【正文】 主軸箱的比例設計與分析箱體輪廓比例應當與車床整體輪廓協(xié)調適度。常用的輪廓比例有均方根比例、黃金分割比例和黃金率矩形等。均方根比例又稱直角比例，是以正方形的邊長為一邊，以對角線為長邊所形成的矩形為基礎，逐步得到一系列邊長比例系統(tǒng)為1：（1：），1:(1:)，1:(1:2)，1:(1:)……由于均方根矩形的邊長之間有著和諧的比例關系，應用較為廣泛。本次設計就采用的這種方法。（2） 操縱板的造型設計操縱手柄面板的設計直接影響造型效果，要求：構圖勻稱、清晰大方、操作符合邏輯規(guī)律，選用外觀件風格協(xié)調。在布局中，操作件要盡可能集中而又便于操作。本次設計分割原則是斜線或曲線分割，特點是：用斜線或曲線分割區(qū)域、布置手柄及其他標志。造型效果是：構圖的疏密對比和均衡穩(wěn)定均好，并可獲得生動活潑的視覺效果。（3）外觀件的造型及結構設計1） 操縱手把的設計斷面形狀及線型應簡單大方。手柄端部可裝上帶色的塑料手柄，以引人注意，此外還要求手感舒適，色質柔和，不宜過多地鍍亮鉻。2） 外觀件結構對造型的影響外觀件的結構直接關系產品的造型效果和外觀形象。以箱蓋為例：本次設計采用的箱蓋結構為：箱蓋尺寸稍大，箱蓋平整。棱邊整齊美觀，整體性也強。（4）箱體設計的其他問題1) 箱體材料經中等強度的灰鑄鐵HT15—33和HT20—40用得最為廣泛。需時效處理。2)砂型鑄造時，箱體鑄件的最小壁厚如表310所示。 表310 箱體鑄件的最小壁厚尺寸(長寬高) mm壁厚 mm50050030012～1580080050015～20800800500～253) 箱體壁孔對剛度的影響和補償箱體軸承孔面積占總側壁面積30%左右時,與未開孔的箱體比較,扭轉剛度下降20～10%,彎曲剛度下降更大。為彌補因開孔而削弱的剛度，常用凸緣和加強筋。加強筋：厚度為：，筋高：（4～5）b。4） 箱體在床身上的定位和固 (1)脈沖當量和傳動比的確定機械系統(tǒng)的主要技術參數(shù)通常由設計任務書或由產品樣本給出，一般包含功能參數(shù)和精度參數(shù)兩部分。 主要精度參數(shù)有：定位精度（mm）、重復定位精度（mm）等。1)脈沖當量的選定傳感器與電機軸相連，用來檢測電機轉角和轉速，并把它們轉換為電信號反饋給數(shù)控裝置。常用脈沖編碼器兼作位置和速度反饋。伺服電機每轉1轉傳感器發(fā)出一定數(shù)量的脈沖，每個脈沖代表電機一定的轉角。本次設計中縱向 脈沖當量δp=，這是設計本身所給出的條件。2)傳動比的選定對步進電機，當脈沖當量δp（mm/脈沖）確定，并且滾珠絲桿導程L0（mm）和電機步距角θb（℃/脈沖）都也已初步選定后，則可用下式來計算，該軸伺服傳動系統(tǒng)的傳動比： ………………………（3133）盡可能使i=1，這時可使步進電機直接與絲桿聯(lián)結，有利于簡化結構，提高精度，所以i=，取θb=。（2）傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 傳動系統(tǒng)的轉動慣量是一種慣性負載，在電機選用時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都與電機軸的同軸線，還成在各傳動部件轉動慣量向電機軸折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉動慣量。 這些比如：轉動慣量計算的基本公式、齒輪轉動慣量折算、滾珠絲桿轉動慣量Js折算、工作臺質量折算和傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算可見相關的參考書，在這里就不作詳細的說明與計算了。（3） 滾珠絲桿螺母的選型和校核1)滾珠絲桿螺母副類型選擇 滾珠絲桿螺母副由專門工廠制造，當類別、型號選定和校核后，可以外購。滾珠絲桿副的類別主要從三個方面考慮：循環(huán)方式、循環(huán)列數(shù)與圈數(shù)、預緊方式。鋼珠在絲桿與螺母之間的滾動是一個循環(huán)閉路。根據回珠方式可分兩類：內循環(huán)和外循環(huán)。本次設計中根據應用的需要選：外循環(huán)。鋼珠每一個循環(huán)閉路稱為列。每個滾珠循環(huán)閉路內所含導程數(shù)稱為圈數(shù)。，，種類很多。為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預加載荷，使它在過盈的條件下工作，稱為預緊。常用的滾珠絲桿副預緊方法有：雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊等。預緊后的剛度可提高到為無預緊時的2倍。但是，預加載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大。通常，滾珠絲桿在出廠時，就已經由制造廠調好預加載荷，并且預加載荷往往與絲桿副的額定動載荷有一定的比例關系。本次設計中的采用的是墊片式預緊，調整方法—調整墊片厚度，使螺母產生軸向位移。這種方法結構簡單，裝卸方便，剛度高；但調整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預緊，適用于高剛度重載傳動。 滾珠絲桿副的主要參數(shù):公稱直徑dm，公稱直徑即滾珠絲桿的名義直徑，dm越大，承載能力和剛度越大。數(shù)控機床常用進給絲桿的公稱直徑dm為Φ30mm至Φ80mm。本次設計中選用的公稱直徑為Φ40mm?；緦С蹋菥啵㎜0,絲桿相對于螺母旋轉2Лrad時，螺母的軸向位移。基本導程也稱為螺距。它按承載能力選取，并與進給系統(tǒng)的脈沖當量的要求有關。本次設計中的導程L0=6mm。精度等級,絲桿副按其使用范圍及要求分為7個精度等級，即1，2，3，4，5，7，及10七個精度等級，1級精度最高，其余依次逐級降低，一般選取4級～7級，數(shù)控車床及精密機械可選用2級～3級。滾珠絲桿副的精度直接影響定位精度、承載能力和接觸剛度，因此它是滾珠絲桿副的重要質量指標，選用時要予以注意。本次所設計的機床是數(shù)控機床，所以選用的精度等級還是很高的，是3級。 滾珠絲桿副代號的標注:本次設計中所選用的滾珠絲桿副的特征代號如表311所示。 表311 滾珠絲桿副的特征代號序號 特 征 代 號 1 鋼球 循環(huán) 方式 外循環(huán) 插管式 C 2 預緊 方式 雙螺母 墊片式 D 3 結構 特征 導珠桿埋入式 M 4 螺紋 方向 右旋 5 負荷 鋼球 圈數(shù) 6 類型 傳動滾珠絲桿副（與旋轉角度無關，用于傳遞動力的滾珠絲桿副） T 7 精度 等級 3 32) 滾珠絲桿螺母副的型號選擇及校核步驟（a）最大工作載荷計算 （b）最大動負載C的計算及主要尺寸初選（c）傳動效率計算滾珠絲桿螺母副的傳動效率η為 …………………………（3134）式中：λ為絲桿螺旋升角，可據初選型號查出；ψ為摩擦角，滾珠絲桿副的滾動摩擦系數(shù)f=～，其摩擦角約等于10ˊ。滾珠絲桿副的傳動效率較高，～。（d）剛度驗算（e）壓桿穩(wěn)定性驗算 以上所有沒有作出詳細驗算和校核過程的，在初稿上已經經校核都是符合所選的滾珠絲桿副的要求。（f）滾珠絲桿螺母副安裝連接尺寸如表312所示。 表312 滾珠絲桿螺母副安裝連接尺寸滾珠絲桿副型號名義直徑 螺 距滾珠直徑滾道半徑偏心距絲桿外徑螺母凸緣外徑螺釘中心圓直徑螺母凸緣厚度墊片厚度有襯套無襯套有襯套無襯套/in/mmD0 t d0 R e dD3D3， D4D4， TΔ WD4006 40 6 39102928676125螺旋升角螺釘尺寸螺釘個數(shù)螺母配合外徑襯套配合外徑螺母裝配總長度 L額定動載荷 C/N額定動載荷 C0/N滾珠絲桿副型號λ M aDD， 每1列 每1列WD40062。44， 828246070 99 21600 91400 DC伺服電動機用直流供電，為調節(jié)電動機轉速和方向，需要對其直流電壓的大小和方向進行控制。直流電動機常用的驅動方式：（1）晶閘管直流驅動方式(SCR)（2） 脈寬調制直流調速系統(tǒng)(PWM)。（1）晶閘管直流驅動方式(SCR)晶閘管直流驅動方式(SCR)的工作原理：通過調節(jié)觸發(fā)裝置的控制電壓大?。刂凭чl管的開放角）來移動觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流電壓的大小，使直流電動機64電樞電壓的變化易于平滑調速。 晶閘管直流驅動的特點：由于晶閘本身的工作原理和電源的特點，導通后是利用交流(50Hz)過零來關閉的，因此，在低整流電壓時，其輸出時很小的尖峰值的平均值從而造成電流的不連續(xù)性。如圖313所示。 圖313 SCR時電壓電流的波形 （2）脈寬調制直流調速系統(tǒng)(PWM) 脈寬調制直流調速系統(tǒng)的工作原理：當輸入一個直流控制電壓U時就可得到一定寬度與U成比例的脈沖方波來給伺服電動機電樞回路供電，通過改變脈沖寬度來改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同大小的電壓值Ua，使直流電動機平滑調速。設開關K周期性地閉合、斷開，閉和開的周期是T。在一個周期T內，閉合的時間是t，開斷的時間是Tt，若外加電源電壓U為常數(shù)，則電源加到電動機電樞上的電壓波形將是一個方波列，其高度為U，寬度為t，則一個周期內電壓的平均值為 ：導通率（占空系數(shù)）當T不變時，只要連續(xù)地改變，就可以聯(lián)續(xù)地使Ua由0變化到U，從而達到連續(xù)改變電動機轉速的目的。如圖314所示。圖314 PWM直流調速驅動系統(tǒng)原理脈寬調制直流調速系統(tǒng)的特點：（a）二極管為續(xù)流二極管，當K斷開時，由于電感L的存在,電動機的電樞電流I可通過它形成回路而連續(xù)流動，因此，盡管電壓成脈動狀，而電流還是連續(xù)的。（b）開關頻率高（通常達20003000Hz），伺服機構能夠響應的頻帶范圍也較寬，輸出電流脈動非常小，接近于純直流。如圖315。 315 PWM時的電壓電流在自動控制系統(tǒng)中，為了控制伺服電動機的轉速，就需要知道電動機在帶了負載以后，轉速隨控制信號變化的情況。也就是要知道，電動機在帶了負載以后，加多大的控制信號，電動機能轉動起來；加上某一大小的控制信號時，電動機的轉速為多少。電動機在一定的負載轉矩下，穩(wěn)態(tài)轉速隨控制電壓變化的關系稱為電動機的調節(jié)特性。 （1）負載為常數(shù)時的調節(jié)特性 電動機的負載轉矩主要是動摩擦轉矩TL加上電機本身的阻轉矩T0， 所以電動機的總阻轉矩Ts=TL+T0。 在轉速比較低的條件下， 總阻轉矩Ts是一個常數(shù)。 由式： 始動電壓——Ua0，是電動機處于待動而未動這種臨界狀態(tài)時的控制電壓。 調節(jié)特性的斜率 ，與負載無關，僅由電機本身的參數(shù)決定。（如圖31317所示）。圖316 直流伺服電動機的調節(jié)特性 圖317 直流伺服電動機的調節(jié)特性曲線組 （2）可變負載時的調節(jié)特性 在自動控制系統(tǒng)中，電動機的負載多數(shù)情況下是不變的，但有時也遇到可變負載。例如當負載轉矩是由空氣摩擦造成的阻轉矩時，則轉矩隨轉速增加而增加，并且轉速越高，轉矩增加得越快。轉矩隨轉速變化的大致情況。（如圖 318所示）。 變負載的情況下，調節(jié)特性不再是一條直線了。這是因為，在不同轉速時，由于阻轉矩Ts不同，相應的電樞電流Ia=Ts/(CTΦ)也不同。當電樞電壓Ua改變時，電樞內阻上的電壓降IaRa不再保持為常數(shù)，因此反電勢Ea的變化不再與電樞電壓Ua的變化成正比。（如圖319所示）。 圖318空氣阻轉矩與轉速的關系 圖319 可變負載時的調節(jié)特性 （3）直流電動機低速運轉的不穩(wěn)定性從直流伺服電動機理想的調節(jié)特性來看，只要控制電壓Ua足夠小，電機便可以在很低的轉速下運行。但是實際上，當電動機工作在幾轉每分到幾十轉每分的范圍內時，其轉速就不均勻，就會出現(xiàn)一周內時快、時慢，甚至暫停一下的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為直流伺服電動機低速運轉的不穩(wěn)定性。產生這種現(xiàn)象的原因是：(a) 低速時，反電勢平均值不大，因而齒槽效應等原因造成的電勢脈動的影響將增大，導致電磁轉矩波動比較明顯。(b) 低速時，控制電壓數(shù)值很小，電刷和換向器之間的接觸壓降不穩(wěn)定性的影響將增大，故導致電磁轉矩不穩(wěn)定性增加。(c) 低速時，電刷和換向器之間的摩擦轉矩的不穩(wěn)定性，造成電機本身阻轉矩T0的不穩(wěn)定，因而導致輸出轉矩不穩(wěn)定。直流伺服電動機低速運轉的不穩(wěn)定性將在控制系統(tǒng)中造成誤差。 當系統(tǒng)要求電動機在這樣低的轉速下運行時， 就必須在系統(tǒng)的控制線路中采取措施， 使其轉速平衡； 或者選用低速穩(wěn)定性好的直流力矩電動機或低慣量直流電動機。 本科畢業(yè)設計說明書（論文） 第 64 頁 共 64 頁4 控制系統(tǒng)設計系統(tǒng)結構框圖根據總體方案及機械結