內(nèi)容摘要:1946年誕生了世界上第一臺電子計算機(jī)，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床是綜合計算機(jī)、自動控制、自動檢測及精密機(jī)械等高新技術(shù)的產(chǎn)品，是典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。它的出現(xiàn)及所帶來的巨大效益，引起世界各國科學(xué)家和工業(yè)界的普遍重視。發(fā)展數(shù)控機(jī)床是當(dāng)前我國機(jī)械制造業(yè)技術(shù)改造的必由之路，是未來工廠自動化的基礎(chǔ)。數(shù)控機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石，是保證高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國防軍工現(xiàn)代化的戰(zhàn)略裝備。目前，由于我國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯后，已經(jīng)制約了整個裝備制造業(yè)的發(fā)展，直接影響到國防軍工產(chǎn)業(yè)安全。國內(nèi)外裝備制造業(yè)的發(fā)展表明，發(fā)展裝備制造業(yè)，數(shù)控機(jī)床是基礎(chǔ)。“十五”期間，我國機(jī)床連續(xù)幾年快速發(fā)展。在現(xiàn)在節(jié)能減排的號召下，機(jī)床的數(shù)控化改造成為了熱點。在本文中進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的改造。改裝后的機(jī)床把主軸傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)分離成為兩個互不相關(guān)的系統(tǒng)，溜板箱部分應(yīng)拆去箱體、光桿及操縱桿，換成滾珠絲桿，并對滾珠絲桿進(jìn)行強(qiáng)度校核，并進(jìn)行減速齒輪的設(shè)計。另一任務(wù)是對車床的電氣部分部分進(jìn)行改造，采用伺服電機(jī)對滾珠絲桿進(jìn)行閉環(huán)控制，用伺服電機(jī)驅(qū)動器對縱橫兩個伺服電機(jī)進(jìn)行控制，再使用華中系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)行控制，完伺服電機(jī)驅(qū)動器的選型工作，繪制連接電氣圖。關(guān)鍵詞：數(shù)控改造 剛度 閉環(huán)控制系統(tǒng) 伺服電機(jī)Abstract：Born in 1946 the worlds first electronic computers, this suggests that mankind created may strengthen and part instead of mental labor tools. It and human in agriculture, industrial society to create those just enhance physical labor compared the tools, on a qualitative leap, in the information society for human beings to lay the foundation.Numerical control machine tool is integrated computer, automatic control, automatic detection and precision machinery and so on high-tech products, is typical of mechanical and electrical products. It emerged and brings great benefits, cause the countries all over the world paid attention to scientists and industry. Development in Chinas current numerical control machine mechanical manufacturing technology reform way, that is the factory automation foundation.Numerical control machine tool is the equipment manufacturing industry machine tools, is to realize manufacturing technology and equipment modernizations cornerstone, is the guarantee of high and new technology industry development and national defense military modernization strategy equipment. At present, as our countrys numerical control machine tool industry development is relatively slow, has restricted the development of the equipment manufacturing industry, directly affects the national defense military industry safety. The development of the equipment manufacturing industry at home and abroad show that, the development of the equipment manufacturing industry, numerical control machine tool is the foundation. In the tenth-five period, China machine rapid development for several years. Now in the energy conservation and emissions reduction under the call, numerical control machine tool converted into a hot spot.In this paper the CNC servo system with the reform. Modified machine tool spindle drive system and the system into separate into two irrelevant system, walk the board box part should tear down the body and light pestle and joysticks, change of ball screw, ball screw to check intensity, and the reduction gear design. Another task is to part of the lathe electrical transformed, servo motor ball screw for closed loop control, with servo motor drive to globetrotting two servo motor control, to use the central China system of the stepping motor drive control, the selection of the servo motor drive, draw connection electrical diagrams.Key words：digital modification stiffness closed-loop closed-cycle cyclil control system Servo motor1. 緒論1.1問題的提出1.1.1國外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展?fàn)顩r數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)至今已有近60年歷史，在這60年中，隨著科技、特別是微電子、計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床得到了廣泛的發(fā)展。它已經(jīng)成為現(xiàn)代化企業(yè)發(fā)展進(jìn)程中一支凸顯業(yè)績的生力軍，代表著未來機(jī)器制造業(yè)的發(fā)展方向。目前以美國、德國、日本在數(shù)控機(jī)床的科研、設(shè)計、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗最多，他們政府重視機(jī)床工業(yè)，并且重視科研和創(chuàng)新，使他們?nèi)龂臄?shù)控技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全封閉控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機(jī)、多媒體、模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精度、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)和補(bǔ)償各項數(shù)據(jù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理;在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制群的加工。1.1.2國內(nèi)數(shù)控機(jī)床的現(xiàn)狀機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動化控制的新一代機(jī)床數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計算機(jī)、信息處理、自動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。目前，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專用型封閉式開環(huán)控制模式向通用型開放式實時動態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在集成化基礎(chǔ)上，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了超薄型、超小型化；在智能化基礎(chǔ)上，綜合了計算機(jī)、多媒體、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多學(xué)科技術(shù)，數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調(diào)節(jié)與補(bǔ)償各項參數(shù)，實現(xiàn)了在線診斷和智能化故障處理；在網(wǎng)絡(luò)化基礎(chǔ)上，CAD/CAM與數(shù)控系統(tǒng)集成為一體，機(jī)床聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了中央集中控制的群控加工。長期以來，我國的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC只能作為非智能的機(jī)床運(yùn)動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實際加工前用手工方式或通過CAD/CAM及自動編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。CAD/CAM和CNC之間沒有反饋控制環(huán)節(jié)，整個制造過程中CNC只是一個封閉式的開環(huán)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。在復(fù)雜環(huán)境以及多變條件下，加工過程中的刀具組合、工件材料、主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速率、刀具軌跡、切削深度、步長、加工余量等加工參數(shù)，無法在現(xiàn)場環(huán)境下根據(jù)外部干擾和隨機(jī)因素實時動態(tài)調(diào)整，更無法通過反饋控制環(huán)節(jié)隨機(jī)修正CAD/CAM中的設(shè)定量，因而影響CNC的工作效率和產(chǎn)品加工質(zhì)量。由此可見，傳統(tǒng)CNC系統(tǒng)的這種固定程序控制模式和封閉式體系結(jié)構(gòu)，限制了CNC向多變量智能化控制發(fā)展，已不適應(yīng)日益復(fù)雜的制造過程，因此，對數(shù)控技術(shù)實行變革勢在必行。隨著計算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達(dá)國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開發(fā)，提出了全新的制造模式。1.1.3數(shù)控未來發(fā)展的趨勢1.高速高精高效化速度、精度和效率是機(jī)械制造技術(shù)的關(guān)鍵性能指標(biāo)。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統(tǒng)以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數(shù)字伺服系統(tǒng)，同時采取了改善機(jī)床動態(tài)、靜態(tài)特性等有效措施，機(jī)床的高速高精高效化已大大提高。2.柔性化包含兩方面：數(shù)控系統(tǒng)本身的柔性，數(shù)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，功能覆蓋面大，可裁剪性強(qiáng)，便于滿足不同用戶的需求；群控系統(tǒng)的柔性，同一群控系統(tǒng)能依據(jù)不同生產(chǎn)流程的要求，使物料流和信息流自動進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，從而最大限度地發(fā)揮群控系統(tǒng)的效能。3.工藝復(fù)合性和多軸化以減少工序、輔助時間為主要目的的復(fù)合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發(fā)展。數(shù)控機(jī)床的工藝復(fù)合化是指工件在一臺機(jī)床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉(zhuǎn)主軸頭或轉(zhuǎn)臺等各種措施，完成多工序、多表面的復(fù)合加工。數(shù)控技術(shù)軸，西門子880系統(tǒng)控制軸數(shù)可達(dá)24軸。4.實時智能化早期的實時系統(tǒng)通常針對相對簡單的理想環(huán)境，其作用是如何調(diào)度任務(wù)，以確保任務(wù)在規(guī)定期限內(nèi)完成。而人工智能則試圖用計算模型實現(xiàn)人類的各種智能行為?？茖W(xué)技術(shù)發(fā)展到今天，實時系統(tǒng)和人工智能相互結(jié)合，人工智能正向著具有實時響應(yīng)的、更現(xiàn)實的領(lǐng)域發(fā)展，而實時系統(tǒng)也朝著具有智能行為的、更加復(fù)雜的應(yīng)用發(fā)展，由此產(chǎn)生了實時智能控制這一新的領(lǐng)域。在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，實時智能控制的研究和應(yīng)用正沿著幾個主要分支發(fā)展：自適應(yīng)控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、學(xué)習(xí)控制、前饋控制等。例如在數(shù)控系統(tǒng)中配備編程專家系統(tǒng)、故障診斷專家系統(tǒng)、參數(shù)自動設(shè)定和刀具自動管理及補(bǔ)償?shù)茸赃m應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，在高速加工時的綜合運(yùn)動控制中引入提前預(yù)測和預(yù)算功能、動態(tài)前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使數(shù)控系統(tǒng)的控制性能大大提高，從而達(dá)到最佳控制的目的。1.2 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性應(yīng)用科學(xué)的發(fā)展觀，我們可以從微觀和宏觀兩個不同的角度看待數(shù)字控制技術(shù)在當(dāng)今工業(yè)發(fā)展中的必要性。1.2.1 微觀看改造的必要性從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機(jī)的威力。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。由于計算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(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.可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高37倍。由于計算機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。3.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。4.可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。5.擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。6.由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行FMC（柔性制造單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)）以及CIMS（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。1.2.2 宏觀看改造的必要性從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS（管理信息系統(tǒng)）、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已達(dá)20.8，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。1.3研究意義1.3.1機(jī)床數(shù)控化改造的意義1.節(jié)省資金。機(jī)床的數(shù)控改造同購置新機(jī)床相比一般可節(jié)省60%左右的費(fèi)用大型及特殊設(shè)備尤為明顯。一般大型機(jī)床改造只需花新機(jī)床購置費(fèi)的1/3。即使將原機(jī)床的結(jié)構(gòu)進(jìn)行徹底改造升級也只需花費(fèi)購買新機(jī)床60%的費(fèi)用，并可以利用現(xiàn)有車床。 2.性能穩(wěn)定可靠。因原機(jī)床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。 3.提高生產(chǎn)效率。機(jī)床經(jīng)數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3至5倍。對復(fù)雜零件而言難度越高功效提高得越多。且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費(fèi)用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。在國內(nèi)，目前各企業(yè)有大量普通機(jī)床，完全用數(shù)控機(jī)床替換根本不現(xiàn)實，而且替代又造成很大的浪費(fèi)，數(shù)控改造一次性投入少，而且對機(jī)床又增加很多性能。以上幾點可以看出，普通機(jī)床應(yīng)走數(shù)控改造之路，因此普通機(jī)床的數(shù)控改造，不但要有必要，而且大有可為，尤其是對一些中小型企業(yè)更是如此。機(jī)床的數(shù)控改造具有很好的理論意義和實際應(yīng)用價值：1.改造費(fèi)低，在發(fā)揮原有機(jī)床的功能同時提高加工精度。2.改造后機(jī)床自動化程度提高，減少輔助時間，提高生產(chǎn)效率3.降低工人水平要求，改善勞動條件，有利于身體健康4.改造閑置設(shè)、傳統(tǒng)設(shè)備，提高機(jī)床功能和使用價值，減少設(shè)備投入。5.改造后可以加工復(fù)雜、異形零件，能完成普通機(jī)床難以加工或根本不可能加工的復(fù)雜曲線、曲面等零件。6.計算機(jī)控制，消除人為誤差，加工零件精度高、一致性好、尺寸分散度小，使裝配容易，無需修配。7.具有柔性化的特點，只需編制零件程序就能加工新零件，可以實現(xiàn)多品種、變批量、高性能加工，不僅能適應(yīng)中小批量，也適合大批量生產(chǎn)。8.計算機(jī)具有記憶與儲存功能，可以將輸入的程序記住和儲存下來，數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可以實現(xiàn)另一個零件的加工自動化，從而使單件和小批量生產(chǎn)得以自動化。9.能適應(yīng)信息化發(fā)展的需要，通過網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)信息通信，具有遠(yuǎn)程監(jiān)控、補(bǔ)償、診斷和自動報警等多種功能，可實現(xiàn)無人看管加工，降低了勞動強(qiáng)度，操作者有空閑時間照料其他操作。1.3.2機(jī)床數(shù)控化改造的迫切性經(jīng)濟(jì)的全球化、市場的國際化，促進(jìn)了競爭，為求得生存與發(fā)展，各企業(yè)不僅要提高產(chǎn)品質(zhì)量，而且必須頻繁的改型，縮短生產(chǎn)周期，以滿足市場上不斷變化的需求。經(jīng)過數(shù)控改造的機(jī)床的高精度、高效率、高度柔性化及適合加工精度高以及復(fù)雜的零部件，滿足當(dāng)今市場快速多變、競爭激烈和工藝發(fā)展的需要?？梢哉f，數(shù)控改造技術(shù)的應(yīng)用是機(jī)械制造行業(yè)現(xiàn)代化的標(biāo)志，在很大程度上決定了企業(yè)在市場競爭中的成敗。2. C620機(jī)床運(yùn)動分析2.1傳動鏈分析 圖2-1 C620車床傳動系統(tǒng)圖圖所示為C620型機(jī)床傳動系統(tǒng)圖，傳動系統(tǒng)包括主傳動鏈和進(jìn)給傳動鏈兩部分。 2.2主傳動鏈主傳動鏈兩端是電動機(jī)與主軸。它的作用是把動力源（電動機(jī)）的運(yùn)動與動力傳給主軸，使主軸帶動工件旋轉(zhuǎn)，并使主軸獲得變速和轉(zhuǎn)向。2.3進(jìn)給箱傳動鏈進(jìn)給箱傳動鏈包括縱向進(jìn)給與橫向進(jìn)給傳動鏈3. 車床改造的總體方案3.1 C620型普通車床的簡易數(shù)控改裝的設(shè)計任務(wù)要點1.改裝后能實現(xiàn)車削圓弧面、外圓面、端面等回轉(zhuǎn)表面。2.改裝后縱向進(jìn)給精度士0. 0lmm，橫向進(jìn)給精度士0. 005mm，空載快速進(jìn)給速度V快=2m/min，主切削力PZ=2303N，橫向拖板刀架質(zhì)量W1=465. 5N，大拖板刀架質(zhì)量W2=1039N。3.改動后不要求保留手動操作功能。4.控制部分要求運(yùn)動可靠，抗干擾，維修方便。5.改造成本低。3.2總體方案的確定改裝后的數(shù)控車床應(yīng)把主軸傳動系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)分離成為兩個互不相關(guān)的系統(tǒng)，為了便于編程，保證加工精度，要求車床縱向脈沖當(dāng)量為0.01mm，橫向脈沖當(dāng)量為0.005mm，車床需要改裝的部分有:1.掛輪架系統(tǒng)全部拆去。2.進(jìn)給齒輪箱箱體內(nèi)的零件全部拆去。3.溜板箱部分應(yīng)拆去箱體、光桿及操縱桿，并增加支承支架，安裝滾珠絲桿。4.縱向?qū)к夁x用貼塑的矩形和三角形組合導(dǎo)軌，橫向?qū)к夁x用貼塑的燕尾形導(dǎo)軌，貼塑為聚四氟乙烯。5.橫向溜板上應(yīng)安裝伺服電機(jī)，并通過傳動齒輪將電機(jī)軸與橫向滾珠絲桿聯(lián)接6.刀架體應(yīng)加裝縱、橫微調(diào)裝置以供校刀使用。7.縱向絲桿掛腳應(yīng)安裝伺服電機(jī)，并通過傳動齒輪與縱向滾珠絲桿聯(lián)接。伺服電機(jī)與絲桿的聯(lián)接方式要求聯(lián)接可靠，傳動無間隙，無噪音。對于電氣部分，采用華中數(shù)控對縱、橫兩個伺服電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)控制，系統(tǒng)中有時鐘電路模塊，復(fù)位電路，數(shù)碼顯示器接口電路，光電藕合器等。采用內(nèi)置驅(qū)動模塊將伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，將整個控制系統(tǒng)放在控制柜中，由電纜把控制系統(tǒng)和伺服電機(jī)聯(lián)系起來。4. 縱向進(jìn)給裝置的改造4.1縱向滾珠絲桿的最大軸向載荷的設(shè)計計算4.1.1 縱向絲桿的最大軸向載荷因為主切削力Pz =2303N=235kgf, 所以縱向進(jìn)給力為Px=0.5Pz=0.52303=1151.5 N縱向絲桿的最大軸向載荷：Pa=KPX+f(PZ+W2)=1.141151.5+0.11(2303+1039)=1312.71+367.62=1680.33N=171.5kgk-系數(shù)，k=1.14f-貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，f=0.11W2-縱向托板重量，W2=1039N=106kgf4.1.2絲桿最高轉(zhuǎn)速nmaxnmax=333 r/minv-空載快速進(jìn)給速度，v =2m/min=2000mm/mint-絲桿導(dǎo)程，初設(shè)t=6mm4.1.3絲桿壽命（以 10 轉(zhuǎn)為單位1）L=300T-絲杠使用壽命，T=15000小時nma-絲桿最高轉(zhuǎn)速，nma=333r/min一般考慮運(yùn)轉(zhuǎn)中有沖擊，以及絲桿材料硬度對壽命的影響，則最大動負(fù)荷Q為:Q=1607kgfL-絲桿壽命，L =300Pa-縱向絲桿的最大軸向載荷，Pa=171.5kgff-運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，f=1.4f-硬度系數(shù)，fh=1.04.1.4選擇滾珠絲杠副按最大動負(fù)載荷Q選用滾珠絲桿副，使QCC-滾珠絲桿的額定動負(fù)荷選用城L3506型的單螺母滾珠絲桿副，其尺寸如表4-1所示:4.1.5確定絲桿副工作長度L L-控制系統(tǒng)中需要的行程，l1 =900 mmH-螺母安裝高度，H=111 mm-由絲桿副防護(hù)結(jié)構(gòu)確定的長度，取=115 mm-由絲桿副支承所需的長度，取心=80L 900+111+115+80 1206滾珠絲桿副的總長度,為絲桿副工作長度L加上結(jié)構(gòu)長度，取結(jié)構(gòu)長度為165mm,則: =L+165=1206+165=1371mm滾珠絲桿的長度應(yīng)滿足剛度要求，即:=45Do-滾珠絲桿副的名義直徑，Do=35 mm故絲桿副長度可以滿足剛度要求。表4-1 滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格序號名稱代號尺寸單位1滾珠絲桿副型號W1L35062名義直徑D035mm3螺距t6mm4螺旋升角5滾珠直徑d3.969mm6滾道半徑R2.064mm7偏心距e0.056mm8絲桿外徑d34mm9螺母凸緣外徑D372mm10螺母配合外徑D55mm11圓螺母尺寸MM521.5mm12二個圓螺母厚度L220mm13螺母座鍵槽厚度t58.2mm14平鍵尺寸bhl6645mm15螺母裝配總長度L111mm16額定動負(fù)載荷3.5圈1列C1940kgf17額定動負(fù)載荷3.5圈1列C07110kgf4.1.6滾珠絲桿副幾何參數(shù)的計算絲桿內(nèi)徑為:= D02e2R=3520.05622.064=30.984=3.0984CMD0-滾珠絲桿副的名義直徑，D0=35mme-滾珠絲桿副的偏心距，e =0.056 mmR-滾珠絲桿副的滾道半徑，R =2.064mm 絲桿接觸直徑為:= D0dcos=353.969cos=32.193mm=3.2193cmD0-滾珠絲桿副的名義直徑，D0=35mmd-滾珠絲桿副的滾珠直徑，d=3.969mm-接觸角，=4.1.7計算傳動效率=0.949=94.9%-螺旋升角，=-摩擦角，滾珠絲桿副的滾動摩擦系數(shù)f=0.0030.004，其摩擦角4.2縱向滾珠絲桿副的剛度驗算滾珠絲桿受工作載荷Pa的作用而引起螺距t的變化量t1，其值可按下式計算:t1=Pa-工作載荷，Pa=1680Nt-滾珠絲桿的螺距，t=6mm=0.6cmF-滾珠絲桿的截面積F= =7.536cm-絲桿內(nèi)徑，=3.0984cmE-彈性模數(shù)，對鋼E=20.610N/ cmt1=6.49cm滾珠絲桿因受扭矩作用而引起的導(dǎo)程變化量為=t-在滾珠絲桿的螺距，t=6mm=0.6cm-在扭矩M作用下，滾珠絲桿每一螺距長度兩截面上的相對扭轉(zhuǎn)角=G-扭轉(zhuǎn)彈性模數(shù)，對鋼G=82.410N/ cmM-滾珠絲桿上的扭矩M= =147NcmPa-工作載荷，Pa=1680N-絲桿接觸直徑，=3.2193cm-螺旋升角，=Jc -滾珠絲桿截面積的慣性拒Jc=9.04cm-絲桿內(nèi)徑，=3.0984cm=1.1910=0.11310因此滾珠絲桿在工作載荷Pa扭矩M共同作用下，所引起每一個螺距變形量t為t=t=6.49100.11310=6.60310cm如果滾珠絲杠長度為1000mm，其上共有100/t個螺距，它的螺距變形總誤差為=t =11.005m/m因為選滾珠絲桿精度等級為E級，計算的總變形誤差=11.005m/cm，小于E級精度誤差15m/m，所以剛度合適4.3支承方式及軸承的選擇4.3.1支承方式的確定如果螺母座、絲桿的軸承及其支架等剛度不足，將嚴(yán)重影響滾珠絲桿副的傳動剛度，因此螺母應(yīng)有加強(qiáng)筋，以減小受力后的變形，螺母座與床身的接觸面積宜大，其聯(lián)接螺釘?shù)膭偠纫矐?yīng)高一些，定位銷要緊密配合，不能松動。由于絲桿主要承受軸向力，大多采用推力軸承作支撐，這里采用左右各一個推力軸承的支承方式。如下圖所示:圖4-1 滾珠絲桿支承方式其中最左端與最右端為推力軸承，中間兩個為深溝球軸承這種支承方式可以對絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸安裝，預(yù)緊拉伸安裝可以誠少或俏除因絲桿自重而產(chǎn)生的彎曲變形，在推力軸承預(yù)緊力不小于絲桿最大軸向載荷1/3的條件下，絲桿的拉伸壓縮剛度可提高4倍，絲桿不會因溫升而升長，溫升只能減小預(yù)拉伸力，另外，絲桿不承受壓力，由于只承受拉力，因而沒有壓桿穩(wěn)定性問題。但是預(yù)拉伸安裝將使軸承發(fā)熱和摩擦扭矩有所增加。 4.3.2軸承選擇由于進(jìn)給絲桿主要承受較大軸向力和較小徑向力，所以只需計算推力軸承的額定動載荷C: C=PaPa-工作載荷，Pa=1680Nf-速度系數(shù)f=0.464nt-軸承計算轉(zhuǎn)速，nt=nmax=333r/minfh-壽命系數(shù)fh=3.107T-使用壽命，T=15000h C=Pa =1680=11249.5N參照工具書查找到8106推力軸承，其額定負(fù)載為12.510N11249.5N，能滿足要求，同時選用深溝球軸承型號為60064.3.3確定滾珠絲杠副的預(yù)緊力FP為了消除軸向間隙，增加絲桿副的剛性和定位精度，在絲桿螺母間加以預(yù)緊力FP，然而過大的預(yù)緊力將會引起滾珠絲桿的壽命下降以及摩擦力的增大，而預(yù)緊力偏小，會在產(chǎn)生的軸向載荷左用下出現(xiàn)間隙，影響定位精度，因此，一般取：FP= =1658NQ-最大動負(fù)荷，Q=1607kgf=15748.6N取FP=1658N4.3.4確定滾珠絲桿軸的預(yù)緊拉伸力Fpl 為了消除絲桿自重而產(chǎn)生的彎曲變形，補(bǔ)償因工作溫度升高而引起的絲桿伸長，保證滾珠絲桿在正常使用時的定位精度和提高滾珠絲桿的系統(tǒng)剛性，對有快速驅(qū)動并有定位精度要求的滾珠絲桿副，其絲桿軸需進(jìn)行預(yù)加拉伸力，決定拉伸力時還應(yīng)考慮到絲桿兩端支承軸承允許的預(yù)緊力的大小，一般情況下取: Fpl= =57.2kgfPa=171.5kgf4.4機(jī)械傳動剛度的計算與校核在忽略支承座和螺母座剛度的情況下，機(jī)械傳動部的剛度主要為:絲桿軸的支承剛度Kk，滾珠絲桿副的接觸剛度KN和軸承的軸向接觸剛度KB，則機(jī)械傳動的綜合拉壓剛度為: =4.4.1計算絲桿軸的支承剛度KK絲桿軸的支承方式及支承長度如圖4-2所示:由于絲桿兩端采用推力軸承和深溝球軸承，并且絲桿兩端軸向固定支承，絲桿軸的支承剛度KK的計算公式為:KK=N/mD0-滾珠絲桿副的名義直徑，D0=35mmE-彈性模數(shù)，對鋼E=2.0610N/mmL-絲桿工作長度，取L=1206mmLK-絲桿作用長度mm絲桿作用長度LK在這里有兩種情況，當(dāng)工作臺處于最做端時，此時LK=96mm，有最大的拉壓剛度Kkmax：Kkmax= =10=2379.52N/m當(dāng)工作臺處于中間位置時，此時LK=603mm，則有最小的拉壓剛度KKmin： Kkmin= = = =657N/m圖4-2 滾珠絲桿支撐方式4.4.2計算滾珠絲桿與螺母副間的接觸剛度KnKn=0.77( N/m)FP-預(yù)緊力，F(xiàn)P=1658Nd-滾珠絲桿副的滾珠直徑，d=3.969mmZ-滾珠數(shù)量 Z=Z圈數(shù)列數(shù)Z-一圈的滾珠數(shù) Z= =27.69D0-滾珠絲桿副的名義直徑，D0=35mm d-滾珠絲桿副的滾珠直徑，d=3.969mm Z=27.693.51=96.9KN=0.77=304 N/m4.4.3計算軸承的軸向接觸剛度KB推力軸承的軸向變形為：=2.4Pa-工作載荷，Pa=171.5kgfZ-推力軸承的滾動體直徑，d=5.556 =2.4 =6.09m由于對軸承施加了預(yù)緊力，其變形量減少了一半計算： =3.045m推力軸承的軸向接觸剛度值KB為：KB=552N/mPa-工作載荷，Pa=1680N4.4.4分別計算機(jī)械傳動的綜合拉壓剛度與值= = =181.12 N/m= =150.98 N/m4.4.5校驗機(jī)械傳動剛度變化引起的定位誤差由于進(jìn)給執(zhí)行部件在不同位置時，機(jī)械傳動剛度的不同而引起的定位誤差，在空載情況下為：=F0(-)<（-）F0-導(dǎo)軌以上部分的重量引起的靜摩擦 F0=W2fW2-縱向托板重量，W2=1039Nf-靜摩擦系數(shù)，取f=0.05F0=10390.05=51.95N-機(jī)床要求的重復(fù)定位精度，=0.02mm=20m=51.95（-）=0.057m<=4m=150.98m=181.12m因為=0.052m<4-7(m)所以滿足條件。4.4.6伺服剛度引起的死區(qū)誤差摩擦死區(qū)誤差是由于導(dǎo)軌摩擦力在拖板啟動或反向時，使傳動系統(tǒng)中產(chǎn)生彈性變形時引起的傳動誤差，最大死區(qū)誤差為: =0.688m<20m能滿足要求。4.5減速齒輪的設(shè)計與計算4.5.1計算降速比由于步進(jìn)電機(jī)對負(fù)載慣量很敏感，為滿足負(fù)載慣量盡可能小的要求，同時也為滿足要求的脈沖當(dāng)量，常采用齒輪降速傳動，總降速比i由下式計算:i=-伺服電機(jī)步距角，先選=0.72t-滾珠絲桿螺距，t=6mm-脈沖當(dāng)量，=0.01mm/step i=1.2 4.5.2齒輪參數(shù)的選擇1.模數(shù)的確定:模數(shù)的影響因素很多,當(dāng)齒輪受力較大,傳動速度高,要求壽命長,磨損小時,模數(shù)要選大些,反之,則可取小些，一般取m =1.5mm至2mm，這里取m =2mm 2.齒數(shù)的選擇:主要由傳動比確定，并考慮最小齒數(shù)的限制，Zmin>17，根據(jù): i=1.2=選擇Z1=30，Z2=363.齒寬B的確定:B=m-齒寬系數(shù)，通常=3至6，這里取=4B=42=8mm對采用消隙措施的大齒輪由兩薄片齒輪組成，齒寬應(yīng)按兩倍計算，即B=16mm=0.016m4.計算齒輪幾何參數(shù)為了消除齒側(cè)隙，大齒輪采用雙片齒輪錯齒的周向彈簧式直齒圓柱齒輪，而小齒輪則采用普通直齒圓柱齒輪。其基本參數(shù)為:m =2mm,Z1=30,Z2=36，壓力角=20i =1.2分度圓直徑為：d1=mZ1=230=60mmd2=mZ2=236=72mm齒頂圓直徑： da1=m（Z1+2）=2(302)1=64mmda2=m（Z2+2）=2(36+2)1=76mm中心距a為： a=m（Z1+Z2）=2（30+36）=66mm兩齒輪的精度等級均為7級精度。5.對雙片薄齒輪的消隙彈簧的計算雙片薄齒輪中彈簧的壓緊力應(yīng)大于驅(qū)動扭矩。由于滾珠絲桿直接與大齒輪通過平鍵相連，因而大齒輪上的扭矩M應(yīng)等于滾珠絲桿上的扭矩M，即:=M=145Ncm齒輪中有3組彈簧，因此每組彈簧的最大工作載荷F2為:3F2L=L齒輪中消隙彈簧與齒輪圓心的距離，取L=25mm=2.5cm3F22.5=145F2=19.3N=1.97kgf工作極限載荷Flim為：Flim1.67F2=1.6719.3=32N最小工作載荷F10.2Flim=0.232=6.4N選用彈簧直徑d=0.9mm，彈簧中徑D2=5.0mm的碳素鋼絲彈簧，節(jié)距p=d=0.9mm，工作極限載荷FLIM=46.29N，材料為60S,2CrA,許用切應(yīng)力=471MPa，切變模量G=78.5GPa。校核彈簧強(qiáng)度，彈簧切應(yīng)力為：=F2-每組彈簧的最大工作載荷，F(xiàn)2=19.3NC-施繞比C=5.556K-曲度系數(shù)K=+ =+=1.28 =432N/mm=432MPa<p=471MPa所以能滿足要求。取彈簧的有效圈數(shù)n=8，則n1=n=8計算彈簧剛度系數(shù)k k= G-切變模量，G=78.5GPa=78.510N/mm k= =6.44N/mm彈簧長度H0為：H0=(n+1)d+2（D2-d） =（8+1）0.9+2（5-0.9）=16.3mm4.6伺服電機(jī)的選用4.6.1計算折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量Jr Jr=JM+Jt =JM+J1+（J2+JS+JW）JM-電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，JM=1.0610NmJt-折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量J1-小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 J1=-鋼的密度，=7.810Kg/md1-小齒輪分度圓直徑，d1=60mm=0.06mB-小齒輪齒寬，B=0.016m J1= =1.610kgm J2=-大齒輪分度圓直徑，=72mm=0.072mB-大齒輪分度圓直徑，B=0.016mJ2=3.2910 kgmJS-滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動慣量JS=D0-滾珠絲桿副的名義直徑D0=35mm=0.035mL總-滾珠絲桿副的總長度，取L總=1371mm=1.371mJS = =1.5710 kgmJW-導(dǎo)軌以上移動部件的慣量，即工作臺折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量 JW=W2（）W2-縱向托板重量，W2=106kgf-滾珠絲桿的螺距，t=6mm=0.006mJW=106=9.710 kgmJr=JM+J1+（J2+JS+JW） =1.0810+1.610+（3.2910+1.5710+9.710） =1.56410 kgm4.6.2計算電機(jī)轉(zhuǎn)矩1.快速空載啟動時負(fù)載轉(zhuǎn)矩MK為MK=Mamax+ Mf+ M0Mamax-空載啟動時折算到電機(jī)軸上的加速轉(zhuǎn)矩（Nm）Mamax=Jr-折算到電機(jī)軸上的總慣量，Jr=1.56410 kgmn電max-電機(jī)最大轉(zhuǎn)速n電max=iv-空載快速進(jìn)給速度，v=2000mm/mint-滾珠絲桿的螺距，t=6mmi-傳動比，i=1.2n電max=1.2=400r/minMamax=0.429NmMf-折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩（NM）Mf=F0-導(dǎo)軌以上部分的質(zhì)量引起的靜摩擦，F(xiàn)0=47N-傳動鏈的總效率。取=0.85t-滾珠絲桿的螺距，t=6mm=0.006mi-傳動比，i=1.2Mf=0.0468NmM0-由于絲桿預(yù)緊力引起的折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩（Nm）M0=Fpl-滾珠絲桿軸的預(yù)加載荷，F(xiàn)pl=57.2kgf=560N0-滾珠絲桿未預(yù)緊時的效率，0=0.949M0=MK= Mamax+Mf+M0 =0.429+0.0468+0.052 =0.5278Nm2.最大切削負(fù)載時所需轉(zhuǎn)矩Mg為:Mg= Mat+ Mf+ M0+ MtMf-折算到電機(jī)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩，Mf=0.047NmM0-由于絲桿預(yù)緊引起的折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，M0=0.052NmMat-切削時折算到電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩Mat=Jr-折算到電機(jī)軸上的總慣量，Jr=1.54610kgmT-時間常數(shù)，T=0.15Snt-電機(jī)軸的工作轉(zhuǎn)速nt=nii-傳動比，i=1.2n-絲桿工作轉(zhuǎn)速 n=167r/minnmax-絲桿最高轉(zhuǎn)速，nmax=333r/min nt=1671.2=200r/min Mat= =0.217r/minMt-折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mt=-傳動鏈總效率，取=0.85t-滾珠絲桿的螺距，t=6mm=0.006mi-傳動比，i=1.2Px-縱向絲桿進(jìn)給力，PX=115kgf=1127NMt= =1.056NmMg=Mat+Mf+M0+Mt =0.217+0.0468+0.052+1.056 =1.37Nm對比快速空載啟動時負(fù)載轉(zhuǎn)矩MK=0.5278 Nm和最大切削負(fù)載時所需轉(zhuǎn)矩Mg =1.37 N m，因為MgMK，由此得出電機(jī)的最大力矩應(yīng)為最大切削負(fù)載時所需轉(zhuǎn)矩Mg。4.6.3選擇伺服電機(jī)要求電機(jī)轉(zhuǎn)矩MqMg=1.37Nm選擇型號為SM80-042-30LFB,其參數(shù)如表4-2所示：表4-2 伺服電機(jī)參數(shù)序號名稱數(shù)據(jù)單位1型號SM80-024-30LFB2額定功率0.75KW3額定轉(zhuǎn)矩2.4Nm4額定轉(zhuǎn)速3000Rpm5額定電流4.2A6轉(zhuǎn)子慣量1.0610Kgm7機(jī)械時間常數(shù)0.95Ms8編碼器線數(shù)2500C/T（省線式）C/T9電機(jī)繞組插座繞組引線UVW插座編號234110編碼器插座信號5V0VA+A-B+B-Z+Z-插座編 號23475869111重量2.7Kg. 橫向進(jìn)給裝置的改造5.1 橫向滾珠絲桿螺母機(jī)構(gòu)的設(shè)計計算5.1.1橫向絲桿的最大軸向載荷因為橫向進(jìn)給量為縱向進(jìn)給量的1/21/3，取為1/2，則切削力約為縱向的1/2，即：橫向主切削力PZ橫=115kgf，所以橫向絲桿進(jìn)給力為： PX橫=PY橫=0.5PZ橫 =0.5115=57.5kgf橫向使用燕尾形導(dǎo)軌，絲桿的最大軸向載荷為：Pa=kPx+ =1.4557.5+0.11（257.5+115+47.5）=83.375+30.525=113.9kgf=1116Nk-系數(shù)，k=1.145f-貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，f=0.11W1-縱向托板重量，W1=465.5N=47.5kgf5.1.2絲桿最高轉(zhuǎn)速nmaxnmax= =400 r/minv空載快速進(jìn)給速度，v =2m/min=2000mm/mint絲桿導(dǎo)程，初設(shè)t=5mm5.1.3絲桿壽命（以 10 轉(zhuǎn)為單位1）L=360T-絲杠使用壽命，T=15000小時nma-絲桿最高轉(zhuǎn)速，nma=400r/min一般考慮運(yùn)轉(zhuǎn)中有沖擊，以及絲桿材料硬度對壽命的影響，則最大動負(fù)荷Q為:Q=1134kgfL-絲桿壽命，L =360Pa-縱向絲桿的最大軸向載荷，Pa=113.9kgff-運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，f=1.4f-硬度系數(shù)，fh=1.05.1.4選擇滾珠絲杠副按最大動負(fù)載荷Q選用滾珠絲桿副，使QCC-滾珠絲桿的額定動負(fù)荷選用城W1L2505型的單螺母滾珠絲桿副，其尺寸如表5-1所示:5.1.5確定絲桿副工作長度L L-控制系統(tǒng)中需要的行程，=260 mmH-螺母安裝高度，H=94mm-由絲桿副防護(hù)結(jié)構(gòu)確定的長度，取=12mm-由絲桿副支承所需的長度，取心=62mm L 260+94+12+62 428mm滾珠絲桿副的總長度,為絲桿副工作長度L加上結(jié)構(gòu)長度，取結(jié)構(gòu)長度為138mm,則: =L+138=428+138=566mm滾珠絲桿的長度應(yīng)滿足剛度要求，即:=43545Do-滾珠絲桿副的名義直徑，Do=25 mm故絲桿副長度可以滿足剛度要求。表5-1 滾珠絲桿副參數(shù)表序號名稱代號尺寸單位1滾珠絲桿副型號W1L25052名義直徑D025mm3螺距t5mm4螺旋升角5滾珠直徑d3.175mm6滾道半徑R1.651mm7偏心距e0.045mm8絲桿外徑d24.5mm9螺母凸緣外徑D358mm10螺母配合外徑D42mm11圓螺母尺寸MM421.5mm12二個圓螺母厚度L216mm13螺母座鍵槽厚度t44.6mm14平鍵尺寸bhl5540mm15螺母裝配總長度L94mm16額定動負(fù)載荷3.5圈1列C1230kgf17額定動負(fù)載荷C04010kgf5.1.6滾珠絲桿副幾何參數(shù)的計算絲桿內(nèi)徑為:= D02e2R=2520.04521.651=21.788mmm=2.1788CMD0-滾珠絲桿副的名義直徑，D0=25mme-滾珠絲桿副的偏心距，e =0.045 mmR-滾珠絲桿副的滾道半徑，R =1.651mm 絲桿接觸直徑為:= D0dxcos=253.175cos=22.755mm=2.2755cmD0-滾珠絲桿副的名義直徑，D0=25mmd-滾珠絲桿副的滾珠直徑，d=3.175mm-接觸角, =5.1.7計算傳動效率=0.956=95.6%-螺旋升角，=-摩擦角，滾珠絲桿副的滾動摩擦系數(shù)f=0.0030.004，其摩擦角5.2橫向滾珠絲桿副的剛度驗算滾珠絲桿受工作載荷Pa的作用而引起螺距t的變化量t1，其值可按下式計算:t1=Pa-工作載荷，Pa=1116Nt-滾珠絲桿的螺距，t=5mm=0.5cm