畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) X5032 立式銑床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名： 劉聲宇 專業(yè)班級(jí)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 2010-4 指導(dǎo)教師： 李三平 學(xué) 院： 機(jī)電工程學(xué)院 2014 年 5 月 X5032 立式銑床進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì) 摘要 本設(shè)計(jì)是 對(duì) X5032 型普通 立式銑床 的進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行 數(shù)控化改造。為了把 X5032立式銑床改 進(jìn) 成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，我 主要 針對(duì) X5032 立式 銑床 進(jìn)給 系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造 。 在 進(jìn)給系統(tǒng) 中 ，我把 原有 的 梯形 絲杠換 為 滾珠絲杠， 以便 提高 效率和精度 ， 并且 由原先的手動(dòng)控制， 變?yōu)?由電動(dòng)機(jī)控制。 關(guān)鍵詞 數(shù)控 機(jī)床 改造，滾珠絲杠，進(jìn)給 系統(tǒng) X5032 vertical milling machine nc feed system design Abstract This design is for numerical control transformation X5032 vertical milling machine. In order to put the X5032 vertical milling machine ordinary transformed into economical nc milling machine, I for X5032 vertical milling machine main drive system for numerical control transformation, and increase the CNC device and servo system. For main drive system, I choose FANUC AC motor through the gear drive shaft. For feed system, I put the original trapezoidal screw in for the ball screw, in order to improve the efficiency and accuracy, and controlled by the original manual, controlled by the motor. Keywords NC transformation, ball screw, Servo System 目錄 摘要 Abstract 1 前言 .1 1.1 引言 .1 1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 .1 1.3 X5032 數(shù)控改造的主要過程 .2 2 X5032 立式銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .3 2.1 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 .3 2.1.1 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 .3 2.1.2 X5032的改造要求 .3 2.1.3 導(dǎo)軌副的改造 .3 2.2 橫（縱）向（ X、 Y 軸）進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì)算過程 .4 2.2.1 縱向（ X 軸）的設(shè)計(jì) .4 2.2.2 橫 向（ Y 軸）的設(shè)計(jì) .9 2.3 齒輪的設(shè)計(jì) .9 2.3.1 齒輪材料的選取及許用應(yīng)力的計(jì)算 .10 2.3.2 計(jì)算直齒圓柱齒輪副的 相關(guān)內(nèi)容 .10 2.4 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的計(jì)算與選擇 .12 2.4.1 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選擇 .12 2.4.2 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)載荷矩 頻特性和運(yùn)行矩頻特性 .17 2.4.3 橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選擇 .17 3 數(shù)控部分的設(shè)計(jì) .19 3.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) .19 3.1.1 CPU（主控制器） .19 3.1.2 存儲(chǔ)器 .19 3.1.3 擴(kuò)展 I/O接口 .20 3.1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 .20 3.1.5 行程控制 .20 3.1.6 復(fù)位電路 . 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 3.1.7 緊急停車 .20 結(jié)論 .21 參考文獻(xiàn) .22 1 前言 - 1 - 1 前言 1.1 引言 數(shù)控機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)有高精度、高效、高速、高可靠性等，而且機(jī) 床結(jié)構(gòu)趨于模塊化、數(shù)控功能 趨于 專門化。數(shù)控機(jī)床是集電子技術(shù)、自動(dòng)控制 技術(shù) 、傳感測量 技術(shù)、機(jī)械制造于一體的典型 機(jī)電一體化 的 產(chǎn)品 。 1目前看來，數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展使當(dāng)今制造業(yè)進(jìn)入了新的時(shí)期，更是是現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)方式更加完善，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與管理方式更加優(yōu)化，改變了世界制造業(yè)的格局。 按照當(dāng)前形勢看來，一個(gè)國家機(jī)械現(xiàn)代化的衡量標(biāo)準(zhǔn)可以用機(jī)械數(shù)控化水平來衡量，數(shù)控化生產(chǎn)已成為制造業(yè)發(fā)找的主流 。中國作為世界上擁有最多普通機(jī)床的國家，數(shù)控機(jī)床的占有率還比較低，無法擁有較高的產(chǎn)品和市場的競爭力。因?yàn)檠邪l(fā)一臺(tái)全新的數(shù)控機(jī)床， 不僅周期較長，成本較高，而且無法及時(shí)針對(duì)用戶的要求進(jìn)行及時(shí)的改進(jìn)。因此，在原有的普通機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改進(jìn)， 不僅可以減少資金的投入，還不會(huì)造成原有老舊機(jī)床的限制與空間的浪費(fèi)。 普通機(jī)床 的 數(shù)控化改造，就是 將 計(jì)算機(jī)控制部分 加入原有的老式機(jī)床中，將 自動(dòng)化控制能力 賦予普通機(jī)床 ， 從而使其有能力 實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工 目標(biāo)。這種機(jī)床改造 的 針對(duì)性強(qiáng)， 所用時(shí)間短， 還有能夠克服原有機(jī)床缺點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)，并且在生產(chǎn)效率上也有顯著的提高，非常適合我國現(xiàn)如今機(jī)床擁有量大但是生產(chǎn)規(guī)模小的特點(diǎn)。 1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 根據(jù) 目前的一些 研究資料表明，我國 擁有的 機(jī)床總數(shù)量為 380 余萬臺(tái)， 其中數(shù)控機(jī)床僅有 11.34 萬臺(tái)，即我國機(jī)床的數(shù)控化率還未達(dá)到 3%，而一些發(fā)達(dá)國家卻早己經(jīng)達(dá)到 20%以上。 2因此， 設(shè)備的陳舊和技術(shù)水平的落后已然成為我國制造業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展的主要制約因素 。 逐漸的 提高數(shù)控機(jī)床的 市場占有比例，已然 成為我國制造 業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢 。 3 提高數(shù)控機(jī)床的占有比，通常有兩種方式，一是購買全新的數(shù)控機(jī)床，二是改進(jìn)現(xiàn)有的普通機(jī)床。 縱然是發(fā)達(dá)國家，也無法全面采用購買新機(jī)床的方法，也需要在原有的機(jī)床上進(jìn)行改進(jìn)，并且成立專門的公司負(fù)責(zé)此項(xiàng)業(yè)務(wù)。 尤其在美國 等發(fā)達(dá)國家， 作為新興行業(yè)的數(shù)控改造業(yè) ，已然成為朝陽產(chǎn)業(yè)，徐徐升起， 有著非常美好和廣闊的未來 。在美國，機(jī)床改造業(yè) 被 稱為機(jī)床再生業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有 :Borsches 工程公司、Anton 機(jī)床公司、 Devlieg-Bullavd(得寶 )服務(wù)集團(tuán)、 us 設(shè)備公司等。 4美國得寶公司己在中國開辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝業(yè)。 在 改裝業(yè) 方面的幾個(gè)有名的 公司為 :大限工程集團(tuán) 千代田工程公司、野琦工程公司 等 5 。 隨著機(jī)床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步，結(jié)合機(jī)床的特點(diǎn)，普通機(jī)床的改進(jìn)已成為一個(gè)永恒不變的研究課題，且逐漸向著更高的層次發(fā) 展。 6中國的機(jī)床改造業(yè)同歐美日本一樣，也是將現(xiàn)有的普通機(jī)床改進(jìn)成以數(shù)控操作為主。 目前看來，根據(jù)我國的實(shí)際國情， 數(shù)控改造的老式機(jī)床 主要有 以下 特點(diǎn) : (1)減少投資、交貨期短 相較于入手全新 的 數(shù)控機(jī)床 ， 改進(jìn)原有機(jī)床可以節(jié)省至少 60%的投入 ，改造 成本低。 尤其 是大型、特殊機(jī)床。 (2)機(jī)械性能穩(wěn)定性高， 可靠 性高，可 受限 于原有結(jié)構(gòu) 機(jī)床不用于汽車等機(jī)電產(chǎn)品，其自身所采用的部件如床身，立柱等都是鑄鐵件。 7東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) - 2 - 鑄鐵件的特點(diǎn)就是使用的時(shí)間越久，就會(huì)得到越充分的自然失效，自身的內(nèi)應(yīng)力就越小，精度越高。 (3)對(duì) 設(shè)備 結(jié)構(gòu)性能 認(rèn)識(shí)更加熟悉 機(jī)床在工廠使用的這段時(shí)間內(nèi)，與機(jī)床使用與運(yùn)行息息相關(guān)的工人已經(jīng)對(duì)機(jī)床的性能與一些問題有了詳細(xì)的了解。 ，因此 用這種方法 ，在數(shù)控改造 的 過程中， 提高 了 相關(guān)人員的數(shù)控 水平 ，且選零件的時(shí)候能做出更能適應(yīng)原有機(jī)床的選擇。 更重 要的 是， 經(jīng)過相關(guān)的 改造 過程 ， 不經(jīng) 提高了企業(yè) 自身對(duì)數(shù)控機(jī)床維修的技術(shù)力量，更是減少了在數(shù)控機(jī)床上 操作使用和維修方面的培訓(xùn)時(shí)間，一旦 完成 改造調(diào)試 工作，就可很快投入正常有效的滿負(fù)荷運(yùn)行 。 8 (4)可充分利用現(xiàn)有的條件 (5)可更好地因地制宜，合理篩選功能 1.3 X5032 數(shù)控改造的主 要過程 （ 1） 收集： ，查找收集有關(guān) X5032立式銑床 的 資料 技術(shù)參數(shù)。 （ 2） 設(shè)計(jì)： 對(duì) X5032 立式銑床 數(shù)控改造的 整體 思路。 （ 3） 計(jì)算： 進(jìn)行橫向與縱向的設(shè)計(jì)計(jì)算 （ 4） 繪圖 ： 畫出改造后橫向與縱向的裝配圖，一級(jí)外觀布局圖，還有部分零件圖。 表 1-1 改造基本技術(shù)要求 床身導(dǎo)軌平行度 0.01mm 橫向?qū)к壍钠叫卸?0.03mm 縱向?qū)к壴诖怪逼矫鎯?nèi)的直線 度 0.02mm 溜板移動(dòng)在水平內(nèi)直線度 0.015mm 重復(fù)定位精度： X 0.01 0.01Z 定位精度： X軸 0.02mm Z軸 0.02mm 精車外圓精度： 圓度 0.005mm 圓軸度 0.03mm 端面平行度 0 .0 2 m m / 3 0 0 m m 2 X5032 立式銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 3 - 2 X5032 立式銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2.1 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 2.1.1 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 我 設(shè)計(jì)的數(shù)控系統(tǒng)采用 無位置反饋電路的 開環(huán)控制 ， 所以進(jìn)給系統(tǒng)要 減少中間傳動(dòng)環(huán)節(jié)。 本系統(tǒng) 將步進(jìn)電機(jī)、一級(jí)減速齒輪、 滾珠絲桿 直接連接 起來， 將原有的 絲杠 拆卸下來 ，增加 一些其他的 機(jī)械附件， 然后再 安裝步進(jìn)電機(jī)及滾珠絲桿螺母副 。 9初步選用的 步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為 110BF004， 其主要參數(shù)： 步距角 75.0b， 扭距 4.61N m ， 脈沖當(dāng)量 stepmmP 01.0 。 2.1.2 X5032 的改造要求 本設(shè)計(jì)的進(jìn)給系統(tǒng)改造要求： 1、 增加傳動(dòng)部件的剛度 ； 2、 減小傳動(dòng)部件的間隙 ； 3、提 高精度 ； 4、增加 穩(wěn)定性 ； 5、 提高 響應(yīng) 速度 ，無超調(diào) ； 6、在 低速 能夠輸出 大轉(zhuǎn)矩 ； 7、有很寬的 調(diào)速范圍 ； 2.1.3 導(dǎo)軌副的改造 將 聚四乙炔軟帶涂層 粘貼在原導(dǎo)軌上 ，使 摩擦系數(shù) 系數(shù)減小且增加了 耐磨性 。 并且擁有更 好的 抗震性和自潤滑性。這種方法改造較為容易且費(fèi)用較低。 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) - 4 - 2.2 橫（縱）向（ X、 Y 軸）進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及計(jì) 算過程 2.2.1 縱向（ X 軸）的設(shè)計(jì) X5032機(jī)床的技術(shù)規(guī)格 如圖 2-1所示 ： 主軸端面到工作臺(tái)的距離 m a x 4 0 0 m md m in 30d mm 主軸軸線到床身垂直導(dǎo)軌面的距離 350mm 面積： 320 1250mm 最大縱向行程手動(dòng)（機(jī)動(dòng)） 700（ 680） mm 最大橫向行程手動(dòng)（機(jī)動(dòng)） 260（ 240） mm 最大升降行程手動(dòng)（機(jī)動(dòng)） 370（ 350） mm 進(jìn)給級(jí)數(shù) 18級(jí) 進(jìn)級(jí)量范圍 縱向： 23.5 1180mm/min 橫向： 15 786mm/min 垂直： 8 394mm/min 孔徑 29mm 主軸孔錐度 7： 24 刀桿公稱直徑 32 50 mm 轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 18級(jí) 轉(zhuǎn)速范圍 30 1500r/min 軸向調(diào)整距離 70 mm 主軸電動(dòng)機(jī)功率 7.5KW 工作臺(tái)進(jìn)給電動(dòng)機(jī)功率 1.5KW 最大工件質(zhì)量 150 Kg 機(jī)床進(jìn)給部件重量 橫向 4410N 縱向 2200N 圖 2-1 X5032基本參數(shù) 縱向工作臺(tái)及夾具重量： fF縱 向 進(jìn) 給 力 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程： 0L = 8mm 螺紋升角： 0393 行程： S= 680mm 快速進(jìn)給速度：取 maxV= 2.5m/min 2 X5032 立式銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 5 - 2.2.1.1 銑削力CF的計(jì)算 為了 確保在正常工作狀態(tài)下的安全性與可靠性 ，用工作壽命與實(shí)際加工過程中的最大 銑削力進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算 工件材料 ： 45 鋼 鍛件并調(diào)質(zhì) 銑削寬度 ea ： 50 mm 銑削深度 pa ： 5 mm 刀具直徑 d ： 32 mm 每齒切厚 zf ： 0.1 mm/Z 刃齒數(shù) Z ： 3 刀具材料為 ：高速剛立銑刀 根 據(jù) 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 10 ： 86.072.086.02.6581.9 dZafaF pZeC （ 1） 86.0172.086.0 32351.050222.6581.9 2683N 2.2.1.2 滾珠絲杠所受 平均軸向載荷 mF 計(jì)算 對(duì)合金鋼進(jìn)行高速 逆銑時(shí) ，切削力 查 金屬切削手冊(cè) 得 : fF縱 向 進(jìn) 給 力 1 1.2fCFF （取中間值： 1.1） fF=1.1cF=1.1 1500=2952N 橫 （ X） 向進(jìn)給力eF 0 . 3 5 0 . 4eCFF （ 此時(shí) 取中間值： 0.375） eF= 0.375cF=0.375 1500=1006N 垂直 （ Z） 進(jìn)給力fNF 0 .2 0 .3fNCFF （ 此時(shí) 取中間值： 0.25） fNF=0.25cF=0.25 1500=670.75N 所以 在插補(bǔ)平面內(nèi)的合力為 : 22 efr FFF （ 2） =3118.7N 絲 杠 所 受 的 平 均 工 作 載 荷 為 ： Fm=2/3Fr=2079N 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) - 6 - 絲杠軸向所受載荷 Fx ： Fx )( om FmgF （ 3） 其中oF橫向分力 為 oF=cF 0.85=2280.55N 縱向工作臺(tái) 和 夾具重量 為 Mg Mg =2200N 顛覆力矩影響系數(shù) 取 1.1 M 當(dāng)量摩擦系數(shù) M 取 1.18 所以 xF=1.1 2079 + 0.18 (2200+2280.55) =3093.4N 2.2.1.3 計(jì)算絲杠副工作的負(fù)荷和選擇 絲杠型號(hào) 估計(jì)絲杠的 導(dǎo)程 為 80 Lmm 依據(jù) 動(dòng)載荷 最大當(dāng)量的 計(jì)算公式： awxm f fFLC 3 （ 4） 上 式中： wf為 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，取 1.2wf af為 精度系數(shù)，取 9.0af xF為 絲杠所受 的 軸向載荷（ N ）， Fx=3093.4N L 為壽命值，依據(jù) 公式 61060nTL （ 5） n 為 絲杠平均轉(zhuǎn)速（ r / min） 11 0 0 0 * 2 .5 *28 =156.3 r/min 上 式中： SV-進(jìn)給速度 在最大切削力下 ， 因?yàn)?最高進(jìn)給速度 為 m a x 2 . 5 ( m i n )V m m的 12 則： 61060nTL （ 6） T 為使用壽命 ， 根據(jù) 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) ， T 1 5 0 0 0 小 時(shí) 01000SVn L2 X5032 立式銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 7 - L 66 0 1 5 6 . 3 1 5 0 0 010 140.625 awxm f fFLC 3 （ 7） 3 1 4 0 . 6 2 5 1 9 0 3 1 . 20 . 9 21447N 根據(jù) 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) ， 適用 5 0 0 8 5FFZD 型 滾珠 絲杠 。 5 0 0 8 5FFZD 的 基本尺寸為： 公稱直徑： 50od mm， 螺距： 8oL mm 剛球直徑： 5qd mm， 螺紋升角， = 339 絲杠外徑， d =od- (0.2 0.3)qd= 48.9 螺紋底徑，1 30d mm 動(dòng)載荷 aC=34700mC=21447N 所以該選擇符合要求，此型號(hào)絲杠可用做本設(shè)計(jì)的滾珠絲杠 2.2.1.4 計(jì)算 傳動(dòng)效率 根據(jù) 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率的計(jì)算公式為： tantan （ 8） 上 式中： -螺旋升角， 由參數(shù)表可知 ， = 339 -摩擦角， 該 摩擦角 取 10 所以 ： )01392tan (393tan =97% 2.2.1.5 驗(yàn)算剛度 滾珠絲杠在 工作負(fù)荷xF的作用下所產(chǎn)生的導(dǎo)程的變量為 ： 01 LFL X /EF （ 9） 鋼 的彈性模量 ： E=21 26 /10 cmN 滾珠絲杠 的 橫截面積： F（ 2cm ） 所以 ： 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) - 8 - F=22322d =942cm 所以 ： 01 LFL X /EF 663 0 9 3 0 . 8 1 6 . 6 1 02 1 1 0 7 . 1 cm 我們 可以忽略滾珠絲杠 因受扭所產(chǎn)生的 導(dǎo)程變化量 2L ， 所以1LL ； 所以 導(dǎo)程的變形誤差為： 1 01 0 0 1 0 00 . 8LLL16.6 =20.28 m /m （ 10） E 級(jí)精度絲杠所允許 產(chǎn)生的螺紋 誤差（ 1m長 ）為 21. 21 /mm ， 所以剛度滿足要求 2.2.1.6 驗(yàn)算穩(wěn)定性 1、驗(yàn)算臨界壓縮載荷 因?yàn)?縱向（ X 軸） 滾珠絲杠螺紋副固定 在滾珠絲杠的兩端 ，絲杠不會(huì) 產(chǎn)生 受壓，又因?yàn)闄C(jī)床 原 有梯形 絲杠的直徑大于 改進(jìn)所采用的 滾珠絲杠的直徑， 所以穩(wěn)定性能夠滿足設(shè)計(jì)所用的要求 2、驗(yàn)算 臨界轉(zhuǎn)速 絲杠 的 平均工作轉(zhuǎn)速 ： 1 5 6 . 3 m i n 1 0 0 m i nn r r 因此，必須 驗(yàn)算 臨界轉(zhuǎn)速，即：crccr flAEIfnn 22m a x30 （ 11） 符號(hào)表示： mazn 絲杠 最大轉(zhuǎn)速：m a x01000 1 0 0 0 * 2 . 5 3 1 2 . 5 m i n8m a zVnrL 2f 絲杠支承方式 的 系數(shù)取 73.42 f （ 未受壓 ） rcn=9910 2222cfdL 2d=od- 1.2qd=50-1.2 5 = 44mm 4 0 m m 絲 杠 的 長 度 工 作 的 最 大 行 程 螺 母 長 度 兩 端 余 量 （ 取 ） 查 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 11 得 螺母的長度 ， 2 X5032 立式銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 9 - 設(shè)計(jì)絲杠的 l = 680 + （ 131 + 40） 2 = 680 + 342 = 1022mm 支撐跨距 1l須 大于 l 取 1l = 1100 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度 cL = 680 + 131 + 40 + 1100 10222 = 811 + 40 + 39 = 890mm 24 . 7 3 0 . 0 3 499100 . 8 9 2rcn =9533 /minr 滿足： m a x 3 1 2 . 5 / m i nrcn n r 因此穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求 縱向裝配圖如圖 2-2 所示 圖 2-2 縱向裝配圖 2.2.2 橫向（ Y 軸）的設(shè)計(jì) Y 軸的絲杠選擇與 X 軸相同的 FFZD5008-5 型 滾珠 絲杠 2.3 齒輪的設(shè)計(jì) 因?yàn)樵O(shè)計(jì)所選 110BF004 型 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為 p =0.01mm/step。 步距角 ： 0.75b 絲杠導(dǎo)程 ： 8oL mm 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) - 10 - 如果沒有 齒輪傳動(dòng) ， 每個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的絲杠螺母 所產(chǎn)生 傳動(dòng)的距離為： 0.75360oLL = 8 0.75360 =0.0167脈沖當(dāng)量 0.01mm 在這里需要設(shè)計(jì)一個(gè)減速機(jī)構(gòu)，我選擇較為簡單的齒輪減速機(jī)構(gòu) 采用齒輪減速具有下列優(yōu)點(diǎn) ： 可以使脈沖當(dāng)量與要求的相吻合 使電動(dòng)機(jī)的軸上的慣量減小 12 將電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩放大，也就是增加了工作臺(tái)所擁有的推力 可是由于采用 齒輪減速機(jī)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生 傳動(dòng)誤差，降低 了機(jī)床的 移動(dòng)速度 2.3.1 齒輪材料的選取 及許用應(yīng)力 的計(jì)算 因?yàn)?齒面點(diǎn)蝕和輪齒折斷 是 閉式齒輪 的 主要失效形式 ， 所以 按照齒面接觸強(qiáng)度來 驗(yàn)算強(qiáng)度，然后 校合彎曲強(qiáng)度。 13所以初步采用 7 級(jí)精度要求 。 根據(jù)機(jī)械原理 ，小齒輪選用 45 鋼； 齒輪 的硬度： 220HBS。 大齒輪 選用 45 鋼， 齒輪的齒輪硬度： 180HBS。 因?yàn)?： 1limH 560Mpa， 2limH 530Mpa 取 1.1HS 1H =1.15601lim HHS=509Mpa 1H =1.15302lim HHS=482Mpa 而 MPaF 1901lim ， MPaF 1701lim 所以取 1.4FS l i m 11 190 1361 . 4FFFM P aS l i m 22 170 1211 . 4FFFM P aS 2.3.2 計(jì)算直齒圓柱齒輪副的相關(guān)內(nèi)容 減速機(jī)構(gòu) 傳動(dòng)比 的計(jì)算 因?yàn)?stepmmP 01.0 步距角 ： 75.0b，絲杠導(dǎo)程為： mmLo 8 可知 傳動(dòng)比： 2 X5032 立式銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 11 - Pb Li 360 0= 67.101.0360 875.0 o （ 12） 2、粗略估計(jì) 小齒輪 的 齒數(shù) 為 321 Z ， 所以 大齒輪 的 齒數(shù) 為 ： iZZ 12 67.132 =53.44 53 所以實(shí)際傳動(dòng)比 i： 656.13253 i 因?yàn)橐獫M足誤差， 齒 輪 壓 力 角 選 取 o20 ，初定 模數(shù) 為 m=2.5mm，則： 小齒輪直徑：11 2 . 5 3 2 8 0d m Z mm 大齒輪直徑：22 2 . 5 5 3 1 3 3d m Z mm 小齒輪大徑：11 2 8 0 2 1 . 0 8 2a ad d h mm 大齒輪大徑：22 2 1 3 3 2 1 . 0 1 3 5aad d h mm 中心距：12 2 . 5( ) ( 3 2 5 3 ) 1 0 622ma Z Z mm 中心距 圓整 ：取 110a mm 大齒輪 尺寬 ： aba *2 0 .4 1 1 0 4 4 mm 圓整后 ：2 45b mm 小齒輪 尺寬（將小齒輪尺寬設(shè)計(jì)的寬一些以補(bǔ)償安裝誤差） ：1 50b mm 3、 校核齒輪彎曲強(qiáng)度應(yīng)力校核 根據(jù) 機(jī)械原理 ， 齒性系數(shù) 取 34.2,59.2 21 FF YY 載荷系數(shù)為 1.5K ，根據(jù) 步進(jìn)電機(jī) 的 相關(guān)參數(shù) 選取最大轉(zhuǎn)矩 ， 取 轉(zhuǎn)矩 F F=4.9N m 齒輪 彎曲強(qiáng)度驗(yàn)算（依據(jù) 最小齒寬計(jì)算）： 51111222 2 1 . 5 4 . 9 2 . 5 9 1 0 3 . 8 15 0 2 . 5 3 2FFFK T Y M P ab m Z =136MPa （ 13） 22212 . 3 43 . 8 1 3 . 4 4 1 2 12 . 5 9FFY M P a M P aY 1TF 所以強(qiáng)度 符合安全要求。 4、 齒輪的圓周速度 運(yùn)用 公式：16 0 0 0 6 0 0 . 7 5 8 7 5 m i n360nr 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) - 12 - 1000*60 11ndV （ 14） 3 . 1 4 8 0 8 7 56 0 1 0 0 0 3.66ms 10 /ms 式中： 1n 為小齒輪的轉(zhuǎn)速 也是步進(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速。 可以根據(jù) 初定 的 110BF004 型步進(jìn)電機(jī) 的運(yùn)行頻率： sstep7000 ，和步距角：0.75 計(jì)算。 所以采 用 7級(jí)精度是 能夠滿足系統(tǒng)要求 2.4 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的計(jì)算與 選擇 步進(jìn)電機(jī)是 本設(shè)計(jì)為實(shí)現(xiàn) 機(jī)電一體化的關(guān)鍵部件 ,做為執(zhí)行元件，其精度較高。 它能將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移 ,也就是 給一個(gè)脈沖 ,步進(jìn)電機(jī) 將 轉(zhuǎn)過一個(gè)角度 ,所以使 控制精度 能達(dá)到很高 14。它 具有低價(jià)格 ,易實(shí)現(xiàn)調(diào)速 ,系統(tǒng)簡單 ,能快速啟動(dòng)和停止 ,易定位準(zhǔn)確 ,功率小 等優(yōu)點(diǎn) 15 。步 進(jìn)電機(jī) 的主要缺點(diǎn)有：效率較低 ， 不能有力的拖動(dòng)負(fù)載 ，對(duì)脈沖當(dāng)量的要求較高 ，調(diào)整 的范圍較小，輸入的脈沖頻率最高通常 不 得 超過 18000 Hz。 伺服電機(jī)在數(shù)控系統(tǒng)中有如下基本要求： 1、 伺服電機(jī)需要滿足調(diào)速的范圍要求； 2、 有較硬的負(fù)載特性，有足夠的驅(qū)動(dòng) 力矩和快速的響應(yīng)時(shí)間，且電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于電機(jī)的實(shí)際啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的最大值來滿足步進(jìn)電機(jī)的正常工作 3、 所選擇的電機(jī)的運(yùn)行頻率要大于電機(jī)實(shí)際工作頻率的最大值。 根據(jù) X5032 銑床的工作狀態(tài)， 選擇脈沖當(dāng)量為 0.01m m / step 的步進(jìn)電機(jī) ， 步矩角75.0 。 依據(jù)以往同類型機(jī)床的改進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，并且要滿足輕重量小功耗的特點(diǎn)，外形尺寸 要與步距角相配合 ，初步選擇的電動(dòng)機(jī)型號(hào)為 1 1 0 B F 0 0 4 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)。 2.4.1 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算 與選擇 1、絲杠和齒輪以及工作臺(tái) 折算到電機(jī)軸上的慣量 dJ 的計(jì)算 根據(jù)計(jì)算公式： 2221 21PgGJJiJJXSd （ 15） 上 式中：dJ-折算到電機(jī)軸的慣量 )( 2cmKg ； 21,JJ -小 ,大 齒輪的慣量 )( 2cmKg ； SJ-絲杠慣量 )( 2cmKg ； XG -橫向工作臺(tái)及夾具重量 )(N , NG X 2156 ； P -絲杠螺距 )(cm ， cmP 8.0 ； 2 X5032 立式銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 13 - 齒輪及絲 杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 （dJ） 計(jì)算 因?yàn)椴荒芫_計(jì)算一些傳動(dòng)件（比如 齒輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ， 只能用等效圓柱體來代替進(jìn)行 近似計(jì)算。 計(jì)算圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的 公式：324ldJ （ 16） 式中： -為 材料密度 )( 3cmKg ,鋼取 35108.7 cmKg ； d -圓柱體直徑 )(cm .(作為齒輪和絲杠等的 等效直徑 )； l -圓柱體長度 )(cm ,(作為齒輪和絲杠等的 等效齒寬或長度 ) 則： 32 1411bdJ 543 . 1 4 7 . 8 1 0 8 5 . 032 20 .1 5 7 K g cm 32 2422bdJ 543 . 1 4 7 . 8 1 0 1 3 . 3 4 . 532 21 . 0 7 8K g cm 3240 LdJS 543 . 1 4 7 . 8 1 0 5 1 0 2 . 232 20 . 4 8 9K g c m 計(jì)算 得： 2221 21PgGJJiJJXSd （ 17） 221 2 2 0 0 0 . 80 . 1 5 7 1 . 0 7 8 0 . 4 8 91 . 6 7 9 . 8 2 3 . 1 4 22 . 0 2 5K g c m 2.03 2/Kg cm 匹配驗(yàn)算 慣量 本設(shè)計(jì)選用的 1 1 0 B F 0 0 4 型 步 進(jìn) 電 機(jī)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： MJ =4.61Kg 2cm 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) - 14 - 而： 1 2 . 0 3 0 . 4 4 14 4 . 6 1dMJJ 所以慣量是匹配的。 計(jì)算負(fù)載轉(zhuǎn)矩以及 最大靜轉(zhuǎn)矩 快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 的計(jì)算 起M 根據(jù) 公式： 0m a x MMMM fa 起 （ 18） 上 式中： 又 ： *m ax JM a 式中： J-慣量和 )( cmN ， 2 . 0 3 4 . 6 1 6 . 6 4dMJ J J N c m ； -電機(jī)最大角加速度 )( 2srad ； 又： 260maxatn （ 19） 其中： maxn-電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 )min(r ； at -運(yùn)動(dòng)部件從 靜止到最大快進(jìn)速度所用 時(shí)間 )(s 取 25ms 又：360m axm ax P bVn （ 20） 所以 ： m a x 2 5 0 0 0 . 7 5 5 2 1 / m i n0 . 0 1 3 6 0nr 則： 5216 0 0 .0 2 52 3 .1 4 22 1 .8 rad s 所以 ： 2 X5032 立式銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 15 - JM a m ax （ 21） 6.64 21.8 140N cm 又因?yàn)椋?iLFMf 2 00 （ 22） 上 式中： 0F -導(dǎo)軌的摩擦力 )(N ； -傳動(dòng)鏈總效率，通常 取 85.07.0 ，本設(shè)計(jì) 取 85.0 ； 又： )(0 XfN GFfF 式中：fNF 為垂直 切削力 )(N ， ( 0 . 2 0 . 3 ) 6 7 0 . 7 5f N cF F N； f 為 導(dǎo)軌 的 摩擦系數(shù)， 04.0f ()此 處 采 用 貼 塑 導(dǎo) 軌； YG 橫向工作臺(tái)及夾具重量 )(N ， 2200XGN ； 則： 0 0 . 0 4 ( 6 7 0 . 7 5 2 2 0 0 )F =115N 所以 ： 1 1 5 0 . 82 3 . 1 4 0 . 8 1 . 6 7fM 10.9cm 又： 20000 12 iLFM P （ 23） 故： 20 6 9 3 0 . 8 1 0 . 9 52 3 . 1 4 0 . 8 1 . 6 7M 6 6 . 6 ( 1 0 . 9 ) 6 . 6 6 N c m 0m a x MMMM fa 起=140+9.8+6.7=156.5 cmN 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 快M的計(jì)算 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) - 16 - 根據(jù) 公式： 0MMM f 快 （ 24） 而： 9 . 8 6 . 7 1 6 . 5M N c m 快 所以 ： 1 6 . 5 1 5 6 . 5M N c m M N c m 快 起 5、 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切M的計(jì)算 根據(jù)公式： tf MMMM 0切 （ 25） 式中：tM 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 )( cmN ； 又有公式： iLFM ft 2 0 （ 26） 式中： fF-進(jìn)給方向最大切削力 )(N ， (1 1 . 2 ) 1 . 2 2 6 8 3 3 2 2 0fCF F N ； 則： 3 2 2 0 0 . 82 3 . 1 4 0 . 8 1 . 6 7tM 308N cm 故：tf MMMM 0切 9 .8 3 .7 1 7 2 325.6 N cm 6、 最大靜轉(zhuǎn)矩 的選擇計(jì)算 根據(jù) 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)所提供的公式 ，有： （ 1） 電機(jī)最 大靜轉(zhuǎn)矩 在最大切削力工作條件下 ： 5.03.01m a x 切MM j 325.60.3 0.5 6 5 1 . 2 1 0 8 5N c m 電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí)需滿足的條件 為： 951.02m ax 起MMj 2 X5032 立式銑床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) - 17 - 153.50.95161.6N cm max1jM恒大于2maxjM 。 以1maxjM作為 最大靜轉(zhuǎn)矩。而初選的步進(jìn)電機(jī)為110BF004 ，它的最大靜轉(zhuǎn)矩為：m a x 1689 jN c m M 所以初選的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)符合要求。 2.4.2 步進(jìn)電機(jī)動(dòng)載荷矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 根據(jù) 動(dòng)矩頻特性： PVf601000 m axm ax 1000 2.560 0.01 =4167Hz （ 27） 和 運(yùn)行矩頻特性： PSe Vf 601000 其中： eV 最 大 切 削 力 下 的 進(jìn) 給 速 度 )min(m ， 可 取 最 高 進(jìn) 給 速 度 m a x 2 .5 m i nVm的3121，現(xiàn)取中間值，即m a x7 1 . 4 6 m i n12SV V m。 m a x7 1 . 4 6 m i n12SV V m。 則 ：ef 1000 1.4660 0.01 =2431Hz 根 據(jù) 110BF004 型逼近電機(jī)的 運(yùn)行矩頻特性參數(shù) 與 矩頻特性 ，能夠看出此型號(hào)步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)力矩可以滿足本設(shè)計(jì)要求。 因此，最后確定使用型號(hào)為 110BF004 發(fā)影視步進(jìn)電機(jī)為本設(shè)計(jì)所用縱向步進(jìn)電機(jī)。 2.4.3 橫向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選擇 Y 軸銑削 的 圓周力：YOF =2683N 則有 Y 向絲杠牽引力： YF = YOF +1.414f YG =1500+1.414 4410 0.01=2745N 則有電機(jī)軸負(fù)載力矩： T= 3 6 ( )2p y yFG （ 28） 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) - 18 - =1.58Nm 0 . 1 導(dǎo) 軌 摩 擦 系 數(shù) ， 取 0 . 7 5 步 進(jìn) 電 機(jī) 步 矩 角 為 YYF 向 絲 杠 牽 引 力 0 . 0 1f 當(dāng) 量 摩 擦 系 數(shù) 取 若不考慮 啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)力矩為： 5.03.0 TTq 可取安全系數(shù)極限值 0.3，則有：5.03.0 TTq = mNT 27.53.0 58.13.0 對(duì)于工作方式為 3 相 6 拍的 3 相步進(jìn)電機(jī)最大啟動(dòng)力矩： mNTT qq 54.59 5 1.027.59 5 1.0m a x 綜上所述本設(shè)計(jì)選用的橫向 步進(jìn)電機(jī)型號(hào) 依然 為： 步進(jìn)電機(jī) 110BF004 的外型尺寸如圖（ 2-2） ： 型號(hào) ( 12)Dh 1( 7)Dh b E L h1 h2 d 2d 1d 110BF004 110 85 112 27 111 4 8 0.0160.03411 132 9 圖 2-2 110BF004 外形尺寸圖 3 數(shù)控部分的設(shè)計(jì) - 19 - 3 數(shù)控部分的設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的 控制核心 是單片機(jī)，用 外圍器件 作為擴(kuò)展設(shè)備 ， 這種數(shù)控 系統(tǒng)比較經(jīng)濟(jì)可靠，并且能夠滿足數(shù)控加工能力 。 1、 能夠?qū)嵤┦謩?dòng)控制暫停與快速返回； 16 2、能夠在 六個(gè)方向 都能實(shí)施點(diǎn)動(dòng)傳給并且能夠 手動(dòng)快速進(jìn)給。 3、能夠具備間隙補(bǔ)償 和 刀具補(bǔ)償功能。 17 4、 能夠進(jìn)行 程序 的暫停與 延時(shí)、 部分程序循環(huán) 、 整體 自動(dòng)循環(huán)功能 等 。 5、 用戶 能夠進(jìn)行 指令 的編輯、修改、刪除與 清零 6、能夠進(jìn)行錯(cuò)誤操作診斷與顯示 。 7、能夠自動(dòng) 進(jìn)行直線、斜線、圓弧 等 的加工 18 3.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 本 系統(tǒng)的硬件組成如 圖 （ 3-1） 所示。 包括 CPU（主控制器） 、存儲(chǔ)器、鍵盤顯示器、 I/O 接口與 驅(qū)動(dòng)電路等 8 0 3 1單 片 機(jī) 存 儲(chǔ) 器 行 程 控 制 接口 譯 碼 鎖 存 鍵 盤 顯 示驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī) 圖（ 3-1） 數(shù)控系統(tǒng)硬件圖 3.1.1 CPU（主控制器） 本系統(tǒng)的主控制器 選用功能強(qiáng) 大、價(jià)格較低 的 8031 單片機(jī)。該 單片機(jī)的核心芯片不容易 受 外界 干擾， 可以 實(shí)現(xiàn)屏蔽， 有較高的可靠性 ， 并且可以在惡劣的條件下工作，功能強(qiáng)，速度快 。 有較短的指令執(zhí)行時(shí)間。 3.1.2 存儲(chǔ)器 我們需要擴(kuò)展 8031 芯片存儲(chǔ)器，因?yàn)槠渲挥?128KB 的 RAM。 這里選用 1 片容量為 8K 8的 2764EPROM 芯片作為程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片 . 東北林業(yè)大學(xué)本科設(shè)計(jì) - 20 - 3.1.3 擴(kuò)展 I/O 接口 在 I/O 接口的選用 上選擇 8155 可編程并行接 口 芯片 來滿足改進(jìn)數(shù)控系統(tǒng)的條件 ，端口的功能定義和地址分配如 表 3-1 所示。 將 8155 芯片 的片選端 CE 與 74LS138 譯碼器的 1Y 相連 。 19地址空間： 2 0 0 0 H 2 F F F H 。 表 3-1 138155I/O口功能定義和地址分配 端口 工作方式 功能 地址 PA 輸出 提供步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)及知識(shí)信號(hào) 2001H PB 輸入 鍵盤和行程控制 2002H PC 輸出 顯示和鍵盤管理 2003H （圖 3-2） 3.1.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由三部分構(gòu)成， 環(huán) 形分配器，光電耦合器， 功率放大器。 20 3.1.5 行程控制 為了避免 工作臺(tái) 產(chǎn)生 越界， 本設(shè)計(jì) 設(shè)置了 4 個(gè)限位開關(guān)， 8155 的 74 PBPB 為工作臺(tái)+X、 -X、 +Y、 -Y 四個(gè)方向的行程控制信號(hào)，計(jì)算機(jī) 隨時(shí)巡回檢測 74 PBPB 的電平，當(dāng)某一個(gè)為低電位時(shí)，立即停止步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行。 3.1.6 緊急停車 本系統(tǒng)中設(shè)計(jì) 了一個(gè)緊急按紐 。 如果在工作過程中出現(xiàn)危險(xiǎn)情況，可以按下此按鈕緊急停車，整個(gè)系統(tǒng)就 會(huì)馬上停下來。 該按鈕 利用 8 0 3 1 I N T 1可 以 利 用 的 外 部 中 斷 3 數(shù)控部分的設(shè)計(jì) - 21 - 結(jié)論 根據(jù)我國現(xiàn)有的機(jī)械水平和機(jī)床發(fā)展歷史，大量買進(jìn)全新的數(shù)控機(jī)床的難度較大，而對(duì)現(xiàn)有普通機(jī)床的數(shù)控改進(jìn)是比較合理的。