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山東理工大學 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題 目：實驗型兩軸數(shù)控系統(tǒng)的 設(shè)計 學 院 ： 機 械 工 程 學 院 專 業(yè) ： 機 械 設(shè) 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(shè) 計 （ 論 文 ） 時 間 ： 2006 年 4 月 3 日 ～ 6 月 12 日 共 11 周 摘 要 論 文 介 紹 了 兩 軸 實 驗 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 。 通 過 對 各 種 實 驗 型 設(shè) 備 的 調(diào) 研 ， 了 解 到 現(xiàn) 階 段 我 國 用 于 實 驗 型 設(shè) 備 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 備 的 臺 套 種 類 、 數(shù) 量 與 學 生 規(guī) 模 反 差 較 大 的 現(xiàn) 況 ， 設(shè) 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(jié) 合 在 一 起 ， 嚴 重 影 響 到 實 訓 、 培 訓 效 果 。 主 要 成 果 是 ： ⑴ 本 設(shè) 計 對 已 有 的 設(shè) 備 進 行 分 析 ， 結(jié) 合 實 際 教 學 要 求 ， 進 行 各 零 部 件 的 設(shè) 計 計 算 ， 并 最 終 進 行 校 核 。 該 設(shè) 備 可 主 要 應(yīng) 用 于 高 校 及 職 業(yè) 技 術(shù) 學 校 中 相 關(guān) 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(shè) 計 過 程 中 ， 同 時 進 行 了 電 器 方 面 的 改 進 ， 主 要 應(yīng) 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(gòu) ， 安 裝 了 變 頻 器 、 步 進 驅(qū) 動 器 等 設(shè) 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(zhuǎn) 、 變 頻 調(diào) 速 、 兩 軸 聯(lián) 動 等 功 能 。 在 機 械 部 分 設(shè) 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(guān)鍵詞：數(shù)控銑床，兩坐標，實驗型 Abstract This 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 摘 要 .......................................................................................................... I ABSTRACT（英文摘要） ............................................................................ II 目 錄 .......................................................................................................... III 第一章 引 言 ............................................................................................. 1 1.1 課題的背景 .................................................................................................. 1 1.2 課題的意義 .................................................................................................. 2 第二章 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計 ..................................................... 3 2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計 ........................................................................ 3 2.2 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定 ............................................................ 3 2.3 方案的比較與選擇 .................................................................................... 4 2.4 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 .................................................................... 5 3.1 切削力的計算 ............................................................................................ 5 3.2 機械構(gòu)件的選擇 ........................................................................................ 8 3.2.1 電動機的選擇 ............................................................................ 8 3.2.2 絲杠的選擇 ............................................................................... 12 3.2.3 軸承的選擇 ............................................................................... 17 3.2.4 導軌的選擇 ............................................................................... 18 3.2.5 聯(lián)軸器的選擇 ............................................................................ 21 3.2.6 傳動裝置的選擇 ........................................................................ 21 3.3 Y 軸進給系統(tǒng)設(shè)計實例 ............................................................................... 26 第四章 虛擬樣機的制作 ............................................................................... 27 4.1 微型數(shù)控銑床部分零件圖 ........................................................................ 27 4.1.1 減速箱齒輪 ............................................................................... 27 4.1.2 工作臺 ...................................................................................... 28 4.1.3 滾珠絲杠 ................................................................................... 28 4.1.4 套筒式聯(lián)軸器 ............................................................................ 29 4.1.5 橫 梁 ......................................................................................... 29 4.1.6 滾 動 軸 承 .................................................................................. 30 4.1.7 軸 ............................................................................................. 30 4.2 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)總裝配圖 .................................................................. 31 第五章 控制系統(tǒng) ......................................................................................... 32 5.1 步進電機驅(qū)動器的選擇 ............................................................................ 32 5.2 變頻器的選擇 ............................................................................................ 35 5.2.1 外部結(jié)構(gòu) ................................................................................... 36 5.2.2 運行方式 ................................................................................... 37 5.3 定位模塊的選擇 ....................................................................................37 5.4 其他輔助電路的選擇. .......................................................................... 38 5.4.1 越程報警電路 ................................................................................. 38 5.4.2 掉電保護電路 ........................................................................................ 38 結(jié)論 ......................................................................................................................... 39 參 考 文 獻 ................................................................................................ 40 致 謝 及 聲 明 ............................................................................................ 41 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(chǎn) 科 研 體 系 ， 數(shù) 控 機 床 是 現(xiàn) 代 基 礎(chǔ) 機 械 代 表 產(chǎn) 品 。 機 床 是 機 床 制 造 技 術(shù) 、 微 電 子 和 計 算 機 技 術(shù) 三 者 相 結(jié) 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NC 機 床 產(chǎn) 品 的 進 口 和 國 外 技 術(shù) 的 引 進 ， 我 國 的 機 床 生 產(chǎn) 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(shù) 層 面 上 來 講 ,加 速 推 進 數(shù) 控 技 術(shù) 將 是 解 決 機 床 制 造 業(yè) 持 續(xù) 發(fā) 展 的 一 個 關(guān) 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(gòu) 建 數(shù) 字 化 企 業(yè) 的 重 要 基 礎(chǔ) 裝 備 ， 它 的 發(fā) 展 一 直 備 受 人 們 關(guān) 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(shù) 成 為 先 進 制 造 技 術(shù) 中 的 一 項 核 心 技 術(shù) 。 另 一 方 面 ， 通 過 持 續(xù) 的 研 究 ， 信 息 技 術(shù) 的 深 化 應(yīng) 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(shù) 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(mào) 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(nèi) 高 起 點 設(shè) 廠 、 將 生 產(chǎn) 加 工 向 中 國 轉(zhuǎn) 移 ； 國 內(nèi) 制 造 企 業(yè) 更 是 背 水 一 戰(zhàn) 。 大 舉 通 過 信 息 化 、 廣 泛 應(yīng) 用 現(xiàn) 代 制 造 技 術(shù) 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(shù) 的 技 術(shù) 人 才 、 特 別 是 對 大 量 的 一 線 技 術(shù) 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(shè) 備 種 類 多 的 實 訓 中 有 的 是 設(shè) 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(shè) 備 配 進 口 數(shù) 控 系 統(tǒng) 為 主 ． 有 的 學 校 以 教 學 型 數(shù) 控 設(shè) 備 為 主 。 總 的 情 況 是 ， 數(shù) 控 設(shè) 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(shè) 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(jié) 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(shè) 計 ， 要 求 學 生 能 夠 綜 合 運 用 所 學 過 的 數(shù) 控 技 術(shù) 、 微 機 原 理 與 接 口 技 術(shù) 、 軟 件 程 序 設(shè) 計 、 工 藝 等 知 識 ， 掌 握 數(shù) 控 機 床 機 械 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 計 算 及 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 開 發(fā) 過 程 。 重 點 掌 握 步 進 電 機 驅(qū) 動 、 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 開 發(fā) 過 程 ， 機 床 工 作 臺 及 其 相 應(yīng) 的 夾 具 及 機 床 配 件 設(shè) 計 。 為 畢 業(yè) 后 從 事 機 械 電 子 設(shè) 備 的 研 制 和 使 用 打 下 良 好 的 基 礎(chǔ) 。 第二章 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計 2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計 主要包括以下幾個方面： （ 1） 運動功能設(shè)計。 包 括 確 定 機 床 所 需 運 動 的 個 數(shù) 、 形 式 （ 直 線 運 動 、 回 轉(zhuǎn) 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(shè)計。 包 括 尺 寸 參 數(shù) 、 運 動 參 數(shù) 和 動 力 參 數(shù) 設(shè) 計 。 （ 3） 傳動系統(tǒng)設(shè)計。 包 括 傳 動 方 式 、 傳 動 原 理 圖 及 傳 動 系 統(tǒng) 圖 設(shè) 計 。 （ 4） 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計。 包 括 運 動 功 能 分 配 、 總 體 布 局 機 構(gòu) 形 式 及 總 體 結(jié) 構(gòu) 方 案 圖 設(shè) 計 。 （ 5） 控制系統(tǒng)設(shè)計。 包 括 控 制 方 式 及 控 制 原 理 、 控 制 系 統(tǒng) 圖 設(shè) 計 。 根據(jù)前面所提到的數(shù)控機床應(yīng)滿足的基本要求就可以進行總體設(shè)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(yīng) 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(guān) 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(shè) 計 是 一 項 全 局 性 的 設(shè) 計 工 作 ， 直 接 影 響 機 床 產(chǎn) 品 的 結(jié) 構(gòu) 、 性 能 、 工 藝 和 成 本 ， 關(guān) 系 到 產(chǎn) 品 的 技 術(shù) 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(shè) 計 ， 一 方 面 ， 要 求 其 功 能 完 善 、 結(jié) 構(gòu) 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(shè) 計 主 要 是 兩 個 方 面 ： 其 一 ： 機 械 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計 ； 其 二 ： 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 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(zhuǎn) 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(shè) 計 結(jié) 構(gòu) 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。 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(zhuǎn) 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(zhuǎn) 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(gòu) 成 的 控 制 系 統(tǒng) 來 實 現(xiàn) 對 步 進 電 機 的 啟 停 、 正 反 轉(zhuǎn) 、 兩 軸 聯(lián) 動 和 變 頻 調(diào) 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(shè) 計 ， 主 要 有 ： 存 儲 器 擴 展 電 路 設(shè) 計 ， 輸 入 輸 出 接 口 電 路 設(shè) 計 ， 步 進 電 機 接 口 和 驅(qū) 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(jié) 構(gòu) 的 系 統(tǒng) 方 案 圖 圖 1： 圖 1 總體框圖 MCS-51 接口電路 驅(qū)動電路 鍵盤輸入 數(shù)據(jù)顯示 傳動機構(gòu) 工作臺 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(shè)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(shè) 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/60000Z F =642a a a d ZKZp 0.72r.86W0.?F K =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 =6mm0 F =642×4×0.05 ×8 ×6 ×4×0.903=2773NZ.720.0.8? V=πd n/1000=3.14×2×400/1000=2.520 pm= 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： 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/s p = F V/60000=832.03×49.9/60000=0.69KW 'mZ 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m 2. X、Y 軸銑削工作時銑削力的計算 其中主轉(zhuǎn)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(guān)，現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，共建材料為碳鋼進行計算。 主轉(zhuǎn)動功率包括切削功率 N ，空載功率 N ，附加功率 N 三部分，即：00mmc N= 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)，再進給傳動中切削功0c 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。銑削加工時主切削力 F 與銑削進c c 給抗力 F 之間的值由《機床設(shè)計手冊 》查得 F / F =1.0~1.2，取 F / F =1.2。則s scs 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× sc c zcz F =706.4N。c 3.2 機械構(gòu)件的選擇 3.2.1 電動機的選擇 應(yīng)用中的注意點 ①步進電機應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過 1000 轉(zhuǎn)，（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(qū)動電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動器選擇驅(qū)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(qū)動外也可以采用其他驅(qū)動電源， 不過要考慮溫升。 ④轉(zhuǎn)動慣量大的負載應(yīng)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(yīng)通過機械減速、提高電機速度,或采用高細分數(shù)的驅(qū)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(yīng)在振動區(qū)內(nèi)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(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來 驅(qū)動。 ⑨應(yīng)遵循先選電機后選驅(qū)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(zhuǎn)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(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)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(yīng)為摩擦負載的 2-3 倍內(nèi)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(qū)動電源、及驅(qū)動電壓） 綜上所述選擇電機一般應(yīng)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(nèi)調(diào)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=2 π·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(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(qū)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(qū)動器的可靠性來 決定的?；旌鲜诫姍C轉(zhuǎn)子上有永磁體，部分磁場已由轉(zhuǎn)子上的磁鋼產(chǎn)生，所以 混合式電機繞組電流可以設(shè)計得比較小，而反應(yīng)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(zhuǎn)矩，在電機體積相差不太大的情況下，反 應(yīng)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(qū)動器就比反應(yīng)式電機的驅(qū)動器要可靠得多，同時由于大的繞組電流，反應(yīng) 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(zhuǎn)矩，反應(yīng)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(yīng)式驅(qū)動器必須要 以高壓驅(qū)動才會有比較好的高頻性能，但這樣驅(qū)動器的可靠性會明顯變差；如 果反應(yīng)式驅(qū)動器取和混合式驅(qū)動器一樣的驅(qū)動電壓時，電機的高頻轉(zhuǎn)矩明顯要 小，這也是反應(yīng)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(yīng)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(yīng)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pb0h P =4mm。一般來講，反應(yīng)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。 考慮到該機床垂直進給方向需用自鎖機構(gòu)，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(zhuǎn)軸上啟動力矩的計算 銑削時：F =26.1N, F =65.27NsZ T =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(zhuǎn)Pjm 矩 T = T /0.866=40.8/0.866=47.1 N.cmjmP 2. 確定步進電機最高工作頻率 f =1000v /δ ，v =0.025(m/s)axaxpmax f =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(zhuǎn)動慣量，0 280gcm 2 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(gòu)。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(gòu)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(zhuǎn)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(gòu)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(gòu)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。 （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(guān)，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(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線 運動，也可以由直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)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(guān)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(shè)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(chǔ)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(yīng)力。在這 種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)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(shè)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(zhuǎn)一百萬轉(zhuǎn)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，h P ——最大的工作負載max 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'zy P ——X 方向的切削力 P ——Y 方向的切削力y 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(shè)計。 在銑削過程中，P =706.4N ，P =0， zx P =1059.6N ，G=300N y P =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(zhuǎn)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 =11256 Q= ×1.0×1.2×93.7=1169N3125 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(nèi)循環(huán)墊片調(diào)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(nèi)徑 d =17.96mm ，絲杠外徑 d =19.4mm ，循環(huán)列數(shù) 3，額定動負載2 1 C =6367 N ，螺母外徑 D=72 mm，螺母內(nèi)徑 D =32 mm，螺母長度 L=40 0 1 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 t0π D43.1*60 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 = =0.9650 4.5(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(zhuǎn)，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(yīng)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 =1 tEF 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 ）；6Ncm2 F-滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）； △t = =0.14×10 cm162 93.70412.5?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) 2 φπ 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(zhuǎn) 角； φ= 其中， M-扭矩（ Ncm）,M= = =6.18NcmC tGJ 2Ptπ η 93.704165? G——扭轉(zhuǎn)彈性對鋼而言，G=841×10 N/cm5 J ——滾珠絲杠載面積的極慣性矩 J = /32d （cm ）c cπ 42 （其中 d ——滾珠絲杠的內(nèi)徑，cm） 2 J =3.14/32×13.1 =2889cmc44 Φ=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(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k P = （N）k 2()EJulπ E-絲杠材料的彈性模數(shù)，對鋼而言 E=2.1×10 N/cm ；72 J-截面慣性矩，對實心圓桿而言，J= = =1445cm ； 42π d6413.?π 4 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(shè)計是兩端向心軸承，u=1。 P = =3.6×10 N k 2723.14.0145(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 k n = = =3.8×10 >>[ n ]=4k 7