I前言一、機(jī)床數(shù)控化改造的意義與傳統(tǒng)機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有以下明顯突出的優(yōu)越性。1、通過(guò)計(jì)算機(jī)所具有的高超運(yùn)算能力，瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面使數(shù)控機(jī)床能夠加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出的曲線、曲面等復(fù)雜零件。2、通過(guò)計(jì)算機(jī)的的記憶和存儲(chǔ)能力，將輸入的程序進(jìn)行記憶和存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)加工的柔性自動(dòng)化，從而大大的提高加工效率。3、數(shù)控機(jī)床的加工工序較為集中，能夠節(jié)省因零件工序分散而損耗的時(shí)間，縮短生產(chǎn)周期，并且可以提高零件的加工精度，從而減小誤差，也有助于提高裝配效率。4、數(shù)控機(jī)床具有較強(qiáng)的自動(dòng)化能力，可以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程中的自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N功能。5、加工過(guò)程自動(dòng)化，使一個(gè)工人就能夠同時(shí)看管多臺(tái)機(jī)床，并且大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力，降低了生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)良性的循環(huán)。6、數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)，數(shù)控機(jī)床的普及，以及使用數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工制造，對(duì)提高勞動(dòng)生產(chǎn)率具有重要意義。二、機(jī)床數(shù)控化改造的內(nèi)容機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：1、恢復(fù)原功能，對(duì)機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；2、NC 化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機(jī)床、CNC 機(jī)床；3、翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，II對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對(duì)其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進(jìn)行更新；4、技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù)，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和檔次的更新改造。三、機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn)1、減少投資額、交貨期短同購(gòu)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(gòu)置費(fèi)用的 1/3，交貨期短。2、機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來(lái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。3、熟悉了解設(shè)備、 便于操作維修購(gòu)買新設(shè)備時(shí)，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計(jì)算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對(duì)機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時(shí)間短，見(jiàn)效快。4、可在原有的基礎(chǔ)上，充分利用現(xiàn)有的條件，達(dá)到很好的經(jīng)濟(jì)性，如充分利用現(xiàn)有地基，不必像購(gòu)入新設(shè)備時(shí)那樣需重新構(gòu)筑地基。5、可以采用最新的控制技術(shù)可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時(shí)地提高生產(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)今水平的機(jī)床。III前言 I第一章 系統(tǒng)總體改造方案的確定 11.1 系統(tǒng)總體改造方案的確定 11.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定 21.3 微機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定 4第二章 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分改裝（橫向）設(shè)計(jì)計(jì)算 52.1 工作載荷的分析及計(jì)算 52.2 滾珠絲杠副的選型與校核 82.3 脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 172.4 進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動(dòng)計(jì)算 18第三章 微機(jī)控制部分的設(shè)計(jì) 253.1 微機(jī)控制系統(tǒng)概述 253.2 微機(jī)系統(tǒng)的擴(kuò)展 263.3 步進(jìn)電機(jī)的控制 273.4 其他接口電路的設(shè)計(jì) 32第四章 微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 344.1 各功能模塊組成 344.2 緩沖區(qū)設(shè)置 344.3 中斷優(yōu)先級(jí) 344.4 各模塊說(shuō)明及流程圖 35第五章 成本估算 375.1 機(jī)械部分 37IV5.2 微機(jī)部分 385.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 38第六章 設(shè)計(jì)小結(jié) 39主要參考文獻(xiàn) 411第一章 系統(tǒng)總體改造方案的確定1.1 系統(tǒng)總體改造方案的確定目前，在機(jī)械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機(jī)床，如果改用微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的改造，會(huì)使機(jī)床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)雜零件的加工，不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國(guó)國(guó)情。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的機(jī)電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制部件；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需重新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，比較簡(jiǎn)單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及專用的控制程序組成開(kāi)環(huán)控制，如圖 1-1 所示，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過(guò)程大多是由單片機(jī)按照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動(dòng)刀架、縱橫軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運(yùn)動(dòng)。微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的速度較快，可以讓單片機(jī)每完成一次插補(bǔ)、進(jìn)給，就執(zhí)行一次延時(shí)程序，由延時(shí)程序控制進(jìn)給速度。2圖 1-1 開(kāi) 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 框 圖1.1.1 功能與技術(shù)參數(shù)分析設(shè)計(jì)的最初環(huán)節(jié)必須理解和分析設(shè)計(jì)任務(wù)所提出的主要功能和技術(shù)指標(biāo)。比如，普通車床的數(shù)控改造要求利用數(shù)控系統(tǒng)代替人工或機(jī)械凸輪、靠模來(lái)控制車床的運(yùn)動(dòng)，提高車床的加工精度和自動(dòng)化水平，滿足多品種小批量零件加工的功能要求。設(shè)計(jì)任務(wù)提出了縱向走刀，橫向走刀的定位精度、走刀速度、主軸變速等諸多技術(shù)參數(shù)。并且，要求能夠進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯(cuò)功能強(qiáng)，具有顯示和通信功能，縮短非生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，提高生產(chǎn)率。1.1.2 原理構(gòu)思和技術(shù)路線確定針對(duì)設(shè)計(jì)任務(wù)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)要求提出一些原理性的構(gòu)思。比如，普通車床車削螺紋時(shí)為了防止亂扣，進(jìn)給與主軸旋轉(zhuǎn)之間用掛輪來(lái)實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的機(jī)械傳動(dòng)關(guān)系，改變螺紋的螺距就需要改變掛輪。數(shù)控改造后，省掉了掛輪，要提出合理的、先進(jìn)的方法來(lái)解決進(jìn)給與主軸旋轉(zhuǎn)相配合的問(wèn)題。要做到：主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車刀精確移動(dòng)一個(gè)螺距；螺紋加工不能一次切削完成時(shí)，每次進(jìn)刀的位置必須相同。有了原理性構(gòu)思，還要提出實(shí)現(xiàn)該功能原理的技術(shù)途徑。沒(méi)有合理的可行的技術(shù)途徑來(lái)保障，好的原理性構(gòu)思就成為空想。1.1.3 擬定總體方案功能原理構(gòu)思和技術(shù)路線確定后，對(duì)運(yùn)動(dòng)、布局、傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)、控制以及軟件等方面作出總體方案設(shè)計(jì)。方案可以同時(shí)作幾個(gè)，經(jīng)過(guò)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)后，選擇其中一種較合理的作為最優(yōu)方案加以采用。比如，普通車床的數(shù)控化改造方案應(yīng)該在滿足改造設(shè)計(jì)任務(wù)的前提下，盡可能對(duì)普通車床作較少的改動(dòng)，這樣可以降低改造成本。1.2 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的確定在熟悉原機(jī)床的操作過(guò)程及傳動(dòng)系統(tǒng)后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)改造方案。包括電機(jī)型號(hào)的選擇，減速比的確定，齒輪模數(shù)及齒數(shù)的確定，原有絲杠及導(dǎo)軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時(shí)絲杠螺母副的型號(hào)及安裝形式如何確定，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方法等。X502 型銑床的外形如圖 1-2 所示。工件裝在機(jī)床的工作臺(tái)上，銑刀裝在轉(zhuǎn)3動(dòng)的刀桿上，銑刀和工件相互間的位置可用縱向、橫向和升降進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)見(jiàn)圖 1-3。圖 1-2 X502 型銑床外形圖 圖 1-3 X502 型銑床傳動(dòng)系統(tǒng)1.2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)由四部分組成：（1）主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)由轉(zhuǎn)速為 1450r/min，功率為 2.2kW 的電動(dòng)機(jī)經(jīng)過(guò)帶輪 1 通過(guò)三根皮帶傳到 I 軸，經(jīng)過(guò)齒輪 6、8 傳到 II 軸，通過(guò)交換齒輪 10、11 將動(dòng)力傳到 III 軸，經(jīng)過(guò)滑移齒輪 12（或 14）和 15（或 16）嚙合動(dòng)力傳到 IV 軸，再經(jīng)過(guò)齒輪 15 和55 動(dòng)力傳到 IX 軸上，通過(guò)傘齒輪 56、57 動(dòng)力傳到主軸上使主軸回轉(zhuǎn)，從而使裝在主軸上的銑刀轉(zhuǎn)動(dòng)進(jìn)行加工，可使主軸獲得 8 種不同的轉(zhuǎn)速。（2）工作臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)縱向運(yùn)動(dòng)，由軸 II 通過(guò)齒輪 9 與 19 嚙合，動(dòng)力傳到 V 軸，再經(jīng)過(guò)齒輪 20（19）與 21（22）嚙合，使軸 VI 轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)過(guò)齒輪 23 和 24 動(dòng)力傳到VII 軸，經(jīng)過(guò)萬(wàn)向接頭 26 傳到 VIII 軸，經(jīng)過(guò)換向齒輪箱內(nèi)傘齒輪 29、30 及齒輪 33、34 到傘齒輪 35、36，通過(guò)凸瓣離合器 37 與凸瓣離合器套 39 嚙合使動(dòng)力傳到絲杠 40 上，絲杠再與工作臺(tái)相固聯(lián)的螺母中轉(zhuǎn)動(dòng)，使絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)縱向移動(dòng)，當(dāng)離合器脫開(kāi)，可用手輪 43 使工作臺(tái)手搖移動(dòng)。（3）工作臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)和工作臺(tái)底座，一起再升降臺(tái)導(dǎo)軌上作橫向移動(dòng)。用裝在升降臺(tái)內(nèi)4橫向行程絲杠 45 傳動(dòng)，橫向絲杠螺母 46 固定裝在工作臺(tái)底座上，所以當(dāng) 44 傳動(dòng) 45 時(shí)，螺母 46 跟工作臺(tái)及工作臺(tái)底座一起在升降臺(tái)上橫向移動(dòng)。只能由手動(dòng)進(jìn)給。（4）工作臺(tái)的升降運(yùn)動(dòng)只能手動(dòng)。用套在升降軸 48 上的手柄 44 轉(zhuǎn)動(dòng)傘齒輪 49 和 50，使升降絲杠 52 轉(zhuǎn)動(dòng)，升降螺母 53 固定在底座上，從而得到升降移動(dòng)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求可對(duì)機(jī)械部分進(jìn)行如下改動(dòng)：保留原機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；保留原機(jī)床縱向進(jìn)給的機(jī)動(dòng)部分，將離合器脫開(kāi)，去掉手輪 43，將手輪軸通過(guò)一對(duì)齒輪與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)，用步進(jìn)電機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制縱向工作臺(tái)的移動(dòng)；工作臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)改為通過(guò)一對(duì)齒輪與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)的數(shù)控系統(tǒng)控制，工作臺(tái)的升降移動(dòng)仍用手動(dòng)。為了保證精度要求，橫向及縱向工作臺(tái)的絲杠換為滾珠絲杠副傳動(dòng)。1.3 微機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定1.3.1 微機(jī)控制系統(tǒng)的總體組成數(shù)控部分采用 MCS-51 系列的單片機(jī)控制，其典型代表有8031、8051、8075 等，其中 8031 的價(jià)格低，功能強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)，比較適用于一般機(jī)床的數(shù)控改造，但由于其無(wú)內(nèi)存，必須外接存儲(chǔ)及 I/O 擴(kuò)展芯片才可成為一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。存儲(chǔ)芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及 CPU 的字長(zhǎng)，I/O 擴(kuò)展芯片的個(gè)數(shù)根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)需要的 I/O 通道的個(gè)數(shù)來(lái)確定。1.3.2 軟硬件任務(wù)合理分配涉及軟、硬件任務(wù)分配的有：控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生與脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。上述三個(gè)都可以用專用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，也可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。用硬件實(shí)現(xiàn)，編程時(shí)較簡(jiǎn)單，但同時(shí)增加了硬件成本及故障源。用軟件實(shí)現(xiàn)，可節(jié)省芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實(shí)現(xiàn)時(shí)，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，同時(shí)還應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)者的軟、硬件方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及能力。5第二章 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分改裝（橫向）設(shè)計(jì)計(jì)算2.1 工作載荷的分析及計(jì)算根據(jù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)的分析，可知對(duì)于數(shù)控銑床來(lái)說(shuō)，其切削力的計(jì)算方法有兩種，即一種方法是按切削用量計(jì)算切削力法，另一種是按主電機(jī)功率法計(jì)算切削力計(jì)算切削力法。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，可采用按主電機(jī)功率計(jì)算切削力法來(lái)計(jì)算其切削力。2.1.1 銑床的銑削抗力分析銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(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上緩慢進(jìn)給（鍵槽銑刀可沿軸線進(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作車刀頭部的演變，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。通常都假定銑削時(shí)銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒的某一點(diǎn)上，如圖 2-1所示。設(shè)刀齒上受到的切削抗力的合力為 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 Fx，徑向銑削力 Fy 和切向銑削力 Fz。切向銑削力 Fz 是沿銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗銑床主電機(jī)功率（即銑削功率）最多，因此，切向銑削力 Fz 可按銑削功率 Pm(kW)或主電機(jī)功率 PE（kW ）算出。6圖 2-1 銑 削 力 及 工 作 臺(tái) 上 的 載 荷對(duì)于現(xiàn)有機(jī)床的改裝設(shè)計(jì)，可以從已知機(jī)床的電機(jī)功率和主軸上傳動(dòng)的功率反推出工作臺(tái)進(jìn)給時(shí)的銑削力。若該機(jī)床的主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)均用一個(gè)電機(jī)，進(jìn)給傳動(dòng)的功率較小，可在主傳動(dòng)功率上乘以一個(gè)系數(shù)。由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查銑床傳動(dòng)系數(shù) k=0.85。主傳動(dòng)功率 N 包括切削功率 Nc、空載功率 Nmo、附加功率 Nmc 三部分，即： N=Nc + Nmo + Nmc?？蛰d功率 Nmo 是當(dāng)機(jī)床無(wú)切削負(fù)載時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)空載所消耗的功率，對(duì)于一般輕載高速的中、小型機(jī)床，可達(dá)總功率的 50%，現(xiàn)取 Nmo = 0.5N，附加功率 Nmc 是指有了切削載荷后所增加的傳動(dòng)件的摩擦功率，它直接與載荷大小有關(guān)。可以用下式計(jì)算，Nmc = (1–η)Nc，所以總功率為：N=Nc + 0.5N + (1–η)Nc (KW)則： ??0.52CNk???在進(jìn)給傳動(dòng)中切削功率 ??0.52ctkk7上式中 k----銑床的傳動(dòng)系數(shù)，查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》得 k=0.85η 為傳動(dòng)效率，可由下式計(jì)算η＝ 主 軸 上 的 傳 動(dòng) 功 率主 電 機(jī) 的 功 率由所給設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給定的已知條件可知，主軸上的傳動(dòng)功率 N=1.45 KW，主電機(jī)的功率 = 2.2 KW。則N電 機(jī)η= =0.65911.452所以： ??0.514.8.5962ctNkW????切削時(shí)作用在主軸上的扭矩為： ??0.459695092.37897ctnMNcm????上式中 n----主軸的最小轉(zhuǎn)速，由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給定條件知 n = 47.5 (r/min)切向切削力： ??9240.378.614nzMFNd?上式中 d----銑刀的最大直徑 (cm)，由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給定條件知 d = 3.2 cm2.1.2 計(jì)算進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷 、 、LFVC作用在進(jìn)給工作臺(tái)上的合力 F’與銑刀刀齒上受到的銑削抗力的合力 F 大小相同，方向相反，如圖 2-1 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，它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8進(jìn)給方向載荷 FL,工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷 和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷 FV。CF由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表 3-1“銑削加工的主切削力與其它切削分力的比值”可知，工作臺(tái)工作載荷 FL， Fc 和 FV 與銑刀的切向銑削力 Fz 之間有一定的經(jīng)驗(yàn)比值。因此，求出 Fz 后，即可計(jì)算出進(jìn)給工作臺(tái)的如下五組工作載荷 FL，F(xiàn) c 和FV。第(1)組：端銑 —對(duì)稱銑削=0.35 Fz=0.35× =1010.67(N))L6184.27=0.9 Fz=0.9× =2598.86 (N)VF=0.52 Fz=0.52× =1501.56 (N)C.第(2)組：端銑 —逆銑=0.75 Fz=0.75× =2165.71 (N)LF6184.27=0.55 Fz=0.55× =1588.19 (N)V=0.52 Fz=0.52× =1501.56 (N)C.第(3)組：端銑—順銑=0.22 Fz=0.22× =635.28 (N)LF6184.27=0.95 Fz=0.95× =2743.24 (N)V=0.52 Fz=0.52× =1501.56 (N)C.第(4)組：周銑—逆銑=1.0Fz=1.0× =2887.62 (N)LF6184.27=0.25 Fz=0.25× =721.90 (N)V=0.37 Fz=0.37× =1068.42 (N)C.第(5)組：周銑—順銑=0.85 Fz=0.85× =2454.48 (N)LF614.287=0.75 Fz=0.75× =2165.71 (N)V9=0.4 Fz=0.4× =1155.05 (N)CF6184.272.2 滾珠絲杠副的選型與校核2.2.1 滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型的選擇滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動(dòng)軸承對(duì)滑動(dòng)軸承所帶來(lái)得改變一樣。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運(yùn)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器、精密數(shù)控機(jī)床。尤其是近年來(lái)，滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元，在機(jī)床行業(yè)得到廣泛運(yùn)用，極大的推動(dòng)了機(jī)床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展。這些都取決于其具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)良特性：傳動(dòng)效率高、定位精度高、傳動(dòng)可逆性、使用壽命長(zhǎng)、同步性能好。滾珠絲杠螺母副一般由專業(yè)廠生產(chǎn)并成套供貨，且都附有使用說(shuō)明書(shū)，其中除列有型號(hào)、規(guī)格、螺母安裝面的結(jié)構(gòu)等外，還附有允許負(fù)載、預(yù)加負(fù)載、剛度、典型支撐方式、驅(qū)動(dòng)力矩和功率等指導(dǎo)性材料供設(shè)計(jì)時(shí)參考。滾珠絲杠螺母副的設(shè)要選擇結(jié)構(gòu)類型：確定滾珠循環(huán)方式、滾珠絲杠副的預(yù)緊方式；結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計(jì)算和確定其它技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑、導(dǎo)程、滾計(jì)首先珠的工作圈數(shù)和列數(shù)、精度等級(jí)等。因?yàn)樗难b的銑床為普通銑床，精度要求并不是很高，在使用過(guò)程中不需要調(diào)整，并且加工過(guò)程中運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)。根據(jù)上述實(shí)際條件，并考慮到經(jīng)濟(jì)成本問(wèn)題，通過(guò)查課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)第三章表 3－2 和表 3－3 以及《機(jī)電液設(shè)計(jì)手冊(cè)》P669 頁(yè)表 15-27，可以初步選用“FFZ 型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式返向器雙螺母對(duì)旋預(yù)緊滾珠絲杠副”這種結(jié)構(gòu)類型的滾珠絲杠螺母副。它具有循環(huán)滾珠鏈最短，螺母外徑比外循環(huán)小，結(jié)構(gòu)緊湊，反向裝置剛性好，壽命長(zhǎng)，扁圓形反向器的軸向尺寸短， ，承載能力較高；剛度高，預(yù)緊可靠，不易松弛等優(yōu)點(diǎn)。它主要適用于各種高靈敏、高剛度的精密進(jìn)給定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用得較廣泛的結(jié)構(gòu)。2.2.2 滾珠絲杠螺母副型號(hào)的選擇及校核步驟1、計(jì)算最大工作載荷10由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給定已知條件，可知銑床導(dǎo)軌的類型為綜合導(dǎo)軌。再查《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》第三章表 3-4 可知計(jì)算最大工作載荷 的公式為mF??'mLVFGcKf??該式中：K = 1.15；取摩擦系數(shù) f’ = 0.16（f’ =0.15～0.18） ；G 為工作臺(tái)及夾具總重量的 1/2。由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給定已知條件可計(jì)算得 G = 800x N18042??將以上數(shù)值以及先前計(jì)算所得五組工作載荷 FL，F(xiàn) c 和 FV 可得如下五組相應(yīng)的最大工作載荷 Fm 值。（1）Fm=1.15×1010.67+0.16× (2598.86+1501.56+400)= 1882.34(N)（2）Fm=1.15×2165.71+0.16× (1588.19+1501.56+400)=3048.93(N)（3）Fm=1.15×635.28+0.16× (2743.24+1501.56+400)= 1473.74(N)（4）Fm=1.15×2887.62+0.16× (721.90+1068.42+400)=3671.21(N)（5）Fm=1.15×2454.48+0.16× (2165.71+1155.05+400)= 3417.97(N)由以上計(jì)算數(shù)據(jù)可知，第（4）組算得的 值較大。故最大工作載荷為：mFFm=3671.21（N）2、計(jì)算最大動(dòng)載荷 C查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》P35 頁(yè)可知：最大動(dòng)載荷 C 的計(jì)算公式為最大動(dòng)載荷 C 可由下式計(jì)算 3wHmCLfF?上式中：各參數(shù)見(jiàn)《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》P35 頁(yè)----硬度系數(shù)，選 ＝ 1.0(HRC≥58)Hf Hf----運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，選 ＝1.0(無(wú)沖擊運(yùn)轉(zhuǎn))wf wfL ----壽命系數(shù)，由下式計(jì)算11601nTL?上式中：T----使用壽命(h)，對(duì)于數(shù)控機(jī)床 T=15000(h)n----絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)，可由下式計(jì)算 01sVnL?上式中： ----最大切削力條件下的縱向進(jìn)給速度(m/min)，由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)sV給定條件可知為 380(mm/min)可取最高切削進(jìn)給速度的 1/2～1/3，現(xiàn)取 1/2，即= ×0.38(m/min)=0.19(m/min)sV12----所選用絲杠的基本導(dǎo)程，考慮到傳動(dòng)精度的要求，可選基本導(dǎo)程為0L4、6、8 (mm)的絲杠。（1）基本導(dǎo)程為 L0=4 mm 時(shí)：= =60nTL?10VS66150.1942.754??C= =12836.74(N)342.75.37.2?（2）基本導(dǎo)程為 L0=6 mm 時(shí)：= = =28.50601nTL?01VS66150.19?C= =11213.92(N)328.5.37.2?（3）基本導(dǎo)程為 L0=8mm 時(shí)：= = =21.38 601nTL?01VS66150.198?C= =10188.52(N)32.8.37.2?12查《機(jī)電液設(shè)計(jì)手冊(cè)》P669 表 15-27 FFZ 型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)式返向器雙螺母對(duì)旋預(yù)緊滾珠絲杠副可知，基本導(dǎo)程為 L0=4 mm 時(shí)，最大動(dòng)載荷都不滿足 C1)24J -----各轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.cm )i 2n -----各轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)速(r/min)in -----電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)KJ -----電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(kg.cm )m24、電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定查《課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》P30 頁(yè)表 3-10，選用電機(jī)的工作方式為三相六拍，步距角為 ，故符合電機(jī)的是：110BF003 和 110BF004。電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣?75.0?b?量分別為：110BF003（新）型步進(jìn)電機(jī)： 522146.0.4.61()mJkgkgcm????110BF004 型步進(jìn)電機(jī)： 23.35、系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量110BF003（新）型步進(jìn)電機(jī)： ??211 19.86.409. ckgJmL ??????110BF004 型步進(jìn)電機(jī)： 376.3mJ ??2.4.2 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用1、電機(jī)力矩的計(jì)算步進(jìn)電機(jī)能正常工作所需的力矩受到多方面的影響，主要包括快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 、快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 、最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 ，起M快M切M其中快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 較小，因此在 、 兩種力矩中取其大者作為快 起 切選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。對(duì)于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床來(lái)說(shuō)，因?yàn)橐ＷC一定的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)較小，而等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又較大，故電機(jī)力矩主要是用來(lái)產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動(dòng)力矩 作為選起擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)?？焖倏蛰d起動(dòng)時(shí)所需力矩： ??cmNMfa???0mx起最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩：25??cmNMft ???0切電機(jī)的力矩主要是用來(lái)產(chǎn)生加速度，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動(dòng)力矩作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。(1)空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩 max??cNtJM?????2a106namxπ=333.71（N.cm）式中： ----傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸總的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣J? ??2kgcm?----運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大進(jìn)給速度所需的時(shí)間（s ）約為 30msat----電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min)maxn----運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度，由設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)給定條件知axV??min/160maxV?n = = =333.33( r/min) maxpaxb360vδθ ?.75110BF003（新）型步進(jìn)電機(jī)： ??cmNtaJM ???????? ?? 89.2103.6219.806n22mx1amx ?π110BF004 型步進(jìn)電機(jī)： ??cNtaJ ??????? ?? 16.9803.62039.1760n2 22mx1amx ?π(2)摩擦力矩 fM26)(20'cmNiLGfMf ????式中：G----運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N）----導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取'f 16.0'?f-----齒輪總減速比i?---- 傳動(dòng)鏈總效率，一般可取 ，取85.~7?8.0??則： )(1.625.801420' cmNiLGfMf ??????(3)附加摩擦力矩 0 ).(1(2200cNiLFMp????式 中 ： Fp0----滾 珠 絲 杠 預(yù) 加 負(fù) 載 （ N） ， 一 般 取 最 大 工 作 載 荷1/3， ??Fmp 74.123.3610???L0-----滾 珠 絲 杠 導(dǎo) 程 （ cm） ， 由 前 述 cmL6.00? 0-----滾 珠 絲 杠 未 預(yù) 緊 時(shí) 的 傳 動(dòng) 效 率 ， 一 般 取 ， 取9.0??95.?則： ????cmNM????37.895.012.80674130?(4)折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力 tM).(20cmNiLFtt???----進(jìn) 給 方 向 最 大 切 削 力 （ N） ， 即 為 前 述 計(jì) 算 的 工 作 載 荷 、t LF