【文章內(nèi)容簡介】 算到電機軸上的摩擦力矩；——由于絲杠預(yù)緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩；又： 式中： ——慣量和，；——電機最大角加速度；又： 其中： ——電機最大轉(zhuǎn)速；——運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間取25ms 又： 則： 則： 故： 又因為： 式中： ——導軌的摩擦力；——傳動鏈總效率，一般可取 ，現(xiàn)取 ；又： 式中： ——垂直方向的切削力， ；——導軌摩擦系數(shù)， (貼塑導軌)；——橫向工作臺及夾具重量，；則： =103N故： 又： 式中： ——滾珠絲杠預(yù)加載荷，取；——滾珠絲杠預(yù)緊時的傳動效率， ； 故： =140++= 依據(jù)公式：而： 故有： 根據(jù)公式：式中：——折算到電機軸上的切削負載力矩；又有公式： 式中：——進給方向最大切削力，則： 故： 依據(jù)文獻《實用機床設(shè)計手冊》上，有：（1）對于在最大切削力下工作時所需要電機最大靜轉(zhuǎn)矩為：（2）對于空載起動時所需要的電機最大靜轉(zhuǎn)矩為：由（1）和（2）可知，以計算得：恒大于 所以就以作為選取步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù)。而初選的步進電機為110BF003 ，它的最大靜轉(zhuǎn)矩為：所以初選的步進電機型號符合要求。由《數(shù)控技術(shù)》得：動矩頻特性： 運行矩頻特性： 其中： ——最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度 的，現(xiàn)取中間值，即。所以： =2431由步進電機110BF004的矩頻特性和運行矩頻特性參數(shù)可以看出所選步進電機在起動時力矩是滿足要求的。所以最終就確定步進電機的型號為：110BF004反應(yīng)式步進電動機。其結(jié)構(gòu)簡圖為圖32。圖32 橫向進給結(jié)構(gòu)簡圖傳動比的計算：根據(jù)脈沖當量和電機步距角、螺距之間的關(guān)系得所以電機與絲桿的傳動比為4:1 縱向（Y軸）滾珠絲杠螺母副的選型縱向工作臺及夾具重量： = 2200 N（估計值）滾珠絲杠的基本導程： = 8mm螺紋升角：　 行程：S=450mm（最大縱向行程）快速進給速度：取 = （經(jīng)驗值）經(jīng)過計算得Y軸絲桿與X軸的絲桿型號一樣，為FFZD5008，內(nèi)循環(huán)浮動返向器，計算及檢驗過程同上。 Y軸方向步進電動機的選擇Y軸銑削圓周力： =1500N則有Y向絲杠牽引力：= +=1500+4410=1562N則有電機軸負載力矩： 其中： ——導軌摩擦系數(shù)，————Y向絲杠牽引力 f——若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩為：，則有：=步進電機最大啟動力矩： 電機最大工作頻率：綜合以上可選取步進電機型號為：110BF004反應(yīng)式步進電動機。步進電機110BF004的外型尺寸為：，軸徑為。 Y軸的絲杠選擇與X軸一樣為FFZD5008，內(nèi)循環(huán)浮動返向器，電機與絲桿同樣以齒輪傳動，傳動比為1:4，計算公式同X軸。其結(jié)構(gòu)簡圖為圖33所示。圖33 縱向進給結(jié)構(gòu)簡圖 Z軸方向進給設(shè)計 Z軸滾珠絲桿螺母副的選型垂直方向工作臺及夾具重量： = （估計值）滾珠絲杠的基本導程： = 8mm螺紋升角：　 行程：S= 350mm（最大垂直方向行程）快速進給速度：取 = （經(jīng)驗值）經(jīng)過計算得Z軸絲桿與X軸和Y軸的絲桿一樣，為FFZD5008，內(nèi)循環(huán)浮動返向器，計算及檢驗過程同上。 Z軸方向電機的選擇垂直方向的切削力， 則有Z向絲杠牽引力：= +=375+(4410+2200)=468N則有電機軸負載力矩： T = 89Nm其中： ——導軌摩擦系數(shù)，————Z向絲杠牽引力 F——若不考慮啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩為： ，則有：=步進電機最大啟動力矩： 電機最大工作頻率：綜合以上可選取步進電機型號為：110BF004反應(yīng)式步進電動機。步進電機110BF004的外型尺寸為：，軸徑為。 Z向蝸輪蝸桿的選擇設(shè)計原則：根據(jù)給定的中心距及傳動比（或按照結(jié)構(gòu)及設(shè)計的要求自定中心距和傳動比）然后從蝸桿傳動中心距標準值系列表中選取中心距的標準系列值，然后從經(jīng)驗公式先估算相關(guān)參數(shù)值，估算后在參考標準值系列表，確定標準值。圖34 垂直方向渦輪蝸桿簡圖1．計算傳動比上式中：δp為脈沖當量，β為步距角，L為滾珠絲杠導程。2．初選幾何參數(shù)參照蝸輪蝸桿參數(shù)推薦值表[1]，i=3時，選z1=6；則z2= i z1=18；3．蝸輪輸出轉(zhuǎn)矩T2 式中：P1， n1分別為蝸桿軸輸入功率，轉(zhuǎn)速。為螺旋副嚙合效率；為軸承效率，滾動軸承時?。?為攪油及濺油效率， ；μ為嚙合摩擦系數(shù)；η0為標準圓盤滾子試件摩擦系數(shù)；Rz為設(shè)計蝸桿的齒面粗糙度；Rz0為標準圓盤試件的表面粗糙度；代入數(shù)據(jù)得=根據(jù)所選電機得P1=，n1=350r/min 所以 =93Nm4．載荷系數(shù) 上式中：K為載荷系數(shù)；K1為動載荷系數(shù)，；K2為嚙合質(zhì)量系數(shù)，；K3為小時載荷率系數(shù)，；K4為環(huán)境溫度系數(shù)，；K5為工作情況系數(shù)。代入數(shù)據(jù)得：5．計算m和q代入數(shù)據(jù)：查表取 m= q=186．主要幾何尺寸7．蝸桿傳動強度及剛度驗算確定許用接觸應(yīng)力σHp采用錫青銅蝸輪：分別查滑動速度曲線表，滑動速度影響系數(shù)表及壽命系數(shù)得 所以 確定許用接觸應(yīng)力σH代入數(shù)據(jù)得：76可見,所以接觸強度足夠。 進給控制部分設(shè)計該系統(tǒng)是由數(shù)控單元和步進驅(qū)動單元組成。控制核心按照所輸入的加工程序數(shù)據(jù)，經(jīng)計算處理，發(fā)出所需要的脈沖信號，經(jīng)驅(qū)動電路放大功率后，驅(qū)動補進電機，由步進電機帶動滾珠絲杠副，從而使工作臺按零件加工所需的進給速度及方向移動，實現(xiàn)機床的開環(huán)自動控制。系統(tǒng)的定位精度由軟件中適當?shù)慕殿l處理來保證，重復定位采用固定間隙來改善。最終使系統(tǒng)靈活性大 ，通用性強，數(shù)控功能豐富，可靠性高，且易于實現(xiàn)機電一體化，使用維護方便?；貐⒖键c方式采用磁感應(yīng)開關(guān)，回參考點過程中使用減速擋塊。 控制系統(tǒng)的主要功能 控制系統(tǒng)的主要功能有：（1）手動暫停，手動快速返回坐標原點。（2）六個方向點動傳給，手動快速進給。（3）間隙補償功能，刀具補償功能。（4）用戶指令掉電保護功能。（5）具有程序暫停、延時、局部循環(huán)、自動循環(huán)功能。（6）用戶指令編輯、修改、刪除、清零功能。（7）錯誤操作診斷、錯誤操作顯示功能。（8）可自行進行直線、斜線、圓弧的加工系統(tǒng)的硬件組成如下所示。主要有主控制器CPU、存儲器、鍵盤顯示器、I/O接口和驅(qū)動電路等。部分可參照《單片機原理》書中所述。如圖35所示 圖35 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 步進電機驅(qū)動電路用步進電機作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟型數(shù)控機床最為主要的一種驅(qū)動元件，步進電機的驅(qū)動電路一般由4部分組成：計算機接口、脈沖分配器、光電隔離電路和功率放大電路。脈沖分配器的作用是為步進電機提供符合控制指令要求的脈沖序列，其實現(xiàn)方法有硬件和軟件2種。為降低硬件的成本及故障源，本設(shè)計采用軟件方法進行實現(xiàn)。步進電機驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)過放大后送給步進電機勵磁繞組，為防止強電干擾，在功放電路之前接上光電耦合電路進行隔離。步進電機所需電流較大，必須將光電耦合器輸出的信號放大后才能驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。步進電機的驅(qū)動電路由三部分構(gòu)成：環(huán)形分配器；光電耦合器；功率放大器。1. 環(huán)形分配器 環(huán)行分配器的主要作用是把來自于加減速電路的一系列進給脈沖指令，轉(zhuǎn)換成控制步進電機定子繞組通電、斷電的電平信號，電平信號狀態(tài)的改變次數(shù)及順序與進給脈沖的數(shù)量及方向?qū)?yīng)。硬件環(huán)型分配器是有觸發(fā)器和門電路構(gòu)成的硬件邏輯電路（如型號YB015）。2. 光電耦合器 選用 GO102 型光電耦合器，其電路圖如圖36所示：圖36 光電耦合電路圖3. 功率放大器 因為輸出的脈沖功率很小，電流只有幾毫安，故需要進行功率放大，使脈沖電流達到1～10 A，才足以驅(qū)動步進電機正常工作。其電路圖如圖35所示： 圖37 單電壓供電功放電路通過綜合的考慮本設(shè)計決定采用： 高低壓驅(qū)動電路第4章 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 主傳動系統(tǒng)方案的確定主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)，他應(yīng)具有一定的轉(zhuǎn)速和一定的變速范圍，以便采用不同材料的刀具，加工不同的材料、不同尺寸、不同要求的工作、并能方便的實現(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動等。 數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)主要包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件，它與普通機床的主傳動系統(tǒng)相比在結(jié)構(gòu)上簡單，這是因為變速功能全部或大部分主軸電動機的無極調(diào)速來承擔，省去了復雜的齒輪變速機構(gòu)，有些只有二級或三極齒輪變速系統(tǒng)用以擴大電動機無級調(diào)速的范圍。機床主軸，一般用于給機床加工提供動力，通常主軸驅(qū)動被加工工件旋轉(zhuǎn)的是車削加工，所對應(yīng)的機床是車床類；主軸驅(qū)動切削工件旋轉(zhuǎn)的是銑削加工，所對應(yīng)的機床是銑床類。主軸電機通常有普通電機與標準主軸電機兩種（與之對應(yīng)的驅(qū)動裝置也分為開環(huán)與閉環(huán)兩種）。 對于X5032的傳動系統(tǒng)我們選擇半閉環(huán)控制： 半閉環(huán)控制數(shù)控機床的特點是在伺服電動機的軸或數(shù)控機床的傳動絲杠上裝有角度檢測裝置，通過檢測絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測移動部件的實際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，數(shù)控機床與輸入的指令位移值進行比較，用比較的差值對機床進行控制。由于反饋環(huán)內(nèi)沒有包含傳動絲杠，數(shù)控機床其傳動誤差照樣會影響工作臺的位移精度，故稱半閉環(huán)控制。 半閉環(huán)控制的精度沒有閉環(huán)控制高，但調(diào)試比較方便，并且具有較好的穩(wěn)定性，價格較低。 主傳動系統(tǒng)的要求主傳動系統(tǒng)的要求有：（1）主軸具有一定的轉(zhuǎn)速和足夠的轉(zhuǎn)速范圍、轉(zhuǎn)速級數(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)運動的開停、變速、換向和制動，以滿足機床的運動要求。（2）主電動機具有足夠的功率，全部機構(gòu)和元件具有是夠的強度和剛度，以滿足機床的動力要求。 （3）主傳動的有關(guān)結(jié)構(gòu)，特別是主軸組件要有足夠高的精度、抗振性，熱變形和噪聲要小，傳動效率要高，以滿足機床的工作性能要求。 （4）操縱靈活可靠，調(diào)整維修方便，潤滑密封良好，以滿足機床的使用要求。 （5）結(jié)構(gòu)簡單緊湊，工藝性好，成本低，以滿足經(jīng)濟性要求。 主傳動的類型及方案的選擇1．具有變速齒輪的主傳動 這是大、中型數(shù)控機床采用較多的一種變速方式。通過幾對齒輪降速，增大輸出扭矩，以滿足主軸輸出扭矩特性的要求。一部分小型數(shù)控機床也采用此種傳動方式以獲得強力切削時所需要的扭矩。 2．通過帶傳動的主傳動 通常選用同步齒形帶或多楔帶傳動，這種傳動方式多見于數(shù)控車床，它可避免齒輪傳動時引起的振動和噪聲。 3．由調(diào)速電機直接驅(qū)動的主傳動 這種主傳動是由電動機直接驅(qū)動主軸，即電動機的轉(zhuǎn)子直接裝在主軸上，因而大大簡化了主軸箱體與主軸的結(jié)構(gòu)，有效地提高了主軸部件的剛度，但主軸輸出扭矩小，電機發(fā)熱對主軸的精度影響較大。近年來，出現(xiàn)了一種新式的內(nèi)裝電動機主軸，即主軸與電動機轉(zhuǎn)子合為一體。其優(yōu)點是主軸組件結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，慣量小，可提高起動、停止的響應(yīng)特性，并利于控制振動和噪聲。缺點是電動機運轉(zhuǎn)產(chǎn)生的熱量亦使主軸產(chǎn)生熱變形。因此，溫度控制和冷卻是使用內(nèi)裝電動機主軸的關(guān)鍵問題。日本研制的立式加工中心主軸組件，其內(nèi)裝電動機最高轉(zhuǎn)速可達20000r/min。 本次設(shè)計采用變速齒輪主傳動系統(tǒng)。使主軸獲得較高的轉(zhuǎn)速和較大的轉(zhuǎn)矩。二級以上齒輪變速系統(tǒng)雖然此種結(jié)構(gòu)復雜，制造和維修費用高，但和以上兩種驅(qū)動方式比，變速裝置多采用齒輪變速結(jié)構(gòu)，可以使用可調(diào)的交、直流無級變速電動機，經(jīng)齒輪變速后，實現(xiàn)分段無級變速，調(diào)速范圍增加，且能滿足各種切削運動的轉(zhuǎn)矩輸出，因此選用二級以上齒輪變速系統(tǒng)作為主傳動的變速方式。 主傳動變速系統(tǒng)主要參數(shù)計算銑削時的切削力，公式如下式中 ——銑削時的主切削力（N） ——加工材料影響的系數(shù) ——每齒進給量（mm） ——背吃刀量（mm） ——銑削寬度 ——銑刀齒數(shù) ——銑刀直徑(mm) 用直徑=50mm的四齒錐柄立銑刀，銑刀寬=40mm的剛工件，=，=4mm，=68mm， 計算得： =132N切削時所消耗的功率稱為切削功率。 切削功率的公式計算： 式中： ——切削功率（kw） ——切削力（N） ——切削速度（m/min） 根據(jù)機床設(shè)計手冊典型加工條件以及鋼材料的銑削速度范圍，取Vc=100m/min 計算得： = 主軸最高轉(zhuǎn)速為n=2000r/min，最低轉(zhuǎn)速為n=40r/min 用下列粗略估算主電動機的功率式中，η為銑床主傳動系統(tǒng)總機械效率，主運動為回轉(zhuǎn)運動時，η=~；主運動為直線運動時，η=~。 取主傳動的總效率η= 則初選電動機功率P=。1．由4中初選電動機功率P為4kw,計算轉(zhuǎn)速依據(jù)如下公式計算:則電動機的恒功率調(diào)速范圍: =2000/1500 =1. 3主軸恒功率調(diào)速范圍: = =2000/205=10因此主軸要求的恒功率變速范圍遠大于電動機所能提供的恒功