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山東理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目：實(shí)驗(yàn)型兩軸數(shù)控系統(tǒng)的 設(shè)計(jì) 學(xué) 院 ： 機(jī) 械 工 程 學(xué) 院 專 業(yè) ： 機(jī) 械 設(shè) 計(jì) 制 造 及 其 自 動(dòng) 化 學(xué) 生 姓 名 ： 王 婧 指 導(dǎo) 教 師 ： 張 海 云 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ） 時(shí) 間 ： 2006 年 4 月 3 日 6 月 12 日 共 11 周 摘 要 論 文 介 紹 了 兩 軸 實(shí) 驗(yàn) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 。 通 過 對(duì) 各 種 實(shí) 驗(yàn) 型 設(shè) 備 的 調(diào) 研 ， 了 解 到 現(xiàn) 階 段 我 國(guó) 用 于 實(shí) 驗(yàn) 型 設(shè) 備 的 數(shù) 控 系 統(tǒng) 設(shè) 備 的 臺(tái) 套 種 類 、 數(shù) 量 與 學(xué) 生 規(guī) 模 反 差 較 大 的 現(xiàn) 況 ， 設(shè) 備 落 后 ， 加 之 由 于 各 種 客 觀 和 主 觀 的 原 因 ， 全 國(guó) 大 專 院 校 機(jī) 電 類 學(xué) 生 工 程 實(shí) 踐 能 力 普 遍 較 差 ， 其 動(dòng) 手 能 力 與 理 論 更 是 難 結(jié) 合 在 一 起 ， 嚴(yán) 重 影 響 到 實(shí) 訓(xùn) 、 培 訓(xùn) 效 果 。 主 要 成 果 是 ： 本 設(shè) 計(jì) 對(duì) 已 有 的 設(shè) 備 進(jìn) 行 分 析 ， 結(jié) 合 實(shí) 際 教 學(xué) 要 求 ， 進(jìn) 行 各 零 部 件 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 ， 并 最 終 進(jìn) 行 校 核 。 該 設(shè) 備 可 主 要 應(yīng) 用 于 高 校 及 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 校 中 相 關(guān) 專 業(yè) 的 數(shù) 控 教 學(xué) ， 它 具 有 體 積 小 、 價(jià) 格 低 、 功 能 完 善 、 安 全 系 數(shù) 高 、 性 能 優(yōu) 越 等 系 列 優(yōu) 點(diǎn) ； 在 設(shè) 計(jì) 過 程 中 ， 同 時(shí) 進(jìn) 行 了 電 器 方 面 的 改 進(jìn) ， 主 要 應(yīng) 用 PLC 進(jìn) 行 控 制 ， 引 入 了 數(shù) 控 部 分 ， 采 用 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) ， 齒 輪 變 速 機(jī) 構(gòu) ， 安 裝 了 變 頻 器 、 步 進(jìn) 驅(qū) 動(dòng) 器 等 設(shè) 備 。 通 過 弱 電 控 制 強(qiáng) 電 ， 計(jì) 算 機(jī) 數(shù) 字 化 控 制 電 路 ， 并 成 功 地 實(shí) 現(xiàn) 了 工 作 要 求 ， 使 其 具 有 能 控 制 各 進(jìn) 給 方 向 電 動(dòng) 機(jī) 啟 停 、 正 反 轉(zhuǎn) 、 變 頻 調(diào) 速 、 兩 軸 聯(lián) 動(dòng) 等 功 能 。 在 機(jī) 械 部 分 設(shè) 計(jì) 過 程 中 ， 盡 量 考 慮 節(jié) 約 成 本 和 可 互 換 性 ， 在 保 證 X、 Y 進(jìn) 給 選 用 相 同 的 步 進(jìn) 電 機(jī) 、 滾 珠 絲 杠 等 零 部 件 。 關(guān)鍵詞：數(shù)控銑床，兩坐標(biāo)，實(shí)驗(yàn)型 Abstract This paper introduces the two coordinate Numerical control milling machine tool design. Study on the Numerical control milling machine tool of the excited states, Know that the total situation is, a interplanting of the numerical control equipment, quantity and students scale have relatively large contrast. The machine that used can not catch up with the need, As well as other course, Students few can move the cell-phone independently , influence training in fact , result of training seriously. The main results is:First , by doing ansys of the machine excited, connecting to the requires in the study. Do the design of some parts and recheck again. Teaching person who test miniature numerical control milling machine apply university and vocational technical school numerical control teaching and numerical control of workers of relevant speciality train mainly. It has small , the price is low , high , such serial advantages as performance is superior of safety coefficient with perfect function.Second, In the numerical control transformation process, also do the electronic machines transformation and the research, the machine mainly controlled by the PLC, increases the primary device, to the machine part, the electricity has partially carried on the optimized design, introduced the numerical control to be partial, uses step-by-steps the electric motor, the gear changing organization, VFO and the step motor driver and so on. the weak electricity controlled the strong electricity, the computer numerical control electric circuit, successfully has realized the modification requirement, enable it to have the act, rotate one side and other side, the speed changed by VOF, and so on the function. In the machine part design process, Also consider the money and retransferability, make the same the step motor and the ball screw shaft and some other parts. Key words: Numerical control milling machine, miniature, two coordinate. 目 錄 摘 要 . I ABSTRACT（英文摘要） . II 目 錄 . III 第一章 引 言 . 1 1.1 課題的背景 . 1 1.2 課題的意義 . 2 第二章 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì) . 3 2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì) . 3 2.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定 . 3 2.3 方案的比較與選擇 . 4 2.4 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定 . 4 第三章 機(jī)械部件的計(jì)算和選擇 . 5 3.1 切削力的計(jì)算 . 5 3.2 機(jī)械構(gòu)件的選擇 . 8 3.2.1 電動(dòng)機(jī)的選擇 . 8 3.2.2 絲杠的選擇 . 12 3.2.3 軸承的選擇 . 17 3.2.4 導(dǎo)軌的選擇 . 18 3.2.5 聯(lián)軸器的選擇 . 21 3.2.6 傳動(dòng)裝置的選擇 . 21 3.3 Y 軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例 . 26 第四章 虛擬樣機(jī)的制作 . 27 4.1 微型數(shù)控銑床部分零件圖 . 27 4.1.1 減速箱齒輪 . 27 4.1.2 工作臺(tái) . 28 4.1.3 滾珠絲杠 . 28 4.1.4 套筒式聯(lián)軸器 . 29 4.1.5 橫 梁 . 29 4.1.6 滾 動(dòng) 軸 承 . 30 4.1.7 軸 . 30 4.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)總裝配圖 . 31 第五章 控制系統(tǒng) . 32 5.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇 . 32 5.2 變頻器的選擇 . 35 5.2.1 外部結(jié)構(gòu) . 36 5.2.2 運(yùn)行方式 . 37 5.3 定位模塊的選擇 .37 5.4 其他輔助電路的選擇. . 38 5.4.1 越程報(bào)警電路 . 38 5.4.2 掉電保護(hù)電路 . 38 結(jié)論 . 41 致 謝 及 聲 明 . 42 參 考 文 獻(xiàn) . 43XXXX畢業(yè)設(shè)計(jì)
第一章 引 言
1.1 課題的背景
我國(guó)機(jī)床的消費(fèi)量在全世界僅次于美國(guó)和日本，居第三位。我國(guó)機(jī)床工業(yè)已基本形成門類較齊全的生產(chǎn)科研體系，數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代基礎(chǔ)機(jī)械代表產(chǎn)品。機(jī)床是機(jī)床制造技術(shù)、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)三者相結(jié)合的產(chǎn)物。機(jī)床的性能水平主要取決與系統(tǒng)的先進(jìn)性。近年來(lái)，隨著國(guó)外高檔機(jī)床產(chǎn)品的進(jìn)口和國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)，我國(guó)的機(jī)床生產(chǎn)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
進(jìn)入21世紀(jì),我國(guó)機(jī)床制造業(yè)既面臨著提升機(jī)械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī),也遭遇到加入后激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力。從技術(shù)層面上來(lái)講,加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。
數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、敏捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升。
在發(fā)達(dá)國(guó)家，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)大量普遍使用。我國(guó)制造業(yè)機(jī)床數(shù)控化率不到，而且，對(duì)現(xiàn)有的為數(shù)不多的數(shù)控機(jī)床也未能充分利用。原因是多方面的，數(shù)控人才的匱乏是其主要原因之一。尤其迫切需要大量的從研究開發(fā)到使用維修的各個(gè)層次的技術(shù)人才。
我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。逐步成為世界制造中心 進(jìn)入新的世紀(jì)以后，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的進(jìn)一步增強(qiáng)和加人世界貿(mào)易組織，我國(guó)經(jīng)濟(jì)全面與國(guó)際接軌，并正在成為全球制造業(yè)的中心，大批跨國(guó)企業(yè)搶灘登陸在國(guó)內(nèi)高起點(diǎn)設(shè)廠、將生產(chǎn)加工向中國(guó)轉(zhuǎn)移；國(guó)內(nèi)制造企業(yè)更是背水一戰(zhàn)。大舉通過信息化、廣泛應(yīng)用現(xiàn)代制造技術(shù)積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)制造業(yè)進(jìn)入了一個(gè)空前蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，這必然對(duì)掌握現(xiàn)代信息化制造技術(shù)的技術(shù)人才、特別是對(duì)大量的一線技術(shù)工人形成了巨大需求。
近年來(lái)，由于受數(shù)控人才需求的拉動(dòng)，各校均建有不同規(guī)模的數(shù)控實(shí)訓(xùn)基地，有的是規(guī)模大、設(shè)備種類多的實(shí)訓(xùn)中有的是設(shè)備種類和數(shù)量相對(duì)較少的實(shí)驗(yàn)室。有的學(xué)校實(shí)訓(xùn)基地以普通加工設(shè)備配進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)為主．有的學(xué)校以教學(xué)型數(shù)控設(shè)備為主。總的情況是，數(shù)控設(shè)備的臺(tái)套種類，數(shù)量與學(xué)生規(guī)模反差較大。用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備更是落后，加之由于各種客觀和主觀的原因，全國(guó)大專院校機(jī)電類學(xué)生工程實(shí)踐能力普遍較差，其學(xué)習(xí)和研究工作偏向計(jì)算機(jī)化、軟件化，動(dòng)手能力與理論更是難結(jié)合在一起。嚴(yán)重影響實(shí)訓(xùn)、培訓(xùn)效果。
1.2 課題的意義
通過對(duì)實(shí)驗(yàn)型兩軸數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)過的數(shù)控技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、軟件程序設(shè)計(jì)、工藝等知識(shí)，掌握數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程。重點(diǎn)掌握步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，機(jī)床工作臺(tái)及其相應(yīng)的夾具及機(jī)床配件設(shè)計(jì)。為畢業(yè)后從事機(jī)械電子設(shè)備的研制和使用打下良好的基礎(chǔ)。
第二章 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)
主要包括以下幾個(gè)方面：
（1） 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)。包括確定機(jī)床所需運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式（直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、功能（主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、其他運(yùn)動(dòng)）及排列順序，最后畫出機(jī)床的運(yùn)動(dòng)功能圖。
（2） 基本參數(shù)設(shè)計(jì)。包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)。
（3） 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括傳動(dòng)方式、傳動(dòng)原理圖及傳動(dòng)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。
（4） 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。包括運(yùn)動(dòng)功能分配、總體布局機(jī)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)方案圖設(shè)計(jì)。
（5） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。
根據(jù)前面所提到的數(shù)控機(jī)床應(yīng)滿足的基本要求就可以進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。在各項(xiàng)基本要求中以工藝要求最為重要。由工藝要求決定機(jī)床所需要的運(yùn)動(dòng)。完成每個(gè)運(yùn)動(dòng)又有相應(yīng)的功能部件。這就可以確定各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置關(guān)系。機(jī)床的總體布局也就可以大體確定下來(lái)。
因此，總體方案設(shè)計(jì)是一項(xiàng)全局性的設(shè)計(jì)工作，直接影響機(jī)床產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、工藝和成本，關(guān)系到產(chǎn)品的技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
2.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定
對(duì)教學(xué)試驗(yàn)型微型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)，一方面，要求其功能完善、結(jié)構(gòu)開放，具有與一般生產(chǎn)型數(shù)控銑床一樣的工作原理和工作性能；另一方面，要求其體積小、價(jià)格低，有利于此類銑床的普及推廣。所以本課題的設(shè)計(jì)主要是兩個(gè)方面：其一：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；其二：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這里有兩個(gè)方案：
方案一、采用減速箱，并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行兩端支撐；
減速箱采用圓注齒輪變速，這種方案可以通過增加減速箱，達(dá)到：1.增大轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩；2.提高脈沖當(dāng)量；3.匹配慣量。對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行兩端支撐，可以盡量減少由于一端支撐，可能產(chǎn)生的彎曲，減少誤差，提高精度。
方案二、直接采用套筒式聯(lián)軸器連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠，對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行一端支撐。
該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
2.３ 方案的比較與選擇
方案一、由于切削石蠟、塑料等材料，根據(jù)計(jì)算切削力較小，選用步進(jìn)電機(jī)，脈沖當(dāng)量為2mm/min，采用減速向變速，傳動(dòng)比選用1.25，通過計(jì)算可以提高脈沖當(dāng)量為1.02mm/min。對(duì)滾珠絲杠采用兩端支撐，可以提高滾珠絲杠的剛度，提高滾珠絲杠壽命。
方案二、直接采用套同式聯(lián)軸器聯(lián)接電動(dòng)機(jī)軸和滾珠絲杠，精度不高，電機(jī)功率太小，直接帶動(dòng)滾珠絲杠在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)損耗較大。采用一端支撐，會(huì)導(dǎo)致滾珠絲杠產(chǎn)生撓度，影響滾珠絲杠的剛度，從而影響其壽命。
根據(jù)實(shí)際工作要求，考慮其工作壽命，最終選擇地一種方案：采用減速箱，并對(duì)滾珠絲杠采用兩端支撐。
2.4 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定
教學(xué)試驗(yàn)型微型數(shù)控銑床的總體長(zhǎng)為300mm，寬為180mm，高為400mm，工作臺(tái)寬度180mm，長(zhǎng)180mm?？梢詫?shí)現(xiàn)X軸、Y軸和Z軸三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。X軸、Y軸的進(jìn)給是通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠，絲杠又與螺母?jìng)鲃?dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)與絲杠的連接可以通過銷釘來(lái)達(dá)到。在傳動(dòng)過程中電機(jī)帶動(dòng)絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母沿導(dǎo)軌做水平移動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。Z軸的進(jìn)給也是通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠，絲杠又與Z軸螺母?jìng)鲃?dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。主軸套與Z軸螺母相連，在傳動(dòng)過程中電機(jī)帶動(dòng)絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母沿導(dǎo)軌做上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)主軸做上下運(yùn)動(dòng)。
控制系統(tǒng)部分：通過采用三菱公司的FX2N系列單片微機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、兩軸聯(lián)動(dòng)和變頻調(diào)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)控制。其中重點(diǎn)是確定硬件電路的總體方案和軟件設(shè)計(jì)，主要有：存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)接口和驅(qū)動(dòng)電路（光電隔離電路，功率放大電路），其他輔助電路（時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)電路等等），流程圖的繪制和程序的書寫。
由此，可以大體畫出整體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方案圖圖1：
鍵盤輸入
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
MCS-51
驅(qū)動(dòng)電路
接口電路
工作臺(tái)
數(shù)據(jù)顯示
圖1 總體框圖
第三章 第三章 機(jī)械部件的計(jì)算和選擇
3.1 切削力的計(jì)算
該實(shí)驗(yàn)型數(shù)控實(shí)訓(xùn)設(shè)備，主要用來(lái)模擬加工，工件材料是石蠟或塑料，X、Y向形成均為200mm，根據(jù)查閱《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，因沒有石蠟和塑料的銑削公式，所以在查閱手冊(cè)時(shí)，以圖表中最軟的材料為依據(jù)進(jìn)行參數(shù)的選擇。
Z軸銑削工作時(shí)銑削力的計(jì)算：
現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，工作材料為碳鋼進(jìn)行計(jì)算。
1. 最大銑削直徑 d=10mm.最小直徑d=4mm
由《實(shí)用機(jī)床手冊(cè)》P=FV/60000
F=642aaadZK
K=KKK
其中K=（σ/0.638）=0.982 d=400×(10-4)X(1590-397)=2
高速鋼銑刀 r=15,前角系數(shù)K=0.92
主偏角 k=75 K=1.0 a=8mm a=0.08~0.05mm/Z
取a=0.05mm/Z a=4mm
齒數(shù)Z=4 d=6mm
F=642×4×0.05×8×6×4×0.903=2773N
V=πdn/1000=3.14×2×400/1000=2.52
pm= FV/60000=2773×2.512/60000=0.17KW
選電動(dòng)機(jī)時(shí)按銑削計(jì)算。
3.選主電動(dòng)機(jī)時(shí)：
因?yàn)殂娤髯畲蟮那邢髁椋?
F=642×4×0.05×8×10×4×0.903=832.03N
V=π×10×1590/1000=49.9m/s
p= FV/60000=832.03×49.9/60000=0.69KW
p= p/0.88=0.69/0.88=0.79KW
所以選電動(dòng)機(jī)為p=1.1KW 型號(hào)：Y90S—4型
2. X、Y軸銑削工作時(shí)銑削力的計(jì)算
其中主轉(zhuǎn)動(dòng)中主軸功率N=0.79KW.則η=0.79/1.1=0.718
電動(dòng)機(jī)的額定功率N=1.1KW。銑削力同樣遇刀具材料、被銑削工件的材料、切削量等因素有關(guān)，現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，共建材料為碳鋼進(jìn)行計(jì)算。
主轉(zhuǎn)動(dòng)功率包括切削功率N，空載功率N，附加功率N三部分，即：N= N+ N+ N，一般輕載高速的中、小型機(jī)床中，N=0.5N/(2-η)N，故總功率為：N= N+0.5 N+（1-η）N，N=0.5N/(2-η)，再進(jìn)給傳動(dòng)中切削功率：N=K×0.5N/(2-η)，N=0.85×0.5×1.1/(2-0.718)=0.36KW
切削時(shí)主軸上的扭短為：
M=974000 N/n
則主軸上最大扭矩為：M=974000×0.36/397=883（NCM）
銑刀的最大直徑為：10mm。主切削力F=883/1=880N。銑削加工時(shí)主切削力F與銑削進(jìn)給抗力F之間的值由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得F/ F=1.0~1.2，取F/ F=1.2。則F=1.2× F=1059.6N，垂直部分力F的幣值為0.75~0.8，取F/ F=0.8，F(xiàn)=0.8× F=706.4N。
3.2 機(jī)械構(gòu)件的選擇
3.2.1電動(dòng)機(jī)的選擇
應(yīng)用中的注意點(diǎn)
①步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。
②步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。
③由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過要考慮溫升。
④轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。
⑤電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。
⑥高精度時(shí)，應(yīng)通過機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機(jī)，不過其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少。
⑦電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
⑧電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。
? ⑨應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。
（2）步進(jìn)電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。
①步距角的選擇
電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。選用1.5度。
②靜力矩的選擇
步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)。
③電流的選擇
靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）
綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循步驟如圖2所示：
??
圖2 選擇電機(jī)的步驟
④力矩與功率換算
步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：
????P= Ω·M
????Ω=2π·n/60
????P=2πnM/60
????其中P為功率，單位為瓦；Ω為每秒角速度，單位為弧度；n為每分鐘轉(zhuǎn)速；M為力矩，單位為牛頓·米。
????P=2πfM/400(半步工作)
????其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱PPS）。
（3）混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)
混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)正是由混合式步進(jìn)電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的，簡(jiǎn)而言之它具有穩(wěn)定可靠、性能好、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，以和最具有可比性的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)相比為例。
首先，混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高，由于驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)中可靠性最薄弱的一個(gè)部分，所以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性主要是由驅(qū)動(dòng)器的可靠性來(lái)決定的?；旌鲜诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子上有永磁體，部分磁場(chǎng)已由轉(zhuǎn)子上的磁鋼產(chǎn)生，所以混合式電機(jī)繞組電流可以設(shè)計(jì)得比較小，而反應(yīng)式電機(jī)磁場(chǎng)完全由繞組電流產(chǎn)生，故欲和混合式電機(jī)產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)體積相差不太大的情況下，反應(yīng)式電機(jī)所需電流就要大得多。在當(dāng)前電力電子器件水平限制下，混合式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器就比反應(yīng)式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器要可靠得多，同時(shí)由于大的繞組電流，反應(yīng)式電機(jī)本體的發(fā)熱情況也要嚴(yán)重的多。
實(shí)際上，為產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，反應(yīng)式電機(jī)不僅線圈電流大，而且定子線圈匝數(shù)多，電機(jī)體積大，繞組電感也大。由于繞組電感大，反應(yīng)式驅(qū)動(dòng)器必須要以高壓驅(qū)動(dòng)才會(huì)有比較好的高頻性能，但這樣驅(qū)動(dòng)器的可靠性會(huì)明顯變差；如果反應(yīng)式驅(qū)動(dòng)器取和混合式驅(qū)動(dòng)器一樣的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，電機(jī)的高頻轉(zhuǎn)矩明顯要小，這也是反應(yīng)式電機(jī)系統(tǒng)性能比混合式電機(jī)系統(tǒng)差的一個(gè)重要原因。
混合式步進(jìn)電機(jī)一般步距角θ較小，再加上混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯，振蕩較小，在控制步進(jìn)電機(jī)升降頻規(guī)律一致的情況下，運(yùn)行要比反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定。
混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于混合式步進(jìn)電機(jī)的制造比較復(fù)雜，電機(jī)的成本相對(duì)較高；其次是雖然混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯，振蕩較小，但依然影響性能。
脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)精度要求來(lái)確定，一般取為0.01~0.02mm。如取得太大，無(wú)法滿足系統(tǒng)精度要求，如取得太小，或者機(jī)械系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，或者對(duì)其精度和動(dòng)態(tài)性能提出過高要求，使經(jīng)濟(jì)性降低。所以根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖當(dāng)量：δ=0.02/Step，步角距θ=1.8/ Step。由于無(wú)減速裝置，所以由δ=θ/360×P可知，滾珠絲杠螺距，即基本導(dǎo)程P=4mm。一般來(lái)講，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距角較小，運(yùn)行頻率高，價(jià)格較低，但功耗較大，永磁式步進(jìn)電機(jī)功耗較小，斷電后仍有制動(dòng)力矩，但步距角較大，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，混合式步進(jìn)電機(jī)由上述兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高。
考慮到該機(jī)床垂直進(jìn)給方向需用自鎖機(jī)構(gòu)，所以選用具有自鎖功能的混合式步進(jìn)電機(jī)。
（4） 計(jì)算選擇
1. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算
銑削時(shí)：F=26.1N, F=65.27N
T=36×0.01×[26.1+0.03×（300+65.27）]/2π×1.8×0.85=40.8 N.cm
根據(jù)以上計(jì)算可知，銑削時(shí)啟動(dòng)力矩遠(yuǎn)大于鉆削啟動(dòng)力矩，為滿足鉆銑要求，以銑削時(shí)所需要求為宜。由手冊(cè)可知：T/T=0.866，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩T= T/0.866=40.8/0.866=47.1 N.cm
2. 確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
f=1000v/δ，v=0.025(m/s)
f=1000×0.025/0.02=1250(HZ)
根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進(jìn)電機(jī)。57BYGH6403采用兩相四拍的通電方式。
相數(shù)，3；步距角，1.8；電流，2.5A；靜力矩,110Ncm；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，280gcm
引線數(shù)，4。
接線圖 圖3
3.2.2 絲杠的選擇
1.滾珠絲杠的特點(diǎn)
滾珠絲杠螺母副（以下簡(jiǎn)稱滾珠絲杠副）是一種新型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為滾珠絲杠副。在數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)中，經(jīng)常用于代替滑動(dòng)絲杠，以提高傳動(dòng)精度。
絲杠螺母副的特點(diǎn)：
（1）用較小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。
（2）可達(dá)到很大的降速比，使降速機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈的以縮短。
（3）能達(dá)到較高的傳動(dòng)精。用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí),還可兼作測(cè)量元件，通過刻度盤讀出直線位移的尺寸，最小數(shù)值可達(dá)0.0001mm。
（4）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率=0.92~0.96,而一般的常規(guī)（滑動(dòng)）絲杠螺母副的=0.20~0.40。所以滾珠絲杠的傳動(dòng)效率比常規(guī)絲杠的傳動(dòng)效率提高了3~4倍。因此功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的。
（5）給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時(shí)就可以沒有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。
（6）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運(yùn)動(dòng)速度完全無(wú)關(guān)，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)摩擦，與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，故傳動(dòng)精度高。
（7）有可逆性，由于滾珠絲杠副摩擦系數(shù)小，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件，也可以作為從動(dòng)件。
（8）制造工藝復(fù)雜，滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也高，故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削成型表面的。
（9）不能自鎖，特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關(guān)系，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需要添加制動(dòng)裝置。
在設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí)，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數(shù)時(shí)，目前采用的方法是，在防止疲勞點(diǎn)蝕的基礎(chǔ)上，即滾性絲杠在工作過程中受軸向負(fù)載時(shí)，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí)，必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一百萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)負(fù)載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載。
2. 滾珠絲杠的選擇計(jì)算
(1) 動(dòng)載荷Cae的計(jì)算
Q= ffP
其中f——載荷系數(shù)取為1.0，
f——硬度系數(shù)取為1.2，
P——最大的工作負(fù)載
L——使用壽命
工作負(fù)載P是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數(shù)據(jù)可用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算：
對(duì)于類似燕尾型尋軌的機(jī)床
P=kP+f(P+2P+G)
P——X方向的切削力
P——Y方向的切削力
P——z方向的切削力
G——移動(dòng)部件的重量
f——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)
k——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)
選用滾動(dòng)導(dǎo)軌，在正常潤(rùn)滑情況下，對(duì)于類似燕尾型尋軌
k=1.4 f=0.03
由于銑削時(shí)所需切削力均大于鉆削的切削力，故意下計(jì)算均按銑削設(shè)計(jì)。
在銑削過程中，P=706.4N ，P=0，
P=1059.6N ，G=300N
P=1.4×0+0.03×(706.4+2×1059.6+300)=93.7N
而L=60nT/10
式中n——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）
T——使用壽命（小時(shí)）
對(duì)于數(shù)控機(jī)床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，
因?yàn)長(zhǎng)=60×1250×15000/10=1125
Q=×1.0×1.2×93.7=1169N
查表初步選用的型號(hào)為N系列1604-3，3列Q=4612N較為合適，這是一種內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)隙單螺母的滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下：
名義直徑：D=20mm，基本導(dǎo)程t=5mm，剛求直徑：D=3.725 mm ，絲杠內(nèi)徑d=17.96mm ，絲杠外徑d =19.4mm ，循環(huán)列數(shù)3，額定動(dòng)負(fù)載C=6367 N ，螺母外徑D=72 mm，螺母內(nèi)徑 D=32 mm，螺母長(zhǎng)度 L=40 mm。
(2) 校核
（1）效率計(jì)算
從《機(jī)械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η=tgβ/tg(β+φ)
式中：β-螺紋的螺旋升角；
β=arctg=arctg=4.55
φ-摩擦角；
滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角
φ約等于10(tgφ= f=0.003~0.004)。
η==0.965
(3) 剛度的驗(yàn)算
數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠是一種精密的傳動(dòng)元件，它在工作負(fù)載P的作用下，將伸長(zhǎng)或縮短，在扭矩M的作用下，將向一方或另一方扭轉(zhuǎn)，這樣，滾珠絲杠的螺距就要產(chǎn)生變化，從而影響其傳動(dòng)精度和定位精度，因此，滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn)算其滿載時(shí)的變形量。
從《材料力學(xué)》中得知，滾珠絲杠受工作負(fù)載（軸向力）P的作用而引起一個(gè)螺距t的變化量△t,可按下式計(jì)算：
△t=
其中：P-工作負(fù)載；
t-滾珠絲杠螺距 ；
E-彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言（E=20.1×10）；
F-滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）；
△t==0.14×10cm
滾珠絲杠受扭矩M作用而引起一個(gè)螺距t的變化量△t，可以按下式計(jì)算：
△t=(cm)
其中φ-在扭矩M的作用下，滾珠絲杠每一螺距長(zhǎng)度兩截面上的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角；
φ= 其中，M-扭矩（Ncm）,M===6.18Ncm
G——扭轉(zhuǎn)彈性對(duì)鋼而言，G=841×10N/cm
J——滾珠絲杠載面積的極慣性矩J=/32d（cm）
（其中d——滾珠絲杠的內(nèi)徑，cm）
J=3.14/32×13.1=2889cm
Φ=Mt/ GJ=6.18×0.4/84×10×2889=0.1×10
t=tΦ/2π=0.4×0.1×10/2×3.14=0.6×10cm(可忽略不計(jì))
如果Y方向的滾珠絲杠的長(zhǎng)度為100m,則整個(gè)工作長(zhǎng)度上的螺距變形總誤差： △=100/0.4×0.14×10=3.5×10cm/m
查表得對(duì)E級(jí)絲杠，允許誤差△=15um/m ，故該滾珠絲杠滿足要求。
(4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算
機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長(zhǎng)柱。長(zhǎng)柱壓桿失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載P，可用《材料力學(xué)》中的歐拉公式計(jì)算
P=（N）
E-絲杠材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言E=2.1×10 N/cm；
J-截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓桿而言，J===1445cm；
l-絲杠的工作長(zhǎng)度,l=28.6cm；
u-絲杠的軸端系數(shù)，由支撐條件決定，本設(shè)計(jì)是兩端向心軸承，u=1。
P==3.6×10N
臨界負(fù)載P與工作負(fù)載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)n。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)n大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[ n]，則該壓桿安全不致失穩(wěn)。
n===3.8×10>>[ n]=4
故此滾珠絲杠不致失穩(wěn)。
（5）由于鉆、銑工作時(shí)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速比較低，滾珠絲杠傳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)就會(huì)非常小，所以臨界轉(zhuǎn)速就不用校核了。
3.2.3 軸承的選擇
機(jī)床傳動(dòng)軸的滾動(dòng)軸承的失效形式，主要是在循環(huán)接觸應(yīng)力下的作用，滾動(dòng)體和滾道表面上出現(xiàn)疲勞破環(huán)。即通常所說的疲勞剝落。而絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺(tái)的重量外，一般無(wú)外載荷，對(duì)絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要小。所以選用60角接觸球軸承，該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承，其主要特點(diǎn)如下：
（1）接觸角大，鋼球數(shù)多，承載能力高，剛度高。
（2）既能承受軸向載荷，也能承受徑向載荷，支撐結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化。
（3）軸承啟動(dòng)摩擦力矩小，降低絲杠副的驅(qū)動(dòng)功率，提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度。
現(xiàn)選用7000C型號(hào)，基本尺寸為:d=10mm,外徑D=26mm,寬度B=8mm,基本額定動(dòng)負(fù)荷C=4.29KN,基本額定靜載荷C=2.25KN，極限轉(zhuǎn)速（油潤(rùn)滑）為28000。
對(duì)軸承的疲勞壽命進(jìn)行校核：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知,軸承的基本額定壽命為：
L=
式中：P-當(dāng)量動(dòng)載荷；
L-基本額定壽命；
ε—壽命指數(shù)，球軸承ε=3；
n—軸承工作轉(zhuǎn)速，n=1250；
C——基本額定動(dòng)載荷，C=2250N；
其中：P=f(X+YF)
f——沖擊載荷系數(shù)，取1.1；
F——徑向載荷；
X、Y——徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)。X=0.44,Y=1；
P=1.1×(0.44×305+415)=604N
L==21000h>15000h
所以該軸承的選用也是合格的。
3.2.4 導(dǎo)軌的選擇
導(dǎo)軌（Guideways）的功用是導(dǎo)向和承載。在導(dǎo)軌副（如工作臺(tái)和床身導(dǎo)軌）中，運(yùn)動(dòng)的另一方（如工作臺(tái)導(dǎo)軌）叫作動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的另一方（如床身導(dǎo)軌）叫做支承導(dǎo)軌。
按摩擦性質(zhì)分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。在滑動(dòng)導(dǎo)軌中有靜壓導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和普通滑動(dòng)導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌的原理和靜壓滑動(dòng)軸承相同，該導(dǎo)軌多用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。動(dòng)壓倒軌，當(dāng)導(dǎo)軌面間的相對(duì)滑動(dòng)速度達(dá)到一定值后，液體的動(dòng)壓效應(yīng)是導(dǎo)軌的油腔處出現(xiàn)壓力油楔，把兩導(dǎo)軌面分開，從而形成以液體摩擦，這種導(dǎo)軌只能用于高速的場(chǎng)合，故僅用作主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，例如立式銑床導(dǎo)軌。普通滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦狀態(tài)有的為混合摩擦。
按受力狀態(tài)可分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。在部件自重和外載作用下，導(dǎo)軌面在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上可以始終貼合的稱為開式導(dǎo)軌，如龍門銑床的工作臺(tái)和床身導(dǎo)軌。部件的自重不能使主導(dǎo)軌面始終貼合，就必須增加壓板，形成輔助導(dǎo)軌面，稱為閉式導(dǎo)軌。
導(dǎo)軌選擇考慮的因素：
1. 導(dǎo)向精度
導(dǎo)軌在空載下運(yùn)動(dòng)和在切削條件下運(yùn)動(dòng)時(shí)，都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。保證軸承運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，是保證導(dǎo)軌工作質(zhì)量的前提。
（1）幾何精度
直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的幾何精度一般包括：導(dǎo)軌在豎直平面內(nèi)的直線度（簡(jiǎn)稱A項(xiàng)精度）；導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線度（簡(jiǎn)稱B項(xiàng)精度）；兩導(dǎo)軌面間的平行度，也叫作扭曲（簡(jiǎn)稱C項(xiàng)精度）。在A、B兩項(xiàng)精度中，都規(guī)定了導(dǎo)軌在每米長(zhǎng)度上和導(dǎo)軌全長(zhǎng)上，兩導(dǎo)軌面間在橫向每米長(zhǎng)度上的扭曲值。
（2）接觸精度
磨削和刮研的導(dǎo)軌表面，接觸精度按的規(guī)定，采用著色法進(jìn)行檢查。用接觸面所占的百分比或面積內(nèi)接觸點(diǎn)數(shù)衡量。
精度保持性
影響精度保持性的主要因素是磨損。提高耐磨性以保持精度，是提高機(jī)床質(zhì)量的主要內(nèi)容之一，也是科學(xué)研究的一大課題。常見的磨損形式有磨料（硬粒）磨損、粘著磨損（或咬焊）和接觸疲勞。磨料磨損經(jīng)常發(fā)生在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。磨粒夾在導(dǎo)軌面間隨之相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)導(dǎo)軌面的切削，使導(dǎo)軌面產(chǎn)生劃傷。磨料的硬度越高，相對(duì)滑動(dòng)速度越大，壓強(qiáng)越大，對(duì)摩擦副的危害也越大。磨料磨損很難避免，是導(dǎo)軌防護(hù)的重點(diǎn)。粘著磨損也稱為分子——機(jī)械磨損。當(dāng)兩個(gè)摩擦表面相互接觸時(shí)，在高壓強(qiáng)下材料產(chǎn)生塑性變形，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦，又使表面層的氧化膜破壞，在新暴露出來(lái)的金屬表面之間，就會(huì)產(chǎn)生分子間的相互吸引和滲透，使接觸點(diǎn)粘結(jié)而發(fā)生咬焊。接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)又要將咬焊點(diǎn)拉開，就造成撕裂性破壞。咬焊是不允許發(fā)生的。接觸疲勞發(fā)生在滾動(dòng)摩擦副中，也是無(wú)法避免的。
低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性
當(dāng)導(dǎo)軌作低速運(yùn)動(dòng)或微量位移時(shí)，應(yīng)保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，即不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料和潤(rùn)滑，與動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差值，與傳動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈的剛度有關(guān)。
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單平穩(wěn)性好
大多數(shù)機(jī)床的導(dǎo)軌都要淬硬，因此導(dǎo)軌的精加工，不能淬硬。設(shè)計(jì)時(shí)要注意使導(dǎo)軌的制造和維修方便，刮研量少。如果采用鑲裝導(dǎo)軌，則應(yīng)盡量做到更換容易。
導(dǎo)軌的潤(rùn)滑
潤(rùn)滑的目的、要求與方式
潤(rùn)滑的目的是為了降低摩擦力、減少磨損、降低溫度和防止生銹。
潤(rùn)滑要求供給導(dǎo)軌清潔的潤(rùn)滑油。油量可以調(diào)節(jié)。盡量采取自動(dòng)和強(qiáng)制潤(rùn)滑。潤(rùn)滑元件要可靠。要有安全裝。例如靜壓導(dǎo)軌在未形成油膜之前不能開車和潤(rùn)滑不正常有報(bào)警信號(hào)等。
導(dǎo)軌的潤(rùn)滑方式有很多?？梢匀斯ざㄆ谙?qū)к壝鏉灿?。此法?jiǎn)單易行，但不能經(jīng)常保證足夠的潤(rùn)滑。也可在運(yùn)動(dòng)部件上裝油杯，使油沿油孔流或滴向?qū)к壝?，也可在運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌面上裝潤(rùn)滑電磁泵?；蚴謩?dòng)潤(rùn)滑油泵，定時(shí)拉動(dòng)幾下供油。
為使?jié)櫥驮趯?dǎo)軌面上較均勻的分布，保證潤(rùn)滑效果，需在導(dǎo)軌面上開出油溝。
2. 潤(rùn)滑油的選擇
導(dǎo)軌常用的潤(rùn)滑劑有潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂，滑動(dòng)導(dǎo)軌用潤(rùn)滑油，滾動(dòng)導(dǎo)軌兩者都可用。
導(dǎo)軌潤(rùn)滑油的粘度可根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件和潤(rùn)滑方式選擇。高速低載荷可用粘度較低的潤(rùn)滑油，反之，則用粘度較高的潤(rùn)滑油。低載荷，高、中速的中、小型機(jī)床進(jìn)給導(dǎo)軌，可用導(dǎo)軌油；中載荷的中低速導(dǎo)軌，可采用導(dǎo)軌油；重型機(jī)床的低速導(dǎo)軌，可用或?qū)к売?。三嗪的合成路線
3.2.5 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是用來(lái)聯(lián)接兩進(jìn)給機(jī)構(gòu)的兩根軸使之一起回轉(zhuǎn)傳遞扭矩和運(yùn)動(dòng)的一種裝置。目前聯(lián)軸器的類型繁多，有液力式、電磁式和機(jī)械式。機(jī)械式聯(lián)軸器的應(yīng)用最為廣泛。
套筒聯(lián)軸器構(gòu)造簡(jiǎn)單，徑向尺寸小，但裝卸困難（軸需作軸向移動(dòng)）。且要求兩軸嚴(yán)格對(duì)中，不允許有徑向或角度偏差，因此使用時(shí)受到一定限制。
繞行聯(lián)軸器采用錐形夾緊環(huán)傳遞載荷，可使動(dòng)力傳遞沒有方向間隙。
凸緣式聯(lián)軸器構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本的、可傳遞較大扭矩，常用于轉(zhuǎn)速低、五種及、軸的剛性大及對(duì)中性好的場(chǎng)合。他的主要缺點(diǎn)是對(duì)兩軸的對(duì)中性要求很高。若兩軸間存在位移與傾斜，救在機(jī)件內(nèi)引起附加載荷，使工作狀況惡化。
根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，需要的轉(zhuǎn)距不是很大，精度不高，又因?yàn)檩S徑較小，所以選擇了套同式聯(lián)軸器
3.2.6 傳動(dòng)裝置的選擇
傳動(dòng)裝置選用閉式標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的適用范圍很廣，傳遞功率可高達(dá)數(shù)萬(wàn)千瓦，圓周速度可達(dá)150m/s(最高可達(dá)300m/s)。和其他機(jī)械傳動(dòng)比較，齒輪傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是工作可靠，使用壽命長(zhǎng)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度適用范圍很廣等。
齒輪的設(shè)計(jì)
1）材料的選取
因傳動(dòng)載荷小，生產(chǎn)批量少，故大齒輪選用45鋼,硬度為229-286HB，平均取240HB；小齒輪選用45，調(diào)制處理，硬度為240-280HB，平均取250HB。
2）尺寸計(jì)算
初選兩齒輪的模數(shù)m=1，大齒輪的齒數(shù)為,小齒輪的齒數(shù)為,
根據(jù)公式，計(jì)算得齒輪的傳動(dòng)比=1.25＜5，符合齒輪單級(jí)減速的條件。
中心距
小齒輪: 齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓直徑
大齒輪: 齒頂高
齒根高=1.25
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓直徑
據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)校核計(jì)算得知，齒輪的設(shè)計(jì)符合要求。
3.3 Y軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例
1、步進(jìn)電機(jī)的選擇和脈沖當(dāng)量的確定
根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖當(dāng)量：δ=0.02/Step，步角距θ=1.8/ Step。由于無(wú)減速裝置，所以由δ=θ/360×P可知，滾珠絲杠螺距，即基本導(dǎo)程P=5mm。
2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算
T=36δ[F+μ(G+F)]/2πθη（Ｎｃｍ）
其中：F——水平方向的切削抗力 F=260N；
μ——摩擦系數(shù) μ=0.03；
F——垂直方向的切削抗力 F=650N；
G——移動(dòng)部件的總重量 G=50N；
η——總機(jī)械效率 η=0.85；
代入得： =47Ncm；
由手冊(cè)可知：T/T=0.866，
則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩T= T/0.866=60N.cm
（3）確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
f=1000v/δ，v=0.025(m/s)
f=1000×0.025/0.02=1250(HZ)
根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進(jìn)電機(jī)。57BYGH6403采用兩相四拍的通電方式。相數(shù)，3；步距角，1.8；電流，2.5A；靜力矩,110Ncm；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，280gcm
引線數(shù)，4。
3. 滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）最大動(dòng)負(fù)載Q的計(jì)算
Q= ffP
其中f——載荷系數(shù)取為1.0，f——硬度系數(shù)取為1.2，P——最大的工作負(fù)載，L——使用壽命。
工作負(fù)載P是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數(shù)據(jù)可用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算：
對(duì)于類似圓柱導(dǎo)軌的機(jī)床： P=kP+f(P+2P+G)
P——X方向的切削力，取260N；P——Y方向的切削力，由于Y方向不進(jìn)行切削，所以為0N；P——z方向的切削力，取為650N。G——移動(dòng)部件的重量,取50N,f——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),k——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)
選用滾動(dòng)導(dǎo)軌，在正常潤(rùn)滑情況下，對(duì)于類似燕尾型尋軌:k=1.4 ,f=0.03。
代入公式得: P=1.4*260+0.03*(650+0+50)=285N。
而L=60nT/10
式中n——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）
T——使用壽命（小時(shí)）
對(duì)于數(shù)控機(jī)床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，
因?yàn)長(zhǎng)=60×1250×15000/10=1125
Q=×1.0×1.2×285=3358.9N
查表初步選用的型號(hào)為N系列1604-3，3列Q=4612N較為合適，這是一種內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)隙單螺母的滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下：
名義直徑：D=20mm，基本導(dǎo)程t=4mm，鋼球直徑：D=3.725 mm ，絲杠內(nèi)徑d=17.1 mm ，絲杠外徑d =19.3mm ，循環(huán)列數(shù)3，額定動(dòng)負(fù)載C=6612 N ，螺母外徑D=72 mm，螺母內(nèi)徑 D=28 mm，螺母長(zhǎng)度 L=40 mm。
（2）效率計(jì)算
從《機(jī)械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η=tgβ/tg(β+φ)
式中：β-螺紋的螺旋升角；φ-摩擦角；
β=arctg=arctg=4.55
滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角
φ約等于10(tgφ= f=0.003~0.004)。
η==0.965
（3）剛度的驗(yàn)算
從《材料力學(xué)》中得知，滾珠絲杠受工作負(fù)載（軸向力）P的作用而引起一個(gè)螺距t的變化量△t,可按下式計(jì)算： △t=
其中：P-工作負(fù)載；t-滾珠絲杠螺距 ；
E-彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言（E=20.1×10）；
F-滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）；
△t==0.31×10cm
由于扭矩引起的螺距誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸向力引起的螺距誤差，所以可以忽略不計(jì)。
如果Y方向的滾珠絲杠的長(zhǎng)度為100m,則整個(gè)工作長(zhǎng)度上的螺距變形總誤差：
△=100/0.4×0.31×10=7.1×10cm/m
查表得對(duì)E級(jí)絲杠，允許誤差△=15um/m，故該滾珠絲杠滿足要求。
(4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算
機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長(zhǎng)柱。長(zhǎng)柱壓桿失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載P，可用《材料力學(xué)》中的歐拉公式計(jì)算：
P=（N）
E-絲杠材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言E=2.1×10 N/cm；
J-截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓桿而言，J===1445cm；
l-絲杠的工作長(zhǎng)度,l=290cm；
u-絲杠的軸端系數(shù)，由支撐條件決定，本設(shè)計(jì)是兩端向心軸承，u=1。
P==3.5×10N
臨界負(fù)載P與工作負(fù)載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)n。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)n大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[ n]，則該壓桿安全不致失穩(wěn)。
n===3.7×10>>[ n]=4
所以該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
(5) 由于鉆、銑工作時(shí)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速比較低，滾珠絲杠傳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)就會(huì)非常小，所以臨界轉(zhuǎn)速就不用校核了。
5 滾動(dòng)軸承的選用計(jì)算
絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺(tái)的重量外，一般無(wú)外載荷，對(duì)絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要小。所以選用60角接觸球軸承，該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承，
現(xiàn)選用7000C型號(hào)，基本尺寸為:d=10mm,外徑D=26mm,寬度B=8mm,基本額定動(dòng)負(fù)荷C=4.29KN,基本額定靜載荷C=2.25KN，極限轉(zhuǎn)速（油潤(rùn)滑）為28000。
由于橫向與縱向的切削力相差不大，所以橫向的滾動(dòng)軸承也能滿足要求。就不進(jìn)行滾動(dòng)軸承壽命的校核了。
6、滾動(dòng)導(dǎo)軌的選用
本設(shè)計(jì)選用的滑動(dòng)導(dǎo)軌中的圓柱的導(dǎo)軌，
該滾動(dòng)導(dǎo)軌內(nèi)部套有銅套，提高了耐磨性，并且其導(dǎo)向精度能滿足一般數(shù)控鉆銑床的要求，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，耐磨性和剛度都能符合要求。
根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式及選用原則，分別對(duì)其他兩個(gè)方向的各個(gè)部件進(jìn)行選擇，為了提高互換性，并且在裝配時(shí)統(tǒng)一，首先分別進(jìn)行計(jì)算，然后選取性能更高的零部件，這樣不但保證個(gè)各個(gè)性能要求。
其余計(jì)算過程在此將不再一一贅述。
第四章 第四章 虛擬樣機(jī)的制作
根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，首先進(jìn)行了Solidworks的三維模擬，以下是其中部分零件及裝配圖的基本外觀形狀，其余各零件圖及部件圖見附光盤。
4.1 微型數(shù)控銑床部分零件圖
4.1.1 減速箱齒輪
圖4
4.1.2 工作臺(tái)
圖5
4.1.3 滾珠絲杠
圖6
4.1.4 套筒式聯(lián)軸器
圖7
4.1.5 橫梁
圖8
4.1.6 滾動(dòng)軸承
圖9
4.1.7 軸
圖10
4.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)總裝配圖
圖11
第五章 第五章 控制系統(tǒng)
任何一個(gè)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成的，硬件是軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，而只有配置了軟件的硬件才是可以工作的控制系統(tǒng)。其核心是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置。它通過系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件、合理地組織、管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和輸出信息，控制執(zhí)行部件，使數(shù)控機(jī)床按照操作者的要求進(jìn)行自動(dòng)加工。
隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。其發(fā)展之一就是將微處理器及其外圍芯片，如程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、并行、串行I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器及其他控制部件集成在一個(gè)芯片之中，制成單片機(jī)（Single Chip Microcomputer）。單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，今后單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。
5.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切聯(lián)系。驅(qū)動(dòng)電源由喚醒脈沖分配器、功率放大器組成如圖12所示：
圖12
驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源（微機(jī)或數(shù)控裝置等）送來(lái)的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按照要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增加到幾至幾十毫安，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。
環(huán)形分配器輸出的電流很?。ê涟布?jí)），不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，需要功率器將脈沖電流放大到幾安培甚至幾十安培，才能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。放大電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)的性能起著非常重要的作用。功率放大的類型很多，從放大元器件來(lái)分，可以用功率晶體管、可關(guān)斷晶閘管、混合元件來(lái)組成放大電路；從工作原理來(lái)分，有單電壓、高低電壓切換、恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路等。從工作原理上講，目前用的最多的是恒流斬波電路。
斬波恒流功率放大電路如圖所示。該電路的工作特點(diǎn)是：Vin端輸入方波步進(jìn)信號(hào)，當(dāng)Vin為“0”電平時(shí)，由與門A2輸出Vb為“0”電平，功率管（大林頓管）VT截止，繞組W上沒有電流通過，采樣電阻R3上沒有反饋電壓，A1放大器輸出高電平；當(dāng)Vin為高電平時(shí)，由與門A2輸出的Vb也是高電平，功率管VT導(dǎo)通，繞組W上有電流，采樣電阻R3上出現(xiàn)反饋電壓Vf，由分壓電阻R1、R2得到設(shè)定電壓與反饋電壓相減，來(lái)決定A1輸出點(diǎn)評(píng)的高低，來(lái)決定Vin信號(hào)能否通過與門A2。若Vref>Vf時(shí)，Vin信號(hào)通過與門，形成Vb正脈沖，打開功管VT；反之，Vref
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