立式鉆床主軸系統(tǒng)數(shù)控改造的畢業(yè)設(shè)計論文

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　目前中國企業(yè)中機(jī)床設(shè)備老化，不能滿足新技術(shù)、新工藝的生產(chǎn)要求。本文重點介紹Z5140A型臺式鉆床的數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計，將傳統(tǒng)的機(jī)械與現(xiàn)有的數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，使其具有自動進(jìn)給功能，為企業(yè)進(jìn)行設(shè)備的數(shù)控化改造提供了一種有效可行的途徑。

2、 </p><p>　　現(xiàn)有的Z5140A型臺式鉆床經(jīng)改造后提高了加工精度，擴(kuò)大了機(jī)床的使用范圍，并提高了生產(chǎn)率。本論文說明了普通鉆床的數(shù)控化改造的設(shè)計過程，較詳盡地介紹了Z5140A機(jī)械傳動部分的設(shè)計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計。 </p><p>　　通過該改造計劃,改造后的Z5140

3、A型鉆床具備數(shù)控機(jī)床的精度要求，自動化柔性生產(chǎn)的能力。機(jī)床整體能力達(dá)到預(yù)期的要求。Z5140A數(shù)控鉆床主要用于加工各種孔及平面和曲面的銑削。它集中了立式鉆床和銑床的功能。數(shù)控鉆床需要很少人工操作，也沒有機(jī)械操作元件如手柄、搖把等。該鉆床如同其他CNC鉆床，全部工作循環(huán)是在微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)控制下實現(xiàn)的。車削對象改變后，只需改變相應(yīng)的軟件就可適應(yīng)新的需要。由于利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高

4、、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；滾珠絲杠；數(shù)控系統(tǒng) </p><p><b>　　Abstract<

5、/b></p><p>　　At present,Machine tools made in China is aging and can not meet the requirements of new technologies and new processes of production. This paper focuses on the NC Z5140A-type drill press con

6、version programs and MCU system design. Combining the traditional machines with the CNC technology, it can realize automatically feed function and provides a feasible and effective way for the enterprise of equipment'

7、;s transformation with NC. </p><p>　　Existing Z5140-type drill press improves the machining accuracy, expands the scope of machine use and in

8、creases the productivity after transformation. This paper describes the design process of the transformation of the general drilling with NC, introduces the design of the Z5140A mechanical transmission part and numerical

9、 control system part in detail. </p><p>　　After the transformation plan, Z5140A-type drill transformed has the accuracy requirement of

10、CNC machine tools and the automatic flexible production capacity. Machine tools achieve the desired overall capacity requirements. Z5140A CNC drilling machine is mainly used for processing a variety of holes and planar a

11、nd surface milling. It contains the vertical drilling and milling function. CNC drilling and milling machine requires very little manual operation and no operation of machinery components</p><p>　　Key Word：N

12、umerical Control Machine Tools ; Ball Screw; CNC System </p><p><b>　　目 錄&

13、lt;/b></p><p>　　摘 要- 1 -</p><p>　　Abstract- 2 -</p><p><b>　　1緒論- 6 -</b></p><p>　　1.1 立式鉆床的概述- 6 -</p><p>　　1.2 數(shù)控立式鉆床的發(fā)展- 6 -</p&g

14、t;<p>　　1.3 立式鉆床數(shù)控化改造的市場- 8 -</p><p>　　1.3.1 機(jī)床數(shù)控化改造的市場- 8 -</p><p>　　1.3.2 立式鉆床簡介- 9 -</p><p>　　1.4床數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點- 10 -</p><p>　　1.4.1數(shù)控化改造的內(nèi)容- 10 -</p&g

15、t;<p>　　1.4.2 立式鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點- 11 -</p><p>　　2主傳動系統(tǒng)的設(shè)計- 12 -</p><p>　　2.1 立式鉆床數(shù)控化改造設(shè)計任務(wù)- 12 -</p><p>　　2.2 總體方案的確定- 13 -</p><p>　　2.2.1 Z向步進(jìn)電機(jī)與進(jìn)給滾珠絲杠的聯(lián)結(jié)- 13 -

16、</p><p>　　2.2.2 傳動形式的選擇- 15 -</p><p>　　2.2.3 滾珠絲杠副的參數(shù)- 16 -</p><p>　　2.2.4 滾珠絲杠副的組成及特點- 17 -</p><p>　　2.2.5 滾珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)類型- 17 -</p><p>　　2.2.6 滾珠絲杠的支撐形式

17、選擇- 19 -</p><p>　　2.3 Z向進(jìn)給滾珠絲杠副的計算與校核- 22 -</p><p>　　2.3.1主軸鉆削力計算- 22 -</p><p>　　2.3.2滾珠絲杠副的選擇計算- 23 -</p><p>　　2.3.3選擇步進(jìn)電動機(jī)- 26 -</p><p>　　2.4 電主軸選用、

18、冷卻與潤滑- 30 -</p><p>　　2.4.1 電主軸的概述- 30 -</p><p>　　2.4.2 電主軸的冷卻與潤滑- 33 -</p><p>　　2.4.3 電主軸的選用- 35 -</p><p>　　3數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計- 37 -</p><p>　　3.1繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖

19、- 37 -</p><p>　　3.1.1 機(jī)床硬件電路有以下幾部分組成- 38 -</p><p>　　3.2 MCS-51單片機(jī)簡介- 38 -</p><p>　　3.2.1 8031單片機(jī)的基本特性- 38 -</p><p>　　3.2.2 8031芯片引腳及其功能介紹- 40 -</p><p>

20、;　　3.3存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計- 42 -</p><p>　　3.3.1 程序存儲器的擴(kuò)展- 42 -</p><p>　　3.3.2 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展- 44 -</p><p>　　3.3.3 譯碼電路設(shè)計- 45 -</p><p>　　3.4 Ｉ/Ｏ接口擴(kuò)展電路設(shè)計- 45 -</p><p>　　

21、3.4.1 8155通用可編程接口芯片- 45 -</p><p>　　3.4.2 8255可編程接器芯片- 47 -</p><p>　　3.4.3 8255的結(jié)構(gòu)- 48 -</p><p>　　3.5 其它輔助電路設(shè)計- 49 -</p><p>　　3.5.1 8031的時鐘電路- 49 -</p><p

22、>　　3.5.2 越界報警和急停處理電路- 49 -</p><p>　　3.5.3 復(fù)位電路- 49 -</p><p>　　3.5.4 掉電保護(hù)電路- 50 -</p><p>　　3.5.5 鍵盤顯示接口電路- 50 -</p><p>　　4結(jié)論- 51 -</p><p>　　致 謝- 53

23、 -</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)- 54 -</p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1 立式鉆床的概述 </p><p>　　立式鉆床，是主軸豎直布置且中心位置固定的鉆床，簡稱立鉆，它主要分為方柱立鉆和圓柱立鉆兩種。也分

24、為排式立鉆，多軸立式鉆床，坐標(biāo)立式鉆床，轉(zhuǎn)塔立式鉆等。立式鉆床的工作臺和主軸箱可沿立柱導(dǎo)軌調(diào)整位置，以適應(yīng)不同高度的工件。在加工工件前要調(diào)整工件在工作臺上的位置，使被加工孔中心線對準(zhǔn)刀具軸線。加工時，工件固定不動，主軸在套筒中旋轉(zhuǎn)并與套筒一起作軸向進(jìn)給。由于立式鉆床的主軸不能在垂直其軸線的平面內(nèi)移動，轉(zhuǎn)孔時要使鉆頭與工件孔的中心重合，就必須移動工件。因此，立式鉆床只適合加工中小型工件，常用在機(jī)械制造和修配工廠加工中、小型工件的孔。

25、 </p><p>　　1.2 數(shù)控立式鉆床的發(fā)展 </p><p>　　隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和工業(yè)現(xiàn)代化的需要，各種自動化生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)用而生，鉆床廣泛地在我國紡織機(jī)械、石油機(jī)械、印刷機(jī)械、包裝機(jī)械、醫(yī)療器械、航空航天、汽車拖拉機(jī)、橡塑模具以及發(fā)電機(jī)制造、

26、機(jī)床制造等行業(yè)有關(guān)零件的鉆孔加工得到應(yīng)用。 在很早以前，國內(nèi)外就已經(jīng)開始進(jìn)行機(jī)床設(shè)備的整修和技術(shù)的改造，不斷提升機(jī)床的品質(zhì)，不斷改進(jìn)機(jī)床的性能，以提高生產(chǎn)效率。 </p><p>　　近些年來為了加工某些零件上的相互交叉或任意角度、或與加工零件中心線成一定角度的斜孔，垂直孔或平行孔等需要，各個國家而專門開發(fā)研制多種專用深孔鉆床。例如專門為了加工曲軸上的油孔，連桿上的

27、斜油孔，平行孔和飼料機(jī)械上料模的多個徑向出料孔等。如：TBT公司生產(chǎn)的特別適用于加工摩托車到輕型卡車的各種中小型曲軸油孔的BW200-KW深孔鉆床；特別適用于大中型卡車曲軸油孔的BW250-KW深孔鉆床，它們均具有X、Y、Z、W四軸數(shù)控。該公司為了客戶需要,在一條生產(chǎn)線上可以加工多種不同品種的曲軸油孔，于2000年設(shè)計制造了第一臺柔性曲軸加工中心，可以加工2～12缸不同曲軸上所有的油孔。英國MOLLART公司生產(chǎn)制造的專為加工顆粒擠出模

28、具而開發(fā)的具有六等分六根主軸同時加工同一工件上六個孔的專用深孔鉆床。該工件孔數(shù)量多達(dá) 36000個。全都是數(shù)控系統(tǒng)控制的。隨著家電市場銷售量增大，塑料制品增長速度加快，塑料模具制造業(yè)蓬勃發(fā)展，深孔鉆床為了滿足模具上的水孔、射銷孔等孔系的深孔加工。由過去的單一座標(biāo)軸的深孔鉆床加工發(fā)展到需要加工座標(biāo)孔系的多孔加工而開發(fā)的三座標(biāo)數(shù)控深孔鉆床近些年來發(fā)展很快。1995年我公司為了滿</p><p>　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷

29、發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密、復(fù)雜，改型也日益頻繁，對機(jī)床的性能、精度、自動化程度等提出了越來越高的要求。機(jī)械加工工藝過程自動化是實現(xiàn)上述要求的重要技術(shù)措施之一，不僅能提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)率，降低生產(chǎn)成本，還能改善工人的勞動條件。為此，許多企業(yè)采用自動機(jī)床、組合機(jī)床和專用機(jī)床組成自動或半自動生產(chǎn)線。但是，采用這種自動、高效的設(shè)備，需要很大的初期投資以及較長的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，只有在大批量的生產(chǎn)條件（如汽車、拖拉機(jī)、家用電器等工業(yè)主要零件的生產(chǎn)）下，

30、電子電器才會有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。 </p><p>　　1.3 立式鉆床數(shù)控化改造的市場 </p><p>　　機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在機(jī)床上增加微型計算機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預(yù)訂的加工工藝目標(biāo)。</p><p>　　數(shù)控機(jī)床是綜合了微電子、自動控制、自動檢測等

31、先進(jìn)技術(shù)的新型機(jī)床，適宜加工單件或小批量、高精度、品種多、生產(chǎn)周期要求短的零件。當(dāng)變更加工對象時只需要更換零件加工程序，無需對機(jī)床作任何調(diào)整，所以能很好地滿足產(chǎn)品頻繁變化的加工要求。勞動量大大減少，降低了工人的勞動強(qiáng)度。</p><p>　　雖然數(shù)控機(jī)床的優(yōu)勢很大，但是對于制造企業(yè)，單純地靠購買數(shù)控機(jī)床來解決現(xiàn)狀，一方面需要大量的資金投人，另一方面，將原有的普通機(jī)床閑置，勢必造成一種浪費(fèi)。眾所周知，制造業(yè)是我國國

32、民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)和支柱產(chǎn)業(yè)，是推動國家技術(shù)進(jìn)步的中堅力量。我國制造業(yè)水平與西方發(fā)達(dá)國家相比，總體水平偏低，企業(yè)經(jīng)濟(jì)實力有待進(jìn)一步提高。因此為了節(jié)約資金、降低成本，在原來普通機(jī)床的基礎(chǔ)上，進(jìn)行數(shù)控化改造，是一種一舉兩得的有效途徑，既經(jīng)濟(jì)又快捷.。</p><p>　　1.3.1 機(jī)床數(shù)控化改造的市場

33、 </p><p>　　我國目前機(jī)床總量約為400萬臺，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有15.49萬臺，即我國機(jī)床數(shù)控化率不到4％。近10年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬臺，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國機(jī)床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動/半自動機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國和日本自動和半自動機(jī)床占60％以上）。

34、裝備水平不高，更新速度低是制約我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要原因之一。我國大多數(shù)制造行業(yè)使用的裝備是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長等缺點，從而在國際、國內(nèi)市場上缺乏競爭力，直接影響一個企業(yè)的產(chǎn)品、市場、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。 </p><p

35、>　　1.3.2 立式鉆床簡介 </p><p>　　Z5140A鉆床（如圖1.1）是由遼寧省丹東市機(jī)床有限責(zé)任公司研發(fā)、生產(chǎn)幷銷售的立式鉆床，具有精度高，剛性好，扭矩大，噪聲低，變速范圍廣等優(yōu)點，操作集中，使用維修方便。機(jī)床具有攻絲自動反轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，主攻絲可實現(xiàn)自動正反轉(zhuǎn)，對于盲孔和定深孔攻絲極為

36、方便。 </p><p>　　多年來Z5140A型立式鉆床憑借其極高的適用范圍和性價比，在國內(nèi)鉆床銷售市場占有很大的比例。 </p><p>　　圖1.1Z5

37、140立式鉆床</p><p>　　1.4床數(shù)控化改造的內(nèi)容及優(yōu)缺點 </p><p>　　1.4.1數(shù)控化改造的內(nèi)容 </p><p>　　立式鉆床數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點：

38、 </p><p>　?。?）對立式鉆床精度的恢復(fù)以及對鉆床存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)； </p><p>　?。?）數(shù)控化改造，在原立式鉆床上加數(shù)顯裝置，或數(shù)控系統(tǒng)，改造成NC機(jī)床； </p><p>　?。?）翻新，為提高精度、效率和自動化程度，

39、對立式鉆床機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的CNC系統(tǒng)以最新CNC進(jìn)行更新； </p><p>　?。?）技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，滿足新工藝、新技術(shù)的要求，在原有立式鉆床基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高加工水

40、平和檔次。 </p><p>　　1.4.2 立式鉆床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點 </p><p>　?。?）減少投資額、交貨期短

41、 </p><p>　　同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60％～80％的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1/3，交貨期短。 </p><p>　?。?）機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)

42、受限 </p><p>　　所利用的立式鉆床床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的鉆床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來立式鉆床機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。 </p>

43、<p>　?。?）對設(shè)備掌握熟悉、便于操作維修</p><p>　　購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機(jī)床一安裝好，就可以實現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。

44、 </p><p>　?。?）可充分利用現(xiàn)有的條件 </p><p>　　可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。 </p><p><

45、b>　　2主傳動系統(tǒng)的設(shè)計</b></p><p>　　一般鉆床數(shù)控系統(tǒng)改造的總體方案的應(yīng)包括以下內(nèi)容：Z向步進(jìn)電機(jī)與進(jìn)給滾珠絲杠的聯(lián)結(jié)，滾珠絲杠支承結(jié)構(gòu)選擇等；電主軸選用，冷卻與潤滑；Z向進(jìn)給滾珠絲杠副的計算與校核。然后根據(jù)設(shè)計任務(wù)、機(jī)床實際情況和要求提出幾個總體方案，進(jìn)行綜合分析，比較和論證，最后選出一個合理的總體方案。 </p>&l

46、t;p>　　2.1 立式鉆床數(shù)控化改造設(shè)計任務(wù)</p><p>　　立式鉆床進(jìn)給伺服系統(tǒng)設(shè)計計算： </p><p>　　此處為數(shù)控鉆床機(jī)械部分改造設(shè)計，包括脈沖當(dāng)量的確定、滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動計算；伺服電機(jī)的計算和選用；設(shè)計并繪制床示意圖，還有數(shù)控化改造的裝配圖

47、。 </p><p>　　(1)技術(shù)要求： </p><p>　　工作臺重量：80kg

48、 </p><p>　　工件最大重量:150kg </p><p>　　機(jī)床定位精度: 0.01mm

49、 </p><p>　　機(jī)床重復(fù)定位精度: ±0.005mm</p><p>　　工作臺進(jìn)給速度: 1～400mm/min</p><p>　　工作最快移動速度: 10m/min

50、</p><p>　　X軸行程: 600mm</p><p>　　Y軸行程: 600mm</p><p>　　Z軸行程：500mm</p><p>　　工作臺尺寸為：1200×600 </p>

51、;<p>　　鉆孔直徑d=Φ20mm；</p><p>　　進(jìn)給量f=0.3mm/s；</p><p>　　主軸行程L=1200mm。</p><p>　　步距角=1.5º；脈沖當(dāng)量=0.01mm/step；啟動加速時間T=25ms。 </p><p>　　

52、(2)機(jī)床坐標(biāo)設(shè)定 </p><p>　　本機(jī)床使用X軸、Y軸和Z軸組成的直角坐標(biāo)系進(jìn)行定位和插補(bǔ)運(yùn)動。其中，X軸為鉆床平面的左右方向，Y軸為鉆床平面的前后方向，Z軸為主軸的上下方向。

53、 </p><p>　　2.2 總體方案的確定</p><p>　　2.2.1 Z向步進(jìn)電機(jī)與進(jìn)給滾珠絲杠的聯(lián)結(jié) </p><p>　　數(shù)控機(jī)床的進(jìn)給

54、機(jī)構(gòu)，采用伺服電機(jī)或步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲桿連接。一般采用連軸器直連，齒形同步帶連接或運(yùn)用齒輪相連。在許多場合，因結(jié)構(gòu)上的限制。特別是才用的伺服電機(jī)或混合式步進(jìn)電機(jī)后，連軸器直連便成為電機(jī)與滾珠絲桿最為常見的的連接方法。) F3 M3 d" F% G4 x7 \; n, K. _ </p>&

55、lt;p>　　由于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)速度快，如快進(jìn)，快退的速度有是高速達(dá)20M/MIN以上，在整個過程中正反轉(zhuǎn)換頻繁。連軸器承受的瞬間沖擊較大，容易引起連軸器松動和扭轉(zhuǎn)，隨使用時間的增長，其松動和扭轉(zhuǎn)的情況加劇。實際加工時主要表現(xiàn)為各方向運(yùn)動正常，編碼器反饋也正常，系統(tǒng)無報警，而運(yùn)動卻始終無法與指令值相符，加工誤差越來越大，甚至造成加工零件的報廢。出現(xiàn)這種情況時，建議檢查一下連軸器。

56、 </p><p>　　7 H3 Q9 W, O7 E& @連軸器按結(jié)構(gòu)可分為剛性連軸器和繞性連軸器兩種形式，可按其結(jié)構(gòu)分別加以處理。 </p>&

57、lt;p><b>　?。?）剛性連軸器</b></p><p>　　剛性連軸器目前主要采用連軸套和錐銷的連接方法，而且大多進(jìn)給電機(jī)軸上都備有平鍵。這種連接經(jīng)過一段時間使用圓錐銷開始松動，鍵槽側(cè)面的間隙逐漸增大，有時甚至引起錐銷脫落，造成加工零件尺寸不穩(wěn)定，解決的方法有兩種： </p><p>　　! J ?) u- S3 g2 y

58、1 ①采用特制的小頭帶有螺紋的圓錐銷，用螺母加彈性墊片鎖緊，防止圓錐銷因快速轉(zhuǎn)換而引起的松動。該方法能很好的解決圓錐銷松動的問題。彈性銷具有一定的彈性，能分解部分平鍵承受的餓的扭矩。當(dāng)然這種方法因圓錐銷小頭有螺母，必須確保連軸器有一定的回轉(zhuǎn)空間。 </p><p>　?、诓捎靡淮笠恍〉膹椥凿N取代圓錐銷連接，這種

59、方法雖沒有用圓錐銷的連接的精度高，但能很好的解決圓錐銷松動問題，彈性銷具有一定的彈性，能分解部分平鍵的扭矩，而且結(jié)構(gòu)緊湊，裝配也十分方便。經(jīng)在維修中應(yīng)用，效果很好，但裝配時要注意，大小彈性要求互成180度裝配，否則會影響零件加工的精度。 </p><p>　　% T% m4 t% X1 N c（2）繞性連軸器

60、 </p><p>　　繞性連軸器是數(shù)控機(jī)床廣泛采用的連軸器，它能補(bǔ)償因同軸度及垂直度誤差引起的“干涉”現(xiàn)象。在結(jié)構(gòu)容許的情況下，大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)都采用繞性連軸器。但繞性連軸器裝配是很難把握錐套的松緊，如果錐形套漲開后的摩擦力不足，就使絲桿軸頭與電機(jī)軸頭之間產(chǎn)生相對的滑移扭轉(zhuǎn)，造成數(shù)控機(jī)床工作運(yùn)行中，被加工零件的尺寸呈現(xiàn)有規(guī)律的逐漸變化（

61、有大變小或由小變大——，每次的變化基本是恒定的。如果調(diào)整機(jī)床快速移動速度后，這個變化量也會起變化，此時CNC系統(tǒng)并不報警，因為電機(jī)轉(zhuǎn)動是正常的。一旦機(jī)床出現(xiàn)這種情況，單純靠擰緊兩端螺釘?shù)姆椒ú灰欢ㄗ嘈?。解決方法是設(shè)法鎖緊連軸器的彈性錐形套，若錐形套過松，可將錐形套軸向切開一條縫，擰緊兩端的螺釘后，就能徹底消除故障。

62、 </p><p>　　綜上，連軸器直連便成為電機(jī)與滾珠絲桿最為常見的的連接方法。 </p><p>　　2.2.2 傳動形式的選擇 </p><p>　　由于選擇的傳動類型、傳動方式、傳

63、動剛性以及傳動的可靠性對機(jī)電一體化系統(tǒng)的精度、穩(wěn)定性和快速響應(yīng)性有重大影響。因此應(yīng)選擇傳動間隙小、精度高、體積小、重量輕運(yùn)動平穩(wěn)、傳動轉(zhuǎn)矩大的傳動部件。本設(shè)計X、Y工作臺的運(yùn)動方式選擇絲杠螺母機(jī)構(gòu)傳動形式。它主要用來將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動或?qū)⒅本€運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動。絲杠螺母機(jī)構(gòu)有滑動摩擦機(jī)構(gòu)和滾動摩擦機(jī)構(gòu)之分。</p><p>　?。?）滑動摩擦機(jī)構(gòu)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；制造成本低；具有自瑣功能。缺點：摩擦阻力大；傳

64、動效率低。</p><p>　?。?）滾動摩擦機(jī)構(gòu)優(yōu)點：摩擦阻力小；傳動效率高。缺點：結(jié)構(gòu)復(fù)雜；制造成本高。綜上結(jié)合本設(shè)計的實際情況選用滾動摩擦機(jī)構(gòu)。</p><p>　　根據(jù)絲杠和螺母相對運(yùn)動的組合情況起基本傳動形式有以下四種：</p><p>　　①螺母固定、絲杠轉(zhuǎn)動并移動 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；可消除絲杠軸承可能產(chǎn)生的附加軸向竄動；可獲得叫高的 傳動精度；缺點：軸

65、向尺寸不易太長；剛性較差。適用范圍：工作行程較小的場合。</p><p>　?、诮z杠轉(zhuǎn)動、螺母移動 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊；剛性較好、軸向剛度高、運(yùn)動平穩(wěn)、傳動精度高、不易磨損、使用壽命長；缺點：必須限制螺母的轉(zhuǎn)動需加導(dǎo)向裝置、不能自鎖，在用作升降傳動機(jī)構(gòu)時需采取制動裝置，適用范圍：工作行程較大的場合。 </p><p>　?、勐菽皋D(zhuǎn)動、絲杠移動 它需要限制螺母移動個

66、絲杠轉(zhuǎn)動其結(jié)構(gòu)復(fù)雜切占用軸向空間較大 故很少使用。</p><p>　　④絲杠固定、螺母轉(zhuǎn)動并移動 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單緊湊;缺點：使用不方便 一般也很少使用。</p><p>　　綜上結(jié)合本設(shè)計的實際情況選用第二種。</p><p>　　2.2.3 滾珠絲杠副的參數(shù)</p><p>　?。?）螺距t 根據(jù)本設(shè)計的實際要求 選擇t=10。<

67、;/p><p>　?。?）名義直徑D0 按工作滾珠中心圓而定的直徑稱為名義直徑D0，它與承載能力有關(guān)，對于數(shù)控機(jī)床常用的進(jìn)給絲杠，其名義直徑一般為20~80毫米。</p><p>　?。?）滾珠直徑d0 滾珠絲杠副的滾珠直徑d0是按軸承廠家制造的滾珠尺寸來選用，從承載能力而言，滾珠直徑盡可能選大一點。但螺距t確定后，滾珠直徑d0是受絲杠相鄰兩螺紋間的凸起部分所限制。一般而言，滾珠直徑d0

68、0.6t毫米，本設(shè)計選取d0=3毫米</p><p>　?。?）滾珠的工作圈數(shù)j和工作滾珠總數(shù)N 根據(jù)經(jīng)驗滾珠第一圈所受的軸向負(fù)載約占總負(fù)載的50%，第二圈約30%，第三圈約20%。因此，滾珠絲杠螺母副中每個循環(huán)回路滾珠的工作圈數(shù)j=2.5~3.5圈，工作圈數(shù)j>3.5意義不大。關(guān)于滾珠總數(shù)N，一般不超過150個，做到分布均勻且能承受足夠的負(fù)載。</p><p>　　2.2.4 滾

69、珠絲杠副的組成及特點 </p><p>　　滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機(jī)構(gòu)，它由絲桿、螺母、滾珠、反向器</p><p>　　圖2.1滾珠絲杠副構(gòu)成原理</p><p>　　四部分組成。如圖2.1。當(dāng)絲桿轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動，為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺旋槽兩端設(shè)有滾珠回程引導(dǎo)裝置構(gòu)成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動的逼和通路。滾珠絲杠副與滑

70、動絲杠副相比，除了上述優(yōu)點外，還具有周向剛度高、運(yùn)動平穩(wěn)、傳動精度高、不易磨損、使用壽命長等優(yōu)點。</p><p>　　2.2.5 滾珠絲杠副的典型結(jié)構(gòu)類型</p><p>　?。?）螺紋滾道型面（法向）的形狀及主要尺寸</p><p>　　我國生產(chǎn)的滾珠絲杠副的螺紋滾道有單圓弧型和雙圓弧型，見圖2.2。滾道型面與滾珠接觸點，法線與絲杠軸向之垂線間的夾角β稱為接觸角

71、，一般為45度。單圓弧型的螺紋滾道的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化，如圖2.2a，主要由軸向在乎所引起的接觸變形的大小而定。Β增大是，傳動效率、軸向剛度以及承載能力也隨之增大。由于單圓弧型滾道加工用砂輪成型較簡單，故容易得到較高的加工精度。單圓弧型面的滾道圓弧半徑R稍大于滾珠半徑rb。</p><p>　　圖2.2 螺紋滾道法向截面形狀</p><p>　　雙圓弧型的螺紋滾道的接觸角 β

72、在工作過程中基本保持不變。如圖2.2b，兩圓弧相交處有一小空隙?？墒?jié)L道底部與滾珠不接觸，并能存儲一定的潤滑油以減小摩擦磨損。由于對加工取型面的砂輪進(jìn)行修整和加工、檢驗均較困難，故加工成本較高。故本設(shè)計采用單圓弧型的螺紋滾道。</p><p>　?。?）滾珠的循環(huán)方式分內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種</p><p>　　內(nèi)循環(huán)方式的滾珠在循環(huán)過程中始終與四桿表面保持接觸；外循環(huán)方式中的滾珠在循環(huán)反向時

73、，離開絲桿螺紋滾道，在螺母體內(nèi)或外做循環(huán)運(yùn)動分三中形式。 ①螺旋槽式； ②插管式； ③蓋端式。</p><p>　　本設(shè)計選用外循環(huán)螺旋槽式。如圖4.3與圖4.4</p><p>　　4.3 外循環(huán)的滾珠絲杠</p><p>　　圖4.4 外循環(huán)螺旋槽式</p><p>　　圖4—4 外循環(huán)螺旋槽式</p&g

74、t;<p>　　圖4—4 外循環(huán)螺旋槽式</p><p>　　圖4.4 外循環(huán)螺旋槽式</p><p>　　2.2.6 滾珠絲杠的支撐形式選擇 </p><p>　　滾絲杠副的安裝方式一般叫做滾珠絲杠副的支承形式，通常共四種典型的支承形式，支承形式不同，所

75、容許的軸向載荷和容許的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速也有所不同，應(yīng)根據(jù)工況適當(dāng)選擇。為便于評估，絲杠旋轉(zhuǎn)類每種支承形式后面給出表征其穩(wěn)定性的“穩(wěn)定性系數(shù)K2”，K2越大表示該形式越穩(wěn)定。 </p><p>　　（1）固定—固定”型：K2=4

76、 </p><p>　　適用于高轉(zhuǎn)速、高精度的場合。該形式兩端分別分別由一對軸承約束軸向和徑向自由度，負(fù)荷由兩組軸承副共同承擔(dān)。也可以使兩端的軸承副承受反 向預(yù)拉伸力，從而提高傳動剛度。在定位要求很高的場合，甚至可以根據(jù)受力情況和絲杠熱變形趨勢精確設(shè)定目標(biāo)行程補(bǔ)償量，進(jìn)一步提高定位精度。“固定—固定”型有時也被 片面地叫做“雙推－雙推”，由于此形式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，調(diào)整較難，因此一般僅在定位要求很高時采用。

77、 </p><p>　　（2）“固定—游動”型：K2=2 </p><p>　　適用于中轉(zhuǎn)速、高精度的場合。該形式一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度，另一端由單個軸承約束徑向自由度，負(fù)荷由一對軸承副承擔(dān)，游動的 單個軸承能防止懸臂撓度，并消化由熱變形產(chǎn)生的

78、應(yīng)力。“固定—游動”型有時也被片面地叫做“雙推－支承”。此形式結(jié)構(gòu)較簡單，效果良好，應(yīng)用廣泛。 </p><p>　?。?）“支承—支承”型：K2=1 </p><p&

79、gt;　　適用于中轉(zhuǎn)速，中精度的場合。該形式兩端分別設(shè)一個軸承，分別承受徑向力和單方向的軸向力，隨負(fù)荷方向的變化，分別由兩個軸承單獨承擔(dān)某一方向的力。由于支承點隨受力方向變化，定位可控性較低。此形式結(jié)構(gòu)簡單，受力情況較差，應(yīng)用較少。   </p><p>　?。?）“固定—自由”型：K2=0.25

80、 </p><p>　　適用于低轉(zhuǎn)速，中精度，軸向長度短的場合。該形式一端由一對軸承約束軸向和徑向自由度，另一端懸空呈自由狀態(tài)，負(fù)荷均由同一對軸承副承擔(dān)，并且需克服絲杠回轉(zhuǎn)離心力造成的彎矩?！肮潭ā杂伞毙陀袝r也被錯誤地叫做“雙推－自由”。此形式結(jié)構(gòu)簡單，受力情況差，但在行程小、轉(zhuǎn)速低時 也經(jīng)常用到。  

81、 </p><p>　　2.3 Z向進(jìn)給滾珠絲杠副的計算與校核</p><p>　　2.3.1主軸鉆削力計算 </p><p>　　刀具選用材料為高速鋼麻花鉆，加工材料為45號

82、鋼，鉆削軸向力和扭矩M的經(jīng)驗公式如下。（查[1] 第七篇公式(7.1-37)和(7.1-38)）</p><p>　　N （1）</p><p>　　N·m （2）</p><p>　　式中，、——軸向力、扭矩系數(shù)； ——切削速度，m/min；、——速度系數(shù)；d——鉆孔直徑，mm；、——鉆孔

83、直徑系數(shù)；f——進(jìn)給量，mm；、——進(jìn)給量系數(shù)。 </p><p>　　、d、f見畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書, 查[1]第七篇表7.1-31，=108.4，=0.129，=0.903，=0.956, =57.4,=0.05，=1.812，=0.918，代入式（1）和（2）求出F和M。</p>&

84、lt;p><b>　　=</b></p><p>　　=47595N·m </p><p>　　2.3.2滾珠絲杠副的選擇計算</p><p>　　（1）確定滾珠絲杠副的導(dǎo)程Ph</p><p><b>　?。?）</b></

85、p><p>　　—滾珠絲杠副的計算導(dǎo)程，mm； </p><p>　　—脈沖當(dāng)量，mm/step；</p><p>　　—步距角，º；和見任務(wù)書。 </p&g

86、t;<p><b>　　i—傳動比。</b></p><p>　　因鉆床伺服電機(jī)與滾珠絲杠副通過聯(lián)軸器直接傳遞力矩，因此傳動比i=1，則</p><p>　　滾珠絲杠副的計算導(dǎo)程=2.4，查[5]表15-23《滾珠絲杠滾動副的參數(shù)》，基本導(dǎo)程=10＞計算導(dǎo)程=2.4。</p><p>　　（2）確定作用在滾珠絲杠上的垂直進(jìn)給牽引力

87、（軸向力）</p><p>　?。?） </p><p>　　式中，f—鉆床主軸摩擦系數(shù)，f=0.05～0.1。（查參考文獻(xiàn)[4]中表2-3 進(jìn)給牽引力的計算）。 </p><p

88、><b>　　將和M代入式（4）</b></p><p><b>　　= </b></p><p>　　（3）滾珠絲杠副的設(shè)計計算 </p><p><b>　　必須的額定動載荷&l

89、t;/b></p><p><b>　　（5）</b></p><p>　　—必須的額定動載荷，N；</p><p>　　n—滾動絲杠轉(zhuǎn)速，r/min，； </p><p>　　—最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高切削進(jìn)給速度v的（1/2～1/3），m/min；見任務(wù)書。

90、 </p><p>　　—預(yù)期工作時間（小時），查[3]表15-22 數(shù)控機(jī)床。</p><p>　　絲杠轉(zhuǎn)速n==333.3 r/min，將n和代入式（5） </p><p>　　查[3]表15-24,FF型滾珠絲杠副表中查到額定動負(fù)荷=50 K

91、N，即滾珠絲杠副型號為FFZD3210-5，公稱直徑=32mm，基本導(dǎo)程=10 mm。 </p><p>　?。?）滾珠絲杠穩(wěn)定性驗算</p><p><b>　　臨界載荷</b></p><p>　　N

92、（6）</p><p>　　式中，E—螺桿材料的彈性模量，E=2.06N/mm；</p><p>　　—螺桿危險截面的軸慣性矩</p><p><b>　　mm</b></p><p>　　—長度系數(shù)，查[3]表15-7，按一端固定，一端鉸支，=0.7；</p><p>　　—絲杠底徑，mm，=；

93、</p><p>　　—滾珠絲杠公稱直徑，mm；</p><p><b>　　—鋼球直徑，mm；</b></p><p>　　—滾珠絲杠的螺紋全長，mm， </p><p>　　≈工作臺最大行程+ 螺母長度 +

94、 兩個安全行程 ≈工作臺最大行程L+(8～14)，工作臺最大行程L見任務(wù)書；</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　則，按[3]表15-3，穩(wěn)定條件為2.5～4，所以，滿足穩(wěn)定性。</p><p>　?。?）滾珠絲杠剛度驗算</p><p>　　按最不利情況考慮，即在螺距（應(yīng)為導(dǎo)程）內(nèi)受軸向力引起

95、的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起的彈性變形方向一致，此時變形量為最大，計算公式為</p><p>　　mm （7）</p><p>　　式中， </p><p>　　導(dǎo)程角，滾動摩擦系數(shù)為0.003～0.00

96、4，則滾珠絲杠的當(dāng)量摩擦角一般為=10； </p><p>　　剪切彈性模量G=7.94 N/mm。</p><p>　　每米螺桿長度上的螺距的彈性變形小于允許變形</p><p><b>　　=</b>&l

97、t;/p><p>　　[]按滾珠絲杠精度由[3]表15-8查得。一般數(shù)控銑床的滾珠絲杠應(yīng)選3級，[]=15 。所以，滾珠絲杠剛度合格。</p><p><b>　　（6）效率計算</b></p><p>　　滾珠絲杠的傳動效率

98、 </p><p>　　2.3.3選擇步進(jìn)電動機(jī) </p><p><b>　　（1）傳動慣量計算</b></p><p>　　因電機(jī)與滾珠絲杠直接相連，沒有齒輪傳動，則絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量</p><p><b>　?。?）</b></p><p>

99、;　?、贊L珠絲杠慣量 kg </p><p>　?、诠ぷ髋_質(zhì)量折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量 （10）</p><p>　　③電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略。

100、 </p><p>　　計算得： </p><p>　　帶入到（9）中算的：</p><p>　?。?）所需轉(zhuǎn)動力矩計算</p><p>　　快

101、速空載啟動時所需力矩</p><p>　　最大切削負(fù)載時所需力矩</p><p><b>　　快速進(jìn)給時所需力矩</b></p><p>　　式中：—空載啟動時折算到電動機(jī)軸上的加速度力矩，，—快速移動時的轉(zhuǎn)速， r/min；和啟動加速時間T見任務(wù)書。</p><p>　　—折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩， ；導(dǎo)軌摩擦力，摩擦

102、系數(shù)見2) =0.12～0.13，估取傳動鏈總效率=0.7～0.85。</p><p>　　—由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電動機(jī)軸上的附加摩擦力矩， ；—滾珠絲杠未預(yù)緊時的效率，一般0.90；進(jìn)給牽引力（軸向力）見3中2)。</p><p>　　—切削時折算到電動機(jī)軸上的加速度力矩，；切削時的轉(zhuǎn)速r/min，切削速度見任務(wù)書。

103、 </p><p>　　—折算到電動機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩， ；鉆削進(jìn)給分力見2。</p><p>　　（3）選擇步進(jìn)電動機(jī)</p><p>　　分別計算出、和，選數(shù)值最大的力矩作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。在上述3種工況下，以快速空載起動時所需力矩最大，=2.504N·m。</p><p>　　查資料，根據(jù)步進(jìn)電動機(jī)

104、的相數(shù)和拍數(shù)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時過載系數(shù)選取如表所示。 </p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)矩的瞬時過載系數(shù)</p><p>　　當(dāng)步進(jìn)電機(jī)以三相六拍工作時 ，</p><p><b>　　需要的最大靜轉(zhuǎn)矩&l

105、t;/b></p><p><b>　　N·m</b></p><p>　　查[1]，在110BF003 型步進(jìn)電機(jī)的技術(shù)參數(shù)中可查得其最大靜轉(zhuǎn)矩7.84N·m ，大于所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩，可以作為初選型號，但還須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動特性。

106、 </p><p>　　計算步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率 Hz</p><p>　　和見任務(wù)書。計算出=3333.3Hz，從資料中查得110BF003 型步進(jìn)電機(jī)的空載起動頻率1500Hz ，小于所需步進(jìn)電機(jī)空載起動頻率，直接使用110BF003 型步進(jìn)電機(jī)起動和停止時容易產(chǎn)生失步相象，所以必須采取升降速

107、控制（用軟件實現(xiàn)）。 </p><p>　　2.4 電主軸選用、冷卻與潤滑 </p><p>　　2.4.1 電主軸的概述 </p><p>　　由于高

108、速加工不但可以大幅度提高加工效率，而且還可以顯著提高工件的加工質(zhì)量，所以其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，特別是在航空航天、汽車和模具等制造業(yè)中。于是，具有高速加工能力的數(shù)控機(jī)床已成為市場新寵。目前，國內(nèi)外各著名機(jī)床制造商在高速數(shù)控機(jī)床中廣泛采用電主軸結(jié)構(gòu)，特別是在復(fù)合加工機(jī)床、多軸聯(lián)動、多面體加工機(jī)床和并聯(lián)機(jī)床中。電主軸是高速數(shù)控加工機(jī)床的“心臟部件”，其性能指標(biāo)直接決定機(jī)床的水平，它是機(jī)床實現(xiàn)高速加工的前提和基本條件。如圖（2.1）。

109、 </p><p>　　圖2.1 電主軸圖 </p><p>　?。?）電主軸的工作原理</p><

110、p>　　電主軸就是直接將空心的電動機(jī)轉(zhuǎn)子裝在主軸上，定子通過冷卻套固定在主軸箱體孔內(nèi)，形成一個完整的主軸單元，通電后轉(zhuǎn)子直接帶動主軸運(yùn)轉(zhuǎn)。高速電主軸電機(jī)的繞組相位互差120°, 通以三相交流電后, 三相繞組各自形成一個正弦交變磁場, 磁場轉(zhuǎn)速就是電主軸的同步轉(zhuǎn)速。異步電動機(jī)的同步轉(zhuǎn)速n 由輸入電機(jī)定子繞組電流的頻率f 和電機(jī)定子的極對數(shù)P 決定( n = 60f / P) 。電主軸就是利用變換輸入電動機(jī)定子繞組的電流的頻