Φ460mm數(shù)控車床總體設計及橫向進給設計【含CAD高清圖紙】

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Including the type selection, parameter selection, precision, circulation mode selection, matched with the host machine and the selection principle of manufacturers.Key words: lathe, numerical control, servo motor, the ball screw目 錄摘 要IIAbstractIII目 錄IV第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述11.1數(shù)控機床及其特點11.2數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度11.2.1工藝范圍11.2.2加工精度11.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析21.3.1中小企業(yè)數(shù)控機床選用中存在的問題21.3.2 數(shù)控機床選購的策略31.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向4第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較62.1 總體方案設計內容62.1.1系統(tǒng)運動方式的確定62.1.2控制方式的選擇62.2 總體方案確定62.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇62.2.2 數(shù)控系統(tǒng)62.2.3 機械傳動方式7第3章 確定切削用量及選擇刀具73.1科學選擇數(shù)控刀具73.1.1選擇數(shù)控刀具的原則73.1.2選擇數(shù)控車削用刀具83.2 設置刀點和換刀點83.3 確定切削用量93.3.1確定主軸轉速93.3.2確定進給速度93.3.3 確定背吃刀量10第4章 變速主傳動系統(tǒng)方案的制定104.1主傳動系統(tǒng)主要技術指標的確定104.1.1動力參數(shù)的確定104.1.2主運動調速范圍的確定114.1.3主軸計算轉速的確定124.2變速主傳動系統(tǒng)的設計134.2.1確定傳動方案134.2.2轉速圖的擬定144.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖15第5章 橫向進給系統(tǒng)設計計算155.1 選擇脈沖當量155.2 計算切削力165.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型175.4 齒輪進給齒輪箱傳動比計算255.5 步進電機的計算和選型26第6章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計306.1 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計綱要306.1.1 硬件電路設計306.1.2 軟件電路設計316.2 8031單片機及其擴展326.2.1 8031單片機的簡介326.2.2 8031單片機的系統(tǒng)擴展336.2.3 存儲器擴展356.2.4 I/O口的擴展366.2.5 步進電機驅動電路376.2.6 脈沖分配器（環(huán)行分配器）386.2.7 光電隔離電路386.2.8 功率放大器386.2.9 其他輔助電路39結 論41致 謝42參考文獻4344第1章 數(shù)控機床發(fā)展概述1.1數(shù)控機床及其特點數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床。數(shù)控機床具有廣泛的適應性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。隨著數(shù)控技術的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、車床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。數(shù)控機床主要由數(shù)控裝置、伺服機構和機床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動輸入。隨著微電子技術、計算機技術和軟件技術的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程。 未來數(shù)控機床的類型將更加多樣化，多工序集中加工的數(shù)控機床品種越來越多；激光加工等技術將應用在切削加工機床上，從而擴大多工序集中的工藝范圍；數(shù)控機床的自動化程度更加提高，并具有多種監(jiān)控功能，從而形成一個柔性制造單元，更加便于納入高度自動化的柔性制造系統(tǒng)中。1.2數(shù)控機床的工藝范圍及加工精度1.2.1工藝范圍數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化機床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機床，約占數(shù)控機床總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復雜的軸類、盤類等回轉體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進行切槽、鉆孔、擴孔、鉸孔等加工。1.2.2加工精度由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補功能，有些數(shù)控車床還具有非圓曲線插補功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點，所以它的工藝范圍要比普通車床要寬得多。1.精度要求高的回轉體零件由于數(shù)控車床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進行人工補償和自動補償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以車代磨。2.表面粗糙度要求高的回轉體零件數(shù)控車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進給量，要求小的部位選用小的進給量。3.輪廓形狀特別復雜和難于控制尺寸的回轉體零件由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補功能，所以可以加工形狀特別復雜或難于控制尺寸的的回轉體零件。4.帶特殊螺紋的回轉體零件普通車床所能車削的螺紋類型相當有限，它只能車等導程的直、錐面公、英制螺紋，而且一臺車床只能限定加工若干導程的螺紋。而數(shù)控車床不但能車削任何等導程的直、錐面螺紋和端面螺紋，而且能車變螺距螺紋，還可以車高精度螺紋。1.3 數(shù)控機床的經(jīng)濟分析近幾年，隨著國民經(jīng)濟快速穩(wěn)定發(fā)展，我國機床制造行業(yè)受益于國家振興裝備制造業(yè)的大環(huán)境，有了長足進展，這其中領先當今機械制造技術水平的數(shù)控機床產業(yè)更勝一籌。 由于數(shù)控設備的先進性、復雜性和發(fā)展的迅速性,以及品種型號、檔次的多樣性,決定了選用數(shù)控設備的復雜性和難度。如何從品種繁多、價格昂貴的產品中選擇適用的設備, 成為中小型企業(yè)十分關心的問題。1.3.1中小企業(yè)數(shù)控機床選用中存在的問題 目前中小型企業(yè)缺乏數(shù)控設備的使用經(jīng)驗和掌握數(shù)控加工技術的人才,在數(shù)控機床選購中存在著盲目性、片面性,主要表現(xiàn)在以下幾方面: 1.決策者對數(shù)控機床的認識有誤區(qū),部分企業(yè)領導認為配置高精度數(shù)控設備是企業(yè)檔次的象征。選型時不考慮投資效益,忽略性價比,盲目追求進口、高檔,片面講究功能齊全。而在后來的使用過程中才發(fā)現(xiàn)有些功能用不上或幾乎不用。2.機床選型混亂, 數(shù)控機床類型、規(guī)格不配套。選購不同廠家的產品, 數(shù)控系統(tǒng)不統(tǒng)一, 購置后給操作、編程、維修帶來困難。3.購置數(shù)控機床時只重視主機性能, 而忽略附件和刀具的配套, 致使在使用中因缺少某個附件或刀具而影響整個主機的運行。4.對企業(yè)發(fā)展和產品變化預測不足, 所購設備的功能的發(fā)揮受到制約。 1.3.2 數(shù)控機床選購的策略 1.實用性。選購數(shù)控機床時，企業(yè)要有明確的目的和出發(fā)點，首先考慮的是數(shù)控機床的實用性。 (1)數(shù)控機床規(guī)格、精度的實用性。在選擇數(shù)控機床時,首先應確定數(shù)控機床上加工的典型零件。零件的尺寸決定機床的加工范圍；零件關鍵部位的精度決定了所選機床的精度等級。機床精度的評定指標較多，因數(shù)控機床類別而異,但共有的關鍵項目是定位精度、重復定位精度以及綜合加工精度。定位精度與傳動鏈各環(huán)節(jié)的彈性、間隙等因素有關,反映了機械系統(tǒng)中的扭曲、撓度、爬行、共振等諸因素造成的綜合誤差。這些指標既反映了伺服機構的剛度,也說明了位置反饋測量系統(tǒng)的質量。重復定位精度反映了數(shù)控軸在全行程內定位點的穩(wěn)定性，傳動鏈剛性直接影響重復定位精度。綜合加工精度指最后加工出來的工件尺寸與所要求尺寸之間的誤差。選購時應避免盲目追求高精度，注意機床精度與工件精度相匹配。 (2)數(shù)控系統(tǒng)功能的實用性。數(shù)控系統(tǒng)功能可分為基本功能與選用功能, 各知名品牌數(shù)控系統(tǒng)的基本功能差別不大。除基本功能以外, 數(shù)控系統(tǒng)還為用戶提供多種可選功能。通常數(shù)控系統(tǒng)具備的基本功能比較便宜, 而特定選擇的功能很貴。在可供選擇的功能模塊中, 性能差別很大,價格也相差數(shù)倍，所以要根據(jù)加工要求和機床性能的需要來選擇。 從控制方式、驅動形式、反饋形式、檢測、操作方式、接口形式和故障診斷等方面來衡量, 合理地選擇適合機床的可選功能,放棄可有可無或不實用的可選功能。比如，自動換刀裝置(ATC) 是加工中心的基本特征，ATC裝置的投資往往占整機的30%50%。因此在滿足使用要求的前提下盡量選用結構簡單和可靠性高的ATC, 以提高機床的可靠性和降低整機的價格。應當注意，單獨簽訂合同購買附件的單價大大高于隨同主機一起供貨的附件單價,應盡可能在購買主機時一并購置部分易損部件及其他附件。 2.經(jīng)濟性。經(jīng)濟性是指選用的數(shù)控機床在滿足加工要求的條件下, 所支付的“錢”最少或較為合理的。經(jīng)濟性往往是和實用性緊密相連的, 機床選得實用、經(jīng)濟, 可避免不必要的浪費, 避免以高代價換來功能過多而又不實用的較復雜的數(shù)控機床，避免在操作使用、維護保養(yǎng)等諸多方面帶來困難。 數(shù)控機床的設計使用壽命一般為7年, 主要以數(shù)控方面的使用壽命為準。同時還得考慮市場占有率, 市場占有率高的數(shù)控設備說明是旺銷產品, 已受到多數(shù)用戶的青睞和肯定, 一般不會有太多的質量問題。 選購數(shù)控機床應考慮投資回報, 能夠在短期內收回投資的機床才是好機床。因為數(shù)控機床的主要優(yōu)勢是實現(xiàn)工序集中，從而提高生產率和加工精度，所以數(shù)控機床既適于單件小批生產，又適于大批量生產。多數(shù)中小型企業(yè)購買的數(shù)控機床用于批量生產，因為批量生產不僅節(jié)省編程、對刀等輔助時間，提高機床利用率；而且對操作者的技術要求不高，人工費用也相對較低。所以用于大批量生產的機床投資回報較快。少數(shù)產品附加值高，具有一定經(jīng)濟實力的企業(yè)，為了生產組織方便而購買用于單件生產的數(shù)控機床。機床利用率較低時，不僅要考慮設備的使用費用，比如潤滑油、冷卻液、電力消耗等，還要計算設備折舊。另外一個不可忽視的因素是設備的貶值，數(shù)控機床的升級、更新較快，同配置的一臺機床，現(xiàn)在售價40萬，三年后可能降至35萬，這樣算起來貶值和折舊一樣不可忽視。所以沒有定型產品或產品附加值較低的中小型企業(yè)，在購置貴重數(shù)控設備之前，一定要充分研究收回投資的周期。有些企業(yè)事先確定較穩(wěn)定的批量加工意向，甚至已經(jīng)接到訂單，選購機床時要求機床廠為其準備工裝、編制程序、培訓工人，即所謂“交鑰匙”工程，這是投資數(shù)控機床最理想的情況。 3.穩(wěn)定可靠性。數(shù)控設備的可靠性是廣大數(shù)控設備用戶必須關心的焦點問題, 因此在選用數(shù)控設備時應注意生產廠家的規(guī)模和市場占有率, 確認其產品是否達到國家規(guī)定的平均無故障時間標準(規(guī)定為460h)。目前多數(shù)機床廠都采購成熟的數(shù)控系統(tǒng)和零部件進行組裝。國內應用較多的數(shù)控系統(tǒng)有日本FANUC、德國的西門子等。立式加工中心的床身出自昆明和南京的居多，而床身中的直線導軌、主軸又分別來自德國和臺灣等地。所以機床的主要零部件的質量一般是可靠的，需要重點考察的是數(shù)控機床組裝企業(yè)的售后服務網(wǎng)絡是否健全,服務隊伍的素質是否能勝任工作,服務能否及時,是否能履行承諾等。1.4 數(shù)控機床的發(fā)展趨向數(shù)控機床是由美國發(fā)明家約翰帕森斯上個世紀發(fā)明的。隨著電子信息技術的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數(shù)字化制造技術為核心的機電一體化時代，其中數(shù)控機床就是代表產品之一。數(shù)控機床是制造業(yè) 的加工母機和國民經(jīng)濟的重要基礎。它為國民經(jīng)濟各個部門提供裝備和手段，具有無限放大的經(jīng)濟與社會效應。技術發(fā)展趨勢：高速、精密、復合、智能和綠色是數(shù)控機床技術發(fā)展的總趨勢，近幾年來，在實用化和產業(yè)化等方面取得可喜成績。主要表現(xiàn)在： 1.機床復合技術進一步擴展隨著數(shù)控機床技術進步，復合加工技術日趨成熟，包括車-車復合、車車復合、車-鏜-鉆-齒輪加工等復合，車磨復合，成形復合加工、特種復合加工等，復合加工的精度和效率大大提高?！耙慌_機床就是一個加工廠”、“一次裝卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，復合加工機床發(fā)展正呈現(xiàn)多樣化的態(tài)勢。 2數(shù)控機床的智能化技術有新的突破，在數(shù)控系統(tǒng)的性能上得到了較多體現(xiàn)。如：自動調整干涉防 碰撞功能、斷電后工件自動退出安全區(qū)斷電保護功能、加工零件檢測和自動補償學習功能、高精度加工零件智能化參數(shù)選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能 進入了實用化階段，智能化提升了機床的功能和品質。 3機器人使柔性化組合效率更高機器人與主機的柔性化組合得到廣泛應用，使得柔性線更加靈活、 功能進一步擴展、柔性線進一步縮短、效率更高。機器人與加工中心、車車復合機床、磨床、齒輪加工機床、工具磨床、電加工機床、鋸床、沖壓機床、激光加工機 床、水切割機床等組成多種形式的柔性單元和柔性生產線已經(jīng)開始應用。 4精密加工技術有了新進展數(shù)控金切機床的加工精度已從原來的絲級（0.01mm）提升到目前 的微米級（0.001mm），有些品種已達到0.05m左右。超精密數(shù)控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.05m左右，形狀精度可達 0.01m左右。采用光、電、化學等能源的特種加工精度可達到納米級（0.001m）。通過機床結構設計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用 高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動態(tài)誤差補償技術，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代。 5功能部件性能不斷提高功能部件不斷向高速度、高精度、大功率和智能化方向發(fā)展，并取得成熟的應用。全數(shù)字交流伺服電機和驅動裝置，高技術含量的電主軸、力矩電機、直線電機，高性能的直線滾動組件，高精度主軸單元等功能部件推廣應用，極大的提高數(shù)控機床的技術水平。第2章 數(shù)控機床總體方案的制訂及比較 2.1 總體方案設計內容接到一個數(shù)控裝置的設計任務以后，必須首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能決定各種設計參數(shù)和結構，然后再分別對機械部分和電氣部分進行設計。機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定包括以下內容：系統(tǒng)運動方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構的結構及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內容。一般應根據(jù)設計任務和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。2.1.1系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)、點位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。2.1.2控制方式的選擇系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。經(jīng)濟型數(shù)控機床普遍采用開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進電機驅動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反應迅速，調試和維修都比較簡單。2.2 總體方案確定2.2.1 系統(tǒng)的運動方式伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控機床應具備定位，直線插補，順、逆圓弧插補，暫停，循環(huán)加工，公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮達到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機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)及機床狀態(tài)等信息。2.2.3 機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結構。系統(tǒng)總體方案框圖如下： 圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖第3章 確定切削用量及選擇刀具3.1科學選擇數(shù)控刀具3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則刀具壽命與切削用量有密切關系。在制定切削用量時，應首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應根據(jù)優(yōu)化的目標而定。一般分最高生產率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據(jù)單件工時最少的目標確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標確定. 選擇刀具壽命時可考慮如下幾點根據(jù)刀具復雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復雜和精度高的刀具壽命應選得比單刃刀具高些。對于機夾可轉位刀具，由于換刀時 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調刀比較復雜的多刀機床、組合機床與自動化 加工刀具，刀具壽命應選得高些，尤應保證刀具可靠性。車間內某一工序的生產率限制了整個車間的生產率的提高時，該工序的刀具壽命要選得低些當某工序單位時 間內所分擔到的全廠開支M較大時，刀具壽命也應選得低些。大件精加工時，為保證至少完成一次走刀，避免切削時中途換刀，刀具壽命應按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機床加工方法相比，數(shù)控加工對刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時要求安裝調整 方便，這樣來滿足數(shù)控機床高效率的要求。數(shù)控機床上所選用的刀具常采用適應高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細粒度硬質合金)并使用可轉位刀片。3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具在數(shù)控加工中，車削平面零件內外輪廓 及車削平面常用平底立車刀，該刀具有關參數(shù)的經(jīng)驗數(shù)據(jù)如下:一是車刀半徑RD應小于零件內輪廓面的最小曲率半徑Rmin，一般取RD=(0.8一 0.9)Rmin。二是零件的加工高度HRdp，電動機直接驅動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調速范圍。（5）確定轉速級數(shù)取，則對于數(shù)控車床，為了加工端面時滿足恒線速度切削的要求，應使轉速有一些重復，故取Z=2（6）擬定轉速圖和功率特性圖如圖4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖擬定傳動系統(tǒng)的原則是：在保證機床的運動和使用要求的前提下，運動傳動鏈要盡可能的短而簡單；傳動效率高以及操作簡單方便 。首先要考慮某些結構方面的問題，考慮結構能否實現(xiàn)：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會碰及相鄰軸等；其次因考慮結構是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。該機床采用雙聯(lián)滑移齒輪變速組，采用窄式排列結構，使機床結構緊湊。主軸變速擬采用通過滑移齒輪的移位來實現(xiàn)，需保證當齒輪2與齒輪4完全脫開嚙合之后，齒輪3和齒輪6才能開始進入嚙合，所以齒輪5與齒輪6相鄰間的距離b要大于于滑移齒輪的寬度（齒輪2與齒輪寬度之和），一般b+, =14 mm。 綜合考慮個因素，擬訂傳動系統(tǒng)圖。第5章 橫向進給系統(tǒng)設計計算5.1 選擇脈沖當量脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床、車床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/step。根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量：縱向：0.01mm/step, 橫向：0.005mm/step(半徑)5.2 計算切削力用車床經(jīng)驗公式F=D來計算主切削力式中D指車床身上最大加工直徑（mm）。橫切端面時主切削力可取縱切時F的1/2。求出主切削里F以后再按以下比例分別求出分力F和F。F：F：F=1 ：0.25 ：0.5式中 F：指走刀方向的切削力（N）； F：指垂直走刀方向的切削力（N）。 下圖為縱切和橫切時切削力的示意圖。圖2縱切和橫切時切削力的示意圖1、 縱車外圓主切削力F(N)按經(jīng)驗公式估計算： F=D= （N）按切削力各分力比例： F：F：F=1 ：0.25 ：0.4 F（N）F（N）2、 橫切端面主切削力（N）可取縱切的1/2。 （N） （N） （N）5.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型（一） 縱向進給絲杠1、 計算進給軸向力F（N）縱向進給這里為三角形導軌：F式中K：指顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌取K=1.15；：指滑動導軌摩擦系數(shù)取0.150.18之間的值；G：指流板及刀架重力，G=1100N。則 F=（N）2、 計算最大動負載Q考慮滾珠絲杠在運轉過程中沖擊擾動對壽命的影響，則最大動負載Q的計算公式為：Q L n式中 ：指滾珠絲杠導程，初選=8； n：指絲杠轉速，（r/min）； ：指最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/21/3，此處取=0.3； ：指使用壽命時間（h）,對于數(shù)控機床取T=14600h.。L：指壽命，以10轉為一單位；：指運動系數(shù)，見表1，選=1.3。表1運轉系數(shù)運轉狀態(tài)運轉系數(shù)無沖擊運轉1.01.2一般運轉1.21.5有沖擊運轉1.5-2.5則 n( r/min)L Q（N）3、 滾珠絲杠螺母副的選型從手冊或樣本的滾珠絲杠副的尺寸系列表中可以找到相應的動負載C的滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結構類型，選用時應滿足Q C的條件。查表：可采用WL4608外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為23400N，符合Q C的條件。精度等級按表 2，選為1級。Vmm表 2滾珠絲杠行程公差項目符號有效行程（mm）精度等級12345目標行程公差e6812162331540079131825400460810152027460630911162230行程變動量公差V6812162331540068121725400460710131926460630711142129任意300 mm內行程變動量V681216232弧度內行程變動量V456784、傳動效率計算 式中 ：指螺旋升角，=255 ：指摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)其摩擦角，約等于。則 5、剛度驗算先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3所示，最大軸向力為N，支承間距L=1460mm, 絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。圖3縱向進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下：（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） F=N， L=8mm, EN/mm(材料彈性模數(shù)，對鋼來說是等于這個值)，mm, R=2.477, e=0.068mm則 d( mm)A(mm) （A指滾珠絲杠按內徑定的 截面積）絲杠導程L的變化量為： 總長度L=1460mm，絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則值： (mm)(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）由d=4.763mm, F=kgf,承載滾珠數(shù)量 ZZ 由于滾珠絲杠副施加預應力，且預應力F為軸向負載的1/3，則變形 =0.0013 （mm）(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）這里采用有預緊時的推力球軸承則 查機械設計手冊中表6-2-82，采用51109型推力球軸承，其d=45mm,滾動體直徑D=3.969mm, 滾動體數(shù)量Z=22， （mm）則定位誤差 =0.01785mm0.025mm(規(guī)定定位精度)6、穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需作穩(wěn)定性校核。（二） 橫向進給絲杠1、 計算進給軸向力 橫向導軌為燕尾形，計算如下： 由于是燕尾形導軌式中： K=1.4，=0.2則 N2、計算最大動負載Q n( r/min)L Q（N）查表：可采用WL2506外循環(huán)調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，2.5圈1列，其額定動負載為13100N，符合Q C的條件。精度等級按表 2滾珠絲杠行程公差表，選為1級。 Vmm4、傳動效率計算5、剛度驗算橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=550mm, 因絲杠長度較短，不需要預緊。圖4橫向進給系統(tǒng)計算簡圖計算如下：(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）根據(jù) N， D=25mm, EN/mm, R=2.064, e=0.056mmd( mm)A(mm) （mm）(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）對滾珠絲杠副施加預緊力F為軸向負載的1/3。由 mm, kgf承載滾珠數(shù)量 ZZ =0.0013 （mm）(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）這里采用有預緊時的推力球軸承則 查機械設計手冊中表6-2-82，采用51104型推力球軸承，其d=20mm,滾動體直徑D=3.175mm, 滾動體數(shù)量Z=14， （mm）則定位誤差 =0.03682 (mm) 顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度（），應該采取相應的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導軌=0.030.05。重新計算如下： NQ（N）由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。此時的變形量為：（mm）=0.0013 （mm） （mm）定位誤差 0.02412 (mm) 0.025mm(規(guī)定定位精度)6、穩(wěn)定性校核臨界負載與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數(shù)，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般=2.54。計算臨界負載（N）： 式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）； J：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）； ：絲杠兩支承端距離（mm）；：絲杠支承方式系數(shù)，見表3，這里。表3滾珠絲杠支承方式系數(shù)方式一端固定一端自由兩端簡支一端固定一端簡支兩端固定0.251.002.004.00則 N 所以此絲杠不會產生失穩(wěn)。（三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)其幾何參數(shù)見表：表4WL4608及WL2506滾珠絲杠幾何參數(shù)名稱符號WL4608WL2506螺 紋 滾 道公稱直徑5025導程86接觸角鋼球直徑4.7633.969滾道法面半徑2.4772.064偏心距0.0680.056螺紋升角螺 桿絲杠外徑48.524絲杠內徑45.18220.984螺桿接觸直徑40.42417.025螺 母螺母螺紋直徑54.81829.016螺母內徑51.19025.9925.4 齒輪進給齒輪箱傳動比計算1、縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比： 在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數(shù)可取多些，推薦取Z=2440。所以可選定齒輪數(shù)為：2、橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比：可選定齒輪數(shù)為： 因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。有關參數(shù)參照表5。表5傳動齒輪幾何參數(shù)所處位置縱 向橫 向齒數(shù)24401845分度圓直徑48803690齒頂圓直徑52844094齒根圓直徑43753185齒寬（610）m16161616中心距64635.5 步進電機的計算和選型（一） 縱向進給步進電機計算1、 等效轉動慣量計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算：式中 ：指步進電機轉子轉動慣量；、：指齒輪、的轉動慣量；：指滾珠絲杠轉動慣量；：指工件及工作臺重量（N）；：指絲杠導程（）；參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉子轉動慣量。（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距） 把這些數(shù)據(jù)代入上式： 2、 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按個階段計算：（1）快速空載起動力矩 在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下：以上式中 ：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（）； ：指折算到電機軸上的摩擦力矩（）；：指絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（）；：指傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉動慣量； ：指電機最大角加速度（）； ：指電機最大轉速（）；：指運動部件最大進給速度（）；：指脈沖當量（）；：指步進電機步距角（）；：指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（s），這里是30ms；：指導程的摩擦力（N），；：指垂直方向的切削力（N）；：指工件及工作臺重量（N）；：指導軌摩擦系數(shù)，；：指運動部件的總重量（N）；：指齒輪降速比；按計算；：指傳動鏈總效率，一般可??；：指滾珠絲杠預加負載，一般取/3，為進給軸向力（N）；：指滾珠絲杠導程；：指滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取。將以前計算所得數(shù)據(jù)代入： （） （）（）則 （）（2）快速移動時所需力矩 （）（3）最大切削負載時所需力矩 （）從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。由表6得：當步進電機為三相六拍時，則（N）。表6步進電機起動轉距與最大靜轉距關系步進電機相 數(shù)三 相四 相五 相六 相拍 數(shù)36485106120.50.8660.7070.8090.9510.8660.866按此最大靜轉距從表中查出，150BF002型最大靜轉距為13.72，大于所需最大靜轉距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。3、 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率可查出150BF002型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800運行頻率為8000，再從圖5查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中看出，當步進電機起動時，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（800.77），直接使用則會出現(xiàn)失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現(xiàn)），半起動頻率降到1000，起動力矩可提高到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。圖5150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性（二） 橫向進給步進電機計算和選型與縱向進給步進電機計算的方法一樣，如果縱向的步進電機能滿足條件那橫向的就也可以滿足條件，則這選用與縱向相同的步進電機。第6章 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計6.1 微機數(shù)控系統(tǒng)的設計綱要6.1.1 硬件電路設計硬件是組成系統(tǒng)的基礎，也是軟件編程的前提，數(shù)控系統(tǒng)硬件設計包括以下幾部分內容：1、 繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖據(jù)總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。機床硬件電路由五部分組成：（1） 主控制器，即中央處理單元CPU；（2） 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；（3） 存儲器，包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；（4） 接口，即輸入/輸出接口電路；（5） 外圍設備，如鍵盤、顯示器等。機床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如圖6所示： 圖6機床數(shù)控系