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摘要
數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床在當(dāng)今機(jī)械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家 基礎(chǔ)工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統(tǒng)機(jī)械制造工業(yè)提升改造和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、 柔性化、集成化生產(chǎn)的重要手段和標(biāo)志。數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，給機(jī)械制造 業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品種類和檔次以及生產(chǎn)方式帶來了革命性的變化。數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代加 工車間最重要的裝備。
本文的研究目標(biāo)是針對(duì)機(jī)床的特點(diǎn)，在滿足生產(chǎn)的前提下，對(duì)原機(jī)床做盡可 能少的改動(dòng)，利用數(shù)控系統(tǒng)控制鉆銑床運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工作臺(tái) X、Y、Z 的三坐標(biāo)控制及任意倆軸的聯(lián)動(dòng)控制，提高鉆銑床的加工精度和自動(dòng)化水平，完成機(jī)床的數(shù)控化改造。
根據(jù)經(jīng)濟(jì)性原則和生產(chǎn)的需要，采用的總體方案為：拆除機(jī)床工作臺(tái) X、 Y、 Z 軸 原進(jìn)給系統(tǒng)。將滑動(dòng)絲杠副更換為滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進(jìn)電 機(jī)。采用步進(jìn)電機(jī)減速齒輪帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過絲杠螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)。首 先進(jìn)行切削力的計(jì)算，然后根據(jù)切削力的大小計(jì)算絲杠的強(qiáng)度、剛度，再結(jié)合效率計(jì)算 校核所選絲杠。選擇合適的滾珠絲杠安裝方式。之后進(jìn)行齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)所選 步進(jìn)電機(jī)的步距角、脈沖當(dāng)量，結(jié)合公式計(jì)算出減速比，選擇合適的齒輪，根據(jù)所選齒 輪的參數(shù)計(jì)算出齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣，再結(jié)合絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，算出總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。最后進(jìn)行 轉(zhuǎn)距的計(jì)算，計(jì)算負(fù)載和空載時(shí)的最大轉(zhuǎn)矩，根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩選擇匹配的步進(jìn)電機(jī)。
關(guān)鍵詞： 鉆銑床 ； 數(shù)控； 滾珠絲杠。
Abstract
NC and NC machine tool technology in today's machinery manufacturing industry an important position and great benefits, display its national infrastructure in the industrial modernization of the strategic role, and has become a traditional mechanical manufacturing industries to transform and enhance the implementation of automation, flexible, integrated production and an important means of signs. CNC technology and the widespread application of CNC machine tools, machinery manufacturing to the industrial structure, product variety and quality and production methods brought about a revolutionary change. CNC machine tools are the most important modern processing plant and equipment.
The goal of this paper is aimed at the ZXK7532 milling machine characteristic, to meet the production condition, the original milling machine to do as little as possible changes, using the numerical control system of milling machine working table movement, implementation of X, Y, Z three coordinate control and random three axis linkage control, improving the processing precision and the automation level, finish milling machine numerical control transformation.
According to the principle of economy and production requirements, the overall plan for the demolition of the work table of the machine tool: X, Y, Z axis feed system. The sliding screw replacement for the ball screw deputy, and modified the reduction gear box, gear, stepping motor. The stepping motor deceleration gear drives the ball screw to rotate, and the screw nut pair drives rotation of the table. After the gear drive mechanism design, according to the selected stepper motor step angle, pulse equivalent, combined with the formula to compute the ratio, choosing the right gear, the gear parameters calculated from the rotation of the gear is used, combined with the screw rotational inertia, work out the total rotational inertia. The final torque calculation, computation load and no-load maximum torque, according to the maximum torque matching selection of step motor.
Key words: drilling and milling machine， Numerically-controller machine ， ball screw
目錄
摘要 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1 機(jī)床數(shù)控技術(shù)概述 1
1.1.1 課題研究的目的、意義 1
1.1.2 國內(nèi)、外機(jī)床數(shù)控化改造的現(xiàn)狀 2
第2章 機(jī)床總體布局設(shè)計(jì) 4
2.1機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定 4
2.2機(jī)床改造方案 5
2.2.1 機(jī)械部分改造 5
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的改造 6
2.2.3 電氣部分改造 6
2.2.4 測(cè)試機(jī)床精度 6
第3章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 6
3.1 垂直進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 6
3.1.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 7
3.1.2 滾珠絲桿副的預(yù)緊方式 13
3.1.3 齒輪傳動(dòng)消隙 14
3.1.4 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 14
3.1.5 減速齒輪副設(shè)計(jì) 15
3.1.6 步進(jìn)電機(jī)的選擇 16
3.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.2.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 18
3.2.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 21
3.2.3 減速齒輪副設(shè)計(jì) 22
3.2.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 23
3.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 24
3.3.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 24
3.3.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 27
3.3.3 減速齒輪副設(shè)計(jì) 27
3.3.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 28
第4章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 29
4.1 數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)的概述 29
4.2 控制系統(tǒng)總體方案的擬定 32
4.3 進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器選型 33
4.4 分配器 33
4.5 系統(tǒng)的編程與加工功能 34
4.6 系統(tǒng)報(bào)警 35
第5章 總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 36
5.1 單片機(jī)的設(shè)計(jì) 36
5.2 系統(tǒng)的擴(kuò)展 39
5.3 I/O口的擴(kuò)展 40
5.4 步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 42
第6章 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 47
第7章 機(jī)床調(diào)試驗(yàn)收 47
外文文獻(xiàn) 50
中文譯文 52
總結(jié) 56
參考文獻(xiàn) 57
致謝 58
IV
第1章 緒論
1.1 機(jī)床數(shù)控技術(shù)概述
機(jī)床數(shù)控技術(shù)是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的一種機(jī)床自動(dòng)控制技術(shù)。30多年來，隨著電子器件、計(jì)算機(jī)、傳感與檢測(cè)、機(jī)械制造技術(shù)的不斷進(jìn)步，以電子信息技術(shù)為基礎(chǔ)，集傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、成組技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)，傳感測(cè)控技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓氣動(dòng)技術(shù)、光機(jī)電技術(shù)于一體的數(shù)控技術(shù)得到迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，使得普通機(jī)械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控設(shè)備所替代，從而形成了巨大的生產(chǎn)力，導(dǎo)致了制造業(yè)發(fā)生了根本性變化。數(shù)控技術(shù)已成為現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)，其水平高低和數(shù)控機(jī)床擁有量多少是衡量一個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志12J。數(shù)控技術(shù)在機(jī)械制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，是因?yàn)樗行У亟鉀Q了復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題，能適應(yīng)各種機(jī)械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的需要，使企業(yè)快速響應(yīng)市場(chǎng)需求的能力大大加強(qiáng)，其經(jīng)濟(jì)效益顯著，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
l、生產(chǎn)效率高，比普通機(jī)床提高3．5倍：
2、減少工裝，減少人為誤差，提高加工精度，具有廣泛的適用性和靈活性；
3、縮短新產(chǎn)品的試制和生產(chǎn)周期，易于組織多品種生產(chǎn)，使企業(yè)能對(duì)市場(chǎng)需求做出快速響應(yīng)；
4、能加工普通機(jī)床不能加工的大型復(fù)雜零件；
5、能減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件，節(jié)省人力，能降低勞動(dòng)成本；
6、可實(shí)現(xiàn)軟件誤差補(bǔ)償和優(yōu)化控制。
1.1.1 課題研究的目的、意義
眾所周知，設(shè)備是企業(yè)生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展和實(shí)現(xiàn)經(jīng)營目標(biāo)的物質(zhì)基礎(chǔ)，設(shè)備的技術(shù)性能和技術(shù)狀況的好壞，直接影響到企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。設(shè)備的技術(shù)改造和更新速度又直接影響企業(yè)技術(shù)進(jìn)步、產(chǎn)品開發(fā)和市場(chǎng)開拓后勁。因此，加快設(shè)備更新和改造，以提高企業(yè)在國內(nèi)、外市場(chǎng)的競爭力，是企業(yè)的一項(xiàng)重大戰(zhàn)略任務(wù)。
更新改造舊機(jī)床是最近幾年發(fā)展起來的一個(gè)新興產(chǎn)業(yè)，在國外己形成一定規(guī)模和市場(chǎng)，涌現(xiàn)出了許多專門從事機(jī)床改造的公司。國外舊機(jī)床改造費(fèi)用大約為同類型新機(jī)床價(jià)格的60％，盡管費(fèi)用較高，但由于機(jī)床改造后使用效果好，所以仍然受到機(jī)床用戶的歡迎。國內(nèi)近幾年才有較多的用戶使用數(shù)控機(jī)床，大多數(shù)用戶當(dāng)前最關(guān)心的還是怎樣用好、維護(hù)好數(shù)控機(jī)床，機(jī)床改造還處于起步階段。改造舊機(jī)床是一項(xiàng)高新技術(shù)，風(fēng)險(xiǎn)大，承擔(dān)者必須具備比較全面的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，不僅要熟悉各種類型的機(jī)床和不同類型的數(shù)控及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，還要熟悉用戶的使用要求和機(jī)床的優(yōu)缺點(diǎn)。因此我們決定對(duì)現(xiàn)有設(shè)備進(jìn)行機(jī)床數(shù)控化改造。
1.1.2 國內(nèi)、外機(jī)床數(shù)控化改造的現(xiàn)狀
隨著科學(xué)生產(chǎn)力的發(fā)展，機(jī)床設(shè)備數(shù)控化率的提高已是衡量一個(gè)國家機(jī)械制造業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志。根據(jù)最近有關(guān)資料表明，我國機(jī)床總量為380余萬臺(tái)，其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有l(wèi) 1．34萬臺(tái)，即我國機(jī)床數(shù)控化率還不到3％，而一些發(fā)達(dá)國家早己達(dá)到20％以上。因此，我國機(jī)械制造水平與發(fā)達(dá)國家相比差距很大，設(shè)備陳舊，技術(shù)水平落后，嚴(yán)重地影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。對(duì)于一個(gè)企業(yè)要想在競爭激烈的市場(chǎng)中贏得生存，適應(yīng)當(dāng)前產(chǎn)品更新日新月異的發(fā)展，要求在最短時(shí)間生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低價(jià)的新產(chǎn)品。采用先進(jìn)的工藝設(shè)備，包括采用數(shù)控機(jī)床，已顯得越來越重要。因此，逐步提高數(shù)控機(jī)床的占有比，己經(jīng)成為我國制造技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)。
提高機(jī)床數(shù)控化率有兩個(gè)途徑：一是購買新的數(shù)控機(jī)床；二是對(duì)舊機(jī)床進(jìn)行數(shù)控改造。這對(duì)于我國一個(gè)機(jī)床擁有量極大(其中大部分機(jī)床役齡較長)而當(dāng)前經(jīng)濟(jì)財(cái)力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機(jī)床改造來提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率，是一個(gè)極其有效和實(shí)用的途徑。即使在發(fā)達(dá)的工業(yè)幽家，在大量制造數(shù)控機(jī)床的同時(shí)，也在組建維修改造專業(yè)公司，專門從事舊機(jī)床的維修和數(shù)控化改造，尤其在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家機(jī)床工業(yè)處于不景氣的今天，它們的機(jī)床改造卻是作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，生意盎然，處在黃金時(shí)代。用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng)，己形成了機(jī)床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新行業(yè)。在美國，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生 (Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Borsches工程公司、Anton機(jī)床公司、Devlieg．Bullavd(得寶)服務(wù)集團(tuán)、US設(shè)備公司等。美國得寶公司己在中國開辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝(Retrofitting)XJk。從事改裝業(yè)的著名公司有：大限工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工程公司、野琦工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。由于機(jī)床本身的特點(diǎn)，以及相應(yīng)技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，機(jī)床改造仍是一個(gè)“永恒”的課題，并且正在向著更高層次發(fā)展。我國的機(jī)床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新行業(yè)。結(jié)合我國機(jī)床業(yè)的實(shí)際和當(dāng)前相關(guān)新技術(shù)的發(fā)展，采
用數(shù)控技術(shù)改造舊機(jī)床主要有下述適應(yīng)性和特點(diǎn)：
(1)減少投資、交貨期短
同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60％．80％的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1／3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、刀具自動(dòng)交換裝置、托盤自動(dòng)交換裝置的制作與安裝等過于費(fèi)工、費(fèi)錢，往往使改造成本提高2．3倍，與購置新機(jī)床相比，只能節(jié)省投資50％左右。用數(shù)控技術(shù)改造舊機(jī)床主要有下述適應(yīng)性和特點(diǎn)：
(2)機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，但結(jié)構(gòu)受限
由于機(jī)床本身的特點(diǎn)，它與汽車等類機(jī)電產(chǎn)品不同，機(jī)床所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄鐵構(gòu)件，而不是焊接構(gòu)件。而鑄鐵件年代久，自然時(shí)效愈充分，內(nèi)應(yīng)力的消除使得精度比新鑄件更穩(wěn)定。從另一方面來說，這些鑄鐵件的重復(fù)使用，即節(jié)約了社會(huì)資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時(shí)對(duì)環(huán)保的影響。但舊機(jī)床的改造，由于受到原機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改進(jìn)。
(3)了解設(shè)備結(jié)構(gòu)性能，便于操作維修
購買新設(shè)備時(shí)，事先不能全面了解機(jī)床結(jié)構(gòu)性能，以致很難預(yù)計(jì)是否能完全適合其加工要求。改造則不然，由于舊設(shè)備已多年使用，機(jī)床操作者和維修人員已對(duì)其機(jī)械性能和結(jié)構(gòu)了解透徹，對(duì)機(jī)床的加工能力能較準(zhǔn)確地估算。機(jī)床數(shù)控改造時(shí)，可根據(jù)企業(yè)自身的技術(shù)力量和有關(guān)條件，采用自己改造或委托專業(yè)改造公司，并派原設(shè)備維修技術(shù)人員參加相結(jié)合的方法進(jìn)行。這樣，既可在數(shù)控改造過程中，培養(yǎng)提高相關(guān)人員的數(shù)控技術(shù)水平和有關(guān)專業(yè)知識(shí)，又便于合理選擇更換原機(jī)床設(shè)備中的部份元器件，更主要的通過改造，大大提高了企業(yè)自身對(duì)數(shù)控機(jī)床維修的技術(shù)力量，并且也大大縮短了對(duì)數(shù)控機(jī)床在操作使用和維修方面的培訓(xùn)時(shí)間，機(jī)床一旦改造調(diào)試完畢，就可很快投入正常全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，見效甚快。
(4)可充分利用現(xiàn)有的條件
可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時(shí)那樣需重新構(gòu)筑地基，同時(shí)工夾具、樣板及外圍設(shè)備也能再利用。以加工中心為例子，工藝裝備的費(fèi)用一般要占整個(gè)機(jī)床售價(jià)的10％以上。
(5)可更好地因地制宜，合理篩選功能
購買現(xiàn)成的通用數(shù)控機(jī)床，往往對(duì)一個(gè)具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能，而又可能缺少某一專用的特殊功能。如向機(jī)床制造廠提出特殊訂貨，增加某些專用功能，往往費(fèi)用大、交貨期長。而采用改造的方案，就可靈活選取所要的功能，并可根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法，增添某些部件，設(shè)計(jì)改造成專用數(shù)控機(jī)床。
(6) 可及時(shí)采用最新技術(shù)、充分利用社會(huì)資源
由于技術(shù)進(jìn)步和我國機(jī)床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，目前已有眾多的社會(huì)資源來支持機(jī)械方面的改造。如可隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，而且交貨期短：采用貼塑導(dǎo)軌新技術(shù)，不僅可使傳統(tǒng)的滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行，還使得刮研極為容易。這種塑料導(dǎo)軌帶和粘結(jié)劑，國內(nèi)己有多家廠生產(chǎn)，可敞開供應(yīng)。此外，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)還具有導(dǎo)軌精度自動(dòng)補(bǔ)償?shù)墓δ埽罱K可以獲得高于導(dǎo)軌實(shí)際具有精度。又如，當(dāng)采用其他方式恢復(fù)主軸回轉(zhuǎn)錐度有困難時(shí)，國內(nèi)現(xiàn)己有多家專業(yè)工廠從事將主軸軸承改造為靜壓或動(dòng)靜壓軸承的業(yè)務(wù)；現(xiàn)己有專業(yè)的潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、防護(hù)件生產(chǎn)廠；北京機(jī)床研究所已專業(yè)化生產(chǎn)加工中心的刀庫和機(jī)械手；洛陽軸承研究所為北京第一機(jī)床廠和南通機(jī)床廠配套電主軸部件，不僅將電動(dòng)機(jī)和主軸制成一體，而且主軸內(nèi)還包含了自動(dòng)央緊和松開刀柄的機(jī)構(gòu)，某些舊機(jī)床改造時(shí)，可以用電主軸部件來替代原來的主軸等這些例子，說明有一大批社會(huì)資源，因此可根據(jù)技術(shù)更新的發(fā)展速度，及時(shí)地采用最新技術(shù)，提高生產(chǎn)設(shè)備的自動(dòng)化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今高水平、高效率的機(jī)床.
第2章 機(jī)床總體布局設(shè)計(jì)
2.1機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定
根據(jù)設(shè)計(jì)要求并參考實(shí)際情況，初步選定機(jī)床主要參數(shù)如下：
工作臺(tái)寬度×長度 400×1100mm
主軸錐孔 7∶24
工作臺(tái)最大縱向行程 300mm
工作臺(tái)最大橫向行程 375mm
工作臺(tái)最大垂直行程 400mm
主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 12級(jí)
主軸轉(zhuǎn)速范圍 30~1500r/min
X、Y軸步進(jìn)電機(jī) 130BF001（反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）
Z軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 130BF001（反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）
主電動(dòng)機(jī)的功率 4KW
主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1440r/min
機(jī)床外形尺寸（長×寬×高） 150×1200×2300mm
機(jī)床凈重 500Kg
2.2機(jī)床改造方案
2.2.1 機(jī)械部分改造
通過對(duì)機(jī)床機(jī)械部分的分析和計(jì)算，在利用原機(jī)床的基礎(chǔ)上，通過對(duì)導(dǎo)軌的維修和滾珠絲杠的更換，來設(shè)定機(jī)械部件的規(guī)格、性能，以便數(shù)控系統(tǒng)正確且準(zhǔn)確的控制整部機(jī)床的機(jī)械部件，達(dá)到機(jī)床NC化。基于以上數(shù)控機(jī)床的工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)于ZXK7532鉆銑床機(jī)械部分改造的內(nèi)容如下：
(1)導(dǎo)軌與絲杠。由于長時(shí)間的磨損，導(dǎo)軌面產(chǎn)生摩擦致使產(chǎn)生了凹凸不平的現(xiàn)象，從而影響加工精度，因此要對(duì)導(dǎo)軌面進(jìn)行加工，如精磨、精刨、刮研等；絲杠方面，為了提高傳動(dòng)精度，把普通絲杠換為滾珠絲杠。滾珠絲杠的最大特點(diǎn)是可以減小正反向的傳動(dòng)間隙和減小傳動(dòng)阻尼，可大大提高傳動(dòng)精度。
(2)保留原機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，通過改造實(shí)現(xiàn)主軸正／反轉(zhuǎn)，啟動(dòng)／停車的NC控制；將工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)垂直、橫向和縱向三個(gè)方向拖板的進(jìn)給傳動(dòng)裝置取消，將滑動(dòng)絲杠副更換為滾動(dòng)絲杠副，并改裝減速齒輪、交流伺服電機(jī)。垂向工作臺(tái)傳動(dòng)升降機(jī)構(gòu)在更換滾珠絲杠副后會(huì)因失去自鎖而自動(dòng)下7滑，必須增加平衡裝置和制動(dòng)裝置；電機(jī)通過減速齒輪帶動(dòng)滾珠絲杠，從而帶動(dòng)拖板移動(dòng)。因此機(jī)械結(jié)構(gòu)更為簡單，減少了傳動(dòng)誤差。改造后結(jié)構(gòu)如圖：
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的改造
從性價(jià)比高、綜合成本低這兩個(gè)主要的原則出發(fā)，在這兩個(gè)原則的指導(dǎo)下對(duì)眾多的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行比較，選擇最合適的數(shù)控系統(tǒng)。不選擇那些已經(jīng)或?qū)⒁惶蕴漠a(chǎn)品，這樣用不了多長時(shí)間又要進(jìn)行更新，也不要一味追求高性能而增加投入，應(yīng)該在選擇性能優(yōu)良產(chǎn)品的同時(shí)，考慮價(jià)格因素，除產(chǎn)品本身的價(jià)值外，還要顧及與其配套的配件的采購、維修成本，因故障停機(jī)導(dǎo)致的時(shí)間成本，以及壽命周期等等。
2.2.3 電氣部分改造
對(duì)機(jī)床電氣進(jìn)行數(shù)控改造，需拆除原機(jī)床工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)及其相應(yīng)強(qiáng)電線路，由交流電動(dòng)機(jī)及光電編碼器輸出控制信號(hào)，設(shè)計(jì)由KAl～KA4個(gè)繼電器和接線端子排構(gòu)成的附件板，通過電纜與系統(tǒng)控制箱相連，接受系統(tǒng)的控制，可實(shí)現(xiàn)機(jī)床緊急停機(jī)、機(jī)床原點(diǎn)的設(shè)置、各坐標(biāo)軸限位、主軸的正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)停車、冷卻泵控制等功能。
2.2.4 測(cè)試機(jī)床精度
通過機(jī)床靜態(tài)測(cè)試和對(duì)標(biāo)準(zhǔn)樣件的試加工，來測(cè)試機(jī)床的各項(xiàng)精度，包括機(jī)床幾何精度和機(jī)床工作精度兩項(xiàng)。最后對(duì)改造后的機(jī)床和新機(jī)床的各項(xiàng)指標(biāo)做以對(duì)比，來考核改造是否成功，并得出結(jié)論。
第3章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
3.1 垂直進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
假定進(jìn)給箱的重量： =400kgf=400×9.8=3920N
Z軸的行程為： 400mm
垂直脈沖當(dāng)量： 0.005mm
預(yù)選滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =10mm
步距角：
快速進(jìn)給速度： =2.0m/min
3.1.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇。
（1）滾珠絲杠螺母副工作原理與特點(diǎn)
圖3-1 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理示意圖
1—螺母 2—滾珠 3—絲杠
滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖3-1所示。在絲杠3和螺母1上都有半圓弧形的螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道b，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠2。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。因而迫使螺母（或絲杠）軸向移動(dòng)?？芍?，滾珠絲杠螺母副中是滾動(dòng)摩擦，它具有以下特點(diǎn)：
1）摩擦損失小，傳動(dòng)效率高，可達(dá)0.9~0.96；
2）絲杠螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，提高了傳動(dòng)剛度；
3）摩擦阻力小，幾乎與運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，動(dòng)靜摩擦力之差極小，能保證運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象。磨損小、壽命長、精度保持好；
4）不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，絲杠立式使用時(shí)，應(yīng)增加制動(dòng)裝置。
（2）、滾珠絲杠螺母副的選用
目前我國滾珠絲杠螺母副的精度標(biāo)準(zhǔn)為四級(jí)：普通級(jí)P、標(biāo)準(zhǔn)級(jí)B、精密級(jí)J和超精密級(jí)C。各級(jí)精度所規(guī)定的各項(xiàng)允差可查有關(guān)手冊(cè)。一般的數(shù)控機(jī)床可選用標(biāo)準(zhǔn)級(jí)B，精密數(shù)控機(jī)床可選精密級(jí)J或超精密級(jí)C。
在設(shè)計(jì)和選用滾珠絲杠螺母副時(shí)，首先要確定螺距t、名義直徑D0、滾珠直徑d0等主要參數(shù)。在確定后兩個(gè)參數(shù)時(shí)，采用與驗(yàn)算滾珠軸承相似的方法，即規(guī)定在最大軸向載荷Q作用下，滾珠絲杠能以33.3r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)500小時(shí)而不出現(xiàn)點(diǎn)蝕。
選擇螺距t時(shí)，一般應(yīng)根據(jù)絲杠的承載能力和剛度要求，首先確定名義直徑D0，然后根據(jù)名義直徑D0盡量取較大的螺距。常用的螺距t=4、5、6、8、10、12mm。螺距愈小，在一定軸向力作用下摩擦力矩愈??；但t小時(shí)（滾珠也?。?，導(dǎo)致滾珠絲杠承載能力下降。另外，如絲杠名義直徑D0一定時(shí)，t減小、螺距升角β隨之減小，傳動(dòng)效率也隨之降低。絲杠名義直徑D0是指滾珠中心圓的直徑，根據(jù)承受的載荷來選取。D0愈大，絲杠承載能力和剛度愈大。為了滿足傳動(dòng)剛度和穩(wěn)定性的要求，通常應(yīng)大于絲杠長度的1/30~1/50。
滾珠直徑d0對(duì)承載能力有直接影響，應(yīng)盡可能取較大的數(shù)值。一般d0≈0.6t，其最后尺寸按滾珠標(biāo)準(zhǔn)選用。
滾珠的工作圈數(shù)J、列數(shù)K和工作滾珠總數(shù)N對(duì)絲杠工作特性影響很大。根據(jù)試驗(yàn)，每一個(gè)循環(huán)回路中，各圈所受載荷不均勻，滾珠第一圈約承受總載荷的50%，第二圈約承受30%，第三圈約承受20%。因此，圈數(shù)過多并不能加大承載能力，反而增加了軸向尺寸。一般工作圈數(shù)J=2.5~3.5圈。若工作圈數(shù)必須超過三圈半時(shí)，可制成雙列或三列，列數(shù)多，增加了接觸剛度，提高了承載能力。但并不是成比例增加，列數(shù)多，增加承載能力并不顯著，反而加大了螺母的軸向尺寸。一般K=2~3列。工作滾珠總數(shù)N不宜過多，一般N<150，否則，容易引起流通不暢而堵塞。但也不宜過少，這樣會(huì)使每個(gè)滾珠所受載荷加大，彈性變形也大。
（3）、工作載荷分析及計(jì)算
普通麻花鉆每一切刃都產(chǎn)生切向切削抗力,徑向切削抗力與軸向切削抗力。當(dāng)左，右切削刃對(duì)稱時(shí)，徑向抗力相互平衡。切向抗力形成鉆削扭矩M，它消耗了切削功率。所有切削刃上軸向抗力之和形成了鉆頭上的軸向力。
鉆削時(shí)安裝工件的工作臺(tái)是靜止的，不作縱，橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，因此鉆削時(shí)工作臺(tái)載荷主要是垂直進(jìn)給方向載荷，其大小與鉆削軸向力F相同，方向相反。當(dāng)鉆削工作臺(tái)不作垂直進(jìn)給時(shí)，是工作臺(tái)的靜壓垂直載荷；當(dāng)工作臺(tái)作垂直進(jìn)給時(shí)，是工作臺(tái)垂直進(jìn)給抗力。
由于鉆削時(shí)加工材料一般為碳素結(jié)構(gòu)鋼，鉆頭為普通麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《機(jī)床夾具設(shè)計(jì)手冊(cè)》得：
軸向切削力的計(jì)算公式如下：
F=667D
式中D為鉆頭直徑，f為每轉(zhuǎn)進(jìn)給量，為修正系數(shù)。=
已知結(jié)構(gòu)鋼和鑄鋼取,取進(jìn)給量f=0.2mm，由于最大鉆孔直徑是32mm,所以鉆頭直徑取D=32mm.
F=667D=6918.26N
（4）計(jì)算作用在絲杠上的最大動(dòng)負(fù)荷
首先根據(jù)切削力和運(yùn)動(dòng)部件的重量引起的進(jìn)給抗力，計(jì)算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)要求的壽命值計(jì)算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動(dòng)載荷C：
=
式中——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.2～1.5，有沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn)取1.5～2.5；
——滾珠絲杠工作載荷（N）；
——工作壽命，單位為10r，可按下式計(jì)算
=
式中 ——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）；
——使用壽命時(shí)間（h），數(shù)控機(jī)床取15000h。
鉆鏜床主軸燕尾導(dǎo)軌滾珠絲桿副驅(qū)動(dòng)時(shí)滾珠絲桿的工作載荷：
式中 F——切削時(shí)的軸向切削抗力；
——軸套和軸架以及主軸鍵上的摩擦系數(shù)＝0.15；
M——主軸上的扭矩；
——主軸直徑；
則 =
其中為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（），可取最高進(jìn)給速度的～；為絲杠基本導(dǎo)程（），計(jì)算時(shí)，可初選一數(shù)值，等剛度驗(yàn)算后再確定；
則
為額定使用壽命（），可?。?5000h;
則 ＝＝60.03萬轉(zhuǎn)
根據(jù)工作負(fù)載、壽命，計(jì)算出滾珠絲杠副承受的最大動(dòng)負(fù)載，?。?.2，則：
=＝＝35828.26N
由查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇絲杠的型號(hào)。選擇滾珠絲杠的直徑為40mm，型號(hào)為CDM4010-5-P4,其額定動(dòng)載荷是53411N，強(qiáng)度足夠用。
（5）絲杠螺紋部分長度
等于工作臺(tái)最大行程（400mm）加螺母長度（150mm），再加上兩端余量（40mm）。即：=400+150+402=630mm。
（6） 支撐跨距
應(yīng)略大于，取為=700mm。
（7） 效率計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為
＝
式中 ——螺紋的螺旋升角，該絲杠為5°41′；
——摩擦角約等于10′。
則 ＝0.971
（8）剛度驗(yàn)算
①.絲桿的拉壓變形量
滾珠絲杠工作時(shí)受軸向力和扭矩的作用，它將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，因滾珠絲杠受扭時(shí)引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)，故工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量
式中 ——彈性模數(shù)，對(duì)鋼，；
——滾珠絲杠截面積（）（按絲杠螺紋底徑確定）
＝×＝834.7
“＋”用于拉伸時(shí)，“－”用于壓縮時(shí)。
則
則絲桿的拉伸或壓縮變形量
②.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲桿的長度無關(guān)。當(dāng)絲桿在工作時(shí)有預(yù)緊時(shí)，其計(jì)算公式為：
式中 ——滾珠直徑；
——滾珠總數(shù)量＝Z×圈數(shù)×列數(shù)；
Z——一圈的滾珠數(shù)，Z=(外循環(huán))，，Z=（）－3（內(nèi)循環(huán)）；
——滾珠絲桿的公稱直徑；
——預(yù)緊力；
——滾珠絲桿工作載荷；
∵
Z==π×40/5.953＝21.11
則＝Z×圈數(shù)×列數(shù)＝21.11×2.5×2＝73.88
又∵滾珠絲桿的預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3，值可減小一半，因而。
③.支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
在垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中采用角接觸球軸承，其計(jì)算公式為：
式中 ——軸承所受軸向載荷；
——軸承的滾動(dòng)休數(shù)目；
——軸承滾動(dòng)體直徑；
∵ 工作載荷
滾珠絲桿的滾動(dòng)體數(shù)量，滾動(dòng)體直徑
則
因?yàn)橛蓄A(yù)緊力，故實(shí)際變形量
根據(jù)以上的計(jì)算，則總變形量為：
四級(jí)精度絲桿允許的螺距誤差為25μm，故剛度足夠。
（7）、壓桿穩(wěn)定的校核
滾珠絲桿通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向力工作負(fù)荷過大，將使絲桿失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為：
= 2 EI/L2(N)
式中： E為絲桿的彈性模量，對(duì)于鋼，E=20.6104，
I為截面慣性矩，I=d14/64，(d1為絲桿底徑),
L為絲桿最大工作長度，為絲桿支承方式系數(shù).
∵ I=×32.64/64=55442.2 =4
∴ =24×20.610455442.2/5802
=134.08104
臨界載荷與絲桿工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[]，則該滾珠絲桿不會(huì)失穩(wěn)。一般取[]=2.5-4。
=134.08104/8087＝166.4
∴ 壓桿穩(wěn)定
3.1.2 滾珠絲桿副的預(yù)緊方式
為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，常用的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到為無預(yù)緊時(shí)的2倍。但是，預(yù)緊載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大。通常，滾珠絲桿在出廠時(shí)，就已經(jīng)由制造廠調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動(dòng)載荷有一定的比例關(guān)系。
雙螺母墊片式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)見到，裝卸方便，剛度高；但調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動(dòng)。
雙螺母螺紋式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但準(zhǔn)確性差，且易于松動(dòng)，適用于剛度要求不高或隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動(dòng)。
雙螺母齒差式預(yù)緊：①調(diào)整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座兩端的內(nèi)齒圈，兩個(gè)螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，調(diào)整軸向位移。②能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，宜用于高度精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
在垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中要求要不定時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊力，因而宜用雙螺母螺紋式預(yù)緊。
3.1.3 齒輪傳動(dòng)消隙
齒輪傳動(dòng)的間隙也叫側(cè)隙，它是指一個(gè)齒輪固定不動(dòng)，另一個(gè)齒輪能夠作出的最大角位移。傳動(dòng)間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙；為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩(wěn)性，要盡可能減小傳動(dòng)間隙。除了提高制造和裝配精度外，消隙的主要途徑有：設(shè)計(jì)可調(diào)整傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)；設(shè)置彈性補(bǔ)償元件。在這設(shè)計(jì)里我采用可調(diào)整齒輪傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)來消除間隙。
3.1.4 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定
⑴、傳動(dòng)比的選定
對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)脈沖當(dāng)量確定，并且滾珠絲桿導(dǎo)程和步進(jìn)電機(jī)步距角都已初步選定后，則可用下式來計(jì)算該軸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比：
⑵、計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
初選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為130BF001
則查表查出電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量＝40.06×
對(duì)于軸，軸承，齒輪，聯(lián)軸節(jié)，絲桿等圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為：
對(duì)于鋼材，材料密度為，則有
從資料定出齒輪副為：
m＝2 mm
則： 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
＝
＝
滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算：
＝
工作臺(tái)質(zhì)量折算：
＝
傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：
=
=＝12.36
3.1.5 減速齒輪副設(shè)計(jì)
此處設(shè)計(jì)的減速齒輪副是開式齒輪傳動(dòng)，為防止輪齒太小引起的意外斷齒，傳遞動(dòng)力的齒輪模數(shù)一般不小于1.5～2mm，因此，減速齒輪模數(shù)取為m=2mm，選擇為直齒圓柱齒輪故分度圓壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)，頂隙系數(shù)。為了提高開式齒輪傳動(dòng)的耐磨性，要求有較大的模數(shù)，因而齒數(shù)應(yīng)少一些，一般取Z1=17～20，此處取=20，故= =20×4.17=84，取=84。
由
得：
表3-2 垂直進(jìn)給齒輪參數(shù)表
齒輪1
齒輪2
齒數(shù)Z
20
84
模數(shù)m（mm）
2
2
分度圓 d（mm）
40
168
齒頂圓 （mm）
44
172
齒根圓 （mm）
35
163
中心距 a（mm）
104
104
齒寬
20
16
圖3-3 齒輪零件圖
3.1.6 步進(jìn)電機(jī)的選擇
（1）、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
∵
又∵ t＝0.03s
①則折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總加速力矩為：
②折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩
∵ G＝980N ，(燕尾形導(dǎo)軌) ，
總效率 ， =4.17
∴
③附加摩擦力矩
∵ 預(yù)緊力 , 為滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)傳動(dòng)效率，取
∴
則步進(jìn)電機(jī)快速空轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩：
對(duì)于工作方式為五相十拍的步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
從相關(guān)資料查出130BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為9.31，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。
（2）、校核步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率
∵ 步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率是
查相關(guān)資料知：130BF001型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為＝3000,因而必須分三個(gè)階梯啟動(dòng)，每個(gè)階梯啟動(dòng)頻率為,在0.25s內(nèi)完成升速，0.05s過渡。取，則步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率為：
而步進(jìn)電機(jī)允許的運(yùn)行頻率為16000，所以滿足設(shè)計(jì)要求。
滾珠絲杠沒有自鎖能力，垂直坐標(biāo)不能鎖住，而進(jìn)給箱的重量相對(duì)來說比較大所以必須采用平衡裝置，避免在工作時(shí)主軸箱的失控下降。
3.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的選擇計(jì)算
假定工作臺(tái)及零件的總的量： =100kgf=100×9.8=980N
X軸的行程為： 300mm
縱向脈沖當(dāng)量： 0.01mm
預(yù)選滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =5mm
步距角：
快速進(jìn)給速度： =2.0m/min
3.2.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）、工作載荷分析及計(jì)算
滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫作進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩檫力。據(jù)機(jī)床加工的特點(diǎn)，當(dāng)銑削槽時(shí)，工作載荷最大，由于銑削時(shí)，工作載荷既包括銑削時(shí)沿著絲杠軸的方向的力（即軸向力），也包括工作臺(tái)及工件的重量（即垂直絲杠軸方向的力），由于在鉆削時(shí)不存在縱向運(yùn)動(dòng)，因此只要考慮銑削的情況，而銑削時(shí)的軸向力不大，所以在此不考慮銑削時(shí)產(chǎn)生的軸向力。
取銑削刀具直徑為75mm，而機(jī)床的計(jì)算轉(zhuǎn)速為250r/min，則
而，機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率
則
選端銑，對(duì)稱，其中端銑，時(shí)，
則得：
則可得
則在燕尾導(dǎo)軌上滾珠絲桿的工作載荷Fm為：
其中， =0.2， G=980N
（2）計(jì)算作用在絲杠上的最大動(dòng)負(fù)荷
其中L=60nt/106
因?yàn)橐话恪?.5，取=1.2
則
由查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇絲杠的型號(hào)。選擇滾珠絲杠的直徑為32mm，型號(hào)為CDM3205-5-P3,其額定動(dòng)載荷是19249N，強(qiáng)度足夠用。
（4）絲杠螺紋部分長度
等于工作臺(tái)最大行程（300mm）加螺母長度（150mm），再加上兩端余量（40mm）。即：=300+150+402=530mm。
（5） 支撐跨距
應(yīng)略大于，取為=550mm。
（6） 效率計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為
∵ 螺紋升角
∴
（7） 剛度驗(yàn)算
①.絲桿的拉壓變形量
滾珠絲桿截面積按絲桿螺紋的底徑確定：
工作負(fù)載引起的導(dǎo)程的變化量可用下式計(jì)算：
則絲桿的拉伸或壓縮變形量
L——滾珠絲杠兩端的支撐間距，取L=900mm
由于兩端均采用推力軸承，且絲桿又進(jìn)行了預(yù)緊，故其拉壓剛度可比一端固定的絲桿提高4倍。
②.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲桿的長度無關(guān)。當(dāng)絲桿在工作時(shí)有預(yù)緊時(shí)，其接觸變形量為：
（其中為預(yù)緊力，，而 ）
∵ 絲桿加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的1/3時(shí)
∴ 可減少一半。因此實(shí)際變形量為：
③.支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
根據(jù)以上的計(jì)算，則總變形量為：
三級(jí)精度絲桿允許的螺距誤差為15μm/m，故剛度足夠。
(8)穩(wěn)定性驗(yàn)算。
滾珠絲杠長期受軸向力，若軸向工作負(fù)載過大，會(huì)使其產(chǎn)生縱向變形失去穩(wěn)定性，
所以通過驗(yàn)算其所能承受的最大軸向載荷了解是否會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲。
式中 一一絲杠支撐系數(shù)，由于是兩端固定，所以=4；
E一一滾珠絲杠材料的彈性模量，取鋼；
L一一絲杠兩端距離。L=900mm；
I——絲杠截面慣性矩；
——絲杠底徑， =28.1m
所以最大軸向載荷為
穩(wěn)定性安全系數(shù)為
由于穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)大于許用穩(wěn)定安全系數(shù)4，所以絲杠很穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。
3.2.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定
⑴、傳動(dòng)比的選定
⑵、計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
初選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為130BF001
則查表查出電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量＝40.06×
則滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算：
齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算：
＝
工作臺(tái)質(zhì)量折算：
傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：
=
=9.341
3.2.3 減速齒輪副設(shè)計(jì)
此處設(shè)計(jì)的減速齒輪副是開式齒輪傳動(dòng)，為防止輪齒太小引起的意外斷齒，傳遞動(dòng)力的齒輪模數(shù)一般不小于1.5～2mm，因此，減速齒輪模數(shù)取為m=2mm，選擇為直齒圓柱齒輪故分度圓壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)，頂隙系數(shù)。為了提高開式齒輪傳動(dòng)的耐磨性，要求有較大的模數(shù)，因而齒數(shù)應(yīng)少一些，一般取Z1=17～20，此處取=20，故= =20×1.04=21，取=21。
由
得：
表3-4 縱向進(jìn)給齒輪參數(shù)表
齒輪1
齒輪2
齒數(shù)Z
20
21
模數(shù)m（mm）
2
2
分度圓 d（mm）
40
42
齒頂圓 （mm）
44
46
齒根圓 （mm）
35
37
中心距 a（mm）
41
41
齒寬
20
16
3.2.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇
（1）、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
∵
又∵
①則折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總加速力矩為：
②折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩
③附加摩擦力矩
∵ 預(yù)緊力，滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取
則
則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)快速空轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩：
對(duì)于工作方式為五相十拍得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩：
從相關(guān)資料查出130BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為9.31，大于所需快速空載啟動(dòng)力矩，可作為初選型號(hào)。
（2）、校核步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率
∵ 步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率是
而130BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高空載啟動(dòng)頻率為f=3000HZ,因而必須分三個(gè)階段啟動(dòng)，每個(gè)階段啟動(dòng)頻率為，在0.25s內(nèi)玩完成升速0.05s過渡，取，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為：
而步進(jìn)電機(jī)允許的運(yùn)行頻率為16000HZ，因而滿足要求。
3.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的選擇計(jì)算
假定工作臺(tái)及零件的總的量： =200kgf=200×9.8=1960N
Y軸的行程為： 375mm
縱向脈沖當(dāng)量： 0.01mm
預(yù)選滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =6mm
步距角：
快速進(jìn)給速度： =2.0m/min
3.3.1 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）、工作載荷分析及計(jì)算
橫向?qū)к墳榫匦螌?dǎo)軌，計(jì)算公式如下：
式中：
,,
已知工作臺(tái)及夾具工件重力：G=1960N。對(duì)于矩形導(dǎo)軌，k=1.1，f=0.15，
因此：
（2）計(jì)算作用在絲杠上的最大動(dòng)負(fù)荷
其中L=60nt/106
因?yàn)橐话恪?.5，取=1.2
則
由查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇絲杠的型號(hào)。選擇滾珠絲杠的直徑為40mm，型號(hào)為CDM4006-5-P3,其額定動(dòng)載荷是19249N，強(qiáng)度足夠用。
（4）絲杠螺紋部分長度
等于工作臺(tái)最大行程（375mm）加螺母長度（150mm），再加上兩端余量（40mm）。即：=375+150+402=605mm。
（5） 支撐跨距
應(yīng)略大于，取為=615mm。
（6） 效率計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為
∵ 螺紋升角
∴
（7） 剛度驗(yàn)算
①.絲桿的拉壓變形量
滾珠絲桿截面積按絲桿螺紋的底徑確定：
工作負(fù)載引起的導(dǎo)程的變化量可用下式計(jì)算：
則絲桿的拉伸或壓縮變形量
其中 L——滾珠絲杠兩端的支撐間距，L=850mm
(8)穩(wěn)定性驗(yàn)算。
滾珠絲杠長期受軸向力，若軸向工作負(fù)載過大，會(huì)使其產(chǎn)生縱向變形失去穩(wěn)定性，
所以通過驗(yàn)算其所能承受的最大軸向載荷了解是否會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲。
式中 一一絲杠支撐系數(shù)，由于是兩端固定，所以=4；
E一一滾珠絲杠材料的彈性模量，取鋼；
L一一絲杠兩端距離。L=850mm；
I——絲杠截面慣性矩；
——絲杠底徑， =28.1m
所以最大軸向載荷為
穩(wěn)定性安全系數(shù)為
由于穩(wěn)定安全系數(shù)遠(yuǎn)大于許用穩(wěn)定安全系數(shù)4，所以絲杠很穩(wěn)定，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。
3.3.2 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定
⑴、傳動(dòng)比的選定
⑵、計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
初選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為130BF001
則查表查出電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量＝40.06×
則滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算：
齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算：
＝
工作臺(tái)質(zhì)量折算：
傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：
=
=33.9
3.3.3 減速齒輪副設(shè)計(jì)
此處設(shè)計(jì)的減速齒輪副是開式齒輪傳動(dòng)，為防止輪齒太小引起的意外斷齒，傳遞動(dòng)力的齒輪模數(shù)一般不小于1.5～2mm，因此，減速齒輪模數(shù)取為m=2mm，選擇為直齒圓柱齒輪故分度圓壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)，頂隙系數(shù)。為了提高開式齒輪傳動(dòng)的耐磨性，要求有較大的模數(shù)，因而齒數(shù)應(yīng)少一些，一般取Z1=17～20，此處取=20，故= =20×1.25=25，取=25。
由
得：
表3-5 橫向進(jìn)給齒輪參數(shù)表
齒輪1
齒輪2
齒數(shù)Z
20
25
模數(shù)m（mm）
2
2
分度圓 d（mm）
40
50
齒頂圓 （mm）
44
54
齒根圓 （mm）
35
45
中心距 a（mm）
45
45
齒寬
20
16
3.3.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇
（1）、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
∵
又∵
①則折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總加速力矩為：
②折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩
③附加摩擦力矩
∵ 預(yù)緊力，滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取
則
則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)快速空轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩：
對(duì)于工作方式為五相十拍得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩：
從相關(guān)資料查出130BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為9.31，大于所需快速空載啟動(dòng)力矩，可作為初選型號(hào)。
（2）、校核步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率
∵ 步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率是
而130BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高空載啟動(dòng)頻率為f=3000HZ,因而必須分三個(gè)階段啟動(dòng)，每個(gè)階段啟動(dòng)頻率為，在0.25s內(nèi)玩完成升速0.05s過渡，取，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為：
而步進(jìn)電機(jī)允許的運(yùn)行頻率為16000HZ，因而滿足要求。
第4章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)的概述
按照國際信息處理聯(lián)盟(International Federation of Information Processing-IFIP)第五技術(shù)委員會(huì)，對(duì)數(shù)控機(jī)床的定義:數(shù)控機(jī)床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床，該系統(tǒng)能夠處理用號(hào)碼或其它符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。定義中所指的程序控制系統(tǒng)，就是數(shù)控系統(tǒng)或數(shù)控裝置。它是一種控制系統(tǒng)，能自動(dòng)閱讀讀入載體事先給定的數(shù)字值，并將其譯碼，從而控制機(jī)床動(dòng)作，進(jìn)行零件加工。數(shù)控機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)見圖4-1，由機(jī)床主機(jī)、驅(qū)動(dòng)裝置、輔助裝置、CNC裝置和編程裝置等組成。
圖4-1 數(shù)控機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)
（1）機(jī)床主機(jī)
機(jī)床主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械主體，由能實(shí)現(xiàn)各可控運(yùn)動(dòng)主軸和主運(yùn)動(dòng)的帶傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)(變速箱)系統(tǒng)、工作部件和支承件