數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計

摘要本設(shè)計是把普通數(shù)控車床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床就是指價格低廉、操作使用方便、比較適合我國國情的，動化的機(jī)床。采用數(shù)控機(jī)床，可以降低工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少工裝，縮短新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。在設(shè)計的時候具體進(jìn)行了詳細(xì)的各部件的選型和計算。比如：導(dǎo)軌的設(shè)計選型、滾珠絲杠螺母副的選型與計算。還進(jìn)行了進(jìn)給傳動系統(tǒng)的剛度計算、進(jìn)給傳動系統(tǒng)的誤差分析、驅(qū)動電機(jī)的選型計算、驅(qū)動電機(jī)與滾珠絲杠的聯(lián)接、驅(qū)動電機(jī)與進(jìn)給傳動系統(tǒng)的動態(tài)特性分析等。關(guān)鍵詞:車床、數(shù)控、傳動系統(tǒng)AbstractThisprojectistoalterthecommonlatheintotheeconomicallathe.Theeconomicallatheisaadvancedandroboticizedlathethathaslowprice,convenientoperation,andadapttothesituationofourcountryandhasinstalledcncsystem.Duringtheprojectweparticularlydealtwiththechoiceandcalculationofeveryassembly.Suchas:Thechoiceandcalculationofguideway,ballscrewnutpairanddriveelectromotor.Caculatetheinflexibilityoffeedtransmissionsystem.Analysetheerroroffeedtransmissionsystem.Junctionbetweendriveelectromotorandballscrew.Dynamicanalysisofdriveelectromotorandfeedtransmissionsystem.Keywords:LatheCNC；TransmissionSystem目錄摘要 1Abstract 1目錄 1第1章緒論 11.1數(shù)控車床簡介 11.2數(shù)控車床發(fā)展現(xiàn)狀 11.3數(shù)控車床在生產(chǎn)中的應(yīng)用 2第2章數(shù)控車床設(shè)計概述 32.1電動機(jī)的選擇 42.2電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇 4第3章進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述 5第4章橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算 74.1設(shè)計參數(shù) 7 7 7 7 8 8 84.2校核 9 9 10 10 12 13第5章進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計 145.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計 145.2齒輪傳動副的設(shè)計 155.3齒輪箱的設(shè)計 165.4床身及導(dǎo)軌 165.5中間軸的設(shè)計 175.6軸承端蓋的設(shè)計 186.1車床的主要結(jié)構(gòu)及運(yùn)動形式 196.2電氣線路分析 196.2.1主電路分析 196.2.2控制電路分析 206.2.3照明和信號電路的分析 207.1單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容 227.1.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖 227.1.2選擇中央處理單元CPU的類型 227.1.3存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 227.1.4輸入/輸出接口電路設(shè)計 237.2專用接口設(shè)計 237.2.1顯示功能設(shè)計 237.2.2鍵盤輸入功能設(shè)計 237.2.3步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動電路 237.2.4其他輔助電路 26致謝 28參考文獻(xiàn) 29第1章緒論1.1數(shù)控車床簡介目前，我國現(xiàn)有數(shù)以萬計的陳舊、落后的普通機(jī)床，如果直接處理了，將直接影響到生產(chǎn)，也會給企業(yè)帶來經(jīng)濟(jì)損失；同時，企業(yè)現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床長期處于運(yùn)轉(zhuǎn)甚至超負(fù)荷使用，缺少認(rèn)真的維修和保養(yǎng)，造成機(jī)床嚴(yán)重磨損，喪失了精度；有些原有的數(shù)控機(jī)床性能已不能滿足使用要求，急需更新改造。隨著現(xiàn)代化機(jī)械加工技術(shù)向高效率、高精度方向發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床也朝著精密化、復(fù)雜化方向發(fā)展。在機(jī)械加工中,機(jī)床狀態(tài)的好壞直接影響著被加工零件的加工質(zhì)量及機(jī)械加工效率。從保證零件機(jī)械加工質(zhì)量、提高加工效率講,目前許多機(jī)械加工車間里普通機(jī)床無法做到這點(diǎn)，以滿足車間生產(chǎn)的需要。數(shù)控機(jī)床，特別是多軸數(shù)控、多軸聯(lián)動的數(shù)控機(jī)床是高效、高質(zhì)量產(chǎn)品制造的關(guān)鍵設(shè)備，也是結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、自動化程度高、精度和可靠性要求高的機(jī)電一體化高技術(shù)產(chǎn)品。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和機(jī)械制造技術(shù)的進(jìn)步，必將推動數(shù)控機(jī)床的開發(fā)應(yīng)用，逐步形成高檔，普及型和經(jīng)濟(jì)型構(gòu)成比合理的數(shù)控機(jī)床系列，以滿足各種不同用戶的需要。數(shù)控機(jī)床是集機(jī)、電、儀和信息等多項(xiàng)技術(shù)于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品,是同時具備高效率、高質(zhì)量、高柔性等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī),隨著CNC技術(shù)的不斷完善和微處理機(jī)直接用于機(jī)床后,數(shù)控車床的性能價格比得到極大的完善,不僅可以提高加工質(zhì)量和效率，還能實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜的零件的加工，達(dá)到了普通車床無法取得的效果，這就使得數(shù)控車床成為不僅是一種技術(shù)上先進(jìn),而且是一種經(jīng)濟(jì)上合理的機(jī)床，不僅現(xiàn)在富有旺盛的生命，而且是未來機(jī)械工廠自動化的基礎(chǔ)。1.2數(shù)控車床發(fā)展現(xiàn)狀從20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來了革命性的變化。數(shù)控加工具有如下特點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，減輕操作者勞動強(qiáng)度、改善勞動條件，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件、需要頻繁改型的零件、價格昂貴不允許報廢的關(guān)鍵零件、要求精密復(fù)制的零件、需要縮短生產(chǎn)周期的急需零件以及要求100%檢驗(yàn)的零件。數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及其應(yīng)用范圍使其成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要裝備。

進(jìn)入21世紀(jì)，我國經(jīng)濟(jì)與國際全面接軌，進(jìn)入了一個蓬勃發(fā)展的新時期。機(jī)床制造業(yè)既面臨著機(jī)械制造業(yè)需求水平提升而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī)，也遭遇到加入世界貿(mào)易組織后激烈的國際市場競爭的壓力，加速推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關(guān)鍵。隨著制造業(yè)對數(shù)控機(jī)床的大量需求以及計算機(jī)技術(shù)和現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)的飛速進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大，并且不斷發(fā)展以更適應(yīng)生產(chǎn)加工的需要。本文簡要分析了數(shù)控機(jī)床高速化、高精度化、復(fù)合化、智能化、開放化、網(wǎng)絡(luò)化、多軸化、綠色化等發(fā)展趨勢，并提出了我國數(shù)控機(jī)床發(fā)展中存在的一些問題。我國數(shù)控機(jī)床近年來在生產(chǎn)和應(yīng)用方面都有較快發(fā)展，但與工業(yè)發(fā)達(dá)的國家相比，差距很大。按照國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展急需和機(jī)械工業(yè)振興戰(zhàn)略，機(jī)械工業(yè)部提出以數(shù)控機(jī)床為代表的重要基礎(chǔ)機(jī)械作為機(jī)械工業(yè)振興規(guī)劃的發(fā)展重點(diǎn)之一。1.3數(shù)控車床在生產(chǎn)中的應(yīng)用數(shù)控車床是集機(jī)、電、儀和信息等多項(xiàng)技術(shù)于一體的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品,是同時具備高效率、高質(zhì)量、高柔性等優(yōu)點(diǎn)的工作母機(jī),其顯著的優(yōu)點(diǎn)是：對零件變化的適應(yīng)性強(qiáng)，更換零件只需改變相應(yīng)的程序，對刀具進(jìn)行簡單的調(diào)整即可做出合格的零件，為節(jié)約成本贏得先機(jī)隨著CNC技術(shù)的不斷完善和微處理機(jī)直接用于機(jī)床后,數(shù)控機(jī)床的性能價格比得到極大的完善,不僅可以提高加工質(zhì)量和效率，還能實(shí)現(xiàn)對各種復(fù)雜零件的加工，達(dá)到了普通磨刀機(jī)無法取得的效果，這就使得數(shù)控車床成為不僅是一種技術(shù)上先進(jìn),而且是一廠自動化的基礎(chǔ)。數(shù)控車床一般具有兩軸聯(lián)動功能，Z軸是與主軸平行方向的運(yùn)動軸，X軸是在水平面內(nèi)與主軸垂直方向的運(yùn)動軸。遠(yuǎn)離工件方向?yàn)檩S的正向。另外在最新的車銑加工中心，還增加了一個C軸，可用于工件的分度功能，在刀架中安放銑刀，對工件進(jìn)行銑加工。刀具超過12把稱為加工中心。數(shù)控車床主要用來加工軸類零件的內(nèi)外圓柱面，圓錐面、螺紋表面、成形回轉(zhuǎn)體面等。對于盤類零件可以進(jìn)行鉆孔、擴(kuò)孔、絞孔、鏜孔等。機(jī)床還可以完成車端面、切槽、倒角等加工。一種經(jīng)濟(jì)上合理的機(jī)床，不僅現(xiàn)在富有旺盛的生命，而且在未來機(jī)械工機(jī)械加工中，常遇到復(fù)雜零件的加工或修整問題，多數(shù)廠家使用普通車床進(jìn)行加工，其效率低，操作麻煩，普通普通車床加工又保證不了精度，因此，有必要開發(fā)一種操作便捷的價格低廉的數(shù)控車床。第2章數(shù)控車床設(shè)計概述用數(shù)控機(jī)床加工零件時，首先應(yīng)將加工零件的幾何信息和工藝信息變成加工程序，由輸入部分送入數(shù)控裝置，經(jīng)過數(shù)控裝置的處理、運(yùn)算，按各坐標(biāo)軸的分量送到各軸的驅(qū)動電路，經(jīng)過轉(zhuǎn)換、放大進(jìn)行伺服電動機(jī)的驅(qū)動，帶動各軸運(yùn)動，并進(jìn)行回饋控制，使刀具和工件及其它輔助裝置嚴(yán)格地按照加工程序規(guī)定的順序、軌跡和參數(shù)有條件不紊亂地作，從而加工出零件的全部輪廓。數(shù)控機(jī)床具有很好的柔性，當(dāng)加工對象變換時，只需重新編制加工程序即可，原來的程序可存儲備用，不必像組合機(jī)床那樣需要針對新加工零件重新設(shè)計機(jī)床，致使生產(chǎn)準(zhǔn)備時間過長。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，對于保證和提高被加工零件的精度，主要依靠兩方面來實(shí)現(xiàn)：一是系統(tǒng)的控制精度；二是機(jī)床本身的機(jī)械傳動精度。數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)，由于必須對進(jìn)給位移的位置和速度同時實(shí)現(xiàn)自動控制。所以，數(shù)控車床與普通臥式車床相比應(yīng)具有有更好的精度．以確保機(jī)械傳動系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性。數(shù)控改造對機(jī)械傳動系統(tǒng)的要求為：（1)盡量采用低摩擦的傳動副。如滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠螺母副，以減小摩擦力。（2)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)動位移盡可能加速達(dá)到跟蹤指今。（3)盡量縮短傳動鏈以及用預(yù)緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度。（4)盡量消除傳動間隙，以減小反向行程誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)和消除傳動齒輪間隙的機(jī)構(gòu)等。（5)盡景滿足低振動和高可靠性方面的要求。為此應(yīng)選擇間隙小、傳動精度高高、運(yùn)動平穩(wěn)、效率高以及傳遞扭矩大的傳動組件。從應(yīng)用的方面考慮，結(jié)合目前國內(nèi)大多數(shù)的情況，可采用更換滾珠絲杠來代替原機(jī)床上的T型絲杠。也可對原車床上T型絲杠加以修復(fù)，但此時必須相應(yīng)修配與與此相配合的螺母，盡量減小其間隙，提高配合精度?！阏f來．如原車床的工作性能良好．精度尚未降低，則應(yīng)盡量保留機(jī)床的傳動系統(tǒng)。使改造后的數(shù)控車床同時具有微機(jī)控制和原機(jī)床操作的雙重功能。如原車床使用時間較長．運(yùn)動部件磨損嚴(yán)重．除了對導(dǎo)軌精度進(jìn)行修復(fù)外．還應(yīng)將傳動部件拆除或更換，以確保改造后車床的傳動精度。數(shù)控機(jī)床一般由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床組成機(jī)床本體的各機(jī)械部件組成2.1電動機(jī)的選擇(1)根據(jù)機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對電動機(jī)的啟動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動機(jī)類型。(2)根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動頻繁程度等要求，考慮電動機(jī)的溫升限制、超載能力額啟動轉(zhuǎn)矩，選擇電動機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動機(jī)功率應(yīng)留有余量，負(fù)荷率一般取0.8～0.9。(3)根據(jù)使用場所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的保護(hù)措施，選擇電動機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。(4)根據(jù)企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對功率因素的要求，確定電動機(jī)的電壓等級和類型。(5)根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對電力傳動調(diào)速系統(tǒng)的過渡過程的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速。此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價格、維護(hù)等等因素。2.2電動機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能(旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動態(tài)剛度，振動抑制等)，因此，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩碚f，選擇主軸驅(qū)動系統(tǒng)將在價格與性能之間找出一種理想的折衷。表1.1簡要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動系統(tǒng)的性能。下面將對各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對比、分析。表1.1理想主軸驅(qū)動系統(tǒng)性能項(xiàng)目內(nèi)容高性能低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩寬恒功率范圍,并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩高旋轉(zhuǎn)精度高動態(tài)響應(yīng)高加減速,起制動能力具有強(qiáng)魯棒性,能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化高效率,低噪聲低價格低購買價格,低維護(hù)價格,低服務(wù)價格通用要求耐用性,可維護(hù)性,安全可靠性感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零點(diǎn)幾個kW到上百kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。第3章進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖3.1所示圖3.1數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\(yùn)行；速度范圍寬；具有足夠的傳動剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。伺服系統(tǒng)對伺服電機(jī)的要求：（1）從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動要小，尤其在低速如0.1r/min或更低速時，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。（2）電機(jī)應(yīng)具有大的較長時間的超載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)超載4-6倍而不損壞。（3）為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時間常數(shù)和啟動電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動到額定轉(zhuǎn)速。（4）電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動、制動和反轉(zhuǎn)。隨著微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)回饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和質(zhì)量大大提高。數(shù)控車床的進(jìn)給傳動系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個特殊部分。

數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動控制單元、驅(qū)動組件、機(jī)械傳動部件、執(zhí)行件和檢測回饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動控制單元和驅(qū)動組件組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)。機(jī)械傳動部件和執(zhí)行組件組成機(jī)械傳動系統(tǒng)。檢測組件與回饋電路組成檢測系統(tǒng)。

進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和死循環(huán)系統(tǒng)。死循環(huán)控制方式通常是具有位置回饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，死循環(huán)系統(tǒng)又分為半死循環(huán)系統(tǒng)和全死循環(huán)系統(tǒng)。半死循環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內(nèi)，后者則完全置機(jī)械傳動部件于位置環(huán)之外。全死循環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺上，機(jī)械傳動部件整個被包括在位置環(huán)之內(nèi)。

開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比死循環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價低廉。由于影響定位精度的機(jī)械傳動裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。

全死循環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機(jī)械傳動部件在控制環(huán)內(nèi)，所以系統(tǒng)的動態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而且還與機(jī)械傳動部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關(guān)系，故必須對機(jī)電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全死循環(huán)系統(tǒng)對機(jī)床的要求比較高，且造價也較昂貴。死循環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。

數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。交流伺服電機(jī)由于具有可靠性高、基本上不需要維護(hù)和造價低等特點(diǎn)而被廣泛采用。直流伺服電動機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高，故障多，維護(hù)困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時機(jī)械換向器的換向能力，限制了電動機(jī)的容量和速度。電動機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動機(jī)效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。第4章橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算4.1設(shè)計參數(shù)4.1.1設(shè)計參數(shù)：縱向：工作臺重量：W=800N行程：S=650mm脈沖當(dāng)量：=0.006mm/P最大進(jìn)給速度：=2m/min橫向：工作臺重量：W=300N行程：S=200mm脈沖當(dāng)量：=0.004mm/P最大進(jìn)給速度：=1m/min4.1.2切削力及其切削分力計算已知機(jī)床主電動機(jī)的額定功率為7.5kw，最大工件直徑D=400mm，主軸計算轉(zhuǎn)速n=85r/m。在此轉(zhuǎn)速下，主軸具有最大扭矩和功率，道具的切削速度為取機(jī)床的機(jī)械效率，則有走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力為4.1.3軌摩擦力的計算導(dǎo)軌受到垂向切削分力，縱向切削分力，移動部件的全部質(zhì)量（包括機(jī)床夾具和工件的質(zhì)量）m=30.61kg(所受重力W=300N)，查表得鑲條緊固力，取導(dǎo)軌動摩擦系數(shù)，則計算在不切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力和4.1.4算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力計算最大軸向負(fù)載力計算最小軸向負(fù)載力4.1.5定進(jìn)給傳動鏈的傳動比i和傳動級數(shù)取步進(jìn)電動機(jī)的步距角，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程，進(jìn)給傳動鏈的脈沖當(dāng)量，則有按最小慣量條件，查得應(yīng)該采用2級傳動，傳動比可以分別取、。根據(jù)結(jié)構(gòu)需要，確定各傳動齒輪的齒數(shù)分別為、、、，模數(shù)m=2，齒寬b=20mm。4.1.6珠絲杠的動載荷計算與直徑估算（1）按預(yù)期工作時間估算滾珠絲杠預(yù)期的額定動載荷已知數(shù)控機(jī)床的預(yù)期工作時間，滾珠絲杠的當(dāng)量載荷，查表得載荷系數(shù)；初步選擇滾珠絲杠的精度等級為3級精度，取精度系數(shù)；查表得可靠性系數(shù)。取滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速，已知，滾珠絲杠的基本導(dǎo)程，則（2）根據(jù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲杠的最大軸向變形。已知本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度為40,重復(fù)定位精度為16，則有取上述計算結(jié)果的較小值，即。（3）估算允許的滾珠絲杠的最小螺紋底徑滾珠絲杠螺母的安裝方式擬采用一端固定、一端游動支承方式，滾珠絲杠螺母副的兩個固定支承之間的距離為L=行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承≈（1.2～1.4）行程+（25～30）取L=(1.4×200+30×6)mm=460mm（4）初步確定滾珠絲杠螺母副的型號根據(jù)以上計算所得的、、和結(jié)構(gòu)的需要，初步選擇南京工藝裝備公司生產(chǎn)的FF型內(nèi)循環(huán)螺母，型號為FF3206-5，其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動載荷和螺紋底徑如下：4.2校核4.2.1珠絲杠螺母副承載能力校核已知滾珠絲杠螺母副的螺紋底徑，已知滾珠絲杠螺母副的最大受壓長度，絲杠水平安裝時，取，查表得，則有本車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的最大軸向壓縮載荷為，遠(yuǎn)小于其臨界壓縮載荷的值，故滿足要求。滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度，其彈性模量，密度，重力加速度滾珠絲杠的最小慣性矩為滾珠絲杠的最小截面積為取，查表得，則有本橫向進(jìn)給傳動鏈的滾珠絲杠螺母副的最高轉(zhuǎn)速為166.67r/m，遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。滾珠絲杠螺母副額定壽命的校核,滾珠絲杠的額定動載荷，已知其軸向載荷，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，則有本車床數(shù)控化改造后，滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿足要求。4.2.2計算器械傳動的剛度已知滾珠絲杠的彈性模量，滾珠絲杠的底徑。當(dāng)滾珠絲杠的螺母中心至固定端支承中心的距離時，滾珠絲杠螺母副具有最小拉壓剛度當(dāng)時，滾珠絲杠螺母副具有最大拉壓剛度已知滾動體直徑mm，滾動體個數(shù)Z=15.軸承接觸角。軸承最大軸向工作載荷。則滾珠絲杠螺母副支承軸承的剛度為：查表得滾珠與滾道的接觸剛度，滾珠絲杠的額定動載。已知滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷則進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故。進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度最小值為故已知扭矩作用點(diǎn)之間的距離，滾珠絲杠的剪切模量，滾珠絲杠的底徑，則有4.2.3驅(qū)動電機(jī)的選型與計算（1）計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量已知滾珠絲杠的密度，則有（2）計算折算到絲杠軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量已知橫向進(jìn)給系統(tǒng)執(zhí)行部件的總質(zhì)量為m=30.61kg;絲杠軸每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動的距離L=0.6cm則（3）計算各齒輪的轉(zhuǎn)動慣量（4）計算加在電動機(jī)軸上總負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量（5）計算折算到電動機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩已知在切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力，絲杠每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件軸向移動的距離L=6mm=0.006m，進(jìn)給傳動系統(tǒng)的傳動比i=6.25總效率η=0.85，則有（6）計算折算到電動機(jī)上的摩擦負(fù)載力矩已知在不切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力矩，則有（7）計算由滾珠絲杠預(yù)緊力產(chǎn)生的并折算到電動機(jī)軸上的附加負(fù)載力矩已知滾珠絲杠螺母副的效率，滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力為折算到電動機(jī)軸上的負(fù)載力矩T的計算。空載時（快進(jìn)力矩），為切削時（工進(jìn)力矩），為根據(jù)以上計算結(jié)果和查表初選130BF001型反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，其轉(zhuǎn)動慣量；而進(jìn)給傳動系統(tǒng)的負(fù)載慣量；對于開環(huán)系統(tǒng)，一般取加速時間。當(dāng)機(jī)床以最快進(jìn)給速度運(yùn)動時電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為：（8）計算橫向進(jìn)給系統(tǒng)所需的折算到電動機(jī)軸上的各種力矩計算空載啟動力矩計算快進(jìn)力矩計算工進(jìn)力矩（9）選擇驅(qū)動電動機(jī)的型號根據(jù)以上計算和查表選擇國產(chǎn)150BF002型電動機(jī)，其主要參數(shù)如下：相數(shù)，5；步距角，；最大靜轉(zhuǎn)矩，；轉(zhuǎn)動慣量，；最高空載啟動頻率，2800Hz；運(yùn)行頻率，8000Hz；分配方式，五相十拍。確定最大靜轉(zhuǎn)矩：機(jī)械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：機(jī)械傳動系統(tǒng)空載啟動力矩與所需的步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為：取和中的較大者為所需的步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩。本電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩為，大于，可以在規(guī)定的時間內(nèi)正常啟動，故滿足要求。驗(yàn)算慣量匹配，為了使機(jī)械傳動的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應(yīng)滿足下式：因?yàn)椋蕽M足慣量匹配要求。4.2.4械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量分別為、，滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量為，已知m=30.61kg，則：折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動慣量為已知滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度，則由以上計算可知，絲杠—工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設(shè)計機(jī)械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。4.2.5機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析（1）計算器械傳動系統(tǒng)的反向死區(qū)已知進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值，導(dǎo)軌的靜摩擦力為，則即，故滿足要求。（2）計算器械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差即，故滿足要求。（3）計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差已知負(fù)載力矩，扭矩作用點(diǎn)之間的距離，絲杠底徑，則有由該扭轉(zhuǎn)變形引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度，有4.2.6確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號確定滾珠絲杠螺母副的精度等級，本進(jìn)給傳動系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，應(yīng)滿足如下要求：取滾珠絲杠螺母副的精度等級為3級，查表得，當(dāng)螺紋長度約為350mm時，，；；故滿足設(shè)計要求?？v向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計方法與橫向進(jìn)給系統(tǒng)類似，不在此贅述了。第5章進(jìn)給系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計5.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計滾珠絲杠螺母副是直線運(yùn)動與回轉(zhuǎn)運(yùn)動能相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置，在絲杠和螺母上都有半圓弧形的螺旋槽，當(dāng)他們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路管道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動，因而迫使螺母軸向移動。滾珠絲杠螺母副具有以下特點(diǎn)：（1）傳動效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動效率為0.92-0.96，比普通絲杠高3-4倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于普通絲杠的1/4-/3.（2）若給于適當(dāng)預(yù)緊，可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙，反向時還可以消除空載死區(qū)，從而使絲杠的定位精度高，剛度好。（3）運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。（4）具有可逆性，既可以從螺旋運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，也可以從直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。也就是說，絲杠和螺母可以作為主動件。（5）磨損小，使用壽命長。（6）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等組件的加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，故制造成本高。（7）不能自鎖。特別是垂直安裝的絲杠，由于其自重和慣性力的不同，下降時當(dāng)傳動切斷后，不能立即停止運(yùn)動，故還需要增加制動裝置。本次設(shè)計采用的是內(nèi)循環(huán)的絲杠螺母副，精度為3級，兩端采用了小圓螺母為軸向定位絲杠螺母副采用的預(yù)緊方式為單螺母消除間隙方法。它是在滾珠螺母體內(nèi)的兩列循環(huán)滾珠鏈之間，使內(nèi)螺紋滾道在軸向產(chǎn)生一個的導(dǎo)程突變量，從而使兩列滾珠在軸向錯位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊。這種調(diào)隙方法結(jié)構(gòu)簡單，但載荷量須預(yù)先設(shè)定而且不能改變。滾珠絲杠的主要載荷是軸向載荷，徑向載荷主要是臥式絲杠的自重。因此對絲杠的軸向精度和軸向剛度應(yīng)有較高要求，其兩端支承的配置情況有：一端軸向固定一端自由的支承配置方式，通常用于短絲杠和垂直進(jìn)給絲杠；一端固定一端浮動的方式，常用于較長的臥式安裝絲杠；以及兩端固定的安裝方式，常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高剛度、高精度的絲杠，這種配置方式可對絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。因此在此課題中采用兩端固定的方式，以實(shí)現(xiàn)高剛度、高精度以及對絲杠進(jìn)行拉伸。絲杠中常用的滾動軸承有以下兩種：滾針—推力圓柱滾子組合軸承和接觸角為60°角接觸軸承，在這兩種軸承中，60°角接觸軸承的摩擦力矩小于后者，而且可以根據(jù)需要進(jìn)行組合，但剛度較后者低，目前在一般中小型數(shù)控機(jī)床中被廣泛應(yīng)用。滾針—圓柱滾子軸承多用于重載和要求高剛度的地方。60°角接觸軸承的組合配置形式有面對面的組合、背靠背組合、同向組合、一對同向與左邊一個面對面組合。由于螺母與絲杠的同軸度在制造安裝的過程中難免有誤差，又由于面對面組合方式，兩接觸線與軸線交點(diǎn)間的距離比背對背時小，實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整較易。因此在進(jìn)給傳動中面對面組合用得較多。在此課題中采用了以面對面配對組合的60°角接觸軸承，組合方式為DDB。以容易實(shí)現(xiàn)自動調(diào)整。滾珠絲杠工作時要發(fā)熱，其溫度高于床身。為了補(bǔ)償因絲杠熱膨脹而引起的定位精度誤差，可采用絲杠預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)，使預(yù)拉伸量略大于熱膨脹量。5.2齒輪傳動副的設(shè)計齒輪傳動裝置主要由齒輪傳動副組成，其任務(wù)是傳遞伺服電動機(jī)輸出的扭矩和轉(zhuǎn)速，并使伺服電動機(jī)與負(fù)載（工作臺）之間的扭矩、轉(zhuǎn)速、以及負(fù)載慣量相匹配，使伺服電機(jī)的高速低扭矩輸出變?yōu)樨?fù)載所需要的低速扭矩。在開環(huán)系統(tǒng)中還可以計算所需的脈沖當(dāng)量。對傳動裝置的總要求是傳動精度要求高、穩(wěn)定性好和靈敏度高（或響應(yīng)速度快），在設(shè)計齒輪傳動裝置時，也應(yīng)從有利于提高這三個指標(biāo)的角度來提出設(shè)計要求。對于開環(huán)控制系統(tǒng)而言，傳動誤差直接影響數(shù)控裝備的工作精度，因而應(yīng)盡可能縮短傳動鏈、消除傳動間隙，以提高傳動精度和剛度。對于死循環(huán)控制系統(tǒng)，齒輪傳動裝置完全在伺服回路中，給系統(tǒng)增加了慣性環(huán)節(jié)其性能參數(shù)將直接影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。無論是開環(huán)控制系統(tǒng)還是死循環(huán)控制系統(tǒng)，齒輪傳動裝置都將影響整個系統(tǒng)的靈敏度（響應(yīng)速度），從這個角度考慮應(yīng)注意減少摩擦和轉(zhuǎn)動慣量，以提高傳動裝置的加速度。在設(shè)計齒輪傳動裝置時，除考慮以上要求外，還應(yīng)考慮其傳動比分配及傳動級數(shù)對傳動件的轉(zhuǎn)動慣量和執(zhí)行件的失動影響。增加傳動級數(shù)，可以減少傳動慣量，但級數(shù)增加，使傳動裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，降低了傳動效率，增大了噪聲，同時也增大了傳動間隙和摩擦損失，對伺服系統(tǒng)不利。因此不能單純根據(jù)轉(zhuǎn)動慣量來選取傳動級數(shù)，而應(yīng)綜合考慮來選取最佳的傳動，而應(yīng)綜合考慮來選取最佳的傳動級數(shù)和各級傳動比。在數(shù)控設(shè)備的進(jìn)給驅(qū)動系統(tǒng)中，考慮到慣量、扭矩、或脈沖當(dāng)量的要求，有時要在電動機(jī)到絲杠之間加入齒輪傳動副，而齒輪等傳動副存在的間隙，會使進(jìn)給運(yùn)動反向滯后于指令信號，造成反向死區(qū)而影響其傳動精度和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，為了提高進(jìn)給系統(tǒng)的傳動精度，必須消除齒輪副的間隙。本設(shè)計采用的是雙片齒輪錯齒調(diào)整法。兩片齒輪周向可調(diào)彈簧錯齒消除間隙結(jié)構(gòu)。兩個相同齒數(shù)的薄片齒輪與另一個寬齒輪嚙合，兩薄片齒輪可相對回轉(zhuǎn)。在兩個薄片齒輪的端面均勻分布著四個螺孔，分別裝上凸耳。其中一個齒輪的端面還有另外四個通孔，凸耳可以在其中穿過，彈簧的兩端分別鉤在凸耳和調(diào)節(jié)螺釘上。通過螺母調(diào)節(jié)彈簧的拉力，調(diào)節(jié)完后用螺母鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪錯位，即兩個薄片齒輪的左右齒面分別貼在寬齒輪槽的左、右齒面上，從而消除了齒側(cè)間隙。5.3齒輪箱的設(shè)計齒輪箱主要把齒輪裝入，通過軸連接電動機(jī)和絲杠。主要結(jié)構(gòu)是一個方形的箱，然后要加工出一些孔裝軸、絲杠、端蓋等等。在右側(cè)內(nèi)壁也要加工一個孔來支承軸承。同時還要通過兩個凸耳用螺栓與導(dǎo)軌聯(lián)接。5.4床身及導(dǎo)軌對于數(shù)控機(jī)床來說，作為主要支承件的床身至關(guān)重要，其結(jié)構(gòu)性能的好壞直接影響著機(jī)床的各項(xiàng)性能指針。它支承著數(shù)控車床的床頭箱，床鞍，刀架，尾座等部件，承受著切削力、重力、摩擦力等靜態(tài)力和動態(tài)力的作用。其結(jié)構(gòu)的合理性和性能的好壞直接影響著數(shù)控車床的制造成本；影響著車床各部件之間的相對位置精度和車床在工作中各運(yùn)動部件的相對運(yùn)動軌跡的準(zhǔn)確性，從而影響著工件的加工質(zhì)量；還影響著車床所用刀具的耐用度，同時也影響著機(jī)床的工作效率和壽命等。因此，床身特別是數(shù)控車床的床身具有足夠的靜態(tài)剛度和較高的剛度/品質(zhì)比；良好的動態(tài)性能；較小的熱變形和內(nèi)應(yīng)力；并易于加工制造，裝配等，才能滿足數(shù)控車床對床身的要求。數(shù)控車床工作時，受切削力的作用，床身發(fā)生彎曲，其中，影響最大的是床身水平面內(nèi)的彎曲。因此，在床身不太長的情況下，主要應(yīng)提高床身在水平面內(nèi)的彎曲剛度。所以，在設(shè)計床身時，采用與水平面傾斜45°的斜面床身。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是：(1)在加工工件時，切屑和切削液可以從斜面的前方(即床身的一側(cè))落下，就無需在床身上開排屑孔，這樣，床身斜面就可以做成一個完整的斜面。(2)切屑從工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器將切屑排出。這樣，機(jī)床在工作中，排屑性能和散熱性能要好，可以減少床身在工作中吸收由于切削產(chǎn)生的熱量，從而減少床身的熱變形，使機(jī)床更好地保持加工精度。(3)由于在床身上無需開排屑孔，就可以增加與底座連接的床身底面的整體性，從而可增加床身底面的剛性?；谝陨咸攸c(diǎn)使得床身抵抗來自切削力在水平和垂直面內(nèi)的分力所產(chǎn)生的彎曲變形能力，以及它們的合力產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)變形能力顯著增強(qiáng)。從而大幅度提高了床身的抗彎和抗扭剛度。床身在彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷作用下，床身的變形與床身的截面的抗彎慣性矩和抗扭慣性矩有關(guān)。材料、截面相同，但形狀不同的床身，截面的慣性矩相差很大。截面積相同時，采用空形截面，加大外輪廓尺寸，在工藝允許的情況下，盡可能減小壁厚，可以大大提高截面的抗彎和抗扭剛度；矩形截面的抗彎剛度高于圓形截面，但圓形截面的抗扭剛度較高；封閉截面的剛度顯著高于不封閉截面的剛度。為此，在設(shè)計床身截面時，綜合考慮以上因素，在滿足使用、工藝情況下，采用空心截面，加大輪廓，減小壁厚，采用全封閉的類似矩形的床身截面形式，同時，為了提高床身的抗扭剛度和床身的剛度／重量比，在大截面內(nèi)設(shè)計一個較小的類似圓形截面。床身與導(dǎo)軌為一體，床身材料的選擇應(yīng)根據(jù)導(dǎo)軌的要求選擇。鑄鐵具有良好的減震性和耐磨性，易于鑄造和加工。床身材料采用機(jī)械性能優(yōu)良的HT250，其硬度、強(qiáng)度較高，耐磨性較好，具有很好的減震性。車床的導(dǎo)軌可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌兩種?；瑒訉?dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大且磨損快，動、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前，數(shù)控車床已不采用傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動導(dǎo)軌和新型塑料滑動導(dǎo)軌。它們具有摩擦性能良好和使用壽命長等特點(diǎn)。在動導(dǎo)軌上鑲裝塑料具有摩擦系數(shù)低、耐磨性高、抗撕傷能力強(qiáng)、低速時不易爬行、加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好、工藝簡單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在各類機(jī)床上都有應(yīng)用，特別是用在精密、數(shù)控和重型機(jī)床的動導(dǎo)軌上。塑料導(dǎo)軌可與淬硬的鑄造鐵支承導(dǎo)軌和鑲鋼支承導(dǎo)軌組成對偶摩擦副。機(jī)床導(dǎo)軌的質(zhì)量在一定程度上決定了機(jī)床的加工精度、工作能力和使用壽命。導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載。車床的床身導(dǎo)軌屬于進(jìn)給導(dǎo)軌，進(jìn)給運(yùn)動導(dǎo)軌的動導(dǎo)軌與支承的靜導(dǎo)軌之間的相對運(yùn)動速度較低。直線運(yùn)動滑動導(dǎo)軌截面形狀主要有三角形、矩形、燕尾形和圓形，并可互相組合。由于矩形導(dǎo)軌制造簡單，剛度高，承載能力大，具有兩個相垂直的導(dǎo)軌面。且兩個導(dǎo)軌面的誤差不會相互影響，便于安裝。再將矩形整體傾斜45°后，側(cè)面磨損能自動補(bǔ)償，克服了矩形導(dǎo)軌側(cè)面磨損不能自動補(bǔ)償?shù)娜毕荩蛊鋵?dǎo)向性更好。本次設(shè)計我采用的是燕尾槽導(dǎo)軌。鑲條是用來調(diào)整矩形導(dǎo)軌和燕尾導(dǎo)軌的側(cè)隙，以保證導(dǎo)軌面的正常接觸。鑲條應(yīng)放在導(dǎo)軌受力較小的一側(cè)。壓板用于調(diào)整輔助導(dǎo)軌面的間隙和承受顛覆力矩。如圖4.1，是用磨或刮壓板3的e面和d面來調(diào)整間隙。壓板的d面和e面用空刀槽分開，間隙大磨刮d面，太緊時則修e面。這種方式構(gòu)造簡單，應(yīng)用較多，但調(diào)整時比較麻煩。圖4.1鑲條5.5中間軸的設(shè)計中間軸上的齒輪是電機(jī)輸出與滾珠絲杠的傳力結(jié)構(gòu)，它主要通過鍵連接齒輪2和齒輪3.所以要設(shè)計鍵槽，可設(shè)計一個鍵槽為兩個齒輪傳力。5.6軸承端蓋的設(shè)計滾珠絲杠兩端有軸承端蓋，它的作用是軸承外圈的軸向定位，和防塵和密封，除它本身可以防塵和密封外，它常和密封件配合以達(dá)到密封的作用。左側(cè)端蓋因?yàn)闈L珠絲杠要通過所以設(shè)計了一個孔用氈墊來封油。右邊可以設(shè)計成封閉式的端蓋可以減小加工難度第6章電氣控制部分設(shè)計6.1車床的主要結(jié)構(gòu)及運(yùn)動形式圖3-1C6132型普通車床的主要結(jié)構(gòu)圖車床的主運(yùn)動是工件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，它是由主軸通過卡盤或頂尖帶動工件旋轉(zhuǎn)。電動機(jī)的動力通過主軸箱傳給主軸，主軸一般只要單方向的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，只有在車螺紋時才需要用反轉(zhuǎn)來退刀。C6132用操縱手柄通過摩擦離合器來改變主軸的旋轉(zhuǎn)方向。車削加工要求主軸能在很大的范圍內(nèi)調(diào)速，普通車床調(diào)速范圍一般大于70。主軸的變速是靠主軸變速箱的齒輪等機(jī)械有級調(diào)速來實(shí)現(xiàn)的，變換主軸箱外的手柄位置，可以改變主軸的轉(zhuǎn)速。進(jìn)給運(yùn)動是溜板帶動刀具作縱向或橫向的直線移動，也就是使切削能連續(xù)進(jìn)行下去的運(yùn)動。所謂縱向運(yùn)動是指相對于操作者的左右運(yùn)動，橫向運(yùn)動是指相對于操作者的前后運(yùn)動。車螺紋時要求主軸的旋轉(zhuǎn)速度和進(jìn)給的移動距離之間保持一定的比例，所以主運(yùn)動和進(jìn)給運(yùn)動要由同一臺電動機(jī)拖動，主軸箱和車床的溜板箱之間通過齒輪傳動來聯(lián)接，刀架再由溜板箱帶動，沿著床身導(dǎo)軌作直線走刀運(yùn)動。車床的輔助運(yùn)動包括刀架的快進(jìn)與快退，尾架的移動與工件的夾緊與松開等。為了提高工作效率，車床刀架的快速移動由一臺單獨(dú)的進(jìn)給電動機(jī)拖動。6.2電氣線路分析6.2.1主電路分析在主電路中，M1為主軸電動機(jī)，拖動主軸的旋轉(zhuǎn)并通過傳動機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)車刀的進(jìn)給。主軸電動機(jī)M1的運(yùn)轉(zhuǎn)和停止由接觸器KM1的三個常開主觸點(diǎn)的接通和斷開來控制，電動機(jī)M1只需作正轉(zhuǎn)，而主軸的正反轉(zhuǎn)是由摩擦離合器改變傳動鏈來實(shí)現(xiàn)的。電動機(jī)M1的容量小于10KW，所以采用直接啟動。M2為冷卻泵電動機(jī)，進(jìn)行車削加工時，刀具的溫度高，需用冷卻液來進(jìn)行冷卻。為此，車床備有一臺冷卻泵電動機(jī)拖動冷卻泵，噴出冷卻液，實(shí)現(xiàn)刀具的冷卻。冷卻泵電動機(jī)M2由接觸器KM2的主觸點(diǎn)控制。M3為快速移動電動機(jī)，由接觸器KM3的主觸點(diǎn)控制。M2、M3的容量都很小，分別加裝熔斷器FU1和FU2作短路保護(hù)。熱繼電器FR1和FR2分別作M1和M2的過載保護(hù)，快速移動電動機(jī)M3是短時工作的，所以不需要過載保護(hù)。帶鑰匙的低壓短路器QF是電源總開關(guān)。6.2.2控制電路分析控制電路的供電電壓是127V，通過控制變壓器TC將380V的電壓降為127V得到。控制變壓器的一次側(cè)由FU3作短路保護(hù)，二次側(cè)由FU6作短路保護(hù)。（1）電源開關(guān)的控制電源開關(guān)是帶有開關(guān)鎖SA2的低壓斷路器QF，當(dāng)要合上電源開關(guān)時，首先用開關(guān)鑰匙將開關(guān)鎖SA2右旋，再扳動斷路器QF將其合上。若用開關(guān)鑰匙將開關(guān)鎖SA2左旋，其觸點(diǎn)SA2閉合，QF線圈通電，斷路器QF將自動跳開。若出現(xiàn)誤操作，又將QF合上，QF將在0.1s內(nèi)再次自動跳閘。由于機(jī)床的電源開關(guān)采用了鑰匙開關(guān)，接通電源時要先用鑰匙打開開關(guān)鎖，再合斷路器，增加了安全性，同時在機(jī)床控制配電盤的壁龕門上裝有安全行程開關(guān)SQ2，當(dāng)打開配電盤壁龕門時，行程開關(guān)的觸點(diǎn)SQ2閉合，QF的線圈通電，QF自動跳閘，切除機(jī)床的電源，以確保人身安全。（2）主軸電動機(jī)M1的控制SB2是紅色蘑菇型的停止按鈕，SB1是綠色的啟動按鈕。按一下啟動按鈕SB1，KM1線圈通電吸合并自鎖，KM1的主觸點(diǎn)閉合，主軸電動機(jī)M1啟動運(yùn)轉(zhuǎn)。按一下SB2，接觸器KM1斷電釋放，其主觸點(diǎn)和自鎖觸點(diǎn)都斷開，電動機(jī)M1斷電停止運(yùn)行。（3）冷卻泵電動機(jī)的控制當(dāng)主軸電動機(jī)啟動后，KM1的常開觸點(diǎn)KM1閉合，這時若旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換開關(guān)SA1使其閉合，則KM2線圈通電，其主觸點(diǎn)閉合，冷卻泵電動機(jī)M2啟動，提供冷卻液。當(dāng)主軸電動機(jī)M1停車時，KM1斷開，冷卻泵電動機(jī)M2隨即停止。M1和M2之間存在聯(lián)鎖關(guān)系。（4）快速移動電動機(jī)M3的控制快速移動電動機(jī)M3是由接觸器KM3進(jìn)行的點(diǎn)動控制。按下按鈕SB3，接觸器KM3線圈通電，其主觸點(diǎn)閉合，電動機(jī)M3啟動，拖動刀架快速移動；松開SB3，M3停止?？焖僖苿拥姆较蛲ㄟ^裝在溜板箱上的十字手柄扳到所需要的方向來控制。（5）SQ1是機(jī)床床頭的掛輪架皮帶罩處的安全開關(guān)當(dāng)裝好皮帶罩時，SQ1閉合，控制電路才有電，電動機(jī)M1、M2、M3才能啟動。當(dāng)打開機(jī)床床頭的皮帶罩時，SQ1斷開，使接觸器KM1，KM2、KM3斷電釋放，電動機(jī)全部停止轉(zhuǎn)動，以確保人身安全。6.2.3照明和信號電路的分析照明電路采用36V安全交流電壓，信號回路采用6.3V的交流電壓，均由控制變壓器二次側(cè)提供。FU5是照明電路的短路保護(hù)，照明燈EL的一端必須保護(hù)接地。FU4為指示燈的短路保護(hù)，合上電源開關(guān)QF，指示燈HL亮，表明控制電路有電。圖3-2電器控制電路第7章微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計7.1單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容當(dāng)前，在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)中廣泛采用美國Intel公同的MCS-51系列單片計算機(jī)，因此本章著重介紹用MCS-51系列單片微機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容、方法及步驟。單片微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括以下幾部分內(nèi)容:7.1.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖。數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩部分組成。硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標(biāo)。機(jī)床硬件電路由以下五部分組成。(1)主控制器，即中央處理單元CPU。(2)總線,包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。(3)存儲器,包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。(4)接口：即1/0輸入/輸出接口電路。(5)外圍設(shè)備。如鍵盤、顯示器及光電輸入機(jī)等。7.1.2選擇中央處理單元CPU的類型在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素:(1)．時鐘頻率和字長，這個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度。(2)．可擴(kuò)展存儲器(包括ROM和RAM)的容量。(3)．指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性。(4)．1/0口擴(kuò)展的能力，即對外設(shè)控制的能力。(5)．開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。此外還要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價格比等經(jīng)濟(jì)性的要求。目前在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，推薦采用MCS-51系列單片微機(jī)作為主控制器。7.1.3存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。程序存儲器主要用于儲存數(shù)控系統(tǒng)程序，而數(shù)據(jù)存儲器用于存放用戶加工程序，為保護(hù)用戶加工程序，數(shù)據(jù)存儲器必須有掉電保護(hù)功能。在選擇存儲器芯片時，要考慮CPU與存儲器時序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量一般在64K左右。在存儲器擴(kuò)展電路的設(shè)計中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計。7.1.4輸入/輸出接口電路設(shè)計應(yīng)包括接口芯片的選用，步進(jìn)電機(jī)控制電路，鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計，例如復(fù)位電路，越界報警電路，掉電保護(hù)電路等。此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些部分的電路設(shè)計也應(yīng)包括。7.2專用接口設(shè)計CPU工作原理、存儲器擴(kuò)展、接口芯片等內(nèi)容再教材中以有介紹，下面僅就與數(shù)控有關(guān)的接口設(shè)計作一介紹：7.2.1顯示功能設(shè)計在數(shù)控系統(tǒng)中，為了與用戶進(jìn)行信息交流，必須具備顯示功能；數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED(發(fā)光二極管顯示器)和LCD(液晶顯示器)，也有采用CRT接口顯示方式。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，以使用LED顯示為主；LED顯示器通常它是由八個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)亮。控制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。常用的七段顯示器有兩種結(jié)構(gòu)。發(fā)光二極管的陽極連在一起的稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱有共陰極顯示器。在相關(guān)課程中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了LED顯示器的原理和接口電路；對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計來說，主要是根據(jù)需要顯示的內(nèi)容，確定LED的類型、行數(shù)和每行位數(shù)：例如，為了顯示X,Y坐標(biāo)符號、正負(fù)號，就必須選者米字型LED，顯示數(shù)字使用字符型LED；LED的個數(shù)確定與顯示內(nèi)容，特別是工作行程長度，最小單位等有關(guān)。7.2.2鍵盤輸入功能設(shè)計在數(shù)控系統(tǒng)中，鍵盤的主要功能是輸入、編輯用戶的加工程序，一般應(yīng)包括：字母鍵、數(shù)字鍵和必要的編輯、運(yùn)行鍵，如：X、Z、T、M、F、0--9、插入、冊除、啟動、停止等。鍵的具體個數(shù)，需要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)要求來確定。7.2.3步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動電路通常在經(jīng)濟(jì)型數(shù)據(jù)機(jī)床中，大多數(shù)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)的角位移量與電脈沖數(shù)成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成正比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的脈沖需要按所要求的順序供給電機(jī)各相。脈形分配器就是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各相脈沖通電順序的。為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定功率，需要有足夠功率提供給電動機(jī)，因此需要有功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器及前面的微機(jī)及接口芯片，工作電平一般為5V，而作為電動機(jī)電源需符合步進(jìn)電機(jī)要求的額定電壓值。為避免強(qiáng)電對弱電的干擾，在它們之間應(yīng)采用隔離電路。(1)脈沖分配器脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，有硬件環(huán)形分配器和軟件環(huán)形分配器兩種。硬件環(huán)形分配器需要的I/O接口接線數(shù)少，且執(zhí)行速度較快，但需要專用的芯片。軟件環(huán)形分配是用程序?qū)崿F(xiàn)的。目前市場上提供的國產(chǎn)TTL集成脈沖分配器有硬件環(huán)形分配器三相、四相、五相和六相，其型號分別為YBOB、YBO14、YBOl5及YBO16，均為18個引腳的直插式封裝。各引腳功能說明如下:E0——選通輸出控制?？刂泼}沖分配器是否輸出一定順序的脈沖。R——清零。在輸出一定順序的脈沖前，對脈沖分配器進(jìn)行清零，以便使其正常工作。A0、A1——勵磁方式控制。確定通電方式，即選擇通電相數(shù)和拍數(shù)。E1、E2——選通輸入控制端，決定控制指令起作用的時刻。CP——時鐘輸入端，決定脈沖分配器輸出脈沖的頻率?！摹D(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))控制端，決定步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向。S——出錯報警輸出。若某個端口控制信號出錯或脈沖分配器運(yùn)行錯誤時，該端口發(fā)出報警信號。圖4-1是采用YBO14硬件環(huán)形分配器的步進(jìn)電機(jī)接口電路舉例。從圖中可以看出，每個步進(jìn)電機(jī)分別由一個硬件環(huán)形分配器YBO14控制，工作方式設(shè)定在4相4拍，故A0、A1直接接地。兩個輸入控制端E1、E2均接地。所需旋轉(zhuǎn)方向∧及輸出控制信號E0分別由8031的P1.0、P1.1、P1.2和P1.4提供;時鐘脈沖CP由8155的定時器提供;清零端R接8031的P1.5，以防亂相。軟件環(huán)形分配器在電路上不需要環(huán)形分配專用芯片，而是在微處理器中專門安排一個輸出寄存器作為步進(jìn)電機(jī)的控制寄存器，步進(jìn)電機(jī)的每一相繞組都與這個寄存器中某一指定位相對應(yīng)。寄存器中這一位為“1”，對應(yīng)繞組的通電狀態(tài);這一位為“0”，對應(yīng)著相應(yīng)繞組的斷電狀態(tài)。微處理器按照程序中規(guī)定的順序，循環(huán)地向寄存器中寫入各控制字節(jié)，從而使步進(jìn)電機(jī)繞組按固定的規(guī)律，循環(huán)地通電或斷電，步進(jìn)電機(jī)便按照設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動。在電路上，步進(jìn)電機(jī)的每-繞組需和一個1/0口相連(經(jīng)光電隔離電路)，故占用的1/0口數(shù)量較多。(2)光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要W驅(qū)動電壓較高(幾十伏)，電流也較大(幾安到幾十安)，如果將1/0口輸出信號直接與功率放大器相聯(lián)，將會引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計算機(jī)程序的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計算機(jī)接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電藕合器。圖4-1、步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器接口(3)功率放大器脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。從步進(jìn)電機(jī)的起動矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性可以看出，隨著運(yùn)行頻率的增高，步進(jìn)電機(jī)輸出力矩(即帶動負(fù)載的能力)下降，這一現(xiàn)象產(chǎn)生的主要原因是:作為功率放大器負(fù)載的步進(jìn)電機(jī)是電感負(fù)載。當(dāng)改變通電狀態(tài)時，通電繞組的電流將從零逐漸增大，該繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢使電流按指數(shù)規(guī)律上升，并將電源一部分能量儲存在(電感)繞組中，電流的時間常數(shù)為：τi=Lm/R式中Lm——步進(jìn)電機(jī)一相繞組的平均電感量;R——通電回路的電阻，它包括繞組電阻、功率放大器輸出級內(nèi)阻及串聯(lián)電阻。而斷電繞組電流是下降的，這時存儲于繞組中的勢能將以電流形式釋放出來，使電流按指數(shù)規(guī)律下降，其時間常數(shù)為：τd=Lm/RD式中RD——放電回路電阻，它包括繞組電阻，續(xù)流二極管正向電阻等。這樣，就使得繞組中電流緩慢增加和緩慢下降，即電流波形前沿和后沿不陡，致使步進(jìn)電機(jī)各相繞組電流幾乎同時存在，所以步進(jìn)電機(jī)負(fù)載能力下降，嚴(yán)重時會出現(xiàn)失步。為了提高步進(jìn)電機(jī)動態(tài)特性，必須改善電流波形，使電流前、后沿更陡些?？刹捎靡韵聨追N方法:電阻法從上面時間常數(shù)的計算公式可以看出，增大功率放大器負(fù)載回路的電阻R可以使電流上升的時間常數(shù)減小，從而使電流上升沿變陡。在步進(jìn)電機(jī)繞組回路串聯(lián)一個電阻R。此時步進(jìn)電機(jī)電流時間常數(shù)變?yōu)椋害觟=Lm/（R+Ro）這種方法的缺點(diǎn)是，在串聯(lián)電阻R。上消耗了一部分功率，降低了效率。故只適用于小功率步進(jìn)電機(jī)。雙電源法又稱高低壓驅(qū)動電路。其原理是:開始時先接通高壓，以保證電動機(jī)繞組中有較大的沖。但步進(jìn)電機(jī)額定相電壓是規(guī)定的，不允許在高于額定電壓下長時期工作。當(dāng)電流上升到接近額定值時，再截斷高壓，由低壓供電，以保證電動機(jī)繞組中穩(wěn)態(tài)電流等于額定值。有許多書介紹高低壓驅(qū)動電路，這里就不再多說了。7.2.4其他輔助電路(1)8031的時鐘電路單片機(jī)的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL引腳上外接定時元件，晶體可在1.2-12MHz之間任選，藕合電容在5-3OpF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把XTA1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。時鐘的穩(wěn)定工作對系統(tǒng)可靠運(yùn)行非常重要。(2)復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)lOms以上高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從00OOH單元開始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。圖5-40所示為上電與按鈕復(fù)位組合。在上電瞬間，RC電路充電，RESET引腳端