數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)書Y軸.doc

《數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)書Y軸.doc》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)書Y軸.doc（23頁珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

前言 隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品的性能和質(zhì)量的提高。產(chǎn)品的更新?lián)Q代也不斷的加快。因此對(duì)機(jī)床不僅要求迅速適應(yīng)產(chǎn)品零件的換代有教高的精度和生產(chǎn)率，而且應(yīng)有教高的精度和生產(chǎn)率，生產(chǎn)的需要促使數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生。隨著電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床迅速發(fā)展起來。數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步設(shè)計(jì)的必要性可以解決形狀復(fù)雜小批零件的加工問題，穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)率。但是由于受其它條件的限制，例如價(jià)格、精度等問題。所以設(shè)計(jì)改造數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給系統(tǒng)是刻不容緩的。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，其中包括進(jìn)給系統(tǒng)的軸向負(fù)載計(jì)算，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)與選型，滾珠絲杠螺母副的選型計(jì)算，進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析誤差計(jì)算，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型計(jì)算，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)與滾珠絲杠的連接等等。 通過這次綜合課程設(shè)計(jì)，可以達(dá)到以下目的：1、培養(yǎng)綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)技能來解決工程實(shí)際問題的能力；2、強(qiáng)化工程實(shí)踐能力和意識(shí),提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；3、使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、使用計(jì)算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊(cè)、文字表達(dá)等各方面的能力；4、培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和工程經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。 一、進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖所示： 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通?？筛爬橐韵聨追矫妫嚎赡孢\(yùn)行；速度范圍寬；具有足夠的傳動(dòng)剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。 伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求： （1）從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。 （2）電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)間的超載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)超載4-6倍而不損壞。 （3）為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。 （4）電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成的三環(huán)回饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和質(zhì)量大大提高。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和死循環(huán)系統(tǒng)。死循環(huán)控制方式通常是具有位置回饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測(cè)裝置所在位置的不同，死循環(huán)系統(tǒng)又分為半死循環(huán)系統(tǒng)和全死循環(huán)系統(tǒng)。半死循環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測(cè)裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內(nèi)，后者則完全置機(jī)械傳動(dòng)部件于位置環(huán)之外。全死循環(huán)系統(tǒng)的位置檢測(cè)裝置安裝在工作臺(tái)上，機(jī)械傳動(dòng)部件整個(gè)被包括在位置環(huán)之內(nèi)。 開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比死循環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價(jià)低廉。由于影響定位精度的機(jī)械傳動(dòng)裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。 全死循環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機(jī)械傳動(dòng)部件在控制環(huán)內(nèi)，所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而且還與機(jī)械傳動(dòng)部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關(guān)系，故必須對(duì)機(jī)電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全死循環(huán)系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)也較昂貴。死循環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測(cè)裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。交流伺服電機(jī)由于具有可靠性高、基本上不需要維護(hù)和造價(jià)低等特點(diǎn)而被廣泛采用。 直流伺服電動(dòng)機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高，故障多，維護(hù)困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)機(jī)械換向器的換向能力，限制了電動(dòng)機(jī)的容量和速度。電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動(dòng)機(jī)效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)絡(luò)的伺服控制成為可能。 2、 總體設(shè)計(jì)方案的擬定 2.1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。本次設(shè)計(jì)的機(jī)床要求具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)控制系統(tǒng)。 2.2 控制方式的選擇 伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)。 本次設(shè)計(jì)的機(jī)床精度要求高，但考慮到經(jīng)濟(jì)及調(diào)試等問題，選用半閉環(huán)型的控制系統(tǒng)。 2.3 機(jī)械傳動(dòng)方式 目前數(shù)控銑床的縱向和橫向多采用伺服電機(jī)，進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。我們這里擬采用的是滾珠絲杠副傳動(dòng)，以減少摩擦系數(shù)，提高進(jìn)給機(jī)構(gòu)的整體剛度。滾珠絲杠與電機(jī)間用聯(lián)軸器直接連接，以消除間隙。 三、滾珠絲杠副的設(shè)計(jì) 3.1 滾珠絲杠副的計(jì)算 計(jì)算參數(shù)： 工作臺(tái)重量 22Kg 加工對(duì)象重量 8Kg 工作臺(tái)Y向最大行程 500mm Y向進(jìn)給速度 2m/min 進(jìn)給抗力 X250N Y:150N Z:200N 定位精度 0.01mm 重復(fù)定位精度 0.005mm (1) 計(jì)算進(jìn)給軸向力(N) 絲杠上的工作載荷Fm是指滾珠絲鋼負(fù)載驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲鋼所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。它包括三個(gè)力：滾珠絲桿的走刀抗力、工件的重力、作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。矩形導(dǎo)軌的工作載荷的計(jì)算公式為： 式中 K—考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，矩形滑動(dòng)導(dǎo)軌取K=1.4； —滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：貼塑導(dǎo)軌為0.03-0.05，取0.03； G—工作臺(tái)、夾具和刀具的重量，G=309.8=294N。 則 （2）動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)轉(zhuǎn)速時(shí)，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式是工作表面的疲勞點(diǎn)蝕，因此要進(jìn)行動(dòng)載強(qiáng)度計(jì)算，其計(jì)算動(dòng)載荷應(yīng)小于或等于滾珠絲桿螺母副的額定動(dòng)負(fù)荷，即 式中 ——載荷性質(zhì)系數(shù)（平穩(wěn)或輕度沖擊時(shí)為1.0~1.2，中等沖擊時(shí)為 1.2~1.5，較大沖擊或振動(dòng)時(shí)為1.5~2.5）本式中去=1.2； ——硬度系數(shù)（時(shí)為1.0，等于55時(shí)為1.11，等于52.5時(shí)為1.35，等于50時(shí)為1.56，等于45時(shí)為2.40）本式中取=1； L——滾珠絲桿工作壽命，以r為1個(gè)單位； 本次設(shè)計(jì)中，電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器直接相連，減速比i=1，工作臺(tái)的最高進(jìn)給速度達(dá)到2m/min，選用絲桿導(dǎo)程為5mm的絲桿，絲桿的最高轉(zhuǎn)速為1500r/min。故絲桿的最低轉(zhuǎn)速為可取為0，則平均轉(zhuǎn)速n=（1500+0）/2=750r/min故絲桿的工作壽命為 L===675 式中 T——絲桿使用壽命，按設(shè)計(jì)機(jī)床要求取T=15000h； n——絲桿平均轉(zhuǎn)速； 代入上式得 （3）靜強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)轉(zhuǎn)速時(shí)，滾珠絲杠螺母的主要破壞形式為滾珠接觸面上產(chǎn)生較大的塑性變形，影響正常工作。因此，應(yīng)進(jìn)行靜強(qiáng)度計(jì)算，最大計(jì)算靜載荷為 式中 ——滾珠絲桿的最大軸向負(fù)載； ——靜態(tài)安全系數(shù)，當(dāng)為一般運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，=1-2，=2-3，本式中=2.5； 則，上式為= 根據(jù)計(jì)算額定動(dòng)負(fù)載荷和額定靜負(fù)荷初選滾珠絲杠副型號(hào)2505—3型，3列2圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲桿副。其名義公稱直徑為25mm，導(dǎo)程5mm，滾珠直徑3.175mm。額定動(dòng)負(fù)荷9309N，額定靜負(fù)荷21569N。動(dòng)載荷與靜載荷載均滿足要求。 （4）滾珠絲桿支承選擇 滾珠絲杠的支承形式有四種：一端固定，一端自由，這種安裝方式承載能力小，軸剛度低，只是用于短絲桿，一般用于數(shù)控機(jī)床的調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控銑床的立向坐標(biāo)中；一端固定，一端簡支，此種可用于絲桿較長的情況；兩端固定，這種安裝方式適用于承載能力大，高速，高剛度，高精度的機(jī)床。從剛度計(jì)算可以看出，絲桿的支撐方式對(duì)絲桿的剛度影響很大。而采用兩端固定的支承方式，壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速高，絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍，絲杠可以預(yù)拉伸，預(yù)拉伸后可減小絲杠自重下垂和補(bǔ)償熱膨脹且軸承組合的剛度高。 本傳動(dòng)系統(tǒng)的絲桿采用兩端固定的結(jié)構(gòu)形式。初步選用角接觸球軸承36304，既可以承受軸向力，也可以承受徑向力，中間用套筒分開。 （6）傳動(dòng)效率的計(jì)算 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η為 η= 式中 摩擦角——Φ=10′ 摩擦角——=’ η= = =0.960 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率高，這可使絲杠副的溫度變化較小，對(duì)減小熱變形，提高剛度、強(qiáng)度都起了很大作用。 （7）確定滾珠絲杠的長度 滾珠絲杠副的螺紋長度Ls (3-12) 式中： Lv——有效行程+螺母長度，mm； Le——余程，取20mm； (2)絲杠全長L 綜合考慮各項(xiàng)幾何尺寸要求，取L為830mm。 （8）滾珠絲杠基本尺寸 主要尺寸 計(jì)算公式 計(jì)算結(jié)果（mm） 公稱直徑 25 基本導(dǎo)程 5 接觸角 鋼球直徑 3.175 滾道法面半徑R R=0.52 1.651 螺紋升角 γ 偏心距 e e=(R-)sin 0.004 螺桿外徑d d=-（0.2~0.25） 24.2 螺桿內(nèi)徑 d=d+2e-2R 21.7 螺桿接觸直徑 =-cos 18.5 螺母螺紋直徑D D=-2e+2R 28.3 螺母內(nèi)徑 =+（0.2~0.25） 25.8 3.2 滾珠絲杠的校核 （1）壓桿穩(wěn)定性 細(xì)長桿在受壓縮載荷時(shí)，不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大壓縮載荷為臨界載荷。 =(N) 式中 —實(shí)際承受載荷的能力，N； —壓桿穩(wěn)定的支承系數(shù)（雙推—雙推式為4，單推—單推式為1，雙推—簡支式為2，雙推—自由式為0.25）； —鋼的彈性模量，2.1 —滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，； —壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.5~4，垂直安裝時(shí)取小值； —絲桿最大受壓長度，m； —絲杠公稱直徑，m； —滾珠直徑，m。 代入數(shù)據(jù)得 = 臨界載荷與工作載荷Fm之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，當(dāng)=[],則壓桿穩(wěn)定，[]為許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般[]=2.5-4； 此時(shí)=[] 則此絲桿穩(wěn)定。 （2）臨界轉(zhuǎn)速校核 對(duì)于高速長絲杠有可能發(fā)生共振，需要算其臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速 式中 Lc——臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度,取0.4m； ——絲杠支撐方式系數(shù)。 （當(dāng)一端固定，一端自由時(shí)，=1.875；當(dāng)一端固定，一端游動(dòng)時(shí)， =3.927；兩端固定時(shí)，=4.730）。 =25-1.23.969=20.2372mm 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其最大速度，故臨界轉(zhuǎn)速滿足。 （3）傳動(dòng)系統(tǒng)剛度驗(yàn)算 由滾珠絲桿本身的抗壓剛度、支承軸承的軸向剛度、滾珠絲桿副中滾珠與滾道的接觸剛度、折算到滾珠絲桿副上伺服系統(tǒng)剛度、折算到滾珠絲桿副上聯(lián)軸節(jié)的剛度、滾珠絲桿副的抗扭剛度、螺母座、軸承座的剛度形成的綜合剛度K為： 一般在校核計(jì)算中，折算到滾珠絲桿副上聯(lián)軸節(jié)的剛度、滾珠絲桿副的抗扭剛度、螺母座、軸承座的剛度、伺服剛度一般可忽略不計(jì)。則上式可簡化為： （1.1）滾珠絲桿本身的抗壓剛度 已知工作臺(tái)的縱向行程為500mm，當(dāng)螺母移動(dòng)到離定位點(diǎn)最遠(yuǎn)位置時(shí)，距離為最遠(yuǎn)，最大距離為830mm=0.83m。則絲桿拉壓剛度為 =89.1（N/） 式中 ——絲桿底徑 E——絲桿材料鋼的彈性慣量，E= （1.2）絲桿軸承的軸向剛度 滾珠絲杠副的預(yù)加載荷=N，軸向外載荷為導(dǎo)軌摩擦力=fG=0.03309.8=8.82N,故軸向載荷為預(yù)加載荷與軸向外載荷之和，即=+=127.7+8.82=136.5(N)。 絲桿軸承軸向載荷剛度可按下式求得，即 =225.5（N/） （1.3）滾珠絲桿螺母的接觸剛度 查絲桿螺母樣本手冊(cè)得 =657（N/） 則傳動(dòng)系統(tǒng)總和剛度K為 ==62.1（N/） （2）彈性變形量 數(shù)控銑床的定位精度是在不切削空載條件下檢驗(yàn)的。故軸向載荷為預(yù)加載荷與軸向外載荷之和。故因引起的彈性變形量為 故剛度校核合格，符合精度要求。 （4）額定壽命的校核 滾珠絲杠的額定動(dòng)載荷，已知其軸向載荷，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，則有 滾珠絲杠螺母副的總工作壽命，故滿足要求。 四、直流伺服電機(jī)的選擇 伺服電機(jī)的選用，應(yīng)考慮三個(gè)要求：最大切削負(fù)債轉(zhuǎn)矩，不得超過電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩，電機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配（匹配條件可根據(jù)伺服電機(jī)樣本提供的匹配條件，也可以按照一般的匹配規(guī)律）；快速移動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)矩不得超過伺服電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩。 （1） 最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 所選伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩應(yīng)大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩。最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩T可根據(jù)下式計(jì)算，即 T=(++)i= +0.02+0.23=0.6（) 其中，從前面的計(jì)算已知最大進(jìn)給力=374N，絲桿導(dǎo)程=5mm=0.005m，預(yù)緊力=124.7N ，查絲桿樣本，滾珠絲桿螺母副的機(jī)械效率=0.9。因滾珠絲桿預(yù)加載荷引起的附加摩擦力矩 ==124.70.005/29.8=0.02() 查單個(gè)軸承的摩擦力矩為0.115，故一對(duì)軸承的摩擦力矩=0.23。伺服電機(jī)與絲桿直連其傳動(dòng)比i=1。 （2） 負(fù)載慣量計(jì)算 伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子慣量應(yīng)與負(fù)載慣量相匹配。負(fù)載慣量可按以下次序計(jì)算。 ?工件、夾具與工作臺(tái)折算到電機(jī)軸上的慣量： 0.000019() ?絲桿加在電機(jī)軸上的慣量 絲桿名義直徑=25mm，長度l=500m，絲桿材料鋼的密度=7.8。根據(jù)下列計(jì)算，絲桿加在電機(jī)軸上的慣量為 0.00015() ?聯(lián)軸器加上鎖緊螺母等的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可直接查手冊(cè)得到 =0.001 則負(fù)載及機(jī)械傳動(dòng)裝置總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 根據(jù)上述計(jì)算可初步選定伺服電機(jī)。選用直流伺服電機(jī)，可選BL系列無刷直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)為92BL-4015H1-LS-B直流伺服電機(jī)，適配驅(qū)動(dòng)器BL-2203C，其額定轉(zhuǎn)矩為2.6Nm，大于最大切削負(fù)載轉(zhuǎn)矩M=0.6Nm;轉(zhuǎn)子慣量=0.0016，滿足匹配要求。 92BL-4015H1-LS-B型直流伺服電機(jī)的主要技術(shù)參數(shù)如下： 最高轉(zhuǎn)速：1500r/min ； 額定轉(zhuǎn)矩：2.6Nm ； 最大轉(zhuǎn)矩：5.2Nm ； 定位轉(zhuǎn)矩:： 0.08Nm； 額定功率：400W； 額定電壓：220V(AC)； 額定電流：2A； 外形尺寸：； 質(zhì)量：3.6kg。 （3）空載加速轉(zhuǎn)矩計(jì)算 當(dāng)執(zhí)行件從靜止以階躍指令加速導(dǎo)最大移動(dòng)（快速移動(dòng)）時(shí)，所需的空載加速轉(zhuǎn)矩為 空載加速時(shí)，主要克服的是慣性。總慣量 0.001169+0.0016=0.00277（） 則 （Nm） 其中為加速時(shí)間取為0.1s，空載加速轉(zhuǎn)矩不允許超過伺服電機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩。由此可見，92BL-4015H1-LS-B型直流伺服電機(jī)的=5.2Nm>=4.35Nm，滿足設(shè)計(jì)要求。 （4）伺服系統(tǒng)增益 通常取系統(tǒng)增益為8~25.對(duì)輪廓控制的數(shù)控銑床可取較大值。如取=10。伺服系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)=1/=1/10s=0.1s。根據(jù)=。如選用92BL-4015H1-LS-B型直流伺服電機(jī)，執(zhí)行件（工作臺(tái)）達(dá)到的最大加速度為 (m/) 伺服系統(tǒng)要求達(dá)到的最大加速度發(fā)生在系統(tǒng)處于時(shí)間常數(shù)內(nèi)，執(zhí)行件的速度從-增加導(dǎo)+時(shí) 顯然，，因而按照加速能力選擇=10是合適的。如遠(yuǎn)小于a，可適當(dāng)增大值以提高系統(tǒng)的性能。 五、軸承的選擇及校核 (1)初選軸承型號(hào) 根據(jù)實(shí)際工作條件，初步選擇的軸承型號(hào)為36304 GB292-83，主要性能參數(shù)如表所示。 軸承的性能參數(shù) 性能參數(shù) 36304 GB292-83 額定動(dòng)載荷C(kN) 18.5 額定靜載荷C0(kN) 9.95 極限轉(zhuǎn)速（油潤滑）（r/min） 31000 (2)計(jì)算內(nèi)部軸向力S 式中： e——負(fù)荷影響系數(shù)； Fr——軸承所受的徑向力(N)。 因?yàn)榻z杠傳遞運(yùn)動(dòng)，滾動(dòng)導(dǎo)軌承載，所以軸承徑向只承受絲杠給予的重力，非常小忽略不計(jì)，故內(nèi)部軸向力S可計(jì)為0。 (3) 計(jì)算軸承的最大軸向載荷Fa (4)計(jì)算當(dāng)量動(dòng)載荷P和當(dāng)量靜載荷P0 下表為角接觸球軸承當(dāng)量動(dòng)、靜載荷關(guān)系表：P321 e Y 當(dāng) 量 動(dòng) 載 荷 當(dāng) 當(dāng) 0.015 0.38 1.47 0.029 0.40 1.40 0.058 0.43 1.30 當(dāng) 量 靜 載 荷 當(dāng) 當(dāng) 0.087 0.46 1.23 0.120 0.47 1.19 0.170 0.50 1.12 相對(duì)軸向載荷：，所以選取e=0.40，Y=1.40； 當(dāng)量懂載荷： 當(dāng)量靜載荷： （5） 壽命L10h計(jì)算 式中： L10h——滾動(dòng)軸承的基本額定壽命(h)； C——軸承的額定動(dòng)載荷(kN)； P——當(dāng)量動(dòng)載荷(N)； ε——壽命指數(shù)：球軸承ε取3； n——軸承轉(zhuǎn)速，取最大轉(zhuǎn)速，n=1500r/min。 （6） 靜載荷校核 式中： C0——額定靜載荷(kN)； S0——安全系數(shù)，取S0=2； P0——當(dāng)量靜載荷(N)。 3.5.8 極限轉(zhuǎn)速校核 (3-34) 式中： nmax——軸承最高轉(zhuǎn)速； f1——載荷系數(shù)； f2——載荷分布系數(shù)； n1im——極限轉(zhuǎn)速，n1im= 31000r/min。 根據(jù)文獻(xiàn)[10]，f1=0.96，f2=0.91，代入得： 綜上所述，軸承36304GB292-83能滿足壽命、靜載荷、動(dòng)載荷與許用轉(zhuǎn)速的要求。 六、導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)及滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 一、導(dǎo)軌的設(shè)計(jì) 銑床上的直線運(yùn)動(dòng)部件都是沿著它的床身、立柱、橫梁、等支承件上的導(dǎo)軌進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的，導(dǎo)軌的作用概括地說就是對(duì)運(yùn)動(dòng)部件起導(dǎo)向和支承作用，導(dǎo)軌的制造精度及精度保持性對(duì)機(jī)床加工精度有著重要的影響。導(dǎo)軌主要由機(jī)床上兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件的配合面組成一對(duì)導(dǎo)軌副，其中不動(dòng)的配合面成為支承（固定）導(dǎo)軌，運(yùn)動(dòng)的配合面成為運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。 滑動(dòng)導(dǎo)軌具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、接觸剛度大等優(yōu)點(diǎn)。但傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦阻力大，磨損快，動(dòng)、靜摩擦系數(shù)差別大，低速時(shí)易產(chǎn)生爬行現(xiàn)象。目前已不采用傳統(tǒng)滑動(dòng)導(dǎo)軌，而是采用帶有耐磨粘貼帶覆蓋層的滑動(dòng)導(dǎo)軌和新型塑料滑動(dòng)導(dǎo)軌，且已廣泛用于數(shù)控機(jī)床上，其摩擦因數(shù)小，且動(dòng)、靜摩擦因數(shù)差很小，能防止低速爬行現(xiàn)象，耐磨性強(qiáng)等特點(diǎn)。塑料導(dǎo)軌多與鑄鐵導(dǎo)軌或淬硬鋼導(dǎo)軌相配使用。 二、滾珠絲杠螺母副間隙消除和預(yù)緊 滾珠絲杠副是回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與直線運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的一種新型傳動(dòng)裝置，在數(shù)控銑床上得到了廣泛的應(yīng)用。 滾珠絲杠在軸向載荷作用下，滾珠和螺紋滾道接觸區(qū)會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重接觸變形，接觸剛度與接觸表面預(yù)緊力成正比。如果滾珠絲杠螺母副間存在間隙，接觸剛度較小；當(dāng)滾珠絲杠反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母不會(huì)立即反向，存在死區(qū)，影響絲杠的傳動(dòng)精度。為了保證滾珠絲杠反向傳動(dòng)精度和軸向精度，必須消除滾珠絲杠螺母副軸向間隙。消除間隙的方法常采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位移，使兩個(gè)滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺紋滾道的兩個(gè)相反的側(cè)面上，用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時(shí)，應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過大。預(yù)緊力過大會(huì)使空載力矩增加，從而減低傳動(dòng)效率，縮短使用壽命。 通過調(diào)整兩個(gè)螺母之間的軸向位置，使兩個(gè)螺母的滾珠在承受載荷之前，分別與絲杠的兩個(gè)不同的側(cè)面接觸，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力，以達(dá)到提高軸向剛度的目的。 調(diào)整預(yù)緊有多種方式，上圖所示的為螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)，用鍵限制螺母在螺母座內(nèi)的轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)整時(shí)，擰動(dòng)圓螺母將螺母沿軸向移動(dòng)一定距離，在消除間隙之后用另一圓螺母將其鎖緊。這種調(diào)整方法的結(jié)構(gòu)簡單緊湊，調(diào)整方便，但調(diào)整較差。 七、聯(lián)軸器的選用 凸緣聯(lián)軸器是把兩個(gè)帶有凸緣的半聯(lián)軸器有鍵分別與兩軸聯(lián)接，然后有螺栓把兩個(gè)半聯(lián)軸器聯(lián)成一體，以傳遞運(yùn)動(dòng)和轉(zhuǎn)矩。這種聯(lián)軸器有兩種主要的結(jié)構(gòu)形式。一種是普通的凸緣聯(lián)軸器，通常是靠鉸制孔用螺栓來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)軸對(duì)中；另一種是有對(duì)中榫的凸緣聯(lián)軸器，靠一人半聯(lián)軸器上的凸肩與另一個(gè)半聯(lián)軸器睥凹緣相配合而對(duì)中。 凸緣聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，對(duì)于轉(zhuǎn)速不高、無沖擊、軸的剛性大、對(duì)中性好時(shí)常采用，本設(shè)計(jì)選用有對(duì)中榫的凸緣聯(lián)軸器。 八、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 8.1控制系統(tǒng)總體方案的擬定 機(jī)電一體化系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成，控制系統(tǒng)的控制對(duì)象主要包括各種機(jī)床，如車床，銑床，磨床等等，控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示： 數(shù) 控 銑 床 直流電機(jī) 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 通信接口 微 機(jī) 開關(guān)量控制電路 主軸電機(jī) 軟件 主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路 8.2繪制控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 根據(jù)總體方案及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，銑床控制系統(tǒng)選用MCS-51系列單片機(jī)組成，Y方向均采用直流電機(jī)控制，控制系統(tǒng)的功能包括： 1、Y向進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng) 2、鍵盤顯示 3、面板管理 4、行程控制 5、其他功能，例如光電隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示硬件電路主要由以下幾部分組成： 主控器，即中央處理單元（CPU）; 總線，包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線； 存儲(chǔ)器，包括RAM和ROM； 接口，即I/O輸入輸出接口電路； 外部設(shè)備，如鍵盤、顯示器及光電輸入等； 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示： 信號(hào)變 換 CPU I/O接口 RAM/ROM 外 設(shè) 控制對(duì) 象 8.3選擇中央處理單元（CPU）的類型 在微機(jī)控制系統(tǒng)中CPU的選擇主要考慮以下因素： 1、時(shí)鐘頻率和字長，這個(gè)指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的速度； 2、可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量； 3、指令系統(tǒng)功能，影響編程的靈活性； 4、I/O接口擴(kuò)展能力，即對(duì)外部設(shè)備控制的能力； 5、開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟和硬件； 此外，還應(yīng)考慮到系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)合，控制對(duì)象對(duì)各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價(jià)比等經(jīng)濟(jì)性的要求。 綜合考慮以上因素，這里選用8031芯片作為CPU 8.4 I/O接口電路設(shè)計(jì) 8031單片機(jī)共有8個(gè)并行I/O口，但可供用戶使用的只有口和部分口，不能滿足輸入輸出口的需要，因此系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。這里根據(jù)系統(tǒng)功能及需要，擴(kuò)展一片8155和一片8255可編程接口I/O芯片。8155的片選信號(hào)接74LS138的端，8255芯片的片選信號(hào)接74LS138的。74LS138三——八譯碼器有三個(gè)輸入A、B、C分別接8031的口，輸出8個(gè)輸出端，低電平有效。對(duì)應(yīng)輸入A、B、C的000到111的8種組合，其中對(duì)應(yīng)位000，對(duì)應(yīng)111。74LS138還有三個(gè)使能端，其中兩個(gè)（）為低電平使能，另一個(gè)為高電平使能，只有當(dāng)使能端處于有效電平時(shí)，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出高電平無效狀態(tài)。 I/O接口芯片與外部設(shè)備的連接是這樣安排的：8155芯片的作為顯示器段選信號(hào)輸出，是顯示器為選信號(hào)輸出，是鍵盤掃描輸入。8155芯片的I/O引腳接8031的，因此使用8155的I/O，故為高電平。 8255芯片接Y向直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，為輸出。為三個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入，為面板上的選擇開關(guān)鍵輸入，設(shè)有編輯、單步運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)、手動(dòng)Ⅰ、手動(dòng)Ⅱ等方式。 X向、Y向、Z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用YB015，相通五相十拍工作，故引腳接5V，三個(gè)芯片的選通輸出控制分別接8255的，清零接8255的，正反轉(zhuǎn)控制端接8255的，時(shí)鐘的輸入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以解決脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)不同的進(jìn)給速度，可給8155芯片定時(shí)∕計(jì)數(shù)器中設(shè)置不同的時(shí)鐘常數(shù)。 8、 課程設(shè)計(jì)總結(jié) 1、培養(yǎng)綜合運(yùn)用專業(yè)基礎(chǔ)知識(shí)和專業(yè)技能來解決工程實(shí)際問題的能力；2、強(qiáng)化工程實(shí)踐能力和意識(shí),提高本人綜合素質(zhì)和創(chuàng)新能力；3、使本人受到從事本專業(yè)工程技術(shù)和科學(xué)研究工作的基本訓(xùn)練,提高工程繪圖、計(jì)算、數(shù)據(jù)處理、使用計(jì)算機(jī)、使用文獻(xiàn)資和手冊(cè)、文字表達(dá)等各方面的能力；4、培養(yǎng)正確的設(shè)計(jì)思想和工程經(jīng)濟(jì)觀點(diǎn)，理論聯(lián)系實(shí)際的工作作風(fēng)，嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度。 參考文獻(xiàn) 【1】 李金伴 馬偉民《實(shí)用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè)》 北京工業(yè)出版社2009.7 【2】 張建民《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》高等教育出版社2000.7 【3】 王愛玲 武文革等《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床》國防工業(yè)出版社 2008.11 【4】吳宗澤 羅圣國《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè)》高等教育出版社2006.5 【5】 秦大同 謝里陽 現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 化學(xué)工業(yè)出版社 【6】