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山東大學(xué)
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題 目： ECM-II型數(shù)控機床工作臺及數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計
專 業(yè)： 機電一體化
學(xué) 生：
準(zhǔn)考證號：
指導(dǎo)老師：_____________________ ___
畢業(yè)設(shè)計（論文）時間： 年 月 日～ 年 月 日
山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘 要 近年來，我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐漸上升，而現(xiàn)有的大多數(shù)機床切削加工不能滿 足復(fù)雜型面得加工要求。電解加工機床以其加工速度快，可加工難切削的、表面復(fù)雜的零 件，具有工具陰極無損耗，加工質(zhì)量好，生產(chǎn)效率高，加工范圍廣等優(yōu)點，在生產(chǎn)中起了 越來越重要的作用。 本次設(shè)計的內(nèi)容就是五坐標(biāo)數(shù)控點解加工機床的 X, Y, 向傳動機構(gòu)和計算機數(shù)控WC 系統(tǒng)。X, Y, 向的傳動系統(tǒng)與數(shù)控銑床相似，參考了典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)來設(shè)計，在WC 局部放入設(shè)計上綜合考慮了電解加工的特殊性。在考慮機床的工作性能放的同時也考慮了 機床的安全性能和環(huán)保性能。在材料的選用上選用了不易腐蝕放入不銹鋼等材質(zhì)，在結(jié)構(gòu) 設(shè)計上考慮電解液的密封性，從而達(dá)到生產(chǎn)的目的。 在參考典型機構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合電解加工機床的工作條件，設(shè)計完成的數(shù)控電解機床 可以加工幾何形狀比較復(fù)雜的零件，并能達(dá)到較好的精度要求。生產(chǎn)中可以節(jié)約更多的時 間，人力和物力。 關(guān)鍵詞： 電解加工；數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控機床 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） ABSTRACT In recent years, the share of CNC machine tool in Chinese enterprises increased year by year, but most of the existing machine tool cutting processing can not meet the processing requirements of the complex surface. Electro-chemical machine tools play an increasingly important role in the production with the high processing speed, processing the parts of hard-to-cut and the complex surface, cathode without loss, good quality processing, high productivity, processing of wide range and other advantages. The design elements include the X, Y, CW transmission structure and the computer numerical control system of five coordinates electrolytic NC machine. Because X, Y, CW to the transmission system is similar to the NC milling machine, we can design it referring to the typical structure of the CNC milling machine with the design of partial consideration to the special nature of electrochemical machining for the necessary changes. In considering the machine performance of the machine we should also consider the safety performance and environmental-friendliness. In order to achieve the production goal, the stainless steel and other materials which are difficult to corrode can be chose easily in the selection of materials, and the sealing of electrolyte should be considered in the selection of structural design. NC electrochemical machine can process more complex geometry of parts, and can achieve better accuracy in the working conditions. The electrolytic processing machine tools are combined with the typical structure. Production can save more time, manpower and resources. Keywords: Electrochemical machining; Numerical control system; Numerical- control machine tool 目 錄 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第一章 緒論 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????1 第二章 機床總體方案設(shè) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 2.1 課題國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 2.2 機床總體結(jié)構(gòu)形式 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????4 2.3 機床的傳動方案確定 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6 2.3.1 X、Y 軸向傳動方案 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????6 2.3.2 WC軸傳動方案 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????7 2.3.3 導(dǎo)軌形式 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 2.3.4 齒輪副的選擇 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????8 第三章 X，Y， w向傳動機構(gòu)及工作臺設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 3.1 X 軸向滾珠絲杠設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????9 3.1.1 強度計算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????10 3.1.2 滾珠絲杠靜態(tài)設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????11 3.1.3 絲杠螺母的動態(tài)設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????15 3.2 Y 軸向滾珠絲杠設(shè)計 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????17 3.2.1 強度計算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????18 3.2.2 滾珠絲杠靜態(tài)設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????19 3.2.3 絲杠螺母的動態(tài)設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????22 3.3 電動機選擇與齒輪傳動設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 3.3.1 電動機的選擇 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????24 3.3.2 齒輪傳動設(shè)計與選用 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????25 3.4 導(dǎo)軌的選擇 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 3.4.1 導(dǎo)軌類型的選擇 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????26 3.4.2 導(dǎo)軌的材料 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????27 3.4.3 滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 3.4.4 滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????28 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3.4.5 確定導(dǎo)軌的參數(shù) ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 3.5 WC向傳動機構(gòu)及回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計 ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????29 3.5.1 蝸輪蝸桿傳動的設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????30 第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 4.1 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方案 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 4.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????34 4.3 數(shù)控系統(tǒng)接口設(shè)計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????35 第五章 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件設(shè)計 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.1 CNC 系統(tǒng)軟件的構(gòu)成 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.2 CNC 系統(tǒng)軟件的功能 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????38 5.3 CNC 系統(tǒng)軟件的實現(xiàn) ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????39 5.3.1 CNC 系統(tǒng)軟件開發(fā)工具 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????39 5.3.2 CNC 系統(tǒng)軟件界面設(shè)計和編程 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????40 5.3.3 CNC 系統(tǒng)軟件功能調(diào)試 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????49 第六章 結(jié)論 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????50 致 謝 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????52 參考文獻(xiàn) ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????53 附 錄 ??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????54 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 第一章 緒論 數(shù)控機床的電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理將工件加工成形 的一種特種加工方法。加工時，工件接直流電源的正極，工具接負(fù)極，兩極之間保持電流， 從而形成電化學(xué)陽極溶解。隨著工具相對工件不斷進(jìn)給，工件金屬不斷被電解，電解產(chǎn)物不 斷被電解液沖走，最終兩極間各處的間隙趨于一致，工件表面形成與工具工作面基本相似的 形狀。 電解加工對于難加工材料、形狀復(fù)雜或薄壁零件的加工具有顯著優(yōu)勢。目前，電解加工 已獲得廣泛應(yīng)用，如炮管膛線，葉片，整體葉輪，模具，異型孔及異型零件，倒角和去毛刺 等加工。并且在許多零件的加工中，電解加工工藝已占有重要甚至不可替代的地位。 與其它加工方法相比，根據(jù)參考文獻(xiàn)[3]，電解加工具有如下特點，： a)加工范圍廣。電解加工幾乎可以加工所有的導(dǎo)電材料，并且不受材料的強度、硬度、 韌性等機械、物理性能的限制，加工后材料的金相組織基本上不發(fā)生變化。它常用于加工硬 質(zhì)合金、高溫合金、淬火鋼、不銹鋼等難加工材料。 b)生產(chǎn)率高，且加工生產(chǎn)率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。電解加工能以簡單 的直線進(jìn)給運動一次加工出復(fù)雜的型腔、型面和型孔，而且加工速度可以和電流密度成比例 地增加。據(jù)統(tǒng)計，電解加工的生產(chǎn)率約為電火花加工的 5 至 10 倍，在某些情況下，甚至可 以超過機械切削加工。 c)加工質(zhì)量好。可獲得一定的加工精度和較低的表面粗糙度。 加工精度(mm)：型面和型腔為 ± 0.05～0.20；型孔和套料為± 0.03～0.05。 表面粗糙度(mm)：對于一般中、高碳鋼和合金鋼，可穩(wěn)定地達(dá)到 Ra1.6～0.4，有些合 金鋼可達(dá)到 Ra0.1[1]。 d)可用于加工薄壁和易變形零件。電解加工過程中工具和工件不接觸，不存在機械切削 力，不產(chǎn)生殘余應(yīng)力和變形，沒有飛邊毛刺。 e)工具陰極無損耗。在電解加工過程中工具陰極上僅僅析出氫氣，而不發(fā)生溶解反應(yīng)， 所以沒有損耗。只有在產(chǎn)生火花、短路等異常現(xiàn)象時才會導(dǎo)致陰極損傷。 但是，事物總是一分為二的。電解加工也具有一定的局限性，主要表現(xiàn)為： a)加工精度和加工穩(wěn)定性不高。電解加工的加工精度和穩(wěn)定性取決于陰極的精度和加工 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 間隙的控制。而陰極的設(shè)計、制造和修正都比較困難，陰極的精度難以保證。此外，影響電 解加工間隙的因素很多，且規(guī)律難以掌握，加工間隙的控制比較困難。 b)由于陰極和夾具的設(shè)計、制造及修正困難，周期較長，因而單件小批量生產(chǎn)的成本較 高。同時，電解加工所需的附屬設(shè)備較多，占地面積較大，且機床需要足夠的剛性和防腐蝕 性能，造價較高。因此，批量越小，單件附加成本越高。 根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]和[5]，電解加工機床的分類： 包括各種規(guī)格尺寸的通用機床，以及用于葉片、整體葉輪加工、擴孔、去毛刺、拋光等 用途的專用機床。機床控制系統(tǒng)也分為繼電系統(tǒng)、簡易數(shù)控系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)和 PLC（可 編程控制器）控制系統(tǒng)四類。 數(shù)控機床性能指標(biāo)一般有精度指標(biāo)、坐標(biāo)軸指標(biāo)、運動性能指標(biāo)及加工能力指標(biāo)等幾種。 對普通數(shù)控機床來說，其自動化程度上還不夠完善，刀具的更換與零件的裝夾仍需人工來完 成，只能實施一個工序的數(shù)字控制。而高檔多軸數(shù)控機床的功能則得到空前提高。 多軸聯(lián)動的高性能數(shù)控機床，能同時控制四個以上坐標(biāo)軸的聯(lián)動。通常三軸機床可以實 現(xiàn)二軸、二軸半、三軸加工；五軸機床也可以只用到三軸聯(lián)動加工，而其他兩軸不聯(lián)動。它 能將數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床等功能組合在一起，零件在一次裝夾后，可以將加工面 進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴、鉸及攻螺紋等多工序加工，能有效地避免由于多次安裝造成的定位誤 差，可加工形狀復(fù)雜，精度要求高的零件，如葉輪葉片等。 多軸聯(lián)動的高性能數(shù)控機床技術(shù)，對一個國家裝備工業(yè)的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。經(jīng)過 多年自主研發(fā)，我國目前已經(jīng)成功掌握這一關(guān)鍵技術(shù)，國產(chǎn)五軸聯(lián)動高性能數(shù)控機床已在國 內(nèi)投產(chǎn)應(yīng)用。 本課題來源于南京某高校特種加工技術(shù)研究所。設(shè)計合理的電解加工機床可以實現(xiàn)五坐 標(biāo)的數(shù)控移動，運動過程要求平穩(wěn)，運動順利，進(jìn)給速度可按要求調(diào)節(jié)。系統(tǒng)的進(jìn)給由簡單 的數(shù)控系統(tǒng)控制。主要的設(shè)計工作包括五坐標(biāo)數(shù)控電解加工機床的 X，Y， 向傳動結(jié)構(gòu)和WC 計算機數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計。 設(shè)計的原始數(shù)據(jù)是：橫向移動 180mm,縱向移動 130mm, 機床直線運動坐標(biāo)軸的定位精度 0.02mm，重復(fù)定位精度 0.01mm；工件重量小于 100kg。技術(shù)要求有以下幾點： a)裝卸、調(diào)整方便； b)結(jié)構(gòu)簡單，工作安全可靠； 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 c)設(shè)計合理，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件，以降低制造成本； d)用計算機控制的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行控制。 總體設(shè)計思路： 因為 X，Y， 向的傳動系統(tǒng)與數(shù)控銑床相似，所以可以參照典型數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)來設(shè)WC 計，在局部的設(shè)計上要綜合考慮電解加工的特殊性作必要的修改。在考慮機床的工作性能的 同時也要考慮機床的安全性能和環(huán)保性。在材料的選用上可選用不易腐蝕的不銹鋼等材質(zhì)， 在結(jié)構(gòu)設(shè)計上考慮電解液的密封性，從而達(dá)到生產(chǎn)的目的。 本設(shè)計具有很大的實用價值。因為采用了很多新的結(jié)構(gòu)，大大降低了制造和維護的費用， 減少了機器調(diào)整的次數(shù)，保證了生產(chǎn)的連續(xù)性。 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第二章 機床總體方案設(shè) 2.1 課題國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè) 甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS 模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當(dāng)部分處于使用效率不高，管理方式落后 的狀態(tài)。國內(nèi)中高端數(shù)控系統(tǒng)被德、日壟斷，據(jù)了解，長期以來，國產(chǎn)數(shù)控機床始終處于低 檔迅速膨脹，中檔進(jìn)展緩慢，高檔依靠進(jìn)口的局面，特別是國家重點工程需要的關(guān)鍵設(shè)備主 要依靠進(jìn)口，技術(shù)受制于人。國外數(shù)控機床趨向于網(wǎng)絡(luò)化。隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益 普遍運用，數(shù)控機床走向網(wǎng)絡(luò)化、集成化已成為必然的趨勢和方向，互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)入制造工廠的 車間只是時間的問題。 在今后20年內(nèi)，電解加工將在新工藝技術(shù)的開發(fā)研究，包括高頻、窄脈沖電流電解加工、 柔性電解加工、小間隙電解加工、復(fù)合加工等方面得到發(fā)展和應(yīng)用；計算機控制技術(shù)將在電 解加工設(shè)備與過程、參數(shù)的控制中得到不斷的發(fā)展與擴大應(yīng)用；在微精加工領(lǐng)域，電解加工 將展現(xiàn)新的應(yīng)用前景。在發(fā)展電解加工技術(shù)的同時，必須重視并解決電解加工過程中的環(huán)境 保護問題，以達(dá)到“綠色制造”、持續(xù)發(fā)展的目的。按照系統(tǒng)工程的觀點，加大對待特種加 工的基本原理、加工機理、工藝規(guī)律、加工穩(wěn)定性等深入研究的力度。同時，充分融合以現(xiàn) 代電子技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)和精密制造技術(shù)為基礎(chǔ)的高新技術(shù)，使加工設(shè)備向自動 化、柔性化方向發(fā)展。從實際出發(fā)，大力開發(fā)特種加工領(lǐng)域中的新方法，包括微細(xì)加工和復(fù) 合加工，尤其是質(zhì)量高、效率高、經(jīng)濟型的復(fù)合加工，并與適宜的制造模式相匹配，以充分 發(fā)揮其特點。污染問題是影響和限制有些特種加工應(yīng)用、發(fā)展的嚴(yán)重障礙，必須化大力氣利 用廢氣、費液、廢渣，向“綠色”加工的方向發(fā)展?？梢灶A(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的 發(fā)展，特種加工必將不斷完善和迅速發(fā)展，反過來又必將推動科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展， 并發(fā)揮愈來愈重要的作用。 2.2 機床總體結(jié)構(gòu)形式 數(shù)控電解機床是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理將工件加工成形的一種 特種加工方法。其主要特點在于能加工難加工材料、形狀復(fù)雜或薄壁零件，而且生產(chǎn)率高， 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 表面質(zhì)量好。所以使用于特殊材質(zhì)的零件和型腔較為負(fù)載的零件的加工。 五坐標(biāo)數(shù)控電解加工機床主要由傳動系統(tǒng)，驅(qū)動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)所組成。根據(jù)參考文 獻(xiàn)[7]，對數(shù)控電解加工機床的基本要求是要滿足電解加工的要求，能夠進(jìn)行五坐標(biāo)聯(lián)動以 加工出復(fù)雜幾何形狀的零件，這就要求它們具有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠 的工作空間及在任意位置都能自動定位等特性。設(shè)計數(shù)控電解加工機床的原則是:充分分析 作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術(shù)要求，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件；明確工件的結(jié)構(gòu)形狀和 材料特性，定位精度要求等，從而進(jìn)一步確定對傳動結(jié)構(gòu)及運行控制的要求;盡量選用定型 的標(biāo)準(zhǔn)件，簡化設(shè)計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現(xiàn)柔性轉(zhuǎn)換和編程控制。本次 設(shè)計的數(shù)控電解加工機床是特殊加工機床，是一種適合于小批生產(chǎn)的、可以變動操作程序的 生產(chǎn)場合。 機床的各方向的進(jìn)給分別由各方向的步進(jìn)電機控制，其中橫向移動由X向的電機控制， 縱向移動由Y向電機控制，工件的旋轉(zhuǎn)有回轉(zhuǎn)工作臺里的電機控制。機床總體設(shè)計方案如下 圖1-1所示。 Z 軸滑鞍 擺軸 Y 軸滑鞍 X 軸滑鞍 回轉(zhuǎn)工件臺 Y 圖 2-1 五坐標(biāo)電解加工機床 Z CT CW X 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 2.3 機床的傳動方案確定 該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電機。根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]和[9]，這由數(shù)控系統(tǒng)送出的 進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機轉(zhuǎn)動，通過齒輪副與滾珠絲杠副 驅(qū)動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位 移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之 為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的 節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。 該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本 低，易改裝成功。 2.3.1 X、Y軸向傳動方案 按照設(shè)計課題的要求，根據(jù)參考文獻(xiàn)[6]和[7]，工件的運動分為橫向和縱向的移動，為 達(dá)到有高精度、快速反應(yīng)、一定的承載能力、足夠的工作空間及在任意位置都能自動定位等 特性。 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 要求滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在 90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩 和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。 本傳動系統(tǒng)選用滾珠絲杠來傳動，通過X向和Y向的兩根滾珠絲杠來實現(xiàn)X-Y平面的各種 移動。X向和Y向的滾珠絲杠傳動方案如圖1-2和圖1-3所示： 圖 2-2 X 向滾珠絲杠 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 圖 2-3 Y 向滾珠絲杠 由于本機床使用簡單的數(shù)控系統(tǒng)控制機床的運作，所以可以采用常用的步進(jìn)電機作為驅(qū) 動。 2.3.2 軸傳動方案WC 按照設(shè)計課題的要求，根據(jù)參考文獻(xiàn)[1]，工件可以做平面的圓周轉(zhuǎn)動為達(dá)到任意位置 都可以準(zhǔn)確定位和運行平穩(wěn)快速的要求，工作臺可以選擇由蝸輪蝸桿傳動的回轉(zhuǎn)工作臺。通 過蝸輪的轉(zhuǎn)動來帶動工件的轉(zhuǎn)動。 由于本機床使用簡單的數(shù)控系統(tǒng)控制機床的運作，所以可以采用常用的步進(jìn)電機作為驅(qū) 動。 一臺新的數(shù)控機床，在設(shè)計上要達(dá)到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數(shù)小， 傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床設(shè)計時應(yīng)盡量達(dá)到上述要求。不能認(rèn)為將數(shù)控 裝置與普通機床連接在一起就達(dá)到了數(shù)控機床的要求，還應(yīng)對主要部件進(jìn)行相應(yīng)的改造使其 達(dá)到一定的設(shè)計要求，才能獲得預(yù)期的改造目的。 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 圖 2-4 回轉(zhuǎn)工作臺 2.3.3 導(dǎo)軌形式 與普通滑動導(dǎo)軌相比，根據(jù)參考文獻(xiàn)[4]和[5]，滾動導(dǎo)軌有下列優(yōu)點： a)運動靈敏度高。滾動導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)為 0.0025～0.005，遠(yuǎn)小于滑動導(dǎo)軌（靜摩擦因 數(shù)為 0.4～0.2，動摩擦因數(shù)為 0.2～0.1，一般滾動導(dǎo)軌在低速移動時，沒有爬行現(xiàn)象。 b)定位精度高。一般滾動導(dǎo)軌的重復(fù)定位誤差為 0.1～0.2 。普通滑動導(dǎo)軌一般為m? 10～20 。m? c)牽引力小，移動輕便。 d)磨損小，精度保持性好。滾動體一般可以達(dá)到運行 ～ 的指標(biāo)。5108 e)潤滑系統(tǒng)簡單，維修方便（只需要換滾動體） 。 滾動導(dǎo)軌的缺點是抗振性較差，對防護要求也較高。 2.3.4 齒輪副的選擇 一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證動精度，數(shù)控機床上使用的齒 輪精度等級都比普通機床高。在結(jié)構(gòu)上要能達(dá)到無間隙傳動，因而改造時，機床主要齒輪必 須滿足數(shù)控機床的要求，以保證機床加工精度。 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 第三章 X，Y， 向傳動機構(gòu)及工作臺設(shè)計wC X，Y， 向運動部件是機床是一個主要組成部分，它實現(xiàn)機床的橫向、縱向以及回wC 轉(zhuǎn)方向上的進(jìn)給運動，設(shè)計的原始數(shù)據(jù)為: a) X 軸向工作臺行程為 130mm，脈沖當(dāng)量為 0.01mm/pulse； b) Y 軸向工作臺行程為 180mm，脈沖當(dāng)量為 0.01mm/pulse； c) 向回轉(zhuǎn)工作臺要能實現(xiàn)連續(xù)運動，脈沖當(dāng)量為 0.05 /pulse。wC ? 根據(jù)以上要求，傳動機構(gòu)及工作臺設(shè)計需要考慮以下幾方面的問題： a) 需要確定絲杠螺母副的形式：最大負(fù)載力，工作壽命等問題； b) 進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠、軸承支架、步進(jìn)電機等位置的擺放問題； c) 步進(jìn)電機的選型；齒輪模數(shù)及直徑的確定； d) 導(dǎo)軌形式的選擇； e) 回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計和計算； f) 機床潤滑方式的選擇。 3.1 X 軸向滾珠絲杠設(shè)計 a)切削力計算 由于電解加工過程中是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解的原理。所以刀具跟工 件之間無相應(yīng)的切削力，也就是說 =0。oF b)X 向滾珠絲杠如圖 3-1 所示： 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，工作臺縱向進(jìn)給絲杠的軸向力 (3-1)??'aIHNFKfFG?? 式中, -考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)取 =1.1IKI -縱向切削力 =0 NHFH 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 -導(dǎo)軌上磨擦系數(shù) =0.08'f 'f G-工作臺重量 G=80 9.8=784N? -垂直切削分力 =0NNFNF 根據(jù)式(2-1)將以上數(shù)據(jù)代入得： =62.72NaF 圖 3-1 X 向滾珠絲杠 3.1.1 強度計算 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，根據(jù)參考文獻(xiàn)[14] n= (3-2)pVt 式中， —進(jìn)給速度 =60mm/mintVt —滾珠絲杠的螺距 =8mmpp 則 n=7.5(r/min) 滾珠絲杠壽命值，根據(jù)參考文獻(xiàn)[14] 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 (3-3)610nTLI? 式中，T—壽命時間 一般取 T=900000min —滾珠絲杠旋轉(zhuǎn) r610610 =7.5 900000/ =6.75IL?610 取運轉(zhuǎn)系數(shù) =1.2，硬度系數(shù) =1wfHf 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，滾珠絲杠實際承受最大負(fù)載為： (3-4) 336.75126.7142.IwHaQLfFN??? 3.1.2 滾珠絲杠靜態(tài)設(shè)計 a.確定動載荷 'aC 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，工作循環(huán)周期 T 由加速度時間 、加工時間表 組成如圖 3-2：atwt (3-5) atmax/Vv? 式中， —工進(jìn)速度 取 =0.1m/sv —工作臺最大加速度 取 =1.3m/max max2s =0.1/1.3=0.072(s) at (3-6)vwVSt/? 式中， —工作行程 取 =0.13mw =1.3(s)wt T=2 +4 =2.890(s) (3-7)a 在減速期間平均轉(zhuǎn)速 為：an 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 圖 3-2 工作循環(huán)周期 (3-8)anspvhV2/? 式中， 為導(dǎo)程 取 =10mmsphsph =300（r/min）an 工作進(jìn)給時轉(zhuǎn)速 為：wn = =600(r/min) (3-9)wnspvhV/ a)當(dāng)量轉(zhuǎn)速 mn (3-10)24wamntt?? 將上述數(shù)據(jù)代入上式求得當(dāng)量轉(zhuǎn)速 =570（r/min）mn 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，載荷系數(shù)由下表取 =1.2wf 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 表 3-1 不同運動條件下的 wf 使用條件 平穩(wěn)，無沖擊運動 1.0-1.2 一般運動 1.2-1.5 伴隨沖擊和振動的運動 1.5-2.0 b) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，當(dāng)量載荷 為：mF (3-11)TttawR42?? —工作臺導(dǎo)軌摩擦力RF —加工受力取 =0NwwF = =62.72NRGf?' =68.97Nm 取滾珠絲杠壽命 =150000hhL c) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，滾珠絲杠的動載荷 'aC N (3-12) ??1' 23 2600(57)68.971.2.amhwCnLFfN????? d) 確定靜載荷最大軸向力可近似取最大加工受力 =1000NwF?max 取靜態(tài)安全系數(shù) =1df =1000Nmax'fCdoa b. 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，根據(jù)軸向壓力選取絲杠直徑： (3-13) 2aspFL? L-軸承平均間距，根據(jù)縱向行程初選 130mm 由支承方法（雙推—自由）：選 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 m=10.3,f=21.9。 代入式（13）得 12 mm 236.710spd??? 取 12mm。sp? c.轉(zhuǎn)速限制： a)轉(zhuǎn)矩限制： (3-14)maxoAnd?ax60fstpVh —快進(jìn)速度，取 =0.17m/sfastVfastV —導(dǎo)程，由初選 =10mmsphsph A—最大轉(zhuǎn)速常數(shù) A=60000 代入上式得： =1020（r/min）maxn 58.8mm 即 58.8mmod?spd? b)臨界轉(zhuǎn)速限制： = (3-15)sp 2710cnLf? (3-16)cmax? d.選擇絲杠直徑，由上計算結(jié)果得： 62.5aCN?'10o8.spdm?2s? 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 選取直徑 =32mm。spd 3.1.3 絲杠螺母的動態(tài)設(shè)計 a.確定絲杠螺母傳動的總剛度 a) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，扭轉(zhuǎn)剛度： (3-17) 437.810spTspdKL??? =9134.3(N/ m) 4329Tsp?? 工作臺（執(zhí)行件）直線剛度： (3-18) 22134.360.4(N/m)TspsKh????????????????? 式中綱量： （N/ m） ； （N/ m） ； （mm） ；L（m）sp?T?sph b) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，拉壓剛度： (3-19)321.65.58.67(N/)09spsdKL???? 式中綱量： （N/ m） ； ；L（m） s?()sph c)總剛度：對于“雙推—自由”支承絲杠螺母傳動裝置，該螺母位于絲杠中間，可得 。12spssK? 系統(tǒng)的總剛度為： (3-20)11124genLsMTsMKK??? —軸承軸向剛度選 =800（N/ m） LK? —絲杠螺母剛度選 =800（N/ m）MM 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 —螺母支座剛度選 =1000（N/ m）TMKTMK?11128045.678032.40gen???? 135（N/ m）gen?? b. 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，確定機械諧振頻率，機械傳動部件的諧振頻率： ≈866（ /s） (3-21) 661035108genomechTKW??rad c.確定具有滿意動態(tài)性能的絲杠直徑，電氣驅(qū)動部件的諧振頻率取下列值，則其動態(tài)性 能較好，即取 350rad/soA 采用常規(guī)的比例位置調(diào)節(jié)，為使機械傳動部件的動態(tài)性能不影響總的動態(tài)性能應(yīng)當(dāng)使： (3-22)(23)omechoAW?: = ≈ 2.47oA8650 所以 符合要求。spd 選取滾珠絲杠型號 3208(GB/T9893-1999)即內(nèi)循環(huán)，比螺母墊片調(diào)隙式，公稱直徑 32mm 導(dǎo)程 8mm，一圈二列，E 級精度，左旋，滾珠直徑為 4mm。 由于絲杠主要承受軸向力。大多數(shù)才用推力球軸承做支撐。在相同的尺寸條件下，推力 球軸承軸向剛度比向心推力球軸承及圓錐滾子軸承的軸向鋼度要大一倍以上；推力滾柱軸承 剛度又比推力球軸承大一倍左右。當(dāng)軸向載荷較小時，可不用推力球軸承而用向心推力球軸 承，這樣可以減少軸承數(shù)量。 根據(jù)推力軸承的布置。根據(jù)參考文獻(xiàn)[12]和[13]，絲杠有以下四種支承方式，如下圖 第一種支承方式：“雙推-自由”式。這種方式適合短絲杠。 第二種支承方式：“雙推-支承”式。這種方式可避免絲杠因自重引起彎曲 ，以及高速 回轉(zhuǎn)時自由端的晃動。 第三種支承方式：“單推-單推”式或“雙推-單推”式。它的優(yōu)點是可對絲杠進(jìn)行預(yù)拉 伸安裝。預(yù)拉伸的好處有：1、減少絲杠因自重引起的彎曲；2、在推力球軸承預(yù)緊力大于絲 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 杠最大軸向載荷 1/3 的條件下，絲杠拉壓強度可提高四倍； 3、絲杠不會因溫升而伸長，保 持了絲杠的精度。此外這種支承方式使絲杠只受拉力，不承受壓力，因此不存在壓桿穩(wěn)定性 問題。 第四種支承方式：“雙推-雙推”式。這種支承方式剛度最高。只要軸承無軸向間隙， 絲杠的拉壓剛度可提高四倍?？梢赃M(jìn)行預(yù)拉伸安裝，克服熱膨脹。當(dāng)溫升超過預(yù)計的溫升時， 不會像“單推- 單推”式那樣產(chǎn)生軸向間隙。這種支承方式的最大缺點是：實現(xiàn)預(yù)拉伸及其 調(diào)整方法較復(fù)雜 因為課題要求機床的行程較小、絲杠的轉(zhuǎn)速較低，故選擇“雙推-自由” 。 圖 3-3 絲杠支承方式 3.2 Y 軸向滾珠絲杠設(shè)計 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，工作臺縱向進(jìn)給絲杠的軸向力 (3-23)??'aIHNFKfFG?? 式中， -考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)取 =1.1IKI 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 -縱向切削力 =0 NHFHF -導(dǎo)軌上磨擦系數(shù) =0.08'f 'f G-工作臺重量 G=100 9.8=980N? -垂直切削分力 =0NNFNF 根據(jù)式 23 將以上數(shù)據(jù)代入 =78.4N。aF 圖 3-4 Y 向滾珠絲杠 3.2.1 強度計算 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)，速根據(jù)參考文獻(xiàn)[14] n= (3-24)pVt 式中， —進(jìn)給速度 =60mm/mintVt —滾珠絲杠的螺距 =8mmpp n=7.5(r/min) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，滾珠絲杠壽命值 (3-25) 610nTLI? 式中，T—壽命時間 一般取 T=900000min 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 —滾珠絲杠旋轉(zhuǎn) r610610 =7.5 900000/ =6.75IL?610 取運轉(zhuǎn)系數(shù) =1.2，硬度系數(shù) =1wfHf 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，滾珠絲杠實際承受最大負(fù)載為： (3-26)336.75128.417.IwHaQLfFN??? 3.2.2 滾珠絲杠靜態(tài)設(shè)計 a．確定動載荷 'aC 工作循環(huán)周期 T 由加速度時間 、加工時間表 組成如下圖：atwt 圖 3-5 工作循環(huán)周期 (3-27)atmax/Vv? 式中， —工進(jìn)速度 取 =0.1m/svVv 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 —工作臺最大加速度 取 =1.38m/max max2s =0.1/1.3=0.072(s)t (3-28)vwVS/? 式中， —工作行程 取 =0.18m wSwS =1.8(s)wt T=2 +4 =3.890(s)a 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，在減速期間平均轉(zhuǎn)速 為：n (3-29)aspvhV2/? 式中， 為導(dǎo)程 取 =10mmsphsph =300（r/min）an 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，工作進(jìn)給時轉(zhuǎn)速 為：w = =600(r/min) (3-30)wspvhV/ a) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，當(dāng)量轉(zhuǎn)速 mn (3-31)24watt?? 將上述數(shù)據(jù)代入式(2-31)求得當(dāng)量轉(zhuǎn)速 =577.5（r/min）mn 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，載荷系數(shù)由下表取 =1.2wf 表 3-2 不同運動條件下的 wf 使用條件 平穩(wěn)，無沖擊運動 1.0-1.2 一般運動 1.2-1.5 伴隨沖擊和振動的運動 1.5-2.0 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 b) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，當(dāng)量載荷 為：mF (3-32)TFttawR42?? —工作臺導(dǎo)軌摩擦力RF —加工受力取 =0NwwF = =78.4NRGf?' =84.2NmF 取滾珠絲杠壽命 =150000hhL c) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，滾珠絲杠的動載荷 'aC N (3-33) ??1' 23 2600(57.)84.18124amhwCnFfN????? d)確定靜載荷最大軸向力可近似取最大加工受力 =1000NwF?max 取靜態(tài)安全系數(shù) =1df =1000Nmax'fCdoa b. 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，根據(jù)軸向壓力選取絲杠直徑： (3-34) 2aspFL? L-軸承平均間距，根據(jù)縱向行程初選 130mm 由支承方法（雙推—自由）：選 m=10.3,f=21.9 。 代入式(2-34)得 12.5 mm 2378.410spd??? 取 12.5mm。sp? 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 c.轉(zhuǎn)速限制： a）根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，轉(zhuǎn)矩限制： (3-35)maxoAnd?ax60fstpVh —快進(jìn)速度，取 =0.17m/sfastVfastV —導(dǎo)程，由初選 =10mmsphsph B—最大轉(zhuǎn)速常數(shù) A=60000 代入式(2-35)得： =1020（r/min）maxn 58.8mm 即 58.8mmod?spd? b）臨界轉(zhuǎn)速限制： = (3-36)sp 2710cnLf? (3-37) cmax? d.選擇絲杠直徑，由上計算結(jié)果得： 812.4aCN?'0o5.spdm?12s? 選取直徑 =32mm。spd 3.2.3 絲杠螺母的動態(tài)設(shè)計 a.確定絲杠螺母傳動的總剛度 a) 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，扭轉(zhuǎn)剛度： 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 (3-38) 437.810spTspdKL??? =9134.3(N/ m) 4329Tsp?? 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，工作臺（執(zhí)行件）直線剛度： (3-39) 22134.360.4(N/m)TspsKh????????????????? 式中綱量： （N/ m） ； （N/ m） ； （mm） ；L（m）sp?T?sph b)拉壓剛度： (3-40)321.65.58.67(N/)09spsdKL???? 式中綱量： （N/ m） ； ；L（m） s?()sph c)總剛度：對于“雙推—自由”支承絲杠螺母傳動裝置，該螺母位于絲杠中間，可得12spssK? 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，系統(tǒng)的總剛度為： (3-41)11124genLsMTsMKK??? —軸承軸向剛度選 =800（N/ m） LK? —絲杠螺母剛度選 =800（N/ m）MM —螺母支座剛度選 =1000（N/ m）TTK11128045.678032.40gen???? 135（N/ m）gen?? b. 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，確定機械諧振頻率，機械傳動部件的諧振頻率： (3-42) 661035108(rad/s)genomechTKW??? 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 24 c.確定具有滿意動態(tài)性能的絲杠直徑，電氣驅(qū)動部件的諧振頻率取下列值，則其動態(tài)性 能較好，即取 350rad/s。oAW? 采用常規(guī)的比例位置調(diào)節(jié)，為使機械傳動部件的動態(tài)性能不影響總的動態(tài)性能應(yīng)當(dāng)使： (3-43)(23)omechoAW?: = ≈ 2.47oA8650 所以 符合要求。spd 選取滾珠絲杠型號 3208(GB/T9893-1999)即內(nèi)循環(huán)，比螺母墊片調(diào)隙式，公稱直徑 32mm 導(dǎo)程 8mm，一圈二列，E 級精度，左旋，滾珠直徑為 4mm。 3.3 電動機選擇與齒輪傳動設(shè)計 3.3.1 電動機的選擇 電動機的容量（功率）選得是否合適，對電動機的工作和經(jīng)濟性都有影響。當(dāng)容量小于 工作要求時，電動機不能保證工作裝置的正常工作，或電動機因長期過載而過早損壞；容量 過大則電動機的價格高，能量不能充分利用，且因經(jīng)常不在滿載下運動，其效率和功率因數(shù) 都較低，造成浪費。根據(jù)課題設(shè)計的需要應(yīng)選擇反應(yīng)式步進(jìn)電機。 根據(jù)參考文獻(xiàn)[11]，在選擇步進(jìn)電機時，以保證精度為原則，常選用脈沖當(dāng)量為 較為合適。步距角的選擇應(yīng)保證加工位置精度，此處選擇：0.1/Pmstep?? （ 軸方向） WC0.1/Pmstep??3/obste? （橫向） ./Pste1.5/obstep? （縱向） 0.1/Pmstep?? 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 25 1.5/obstep?? 步進(jìn)電機轉(zhuǎn)軸上的起動力矩計算見式(3-44) (3-44)??36()2pZqbPGFT??????? 式中， —摩擦系數(shù)， ，取 0.14；?0.1.8?: —總機械效率，取 0.90。? （ 軸方向）WC??36.40.1(340)9.829qTNcm?????: （橫向） .5.(52)3.43140q （縱向） ??60(81)7.6259qT Ncm?????: 步進(jìn)電機最大的靜轉(zhuǎn)距 見參考文獻(xiàn)[16]，選用步進(jìn)電機型號中合適的相數(shù)和拍數(shù)。jm 軸方向（三相三拍） WC/0.16jqNcm?: 橫向（三相三拍） .578.jmT? 縱向（三相三拍） /3jqc 確定步進(jìn)電機最高工作效率 ，見式(3-45)。由于 軸向、橫向和縱向的脈沖當(dāng)量maxf WC 均取 ，步進(jìn)電機的最高工作效率 也相等。 p?0.1/mstepmaxf (3-45)max()10/pfv??快 式中， ，取 0.05()/0.2.67/pvs??:快 /smax50fHz? 根據(jù)以上參數(shù)，查表反應(yīng)式步進(jìn)電動機技術(shù)指標(biāo)，選用 45BF003-Ⅱ型步進(jìn)電動機為 軸方向進(jìn)給，選用 75BF003 型步進(jìn)電動機為橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給。WC 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 3.3.2 齒輪傳動設(shè)計與選用 a. 橫向 根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]，選用步距角 ，滾珠絲杠螺距 ,要實現(xiàn)1.5/obstep??8tm? ，在系統(tǒng)中必須加一對齒輪傳動，其傳動比0.1/Pmstep??12360.360.158PbZit??? 根據(jù)齒輪傳動的用途和精度取模數(shù) m=2,材料選用 45 鋼，選齒數(shù) ， 。124Z?80 則 K880 運動控制卡輸入一個脈沖，則相對于橫向進(jìn)給了一個距離 。0.Lm b. 縱向 根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]，選用步距角 ，滾珠絲杠螺距 ,要實現(xiàn)1.5/obstep??8t? ，在系統(tǒng)中必須加一對齒輪傳動，其傳動比0.1/Pmstep??12360.360.158PbZit??? 根據(jù)齒輪傳動的用途和精度取模數(shù) m=2,材料選用 45 鋼，選齒數(shù) ， 。124Z?80 則 K880 運動控制卡輸入一個脈沖，則相對于縱向進(jìn)給了一個距離 。0.Lm c. 軸方向WC 根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]，根據(jù)齒輪傳動的用途和精度取模數(shù) m=1,材料選用 45 鋼，選齒數(shù) ， 。126Z?30 則 K880 運動控制卡輸入一個脈沖，則相對于 軸方向旋轉(zhuǎn)了一個角度 ：WC?305261????. 3.4 導(dǎo)軌的選擇 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 27 3.4.1 導(dǎo)軌類型的選擇 工作臺導(dǎo)軌對數(shù)控機床的精度有很大的影響，導(dǎo)軌的制造誤差直接影響工作臺的幾何精 度。導(dǎo)軌的摩擦特性影響工作臺的定位精度和低速進(jìn)給的均勻性。導(dǎo)軌的材料和熱處理影響 工作精度的保持性。按機床調(diào)節(jié)技術(shù)的要求，希望工作臺導(dǎo)軌要剛度大，摩擦小和阻尼性能 好。 根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]，在數(shù)控機床中主要使用三種類型的導(dǎo)軌，滑動導(dǎo)軌，滾柱導(dǎo)軌和靜 壓導(dǎo)軌。下表概括介紹了各種類型導(dǎo)軌的性能： 表 3-3 各種導(dǎo)軌的性能 性能 滑動導(dǎo)軌 滾柱導(dǎo)軌 靜壓導(dǎo)軌 摩擦和磨損性能 不好，可改進(jìn) 良好 很好 爬行的可能性 存在 不存在 不存在 對材料及邊面的要求 很高 高 低 達(dá)到高精度的措施 很貴 不太貴 不能用 剛度 通常很好 好 可變 阻尼 很高，但不是常數(shù) 小 大，可設(shè)計改變 其中滾動導(dǎo)軌具有運動靈敏度高，定位精度高，牽引力小，移動輕便，磨損小，精度保 持性好潤滑系統(tǒng)簡單，維修方便的優(yōu)點。而傳統(tǒng)滑動導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動，靜摩擦 系數(shù)差別大，低速時易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。除簡易型數(shù)控機床外，在其他數(shù)控機床上已不采用。 它們具有良好的摩擦性能及使用壽命長的特點。 綜合上述優(yōu)點及本課題機床的特點選用滾動導(dǎo)軌。對滾動導(dǎo)軌的阻尼比有影響的因素有： 導(dǎo)軌表面正壓力的大??；所用潤滑的類型；總剛度的大小。 3.4.2 導(dǎo)軌的材料 滾動體有滾珠、滾柱和滾針三種。滾珠導(dǎo)軌多用于小載荷；滾柱導(dǎo)軌用于較大的載荷； 滾針導(dǎo)軌用于中等載荷和高度方向尺寸要求緊湊的地方。 滾動體材料一般用滾動軸承鋼，淬火后硬度可達(dá) 60 63HRC 以上。: 滾動導(dǎo)軌可用淬硬鋼或鑄鐵制造。鋼導(dǎo)軌具有承載能力大和耐磨性較高等優(yōu)點。常用的 材料有低碳合金鋼，如 20Cr 經(jīng)滲碳淬火，硬度可達(dá) 60 63HRC；合金結(jié)構(gòu)綱，如 40Cr，熱 處理硬度可達(dá) 45 50HRC，加工性能較好；合金工具鋼，淬火后低溫回火，材料硬度較高，: 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 28 性能穩(wěn)定，適合于變形小、耐磨性高的導(dǎo)軌。 鑄鐵導(dǎo)軌適用于中、小載荷，不需要預(yù)緊且不承受動載荷的導(dǎo)軌，常用材料為 HT200， 硬度為 200 220HB。: 根據(jù)材料的優(yōu)點和課題的需要，選擇滾珠導(dǎo)軌。 3.4.3 滾動導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)形式 a) 直線滾動導(dǎo)軌副 直線滾動導(dǎo)軌副由長導(dǎo)軌和帶有滾珠的滑軌組成；在所有方向 都承受載荷；通過鋼球的過盈配合能實現(xiàn)不同的預(yù)載荷，使機床設(shè)計、制造方便。 b) 滾動導(dǎo)軌塊 采用循環(huán)式圓柱滾子，與機床床身導(dǎo)軌配合使用，不受行程長度的限 制，剛度高。 滾動導(dǎo)軌塊用滾子做滾動體，承載能力和剛度都比直線滾動導(dǎo)軌副高，但摩擦因數(shù)略大。 應(yīng)用較多的滾動導(dǎo)軌塊有 HJG-K 和 6192 型兩種系列，由專業(yè)廠生產(chǎn)。支承導(dǎo)軌采用鑲鋼導(dǎo) 軌，淬硬至 58HRC 以上。 根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)點和課題的需要，選擇直線滾動導(dǎo)軌副。 3.4.4 滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算 滾動導(dǎo)軌的計算與滾動軸承的計算相似，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支 承不發(fā)生點蝕為依據(jù)，這個載荷稱為動載荷，行走的距離稱為額定壽命。滾動導(dǎo)軌的預(yù)期壽 命除了與額定動載荷和導(dǎo)軌的實際工作載荷有關(guān)外，還與導(dǎo)軌的硬度、滑塊部分的工作溫度 和每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)目有關(guān)。 根據(jù)參考文獻(xiàn)[14]，對于直線滾動導(dǎo)軌副： （3-46） 350()HTCWfLF? 式中， —滾動導(dǎo)軌的預(yù)期壽命，km；L — 額定動載荷，N，由樣本查得；C —導(dǎo)軌塊上的工作載荷，N；F —硬度系數(shù)，當(dāng)導(dǎo)軌面硬度為58 64HRC時 =1.0，硬度為55HRC時 =0.8，Hf :Hf Hf 硬度為50HRC時 =0.53；Hf 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 29 —溫度系數(shù)，工作溫度為 時 =1.0， 時 =0.92， 時Tf 10oCTf150oCTf20oC =0.73； —接觸系數(shù)，裝2個滾動導(dǎo)軌塊時 =0.81；裝3個時 =0.72，裝4個時Cf CfCf =0.66； —載荷系數(shù)，無沖擊振動， 時 =1 1.5， 時Wf 5/minv?Wf:60/minv?: =1.5 2；有沖擊振動， 時 =2.0 3.5。f:60? 3.4.5 確定導(dǎo)軌的參數(shù) 根據(jù)上面的過程，帶入各種參數(shù)設(shè)計出導(dǎo)軌的形狀如下圖所示： 圖 3-6 導(dǎo)軌示意圖 3.5 向傳動機構(gòu)及回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計WC 數(shù)控機床常用的工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。分度工作臺的功用只是將工件 轉(zhuǎn)位換面。和自動換刀裝置配合使用，工件一次安裝能實現(xiàn)幾面加工。而數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺除 了分度和轉(zhuǎn)位的功能之外，還能實現(xiàn)圓周進(jìn)給運動。 根據(jù)參考文獻(xiàn)[15]，考慮到本課題中的機床需要加工比較復(fù)雜的零件，所以選用數(shù)控回 轉(zhuǎn)工作臺。數(shù)控轉(zhuǎn)臺能實現(xiàn)進(jìn)給運動，所以在結(jié)構(gòu)上和機床的進(jìn)給驅(qū)動機構(gòu)有許多共同之處， 同樣分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。由于課題中的機床只采用了簡單的數(shù)控控制系統(tǒng)。所以采用開環(huán) 結(jié)構(gòu)。具體結(jié)構(gòu)如下圖：步進(jìn)電機經(jīng)蝸桿，蝸輪帶動工作臺的回轉(zhuǎn)，工作臺的定位有蝸桿的 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 30 旋轉(zhuǎn)圈數(shù)決定。工作臺到位后必須處于鎖緊狀態(tài)。臺面的鎖緊用均布的四個小液壓缸來完成， 當(dāng)控制系統(tǒng)發(fā)出夾緊指令是，液壓缸上腔進(jìn)油，活塞下移，通過鋼球推動夾緊瓦，從而把蝸 輪夾緊。當(dāng)工作臺回轉(zhuǎn)時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，液壓缸的上腔壓力油回到油箱，在彈簧的作 同下鋼球抬起，夾緊瓦松開，工作臺可實現(xiàn)分度轉(zhuǎn)位及回轉(zhuǎn)運動。 轉(zhuǎn)臺的中心回轉(zhuǎn)軸采用圓錐滾子軸承及雙列圓柱滾子軸承，并預(yù)緊消除起徑向和軸向間 隙，以提高回轉(zhuǎn)剛度和精度。工作臺支撐在鑲鋼滾柱導(dǎo)軌上，運行平穩(wěn)先耐磨。 圖3-7 回轉(zhuǎn)工作臺 3.5.1 蝸輪蝸桿傳動的設(shè)計 根據(jù)機床加工的需要初步估計蝸桿軸輸入功率P=1.5KW，轉(zhuǎn)速n=1450r/min,傳動比比較 大，要求使用10年，每年工作300天，每天工作16h，每小時載荷時間15min，每小時啟動次 數(shù)20 50次，根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]: a. 選擇材料及加工精度 蝸桿選用20CrMnTi，芯部調(diào)質(zhì)，表面滲碳淬火，45HRC； 蝸輪選用ZCuSn10Pb1,金屬模鑄造； 加工精度8級。 b．初選幾何參數(shù) 參照參考文獻(xiàn)[16]分冊表13-4-4（以下圖表皆參照本書），選 =52， ， =52i1Z?2 c．計算蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩T2 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 31 粗算傳動效率 ： (3-47) ?(103.5)%103.52)0.746i????? (3-48) 2174698.PT Nmn?: d．確定許用接觸應(yīng)力 Hp? 根據(jù)參考文獻(xiàn)[16]表13-4-13 當(dāng)蝸輪材料為錫青銅時, HpbsNZ?? 由參考文獻(xiàn)[16]表13-4-14 查得 20/HbpNm? 由參考文獻(xiàn)[16]圖13-4-10 查得滑動速度 8.35/svs 采用浸油潤滑，由參考文獻(xiàn)[16]圖13-4-2 求得 .6sZ 由參考文獻(xiàn)[16]圖13-4-4的注中公式求得 721450156032.0Nnt???? 根據(jù) 由由參考文獻(xiàn)[16]圖13-4-4的注中公式求得圖13-4-4 查得 1.2NZ 所以： 2.818.9/Hp Nm?? e.求載荷系數(shù) K 由參考文獻(xiàn)[16]表13-4-13 知： 123456K? 設(shè) ，按表13-4-13取 ；23/vms?1 查由參考文獻(xiàn)[16]圖13-4-4的注中公式求得表13-4-16，8級精度時， ；由于21K? ，15%60JC? 由參考文獻(xiàn)[16]圖13-4-4的注中公式求得圖13-4-5得 ；30.6? 由參考文獻(xiàn)[16]表13-4-17查得 ；41.52K? 由參考文獻(xiàn)[16]表13-4-18查得 ； 由參考文獻(xiàn)[16]圖13-4-6查得 。60.7 所以： 13521.60.873K???? 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 32 f.計算 和 值mq (3-49)Hp?? =8.79mm3mq2150.8734.06.9???????? 查參考文獻(xiàn)[16]表13-4-3，取 =9,則m=5,所以q=5。3 g.主要幾何尺寸計算 = =142.5mm2a=0.5(q+Z X)0.5(+20)? = =5×5=25mm'1d?qm =5×52=260mm2 h.蝸輪齒面接觸強度校核驗算 147830.84.6265H??? 208.22N/?2m 因為 ，所以接觸強度夠了。Hp?? i.電機輸出脈沖 305261t???=. j．示意圖: 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 33 圖 3-8 蝸桿示意圖 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 34 圖 3-9 蝸輪示意圖 第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計 4.1 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方案 數(shù)控系統(tǒng)是由輸入輸出裝置、計算機數(shù)字控制裝置（CNC單元） 、主軸控制單元和進(jìn)給伺 服驅(qū)動系統(tǒng)。數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的控制核心，其硬件和軟件實現(xiàn)各種數(shù)控功能，它具有與 數(shù)控系統(tǒng)其他組成部分的接口；輸入/輸出裝置一般采用數(shù)控面板和其他常規(guī)輸入/輸出裝置， 用以輸入數(shù)控數(shù)據(jù)，監(jiān)控數(shù)控系統(tǒng)的運行。 數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。 (1) 步進(jìn)電動機拖動的開環(huán)系統(tǒng) 開環(huán)系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置主要是步進(jìn)電動機、功率步 進(jìn)電動機、電液脈沖馬達(dá)等。該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電動機的角位移精度，齒輪 絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試維修方便， 工作可靠，成本低，易改裝成功。 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 35 (2) 異步電動機或直流電動機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 該系統(tǒng)與開環(huán)的區(qū) 別是：閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴(yán)。其設(shè)計 和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難，但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度及驅(qū)動功率 更大的特性指標(biāo)。 (3) 交/直流伺服電動機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝 在中間傳動件上間接測量執(zhí)行部件的位置。它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結(jié)構(gòu)與 調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。 當(dāng)前生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如SIEMENS公司、FANUC公司； 國內(nèi)公司如中國珠峰公司、北京航天機床數(shù)控系統(tǒng)集團公司、華中數(shù)控公司和沈陽高檔數(shù)控 國家工程研究中心等。 ECM-II型數(shù)控電解加工機床的計算機數(shù)控系統(tǒng)，是經(jīng)濟型數(shù)控機床，故數(shù)控系統(tǒng)采用 步進(jìn)電動機拖動的開環(huán)系統(tǒng)。此次設(shè)計的是數(shù)控系統(tǒng)利用北京科日新電子有限公司生產(chǎn)的多 軸運動控制卡K880實現(xiàn)對機床五軸X、Y、Z、C W,、 CT的手動和自動控制。 4.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]和[10]，該數(shù)控系統(tǒng)由多軸運動控制卡K880 和步進(jìn)電機驅(qū)動器MS535 相連，來實現(xiàn)步進(jìn)電機的運動控制。數(shù)控系統(tǒng)接線圖，見后面附： K880 運動控制卡的特點如下： （1） 獨立4 軸驅(qū)動； （2） 輸出的驅(qū)動速度范圍是從 1PPS 到 4MPPS； （3） S-曲線加/減速驅(qū)動； （4） 固定線速度控制； （5） 2 軸/3 軸位模式插補； （6） 可實現(xiàn)連續(xù)插補，連續(xù)插補的最大驅(qū)動速度是 2MPPS； （7） 由外部信號驅(qū)動； 4.3 數(shù)控系統(tǒng)接口設(shè)計 在制造系統(tǒng)中，數(shù)控系統(tǒng)硬件部分之間的接口按功能可以分為三大類：a）數(shù)控裝置與 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 36 上位系統(tǒng)之間的接口；b）數(shù)控裝置與人機交互設(shè)備之間的接口；c）數(shù)控裝置與下位系統(tǒng)之 間的接口。多軸運動控制卡K880接口端子見下表4-1： 表4-1 37針D型插頭連線表 序 號 定 義 說 明 序 號 定 義 說 明 1 +24V 外接電源 20 +24V 外接電源 2 0V 外接電源地 21 0V 外接電源地 3 X_out1 X 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 22 X_out2 X 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 4 0V 外接電源地 23 XLMT+ X 軸正向限位輸入 5 XLMT- X 軸負(fù)向限位輸入 24 XCW/CP X 軸正脈沖輸出（或 X 軸脈沖輸出） 6 XCCW/DIR X 軸負(fù)方向脈沖（或 X 軸 DIR） 25 0V 外接電源地 7 Y_out1 Y 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 26 Y_OUT2 Y 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 8 0V 外接電源地 27 YLMT+ Y 軸正向限位輸入 9 YLMT- Y 軸負(fù)向限位輸入 28 YCW/CP Y 軸正脈沖輸出（或 Y 軸脈沖輸出） 10 YCCW/DIR Y 軸負(fù)方向脈沖（或 Y 軸 DIR） 29 0V 外接電源地 11 Z_out1 Z 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 30 Z_out2 Z 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 12 0V 外接電源地 31 ZLMT+ Z 軸正向限位輸入 13 ZLMT- Z 軸負(fù)向限位輸入 32 ZCW/CP Z 軸正脈沖輸出（或 Z 軸脈沖輸出） 14 ZCCW/DIR Z 軸負(fù)方向脈沖（或 Z 軸 DIR） 33 0V 外接電源地 15 U_out1 U 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 34 U_out2 U 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 16 0V 外接電源地 35 ULMT+ U 軸正向限位輸入 17 ULMT- U 軸負(fù)向限位輸入 36 UCW U 軸正脈沖輸出（或 U 軸脈沖輸出） 18 UCCW/DIR U 軸負(fù)方向脈沖（或 U 軸 DIR） 37 0V 外接電源地 19 EMG 緊急停車輸入 表 4-2 37 芯 D 型母插頭連線表 序 號 定 義 說 明 序 號 定 義 說 明 1 +24V 外接電源 20 +24V 外接電源 2 0V 外接電源地 21 0V 外接電源地 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 37 3 X_out3 X 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 22 X_out4 X 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 4 X_in1 X 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 23 X_in2 X 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 5 X_in3 X 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 24 Y_out3 Y 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 6 Y_out4 Y 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 25 Y_in1 Y 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 7 Y_in2 Y 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 26 Y_in3 Y 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 8 0V 外接電源地 27 Z_out3 Z 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 9 Z_out4 Z 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 28 Z_in1 Z 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 10 Z_in2 Z 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 29 Z_in3 Z 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 11 U_out3 U 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 30 U_out4 U 軸通用數(shù)字 I/O 輸出點 12 U_in1 U 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 31 U_in2 U 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 13 U_in3 U 軸通用數(shù)字 I/O 輸入點 32 0V 外接電源地 14 0V 外接電源地 33 XEXOP+ X 軸正方向點動 15 XEXOP- X 軸負(fù)方向點動 33 YEXOP+ Y 軸正方向點動 16 YEXOP- Y 軸負(fù)方向點動 35 ZEXOP+ Z 軸正方向點動 17 ZEXOP- Z 軸負(fù)方向點動 36 UEXOP+ U 軸正方向點動 18 UEXOP- U 軸負(fù)方向點動 37 0V 外接電源地 19 0V 外接電源地 通過軟件程序的設(shè)置，每個軸的驅(qū)動信號可設(shè)為兩種輸出方式之一： CW/CCW 方式：CW（正向脈沖）+ CCW（反向脈沖） CP/DIR 方式：CP （脈沖）+ DIR （方向控制信號） 當(dāng) CW\CCW 方式時：CW 輸出正向脈沖，CCW 輸出負(fù)向脈沖； 當(dāng) CP\DIR 方式時：CP 輸出脈沖，DIR 輸出電平；DIR 為 0 ：負(fù)方向；為 1：正方向 (1)各軸獨立的正反向極限限位輸入點用來起到極限保護作用，有效時相應(yīng)軸驅(qū)動 脈沖會立即停止輸出。 (2)各軸獨立的開關(guān)量輸入點有效時，可由軟件事先設(shè)定好的減速度進(jìn)行減速或停止。 表 4-3 脈沖輸出類型表 脈沖輸出方式 驅(qū)動方向 輸出脈沖波形 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 38 CW（正） CCW（負(fù)） CP（脈沖） DIR（方向） 正驅(qū)動方向 脈沖 電平CW\CCW 方式 負(fù)驅(qū)動方向 電平 脈沖 正驅(qū)動方向 脈沖 高電平Pulse/DIR 方式 負(fù)驅(qū)動方向 脈沖 低電平 第五章 數(shù)控系統(tǒng)控制軟件設(shè)計 5.1 CNC 系統(tǒng)軟件的構(gòu)成 在數(shù)控系統(tǒng)中，有許多形式的軟件程序存在。數(shù)控機床的加工過程是用數(shù)控加工程序編 寫并輸入數(shù)控系統(tǒng)的，它是將G，M等功能字組成的程序段按零件加工順序進(jìn)行排列所形成的 程序。對輸入的數(shù)控加工程序信息的譯碼、預(yù)處理及插補等功能是在數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控功能程 序下實現(xiàn)的，數(shù)控功能程序要在系統(tǒng)管理軟件的控制和協(xié)調(diào)下實現(xiàn)，數(shù)控功能程序和系統(tǒng)管 理軟件一起組成了數(shù)控系統(tǒng)程序。 數(shù)控的主要功能體現(xiàn)在數(shù)控功能程序上，數(shù)控功能程序包括數(shù)控的核心程序，如：數(shù)控 山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文） 39 加工程序的譯碼、預(yù)處理和插補處理，也包括數(shù)控加工程序編輯器、加工模擬器、刀具管理 和故障監(jiān)制與診斷這些可選功能。 5.2 CNC系統(tǒng)軟件的功能 該數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多坐標(biāo)軸聯(lián)動以加工特定形狀的曲面，對加工的曲面可以進(jìn)行多軸 直線插補、兩軸圓弧插補和多軸聯(lián)動控制，并且可以運用控制卡