1031-兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1031-兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì),實(shí)驗(yàn),試驗(yàn),數(shù)控系統(tǒng),設(shè)計(jì)
山東理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題 目：實(shí)驗(yàn)型兩軸數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)學(xué) 院 ： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè) ： 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 及 其 自 動(dòng) 化學(xué) 生 姓 名 ： 王 婧 指 導(dǎo) 教 師 ： 張 海 云 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 時(shí) 間 ： 2006 年 4 月 3 日 ～ 6 月 12 日 共 11 周參 考 文 獻(xiàn)- 40 -參 考 文 獻(xiàn)[1] 馮勇等，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng).機(jī)械出版社,2001,75-96[2] 上海紡織工學(xué)院等主編，機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊，上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979[3] 趙玉剛，宋現(xiàn)春主編. 數(shù)控技術(shù). 北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，2003.6.56-59[4] 胡漢才主編，單片機(jī)原理及其接口技術(shù)，北京：清華大學(xué)出版社，1996[5] 鄭學(xué)堅(jiān).微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用（第二版）.北京：清華大學(xué)出版社1995.3.51-59[6] 趙松年、張奇鵬主編，機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)，北京：機(jī)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(jī)電工程，2002（4），22-24。 [8] 曹鳳，通用 PC 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)及其在數(shù)控改造中的應(yīng)用，電訊技術(shù)，2002（4），42-44。[9] 唐偉編，《機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書，濟(jì)南：山東大學(xué)，2003[10] 成大先主編，機(jī)械設(shè)計(jì)手冊，北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002，7—243、389、476、477[11] 黃珊秋主編，機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999，52～92[12] 機(jī)械原理及零件研究室主編，機(jī)械設(shè)計(jì)常用標(biāo)準(zhǔn)，濟(jì)南：山東工業(yè)大學(xué)，1999[13] 王愛群、霍孟友、襲著燕主編，單片微型機(jī)原理及應(yīng)用，濟(jì)南：山東大學(xué)，2002[14] 楊黎明主編，機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊，北京：國防工業(yè)出版社，1997[15] 白恩遠(yuǎn)、王俊元、孫愛國主編，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及控測技術(shù)，北京：國防工業(yè)出版社，2002，23～58[16] 機(jī)械原理及零件研究室主編，機(jī)械設(shè)計(jì)常用標(biāo)準(zhǔn)，濟(jì)南：山東工業(yè)大學(xué)，1999[17] 鄭家驤、陳桂英主編，機(jī)械制圖及計(jì)算機(jī)繪圖，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000[18] 邱宣懷主編.機(jī)械設(shè)計(jì).北京： 高等教育出版社，1997.35-38參 考 文 獻(xiàn)- 41 -[19] 徐灝主編. 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊 .北京： 機(jī)械工業(yè)出版社 ，1991.23-28[20] 楊正新，汪勁松.機(jī)電一體化系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社，1996.55-65[21] 盧金鼎，山靜民.機(jī)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(qiáng)，數(shù)控技術(shù)的新發(fā)展-開放式數(shù)控系統(tǒng)，寶鋼技術(shù)，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(jī)電工程，2002（4），22-24致 謝 及 聲 明- 41 -致 謝在 本 文 即 將 結(jié) 束 之 際 ， 我 要 由 衷 地 感 謝 在 我 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 階 段 ， 乃 至 本 科 四年 學(xué) 習(xí) 生 活 中 幫 助 過 我 的 師 長 與 同 學(xué) 。首 先 ， 我 要 感 謝 我 的 指 導(dǎo) 老 師 張 海 云 導(dǎo) 師 。 在 整 個(gè) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 階 段 ，張 老 師 給 予 了 我 極 大 的 關(guān) 心 和 幫 助 。 無 論 是 在 理 論 學(xué) 習(xí) 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(gè) 環(huán) 節(jié) ， 無 不 得 到 張 老 師 的悉 心 指 導(dǎo) 和 幫 助 。 張 老 師 不 顧 身 體 不 適 ， 親 自 帶 我 們 參 觀 每 個(gè) 課 題 相 關(guān) 的設(shè) 備 ， 使 我 們 拉 近 了 理 論 和 實(shí) 踐 之 間 的 距 離 ， 對 做 好 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) ， 發(fā) 現(xiàn) 問 題 、解 決 問 題 起 到 了 很 大 的 幫 助 和 推 動(dòng) 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(xué) 嚴(yán) 謹(jǐn) 、 知 識(shí) 淵 博 、誨 人 不 倦 ， 品 德 高 尚 ， 平 易 近 人 ， 在 我 學(xué) 習(xí) 期 間 不 僅 傳 授 了 做 學(xué) 問 的 秘 訣 ，還 傳 授 了 做 人 的 準(zhǔn) 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(xué) 四 年 來 對 我 的 培 養(yǎng) ， 以 及 大 學(xué) 四 年 里 教 授我 各 門 知 識(shí) 的 老 師 。 正 是 他 們 孜 孜 不 倦 的 教 導(dǎo) 才 使 我 學(xué) 到 了 各 種 專 業(yè) 課 知識(shí) ， 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(dǎo) ， 使 我 在 設(shè) 計(jì) 過 程 中 運(yùn) 用 自 如 。感 謝 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 實(shí) 驗(yàn) 室 ， 在 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 期 間 為 我 提 供 了 很 大 的 便 利 。 是我 能 夠 更 專 注 的 投 入 到 設(shè) 計(jì) 中 去 。 還 有 實(shí) 驗(yàn) 室 的 老 師 們 ， 他 們 也 為 該 課 題 的研 究 與 實(shí) 踐 作 出 很 多 貢 獻(xiàn) 。我 還 要 感 謝 幫 助 過 我 的 華 海 波 同 學(xué) 及 我 們 組 的 其 他 同 學(xué) ， 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(shè) 計(jì) 的 順 利 進(jìn) 行 。最 后 ， 衷 心 感 謝 在 百 忙 之 中 抽 出 時(shí) 間 審 閱 本 論 文 的 領(lǐng) 導(dǎo) 和 老 師 們 。中 文 摘 要- I -摘 要論 文 介 紹 了 兩 軸 實(shí) 驗(yàn) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 。 通 過 對 各 種 實(shí) 驗(yàn) 型 設(shè) 備 的 調(diào) 研 ，了 解 到 現(xiàn) 階 段 我 國 用 于 實(shí) 驗(yàn) 型 設(shè) 備 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 備 的 臺(tái) 套 種 類 、 數(shù) 量 與 學(xué) 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(jī) 電 類 學(xué) 生 工 程 實(shí) 踐 能 力 普 遍 較 差 ， 其 動(dòng) 手 能 力 與 理 論 更 是 難 結(jié) 合在 一 起 ， 嚴(yán) 重 影 響 到 實(shí) 訓(xùn) 、 培 訓(xùn) 效 果 。主 要 成 果 是 ： ⑴ 本 設(shè) 計(jì) 對 已 有 的 設(shè) 備 進(jìn) 行 分 析 ， 結(jié) 合 實(shí) 際 教 學(xué) 要 求 ，進(jìn) 行 各 零 部 件 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 ， 并 最 終 進(jìn) 行 校 核 。 該 設(shè) 備 可 主 要 應(yīng) 用 于 高 校 及 職業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 校 中 相 關(guān) 專 業(yè) 的 數(shù) 控 教 學(xué) ， 它 具 有 體 積 小 、 價(jià) 格 低 、 功 能 完 善 、 安全 系 數(shù) 高 、 性 能 優(yōu) 越 等 系 列 優(yōu) 點(diǎn) ； ⑵ 在 設(shè) 計(jì) 過 程 中 ， 同 時(shí) 進(jìn) 行 了 電 器 方 面的 改 進(jìn) ， 主 要 應(yīng) 用 PLC 進(jìn) 行 控 制 ， 引 入 了 數(shù) 控 部 分 ， 采 用 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) ， 齒輪 變 速 機(jī) 構(gòu) ， 安 裝 了 變 頻 器 、 步 進(jìn) 驅(qū) 動(dòng) 器 等 設(shè) 備 。 通 過 弱 電 控 制 強(qiáng) 電 ， 計(jì) 算機(jī) 數(shù) 字 化 控 制 電 路 ， 并 成 功 地 實(shí) 現(xiàn) 了 工 作 要 求 ， 使 其 具 有 能 控 制 各 進(jìn) 給 方 向電 動(dòng) 機(jī) 啟 停 、 正 反 轉(zhuǎn) 、 變 頻 調(diào) 速 、 兩 軸 聯(lián) 動(dòng) 等 功 能 。 在 機(jī) 械 部 分 設(shè) 計(jì) 過 程 中 ，盡 量 考 慮 節(jié) 約 成 本 和 可 互 換 性 ， 在 保 證 X、 Y 進(jìn) 給 選 用 相 同 的 步 進(jìn) 電 機(jī) 、滾 珠 絲 杠 等 零 部 件 。關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床，兩坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) ..................................................... 32.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) ........................................................................ 32.2 兩軸實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定 ............................................................ 4第三章 機(jī)械部件的計(jì)算和選擇 .................................................................... 53.1 切削力的計(jì)算 ............................................................................................ 53.2 機(jī)械構(gòu)件的選擇 ........................................................................................ 83.2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 ............................................................................ 83.2.2 絲杠的選擇 ............................................................................... 123.2.3 軸承的選擇 ............................................................................... 173.2.4 導(dǎo)軌的選擇 ............................................................................... 183.2.5 聯(lián)軸器的選擇 ............................................................................ 213.2.6 傳動(dòng)裝置的選擇 ........................................................................ 213.3 Y 軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 ............................................................................... 26第四章 虛擬樣機(jī)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(tái) ...................................................................................... 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(dòng) 軸 承 .................................................................................. 304.1.7 軸 ............................................................................................. 304.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)總裝配圖 .................................................................. 31第五章 控制系統(tǒng) ......................................................................................... 325.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 ............................................................................ 325.2 變頻器的選擇 ............................................................................................ 355.2.1 外部結(jié)構(gòu) ................................................................................... 365.2.2 運(yùn)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(bào)警電路 ................................................................................. 385.4.2 掉電保護(hù)電路 ........................................................................................ 38結(jié)論 ......................................................................................................................... 39參 考 文 獻(xiàn) ................................................................................................ 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(jī) 床 的 消 費(fèi) 量 在 全 世 界 僅 次 于 美 國 和 日 本 ， 居 第 三 位 。 我 國 機(jī)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(jī) 床 是 現(xiàn) 代 基 礎(chǔ) 機(jī) 械 代表 產(chǎn) 品 。 機(jī) 床 是 機(jī) 床 制 造 技 術(shù) 、 微 電 子 和 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 三 者 相 結(jié) 合 的 產(chǎn) 物 。機(jī) 床 的 性 能 水 平 主 要 取 決 與 系 統(tǒng) 的 先 進(jìn) 性 。 近 年 來 ， 隨 著 國 外 高 檔NC機(jī) 床 產(chǎn) 品 的 進(jìn) 口 和 國 外 技 術(shù) 的 引 進(jìn) ， 我 國 的 機(jī) 床 生 產(chǎn) 取 得 了 長NC足 的 進(jìn) 步 。進(jìn) 入 21 世 紀(jì) ,我 國 機(jī) 床 制 造 業(yè) 既 面 臨 著 提 升 機(jī) 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(jī) ,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(jìn) 數(shù) 控 技 術(shù) 將 是 解 決 機(jī) 床 制 造 業(yè) 持 續(xù) 發(fā) 展 的 一 個(gè)關(guān) 鍵 。數(shù) 控 機(jī) 床 及 由 數(shù) 控 機(jī) 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(jī) 床 以 其 卓 越 的 柔 性自 動(dòng) 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(jī) 械 產(chǎn) 品 向 機(jī) 電 一 體 化 發(fā) 展 的 先 河 ， 因 此 數(shù) 控 技 術(shù) 成 為 先 進(jìn) 制 造 技術(shù) 中 的 一 項(xiàng) 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(jìn) 了 數(shù) 控 機(jī) 床 的 進(jìn) 一 步 提 升 。在 發(fā) 達(dá) 國 家 ， 數(shù) 控 機(jī) 床 已 經(jīng) 大 量 普 遍 使 用 。 我 國 制 造 業(yè) 機(jī) 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(jī) 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(gè) 層 次 的 技 術(shù) 人 才 。我 國 經(jīng) 濟(jì) 快 速 發(fā) 展 。 逐 步 成 為 世 界 制 造 中 心 進(jìn) 入 新 的 世 紀(jì) 以 后 ， 隨著 我 國 綜 合 國 力 的 進(jìn) 一 步 增 強(qiáng) 和 加 人 世 界 貿(mào) 易 組 織 ， 我 國 經(jīng) 濟(jì) 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(diǎn) 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(jìn) 入 了 一第一章 引 言- 2 -個(gè) 空 前 蓬 勃 發(fā) 展 的 新 時(shí) 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(dòng) ， 各 校 均 建 有 不 同 規(guī) 模 的 數(shù) 控 實(shí) 訓(xùn)基 地 ， 有 的 是 規(guī) 模 大 、 設(shè) 備 種 類 多 的 實(shí) 訓(xùn) 中 有 的 是 設(shè) 備 種 類 和 數(shù) 量 相 對 較 少的 實(shí) 驗(yàn) 室 。 有 的 學(xué) 校 實(shí) 訓(xùn) 基 地 以 普 通 加 工 設(shè) 備 配 進(jìn) 口 數(shù) 控 系 統(tǒng) 為 主 ． 有 的 學(xué)校 以 教 學(xué) 型 數(shù) 控 設(shè) 備 為 主 。 總 的 情 況 是 ， 數(shù) 控 設(shè) 備 的 臺(tái) 套 種 類 ， 數(shù) 量 與 學(xué) 生規(guī) 模 反 差 較 大 。 用 于 教 學(xué) 實(shí) 驗(yàn) 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(jī) 電 類 學(xué) 生 工 程 實(shí) 踐 能 力 普 遍 較 差 ， 其 學(xué) 習(xí) 和 研 究 工作 偏 向 計(jì) 算 機(jī) 化 、 軟 件 化 ， 動(dòng) 手 能 力 與 理 論 更 是 難 結(jié) 合 在 一 起 。 嚴(yán) 重 影響 實(shí) 訓(xùn) 、 培 訓(xùn) 效 果 。1.2 課題的意義通 過 對 實(shí) 驗(yàn) 型 兩 軸 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) ， 要 求 學(xué) 生 能 夠 綜 合 運(yùn) 用 所 學(xué) 過 的 數(shù)控 技 術(shù) 、 微 機(jī) 原 理 與 接 口 技 術(shù) 、 軟 件 程 序 設(shè) 計(jì) 、 工 藝 等 知 識(shí) ， 掌 握 數(shù) 控 機(jī) 床機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 及 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 開 發(fā) 過 程 。 重 點(diǎn) 掌 握 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 、 控制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 開 發(fā) 過 程 ， 機(jī) 床 工 作 臺(tái) 及 其 相 應(yīng) 的 夾 具 及 機(jī) 床 配 件 設(shè) 計(jì) 。 為 畢業(yè) 后 從 事 機(jī) 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(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)- 3 -第二章 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)2.1 數(shù)控系統(tǒng)總 體 方 案 的 設(shè) 計(jì)主要包括以下幾個(gè)方面：（ 1） 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)。 包 括 確 定 機(jī) 床 所 需 運(yùn) 動(dòng) 的 個(gè) 數(shù) 、 形 式 （ 直 線 運(yùn) 動(dòng) 、回 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ） 、 功 能 （ 主 運(yùn) 動(dòng) 、 進(jìn) 給 運(yùn) 動(dòng) 、 其 他 運(yùn) 動(dòng) ） 及 排 列 順 序 ， 最 后 畫 出機(jī) 床 的 運(yùn) 動(dòng) 功 能 圖 。（ 2） 基本參數(shù)設(shè)計(jì)。 包 括 尺 寸 參 數(shù) 、 運(yùn) 動(dòng) 參 數(shù) 和 動(dòng) 力 參 數(shù) 設(shè) 計(jì) 。（ 3） 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 包 括 傳 動(dòng) 方 式 、 傳 動(dòng) 原 理 圖 及 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 圖 設(shè) 計(jì) 。（ 4） 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。 包 括 運(yùn) 動(dòng) 功 能 分 配 、 總 體 布 局 機(jī) 構(gòu) 形 式 及 總體 結(jié) 構(gòu) 方 案 圖 設(shè) 計(jì) 。（ 5） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。 包 括 控 制 方 式 及 控 制 原 理 、 控 制 系 統(tǒng) 圖 設(shè) 計(jì) 。根據(jù)前面所提到的數(shù)控機(jī)床應(yīng)滿足的基本要求就可以進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。 在 各項(xiàng) 基 本 要 求 中 以 工 藝 要 求 最 為 重 要 。 由 工 藝 要 求 決 定 機(jī) 床 所 需 要 的 運(yùn) 動(dòng) 。 完成 每 個(gè) 運(yùn) 動(dòng) 又 有 相 應(yīng) 的 功 能 部 件 。 這 就 可 以 確 定 各 部 件 的 相 對 運(yùn) 動(dòng) 和 相 對 位置 關(guān) 系 。 機(jī) 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(jì) 是 一 項(xiàng) 全 局 性 的 設(shè) 計(jì) 工 作 ， 直 接 影 響 機(jī) 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(shí) 驗(yàn) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 方 案 擬 定對 教 學(xué) 試 驗(yàn) 型 微 型 數(shù) 控 銑 床 的 設(shè) 計(jì) ， 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(jià) 格 低 ， 有 利 于 此 類 銑 床 的 普 及 推 廣 。 所 以 本 課 題 的 設(shè) 計(jì) 主 要是 兩 個(gè) 方 面 ： 其 一 ： 機(jī) 械 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計(jì) ； 其 二 ： 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 。 這 里 有 兩個(gè) 方 案 ：方 案 一 、 采 用 減 速 箱 ， 并 對 滾 珠 絲 杠 進(jìn) 行 兩 端 支 撐 ；第 二 章 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)- 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(dá) 到 ： 1.增 大 轉(zhuǎn) 動(dòng) 扭 矩 ； 2.提 高 脈 沖 當(dāng) 量 ； 3.匹 配 慣 量 。 對 滾 珠 絲 杠 進(jìn) 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(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 和 滾 珠 絲 杠 ， 對 滾 珠 絲杠 進(jìn) 行 一 端 支 撐 。該 設(shè) 計(jì) 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(jì) 算 切 削 力 較 小 ， 選 用 步 進(jìn)電 機(jī) ， 脈 沖 當(dāng) 量 為 2mm/min， 采 用 減 速 向 變 速 ， 傳 動(dòng) 比 選 用 1.25， 通 過 計(jì)算 可 以 提 高 脈 沖 當(dāng) 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(dòng) 機(jī) 軸 和 滾 珠 絲 杠 ， 精 度 不 高 ，電 機(jī) 功 率 太 小 ， 直 接 帶 動(dòng) 滾 珠 絲 杠 在 長 時(shí) 間 工 作 時(shí) ， 對 步 進(jìn) 電 機(jī) 損 耗 較 大 。采 用 一 端 支 撐 ， 會(huì) 導(dǎo) 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(shí) 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(shí) 驗(yàn) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 方 案 擬 定教 學(xué) 試 驗(yàn) 型 微 型 數(shù) 控 銑 床 的 總 體 長 為 300mm， 寬 為 180mm， 高 為400mm， 工 作 臺(tái) 寬 度 180mm， 長 180mm。 可 以 實(shí) 現(xiàn) X 軸 、 Y 軸 和 Z 軸 三 坐 標(biāo)聯(lián) 動(dòng) 。 X 軸 、 Y 軸 的 進(jìn) 給 是 通 過 電 機(jī) 帶 動(dòng) 絲 杠 ， 絲 杠 又 與 螺 母 傳 動(dòng) 來 實(shí) 現(xiàn) 。電 機(jī) 與 絲 杠 的 連 接 可 以 通 過 銷 釘 來 達(dá) 到 。 在 傳 動(dòng) 過 程 中 電 機(jī) 帶 動(dòng) 絲 杠 做 旋 轉(zhuǎn)運(yùn) 動(dòng) ， 螺 母 沿 導(dǎo) 軌 做 水 平 移 動(dòng) ， 從 而 帶 動(dòng) 工 作 臺(tái) 運(yùn) 動(dòng) 。 Z 軸 的 進(jìn) 給 也 是 通過 電 機(jī) 帶 動(dòng) 絲 杠 ， 絲 杠 又 與 Z 軸 螺 母 傳 動(dòng) 來 實(shí) 現(xiàn) 。 主 軸 套 與 Z 軸 螺 母 相 連 ，在 傳 動(dòng) 過 程 中 電 機(jī) 帶 動(dòng) 絲 杠 做 旋 轉(zhuǎn) 運(yùn) 動(dòng) ， 螺 母 沿 導(dǎo) 軌 做 上 下 移 動(dòng) ， 從 而 帶 動(dòng)主 軸 做 上 下 運(yùn) 動(dòng) 。第 二 章 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)- 5 -控 制 系 統(tǒng) 部 分 ： 通 過 采 用 三 菱 公 司 的 FX2N系 列 單 片 微 機(jī) 構(gòu) 成 的 控 制 系統(tǒng) 來 實(shí) 現(xiàn) 對 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 啟 停 、 正 反 轉(zhuǎn) 、 兩 軸 聯(lián) 動(dòng) 和 變 頻 調(diào) 速 的 控 制 ， 從 而 實(shí)現(xiàn) 加 工 過 程 的 自 動(dòng) 控 制 。 其 中 重 點(diǎn) 是 確 定 硬 件 電 路 的 總 體 方 案 和 軟 件 設(shè) 計(jì) ，主 要 有 ： 存 儲(chǔ) 器 擴(kuò) 展 電 路 設(shè) 計(jì) ， 輸 入 輸 出 接 口 電 路 設(shè) 計(jì) ， 步 進(jìn) 電 機(jī) 接 口 和 驅(qū)動(dòng) 電 路 （ 光 電 隔 離 電 路 ， 功 率 放 大 電 路 ） ， 其 他 輔 助 電 路 （ 時(shí) 鐘 電 路 ， 復(fù) 位電 路 ， 越 界 報(bào) 警 電 路 ， 掉 電 保 護(hù) 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(dòng) 電 路鍵 盤 輸 入數(shù) 據(jù) 顯 示傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu)工 作 臺(tái)第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 6 -第 三 章 機(jī)械部件的計(jì)算和選擇3.1 切削力的計(jì)算該實(shí)驗(yàn)型數(shù)控實(shí)訓(xùn)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(jī) 床 設(shè) 計(jì) 手 冊 》 ， 因 沒 有 石 蠟 和 塑料 的 銑 削 公 式 ， 所 以 在 查 閱 手 冊 時(shí) ， 以 圖 表 中 最 軟 的 材 料 為 依 據(jù) 進(jìn) 行 參 數(shù) 的選 擇 。Z 軸 銑 削 工 作 時(shí) 銑 削 力 的 計(jì) 算 ：現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，工作材料為碳鋼進(jìn)行計(jì)算。1. 最大銑削直徑 d =10mm.最小直徑 d =4mmmaxmin由《實(shí)用機(jī)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(dòng)機(jī)時(shí)按銑削計(jì)算。3.選主電動(dòng)機(jī)時(shí)：第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 7 -因?yàn)殂娤髯畲蟮那邢髁椋篎 =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(dòng)機(jī)為 p =1.1KW 型號(hào)：Y90S —4 型m2. X、Y 軸銑削工作時(shí)銑削力的計(jì)算其中主轉(zhuǎn)動(dòng)中主軸功率 N =0.79KW.則 η=0.79/1.1=0.718主電動(dòng)機(jī)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(jī)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(jìn)行計(jì)算。主轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)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(jìn)給傳動(dòng)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(shí)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(shí)主切c削力 F 與銑削進(jìn)給抗力 F 之間的值由 《機(jī)床設(shè)計(jì)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(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 8 -3.2 機(jī)械構(gòu)件的選擇3.2.1電動(dòng)機(jī)的選擇應(yīng)用中的注意點(diǎn)①步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過 1000 轉(zhuǎn)，（0.9 度時(shí)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(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。②步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。③由于歷史原因，只有標(biāo)稱為 12V 電壓的電機(jī)使用 12V 外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)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(dāng)然 12 伏的電壓除 12V 恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過要考慮溫升。④轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。⑤電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。⑥高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來解決，也可以采用 5 相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少。⑦電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)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(jī)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(dòng)。⑨應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。（2）步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來了。①步距角的選擇電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有 0.36 度/0.72 度（五相電第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 9 -機(jī)）、0.9 度/1.8 度（二、四相電機(jī)）、1.5 度/3 度 （三相電機(jī)）等。選用 1.5度。②靜力矩的選擇步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的 2-3 倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長度便能確定下來。③電流的選擇靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循步驟如圖 2 所示：圖 2 選擇電機(jī)的步驟④ 力矩與功率換算步進(jìn)電機(jī)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：第三章 機(jī)械零部件的計(jì)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(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(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)正是由混合式步進(jìn)電機(jī)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(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，以和最具有可比性的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)相比為例。首先，混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高，由于驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)中可靠性最薄弱的一個(gè)部分，所以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性主要是由驅(qū)動(dòng)器的可靠性來決定的?；旌鲜诫姍C(jī)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(jī)繞組電流可以設(shè)計(jì)得比較小，而反應(yīng)式電機(jī)磁場完全由繞組電流產(chǎn)生，故欲和混合式電機(jī)產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)體積相差不太大的情況下，反應(yīng)式電機(jī)所需電流就要大得多。在當(dāng)前電力電子器件水平限制下，混合式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器就比反應(yīng)式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器要可靠得多，同時(shí)由于大的繞組電流，反應(yīng)式電機(jī)本體的發(fā)熱情況也要嚴(yán)重的多。實(shí)際上，為產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，反應(yīng)式電機(jī)不僅線圈電流大，而且定子線圈匝數(shù)多，電機(jī)體積大，繞組電感也大。由于繞組電感大，反應(yīng)式驅(qū)動(dòng)器必須要以高壓驅(qū)動(dòng)才會(huì)有比較好的高頻性能，但這樣驅(qū)動(dòng)器的可靠性會(huì)明顯變差；如果反應(yīng)式驅(qū)動(dòng)器取和混合式驅(qū)動(dòng)器一樣的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，電機(jī)的高頻轉(zhuǎn)矩明顯要小，這也是反應(yīng)式電機(jī)系統(tǒng)性能比混合式電機(jī)系統(tǒng)差的一個(gè)重要原因?；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)一般步距角 θ 較小，再加上混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯，振蕩較小，在控制步進(jìn)電機(jī)升降頻規(guī)律一致的情況下，運(yùn)行要比反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定。第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 11 -混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于混合式步進(jìn)電機(jī)的制造比較復(fù)雜，電機(jī)的成本相對較高；其次是雖然混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯，振蕩較小，但依然影響性能。脈沖當(dāng)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(jī)械系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，或者對其精度和動(dòng)態(tài)性能提出過高要求，使經(jīng)濟(jì)性降低。所以根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖當(dāng)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(dǎo)程pb0hP =4mm。一般來講，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距角較小，運(yùn)行頻率高，價(jià)格較低，h但功耗較大，永磁式步進(jìn)電機(jī)功耗較小，斷電后仍有制動(dòng)力矩，但步距角較大，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，混合式步進(jìn)電機(jī)由上述兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高。考慮到該機(jī)床垂直進(jìn)給方向需用自鎖機(jī)構(gòu)，所以選用具有自鎖功能的混合式步進(jìn)電機(jī)。（4） 計(jì)算選擇1. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算銑削時(shí)：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(jì)算可知，銑削時(shí)啟動(dòng)力矩遠(yuǎn)大于鉆削啟動(dòng)力矩，為滿足鉆銑要求，以銑削時(shí)所需要求為宜。由手冊可知：T /T =0.866，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)Pjm矩 T = T /0.866=40.8/0.866=47.1 N.cmjmP2. 確定步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。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(dòng)慣量，0第三章 機(jī)械零部件的計(jì)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(diǎn)滾珠絲杠螺母副（以下簡稱滾珠絲杠副）是一種新型的傳動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)構(gòu)為滾珠絲杠副。在數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)中，經(jīng)常用于代替滑動(dòng)絲杠，以提高傳動(dòng)精度。絲杠螺母副的特點(diǎn)：（1）用較小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)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(dá)到很大的降速比，使降速機(jī)構(gòu)大為簡化，傳動(dòng)鏈的以縮短。（3）能達(dá)到較高的傳動(dòng)精。用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí),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(dá) 0.0001mm。（4）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率 =0.92~0.96,而一般?的常規(guī)（滑動(dòng)）絲杠螺母副的 =0.20~0.40。所以滾珠絲杠的傳動(dòng)效率比常規(guī)絲?杠的傳動(dòng)效率提高了 3~4 倍。因此功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的 。143（5）給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時(shí)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(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 13 -（6）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運(yùn)動(dòng)速度完全無關(guān)，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)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(dòng)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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件，也可以作為從動(dòng)件。（8）制造工藝復(fù)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(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需要添加制動(dòng)裝置。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí)，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(shí)，目前采用的方法是，在防止疲勞點(diǎn)蝕的基礎(chǔ)上，即滾性絲杠在工作過程中受軸向負(fù)載時(shí)，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(jì)滾珠絲杠副時(shí)，必須保證在一定的軸向負(fù)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(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)負(fù)載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載。2. 滾珠絲杠的選擇計(jì)算(1) 動(dòng)載荷 Cae 的計(jì)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(fù)載max第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 14 -L——使用壽命工作負(fù)載 P 是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數(shù)據(jù)可用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算：對于類似燕尾型尋軌的機(jī)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(dòng)部件的重量f ——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)'k——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)選用滾動(dòng)導(dǎo)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(shí)所需切削力均大于鉆削的切削力，故意下計(jì)算均按銑削設(shè)計(jì)。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(zhuǎn)速（r/min）T——使用壽命（小時(shí)）對于數(shù)控機(jī)床，n 一般取 1250 r/min，T 一般取 15000h，因?yàn)?L=60×1250×15000/10 =11256Q= ×1.0×1.2×93.7=1169N3125第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 15 -查表初步選用的型號(hào)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(dǎo)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(dòng)負(fù)載2 1C =6367 N ，螺母外徑 D=72 mm，螺母內(nèi)徑 D =32 mm，螺母長度 L=40 0 1mm。(2) 校核（1）效率計(jì)算從《機(jī)械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)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(dòng)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(yàn)算數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠是一種精密的傳動(dòng)元件，它在工作負(fù)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(dòng)精度和定位精度，因此，滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn)算其滿載時(shí)的變形量。從《材料力學(xué)》中得知，滾珠絲杠受工作負(fù)載（軸向力）P 的作用而引起一個(gè)螺距 t 的變化量△t ,可按下式計(jì)算：1△t =1tEF其中：P-工作負(fù)載；第三章 機(jī)械零部件的計(jì)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(nèi)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(gè)螺距 t 的變化量△t ，可以按下式計(jì)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(zhuǎn)角；φ= 其中， M-扭矩（ Ncm）,M= = =6.18NcmCtGJ 2Ptπ η 93.704165?G——扭轉(zhuǎn)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(nèi)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(jì))9?1如果 Y 方向的滾珠絲杠的長度為 100m,則整個(gè)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(yàn)算機(jī)床的進(jìn)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(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長柱。長柱壓桿失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載 P ，可用《材料力學(xué) 》中的歐拉公式計(jì)算k第三章 機(jī)械零部件的計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)是兩端向心軸承，u=1。P = =3.6×10 N k2723.14.0145(86)?7臨界負(fù)載 P 與工作負(fù)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(shí)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速比較低，滾珠絲杠傳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)就會(huì)非常小，所以臨界轉(zhuǎn)速就不用校核了。3.2.3 軸承的選擇機(jī)床傳動(dòng)軸的滾動(dòng)軸承的失效形式，主要是在循環(huán)接觸應(yīng)力下的作用，滾動(dòng)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(tái)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(diǎn)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(jié)構(gòu)可以簡化。（3）軸承啟動(dòng)摩擦力矩小，降低絲杠副的驅(qū)動(dòng)功率，提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度。第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 18 -現(xiàn)選用 7000C 型號(hào)，基本尺寸為:d=10mm,外徑 D=26mm,寬度 B=8mm,基本額定動(dòng)負(fù)荷 C =4.29KN,基本額定靜載荷 C =2.25KN，極限轉(zhuǎn)速（油潤滑）為r 0r28000 。min對軸承的疲勞壽命進(jìn)行校核：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知,軸承的基本額定壽命為：L =10h6()CnPε式中：P-當(dāng)量動(dòng)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(zhuǎn)速，n=1250 ；minrC——基本額定動(dòng)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(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)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(dǎo) 軌 的 選 擇導(dǎo)軌（Guideways）的功用是導(dǎo)向和承載。在導(dǎo)軌副（如工作臺(tái)和床身導(dǎo)軌）中，運(yùn)動(dòng)的另一方（如工作臺(tái)導(dǎo)軌）叫作動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的另一方（如床身第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 19 -導(dǎo)軌）叫做支承導(dǎo)軌。按摩擦性質(zhì)分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。在滑動(dòng)導(dǎo)軌中有靜壓導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和普通滑動(dòng)導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌的原理和靜壓滑動(dòng)軸承相同，該導(dǎo)軌多用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。動(dòng)壓倒軌，當(dāng)導(dǎo)軌面間的相對滑動(dòng)速度達(dá)到一定值后，液體的動(dòng)壓效應(yīng)是導(dǎo)軌的油腔處出現(xiàn)壓力油楔，把兩導(dǎo)軌面分開，從而形成以液體摩擦，這種導(dǎo)軌只能用于高速的場合，故僅用作主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，例如立式銑床導(dǎo)軌。普通滑動(dòng)導(dǎo)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(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。在部件自重和外載作用下，導(dǎo)軌面在導(dǎo)軌全長上可以始終貼合的稱為開式導(dǎo)軌，如龍門銑床的工作臺(tái)和床身導(dǎo)軌。部件的自重不能使主導(dǎo)軌面始終貼合，就必須增加壓板，形成輔助導(dǎo)軌面，稱為閉式導(dǎo)軌。導(dǎo)軌選擇考慮的因素：1. 導(dǎo)向精度導(dǎo)軌在空載下運(yùn)動(dòng)和在切削條件下運(yùn)動(dòng)時(shí)，都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。保證軸承運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，是保證導(dǎo)軌工作質(zhì)量的前提。（1）幾何精度直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的幾何精度一般包括：導(dǎo)軌在豎直平面內(nèi)的直線度（簡稱 A項(xiàng)精度）；導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線度（簡稱 B 項(xiàng)精度）；兩導(dǎo)軌面間的平行度，也叫作扭曲（簡稱 C 項(xiàng)精度）。在 A、B 兩項(xiàng)精度中，都規(guī)定了導(dǎo)軌在每米長度上和導(dǎo)軌全長上，兩導(dǎo)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(dǎo)軌表面，接觸精度按 的規(guī)定，采用著色法進(jìn)行檢查。278J用接觸面所占的百分比或 面積內(nèi)接觸點(diǎn)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(jī)床質(zhì)量的主要內(nèi)容之一，也是科學(xué)研究的一大課題。常見的磨損形式有磨料（硬第三章 機(jī)械零部件的計(jì)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(dǎo)軌面間隨之相對運(yùn)動(dòng)，形成對導(dǎo)軌面的切削，使導(dǎo)軌面產(chǎn)生劃傷。磨料的硬度越高，相對滑動(dòng)速度越大，壓強(qiáng)越大，對摩擦副的危害也越大。磨料磨損很難避免，是導(dǎo)軌防護(hù)的重點(diǎn)。粘著磨損也稱為分子——機(jī)械磨損。當(dāng)兩個(gè)摩擦表面相互接觸時(shí)，在高壓強(qiáng)下材料產(chǎn)生塑性變形，相對運(yùn)動(dòng)時(shí)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(huì)產(chǎn)生分子間的相互吸引和滲透，使接觸點(diǎn)粘結(jié)而發(fā)生咬焊。接觸面的相對運(yùn)動(dòng)又要將咬焊點(diǎn)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(dòng)摩擦副中，也是無法避免的。低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性當(dāng)導(dǎo)軌作低速運(yùn)動(dòng)或微量位移時(shí)，應(yīng)保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，即不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料和潤滑，與動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差值，與傳動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈的剛度有關(guān)。結(jié)構(gòu)簡單平穩(wěn)性好大多數(shù)機(jī)床的導(dǎo)軌都要淬硬，因此導(dǎo)軌的精加工，不能淬硬。設(shè)計(jì)時(shí)要注意使導(dǎo)軌的制造和維修方便，刮研量少。如果采用鑲裝導(dǎo)軌，則應(yīng)盡量做到更換容易。導(dǎo)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(dǎo)軌清潔的潤滑油。油量可以調(diào)節(jié)。盡量采取自動(dòng)和強(qiáng)制潤滑。潤滑元件要可靠。要有安全裝。例如靜壓導(dǎo)軌在未形成油膜之前不能開車和潤滑不正常有報(bào)警信號(hào)等。導(dǎo)軌的潤滑方式有很多?？梢匀斯ざㄆ谙?qū)к壝鏉灿?。此法簡單易行，但不能?jīng)常保證足夠的潤滑。也可在運(yùn)動(dòng)部件上裝油杯，使油沿油孔流或滴向?qū)к壝?，也可在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌面上裝潤滑電磁泵?；蚴謩?dòng)潤滑油泵，定時(shí)拉動(dòng)幾下供油。第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 21 -為使?jié)櫥驮趯?dǎo)軌面上較均勻的分布，保證潤滑效果，需在導(dǎo)軌面上開出油溝。2. 潤滑油的選擇導(dǎo)軌常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂，滑動(dòng)導(dǎo)軌用潤滑油，滾動(dòng)導(dǎo)軌兩者都可用。導(dǎo) 軌 潤 滑 油 的 粘 度 可 根 據(jù) 導(dǎo) 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(jī) 床 進(jìn) 給 導(dǎo) 軌 ， 可 用 導(dǎo) 軌 油 ； 中 載 荷 的 中 低 速 導(dǎo) 軌 ， 可 采32N用 導(dǎo) 軌 油 ； 重 型 機(jī) 床 的 低 速 導(dǎo) 軌 ， 可 用 或 導(dǎo) 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(jìn)給機(jī)構(gòu)的兩根軸使之一起回轉(zhuǎn)傳遞扭矩和運(yùn)動(dòng)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(jī)械式。機(jī)械式聯(lián)軸器的應(yīng)用最為廣泛。套筒聯(lián)軸器構(gòu)造簡單，徑向尺寸小，但裝卸困難（軸需作軸向移動(dòng)）。且要求兩軸嚴(yán)格對中，不允許有徑向或角度偏差，因此使用時(shí)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(dòng)力傳遞沒有方向間隙。凸緣式聯(lián)軸器構(gòu)造簡單、成本的、可傳遞較大扭矩，常用于轉(zhuǎn)速低、五種及、軸的剛性大及對中性好的場合。他的主要缺點(diǎn)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(jī)件內(nèi)引起附加載荷，使工作狀況惡化。根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，需要的轉(zhuǎn)距不是很大，精度不高，又因?yàn)檩S徑較小，所以選擇了套同式聯(lián)軸器3.2.6 傳動(dòng)裝置的選擇傳動(dòng)裝置選用閉式標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的適用范圍很廣，傳遞功率可高達(dá)數(shù)萬千瓦，圓周速度可達(dá) 150m/s(最高可達(dá) 300m/s)。和其他機(jī)械傳動(dòng)比較，齒輪傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是工作可靠，使用壽命長；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度適用范圍很廣等。第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 22 -齒輪的設(shè)計(jì)1）材料的選取因傳動(dòng)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(diào)制處理，硬度為 240-280HB，平均取250HB。2）尺寸計(jì)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(jì)算得齒輪的傳動(dòng)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(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)校核計(jì)算得知，齒輪的設(shè)計(jì)符合要求。第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 23 -3.3 Y軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例1、步進(jìn)電機(jī)的選擇和脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖當(dāng)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(dǎo)程 P =5mm。h2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)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(dòng)部件的總重量 G=50N；η——總機(jī)械效率 η=0.85；代入得： =47Ncm；由手冊可知：T /T =0.866，Pjm則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 T = T /0.866=60N.cmjP（3）確定步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)。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(dòng)慣量，0280gcm 2引線數(shù)，4。3. 滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算（1）最大動(dòng)負(fù)載 Q 的計(jì)算第三章 機(jī)械零部件的計(jì)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(fù)載，L——使用壽命。工作負(fù)載 P 是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數(shù)據(jù)可用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算：對于類似圓柱導(dǎo)軌的機(jī)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(jìn)行切削，所以為 0N；P ——z 方向的切削力，取為 650N。G——移動(dòng)部件的重量,取 50N,f ——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),k——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)'選用滾動(dòng)導(dǎo)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(zhuǎn)速（r/min）T——使用壽命（小時(shí)）對于數(shù)控機(jī)床，n 一般取 1250 r/min，T 一般取 15000h，因?yàn)?L=60×1250×15000/10 =11256Q= ×1.0×1.2×285=3358.9N3125查表初步選用的型號(hào)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(dǎo)程 t=4mm，鋼球直徑： D =3.725 mm ，絲0 n杠內(nèi)徑 d =17.1 mm ，絲杠外徑 d =19.3mm ，循環(huán)列數(shù) 3，額定動(dòng)負(fù)載2 1C =6612 N ，螺母外徑 D=72 mm，螺母內(nèi)徑 D =28 mm，螺母長度 L=40 0 1mm。（2）效率計(jì)算從《機(jī)械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率第三章 機(jī)械零部件的計(jì)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(dòng)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(yàn)算從《材料力學(xué)》中得知，滾珠絲杠受工作負(fù)載（軸向力）P 的作用而引起一個(gè)螺距 t 的變化量△t ,可按下式計(jì)算： △t =1 1PtEF其中：P-工作負(fù)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(nèi)徑而定）；△t = =0.31×10 cm162890.4123.5?7?由于扭矩引起的螺距誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸向力引起的螺距誤差，所以可以忽略不計(jì)。如果 Y 方向的滾珠絲杠的長度為 100m,則整個(gè)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(yàn)算機(jī)床的進(jìn)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(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長柱。長柱壓桿失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載 P ，可用《材料力學(xué) 》中的歐拉公式計(jì)算：k第三章 機(jī)械零部件的計(jì)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(shí)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(shè)計(jì)是兩端向心軸承，u=1。P = =3.5×10 N k2723.14.0145(9)?7臨界負(fù)載 P 與工作負(fù)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(huì)失穩(wěn)。(5) 由于鉆、銑工作時(shí)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速比較低，滾珠絲杠傳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)就會(huì)非常小，所以臨界轉(zhuǎn)速就不用校核了。5 滾動(dòng)軸承的選用計(jì)算絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺(tái)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(hào)，基本尺寸為:d=10mm,外徑 D=26mm,寬度 B=8mm,基本額定動(dòng)負(fù)荷 C =4.29KN,基本額定靜載荷 C =2.25KN，極限轉(zhuǎn)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(dòng)軸承也能滿足要求。第三章 機(jī)械零部件的計(jì)算和選擇- 27 -就不進(jìn)行滾動(dòng)軸承壽命的校核了。6、滾動(dòng)導(dǎo)軌的選用本設(shè)計(jì)選用的滑動(dòng)導(dǎo)軌中的圓柱的導(dǎo)軌， 該滾動(dòng)導(dǎo)軌內(nèi)部套有銅套，提高了耐磨性，并且其導(dǎo)向精度能滿足一般數(shù)控鉆銑床的要求，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，耐磨性和剛度都能符合要求。根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式及選用原則，分別對其他兩個(gè)方向的各個(gè)部件進(jìn)行選擇，為了提高互換性，并且在裝配時(shí)統(tǒng)一，首先分別進(jìn)行計(jì)算，然后選取性能更高的零部件，這樣不但保證個(gè)各個(gè)性能要求。其 余 計(jì) 算 過 程 在 此 將 不 再 一 一 贅 述 。
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