X5030銑床X方向數(shù)控化改造畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

1、設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)(論文論文)題目：題目：X5030X5030 銑床銑床 X X 方向數(shù)控化改造方向數(shù)控化改造 2010 年 10 月 21 日摘 要本課題是圍繞將 X5030 立式銑床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床展開設(shè)計(jì)的，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床是指價(jià)格低廉、操作使用方便，適合我國國情的裝有簡易數(shù)控系統(tǒng)的高效自動(dòng)化機(jī)床。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，常希望對(duì)原有舊機(jī)床進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、自動(dòng)化。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實(shí)的的生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合我國國情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價(jià)格。價(jià)格便宜、性能價(jià)格比適中是其最主要的特點(diǎn)，特別適合在設(shè)備中占有較大比重的普通銑床改造，適合在生產(chǎn)第一線大面積推廣。企業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型

2、數(shù)控型系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造后，將提高產(chǎn)品加工精度和批量生產(chǎn)的能力，同時(shí)又能保持“萬能加工”和“專用高效”這兩種屬性，提高設(shè)備自身對(duì)產(chǎn)品更新?lián)Q代的應(yīng)變能力，增強(qiáng)企業(yè)的競爭能力。進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的改造是非常有必要的。數(shù)控機(jī)床可以很好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及多變零件的加工問題。能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，但是數(shù)控機(jī)床的運(yùn)用也受到其他條件的限制。如：數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大等，因此，普通銑床的數(shù)控改造，大有可為。它適合我國的經(jīng)濟(jì)水平育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一?，F(xiàn)我選用 X5030 立式銑床為例進(jìn)行數(shù)控改造。關(guān)鍵詞：改造，數(shù)控化，自動(dòng)化AbstractThis to

3、pic is vertical milling around X5030 will transform into the open economy CNC milling machine, CNC milling machine design economical means cheap price, convenient in operation, with simple for Chinas national conditions of high automation tool CNC system. Small and medium-sized enterprises to develo

4、p production, often want to the old machine, CNC, realize automation. Economical CNC milling machine system is the reality of Chinas national conditions, combining the practical production, the basic function of the system, as lower the price. The price is cheap, moderate price versus performance ra

5、tio is the main characteristics in equipment, especially suitable for large proportion of the ordinary milling, suitable for production requirement. Enterprise application type nc system for the economical equipment renovation, will improve product machining precision and batch production capacity,

6、also can keep universal processing and special the two properties of products, improve equipment renewal capability, enhance the enterprise the competitive ability.In the field of CNC transformation is very necessary. CNC machine can well solve complex shape, precision, and small batch and changeabl

7、e parts processing problem. To stabilize the processing quality and production efficiency, but also by use of nc machine tools and other conditions. Such as: CNC expensive, investment, therefore, huge CNC milling machine, ordinary potentials. It is suitable for Chinas economy, education, and the lev

8、el of production in China, has become the main direction of equipments.Now I choose X5030 vertical milling machine for CNC transformationKeywords: transformation, the numerical control and automation目錄目錄第一章第一章 緒論緒論.1 11.1 課題背景 .11.2 機(jī)床改造的意義 .11.3 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性 .21.3.1 微觀看改造的必要性 .21.3.2 宏觀看改造的必要性 .3第二章

9、第二章 設(shè)計(jì)方案的確定設(shè)計(jì)方案的確定. 4 42.1 設(shè)計(jì)任務(wù) .42.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定 .42.2.1 動(dòng)力的選定.42.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 .52.2.3 控制部分的設(shè)計(jì).5第三章第三章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).6 63.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 .63.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).63.2.1 硬件配置 .63.2.2 存儲(chǔ)器空間分配.73.2.3 I/O 口地址分配 .73.2.4 光電隔離電路.73.3 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì) .83.3.1 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制 .83.3.2 步進(jìn)電機(jī)的速度控制 .83.3.3 軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì) .8第四章第四章 機(jī)械

10、部分改造與計(jì)算機(jī)械部分改造與計(jì)算. 10104.1 原始數(shù)據(jù)分析 .104.2 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計(jì)（X 向） .104.2.1 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理 .104.2.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn) .104.2.3 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 .114.2.4 銑削力的計(jì)算.124.2.5 強(qiáng)度計(jì)算.134.2.6 剛度驗(yàn)算 .134.2.7 效率計(jì)算.144.2.8 穩(wěn)定性驗(yàn)算.144.3 錐形夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算（X 向）.144.4 齒輪間隙消除彈簧的計(jì)算（X 軸） .154.5 運(yùn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算（X 軸） .164.6 伺服電機(jī)的選擇（X 向） .17第五章第五章 零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算

11、零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算. 18185.1 齒輪的設(shè)計(jì)與校核 .185.1.1 Z3、Z4齒輪的強(qiáng)度校核.195.1.2 其他齒輪對(duì)的強(qiáng)度校核 .235.2 軸系零部件的強(qiáng)度校核與壽命計(jì)算 .24第六章第六章 數(shù)控加工與典型零件加工程序設(shè)計(jì)數(shù)控加工與典型零件加工程序設(shè)計(jì) .26266.1 數(shù)控加工工藝的內(nèi)容及特點(diǎn) .266.1.1 數(shù)控加工工藝的內(nèi)容 .266.1.2 數(shù)控加工工藝的特點(diǎn) .266.2 數(shù)控加工工藝分析與設(shè)計(jì) .276.2.1 數(shù)控加工的合理性分析 .276.2.2 零件的工藝性分析 .286.2.3 選擇刀具和切削用量 .286.3 零件加工程序設(shè)計(jì)列舉 .296.3.1 數(shù)控銑床的

12、加工對(duì)象 .296.3.2 零件加工程序設(shè)計(jì)舉例 .30結(jié)結(jié) 論論. .3232致致謝謝. 3333參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn). 3434第一章 緒論1.1 課題背景當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對(duì)機(jī)床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、高自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們將機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)“永恒”的課題。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，己形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。在美國，機(jī)

13、床改造業(yè)稱為機(jī)床再生(Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有:Bertsche 工程公司、ayton 機(jī)床公司、Devlleg 一 Bullavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、us 設(shè)備公司等。美國得寶公司己在中國開辦公司。在日本機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝(Retrofitting)業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有:大限工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。趕上計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)前進(jìn)的步伐、加快數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)速度，已成為數(shù)控發(fā)展的最主要趨勢。以第四代計(jì)算機(jī)的工程結(jié)構(gòu)和微電子工藝技術(shù)為基礎(chǔ)，充分利用現(xiàn)有微機(jī)的硬件、軟件資源，發(fā)展總線式、模塊式、開放型、嵌入

14、式的柔性數(shù)控系統(tǒng)，使之即適合加工復(fù)雜零件、分立式機(jī)床用的數(shù)控系統(tǒng)的組成，又適合未來自動(dòng)化升級(jí)時(shí)功能可擴(kuò)展的要求。我國數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展具有以下 3 個(gè)特征:(l)高檔數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)突破。如華中 I 型等數(shù)控系統(tǒng)，都具有多軸聯(lián)動(dòng)功能，快速進(jìn)給速度在 1.67has 以上，具有較強(qiáng)的通信、管理功能。(2)普及型數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟。如北京機(jī)床研究所的 BSgl 系統(tǒng)，這些系統(tǒng)一般配有 CRT 顯示器，可配置直流和交流司服驅(qū)動(dòng)，2 一 4 軸聯(lián)動(dòng)。(3)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)仍有廣闊的市場前景。由于這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格便宜，非常適合中小型企業(yè)，目前仍是我國應(yīng)用面最廣的數(shù)控系統(tǒng)。比較典型的有南京大方的 JwK

15、系列。我國是機(jī)床生產(chǎn)大國，又是使用大國。數(shù)控機(jī)床是機(jī)械工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵產(chǎn)品，我國的數(shù)控機(jī)床在機(jī)床產(chǎn)品中的比例總體水平低。但是我國是發(fā)展中國家，許多企業(yè)財(cái)力薄弱，不可能花費(fèi)大量的資金添置許多全新的數(shù)控機(jī)床，同時(shí)大量的通用機(jī)床不可能全部淘汰。因此，把普通機(jī)床改造為數(shù)控機(jī)床則不失為是一條提高數(shù)控化率的有效途徑，機(jī)床改造花費(fèi)少，改造針對(duì)性強(qiáng)，時(shí)間短，改造后的機(jī)床大多能克服原機(jī)床的缺點(diǎn)和存在的問題，生產(chǎn)效率高。1.2 機(jī)床改造的意義企業(yè)要在當(dāng)前市場需求多變，競爭激烈的環(huán)境中生存和發(fā)展就需要迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，以最低價(jià)格、最好的質(zhì)量、最短的時(shí)間去滿足市場需求的不斷變化。而普通機(jī)床已不適應(yīng)多品種、小批量

16、生產(chǎn)要求，數(shù)控機(jī)床則綜合了數(shù)控技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)檢測技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期要求短的零件。當(dāng)變更加工對(duì)象時(shí)只需要換零件加工程序，無需對(duì)機(jī)床作任何調(diào)整，因此能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。普通機(jī)床經(jīng)過多次大修后，其零部件相互連接尺寸變化較大，主要傳動(dòng)零件幾經(jīng)更換和調(diào)整，故障率仍然較高，采用傳統(tǒng)的修理方案很難達(dá)到大修驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，而且費(fèi)用較高。因此合理選擇數(shù)控系統(tǒng)是改造得以成功的主要環(huán)節(jié)。數(shù)控機(jī)床在機(jī)械加工行業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛。數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，一方面是全功能、高性能；另一方面是簡單實(shí)用的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，具有自動(dòng)加工的基本功能，操作維修方便。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)通

17、常用的是開環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)，功率步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)元件，無檢測反饋機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)的定位精度一般可達(dá)0.01 至 0.02mm，已能滿足 X5030 銑床改造后加工零件的精度要求。1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性1.3.1 微觀看改造的必要性從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)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(jì)算機(jī)的威力。 1.可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 2.可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3 7 倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶

18、和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱為實(shí)現(xiàn)了 “ 柔性自動(dòng)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(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間無人看管加工。5.由以上五條派生的好處。 如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床） ，減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場需求作出快速反應(yīng)等等。以

19、上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行 FMC （柔性制造單元） 、 FMS （柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS （計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 1.3.2 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、 80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、 FMC 、 FMS 外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD 、 CAE 、 CAM 、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS （管

20、理信息系統(tǒng)） 、 CIMS 等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化） ，最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 1.9% ，而日本在 1994 年已達(dá) 20.8% ，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。第二章 設(shè)計(jì)方案的確定2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)將一臺(tái) XA5030 普通立式升降臺(tái)銑床，由于長期使用嚴(yán)重磨損，故障頻繁，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，急

21、需改造。用微電子技術(shù)改造機(jī)械設(shè)備是當(dāng)前世界新技術(shù)發(fā)展的潮流，是提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。改造成三坐標(biāo)數(shù)控銑床。改造后的數(shù)控銑床主要用于加工不同品種的制動(dòng)凸輪軸，軸最長為 650mm，該制動(dòng)輪軸所需加工的輪廓外形含有直線、圓和漸開線；要求的輪廓公差為 0.1mm，對(duì)稱度公差為 0.1mm，表面粗糙度為 =1.6；工件材料為 40Cr 鍛件，調(diào)質(zhì)；設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍為 7 件/每分鐘。2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定2.2.1 動(dòng)力的選定 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造，為了保證改造后的性能不低于原銑床，選 X、Z 坐標(biāo)快進(jìn)速度不低于 2.4m/min，水平拖動(dòng)力按 15KN 計(jì)算。則要求的功率為 P

22、=FV=152.4/60=0.6W，如果采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件，步進(jìn)電機(jī)達(dá)不到功率要求。例如，200BF001 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，最大靜轉(zhuǎn)距 16.8N.m 最高運(yùn)行頻率為 11000step/s，步距角為 1/6 度，若取最高頻率下的工作扭距為靜扭距的 1/4，則高速下的功率為 )(1344. 0)(4 .1341806110008 .164/1KWWPH 步進(jìn)電機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)。它是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個(gè)電脈沖就轉(zhuǎn)動(dòng)一步，即每當(dāng)電動(dòng)機(jī)繞組接受一個(gè)電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個(gè)相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)及其頻率成正比，并在時(shí)間上與輸入脈沖

23、同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量、頻率以及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序即可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電機(jī)具有以下特點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電壓的波動(dòng)、電流的大小與波形的變化、溫度等）的影響，只要在它們的大小未來引起步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生“丟步”現(xiàn)象之前，就不影響其正常工作；步進(jìn)電機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定步數(shù)以后也會(huì)出現(xiàn)累積誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)以后，其累積誤差變?yōu)椤傲恪?，因此不會(huì)長期積累；控制性能好，在起動(dòng)、停止、反轉(zhuǎn)時(shí)不易“丟步” 。因此，步進(jìn)電機(jī)廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠的獲得較高的位置精度。 2.2.2 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式

24、的確定為確保數(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、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜尼比的要求。在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：（1）盡量采用低磨擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。（2）盡量消除傳動(dòng)間隙。例如采用間隙齒輪等。（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)載導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。2.2.3 控制部分的設(shè)計(jì)要能控制三個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)工件加工要求，至少要控制兩軸聯(lián)動(dòng)完成圓弧插補(bǔ)，為了在加工中使用不同尺寸的刀具，數(shù)控裝置應(yīng)具有刀具的半徑和長度的補(bǔ)償功能，以

25、便數(shù)控加工中按輪廓編制程序而能適應(yīng)刀具尺寸的變化。綜上所述 ：整個(gè)改造方案如下圖所示：第三章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成。(1)中央處理單元 CPU(2)總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB） 、地址總線（AB）和控制總線（CB） 。(3)存儲(chǔ)器。包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫存儲(chǔ)器。(4)I/O 輸入/輸出接口電路。其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路直協(xié)調(diào)工作。存儲(chǔ)器用

26、于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。總線則是 CPU 與存儲(chǔ)器、接口以及其他3-1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖I/O接口CPU外設(shè)存儲(chǔ)器RAMROM控制信號(hào)信號(hào)變換轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是 CPU 與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如 31 所示。3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.2.1 硬件配置本單片機(jī)單元選用的是 MCS-51 系列的 8031。單片機(jī)也稱單片電腦（Single Chip Micromputer）,它主要面向工業(yè)控制所設(shè)計(jì)的，所以它的穩(wěn)定性,抗干擾性比一般的 CPU 芯片好。它的運(yùn)行速度也高于同類價(jià)格的 CPU，且

27、指令豐富，可滿足很多場合的工業(yè)控制要求。國際市場上單片機(jī)種類非常多，通過不同的程序，可以在應(yīng)用單元的各個(gè)模塊中完成不同的工作，以生產(chǎn) CPU 芯片成名的三大品牌公司的單片機(jī)占據(jù)市場主導(dǎo)地位。產(chǎn)量最大、性能價(jià)格比最高的代表性型號(hào)是 Intel 公司的 MCS-51、MCS-96 系列。由于 MCS51 系列單片機(jī)在我國機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價(jià)廉，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床改造的需要。也可直接購買國內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置，如南京大方數(shù)控設(shè)備公司生產(chǎn)的 JWK 系列數(shù)控產(chǎn)品。所以 X5030 的數(shù)控改造采用 MCS 51 系列單片機(jī)組成

28、的控制系統(tǒng)，系統(tǒng)采用 8031作 CPU。由于 8031 片內(nèi)無程序存儲(chǔ)器，需要有外部程序存儲(chǔ)器的支持，同時(shí) 8031 內(nèi)部只有 128B 的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，遠(yuǎn)不能滿足控制系統(tǒng)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。又由于 8031 只有 P1 口和 P3 口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)又?jǐn)U展了兩片 8155 可編程I/O 接口芯片。存儲(chǔ)器選用 2 片 8K8 的 2764EPROM 和 1 片 8K8 位的 6264RAM。監(jiān)控程序固化在2764EPROM 內(nèi)，各功能模塊程序及常用零件的加工存放在

29、2764EPROM 內(nèi)。1 片 6264RAM 做為調(diào)試程序存放和運(yùn)行程序的中間數(shù)據(jù)存放用。I/O 接口芯片選用 8155 可編程 I/O 擴(kuò)展接口，它的 A 口做為 X、Y 進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)脈沖的輸出口，其中 PA0PA2為 X 向的輸出口，PA3，PA5為 Y 向輸出口。B 口為位控方式，其中 PB3PB0為-Y、+Y、-X、+X 的行程越位信號(hào)輸入。顯示由 8 位 LED 構(gòu)成，具有 24 鍵的鍵盤。3.2.2 存儲(chǔ)器空間分配單板機(jī)可尋址范圍是 64K 字節(jié)，板上提供的插座占 16K，已插入的芯片占 10K，其余以備擴(kuò)展使用。其存儲(chǔ)空間分配如下。0000H07FFH 2KB EPROM 放監(jiān)

30、控程序0800H0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序1000H17FFH 2KB RAM 調(diào)試程序2000H27FFH 2KB RAM 測試程序等3.2.3 I/O 口地址分配單板機(jī)設(shè)置 I/O 口地址為 802FH 共 32 個(gè)口地址，分配如下。80H83H MCS51 803184H87H 字形鎖存88H8BH 字位鎖存8CH8FH 讀鍵值90H9FH 用戶使用3.2.4 光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將輸出信號(hào)與功率放大器直接相聯(lián)，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾。輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常工作，重則導(dǎo)

31、致計(jì)算機(jī)和接口電路損壞。所以一般在接口電路功率放大器之間都要接上隔離電路。3.3 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)MCS-51 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以用軟件來代替可變頻率脈沖源和環(huán)形分配器等硬件，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。用軟件完成環(huán)形分配的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，成本低，可以靈活的改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，驅(qū)動(dòng)功率放大功能仍由硬件完成。環(huán)形分配器邏輯序列的產(chǎn)生可用循環(huán)移動(dòng)和查表法實(shí)現(xiàn)，本次數(shù)控改造采用 JBF 系列三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因此，脈沖分配采用三相六拍分配方式。3.3.1 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制 以 X 向步進(jìn)電機(jī)為例，其環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表如下：環(huán)形分配器的輸出狀態(tài) 節(jié)拍序號(hào) 地址 代碼 C 相

32、 B 相 A 相 通電順序 0 0700H 01H 0 0 1 001 1 0701H 03H 0 1 1 011 2 0702H 02H 0 1 0 010 3 0703H 06H 1 1 0 110 4 0704H 04H 1 0 0 100 5 0705H 05H 1 0 1 101 將上述步進(jìn)電機(jī)所需的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表存入 EPROM 中，根據(jù)加工程序的需要，依次取出表地址至 PA 口，驅(qū)動(dòng) X 向步進(jìn)電機(jī)。按以上順序進(jìn)行通電，電機(jī)正傳，反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。Y 向電機(jī)與 X 向相同，其脈沖輸出狀態(tài)表略。3.3.2 步進(jìn)電機(jī)的速度控制 控制步進(jìn)電機(jī)的速度，實(shí)際上是改變輸出狀態(tài)碼之間的間隔時(shí)

33、間，通過調(diào)用軟件延時(shí)子程序，或者用微機(jī)定時(shí)器，通過設(shè)定時(shí)間常數(shù)加以控制，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出不同頻率的時(shí)鐘脈沖，實(shí)現(xiàn)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)，采取調(diào)用軟件延時(shí)子程序的方法。3.3.3 軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)在數(shù)控系統(tǒng)中，專門將一些寄存器作為步進(jìn)電機(jī)的控制寄存器?？刂谱?FCW 用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過控制寄存器中的狀態(tài)，使步進(jìn)電機(jī)按確定的運(yùn)行方式工作。在 FCW 控制字中，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的方向控制位，轉(zhuǎn)動(dòng)控制位以及停止控制位。分別進(jìn)行定義。FCW 中各個(gè)控制位含義如下：D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0，且 D0-X 向轉(zhuǎn)?？刂莆唬?-轉(zhuǎn)動(dòng)；0-停止） ；D1-X 向方向位（1-正轉(zhuǎn)；0-反轉(zhuǎn)） ；

34、D2-Y 向轉(zhuǎn)?？刂莆唬?-轉(zhuǎn)動(dòng)；0-停止） ；D3-Y 向方向位（1-正轉(zhuǎn)；0-反轉(zhuǎn)） 。第四章 機(jī)械部分改造與計(jì)算4.1 原始數(shù)據(jù)分析1. 原 X5030 銑床的數(shù)據(jù)進(jìn)給電機(jī) 1.1KW，1440r/min，最大水平拖動(dòng)力1500kg=15000N，進(jìn)給最大速度縱、橫向 2.3m/min，工件最大重量，500Kg=5000N，機(jī)動(dòng)范圍 縱向 680mm、橫向 250mm、垂向 365mm。2. 工藝數(shù)據(jù)工件加工余量：最大銑削寬度 5mm，最大銑削深度 40mm。刀具數(shù)據(jù)：高速鋼圓柱銑刀，直徑 32-36mm，斜刀齒數(shù) 3-4。工藝數(shù)據(jù)：主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 18 級(jí)，主軸轉(zhuǎn)速范圍 rpm36180

35、0r/min，走刀速度 40-60mm/min，每齒切厚為 0.05-0.2mm，取 0.1mm 計(jì)算。3. 機(jī)床進(jìn)給部件重量估計(jì)工作臺(tái)，長 1.100m，寬 0.3m，約重 220kg=2200N為防止升降臺(tái)自行下劃，原機(jī)床設(shè)置有單向超越離合器及摩擦片制動(dòng)器，而且為了保證工件可靠，將摩擦阻力調(diào)到略大于升降臺(tái)的重力，在數(shù)控改造后仍要保留此功能，這樣在實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)下降的阻力最大，按 12KN 計(jì)算。4.2 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計(jì)（X 向）銑床工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，然后帶動(dòng)銑床絲杠傳動(dòng)。在數(shù)控銑床上的絲杠傳動(dòng)，可以用普通的絲杠傳動(dòng)，也還有應(yīng)用滾珠絲杠來轉(zhuǎn)動(dòng)。原因是普通絲杠傳動(dòng)摩擦系數(shù)大

36、，效率低，傳動(dòng)中有間隙。雖然傳動(dòng)中的間隙可以用一些辦法來補(bǔ)償，修正，但總是不太穩(wěn)定。所以，在數(shù)控銑床上要采用滾珠絲杠傳動(dòng)。滾珠絲杠傳動(dòng)有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但制造工藝較為復(fù)雜，成本高，在某些應(yīng)用上受到一定的限制，但隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，它的使用將會(huì)更加廣泛。4.2.1 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽,這兩個(gè)圓弧形的螺旋槽對(duì)合起來就形成螺旋線的滾道,在滾道內(nèi)裝有許多滾珠.當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí),滾珠相對(duì)于螺母上的滾道滾動(dòng),因此絲杠與螺母之間滾道的摩擦為滾動(dòng)摩擦.為防止?jié)L珠從螺母中吊出來,在螺母的螺旋槽兩端應(yīng)用擋住器擋住,并設(shè)有回路滾道是他的兩端連接起來.使?jié)L珠從滾道的一端滾出后,沿著這個(gè)回路滾

37、道從新返回到滾道的另一端,可以循環(huán)進(jìn)行不斷地滾動(dòng).4.2.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn)滾珠絲杠副的優(yōu)點(diǎn)是:傳動(dòng)效率高,因?yàn)樗菨L動(dòng)摩擦,傳動(dòng)效率可達(dá) 0.92-0.96,比普通的絲杠傳動(dòng)提高 3-4 倍.由此帶來了一系列的優(yōu)點(diǎn),如功率損耗小,傳動(dòng)平穩(wěn),磨損小,無爬行現(xiàn)象等等.除此而外還有兩個(gè)特點(diǎn),一是:一般的絲杠傳動(dòng)總是有間隙,而滾珠絲杠可以消除間隙,所以當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)反向時(shí),可以沒有空程,提高了反向的定位精度,也增強(qiáng)了傳動(dòng)剛度.二是:一般的絲杠傳動(dòng)只能使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),而滾小,所以既能把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪\(yùn)動(dòng),珠絲杠副由于傳動(dòng)的摩擦系數(shù)具有傳動(dòng)的可逆性,因此可

38、以作為主動(dòng)件,也可以作為從動(dòng)件.它也有缺點(diǎn),主要是元件的精度要求高,光潔度要求也高,所以制造工藝很復(fù)雜,成本也高.對(duì)于絲杠和螺母上的螺旋槽,一般要求磨削成型,因而制造困難,也限制了使用.又由于傳動(dòng)的可逆性,所以不能自鎖,當(dāng)應(yīng)用在垂直傳動(dòng)裝置時(shí),由于自重和慣性的關(guān)系,在下降過程中不能立刻停止,因此還需要備有制動(dòng)裝置.4.2.3 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法對(duì)于滾珠絲杠副，除了單一方向的進(jìn)給傳動(dòng)精度有一定的要求外，對(duì)它的軸向間隙也有嚴(yán)格的要求，以保證反向傳動(dòng)的精度。要把軸向間隙完全消除，也是相當(dāng)困難的。通常采用雙螺母，并加預(yù)緊力的方法來消除其軸向間隙。雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后，能基本上消除軸向間隙

39、。單螺母的滾珠絲杠副是不能調(diào)整軸向間隙和預(yù)緊力的，其軸向間隙只能依靠滾珠絲杠副本的精度和安裝時(shí)絲杠和螺母的連接精度來保證。雙螺母加預(yù)緊力消除軸向間隙必須注意兩點(diǎn)，一是：通過預(yù)緊后產(chǎn)生的力，可促使預(yù)拉變形，以減少彈性變形所引起的位移。但預(yù)緊力不能太大，否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)力矩增大，傳動(dòng)效率反而降低，使用壽命也隨之縮短。二是：軸向間隙的消除，不能忽視絲杠的安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的軸向間隙，應(yīng)同時(shí)調(diào)整是它減少到最小。目前常用的雙螺母預(yù)緊力調(diào)整方法有下面三種。（1）墊片調(diào)隙式如圖所示為墊片調(diào)隙式，一般用螺釘來連接滾珠絲杠上的兩個(gè)螺母的凸緣處，在中間加墊片。墊片的厚度是螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力

40、的目的。這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，可靠，裝拆方便。但缺點(diǎn)是調(diào)整很費(fèi)時(shí)，在工作狀態(tài)下不能隨意調(diào)整，因?yàn)橐鼡Q不同厚度的墊片才能消除間隙，所以是用于一般精度的機(jī)構(gòu)中使用。（2）螺紋調(diào)隙式如圖所示為螺紋調(diào)隙式。它是一個(gè)螺母的外端有凸緣，而另一個(gè)螺母的外端沒有凸緣，車有螺紋，它伸出在套筒外，并用兩個(gè)圓螺母調(diào)整好間隙后，再用一圓螺母鎖緊螺母鎖緊就可以了。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，所以應(yīng)用廣泛，但調(diào)整的位移量不太精確。圖 44 墊片調(diào)隙式 圖 45 螺紋調(diào)隙式（3）齒差調(diào)隙式如圖所示為齒差調(diào)隙式。它是在兩個(gè)螺母的凸緣上各有圓齒輪 2，兩者的齒數(shù)值相差一個(gè)齒，裝入內(nèi)齒圓 3 中，內(nèi)齒圓 3 是用螺釘

41、 1 和定位銷 4 固定在套筒 5 上的。調(diào)整是先取下內(nèi)齒圓 3，轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱齒輪 2，在兩個(gè)滾柱螺母相對(duì)于滾筒 5 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使兩個(gè)螺母相互產(chǎn)生角位移，這樣滾柱螺母對(duì)于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對(duì)移動(dòng)是兩個(gè)螺母中的滾柱分別貼近在螺旋滾到的兩個(gè)相反的側(cè)面上。消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力后，把內(nèi)齒圓 3 套上用定位銷 4 固定。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是調(diào)整精確可靠，定位精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅在高精度的數(shù)控機(jī)床有所應(yīng)用。圖 46 齒差調(diào)隙式1螺釘； 2圓柱齒輪； 3內(nèi)齒圓；4定位銷； 5套筒。4.2.4 銑削力的計(jì)算 根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)高速鋼圓柱銑刀 86. 0072. 08 . 081. 9ZdaaaCFpfeFZ

42、 其參數(shù)按實(shí)際加工過程中平均銑削條件為準(zhǔn)則選取：工件為碳鋼，取FZC2 .68FC Z=4mmae5mmai1 . 0mmap40mmd360所以 )(3735364401 . 052 .6881. 986. 072. 086. 0NFZ對(duì)圓柱銑刀逆銑加工 取 P=1.1ZHFP)2 . 11 (HZF 取ZVFP)3 . 02 . 0(ZVFP25. 0 取ZOFP)4 . 035. 0(ZOFP375. 0則：)(213. 4)(4213373525. 01 . 1)25. 01 . 1 ()(401. 1) 0222222KNNFPPPkNNPZVHO4.2.5

43、 強(qiáng)度計(jì)算 對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌工作時(shí)的軸向力為：mP 4 . 1)(KGPPfKPPZYXm2 . 0f 0YP)(81. 2213. 43232KNPPX )(401. 1KNPPCZ)(156. 2)(21568 . 9220KNNG所以：)(650. 4)156. 2401. 1 (2 . 081. 24 . 1KNPm壽命值9100000015000106010606niTiLi取=1.2 =1.1wfHf則最大動(dòng)負(fù)載 Q=3)(77.12650. 41 . 12 . 193KNPffLmHWi根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載 Q 的值，可查表選取滾珠絲杠的型號(hào)。如選取 CD40 6，其動(dòng)負(fù)載為，遠(yuǎn)大于 Q

44、 值，所以強(qiáng)度足夠用。4.2.6 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量：mP )(137. 0)(10137. 0984.354200665. 422mmmEFLPLOmi滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略。即：，所以導(dǎo)程變形總誤2L1LL差為 )/(83.22137. 06 . 01001000mmLL查表知選用 F 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為 30，故剛度足夠。mm/4.2.7 效率計(jì)算 則傳動(dòng)效率 26210936. 0) 10262(tgtg4.2.8 穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于采用兩端固定，穩(wěn)定性足夠，不再驗(yàn)算。4.3 錐形夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算（X 向）伺服電機(jī)的軸伸為光軸，采用

45、錐形夾緊環(huán)與齒輪相連的方式比較方便。根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)選用電機(jī)軸直徑為，錐形環(huán)尺寸為 d=35mm ，D=40mm mm35，L=7mm ,l=6mm。計(jì)算過程如下： 基本參數(shù)：克服間隙所需軸向力為： )(109 . 98 . 9101030NP單位接觸壓力所能傳遞的扭矩為： MPamNM/38. 10單位壓力所需的軸向力為： MPaNF/3560摩擦系數(shù)為：12. 0所能傳遞的扭矩 M=CM P00KM式中 額定扭矩；0M 動(dòng)載荷系數(shù)K P為許用接觸壓力，P=10152/mmkgf取為 100500MP C 為系數(shù) C=aqqn11 2n556. 012. 02) 4216() 4216(2t

46、gtgtgtgq 56. 1556. 01556. 01112qqCn為電機(jī)扭矩 取 K=6nMmNMn6 .17則 P )(4938. 156. 16 .176MPaCMKMnn所需軸向力 P=)(3 .2749356. 09 . 910KNPFP 用螺栓拉緊套產(chǎn)生軸向力時(shí)，螺栓強(qiáng)度計(jì)算如下： 螺栓強(qiáng)度計(jì)算公式 )4/(3 . 1210ndF 取=0.4； n=6 KNPF3 .270則 )(84.1864 . 0)4/(3 .273 . 121KNds由于安裝位置有限，若采用 M61 的螺栓mmd917. 41則要求 )(779. 0917. 1/84.182GPas查表知，只能采用 40

47、Cr 調(diào)質(zhì)處理才滿足要求。通過以上計(jì)算可知：（1）錐形夾緊環(huán)聯(lián)軸機(jī)構(gòu)必須進(jìn)行計(jì)算，否則如果軸向壓緊力太大，可能超過許用接觸應(yīng)力，造成零件的損壞，但如果軸向壓緊力太小，則可能造成聯(lián)軸的不可靠，使用中當(dāng)扭矩過大時(shí)發(fā)生“丟步” 。（2） 在考慮壓緊套時(shí)，要產(chǎn)生壓緊力的接觸面積并不大，因此壓緊套也應(yīng)該選用交好的材料制作，否則會(huì)因接觸壓力造成損壞。（3）為保證合適的軸向力，在禁錮壓緊套時(shí)，應(yīng)控制對(duì)螺栓施加的擰緊力矩。（4）也可采用帶螺紋的壓緊套，其強(qiáng)度比較容易滿足但制造困難。4.4 齒輪間隙消除彈簧的計(jì)算（X 軸）數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)由于經(jīng)常處于自動(dòng)變向狀態(tài)，反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪存在間隙，就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)

48、的反向滯后于指令信號(hào)，從而影響其驅(qū)動(dòng)精度，因此必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙，提高加工精度，本例中采用雙片薄齒輪消隙法。雙片薄齒輪錯(cuò)齒消隙法關(guān)鍵是計(jì)算彈簧的拉力，一方面，使它能夠克服最大扭矩，否則將失去消除間隙的作用；另一方面，扭矩又不能太大，其目的是減少齒面的摩擦和磨損，減少傳動(dòng)消耗。彈簧材料選用碳素彈簧鋼絲二組每根彈簧的拉力為 150160N 取力臂值為 30 毫米，則4 根彈簧產(chǎn)生總扭矩值為： )(2 .1918)(10)2 .1918(430)160150(2mmNmmNM 可抵抗的軸向力為 13.5714.48KN，能滿足加工中的需要。 根據(jù)每根彈簧拉力，可選用，D=12B 型 5

49、.5 圈拉伸彈簧，其 2dNP3 .1812 為最大工作載荷及螺距。mmt16. 32 未拉伸時(shí)彈簧的工作部分長度 H=13 毫米，拉持點(diǎn)距離，掛鉤孔中心距為)(29)2212(213)2(20mmdDHH)(21)2212(29)2(0mmdDH 安裝尺寸計(jì)算： 以彈簧單圈變形量為 1 毫米，工作圈數(shù)為 5.5 時(shí)總的變形量為 5.5 毫米。 則工作中的，安裝中采用仿彈簧吊環(huán)螺釘作為支撐)(5 .345 . 5295 . 500mmHH和一端掛鉤，另一端用螺母調(diào)節(jié)，兩支撐所需距離為拉簧工作長度加上結(jié)構(gòu)尺寸，共約為。)(445 . 75 .3425 . 720mmH4.5 運(yùn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

50、（X 軸）慣量對(duì)運(yùn)動(dòng)特性有很大的影響，不但對(duì)加速度能力，加速度時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩及動(dòng)態(tài)的快速反應(yīng)有關(guān)，在閉環(huán)或者半閉環(huán)系統(tǒng)中還往往影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此核算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很有必要。仍以 X 軸計(jì)算為例：對(duì)實(shí)心圓柱體，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為 J=Md2/8。D 為圓柱體直徑；m 為質(zhì)量；m=D2L/4；L 柱體為長度； 為材料密度，對(duì)鋼鐵體可取=7.8103kgm2,因此可得式 J=7.8D2L/3210-12kgm2。當(dāng) D 和 L 的單位取為 mm 時(shí)，J=7.8D2L/3210-12kgm2。對(duì)于外徑 D，內(nèi)徑 d 的圓環(huán)，J=7.8(D4d4 ) L/3210-12kgm2。24244444412141

51、11045.7110145. 71016)3560(30)3572(3214. 38 . 710328 . 7mNmkgLDJmNmkgLDJ221244441224221048.1710748. 1104515015328362614253214. 38 . 710328 . 7J=322212444444443421087.1110187. 1103304056651085530180366230105408014161103214. 38 . 7328 . 7mNmkgLDJ =425252. 6221016.8910916. 85 . 114. 321062202mNmkgiGL 則折

52、算到電機(jī)軸上的總慣量為： J=222224101. 00101. 010182. 1502410748. 110145. 7mNmkg與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相比， 20186. 0mkgJM543. 00186. 0/0101. 0/MJJ 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式： 4/11 可見，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配合適。4.6 伺服電機(jī)的選擇（X 向） 根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和整個(gè)改造方案，伺服電機(jī) 110BF-003 的參數(shù)選擇如下：輸出功率 1.4KW，零速額定轉(zhuǎn)矩 17.6；最大轉(zhuǎn)矩 153.6-188.1；最高轉(zhuǎn)速為2mN mN 1500；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.0186，重量 36 千克，靜摩擦力矩 0.86N，反電視常數(shù)rpm2m

53、kg 為 0.57，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為 0.57，理論角加速度為，電器radsV/AmN/2max/8100srad時(shí)間常數(shù)為 3.5ms，機(jī)械時(shí)間常數(shù)為 15.2ms。熱時(shí)間常數(shù)為 70min，計(jì)算電阻值為 0.2655，實(shí)惻包括引線、接線端子和接觸電阻約為 0.5，計(jì)算電感為 0.93nH. 說明（1）本設(shè)計(jì)計(jì)算只是計(jì)算 X 軸、其他軸類似。（2）本機(jī)床在改造過程中，盡量減少對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，充分利用原有的結(jié)構(gòu)零件，以減少改造的費(fèi)用和工作量。（3）本設(shè)計(jì)采用固定絲杠，轉(zhuǎn)動(dòng)螺母傳遞運(yùn)動(dòng)的方案。第五章 零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1 齒輪的設(shè)計(jì)與校核根據(jù)齒輪的一般設(shè)計(jì)原則，為了有利于提高精度，盡量減少傳動(dòng)級(jí)數(shù)

54、，并且盡可能采用升速的傳動(dòng)比。本機(jī)床由于原機(jī)構(gòu)中絲杠安裝在工作臺(tái)滑鞍上，如果將直流伺服電機(jī)直接與絲杠連接，將簡化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，有利于精度的提高，減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，摩擦，磨損，損耗；但是由于電機(jī)很重，為了避免產(chǎn)生大的傾斜力，有為了使改造后的機(jī)床外觀造型協(xié)調(diào)和均衡，本設(shè)計(jì)不將 X 軸伺服電機(jī)直接裝在工作臺(tái)的滑鞍上，所以需要增加變速箱及相應(yīng)的傳動(dòng)級(jí)。由于滾珠絲杠隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，而伺服電機(jī)不隨該工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，這樣，給運(yùn)動(dòng)的傳遞造成了困難。如果 X 軸運(yùn)動(dòng)是絲杠運(yùn)動(dòng)，螺母不動(dòng)，則傳動(dòng)齒輪與絲杠之間也需要相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)增加傳動(dòng)齒輪與絲杠之間的傳動(dòng)間隙，且不利于消除其間隙。本設(shè)計(jì)采用固定絲杠，旋轉(zhuǎn)螺母傳遞運(yùn)動(dòng)的方案。由于

55、伺服電機(jī)大，再加上支架等的影響，使一級(jí)傳動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)，為此在設(shè)計(jì)中采用二級(jí)傳動(dòng)。為了使絲杠的螺距值與數(shù)控裝置中可選擇的參數(shù)相匹配，并使傳動(dòng)性能較好，選擇了總減速比 i=1.5. 本機(jī)床改造中取i1=z2/z1=50/24,i2=z3/z2=36/50,i=i1i2=(50/24)（36/50）=1.5 得以滿足。工作臺(tái)內(nèi)各齒輪的主要參數(shù)及材料列于表 5-1 中。 表 5-1 齒輪參數(shù)及材料5.1.1 Z 、Z3齒輪4的強(qiáng)度校核1 齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算： （1） 計(jì)算齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力 SrXNimbFimFYYY/式中：被校核齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力 imF)(MPa 實(shí)驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)

56、力，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖 813 查得：imbF 52043FimbimbF)(MPa彎曲壽命系數(shù)，因兩齒輪得應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：NY 次8431087. 0365604 . 010N 844105 . 0210604 . 010N次 143NNYY（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖814 查得）尺寸系數(shù)XY齒輪齒數(shù)模數(shù)齒寬毫米變位系數(shù)材料硬度頂高系 數(shù)壓力角1Z253.5430.1640CrRC45-501202Z313.5280.1340CrRC45-501203Z183.5280.1940CrRC45-501204Z383.5250.140CrRC45-501205Z263.5280.1640CrRC45-501

57、206Z303.5280.1640CrRC45-501207Z463200.1640CrRC45-501208Z213300.4540CrRC45-50120 （機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖 815 查得）143XXYY有效應(yīng)力集中系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖 816 知：SrY ，08. 13SrY97. 04SrY所以 SrXNbimFimFYYY/3333 08. 1/11520 477)(MPa SrXNimbFimFYYY/4444 97. 0/11520 240)(MPa（2） 比較彎曲強(qiáng)度由圖機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)86 查得齒形系數(shù)： ， 94. 13FY26. 24FY則有：17526. 224019194

58、. 14774433FimFFimFYY因此齒輪彎曲強(qiáng)度弱。4Z （3） 計(jì)算彎曲工作應(yīng)力4F 式中； 計(jì)算圓周力，而4FYYYbmFFtctcF KKKKFFUAttc其中： 工作圓周力tFN6460635 .2032000200033dTFt工作狀況系數(shù)，由設(shè)計(jì)手冊(cè)87AK 查知25. 1AK 動(dòng)載荷系數(shù)，因?yàn)?，由設(shè)計(jì)手冊(cè)圖 84VK37. 01003118. 11003VZ知1VK 載荷分配系數(shù)，時(shí)KYK16 . 17 . 0Y所以 43. 17 . 01K 載荷分布系數(shù)，因，K45. 062263dbd故由圖 85 查得K05. 1則； N 5 .641705. 143. 111427

59、3tcF 載荷作用系數(shù) Y7 . 0Y螺旋角系數(shù) Y1Y 齒寬 mmb26b 模數(shù) 2mm所以YYYbmFFtcFc4 19517 . 026. 22265 .6417)(MPa（4）計(jì)算齒輪的彎曲疲勞安全系數(shù)FS 可靠。11. 219541244FimFFS2. 齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算（1） 計(jì)算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力imH ZZNimbHimH式中： 實(shí)驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 查得： imbH 110043imbHimbH)(MPa 壽命系數(shù)，由手冊(cè) 818 圖查知NZ ， 19. 13NZ22. 14NZ 硬化系數(shù) 取Z1Z所以 )(MPa134803. 119. 111

60、003imH 142403. 122. 111004imH)(MPa（2） 計(jì)算接觸工作應(yīng)力 uubdFZZZtcHEH13)(MPa式中： 材料系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 89 查得：EZMPaZE8 .189節(jié)點(diǎn)系數(shù)， （圖 810）HZ27. 2HZ 重合度系數(shù) （圖 89）Z9 . 0Z 齒數(shù)比 u74. 1315434ZZu則： 74. 16226) 174. 1 (5 .64179 . 027. 28 .189H 889)(MPa（3） 計(jì)算安全系數(shù)HS 安全可靠.516. 18891348HimFHS3 短期過載強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算取最大短期尖峰載荷是額定工作載荷得 1.5 倍.短期過載彎曲