實(shí)驗(yàn)型兩軸數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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山東理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目：實(shí)驗(yàn)型兩軸數(shù)控系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 學(xué) 院 ： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè) ： 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 及 其 自 動(dòng) 化 學(xué) 生 姓 名 ： 王 婧 指 導(dǎo) 教 師 ： 張 海 云 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 時(shí) 間 ： 2006 年 4 月 3 日 ～ 6 月 12 日 共 11 周 摘 要 論 文 介 紹 了 兩 軸 實(shí) 驗(yàn) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 。 通 過 對 各 種 實(shí) 驗(yàn) 型 設(shè) 備 的 調(diào) 研 ， 了 解 到 現(xiàn) 階 段 我 國 用 于 實(shí) 驗(yàn) 型 設(shè) 備 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 備 的 臺 套 種 類 、 數(shù) 量 與 學(xué) 生 規(guī) 模 反 差 較 大 的 現(xiàn) 況 ， 設(shè) 備 落 后 ， 加 之 由 于 各 種 客 觀 和 主 觀 的 原 因 ， 全 國 大 專 院 校 機(jī) 電 類 學(xué) 生 工 程 實(shí) 踐 能 力 普 遍 較 差 ， 其 動(dòng) 手 能 力 與 理 論 更 是 難 結(jié) 合 在 一 起 ， 嚴(yán) 重 影 響 到 實(shí) 訓(xùn) 、 培 訓(xùn) 效 果 。 主 要 成 果 是 ： ⑴ 本 設(shè) 計(jì) 對 已 有 的 設(shè) 備 進(jìn) 行 分 析 ， 結(jié) 合 實(shí) 際 教 學(xué) 要 求 ， 進(jìn) 行 各 零 部 件 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 ， 并 最 終 進(jìn) 行 校 核 。 該 設(shè) 備 可 主 要 應(yīng) 用 于 高 校 及 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 校 中 相 關(guān) 專 業(yè) 的 數(shù) 控 教 學(xué) ， 它 具 有 體 積 小 、 價(jià) 格 低 、 功 能 完 善 、 安 全 系 數(shù) 高 、 性 能 優(yōu) 越 等 系 列 優(yōu) 點(diǎn) ； ⑵ 在 設(shè) 計(jì) 過 程 中 ， 同 時(shí) 進(jìn) 行 了 電 器 方 面 的 改 進(jìn) ， 主 要 應(yīng) 用 PLC 進(jìn) 行 控 制 ， 引 入 了 數(shù) 控 部 分 ， 采 用 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) ， 齒 輪 變 速 機(jī) 構(gòu) ， 安 裝 了 變 頻 器 、 步 進(jìn) 驅(qū) 動(dòng) 器 等 設(shè) 備 。 通 過 弱 電 控 制 強(qiáng) 電 ， 計(jì) 算 機(jī) 數(shù) 字 化 控 制 電 路 ， 并 成 功 地 實(shí) 現(xiàn) 了 工 作 要 求 ， 使 其 具 有 能 控 制 各 進(jìn) 給 方 向 電 動(dòng) 機(jī) 啟 停 、 正 反 轉(zhuǎn) 、 變 頻 調(diào) 速 、 兩 軸 聯(lián) 動(dòng) 等 功 能 。 在 機(jī) 械 部 分 設(shè) 計(jì) 過 程 中 ， 盡 量 考 慮 節(jié) 約 成 本 和 可 互 換 性 ， 在 保 證 X、 Y 進(jìn) 給 選 用 相 同 的 步 進(jìn) 電 機(jī) 、 滾 珠 絲 杠 等 零 部 件 。 關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床，兩坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)型 Abstract This paper introduces the two coordinate Numerical control milling machine tool design. Study on the Numerical control milling machine tool of the excited states, Know that the total situation is, a interplanting of the numerical control equipment, quantity and student's scale have relatively large contrast. The machine that used can not catch up with the need, As well as other course, Students few can move the cell-phone independently , influence training in fact , result of training seriously. The main results is:[First] , by doing ansys of the machine excited, connecting to the requires in the study. Do the design of some parts and recheck again. Teaching person who test miniature numerical control milling machine apply university and vocational technical school numerical control teaching and numerical control of workers of relevant speciality train mainly. It has small , the price is low , high , such serial advantages as performance is superior of safety coefficient with perfect function.[Second], In the numerical control transformation process, also do the electronic machines transformation and the research, the machine mainly controlled by the PLC, increases the primary device, to the machine part, the electricity has partially carried on the optimized design, introduced the numerical control to be partial, uses step-by-steps the electric motor, the gear changing organization, VFO and the step motor driver and so on. the weak electricity controlled the strong electricity, the computer numerical control electric circuit, successfully has realized the modification requirement, enable it to have the act, rotate one side and other side, the speed changed by VOF, and so on the function. In the machine part design process, Also consider the money and retransferability, make the same the step motor and the ball screw shaft and some other parts. Key words: Numerical control milling machine, miniature, two coordinate. 目 錄 摘 要 .......................................................................................................... I ABSTRACT（英文摘要） ............................................................................ II 目 錄 .......................................................................................................... III 第一章 引 言 ............................................................................................. 1 1.1 課題的背景 .................................................................................................. 1 1.2 課題的意義 .................................................................................................. 2 第二章 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) ..................................................... 3 2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) ........................................................................ 3 2.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定 ............................................................ 3 2.3 方案的比較與選擇 .................................................................................... 4 2.4 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定 ............................................................ 4 第三章 機(jī)械部件的計(jì)算和選擇 .................................................................... 5 3.1 切削力的計(jì)算 ............................................................................................ 5 3.2 機(jī)械構(gòu)件的選擇 ........................................................................................ 8 3.2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 ............................................................................ 8 3.2.2 絲杠的選擇 ............................................................................... 12 3.2.3 軸承的選擇 ............................................................................... 17 3.2.4 導(dǎo)軌的選擇 ............................................................................... 18 3.2.5 聯(lián)軸器的選擇 ............................................................................ 21 3.2.6 傳動(dòng)裝置的選擇 ........................................................................ 21 3.3 Y 軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 ............................................................................... 26 第四章 虛擬樣機(jī)的制作 ............................................................................... 27 4.1 微型數(shù)控銑床部分零件圖 ........................................................................ 27 4.1.1 減速箱齒輪 ............................................................................... 27 4.1.2 工作臺 ...................................................................................... 28 4.1.3 滾珠絲杠 ................................................................................... 28 4.1.4 套筒式聯(lián)軸器 ............................................................................ 29 4.1.5 橫 梁 ......................................................................................... 29 4.1.6 滾 動(dòng) 軸 承 .................................................................................. 30 4.1.7 軸 ............................................................................................. 30 4.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)總裝配圖 .................................................................. 31 第五章 控制系統(tǒng) ......................................................................................... 32 5.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 ............................................................................ 32 5.2 變頻器的選擇 ............................................................................................ 35 5.2.1 外部結(jié)構(gòu) ................................................................................... 36 5.2.2 運(yùn)行方式 ................................................................................... 37 5.3 定位模塊的選擇 ....................................................................................37 5.4 其他輔助電路的選擇. .......................................................................... 38 5.4.1 越程報(bào)警電路 ................................................................................. 38 5.4.2 掉電保護(hù)電路 ........................................................................................ 38 結(jié)論 ......................................................................................................................... 39 參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................ 40 致 謝 及 聲 明 ............................................................................................ 41 引 言 1.1 課題的背景 我 國 機(jī) 床 的 消 費(fèi) 量 在 全 世 界 僅 次 于 美 國 和 日 本 ， 居 第 三 位 。 我 國 機(jī)NC 床 工 業(yè) 已 基 本 形 成 門 類 較 齊 全 的 生 產(chǎn) 科 研 體 系 ， 數(shù) 控 機(jī) 床 是 現(xiàn) 代 基 礎(chǔ) 機(jī) 械 代 表 產(chǎn) 品 。 機(jī) 床 是 機(jī) 床 制 造 技 術(shù) 、 微 電 子 和 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 三 者 相 結(jié) 合 的 產(chǎn) 物 。 機(jī) 床 的 性 能 水 平 主 要 取 決 與 系 統(tǒng) 的 先 進(jìn) 性 。 近 年 來 ， 隨 著 國 外 高 檔NC 機(jī) 床 產(chǎn) 品 的 進(jìn) 口 和 國 外 技 術(shù) 的 引 進(jìn) ， 我 國 的 機(jī) 床 生 產(chǎn) 取 得 了 長NC 足 的 進(jìn) 步 。 進(jìn) 入 21 世 紀(jì) ,我 國 機(jī) 床 制 造 業(yè) 既 面 臨 著 提 升 機(jī) 械 制 造 業(yè) 水 平 的 需 求 而 引 發(fā) 的 制 造 裝 備 發(fā) 展 的 良 機(jī) ,也 遭 遇 到 加 入 后 激 烈 的 市 場 競 爭 的 壓 力 。WTO 從 技 術(shù) 層 面 上 來 講 ,加 速 推 進(jìn) 數(shù) 控 技 術(shù) 將 是 解 決 機(jī) 床 制 造 業(yè) 持 續(xù) 發(fā) 展 的 一 個(gè) 關(guān) 鍵 。 數(shù) 控 機(jī) 床 及 由 數(shù) 控 機(jī) 床 組 成 的 制 造 系 統(tǒng) 是 改 造 傳 統(tǒng) 產(chǎn) 業(yè) 、 構(gòu) 建 數(shù) 字 化 企 業(yè) 的 重 要 基 礎(chǔ) 裝 備 ， 它 的 發(fā) 展 一 直 備 受 人 們 關(guān) 注 。 數(shù) 控 機(jī) 床 以 其 卓 越 的 柔 性 自 動(dòng) 化 的 性 能 、 優(yōu) 異 而 穩(wěn) 定 的 精 度 、 敏 捷 而 多 樣 化 的 功 能 引 起 世 人 矚 目 ， 它 開 創(chuàng) 了 機(jī) 械 產(chǎn) 品 向 機(jī) 電 一 體 化 發(fā) 展 的 先 河 ， 因 此 數(shù) 控 技 術(shù) 成 為 先 進(jìn) 制 造 技 術(shù) 中 的 一 項(xiàng) 核 心 技 術(shù) 。 另 一 方 面 ， 通 過 持 續(xù) 的 研 究 ， 信 息 技 術(shù) 的 深 化 應(yīng) 用 促 進(jìn) 了 數(shù) 控 機(jī) 床 的 進(jìn) 一 步 提 升 。 在 發(fā) 達(dá) 國 家 ， 數(shù) 控 機(jī) 床 已 經(jīng) 大 量 普 遍 使 用 。 我 國 制 造 業(yè) 機(jī) 床 數(shù) 控 化 率 不 到 ， 而 且 ， 對 現(xiàn) 有 的 為 數(shù) 不 多 的 數(shù) 控 機(jī) 床 也 未 能 充 分 利 用 。 原 因 是 多 方02 面 的 ， 數(shù) 控 人 才 的 匱 乏 是 其 主 要 原 因 之 一 。 尤 其 迫 切 需 要 大 量 的 從 研 究 開 發(fā) 到 使 用 維 修 的 各 個(gè) 層 次 的 技 術(shù) 人 才 。 我 國 經(jīng) 濟(jì) 快 速 發(fā) 展 。 逐 步 成 為 世 界 制 造 中 心 進(jìn) 入 新 的 世 紀(jì) 以 后 ， 隨 著 我 國 綜 合 國 力 的 進(jìn) 一 步 增 強(qiáng) 和 加 人 世 界 貿(mào) 易 組 織 ， 我 國 經(jīng) 濟(jì) 全 面??WTO 與 國 際 接 軌 ， 并 正 在 成 為 全 球 制 造 業(yè) 的 中 心 ， 大 批 跨 國 企 業(yè) 搶 灘 登 陸 在 國 內(nèi) 高 起 點(diǎn) 設(shè) 廠 、 將 生 產(chǎn) 加 工 向 中 國 轉(zhuǎn) 移 ； 國 內(nèi) 制 造 企 業(yè) 更 是 背 水 一 戰(zhàn) 。 大 舉 通 過 信 息 化 、 廣 泛 應(yīng) 用 現(xiàn) 代 制 造 技 術(shù) 積 極 參 與 國 際 競 爭 ， 我 國 制 造 業(yè) 進(jìn) 入 了 一 個(gè) 空 前 蓬 勃 發(fā) 展 的 新 時(shí) 期 ， 這 必 然 對 掌 握 現(xiàn) 代 信 息 化 制 造 技 術(shù) 的 技 術(shù) 人 才 、 特 別 是 對 大 量 的 一 線 技 術(shù) 工 人 形 成 了 巨 大 需 求 。 近 年 來 ， 由 于 受 數(shù) 控 人 才 需 求 的 拉 動(dòng) ， 各 校 均 建 有 不 同 規(guī) 模 的 數(shù) 控 實(shí) 訓(xùn) 基 地 ， 有 的 是 規(guī) 模 大 、 設(shè) 備 種 類 多 的 實(shí) 訓(xùn) 中 有 的 是 設(shè) 備 種 類 和 數(shù) 量 相 對 較 少 的 實(shí) 驗(yàn) 室 。 有 的 學(xué) 校 實(shí) 訓(xùn) 基 地 以 普 通 加 工 設(shè) 備 配 進(jìn) 口 數(shù) 控 系 統(tǒng) 為 主 ． 有 的 學(xué) 校 以 教 學(xué) 型 數(shù) 控 設(shè) 備 為 主 。 總 的 情 況 是 ， 數(shù) 控 設(shè) 備 的 臺 套 種 類 ， 數(shù) 量 與 學(xué) 生 規(guī) 模 反 差 較 大 。 用 于 教 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 的 設(shè) 備 更 是 落 后 ， 加 之 由 于 各 種 客 觀 和 主 觀 的 原 因 ， 全 國 大 專 院 校 機(jī) 電 類 學(xué) 生 工 程 實(shí) 踐 能 力 普 遍 較 差 ， 其 學(xué) 習(xí) 和 研 究 工 作 偏 向 計(jì) 算 機(jī) 化 、 軟 件 化 ， 動(dòng) 手 能 力 與 理 論 更 是 難 結(jié) 合 在 一 起 。 嚴(yán) 重 影 響 實(shí) 訓(xùn) 、 培 訓(xùn) 效 果 。 1.2 課題的意義 通 過 對 實(shí) 驗(yàn) 型 兩 軸 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) ， 要 求 學(xué) 生 能 夠 綜 合 運(yùn) 用 所 學(xué) 過 的 數(shù) 控 技 術(shù) 、 微 機(jī) 原 理 與 接 口 技 術(shù) 、 軟 件 程 序 設(shè) 計(jì) 、 工 藝 等 知 識 ， 掌 握 數(shù) 控 機(jī) 床 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 及 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 開 發(fā) 過 程 。 重 點(diǎn) 掌 握 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 、 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 開 發(fā) 過 程 ， 機(jī) 床 工 作 臺 及 其 相 應(yīng) 的 夾 具 及 機(jī) 床 配 件 設(shè) 計(jì) 。 為 畢 業(yè) 后 從 事 機(jī) 械 電 子 設(shè) 備 的 研 制 和 使 用 打 下 良 好 的 基 礎(chǔ) 。 第二章 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) 2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) 主要包括以下幾個(gè)方面： （ 1） 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)。 包 括 確 定 機(jī) 床 所 需 運(yùn) 動(dòng) 的 個(gè) 數(shù) 、 形 式 （ 直 線 運(yùn) 動(dòng) 、 回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ） 、 功 能 （ 主 運(yùn) 動(dòng) 、 進(jìn) 給 運(yùn) 動(dòng) 、 其 他 運(yùn) 動(dòng) ） 及 排 列 順 序 ， 最 后 畫 出 機(jī) 床 的 運(yùn) 動(dòng) 功 能 圖 。 （ 2） 基本參數(shù)設(shè)計(jì)。 包 括 尺 寸 參 數(shù) 、 運(yùn) 動(dòng) 參 數(shù) 和 動(dòng) 力 參 數(shù) 設(shè) 計(jì) 。 （ 3） 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 包 括 傳 動(dòng) 方 式 、 傳 動(dòng) 原 理 圖 及 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 圖 設(shè) 計(jì) 。 （ 4） 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。 包 括 運(yùn) 動(dòng) 功 能 分 配 、 總 體 布 局 機(jī) 構(gòu) 形 式 及 總 體 結(jié) 構(gòu) 方 案 圖 設(shè) 計(jì) 。 （ 5） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 包 括 控 制 方 式 及 控 制 原 理 、 控 制 系 統(tǒng) 圖 設(shè) 計(jì) 。 根據(jù)前面所提到的數(shù)控機(jī)床應(yīng)滿足的基本要求就可以進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 在 各 項(xiàng) 基 本 要 求 中 以 工 藝 要 求 最 為 重 要 。 由 工 藝 要 求 決 定 機(jī) 床 所 需 要 的 運(yùn) 動(dòng) 。 完 成 每 個(gè) 運(yùn) 動(dòng) 又 有 相 應(yīng) 的 功 能 部 件 。 這 就 可 以 確 定 各 部 件 的 相 對 運(yùn) 動(dòng) 和 相 對 位 置 關(guān) 系 。 機(jī) 床 的 總 體 布 局 也 就 可 以 大 體 確 定 下 來 。 因 此 ， 總 體 方 案 設(shè) 計(jì) 是 一 項(xiàng) 全 局 性 的 設(shè) 計(jì) 工 作 ， 直 接 影 響 機(jī) 床 產(chǎn) 品 的 結(jié) 構(gòu) 、 性 能 、 工 藝 和 成 本 ， 關(guān) 系 到 產(chǎn) 品 的 技 術(shù) 水 平 和 市 場 競 爭 能 力 。 2.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定 對 教 學(xué) 試 驗(yàn) 型 微 型 數(shù) 控 銑 床 的 設(shè) 計(jì) ， 一 方 面 ， 要 求 其 功 能 完 善 、 結(jié) 構(gòu) 開 放 ， 具 有 與 一 般 生 產(chǎn) 型 數(shù) 控 銑 床 一 樣 的 工 作 原 理 和 工 作 性 能 ； 另 一 方 面 ， 要 求 其 體 積 小 、 價(jià) 格 低 ， 有 利 于 此 類 銑 床 的 普 及 推 廣 。 所 以 本 課 題 的 設(shè) 計(jì) 主 要 是 兩 個(gè) 方 面 ： 其 一 ： 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) ； 其 二 ： 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 。 這 里 有 兩 個(gè) 方 案 ： 方 案 一 、 采 用 減 速 箱 ， 并 對 滾 珠 絲 杠 進(jìn) 行 兩 端 支 撐 ； 減 速 箱 采 用 圓 注 齒 輪 變 速 ， 這 種 方 案 可 以 通 過 增 加 減 速 箱 ， 達(dá) 到 ： 1. 增 大 轉(zhuǎn) 動(dòng) 扭 矩 ； 2.提 高 脈 沖 當(dāng) 量 ； 3.匹 配 慣 量 。 對 滾 珠 絲 杠 進(jìn) 行 兩 端 支 撐 ， 可 以 盡 量 減 少 由 于 一 端 支 撐 ， 可 能 產(chǎn) 生 的 彎 曲 ， 減 少 誤 差 ， 提 高 精 度 。 方 案 二 、 直 接 采 用 套 筒 式 聯(lián) 軸 器 連 接 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 和 滾 珠 絲 杠 ， 對 滾 珠 絲 杠 進(jìn) 行 一 端 支 撐 。 該 設(shè) 計(jì) 結(jié) 構(gòu) 簡 單 。 2.３ 方案的比較與選擇 方 案 一 、 由 于 切 削 石 蠟 、 塑 料 等 材 料 ， 根 據(jù) 計(jì) 算 切 削 力 較 小 ， 選 用 步 進(jìn) 電 機(jī) ， 脈 沖 當(dāng) 量 為 2mm/min， 采 用 減 速 向 變 速 ， 傳 動(dòng) 比 選 用 1.25， 通 過 計(jì) 算 可 以 提 高 脈 沖 當(dāng) 量 為 1.02mm/min。 對 滾 珠 絲 杠 采 用 兩 端 支 撐 ， 可 以 提 高 滾 珠 絲 杠 的 剛 度 ， 提 高 滾 珠 絲 杠 壽 命 。 方 案 二 、 直 接 采 用 套 同 式 聯(lián) 軸 器 聯(lián) 接 電 動(dòng) 機(jī) 軸 和 滾 珠 絲 杠 ， 精 度 不 高 ， 電 機(jī) 功 率 太 小 ， 直 接 帶 動(dòng) 滾 珠 絲 杠 在 長 時(shí) 間 工 作 時(shí) ， 對 步 進(jìn) 電 機(jī) 損 耗 較 大 。 采 用 一 端 支 撐 ， 會 導(dǎo) 致 滾 珠 絲 杠 產(chǎn) 生 撓 度 ， 影 響 滾 珠 絲 杠 的 剛 度 ， 從 而 影 響 其 壽 命 。 根 據(jù) 實(shí) 際 工 作 要 求 ， 考 慮 其 工 作 壽 命 ， 最 終 選 擇 地 一 種 方 案 ： 采 用 減 速 箱 ， 并 對 滾 珠 絲 杠 采 用 兩 端 支 撐 。 2.4 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定 教 學(xué) 試 驗(yàn) 型 微 型 數(shù) 控 銑 床 的 總 體 長 為 300mm， 寬 為 180mm， 高 為 400mm， 工 作 臺 寬 度 180mm， 長 180mm。 可 以 實(shí) 現(xiàn) X 軸 、 Y 軸 和 Z 軸 三 坐 標(biāo) 聯(lián) 動(dòng) 。 X 軸 、 Y 軸 的 進(jìn) 給 是 通 過 電 機(jī) 帶 動(dòng) 絲 杠 ， 絲 杠 又 與 螺 母 傳 動(dòng) 來 實(shí) 現(xiàn) 。 電 機(jī) 與 絲 杠 的 連 接 可 以 通 過 銷 釘 來 達(dá) 到 。 在 傳 動(dòng) 過 程 中 電 機(jī) 帶 動(dòng) 絲 杠 做 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ， 螺 母 沿 導(dǎo) 軌 做 水 平 移 動(dòng) ， 從 而 帶 動(dòng) 工 作 臺 運(yùn) 動(dòng) 。 Z 軸 的 進(jìn) 給 也 是 通 過 電 機(jī) 帶 動(dòng) 絲 杠 ， 絲 杠 又 與 Z 軸 螺 母 傳 動(dòng) 來 實(shí) 現(xiàn) 。 主 軸 套 與 Z 軸 螺 母 相 連 ， 在 傳 動(dòng) 過 程 中 電 機(jī) 帶 動(dòng) 絲 杠 做 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ， 螺 母 沿 導(dǎo) 軌 做 上 下 移 動(dòng) ， 從 而 帶 動(dòng) 主 軸 做 上 下 運(yùn) 動(dòng) 。 控 制 系 統(tǒng) 部 分 ： 通 過 采 用 三 菱 公 司 的 FX2N 系 列 單 片 微 機(jī) 構(gòu) 成 的 控 制 系 統(tǒng) 來 實(shí) 現(xiàn) 對 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 啟 停 、 正 反 轉(zhuǎn) 、 兩 軸 聯(lián) 動(dòng) 和 變 頻 調(diào) 速 的 控 制 ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 加 工 過 程 的 自 動(dòng) 控 制 。 其 中 重 點(diǎn) 是 確 定 硬 件 電 路 的 總 體 方 案 和 軟 件 設(shè) 計(jì) ， 主 要 有 ： 存 儲 器 擴(kuò) 展 電 路 設(shè) 計(jì) ， 輸 入 輸 出 接 口 電 路 設(shè) 計(jì) ， 步 進(jìn) 電 機(jī) 接 口 和 驅(qū) 動(dòng) 電 路 （ 光 電 隔 離 電 路 ， 功 率 放 大 電 路 ） ， 其 他 輔 助 電 路 （ 時(shí) 鐘 電 路 ， 復(fù) 位 電 路 ， 越 界 報(bào) 警 電 路 ， 掉 電 保 護(hù) 電 路 等 等 ） ， 流 程 圖 的 繪 制 和 程 序 的 書 寫 。 由 此 ， 可 以 大 體 畫 出 整 體 結(jié) 構(gòu) 的 系 統(tǒng) 方 案 圖 圖 1： 圖 1 總體框圖 MCS-51 接口電路 驅(qū)動(dòng)電路 鍵盤輸入 數(shù)據(jù)顯示 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 工作臺 第三章 機(jī)械部件的計(jì)算和選擇 3.1 切削力的計(jì)算 該實(shí)驗(yàn)型數(shù)控實(shí)訓(xùn)設(shè)備， 主 要 用 來 模 擬 加 工 ， 工 件 材 料 是 石 蠟 或 塑 料 ， X、 Y 向 形 成 均 為 200mm， 根 據(jù) 查 閱 《 機(jī) 床 設(shè) 計(jì) 手 冊 》 ， 因 沒 有 石 蠟 和 塑 料 的 銑 削 公 式 ， 所 以 在 查 閱 手 冊 時(shí) ， 以 圖 表 中 最 軟 的 材 料 為 依 據(jù) 進(jìn) 行 參 數(shù) 的 選 擇 。 Z 軸 銑 削 工 作 時(shí) 銑 削 力 的 計(jì) 算 ： 現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，工作材料為碳鋼進(jìn)行計(jì)算。 1. 最大銑削直徑 d =10mm.最小直徑 d =4mmmaxmin 由《實(shí)用機(jī)床手冊》P =F V/60000Z F =642a a a d ZKZp 0.72r.86W0.?F K =K K KMRFZ 其中 K =（σ /0.638） =0.982 d =400×(10-4)X(1590-397)=2b0.30 高速鋼銑刀 r =15 ,前角系數(shù) K =0.920RFZ 主偏角 k =75 K =1.0 a =8mm a =0.08~0.05mm/ZFZWr 取 a =0.05mm/Z a =4mmrp 齒數(shù) Z=4 d =6mm0 F =642×4×0.05 ×8 ×6 ×4×0.903=2773NZ.720.0.8? V=πd n/1000=3.14×2×400/1000=2.520 pm= F V/60000=2773×2.512/60000=0.17KWZ 選電動(dòng)機(jī)時(shí)按銑削計(jì)算。 3.選主電動(dòng)機(jī)時(shí)： 因?yàn)殂娤髯畲蟮那邢髁椋?F =642×4×0.05 ×8 ×10 ×4×0.903=832.03NZ0.72.60.86? V=π×10×1590/1000=49.9m/s p = F V/60000=832.03×49.9/60000=0.69KW 'mZ p = p /0.88=0.69/0.88=0.79KW ' 所以選電動(dòng)機(jī)為 p =1.1KW 型號：Y90S —4 型m 2. X、Y 軸銑削工作時(shí)銑削力的計(jì)算 其中主轉(zhuǎn)動(dòng)中主軸功率 N =0.79KW.則 η=0.79/1.1=0.718主 電動(dòng)機(jī)的額定功率 N =1.1KW。銑削力同樣遇刀具材料、被銑削工件的材機(jī) 料、切削量等因素有關(guān)，現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，共建材料為碳鋼進(jìn)行計(jì)算。 主轉(zhuǎn)動(dòng)功率包括切削功率 N ，空載功率 N ，附加功率 N 三部分，即：00mmc N= N + N + N ，一般輕載高速的中、小型機(jī)床中，N =0.5N/(2-η)N ，故0mc 0c 總功率為：N= N +0.5 N +（1-η）N ，N =0.5N/(2-η)，再進(jìn)給傳動(dòng)中切削功0c 率：N =K×0.5N/(2-η) ，N =0.85×0.5×1.1/(2-0.718)=0.36KWct ct 切削時(shí)主軸上的扭短為： M =974000 N /nnct 則主軸上最大扭矩為： M =974000×0.36/397=883（ NCM）maxn 銑刀的最大直徑為：10mm。主切削力 F =883/1=880N。銑削加工時(shí)主切削力 F 與銑削進(jìn)c c 給抗力 F 之間的值由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 》查得 F / F =1.0~1.2，取 F / F =1.2。則s scs F =1.2× F =1059.6N，垂直部分力 F 的幣值為 0.75~0.8，取 F / F =0.8，F(xiàn) =0.8× sc c zcz F =706.4N。c 3.2 機(jī)械構(gòu)件的選擇 3.2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 應(yīng)用中的注意點(diǎn) ①步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過 1000 轉(zhuǎn)，（0.9 度時(shí) 6666PPS)，最好在 1000-3000PPS(0.9 度）間使用，可通過減速裝置使其在此間 工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。 ②步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。 ③由于歷史原因，只有標(biāo)稱為 12V 電壓的電機(jī)使用 12V 外，其他電機(jī)的電 壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG 采用直 流 24V-36V， 86BYG 采用直流 50V,110BYG 采用高于直流 80V），當(dāng)然 12 伏 的電壓除 12V 恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過要考慮溫升。 ④轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號電機(jī)。 ⑤電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升 頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。 ⑥高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來 解決，也可以采用 5 相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少。 ⑦電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻 尼的解決。 ⑧電機(jī)在 600PPS（0.9 度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來 驅(qū)動(dòng)。 ⑨應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。 （2）步進(jìn)電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦 三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號便確定下來了。 ①步距角的選擇 電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算 到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于 或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相電機(jī)） 、0.9 度/1.8 度（二、四相電機(jī)）、1.5 度/3 度 （三相電機(jī)）等。選用 1.5 度。 ②靜力矩的選擇 步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜 力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。 單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí) 二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦 負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的 2-3 倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電 機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來。 ③電流的選擇 靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩 頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓） 綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循步驟如圖 2 所示： 圖 2 選擇電機(jī)的步驟 ④ 力矩與功率換算 步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來 衡量，力矩與功率換算如下： P= Ω·M Ω=2 π·n/60 P=2πnM/60 其中 P 為功率，單位為瓦；Ω 為每秒角速度，單位為弧度；n 為每分鐘 轉(zhuǎn)速；M 為力矩，單位為牛頓·米。 P=2πfM/400(半步工作) 其中 f 為每秒脈沖數(shù)（簡稱 PPS）。 （3）混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn) 混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)正是由混合式步進(jìn)電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)所帶來 的，簡而言之它具有穩(wěn)定可靠、性能好、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，以和最具有可比性 的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)相比為例。 首先，混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高，由于驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)中可 靠性最薄弱的一個(gè)部分，所以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性主要是由驅(qū)動(dòng)器的可靠性來 決定的?；旌鲜诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子上有永磁體，部分磁場已由轉(zhuǎn)子上的磁鋼產(chǎn)生，所以 混合式電機(jī)繞組電流可以設(shè)計(jì)得比較小，而反應(yīng)式電機(jī)磁場完全由繞組電流產(chǎn) 生，故欲和混合式電機(jī)產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)體積相差不太大的情況下，反 應(yīng)式電機(jī)所需電流就要大得多。在當(dāng)前電力電子器件水平限制下，混合式電機(jī) 的驅(qū)動(dòng)器就比反應(yīng)式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器要可靠得多，同時(shí)由于大的繞組電流，反應(yīng) 式電機(jī)本體的發(fā)熱情況也要嚴(yán)重的多。 實(shí)際上，為產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，反應(yīng)式電機(jī)不僅線圈電流大，而且定子線圈 匝數(shù)多，電機(jī)體積大，繞組電感也大。由于繞組電感大，反應(yīng)式驅(qū)動(dòng)器必須要 以高壓驅(qū)動(dòng)才會有比較好的高頻性能，但這樣驅(qū)動(dòng)器的可靠性會明顯變差；如 果反應(yīng)式驅(qū)動(dòng)器取和混合式驅(qū)動(dòng)器一樣的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，電機(jī)的高頻轉(zhuǎn)矩明顯要 小，這也是反應(yīng)式電機(jī)系統(tǒng)性能比混合式電機(jī)系統(tǒng)差的一個(gè)重要原因。 混合式步進(jìn)電機(jī)一般步距角 θ 較小，再加上混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯， 振蕩較小，在控制步進(jìn)電機(jī)升降頻規(guī)律一致的情況下，運(yùn)行要比反應(yīng)式步進(jìn)電 機(jī)穩(wěn)定。 混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于混合式步進(jìn)電機(jī)的制造比較復(fù)雜，電機(jī)的 成本相對較高；其次是雖然混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯，振蕩較小，但依然 影響性能。 脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)精度要求來確定，一般取為 0.01~0.02mm。如取得太 大，無法滿足系統(tǒng)精度要求，如取得太小，或者機(jī)械系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，或者對其 精度和動(dòng)態(tài)性能提出過高要求，使經(jīng)濟(jì)性降低。所以根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要 求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖當(dāng)量：δ =0.02/Step，步角距 θ =1.8 / Step。由于無減p b0 速裝置，所以由 δ =θ /360 ×P 可知，滾珠絲杠螺距，即基本導(dǎo)程pb0h P =4mm。一般來講，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距角較小，運(yùn)行頻率高，價(jià)格較低，h 但功耗較大，永磁式步進(jìn)電機(jī)功耗較小，斷電后仍有制動(dòng)力矩，但步距角較大， 啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，混合式步進(jìn)電機(jī)由上述兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高。 考慮到該機(jī)床垂直進(jìn)給方向需用自鎖機(jī)構(gòu)，所以選用具有自鎖功能的混合 式步進(jìn)電機(jī)。 （4） 計(jì)算選擇 1. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算 銑削時(shí)：F =26.1N, F =65.27NsZ T =36×0.01×[26.1+0.03×（300+65.27）]/2π× 1.8×0.85=40.8 N.cmP 根據(jù)以上計(jì)算可知，銑削時(shí)啟動(dòng)力矩遠(yuǎn)大于鉆削啟動(dòng)力矩，為滿足鉆銑要 求，以銑削時(shí)所需要求為宜。由手冊可知：T /T =0.866，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)Pjm 矩 T = T /0.866=40.8/0.866=47.1 N.cmjmP 2. 確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 f =1000v /δ ，v =0.025(m/s)axaxpmax f =1000×0.025/0.02=1250(HZ)m 根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進(jìn)電機(jī)。57BYGH6403 采用兩相四拍的通電 方式。 相數(shù)，3；步距角，1.8 ；電流，2.5A；靜力矩,110Ncm；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，0 280gcm 2 引線數(shù)，4。 接 線 圖 圖 3 3.2.2 絲杠的選擇 1.滾珠絲杠的特點(diǎn) 滾珠絲杠螺母副（以下簡稱滾珠絲杠副）是一種新型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。具有螺 旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為滾珠絲杠副。在數(shù)控機(jī) 床的傳動(dòng)中，經(jīng)常用于代替滑動(dòng)絲杠，以提高傳動(dòng)精度。 絲杠螺母副的特點(diǎn)： （1）用較小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的 軸向牽引力。 （2）可達(dá)到很大的降速比，使降速機(jī)構(gòu)大為簡化，傳動(dòng)鏈的以縮短。 （3）能達(dá)到較高的傳動(dòng)精。用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí),還可兼作測量元件，通過刻 度盤讀出直線位移的尺寸，最小數(shù)值可達(dá) 0.0001mm。 （4）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率 =0.92~0.96,而一般? 的常規(guī)（滑動(dòng)）絲杠螺母副的 =0.20~0.40。所以滾珠絲杠的傳動(dòng)效率比常規(guī)絲? 杠的傳動(dòng)效率提高了 3~4 倍。因此功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的 。 143 （5）給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時(shí)就可以沒 有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。 （6）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)摩擦， 摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運(yùn)動(dòng)速度完全無關(guān)，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng) 的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)摩擦，與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現(xiàn) 爬行現(xiàn)象，故傳動(dòng)精度高。 （7）有可逆性，由于滾珠絲杠副摩擦系數(shù)小，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線 運(yùn)動(dòng)，也可以由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件，也 可以作為從動(dòng)件。 （8）制造工藝復(fù)雜，滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度 要求也高，故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削 成型表面的。 （9）不能自鎖，特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關(guān)系，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng) 切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需要添加制動(dòng)裝置。 在設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí)，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾 珠絲杠的上述參數(shù)時(shí)，目前采用的方法是，在防止疲勞點(diǎn)蝕的基礎(chǔ)上，即滾性 絲杠在工作過程中受軸向負(fù)載時(shí)，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這 種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型 面產(chǎn)生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形 式。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí)，必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，這種名義直徑 D 和螺距 t 的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一百萬轉(zhuǎn)后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而 不致有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)負(fù)載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載。 2. 滾珠絲杠的選擇計(jì)算 (1) 動(dòng)載荷 Cae 的計(jì)算 Q= f f P 3Lnhmax 其中 f ——載荷系數(shù)取為 1.0， f ——硬度系數(shù)取為 1.2，h P ——最大的工作負(fù)載max L——使用壽命 工作負(fù)載 P 是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他 的數(shù)據(jù)可用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算： 對于類似燕尾型尋軌的機(jī)床 P =kP +f (P +2P +G)max'zy P ——X 方向的切削力 P ——Y 方向的切削力y P ——z 方向的切削力 G——移動(dòng)部件的重量 f ——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)' k——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) 選用滾動(dòng)導(dǎo)軌，在正常潤滑情況下，對于類似燕尾型尋軌 k=1.4 f =0.03' 由于銑削時(shí)所需切削力均大于鉆削的切削力，故意下計(jì)算均按銑削設(shè)計(jì)。 在銑削過程中，P =706.4N ，P =0， zx P =1059.6N ，G=300N y P =1.4×0+0.03×(706.4+2×1059.6+300)=93.7Nmax 而 L=60nT/10 6 式中 n——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min） T——使用壽命（小時(shí)） 對于數(shù)控機(jī)床，n 一般取 1250 r/min，T 一般取 15000h， 因?yàn)?L=60×1250×15000/10 =11256 Q= ×1.0×1.2×93.7=1169N3125 查表初步選用的型號為 N 系列 1604-3，3 列 Q=4612N 較為合適，這是一種 內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)隙單螺母的滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下： 名義直徑：D =20mm，基本導(dǎo)程 t=5mm，剛求直徑： D =3.725 mm ，絲0 n 杠內(nèi)徑 d =17.96mm ，絲杠外徑 d =19.4mm ，循環(huán)列數(shù) 3，額定動(dòng)負(fù)載2 1 C =6367 N ，螺母外徑 D=72 mm，螺母內(nèi)徑 D =32 mm，螺母長度 L=40 0 1 mm。 (2) 校核 （1）效率計(jì)算 從《機(jī)械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 η=tgβ/tg(β+φ) 式中：β-螺紋的螺旋升角； β=arctg =arctg =4.55 t0π D43.1*60 φ-摩擦角； 滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) f=0.003~0.004，其摩擦角 φ 約等于 10 (tgφ= f=0.003~0.004)。' η = =0.9650 4.5(1)tg? (3) 剛度的驗(yàn)算 數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠是一種精密的傳動(dòng)元件，它在工作負(fù)載 P 的作用下， 將伸長或縮短，在扭矩 M 的作用下，將向一方或另一方扭轉(zhuǎn)，這樣，滾珠絲杠 的螺距就要產(chǎn)生變化，從而影響其傳動(dòng)精度和定位精度，因此，滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn) 算其滿載時(shí)的變形量。 從《材料力學(xué)》中得知，滾珠絲杠受工作負(fù)載（軸向力）P 的作用而引起 一個(gè)螺距 t 的變化量△t ,可按下式計(jì)算：1 △t =1 tEF 其中：P-工作負(fù)載； t-滾珠絲杠螺距 ； E-彈性模數(shù)，對鋼而言（E=20.1 ×10 ）；6Ncm2 F-滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）； △t = =0.14×10 cm162 93.70412.5?7? 滾珠絲杠受扭矩 M 作用而引起一個(gè)螺距 t 的變化量△t ，可以按下式計(jì)算：2 △t = (cm) 2 φπ 其中 φ-在扭矩 M 的作用下，滾珠絲杠每一螺距長度兩截面上的相對扭轉(zhuǎn) 角； φ= 其中， M-扭矩（ Ncm）,M= = =6.18NcmC tGJ 2Ptπ η 93.704165? G——扭轉(zhuǎn)彈性對鋼而言，G=841×10 N/cm5 J ——滾珠絲杠載面積的極慣性矩 J = /32d （cm ）c cπ 42 （其中 d ——滾珠絲杠的內(nèi)徑，cm） 2 J =3.14/32×13.1 =2889cmc44 Φ=Mt/ GJ =6.18×0.4/84×10×2889=0.1×10c 9? t=tΦ/2π=0.4×0.1×10 /2×3.14=0.6×10 cm(可忽略不計(jì))9?1 如果 Y 方向的滾珠絲杠的長度為 100m,則整個(gè)工作長度上的螺距變形總誤 差： △=100/0.4 ×0.14×10 =3.5×10 cm/m7?7? 查表得對 E 級絲杠，允許誤差△=15um/m ，故該滾珠絲杠滿足要求。 (4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算 機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過大，可使絲杠 失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長柱。長柱壓桿失穩(wěn)時(shí)的 臨界負(fù)載 P ，可用《材料力學(xué) 》中的歐拉公式計(jì)算k P = （N）k 2()EJulπ E-絲杠材料的彈性模數(shù)，對鋼而言 E=2.1×10 N/cm ；72 J-截面慣性矩，對實(shí)心圓桿而言，J= = =1445cm ； 42π d6413.?π 4 l-絲杠的工作長度,l=28.6cm ； u-絲杠的軸端系數(shù)，由支撐條件決定，本設(shè)計(jì)是兩端向心軸承，u=1。 P = =3.6×10 N k 2723.14.0145(86)?7 臨界負(fù)載 P 與工作負(fù)載 P 之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù) n 。如果穩(wěn)定性安全k k 系數(shù) n 大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[ n ]，則該壓桿安全不致失穩(wěn)。k k n = = =3.8×10 >>[ n ]=4k 7