車床用數(shù)控砂帶磨削裝置設(shè)計
[摘要] 對于長軸類零件來說，傳統(tǒng)的加工工藝一般為粗車——精車——粗磨——精磨四道工序，而其中精磨部分又大多依靠外圓磨床的砂輪磨削來完成。普通砂輪磨削的加工范圍有限，不能適應(yīng)一些具有特殊外形工件的加工，比如單件小批量生產(chǎn)的細(xì)長軸、大尺寸重型零件，以及長徑比很大的細(xì)長桿件等。此外，對于一些中小型企業(yè)來說，資金有限，也沒有能力購置相應(yīng)的精加工機(jī)床。針對這一現(xiàn)象，本課題采用砂帶磨削技術(shù)改造普通車床，由普通機(jī)床加工高質(zhì)量零件。即在CA6140車床上應(yīng)用砂帶磨削技術(shù)，加載了砂帶輪磨削裝置，使車削與磨削在同一臺車床上加工完成，既降低了工件表面粗糙度，又進(jìn)一步提高了工作效率。同時，由于資金投入少，而加工出的工件能獲得較好的表面質(zhì)量，因而該工藝具有明顯的經(jīng)濟(jì)效益。這種嘗試也為改造普通機(jī)床，拓寬其用途積累了一定的經(jīng)驗。
[關(guān)鍵詞]：砂帶磨削；數(shù)控；車床
Design and manufacture of composite high speed machine tool structures
[Abstract] Traditional processes on the manufacture of long axis is mostly Rough lathe - Accurate lathe - Rough grind - Accurate grind ,and the last process always depends on the wheels on the grinding machines .Because of the way it works ,The usage of ordinary grinding wheels is limited ,for example , the manufacture of parts with superior dimension and weight ,parts in various shapes ,or the rate between the length and the diameter of an axis is quite large ,such as the rods used in the piston thimble .In additional ,some pint-size enterprises which lack capital cannot afford the cost of the special grinding machines .To solve this problem , we brought in the technics of Abrasive Belt Grinding ,designed the relevant mechanics ,and merged together with the lathe CA6140 ,in hopes of getting a better quality of the surface on parts with a common machine . Firstly , it decrease the number of Ra ; Secondly , we improve the efficiency of manufacture . Because of saving the money and improve the quality of surface , the technique have its economy value ,and this attempt accumulate experiences on the reconstruction of traditional machines
[Keywords]：Abrasive Belt Grinding ;The numerical control;Lathe
目 錄
第1章 引言 …………………………………………………………………………1
1.1概述…………………………………………………………………………1
1.2目前的發(fā)展?fàn)睢?
1.3砂帶磨削的特點……………………………………………………………2
1.4 砂帶磨削裝置的主要結(jié)構(gòu)及磨削用量 ………………………………… 2
1.5砂帶磨削的發(fā)展方向………………………………………………………3
第2章 砂帶磨削裝置的設(shè)計 …………………………………………………… 3
2.1總體方案……………………………………………………………………4
2.1.1磨削裝置應(yīng)滿足以下要求 ………………………………………… 4
2.1.2裝置總體方案 ……………………………………………………… 4
2.2砂帶的選擇 …………………………………………………………………………5
2.3磨削力與磨削功率的計算 ……………………………………………………… 7
2.3.1磨削力與磨削功率的計算 ……………………………………………… 7
2.3.2磨削力的計算 …………………………………………………………… 8
2.4接觸輪與張緊輪設(shè)計 …………………………………………………………… 8
2.4.1接觸輪尺寸的設(shè)計 ………………………………………………………… 9
2.4.2張緊輪的尺寸設(shè)計………………………………………………………… 10
2.5張緊力的計算………………………………………………………………………10
2.6電動機(jī)的選擇………………………………………………………………………11
2.7帶動設(shè)計……………………………………………………………………………12
2.8主軸的設(shè)計…………………………………………………………………………13
第3章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計……………………………………………………………………15
3.1滑動導(dǎo)軌副設(shè)計……………………………………………………………………15
3.1.1選擇導(dǎo)軌面的截面形狀和結(jié)構(gòu)尺寸……………………………………15
3.1.2設(shè)計導(dǎo)軌磨損后的補(bǔ)償和間隙調(diào)整裝置………………………………15
3.1.3設(shè)計導(dǎo)軌潤滑系統(tǒng)和防護(hù)裝置 …………………………………………15
3.1.4確定導(dǎo)軌的精度和技術(shù)要求 ……………………………………………16
3.2滾珠絲杠副的設(shè)計 ……………………………………………………………… 16
3.2.1絲杠類型的選擇…………………………………………………………… 16
3.2.2絲杠載荷 …………………………………………………………………… 17
3.2.3絲杠導(dǎo)程………………………………………………………………………17
3.2.4初選絲杠………………………………………………………………………17
3.2.5臨界轉(zhuǎn)速校和…………………………………………………………………17
3.2.6定位精度校和…………………………………………………………………18
3.3減速齒輪設(shè)計 ………………………………………………………………………19
3.3.1確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸 …………………………………………………20
3.3.2齒輪消隙 ……………………………………………………………………20
3.4 步進(jìn)電機(jī)的選擇 …………………………………………………………………21
3.5計算步進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載 ………………………………………………………22
第4章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 ………………………………………………………………24
4.1數(shù)控系統(tǒng)硬件組成、控制對象介紹 ……………………………………………24
4.1.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 …………………………………………………24
4.1.2主控制CPU的選擇 ……………………………………………………… 24
4.1.3存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計…………………………………………………………25
4.1.4譯碼電路 ……………………………………………………………………… 25
4.1.5 I/O擴(kuò)展電路 ………………………………………………………………… 25
4.1.6鍵盤,顯示接口電路 ……………………………………………………… 25
4.1.7其他電路……………………………………………………………………… 25
4.1.8步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇…………………………………………………… 26
結(jié)論 …………………………………………………………………………………………… 27
致謝…………………………………………………………………………………28
參考文獻(xiàn) ………………………………………………………………………… 29
第1章 前言
1.1概述
? ?砂帶磨削工藝，就是將環(huán)形砂帶套在接觸輪和張緊輪的外圓上，在張緊的狀態(tài)下，使高速旋轉(zhuǎn)的砂帶表面與工件的加工表面相接觸，并在一定的壓力作用下，以產(chǎn)生的相對摩擦運(yùn)動（切削運(yùn)動）對工件表面進(jìn)行磨削加工的一種工藝方法。砂帶磨削分為輪壓式和帶壓式兩種方法，如圖1.1所示。
圖1.1沙袋磨削方式示意圖
對于輪壓式磨削法，即接觸輪施壓于工件表面上，此時接觸輪與工件的軸間距A＝1/2（D＋d）此種磨削方式由于接觸壓力大，單位時間內(nèi)金屬的去除量大，效率高，因而適用于內(nèi)、外圓表面和平面的粗、精磨削。對于帶壓式磨削法，即用砂帶施壓于工件磨削表面，此時因張緊輪支架向工件方向傾斜了一個角度α，接觸輪與工件軸間距互A′>1/2（D＋ d）。與輪壓式磨削法相比，帶壓法的接觸壓力較小，單位時間內(nèi)去除的金屬量亦小，主要用于磨削圓弧面、圓錐面和其它異形表面，尤其以精加工拋光為主。
由于本文所設(shè)計裝置主要用于外圓表面的精磨，所以采用輪壓式。
?? 砂帶和砂輪一樣，同屬于一種多齒微刃型切削工具，其加工特性基本相同，所不同的只是形狀各異而已。
1.2目前的發(fā)展?fàn)顩r
? ?在國外，一些工業(yè)發(fā)達(dá)國家由于各種類型砂帶磨床的迅速發(fā)展，砂帶磨削的功能已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了用于除銹、粗磨、拋光等范圍，其加工效率為砂輪磨削的5～20倍，加工質(zhì)量可與一般常規(guī)的磨削方法相媲美，加工精度已接近或達(dá)到與砂輪磨削相同的水平，而機(jī)床功率的利用率卻比任何金屬而機(jī)床功率的利用率卻比任何金屬切削機(jī)床都高，其應(yīng)用范圍遍及各個行業(yè)，幾乎對所有材料（如木材、橡膠、各種金屬）都可進(jìn)行磨削加工。據(jù)有關(guān)資料介紹，美國每年的砂輪與砂帶產(chǎn)量之比約為 1： 1。在著名的工程機(jī)械企業(yè)CaterPiller公司，砂帶磨削就占有重要的地位。
?? 在國內(nèi)，一些砂帶生產(chǎn)廠家如鄭州白鴿集團(tuán)（即中國第二砂輪廠）、上海砂輪廠等都相繼引進(jìn)了高壓靜電植砂新工藝，保證了磨粒在砂帶表面的“定向排列”，使砂帶具有良好的鋒利性。同時，隨著粘結(jié)劑的發(fā)展，耐水耐油的全樹脂強(qiáng)力砂帶的出現(xiàn)，使砂帶的磨削性能得到顯著提高。雖然目前我國各類砂帶磨床的型號尚不完備，但研制和使用一些砂帶磨削裝置是切實可行的。
1.3砂帶磨削的特點
? （l）砂帶磨削具有“快削法”之稱。砂帶磨削效率高，已達(dá)到銑削的10倍，普通砂輪磨削的5～20倍。
? （2）砂帶磨削還具有“冷態(tài)”磨削之稱。由于加工時摩擦生熱少，且因磨粒散熱時間間隔長，可有效地減少工件變形和燒傷，加工精度一般可達(dá)到普通砂輪磨床的加工精度，有的尺寸精度已達(dá)到±0.005 mm，最高可達(dá)到±0.0012mm。
? （3）砂帶磨削具有“彈性”磨削之稱。由于砂帶磨削與工件是柔性接觸，具有較好的跑合和拋光作用，工件表面粗糙度可達(dá)Ra0．8～0.2μm。
? （4）砂帶磨削設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，制造成本低，接觸輪極少磨損，可使砂帶保持恒速，傳動鏈短，機(jī)床功率利用率可達(dá) 85%。
? （5）輔助時間少。工件裝夾一次定位后，可多次更換砂帶完成全部加工，無需像砂輪那樣進(jìn)行平衡及修整工作。
（6）適應(yīng)性強(qiáng)，操作簡單，安全可靠。
1.4砂帶磨削裝置的主要結(jié)構(gòu)及磨削用量
? ?砂帶磨削裝置有幾種不同的結(jié)構(gòu)。一種是由電機(jī)輸出軸直接傳動砂帶的裝置，另一種是由電機(jī)經(jīng)磨削主軸傳動砂帶的裝置，還有一種是供內(nèi)圓磨削使用的裝置。
?? 對于第一種裝置，它的特點是接觸輪直接安裝并固定在具有1：5錐度的電機(jī)輸出軸上，該裝置具有砂帶張緊及快換操縱機(jī)構(gòu)。因為這種磨削裝置可以借助夾持架安裝在多種金屬切削機(jī)床上進(jìn)行磨削加工，故稱其為通用砂帶磨削裝置。這種裝置中，張緊輪和接觸輪宜采用質(zhì)地均勻的尼龍材料制成。由于接觸輪和張緊輪都是高速旋轉(zhuǎn)的零件，張緊輪的轉(zhuǎn)速可達(dá)5 000 r／ min以上，為保證安全并提高整個裝置的工作平穩(wěn)性，加工后應(yīng)對這兩種零件進(jìn)行動平衡試驗，力求將不平衡重減到最小。
本文采用的是后一種由電機(jī)經(jīng)磨削主軸傳動砂帶的裝置，這主要是考慮到裝置的整體布局。
?? 砂帶的線速度受允許的最大極限限制，一般選為 25 m／s。工件每轉(zhuǎn)砂帶沿工件軸線的縱向進(jìn)給量一般控制在砂帶寬度的一半以內(nèi)，精加工時可適當(dāng)減少一些。另外，磨粒的粒度與磨削的表面粗糙度有直接關(guān)系，粒度越小，磨削后的表面粗糙度數(shù)值越低。使用時，應(yīng)保證有充足的冷卻潤滑液和相應(yīng)的除塵設(shè)備。
1.5砂帶磨削的發(fā)展方向
??與一般常規(guī)的加工方法相比較，砂帶磨削的確是一種優(yōu)質(zhì)、高效、低消耗的新穎的加工方法。同時，對于剛性較差的長軸或薄壁套筒零件，設(shè)計制造一些結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、操作方便的砂帶磨削裝置，安裝在通用機(jī)床上代替磨床來進(jìn)行高效的精加工是切實可行的。
?在國外，砂帶磨削技術(shù)正在向以下方向發(fā)展：
? （1）機(jī)床功率不斷增大。 200 kw 以上的砂帶磨床已經(jīng)出現(xiàn)。
? （2）提高砂帶速度。正在進(jìn)行 100 m／s以上高速砂帶磨床的研制。
? （3）則增大砂帶的寬度，提高加工效率，最寬已達(dá)4．9m以上。
?（4）延長砂帶的使用壽命。已從初期的2～4h提高到目前的 8— 12h。
? （5）隨著砂帶磨削的磨削用量不斷提高，單位時間內(nèi)的磨削量已能夠達(dá)到通用金屬切削機(jī)床單位時間內(nèi)的切削量，從而把砂帶磨削由精加工推向強(qiáng)力磨削的階段，并出現(xiàn)了以磨代車，以磨代銑和以磨代刨的趨勢。
隨著砂帶磨削工藝在國內(nèi)工程機(jī)械行業(yè)的不斷推廣使用，以及砂帶制造工藝的不斷完善和發(fā)展，必將出現(xiàn)種類更多的砂帶磨床和裝置。可以預(yù)料，砂帶磨削工藝在工程機(jī)械制造業(yè)中必將得到應(yīng)有的重視和進(jìn)一步的發(fā)展。
第2章 帶磨削裝置的設(shè)計
砂帶磨削技術(shù)優(yōu)越性的發(fā)揮，很大程度上要依賴于砂帶磨床本身，因而磨床的結(jié)構(gòu)設(shè)計是一項非常關(guān)鍵的工作，在砂帶磨床的設(shè)計中，磨頭又是最關(guān)鍵的，它的結(jié)構(gòu)方案，參數(shù)選擇及主要零部件的制造精度，剛性等指標(biāo)將對工件表面質(zhì)量、加工精度有很大的影響。
從砂帶的外部特征來看，砂帶猶如機(jī)械傳動所用的平皮帶，因而砂帶傳動特點也與平皮帶傳動相似：
（1）依靠摩擦力傳動。砂帶運(yùn)行時．它的動力來自驅(qū)動輪外緣表面與其接觸部分的摩擦力，即驅(qū)動輪的有效圓周力。為此，砂帶必須像平皮帶傳動一樣有一定的初張力，使之緊貼驅(qū)動輪表面。
（2）為了防止砂帶運(yùn)行中出現(xiàn)跑偏、皺折等現(xiàn)象，砂帶傳動中，各傳動輪大多采用軸平行結(jié)構(gòu)，少數(shù)場合使用交叉軸傳動時，各輪面及軸線都須注意對稱分布。同時，在所有傳動輪中，至少必須有l(wèi)一2個輪子外圓軸截面為中凸形。
（3）砂帶自身質(zhì)量輕且柔軟，彎曲抗力小，因而它也有與平皮帶傳動同樣高的傳動效率，甚至更高，動力損失小等特點，這也是砂帶磨削功率利用率高的原因之一。
（4）平皮帶不論上下兩面都不允許有物體與之作滑動摩擦，而砂帶則可以用適當(dāng)?shù)奈矬w支承其背面，并以此實現(xiàn)對工件的磨削加工。
2.1總體方案
本題目設(shè)計的砂帶磨削裝置可以裝在CA6140以上的車床上，應(yīng)該按CA6140車床的結(jié)構(gòu)尺寸來確定裝置的基本尺寸，主要考慮CA6140車床的導(dǎo)軌寬度以及導(dǎo)軌平面與車床主軸中心的距離。同時根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計計算各參數(shù)。
2.1.1磨削裝置應(yīng)滿足以下要求
磨削速度：5~10m/s
橫向數(shù)控進(jìn)給精度：0.001mm
直徑檢測精度：0.001mm
磨削直徑范圍：φ80-400mm
砂帶寬度：80-120mm
2.1.2裝置總體方案
圖2.1 砂帶磨削裝置的總體布局
砂帶磨削裝置的總體布局如圖2.1所示。電機(jī)輸出的動力由V帶傳動，通過主軸，傳給驅(qū)動輪。驅(qū)動輪同時又是接觸輪，這種方式是為了使裝置
的空間結(jié)構(gòu)更緊湊。
2.2砂帶的選擇
砂帶是用粘結(jié)劑將磨料粘結(jié)在紙、布等可撓性材料上制成的可以進(jìn)行磨削和拋光的一種帶狀工具，它是涂附磨具的一種主要且較高級的形式。其基本組成是：基材、磨料和粘結(jié)劑，合稱為砂帶構(gòu)成的三要素。其基本結(jié)構(gòu)如圖2—2所示。以下對砂帶的各組成要素進(jìn)行敘述：
圖2.2砂帶的基本結(jié)構(gòu)
基材 作為磨料和粘結(jié)劑的承載體，它是砂帶區(qū)別于砂輪的主要特征，是使其具有可撓性的主導(dǎo)因素?；牡姆N類主要有紙、布、復(fù)合基材、無紡布等，每種基材還因其單位重量、強(qiáng)度、厚度、組成等不同而分為若干品種。
磨料 作為切削刃，起磨削作用，是構(gòu)成磨具的主體。磨料的種類，有天然磨料和人造磨料兩大類。天然磨料有天然金剛砂、石榴石等人造磨料有剛玉、碳化硅等。粒度表示磨料顆粒的大小。植砂方式 ：將磨料布置在涂有粘結(jié)劑的基材上的上砂方式。常用的上砂方式分重力植砂和靜電植砂兩種。植砂密度表示砂帶表面磨料分布的疏密程度。以單位面積基材上磨粒的復(fù)蓋率來表示，分疏型和密型兩大類，也有分疏、中、密型三大類的，它相當(dāng)于砂輪的組織．因此也可以稱為砂帶的組織。
粘結(jié)劑 起粘結(jié)磨料和基材的作用，使砂帶具有一定的形狀和強(qiáng)度。它由基材處理劑、底膠和覆膠三部分組成。用基材處理劑處理的方法，分為非耐水處理和耐水處理的兩大類。一般干磨砂帶的基材要作非耐水處理，生產(chǎn)耐水砂帶的基材須作耐水處理。粘結(jié)劑的種類，主要分動物膠、合成樹脂二大類。粘結(jié)強(qiáng)度是磨料粘結(jié)的牢固程度。即當(dāng)外力作用于砂帶表面時。粘結(jié)劑抵抗外力使磨料從表面脫落的難易程度，與砂輪的硬度相似。為了獲得良好的磨料粘附力，粘結(jié)劑涂層由相繼涂附的三層膠——基體處理劑、底膠和覆膠組成。影響磨料粘結(jié)強(qiáng)度的主要因素是粘結(jié)劑的種類和用量。
表2.1磨料的選擇：表磨料的應(yīng)用范圍
磨料品種
磨料代號
應(yīng)用范圍
棕剛玉
A
適用于加工抗張強(qiáng)度高的金屬，如各種碳素鋼、合金鋼、可鍛鑄鐵、硬青銅等，也用于硬質(zhì)木材及制品的加工
白剛玉
WA
適應(yīng)于加工淬火鋼、高碳鋼、不銹鋼、各種硬度較高的合金鋼、有色金屬等，良好的鋒利性也常用于木材的加工。
黑碳化硅
C
適應(yīng)于加工抗張強(qiáng)度低、韌性大的金屬，如黃銅、鋁材等，也適應(yīng)于加工非金屬材料，如玻璃、陶瓷異化 崗巖、玉器、塑料、橡膠、樹脂板、中纖板、刨花板等的加工。
鋯剛玉
ZA
適應(yīng)于加工抗張強(qiáng)度高、韌性大的金屬材料，如各種不銹鋼、鈦合金、耐熱合金鋼、高鉬鋼、鎳/鉻合金、鉻/鈷/鎢合金、青銅、灰鑄鐵等可鍛鑄鐵、硬青銅等的加工。
根據(jù)上表所列，選擇白剛玉，WA。
表2.2粘結(jié)劑和基材的性能
種類
粘結(jié)劑
基材
性能
G/G
底膠、復(fù)膠均為動物膠
L、F、J布基A、B、C紙基
粘結(jié)性能好，使作方便，但不耐水，易受潮、霉變
R/G
底膠為動物膠、復(fù)膠為合成樹脂（脲醛或酚醛樹脂）
F、J布基
A、B、C紙基
粘結(jié)強(qiáng)度高于G/G產(chǎn)品，防潮抗霉性好。
R/R
底膠、復(fù)膠均為合成樹脂
J、X、Y布基
E、F紙基
粘結(jié)強(qiáng)度高，磨削鋒利，耐磨性、耐熱性好。
WP
底膠、復(fù)膠均為合成樹脂
X、Y布基
基材耐水處理，耐水性好，布基產(chǎn)品同R/R產(chǎn)品
根據(jù)表2.2，選擇R/R，底膠、復(fù)膠均為合成樹脂，基材為布基。
2.3磨削力與磨削功率的計算
2.3.1選擇磨削用量
吃刀深度和走刀量對材料切除率的影響：由于接觸輪的彈性變形，砂帶磨削時的送進(jìn)磨削深度和實際磨削深度存在差別。習(xí)慣上把送進(jìn)磨削深度稱作名義磨削深度(或給定磨削深度、公稱磨削深度等)，而把實際磨削深度稱為有效磨削深度。顯而易見，砂帶的有效磨削深度比名義磨削深度小。在名義磨削深度一定情況下，有效磨削深度將隨接觸輪硬度、砂帶粒度、工件材質(zhì)等變化而相應(yīng)地變化。只有在確知名義磨削深度與有效磨削深度的定量關(guān)系后，才能根據(jù)加工余量的大小確知名義磨削深度。隨著有效磨削深度的增加，材料切除率將明顯增加．但砂帶的磨損將加劇，使用壽命縮短。
磨削用量不僅關(guān)系到砂帶的磨削效率，對加工表面粗糙度也有很大影響。選取適當(dāng)?shù)哪ハ饔昧?，不僅可以得到較低的表面粗糙度，而且還能獲得較高的磨削精度和較高的生產(chǎn)效率等綜合效果。磨削用量主要是指砂帶速度、吃刀深度、進(jìn)給速度等。
表2.3磨削用量參照表
工件直徑
（mm）
工件轉(zhuǎn)速（r/min）
切削深度
（mm）
進(jìn)給量
(mm/r)
接觸輪硬度
(Hs)
100以下
68—136
0.01—0.05
0.4--2
50--90
100--200
34--48
200--400
8.5-34
400--1000
1.7—5.6
根據(jù)上表選擇磨削深度。
2.3.2磨削力的計算
磨削力是研究砂帶磨削過程的一個極為重要的參數(shù)，它和砂帶的磨損，磨削表面質(zhì)量及比磨削能等都有直接關(guān)系。而且磨削力易于測量和控制，因此可以用磨削力診斷磨削狀態(tài)，作為適應(yīng)控制的評定參數(shù)。
磨削力的影響因素：（1）冷卻液的影響，在有冷卻液的情況下，法向力和切向力都增大，而法向力增加的更大。（2）砂帶的影響，不同種類的磨料加工時磨削力不一樣，碳化硅砂帶加工時，磨削力比用剛玉砂帶大40%。其他條件相同時，磨料粒度對磨削力的影響關(guān)系是：細(xì)粒度磨削力更大。這是因為細(xì)粒度加工時接觸的磨粒數(shù)多，容屑空間小，易堵塞，并造成磨削力切向分量加大?；牡娜嵝栽酱?，切向磨削力越小。（3）砂帶速度的影響，如圖2.3所示，法向力比切向力明顯大，每條曲線的開始部分較低。在第二段來看，隨速度升高切削力大大地減小，這是因為單顆磨粒切入深度減小的緣故。這種變化趨勢類同于砂輪磨削，且在低速段變化
更顯著。在砂帶進(jìn)入穩(wěn)定磨損階段后，大部分磨粒都正常參與切削，此時的加工狀態(tài)較為穩(wěn)定。當(dāng)速度
圖2.3砂帶速度對磨削力的影響
增加300％時，接觸輪磨削的切向力將減少約58%。
切入式砂帶磨削的切向力和法向力可由下式計算，即
(2.1)
(2.2)
────磨削比能（）取;
────砂帶速度（m/s）??；
────工件速度（m/s）取；
────實際（有效）磨削深度（mm）取；
────砂帶寬度（mm）
將以上參數(shù)代入公式（2-1）、（2-2）中得：
磨削功率
2.4接觸輪與張緊輪設(shè)計
2.4.1接觸輪尺寸的設(shè)計
選擇帶寬B=80mm。所以接觸輪、張緊輪寬度為80mm。
接觸輪的結(jié)構(gòu)大致可以分為氣胎式，自由對中式和實體式三種。其中實體式是目前應(yīng)用最廣泛、也是最主要的一種接觸輪。它或是由鋼、鋁、鑄鐵及尼龍等材料直接制成，或是由以鋼、鋁等金屬材料為輪芯，外包橡膠等彈性材料制成，而這又是實體式接觸輪的主要形式。接觸輪硬度是影響砂帶磨削特性的重要參數(shù)，它對加工的表面粗糙度，材料切除率及尺寸精度都有很大的影響。在其他條件相同時，硬度越大，接觸輪變形越小，與工件接觸面積越小，壓強(qiáng)大，單顆磨粒對工件的壓力越大，有效切削深度越大，因而切除率也越高，而且磨削精度也越高。
由于以上原因，采用鋁制實體式接觸輪，表面光滑。由于接觸輪同時又是驅(qū)動輪，所以可按下式初算接觸輪直徑，再驗算驅(qū)動輪包角。
初選
，初定接觸輪直徑=150mm。
取張緊輪直徑為=120mm，中心距386mm。
包角的大小影響砂帶的傳載能力，包角越大，傳載能力越強(qiáng)，一般說來包角越大越好，若包角過小，傳遞動力時容易打滑。
驅(qū)動輪包角：
驅(qū)動輪面是鋼材或鋁材時取
,符合要求。
2.4.2張緊輪的尺寸設(shè)計
砂帶必須在一定張緊力作用下才能工作，張緊機(jī)構(gòu)產(chǎn)生的張緊力通過張緊輪使砂帶得以張緊，并在驅(qū)動輪作用下使砂帶進(jìn)行磨削，張緊輪不僅起張緊砂帶的作用，而且還起導(dǎo)向作用，使砂帶不致偏離接觸輪。張緊輪直徑越大，導(dǎo)向控制越靈敏。一般情況下建議直徑大于120mm。張緊輪過小會引起砂帶彎曲過分或振動，也會使其轉(zhuǎn)速過高帶來其他不利影響。為使砂帶定心，張緊輪外圓要求作成中凸弧形。中凸高度值不能過大，否則會引起砂帶振動及受力不均并使砂帶中部損傷。中凸高度值應(yīng)根據(jù)操作狀況而定，實踐中常由砂帶寬度決定，也可按下式計算：
計算后取mm。
2.5張緊力的計算
砂帶的張緊程度對砂帶磨削過程有重要作用，這表現(xiàn)在張緊力大小對加工效率和加工質(zhì)量及砂帶使用壽命等方面的直接影響。在砂帶強(qiáng)度允許的情況下，材料切除率隨張緊力的增大而增加，故選擇張緊力應(yīng)在保證接觸輪不失彈性的條件下，張緊力越大越好。張緊力值的選擇范圍常在7-80N/cm之間。
由平皮帶傳動原理可知，有效圓周力 與初張力和輪子結(jié)構(gòu)尺寸之間的關(guān)系是
其中為摩擦系數(shù)，0.37,
所以上式可化為：
得，符合張緊力要求。
2.6電動機(jī)的選擇
本設(shè)備所需的是普通三相異步電動機(jī)。綜合考慮功能和成本的因素確定，選擇交流三相異步電動機(jī)最為合理，既能滿足功能要求又不會造成成本過高。
電動機(jī)的容量（額定功率）選得合適與否，對電動機(jī)的工作和經(jīng)濟(jì)性都有影響。容量小于工作要求，則不能保證機(jī)器正常工作，或使電動機(jī)長期過載、發(fā)熱而過早損壞；容量過大，則電動機(jī)價格高，能力又不能充分利用，由于經(jīng)常不在滿載下運(yùn)行，效率和功率因數(shù)都較低，造成很大浪費(fèi)。
電動機(jī)的容量主要根據(jù)運(yùn)行時發(fā)熱條件決定。額定功率是連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)下電動機(jī)發(fā)熱不超過許用溫度的最大功率，滿載轉(zhuǎn)速是指負(fù)荷相當(dāng)于額定功率時的電機(jī)轉(zhuǎn)速，同一類型電動機(jī)，按額定功率和轉(zhuǎn)速的不同，具有一系列型號。對于長期連續(xù)運(yùn)行的機(jī)械，要求所選擇電動機(jī)的額定功率Ped應(yīng)大于等于電動機(jī)實際工作時的功率Pd,即PedPd。通?？刹槐匦ｒ灠l(fā)熱和啟動力矩。
電動機(jī)所需的輸出功率為：Pd=Pw/ηkW
式中，Pw為工作機(jī)要求的輸入功率，kw，η為由電動機(jī)至工作機(jī)的總效率。
工作機(jī)要求功率Pw，應(yīng)由機(jī)器工作阻力和運(yùn)動參數(shù)計算求得，通常由設(shè)計中給定的參數(shù)，按下式計算：
Pw＝ 或 P＝kW
式中：F為工作機(jī)的阻力；v為工作機(jī)的線速度；T為工作機(jī)的阻力矩；為工作機(jī)的轉(zhuǎn)速n；η為工作機(jī)的效率。
由上面公式估算得Pd＝0.755kW。
根據(jù)砂帶磨削實際工況的考慮，選擇轉(zhuǎn)速n＝1400r/min要求。根據(jù)上述條件選擇Y90L-4型三相異步電動機(jī)具體參數(shù)如下：
使用條件
1、 海撥不超過1000m；
2、 環(huán)境溫度不超過40℃；
3、 電機(jī)防護(hù)等級IP44；
4、 相對濕度：不超過90%（20℃以下時）；
5、 工作制：SI連續(xù)；
6、 絕緣等級：B級；
7、 電動機(jī)的額定電壓380V，頻率為50HZ 具體選擇參數(shù)如下表2.6
表2.6參數(shù)陳列
型? 號
Y90L-4
額定功率（ kW）
1.5
同步轉(zhuǎn)速（r/min）
1500
滿載轉(zhuǎn)速（r/min）
1400
滿載電流 （A）
1.5
滿載時效率
79%
滿載功率因數(shù)
0．79
堵轉(zhuǎn)電流/額定電流（A）
6.5
堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩（Nm）
2.2
最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩（Nm）
2.2
噪聲dB(A)
67
轉(zhuǎn)動慣量()
2.70E-03
凈重kg
27
2.7帶傳動的設(shè)計
1、 確定設(shè)計功率Pd=KaP,查表得Ka=1，Pd=0.755Kw
2、選擇V帶型號，因是露天工作設(shè)備，對結(jié)構(gòu)尺寸無特殊要求，可選用普通V帶。根據(jù)Pd和n1，選取Z型V帶。
3、 選擇帶輪直徑D1、D2：
查表得：Z型V帶Dmin=50mm,考慮到小帶輪轉(zhuǎn)速不是很高，機(jī)構(gòu)尺寸又無特別限制，故選D1=70mm。
驗算帶速：，帶速在5~25m/s之間，D1選擇合適。
D2=id1=77mm,參考標(biāo)準(zhǔn)直徑系列，考慮滑動率的影響，D2應(yīng)圓整至標(biāo)準(zhǔn)直徑系列，故取D2=75mm。
轉(zhuǎn)速誤差：
4、 確定中心距a和帶長L
初選中心距：
得 初選
帶長
查表?。篖=710mm。
中心距
的調(diào)整范圍：
5、 驗算小帶輪包角：
得，合適。
6、確定V帶根數(shù)z:
根據(jù)公式
查表得： ，
查表得：，
查表得：，代入求根數(shù)公式得：
取,符合推薦的輪槽數(shù)。
2.8主軸的設(shè)計
主軸部件是磨頭的關(guān)鍵部件。為防止軸承磨損后造成較大的徑向跳動，可采用雙聯(lián)軸承自行消除軸向間隙的結(jié)構(gòu)，各用一對c級6003軸承，如圖所示。磨頭主軸徑跳可達(dá)0.005mm。當(dāng)要求徑向跳動在0.015mm以內(nèi)時，也可用D級精度軸承。
整個主軸部分(即軸、接觸輪和皮帶輪)在組裝前進(jìn)行整體動平衡，并達(dá)到G1.0級或更高的平衡精度。
圖2.3主軸結(jié)構(gòu)
根據(jù)前文的計算結(jié)構(gòu)，V帶輪與砂帶輪的張緊力均不大，粗估主軸強(qiáng)度滿足要求。
第3章 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計
上一章已經(jīng)設(shè)計了砂帶磨削裝置，本章主要設(shè)計進(jìn)給系統(tǒng)。將上一章設(shè)計的砂帶磨削裝置安裝在中拖板上，由滾珠絲杠帶動進(jìn)給。電動機(jī)選擇步進(jìn)電機(jī)，由于目前市場上的步進(jìn)電機(jī)步距角較大，達(dá)不到進(jìn)給精度，為了保證較高的進(jìn)給精度，增加一對減速齒輪，進(jìn)一步細(xì)分進(jìn)給系統(tǒng)分辨率。
3.1滑動導(dǎo)軌副設(shè)計
根據(jù)砂帶磨削裝置作直線進(jìn)給，不存在顛覆力矩的工作條件，精加工磨削力小的特點，可以選擇滑動導(dǎo)軌。
3.1.1選擇導(dǎo)軌面的截面形狀和結(jié)構(gòu)尺寸
根據(jù)砂帶磨削裝置的工作特點，矩形導(dǎo)軌。矩形導(dǎo)軌的特點：
（1）尺寸緊湊，適合于高度小、層次多的部件；
（2）用一根鑲條可以同時調(diào)整各面間隙，調(diào)整及夾緊方便；
（3）剛度不及矩形導(dǎo)軌，不適于承受大的顛覆力矩和向上的力；
（4）應(yīng)注意導(dǎo)軌防護(hù)。
根據(jù)機(jī)床設(shè)計手冊（3部件，機(jī)構(gòu)及總體設(shè)計）表6.2-10確定燕尾形導(dǎo)軌型式尺寸。根據(jù)導(dǎo)軌面上的平均壓強(qiáng)和最大壓強(qiáng)，選擇導(dǎo)軌材料，表面精加工方法和熱處理方法。根據(jù)燕尾形導(dǎo)軌摩擦阻力較大的特點，導(dǎo)軌接觸面采用環(huán)氧涂層。環(huán)氧涂層材料的摩擦系數(shù)<0.06。
3.1.2設(shè)計導(dǎo)軌磨損后的補(bǔ)償和間隙調(diào)整裝置
導(dǎo)軌通常用鑲條來調(diào)整側(cè)向間隙。常用的鑲條有平鑲條和斜鑲條兩種，燕尾型導(dǎo)軌選用平鑲條較為合適。平鑲條在其長度方向上是等厚的，通過橫向位移調(diào)整間隙，這種鑲條制造容易，雖然各處間隙不易調(diào)整均勻，但完全可以用于普通機(jī)床，保證加工精度。砂帶磨削裝置工作時外載荷和裝置自重能使兩導(dǎo)軌面在全長上保持貼合，可采用無壓板的導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)。
3.1.3設(shè)計導(dǎo)軌潤滑系統(tǒng)和防護(hù)裝置
（1）、人工加油潤滑適用于小型機(jī)床的低速運(yùn)動導(dǎo)軌；
（2）、油泵供油適用于低中速、低載荷、小行程；
3.1.4確定導(dǎo)軌的精度和技術(shù)要求
對于砂帶磨削機(jī)床來說，導(dǎo)軌除應(yīng)具有普通機(jī)床導(dǎo)向精度和工藝性外，還要有良好的耐摩擦、磨損特性，并減少因摩擦阻力而致死區(qū)。同時要有足夠的臥度，以減少導(dǎo)軌變形對加工精度的影響，要有合理的導(dǎo)軌防護(hù)和潤滑。
3.2滾珠絲杠副的設(shè)計
絲杠傳動直接關(guān)系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩要求。
滾珠絲杠副具有許多與滾動軸承相似的持征。與滑動絲杠副或液壓缸傳動相比，有以下主要持點；
(1) 傳動效率高 滾珠絲杠副的傳動效率高達(dá)85％一98％，為滑動絲杠副的2—4倍.由于滾珠絲杠副傳動效率高，對機(jī)械小型化、減少啟動后的顫動和滯后時間以及節(jié)約能源等方面，都具有重要意義。
(2) 運(yùn)動平穩(wěn) 滾珠絲杠副在工作過程中摩擦阻力小，靈敏度高，而且摩擦系數(shù)幾乎與運(yùn)動速度無關(guān)，啟動摩擦力矩與運(yùn)動時的摩擦力矩的差別很小。所以滾珠絲杠副運(yùn)動平穩(wěn)，啟動時無顫動，低速時無爬行。
(3) 傳動可逆性 與滑動絲杠副相比，滾動絲杠副突出的特點是具有運(yùn)動的可逆性。正傳動與逆?zhèn)鲃拥男蕩缀跬瑯痈哌_(dá)98％。
(4) 可以預(yù)緊 通過對螺母施加預(yù)緊力能消除滾珠絲杠副的間隙，提高軸向接觸剛度，但摩擦力矩卻增加不大。
(5) 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲杠副具有傳動效率高、運(yùn)動平穩(wěn)、可以預(yù)緊等特點，所以滾珠絲杠副在工作過程中溫升較小，無爬行。并可消除軸向間隙和對絲杠進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹，能獲得較高的定位精度和重復(fù)定位精度。
(6) 使用壽命長 滾珠絲杠和螺母的材料均為合金鋼，螺紋滾道經(jīng)過熱處理，并淬硬至HRC58—62，經(jīng)磨削達(dá)到所需的精度和表面粗糙度。實驗證明，滾珠絲杠副的使用壽命比普通滑動絲杠副高5—6倍。
(7) 使用可靠，潤滑簡單，維修方便 與液壓傳動相比，滾珠絲杠副在正常使用條件下故障率低，維修保養(yǎng)也極為方便；通常只需進(jìn)行一般的潤滑與防塵。
3.2.1絲杠類型的選擇
循環(huán)方式：滾珠絲杠副的滾珠循環(huán)方式有內(nèi)循環(huán)、外循環(huán)兩種，其中內(nèi)循環(huán)又有采用浮動返向器、固定返向器兩種。帶浮動式返向器的內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副具有以下優(yōu)點：1.滾珠返回通道短，不受符合的滾珠最少，滾珠間摩擦損失小，提高了傳動的靈敏度。2.螺母徑向和軸向尺寸較小。3.返向器剛性高，滾珠循環(huán)裝置有較高的可靠性。4.返向器在螺母返向孔內(nèi)自由浮動，返向器回路與螺母螺紋滾道的對接可以自動調(diào)整，滾珠在返向循環(huán)過程中的摩擦阻力小，傳動平穩(wěn)，定位精確。而固定式返向器是把返向器固定在螺母上，其加工調(diào)整對滾珠循環(huán)的流暢性和傳動平穩(wěn)性有影響，且吸振性能差。其工藝復(fù)雜，周期長，成本高。
預(yù)緊方式：滾珠絲杠副的預(yù)緊方式有兩大類：單螺母預(yù)緊、雙螺母預(yù)緊。單螺母預(yù)緊有兩種方式：變位導(dǎo)程預(yù)緊，單螺母變位導(dǎo)程預(yù)緊在裝配與使用過程中預(yù)緊力是不能調(diào)整的，制造和使用成本較高；增大滾珠直徑預(yù)緊，這種方式預(yù)緊后，摩擦力矩明顯增大，預(yù)緊力過大不僅摩擦力矩過大，裝配也困難。雙螺母預(yù)緊方式有：雙螺母墊片預(yù)緊，螺紋預(yù)緊，齒差預(yù)緊，對旋預(yù)緊。其中齒差預(yù)緊方式調(diào)整的精確度高。
綜上所述，選擇浮動返向器雙螺母齒差預(yù)緊滾珠絲杠副。
3.2.2絲杠載荷
導(dǎo)軌摩擦力
磨削時載荷
3.2.3絲杠導(dǎo)程
步進(jìn)電機(jī)的步距角0.36度，經(jīng)過傳動比是1：2的減速齒輪減速，絲杠步距角為0.18度。根據(jù)進(jìn)給精度要求，選擇絲杠導(dǎo)程。
當(dāng)量轉(zhuǎn)速：
3.2.4初選絲杠
當(dāng)量負(fù)荷：
要求壽命：
由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計手冊表2.8-63查得：
查表2.8-64得：
綜合系數(shù)：
由表2.8-58~2.8-62查得：（絲杠精度為1級），（可靠性為96%），。
計算動負(fù)荷：
由表2.8-33查得FC型內(nèi)循環(huán)浮動反向器雙螺母齒差預(yù)緊滾珠絲杠副FC2505-2，額定動負(fù)荷，
預(yù)緊力，符合要求。
絲杠螺紋部分長度：工作臺最大行程（200mm）+螺母長度（100mm）+兩
端余程（40mm）=340mm。支撐跨距應(yīng)大于，取。
3.2.5臨界轉(zhuǎn)速校和
絲杠工作時可能發(fā)生共振，因此需驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速
1、絲杠底徑：
2、支撐方式系數(shù)：由表2.8-66查得（一端固定一端游動）。
3、臨界轉(zhuǎn)速計算長度：。
按式(2.8-18):
,符合要求。
預(yù)拉伸計算：設(shè)溫升3.5
1、按式(2.8.30)溫升引起的伸長量
2、絲杠全長伸長量：
3、預(yù)拉伸，按拉伸公式：
3.2.6定位精度校和
1、絲杠在拉壓載荷下的最大彈性位移：
快速移動時
磨削工作時
2、 絲杠與螺母間的接觸變形：
由表2.8-33查得FC2505-2絲杠副的接觸剛度，
所以得：快速移動時；
磨削工作時。
3、 軸承的接觸變形：角接觸球軸承的剛度可按下式估算
快速移動時；
磨削工作時
4、 絲杠系統(tǒng)的總位移：
快速移動時；
磨削工作時。
定位精度，發(fā)生在螺母處在絲杠中部處，與螺母位置無關(guān)。所以以上求得的位移均為查表2.8-14,2.8-15,取絲杠精度等級為1級，任意300mm的行程公差為,滿足定位精度要求。
3.3 減速齒輪設(shè)計
根據(jù)進(jìn)給系統(tǒng)的精度要求，步進(jìn)電機(jī)與絲杠之間應(yīng)該有減速裝置。能夠?qū)崿F(xiàn)減速功能的結(jié)構(gòu)有齒輪減速、蝸輪蝸桿減速、同步帶減速。
蝸輪蝸桿傳動的主要優(yōu)點是可以獲得比較大的單級傳動比。在傳動過程中，傳動比的一般范圍在5—80之間，對非動力傳動，傳動比可達(dá)10000或更大。由于傳動比大，零件數(shù)目少，因而結(jié)構(gòu)緊湊。由于蝸桿齒是連續(xù)的螺旋齒，與蝸輪輪齒的嚙合是逐漸進(jìn)入或退出嚙合，因而傳動平穩(wěn)，振動和噪聲小。雖然蝸輪蝸桿結(jié)構(gòu)有以上優(yōu)點，但是考慮到裝置的整體結(jié)構(gòu)和尺寸，蝸輪蝸桿的空間交叉結(jié)構(gòu)不易安裝，故不采用。
同步帶與其他傳動相比有下列特點：1)傳動比準(zhǔn)確，同步帶是嚙合傳動，工作時無滑動。2)傳動效率高，效率可達(dá)98％。與v帶相比節(jié)能10％以上。3)傳動平穩(wěn)，能吸收振動，噪聲小。4)維護(hù)保養(yǎng)方便，能在高溫、灰塵、水及腐蝕介質(zhì)的惡劣環(huán)境中工作，不需潤滑。5)安裝要求高。要求兩帶輪軸線平行。同步帶在與二帶輪軸線垂直的平面內(nèi)運(yùn)行。帶輪中心距要求較嚴(yán)格。安裝不當(dāng)易生干涉、爬齒、跳齒等現(xiàn)象。6)帶與帶輪的制造工藝較復(fù)雜，成本受批量影響大。
齒輪傳動精度高，效率高，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，綜合各方面考慮，決定采用齒輪減速。
3.3.1確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸
（1） 確定齒輪傳動比
步進(jìn)電機(jī)的步距角θ=0.36?，滾珠絲杠的螺距L0=5mm，要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量δ=0.0025mm/step，在傳動中應(yīng)加一對齒輪降速。
齒輪的傳動比：
初選 Z1=23, Z2=46
（2） 確定齒輪的模數(shù)及有關(guān)尺寸
根據(jù)傳動用途及精度要求選擇模數(shù)m=2mm，則齒輪的有關(guān)尺寸見表3.1
表3.1齒輪的有關(guān)尺寸
Z1
Z2
齒數(shù)
23
46
D=mZ
d1=46mm
d2=92mm
da=d+2m
da1=50mm
da2=96mm
df=d-2.7m
df1=40.5mm
df2=87.5mm
齒寬B
取B=24mm
中心距A
A=(d1+d2)/2=69mm
3.3.2齒輪消隙
齒側(cè)間隙會造成開環(huán)或半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的死區(qū)誤差，影響定位精度。對閉環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)，由于齒側(cè)間隙引入的滯環(huán)非線性特性，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了消除齒隙并增強(qiáng)剛性，應(yīng)采用各種具有消隙或預(yù)緊措施的齒輪副。最常采用的是彈簧預(yù)緊雙片齒輪錯齒法，如圖所示。
圖3.1消隙齒輪結(jié)構(gòu)
3.4步進(jìn)電機(jī)的選擇
由于脈沖當(dāng)量的需要，以及減速減振的需要，所以步進(jìn)電機(jī)是通過一對降速齒輪與絲杠連接。
（1） 步進(jìn)電機(jī)的步距角θ
系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量δ=0.025mm/step,初選步進(jìn)電機(jī)步距角θ=0.36?
（2） 確定步進(jìn)電機(jī)的啟動轉(zhuǎn)距Tq
當(dāng)電動機(jī)在負(fù)載力矩T0的作用下轉(zhuǎn)過一個步距角θ時。所作的功為：
工作臺克服負(fù)載P，位移δ所作的功為：
根據(jù)能量守恒原理得：
η—電機(jī)的傳動效率 η=0.96
所以
若不考慮啟動時運(yùn)動部件的慣性影響，則啟動轉(zhuǎn)距為
取安全系數(shù)為0.5 ,則Tq=0.321/0.5=0.642N·m
（3） 確定步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)距Tmax
查表得：
Tq/Tmax=0.866
Tmax=0.198N·m
（4） 定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率
= 60000 Hz
根據(jù)以上參數(shù)選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)60BYG550B。其參數(shù)表3.2如下
表3.2步進(jìn)電機(jī)60BYG550B參數(shù)
電機(jī)型號
60BYG550B
相數(shù)
5
相電流A
3
步距角
0.36/0.72
保持轉(zhuǎn)矩N·m
1.4
空載起動頻率KPPS
4
空載運(yùn)行頻率KPPS
60
轉(zhuǎn)動慣量Kg.cm^2
0.46
重量Kg
1.4
長度mm
92.5
3.5計算步進(jìn)電機(jī)的慣性負(fù)載
（1） 負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量計算
慣性負(fù)載可按公式計算：
—整個傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載 ㎏·m2
—步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動慣量 ㎏·m2
—齒輪Z1的轉(zhuǎn)動慣量 ㎏·m2
—齒輪Z2的轉(zhuǎn)動慣量 ㎏·m2
—滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 ㎏·m2
M—工作臺質(zhì)量 ㎏
δ—脈沖當(dāng)量 mm/step
對實心軸、齒輪、絲杠等圓柱零件的轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算（對于鋼）。
J=7.8×10-4D4L ㎏·m2
J1=4.0×10-5㎏·m2
J2=16.7×10-5 ㎏·m2
J3=21.3×10-5 ㎏·m2
J=0.00004+(0.5)2(16.7+21.3)×10-5+127×(0.0000025×180/0.36π)2
=0.000155 ㎏·m2
（2） 慣量匹配的基本原則
慣量匹配是指機(jī)電傳動系統(tǒng)負(fù)載慣量與伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量相匹配。
根據(jù)牛頓第二定律，空載啟動時，機(jī)電傳動系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)矩T等于系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量Jd乘以角加速度，即
角加速度影響系統(tǒng)的動態(tài)性能。角加速度越小，則從計算機(jī)發(fā)出指令脈沖到系統(tǒng)執(zhí)行完畢之間的時間越長，也就是通常所說的系統(tǒng)反應(yīng)慢。如果變化，則系統(tǒng)的反應(yīng)將忽快忽慢，影響加工精度。當(dāng)進(jìn)給伺服電機(jī)已經(jīng)選定，則T的最大值基本不變。如果希望的變化小，則應(yīng)使轉(zhuǎn)動慣量Jd的變化盡量小些。
慣量J由伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子慣量J和機(jī)電傳動系統(tǒng)負(fù)載J兩部分組成
Jd=J+J
負(fù)載慣量J由執(zhí)行部件以及上面裝的夾具、工件、刀具、滾珠絲杠等直線和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動件的質(zhì)量或慣量折算到電動機(jī)軸上的慣量組成。J是定值，J則變化。為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，希望Jd的變化率小些。則應(yīng)使J所占比重小些。這就是進(jìn)給伺服系統(tǒng)中電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量J與J匹配原則。既J應(yīng)大些，但也不是越大越好，因J越大，總慣量也就越大，這將影響系統(tǒng)的靈敏性。
對于步進(jìn)電機(jī)，為了使電機(jī)具有良好的啟動能力及較快的響應(yīng)速度，慣量通常應(yīng)滿足下列關(guān)系
1/4≤J/J
根據(jù)上面計算結(jié)果J=0.00046 ㎏·m2 J=0.000155㎏·m2
J/J=0.000046/0.000155=0.297>0.25符合慣量匹配要求。
第4章 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計
4.1數(shù)控系統(tǒng)硬件組成、控制對象介紹
4.1.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成
任何一個數(shù)控系統(tǒng)都有硬件和軟件兩部分組成，有了硬件才有軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，而只有配置了軟件的硬件才有可工作的控制系統(tǒng)。
構(gòu)成微機(jī)控制系統(tǒng)的基本硬件由以下四部分組成。
1．中央處理單元，即CPU。
2．總線，包括數(shù)據(jù)總線（DB），地址總線(AB)和控制總線(CB)。
3．存儲器，包括可編程存儲器EPROM和隨機(jī)讀寫存儲器。
3．輸入，輸出接口電路。
其中CPU是整個系統(tǒng)的核心，是控制其它各部分協(xié)調(diào)工作的“大腦”。存儲器則是系統(tǒng)軟件機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行中各種數(shù)據(jù)的存儲器。I/O接口電路是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。總線則是連接CPU，存儲器和I/O接口電路的紐帶，是各部進(jìn)行通信的線路。
除此之外，還根據(jù)數(shù)控控制系統(tǒng)的要求配備了一些外圍設(shè)備。
4.1.2 主控制CPU的選擇
在數(shù)控系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素：
（1）時鐘頻率和字長。
（2）可擴(kuò)展存儲器（ROM/RAM）的容量。
（3）指令系統(tǒng)的功能是否強(qiáng)。
（4）I/O接口
（5）開發(fā)手段。
目前數(shù)控機(jī)床中常用的芯片油8086、8088、80826、80386和8098等16位CPU ,也有Z80、8031等8位的CPU。MCS-51系列主要有三種產(chǎn)品：8031、8051、8751。該系列是功能很強(qiáng)的控制器。本設(shè)計采用8031單片機(jī)作為主控制器。
8031單片機(jī)的基本特性：
（1）具有8位中央處理單元。
（2）具有128字節(jié)RAM。
（3）片內(nèi)有時鐘發(fā)生器，每執(zhí)行一條指令時間為2μm或1μm。
（4）具有21位特殊功能寄存器。
（5）可尋址64K字節(jié)的外部獨具存儲和64K字節(jié)的外部程序存儲器。
（6）具有四個I/O端口，32根I/O線。
（7）具有兩個16位定時器/計數(shù)器。
（8）具有5個終端源，配備兩個優(yōu)先級。
（9）具有一個全雙工串行接口。
（10）具有位尋址能力，使用邏輯運(yùn)算。
4.1.3存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存貯器大多采用EPROM.。其型號有7216、2732等。容量各不同。在選擇芯片時，要考慮CPU與EPROM的匹配。即能讀取得時間必須大于EPROM所需求的讀取時間。還應(yīng)考慮最大速度、工作溫度及存儲器容量。滿足容量時，同時以減小芯片數(shù)量，使系統(tǒng)簡化。由于8031內(nèi)部的RAM只有128字節(jié)，不能滿足系統(tǒng)要求，需要擴(kuò)展片外存儲器。
4.1.4譯碼電路
本系統(tǒng)采用全地址譯碼，采用3—8譯碼器（74LS138）。輸入端占用3根高位地址線。譯碼器的8根輸出線分別對應(yīng)8個8K字節(jié)的地址空間。
4.1.5 I/O擴(kuò)展電路
8031單片機(jī)只有4個8位的并行I/O口，當(dāng)可供用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此，需要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。本系統(tǒng)采用可變接口芯片8255。2片8255的片選取端CE分別由3—8譯碼器的Y端輸出提供。
4.1.6鍵盤，顯示接口電路
鍵盤、顯示器時數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入輸出和計算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。本系統(tǒng)采用行列式鍵盤。即用I/O線組成行、列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)在行列的交點上。顯示器采用12位八段共陰極發(fā)光二極管（LED）和1個米字管。
鍵盤、顯示器都與外圍接口芯片8279相連。8279是通用的可編程接口器件。用于各種8位微處理器系統(tǒng)。
4.1.7其他電路
為了使系統(tǒng)準(zhǔn)確、可靠地工作，還要采用其它的一些電路。它們是：
（1）光電隔離電路 為了防止電機(jī)的驅(qū)動電壓影響計算機(jī)的正常工作，在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離。
（2）復(fù)位電路 實現(xiàn)計算機(jī)的狀態(tài)復(fù)位。
（3）越界報警電路 為了防止工作臺越界，在工作臺上安裝限位開關(guān)，一旦越界，立即停止工作臺移動。
（4）掉電保護(hù)電路 為了防止突然掉電對系統(tǒng)造成影響，采用此電路。
4.1.8步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器的選擇
步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號控制的電動機(jī)。在負(fù)載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)，電動機(jī)的角位移僅與控制脈沖成正比。在多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)不需要A/D