c6140普通臥式車(chē)床數(shù)控化改造之橫向進(jìn)給系統(tǒng)X軸設(shè)計(jì) 當(dāng)文網(wǎng)提供

1、數(shù)控系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)C6140普通臥式車(chē)床數(shù)控化改造之橫向進(jìn)給系統(tǒng)（X）軸設(shè)計(jì) -xxxx一·車(chē)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)存在的問(wèn)題分析 C6140車(chē)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)在連續(xù)的使用過(guò)程中，由于磨損等原因，使絲杠與絲母間隙過(guò)大，產(chǎn)生軸向竄動(dòng)，影響進(jìn)給精度。通過(guò)調(diào)整可消除絲杠與絲母間的間隙，但實(shí)踐證明，這種調(diào)整方法只消除了絲母的磨損間隙，而沒(méi)有消除絲杠的磨損間隙。如果按絲杠磨損較大部位調(diào)整絲母，則在絲杠磨損較小部位可能因間隙過(guò)小而使進(jìn)給手柄轉(zhuǎn)動(dòng)太沉。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的觀察和實(shí)踐，發(fā)現(xiàn)幾乎所有的機(jī)床都在很大程度上存在著進(jìn)給機(jī)構(gòu)精度因磨損而嚴(yán)重下降的問(wèn)題。普通車(chē)床的橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)因其使用頻繁且承受很大的切削力，所以，磨損

2、程度較其它機(jī)床嚴(yán)重，如果能夠有效地解決車(chē)床的進(jìn)給精度問(wèn)題對(duì)其它類(lèi)似的機(jī)構(gòu)都有指導(dǎo)意義。 幾十年來(lái)，國(guó)內(nèi)外車(chē)床一直采用上述的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，操作者在使用過(guò)程中必須經(jīng)常進(jìn)行調(diào)整，并把這項(xiàng)工作列入一級(jí)保養(yǎng)內(nèi)容。因此，增加了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了設(shè)備的利用率，即使這樣也不能很好地保證設(shè)備的精度。 常見(jiàn)改進(jìn)方案及存在問(wèn)題針對(duì)普通車(chē)床橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給精度問(wèn)題國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家多采用以下三種解決方案。 1.在中修或項(xiàng)修過(guò)程中，更換新的橫向進(jìn)給絲母。必要時(shí)，對(duì)橫向進(jìn)給絲杠進(jìn)行修復(fù)，然后再配作絲母，這種辦法并沒(méi)有從根本上解決橫向定位精度問(wèn)題。機(jī)床只是在修復(fù)后最初階段能夠保障橫向進(jìn)給精度，數(shù)月后就進(jìn)人反復(fù)調(diào)整階段.而且加大了

3、維修成本。 2.有的專(zhuān)家試圖用改進(jìn)橫向進(jìn)給絲杠支承結(jié)構(gòu)或減小絲杠變形的方法來(lái)解決問(wèn)題。這種方案僅提高了絲杠的剛度，雖然能夠間接地減緩絲杠和絲母的磨損，但仍然沒(méi)有從實(shí)質(zhì)上解決問(wèn)題。這種方法的缺點(diǎn)是改造的成本和維修費(fèi)用很大。 3.80年代中期，隨著電子技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展，國(guó)內(nèi)外的專(zhuān)家們紛紛采用數(shù)控或數(shù)顯技術(shù)對(duì)機(jī)床進(jìn)行改造。采用數(shù)控技術(shù)改善機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)精度，尤其是采用閉環(huán)控制，很好地解決了進(jìn)給精度問(wèn)題。但是這種技術(shù)改造成本太高，一般企業(yè)無(wú)法承受。采用數(shù)顯技術(shù)改善機(jī)床進(jìn)給精度的實(shí)例在國(guó)內(nèi)比較多，雖然這種方案比數(shù)控技術(shù)改造投資小，但考慮到投資收益比，也不適合普通車(chē)床這類(lèi)造價(jià)較低的設(shè)備改造，一般企業(yè)僅把這項(xiàng)

4、技術(shù)應(yīng)用于精、大、稀設(shè)備的改造，最常見(jiàn)的是造價(jià)幾十萬(wàn)元的鏜銑床改造。二·摘要此設(shè)計(jì)是經(jīng)濟(jì)型中檔精度數(shù)控車(chē)床橫向進(jìn)給系統(tǒng) 。面對(duì)我國(guó)目前機(jī)床數(shù)量少、工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模小的特點(diǎn)，突出的任務(wù)是用較少的資金迅速改變機(jī)械工業(yè)落后的面貌。而數(shù)控車(chē)床（及其系統(tǒng)）已經(jīng)成為現(xiàn)代機(jī)器制造業(yè)中不可缺少的組成部分。所以，實(shí)現(xiàn)這一任務(wù)的有效的、基本的途徑就是普及應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。進(jìn)給系統(tǒng)是由伺服電機(jī)經(jīng)滾珠絲杠拖動(dòng)工作臺(tái)來(lái)完成的所以設(shè)計(jì)涉及伺服電機(jī)的選擇，滾珠絲杠設(shè)計(jì)等。目前絕大部分的機(jī)床的橫向進(jìn)給均是采用滾珠絲杠來(lái)傳遞運(yùn)動(dòng)的，傳動(dòng)的精確性主要取決于絲杠支承形式，絲杠與伺服電機(jī)的聯(lián)接方式。在設(shè)計(jì)中充分考慮到這兩個(gè)問(wèn)

5、題，并且，設(shè)計(jì)精度須達(dá)原始數(shù)據(jù)。臥式車(chē)床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性要求，MCS-51系列的8位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的CPU。MCS-51系列8位機(jī)具有功能多、抗干擾能力強(qiáng)、性/價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)與顯示電路、I/O、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源以及主軸交流變頻器等。為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選用摩擦力小的滾珠絲桿螺母副；為了消除傳動(dòng)

6、間隙、提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲桿的螺母應(yīng)有預(yù)緊。計(jì)算選擇步進(jìn)電機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速輪副，且應(yīng)有消間隙選擇四工位自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架與電動(dòng)卡盤(pán)，選擇螺紋編碼器等。三、機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)方案1、主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案臥式車(chē)床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，一般可保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣減少改造的工作量。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制。提高車(chē)床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速，可用24速的多速電機(jī)和單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不能滿足要求時(shí)，可用交流變頻器來(lái)控制主軸實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時(shí)，若工作頻率低于70Hz，原頻率可以不更換，但所選變頻器得功能應(yīng)比電動(dòng)機(jī)大

7、）。其中，當(dāng)采用有級(jí)變速時(shí)，可選用浙超力電機(jī)有限公司生產(chǎn)的YD系列7.5KW的三湘異步電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)24檔變速；當(dāng)采用無(wú)級(jí)變速時(shí)，應(yīng)加裝交流變頻器，推動(dòng)F1000G0075T3B，適配7.5KW電動(dòng)機(jī)，生產(chǎn)廠家為煙臺(tái)惠豐電子有限公司。2、安裝電動(dòng)卡盤(pán)為了提高加工效率，工件的夾緊與松開(kāi)采用電動(dòng)卡盤(pán)，選用呼和浩特機(jī)床附件總廠生產(chǎn)的電動(dòng)三爪自定心卡盤(pán)。卡盤(pán)的夾緊與松開(kāi)由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。安裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車(chē)床原有的手動(dòng)刀架換成自動(dòng)回轉(zhuǎn)，選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LD4BCK6140型四工位立式電動(dòng)機(jī)，自動(dòng)換刀需要配置相應(yīng)的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。

8、螺紋編碼器的安裝方法螺紋編碼器又稱(chēng)主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車(chē)床加工螺紋時(shí)，需要配置主軸脈沖發(fā)生器為車(chē)床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它與車(chē)床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)中，改造后的車(chē)床能夠加工的最大螺紋導(dǎo)程是24mm，Z向的進(jìn)給脈沖當(dāng)量是半脈沖，所以螺紋編碼器每轉(zhuǎn)傳輸出的脈沖數(shù)應(yīng)不少于24mm/(0.01mm·脈沖)=2400脈沖。考慮到編碼器的輸出有相位差為90°的A、B相信號(hào)，可將A、B經(jīng)邏輯運(yùn)算獲得2400個(gè)脈沖（一轉(zhuǎn)內(nèi)），這樣編碼器的線數(shù)可降到1200線（A、B信號(hào)）。另外，為了重復(fù)車(chē)削同一螺旋槽時(shí)不亂扣，編碼器還需要輸出每轉(zhuǎn)一個(gè)得零位脈沖Z?；谏鲜鲆x擇螺紋編碼器的型號(hào)為:

9、ZLF-1200Z-05VO-15-CT。電源電壓+5V，每轉(zhuǎn)輸出1200個(gè)A/B脈沖與一個(gè)Z脈沖，信號(hào)為電壓輸出，軸頭直徑15mm,生產(chǎn)廠家為長(zhǎng)春光機(jī)數(shù)顯技術(shù)有限公司。螺紋編碼器同常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在主軸箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉(zhuǎn)的輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比為1：1的同步齒形帶與主軸連接起來(lái)，需要注意的是編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無(wú)間隙柔性聯(lián)結(jié)，且車(chē)床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過(guò)編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。5進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)

10、方案1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋的編碼器。2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與同步帶減速箱總成。3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在床鞍的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。4）拆除四方刀架與小滑板總成，在中滑板上方安裝四工式電動(dòng)刀架。5）拆除中滑板下的滑動(dòng)絲杠螺母副，將滑動(dòng)絲杠靠刻度盤(pán)一段（長(zhǎng)216mm,見(jiàn)書(shū)后插頁(yè)圖6-2）鋸斷保留,拆掉刻度盤(pán)附近的兩個(gè)推力軸承,換上滾珠絲杠副。6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)通過(guò)法蘭座安裝到中滑板后部的床鞍上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。7）拆去三杠（絲杠、光杠與操作杠），更換絲杠的右支承。改造后的橫向進(jìn)給系統(tǒng)如后插頁(yè)6

11、-2。四、進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型縱、橫向進(jìn)給的計(jì)算和選型主要包括：確定脈沖當(dāng)量、計(jì)算切削力、選擇滾珠絲杠螺母副、設(shè)計(jì)減速箱、選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。以下詳細(xì)介紹橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)。1脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，X方向（橫向）的脈沖當(dāng)量為脈沖為=0.005mm/脈沖，方向（橫向）為&x=0.01mm/脈沖。2切削力的計(jì)算以下是橫向切削力的詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，&b=650MPa;選用刀具材料為硬質(zhì)合金YT15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角kr=60。，前角ro=10。，刃傾角a= -5。 ；切削用量為：背吃刀量ap=3mm，進(jìn)給量f=0.6mm/r，切削速度vc=105m/

12、min。查表，得：C=2795,x=1.0,y=0.75,n=-0.15。查表，得：主偏角Kr的修正系數(shù)K=0.94；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0。由經(jīng)驗(yàn)公式（3-2），算得主切削力Fc=2673.4N。有經(jīng)驗(yàn)公式Fc:Ff:Fp=1:0.35:0.4,算的縱向進(jìn)給切削力F f = 935.69 N，背向力F p = 1069.36 N。3.滾珠絲杠螺母副的的計(jì)算和選型（橫向）（1）計(jì)算進(jìn)給率引力 橫向?qū)к墳檠辔残?，?jì)算如下：=1.4（2）計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C。（3）滾珠絲桿螺母副的選型 查閱【機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)】，可選用WL20051列2.5圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲桿副，額定動(dòng)

13、載荷為8800N，可滿足要求，選定精度為3級(jí)。（4）傳動(dòng)效率的計(jì)算 ： (5)剛度的驗(yàn)算先畫(huà)出此橫向進(jìn)給滾珠絲桿支撐方式草圖，最大進(jìn)給率引力為2023，支撐間距L=450mm；絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3.1）絲杠的拉伸或壓縮變形量，根據(jù)=2023N，查出，可算出：由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲桿又進(jìn)行了預(yù)拉緊，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形。查【機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)】相關(guān)圖表，W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量因?yàn)檫M(jìn)行了預(yù)緊，故3）支撐滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形因?yàn)槭┘宇A(yù)緊力，故綜合以上幾項(xiàng)變量之和：=0.001365m

14、m顯然此變形量已大于定位精度要求，應(yīng)該采用相應(yīng)的措施修改設(shè)計(jì)，但因橫向溜板受空間限制，不宜再加大滾珠絲桿直徑，故采用貼塑導(dǎo)軌減小摩擦力，從而減小最大牽引力，重新計(jì)算如下：=1155N（6）壓桿穩(wěn)定性校核計(jì)算失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷Fk式中：E-絲桿材料彈性模量，對(duì)剛E=I-截面慣性矩，絲桿截面慣性矩I=l-絲桿兩支撐端距離-絲桿的支撐方式系數(shù)，查表知=2.00對(duì)于本設(shè)計(jì)：I=78214N綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)。4.同步帶減速箱的設(shè)計(jì)(橫向)為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了使傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量盡可能地減小，傳動(dòng)鏈中常采用減速傳動(dòng)。本設(shè)計(jì)中，橫向減速箱選用同步

15、帶傳動(dòng)。設(shè)計(jì)同步帶減速箱需要的原始數(shù)據(jù)有：帶傳遞的功率P；主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速n1和傳動(dòng)比i;傳動(dòng)系統(tǒng)的位置和工作條件等。根據(jù)改造經(jīng)驗(yàn)，C6140車(chē)床縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩通常在1525N·m之間選擇。今初選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為130BYG5501,五相混合式，最大靜轉(zhuǎn)矩為20N·m，十拍驅(qū)動(dòng)時(shí)步距角0.72°。運(yùn)行矩頻特性曲線如圖6-4所示。（1）傳動(dòng)比i的確定 已知電動(dòng)機(jī)的步距角=0.72°，脈沖當(dāng)量z=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程Ph=6mm。根據(jù)式（3-12）算得傳動(dòng)比i=1.2。（2）主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1 由橫向床鞍的最快移動(dòng)速度Uzmax=6000mm/

16、min,可以算出主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1=（Uzmax/z）×/360=1200r/min 。（3）確定帶的設(shè)計(jì)功率Pd 預(yù)選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為1200r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為max =1200×360/(60×a) =1200×360/(60×0.72) Hz =10000Hz。從圖6-4查得，當(dāng)脈沖頻率為10000Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為3.8N·m，對(duì)應(yīng)的輸出功率為P O UT =nT/9.55 = 1200×3.8/9.55W478W。今取P = 0.478kW，從表3-18中取工作情況系數(shù)KA = 1.2

17、，則由式（3-14），求得帶的設(shè)計(jì)功率P d = K A P =1.2×0.478kW =0.574kW。（4）選擇帶型和節(jié)距P b 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率P d =0.574 kW和主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n 1 =1200r/min，從中選擇同步帶，型號(hào)為L(zhǎng)型節(jié)距P b =9.525mm。（5）確定小帶輪齒數(shù)Z1 和小帶輪節(jié)圓直徑d1 取Z1 = 15，則小帶輪節(jié)圓直徑d 1 =45.48。當(dāng)n 1 達(dá)最高轉(zhuǎn)速1200r/min時(shí)，同步帶的速度為U =2.86m/s，沒(méi)有超過(guò)L型帶的極限速度35m/s。（6）確定大帶輪齒數(shù)Z2 和大帶輪節(jié)圓直徑d 2 大帶輪齒數(shù)Z 2 =i Z1 =18，節(jié)圓直

18、徑d 2 =id 1 =54.57mm。（7）初選中心距a0 、帶的節(jié)線長(zhǎng)度L0p、帶的齒數(shù)zb 初選中心距a0 =1.1(d1 + d2)=110.06mm，圓整后取a0 =110mm。則帶的節(jié)線長(zhǎng)度為L(zhǎng)0p 2a0 +(d1 + d2) + =377.33mm。根據(jù)3-33，選取要接近的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度=381mm，相應(yīng)齒數(shù)=40。（8）計(jì)算實(shí)際中心距a 實(shí)際中心距。（9）效驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) =ent,嚙合齒數(shù)比6打，滿足要求。此處ent表示取整。（10）計(jì)算基準(zhǔn)額定功率P0（所選型號(hào)同步帶在基準(zhǔn)寬帶下所允許傳遞的額定功率）：式中 帶寬為時(shí)的許用工作拉力，由表查得=244.46N；m帶寬

19、時(shí)的單位長(zhǎng)度的質(zhì)量，由表查得m=0.095kg/m;u同步帶的帶速，由上述（5）可知u=2.86m/s。算得=0.697kW。（11）確定實(shí)際所需同步寬帶式中 選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬帶，由表查得=25.4mm。小帶輪嚙合齒數(shù)系數(shù)，由表查得=1。由上式可得算得14，再根據(jù)表（3-22），計(jì)算同步帶額定功率P的精確值：式中 為齒寬系數(shù)：=。經(jīng)計(jì)算得=0.697kW，滿足。因此，帶的工作能力合格。5.步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型（橫向）（1） 計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 已知：滾珠絲桿的公稱(chēng)直徑，總長(zhǎng)（帶接桿），導(dǎo)程，材料密度；橫向移動(dòng)部件總重量G=1300N；同步帶減速箱大帶輪寬帶28mm，節(jié)徑54

20、.57mm，孔徑30mm，輪轂外景42mm，寬度14mm；小帶輪寬度28mm，結(jié)晶45.48mm，孔徑19mm，輪轂外徑29mm，寬度12mm；傳動(dòng)比。，可以算得各個(gè)零部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下（具體計(jì)算過(guò)程從略）：滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；床鞍折算到絲桿上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；大帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。在設(shè)計(jì)減速箱時(shí)，初選的橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)130BYG5501，從表中查得該型號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)自的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。則加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：（2）計(jì)算加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩，分快速空載啟動(dòng)和承受最大工作負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1）快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式（4-8）可知，包括三部分

21、：快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動(dòng)效率很高，根據(jù)式（4-12）可知， 相對(duì)于 和 很小，可以忽略不計(jì)。則有： （6-1）根據(jù)式（4-9），考慮縱向傳動(dòng)鏈的總效率,計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩： （6-2）式中對(duì)應(yīng)橫向空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min； 步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至所需要的時(shí)間，單位時(shí)間s。其中： （6-3）式中橫向空載最快移動(dòng)速度，任務(wù)書(shū)指定為6000mm/min；橫向步進(jìn)電機(jī)步距角，為72°；橫向脈沖

22、當(dāng)量，本例=0.01mm/脈沖。將以上各值代入式（6-3）,算得=1200r/min。設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至轉(zhuǎn)速所需時(shí)間=0.41s，橫向傳動(dòng)鏈總效率=0.7；則由式（6-2）求得：由式（4-10）可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： （6-4）式中 µ導(dǎo)軌的摩擦因素，滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.06;垂直方向的工作負(fù)載，空載時(shí)取0；橫向傳動(dòng)鏈總效率，取0.7。則由式（6-4），得：最后由式（6-1，求得快速空載起動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： （6-5）2）最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（4-13）可知，包括三部分：折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩、

23、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩.相對(duì)于和 很小,可以忽略不計(jì).則有: (6-6)其中，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩T1由式4-14計(jì)算。本設(shè)計(jì)中在對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行計(jì)算的時(shí)候，已知進(jìn)給方向的最大工作載荷F1=.935.69N,則有：= 再由式4-10計(jì)算承受最大工作負(fù)載Fe=2673.4N情況下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后由式6-6，求的最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：（6-7）經(jīng)過(guò)上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： 3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)采用的開(kāi)環(huán)

24、控制，當(dāng)電網(wǎng)電壓降低時(shí)其輸出轉(zhuǎn)矩會(huì)下降，可能造成丟歩，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)Teq來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)，需要考慮安全系數(shù)。本設(shè)計(jì)中取安全系數(shù)K=4，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： (6-8) 對(duì)于前面預(yù)選的130BYG5501型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，由表可知，其最大靜轉(zhuǎn)Tjmax= 20N· m,可見(jiàn)完全滿足式（6-8）的要求。（4）步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定橫向最快工進(jìn)速度=800mm/min,脈沖當(dāng)量=0.01mm/脈沖，由式（4-16）求出電機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率=800/(60×0.01)Hz1333Hz。從130BYG5501的

25、運(yùn)行矩頻特性圖6-4可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf17N·m,遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2=1.78N·m,滿足要求。2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定橫向最快空載移動(dòng)速度=6000mm/min,仿照式（4-16）求出電機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率=6000/(60×0.01)Hz=10000Hz。從圖6-4查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=3.8N·m,大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=2.82N·m,滿足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)速度Vmax=6000mm/min, 對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)

26、行頻率max=10000Hz。查表可知130BYG5501的極限運(yùn)行頻率為20000Hz,可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。4）起動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=57.55kg.cm,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子自身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm=33kg.cm,查表可知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高空載起動(dòng)頻率q=1800Hz。則由式（4-17）可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率為：上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失歩，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于1087Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選的很低，通常只有100Hz（即100脈沖、s）。綜上所述，本設(shè)計(jì)中橫向進(jìn)給系統(tǒng)選用130BYG5501步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，可以滿足

27、設(shè)計(jì)要求。6.同步帶傳遞功率的校核 分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核。（1）快速空載起動(dòng)電動(dòng)機(jī)從靜止到加速至nm=1200/min,由式（6-5）可知，同步帶傳遞的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1=2.82N.m,傳遞的功率為P=nmTeq1/9.55=1200×2.82/9.55W354.3W (2) 最大工作負(fù)載、最快工作速度 由式（6-7）可知，帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2，任務(wù)書(shū)給定最快工進(jìn)速度Vmaxf=800mm/min,對(duì)應(yīng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速nmaxf=(Vmaxf/z) a/360=160r/min. 傳遞的功率為P=nmaxfTeq2/9.55=160×1.78/9.55W2

28、9.8W.可見(jiàn)，兩種情況下同步帶傳遞的負(fù)載功率均小于帶的額定功率0.697KW。因此，選擇的同步帶功率合格。 五、繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖在完成滾珠絲杠螺母副、減速箱和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算、選型后，就可以著手繪制進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的裝配圖了。在繪制裝配圖時(shí)，需要考慮以下問(wèn)題：1) 了解原車(chē)床的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，從有關(guān)資料中查閱床身、床鞍、中滑板、刀架等的結(jié)構(gòu)尺寸。2) 根據(jù)載荷特點(diǎn)和支承形式，確定絲杠兩端軸承的型號(hào)、軸承座的結(jié)構(gòu)，以及軸承的預(yù)緊和調(diào)節(jié)方式。 3) 考慮各部件之間的定位、連接和調(diào)整方式。例如：應(yīng)保證絲杠兩端支承與螺母座同軸，保證絲杠與機(jī)床導(dǎo)軌平行，考慮螺母座、支承座在安裝面上的

29、連接與定位，同步帶減速箱的安裝與定位，同步帶的張緊力調(diào)節(jié)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的聯(lián)接與定位等。4) 考慮密封、防護(hù)、潤(rùn)滑以及安全機(jī)構(gòu)等問(wèn)題。例如：絲杠螺母的潤(rùn)滑、防塵防鐵屑保護(hù)、軸承的潤(rùn)滑及密封、行程限位保護(hù)裝置等。5) 在進(jìn)行各零部件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意裝配的工藝學(xué)，考慮裝配的順序，保證安裝、調(diào)試和拆卸的方便。6) 注意繪制裝配圖時(shí)的一些基本要求。例如：制圖標(biāo)準(zhǔn)，視圖布置及圖形畫(huà)法要求，重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標(biāo)注，重要配合尺寸的標(biāo)注，裝配技術(shù)要求、標(biāo)題欄等。橫向進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)制的裝配圖，如后插頁(yè)的圖6-2六、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)人任務(wù)書(shū)的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的

30、硬件電路時(shí)主要考慮以下功能：1）接收鍵盤(pán)數(shù)據(jù)，控制LED顯示;2）接收控制面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信號(hào);3）接收車(chē)床限位開(kāi)關(guān)信號(hào);4）接收螺紋編碼器信號(hào)；5）接收電動(dòng)卡盤(pán)夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；6）控制X、Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；7）控制主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；8）控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速；9）控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)變速；10）控制切削液泵起動(dòng)/停止；11）控制電動(dòng)卡盤(pán)的夾緊與松開(kāi)；12）控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀；13）與PC機(jī)的串行通信。圖6-5為控制系統(tǒng)的原理框圖。CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52；由于AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27

31、C512用做程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放用戶(hù)程序；鍵盤(pán)與LED顯示采用8279來(lái)管理；輸入/輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口8255芯片，一些進(jìn)/出的信號(hào)均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助與DAC0832；與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過(guò)MAX233芯片。如下圖所示：晶振電路EPROM芯片W27C512SRAM芯片6264鍵盤(pán)與顯示口芯片8279串行接口芯片MAX233并行接口芯片8255CPUAT89S52單片機(jī)復(fù)合電路隔離放大電路隔離放大X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)刀架電動(dòng)機(jī)隔離放大電路隔離放大隔離放大隔離放大電路隔離放大隔離放大電路Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主軸電動(dòng)機(jī)卡盤(pán)電動(dòng)機(jī)切削液泵電動(dòng)