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山東大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
第1章 概論
數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,兩者的加工工藝基本相同,結(jié)構(gòu)也有些相似,但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動(dòng)加工機(jī)床。
1.1數(shù)控銑床的分類
1.1.1按主軸布置形式分類
（1）立式數(shù)控銑床
????立式數(shù)控銑床的主軸軸線與工作臺(tái)面垂直，是數(shù)控銑床中最常見的一種布局形式。立式數(shù)控銑床一般為三坐標(biāo) （ X 、 Y 、 Z ）聯(lián)動(dòng) , 其各坐標(biāo)的控制方式主要有以下兩種：
1 ）工作臺(tái)縱、橫向移動(dòng)并升降，主軸只完成主運(yùn)動(dòng)。目前小型數(shù)控銑床一般采用這種方式 。
2 ） 工作臺(tái)縱、橫向移動(dòng)，主軸升降。這種方式一般運(yùn)用在中型數(shù)控銑床中 。立式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工件安裝方便，加工時(shí)便于觀察，但不便于排屑。
（2）臥式數(shù)控銑床
臥式數(shù)控銑床的主軸軸線與工作臺(tái)面平行，主要用來加工箱體類零件。一般配有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)以實(shí)現(xiàn)四軸或五軸加工，從而擴(kuò)大功能和加工范圍。臥式數(shù)控銑床相比立式數(shù)控銑床，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工時(shí)不便觀察，但排屑順暢。
（3）立臥兩用數(shù)控銑床
立臥兩用數(shù)控銑床的主軸軸線可以變換，使一臺(tái)銑床具備立式數(shù)控銑床和臥式數(shù)控銑床的功能。這類機(jī)床適應(yīng)性更強(qiáng)，應(yīng)用范圍更廣，尤其適合于多品種、小批量又需立臥兩種方式加工的的情況，但其主軸部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
1.1.2按數(shù)控系統(tǒng)的功能分類
（1）經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床一般是在普通立式銑床或臥式銑床的基礎(chǔ)上改造而來的，采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，成本低，機(jī)床功能較少，主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度不高，主要用于精度要求不高的簡(jiǎn)單平面或曲面零件加工。
（2）全功能數(shù)控銑床
????全功能數(shù)控銑床一般采用半閉環(huán)或閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)功能較強(qiáng)，數(shù)控系統(tǒng)功能豐富，一般可實(shí)現(xiàn)四坐標(biāo)或以上的聯(lián)動(dòng)，加工適應(yīng)性強(qiáng)，應(yīng)用最為廣泛 。
（3）高速銑削數(shù)控銑床
???? 我們一般把主軸轉(zhuǎn)速在 8000 ～ 40000 r/min 的數(shù)控銑床稱為高速銑削數(shù)控銑床，其進(jìn)給速度可達(dá) 10 ～ 30 m/min，這種數(shù)控銑床采用全新的機(jī)床結(jié)構(gòu)（主體結(jié)構(gòu)及材料變化）、功能部件（電主軸、直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給）和功能強(qiáng)大的數(shù)控系統(tǒng)，并配以加工性能優(yōu)越的刀具系統(tǒng)，可對(duì)大面積的曲面進(jìn)行高效率、高質(zhì)量的加工。高速銑削是數(shù)控加工的一個(gè)發(fā)展方向，目前，其技術(shù)正日趨成熟，并逐漸得到廣泛應(yīng)用，但機(jī)床價(jià)格昂貴，使用成本較高。
1.2數(shù)控銑床的組成及特征
1.2.1數(shù)控銑床的組成
數(shù)控銑床的組成及結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。
圖1.1
1-X向?qū)к壏雷o(hù) 2-Y軸伺服驅(qū)動(dòng) 3-Z向?qū)к壏雷o(hù) 4-立柱 5-冷卻水箱 6-底座 7-Y向?qū)к壏雷o(hù)????? 8-工作臺(tái) 9-十字滑臺(tái) 10-X軸伺服驅(qū)動(dòng) 11-操縱臺(tái) 12-主軸箱 13-主軸總成 14-Z軸伺服驅(qū)動(dòng)
（1）輔助裝置 如液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。
（2）主軸箱 包括主軸箱體和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對(duì)加工有直接的影響。
（3）控制系統(tǒng) 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機(jī)床進(jìn)行加工。
（4）機(jī)床基礎(chǔ)件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。
（5）進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)
1.2.2數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特征
⑴控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)特征 為了要把工件上各種復(fù)雜的形狀輪廓連續(xù)加工出來，必須控制刀具沿設(shè)定的直線、圓弧或空間的直線、圓弧軌跡運(yùn)動(dòng)，這就要求數(shù)控銑床的伺服拖動(dòng)系動(dòng)能在多坐標(biāo)方向同時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作，并保持預(yù)定的相互關(guān)系，也就是要求機(jī)床應(yīng)能實(shí)現(xiàn)多坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。數(shù)控銑床要控制的坐標(biāo)數(shù)起碼是三坐標(biāo)中任意兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，要實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工直線變斜角工件，起碼要實(shí)現(xiàn)四坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，而若要加工曲線變斜角工件，則要求實(shí)現(xiàn)5坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。因此，數(shù)控銑床所配置的數(shù)控系統(tǒng)在檔次上一般都比其他數(shù)控機(jī)床相應(yīng)更高一些。?
⑵數(shù)控銑床的主軸特征 現(xiàn)代數(shù)控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉(zhuǎn)與主軸變速等都可以按程序介質(zhì)上編入的程序自動(dòng)執(zhí)行。不同的機(jī)床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機(jī)組(目前已很少采用)，固定幾種轉(zhuǎn)速，可任選一種編入程序，但不能在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)改變；有的采用變頻器調(diào)速，將轉(zhuǎn)速分為幾檔，程編時(shí)可任選一檔，在運(yùn)轉(zhuǎn)中可通過控制面板上的旋鈕在本檔范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；有的則不分檔，程編可在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)任選一值，在主軸運(yùn)轉(zhuǎn)中可以在全速范圍內(nèi)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)整，但從安全角度考慮，每次只能調(diào)高或調(diào)低在允許的范圍內(nèi)，不能有大起大落的突變。在數(shù)控銑床的主軸套筒內(nèi)一般都設(shè)有自動(dòng)拉、退刀裝置，能在數(shù)秒種內(nèi)完成裝刀與卸刀，使換刀顯得較方便。此外，多坐標(biāo)數(shù)控銑床的主軸可以繞X、Y或Z軸作數(shù)控?cái)[動(dòng)，也有的數(shù)控銑床帶有萬(wàn)能主軸頭，擴(kuò)大了主軸自身的運(yùn)動(dòng)范圍，但主軸結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。
數(shù)控銑削加工除了具有普通銑床加工的特點(diǎn)外，還有如下特點(diǎn)：
1）零件加工的適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性好，能加工輪廓形狀特別復(fù)雜或難以控制尺寸的零件，如模具類零件、殼體類零件等。
2）能加工普通機(jī)床無(wú)法加工或很難加工的零件，如用數(shù)學(xué)模型描述的復(fù)雜曲線零件以及三維空間曲面類零件。
3）能加工一次裝夾定位后，需進(jìn)行多道工序加工的零件。
4）加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
5）生產(chǎn)自動(dòng)化程序高，可以減輕操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度。有利于生產(chǎn)管理自動(dòng)化。
6）生產(chǎn)效率高。
7）從切削原理上講，無(wú)論是端銑或是周銑都屬于斷續(xù)切削方式，而不像車削那樣連續(xù)切削，因此對(duì)刀具的要求較高，具有良好的抗沖擊性、韌性和耐磨性。
1.3數(shù)控銑床的主要功能及應(yīng)用
1.3.1數(shù)控銑床的主要功能
各種類型數(shù)控銑床所配置的數(shù)控系統(tǒng)雖然各有不同，但各種數(shù)控系統(tǒng)的功能，除一些特殊功能不盡相同外，其主要功能基本相同。
（1）點(diǎn)位控制功能
此功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相互位置精度要求很高的孔系加工。
（2）連續(xù)輪廓控制功能
此功能可以實(shí)現(xiàn)直線、圓弧的插補(bǔ)功能及非圓曲線的加工。
（3）刀具半徑補(bǔ)償功能
此功能可以根據(jù)零件圖樣的標(biāo)注尺寸來編程，而不必考慮所用刀具的實(shí)際半徑尺寸，從而減少編程時(shí)的復(fù)雜數(shù)值計(jì)算。
（4）刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能
此功能可以自動(dòng)補(bǔ)償?shù)毒叩拈L(zhǎng)短，以適應(yīng)加工中對(duì)刀具長(zhǎng)度尺寸調(diào)整的要求。
（5）比例及鏡像加工功能
比例功能可將編好的加工程序按指定比例改變坐標(biāo)值來執(zhí)行。鏡像加工又稱軸對(duì)稱加工，如果一個(gè)零件的形狀關(guān)于坐標(biāo)軸對(duì)稱，那么只要編出一個(gè)或兩個(gè)象限的程序，而其余象限的輪廓就可以通過鏡像加工來實(shí)現(xiàn)。
（6）旋轉(zhuǎn)功能
該功能可將編好的加工程序在加工平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)任意角度來執(zhí)行。
（7）子程序調(diào)用功能
有些零件需要在不同的位置上重復(fù)加工同樣的輪廓形狀，將這一輪廓形狀的加工程序作為子程序，在需要的位置上重復(fù)調(diào)用，就可以完成對(duì)該零件的加工。
（8）宏程序功能
該功能可用一個(gè)總指令代表實(shí)現(xiàn)某一功能的一系列指令，并能對(duì)變量進(jìn)行運(yùn)算，使程序更具靈活性和方便性。
1.3.2數(shù)控銑床的應(yīng)用
與數(shù)控車削相比，數(shù)控銑床有著更為廣泛的應(yīng)用范圍，能夠銑削加工各種平面、斜面輪廓和立體輪廓零件，還能夠進(jìn)行外形輪廓銑削、曲面型腔銑削及三維復(fù)雜型面的銑削，如各種凸輪、模具等，若再添加圓工作臺(tái)等附件（此時(shí)變?yōu)樗淖鴺?biāo)），則應(yīng)用范圍將更廣，可用于加工螺旋槳、葉片等空間曲面零件。配上相應(yīng)的刀具還可進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、锪、鏜孔和攻螺紋等。此外，隨著高速銑削技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控銑床可以加工形狀更為復(fù)雜的零件，精度也更高 。
第2章 設(shè)計(jì)主要參數(shù)及基本思想
2.1 課題要求
2.1.1 題目名稱（包括主要技術(shù)參數(shù)）及技術(shù)要求
立式升降臺(tái)數(shù)控銑床
（1）Z軸的行程分別為 300、300、250mm;
（2）進(jìn)給精度 0.01mm；
（3）X、Y、Z軸快速進(jìn)給速度分別為 6、6、3m/min；
（4）工作臺(tái)面尺寸 300x500mm;
（5）脈沖當(dāng)量 0.01mm/步；
（6）重復(fù)定位精度 0.01mm.
2.1.2 課題內(nèi)容及工作量
(1)簡(jiǎn)易數(shù)控銑床總圖A0一張
(2) 電氣控制原理圖A0一張
(3) 主軸裝配圖A0一張
(4) 計(jì)說明書一份18000字左右
(5) 上機(jī)編程100句以上
注：全部圖紙用計(jì)算機(jī)繪制，說明書由計(jì)算機(jī)輸出。
2.2 設(shè)計(jì)原則
根據(jù)設(shè)計(jì)要求和銑床的具體情況，課題的基本設(shè)計(jì)方案如下：
（1）機(jī)床采用連續(xù)控制系統(tǒng)，定位方式采用增量坐標(biāo)控制。
（2）考慮到機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。
（3）進(jìn)給傳動(dòng)的設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床必須有精確的進(jìn)給傳動(dòng)系，才會(huì)有高的精度和表面質(zhì)量。考慮到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選用，為達(dá)到分辨率0.01mm的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)，利用電子控制系統(tǒng)消除誤差。
（4）為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求機(jī)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。
（5）傳動(dòng)系統(tǒng)要加上脈動(dòng)裝置。
以上為基本的設(shè)計(jì)方案，除了這些，課題應(yīng)注意機(jī)床的幾何精度的修正，數(shù)控指令的顯示和使用等。
2.3 總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.3.1 數(shù)控機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求
數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求主要有以下方面:
（1）有良好的抗振性能和很大的額定切削功率、高的靜、動(dòng)態(tài)剛度；
（2）有較高的熱穩(wěn)定性和較高的幾何精度、傳動(dòng)精度、定位精度；
（3）有數(shù)控系統(tǒng)及其介質(zhì)。
2.3.2 提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度
機(jī)床的剛度是指切削力和其它力作用下,抵抗變形的能力。機(jī)床在切削過程當(dāng)中，要承受各種外力的作用，承受的靜態(tài)力有運(yùn)動(dòng)部件和被加工零件的自重；承受的動(dòng)態(tài)力有：切削力、驅(qū)動(dòng)力、加減速時(shí)引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機(jī)床的結(jié)構(gòu)部件在這種力作用下將產(chǎn)生變形。如固定連接表面或嚙合運(yùn)動(dòng)表面的接觸變形；各支撐零件不得彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，以及某些支撐件的局部變形等，這些變形都會(huì)直接或間接的引起刀具和工件之間的相對(duì)位移，從而導(dǎo)致工件的加工誤差，或者影響機(jī)床切削過程的特性。
(1)選擇及布置隔板和筋條
床身的靜剛度是直接影響機(jī)床的加工精度和其生產(chǎn)率的主要因素之一。而靜剛度及固有頻率，是影響動(dòng)剛度的重要因素。支承件的隔板和筋條的合理性，可提高構(gòu)件的靜、動(dòng)剛度。
(2)結(jié)構(gòu)剛度
與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床應(yīng)有更高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性。機(jī)床的導(dǎo)軌和支承件往往是局部剛度最弱的部分，在本次設(shè)計(jì)中，采用雙臂聯(lián)接形式，X、Y軸導(dǎo)軌較窄。
(3)采用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件
采用鋼板和型鋼而不采用鑄件的原因：
1）鋼的彈性模量約為鑄鐵的兩倍，因此采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)床身有利于提高固有頻率。在形狀和輪廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件與鑄件的剛度相同，則焊接件的臂厚只需鑄件的一半。
2）如果要求局部剛度相同，因局部剛度與臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需鑄件的80%左右。
3）鋼可以提高構(gòu)件的諧振頻率使共振不易發(fā)生。
4）鋼板焊接能將構(gòu)件做成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)，提高剛度。焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu)點(diǎn)是制造周期短，一般比鑄鐵快1.7-3.5倍。省去了制作木模和鑄造工序，不易出廢品。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，便于產(chǎn)品更新、改進(jìn)結(jié)構(gòu)。焊接件能達(dá)到與鑄件相同，甚至更好的結(jié)構(gòu)特性，可提高抗彎截面慣性矩，減少質(zhì)量。
合理的結(jié)構(gòu)布局可以提高剛度，機(jī)床的工作頭部分由于重力作用將會(huì)使機(jī)床立柱產(chǎn)生彎曲變形，切削力將使立柱產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。這些變形將影響到加工精度。故本次設(shè)計(jì)中將采取通過在立柱上方安裝兩組定滑輪來平衡重力的方法，來減少立柱的變形，提高機(jī)床的剛度。
2.3.3 提高進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度
數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的精度極大的影響零件的加工精度。在開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)精度取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)，特別是機(jī)械傳動(dòng)部件的精度；在閉環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，位置監(jiān)測(cè)裝置的分辨率對(duì)運(yùn)動(dòng)精度有決定性的影響，但是機(jī)械傳動(dòng)部件的特性對(duì)運(yùn)動(dòng)精度也有一定的影響。通常在開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當(dāng)量為0.01mm時(shí)，實(shí)際的定位精度最好的情況也只能達(dá)到0.025。在閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當(dāng)量（或稱最小設(shè)定單位）一般為0.001mm，實(shí)際上定位精度只能達(dá)到0.003mm，當(dāng)指令進(jìn)給系統(tǒng)做單步進(jìn)給（即每次移動(dòng)0.001mm）時(shí)，開始一兩個(gè)單步指令，進(jìn)給部件并不動(dòng)作，到第三個(gè)單步指令時(shí)才突跳一段距離，以后又如此重復(fù)。這些現(xiàn)象都是因?yàn)檫M(jìn)給系統(tǒng)的低速爬行現(xiàn)象引起的，而低速爬行現(xiàn)象又決定于機(jī)械傳動(dòng)部件的特性。
本設(shè)計(jì)采取的方案有：（1）減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差（2）提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。
第3章 立式數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
主傳動(dòng)系統(tǒng)一般由動(dòng)力源（如電動(dòng)機(jī)）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工作臺(tái)），以及開停、換向和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。動(dòng)力源給執(zhí)行元件提供動(dòng)力，并使其得到一定的運(yùn)動(dòng)速度和方向,變速裝置傳遞動(dòng)力以及變換運(yùn)動(dòng)速度，執(zhí)行元件執(zhí)行機(jī)床所需的運(yùn)動(dòng)，完成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)。
現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對(duì)機(jī)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(dá)1：100～1：1000，恒功率調(diào)速范圍達(dá)1：10以上；更大的功率范圍達(dá)2.2～250kW，能在切削加工中自動(dòng)變換速度；機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪聲小，動(dòng)態(tài)性能好，可靠性高等。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下特點(diǎn)：
（1）動(dòng)采用直流或交流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速
（2）數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和主軸功率特性的匹配設(shè)計(jì)
（3）數(shù)控機(jī)床高速主傳動(dòng)設(shè)計(jì)
（4）數(shù)控機(jī)床采用部件標(biāo)準(zhǔn)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
（5）數(shù)控機(jī)床的柔性化、復(fù)合化
（6）虛擬軸機(jī)床設(shè)計(jì)
為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床加工范圍廣、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，要求主傳動(dòng)裝置應(yīng)具有以下特點(diǎn)：
（1）具有較大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。無(wú)機(jī)變速傳動(dòng)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(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于實(shí)現(xiàn)變速自動(dòng)化；能在負(fù)載下變速，便于車削大端面時(shí)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(dòng)平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)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）良好的抗振興和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床一般既要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻 運(yùn)動(dòng)部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，使加工無(wú)法進(jìn)行。因此主傳動(dòng)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(dòng)的能力—抗振性?？拐裥杂脛?dòng)剛度或動(dòng)柔度來衡量。例如主軸組件的動(dòng)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(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)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(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)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(dòng)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(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來實(shí)現(xiàn)。
3.1.1 主傳動(dòng)變速系統(tǒng)
普通機(jī)床一般采用機(jī)械有級(jí)變速調(diào)速傳動(dòng)，而數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)變速；且在切削階梯軸的不同直徑，且削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時(shí)，需要隨切削的直徑的變化而自動(dòng)變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)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(jī)床主傳動(dòng)中常采用得無(wú)級(jí)變速裝置有三大類：變速電動(dòng)機(jī)、機(jī)械無(wú)級(jí)變速裝置和液壓無(wú)級(jí)變速裝置。
無(wú)級(jí)變速主傳動(dòng)系設(shè)計(jì)原則：
一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動(dòng)系要求的無(wú)級(jí)變速裝置。如銑床主傳動(dòng)系要求恒功率傳動(dòng)，就應(yīng)選擇恒功率無(wú)級(jí)變速裝置。二為無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)裝置單獨(dú)使用時(shí)，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機(jī)床實(shí)際需要的恒功率變速范圍。為此，常把無(wú)級(jí)變速裝置宇機(jī)械分級(jí)變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴(kuò)大恒功率變速范圍和整個(gè)變速范圍。
（1）主軸部件設(shè)計(jì)
主軸部件的性能要求
主軸部件是機(jī)床主要部件之一，它是機(jī)床的執(zhí)行元件。他的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，完成表面成型運(yùn)動(dòng)。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動(dòng)件、密封件及定位元件等組成。
主軸部件的工作性能對(duì)整機(jī)性能和加工質(zhì)量以及機(jī)床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決定機(jī)床性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。因此，對(duì)主軸部件有如下要求：
1）軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無(wú)載荷、低速轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)。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(rùn)滑劑和主軸組件的平衡。
2 ）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)生單位位移的彈性便形時(shí)，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(dòng)軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動(dòng)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。
3）溫升 因個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)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(zhǎng)，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會(huì)降低潤(rùn)滑劑的粘度，惡化潤(rùn)滑條件。因此，各類機(jī)床對(duì)溫升都有一定的限制。
4）可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展。
5）精度保持性 它指長(zhǎng)期保持其原始制造精度的能力。對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長(zhǎng)期保持精度。
（2）主軸部件的組成和軸承選型
1) 主軸部件，它由主軸及其支承軸承、傳動(dòng)件、密封件及定位元件等組成。
2) 主軸的傳動(dòng)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(dòng)件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實(shí)現(xiàn)分離傳動(dòng)和模塊化設(shè)計(jì)：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨(dú)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(dòng)聯(lián)接。本三坐標(biāo)曲面數(shù)控銑床采用帶傳動(dòng)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(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)，常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點(diǎn)的位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點(diǎn)支推力支承之間的距離。
3) 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(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，長(zhǎng)采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對(duì)背，面對(duì)面和同向組配，背靠背和面對(duì)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(duì)背比面對(duì)面安裝的軸承具有較高的抗顛覆力矩的能力。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，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(duì)背靠背組配將使過盈減少，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹；而對(duì)于面對(duì)面組配，將使過盈進(jìn)一步加大。基于上述分析，主軸受到彎距，又屬高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此主軸軸承必須采用背靠背組配。
4)角接觸球軸承的間隙調(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(dòng)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(wú)間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支承主軸，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度。滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相等，滾道也不可能絕對(duì)正圓，因而預(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(dòng)體將增多，各滾動(dòng)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(dòng)，則由于各個(gè)方面都有滾動(dòng)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；且較大的預(yù)緊將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。
角接觸球軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡(jiǎn)稱預(yù)緊力Fa0，單位為N。多聯(lián)角接觸球軸承是根據(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(jí)預(yù)緊。訂貨時(shí)可指定預(yù)緊級(jí)別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對(duì)面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去δ。裝配時(shí)擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。如果兩個(gè)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(dòng)體與滾道不能脫離接觸。而滿足這個(gè)條件的最小預(yù)緊力，雙聯(lián)組配為最大軸向載荷的35%。
5)承載能力和壽命
主軸軸承通常載荷相對(duì)較輕。除上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(diǎn)蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為P4級(jí)，經(jīng)使用磨損后跳動(dòng)精度降為P5級(jí),這個(gè)軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。雖然還未達(dá)到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計(jì)。
（3）主軸組件的動(dòng)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(dòng)機(jī)高速主軸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動(dòng)態(tài)特性，可采取下列措施：
1)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(dòng)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(dòng)，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(shí)激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以 π/30。也可能來自斷續(xù)切削，這時(shí)激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù)Z。
2）增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動(dòng)。這時(shí)主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對(duì)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(dòng)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(shí)還因考慮阻尼因素。
3）采用消振裝置。
4）主軸軸承的潤(rùn)滑
滾動(dòng)軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)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(gè)點(diǎn)的接觸；潤(rùn)滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動(dòng)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(dòng)軸承所需的潤(rùn)滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤(rùn)滑，還有用油氣潤(rùn)滑的。
(1)脂潤(rùn)滑
滾動(dòng)軸承能用脂潤(rùn)滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。脂潤(rùn)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(jìn)入，壽命是很長(zhǎng)的。一次充填可用到大修，不需補(bǔ)充，也不要加脂孔。
脂潤(rùn)滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號(hào)（常用于球軸承）。
(2) 油氣潤(rùn)滑
如果dn值較大時(shí)，還需對(duì)軸承進(jìn)行冷卻。如果用油兼作潤(rùn)滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會(huì)增加。最好用油潤(rùn)滑，用空氣冷卻。油霧潤(rùn)滑需能達(dá)到這個(gè)目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤(rùn)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(rùn)滑，空氣用于冷卻。
3.2 主軸系統(tǒng)計(jì)算
三角膠帶傳動(dòng)的計(jì)算和選定
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(qiáng)度）。
(1)確定計(jì)算功率P
kW
式中：K—工況系數(shù)
P—電機(jī)額定功率 Kw
(2)選擇三角帶型號(hào)
根據(jù)P、n由圖7-8選SPA型窄V帶
(3)確定帶輪直徑D、D
小帶輪直徑D應(yīng)滿足：DD 查表7-4取D,故選擇D
(4)計(jì)算膠帶速度
故 D選擇合格
D
(5)確定中心距a和帶長(zhǎng)L
得
初選
帶長(zhǎng)
查表7-3，取
中心距
a的調(diào)整范圍：
(6)驗(yàn)算小帶倫包角
得 ， 即滿足條件。
(7)確定V帶根數(shù)z
由表7-6a查得
由表7-10查得
由表7-11查得
由表7-9查得
由表7-3查得
代入求根公式，得
取z=6,符合表7-4推薦的輪槽數(shù)
(8)確定出拉力
由表7-5得
(9)計(jì)算作用在軸上的壓力
3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.3.1 對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求
進(jìn)給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的一個(gè)特殊部分。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)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(hào)的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。
(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(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行,或者在輸入的指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)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(hào)（包括指令信號(hào)或擾動(dòng)信號(hào)）的性質(zhì)或形式無(wú)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(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實(shí)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(duì)指令輸入信號(hào)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(shí)間，傳動(dòng)裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。
3.3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有：
(1) 能夠克服摩擦力和負(fù)載
(2) 很小的進(jìn)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(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象
在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有：
(1) 具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩
(2) 具有良好的動(dòng)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小
對(duì)于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求
(1) 被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較小的慣量
(2) 高的剛度
(3) 良好的阻尼
(4) 傳動(dòng)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
3.3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析
(1) 時(shí)間響應(yīng)特性
進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時(shí)間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。
時(shí)間響應(yīng)特性是用來描述系統(tǒng)對(duì)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(chǔ)能元件，所以當(dāng)輸入量作用于系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達(dá)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(shí)間t趨向無(wú)窮大時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。若在穩(wěn)定時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)間應(yīng)速度及振蕩過程的狀態(tài)中來獲得動(dòng)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(yàn)的方法來求取動(dòng)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(duì)正眩輸入信號(hào)的響應(yīng)，即它通過研究系統(tǒng)對(duì)正眩輸入信號(hào)的響應(yīng)規(guī)律來獲得啟動(dòng)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(duì)于線性進(jìn)給伺服系統(tǒng)，由于它包含各種電路、機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時(shí)間常數(shù)，對(duì)高頻信號(hào)來不及反應(yīng)，只是一個(gè)地通漏波器。這種系統(tǒng)的通頻寬帶，對(duì)高頻信號(hào)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。
3.4 進(jìn)給傳動(dòng)的計(jì)算
3.4.1 X軸滾珠絲杠副
(1) 精度
要求：進(jìn)給精度
快速進(jìn)給精度
(2) 疲勞強(qiáng)度
絲鋼的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力，最大進(jìn)給力為1625N,工作臺(tái)質(zhì)量700kg,則：
1） 摩擦力
根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》
計(jì)算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級(jí)精度
則：
2） 計(jì)算額定動(dòng)載荷
取絲杠的工作壽命為,
3） 選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計(jì)算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4） 穩(wěn)定性驗(yàn)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(dòng)，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(dòng)端自由伸縮。
固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5） 剛度驗(yàn)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(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況取（其中）
則絲杠在工作長(zhǎng)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)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即
該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。
6） 效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。
3.4.2 Y軸滾珠絲杠副
（1） 精度
要求：進(jìn)給精度
快速進(jìn)給精度
（2） 疲勞強(qiáng)度
絲鋼的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力，最大進(jìn)給力為1625N,工作臺(tái)質(zhì)量900kg,則：
1）摩擦力
根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》
計(jì)算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級(jí)精度
則：
2）計(jì)算額定動(dòng)載荷
取絲杠的工作壽命為,
3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計(jì)算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4）穩(wěn)定性驗(yàn)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(dòng)，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(dòng)端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5）剛度驗(yàn)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(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況取（其中）
則絲杠在工作長(zhǎng)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)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即
該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。
6）效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。
3.4.3 Z軸滾珠絲杠副
（1）精度
要求：進(jìn)給精度
快速進(jìn)給精度
（2）疲勞強(qiáng)度
絲鋼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(jìn)給力的垂直分力。主軸重量為300kg,則：
1）摩擦力
根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》
計(jì)算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級(jí)精度
則：
2）計(jì)算額定動(dòng)載荷
取絲杠的工作壽命為,
3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計(jì)算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4）穩(wěn)定性驗(yàn)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(dòng)，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(dòng)端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5）剛度驗(yàn)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(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況取（其中）
則絲杠在工作長(zhǎng)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)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即
該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。
6）效率驗(yàn)算
滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。
第4章 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
4.1 微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)
4.1.1 微機(jī)控制系統(tǒng)的組成
微機(jī)控制系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)和伺服系統(tǒng)兩大部份組成，其中微機(jī)又包括硬件和軟件兩部分。
（1） 微機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件組成
硬件時(shí)組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件軟件才能有效地運(yùn)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。
1）主控制器，即中央處理單元CPU
2）存儲(chǔ)器，包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
3）接口
（2） 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件
軟件是指為實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能編制的專用程序，它一般由以下幾部分組成：
1）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。
2）插補(bǔ)運(yùn)算程序 它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)器的功能。
3）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(bǔ)運(yùn)算的頻率，以保證預(yù)定速度進(jìn)給。
4）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(gè)程序進(jìn)行調(diào)度，還可以對(duì)面板命令、時(shí)鐘信號(hào)、故障信號(hào)等引起的中斷進(jìn)行處理。診斷程序可以在運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示故障類型。
4.1.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)
（1） 可靠性高。由于采用大規(guī)模集成電路、軟件連接以及資診斷功能，所以大大提高了無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，即使又極少的故障也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除。
（2） 靈活性強(qiáng)。由于系統(tǒng)的硬件是通用、標(biāo)準(zhǔn)化的，對(duì)于不同機(jī)床的控制要求只需更換可編程只讀存儲(chǔ)器中的系統(tǒng)程序就可實(shí)現(xiàn)。
（3） 易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。采用大規(guī)模集成電路時(shí)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(jià)格低。采用微機(jī)數(shù)控，使數(shù)控機(jī)床電氣部分成本大為下降，對(duì)功比較齊全的數(shù)控機(jī)床價(jià)格幅度下降更大。
（5） 由于微機(jī)的功能強(qiáng)，存儲(chǔ)量大，可實(shí)現(xiàn)多功能控制、多路運(yùn)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。
4.2 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹
4.2.1 主控制器CPU的選擇
CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素：
（1） 控制數(shù)據(jù)處理的速度。
（2） ROM/RAM的容量。
（3） 指令系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱（即編程的靈活性）。
（4） I/O口擴(kuò)展的能力（即對(duì)外設(shè)控制的能力）。
（5） 開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。
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(jī)的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位機(jī)的CPU。但從性能價(jià)格比上，我們擬采用MCS-51系列單片機(jī)中的8031作為主控制器。
下面介紹MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖（4）。
下面對(duì)各功能部件作進(jìn)一步的說明：
（1） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）：片內(nèi)為128個(gè)字節(jié)，片外最多可擴(kuò)至64K字節(jié)。
（2） 程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM）：8031無(wú)此部件；8051為4KROM；8751為4KEPROM。片外最多可外擴(kuò)至64K字節(jié)。
（3） 中斷系統(tǒng)：具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。
（4） 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。
（5） 串行口：1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。
（6） P1口、P2口、P3口、P0口：為四個(gè)并行8位I/O口。
（7） 特殊功能寄存器（SFR）：共有21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。
（8） 微處理器（CPU）：為8位的CPU，且內(nèi)含一個(gè)1位CPU（位處理器），不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量處理。
微處理器
（運(yùn)算部件）
控制部件
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
RAM
ROM/EPROM
P2口
程序存
儲(chǔ)器
P0口
特殊功能寄存器
SFR
串行口
中斷
系統(tǒng)
定時(shí)/
計(jì)數(shù)器
P3口
P1口
圖4.1 MCS-51單片機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)
4.2.2 存儲(chǔ)器電路的擴(kuò)展
（1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片，其型號(hào)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(shí)，要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。即8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM多要求的讀取時(shí)間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計(jì)存儲(chǔ)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(jiǎn)化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用2764作為擴(kuò)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74LS373與8031P0口相聯(lián)。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號(hào)ALE位搞點(diǎn)評(píng)，則P0口輸出地址有效。8位數(shù)據(jù)線直接與8031 P0口相聯(lián)；高5位地址線分別與P2.0～P2.4相聯(lián)，OE引腳直接同8031PSEN引腳相聯(lián)，片選信號(hào)CE接地，以便總能選中。由于8031只能選通外部程序存儲(chǔ)器，因而其EA引腳接地。
（2） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展
由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116和6264靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其選用的規(guī)則與EPROM程序存儲(chǔ)器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的外擴(kuò)芯片。
6264低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031 P0口相接，高5位地址線分別與P2.0～P2.4相聯(lián)，8位數(shù)據(jù)線直接接至8031 P0口，讀寫控制引腳OE、WE與8031的讀寫控制引腳RD、WR直接相聯(lián)，片選端CE1通過譯碼電路與8031相聯(lián)。
4.2.3 I/O口電路的擴(kuò)展
（1） 并行口的擴(kuò)展
8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免地要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。通用可編程接口芯片8155具有2k位的靜態(tài)RAM、2個(gè)8位和一個(gè)6位的可編程并行I/O口、一個(gè)14位的計(jì)數(shù)器。由于8155與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，是單片機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的芯片。
8155與8031的聯(lián)接可歸結(jié)為三總線的聯(lián)接。8155本身具有地址鎖存信號(hào)控制線和地址鎖存器，