x53銑床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造設(shè)計（太原）,x53,銑床,經(jīng)濟型,數(shù)控,改造,設(shè)計,太原 畢業(yè)設(shè)計 x53銑床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造設(shè)計 機械工程系 125011333 黃洋 學生姓名： 學號： 機械設(shè)計制造及其自動化 系 部： 許鑫 專 業(yè)： 指導教師： 二零一四 年 六月 I 誠信聲明 本人鄭重聲明：本論文及其研究工作是本人在指導教師的指導下獨立完成的，在完成論文時所利用的一切資料均已在參考文獻中列出。 本人簽名： 年 月 日 畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 設(shè)計題目： x53銑床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造設(shè)計 系部： 機械工程系專業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 學號： 125011333 學生：黃洋 指導教師（含職稱）： 許鑫（講師） 專業(yè)負責人： 田靜 1．設(shè)計的主要任務(wù)及目標 主要任務(wù)：（1）利用原機床改裝三坐標數(shù)控機床（2）完成X Y 軸機械結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計（3）繪制機械結(jié)構(gòu)裝配圖 目標：經(jīng)過改進的數(shù)控機床，加工精度較原機床有較大的提高，提高了生產(chǎn)效率，擴大的加工范圍，減輕了勞動體力。 2．設(shè)計的基本要求和內(nèi)容 將普通立式銑床改裝成數(shù)控銑床，完成X Y軸的機械結(jié)構(gòu)改裝設(shè)計，并繪制機械結(jié)構(gòu)裝配圖。機械部分是通過銑床的縱向、橫向機構(gòu)進行改造實現(xiàn)數(shù)控的。為了保證銑床能由計算機控制,首先拆去了縱向、橫向離合器和縱、橫向手輪,將手輪端通過一對齒輪與步進電機相聯(lián),利用步進電機控制工作臺橫、縱向的移動。 3．主要參考文獻 [1] 張新義.經(jīng)濟性數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計.［J］北京:機械工業(yè)出版社，1994 [2] 林其駿.微機控制機械系統(tǒng)設(shè)計. ［J］上海:上海科技技術(shù)出版社，1991 [3] 余英良.數(shù)控改造普通銑床. ［J］北京:新技術(shù)新工藝雜志，1992.5期 [4] 陳紹廉主編.數(shù)控機床改造技術(shù). ［J］北京:航空工業(yè)出版社，1989 [5]?李善術(shù)主編.數(shù)控機床及其應(yīng)用. ［J］北京:機械工業(yè)出版社，1995 [6] 濮良貴,紀明剛.機械設(shè)計.7版. ［J］北京：高等教育出版社，2001 4．進度安排 設(shè)計各階段名稱 起 止 日 期 1 進行調(diào)查研究，查閱資料，完成開題報告 2014年3月29日-2014年4月9日 2 課題總體方案的確定 2014年4月10日-2014年4月17日 3 根據(jù)立式銑床的結(jié)構(gòu)選擇改造所需的零件 2014年4月18日-2014年4月25日 4 完成X,Y軸的機械結(jié)構(gòu)改裝并繪制裝配圖 2014年4月26日-2014年5月20日 5 整理、打印設(shè)計說明書及答辯等 2014年5月21日-2014年6月18日 x53銑床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造設(shè)計 摘要: 本文主要介紹了在X53 銑床上采用了CNC 數(shù)控系統(tǒng)和步進電動機作為驅(qū)動執(zhí)行元件的開環(huán)控制來實現(xiàn)了X 、Y 、Z三坐標聯(lián)動，從而將普通的機床改裝成簡易的數(shù)控機床。在原機床的三個進給方向上拆除原有絲杠換成滾珠絲杠，滾珠絲杠的傳動效率高，無爬行，預緊后可消除反向間隙，精度高；并在絲杠上尾部加減速齒輪和步進電動機來實現(xiàn)自動進給，此改裝結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便，易改裝。經(jīng)過改進的數(shù)控機床，加工精度較原機床有較大的提高，提高了生產(chǎn)效率，擴大的加工范圍，減輕了勞動體力。 關(guān)鍵詞： CNC控制系統(tǒng) 銑床 滾珠絲杠 步進電機 減速齒輪 Vertical milling machines CNC modification design Abstract:This paper describes the open-loop control that the X53 k using CNC milling machine CNC system and stepper motor-driven actuator，it achieved X, Y, Z coordinate linkage. Three of the original machine feed direction were changed to remove the screw ball screw, ball screws transmission is efficiency, no crawling, after preload to eliminate backlash, high accuracy; and screw on the rear plus reduction gear and stepper motor to achieve the automatic feed. Which will be converted into simple ordinary machine tools CNC machine tools, this modification is simple, convenient debugging, easy to modify. Improved CNC machine tools, precision machine tools have more than the original increase and improve production efficiency, expand the scope of processing to reduce manual labor. Keywords: CNC control system, milling, ball screws, stepper motor, reduction gear 目 錄 1 緒 論 1 2 X53銑床改造的總體設(shè)計 2 2.1 總體設(shè)計要求 2 2.2 數(shù)控銑床運動方式的確定 3 2.3 伺服進給系統(tǒng)的確定 3 2.3.1 伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)的選擇 3 2.4 伺服驅(qū)動電機的選擇 5 2.5 微機系統(tǒng)的選用 5 2.5.1 方案的確定 5 2.5.2 單片機的選擇 5 2.6 伺服進給系統(tǒng)的改造方案設(shè)計 8 3 縱向機械部分設(shè)計改造 9 3.1 已知條件 9 3.2 確定系統(tǒng)脈沖當量 10 3.3 工作臺的質(zhì)量 10 3.4 切削力的計算 10 3.5 滾珠絲杠副的選擇計算 11 3.5.1 滾珠絲杠的特點 11 3.5.2 滾珠絲杠的組成及工作原理 11 3.5.3 工作負載計算 12 3.5.4 滾珠絲杠壽命計算 12 3.5.5 最大動載荷計算及絲杠型號選擇 12 3.5.6 剛度計算 14 3.5.7 效率計算 14 3.5.8 軸承的選擇 15 3.6 傳動齒輪的設(shè)計與計算 16 3.6.1 齒輪的選擇計 16 3.6.2 齒輪傳動間隙的調(diào)整 17 3.7 伺服電機的選擇計算 18 3.7.1伺服電機的特點 18 3.7.2 步進電機的選擇計算 19 4 橫向進給系統(tǒng)的改造設(shè)計 21 4.1 工作負載計算 21 4.2滾珠絲杠副的選擇計算 21 4.2.1 滾珠絲杠壽命計算 21 4.2.2 最大動載荷計算及絲杠型號選擇 22 4.2.3 剛度計算 23 4.2.4 效率計算 24 4.3 傳動齒輪計算 24 4.4 齒輪傳動間隙的調(diào)整 25 4.5 絲杠支撐的選擇 25 4.6 伺服電動機的選擇計算 26 4.6.1步進電機的選擇計算 26 結(jié) 論 29 參考文獻 30 致 謝 32 第II頁共II頁 太原工業(yè)學院畢業(yè)設(shè)計 1.緒 論 數(shù)控機床與普通機床相比,增加了功能,提高了性能,簡化了結(jié)構(gòu).較好地解決形狀復雜、精密、小批量及形狀多變零件的加工問題。能獲得穩(wěn)定的加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率，其應(yīng)用越來越廣泛，但是數(shù)控的應(yīng)用也受到其他條件限制：（1）數(shù)控機床價格昂貴，一次性投資巨大，中小企業(yè)常是心有力而力不足；（2）目前，各企業(yè)都有大量的普通機床，完全用數(shù)控機床替換根本不可能，而且替代下的機床閑置起來又會造成浪費；（3）在國內(nèi)，訂購新數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)急需；（4）通用數(shù)控機床對某一類具體生產(chǎn)項目有多余功能。 要較好的解決上述問題，應(yīng)走通用機床數(shù)控改造之路。普通機床的改造就是在普通機床上增加微機數(shù)控裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)額定的加工工藝目標。中國現(xiàn)擁有300多萬臺機床，其中大部分是多年積累生產(chǎn)的普通機床，自動化程度低。要想在近幾年用自動和精密設(shè)備更新現(xiàn)有機床，不論是資金還是中國機床制造廠的能力都是辦不到的，因此，普通機床的數(shù)控化改造大有可為，它適合中國的經(jīng)濟水平、生產(chǎn)水平和教育水平，已成為中國設(shè)備技術(shù)改造的主要方向之一。 機床數(shù)控化改造的優(yōu)點：（1）改造閑置設(shè)備，能發(fā)揮機床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機床的使用價值，可以提高固定資產(chǎn)的使用效率；（2）適應(yīng)多品種、小批量零件生產(chǎn)；（3）自動化程度提高、專業(yè)性強、加工精度高、生產(chǎn)效率高；（4）降低對工人的操作水平的要求；（5）數(shù)控改造費用低、經(jīng)濟性好；（6）數(shù)控改造的周期短，可滿足生產(chǎn)急需。因此，我們必須走數(shù)控改造之路。[3] 本次畢業(yè)設(shè)計的題目是立式銑床的數(shù)控改裝技術(shù)，目的是將普通的立式銑床經(jīng)過簡單的改裝后成為簡單的數(shù)控銑床，普通立式銑床在我國有很大的儲備量，有很多技術(shù)人員也曾經(jīng)研究過類似的改造，改造投資少，可充分利用現(xiàn)有資源。 但是，普通立式銑床改造后只能加工精度要求不高，形狀較簡單的零件。對精度要求高，形狀復雜的零件還是不能加工的。 限于本人的知識水平，設(shè)計過程中的不足之處在所難免，望各位老師不吝賜教，給予批評指正。 2．X53銑床改造的總體設(shè)計 2.1 總體設(shè)計要求 普通立式銑床改裝成經(jīng)濟型數(shù)控銑床，應(yīng)實現(xiàn)普通立式銑床原有功能，在銑床精度性能方面除保有原有性能和精度外還應(yīng)有所提高。 給定條件及要求：普通立式銑床采用微機組成的經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)。 脈沖當量：0.01mm/脈沖 快速移動速度：X軸 1m/min Y軸 1m/min 圖2.1銑床改造后總體結(jié)構(gòu)圖 2.2 數(shù)控銑床運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)的運動方式有點位運動、直線運動、輪廓運動三種運動方式。點位運動控制系統(tǒng)控制機床運動部件的精確位置，即控制刀具與工件的相對位置對運動過程中的運動軌跡沒有嚴格要求。這種運動方式主要用于數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床等，其相應(yīng)的數(shù)控裝置稱為點位控制系統(tǒng)。 直線控制系統(tǒng)，不僅控制機床運動部件點與點之間的準確位置還需保證其移動軌跡為一直線，而且對位移速度也必須進行控制，以適應(yīng)不同刀具及工件材料的加工要求。簡單的數(shù)控車床、鏜銑床都采用這種系統(tǒng)。另外，這類系統(tǒng)應(yīng)具有刀具長度與半徑的補償功能以及主軸轉(zhuǎn)速控制功能。 輪廓控制系統(tǒng)亦稱軌跡控制，能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標方向的聯(lián)合運動。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有查補運算的功能，是刀具的運動軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)個坐標方向的運算速度，以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進給速度。采用這類控制的有數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。 綜上所述，由于改造后的數(shù)控銑床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工等功能，所以我選用輪廓控制方式。 2.3 伺服進給系統(tǒng)的確定 2.3.1 伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)的選擇 伺服驅(qū)動控制系統(tǒng)按其控制方式可分為開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)。 開環(huán)控制伺服系統(tǒng)沒有檢測反饋裝置，其驅(qū)動電動機只能采用步進電動機，這種控制系統(tǒng)的精度完全取決于步進電動機的步距精度以及齒輪、絲杠的傳動精度。因此，這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，價格便宜，維護也比較方便。 圖2.2 開環(huán)伺服系統(tǒng)框圖 半閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)角檢測元件。直接安裝在伺服電機或絲杠的端部。由于大部分機械傳動環(huán)節(jié)未包括在系統(tǒng)閉環(huán)環(huán)路內(nèi)，因此，可獲得較穩(wěn)定的控制特性。 圖2.3 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)框圖 全閉環(huán)控制伺服系統(tǒng)的位置反饋采用直線位移檢測元件，安裝在機床的床鞍部位上，即直接檢測機床坐標的直線位移量，通過反饋可以消除從電機到機床床鞍整個機械傳動鏈中的傳動誤差，得到很高的機床定位精度。但是，整個閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計和調(diào)整都相當復雜。因此，這種全閉環(huán)控制方式主要用于精度要求很高的機床。 圖2.4 全閉環(huán)控制系統(tǒng) 由于我們所做的是經(jīng)濟型數(shù)控改造，精度要求不高。所以，采用開環(huán)控制伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)投資少，安裝調(diào)試方便。 2.4 伺服驅(qū)動電機的選擇 目前，使用比較廣泛的驅(qū)動電機有：步進電機、直流伺服電機、交流伺服電機。 由于我們選用的是開環(huán)控制伺服系統(tǒng)，其驅(qū)動電機只能采用步進電機。這種驅(qū)動系統(tǒng)價格低、結(jié)構(gòu)簡單，安裝調(diào)試和維修都很方便。 2.5 微機系統(tǒng)的選用 2.5.1 方案的確定 方案一：采用單片機控制系統(tǒng)。單片機編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種復雜的邏輯編程。單片機系統(tǒng)還可用數(shù)碼管或液晶來顯示處理的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)較好的人機對話。系統(tǒng)整理結(jié)構(gòu)簡單。 方案二：PLC(英文全稱Programmable Pogic Controller,中文全稱可編程邏輯控制器)控制系統(tǒng)。適用于工業(yè)現(xiàn)場較大的系統(tǒng)控制，其可靠性，性價比高。但對于本設(shè)計來說，其體積大，成本高，相對性價比低。 方案三：DSP（digital singnal processor，是一種獨特的微機處理器，是以數(shù)字信號來處理大量信息的器件）控制系統(tǒng)。 DSP實現(xiàn)了流水作業(yè)，可以極大的提高處理速度。但對控制器要求過高。 比較以上三種方案。方案一操作靈活簡單，成本低廉；方案二成本較高，不適合于本次改造；方案三對控制器要求過高，也不適用于本次改造。所以在本次設(shè)計中，采用方案一。 2.5.2 單片機的選擇 ＭＣＳ－５１系列單片機是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計選用８０３１芯片作為主控芯片。 (1)存儲器擴展電路設(shè)計 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。在選擇芯片時要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時序的匹配。８０３１所能讀取的時間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設(shè)計的程序存儲器擴展用芯片。 單片機規(guī)定Ｐ0口提供８為位地址線，同時又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作為地址鎖存器，并由ＣＰＵ發(fā)出允許鎖存信號ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下圖所示 A12 ↓ A8 2764 A7 ↓ A0 D7 ↓ D0 P1.7 ↓ P1.0 P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0 譯碼電路 G 74LS372 圖2.5 擴展2764電路框圖 (２）數(shù)據(jù)存儲器的擴展 由于８０３１內(nèi)部ＲＡＭ只有１２８字節(jié)，遠不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴展片外的數(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6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲器。本次設(shè)計選用６２６４芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示： P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0 譯碼電路 A12 ↓ A8 A7 ↓ 6264 A0 D7 ↓ D0 ↓ D0 G 74LS372 圖2.6 擴展6264電路框圖 (３）譯碼電路 在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機相連。單片機數(shù)據(jù)總線分時的與各個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送。故要進行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲器采用統(tǒng)一編址，因此單片機的硬件設(shè)計中，數(shù)據(jù)存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜。可采用線選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當芯片所需的片選信號多于可利用的地址線的時候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址線進行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。 2.6 伺服進給系統(tǒng)的改造方案設(shè)計 第一種方案： 根據(jù)改造目的，需將縱向和橫向還有主軸Z向進給運動改造為微機控制。橫向、縱向進給系統(tǒng)需作以下改動：獎勵和崎脫開，去掉手輪，將首輪直接與步進電動機相連，由步進電機驅(qū)動橫向、縱向工作臺；工作臺由原來的手輪進給，現(xiàn)改為由伺服電機驅(qū)動，Z向也如此，并自行設(shè)計滾珠絲杠副等元件。 第二種方案： 通過銑床的縱向、橫向機構(gòu)進行改造實現(xiàn)數(shù)控的。為了保證銑床能由計算機控制，首先拆去縱、橫向離合器和縱、橫向手輪，手輪端通過一對齒輪與步進電機相聯(lián)利用步進電機控制工作臺橫、縱向的移動。工作臺的垂直進給仍可用手動實現(xiàn)，使銑床傳動結(jié)構(gòu)的改動盡可能地減少，數(shù)控部分發(fā)生故障時仍能用手工半自動操作。使用中發(fā)現(xiàn)，由于銑床縱向絲杠長、使用頻繁、橫向絲杠承受負載大，應(yīng)將其換成滾珠絲杠。采用滾珠絲杠，必須利用雙螺母消除間隙和調(diào)節(jié)預緊力，同時必須對其剛度、導程變化總誤差和穩(wěn)定性進行驗算。 第一種方案中，如果將步進電機直接與絲杠聯(lián)結(jié),將簡化傳動結(jié)構(gòu),有利于提高精度,減少轉(zhuǎn)動慣量、摩擦、磨損和損耗;但由于電機很重,為了避免產(chǎn)生大的側(cè)傾力,又為了使改造后的機床外觀造型協(xié)調(diào)和均衡,本設(shè)計采用第二種方案。改造后的X53立式銑床的傳動系統(tǒng)圖如下圖： 計 算 機 光電隔離 功率放大 步進 電機 X向工作臺 光電隔離 功率放大 步進 電機 Y向工作臺 圖2.7 X53 傳動系統(tǒng)圖 3．縱向機械部分設(shè)計改造 數(shù)控機床要求機械傳動系統(tǒng)盡量采用低摩擦的傳動副；盡量消除傳動間隙，以減小反向行程誤差；縮短傳動鏈以及用預緊的傳動方法提高傳動系統(tǒng)的剛度，選用最佳的降速比；為達到數(shù)控機床所要求的脈沖當量，使運動位移盡可能快速的達到跟蹤指令。 對縱向進行機構(gòu)的機械結(jié)構(gòu)改造時，將原先機床絲杠拆換成滾珠絲杠；把原機床的首輪拆除換成步進電動機以及原機床的軸承也一起換掉。 3.1 已知條件 表3.1 X53參數(shù) 工作臺面積 400mm×1600mm 工作臺縱向最大行程（手動/機動） 900/880mm 工作臺橫向最大行程（手動/機動） 315/300mm 工作臺垂直最大行程（手動/機動） 385/365mm 主軸轉(zhuǎn)速范圍 30～1500r/min 工作臺縱向進給速度范圍 23.5-1180mm/min 工作臺橫向進給速度范圍 15-786mm/min 工作臺垂直向進給速度范圍 8-394mm/min 工作臺橫向及縱向快速移動速度 700 mm/min 主傳動電動機功率 10kW 主傳動電動機轉(zhuǎn)速 1450r/min 外形尺寸 2556mm X 2800 mm X 2000mm 質(zhì)量 3500 kg 3.2 確定系統(tǒng)脈沖當量 脈沖當量δp是一個進給指令時工作臺的位移量，應(yīng)小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當量為0.01mm。 3.3 工作臺的質(zhì)量 根據(jù)給定X53工作臺簡圖和工作臺的材料，估算工作臺及移動部件承載重量為 G=320 X 7.8=2500N。 3.4 切削力的計算 機床的最大切削功率可根據(jù)式 （式3.1） 計算，取 查《機床說明書》則 =10x0.8x0.96kw=7.86kw 切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力（或轉(zhuǎn)矩）和最大切削速度來計算，按最大切削力來計算，取切削速度v=100mm/min， 由式來計算主切削力： (式3.2) x= 根據(jù)式 和?。? (式3.3) 3.5 滾珠絲杠副的選擇計算 3.5.1 滾珠絲杠的特點 數(shù)控機床為了提高進給系統(tǒng)的靈敏度、定位精度和防止爬行，必須降低摩擦并減少靜、動摩擦系數(shù)之差。因此，行程不太長的直線運動機構(gòu)常用滾珠絲杠副。 滾珠絲杠副的傳動效率高達85%～98%,是普通絲杠的2～4倍。滾珠絲杠的靜、動摩擦系數(shù)實際上沒有什么差別。滾珠絲杠可以消除反向間隙并施加預載，有助于提高精度和剛度。 3.5.2 滾珠絲杠的組成及工作原理 （1）組成：絲杠、螺母、滾珠和滾道（回珠器）、螺母座等組成。 （2）工作原理：在絲杠和螺母上加工有弧形螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿著滾道滾動，并經(jīng)回珠管作周而復始的循環(huán)運動?；刂楣軆啥诉€起擋珠作用，以防滾珠沿著管道掉出如下圖所示： 圖3.1 滾珠螺母副的結(jié)構(gòu)圖 滾珠絲杠的選擇要根據(jù)機床的實際情況及工作負載情況，計算出絲杠的最大動載荷及絲杠的工作壽命等參數(shù)，然后根據(jù)這些參數(shù)進行選擇。最大載荷必須小于絲杠的額定動載荷。滾珠絲杠螺母副是標準化生產(chǎn)，其規(guī)格型號都是按國際查表得出的，其選擇的詳細計算如下： 3.5.3 工作負載計算 工作負載的數(shù)值可用進給牽引力的公式 (式3.4) 計算，取K=1.15，f=0.17則： 對于三角形導軌 K=1.15 ，f =0.03~0.5,選f =0.17(因為是鑲粘塑料導軌) 3.5.4 滾珠絲杠壽命計算 滾珠絲杠轉(zhuǎn)速n=計算， （式3.5） 取、螺距則 n== 壽命t可按下式，數(shù)控機床T取15000h。 G= （式3.6） 3.5.5 最大動載荷計算及絲杠型號選擇 根據(jù)切削力和運動部件的質(zhì)量引起的阻抗力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)式 （式3.7） 計算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動載荷C。其中取；,則： 因為n=12r/min，按額定動載荷來選取絲杠。由C查滾珠絲杠產(chǎn)品樣式或《機電設(shè)計手冊》后選絲杠直徑為，型號為CMD4006-5-P5的結(jié)構(gòu)如圖所示 圖3.2 CMD4006-5-P5的結(jié)構(gòu)圖 具體技術(shù)參數(shù)見表3.2： 表3.2 CMD4006-5-P5絲杠具體參數(shù) 滾珠絲杠型號 公稱直徑 /mm 基本導程 /mm 鋼球直徑 /mm 絲杠外徑 /mm 螺紋底徑 /mm 循環(huán)圈數(shù) CMD4006-5 40 6 3.969 39.5 35.1 2.5x2 續(xù)表3.2 CMD4006-5-P5絲杠具體參數(shù) 額定動載荷 /N 額定靜載荷 /mm 接觸剛度 R/（N/） 28771 95970 2191 表3.3 CMD4006-5-P5螺母安裝連接尺寸 單位：mm D B h L C M 109 71 90 15 9 15 9 138 54 6 3.5.6 剛度計算 滾珠絲杠工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，將引起基本導程的變化，因此滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩時引起的導程變化量很?。L動摩擦，使得對絲杠受扭變化?。?，可忽略不計。故工作負載引起的變化量△可由式△= (式3.8) 計算。取鋼彈性模量E=20.6ＭＰａ;滾珠絲杠截面積，按絲杠螺紋底徑確定=3.51cm，則 A= （式3.9） △=（“+”用于拉伸時，“-”用于壓縮時）絲杠1m長度上導程變形總量誤差 △ 四級精度絲杠允許的螺距誤差25﹥20.07，故此絲杠精度足夠。 3.5.7 效率計算 根據(jù)機械原理，絲杠螺母副的傳動效率可根據(jù)式 （式3.10） 計算。其中摩擦角取，則 = 3.5.8 軸承的選擇 滾珠絲杠的左端設(shè)計了一個專用軸承支承座，采用一個軸套式滑動軸承作為徑向支承，在滑動軸承的兩端分別布置一對推力球軸承，承受兩個方向的軸向力。滾珠絲杠右端通過聯(lián)軸器和減速器的輸出軸連接，在絲杠托架上布置一個軸套式滑動軸承作為徑向支承。滾珠絲杠的中間支承為滾珠螺母，與床鞍直接連接。 為了滿足機床所需要的精度及剛度，傳動系統(tǒng)的絲杠采用一段軸向固定，另一端浮動的結(jié)構(gòu)形式，使絲杠的軸向位移留有移動的空間，這樣可以減小機床的震動和傳動的誤差，避免軸承卡死以及絲杠受熱伸長變形情況的發(fā)生。固定端采用一對角接觸球軸承，選擇7602035TVP軸承面對面組配，成對使用，能限制兩個方向的軸向位移，軸承的具體參數(shù)見表3.4。因為額定載荷C=30000N﹥=3996.2N，所以7602035TVP滿足使用要求。 表3.4 7602035TVP軸承具體參數(shù) 軸承型號 尺寸/mm 額定載荷/N 預載荷/mm 極限轉(zhuǎn)速/(r/min) 質(zhì)量/kg 安裝尺寸/mm d D B C 脂 7602035TVP 35 72 17 30000 710000 3300 1900 0.144 46.5 50.5 1 表3.5 6007深溝球軸承具體參數(shù) 軸承型號 尺寸/mm 額定載荷/N 極限轉(zhuǎn)速/(r/min) 質(zhì)量/kg 安裝尺寸/mm d D B C 脂 油 6007 35 62 14 1 16200 10500 9000 12000 0.13 30 47 1 3.6 傳動齒輪的設(shè)計與計算 3.6.1 齒輪的選擇計算 脈沖當量、步距角、絲杠螺距和降速比之間的關(guān)系為 = （式3.11） 一般的數(shù)控機床取0.01，變速比要求較高，所以=0.75，=6mm，則齒輪的傳動比為 根據(jù)一般的設(shè)計原則，為了提高傳動精度，應(yīng)盡量減少傳動級數(shù)，并且盡量避免采用升速的傳動比。為了提高傳動的平穩(wěn)性，減少沖擊振動，同時也防止外來的廢屑進入到齒輪中，采用閉式設(shè)計裝置。 由于滾珠絲杠隨工作臺運動，而伺服電動機不隨工作臺運動，這樣給運動的傳遞造成困難。如果X軸與絲杠之間也需要相對運動，會增加傳遞齒輪與絲杠之間的傳動間隙，且不易消除。在本設(shè)計中，使用一級傳動來實現(xiàn)設(shè)計的要求。但為了消除傳動間隙、盡可能減小誤差，要采用一系列措施來消除，以保證傳動平穩(wěn)。 一般閉式齒輪傳動轉(zhuǎn)速較高，所以齒數(shù)多一點則沖擊振動相對較小。小齒輪可取20～40， 則大齒輪齒數(shù)。取模數(shù)m=2mm則: 分度圓直徑: 根據(jù)國家標準規(guī)定：對于正常齒，=1，=0.25則： 齒頂圓直徑: ?。ㄊ?.12） （式3.13） 齒根圓直徑: （式3.14） （式3.15） 齒距P=m=6.28 齒厚S=P/2=3.14 齒槽寬e=P/2=3.14 中心距: （式3.16） 分度圓壓力角: 3.6.2 齒輪傳動間隙的調(diào)整 大小齒輪均采用漸開線標準圓柱齒輪 齒輪傳動間隙的調(diào)整方法采用偏心套調(diào)整法。如圖3.4所示：將相互嚙合的一對齒輪中的一個齒輪4裝在電機輸出軸上，并將電機2安裝在偏心套1上，通過轉(zhuǎn)動偏心套的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時的齒輪間隙。 圖3.4 偏心套調(diào)整 1.偏心套 2.電機 3.減速器 4、5.減速齒輪 3.7 伺服電機的選擇計算 3.7.1伺服電機的特點 伺服電動機作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，應(yīng)該具有精確度高、響應(yīng)快、調(diào)速范圍廣及轉(zhuǎn)矩大等特性。數(shù)控機床還有一個很重要的特點就是要實現(xiàn)無級調(diào)速，這是異步或同步電機無法實現(xiàn)的。經(jīng)過改造的X53銑床，要實現(xiàn)輪廓的控制，就必須有能快速響應(yīng)性能好的伺服電動機。在進給系統(tǒng)中，對進給伺服電機的要求主要有以下幾點： （1）調(diào)整范圍寬和低速平穩(wěn)性，要求速比應(yīng)大于1:10000，速比達0.1r/min時無爬行。 （2)負載特性要硬。要求即使在低速時也具有達的負載能力和過載能力。 （3）反應(yīng)速度快，要求電動機在0.2秒以內(nèi)以靜止啟動，升速到1500r/min，因此要求電動機慣量小、堵轉(zhuǎn)力矩大、機電時間常數(shù)和起動電壓小、加速度達4000rad/以上。 （4）可以頻繁起動、制動和反轉(zhuǎn)。 從經(jīng)濟性及系統(tǒng)要求方面綜合考慮，選用步進電動機作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件。 步進電動機與絲杠的連接如圖3.5所示： 圖3.5 步進電動機與絲杠連接簡圖 1.絲杠 2.從動齒輪 3.主動齒輪 4.支架 5.步進電動機 3.7.2 步進電機的選擇計算 1．負載轉(zhuǎn)矩的計算 工作臺及夾具等的轉(zhuǎn)動慣量可按以下式估算。取G=2500N;=0.75; =0.01，則 （式3.17） 對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按（式3.18）計算根據(jù)前面已知，m=2mm，，取計算值，寬，則小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： （式3.18） 對于齒輪2，，寬，則齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量： 根據(jù)前面計算所得的滾珠絲杠參數(shù)，以及《X53銑床說明書》的滾珠絲杠、，則滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： 那么，負載轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)量由式 （式3.19）計算得 =24.27 2． 最大切削負載轉(zhuǎn)矩的計算 根據(jù)能量守恒原理，電動機等效負載轉(zhuǎn)矩按下式計算： Tm =36Fm/2 （式3.20） =(360.013996.2)/(20.750.980.990.990.94) =3.31N.m 式中 ——脈沖當量（mm/step）； Fm——進給牽引力（N） ——步距角，初選雙拍制為0.75°； ——電機絲杠的傳動效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94； 若不考慮起動時運動部件慣量的影響，則起動轉(zhuǎn)矩按下式（式3.21）計算。取安全系數(shù)為0.4，則 Tq=Tm/0.4 =3.31/0.4=8.275N·cm （式3.21） 式中安全系數(shù)的范圍是0.3～0.5 對于工作方式為三相六拍的步進電動機，其最大靜轉(zhuǎn)矩按式（式2.22）計算。取=0.866，則 =/=8.275/0.866N.m=9.56 N.m （式2.22） 已知工作臺 縱向進給速度范圍是23.5～1180mm/min，工作臺橫向及縱向快速移動速度是2300mm/min。當工作臺快速移動時（=1m/min）,電動機的轉(zhuǎn)速按式（式3.23）計算，則 （式2.23） 取t=25ms，由式（式3.24）得 =24.27 （式3.24） 按式（式3.25）可得 N.m=0.33 N.m （式3.25） 為預加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3，即 =/3=3996.2/3N=1332.1N 滾珠絲杠預緊所引起的折算到電機上的附加轉(zhuǎn)矩由式（式3.26）得 ==3.31 （式3.27） 則電機軸上的總轉(zhuǎn)矩T得 T=++=(2.11+0.33+3.31) =5.57 （式3.28） 3．步進電動機的最高工作頻率 根據(jù)已知參數(shù)，取縱向進給速度為=1m/min，根據(jù)下式計算得 ===1666.67HZ （式3.29） 根據(jù)計算結(jié)果，綜合考慮后選擇BF系列步進電動機，型號為110BF004，具體參數(shù)見下表3.6。 表3.6 110BF004具體參數(shù) 型號 相數(shù) 保持轉(zhuǎn)矩/N.m 步距角（。） 靜態(tài)相電流/A 空載運行頻率/HZ 空載起動頻率/HZ 相電感/mH 使用電壓范圍/v 質(zhì)量/kg 110BF004 3 4.9 0.75 4 7000 500 30 80～325 10 4．橫向進給系統(tǒng)的改造設(shè)計 4.1 工作負載計算 工作負載的數(shù)值可用進給牽引力的公式 (式4.1) 計算，取K=1.15，f=0.16則： 4.2滾珠絲杠副的選擇計算 4.2.1 滾珠絲杠壽命計算 滾珠絲杠轉(zhuǎn)速n= （式4.2） 計算，取則 n== 壽命t可按下式，數(shù)控機床T取15000h。 G= （式4.3） 4.2.2 最大動載荷計算及絲杠型號選擇 根據(jù)切削力和運動部件的質(zhì)量引起的阻抗力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)式計算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動載荷C。其中?。?則： （式4.4） 因為n=12r/min，按額定動載荷來選取絲杠。由C查滾珠絲杠產(chǎn)品樣式或《機電設(shè)計手冊》后選絲杠直徑為，型號為CMD4006-5-P5的結(jié)構(gòu)如圖所示 圖4.1 CMD4006-5-P5的結(jié)構(gòu)圖 具體技術(shù)參數(shù)見表4.1： 表4.1 CMD4006-5-P5絲杠具體參數(shù) 滾珠絲杠型號 公稱直徑 /mm 基本導程 /mm 鋼球直徑 /mm 絲杠外徑 /mm 螺紋底徑 /mm 循環(huán)圈數(shù) CMD4006-5 40 6 3.969 39.5 35.1 2.5x2 續(xù)表4.1 CMD4006-5-P5絲杠具體參數(shù) 額定動載荷 /N 額定靜載荷 /mm 接觸剛度 R/（N/） 28771 95970 2191 表4.2 CMD4006-5-P5螺母安裝連接尺寸 單位：mm D B h L C M 109 71 90 15 9 15 9 138 54 6 4.2.3 剛度計算 滾珠絲杠工作時受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，將引起基本導程的變化，因此滾珠絲杠受轉(zhuǎn)矩時引起的導程變化量很?。L動摩擦，使得對絲杠受扭變化?。?，可忽略不計。故工作負載引起的變化量△可由式△=計算。 （式4.4） 取鋼彈性模量E=20.6ＭＰａ;滾珠絲杠截面積，按絲杠螺紋底徑確定=3.51cm，則 A= （式4.5） △=（“+”用于拉伸時，“-”用于壓縮時）絲杠1m長度上導程變形總量誤差 △ 四級精度絲杠允許的螺距誤差25﹥17.4，故此絲杠精度足夠。 4.2.4 效率計算 根據(jù)機械原理，絲杠螺母副的傳動效率可根據(jù)式 （式4.6） 計算。其中摩擦角取，則 = （式4.7） 4.3 傳動齒輪計算 脈沖當量、步距角、絲杠螺距和降速比之間的關(guān)系為 = （式4.8） 一般的數(shù)控機床取0.01，變速比要求較高，所以=0.75，=6mm，則齒輪的傳動比為 （式4.9） 一般閉式齒輪傳動轉(zhuǎn)速較高，所以齒數(shù)多一點則沖擊振動相對較小。小齒輪可取20～40， 則大齒輪齒數(shù)。取模數(shù)m=2mm則: 分度圓直徑: 根據(jù)國家標準規(guī)定：對于正常齒，=1，=0.25則： 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒距P=m=6.28 齒厚S=P/2=3.14 齒槽寬e=P/2=3.14 中心距: 分度圓壓力角: 4.4 齒輪傳動間隙的調(diào)整 為了提高傳動精度和傳動平穩(wěn)性，避免齒輪在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生沖擊和噪聲，對于橫向齒輪需要設(shè)計中心距地調(diào)整機構(gòu)。由于主、從動齒輪在制造過程中不可避免的存在加工誤差，為使這一對相互嚙合的齒輪在安裝后的中心距達到標準中心距，齒輪傳動間隙的調(diào)整方法采用偏心套調(diào)整法。如圖3.4所示：將相互嚙合的一對齒輪中的一個齒輪4裝在電機輸出軸上，并將電機2安裝在偏心套1上，通過轉(zhuǎn)動偏心套的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)整兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時的齒輪間隙。 4.5 絲杠支撐的選擇 為了滿足機床所需要的精度及剛度，傳動系統(tǒng)的絲杠采用一段軸向固定，另一端浮動的結(jié)構(gòu)形式，使絲杠的軸向位移留有移動的空間，這樣可以減小機床的震動和傳動的誤差，避免軸承卡死以及絲杠受熱伸長變形情況的發(fā)生。固定端采用一對角接觸球軸承，選擇7602035TVP軸承面對面組配，成對使用，能限制兩個方向的軸向位移。浮動端支撐采用6209/P5型深溝球軸承，只承受絲杠重力，軸承的具體參數(shù)見表4.2。 因為額定載荷C=31500N﹥=3446.28N，所以7602035TVP滿足使用要求。 表4.3 6007深溝球軸承具體參數(shù) 軸承型號 尺寸/mm 額定載荷/N 極限轉(zhuǎn)速/(r/min) 質(zhì)量/kg 安裝尺寸/mm d D B C 脂 油 6209 45 85 19 1 31500 20500 7000 9000 0.18 52 78 1．1 4.6 伺服電動機的選擇計算 伺服電動機作為伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，應(yīng)該具有精確度高、響應(yīng)快、調(diào)速范圍廣及轉(zhuǎn)矩大等特性。再進給系統(tǒng)中，伺服電機要調(diào)整范圍寬和低速平穩(wěn)性，反應(yīng)速度要快，可以頻繁起動、制動和反轉(zhuǎn)等。同時伺服電動機的負載能力和過載能力也要強，慣量小，堵轉(zhuǎn)力矩大，以便在出現(xiàn)悶車時能有一定的克服時間而不導致電動機燒壞，要求速比應(yīng)大于1:10000，速比達0.1r/min時無爬行。 4.6.1步進電機的選擇計算 1．負載轉(zhuǎn)動慣量的計算 工作臺及夾具等的轉(zhuǎn)動慣量可按以下式估算。取G=2500N;=0.75; =0.01，則 對于材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按式（式3.18）計算根據(jù)前面已知，m=2mm，，取計算值，寬，則小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： 對于齒輪2，，寬，則齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量： 根據(jù)前面計算所得的滾珠絲杠參數(shù)，以及《X53銑床說明書》的滾珠絲杠、，則滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： 那么，負載轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)量由式 計算得 =16.71 2．最大切削負載轉(zhuǎn)矩的計算 根據(jù)能量守恒原理，電動機等效負載轉(zhuǎn)矩按下式計算： Tm =36Fm/2 =(360.013446.28)/(20.750.980.990.990.94) =2.87N.m 式中 ——脈沖當量（mm/step）； Fm——進給牽引力（N） ——步距角，初選雙拍制為0.75°； ——電機絲杠的傳動效率，為齒輪、軸承、絲杠效率之積，分別為0.98、0.99、0.99和0.94； 若不考慮起動時運動部件慣量的影響，則起動轉(zhuǎn)矩按下式計算。取安全系數(shù)為0.4，則 Tq=Tm/0.4 =2.87/0.4=7.175N·cm 式中安全系數(shù)的范圍是0.3～0.5 對于工作方式為三相六拍的步進電動機，其最大靜轉(zhuǎn)矩按式（式4.10）計算。取=0.866，則 =/=7.175/0.866N.m=8.29N.m （式4.10） 已知工作臺 縱向進給速度范圍是23.5～1180mm/min，工作臺橫向及縱向快速移動速度是2300mm/min。當工作臺快速移動時（=1m/min）,電動機的轉(zhuǎn)速按式（式4.11）計算，則 （式4.11） 取t=25ms，由式（4.12）得最大切削力折算到電動機軸轉(zhuǎn)矩 =16.71 （式4.12） 導軌摩擦折算到電動機的轉(zhuǎn)矩按式（4.13）可得 N.m=0.33 N.m （式4.13） 為預加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3，即 =/3=3466.28/3N=1155.43N （式4.14） 滾珠絲杠預緊所引起的折算到電機上的附加轉(zhuǎn)矩由式（式4.15）得 ==0.96 （式4.15） 則電機軸上的總轉(zhuǎn)矩T得 T=++=(2.11+0.33+0.96) =3.4 （式4.16） 3．步進電動機的最高工作頻率 根據(jù)已知參數(shù)，取縱向進給速度為=1m/min，根據(jù)下式計算得 ===1666.67HZ （式4.17） 根據(jù)計算結(jié)果，綜合考慮后選擇BF系列步進電動機，型號為110BF003，具體參數(shù)見下表4.4 表4.4 110BF003具體參數(shù) 型號 相數(shù) 保持轉(zhuǎn)矩/N.m 步距角（。） 靜態(tài)相電流/A 空載運行頻率/HZ 空載起動頻率/HZ 相電感/mH 使用電壓范圍/v 質(zhì)量/kg 110BF003 3 7.84 0.75 6 7000 1500 30 80～30 6 結(jié) 論 本人經(jīng)過這次的畢業(yè)設(shè)計對目前機械制造業(yè)的現(xiàn)狀和前景有了更多的了解。對機床改造有了深刻的認識，對于大部分老舊的機床來說，在花費較少的改裝費用（主要用于購買步進電動機、單片機及接口部件），換來的是性能上的極大提高和明確的現(xiàn)實意義。 在設(shè)計過程中，我進一步鞏固大學幾年所學的專業(yè)知識，提高了自己的實踐能力和工作能力，深深地體會到必須要有不畏艱辛、勤奮鉆研、勇于克服困難的精神，為將來自己所能勝任自己從事相關(guān)工作打下了良好的基礎(chǔ)。 當然，在此過程中也有許多不足之處，例如：知識的不全面，所學的還沒有全部掌握，思維的狹隘等，讓我在畢業(yè)前上了生動形象的一課。對于不足之處還需要完善，我衷心的接受老師及同學們的批評指正。 XXXIV 參考文獻 [1] 高鐘毓．機電控制工程[J]．北京：清華大學出版社，2002． [2] 宋云奪. 宋云奪. 光機電一體化產(chǎn)業(yè)的未來[J]. 光機電信息, 2003,(12). 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