【正文】 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。使主軸獲得較高的轉(zhuǎn)速和較大的轉(zhuǎn)矩。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。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。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。 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。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。 （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。 （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。 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。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。主軸電機通常有普通電機與標(biāo)準(zhǔn)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）。 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(dān)，省去了復(fù)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。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。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)。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)。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)。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。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。（7）錯誤操作診斷、錯誤操作顯示功能。（5）具有程序暫停、延時、局部循環(huán)、自動循環(huán)功能。（3）間隙補償功能，刀具補償功能。 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(biāo)原點。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?？刂坪诵陌凑账斎氲募庸こ绦驍?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。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。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。 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(biāo)準(zhǔn)值系列表中選取中心距的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值系列表，確定標(biāo)準(zhǔn)值。 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(dǎo)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。其結(jié)構(gòu)簡圖為圖33所示。步進電機110BF004的外型尺寸為：，軸徑為。圖32 橫向進給結(jié)構(gòu)簡圖傳動比的計算：根據(jù)脈沖當(dāng)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(dǎo)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。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。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。計算快速空載起動時所需力矩 依據(jù)公式： 式中：——快速空載起動力矩；——空載起動時折算到電機軸上最大加速力矩；——折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(dǎo)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(dǎo)軌摩擦系數(shù)， (貼塑導(dǎo)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，??；——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)。 X軸縱向步進電機選擇計算、絲杠以及齒輪折算到電機軸上的慣量 根據(jù)《機電一體化基礎(chǔ)》所提供的計算公式： 式中：——折算到電機軸的慣量；——小、大齒輪的慣量；——絲杠慣量；——橫向工作臺及夾具重量,；——絲杠螺距，；齒輪及絲杠轉(zhuǎn)動慣量的計算：由于有些傳動件（如齒輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動慣量不易精確計算，可將其等效成圓柱體來近似計算。6. 穩(wěn)定性的驗算由于縱向（X軸）的滾珠絲杠兩端采用的是滾珠絲杠螺紋副固定，絲杠一般不會受壓，又由于機床的原普通絲杠的直徑大于滾珠絲杠的直徑，故穩(wěn)定性一定能滿足要求。中得:縱向進給力 （取中間值：）==1500=1650N橫向進給力 （取中間值：）= =1500=垂直進給力 （取中間值：） ==1500=375N故可知在插補平面內(nèi)的合力為:=1734N那么絲杠所受的平均工作載荷：　 所以絲杠軸向所受載荷 ＝其中為橫向分力 ==1275NMg 為縱向工作臺及夾具重量 Mg =2200N 為顛覆力矩影響系數(shù) 取 M 為當(dāng)量摩擦系數(shù) M 取 那么 =1162 + (2200+1275)=1903N根據(jù)《機床設(shè)計手冊》得， 故可選絲杠型號為：（內(nèi)循環(huán)浮動返向器），的基本尺寸為：公稱直徑： =50mm， 螺距：=8mm 剛球直徑： =5mm， 螺紋升角，=絲杠外徑，d = (～)= 螺紋底徑，=30mm其動載荷 =25000= 故選擇符合要求，絲杠可用。 及刀具相關(guān)資料有公式： ≈ 1500N 的計算用高速鋼立銑刀逆銑合金剛時,工件的切削力可查171。據(jù)171。4）運動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，傳動精度高。2）給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，防止失步；定位精度高，剛度好。導(dǎo)軌采用燕尾形貼塑導(dǎo)軌。步進電動機經(jīng)降速齒輪和滾珠絲杠的螺母固定在床鞍上，通過滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)工作臺與床鞍之間的相對移動。數(shù)控機床進給系統(tǒng)部分設(shè)計,計算內(nèi)容包括:確定系統(tǒng)的負載,確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量,部分部件慣量計算,空載啟動及切削刀矩計算,確定電機轉(zhuǎn)動及導(dǎo)向元件的設(shè)計,計算及選用繪制部分裝配及零件工作圖等1—雙聯(lián)齒輪 2—雙聯(lián)齒輪 3—齒輪軸 4—主軸電機 5—齒輪 6—主軸齒輪 7—主軸齒輪8—縱向滾珠絲杠 9—薄片齒輪 10—縱向步進電機 11—橫向步進電機12—薄片齒輪 13—橫向滾珠絲杠 14—垂直步進電機 15—薄片齒輪16—圓錐齒輪 17—垂直進給絲杠圖31 X5032銑床傳動示意圖 X、Y軸滾珠絲桿的選型和電機的選擇 橫向（X軸）滾珠絲桿螺母副的選型1. 絲杠副工作負荷計算及絲杠型號的選擇工作臺的進給運動是由步進電動機由一級消隙齒輪經(jīng)滾珠絲杠螺紋副，帶動工作臺移動。減速裝置采用齒輪機構(gòu)和帶輪機構(gòu)，導(dǎo)向元件采用導(dǎo)軌。一個典型的數(shù)控機床半閉環(huán)控制進給系統(tǒng)，通常由位置比較、放大元件，驅(qū)動單元，機械傳動裝置等組成，其中，機械傳動裝置是位置控制環(huán)中的重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)控機床的進給系統(tǒng)，尤其是輪廓控制系統(tǒng)，必須對進給運動的位置和速度兩方面同時實現(xiàn)自動控制。45度工作臺工作面（寬度長度）（mm）3201325工作臺行程縱向/橫向/垂向（手動/機動)(mm)600/680、 600/680 、300/350進給電機脈沖當(dāng)量 mm/step主軸電機功率(kw)進給電機功率(kw)機床定位精度 mm/step機床重復(fù)定位精度 mm/step機床進給部件重量橫向4410N 縱向 2200N第3章 進給傳動系統(tǒng)的設(shè)計 進給傳動系統(tǒng)簡介 進給傳動系統(tǒng)的作用數(shù)控機床的進給傳動系統(tǒng)常用伺服進給系統(tǒng)來工作。拆除原來的絲桿，增加少量的機械附件，就可安裝步進電機及滾珠絲桿螺母副,帶動工作臺移動?？紤]到該數(shù)控系統(tǒng)是開環(huán)控制，沒有位置反饋電路，故進給系統(tǒng)盡可能的要減少中間傳動環(huán)節(jié)。2. 控制系統(tǒng)設(shè)計的總體考慮：（1）確定功能指標(biāo)；（2）明確硬件分工（3）重視接口設(shè)計；為避免強電干擾可采用光電耦合電路(GO102)進行光電隔離。在數(shù)控機床中，由于加工用刀具、被加工材質(zhì)及零件加工要求的不同，為保證在任何情況下都能得到最佳切削條件，就要求伺服系統(tǒng)具有足夠?qū)挼恼{(diào)速范圍。因此，要求伺服系統(tǒng)在低速時要有大的轉(zhuǎn)矩輸出?？焖夙憫?yīng)，無超調(diào) 它是衡量伺服系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)的重要指標(biāo)，反映了系統(tǒng)的跟蹤精度。 機械部分的改造要求有：提高傳動部件的剛度，減小傳動部件的慣量；減小傳動部件的間隙，并減小系統(tǒng)的摩擦阻力；高精度 就是說伺服系統(tǒng)的輸出量能復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。并且可以不用或少用工裝，不僅節(jié)約了費用而且可以縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。機床數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化效率可比老式機床提高3至5倍生產(chǎn)效率。因為機床各基礎(chǔ)件經(jīng)過長期時效，幾乎不會產(chǎn)生應(yīng)力變形而影響精度。即使將原機床的結(jié)構(gòu)進行徹底改造升級也只需花費購置新機床60%的費用，并可以利用現(xiàn)有地基。機床數(shù)控改造設(shè)計同購置新機床相比一般可節(jié)省60%左右的費用，大型及特殊設(shè)備尤為明顯。因此對數(shù)控機床進行新的設(shè)計改造以滿足生產(chǎn)加工需求，即提高了生產(chǎn)效率，又節(jié)約了資金，并且能縮短設(shè)備更新的時間，對企業(yè)生產(chǎn)來說，顯得極為必要。由于我國企業(yè)大部分?jǐn)?shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)依賴進口，企業(yè)承受不了巨額購置費，且易受國外的控制，另外數(shù)控機械設(shè)備維修能力薄弱，進口的備件維修成本高，設(shè)備完好率低，大部分進口機床數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)崩潰，有的甚至在進口后還沒使用就已因為各方面原因不能使用等等原因。 機床數(shù)控化改造的意義數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心，它的整體水平標(biāo)志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的水平和綜合國