機(jī)電一體化機(jī)床總體方案的擬定說明書畢業(yè)論文

1、. . . . 第1章 機(jī)床總體方案設(shè)計(jì)1.1 機(jī)床總體方案的設(shè)計(jì)方法簡述機(jī)床總體方案的擬定，包括三方面的容：調(diào)查分析、工藝分析、機(jī)床總體布局。1.1.1 調(diào)查分析（1） 對(duì)加工對(duì)象的了解鑄鋁、鋁合金、有色金屬、鑄鐵、結(jié)構(gòu)鋼和易切鋼、調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、氮化鋼、鐵素體和奧氏體鋼、不銹鋼、鈦鋼、鎳鋼。（2） 對(duì)使用要求與制造條件的了解本次設(shè)計(jì)的機(jī)器主要是通過步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制；同時(shí)，方便了工人的勞動(dòng)。（3） 對(duì)同類與類同設(shè)備的了解通過調(diào)研分析，我選擇了一些類同設(shè)備的資料，作為此次畢業(yè)設(shè)計(jì)題目的比較?，F(xiàn)就選其中一種普通機(jī)械振動(dòng)裝置來比較說明：偏心輪擺桿機(jī)構(gòu)：偏心輪擺桿機(jī)構(gòu)提供復(fù)合振動(dòng)裝置的振源。電

2、機(jī)（2800r/min）經(jīng)一級(jí)皮帶傳動(dòng)，使偏心軸產(chǎn)生6000r/min的轉(zhuǎn)速，偏心軸的旋轉(zhuǎn)使擺桿以與固聯(lián)在擺桿上的滑塊產(chǎn)生100Hz的擺轉(zhuǎn)振動(dòng)?；瑝K的擺轉(zhuǎn)振動(dòng)將傳遞給與之相連的滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)，從而帶動(dòng)槍鉆頭振動(dòng)，這種機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)緊湊，振動(dòng)未經(jīng)任何放大，較好地限制了系統(tǒng)的附加振動(dòng)和噪音。在這里，改變擺桿擺轉(zhuǎn)頻率有兩種辦法：一是采用更換皮帶輪的方法改變傳動(dòng)比；另一種方法是采用調(diào)速電機(jī)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。改變擺桿擺幅的方法也有兩種：一是更換偏心軸，使擺桿的擺幅改變；二是采用活動(dòng)偏心軸，通過改變偏心軸的偏心量進(jìn)行無級(jí)調(diào)偏從而使擺桿實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)幅。本次設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)在振動(dòng)鉆削效果方面毫不遜色于以上這種裝置，并且綜合了

3、機(jī)電一體化方面的知識(shí)，使振動(dòng)鉆床向著更現(xiàn)代化的方面發(fā)展，自動(dòng)進(jìn)給壓電瓷振動(dòng)鉆床更方便，唯一不足之處是對(duì)電的損耗，這也將在以后的實(shí)際應(yīng)用中得以改進(jìn)。1.1.2 工藝分析（1） 工藝方法的選定同一種工件的加工可以有眾多的工藝方案。工藝方法對(duì)機(jī)床的結(jié)構(gòu)和性能的影響很大，工藝方法的改變常導(dǎo)致機(jī)床的運(yùn)動(dòng)、傳動(dòng)、布局、結(jié)構(gòu)、經(jīng)濟(jì)效果等方面的一系列變化。由于應(yīng)用振動(dòng)切削技術(shù)，能解決難加工材料或難加工工序的精密深孔加工問題，我們對(duì)低頻振動(dòng)鉆削精密深孔進(jìn)行了較深入的實(shí)驗(yàn)研究。研究中發(fā)現(xiàn)振動(dòng)參數(shù)的選擇對(duì)于斷屑、表面質(zhì)量與切削力等的影響很大：1）振幅越大，深孔鉆削時(shí)的斷屑效果、孔表面質(zhì)量越好。但振幅太大會(huì)帶來其它問

4、題，一是大振幅會(huì)增加刀具的磨損，影響刀具的壽命；二是大振幅使系統(tǒng)的振動(dòng)和噪聲加劇。因此對(duì)振動(dòng)裝置要能根據(jù)工件材料、刀具耐磨性、機(jī)床抗振性等因素調(diào)節(jié)振幅的大小，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮盡量降低系統(tǒng)的附加振動(dòng)和噪音。2）振動(dòng)方式對(duì)斷屑效果、孔表面加工質(zhì)量、工具壽命都有直接影響。振動(dòng)方式一般有軸向振動(dòng)、周向振動(dòng)和二者合成振動(dòng)3種，具體的選擇與工件材料、硬度、可切削性有關(guān)。軸向振動(dòng)方式容易形成分離型切屑，適用于較軟不易斷屑的純鋁、純銅等材料。但軸向振動(dòng)時(shí)刀具與切削面的分離易造成刀具損壞，故淬火鋼等較硬材料不宜選用這種方式，以免崩刃；周向振動(dòng)一般為非分離型切屑，其斷屑效果雖比普通切削強(qiáng)得多，但比軸向振動(dòng)要

5、差一些。但這種振動(dòng)方式對(duì)刀具保護(hù)好，壽命長，適用于較硬易斷屑的淬火鋼等材料；軸向與周向的合成振動(dòng)斷屑效果最好，但刀具磨損也最嚴(yán)重，可用于難加工材料，如不銹鋼等。（2） 選定了工藝方案后，即可進(jìn)行機(jī)床的運(yùn)動(dòng)分配確定機(jī)床的運(yùn)動(dòng)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在滿足工作要求的前提下，盡可能減少運(yùn)動(dòng)數(shù)目，特別是減少要求高的運(yùn)動(dòng)數(shù)目（例如分度運(yùn)動(dòng)等）。盡可能簡化運(yùn)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)，減少運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件的數(shù)目，用一個(gè)執(zhí)行件完成多個(gè)運(yùn)動(dòng)。具體的運(yùn)動(dòng)方案是：手動(dòng)調(diào)節(jié)六角長螺栓，實(shí)現(xiàn)在大方向上的大概位置。再在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給。主軸自行旋轉(zhuǎn)，并在壓電瓷的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，在步進(jìn)電機(jī)下面是諧波齒輪減速器，然后經(jīng)過同步帶、齒輪齒條

6、實(shí)現(xiàn)鉆頭的上下運(yùn)動(dòng)。1.1.3 機(jī)床的總體布局（1）本項(xiàng)工作的基本要求：1） 保證刀具和工件間的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)2） 足夠的剛性，抗振性3） 便于操作、維修、排屑等4） 材料消耗低，占地面積小5） 造型美觀（2）總體布局的具體容包括：運(yùn)動(dòng)分配時(shí)應(yīng)考慮的結(jié)構(gòu)因素；機(jī)床傳動(dòng)形式的確定，結(jié)合本設(shè)計(jì)題目的總體布局如圖1.1所示；機(jī)床支承結(jié)構(gòu)形式的確定，結(jié)合本設(shè)計(jì)題目的支撐方式如圖1.2所示。1 步進(jìn)電機(jī)2 剛 輪3 波發(fā)生器4 柔 輪5 帶 輪6 同 步 帶7 齒 輪8 齒 條 圖1.1 總體布局示意圖圖1.2 支撐方式示意圖1.2 機(jī)床主要技術(shù)參數(shù)的確定主要技術(shù)參數(shù)包括：主參數(shù)和基本參數(shù)。主參數(shù)表

7、征機(jī)床的主要規(guī)格，機(jī)床的加工圍；基本參數(shù)包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)。1.2.1 機(jī)床運(yùn)動(dòng)參數(shù)的確定（1） 主軸轉(zhuǎn)速的確定 ，本次為22000r/min1) 主軸的最高、最低轉(zhuǎn)速 （1.1）（1.2）式中、：常用的經(jīng)濟(jì)加工的最大、最小直徑。；。D可能加工的最大直徑,本次的最大鉆孔直徑為3mm；K系數(shù)；按機(jī)床不同有所不同，例如搖臂鉆床K=1；普通車床K=0.5；Rd計(jì)算直徑圍（Rd=0.200.25)。2）選用公比的原則：越小，越小；在已定的和之間，越小，轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)越多，傳動(dòng)系統(tǒng)越復(fù)雜。（2） 進(jìn)給量的確定進(jìn)給機(jī)構(gòu)具有無級(jí)和有級(jí)變速兩種形式。當(dāng)采用有級(jí)變速時(shí)，一般均采用等比數(shù)列，其標(biāo)準(zhǔn)公比同前

8、述。特殊情況下采用等差數(shù)列，例如采用棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)間歇進(jìn)給時(shí)，進(jìn)給量數(shù)列只能屬等差數(shù)列。1.2.2 機(jī)床電機(jī)功率的確定主運(yùn)動(dòng)電機(jī)功率的確定方法主要包括：實(shí)測(cè)法、計(jì)算法、統(tǒng)計(jì)分析法。實(shí)測(cè)法指選一臺(tái)傳動(dòng)與結(jié)構(gòu)跟所設(shè)計(jì)機(jī)床相近似的機(jī)床，并選擇特定工序或典型工序，用電表測(cè)量其一定時(shí)間T的輸入電功W（千瓦小時(shí)），電動(dòng)機(jī)功率；計(jì)算法是根據(jù)切削原理公式或估算公式計(jì)算的。進(jìn)給電機(jī)功率的確定方法和主電機(jī)的一樣?？焖龠\(yùn)動(dòng)電機(jī)功率的確定一般采用統(tǒng)計(jì)法。在設(shè)計(jì)時(shí)常用一種以上的方法，相互比較，經(jīng)分析、修正而最后確定電機(jī)功率。1.3 伺服機(jī)構(gòu)所謂的伺服機(jī)構(gòu)是指以機(jī)械位置或角度作為被控參數(shù)的自動(dòng)控制系統(tǒng),有時(shí)也被稱為隨動(dòng)系統(tǒng)

9、或伺服系統(tǒng)。伺服系統(tǒng)若按有無檢測(cè)裝置可分為兩類：開環(huán)伺服系統(tǒng)和死循環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)控制環(huán)節(jié)、執(zhí)行組件和機(jī)床三大部分組成；死循環(huán)伺服系統(tǒng)主要由反饋檢測(cè)單元、比較環(huán)節(jié)、驅(qū)動(dòng)線路、執(zhí)行組件和機(jī)床五部分組成。本次設(shè)計(jì)是用單片機(jī)控制鉆床進(jìn)給系統(tǒng)，加工對(duì)象為微小孔，主軸具有較高的轉(zhuǎn)速，因此要求伺服系統(tǒng)具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，而步進(jìn)電機(jī)其轉(zhuǎn)速不受主軸具有的較高轉(zhuǎn)速電壓高低的影響，步距誤差不會(huì)長期積累，易于采用脈沖信號(hào)控制，可以達(dá)到本次設(shè)計(jì)的要求，成本比較低，性能良好，所以本次設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。下面是典型的開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖：機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行元件功放電路接口電路

10、微機(jī)圖1.3開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer）簡稱單片機(jī)。它把組成微型計(jì)算機(jī)的各功能部件:中央處理器（CPU），隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM，只讀存儲(chǔ)器ROM,可編程存儲(chǔ)器EPROM,并行與串行輸入/輸出（I/O口）接口電路與其它功能部件如定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等集成在一塊半導(dǎo)體芯片上,構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展,單片機(jī)還可包含A/D,D/A轉(zhuǎn)換器,高速輸入/輸出部件,DMA通道,浮點(diǎn)運(yùn)算等新的特殊功能部件。由于它的結(jié)構(gòu)和指令都是按工業(yè)控制要求設(shè)計(jì)的,特別適合于工業(yè)控制與與控制有關(guān)的數(shù)據(jù)處理場(chǎng)合,因而目前應(yīng)確切稱其為微控制器(

11、Microcontroller)。單片機(jī)的特點(diǎn)：具有優(yōu)異的性能價(jià)格比；集成度高、體積小、可靠性高；控制功能強(qiáng)；低電壓、低功耗。第2章 主軸部分的設(shè)計(jì)由于本設(shè)計(jì)中要求主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到22000rpm,因此在設(shè)計(jì)中直接采用電主軸實(shí)現(xiàn)。電主軸是最近幾年在數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域出現(xiàn)的將機(jī)床主軸與主軸電機(jī)融為一體的新技術(shù)，它與直線電機(jī)技術(shù)、高速刀具技術(shù)一起，將會(huì)把高速加工推向一個(gè)新時(shí)代。電主軸是一套組件，它包括電主軸本身與其附件：電主軸、高頻變頻裝置、油霧潤滑器、冷卻裝置、置編碼器、換刀裝置等。電主軸中融合了高速軸承技術(shù)、高速電機(jī)技術(shù)。電主軸通常采用復(fù)合瓷軸承，耐磨耐熱，壽命是傳統(tǒng)軸承的幾倍；有時(shí)也采用電磁懸浮軸承，

12、或靜壓軸承，外圈不接觸，理論上壽命無限長。電主軸是電機(jī)與主軸融合在一起的產(chǎn)物，電機(jī)的轉(zhuǎn)子即為主軸的旋轉(zhuǎn)部分，理論上可以把電主軸看作一臺(tái)高速電機(jī)，其關(guān)鍵技術(shù)是高速度下的動(dòng)平衡。電主軸的潤滑一般采用定時(shí)定量油氣潤滑；也可以采用脂潤滑，但相應(yīng)的速度要打折扣。所謂定時(shí)，就是每隔一定的時(shí)間間隔注一次油，所謂定量，就是通過一個(gè)叫做定量閥的器件，精確地控制每次潤滑油的注油量。而油氣潤滑，指的是潤滑油在壓縮空氣的攜帶下，被吹入瓷軸承。油量控制很重要，太少，起不到潤滑作用；太多，在軸承高速旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)因油的阻力而發(fā)熱。為了盡快給高速運(yùn)行的電主軸散熱，通常對(duì)電主軸的外壁通以循環(huán)冷卻劑，冷卻裝置的作用是保持冷卻劑的溫度

13、。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換刀以與剛性攻絲，電主軸置一脈沖編碼器，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的相位控制以與與進(jìn)給的配合。為了適用于加工中心，電主軸配備了能進(jìn)行自動(dòng)換刀的裝置，包括碟形簧、拉刀油缸。瑞士IBAG公司在電主軸行業(yè)技術(shù)領(lǐng)先，公司成立于1941年，生產(chǎn)漫漫，主軸已經(jīng)有30年的歷史了?，F(xiàn)在就以這個(gè)公司的產(chǎn)品為例，讓大家了解一下電主軸的最新技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)：電主軸最早是用在磨床上，后來才發(fā)展到加工中心。瑞士強(qiáng)大的精密機(jī)械工業(yè)（例如制表工業(yè)）不斷提出要求，早在20年前高速切削就在瑞士變得越來越流行，使電主軸的功率和品質(zhì)都不斷得到提高。IBAG公司提供幾乎任何轉(zhuǎn)速、扭矩、功率、尺寸的電主軸，產(chǎn)品圍很寬，其電主軸最大轉(zhuǎn)速可達(dá)

14、140000r/min，直徑圍33300mm，功率圍125W80KW,扭矩圍0.02300Nm。用戶可能提出自己希望的功率、扭矩曲線，還可以為用戶做特殊的機(jī)械結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)在的機(jī)械加工工藝要求的主軸轉(zhuǎn)速越來越高，高轉(zhuǎn)速也越來越成為衡量一個(gè)產(chǎn)品水平的標(biāo)志，成為商家競(jìng)爭的焦點(diǎn)，誰先采用了更高轉(zhuǎn)速的主軸，誰便在激烈的競(jìng)爭中擁有了一硬牌。電主軸將會(huì)像直線導(dǎo)軌一樣成為機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)部件。我國二機(jī)床集團(tuán)、多棱數(shù)控機(jī)床股份、寧江機(jī)床（集團(tuán)）股份、川機(jī)床集團(tuán)、東風(fēng)設(shè)備制造廠、大學(xué)海捷制造公司、科挺自動(dòng)化公司、G01模具工具制造公司等都已在其產(chǎn)品上采用了IBAG公司的電主軸。第3章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要是根

15、據(jù)傳動(dòng)系統(tǒng)圖，加工要求等來確定傳動(dòng)比，并由此來選用和設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)的動(dòng)力和傳動(dòng)等組件。3.1 確定總的傳動(dòng)比3.1.1 初選步進(jìn)電機(jī)的步距角與系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為了提高加工精度，步距角應(yīng)選得越小越好，可是當(dāng)脈沖頻率f一定時(shí)，步距角越小，則步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速越低，從而其輸出的功率也越低。從加工精度上講，應(yīng)該選用較小的步距角，但是從提高輸出功率上講又要求步距角不能取得太小，綜合各項(xiàng)要求，我們初步選擇步距角。對(duì)于開環(huán)伺服系統(tǒng)，脈沖當(dāng)量一般取為0.010.0005mm/step。為了達(dá)到系統(tǒng)要求的設(shè)計(jì)精度，在這里我們初步選取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量=0.0013mm/step，即當(dāng)脈沖發(fā)生裝置產(chǎn)生一個(gè)脈沖信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)在放大了

16、的脈沖信號(hào)的作用下轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角時(shí)，鉆頭沿軸線向下移動(dòng)了0.0013mm。初步選用三相六拍反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。3.1.2 初選齒輪齒條傳動(dòng)的模數(shù)和齒數(shù)因?yàn)檫M(jìn)給系統(tǒng)所消耗的功率很小，所以最后一級(jí)齒輪齒條所承受的負(fù)載也并不是太大，因此齒輪齒條的模數(shù)初選為m=1，同時(shí)為了防止發(fā)生齒與齒之間的根切現(xiàn)象，所以選取齒數(shù)為Z=20，則齒輪分度圓直徑為。3.1.3 初算總傳動(dòng)比在步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)中，系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量與步進(jìn)電機(jī)的步距角；傳遞距離l（mm）與系統(tǒng)傳動(dòng)比i之間的關(guān)系為：（3.1）=0.0013mm3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇3.2.1 步進(jìn)電機(jī)概述步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用

17、在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。步進(jìn)電機(jī)可以作為一種控制用的特種電機(jī)，利用其沒有積累誤差(精度為100%)的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種開環(huán)控制?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（VR）、永磁式步進(jìn)電機(jī)（PM

18、）、混合式步進(jìn)電機(jī)（HB）和單相式步進(jìn)電機(jī)等。永磁式步進(jìn)電機(jī)一般為兩相，轉(zhuǎn)矩和體積較小，步距角一般為或。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)一般為三相，可實(shí)現(xiàn)大轉(zhuǎn)矩輸出，步距角一般為，但噪聲和振動(dòng)都很大。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)是指混合了永磁式和反應(yīng)式的優(yōu)點(diǎn)。它又分為兩相和五相：兩相步距角一般為而五相步距角一般為。這種步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用最為廣泛，也是本次細(xì)分驅(qū)動(dòng)方案所選用的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的一些基本參數(shù)如下：電機(jī)固有步距角：它表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個(gè)步進(jìn)脈沖信號(hào)，電機(jī)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。電機(jī)出廠時(shí)給出了一個(gè)步距角的值，如86BYG250A型電機(jī)給出的值

19、為(表示半步工作時(shí)為、整步工作時(shí)為)，這個(gè)步距角可以稱之為電機(jī)固有步距角，它不一定是電機(jī)實(shí)際工作時(shí)的真正步距角，真正的步距角和驅(qū)動(dòng)器有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：是指電機(jī)部的線圈組數(shù)，目前常用的有二相、三相、四相、五相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)相數(shù)不同，其步距角也不同，一般二相電機(jī)的步距角為、三相的為、五相的為。在沒有細(xì)分驅(qū)動(dòng)器時(shí)，用戶主要靠選擇不同相數(shù)的步進(jìn)電機(jī)來滿足自己步距角的要求。如果使用細(xì)分驅(qū)動(dòng)器，則相數(shù)將變得沒有意義，用戶只需在驅(qū)動(dòng)器上改變細(xì)分?jǐn)?shù)，就可以改變步距角。保持轉(zhuǎn)矩（HOLDING TORQUE）：是指步進(jìn)電機(jī)通電但沒有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，定子鎖住轉(zhuǎn)子的力矩。它是步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一，通常步進(jìn)電機(jī)在低速

20、時(shí)的力矩接近保持轉(zhuǎn)矩。由于步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨速度的增大而不斷衰減，輸出功率也隨速度的增大而變化，所以保持轉(zhuǎn)矩就成為了衡量步進(jìn)電機(jī)最重要的參數(shù)之一。比如，當(dāng)人們說的步進(jìn)電機(jī)，在沒有特殊說明的情況下是指保持轉(zhuǎn)矩為的步進(jìn)電機(jī)。一般步進(jìn)電機(jī)的精度為步距角的3-5%，且不累積。步進(jìn)電機(jī)外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機(jī)磁性材料的退磁點(diǎn)；一般來講，磁性材料的退磁點(diǎn)都在攝氏以上，有的甚至高達(dá)攝氏以上，所以步進(jìn)電機(jī)外表溫度在攝氏-完全正常。步進(jìn)電機(jī)的力矩會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)各相繞組的電感將形成一個(gè)反向電動(dòng)勢(shì)；頻率越高，反向電動(dòng)勢(shì)越大。在它的作用下，電機(jī)隨頻率（或速度）的增大而相電流減

21、小，從而導(dǎo)致力矩下降。步進(jìn)電機(jī)低速時(shí)可以正常運(yùn)轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動(dòng),并伴有嘯叫聲。步進(jìn)電機(jī)有一個(gè)技術(shù)參數(shù)：空載啟動(dòng)頻率，即步進(jìn)電機(jī)在空載情況下能夠正常啟動(dòng)的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機(jī)不能正常啟動(dòng)，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負(fù)載的情況下，啟動(dòng)頻率應(yīng)更低。如果要使電機(jī)達(dá)到高速轉(zhuǎn)動(dòng)，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動(dòng)頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以其顯著的特點(diǎn)，在數(shù)字化制造時(shí)代發(fā)揮著重大的用途。伴隨著不同的數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以與步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。3.2.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇方法步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉與到

22、相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、與電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。（1） 步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有（五相電機(jī)）、（二、四相電機(jī)）、（三相電機(jī)）等。（2） 靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接啟動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速啟動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)

23、行只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍為好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座與長度便能確定下來（幾何尺寸）。（3）電流的選擇靜力矩一類的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、與驅(qū)動(dòng)電壓）。（4）力矩與功率換算步進(jìn)電機(jī)一般在較大圍調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來衡量，力矩與功率換算如下：（3.2） （3.3） （3.4）式中 P功率，單位為瓦；每秒角速度，單位為弧度；n每分鐘轉(zhuǎn)速，單位為米每分鐘；M力矩，單位為牛頓·米；（半步工作），其中f為每秒脈沖數(shù)（簡稱PPS）。3.2.3 計(jì)算過程（1）初選三相六拍

24、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（2）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為T，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力做的功有如下關(guān)系：（3.5）式中電機(jī)轉(zhuǎn)角；s移動(dòng)部件相應(yīng)位移；機(jī)械傳動(dòng)效率。取，則，所以（3.6）根據(jù)鉆削力經(jīng)驗(yàn)公式得：鉆削力 移動(dòng)部件重量 G=450N負(fù)載力 若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩（3.7）取安全系數(shù)為0.5，則 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率：3.2.4 驗(yàn)算電機(jī)是否進(jìn)入步進(jìn)狀態(tài)因?yàn)楫?dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速過低時(shí)，極易產(chǎn)生失步，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮步進(jìn)電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速，即。本次設(shè)計(jì)的鉆頭進(jìn)給速度為0.671.67mm/s。(3.8)(3.9)即步進(jìn)電機(jī)正常工作時(shí)的脈沖圍

25、為5151284Hz，滿足要求，因此步進(jìn)電機(jī)處于正常工作狀態(tài)。3.2.5 選取步進(jìn)電機(jī)型號(hào)根據(jù)以上計(jì)算，選取步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為：45BF005。參數(shù)如下表所示：表3-1型號(hào)主要技術(shù)資料外形尺寸(mm)重量步距角（）最大靜轉(zhuǎn)矩(N·cm）最高空載啟動(dòng)頻率(step/s)相數(shù)電流(A)電壓(V)外徑長度軸徑45BF0051.5/320300032.527455844N3.3 齒輪齒條設(shè)計(jì)計(jì)算齒輪齒條傳動(dòng)的軸是一根齒輪軸。齒輪采用軟齒面齒輪，45號(hào)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)、正火處理后切齒，精度為8級(jí)。由于本次設(shè)計(jì)所傳遞的扭矩很小，模數(shù)取為m=1，齒數(shù)Z=20，齒寬系數(shù)為0.2，從保證齒輪齒條嚙合精度考慮，取

26、齒寬為b=18mm。表3-2齒輪齒數(shù)Z20模數(shù)m1螺旋角0齒形角20齒寬(mm)齒輪b1b1=18mm齒條b2b2=15mm齒條長度LL=40mm小齒輪分度圓直徑=mz/=20mm齒距=3.14mm3.4 同步齒形帶傳動(dòng)同步帶傳動(dòng)綜合了帶傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)。同步帶通常是以鋼絲繩或玻璃纖維等為抗拉層，氯頂橡膠或聚氨酯橡膠為基體，工作面上帶有突出齒形的環(huán)狀帶。工作時(shí)，帶的突齒與帶輪外緣的齒槽進(jìn)行嚙合傳動(dòng)。由于抗拉層承載后變形小，能保持同步帶的節(jié)距不變，故帶與帶輪間沒有相對(duì)的滑動(dòng)，從而保證了同步傳動(dòng)。同步帶傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá)50m/s，傳動(dòng)功率可達(dá)300KW，傳動(dòng)比可達(dá)10，傳動(dòng)效率可達(dá)0.98。同

27、步帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)：無滑動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比；預(yù)緊力小，軸和軸承上所受的載荷??；帶的厚度小，單位長度上的重量小，故允許的線速度較高；帶的柔性好，故所用的帶輪的直徑可以較小。3.4.1 同步帶的帶型（節(jié)距代號(hào)）包括（1） MXL-最輕型（2） XXL-超輕型（3） XL-特輕型（4） L-輕型（4） H-重型（6） XH-特重型（7） XXH-超重型3.4.2 同步帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)為把動(dòng)力和扭矩從步進(jìn)電機(jī)傳遞給鉆頭，我們使用同步帶傳動(dòng)。從防止打滑與實(shí)際應(yīng)用情況等方面考慮采用梯形齒同步帶。傳動(dòng)比i=1，型號(hào)：200L075（1）確定計(jì)算載荷（2）確定帶型和節(jié)距帶型選為L型，根據(jù)n=4.77r/min，查設(shè)

28、計(jì)手冊(cè)得：節(jié)距 齒根厚齒高 帶高（單面）齒根圓角半徑 齒頂圓角半徑（3）帶輪齒數(shù) 取Z=16（4）帶輪節(jié)圓直徑（5）帶速（6）確定軸間距 a=199mm所以，選：a=200mm（7）確定帶寬3.5 校核3.5.1 齒輪強(qiáng)度的校核齒輪設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則是在預(yù)定使用壽命，保證齒輪傳動(dòng)不失效。在齒輪齒條中，齒輪齒條傳動(dòng)所受的扭矩較大，其中齒輪的尺寸小，齒數(shù)小，所以把齒輪作為校核對(duì)象。由于齒輪為軟尺面齒輪，抗疲勞點(diǎn)蝕能力較弱，而抗彎曲疲勞折斷的能力最強(qiáng)，所以應(yīng)按齒面接觸疲勞強(qiáng)度進(jìn)行校核。其公式如下：（3.10）式中 彈性影響系數(shù)載荷系數(shù)作用力齒寬b=18mm傳動(dòng)比I=1許用接觸應(yīng)力把以上值代入公式：所以，

29、選用的齒輪合格。3.5.2 滾動(dòng)軸承的校核對(duì)于一般運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的軸承，為防止過早發(fā)生疲勞點(diǎn)蝕，應(yīng)該按軸承的基本額定動(dòng)載荷進(jìn)行壽命計(jì)算，因此本次設(shè)計(jì)中的軸承也按照這個(gè)準(zhǔn)則進(jìn)行壽命計(jì)算，公式如下：（3.11）式中 轉(zhuǎn)速n=4.77r/min基本額定動(dòng)載荷C=3.78KN當(dāng)量動(dòng)載荷壽命系數(shù)查有關(guān)表格，得軸承的預(yù)計(jì)壽命為把以上的值代入公式中，得：滾動(dòng)軸承滿足設(shè)計(jì)要求。第4章 諧波齒輪部分4.1 諧波齒輪傳動(dòng)諧波傳動(dòng)是建立在彈性變形理論基礎(chǔ)上的一種新型傳動(dòng)，它的出現(xiàn)為機(jī)械傳動(dòng)技術(shù)帶來了重大突破。它由三個(gè)主要構(gòu)件所組成，即具有齒的剛輪、具有外齒的柔輪和波發(fā)生器。通常波發(fā)生器為主動(dòng)件，而剛輪和柔輪之一為從動(dòng)件

30、，另一個(gè)為固定件。諧波齒輪傳動(dòng)和漸開線少齒差行星傳動(dòng)的傳動(dòng)比公式一樣： 當(dāng)波發(fā)生器為主動(dòng)時(shí)，凸輪在柔輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就近使柔輪與薄壁軸承發(fā)生變形（可控的彈性變形），這時(shí)柔輪的齒就在變形的過程中進(jìn)入（嚙合）或退出（嚙離）剛輪的齒間，在波發(fā)生器的長軸處處于完全嚙合，而短軸方向的齒就處在完全的脫開。波發(fā)生器通常成橢圓形的凸輪，將凸輪裝入薄壁軸承，再將它們裝入柔輪。此時(shí)柔輪由原來的圓形而變成橢圓形，橢圓長軸兩端的柔輪與之配合的剛輪齒則處于完全嚙合狀態(tài)，即柔輪的外齒與剛輪的齒沿齒高嚙合。這是嚙合區(qū)，一般有30%左右的齒處在嚙合狀態(tài)；橢圓短軸兩端的柔輪齒與剛輪齒處于完全脫開狀態(tài)，簡稱脫開；在波發(fā)生器長軸和短軸之間

31、的柔輪齒，沿柔輪周長的不同區(qū)段，有的逐漸退出剛輪齒間，處在半脫開狀態(tài)，稱之為嚙出。波發(fā)生器在柔輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，迫使柔輪產(chǎn)生連續(xù)的彈性變形，此時(shí)波發(fā)生器的連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，就使柔輪齒的嚙入嚙合嚙出脫開這四種狀態(tài)循環(huán)往復(fù)不斷地改變各自原來的嚙合狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱之錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，正是這一錯(cuò)齒運(yùn)動(dòng)，作為減速器就可將輸入的高速轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)檩敵龅牡退俎D(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于雙波發(fā)生器的諧波齒輪傳動(dòng)，當(dāng)波發(fā)生器順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)1/8周時(shí)，柔輪齒與剛輪齒就由原來的嚙入狀態(tài)而成嚙合狀態(tài)，而原來脫開狀態(tài)就成為嚙入狀態(tài)。同樣道理，嚙出變?yōu)槊撻_，嚙合變?yōu)閲С觯@樣柔輪相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)（角位移）了1/4齒；同理，波發(fā)生器再轉(zhuǎn)動(dòng)1/8周時(shí)，重復(fù)上述過程，這時(shí)柔輪位移一

32、個(gè)齒距。依此類推，波發(fā)生器相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)動(dòng)一周時(shí)，柔輪相對(duì)剛輪的位移為兩個(gè)齒距。柔輪齒和剛輪齒在節(jié)圓處嚙合過程就如同兩個(gè)純滾動(dòng)（無滑動(dòng)）的圓環(huán)一樣，兩者在任何瞬間，在節(jié)圓上轉(zhuǎn)過的弧長必須相等。由于柔輪比剛輪在節(jié)圓周長上少了兩個(gè)齒距，所以柔輪在嚙合過程中，就必須相對(duì)剛輪轉(zhuǎn)過兩個(gè)齒距的角位移，這個(gè)角位移正是減速器輸出軸的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了減速的目的。4.2 諧波齒輪傳動(dòng)的主要特點(diǎn)4.2.1 傳動(dòng)比大而且圍寬一般單級(jí)諧波齒輪傳動(dòng)的比圍為70500；4.2.2 同時(shí)嚙合的齒數(shù)多在受載情況下，對(duì)雙波傳動(dòng)，同時(shí)嚙合的齒數(shù)可達(dá)總齒數(shù)的3040%；三波傳動(dòng)則更多。承載能力較高。4.2.3零件少，體積小，重量輕在一樣

33、條件下，可比一般齒輪減速器的元件少一半，體積可減小2050%，重量大大減輕。4.2.4運(yùn)動(dòng)精度高由于多齒嚙合的平均效應(yīng)，故其傳動(dòng)精度一般可比同精度等級(jí)的普通齒輪減速器的精度高一級(jí)。4.2.5 由于同時(shí)嚙合的齒數(shù)多，齒面的相對(duì)滑動(dòng)速度很低，又接近于面接觸，故磨損小，運(yùn)動(dòng)平衡而無噪音4.2.6 在傳動(dòng)比很大的情況下，仍具有較高的效率單級(jí)傳動(dòng)的效率一般在6096%的圍。4.2.7 具有通過密封壁傳遞運(yùn)動(dòng)的能力由于通過密封壁傳遞運(yùn)動(dòng)，故在高真空的條件下，以與用來控制高溫、高壓的管路，驅(qū)動(dòng)在有原子能輻射或其他有害介質(zhì)空間工作的機(jī)構(gòu)時(shí)，采用這種傳動(dòng)十分理想。這也是現(xiàn)有一切其他傳動(dòng)所無法比擬的。4.2.8起

34、動(dòng)力矩比一般齒輪傳動(dòng)大，速比越小越嚴(yán)重4.2.9在傳遞運(yùn)動(dòng)中，柔輪要發(fā)生周期性彈性變形，因此對(duì)柔輪的材料、熱處理有較高的要求，否則柔輪容易疲勞損壞4.2.10有時(shí)發(fā)熱過大對(duì)動(dòng)力傳動(dòng)，若結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇不當(dāng)時(shí)，可能導(dǎo)致發(fā)熱過大，必要時(shí)需采用適當(dāng)?shù)睦鋮s措施。4.3 諧波傳動(dòng)減速器諧波齒輪減速器是利用行星齒輪傳動(dòng)原理發(fā)展起來的一種新型減速器。表4-1傳動(dòng)原理圖示一種最簡單的諧波傳動(dòng)工作原理圖。它主要由三個(gè)基本構(gòu)件組成：（1）帶有齒圈的剛性齒輪（剛輪）2，它相當(dāng)于行星系中的中心輪；（2）帶有外齒圈的柔性齒輪（柔輪）1，它相當(dāng)于行星齒輪；（3）波發(fā)生器H，它相當(dāng)于行星架。作為減速器使用，通常采用波發(fā)生器主動(dòng)

35、、剛輪固定、柔輪輸出形式。波發(fā)生器H是一個(gè)桿狀部件，其兩端裝有滾動(dòng)軸承構(gòu)成滾輪，與柔輪1的壁相互壓緊。柔輪為可產(chǎn)生較大彈性變形的薄壁齒輪，其孔直徑略小于波發(fā)生器的總長。波發(fā)生器是使柔輪產(chǎn)生可控彈性變形的構(gòu)件。當(dāng)波發(fā)生器裝入柔輪后，迫使柔輪的剖面由原先的圓形變成橢圓形，其長軸兩端附近的齒與剛輪的齒完全嚙合，而短軸兩端附近的齒則與剛輪完全脫開。周長上其他區(qū)段的齒處于嚙合和脫離的過渡狀態(tài)。當(dāng)波發(fā)生器沿圖示方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，柔輪的變形不斷改變，使柔輪與剛輪的嚙合狀態(tài)也不斷改變，由嚙入、嚙合、嚙出、脫開、再嚙入，周而復(fù)始地進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)柔輪相對(duì)剛輪沿波發(fā)生器H相反方向的緩慢旋轉(zhuǎn)。 圖4為諧波傳動(dòng)減速器結(jié)構(gòu)

36、圖。2為剛輪，1為柔輪，H為波發(fā)生器。剛輪固定，動(dòng)力由波發(fā)生器輸入，柔輪輸出，其輸入與輸出轉(zhuǎn)向相反。 圖4.1 諧波齒輪減速器結(jié)構(gòu)簡圖在傳動(dòng)過程中，波發(fā)生器轉(zhuǎn)一周，柔輪上某點(diǎn)變形的循環(huán)次數(shù)稱為波數(shù)，以 n 表示。常用的是雙波和三波兩種。雙波傳動(dòng)的柔輪應(yīng)力較小，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于獲得大的傳動(dòng)比。故為目前應(yīng)用最廣的一種。 諧波齒輪傳動(dòng)的柔輪和剛輪的周節(jié)一樣，但齒數(shù)不等，通常采用剛輪與柔輪齒數(shù)差等于波數(shù)，即（4.1）式中 、分別為剛輪與柔輪的齒數(shù)。 當(dāng)剛輪固定、發(fā)生器主動(dòng)、柔輪從動(dòng)時(shí)，諧波齒輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比為：（4.2）雙波傳動(dòng)中，柔輪齒數(shù)很多。上式負(fù)號(hào)表示柔輪的轉(zhuǎn)向與波發(fā)生器的轉(zhuǎn)向相反。由此可看出，

37、諧波減速器可獲得很大的傳動(dòng)比。4.4 諧波齒輪減速器的設(shè)計(jì)計(jì)算傳動(dòng)比和輸出轉(zhuǎn)矩分別為：（4.3）輸入：波發(fā)生器輸出：柔輪固定：剛輪初選波高，因此柔輪分度圓直徑。4.4.1 確定柔輪和剛輪齒數(shù)波數(shù)n=2，由諧波齒輪減速器傳動(dòng)計(jì)算公式將傳動(dòng)比帶入公式求得：，根據(jù)齒面磨損條件，初步確定諧波齒輪傳動(dòng)模數(shù)：取帶入公式4.4.2 諧波齒輪減速器的幾何計(jì)算（1）通常，柔輪采用滾切，剛輪采用插切，所以先選定切制剛輪的插齒刀的參數(shù)；插齒刀的齒數(shù)取，由小模數(shù)直齒插齒刀標(biāo)準(zhǔn)（3095-82）計(jì)算得，取模數(shù)：m=0.2；齒距：p=0.628mm；柔輪分度圓直徑：柔輪齒根圓直徑：柔輪齒頂圓直徑：剛輪分度圓直徑：剛輪齒根

38、圓直徑：剛輪齒頂圓直徑：剛輪分度圓齒厚：柔輪齒壓力角：剛輪齒壓力角：（2）柔輪結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定柔輪壁厚： 柔輪根圓至孔壁厚度：柔輪筒體孔徑： 柔輪齒長： 柔輪筒體長： （3）其余尺寸第5章 導(dǎo)軌與工作臺(tái)部分5.1 導(dǎo)軌概述5.1.1 導(dǎo)軌功能承載、導(dǎo)向5.1.2 對(duì)導(dǎo)軌的基本要求(1) 表面具有高的導(dǎo)向精度，直線度或真圓度(2) 足夠的剛度(3) 導(dǎo)軌與導(dǎo)軌或?qū)к壟c其他部件之間的位置精度(4) 優(yōu)良的耐磨性(5) 低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性5.1.3 導(dǎo)軌的種類(1) 按運(yùn)動(dòng)形式直線導(dǎo)軌、圓導(dǎo)軌(2) 按摩擦性質(zhì)滑動(dòng)導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌、氣浮導(dǎo)軌(3) 按導(dǎo)軌材料鑄鐵導(dǎo)軌、鋼導(dǎo)軌、塑料導(dǎo)軌(4) 按工

39、作性質(zhì)主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、調(diào)整運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌(5) 按受力情況開式導(dǎo)軌、閉式導(dǎo)軌5.2 滑動(dòng)導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)滑動(dòng)導(dǎo)軌是機(jī)床導(dǎo)軌中使用最廣泛的類型，也是其他類型導(dǎo)軌的基礎(chǔ)。5.2.1 導(dǎo)軌截形（1） 直線滑動(dòng)導(dǎo)軌1）矩形導(dǎo)軌承載能力大，制造方便。但磨損后不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙。必須設(shè)置間隙調(diào)整裝置。2）三角形導(dǎo)軌具有自動(dòng)補(bǔ)償磨損的能力，故其導(dǎo)向性好，但制造較麻煩。頂角一般為90度，小于90度可提高導(dǎo)向精度，110120度時(shí)可提高承載能力。設(shè)計(jì)時(shí)兩斜面的比壓要基本相等。3）燕尾形導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)緊湊，高度較小，常用于多層次移動(dòng)部件中（如車床刀架）。但制造較麻煩。不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙，必須有消除間隙裝置。4）圓形導(dǎo)軌制造方

40、便。但磨損后間隙調(diào)整困難，故常用于受軸向力為主的場(chǎng)合，如拉床、鉆床的主軸和導(dǎo)向套組成的導(dǎo)軌副。（2） 圓周運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌用于圓工作臺(tái)、轉(zhuǎn)盤等旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)部件。1）平面圓環(huán)導(dǎo)軌必須配有工作臺(tái)心軸軸承，用得較多。2）錐形圓環(huán)導(dǎo)軌能承受軸向和徑向載荷，但制造較困難。3）V形圓環(huán)導(dǎo)軌制造復(fù)雜。5.2.2 導(dǎo)軌的組合除圓柱導(dǎo)軌有時(shí)能單根使用外，導(dǎo)軌需兩根（或兩根以上）組合使用。重型機(jī)床常采用雙矩形導(dǎo)軌。中、小型車床床身采用山形、矩形導(dǎo)軌組合。要求導(dǎo)向精度高的，采用雙三角形導(dǎo)軌組合要求結(jié)構(gòu)緊湊，高度小，調(diào)整方便的采用燕尾導(dǎo)軌。從制造工藝性來看，矩形、圓形導(dǎo)軌好，三角形、燕尾形差。5.2.3 提高導(dǎo)軌耐磨性的措施導(dǎo)軌

41、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，以與使用與維護(hù)。提高導(dǎo)軌的耐磨性，使其在較長的時(shí)間保持一定的導(dǎo)向精度，就能延長設(shè)備的使用壽命。提高導(dǎo)軌耐磨性的措施有：（1） 選擇合理的壓強(qiáng)，單位面積上的壓力成為壓強(qiáng)，即P=P/S（公斤/厘米） （5.1）式中P作用在導(dǎo)軌上的力（公斤）S導(dǎo)軌的支承面積（厘米）由上式可知，要減小導(dǎo)軌的壓強(qiáng)，應(yīng)減輕運(yùn)動(dòng)部件的重量和增大導(dǎo)軌支承面的面積。減小兩導(dǎo)軌面之間的中心距，可以減小外形尺寸和減輕運(yùn)動(dòng)部件的重量。但減小中心距受到結(jié)構(gòu)尺寸的限制，同時(shí)中心距太小，將導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。降低導(dǎo)軌壓強(qiáng)的另一辦法，是采用卸荷裝置，即在導(dǎo)軌載荷的相反方向，增加彈簧或液壓作

42、用力，以抵消導(dǎo)軌所承受的部分載荷。（2） 合理選擇材料與熱處理導(dǎo)軌副中，固定導(dǎo)軌的材料應(yīng)較硬，運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的材料應(yīng)較軟。常用材料組合鑄鐵表面淬火鑄鐵鑄鐵淬硬鋼鑄鐵貼塑鑄鐵熱處理：高頻淬火，電接觸淬火。5.3 導(dǎo)軌的作用和設(shè)計(jì)要求當(dāng)運(yùn)動(dòng)件沿著支承導(dǎo)件作直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，支承導(dǎo)件上的導(dǎo)軌起支承和導(dǎo)向的作用，即支承運(yùn)動(dòng)件和保證運(yùn)動(dòng)件在外力（載荷與運(yùn)動(dòng)件本身的重量）的作用下，沿給定的方向進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。對(duì)導(dǎo)軌的要求如下：5.3.1 一定的導(dǎo)向精度導(dǎo)向精度是指運(yùn)動(dòng)件沿導(dǎo)軌移動(dòng)的直線性，以與它與有關(guān)基面間的相互位置的準(zhǔn)確性。5.3.2 運(yùn)動(dòng)輕便平穩(wěn)工作時(shí)，應(yīng)輕便省力，速度均勻，低速時(shí)應(yīng)無爬行現(xiàn)象。5.3.3 良好的耐

43、磨性導(dǎo)軌的耐磨性是指導(dǎo)軌長期使用后，能保持一定的使用精度。導(dǎo)軌在使用過程中要磨損，但應(yīng)使磨損量小，且磨損后能自動(dòng)補(bǔ)償或便于調(diào)整。5.3.4 足夠的剛度運(yùn)動(dòng)件所受的外力，是由導(dǎo)軌面承受的，故導(dǎo)軌應(yīng)有足夠的接觸剛度。為此，常用加大導(dǎo)軌面寬度，以降低導(dǎo)軌面比壓；設(shè)置輔助導(dǎo)軌，以承受外載。5.3.5 溫度變化影響小應(yīng)保證導(dǎo)軌在工作溫度變化的條件下，仍能正常工作。5.3.6 結(jié)構(gòu)工藝性好在保證導(dǎo)軌其它要求的前提下，應(yīng)使導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)簡單，便于加工、測(cè)量、裝配和調(diào)整，降低成本。不同設(shè)備的導(dǎo)軌，必須作具體分析，對(duì)其提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求。必須指出，上述六點(diǎn)要相互影響的。三角形和矩形組合：這種組合形式以三角導(dǎo)軌為導(dǎo)向面

44、，導(dǎo)向精度較高，而平導(dǎo)軌的工藝性好，因此應(yīng)用最廣。這種組合有V平組合、棱-平組合兩種形式。V平組合導(dǎo)軌易儲(chǔ)存潤滑油，低、高速都能采用；棱-平組合導(dǎo)軌不能儲(chǔ)存潤滑油，只用于低速移動(dòng)。為使導(dǎo)軌移動(dòng)輕便省力和兩導(dǎo)軌磨損均勻，驅(qū)動(dòng)元件應(yīng)設(shè)在三角形導(dǎo)軌之下，或偏向三角形導(dǎo)軌。矩形和矩形組合：承載面和導(dǎo)向面分開，因而制造和調(diào)整簡單。導(dǎo)向面的間隙用鑲條調(diào)整，接觸剛度低。雙三角形導(dǎo)軌：由于采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩條導(dǎo)軌磨損均勻，磨損后對(duì)稱位置不變，故加工精度影響小。接觸剛度好，導(dǎo)向精度高，但工藝性差，四個(gè)表面刮削或磨削也難以完全接觸，如果運(yùn)動(dòng)部件熱變形不同，也不能保證四個(gè)面同時(shí)接觸，故不宜用在溫度變化大的場(chǎng)合。結(jié)論：

45、根據(jù)以上原則，綜合分析，本次設(shè)計(jì)選用雙三角導(dǎo)軌，為了有效消除反向間隙采用雙螺母螺旋傳動(dòng)。5.4 螺旋傳動(dòng)的設(shè)計(jì)5.4.1 螺旋傳動(dòng)的應(yīng)用特點(diǎn)螺旋傳動(dòng)是實(shí)現(xiàn)把轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊。螺旋傳動(dòng)按用途分為：（1） 傳力螺旋傳動(dòng)要求以小的扭矩產(chǎn)生較大的軸向推力，要求自鎖，例如：千斤頂，壓力機(jī)。（2） 傳導(dǎo)螺旋傳動(dòng)以低速運(yùn)動(dòng)為主要運(yùn)動(dòng)，有較高的傳動(dòng)精度和效率。例如車床、溜板箱、小刀架、工作臺(tái)移動(dòng)。（3） 調(diào)整螺旋、固定兩零件的相對(duì)位置機(jī)床測(cè)試裝置中，微調(diào)機(jī)構(gòu)，螺旋測(cè)微器，檢測(cè)幻燈片。根據(jù)摩擦性質(zhì)分為：滑動(dòng)摩擦、滾動(dòng)摩擦、靜壓摩擦。5.4.2 滑動(dòng)螺旋的結(jié)構(gòu)和材料（1） 結(jié)構(gòu)簡介螺桿：帶

46、有外螺紋的桿件；螺母：帶有螺紋的構(gòu)件；底座：帶1：10斜度，e812mm 托杯手柄（2） 主要零件的常用材料螺桿：常用：Q255、35#、45# 重要：65 Mn、40Cr、20CrMnTi，經(jīng)熱處理耐磨。螺母：鑄鐵 HT150、HT200 青銅 ZCuSn10P1 鋁 ZCuAl9Fe4Ni4Mn2-4 底座：鑄鐵 HT100、HT150 5.4.3 設(shè)計(jì)計(jì)算螺旋傳動(dòng)所用螺紋為矩形、梯形、鋸齒形，常用梯形已標(biāo)準(zhǔn)化。傳力螺旋一般要求自鎖常用單頭。傳導(dǎo)螺旋一般要求效率高，應(yīng)用多頭n24。螺旋傳動(dòng)承受扭矩和軸向力，相對(duì)速度大，其失效形式多為磨損，所以以耐磨性確定基本尺寸，設(shè)計(jì)計(jì)算包括以下幾點(diǎn)：（1

47、） 耐磨性計(jì)算螺旋傳動(dòng)耐磨性與比壓，滑動(dòng)速度，表面粗糙度與潤滑有關(guān)。螺紋工作面上能建立油膜就可減少磨損，而建立油膜取決于比壓，所以要限制比壓P>P。（2） 驗(yàn)算螺紋的自鎖條件，對(duì)于有自鎖要求的螺旋傳動(dòng)應(yīng)驗(yàn)算（3） 螺桿的強(qiáng)度計(jì)算，對(duì)于受力較大的傳力螺旋為防止斷裂和塑性變形應(yīng)進(jìn)行螺桿的強(qiáng)度計(jì)算螺桿工作時(shí)，受到壓縮與扭矩的聯(lián)合作用，計(jì)算與緊螺栓聯(lián)接相似。（4） 驗(yàn)算螺母牙根的強(qiáng)度，一般螺母材料強(qiáng)度低于螺桿，其螺紋牙多發(fā)生剪切和彎曲（5） 螺桿的穩(wěn)定性驗(yàn)算，對(duì)于長徑比大的受壓螺桿，當(dāng)軸向壓力Q大于某一臨界值時(shí)，螺桿就會(huì)突然發(fā)生側(cè)向彎曲而喪失其穩(wěn)定性。因此，在正常情況下，螺桿承受的軸向力Q必須小

48、于臨界載荷Q則螺桿的穩(wěn)定性條件為 （5.2）式中螺桿穩(wěn)定性的計(jì)算安全系數(shù)；螺桿穩(wěn)定性安全系數(shù)，對(duì)于傳力螺旋（如起重螺桿等），；對(duì)于傳導(dǎo)螺旋，；對(duì)于精密螺桿或水平螺桿，。螺桿的臨界載荷，根據(jù)螺桿的柔度值的大小選用不同的公式計(jì)算。 （5.3）此處螺桿的長度系數(shù)；l螺桿的工作長度，若螺桿兩端支承時(shí)，取兩支點(diǎn)間的距離作為工作長度l；若螺桿一端以螺母支承時(shí)，則以螺母中部到另一端支點(diǎn)的距離，作為工作長度l；i螺桿危險(xiǎn)截面的慣性半徑；若螺桿危險(xiǎn)截面面積（5.4）則（5.5）當(dāng)時(shí)，臨界載荷可按歐拉公式計(jì)算，即 （5.6）式中E螺桿材料的拉壓彈性模量，；I螺桿危險(xiǎn)截面的慣性矩（5.7）當(dāng)時(shí)，對(duì)于強(qiáng)度極限的普通碳

49、素鋼，如 Q235、Q275等，取 （5.8）對(duì)于強(qiáng)度極限的優(yōu)質(zhì)碳素鋼，如3550號(hào)鋼等，取 （5.9）當(dāng)時(shí)，可以不必進(jìn)行穩(wěn)定性校核。若上述計(jì)算結(jié)果不滿足穩(wěn)定性條件時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加螺桿的小徑。判斷螺桿端部支承情況的方法：l）若采用滑動(dòng)支承時(shí)則以軸承長度與直徑的比值來確定0時(shí)，為鉸支；時(shí)，為不完全固定；時(shí)，為固定支承。2）若以整體螺母作為支承時(shí)，仍按上述方法確定此時(shí)?。℉為螺母高度）。3）若以剖分螺母作為支承時(shí)，可作為不完全固定支承4）若采用滾動(dòng)支承已有徑向約束時(shí)，可作為鉸支有徑向和軸向約束時(shí)，可作為固定支承。第6章 控制系統(tǒng)部分本次設(shè)計(jì)的任務(wù)是使用單片機(jī)控制鉆床的進(jìn)給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小孔等的精確加

50、工。控制部分設(shè)計(jì)主要包括硬件部分設(shè)計(jì)和軟件部分設(shè)計(jì)。在硬件部分，CPU采用MCS-51系列單片機(jī)的8031芯片，擴(kuò)展程序存2764，擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264，I/O接口采用Intel公司的可編程外圍接口芯片8255A，地址鎖存器采用74LS373，還包括光電隔離電路和功率放大電路等。在軟件部分，使用匯編語言編制相應(yīng)的程序來控制鉆床進(jìn)給系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的各種進(jìn)給方式和速度。6.1 芯片介紹6.1.1 8031（1） 特性 具有8位CPU 片有時(shí)鐘發(fā)生電路（6MHz或者12MHz） 具有128字節(jié)RAM 具有21個(gè)特殊功能寄存器 可尋址64K字節(jié)的EPROM和RAM 具有4個(gè)I/O口，32根I/O

51、線 具有兩個(gè)16位CPU 具有5個(gè)中斷源、配備兩個(gè)優(yōu)先級(jí) 具有一個(gè)全雙工串行接口 具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算（2） 引腳功能 電源引腳Vcc：電源端（+5V）；Vss：接地端； 時(shí)鐘電路引腳XTAL1：接外部晶體和微調(diào)電容的一端；XTAL2：接外部晶體和微調(diào)電容的另一端； 控制信號(hào)引腳REST/Vpd：RST是復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效；Vpd：是備用電源輸入端； ALE/PROG：地址鎖存允許信號(hào)端； PSEN：程序存儲(chǔ)允許輸出信號(hào)端；EA/Vpp：外部程序存地址允許輸出端/固化編程電壓輸入端； I/O口口：一個(gè)8位開漏雙向I/O口。 、口：具有提升電阻的8位雙向I/O口。6.1.2 82

52、55A8255A是Intel公司生產(chǎn)的可編程外圍接口芯片，它具有3個(gè)8位的I/O口，分別為PA、PB、PC它們都可以通過軟件編程來改變其工作方式。8255A可以與單片機(jī)系統(tǒng)總線直接接口。單片機(jī)與8255A之間的接口是通過對(duì)其數(shù)據(jù)總線，標(biāo)準(zhǔn)的讀/寫以與片選信號(hào)的控制來完成的。（1） 引腳功能 電源：Vcc；地：Vss 控制腳RESET：復(fù)位信號(hào)；WR：寫信號(hào)；RD：讀信號(hào)；CS：片選信號(hào)；A1、A0：端口寄存器選擇信號(hào)； 數(shù)據(jù)總線：D0-07 并行接口：A口、B口、C口可編程并行芯片由以下幾部分組成：數(shù)據(jù)總線驅(qū)動(dòng)器、端口、讀/寫控制邏輯、A組B組控制塊。（2）8255A的工作方式與選擇三種基本工

53、作方式：方式0基本輸入輸出；方式1選通輸入輸出；方式2雙向傳送(僅PA口)；它們是由CPU輸出的控制字來選擇的。方式0這種工作方式，不許任何選通信號(hào)。A口、B口與C口的兩個(gè)4位口中的任何一個(gè)埠，都可以被設(shè)定為輸入或輸出。作為輸出口時(shí)，輸出資料被鎖存；作為輸入口時(shí)，輸入資料不鎖存。這種方式是用于無條件地傳送資料的設(shè)備。 方式1這種工作方式，埠A或埠B，仍作為資料的輸入/輸出，但同時(shí)規(guī)定端口的某些位元作為控制或狀態(tài)信號(hào)。 方式2這種工作方式，A口為8位雙向總線口，既能發(fā)送也能接收資料(雙向總線I/O)。工作時(shí)可用程序調(diào)查方式，也可工作于中斷方式。（3） 8255A控制字 控制PA口、PB口和PC口

54、工作方式的控制字方式控制字可由用“寫”指令輸出一個(gè)控制字到8255A的控制寄存器來設(shè)置，其標(biāo)志是最高位為1。PC口位 (置位/復(fù)位)控制字該控制字是一種對(duì)PC口的位操作命令，直接把PC口的某位置1或清0，它的標(biāo)志是最高位為0。（4）8255A與單片機(jī)的連接并行接口芯片與單片機(jī)相聯(lián)是很簡單的，除了需要一個(gè)8位元鎖存器來存P0口送出的地址信息外，幾乎不需要任何附加的硬件(采用中斷方式時(shí)要用一個(gè)反向器INTR信號(hào)反相)。6.1.3 2764(程序存的擴(kuò)展)由于8031本身沒有程序存，因此要擴(kuò)展EPROM，這里采用的是8K的2764芯片。（1） 介紹2764是雙列直插式28腳芯片，共13根地址線A0-A12；8根資料線D0-D7；CS：片選信號(hào)端；OE：取指允許；PGM：編程控制端；Vpp：編程電壓端(21V或12.5V)；Vcc：電源；Vss：地；NC：空腳，不用。（2） 地址鎖