基于普通鉆床Z4012的數(shù)控改造研究目錄TOC\o"1-2"\h\u2922摘要 摘要據(jù)資料介紹，我國擁有4000多萬臺機床，絕大部分都是多年累積生產(chǎn)的普通機床。這些機床自動化程度不高，加工精度低，要想在短時期內(nèi)用自動化程度高的設(shè)備大量更新，替現(xiàn)有的機床，無論從資金還是從我國機床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國現(xiàn)部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改造又勢在必行。本設(shè)計以普通鉆床Z4012為例，介紹了機床數(shù)控改造的方法，包括其結(jié)構(gòu)的改造設(shè)計，主要改造方向是：加裝X-Y移動滑臺，改裝Z軸自動進給，改裝開環(huán)伺服控制系統(tǒng)。改裝結(jié)果表明：改造后的機床相對原機床大大提高了加工工藝精度，降低了人性化傾向，提升了加工效率。相對購置新機，改裝機床周期較短，成本較低在中小企業(yè)廣泛運用。緒論在科技飛速發(fā)達的今天，機械加工機床更新迭代逐漸朝著自動化智能化的方向發(fā)展。但在飛速發(fā)展的同時，也面臨著許許多度的問題，例如更迭之前的老舊設(shè)備該如何處理。在國內(nèi)，很多企業(yè)都面臨這個難題，那么如何才能更好地解決這一問題呢，本論文將就這一現(xiàn)實問題展開討論。數(shù)控機床與普通機床相比較，數(shù)控機床功能更豐富，性能更優(yōu)越；由于簡化了主軸箱，結(jié)構(gòu)也更加簡單，便于維護修理。在加工方面，數(shù)控機床能更好地解決復雜形狀，降低了人工技術(shù)水平的需求。相對普通機床，數(shù)控機床能獲得極高的加工質(zhì)量，在加工效率上也遠勝普通機床，在現(xiàn)代化生產(chǎn)中，數(shù)控機床的運用越來越廣泛。但是，數(shù)控機床也受一些其他條件的閑置，例如：（1）相對于普通機床，數(shù)控機床的價格更加昂貴，對于中小企業(yè)而言，受資金制約，無法一次性大量投入使用。（2）就目前形勢而言，各大企業(yè)都有大量的普通機床，想要完全實現(xiàn)更替困難較大，并且替換下來的普通機床如果不在使用，閑置下來就會造成資源的浪費，提升了經(jīng)濟成本，得不償失。（3）在國內(nèi)，機床生產(chǎn)廠家生產(chǎn)周期較長，購置新的數(shù)控機床需要很長時間才能投入生產(chǎn)使用，在生產(chǎn)急需的情況下，無法滿足生產(chǎn)需求。在大部分的工廠里多多少少都有閑置的普通機床，他們是時代的淘汰品。但是，將閑置的普通機床置之不理又會造成經(jīng)濟上的損失，那么如何才能將損失降到最低呢。最好的解決辦法就是走改造之路，將閑置的普通機床加裝由微機控制的移動滑臺，這樣，一臺簡易的數(shù)控機床就誕生了。經(jīng)過改裝，不僅使原來閑置的設(shè)備得以使用，更降低了購置新機床的成本，對于中小企業(yè)來說，數(shù)控化改造無疑是最佳的選擇。數(shù)控化改造的優(yōu)點：（1）將閑置的普通機床加以改造，在保留原有機床的功能的痛時，還能增加改造后的新功能，大大提高了機床的使用價值；（2）改造后的機床能適應更多的加工零部件，加工工藝更加優(yōu)良，能減少人為因素造成的產(chǎn)品誤差；（3）改造后，機床的自動化程度更高，降低了人工成本，使加工效率得到了提升；（4）相對于普通機床，數(shù)控化改造后對操作工人的技術(shù)水平要求降低（5）數(shù)控化改造是在原有機床的基礎(chǔ)上加裝改造，相對購置新機床成本更低，經(jīng)濟性更好；（6）數(shù)控化改造周期較短，不存在交貨延期，在分秒必爭的現(xiàn)在，能適應生產(chǎn)需求。1、設(shè)計要求課題研究內(nèi)容為Z4012普通鉆床的數(shù)控化設(shè)計改造，即將一臺普通鉆床改造成一臺由微機控制的自動化數(shù)控鉆床，采用單片機控制系統(tǒng)，本單片機系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計。伺服電機驅(qū)動，伺服系統(tǒng)采用開環(huán)控制。1.去掉普通鉆床手動X-Y移動，改裝為數(shù)控x-y移動控制裝置的設(shè)計；2.設(shè)計X-Y移動工作臺；3.控制系統(tǒng)采用步進控制，設(shè)計控制系統(tǒng)；4.裝置的總體模擬仿真。2、設(shè)計參數(shù)2.1改造器件基本參數(shù)查閱資料得出Z4012普通鉆床基本數(shù)據(jù)如下：型號最大鉆孔直徑（mm）12.7立柱直徑（mm）70主軸最大行程（mm）100主軸中心至立柱母線距離（mm）190主軸端至工作臺面最大距離（mm）280主軸端至底座工作臺面最大距離（mm）500主軸錐度B16主軸轉(zhuǎn)速范圍（r/min）480-4100主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)5工作臺面尺寸（mm）250*250底座尺寸（mm）295*295總高（mm）1000電機功率（w）5502.2基本設(shè)計參數(shù)工作臺質(zhì)量m1=20kg工件質(zhì)量m2=60kg行程長度橫向Ls=270mm縱向Ls=190mm最大速度Vmax=0.1m/s加速時間t1=0.15s減速時間t2=0.15s每分鐘往返次數(shù)10min-1無效行程0.15mm定位精度±0.1/最大行程反復定位精度±0.05mm最小進給量S=0.02mm/脈沖期望壽命時間3000h驅(qū)動馬達AC伺服馬達額定轉(zhuǎn)速3000r/min導向面摩擦系數(shù)μ=0.01（滑動）導向面阻力f=60N（無負荷時）圖SEQ圖\*ARABIC1基本設(shè)計方案草圖

3、設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計要求，要設(shè)計X-Y移動工作臺即要求工作臺能沿X-Y做直線運動及主軸垂直直線運動。預期方案有三種：方案一：采用直線電機為主原件方案二：采用齒輪齒條傳動結(jié)構(gòu)方案三：采用滾珠絲杠傳動結(jié)構(gòu)綜合已知條件以、設(shè)計要求以及經(jīng)濟成本，選用方案三最合理。根據(jù)已知Z4012型鉆床基本尺寸參數(shù)，設(shè)定XY移動工作臺未安裝夾具情況下工作臺最大尺寸幅面為250*250mm，最大承重80kg，工作臺具體結(jié)構(gòu)如圖所示

4、橫向進給傳動鏈的設(shè)計計算4.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計選型4.1.1確定滾珠絲杠精度等級表SEQ表\*ARABIC1滾珠絲杠精度等級參照表根據(jù)設(shè)計要求，將250mm工作行程誤差±0.05mm換算為每300mm允許的誤差如下：根據(jù)表1可查得，要滿足±0.06mm/300mm的誤差精度，須選擇滾珠絲杠的精度等級為C7，查得滾珠絲杠導程誤差為±0.05mm/300mm，絲杠軋制加工。4.1.2確定滾珠絲杠的軸向最大間隙絲杠軸外徑最大軸向間隙6～120.0514～280.130～320.1436～450.17500.2表SEQ表\*ARABIC2軋制滾珠絲杠軸向間隙參照表已知設(shè)計條件為X-Y移動工作臺最大軸向間隙為0.15mm，則設(shè)計選型絲杠軸向間隙參數(shù)須小于0.15mm，查軋制滾珠絲杠軸向間隙參照表可知，選取滾珠絲杠軸向間隙為0.14mm可滿足設(shè)計要求，同理，即滾珠絲杠軸徑為32mm以下。4.1.3初步估算絲杠軸長度根據(jù)已知設(shè)計條件，X-Y移動滑臺橫向最大行程為270mm，估算軸長，假定滾珠絲杠螺母的長度為100mm，絲杠軸端支承長度為100mm，則可計算出絲杠軸長度為：4.1.4計算滾珠絲杠的導程根據(jù)已知設(shè)計條件：驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，滾珠絲杠與電機采用聯(lián)軸器直聯(lián)，X-Y移動工作臺的最高速度為0.2m/s，計算滾珠絲杠導程為：其中，——滾珠絲杠的導程，mm——最大進給速度，m/s——電機至絲杠的減速比，當電機與絲杠直聯(lián)時為1——電機額定轉(zhuǎn)速，r/min 4.1.5選定滾珠絲杠直徑/導程選擇要求1.按制造標準選取2.滿足設(shè)計需求（最大軸向間隙）3.按精度等級選取表SEQ表\*ARABIC3軋制滾珠絲杠外徑與導程標準組合表根據(jù)上述要求，查表3選得滾珠絲杠直徑/導程組合如下：絲杠直徑導程絲杠直徑導程1282525188153015102040201025502510306032101616152020204.1.6初定絲杠型號初步選擇絲杠直徑18mm/導程8mm與直徑15/導程10兩組絲杠。查閱資料得出其基本參數(shù)如下：絲杠軸外徑導程公稱型號鋼球中心直徑溝槽谷徑基本額定載荷額定靜載荷額定動載荷188BTK1808.3.619.314.43113.11510BLK1501-5.615.7512.525.29.84.1.7絲杠軸端尺寸設(shè)計1.固定端2.支承端4.1.8校核容許軸向載荷1.最大軸向載荷的計算導向面的阻力f=15N工作臺質(zhì)量m1=20kg工件質(zhì)量m2=60kg縱向移動滑臺質(zhì)量（估值）m3=30kg導向面上的摩擦系數(shù)μ=0.01最大速度Vmax=0.1m/s重力加速度g=9.807m/s2加速時間t1=0.15s計算加速度a其中，——最大速度——加速時間計算絲杠的最大軸向載荷去路加速時去路等速時去路減速時返程加速時返程等速時返程減速時作用在絲杠上的最大軸向載荷其中，——導向面上的摩擦系數(shù)——工作臺質(zhì)量，kg——工件質(zhì)量，kg——重力加速度，m/s2f——導向面阻力，Na——加速度，m/s校核絲杠軸的挫曲載荷其中，——與安裝方法相關(guān)的系數(shù)——絲杠軸溝槽谷徑——安裝距離，：與安裝方法相關(guān)的系數(shù)固定——自由η1=0.025η2=1.3固定——支承η1=2η2=10固定——固定η1=4η2=20外徑18/mm導程8mm，絲杠軸滿足條件外徑15mm/導程10mm，絲杠軸滿足條件校核絲杠軸容許拉伸壓縮載荷外徑18/mm導程8mm，絲杠軸滿足條件外徑15mm/導程10mm，絲杠軸滿足條件4.1.9校核容許轉(zhuǎn)速1.最高轉(zhuǎn)速其中，——最大進給速度——絲杠導程外徑18/mm導程8mm外徑15mm/導程10mm2.由絲杠軸的危險速度所決定的容許轉(zhuǎn)速其中，——與安裝方法相關(guān)的系數(shù)——絲杠軸溝槽谷徑——安裝距離,：與安裝方法相關(guān)的系數(shù)固定——自由λ1=1.875λ2=3.4固定——支承λ1=3.927λ2=15.1固定——固定λ1=4.73λ2=21.9外徑18/mm導程8mm，絲杠軸滿足條件外徑15mm/導程10mm，絲杠軸滿足條件3.由DN值所決定的容許轉(zhuǎn)速其中,D——鋼球中心直徑外徑18/mm導程8mm，絲杠軸滿足條件外徑15mm/導程10mm，絲杠軸滿足條件4.1.10校核額定靜載荷其中，——容許軸向負荷——基本額定靜載荷——靜態(tài)安全系數(shù)外徑18/mm導程8mm與最大軸向載荷148N相比，，所以絲杠滿足條件外徑15mm/導程10mm與最大軸向載荷148N相比，，所以絲杠滿足條件使用機械負荷條件fs的下限一般工業(yè)機械無振動或沖擊時1～1.3有振動或沖擊時2～3工具機無振動或沖擊時1～1.5有振動或沖擊時2.5～7表SEQ表\*ARABIC4靜態(tài)安裝系數(shù)（fs）4.1.11根據(jù)額定動載荷校核絲杠使用壽命1.計算運行距離最大速度Vmax加速時間t1減速時間t2加速時的運行距離等速時的運行距離減速時的運行距離根據(jù)以上計算，軸向負載和運動距離關(guān)系如下：動作軸向負載FaN（N）運行距離lN1.去路加速時1027.52.去路等速時252553.去路減速時-517.54.返程加速時-1027.55.返程等速時-252556.返程減速時517.52.計算平均載荷正向軸向平均載荷因為負荷方向不同，按，來計算軸向平均載荷負向軸向平均載荷因為負荷方向不同，按，來計算軸向平均載荷因為，所以軸向平均載荷為3.計算額定壽命其中，——額定動載荷——載荷系數(shù)——平均載荷L——額定壽命（rev）外徑18/mm導程8mm外徑15mm/導程10mm負荷系數(shù)振動、沖擊速度（V）f微小微速時0.25＜V1～1.2小低速時0.25＜V≤1m/s1.2～1.5中中速時1＜V≤2m/s1.5～2大高速時V＞2m/s2～3.54.計算每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)其中，——每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)——每分鐘往返次數(shù)——行程——導程外徑18/mm導程8mm外徑15mm/導程10mm5.根據(jù)額定壽命計算工作壽命時間其中，——額定壽命——每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)外徑18/mm導程8mm外徑15mm/導程10mm設(shè)計要求實際工作壽命大于期望工作壽命3000h，綜上計算，BTK1808.3.6、BLK1501-5.6兩種型號滾珠絲杠均符合設(shè)計要求，從設(shè)計成本方面考慮，選擇型號為BLK1501-5.6滾珠絲杠。4.2伺服電機計算選型4.2.1旋轉(zhuǎn)速度最高使用轉(zhuǎn)速：馬達額定轉(zhuǎn)速：4.2.2電機分辨率根據(jù)移動滑臺最小進給量，滾珠絲杠的導程、電機減速比計算伺服電機需求分辨率B其中，——角度測試儀和驅(qū)動器所需要的分辨率（p/rev）——滾珠絲杠的導程——減速比——脈沖當量選取分辨率為500以上的伺服電機可滿足設(shè)計要求4.2.3電機扭矩1.由外部負荷引起的摩擦扭矩其中，——軸向載荷——滾珠絲杠的導程——機械傳動效率（0.9～0.95）——減速比2.加速時所需的扭矩慣性力矩：每單位長度的絲杠軸慣性扭矩為則絲杠全長470mm的慣性力矩為其中，——慣性力矩——運送質(zhì)量——滾珠絲杠的導程——減速比——絲杠軸的慣性力矩角加速度：其中，——角加速度——電機工作最高轉(zhuǎn)速——加速時間綜上，所需扭矩如下：加速時等速時減速時因此伺服電機的瞬時最大扭矩必須在以上3.由滾珠絲杠予壓引起的扭矩對滾珠絲杠沒有施加予壓4.2.4扭矩的有效值其中，——扭矩的有效值——變動扭矩——承受扭矩的時間t——循環(huán)時間（）因此，伺服馬達的額定扭矩必須在57N·mm以上4.2.5電機型號型號：60ST-M00630額定功率額定轉(zhuǎn)速額定扭矩額定線電壓額定線電流峰值力矩重量0.2kw3000r/min0.6N·m220V1.2A1.91N·m1.16kg4.3軸承的選型設(shè)計4.3.1確定軸承型號軸承類型型號內(nèi)徑（mm）外徑（mm）寬度（mm）Cr（KN）Cor（KN）脂潤滑轉(zhuǎn)速（min-1）有潤滑轉(zhuǎn)速（min-1）重量（kg）角接觸球軸承7002C153296.63.735000470000.0354.3.2軸承的壽命計算表SEQ表\*ARABIC5軸承的徑向和軸向動載荷系數(shù)X和Y1.當量動載荷其中，——當量動載荷——沖擊載荷系數(shù)——徑向動載荷系數(shù)——軸向動載荷系數(shù)——徑向載荷——軸向載荷根據(jù)線性插值法求出對應的e的值為，對應的X、Y的值為綜上，可計算P的值為載荷性質(zhì)舉例平穩(wěn)運輸或有輕微沖擊1.0～1.2電動機、通風機、水泵、汽輪機等中等沖擊1.2～1.8機床、車輛、冶金設(shè)備、起重機等強大沖擊1.8～3.0軋鋼機、破碎機、振動篩、鉆探機等表SEQ表\*ARABIC6載荷系數(shù)的值2.額定壽命計算其中，——額定壽命，單位為h——軸承轉(zhuǎn)速——軸承額定動載荷——當量動載荷——壽命指數(shù)，球軸承取3，滾子軸承取10/35、縱向進給傳動鏈的設(shè)計計算5.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計選型5.1.1確定滾珠絲杠的進度等級根據(jù)已設(shè)計條件，將190mm工作行程誤差±0.05mm換算為每300mm允許的誤差如下：根據(jù)表1可查得，要滿足±0.08mm/300mm的誤差精度，選擇精度等級為C7的軋制滾珠絲杠可滿足設(shè)計要求，其導程誤差為±0.05mm/300mm。5.1.2確定滾珠絲杠軸的軸向最大間隙同橫向進給鏈設(shè)計相同5.1.3初步估算絲杠軸長度已知滾珠絲杠縱向最大行程為190mm，假設(shè)滾珠絲杠螺母長度為100mm，絲杠軸端安裝長度為100mm，初步估算絲杠軸長度為：5.1.4計算滾珠絲杠的導程已知驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，X-Y移動工作臺的最高速度為0.2m/s，滾珠絲杠與電機采用聯(lián)軸器直聯(lián)，計算滾珠絲杠導程為：其中，——滾珠絲杠的導程，mm——最大進給速度，m/s——電機至絲杠的減速比，當電機與絲杠直聯(lián)時為1——電機額定轉(zhuǎn)速，r/min 5.1.5選定滾珠絲杠直徑/導程查表3選得絲杠直徑/導程組合如下：絲杠直徑導程絲杠直徑導程1282525188153015102040201025502510306032101616152020205.1.6初定絲杠型號由于絲杠長度為390mm，整體長度較短。因此，從機構(gòu)剛度、經(jīng)濟成本等方面考慮，初步選擇絲杠直徑12mm/導程8mm。查閱資料選定絲杠型號為BTF1208V-2.6其額定靜載荷為6.8KN，額定動載荷為3.8KN。絲杠軸外徑導程公稱型號鋼球中心直徑溝槽谷徑基本額定載荷額定靜載荷額定動載荷128BTF1208V-2.612.669.76.83.85.1.7絲杠軸端尺寸設(shè)計同橫向絲桿軸端尺寸設(shè)計相同5.1.8校核容許軸向載荷1.最大軸向載荷的計算導向面的阻力f=15N工作臺質(zhì)量m1=20kg工件質(zhì)量m2=60kg導向面上的摩擦系數(shù)μ=0.01最大速度Vmax=0.1m/s重力加速度g=9.807m/s2加速時間t1=0.15s計算加速度a其中，——最大速度——加速時間計算絲杠的最大軸向載荷去路加速時去路等速時去路減速時返程加速時返程等速時返程減速時作用在絲杠上的最大軸向載荷其中，——導向面上的摩擦系數(shù)——工作臺質(zhì)量，kg——工件質(zhì)量，kg——重力加速度，m/s2——導向面阻力，N——加速度，m/s2.校核絲杠軸的挫曲載荷其中，——與安裝方法相關(guān)的系數(shù)——絲杠軸溝槽谷徑——安裝距離，絲杠軸滿足條件3.校核絲杠軸容許拉伸壓縮載荷，絲杠軸滿足條件5.1.9校核容許轉(zhuǎn)速1.最高轉(zhuǎn)速其中，——最大進給速度——絲杠導程2.由絲杠軸的危險速度所決定的容許轉(zhuǎn)速其中，——與安裝方法相關(guān)的系數(shù)——絲杠軸溝槽谷徑——安裝距離，絲杠軸滿足條件3.由DN值所決定的容許轉(zhuǎn)速其中,D——鋼球中心直徑，絲杠軸滿足條件5.1.10校核額定靜載荷其中，——容許軸向負荷——基本額定靜載荷——靜態(tài)安全系數(shù)與最大軸向載荷79N相比，，所以絲杠滿足條件5.1.11根據(jù)額定動載荷校核絲杠使用壽命1.計算運行距離加速時的運行距離等速時的運行距離減速時的運行距離根據(jù)以上計算，軸向負載和運動距離關(guān)系如下：動作軸向負載FaN（N）運行距離lN1.去路加速時797.52.去路等速時232553.去路減速時-337.54.返程加速時797.55.返程等速時-232556.返程減速時337.52.計算平均載荷正向軸向平均載荷因為負荷方向不同，按，來計算軸向平均載荷負向軸向平均載荷因為負荷方向不同，按，來計算軸向平均載荷因為，所以軸向平均載荷為3.計算額定壽命其中，——額定動載荷——載荷系數(shù)——平均載荷L——額定壽命（rev）4.計算每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)其中，——每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)——每分鐘往返次數(shù)——行程——導程5.根據(jù)額定壽命計算工作壽命時間其中，——額定壽命——每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)實際工作壽命Lh大于期望工作壽命3000h，綜上計算，選擇絲杠型號為BTF1208V-2.6滿足設(shè)計要求5.2伺服電機計算選型5.2.1旋轉(zhuǎn)速度最高使用轉(zhuǎn)速：馬達額定轉(zhuǎn)速：5.2.2電機分辨率伺服電機分辨率由工作臺最小進給量，即脈沖當量、滾珠絲杠的導程和電機減速比計算求出：其中，——角度測試儀和驅(qū)動器所需要的分辨率（p/rev）——滾珠絲杠的導程 ——減速比——脈沖當量選取分辨率為400以上的伺服電機可滿足設(shè)計要求5.2.3馬達扭矩1.由外部負荷引起的摩擦扭矩其中，——軸向載荷——滾珠絲杠的導程——機械傳動效率（0.9～0.95）——減速比2.加速時所需的扭矩慣性力矩：每單位長度的絲杠軸慣性扭矩為則絲杠全長390mm的慣性力矩為其中，——慣性力矩——運送質(zhì)量——滾珠絲杠的導程——減速比——絲杠軸的慣性力矩角加速度：其中，——角加速度——馬達工作最高轉(zhuǎn)速——加速時間綜上，所需扭矩如下：加速時等速時減速時因此伺服馬達的瞬時最大扭矩必須在以上3.由滾珠絲杠予壓引起的扭矩對滾珠絲杠沒有施加予壓5.2.4扭矩的有效值其中，——扭矩的有效值——變動扭矩——承受Tn扭矩的時間t——循環(huán)時間（）因此，伺服馬達的額定扭矩必須在103N·mm以上5.2.5馬達型號型號：60ST-M00630額定功率額定轉(zhuǎn)速額定扭矩額定線電壓額定線電流峰值力矩重量0.2kw3000r/min0.6N·m220V1.2A1.91N·m1.16kg5.3軸承的選型設(shè)計5.3.1確定軸承型號軸承類型型號內(nèi)徑（mm）外徑（mm）寬度（mm）Cr（KN）Cor（KN）脂潤滑轉(zhuǎn)速（min-1）有潤滑轉(zhuǎn)速（min-1）重量（kg）角接觸球軸承70200C1030952.3540000540000.0315.3.2滾動軸承的壽命計算1.當量動載荷其中，——當量動載荷——沖擊載荷系數(shù)——徑向動載荷系數(shù)——軸向動載荷系數(shù)——徑向載荷——軸向載荷根據(jù)線性插值法求出對應的e的值為，對應的X、Y的值為綜上，可計算P的值為載荷性質(zhì)舉例平穩(wěn)運輸或有輕微沖擊1.0～1.2電動機、通風機、水泵、汽輪機等中等沖擊1.2～1.8機床、車輛、冶金設(shè)備、起重機等強大沖擊1.8～3.0軋鋼機、破碎機、振動篩、鉆探機等表SEQ表\*ARABIC7載荷系數(shù)的值2.額定壽命計算其中，——額定壽命，單位為h——軸承轉(zhuǎn)速——軸承額定動載荷——當量動載荷——壽命指數(shù)，球軸承取3，滾子軸承取10/3

6、垂直進給傳動鏈的設(shè)計計算6.1滾珠絲杠螺母副的設(shè)計選型6.1.1確定滾珠絲杠的進度等級根據(jù)已設(shè)計條件，將380mm工作行程誤差±0.05mm換算為每300mm允許的誤差如下：根據(jù)表1可查得，要滿足±0.08mm/300mm的誤差精度，選擇精度等級為C7的軋制滾珠絲杠可滿足設(shè)計要求，其導程誤差為±0.05mm/300mm。6.1.2確定滾珠絲杠軸的軸向最大間隙同橫向進給鏈設(shè)計相同6.1.3初步估算絲杠軸長度已知滾珠絲杠垂直最大行程為380mm，假設(shè)滾珠絲杠螺母長度為100mm，絲杠軸端安裝長度為100mm，初步估算絲杠軸長度為：6.1.4計算滾珠絲杠的導程已知驅(qū)動電機的額定轉(zhuǎn)速為3000r/min，主軸的最高速度為0.2m/s，滾珠絲杠與電機采用聯(lián)軸器直聯(lián)，計算滾珠絲杠導程為：其中，——滾珠絲杠的導程，mm——最大進給速度，m/s——電機至絲杠的減速比，當電機與絲杠直聯(lián)時為1——電機額定轉(zhuǎn)速，r/min 6.1.5選定滾珠絲杠直徑/導程查表3選得絲杠直徑/導程組合如下：絲杠直徑導程絲杠直徑導程1282525188153015102040201025502510306032101616152020206.1.6初定絲杠型號由于絲杠長度為580mm，整體長度較短。因此，從機構(gòu)剛度、經(jīng)濟成本等方面考慮，初步選擇絲杠直徑12mm/導程8mm。查閱資料選定絲杠型號為BTF1208V-2.6其額定靜載荷為6.8KN，額定動載荷為3.8KN。絲杠軸外徑導程公稱型號鋼球中心直徑溝槽谷徑基本額定載荷額定靜載荷額定動載荷128BTF1208V-2.612.669.76.83.86.1.7絲杠軸端尺寸設(shè)計同橫向絲桿軸端尺寸設(shè)計相同6.1.8校核容許軸向載荷1.最大軸向載荷的計算導向面的阻力f=15N工作臺質(zhì)量m1=20kg主軸電機及鉆頭質(zhì)量m2=40kg導向面上的摩擦系數(shù)μ=0.01最大速度Vmax=0.1m/s重力加速度g=9.807m/s2加速時間t1=0.15s計算加速度a其中，——最大速度——加速時間計算絲杠的最大軸向載荷去路加速時去路等速時去路減速時返程加速時返程等速時返程減速時作用在絲杠上的最大軸向載荷其中，——導向面上的摩擦系數(shù)——工作臺質(zhì)量，kg——工件質(zhì)量，kg——重力加速度，m/s2——導向面阻力，N——加速度，m/s2.校核絲杠軸的挫曲載荷其中，——與安裝方法相關(guān)的系數(shù)——絲杠軸溝槽谷徑——安裝距離，絲杠軸滿足條件3.校核絲杠軸容許拉伸壓縮載荷，絲杠軸滿足條件6.1.9校核容許轉(zhuǎn)速1.最高轉(zhuǎn)速其中，——最大進給速度——絲杠導程2.由絲杠軸的危險速度所決定的容許轉(zhuǎn)速其中，——與安裝方法相關(guān)的系數(shù)——絲杠軸溝槽谷徑——安裝距離，絲杠軸滿足條件3.由DN值所決定的容許轉(zhuǎn)速其中,D——鋼球中心直徑，絲杠軸滿足條件6.1.10校核額定靜載荷其中，——容許軸向負荷——基本額定靜載荷——靜態(tài)安全系數(shù)與最大軸向載荷79N相比，，所以絲杠滿足條件6.1.11根據(jù)額定動載荷校核絲杠使用壽命1.計算運行距離加速時的運行距離等速時的運行距離減速時的運行距離根據(jù)以上計算，軸向負載和運動距離關(guān)系如下：動作軸向負載FaN（N）運行距離lN1.去路加速時637.52.去路等速時212553.去路減速時-217.54.返程加速時637.55.返程等速時-212556.返程減速時217.52.計算平均載荷正向軸向平均載荷因為負荷方向不同，按，來計算軸向平均載荷負向軸向平均載荷因為負荷方向不同，按，來計算軸向平均載荷因為，所以軸向平均載荷為3.計算額定壽命其中，——額定動載荷——載荷系數(shù)——平均載荷L——額定壽命（rev）4.計算每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)其中，——每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)——每分鐘往返次數(shù)——行程——導程5.根據(jù)額定壽命計算工作壽命時間其中，——額定壽命——每分鐘平均轉(zhuǎn)數(shù)實際工作壽命Lh大于期望工作壽命3000h，綜上計算，選擇絲杠型號為BTF1208V-2.6滿足設(shè)計要求6.2伺服電機計算選型6.2.1旋轉(zhuǎn)速度最高使用轉(zhuǎn)速：馬達額定轉(zhuǎn)速：6.2.2電機分辨率伺服電機分辨率由工作臺最小進給量，即脈沖當量、滾珠絲杠的導程和電機減速比計算求出：其中，——角度測試儀和驅(qū)動器所需要的分辨率（p/rev）——滾珠絲杠的導程 ——減速比——脈沖當量選取分辨率為400以上的伺服電機可滿足設(shè)計要求6.2.3馬達扭矩1.由外部負荷引起的摩擦扭矩其中，——軸向載荷——滾珠絲杠的導程——機械傳動效率（0.9～0.95）——減速比2.加速時所需的扭矩慣性力矩：每單位長度的絲杠軸慣性扭矩為則絲杠全長390mm的慣性力矩為其中，——慣性力矩——運送質(zhì)量——滾珠絲杠的導程——減速比——絲杠軸的慣性力矩角加速度：其中，——角加速度——馬達工作最高轉(zhuǎn)速——加速時間綜上，所需扭矩如下：加速時等速時減速時因此伺服馬達的瞬時最大扭矩必須在以上3.由滾珠絲杠予壓引起的扭矩對滾珠絲杠沒有施加予壓6.2.4扭矩的有效值其中，——扭矩的有效值——變動扭矩——承受Tn扭矩的時間t——循環(huán)時間（）因此，伺服馬達的額定扭矩必須在97N·mm以上6.2.5馬達型號型號：60ST-M00630額定功率額定轉(zhuǎn)速額定扭矩額定線電壓額定線電流峰值力矩重量0.2kw3000r/min0.6N·m220V1.2A1.91N·m1.16kg6.3軸承的選型設(shè)計6.3.1確定軸承型號軸承類型型號內(nèi)徑（mm）外徑（mm）寬度（mm）Cr（KN）Cor（KN）脂潤滑轉(zhuǎn)速（min-1）有潤滑轉(zhuǎn)速（min-1）重量（kg）角接觸球軸承70200C1030952.3540000540000.0316.3.2滾動軸承的壽命計算1.當量動載荷其中，——當量動載荷——沖擊載荷系數(shù)——徑向動載荷系數(shù)——軸向動載荷系數(shù)——徑向載荷——軸向載荷根據(jù)線性插值法求出對應的e的值為，對應的X、Y的值為綜上，可計算P的值為載荷性質(zhì)舉例平穩(wěn)運輸或有輕微沖擊1.0～1.2電動機、通風機、水泵、汽輪機等中等沖擊1.2～1.8機床、車輛、冶金設(shè)備、起重機等強大沖擊1.8～3.0軋鋼機、破碎機、振動篩、鉆探機等表SEQ表\*ARABIC7載荷系數(shù)的值2.額定壽命計算其中，——額定壽命，單位為h——軸承轉(zhuǎn)速——軸承額定動載荷——當量動載荷——壽命指數(shù)，球軸承取3，滾子軸承取10/3控制系統(tǒng)設(shè)計7.1控制系統(tǒng)改造思路對Z4012型鉆床進行數(shù)控改造。臺鉆的機械本體部分主軸的旋轉(zhuǎn)運動和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)不需要改造。所需要改造的部分是：1.設(shè)計一套X—Y移動數(shù)控工作臺及Z軸移動設(shè)備；2.設(shè)計一套簡易的X—Y工作臺及Z軸移動設(shè)備微機數(shù)控裝置。X—Y工作臺的位置控制采用步進伺服電機電機；同時根據(jù)實際的改造情況，主控器選用MCS—51單片機，和3個步步進伺服電機采用開環(huán)控制的驅(qū)動方式。因為工件相對刀圖8—1 控制系統(tǒng)的總體設(shè)框圖ＣＰX步進電機Y步進電機Z步進電機Y工作臺執(zhí)行元件Ｘ工作臺執(zhí)行元件復位電路超程報警電路極限位置控制電路器8279ＣＰX步進電機Y步進電機Z步進電機Y工作臺執(zhí)行元件Ｘ工作臺執(zhí)行元件復位電路超程報警電路極限位置控制電路器8279器數(shù)據(jù)存儲器擴展電路器8031數(shù)據(jù)存儲器擴展電路Z軸上下移動執(zhí)行元件7.1.1微機控制系統(tǒng)的改造措施考慮改造成本、改裝方便、效率等因素，因此選用PLC、MCS—單片機、計算機三種控制方案。而MCS—單片機單片機的性價比高、改裝方便，故選用該系列中的8031芯片作為數(shù)控系統(tǒng)的控制器。下圖8—1.1為微機控制系統(tǒng)設(shè)計框圖。圖8—1.1 微機控制系統(tǒng)設(shè)計框圖7.1.2軟件的改造措施由于模塊化設(shè)計便于修改和擴充，編制程序較為方便。故本單片機系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，主要包括主模塊、字程序模塊、和中斷處理模塊等。主模塊即系統(tǒng)管理程序，開機后即執(zhí)行該程序。主模塊的功能為：初始化和監(jiān)控。MCS—51系列單片機改造的普通機床其加工精度、生產(chǎn)率都有較大提高，而且價格低廉，系統(tǒng)性能穩(wěn)。因此選用MCS—51系列的單片機。7.1.3開環(huán)控制系統(tǒng)的改造措施步進電動機采用專用的CH250環(huán)行分配器實現(xiàn)脈沖分配。系統(tǒng)將單片機的脈沖信號經(jīng)環(huán)行分配器送出，同時設(shè)計一個光電隔器避免各電路的相干擾。又因為單片機的信號很機信號很弱，所以設(shè)計一個功率放大電路將信號放大。圖7—1.3為開環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計框圖。圖7—1.3開環(huán)控制系統(tǒng)框圖7.2主控器的選用設(shè)計選用MCS—51系列的8031芯片。它采用40引腳的雙列直插封裝（DIP）方式。其引腳圖如圖7—2.2。各引腳的功能如表7—2.1

引 腳功 能Vss與VccVss：接地；Vcc：正常操作時接+5V電源。這里MCS—51的時鐘采用內(nèi)部方式外接晶體或外接陶瓷諧振器與電容C1、C2構(gòu)成并聯(lián)諧振器REF_Ref26862\r\h[19]。RST/VPDALE/PROGPSENEA/VppRST/VPD：當振蕩器正常運行時，在此引腳上出現(xiàn)兩個機器周期以上的高電平使單片機復位。Vcc掉電期間，此引腳可接備用電源，已保持內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)。當Vcc下降掉到低于規(guī)定的水平，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源REF_Ref26862\r\h[19]。ALE/PROG：當ALE（允許地址鎖存信號）為高電平時，P0口送出低8位地址，通過ALE信號鎖存；反之，則P0口傳送數(shù)據(jù)。對于8751型單片機，在EPROM編程期間，PROG引腳用于輸入編程脈沖REF_Ref26862\r\h[19]。PSEN：程序存儲器讀選通信號，低電平有效。當從外部程序存儲器取指令期間每個機器周期兩次PSEN有效，P2和P0口送出的地址為持續(xù)存儲器地址；當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。外部數(shù)據(jù)存儲器是靠RD及WR信號控制。PSEN同樣可以驅(qū)動8個LSTTL輸入REF_Ref26862\r\h[19]。EA/Vpp：當EA端保持高電平時，訪問內(nèi)部程序存儲器（4KB），但當PC（程序計數(shù)器）值超過0FFFH時，將自動轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存儲器內(nèi)的程序。當EA保持低電平時，則只訪問外部程序存儲器（從0000H地址開始），不管單片機內(nèi)部是否有程序存儲器。對于EPROM型單片機，在EPROM編程期間，Vpp引腳用于施加21V的編程電源REF_Ref26862\r\h[19]。輸入輸出引腳P0.0~P0.7 P0口是一個漏極開路型準雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址（低8位）和數(shù)據(jù)總線，同時激活內(nèi)部上拉電阻。在EPROM編程時它接收指令字節(jié)，而在驗證程序時則輸出指令字節(jié)且要求外接上拉電阻REF_Ref26862\r\h[19]。P1.0~P1.7：P1口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在EPROM編程和程序驗證時，它接收低8位地址REF_Ref26862\r\h[19]。P2.0~P2.7：P2口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它送出高8位地址。在EPROM編程和程序驗證期間，它接收高8位地址REF_Ref26862\r\h[19]。P3.0~P3.7：P3口是帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。在MCS—51中，這8個引腳還兼有專用功能REF_Ref26862\r\h[19]。如表7—2.3所示。圖7—2.18031引腳功能表圖7—2.28031引腳圖P3.0RXD串行輸入口P3.1TXD串行輸入口P3.2INT0外部中斷0P3.3INT1外部中斷1P3.4T0定時器0的外部輸入P3.5T1定時器1的外部輸入P3.6WR外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通P3.7RD外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通表7—2.3 P3各口線與專用功能7.2.1程序存儲器（EPROM）的選用由于8031單片機沒有內(nèi)部程序存儲器，所以必須外加一個程序存儲器。讀取速度是所要考慮的主要問題，根據(jù)CPU和EPROM時序匹配要求，要滿足8031提供的讀取時間大于EPROM所要求的讀取時間。圖7—2.427256引腳圖同時8031單片機訪問EPROM時其所能提供的讀取時間t，約為3T（時鐘周期）。選用晶體頻率為6MHz，則約為480ns。所以故選用一片27256。它的引腳圖如圖7—2.4；引腳功能圖表如表7—2.5；與8031的連接圖如圖7—2.6。圖7—2.68031與27256連接圖芯 片引 腳功 能27256/62256Vcc工作電壓27256/62256Vss接地27256/62256OE（-）數(shù)據(jù)輸出選通信號線27256/62256CE（-）片選信號線27256/62256O0—O7數(shù)據(jù)線27256/62256A0—A14地址線27256Vpp編程電壓62256WE（-）寫信號線注：“（-）”表示低電平有效表7—2.5 27256與62256的引腳功能表7.2.2數(shù)據(jù)存儲器（RAM）擴展的選用因為機床的加工數(shù)據(jù)存儲量較大，所以僅片內(nèi)的RAM存儲器的存儲空間是不夠的，須外擴。在選用RAM時主要考慮因素同樣是RAM的讀寫速度與CPU鎖提供的讀寫時序的匹配的要求。它也應滿足8031所能提供的讀寫時間應大于RAM所要求的讀寫時間。RAM可分靜態(tài)與動態(tài)，靜態(tài)不須考慮保持數(shù)據(jù)而設(shè)置刷新電路，擴展電路簡單。綜上所述本系統(tǒng)選用62256（32K×8）一片。它的引腳圖如圖7—2.7；引腳功能如表7—2.4；62256與8031的連接圖如圖7—2.8。圖7—2.88031與62256連接圖圖7—2.762256引腳圖7.2.3譯碼器、鎖存器芯片的選用譯碼器選TTL芯片74LS138。鎖存器選用TTL芯片74LS273，與8282可兼容。由于系統(tǒng)的復雜性擴展的芯片較多，考慮到8031的P0口最多可負載8個TTL電路，P2口可負載4個TTL電路，所以8031的總線負載過重，因而在P0口擴展雙向數(shù)據(jù)總線驅(qū)動器74LS245。她們的引腳功能如表7—2.9REF_Ref27779\r\h[21]。芯 片引 腳功 能74LS373/74LS138Vcc工作電壓74LS373/74LS138GND接地74LS373OE（-）片選信號線Q1—Q8輸出端D1—D8輸入端G/STB鎖存控制信號線74LS138A、B、C譯碼選擇Y0—Y7輸出端E1、E2、E3譯碼選擇表7—2.9 74LS273與74LS138引腳功能表7.2.4鍵盤、顯示器接口芯片的選用9876Z上Z下輸入演示復位5432電機正轉(zhuǎn)電機反轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)速輸入急停10小數(shù)點負號結(jié)束返回修改暫停回車表7—2.10 鍵盤示意圖引 腳功 能引 腳功 能Vcc工作電壓IRQ（-）中斷請求輸出信號Vss接地RL0—RL7回復輸入端CS(-)片選信號線SHIFT移位信號輸入端RD/WR(-)讀寫控制信號CNTL/STB控制選通信號輸入端A0數(shù)據(jù)/命令選擇信號輸入端A組顯示信號輸出端D0—D7數(shù)據(jù)總線OUTB0—OUB3B組顯示信號輸出端CLK時鐘信號輸入端BD(-)顯示消隱信號輸出端RESET復位信號輸入端SL0—SL3掃描信號輸出端表—2.11 8279的引腳功能表31VCCOUTB0RL2OUTB1RL3OUTB2 CLKOUTB3 IRQOUTA0 RL4OUTA1RL5OUTA2RL6OUTA3 BD RDCS WRA0D0SL0D1SL1 D2SL2 D3SL3 D4SHIFTD5CNTL/STBRSTRL0 D6RL1GND D7401302928272623456257248231022112112321333143415351636173793818391920圖7—2.128279引腳圖圖—2.13 8031與8279連接圖8279是通用可編程鍵盤和顯示器接口電路芯片。它可以實現(xiàn)對鍵盤和顯示器的自動掃描，識別閉合鍵的鍵號，完成顯示器的動態(tài)顯示。從而大大節(jié)省了CPU處理鍵盤和顯示器的時間，提高了CPU的工作效率。另外8279與單片機的接口簡單，顯示穩(wěn)定，工作可靠，在數(shù)控機床及普通機床的數(shù)控改造上應用非常廣泛。8279采用40引腳雙列直插封裝。引腳圖如圖7—2.12，與8031的連接如圖7—2.13。本設(shè)計中根據(jù)鉆床改造的實際需要設(shè)置了24小鍵盤示意圖如表7—2.10；表7—2.118279引腳功能圖REF_Ref27779\r\h[21]。電路設(shè)計驅(qū)動步進電機的脈沖需要按所要求的順序供給電機各相。因此必須有脈沖分配器。為使電機正常