x53銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造設(shè)計(jì)（太原）

x53銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造設(shè)計(jì)（太原）,x53,銑床,經(jīng)濟(jì)型,數(shù)控,改造,設(shè)計(jì),太原 畢業(yè)設(shè)計(jì) x53銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 機(jī)械工程系 125011333 黃洋 學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系 部： 許鑫 專 業(yè)： 指導(dǎo)教師： 二零一四 年 六月 I 誠(chéng)信聲明 本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下獨(dú)立完成的，在完成論文時(shí)所利用的一切資料均已在參考文獻(xiàn)中列出。 本人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 設(shè)計(jì)題目： x53銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 系部： 機(jī)械工程系專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué)號(hào)： 125011333 學(xué)生：黃洋 指導(dǎo)教師（含職稱）： 許鑫（講師） 專業(yè)負(fù)責(zé)人： 田靜 1．設(shè)計(jì)的主要任務(wù)及目標(biāo) 主要任務(wù)：（1）利用原機(jī)床改裝三坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床（2）完成X Y 軸機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)（3）繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 目標(biāo)：經(jīng)過改進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，加工精度較原機(jī)床有較大的提高，提高了生產(chǎn)效率，擴(kuò)大的加工范圍，減輕了勞動(dòng)體力。 2．設(shè)計(jì)的基本要求和內(nèi)容 將普通立式銑床改裝成數(shù)控銑床，完成X Y軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計(jì)，并繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖。機(jī)械部分是通過銑床的縱向、橫向機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)數(shù)控的。為了保證銑床能由計(jì)算機(jī)控制,首先拆去了縱向、橫向離合器和縱、橫向手輪,將手輪端通過一對(duì)齒輪與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián),利用步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái)橫、縱向的移動(dòng)。 3．主要參考文獻(xiàn) [1] 張新義.經(jīng)濟(jì)性數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì).［J］北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1994 [2] 林其駿.微機(jī)控制機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì). ［J］上海:上?？萍技夹g(shù)出版社，1991 [3] 余英良.數(shù)控改造普通銑床. ［J］北京:新技術(shù)新工藝雜志，1992.5期 [4] 陳紹廉主編.數(shù)控機(jī)床改造技術(shù). ［J］北京:航空工業(yè)出版社，1989 [5]?李善術(shù)主編.數(shù)控機(jī)床及其應(yīng)用. ［J］北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1995 [6] 濮良貴,紀(jì)明剛.機(jī)械設(shè)計(jì).7版. ［J］北京：高等教育出版社，2001 4．進(jìn)度安排 設(shè)計(jì)各階段名稱 起 止 日 期 1 進(jìn)行調(diào)查研究，查閱資料，完成開題報(bào)告 2014年3月29日-2014年4月9日 2 課題總體方案的確定 2014年4月10日-2014年4月17日 3 根據(jù)立式銑床的結(jié)構(gòu)選擇改造所需的零件 2014年4月18日-2014年4月25日 4 完成X,Y軸的機(jī)械結(jié)構(gòu)改裝并繪制裝配圖 2014年4月26日-2014年5月20日 5 整理、打印設(shè)計(jì)說明書及答辯等 2014年5月21日-2014年6月18日 x53銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 摘要: 本文主要介紹了在X53 銑床上采用了CNC 數(shù)控系統(tǒng)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開環(huán)控制來實(shí)現(xiàn)了X 、Y 、Z三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，從而將普通的機(jī)床改裝成簡(jiǎn)易的數(shù)控機(jī)床。在原機(jī)床的三個(gè)進(jìn)給方向上拆除原有絲杠換成滾珠絲杠，滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，無爬行，預(yù)緊后可消除反向間隙，精度高；并在絲杠上尾部加減速齒輪和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)進(jìn)給，此改裝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，易改裝。經(jīng)過改進(jìn)的數(shù)控機(jī)床，加工精度較原機(jī)床有較大的提高，提高了生產(chǎn)效率，擴(kuò)大的加工范圍，減輕了勞動(dòng)體力。 關(guān)鍵詞： CNC控制系統(tǒng) 銑床 滾珠絲杠 步進(jìn)電機(jī) 減速齒輪 Vertical milling machines CNC modification design Abstract:This paper describes the open-loop control that the X53 k using CNC milling machine CNC system and stepper motor-driven actuator，it achieved X, Y, Z coordinate linkage. Three of the original machine feed direction were changed to remove the screw ball screw, ball screws transmission is efficiency, no crawling, after preload to eliminate backlash, high accuracy; and screw on the rear plus reduction gear and stepper motor to achieve the automatic feed. Which will be converted into simple ordinary machine tools CNC machine tools, this modification is simple, convenient debugging, easy to modify. Improved CNC machine tools, precision machine tools have more than the original increase and improve production efficiency, expand the scope of processing to reduce manual labor. Keywords: CNC control system, milling, ball screws, stepper motor, reduction gear 目 錄 1 緒 論 1 2 X53銑床改造的總體設(shè)計(jì) 2 2.1 總體設(shè)計(jì)要求 2 2.2 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)方式的確定 3 2.3 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的確定 3 2.3.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的選擇 3 2.4 伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 5 2.5 微機(jī)系統(tǒng)的選用 5 2.5.1 方案的確定 5 2.5.2 單片機(jī)的選擇 5 2.6 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造方案設(shè)計(jì) 8 3 縱向機(jī)械部分設(shè)計(jì)改造 9 3.1 已知條件 9 3.2 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 10 3.3 工作臺(tái)的質(zhì)量 10 3.4 切削力的計(jì)算 10 3.5 滾珠絲杠副的選擇計(jì)算 11 3.5.1 滾珠絲杠的特點(diǎn) 11 3.5.2 滾珠絲杠的組成及工作原理 11 3.5.3 工作負(fù)載計(jì)算 12 3.5.4 滾珠絲杠壽命計(jì)算 12 3.5.5 最大動(dòng)載荷計(jì)算及絲杠型號(hào)選擇 12 3.5.6 剛度計(jì)算 14 3.5.7 效率計(jì)算 14 3.5.8 軸承的選擇 15 3.6 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 16 3.6.1 齒輪的選擇計(jì) 16 3.6.2 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整 17 3.7 伺服電機(jī)的選擇計(jì)算 18 3.7.1伺服電機(jī)的特點(diǎn) 18 3.7.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算 19 4 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 21 4.1 工作負(fù)載計(jì)算 21 4.2滾珠絲杠副的選擇計(jì)算 21 4.2.1 滾珠絲杠壽命計(jì)算 21 4.2.2 最大動(dòng)載荷計(jì)算及絲杠型號(hào)選擇 22 4.2.3 剛度計(jì)算 23 4.2.4 效率計(jì)算 24 4.3 傳動(dòng)齒輪計(jì)算 24 4.4 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整 25 4.5 絲杠支撐的選擇 25 4.6 伺服電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算 26 4.6.1步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算 26 結(jié) 論 29 參考文獻(xiàn) 30 致 謝 32 第II頁(yè)共II頁(yè) 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 1.緒 論 數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比,增加了功能,提高了性能,簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu).較好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及形狀多變零件的加工問題。能獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，其應(yīng)用越來越廣泛，但是數(shù)控的應(yīng)用也受到其他條件限制：（1）數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有力而力不足；（2）目前，各企業(yè)都有大量的普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不可能，而且替代下的機(jī)床閑置起來又會(huì)造成浪費(fèi)；（3）在國(guó)內(nèi)，訂購(gòu)新數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足生產(chǎn)急需；（4）通用數(shù)控機(jī)床對(duì)某一類具體生產(chǎn)項(xiàng)目有多余功能。 要較好的解決上述問題，應(yīng)走通用機(jī)床數(shù)控改造之路。普通機(jī)床的改造就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)數(shù)控裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)額定的加工工藝目標(biāo)。中國(guó)現(xiàn)擁有300多萬臺(tái)機(jī)床，其中大部分是多年積累生產(chǎn)的普通機(jī)床，自動(dòng)化程度低。要想在近幾年用自動(dòng)和精密設(shè)備更新現(xiàn)有機(jī)床，不論是資金還是中國(guó)機(jī)床制造廠的能力都是辦不到的，因此，普通機(jī)床的數(shù)控化改造大有可為，它適合中國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平、生產(chǎn)水平和教育水平，已成為中國(guó)設(shè)備技術(shù)改造的主要方向之一。 機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)點(diǎn)：（1）改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機(jī)床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機(jī)床的使用價(jià)值，可以提高固定資產(chǎn)的使用效率；（2）適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)；（3）自動(dòng)化程度提高、專業(yè)性強(qiáng)、加工精度高、生產(chǎn)效率高；（4）降低對(duì)工人的操作水平的要求；（5）數(shù)控改造費(fèi)用低、經(jīng)濟(jì)性好；（6）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。因此，我們必須走數(shù)控改造之路。[3] 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的題目是立式銑床的數(shù)控改裝技術(shù)，目的是將普通的立式銑床經(jīng)過簡(jiǎn)單的改裝后成為簡(jiǎn)單的數(shù)控銑床，普通立式銑床在我國(guó)有很大的儲(chǔ)備量，有很多技術(shù)人員也曾經(jīng)研究過類似的改造，改造投資少，可充分利用現(xiàn)有資源。 但是，普通立式銑床改造后只能加工精度要求不高，形狀較簡(jiǎn)單的零件。對(duì)精度要求高，形狀復(fù)雜的零件還是不能加工的。 限于本人的知識(shí)水平，設(shè)計(jì)過程中的不足之處在所難免，望各位老師不吝賜教，給予批評(píng)指正。 2．X53銑床改造的總體設(shè)計(jì) 2.1 總體設(shè)計(jì)要求 普通立式銑床改裝成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，應(yīng)實(shí)現(xiàn)普通立式銑床原有功能，在銑床精度性能方面除保有原有性能和精度外還應(yīng)有所提高。 給定條件及要求：普通立式銑床采用微機(jī)組成的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。 脈沖當(dāng)量：0.01mm/脈沖 快速移動(dòng)速度：X軸 1m/min Y軸 1m/min 圖2.1銑床改造后總體結(jié)構(gòu)圖 2.2 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式有點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)、直線運(yùn)動(dòng)、輪廓運(yùn)動(dòng)三種運(yùn)動(dòng)方式。點(diǎn)位運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件的精確位置，即控制刀具與工件的相對(duì)位置對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡沒有嚴(yán)格要求。這種運(yùn)動(dòng)方式主要用于數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床等，其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為點(diǎn)位控制系統(tǒng)。 直線控制系統(tǒng)，不僅控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件點(diǎn)與點(diǎn)之間的準(zhǔn)確位置還需保證其移動(dòng)軌跡為一直線，而且對(duì)位移速度也必須進(jìn)行控制，以適應(yīng)不同刀具及工件材料的加工要求。簡(jiǎn)單的數(shù)控車床、鏜銑床都采用這種系統(tǒng)。另外，這類系統(tǒng)應(yīng)具有刀具長(zhǎng)度與半徑的補(bǔ)償功能以及主軸轉(zhuǎn)速控制功能。 輪廓控制系統(tǒng)亦稱軌跡控制，能夠連續(xù)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)方向的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有查補(bǔ)運(yùn)算的功能，是刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)個(gè)坐標(biāo)方向的運(yùn)算速度，以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進(jìn)給速度。采用這類控制的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。 綜上所述，由于改造后的數(shù)控銑床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工等功能，所以我選用輪廓控制方式。 2.3 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的確定 2.3.1 伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的選擇 伺服驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)按其控制方式可分為開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。 開環(huán)控制伺服系統(tǒng)沒有檢測(cè)反饋裝置，其驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)只能采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，這種控制系統(tǒng)的精度完全取決于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距精度以及齒輪、絲杠的傳動(dòng)精度。因此，這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便，價(jià)格便宜，維護(hù)也比較方便。 圖2.2 開環(huán)伺服系統(tǒng)框圖 半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)角檢測(cè)元件。直接安裝在伺服電機(jī)或絲杠的端部。由于大部分機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)未包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，因此，可獲得較穩(wěn)定的控制特性。 圖2.3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)框圖 全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的位置反饋采用直線位移檢測(cè)元件，安裝在機(jī)床的床鞍部位上，即直接檢測(cè)機(jī)床坐標(biāo)的直線位移量，通過反饋可以消除從電機(jī)到機(jī)床床鞍整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)誤差，得到很高的機(jī)床定位精度。但是，整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都相當(dāng)復(fù)雜。因此，這種全閉環(huán)控制方式主要用于精度要求很高的機(jī)床。 圖2.4 全閉環(huán)控制系統(tǒng) 由于我們所做的是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，精度要求不高。所以，采用開環(huán)控制伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)投資少，安裝調(diào)試方便。 2.4 伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇 目前，使用比較廣泛的驅(qū)動(dòng)電機(jī)有：步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)。 由于我們選用的是開環(huán)控制伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)只能采用步進(jìn)電機(jī)。這種驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝調(diào)試和維修都很方便。 2.5 微機(jī)系統(tǒng)的選用 2.5.1 方案的確定 方案一：采用單片機(jī)控制系統(tǒng)。單片機(jī)編程靈活，自由度大，可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯編程。單片機(jī)系統(tǒng)還可用數(shù)碼管或液晶來顯示處理的數(shù)據(jù)，可以實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)對(duì)話。系統(tǒng)整理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 方案二：PLC(英文全稱Programmable Pogic Controller,中文全稱可編程邏輯控制器)控制系統(tǒng)。適用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)較大的系統(tǒng)控制，其可靠性，性價(jià)比高。但對(duì)于本設(shè)計(jì)來說，其體積大，成本高，相對(duì)性價(jià)比低。 方案三：DSP（digital singnal processor，是一種獨(dú)特的微機(jī)處理器，是以數(shù)字信號(hào)來處理大量信息的器件）控制系統(tǒng)。 DSP實(shí)現(xiàn)了流水作業(yè)，可以極大的提高處理速度。但對(duì)控制器要求過高。 比較以上三種方案。方案一操作靈活簡(jiǎn)單，成本低廉；方案二成本較高，不適合于本次改造；方案三對(duì)控制器要求過高，也不適用于本次改造。所以在本次設(shè)計(jì)中，采用方案一。 2.5.2 單片機(jī)的選擇 ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用８０３１芯片作為主控芯片。 (1)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。在選擇芯片時(shí)要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時(shí)序的匹配。８０３１所能讀取的時(shí)間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。 單片機(jī)規(guī)定Ｐ0口提供８為位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作為地址鎖存器，并由ＣＰＵ發(fā)出允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖如下圖所示 A12 ↓ A8 2764 A7 ↓ A0 D7 ↓ D0 P1.7 ↓ P1.0 P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0 譯碼電路 G 74LS372 圖2.5 擴(kuò)展2764電路框圖 (２）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 由于８０３１內(nèi)部ＲＡＭ只有１２８字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用６２６４芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其擴(kuò)展電路如下所示： P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0 譯碼電路 A12 ↓ A8 A7 ↓ 6264 A0 D7 ↓ D0 ↓ D0 G 74LS372 圖2.6 擴(kuò)展6264電路框圖 (３）譯碼電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對(duì)于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。 2.6 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造方案設(shè)計(jì) 第一種方案： 根據(jù)改造目的，需將縱向和橫向還有主軸Z向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)改造為微機(jī)控制。橫向、縱向進(jìn)給系統(tǒng)需作以下改動(dòng)：獎(jiǎng)勵(lì)和崎脫開，去掉手輪，將首輪直接與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相連，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)橫向、縱向工作臺(tái)；工作臺(tái)由原來的手輪進(jìn)給，現(xiàn)改為由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，Z向也如此，并自行設(shè)計(jì)滾珠絲杠副等元件。 第二種方案： 通過銑床的縱向、橫向機(jī)構(gòu)進(jìn)行改造實(shí)現(xiàn)數(shù)控的。為了保證銑床能由計(jì)算機(jī)控制，首先拆去縱、橫向離合器和縱、橫向手輪，手輪端通過一對(duì)齒輪與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)利用步進(jìn)電機(jī)控制工作臺(tái)橫、縱向的移動(dòng)。工作臺(tái)的垂直進(jìn)給仍可用手動(dòng)實(shí)現(xiàn)，使銑床傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的改動(dòng)盡可能地減少，數(shù)控部分發(fā)生故障時(shí)仍能用手工半自動(dòng)操作。使用中發(fā)現(xiàn)，由于銑床縱向絲杠長(zhǎng)、使用頻繁、橫向絲杠承受負(fù)載大，應(yīng)將其換成滾珠絲杠。采用滾珠絲杠，必須利用雙螺母消除間隙和調(diào)節(jié)預(yù)緊力，同時(shí)必須對(duì)其剛度、導(dǎo)程變化總誤差和穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算。 第一種方案中，如果將步進(jìn)電機(jī)直接與絲杠聯(lián)結(jié),將簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu),有利于提高精度,減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、摩擦、磨損和損耗;但由于電機(jī)很重,為了避免產(chǎn)生大的側(cè)傾力,又為了使改造后的機(jī)床外觀造型協(xié)調(diào)和均衡,本設(shè)計(jì)采用第二種方案。改造后的X53立式銑床的傳動(dòng)系統(tǒng)圖如下圖： 計(jì) 算 機(jī) 光電隔離 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) X向工作臺(tái) 光電隔離 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) Y向工作臺(tái) 圖2.7 X53 傳動(dòng)系統(tǒng)圖 3．縱向機(jī)械部分設(shè)計(jì)改造 數(shù)控機(jī)床要求機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)盡量采用低摩擦的傳動(dòng)副；盡量消除傳動(dòng)間隙，以減小反向行程誤差；縮短傳動(dòng)鏈以及用預(yù)緊的傳動(dòng)方法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，選用最佳的降速比；為達(dá)到數(shù)控機(jī)床所要求的脈沖當(dāng)量，使運(yùn)動(dòng)位移盡可能快速的達(dá)到跟蹤指令。 對(duì)縱向進(jìn)行機(jī)構(gòu)的機(jī)械結(jié)構(gòu)改造時(shí)，將原先機(jī)床絲杠拆換成滾珠絲杠；把原機(jī)床的首輪拆除換成步進(jìn)電動(dòng)機(jī)以及原機(jī)床的軸承也一起換掉。 3.1 已知條件 表3.1 X53參數(shù) 工作臺(tái)面積 400mm×1600mm 工作臺(tái)縱向最大行程（手動(dòng)/機(jī)動(dòng)） 900/880mm 工作臺(tái)橫向最大行程（手動(dòng)/機(jī)動(dòng)） 315/300mm 工作臺(tái)垂直最大行程（手動(dòng)/機(jī)動(dòng)） 385/365mm 主軸轉(zhuǎn)速范圍 30～1500r/min 工作臺(tái)縱向進(jìn)給速度范圍 23.5-1180mm/min 工作臺(tái)橫向進(jìn)給速度范圍 15-786mm/min 工作臺(tái)垂直向進(jìn)給速度范圍 8-394mm/min 工作臺(tái)橫向及縱向快速移動(dòng)速度 700 mm/min 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)功率 10kW 主傳動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1450r/min 外形尺寸 2556mm X 2800 mm X 2000mm 質(zhì)量 3500 kg 3.2 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量δp是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm。 3.3 工作臺(tái)的質(zhì)量 根據(jù)給定X53工作臺(tái)簡(jiǎn)圖和工作臺(tái)的材料，估算工作臺(tái)及移動(dòng)部件承載重量為 G=320 X 7.8=2500N。 3.4 切削力的計(jì)算 機(jī)床的最大切削功率可根據(jù)式 （式3.1） 計(jì)算，取 查《機(jī)床說明書》則 =10x0.8x0.96kw=7.86kw 切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力（或轉(zhuǎn)矩）和最大切削速度來計(jì)算，按最大切削力來計(jì)算，取切削速度v=100mm/min， 由式來計(jì)算主切削力： (式3.2) x= 根據(jù)式 和?。? (式3.3) 3.5 滾珠絲杠副的選擇計(jì)算 3.5.1 滾珠絲杠的特點(diǎn) 數(shù)控機(jī)床為了提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，必須降低摩擦并減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差。因此，行程不太長(zhǎng)的直線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)常用滾珠絲杠副。 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率高達(dá)85%～98%,是普通絲杠的2～4倍。滾珠絲杠的靜、動(dòng)摩擦系數(shù)實(shí)際上沒有什么差別。滾珠絲杠可以消除反向間隙并施加預(yù)載，有助于提高精度和剛度。 3.5.2 滾珠絲杠的組成及工作原理 （1）組成：絲杠、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等組成。 （2）工作原理：在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿著滾道滾動(dòng)，并經(jīng)回珠管作周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動(dòng)?；刂楣軆啥诉€起擋珠作用，以防滾珠沿著管道掉出如下圖所示： 圖3.1 滾珠螺母副的結(jié)構(gòu)圖 滾珠絲杠的選擇要根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況及工作負(fù)載情況，計(jì)算出絲杠的最大動(dòng)載荷及絲杠的工作壽命等參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)進(jìn)行選擇。最大載荷必須小于絲杠的額定動(dòng)載荷。滾珠絲杠螺母副是標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，其規(guī)格型號(hào)都是按國(guó)際查表得出的，其選擇的詳細(xì)計(jì)算如下： 3.5.3 工作負(fù)載計(jì)算 工作負(fù)載的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的公式 (式3.4) 計(jì)算，取K=1.15，f=0.17則： 對(duì)于三角形導(dǎo)軌 K=1.15 ，f =0.03~0.5,選f =0.17(因?yàn)槭氰傉乘芰蠈?dǎo)軌) 3.5.4 滾珠絲杠壽命計(jì)算 滾珠絲杠轉(zhuǎn)速n=計(jì)算， （式3.5） 取、螺距則 n== 壽命t可按下式，數(shù)控機(jī)床T取15000h。 G= （式3.6） 3.5.5 最大動(dòng)載荷計(jì)算及絲杠型號(hào)選擇 根據(jù)切削力和運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量引起的阻抗力，計(jì)算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)式 （式3.7） 計(jì)算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動(dòng)載荷C。其中取；,則： 因?yàn)閚=12r/min，按額定動(dòng)載荷來選取絲杠。由C查滾珠絲杠產(chǎn)品樣式或《機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》后選絲杠直徑為，型號(hào)為CMD4006-5-P5的結(jié)構(gòu)如圖所示 圖3.2 CMD4006-5-P5的結(jié)構(gòu)圖 具體技術(shù)參數(shù)見表3.2： 表3.2 CMD4006-5-P5絲杠具體參數(shù) 滾珠絲杠型號(hào) 公稱直徑 /mm 基本導(dǎo)程 /mm 鋼球直徑 /mm 絲杠外徑 /mm 螺紋底徑 /mm 循環(huán)圈數(shù) CMD4006-5 40 6 3.969 39.5 35.1 2.5x2 續(xù)表3.2 CMD4006-5-P5絲杠具體參數(shù) 額定動(dòng)載荷 /N 額定靜載荷 /mm 接觸剛度 R/（N/） 28771 95970 2191 表3.3 CMD4006-5-P5螺母安裝連接尺寸 單位：mm D B h L C M 109 71 90 15 9 15 9 138 54 6 3.5.6 剛度計(jì)算 滾珠絲杠工作時(shí)受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，將引起基本導(dǎo)程的變化，因此滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩時(shí)引起的導(dǎo)程變化量很?。L動(dòng)摩擦，使得對(duì)絲杠受扭變化?。?，可忽略不計(jì)。故工作負(fù)載引起的變化量△可由式△= (式3.8) 計(jì)算。取鋼彈性模量E=20.6ＭＰａ;滾珠絲杠截面積，按絲杠螺紋底徑確定=3.51cm，則 A= （式3.9） △=（“+”用于拉伸時(shí)，“-”用于壓縮時(shí)）絲杠1m長(zhǎng)度上導(dǎo)程變形總量誤差 △ 四級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差25﹥20.07，故此絲杠精度足夠。 3.5.7 效率計(jì)算 根據(jù)機(jī)械原理，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率可根據(jù)式 （式3.10） 計(jì)算。其中摩擦角取，則 = 3.5.8 軸承的選擇 滾珠絲杠的左端設(shè)計(jì)了一個(gè)專用軸承支承座，采用一個(gè)軸套式滑動(dòng)軸承作為徑向支承，在滑動(dòng)軸承的兩端分別布置一對(duì)推力球軸承，承受兩個(gè)方向的軸向力。滾珠絲杠右端通過聯(lián)軸器和減速器的輸出軸連接，在絲杠托架上布置一個(gè)軸套式滑動(dòng)軸承作為徑向支承。滾珠絲杠的中間支承為滾珠螺母，與床鞍直接連接。 為了滿足機(jī)床所需要的精度及剛度，傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一段軸向固定，另一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，使絲杠的軸向位移留有移動(dòng)的空間，這樣可以減小機(jī)床的震動(dòng)和傳動(dòng)的誤差，避免軸承卡死以及絲杠受熱伸長(zhǎng)變形情況的發(fā)生。固定端采用一對(duì)角接觸球軸承，選擇7602035TVP軸承面對(duì)面組配，成對(duì)使用，能限制兩個(gè)方向的軸向位移，軸承的具體參數(shù)見表3.4。因?yàn)轭~定載荷C=30000N﹥=3996.2N，所以7602035TVP滿足使用要求。 表3.4 7602035TVP軸承具體參數(shù) 軸承型號(hào) 尺寸/mm 額定載荷/N 預(yù)載荷/mm 極限轉(zhuǎn)速/(r/min) 質(zhì)量/kg 安裝尺寸/mm d D B C 脂 7602035TVP 35 72 17 30000 710000 3300 1900 0.144 46.5 50.5 1 表3.5 6007深溝球軸承具體參數(shù) 軸承型號(hào) 尺寸/mm 額定載荷/N 極限轉(zhuǎn)速/(r/min) 質(zhì)量/kg 安裝尺寸/mm d D B C 脂 油 6007 35 62 14 1 16200 10500 9000 12000 0.13 30 47 1 3.6 傳動(dòng)齒輪的設(shè)計(jì)與計(jì)算 3.6.1 齒輪的選擇計(jì)算 脈沖當(dāng)量、步距角、絲杠螺距和降速比之間的關(guān)系為 = （式3.11） 一般的數(shù)控機(jī)床取0.01，變速比要求較高，所以=0.75，=6mm，則齒輪的傳動(dòng)比為 根據(jù)一般的設(shè)計(jì)原則，為了提高傳動(dòng)精度，應(yīng)盡量減少傳動(dòng)級(jí)數(shù)，并且盡量避免采用升速的傳動(dòng)比。為了提高傳動(dòng)的平穩(wěn)性，減少?zèng)_擊振動(dòng)，同時(shí)也防止外來的廢屑進(jìn)入到齒輪中，采用閉式設(shè)計(jì)裝置。 由于滾珠絲杠隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，而伺服電動(dòng)機(jī)不隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，這樣給運(yùn)動(dòng)的傳遞造成困難。如果X軸與絲杠之間也需要相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)增加傳遞齒輪與絲杠之間的傳動(dòng)間隙，且不易消除。在本設(shè)計(jì)中，使用一級(jí)傳動(dòng)來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的要求。但為了消除傳動(dòng)間隙、盡可能減小誤差，要采用一系列措施來消除，以保證傳動(dòng)平穩(wěn)。 一般閉式齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)速較高，所以齒數(shù)多一點(diǎn)則沖擊振動(dòng)相對(duì)較小。小齒輪可取20～40， 則大齒輪齒數(shù)。取模數(shù)m=2mm則: 分度圓直徑: 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)于正常齒，=1，=0.25則： 齒頂圓直徑: 　（式3.12） （式3.13） 齒根圓直徑: （式3.14） （式3.15） 齒距P=m=6.28 齒厚S=P/2=3.14 齒槽寬e=P/2=3.14 中心距: （式3.16） 分度圓壓力角: 3.6.2 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整 大小齒輪均采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整方法采用偏心套調(diào)整法。如圖3.4所示：將相互嚙合的一對(duì)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上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒輪間隙。 圖3.4 偏心套調(diào)整 1.偏心套 2.電機(jī) 3.減速器 4、5.減速齒輪 3.7 伺服電機(jī)的選擇計(jì)算 3.7.1伺服電機(jī)的特點(diǎn) 伺服電動(dòng)機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，應(yīng)該具有精確度高、響應(yīng)快、調(diào)速范圍廣及轉(zhuǎn)矩大等特性。數(shù)控機(jī)床還有一個(gè)很重要的特點(diǎn)就是要實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速，這是異步或同步電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)的。經(jīng)過改造的X53銑床，要實(shí)現(xiàn)輪廓的控制，就必須有能快速響應(yīng)性能好的伺服電動(dòng)機(jī)。在進(jìn)給系統(tǒng)中，對(duì)進(jìn)給伺服電機(jī)的要求主要有以下幾點(diǎn)： （1）調(diào)整范圍寬和低速平穩(wěn)性，要求速比應(yīng)大于1:10000，速比達(dá)0.1r/min時(shí)無爬行。 （2)負(fù)載特性要硬。要求即使在低速時(shí)也具有達(dá)的負(fù)載能力和過載能力。 （3）反應(yīng)速度快，要求電動(dòng)機(jī)在0.2秒以內(nèi)以靜止啟動(dòng)，升速到1500r/min，因此要求電動(dòng)機(jī)慣量小、堵轉(zhuǎn)力矩大、機(jī)電時(shí)間常數(shù)和起動(dòng)電壓小、加速度達(dá)4000rad/以上。 （4）可以頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 從經(jīng)濟(jì)性及系統(tǒng)要求方面綜合考慮，選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠的連接如圖3.5所示： 圖3.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠連接簡(jiǎn)圖 1.絲杠 2.從動(dòng)齒輪 3.主動(dòng)齒輪 4.支架 5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 3.7.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算 1．負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 工作臺(tái)及夾具等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按以下式估算。取G=2500N;=0.75; =0.01，則 （式3.17） 對(duì)于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按（式3.18）計(jì)算根據(jù)前面已知，m=2mm，，取計(jì)算值，寬，則小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （式3.18） 對(duì)于齒輪2，，寬，則齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 根據(jù)前面計(jì)算所得的滾珠絲杠參數(shù)，以及《X53銑床說明書》的滾珠絲杠、，則滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 那么，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)量由式 （式3.19）計(jì)算得 =24.27 2． 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 根據(jù)能量守恒原理，電動(dòng)機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算： Tm =36Fm/2 （式3.20） =(360.013996.2)/(20.750.980.990.990.94) =3.31N.m 式中 ——脈沖當(dāng)量（mm/step）； Fm——進(jìn)給牽引力（N） ——步距角，初選雙拍制為0.75°； ——電機(jī)絲杠的傳動(dòng)效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94； 若不考慮起動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣量的影響，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩按下式（式3.21）計(jì)算。取安全系數(shù)為0.4，則 Tq=Tm/0.4 =3.31/0.4=8.275N·cm （式3.21） 式中安全系數(shù)的范圍是0.3～0.5 對(duì)于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩按式（式2.22）計(jì)算。取=0.866，則 =/=8.275/0.866N.m=9.56 N.m （式2.22） 已知工作臺(tái) 縱向進(jìn)給速度范圍是23.5～1180mm/min，工作臺(tái)橫向及縱向快速移動(dòng)速度是2300mm/min。當(dāng)工作臺(tái)快速移動(dòng)時(shí)（=1m/min）,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速按式（式3.23）計(jì)算，則 （式2.23） 取t=25ms，由式（式3.24）得 =24.27 （式3.24） 按式（式3.25）可得 N.m=0.33 N.m （式3.25） 為預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3，即 =/3=3996.2/3N=1332.1N 滾珠絲杠預(yù)緊所引起的折算到電機(jī)上的附加轉(zhuǎn)矩由式（式3.26）得 ==3.31 （式3.27） 則電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)矩T得 T=++=(2.11+0.33+3.31) =5.57 （式3.28） 3．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高工作頻率 根據(jù)已知參數(shù)，取縱向進(jìn)給速度為=1m/min，根據(jù)下式計(jì)算得 ===1666.67HZ （式3.29） 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮后選擇BF系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為110BF004，具體參數(shù)見下表3.6。 表3.6 110BF004具體參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 保持轉(zhuǎn)矩/N.m 步距角（。） 靜態(tài)相電流/A 空載運(yùn)行頻率/HZ 空載起動(dòng)頻率/HZ 相電感/mH 使用電壓范圍/v 質(zhì)量/kg 110BF004 3 4.9 0.75 4 7000 500 30 80～325 10 4．橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 4.1 工作負(fù)載計(jì)算 工作負(fù)載的數(shù)值可用進(jìn)給牽引力的公式 (式4.1) 計(jì)算，取K=1.15，f=0.16則： 4.2滾珠絲杠副的選擇計(jì)算 4.2.1 滾珠絲杠壽命計(jì)算 滾珠絲杠轉(zhuǎn)速n= （式4.2） 計(jì)算，取則 n== 壽命t可按下式，數(shù)控機(jī)床T取15000h。 G= （式4.3） 4.2.2 最大動(dòng)載荷計(jì)算及絲杠型號(hào)選擇 根據(jù)切削力和運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量引起的阻抗力，計(jì)算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)式計(jì)算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動(dòng)載荷C。其中?。?則： （式4.4） 因?yàn)閚=12r/min，按額定動(dòng)載荷來選取絲杠。由C查滾珠絲杠產(chǎn)品樣式或《機(jī)電設(shè)計(jì)手冊(cè)》后選絲杠直徑為，型號(hào)為CMD4006-5-P5的結(jié)構(gòu)如圖所示 圖4.1 CMD4006-5-P5的結(jié)構(gòu)圖 具體技術(shù)參數(shù)見表4.1： 表4.1 CMD4006-5-P5絲杠具體參數(shù) 滾珠絲杠型號(hào) 公稱直徑 /mm 基本導(dǎo)程 /mm 鋼球直徑 /mm 絲杠外徑 /mm 螺紋底徑 /mm 循環(huán)圈數(shù) CMD4006-5 40 6 3.969 39.5 35.1 2.5x2 續(xù)表4.1 CMD4006-5-P5絲杠具體參數(shù) 額定動(dòng)載荷 /N 額定靜載荷 /mm 接觸剛度 R/（N/） 28771 95970 2191 表4.2 CMD4006-5-P5螺母安裝連接尺寸 單位：mm D B h L C M 109 71 90 15 9 15 9 138 54 6 4.2.3 剛度計(jì)算 滾珠絲杠工作時(shí)受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，將引起基本導(dǎo)程的變化，因此滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩時(shí)引起的導(dǎo)程變化量很?。L動(dòng)摩擦，使得對(duì)絲杠受扭變化?。?，可忽略不計(jì)。故工作負(fù)載引起的變化量△可由式△=計(jì)算。 （式4.4） 取鋼彈性模量E=20.6ＭＰａ;滾珠絲杠截面積，按絲杠螺紋底徑確定=3.51cm，則 A= （式4.5） △=（“+”用于拉伸時(shí)，“-”用于壓縮時(shí)）絲杠1m長(zhǎng)度上導(dǎo)程變形總量誤差 △ 四級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差25﹥17.4，故此絲杠精度足夠。 4.2.4 效率計(jì)算 根據(jù)機(jī)械原理，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率可根據(jù)式 （式4.6） 計(jì)算。其中摩擦角取，則 = （式4.7） 4.3 傳動(dòng)齒輪計(jì)算 脈沖當(dāng)量、步距角、絲杠螺距和降速比之間的關(guān)系為 = （式4.8） 一般的數(shù)控機(jī)床取0.01，變速比要求較高，所以=0.75，=6mm，則齒輪的傳動(dòng)比為 （式4.9） 一般閉式齒輪傳動(dòng)轉(zhuǎn)速較高，所以齒數(shù)多一點(diǎn)則沖擊振動(dòng)相對(duì)較小。小齒輪可取20～40， 則大齒輪齒數(shù)。取模數(shù)m=2mm則: 分度圓直徑: 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：對(duì)于正常齒，=1，=0.25則： 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒距P=m=6.28 齒厚S=P/2=3.14 齒槽寬e=P/2=3.14 中心距: 分度圓壓力角: 4.4 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整 為了提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性，避免齒輪在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生沖擊和噪聲，對(duì)于橫向齒輪需要設(shè)計(jì)中心距地調(diào)整機(jī)構(gòu)。由于主、從動(dòng)齒輪在制造過程中不可避免的存在加工誤差，為使這一對(duì)相互嚙合的齒輪在安裝后的中心距達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中心距，齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整方法采用偏心套調(diào)整法。如圖3.4所示：將相互嚙合的一對(duì)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上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒輪間隙。 4.5 絲杠支撐的選擇 為了滿足機(jī)床所需要的精度及剛度，傳動(dòng)系統(tǒng)的絲杠采用一段軸向固定，另一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式，使絲杠的軸向位移留有移動(dòng)的空間，這樣可以減小機(jī)床的震動(dòng)和傳動(dòng)的誤差，避免軸承卡死以及絲杠受熱伸長(zhǎng)變形情況的發(fā)生。固定端采用一對(duì)角接觸球軸承，選擇7602035TVP軸承面對(duì)面組配，成對(duì)使用，能限制兩個(gè)方向的軸向位移。浮動(dòng)端支撐采用6209/P5型深溝球軸承，只承受絲杠重力，軸承的具體參數(shù)見表4.2。 因?yàn)轭~定載荷C=31500N﹥=3446.28N，所以7602035TVP滿足使用要求。 表4.3 6007深溝球軸承具體參數(shù) 軸承型號(hào) 尺寸/mm 額定載荷/N 極限轉(zhuǎn)速/(r/min) 質(zhì)量/kg 安裝尺寸/mm d D B C 脂 油 6209 45 85 19 1 31500 20500 7000 9000 0.18 52 78 1．1 4.6 伺服電動(dòng)機(jī)的選擇計(jì)算 伺服電動(dòng)機(jī)作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，應(yīng)該具有精確度高、響應(yīng)快、調(diào)速范圍廣及轉(zhuǎn)矩大等特性。再進(jìn)給系統(tǒng)中，伺服電機(jī)要調(diào)整范圍寬和低速平穩(wěn)性，反應(yīng)速度要快，可以頻繁起動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等。同時(shí)伺服電動(dòng)機(jī)的負(fù)載能力和過載能力也要強(qiáng)，慣量小，堵轉(zhuǎn)力矩大，以便在出現(xiàn)悶車時(shí)能有一定的克服時(shí)間而不導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)燒壞，要求速比應(yīng)大于1:10000，速比達(dá)0.1r/min時(shí)無爬行。 4.6.1步進(jìn)電機(jī)的選擇計(jì)算 1．負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 工作臺(tái)及夾具等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按以下式估算。取G=2500N;=0.75; =0.01，則 對(duì)于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按式（式3.18）計(jì)算根據(jù)前面已知，m=2mm，，取計(jì)算值，寬，則小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 對(duì)于齒輪2，，寬，則齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 根據(jù)前面計(jì)算所得的滾珠絲杠參數(shù)，以及《X53銑床說明書》的滾珠絲杠、，則滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 那么，負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)量由式 計(jì)算得 =16.71 2．最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 根據(jù)能量守恒原理，電動(dòng)機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算： Tm =36Fm/2 =(360.013446.28)/(20.750.980.990.990.94) =2.87N.m 式中 ——脈沖當(dāng)量（mm/step）； Fm——進(jìn)給牽引力（N） ——步距角，初選雙拍制為0.75°； ——電機(jī)絲杠的傳動(dòng)效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94； 若不考慮起動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣量的影響，則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩按下式計(jì)算。取安全系數(shù)為0.4，則 Tq=Tm/0.4 =2.87/0.4=7.175N·cm 式中安全系數(shù)的范圍是0.3～0.5 對(duì)于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩按式（式4.10）計(jì)算。取=0.866，則 =/=7.175/0.866N.m=8.29N.m （式4.10） 已知工作臺(tái) 縱向進(jìn)給速度范圍是23.5～1180mm/min，工作臺(tái)橫向及縱向快速移動(dòng)速度是2300mm/min。當(dāng)工作臺(tái)快速移動(dòng)時(shí)（=1m/min）,電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速按式（式4.11）計(jì)算，則 （式4.11） 取t=25ms，由式（4.12）得最大切削力折算到電動(dòng)機(jī)軸轉(zhuǎn)矩 =16.71 （式4.12） 導(dǎo)軌摩擦折算到電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩按式（4.13）可得 N.m=0.33 N.m （式4.13） 為預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3，即 =/3=3466.28/3N=1155.43N （式4.14） 滾珠絲杠預(yù)緊所引起的折算到電機(jī)上的附加轉(zhuǎn)矩由式（式4.15）得 ==0.96 （式4.15） 則電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)矩T得 T=++=(2.11+0.33+0.96) =3.4 （式4.16） 3．步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最高工作頻率 根據(jù)已知參數(shù)，取縱向進(jìn)給速度為=1m/min，根據(jù)下式計(jì)算得 ===1666.67HZ （式4.17） 根據(jù)計(jì)算結(jié)果，綜合考慮后選擇BF系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為110BF003，具體參數(shù)見下表4.4 表4.4 110BF003具體參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 保持轉(zhuǎn)矩/N.m 步距角（。） 靜態(tài)相電流/A 空載運(yùn)行頻率/HZ 空載起動(dòng)頻率/HZ 相電感/mH 使用電壓范圍/v 質(zhì)量/kg 110BF003 3 7.84 0.75 6 7000 1500 30 80～30 6 結(jié) 論 本人經(jīng)過這次的畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)目前機(jī)械制造業(yè)的現(xiàn)狀和前景有了更多的了解。對(duì)機(jī)床改造有了深刻的認(rèn)識(shí)，對(duì)于大部分老舊的機(jī)床來說，在花費(fèi)較少的改裝費(fèi)用（主要用于購(gòu)買步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、單片機(jī)及接口部件），換來的是性能上的極大提高和明確的現(xiàn)實(shí)意義。 在設(shè)計(jì)過程中，我進(jìn)一步鞏固大學(xué)幾年所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，提高了自己的實(shí)踐能力和工作能力，深深地體會(huì)到必須要有不畏艱辛、勤奮鉆研、勇于克服困難的精神，為將來自己所能勝任自己從事相關(guān)工作打下了良好的基礎(chǔ)。 當(dāng)然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識(shí)的不全面，所學(xué)的還沒有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動(dòng)形象的一課。對(duì)于不足之處還需要完善，我衷心的接受老師及同學(xué)們的批評(píng)指正。 XXXIV 參考文獻(xiàn) [1] 高鐘毓．機(jī)電控制工程[J]．北京：清華大學(xué)出版社，2002． [2] 宋云奪. 宋云奪. 光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)的未來[J]. 光機(jī)電信息, 2003,(12). [3] 丁連紅. 機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)狀分析[J]. 中國(guó)科技信息, 2007,(12) [4] 張鵬萬,孫劍峰,李占平. 機(jī)電一體化中的接口技術(shù)[J]礦業(yè)工程, 2005,(06) [5] 張毅剛.單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2003. [6] 張大明,彭旭昀,尚靜基.單片微機(jī)控制應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006. [7] 陳小忠,黃寧,趙小俠.單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)用子程序[M].北京:人民郵電出版社,2005. [8] 徐正惠，胡海影.單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教程[M].北京：科學(xué)出版社,2004. [9] 汪道輝.單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社，2006. [10] 彭為，黃科，雷道仲.單片機(jī)典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006. [11] 楊將新，李華軍，劉東駿.單片機(jī)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用從基礎(chǔ)到實(shí)踐[M].北京：電子工業(yè)出版社,2006. [1