1031-兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)設計

1031-兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)設計,實驗,試驗,數(shù)控系統(tǒng),設計 山東理工大學畢業(yè)設計（論文）題 目：實驗型兩軸數(shù)控系統(tǒng)的設計學 院 ： 機 械 工 程 學 院 專 業(yè) ： 機 械 設 計 制 造 及 其 自 動 化學 生 姓 名 ： 王 婧 指 導 教 師 ： 張 海 云 畢 業(yè) 設 計 （ 論 文 ） 時 間 ： 2006 年 4 月 3 日 ～ 6 月 12 日 共 11 周參 考 文 獻- 40 -參 考 文 獻[1] 馮勇等，現(xiàn)代計算機數(shù)控系統(tǒng).機械出版社,2001,75-96[2] 上海紡織工學院等主編，機床設計圖冊，上海：上海科學技術出版社，1979[3] 趙玉剛，宋現(xiàn)春主編. 數(shù)控技術. 北京： 機械工業(yè)出版社，2003.6.56-59[4] 胡漢才主編，單片機原理及其接口技術，北京：清華大學出版社，1996[5] 鄭學堅.微型計算機原理及應用（第二版）.北京：清華大學出版社1995.3.51-59[6] 趙松年、張奇鵬主編，機電一體化機械系統(tǒng)設計，北京：機械工業(yè)出版社，1995，69－136[7] 郭廣靈，利用 CNC 改造普通車床電氣控制系統(tǒng)，機電工程，2002（4），22-24。 [8] 曹鳳，通用 PC 數(shù)控系統(tǒng)設計及其在數(shù)控改造中的應用，電訊技術，2002（4），42-44。[9] 唐偉編，《機電一體化機械系統(tǒng)設計》課程設計指導書，濟南：山東大學，2003[10] 成大先主編，機械設計手冊，北京：化學工業(yè)出版社，2002，7—243、389、476、477[11] 黃珊秋主編，機械設計課程設計，北京：機械工業(yè)出版社，1999，52～92[12] 機械原理及零件研究室主編，機械設計常用標準，濟南：山東工業(yè)大學，1999[13] 王愛群、霍孟友、襲著燕主編，單片微型機原理及應用，濟南：山東大學，2002[14] 楊黎明主編，機電一體化系統(tǒng)設計手冊，北京：國防工業(yè)出版社，1997[15] 白恩遠、王俊元、孫愛國主編，現(xiàn)代數(shù)控機床伺服及控測技術，北京：國防工業(yè)出版社，2002，23～58[16] 機械原理及零件研究室主編，機械設計常用標準，濟南：山東工業(yè)大學，1999[17] 鄭家驤、陳桂英主編，機械制圖及計算機繪圖，北京：機械工業(yè)出版社，2000[18] 邱宣懷主編.機械設計.北京： 高等教育出版社，1997.35-38參 考 文 獻- 41 -[19] 徐灝主編. 機械設計師手冊 .北京： 機械工業(yè)出版社 ，1991.23-28[20] 楊正新，汪勁松.機電一體化系統(tǒng)[M].北京：科學技術文獻出版社，1996.55-65[21] 盧金鼎，山靜民.機電一體化系統(tǒng)[M].北京：中國輕工業(yè)出版社，1996.5-28[22] 潘存強，數(shù)控技術的新發(fā)展-開放式數(shù)控系統(tǒng)，寶鋼技術，2002（4），1-4[23] 郭廣靈，利用 CNC 改造普通車床電氣控制系統(tǒng)，機電工程，2002（4），22-24致 謝 及 聲 明- 41 -致 謝在 本 文 即 將 結 束 之 際 ， 我 要 由 衷 地 感 謝 在 我 畢 業(yè) 設 計 階 段 ， 乃 至 本 科 四年 學 習 生 活 中 幫 助 過 我 的 師 長 與 同 學 。首 先 ， 我 要 感 謝 我 的 指 導 老 師 張 海 云 導 師 。 在 整 個 畢 業(yè) 設 計 階 段 ，張 老 師 給 予 了 我 極 大 的 關 心 和 幫 助 。 無 論 是 在 理 論 學 習 階 段 ， 還 是 在 論 文 的選 題 、 資 料 查 詢 、 開 題 、 研 究 和 撰 寫 的 每 一 個 環(huán) 節(jié) ， 無 不 得 到 張 老 師 的悉 心 指 導 和 幫 助 。 張 老 師 不 顧 身 體 不 適 ， 親 自 帶 我 們 參 觀 每 個 課 題 相 關 的設 備 ， 使 我 們 拉 近 了 理 論 和 實 踐 之 間 的 距 離 ， 對 做 好 畢 業(yè) 設 計 ， 發(fā) 現(xiàn) 問 題 、解 決 問 題 起 到 了 很 大 的 幫 助 和 推 動 作 用 。 在 張 老 師 的 幫 助 下 ， 使 我 的 課 題研 究 能 夠 順 利 開 展 ， 并 不 斷 取 得 階 段 性 成 果 。 張 老 師 治 學 嚴 謹 、 知 識 淵 博 、誨 人 不 倦 ， 品 德 高 尚 ， 平 易 近 人 ， 在 我 學 習 期 間 不 僅 傳 授 了 做 學 問 的 秘 訣 ，還 傳 授 了 做 人 的 準 則 ， 這 些 都 將 使 我 終 生 受 益 。 在 此 ， 我 向 她 表 示 最 真 摯的 感 謝 ！其 次 ， 我 要 感 謝 山 東 理 工 大 學 四 年 來 對 我 的 培 養(yǎng) ， 以 及 大 學 四 年 里 教 授我 各 門 知 識 的 老 師 。 正 是 他 們 孜 孜 不 倦 的 教 導 才 使 我 學 到 了 各 種 專 業(yè) 課 知識 ， 加 上 張 海 云 老 師 、 趙 慶 志 老 師 、 王 世 軍 老 師 、 董 愛 梅 老 師 、 李 志 勇老 師 、 馮 延 森 老 師 的 指 導 ， 使 我 在 設 計 過 程 中 運 用 自 如 。感 謝 機 械 工 程 學 院 實 驗 室 ， 在 畢 業(yè) 設 計 期 間 為 我 提 供 了 很 大 的 便 利 。 是我 能 夠 更 專 注 的 投 入 到 設 計 中 去 。 還 有 實 驗 室 的 老 師 們 ， 他 們 也 為 該 課 題 的研 究 與 實 踐 作 出 很 多 貢 獻 。我 還 要 感 謝 幫 助 過 我 的 華 海 波 同 學 及 我 們 組 的 其 他 同 學 ， 他 們 都 曾 幫 助過 我 。 正 是 大 家 的 共 同 努 力 、 激 烈 研 討 ， 保 證 了 設 計 的 順 利 進 行 。最 后 ， 衷 心 感 謝 在 百 忙 之 中 抽 出 時 間 審 閱 本 論 文 的 領 導 和 老 師 們 。中 文 摘 要- I -摘 要論 文 介 紹 了 兩 軸 實 驗 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 設 計 。 通 過 對 各 種 實 驗 型 設 備 的 調 研 ，了 解 到 現(xiàn) 階 段 我 國 用 于 實 驗 型 設 備 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 設 備 的 臺 套 種 類 、 數(shù) 量 與 學 生規(guī) 模 反 差 較 大 的 現(xiàn) 況 ， 設 備 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 動 手 能 力 與 理 論 更 是 難 結 合在 一 起 ， 嚴 重 影 響 到 實 訓 、 培 訓 效 果 。主 要 成 果 是 ： ⑴ 本 設 計 對 已 有 的 設 備 進 行 分 析 ， 結 合 實 際 教 學 要 求 ，進 行 各 零 部 件 的 設 計 計 算 ， 并 最 終 進 行 校 核 。 該 設 備 可 主 要 應 用 于 高 校 及 職業(yè) 技 術 學 校 中 相 關 專 業(yè) 的 數(shù) 控 教 學 ， 它 具 有 體 積 小 、 價 格 低 、 功 能 完 善 、 安全 系 數(shù) 高 、 性 能 優(yōu) 越 等 系 列 優(yōu) 點 ； ⑵ 在 設 計 過 程 中 ， 同 時 進 行 了 電 器 方 面的 改 進 ， 主 要 應 用 PLC 進 行 控 制 ， 引 入 了 數(shù) 控 部 分 ， 采 用 步 進 電 動 機 ， 齒輪 變 速 機 構 ， 安 裝 了 變 頻 器 、 步 進 驅 動 器 等 設 備 。 通 過 弱 電 控 制 強 電 ， 計 算機 數(shù) 字 化 控 制 電 路 ， 并 成 功 地 實 現(xiàn) 了 工 作 要 求 ， 使 其 具 有 能 控 制 各 進 給 方 向電 動 機 啟 停 、 正 反 轉 、 變 頻 調 速 、 兩 軸 聯(lián) 動 等 功 能 。 在 機 械 部 分 設 計 過 程 中 ，盡 量 考 慮 節(jié) 約 成 本 和 可 互 換 性 ， 在 保 證 X、 Y 進 給 選 用 相 同 的 步 進 電 機 、滾 珠 絲 杠 等 零 部 件 。關鍵詞：數(shù)控銑床，兩坐標，實驗型IIAbstractThis paper introduces the two coordinate Numerical control milling machine tool design. Study on the Numerical control milling machine tool of the excited states, Know that the total situation is, a interplanting of the numerical control equipment, quantity and student's scale have relatively large contrast. The machine that used can not catch up with the need, As well as other course, Students few can move the cell-phone independently , influence training in fact , result of training seriously.The main results is:[First] , by doing ansys of the machine excited, connecting to the requires in the study. Do the design of some parts and recheck again. Teaching person who test miniature numerical control milling machine apply university and vocational technical school numerical control teaching and numerical control of workers of relevant speciality train mainly. It has small , the price is low , high , such serial advantages as performance is superior of safety coefficient with perfect function.[Second], In the numerical control transformation process, also do the electronic machines transformation and the research, the machine mainly controlled by the PLC, increases the primary device, to the machine part, the electricity has partially carried on the optimized design, introduced the numerical control to be partial, uses step-by-steps the electric motor, the gear changing organization, VFO and the step motor driver and so on. the weak electricity controlled the strong electricity, the computer numerical control electric circuit, successfully has realized the modification requirement, enable it to have the act, rotate one side and other side, the speed changed by VOF, and so on the function. In the machine part design process, Also consider the money and retransferability, make the same the step motor and the ball screw shaft and some other parts.Key words: Numerical control milling machine, miniature, two coordinate.目 錄- III -目 錄摘 要 .......................................................................................................... IABSTRACT（英文摘要） ............................................................................ II目 錄 .......................................................................................................... III第一章 引 言 ............................................................................................. 11.1 課題的背景 .................................................................................................. 11.2 課題的意義 .................................................................................................. 2第二章 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的總體設計 ..................................................... 32.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設計 ........................................................................ 32.2 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定 ............................................................ 32.3 方案的比較與選擇 .................................................................................... 42.4 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定 ............................................................ 4第三章 機械部件的計算和選擇 .................................................................... 53.1 切削力的計算 ............................................................................................ 53.2 機械構件的選擇 ........................................................................................ 83.2.1 電動機的選擇 ............................................................................ 83.2.2 絲杠的選擇 ............................................................................... 123.2.3 軸承的選擇 ............................................................................... 173.2.4 導軌的選擇 ............................................................................... 183.2.5 聯(lián)軸器的選擇 ............................................................................ 213.2.6 傳動裝置的選擇 ........................................................................ 213.3 Y 軸進給系統(tǒng)設計實例 ............................................................................... 26第四章 虛擬樣機的制作 ............................................................................... 274.1 微型數(shù)控銑床部分零件圖 ........................................................................ 274.1.1 減速箱齒輪 ............................................................................... 274.1.2 工作臺 ...................................................................................... 284.1.3 滾珠絲杠 ................................................................................... 28目 錄- IV -4.1.4 套筒式聯(lián)軸器 ............................................................................ 294.1.5 橫 梁 ......................................................................................... 294.1.6 滾 動 軸 承 .................................................................................. 304.1.7 軸 ............................................................................................. 304.2 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)總裝配圖 .................................................................. 31第五章 控制系統(tǒng) ......................................................................................... 325.1 步進電機驅動器的選擇 ............................................................................ 325.2 變頻器的選擇 ............................................................................................ 355.2.1 外部結構 ................................................................................... 365.2.2 運行方式 ................................................................................... 375.3 定位模塊的選擇 ....................................................................................37 5.4 其他輔助電路的選擇. .......................................................................... 385.4.1 越程報警電路 ................................................................................. 385.4.2 掉電保護電路 ........................................................................................ 38結論 ......................................................................................................................... 39參 考 文 獻 ................................................................................................ 40致 謝 及 聲 明 ............................................................................................ 41第一章 引 言- 1 -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NC床 工 業(yè) 已 基 本 形 成 門 類 較 齊 全 的 生 產 科 研 體 系 ， 數(shù) 控 機 床 是 現(xiàn) 代 基 礎 機 械 代表 產 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 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NC機 床 產 品 的 進 口 和 國 外 技 術 的 引 進 ， 我 國 的 機 床 生 產 取 得 了 長NC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 。WTO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 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 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02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??WTO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 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 一第一章 引 言- 2 -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 。 總 的 情 況 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- 3 -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 品 的 結構 、 性 能 、 工 藝 和 成 本 ， 關 系 到 產 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 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 ；第 二 章 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的總體設計- 4 -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 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 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。 可 以 實 現(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 。第 二 章 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的總體設計- 5 -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：圖 1 總 體 框 圖MCS-51接 口 電路驅 動 電 路鍵 盤 輸 入數(shù) 據(jù) 顯 示傳 動 機 構工 作 臺第三章 機械零部件的計算和選擇- 6 -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 =4mmmaxmin由《實用機床手冊》P =F V/60000ZF =642a a a d ZKZp0.72r.86W0.?FK =K K KMRFZ其中 K =（σ /0.638） =0.982 d =400×(10-4)X(1590-397)=2b0.30高速鋼銑刀 r =15 ,前角系數(shù) K =0.920RFZ主偏角 k =75 K =1.0 a =8mm a =0.08~0.05mm/ZFZWr取 a =0.05mm/Z a =4mmrp齒數(shù) Z=4 d =6mm0F =642×4×0.05 ×8 ×6 ×4×0.903=2773NZ.720.0.8?V=πd n/1000=3.14×2×400/1000=2.520pm= F V/60000=2773×2.512/60000=0.17KWZ選電動機時按銑削計算。3.選主電動機時：第三章 機械零部件的計算和選擇- 7 -因為銑削最大的切削力為：F =642×4×0.05 ×8 ×10 ×4×0.903=832.03NZ0.72.60.86?V=π×10×1590/1000=49.9m/sp = F V/60000=832.03×49.9/60000=0.69KW'mZp = p /0.88=0.69/0.88=0.79KW'所以選電動機為 p =1.1KW 型號：Y90S —4 型m2. 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主電動機的額定功率 N =1.1KW。銑削力同樣遇刀具材料、被銑削工件的材機料、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：00mmcN= N + N + N ，一般輕載高速的中、小型機床中，N =0.5N/(2-η)N ，故0mc 0c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0c功率：N =K×0.5N/(2-η )，N =0.85×0.5×1.1/(2-0.718)=0.36KWct ct切削時主軸上的扭短為：M =974000 N /nnct則主軸上最大扭矩為： M =974000×0.36/397=883（ NCM）maxn銑 刀的最大直徑為：10mm。主切削力 F =883/1=880N。銑削加工時主切c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，c s sc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，ssc c取 F / F =0.8，F(xiàn) =0.8× F =706.4N。zcz第三章 機械零部件的計算和選擇- 8 -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（五相電第三章 機械零部件的計算和選擇- 9 -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：第三章 機械零部件的計算和選擇- 10 -P= Ω·MΩ=2 π·n/60P=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生，故欲和混合式電機產生相同的轉矩，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?；旌鲜讲竭M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。第三章 機械零部件的計算和選擇- 11 -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p b0速裝置，所以由 δ =θ /360 ×P 可知，滾珠絲杠螺距，即基本導程pb0hP =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，h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?？紤]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 =65.27NsZT =36×0.01×[26.1+0.03×（300+65.27）]/2π× 1.8×0.85=40.8 N.cmP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Pjm矩 T = T /0.866=40.8/0.866=47.1 N.cmjmP2. 確定步進電機最高工作頻率f =1000v /δ ，v =0.025(m/s)axaxpmaxf =1000×0.025/0.02=1250(HZ)m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，0第三章 機械零部件的計算和選擇- 12 -280gcm 2引線數(shù)，4。接 線 圖 圖 33.2.2 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 。143（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。第三章 機械零部件的計算和選擇- 13 -（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= f f P 3Lnhmax其中 f ——載荷系數(shù)取為 1.0，f ——硬度系數(shù)取為 1.2，hP ——最大的工作負載max第三章 機械零部件的計算和選擇- 14 -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)max'zyP ——X 方向的切削力P ——Y 方向的切削力yP ——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， zxP =1059.6N ，G=300N yP =1.4×0+0.03×(706.4+2×1059.6+300)=93.7Nmax而 L=60nT/10 6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 =11256Q= ×1.0×1.2×93.7=1169N3125第三章 機械零部件的計算和選擇- 15 -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0 n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2 1C =6367 N ，螺母外徑 D=72 mm，螺母內徑 D =32 mm，螺母長度 L=40 0 1mm。(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 =4.55t0π D43.1*60φ-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 = =0.96504.5(1)tg?(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：1△t =1tEF其中：P-工作負載；第三章 機械零部件的計算和選擇- 16 -t-滾珠絲杠螺距 ；E-彈性模數(shù)，對鋼而言（E=20.1 ×10 ）；6Ncm2F-滾珠絲杠的橫截面積（按內徑而定）；△t = =0.14×10 cm16293.70412.5?7?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：2△t = (cm) 2φπ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= = =6.18NcmCtGJ 2Ptπ η 93.704165?G——扭轉彈性對鋼而言，G=841×10 N/cm5J ——滾珠絲杠載面積的極慣性矩 J = /32d （cm ）c cπ42（其中 d ——滾珠絲杠的內徑，cm） 2J =3.14/32×13.1 =2889cmc44Φ=Mt/ GJ =6.18×0.4/84×10×2889=0.1×10c 9?t=tΦ/2π=0.4×0.1×10 /2×3.14=0.6×10 cm(可忽略不計)9?1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 =3.5×10 cm/m7?7?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k第三章 機械零部件的計算和選擇- 17 -P = （N）k2()EJulπE-絲杠材料的彈性模數(shù)，對鋼而言 E=2.1×10 N/cm ；72J-截面慣性矩，對實心圓桿而言，J= = =1445cm ；42π d6413.?π 4l-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 = =3.6×10 N k2723.14.0145(86)?7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k k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)。k kn = = =3.8×10 >>[ n ]=4k73.6109?5k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0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。第三章 機械零部件的計算和選擇- 18 -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r 0r28000 。min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 =10h6()CnPε式中：P-當量動載荷；L -基本額定壽命；10hε—壽命指數(shù)，球軸承 ε=3；n—軸承工作轉速，n=1250 ；minrC——基本額定動載荷，C=2250N；其中：P=f (X+YF )daf ——沖擊載荷系數(shù)，取 1.1；dF ——徑向載荷；rX、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)=604NL = =21000h>15000h10h63250()4?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（如床身第三章 機械零部件的計算和選擇- 19 -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。278J用接觸面所占的百分比或 面積內接觸點數(shù)衡量。25m?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（硬第三章 機械零部件的計算和選擇- 20 -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。可以人工定期向導軌面澆油。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?；蚴謩訚櫥捅?，定時拉動幾下供油。第三章 機械零部件的計算和選擇- 21 -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32N用 導 軌 油 ； 重 型 機 床 的 低 速 導 軌 ， 可 用 或 導 軌 油 。 三 嗪 的46N36810N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。第三章 機械零部件的計算和選擇- 22 -齒輪的設計1）材料的選取因傳動載荷小，生產批量少，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 ,251?Z20?Z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12Zi?i件。中心距45)(221???Zma小齒輪: 齒頂高 ha齒根高 5..?cf齒頂圓直徑 4371)2(11???Zmda齒根圓直徑 ..?f分度圓直徑 051?大齒輪: 齒頂高 ?ha齒根高 =1.252.cmf齒頂圓直徑 54)(?Zda齒根圓直徑 .22??f分度圓直徑 0?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。第三章 機械零部件的計算和選擇- 23 -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p距 θ =1.8 / Step。由于無減速裝置，所以由 δ =θ /360 ×P 可知，滾b0 b0h珠絲杠螺距，即基本導程 P =5mm。h2、步進電動機轉軸上啟動力矩的計算T =36δ [F +μ(G+F )]/2πθ η（Ｎｃｍ）PsZb其中：F ——水平方向的切削抗力 F =260N；sμ——摩擦系數(shù) μ=0.03；F ——垂直方向的切削抗力 F =650N；Z ZG——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，Pjm則步進電機最大靜轉矩 T = T /0.866=60N.cmjP（3）確定步進電機最高工作頻率f =1000v /δ ，v =0.025(m/s)maxaxpmaxf =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，0280gcm 2引線數(shù)，4。3. 滾珠絲杠傳動的設計計算（1）最大動負載 Q 的計算第三章 機械零部件的計算和選擇- 24 -Q= f f P 3Lnhmax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n h max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)max'zyP ——X 方向的切削力，取 260N；P ——Y 方向的切削力，由于 Y 方向x y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。max而 L=60nT/10 6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 =11256Q= ×1.0×1.2×285=3358.9N3125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0 n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2 1C =6612 N ，螺母外徑 D=72 mm，螺母內徑 D =28 mm，螺母長度 L=40 0 1mm。（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第三章 機械零部件的計算和選擇- 25 -η=tgβ /tg(β+φ)式中：β-螺紋的螺旋升角；φ-摩擦角；β=arctg =arctg =4.55t0π D43.1*60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= =0.96504.5(1)tg?（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 =1 1PtEF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 ）；6Ncm2F-滾珠絲杠的橫截面積（按內徑而定）；△t = =0.31×10 cm162890.4123.5?7?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 =7.1×10 cm/m7?7?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：k第三章 機械零部件的計算和選擇- 26 -P = （N）k2()EJulπE-絲杠材料的彈性模數(shù)，對鋼而言 E=2.1×10 N/cm ；72J-截面慣性矩，對實心圓桿而言，J= = =1445cm ；42π d6413.?π 4l-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 = =3.5×10 N k2723.14.0145(9)?7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k k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)。k kn = = =3.7×10 >>[ n ]=4k73.5109?5k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， 0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r 0r28000 。min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。第三章 機械零部件的計算和選擇- 27 -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 。