畢業(yè)論文定稿-CA6140普通車床改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床設(shè)計

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寧XX 大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計 (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 級姓 名學(xué) 號指 導(dǎo) 老 師年 月 日原版文檔，無刪減，可編輯，歡迎下載詳細(xì)圖紙可扣扣咨詢 414951605 或 1304139763摘 要購買新的數(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)在短時間內(nèi)無法實現(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)競爭力，在我國成為制造強(qiáng)國的進(jìn)程中，占有一席之地。本文的主要內(nèi)容有：1．對普通車床數(shù)控化改造經(jīng)濟(jì)性評價詳細(xì)論證，確定普通車床數(shù)控化改造方案；2．對進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠型號選擇與裝配設(shè)計，支承方式的設(shè)計與軸承型號選擇，步進(jìn)電機(jī)選擇等進(jìn)行了詳細(xì)研究；3．對常用進(jìn)口數(shù)控裝置系統(tǒng)和國產(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)來選配數(shù)控裝置系統(tǒng)和自動刀架型號，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，對主傳動系統(tǒng)的進(jìn)行大修，滑板貼塑與鏟刮調(diào)試，對機(jī)床相關(guān)部件和參數(shù)進(jìn)行測繪、測量；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IIIAbstractPurchasing 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)、ReformIV目 錄摘 要 IIAbstract.III目 錄 IV第 1 章 緒 論.11.1 課題研究的意義 11.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢和研究方向 11.2.1 高速度、高精度化 .21.2.2 多功能化 31.2.3 智能化 41.2.4 數(shù)控系統(tǒng)小型化 51.2.5 數(shù)控編程自動化 51.2.6 更高的可靠性 51.3 機(jī)床數(shù)控改造的意義 61.4 本課題研究的參數(shù)要求 7第 2 章 總體方案設(shè)計.82.1 數(shù)控車床的總體任務(wù) .82.2 運動系統(tǒng)方案確定 .82.2.1 伺服系統(tǒng)的選擇 82.2.2 傳動方式的選擇 82.3 數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計 .92.4 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) .92.5 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.113.1 確定脈沖當(dāng)量 113.2 切削力的計算 113.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 .123.3.1 精度的選擇 .12V3.3.2 絲杠導(dǎo)程的確定 123.3.3 最大工作載荷的計算 .133.3.4 最大動載荷的計算 .133.3.5 滾珠絲杠螺母副的選型 .143.3.6 滾珠絲杠副的支承方式 .143.4.3 傳動效率的計算 .153.3.8 剛度的驗算 .153.3.9 穩(wěn)定性校核 .163.3.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 .163.4 齒輪傳動的計算 173.5 步進(jìn)電動機(jī)的選擇 173.6 導(dǎo)軌的特點 .20第 4 章 橫向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計.244.1 切削力的計算 .244.2 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 244.2.1 最大工作載荷的計算 .244.2.2 最大動載荷的計算 .244.2.3 滾珠絲杠螺母副的選型 254.2.4 滾珠絲杠副的支承方式 .254.2.5 傳動效率的計算 .254.2.6 剛度的驗算 .254.2.7 穩(wěn)定性校核 .264.2.8 臨界轉(zhuǎn)速的驗證 264.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動計算 274.3.1 確定傳動比 274.3.2 齒輪參數(shù)的計算 274.4.步進(jìn)電機(jī)的計算和選用 .274.4.1 轉(zhuǎn)動慣量的計算 274.4.2 電機(jī)力矩的計算 29VI4.5 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.325.1 硬件電路設(shè)計 .325.1.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) .325.1.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 .325.2 關(guān)于各線路元件之間線路連接 .335.3.關(guān)于電路原理圖的一些說明 .34參考文獻(xiàn).37致 謝.381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數(shù)控機(jī)床在美國研制成功的半個多世紀(jì)以來，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時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，他們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，正處在黃金時代，由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個永恒的課題。在國內(nèi)，機(jī)床的數(shù)控化改造是發(fā)展我國數(shù)控設(shè)備的一個重要方面。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。普通車床由于造價低廉在我國運用十分廣泛，但是因為其進(jìn)給軸不能聯(lián)動，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且無法加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件。對普通車床的數(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)控制的并能獨立運動的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動刀架換成能自動換刀的電動刀架。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?？梢詫崿F(xiàn)多工序集中加工，提高了相關(guān)加工精度，同時減少被加工零件在機(jī)床間的頻繁搬運。擁有自動補償?shù)裙δ埽喕藗鹘y(tǒng)機(jī)床加工工藝中的工序，機(jī)床利用率大幅度提高。由于采用自動化加工技術(shù)，可大大降低操作者的勞動強(qiáng)度，減少廢品的產(chǎn)生，提高工作效率。另外其改造成本同購置新機(jī)床相比，節(jié)省的費用十分可觀，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床價格也要 4～8 萬元，進(jìn)口機(jī)床有的近 20 萬元，而對普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造也能滿足實際生產(chǎn)要求，其改造費用僅2～3 萬元，非常符合我國國情。1.2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢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，對數(shù)控機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、主軸驅(qū)動、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2CMS 的不斷成熟，又將對數(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)的實施中，它對機(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，這兩項技術(shù)指標(biāo)又是互相制約的，也就是說要求位移速度越高，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)的基本運算速度。目前己由 8 位 CPU 過渡到 16 位和 32 位 CPU，并向 64 位 CPU 發(fā)展，頻率已由原來的5MHz 提高到 16MHz, 20MHz 和 32MHzo 同時也采用了超大規(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，即提高插補運算的速度和精度。(2) 伺服驅(qū)動系統(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)伺服電動機(jī)加滾珠絲杠的傳統(tǒng)機(jī)械進(jìn)給機(jī)構(gòu)已無法實現(xiàn)。為此采用直線電動機(jī)直接驅(qū)動機(jī)床工作臺的零傳動直線伺服進(jìn)給方式，將極大地提高機(jī)床直線進(jìn)給的各項伺服性能指標(biāo)， 特別是高速度和動態(tài)響應(yīng)特性是以往任何伺服機(jī)構(gòu)無法比較的。(3) 前饋控制技術(shù)。過去的伺服系統(tǒng)是將位置指令值與所檢測到的實際值比較，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，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加工精度惡化。所謂前饋控制，就是在原來的控制系統(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、靜摩擦的非線性補償控制技術(shù)。機(jī)床動、靜摩擦的非線性會導(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)具有自動補償機(jī)械系統(tǒng)動、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3性，適應(yīng)不同類型的機(jī)床對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)床利用計算機(jī)控制系統(tǒng)的軟件補償功能對伺服系統(tǒng)進(jìn)行多種補償，以提高機(jī)床的位置精度和動態(tài)伺服性能，如軸向運動定點誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒輪間隙補償、熱變形補償和空間誤差補償?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)裝式電動機(jī)主軸，簡稱電主軸。它是采用主軸電動機(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機(jī)座。實現(xiàn)了變頻電動機(jī)與機(jī)床主軸一體化，以適應(yīng)主軸高速運轉(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，簡稱 PLC)。以提高 PLC 的運行速度，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，能夠滿足數(shù)控機(jī)床運行中的各種實時控制要求。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。配有自動換刀機(jī)構(gòu)的各類加工中心，能在同一臺機(jī)床上同時實現(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程集中到同一臺設(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，減少裝夾輔助時間，減少設(shè)備臺數(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，即同時對一個零件的不同部位進(jìn)行不同方式的切削加工，如各類五面體加工中心。(2) 前臺加工、后臺編輯的前后臺功能?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)采用了多 CPU 結(jié)構(gòu)和分級4中斷控制方式，可以在一臺機(jī)床上同時進(jìn)行零件加工和程序編制，實現(xiàn)所謂的前臺加工后臺編輯.即操作者可在機(jī)床進(jìn)入自動循環(huán)加工的空余期間，同時利用數(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，可以按照用戶級的格式要求，同上一級計算機(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，可以實現(xiàn)幾臺數(shù)控機(jī)床之間的數(shù)據(jù)通信，也可以直接對幾臺數(shù)控機(jī)床進(jìn)行控制?，F(xiàn) 代 數(shù) 控機(jī)床，為了適應(yīng)自動化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，滿足工廠自動化規(guī)模越來越大的要求，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)變化的加工過程中，通過自動調(diào)節(jié)加工過程中所測得的工作狀態(tài)、特性，按照給定的評價指標(biāo)自動校正自身的工作參數(shù)，己達(dá)到或接近最佳工作狀態(tài)。由于在實際加工過程中，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，即在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對 CNC 系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自動診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障時，立即采用停機(jī)等措施，并通過了 CRT 進(jìn)行故障報警、提示發(fā)生故障的部位、原因等。并利用冗余技術(shù)，自動使故障模塊脫機(jī)，而接通備用模塊，以確保在無人化工作環(huán)境的要求。為實現(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)，它主要由知識庫、推理機(jī)和人機(jī)控制器三部分組成。(3) 刀具壽命自動檢測更換。利用紅外、聲發(fā)射、激光等各種檢測手段，對刀具和工件進(jìn)行監(jiān)測。發(fā)現(xiàn)工件超差、刀具磨損、破損，進(jìn)行及時報警、自動補償或更換備用刀具，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。5(4) 進(jìn)行模式識別技術(shù)。應(yīng)用圖像識別和聲控技術(shù)，使機(jī)器自己辨認(rèn)圖樣，按照自然語音命令進(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，更便于對數(shù)控機(jī)床的操作使用。1.2.5 數(shù)控編程自動化由于微處理機(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，實現(xiàn)了人機(jī)對話，給程序編輯、調(diào)試、修改帶來了極大的方便。并進(jìn)一步采用了前臺加工后臺編輯的前后臺功能，使數(shù)控機(jī)床的利用率得到更大的發(fā)揮。隨著計算機(jī)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，目前CAD 被彈入圖形交互式自動編程已得到應(yīng)用，它是利用 CAD 繪制的零件加工圖樣，自動生成 NC 零件加工程序，實現(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)庫獲得。另外，還出現(xiàn)了測量、編程、加工一體化系統(tǒng)。它是通過激光快速掃描成型系統(tǒng)、三坐標(biāo)測量機(jī)等對樣機(jī)零件進(jìn)行測量，并把所測得數(shù)據(jù)直接送入計算機(jī)內(nèi)，一方面通過 CAD 系統(tǒng)而獲得樣機(jī)零件圖樣，另一方面通過數(shù)控自動編程系統(tǒng)，將其處理生成 NC 加工程序，然后通過通信接口送入數(shù)控機(jī)床，進(jìn)行控制自動加工。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)動單元的可靠性，為提高可靠性，目前主要在以下幾個方面采取措施。(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，精簡外部連線和降低功耗，對元器件進(jìn)行嚴(yán)格篩選，采用高質(zhì)量的多層印制電路板，實行三維高密度安裝工藝，并經(jīng)過必要的老化、振動等有關(guān)考機(jī)試驗。(2) 模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化和通用化。通過硬件功能軟件化，以適應(yīng)各種控制功能的要求，6同時采用硬件結(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。通過自動運行啟動診斷、在線診斷、離線診斷等多種自診斷程序，實現(xiàn)對系統(tǒng)內(nèi)硬件、軟件和各種外部設(shè)備進(jìn)行故障診斷和報警。利用報警提示，及時排除故障;利用容錯技術(shù)，對重要部件采取冗余設(shè)計，以實現(xiàn)故障自恢復(fù);利用各種測試、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，自動進(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)和自動化水平的高低已成為一個國家或地區(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，我國是機(jī)床生產(chǎn)大國，但不是機(jī)床制造強(qiáng)國，國產(chǎn)機(jī)床的發(fā)展仍然難以支撐國民經(jīng)濟(jì)和國防軍工的需要。與世界先進(jìn)水平相比差距仍然十分明顯。因為一方面我國普通機(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)實的；另一方面，從我國目前生產(chǎn)狀況來看，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、供貨期長等缺點，從而使產(chǎn)品在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，這將直接影響一個企業(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)控化改造將會長期存在，并會不斷的發(fā)展。1）節(jié)省資金。 機(jī)床的數(shù)控改造同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省 60%左右的費用，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)床購置費的 1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級也只需花費購買新機(jī)床 60%的費用，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)過長期時效，幾乎不會產(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)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3至 5 倍。對復(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)展速度及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，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。71.4 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8第 2 章 總體方案設(shè)計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)計計算：此部分為設(shè)計計算部分，用以確定脈沖當(dāng)量，進(jìn)給牽引力，選擇絲杠螺母副，計算傳動效率，確定傳動比，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 運動系統(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)中沒有檢測反饋裝置，數(shù)控裝置的控制指令直接通過驅(qū)動裝置控制步進(jìn)電機(jī)的運轉(zhuǎn)，然后通過機(jī)械傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)化成刀架或工作臺的位移。這種控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋校正，位移精度一般不高，但其控制方便、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜。閉環(huán)控制系統(tǒng)又稱全閉環(huán)控制系統(tǒng)，其檢測裝置安裝在機(jī)床刀架或工作臺等執(zhí)行部件上，用以直接檢測這些執(zhí)行部件的實際運行位置（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合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)，它的檢測元件裝在電機(jī)或者絲杠的端頭，通過測量伺服電機(jī)的角位移間接計算出機(jī)床工作臺等執(zhí)行部件的實際位置（或位移） ，然后進(jìn)行反饋控制。由于將絲杠螺母副及機(jī)床工作臺等大慣量環(huán)節(jié)排除在閉環(huán)控制系統(tǒng)之外，不能補償他們的運動誤差，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 傳動方式的選擇為保證改造后的數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度及工作臺的平穩(wěn)性，在設(shè)計機(jī)床的傳動系統(tǒng)時，應(yīng)努力保證傳動系統(tǒng)低摩擦、低慣量、高效率、高剛度。因此在傳動系統(tǒng)中注意以下幾點：9(1) 用低摩擦高精度的傳動元件：如滾珠絲杠螺母副，滾動導(dǎo)軌。(2) 采用消隙齒輪減小傳動間隙。2.3 數(shù)控系統(tǒng)電路原理圖設(shè)計為了使數(shù)控系統(tǒng)能夠長期、可靠、方便地在工業(yè)環(huán)鏡中運行，在制定數(shù)控系統(tǒng)總體方案時必須重點考慮以下幾個方面。(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)的運算和控制核心，并盡量用軟件來實現(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，減少自制硬件數(shù)量。此外，在軟件設(shè)計、電源選用、接插件設(shè)計與選用、接地與屏蔽設(shè)計等方面采用強(qiáng)抗干擾、高可靠性的設(shè)計，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算法，提高軌跡生成精度;增強(qiáng)位置環(huán)控制能力;增加補償功能等。(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，因為現(xiàn)代工人都比較熟悉個人計算機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)在操作方面應(yīng)采用標(biāo)準(zhǔn)計算機(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、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)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)等組成。PC硬件平臺包括工控電源、無源母板、工控PC主板和軟盤驅(qū)動器、硬盤驅(qū)動器等。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，對內(nèi)通過無源母板與工控PC主板相連，對外通過屏蔽電纜與驅(qū)動執(zhí)行裝置相連接。10該系統(tǒng)的驅(qū)動執(zhí)行環(huán)節(jié)包括四個子系統(tǒng):進(jìn)給軸控制與驅(qū)動子系統(tǒng);主軸控制與驅(qū)動子系統(tǒng);開關(guān)量控制系統(tǒng)。主軸控制與驅(qū)動子系統(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，以滿足加工螺紋時的主軸與進(jìn)給軸的聯(lián)動控制和換刀時的主軸精確定位控制要求。開關(guān)量控制系統(tǒng)完成機(jī)床的邏輯順序運動控制，如主軸起停控制、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)軟件為實時多任務(wù)系統(tǒng)，系統(tǒng)中的各任務(wù)在數(shù)控實時操作系統(tǒng)控制下協(xié)調(diào)進(jìn)行。(1) 數(shù)控實時操作系統(tǒng)。它是數(shù)控系統(tǒng)軟件中的核心子系統(tǒng)，它對系統(tǒng)中的資源進(jìn)行統(tǒng)一管理，對各任務(wù)進(jìn)行動態(tài)調(diào)度，協(xié)調(diào)各模塊的高效運行，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，完成軌跡插補前的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換和刀補運算。(3) 軌跡插補。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裝置獲得的實際軌跡信息，實時生成機(jī)床各坐標(biāo)軸的移動指令，并完成機(jī)床運動的加減速控制。(4) 運動控制。該模塊是數(shù)控系統(tǒng)的另一核心模塊，它根據(jù)插補運算結(jié)果，通過高速算法對機(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。該模塊以動畫方式對數(shù)控加工過程進(jìn)行動態(tài)仿真，從而在加工前檢驗參數(shù)輸入正確性和機(jī)床運動合理性。11第 3 章 縱向進(jìn)給伺服進(jìn)給結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1 確定脈沖當(dāng)量一個進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運動部件產(chǎn)生位移量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床銑床常采用的脈沖當(dāng)量是 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 切削力的計算切削力是指在切屑過程中產(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，工件材料抵抗刀具切削時產(chǎn)生的阻力。車削外圓時的切削力如圖 3-1 所示。主切削力 與切削速度的方向一致，垂直向下，是計算車zF床主軸電動機(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)x yF給方向相垂直，對加工精度的影響較大。FzFxFy12圖 3-1 車削力分析由《機(jī)床設(shè)計手冊》可知，切削功率 KPc??式中： —主軸電動機(jī)功率， ；PkW5.7—主傳動系統(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。K則 )(12.69.085.7kc???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計算，即 ，式中切削速度 v 取 0.5 ,縱向 500mm/min 則主切削力：3106???vFPZc min/= =7344003106??PFcz 3105.26?)(N根據(jù)經(jīng)驗公式 : : =1:0.4:0.35，計算出：zyx=734400×0.4=293760 )(=734400×0.35=257040xFN133.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，其螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。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間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。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)程誤差對機(jī)床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意 300 行程變動量m應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的 1/3～1/2,在最后精度驗算中確定。對于車床，選用30V滾珠絲杠的精度等級 X 軸為 1～3 級（1 級精度最高） ，Z 軸為 2～5 級，考慮到本設(shè)計的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性，選擇 X 軸精度等級為 3 級，Z 軸為 4 級。3.3.2 絲杠導(dǎo)程的確定選擇導(dǎo)程跟所需要的運動速度、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)計中初選縱向絲杠導(dǎo)程為 8 ，m橫向絲杠導(dǎo)程為 5 。m3.3.3 最大工作載荷的計算最大工作載荷 是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動工作臺時所承受的最大軸向力，也叫mF進(jìn)給牽引力,其實驗計算公式如表 3-1 所示。表 3-1 實驗計算公式及參考系數(shù)mF導(dǎo)軌類型 實驗公式 K?矩形導(dǎo)軌 )(GKyzx???1.1 0.15燕尾導(dǎo)軌 2m1.4 0.2綜合或三角導(dǎo)軌 )(Fzx 1.15 0.15-0.18表中 為考慮顛覆力矩影響時的實驗系數(shù)； 為滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)； 為移動部K?G件總重量。溜板及刀架質(zhì)量：縱向 81.63kg 橫向 61.22kg14G=816 N 查表 3-1 選擇綜合導(dǎo)軌， 取 1.15, 取 0.18, 為 816 ；K?GN算得 =1.15×257040+0.18×（734400+816 ）)(GFzxm???=427934.883.3.4 最大動載荷的計算載荷隨時間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力） ，此類載荷為動載荷。比如起重機(jī)以等速度吊起重物，重物對吊索的作用為靜載，起重機(jī)以加速度吊起重物，重物對吊索的作用為動載。對于滾珠絲杠螺母副的最大動載荷 計算公式如下：QFmhwQfL3?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L610610/nL?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)計取 1.2；wf—硬度系數(shù)（HRC 58 時取 1.0 ；等于 55 時取 1.11；等于 52.5 時取 1.35；h?等于 50 時取 1.56；等于 45 時取 2.40） ；—滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為 N。mF本設(shè)計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min/5.0axVj?基本導(dǎo)程 ，則絲杠轉(zhuǎn)速 。取滾珠絲杠mPh8?7/10marPnhj?使用壽命 ，帶入 得 =90；取 ， 代入T1506/TLL2.1wf?hf，求得 ： =17390N。mhwQFfL3 Q3.3.5 滾珠絲杠螺母副的選型初選滾珠絲桿副時應(yīng)使其額定動載荷 , 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下QaFC?長時間承受工作載荷時，還應(yīng)使額定靜載荷 。in)/10(r? moaF)32(??根據(jù)計算出的最大動載荷 ,選擇江蘇啟東潤澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的 FL5008-3 型QF內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級為 4 級，其參數(shù)如表 3-2 所15示。表 3-2 FL5008-3 型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)公稱直徑/m導(dǎo)程 / 鋼球直徑 /m絲杠外徑 /絲杠底徑/m額定載荷/ KN接觸剛度/ 1??m?0dhPwD1d2oaC50 8 4.763 48.6 45.24 66 3118973.3.6 滾珠絲杠副的支承方式滾珠絲杠副的支承主要用來約束絲杠的軸向竄動，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合?？紤]到縱向絲杠長度較大，本設(shè)計縱向絲杠采用雙推—簡支支承方式，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 傳動效率的計算滾珠絲杠的傳動效率 一般在 0.8～0.9 之間，其計算公式如下：?= )tan(???式中： —螺距升角，根據(jù) ,可得 =2°91′；?0h14.3Pd??—摩擦角，一般取 =10′。?算得： = =96.67%?)0192tan(???3.3.8 剛度的驗算滾珠絲杠副工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位精度和運動的平穩(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1?16接觸變形 、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形 。2? 3?因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以 、 可以忽略不2?3計，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：= （ “+”號代表拉伸， “-”代表壓縮）1?ESlFum?式中： —絲杠的最大工作載荷，單位為 ；mFN—絲杠縱向最大有效行程，單位為 ；ul—絲杠材料的彈性模量，鋼 ；EMPaE510.2??—絲杠的橫截面面積，單位 按絲杠螺紋的底徑 確定。Sm2d根據(jù)前面的設(shè)計， 為 3234.36 ， 取 1665 ， 為 45.24 ，算得：mFNul2m= =±0.01597 =±15.971?25)4.5(1.320.67??? )(?查表 3-3 可知， ,所以剛度足夠。??1表 3-3 有效行程 內(nèi)的目標(biāo)行程公差 和行程變動量ulpeupV精度等級有效行程 mlu/1 2 3 4 5大于 至 peuVpeupeuVpeupeuV— 315 6 6 8 8 12 12 16 16 23 23400 500 8 7 10 9 15 13 20 19 27 261600 2000 18 13 25 18 35 25 48 36 65 513.3.9 穩(wěn)定性校核由于滾珠絲杠本身比較細(xì)長又受軸向力的作用，若軸向負(fù)載過大，則會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時的臨界載荷 Fk 應(yīng)該滿足：=KF?2aEIfk?mF17式中： —絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取 2，其他方式如表 3-4 所示；kf—滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取 2.5～4，垂直安裝時取最小值，本設(shè)計取K4；—滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為 ，本設(shè)計中該值為 1000 ；a mm—按絲杠底徑 確定的截面慣性矩（ ，單位為 ）,本設(shè)I2d642dI??4中將 代入算出 =205513.36 。m4.52?I由以上數(shù)據(jù)可以算出： = =KF104253.31.?? )(104.N?臨界載荷 遠(yuǎn)大于工作載荷 （3234.36N） ，故絲杠不會失穩(wěn)。KFm表 3-4 絲杠支承系數(shù) kf支承方式 雙推 -雙推 雙推 -簡支 單推-單推 雙推-自由取值kf4 2 1 0.253.3.10 臨界轉(zhuǎn)速的驗證滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 ，要求絲杠的最crn高轉(zhuǎn)速：72max 10??cnkcradfKn式中： —絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時，取值如表 3-5 所示；nkf—臨界轉(zhuǎn)速計算長度，單位為 ，本設(shè)計中該值為 1000 ；c mm—絲杠內(nèi)徑，單位 ；2d—安全系數(shù)，可取 =0.8cKcK表 3-5 絲杠支承系數(shù) nkf支承方式 雙推-雙推 雙推-簡支 單推 -單推 雙推-自由取值nkf27.4 18.9 12.1 4.3經(jīng)過計算，得出 = 1293 ，由已知 ， 可以算crnmin/ min/5.0axV?Ph8?18出 ，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。min/750axrn?3.4 齒輪傳動的計算有關(guān)齒輪計算傳動比 i故?。?； ； ； ；132z?240z2m?0b20???.98i?6dmZ?281aah???24d1268072m?3.5 步進(jìn)電動機(jī)的選擇（1）工作臺質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量絲杠的轉(zhuǎn)動慣量417.80sJDL???式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑； D——絲杠長度。1L則齒輪的轉(zhuǎn)動慣量4 217.806.2.17NgcmzJ?????2 39電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略。因此，總轉(zhuǎn)動慣量5.16Pbp??19??212 21(9.563.).7564.3Ngcm.sZJJJi?????（2）所需轉(zhuǎn)動力矩計算快速空載啟動時所需力矩 max0fM??最大切削負(fù)載時所需力矩 0atft??快速進(jìn)給時所需力矩 0fM式中 ——空載啟動時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；maxM——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；f——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；0——切削時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；at——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩。tM410Ngm9.6aJnT????當(dāng) 時maxnmax?401.2583.r/min6hVinP???4max26.438.9.7Ng9.7kfgc905M?????當(dāng) 時tnat001150.3214.7r/min.46it VfinfDL?????20426.431.701.5.7kgfcm9atMN?????0fFLfWihi?????當(dāng) 時， 時0.8h?.16??095.1.452kgfcm14.52Ngc23.48fM???????00PLi????當(dāng) 時預(yù)加載荷 ，則0.9??13bXF?????2 20095.470.61.90.576kgfcm5.76Ngc68xFLMi???????????0.91.2232xti?????所以，快速空載啟動所需力矩max0917.45.7638.0NgcfM?????切削時所需力矩015.42.6.2.kfm26.5atfM? ??快速進(jìn)給時所需力矩 07.098kgfc0.98Ngcf??????由上分析計算可知，所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動時：maxMax3.?（3）縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 098.716.Nc.5lq???為了滿足最小步距要求，電動機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知 /0.qjmM所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距 為j211876.2.46Ncm0.qjmM???步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 axma Z0.H6.1pVf??綜合考慮，查表選用 110BF003 型直流步進(jìn)電動機(jī)，能滿足要求 [7-12]。3.6 導(dǎo)軌的特點滑動導(dǎo)軌的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便和抗振性良好；缺點是磨損快。為了提高耐磨性，國內(nèi)外主要采用鑲鋼滑動導(dǎo)軌和塑料滑動導(dǎo)軌?；瑒訉?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、中等精度和運動速度較低的導(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)軌全長上依次淬火易產(chǎn)生變形，全長上同時淬火需要相應(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、靜摩擦系數(shù)低、差別小，可降低低速22運動的臨界速度，加工性和化學(xué)穩(wěn)定件好，工藝簡單，成本低等優(yōu)點。目前在各類機(jī)床的動導(dǎo)軌及圖形發(fā)生器工作臺的導(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，使其在較長時期內(nèi)保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長設(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．作用力合作用點位置，作用力方向和作用點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)重時甚至還可能卡死，不能正常工作。作用在運動件上的推力有三種情況：1.推力通過運動件在軸線2.推力作用點在運動件的軸線上。但推力的方向與軸線成一夾角3.推力平行于運動件的軸線上對于第一種情況，導(dǎo)軌摩擦力只受到載荷及運動件本身重量的影響，推力不會產(chǎn)生附加摩擦力。猶豫結(jié)構(gòu)上的限制，實際的結(jié)構(gòu)中往往出項第二第三中情況。為了保證導(dǎo)軌的靈活性，要對導(dǎo)軌進(jìn)行驗算，在已知的條件先，確定各部分的集合尺寸。推力 F 與運動件軸線組成夾角 a,如圖所示23推力 F 的作用將使運動件產(chǎn)生傾斜，從而使運動件與承導(dǎo)體的倆點處壓緊，設(shè)正壓力分別為 . ，相應(yīng)摩擦力 ， ，作用間的距離為 L，軸向阻1N21N,f2,f力為 o0AXYM????????,12,,121cos0sinfFbdLhLNff?????根據(jù)靜力平衡條件,運動件的直徑較小時，上式中含有 d 的各項可以略去?？山獾茫???,cosin12/oFFfhL????欲推動運動件，則必須使 ??,cosin12/ofh?若要保證不卡死的條件是：??,csi/0fL????由此，可得到當(dāng)推力 F 與運動件有一夾角 a 時，運動件正常工作的條件是,2tan1Lfh??為當(dāng)量摩擦系數(shù),f在燕尾形和三角形導(dǎo)軌中: ,/cosf??--滑動摩擦系數(shù)f24--燕尾形輪廓角與三角底角?二．選與運動件軸線與軸線相距 h，圖中 為軸向阻力 和 為反作用力，為當(dāng)量摩oF1N2擦系數(shù)，根據(jù)靜力平衡條件 0AXYM????????,122 ,,1210020oFNfdhLfNf?????解得： ,/OFfhL?推動運動件則必須： ,12/Of??保證運動件不卡死條件 ,/0fhL即： ,2/1fhL?為了保證運動靈活，可取值 ,20.5fL?當(dāng)取 f=0.25 時，則有：對圓柱形導(dǎo)軌： 1.h對矩形導(dǎo)軌： 2L?對燕尾形或三角形導(dǎo)軌： 1h在本設(shè)計的導(dǎo)軌中：h=200mm L=360 因此：20.563hL??符合相關(guān)要求.