摘 要 我所設(shè)計的畢業(yè)課題為“普通銑床數(shù)控化改造設(shè)計”。對于機床的設(shè)計來說 ，我首先對所要設(shè)計的機床進行技術(shù)調(diào)查，查閱了國內(nèi)外有關(guān)文獻資料，在此基礎(chǔ)上，對其用途范圍、性能指標(biāo)、方案對比等進行論證分析。對于通用機床我更是查閱了大量的國內(nèi)外有關(guān)銑床的資料后，擬定了此機床的總體方案為立式銑床。然后根據(jù)總體方案的布局形式，規(guī)格參數(shù)，精度性能等要求，對此機床的進給傳動系統(tǒng)進行了專題設(shè)計。首先是對進給傳動的運動設(shè)計。此設(shè)計主要功能和主要參數(shù)以及各系統(tǒng)的基本工作原理及其數(shù)控化。數(shù)控化的銑床的定位精度和重復(fù)定位精度明 顯提高，獲得了明顯的經(jīng)濟效益。 關(guān)鍵詞 ： 數(shù)控化改造；定位精度；重復(fù)定位精度；無級變速；伺服傳動系統(tǒng)。 第一章 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計和計算 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 主傳動系統(tǒng)一般由動力源（如電動機）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工作臺），以及開停、換向和制動機構(gòu)等部分組成。動力源為執(zhí)行元件提供動力，并使其得到一定的運動速度和方向 ,變速裝置傳遞動力以及變換運動速度，執(zhí)行元件執(zhí)行機床所需的運動，完成旋轉(zhuǎn)或直線運動。 現(xiàn)代切削加工正向著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對機床的性能提出越來越高的要求， 如轉(zhuǎn)速高，調(diào)速范圍大，恒扭矩調(diào)速范圍達 1： 100 1： 1000，恒功率調(diào)速范圍達 1： 10 以上；更大的功率范圍達 250在切削加工中自動變換速度；機床結(jié)構(gòu)簡單，噪聲小，動態(tài)性能好，可靠性高等。數(shù)控機床主傳動設(shè)計應(yīng)滿足的特點：主傳動采用直流或交流電動機無級調(diào)速；數(shù)控機床驅(qū)動電動機和主軸功率特性的匹配設(shè)計；數(shù)控機床高速主傳動設(shè)計；數(shù)控機床采用部件標(biāo)準(zhǔn)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計；數(shù)控機床的柔性化、復(fù)合化；虛擬軸機床設(shè)計。 為了適應(yīng)數(shù)控機床加工范圍廣、工藝適應(yīng)性強、加工精度高和自動化程度高等特點，要求主傳動裝置應(yīng)具有以下特點： （ 1） 具有較大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級調(diào)速。無級變速傳動在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到最有利的切削速度；能在運轉(zhuǎn)中變速，便于實現(xiàn)變速自動化；能在負(fù)載下變速，便于車削大端面時保持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。 （ 2） 具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。 （ 3） 良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機床一般既要進行粗加工，又要精加工；加工 時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻 運動部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時甚至破壞刀具或零件，使加工無法進行。因此主傳動系統(tǒng)中的 各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力 抗振性?？拐裥?用動剛度或動柔度來衡量。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度 阻尼比及固有頻率等參數(shù)。 機床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運動精度造成的加工誤 差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低傳動效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合精度，并進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。 1 主傳動變速系統(tǒng) 普通機床一般采用機械有級變速調(diào)速傳動，而數(shù)控機床需要自動變速；且在切削階梯軸的不同直徑，切削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時，需要隨切削的直徑的變化而自動變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選用到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。 機床主傳動中常采用的無級變速裝置有三大 類：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。 無級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計原則： 一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動系統(tǒng)要求的無級變速裝置。如銑床主傳動系統(tǒng)要求恒功率傳動，就應(yīng)該選擇恒功率無級變速裝置。 二為無級變速系統(tǒng)裝置單獨使用時，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機床實際需要的恒功率變速范圍。為此，常把無級變速裝置與機械分級變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴大恒功率變速范圍和整個變速范圍。 （ 1） 主軸部件設(shè)計 主軸部件的性能要求 主軸部件是機床主要部件之一，它是機床的執(zhí)行元件。它的功用是支承并帶 動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成型運動。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 主軸部件的工作性能對整機性能和加工質(zhì)量以及機床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決定機床性能和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的重要因素。因此，對主軸部件有如下要求： 軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的 7： 24 錐孔）的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋 轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。 剛度 主軸部件的剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性變形時，在位移方向上所施加的作用力來定義的。主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、滾動軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量等都影響主軸部件的剛度。 溫升 因為相對運動處的摩擦生熱，切削取得切削熱等使主軸溫度升高將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度； 溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，各類機床對溫升都有一定的限制。 可靠性 數(shù)控機床是高度自動化的機床，所以必須保證工作可靠性，可喜的是這方面的研究正在發(fā)展。 精度保持性 它指長期保持其原始制造精度的能力。對數(shù)控機床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。 （ 2） 主軸部件的組成和軸承選型 主軸部件，它由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 主軸的傳動件，可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn) 分離傳動和模塊化設(shè)計：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動聯(lián)接。本三坐標(biāo)曲面數(shù)控銑床采用帶傳動聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向）。角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。推力支承應(yīng)位于前支承內(nèi)，原因是數(shù)控機床的坐標(biāo)原點，常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點的位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點支推力支承之間的距離。 主軸軸承，選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了 提高剛度和承載能力，常采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對背，面對面和同向組配，背靠背和面對面組配都能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。背對背比面對面安裝的軸承具有較高的抗顛覆力矩的能力。運轉(zhuǎn)時，軸承的外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過盈加大。軸向膨脹對與背靠背組配將使過盈減少，于是，可以補償一部分徑向膨脹；而對于面對面組配，將使過盈進一步加大。基于上述分析，主軸受到彎距，又屬高速運轉(zhuǎn)，因此主軸軸承必須采用背靠背組配。 角接觸角軸承的 間隙調(diào)整和預(yù)緊 主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承，還應(yīng)在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。 軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于提高運動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而在預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動體將增多，各滾動體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動，則由于各個方面都有滾動體支承，可以提高抗振性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高 ；而且較大的預(yù)緊力將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。 角接觸角軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯位實現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡稱預(yù)緊力 位為 N。多聯(lián)角接角球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊三級預(yù)緊。訂貨時可指定預(yù)緊級別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去。裝配時擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。如果兩個軸承間需要隔開一定的距離，可在兩軸承之間加入厚度相同的內(nèi)外隔套。在軸向載荷的作用下，不受力側(cè)軸承的滾動體與滾道不能脫離接觸。而滿足這 個條件的最小預(yù)緊力，雙聯(lián)組配為最大軸向載荷的 35%。 承載能力和壽命 主軸軸承通常載荷相對較輕。一些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有問題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為 ，經(jīng)使用磨損后跳動精度降為 ,這個軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。雖然還未達到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計。 (3) 主軸組件的動態(tài)特性 通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動機高速主軸，電動機轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生 共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施： 是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的 30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。 激振力可能來自主軸組件的不平衡，這時激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以 /30。也可能來自斷續(xù)切削，這時激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù) Z。 增大阻尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動。這時主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對 主軸組件的抗振性影響很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過大的預(yù)緊反而使阻尼減少，故選擇預(yù)緊時還因考慮阻尼因素。 采用消振裝置。 （ 4） 主軸軸承的潤滑 滾動軸承在接觸區(qū)的壓強很高，在這么高的壓強下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個點的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。 脂潤滑 滾 動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進入，壽命是很長的。一次充填可用到大修，不需補充，也不要加脂孔。 脂潤滑可選用鋰基脂，如 （常用于球軸承）。 油氣潤滑 如果 較大時，還需對軸承進行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑能達到這個目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可 回收，不污染環(huán)境。油 用于潤滑，空氣用于冷卻。 主軸系統(tǒng)計算 1 V 帶傳動的設(shè)計計算 三角帶的選用應(yīng)保證有效地傳遞最大功率（不打滑）并有足夠的使用壽命（一定的疲勞強度）。帶傳動設(shè)計計算的主要內(nèi)容包括確定帶的型號、基準(zhǔn)長度和根數(shù)；確定帶輪的材料、結(jié)構(gòu)尺寸；確定傳動中心距及作用在軸上的力等。 (1) 確定計算功率 中： 工況系數(shù) (工作情況系數(shù) )； P 電機額定功率 2) 選擇三角帶型號 根據(jù) 圖選 窄 V 帶 (3) 確定帶輪直徑 小帶輪直徑 滿足： D1 以免帶的彎曲應(yīng)力過大而導(dǎo)致其壽命降低。 查表取 D ,故選擇 D (4) 計算膠帶速度 25/ 0 0 0 1250100100060 11 故 擇合格 D 0 01 0 0212 (5) 確定中心距 a 和帶長 )(1 )(2 210 得 00210 0 初選 000 帶長 0784)()(22 0212210 查表，取 000 中心距 6 12 0 a 的調(diào)整范圍： d 2 4 60 1 d 2 9 a x (6) 驗算小帶輪包角 1 小帶輪包角可按公式求得： 0 121 1201621 ， 即滿足條件。 (7) 確定 V 帶根數(shù) z V 帶根數(shù) Z 可按下式計算： z)( 00 由表，查得 )11(10 由表，查得 由表，查得 1199.1) 由表，查得 K 由表，查得 K 代入求根公式，得 取 z=6,符合表 7薦的輪槽數(shù) (8) 確定初拉力0 帶合適的初拉力可按下式計算： 20 ) 0 0 d 由表得 20 (9) 計算作用在軸上的壓力 Q 221 6 2s 262 給伺服系統(tǒng)的設(shè)計 1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 進給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。 (1) 穩(wěn)定性 伺服系 統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行 ,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），與外界的作用信號（包括指令信號或擾動信號）的性質(zhì)或形式無關(guān)。 (2) 精度 伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差：動態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標(biāo)就行。 (3) 快速響應(yīng)性 快 速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機床的加工精度和生產(chǎn)率。 2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 在靜態(tài)設(shè)計方面有： （ 1） 能夠克服摩擦力和負(fù)載； （ 2） 很小的進給位移量； （ 3） 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度； （ 4） 足夠的調(diào)速范圍； （ 5） 進給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象； 在動態(tài)設(shè)計方面的要求有： (1) 具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩； (2) 具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量； (3) 負(fù)載引 起的軌跡誤差盡可能??； 對于數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求 (1) 被加速的運動部件具有較小的慣量； (2) 具有較高的剛度； (3) 良好的阻尼； (4) 傳動部件在拉壓剛度、 扭轉(zhuǎn)剛度、 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能 小的非線性。 3 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 （ 1） 時間響應(yīng)特性 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。 時間響應(yīng)特性是用來描述系統(tǒng)對迅速變化的指令能否迅速跟蹤的特性，它由瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩部分組成。由于系統(tǒng)包含一些儲能元 件，所以當(dāng)輸入量作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài)響應(yīng)過程（或叫過渡過程）。穩(wěn)定響應(yīng)是指當(dāng)時間 t 趨向無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。若在穩(wěn)定時，輸出和輸入不能完全吻合，就認(rèn)為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。 （ 2） 頻率響應(yīng)特性 時間響應(yīng)特性是從微分方程出發(fā)，研究系統(tǒng)響應(yīng)隨時間的變化的規(guī)律，即在已知傳遞函數(shù)的前況下，從系統(tǒng)在階越輸入及斜坡輸入時間應(yīng)速度及振蕩過程的狀態(tài)中來獲得動態(tài)特性參數(shù)。然而在很多情況下，傳遞函數(shù)不清楚，所以只能由試驗的方法來求取動態(tài)特性。因此出現(xiàn)頻率響應(yīng)特性法。所謂頻 率響應(yīng)特性 ,就是系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)，即它通過研究系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)規(guī)律來獲得啟動態(tài)特性。 （ 3） 快速性分析 所謂快速性分析是指分析系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，快速性反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量。 對于線性進給伺服系統(tǒng)，由于它包含各種電路、機電轉(zhuǎn)換裝置和機械傳動機構(gòu)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時間常數(shù)，對高頻信號來不及反應(yīng)，只是一個地通漏波器。這種系統(tǒng)的通頻寬帶，對高頻信號響應(yīng)速度快，所以從開環(huán)頻率特性圖看，提高系統(tǒng)的截止頻率，則可以提高閉環(huán)回路的響應(yīng)速度。 給傳動的計算 1 X 軸滾珠絲杠副 (1) 精度 要求 ：進給精度 快速進給精度 m 。 (2) 疲勞強度 絲杠的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為 1625N,工作臺質(zhì)量 700： 求計算載荷 f 3 i n 6 4 9241 6 2 5m a x 32 m a x 32421649 根據(jù)機電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 計算載荷 查表取 K 查表取 K 查表取 K 查表取 D 級精度 則： NF c 1 3 2 81 1 0 計算額定動載荷計算值 取絲杠的工作壽命為 0000 , 00 rn m 3 4 C 3 0000100 41328 選用 絲杠，由表 2絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 00 導(dǎo)程 0 滾珠直徑 按表種尺寸公式計算： 滾道半徑 偏心距 0 (絲杠內(nèi)徑 01 穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑 向和軸向的負(fù)荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動端a 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 并按下式計算 22)( 式中， E 為絲杠材料 的彈性模量，對于鋼 ,E=206l 為絲杠工作長度（ m）； a I 為絲杠危險截面的軸慣性矩（ 4m ）； 為長度系數(shù)，取 32。 4841 a NF 安全系數(shù)36 7 S=SS,絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 b 高速長絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速 要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速按下式計算： 212 )(9910 式中： 臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表 2題取 927.3 32 22) 3 3 9 1 0 r m 00101063m a x 即： ，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 c 此外滾珠絲杠副還受 的限制，通常要求 m 07 40 m i n/107m i n/10410040 430 所以該絲杠副工作穩(wěn)定 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T( )共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量 0L (m)為： 20 式中 :A 絲杠截面積 , 2141 ； 絲杠的極慣性矩， 4132 ； G 為絲杠切變模量，對鋼； T 為轉(zhuǎn)矩。 )ta n (2 0 式中： 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 平均工作載荷 34t a n (102401107 3按最不利的情況?。ㄆ渲?） 412221201642 49223293)010(16) m 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 L 小于其傳動精度的 1/2，即 該絲杠的 L 滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率 為 9 4 34t a n ()334t a n ()t a n (t a n 要求在 90% 95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計算驗算， 項性能均符合題目要求，所以合格。 2 Y 軸滾珠絲杠副 （ 1） 精度 要求：進給精度 快速進給精度 m （ 2） 疲勞強度 絲杠的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為 1625N,工作臺質(zhì)量 900： 求計算載荷 f 3 0m i n 6 5 6311 6 2 5m a x 32 m a x 33121656 根據(jù)機電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 計算載荷 查表取 K 查表取 K 查表取 K 查表取 D 級精度 則： NF c 1 3 3 71 1 1 計算額定動載荷 取絲杠的工作壽命為 0000 , 00 rn m 3 4 C 3 0000100 41337 選用 絲杠，由表 2絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 00 導(dǎo)程 0 滾珠直徑 按表種尺寸公式計算： 滾道半徑 偏心距 0 (絲杠內(nèi)徑 01 穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動端a 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 并按下式計算 22)( 式中， E 為絲杠材料的彈性模量，對于鋼 E=206m）； a I 為絲杠危險截面的軸慣性矩（ 4m ）； 為長度系數(shù)，取 32。 4841 a NF 6 安全系數(shù)25 S=SS,絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 b 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速 要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速按下式計算： 212 )(9910 式中： 臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表 2題取 927.3 3222) 3 3 9 1 0 r m 00101063m a x 即： ，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 c 此外滾珠絲杠副還受 的限制，通常要求 m 07 40 m i n/107m i n/10410040 430 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T( )共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量 0L (m)為： 20 式中 :A 絲杠截面積 , 2141 ； 絲杠的極慣性矩， 4132 ； G 為絲杠切變模量，對鋼； T 為轉(zhuǎn)矩。 )ta n (2 0 式中： 為摩擦 角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 平均工作載荷 34t a n(102401114 3按最不利的情況?。ㄆ渲?） 412221201642 49223293)010(16) m 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 L 小于其傳動精度的 1/2，即 該絲杠的 L 滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率 為 9 4 34t a n ()334t a n ()t a n (t a n 要求在 90% 95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計算驗算， 項性能均符合題目要求，所以合格。 3 Z 軸滾珠絲杠副 （ 1）精度 要求：進給精度 快速進給精度 m （ 2）疲勞強度 絲杠的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進給力的垂直分力。主軸重量為 300： 摩擦力 f 3 0m i n 9 5 010m a x 3 871031 6 i n 32 m a x 3238722950 根據(jù)機電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 計算載荷 查表取 K 查表取 K 查表取 K 查表取 D 級精度 則： NF c 3 3 1 42 7 6 計算額定動載荷 取絲杠的工作壽命為 0000 , 00 rn m 3 4 C 3 0000100 43314 選用 絲杠，由表 2絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 00 導(dǎo)程 0 滾珠直徑 按表種尺寸公式計算： 滾道半徑 偏心距 0 (絲杠內(nèi)徑 01 穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動端a 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 22)( 式中， E 為絲杠材料的彈性模量，對于鋼 E=206l 為絲杠工作長度（ m）； a I 為絲杠危險截面的軸慣性矩（ 4m ）； 為長度系數(shù)，取 32。 4841 a NF 安全系數(shù)25 S=SS,絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 b 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速 要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速按下式計算： 212 )(9910 式中： 臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表 2題取 927.3 3222) 3 3 9 1 0 r m 00101063m a x 即： ，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 c 此外滾珠絲杠副還受 的限制，通常要求 m 07 40 m i n/107m i n/10410040 430 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T( )共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量 0L (m)為： 20 式中 :A 絲杠截面積 , 2141 ； 絲杠的極慣性矩， 4132 ； G 為絲杠切變模量，對鋼； T 為轉(zhuǎn)矩。 )ta n (2 0 式中： 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 平均工作載荷 34t a n (102402762 3按最不利的情況?。ㄆ渲?） 412221201642 49223293)010(16) m 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 L 小于其傳動精度的 1/2，即 該絲杠的 L 滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率 為 9 4 34t a n ()334t a n ()t a n (t a n 要求在 90% 95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計算驗算， 項性能均符合題目要求，所以合格。 4 滾珠絲杠的安裝與使用 (1) 潤滑 為使?jié)L珠絲杠副能充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑方式主要有以下兩種 潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的 1/3，一般滾珠絲杠副在螺母內(nèi)部已加注 #鋰基潤滑脂； 潤滑油 潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)如表所示，但是隨行程、潤滑油的種類、使用條件（熱抑制量）等的不同而有所變化。請注意使用。 表 潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)（間隔 3 分鐘） 表潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn) 軸 頸 (給油量 (4 8 0 14 5 18 0 25 8 32 6 40 5 50 5 63 0 100 00 160 2) 防塵 滾珠絲杠副與滾動軸承一樣，如果污物及異物進入就 很快使它磨耗，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物（切削碎削）進入時，必須采用防塵裝置（折皺保護罩、絲杠護套等），將絲杠軸完全保護起來。 另外，如沒有異物，但有浮塵時可在滾珠螺母兩端增加防塵圈，請用戶根據(jù)需要按編號規(guī)則選定合適規(guī)格型號。 (3) 使用 滾珠絲杠副在使用時應(yīng)注意以下事項： 滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運動，必要時要在行程兩端配置限位，以避免螺母越程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。 滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動時，如部件重量未加平衡，必須防止傳動停止或電機失電后，因部件自重而 產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?。防逆?zhèn)鲃臃椒捎梦佪單仐U傳動、液壓式電器制動器及超越離合器等。 (4) 安裝 滾珠絲杠副在安裝時應(yīng)注意以下事項： 滾珠絲杠副僅用于承受軸向負(fù)荷。徑向力、彎矩會使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等不良負(fù)荷，從而可能造成絲杠的永久性損壞。因此，滾珠絲杠副安裝到機床時應(yīng)注意： a 絲杠的軸線必須和與之配套導(dǎo)軌的軸線平行，機床的兩端軸承座與螺母座必須三點成一線。 b 安裝螺母時，盡量靠近支撐軸承。 c 同樣安裝支撐軸承時，盡量靠近螺母安裝部位。 滾珠絲杠副安裝到機床時，請不要把 螺母從絲杠軸上卸下來。如必須卸下來時，要使用輔助套，否則裝卸時滾珠有可能脫落。螺母裝卸時應(yīng)注意下列幾點： a 輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑 b 輔助套在使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩； c 裝卸時，不可使過大力以免螺母損壞； d 裝入安裝孔時要避免撞擊和偏心。 第二章 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計 機控制系統(tǒng)組成及特點 1 微機控制系統(tǒng)的組成 微機控制系統(tǒng)主要由微型計算機和伺服系統(tǒng)兩大部份組成，其中微機又包括硬件和軟件兩部分。 (1) 微機控制系統(tǒng)基本硬件組成 硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)， 有了硬件軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下部分組成。 主控制器，即中央處理單元 存儲器，包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。 接口。 (2) 微機數(shù)控系統(tǒng)軟件 軟件是指為實現(xiàn)微機控制系統(tǒng)各項功能編制的專用程序，它一般由以下幾部分組成： 輸入數(shù)據(jù)處理程序 它接受輸入的零件加工程序，用標(biāo)準(zhǔn)代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)整理成便于解釋執(zhí)行的格式后存放。 插補運算程序 它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補器的功能。 速度控制程序 它根據(jù)給定的速度代碼或每分毫米數(shù)控制插補運算的頻率，以保證預(yù)定速度進給。 管理程序和診斷程序 管理程序?qū)?shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過程服務(wù)的各個程序進行調(diào)度，還可以對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。診斷程序可以在運行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示故障類型。 2 微機數(shù)控系統(tǒng)的特點 （ 1） 可靠性高。由于采用大規(guī)模集成電路、軟件連接以及自診斷功能，所以大大提高了無故障運行時間，即使有極少的故障也能及時發(fā)現(xiàn)和排除。 （ 2）靈活性強。由于系統(tǒng)的硬件是通用、標(biāo)準(zhǔn)化的，對于不同機床的控制要求只 需更換可編程只讀存儲器中的系統(tǒng)程序就可實現(xiàn)。 （ 3）易于實現(xiàn)機電一體化。采用大規(guī)模集成電路時控制框尺寸大為縮小，采用可編程接口又可將 M、 S、T 等順序控制部分邏輯電路與數(shù)控裝置結(jié)合一起，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。 （ 4）價格低。采用微機數(shù)控，使數(shù)控機床電氣部分成本大為下降，對功能較齊全的數(shù)控機床價格幅度下降更大。 （ 5）由于微機的功能強，存儲量大，可實現(xiàn)多功能控制、多路運行控制及數(shù)據(jù)和圖形顯示等，給操作人員和監(jiān)視生產(chǎn)過程帶來方便。 微機控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 1 主控制器 選擇 目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片 由 8086、 8088、 80286、 80386、以及 8098、 8096 等 16 位機的 有8080、 8051、 8031、 8751 等 8 位機的 從性能價格比上，我們常采用 列單片機中的8031 作為主控制器。 下面對各功能部件作進一步的說明： （ 1） 數(shù)據(jù)存儲器（ 片內(nèi)為 256 個字節(jié)，片外最多可擴至 64K 字節(jié)。 （ 2） 程序存儲器（ 8031 無此部件； 8051 為 48751 為 4外最多可外擴至64K 字節(jié)。 （ 3） 中 斷系統(tǒng)：具有 5 個中斷源， 2 級中斷優(yōu)先權(quán)。 （ 4） 定時器 /計數(shù)器： 2個 16 位的定時器 /計數(shù)器，具有四種工作方式。 （ 5） 串行口： 1 個全雙工的串行口，具有四種工作方式。 （ 6） 、 、 、 ：為四個并行 8 位 I/ （ 7） 微處理器（ 為 8 位的 內(nèi)含一個 1 位 處理器），不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進行位變量處理。 片機的硬件結(jié)構(gòu)， 8031 單片機包含中央處理器、數(shù)據(jù)存儲器 (定時 /計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及 數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。 下圖為 8031 的引腳圖： 列單片機中的 8031 采用 40裝的雙列直插式封裝 構(gòu)，下圖是它們的引腳配置， 40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根。 4 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 線復(fù)用。 8031 引腳配置圖 2 存儲器電路的擴展 （ 1） 程序存儲器的擴展 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片，即紫外線可編程的 片，其型號分別為： 2716、 2732、2764、 27128、 27256 等，其容量分別位 2k、 4k、 8k、 16k、 32k。在選擇芯片時，要考慮 序的匹配，即 8031 所能讀取的時間必須大于 要求的讀取時間。此外，還要考慮最大讀出速度、工 作溫度計存儲器的容量。在滿足容量要求是應(yīng)盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，是系統(tǒng)簡化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用 2764 作為擴展芯片。 2764 與 8031 主要是三總線的聯(lián)接。 2764 中的低 8 位地址線通過地址鎖存器 74 8031地址鎖存允許信號 高電平，則 8 位數(shù)據(jù)線直接與 8031 5 位地址線分別與 腳直接同 8031腳相聯(lián)，片選信號 地，以便總能選中。由于 8031 只能選通外部程序存儲器，因而其 腳接 地。 腳圖 （ 2） 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 由于 8031 內(nèi)部 有 128 字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用 6116 和 6264