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XXXX畢業(yè)設計
第一章 引 言
1.1 課題的背景
我國機床的消費量在全世界僅次于美國和日本，居第三位。我國機床工業(yè)已基本形成門類較齊全的生產(chǎn)科研體系，數(shù)控機床是現(xiàn)代基礎機械代表產(chǎn)品。機床是機床制造技術、微電子和計算機技術三者相結合的產(chǎn)物。機床的性能水平主要取決與系統(tǒng)的先進性。近年來，隨著國外高檔機床產(chǎn)品的進口和國外技術的引進，我國的機床生產(chǎn)取得了長足的進步。
進入21世紀,我國機床制造業(yè)既面臨著提升機械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機,也遭遇到加入后激烈的市場競爭的壓力。從技術層面上來講,加速推進數(shù)控技術將是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關鍵。
數(shù)控機床及由數(shù)控機床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎裝備，它的發(fā)展一直備受人們關注。數(shù)控機床以其卓越的柔性自動化的性能、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)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術成為先進制造技術中的一項核心技術。另一方面，通過持續(xù)的研究，信息技術的深化應用促進了數(shù)控機床的進一步提升。
在發(fā)達國家，數(shù)控機床已經(jīng)大量普遍使用。我國制造業(yè)機床數(shù)控化率不到，而且，對現(xiàn)有的為數(shù)不多的數(shù)控機床也未能充分利用。原因是多方面的，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)到使用維修的各個層次的技術人才。
我國經(jīng)濟快速發(fā)展。逐步成為世界制造中心 進入新的世紀以后，隨著我國綜合國力的進一步增強和加人世界貿易組織，我國經(jīng)濟全面與國際接軌，并正在成為全球制造業(yè)的中心，大批跨國企業(yè)搶灘登陸在國內高起點設廠、將生產(chǎn)加工向中國轉移；國內制造企業(yè)更是背水一戰(zhàn)。大舉通過信息化、廣泛應用現(xiàn)代制造技術積極參與國際競爭，我國制造業(yè)進入了一個空前蓬勃發(fā)展的新時期，這必然對掌握現(xiàn)代信息化制造技術的技術人才、特別是對大量的一線技術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，各校均建有不同規(guī)模的數(shù)控實訓基地，有的是規(guī)模大、設備種類多的實訓中有的是設備種類和數(shù)量相對較少的實驗室。有的學校實訓基地以普通加工設備配進口數(shù)控系統(tǒng)為主．有的學校以教學型數(shù)控設備為主?？偟那闆r是，數(shù)控設備的臺套種類，數(shù)量與學生規(guī)模反差較大。用于教學實驗的設備更是落后，加之由于各種客觀和主觀的原因，全國大專院校機電類學生工程實踐能力普遍較差，其學習和研究工作偏向計算機化、軟件化，動手能力與理論更是難結合在一起。嚴重影響實訓、培訓效果。
1.2 課題的意義
通過對實驗型兩軸數(shù)控系統(tǒng)的設計，要求學生能夠綜合運用所學過的數(shù)控技術、微機原理與接口技術、軟件程序設計、工藝等知識，掌握數(shù)控機床機械結構設計計算及控制系統(tǒng)的設計開發(fā)過程。重點掌握步進電機驅動、控制系統(tǒng)的設計開發(fā)過程，機床工作臺及其相應的夾具及機床配件設計。為畢業(yè)后從事機械電子設備的研制和使用打下良好的基礎。
第二章 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的總體設計
2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設計
主要包括以下幾個方面：
（1） 運動功能設計。包括確定機床所需運動的個數(shù)、形式（直線運動、回轉運動）、功能（主運動、進給運動、其他運動）及排列順序，最后畫出機床的運動功能圖。
（2） 基本參數(shù)設計。包括尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)設計。
（3） 傳動系統(tǒng)設計。包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設計。
（4） 總體結構布局設計。包括運動功能分配、總體布局機構形式及總體結構方案圖設計。
（5） 控制系統(tǒng)設計。包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設計。
根據(jù)前面所提到的數(shù)控機床應滿足的基本要求就可以進行總體設計。在各項基本要求中以工藝要求最為重要。由工藝要求決定機床所需要的運動。完成每個運動又有相應的功能部件。這就可以確定各部件的相對運動和相對位置關系。機床的總體布局也就可以大體確定下來。
因此，總體方案設計是一項全局性的設計工作，直接影響機床產(chǎn)品的結構、性能、工藝和成本，關系到產(chǎn)品的技術水平和市場競爭能力。
2.2 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定
對教學試驗型微型數(shù)控銑床的設計，一方面，要求其功能完善、結構開放，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、價格低，有利于此類銑床的普及推廣。所以本課題的設計主要是兩個方面：其一：機械結構的設計；其二：控制系統(tǒng)的設計。這里有兩個方案：
方案一、采用減速箱，并對滾珠絲杠進行兩端支撐；
減速箱采用圓注齒輪變速，這種方案可以通過增加減速箱，達到：1.增大轉動扭矩；2.提高脈沖當量；3.匹配慣量。對滾珠絲杠進行兩端支撐，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)軸器連接步進電動機和滾珠絲杠，對滾珠絲杠進行一端支撐。
該設計結構簡單。
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)計算切削力較小，選用步進電機，脈沖當量為2mm/min，采用減速向變速，傳動比選用1.25，通過計算可以提高脈沖當量為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)接電動機軸和滾珠絲杠，精度不高，電機功率太小，直接帶動滾珠絲杠在長時間工作時，對步進電機損耗較大。采用一端支撐，會導致滾珠絲杠產(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 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定
教學試驗型微型數(shù)控銑床的總體長為300mm，寬為180mm，高為400mm，工作臺寬度180mm，長180mm?？梢詫崿F(xiàn)X軸、Y軸和Z軸三坐標聯(lián)動。X軸、Y軸的進給是通過電機帶動絲杠，絲杠又與螺母傳動來實現(xiàn)。電機與絲杠的連接可以通過銷釘來達到。在傳動過程中電機帶動絲杠做旋轉運動，螺母沿導軌做水平移動，從而帶動工作臺運動。Z軸的進給也是通過電機帶動絲杠，絲杠又與Z軸螺母傳動來實現(xiàn)。主軸套與Z軸螺母相連，在傳動過程中電機帶動絲杠做旋轉運動，螺母沿導軌做上下移動，從而帶動主軸做上下運動。
控制系統(tǒng)部分：通過采用三菱公司的FX2N系列單片微機構成的控制系統(tǒng)來實現(xiàn)對步進電機的啟停、正反轉、兩軸聯(lián)動和變頻調速的控制，從而實現(xiàn)加工過程的自動控制。其中重點是確定硬件電路的總體方案和軟件設計，主要有：存儲器擴展電路設計，輸入輸出接口電路設計，步進電機接口和驅動電路（光電隔離電路，功率放大電路），其他輔助電路（時鐘電路，復位電路，越界報警電路，掉電保護電路等等），流程圖的繪制和程序的書寫。
由此，可以大體畫出整體結構的系統(tǒng)方案圖圖1：
鍵盤輸入
傳動機構
MCS-51
驅動電路
接口電路
工作臺
數(shù)據(jù)顯示
圖1 總體框圖
第三章 第三章 機械部件的計算和選擇
3.1 切削力的計算
該實驗型數(shù)控實訓設備，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《機床設計手冊》，因沒有石蠟和塑料的銑削公式，所以在查閱手冊時，以圖表中最軟的材料為依據(jù)進行參數(shù)的選擇。
Z軸銑削工作時銑削力的計算：
現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，工作材料為碳鋼進行計算。
1. 最大銑削直徑 d=10mm.最小直徑d=4mm
由《實用機床手冊》P=FV/60000
F=642aaadZK
K=KKK
其中K=（σ/0.638）=0.982 d=400×(10-4)X(1590-397)=2
高速鋼銑刀 r=15,前角系數(shù)K=0.92
主偏角 k=75 K=1.0 a=8mm a=0.08~0.05mm/Z
取a=0.05mm/Z a=4mm
齒數(shù)Z=4 d=6mm
F=642×4×0.05×8×6×4×0.903=2773N
V=πdn/1000=3.14×2×400/1000=2.52
pm= FV/60000=2773×2.512/60000=0.17KW
選電動機時按銑削計算。
3.選主電動機時：
因為銑削最大的切削力為：
F=642×4×0.05×8×10×4×0.903=832.03N
V=π×10×1590/1000=49.9m/s
p= FV/60000=832.03×49.9/60000=0.69KW
p= p/0.88=0.69/0.88=0.79KW
所以選電動機為p=1.1KW 型號：Y90S—4型
2. X、Y軸銑削工作時銑削力的計算
其中主轉動中主軸功率N=0.79KW.則η=0.79/1.1=0.718
電動機的額定功率N=1.1KW。銑削力同樣遇刀具材料、被銑削工件的材料、切削量等因素有關，現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，共建材料為碳鋼進行計算。
主轉動功率包括切削功率N，空載功率N，附加功率N三部分，即：N= N+ N+ N，一般輕載高速的中、小型機床中，N=0.5N/(2-η)N，故總功率為：N= N+0.5 N+（1-η）N，N=0.5N/(2-η)，再進給傳動中切削功率：N=K×0.5N/(2-η)，N=0.85×0.5×1.1/(2-0.718)=0.36KW
切削時主軸上的扭短為：
M=974000 N/n
則主軸上最大扭矩為：M=974000×0.36/397=883（NCM）
銑刀的最大直徑為：10mm。主切削力F=883/1=880N。銑削加工時主切削力F與銑削進給抗力F之間的值由《機床設計手冊》查得F/ F=1.0~1.2，取F/ F=1.2。則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× F=706.4N。
3.2 機械構件的選擇
3.2.1電動機的選擇
應用中的注意點
①步進電機應用于低速場合---每分鐘轉速不超過1000轉，（0.9度時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，此時電機工作效率高，噪音低。
②步進電機最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時振動大。
③由于歷史原因，只有標稱為12V電壓的電機使用12V外，其他電機的電壓值不是驅動電壓伏值 ，可根據(jù)驅動器選擇驅動電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當然12伏的電壓除12V恒壓驅動外也可以采用其他驅動電源， 不過要考慮溫升。
④轉動慣量大的負載應選擇大機座號電機。
⑤電機在較高速或大慣量負載時，一般不在工作速度起動，而采用逐漸升頻提速，一電機不失步，二可以減少噪音同時可以提高停止的定位精度。
⑥高精度時，應通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅動器來解決，也可以采用5相電機，不過其整個系統(tǒng)的價格較貴，生產(chǎn)廠家少。
⑦電機不應在振動區(qū)內工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
⑧電機在600PPS（0.9度）以下工作，應采用小電流、大電感、低電壓來驅動。
? ⑨應遵循先選電機后選驅動的原則。
（2）步進電機的選擇
步進電機有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進電機的型號便確定下來了。
①步距角的選擇
電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應走多少角度（包括減速）。電機的步距角應等于或小于此角度。目前市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。選用1.5度。
②靜力矩的選擇
步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的。直接起動時（一般由低速）時二種負載均要考慮，加速起動時主要考慮慣性負載，恒速運行進只要考慮摩擦負載。一般情況下，靜力矩應為摩擦負載的2-3倍內好，靜力矩一旦選定，電機的機座及長度便能確定下來。
③電流的選擇
靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流（參考驅動電源、及驅動電壓）
綜上所述選擇電機一般應遵循步驟如圖2所示：
??
圖2 選擇電機的步驟
④力矩與功率換算
步進電機一般在較大范圍內調速使用、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=2π·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）混合式步進電機控制系統(tǒng)優(yōu)缺點
混合式步進電機控制系統(tǒng)的優(yōu)點正是由混合式步進電機特殊的結構所帶來的，簡而言之它具有穩(wěn)定可靠、性能好、運行平穩(wěn)等優(yōu)點，以和最具有可比性的反應式步進電機系統(tǒng)相比為例。
首先，混合式步進電機系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高，由于驅動器是系統(tǒng)中可靠性最薄弱的一個部分，所以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性主要是由驅動器的可靠性來決定的?；旌鲜诫姍C轉子上有永磁體，部分磁場已由轉子上的磁鋼產(chǎn)生，所以混合式電機繞組電流可以設計得比較小，而反應式電機磁場完全由繞組電流產(chǎn)生，故欲和混合式電機產(chǎn)生相同的轉矩，在電機體積相差不太大的情況下，反應式電機所需電流就要大得多。在當前電力電子器件水平限制下，混合式電機的驅動器就比反應式電機的驅動器要可靠得多，同時由于大的繞組電流，反應式電機本體的發(fā)熱情況也要嚴重的多。
實際上，為產(chǎn)生相同的轉矩，反應式電機不僅線圈電流大，而且定子線圈匝數(shù)多，電機體積大，繞組電感也大。由于繞組電感大，反應式驅動器必須要以高壓驅動才會有比較好的高頻性能，但這樣驅動器的可靠性會明顯變差；如果反應式驅動器取和混合式驅動器一樣的驅動電壓時，電機的高頻轉矩明顯要小，這也是反應式電機系統(tǒng)性能比混合式電機系統(tǒng)差的一個重要原因。
混合式步進電機一般步距角θ較小，再加上混合式步進電機共振區(qū)不明顯，振蕩較小，在控制步進電機升降頻規(guī)律一致的情況下，運行要比反應式步進電機穩(wěn)定。
混合式步進電機系統(tǒng)的缺點在于混合式步進電機的制造比較復雜，電機的成本相對較高；其次是雖然混合式步進電機共振區(qū)不明顯，振蕩較小，但依然影響性能。
脈沖當量應根據(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，或者機械系統(tǒng)難以實現(xiàn)，或者對其精度和動態(tài)性能提出過高要求，使經(jīng)濟性降低。所以根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求，步進電動機脈沖當量：δ=0.02/Step，步角距θ=1.8/ Step。由于無減速裝置，所以由δ=θ/360×P可知，滾珠絲杠螺距，即基本導程P=4mm。一般來講，反應式步進電機步距角較小，運行頻率高，價格較低，但功耗較大，永磁式步進電機功耗較小，斷電后仍有制動力矩，但步距角較大，啟動和運行頻率較低，混合式步進電機由上述兩種電機的優(yōu)點，但價格較高。
考慮到該機床垂直進給方向需用自鎖機構，所以選用具有自鎖功能的混合式步進電機。
（4） 計算選擇
1. 步進電機轉軸上啟動力矩的計算
銑削時：F=26.1N, F=65.27N
T=36×0.01×[26.1+0.03×（300+65.27）]/2π×1.8×0.85=40.8 N.cm
根據(jù)以上計算可知，銑削時啟動力矩遠大于鉆削啟動力矩，為滿足鉆銑要求，以銑削時所需要求為宜。由手冊可知：T/T=0.866，步進電機最大靜轉矩T= T/0.866=40.8/0.866=47.1 N.cm
2. 確定步進電機最高工作頻率
f=1000v/δ，v=0.025(m/s)
f=1000×0.025/0.02=1250(HZ)
根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進電機。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；轉動慣量，280gcm
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
滾珠絲杠螺母副（以下簡稱滾珠絲杠副）是一種新型的傳動機構。具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動機構為滾珠絲杠副。在數(shù)控機床的傳動中，經(jīng)常用于代替滑動絲杠，以提高傳動精度。
絲杠螺母副的特點：
（1）用較小的扭矩轉動絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。
（2）可達到很大的降速比，使降速機構大為簡化，傳動鏈的以縮短。
（3）能達到較高的傳動精。用于進給機構時,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0.0001mm。
（4）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動效率=0.92~0.96,而一般的常規(guī)（滑動）絲杠螺母副的=0.20~0.40。所以滾珠絲杠的傳動效率比常規(guī)絲杠的傳動效率提高了3~4倍。因此功率消耗只相當于常規(guī)絲杠螺母副的。
（5）給予適當?shù)念A緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時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）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運動速度完全無關，這樣就可以保證運動的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動摩擦，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，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以由直線運動轉換為旋轉運動。絲杠和螺母都可以作為主動件，也可以作為從動件。
（8）制造工藝復雜，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系，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，故常需要添加制動裝置。
在設計滾珠絲杠時，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，目前采用的方法是，在防止疲勞點蝕的基礎上，即滾性絲杠在工作過程中受軸向負載時，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應力。在這種交變接觸應力的作用下，經(jīng)過一定的應力循環(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。在設計滾珠絲杠副時，必須保證在一定的軸向負載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉一百萬轉后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點蝕現(xiàn)象，這個負載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動負載。
2. 滾珠絲杠的選擇計算
(1) 動載荷Cae的計算
Q= ffP
其中f——載荷系數(shù)取為1.0，
f——硬度系數(shù)取為1.2，
P——最大的工作負載
L——使用壽命
工作負載P是指數(shù)控機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數(shù)據(jù)可用進給牽引力的實驗公式計算：
對于類似燕尾型尋軌的機床
P=kP+f(P+2P+G)
P——X方向的切削力
P——Y方向的切削力
P——z方向的切削力
G——移動部件的重量
f——導軌上的摩擦系數(shù)
k——考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)
選用滾動導軌，在正常潤滑情況下，對于類似燕尾型尋軌
k=1.4 f=0.03
由于銑削時所需切削力均大于鉆削的切削力，故意下計算均按銑削設計。
在銑削過程中，P=706.4N ，P=0，
P=1059.6N ，G=300N
P=1.4×0+0.03×(706.4+2×1059.6+300)=93.7N
而L=60nT/10
式中n——滾珠絲杠的轉速（r/min）
T——使用壽命（小時）
對于數(shù)控機床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，
因為L=60×1250×15000/10=1125
Q=×1.0×1.2×93.7=1169N
查表初步選用的型號為N系列1604-3，3列Q=4612N較為合適，這是一種內循環(huán)墊片調隙單螺母的滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下：
名義直徑：D=20mm，基本導程t=5mm，剛求直徑：D=3.725 mm ，絲杠內徑d=17.96mm ，絲杠外徑d =19.4mm ，循環(huán)列數(shù)3，額定動負載C=6367 N ，螺母外徑D=72 mm，螺母內徑 D=32 mm，螺母長度 L=40 mm。
(2) 校核
（1）效率計算
從《機械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動效率η=tgβ/tg(β+φ)
式中：β-螺紋的螺旋升角；
β=arctg=arctg=4.55
φ-摩擦角；
滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角
φ約等于10(tgφ= f=0.003~0.004)。
η==0.965
(3) 剛度的驗算
數(shù)控機床的滾珠絲杠是一種精密的傳動元件，它在工作負載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，這樣，滾珠絲杠的螺距就要產(chǎn)生變化，從而影響其傳動精度和定位精度，因此，滾珠絲杠應驗算其滿載時的變形量。
從《材料力學》中得知，滾珠絲杠受工作負載（軸向力）P的作用而引起一個螺距t的變化量△t,可按下式計算：
△t=
其中：P-工作負載；
t-滾珠絲杠螺距 ；
E-彈性模數(shù)，對鋼而言（E=20.1×10）；
F-滾珠絲杠的橫截面積（按內徑而定）；
△t==0.14×10cm
滾珠絲杠受扭矩M作用而引起一個螺距t的變化量△t，可以按下式計算：
△t=(cm)
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角；
φ= 其中，M-扭矩（Ncm）,M===6.18Ncm
G——扭轉彈性對鋼而言，G=841×10N/cm
J——滾珠絲杠載面積的極慣性矩J=/32d（cm）
（其中d——滾珠絲杠的內徑，cm）
J=3.14/32×13.1=2889cm
Φ=Mt/ GJ=6.18×0.4/84×10×2889=0.1×10
t=tΦ/2π=0.4×0.1×10/2×3.14=0.6×10cm(可忽略不計)
如果Y方向的滾珠絲杠的長度為100m,則整個工作長度上的螺距變形總誤差： △=100/0.4×0.14×10=3.5×10cm/m
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)定性驗算
機床的進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。機床上的進給絲杠一般均為長柱。長柱壓桿失穩(wěn)時的臨界負載P，可用《材料力學》中的歐拉公式計算
P=（N）
E-絲杠材料的彈性模數(shù)，對鋼而言E=2.1×10 N/cm；
J-截面慣性矩，對實心圓桿而言，J===1445cm；
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，本設計是兩端向心軸承，u=1。
P==3.6×10N
臨界負載P與工作負載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)n。如果穩(wěn)定性安全系數(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)。
n===3.8×10>>[ n]=4
故此滾珠絲杠不致失穩(wěn)。
（5）由于鉆、銑工作時，滾珠絲杠的轉速比較低，滾珠絲杠傳動時的振動就會非常小，所以臨界轉速就不用校核了。
3.2.3 軸承的選擇
機床傳動軸的滾動軸承的失效形式，主要是在循環(huán)接觸應力下的作用，滾動體和滾道表面上出現(xiàn)疲勞破環(huán)。即通常所說的疲勞剝落。而絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺的重量外，一般無外載荷，對絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要小。所以選用60角接觸球軸承，該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承，其主要特點如下：
（1）接觸角大，鋼球數(shù)多，承載能力高，剛度高。
（2）既能承受軸向載荷，也能承受徑向載荷，支撐結構可以簡化。
（3）軸承啟動摩擦力矩小，降低絲杠副的驅動功率，提高進給系統(tǒng)的靈敏度。
現(xiàn)選用7000C型號，基本尺寸為:d=10mm,外徑D=26mm,寬度B=8mm,基本額定動負荷C=4.29KN,基本額定靜載荷C=2.25KN，極限轉速（油潤滑）為28000。
對軸承的疲勞壽命進行校核：由《機械設計》可知,軸承的基本額定壽命為：
L=
式中：P-當量動載荷；
L-基本額定壽命；
ε—壽命指數(shù)，球軸承ε=3；
n—軸承工作轉速，n=1250；
C——基本額定動載荷，C=2250N；
其中：P=f(X+YF)
f——沖擊載荷系數(shù)，取1.1；
F——徑向載荷；
X、Y——徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)。X=0.44,Y=1；
P=1.1×(0.44×305+415)=604N
L==21000h>15000h
所以該軸承的選用也是合格的。
3.2.4 導軌的選擇
導軌（Guideways）的功用是導向和承載。在導軌副（如工作臺和床身導軌）中，運動的另一方（如工作臺導軌）叫作動導軌，不動的另一方（如床身導軌）叫做支承導軌。
按摩擦性質分為滑動導軌和滾動導軌。在滑動導軌中有靜壓導軌、靜壓導軌和普通滑動導軌。靜壓導軌的原理和靜壓滑動軸承相同，該導軌多用于進給運動導軌。動壓倒軌，當導軌面間的相對滑動速度達到一定值后，液體的動壓效應是導軌的油腔處出現(xiàn)壓力油楔，把兩導軌面分開，從而形成以液體摩擦，這種導軌只能用于高速的場合，故僅用作主運動導軌，例如立式銑床導軌。普通滑動導軌的摩擦狀態(tài)有的為混合摩擦。
按受力狀態(tài)可分為開式導軌和閉式導軌。在部件自重和外載作用下，導軌面在導軌全長上可以始終貼合的稱為開式導軌，如龍門銑床的工作臺和床身導軌。部件的自重不能使主導軌面始終貼合，就必須增加壓板，形成輔助導軌面，稱為閉式導軌。
導軌選擇考慮的因素：
1. 導向精度
導軌在空載下運動和在切削條件下運動時，都應具有足夠的導向精度。保證軸承運動的準確性，是保證導軌工作質量的前提。
（1）幾何精度
直線運動導軌的幾何精度一般包括：導軌在豎直平面內的直線度（簡稱A項精度）；導軌在水平平面內的直線度（簡稱B項精度）；兩導軌面間的平行度，也叫作扭曲（簡稱C項精度）。在A、B兩項精度中，都規(guī)定了導軌在每米長度上和導軌全長上，兩導軌面間在橫向每米長度上的扭曲值。
（2）接觸精度
磨削和刮研的導軌表面，接觸精度按的規(guī)定，采用著色法進行檢查。用接觸面所占的百分比或面積內接觸點數(shù)衡量。
精度保持性
影響精度保持性的主要因素是磨損。提高耐磨性以保持精度，是提高機床質量的主要內容之一，也是科學研究的一大課題。常見的磨損形式有磨料（硬粒）磨損、粘著磨損（或咬焊）和接觸疲勞。磨料磨損經(jīng)常發(fā)生在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。磨粒夾在導軌面間隨之相對運動，形成對導軌面的切削，使導軌面產(chǎn)生劃傷。磨料的硬度越高，相對滑動速度越大，壓強越大，對摩擦副的危害也越大。磨料磨損很難避免，是導軌防護的重點。粘著磨損也稱為分子——機械磨損。當兩個摩擦表面相互接觸時，在高壓強下材料產(chǎn)生塑性變形，相對運動時的摩擦，又使表面層的氧化膜破壞，在新暴露出來的金屬表面之間，就會產(chǎn)生分子間的相互吸引和滲透，使接觸點粘結而發(fā)生咬焊。接觸面的相對運動又要將咬焊點拉開，就造成撕裂性破壞。咬焊是不允許發(fā)生的。接觸疲勞發(fā)生在滾動摩擦副中，也是無法避免的。
低速運動平穩(wěn)性
當導軌作低速運動或微量位移時，應保證導軌運動的平穩(wěn)性，即不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。低速運動平穩(wěn)性與導軌的結構、材料和潤滑，與動、靜摩擦系數(shù)的差值，與傳動導軌運動的傳動鏈的剛度有關。
結構簡單平穩(wěn)性好
大多數(shù)機床的導軌都要淬硬，因此導軌的精加工，不能淬硬。設計時要注意使導軌的制造和維修方便，刮研量少。如果采用鑲裝導軌，則應盡量做到更換容易。
導軌的潤滑
潤滑的目的、要求與方式
潤滑的目的是為了降低摩擦力、減少磨損、降低溫度和防止生銹。
潤滑要求供給導軌清潔的潤滑油。油量可以調節(jié)。盡量采取自動和強制潤滑。潤滑元件要可靠。要有安全裝。例如靜壓導軌在未形成油膜之前不能開車和潤滑不正常有報警信號等。
導軌的潤滑方式有很多?？梢匀斯ざㄆ谙驅к壝鏉灿?。此法簡單易行，但不能經(jīng)常保證足夠的潤滑。也可在運動部件上裝油杯，使油沿油孔流或滴向導軌面，也可在運動導軌面上裝潤滑電磁泵。或手動潤滑油泵，定時拉動幾下供油。
為使?jié)櫥驮趯к壝嫔陷^均勻的分布，保證潤滑效果，需在導軌面上開出油溝。
2. 潤滑油的選擇
導軌常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂，滑動導軌用潤滑油，滾動導軌兩者都可用。
導軌潤滑油的粘度可根據(jù)導軌的工作條件和潤滑方式選擇。高速低載荷可用粘度較低的潤滑油，反之，則用粘度較高的潤滑油。低載荷，高、中速的中、小型機床進給導軌，可用導軌油；中載荷的中低速導軌，可采用導軌油；重型機床的低速導軌，可用或導軌油。三嗪的合成路線
3.2.5 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是用來聯(lián)接兩進給機構的兩根軸使之一起回轉傳遞扭矩和運動的一種裝置。目前聯(lián)軸器的類型繁多，有液力式、電磁式和機械式。機械式聯(lián)軸器的應用最為廣泛。
套筒聯(lián)軸器構造簡單，徑向尺寸小，但裝卸困難（軸需作軸向移動）。且要求兩軸嚴格對中，不允許有徑向或角度偏差，因此使用時受到一定限制。
繞行聯(lián)軸器采用錐形夾緊環(huán)傳遞載荷，可使動力傳遞沒有方向間隙。
凸緣式聯(lián)軸器構造簡單、成本的、可傳遞較大扭矩，常用于轉速低、五種及、軸的剛性大及對中性好的場合。他的主要缺點是對兩軸的對中性要求很高。若兩軸間存在位移與傾斜，救在機件內引起附加載荷，使工作狀況惡化。
根據(jù)所設計的系統(tǒng)為模擬實驗實訓系統(tǒng)，需要的轉距不是很大，精度不高，又因為軸徑較小，所以選擇了套同式聯(lián)軸器
3.2.6 傳動裝置的選擇
傳動裝置選用閉式標準直齒圓柱齒輪傳動。齒輪傳動的適用范圍很廣，傳遞功率可高達數(shù)萬千瓦，圓周速度可達150m/s(最高可達300m/s)。和其他機械傳動比較，齒輪傳動的主要優(yōu)點是工作可靠，使用壽命長；瞬時傳動比為常數(shù)；傳動效率高；結構緊湊；功率和速度適用范圍很廣等。
齒輪的設計
1）材料的選取
因傳動載荷小，生產(chǎn)批量少，故大齒輪選用45鋼,硬度為229-286HB，平均取240HB；小齒輪選用45，調制處理，硬度為240-280HB，平均取250HB。
2）尺寸計算
初選兩齒輪的模數(shù)m=1，大齒輪的齒數(shù)為,小齒輪的齒數(shù)為,
根據(jù)公式，計算得齒輪的傳動比=1.25＜5，符合齒輪單級減速的條件。
中心距
小齒輪: 齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓直徑
大齒輪: 齒頂高
齒根高=1.25
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓直徑
據(jù)機械設計相關知識校核計算得知，齒輪的設計符合要求。
3.3 Y軸進給系統(tǒng)設計實例
1、步進電機的選擇和脈沖當量的確定
根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求，步進電動機脈沖當量：δ=0.02/Step，步角距θ=1.8/ Step。由于無減速裝置，所以由δ=θ/360×P可知，滾珠絲杠螺距，即基本導程P=5mm。
2、步進電動機轉軸上啟動力矩的計算
T=36δ[F+μ(G+F)]/2πθη（Ｎｃｍ）
其中：F——水平方向的切削抗力 F=260N；
μ——摩擦系數(shù) μ=0.03；
F——垂直方向的切削抗力 F=650N；
G——移動部件的總重量 G=50N；
η——總機械效率 η=0.85；
代入得： =47Ncm；
由手冊可知：T/T=0.866，
則步進電機最大靜轉矩T= T/0.866=60N.cm
（3）確定步進電機最高工作頻率
f=1000v/δ，v=0.025(m/s)
f=1000×0.025/0.02=1250(HZ)
根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進電機。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；轉動慣量，280gcm
引線數(shù)，4。
3. 滾珠絲杠傳動的設計計算
（1）最大動負載Q的計算
Q= ffP
其中f——載荷系數(shù)取為1.0，f——硬度系數(shù)取為1.2，P——最大的工作負載，L——使用壽命。
工作負載P是指數(shù)控機床工作時，實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數(shù)據(jù)可用進給牽引力的實驗公式計算：
對于類似圓柱導軌的機床： P=kP+f(P+2P+G)
P——X方向的切削力，取260N；P——Y方向的切削力，由于Y方向不進行切削，所以為0N；P——z方向的切削力，取為650N。G——移動部件的重量,取50N,f——導軌上的摩擦系數(shù),k——考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù)
選用滾動導軌，在正常潤滑情況下，對于類似燕尾型尋軌:k=1.4 ,f=0.03。
代入公式得: P=1.4*260+0.03*(650+0+50)=285N。
而L=60nT/10
式中n——滾珠絲杠的轉速（r/min）
T——使用壽命（小時）
對于數(shù)控機床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，
因為L=60×1250×15000/10=1125
Q=×1.0×1.2×285=3358.9N
查表初步選用的型號為N系列1604-3，3列Q=4612N較為合適，這是一種內循環(huán)墊片調隙單螺母的滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下：
名義直徑：D=20mm，基本導程t=4mm，鋼球直徑：D=3.725 mm ，絲杠內徑d=17.1 mm ，絲杠外徑d =19.3mm ，循環(huán)列數(shù)3，額定動負載C=6612 N ，螺母外徑D=72 mm，螺母內徑 D=28 mm，螺母長度 L=40 mm。
（2）效率計算
從《機械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動效率η=tgβ/tg(β+φ)
式中：β-螺紋的螺旋升角；φ-摩擦角；
β=arctg=arctg=4.55
滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角
φ約等于10(tgφ= f=0.003~0.004)。
η==0.965
（3）剛度的驗算
從《材料力學》中得知，滾珠絲杠受工作負載（軸向力）P的作用而引起一個螺距t的變化量△t,可按下式計算： △t=
其中：P-工作負載；t-滾珠絲杠螺距 ；
E-彈性模數(shù)，對鋼而言（E=20.1×10）；
F-滾珠絲杠的橫截面積（按內徑而定）；
△t==0.31×10cm
由于扭矩引起的螺距誤差遠遠小于軸向力引起的螺距誤差，所以可以忽略不計。
如果Y方向的滾珠絲杠的長度為100m,則整個工作長度上的螺距變形總誤差：
△=100/0.4×0.31×10=7.1×10cm/m
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)定性驗算
機床的進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。機床上的進給絲杠一般均為長柱。長柱壓桿失穩(wěn)時的臨界負載P，可用《材料力學》中的歐拉公式計算：
P=（N）
E-絲杠材料的彈性模數(shù)，對鋼而言E=2.1×10 N/cm；
J-截面慣性矩，對實心圓桿而言，J===1445cm；
l-絲杠的工作長度,l=290cm；
u-絲杠的軸端系數(shù)，由支撐條件決定，本設計是兩端向心軸承，u=1。
P==3.5×10N
臨界負載P與工作負載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)n。如果穩(wěn)定性安全系數(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)。
n===3.7×10>>[ n]=4
所以該滾珠絲杠不會失穩(wěn)。
(5) 由于鉆、銑工作時，滾珠絲杠的轉速比較低，滾珠絲杠傳動時的振動就會非常小，所以臨界轉速就不用校核了。
5 滾動軸承的選用計算
絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺的重量外，一般無外載荷，對絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要小。所以選用60角接觸球軸承，該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承，
現(xiàn)選用7000C型號，基本尺寸為:d=10mm,外徑D=26mm,寬度B=8mm,基本額定動負荷C=4.29KN,基本額定靜載荷C=2.25KN，極限轉速（油潤滑）為28000。
由于橫向與縱向的切削力相差不大，所以橫向的滾動軸承也能滿足要求。就不進行滾動軸承壽命的校核了。
6、滾動導軌的選用
本設計選用的滑動導軌中的圓柱的導軌，
該滾動導軌內部套有銅套，提高了耐磨性，并且其導向精度能滿足一般數(shù)控鉆銑床的要求，同時，運動平穩(wěn)，耐磨性和剛度都能符合要求。
根據(jù)相關經(jīng)驗公式及選用原則，分別對其他兩個方向的各個部件進行選擇，為了提高互換性，并且在裝配時統(tǒng)一，首先分別進行計算，然后選取性能更高的零部件，這樣不但保證個各個性能要求。
其余計算過程在此將不再一一贅述。
第四章 第四章 虛擬樣機的制作
根據(jù)設計計算結果，首先進行了Solidworks的三維模擬，以下是其中部分零件及裝配圖的基本外觀形狀，其余各零件圖及部件圖見附光盤。
4.1 微型數(shù)控銑床部分零件圖
4.1.1 減速箱齒輪
圖4
4.1.2 工作臺
圖5
4.1.3 滾珠絲杠
圖6
4.1.4 套筒式聯(lián)軸器
圖7
4.1.5 橫梁
圖8
4.1.6 滾動軸承
圖9
4.1.7 軸
圖10
4.2 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)總裝配圖
圖11
第五章 第五章 控制系統(tǒng)
任何一個微機數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成的，硬件是軟件運行的基礎，而只有配置了軟件的硬件才是可以工作的控制系統(tǒng)。其核心是計算機數(shù)字控制裝置。它通過系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件、合理地組織、管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補和輸出信息，控制執(zhí)行部件，使數(shù)控機床按照操作者的要求進行自動加工。
隨著電子技術的進步，微型計算機的發(fā)展突飛猛進。其發(fā)展之一就是將微處理器及其外圍芯片，如程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、并行、串行I/O口、定時器/計數(shù)器、中斷控制器及其他控制部件集成在一個芯片之中，制成單片機（Single Chip Microcomputer）。單片機正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，今后單片機的發(fā)展趨勢將是進一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價格和外圍電路內裝化等幾個方面發(fā)展。
5.1 步進電機驅動器的選擇
步進電機的運行特性與配套使用的驅動電源有密切聯(lián)系。驅動電源由喚醒脈沖分配器、功率放大器組成如圖12所示：
圖12
驅動電源是將變頻信號源（微機或數(shù)控裝置等）送來的脈沖信號及方向信號按照要求的配電方式自動地循環(huán)供給電動機的各個繞組，以驅動電動機的轉子正反向旋轉。從計算機輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增加到幾至幾十毫安，從而驅動步進電機運轉。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確地控制步進電機的轉角和速度。
環(huán)形分配器輸出的電流很小（毫安級），不能直接驅動步進電機，需要功率器將脈沖電流放大到幾安培甚至幾十安培，才能驅動電動機。放大電路對步進電機的性能起著非常重要的作用。功率放大的類型很多，從放大元器件來分，可以用功率晶體管、可關斷晶閘管、混合元件來組成放大電路；從工作原理來分，有單電壓、高低電壓切換、恒流斬波、調頻調壓、細分驅動電路等。從工作原理上講，目前用的最多的是恒流斬波電路。
斬波恒流功率放大電路如圖所示。該電路的工作特點是：Vin端輸入方波步進信號，當Vin為“0”電平時，由與門A2輸出Vb為“0”電平，功率管（大林頓管）VT截止，繞組W上沒有電流通過，采樣電阻R3上沒有反饋電壓，A1放大器輸出高電平；當Vin為高電平時，由與門A2輸出的Vb也是高電平，功率管VT導通，繞組W上有電流，采樣電阻R3上出現(xiàn)反饋電壓Vf，由分壓電阻R1、R2得到設定電壓與反饋電壓相減，來決定A1輸出點評的高低，來決定Vin信號能否通過與門A2。若Vref>Vf時，Vin信號通過與門，形成Vb正脈沖，打開功管VT；反之，Vref
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