龍門式高速數(shù)控雕銑機設(shè)計,龍門,高速,數(shù)控,雕銑機,設(shè)計 任 務 書 一、題目及專題： １、 題目　　 龍門式高速數(shù)控雕銑機設(shè)計 ２、專題　 　 二、課題來源及選題依據(jù) 本課題是應無錫市阿爾法數(shù)控設(shè)備有限公司要求設(shè)計ADX5060型龍門式高速數(shù)控雕銑機，數(shù)控雕銑機是通過控制細小刀具的XYZ軸的運動方向和速度實現(xiàn)三維空間對被加工件的銑削，可以雕刻木制品、有機玻璃、金屬板、玻璃、石材、水晶、可麗耐、紙張、雙色板、氧化鋁、皮革、樹脂、噴塑金屬等多種材料，有廣闊的發(fā)展前景 三、本設(shè)計（論文或其他）應達到的要求： (1) 完成ADX5060型龍門式高速數(shù)控雕銑機整機設(shè)計； (2) 完成床身、進給系統(tǒng)、電主軸等關(guān)鍵部件設(shè)計； (3) 繪制相應的二維總裝圖及主要零部件圖紙； (4) 設(shè)計工作量要求：至少完成A0圖紙4張和一份30頁以上的畢業(yè)論文； (5) 查閱相關(guān)外文資料并完成不少于8000字符的外文資料翻譯； (6) 完成一份畢業(yè)設(shè)計實習報告 四、接受任務學生： XXX 班 　　姓名 XXX 五、開始及完成日期： 自XX年 2月 1 日 至 XXX 年 5 月 25 日 六、設(shè)計（論文）指導（或顧問）： 指導教師簽名： 系主任或教研室主任簽名：  摘 要 本文調(diào)查研究了龍門式高速雕銑機的發(fā)展和國內(nèi)雕銑機的發(fā)展現(xiàn)狀。介紹數(shù)控雕銑機床的設(shè)計過程，包括機床總體方案設(shè)計、主傳動系統(tǒng)設(shè)計和Z向進給傳動系統(tǒng)的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。在主傳動系統(tǒng)設(shè)計中，主要分析了主軸安裝座的機械機構(gòu)。進給傳動系統(tǒng)中主要分析了絲杠、導軌的安裝，以及相關(guān)固定和支承。計算主要有兩個方面：對滾珠絲杠和步進電機的選擇計算和校核。 關(guān)鍵詞：雕銑機床；滾珠絲杠；直線滾動導軌  ABSTRACT Abstract This study investigated the development of gantry type engraving and milling machine engraving and milling machine and the development of the domestic status quo. CNC engraving and milling machine introduced the design process, including the overall machine design, the main transmission system design, and Z to the feed drive system of the mechanical structure design. In the main drive system design, the main analysis of the mechanical mounting spindle organization. Feed drive system in the main analysis of the screw, guide rail installation, and related fixed and supported. There are two main aspects of computing: the choice of ball screw and stepper motor calculation and verification. Key words: engraving and milling machine；ball screw；linear motion guide V 目 錄 摘 要 III ABSTRACT V 第1章 緒論 1 1.1龍門式高速雕銑機的研究內(nèi)容和意義 1 1.2龍門式高速雕銑機國內(nèi)外的發(fā)展概況 1 1.3 龍門式高速數(shù)控雕銑機應達到的要求 1 1.3.1龍門式高速雕銑機的主要技術(shù)參數(shù) 1 第2章 龍門式高速雕銑機總體布局設(shè)計方案 3 2.1機床總體布局設(shè)計 3 2.2 設(shè)計方案分析 3 第3章 各軸系統(tǒng)的設(shè)計方案 5 3.1 Z向主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計 5 3.2 進給系統(tǒng)方案設(shè)計 5 3.2.1 滾珠絲杠副的選擇 5 3.2.2 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu) 5 3.2.3 支承軸承的選擇 6 3.2.4 滾珠絲杠的制動裝置 7 3.2.5 步進電機與進給絲杠的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 7 3.2.6 導軌 7 第4章 主軸系統(tǒng)零部件的計算與校核 9 4.1 主軸系統(tǒng)的重力計算 9 4.2 主軸銑削力計算 9 4.3 滾珠絲杠副的選擇計算 10 4.4 進給伺服電機功率的計算及選擇 16 第5章 電氣部分設(shè)計 21 5.1 硬件部分電路設(shè)計 21 5.2 80C51外部電路擴展 22 5.3控制系統(tǒng)總體設(shè)計 22 結(jié)論 23 致謝 24 參考文獻 25 33 Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document. 第1章 緒論 1.1龍門式高速雕銑機的研究內(nèi)容和意義 隨著微電子技術(shù)的突飛猛進，直接推動微型計算機的急劇發(fā)展。微電子技術(shù)和微型計算機技術(shù)帶動整個高科技群體飛速發(fā)展，從而使雕銑機的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍。使其完成了從二維到三維加工技術(shù)的變革。隨著生活水平的不斷提高， 人們對產(chǎn)品的性價比也越來越高，這就對雕銑機的研制提出了更苛刻的要求。因此，功能完善，性能穩(wěn)定，造型美觀并且價格合理的產(chǎn)品是我們不懈的追求。 雕銑機引入教學領(lǐng)域，使教與學更生動、有趣，學生更容易接受那些抽象的東西， 便于提高數(shù)控技術(shù)課程的教學效果。因此，本課題擬設(shè)計一款價格低廉，功能完善的雕銑機用于教學演示。 1.2龍門式高速雕銑機國內(nèi)外的發(fā)展概況 隨著家具制造業(yè)、廣告招牌業(yè)、模具業(yè)的發(fā)展，尤其是模具業(yè)對表面加工要求的提高，以及傳統(tǒng)電火花加工的不足，最近的一兩年綜合銑削與高速雕刻優(yōu)點的CNC雕銑機在國內(nèi)有了較大的發(fā)展。 2007年我國的雕銑機產(chǎn)業(yè)產(chǎn)能已經(jīng)超過11000臺/年,產(chǎn)值超過15億RMB。目前雕銑機的生產(chǎn)主要以廣東、北京、浙江三大板塊主導。國內(nèi)幾家著名的數(shù)控機床廠在這個領(lǐng)域里面都有較好的成績。比如北京精雕、廣東佳鐵、南京四開、上海洛克等都是國內(nèi)著名的數(shù)控雕銑機廠家。在雕刻CAD/CAM技術(shù)、CNC數(shù)控技術(shù)、精密雕刻機設(shè)計技術(shù)工藝等領(lǐng)域取得了重大的突破，并真正實現(xiàn)了先進技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化的轉(zhuǎn)化。 1.3 龍門式高速數(shù)控雕銑機應達到的要求 高速雕銑技術(shù)是隨著數(shù)控技術(shù)發(fā)展起來的，目前，對雕銑系統(tǒng)的性能及精度等方面都提出了較高要求?，F(xiàn)在市面上的雕銑機主要有以下幾特點： 1.應用PC機的強大計算功能，將刀補、譯碼、插補、加減速控制等放在PC上解決。最后PC上形成的是各種步進電機的控制脈沖。 2.應用PC機的并口直接輸出各向步進電機的控制脈沖，以控制工作臺的移動。 3.步進電機的驅(qū)動采用集成的驅(qū)動芯片。 4.通過限位開關(guān)以及各運動方向的開關(guān)來保證雕銑機的安全工作。 龍門式高速雕銑機是一款模擬經(jīng)濟實用的高精密數(shù)控雕銑設(shè)備，該款設(shè)備主要模擬雕銑機的運動，實現(xiàn)簡單的雕銑功能。 1.3.1龍門式高速雕銑機的主要技術(shù)參數(shù) 龍門式高速雕銑機的主要技術(shù)參數(shù)見表1-1 表1-1 龍門式高速雕銑機的主要技術(shù)參數(shù) 名稱 參數(shù) 工作臺尺寸（X/Y） 278×270mm 最大行程(X/Y/Z) 150×200×50mm 最大工件尺寸（X/Y/Z） 160×200×120mm 最大刀具直徑（Er20） Φ6mm 最大進給速度 5m/min 主軸電機功率 400KW 主軸轉(zhuǎn)速范圍 0～3000r/min 分辨率 ±0.001mm/脈沖 定位精度 ±0.1mm 重復定位精度 ±0.05mm 外型尺寸（長/寬/高） 600×400×500 機器總功率 1 KW 機器軸聯(lián)動數(shù) 3 參考文獻 第2章 龍門式高速雕銑機總體布局設(shè)計方案 2.1機床總體布局設(shè)計 數(shù)控模具雕銑機是一種高效率、多功能的中小型經(jīng)濟型數(shù)控加工設(shè)備。它集雕刻與銑削功能為一體，既保證了銑削小型工件所需要的低轉(zhuǎn)速、大功率輸出、又具備了雕刻所需要高轉(zhuǎn)速的雙重要求。 數(shù)控雕銑機主要用于較小銑削量或軟金屬材料的工件的加工。不但要求加工精度較高，而且要求實現(xiàn)高速切削，其主軸轉(zhuǎn)速高達3000r／min左右。其移動部件不但要剛性好，而且要盡可能輕巧，以保證其靈活性。對數(shù)控系統(tǒng)，要求其具有高的速度和極好的伺服電機特性。 對于數(shù)控雕銑機，從機械的角度分析，其結(jié)構(gòu)應滿足：非移動部件剛性要好，移動部件在保證其具有良好剛性的前提下，盡可能輕巧，靈活性要好。要從機械上滿足既輕巧又剛性好的要求，關(guān)鍵在于機械結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計上。 理論設(shè)計上，龍門式高速雕銑機的總體結(jié)構(gòu)布局見圖2-1所示。 圖2-1龍門式高速雕銑機的總體結(jié)構(gòu)布局 2.2 設(shè)計方案分析 本設(shè)計中，數(shù)控雕銑機選用立式結(jié)構(gòu)。立式結(jié)構(gòu)工作臺在水平面內(nèi)，工件的安裝調(diào)整比較方便。工作臺由導軌支撐，剛性好，切削平穩(wěn)。立式機床床的加工精度高。一直是高速切削設(shè)備的首選結(jié)構(gòu)。本機床總體布局采用立式銑床結(jié)構(gòu)，為克服不良力矩的問題，盡量加寬了X、Y、Z三向的兩根直線滾動導軌之間的跨距，從整體布置上有效保證了機床的剛性。 因鑄鐵具有良好的穩(wěn)定性、吸振性和耐沖擊性，可使床身的結(jié)構(gòu)強度和剛性有顯著提高，故本機床整體式床身底座采用鑄鐵鑄造而成。它為箱形結(jié)構(gòu)，內(nèi)部筋板采用米字型筋配合的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，確保了對Y軸工作臺和立柱的剛性支承，使機床動態(tài)加工的穩(wěn)定性可達最好。因機床的剛性主要用于克服移動部分在高速移動時對非移動部分的強大沖擊，所以導軌和絲桿在設(shè)計時應盡量要求粗一些，以加強剛性。 由于采取了這些措施，所設(shè)計的數(shù)控雕銑機的最大優(yōu)點是能進行比較細小的加工，加工精度比較高，對軟金屬可進行高速切削。 第3章 各軸系統(tǒng)的設(shè)計方案 3.1 Z向主傳動系統(tǒng)的方案設(shè)計 主運動方案通常有兩種:一是直接采用專用的雕銑刀頭,二是采用直流電機帶動的主軸機構(gòu)。專用的雕銑頭的優(yōu)點雖很多，但是必須配 以與之配套的變頻調(diào)速裝置，價格相對昂貴。因此，從經(jīng)濟性的角度出發(fā)，采用直流電機帶動主軸機構(gòu)。直流電機具有以下特點: 1.調(diào)速范圍寬 其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速可在寬廣的范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)并穩(wěn)定運行。 2.特性呈線性 不論機械特性還是調(diào)節(jié)特性都呈現(xiàn)良好的線性度。即在整個調(diào)節(jié)范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化關(guān)系或是轉(zhuǎn)速隨控制電壓的變化關(guān)系都是線性的。 3.快速反應 在輸入控制信號的作用下，轉(zhuǎn)子能迅速地反應動作，時間常數(shù)小。 故選用直流電機帶動主軸機構(gòu)的方案。直流電機通過彈性夾頭直接與刀具連接。 3.2 進給系統(tǒng)方案設(shè)計 在數(shù)控機床中，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機械傳動裝置時，通常需滿足低摩擦、低慣量、高精度、無間隙，高諧振以及有適宜阻尼比的要求。機床的精度很大程度取決于進給絲杠的精度和機床導軌的精度，因此，雕銑機進給系統(tǒng)采用內(nèi)循環(huán)浮動式墊片預緊滾珠絲杠副，采用高精度直線導軌。 3.2.1 滾珠絲杠副的選擇 本設(shè)計中工作臺的絲桿選用的是滾珠絲桿副。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小，傳動效率高。 滾珠絲杠主要承受軸向載荷，因此對絲杠軸承的軸向精度和剛度要求較高。選定進給傳動用滾珠絲杠副時，主要考慮的內(nèi)容是：與機床定位精度要求相適應的絲杠精度、絲杠的剛性與轉(zhuǎn)動慣量。在開環(huán)和半閉環(huán)數(shù)控機床中，滾珠絲杠的精度將直接影響機床的定位精度和隨動精度。為了獲得高精度、高剛度的進給系統(tǒng)，應選用精度高的滾珠絲杠傳動副。但是，隨著絲杠精度的提高，其價格也將大大上升。本機床進給方向的滾珠絲杠副的精度等級為4級。4級精度的絲杠經(jīng)采用一些如消隙、螺距誤差補償?shù)却胧?，完全能滿足機床的定位精度要求。 絲杠的剛度與直徑的大小直接相關(guān)，直徑大、剛度就好。要想使進給驅(qū)動系統(tǒng)有足夠的剛性，就要選用直徑粗大的絲杠。但是，隨著直徑的增大，其轉(zhuǎn)動慣量也大大增大。本機床經(jīng)設(shè)計計算后選定Z軸滾珠絲杠的公稱直徑為25mm，導程為4mm。 3.2.2 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu) 滾珠絲杠的支承方式有三種，一種為一端固定，另一端自由放置，常用于短絲杠和豎直絲杠；一種為一端固定，一端簡支承方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；第三種為兩端固定，用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速，要求高拉壓剛度的場合。因為機床在加工工件時會產(chǎn)生熱量，引起絲杠發(fā)熱產(chǎn)生熱變形。如果絲杠兩端都進行固定預緊，雖然提高了絲杠的軸向剛度，但絲杠就沒有了熱變形的伸縮余量，會導致絲杠的扭曲變形，失去原本的直線度，影響機床的精度。雕銑機的滾珠絲杠副的支承結(jié)構(gòu)見圖3-1所示。 1. 步進電機 2. 聯(lián)軸器 3. 角接觸球軸承 4. 滾珠絲杠 圖3-1滾珠絲杠支承和聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 3.2.3 支承軸承的選擇 為了獲得高精度、高剛度的進給系統(tǒng)，不僅應選用高精度高剛度的滾珠絲杠副，而且必須十分重視滾珠絲杠支承的設(shè)計。因滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷來自于臥式絲杠的自重，因此，滾珠絲杠的軸向精度和剛度要求很高。因數(shù)控雕銑機的進給系統(tǒng)要求運動靈活，對微小位移(絲杠微小轉(zhuǎn)角)響應要靈敏，因此應選用運轉(zhuǎn)精度高、軸向剛度高、摩擦力矩小的滾動軸承。目前，各類軸承中用得最多的是推力角接觸球軸承。數(shù)控機床選用這種角接觸球軸承，通常需要把2個以上的軸承組合起來，且施加預緊力來使用。其組合形式有背靠背組配(DB方式)、面對面組配(DF方式)、串聯(lián)組配(DT方式)。在數(shù)控機床上選用此種軸承時，為了易于吸收滾珠螺母與軸承之間的不同軸度，一般采用DF組配方式。 3.2.4 滾珠絲杠的制動裝置 由于滾珠絲杠副的逆?zhèn)鲃有屎芨?，逆向傳動不能自鎖，因此當它處于垂直安置時必須另外設(shè)有制動裝置，以防止伺服電機在停止轉(zhuǎn)動時，運動部件由于自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃樱部梢苑乐挂蚺既灰蛩卦斐傻氖鹿?。雕銑機采用拉伸彈簧和步進電機的制動來作為滾珠絲杠副的制動裝置。 步進電機經(jīng)連軸器帶動絲杠，實現(xiàn)工作臺的移動。防止工作臺及其主軸組件由于自重而產(chǎn)生逆?zhèn)鲃拥年P(guān)鍵部件是Z向彈簧拉板裝置(由彈簧拉板、拉伸彈簧、M8內(nèi)六角圓柱頭螺釘?shù)冉M成)和步進電機的制動器。當工作臺上升時，拉伸彈簧無逆止作用，步進電機帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動從而帶動工作臺向上運動。當步進電機停止轉(zhuǎn)動時(電機帶制動)，工作臺及其主軸組件由于自重而要下滑，這時，Z向彈簧拉板裝置對工作臺及其主軸組件自重的反作用力和伺服電機的制動作用，阻礙其下滑的運動，從而防止了逆?zhèn)鲃印＿@種結(jié)構(gòu)的特點結(jié)構(gòu)簡單。 3.2.5 步進電機與進給絲杠的聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu) 在數(shù)控機床進給系統(tǒng)中，步進電機與滾珠絲杠聯(lián)結(jié)要保證傳動無間隙，這樣才能準確執(zhí)行脈沖指令，而不會丟掉脈沖造成“失步”，影響機床的加工精度和傳動精度。在雕銑機床中，Z軸采用直聯(lián)式，即通過非金屬彈性元件聯(lián)軸器（屬于帶彈性元件擾性聯(lián)軸器）把步進電機和滾珠絲杠聯(lián)結(jié)起來。帶彈性元件擾性聯(lián)軸器除有補償性能外，還具有緩沖和減震作用，此外非金屬彈性元件聯(lián)軸器能保證步進電機與絲杠的同軸度，即使步進電機與絲杠安裝時的同軸度不是很精確，也可通過非金屬彈性元件連軸器來調(diào)節(jié)。非金屬彈性元件聯(lián)軸器制造方便，易獲得各種結(jié)構(gòu)形狀，更重要的是，它具有較高的阻尼性能，而高的阻尼性能，又可以提高機床的抗震性。彈性聯(lián)軸器的裝卸也非常方便。 3.2.6 導軌 導軌應滿足如下要求：精度高、承載能力大、剛度好、摩擦阻力小、運動平穩(wěn)、精度保持性好、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單、工藝性好、便于加工、裝配、調(diào)整和維修、成本低等。因數(shù)控雕銑機床要求有良好的靈活性以滿足機床的高速雕刻要求，本機床Z軸方向上采用高精度直線導軌。直線滾動導軌通常兩條成對使用，可以水平安裝，也可以垂直或傾斜安裝。為保證兩條導軌平行，通常把一條導軌作為基準導軌。其安裝形式有單導軌定位和雙導軌定位，數(shù)控雕銑機床X、Y軸方向上均采用雙導軌定位，Z軸方向上采用導桿定位。 第4章 主軸系統(tǒng)零部件的計算與校核 4.1 主軸系統(tǒng)的重力計算 主軸系統(tǒng)主要由兩部分組成：主軸安裝座、活動支架。根據(jù)圖紙分別計算主軸安裝座、活動支架體積V及其重力G。 取灰鑄鐵的密度ρHT250=7.0 ×103(kg/m3)。 主軸安裝座的體積V1及重力G1計算： V1=（π×402×110-π×302×110+70×60×80）×10-9≈5.78×10-4m3 G1=m1g=ρHT250V1g=7.0×103×5.78×10-4×9.8≈40N 活動支架的體積V2及重力G2計算： V2=（60×180×70-π×222×60-π×172×60-π×202×60）×10-9≈6.06×10-4m3 G2=m2g=ρHT250V2g=7.0 ×103×6.06×10-4×9.8≈42N 主軸系統(tǒng)的重力計算值見表4-1。 表4-1主軸系統(tǒng)的重力計算值 主軸安裝座 40N 活動支架 42N 4.2 主軸銑削力計算 雕銑機加工方式與數(shù)控銑床相似，因此按計算銑床的銑削公式計算其銑削力。 主銑削力Fc計算：見式（4.1） 雕銑機屬于立銑加工，刀具選用材料為硬質(zhì)合金鋼，加工材料為鋼材。 Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap 式（4.1） 式（4.1）中，CF——表示切削系數(shù)。取CF=669； KF——表示修正系數(shù)。取CF=1.08； ae——表示銑削寬度。取ae=1.5mm； af——表示每齒進給量。取af =0.1mm； d0——表示銑刀直徑。取d0 =6mm； Z——表示銑刀齒數(shù)。取Z =6； ap——表示銑削深度。取ap=0.5mm。 代入式（4.1）得： Fc=669×1.08×1.50.86×0.10.72×6-0.86×6×0.5≈125N 垂直分力、橫向分力，縱向分力計算： 各銑削分力的比值可得： ； ； 計算可得：=47.5N; =106.25N; =96.25N 主軸銑削力相關(guān)計算值見表4-2。 表4-2 主軸銑削力相關(guān)計算值 主銑削力Fc 125N 垂直分力 47.5N 橫向分力 106.25N 縱向分力 96.25N 4.3 滾珠絲杠副的選擇計算 1)確定滾珠絲杠副的導程Ph 滾珠絲杠副導程Ph的計算見式（4.2）。 Ph = 式（4.2） 式中 Ph——表示滾珠絲杠副的導程mm； Vmax——表示工作臺最高移動速度m/min； nmax——表示電機最高轉(zhuǎn)速r/min； i——表示傳動比。 因雕銑機伺服電機與滾珠絲杠副通過聯(lián)軸器直接傳遞力矩，因此傳動比i=1。 根據(jù)表[1-3]的技術(shù)參數(shù)可知，Vmax =5m/min 。 根據(jù)電動機功率為200W, 查得nmax =3000r/min。 代入式（4.2）得 Ph = =1.67mm 選擇導程為4mm的滾珠絲杠副。 2）確定當量轉(zhuǎn)速與當量載荷 當負荷與轉(zhuǎn)速接近正比變化時，各種轉(zhuǎn)速使用機會均等時，可采用下列公式計算。 當量轉(zhuǎn)速的計算見式（4.3）。 nm = 式（4.3） 式中nm——表示當量轉(zhuǎn)速r/min； nmax——表示滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速； nmin——表示滾珠絲杠副的最低轉(zhuǎn)速。nmin =0。 因雕銑機伺服電機與滾珠絲杠副采用直聯(lián)方式連接，傳動比i=1。電動機所能達到的最高轉(zhuǎn)速即為滾珠絲杠副的最高轉(zhuǎn)速，所以nmax =3000r/min 代入式（4.3）得 nm ==1500r/min 當量載荷的計算見式（4.4）。 Fm = 式（4.4） 式中Fm——表示當量載荷N； Fmax——表示機器承受最大負荷時滾珠絲杠副的傳動力； Fmin——表示機器空載時滾珠絲杠副的傳動力。 Fmax= G1+G2+G電主軸+μ×=122+0.1×96.25=131.625N。 因所計算的絲杠帶動Z軸方向的運動。所以Fmin=G1+G2+G電主軸 =（42 +40+40）N=122N 代入式（4.4）得 Fm = ≈128.42N 3）確定預期額定動載荷 按滾珠絲杠副的預期工作時間Lh（小時）計算，確定預期額定動載荷見式（4.5）。 Cam =× （N） 式（4.5） 式中Cam——表示確定預期額定動載荷N； Lh——表示預期工作時間（小時）。取Lh=20000h； fa——表示精度系數(shù)。根據(jù)初定的精度等級P4。取fa=0.9； fc——表示可靠性系數(shù)。一般情況下為fc=1； fw——表示負荷系數(shù)。根據(jù)負荷性質(zhì)選擇，取fw=1。 代入式（4.5）得 Cam=× ≈1736N 擬采用預緊滾珠絲杠副，按最大載荷Fmax計算，見式（4.6） Cam =fe×Fmax 式（4.6） 式中fe——表示預加負荷系數(shù)。取fe=4.5。 代入式（4.6）得 Cam =4.5×131.65=592N 取以上2種結(jié)果的最大值，Cam =1736N。 4）按精度要求確定允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑d2m 估算滾珠絲杠的最大允許軸向變形量δm ①δm ≤（～）×重復定位精度； ②δm ≤（～）×定位精度； δm：最大軸向變形量μm。 由表[1-3]可知，重復定位精度為0.05mm，定位精度為0.1mm ①δm=12.5μm； ②δm=20μm； 取兩種結(jié)果的小值δm=12.5μm。 估算滾珠絲杠副的底徑d2m。 絲杠無預拉伸要求，取一端固定，一端游動的支承形式，計算滾珠絲杠的最小螺紋底徑見式（4.7）。 d2m≥2×10=0.078 式（4.7） 式中d2m——表示最小螺紋底徑mm； E——表示楊氏彈性模量。E=2.1×105N/mm2； δm——表示估算的滾珠絲杠最大允許軸向變形量（μm）已求得為δm=12.5μm； F0——表示導軌靜摩擦力（N）。 F0 =μ0×W（μ0為靜摩擦系數(shù)）。取μ0=0.2 W =G1+G2+G電主軸=122N F0 =μ0×W =0.2×122=24.4N L為滾珠螺母至滾珠絲杠固定端支撐的最大距離（mm）， L ≈ 行程 + 安全行程 + 兩個余程 + 螺母長度+ 一個支承長度 ≈ （1.1～1.2）行程 + (10～14) Ph 由表[1-3]：Z向最大行程為50mm L ≈ 1.2×50 + 14×5 =130mm 代入式（4.7）得 d2m≥0.078 =1.24mm 5）確定滾珠絲杠副的規(guī)格代號 根據(jù)傳動方式以及使用情況，選擇法蘭式雙螺母內(nèi)循環(huán)形式； 由計算出的Ph、Cam、d2m，可選擇相應規(guī)格的滾珠絲杠副：FFZD1604 Ph =4 Ca =2000N＞Cam =1736N d2 =16mm＞d2m =1.24mm 6）確定滾珠絲杠副預緊力 滾珠絲杠副的預緊力計算見式（4.8）。 Fp = Fmax 式（4.8） 其中Fmax=131.65N Fp≈44N 7）行程補償值與預拉伸力 行程補償值的計算見式（4.9） C =1.24ΔtLu×10-6 式（4.9） 式中，C——表示行程補償值μm； Δt——表示溫度變化值2℃-3℃,取Δt=2.5℃； Lu——表示滾珠絲杠副的有效行程(mm)。 Lu≈工作臺行程+ 螺母長度 + 兩個安全行程 ≈行程 + (8～14)Ph = 50 + 14×5 = 120mm 代入式（4.9）得 C =1.24×2.5×120×103×10-6 ≈0.4μm 預拉伸力的計算見式（4.10） Ft ==1.95Δtd22 式（4.10） =1.95×2.5×162 ≈1248N 8）確定滾珠絲杠副支撐用的軸承型號規(guī)格 軸承所承受的最大軸向載荷的計算見式（4.11）。 FBmax = Ft + Fmax 式 （4.11） = 1248 + 131.65 =1279.65N 軸承類型：一端固定，一端游動的支承形式，選面對面（DF）角接觸球軸承。 軸承內(nèi)徑：d略小于d2=16 ，F(xiàn)BP = FBmax，取d =10mm，得 FBP =×1279.65 =426.55N 軸承預緊力：預加負荷≥FBP =426.55N。 選擇軸承型號規(guī)格：當d =10mm,預加負荷≥FBP =426.55N。 所以選擇7000AC型軸承。 9）滾珠絲杠副工作圖 絲杠螺紋長度的計算見式（4.12）。 Ls= Lu + 2Le 式（4.12） 取余程Le=10mm。 代入式（4.12）得 Ls= 120+2×10=140mm 10）傳動系統(tǒng)剛度 絲杠最小抗壓剛度的計算見式（4.13）。 Ksmin =1.65×102 式（4.13） 式中Ksmin——表示最小抗壓剛度； ——表示絲杠底徑； ——表示固定支承距離。===200。 代入式（4.13）得 Ksmin =1.65××102=211.2N/μm 絲杠最大抗壓剛度的計算見式（4.14） Ksmax=1.65×102 式（4.14） 式中Ksmax——表示最大抗壓剛度； L0——表示行程起點離固定支承距離，取L0≈75mm。 得： Ksmax=1.65××102 =225.28N/μm 11）滾珠絲杠副臨界壓縮載荷Fc的校驗（驗算壓桿穩(wěn)定性） 絲杠所受最大軸向載荷Fmax小于絲杠預拉伸力Ft 滾珠絲杠副臨界壓縮載荷Fc不用驗算 12）滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速nc的校驗 滾珠絲杠副的極限轉(zhuǎn)速nc的校驗公式見式（4.15） nc =f×107 式（4.15） 式中nc——表示臨界轉(zhuǎn)速； f——表示與支撐形式有關(guān)的系數(shù)，取f=16。 Lc2——表示臨界轉(zhuǎn)速計算長度（mm），Lc2= L1- L0=55mm。 代入式（4.15）得 nc =16××107 =846280＞nmax =3000 合格。 13）Dn值校驗 Dn值校驗的公式見式（4.16）。 Dn =DPW×nm≤70000 式（4.16） 式中DPW——表示滾珠絲杠副的節(jié)圓直徑（mm），DPW ≈d2 + DW； DW——表示剛球直徑，取DW=2.3mm。 DPW ≈16+2.3=18.3 代入式（4.16）得 Dn =DPW×nm =18.3×1500=27450＜70000 合格。 14）基本軸向額定靜載荷Coa驗算 基本軸向額定靜載荷Coa驗算的公式見式（4.17） fsFamax ≤Coa 式（4.17） 式中Coa——表示滾珠絲杠副的基本軸向額定靜載荷（N）。取Coa =2450N； fs——表示靜態(tài)安全系數(shù)。一般載荷fs=1～2，有沖擊或振動fs=2～3； Famax——表示軸向最大載荷（N）。 得 fsFamax=1.5×131.65=197.475﹤2450 校驗合格。 15）強度驗算 強度驗算公式見式（4.18）。 式（4.18） 式中——表示許用應力（N/mm2）。根據(jù)滾珠絲杠材料，取=390 MPa。 代入式（4.18）得==30615N； Fmax =131.65N 顯然﹥Famax 強度滿足。 滾珠絲杠副選擇的主要計算值見表4-3。 表4-3 滾珠絲杠副選擇的主要計算值 滾珠絲杠副的導程 Ph=4mm 當量轉(zhuǎn)速 nm=1500r/min 當量載荷 Fm=131.65N 預期額定動載荷 Cam=1736N 最小螺紋直徑 D2m≥1.24mm 滾珠絲杠副預緊力 Fp=44N 行程補償值 C=0.4μm 預拉伸力 Ft=1248N 絲杠長度 L=140mm 絲杠最小抗壓剛度 Ksmin=188N/μm 絲杠最大抗壓剛度 Ksmax=211.2N/μm 極限轉(zhuǎn)速 nc= 846280n/min 基本軸向額定靜載荷 Coa =2450N 4.4 進給伺服電機功率的計算及選擇 1）建立計算模型 絲杠計算模型見圖4-2。 圖4-2 絲杠計算模型 2）加減速時間計算 速度變化曲線見圖4-3。 4-3 速度變化曲線 進給速度：V=2m/min； 進給時間：tm=4.6s； 行程: l=150mm； 加速時間：ta (s)； 減速時間：td (s)； 當ta= td時： 代入已知條件得： 3）換算到電機軸負載慣量的計算 滾珠絲杠的慣量的計算見式（4.19）。 式（4.19） 式中MB——表示滾珠絲杠重量。 滾珠絲杠重量的計算見式（4.20）。 =ρ×V =ρ×π××L 式（4.20） 式中L——表示滾珠絲杠直徑。由上面計算可知，L=0.14m； D——表示滾珠絲杠直徑。取D=10mm。 代入式（4.20）得 =7.8×103×π××0.5≈0.3kg 代入式（4.19）得 ==2.4×10(KgM2) 負載的慣量計算見式（4.21） 式（4.21） 式中M——表示負載質(zhì)量。M=（3+3+8）kg=14kg； P——表示滾珠絲杠導程。P=4mm。 代入式（4.21）得 =3.29×10KgM2 換算到電機軸負載慣量，見式（4.22） 式（4.22） 式中i——表示減速比。因無減速器，所以i=1； J1、J2——表示中間機構(gòu)的慣量。應沒有采用減速機構(gòu)，因此J1=J2=0。 代入得 4）負載轉(zhuǎn)矩的計算 對外力的轉(zhuǎn)矩的計算見式（4.23）。 式（4.23） 式中M——表示外作用力。M=（3+3+8）kg=14kg； P——表示滾珠絲杠導程。P=4mm。 代入式（4.23）得 換算到電機軸負載轉(zhuǎn)矩，見式（4.24） 式（4.24） 式中η——表示效率。電機與絲杠采用彈性聯(lián)軸器連接，其η=0.98。 則 = 5）旋轉(zhuǎn)數(shù)的計算 電機所需轉(zhuǎn)速的計算見式（4.25）。 式（4.25） 式中NM——表示電機所需轉(zhuǎn)速（r/min）； V——表示進給速度（m/min）。已知V=2 m/min； P——表示滾珠絲杠導程。P=4mm； i——表示減速比。因無減速結(jié)構(gòu)，所以i=1。 代入得 6）電機的初步選定 定電機的轉(zhuǎn)子慣量為負載的以上的電機 初步選臺達ASMT L250， 規(guī)格：低慣量 400W 額定轉(zhuǎn)速N：3000（r/min） 額定轉(zhuǎn)矩:1.27（N·m） 瞬時轉(zhuǎn)矩T：3.82（N·m） 電動機慣量： 選定電機的額定轉(zhuǎn)矩×0.8比換算到電機軸負載轉(zhuǎn)矩大的電機 ASMT L250的額定轉(zhuǎn)矩TW=1.27 ﹥TL=0.1 7）加減速轉(zhuǎn)矩的計算 加減速轉(zhuǎn)矩的計算見式（4.26）。 式(4.26) 8）瞬時最大轉(zhuǎn)矩、有效力矩的計算 必要的瞬時最大轉(zhuǎn)矩為T1 T1=TA+TL=（0.04+0.1）=0.14 T2=TL=0.1 T3=TL-TA=0.06 有效轉(zhuǎn)矩Trms 有效轉(zhuǎn)矩Trms的計算見式（4.27）。 式（4.27） 9)校驗 負載慣量: ＜]×[適用的慣量比=30] 條件滿足 有效轉(zhuǎn)矩: =0.1＜×0.8 條件滿足 瞬時最大轉(zhuǎn)矩: T1=0.14＜T=3.82×0.8 條件滿足 最大轉(zhuǎn)數(shù): ＜N=3000(r/min) 條件滿足 經(jīng)校驗,所選電機符合要求。 伺服電機主要計算值見表4-4。 表4-4伺服電機主要計算值 負載慣量 JL=3.29×10kg·m2 負載轉(zhuǎn)矩 TL=0.1N·M 有效轉(zhuǎn)矩 Trms=0.1N·M 瞬時最大轉(zhuǎn)矩 T1=0.14 N·M 最大轉(zhuǎn)速 NM=500r/min 第5章 電氣部分設(shè)計 5.1 硬件部分電路設(shè)計 要設(shè)計硬件部分，就要進行硬件的開發(fā)，就是要在計算機與外設(shè)之間架設(shè)一座橋，進行物理連接。要開發(fā)硬件，總的說來有兩種途徑：一條是自己動手開發(fā)標準的計算機接口卡，另一條途徑是在現(xiàn)有的計算機硬件設(shè)備的基礎(chǔ)上，稍加改進而利用已有的標準接口卡進行通訊。在第一種方法中，需要自己設(shè)計接口電路，勞動量大，且在使用時要占用PC機的一個擴展槽；若使用第二種方法，不但設(shè)計簡單、危險性小，而且節(jié)省計算機插槽空間。因此本設(shè)計采用PC機的并口進行上下位機的通訊。 本部分主要用于控制雕銑機工作臺進給步進電機的工作。通過工作臺兩端安裝的接近開關(guān)發(fā)出的信號控制工作臺的啟、停以及反向。 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分構(gòu)成。硬件是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的性能。而軟件則是系統(tǒng)的靈魂，只有有了軟件系統(tǒng)各硬件部分才能協(xié)調(diào)工作，發(fā)揮作用。 80C51單片機系列源于Intel公司的MCS-51系列，具有典型的單片機結(jié)構(gòu)體系，其基本結(jié)構(gòu)如圖5-1所示。專門設(shè)計的CPU系統(tǒng)，典型的CPU外圍功能單元和歸一化的I/O端口。 圖 5-1 80C51基本結(jié)構(gòu)圖 80C51單片機的CPU外圍電路有片內(nèi)程序存儲器ROM（4K）、數(shù)據(jù)存儲器（128B）、I/O端口和特殊功能寄存器SFR。 5.2 80C51外部電路擴展 80C51芯片內(nèi)部有128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器RAM，內(nèi)部地址為07H-07FH，用作工作寄存器、堆棧、軟件標志和數(shù)據(jù)緩沖器，CPU對內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器有著豐富的操作指令。但是在數(shù)控系統(tǒng)中單用片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器往往是不夠的，因此在本設(shè)計中外接6264芯片來擴展80C51的數(shù)據(jù)存儲器。由于80C51內(nèi)部只有4K程序存儲器，所以在實際應用中常外接一片2764芯片來擴展程序存儲器。 ALE為地址鎖存允許，當送低8位地址時使用ALE，接74LS373的OE端，高電平有效，當不傳送數(shù)據(jù)時ALE無效。 低電平有效，偏外取指令控制。當其有效時選通外部EPROM存儲器，向應的指令字節(jié)出現(xiàn)在EPROM的數(shù)據(jù)線（Q0-Q7）上，同是輸入到P0口，CPU將讀取向應的指令到指令寄存器 XTAL1為芯片內(nèi)部振蕩電路輸入端，XTAL2為振蕩電路輸出端，系統(tǒng)采用內(nèi)部時鐘電路。在XTAL1、XTAL2引腳上接上晶振電路，使80C51內(nèi)部產(chǎn)生自激振蕩。晶振電路一般采用石英晶體和電容組成并聯(lián)諧振電路。晶振頻率可以在1.2-12MHZ之間選擇。本設(shè)計選取晶振頻率為6MHZ，電容在5-30PF之間選擇。電容CO1、CO2的大小對晶振頻率有微小影響，因此可以起到頻率微調(diào)作用。 RST為復位控制，高電平有效。當RST端輸入高電平時，80C51初始化復位，只要輸入端保持高電平則循環(huán)復位,在復位有效期間ALE、 也輸出高電平。當RST輸入返回低電平后，CPU從0地址開始執(zhí)行程序。單片機通常采用上電復位和手動復位相結(jié)合的復位方式，以便在出現(xiàn)緊急情況時能使空置系統(tǒng)迅速復位，不至于造成事故，具體復位電路間控制電路原理圖。 程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器擴展芯片簡介。2764是一種只用5V電源，65536位紫外線擦除，用非5V電源編程的只讀存儲器（EPROM）。引腳功能如下：A0-A12位地址端； 為片選端； 為輸出允許；O0-O7為輸出端； 為編程端；NC沒有內(nèi)部連接；VPP為編程電源；VCC為電源；GND為地。用它可以擴展8K片外程序存儲空間。6264位8K數(shù)據(jù)存儲器，集成度很高。它的引腳功能如下：A0-A12為13位地址線，輸入地址與內(nèi)部8KB存儲單元相對應；O0-O7為8位數(shù)據(jù)線； 為片選信號線，低電平有效； 為讀信號線，低電平有效； 為寫信號線，也是低電平有效。 5.3控制系統(tǒng)總體設(shè)計 為保證該系統(tǒng)能夠精確定時和實時處理內(nèi)外信號，在硬件方面采用碩華PCL-839步進電機控制卡、輸入、輸出卡構(gòu)成數(shù)控系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件采用PC 總線和模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，PCL-839控制卡插在PC總線擴展槽上。PCL-839卡主要是步進電機位移及速度控制、限位開關(guān)響應、刀具半徑補償、外部信號輸入和控制信號輸出、插補運算等功能，總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖5-2 圖5-2 總體結(jié)構(gòu)圖 該系統(tǒng)采用了NC嵌入PC式結(jié)構(gòu)，所用硬件少，成本低，并利用PCL-839強大的軟件功能與執(zhí)行機構(gòu)相結(jié)合，大大降低了軟件開發(fā)的難度，極大地提高了控制系統(tǒng)的開放性，順應了數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。 結(jié)論 Z向作為主傳動系統(tǒng)是實現(xiàn)主運動的系統(tǒng)，是數(shù)控機床的關(guān)鍵部件之一。為實現(xiàn)其加工時的高速銑削采用銑削主軸，主軸系統(tǒng)主要由兩部分組成：主軸安裝座、活動支架。Z向進給主要通過、電機的旋轉(zhuǎn)運動通過聯(lián)軸器傳遞給滾珠絲杠來實現(xiàn)其直線往復的運動，實現(xiàn)Z向的進給運動。 本次設(shè)計的機械部分中的執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計是接受放大后的控制信號，實現(xiàn)雕銑機動作的機構(gòu)，考慮到既要實現(xiàn)功能，又要盡可能地小巧輕便。設(shè)計中控制部分，是連接PC機輸出和機械執(zhí)行機構(gòu)的必要通道，它的主要作用是放大PC機產(chǎn)生的控制信號，使其能驅(qū)動機械執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)雕銑動作，這對能否將控制信號及時、準確地放大并發(fā)送至步進電機至關(guān)重要。 這次設(shè)計能為機械設(shè)備提供一種價格低廉、性能適中的雕銑機。它能滿足教學的大部分功能要求，如：體積小，輕便，易搬運和維護，安裝簡單，精度在0.1㎜以內(nèi)等功能。便于提高數(shù)控技術(shù)的發(fā)展。 致謝 在本次的畢業(yè)設(shè)計過程中得到了李老師的悉心指導，正是由于老師不辭辛苦的耐心講解、檢查，幫我改正設(shè)計中的錯誤與不妥之處，我的此次設(shè)計才能順利完成。在這里表示衷心的感謝！ 參考文獻 [1]蔡春源,機械設(shè)計手冊.遼寧科技技術(shù)出版社.1993. 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