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畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
Φ460mm的數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)
及縱向進(jìn)給設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
本次設(shè)計(jì)是對Φ460MM數(shù)控車床的設(shè)計(jì)。在這里主要包括:主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。而我主要是針對縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)械設(shè)計(jì)。這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)工作的基本技能的訓(xùn)練，提高了分析和解決工程技術(shù)問題的能力，并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一定條件。
數(shù)控設(shè)計(jì)主要傳動系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)。由于對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的加工精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)、降低成本。通過控制橫進(jìn)給系統(tǒng)，保證設(shè)計(jì)后的車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停等功能。為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的傳動效率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器再傳動絲杠；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。
關(guān)鍵詞：車床，數(shù)控設(shè)計(jì)， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠
Abstract
This design is about the common Lathe Φ460MM transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design.
NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed.
Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw
目 錄
摘 要 II
Abstract III
目 錄 IV
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述 - 1 -
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn) - 1 -
1.2 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析 - 2 -
1.2 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度 - 2 -
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 - 3 -
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較 - 5 -
2.1總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 - 5 -
2.2 總體方案的論證 - 5 -
2.2.1 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì) - 5 -
2.2.2伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) - 6 -
2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) - 6 -
2.3 總體方案的確定 - 6 -
第3章 確定切削用量及選擇刀具 - 6 -
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具 - 6 -
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則 - 6 -
3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具 - 6 -
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn) - 7 -
3.3 確定切削用量 - 8 -
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速 - 8 -
3.3.2確定進(jìn)給速度 - 8 -
3.3.3 確定背吃刀量 - 8 -
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì) - 10 -
4.1主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定 - 10 -
4.1.1動力參數(shù)的確定 - 10 -
4.1.2主運(yùn)動調(diào)速范圍的確定 - 11 -
4.1.3主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定 - 12 -
4.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì) - 13 -
4.2.1確定傳動方案 - 13 -
4.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定 - 14 -
4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖 - 15 -
第5章 縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 16 -
5.1縱向滾珠絲杠副的選用 - 16 -
5.1.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 - 16 -
5.1.2 車削力的計(jì)算 - 17 -
5.1.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型 - 17 -
5.2步進(jìn)電機(jī)的選用 - 21 -
5.2.1脈沖量的選擇 - 21 -
5.2.2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 - 21 -
5.2.3等效轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算 - 22 -
5.2.4步進(jìn)電動機(jī)型號的選擇 - 23 -
5.3 齒輪傳動間隙的調(diào)整 - 24 -
第6章 電氣控制部分的設(shè)計(jì) 27
6.1單片機(jī)的選擇 27
6.2步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動 28
6.2.1環(huán)形脈沖分配器的選擇 28
6.2.2功率放大器的選用 29
6.3步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制 32
結(jié) 論 34
致 謝 35
參考文獻(xiàn) 36
V
第1章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述
1.1數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn)
數(shù)字控制機(jī)床（Numerical Control Machine Tools）簡稱數(shù)控機(jī)床，這是一種將數(shù)字計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于機(jī)床的控制技術(shù)。它把機(jī)械加工過程中的各種控制信息用代碼化的數(shù)字表示，通過信息載體輸入數(shù)控裝置，經(jīng)運(yùn)算處理由數(shù)控裝置發(fā)出各種控制信號，控制機(jī)床的動作，按圖紙要求的形狀和尺寸，自動地將零件加工出來。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性、高效能的自動化機(jī)床，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。
數(shù)控機(jī)床一般由下列幾個(gè)部分組成：
1）主機(jī)，它是數(shù)控機(jī)床的主題，包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件，是用于完成各種切削加工的機(jī)械部件。
2）數(shù)控裝置，是數(shù)控機(jī)床的核心，相當(dāng)于人的大腦，它包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機(jī)等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。
3）驅(qū)動裝置，它是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)、主軸電機(jī)及伺服電機(jī)等。它在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動。當(dāng)幾個(gè)進(jìn)給聯(lián)動時(shí)，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線以及曲面的加工。
4）輔助裝置，指數(shù)控機(jī)床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。
5） 編程及其他附屬設(shè)備，可用來在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲等。
與數(shù)控機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床有如下特點(diǎn)：
1）加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；
2）可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件；
3）加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間；
4）機(jī)床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高（一般為數(shù)控機(jī)床的3-5倍）；
5）機(jī)床自動化程度高，可以減輕勞動強(qiáng)度；
6）對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要求更高。
1.2 數(shù)控機(jī)床的經(jīng)濟(jì)分析
數(shù)控機(jī)床能縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，增加切屑加工時(shí)間的比率；
使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)，加工的零件精度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,從而有效的提高了產(chǎn)品在市場上的競爭力；
數(shù)控機(jī)床具有廣泛的適應(yīng)性和較大的靈活性，因此能夠完成很多數(shù)控機(jī)床很難完成或者根本不能加工的、具有復(fù)雜型面、要求高精度的零件的加工；
許多數(shù)控機(jī)床如加工中心具有自動換刀功能，使零件一次裝夾之后就能夠完成多個(gè)加工部位的加工，實(shí)現(xiàn)了一機(jī)多用，大大節(jié)省了設(shè)備和廠房面積；
生產(chǎn)者可以對生產(chǎn)成本進(jìn)行預(yù)算，并對生產(chǎn)進(jìn)度進(jìn)行合理的安排，以達(dá)到提高經(jīng)濟(jì)效益的目的；
應(yīng)用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行生產(chǎn)，減輕了工人的勞動強(qiáng)度，提高了工人工作的環(huán)境質(zhì)量，增加了工人的生產(chǎn)積極性，促進(jìn)了生產(chǎn)，提高了生產(chǎn)效率。
隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型，數(shù)控機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機(jī)床控制的發(fā)展方向。
1.2 數(shù)控機(jī)床的工藝范圍及加工精度
數(shù)控車床是一種高精度、高效率的自動化機(jī)床，也是使用數(shù)量最多的數(shù)控機(jī)床，約占數(shù)控機(jī)床總數(shù)的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、輪廓形狀復(fù)雜的軸類、盤類等回轉(zhuǎn)體零件的加工，能夠通過程序控制自動完成園柱面、圓錐面、圓弧面和各種螺紋的切削加工，并能進(jìn)行切槽、鉆孔、擴(kuò)孔、鉸孔等加工。
由于數(shù)控車床具有加工精度高、能作直線和圓弧插補(bǔ)功能，有些數(shù)控車床還具有非圓曲線插補(bǔ)功能以及加工過程中具有自動變速功能等特點(diǎn)，所以它的工藝范圍要比普通車床要寬得多。
1.精度要求高的回轉(zhuǎn)體零件
由于數(shù)控車床剛性好，制造和對刀精度高，以及能方便和精確地進(jìn)行人工補(bǔ)償和自動補(bǔ)償，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以銑代磨。
2.表面粗糙度要求高的回轉(zhuǎn)體零件
數(shù)控車床具有恒線速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均勻的零件。使用恒線速切削功能，就可選用最佳速度來切削錐面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。數(shù)控車床還適合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位選用較大的進(jìn)給量，要求小的部位選用小的進(jìn)給量。
3.輪廓形狀特別復(fù)雜和難于控制尺寸的回轉(zhuǎn)體零件
由于數(shù)控車床具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，部分車床數(shù)控裝置還有某些非圓曲線和平面曲線插補(bǔ)功能，所以可以加工形狀特別復(fù)雜或難于控制尺寸的的回轉(zhuǎn)體零件。
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢
數(shù)控機(jī)床最早是從美國開始研制的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時(shí)，提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。并于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進(jìn)和自動編程研究，于1955年進(jìn)入實(shí)用階段。一直到20世紀(jì)50年代末，由于價(jià)格和技術(shù)原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價(jià)格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展應(yīng)用范圍。
自1952年，美國研制成功第一臺數(shù)控機(jī)床以來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段。
第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置。
第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。
第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。
第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。
第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。
目前，第五代微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強(qiáng)的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實(shí)現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強(qiáng)，幾乎只需改變軟件，就可以適應(yīng)不同類型機(jī)床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴(kuò)大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價(jià)格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。
近年來，微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機(jī)械制造的各個(gè)領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機(jī)床今后的發(fā)展趨勢。
第2章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較
2.1總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容
數(shù)控機(jī)床可以較好的解決形狀復(fù)雜、精密多品種及中小批零件的加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，隨著制造技術(shù)向自動化、柔性化方向的發(fā)展，當(dāng)前機(jī)床的數(shù)控化率已經(jīng)成為衡量一個(gè)國家制造工業(yè)水平的重要標(biāo)志。
本設(shè)計(jì)任務(wù)是對Φ460mm的數(shù)控車床總體設(shè)計(jì)。利用單片機(jī)對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制，縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。
2.2 總體方案的論證??
對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對機(jī)床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。??
2.2.1 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)??
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)齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。此設(shè)計(jì)過程主要是縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給的改造，關(guān)鍵是步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠的選用。車床簡易傳動系統(tǒng)如圖2-1：
圖1-1車床傳動系統(tǒng)
1.小刀架 2.橫向步進(jìn)電動機(jī) 3.橫向滾珠絲桿 4.大拖板
5.縱向滾珠絲桿 6.縱向步進(jìn)電動機(jī)??
2.2.2伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)??
數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。?? 因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。??
2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)??
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)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。??????
在設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU應(yīng)考慮以下要素：1.時(shí)鐘頻率和字長與被控對象的運(yùn)動速度和精度密切相關(guān)；??
2.?可擴(kuò)展存儲器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)；
3. I/O口擴(kuò)展的能力與對外設(shè)控制的能力相關(guān)。??
在我國，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU和MCS-51系列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋耍占靶?、通用性?qiáng)，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。本設(shè)計(jì)以8031芯片為核心，增加存儲器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。
2.3 總體方案的確定?
經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的論證后，車床的縱向（Z軸）和橫向（X軸）進(jìn)給運(yùn)動采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。將原來機(jī)床的普通絲杠改為滾珠絲杠以減小摩擦力。并將8031單片機(jī)組成的微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實(shí)現(xiàn)車床的縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動。
為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時(shí)，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒輪間隙的結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)總體方案框圖如下：
圖2-1 系統(tǒng)總體方案框圖
36
第3章 確定切削用量及選擇刀具
3.1科學(xué)選擇數(shù)控刀具
3.1.1選擇數(shù)控刀具的原則
選擇刀具壽命時(shí)可考慮如下幾點(diǎn)根據(jù)刀具復(fù)雜程度、制造和磨刀成本來選擇。復(fù)雜和精度高的刀具壽命應(yīng)選得比單刃刀具高些。對于機(jī)夾可轉(zhuǎn)位刀具，由于換刀時(shí) 間短，為了充分發(fā)揮其切削性能，提高生產(chǎn)效率，刀具壽命可選得低些，一般取15-30min。對于裝刀、換刀和調(diào)刀比較復(fù)雜的多刀機(jī)床、組合機(jī)床與自動化 加工刀具，刀具壽命應(yīng)選得高些，尤應(yīng)保證刀具可靠性。車間內(nèi)某一工序的生產(chǎn)率限制了整個(gè)車間的生產(chǎn)率的提高時(shí)，該工序的刀具壽命要選得低些當(dāng)某工序單位時(shí) 間內(nèi)所分擔(dān)到的全廠開支M較大時(shí)，刀具壽命也應(yīng)選得低些。大件精加工時(shí)，為保證至少完成一次走刀，避免切削時(shí)中途換刀，刀具壽命應(yīng)按零件精度和表面粗糙度 來確定。與普通機(jī)床加工方法相比，數(shù)控加工對刀具提出了更高的要求，不僅需要岡牲好、精度高，而且要求尺寸穩(wěn)定，耐用度高，斷和排性能壇同時(shí)要求安裝調(diào)整 方便，這樣來滿足數(shù)控機(jī)床高效率的要求。數(shù)控機(jī)床上所選用的刀具常采用適應(yīng)高速切削的刀具材料(如高速鋼、超細(xì)粒度硬質(zhì)合金)并使用可轉(zhuǎn)位刀片。
刀具壽命與切削用量有密切關(guān)系。在制定切削用量時(shí)，應(yīng)首先選擇合理的刀具壽命，而合理的刀具壽命則應(yīng)根據(jù)優(yōu)化的目標(biāo)而定。一般分最高生產(chǎn)率刀具壽命和最低成本刀具壽命兩種，前者根據(jù)單件工時(shí)最少的目標(biāo)確定，后者根據(jù)工序成本最低的目標(biāo)確定。
3.1.2選擇數(shù)控車削用刀具
在數(shù)控加工中，車削平面零件內(nèi)外輪廓 及車削平面常用平底立車刀，該刀具有關(guān)參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下:一是車刀半徑RD應(yīng)小于零件內(nèi)輪廓面的最小曲率半徑Rmin，一般取RD=(0.8--0.9)Rmin。二是零件的加工高度H<(1/4-1/6)RD,以保證刀具有足夠的剛度。三是用平底立車刀車削內(nèi)槽底部時(shí)，由于槽底兩次走刀需 要搭接，而刀具底刃起作用的半徑Re=R-r,，即直徑為d=2Re=2(R-r)，編程時(shí)取刀具半徑為Re=0.95(Rr)。對于一些立體型面和變斜 角輪廓外形的加工，常用球形車刀、環(huán)形車刀、鼓形車刀、錐形車刀和盤車刀。
目前，數(shù)控機(jī)床上大多使用系列化、標(biāo)準(zhǔn)化刀具，對可轉(zhuǎn) 位機(jī)夾外圓車刀、端面車刀等的刀柄和刀頭都有國家標(biāo)準(zhǔn)及系列化型號對于加工中心及有自動換刀裝置的機(jī)床，刀具的刀柄都已有系列化和標(biāo)準(zhǔn)化的規(guī)定，如錐柄刀 具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號為TSG-JT，直柄刀具系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)代號為DSG-JZ,此外，對所選擇的刀具，在使用前都需對刀具尺寸進(jìn)行嚴(yán)格的測量以獲得精確數(shù)據(jù)， 并由操作者將這些數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)系統(tǒng)，經(jīng)程序調(diào)用而完成加工過程，從而加工出合格的工件。
3.2 設(shè)置刀點(diǎn)和換刀點(diǎn)
刀具究竟從什么位置開始移動到指定的位置呢?所以在程序執(zhí)行的一開始，必須確定刀具在工件坐標(biāo)系下開始運(yùn)動的位置，這一位置即為程序執(zhí)行時(shí)刀具相對于工 件運(yùn)動的起點(diǎn)，所以稱程序起始點(diǎn)或起刀點(diǎn)。此起始點(diǎn)一般通過對刀來確定，所以，該點(diǎn)又稱對刀點(diǎn)。在編制程序時(shí)，要正確選擇對刀點(diǎn)的位置。對刀點(diǎn)設(shè)置原則 是:便于數(shù)值處理和簡化程序編制。易于找正并在加工過程中便于檢查;引起的加工誤差小。對刀點(diǎn)可以設(shè)置在加工零件上，也可以設(shè)置在夾具上或機(jī)床上，為了提 高零件的加工精度，對刀點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在零件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)或工藝基誰上。實(shí)際操作機(jī)床時(shí)，可通過手工對刀操作把刀具的刀位點(diǎn)放到對刀點(diǎn)上，即“刀位點(diǎn)”與“對 刀點(diǎn)”的重合。所謂“刀位點(diǎn)”是指刀具的定位基準(zhǔn)點(diǎn)，車刀的刀位點(diǎn)為刀尖或刀尖圓弧中心。平底立車刀是刀具軸線與刀具底面的交點(diǎn);球頭車刀是球頭的球心， 鉆頭是鉆尖等。用手動對刀操作，對刀精度較低，且效率低。而有些工廠采用光學(xué)對刀鏡、對刀儀、自動對刀裝置等，以減少對刀時(shí)間，提高對刀精度。加工過程中 需要換刀時(shí)，應(yīng)規(guī)定換刀點(diǎn)。所謂“換刀點(diǎn)”是指刀架轉(zhuǎn)動換刀時(shí)的位置，換刀點(diǎn)應(yīng)設(shè)在工件或夾具的外部，以換刀時(shí)不碰工件及其它部件為準(zhǔn)。
3.3 確定切削用量
數(shù)控編程時(shí)，編程人員必須確定每道工序的切削用量，并以指令的形式寫人程序中。切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量及進(jìn)給速度等。對于不同的加工方法，需要 選用不同的切削用量。切削用量的選擇原則是:保證零件加工精度和表面粗糙度，充分發(fā)揮刀具切削性能，保證合理的刀具耐用度，并充分發(fā)揮機(jī)床的性能，最大限 度提高生產(chǎn)率，降低成本。
3.3.1確定主軸轉(zhuǎn)速
主軸轉(zhuǎn)速應(yīng)根據(jù)允許的切 削速度和工件(或刀具)直徑來選擇。其計(jì)算公式為:n=1000v/71D式中:v—切削速度，單位為m/min，由刀具的耐用度決定;n一一主軸轉(zhuǎn)速，單位為r/min，D—工件直徑或刀具直徑，單位為mm。計(jì)算的主軸轉(zhuǎn)速n，最后要選取機(jī)床有的或較接近的轉(zhuǎn)速。
3.3.2確定進(jìn)給速度
進(jìn)給速度是數(shù)控機(jī)床切削用量中的重要參數(shù)，主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。最大進(jìn)給速度受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的 性能限制。確定進(jìn)給速度的原則:當(dāng)工件的質(zhì)量要求能夠得到保證時(shí)，為提高生產(chǎn)效率，可選擇較高的進(jìn)給速度。一般在100一200mm/min范圍內(nèi)選取; 在切斷、加工深孔或用高速鋼刀具加工時(shí)，宜選擇較低的進(jìn)給速度，一般在20一50mm/min范圍內(nèi)選取;當(dāng)加工精度，表面粗糙度要求高時(shí)，進(jìn)給速度應(yīng)選 小些，一般在20--50mm/min范圍內(nèi)選取;刀具空行程時(shí)，特別是遠(yuǎn)距離“回零”時(shí)，可以設(shè)定該機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)定的最高進(jìn)給速度。
3.3.3 確定背吃刀量
背吃刀量根據(jù)機(jī)床、工件和刀具的剛度來決定，在剛度允許的條件下，應(yīng)盡可能使背吃刀量等于工件的加工余量，這樣可以減少走刀次數(shù)，提高生產(chǎn)效率。為了保 證加工表面質(zhì)量，可留少量精加工余量，一般0.2一0.5mm,總之，切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床性能、相關(guān)的手冊并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)用類比方法確定。同時(shí)，使主軸轉(zhuǎn)速、切削深度及進(jìn)給速度三者能相互適應(yīng)，以形成最佳切削用量。
切削用量不僅是在機(jī)床調(diào)整前必須確定的重要參數(shù)，而且其數(shù)值合理與否對加工質(zhì)量、加工效率、生產(chǎn)成本等有著非常重要的影響。所謂“合理的”切削用量是指 充分利用刀具切削性能和機(jī)床動力性能(功率、扭矩)，在保證質(zhì)量的前提下，獲得高的生產(chǎn)率和低的加工成本的切削用量。
第4章 傳動系統(tǒng)圖的設(shè)計(jì)
4.1主傳動系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)的確定
Φ460mm的數(shù)控車床，床身最大回轉(zhuǎn)直徑￠460mm，最大工件長度1200mm；，主軸錐度莫氏六號，可以加工直線、錐度、球面、螺紋罩等，功能齊全、精度可靠、操作方便。主傳動系統(tǒng)的主要參數(shù)有動力參數(shù)和運(yùn)動參數(shù)。動力參數(shù)是指主運(yùn)動驅(qū)動電動機(jī)的功率；運(yùn)動參數(shù)是指主運(yùn)動變速范圍。根據(jù)數(shù)控車床的加工工藝、加工對象、所要求的精度、成本及生產(chǎn)周期并結(jié)合國內(nèi)外機(jī)床發(fā)展現(xiàn)狀確定數(shù)控車床主要技術(shù)指標(biāo)。
4.1.1動力參數(shù)的確定
主傳動中個(gè)傳動件的尺寸要根據(jù)傳動功率來確定。傳動功率過大，使傳動件尺寸粗大，電動機(jī)常在低負(fù)載下工作，功率因數(shù)小而浪費(fèi)能源；功率過小將限制車床切削加工能力而降低生產(chǎn)效率。因此需合理確定主傳動功率。但由于實(shí)際加工過程切削用量變化范圍大、傳動件之間的摩擦等不確定因素，用理論計(jì)算方法來確定主傳動功率尚有困難，可通過類比、統(tǒng)計(jì)方法相互比較來確定。
查機(jī)電一體化手冊車削功率在8-16kw之間根據(jù)切削功率PC與主傳動鏈的總效率η估算,即P=。主傳動鏈的功率效率η=0.7—0.85， 數(shù)控車床多采用調(diào)速電動機(jī)和較短的機(jī)械傳動鏈，效率較大，因此取=0.78,則估計(jì)P在10.26kw~20.51kw.之間。
數(shù)控車床的加工范圍一般都比較大，切削功率PC可根據(jù)有代表性的加工情況，由其主切削抗力
PC=KW
---主切削力的切向分力，N；
---切削速度N??；
查金屬切削手冊知，以硬質(zhì)合金刀具車削合金結(jié)構(gòu)鋼為例，數(shù)控車床有代表型的主切削力的切向分力大約在2460左右，切削速度取90—250r\min，則知道
PC=2460200/60000=8.333kw
P==10.68kw
考慮到空轉(zhuǎn)運(yùn)轉(zhuǎn)的功率損失，如各傳動件在空轉(zhuǎn)運(yùn)行時(shí)的摩損功耗，傳動件的攪油和克服空氣阻力功率以及其其它動載荷的摩擦損耗等。
Φ460MM機(jī)床是中等規(guī)格數(shù)控車床，參照國內(nèi)外同類機(jī)床的電動機(jī)功率，此機(jī)床可以選取11kw的電動機(jī)，考慮到數(shù)控機(jī)床變速范圍比較大，選用交流變頻電動機(jī)YVP160-4，標(biāo)稱功率11kw，額定轉(zhuǎn)矩70N?m調(diào)頻電動機(jī)功率轉(zhuǎn)矩
4.1.2主運(yùn)動調(diào)速范圍的確定
主軸轉(zhuǎn)速由切削速度（r/min）與工件的直徑（mm）來確定
=（r/min）
計(jì)算該數(shù)控車床
=、=，
則數(shù)控車床變速范圍=
代入公式，選擇，，，要據(jù)車床上幾種典型加工情況考慮，不可能將一切情況考慮進(jìn)去，也不是加工情況的最大值和最小值。
經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析車床的最高轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在硬質(zhì)合金刀具精車鋼料的外圓工藝中，最低轉(zhuǎn)速出現(xiàn)在高速工具鋼刀具精車合金鋼工件的梯形絲杠中。由工藝手冊可知硬質(zhì)合金刀具刀具精車鋼料的絲杠=250 r/min；高速車刀粗車圓柱體=30-50 r/min（隨被吃刀量與進(jìn)給量的增加而減少）；高速工具鋼低速精車絲杠=1.5 r\min，則
=0.5D=0.5460mm=230mm
=（0.2-0.25）=（50-62.5）mm，取=50mm。
max ===1591 r/min
==41.52 r/min
由于現(xiàn)代數(shù)控車床向高速高精度方向發(fā)展，考慮到今后的技術(shù)儲備，類比行業(yè)中同類數(shù)控車床的轉(zhuǎn)速范圍初步選取=20 r/min，=1200 r/min。
則數(shù)控車床總變速范圍==62.5
4.1.3主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定
由切削原理知主運(yùn)動為直線運(yùn)動的機(jī)床，主運(yùn)動為恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)動；主運(yùn)動為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的機(jī)床，主運(yùn)動為恒功率運(yùn)動。數(shù)控車床加工工藝范圍廣，變速范圍大。有些典型工藝如：精車絲杠、加工螺紋、等，工件尺寸大，需采用小的被吃刀量、小的進(jìn)給量；低速主軸轉(zhuǎn)速小，不需傳動電動機(jī)的全部功率。我們把機(jī)床能傳遞全部功率的最低轉(zhuǎn)速稱為主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速，以它為臨界轉(zhuǎn)速，如圖。從至最高轉(zhuǎn)速的區(qū)域?yàn)楹愎β蕝^(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠傳遞電動機(jī)的全部功率，但主軸轉(zhuǎn)矩隨主軸轉(zhuǎn)速的上升而下降；從最低轉(zhuǎn)速至的區(qū)域b為恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，任意轉(zhuǎn)速能夠輸出最大轉(zhuǎn)矩，但主軸輸出的功率將隨主軸轉(zhuǎn)速的下降而下降。
數(shù)控車床變速范圍比較廣，計(jì)算轉(zhuǎn)速比普通車床高。目前數(shù)控機(jī)床計(jì)算轉(zhuǎn)速的確定尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，確定是參考同類機(jī)床，并結(jié)合該機(jī)床加工工藝要求，使=154 r\min.
圖4.2 主軸轉(zhuǎn)速曲線
4.2變速主傳動系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.2.1確定傳動方案
機(jī)床傳動形式分為有極和無極變速兩種，無級變速形式可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最佳轉(zhuǎn)速，能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速，這對與提高機(jī)床生產(chǎn)效率和提高被加工零件的質(zhì)量都有重要意義；同時(shí)采用無級變速可使主軸結(jié)構(gòu)大為簡化，縮短傳動鏈；因此無級變速應(yīng)用日益廣泛。
該數(shù)控機(jī)床總變速范圍是=2000\20=100，變速范圍較大，單靠無級變速裝置有難以實(shí)現(xiàn)。而且，無級變速裝置的功率扭轉(zhuǎn)特性應(yīng)同傳動鏈的工作要求相適應(yīng)，這就要求串聯(lián)機(jī)械有級變速來擴(kuò)大變速范圍并選擇合適的無級變速器以滿足機(jī)床的功率扭矩特性要求。
該數(shù)控機(jī)床是以經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，設(shè)計(jì)主軸由交流變頻電動機(jī)經(jīng)皮帶論、齒輪傳動至主軸。
從圖1與圖2可以看出：調(diào)頻電機(jī)的恒功率轉(zhuǎn)速范圍為4460\1460=3，而主軸要求的恒功率調(diào)速范圍為1250\250=5，顯然電動機(jī)不能滿足主軸所要求的恒功率變速范圍。所以在設(shè)計(jì)師不能依據(jù)總變速范圍來設(shè)計(jì)主創(chuàng)動系統(tǒng)，而應(yīng)考慮電動機(jī)與主軸的功率匹配。
主軸恒功率調(diào)速范圍Rnp=max\=1250\250=5,
電動機(jī)恒功率調(diào)速范圍Rdp=max\=4460\1460=3
為了使主軸和電動機(jī)的恒功率匹配，現(xiàn)通過增加變速齒輪來滿足要求，該變速齒輪組擴(kuò)大了電動機(jī)的恒功率調(diào)速。
4.2.2轉(zhuǎn)速圖的擬定
1．轉(zhuǎn)速圖的擬定
分析和設(shè)計(jì)主傳動系統(tǒng)須應(yīng)用一種特殊線圖，稱為轉(zhuǎn)速圖。
轉(zhuǎn)速圖能夠清楚的表達(dá)出：傳動軸的數(shù)目，主軸及各傳動軸的轉(zhuǎn)速級數(shù)、轉(zhuǎn)速值及其傳動路線，變速組的個(gè)數(shù)、傳動順序及擴(kuò)大順序，各變速組的傳動副數(shù)及其傳動比數(shù)值，變速規(guī)律等。
首先根據(jù)最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速確定變速范圍，選擇合適的公比后再確定轉(zhuǎn)速級數(shù)，繪制轉(zhuǎn)速圖。
已知機(jī)床的轉(zhuǎn)速范圍在20r/min~1200r/min，電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為4000 r/min，額定轉(zhuǎn)速為1460 r/min，電動機(jī)的額定功率P=11kW，確定主軸箱結(jié)構(gòu)．
（1）確定主軸的變速范圍
（2）確定主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速
由于數(shù)控機(jī)床主軸的變速范圍大，計(jì)算轉(zhuǎn)速應(yīng)比計(jì)算值高些，所以圓整取計(jì)算轉(zhuǎn)速nc=。
（3）確定主軸的恒功率變速范圍
（4）確定電動機(jī)所能夠提供的恒功率變速范圍
由于Rnp>>Rdp，電動機(jī)直接驅(qū)動主軸不能滿足恒功率變速要求，因此需要串聯(lián)一個(gè)有級變速箱，以滿足主軸的恒功率調(diào)速范圍。
（5）確定轉(zhuǎn)速級數(shù)
取，則
對于數(shù)控車床，為了加工端面時(shí)滿足恒線速度切削的要求，應(yīng)使轉(zhuǎn)速有一些重復(fù)，故取Z=2
（6）擬定轉(zhuǎn)速圖和功率特性圖如圖
4.2.3擬定傳動變速系統(tǒng)圖
擬定傳動系統(tǒng)的原則是：在保證機(jī)床的運(yùn)動和使用要求的前提下，運(yùn)動傳動鏈要盡可能的短而簡單；傳動效率高以及操作簡單方便 。首先要考慮某些結(jié)構(gòu)方面的問題，考慮結(jié)構(gòu)能否實(shí)現(xiàn)：如小齒輪的齒根圓是否大于軸的直徑，大齒輪的頂圓是否會碰及相鄰軸等；其次因考慮結(jié)構(gòu)是否合理，如布置是否緊湊，操縱是否方便等。
該機(jī)床采用雙聯(lián)滑移齒輪變速組，采用窄式排列結(jié)構(gòu)，使機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊。主軸變速擬采用通過滑移齒輪的移位來實(shí)現(xiàn)，需保證當(dāng)齒輪2與齒輪4完全脫開嚙合之后，齒輪3和齒輪6才能開始進(jìn)入嚙合，所以齒輪5與齒輪6相鄰間的距離b要大于于滑移齒輪的寬度（齒輪2與齒輪寬度之和），一般b++△, △=14 mm。 綜合考慮個(gè)因素，擬訂傳動系統(tǒng)圖。
第5章 縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)
5.1縱向滾珠絲杠副的選用
滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動時(shí)，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。
滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或其它直線運(yùn)動副相比，有下列特點(diǎn)：
(1) 傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達(dá)90％~95％，耗費(fèi)能量僅為滑動絲桿的1/3。
(2) 運(yùn)動平穩(wěn) 滾動摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動與工作摩擦力矩差別很小。啟動時(shí)無沖擊，預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動精度。
(3) 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度(HRC58—62)、高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲桿副的4~10倍以上。
(4) 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲桿副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，通過預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹。因此可達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。
(5) 同步性好 用幾套相同的滾珠絲桿副同時(shí)傳動幾個(gè)相同的運(yùn)動部件，可得到較好的同步運(yùn)動。
(6) 可靠性高 潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。
(7) 不能自鎖 用于垂直傳動時(shí)，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。
(8) 制造工藝復(fù)雜 滾珠絲桿和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本較高。
5.1.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量
在數(shù)控機(jī)床中，一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的坐標(biāo)軸位移量叫做脈沖當(dāng)量，通常用表示，也稱機(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)，按機(jī)床設(shè)計(jì)的加工精度選定。本設(shè)計(jì)所要求的C620的脈沖當(dāng)量為：縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖。
5.1.2 車削力的計(jì)算
在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算傳動和導(dǎo)向元件，選用伺服電機(jī)等都要用到切削力?，F(xiàn)我們利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主切削力。
車床的主切削力可用下式計(jì)算：
式中——車床床身加工的最大直徑單位為mm。
因C620床身加工的最大直徑410mm，則：
按以下比例分別求出分力和，
則：，
5.1.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型
滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇機(jī)構(gòu)類型：確定滾軸循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定后，再計(jì)算和確定其他參數(shù)，包括：公稱直徑、導(dǎo)程、滾珠的工作圈數(shù)、列數(shù)、精度等級等。
本設(shè)計(jì)中選擇滾珠循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)方式中的固定式。滾珠絲杠副的預(yù)緊方法選擇雙螺母螺紋預(yù)緊。
(1)計(jì)算進(jìn)給率牽引力
作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率牽引力主要包括切削力時(shí)的走刀抗力以及移動件的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)軌的形式有關(guān)。的計(jì)算公式如下:
縱向進(jìn)給導(dǎo)軌為三角形，則：
三角形導(dǎo)軌選取參數(shù)：
(2)計(jì)算最大動負(fù)荷
選用滾珠絲杠副的直徑時(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)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)荷。計(jì)算步驟如下：
絲杠轉(zhuǎn)速其中=
壽命（）
最大動負(fù)荷
(3)計(jì)算最大靜負(fù)荷
當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速（）情況下工作時(shí)，滾珠絲杠副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產(chǎn)生變形，當(dāng)塑性變形超過一定限度就會破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產(chǎn)生大的塑性變形量的負(fù)載稱為允許的最大靜負(fù)荷。選取靜態(tài)安全系數(shù)=2，滾珠絲杠的最大軸向負(fù)荷 故最大靜負(fù)荷為：。
(4)選擇滾珠絲杠副
見表2-1
5)傳動效率計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率
表2-1滾珠絲杠副參數(shù)
型號
公稱直徑
基本導(dǎo)程
螺旋升角
絲杠外徑
絲杠內(nèi)徑
額定動載荷
絲杠長度
額定靜載荷
(6)剛度校核
主要校核滾珠絲杠在工作負(fù)載和扭矩T共同作用下引起的每導(dǎo)程變形量是否符合絲杠精度要求。
每導(dǎo)程變形量可按以下公式計(jì)算
選取
其中：
則：
查表所得，所選用的級絲杠精度允許誤差為，滿足要求。
(7) 穩(wěn)定性校核
機(jī)床在進(jìn)給時(shí)滾珠絲杠通常是受軸向力的一壓桿。若軸向力過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生翹曲，所以選用時(shí)必須進(jìn)行穩(wěn)定性校核。如果滿足穩(wěn)定性安全系數(shù)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)()，則絲杠安全，不會失穩(wěn)：
式中 ()——許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取2.5～4。
——絲杠失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載，由：
式中 ——絲杠長度
——絲杠軸端系數(shù)，由支承條件定。
——截面慣性矩，對實(shí)心圓
對于水平絲杠要考慮自重影響可取()4。
將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式中可得
絲杠不會失穩(wěn)。
5.2步進(jìn)電機(jī)的選用
5.2.1脈沖量的選擇
初選三相步進(jìn)電動機(jī)的步距角為，當(dāng)三相六拍（1～2相勵磁）運(yùn)行時(shí)，步距角其妹轉(zhuǎn)脈沖數(shù)
脈沖當(dāng)量： 由此可得中間齒輪傳動比為
5.2.2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算
1.空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩
2.車削加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩
5.2.3等效轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算
1.滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
2.拖板運(yùn)動慣量換算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量
3.大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量
選取大齒輪齒數(shù)，小齒輪齒數(shù)，模數(shù)。
4.小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量
換算到電動機(jī)軸上的總慣性負(fù)載
5.2.4步進(jìn)電動機(jī)型號的選擇
已知 初選步進(jìn)電機(jī)型號為110BF003，步距角三相六拍。其中最大靜扭矩，轉(zhuǎn)子慣量，由此可得：
,
經(jīng)驗(yàn)算可知電動機(jī)合格。
110BF003步進(jìn)電機(jī)的外觀圖及矩頻特性圖如圖2.2：
外型圖:
圖5-2 110BF003步進(jìn)電機(jī)的外觀圖及矩頻特性圖
5.3 齒輪傳動間隙的調(diào)整
在橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給的步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠間都是通過一對減速直齒輪傳動的，這就要求我們對齒輪的傳動間隙進(jìn)行調(diào)整。
常用的直齒輪調(diào)整齒側(cè)間隙的方法有以下幾種。
(1)偏心套(軸)調(diào)整法 如圖2-4所示，將相互嚙合的一對齒輪中的一個(gè)齒輪4裝在電機(jī)輸出軸上，并將電機(jī)2安裝在偏心套1(或偏心軸)上，通過轉(zhuǎn)動偏心套(偏心軸)的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒側(cè)間隙。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但其側(cè)隙不能自動補(bǔ)償。
圖2-4 偏心套式間隙消除機(jī)構(gòu)
1—偏心套 2—電動機(jī) 3—減速箱 4、5—減速齒輪
(2) 軸向墊片調(diào)整法 如圖2-5所示，齒輪1和2相嚙合，其分度圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片3使齒輪2沿軸向移動，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。裝配時(shí)軸向墊片3的厚度應(yīng)使得齒輪1和2之間既齒側(cè)間隙小，運(yùn)轉(zhuǎn)又靈活。特點(diǎn)同偏心套(軸)調(diào)整法。
圖2-5 圓柱齒輪軸向墊片間隙消除機(jī)構(gòu)
(3) 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個(gè)做成寬齒輪，另一個(gè)用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個(gè)薄齒輪的左齒側(cè)和另一個(gè)薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時(shí)不會出現(xiàn)死區(qū)，具體調(diào)整措施如下：
周向彈簧式(圖2-6) 在兩個(gè)薄片齒輪2和4上各開了幾條周向圓弧槽，并在齒輪3和4的端面上有安裝彈簧2的短柱1。在彈簧2的作用下使薄片齒輪3和4錯(cuò)位而消除齒側(cè)間隙。這種結(jié)構(gòu)形式中的彈簧2的拉力必須足以克服驅(qū)動轉(zhuǎn)矩才能起作用。因該方法受到周向圓弧槽及彈簧尺寸限制，故僅適用于讀數(shù)裝置而不適用于驅(qū)動裝置。
可調(diào)拉簧式(圖2-7) 在兩個(gè)薄片齒輪1和2上裝有凸耳3，彈簧的一端鉤在凸耳3上，另一端鉤在螺釘7上。彈簧4的拉力大小可用螺母5調(diào)節(jié)螺釘7的伸出長度，調(diào)整好后再用螺母6鎖緊。
本設(shè)計(jì)所選用的是雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法中的可調(diào)拉簧式。由此就可以將縱向及橫向進(jìn)給系統(tǒng)的裝配圖設(shè)計(jì)并畫出，具體請見圖紙。圖5-6 薄片齒輪周向拉簧錯(cuò)齒調(diào)隙機(jī)構(gòu) 圖2-7 可調(diào)拉簧式調(diào)隙
第6章 電氣控制部分的設(shè)計(jì)
在這一部分我們采用MCS-51系列單片機(jī)控制主控系統(tǒng)，51系列相對48系列指令更豐富，相對96系列價(jià)格更便宜，51系列中，是無ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計(jì)以8031芯片為核心，增加存儲器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。
6.1單片機(jī)的選擇
圖6-1 8031引腳圖
本設(shè)計(jì)選用8031芯片，片內(nèi)無ROM或者EPROM，使用時(shí)必須配置外部的程序存儲器EPROM。本設(shè)計(jì)選用了27128擴(kuò)展其空間，8031的引腳分3大功能：
（1）I/O口線
P0,P1,P2,P3共4個(gè)八位口。
（2）控制口線
PSEN(片外取指控制)、ALE（地址鎖存控制）、EA（片外存儲器選擇）、RESET（復(fù)位控制）。
（3）電源和時(shí)鐘。
8031最小應(yīng)用系統(tǒng)。8031內(nèi)部不帶ROM，需要外接EPROM作為外部程序存儲器。又因?yàn)?031在外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)地址的低8位信息和數(shù)據(jù)信息分時(shí)送出，故還需要采用一片6264數(shù)據(jù)存儲器儲存數(shù)據(jù)。這樣，一片27128EPROM和一片6264組成了一個(gè)最小的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。
圖6-2 系統(tǒng)存儲器
6.2步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動電源有密切關(guān)系。驅(qū)動電源由脈沖分配器、功率放大器組成，驅(qū)動電源是將變頻信號源送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動的循環(huán)供給電機(jī)各組繞組，以驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。
6.2.1環(huán)形脈沖分配器的選擇
步進(jìn)電機(jī)的各組繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分稱為脈沖分配器，又稱環(huán)形脈沖分配器。所以不同相的電機(jī)應(yīng)選用不同的環(huán)形分配器。本設(shè)計(jì)中所選用的電機(jī)，縱向部分為110BF003三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，與其相配的環(huán)形脈沖分配器為CH250，其管腳圖見圖3-3：
圖6-3 CH250管腳圖
CH250有A、B、C三個(gè)輸出端，當(dāng)輸入端CL或EN加上時(shí)鐘脈沖后，輸出波形將符合三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的要求，輸出電流能力為0.5mA，經(jīng)推動級、驅(qū)動級放大后即可驅(qū)動電動機(jī)繞組。
CH250在供三相六拍步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，線路中的接線見圖3-4：
圖6-4 三相六拍時(shí)CH250接線圖
橫向部分為90BF002五相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，與其相配的環(huán)形脈沖分配器為PMM8714，其管腳圖見圖3-5。
6.2.2功率放大器的選用
從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。
步進(jìn)電機(jī)所使用的功率放大器有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型、雙電壓型（高低壓型）。電流型中有恒流驅(qū)動、斬波驅(qū)動等。
圖6-5 PMM8714管腳圖
(1) 單電壓功率放大電路
此電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，不足之處是Rc消耗能量大，電流脈沖前后沿不夠陡，在改善了高頻性能后，低頻工作時(shí)會使振蕩有所增加，使低頻特性變壞。
(2) 高低電壓功率放大電路
電源U1為高電壓，電源大約為80～150V，U2為低電壓電源，大約為5～20V。在繞組指令脈沖到來時(shí)，脈沖的上升沿同時(shí)使VT1和VT2導(dǎo)通。
圖6-5 單電壓功率放大器
由于二極管VD1的作用，使繞組只加上高電壓U1，繞組的電流很快達(dá)到規(guī)定值。到達(dá)規(guī)定值后，VT1的輸入脈沖先變成下降沿，使VT1截止，電動機(jī)由低電壓U2供電，維持規(guī)定電流值，直到VT2輸入脈沖下降沿到來VT2截止。
不足之處是在高低壓銜接處的電流波形在頂部有下凹，影響電動機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。
圖6-6 高低電壓功率放大電路
（3）斬波恒流功放電路
該電路的特點(diǎn)是工作時(shí)Vin端輸入方波步進(jìn)信號：當(dāng)Vin為“0”電平，由與門A2輸出Vb為“0”電平，功率管（達(dá)林頓管）VT截止，繞組W上無電流通過，采樣電阻上R3上無反饋電壓，A1放大器輸出高電平；而當(dāng)Vin為高電平時(shí)，由與門A2輸出的Vb也是高電平，功率管VT導(dǎo)通，繞組W上有電流，采樣電阻上R3上出現(xiàn)反饋電壓Vf，由分壓電阻R1、R2得到設(shè)定電壓與反饋電壓相減，來決定A1輸出電平的高低，來決定Vin 信
號能否通過與門A2。若Vref >Vf時(shí)Vin信號通過與門，形成Vb正脈沖，打開功率管VT；反之，Vref
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