【文章內(nèi)容簡介】 有了原理性構(gòu)思，還要提出實現(xiàn)該功能原理的技術(shù)途徑。沒有合理的可行的技術(shù)途徑來保障，好的原理性構(gòu)思就成為空想。 擬訂總體方案 功能原理構(gòu)思和技術(shù)路線確定后，對運動、布局、傳動、結(jié)構(gòu)、控制以及軟件等方面作出總體方案設(shè)計。方案可以同時作幾個，經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟評價后，選擇其中一種較合理的作為最優(yōu)方案加以采用。比如，普通銑床的數(shù)控化改造方案應(yīng)該在滿足改造設(shè)計任務(wù)的前提下，盡可能對普通銑床作較少改動，這樣可以降低改造成本。 二、機械傳動系統(tǒng)的改造方案的確定 在熟悉原機床的操作過程及傳動系統(tǒng)后，根據(jù)設(shè)計要求確定系統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)改造方案。包括電機型號的選擇，減速比的確定，齒數(shù)模數(shù)及齒數(shù)的確定，原有絲杠及導(dǎo)軌是否重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時絲杠螺母副的型號及安裝形式如何確定，導(dǎo)軌的設(shè)計方法等。 X502 型銑床的外形及傳動系統(tǒng)如圖 所示。工件裝在機床的工作臺上，銑刀裝在轉(zhuǎn)動的刀桿上，銑刀和工件相互間的位置可用縱向、橫向和升降進給機構(gòu)進行調(diào)整。 根據(jù)實際要求可對機械部分進行如下的改動：保留機床的原有主軸旋轉(zhuǎn)部分 ；保留原機床縱向進給的機動部分，將離合器脫開，去掉手輪 43，將手輪軸通過一對齒輪與步進電機相連，用步進電機控制系統(tǒng)控制縱向工作臺的 9 移動；工作臺橫向運動改為通過一對齒輪與步進電機相連的數(shù)控系統(tǒng)控制，工作臺升降移動仍用手動。為了保證精度要求，橫向及縱向工作臺的絲杠為滾 珠絲杠副傳動 。 X502 銑床外形及傳動系統(tǒng) 三、微機控制系統(tǒng)方案的確定 微機控制系統(tǒng)的總體組成 數(shù)控部分采用 MCS51 系列的單片機控制，其典型代表有 803 805AT89S51 等，其中 AT89S51 的 價格低，功能強，使用靈活等特點，比較適用于一般機床的數(shù)控改造，但由于其無內(nèi)存，必須外接存儲及 I/O 擴展芯片才可成為一個較簡單的微機控制系統(tǒng)。 存儲芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及 CPU 的字長， I/0 擴展芯片的個數(shù)根據(jù)整個系統(tǒng)需要的 I/0 通道的個數(shù)來確定。 軟硬件任務(wù)合理分配 涉及軟硬件任務(wù)分配的有：控制步進電機的脈沖發(fā)生于脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。 上述三個都可以用專用硬件芯片實現(xiàn)，也可用軟件編程實現(xiàn)。用硬件實現(xiàn)，編程比較簡單，但同時硬件成本及故障。用軟件實現(xiàn)，可節(jié)省 芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實現(xiàn)時，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，同時還 應(yīng) 根 據(jù) 設(shè) 計 者 的 軟 硬 件 方 面 的 實 際 經(jīng) 驗 及 能 力 。 10 第二章 機床進給伺服系統(tǒng) 機械部分 (橫向 )的設(shè)計計算 第一節(jié) 工作載荷分析及計算 根據(jù)指導(dǎo)書的分析，對于數(shù)控銑床來說，可采取按切削用量計算切削力法和按主電機功率法計算切削力計算切削力法兩種。一般來說，對于經(jīng)濟型數(shù)控銑床，可采用按主電機功率計算切削力法。 一、銑削抗力分析 通常都假定銑削時銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒的某一點上。設(shè)刀齒受到的切削抗力的合力為 F，將 F 沿銑刀軸線、徑向和切向進 行分解，則分別為軸向銑削力 Fx，徑向銑削力 Fy 和切向銑削力 Fz。切向銑削力 Fz 是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床主電機功率（即銑削功率）最多，因此，切向銑削力 Fz 可按銑削功 Pm（ kw）或主電機功率 Pe（ kw）算出。 對于現(xiàn)有的機床的改裝設(shè)計，可以從已知機床的電機的功率和主軸上的功率反推出工作臺進給時的銑削力。若該機床的主傳動和進給傳動均用一個電機，進給傳動的功率較小，可在主傳動功率上乘以一個系數(shù)。由機床設(shè)計手冊查得銑床傳動系數(shù) k=。 主傳動功率 N包括切削功率 Nc、空載功率 Nmo、附加功率 Nmc 三部 分，即：N=Nc + Nmo + Nmc?？蛰d功率 Nmo 是當(dāng)機床無切削負(fù)載時主傳動系統(tǒng)空載所消耗的功率，對于一般輕載高速的中、小型機床，可達(dá)總功率的 50%，現(xiàn)取Nmo = ，附加功率 Nmc 是指有了切削載荷后所增加的傳動件的摩擦功率，它直接與載荷大小有關(guān)?？梢杂孟率接嬎?， Nmc = (1– η )Nc，所以總功率為： N=Nc + + (1– η )Nc (KW) 則： Nc= 2 η－ (KW) 在進給傳動中切削功率 11 Nct = kNc = 2 ηk － (KW) 上式中 k銑床的傳動系數(shù)，查《機床設(shè)計手冊》得 k= η 為傳動效率，可由下式計算 η ＝ 主 軸 上 的 傳 動 功 率主 電 機 的 功 率 由題設(shè)給定的已知條件可知，主軸上的傳動功率 N= KW，主電機的功率 N電 機 = KW。則 η = = 所以： Nct = ? ?? = (KW) 切削時在主軸上的扭矩為： Mn = 955000Nctn = ＝ ? (N cm) 上式中 n主軸的最小轉(zhuǎn)速，由題設(shè)條件知 n = (r/min) 切向切削力 6 1 8 8 8 3 7 8 2 4 0dMn ???Fz (N) 上式中 d銑刀的最大直徑 (cm)，由題設(shè)條件知 d = 32 mm 二、計算進給工作臺工作載荷 Ff、 Fe、 Ffn 作用在進給工作臺上的合力 F’ 與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合力 F 大小相同，方向相反。合力 F’ 就是設(shè)計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺縱向進給方向載荷 Ff,工作臺橫向進給方向載荷 Fe和工作臺垂直進給方向載荷 Ffn。 根據(jù)《機電一體化方向?qū)I(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書》（以下簡稱指導(dǎo)書）第三章表 3－ 1 可計算出四組 Ff、 Fe、 Ffn（取范圍的 值計算最大值）。 （ 1）組：端銑 — 對稱銑削 Ff= Fz= = (N)) Fe = Fz= =(N) 12 Ffn = Fz= = (N) （ 2）組：端銑 — 逆銑 Ff== =(N) Fe = Fz= =(N) Ffn = Fz= = (N) （ 3）組：端銑 — 順銑 Ff== = (N) Fe = Fz= = (N) Ffn = Fz= =(N) （ 4）組：周銑 — 逆銑 Ff == = (N) Ffn = Fz= = (N) Fe = Fz= =(N) （ 5）組：周銑 — 順銑 Ff == =(N) Ffn = Fz= =(N) Fe = Fz= =(N) 第二節(jié) 滾珠絲杠螺母副的選型和校核 一、滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型的選擇 因為所要改裝的銑床為普通銑床，精度要求并不是很高，在使用過程中不需要調(diào)整，加工過程中無沖擊運轉(zhuǎn)。根據(jù)上述實際條件，并考慮到經(jīng)濟成本問題，通過查指導(dǎo)書第三章表 3－ 28 和表 3－ 29，可以初步選用“ 內(nèi)循環(huán)浮動式雙螺母墊片預(yù)緊（ FMD） ”這種結(jié)構(gòu)類型的滾珠絲杠螺母副。它具有結(jié)構(gòu)簡單，工藝性優(yōu)良，承載能力較高；剛度高，預(yù)緊可靠，不易松弛等優(yōu)點。它主要適用于重載荷、高剛度、高速驅(qū)動及較精密的定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用得較廣泛的結(jié)構(gòu)。 二、滾珠絲杠螺母副型號的選擇及校核步驟 13 計算最大工作載荷 由題設(shè)已知條件，銑床導(dǎo)軌的類型為綜合導(dǎo)軌。再查指導(dǎo)書第三章表 3－ 4可知計算最大工作載荷 mF 的公式為 )(39。Fm GFzfK F x ??? 該式中：進給方向載荷 Fx= Ff,橫向載荷 Fy= Fe,垂直載荷 Fz= Ffn。K = 。 取 f’ = （ f’ =～ ）（摩擦系數(shù)）； G 為工作臺及夾具總重量的 1/2。由題設(shè)已知條件可得 G = 500 N。 將以上數(shù)值及先前計算得到的四組 Ff、 Ffn數(shù)據(jù)代入上式，可得到四組相應(yīng)的 mF 的最大值 （ 1）組： Fm= + (+500)= (N) （ 2）組： Fm= + (+500)=(N) （ 3）組： Fm= + (+500)= (N) （ 4）組： Fm= + (+500)= (N) （ 5）組： Fm= + (+500)= (N) 由以上計算數(shù)據(jù)可知，第（ 4）組算得的 mF 值 較大。故最大工作載荷為 Fm=(N) 計算最大動負(fù)載 C 最大動載荷 C 可由下式計算 3 w H mC L f f F? ———— (1) (1)式中：各參數(shù)見指導(dǎo)書 Hf 硬度系數(shù)，選 Hf ＝ 1(HRC≥ 58) wf 運轉(zhuǎn)系數(shù)，選 wf ＝ (有沖擊運轉(zhuǎn) ) L 壽命系數(shù)，由下式計算 66010nTL? ———— (2) (2)式中： T使用壽命 (h)，對于數(shù)控機床 T=15000(h) n絲杠轉(zhuǎn)速 (r/min)，可由下式計算 01000 sVn L? ———— (3) 14 (3)式中： sV 最大切削力條件下的橫向進給速度 (m/min)，查任務(wù)書為540(mm/min) 可取最高切削進給速度的 1/2～ 1/3，現(xiàn)取 1/3，即 sV =31 (m/min)=(m/min) 基本導(dǎo)程為 4 mm 時： 40 . 5410 0. 1810 0015 00 060L10 00 V10 T60L 60 S6 ?? ????? n 2 3 0 9 6 . 4 94 2 0 3 . 5 211 . 64 0 . 5C 3 ????? 基本導(dǎo)程為 5 mm 時： 3 2 . 4510 0 . 1810001 5 0 0060L1 0 0 0V10 T60L 60 S6 ?? ????? n 2 1 4 4 1 . 1 54 2 0 3 . 5 211 . 63 2 . 4C 3 ????? 基本導(dǎo)程為 6 mm 時： 27 . 0610 0. 1810 0015 00 060L10 00 V10 T60L 60 S6 ?? ????? n 2 0 1 7 6 . 9 04 2 0 3 . 5 211 . 62 7 . 0C 3 ????? 通過查《機電一體化技術(shù)手冊》表 可知當(dāng)選用內(nèi)循環(huán)時 知當(dāng)基本導(dǎo)程為 5mm時，不滿足條件 CCa 的要求 。 故只能選基本導(dǎo)程為 5mm 或 6mm的絲杠，公稱直徑在 50mm 中選擇， 5mm 導(dǎo)程絲杠只能選擇公稱直徑為 50mm,列數(shù) ?圈數(shù)為 2?；而 6mm 導(dǎo)程絲杠可在公稱直徑為 50mm 中選擇，列數(shù) ?圈數(shù)為 1?。 η 傳動效率可由下式計算 ? ?tgtg ?? ??? ? 上式中： ? 絲杠螺旋升角 15 ? 摩擦角。滾珠絲杠副的摩擦角約 ? ?39。10 （ 1）選公稱直徑 0d =50mm 1）基本導(dǎo)程為 5mm： 查得它的承載能力 Ca為 24811N，螺旋升角 ? 為 1239。491? ， 滾珠直徑 qd為 螺距 =3mm, 因為 CaC=(N)。 )39。101239。491t an ( 1239。491t an)t an (t an ???? ???? ?? ?? 故滿足要求。 2）基本導(dǎo)程為 6mm： 查得它的承載能力 Ca為 23772N，螺旋升角 ? 為 2439。112? ， 滾珠直徑qd 為 螺距 = 3 2 )39。102439。112t an (2439。112t an)t an (t an ???? ???? ?? ?? 故滿足設(shè)計要求。 通過以上公稱導(dǎo)程為 5mm 和 6mm 的對比，依照承載能力以及精度要求選擇公稱直徑為 50mm 的導(dǎo)程 5mm和 6mm 的滾珠絲杠。 剛度驗算 (1)絲杠的拉伸或壓縮變形量 1? 當(dāng)絲杠進行了預(yù)緊，且預(yù)緊力為最大工作載荷的 1/3 時，其實際變形量為： 1 044 mFLL LL E F? ? ? ? ? ? (拉伸為＋，壓縮為－ ) 上式中： E材料彈性模數(shù)，對于鋼： ? ?422 0 .6 1 0 N / m mE ?? L滾珠絲杠在支承間的受力長度 (mm) L= 工作長度 +螺紋長度 +軸承寬度 +端蓋寬度 ? 225mm F滾珠絲杠的截面積 ( 2mm )，可由下列幾式計算 16 214dF ?? 、 1022d D e R? ? ? sin2qdeR ?????????、 qRd? qd 滾珠直徑 (mm)， ? 接觸角 (45? )， R滾道法面半徑 (mm)， e偏心距 (mm)，