寧畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) (論 文 )X6120 萬能升降臺(tái)銑床數(shù)控化改造總體及垂直進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)所 在 學(xué) 院專 業(yè)班 級(jí)姓 名學(xué) 號(hào)指 導(dǎo) 老 師年 月 日I摘 要從研究 X6120 銑床著手，借鑒國內(nèi)外先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一臺(tái)用于多種工件加工的銑床數(shù)控化改造，滿足了生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的要求。整個(gè)銑床主要包括橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)、垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)、立柱、橫梁、底座、工作臺(tái)等主要組部件。其中所有進(jìn)給機(jī)構(gòu)均采用滾珠絲杠進(jìn)行傳動(dòng)，并由伺服電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。主軸箱安裝在門架上，運(yùn)用類比法自行設(shè)計(jì)了滾珠絲杠螺母副的制動(dòng)裝置。全面闡述了數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)原理，設(shè)計(jì)特點(diǎn)，論述了采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠螺母副的優(yōu)點(diǎn)。詳細(xì)介紹了數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及校核，并進(jìn)行了分析。另外匯總了有關(guān)技術(shù)參數(shù)，其中著重介紹了滾珠絲杠的原理及選用原則，系統(tǒng)地對(duì)滾珠絲杠生產(chǎn)、應(yīng)用等環(huán)節(jié)進(jìn)行了介紹。包括種類選擇、參數(shù)選擇、精度選擇、循環(huán)方式選擇、與主機(jī)匹配的原則以及廠家的選擇等。關(guān)鍵詞：銑床，數(shù)控，伺服電機(jī)，滾珠絲杠IIAbstractBegins from the research CNC planer type milling machine, to profit from the domestic and foreign advanced experiences, designed one to use in the sheet material and various workpiece the numerical control CNC planer type milling machine, has satisfied the production and the design request.Elaborated comprehensively the numerical control CNC planer type milling machine's structure principle, the design feature, elaborated has used step-by-steps the electrical machinery and the ball bearing guide screw nut vice-merit. Introduced in detail the numerical control CNC planer type milling machine's structural design and the examination, and have carried on the analysis. And has compiled the related technical parameter.In which introduced emphatically the ball bearing guide screw principle and selects the principle，To ball bearing links and so on guide screw production, application has systematically carried on the introduction. Including the type choice, the parameter choice, the precision choice, the round-robin mode choice, the principle as well as the factory choice which matches with the main engine and so on.Key Words: milling machine, Numerical control, Step-by-step, serve motor, Ball bearing guide screw nutIII目 錄摘 要 .IAbstract II目 錄 .III第 1 章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述.11.1 數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn).11.2 數(shù)控銑床的組成.21.3 數(shù)控銑床的分類.21.4 數(shù)控銑床的工藝范圍及加工精度.31.5 數(shù)控銑床的經(jīng)濟(jì)分析.41.6 數(shù)控銑床的發(fā)展趨向.41.7 發(fā)展趨勢(shì).51.8 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的改造.5第 2 章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較.62.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì).62.1.1 工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng).62.1.2 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).62.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)72.3 銑床改造中應(yīng)注意的問題7第 3 章 確定切削用量及選擇刀具.93.1 刀具選擇.93.2 切削用量確定.93.3 切削三要素.93.4 加工精度和表面粗糙度.93.5 刀具材料.12第 4 章 總體設(shè)計(jì)方案論證.134.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇.134.2 驅(qū)動(dòng)元件選擇.144.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇.15IV4.4 聯(lián)軸器選擇.164.5 導(dǎo)軌副選擇.164.6 總體設(shè)計(jì)方案的確定.17第 5 章 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算.195.1 已知參數(shù)條件.195.2 滾珠絲桿副主要參數(shù)的確定.195.3 設(shè)計(jì)步驟.195.4 設(shè)計(jì)計(jì)算.205.5 垂直(Z 向)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .205.6 升降臺(tái)自動(dòng)平衡裝置29致謝.31參考文獻(xiàn).321第 1 章 數(shù)控機(jī)床發(fā)展概述1.1 數(shù)控機(jī)床及其特點(diǎn)數(shù)控銑床是一種加工功能很強(qiáng)的數(shù)控機(jī)床，目前迅速發(fā)展起來的加工中心、柔性加工單元都是在數(shù)控銑床、數(shù)控鏜床的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的，兩者都離不開銑削方式。由于數(shù)控銑削工藝最復(fù)雜，需要解決的技術(shù)問題也很多，因此，人們?cè)谘芯亢烷_發(fā)數(shù)控系統(tǒng)及自動(dòng)編程語言的軟件系統(tǒng)時(shí)，也一直把銑削加工作為重點(diǎn)。數(shù)控銑床機(jī)械部分與普通銑床基本相同，工作臺(tái)可以做橫向、縱向和垂直三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。因此普通銑床能加工的工藝內(nèi)容，數(shù)控銑床度能做到。一般情況下，在數(shù)控銑床上可以加工平面曲線輪廓。數(shù)控銑床也像通用銑床那樣可分為立式、臥式和立臥兩用式數(shù)控銑床，各類銑床配置的是數(shù)控系統(tǒng)不同，其功能也不盡相同。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)越來越合理，其性能、精度和效率日趨提高，更新?lián)Q代頻繁，生產(chǎn)類型由大批大量生產(chǎn)向多品種小批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)化。因此，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的加工相應(yīng)地提出了高精度、高柔性與高度自動(dòng)化的要求。在機(jī)床行業(yè)，由于采用了數(shù)控技術(shù)，許多過去在普通機(jī)床上無法完成的工藝內(nèi)容得以完成，大量普通機(jī)床為數(shù)控機(jī)床所代替，這就極大地促進(jìn)了機(jī)床行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步和行業(yè)發(fā)展。目前數(shù)控機(jī)床已經(jīng)遍布軍工、航空航天、汽車、造船、機(jī)車車輛、機(jī)床、建筑、通用機(jī)械、紡織、輕工、電子等幾乎所有制造行業(yè)。綜上所述，數(shù)控機(jī)床在促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，提高人類生存質(zhì)量和創(chuàng)造新的就業(yè)機(jī)會(huì)等方面，起著非常重要的作用。數(shù)控機(jī)床是一種高效能自動(dòng)加工機(jī)床，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床具有如下一些優(yōu)點(diǎn)：易于加工異型復(fù)雜零件；提高生產(chǎn)率；可以實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用，多機(jī)看管；可以大大減少專用工裝卡具，并有利于提高刀具使用壽命；提高零件的加工精度，易于保證加工質(zhì)量，一致性好；工件加工周期短，效率高；可以大大減少在制品的數(shù)量；可以大大減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，減少所需工人數(shù)量等。數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)主要由傳動(dòng)系統(tǒng)、支承部件、分度臺(tái)等部分組成。傳動(dòng)系統(tǒng)的作用是把運(yùn)動(dòng)和力由動(dòng)力源傳遞給機(jī)床執(zhí)行件，而且要保證傳遞過程中有良好的動(dòng)態(tài)特性。傳動(dòng)系統(tǒng)在工作過程中，經(jīng)常受到激振力和激振力矩的作用，使傳動(dòng)系統(tǒng)的2軸組件產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，從而影響機(jī)床的工作性能。隨著機(jī)床切削速度的提高和自動(dòng)化方向的發(fā)展，傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成越來越簡(jiǎn)單，但對(duì)其機(jī)械結(jié)構(gòu)性能的要求卻越來越高，從而使傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求，這樣，各種設(shè)計(jì)理論的研究和使用就得到了迅猛的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床是高精度和高生產(chǎn)率的自動(dòng)化機(jī)床，其加工過程中的動(dòng)作順序、運(yùn)動(dòng)部件的坐標(biāo)位置及輔助功能，都是通過數(shù)字信息自動(dòng)控制的，操作者在加工過程中無法干預(yù)，不能像在普通機(jī)床上加工零件那樣，對(duì)機(jī)床本身的結(jié)構(gòu)和裝配的薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行人為補(bǔ)償，所以數(shù)控機(jī)床幾乎在任何方面均要求比普通機(jī)床設(shè)計(jì)得更為完善，制造得更為精密。為滿足高精度、高效率、高自動(dòng)化程度的要求，數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)已形成自己的獨(dú)立體系，在這一結(jié)構(gòu)的完善過程中，數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)及元件。與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)有許多特點(diǎn)。1.2 數(shù)控銑床的組成數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、機(jī)床基礎(chǔ)部件、主軸箱、進(jìn)給伺服系統(tǒng)及輔助裝置等幾大部分組成。（1）數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)是機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制的中心，通常數(shù)控銑床都配有高性能、高精度、集成軟件的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，具有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、刀具補(bǔ)償、固定循環(huán)、用戶宏程序等功能，能完成絕大多數(shù)的基本銑削以及鏜削、鉆削、攻螺紋等循環(huán)加工。（2）機(jī)床基礎(chǔ)部件通常是指底坐、立柱、工作臺(tái)、橫梁等，是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架。（3）主軸箱包括主軸箱和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，用于裝刀具并帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)、主傳動(dòng)大多采用專用的無級(jí)調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。（4）進(jìn)給伺服系統(tǒng)由進(jìn)給電動(dòng)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)，其主軸垂直方向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)及工作臺(tái)的橫向和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由各自的交流伺服電機(jī)來驅(qū)動(dòng)。（5）輔助裝置包括液壓、氣動(dòng)、潤(rùn)滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。31.3 數(shù)控銑床的分類 數(shù)控銑床品種繁多，規(guī)格不一，可按通用銑床的分類方法分為以下 3 類：(1)數(shù)控萬能銑床：數(shù)控萬能銑床主軸軸線垂直于水平面，這種銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，應(yīng)用范圍也最廣。目前三坐標(biāo)數(shù)控萬能銑床占數(shù)控銑床的大多數(shù)，一般可進(jìn)行三軸聯(lián)動(dòng)加工。(2)臥式數(shù)控銑床：臥式數(shù)控銑床的主軸軸線平行于水平面。為了擴(kuò)大加工范圍和擴(kuò)充功能，臥式數(shù)控銑床通常采用增加數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)或萬能數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)的方式來實(shí)現(xiàn)四軸和五軸聯(lián)動(dòng)加工。這樣既可以加工工件側(cè)面的連續(xù)回轉(zhuǎn)輪廓，又可以實(shí)現(xiàn)在一次裝夾中通過轉(zhuǎn)臺(tái)改變零件的加工位置也就是通常所說的工位，進(jìn)行多個(gè)位置或工作面的加工。(3)立臥兩用轉(zhuǎn)換銑床：這類銑床的主軸可以進(jìn)行轉(zhuǎn)換，可在同一臺(tái)數(shù)控銑床上進(jìn)行萬能加工和臥式加工，同時(shí)具備立、臥式銑床的功能。1.4 數(shù)控銑床的工藝范圍及加工精度銑床是用銑刀進(jìn)行切削加的機(jī)床,銑床的加工情況如圖 1-1 所示。在銑床上，用不同銑刀可以對(duì)平面、斜面、溝槽、臺(tái)階、T 形槽、燕尾槽等表面進(jìn)行加工，另外配上分度頭或回轉(zhuǎn)臺(tái)還可以加工齒輪、螺旋面、花鍵軸、凸輪等各種成型表面。故銑床的萬能性強(qiáng)，應(yīng)用范圍很廣。銑床的主參數(shù)是工作臺(tái)面寬度及長(zhǎng)度。圖 1-1 銑床上的典型工作4銑床的工藝特點(diǎn)如下：(1)銑床的主軸帶動(dòng)銑刀作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)；(2)銑刀是多齒、多刃連續(xù)進(jìn)行切削；(3)多數(shù)銑床由工作臺(tái)帶動(dòng)工件作直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；(4)銑刀在切削時(shí)，每個(gè)刀齒的切削過程是斷續(xù)的，同時(shí)參加切削的齒數(shù)是變化的，每個(gè)刀齒的切削厚度也是變化的，因此容易引起機(jī)床振動(dòng)；(5)銑削時(shí)，銑刀同時(shí)參加切削的齒數(shù)較多，便于采用較大的銑削速度和進(jìn)給給量，因而生產(chǎn)效率高。1.5 數(shù)控銑床的經(jīng)濟(jì)分析將普通銑床改造成數(shù)控銑床,是許多機(jī)械生產(chǎn)廠家在沒有大量資金投入的情況下所走的設(shè)備技術(shù)改造之路經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床改造方案不同得到的經(jīng)濟(jì)效益也不同針對(duì)常德紡織機(jī)械廠提出的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床改造的技措任務(wù),結(jié)合其它廠家以往數(shù)控銑床改造的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn),我們開展了深入細(xì)致的調(diào)研工作,特別是對(duì)沈陽第一銑床廠的數(shù)控銑床進(jìn)行了熟悉了解析經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床改造的價(jià)值效益.1.6 數(shù)控銑床的發(fā)展趨向4 月 19 日從第七屆中國國際銑床展獲悉，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控銑床的發(fā)展也越來越快，數(shù)控銑床也正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展。高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強(qiáng)，數(shù)控銑床也實(shí)現(xiàn)多臺(tái)集中控制，甚至遠(yuǎn)距離遙控。高精度：數(shù)控銑床本身的精度和加工件的精度越來越高，而精度的保持性要好。高速度：數(shù)控銑床各軸運(yùn)行的速度將大大加快。高柔性：數(shù)控銑床的柔性化將向自動(dòng)化程度更高的方向發(fā)展，將管理、物流及各相應(yīng)輔機(jī)集成柔性制造系統(tǒng)。模塊化：數(shù)控銑床要縮短周期和降低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商又有利于客戶。我國近幾年數(shù)控銑床雖然發(fā)展較快，但與國際先進(jìn)水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長(zhǎng)，應(yīng)變能力差。為了縮小與世界先進(jìn)水平的差距，有關(guān)專家建議銑床企業(yè)應(yīng)在以下 6 個(gè)方面著力研究：1．加大力度實(shí)施質(zhì)量工程，提高數(shù)控銑床的無故障率。2．跟蹤國際水平，使數(shù)控銑床向高效高精方面發(fā)展。3．加大成套設(shè)計(jì)開發(fā)能力上求突破。4．發(fā)揮服務(wù)優(yōu)勢(shì)，擴(kuò)大市場(chǎng)占有率。5．多品種制造，滿足不同層次的用戶。56．模塊化設(shè)計(jì)，縮短開發(fā)周期，快速響應(yīng)市場(chǎng)。數(shù)控銑床使用范圍越來越大，國內(nèi)國際市場(chǎng)容量也越來越大，但競(jìng)爭(zhēng)也會(huì)加劇，我們只有緊跟先進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的大方向，并不斷創(chuàng)新，才能趕超世界先進(jìn)水平。1.7 發(fā)展趨勢(shì)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、制造技術(shù)的進(jìn)步和人類生活水平的提高，以及社會(huì)對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和品種的多樣化的要求趨勢(shì)日益增強(qiáng)。中、小批量生產(chǎn)的比例明顯增加，對(duì)數(shù)控機(jī)床的柔性和通用性提出了更高的要求，希望市場(chǎng)能提供不同加工需求，能迅速高效、低成本地構(gòu)筑面向用戶的控制系統(tǒng)，并大幅度地降低維護(hù)和培訓(xùn)的成本，同時(shí)還要求具有網(wǎng)絡(luò)功能，以適應(yīng)未來車間面向任務(wù)和定單的生產(chǎn)組織和管理模式。為此，近 10年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，各種不同層次的開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)展很快。目前正朝標(biāo)準(zhǔn)化開放體系結(jié)構(gòu)的方向前進(jìn)。就體系結(jié)構(gòu)而言，當(dāng)今世界上的數(shù)控系統(tǒng)大致分為 4 種類型：傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)、“PC 嵌入 NC”結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)、“NC 嵌入 PC”結(jié)構(gòu)的開放式數(shù)控統(tǒng)、開放式數(shù)控系統(tǒng)。特別是進(jìn)入 20 世紀(jì) 90 年代以來，隨著國際上計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)正在不斷采用計(jì)算機(jī)、控制理論等領(lǐng)域的最新技術(shù)成就。目前,國外數(shù)控機(jī)床的性能正朝著高速化、高精度、高效率、高柔性、高自動(dòng)化、高可靠性、智能化、復(fù)合化、網(wǎng)絡(luò)化、開放式體系結(jié)構(gòu)等方向迅速發(fā)展,這將對(duì)數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造的質(zhì)量和可靠性提出更高的要求。“十五”期間,我國機(jī)械制造行業(yè)必須瞄準(zhǔn)國際數(shù)控機(jī)床發(fā)展的科學(xué)前沿,開拓創(chuàng)新,消化吸收國外先進(jìn)技術(shù),開創(chuàng)我國數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的新局面。1.8 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床的改造進(jìn)給系統(tǒng)原機(jī)床掛輪機(jī)構(gòu)、進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠,光杠等全部拆除，縱向、橫向以伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)，通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠聯(lián)接實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)?？v向進(jìn)給機(jī)構(gòu)：縱向伺機(jī)服電機(jī)為 FB—15 型直流伺服電機(jī)，滾珠絲杠仍安裝在原絲杠位置 ,其螺母副通過托架安裝在床鞍底部,滾珠絲杠兩端加裝接套、接桿及支承,與床身尾部步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)接。伺服電機(jī)經(jīng)減速后,減速器輸出軸用套筒聯(lián)軸器與絲杠直接聯(lián)接,這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,徑向尺寸小,可防止被聯(lián)接軸的位移和偏斜所帶來裝配困難和附加應(yīng)力。改造后的數(shù)控機(jī)床應(yīng)有以下發(fā)展方向：?jiǎn)我坏臄?shù)字控制應(yīng)向數(shù)控中心發(fā)展，數(shù)控機(jī)床總體布局更加合理，機(jī)床控制系統(tǒng)的控制和運(yùn)算功能更進(jìn)一步加強(qiáng)，機(jī)床的伺服系統(tǒng)采用交流數(shù)字伺服系統(tǒng)代替直流伺服系統(tǒng)，編程更趨合理化，加工工藝更趨簡(jiǎn)單化 90%機(jī)床的檢測(cè)和監(jiān)控系統(tǒng)要能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。67第 2 章 數(shù)控機(jī)床總體方案的制訂及比較數(shù)控機(jī)床伺機(jī)服進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服驅(qū)動(dòng)電路、伺服驅(qū)動(dòng)裝置。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)及執(zhí)行部件組成。從位置控制的角度看，伺服系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)之分。開環(huán)控制不需要位置檢測(cè)與反饋；閉環(huán)和半閉環(huán)制需要有位置位檢測(cè)與反饋環(huán)節(jié)。2.1 機(jī)械部分設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)控機(jī)床的改造最主要的部分就是對(duì)其縱、橫進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改造，以便使其具有更加合理的結(jié)構(gòu)和更全面的控制系統(tǒng)，便于其真正的應(yīng)用于實(shí)際的生產(chǎn)中。2.1.1 工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)因?yàn)楦脑旌蟮幕A(chǔ)主要加工圓弧、凸輪一類平面曲線的輪廓，所以采用微機(jī)數(shù)控實(shí)現(xiàn)三坐標(biāo)兩軸聯(lián)動(dòng)控制，工作臺(tái)縱向（軸） 、橫向（軸）及垂直方向（軸）的運(yùn)動(dòng)，分別由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)經(jīng)過一級(jí)齒輪減速后，由滾珠絲杠螺母副拖動(dòng)。由于銑削時(shí)作用在電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大，所以要選擇大功率的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而大功率的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)較困難。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)沒有過載能力，在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)矩下降很多，容易丟步。要使改造后的銑床進(jìn)給伺服性能較好，在改造采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。改造方案如圖 1 所示。2.1.2 機(jī)械部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）保留原機(jī)床的主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)升降運(yùn)動(dòng)仍采用手動(dòng)操作，縱、橫向進(jìn)給改造后既可機(jī)動(dòng)進(jìn)行復(fù)雜零件的計(jì)算機(jī)數(shù)控加工，又可手動(dòng)操作完成簡(jiǎn)單零件的加工或用于數(shù)控加工前的對(duì)刀工作。（2）保留原機(jī)床縱向進(jìn)給的機(jī)動(dòng)部分，將離合器脫開，去掉手輪。將手輪軸通過一對(duì)齒輪與步進(jìn)電機(jī)相聯(lián)，用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。加工時(shí)，將離合器脫開，使原來的機(jī)動(dòng)進(jìn)給停止工作。（3）工作臺(tái)橫向運(yùn)動(dòng)方面，在原手輪安裝位置，安裝減速齒輪及步進(jìn)電機(jī)，用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。（4）采用直流伺服電動(dòng)機(jī)作驅(qū)動(dòng)元件，伺服電動(dòng)機(jī)的軸端為光軸，齒輪與電動(dòng)機(jī)軸，電動(dòng)機(jī)軸與傳動(dòng)軸采用錐環(huán)無鍵連接消除連接器的結(jié)構(gòu)。這種連接的特點(diǎn)是不需圖 1 機(jī)床改造方案8要開鍵槽，而且兩連接件的相對(duì)角度可任意調(diào)節(jié)，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外環(huán)分別產(chǎn)生徑向彈性變形，靠磨擦力與套連接，消除配合間隙，保證對(duì)中性。2.2 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)數(shù)控部分采用 MCS-51 系列的 8031 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的主控制。用 8031 外接 3 片 2764（E-PROM）,一片 6264（RAM）及一片 8255（擴(kuò)展 I/O） ，一片 8155 芯片，擴(kuò)展成一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。2764 用作程序存儲(chǔ)器，6264 用來擴(kuò)展 8031 的RAM 存儲(chǔ)器， 8155 用作鍵盤和顯示接口，8255 用于接收控制面板上多路轉(zhuǎn)換開關(guān)的控制信號(hào)。圖 2 為控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)控制 X、Y 軸某一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)單動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)銑床橫向、縱向的直線進(jìn)給；當(dāng)控制 X-Y 軸配合聯(lián)動(dòng)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)直線、斜線、圓弧及復(fù)合軌跡的加工，可以近似地復(fù)合出水平面內(nèi)非圓曲線。在銑床原有加工功能的基礎(chǔ)上，其控制精度和加工精度遠(yuǎn)高于普通銑床。2.3 銑床改造中應(yīng)注意的問題（1）應(yīng)盡量保留銑床的手動(dòng)功能，以便操作人員對(duì)刀及調(diào)整機(jī)床。（2）改造前先測(cè)出絲桿傳動(dòng)間隙，并在編程時(shí)予以補(bǔ)償，改造后應(yīng)測(cè)出有關(guān)參數(shù)，如最大實(shí)載切削速度、最大背刀吃刀量等，作為編程時(shí)參考依據(jù)。（3）應(yīng)盡量消除齒輪副和絲桿副的間隙，齒輪全部采用雙片薄齒輪錯(cuò)齒法消除嚙合間隙。也可采用軟件補(bǔ)償進(jìn)給量的方法消除。（4）銑床工作臺(tái)重，而且銑削力也較大，垂直絲桿要配備較大功率的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，要在工作臺(tái)上加配重或平衡液壓缸來平衡。（5）滾動(dòng)絲桿沒有自鎖能力，垂直坐標(biāo)不能鎖住，工作臺(tái)會(huì)自動(dòng)下降，可采用超圖 2 控制系統(tǒng)硬件原理圖9越離合器和摩擦離合器產(chǎn)生制動(dòng)達(dá)到自鎖。10第 3 章 確定切削用量及選擇刀具3.1 刀具選擇（一）刀具選擇：銑平面：硬質(zhì)合金端銑刀或立銑刀，盡是采用二次走刀。凸臺(tái)、凹槽、箱口面：立銑刀。毛坯表面或粗加工孔：鑲硬質(zhì)合金刀片的玉米銑刀（粗皮刀） 。立體型面和變斜角輪廓外形：球刀、環(huán)形刀、錐形刀、盤形刀。（二）原則：安裝調(diào)整方便、剛性好、耐用和精度高。盡是用較短刀柄，保證剛性。（三）排序原則減少刀具數(shù)量；裝夾一次，盡是加工完；即使刀具規(guī)格相同，粗、精加工刀具分開；先銑后鉆；精加工，先曲面后二維輪廓；盡可能自動(dòng)換刀。3.2 切削用量確定粗：效率；半精、精：質(zhì)量、兼顧效率。1、主軸轉(zhuǎn)速 n：根據(jù)線速度 v 確定：πV= (端銑：150m/min ；周銑：30m/min)0D?2、切深 t：最好是 t 等于加工余量。3、切寬 L：與刀具直徑成正比，與切深成反比。L＝0.6－0.9d粗加工：大切深、大進(jìn)給、低切速。精加工：小切深、小進(jìn)給、高切速。3.3 切削三要素主軸轉(zhuǎn)速、切削深度、進(jìn)給速度。少切削，快進(jìn)給。3.4 加工精度和表面粗糙度1、加工精度：尺寸精度、形狀精度、位置精度。（1）尺寸精度：公差與配合國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1800－1804-97） 。IT01、IT0、IT1 、IT2……IT18 。新公差等級(jí)與舊公差等級(jí)的對(duì)照及應(yīng)用新公差等級(jí) 舊精度等級(jí) 加工方法 應(yīng)用11軸 孔IT01－IT2 研磨 用于量塊、量?jī)x制造IT3－IT4無研磨用于精密儀表、精密機(jī)件的光整加工IT5 1 無IT6 2 1研磨、珩磨、精磨、精鉸、精拉IT7 3 2IT8 3－4磨削、拉削、鉸孔、精銑、精鏜、精銑、粉末冶金用于一般精密配合。IT7－IT6 在機(jī)床和較精密的機(jī)器、儀器制造中用得最為普遍IT9 4IT10 5銑、鏜、銑、刨、插用于一般要求。主要用于長(zhǎng)度尺寸的配合外，如鍵和鍵槽的配合IT11 6IT12－IT13 7粗銑、粗鏜、粗銑、粗刨、插、鉆、沖壓、壓鑄用于不重要的配合。IT12－IT13 也用于非配合IT14 8 沖壓、壓鑄IT15－IT18 9－12 鑄、鍛、焊、氣割用于非配合（2）形狀精度：零件上的線、面要素的實(shí)際形狀相對(duì)于理想形狀的準(zhǔn)確程度。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1182－1184-80 ）規(guī)定了六項(xiàng)形狀公差：直線度、平面度、圓度、圓柱度、線輪廓度、面輪廓度。（3）位置公差：零件上點(diǎn)、線、面要素的實(shí)際位置相對(duì)于理想位置的準(zhǔn)確程度。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB1182－1184-80 ）規(guī)定了八項(xiàng)位置公差：定向：平行度、垂直度、傾斜度。定位：同軸度、對(duì)稱度、位置度。跳動(dòng)：圓跳動(dòng)、全跳動(dòng)。2、表面粗糙度：表面上微小峰谷高低程度。國家標(biāo)準(zhǔn)（GB3503-83、GB1031－83、GB131-83）輪廓算術(shù)平均偏差：Ra＝ 或近似于 Ra＝l1?dxy0|)(| n1??iY|微觀不平十點(diǎn)高度：12Rz＝ ( + )51??iYp51iv在常用數(shù)值范圍內(nèi)（Ra＝0.25－6.3μm，Rz＝0.1－25μm） ，在圖樣上應(yīng)優(yōu)先選用 Ra。表面粗糙度 Ra、Rz 允許值及加工方法表Ra(μm) Rz(μm)表面要求 表面特征第 1 系列 第 2 系列 第 1 系列 第 2 系列加工方法舊國際光潔度級(jí)別代號(hào)160012501000800630500不加工毛坯表面清除毛刺100 400∽80 32063 250明顯可見的刀紋 50 200 ▽140 16032 125可見刀紋25 100▽220 8016.0 63粗加工微見刀紋12.5 50粗銑粗銑粗刨鉆粗銼▽310 408 32可見加工痕跡 6.3 25 ▽45 204 16微見加工痕跡 3.2 12.5 ▽52.5 102 8半精加工不見加工痕跡 1.6半精銑精銑精銑精刨粗磨 ▽61.25 6.31.00 5精加工可辨加工痕跡的方向 0.8 4精鉸刮精拉▽7130.63 3.20.5 2.5微辨加工痕跡的方向 0.4 2.0▽80.32 1.60.25 1.25不辨加工痕跡的方向 0.2 1.00精磨▽90.16 0.800.125 0. 63暗光澤面 0.1 0.50 ▽100.080 0.400.063 0.32亮光澤面0.05 0.25▽110.040 0.200.032 0.16鏡狀光澤面 0.025 0.125 ▽120.020 0.100.016 0.080霧狀光澤面 0.012 0.063精密磨削珩磨研磨超精加工拋光▽130.010 0.0500.008 0.040精密加工鏡面0.025 0.032鏡面磨削研磨 ▽143.5 刀具材料碳素工具鋼 T10A、T12A：HRC60-64,200-250℃，V＜8m/min。合金工具鋼 CrWMn、9SiCr：350-400℃，V ＜10m/min 。高速鋼 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 ：HRC62-67，550-600℃，V＜30m/min；110W1.5Mo9.5Cr4Vco8、W6Mo5Cr4V2Al：HRC68-70，＞600℃4、硬質(zhì)合金：HRA89-93（HRC74-82） ，850-1000℃，V＝100-300m/min。另外，還有新型硬質(zhì)合金、陶瓷材料、人造金剛石、立方氮化硼等。14第 4 章 總體設(shè)計(jì)方案論證將一臺(tái) X6120 型數(shù)控銑床改造成經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控銑床，改造目的主要是利用數(shù)控方法加工任意圓弧面和凸輪的曲面。要求原銑床的改動(dòng)盡可以少，希望保留原操作機(jī)構(gòu)，以便數(shù)控部分發(fā)生故障時(shí)仍能手工半自動(dòng)操作。圖 3－1 為 X6120 型萬能銑床外形及傳動(dòng)系統(tǒng)。圖 3-1 X6120 型萬能銑床外形及傳動(dòng)系統(tǒng)1－電動(dòng)機(jī)；2－萬向接頭；3－離合器；4－手輪；5－手柄；6－傳動(dòng)軸 ；7－軸承其主軸不能進(jìn)行升降運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)的升降只能通過軸 7 手動(dòng)操作，縱向的機(jī)動(dòng)是通過萬向接頭 2 將運(yùn)動(dòng)傳給 軸而實(shí)現(xiàn)的。而橫向和縱向手動(dòng)操作是通過手柄 5 和VI手輪 4 進(jìn)行的。可以看出,進(jìn)給軸設(shè)計(jì)與主軸設(shè)計(jì)相比,具有相同的重要性。因而,進(jìn)給軸的設(shè)計(jì)應(yīng)從動(dòng)、靜兩方面充分考慮,位置精度才能達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的要求。在數(shù)控銑床進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中,根據(jù)橫向、縱向的不同精度要求,不同移動(dòng)質(zhì)量及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等特點(diǎn),分別解決設(shè)計(jì)中的主要矛盾。以期望設(shè)計(jì)結(jié)果能滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的要求,達(dá)到預(yù)期的結(jié)果,即滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。154.1 數(shù)控系統(tǒng)的選擇數(shù)控系統(tǒng)主要有三種類型，改造時(shí)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇。（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的開環(huán)系統(tǒng)：該系統(tǒng)的伺服驅(qū)動(dòng)裝置主要上步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、電液脈沖馬達(dá)等。由數(shù)控系統(tǒng)送出的進(jìn)給指令脈沖，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過齒輪副與滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數(shù)量、頻率及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)的位移量、速度和運(yùn)動(dòng)方向。這種系統(tǒng)不需要將所測(cè)得的實(shí)際位置和速度反饋到輸入端，故稱為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移精度，齒輪、絲杠等傳動(dòng)元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。因此，對(duì)傳動(dòng)元件和制造精度要求高，運(yùn)動(dòng)副之間摩擦力要小，要實(shí)行無間隙傳動(dòng)。這種系統(tǒng)的最高速度受步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的頻響特性限制，容易失步，低速時(shí)易發(fā)生共振和噪聲，影響表面加工質(zhì)量。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試維修方便，工作可靠，成本低，易改裝成功。（2）異步電動(dòng)機(jī)或直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，光柵測(cè)量反饋的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：該系統(tǒng)與開環(huán)系統(tǒng)的區(qū)別是：由光柵、感應(yīng)同步器等位置檢測(cè)裝置測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)，隨時(shí)與給定值進(jìn)行比較，將兩者的差值放大和變換，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，以給定的速度向著消除偏差的方向動(dòng)運(yùn)動(dòng)，直到位置與反饋的實(shí)際位置的差值等于零為止。閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)復(fù)雜，成本也高，對(duì)環(huán)境室溫要求嚴(yán)格，設(shè)計(jì)和調(diào)試都比開環(huán)系統(tǒng)難。但是可以獲得比開環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度，驅(qū)動(dòng)功率更大的特性指標(biāo)。但是閉環(huán)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大技術(shù)難度，設(shè)計(jì)調(diào)整不當(dāng)，易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象。改造時(shí)可根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)要求，決定是否有必要采用這種系統(tǒng)。（3）交/直流伺服電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，編碼器反饋的半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)：半閉環(huán)系統(tǒng)檢測(cè)元件安裝在中間傳動(dòng)件上，間接測(cè)量執(zhí)行部件的位置。賽馬場(chǎng)只能補(bǔ)償系統(tǒng)環(huán)路內(nèi)部部分元件的誤差，因此，它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它結(jié)構(gòu)與調(diào)試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單。在將角位移檢測(cè)元件與速度檢測(cè)元件和伺機(jī)服電動(dòng)機(jī)做成一個(gè)整體時(shí)則無需考慮位置檢測(cè)裝置的安裝問題。4.2 驅(qū)動(dòng)元件選擇（1）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，直流伺服電動(dòng)機(jī)，交流伺服電動(dòng)機(jī)是目前常用的驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電機(jī)是一種將電的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移的機(jī)電執(zhí)行元件，它能快速的啟動(dòng)，制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；在一定頻率范圍內(nèi)各種運(yùn)動(dòng)方式都能任意的改變且不會(huì)失步，具有自整步的能力；沒有一周累計(jì)誤差，所以定位精度很高；價(jià)格便宜。但由于步進(jìn)16電機(jī)的動(dòng)態(tài)特性遠(yuǎn)不如交，直流伺服電機(jī)，尤其是運(yùn)行的可靠性得不到保證。采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的缺點(diǎn)是效率低，驅(qū)動(dòng)慣量負(fù)載能力差，作高速運(yùn)動(dòng)時(shí)容易失步，目前已使用的較少。（2）直流伺服電動(dòng)機(jī)具有良好的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速特性，可以方便地在寬范內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無級(jí)調(diào)速，因此在對(duì)伺服電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和啟動(dòng)性能要求較高的設(shè)備中，大都采用直流伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。但由于直流伺服電動(dòng)機(jī)存在著一些固有的缺點(diǎn)，如它的電刷和換向器易磨損，需要經(jīng)常維護(hù)等；換向器換向時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花，使電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速受到限制，也使應(yīng)用環(huán)境受到限制；此外，它結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，所用鋼鐵材料消耗大，制造成本高，因此，現(xiàn)在已很少選用直流伺服電動(dòng)機(jī)。（3）交流伺服電動(dòng)機(jī)則沒有直流伺服電動(dòng)機(jī)的上述缺點(diǎn)，且轉(zhuǎn)子慣量較直流伺服電動(dòng)機(jī)小，使得動(dòng)態(tài)上響應(yīng)更好。一般來說，在同樣的體積下，交流伺服電動(dòng)機(jī)的輸出功率可比直流伺服電動(dòng)機(jī)提高 10%—70%，此外，交流伺服電動(dòng)機(jī)的容量也比直流伺服電動(dòng)機(jī)大，達(dá)到更高的電壓和轉(zhuǎn)速。在交流伺服系統(tǒng)中可以用交流同步電機(jī)也可以用交流感應(yīng)電機(jī)。交流感應(yīng)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，與同容量的直流伺服電機(jī)相比質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、它的缺點(diǎn)是不能經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)范圍較大的平滑調(diào)速。所以，在數(shù)控銑床的進(jìn)給系統(tǒng)中一般不用這種電機(jī)。對(duì)于交流同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與所用電源的頻頻之間存在一種嚴(yán)格的關(guān)系，即在電源電壓和頻率固定不變時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。由變頻電源供電給同步電機(jī)時(shí)，便可方便地獲得與頻率成正比的可變速度。并可得到非常硬的機(jī)械特性及較寬的調(diào)速范圍。其結(jié)構(gòu)雖然比感應(yīng)電機(jī)復(fù)雜，但比直流電機(jī)簡(jiǎn)單。同步電機(jī)又分為電磁式和非電磁式兩大類。在后一類中又有磁滯式、永磁式和反應(yīng)式多種。在數(shù)控銑床的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系中，多數(shù)采用永磁式交流同步電機(jī)。經(jīng)過以分析并考慮對(duì)系統(tǒng)調(diào)速的加速時(shí)間的要求本題選用直流伺服電動(dòng)以滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。4.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇本課題選用的是滾珠絲杠螺母副。因?yàn)闈L珠絲杠螺母副是一種低摩擦、高精度、高效率的機(jī)構(gòu)，在數(shù)控機(jī)床上得到廣泛應(yīng)。它的傳動(dòng)特點(diǎn)是在具有螺旋槽的絲杠螺母之間裝有滾珠作為中間傳動(dòng)元件。當(dāng)絲杠和螺母相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，滾珠沿絲杠螺旋槽滾道滾動(dòng)，因此絲杠和螺母之間基本上為滾動(dòng)摩擦。并且滾珠絲杠螺母副的動(dòng)（靜）摩擦系數(shù)相差極小，配以滾動(dòng)導(dǎo)軌，起動(dòng)力矩很小，運(yùn)動(dòng)靈敏，低速時(shí)不會(huì)出現(xiàn)爬行。滾17珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)動(dòng)的傳動(dòng)裝。它具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）摩擦損失小、傳動(dòng)效率高 傳動(dòng)效率可達(dá) 92%--96%，是普通絲杠傳動(dòng)的3～4 倍，而驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩僅為滑動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的 25%。（2）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，摩擦力小、靈敏度高、低速時(shí)無爬行 由于主要存在的是滾動(dòng)摩擦，不僅動(dòng)、靜摩擦因數(shù)都很小，且其差值小，因而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，動(dòng)作靈敏。 （3）軸向剛度高、反向定位精度高 由于可以完全消除絲杠與螺母之間的間隙并可實(shí)現(xiàn)滾珠的預(yù)緊，因而軸向剛度高，反向時(shí)無空行程，定位精度高。（4）滾珠絲杠螺母副主要零件均經(jīng)過熱處理，其滾道表面的硬度值可達(dá) 60—62HRC，因而耐磨性好，壽命長(zhǎng)，精度穩(wěn)定性好。（5）磨損小、壽命長(zhǎng)、維護(hù)簡(jiǎn)單 使用壽命是普通滑動(dòng)絲杠的 4～10 倍。（6）傳動(dòng)具有可逆性、不能自鎖 由于摩擦因數(shù)小、不能自鎖，因面使該機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)具有可逆性，可以把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，還可以把直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于不能自鎖，在作垂直運(yùn)動(dòng)時(shí)應(yīng)附加裝或防止逆轉(zhuǎn)的裝置，防止工作臺(tái)因自重而下降。因?yàn)闈L珠絲杠螺母副與普通絲杠螺母副相比有這么多的優(yōu)點(diǎn)，因此，本題目選用滾珠絲杠螺母副。4.4 聯(lián)軸器選擇聯(lián)軸器有剛性聯(lián)軸器與彈性聯(lián)軸器之分，本課題選用的是無彈性的 WK4-01 定位十字滑塊聯(lián)軸器。這種十字滑塊聯(lián)軸器由兩個(gè)在端面上開有凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)兩面帶有凸牙的中間盤組成。因凸牙可在凹槽中滑動(dòng)，故可補(bǔ)償安裝及運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)兩軸間的相對(duì)位移。這種聯(lián)軸器零件的材料可用 45 鋼，工作表面需要進(jìn)行熱處理，以提高其硬度；要求較低時(shí)也可用 Q275 鋼，不進(jìn)行熱處理。為了減少摩擦及磨損，使用時(shí)應(yīng)從中間盤的油孔中注油進(jìn)行潤(rùn)滑。（6）鋁合金材料 4.5 導(dǎo)軌副選擇目前，在普通機(jī)床上仍廣度泛地應(yīng)用滑動(dòng)導(dǎo)軌，因其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、剛性好、抗振性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。但是傳統(tǒng)的鑄鐵—鑄鐵、鑄鐵—淬火鋼滑動(dòng)導(dǎo)軌副，其靜摩擦系數(shù)大，動(dòng)摩擦系數(shù)隨速度變化而變化， 摩擦損失大，低速時(shí)易出現(xiàn)爬行，影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和定位精度，力矩?fù)p失大。而將導(dǎo)軌改造為滾動(dòng)導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌工藝復(fù)18雜，費(fèi)用大，周期長(zhǎng)。因此目前在數(shù)控機(jī)床上已不采用，取而代之的是鑄鐵—塑料或鑲鋼—塑料導(dǎo)軌。它們主要包括以下兩種類型：（1）貼塑導(dǎo)軌：是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、減振性好等特點(diǎn)，這種導(dǎo)軌已經(jīng)在中、小型數(shù)控機(jī)床上廣泛應(yīng)用。這種軟帶可在原有滑動(dòng)導(dǎo)軌面上粘結(jié)劑粘結(jié)，加壓固化后進(jìn)行精加工，故一般稱之為貼塑導(dǎo)軌。由于其工藝較簡(jiǎn)單，對(duì)原有滑動(dòng)導(dǎo)軌不需作大的改動(dòng)，故在普通機(jī)床數(shù)控機(jī)床改裝上應(yīng)用廣泛。（2）涂塑導(dǎo)軌：它是以環(huán)氧樹脂為基體，加入二硫化鉬和膠體石墨以及鐵粉等混合而成，再配以固化劑調(diào)勻涂刮或注入導(dǎo)軌面。這種涂塑導(dǎo)軌具有良好的摩擦特性和耐磨性，可使用在大型、重型數(shù)控機(jī)床上。經(jīng)過分析與比較結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品所需求的加工精度，本題改造的數(shù)控銑床的導(dǎo)軌副選用貼塑導(dǎo)軌以滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求。4.6 總體設(shè)計(jì)方案的確定由于改造成后的 X6120 數(shù)控銑床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)。暫停、循環(huán)加工、對(duì)工件進(jìn)行鉆、擴(kuò)、鉸、锪、鏜以及攻螺紋等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)，考慮到屬于經(jīng)濟(jì)控銑床加工精度有一定要求，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用伺服電機(jī)半閉環(huán)系統(tǒng)。根據(jù)機(jī)床要求，采用 8 位微機(jī)。由于 MCS—51 系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好、功能強(qiáng)、速度快?？垢蓴_能力強(qiáng)，具有很高的性能價(jià)格比特點(diǎn)。決定采用MCS—51 系列單片機(jī)組成微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，其代表為 8031、8051、8751，經(jīng)過比較采用具有價(jià)格底、功能強(qiáng)、使用靈活等優(yōu)點(diǎn)的 8031 有擴(kuò)展系統(tǒng)的單片機(jī)，即用8031 外接 2764（EPROM ） 、6264（RAM ）及 8255（擴(kuò)展 I/O）接口等芯片擴(kuò)展一個(gè)較簡(jiǎn)單的微機(jī)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)中有時(shí)鐘電路模塊，復(fù)位及復(fù)位電路，數(shù)碼顯示接口電路，光電耦合器等組成。系統(tǒng)的加程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用伺服機(jī)電機(jī)通過聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。進(jìn)給系統(tǒng)的改造（1）垂直進(jìn)給系統(tǒng)需作以下改動(dòng)：將帶輪去掉，將帶輪的軸通過聯(lián)軸器與伺服電19機(jī)相連，絲杠傳動(dòng)副改用滾珠絲杠螺母副，其余部分不動(dòng)，仍保留機(jī)床縱向進(jìn)給的機(jī)構(gòu)部分，這種改造成本最低。（2）撤除原機(jī)床的進(jìn)給箱，溜板箱,光杠與絲杠以及安裝座，配上滾珠絲杠及其相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動(dòng)的伺服電機(jī)安裝在銑床的床尾，并不占據(jù)絲杠空間。;（3）滾珠絲桿仍安置在原絲桿的位置,采用一端軸向固定,一端浮動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式為便于安裝滾珠絲桿螺母副,絲桿不是整體的,而是采用分體式,即用連接套筒剛性連接。由于采用了滾珠絲杠可提高系統(tǒng)的精度和縱向進(jìn)給整體剛度。20第 5 章 垂直進(jìn)給機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1 已知參數(shù)條件1、工作臺(tái)尺寸(長(zhǎng)×寬) ： 1100mm×200mm 2、工作臺(tái)最大行程： 縱向 700mm 橫向 280mm 垂直 300mm 3、快速移動(dòng)速度： 10m/min4、工作臺(tái)定位精度 x、y、z ±0.03mm；5、工作臺(tái)重復(fù)定位精度 x、y、z ±0.02mm；6、縱向、橫向及垂直進(jìn)給為微機(jī)控制，采用步進(jìn)電機(jī)或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，滾珠絲杠傳動(dòng)，脈沖當(dāng)量 0.010mm/脈沖。7、實(shí)現(xiàn)功能：銑削平面、斜面、溝槽、齒輪等。8、操作要求：起動(dòng)、點(diǎn)動(dòng)、單步運(yùn)行、自動(dòng)循環(huán)、暫停、停止5.2 滾珠絲桿副主要參數(shù)的確定在數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)中,滾珠絲杠副的作用是將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),用較小的轉(zhuǎn)矩可以獲得很大的推力。滾珠絲杠副的傳動(dòng)是一種應(yīng)用較廣的機(jī)構(gòu),尤其是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)的各種機(jī)構(gòu)中,滾珠絲杠副的傳動(dòng)是最簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)而又可靠的。所以滾珠絲杠副的選擇對(duì)整個(gè)機(jī)床的制造起著不可忽視的作用。滾珠絲杠副的精度是影響機(jī)床的定位精度及重復(fù)定位精度的最主要的因素。為了在機(jī)床的設(shè)計(jì)中更合理的選用滾珠絲杠副,使其充分發(fā)揮效能,必須進(jìn)行一系列的計(jì)算。滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化,因此滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇。一般情況下,設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí),已知條件為:最大工作負(fù)載 Fd(或平均工作負(fù)載 Fm)作用下的使用壽命,絲杠的工作長(zhǎng)度(或螺母的有效行程),絲杠的轉(zhuǎn)速(或平均轉(zhuǎn)速),滾道的硬度及絲杠的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。5.3 設(shè)計(jì)步驟通常的設(shè)計(jì)步驟為:A、計(jì)算作用在滾珠絲杠上的最大動(dòng)載荷;B、從滾珠絲杠列表指出相應(yīng)最大動(dòng)負(fù)載的近似值,并初選幾個(gè)型號(hào);C、根據(jù)具體工作要求，對(duì)于結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動(dòng)效率等方面的要求，從初選的幾個(gè)型號(hào)中再挑出比較合適的直徑、導(dǎo)程、滾珠列數(shù)等，確定某一型號(hào)。21D、根據(jù)所選的型號(hào),列出或計(jì)算出其主要參數(shù)的數(shù)值 ,計(jì)算傳動(dòng)效率,并驗(yàn)算剛度及穩(wěn)定系數(shù)是否滿足要求。如不滿足要求,則另選其他型號(hào),再作上述計(jì)算和驗(yàn)算,直至滿足要求為止。5.4 設(shè)計(jì)計(jì)算1. 工藝數(shù)據(jù)根據(jù)改造設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，參考(切削用量手冊(cè)》, 確定選用 YT15 硬質(zhì)合金端銑刀銑削。銑刀直徑 =0.125m；齒數(shù) Z=4；切削寬度 =0.07m；銑削深度 =h=3.7 0deapa?m；每齒進(jìn)給量 =2 m/z；刀具耐用度 T= s；主軸轉(zhuǎn)速310?fa410??310.8?n=(4.17--5.0)r/s=(250—300)rpm；切削速度 v=(1.64--1.96)m/s；進(jìn)給速度 =（3.5—3.92 ） m/s。fv310??2. 機(jī)床進(jìn)給部件重量估算縱向（X 軸）工作臺(tái) 長(zhǎng) 1335mm 約重 220kg=2200N橫向(Y 軸)工作臺(tái) 約重 450kg-4500N升降(Z 軸)部分運(yùn)動(dòng)件 約重 1000kg=10000N5.5 垂直(Z 向)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)X6120 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造縱向進(jìn)給系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)一級(jí)減速齒輪傳動(dòng)，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過絲杠一螺母副帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)。一般把步進(jìn)電機(jī)安裝在縱向絲杠的右端。1. 銑削力的計(jì)算根據(jù)(切削用量手冊(cè)》對(duì) YT15 硬質(zhì)合金端銑刀，切削力為：=9.81（789.3） z (3-l)zF1.ea0.75fp1.30d?.2nzfk考慮修正系數(shù) = （公式中 的單位為 ）zfk.3()6b?b?aGP將相關(guān)的參數(shù)帶入（3-1）得： =2224.2 NzF各切削分力為：縱向水平分力 =(0.3-0.4) xPz取 =0.35 （3-2）xzF橫向分力 =(0.85-0.95) yz22取 =0.9 （3-3）yPzF垂直分力 = (0.5-0.55) z取 =0.525 （3-4）zz于是得 =778.47 NxP=2001.78 Ny=1167.71 Nz1. 已知條件 垂向升降臺(tái)質(zhì)量(含最大承載量 200kg) 1200kg時(shí)間常數(shù) T=25ms快速進(jìn)給速度 1000mm/min在垂向進(jìn)給系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)中。拆去縱向、橫向、垂向進(jìn)給的齒輪、手柄等部件、機(jī)構(gòu)(這樣可大大減輕垂向升降臺(tái)質(zhì)量，但在設(shè)計(jì)時(shí)仍以 1000kg 重量計(jì)算)，校核并更換垂向絲杠為滾珠絲杠，保留圖 3-5 中弧形錐齒輪 Z3 、Z4 、Z5 設(shè)計(jì)齒輪 Z1、 Z2，選擇平衡裝置和步進(jìn)電機(jī)型號(hào)。改造中采用滾珠絲杠，脈沖當(dāng)量 ，0.5.1m???步距角 ,五相十拍 130BYG5502 步進(jìn)電機(jī)。其設(shè)計(jì)過程與縱向、橫向相似。0.36/.72??2. 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌工作時(shí)的軸向力 為：mP=k + ( +2 +G) （3-5）mPxf?zy其中 、 、 為 X、Y、Z 方向上的銑削分力。單位牛頓 (N);yk 為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，k=1.4;為導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)， =0.2;f? f?G 為移動(dòng)部件的重量(考慮最大承載重量 200kg)所以 =1.4x78.47+0.2(1167.71+2x2001.78+420x9.8)=2947.3NmP(1)滾珠絲杠的強(qiáng)度計(jì)算壽命值計(jì)算 L= (3-6) 60nT1其中23L-滾珠絲杠的壽命 T-珠絲杠的使用時(shí)間(h) 自動(dòng)控制機(jī)床 T=15000hn-滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（rpm） n= 0fvL將 =3.92x m/s =6x m 代入 n=fv31?031?0fvL中得：n=39.2rpm滾珠絲杠的壽命值 L = 60x39.2x15000x =35.2861?滾珠絲杠承受的最大動(dòng)負(fù)載計(jì)算由 Q= (3-7)3whmfP其中 Q-滾珠絲杠承受的最大動(dòng)載荷L-滾珠絲杠的壽命值-滾珠絲杠運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù) 取 =1.2wf wf-硬度系數(shù) 取 =1.2hhf代入（3-7）得Q=12759.77N根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷 Q 值，參照漢江機(jī)床有限公司的絲杠導(dǎo)軌廠的產(chǎn)品樣本，選取HJG-S 系列 FYCD4006 滾珠絲杠。外循環(huán)雙螺母法蘭凸出導(dǎo)管式，公稱直徑 ，導(dǎo)程40?=6x m，螺母上的負(fù)荷滾珠總?cè)?shù)為 5 圈，精度為 4 級(jí)，動(dòng)載荷為 29.126KN，遠(yuǎn)0L31?大于 12.76KN,故強(qiáng)度足夠用。（2）珠絲杠剛度計(jì)算滾珠絲杠受 及受到扭矩引起的導(dǎo)程變化量：mP(3-8)20LMEFI????以滾珠絲杠受拉伸計(jì)算:20mPLI???其中24一滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 6x m0L310?E 一滾珠絲杠的彈性模量 E=20.5x / 62cF 一滾珠絲杠的橫截面積 F=214d?查閱漢江機(jī)床有限公司絲杠導(dǎo)軌廠的產(chǎn)品樣本知滾珠絲杠副的接觸角 = ；公稱直徑 =40mm；滾珠直徑 =3.969mm?0450bd而外循環(huán)滾道圓弧半徑 R=1.04 /2=0.52bdb滾道圓弧偏心距 ()cos.122eR????絲杠小徑 1035984m?所以滾珠絲杠的橫截面積 F= =1016.45mm24d?絲杠承受轉(zhuǎn)矩(參閱 3.2.3-4) M= max1.jMiN?所以= =8.60720mPLMEFI????27 794.310690.6.2145?????210?m?所以絲杠在一米長(zhǎng)度上導(dǎo)軌變形總誤差為= = 8.607x =14.3401L?.620?m?經(jīng)查滾珠絲杠彈性變形允許的螺距誤差(1 米長(zhǎng))選用 4(F)級(jí)精度絲杠的螺距誤差18 /m30 /m，剛度足夠m?表 3-1 絲杠精度等級(jí)與允許誤差對(duì)照絲杠精度等級(jí)允許誤差（ /m）m?絲杠精度等級(jí)允許誤差（ /m）m?Ｃ(１) ５ Ｆ(４) ３０Ｄ(２) １０ Ｇ(５) ６０25(3)效率計(jì)算根據(jù)機(jī)械原理的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 為：?＝ （3-9）?()tg???其中 r-螺旋升角，查閱漢江機(jī)床有限公司絲杠導(dǎo)軌廠的產(chǎn)品樣本知: 0'24??-摩擦角，滾珠絲杠副的摩擦系數(shù) f=0.003-0.004, =arctgf=? ?'1則傳動(dòng)效率 =94.23%0'''tantan24()(1)??????(4)滾珠絲杠安裝方式分析、選擇及穩(wěn)定性臉?biāo)銤L珠絲杠的支承方式有“雙推-自由” ， “雙推-支承” ， “單推-單推” ， “雙推-雙推”四種方式，其中“雙推-支承”方式，兩方向的推力軸承 8206 和 7206 型向心角接觸球軸承裝在右端，另一端裝一個(gè) 7206 型向心角接觸球軸承，避免或減少了絲杠因自重而造成的彎曲，結(jié)構(gòu)也較為簡(jiǎn)單。根據(jù)縱向裝置的具體情況，選用了此種支承方式?？v向進(jìn)給裝置中，滾珠絲杠與工作臺(tái)固定，螺母與中拖板固定。縱向進(jìn)給時(shí)，螺母不動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)并移動(dòng)。在縱向滾珠絲杠的螺母座的設(shè)計(jì)中，關(guān)于螺母與螺母座的固定方案，在不改動(dòng)中拖板鑄件結(jié)構(gòu)的前提下，比較了兩種方案：方案一:采用中拖板的原有凸座作為螺母座.然而滾珠絲杠中雙螺母的連接要靠一個(gè)平鍵，因此需要在螺母座上插一鍵槽。由于加工此健槽的中拖板設(shè)計(jì)及制造較為困難，此方案未予采用。方案二:將中拖板中的凸座銑掉，另制造一個(gè)螺母座，然后用螺釘及定位銷固定在中拖飯上。該方案較于方案一將會(huì)出現(xiàn)較大的同軸度誤差，但采用適當(dāng)?shù)墓に嚧胧┛梢越鉀Q。工藝措施如下：(1)將未鏜孔的螺母座用螺釘緊固到中拖飯上，打上定位銷定位后.鏜孔(2)取下鏜孔后的螺母座在插床上插出鍵槽(3)將螺母裝回機(jī)床Ｅ(３) １５ Ｈ(６) １００