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下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 下載論文送 紙， 14951605 或 1304139763 摘 要 數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代的 性制造系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)等等，都是建立在數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)之上的。同時(shí)，數(shù)控技術(shù)也關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位，是體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)因素之一，其水平高低是衡量一個(gè)國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。實(shí)現(xiàn)加工機(jī)床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。推廣與應(yīng)用數(shù)控技術(shù)是我國機(jī)械制造行業(yè)的一項(xiàng)重要的戰(zhàn)略任務(wù)。數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)準(zhǔn)備的時(shí)間短，所制造的零件重復(fù)精度高，對改變零件設(shè)計(jì)的適用性強(qiáng)，夾具成本低，加工形狀復(fù)雜的零 件時(shí)準(zhǔn)確可靠。因此，數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)階段以及以后的時(shí)間將占據(jù)重要地位。 本題目是數(shù)控車床 縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)。首先根據(jù)典型工藝數(shù)據(jù)，結(jié)合擬定參數(shù)，傳動方案的確定。對傳動系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括選擇滾珠絲杠螺母副和減速箱體的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，從而完成整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。然后，通過計(jì)算選擇步進(jìn)電機(jī)，驅(qū)動滾珠絲杠運(yùn)動，從而帶動工作臺運(yùn)動?；?步進(jìn)電機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使電機(jī)實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，快速正反轉(zhuǎn)功能，保證對傳動系統(tǒng)的控制要求，從而完成整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 ：數(shù)控機(jī)床；滾珠絲杠；步進(jìn) 電機(jī)；單片機(jī) 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 is of in on of At is to of a it is of to of a of is of of a s of NC of is a in NC no to to of C NC an in at a of in is of of be to of of so as to of of by In to of of so to or or of 載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 錄 摘 要 ........................................................................................................................................... I ..................................................................................................................................... 緒論 ...................................................................................................................................... 1 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 ........................................ 1 發(fā)展數(shù)控機(jī)床的必要性 ............................................ 2 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) ............................................ 2 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 .............................................. 5 2 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案確定 .......................................................................................................... 7 設(shè)計(jì)任務(wù) ........................................................ 7 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) .................................................... 7 總體方案的確定 .................................................. 7 3 機(jī)械傳動設(shè)計(jì)計(jì)算 .............................................................................................................. 8 計(jì)算內(nèi)容及步驟 .................................................. 8 珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 ................................................. 8 切削力的計(jì)算 .............................................. 8 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 ................................ 8 滾珠絲杠螺母副的驗(yàn)算 ..................................... 10 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 ........................................... 12 步進(jìn)電機(jī)選型 ............................................. 12 傳動比的確定 ............................................. 13 轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算 ........................................... 13 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 ......................................... 14 步進(jìn)電機(jī)性能校核 ......................................... 15 滾珠絲杠的預(yù)緊和消隙 ........................................... 16 4 環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性分析 ........................................................................................................ 17 經(jīng)濟(jì)性分析 ..................................................... 17 環(huán)保性分析 ..................................................... 17 結(jié)論 ........................................................................................................................................ 19 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 考文獻(xiàn) ................................................................ 20 致 謝 ................................................................... 21 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 1 1 緒論 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 數(shù)字控制機(jī)床是用數(shù)字代碼形式的信息 (程序指令 )，控制刀具按給定的工作程序、運(yùn)動速度和軌跡進(jìn)行自動加 工的機(jī)床，簡稱數(shù)控機(jī)床 [1]。 計(jì)算機(jī)數(shù)值控制工具十分適應(yīng)性 ,只需要改變輸入指令修改方案 ,處理對象性能高于一般自動機(jī)、復(fù)雜曲面加工精度 ,適合中小批量加工 ,修改部分高精度和復(fù)雜形狀坯料 ,取得良好的經(jīng)濟(jì)效果。 數(shù)字技術(shù)在不斷發(fā)展，數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)種類不斷增加 ,有車床、銑床、鏜床、鉆床、砂輪機(jī)、機(jī)械加工、電氣火花機(jī)機(jī)器工具等等。除了自動更換刀具，還有加工中心、車削中心加工等。 1948 年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制飛機(jī)螺旋槳葉片輪廓的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣化，精度要求較高，一般加工設(shè)備難以 完成，于是提出計(jì)算機(jī)控制機(jī)床的設(shè)想。 1949 年，該公司在美國麻省理工學(xué)院伺服機(jī)構(gòu)研究室的協(xié)助下，開始數(shù)控機(jī)床的研究，并于 1952 年試制成功第一臺由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，不久便 4 開始正式生產(chǎn)。 當(dāng)時(shí)的數(shù)控裝置采用電子管元件，體積龐大，價(jià)格昂貴，只在航空工業(yè)等少數(shù)有特殊需要的部門來加工復(fù)雜型面零件； 1959 年，制成了晶體管元件和印刷電路板，使數(shù)控裝置進(jìn)入了第二代，體積縮小，成本有所下降； 1960 年以后，較為簡單與經(jīng)濟(jì)的點(diǎn)位控制數(shù)控鉆床，和直線控制數(shù)控銑床得到較快發(fā)展，使數(shù)控機(jī)床在機(jī)械 制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。 1965 年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，而且可靠性提高，價(jià)格進(jìn)一步下降，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。 60 年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計(jì)算機(jī)直接控制多臺機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng) (簡稱 又稱群控系統(tǒng)；采用小型計(jì)算機(jī)控制的計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) (簡稱 使數(shù)控裝置進(jìn)入了以小型計(jì)算機(jī)化為特征的第四代。 1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置 (簡稱 這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴(kuò)大了一倍， 而體積則縮小為原來的 1/20，價(jià)格降低了 3/4，可靠性也得到極大的提高。 80 年代初，隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進(jìn)行人機(jī)對話式自動編制程下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 2 序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機(jī)床上；數(shù)控機(jī)床的自動化程度進(jìn)一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實(shí)現(xiàn)自動編程 [1]。 發(fā)展數(shù)控機(jī)床的必要性 在機(jī)械加工過程中，經(jīng)常要用到 加工批量不大、改型頻繁、精度要求高、形狀復(fù)雜的一類零件。據(jù)統(tǒng)計(jì)，單件和中、小批量零件的加工約占機(jī)械加工總量的 80%以上。如何解決這類產(chǎn)品的自動化加工呢？顯然，一般自動化機(jī)床已不適應(yīng)這類加工，因?yàn)橐话阕詣踊瘷C(jī)床往往用凸輪或其他專門機(jī)構(gòu)來控制機(jī)床進(jìn)行加工。當(dāng)零件尺寸改變時(shí)，必須重新更換凸輪或靠模，調(diào)整尺寸，才能重新加工。重新調(diào)整的工作量非常大，同時(shí)也不經(jīng)濟(jì)。另外，對于那些形狀十分復(fù)雜的零件，通常的自動化加床也無能為力。針對這些問題，數(shù)控機(jī)床的迅速發(fā)展，為解決這類零件加工提供了良好的途徑，為機(jī)械工業(yè)的發(fā)展做出了卓 越的貢獻(xiàn)。相比較于普通機(jī)床，數(shù)控機(jī)床有著如下優(yōu)點(diǎn)： 1） 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。 由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 2） 可以實(shí)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(jī)床提高 3 到 7 倍。 由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記錄和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只需更換程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)的自動化，故被稱為 實(shí)現(xiàn)了 "柔性自動化 "。 3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配更加容易，不再需要 "修配 "。 4） 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁裝夾。 5） 由以上五條好處。如：降低工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個(gè)人可以看管多臺機(jī)床），減少工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求做出快速反應(yīng)等等。 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)與特點(diǎn) 數(shù)字程序控制機(jī)床（數(shù)控機(jī)床）是近 20 年來綜合應(yīng)用了計(jì)算技術(shù)、自動控制、精密測量和機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域里的最新技術(shù)成就而發(fā)展起來的一種既具有廣泛的通用性 ，又具有很高的自動化程度的完全新型的機(jī)床。 數(shù)控機(jī)床主要由數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)和機(jī)床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 3 錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動輸入。 數(shù)控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運(yùn)算部分、控制部分和輸出部分等。數(shù)控裝置按所能實(shí)現(xiàn)的控制功能分為點(diǎn)位控制、直線控制、連續(xù)軌跡控制三大類。 點(diǎn)位控制是只控制刀具或者工作臺從一點(diǎn)移至另一點(diǎn)的準(zhǔn)確定位，然后進(jìn)行定點(diǎn)加工，而點(diǎn)與點(diǎn)之間的路徑不需要控制。采用這類控制的有數(shù)控鏜床、數(shù)控鉆床和數(shù)控坐標(biāo) 鏜床等。 直線控制是除控制直線軌跡的起點(diǎn)和終點(diǎn)的準(zhǔn)確定位之外，還控制在這兩點(diǎn)之間以指定的進(jìn)給速度進(jìn)行直線切削。采用這類控制的有平面銑削的數(shù)控銑床，以及階梯軸車削和磨削用的數(shù)控車床與數(shù)控磨床等。 連續(xù)軌跡控制 (或稱輪廓控制 )能夠連續(xù)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上的坐標(biāo)方向的聯(lián)合運(yùn)動。為了使刀具按照規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補(bǔ)運(yùn)算的功能，使刀具的運(yùn)動軌跡以最小的誤差接近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)各坐標(biāo)方向的運(yùn)動速度，以便在切削的過程中始終保持規(guī)定的進(jìn)給速度。采用這類控制的有能加工曲面用的數(shù)控銑 床、數(shù)控磨床、數(shù)控車床和加工中心等。 伺服機(jī)構(gòu)分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種。開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動線路，和步進(jìn)電機(jī)組成。每一脈沖信號使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。這種伺服機(jī)構(gòu)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易使用，但是精度和速度的提高受到限制。 半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達(dá)、速度檢測器和位置檢測器構(gòu)成。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達(dá)的端部，利用絲杠的回轉(zhuǎn)角度來間接測出工作臺的位置。常用的伺服馬達(dá)有寬調(diào)速直流電動機(jī)、寬調(diào)速交流電動機(jī)和電液伺服馬達(dá)。位置檢 測器有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式脈沖發(fā)生器和圓光柵等。這種伺服機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，為大多數(shù)中小型數(shù)控機(jī)床所采用。 閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)的工作原理和組成與半閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)相同，只是位置檢測器安裝在工作臺上，可直接測出工作臺的實(shí)際位置，故反饋精度高于半閉環(huán)控制，但掌握調(diào)試的難度較大，常用于高精度和大型數(shù)控機(jī)床。閉環(huán)伺服機(jī)構(gòu)所用伺服馬達(dá)和半閉環(huán)相同，位置檢測器則用長光柵、長感應(yīng)同步器或者長磁柵。 為了保證機(jī)床具有很大的工藝適應(yīng)性和連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的特點(diǎn)具有足夠的剛 度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性。進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動鏈下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 4 采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等等，以盡量減小反向間隙。機(jī)床采用塑料減摩導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，以提高運(yùn)動的平穩(wěn)性并且使低速運(yùn)動時(shí)不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。 由于采用了寬調(diào)速的進(jìn)給伺服電動機(jī)和寬調(diào)速的主軸電動機(jī)，可以不用或少用齒輪傳動和齒輪變速，這就簡化了機(jī)床的傳動機(jī)構(gòu)。機(jī)床布局便于排屑和工件裝卸，部分?jǐn)?shù)控機(jī)床帶有自動排屑器與自動工件交換裝置。大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床采用具有微處理器的可編程序控制器，以代替強(qiáng)電柜中大量的繼電器，提高了機(jī)床強(qiáng)電控制的可靠性和靈活 性 [4]。 數(shù)控機(jī)床加工時(shí)，既能控制機(jī)床的動作次序，又能控制機(jī)床運(yùn)動部件的移動量，其工作過程如下圖 示： 圖 控機(jī)床加工過程 目前，在市場上已見不到普通的數(shù)控機(jī)床（ 取而代之的是計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床（ 發(fā)展。計(jì)算機(jī)數(shù)控是將通用的小型或微型計(jì)算機(jī)裝入數(shù)控機(jī)床的控制柜，再適當(dāng)增加借口電路及輸入、輸出裝置（如熒光屏等），用以替代數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)控制柜中的專用電子計(jì)算裝置。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)不僅比原來的數(shù)控系統(tǒng)使用范圍廣、功能全，而且還有相當(dāng)大的通用性，改善了對機(jī)床操作的控制。計(jì)算機(jī) 數(shù)控系統(tǒng)大致有以下一些特點(diǎn)： 1） 用存儲的軟件實(shí)行控制，代替普通數(shù)控的硬件控制； 2） 有存儲零件程序和修改零件程序的功能。可以在 統(tǒng)存儲器中劃出一部分可讀可寫的存儲器存放零件程序，而且還可以通過利用 統(tǒng)軟件的編輯功能來修改零件程序； 3） 有診斷故障功能。 統(tǒng)具備了用軟件查找故障的功能； 4） 可以用軟件取代機(jī)床的繼電器控制。可使機(jī)床的全部動作全由軟件加以控制和監(jiān)視，提高了速度，可靠性和可變適應(yīng)性； 5） 可以提高編程效率； 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 5 6） 有保護(hù)零件的能力，可以實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的正確性，監(jiān)視數(shù)據(jù)在機(jī)床上的執(zhí)行 情況。 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向 目前，數(shù)控機(jī)床正在以下幾個(gè)方面得到發(fā)展： （ 1） 使數(shù)控機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，以進(jìn)一步提高數(shù)控裝置的可靠性，降低其生產(chǎn)時(shí)間和生產(chǎn)成本； （ 2） 發(fā)展簡易數(shù)控裝置。雖然簡易數(shù)控裝置機(jī)能較少，但一般由于其使用簡單、維護(hù)方便、價(jià)格低廉，在普通零件的中、大批量生產(chǎn)中也可以采用； （ 3） 自適應(yīng)控制數(shù)控機(jī)床。它能在加工過程中，隨切削加工的參數(shù)變動，自動的調(diào)整進(jìn)給量、切削量等，使機(jī)床和刀具都在較佳狀態(tài)下工作，工作效率大大提高，并能保證零件得到更好的精度和光潔度； （ 4） 分布式控制（ 用一臺計(jì)算機(jī)直接控制 多臺數(shù)控機(jī)床，或控制整個(gè)零件的加工生產(chǎn)過程； （ 5） 自動編制程序。為了減輕人工編程的勞動強(qiáng)度，提高程序編制的效率與減少錯(cuò)誤，出現(xiàn)了用電子計(jì)算機(jī)自動編制程序。 計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床（ 有 20 多年歷史，最初階段，主要是采用通用機(jī)床進(jìn)行改裝的方法，例如把普通車床、銑床、鉆床及鏜床改造成數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床及數(shù)控鏜床等。但隨著技術(shù)的發(fā)展，由通用機(jī)床改為數(shù)控機(jī)床存在著一些嚴(yán)重的弱點(diǎn)，例如機(jī)床剛度不足，滑動面的摩擦阻力太大，傳動元件中存在間隙等問題越來越突出地暴露出來。由于在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工不能象在普通機(jī)床上加工 那樣，可以用人工的手工操作來彌補(bǔ)上述因素對加工零件的精度影響，故對于數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面都要求比通用機(jī)床設(shè)計(jì)得更完善，制造得更精密。因此數(shù)控機(jī)床已由改裝通用機(jī)床逐步發(fā)展到專門為滿足數(shù)控要求而設(shè)計(jì)的新的數(shù)控機(jī)床。在這過程中，對機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)起了很大的推動作用，從通用機(jī)床的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)和原件，這些變動，大致體現(xiàn)在下列幾個(gè)方面： 1）采用了剛度和抗震性較好的機(jī)床新結(jié)構(gòu)； 2）采用了無間隙的齒輪傳動副，以消除傳動裝置反向時(shí)的空程死區(qū)； 3）采用了傳動效率很高的精密滾珠絲杠 —— 螺母副等傳動元件 ； 4）采用了摩擦系數(shù)很低的滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，提高機(jī)床運(yùn)動靈敏性； 5）采用了增大功率的電機(jī)和先進(jìn)刀具，以提高切削用量； 6）采用了多主軸、多刀架結(jié)構(gòu)，以提高單位時(shí)間內(nèi)的切削效率； 下載文檔送完整 紙， 14951605 或 1304139763 6 7）采用了自動換刀和自動更換工件的裝置，以減少停機(jī)時(shí)間； 8）采用了自動排屑，自動潤滑裝置。 沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 2 設(shè)計(jì)任務(wù)與方案確定 設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)是進(jìn)行 向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)。利用微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）對縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行開環(huán)控制，對縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控化設(shè)計(jì)。驅(qū)動系統(tǒng)采用 列 步進(jìn)電機(jī)，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。 設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù) 最大加工直徑 在床面上 630床鞍上 350大加工長度 2900進(jìn)速度 縱向 大切削進(jìn)給速度 縱向 板及刀架重力 縱向 1200N 最小指令值（脈沖當(dāng)量） 縱向 沖 機(jī)床定位精度 總體 方案的確定 參照數(shù)控車床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)資料確定總體方案是：由微型計(jì)算機(jī)（單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、程序運(yùn)行，然后經(jīng) I/O 借口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)過硬件環(huán)分器、驅(qū)動芯片，驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)動作，通過聯(lián)軸器直 聯(lián)驅(qū)動滾珠絲杠，從而帶動工作臺實(shí)現(xiàn)縱向進(jìn)給。如圖 示。 圖 體設(shè)計(jì)方案 沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 8 3 機(jī)械傳動設(shè)計(jì)計(jì)算 計(jì)算內(nèi)容及步驟 本節(jié)只對縱向進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠，步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行計(jì) 算與選擇。采用由系統(tǒng)左端相系統(tǒng)右端步驟進(jìn)行計(jì)算與選擇。見圖 圖 計(jì)計(jì)算內(nèi)容 珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 切削力的計(jì)算 車床主切削力 文獻(xiàn) [6]） （ 3 式中： 在車床床面上加工的最大直徑（ 已知 30 代入公式（ 3，得 1 0 5 9 56 3 m a x ???? 走刀方向切削分力 垂直走刀方向的切削分力 按以下比例求出： x:: 649N, 238N 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 （ 1）計(jì)算進(jìn)給牽引力 文獻(xiàn) [6]） ? ??? ' （ 3 式中： 走刀方向切削分力（ N）； 主切削力（ N）； 沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 G 為移動部件重力（ N）； K 和 f’為分別為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，取 K=f’= 代入公式（ 3，得 ? ? ? ? 1 51 2 0 01 0 5 9 4 ????????? （ 2）計(jì)算最大動載荷 C（見文獻(xiàn) [6]） ?（ 3 式中： L 為工作 壽命， n 為絲杠轉(zhuǎn)速（ r/ v 為最大切削力條件下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的 1/2~1/3， a x ，取 v= 絲杠基本導(dǎo)程，初取 t 為額定使用壽命，取 t=15000h； 運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，取 滾珠絲杠工作載荷 h 將上面結(jié)果代入公式（ 3，得 ???? （ 3）計(jì)算最大靜載荷 文獻(xiàn) [6]） 0（ 3 式中： 靜態(tài)安全系數(shù)，取 絲杠工作載荷（ N）。 代入公式（ 3，得 2 1 ??? 01000L 5 00 6 ????? 0 01 0 0 00rL ???660陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 10 初選 珠絲杠螺母副 稱直徑 d=50杠取 5 級精度 該型號的絲杠為外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠副。 該型號滾珠絲杠額定動載荷： a 1 9 3 4 22 1 2 5 0 ??? 額定靜載荷： 2 37 4 6 0 0 0 ??? （ 4）滾珠絲杠傳動效率（見文獻(xiàn) [6]） （ 3 式中： ? 為絲杠螺旋升角，由絲杠型號查出， '112??? ； ? 為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) f=摩擦角約等于 '10 。 代入公式（ 3算，得 滾珠絲杠螺母副 的驗(yàn)算 （ 1）剛度驗(yàn)算 1）絲杠的拉壓變形量 1? （見文獻(xiàn) [6]） （ 3 式中： 1? 為在工作載荷 用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（ 絲杠工作載荷（ N）； L 為滾珠絲杠在支承間的受力長度 （ ，滾珠絲杠工作長度為 2900 考慮兩端安裝軸承，左 右支撐的中心距離約為 3150 E 為材料彈性模量，對剛 E=104 A 為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的橫截面積 ( 代入式（ 3計(jì)算 2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 2? （見文獻(xiàn) [6]） （ 3 ? ??? ?? ?? tg ? 0112( 112 ''' ????? ?????F m 0 4 4 2 5 1 5241??????????3 陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 式中： 滾珠直徑， ?=Z×圓數(shù)×列數(shù)； Z 為一圈滾珠數(shù)， ； 滾珠絲杠的公稱直徑 ( 預(yù)緊力 (N)； 滾珠絲杠工作載荷 (N)。 ?Z= Z×圓數(shù)×列數(shù) =2× 1=198 將上面各結(jié)果代入式（ 3進(jìn)行計(jì)算 滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的 1/3， 2? 值可減少一半左右 ? 3）絲杠副剛度的驗(yàn)算 絲杠的總變形量 ??? 9 2 4 9 7 4 2 ????? 絲杠有效行程為 29005 級精度滾珠絲杠有效行程在 2500~3150，行程偏差允許達(dá)到 69 m? ，絲杠剛度足夠。 （ 2）壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠是一種受軸向力的長柱壓桿（見文獻(xiàn) [6]） （ 3 式中： E 為絲杠材料彈性模量，對剛 E=104 ? ???3 22 ?????? ??22L ?6441?8153131 ????沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 12 I 為截面慣性矩 (對絲杠圓截面（ 絲杠底徑）； L 為絲杠最大工作長度 ( 絲杠支承方式系數(shù)，取 代入式（ 3，可得 故滾珠絲杠不會失穩(wěn)。 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型 步進(jìn)電機(jī)選型 初選 130進(jìn)電機(jī)，該型號步進(jìn)電動機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù)如下（見文獻(xiàn) [2]）： 表 30進(jìn)電機(jī)技術(shù)參數(shù) 步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性如下： 表 進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性（對應(yīng)表 電動機(jī)型號 運(yùn)行頻率 /(100 500 1000 2000 4000 6000 8000 10000 運(yùn)行步距角 /(? ) 不同頻率下的輸出轉(zhuǎn)矩 /( ) 130 選用 列步進(jìn)電機(jī)工作特點(diǎn)如下： （ 1）輸出轉(zhuǎn)矩大，矩頻特性硬； （ 2）驅(qū)動電源電流小，功耗低； （ 3）動態(tài)性能好，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，而且在時(shí)間上同步，因此調(diào)節(jié)輸入脈沖的數(shù)量、頻率、相序即可控制電機(jī)相應(yīng)的角位移、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn) 向獲 得所需要的運(yùn)動特性，而不需中間轉(zhuǎn)換裝置； （ 4）起動制動時(shí)間短，在制動狀態(tài)下，電機(jī)轉(zhuǎn)子可以鎖住定位； 相數(shù) 步距角 /(? ) 電壓 /V 電流 /A 最大 靜轉(zhuǎn)矩 /( 空載起 動頻率 /載運(yùn) 行頻率 /子轉(zhuǎn) 動慣量 /)( 2 3 0~325 6 37 1500 15000 48 4][ 1 53 3 4 0 7 3 ????? 13 （ 5）輸出角位移的定位精度高而且積累誤差不隨轉(zhuǎn)數(shù)而疊加； （ 6）電機(jī)軸伸采用鍵聯(lián)接。 傳動比的確定 傳動比 i 計(jì)算如下（見文獻(xiàn) [2]）： （ 3 式中： θ 為電動機(jī)步距角， θ= 絲杠基本導(dǎo)程， δ 為脈沖當(dāng)量， δ=沖 代入式（ 3中，計(jì)算得 轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算 絲杠轉(zhuǎn)動慣量（見文獻(xiàn) [6]） （ 3 對于鋼材，材料密度為 10kg/代入式（ 3有 23434 3 7 1102 9 ??????? ?? 式中： D 為絲杠直徑（ L 為絲杠長度（ 圓柱體質(zhì)量（ 電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 248 ?? 工作臺轉(zhuǎn)動慣量 （ 3 式中： 絲杠導(dǎo)程（ M 為工作臺質(zhì)量（ 代入式（ 3算得 ??3600 0 0 0 ?? ??? ?? 8 22 c ?? 202 ??????? ?2220 ???????????????????沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 14 轉(zhuǎn)動慣量 24 9 1 ????????步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩校核 計(jì)算加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。 1） 快速空載起動時(shí)電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 文獻(xiàn) [2]） ? 算快速空載起動時(shí)折到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩（見文獻(xiàn) [2]）： （ 3 式中： 對應(yīng)縱向空載最快移動速度的步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為 r/ — 步進(jìn)電動機(jī)由靜止不動到加速至 速所需要的時(shí)間，單位為 s。 其中 （ 3 式中： 縱向空載最快移動速度， 000mm/ —— 縱向步進(jìn)電機(jī)步距角，為 δ —— 縱向脈沖當(dāng)量，δ =沖 代入式（ 3算，得 設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速到 需要時(shí)間 向傳動鏈總效率η =入式（ 3算，得 移動部件運(yùn)動時(shí)，折算到電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為（見文獻(xiàn) [2]）： ? 3 340732900 64)??????? ??? 1602m a x ?? ? a ma ?360m 0 0 0 rn m ?? ????? ?????? ?? 9021602 4m a x ???沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 式中： μ—— 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，滑動導(dǎo)軌取 z—— 垂直方向工作負(fù)載，空載取 0 η—— 縱向傳動鏈總效率，η =入式（ 3算，得 ????? a 2） 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 文獻(xiàn) [2]） ?2前面對滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷 649N ????? 最大工作負(fù)載 0595N，摩擦轉(zhuǎn)矩 ?? ?? 02.6,m 1取安全系數(shù) K=4 ???? a 30進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 ? 37m 。 步進(jìn)電機(jī)性能校核 1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 最快工進(jìn)速度 00m a x 脈沖當(dāng)量 脈沖/01.0 求出電動機(jī)對應(yīng)運(yùn)行頻率 由 130運(yùn)行矩頻特性（表 知，在此頻率下，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩? ? ????????? 0 2 0 00( ????? ? ????????? 0 2 0 01 0 5 9 5( ????f 8 3 0 060 m a xm a x ???? ?沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 16 f ?? a x 遠(yuǎn)大于 ? 滿足要求。 2）最快空載移動時(shí)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 最快空載移動速度 m 000m a x 電動機(jī)對應(yīng)運(yùn)行頻率 由 130運(yùn)行矩頻特性（表 知，在此頻率下，電動機(jī)轉(zhuǎn)矩? a x 遠(yuǎn)大于 ? 滿足要求 3）最快空載移動時(shí)電動機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動時(shí)，電動機(jī)對應(yīng)運(yùn)行頻率 333m 查表 130進(jìn)電機(jī)運(yùn)行極限頻率為 15000有超出上限，符合要求。 滾珠絲杠的預(yù)緊和消隙 對 于滾絲杠副來說，除單一方向進(jìn)給傳動精度有一定要求外，其軸向間隙也應(yīng)該有嚴(yán)格的要求，以保證反向精度的要求。 軸向間隙一般是指絲杠固定不動，螺母在限制其回轉(zhuǎn)狀態(tài)下出現(xiàn)的軸向位移。滾珠絲杠副的軸向間隙是受負(fù)載時(shí)，在滾珠與滾道面接觸點(diǎn)的彈性變形所引起的螺母位移量與螺母原有間隙的總和，要將軸向間隙完全清除是相當(dāng)困難的。 通常采用雙螺母預(yù)緊的方式，將彈性變形控制在最小的限度內(nèi)，如果滾珠絲桿與配合公差選擇適當(dāng)，就可以獲得相當(dāng)高的定位精度。目前國內(nèi)生產(chǎn)的滾珠絲杠，外循環(huán)單螺母徑向間隙達(dá) 雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào) 整后基本能消除間隙。 本人所設(shè)計(jì)選取的滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷方式為墊片預(yù)加負(fù)荷式。用螺釘聯(lián)接兩螺母套，在兩螺釘間加墊片，通過調(diào)整墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的，預(yù)緊力增大了絲杠的剛度。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，剛度高，裝拆方便，但調(diào)整費(fèi)時(shí)，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和進(jìn)行預(yù)緊，運(yùn)用于一般精度的機(jī)構(gòu)中。同時(shí)，在采用預(yù)緊力消隙時(shí)應(yīng)注意： （ 1）通過預(yù)緊力產(chǎn)生預(yù)拉變形，減少了彈性變形引起的位移，但不能使預(yù)緊力過大，否則加大驅(qū)動力矩，會降低效率，縮短使用壽命； （ 2）特別注意 絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙，盡可能使之減小。 ??? ??? 4 92 0 ??? 3 3 0 0 060 m a xm a x ???? ?沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 4 環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性分析 經(jīng)濟(jì)性分析 列數(shù)控車床為普及型數(shù)控車床，適宜加工形狀復(fù)雜的軸、套、盤類零件。如車削內(nèi)、外圓柱面、圓錐面、圓弧面、端面、切槽、倒角、車螺紋等，尤其適合多品種、中小批量的輪番加工。工藝適應(yīng)性強(qiáng)，加工效率高，廢品率低，成品一致性好，可降低對工人技術(shù)熟練程度的要求。編程容易，操作簡單，功能全面，是理想的中型機(jī)械加工設(shè)備。 主軸可實(shí)現(xiàn)分段變頻無級變速。寬段速，大重疊，全自動，適應(yīng)加工范圍廣。 主軸可實(shí)現(xiàn)低速大扭 矩輸出 。 活動安全防護(hù)設(shè)計(jì)，便于操作及上下工件。尾座有減荷裝置，移動輕快靈活 。 錐體車削不受角度和長度限制 。 可車各種圓柱、圓錐螺紋，并可連續(xù)過渡 。 本文主要設(shè)計(jì) 控車床的縱向進(jìn)給系統(tǒng)，進(jìn)給傳動采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，開環(huán)伺服系統(tǒng)沒有檢查機(jī)械運(yùn)動的檢測元件，沒有來自位置傳感器的反饋信號。由步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動，運(yùn)動速度和精度可以保證，運(yùn)動中基本平穩(wěn)、不會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，主要用于經(jīng)濟(jì)型或簡易型數(shù)控機(jī)床，其精度和速度的提高受到限制。 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中滾珠絲杠螺母副和步進(jìn)電機(jī)可直接與廠商協(xié)商購買，設(shè)計(jì)中一些非標(biāo)準(zhǔn)配件 可與制造廠外協(xié)生產(chǎn)加工?？刂葡到y(tǒng)采用抵擋配置，使用 列單片機(jī)，簡單實(shí)用，性價(jià)比高。相比較于高端數(shù)控車床產(chǎn)品，雖然其精度及加工速度受到了一定的限制，但相比于普通機(jī)床其加工效率可以提高 3，足以滿足上述加工要求。在很大程度上降低了生產(chǎn)加工成本。 環(huán)保性分析 環(huán)境污染是指人類直接或間接地向環(huán)境排放超過其自凈能力的物質(zhì)或能量，從而使環(huán)境的質(zhì)量降低，對人類的生存與發(fā)展、生態(tài)系統(tǒng)和財(cái)產(chǎn)造成不利影響的現(xiàn)象。具體包括：水污染、大氣污染、噪聲污染、放射性污染等。水污染是指水體因某種物質(zhì)的介入，而導(dǎo) 致其化學(xué)、物理、生物或者放射性污染等方面特性的改變，從而影響水的有效利用，危害人體健康或者破壞生態(tài)環(huán)境，造成水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。大氣污染是指空氣中污染物的濃度達(dá)到有害程度，以致破壞生態(tài)系統(tǒng)和人類正常生存和發(fā)展的條件，對人和生物造成危害的現(xiàn)象。噪聲污染是指所產(chǎn)生的環(huán)境噪聲超過國家規(guī)定的環(huán)境噪聲排放標(biāo)準(zhǔn)，并干擾他人正常工作、學(xué)習(xí)、生活的現(xiàn)象。放射性污染是指由于人類活動造成物料、人體、場所、環(huán)境介質(zhì)表面或者內(nèi)部出現(xiàn)超過國家標(biāo)準(zhǔn)的放射性物質(zhì)或者射線。例如，超過國沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 18 家和地方政府制定的排放污染物的標(biāo)準(zhǔn)，超種類、超量、超濃度排 放污染物；未采取防止溢流和滲漏措施而裝載運(yùn)輸油類或者有毒貨物致使貨物 落水造成水污染；非法向大氣中排放有毒有害物質(zhì)，造成大氣污染事故，等等。隨著科學(xué)技術(shù)水平的發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境污染也在增加，特別是在發(fā)展中國家。 環(huán)境污染問題越來越成為世界各個(gè)國家的共同課題之一。每一個(gè)環(huán)境污染的實(shí)例，可以說都是大自然對人類敲響的一聲警鐘。為了保護(hù)生態(tài)環(huán)境，為了維護(hù)人類自身和子孫后代的健康，必須積極防治環(huán)境污染。 為了做好環(huán)境污染的防治工作，我們每一個(gè)公民必須努力增強(qiáng)環(huán)保意識：一方面要清醒地認(rèn)識到人類在開發(fā)和利用 自然資源的過程中，往往對生態(tài)環(huán)境造成污染和破壞；另一方面要把這種認(rèn)識轉(zhuǎn)變?yōu)樽约旱膶?shí)際行動，以“保護(hù)環(huán)境，人人有責(zé)”的態(tài)度積極參加各項(xiàng)環(huán)境保護(hù)活動，自覺培養(yǎng)保護(hù)環(huán)境的道德風(fēng)尚。 本設(shè)計(jì)中，進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動采用步進(jìn)電機(jī)，以電能作為能源。步進(jìn)電機(jī)在使用過程中，所需要的驅(qū)動電流小，功耗低，同時(shí)可以產(chǎn)生較大的輸出轉(zhuǎn)矩。避免了能源使用的污染和浪費(fèi)。在設(shè)計(jì)中零件的潤滑均可采用環(huán)保型的無污染潤滑液，潤滑充分還可以保證設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不產(chǎn)生噪聲。 在整個(gè)車床工作過程中， 一般使用乳化液或冷卻油作為冷卻液，從而產(chǎn)生大量的油霧油煙，影 響工廠的生產(chǎn)環(huán)境，有害于 生產(chǎn)工作人員 的身心健康 ，可以通過購買使用油霧過濾器來吸收產(chǎn)生的油霧。 沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 結(jié)論 這次設(shè)計(jì)的 向進(jìn)給系統(tǒng)，充分考慮到其實(shí)用性，操作方便，技術(shù)參數(shù)設(shè)置合理，極大地提高了加工效益，性能穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)任何故障。設(shè)計(jì)完后的機(jī)床屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，結(jié)構(gòu)簡單，成本較低。進(jìn)給伺服系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。采有集成度高、可靠性強(qiáng)、功能好、速度快、抗干擾能力強(qiáng)的8 位 列單片機(jī)。選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，保證了進(jìn)給伺服系統(tǒng)的 傳動精度和平穩(wěn)性。 另外，該設(shè)計(jì)也可以用于其他車床，只需要根據(jù)相應(yīng)機(jī)床的設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的變化，對選用的滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的改變，就可用于其它不同型號的車床。同時(shí)，這種設(shè)計(jì)方法也適用于普通車床的數(shù)控化改造，具有很好的推廣前景。 在設(shè)計(jì)過程中，由于時(shí)間有限及自己在電路程序方面知識的欠缺，在電路設(shè)計(jì)中只設(shè)計(jì)了控制一臺步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動的電路，在程序設(shè)計(jì)中， 示上只實(shí)現(xiàn)了顯示固定數(shù)值，沒做到隨電機(jī)轉(zhuǎn)速變化動態(tài)顯示。 沈陽工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 20 參考文獻(xiàn) [1] 武友德 式車床數(shù)控化改造 交通大學(xué)， 2005 [2] 尹志強(qiáng)等主編 機(jī)械工業(yè)出版社， 3] 王仁德，張耀滿，趙春雨，趙亮 東北大學(xué)出版社， 4] 蔡厚道，吳日韋主編 北京理工大學(xué)出版社， 5] 金鈺，胡祜德，李向春編著 北京理工大學(xué)出版社 6] 吳振彪主編 中國人民大學(xué)出版社， 2000 [7] 謝紅 同濟(jì)大學(xué)出版社，