普通車床的數(shù)控改造

1、論文普通車床的數(shù)控改造 學(xué)科（專業(yè)）：機(jī)械制造及其自動(dòng)化 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文) 任 務(wù) 書專業(yè)班級(jí) 層次 姓名 學(xué)號(hào) 一、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目 二、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作自 年 月 日起至 年 月 日止三、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基本要求： 指導(dǎo)教師： 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)考核評(píng)議書指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)：建議成績(jī)： 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日答辯小組意見：負(fù)責(zé)人簽名 年 月 日答辯小組成員 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯委員會(huì)意見： 負(fù)責(zé)人簽名： 年 月 日論文題目：普通車床的數(shù)控改造學(xué)科（專業(yè)）：機(jī)械制造及其自動(dòng)化 1 摘要從上世紀(jì)70、80年代制造的普通機(jī)床被使用的較長(zhǎng)時(shí)間，到目前為止有很大一部分還在使用，這種車床

2、采用接觸器-繼電器控制具有體積大、功耗大、控制速度慢、改變控制程序困難，由于是觸點(diǎn)控制，在控制復(fù)雜時(shí)可靠性降低，已經(jīng)不再適應(yīng)當(dāng)前加工環(huán)境精確，高效的要求。數(shù)控技術(shù)水平的高低和數(shù)控設(shè)備擁有的多少已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度提高生產(chǎn)效率。但是，發(fā)展數(shù)控技術(shù)的最大障礙就是添置設(shè)備的初期投資大，這使許多中小型企業(yè)難以承受。如果淘汰大量的普通機(jī)床，而去購(gòu)買昂貴的數(shù)控機(jī)床，勢(shì)必造成巨大的浪費(fèi)。因此，普通機(jī)床的數(shù)控化改造大有可為。本文

3、通過對(duì)CA6140普通車床的數(shù)控改造，使其加工精度明顯提高，定位準(zhǔn)確可靠，操作方便，性能價(jià)格比高。這種方法對(duì)中小企業(yè)設(shè)備的數(shù)控改造有一定的借鑒與推廣作用。本次改造主要針對(duì)車床的主軸系統(tǒng)、刀架系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)、反饋環(huán)節(jié)、電器控制柜及數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行了改造。關(guān) 鍵 詞：步進(jìn)電機(jī)，普通機(jī)床，PLC2 目 錄1 摘要I2 目 錄III3 緒論13.1 研究背景13.2 目的和意義13.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀24 前言14.1 名稱及編號(hào)14.2 數(shù)控車床設(shè)計(jì)題目14.3 數(shù)控機(jī)床加工程序編制題目14.4 圖紙部分24.5 說明書部分25 控制系統(tǒng)總體方案的分析論證及控制框架15.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定15.2 伺候

4、系統(tǒng)的選擇15.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定25.4 計(jì)算機(jī)的選擇25.5 系統(tǒng)總體方案框架36 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明56.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量56.2 切削力計(jì)算56.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型66.4 齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算126.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型137 硬件電路部分的設(shè)計(jì)197.1 單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容197.2 C6150普通車床微機(jī)數(shù)控化改裝設(shè)計(jì)電路原理圖208 加工程序的編制228.1 SXX-3型數(shù)控系統(tǒng)的程序編制228.2 加工工藝路線的確定229 結(jié)論和展望2510 致 謝2711 參考文獻(xiàn)29預(yù)覽中看不見即可）：3 緒論3.1 研究背景在上世紀(jì)70

5、、80年代制造的普通車床都采用的是接觸器-繼電器控制，由于車床一般都具有較長(zhǎng)的使用時(shí)間，到目前為止有很大一部分還在使用，該系統(tǒng)具有體積大、功耗大、控制速度慢、改變控制程序困難，由于是觸點(diǎn)控制，在控制復(fù)雜時(shí)可靠性降低。在如今的加工環(huán)境中已經(jīng)越來越不適應(yīng)精確，高效率的要求。如果要把那些老式車床廢棄，重新購(gòu)買新的數(shù)控車床，不僅花費(fèi)大，而且原有的老式車床也將浪費(fèi)。在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，他們的車床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。數(shù)控車床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)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(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的

6、加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控車床價(jià)格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國(guó)作為車床大國(guó)，對(duì)普通車床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策1。結(jié)合我國(guó)實(shí)際國(guó)情，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是我國(guó)從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺(tái)階。利用現(xiàn)有的普通車床，對(duì)其進(jìn)行數(shù)控化改造是一條低成本，高效益的途徑。車床數(shù)控化改造研究是提高我國(guó)技術(shù)裝備水平的重要項(xiàng)目，在我國(guó)目前擁有大量超期服役和技術(shù)陳舊的車床急待更新的情況下，由于數(shù)控車床的加工能力和資金受限，對(duì)車床進(jìn)行數(shù)控化改造是一條節(jié)約資金、快速上馬的有效途徑。數(shù)控車床的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴(kuò)展性，并迅速向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，成為

7、當(dāng)前數(shù)控技術(shù)發(fā)展的主要方向。3.2 目的和意義把普通車床改造成數(shù)控車床，主要是對(duì)原有車床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)，最終使車床達(dá)到比較理想的狀態(tài)。數(shù)控車床是機(jī)電一體化的典型代表，其機(jī)械結(jié)構(gòu)同普通的車床有諸多相似之處。然而，現(xiàn)代的數(shù)控車床不是簡(jiǎn)單地將傳統(tǒng)車床配備上數(shù)控系統(tǒng)即可，也不是在傳統(tǒng)車床的基礎(chǔ)上，僅對(duì)局部加以改進(jìn)而成（那些受資金等條件限制，將傳統(tǒng)車床改裝成建議數(shù)控車床的另當(dāng)別論）。傳統(tǒng)車床存在著一些弱點(diǎn)，如剛性不足、抗振性差、熱變形大、滑動(dòng)面的摩擦阻力大及傳動(dòng)元件之間存在間隙等，難以勝任數(shù)控車床對(duì)加工精度、表面質(zhì)量、生產(chǎn)率等要求。現(xiàn)代的數(shù)控技術(shù)，特別是加工中心無論是其支承部仲主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)繪傳

8、動(dòng)系統(tǒng)、刀具系絳、輔助功能等部件結(jié)構(gòu)，還是整體布局、外部造型等都已經(jīng)發(fā)生了很大變化，歷經(jīng)形成了數(shù)控車床的獨(dú)特機(jī)械結(jié)構(gòu)。因此，我們?cè)趯?duì)普通車床進(jìn)行數(shù)控改造的過程中，應(yīng)在考慮各種情況下，使普通車床的各項(xiàng)性能指標(biāo)盡可能地與數(shù)控車床相接近2。3.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是能源部門的需求，使高溫高壓水廣泛應(yīng)用于相關(guān)的領(lǐng)域中，對(duì)國(guó)民生產(chǎn)和人民生活起著越來越重要的作用，例如：車床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使車床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代車床數(shù)控車床的誕生和發(fā)展。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了

9、實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動(dòng)化的理想手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控車床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對(duì)傳統(tǒng)的車床傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控車床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。數(shù)控車床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)車床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對(duì)位置，車床電機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動(dòng)作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制車床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)

10、行控制加工是從40年代開始的。1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控車床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控車床。1974年微處理機(jī)直接用于數(shù)控車床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控車床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控車床的功能越來越完善，可靠性和性能越來越高，它在制造業(yè)中逐漸擔(dān)當(dāng)了越來越重要的角色3。我國(guó)數(shù)控車床的研制是從1958年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形

11、成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通車床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通車床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短訂購(gòu)新的數(shù)控車床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通車床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有車床上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場(chǎng)前景。4 前言4.1 名稱及編

12、號(hào)將普通車床改造成經(jīng)濟(jì)數(shù)控車床，編號(hào)為1-3。4.2 數(shù)控車床設(shè)計(jì)題目將C6150普通車床改造成用MSC-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，縱向和橫向均具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm，橫向：0.005mm。要求該車床具有自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，具有切削螺紋的功能?？刂葡到y(tǒng)CPU采用8031芯片，控制系統(tǒng)中要求包括擴(kuò)展程序存貯器、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存貯器、I/Q接口芯片，譯碼電路及鍵盤、顯示等外設(shè)4。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：最大加工直徑： 溜板及刀架重力：在床面上：500mm 縱向：1500N在床鞍上：280mm 橫向：800N最大加工長(zhǎng)度：1000mm 最大切削進(jìn)給速度：刀架快

13、移速度： 縱向：0.6m/min 縱向：2.4m/min 橫向：0.2m/min 橫向：1.2m/min 最小指令數(shù)：定位精度：0.015mm 縱向：0.01mm/脈沖 主電機(jī)功率：5.5KW 橫向：0.005mm/脈沖啟動(dòng)加速時(shí)間：25ms 刀具補(bǔ)償量：099.99mm代碼制：ISO 進(jìn)給傳動(dòng)鏈間隙補(bǔ)償量：脈沖分配方式：逐點(diǎn)比較法 縱向：0.15mm輸入方式：增值量、絕對(duì)值通用 橫向：0.075mm控制坐標(biāo)數(shù)：2 自動(dòng)升降速性能：有4.3 數(shù)控機(jī)床加工程序編制題目如圖1-1所示零件，毛坯已按零件形狀鑄成鑄件，材料為可鍛鑄鋼，HBS=220260。表面加工余量為4mm。按粗加工、半精加工安排加

14、工工藝路線，編制加工程序單5。圖1-14.4 圖紙部分（1）縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖（A0圖紙一張）。（2）MSC-51單片機(jī)控制系統(tǒng)電路原理圖（A1圖紙一張）。4.5 說明書部分說明書是綜合作業(yè)整個(gè)設(shè)計(jì)計(jì)算過程的敘述說明，不少于8000字。內(nèi)容如下:1) 控制系統(tǒng)總體方案的分析論證及控制框圖。機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明（計(jì)算一包括兩個(gè)坐標(biāo)軸的計(jì)算）。2) 硬件電路部分設(shè)計(jì)說明。3) 加工程序的編制及說明。(用一個(gè)月時(shí)間完成）4) 方案論證及機(jī)械部分計(jì)算：1周。5) 設(shè)計(jì)繪制機(jī)械裝配圖：1周。6) 設(shè)計(jì)繪制電路原理圖：1周。7) 編制加工程序及整理說明書：1周。5 控制系統(tǒng)總體方案的分析

15、論證及控制框架機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定、伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動(dòng)方式的確定、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。5.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位/直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果對(duì)于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控方式。對(duì)點(diǎn)位控制系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。如果要求工作臺(tái)或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，即連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具備控制刀具以給定速率沿加工路徑運(yùn)動(dòng)的功能。具備這種功能的數(shù)控機(jī)床可以加工各種外形輪廓復(fù)雜的零件。還有一些采用點(diǎn)位控制的數(shù)控機(jī)床，如數(shù)控鏜銑床，不但要求工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的終點(diǎn)坐標(biāo)，還要求工作臺(tái)沿坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)過

16、程中切削工件。這種系統(tǒng)叫點(diǎn)位/直線系統(tǒng)。其控制方法與點(diǎn)位系統(tǒng)十分相似，故有時(shí)也將這兩種系統(tǒng)稱為點(diǎn)位控制系統(tǒng)。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，由于改造后數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有定位、直線和圓弧插補(bǔ)功能及自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架、螺紋切削等功能，刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，要求控制刀具以給定的速率沿加工路徑運(yùn)動(dòng)，這就要求必須選用連續(xù)控制系統(tǒng)6。5.2 伺候系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)和半閉環(huán)控制系統(tǒng)。開環(huán)控制系統(tǒng)中，設(shè)有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置，指令信號(hào)是單方向傳送的。指令發(fā)出后，不再反饋回來，故稱開環(huán)控制。開環(huán)伺服系統(tǒng)主要由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉、容易掌握、調(diào)試和維修都比較簡(jiǎn)單

17、。目前國(guó)內(nèi)大力發(fā)展的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床普遍使用開環(huán)伺服系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)具有裝在機(jī)床移動(dòng)部件上的檢測(cè)反饋元件來檢測(cè)實(shí)際位移量，能補(bǔ)償系統(tǒng)的誤差，因而伺服控制精度高。閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，閉環(huán)系統(tǒng)造價(jià)高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試較復(fù)雜，多用于精度要求高的場(chǎng)合。半閉環(huán)控制系統(tǒng)與閉環(huán)系統(tǒng)不同，不直接檢測(cè)工作臺(tái)的位移量，而是用檢測(cè)元件測(cè)出驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)角，再間接推算出工作臺(tái)實(shí)際的位移量，也有反饋回路，其性能介于開環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)之間。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，機(jī)床的定位精度為0.015mm，使用開環(huán)控制系統(tǒng)完全可以滿足要求，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，考慮到屬于經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)

18、、降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)7。 5.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定為了確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：1) 盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。2) 盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用消除齒輪等。3) 提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。在本次設(shè)計(jì)改造中，為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性

19、，盡量減小摩擦力，選用了滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)8。5.4 計(jì)算機(jī)的選擇微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由CPU、存貯器擴(kuò)展電路、I/O接口電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分組成。微機(jī)是數(shù)控系統(tǒng)的核心，其它裝置均是在微機(jī)的指揮下進(jìn)行工作的。系統(tǒng)的功能和系統(tǒng)中所用微機(jī)直接相關(guān)。數(shù)控系統(tǒng)對(duì)微機(jī)的要求是多方面的，但主要指標(biāo)是字長(zhǎng)和速度。字長(zhǎng)不僅影響系統(tǒng)的最大加工尺寸，而且影響加工的精度和運(yùn)算的精度。字長(zhǎng)較長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)，價(jià)格顯著上升，而字長(zhǎng)較短的計(jì)算機(jī)，要進(jìn)行雙字長(zhǎng)或三字長(zhǎng)的運(yùn)算，就會(huì)影響速度。目前一些高檔的CNC系統(tǒng)，已經(jīng)普遍使用32位

20、微機(jī)，主頻率由5MHz提高到2030MHz，有的采用多CPU系統(tǒng)，減輕主CPU的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步提高控制速度。標(biāo)準(zhǔn)的CNC系統(tǒng)多使用16位微機(jī)，經(jīng)濟(jì)型CNC系統(tǒng)則普遍采用8位微機(jī)?？刹捎肕CS-51系列單片微機(jī)或Z-80單板機(jī)組成的應(yīng)用系統(tǒng)。由于本次設(shè)計(jì)改造中，因經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床對(duì)于精度要求不高、運(yùn)算精度要求不高的特點(diǎn)，所以采用8位微機(jī)。由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，具有很好的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，決定采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)9。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口級(jí)光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制

21、命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。5.5 系統(tǒng)總體方案框架系統(tǒng)總體方案框圖主要由微機(jī)系統(tǒng)、光電隔離系統(tǒng)、功率放大系統(tǒng)、步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)、齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)、滾珠絲杠機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)組成。具體框圖見圖2-1。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，決定采用點(diǎn)位控制、用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件10。此工作臺(tái)采用滾珠絲杠螺母副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。為盡量消除傳動(dòng)間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動(dòng)齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍然采用高性能價(jià)格比的MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。x-y工

22、作臺(tái)總體方案框圖如圖2-2。圖2-1 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體方案框圖圖2-2 x-y數(shù)控工作臺(tái)總體方案框圖6 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)說明伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載、確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量、運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力矩計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選用。6.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量一個(gè)進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生的位移量，稱為脈沖當(dāng)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(gè)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0.010.005mm/脈沖，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控磨床經(jīng)常采用的脈沖當(dāng)量為0.0020.001mm/脈沖。脈沖當(dāng)量有時(shí)也

23、由設(shè)計(jì)任務(wù)書中直接給出。本次設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)任務(wù)書已直接給出系統(tǒng)最小指令數(shù)為：橫向0.005mm/脈沖，縱向0.01mm/脈沖。根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向0.01mm/步，橫向0.005mm/步（半徑）。6.2 切削力計(jì)算在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，選用伺服電機(jī)等都需要用到切削力。切削力經(jīng)常包括主切削力Fz、走刀方向的切削力Fx和垂直方向的切削分力Fy。下面分兩種情況進(jìn)行主切削力的計(jì)算：1. 縱車外圓時(shí)切削力的計(jì)算1) 主切削力Fz的計(jì)算2) 主切削力Fz按經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：Fz=0.67Dmax1.5 =0.67*5001.5 =7491N 3) 走刀方向切削分力Fx和垂直

24、走刀方向切削分力Fy的計(jì)算： 按Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4的比例計(jì)算Fx和Fy. Fx=0.25Fz=0.25*7491=1873N Fy=0.4Fz=0.4*7491=2996N2. 橫切端面時(shí)切削力的計(jì)算1) 主切削力Fz的計(jì)算主切削力Fz可取縱切的1/2：Fz=1/2*Fz =0.5 *7491=3745.5N 2) 走刀方向切削分力和垂直走刀方向切削分力的計(jì)算： 此時(shí)走刀抗力為Fy，吃刀抗力為Fx，仍按上述比例Fz：Fy: Fx=1:0.25:0.4計(jì)算Fx和Fy. Fy=0.25Fz=0.25*3745.5=936N Fx=0.4Fz=0.4*3745.5=1498N6.

25、3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型包括進(jìn)給率引力Fm的計(jì)算、最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算、最大靜負(fù)載C0 的計(jì)算、傳動(dòng)效率的計(jì)算、剛度驗(yàn)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)的計(jì)算、滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)選取等。 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求，滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型應(yīng)包括縱向進(jìn)給絲杠和橫向進(jìn)給絲杠的計(jì)算和選型兩種。1. 進(jìn)給率引力Fm的計(jì)算作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率引力主要包括切削時(shí)走刀抗力以及移動(dòng)件重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌型式有關(guān)。1) 縱向進(jìn)給絲杠進(jìn)給率引力Fm的計(jì)算縱向進(jìn)給選用綜合型導(dǎo)軌。所以進(jìn)給率引力Fm計(jì)算公式為： Fm=KFx+ f(Fz+G)

26、其中Fx、Fy、Fz為切削分力（N） G為移動(dòng)件重量（N），更具設(shè)計(jì)任務(wù)書要求此值為縱向1500 f為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌一般取0.16 K為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合型導(dǎo)軌一般取1.15。所以Fm=KFx+ f(Fz+G)=1.15*1873+0.16*(7491+1500)=3593 N2) 橫向進(jìn)給絲杠進(jìn)給率引力Fm的計(jì)算橫向進(jìn)給選用燕尾型導(dǎo)軌。所以進(jìn)給率引力Fm計(jì)算公式為： Fm=KFy+ f(Fz+2Fx+G)其中Fx、Fy、Fz為切削分力（N） G為移動(dòng)件重量（N），更具設(shè)計(jì)任務(wù)書要求此值為橫向800 f為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，燕尾型導(dǎo)軌一般取0.2 K為考慮顛覆力矩影響

27、的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，燕尾型導(dǎo)軌一般取1.4。所以 Fm=KFy+ f(Fz+2Fx+G)=1.4*936+0.2*(3745.5+2*1498+800)=2818.7 N2. 最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算選用滾珠絲杠副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載C，可用下面公式計(jì)算：其中L為壽命，以106為一單位fW為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)取1.2 Fm為進(jìn)給率引力（N）。 壽命L的計(jì)算公式為：L=60*n*T/106其中T為使用壽命（h），對(duì)于數(shù)控機(jī)床一般取15000hn為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）,可用下式計(jì)算

28、：n=1000Vs/ L0其中Vs 為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min），可取最高轉(zhuǎn)速的1/2到1/3。 L0 為絲杠導(dǎo)程（mm）。 下面分別對(duì)縱向和橫向進(jìn)給絲杠的最大動(dòng)負(fù)載進(jìn)行計(jì)算：1. 縱向進(jìn)給絲杠最大動(dòng)負(fù)載的計(jì)算及滾珠絲杠螺母副的選型縱向進(jìn)給絲杠最大動(dòng)負(fù)載的計(jì)算首先應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書提供的數(shù)據(jù)計(jì)算出絲杠轉(zhuǎn)速和絲杠壽命，然后才能進(jìn)行縱向進(jìn)給絲杠最大動(dòng)負(fù)載的計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書可知，縱向進(jìn)給時(shí)最大切削力條件下的進(jìn)給速度Vs為 0.6 m/min，絲杠導(dǎo)程L0為6 mm所以絲杠轉(zhuǎn)速n為：n=1000Vs/ L0 =1000*0.6*0.5/6 =50 r/min壽命L為：L=60*n*T/

29、106 =60*50*1500/106 =45 由前面計(jì)算可知進(jìn)給率引力Fm為3593N所以縱向進(jìn)給絲杠最大動(dòng)負(fù)載C為：=15336N根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)負(fù)載在綜合作業(yè)指導(dǎo)書附錄中選取滾珠絲杠螺母副，選取的原則是被選取的滾珠絲杠螺母副相應(yīng)的額定動(dòng)負(fù)載應(yīng)大于計(jì)算出來的最大動(dòng)負(fù)載。所以從綜合作業(yè)指導(dǎo)書附錄A 表2 WD型外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副中查出WD4506 1列2.5圈外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，其額定動(dòng)負(fù)載為17100N，大于計(jì)算出的最大動(dòng)負(fù)載15336 N，能滿足要求。根據(jù)綜合作業(yè)指導(dǎo)書表4-15 滾珠絲杠行程公差選為3級(jí)。之所以選用墊片式，用調(diào)整墊片厚度的方法使螺母

30、產(chǎn)生軸向位移，是因?yàn)榭紤]到其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，剛性較好，裝卸方便。2.傳動(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率用下式計(jì)算：=tg / tg(+)其中為絲杠螺旋上升角為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.0030.004時(shí)，其摩擦角約等于10。下面分別對(duì)縱向和橫向進(jìn)給絲杠副的傳動(dòng)效率進(jìn)行計(jì)算：2.1縱向進(jìn)給絲杠副傳動(dòng)效率的計(jì)算縱向進(jìn)給絲杠副傳動(dòng)效率的計(jì)算首先應(yīng)根據(jù)前面計(jì)算后選出的滾珠絲杠螺母副的型號(hào)，在綜合作業(yè)指導(dǎo)書附錄A 表2 WD型外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副中查到WD4506 1列2.5圈外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副滾珠絲杠螺旋升角為226。所以縱向進(jìn)給絲杠副傳動(dòng)效率為=tg/

31、tg(+)= tg226/ tg(226+10)=0.9362.2橫向進(jìn)給絲杠副傳動(dòng)效率的計(jì)算橫向進(jìn)給絲杠副傳動(dòng)效率的計(jì)算首先應(yīng)根據(jù)前面計(jì)算后選出的滾珠絲杠螺母副的型號(hào)，在綜合作業(yè)指導(dǎo)書附錄A 表2 WD型外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副中查到WD2505 1列2.5圈外循環(huán)墊片調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副滾珠絲杠螺旋升角為326。所以縱向進(jìn)給絲杠副傳動(dòng)效率為=tg/ tg(+)= tg239/ tg(339+10)=0.9563.剛度驗(yàn)算滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：3.1絲杠的拉伸或壓縮變形量1 ，可用下式進(jìn)行計(jì)算1 =（L

32、 /L）*L其中L為支承間距L /L可根據(jù)Fm和在綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-6 滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖中查到。3.2滾珠與螺紋滾道間接觸變形2 ，可用查圖法在綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-7 W系列2.5圈1列絲杠副滾珠和螺紋滾道的接觸變形圖中查到。3.3支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3 ，當(dāng)確定滾珠軸承型號(hào)后，可按公式進(jìn)行計(jì)算。下面分別對(duì)縱向和橫向滾珠絲杠進(jìn)行剛度驗(yàn)算：圖3-1 縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖1.縱向進(jìn)給時(shí)，先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖如圖3-1所示。最大牽引力為3593N。支承間距L=1700mm，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3，根據(jù)Fm=3593N, D

33、0 =45mm， 由綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-6 滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖中查到L /L=1.4*10-5 ，可算出：1 =（L /L）*L=1.4*10-5 *1700=0.0238mm由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量1 為：1 =1/4*1 =1/4* 0.0238=0.00595 mm滾珠與螺紋滾道間接觸變形2 的計(jì)算，可先根據(jù)軸相載荷在綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-7 W系列2.5圈1列絲杠副滾珠和螺紋滾道的間隙變形圖中查得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形量Q 為7m，因進(jìn)行了預(yù)緊，所以滾珠與螺紋滾道間接觸變形2為：2 =1/2*Q =1/2*7=

34、3.5m =0.0035mm支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3 的計(jì)算，應(yīng)根據(jù)滾珠絲杠外徑選取比滾珠絲杠外徑小5mm左右的推力球軸承，應(yīng)選d1=40mm所對(duì)應(yīng)的軸承，由于資料限制，只能采用書上的8107型推力球軸承，滾動(dòng)體直徑dQ=6.35mm，滾動(dòng)體數(shù)量z=18，所以=0.0024*=0.0095mm因施加預(yù)緊力，故3=1/2*c=1/2*0.0095=0.00475mm所以，根據(jù)以上計(jì)算絲杠的軸向變形為：=1+2+3 =0.00595+0.0035+0.00475=0.0142mm0.015 mm（定位精度）圖3-2 橫向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方式草圖2.橫向進(jìn)給時(shí)，先畫出此橫向進(jìn)給滾珠絲杠支撐方

35、式草圖如圖3-2所示。最大牽引力為2818.7N。支承間距L=450mm，因絲杠長(zhǎng)度較短，不需進(jìn)行預(yù)緊，螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，根據(jù)Fm=2818.7N, D0 =25mm， 由綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-6 滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖中查到L /L=4*10-5 ，可算出：1 =（L /L）*L=4*10-5 *450=0.018mm滾珠與螺紋滾道間接觸變形2 的計(jì)算，可先根據(jù)軸相載荷在綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-7 W系列2.5圈1列絲杠副滾珠和螺紋滾道的間隙變形圖中查得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形量Q 為8.6m，因進(jìn)行了預(yù)緊，所以滾珠與螺紋滾道間接觸變形2為：2 =1/2*Q =1/2*8.6=4.3m

36、=0.0043mm支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3 的計(jì)算，應(yīng)根據(jù)滾珠絲杠外徑選取比滾珠絲杠外徑小5mm左右的推力球軸承，應(yīng)選d1=40mm所對(duì)應(yīng)的軸承，由于資料限制，只能采用書上的8102型推力球軸承，滾動(dòng)體直徑dQ=4.763mm，滾動(dòng)體數(shù)量z=12，所以=0.0024*=0.0117mm因施加預(yù)緊力，故3=1/2*c=1/2*0.0117=0.00585mm所以，根據(jù)以上計(jì)算絲杠的軸向變形為：=1+2+3 =0.018+0.0043+0.00585=0.02835mm0.015 mm（定位精度）顯然此變形量已大于定位精度的要求，應(yīng)該采用相應(yīng)的措施修改設(shè)計(jì)，因橫向溜板空間限制，不宜在加大滾

37、珠絲杠直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力。重新計(jì)算如下：Fm=KFy+ f(Fz+2Fx+G)=1.4*936+0.04*(3745.5+2*1498+800)=1612.06 N根據(jù)Fm=1612.06N, D0 =25mm， 由綜合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-6 滾珠絲杠軸向拉伸壓縮變形圖中查到L /L=2.2*10-5 ，可算出：1 =（L /L）*L=2.2*10-5 *450=0.0099mm2、3 不變，所以，根據(jù)以上計(jì)算絲杠的軸向變形為：=1+2+3 =0.0099+0.0043+0.00585=0.012625mm0.015 mm（定位精度）1.穩(wěn)定性校核對(duì)已選定尺寸的絲杠

38、在給定的支承條件下，承受最大軸向負(fù)載時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算其有沒有產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險(xiǎn)。產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載可用下式計(jì)算：FK=fZ2EI/l2其中E為絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼E=20.6*106 （N/cm2 ）I為截面慣性矩（cm4 ）,絲杠截面慣性矩I=/64*d14 (d1 為絲杠螺紋的底徑) L為絲杠兩端支承距離（cm）fZ 為絲杠的支承方式系數(shù)，由綜合作業(yè)指導(dǎo)書表4-13滾珠絲杠的支承方式系數(shù)中查得，一端固定一端簡(jiǎn)支時(shí)此值為2.00。臨界負(fù)載FK與最大工作負(fù)載Fm之比稱為穩(wěn)定安全系數(shù)nk，如果nk=FK /Fmnk 則絲杠不至失穩(wěn)。nk 為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取nk =2.54。由于縱向

39、進(jìn)給時(shí)，滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要作穩(wěn)定性校核。下面主要對(duì)橫向進(jìn)給時(shí)的穩(wěn)定性進(jìn)行校核。I= I=/64*d14=/64*2.17884 =1.106cm4 FK=fZ2EI/l2 =2*2*20.6*106 *1.106/452 =N nk=FK /Fm=222089/2818.7=78.79nk 所以此滾珠絲杠不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。2. 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù) 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)見表3-1。表3-1 縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)名稱符號(hào)計(jì)算公式WD4506WD2505螺紋滾道公稱直徑d04525導(dǎo)程L065接觸角226339鋼球直徑（mm）dq3.9693.1

40、75滾道法面半徑RR=0.52* 2.0641.651偏心距ee=(R- dq/2)sin0.0560.045螺紋升角=arc tg(L0 / *d0 )226339螺桿螺桿外徑dd= d0 (0.20.25) dq 4424.5螺桿內(nèi)徑d1d1 = d0 +2e-2R40.98421.788螺桿接觸直徑dzdz = d0 - dq *cos41.03521.831名稱符號(hào)計(jì)算公式WD4506WD2505螺母螺母螺紋直徑DD= d0 -2e+2R49.01628.212螺母內(nèi)徑D1D1 = d0 +(0.20.25) dq45.79431.356.4 齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算由于步進(jìn)電機(jī)的工作特點(diǎn)是一

41、個(gè)脈沖走一步，每一步都有一個(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)也為滿足一定的脈沖當(dāng)量，常采用齒輪降速傳動(dòng)。當(dāng)機(jī)床脈沖當(dāng)量滾珠絲杠導(dǎo)程L0確定以后，可以初選步進(jìn)電機(jī)的步距角，用下式計(jì)算進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)比i其中p 為脈沖當(dāng)量（mm/步） L0 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（mm）b 為步進(jìn)電機(jī)的步距角。計(jì)算出傳動(dòng)比i以后，再根據(jù)降速級(jí)數(shù)決定一對(duì)或兩對(duì)齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)功率不大，一般模數(shù)m取12。然后由i= Z1/Z2（Z1、Z2為可降速齒輪的齒數(shù)）可計(jì)算和選取齒數(shù)。下面份縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給兩種情況進(jìn)行計(jì)算：4.1縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算

42、已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量p=0.01，滾珠絲杠導(dǎo)程L0 =6mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75?？捎?jì)算出傳動(dòng)比i i=360p/(b L0 )=360*0.01/(0.75*6 )=0.8可選定齒輪齒數(shù)為： i= Z1/Z2=32/40或20/25 Z1 =32，Z2=40 或 Z1 =20，Z2=254.2.橫向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量p=0.005，滾珠絲杠導(dǎo)程L0 =5mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.75?？捎?jì)算出傳動(dòng)比i i=360p/(b L0 )=360*0.005/(0.75*5 )=0.48考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程，故此處可

43、采用兩級(jí)齒輪降速： i= （Z1/Z2）*（Z3/Z4）=（3/5）*（4/5）=（24/40）*（20/25） Z1 =24，Z2=40 ， Z3 =20，Z4=25因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù)m取2，有關(guān)參數(shù)參照表3-2。表3-2 傳動(dòng)齒輪幾何參數(shù) 齒數(shù)324024402025分度圓d=m*z648048804050齒頂圓da=d+2*m688452844454齒根圓df=d-2*1.25*m597543753545齒寬(610)*m202020202020中心距A=(d1+d2)/27264456.5 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型選用步進(jìn)電機(jī)時(shí)，必須首先根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)草圖計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算

44、到電機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，分別計(jì)算各種情況下所需的等效力矩，再根據(jù)步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)、運(yùn)行矩頻特性選擇合適的步進(jìn)電機(jī)11。5.1.縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3-1。傳動(dòng)系統(tǒng)這算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.cm2）J可由下式計(jì)算：J = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2* (J2 + JS ) +G/g*( L0 /2*) 2 其中，JM 為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM =10Kg.cm2J1 、J2 為齒輪Z1 、Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.cm2），J1 =0.78*10-3*d*L1=0.78*10-3* 6

45、.44*2=2.62 Kg.cm2J2=0.78*10-3*d*L1=0.78*10-3* 84*2=6.39 Kg.cm2JS 為滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （Kg.cm2）JS =0.78*10-3*4.54*170=54.37 Kg.cm2G為溜板及刀架重力，為1500N代如上式： J = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2*(J2 + JS ) +G/g*( L0 /2*) 2 =10+2.62+( 32/ 40 )2 * （6.39+54.37）+1500/9.8*（0.6/2*） 2=52.40 Kg.cm2 考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題 JM / J =10/52.40=0.

46、191基本滿足慣量匹配問題。機(jī)床在不同的情況下，其所需轉(zhuǎn)據(jù)不同，下面分別按快速空載啟動(dòng)、快速移動(dòng)、最大切削負(fù)載等個(gè)階段進(jìn)行計(jì)算。在快速空載啟動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式為：M起=Mamax +Mf+M0 nmax =(vmax/p)*(b/360) =2400/0.01*0.75/360=500r/min啟動(dòng)加速時(shí)間 ta =25msMamax = J *(2*nmax*10-2)/(60*ta)=52.40*(2*500*10-2折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 Mf 為：Mf =f*( Fz+G)* L0 /(2* Z2 / Z1) =0.16*( 7491+1500)*0.6 /(

47、2*0.8*1.25)=137.37 N.cm 附加摩擦力矩M0為 ： M0 =(1/3*Fm* L0 ) /(2* Z2 / Z1) *(1-02) =(1/3*3593*0.6 ) /(2*0.8*1.25) *(1-0.92)=21.73 N.cm上述三項(xiàng)合計(jì)：M起=Mamax +Mf+M0 快速移動(dòng)時(shí)所需力矩M快 為： M快 = Mf+M0 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩M切為： M切 = Mf+M0 + Mt = Mf+M0 +Fx* L0 / (2* i)= 137.37+21.73+ 1873*0.6 / (2*0.8*1.25)=337.96 N.cm從以上計(jì)算可以看出，M起 、M快

48、和M切 三種情況下，以快速空載啟動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。從綜合作業(yè)指導(dǎo)書表4-24步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩關(guān)系中查出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五項(xiàng)十拍時(shí)=0.951。所以最大靜力矩為Mjmax=1256.56/0.951=1321.3N.cm=13.2 N.m按此最大靜轉(zhuǎn)矩從綜合作業(yè)指導(dǎo)書表4-23國(guó)產(chǎn)BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中查出，150BF003型最大靜轉(zhuǎn)矩為15.68 N.m。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可以作為初選型號(hào)，但必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率：fk =1000*vmax /(60* p) =1000*2.4

49、 /(60* 0.01)=4000Hzfe =1000*vs /(60* p) =1000*0.6 /(60* 0.01)=1000Hz 從綜合作業(yè)指導(dǎo)書表4-23國(guó)產(chǎn)BF反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)中查出，150BF003型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為2600Hz，運(yùn)行頻率為8000 Hz，再?gòu)木C合作業(yè)指導(dǎo)書圖4-17、4-18中查出150BF003型步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)頻率特性和運(yùn)行頻率特性曲線，從曲線可以看出，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，f起 = 2500 Hz，M=175N.cm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足此機(jī)床所要求的空載啟動(dòng)力矩1256.56 N.cm，直接使用則會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采用升降速控制，將啟動(dòng)頻率降

50、到1000 Hz時(shí)，啟動(dòng)力矩可增高到700 N.cm，然后在電路上采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，還可以將步進(jìn)電機(jī)輸出力矩?cái)U(kuò)大一倍左右，就能滿足要求12。當(dāng)快速啟動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，150BF003型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率特性完全可以滿足要求。5.2.橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算和選型計(jì)算簡(jiǎn)圖見圖3-2。傳動(dòng)系統(tǒng)這算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.cm2）J可由下式計(jì)算：J = JM + J1 +( Z1 / Z2 )2* (J2 + J3 ) +( Z3 / Z4 )2* (J4 + JS )+G/g*( L0 /2*) 2 其中，JM 為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量， 參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)90BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JM2，1 、J2、J3 、J4為齒輪Z1 、Z2 、Z 3 、Z4的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Kg.cm2），J1 =0.78*10-3*d*L1=0.78*10-3* 4.84*2=0.828 Kg.cm2