孟祥祥201382122普通銑床的數控改造設計畢業(yè)論文0

1、<p><b>　　青島理工大學</b></p><p><b>　　畢 業(yè) 設 計</b></p><p>　　題目： 普通銑床的數控改造設計 </p><p>　　學生姓名： 孟祥祥 </p><p>　　學生學

2、號： 201382122 </p><p>　　院系名稱： 機電工程系 </p><p>　　專業(yè)班級： 數控135 </p><p>　　指導教師： 楊程 </p><p>　　2016年 6月 15 日</p&g

3、t;<p>　　畢業(yè)設計(論文)任務書</p><p>　　專業(yè) 數控技術 班級 5班 姓名 孟祥祥 下發(fā)日期 2016年1月 3日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設計說明書主要是介紹數控機床的改造過程的。隨著社會的發(fā)展與信息時代的到來，機械產品的性質和質量不斷提高，原有的機床已經不

4、能滿足生產的需要，因此數控改造就成為必然。本設計實際上就是在原有的基礎上，利用計算機來提高機床的精度和生產率。同時作為畢業(yè)設計，它有助于提高學生運用所學知識進行工程實踐的能力。在這個設計中，對兩個坐標軸作了改造，運用計算機對數據進行處理，然后用脈沖控制步進電機，實現兩個方向上的進給。</p><p>　　在控制系統(tǒng)上，采用的是步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)。在這種形式的控制方式情況下，步進電機控制脈沖的輸入并不依賴于轉子

5、的位置，而是按照原先設定的一個固定的規(guī)律發(fā)出控制型脈沖，步進電機僅依靠這一系列既定的脈沖而工作。這種控制方式由于步進電機的獨特性而比較適合于控制步進電機，適合于我國的國情。這種控制方式的特點是：控制簡單、實現容易、價格較低，特別是在開環(huán)控制設備當中，負載的位置對其控制電路不存在任何反饋，并且依靠微機，可以實現一些較復雜的步進電機的控制脈沖序列的產生。</p><p>　　關鍵詞：絲杠，精度，坐標軸，脈沖進給<

6、;/p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This paple mainly introduced how to reformate numerially contorlled machine. Along with scociety’s development and arrival of information ages，feature

7、 and the quality of mechanical product are constantly raised，so transformateing numerially contorlled machine is necessary. Based on original foudation，and this design uses the computer to come to raise precision and the

8、 productivity of machine tool. At the same time as the graduation project，it contributes to raising，and the student use the konwle</p><p>　　In this form of control, stepper motor control pulse input does not

9、 depend on in the position of the rotor, but according to the originally set a fixed rule sends out the control pulse, stepper motor only rely on this a series of established pulse and work. This kind of control method i

10、s suitable for the control step motor, which is suitable for the situation of our country because of the uniqueness of stepping motor. The characteristics of this control, control is simple and easy to implement, </p&

11、gt;<p>　　KEY WORDS: screw, precision, coordinate axes, pulse and feed </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前 言3</b></p><p>　　第1章 數控改造總體方案的設計6</p&g

12、t;<p>　　1.1 系統(tǒng)總體改造方案的確定6</p><p>　　1.1.1 功能與技術參數分析6</p><p>　　1.1.2 傳動機構的選擇7</p><p>　　1.1.3 擬訂總體方案7</p><p>　　1.2 機械傳動系統(tǒng)的改造方案的確定7</p><p>　　1.3 微機控

13、制系統(tǒng)方案的確定8</p><p>　　1.3.1 微型控制系統(tǒng)的設計內容8</p><p>　　1.3.2 微機控制系統(tǒng)的總體組成8</p><p>　　1.3.3 軟硬件系統(tǒng)的設計9</p><p>　　第2章 機械部分(縱向)的設計計算10</p><p>　　2.1 工作載荷分析及計算10<

14、/p><p>　　2.1.1 銑削抗力分析10</p><p>　　2.1.2 計算進給工作臺工作載荷11</p><p>　　2.2 滾珠絲杠螺母副的選型和校核12</p><p>　　2.2.1 滾珠絲杠螺母副的結構類型的選擇12</p><p>　　2.2.2 滾珠絲杠螺母副的型號的選擇及校核步驟12<

15、;/p><p>　　2.3 脈沖當量和傳動比的確定19</p><p>　　2.3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量19</p><p>　　2.3.2 傳動比的選定19</p><p>　　2.3.3 齒輪傳動的確定20</p><p>　　第3章 進給伺服系統(tǒng)傳動計算21</p><p>　　3

16、.1 轉動慣量的計算21</p><p>　　3.1.1 齒輪、絲杠等圓柱體慣量的計算21</p><p>　　3.1.2 工作臺折算到絲桿的轉動慣量21</p><p>　　3.1.3 傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉動慣量22</p><p>　　3.1.4 電機的轉動慣量的確定22</p><p>　　3.1

17、.5 系統(tǒng)總的轉動慣量22</p><p>　　3.2 步進電機的計算和選用22</p><p>　　3.2.1 電機力矩的計算22</p><p>　　3.2.2 步進電機的選擇與校核23</p><p>　　第4章 微機控制部分的設計26</p><p>　　4.1 微機控制系統(tǒng)概述26</p&

18、gt;<p>　　4.1.1 微機控制系統(tǒng)的設計思路26</p><p>　　4.1.2 微機控制系統(tǒng)基本硬件組成27</p><p>　　4.2 系統(tǒng)介紹27</p><p>　　4.2.1 單片機的選擇27</p><p>　　4.2.2 存儲器的擴展28</p><p>　　4.2.3 I

19、/O 口的擴展31</p><p>　　4.3 步進電機的驅動控制電路32</p><p>　　4.3.1 確定步進電機運行頻率33</p><p>　　4.3.2 驅動回路的時間常數33</p><p>　　4.3.3 選用線路簡單的串聯(lián)電阻法33</p><p>　　4.3.4 高壓電源電壓的確定34&

20、lt;/p><p>　　4.3.5 元器件型號的確定34</p><p>　　4.4 其他輔助電路的設計37</p><p>　　4.4.1 急停、超程報警電路37</p><p>　　4.4.2 ISP在線編程接口37</p><p>　　4.4.3 復位電路37</p><p>　　4

21、.4.4 時鐘電路38</p><p>　　第5章 微機控制系統(tǒng)軟件設計39</p><p>　　5.1 模塊組成39</p><p>　　5.2 緩沖區(qū)設置39</p><p>　　5.2.1 鍵盤緩沖區(qū)39</p><p>　　5.2.2 顯示緩沖區(qū)39</p><p>　　5

22、.3 中斷優(yōu)先級40</p><p>　　5.4 各模塊說明及流程圖40</p><p>　　5.4.1 主模塊40</p><p>　　5.4.2 暫停鍵“STOP”子模塊41</p><p>　　5.4.3 中斷模塊41</p><p>　　5.4.4 實時修改顯示緩沖區(qū)數據模塊41</p>

23、<p><b>　　總結42</b></p><p><b>　　致 謝44</b></p><p><b>　　參考文獻45</b></p><p><b>　　附錄147</b></p><p><b>　　英文原文4

24、7</b></p><p><b>　　中文譯文54</b></p><p><b>　　附錄259</b></p><p><b>　　英文原文59</b></p><p><b>　　中文譯文66</b></p>&l

25、t;p><b>　　前 言</b></p><p>　　機械工程領域涉及機械設計、制造、試驗、使用、維修等基礎理論、技術和方法，并與材料工程、動力工程、電氣工程、電子與信息工程、控制工程、計算機技術、工業(yè)設計工程等工程領域及力學學科密切相關。</p><p>　　隨著社會生產和科學技術的發(fā)展，機械、電子產品的性能和質量不斷提高，產品更新?lián)Q代的周期在縮短，因此對銑

26、床的要求也在提高，不僅要有較高的精度和生產率，而且能迅速的適應機械產品的變換。社會的發(fā)展促進了數控機床的誕生和發(fā)展。隨著電子技術特別是計算機技術的發(fā)展，數控技術迅速的發(fā)展起來了。</p><p>　　近十幾年來，尤其是改革開放以來，本國特別注重數控技術的發(fā)展，加快了數控機床的引進與開發(fā)，促進了數控機床的普及。各大企業(yè)都不斷的購進數控機床，來擴大再生產和替換舊設備，數控機床在企業(yè)中不再是鳳毛麟角，而是不斷的普及。但

27、數控機床的成本比較高，在這種情況下，普通機床的改造就成了一種必要[10]。</p><p>　　1.數控改造的必要性 </p><p>　　數控機床可以較好的解決形狀復雜、精密、多變零件的加工問題，可以穩(wěn)定加工質量，提高生產率，但是數控機床的應用還是受到其他條件的限制：</p><p>　?。?） 目前很多企業(yè)都有很多普通機床，完全用數控機床代替很不現實，而且替代

28、后閑置下來的機床會造成很大的浪費。</p><p>　　（2） 國內定購數控機床的交貨期長，往往不能滿足急需。</p><p>　　（3） 數控機床價格昂貴，對很多企業(yè)是一很大障礙。 </p><p>　　（4） 通用數控機床對很多企業(yè)來說，功能剩余。</p><p>　　要解決上述問題，普通機床的數控化改造是必由之路。從歐美等工業(yè)化國家的經

29、驗來看，機床的數控改造必不可少。因此，普通機床的數控改造不但有必要，而且大有可為尤其對一些中小企業(yè)更是如此[11]。</p><p>　　2.數控改造的目的和優(yōu)點</p><p><b>　　改造的目的：</b></p><p>　　（1）為了提高生產進行數控改造。</p><p>　?。?）從提高資本效率出發(fā)，改造閑置

30、舊設備，發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功能，提高機床的使用價值。</p><p>　?。?）為了適應多品種、小批量零件生產而進行數控改造。</p><p>　　（4）為了使技術等級較低的工人也能加工出高質量的產品和提高生產率而進行的數控改造。</p><p>　?。?）為了減少整個設備投資計劃而進行數控改造。</p><p><b&g

31、t;　　改造的優(yōu)點：</b></p><p>　?。?）可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。</p><p>　?。?）可以實現加工的自動化，而且是柔性自動化，從而較高的提高了普通機床的效率。 （3）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易減少和避免工人“修配”。 </p><p>　?。?）可實現多工序的集中，減少零

32、件在機床間的頻繁搬運。 </p><p>　?。?）擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償等多種自律功能因而可減少和避免人機工作失誤和事故。</p><p>　?。?）一個人可以看管多臺機床，降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力和勞動成本。</p><p>　　機械性能穩(wěn)定可靠結構受限。所利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄造構件，而不是那種焊接構件，改造后的機床性能高

33、、質量好可以作為新設備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機械結構的限制不宜做突破性的改造[12]。 </p><p>　　用戶熟悉了解設備、便于操作維修購買新設備時不了解新設備是否能滿足其工藝要求。有的新設備由于種種原因設備或生產線不能正常運轉，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，新設備不僅不能創(chuàng)造新財富反而消耗財富。改造則不然，可以精確地計算出機床的加工能力，另外，由于多年使用，操作者對機床的特性早已了解，在操作使用和維修

34、方面培訓時間短，見效快。改造的機床安裝好，就可以實現全負荷運轉?？梢猿浞掷矛F有地基，不必像購入新設備時那樣需重新構筑地基。</p><p>　　通過畢業(yè)設計，學習系統(tǒng)的運用所學的知識和技能解決實際工程問題的本領，鞏固和加深對所學知識的理解，并且通過畢業(yè)設計的實踐擴大和補充知識，使認識提高到一個新的水平。通過畢業(yè)設計的實踐，培養(yǎng)調查研究的習慣和工作能力，練習查閱資料和有關標準，查閱工具書或參考書，合理選擇設計計算

35、公式，正確計算，并能以圖紙和說明書表達設計的思想和結果。通過畢業(yè)設計，不但要提高解決具體問題的獨立工作能力，具體動腦動手能力，而且應樹立正確的設計和科研思想，加強科學性，牢固樹立實事求是和嚴肅認真的工作態(tài)度。</p><p>　　第1章 數控改造總體方案的設計</p><p>　　1.1 系統(tǒng)總體改造方案的確定</p><p>　　目前，在機械加工工業(yè)中，絕大多數是

36、舊式機床，如果改用微機控制實現機電一體化的改造會使機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工不但提高加工精度和生產率，而且成本低、周期短，適合本國國情。利用微機實現機床的機電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機為中心設計控制部件，另一種是采用標準的步進電機數字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需要新設計控制系統(tǒng)，比較復雜，后者選用國內標準化的微機數控系統(tǒng)比較簡單。這種標準的微機數控系統(tǒng)通常采用單片機、驅動電源、步進電機及專用的控制程序組成開環(huán)控

37、制，如下圖所示，其結構簡單、價格低廉。對機床的控制，過程大多是由單片機按照輸入的加工程序進行插補運算產生進給由軟件或硬件實現脈沖分配，輸出一系列脈沖 經功率放大、驅動刀架、縱橫軸運動的步進電機實現刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運動。微機進行插補運算的速度較快可以讓單片機每完成一次插補、進給就執(zhí)行一次延時程序由延時程序控制進給速度[13]。</p><p>　　圖1-1 開環(huán)控制圖</p><p>　

38、　1.1.1 功能與技術參數分析</p><p>　　設計的最初環(huán)節(jié)必須理解和分析設計任務所提出的主要功能和技術指標。比 如，普通銑床的數控改造要求利用數控系統(tǒng)代替人工或機械凸輪、靠模來控，制銑床的運動提高，銑床的加工精度和自動化水平滿足多品種小批量零件加工的功能要求。改裝的目的一方面要提高加工的精度，另一方面利用數控方法加工任意圓弧面或凸輪的曲面。設計任務提出和確定了縱向走刀橫向走刀的定位精度、走刀速度、主軸變

39、速等諸多技術參數。保持原有的銑床的工藝范圍外增加任意圓弧面或凸輪曲面的數控加工。同時控制縱、橫向進給運動進行圓弧面或凸輪曲面的加工。并且要求能夠進行人機對話編程及操作方便診斷功能和糾錯功能強，提高準確度精度減少人機工作失誤和事故以提高生產率。</p><p>　　1.1.2 傳動機構的選擇</p><p>　　針對設計任務的主要功能和技術指標要求提出一些原理性的構思。因為所要改裝的銑床為普

40、通銑床，精度要求并不是很高，在使用過程中不需要調整并且加工過程中有輕微沖擊運轉。根據上述實際條件，并考慮到經濟成本問題可以初步選用“外循環(huán)插管埋入式法蘭直筒組合雙螺母墊片預緊CMD ”這種結構類型的滾珠絲杠螺母副。它具有結構簡單，工藝性優(yōu)良，承載能力較高，剛度高，預緊可靠，不易松弛等優(yōu)點。之所以使用齒輪傳動是因為齒輪傳動有以下特點: 1.能保持瞬時傳動比恒定，平穩(wěn)性高，傳遞運動準確可靠。2.傳遞的功率和速度范圍較大。3.結構緊湊、工作可

41、靠，可實現較大傳動比。4.傳動效率高，使用壽命長。5.通過使用齒輪減速傳動的作用可以使得對電動機的要求沒有那么高。</p><p>　　1.1.3 擬訂總體方案</p><p>　　通過對傳動方式的選擇之后，還要對運動、布局、結構、控制以及軟件等方面做出總體方案設計。方案可以同時作幾個，經過技術和經濟評價后選擇其中一種較合理的作為最優(yōu)方案加以采用。比如普通銑床的數控化改造方案應該在滿足改造

42、設計任務的前提下盡可能對普通銑床作較少改動，這樣可以降低改造成本。</p><p>　　1.2 機械傳動系統(tǒng)的改造方案的確定</p><p>　　在熟悉原機床的操作過程及傳動系統(tǒng)后，根據設計要求確定系統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)改造方案。包括電機型號的選擇，減速比的確定，齒數模數及齒數的確定，原有絲杠及導軌是否重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時絲杠螺母副的型號及安裝形式如何確定，導軌的設計方法等。<

43、;/p><p>　　X502 型銑床的外形及傳動系統(tǒng)如圖1-2 所示[7]。工件裝在機床的工作臺 上，銑刀裝在轉動的刀桿上銑刀和工件相互間的位置可用縱向、橫向和升降進給機構進行調整。</p><p>　　圖1-2 X502型立式銑床外形及進給傳動系統(tǒng)</p><p>　　根據實際要求可對機械部分進行如下的改動，保留機床的原有主軸旋轉部分，保留原機床縱向進給的機動部分，

44、將離合器脫開，去掉手輪43，將手輪軸通過一對齒輪與步進電機相連用步進電機控制系統(tǒng)控制縱向工作臺的移動，工作臺橫向運動改為通過一對齒輪與步進電機相連的數控系統(tǒng)控制，工作臺升降移動仍用手動。為了保證精度要求橫向及縱向工作臺的絲杠為滾珠絲杠副傳動[14]。</p><p>　　1.3 微機控制系統(tǒng)方案的確定</p><p>　　1.3.1 微型控制系統(tǒng)的設計內容</p><p

45、>　?。?）控制系統(tǒng)硬件電路設計計算和參數選擇。</p><p>　?。?）步進電機接口及驅動電路設計。</p><p>　　1.3.2 微機控制系統(tǒng)的總體組成</p><p>　　數控部分采用AT89S51-24PU單片機為核心的控制系統(tǒng)。目前，數控機床中應用最多的是AT89S51-24PU單片機，它有價格低，功能強，使用靈活等特點。存儲芯片的選擇依據系統(tǒng)控

46、制程序的大小及CPU 的字長。I/0 擴展芯片的個數根據整個系統(tǒng)需要的I/0通道的個數來確定[8]。</p><p>　　1.3.3 軟硬件系統(tǒng)的設計</p><p>　　涉及軟硬件任務分配的有控制步進電機的脈沖發(fā)生于脈沖分配數碼顯示的字符發(fā)生鍵盤掃描管理。</p><p><b>　　硬件系統(tǒng)：</b></p><p>

47、;　?。?）基本組成最小系統(tǒng) </p><p><b>　　（2）系統(tǒng)擴展 </b></p><p>　　1）程序存儲器擴展 </p><p>　　2）數據存儲器擴展 </p><p>　　3）輸入輸出端口擴展 </p><p>　　4）綜合功能擴展 </p><p>

48、<b>　?。?）接口技術 </b></p><p><b>　　1）鍵盤接口技術</b></p><p><b>　　2）顯示器接口</b></p><p>　?。?）步進電機控制硬件電路。 </p><p>　　上述三個任務都可以用專用硬件芯片實現也可用軟件編程實現。用硬件

49、實現編程比較簡單但同時硬件成本及故障率高。用軟件實現，可節(jié)省芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實現時應統(tǒng)籌兼顧，同時還應根據設計者的軟硬件方面的實際經驗及能力。 </p><p><b>　　軟件系統(tǒng)包括:</b></p><p>　?。?）軟件結構與基本組成；（2）插補原理及軟件程序；（3）步進電機控制軟件。</p><p>

50、　　第2章 機械部分(縱向)的設計計算</p><p>　　2.1 工作載荷分析及計算</p><p>　　根據指導書的分析，對于數控銑床來說，可采取按切削用量計算切削力法和按主電機功率計算切削力法兩種。一般來說，對于經濟型數控銑床，可采用按主電機功率計算切削力法[16]。</p><p>　　2.1.1 銑削抗力分析</p><p>　　通

51、常都假定銑削時銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒的某一點上。</p><p>　　設刀齒受到的切削抗力的合力為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向進行分解，則分別為軸向銑削力Fx、徑向銑削力Fy 和切向銑削力Fz。切向銑削力Fz 是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床主電機功率即銑削功率最多，因此切向銑削力Fz可按銑削功率Pm、kw或主電機功率Pe、kw算出。</p><p>　　對于現有的機床的改裝

52、設計，可以從已知機床的電機的功率和主軸上的功率反推出工作臺進給時的銑削力。若該機床的主傳動和進給傳動均用一個電機，進給傳動的功率較小，可在主傳動功率上乘以一個系數。由機床設計手冊查得銑床傳動系數k=0.85[2]。</p><p>　　主傳動功率N 包括切削功率Nc、空載功率Nmo、附加功率Nmc三部分，即:N=Nc + Nmo + Nmc?？蛰d功率Nmo 是當機床無切削負載時主傳動系統(tǒng)空載所消耗的功率，對于一般

53、輕載高速的中、小型機床，可達總功率的50%，現取Nmo = 0.5N附加功率Nmc 是指有了切削載荷后所增加的傳動件的摩擦功率，它直接與載荷大小有關。可以用下式計算:Nmc = (1–η )Nc，所以總功率為</p><p>　　則: (2-1)</p><p>　　在進給傳動中切削功率:Nct = kNc =k(K

54、w)。</p><p>　　上式中k----銑床的傳動系數，查《機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書》P17 公式3—8，得k=0.85[17]。</p><p>　　η 為傳動效率，可由下式計算：</p><p>　　η=主軸上的傳動功率/主電機的功率</p><p>　　由題設給定的已知條件可知:主軸上的傳動功率N=1.45Kw，主電機的功率

55、N電機= 2.2 Kw。則</p><p><b>　　η==0.6591</b></p><p><b>　　所以：</b></p><p>　　Nct =0.85（0.51.4）/（2-0.6364）=0.4596(Kw)</p><p>　　切削時在主軸上的扭矩為：</p>&l

56、t;p>　　Mn = 955000Nct/n=9550000.4596/47.5=9240.3789(N·cm)</p><p>　　上式中n----主軸的最小轉速 由題設條件知n = 47.5 (r/min)</p><p><b>　　切向切削力</b></p><p><b>　　(2-2)</b>&

57、lt;/p><p>　　上式中d----銑刀的最大直徑(cm)，由題設條件知d = 3.2 cm</p><p>　　2.1.2 計算進給工作臺工作載荷 </p><p>　　作用在進給工作臺上的合力F’與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合力F大小相同，方向相反。合力F’就是設計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力，工作臺縱向進給方向

58、載荷 FL ，工作臺橫向進給方向載荷FC和工作臺垂直進給方向載荷FV 。</p><p>　　根據《專業(yè)課程設計指導書》第三章表3-1“銑削加工主切削力與其它切削分力的比值”列表可計算出三組FL、FV、FC，取范圍的值計算最大值[15]。</p><p>　?。?）組 端銑—對稱銑削</p><p>　　FL=0.4 Fz=0.4×2887.6189=11

59、55.05(N)</p><p>　　FC=0.95Fz=0.95×2887.6189=2473.24(N)</p><p>　　FV=0.55Fz=0.55×2887.6189=1588.19(N)</p><p>　　（2）組 端銑—逆銑</p><p>　　FL =0.9Fz=0.9×2887.6189=2

60、598.86(N)</p><p>　　FC =0.7Fz=0.7×2887.6189=2021.33(N)</p><p>　　FV =0.55Fz=0.55×2887.6189=1588.19(N)</p><p>　?。?）組 端銑—順銑</p><p>　　FL =0.3Fz=0.3×2887.6189=

61、866.29(N)</p><p>　　FC =1.0Fz=1.0×2887.6189=2887.62(N)</p><p>　　FV =0.55Fz=0.55×2887.6189=1588.19(N)</p><p>　　由于銑床是兩軸聯(lián)動，所以只考慮端銑，無需考慮周銑，則考慮采用第三組數據。</p><p>　　2.2

62、 滾珠絲杠螺母副的選型和校核</p><p>　　2.2.1 滾珠絲杠螺母副的結構類型的選擇</p><p>　　因為所要改裝的銑床為普通銑床，精度要求并不是很高，在使用過程中不需要調整，并且加工過程中有輕微沖擊運轉。根據上述實際條件，并考慮到經濟成本問題，通過查第三章表3-2 和表3-3，可以初步選用“外循環(huán)插管埋入式法蘭直筒組合雙螺母墊片預緊（CMD)”【5】。這種結構類型的滾珠絲杠螺

63、母副，它具有結構簡單，工藝性優(yōu)良，承載能力較高，剛度高，預緊可靠，不易松弛等優(yōu)點。它主要適用于重載荷、高剛度、高速驅動及較精密的定位系統(tǒng)，是目前應用得較廣泛的結構[18]。</p><p>　　2.2.2滾珠絲杠螺母副的型號的選擇及校核步驟</p><p>　　1.計算最大工作載荷</p><p>　　由題設已知條件，銑床導軌的類型為綜合導軌[8]。再查指導書P38

64、表3-29 得最大工作載荷Fm (2-3)</p><p>　　該式中K = 1.15;</p><p>　　取 f’= 0.16(f’=0.15~0.18)(摩擦系數);G 為工作臺及夾具總重量的1/2。由題設已知條件可得G = 400 N。</p><p>　　將以上數值及先前計算得到的三組FL ，FV 數據代入上式

65、，可得到三組相應的Fm 的最大值:</p><p>　　(1)組 Fm=1.15×1155.05+0.16×(1588.19+400)= 1646.42(N)</p><p>　　(2)組 Fm=1.15×2598.86+0.16×(1588.19+400)=3306.7794(N)</p><p>　　(3)組 Fm=1.1

66、5×866.29+0.16×(1588.19+400)=1314.34(N)</p><p>　　由以上計算數據可知，第（2）組算得的Fm值較大。故最大工作載荷為</p><p>　　Fm=3306.7794(N)</p><p>　　2.計算最大動負載C</p><p>　　最大動載荷C可由下式計算</p>

67、<p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　(2-4) 式中，各參數見《專業(yè)課程設計指導書》</p><p>　　----硬度系數，選fH =1.1(HRC≥60)</p><p>　　----運轉系數，選fw =1.0(有沖擊運轉)</p><p>　　L ----壽命，由下式計算<

68、/p><p><b>　　(2-5)</b></p><p><b>　　(2-5) 式中:</b></p><p>　　T----使用壽命(h) 對于數控機床T=15000(h)</p><p>　　n----絲杠轉速(r/min) 可由下式計算</p><p>　　n=100

69、0 Vs /L0 (2-6)</p><p>　　(2-6)式中:Vs ---- 最大切削力條件下的縱向進給速度(m/min)，查指導書為540(mm/min)可取最高切削進給速度的1/2-1/3，現取1/3:即</p><p>　　V =(1/3)×0.54(m/min)=0.18(m/min)</p><p>　　L0-

70、---所選用絲杠的基本導程，考慮到傳動精度的要求可選基本導程為4、5、6(mm)的絲杠</p><p>　　基本導程為4 mm 時:</p><p>　　L==60T/()×1000VS/L0=60×15000×1000×0.18/(1000000×4)=40.5</p><p>　　C1=()×1.0&#

71、215;1.1×3306.7794=12491.62(N)</p><p>　　基本導程為5mm 時:</p><p>　　L=60nT/()=32.4</p><p>　　C2=()×1.0×1.1×3306.7794=11596.20(N)</p><p>　　基本導程為6mm 時:</p&g

72、t;<p>　　L=60nT/()=27</p><p>　　C3=()×1.0×1.1×3306.7794=10912.44(N)</p><p>　　查《機電一體化系統(tǒng)設計》表3-11【12】</p><p>　　(1) 當公稱直徑為d0=32mm 時</p><p>　　當L0=4 時 Ca=

73、6668N<C1 所以不合格</p><p>　　當L0=5 時 Ca=12945N>C2 所以合格</p><p>　　(圈數×列數=1.5×2) </p><p>　　當L0=6 時 Ca=10689N<C3 所以不合格</p><p>　　(2) 當公稱直徑為d0=40mm 時</p>

74、<p>　　當L0=5 時 Ca=21183N>C2 所以合格</p><p>　　(圈數×列數=1.5×2) </p><p>　　當L0=6 時 Ca=16083N>C3 所以合格</p><p>　　(圈數×列數=2.5×1) </p><p>　　所以 絲桿選擇L0 為5

75、mm 或者6mm，d0=32mm 或者40mm</p><p>　　通過查《金屬切削機床設計簡明手冊》表4-143 可知:</p><p>　　當公稱直徑d0 =32mm、基本導程為5mm 的絲杠。查得它們的承載能力Ca 為12945N，螺旋升角γ為2°51′(2.85°），圈數×列數分別為1.5×2，滾珠直徑dq 為3.175mm，β----接觸角

76、(45°）【6】。</p><p>　　當公稱直徑d0 =40mm、基本導程為5mm 的絲杠，查得它們的承載能力Ca 為21183N，螺旋升角γ為2°16′(2.27°），圈數×列數分別為1.5×2，滾珠直徑dq 為3.175mm，β----接觸角(45°）。</p><p>　　當公稱直徑d0 =40mm、基本導程為6mm 的絲

77、杠.查得它們的承載能力Ca 為16083N，螺旋升角γ為2°44′(2.73°），圈數×列數分別為1.5×2，滾珠直徑dq 為3.969mm，β----接觸角(45°）。</p><p><b>　　3.計算傳動效率η</b></p><p>　　傳動效率可由下式計算：</p><p>　　當公

78、稱直徑d0 =32mm、基本導程為5mm 時:</p><p><b>　　(2-7)</b></p><p><b>　　---絲杠螺旋升角</b></p><p><b>　　——摩擦角，</b></p><p><b>　　46>0.9</b>

79、</p><p><b>　　滿足設計要求。</b></p><p>　　當公稱直徑d0 =40mm、基本導程為5mm 時:</p><p><b>　　=0.9314</b></p><p><b>　　滿足設計要求。</b></p><p>　　當

80、公稱直徑d0 =40mm、基本導程為6mm 時</p><p><b>　　=0.9423</b></p><p><b>　　滿足設計要求。</b></p><p><b>　　4.剛度驗算</b></p><p>　　(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量</p>&l

81、t;p>　　當絲杠進行了預緊.且預緊力為最大工作載荷的1/3 時.其實際變形量為（由指導書P39，公式3—24）可知： (拉伸為+，壓縮為-)</p><p><b>　　上式中，</b></p><p>　　E----材料彈性模數，對于鋼：</p><p>　　E =20.6× (N/mm²)</p>

82、<p>　　L----滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)</p><p>　　L= 工作長度+螺紋長度+軸承寬度+端蓋寬度≈700 mm</p><p>　　F----滾珠絲杠的截面積(mm²)可由下列幾式計算°</p><p><b>　　(2-8）</b></p><p><b&g

83、t;　　(2-9)</b></p><p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　---滾珠直徑(mm)，β------接觸角( 45°)</p><p>　　R----滾道法面半徑(mm)，e----偏心距(mm) </p><p>　　D0 ----絲杠公稱直徑(mm)</

84、p><p>　　1)當公稱直徑d0 =32mm、基本導程為5mm 時:</p><p>　　R=0.52×3.175=1.651 (mm)</p><p><b>　　e=0.045</b></p><p>　　d1=35+2×0.045-2×1.651=28.788(mm)</p>

85、<p>　　F=π（d1）²/4=650.8979(mm²)</p><p>　　=3303.7794×700/（20.6×10000×650.8979）=0.017263（mm）</p><p>　　=δ總/4=0.004316（mm）指導書P41 公式3-25</p><p>　　2）當公稱直徑d0

86、 =40mm、基本導程為5mm 時：</p><p>　　R=0.52×3.175=1.651 (mm)</p><p><b>　　e=0.045</b></p><p>　　d1 =40+2×0.04490-2×1.651=36.7878(mm)</p><p>　　F=π（d1）2/4

87、=1062.9125(mm²)</p><p>　　=0.002697（mm）</p><p>　　3)當公稱直徑d0 =40mm、基本導程為6mm 時：</p><p>　　R=0.52×3.969=2.06388（mm）</p><p>　　e=0.056130 </p><p>　

88、　d1 =35.984(mm)</p><p>　　F=π（d1）²/4=1016.971(mm²)</p><p>　　=0.002762（mm）</p><p>　?。?）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形</p><p>　　當絲杠進行了預緊，且預緊力為最大工作載荷的1/3 時，其實際變形量為</p><

89、p><b>　　(2-11)</b></p><p><b>　　(2-11)式中:</b></p><p>　　Fm ----最大工作載荷( N)，Fm=418.734 (N)</p><p>　　Fy ------預緊力(N) Fy =1/3Fm =139.579 (N)</p><p>

90、;　　d0-----滾珠直徑(mm)</p><p>　　Z∑----滾珠數量，Z∑=Z×圈數×列數</p><p>　　Z -----圈的滾珠數，Z=πD0/d0（外循環(huán)） </p><p>　　1) 當公稱直徑d0 =32mm、基本導程為5mm 時</p><p>　　Z=π×

91、;32/3.175=31.66</p><p>　　Z∑=31.66×1.5×2=94.99</p><p>　　=0.0013×330.67994/=0.002930（mm）</p><p>　　當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的1/3 時， 的值可減少一半。即：=/2=0.001465（mm）</p><

92、;p>　　2) 當公稱直徑d0 =40mm、基本導程為5mm 時</p><p>　　Z=π×40/3.175=39.5791</p><p>　　Z∑=31.66×1.5×2=118.7373</p><p>　　=0.0013×330.67994/=0.00255955（mm）</p><p&g

93、t;　　當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的1/3 時，的值可減少一半。指導書P42， 即：</p><p>　　3) 當公稱直徑d0 =40mm、基本導程為5mm 時</p><p>　　Z=π×40/3.175=39.5791</p><p><b>　　Z∑=79.15</b></p><p>

94、　　=0.003072（mm）</p><p>　　當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的1/3 時，的值可減少一半。即： </p><p>　?。?）滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形</p><p>　　1） 當公稱直徑d0 =32mm、基本導程為5mm 時，選用型號為51206 的軸承，其參數如表2-1： <

95、/p><p><b>　　表2-1</b></p><p>　　可由下式計算： (2-12)</p><p><b>　　(2-12)式中</b></p><p>　　F -------最大工作載荷(N) Fm=418.734 (N)</p>

96、<p>　　-----軸承滾動體直徑(mm)，</p><p>　　Z----兩邊軸承總的滾動體數目由公式</p><p><b>　　(2-13)</b></p><p>　　Z=π（30+52）/16≈16</p><p>　　所以，可估算兩邊總的滾動體的數目為32。將以上數據代入可得：</p&g

97、t;<p>　　=0.005693（mm）</p><p>　　基本導程為5mm 時：</p><p>　　=0.004316+0.001465+0.005693=0.01147(mm)>0.01(mm)</p><p>　　可見，當公稱直徑d0=32mm、基本導程為5mm 時不符合要求；</p><p>　　2)當公稱直

98、徑d0 =32mm、基本導程為5mm 時，選用型號為51207的軸承，其參數如表2-2 </p><p><b>　　表2-2</b></p><p>　　由 公式（2-13）得，</p><p>　　Z=π（35+62）/18≈17</p><p>　　所以，可估算兩邊總的

99、滾動體的數目為34。</p><p>　　將以上數據代入可得：</p><p>　　=0.005257（mm）</p><p>　　基本導程為5mm 時：</p><p>　　=0.001279+0.002259+0.005257=0.009095(mm)<0.01(mm)</p><p>　　可見，當公稱直徑d

100、0 =40mm、基本導程為5mm 時符合要求；</p><p>　　3)當公稱直徑d0 =40mm、基本導程為6mm 時，選用型號為51207 的軸承，其參數如表2-3 </p><p><b>　　表2-3</b></p><p><b>　　Z≈18</b></p><p>　　所以，可估

101、算兩邊總的滾動體的數目為36。</p><p>　　將以上數據代入可得：</p><p>　　=0.005072（mm）</p><p>　　基本導程為6mm時：</p><p>　　=0.009438（mm)<0.01(mm)</p><p>　　可見，當公稱直徑d0 =40mm、基本導程為6mm 時符合要求；

102、</p><p>　　當公稱直徑為40，基本導程為5mm 或為6mm 時，穩(wěn)定性均符合要求。以基本導程最大的滾珠絲杠作為最終選擇，即以Lo =6mm 的作為計算依據。經查表，選用型號為CMD4006—2 的滾珠絲杠副。其參數如表2-4： </p><p>　　表2-4 CMD4006—2 的滾珠絲杠副技術參數</p><p>　　2.3脈沖當量和傳動比的確定&l

103、t;/p><p>　　2.3.1確定系統(tǒng)脈沖當量</p><p>　　由題設條件知 (2-14)</p><p>　　脈沖當量=0.01mm/step </p><p>　　2.3.2傳動比的選定</p><p>　　設傳動副的傳動比為i，若為一對齒輪減速傳動，則 ， 為主動齒輪的齒

104、數， 為從動齒輪的齒數。</p><p>　　對于步進電機，當脈沖當量確定和初選定步進電機的步距角后，可根據下式計算出該伺服傳動系統(tǒng)總的傳動比，公式可查《機電一體化系統(tǒng)設計指導書》P19 公式3-12【12】。</p><p>　　上式中：---滾珠絲杠的基本導程6mm</p><p>　　---步進電機的步距角，今初選步=0.75°《機電一體化系統(tǒng)設計指

105、導書》P59[18]。</p><p>　　2.3.3齒輪傳動的確定</p><p>　　對于數控機車的齒輪傳動，應采用設計、結構和工藝均較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動。</p><p>　　通常，齒輪傳動鏈的傳動級數少一些比較好，因為可以減少零部件的數目，簡化傳動鏈的結構，并且可以提高傳動精度，減少空程誤差，有利于提高傳動效率。同時i=1.67

106、 較小，故在此選用圓柱直齒輪單級傳動。</p><p>　　一般模數取m=1～2，數控銑削取m=2。齒輪寬b=(3～6)m為了消除齒側隙，寬度可加大到（6～10）m。齒頂/根圓半徑公式，《機械原理》P130，表4-3[9]。</p><p>　　Z1 ≥17，取Z1 =39，m=2，則</p><p>　　=2×39=78(mm)</p>&

107、lt;p>　　=78+2×1×2=82(mm)</p><p>　　d1=d1-2×(1+0.25)m=78-2×1.25×2=73(mm)</p><p>　　b1 =(6～10) m，取b1 =9m=9×2=18(mm)</p><p>　　Z2 =Z1 i=39×1.25=48.75≈

108、49</p><p>　　d2 =mz2 =2×49=98(mm)</p><p>　　da2 =d2 +2 m=98+2×1×2=102(mm)</p><p>　　df2 = d2 -1.25m×2=98-1.25×2×2=93(mm)</p><p>　　b2 =(6～10)

109、m，取b2 =6m=6×2=12(mm)</p><p>　　中心距a=（d1+d2）/2=（78+98)/2=88(mm)</p><p>　　選小齒輪齒數 =39，小齒輪的齒寬度=18mm，大齒輪齒數 =49，大齒輪的寬度=12mm。</p><p>　　第3章 進給伺服系統(tǒng)傳動計算</p><p>　　3.1轉動慣量的計算&l

110、t;/p><p>　　3.1.1齒輪、絲杠等圓柱體慣量的計算</p><p>　　可由下式計算: </p><p>　　J=MD2/8=0.78L(kgcm2) (3-1)</p><p><b>　　(3-1)式中：</b></p><p>　　M---圓柱體質量（kg

111、）</p><p>　　D---圓柱體直徑（cm）</p><p>　　L---圓柱體長度或圓度（cm）</p><p><b>　　對主動齒輪：</b></p><p>　　=0.781.8=5.19691(kg.cm2）</p><p><b>　　對從動齒輪：</b>&

112、lt;/p><p>　　=0.781.2=8.63336(kg.cm2）</p><p><b>　　對滾珠絲杠：</b></p><p>　　=0.7870=11.85192 (kg.cm2)</p><p>　　3.1.2工作臺折算到絲桿的轉動慣量</p><p><b>　　(3-2)

113、</b></p><p>　　v-----工作臺移動速度(cm/min)</p><p>　　n-----絲桿轉速(r/min)</p><p>　　G-----工作臺的重量(N)</p><p>　　g-----重力加速度(9.8m/s²)</p><p>　　L0 -----絲桿導程(cm)&

114、lt;/p><p>　　3.1.3傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉動慣量</p><p>　　(3-3) </p><p>　　=0.237+5.19891+(8.6336+11.95193)(39/49)²</p><p>　　=18.4123（kg.cm²）</p><p>　　式中， i--

115、---系統(tǒng)總的減速比(i>1)</p><p>　　-----各轉動體的轉動慣量(kg.cm ²)</p><p>　　-----各轉動體的轉速(r/min)</p><p>　　-----電機的轉動慣量(kg.cm² )</p><p>　　-----電機的轉速（r/min)</p><p>

116、;　　3.1.4電機的轉動慣量的確定</p><p>　　查表3.8《機電一體化系統(tǒng)設計》，因為選用電機工作方式的是三相六拍，步距角為，故符合的是：110BF003 和110BF004[16]。電機的轉動慣量分別為：</p><p>　　110BF003：Jm1=46.1kgm²=4.61（kgcm2）</p><p>　　110BF004: Jm2=34

117、.3kgm²=3.43（kgcm2）</p><p>　　3.1.5系統(tǒng)總的轉動慣量</p><p>　　J∑1=JL +Jm1 =18.4123+4.61=23.022（kgcm2）</p><p>　　J∑2=JL +Jm2=18.4123+3.43=21.8423（kgcm2）</p><p>　　3.2步進電機的計算和選用&

118、lt;/p><p>　　3.2.1電機力矩的計算</p><p>　　快速空載起動時所需力矩: </p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　最大切削負載時所需力矩：</p><p>　　M切=Mt+Mf+M0(Ncm) (3-5)</p&

119、gt;<p>　　電機的力矩主要是用來產生加速度，而負載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進電機的依據。</p><p>　?。?）空載起動時折算到電機軸上的加速力矩Mamax </p><p>　　Mamax=J∑12πnmax/60ta</p><p>　　=23.0220.0123.1416500/（600.03）</

120、p><p>　　=401.809（Ncm）</p><p>　　Mamax=J∑210^（-2）2πnmax/60ta</p><p>　　=21.84320.0123.1416500/（600.03）</p><p>　　=381.220（Ncm）</p><p><b>　　上式中，</b><

121、;/p><p>　　Fp0 ----滾珠絲杠預加負載(N)，一般取最大工作載荷的1/3 </p><p>　　Fp0=1102.2664(N)</p><p>　　L0----滾珠絲杠基本導程0.8(cm)η</p><p>　　η0 ---- 滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取η0 ≥0.9，今取0.95 。</p><p

122、>　?。?）折算到電機軸上的切削負載力Mt</p><p>　　Mt=FtL0/(2πηi)=2593.860.6/(23.14160.81.25)=248.1728(Ncm)</p><p><b>　　上式中，</b></p><p>　　Ft ----進給方向最大切削力(N)，即前面計算進給工作臺工作載荷FL、FV 、FC 時所得到

123、第（4）組數據的FL</p><p>　　所以 Ft=FL =2598.86(N)</p><p><b>　　綜合以上,可得</b></p><p>　　M起1 =401.809+6.11115+11.7964=419.7169(N.cm) </p><p>　　M起2 =381.22+6.11115+11.7964=