【正文】 33，得主偏角的修正系數(shù) krFck =；刀傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)均為 . 由經(jīng)驗(yàn)公式 F c F cync F c p c F cF C a f v k? 得： cF = 由 cF ： fF ： pF =1::，算得縱向進(jìn)給切削力 fF = xF =， pF = yF = 珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，其螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為延長(zhǎng)工作壽命，可設(shè)置潤(rùn)滑件和密封件。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意 300mm行程變動(dòng)量 300V 應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度 值 的 1/3～ 1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。 3． 2． 2 絲杠導(dǎo)程的確定 選 擇導(dǎo)程跟所需要的運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在： 1 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 8 頁 共 40 頁 20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。 3． 2． 3 最大工作載荷的計(jì)算 最大工作載荷 mF 是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大 軸向力，也叫進(jìn)給牽引力 ,其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表 31所示。 查表 31選 擇綜合導(dǎo)軌， K 取 ,? 取 ,G 為 1500N ； 算得 )( GFKFF zxm ??? ? = +（ +1500） = )(N 3． 2． 4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn) 生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷。 對(duì)于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷 QF 計(jì)算公式如下： mhwQ FffLF 3? 式中： L — 滾珠絲杠副的壽命 系數(shù) ，單位為 610 r， 610/60nTL? （ T為使用壽命，普通機(jī)床 T 取 500010000h，數(shù)控機(jī)床 T 取 15000h； n 為絲杠每分鐘 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 9 頁 共 40 頁 轉(zhuǎn)速）； wf — 載荷系數(shù)，一般取 ～ ，本設(shè)計(jì)取 ； hf — 硬度系數(shù)（ HRC? 58 時(shí)取 ；等于 55 時(shí)取 ；等于 時(shí)?。坏扔?50時(shí)取 ；等于 45 時(shí)取 ） ； mF — 滾珠絲杠副的最大工作載荷 ，單位為 N。取 滾珠絲杠使用壽命 hT 15000? ，帶入 610/60nTL? 得 L =90（單位 610r） ； 加工過程 平穩(wěn)或輕度沖擊， 取 載荷系數(shù) ?wf ， 硬度系數(shù) 1?hf ， 代入 mhwQ FffLF 3? ，求得 ： QF =。 根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷 QF =,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的 FL50083 型 內(nèi)循環(huán)式 滾珠絲杠副， 采用雙螺母 螺紋式 預(yù)緊， 精度等級(jí)為 4 級(jí)， 其參數(shù)如表 32所示 。 考慮到縱向絲杠 長(zhǎng)度較大， 本設(shè)計(jì)縱 向 絲杠采 用雙推 — 雙推 支承方式， 該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。 ； ? — 摩擦角，一般取 ? =10′ 。軸 向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形 1? 、絲杠與螺母間滾道的接觸變形 2? 、 支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形 3? 。 根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，mF為 ， ul 取 1990mm ，2d為 ，算得： C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 11 頁 共 40 頁 1 1990 9 10 m m m???? ? ? ? ? ?? ? ? ? 查表 33 可知， m?? 361 ,所以剛度足夠。 由以上數(shù)據(jù)可以算出： 25 424 10 20551 5 104 1990k NF? ? ? ? ???? 臨界載荷 KF 遠(yuǎn)大于工作載荷 mF （ ） ，故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 同步帶是通過帶上的凸齒與帶輪上的齒槽強(qiáng)制嚙合而工作，即當(dāng)主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能通過帶齒與帶輪的依次嚙合將動(dòng)力傳給從動(dòng)輪，因此主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的線速度相同。同步帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊 ， 工作時(shí)不會(huì)打滑， 線速度可達(dá) sm/40 ，可用于高速場(chǎng)合，傳動(dòng)比可達(dá)到 10，效率可達(dá) 98%， 維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低， 因此應(yīng)用日益廣泛。 初選電機(jī) 型號(hào)為 130BYG2502，查表 45知： 步距角為 176。 由運(yùn)動(dòng)學(xué)可 知， 最后一種狀態(tài)的傳遞功率一定小于快速空載啟動(dòng)（最后時(shí)刻）的瞬時(shí)傳遞功 率，所以 只需要比較前二者。 從表 64 查得，當(dāng)脈沖頻率為 6000Hz 時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為 10Nm? 對(duì)應(yīng)的輸出功率為 95 50 75 0 10 95 50 0. 79Po ut nT k w? ? ? ? ? ? 據(jù)表 318 取工作情況系數(shù) KA=，則由公式（ 314），求得帶的設(shè)計(jì)功率 9 48AdP K P k W? ? ? ?。 表 36 同步帶型號(hào) C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 14 頁 共 40 頁 型號(hào) 節(jié)距/mm 基準(zhǔn)帶寬傳遞功率范圍/kW 基準(zhǔn)帶寬 /mm 說明 XL(特輕型 ) ～ GB/T 116161989 GB/T 113621989 L（輕型） ～ H（重型） ～ 55 3． 3． 4 確定 帶輪 齒數(shù)和節(jié)圓直徑 Ｈ 型 小帶輪轉(zhuǎn)速在 750r min?時(shí)的最少許用齒數(shù)為 14，為了提高傳動(dòng)精 度， 取 小齒輪數(shù) 1=15z，則小帶輪節(jié)圓直徑 11 6 0 .6 4 ( )pzd m m???，根據(jù)傳動(dòng)比 53i?? 算 出大齒輪數(shù) 2 25z ? ，則大帶輪節(jié)圓直徑 21 101 .06( )d id mm?? 。 3． 3． 5 中心距、節(jié)線長(zhǎng)度和帶齒數(shù)的確定 初選中心距 121 .2 ( ) 1 7 7 .8 9 ( )a d d m m? ? ?，圓整后取 178a mm? 。 根據(jù) ，《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》 表 313，選取接近的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度 mm? ，相 應(yīng)的齒數(shù) z=４８ 。 3． 3． 6 校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 15 頁 共 40 頁 嚙合齒數(shù) )](22[ 122 11 zzapzze ntz rm ??? ? ，式中 )(xent 為取整函數(shù)。當(dāng) mz 不滿足要求時(shí)，可以增大 ra 或 1d 不變時(shí)減小節(jié)距 p 。 3． 3． 7 計(jì)算基準(zhǔn)額定功率 基準(zhǔn)額定功率就是所選型號(hào)同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率，其計(jì)算公式如下： vmvTP a )( 20 ?? 式中： 0P — 單位為 W ； aT — 帶寬為 基準(zhǔn)帶寬 b時(shí)的許用工作拉力，單位 N， 如表 38 所示 ； m — 帶寬為 基準(zhǔn)帶寬 b時(shí)的單位長(zhǎng)度質(zhì)量 （線密度） ，單位 mkg/ ； v — 同步帶線速度， 上述 中 已算出其值為 sm/ 。 經(jīng)計(jì)算得出： ?rb 2mm 。 3． 3． 9 同步帶工作能力的驗(yàn)算 用下式來計(jì)算同步帶的額定功率 : vmvbbTKKP rawzr )( 2?? 式中： wK — 齒寬系數(shù)，其值為 )/( ?? bbK rw 。 四 電動(dòng)機(jī)的選擇及 其 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，較高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。 近年來，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。如果 直流電機(jī)要求工作在正反轉(zhuǎn)場(chǎng)合，這時(shí)還需要使用可逆 PWM控制方式 ，其又分為單極性驅(qū)動(dòng)與雙極性驅(qū)動(dòng)兩種， 一般 大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng) 采用單極性驅(qū)動(dòng)方式。 4． 1 縱向步進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī)的計(jì)算與選型 4． 1． 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： ])2(/[1232210hzzPgGJJiJJJ ?????? 式中： 0J — 電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為 2cmkg? ，本設(shè)計(jì)初選 電機(jī) 值為15 2cmkg? ； 1zJ 、 2zJ — 同步帶帶 輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為 2cmkg? ； 4 4 21 1 17 .8 1 0 2 .1 4z z zJ D L k g c m?? ? ? ? ? 4 4 22 2 27. 8 10 16 .1 06z z zJ D L k g c m?? ? ? ? ? 1zD 、 2zL 分別為帶輪的 外 徑和寬度，單位為 cm ； 3J — 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取值為 2cmkg? ； g 、 hP — 分別為重力加速度，取 2/sm 和導(dǎo)程 hP ，其值換算為 。 1) 快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1eqT 由《數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》式 48式可知 1eqT 包括三部分：快速空 載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 maxaT 、移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí) 折 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 18 頁 共 40 頁 算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 fT 、滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 0T 。則有 1 m axeq a fT T T?? 根據(jù)式 49，考慮縱向傳動(dòng)鏈的總效率 ? =，計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩：m a x2 160 eq ma aJnTt???? 其中 mn —— 對(duì)應(yīng)縱向空載最快移動(dòng)速度的步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，為 750r/min at —— 步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至 mn 轉(zhuǎn)速所需要的時(shí)間，為 其中： max360m vn ??? 式中 maxv —— 縱向空載最快移動(dòng)速度，為 3600mm/min ? —— 縱向步進(jìn)電機(jī)步距角，為 ? —— 縱向脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中為 帶入 max360m vn ???=750r/min。 m 由式 410 可知，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)，折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為 : ()2chf F G PT i? ???? 式中 ? —— 導(dǎo)軌的摩擦因數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取 cF —— 垂直方向的負(fù)載，空載取 0 C6163 車床縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)數(shù)控化改造 第 19 頁 共 40 頁 ? —— 縱向傳動(dòng)鏈總效率，取 將上面數(shù)據(jù)帶入 ()2chf F G PT i? ????= m=２ .４７ N 0T 相對(duì)于 tT 和 fT 很小，可忽略不計(jì)。 m 再由式 410 計(jì)算承受最大工作負(fù)載狀態(tài)下，移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： ()2chf F G PT i? ???? 將數(shù)值帶入上式得 fT = m 經(jīng)過上述計(jì)算后，得到加在步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩： eqT =max{ 1eqT ， 2eqT }=因此，根據(jù) eqT 來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： m a x 4 4 2 .4 7 9 .8 8j e qTT? ? ? ? ?N m，可見完全滿足上式的要求。 m，遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 eqT = ②最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定縱向最快空載移動(dòng)速度 m a xv = 3 6 0 0 m m /m in，仿照式 416 求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 m a x 3 6 0 0 / ( 6 0 0 .0 1 ) 6 0 0 0f H z H z? ? ? 從表 47可 以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 maxT =10 N m，滿足要求。查表 45 可知 110BYG2602 的極限運(yùn)行頻率為 20210Hz，可見沒有超出極限。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)， 啟動(dòng)頻率選的很低，通常只有 100Hz。 4． 2 同步帶傳遞功率的校核 分兩種工作情況，分別進(jìn)行校核。 m,傳遞的功率為 1 / 9 .5 5 7 5 0 2 .4 7 / 9 .5 5 1 9 4m e qP n T W? ? ? ? （ 2）最大工作負(fù)載、最快工進(jìn)速度 帶需要傳遞的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩2eqT =因此選擇的同步帶功率合格。光電隔離 在強(qiáng) 弱電接口 、 特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關(guān)信號(hào)（數(shù)字信號(hào)）的傳輸，不適合于 傳輸模擬量；線性光耦的電流傳輸手特性曲線接進(jìn)直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。由于本設(shè)計(jì)選用的直流電機(jī)功率較大，尤其是在啟動(dòng)加速時(shí)刻，故選擇后者。一般對(duì)中大功率的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以用相應(yīng)的MOS 管和續(xù)流二級(jí)管（ 肖特基 管 ）搭建 H橋驅(qū)動(dòng)電路。使用續(xù)流二級(jí)管， 用來保護(hù)元 器 件不被感應(yīng)電壓擊穿或燒壞 ，以及提供電機(jī)制動(dòng)回路。任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，在處理信息方面，軟件和硬件對(duì)要完成的任務(wù)是等價(jià)