用微機(jī)數(shù)控技術(shù)改造最大加工直徑為400毫米普通車床的進(jìn)給系統(tǒng)

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準(zhǔn)考證號： 本 科 生 畢 業(yè) 論 文 （ 設(shè) 計(jì) ） 用微機(jī)數(shù)控技術(shù) 改造 最大加工直徑為 400 毫米普通車床的進(jìn)給系統(tǒng) 學(xué) 院： 江 西 科 技 學(xué) 院 專 業(yè)： 機(jī) 電 一 體 化 班 級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 何 暉 暉 完成日期： 2015 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） I 本科論文原創(chuàng)性申明 本人鄭重申明：所呈交的論文（設(shè)計(jì)）是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文（設(shè)計(jì)）不包含任何其他個(gè)人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 本科論文版權(quán)使用授權(quán)書 本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán) 江西科技學(xué)院 可以將本論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 學(xué)位論文作者簽名（手寫）： 指導(dǎo)老師簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 針對現(xiàn)有常規(guī) 遍車床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過程，較詳盡地介紹了 械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以 8031 為 控制系統(tǒng)對信號進(jìn)行處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)， 從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 結(jié)合我國實(shí)際國情，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是我國從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺階。利用現(xiàn)有的普通車床，對其進(jìn)行數(shù)控化改造是一條低成本，高效益的途徑。數(shù)控車床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。我國作為機(jī)床大國，數(shù)控機(jī)床的占有率還不足百分之三，但是在歐美等發(fā)達(dá)國家數(shù)控機(jī)床的占有率達(dá)到了百分之三十六以上，單從數(shù)字上來看我過和歐美等發(fā)達(dá)國家還有相 當(dāng)大的距離。其主要原因?yàn)閿?shù)控車床價(jià)格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。對普通機(jī)床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。在金屬加工行業(yè)中車床在所有加工設(shè)備中占有最大比重，例如最常見的軸類零件，就是由車床加工而成本論文針對目前國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀，以 通車床為例提出簡易型經(jīng)濟(jì)數(shù)控改造思路和設(shè)計(jì)方法。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控機(jī)床， 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，改裝設(shè)計(jì)， 伺服電機(jī) 傳動(dòng)系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 電氣控制線路 經(jīng)濟(jì)實(shí)惠 數(shù)控改造， 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） of o of a of is to s to of of We 031 as to 。 by to s NC is to C of NC is as a an to of to of a in to 6% of NC is a NC a to of be a in of is of to C 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 緒 論 ........................................................... 1 ................................................ 1 ................................................ 2 ........................................ 2 ............................................ 3 ............................................ 3 第 1 章 床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 的擬定 ........... 4 總體方案確定 ............................................... 5 統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 ......................... 5 算機(jī)系統(tǒng) ............................................. 5 械傳動(dòng)方式 ........................................... 5 設(shè)計(jì) 控工作臺及其控制系統(tǒng) ............................. 5 第 2 章 床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分 設(shè)計(jì)計(jì)算 ............. 6 統(tǒng)脈沖當(dāng)量的選擇 .......................................... 7 的計(jì)算削力 ................................................ 7 車外圓 ............................................... 7 切端面 ............................................... 8 第 3 章 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 ............................. 8 向進(jìn)給絲杠 ................................................ 9 ) ............................... 9 算最大動(dòng)負(fù)載 Q ....................................... 9 珠絲杠螺母副的選型 .................................. 10 動(dòng)效率計(jì)算 .......................................... 10 度驗(yàn)算 .............................................. 11 向進(jìn)給絲杠 ............................................... 12 ..................................... 12 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） Q ...................................... 13 .................................... 12 .......................................... 12 .............................................. 12 第 4 章 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 ......................................... 16 向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 ................................... 16 向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 ................................... 16 第 5 章 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 .................................. 17 向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 ................................... 17 效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 ...................................... 17 機(jī)力矩計(jì)算 .......................................... 18 算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)頻率及切削時(shí)工作頻率 ............ 20 向步進(jìn)電機(jī) ............................................... 21 ...................................... 21 .......................................... 22 算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載啟動(dòng)頻率及切削時(shí)工作頻率 ............ 23 第 6 章 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ............................. 24 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容 ............................ 24 制系統(tǒng)電器控制的結(jié)構(gòu)框圖 ............................ 24 擇中央處理器的類型 .................................. 24 儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) .................................... 25 — 51 系列單片機(jī)的選用 ................................... 23 8031 單片機(jī)的基本特性 ................................ 24 8031 芯片引腳及其功能 ................................ 26 8031 芯片內(nèi)部的存儲器結(jié)構(gòu)及地址分配 .................. 28 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) ........................................ 29 序存儲器的擴(kuò)展 ...................................... 29 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 ..................................... 32 譯碼電路設(shè)計(jì) ......................................... 32 I/................................ 33 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 255 可編程接口芯片 ................................... 31 盤顯示接口電路 ...................................... 31 第 7 章 數(shù)控車床的加工程序 ..................................... 32 第 8 章 心得與體會 ............................................... 37 總 結(jié) ......................................................... 38 參考文獻(xiàn) ： ....................................................... 39 致 謝 ......................................................... 38 1緒 論 隨著社會生產(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，且需頻繁改型，普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求，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)。它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī) 、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密測量和新型 機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機(jī)床控制的發(fā)展方向。 1、 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生 數(shù)控機(jī)床最早是從美國開始研制的。 1948 年，美國帕森斯公司在研制加工直升機(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時(shí)，提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。 1949 年，帕森斯公司與麻省理工學(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。并于 1952 年試制成功世界上第一臺數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)。這是一臺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。經(jīng)過三年改進(jìn)和自動(dòng)編程研究，于 1955 年進(jìn)入實(shí)用階段。一直到 20 世紀(jì) 50 年代末，由于價(jià)格和技術(shù)原因， 品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了 60 年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價(jià)格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床。數(shù)控技術(shù)不僅在機(jī)床上得到實(shí)際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機(jī)、火焰切割機(jī)等，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴(kuò)展應(yīng)用范圍。 2、 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 自 1952 年，美國研制成功第一臺數(shù)控機(jī)床以來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個(gè)發(fā)展階段。 第一代數(shù)控： 1952控裝置。 第二代數(shù)控：從 1959年開始采用晶體管電路的 第三代數(shù)控：從 1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的 第四代數(shù)控：從 1970 年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。 第五代數(shù)控：從 1974年開始采用微型電子計(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。 目前，第五代微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路，具有很強(qiáng)的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實(shí)現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強(qiáng)，幾乎只需改變軟件，就 可以適應(yīng)不同類型機(jī)床的控制要求，具有江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 2 很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴(kuò)大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價(jià)格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。 近年來，微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機(jī)械制造的各個(gè)領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機(jī)床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機(jī)床今后的發(fā)展趨勢。 3、 我國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 我國從 1958 年由北京機(jī)床研究所和清華大學(xué)等首先研制數(shù)控機(jī)床，并試制成功第一臺 電子管數(shù)控機(jī)床。從 1965年開始，研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到 60年代末和 70年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機(jī)等獲得成功。與此同時(shí)，還開展了數(shù)控加工平面零件自動(dòng)編程的研究。 1972如：清華大學(xué)研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域開始研究與應(yīng)用；數(shù)控加工中心機(jī)床研制成功；數(shù)控升降臺銑床和數(shù)控齒輪加工機(jī)床開始小批生產(chǎn)供應(yīng)市場。從 80 年代初開始，隨著我國開放政策的實(shí)施，先后從日本、美國、德國等國家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。上海機(jī)床研究所 引進(jìn)美國 司的 控系統(tǒng)等。在引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，北京機(jī)床研究所又開發(fā)出 空航天部 706 所研制出 控系統(tǒng)等。進(jìn)而推動(dòng)了我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，使我國數(shù)控機(jī)床在品種上、性能上以及水平上均有了新的飛躍。我國的數(shù)控機(jī)床已跨入一個(gè)新的發(fā)展階段。 4、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢 從數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動(dòng)化是數(shù)控機(jī)床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動(dòng)化程度，還要求具有進(jìn)入更高層次的柔性制造系統(tǒng) 和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。 在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個(gè)著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本的國的 美國的 司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了 16位和 32位微機(jī)處理機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到 1床分辨率可達(dá) 速進(jìn)給可達(dá) 100m/制軸數(shù)可達(dá) 16個(gè)，并采用先進(jìn)的電裝工藝。 在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動(dòng)已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運(yùn)算放大器等模擬器件為主的控制 器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點(diǎn)漂移、溫度漂移等弱點(diǎn)。 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 3 5、數(shù)控機(jī)床改造的意義 數(shù)控機(jī)床改造在國外已發(fā)展成一個(gè)新興的工業(yè)部門，早在 60 年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、市場和生產(chǎn)上的原因。我國是擁有 300多萬臺機(jī)床的國家。而這些機(jī)床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機(jī)床，不論資金和我國機(jī)床制造廠的能力都是辦不到的。因此，盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術(shù)改造機(jī)床，正是適應(yīng)了這一要求。它是建立 在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在機(jī)床改造中引入微機(jī)的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進(jìn)性，同時(shí)，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動(dòng)化改裝方案，有較大的通用性與可調(diào)性。而且所投入的改造費(fèi)用低，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的 1/3至 1/5，用戶承擔(dān)的起。從若干單位成功應(yīng)用的實(shí)例可以證明，投入使用后，確實(shí)成倍地提高了生產(chǎn)效率，減少了廢品率，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟(jì)型數(shù)控這一中間技術(shù)的基礎(chǔ)上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù) 改造主要方向之一。同時(shí)，它還可以作為全功能數(shù)控機(jī)床應(yīng)用的準(zhǔn)備階段，為今后使用全功能數(shù)控機(jī)床，培養(yǎng)人才，積累維護(hù)、使用經(jīng)驗(yàn)，而且也是實(shí)現(xiàn)我國傳統(tǒng)的機(jī)械制造技術(shù)朝機(jī)電一體化的方向過渡的主要內(nèi)容之一。 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 4 第 1 章 床 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案 的擬定 數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)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)。數(shù)控裝備的整體水平標(biāo)志著一個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強(qiáng)弱。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu) 及傳動(dòng)方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。 一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和要求提出數(shù)個(gè)總體方案，進(jìn)行綜合分析、比較和論證，最后確定一個(gè)可行的總體方案。 1 總體方案確定 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)的選擇 由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，由于在銑削加工中，要求工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速率相對于工件沿加工路徑運(yùn)動(dòng)，所以不能選用點(diǎn)位系統(tǒng)，因?yàn)辄c(diǎn)位控制系統(tǒng)要求工件相對于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削。因此，應(yīng)選用 連續(xù)控制系統(tǒng)。 工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)，因閉環(huán)控制系統(tǒng)適用于精度要求較高的機(jī)床設(shè)計(jì)，且閉環(huán)控制系統(tǒng)的造價(jià)昂貴。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位微機(jī)。由于 列單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、具有很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)，因此采用 031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、 I/進(jìn)電機(jī)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制 命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。 機(jī)械傳動(dòng)方式 為實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副以及滾動(dòng)導(dǎo)軌。江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 5 同時(shí)，為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)。齒輪傳動(dòng)也要采用消除齒側(cè)間隙的消隙齒輪結(jié)構(gòu)。 2 設(shè)計(jì) 控工作臺及其控制系統(tǒng) 計(jì)任務(wù)及參數(shù)在任務(wù)書中已經(jīng)給出。系統(tǒng)總體方案見圖 1據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，采用連續(xù)控制系統(tǒng)和步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。 這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。為盡量消除傳動(dòng)間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動(dòng)齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍采用高性能價(jià)格比的 圖 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床總體方案框圖 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 6 第 2 章 床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分 設(shè)計(jì)計(jì)算 一臺 造成微機(jī)數(shù)控車床，采用 進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補(bǔ)功能，具有升降速控制功能。其主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下： 最大加工直徑 ( 在床身上 φ 400 在床鞍上 φ 210 加工最大長度 ( 750板及刀架重量（ N）： 縱向 1000 橫向 500 刀架快速速度（ m/: 縱向 2 橫向 1 最大進(jìn)給速度（ m/: 縱向 向 小分辨率 （ 主電機(jī)功率（ 4 起動(dòng)加速時(shí)間（ 30 定位精度（ : 服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負(fù)載、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣量計(jì)算，空載起動(dòng)及切削力計(jì)算，確定伺服電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算及選 用，繪制機(jī)械部分裝配圖及零件工作圖?，F(xiàn)分述如下： 統(tǒng)脈沖當(dāng)量的選擇 一個(gè)進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動(dòng)部件產(chǎn)生位移量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床銑床常采用的脈沖當(dāng)量是 沖。 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向： 沖，橫向： 沖。 切的計(jì)算削力 在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，選用伺服電機(jī)等都需要用到切削力，下面介紹數(shù)控車床中的切削力的計(jì)算。 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 7 縱車外圓 主切削力 (N)按經(jīng)驗(yàn)公式估算 : 5360(N) 按切削力各分力比例： :: ?5360× 340(N) 5360× 144(N) 橫切端面 主切削力 )(' 取縱切的 1/2. 268021' ?? F(N) 此時(shí)走刀抗力為 'N),吃刀抗力為 )(' 仍按上述比例粗略計(jì)算 : ' ' '1:2680× 70(N) '2680× 072(N) 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 8 第 3 章 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠 螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇結(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)算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑 杠外徑 d）、導(dǎo)程 珠的工作圈數(shù) j、列數(shù) K、精度等級等。 滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。如參考書 [1]中的圖 4示。我們在此選用螺旋槽式外循環(huán)：在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，同螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套蓋住。在通孔口設(shè)有擋珠器，引導(dǎo)滾珠進(jìn)入通孔。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿，并焊 上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的優(yōu)點(diǎn)是：工藝簡單，螺母外徑尺寸較小。缺點(diǎn)是：螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。 滾珠絲杠副的預(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、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等。 本設(shè)計(jì)采用雙螺母螺紋式預(yù)緊結(jié)構(gòu)，它通過調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)較緊湊，工作可靠，滾道磨損時(shí)可隨時(shí)調(diào)整，預(yù)緊量不很準(zhǔn)確，應(yīng)用較普遍。 縱向進(jìn)給絲杠 ) 作用在 滾珠絲杠上的進(jìn)給率引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)部件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。 按縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌 )= K 'f ( G) 由前所知： 1340 N 5360 N G =1000 N K =f =： N)= K 'f ( G) =1340+(5360+1000) 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 9 = 式中 K — 考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù) ,綜合導(dǎo)軌取 K='f 選 'f = G G =1000 N. 算最大動(dòng)負(fù)載 Q 利用滾珠絲杠副的直徑 須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（ 106轉(zhuǎn)）后在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載 Q，可以用下式計(jì)算： Q=61060 01000s?? 式中 0初選0L=6㎜ ; 取最高進(jìn)給速度的 (1/2～ 1/3),此處.6 mm/ 按 15000h; 一般運(yùn)轉(zhuǎn)取選 L 106 轉(zhuǎn)為 1個(gè) 單位。 將數(shù)據(jù)分別帶入上式得： 01000s?? = 6 ? =50r/ =61060 =610150005060 ?? =45 Q= 3 3 4 5 1 . 2 2 5 5 8 . 6 1 0 9 2 0 . 8f F N? ? ? ?珠絲杠螺母副的選型 查閱附錄 A 表 3,可采用 3006循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副 ,1列 其額定動(dòng)負(fù)載為 14200 N,精確等級按表 2 級。 動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 10 η =)( ?? ??tg ? — 螺旋升角 , 3005 ? =3° 39′ ? 0′滾動(dòng)摩擦系數(shù) 各數(shù)據(jù)帶入上式得： η =)( ?? ??tg 3 3 9 ' 0 . 9 7( 3 3 9 ' 1 0 ')?度驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形會影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形；支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形；滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量；和螺母座及軸承支座的變形。最后一種常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，但變形量計(jì)算較為困難，一般根據(jù)其精度要求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強(qiáng)其剛度而不 作計(jì)算。 因此滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算，主要是前三種變形量，他們的和應(yīng)不大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半，否則，應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。 先畫出縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖 大牽引力為 =1500 ㎜，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載荷的 31 。 J 1Z 2 J 2L 1L 2圖 縱向進(jìn)給滾珠絲桿支承方式草圖 （ 1） 絲杠的拉伸或壓縮 變形量 1? 根據(jù) 0d =300L =61d =E=104N/西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 11 式中 L? — 是在工作載 N — 工作負(fù)載，即進(jìn)給牽引力；0 E — 材料彈性摸數(shù)，對鋼 0E ??； F 滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑確定）； “ +”用于拉深，“ ? ”用于壓縮； 絲杠有效截面 A= 221 2 5 . 9 8 4( ) ( ) 5 3 0 . 322d ? ? ? ?絲杠導(dǎo)程的變化量 30 42 5 5 8 . 6 6 0 . 1 4 1 02 0 . 6 1 0 5 3 0 . 3m ?? ? ? ? ??? 滾珠絲杠總長度上的拉深或壓縮變形量 3'3101 1 0 . 1 4 1 0 1 5 0 0 8 . 7 5 1 04 4 6L L m ???? ? ? ? ? ? ? ? （ 2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 由 數(shù)量 0 302 . 5 2 . 5 5 9 . 3 63 . 9 6 9?? ? ? ? ? ?(個(gè) ) 由于對滾珠絲杠副施加預(yù)緊力，且預(yù)緊力 ，則變形3?33 232 59 6 50 0 1 1 ???????? )定位誤差 331238 . 7 5 1 0 3 . 1 4 1 0 0 . 0 1 3 2 0 . 0 2 50 . 9 0 . 9??? ??? ? ? ?? ? ? （ 4）穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端面推理軸承不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象故不需作穩(wěn)定性校核 向進(jìn)給絲杠 橫向?qū)к墳檠辔残?,計(jì)算如下 : 由前所知： '072 N， '70 N， '680 N， 'G = 500 N， 'f =江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 12 式中： k— 為雙燕尾形導(dǎo)軌的系數(shù) 'f — 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) 'f =： =' 'f ( 2 ' 'G ) =670+(2680+2× 1072+500) = 負(fù)載 'Q ''3 f F? 1000= 1 0 0 0 0 . 3 0 . 5 3 0 / m i n5 r?? ? '660 10?? =610150003060 ?? =27 'Q =33 27 × 從表中查出 , 2005 1列 額定動(dòng)載荷為 8800 N,可滿足要求，選定精度為 3級 . η =)( ?? ??tg ''4 3 0(4 3 0 ' 1 0 )=剛度驗(yàn)算 橫向進(jìn)給絲杠支承方式如圖 大牽引力為 2425 N，支承間距 L =450㎜，因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 13 圖 橫向進(jìn)給絲桿支承方式圖 （ 1）絲杠的拉伸或壓縮變形量 '1?查圖 據(jù) =2003 N, '0d=2010 2 2 2 0 0 . 0 9 3 . 2 0 2 1 6 . 7 8 8d d e R m m? ? ? ? ? ? ?' ' 2 2111( ) ( 1 6 . 7 8 8 ) 3 . 1 4 2 2 1 . 3 522A d m m? ? ? ? ? ? ?422 0 . 6 1 0 /E N m m?? 可算出 '1?= '' ' ' 3' ' 402 0 0 . 2 8 4 5 0 1 . 9 7 6 1 02 0 . 6 1 0 2 2 1 . 3 5 L m A ??? ? ? ???(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量 '2?''13xm 202 . 5 2 . 5 4 9 . 4 5 (3 . 1 7 5?? ? ? ? ? ? 個(gè) ）'' 2 2 3332 1 1 6 6 . 7 60 . 0 0 3 8 ( ) 0 . 0 0 3 8 ( ) 3 . 1 5 8 1 03 . 1 7 5 4 9 . 4 5?? ? ? ? ? ?式中： ' 軸向工作負(fù)載 0d— 滾珠直徑 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 14 (3) 定位誤差 '' 331201 . 9 7 6 1 0 3 . 1 5 8 1 0= 0 . 0 0 5 7 0 . 0 2 50 . 9 0 . 9??? ??? ? ? ???‘ 此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。 縱向及橫向滾珠絲杠 副幾何 參數(shù)如下表 表 向及橫向滾珠絲杠副幾何 參數(shù) 名稱 符號 1 紋 滾 道 公 稱 直 徑 0d 30 20 導(dǎo) 程 0l 6 5 接 觸 角 ? |339? '433? 鋼 球 直 徑 道法面半徑 R 0 心 距 e ( / 2 ) s i d ??? 紋 升 角 r 00/r a r c d?? |339? '433? 螺 桿 螺 桿 外 徑 d 0 ( 0 . 2 0 . 2 5 ) bd d d?? 29 桿 內(nèi) 徑 1d 1022d d e R? ? ? 桿接觸直徑 1 c o d d ??? 母 螺母螺紋直徑 D 0 22D d e R? ? ? 母 內(nèi) 徑 1D 10 ( 0 . 2 0 . 5 2 ) bD d d?? 30 西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 15 第 4 章 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 縱向進(jìn)給齒 輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 P? =珠絲杠導(dǎo)程0L=6 ㎜，初選步進(jìn)電機(jī)步距角 可計(jì)算出傳動(dòng)比 i i =0360Lb p?? =?=選定齒輪齒數(shù)為 : i =21向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定橫向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 P? =滾珠絲杠導(dǎo)程0L=5 ㎜ ,初選步進(jìn)電機(jī)步距角 計(jì)算傳動(dòng)比 i : i =0360Lb p?? =?=慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程 ,故此處可采用兩級齒輪降速 : i=2153 × 54 =4024 × 2520 1Z =32、 2Z =40、3Z=20、 4Z =25 因進(jìn)給運(yùn)動(dòng)齒輪受力不大，模數(shù) m 取 2。有關(guān)參數(shù)如下 表 齒輪參數(shù) 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓 64 80 48 80 40 50 齒頂圓 a 2?? 68 84 52 84 44 54 齒根圓 2 1 fd d m? ? ? 59 75 43 75 35 45 齒寬 （ 6~10） m 20 20 20 20 20 20 中心距 2/)( 21 ? 72 64 45 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 16 第 5 章 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 計(jì)算簡圖見前面，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2()J kg ?為： 22 01122( ) [ ( ) ( ) ]2Z J J ? ? ? ? ? ? 式中 為步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2()kg ； 12 為齒輪12轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2()kg ； 為滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2()kg ； 參考同類機(jī)床，初選步進(jìn)電機(jī)為 150應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： 210MJ kg ； 對于齒輪、軸、絲杠等圓柱體轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算公式 430 1 0J d L ???2()kg ； 則： 4 3 4 3 21 1 10 . 7 8 1 0 0 . 7 8 6 . 4 2 1 0 2 . 6 1 7J d L k g c m??? ? ? ? ? ? ? ?4 3 4 3 22 2 20 . 7 8 1 0 0 . 7 8 8 2 1 0 6 . 3 9J d L k g c m? ? ? ? ? ? ? ?4 3 4 3 20 . 7 8 1 0 0 . 7 8 3 1 5 0 1 0 9 . 4 7 7s s sJ d L k g c m??? ? ? ? ? ? ? ?1000 代入上式： 22 01122( ) [ ( ) ( ) ]2Z J J ? ? ? ? ? ? 223 2 1 0 0 0 0 . 61 0 2 . 6 1 7 ( ) [ ( 6 . 3 9 9 . 4 7 7 ) ( ) ]4 0 9 . 8 2 ?? ? ? ? ? ?= kg 電機(jī)力矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下，所需的力矩也不同，分別計(jì)算： （ 1）、快速空載起動(dòng)力矩 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 17 在快速空載起動(dòng)階段，加速力矩占的比例較大，其計(jì)算公式為： m a x 0 M M? ? ?起； 2m a x m a 0 / ( 6 0 ) J n t?? ???? ? ? ? ? ?； m a x m a x / ( 3 6 0 )??； 式中 為快速空載起動(dòng)力矩 ()N ； 為空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩 ()N ； 為折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 ()N ； 0M— 由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦 力矩 ()N ； 其它符號意義同前。 m a x m a x 2 0 0 0 0 . 7 5/ ( 3 6 0 ) 4 1 6 . 7 / m i 0 1 3 6 0v r??? ? ? ?； 起動(dòng)加速時(shí)間： 30at 22m a x m a x 2 4 1 6 . 72 1 0 / ( 6 0 ) 2 3 . 3 7 1 0 3 3 9 . 9 36 0 0 . 0 3 J n t N c m??? ???? ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?? 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 '0 0 0()22 L f F W LM ? ? ?????； 式中 0F— 為導(dǎo)軌的摩擦力， '0 ()zF f F W??；其它參數(shù)含義及取值同前， ? — 為傳動(dòng)鏈總效率，一般可取 0 ? ? ，這里取 ； '0 0 0() 0 . 1 6 ( 5 3 6 0 1 0 0 0 ) 0 . 6 9 7 . 2 22 2 2 0 . 8 1 . 2 5 L f F W c ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ???； （ 2）附加摩擦力矩0M： 江西科技學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)） 18 0 200(1 )2 ????； 式中 滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷，一般取 13 0?— 滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取0 ?； 其它符號含義