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XX大學(xué)
課程設(shè)計(jì)(論文)
XK716數(shù)控機(jī)床z向直流伺服
進(jìn)給系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
數(shù)控機(jī)床即數(shù)字程序控制機(jī)床，是一種自動(dòng)化機(jī)床，數(shù)控技術(shù)是數(shù)控機(jī)床研究的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床借助現(xiàn)代設(shè)計(jì)技術(shù)、工序集約化和新的功能部件使機(jī)床的加工范圍、動(dòng)態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高。
本文主要設(shè)計(jì)X716數(shù)控銑床Z向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)部分，機(jī)械結(jié)構(gòu)采用直流伺服電機(jī)與滾珠絲杠直接相連的方式，其控制方式采用直流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)半閉環(huán)控制。在對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的過程中，主要對(duì)滾珠絲杠螺母副和直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副進(jìn)行了計(jì)算、校核，確保了機(jī)械傳動(dòng)部件的精度和剛度；通過計(jì)算，選擇了電氣驅(qū)動(dòng)部分，包括直流伺服電機(jī)和與之匹配的伺服單元。
關(guān)鍵詞：直線滾動(dòng)導(dǎo)軌；滾珠絲杠螺母副；直流伺服電機(jī)
V
Abstract
NC machine tool is the digital process control machine tool, is an automated machine tools, CNC technology is the core of numerical control machine tool research, is the manufacturing industry that realizes the automation, network, flexible, integrated foundation. With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with the aid of the modern design technology, process intensification and the new function part make machine processing range, dynamic performance, the processing precision and reliability are greatly improved.
In this paper, the main design X716 Z milling machine CNC feed system design part, the mechanical structure of DC servo motor and ball screw directly connected, the control of DC servo drive system semi closed loop control. On the feeding system of the mechanical structure of the design process, mainly on the ball screw nut pair and the linear rolling guideway were calculated, verification, to ensure that the mechanical transmission precision and rigidity; by calculating, chose electrical driving part, including DC servo motor and the matched servo unit.
Key words: Linear rolling guide; ball screws; DC servo motor
目錄
摘 要 I
Abstract II
目錄 III
第1章 前言 1
1.1 課題研究的背景必要性 1
1.2 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展 2
1.2.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 2
1.2.2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展 2
1.3 我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況 2
1.3.1數(shù)控技術(shù)再國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位 2
1.3.2 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程與成就 3
1.3.3我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展存在的問題與對(duì)策 5
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 6
1.5 數(shù)控銑床的主要功能及特點(diǎn) 7
1.6 數(shù)控銑床的分類和應(yīng)用： 7
1.6.1 數(shù)控銑床的分類 7
1.6.2 數(shù)控銑床的應(yīng)用 7
1.5 XK716數(shù)控機(jī)床的參數(shù) 7
1. 6本章小結(jié) 8
第2章 Z向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算 9
2.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 9
2.1.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 9
2.1.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 9
2.1.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 10
2.2 切削參數(shù)計(jì)算 10
2.2.1 精度 10
2.2.2銑削工件時(shí)銑削力的計(jì)算 10
2.2.3 進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算 11
2.2.4首先初步估算工作臺(tái)的重量 13
2.2.5 銑削用量選擇 13
2.2.6 銑削力的計(jì)算 14
2.3 Z向滾珠絲杠副計(jì)算與選擇 15
2.3.1動(dòng)載荷計(jì)算 15
2.3.2選用 FC1-4020-2.5型絲杠 16
2.3.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算 16
2.3.4 剛度驗(yàn)算 18
2.3.5 效率驗(yàn)算 19
2.4 Z向直流電機(jī)選擇計(jì)算 19
2.5導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)與選型 24
2.5.1導(dǎo)軌概述 24
2.5.2滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的計(jì)算 26
第3章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 31
3.1微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 31
3.1.1微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 31
3.1.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 32
3.2微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 32
3.2.1主控制器CPU的選擇 32
3.2.2存儲(chǔ)器電路的擴(kuò)展 33
3.2.3 I/O口電路的擴(kuò)展 34
3.2.4 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 35
3.2.5其它輔助電路設(shè)計(jì) 36
3.3程序部分 36
總結(jié)與展望 41
參考文獻(xiàn) 43
致 謝 44
第1章 前言
1.1 課題研究的背景必要性
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密、復(fù)雜、而且產(chǎn)品的生產(chǎn)周期短、改型頻繁。這不僅對(duì)機(jī)床設(shè)備提出精度與效率的要求提出了通用性與靈活的要求。特別是航空、造船、武器、模具生產(chǎn)等精密加工的零件具有精度高、形狀復(fù)雜、經(jīng)常變動(dòng)的特點(diǎn)。因此機(jī)械產(chǎn)品部件的生產(chǎn)設(shè)備機(jī)床也相應(yīng)的提出了高性能、高精度化的要求。
利用計(jì)算機(jī)控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工使得零件的加工變得十分的方便、快速，很大程度上節(jié)約了人力和物力的使用，使得工業(yè)自動(dòng)化程度更高。但是許多企業(yè)由于資金等方面的約束不能及時(shí)引進(jìn)先進(jìn)數(shù)控機(jī)床，這樣制約了生產(chǎn)率的提高，不利于自動(dòng)化程度的提高。因此各種機(jī)床的數(shù)控改造開發(fā)成為眾多專業(yè)技術(shù)人員研究的一。
數(shù)控，用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過程進(jìn)行控制，其對(duì)零件的加工相比普通機(jī)床有著很多的優(yōu)點(diǎn)：
（1）自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)強(qiáng)度低。
（2）加工精度、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
（3）對(duì)零件加工的適應(yīng)性強(qiáng)，靈活性好，能加工形狀復(fù)雜的零件。
（4）加工生產(chǎn)率高。
（5）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。
（6）對(duì)加工對(duì)像的適應(yīng)性強(qiáng)。
并且目前在機(jī)械行業(yè)中，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)品更新周期越來越短，中小批量的生產(chǎn)所占有的比例越來越大，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的精度和質(zhì)量要求也在不斷地提高與推進(jìn)。所以普通機(jī)床越來越難以滿足加工的要求，同時(shí)由于技術(shù)水平的提高，數(shù)控機(jī)床的價(jià)格在不斷下降，因此，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械行業(yè)中的使用將越來越普遍，而對(duì)原有普通機(jī)床的數(shù)控化改造也應(yīng)是越來越廣泛，依照設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)對(duì)XW5032銑床進(jìn)行了數(shù)控化改造。
1.2 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展
隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且要求頻繁改型，特別是在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域所需的機(jī)械零件，精度要求高，形狀復(fù)雜，批量小。加工這類產(chǎn)品需要經(jīng)常改裝或調(diào)整設(shè)備，普通機(jī)床或?qū)Ｓ没潭雀叩淖詣?dòng)化機(jī)床一般 不能適應(yīng)這些要求。為了解決上述問題，一種新型的機(jī)床——數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。這種新型機(jī)床具有適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點(diǎn)。他綜合應(yīng)用電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測(cè)量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果。
1.2.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生
世界上第一臺(tái)成功研制的數(shù)控機(jī)床是一臺(tái)三坐標(biāo)的數(shù)控銑床，于1952年由美國(guó)帕森斯公司和麻省理工學(xué)院合作完成。早在1948年，美國(guó)在研制加工直升機(jī)葉片輪廓檢查用樣板的技工機(jī)床任務(wù)時(shí)，就提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。1949年，在美國(guó)空軍部門的支持下，帕森斯公司正式接受委托，與麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室合作，開始從事數(shù)控機(jī)床的研制工作。經(jīng)過三年時(shí)間的研究，于1952 年試制成功世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床試驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺(tái)采用脈沖乘法器原理的直線插補(bǔ)三坐標(biāo)連續(xù)控制銑床。其控制裝置由2000多個(gè)電子管組成，占用一個(gè)普通實(shí)驗(yàn)室那么大。這臺(tái)數(shù)控銑床的誕生，標(biāo)志著機(jī)械制造的數(shù)字控制時(shí)代的開始。
1.2.2數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展
數(shù)控機(jī)床的發(fā)展是隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展經(jīng)歷了電子管—分立式晶體管—小規(guī)模集成電路—大規(guī)模集成電路—小型計(jì)算機(jī)—超大規(guī)模集成電路—微機(jī)式的數(shù)控系統(tǒng)等幾個(gè)發(fā)展階段。
20世紀(jì)90年代以來，數(shù)控系統(tǒng)朝著以通用微機(jī)為基礎(chǔ)、體系結(jié)構(gòu)開放和智能化方向發(fā)展。以上的三代數(shù)控系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)硬件和軟件組成，利用存儲(chǔ)器里的軟件控制系統(tǒng)工作，因此稱為CNC系統(tǒng)或軟件控制系統(tǒng)。這種系統(tǒng)容易擴(kuò)大功能，柔性好，可靠性高。
1.3 我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概況
1.3.1數(shù)控技術(shù)再國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的重要地位
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和過程進(jìn)行控制的技術(shù)，是20世紀(jì)后半葉最重要，發(fā)展最快的工業(yè)技術(shù)之一，它以制造過程為對(duì)象，以信息技術(shù)為手段，以數(shù)字坐標(biāo)方式對(duì)運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)行位置控制為主要特征，為單件小批量生產(chǎn)的自動(dòng)化開辟了可行的技術(shù)途徑，也為現(xiàn)代柔性制造技術(shù)奠定了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)覆蓋很多領(lǐng)域。其中，精密機(jī)械制造技術(shù)，信息處理、加工、傳輸技術(shù)，自動(dòng)控制技術(shù)，伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)，傳感器及檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)是數(shù)控技術(shù)涵蓋的主要領(lǐng)域。數(shù)控機(jī)床還是運(yùn)用高新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改進(jìn)和提升的重要載體。
以信息化帶動(dòng)工業(yè)化，實(shí)現(xiàn)社會(huì)生產(chǎn)力的跨越式發(fā)展，將在一定程度上取決于數(shù)控機(jī)床的技術(shù)進(jìn)步。它代表著裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度。而裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)、航空航天等國(guó)防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和重要裝備。數(shù)控技術(shù)又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)?，F(xiàn)在世界各國(guó)制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國(guó)家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高、精、尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國(guó)實(shí)行封鎖和限制政策?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國(guó)家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國(guó)力和國(guó)家地位的重要
途徑。
1.3.2 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷程與成就
我國(guó)從1958年開始研究數(shù)控機(jī)床，一直到20世紀(jì)60年代中期還處于研制、開發(fā)時(shí)期。當(dāng)時(shí)，一些高校和科研單位研制出的試驗(yàn)性樣機(jī)，是從電子管數(shù)控系統(tǒng)起步的。1965年開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。從20世紀(jì)70年代起，數(shù)控技術(shù)在車、銑、銼、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域全面展開，加工中心在上海、北京研制成功。但是，由于元器件的質(zhì)量差和產(chǎn)品的制造工藝水平低等原因，數(shù)控系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性未得到解決，未能廣泛推廣。在這一時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、價(jià)格低廉，在模具加工中得到推廣。直線控制、點(diǎn)位控制的數(shù)控車床、數(shù)控銑床和加工中心開始在生產(chǎn)中應(yīng)用。20世紀(jì)80年代，我國(guó)從日本FANUC公司引進(jìn)了3,5,6,7等系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流伺服電動(dòng)機(jī)、直流主軸伺服電動(dòng)機(jī)等的制造技術(shù)，還引進(jìn)了美國(guó)GE公司的MCI系統(tǒng)和交流伺服系統(tǒng)、德國(guó)SIEMENS公司的VS系列晶閘管調(diào)速裝置，并進(jìn)行了商品化生產(chǎn)。這些系統(tǒng)功能齊全、可靠性高，得到了推廣應(yīng)用，推動(dòng)了我國(guó)數(shù)控機(jī)床的穩(wěn)定發(fā)展，使我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在性能和質(zhì)量上產(chǎn)生了一個(gè)質(zhì)的飛躍。在這期間，我國(guó)在引進(jìn)、消化國(guó)外技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了大量的開發(fā)工作。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的品種有了較大發(fā)展，品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術(shù)復(fù)雜的大型數(shù)控機(jī)床、重型數(shù)控機(jī)床都相繼研制出來。為了跟蹤國(guó)外現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展，北京機(jī)床研究所還研制出了JCS-FMS-1型和JCS-FMS-2型柔性制造單元和柔性制造系統(tǒng)。
改革開放近30年來，我國(guó)的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)取得了舉世矚目的成就。特別是“十五”期間，數(shù)控機(jī)床發(fā)展進(jìn)人了快車道。國(guó)家有關(guān)部門的統(tǒng)計(jì)數(shù)字表明，“十五”是我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)發(fā)展最快的五年。2004年，我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)產(chǎn)品銷售收人1 032億元，大約是2000年507億元的2倍，平均年增長(zhǎng)約19％；2004年，全國(guó)金屬切削機(jī)床產(chǎn)量為39萬臺(tái)，大約是2000年17萬臺(tái)的2．3倍，平均年增長(zhǎng)約23寫。機(jī)床工具行業(yè)的主導(dǎo)產(chǎn)品—數(shù)控機(jī)床的發(fā)展速度遠(yuǎn)高于機(jī)床工具全行業(yè)的平均發(fā)展速度。國(guó)產(chǎn)數(shù)控金屬切削機(jī)床年產(chǎn)量從“九五”計(jì)劃末期的幾千臺(tái)，增加到2001年的17 521臺(tái),2002'年的24 803臺(tái)，2003年的36 813臺(tái)，2004年的51 861臺(tái)，其中2004年的產(chǎn)量大約是2000年產(chǎn)量的3. 7倍，平均年增長(zhǎng)約39％。金屬加工機(jī)床產(chǎn)值數(shù)控化率從2001年的26. 2％提高到2004年的32．7％，形成了一批數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)的主導(dǎo)企業(yè)，2004年數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量超千臺(tái)的企業(yè)有14家，其產(chǎn)量合計(jì)占全行業(yè)數(shù)控機(jī)床總產(chǎn)量的50％以上，其中數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量最高的一家企業(yè)年產(chǎn)量達(dá)6 000多臺(tái)。連續(xù)幾年來數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量快速上升，也帶動(dòng)了出口，2004年全行業(yè)數(shù)控金屬加工機(jī)床出口14 404臺(tái)。數(shù)控機(jī)床的年產(chǎn)量已經(jīng)突破原國(guó)家經(jīng)貿(mào)委發(fā)布的到2005年全國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量達(dá)到25 000^-30 000臺(tái)的奮斗目標(biāo)。數(shù)控機(jī)床的品種也從“九五”期間的128種發(fā)展到目前的1 500多種。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品大部分達(dá)到了國(guó)際20世紀(jì)90年代初期或中期水平，為國(guó)家重點(diǎn)建設(shè)提供了一批高水平的數(shù)控機(jī)床。
不僅如此，“十五”期間，我國(guó)在高端數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)研究方面取得重大突破。目前，我國(guó)在普及型數(shù)控機(jī)床技術(shù)上已經(jīng)成熟，還基本掌握了多（五）坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的關(guān)鍵技術(shù)。這不僅打破了國(guó)外的技術(shù)封鎖，而且使該技術(shù)進(jìn)人實(shí)用性階段。北京機(jī)電研究院為東方汽輪機(jī)廠開發(fā)的五軸聯(lián)動(dòng)加工中心，已在東方汽輪機(jī)廠實(shí)際應(yīng)用，不僅完全滿足了汽輪機(jī)葉片加工質(zhì)量的要求，而且其加工效率可與進(jìn)口機(jī)床的媲美，但其價(jià)格僅為進(jìn)口機(jī)床的三分之一。復(fù)合加工技術(shù)的研究也取得很大成績(jī)，我國(guó)研制成功的五軸聯(lián)動(dòng)車銑復(fù)合加工中心、五軸五面加工中心、雙主軸車削中心等均已實(shí)現(xiàn)商品化。
我國(guó)高速加工技術(shù)的研究與應(yīng)用取得重要進(jìn)展。其中在直線電動(dòng)機(jī)應(yīng)用技術(shù)的研究方面，基本掌握了負(fù)載變化擾動(dòng)、熱變形補(bǔ)償、隔磁和防護(hù)等部分關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了我國(guó)在直線電動(dòng)機(jī)應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域的空白，進(jìn)一步縮短了與國(guó)外的差距。此外，我國(guó)還完成了10 000^-18 000 r/min高速主軸單元的產(chǎn)品開發(fā)和加工制造工藝的研究，并在國(guó)產(chǎn)加工中心上應(yīng)用。超精密加工（亞微米）技術(shù)和裝備的研究也取得突破，北京機(jī)床研究所研制的超精密加工和納米加工技術(shù)與裝備已達(dá)到世界領(lǐng)先水平，打破了國(guó)外對(duì)我國(guó)的技術(shù)封鎖。
目前，數(shù)控機(jī)床在我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各行各業(yè)發(fā)揮著越來越重要的作用，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)成為企業(yè)技術(shù)改造的首先設(shè)備之一。我國(guó)已經(jīng)成為數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)大國(guó)、消費(fèi)大國(guó)和進(jìn)口大國(guó)。國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)行業(yè)需要大量數(shù)控機(jī)床的開發(fā)人才和應(yīng)用人才。
1.3.3我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展存在的問題與對(duì)策
當(dāng)前，國(guó)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展很快，呈現(xiàn)出高速度、高精度、高可靠性、多軸控制、工藝復(fù)合、集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化和環(huán)?；l(fā)展的態(tài)勢(shì)。與國(guó)外數(shù)控技術(shù)的發(fā)展相比，我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展仍然存在著較大差距，主要體現(xiàn)在以下四個(gè)方面。
(1)在技術(shù)水平上，國(guó)外對(duì)加工中心的研究已經(jīng)轉(zhuǎn)向高速、精密、多軸、復(fù)合、智能和環(huán)保等技術(shù)的研究。我國(guó)加工中心的總體技術(shù)水平與國(guó)外同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平相比大約落后10^-15年，在“高、精、尖”技術(shù)方面則更大。
(2)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)上，高端市場(chǎng)（即高速、精密、多軸、復(fù)合加工中心市場(chǎng)）基本上被美國(guó)、日本和歐洲發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家所壟斷，國(guó)內(nèi)開發(fā)的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床、復(fù)合加工中心、高速加工中心等產(chǎn)品，雖然已經(jīng)投人使用，但多數(shù)產(chǎn)品與商品化尚有一段距離，而且在技術(shù)水平和性能參數(shù)上與歐、美、日等地的產(chǎn)品還有較大差距。低端市場(chǎng)（即普及型數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)）受到周邊的日本、韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)產(chǎn)品的沖擊較大，形成激烈競(jìng)爭(zhēng)。多年來，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量小、進(jìn)口產(chǎn)品量大的局面一直存在。
(3)產(chǎn)品開發(fā)能力上，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)缺乏對(duì)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)前數(shù)控技術(shù)的深人研究與開發(fā)，特別是對(duì)加工中心應(yīng)用領(lǐng)域的拓展力度不強(qiáng)，集中體現(xiàn)在：產(chǎn)品開發(fā)能力較弱，對(duì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后，技術(shù)創(chuàng)新能力不強(qiáng)。導(dǎo)致開發(fā)出的產(chǎn)品技術(shù)先進(jìn)性不明顯，市場(chǎng)針對(duì)性不強(qiáng)，缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。
(4)產(chǎn)業(yè)化水平上，市場(chǎng)占有率低，品種覆蓋率小。從總體上看，加工中心還沒有形成規(guī)模生產(chǎn)；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及配套能力較低；產(chǎn)品質(zhì)量不高，主要體現(xiàn)在可靠性不高，商品化程度不足，關(guān)鍵功能部件沒有自己配套的主渠道；數(shù)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用還不夠等等。
這些問題已經(jīng)引起了國(guó)家有關(guān)部門的高度重視，并正在采取措施加以改進(jìn)。2006年6月，國(guó)務(wù)院發(fā)布了《關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見｝）（以下簡(jiǎn)稱《意見》），裝備制造業(yè)得到了國(guó)家前所未有的重視，《意見》將在三個(gè)方面重點(diǎn)下四點(diǎn):
第一，加快開發(fā)高檔數(shù)控機(jī)床品種，縮短與世界先進(jìn)水平的差距，提升我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)整體水平，對(duì)市場(chǎng)急需的高檔數(shù)控機(jī)床品種，要集中力量，重點(diǎn)突破，加大科技投人，加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和開發(fā)研究，提高原始創(chuàng)新和集成創(chuàng)新能力，掌握一批高檔數(shù)控關(guān)鍵產(chǎn)品開發(fā)的核心技術(shù)，推出一批高檔數(shù)控機(jī)床品種，滿足重點(diǎn)用戶急需，精心培育高檔數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)。
第二，積極促進(jìn)功能部件產(chǎn)業(yè)化，培育一批功能部件的龍頭企業(yè)，加大政策支持力度，重點(diǎn)發(fā)展高檔數(shù)控系統(tǒng)、高速主軸單元、精密滾動(dòng)功能部件、動(dòng)力刀架、精密轉(zhuǎn)臺(tái)、高速導(dǎo)軌防護(hù)裝置等高水平的功能部件，加快產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，培育國(guó)產(chǎn)品牌，實(shí)現(xiàn)功能部件與數(shù)控機(jī)床同步發(fā)展。
第三，進(jìn)一步發(fā)展普及型數(shù)控機(jī)床，我國(guó)普及型數(shù)控機(jī)床技術(shù)已經(jīng)成熟，產(chǎn)業(yè)化迫在眉捷，急需進(jìn)一步提高可靠性和質(zhì)量，及時(shí)供應(yīng)市場(chǎng)，提高產(chǎn)業(yè)集中度，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、可靠、快速地滿足市場(chǎng)，以提高制造能力和生產(chǎn)集中度為重點(diǎn)，支持骨干企業(yè)快速發(fā)展。
第四，努力提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)占有率，是“十一五”期間行業(yè)發(fā)展的重中之重，要從質(zhì)量、可靠性、服務(wù)等方面入手，創(chuàng)品牌、擴(kuò)市場(chǎng)、擋進(jìn)口、爭(zhēng)出口，爭(zhēng)取在五年內(nèi)使國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率有較大提高。
《意見》切中了我國(guó)數(shù)控機(jī)床發(fā)展中的關(guān)鍵問題，為發(fā)展國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床提供了良好的政策環(huán)境。毫無疑問，隨著《意見》的貫徹實(shí)施，多年來困擾我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)發(fā)展的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)化和自主開發(fā)能力偏低的問題，將得到一定程度的解決，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率長(zhǎng)期不高的局面將被扭轉(zhuǎn)。高等學(xué)校作為國(guó)家各類人才的培養(yǎng)基地，為裝備制造業(yè)培養(yǎng)急需的數(shù)控機(jī)床開發(fā)與應(yīng)用人才，是義不容辭的責(zé)任。
1.4 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，制造技術(shù)的進(jìn)步，以及社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和品種多樣化的要求越來越強(qiáng)烈。中、小批量生產(chǎn)的比例明顯增加，要求現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床成為一種精密、高效、復(fù)合、集成功能和低成本的自動(dòng)化加工設(shè)備。同時(shí)，為了滿足制造業(yè)向更高層次發(fā)展，為柔性制造單元、柔性制造系統(tǒng)，以及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)提供基礎(chǔ)設(shè)備，也要求數(shù)控機(jī)床向更高水平發(fā)展。當(dāng)前，數(shù)控機(jī)床技術(shù)呈現(xiàn)如下發(fā)展趨勢(shì)：（1） 高精度化；（2） 運(yùn)動(dòng)高速化；（3）柔性化；（4）高自動(dòng)化；（5）高可靠性；（6）智能化；（7）復(fù)合化；（8）網(wǎng)絡(luò)化；（9）開放式體系結(jié)構(gòu)。
1.5 數(shù)控銑床的主要功能及特點(diǎn)
數(shù)控銑床的可分為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各種銑床適用的數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。除各有其特點(diǎn)之外，常具有下列主要功能：
① 點(diǎn)位控制功能；② 連續(xù)輪廓控制功能；③ 刀具半徑自動(dòng)補(bǔ)償功能；④ 刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能；⑤ 鏡像加工功能；⑥ 固定循環(huán)功能； ⑦ 特殊功能 。
具備自適應(yīng)功能的數(shù)控銑床可以在加工過程中把感受到的切削狀況的變化，通過適應(yīng)性控制系統(tǒng)及時(shí)控制機(jī)床改變切削用量，使銑床及刀具始終保持最佳狀態(tài)，從而可獲得較高的切削效率和加工質(zhì)量，延長(zhǎng)刀具使用壽命。
數(shù)控銑床的主要特點(diǎn)：（1） 高柔性及工序復(fù)合化；（2） 加工精度高；（3）生產(chǎn)效率高；（4）減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。
1.6 數(shù)控銑床的分類和應(yīng)用：
1.6.1 數(shù)控銑床的分類
按運(yùn)動(dòng)方式分：（1）點(diǎn)位控制數(shù)控銑床 (2）直線控制數(shù)控銑床（3）輪廓控制數(shù)控銑床；
按控制方式分：(1）開環(huán)控制數(shù)控銑床(2）閉環(huán)控制數(shù)控銑床(3）半閉環(huán)控制數(shù)控銑床；
按主軸的布局形式分：（1）立式數(shù)控銑床：（2）臥式數(shù)控銑床（3）立臥兩用式數(shù)控銑床等等
1.6.2 數(shù)控銑床的應(yīng)用
數(shù)控銑床主要用于加工平面和曲面輪廓的零件，還可以加工復(fù)雜型面的零件、樣板、模具、螺旋槽等。同時(shí)也可以進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、锪和鏜孔的加工，但因數(shù)控銑床不具自動(dòng)換刀功能，所以不能完成復(fù)雜孔的加工。數(shù)控銑床主要應(yīng)用于汽車制造業(yè)、模具制造業(yè)、機(jī)床制造業(yè)、航空航天業(yè)、造船業(yè)、軍事工業(yè)及其他行業(yè)
1.7 XK716數(shù)控機(jī)床的參數(shù)
本課題設(shè)計(jì)的立式數(shù)控銑床可以銑削平面和溝槽，也可加工空間曲面；若將銑刀換成鉆頭或絞刀，則可加工光孔或螺紋孔。銑床主要技術(shù)參數(shù)如下：
工作臺(tái)工作面尺寸（長(zhǎng)寬）
工作臺(tái)X向最大行程
工作臺(tái)Y向最大行程
工作臺(tái)T型槽數(shù) 3
工作臺(tái)T型槽寬 18mm
工作臺(tái)T型槽間距 90mm
機(jī)床分辨率均為0.005mm
最大移動(dòng)速度2m/min
1. 8本章小結(jié)
本章節(jié)首先介紹了數(shù)控技術(shù)的背景發(fā)展歷程，進(jìn)而分析了數(shù)控技術(shù)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及未來趨勢(shì)，最后介紹了研究的主要內(nèi)容和意義。
第2章 Z向進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算
2.1 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求
進(jìn)給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的一個(gè)特殊部分。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。
(1) 穩(wěn)定性
伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,或者在輸入的指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），，與外界的作用信號(hào)（包括指令信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)）的性質(zhì)或形式無關(guān)。
(2) 精度
伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差：動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實(shí)際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標(biāo)就行。
(3) 快速響應(yīng)性
快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對(duì)指令輸入信號(hào)的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，傳動(dòng)裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。
2.1.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有：
能夠克服摩擦力和負(fù)載
(2) 很小的進(jìn)給位移量
(3) 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度
(4) 足夠的調(diào)速范圍
(5) 進(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)無爬行現(xiàn)象
在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有：
(1) 具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩
(2) 具有良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量
(3) 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小
對(duì)于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求
(1) 被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較小的慣量
高的剛度
良好的阻尼
傳動(dòng)部件在拉壓剛度 扭轉(zhuǎn)剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能小的非線性
2.1.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析
(1).時(shí)間響應(yīng)特性
進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時(shí)間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。
(2) 頻率響應(yīng)特性
(3) 快速性分析
2.2 切削參數(shù)計(jì)算
2.2.1 精度
要求：進(jìn)給精度
快速進(jìn)給精度
機(jī)床分辨率均為0.005mm，選擇系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為=0.005mm/step。
2.2.2銑削工件時(shí)銑削力的計(jì)算
銑削運(yùn)動(dòng)的特征：主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給（銑鍵槽時(shí)，可使鍵槽銑刀沿軸線進(jìn)給）。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的切削部分都可以看做車刀刀頭的演變，銑刀的每一個(gè)刀齒相當(dāng)于一把車刀。它的切削基本規(guī)律與車削相似，所不同的是銑刀回轉(zhuǎn)，刀齒數(shù)多。
通常假定銑削時(shí)銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒某點(diǎn)上，如圖1所示。設(shè)刀齒上受到銑削抗力的合力為F,將F沿銑刀軸線、徑向和切向進(jìn)行分解，則分別為軸向銑削力F}、徑向銑削力F，和切向銑削力F二。切向銑削力F二是沿銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗銑床主電動(dòng)機(jī)功率（即銑削功率）最多。因此，切向銑削力F二可按銑削功率 (kW)或主電動(dòng)機(jī)功率（kw）算出。
式中:v—機(jī)床主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速（主軸傳遞全部功率時(shí)的最低切削速度,m/s)；
ηm—機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率，一般取，ηm～0.8。
圖3.1 銑削抗力及工作臺(tái)上的載荷
2.2.3 進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算
作用在進(jìn)給工作臺(tái)上的合力F′與銑刀刀齒受到的銑削抗力F的合力大小相同、方向相反，如圖所示。合力F′就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考慮的工作載荷可以沿著銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)力：工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷F1，工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷Fc，工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷Fv。
進(jìn)給工作臺(tái)的工作載荷F1、Fc和Fv與切向銑削力Fz之間有一定的經(jīng)驗(yàn)比值（見表1）。因此，計(jì)算出Fz后，即可計(jì)算出進(jìn)給工作臺(tái)的工作載荷F1、Fc和Fv。
表2.1工作臺(tái)工作載荷與切向鐵削力的經(jīng)驗(yàn)比值
在表2-1中，表示銑削寬度（mm），它是銑削用量要素之一，是垂直于銑刀軸線測(cè)量的切削層尺寸
從圖2-3可知，圓柱銑削時(shí)，為待加工表面與已加工表面之間的垂直距離；端銑時(shí)，恰為工件寬度，不是待加工表面與已加工表面之間離。
圖2.2順銑與逆銑
圖2.2表示圓柱銑的順銑和逆銑的不同方式。順銑時(shí)，縱向進(jìn)給方向載荷F1與進(jìn)給方向一致，垂直進(jìn)給方向載荷Fv向下,逆銑時(shí)方向相反。
圖2.2表示對(duì)稱端銑和不對(duì)稱端銑。對(duì)稱端銑分有順銑和逆銑之分。
在表1中，d。表示圓柱銑刀直徑或端銑刀直徑（mm）,表示每齒進(jìn)給量（mm/齒），即銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量。每齒進(jìn)給量、每轉(zhuǎn)進(jìn)給量f 和工作臺(tái)的進(jìn)給速度 三者之間的關(guān)系為
mm/min
式中：Z-銑刀齒數(shù)；
n-銑刀轉(zhuǎn)速（r/min）
2.2.4首先初步估算工作臺(tái)的重量
首先要初步估算工作臺(tái)的重量及銑削工件的最大切削力才能進(jìn)行設(shè)計(jì)。
X軸方向移動(dòng)的工作臺(tái)尺寸：長(zhǎng)寬高為900600 80 ,重量約為3302.2N，最大行程630mm ；
Y軸方向移動(dòng)的工作臺(tái)尺寸：長(zhǎng)寬高為300 300 80 ,重量約為550.368N，最大行程400mm ；
設(shè)夾具及工件的質(zhì)量約為200Kg，重量約為1960N ；
則XY工作臺(tái)總質(zhì)量約為480.83kg,總重量約為5812.573N（包括夾具及工件）。
2.2.5 銑削用量選擇
銑削用量選擇原則：首先應(yīng)盡可能取較大的切削深度及切削寬度然后盡可能取較大的每齒進(jìn)給量，最后才盡可能取較大的銑削速度。粗銑時(shí)余量大，加工要求低，主要考慮銑刀的耐用度及銑削力的影響；而精銑時(shí)余量小，加工要求高，主要考慮加工質(zhì)量的提高。
1.銑削深度的選擇
（1）當(dāng)工件表面要求的光潔度為時(shí)，通常銑削無硬皮的鋼料時(shí)，；銑削鑄鋼或鑄鐵時(shí)。
（2）當(dāng)工件表面要求的光潔度為時(shí),可分粗銑、半精銑、兩步銑削。粗銑后留余量。
（3）當(dāng)工件表面要求的光潔度為時(shí),可分粗銑、半精銑、精銑三步銑削。半精銑，精銑左右。
2.每齒進(jìn)給量的選擇
當(dāng)銑削深度選定后，盡可能取較大的每齒進(jìn)給量。粗銑時(shí)限制每齒進(jìn)給量的是銑削力及銑刀容屑空間的大小，當(dāng)工藝系統(tǒng)剛性俞好及銑刀齒數(shù)愈少時(shí)，可取得愈大；半精銑及精銑時(shí)限制每齒進(jìn)給量的是工件表面光潔度。光潔度要求愈高，應(yīng)俞小。
2.2.6 銑削力的計(jì)算
銑床通常用于銑削平面和溝槽。銑刀又分為圓柱銑刀、立銑刀、盤形銑刀、端銑刀、半圓弧銑刀、T形槽銑刀。其中用立銑刀銑削溝槽時(shí)的銑削力最大，故按用立銑刀銑削溝槽時(shí)計(jì)算銑削力。
銑削力與銑刀材料、銑刀類型、工件材料的硬度、銑削寬度、銑削深度、每齒進(jìn)給量、銑刀直徑、銑刀齒數(shù)有關(guān)?？砂础督饘偾邢髟砑皯?yīng)用》中的公式進(jìn)行計(jì)算：
銑削溝槽時(shí)采用粗齒高速鋼立銑刀，按工件材料為的碳鋼來設(shè)計(jì)。查《金屬切削手冊(cè)》，選擇銑削用量為銑刀直徑，銑刀齒數(shù)，銑削寬度，每齒進(jìn)給量，銑削深度，銑刀的切削速度。
采用端面銑刀在主軸上的計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削，主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動(dòng)機(jī)的全部功率。
由得：
故
2.3 Z向滾珠絲杠副計(jì)算與選擇
2.3.1動(dòng)載荷計(jì)算
絲桿的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進(jìn)給力的Z向分力。根據(jù)上節(jié)
根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》
計(jì)算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級(jí)精度
則：
2）計(jì)算額定動(dòng)載荷
取絲杠的工作壽命為,
2.3.2選用 FC1-4020-2.5型絲杠
由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計(jì)算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
2.3.3 穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3，S>[S]，絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
2.3.4 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠在工作負(fù)載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況取（其中）
則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為：
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即
該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。
2.3.5 效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。
機(jī)床分辨率均為0.005mm，選擇系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為=0.005mm/step。
2.4 Z向直流電機(jī)選擇計(jì)算
1. 計(jì)算工作臺(tái)、絲杠折算到電機(jī)軸上的慣量
根據(jù)《機(jī)電一體化基礎(chǔ)》所提供的計(jì)算公式：
式中：------------折算到電機(jī)軸的慣量；
----------小 大齒輪的慣量；
--------------絲杠慣量；
--------------橫向工作臺(tái)及夾具重量,；
--------------絲杠螺距，；
絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算：由于有些傳動(dòng)件（如齒輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量不易精確計(jì)算，可將其等效成圓柱體來近似計(jì)算。
圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可依據(jù)公式：
式中： 材料密度,對(duì)鋼?。?
圓柱體直徑.(對(duì)于齒輪、絲杠等就是其等效直徑)；
圓柱體長(zhǎng)度,(對(duì)于齒輪、絲杠等就是其等效齒寬或長(zhǎng)度)
則：
則可算得：
≈2.03
2. 慣量匹配驗(yàn)算
初選的直流電機(jī)安川/R02SAKOE的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：=4.61Kg
轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)與直流電機(jī)的慣量匹配條件：
而：
所以慣量是匹配的。
3. 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩
依據(jù)公式：
式中：
---快速空載起動(dòng)力矩；
---空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上最大加速力矩；
---折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；
---由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；
又：
式中： --慣量和，；
--電機(jī)最大角加速度；
又：
其中： --電機(jī)最大轉(zhuǎn)速；
--運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間取25ms
又：
則：
則：
故：
又因?yàn)椋?
式中：
---導(dǎo)軌的摩擦力；
---傳動(dòng)鏈總效率，一般可取 ，現(xiàn)取 ；
又：
式中： 垂直方向的切削力，；
導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， (貼塑導(dǎo)軌)；
橫向工作臺(tái)及夾具重量，；
則：
=103N
故：
又：
式中： ---滾珠絲杠預(yù)加載荷，??；
---滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率， ；
故：
=140+9.8+3.7=153.5
4. 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩
依據(jù)公式：
而：
故有：
5. 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
根據(jù)公式：
式中： 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩；
又有公式：
式中：
---進(jìn)給方向最大切削力，；
則：
故：
6. 最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
依據(jù)文獻(xiàn)《實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》上，有：
（1）對(duì)于在最大切削力下工作時(shí)所需要電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
（2）對(duì)于空載起動(dòng)時(shí)所需要的電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
由（1）和（2）可知，以計(jì)算得：恒大于 所以就以作為選取直流電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。而初選的直流電機(jī)為安川/R02SAKOE ，它的最大靜轉(zhuǎn)矩為：
所以初選的直流電機(jī)型號(hào)符合要求。
7. 直流電機(jī)動(dòng)載荷矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性
由《數(shù)控技術(shù)》得：動(dòng)矩頻特性：
=4167Hz
運(yùn)行矩頻特性：
其中： ----- 最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度2m/min
的，現(xiàn)取中間值，即。
所以：=2431
由直流電機(jī)安川/R02SAKOE的矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性參數(shù)可以看出所選直流電機(jī)在起動(dòng)時(shí)力矩是滿足要求的。
所以最終就確定直流電機(jī)的型號(hào)為：安川/R02SAKOE直流伺服電機(jī)。
2.5導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)與選型
2.5.1導(dǎo)軌概述
導(dǎo)軌主要用來支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件沿一定的軌道運(yùn)動(dòng)。在導(dǎo)軌副中，運(yùn)動(dòng)的一方稱為動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的一方稱為支承導(dǎo)軌。動(dòng)導(dǎo)軌相對(duì)于支承導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)，通常作直線運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。
1.對(duì)導(dǎo)軌的要求
1)導(dǎo)向精度高
導(dǎo)向精度主要是指導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的直線度和圓度。影響導(dǎo)向精度的主要因素有導(dǎo)軌的幾何精度、導(dǎo)軌的接觸精度、導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式、動(dòng)導(dǎo)軌及支承導(dǎo)軌的剛度和熱變形，還有裝配質(zhì)量。
導(dǎo)軌的幾何精度綜合反映在靜止或低速下導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度。直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的檢驗(yàn)內(nèi)容主要是：導(dǎo)軌在垂直平面內(nèi)的直線度，導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線度，在水平面內(nèi)兩條導(dǎo)軌的平行度。例如：導(dǎo)軌全長(zhǎng)為20 m的龍門刨床，其直線度誤差為0.02/1 000，在導(dǎo)軌全長(zhǎng)范圍內(nèi)為0. 08 mm。圓周運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌幾何精度的檢驗(yàn)內(nèi)容與主軸回轉(zhuǎn)精度的檢驗(yàn)方法相類似，用導(dǎo)軌回轉(zhuǎn)時(shí)端面跳動(dòng)和徑向跳動(dòng)表示。例如：最大切削直為4m的立車，其允差規(guī)定為0. 05 mm.
2)耐磨性好及壽命長(zhǎng)
導(dǎo)軌的耐磨性決定了導(dǎo)軌的精度保持性。動(dòng)導(dǎo)軌沿支承導(dǎo)軌長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)引起導(dǎo)軌的不均勻磨損，破壞導(dǎo)軌的導(dǎo)向精度，從而影響機(jī)床的加工精度。例如：臥式車床的鑄鐵導(dǎo)軌，若結(jié)構(gòu)欠佳、潤(rùn)滑不良或維修不及時(shí)，貝。靠近床頭箱一段的前導(dǎo)軌，每年磨損量達(dá)0.2-0.3mm，這樣就降低了刀架移動(dòng)的直線度及對(duì)主軸的平行度，加工精度也就下降了。與此同時(shí)，也增加了溜板箱中開合螺母與絲杠的同軸度誤差，加劇了螺母與絲杠的磨損。
3)足夠的剛度
導(dǎo)軌要有足夠的剛度，保證在載荷作用下不產(chǎn)生過大的變形，從而保證各部件間的相對(duì)位置和導(dǎo)向精度。
4)低速運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性
在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，作為運(yùn)動(dòng)部件的動(dòng)導(dǎo)軌易產(chǎn)生爬行?！M(jìn)給運(yùn)動(dòng)的爬行將提高被加工表面的表面粗糙度值，故要求導(dǎo)軌低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，不產(chǎn)生爬行，這對(duì)于高精度的機(jī)床尤其重要。
5)工藝性好
設(shè)計(jì)導(dǎo)軌時(shí)，要注意到制造、調(diào)整和維護(hù)的方便，力求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝性和經(jīng)濟(jì)性好。
2.對(duì)導(dǎo)軌的技術(shù)要求
1)導(dǎo)軌的精度要求
滑動(dòng)導(dǎo)軌，不管是V一平型還是平一平型,導(dǎo)軌面的平面度通常取0. 01-0.015 mm，長(zhǎng)度方向的直線度通常取0.005-0.01 mm；側(cè)導(dǎo)向面的直線度取0.01-0.015 mm，側(cè)導(dǎo)向面之間的平行度取0.01-0.015mm，側(cè)導(dǎo)向面對(duì)導(dǎo)軌底面的垂直度取0.005-0.01mm.鑲鋼導(dǎo)軌的平面度必須控制在0．005-0．01 mm以下，其平行度和垂直度控制在0.01mm以下。
2)導(dǎo)軌的熱處理
數(shù)控機(jī)床的開動(dòng)率普遍都很高，這就要求導(dǎo)軌具有較高的耐磨性，以提高其精度保持性。為此，導(dǎo)軌大多需淬火處理。導(dǎo)軌淬火的方式有中頻淬火、超音頻淬火、火焰淬火等，其中用的較多的是前兩種方式。
鑄鐵導(dǎo)軌的淬火硬度，一般為50-55 HRC，個(gè)別要求57 HRC；淬火層深度規(guī)定經(jīng)磨削后應(yīng)保留1.0-1. 5 mm.
鑲鋼導(dǎo)軌，一般采用中頻淬火或滲氮淬火方式，淬火硬度為58-62 HRC，滲氮層厚度為0. 5 mm.
2．導(dǎo)軌的類型和特點(diǎn)
導(dǎo)軌的分類方法有多種：按運(yùn)動(dòng)軌跡可以分為直線導(dǎo)軌和圓導(dǎo)軌，按工作性質(zhì)可分為主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、進(jìn)給導(dǎo)軌和調(diào)整導(dǎo)軌，按受力情況可以分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌，按摩擦性質(zhì)可以分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。下面首先介紹直線滑動(dòng)導(dǎo)軌的有關(guān)內(nèi)容:
1.直線滑動(dòng)導(dǎo)執(zhí)的截面形狀
直線滑動(dòng)導(dǎo)軌有若干個(gè)平面，從制造、裝配和檢驗(yàn)來說，平面的數(shù)量應(yīng)盡可能少。常用的直線滑動(dòng)導(dǎo)軌的截面形狀有矩形、三角形、燕尾形和圓形,各個(gè)平面所起的作用也各不相同。在矩形導(dǎo)軌和三角形導(dǎo)軌中,M面主要起支承作用，N面是保證直線移動(dòng)精度的導(dǎo)向面,J面是防止運(yùn)動(dòng)附件抬起的壓板面；在燕尾形導(dǎo)軌中,M面起導(dǎo)向和壓板作用，J面起支承作用。
根據(jù)支承導(dǎo)軌的凹凸?fàn)顟B(tài)，又可以將導(dǎo)軌分成凸形導(dǎo)軌和凹形導(dǎo)軌。其中，凸三角形導(dǎo)軌稱為山形導(dǎo)軌，凹三角形導(dǎo)軌稱為v形導(dǎo)軌。凸形導(dǎo)軌不易存儲(chǔ)潤(rùn)滑油，但易清除導(dǎo)軌面的切屑等雜物。凹形導(dǎo)軌易存儲(chǔ)潤(rùn)滑油，但易落人切屑和雜物，必須設(shè)防護(hù)裝置。
2.5.2滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的計(jì)算
1. 作用于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的載荷計(jì)算
由于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的特殊結(jié)構(gòu)，使其具有垂直向上、向下、左右和水平四個(gè)方向額定載荷相等，且額定載荷大，剛性好，三個(gè)方向抗顛覆力矩能力大的特點(diǎn)，滾動(dòng)導(dǎo)軌受力分析見圖3.3。下層工作臺(tái)的承載重約為5812.573N
3
4
1
W
圖3.3 滾動(dòng)導(dǎo)軌受力分析圖
3.6
3.7
3.8
3.9
將已知數(shù)據(jù)代入上式得：
載荷成分段變化，其計(jì)算載荷：
3.10
式中：——對(duì)應(yīng)行程內(nèi)的載荷 ；
——分段行程 ；
——全行程等于；
2. 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副的額定壽命
（1）額定壽命的計(jì)算公式為：
3.1
式中： L——額定壽命 ；
C——額定動(dòng)載荷 ；
——計(jì)算載荷 ；
——溫度系數(shù) 取1.0 ；
——接觸系數(shù) 取0.81 ；
——精度系數(shù) 取1.0 ；
——載荷系數(shù) 取1.5 ；
——硬度系數(shù) 取1.0 ；
（2）壽命時(shí)間的計(jì)算：
當(dāng)行程的長(zhǎng)度一定，以小時(shí)為單位的額定壽命：
3.12
式中： ——行程長(zhǎng)度 ；
L——額定壽命 ；
——每分鐘往復(fù)次數(shù) ；
3.13
一般情況下，滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副預(yù)期壽命取20000小時(shí)，則：
3.14
由
得 3.15
取 則：
查漢江機(jī)床公司生產(chǎn)的HJ-D系列線性滾動(dòng)導(dǎo)軌產(chǎn)品樣本，其HJ-D系列中DA20A型滾動(dòng)導(dǎo)軌C=1260kgf=12.348KN，滿足要求 。
第3章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)
3.1.1微機(jī)控制系統(tǒng)的組成
微機(jī)控制系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)和伺服系統(tǒng)兩大部份組成，其中微機(jī)又包括硬件和軟件兩部分。
（1）微機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件組成
硬件時(shí)組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下部分組成。
1）主控制器，即中央處理單元CPU
2）存儲(chǔ)器，包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
3）接口
（2）微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件
軟件是指為實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能編制的專用程序，它一般由以下幾部分組成：
1）輸入數(shù)據(jù)處理程序它接受輸入的零件加工程序，用標(biāo)準(zhǔn)代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)整理成便于解釋執(zhí)行的格式后存放。
2）插補(bǔ)運(yùn)算程序它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)器的功能。
3）速度控制程序它根據(jù)給定的速度代碼或每分毫米數(shù)控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率，以保證預(yù)定速度進(jìn)給。
4）管理程序和診斷程序管理程序?qū)?shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過程服務(wù)的各個(gè)程序進(jìn)行調(diào)度，還可以對(duì)面板命令、時(shí)鐘信號(hào)、故障信號(hào)等引起的中斷進(jìn)行處理。診斷程序可以在運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示故障類型。
3.1.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)
（1）可靠性高。由于采用大規(guī)模集成電路、軟件連接以及資診斷功能，所以大大提高了無故障運(yùn)行時(shí)間，即使又極少的故障也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除。
（2）靈活性強(qiáng)。由于系統(tǒng)的硬件是通用、標(biāo)準(zhǔn)化的，對(duì)于不同機(jī)床的控制要求只需更換可編程只讀存儲(chǔ)器中的系統(tǒng)程序就可實(shí)現(xiàn)。
（3）易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。采用大規(guī)模集成電路時(shí)控制框尺寸大為縮小，采用可編程接口又可將M、S、T等順序控制部分邏輯電路與數(shù)控裝置結(jié)合一起，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。
（4）價(jià)格低。采用微機(jī)數(shù)控，使數(shù)控機(jī)床電氣部分成本大為下降，對(duì)功比較齊全的數(shù)控機(jī)床價(jià)格幅度下降更大。
（5）由于微機(jī)的功能強(qiáng)，存儲(chǔ)量大，可實(shí)現(xiàn)多功能控制、多路運(yùn)行控制及數(shù)據(jù)和圖形顯示等，給操作人員和監(jiān)視生產(chǎn)過程帶來方便。
3.2微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹
3.2.1主控制器CPU的選擇
CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素：
（1） 控制數(shù)據(jù)處理的速度。
（2） ROM/RAM的容量。
（3） 指令系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱（即編程的靈活性）。
（4） I/O口擴(kuò)展的能力（即對(duì)外設(shè)控制的能力）。
（5）開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。
目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以及8098、8096等16位機(jī)的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位機(jī)的CPU。但從性能價(jià)格比上，我們擬采用MCS-51系列單片機(jī)中的8031作為主控制器。
下面介紹MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖（4）。
下面對(duì)各功能部件作進(jìn)一步的說明：
（1）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）：片內(nèi)為128個(gè)字節(jié)，片外最多可擴(kuò)至64K字節(jié)。
（2）程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM）：8031無此部件；8051為4KROM；8751為4KEPROM。片外最多可外擴(kuò)至64K字節(jié)。
（3）中斷系統(tǒng)：具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。
（4）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。
（5）串行口：1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。
（6）P1口、P2口、P3口、P0口：為四個(gè)并行8位I/O口。
（7）特殊功能寄存器（SFR）：共有21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。
（8）微處理器（CPU）：為8位的CPU，且內(nèi)含一個(gè)1位CPU（位處理器），不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量處理。
圖3.1 MCS-51單片機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)
3.2.2存儲(chǔ)器電路的擴(kuò)展
（1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片，其型號(hào)分別為：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別位2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。即8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM多要求的讀取時(shí)間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計(jì)存儲(chǔ)器的容量。在滿足容量要求是應(yīng)盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，是系統(tǒng)簡(jiǎn)化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用2764作為擴(kuò)展芯片。
2764與8031主要是三總線的