(shè)
中將代入算出=205513.36。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：==
臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（3234.36N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
表3-4 絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡(jiǎn)支
單推-單推
雙推-自由
取值
4
2
1
0.25
3.3.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證
滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：—絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)，取值如表3-5所示；
—臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為1000；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
表3-5 絲杠支承系數(shù)
支承方式
雙推-雙推
雙推-簡(jiǎn)支
單推-單推
雙推-自由
取值
27.4
18.9
12.1
4.3
經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
3.4 齒輪傳動(dòng)的計(jì)算
有關(guān)齒輪計(jì)算
傳動(dòng)比
故取
； ； ； ； ；
3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
（1）工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑；
——絲杠長(zhǎng)度。
則
齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。
因此，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
（2）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算
快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩
最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
式中 ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；
——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；
——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)
當(dāng)時(shí)， 時(shí)
當(dāng)時(shí)預(yù)加載荷，則
所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩
切削時(shí)所需力矩
快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
由上分析計(jì)算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)：
（3）縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定
為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知
所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距為
步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足要求[7-12]。
3.6導(dǎo)軌的特點(diǎn)
滑動(dòng)導(dǎo)軌的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便和抗振性良好；缺點(diǎn)是磨損快。
為了提高耐磨性，國(guó)內(nèi)外主要采用鑲鋼滑動(dòng)導(dǎo)軌和塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌。
滑動(dòng)導(dǎo)軌常用材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。
1．鑄鐵 鑄鐵有良好的耐磨性、抗振性和工藝性。常用鑄鐵的種類有：
（1）灰鑄鐵 一般選擇HT200，用于手工刮研、中等精度和運(yùn)動(dòng)速度較低的導(dǎo)軌，硬度在HB180以上；
（2）孕育鑄鐵 把硅鋁孕育劑加入鐵水而得，耐磨性高于灰鑄鐵；
（3）合金鑄鐵 包括：含磷量高于0.3％的高磷鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵一倍以上；磷銅鈦鑄鐵和釩鈦鑄鐵，耐磨性高于孕育鑄鐵二倍以上；各種稀土合金鑄鐵，有很高的耐磨性和機(jī)械性能；
鑄鐵導(dǎo)軌的熱處理方法，通常有接觸電阻淬火和中高頻感應(yīng)淬火。接觸電阻淬火，淬硬層為0.15~0.2mm。硬度可達(dá)HRC55。中高頻感應(yīng)淬火， 淬硬層為2~3mm，硬度可達(dá)HRC48~55，耐磨性可提高二倍，但在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上依次淬火易產(chǎn)生變形，全長(zhǎng)上同時(shí)淬火需要相應(yīng)的設(shè)備。
2．鋼 鑲鋼導(dǎo)軌的耐磨性較鑄鐵可提高五倍以上。常用的鋼有：9Mn2V、CrWMn、GCr15、T8A、45、40Cr等采用表面淬火或整體淬硬處理，硬度為52~58HRC；20Cr、20CrMnTi、15等滲碳淬火，滲碳淬硬至56~62HRC；38C rMoAlA等采用氮化處理。
3．有色金屬 常用的有色金屬有黃銅HPb59-l，錫青銅ZCuSn6Pb3Zn6，鋁青銅ZQAl9-2和鋅合金ZZn-Al10-5，超硬鋁LC4、鑄鋁ZL106等，其中以鋁青銅較好。
4．塑料 鑲裝塑料導(dǎo)軌具有耐磨性好(但略低于鋁青銅)，抗振性能好，工作溫度適應(yīng)范圍廣(-200~+260℃)，抗撕傷能力強(qiáng)，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速運(yùn)動(dòng)的臨界速度，加工性和化學(xué)穩(wěn)定件好，工藝簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)。目前在各類機(jī)床的動(dòng)導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺(tái)的導(dǎo)軌上都有應(yīng)用。塑料導(dǎo)軌多與不淬火的鑄鐵導(dǎo)軌搭配。
導(dǎo)軌的使用壽命取決于導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料、制造質(zhì)量、熱處理方法、以及使用與維護(hù)。提高導(dǎo)軌的耐磨性，使其在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。常用的提高導(dǎo)軌耐磨性的方法有：采用鑲裝導(dǎo)軌、提高導(dǎo)軌的精度與改善表面粗糙度、采用卸荷裝置減小導(dǎo)軌單位面積上的壓力(即比壓)等。
一．作用力合作用點(diǎn)位置，作用力方向和作用點(diǎn)的位置唏噓合理安置。一邊導(dǎo)軌傾斜的力矩盡量小。否則會(huì)使導(dǎo)軌中的摩擦力增大，磨加劇，從而降低導(dǎo)軌的靈活性和導(dǎo)向精度。嚴(yán)重時(shí)甚至還可能卡死，不能正常工作。
作用在運(yùn)動(dòng)件上的推力有三種情況：
1.推力通過(guò)運(yùn)動(dòng)件在軸線
2.推力作用點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)件的軸線上。但推力的方向與軸線成一夾角
3.推力平行于運(yùn)動(dòng)件的軸線上
對(duì)于第一種情況，導(dǎo)軌摩擦力只受到載荷及運(yùn)動(dòng)件本身重量的影響，推力不會(huì)產(chǎn)生附加摩擦力。猶豫結(jié)構(gòu)上的限制，實(shí)際的結(jié)構(gòu)中往往出項(xiàng)第二第三中情況。為了保證導(dǎo)軌的靈活性，要對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行驗(yàn)算，在已知的條件先，確定各部分的集合尺寸。
推力F與運(yùn)動(dòng)件軸線組成夾角a,如圖所示
推力F的作用將使運(yùn)動(dòng)件產(chǎn)生傾斜，從而使運(yùn)動(dòng)件與承導(dǎo)體的倆點(diǎn)處壓緊，
設(shè)正壓力分別為 .，相應(yīng)摩擦力，，作用間的距離為L(zhǎng)，軸向阻力為
根據(jù)靜力平衡條件,運(yùn)動(dòng)件的直徑較小時(shí)，上式中含有d的各項(xiàng)可以略去?？?
解得：
欲推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件，則必須使
若要保證不卡死的條件是：
由此，可得到當(dāng)推力F與運(yùn)動(dòng)件有一夾角a時(shí)，運(yùn)動(dòng)件正常工作的條件是
為當(dāng)量摩擦系數(shù)
在燕尾形和三角形導(dǎo)軌中:
--滑動(dòng)摩擦系數(shù)
--燕尾形輪廓角與三角底角
二．選與運(yùn)動(dòng)件軸線與軸線相距h，圖中為軸向阻力和為反作用力，為當(dāng)量摩擦系數(shù)，根據(jù)靜力平衡條件
解得：
推動(dòng)運(yùn)動(dòng)件則必須：
保證運(yùn)動(dòng)件不卡死條件
即：
為了保證運(yùn)動(dòng)靈活，可取值
當(dāng)取f=0.25時(shí)，則有：
對(duì)圓柱形導(dǎo)軌：
對(duì)矩形導(dǎo)軌：
對(duì)燕尾形或三角形導(dǎo)軌：
在本設(shè)計(jì)的導(dǎo)軌中：h=200mm L=360 因此：
符合相關(guān)要求.
第4章 橫向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
4.1切削力的計(jì)算
因?yàn)闄M向切削力大小一般等于縱向切削力的一半，所以：
=293760÷2=146880
=257040÷2=128520
式中：—橫向主切削力；
—走刀方向切削力；
—吃刀方向切削力。
4.2 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型
4.2.1 最大工作載荷的計(jì)算
已知溜板及刀架重力（N）橫向61.22kg ，橫向?yàn)檠辔矊?dǎo)軌，查表3-1，最大工作載荷的計(jì)算如下：
=
式中： —為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取1.4；
—為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.2。
4.2.2 最大動(dòng)載荷的計(jì)算
式中：—滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r；
—絲杠壽命，取15000；
—載荷系數(shù)，一般取1.2；
—硬度系數(shù)取1；
—橫向絲杠副最大工作載荷，其值為245900.6；
—橫向滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為。
—橫向最大工進(jìn)速度，該設(shè)計(jì)值為；
—橫向最大工進(jìn)速度對(duì)應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度，單位。
計(jì)算得出得 ：=12278.8。
4.2.3滾珠絲杠螺母副的選型
根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的FL4005-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母方式預(yù)緊，精度等級(jí)為3級(jí)，其參數(shù)如表4-1所示。
表4-1 FL4005-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)
公稱直徑/
導(dǎo)程/
鋼球直徑/
絲杠外徑/
絲杠底徑/
額定載荷/
接觸剛度
/
1453
40
5
3.5
39
36.5
32.8
14
4.2.4 滾珠絲杠副的支承方式
考慮到橫向滾珠絲杠副的長(zhǎng)度、精度與負(fù)載的大小以及改造成本，采用雙推-單推支承方式，該方式軸向剛度高，位移精度好，可以進(jìn)行預(yù)拉伸。
4.2.5 傳動(dòng)效率的計(jì)算
=
式中：—螺距升角，根據(jù),可得=2°28′；
—摩擦角，一般取=10′。
算得： ==95.67%
4.2.6 剛度的驗(yàn)算
=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）
式中：—絲杠的最大工作載荷，單位為；
—絲杠縱向最大有效行程，單位為；
—絲杠材料的彈性模量，鋼；
—絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。
根據(jù)設(shè)計(jì)，為2459.6N，為420，為36.5，算得：
==±0.0047
=±4.7
查表3-3可知，,所以剛度足夠。
4.2.7 穩(wěn)定性校核
=
式中：—絲杠支承系數(shù)，由表3-4得出單推-單推時(shí)，取1；
—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5～4，本設(shè)計(jì)取4；
—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為500；
—按絲杠底徑確定的截面慣性矩，（，單位為）本設(shè)中將代入算出=87080。
由以上數(shù)據(jù)可以算出：==
臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（2459.6N），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
4.2.8臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證
式中：—絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時(shí)，由表3-5可得該值為12.1；
—臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值約為720；
—絲杠內(nèi)徑，單位；
—安全系數(shù)，可取=0.8
經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。
4.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算
4.3.1確定傳動(dòng)比
確定當(dāng)機(jī)床脈沖當(dāng)量和滾珠絲杠導(dǎo)程確定以后，可以先初選步進(jìn)電機(jī)的步距角，
計(jì)算伺服系統(tǒng)的降速比I
選步進(jìn)電機(jī)的步距角=0.6
橫向：
4.3.2齒輪參數(shù)的計(jì)算
摸數(shù)m取2。
計(jì)算如下：
橫向：取小圓齒數(shù)為24
小齒輪：
大齒輪：
4.4.步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用
4.4.1轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
（1）齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計(jì)算（）
對(duì)于鋼材：
式中：
M—圓柱體質(zhì)量（）
D—圓柱體直徑（）
L—圓柱體長(zhǎng)度（）
—鋼材的密度
對(duì)于齒輪：D可取分度圓直徑，L取齒輪寬度；
對(duì)于絲杠：D可近似取絲杠公稱直徑—滾珠直徑，L取絲杠長(zhǎng)度。
具體計(jì)算如下：
縱向：
橫向：
（2）絲杠傳動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的總傳動(dòng)慣量
步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一對(duì)齒輪降速后傳到絲杠，此傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣