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購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 畢 業(yè) 設(shè) 計 題 目： 床數(shù)控改造 院、 系： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 系 主 任： **年 * 月 *日 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書 學(xué)生姓 名： 學(xué)號： 學(xué) 院： 專業(yè)： 任務(wù)起止時間： 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 床數(shù)控改造 畢業(yè)設(shè)計工作內(nèi)容： 1、實際調(diào)研，收集相關(guān)資料，完成開題報告； 1—3 周。 2、結(jié)合生產(chǎn)實際，對 床數(shù)控改造； 3、設(shè)計 床數(shù)控改造原理圖； 4—7 周。 4、設(shè)計 床車床數(shù)控改造縱向、橫向進(jìn)給結(jié)構(gòu) 8—11周。 5 設(shè)計相關(guān)零件圖； 12—13 周 6、撰寫畢業(yè)設(shè)計論文；準(zhǔn)備答辯。 14。 注：要求全部用計算機繪圖和打印文稿（交打印件和電子稿） 資料： 1、金屬切削機床與數(shù)控機床； 2、非標(biāo)設(shè)計手冊； 3、金屬切削用量手冊； 4、相關(guān)的技術(shù)資料。 指導(dǎo)教師意見： 簽名： 系主任意見： 簽名： 購買設(shè)計文檔后加 費領(lǐng)取圖紙 畢業(yè)設(shè)計（論文）評語 學(xué)生姓名： 學(xué)號： 學(xué) 院： 專業(yè)： 任務(wù)起止時間： 畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 床的數(shù)控改造 指導(dǎo)教師對畢業(yè)設(shè)計（論文）的評語： 該課題源于生產(chǎn)實踐，該同學(xué) 在畢業(yè)設(shè)計中，態(tài)度端正，能把所學(xué)習(xí)相關(guān)知識運用設(shè)計中，設(shè)計結(jié)構(gòu)基本合理正確，設(shè)計論文論述正確、格式規(guī)范，能正確運用所學(xué)基本知識，完成任務(wù)要求，可以完成答辯。 指導(dǎo)教師簽名： 指導(dǎo)教師職稱： 評閱教師對畢業(yè)設(shè)計（論文）的評語： 該同學(xué)論文格式規(guī)范，對機械設(shè)計有了一定了解，進(jìn)行的設(shè)計符合任務(wù)書要求，所做畫紙符合要求，但在圖紙的繪制和尺寸的標(biāo)注需要改進(jìn)，建議參加答辯。 評閱教師簽名： 評閱教師職稱： 答辯委員會對畢業(yè)設(shè)計（論文）的評語： 該同學(xué)的設(shè)計符合“畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書”的要求，任務(wù)量適中，答辯表述基本清晰，尚能回答大多數(shù)提問，概念較清楚，設(shè)計的內(nèi)容基本合理，無原則性錯誤，掌握了一定的基礎(chǔ)知識和基本技能。符合學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計的要求。 答辯委員會評定，該生畢業(yè)設(shè)計（論文）成績?yōu)椋? 答辯委員會主席簽名： 職稱： 年 月 日 教務(wù)處制表 I 床數(shù)控改造 摘 要 本文提供了一種 床的數(shù)控化改造方案，改造的主要模塊有：機械部分和數(shù)字控制電路部分 。機械部分主要是對絲杠、驅(qū)動元件的改造。改造后的系統(tǒng)是以步進(jìn)電機為驅(qū)動執(zhí)行元件的 開 環(huán)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)使系統(tǒng)能夠控制進(jìn)給軸的轉(zhuǎn)速，并實現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)控制工作臺，實現(xiàn)其縱、橫向進(jìn)給運動，以 8031 型 單片機 為控制處理芯片，通過鍵盤輸入加工程序控制 床數(shù)控化改造后是升降臺式的。使得改造后的機床能加工除了銑削鍵槽、平面及孔等簡單的零件外，還能加工形狀復(fù)雜（如加工圓弧面、斜面及凸輪等）的零件。改造 后的數(shù)控機床具有高精、高效及加工產(chǎn)品范圍廣等特點。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代數(shù)控機床借助現(xiàn)代設(shè)計技術(shù)、工序集約化和新的功能部件使機床的加工范圍、動態(tài)性能、加工精度和可靠性有了極大的提高。 關(guān)鍵詞 數(shù)控改造 ； ；開環(huán)控制 6132 C n in of s in to a in 6132is so a of to of in NC an as on a 6132 is it is NC in of NC to 目錄 摘要 ........................................................... I ...................................................... 1 章 緒論 .................................................... 1 題研究的背景必要性 ..................................... 1 控機床的產(chǎn)生及發(fā)展簡史 ................................. 1 控機床組成 ............................................. 2 床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 ........................... 3 床數(shù)控化改造的意義 ..................................... 3 微觀上看 ........................................... 3 宏觀上看 ........................................... 4 章小結(jié) ................................................. 5 第 2 章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計的 總體方案 .................................. 6 控銑床改造設(shè)計總體要求和內(nèi)容 ........................... 6 控系統(tǒng)總體設(shè)計方案的擬定及框圖 ......................... 6 統(tǒng)總體方案的確定 ................................... 6 統(tǒng)總體方案框圖 ..................................... 7 床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算包括的內(nèi)容 ............... 8 章小結(jié) ................................................. 8 第 3 章 銑床機械機構(gòu)設(shè)計 ........................................ 9 控機床的數(shù)據(jù) ........................................... 9 藝數(shù)據(jù) ................................................. 9 控改造的縱向方向（ 設(shè)計 ........................ 10 削力的計算 ........................................ 10 杠工作時軸向壓力 ........................ 11 珠絲杠副工作負(fù)荷的計算及電動機的選擇 .............. 11 珠絲杠副軸向剛度 計算 ......................... 16 珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗算 ............................ 18 于滾珠絲杠副性能的分析 ................................ 18 向 (的設(shè)計 ........................................ 18 承的選擇 .............................................. 20 承的壽命計算 ...................................... 20 承布局 ............................................ 21 承裝置的設(shè)計 ...................................... 21 承的配置 .......................................... 21 承的配合 .......................................... 22 承的潤滑 .......................................... 23 章小結(jié) ................................................ 20 結(jié)論 .......................................................... 25 致謝 .......................................................... 26 參考文獻(xiàn) ...................................................... 27 附錄 .......................................................... 28 1 第 1章 緒論 題研究的背景必要性 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密、復(fù)雜、而且產(chǎn)品的生產(chǎn)周期短、改型頻繁。這不僅對機床設(shè)備提出精度與效率的要求提出了通用性與靈活的要求。特別是航空、造船、武器、模具生產(chǎn)等精密加工的零件具有精度高、形狀復(fù)雜、經(jīng)常變動的特點。因此機械產(chǎn)品 部件的生產(chǎn)設(shè)備機床也相應(yīng)的提出了高性能、高精度化的要求。 利用計算機控制數(shù)控機床進(jìn)行加工使得零件的加工變得十分的方便、快速，很大程度上節(jié)約了人力和物力的使用，使得工業(yè)自動化程度更 高。但是許多企業(yè)由于資金等方面的約束不能及時引進(jìn)先進(jìn)數(shù)控機床，這樣制約了生產(chǎn)率的提高，不利于自動化程度的提高。因此各種機床的數(shù)控改造開發(fā)成為眾多專業(yè)技術(shù)人員研究的 [1]。 并且 目前在機械行業(yè)中，隨著市場經(jīng)濟的發(fā)展，產(chǎn)品更新周期越來越短，中小批量的生產(chǎn)所占有的比例越來越大，對機械產(chǎn)品的精度和質(zhì)量要求也在不斷地提高與推進(jìn)。所以普通機床越來越難以滿足加工的要求，同時由于技術(shù)水平的提高，數(shù)控機床的價格在不斷下降，因此，數(shù)控機床在機械行業(yè)中的使用將越來越普遍，而對原有普通機床數(shù)控化改造也應(yīng)是越來越廣泛，依照設(shè)計任務(wù)本 設(shè)計對 式銑床進(jìn)行了數(shù) 控化改 造 [2]。 控機床的產(chǎn)生及發(fā)展簡史 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，因此對加工機械產(chǎn)品零部件的生產(chǎn)設(shè)備 精度與高自動化的要求。 在機械產(chǎn)品中，單位與小批量產(chǎn)品占到 70%這類產(chǎn)品一般都采用通用機床加工，當(dāng)產(chǎn)品改變時，機床與工藝裝備均需作相應(yīng)的變換和調(diào)整，而且通用機床的自動化程度不高，基本上需要人工操作，難以提高生產(chǎn)效率和保證生產(chǎn)質(zhì)量。特別是一些有曲線、曲面輪廓組成的復(fù)雜零件， 只能借助靠模和仿形機床，或者借助劃線和樣板手工操作的方法來加工，加工精度和生產(chǎn)效率受到很大的限制。 數(shù)字控制機床就是為了解決單位、小批量，特別是復(fù)雜型面零件加工的自動化，并保證質(zhì)量要求而產(chǎn)生的。 數(shù)控機床的發(fā)展簡史 在美國誕生了第一臺數(shù)控機床后，可劃分為兩個階段： 第一階段：數(shù)控階段（ 1952～ 1970 年）。早期采用數(shù)字邏輯電路組合 2 成一臺機床，專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控，簡稱為數(shù)控。 第二階段：計算機數(shù)控（ 段（ 1970 年～現(xiàn)在）。到 1970年，通用小型計算機作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件 ，從此進(jìn)入了計算機數(shù)控階段。 控機床組成 數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者的加工工藝相同，結(jié)構(gòu)也有些相似，但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動加工機床，所以其結(jié)構(gòu)也與普通銑床有較大區(qū)別。 數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)等幾大部分組成： 1． 主軸箱 包括主軸箱體和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對加工有直接影響。 2． 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電機和進(jìn)給執(zhí)行機構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運動，包括直線進(jìn)給運動和旋轉(zhuǎn)運動。 3． 控制系統(tǒng) 數(shù)控銑床運動控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機床進(jìn)行加工。 4． 輔助裝置 如液壓、氣動、冷卻和潤滑系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。 5． 機床基礎(chǔ)件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個機床的基礎(chǔ)和框架 [3]。數(shù)控銑床加工過程示意圖 1下 ： 圖 1控銑床加工過程示意圖 3 床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 數(shù)控機床是一種典型的機電一體化產(chǎn)品，它集精密、柔性和集成與一身，它可以較好的解決形狀復(fù)雜、精密、小批多變的零件加工問題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，是一種高度自動化機床 。其造價較低，改造周期短，可靠性高，改造技術(shù)也日趨成熟，加之我國特有的經(jīng)濟實用產(chǎn)品 “經(jīng)濟型數(shù)控裝置 ”的技術(shù)指標(biāo)不斷的提高，產(chǎn)品的更新和完善的進(jìn)度不斷的加快，產(chǎn)量不斷的提高，故有廣闊的前景，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機械工業(yè)已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造。而我國在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家落后約 20年。隨著我國現(xiàn)代化制造的不斷推進(jìn)，每年都有大量機電產(chǎn)品進(jìn)口，這說明了機床數(shù)控化改造的必要性和迫切性 [4]。 床數(shù)控化改造的意義 舊機床數(shù)控化系統(tǒng)改造具有多方面的意義 :首先，對 原有機床進(jìn)行升級改造，使機床“起死回生” ,增加了機床的使用壽命，拓展了機床的適用范圍，提高了機床的加工性能。再有，由于是對原有機床進(jìn)行的改造，使企業(yè)節(jié)省了成本，減少了機床廢棄的浪費；使本企業(yè)的原有操作人員更容易加快熟悉其全部的操作流程。 由此可見，對原有機床進(jìn)行數(shù)控化改造，對資金和技術(shù)要求相對較低。對像我國這樣的發(fā)展中國家的企業(yè)具有深遠(yuǎn)的意義。 微觀上看 數(shù)控機床相對傳統(tǒng)機床有如下突出的優(yōu)越性，且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 1． 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件 由于計算機可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸應(yīng)該運動的運動量，這就可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線與曲面。 2． 可實現(xiàn)加工的自動化，且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，而實現(xiàn)自動化。傳統(tǒng)機床可以靠凸輪或擋塊等實現(xiàn)自動化，稱之為剛性自動化，但凸輪制造、調(diào)整很費時，只有進(jìn)行大批量生產(chǎn)時才經(jīng)濟合理。而數(shù)控機床只要更換一個程序就可實現(xiàn)另一個工件加工的自動化，從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動化，稱之為“柔性自動化”，以適應(yīng)多品種小批 量的生產(chǎn)方式。 3． 加工出零件的精度高，尺寸的一致性好，分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”加工過程自動化，不受人的情緒高低和疲勞的影 4 響。計算機還可以自動進(jìn)行刀具壽命管理，不會因刀具磨損而影響工件精度和其一致性 。數(shù)控系統(tǒng)中增加了機床誤差、加工誤差修正補償?shù)墓δ?。使加工精度得到進(jìn)一步提高。 4． 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運自動化帶來的效果（可以自動更換刀具）。如加工中心，在工件裝夾好后，可實現(xiàn)鉆、銑、鏜、攻絲、擴孔等多工序的加工。現(xiàn)已出現(xiàn)其它工序集中的機床，如車削中心、車銑中心、磨削中心等 。 5． 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管在配備多種傳感器的條件下，計算機威力的體現(xiàn)可以實現(xiàn)白班有人看管和作好充分準(zhǔn)備工作，使得二班、三班在無人看管條件下進(jìn)行自動加工。工人只工作 8 小時，而機床可工作 24 小時。因而帶來的勞動生產(chǎn)率的提高和生產(chǎn)周期的縮短等效益是非常明顯的。 此外，機床數(shù)控化還是推行 性制造單元）、 性制造系統(tǒng)）、 算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ) [5]。 宏觀上看 工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機械工業(yè)在上世紀(jì) 70 年代末、 80 年代 初即以開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造。除采用數(shù)控機床外，還包括推行 理信息系 統(tǒng)）、 算機集成制造系統(tǒng)）等等，以及在其產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等含量。由于采用信息技術(shù)對其軍、民機械工業(yè)進(jìn)行深入改造，最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍、民品市場上的競爭力大為增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性和緊迫性。 近年來，全國約改造了兩萬多臺普通機 床為經(jīng)濟型數(shù)控機床（主要是車床和銑床）。隨國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的成功研發(fā)，我國又成功地用國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)將普通機床改造為普及型和高級型數(shù)控機床，還用國產(chǎn)系統(tǒng)對進(jìn)口的技術(shù)老化數(shù)控機床進(jìn)行改造，使其起死回生。例如：華中數(shù)控公司把東方電機廠的 10 臺重型機床（包括 車）和中型機床（包括臥車、立銑）及其它企業(yè)總共約 50 臺的關(guān)鍵設(shè)備，改造為普及型和高級型數(shù)控機床。若購置一臺新的數(shù)苦惱感機床，進(jìn)口的要上千萬，國產(chǎn)的也要幾百萬元人民幣。而數(shù)控化改造一臺只需幾十萬元就夠了。所以比起經(jīng)濟型數(shù)控改造來說，經(jīng)濟 效益極為顯著。內(nèi)蒙一機集團近年來也加大了普通機床的數(shù)控化改造，由西南自動化研究所對部分機床（臥車、銑床等）進(jìn)行數(shù)控化改造，使用效果明顯；又用西門子系統(tǒng)對特大型進(jìn)口關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行數(shù)控改造，使其煥發(fā)了青春。 5 章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)特點以及數(shù)控機床在未來的發(fā)展，機床的數(shù)控改造具有效率高，柔性化，減少工人強度等優(yōu)點，在信息時代的今天，數(shù)控機床的改造已經(jīng)日益普遍，成為發(fā)展的趨勢。 6 第 2章 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計的總體方案 控銑床改造設(shè)計總體要 求 和內(nèi)容 式銑床的原傳動系統(tǒng) 為 其主軸轉(zhuǎn)動由電機經(jīng)齒輪變速驅(qū)動。其主軸的升降用手柄經(jīng)錐齒輪副，絲杠手動操作。工作臺的 x 軸和 y 軸分別通過離合器和離合器，由進(jìn)給電動機通過齒輪變速驅(qū)動絲杠副和實現(xiàn)自動進(jìn)給。工作臺的升降有電動機通過離合器將運動傳給絲杠副來實現(xiàn) 。 對 式銑床進(jìn)行機械部分改造， 數(shù)控機床的剛度系數(shù)應(yīng)該比同類普通機床高 50%；應(yīng)盡量提高機床的抗振性，通常機床的振動包括強迫振動和受迫振動。要提高機床在低速進(jìn)給時的平穩(wěn)性和運動精度。 為實現(xiàn)復(fù)雜零件的自動銑削加工，提出三種方案： 第一種方案 ：工作臺升降，工作臺 x 與 y 軸的進(jìn)給運動 第二種方案：主軸的升降和工作臺的 x,y 軸的進(jìn)給運動 第三種方案：工作臺的 x,y 軸進(jìn)給運動改變?yōu)槲C控制，實現(xiàn)三軸或二軸的開環(huán)同步控制或非同步控制。 上述方案中的第一種由于工作臺較重，升降所需的步進(jìn)電機轉(zhuǎn)矩大，功率損失也大，改造成本較高，第二種方案較易實現(xiàn)，我們這里的設(shè)計要求改造 x,y 軸， z 軸作為預(yù)留，所以我們這里選擇第三種方案。 為保留原機床的半自動功能，應(yīng)對原系統(tǒng)作盡可能少的改動，以免微機控制系統(tǒng)出了問題，機床還可手動加工。為此可進(jìn)行以下改動，如圖 2示： 1 保留原機床主軸傳動系統(tǒng)。 2 保留機床工作臺 x,y 軸進(jìn)給系統(tǒng)，脫開離合器 6， 7，去掉手輪，將滑動絲杠副換成滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱，減速齒輪，步進(jìn)電動機（ 6， 7）。 控系統(tǒng)總體設(shè)計方案的擬定及框圖 統(tǒng)總體方案的確定 根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，決定采用點位控制，用步進(jìn)電機驅(qū)動的開環(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)的傳動精度和工作平衡性，采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件，此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和液動導(dǎo)軌，為盡量消除傳動間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動齒輪的中心距以消除齒 側(cè)間隙，計算機系統(tǒng)采用高性能價格比的 8031 系列單片機擴展系統(tǒng)。 7 111210897564321數(shù)控裝置圖 2 后傳動原理圖 1、 3、 4 2、 7、 10 5、 8、 11—滾珠絲杠 6、 9、 12統(tǒng)總體方案框圖 光電隔離功率放大步進(jìn)電機光電隔離功率放大步進(jìn)電機脈沖發(fā)生器光電隔離功率放大步進(jìn)電機橫向工作臺升降臺縱向工作臺整形電路整形電路整形電路圖 2統(tǒng)總體方案圖 8 床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算包括的內(nèi)容 床數(shù)控化改造機械系統(tǒng)設(shè)計主要包括伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計計算，絲杠螺母副的設(shè) 計計算、一些基本部件相關(guān)計算和傳動系統(tǒng)的設(shè)計計算。 1． 基本部件相關(guān)計算主要有工作臺的外形尺寸及重量的計算、鉆銑削力的計算以及滾動導(dǎo)軌參數(shù)的計算等。 2． 絲杠螺母副的設(shè)計計算包括縱向、橫向絲杠螺母副的選用。 3． 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計計算包括步進(jìn)電機選型計算。 章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計的方案的確定，數(shù)控銑床改造設(shè)計總體要求和內(nèi)容以及機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算包括的內(nèi)容，通過本章的介紹確定了總體改造的框圖和方案。 9 第 3章 銑床 機械機構(gòu)設(shè)計 控機床的數(shù)據(jù) 工作臺尺寸 (長 ×寬 )： 125020 工作臺最大行程：縱向 800向 300直 400 快速移動速度： 10m/ 工作臺定位精度 x、 y、 z： ± 工作臺重復(fù)定位精度 x、 y、 z： ± 縱向、橫向及垂直進(jìn)給為微機控制，采用步進(jìn)電機或直流伺服電機驅(qū)動，滾珠絲杠傳動，脈沖當(dāng)量 沖 ； 電機功率 P： 縱向快進(jìn)速度： 橫向快進(jìn)速度： 垂向快進(jìn)速度： 縱向切削數(shù)據(jù)： 橫向切削速度： 垂向切削速度： 定位精度： 縱向移動部件重量： 220 橫向移動部件重量： 450 垂向移動部件重量： 1000 加速時間： 30m/s； 機床效率： 機動范圍： 6804000 藝數(shù)據(jù) 通用機床由于工藝范圍廣，在同一臺 機床上常用不同材料刀具對不同材料和尺寸的工件進(jìn)行多種加工，故取具有代表性的典型加工條件為計算依據(jù)。通常以加工量最大的鋼料或鑄件為工件材料，硬質(zhì)合金或高速鋼為刀具材料，選取用該機床上用得最多的常用工序或極限加工工序及與此相應(yīng)的切削用量 [6]。結(jié)合本次改造，選取加工材料為 平板凸輪的加工工藝。 刀具： 粗齒圓柱銑刀：孔徑 27徑 D 為 63L 取 63， 前角 α。為15。 ，后角 α。為 12。 ，螺旋角 β為 45。 ，齒數(shù) Z 為 6 10 切削用量： 銑削鑄鐵銑削前深度 t＝ 5~7取 t＝ 6 進(jìn)給量： 粗齒圓柱銑刀，在加工鑄鐵裝夾系統(tǒng)剛性一般，條件下，取每齒進(jìn)給量 米／齒，取 米/齒 控改造的 縱向方向（ X 軸）的設(shè)計 工作臺的進(jìn)給運動是由步進(jìn)電動機由一級消隙齒輪經(jīng)滾珠絲杠螺紋副，帶動工作臺移動。其中在縱向（ X 軸）進(jìn)給系統(tǒng)的改造布置中，滾珠絲杠、軸承支架固定在工作臺上，隨工作臺移動。步進(jìn)電動機經(jīng)降速齒輪和滾珠絲杠的螺母固定在床鞍上，通過滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)工作臺與床鞍之間的相對移動 [7]。滾珠絲杠螺母副，它的特點是在具有 螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間傳動元件，以減少摩擦，絲杠與螺母之間基本上為滾動摩擦。 滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點有： 1． 傳動效率高，摩擦損失小，使用壽命長。 2． 給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，防止失步；定位精度高，剛度好。 3． 有可逆性 絲杠和螺母都可以作為主運動件，故可以從旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也可以從直線運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。 4． 運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。 削力的計算 結(jié)合本次改造： ?????? (3式中： CＦ c— 銑削力系數(shù) 取 282； 銑削深度（即被加工表面的寬度，同時加工 5 個工件 ,每個工件厚度為 10深度為 50； 每齒進(jìn)給量 取 z； 銑削寬度（即被切削金屬層的深度） ， 取 6 銑刀公稱直徑 ， 取 63 Z — 刀齒數(shù) ， 取 6； 銑削力修正系數(shù)且： k k k ???件材料系數(shù) 取 (90) 11 前角系數(shù) 取 故 82×50××(200/190)可求出 : 000N 垂向切削分力 按經(jīng)驗公式： z= 求得： 200N 縱向切削分力 按經(jīng)驗 公式： z= 求得： 100N 橫向切削分力 按經(jīng)驗公式： 求得： 3600N 杠工作時軸向壓力 F 軸的計算 銑削條件下在插補平面內(nèi)合力 y)/2 (3 銑削一周平均 銑削力 取 2，銑削時絲杠軸向壓力 F 軸 =β’( (3式中： β— 考慮到顛覆力矩的影響系數(shù) ， 一般取 μ’— 導(dǎo)軌當(dāng)量摩擦系數(shù)。取 m — 移動部件的質(zhì)量 估計為 1000 g — 重力加速度 取 3600N； 求得 ： F 軸 =3151N。 珠絲杠副工作負(fù)荷的計算 及電動機的選擇 1． 絲杠的轉(zhuǎn)速及電動機的選擇： 數(shù)控改造多半采用開環(huán)步進(jìn)式伺服驅(qū)動系統(tǒng)，本次改造也采用步進(jìn)電機驅(qū)動絲杠。 開環(huán)步進(jìn)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算步驟： 12 1． 脈沖當(dāng)量取 為 ． 計算降速比。由于步進(jìn)電機工作的特點是一個脈沖走一步，每一步均有一個加速過程，因而對負(fù)載慣量很敏感。為滿足負(fù)載慣量盡可能小的要求 ，同時也為滿足要求的脈沖當(dāng)量，常采用齒輪降速傳動。 傳動比： ?? 360 (3式中： φ—步距角 ； S—絲杠螺距 ， 初取 6 Δ—脈沖當(dāng)量 。 確定齒輪傳動比及模數(shù)和有關(guān)尺寸 : 因為步進(jìn)電機中距角 ? =珠絲桿螺距離 t=5實現(xiàn)脈沖當(dāng)量 ? =傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一級齒輪降速傳動，降速傳動比 ： i=21?= 24， 50 因傳遞的扭矩較小，取模數(shù) m=2,齒輪有關(guān)尺寸如下表： 表 3輪的相關(guān)參數(shù) 3． 根據(jù)結(jié)構(gòu)草圖計算機械傳動裝置及負(fù)載折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 計算電機力矩 ， 再按步距角，電機力矩，允許的負(fù)載慣量等項要求來選取合適的步進(jìn)電機。 慣量計算： ) 2 ] } }G /g ( S/2 ) ( '' ?????????(3式中： 矩計算： 關(guān)系式 Z 24 50 d= 48 100 da=d+2m 52 104 df= 43 95 B=(3~6 ) 16 23 A=2 21 74 13 快速空載啟動時所需力矩： ?? m a (3最大切削負(fù)載時所需力矩： ??? 0 (3快速進(jìn)給時所需力矩： 0f?? 式中： 空載啟動時折算到馬達(dá)軸上的加速力矩； — 折算到馬達(dá)軸上的 摩擦力矩； — 由于絲杠預(yù)緊引起的折算到馬達(dá)軸上的附加摩擦力矩 ； 切削時折算到馬達(dá)軸上的加速力矩 ； 折算到馬達(dá)軸上的切削負(fù)載力矩。 絲杠傳動時 , 算公式： ).(6.9 (3式中： 折算到馬達(dá)軸上的總慣量； T — 系統(tǒng)時間常數(shù)（系統(tǒng) 時間常數(shù)表示線路在導(dǎo)通瞬間允許電流值上升的速率。時間常數(shù)越小，線路導(dǎo)通后電流上升越快，達(dá)到近似穩(wěn)定值的時間越短；反之則越長） ； n — 電機轉(zhuǎn)速 ； 當(dāng) n=計算 n=計算 切削時的轉(zhuǎn)速 。 摩擦力矩： ? ? )(102/30 ?? ???(3式中： 軌摩擦力（ ?)( o ??? ） ； S— 絲杠螺距 ； ? — 齒輪降速比 ； h — 傳動鏈總效率 （ 一般取 取 求得： 106N； 附加摩擦力矩 ? ?? ? 3200 1012/ ???? ?? (3式中： 珠絲桿預(yù)加載荷（ m） ； 為使預(yù)緊后的雙螺母機構(gòu)在正向傳動鏈?zhǔn)芰\行時其反向傳動鏈仍保證 無間隙出現(xiàn)，要求預(yù)緊力的數(shù)值應(yīng)大于最大軸向載前的 1/3 倍。 ×F 軸 =1/3×3151= 200N S— 絲桿螺距 ； 14 η— 傳動鏈總效率 ； ?— 齒輪降速比 ； ηo — 滾珠絲桿未預(yù)緊時的效率，一般取 η≥ 求得： 切削力矩 )(102/ 3 ?? ??? (3式中： 進(jìn)給方向的最大切削力 ； S — 絲機螺距（ ； η — 傳動鏈總效率 η取 ? — 齒輪降速比。 所以初選步進(jìn)電機： 130五相十拍分配方式 檢驗計算： ? ?? ? ????? (3式中： 機轉(zhuǎn)動慣量； 統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量； T—系統(tǒng)時間常數(shù) (s) 加速時間Ｔ＝ 50m/s 故： (m)02 ＝ [(×102)×1000]/02 ＝ =f+ M=>n 故可靠性好，穩(wěn)定性好 。 于滾珠絲扛副的性能分析 在升降臺銑床的垂向運動中，普遍存在著工作臺運動時搖動力過大的問題。因此，操作進(jìn)刀不便，絲杠螺母副易磨損，電磁離合器易燒壞。解決這一問題的根本措施是將滑動絲杠改為滾珠絲杠副， 提高機械傳動效率，當(dāng)采用滾珠絲杠副后，其矛盾就轉(zhuǎn)化為滾珠絲杠副逆運轉(zhuǎn)的自鎖上。 垂向升降絲杠副的受力情況如下圖所示： P 載 荷F m=擦力正壓力 荷22圖 3降滾珠絲杠受載示意圖及傳動系統(tǒng)圖 19 采用滾珠絲杠后，因摩擦角小于螺旋升角而不能自鎖，在自重作用下絲杠副產(chǎn)生逆轉(zhuǎn)，升降臺自動下降。為防止其逆轉(zhuǎn)，必須滿足自鎖條件方程： ??? ≥F 式中： F — 向下分力， F= ?(kg·f); N·f = ??f (kg·f)。 Δ防逆轉(zhuǎn)所需的附加摩擦力，但在絲杠向上搖動時卻又不應(yīng)增加阻力。這就是垂向滾珠絲杠副防逆轉(zhuǎn)機構(gòu)設(shè)計的基本出發(fā)點。 在機構(gòu)中一般用超越離合器實現(xiàn)單向加載的目的。假若在絲杠傳動系統(tǒng)中附加單向摩擦載荷 Δ此時，向上驅(qū)動力矩 M 上 基本不變，而 M 下 由下式確定： M 下 ? ? ? ?? ???????? ?22 若使 ? ? ?? ，則 M 下 =0，搖臂的手搖力 Q 下 =0。但在實 際使用中總調(diào)整到 >0 使其在不同載荷的變化狀態(tài)下，有較好的自鎖可靠性，但 值又不宜過大，否則造成向下?lián)u動力 Q 下 過大以及超越離合器易磨損等弊端。這是考核垂向升降滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)是否合理的重要指標(biāo)。所以從自鎖條件方程不分析，附加摩擦力 Δ滿足上述方程并有足夠的安全系數(shù)條件下取最小值。 此外，為使實際使用時能取得最佳效果和磨損后的補償， Δ能方便地進(jìn)行調(diào)節(jié)和具有補償機能。這是垂向升降絲杠副能否得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。 本次改造中附加摩擦力可通過碟形彈簧調(diào)節(jié)，使之達(dá)到最佳自鎖狀態(tài)。碟形彈簧能自動補償磨損，因此，確保了自 鎖性和搖動輕巧；同時，離合器通過 1： 傳動減速比使離合器能以較小的阻尼去實現(xiàn)較大的控制力，從而延長使用壽命。 由以上的分析可知，改造成后的 “可調(diào)阻尼式 ”垂向滾珠絲杠副傳動機構(gòu)，結(jié)構(gòu)布局合理，具有搖動輕巧，自鎖可靠，調(diào)節(jié)方便，壽命較長，及更新改裝方便等多方面的優(yōu)點。 向 (Y 軸 )的設(shè)計 Y 軸的絲杠選擇與 X 軸一樣為 Y 軸的齒輪副設(shè)計也與 X 軸相同，這里不再累贅。 Y 軸方向步進(jìn)電動機的 選擇： Y 軸銑削圓周力： =1500N 20 則有 Y 向絲杠牽引力： 41 =1500+410×1562N 則有電機軸負(fù)載力矩： ? ? ? ? ?????????? 1 6 ? ?? 其中： ? —導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取 ?—步進(jìn)電機步矩角為 Y 向絲杠牽引力 ； F —當(dāng)量摩擦系數(shù)取 若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩為： T q ? 可取安全系數(shù)極限值 有： ??? a x 對于工作方式為五相十拍的五相步進(jìn)電機最大啟動力矩： ??? a m a xm a x 1000 1 0 0 0 1 . 6 26676 0 6 0 0 . 0 1 z??? ? ??綜合以上可選取步進(jìn)電機型號為 ： 90應(yīng)式步進(jìn)電動機。步進(jìn)電機 90外型尺寸為 ： 徑為 φ11。 承的選擇 承的壽命計算 軸承在承受負(fù)荷旋轉(zhuǎn)時，由于套圈滾道面及滾動體滾動面不斷地受到交變負(fù)荷的作用，即使在正常的使用條件下，也會因材料疲勞使?jié)L道面及滾動面出現(xiàn)疲勞損傷。出現(xiàn)這種滾動疲勞損傷之前的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱做軸承的“（疲勞）壽命 ”。即使是結(jié)構(gòu)、尺寸、材料、加工方 法等完全相同的軸承，在同樣條件下旋轉(zhuǎn)時，軸承的（疲勞）壽命仍會出現(xiàn)較大的差異。這是因為材料疲勞本身即具有離散性，應(yīng)從統(tǒng)計的角度來考慮。于是就將一 21 批相同的軸承在同樣條件下分別旋轉(zhuǎn)時，其中 90%的軸承不出現(xiàn)滾動疲勞損傷的總旋轉(zhuǎn)數(shù)稱做 “軸承的基本額定壽命 ”（即可靠性為 90%的壽命 )。在以固定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，也可用總旋轉(zhuǎn)時間表示。但在實際工作時，還會出現(xiàn)滾動疲勞損傷以外的損傷現(xiàn)象。這些損傷可以通過做好軸承的選擇、安裝和潤滑等加以避免。本次設(shè)計所以軸承的壽命符合要求。 承布局 表 3常用軸承布局方式 配置方式 可達(dá)到的轉(zhuǎn)速系數(shù) ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 了適應(yīng)高速運行同時保證一定的剛度，本次設(shè)計采用面對面設(shè)置。 按軸承參數(shù)可知，軸承的極限轉(zhuǎn)速為 22000r/置選第五種， 其速度系數(shù)為 可得最高轉(zhuǎn)速為 0 . 7 2 2 2 0 0 0 1 5 8 4 0 / m i n 4 0 0 0 / m i nN m a x r? ? ? ? 所以完全可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速為 4000r/設(shè)計要求。 又因為軸承支點跨距較大，溫升較高，所以本設(shè)計采用一端固定，一端游動的軸承固定方式。并且是三支承方式。 承裝置的設(shè)計 要想保證軸承順利的工作、，除了正確選擇軸承類型和尺寸外，還應(yīng)該正確設(shè)計軸承的裝置。軸承裝置的設(shè)計主要是正確解決軸承的安裝、配置、緊固、調(diào)節(jié)、潤滑、密封等問題。下面提出一些設(shè)計中注意的要點 。 承的配置 一般來說，一根軸需要兩個支點，每個支點可由 一個或一個以上的軸承組成。合理的軸承配置應(yīng)考慮軸在機器中有正確的位置、防止軸向竄動 22 以及軸受熱膨脹后導(dǎo)致將軸承卡死等因素。 常用的軸承配置方法有以下三種 : 1. 雙支點單向固定。 這種軸承配置常用兩個反向安裝的角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，兩個軸承各限制一個方向的軸向移動。 2. 單支點雙向固定。 對于跨距較大（如大于 350工作溫度較高的軸，其熱伸長量大，應(yīng)采用一支點雙向固定，另一支點游動的支承結(jié)構(gòu)。作為固定支承的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，故內(nèi)外圈在軸向都要固定。作為補償軸的熱膨脹的游動支承，若使用的 是內(nèi)外圈不可分離型軸承，只需固定內(nèi)圈，其外留在座孔內(nèi)應(yīng)可以軸向游動。 3. 兩端游動支承 對于一對人字齒輪軸，由于人字齒輪本身的相互軸向定位作用，它們的軸承內(nèi)外圈的軸向緊固應(yīng)設(shè)計成只保證其中一根軸相對機座有固定的軸向位置，而另一根軸上的兩個軸承都必須是游動的，以防止齒輪卡死或人字齒的兩側(cè)受力不均勻。 首先通過 軸的工作情況來說，是內(nèi)圈旋轉(zhuǎn)，外圈固定。 000定轉(zhuǎn)矩為 42 ，屬于高速中載的工作條件。由于高速旋轉(zhuǎn)，軸承等 安裝在軸上的零件會和軸有摩擦，并產(chǎn)生大量的熱。雖然水冷卻系統(tǒng)能帶走一部分熱能，但仍會導(dǎo)致因溫升而產(chǎn)生熱伸長。因此，必須采用 “一支點雙向固定，另一支點游動 ”的軸承配置形式。作為固定支承的軸承，應(yīng)能承受雙向軸向載荷，內(nèi)外圈在軸上都要固定。而作為補償軸的熱膨脹的游動支承，固定內(nèi)圈，外圈在坐孔內(nèi)可以游動，給軸的熱膨脹留余空間。在本次設(shè)計中，受力不是很大，選取前三后二的支承方式。 承的配合 配合的目的是 使軸承內(nèi)圈或外圈牢固地與軸或外殼固定，以免在相互配合面上出現(xiàn)不利的軸向滑動。這種不利的軸向滑動（稱做蠕變）會引起異 常發(fā)熱、配合面磨損（進(jìn)而使磨損鐵粉侵入軸承內(nèi)部） 以及振動等問題，使軸承不能充分發(fā)揮作用。因此對于軸承來說，由于承受負(fù)荷旋轉(zhuǎn)，一般必須讓套圈帶上過盈使之牢固地與軸或外殼固定。 配合的選擇一般按下述原則進(jìn)行 ： 根據(jù)作用于軸承的負(fù)荷方向、性質(zhì)及內(nèi)外圈的哪一方旋轉(zhuǎn)，則各套圈所承受的負(fù)荷可分為旋轉(zhuǎn)負(fù)荷、靜止負(fù)荷或不定向負(fù)荷。承受旋轉(zhuǎn)負(fù)荷及不定向負(fù)荷的套圈應(yīng)取靜配合（過盈配合），承受靜止負(fù)荷的套圈，可取過渡配合或動配合（游隙配合）。軸承負(fù)荷大或承受振動、沖擊負(fù)荷時， 23 其過盈須增大。采用空心軸、薄壁軸承箱或輕合金、塑料制 軸承箱時，也須增大過盈量。要求保持高旋轉(zhuǎn)時，須采用高精度軸承，并提高軸及軸承箱的尺寸精度，避免過盈過大。如果過盈太大，可能使軸或軸承箱的幾何形狀精度影響軸承套圈的幾何形狀，從而損害軸承的旋轉(zhuǎn)精度。 承的潤滑 潤滑對于滾動軸承具有重要意義，軸承中的潤滑劑不僅可以降低摩擦阻力，還可以起散熱、減小接觸應(yīng)力、吸收振動、防止銹蝕等作用。所以本次設(shè)計根據(jù)工作情況選用脂潤滑。 脂潤滑的優(yōu)點：潤滑膜強度高，能夠承受較大的載荷，不易流失，容易密封，一次加脂可以維持相當(dāng)長的一段時間，方便簡單。 表 3用于脂潤滑和油潤滑的 界限（表值 410? ） 軸承類型 脂潤滑 油潤滑 油浴 滴油 循環(huán)油（噴油） 油霧 深溝球軸承 16 25 40 60 >60 調(diào)心球軸承 16 25 40 50 角接觸球軸承 16 25 40 60 >60 圓柱滾子軸承 12 25 40 60 >60 圓錐滾子軸承 10 16 23 30 調(diào)心滾子軸承 8 12 20 25 推力球軸承 4 6 12 15 24 章小結(jié) 本章主要介紹了數(shù)控機床機械系統(tǒng)機構(gòu)的設(shè)計，即縱向和橫向兩個方向，主要計算了切削力，絲杠工作時的軸向壓力，滾珠絲杠副工作負(fù)荷，滾珠絲扛副軸向剛度，滾珠絲杠副臨界轉(zhuǎn)速的驗算以及電動機的選取。 25 結(jié) 論 依照我國目前的數(shù)控機床發(fā)展?fàn)顩r及我國的國情，對原有的普通機床進(jìn)行數(shù)控化改造是符合當(dāng)前國情的。對普通立式銑床 造為了擴大產(chǎn)品加工范圍和提高加工精度、效率、質(zhì)量，進(jìn)而滿足市場多變的要求：小批量、多品種、柔性化加工。改造后的 夠完成加工鍵槽、平面和孔等一般加工，還 能加工復(fù)雜的零件，且精度高。 在做畢業(yè)設(shè)計的這段時間里，針對普通銑床的數(shù)控化改造設(shè)計的這個課題，我查閱了大量資料，制訂出了改造方案，使 通立式銑床達(dá)到數(shù)控銑床的要求，實現(xiàn)數(shù)控銑床的功能，是一種成本低，性能高的優(yōu)選方案。 利用單片機系統(tǒng)來做經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的核心，因為單片機控制功能強，體積小，成本低，功耗小，使用方便。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，尤其是近幾年的突飛猛進(jìn)，單片機的擴展功能大大增強原來很多機床改造用單片機都用 8031， 8031 單片機主要有 集成度高 ， 體積小 ， 可靠性高 ， 尋址范圍大 ， 處理功能強，運算速度快 等特點。 26 致謝 畢業(yè)設(shè)計很快結(jié)束了， 在這段時間里，不僅僅感覺到的是忙碌，還有忙碌后 做