三坐標(biāo)銑床的數(shù)控化改造設(shè)計畢業(yè)論文

摘要畢業(yè)設(shè)計是在原有普通銑床的基礎(chǔ)上,對其進行改造,成為三坐標(biāo)數(shù)控銑床。該機床能通過三軸聯(lián)動，實現(xiàn)曲線直線等不同的加工路線。所設(shè)計的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，三個坐標(biāo)方向的移動均由步進電機帶動，主軸電機采用交流電機，所有電機均由單片機進行控制。設(shè)計主要對數(shù)控銑床的機構(gòu)進行設(shè)計，了解單片機的工作原理，主要有以下幾個方面：X、Y,Z工作臺的傳動機構(gòu)設(shè)計，主要是滾珠絲杠的運用；機床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選?。粏纹瑱C控制系統(tǒng)的設(shè)計，進一步熟悉其應(yīng)用。在數(shù)控機床系統(tǒng)中，加工精度和加工可靠性是伺服系統(tǒng)決定的，本文對普通銑床的數(shù)控化改造進行了分析和設(shè)計，通過對普通銑床的數(shù)控化改造，提高了普通銑床的加工能力和加工范圍，節(jié)省了直接購買機床的部分資金，具有很好的經(jīng)濟效益。關(guān)鍵詞：銑床,數(shù)控,三坐標(biāo)目錄摘要 1Abstract 2前言 5第一章概論 61.1數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展 61.2數(shù)控機床的組成及分類 61.2.1數(shù)控機床的組成 61.2.2數(shù)控機床的分類 81.3數(shù)控機床的特點及應(yīng)用范圍 91.3.1數(shù)控機床的特點 91.3.2數(shù)控機床的應(yīng)用范圍 9第二章設(shè)計主要參數(shù)及基本思想 102.1課題要求 102.1.1題目名稱（包括主要技術(shù)參數(shù)）及技術(shù)要求 102.1.2課題內(nèi)容及工作量 102.2設(shè)計原則 102.3總結(jié)構(gòu)設(shè)計 112.3.1數(shù)控機床的機構(gòu)設(shè)計要求 112.3.2提高機床的結(jié)構(gòu)剛度 112.3.3提高進給運動的平穩(wěn)性和精度 12第三章三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計和計算 133.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 133.1.1主傳動變速系統(tǒng) 143.2主軸系統(tǒng)計算 173.3.1對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 193.3.2進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 203.3.3進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 203.4進給傳動的計算 213.4.1X軸滾珠絲杠副 213.4.2Y軸滾珠絲杠副 243.4.3Z軸滾珠絲杠副 283.4.4滾珠絲杠的安裝與使用 31第四章微機控制系統(tǒng)的設(shè)計 344.1微機控制系統(tǒng)組成及特點 344.1.1微機控制系統(tǒng)的組成 344.1.2微機數(shù)控系統(tǒng)的特點 344.2微機控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 354.2.1主控制器CPU的選擇 354.2.2存儲器電路的擴展 364.2.3I/O口電路的擴展 384.2.4步進電機驅(qū)動電路 404.2.5其它輔助電路設(shè)計 414.3程序部分 42結(jié)論 46參考文獻(xiàn) 47致謝 48前言隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入自適應(yīng)控制﹑模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機理，不但具有自動編程﹑前饋控制﹑模糊控制﹑學(xué)習(xí)控制﹑自適應(yīng)控制﹑工藝參數(shù)自動生成﹑三維刀具補償﹑運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ?，而且人機截面極為友好，并且有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負(fù)載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。直線電機驅(qū)動系統(tǒng)以使用化。用數(shù)控銑床加工零件時，首先應(yīng)編制該零件的加工程序，這是數(shù)控銑床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變速﹑啟動﹑停止﹑進給運動的方向﹑速度和位移量，以及工件裝夾和冷卻潤滑的開關(guān)等動作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工工序規(guī)定的順序﹑運動軌跡加工出符合要求的零件。三坐標(biāo)數(shù)控銑床的進給運動是數(shù)字控制的直接對象，不論點位控制還是連續(xù)控制，被加工工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度都受到進給運動的傳動精度﹑靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，要注意以下三點進給運動要求：(1)減少運動件的摩擦力。進給系統(tǒng)雖有許多元件，但摩擦阻力主要來自絲杠和導(dǎo)軌。絲杠和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的滾動化是減少摩擦的重要措施之一。(2)提高傳動精度和剛度。在進給系統(tǒng)中滾珠絲杠和支承結(jié)構(gòu)是決定其傳動精度和剛度的主要部件，因此，必須首先保證它們的加工精度。(3)減少運動慣量。進給系統(tǒng)中每個元件的慣量對伺服機構(gòu)的啟動和制動特性都有直接的影響。尤其是處于高速運轉(zhuǎn)的零件，其慣性的影響更大。設(shè)計是在原有普通銑床的基礎(chǔ)上,對其進行改造,成為三坐標(biāo)數(shù)控銑床。該機床能通過三軸聯(lián)動，實現(xiàn)曲線直線等不同的加工路線。所設(shè)計的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，三個坐標(biāo)方向的移動均由步進電機帶動，主軸電機采用交流電機，所有電機均由單片機進行控制。此設(shè)計主要對數(shù)控銑床的機構(gòu)進行設(shè)計，了解單片機的工作原理，主要有以下幾個方面：X、Y、Z工作臺的傳動機構(gòu)設(shè)計，主要是滾珠絲杠的運用；機床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選??；單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計，進一步熟悉其應(yīng)用。第一章概論1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型。特別是在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域所需的零件，精度要求高，形狀復(fù)雜，批量小。普通機床已不能適應(yīng)這些需求。為了滿足上述要求，一種新型的機床——數(shù)字程序控制機床（簡稱數(shù)控機床）應(yīng)運而生。最早進行數(shù)控機床研制的是美國人。1952年，美國麻省理工學(xué)院成功地研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動，利用脈沖乘法器原理的數(shù)控機床。但這臺數(shù)控機床僅是一臺試驗性的機床，當(dāng)時用的電子元件是電子管。直到1954年11月，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機床才生產(chǎn)出來。從此以后，世界上其他一些工業(yè)國家也多開始開發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用數(shù)控機床。我國數(shù)控機床的研制是從1958年起步的。1965年國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。從70年代開始，數(shù)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于車、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、點加工等領(lǐng)域，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。在這一時期，數(shù)控線切割機床由于結(jié)構(gòu)簡單，使用方便、價格低廉，在模具加工中得到了推廣。1985年，我國數(shù)控機床品種有了新的發(fā)展。早期的數(shù)控機床控制系統(tǒng)采用電子管，體積大、功耗高，只在軍事部門應(yīng)用。只有在微處理機用于數(shù)控機床后，才真正使數(shù)控機床得到了普及。目前數(shù)控技術(shù)的主要發(fā)展趨勢是：實現(xiàn)高速度，高可靠性，高精度，大功率，多功能；采用微處理機和微型計算機，向著增強功能、降低造價、方便使用的目標(biāo)進展；積極應(yīng)用計算技術(shù)、系統(tǒng)工程理論和控制技術(shù)的最新成果，像這綜合自動化方向變革。1.2數(shù)控機床的組成及分類1.2.1數(shù)控機床的組成控制介質(zhì)數(shù)控裝備控制介質(zhì)數(shù)控裝備伺服裝置機床本體輔助裝備、圖1.1數(shù)控機床組成示意圖1．控制介質(zhì)控制介質(zhì)是指零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體。控制介質(zhì)有多種形式，它隨著數(shù)控裝置的類型不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤等。另外，隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，有些數(shù)控設(shè)備利用CAD/CAM軟件在其他計算機上編程，然后通過計算機與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。2.數(shù)控裝備數(shù)控裝置是數(shù)控機床的控制中心。它由輸入裝置、控制裝置和輸出裝置等組成。如圖（2）所示，劃線框內(nèi)位數(shù)控裝置。輸入裝置受控制介質(zhì)上的信息，經(jīng)過識別與譯碼之后，送到控制運算器。這些信息將作為控制與運算的原始依據(jù)?？刂七\算器根據(jù)輸入裝置送來的信息進行運算，并將控制命令輸送往輸出裝置，輸出裝置將控制器發(fā)出的控制命令送到伺服系統(tǒng)，經(jīng)功率放大，驅(qū)動機床完成相應(yīng)的動作。控制介質(zhì)控制介質(zhì)閱讀機輸入裝備控制器輸出裝置伺服機構(gòu)圖1.2數(shù)控裝置組成示意圖3.伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。它是數(shù)控機床的執(zhí)行機構(gòu)，包括驅(qū)動和執(zhí)行兩大部分。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求帶動機床移動部件運動，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脈沖信息體現(xiàn)的，每一脈沖使機床移動部件產(chǎn)生的位移叫脈沖當(dāng)量(常用的脈沖當(dāng)量為0.001mm～0.01mm)。從自動控制理論的角度來分析，無論多么復(fù)雜的伺服系統(tǒng)，都是有一些功能元件組成的。圖（3）是由各功能元件組成的伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖。調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對象比較元件輸入輸出量指令測量、反饋元件測量、反饋元件圖1.3伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖目前數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，常用的位移執(zhí)行機構(gòu)有功率步進電機、直流伺服電動機和交流伺服電動機，后兩者都帶有光電編碼器等位置測量元件。4.機床本體機床本體是數(shù)控機床的主體，是用于完成各種切削加工的機械部分，它是在原有的普通機床的基礎(chǔ)上改進而得到的，具有以下特點：（1）數(shù)控機床采用了高性能的主軸及伺服系統(tǒng)傳動系統(tǒng)，機械傳動結(jié)構(gòu)簡化，傳動鏈較短。（2）數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)具有較高的剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形小。（3）更多地采用高效傳動部件，如滾動絲杠副，直線滾動導(dǎo)軌等。除了上述四個主要部分外，數(shù)控機床還有一些輔助裝置和附屬設(shè)備，如電器，液壓，氣動系統(tǒng)與冷卻、排屑、照明、儲運等裝置以及編程機、對刀塊等。1.2.2數(shù)控機床的分類1．刀具相對于工件移動的軌跡分類（1）點位控制數(shù)控機床點位控制機床的特點是只控制移動部件的終點位置，即控制移動部件由一個位置到另一個位置的精確定位，而對它們運動過程中的軌跡沒有嚴(yán)格的要求，在移動和定位過程中不進行任何加工。（2）點位直線控制數(shù)控機床直線控制數(shù)控機床的特點是刀具相對于工件的運動不僅要控制兩點間的準(zhǔn)確位置（距離），還要控制兩點之間移動的速度和軌跡。（3）輪廓控制數(shù)控機床輪廓控制又稱連續(xù)控制，大多數(shù)數(shù)控機床具有輪廓控制功能。其特點是能同時控制兩個以上的軸，具有插補功能。（4）執(zhí)行機構(gòu)的控制方式分類2．按驅(qū)動裝置的特點分類（1）開環(huán)控制系統(tǒng)它是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)。它是根據(jù)穿孔帶上的數(shù)據(jù)指令經(jīng)過控制運算發(fā)出脈沖信號輸出到伺服驅(qū)動裝置，使驅(qū)動伺服裝置轉(zhuǎn)過相應(yīng)的角度，然后經(jīng)過減速齒輪和絲杠螺母機構(gòu)，轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)它是指在機床的運動部件上安裝位移測量裝置，將加工中測量到的實際位置值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入值的指令相比較，用比較的差值控制移動部件，直到差值為零，即實現(xiàn)移動部件的精確定位。（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)它是在開環(huán)控制系統(tǒng)的絲杠上或進給電動機的軸上裝有角位移檢測裝置。通過檢測伺服機構(gòu)的滾珠絲杠轉(zhuǎn)角間接測移動部件的位移，然后將數(shù)據(jù)反饋給比較器進行比較，輸出比較后的差值進行控制。3.按加工方法分類（1）金屬切削類數(shù)控機床；（2）金屬成型類數(shù)控機床；（3）數(shù)控特種加工機床；（4）其它類的數(shù)控機床4.按數(shù)控機床的性能分類(1)低檔數(shù)控機床；(2)中檔數(shù)控機床；(3)高檔數(shù)控機床；1.3數(shù)控機床的特點及應(yīng)用范圍1.3.1數(shù)控機床的特點數(shù)控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床。它是一種高度機電一體化的產(chǎn)品。特點如下：（1）適應(yīng)性強，加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定（2）生產(chǎn)率高（3）減輕勞動強度、改善勞動條件（4）良好的經(jīng)濟效益（5）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化1.3.2數(shù)控機床的應(yīng)用范圍從最經(jīng)濟的方面出發(fā)，數(shù)控機床適用于加工：（1）多品種小批量零件；（2）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精度要求較高的零件；（3）需要頻繁改型的零件；（4）價格昂貴，不容許報廢的關(guān)鍵零件；（5）需要小生產(chǎn)周期的急需零件。第二章設(shè)計主要參數(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)要求三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計（1）X、Y、Z軸的行程分別為300mm、300mm、250mm;（2）進給精度0.01mm；（3）X、Y、Z軸快速進給速度分別為6m/min、6m/min、3m/min；（4）工作臺面尺寸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)簡易數(shù)控銑床總圖A0一張(2)控制原理圖設(shè)計A0一張(3)計說明書一份1.2萬字以上(4)翻譯500漢字注：全部圖紙用計算機繪制，說明書由計算機輸出。2.2設(shè)計原則根據(jù)設(shè)計要求和銑床的具體情況，課題的基本設(shè)計方案如下：（1）機床采用連續(xù)控制系統(tǒng)，定位方式采用增量坐標(biāo)控制。（2）考慮到機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。（3）進給傳動的設(shè)計是機床設(shè)計的重點，數(shù)控機床必須有精確的進給傳動系，才會有高的精度和表面質(zhì)量?？紤]到電機步距角和絲杠導(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，利用電子控制系統(tǒng)消除誤差。（4）為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求機構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。（5）傳動系統(tǒng)要加上脈動裝置。以上為基本的設(shè)計方案，除了這些，課題應(yīng)注意機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2.3.1數(shù)控機床的機構(gòu)設(shè)計要求數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求主要有以下方面:（1）有良好的抗振性能和較大的額定切削功率，高的靜、動態(tài)剛度；（2）有較高的熱穩(wěn)定性和較高的幾何精度、傳動精度、定位精度；（3）有數(shù)控系統(tǒng)及其介質(zhì)。下面我們詳述數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求2.3.2提高機床的結(jié)構(gòu)剛度機床的剛度是指切削力和其它力作用下,抵抗變形的能力。機床在切削過程當(dāng)中，要承受各種外力的作用，承受的靜態(tài)力有運動部件和被加工零件的自重；承受的動態(tài)力有：切削力、驅(qū)動力、加減速時引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機床的結(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動表面的接觸變形；各支撐零件的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，以及某些支撐件的局部變形等，這些變形都會直接或間接的引起刀具和工件之間的相對位移，從而導(dǎo)致工件的加工誤差，或者影響機床切削過程的特性。(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、動剛度。(2)結(jié)構(gòu)剛度與普通機床相比，數(shù)控機床應(yīng)有更高的靜、動剛度，更好的抗振性。機床的導(dǎo)軌和支承件通常是局部剛度最弱的部分，在本次設(shè)計中，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)件采用鋼板和焊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)計靈活，便于產(chǎn)品更新、改進結(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，機床的工作頭部分由于重力作用將會使機床立柱產(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，提高機床的剛度。2.3.3提高進給運動的平穩(wěn)性和精度數(shù)控機床各坐標(biāo)軸進給運動的精度極大的影響零件的加工精度。在開環(huán)進給系統(tǒng)中運動精度取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)，特別是機械傳動部件的精度；在閉環(huán)和半閉環(huán)進給系統(tǒng)中，位置檢測裝置的分辨率對運動精度有決定性的影響，但是機械傳動部件的特性對運動精度也有一定的影響。通常在開環(huán)進給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當(dāng)量為0.01mm時，實際的定位精度最好的情況也只能達(dá)到0.025mm。在閉環(huán)進給系統(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，實際上定位精度只能達(dá)到0.003mm，當(dāng)指令進給系統(tǒng)做單步進給（即每次移動0.001mm）時，開始一兩個單步指令，進給部件并不動作，到第三個單步指令時才突跳一段距離，以后又如此重復(fù)。這些現(xiàn)象都是因為進給系統(tǒng)的低速爬行現(xiàn)象引起的，而低速爬行現(xiàn)象又決定于機械傳動部件的特性。本設(shè)計采取的方案有：（1）減少靜、動摩擦系數(shù)之差（2）提高系統(tǒng)的傳動剛度。第三章三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計和計算3.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計主傳動系統(tǒng)一般由動力源（如電動機）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工作臺），以及開停、換向和制動機構(gòu)等部分組成。動力源為執(zhí)行元件提供動力，并使其得到一定的運動速度和方向,變速裝置傳遞動力以及變換運動速度，執(zhí)行元件執(zhí)行機床所需的運動，完成旋轉(zhuǎn)或直線運動?，F(xiàn)代切削加工正向著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對機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變換速度；機床結(jié)構(gòu)簡單，噪聲小，動態(tài)性能好，可靠性高等。數(shù)控機床主傳動設(shè)計應(yīng)滿足如下特點：（1）主傳動采用直流或交流電動機無級調(diào)速（2）數(shù)控機床驅(qū)動電動機和主軸功率特性的匹配設(shè)計（3）數(shù)控機床高速主傳動設(shè)計（4）數(shù)控機床采用部件標(biāo)準(zhǔn)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計（5）數(shù)控機床的柔性化、復(fù)合化（6）虛擬軸機床設(shè)計為了適應(yīng)數(shù)控機床加工范圍廣、工藝適應(yīng)性強、加工精度高和自動化程度高等特點，要求主傳動裝置應(yīng)具有以下特點：（1）具有較大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級調(diào)速。無級變速傳動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；能在運轉(zhuǎn)中變速，便于實現(xiàn)變速自動化；能在負(fù)載下變速，便于車削大端面時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，傳動平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的精度與剛度，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）良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機床一般既要進行粗加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻運動部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時甚至破壞刀具或零件，使加工無法進行。因此主傳動系統(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的能力—抗振性?？拐裥杂脛觿偠然騽尤岫葋砗饬俊＠缰鬏S組件的動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)。機床在切削加工中主傳動系統(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位置精度和運動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，并進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。3.1.1主傳動變速系統(tǒng)普通機床一般采用機械有級變速調(diào)速傳動，而數(shù)控機床需要自動變速；且在切削階梯軸的不同直徑，切削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時，需要隨切削的直徑的變化而自動變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，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。機床主傳動中常采用的無級變速裝置有三大類：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。無級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計原則：一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動系統(tǒng)要求的無級變速裝置。如銑床主傳動系統(tǒng)要求恒功率傳動，就應(yīng)該選擇恒功率無級變速裝置。二為無級變速系統(tǒng)裝置單獨使用時，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機床實際需要的恒功率變速范圍。為此，常把無級變速裝置與機械分級變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴大恒功率變速范圍和整個變速范圍。1．主軸部件設(shè)計主軸部件的性能要求主軸部件是機床主要部件之一，它是機床的執(zhí)行元件。它的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成型運動。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。主軸部件的工作性能對整機性能和加工質(zhì)量以及機床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決定機床性能和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)的重要因素。因此，對主軸部件有如下要求：（1）軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，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。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)生單位位移的彈性變形時，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、滾動軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件的布置方式、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）溫升因為相對運動處的摩擦生熱，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，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，各類機床對溫升都有一定的限制。（4）可靠性數(shù)控機床是高度自動化的機床，所以必須保證工作可靠性，可喜的是這方面的研究正在發(fā)展。（5）精度保持性它指長期保持其原始制造精度的能力。對數(shù)控機床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。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、傳動件、密封件及定位元件等組成。（2）主軸的傳動件，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。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化設(shè)計：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨立的功能部件，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聯(lián)接。本三坐標(biāo)曲面數(shù)控銑床采用帶傳動聯(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)控機床的坐標(biāo)原點，常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點的位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點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。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對背，面對面和同向組配，背靠背和面對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。背對背比面對面安裝的軸承具有較高的抗顛覆力矩的能力。運轉(zhuǎn)時，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。軸向膨脹對與背靠背組配將使過盈減少，于是，可以補償一部分徑向膨脹；而對于面對面組配，將使過盈進一步加大?；谏鲜龇治觯鬏S受到彎距，又屬高速運轉(zhuǎn)，因此主軸軸承必須采用背靠背組配。（4）角接觸角軸承的間隙調(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)部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于提高運動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而在預(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，參加工作的滾動體將增多，各滾動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，則由于各個方面都有滾動體支承，可以提高抗振性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；而且較大的預(yù)緊力將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。角接觸角軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯位實現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡稱預(yù)緊力Fa0，單位為N。多聯(lián)角接角球軸承是根據(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)緊三級預(yù)緊。訂貨時可指定預(yù)緊級別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去δ。裝配時擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。如果兩個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)軸承的滾動體與滾道不能脫離接觸。而滿足這個條件的最小預(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較輕。一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蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為P4級，經(jīng)使用磨損后跳動精度降為P5級,這個軸承就認(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。3．主軸組件的動態(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)裝式電動機高速主軸，電動機轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(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，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，這時激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù)Z。（2）增大阻尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動。這時主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對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)緊時還因考慮阻尼因素。（3）采用消振裝置。4．主軸軸承的潤滑滾動軸承在接觸區(qū)的壓強很高，在這么高的壓強下，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點的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動體與滾道的接觸區(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，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。（1）脂潤滑滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤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、切削液等進入，壽命是很長的。一次充填可用到大修，不需補充，也不要加脂孔。脂潤滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號（常用于球軸承）。（2）油氣潤滑如果dn值較大時，還需對軸承進行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑能達(dá)到這個目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：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。油用于潤滑，空氣用于冷卻。3.2主軸系統(tǒng)計算V帶傳動的設(shè)計計算三角帶的選用應(yīng)保證有效地傳遞最大功率（不打滑）并有足夠的使用壽命（一定的疲勞強度）。帶傳動設(shè)計計算的主要內(nèi)容包括確定帶的型號、基準(zhǔn)長度和根數(shù)；確定帶輪的材料、結(jié)構(gòu)尺寸；確定傳動中心距及作用在軸上的力等。(1)確定計算功率PkW式中：K—工況系數(shù)(工作情況系數(shù))P—電機額定功率Kw(2)選擇三角帶型號根據(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，以免帶的彎曲應(yīng)力過大而導(dǎo)致其壽命降低。查表7-4取D,故選擇D(4)計算膠帶速度5<V<故D選擇合格D(5)確定中心距a和帶長L得初選帶長查表7-3，取中心距a的調(diào)整范圍：(6)驗算小帶輪包角小帶輪包角可按公式求得：得，即滿足條件。(7)確定V帶根數(shù)zV帶根數(shù)Z可按下式計算：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)確定初拉力單根V帶合適的初拉力可按下式計算：由表7-5得(9)計算作用在軸上的壓力3.3進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計3.3.1對進給伺服系統(tǒng)的基本要求進給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。(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)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運行狀態(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（包括指令信號或擾動信號）的性質(zhì)或形式無關(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：動態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實際中只要保證系統(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)對指令輸入信號的響應(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)時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機床的加工精度和生產(chǎn)率。3.3.2進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求在靜態(tài)設(shè)計方面有：能夠克服摩擦力和負(fù)載；(2)很小的進給位移量；(3)高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；(4)足夠的調(diào)速范圍；(5)進給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象；在動態(tài)設(shè)計方面的要求有：(1)具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩；(2)具有良好的動態(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??；對于數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求(1)被加速的運動部件具有較小的慣量；(2)具有較高的剛度；(3)良好的阻尼；(4)傳動部件在拉壓剛度、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進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析1．時間響應(yīng)特性進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。時間響應(yīng)特性是用來描述系統(tǒng)對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)包含一些儲能元件，所以當(dāng)輸入量作用于系統(tǒng)時，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)時間t趨向無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。若在穩(wěn)定時，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間應(yīng)速度及振蕩過程的狀態(tài)中來獲得動態(tài)特性參數(shù)。然而在很多情況下，傳遞函數(shù)不清楚，所以只能由試驗的方法來求取動態(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)對正弦輸入信號的響應(yīng)，即它通過研究系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)規(guī)律來獲得啟動態(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。對于線性進給伺服系統(tǒng)，由于它包含各種電路、機電轉(zhuǎn)換裝置和機械傳動機構(gòu)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時間常數(shù)，對高頻信號來不及反應(yīng)，只是一個地通漏波器。這種系統(tǒng)的通頻寬帶，對高頻信號響應(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進給傳動的計算3.4.1X軸滾珠絲杠副(1)精度要求：進給精度快速進給精度(2)疲勞強度絲杠的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為1625N,工作臺質(zhì)量700kg,則：1）求計算載荷Fc根據(jù)《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》計算載荷查表2-6取查表2-8取查表2-7取查表2-4取D級精度則：2）計算額定動載荷計算值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種尺寸公式計算：滾道半徑偏心距絲杠內(nèi)徑4）穩(wěn)定性驗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，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端自由伸縮，如下圖。①由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷，并按下式計算式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼,E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。安全系數(shù)查表2-10，[S]=2.5～3.3,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。②高速長絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速按下式計算：式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。③此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求所以該絲杠副工作穩(wěn)定5）剛度驗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)；為平均工作載荷按最不利的情況?。ㄆ渲校﹦t絲杠在工作長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)程誤差小于其傳動精度的1/2，即該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。6）效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率為要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。3.4.2Y軸滾珠絲杠副（1）精度要求：進給精度快速進給精度（2）疲勞強度絲杠的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為1625N,工作臺質(zhì)量900kg,則：1）求計算載荷Fc根據(jù)《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》計算載荷查表2-6取查表2-8取查表2-7取查表2-4取D級精度則：2）計算額定動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種尺寸公式計算：滾道半徑偏心距絲杠內(nèi)徑4）穩(wěn)定性驗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，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端自由伸縮，如下圖。①由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷,并按下式計算式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。安全系數(shù)查表2-10，[S]=2.5～3.3,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。②高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速按下式計算：式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，即：，所以絲杠工作時不會發(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)；為平均工作載荷按最不利的情況?。ㄆ渲校﹦t絲杠在工作長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)程誤差小于其傳動精度的1/2，即該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。6）效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率為要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。3.4.3Z軸滾珠絲杠副（1）精度要求：進給精度快速進給精度（2）疲勞強度絲杠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給力的垂直分力。主軸重量為300kg,則：1）摩擦力根據(jù)《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》計算載荷查表2-6取查表2-8取查表2-7取查表2-4取D級精度則：2）計算額定動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種尺寸公式計算：滾道半徑偏心距絲杠內(nèi)徑4）穩(wěn)定性驗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，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端自由伸縮，如下圖。①由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]絲杠不會失穩(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，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。安全系數(shù)查表2-10，[S]=2.5～3.3,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。②高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速按下式計算：式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，即：，所以絲杠工作時不會發(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)；為平均工作載荷按最不利的情況?。ㄆ渲校﹦t絲杠在工作長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）效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率為要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。3.4.4滾珠絲杠的安裝與使用(1)潤滑為使?jié)L珠絲杠副能充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，潤滑方式主要有以下兩種1.潤滑脂潤滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1/3，一般滾珠絲杠副在螺母內(nèi)部已加注GB7324-942#鋰基潤滑脂；2.潤滑油潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)如表16所示，但是隨行程、潤滑油的種類、使用條件（熱抑制量）等的不同而有所變化。請注意使用。

表16潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)（間隔3分鐘）表三潤滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)軸頸(mm)給油量(cc)4～80.0310～140.0515～180.0720～250.1028～320.1536～400.2545～500.3055～630.4070～1000.50100～1600.60(2)防塵滾珠絲杠副與滾動軸承一樣，如果污物及異物進入就很快使它磨耗，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物（切削碎削）進入時，必須采用防塵裝置（折皺保護罩、絲杠護套等），將絲杠軸完全保護起來。另外，如沒有異物，但有浮塵時可在滾珠螺母兩端增加防塵圈，請用戶根據(jù)需要按編號規(guī)則選定合適規(guī)格型號。(3)使用滾珠絲杠副在使用時應(yīng)注意以下事項：1.滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運動，必要時要在行程兩端配置限位，以避免螺母越程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。2.滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動時，如部件重量未加平衡，必須防止傳動停止或電機失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?。防逆?zhèn)鲃臃椒捎梦佪單仐U傳動、液壓式電器制動器及超越離合器等。(4)安裝

滾珠絲杠副在安裝時應(yīng)注意以下事項：1.滾珠絲杠副僅用于承受軸向負(fù)荷。徑向力、彎矩會使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等不良負(fù)荷，從而可能造成絲杠的永久性損壞。因此，滾珠絲杠副安裝到機床時應(yīng)注意：A絲杠的軸線必須和與之配套導(dǎo)軌的軸線平行，機床的兩端軸承座與螺母座必須三點成一線。B安裝螺母時，盡量靠近支撐軸承。C同樣安裝支撐軸承時，盡量靠近螺母安裝部位。

2.滾珠絲杠副安裝到機床時，請不要把螺母從絲杠軸上卸下來。如必須卸下來時，要使用輔助套，否則裝卸時滾珠有可能脫落。螺母裝卸時應(yīng)注意下列幾點：A輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑0.1～0.2mm；B輔助套在使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩；C裝卸時，不可使過大力以免螺母損壞；D裝入安裝孔時要避免撞擊和偏心。第四章微機控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1微機控制系統(tǒng)組成及特點4.1.1微機控制系統(tǒng)的組成微機控制系統(tǒng)主要由微型計算機和伺服系統(tǒng)兩大部份組成，其中微機又包括硬件和軟件兩部分。1．微機控制系統(tǒng)基本硬件組成硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件軟件才能有效地運行。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）存儲器，包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。（3）接口。2．微機數(shù)控系統(tǒng)軟件軟件是指為實現(xiàn)微機控制系統(tǒng)各項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）插補運算程序它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補器的功能。（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)控制插補運算的頻率，以保證預(yù)定速度進給。（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)的各個程序進行調(diào)度，還可以對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。診斷程序可以在運行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示故障類型。4.1.2微機數(shù)控系統(tǒng)的特點1.可靠性高。由于采用大規(guī)模集成電路、軟件連接以及自診斷功能，所以大大提高了無故障運行時間，即使有極少的故障也能及時發(fā)現(xiàn)和排除。2.靈活性強。由于系統(tǒng)的硬件是通用、標(biāo)準(zhǔn)化的，對于不同機床的控制要求只需更換可編程只讀存儲器中的系統(tǒng)程序就可實現(xiàn)。3.易于實現(xiàn)機電一體化。采用大規(guī)模集成電路時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.價格低。采用微機數(shù)控，使數(shù)控機床電氣部分成本大為下降，對功能較齊全的數(shù)控機床價格幅度下降更大。5.由于微機的功能強，存儲量大，可實現(xiàn)多功能控制、多路運行控制及數(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微機控制系統(tǒng)設(shè)備介紹4.2.1主控制器CPU的選擇、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位機的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位機的CPU。但從性能價格比上，我們常采用MCS-51系列單片機中的8031作為主控制器。下面對各功能部件作進一步的說明：（1）數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：片內(nèi)為256個字節(jié)，片外最多可擴至64K字節(jié)。（2）程序存儲器（ROM/EPROM）：8031無此部件；8051為4KROM；8751為4KEPROM。片外最多可外擴至64K字節(jié)。（3）中斷系統(tǒng)：具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。（4）定時器/計數(shù)器：2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。（5）串行口：1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。（6）P1口、P2口、P3口、P0口：為四個并行8位I/O口。（7）微處理器（CPU）：為8位的CPU，且內(nèi)含一個1位CPU（位處理器），不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進行位變量處理。MCS-51單片機的硬件結(jié)構(gòu)，如圖數(shù)據(jù)存儲器RAM數(shù)據(jù)存儲器RAM微處理器（運算部件）控制部件P2口P0口程序存P2口P0口程序存儲器特殊功能寄存器SFR中斷系統(tǒng)定時/中斷系統(tǒng)定時/計數(shù)器串行口P3口P1口P3口P1口圖4.1MCS-51單片機內(nèi)結(jié)構(gòu)8031單片機包含中央處理器、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。下圖為8031的引腳圖：MCS-51系列單片機中的8031采用40Pin封裝的雙列直插式封裝DIP結(jié)構(gòu)，下圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根。4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。8031引腳配置圖4.2.2存儲器電路的擴展1.程序存儲器的擴展單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片，即紫外線可編程的EPROM芯片，其型號分別為：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別位2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配，即8031所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的讀取時間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計存儲器的容量。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)簡化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用2764作為擴展芯片。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ALE為高電平，則P0口輸出地址有效。8位數(shù)據(jù)線直接與8031P0口相連，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CE接地，以便總能選中。由于8031只能選通外部程序存儲器，因而其EA引腳接地。EPROM2746引腳圖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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴展片外的數(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和6264靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲器，其選用的規(guī)則與EPROM程序存儲器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲器的外擴芯片。6264低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031P0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8031P0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)。RAM6264引腳圖3.單片機鎖存器74LS373是一片三態(tài)輸出8D觸發(fā)器（3S，鎖存允許輸入有回環(huán)特性）。373的輸出端D0~D7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時，O0~O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅(qū)動負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時，O0~O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng)LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV。引出端符號：D0～D7：數(shù)據(jù)輸入端；OE：三態(tài)允許控制端（低電平有效）；LE：鎖存允許端；Q0-Q：輸出端；鎖存器74LS373外部管腿4.2.3I/O口電路的擴展1.并行口的擴展8031單片機共有四個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行I/O口的擴展。通用可編程接口芯片8155具有2k位的靜態(tài)RAM、2個8位和一個6位的可編程并行I/O口、一個14位的計數(shù)器。由于8155與單片機的接口簡單，是單片機系統(tǒng)廣泛使用的芯片。8155與8031的聯(lián)接可歸結(jié)為三總線的連接。8155本身具有地址鎖存信號控制線和地址鎖存器，故可直接將地址、數(shù)據(jù)線AD0～AD7直接與8031口線對應(yīng)的相連，8155的ALE與8031的ALE直接相連，高8位地址的P2.5～P2.7經(jīng)譯碼器74LS138提供8155的片選信號CE,IO/M控制端接P2.0口，其它讀寫信號WR、RD也都對應(yīng)相連。8155的地址與8031統(tǒng)一編址。2.鍵盤、顯示器接口電路鍵盤、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計算機狀態(tài)的動態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，按鍵設(shè)置在行列的交點上。本系統(tǒng)中所設(shè)計的是由4×6鍵和6位LED顯示器組成。為了簡化電路，鍵盤的列線及LED顯示器的段碼共用一個口，即8155的PB口，鍵盤的行線由8155的PA口提供，LED的字位控制則由PC口經(jīng)74154后提供。8155各引腳功能說明如下：RST：復(fù)位信號輸入端，高電平有效。復(fù)位后，3個端口均為輸入方式。AD0～AD7：三態(tài)的地址/數(shù)據(jù)總線。與單片機的低8位地址/數(shù)據(jù)總線（P0口）相連。單片機與8155之間的地址、數(shù)據(jù)、命令與狀態(tài)信息都是通過這個總線口傳送的。：讀選通信號，低電平有效。：寫選通信號，低電平有效。：片選信號線，低電平有效。IO/：8155的RAM存儲器和I/O口選擇。當(dāng)IO/＝0時，則選擇8155的片內(nèi)RAM，AD0～AD7上地址為8155中RAM單元的地址（00H～FFH）；當(dāng)IO/＝1時，選擇8155的I/O口，定時/計數(shù)器，命令/狀態(tài)寄存器ALE：地址鎖存信號。8155內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，在ALE的下降沿將單片機P0口輸出的低8位地址信息及，IO/的狀態(tài)都鎖存到8155內(nèi)部鎖存器。因此，P0口輸出的低8位地址信號不需外接鎖存器。PA0～PA7：8位通用I/O口，其輸入、輸出的流向可由程序控制。PB0～PB7：8位通用I/O口，功能同A口。PC0～PC5：有兩個作用，既可作為通用的I/O口，也可作為PA口和PB口的控制信號線，這些可通過程序控制。TIMERIN：8155內(nèi)部定時/計數(shù)器信號輸入端。TIMEROUT：8155內(nèi)部定時/計數(shù)器信號輸出端。VCC：＋5V電源8155集成芯片引腳圖4.2.4步進電機驅(qū)動電路步進電機是一種用脈沖信號控制的電動機。在負(fù)載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)，電動機的角位移僅與控制脈沖成正比。在多數(shù)情況下，用步進電機作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)不需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟性數(shù)控機床最主要的一種伺服驅(qū)動元件。1.計算機接口在控制系統(tǒng)中，步進電機的接口電路至關(guān)重要，沒有它將無法實現(xiàn)微機對步進電機的控制。如前所述，8031系列單片機含有4個并行輸入/輸出口，其中P1口可以提供給用戶使用，作為步進電機及其它控制對象的接口。也可采用8155或8255A等可編程并行輸入、輸出接口芯片設(shè)計擴展接口電路，來控制步進電機即其它外部設(shè)備。本系統(tǒng)即采用8155的PA口作為步進電機的控制端口。2.脈沖分配器脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅(qū)動步進電機必不可少的環(huán)節(jié)。步進電機的控制方式由環(huán)形分配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列脈沖指令按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各項繞組，實現(xiàn)電機的正或反轉(zhuǎn)。在數(shù)控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。而在本系統(tǒng)中使用的是軟件脈沖分配，通過編程來達(dá)到脈沖分配的目的，從而控制步進電機的各項繞組。3．隔離電路在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進電機的勵磁繞組。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏），電流也較大，如果將輸出信號直接與功率放大器相聯(lián)，將會引起強電器干擾，輕則影響計算機程序的正常進行，重則導(dǎo)致計算機和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。圖為光電耦合器與步進電機的接口電路。圖4.2光電隔離與步進電機接口電路4.2.5其它輔助電路設(shè)計1.8031的時鐘電路單片機的時鐘可以有兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，如圖()所示。晶體可在1.2～12MHz之間任選，耦合電容在5～30Pf之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。2．8031的復(fù)位電路單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上保持10ms以上的高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0000H單元開