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編號
無錫太湖學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目： 熱盤加工專用機(jī)床設(shè)計
進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 電控系統(tǒng)設(shè)計
信機(jī) 系 機(jī)械工程及自動化 專業(yè)
學(xué) 號： 0923243
學(xué)生姓名： 張 丞
指導(dǎo)教師： 張大駿（職稱：高級工程師）
（職稱： ）
2013年5月25日
XXXVI
無錫太湖學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計（論文）
誠 信 承 諾 書
本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文） 熱盤加工專用機(jī)床設(shè)計 是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進(jìn)行研究所取得的成果，其內(nèi)容除了在畢業(yè)設(shè)計（論文）中特別加以標(biāo)注引用，表示致謝的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計（論文）不包含任何其他個人、集體已發(fā)表或撰寫的成果作品。
班 級： 機(jī)械95
學(xué) 號： 0923243
作者姓名：
2013 年 5 月 25 日
無錫太湖學(xué)院
信 機(jī) 系 機(jī)械工程及自動化 專業(yè)
畢 業(yè) 設(shè) 計論 文 任 務(wù) 書
一、題目及專題：
1、題目 熱盤加工專用機(jī)床設(shè)計
2、專題 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 電控系統(tǒng)設(shè)計
二、課題來源及選題依據(jù)
本課題為橡膠機(jī)械中的一個重要部件，該工件為迷宮形的通道，內(nèi)通蒸汽。而熱盤就是作為蒸汽通道用的。
本課題的背景是廠方已簽訂了兩年（每件1000件）熱盤的加工協(xié)議。如能按質(zhì)按量完成。前景是可以簽訂長期（不少于5年） 的加工協(xié)議。
以每只零件通道加工800元計。每年可有80萬加工費。如長期加工建議采用立式鏜銑床加工中心（售價約160萬元）。
目前廠方要求設(shè)計一個過渡加工機(jī)床，等取得了長期合同后再進(jìn)行購買立式鏜銑床加工中心。廠方目前流動資金不是很充裕，故要求以低廉的價格制造出加工機(jī)床，要求穩(wěn)定性好，加工精度要求不是很高。
三、本設(shè)計（論文或其他）應(yīng)達(dá)到的要求：
I
① 對總體加工方案的比較及數(shù)控編程。
② 進(jìn)給系統(tǒng)部件圖、電控系統(tǒng)部件圖、零件圖（折合0號圖紙不少于三張）。
③ 設(shè)計說明書一份（不少于1萬字）。
④ 專業(yè)英語翻譯一份（不少于1萬字）。
四、接受任務(wù)學(xué)生：
機(jī)械95 班 姓名 張 丞
五、開始及完成日期：
自2012年11月12日 至2013年5月25日
六、設(shè)計（論文）指導(dǎo)（或顧問）：
指導(dǎo)教師 簽名
簽名
簽名
教研室主任
〔學(xué)科組組長研究所所長〕 簽名
系主任 簽名
2012年11月12日
I
摘 要
鑒于我國目前資金短缺，工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小的特點，用較小資金迅速改變機(jī)械工業(yè)落后的生產(chǎn)面貌，使之盡可能地提高自動化程度保證生產(chǎn)質(zhì)量，減輕勞動程度提高經(jīng)濟(jì)效益。而實現(xiàn)這一任務(wù)有效的、基本的途徑就是普及以及應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。
此次設(shè)計的熱盤加工專用機(jī)床就是把普通機(jī)床和數(shù)控技術(shù)結(jié)合在一起。機(jī)床的設(shè)計參考了立式銑床和龍門鏜銑床的床身和加工方式，同時附加了數(shù)控技術(shù)?？梢詫崿F(xiàn)加工的自動化，提高了加工的效率。
在熱盤加工專用機(jī)床的設(shè)計中，我主要負(fù)責(zé)進(jìn)給系統(tǒng)和電控系統(tǒng)設(shè)計。進(jìn)給系統(tǒng)是采用，步進(jìn)電機(jī)，滾珠絲杠副和直線滾動導(dǎo)軌相結(jié)合的傳遞方式，利用步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)工作臺沿導(dǎo)軌方向運動。電控系統(tǒng)主要是采用8031芯片，構(gòu)成開環(huán)系統(tǒng)，利用芯片控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向，實現(xiàn)自動化加工。
這次設(shè)計的機(jī)床雖然加工精度不是很高，但穩(wěn)定性好，價格低廉，設(shè)備費用投入較少，滿足企業(yè)發(fā)展初期的需要，適合我國目前國情。
關(guān)鍵詞：數(shù)控化;步進(jìn)電機(jī);滾珠絲杠
III
ABSTRACT
In view of the shortage of funds, and small-scale industrial production, smaller funds rapidly changing the face of Machinery Industry backward production, so as much as possible to improve the degree of automation to ensure production quality, reduce the degree of labor to improve economic efficiency. Effective to achieve this task, the basic way is universal and application of economical CNC.
The design of the hot plate special machine is ordinary machine tools and CNC technologies together. The design of the machine reference bed and processing of vertical milling machine and gantry milling machine, and additional CNC technology. Can realize the automation of the processing, improve the processing efficiency.
Hot plate special machine design, is mainly responsible for the feed system and electric control system design. The feed system is used, the stepper motor, ball screw and linear rolling guide rail combining the transfer mode, the use of stepper motor rotation, driven by the rotation of the ball screw, in order to achieve the direction of movement of the table along the guide rails. The electronic control system is using the 8031 chip, constitute the open-loop system, take advantage of the speed and direction of the chip stepper motor control, automated processing.
The design of the machine is not very high machining accuracy, good stability, low prices, equipment costs less input, to meet the needs of the early development of enterprises, suited to China's national conditions.
Key words: CNC ;stepper motor ;ball screw
I
目 錄
摘 要 III
ABSTRACT IV
目 錄 V
1 緒論 1
1.1概述 1
1.2 課題源公司的簡介 1
1.3 本設(shè)計任務(wù)相關(guān)要求 1
1.4 熱盤工件圖樣 1
2 加工方法選擇 3
2.1 工藝方案的制定 3
2.2 采用立式銑削加工的理由 3
2.3 數(shù)控機(jī)床 4
2.3.1 數(shù)控機(jī)床工作原理 4
2.3.2 數(shù)控機(jī)床的組成 4
2.3.3 數(shù)控編程坐標(biāo)系的選取 5
3 機(jī)床總體設(shè)計方案的擬定 6
4 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 9
4.1 工作臺進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計 9
4.1.1 傳動部件的選擇和分析 9
4.1.2 導(dǎo)軌的選擇與設(shè)計 10
4.1.3 驅(qū)動電機(jī)的選擇和分析 12
4.1.4 軸承的選擇 16
4.1.5 工作臺進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 18
4.2 橫梁進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 19
4.2.1 橫梁進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 19
4.2.2 橫梁結(jié)構(gòu)的分析 20
4.2.3 橫梁進(jìn)給系統(tǒng)零部件選擇 20
5 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計 21
5.1工作臺進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計 21
5.1.1 滾珠絲杠的機(jī)械特性計算 21
5.1.2 導(dǎo)軌副的作用、計算與選擇 23
5.1.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 23
5.1.4 聯(lián)軸器的選擇 25
5.1.5 軸承的選擇 25
5.2橫梁進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計 25
6 電控系統(tǒng)部分設(shè)計 26
V
6.1 控制形式的選擇和分析 26
6.1.1 開環(huán)控制系統(tǒng) 26
6.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng) 26
6.1.3 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 26
6.2 控制系統(tǒng)方案確定 27
6.2.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 27
6.2.2 總體組成 27
6.3 軟、硬件任務(wù)合理分配 27
6.4 主控器 28
6.4.1 主控芯片選擇 28
6.4.2 MCS---51系列單片機(jī)介紹 28
6.4.3 三總線結(jié)構(gòu) 29
6.4.4 存儲器結(jié)構(gòu) 29
6.4.5 時序 29
6.4.6 中斷功能 31
6.4.7 MCS---51單片機(jī)常用系統(tǒng)擴(kuò)展芯片 31
6.5 存儲系統(tǒng)擴(kuò)展設(shè)計 31
6.5.1 芯片選擇 31
6.5.2 地址分配及譯碼 32
6.6 機(jī)床中部分電機(jī)控制電路 34
6.6.1 電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路 34
6.6.2 冷卻泵的控制電路 35
7 結(jié)論與展望 37
7.1結(jié)論 37
7.2不足之處及未來展望 37
致 謝 38
參考文獻(xiàn) 39
I
熱盤加工專機(jī)設(shè)計 進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計 電控系統(tǒng)設(shè)計
1 緒論
1.1概述
畢業(yè)設(shè)計是對每個即將畢業(yè)的大學(xué)生在校四年學(xué)習(xí)情況的綜合測評和考量，對每個要走向社會的我們具有非常重要的意義，是對學(xué)校和家長做出一次總結(jié)性的匯報，是對自我能力的一次展示，還是對自我不足的一種審查。更是非常有用的一次實踐機(jī)會。
本次畢業(yè)設(shè)計的題目是“橡膠輪胎硫化機(jī)熱盤加工專用機(jī)床設(shè)計”專題是“進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計，電控系統(tǒng)設(shè)計”課題來源于昌明橡膠機(jī)械制造有限公司的熱盤加工專用機(jī)床設(shè)計，對于橡膠產(chǎn)業(yè)中所使用的熱盤加工及機(jī)械產(chǎn)業(yè)中的零部件的加工均有一定的參考價值。
本設(shè)計應(yīng)達(dá)到的要求：
1.對熱盤加工工藝（經(jīng)簡化）方案的簡要分析比較；
2.完成本設(shè)計的機(jī)床總圖及床身部件圖；
3.設(shè)計說明書一份，要求對機(jī)床的總體設(shè)計部分詳細(xì)分析說明，并包括必要的計算，文字簡潔通順，重要公式數(shù)據(jù)應(yīng)注明出處；
4.對制造廠家調(diào)研，了解其對質(zhì)量、成本要求，索設(shè)計的專機(jī)要結(jié)合廠方具體生產(chǎn)條件。
1.2 課題源公司的簡介
江陰昌明橡膠機(jī)械有限公司,位于風(fēng)景秀麗的江蘇省無錫市江陰祝塘鎮(zhèn)文林社區(qū)，距無錫市五十公里,水陸交通十分便利。
該公司專門從事橡膠機(jī)械的生產(chǎn).其各項性能指標(biāo)均已達(dá)到國外同類產(chǎn)品的水平， 目前，該公司設(shè)計和生產(chǎn)的產(chǎn)品已為國內(nèi)外幾十家生產(chǎn)廠家配套。該公司除對現(xiàn)有產(chǎn)品精益求精外,還可根據(jù)用戶需要專業(yè)設(shè)計,制造特殊的產(chǎn)品。
公司秉承“創(chuàng)新理念、追求卓越、迅速改善、永續(xù)經(jīng)營的經(jīng)營理念”，并以“質(zhì)量是第一工作”，“顧客的滿意是我們的榮譽(yù)”作為我們永遠(yuǎn)不變的質(zhì)量政策；以愛護(hù)環(huán)境、回報社會、關(guān)愛雇員等社會責(zé)任為己任；把“誠信、負(fù)責(zé)、創(chuàng)新、團(tuán)隊”作為公司不斷的追求和目標(biāo)，愿與廣大朋友攜手共創(chuàng)美好的明天！
1.3 本設(shè)計任務(wù)相關(guān)要求
廠方要求盡量降低造價，力爭造價在5萬元以內(nèi)。并且本設(shè)計于四月初定稿，五月開始試制，七月裝配完成并放入生產(chǎn)。因為年產(chǎn)1000件并簽訂了兩年的合同，但顧慮到今后如長期合同，則購入大型立式鏜銑加工中心加工，但該機(jī)床售價160萬左右，目前經(jīng)濟(jì)上不可能，如這兩年合同完成，又有（三年以上）加工合同，則可以考慮購買立式加工中心。（現(xiàn)每只零件銑加工費用為800元到900元）
1.4 熱盤工件圖樣
圖1.1 熱盤工件圖樣
2 加工方法選擇
2.1 工藝方案的制定
機(jī)械加工工藝規(guī)程是規(guī)定產(chǎn)品或零部件機(jī)械加工工藝過程和操作方法的工藝文件。生產(chǎn)規(guī)模的大小，工藝水平的高低以及解決各種工藝問題的方法和手段都要通過機(jī)械加工工藝規(guī)程來體現(xiàn)。因此，機(jī)械加工工藝規(guī)程設(shè)計是一項重要而又嚴(yán)肅的工作。為能具體確切地說明工藝過程，一般將機(jī)械加工工藝過程分為工序、安裝、工位、工步和走刀。
這是設(shè)計組合機(jī)床最重要的一步。工藝方案制定得正確與否，將決定機(jī)床能否達(dá)到“體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，效率高，質(zhì)量好”的要求。為了使工藝方案制定的合理，先進(jìn)，必須從認(rèn)真的分析被加工的零件（或同類零件）圖紙開始，深入現(xiàn)場全面了解被加工零件的結(jié)構(gòu)特點，加工部位，尺寸精度，表面粗糙度和技術(shù)要求，定位夾緊方式工藝方法和加工過程所采用的刀具，輔具，切屑用量情況及產(chǎn)生率要求高，分析其優(yōu)缺點，總結(jié)設(shè)計，制造，使用單位和操作者的豐富的實踐經(jīng)驗，以求理論緊密聯(lián)系生產(chǎn)實際，從而確定零件在組合機(jī)床上完成的工藝（工序）內(nèi)容及方法，決定刀具種類，結(jié)構(gòu)型式，數(shù)量及切屑用量等。
根據(jù)選定的工藝方案確定機(jī)床的配置型式，并定出影響機(jī)床總體布局和技術(shù)性能的主要部件的結(jié)構(gòu)方案。既要考慮能實現(xiàn)工藝方案，以確保零件的加工精度，技術(shù)要求及生產(chǎn)率；又要考慮機(jī)床的操作方便可靠，易于維修，且冷卻，排屑情況良好。
以上兩個步驟是十分重要的。對于同一個零件的加工，可能會有各種不同的工藝方案和機(jī)床配置方案，在最后決定采取哪種方案時，決不能草率，要全面地看問題，綜合分析各方面的情況，進(jìn)行多種方案對比，從中選擇最佳方案。
2.2 采用立式銑削加工的理由
由于銑削具有工藝范圍廣、生產(chǎn)效率高、容易產(chǎn)生振動、刀齒散熱條件好等特點，所以立式銑床的銑削加工時中小零件的加工中非常普遍。
立式銑床銑削加工的特點：銑刀是典型的多刃刀具， 加工過種有幾個刀齒同時參加切削， 點的切削寬度較大，銑削時的主運動是銑刀的旋轉(zhuǎn)，有利于進(jìn)行高速切削，故銑刀的生產(chǎn)率高于刨削加工。 銑削加工范圍廣，可以加刨削無法加工或難以加工的表面。立式銑床銑削過程中，就每個刀齒而言是依次參加切削，刀齒在離開工件的一段時間內(nèi)，可以得到 一次冷卻，因此，刀齒散熱條件好，有利于減少銑刀的磨損，延長了使用壽命。由于是斷續(xù)切削，刀齒在切入切出工件時產(chǎn)生沖擊，而且每個刀齒的切削厚度也時刻在變化，這就引起切削面積和切削力的變化，因此銑削過程不平穩(wěn)，容易產(chǎn)生振動，直接影響工件表面粗糙度。
立式銑床銑刀比刨床刨刀結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，銑刀的制造與刃磨比刨刀困難，所以銑削成本比刨削高。銑削與刨削的加工質(zhì)量大致相同，經(jīng)粗精加工后都可達(dá)到中等精度，但在加工大平面時， 刨削后明顯接刀痕，而且直徑小于工件寬度的端銑刀加工時，各次走刀間有明顯的接刀痕，影響表面質(zhì)量，銑削加工用于單件小批量生產(chǎn)，也造用于大批量生產(chǎn)。
2.3 數(shù)控機(jī)床
2.3.1 數(shù)控機(jī)床工作原理
數(shù)控機(jī)床加工零件時，首先應(yīng)編制零件的數(shù)控程序，這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。將數(shù)控程序輸入到數(shù)控裝置，在由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運動的變速、啟停、進(jìn)給運動的方向、速度、位移大小以及其它諸如刀具選擇交換、工件加緊松開和冷卻液的啟、停等工作，使刀具與工件及其它輔助裝置嚴(yán)格按照數(shù)控程序規(guī)定的順序、路程和參數(shù)進(jìn)行工作，從而加工出形狀、尺寸與精度復(fù)合要求的零件。
2.3.2 數(shù)控機(jī)床的組成
數(shù)控機(jī)床的種類繁多，但從組成一臺完整的機(jī)床上講，一般由，控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、檢測反饋裝置和機(jī)床本體五大部分及輔助設(shè)備組成。如圖2.1
圖2.1 數(shù)控機(jī)床的組成
2.3.2.1 控制介質(zhì)
控制介質(zhì)是指將零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體?？刂平橘|(zhì)有多種形式，它隨著數(shù)控裝置的類型不同而不同，常有的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶和磁盤等。除了上述幾種控制介質(zhì)外，還有一部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用數(shù)碼盤、數(shù)碼插銷或利用鍵盤直接將程序及數(shù)據(jù)輸入。另外，隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，有些數(shù)控設(shè)備利用CAD/CAM技術(shù)在其它計算機(jī)上編程，然后通過計算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。
2.3.2.2 數(shù)控裝置
數(shù)控裝置時數(shù)控機(jī)床的控制中心，現(xiàn)在的數(shù)控裝置通常由一臺通用或?qū)Ｓ梦⑿陀嬎銠C(jī)構(gòu)成。它由輸入裝置、控制運算器和輸出裝置等構(gòu)成。
輸入裝置接受控制介質(zhì)上的信息競購識別和譯碼之后，送到運算控制器。這些信息將最為控制和運算的原始數(shù)據(jù)?？刂七\算器根據(jù)輸入裝置送來的信息進(jìn)行運算，并將控制命令送往輸出裝置。輸出裝置將控制運算器發(fā)出的控制命令送到伺服系統(tǒng)，經(jīng)功率放大，驅(qū)動機(jī)床完成相應(yīng)的動作。
2.3.2.3 伺服系統(tǒng)
伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動和執(zhí)行兩大部分。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)指令信息，并按照指令信息的要求帶動機(jī)床的移動部件運動或畸形部分動作，一加工出復(fù)合要求的零件。指令信息是以脈沖信息體現(xiàn)的，每一個脈沖使機(jī)床移動部件產(chǎn)生的位移量叫脈沖當(dāng)量（常用的脈沖當(dāng)量為0.001~0.01）。目前數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，常用的位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)是功率步進(jìn)電機(jī)，直流伺服電動機(jī)和交流伺服電動機(jī)，后兩者都帶有電光編碼器等位置測量組件。
2.3.2.4 機(jī)床本體
機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，是用于完成各種切削工作的機(jī)械部分，它是在原普通機(jī)床的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得到的，具有以下優(yōu)點：
1. 數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸及伺服傳動系統(tǒng)，機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)簡化，傳動鏈較短。
2.數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的剛度、阻尼精度及耐磨性，熱變形小。
3.更多的采用高效傳動部件，如滾珠絲杠副，直線滾動導(dǎo)軌等。
2.3.2.5 檢測反饋裝置
檢測反饋裝置由檢測元件和相應(yīng)的測量電路組成。其作用是檢測速度、位移或工件尺寸，并將信息反饋給數(shù)控裝置，構(gòu)成閉環(huán)控制。沒有檢測反饋裝置的數(shù)控系統(tǒng)被稱為開環(huán)系統(tǒng)；直接從工作臺或工件獲取反饋信息的數(shù)控系統(tǒng)被稱為閉環(huán)系統(tǒng)；從伺服電機(jī)運轉(zhuǎn)軸獲取反饋信息的數(shù)控系統(tǒng)被稱為半閉環(huán)系統(tǒng)（檢測反饋裝置包括在伺服系統(tǒng)中）。
常用的檢測元件有脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、電感應(yīng)傳感器、光柵和磁尺等。
除上述五個部分外，數(shù)控機(jī)床還有一些輔助裝置及附屬設(shè)備，如電源、液壓、氣動系統(tǒng)與冷卻、排屑、潤滑、照明、儲運等裝置以及編程機(jī)、對刀儀等。
2.3.3 數(shù)控編程坐標(biāo)系的選取
機(jī)床中使用順時針方向的直角坐標(biāo)系（右手笛卡爾直角坐標(biāo)系），機(jī)床中的運動是指刀具和工件之間的相對運動，是道具相對于靜止工件的運動。
直角坐標(biāo)系的編程程序更加適用于縱向工作臺?？v向工作臺由縱向絲杠帶動在轉(zhuǎn)臺的導(dǎo)軌上作縱向移動，以帶動臺面上的工件作縱向進(jìn)給。臺面上的 T形槽用以安裝夾具或工件。根據(jù)工件加工的需要，在機(jī)床上各運動坐標(biāo)的數(shù)字控制可以是相互獨立的，也可以是聯(lián)動的?？v向工作臺在精度，穩(wěn)定和快速相應(yīng)等方面十分配合系統(tǒng)，且縱向工作臺價格較低，設(shè)計也相對簡單，使用更加便捷。
在數(shù)學(xué)中的極坐標(biāo)系是由極點、極軸和極角組成，然而在數(shù)控車銑加工中心上的極坐標(biāo)系的概念與數(shù)學(xué)中的極坐標(biāo)系完全不同，在車銑加工中心上的極坐標(biāo)系是在與機(jī)床Z軸垂直的平面內(nèi)，由相互垂直的實軸（第一軸）X和虛軸（第二軸）C組成，極坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點與程序原點重合，且虛軸C的單位不是度或弧度，而是與實軸X軸的單位一樣，均為毫米。
極坐標(biāo)系編程適應(yīng)分度回轉(zhuǎn)工作臺，分度回轉(zhuǎn)工作臺是機(jī)械加工中常用的機(jī)床附件，用于鏜床，銑床，鉆床等需要多面轉(zhuǎn)位加工的工件。分度回轉(zhuǎn)工作臺操作不便，而且分度只限于某些規(guī)定的角度，難以滿足一些特殊分度工件的加工要求，而且由于分度回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計繁瑣，造價比較昂貴并且不便于大型工件裝夾。
綜上所述，所以由于造價成本的需求，此次選用直角坐標(biāo)系進(jìn)行編程。
3 機(jī)床總體設(shè)計方案的擬定
由于此次要加工的零件為熱盤，加工以銑削為主。因此，此次的機(jī)床設(shè)計參考銑床的樣式。
在日常生活中常用的銑床為立式銑床，臥式銑床和龍門銑床。
立式銑床（見圖3.1）與臥式銑床（見圖3.2）相比較，主要區(qū)別是主軸垂直布置，除了主軸布置不同以外，工作臺可以上下升降， 立式銑床用的銑刀相對靈活一些，適用范圍較廣?？墒褂昧姷?、機(jī)夾刀盤、鉆頭等?？摄婃I槽、銑平面、鏜孔等。臥式銑床也可使用上面各種刀具，但不如立銑方便，主要是可使用掛架增強(qiáng)刀具（主要是三面刃銑刀、片狀銑刀等）強(qiáng)度。可銑槽、銑平面、切斷等。臥式銑床一般都帶立銑頭，雖然這個立銑頭功能和剛性不如立式銑床強(qiáng)大，但足以應(yīng)付立銑加工。這使得臥式銑床總體功能比立式銑床強(qiáng)大。立式銑床沒有此特點，不能加工適合臥銑的工件。生產(chǎn)率要比臥式銑床高。立式銑床是一種通用金屬切削機(jī)床。本機(jī)床的主軸錐孔可直接或通過附件安裝各種圓柱銑刀、成型銑刀、端面銑刀、角度銑刀等刀具。
產(chǎn)品用途：適用于加工各種零部件的平面、斜面、溝槽、孔等，是機(jī)械制造、模具、儀器、儀表、汽車、摩托車等行業(yè)的理想加工設(shè)備。所以現(xiàn)在很多廠家，都選用臥式銑床加立銑頭，節(jié)省設(shè)備投資。但是由于立銑的零活多，這種臥式銑床加立銑頭的方式，實際上是天天掛著立銑頭，當(dāng)立銑用，反而不如立式銑床更適合。 臥銑多用于齒輪,花鍵,開槽,切割等加工,立式銑床除多用于平面加工方面外,平面有高低曲直幾何形狀的工件,如模具類,立銑也可以發(fā)揮很大的作用。
龍門銑床簡稱龍門銑（見圖3.3），是具有門式框架和臥式長床身的銑床。龍門銑床上可以用多把銑刀同時加工表面，加工精度和生產(chǎn)效率都比較高，適用于在成批和大量生產(chǎn)中加工大型工件的平面和斜面。數(shù)控龍門銑床還可加工空間曲面和一些特型零件。龍門銑床的外形與龍門刨床相似，區(qū)別在于它的橫梁和立柱上裝的不是刨刀刀架而是帶有主軸箱的銑刀架，并且龍門銑床的縱向工作臺的往復(fù)運動不是主運動，而是進(jìn)給運動，而銑刀的旋轉(zhuǎn)運動是主運動。且龍門銑床具有足夠的剛性，效率高，操作方便，結(jié)構(gòu)簡單，性能全面性等特點。另外，由于龍門銑床的特殊結(jié)構(gòu)，十分便于大型工件的裝夾。
圖3.1 立式銑床 圖3.2 臥式銑床
圖3.3 龍門銑床
通過對于立式銑床與龍門銑床的性能分析，本次設(shè)計將龍門銑床與立式銑床相結(jié)合，工作臺通過滾珠絲杠的帶動進(jìn)行Y軸方向的運動，動力頭固定在橫梁上通過滾珠絲杠的帶動進(jìn)行X軸方向的運動。
圖3.4 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)圖
如圖3.4，圖中1為工作臺進(jìn)給系統(tǒng)，2為橫梁進(jìn)給系統(tǒng)，在此次的設(shè)計中，我主要負(fù)責(zé)這兩個進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計。
4 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計
4.1 工作臺進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計
4.1.1 傳動部件的選擇和分析
4.1.1.1 齒輪傳動裝置
齒輪傳動式應(yīng)用非常廣泛的一種機(jī)械傳動，各種機(jī)床的傳動裝置中幾乎都有齒輪傳動。在數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給系統(tǒng)中采用齒輪傳動裝置的目的有兩個。一時將高轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)矩的伺服電機(jī)（如步進(jìn)電機(jī)、直流和交流伺服電機(jī)等）的輸出改變?yōu)榈娃D(zhuǎn)速大轉(zhuǎn)矩的執(zhí)行件的輸入；另一個是使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量在系統(tǒng)中專有較小的比重。此外，對于開環(huán)系統(tǒng)還可以保證所要求的運動精度。
為了盡量減小齒側(cè)間隙對數(shù)控機(jī)床加工精度的影響，經(jīng)常在結(jié)構(gòu)上采取措施，以減小或消除齒輪副的空程誤差。如采用雙片齒輪錯齒法、利用偏心套調(diào)整齒輪副中心距或采用軸向墊片調(diào)整法消除齒輪側(cè)隙。
與采用同步齒形帶相比，在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動鏈中采用齒輪減速裝置，更容易產(chǎn)生低頻振蕩，因此減速機(jī)構(gòu)中常配置阻尼器來改善動態(tài)性能。
4.1.1.2 帶傳動
帶傳動是一種應(yīng)用很廣泛的機(jī)械傳動。帶傳動又主動輪，從動輪和適度張緊在兩輪上的封閉環(huán)傳動帶組成，它是利用傳動帶作為中間的擾性件，依靠傳動帶與帶輪之間的摩擦力來傳遞運動的。
4.1.1.3 鏈傳動
鏈傳動是由閉合的撓性環(huán)形兩條和主，從動輪組成，鏈輪是特殊齒形的齒，依靠鏈輪輪齒的鏈節(jié)的嚙合來傳遞運動和動力，鏈傳動時屬于帶有中間撓性的嚙合運動。
4.1.1.4 蝸桿傳動
蝸桿傳動是用來傳遞空間年交錯軸之間的運動與動力，一般兩咒夾角為90度。
4.1.1.5 滾珠絲杠螺母副
為了提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，必須降低數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的摩擦并減少靜、動摩擦系數(shù)之差。因此形成不太長的直線運動機(jī)構(gòu)常用滾珠絲杠副。
滾珠絲杠副的傳動效率高達(dá)85%-98%，是普通滑動絲杠副的2~4倍。滾珠絲杠副的摩擦角小于1°，因此不自鎖。如果滾珠絲杠副驅(qū)動升降運動（如主軸箱或升降臺的升降），則必須有制動裝置。
滾珠絲杠的靜、動摩擦系數(shù)實際上巨虎沒有什么差別。它可以消除反向間隙并施加預(yù)載，有助于提高定位精度和剛度。滾珠絲杠由專門工廠制造。
數(shù)控加工時，需將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變成直線運動，故采用絲杠螺母傳動機(jī)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床上一般采用滾珠絲杠，它可將滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦，滿足進(jìn)給系統(tǒng)減少摩擦的基本要求。該傳動副傳動效率高，摩擦力小，并可消除間隙，無反向空行程；但制造成本高，不能自鎖，尺寸亦不能太大，一般用于中小型數(shù)控機(jī)床的直線進(jìn)給。
滑動絲杠螺母副用于舊機(jī)床的數(shù)控改造、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床等；滾珠絲杠螺母副用于中高檔數(shù)控機(jī)床；靜壓絲杠螺母副用于高精度 數(shù)控機(jī)床、重型機(jī)床。滾珠絲杠螺母副滾珠循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)與內(nèi)循環(huán)。
（a）外循環(huán) (b) 內(nèi)循環(huán)
圖4.1 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)及原理
1）內(nèi)循環(huán)
滾珠在循環(huán)過程中與絲杠始終保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。喂了保證承載能力，一個螺母中要保證有3～4圈滾珠工作。內(nèi)循環(huán)滾珠的回路短，滾珠數(shù)目少，流暢性好，摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸緊湊，軸向剛度高。但此種循環(huán)方式不能用于多頭螺紋傳動，回珠槽形狀復(fù)雜，需要用三坐標(biāo)數(shù)控銑床加工。適用于各種高靈敏、高剛度的精密進(jìn)給定位系統(tǒng)。重載荷、多頭螺紋、大導(dǎo)程不宜采用。
2）外循環(huán)
滾珠在循環(huán)回路中與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)。根據(jù)滾珠循環(huán)回路結(jié)構(gòu)形式的不同可分為螺旋槽式、插管式和蓋板式等。
螺旋槽式的結(jié)構(gòu)在螺母體上的回珠螺旋槽與回珠孔不易準(zhǔn)確平滑連接，拐彎處曲率變化較大，滾珠運動不平穩(wěn)。擋珠機(jī)構(gòu)剛性差，易磨損，適用于一般機(jī)床，在高剛度傳動和高速運轉(zhuǎn)的場合不宜采用。
插管式滾珠螺母是利用插入螺母的管道作為回珠槽，分為凸出式插管型和內(nèi)包式插管型。其結(jié)構(gòu)簡單，工藝性優(yōu)良，適合成批生產(chǎn)?；刂楣芸稍O(shè)計制造成較理想的運動管道。適用于重載荷傳動、高速驅(qū)動及精密定位系統(tǒng)。在大導(dǎo)程、小導(dǎo)程、多頭螺紋中顯示出獨特優(yōu)點，是目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)。
此次的設(shè)計是依靠步進(jìn)電機(jī)通過齒輪傳動減速，帶動滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動，從而使工作臺移動，所以選擇齒輪傳動和滾珠絲杠傳動部件。滾珠絲杠用內(nèi)循環(huán)單螺母式[1]。
4.1.2 導(dǎo)軌的選擇與設(shè)計
導(dǎo)軌的主要功能是導(dǎo)向和承載。導(dǎo)軌使運動部件沿一定的軌跡運動，從而保證各部件之間的相對位置精度。導(dǎo)軌主要由機(jī)床上兩個相對運動部件的配合而組成一對導(dǎo)軌副，其中，不動的配合面成為支承導(dǎo)軌，運動的配合面稱為運動導(dǎo)軌。
機(jī)電一體化系統(tǒng)對導(dǎo)軌的基本要求是導(dǎo)向精度高、剛性好、運動輕便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化小以及結(jié)構(gòu)工藝性好等。
按接觸面的摩擦性質(zhì)可分為：
1） 滑動導(dǎo)軌副：
滑動導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)簡單，阻尼系數(shù)大，剛度大；但易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象，易磨損。滑動導(dǎo)軌是金屬對金屬型式，目前在數(shù)控機(jī)床上很少采用。摩擦系數(shù)較大，而且變化范圍也大，對于精度高的工件加工心有余而力不足。承載能力中等。接觸剛度高。滑動導(dǎo)軌一般僅用于普通精度的機(jī)床。數(shù)控機(jī)床已不采用。
圖4.2 滑動摩擦導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)
2） 滾動導(dǎo)軌副：
直線滾動導(dǎo)軌由導(dǎo)軌和滑塊兩部分組成。導(dǎo)軌通常為兩根，裝在支撐件上，每根導(dǎo)軌上有2個滑塊，固定在移動件導(dǎo)軌體上。
直線滾動導(dǎo)軌副的工作原理就是滑塊中裝有四組滾珠，在導(dǎo)軌條的滑塊的斷點，就經(jīng)合成樹脂制造的端面擋板和滑塊中的回珠孔回到另一端，經(jīng)另一端端面擋板再進(jìn)入循環(huán)。四組滾珠各有自己的回株孔，分別處于滑塊的四角。四組滾珠和滾道相當(dāng)于四個直線運動角接觸滾珠軸承。接觸角為45度時，四個方向具有相同的承載能力。
圖4.3 直線滾動導(dǎo)軌的外形和結(jié)構(gòu)
3） 液體靜壓導(dǎo)軌：
無磨損，無靜摩擦，無低速爬行現(xiàn)象，阻尼系數(shù)大；但設(shè)計、制造、使用較復(fù)雜。
圖4.4 開式靜壓導(dǎo)軌
4） 氣浮導(dǎo)軌：
無磨損，無靜摩擦，無低速爬行現(xiàn)象，無需回行管道，不產(chǎn)生污染；但剛度小，阻尼系數(shù)很小，容易引起振蕩。
通過綜合比較，此次設(shè)計中選用直線滾動導(dǎo)軌副[2]。
4.1.3 驅(qū)動電機(jī)的選擇和分析
機(jī)床的伺服驅(qū)動一般是通過電機(jī)的驅(qū)動來實現(xiàn)的?？刂齐姍C(jī)一般是指用于自動控制、自動調(diào)節(jié)、遠(yuǎn)距離測量、隨動系統(tǒng)以及計算機(jī)裝置中的微特電機(jī)。它是構(gòu)成開環(huán)控制、閉環(huán)控制、同步連接等系統(tǒng)的基礎(chǔ)元件，根據(jù)它在自動控制系統(tǒng)中的職能可分為測量元件、放大元件、執(zhí)行元件和校正元件四類?？刂齐姍C(jī)主要用來完成控制信號的傳遞和變換，要求它們技術(shù)性能穩(wěn)定可靠、動作靈敏、精度高、體積小、重量輕、耗電少?？刂齐姍C(jī)的主要任務(wù)是轉(zhuǎn)換和傳動控制信號，能量的轉(zhuǎn)換是次要的。
控制電機(jī)的類型很多，常用的有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)[3]。
4.1.3.1 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)又稱電脈沖馬達(dá)，是伺服電機(jī)的一種。步進(jìn)電機(jī)可按照輸入的脈沖指令一步步的旋轉(zhuǎn)，即可將輸入的數(shù)字指令信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移。因此它實際上是一種數(shù)模轉(zhuǎn)換裝置。由于步進(jìn)電機(jī)成本較低，易于控制，因而被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。
步進(jìn)電機(jī)按照產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方式可分為永磁式（PM）、可變磁阻式（VR） 和混合式（HB）三種。 永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子是用圓柱形永磁鐵制作的，定子上有通電繞組。定子繞組通電勵磁后，與轉(zhuǎn)子永磁鐵產(chǎn)生的磁場，根據(jù)同性相斥、異性相吸的原理驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。永磁式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩小，步距角為7.5°~9°，廣泛用于計算機(jī)外圍設(shè)備和儀器儀表行業(yè)。
可變磁阻式步進(jìn)電機(jī)也叫反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子和定子由鐵芯制作，定子上繞組有通電線圈。定子通電勵磁與轉(zhuǎn)子鐵芯之間的吸引力驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子在定子磁場中始終專項磁阻最小的位置。反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)沒有永磁鐵，因此在斷電后沒有保持力。
混合式步進(jìn)電機(jī)則綜合了永磁式步進(jìn)電機(jī)和反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點，永磁鐵轉(zhuǎn)子和定子有軸向齒槽，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生原理同永磁式步進(jìn)電機(jī)。混合式步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩大，斷電時具有保持力，步距角為0.9°~15°。
步進(jìn)電機(jī)有如下特點。
①輸出角與輸入脈沖嚴(yán)格成比例，且在時間上同步。步進(jìn)電機(jī)的步距角不受各種干擾因素，如電壓的大小、電流的強(qiáng)弱、波形等的影響，轉(zhuǎn)子的速度主要取決于脈沖信號的頻率，總的位移量則取決于總脈沖的個數(shù)。
②轉(zhuǎn)子慣量小，啟、停時間短。
③輸出轉(zhuǎn)角的精度高，無累積誤差。步進(jìn)電機(jī)實際步距角與理論步距角總有一定的誤差，且誤差可以累加，但是當(dāng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過一周后，總的誤差又回到零。
④易于計算機(jī)控制，維修方便，壽命長。步進(jìn)電機(jī)本身就是一個數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，能夠直接接受計算機(jī)輸出的數(shù)字量。
⑤容易實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)和啟、?？刂啤?
⑥能量效率低，存在失步現(xiàn)象。
4.1.3.2 直流伺服電機(jī)
直流伺服電機(jī)具有響應(yīng)迅速、精度和效率高、高速范圍寬、負(fù)載能力大、控制特性優(yōu)良等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用在閉環(huán)或半閉環(huán)控制的伺服系統(tǒng)中。其缺點就是轉(zhuǎn)子上安裝了具有機(jī)械運動性質(zhì)的電刷和換向器，需要定期維修和更換電刷，使用壽命短、噪聲大，電機(jī)功率不能太大等。
直流伺服電機(jī)按定子磁場產(chǎn)生方式可分為永磁式和他勵式兩類，它們的性能相近。由于永磁式直流伺服電機(jī)不需要外加勵磁電源，因而在機(jī)電一體化伺服系統(tǒng)中應(yīng)用較多。
直流伺服電機(jī)按電樞的結(jié)構(gòu)與形狀可分為平滑電樞型、空心電樞型和有槽電樞型等。平滑電樞型的電樞無槽，其繞組用環(huán)氧樹脂粘固在電樞鐵芯上，因而轉(zhuǎn)子形狀細(xì)長，轉(zhuǎn)動慣量小。空心電樞型的電樞無鐵芯，且常做成杯形，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量小。有槽電樞型的電樞與普通直流電動機(jī)的電樞相同，因而，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量較大。
4.1.3.3 交流伺服電機(jī)
兩相交流伺服電機(jī)的結(jié)構(gòu)與普通異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)差不多，其定繞組則與單相電容式異步電機(jī)的結(jié)構(gòu)相類似。定子用硅鋼片疊成，在定子鐵芯的內(nèi)圓表面上嵌入相差90°電角度的繞組，一個叫勵磁繞組WF，另一個叫控制繞組WC。兩相交流伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子一般分為籠式轉(zhuǎn)子和杯形轉(zhuǎn)子兩種結(jié)構(gòu)形式。
區(qū)分步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的依據(jù)條件主要視具體應(yīng)用情況而定，簡單地說要確定：負(fù)載的性質(zhì)（如水平還是垂直負(fù)載等），轉(zhuǎn)矩、慣量、轉(zhuǎn)速、精度、加減速等要求，上位控制要求（如對端口界面和通訊方面的要求），主要控制方式是位置、轉(zhuǎn)矩還是速度方式。供電電源是直流還是交流電源，亦或電池供電，電壓范圍。據(jù)此以確定電機(jī)和配用驅(qū)動器或控制器的型號。
還可以按照下表區(qū)別選擇步進(jìn)系統(tǒng)還是伺服系統(tǒng)（步進(jìn)電機(jī)的負(fù)荷及扭矩計算）:
表4-1 步進(jìn)電機(jī)與伺服電機(jī)的比較
步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)
伺服電機(jī)系統(tǒng)
力矩范圍中小力矩（一般在20Nm以下） 小、中、大，全范圍
速度范圍 低（一般在2000RPM以下，大力矩電機(jī)小于1000RPM）
高（可達(dá)5000RPM）,直流伺服電機(jī)更可達(dá)1~2萬轉(zhuǎn)/分
控制方式
主要是位置控制
多樣化智能化的控制方式，位置/轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩方式
平滑性
低速時有振動（但用細(xì)分型驅(qū)動器則可明顯改善）
好，運行平滑
精度
一般較低，細(xì)分型驅(qū)動時較高
高
矩頻特性
高速時，力矩下降快
力矩特性好，特性較硬
過載特性
過載時會失步
可3~10倍過載（短時）
反饋方式
大多數(shù)為開環(huán)控制，也可接編碼器，防止失步
閉環(huán)方式，編碼器反饋
編碼器類型
光電型旋轉(zhuǎn)編碼器（增量型/絕對值型）
旋轉(zhuǎn)變壓器型
旋轉(zhuǎn)變壓器型
一般
快
溫升
運行溫度高
一般
維護(hù)性
基本可以免維護(hù)
較好
價格
低
較高
所以考慮到這次設(shè)計的要求，為了在不影響工作精度條件下，我選擇了步進(jìn)電機(jī)。
4.1.3.4 步進(jìn)電機(jī)的工作原理
步進(jìn)電機(jī)能將脈沖信號直接轉(zhuǎn)換成角位移（或直線位移），這在計算機(jī)控制系統(tǒng)中特別方便，使用它可能省去數(shù)模轉(zhuǎn)換接口。步進(jìn)電機(jī)的角位移是一個步距一個步距（對應(yīng)一個脈沖）移動的，所以稱為步進(jìn)電機(jī)。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)已確定，控制方式也選定后，步距角的大小是固定的，所以可以對它進(jìn)行開環(huán)控制。
步進(jìn)電機(jī)的定子上有若干對極，極上有繞組，相對極上的繞組連在一起，作為一相。轉(zhuǎn)子有幾個凸出的齒，下圖是步進(jìn)電機(jī)的簡化模型，圖中定子上有三對極，三相繞組有一端均連在一起，另一端A、B、C引入控制信號，形成星形接法。轉(zhuǎn)子上有四個齒。這種為三相步進(jìn)電機(jī)[3]。
圖4.5為步進(jìn)電機(jī)的簡化模型
圖4.5 步進(jìn)電機(jī)簡化模型
設(shè)啟動時轉(zhuǎn)子的1、3齒在A相繞組極的附近，當(dāng)?shù)谝粋€脈沖通往A相，則磁通企圖沿著磁阻最小的路徑閉合，在此磁場力的作用下，轉(zhuǎn)子的1、3齒要和A極對齊。下一個脈沖通入B相，則磁通要按磁阻最小的路徑閉合，即2、4齒要和B極對齊，也即轉(zhuǎn)子逆時針方向走了一個一步。在下一個脈沖通入C相，根據(jù)磁通沿磁阻最小的路徑閉合原理，1、3齒要和C極對齊，也即轉(zhuǎn)子又逆時針走了一步。依次不斷地給A、B、C相以脈沖，則步進(jìn)電機(jī)就一步一步地按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。若通電脈沖的次序為A、C、B、A……不難推出，轉(zhuǎn)子將以順時針方向一步步旋轉(zhuǎn)。這樣，用不同的分配脈沖次序的方式就可以方便地實現(xiàn)控制步進(jìn)電機(jī)的目的。
4.1.3.5 步進(jìn)電機(jī)的控制與驅(qū)動
步進(jìn)電機(jī)的特性與配套使用的驅(qū)動電源（驅(qū)動器）有密切關(guān)系。驅(qū)動電源由脈沖分配器、功率放大器等組成，如下圖所示。驅(qū)動電源是將變頻信號源（微機(jī)或數(shù)控裝置等）送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動循環(huán)供給電機(jī)各相繞組，以驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。變頻信號源是可提供從幾赫茲到幾萬赫茲的頻率信號連續(xù)可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速[3]。
圖4.6為步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源組成
圖4.6 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源組成
4.1.3.6 步進(jìn)電機(jī)的選型
選擇步進(jìn)電機(jī)時，通常需要考慮的問題有：步進(jìn)電機(jī)的種類、步距角、運行頻率、轉(zhuǎn)矩等。目前市場上提供了很多步進(jìn)電機(jī)品種，但在我國最常用的步進(jìn)電機(jī)有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)（BC或BF系列）和混合式步進(jìn)電機(jī)（BYG系列）兩種。在電機(jī)體積相同的條件下，混合式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩比反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)大，同時混合式步進(jìn)電機(jī)步距角可以做的較小。在外形尺寸上受到限制、又需要小步距角和大轉(zhuǎn)矩的情況下，選擇混合式步進(jìn)電機(jī)。在需要快速移動大距離的條件下，應(yīng)選擇轉(zhuǎn)動慣量慣量小、運行頻率高、價格較低的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。另外，混合式步進(jìn)電機(jī)在斷電時有自定位轉(zhuǎn)矩，而反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)在停止供電后，轉(zhuǎn)子處在自由位置。
通過比較，我們選用混合式步進(jìn)電機(jī)[1]。
4.1.4 軸承的選擇
軸承是機(jī)械行業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的基礎(chǔ)傳動部件，其加工質(zhì)量直接影響傳動性能。它具有摩擦力小、升速迅速等特點，其制造水平影響主機(jī)性能。源于其特有的傳動性能，從而廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。
軸承的種類主要分為以下幾種：
1.角接觸球軸承
角接觸球軸承可同時承受徑向負(fù)荷和軸向負(fù)荷。能在較高的轉(zhuǎn)速下工作。接觸角越大，軸向承載能力越高。高精度和高速軸承通常取15 度接觸角。在軸向力作用下，接觸角會增大。主要用于機(jī)床主軸、高頻馬達(dá)、燃汽輪機(jī)、離心分離機(jī)、小型汽車前輪、差速器小齒輪軸、油泵、空氣壓縮機(jī)、各類變速器、燃料噴射泵、印刷機(jī)械。
2.深溝球軸承
深溝球軸承是滾動軸承中最為普通的一種類型。基本型的深溝球軸承由一個外圈，一個內(nèi)圈、一組鋼球和一組保持架構(gòu)成。深溝球軸承類型有單列和雙列兩種，單列深溝球軸承類型代號為6，雙列深溝球軸承代號為4。其結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，是生產(chǎn)最普遍，應(yīng)用最廣泛的一類軸承。主要用于汽車的后輪、變速器、電氣裝置、儀表以及各種產(chǎn)業(yè)機(jī)械。
3.四點接觸球軸承
四點接觸球軸承是一種分離型軸承，也可以說是一套軸承可承受雙向軸向載荷的角接觸球軸承。其內(nèi)、外圈滾道是桃型的截面，當(dāng)無載荷或是純徑向載荷作用時，鋼球和套圈呈現(xiàn)為四點接觸，這也是這個名稱的由來。四點接觸球軸承可以承受徑向負(fù)荷、雙向軸向負(fù)荷。
4.調(diào)心球軸承
由于外圈滾道面呈球面，具有調(diào)心性能，因此可自動調(diào)整因軸或外殼的撓曲或不同心引起的軸心不正，圓錐孔軸承通過使用緊固件可方便地安裝在軸上。主要用于木工機(jī)械、紡織機(jī)械傳動軸、立式帶座調(diào)心軸承。
5.圓柱滾子軸承
圓柱滾子與滾道呈線接觸，徑向負(fù)荷能力大，即適用于承受重負(fù)荷與沖擊負(fù)荷，也適用于高速旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu)，大多用于機(jī)床主軸。主要用于中型及大型電動機(jī)、發(fā)電機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、燃汽輪機(jī)、機(jī)床主軸、減速裝置、裝卸搬運機(jī)械、各類產(chǎn)業(yè)機(jī)械。
6.實體型滾針軸承
采用滾針，體積可以縮小，并可承受大徑向負(fù)荷無內(nèi)圈軸承要把具有合適精度和硬度的軸的安裝面作為滾道面使用。主要用于汽車發(fā)動機(jī)、變速器、泵、挖土機(jī)履帶輪、提升機(jī)、橋式起重機(jī)、壓縮能限制兩個方向的軸向位移，但比現(xiàn)規(guī)格的雙列角接觸球球軸承占用的軸向空間少。
7.圓錐滾子軸承
該類軸承裝有圓臺形滾子，滾子由內(nèi)圈大擋邊引導(dǎo)，外圈與內(nèi)組件(內(nèi)圈與滾子和保持架組件)可分離，便于裝拆。主要用于汽車的前輪、后輪、變速器、機(jī)床主軸、建筑機(jī)械、大型農(nóng)業(yè)機(jī)械、鐵路車輛齒輪減速裝置、軋鋼機(jī)輥頸及減速裝置。
8.調(diào)心滾子軸承
該類軸承在球面滾道外圈與雙滾道內(nèi)圈之間裝有球面滾子，具有調(diào)心性能，因此可自動調(diào)整因軸或外殼的撓曲或不同心引起的軸心不正，可承受徑向負(fù)荷與雙向軸向負(fù)荷。特別是徑向負(fù)荷能力大，適用于承受重負(fù)荷與沖擊負(fù)荷，圓錐孔軸承通過使用緊固件或退卸套可便于軸上的裝拆。主要用于造紙機(jī)械、減速裝置、鐵路車輛車軸、軋鋼機(jī)齒輪箱座、軋鋼機(jī)輥道子、破碎機(jī)、振動篩、印刷機(jī)械、木工機(jī)械、各類產(chǎn)業(yè)用減速機(jī)、立式帶座調(diào)心軸承。
9.推力球軸承
由帶滾道的墊圈形滾道圈與球和保持架組件構(gòu)成，與軸配合的滾道圈稱做軸圈，與外殼配合的滾道圈稱做座圈。雙向軸承則將中圈秘軸配合，單向軸承可承受單向軸向負(fù)荷，雙向軸承可承受雙向軸向負(fù)荷(二者均不能承受徑向負(fù)荷)。主要用于汽車轉(zhuǎn)向銷、機(jī)床主軸。
10.推力圓柱滾子軸承
由墊圈形滾道圈(軸圈、座圈)與圓柱滾子和保持架組件構(gòu)成。圓柱滾子采用凸面加工，因此滾子與滾道面之間的壓力分布均勻，可承受單向軸向負(fù)荷，軸向負(fù)荷能力大，軸向剛性也強(qiáng)。主要用于石油鉆機(jī)、制鐵制鋼機(jī)械。
11.推力滾針軸承
分離型軸承由滾道圈與滾針和保持架組件構(gòu)成，非分離型軸承是由經(jīng)精密沖壓加工的滾道圈與滾針和保持架組件構(gòu)成的整體型軸承，可承受單向軸向負(fù)荷，該類軸承占用空間小，有利于機(jī)械的緊湊設(shè)計。主要用于汽車、耕耘機(jī)、機(jī)床等的變速裝置。
12.推力調(diào)心滾子軸承
該類軸承中球面滾子傾斜排列，由于座圈滾道面呈球面，具有調(diào)心性能，因此可允許軸有若干傾斜，軸向負(fù)荷能力非常大，在承受軸向負(fù)荷的同時還可承受若干徑向負(fù)荷，使用時一般采用油潤滑。主要用于水力發(fā)電機(jī)、立式電動機(jī)、船舶用螺旋槳軸、軋鋼機(jī)軋制螺桿用減速機(jī)、塔吊、碾煤機(jī)、擠壓機(jī)、成形機(jī)。
在我們的設(shè)計中，軸承主要用于機(jī)床的主軸，所以我們選擇角接觸球軸承[11]。
4.1.5 工作臺進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
如圖4.7所示，步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠通過聯(lián)軸器相結(jié)合，工作臺與滾珠絲杠通過托板相結(jié)合。工作臺的進(jìn)給運動是通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動使?jié)L珠絲杠上的托板進(jìn)行運動，從而帶動工作臺的運動。
圖4.7 工作臺進(jìn)給系統(tǒng)示意圖
圖4.8 工作臺進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
4.2 橫梁進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計
4.2.1 橫梁進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)
圖4.9 橫梁進(jìn)給系統(tǒng)示意圖
如圖4.9所示，其實橫梁的進(jìn)給系統(tǒng)和工作臺的進(jìn)給系統(tǒng)幾乎是一樣的，只不過，工作臺換成了滑板?；迳线B有連接板，連接板上安裝了動力頭。如果說工作臺的進(jìn)給系統(tǒng)為工件提供了Y軸方向的運動，那么橫梁進(jìn)給系統(tǒng)就是帶動動力頭做X軸方向運動，相對與工件做X軸方向運動，這樣就滿足了加工熱盤所需的運動。
圖4.10 橫梁進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖
4.2.2 橫梁結(jié)構(gòu)的分析
由于這次的機(jī)床設(shè)計制造要求造價低廉且制造的周期越短越好，所以我們在設(shè)計這臺機(jī)床橫梁結(jié)構(gòu)的時候決定省去動力頭整體可上下移動的結(jié)構(gòu)。把橫梁直接給做死了，只是在機(jī)床的設(shè)計上存在了不合理性。
由于橫梁是固定的，不能上下移動，所以銑刀上下移動只能靠動力頭主軸的移動來實現(xiàn)。動力頭主軸移動的距離只有70mm，即前備量和后備量加起來只有70mm，這樣如果刀具壞了，要拆卸的話很不方便，為了克服這個問題，我們決定在工作臺的中心，開一個直徑300mm深50mm的槽，這樣動力頭的損壞，刀具的拆卸就方便多了。
在橫梁進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計中，動力頭靠連接板連在滑板的一側(cè)，這樣重量不平衡，在銑削的過程中可能會出現(xiàn)跑位，使加工出來的零件達(dá)不到預(yù)期的要求，所以要在滑板的另一端焊接一個平衡塊以達(dá)到平衡的目的。
4.2.3 橫梁進(jìn)給系統(tǒng)零部件選擇
由于橫梁進(jìn)給系統(tǒng)和工作臺進(jìn)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相似，運動傳遞方式相同，所以同樣采用內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲桿，角接觸球軸承，滾動直線導(dǎo)軌和混合式步進(jìn)電機(jī)。
5 進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計
5.1工作臺進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計
5.1.1 滾珠絲杠的機(jī)械特性計算
5.1.1.1 軸向負(fù)荷F
(5.1)
式中：—外力N，因為只需考慮臺面、夾具的重量，所以=0
W—工作臺的總重量N；這里估算工作臺重量約為8000N
W=mg≈8000N
—導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，視導(dǎo)軌形式而定。我們這里采用滾動直線導(dǎo)軌，取0.05
F=0+0.05（0+8000）=400N
5.1.1.2 最大動負(fù)荷C
(5.2)
絲杠轉(zhuǎn)速：
命 值：
載荷系數(shù)：=1.5 （一般運動）
其中：T=15000h =6mm
查《實用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊》表2-3-4得：
絲杠直徑=50mm，滿足條件，所以選擇型號5006—3內(nèi)循環(huán)單螺母式滾珠絲杠。
5.1.1.3 傳動效率計算
根據(jù)傳動效率計算公式：
(5.3)
式中：=10′，為摩擦角；
—絲杠螺旋升角，查《實用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊》表2-3-4得：
5006—3型號滾珠絲杠螺旋升角為2°11′。
=92.9%90%
所以滾珠絲杠的傳遞效率，我們?nèi)?.9[1]。
5.1.1.4 滾珠絲杠承受的扭矩
（5.4）
式中：—滾珠絲杠的摩擦系數(shù)0.2
—預(yù)壓負(fù)荷
（為絲杠的額定動載荷，查《實用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊》表2-3-4得： 5006—3型號滾珠絲杠的額定動載