機(jī)械專業(yè)課程設(shè)計(jì)X6132型銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造設(shè)計(jì)（垂向）

1、 200 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 材 料 系 、 部： 機(jī)械系 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 教授 專 業(yè)： 機(jī)械制造與自動(dòng)化 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 2009年 5 月目 錄 一、 設(shè)計(jì)任務(wù)書 2二、 總體改造方案 5三、 x6132型萬能臥式升降臺(tái)銑床傳動(dòng)系統(tǒng) 8四、步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠副的選取計(jì)算 8五、關(guān)于滾珠絲桿副的性能分析 18六、雙片齒輪錯(cuò)齒法 20七、部分控制軟件的框圖 21八、硬件部分電路的設(shè)計(jì) 22九、凸輪加工程序 25拾、設(shè)計(jì)體會(huì) 27拾一、參考文獻(xiàn) 282009 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題任務(wù)書系： 機(jī)械系 專業(yè)： 機(jī)械制造與自動(dòng)化 指導(dǎo)教師學(xué)生姓名課題名稱x6132型銑床的經(jīng)濟(jì)

2、型數(shù)控化改造設(shè)計(jì)（垂向）內(nèi)容及任務(wù)通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)習(xí)了系統(tǒng)地綜合運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)和技能解決實(shí)際工程問題的本領(lǐng)，鞏固和加深時(shí)所學(xué)知識(shí)的理解，并且通過畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐擴(kuò)大和補(bǔ)充了知識(shí)，使認(rèn)識(shí)提高到一個(gè)新的水平，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)的實(shí)踐，培養(yǎng)了調(diào)查研究的習(xí)慣和工作能力，練習(xí)查閱資料和有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，查閱工具書或參考書，合理選擇設(shè)計(jì)計(jì)算公式，正確計(jì)算，并能以圖紙和說明書表達(dá)設(shè)計(jì)的思想和結(jié)果，通過畢設(shè)計(jì)，不但提高了解決具體問題的獨(dú)立工作能力，具體動(dòng)腦動(dòng)手能力，而且建立了正確的設(shè)計(jì)和科研思想，加強(qiáng)了科學(xué)性，牢固樹立實(shí)事求是和嚴(yán)肅認(rèn)真的工作態(tài)度。擬達(dá)到的要求或技術(shù)指標(biāo)將銑床改造成mcs-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床。

3、要求具有直線插補(bǔ)功能，機(jī)械部分要求計(jì)算，硬件電路部分要求8031作cpu，控制系統(tǒng)中要求包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，i/o接口芯片，譯碼電路及鍵盤，顯示等外設(shè)，硬件電路要求包括3個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)。進(jìn)度安排起止日期工作內(nèi)容備注1.5周2.5周1周1周方案論證及機(jī)械部分計(jì)算 設(shè)計(jì)繪制機(jī)械總圖及裝配圖 設(shè)計(jì)繪制電路原理圖 繪制加工程序及整理說明書 主要參考資料（1）、金屬切削機(jī)床概論；機(jī)械工業(yè)出版社；顧維邦主編。（2）、機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)；（1，2，3）（3）、機(jī)床數(shù)控制系統(tǒng)；林其駿主編；中國科學(xué)技術(shù)出版社；1991.9;（4）、數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè)；李福生主編；北京出版社；1996（5）、機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè)；上

4、海出版社；1979、6（6）、機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書；林俊主編；中國科學(xué)技術(shù)出版社；1991.9;（7）、微機(jī)原理與接口技術(shù)；趙長德主編；中國科學(xué)技術(shù)出版社1990.9（8）、離合器圖冊(cè)；國防工業(yè)出版社；（9）、電機(jī)工程手冊(cè)；機(jī)械工業(yè)出版社；1982(10)、現(xiàn)在機(jī)床設(shè)備；化學(xué)工業(yè)出版社，顧京主編教研室意見年 月 日系主管領(lǐng)導(dǎo)意見年 月 日湖南工學(xué)院200 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）指導(dǎo)教師評(píng)閱表系： 機(jī)械系 學(xué)生姓名學(xué) 號(hào)班 級(jí)專 業(yè)機(jī)械制造與自動(dòng)化指導(dǎo)教師姓名課題名稱x6132型銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造設(shè)計(jì)（垂向）評(píng)語：（包括以下方面，學(xué)習(xí)態(tài)度、工作量完成情況、材料的完整性和規(guī)范性；檢索和利用文

5、獻(xiàn)能力、計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；學(xué)術(shù)水平或設(shè)計(jì)水平、綜合運(yùn)用知識(shí)能力和創(chuàng)新能力；）是否同意參加答辯：是 否指導(dǎo)教師評(píng)定成績分值：指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日湖南工學(xué)院200 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯及最終成績?cè)u(píng) 定 表系（公章）： 學(xué)生姓名學(xué)號(hào)班級(jí)答辯日期2009.5課題名稱x6132型銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造設(shè)計(jì)（垂向）指導(dǎo)教師成 績 評(píng) 定分值評(píng) 定小計(jì)教師1教師2教師3教師4教師5課題介紹思路清晰，語言表達(dá)準(zhǔn)確，概念清楚，論點(diǎn)正確，實(shí)驗(yàn)方法科學(xué)，分析歸納合理，結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)，設(shè)計(jì)（論文）有應(yīng)用價(jià)值。30答辯表現(xiàn)思維敏捷,回答問題有理論根據(jù)，基本概念清楚，主要問題回答準(zhǔn)確大、深入,知識(shí)面寬。必答題40自由提問

6、30合 計(jì)100答 辯 評(píng) 分分值：答辯小組長簽名：答辯成績a： 40指導(dǎo)教師評(píng)分分值：指導(dǎo)教師評(píng)定成績b： 60最終評(píng)定成績： 分?jǐn)?shù)： 等級(jí)：答辯委員會(huì)主任簽名： 年 月 日一、設(shè)計(jì)任務(wù)書（1）、設(shè)計(jì)參數(shù)、機(jī)床數(shù)據(jù)： 工作臺(tái)尺寸：320*1320mm 工作臺(tái)行程：縱向：700mm 橫向：255mm 垂向：350mm 工作臺(tái)及夾具工件重力：2650+500kg 工作臺(tái)快移速度：縱向：2300mm/min 橫向：2300mm/min 垂向：770mm/min 工作臺(tái)進(jìn)給速度：縱向：23.51180mm/min 橫向：23.51180mm/min 垂向：8394mm/min 主電機(jī)功率：1.5kw

7、 起動(dòng)加速時(shí)間：30ms 定位精度：0.01mm 代碼制：iso 輸入方式：增量值，絕對(duì)值通用。 控制坐標(biāo)數(shù)：3 最小指令值：0.010.005mm/脈沖 自動(dòng)升降速性能：有工藝數(shù)據(jù)：通用機(jī)床由于工藝范圍廣，在同一臺(tái)機(jī)床上常用不同材料刀具對(duì)不同材料和尺寸的工件進(jìn)行多種加工，故取具有代表性的典型加工條件為計(jì)算依據(jù)。通常以加工量最大的鋼料或鑄件為工件材料，硬質(zhì)合金或高速鋼為刀具材料，選取用該機(jī)床上用得最多的常用工序或極限加工工序及與此相應(yīng)的切削用量。結(jié)合本次改造，選取加工材料為ht200的平板凸輪的加工工藝。刀具：粗齒圓柱銑刀：孔徑27mm，直徑為63mm取63前角。為15。，后角。為12。，螺旋

8、角為45。，齒數(shù)為6 切削用量： 銑削鑄鐵銑前深度 tmm 取t6mm。進(jìn)給量：粗齒圓柱銑刀，在加工鑄鐵裝夾系統(tǒng)剛性一般，機(jī)床功率7.5kw的條件下，取每齒進(jìn)給量fz0.010.15毫米齒，取fz0.15毫米齒金屬切削手冊(cè)(第二版，上海市金屬切削技術(shù)協(xié)會(huì)編)（2）、工作量： 機(jī)床改造總圖； 進(jìn)給伺服系統(tǒng)一個(gè)坐標(biāo)軸縱向（或橫向，垂向）的機(jī)械裝配圖； 單片機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖（3）、設(shè)計(jì)計(jì)算說明書。 控制系統(tǒng)總體方案的分析論證及控制標(biāo)準(zhǔn)圖 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明 硬件電路部分設(shè)計(jì)說明 加工程序控制及說明 在此機(jī)床上加工一盤形凸輪的零件加工程序單。（4）、答辯階段 畢業(yè)設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行畢業(yè)答辯

9、，通過答辯按優(yōu)秀，良好，中等，及格，不及格五個(gè)等級(jí)來評(píng)定設(shè)計(jì)成績。二、總體改造方案采用微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由i/o接口輸出泳沖，經(jīng)光電隔離電路，功率放大到步進(jìn)電機(jī)，再齒輪減速，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。從而實(shí)現(xiàn)x、y、z方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。總體設(shè)計(jì)示意圖如下所示：結(jié)合實(shí)際工作量，本次數(shù)控改造只涉及進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造，對(duì)于主軸部分不予考慮。數(shù)改過程中，對(duì)于進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要關(guān)心它的轉(zhuǎn)矩大小，調(diào)節(jié)范圍的大小和調(diào)節(jié)精度的高低，以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的快慢。滾珠絲杠作為當(dāng)代數(shù)控機(jī)床進(jìn)給的主要傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以其壽命長、高剛度、高效率、高靈敏度、無間隙等顯著特點(diǎn)而得以廣泛應(yīng)用，成為各類數(shù)控機(jī)床的重要配套部件，并已實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)

10、化、通用化和商品化。為了滿足數(shù)控機(jī)床高進(jìn)給速度、高定位精度、高平穩(wěn)性和快速響應(yīng)的要求，必須合理選擇滾珠絲杠副，并進(jìn)行必要的校核計(jì)算。1、伺服驅(qū)動(dòng)：在我國設(shè)備數(shù)控改造的一段時(shí)間里，較多采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件，步進(jìn)電機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，它利用通電激磁繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩：將脈沖電信號(hào)的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械位移的機(jī)電執(zhí)行元件。當(dāng)激磁繞組每產(chǎn)生一定規(guī)律獲得分配脈沖時(shí)，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)了轉(zhuǎn)過的角度與輸入的脈沖個(gè)數(shù)具有較嚴(yán)格的比例關(guān)系，而且轉(zhuǎn)動(dòng)與輸入脈沖在時(shí)間上同步，因此可以利用這些特點(diǎn)控制運(yùn)動(dòng)的速度和位移量。由于步進(jìn)電機(jī)容易丟步，啟動(dòng)頻率低，工作頻率也不夠高，低頻時(shí)振動(dòng)大，有時(shí)還自激振蕩，且沒有

11、過載能力，當(dāng)工作條件變動(dòng)時(shí)，可能造成失誤，因此步進(jìn)電機(jī)多用于負(fù)載較小、負(fù)載變化不大或要求不太高的經(jīng)濟(jì)型簡易型數(shù)控設(shè)備中。開環(huán)伺服是由步進(jìn)電機(jī)和機(jī)械傳動(dòng)裝置組成的開環(huán)式控制系統(tǒng)。由于沒有位置檢測及反饋裝置，就必須使其機(jī)械傳動(dòng)裝置在任何時(shí)刻、任何情況下均能嚴(yán)格跟隨步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)而運(yùn)動(dòng)。然而實(shí)際上，在機(jī)械傳動(dòng)裝置的輸入與輸出之間總會(huì)有誤差存在的。這誤差的產(chǎn)生，除了有一部分是由傳動(dòng)鏈的傳誤差（如絲杠螺距累積誤差）引起的之外，還有一部分是由于傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)（如傳動(dòng)剛度、移動(dòng)件慣量、導(dǎo)軌摩擦力、間隙、速度阻尼等）產(chǎn)生的。這部分誤差在設(shè)計(jì)開環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)中必須予以注意。它包括三部分：、啟動(dòng)或反向時(shí)的死區(qū)

12、誤差：、由于傳動(dòng)剛度的變化引起的定位誤差：、運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)態(tài)誤差。 2、數(shù)控裝置：數(shù)控裝置的選擇也有多種方案，可以全部自行設(shè)計(jì)制作，可以來用單板機(jī)或模塊改制等，工廠中一般多采用以下兩種方法：一種情況是所需的功能和要求有現(xiàn)成的數(shù)控裝置可以滿足，這時(shí)絕大多數(shù)都采取買現(xiàn)成產(chǎn)品的方案，因?yàn)樽孕性O(shè)計(jì)制作不但費(fèi)時(shí)間，投資也不一定能省，往往是投資更多，而且質(zhì)量也不容易保證的，另一種情況是買不到現(xiàn)成產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)有些特殊功能，這時(shí)大多采取買性價(jià)比盡量高的性能接近的裝置，然后自行補(bǔ)充或改造，至少也是買模塊或工控機(jī)，單板機(jī)來制作，很少全部自行設(shè)計(jì)制作，對(duì)于我們所需的數(shù)控裝置，除了直接能進(jìn)行漸開線插補(bǔ)這一條功能外，其它沒有

13、特殊的功能要求，市場上可以有很多種型號(hào)的銑床數(shù)控裝置供選擇，因此直接選用市場上現(xiàn)成的裝置切合實(shí)際，可以加快改造步伐，適合生產(chǎn)需要，但是作為畢業(yè)設(shè)計(jì)，也需對(duì)其結(jié)構(gòu)、原理?？刂品绞降扔行铝私?。能提出自己的處理辦法，即設(shè)計(jì)方案。根據(jù)所選方案確定選用國產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)數(shù)控系統(tǒng)，控制軸數(shù)x、，聯(lián)動(dòng)軸數(shù)任意二軸，生產(chǎn)廠家：南京微分電機(jī)廠江南機(jī)床數(shù)控工程公司。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)數(shù)控裝置。 面板3、其它電氣裝置 在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造中，還需要結(jié)合數(shù)控裝置和伺服驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)配其它電氣裝置，包括強(qiáng)弱電信號(hào)的變換，傳輸或必要的處理，其中對(duì)輸入輸出接口部分還要考慮是否有隔離，屏蔽的要求 ，此外，還要配置所需要的電

14、源，各種保護(hù)電路等輔助電路。步進(jìn)電機(jī)性能參數(shù)和安裝尺寸要符合gbn|3或jb/dq3302的規(guī)定。連接方式：控制柜（箱）與機(jī)床，柜（箱）與電機(jī)之間的電氣連接應(yīng)采用插頭插座或接線盒型，連接線應(yīng)有金屬軟管保護(hù)，并應(yīng)按符合gb522685，jb/gq058085，jb/gq057685有關(guān)章節(jié)規(guī)定和jb/dq300280中1.3規(guī)定 4、機(jī)械部分：在設(shè)備的數(shù)控化改造中，雖然中心工作是數(shù)控部分，涉及較多的是微機(jī)但如果忽視了機(jī)械方面的要求而只是按數(shù)控方面的要求來進(jìn)行相應(yīng)的改動(dòng)，或者在改造設(shè)計(jì)中制造不合理的裝運(yùn)，結(jié)果會(huì)給數(shù)控化改造帶來意想不到的不良后果，甚至是失敗。所以，機(jī)械設(shè)計(jì)部分也非常重要。四、 x6

15、132型萬能臥式升降臺(tái)銑床傳動(dòng)系統(tǒng) 四、步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠的選取計(jì)算 1切削力的計(jì)算 fz=f(apaeafz。d。n。)k式中：ap 切削深度（mm）ae 切削寬度（mm）af 每齒進(jìn)給量（mm/z）z。 刀齒數(shù)d。 刀具公稱直徑n。 刀具每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)k。 與刀具材料，切速，工件材料，刀具幾何參數(shù)，刀具磨損狀態(tài)等有關(guān)的綜合修正系數(shù)。結(jié)合本次改造：fz=ccapfz0.65. ae0.83do-0.83zkfc式中：cc 銑削力系數(shù)取282ap 銑削深度（即被加工表面的寬度，同時(shí)加工個(gè)工件,每個(gè)工件厚度為10mm,故深度為50mm）fz 每齒進(jìn)給量取0.15mm/z.ae 銑削寬度（即被切削金屬

16、層的深度）取6mmdo 銑刀公稱直徑取63mmz 刀齒數(shù)取kfc 銑削力修正系數(shù)且：kfc= kmfc kfckmfc 工件材料系數(shù)取(hb/190)0.55kfc 前角系數(shù)取0.92故fz=282500.150.65200.8363-0.836(200/190)0.550.92故可求出: fz=9000n金屬切削刀具表48 . 49 p692滾珠絲杠副的計(jì)算（1）垂向切削分力fy:按經(jīng)驗(yàn)公式：fy/fz=0.80 fy=7200n故：fy=0.8fz 縱向切削分力fx: 按經(jīng)驗(yàn)公式：fx/fz=0.9 fx=8100n橫向切削分力fz： 按經(jīng)驗(yàn)公式：fz/fz=0.4 (2)絲杠工作時(shí)軸向壓

17、力f軸的計(jì)算：銑削條件下： 在插補(bǔ)平面內(nèi)合力fr： fr=(fx+fy)1/2 銑削一周平均銑削力fav 取2fr/3 ，銑削時(shí)絲杠軸向壓力f軸 ：f軸=fav+(mg +fy) 式中： 考慮到顛覆力矩的影響系數(shù) 一般取1.1 導(dǎo)軌當(dāng)量摩擦系數(shù)。取0.18m 移動(dòng)部件的質(zhì)量 估計(jì)為1000kgg 重力加速度 取9.8m/s2 fz=3600n fr=123.69n fav=82.46n f軸=3151n機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)第3 分冊(cè)p177機(jī)床與液壓2000年第5期機(jī)床數(shù)控改造中進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠副的選擇3、 滾珠絲杠副工作負(fù)荷的計(jì)算：(1)絲杠的轉(zhuǎn)速：數(shù)控改造多半采用開環(huán)步進(jìn)式伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，本次改造也

18、采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠。開環(huán)步進(jìn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算步驟：a 脈沖當(dāng)量取0.01mm.初選步進(jìn)電機(jī)的步距角為1.5b 計(jì)算降速比。由于步進(jìn)電機(jī)工作的特點(diǎn)是一個(gè)脈沖走一步，每一步均有一個(gè)加速過程，因而對(duì)負(fù)載慣量很敏感。為滿足負(fù)載慣量盡可能小的要求 ，同時(shí)也為滿足要求的脈沖當(dāng)量，常采用齒輪降速傳動(dòng)。傳動(dòng)比：=s/360式中：步距角 s絲杠螺距 初取12mm 脈沖當(dāng)量 各級(jí)傳動(dòng)比的確定： 首先確定傳動(dòng)級(jí)數(shù)為3。考慮到垂向進(jìn)給機(jī)構(gòu)中采用錐齒傳動(dòng)，在機(jī)床中的錐齒輪傳動(dòng)齒數(shù)比通常在12.5之間，尤其是傳動(dòng)比為的正交等比傳動(dòng)用得最多。結(jié)合本次改造選這級(jí)傳動(dòng)比也為. 根據(jù)相關(guān)資料確定不同嚙合對(duì)數(shù)時(shí)的最佳降速比

19、： , 2.5 , 今選齒輪z1=27, z1=54 ,z2=24, z2=60,(機(jī)床上常用的錐齒輪齒數(shù)比為時(shí)有z1 z222)取z3 =z3=40。模數(shù)m1=m2=2,m3=3.3故正交等比傳動(dòng)直齒錐齒輪的主要尺寸：40,de=41.4143.3,ae=19.2933.3,le=28.2843.3，i=4234機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)3冊(cè)510圖6.445c.根據(jù)結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jt，并計(jì)算電機(jī)力矩,再按步距角，電機(jī)力矩，允許的負(fù)載慣量等項(xiàng)要求來選取合適的步進(jìn)電機(jī)。慣量計(jì)算：jt=j1+i1-2j1+j2+i2-2j2+j3+i3-2(j3+js)+g/g(s/2

20、)2 式中：js0.03715kgf.cm.s2機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)2冊(cè)p301表5.515力矩計(jì)算：快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩：amax f0最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩：atf0t快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：f0式中：amax 空載啟動(dòng)時(shí)折算到馬達(dá)軸上的加速力矩 f 折算到馬達(dá)軸上的摩擦力矩0 由于絲杠預(yù)緊引起的折算到馬達(dá)軸上的附加摩擦力矩at切削時(shí)折算到馬達(dá)軸上的加速力矩t折算到馬達(dá)軸上的切削負(fù)載力矩絲杠傳動(dòng)時(shí)a , f,0 ,t計(jì)算公式：ar9.6（gf.m）式中：r折算到馬達(dá)軸上的總慣量系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)（系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)表示線路在導(dǎo)通瞬間允許電流值上升的速率。時(shí)間常數(shù)越小，線路導(dǎo)通后電流上升越快，達(dá)到近似穩(wěn)定值的時(shí)間

21、越短；反之則越長）n電機(jī)轉(zhuǎn)速當(dāng)n=nmax時(shí)計(jì)算amax,n=nt時(shí)計(jì)算atnt切削時(shí)的轉(zhuǎn)速摩擦力矩=(fs/2)10-3 (nm)f導(dǎo)軌摩擦力 （f）s絲杠螺距齒輪降速比傳動(dòng)鏈總效率一般取0.700.85取0.8f=2106n =1.00554nm附加摩擦力矩：2（o2）10式中：滾珠絲桿預(yù)加載荷（kgfm）為使預(yù)緊后的雙螺母機(jī)構(gòu)在正向傳動(dòng)鏈?zhǔn)芰\(yùn)行時(shí)其反向傳動(dòng)鏈仍保證無間隙出現(xiàn)，要求預(yù)緊力的數(shù)值應(yīng)大于最大軸向載前的1/3倍。1/3f軸=1/33151=1050.3n 取=1200n絲桿螺距傳動(dòng)鏈總效率 齒輪降速比o滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的效率，一般取0.90.0363nm切削力矩t：tt210(

22、n)式中： t進(jìn)給方向的最大切削力 s絲機(jī)螺距（cm） 傳動(dòng)鏈總效率取0.8 齒輪降速比初選步進(jìn)電機(jī)：130bf001 五相十拍分配方式檢驗(yàn)計(jì)算：ma=(jt+jm)n/9.6t102jm電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jt系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量式中：t系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)(s) 加速時(shí)間50ms故amax= (jt+jm)nmax/9.60.05102(0.01545+7102)1000/9.60.05102mamax=4.22nmm=amax+mf+mo m=5。26nm(m9.31nm)由于采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)：n=f/60i (r/min)式中：步進(jìn)電機(jī)步距角 1.5f 電機(jī)脈沖頻率 16000hzi電機(jī)與絲杠間的降速比 5n

23、=80機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)2冊(cè)表5.730 p476由表查得選取步進(jìn)電機(jī)2.絲杠壽命系數(shù)l：l=式中：t 絲杠預(yù)期壽命 取15000h l=72 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 2冊(cè)表5.732 p476 3.絲杠工作動(dòng)載荷c： c=12f軸式中：1 絲杠硬度系數(shù) 取1.5 2 載荷性質(zhì)系數(shù) 取1.4c=27528.25n 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)2冊(cè)p500根據(jù)cca原則，考慮絲杠導(dǎo)程初選滾珠絲杠型號(hào)，使選取的滾珠絲杠的額定負(fù)載大于計(jì)算最大工作負(fù)載。 從相應(yīng)表中選取滾珠絲杠的型號(hào)為：nl6012ca=37200n. d0=60mm s=12mm滾珠絲杠副傳動(dòng)剛度驗(yàn)算：對(duì)于精密機(jī)床數(shù)控改造，應(yīng)對(duì)選取的滾珠的絲杠副傳動(dòng)剛度進(jìn)行校核，

24、以保證機(jī)床的定位精度，傳動(dòng)精度，可靠性。絲杠工作時(shí)，受軸向力及扭轉(zhuǎn)力矩作用，其變形為軸向壓縮變形和扭轉(zhuǎn)變形。設(shè)絲杠副的軸向剛度為kz，導(dǎo)軌剛度為并將扭轉(zhuǎn)變形的扭轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為軸向變形，則滾珠絲杠副kn傳動(dòng)時(shí)的軸向總變形量z為： zz=+(mt/kn2)103=+(fxt/kn2)103式中： m作用在絲杠上的扭矩（nm） t絲杠導(dǎo)程 (mm)由剛度定義可知，滾珠絲杠副傳動(dòng)剛度k與軸向剛度，扭轉(zhuǎn)剛度有如下關(guān)系：則滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度k為：k=knkz/kn+(t/2)2103kz欲求k，則只要求kz，kn即可。(1) 滾珠絲杠副軸向剛度kz的計(jì)算：滾珠絲珠副的軸向剛度取決于絲杠，螺母組件，支承軸承的

25、軸向剛度。a .絲杠的軸向剛度ksz絲杠的軸向剛度ksz與其安裝方式有關(guān)，本次改造設(shè)計(jì)中選取雙推雙推式支承方式：兩端各兩個(gè)推力軸承，此時(shí)，絲杠軸向最小剛度發(fā)生在載荷作用點(diǎn)處于支承端距離一半，即la/2 處ksz=(4se/la)10-3 (n/um)式中： s 絲杠小徑截面積 (mm2) e 絲杠材料的彈性模量 (mpa) 鋼料的e為2.1106 (kgf/cm2)la 載荷作用點(diǎn)距雙推軸承的最大長度 (mm)ksz=195n/umb.螺母組件的軸向剛度klz： 螺母組件的軸向剛度是指滾珠絲杠，螺母螺紋形成的滾道間的軸向剛度。據(jù)赫茲理論，滾珠與滾道之間在軸向載荷的作用下，彈性變形為：-式中：

26、s 滾珠的接觸角度 45 zg每圈承受載荷的滾珠個(gè)數(shù) dg滾珠的直徑 7.144mm zg按下式計(jì)算：zg=d/(dgcoss) 9 d為螺母的公稱直徑， s為絲杠螺紋螺旋升角 =23.76umklz= klz=167.062n/umc.支承軸承的軸向剛度kcz：支承軸承的軸向剛度也按赫茲理論接觸彈性位移理論求解。軸承類別不同，剛度公式也不同。采用雙列止推滾珠軸承。選取38212kcz = kcz= 454n/um螺母座的軸向剛度一般在螺母組件剛度計(jì)算時(shí)乘以0.8計(jì)入，不再單獨(dú)計(jì)算。滾珠絲杠副的軸向剛度kz： kz=46.7 n/um由材料力學(xué)可知：kn=gjp/x 式中： g 絲杠材料抗剪切

27、彈性模量 （mpa） 鋼材的剪切彈性模量為80gpa jp 絲杠小徑截面慣性矩 （mm4） x = la（兩支承端中心點(diǎn)距離115mm） kn=392103n/um將求得的kn ,kz代入滾珠絲杠副傳動(dòng)剛度公式，便可求得k 。如果剛度不足，可改變絲杠支承方式或重選滾珠絲杠副型號(hào)。k=32.56(n/um)各類機(jī)床滾珠絲杠副的推薦精等級(jí)，本次改造垂向滾珠絲杠傳動(dòng)精度b級(jí)，取傳動(dòng)精度故有如下關(guān)系式：n故可靠性好，穩(wěn)定性好。五、 關(guān)于滾珠絲杠副的性能分析：在升降臺(tái)銑床的垂向運(yùn)動(dòng)中，普遍存在著工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)搖動(dòng)力過大的問題。因此，操作進(jìn)刀不便，絲杠螺母副易磨損，電磁離合器易燒壞。解決這一問題的根本措施是

28、將滑動(dòng)絲杠改為滾珠絲杠副，提高機(jī)械傳動(dòng)效率，當(dāng)采用滾珠絲杠副后，其矛盾就轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠副逆運(yùn)轉(zhuǎn)的自鎖上。垂向升降絲杠副的受力情況如下圖所示：圖13及圖2所示為升降滾珠絲杠受載示意圖及傳動(dòng)系統(tǒng)圖。采用滾珠絲杠后，因摩擦角小于螺旋升角而不能自鎖，在自重作用下絲杠副產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)，升降臺(tái)自動(dòng)下降。為防止其逆轉(zhuǎn)，必須滿足自鎖條件方程：f 式中：f 向下分力，f= (kgf); fm nf =f (kgf)。fm為防逆轉(zhuǎn)所需的附加摩擦力，但在絲杠向上搖動(dòng)時(shí)卻又不應(yīng)增加阻力。這就是垂向滾珠絲杠副防逆轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)。在機(jī)構(gòu)中一般用超越離合器實(shí)現(xiàn)單向加載的目的。假若在絲杠傳動(dòng)系統(tǒng)中附加單向摩擦載荷fm，此時(shí)

29、，向上驅(qū)動(dòng)力矩m上基本不變，而m下由下式確定：m下若使，則m下=0，搖臂的手搖力q下=0。但在實(shí)際使用中總調(diào)整到0使其在不同載荷的變化狀態(tài)下，有較好的自鎖可靠性，但值又不宜過大，否則造成向下?lián)u動(dòng)力q下過大以及超越離合器易磨損等弊端。這是考核垂向升降滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)是否合理的重要指標(biāo)。所以從自鎖條件方程不分析，附加摩擦力fm應(yīng)滿足上述方程并有足夠的安全系數(shù)條件下取最小值。此外，為使實(shí)際使用時(shí)能取得最佳效果和磨損后的補(bǔ)償，fm應(yīng)能方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)和具有補(bǔ)償機(jī)能。這是垂向升降絲杠副能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。本次改造中附加摩擦力可通過碟形彈簧調(diào)節(jié)，使之達(dá)到最佳自鎖狀態(tài)。碟形彈簧能自動(dòng)補(bǔ)償磨損，因此，確保了自

30、鎖性和搖動(dòng)輕巧；同時(shí)，離合器通過1：2.5的傳動(dòng)減速比使離合器能以較小的阻尼去實(shí)現(xiàn)較大的控制力，從而延長使用壽命。由以上的分析可知，改造成后的“可調(diào)阻尼式”垂向滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)布局合理，具有搖動(dòng)輕巧，自鎖可靠，調(diào)節(jié)方便，壽命較長，及更新改裝方便等多方面的優(yōu)點(diǎn)。六、 雙片齒輪錯(cuò)齒法調(diào)隙機(jī)構(gòu)：為了提高齒輪傳動(dòng)精度，需要設(shè)計(jì)齒輪消隙裝置，采用二片和三片齒輪錯(cuò)齒法。示意圖如下所示：該機(jī)構(gòu)為自動(dòng)補(bǔ)償機(jī)構(gòu)。相互嚙合的一對(duì)齒輪中的一個(gè)做成兩個(gè)薄片齒輪7和8，兩薄片齒輪套在一起，彼此可作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。兩個(gè)齒輪的端面上，分別裝有螺紋凸耳2和6，拉簧1的一端鉤在凸耳6上，另一端鉤在穿過凸耳2通孔的螺釘5上。在

31、拉簧的拉力作用下， 兩面三刀薄片齒輪的輪齒相互錯(cuò)位，分別貼緊在與之嚙合的齒輪左、右齒廓面上，消除了它們之間的齒側(cè)間隙。拉簧的拉力大小可由螺母3調(diào)節(jié)。不過這種結(jié)構(gòu)傳動(dòng)剛度較差，能傳遞的轉(zhuǎn)矩較小。七、 部分?jǐn)?shù)控系統(tǒng)控制軟件的框圖：單板機(jī)控制的步進(jìn)電機(jī)開環(huán)系統(tǒng)中，單板機(jī)負(fù)責(zé)插補(bǔ)運(yùn)算并輸出脈沖，步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。控制中的核心，是由軟件按加工要求對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，速度和轉(zhuǎn)數(shù)實(shí)現(xiàn)控制。一是長控制，即把編程尺寸變?yōu)椴竭M(jìn)電機(jī)的步數(shù)；二是速度控制，一般用ctc定時(shí)器，使其每隔一定時(shí)間發(fā)出一次中斷，進(jìn)行插補(bǔ)；三是方向控制，即正反轉(zhuǎn)控制。一般軟件有兩種結(jié)構(gòu)。一種是中斷方式，即把插補(bǔ)輸出作為中斷程序；另一種是流

32、水線式結(jié)構(gòu)，即按插補(bǔ)加工的順序來安排軟件。中斷方式軟件結(jié)構(gòu)框圖如下：八 、硬件部分電路的設(shè)計(jì)1.控制系統(tǒng)的功能（1）x向、y向、z向的進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)；（2）鍵盤顯示；（3）面板管理（4）行程控制（5）其他功能、例如光隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示2cpu和存儲(chǔ)器cpu采用8031芯片，由于8031芯片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，需要有外部程序在存儲(chǔ)器的支持，同時(shí)8031內(nèi)部只有128b的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也遠(yuǎn)不能滿足控制的要求。故擴(kuò)展了16kb程序存儲(chǔ)器由兩片2764組成，又?jǐn)U展了一片6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8031芯片的p和p用來傳送外部低8位地址和數(shù)據(jù)，p口傳送高8位地址，p口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74

33、ls373地址鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲(chǔ)器地址在輸出端出現(xiàn)，此時(shí)不需鎖存。當(dāng)alen高電平彎低電平，出現(xiàn)下降沿時(shí)，低8位地址鎖存入地址鎖存器中，74ls373的輸出不再隨輸入變化，這樣p口就可用來傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的p口和74ls373送出的p口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8kb，需要13根地址線。aa低8位接74ls373芯片的輸出，aa接8031芯片的pp。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號(hào)分別接74ls138譯碼器的和系統(tǒng)復(fù)位以后程序從0000h開始執(zhí)行。6264芯片的片選信號(hào)也接74ls138的，單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存

34、儲(chǔ)器獨(dú)立編址（即允許地址重疊），8031芯片控制信號(hào)接2764的引腳，讀寫控制信號(hào)和分別接6264芯片的和，以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫。由于8031芯片內(nèi)部沒有rom故始終要選外部存儲(chǔ)器，故其必須接地。3.t/o接口電路由于8031只有p口和p部分能提供用戶作為i/o口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。從附錄h圖h-2可以看出，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8155和一片8255可編程i/o接口芯片。8155的片選信號(hào)接74ls138的，8255芯片片選信號(hào)接到74ls138的端。74ls138譯碼器有三個(gè)輸入a、b、c分別接到8031的p、p、p，輸出8個(gè)輸出，低電平有效。y

35、y對(duì)應(yīng)輸入a、b、c的000至111的8種組合，其中對(duì)應(yīng)a、b、c為000，y對(duì)應(yīng)a、b、c為111。74ls138還有三個(gè)使能端，其中2上（和）為低電平使能，另一個(gè)g為高電平使能，只有當(dāng)使能端處于有效電平時(shí)，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。 i/o接口芯片與外設(shè)的連接是這樣安排的，8155芯片papb是顯示器的位選信號(hào)輸出，pcpc5要線是鍵盤掃描輸入。8155芯片的io/引腳接8031芯片的p，因?yàn)槭褂?155的i/o口，故p為高電平。8255芯片papa接x向、y向和z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器，為輸出pbpb為三個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入，pcpc為面板上的選擇開關(guān)是輸入，設(shè)有編輯

36、單步運(yùn)行，單段運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)i、手動(dòng)ii等方式。系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲(chǔ)器及i/o接口芯片的地址編碼如下表：芯片接74ls138引腳地址選擇線片內(nèi)地址單元地址編碼2764（1）0 0 0 8kb0000h1fffh2764（2）0 0 1 8kb2000h3fffh62640 0 1 8kb2000h3fffh8155ram1 0 0 1 1 1 1 0 256b9e00h9effhi/o1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 6b9ff8h5fffh 82550 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 4b5ffch5fffhx向、y向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用yb

37、015，3-2相通電五相十拍方式工作，故a、a引腳均接+5v，z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用yb014，是以2-3相通電四相八拍試工作。a、a接高電平。三個(gè)芯片的選通輸出控制分別接8255的pa、pa、pa，清零接8255的pa，正反轉(zhuǎn)8255的pa、pa、pa，時(shí)鐘輸入端cp接8155芯片的timrout，用以決定脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)時(shí)不同的進(jìn)給速度，可給8155芯片定時(shí)/計(jì)數(shù)器中設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)。4.其他輔助電路此控制系統(tǒng)中設(shè)有越界報(bào)警和急停處理電路。x、y、z方向的越界和急停信號(hào)經(jīng)或門引入 8031的p中斷源、，同時(shí)接到8031的p口，采用硬件申請(qǐng)中斷和軟件查詢的方法，

38、這樣無論哪個(gè)方向，越界都會(huì)引起中斷，在中斷服務(wù)程序中通過軟件查詢的方法，便可確定是哪個(gè)方向越界，當(dāng)x、y、 z等方向越界，則相應(yīng)的紅燈這報(bào)警，另外，還有上電和按鈕，相結(jié)合的復(fù)位電路、光電隔離電路和功率放大電路等。八、 凸輪加工程序數(shù)控銑床銑削凸輪加工程序：圖示為傳動(dòng)系統(tǒng)的凸輪，凸輪曲線是兩段圓弧與兩段直線組成，凸輪的上下兩面和中心孔已加工好，現(xiàn)要在數(shù)控銑床上銑削凸輪的輪廓曲線，并一次銑削加工成形。以凸輪毛坯的中心孔o(hù)為定位孔，將凸輪毛坯裝到通用夾具上。選凸輪上的o點(diǎn)為工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)，凸輪曲線各段圓弧的切點(diǎn)坐標(biāo)如圖示。選用8mm的立銑刀銑削凸輪。銑刀相對(duì)工件坐標(biāo)系原點(diǎn)的距離x、y、z分別為

39、0、0、300mm。程序啟動(dòng)時(shí)，刀具停在機(jī)床參考點(diǎn)位置。兩圓公切線的切點(diǎn)計(jì)算得：ax-25,ay8.667，bx-10，by17.321。在數(shù)控銑床上銑削凸輪的加工程序如下：o0012n1 g90 g92 x0 y0 z300.0n2 g00 z0 n3 s800 m03 m08n4 g01 z-5 f50 n5 g41 d10 x-10 y17.321 f150n6 x-25 y8.667n7 g03 y-8.667 i5 j-8.667 n8 g01 x-10 y-17.321 n9 g03 y17.321 i10 j17.321 n10 g03 x-20 y0 i10 j-17.321 f250 n11 g00 z300 m09 m05n12 g40 x0 y0 n13 m02指令簡介：在上述的凸輪加工程序中：o0012表示加工該零件的程序序號(hào)；n是各個(gè)程序段的序號(hào)；g是準(zhǔn)備功能的指令代碼，如g00快速移動(dòng)，g01直線插補(bǔ)，g02順時(shí)針圓弧插補(bǔ)，g41