經(jīng)濟型數(shù)控銑床X-Y工作臺設計3

附一： 1 畢業(yè)設計（論文）任務書 系 部 機械工程系 指導教師 李奕 職 稱 講師 學生姓名 章文兵 專業(yè)班級 09gz 數(shù)控 3 班 學 號 0925012315 設計題目 經(jīng)濟型數(shù)控銑床 X-Y 工作臺改造設計 設 計 內(nèi) 容 目 標 和 要 求 （設計內(nèi)容目標和要求、設計進度等） 本課題改造設計經(jīng)濟型數(shù)控銑床，應滿足實用和加工精度的要求。 1. 調(diào)研：了解各種數(shù)控 銑床 進給伺服系統(tǒng)中二維工作臺的工作性能和加工要求情況，了解開環(huán)伺服傳動系統(tǒng)的組成和特點，提出應滿足的技術要求和條件，分析、比 較各種可能的方案并提出初步設計方案； 2. 研究和確定數(shù)控 銑床 進給伺服系統(tǒng)的總體設計方案，要求有必要的分析和計算過程； 3. 結構設計，要求畫出總體結構圖、關鍵零部件圖并對關鍵零部件進行校核和驗算； 4. 控制系統(tǒng)設計，畫出控制系統(tǒng)原理圖； 5. 基本技術要求： 結構尺寸：普通銑床 數(shù)控銑 床的設計參數(shù)： 規(guī) 格 工作臺行程(mm) 工作臺、夾具及工作重力(N) 工作臺 快移速度 (m/min) 最大進給速度 (m/min) 走刀方向最大切削分力 /垂向最大切削分力 x,y向相同 (N) 啟動加速時間ms 定位精度 mm X 縱向 Y 橫向 X縱向 Y橫向 X 縱向 Y 橫向 X 縱向 Y 橫向 800 200 616 176 2750 4400 18 18 0.6 0.6 1500/1000 30 0.01 根據(jù)數(shù)控機床要求，由調(diào)研確定工作臺定位精度和重復定位精度、脈沖當量等參數(shù)； 7. 繪制主要零部件圖不少于 2 張，裝配圖 1 張； 8. 設計進度： 1) 1 5 周，主要進行畢業(yè)設計準備工作，熟悉題目，收集資料，進行畢業(yè)實習，明確研究目的和任務，構思總體方案； 2) 6 10 周， 設計計算， 繪圖； 3) 11 13 周，編寫畢業(yè)設計論文，準備畢業(yè)設計答辯。 指導教師簽名： 年 月 日 系 部審 核 此表由指導教師填寫 由所在系部審核 2 畢業(yè)設計（論文）學生開題報告 課題名稱 經(jīng)濟型數(shù)控銑床 X-Y 工作臺改造設計 課題類型 實踐應用型 指導老師 李奕 學生姓名 章文兵 學號 0925012315 專業(yè)班級 09gz 數(shù)控 3 班 本課題的研究現(xiàn)狀，研究目的及意義 研究現(xiàn)狀：隨著計算機技術的發(fā)展，機床工業(yè)的發(fā)展也日新月異。用于自動控制的數(shù)控機床在提高效率，節(jié)省人力 ，提高加工精度，降低加工費用等方面具有很大的優(yōu)越性。目前，數(shù)控機床、加工中心、分布式數(shù)控（ DNC）所配置的數(shù)控系統(tǒng)大多依據(jù)專用的計算機而設計，一般都采用費標準接口，而且使用不同的匯編語言及操作系統(tǒng)，不少機床產(chǎn)品已在 PC控制的基礎上采用 windows、 windows NT 制作用戶界面， PC 操作程序更便于用戶接受及操作。近年來，國際上又出現(xiàn)了柔性制造單元 FMC,FMC 和 FMS 是實現(xiàn)計算機集成制造系統(tǒng) CIMS 的基礎，使數(shù)控機床向著高柔性、高集成度、智能化方向發(fā)展。相比之下，我國的機床工業(yè)水平雖然發(fā)展很快，但與國際 先進水平還有一定的差距，尤其是高級型數(shù)控機床還處于低水平階段，主要表現(xiàn)在：可靠性差，質(zhì)量不好，產(chǎn)品開發(fā)周期長，科技含量低，我國已經(jīng)是世界上數(shù)控機床產(chǎn)量大國，但還不是制造強國，生產(chǎn)的數(shù)控機床大多是經(jīng)濟型、普及型。開發(fā)高檔次的數(shù)控機床要借鑒國外經(jīng)驗，不斷創(chuàng)新，是我國的數(shù)控機床水平有一個質(zhì)的飛躍。隨著科學技術的不斷發(fā)展，數(shù)控機床的發(fā)展也越來越快，正朝著高性能、高精度、高柔性化和模塊化的方向發(fā)展，數(shù)控機床的加工速度越來越快，加工精度越來越高，可靠性越來越好，隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強，數(shù)控機床也會實現(xiàn)多臺集中控制，甚 至遠距離遙感。目前，國內(nèi)外正在研究根據(jù)人的聲音來控制機床的技術，由機器自己識別圖樣并進行自動 CNC 加工的技術，是數(shù)控機床向著更高人工智能方向發(fā)展。 數(shù)控機床作為一種高精度的自動化機床，綜合應用了電子、計算機、自動控制和機床制造領域的先進技術，在我國工業(yè)生產(chǎn)中起著極其重要的作用。它很好的解決了現(xiàn)代機械生產(chǎn)中加工工件精度要求高、結構復雜、品種多批量小的問題，而且加工質(zhì)量穩(wěn)定，生產(chǎn)效率大幅提高。綜合我國國情，價格昂貴的中、高精度的全功能數(shù)控機床難以被廣大生產(chǎn)企業(yè)所接受，因此價格相對低廉的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)得到了廣泛的應 用。但開發(fā)具有部分高檔功能的具有自主知識產(chǎn)權的數(shù)控系統(tǒng)具有很大的意義。 目前 國 內(nèi) 中小企業(yè)多采用經(jīng)濟型數(shù)控沖床系統(tǒng)，其加工速度慢、編程復雜、人機界面不友好，因此生產(chǎn)效率低、工人勞動強度大。因此研制和開發(fā)一套基于雙單片機的沖床數(shù)控系統(tǒng)，用于裝配新沖床或?qū)?jīng)濟型數(shù)控沖床進行改造，能夠有效的改善人機界面、提高加工速度、方便操作人員編寫用戶加工程序，對提高企業(yè)生產(chǎn)效率、改善工人的工作環(huán)境有很 大的實際意義 。 本設計是在數(shù)控機床工作原理之上設計一臺簡單的、經(jīng)濟型的 X-Y 數(shù)控銑床工作臺。 X-Y數(shù)控工作臺的機電系統(tǒng) 設計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結構簡單，實現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度。它充分的利用了，微機的軟件與硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制，使機床的加工范圍擴大，精度和可靠性進一步得到提高。設計任務是完全圍繞數(shù)控機床工作原理而展開的，本設計充分體現(xiàn)了數(shù)控機床機械設備部分與電氣設備部分的緊密結合。 研究目的及意義： 隨著機械制造工業(yè)的迅速發(fā)展和科技水平的不斷進步，用于自動控制的數(shù)控機床代替?zhèn)鹘y(tǒng)的普通機床，得到迅速而廣泛的運用，機床的傳動系統(tǒng)由原來的有級變速傳動到現(xiàn)在的由計算機控制伺服電機的無級變速傳動。因此，我們對 機床工作臺的設計就顯得非常重要；由于數(shù)控機床技術含量高、成本昂貴，若中小企業(yè)廣泛采用數(shù)控機床不僅費用高而且資源浪費。因此，對普通機床進行數(shù)控化改造也成了人們近年來研究的課題。本次畢業(yè)設計“經(jīng)濟型數(shù)控銑床X-Y 工作臺改造設計”就是從以上幾點出發(fā)，綜合運用機械、電子和計算機知識而進行的一項結合的基本訓練，其主要目的是強化機械結構設計，同時進一步掌握數(shù)控機床控制系統(tǒng)的設計思路，通過對控制系統(tǒng)硬件和軟件的設計，掌握數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設計的基本方法；通過對數(shù)控銑床工作臺結構的設計，培養(yǎng)我們分析問題和解決問題的能力，對 自己來說也是有很大的提高，從而達到選題的目的；通過這套數(shù)控機床控制系統(tǒng)的研究和普通機床的數(shù)控化改造，提供了必要的參數(shù)依據(jù)，對數(shù)控系統(tǒng)的研究也有一定的現(xiàn)實意義。 本課題的研究內(nèi)容 主要的研究內(nèi)容是數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)的設計和控制系統(tǒng)設計，數(shù)控機床進給傳動系統(tǒng)是 CNC 裝置實現(xiàn)軌跡控制的執(zhí)行部件，涵蓋了在給定的設計條件下如何來確定機床進給傳動系統(tǒng)的總體方案，在具體方案設計中，又涉及了導軌形式的選擇，滾珠絲杠螺母副及其支承方式的選擇，伺服系統(tǒng)與驅(qū)動電動置頂帖的選擇和驅(qū)動電動機與滾珠絲杠連接形式的選擇等等。為了保證 機床坐標軸的定位精度和各功能部件工作的可靠性，必須進行機械傳動系統(tǒng)的軸向剛度計算、誤差分析和動態(tài)特征分析。在此基礎上還要對各傳動部件進行必要的穩(wěn)定性較核 計算和電動機的造型計算，既具有一定的結構設計要求，又具有較強的理論，主要設計如下： （ 1） 進給傳動系統(tǒng)設計，包括：進給傳動系統(tǒng)的軸向負載計算，導軌的設計與選型，滾珠絲杠螺母的選型與計算，進給傳動系統(tǒng)的剛度計算，進給傳動系統(tǒng)的誤差分析，驅(qū)動電動機的選型與計算，寄給傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性分析，驅(qū)動電動機與滾珠絲杠的連接。 （ 2） 控制系統(tǒng)設計，包括：控制系統(tǒng)硬件的基本組成，控制 系統(tǒng)軟件的組成與結構，計算機伺服控制系統(tǒng)和 PLC 控制系統(tǒng) 本課題研究的實施方案，進度安排 為了滿足以上技術要求，采取以下技術方案 : （ 1） 工作臺工作面尺寸（寬度 長度）確定為 200mm 800mm （ 2） 對滾珠絲杠螺母副采用預緊措施，并對滾珠絲杠進行預緊拉伸。 （ 3） 采用 步進 電動機驅(qū)動。 （ 4） 采用 齒輪減速的方法 將 步進 電動機與滾珠絲杠 相 連。 進度安排 5 周 完成開題報告 6 周 完成總體方案設計 7-9 周 完成進給伺服系統(tǒng)機械結構設計計算 10 周 完成控制系統(tǒng)設計 11-12 周 完成進給系統(tǒng)裝配的繪制 13 周 完成硬件控制電路圖的繪制 14 周 完成設計說明書 15 周 答辯 已查閱的主要參考文獻 1范超毅 ， 趙天嬋 ， 吳斌方 .數(shù)控技術課程設計 .中國 武漢：華中科技大學出版社， 2006. 2機床設計手冊 編寫組 .機床設計手冊（第三冊） M.北京：機械工業(yè)出版社， 1986. 3加工中心應用與維修 編委會 .加工中心應用與維修 M.北京：機械工業(yè)出版社， 1992. 4李福生 .實用數(shù)控機床技術手冊 M.北京 ：北京出版社， 1993. 5黃華梁，彭文生 .機械設計基礎 .北京：高等教育出版社， 2007. 指導老師意見 指導 教 師簽名： 年 月 日 3 畢業(yè)設計（論文）學生申請答辯表 課 題 名 稱 經(jīng)濟型數(shù)控銑床 X-Y 工作臺改造設計 指導教師 (職稱 ) 李奕 申 請 理 由 畢業(yè)設計已完成 ，申請答辯 學生所在系部 機械工程系 專業(yè)班級 09gz 數(shù)控 3 班 學號 0925012315 學生簽名： 日期： 畢業(yè)設計（論文）指導教師評審表 序號 評分項目（理工類） 滿分 評分 1 工作量 15 2 文獻閱讀與外文翻譯 10 3 技術水平與實 際能力 25 4 研究成果基礎理論與專業(yè)知識 25 5 文字表達 10 6 學習態(tài)度與規(guī)范要求 15 總 分 100 評 語 （ 是否同意參加答辯） 指導教師簽名： 另附畢業(yè)設計（論文）指導記錄冊 年 月 日 4 畢業(yè)設計（論文）評閱人評審表 學生姓名 章文兵 專業(yè)班級 09gz 數(shù)控 3 班 學號 0925012315 設計 (論文 )題目 經(jīng)濟型數(shù)控銑床 X-Y 工作臺改造設計 評閱人 評閱人職 稱 序號 評分項目（理工類） 滿分 評分 1 工作量 15 2 文獻閱讀與外文翻譯 10 3 技術水平與實際能力 25 4 研究成果基礎理論與專業(yè)知識 25 5 文字表達 10 6 學習態(tài)度與規(guī)范要求 15 總 分 100 評 語 評閱人簽名： 年 月 日 5 畢業(yè)設計（論文）答辯表 學生姓名 章文兵 專業(yè)班級 09gz 數(shù)控 3班 學號 0925012315 設計 (論文 )題目 經(jīng)濟型數(shù)控銑床 X-Y 工作臺改造設計 序號 評審項目 指 標 滿分 評分 1 報告內(nèi)容 思路清晰；語言表達準確，概念清楚，論點正確；實驗 方法科學，分析歸納合理；結論有應用價值。 40 2 報告過程 準備工作充分 ,時間符合要求。 10 3 創(chuàng) 新 對前人工作有改進或突破，或有獨特見解。 10 4 答 辯 回答問題有理論依據(jù)，基本概念清楚。主要問題回答準 確，深入。 40 總 分 100 答 辯 組 評 語 答辯組組長（簽字）： 年 月 日 答辯 委員會 意見 答辯 委員會負責人 （簽字）： 年 月 日 6-1 畢業(yè)設計（論文）答辯記錄表 學生姓名 章文兵 專業(yè)班級 09gz 數(shù)控 3 班 學號 0925012315 設計 (論文 )題目 經(jīng)濟型數(shù)控銑床 X-Y 工作臺改造設計 答辯時間 答辯地點 答辯委員會名單 問題 1 提問人： 問題： 回答（要點）： 問題 2 提問人： 問題： 回答（要點）： 問題 3 提問人： 問題： 回答（要點）： 記錄人簽名 （不足加附頁） 6-2問題 4 提問人 ： 回答（要點）： 問題 5 提問人： 問題： 回答（要點）： 問題 6 提問人： 問題： 回答（要點）： 問題 7 提問人： 問題： 回答（要點）： 問題 8 提問人： 問題： 回答（要點）： 記錄人簽名 7 畢業(yè)設計（論文）成績評定總表 學生姓名： 章文兵 專業(yè)班級： 09gz 數(shù)控 3 班 畢業(yè)設計（論文）題目： 經(jīng)濟型數(shù)控銑床 X-Y 工作臺改造設計 注：成績評定由指導教師、 評閱人和答辯組分別給分 (以百分記 )，最后按“優(yōu) (90-100)”、“良 (80-89)”、“中 (70-79)”、“及格 (60-69)”、“不及格 (60 以下 )”評定等級。其中，指導教師評定成績占 40%，評閱人評定成績占 20%，答辯組評定成績占 40%。 成績類別 成績評定 指導教師評定成績 評閱人評定成績 答辯組評定成績 總評成績 40%+ 20%+ 40% 評定等級 畢 業(yè) 設 計（論 文） 經(jīng)濟型數(shù)控銑床 X-Y 工作臺改造設計 學生姓名： 章文兵 學 號 ： 0925012315 所在系部： 機械工程系 專業(yè)班級： 09 數(shù)控專 3 班 指導教師 ： 李奕 （講師 ） 日 期 ： 二一二年五月 學位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。 作者簽名 ： 年 月 日 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者完全了解學院有關保管、使用學位論文的規(guī)定，同意學院保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士學位論文評選機構將本學位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。 本學位論文屬于 1、保密 ，在 年解密后適用本授權書。 2、不保密 。 （請在以上相應方框內(nèi)打“”） 作者簽名： 年 月 日 導師簽名： 年 月 日 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 1 摘 要 數(shù)控技術及數(shù)控機床在當今機械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家基礎工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統(tǒng)機械制造工業(yè)提升改造和實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的重要手段和標志。數(shù)控技術及數(shù)控機床的廣泛應用，給機械制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結構、產(chǎn)品種類和檔 次以及生產(chǎn)方式帶來了革命性的變化。數(shù)控機床是現(xiàn)代加工車間最重要的裝備。它的發(fā)展是信息技術 (1T)與制造技術 (MT)結合發(fā)展的結果?，F(xiàn)代的 CAD/CAM、 FMS、 CIMS、敏捷制造和智能制造技術，都是建立在數(shù)控技術之上的。掌握現(xiàn)代數(shù)控技術知識是現(xiàn)代機電類專業(yè)學生必不可少的。 本次設計內(nèi)容介紹了數(shù)控 銑床 的特點、 電機選型 以及 計算誤差 的一般 分析 。并通過一定的實例詳細的介紹了數(shù)控 車床改造 的分析方法。 關鍵詞 ： 數(shù)控技術 數(shù)控改造 步進電動機 電氣控制 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 2 Abstract numerical control technology and the numerically-controlled machine tool in now in the machine-building industry the important position and the huge benefit, had demonstrated it in the key industry modernizations strategic function, and has become the traditional machine manufacture industry promotion to transform and to realize the automation, the flexibility, the integrated production important means and the sign. The numerical control technology and numerically-controlled machine tools widespread application, for machine-building industrys industrial structure, the product type and the scale as well as the production method has brought the revolutionary change. The numerically-controlled machine tool is the modern Processing workshop most important equipment. Its development is the information technology (1T) and the technique of manufacture (MT) union development result. Modern CAD/CAM, FMS, CIMS, the agile manufacture and the intelligence technique of manufacture, is the establishment above the numerical control technology. Masters the modern numerical control technical knowledge is the modern mechanical and electrical kind of college major is essential. This design content introduced the numerical control lathes characteristic, the electrical machinery shaping as well as counting errors general analysis. And through certain example detailed introduction the analysis method which numerical control lathe transformed. Key words: the numerical control technology numerical control transformation step-by-steps the electric motor electric control. 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 3 目 錄 摘要 Abstract 引言 6 1 概述 7 2 設計計算 8 2.1 計算 切削分力 8 2.2 導軌摩擦力的計算 8 2.3 計算滾珠絲杠螺母副的軸向負載力 9 2.4 滾珠絲杠的動載荷計算與直徑估算 9 2.4.1 確定滾珠絲杠的導程 9 2.4.2 計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 9 2.4.3 確定滾珠絲杠預期的額定功率 11 2.4.4 按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑 11 2.4.5 初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 12 2.4.6 確定滾珠絲杠螺母副的預緊力 12 2.4.7 計算滾珠絲杠螺母副的目標行程補償 值與預緊伸力 13 2.4.8 確定滾珠絲杠螺母副支撐用的規(guī)格型號 15 3 滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗 15 3.1 滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗 15 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 4 3.2 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗 15 3.3 滾珠絲杠螺母副壽命的校驗 15 4 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 17 4.1 機械傳動系統(tǒng)的剛度計算 17 4.2 滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計算 17 4.3 計算滾珠與滾道的接觸剛度 17 4.4 計算進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度 18 4.5 齒輪傳動比的計算 18 5 驅(qū)動電動機的選用與計算 20 5.1 計算折算到電動機軸上的負載慣量 20 5.2 計算折算到電動機軸上的負載力矩 21 5.3 計算坐標折算到電動機軸上的各種所需的力矩 22 5.4 選擇驅(qū)動電動機的型號 23 6 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 24 6.1 計算絲杠 -工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率 24 6.2 計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率 24 7 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 25 7.1 計算機械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū) 25 7.2 計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 25 7.3 計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 25 8 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 26 8.1 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級 26 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 5 8.2 確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 26 9 微機控制系統(tǒng)的設計 27 結論 33 參考文獻 35 致謝 36 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 6 引 言 由于歷史的原因，我國 普通加工設備多，數(shù)控加工設備少；老設備多，新設備少。許多企業(yè)的機床精度差、故障率高。數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品加工質(zhì)量，大幅度提高生產(chǎn)效率。對普通機床進行數(shù)控改造可以使它具有好的加工精度，同時還具有數(shù)控加工的功能，且投資少，便于操作維修，可以采用最新的控制技術，及時提高生產(chǎn)設備的自動化水平和效率。對現(xiàn)有普通機床進行經(jīng)濟型數(shù)控化改造已成為了發(fā)展方向，是符合我國 國情的一種有效途徑。 在實際生 產(chǎn)中銑床的應用十分廣泛。數(shù)控銑床是一種加工功能很強的數(shù)控機床。能實現(xiàn)點位控制功能、連續(xù)輪廓控制功能、刀具半徑自動補償功能、刀具長度補償功能、鏡像加工功能、固定循環(huán)功能、特殊功能等。 數(shù)控銑床比傳統(tǒng)普通銑床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 (1)可以加工出傳統(tǒng)銑床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確 的計 算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 (2)可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng) 銑床提高 (3 7)倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控銑床只要更換一個程序，就 F叮實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。 (3)加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。 (4)可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在銑床間的頻繁搬運。 (5)由以上四條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力 (一個人可以看管多臺銑床 )，減少了 T裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周 期，可對市場需求 做出 快速反應等。 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 7 1 概述 設計題目： 800 200（工作臺工作面積 長寬 mm） 經(jīng)濟型數(shù)控銑床 x-y 工作臺設計。 表 1-1 數(shù)控 x-y 工作臺設計參數(shù) 規(guī)格 工作臺行程（ mm) 工作臺、夾具及工件重力（ N) 工作臺快移速度（ m/min) 最大進給速度（ m/min) 走刀方向最大切削分力/垂向最大切削分力x,y 向相同 啟動加速時間ms 定位精度 mm x 縱向 y 縱向 x 縱向 y 縱向 x 縱向 y 縱向 x 縱向 y 縱向 800200 616 176 2750 4400 18 18 0.6 0.6 1500/1000 30 +0.01 -0.01 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 8 2 設計計算 確定脈沖當量 縱向： 0.01mm/步 橫向： 0.005mm/步 2.1 計算切削 分 力 （ 1）根據(jù)已知條件， F1 =1650N， Fv=1100N 根據(jù) 數(shù)控技術課程設計 表 2-1 5.0ZVFF， 75.01 ZFF 03.2129 ZF N 130065.0 CZC FFFN 1F VF 此類銑削為不對稱端銑中的逆銑。 (2)計算各切削分子 根據(jù) 數(shù)控技術課程設計 表 2-1 可得工作臺縱向切削力 F1 ,橫向切削力 Fc和垂向切削力 Fv分別為 : F1 =1000N Fc=1300N FZ =2129.3N 2.2 導軌摩擦力 的 計算 （ 1） 按 數(shù)控技術課程設計 公式計算在切削狀態(tài)下的導軌摩擦 FZ。此時導軌動摩擦系數(shù) =0.15，查表鑲條緊固力由差值法計算 設 在主電動機功率為 7.5KW 時， Fg=2000 N F =（ W+Fg+Fc+Fv） =0.15 1000130020002750 =1057.5N (2)按 數(shù)控技術課程設計 公式計算在不切削狀態(tài)下的導軌摩擦力 F0和導軌靜摩擦力 F0 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 9 X 縱向： F0=(W+Fg)=0.15(2750+2000)N=712.5 N F0=0（ W+Fg)=0.2(2750+2000)N=950N Y 橫向： F =（ W+Fg+Fc+Fv） =1305N F0=(W+Fg)=960N F0=0（ W+Fg)=1280N 2.3 計算滾珠絲杠螺母副的軸向負 載力 （ 1）按 數(shù)控技術課程設計 公式計算最大軸向負載為 X 縱向： Famax=F1 +F=(1650+1057.5)N=2707.5 N Y 橫向： Famax=F1 +F=2805N (2)按 數(shù)控技術課程設計 公式計算最小軸向負載力 Fmina X 縱向： Fmina= F0=712.5N Y 橫向： Fmina= F0=960N 2.4 滾珠絲杠的動載荷計算和直徑估算。 2.4.1 確定滾珠絲杠的導程 a、初選滾珠絲杠的導程為 L0=10mm。 2.4.2 計算滾珠絲杠螺母副的平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 將強力切削時的軸向載荷定為最大軸向載荷 Fmax快速移動和鉆鏜定位時的軸向載荷定為最小軸向 Fmin 。一般切削（粗加工）和精細切削（精加工）時，滾珠絲杠螺母副的軸向載荷 2F ，3F分別可按下式計算： 2F = F mina +20% F maxa 3F= Fmina+5% Fmaxa 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 10 表 2-1 數(shù)控銑床滾珠絲杠的計算 切削方式 軸向載荷 /N 進給速度 時間比例 /(%) 備注 強力切削 X： 2557.5 Y： 2805 1v =0.6 10 1F = maxaF 一般切削（粗加工） X： 1224 Y： 1521 2v=0.8 30 2F = minaF +20%maxaF 精細切削（精加工） X： 840.4 Y： 1100.25 3v=1 50 3F = minaF +5% maxaF 快移和鉆鏜定位 X： 712.5 Y： 960 4v =18 10 4F = minaF (2)計算滾珠絲杠螺母副在各種切削條件下的轉(zhuǎn)速 ni m in/60m in/10.10 6.0 3011 rrLvn m in/80m in/10.10 8.0 3022 rrLvn m in/100m in/10.10 1 3033 rrLvn m in/1800m in/1010 18 3044 rrLvn (3)按 數(shù)控技術課程設計 公式計算滾珠絲杠螺母副的平均速度mn mn=nn nqnqnqnq 100100100100332211 m i n/260m i n/)18050246(m i n/)1800100101001005080100306010010(rrr (4)按 數(shù)控技術課程設計 公式計算滾珠絲杠螺母副 的平均載荷 Fm X 縱向： Fm=3 322321131 100100100 nmnnmmqnnFqnnFqnnF =909.48N Y 橫向： 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 11 Fm=3 322321131 100100100 nmnnmmqnnFqnnFqnnF =1194.13N 2.4.3 確定滾珠絲杠預期的額定動載荷amC （ 1）按預定工作時間估算。查 數(shù)控技術課 程設計 表得載荷系數(shù)wf=1.3.已知初步選擇的滾珠絲杠的精度為 2 級，查 數(shù)控技術課程設計 表得精度系數(shù)af=1，查 數(shù)控技術課程設計 表得可靠性系數(shù)cf=0.44，則由 數(shù)控技術課程設計 公式得 X 縱向： amC=cawmhm fffFLn 100603 =144.0100 3.148.9092 0 0 0 0260603 =18225N （ 2）因?qū)L珠絲杠螺母副將實施預緊，所以按公式估算最大軸向載荷。查表2-31 得：預加載荷系數(shù)ef=4.5 則，amC=ef maxaF=4.5 2557.5=11508.75N （ 3）確定滾珠絲杠預期的額定動載荷amC。 取以上兩種結果的最大值，即amC=18225N 同理： Y 橫向： amC=cawmhm fffFLn 100603=23929.14N 2.4.4 按精 度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑md2 （ 1）根據(jù)定位精度和重復定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。 已知工作臺的定位精度為 10 m，重復定位精度為 20 m，根據(jù)公式以及定位精度和重復定位精度的要求得：1max=（ 1/31/2） 20 m=（ 6.6710） m 2max=（ 1/31/4） 10 m=（ 3.332.5） m 取上述計算結果的較小值，即max=2.5 m （ 2） 估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑md2。 本機床工作臺（ x 軸）滾珠絲杠螺母副的安裝方式擬采用兩端固定方式 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 12 滾珠絲杠螺母副的兩個固定支撐之間的距離為 L=行程 +安全行程 +2余程 +螺母長度 +支承長度 （ 1.21.4）行程 +（ 2530）0L 取 L=1.4行程 +300L=（ 1.4 616+30 12） mm=1162mm 又0F=950N，由公式得，md2 0.039max0 LF 0.0395.21162950 25.9mm 2.4.5 初步確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 根據(jù)計算所得的0L，amC，md2初步選擇 FFZD 型內(nèi)循環(huán)墊片預緊螺母絲滾珠絲杠螺母副 FFZD 4010-5，其共稱直徑0d，基本導程0L，額定動載荷aC和絲杠底徑 2d 如下： 0L=10mm，0d=40mm，aC=36500NamC=18225N 2d =32.7mmmd2=25.90mm 故滿足要求。 2.4.6 由公式確定滾珠絲杠螺母副的預緊力 PF X 縱向： PF =max31 aF=852.5N Y 橫向： PF =max31 aF=935N 2.4.7.計算滾珠絲杠螺母副的目標行程補償值與預拉伸力 （ 1）按 數(shù)控技術課程設計 式 2-31 計算目標行程補償值t。 已知溫度變化值 t=2，絲杠的線膨脹系數(shù) =11 10 6 m/，滾珠絲杠螺母副的有效行程。 uL=工作臺行程 +安全行程 +2余程 +螺母長度 安全行程（ mm） =eL=50L cL=20L =（ 616+5 10+2 10+108） mm=794mm 同理： Y 橫向 uL=工作臺行程 +安全行程 +2余程 +螺母長度 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 13 =176+5 10+2 10+108=354mm 故： X： t=11 tuL 10 6 =0.017mm Y： t=11 tuL 10 6 =0.0075mm （ 2）按公式計算滾珠絲杠的預拉伸力tF。 已知滾珠絲杠螺紋底徑 2d =32.7mm，滾珠絲杠溫升變化值 t=2。 則 X：tF=1.81 t 22d =1.81 2 23.34 =4258.89N 同 Y：tF=1.81 t 22d =4258.89N 2.4.8 確定滾珠絲杠螺母副支承用軸承的規(guī)格型號 （ 1） 按 數(shù)控技術課程設計 公式 2-33 計算軸承所受的最大軸向載荷maxBF maxBF=tF+max21 aF=5537.64N Y 橫向 ： maxBF=tF+max21 aF=5661.39N （ 2） 計算軸承的預緊力 BPF BPF =31 maxBF =1845.88N Y 橫向： BPF =31 maxBF=1887.13N （ 3）計算軸 承的當量軸向載荷BamF= BPF +mF=2755.36N （ 4）按數(shù)控技術課程設計 公式 2-15 計算軸承的基本額定動載荷0C 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速 n=mn=260r/min，軸承所承受的當量軸向載荷BamF=2755.36N。軸承的基本額定壽命 L=20000h。軸承的徑向載荷 rF 和軸向載荷aF分別為： rF = BamF cos60 =2755.36 0.5N=1377.68N Y 橫向： rF =1540.63N aF=BamF sin60 =2755.36 0.87N=2386.21N Y 橫向： aF=2649.88N raFF=68.1377 21.2386=1.74 2.17 查 數(shù)控技術課程設計 表 2-25 得，徑向系數(shù) x=1.9，湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 14 軸向系數(shù) y=0.54 故： P=X rF +YaF=3906.14N X 縱向： C=100P 3 60hnL=26493.1N Y 橫向： C=100P 3 60hnL=29558.69N （ 5）確定軸承的規(guī)格型號。 因為滾珠絲杠螺母副擬采用預拉伸措施，所以選用 60角接觸球軸承組背對背安裝，以組成滾珠絲杠兩端固定的支承形式。由于滾珠絲杠的螺紋底徑2d =34.3mm，所以選用軸承內(nèi)徑 d 為 30mm 以滿足滾珠絲杠結構的需要。 在滾珠絲杠的兩個固定端均選擇國產(chǎn) 60角接觸軸承兩件一組背對背安裝組成滾珠絲杠的兩端固定支承方式，軸承的型號為： 760306TNI/P4DFB，尺寸（內(nèi)徑 外徑寬度）為 30 mm 72 mm 19mm，選用脂潤滑 ， 該軸承的預載荷能力 BPF =2900 N ,大于計算所得的軸承預緊力 BPF =1845.88N。并在脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為 1900 r/min ,高于滾珠絲杠的最高轉(zhuǎn)速 nmax=1800r/min，故滿足要求。該軸承的額定動載荷為 C =34500 N,而該軸承在 20000h 工作壽命下的額定載荷 C=26493.1N，也滿足要求。 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 15 3 滾珠絲杠螺母副的承載能力校驗 3.1 滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗 本工作 臺的滾珠絲杠支承方式采用預拉伸結構，絲杠始終受拉而不受壓。因此， 不存在壓桿不穩(wěn)定問題。 3.2 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速cn的校驗 根據(jù)計算 知，可得滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度 2L =919mm。一直彈性模量 E=2.1 510 MPa，材料密度 =g1 7.8 510 N/ 3mm ，重力加速度 g=9.8 310 mm/ 2s ，安全系數(shù) 1K =0.8，由表 2-44 得 =4.73 滾珠絲杠的最小慣性矩為： I=6442d =67909 4mm 滾珠絲杠的最小截面積為： A=422d =923.54 2mm 故可由 數(shù)控技術課程設計 公式 2-36 得：cn= 1K222260LAEI=8918r/min 本工作臺滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為 1800r/min，遠遠小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。 3.3 滾珠絲杠 螺母副額定壽命的校驗 滾珠絲杠螺母副的壽命主要指疲勞壽命。它是指一批尺寸、規(guī)格、精度相同的滾珠絲杠在相同的條件下回轉(zhuǎn)時，其中 90%不發(fā)生疲勞剝落的情況下運轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)速 。 查 數(shù)控技術課程設計 表 A-3 得滾珠絲杠的動載荷aC=46500N，運轉(zhuǎn)條件系數(shù)wf=1，滾珠絲杠的軸向載荷aF=maxF=2557.5N。 滾珠絲杠螺母副運轉(zhuǎn)速度 n=maxn=1800r/min。 故由 數(shù)控技術課程設計 公式得： L=（waafFC） 3 610 = 63 102.15.255746500 =3.478 910 r hL=L/60n=32206h 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 16 同理 Y： L=2.63 910 r 同理 Y： hL=24411h 一般來講在設計數(shù)控機床時，應保證滾珠絲杠螺母副的總時間 壽命hL20000h，故滿足要求 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 17 4 計算機械傳動系統(tǒng)的剛度 4.1 計算滾珠絲杠的拉壓剛度sK 本工作臺的絲杠支承方式為兩端固定，由圖知，當滾珠絲杠的螺母中心位于滾珠絲杠兩支承的中心位置（ a=L/2， L=1222mm）時，滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度minsK，可按 數(shù)控技術課程設計 公式（ 2-45）計算。 minsK=6.6 210Ld22 =631.7N/ m 當 a= YL =919mm 或 a=JL=303mm 時（即滾珠絲杠的螺母中心位于行程的兩端位置時）滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度maxsK，可按公式計算。 maxsK=6.6 210)(422JJ LLLLd=846.9N/ m 4.2 計算滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度bK 已知軸承接觸角 =60，滾珠體直徑Qd=7.144mm；滾珠體 個數(shù) Z=17，軸承的最大軸向工作載荷maxBF=5537.64N，查 數(shù)控技術課程設計 表得： bK=4 2.34 3 5m ax2 sin BQ FZd=1659.13N/ m2 Y 橫向：maxBF=5661.39N，bK=4 2.34 3 5m ax2 sin BQ FZd=1671.4 N/ m2 4.3 計算滾珠與滾道的接觸剛度cK 查 數(shù)控技術課程設計 A-3 得滾珠與滾道的接觸剛度 K=1585N/ m，額定動載荷aC=46500N，滾珠絲杠上承受的最大軸向載荷amaxF=2557.5N，故由 數(shù)控技術課程設計 公式（ 2-46b）得 : cK=K(aamax1.0 CF)31 =1585 31465001.05.2557 =1298.62N/ m Y 橫向：amaxF=2805N,，cK=K(aamax1.0 CF)31 =1339.23 N/ m 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 18 4.4 計算進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度 K。 由 數(shù)控技術課程設計 公式得進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為： max1K =max1sK+bK1 +cK1 =62.1298 113.1659 19.846 1 =0.0025 maxK=400N/ m 由 數(shù)控技術課程設計 公式得進給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為： min1K =min1sK+bK1 +cK1 =62.1298 113.1659 17.631 1 =0.0029 minK =344.8N/ m 同理 Y 橫向： max1K =max1sK+bK1 +cK1 =0.0025 maxK=400N/ m min1K =min1sK+bK1 +cK1 =0.003 minK =333N/ m （ 2）滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計算 由 計算 知，扭矩作用點之間的距離 2L =1020mm，已知剪切模量 G=8.1410 MPa 滾珠絲杠的底徑 2d =34.3 310 m，由公式得： K=242L32Gd =10785.5Nm/rad 4.5 齒輪傳動比的計算 由于脈沖當量 =0.01， L0=10mm。初選電動機步距角 o75.0 =3600bL=2.08 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 19 可選定齒輪齒數(shù)為 20， 42 因進給運動齒數(shù)受力不大，模數(shù) m 可取 2。 表 3-1 齒輪減速裝置參數(shù) 齒數(shù) 20 42 20 40 分度圓 22 md 40 84 40 80 齒頂圓 2mdd a 44 88 44 84 齒根圓 m25.12dd f 37.5 81.5 37.5 77.5 齒寬 m106 20 20 20 20 中心距 2/dd 21 A 62 60 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 20 5 驅(qū)動電動機的選用與計算 縱向計算： W 2J 2Z Js 電動機 1Z 1J 圖 5-1 一級減速 5.1 計算折算到電動機軸上的負載慣量 （ 1） 計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 rJ 已知滾珠絲杠的密度 =7.8 310 kg/ 3m ，由公 式得 76.220.11441078.0 43r J kg c 2m （ 2） 分別計算兩個齒輪傳動的轉(zhuǎn)動慣量 1J ， 2J 。 1J = 1413 d1078.0 L =0.399kg c 2m 2J = 2423 d1078.0 L =7.77 kg c 2m W=2750N （ 3） 由 數(shù)控技術課程設計 式（ 2-66）計算加在電動機軸上的總負載轉(zhuǎn)動慣量dJ dJ= 20s22r 2g1LWJJJ =9.278 kg c 2m 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 21 橫向計算： 1J 圖 5-2 二級減速 3J=3433 d1078.0 L =0.399 kg c 2m 4J = 4443 d1078.0 L =6.39 kg c 2m 由 數(shù)控技術課程 設計 公式得， 2gi1i1 0r423221dLWJJJJJJ =5.75 kg c 2m 5.2 計算折算到電動機軸上的負載力矩 （ 1） 計算切削負載力矩cT 由 切削狀態(tài)下坐標軸的軸向負載力aF=maxF=2557.5N，電動機每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離 L=10mm=0.01m，進給傳動系統(tǒng)的總效率 =0.85 由公式得，cT=2LFa = 85.014.32 01.05.2557 =2.4N m Y 橫向： cT=2LFa =2.62 N m （ aF = maxF =2805N） （ 2） 計算摩擦負載力矩T 已知在不切削狀態(tài)下坐標軸的軸向負載力（即為空載時的導軌摩擦力0F=712.5N），由 數(shù)控技術課程設計 公式得： 4J W sJ 4Z 2J 2Z 電動機 1Z 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 22 T=20LT =0.66 N m Y 橫向： T=20LT =0.9 N m （ 0F =960N） （ 3） 計算由滾珠絲杠的預緊而產(chǎn)生的附加負載力矩fT. 已知滾珠絲杠螺母副的預緊力pF= 5.8525.25573131 a m a x FN，滾珠絲杠螺母 副的基本導程0L=10 mm=0.01 m， 滾珠絲杠螺母副的效率 0=0.94,由 數(shù)控技術課程設計 公式得 fT=2 0LFp 201 （ ） =0.093 N m Y 橫向：pF= 93528053131 a m ax FN 則，fT=2 0LFp 201 （ ） =0.1 N m （ 4）折算到電動機軸上的負載力矩 T 的計算。 空載時（快進力矩），由式（ 2-57a）得 753.093.066.0fu TTT KJ N m Y 橫向： KJT=1 N m 切削時（工進力矩）， 由式（ 2-57b）得 493.2093.04.2fc TTT GJ N m Y 橫向： 72.2GJT N m 5.3 計算坐標軸折算到電動機軸上的各種所需力矩 初選 150BF002 型電動機，其轉(zhuǎn)動慣量mJ=9.8kg cm2 ，坐標軸的負載慣量dJ=9.278kg c 2m ，加速時間at=30 ms=0.03 s ，已知機床執(zhí)行部件以最快的速度maxV=1800 mm/min 運動時，電動機的最高轉(zhuǎn)速為： m in/r1500561800n m a x 由 數(shù)控技術課程設計 公式得 :apT= )Jt98060n i 2dmam a x J （ =7.74N m 同理 Y 橫向： apT= )Jt98060n i 2dmam a x J （ =6.26 N m 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 23 1計算橫向進給系統(tǒng)所需的折算到電動機上的各種力矩。 （ 1）按式（ 2-61）計算空載啟動力矩qT qT=apT+（fc TT ） =8.49 N m Y 橫向： qT=7.26 N m （ 2）由式（ 2-57a）計算快進力矩 KJT 753.093.066.0fu TTT KJ N m Y 橫向： KJT=1 N m （ 3） 由式（ 2-57b） 計算工進力矩GJT 493.2093.04.2fc TTT GJ N m Y 橫向： 72.2GJT N m 5.4 選擇驅(qū)動電動機的型號 根據(jù)以上計算和查 數(shù)控技術課程設計 表 A-5，選擇國產(chǎn) 150BF002 型步進電動機為驅(qū)動電動機，其主要技術參數(shù)如下：相數(shù)為 5；步距角為 0.75/1.5；最大靜轉(zhuǎn)矩為 9.31 N m；轉(zhuǎn)動慣量為 9.8 kg cm2 ；最高空載啟動頻率為2800HZ；最高運行頻率為 8000HZ。 （ 1）確定最大靜轉(zhuǎn)矩sT。因為 951.01sq TT 951.0 q1s TT 8.93 N m 因為 31.83.04 9 3.23.0 GJ2s TT N m 取1sT和 2sT中較大者為所需的步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩，即sT=8.93 N m，小于本電動機的額定最大靜轉(zhuǎn)矩 13.72 N m，故滿足要求。 （ 2）慣性匹配驗算 為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，系統(tǒng)的負載慣量 rJ 與伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量mJ只比一般應滿足公式，即 0.25dJ/mJ 1 dJ/mJ=9.278/9.8=0.94 0.25， 1，故滿足慣量匹配要求 . 同理 Y 橫向：dJ/mJ=5.75/9.8=0.59 0.25， 1，故滿足慣量匹配要求。 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 24 6 機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析 6.1 計算絲杠 工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率nc 已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度0K= minK =344.8 610 N/m，而滾珠絲杠螺母副和機床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量dm=m+1/3sm（其中 m，sm分別是機床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的品質(zhì)），則 m=W/g=275kg sm= /4 24 128.5 7.8 -310 kg=12.59kg dm= m+1/3sm=279.2kg nc=dmK0 =1059rad/s Y 橫向： m=440kg，0K= minK =333 N/m， sm= /4 24 84.5 7.8 -310 kg=8.28kg dm= m+1/3sm=444.2kg nc=dmK0 =865.8rad/s 6.2 計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率nt 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當量轉(zhuǎn)動慣量為sJ sJ=i J =0.0078kg c 2m 已知絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度sK=K=10785.5N m/rad 則 ， nt=ssJK = 0078.0 5.10785 =1175rad/s Y 橫向 ：sJ=i J =0.0067kg c 2m ，sK=K=10785.5N m/rad 則， nt=ssJK =1268.7 rad/s 由 以 上 計 算 可 知 ， 絲 杠 工 作 臺 縱 向 振 動 系 統(tǒng) 的 最 低 固 有 頻 率nc=1059rad/s，扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率nt=1175rad/s，都比較高，一般按n =300rad/s 的要求來設計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足 要求。 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 25 7 機械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析 7.1 計算器械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū) 已知進給傳動系統(tǒng)的最小綜合拉壓剛度 minK =344.8 610 N/m，導軌的靜摩擦力0F=950N 則由 數(shù)控技術課程設計 公式得 =2=2min0KF 310 =5.5 310 mm Y 橫向， =2=7.7 310 mm 即， =5.5 m 10 m，故滿足要求。 7.2 計算器械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差kmax 由 數(shù)控技術課程設計 公式得： kmax=0F（min1K maxK1 ） 310 =3.8 410 mm Y 橫向 ： kmax=3.8 410 mm 即kmax=0.38 m 6 m 故滿足要求。 7.3 計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 1.計算由快速進給扭矩kjT=753N mm，由圖得，扭矩作用點直接的距離2L =1027mm，絲杠底徑 2d =34.2mm。由公式得 =7.21 210422dTL =0.04 2.由扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動滯后量 將影響工作臺的定位精度 由 數(shù)控技術課程設計 公式得 = 0L /360=1.1 m 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 26 8 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 8.1 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級 本機床工作臺采用開控制系統(tǒng)，pV300、pe應滿足下列要求： pe+pV300 0.8（定位精度 kmax ） =6.8 m pe+upV 0.8（定位精度 kmax ） =6.8 m 查 數(shù)控技術課程設計 表 2-20，改定位精度為 30 m， pe+pV300 0.8（定位精度 kmax ） =22.8 m pe+upV 0.8（定位精度 kmax ） =22.8 m 取滾珠絲杠螺母副的精度等級為 2 級，查表 2-20 得pV300=8 m；查表 2-21得，當有效行程為 616mm 時，即pe=11 m，upV=11 m，pe+pV300=11+8=19m 22.8 m，故滿足設計要求。 8.2 確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為 FFZD4010-5-P2/1386 616，其 具體參數(shù)如下。公稱直徑與導程： 40mm， 10mm；螺紋長度： 1222mm；絲杠長度： 1386mm；類型與精度： P 類， 2 級精度。 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 27 9 微機控制系統(tǒng)的設計 9.1 設計內(nèi)容 1.按照總統(tǒng)方案以及機械結構的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖； 2.選擇計算機或中央處理單元的類型； 3.根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設計存儲器擴展電路； 4.根據(jù)控制對象以及系統(tǒng)工作要求設計擴展 I/O 接口電路，檢測電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動電路等； 5.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和 型號； 6.繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標明各器件的型號，管腳號及參數(shù)； 7.說明書中對電氣原理圖以及各有關電路進行詳細的原理說明和方案論證 。 9.2 設計步驟 1.確定硬件電路的總體方案。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成： A 主控制器。即中央處理單元 CPU B 總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。 C 存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。 D 接口。即 I/O 輸入輸出接口。 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 28 圖 9-1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖 9.3 主控制器 CPU 的選擇 MCS-51 系列單片機是集中 CPU,I/O 端口及部分 RAM 等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設計選用8031 主控芯片。 9.4.存儲器擴展電路設計 （ 1）存儲器的擴展 單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用 EPROM 芯片。其型號有： 2761，其容量分別為 2K。在選擇芯片時要考慮 CPU 與 EPROM 時序的匹配。8031 所能讀取的時間必須大于 EPROM 所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇 2764 芯片作為本次設計的程序存儲器擴展用芯片。 單片機規(guī)定 P0 口提供 8 為位地址線，同時又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提高低 8 位的地址信息，一般采用 74LS373 芯片作為地址鎖存器，并由 CPU發(fā)出允許鎖存信號 ALE 的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 中央處理單元CPU 存儲器 RAM ROM 輸入 /輸出 I/O 接口 信號變換 控制對象 外設： 鍵盤，顯示器，打印機，磁盤機，通訊接口等 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 29 由以上分析，采用 2764EPROM 芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下所示： 圖 9-2 擴展 2764 電路框圖 （ 2）數(shù)據(jù)存儲器的擴展 由于 8031 內(nèi)部 RAM 只有 128 字節(jié)，遠不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用 6116,6262靜態(tài) RAM 數(shù)據(jù)存儲器。本次設計選用 6264 芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示： 圖 9-3 擴展 6264 電路框圖 P1.7 P1.0 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 PSEN EA CE A12 A8 2764 A7 A0 OE D7 D0 譯碼電路 G 74LS372 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 EA WR RD 1CE A12 A8 A7 6264 A0 D7 D0 WE OE OE D0 譯碼電路 G 74LS372 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 30 （ 3）譯碼電路 在單片機應用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機相連。單片機數(shù)據(jù)總線分時的與各個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送。故要進行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲器采用統(tǒng)一編址，因此單片機的硬件設計中，數(shù)據(jù)存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結構簡 單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于 RAM 和 I/O 容量較大的應用系統(tǒng)，當芯片所需的片選信號多于可利用的地址線的時候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址線進行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。 （ 4）存儲器擴展電路設計 8031 單片機所支持的存儲系統(tǒng)起程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為獨立編址。 該設計選用程序存儲器 2764 和數(shù)據(jù)存儲器 6264 組成 8031 單片機的外存儲器擴展電路， （ 5） I/O 擴展電路設計 (a) 通用 可編程接口芯片 8155 8031 單片機共有 4 個 8 位并行 I/O 接口，但供用戶使用的只有 1 口及部分P3 口線。因此要進行 I/O 口的擴展。 8155 與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。 (b) 鍵盤，顯示器接口電路 鍵盤，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計算機狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用 I/O 口線組成行，列結構，按鍵設置在行列的交點上。 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有 LED 和 LCD。采用 8155 接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有 4x8 鍵和 6 位 LED 顯 示器組成。為了簡化秒電路，鍵盤的列線及 LED 顯示器的字位控制共用一個口，即共用 8155 的 PA 口進行控制，鍵盤的行線由 8155C 口擔任，顯示器的字形控制由 8155 的 PB 口擔任。 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 31 9.5 步進電機驅(qū)動電路設計 （ 1）脈沖分配器 步進電機的控制方式由脈沖分配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各相繞組，實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設計采用集成脈沖分配器 YB013。采用 YB013 硬件環(huán)行分配器的步進電機接口線路圖如下： （ 2） 光電隔離電路 在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進電機的勵磁繞組。如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下： （ 3）功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將其輸出信號放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進電機容量選擇功率放大器。本設計選用功率放大器。 9.6 其它輔助電路設計 （ 1） 8031 的時鐘電路 單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。 內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在 XTAL1,XTAL2 引腳上外接定時元件，如下圖所示。晶體可以在 1.212 之間任意選擇，耦合電容在 530pF 之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式時，可將 XTAL1 直接接地， XTAL2 接外部時鐘源。 (2)復位電路 單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘工作后，只要在 RESET 引腳上出現(xiàn) 10ms 以上的高電平，單片機就實現(xiàn)狀態(tài)復位，之后 CPU 便從 0000H 單元開始執(zhí)行程序。在實際運用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復位電平 與 8031 復位要求一致時，可以直接相連。當晶振頻率選用 6MHz 時，復位電路中 C 取 22 F，R 取 200 ，KR取 1000 。 （ 3）越界報警電路 湖北工業(yè)大學工程技術學院（畢業(yè)論文） 32 為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。利用光電耦合電路，將行程開關接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至 8031 的 I/O 口 P1.0。當任何一 個行程開關被壓下的時候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導通，由低電平變成高電平。 8031 可利用軟件設計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至 8031 的外部中斷引腳（ INT0 或 INT1），采用中斷方式檢查越界信號。 9.7 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 該系統(tǒng)選用 MCS-51 系列的 8031 作為主控制器。擴展存儲電路為一片2761EPROM 和一片 6264RAM。程序存儲器擴展為，數(shù)據(jù)存儲器擴展為 8K。 2732 的片選控制端 CE 直接 接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復位以后，CPU 從 0000H 開始執(zhí)行監(jiān)控程序。 6264 的片選端 CE 由譯碼器（ 74LS138）的Y2 輸出提供。所以 6264 的空間地址為 40005FFFH。 系統(tǒng)的擴展 I/O 接口電路選用通用可編程并行輸 入 /輸出接口芯片 8155。8155 的片選端 CE 接至譯碼器（ 74LS138）的 Y4 的輸出端，故 8155 控制命令寄存器及 PA， PB， PC 口的地址