【正文】 定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目。通過持續(xù)的開發(fā)研究以及對信息技術(shù)的深化應(yīng)用，促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升，使數(shù)控機(jī)床成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要制造裝備。 數(shù)控技 術(shù)的發(fā)展趨勢： 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，它對國計(jì)民生的一些重要行業(yè)，例如 IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，所以，我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題。從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為 導(dǎo)向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo) 21世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨越式發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模的問題。 ……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 4 2 XY 數(shù)控工作臺(tái)總體方案確定 傳動(dòng)系統(tǒng)方案的確定 主要的機(jī)械傳動(dòng)裝置：鏈傳動(dòng)、齒輪傳動(dòng)、蝸桿傳動(dòng)、帶傳動(dòng)。 鏈傳動(dòng)的 缺點(diǎn)： （ 1） 瞬時(shí)傳動(dòng)比不恒定，瞬時(shí)鏈速不恒定； （ 2） 傳動(dòng)的平穩(wěn)性差，有噪音。 2 齒輪傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 工作可靠，壽命長； （ 2） 傳動(dòng)比恒定； （ 3） 效率高； （ 4） 結(jié)構(gòu)緊湊； （ 5） 適用性廣。 3 蝸桿傳動(dòng) 蝸桿傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 能實(shí)現(xiàn)大的傳動(dòng)比； （ 2） 沖擊載荷小，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪聲低； （ 3） 具有自鎖性。 4 帶傳動(dòng) 帶傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)： （ 1） 適用于中心距較大的傳動(dòng)； （ 2） 結(jié)構(gòu)簡單，成本低； （ 3） 帶有彈性，能緩沖減震，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，噪音??； （ 4） 傳動(dòng)過載時(shí)，帶與帶輪打滑，保護(hù)其他零件。同步齒形帶傳……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 5 動(dòng)是一種新型的帶傳動(dòng)。齒形帶無需特別張緊，故作用在軸和軸承上的載荷小，傳動(dòng)效率也高。它具有線性調(diào)速范圍寬、信號(hào)響應(yīng)迅速、堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩大、無控制電壓時(shí)立即停轉(zhuǎn)等特點(diǎn)，作為驅(qū)動(dòng)元件被廣泛的應(yīng)用于閉環(huán)控制系統(tǒng)中。 直流伺服電機(jī)的缺點(diǎn)：它 的電刷盒換向器易磨損；電機(jī)最高轉(zhuǎn)速受限制，應(yīng)用環(huán)境受限制； 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造困難，成本高。 交流伺服電機(jī)形式： ：可方便的獲得與頻率成正比的可變速度，可以得到非常硬的機(jī)械特性和很寬的調(diào)速范圍，在電源電壓和頻度固定時(shí)，它的轉(zhuǎn)速是穩(wěn)定不變的。 ：結(jié)構(gòu)簡單，制造容量大，主要用在主軸驅(qū)動(dòng)系 統(tǒng)中。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。在 非超載的情況……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 6 下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為 “步距角 ”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。由于脈沖信號(hào)數(shù)與步距 角的線性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。 雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能像普通的直流電機(jī)、 交流電機(jī) 在常規(guī)下使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專業(yè)知識(shí)。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。 8．由于速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍。 開環(huán)控制系統(tǒng)如圖 21 所示： ……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 7 圖 21 開環(huán)控制流程圖 步進(jìn)電機(jī)最有意義的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是在開環(huán)系統(tǒng)里可以實(shí)現(xiàn)精確的控制。這種控制避免了使用昂貴的傳感器以及象光學(xué)編碼器這樣的反饋設(shè)備，因?yàn)橹恍枰欇斎氲牟竭M(jìn)脈沖就可以知道你（轉(zhuǎn)子）的位置。采用步進(jìn)電機(jī)來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，一般情況下多采用開環(huán)控制。因此通常在精確度要求不是很高時(shí)，采用步進(jìn)電機(jī)是合理的。 控制系統(tǒng)方案的確定 主要的控制器有：計(jì)算機(jī)、單片機(jī)和 PLC。 計(jì)算 機(jī)控制系統(tǒng)通常具有精度高、速度快、存儲(chǔ)容量大和有邏輯判斷功能等特點(diǎn)，因此可以實(shí)現(xiàn)高級(jí)復(fù)雜的控制方法，獲得快速精密的控制效果。但價(jià)格較貴， 對環(huán)境要求高，抗干擾能力低。 （ 2） 控制功能強(qiáng)。 （ 4） 優(yōu)異的性能價(jià)格比。 （ 2） 在智能化儀器……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 8 儀表中的應(yīng)用。 （ 5） 在智能接口中的應(yīng)用。 單片機(jī)抗干擾能力中等，對環(huán)境要求高，性價(jià)比一般。 PLC 不需要專門的機(jī)房，可以在各種工業(yè)環(huán)境下直接運(yùn)行。 為了增強(qiáng) PLC 的抗干擾能力，提高其可靠性， PLC 的每個(gè)開關(guān)量輸入端都采 用光電隔離等技術(shù)； 為了能實(shí)現(xiàn)繼電器控制線路的硬邏輯并行控制， PLC 采用了不同于一般微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)行方式（掃描技術(shù)）。 PLC 體積小、抗干擾能力強(qiáng)，對環(huán)境要求不高，可靠性高，靈活性好，性價(jià)比較好。 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能：（ 1）接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制 LED 顯示；（ 2）接收操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（ 3）接受銑床限位開關(guān)信號(hào)；（ 4）控制 X，Y 向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)；（ 5）控制切削液泵啟動(dòng) /停止；（ 6）與 PC 機(jī)的串行通信。 PLC 控制系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)： （ 1）應(yīng)用靈活、擴(kuò)展性好。 （ 3） 標(biāo)準(zhǔn)化的硬件和軟件設(shè)計(jì)、通用性強(qiáng)。 （ 5） 控制功能強(qiáng)。 （ 7） 體積小、重量輕、性價(jià)比高、省電。 、制造方便、剛度好、抗震性高等優(yōu)點(diǎn)。 普通滑動(dòng)導(dǎo)軌是金屬與金屬的摩察，這類導(dǎo)軌的缺點(diǎn)是靜摩檫系數(shù)大，而且動(dòng)摩檫……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 9 系數(shù)隨速度變化而變化，摩檫損失大，低速時(shí)易出現(xiàn)爬行，從而會(huì)降低運(yùn)動(dòng)部件的定位精度，所以一般使用在普通機(jī)床上。 ，一定壓力的油通過節(jié)流輸入油腔，形成壓力油膜，浮起運(yùn)動(dòng)部件，使導(dǎo)軌工作表面處于純液體摩檫，不產(chǎn)生磨損，精度保持性好；同時(shí)摩檫系數(shù)也極低，使驅(qū)動(dòng)功率大大降低；低速無爬行，承載能力大，剛度好。其缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，要有供油系統(tǒng)，油的清潔度要求高。 、滾柱、滾針等滾動(dòng)體，使導(dǎo)軌面之間 的滑動(dòng)摩檫變成為滾動(dòng)摩檫，其優(yōu)點(diǎn)有 1）靈敏度高，且其動(dòng)摩檫系數(shù)與靜摩檫系數(shù)相差甚微，因而運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低速移動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。 3）摩檫阻力小，移動(dòng)輕便，磨損小，精度保持性好，壽命長。 綜上所述， 要設(shè)計(jì)數(shù)控銑床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用滾動(dòng)導(dǎo)軌裝置中的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副。 絲杠螺母副的選用 伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足 脈沖當(dāng)量和 ? mm 的定位精度，滑動(dòng)絲杠副不能滿足要求，只有選用滾珠絲杠副才能達(dá)到要求。 ……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 10 3 XY 數(shù)控工作臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) XY 數(shù)控工作臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖 31 所示 : 滾珠絲杠 圖 31 傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖 如圖 32 所示為典型 XY 工作臺(tái)。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。 通常假定銑削時(shí)銑刀受到的銑削力是作用在刀尖的某點(diǎn)上。其中切向銑削力 是沿銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗銑床電機(jī)功率（即銑削功率）最多。根據(jù)最大銑刀直徑 d＝ ? 32mm，最大銑削寬度mmae 16? ， 最大銑削深度 mmap 6? 選擇莫氏錐柄立銑刀，立銑刀各參數(shù)如表 所示： 表 立銑刀各參數(shù) 直徑范 圍 ? 0? n? 齒數(shù) 粗齒 中齒 細(xì)齒 636 30 ~45 10 15 3 4 5 根據(jù)工件材料為碳鋼可確定銑削力的計(jì)算公式 31： zFx yFy……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 12 0 .8 6 0 .7 2 0 .8 6 [ 2 ]09 .8 1Z F Z e f pF C a a a Z d ?? （ 31） 式中各參數(shù)如下 : FZC ———銑削力系數(shù)， CFz=； ea ———最大銑削寬度，本設(shè)計(jì)為 16mm； pa ———最大銑削深度，本設(shè)計(jì)為 6mm； Z ———銑刀齒數(shù)，齒數(shù)取 5； 0d ———圓柱銑刀直徑，查得 d0=32mm(《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教程》 )； fa ———每齒進(jìn)給量（ mm/齒），即銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)，工件與銑刀的相對移動(dòng)量，查得 fa =（ [3]《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》）； 故 0 . 8 6 0 . 7 2 0 . 8 69 . 8 1 6 8 . 2 1 6 0 . 1 6 5 3 2ZF ?? ? ? ? ? ? ?= 進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算 此 處省略 NNNNNNNNNNNN 字。預(yù)選 系列的 絲杠，表面硬度 58~64HRC。 915 滾珠絲杠螺母副的校核 最大工作載荷： 滾珠絲杠上的工作載荷 是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。 工作載荷的計(jì)算公式： [ 5]()m L VF K F f F G?? ? ? (36) 式中 K———考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系 數(shù)，矩形導(dǎo)軌 K=。 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動(dòng)載荷 aC 不得小于最大動(dòng)載荷 C；CCa? 。 傳動(dòng)效率計(jì)算： 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 ? 為 0[ 7 ]0()4 33 %( 4 33 10 )tgtgtgtg????? ??????? （ 39） ……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 16 剛度驗(yàn)算： 滾珠絲杠計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量 1? 1[ 8 ]42 4 2 7 . 3 4 5 4 0 0 . 0 0 8 42 0 . 6 1 0 7 5 4 . 3 8 5mFLEAmm? ???? ? ??? （ 310） 其中 L 取 540mm， M p aE ?? ， 222 3 8 5 4)231()2( mmdA ???? ? 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 2? 2 23[ 8 ]3 20 .0 0 1 32 4 7 .6 80 .0 0 1 3 0 .0 0 2 9 1 34 4 3 .6 4 8 8mw Y JFD F Zmm???? ? ??? （ 311） 其中： 1 2 8 2 . 9 6 2 4 7 . 6 8mF N k g f??， 4?wD ， k g fNFF mYJ ????? ， 223)4/(3)/( ?????? wm DdZ ? ， 88225 3 ???????? 列數(shù)圈數(shù)ZZ 滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算： 絲杠的總變形量 12? ? ???應(yīng)小于允許的變形量?；蛘撸山z杠精度等級(jí)查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長度上的變形量應(yīng)該比它小。 機(jī)床的定位精度為： ， 12 0. 00 84 0. 00 29 13 0. 01 13 13 0. 02m m m m? ? ?? ? ? ? ? ?。 壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算： 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為： ? ?51 . 3 4 1 0 5 5 . 2 0 42 4 2 7 . 3 4KkkmFnnF ?? ? ? ? ?=~4 （ 313） 因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。立式銑床的工作精度：不平度 ，平行度，垂直度 （毫米 /毫米長度），表面粗糙度 m? 。滾珠絲杠的行程公差如表 所示： 表 滾珠絲杠的行程公差 項(xiàng)目 符號(hào) 有效行程 L? （ mm） 精度等級(jí) 4 m? 目標(biāo)行程差 pe 500 15 450 12 行程變動(dòng)差 mpV 490 13 440 12 任意 300mm內(nèi)行程變量 300pV 16 2? 弧度內(nèi)行程變動(dòng)量 2pV? 7