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XXXX畢業(yè)設(shè)計(jì)
第一章 引 言
1.1 課題的背景
我國(guó)機(jī)床的消費(fèi)量在全世界僅次于美國(guó)和日本，居第三位。我國(guó)機(jī)床工業(yè)已基本形成門(mén)類較齊全的生產(chǎn)科研體系，數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代基礎(chǔ)機(jī)械代表產(chǎn)品。機(jī)床是機(jī)床制造技術(shù)、微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)三者相結(jié)合的產(chǎn)物。機(jī)床的性能水平主要取決與系統(tǒng)的先進(jìn)性。近年來(lái)，隨著國(guó)外高檔機(jī)床產(chǎn)品的進(jìn)口和國(guó)外技術(shù)的引進(jìn)，我國(guó)的機(jī)床生產(chǎn)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。
進(jìn)入21世紀(jì),我國(guó)機(jī)床制造業(yè)既面臨著提升機(jī)械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機(jī),也遭遇到加入后激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力。從技術(shù)層面上來(lái)講,加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。
數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、敏捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開(kāi)創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過(guò)持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升。
在發(fā)達(dá)國(guó)家，數(shù)控機(jī)床已經(jīng)大量普遍使用。我國(guó)制造業(yè)機(jī)床數(shù)控化率不到，而且，對(duì)現(xiàn)有的為數(shù)不多的數(shù)控機(jī)床也未能充分利用。原因是多方面的，數(shù)控人才的匱乏是其主要原因之一。尤其迫切需要大量的從研究開(kāi)發(fā)到使用維修的各個(gè)層次的技術(shù)人才。
我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展。逐步成為世界制造中心 進(jìn)入新的世紀(jì)以后，隨著我國(guó)綜合國(guó)力的進(jìn)一步增強(qiáng)和加人世界貿(mào)易組織，我國(guó)經(jīng)濟(jì)全面與國(guó)際接軌，并正在成為全球制造業(yè)的中心，大批跨國(guó)企業(yè)搶灘登陸在國(guó)內(nèi)高起點(diǎn)設(shè)廠、將生產(chǎn)加工向中國(guó)轉(zhuǎn)移；國(guó)內(nèi)制造企業(yè)更是背水一戰(zhàn)。大舉通過(guò)信息化、廣泛應(yīng)用現(xiàn)代制造技術(shù)積極參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)制造業(yè)進(jìn)入了一個(gè)空前蓬勃發(fā)展的新時(shí)期，這必然對(duì)掌握現(xiàn)代信息化制造技術(shù)的技術(shù)人才、特別是對(duì)大量的一線技術(shù)工人形成了巨大需求。
近年來(lái)，由于受數(shù)控人才需求的拉動(dòng)，各校均建有不同規(guī)模的數(shù)控實(shí)訓(xùn)基地，有的是規(guī)模大、設(shè)備種類多的實(shí)訓(xùn)中有的是設(shè)備種類和數(shù)量相對(duì)較少的實(shí)驗(yàn)室。有的學(xué)校實(shí)訓(xùn)基地以普通加工設(shè)備配進(jìn)口數(shù)控系統(tǒng)為主．有的學(xué)校以教學(xué)型數(shù)控設(shè)備為主?？偟那闆r是，數(shù)控設(shè)備的臺(tái)套種類，數(shù)量與學(xué)生規(guī)模反差較大。用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)的設(shè)備更是落后，加之由于各種客觀和主觀的原因，全國(guó)大專院校機(jī)電類學(xué)生工程實(shí)踐能力普遍較差，其學(xué)習(xí)和研究工作偏向計(jì)算機(jī)化、軟件化，動(dòng)手能力與理論更是難結(jié)合在一起。嚴(yán)重影響實(shí)訓(xùn)、培訓(xùn)效果。
1.2 課題的意義
通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)型兩軸數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求學(xué)生能夠綜合運(yùn)用所學(xué)過(guò)的數(shù)控技術(shù)、微機(jī)原理與接口技術(shù)、軟件程序設(shè)計(jì)、工藝等知識(shí)，掌握數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程。重點(diǎn)掌握步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，機(jī)床工作臺(tái)及其相應(yīng)的夾具及機(jī)床配件設(shè)計(jì)。為畢業(yè)后從事機(jī)械電子設(shè)備的研制和使用打下良好的基礎(chǔ)。
第二章 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)
主要包括以下幾個(gè)方面：
（1） 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)。包括確定機(jī)床所需運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式（直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、功能（主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、其他運(yùn)動(dòng)）及排列順序，最后畫(huà)出機(jī)床的運(yùn)動(dòng)功能圖。
（2） 基本參數(shù)設(shè)計(jì)。包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)。
（3） 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括傳動(dòng)方式、傳動(dòng)原理圖及傳動(dòng)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。
（4） 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。包括運(yùn)動(dòng)功能分配、總體布局機(jī)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)方案圖設(shè)計(jì)。
（5） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。
根據(jù)前面所提到的數(shù)控機(jī)床應(yīng)滿足的基本要求就可以進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。在各項(xiàng)基本要求中以工藝要求最為重要。由工藝要求決定機(jī)床所需要的運(yùn)動(dòng)。完成每個(gè)運(yùn)動(dòng)又有相應(yīng)的功能部件。這就可以確定各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置關(guān)系。機(jī)床的總體布局也就可以大體確定下來(lái)。
因此，總體方案設(shè)計(jì)是一項(xiàng)全局性的設(shè)計(jì)工作，直接影響機(jī)床產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、性能、工藝和成本，關(guān)系到產(chǎn)品的技術(shù)水平和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
2.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定
對(duì)教學(xué)試驗(yàn)型微型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)，一方面，要求其功能完善、結(jié)構(gòu)開(kāi)放，具有與一般生產(chǎn)型數(shù)控銑床一樣的工作原理和工作性能；另一方面，要求其體積小、價(jià)格低，有利于此類銑床的普及推廣。所以本課題的設(shè)計(jì)主要是兩個(gè)方面：其一：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；其二：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這里有兩個(gè)方案：
方案一、采用減速箱，并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行兩端支撐；
減速箱采用圓注齒輪變速，這種方案可以通過(guò)增加減速箱，達(dá)到：1.增大轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩；2.提高脈沖當(dāng)量；3.匹配慣量。對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行兩端支撐，可以盡量減少由于一端支撐，可能產(chǎn)生的彎曲，減少誤差，提高精度。
方案二、直接采用套筒式聯(lián)軸器連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠，對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行一端支撐。
該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
2.３ 方案的比較與選擇
方案一、由于切削石蠟、塑料等材料，根據(jù)計(jì)算切削力較小，選用步進(jìn)電機(jī)，脈沖當(dāng)量為2mm/min，采用減速向變速，傳動(dòng)比選用1.25，通過(guò)計(jì)算可以提高脈沖當(dāng)量為1.02mm/min。對(duì)滾珠絲杠采用兩端支撐，可以提高滾珠絲杠的剛度，提高滾珠絲杠壽命。
方案二、直接采用套同式聯(lián)軸器聯(lián)接電動(dòng)機(jī)軸和滾珠絲杠，精度不高，電機(jī)功率太小，直接帶動(dòng)滾珠絲杠在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)損耗較大。采用一端支撐，會(huì)導(dǎo)致滾珠絲杠產(chǎn)生撓度，影響滾珠絲杠的剛度，從而影響其壽命。
根據(jù)實(shí)際工作要求，考慮其工作壽命，最終選擇地一種方案：采用減速箱，并對(duì)滾珠絲杠采用兩端支撐。
2.4 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定
教學(xué)試驗(yàn)型微型數(shù)控銑床的總體長(zhǎng)為300mm，寬為180mm，高為400mm，工作臺(tái)寬度180mm，長(zhǎng)180mm。可以實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸和Z軸三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。X軸、Y軸的進(jìn)給是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲杠，絲杠又與螺母?jìng)鲃?dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。電機(jī)與絲杠的連接可以通過(guò)銷釘來(lái)達(dá)到。在傳動(dòng)過(guò)程中電機(jī)帶動(dòng)絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母沿導(dǎo)軌做水平移動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。Z軸的進(jìn)給也是通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)絲杠，絲杠又與Z軸螺母?jìng)鲃?dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。主軸套與Z軸螺母相連，在傳動(dòng)過(guò)程中電機(jī)帶動(dòng)絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母沿導(dǎo)軌做上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)主軸做上下運(yùn)動(dòng)。
控制系統(tǒng)部分：通過(guò)采用三菱公司的FX2N系列單片微機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、兩軸聯(lián)動(dòng)和變頻調(diào)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)控制。其中重點(diǎn)是確定硬件電路的總體方案和軟件設(shè)計(jì)，主要有：存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)接口和驅(qū)動(dòng)電路（光電隔離電路，功率放大電路），其他輔助電路（時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)電路等等），流程圖的繪制和程序的書(shū)寫(xiě)。
由此，可以大體畫(huà)出整體結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)方案圖圖1：
鍵盤(pán)輸入
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
MCS-51
驅(qū)動(dòng)電路
接口電路
工作臺(tái)
數(shù)據(jù)顯示
圖1 總體框圖
第三章 第三章 機(jī)械部件的計(jì)算和選擇
3.1 切削力的計(jì)算
該實(shí)驗(yàn)型數(shù)控實(shí)訓(xùn)設(shè)備，主要用來(lái)模擬加工，工件材料是石蠟或塑料，X、Y向形成均為200mm，根據(jù)查閱《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，因沒(méi)有石蠟和塑料的銑削公式，所以在查閱手冊(cè)時(shí)，以圖表中最軟的材料為依據(jù)進(jìn)行參數(shù)的選擇。
Z軸銑削工作時(shí)銑削力的計(jì)算：
現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，工作材料為碳鋼進(jìn)行計(jì)算。
1. 最大銑削直徑 d=10mm.最小直徑d=4mm
由《實(shí)用機(jī)床手冊(cè)》P=FV/60000
F=642aaadZK
K=KKK
其中K=（σ/0.638）=0.982 d=400×(10-4)X(1590-397)=2
高速鋼銑刀 r=15,前角系數(shù)K=0.92
主偏角 k=75 K=1.0 a=8mm a=0.08~0.05mm/Z
取a=0.05mm/Z a=4mm
齒數(shù)Z=4 d=6mm
F=642×4×0.05×8×6×4×0.903=2773N
V=πdn/1000=3.14×2×400/1000=2.52
pm= FV/60000=2773×2.512/60000=0.17KW
選電動(dòng)機(jī)時(shí)按銑削計(jì)算。
3.選主電動(dòng)機(jī)時(shí)：
因?yàn)殂娤髯畲蟮那邢髁椋?
F=642×4×0.05×8×10×4×0.903=832.03N
V=π×10×1590/1000=49.9m/s
p= FV/60000=832.03×49.9/60000=0.69KW
p= p/0.88=0.69/0.88=0.79KW
所以選電動(dòng)機(jī)為p=1.1KW 型號(hào)：Y90S—4型
2. X、Y軸銑削工作時(shí)銑削力的計(jì)算
其中主轉(zhuǎn)動(dòng)中主軸功率N=0.79KW.則η=0.79/1.1=0.718
電動(dòng)機(jī)的額定功率N=1.1KW。銑削力同樣遇刀具材料、被銑削工件的材料、切削量等因素有關(guān)，現(xiàn)以刀具材料為高速鋼，共建材料為碳鋼進(jìn)行計(jì)算。
主轉(zhuǎn)動(dòng)功率包括切削功率N，空載功率N，附加功率N三部分，即：N= N+ N+ N，一般輕載高速的中、小型機(jī)床中，N=0.5N/(2-η)N，故總功率為：N= N+0.5 N+（1-η）N，N=0.5N/(2-η)，再進(jìn)給傳動(dòng)中切削功率：N=K×0.5N/(2-η)，N=0.85×0.5×1.1/(2-0.718)=0.36KW
切削時(shí)主軸上的扭短為：
M=974000 N/n
則主軸上最大扭矩為：M=974000×0.36/397=883（NCM）
銑刀的最大直徑為：10mm。主切削力F=883/1=880N。銑削加工時(shí)主切削力F與銑削進(jìn)給抗力F之間的值由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得F/ F=1.0~1.2，取F/ F=1.2。則F=1.2× F=1059.6N，垂直部分力F的幣值為0.75~0.8，取F/ F=0.8，F(xiàn)=0.8× F=706.4N。
3.2 機(jī)械構(gòu)件的選擇
3.2.1電動(dòng)機(jī)的選擇
應(yīng)用中的注意點(diǎn)
①步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用于低速場(chǎng)合---每分鐘轉(zhuǎn)速不超過(guò)1000轉(zhuǎn)，（0.9度時(shí)6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）間使用，可通過(guò)減速裝置使其在此間工作，此時(shí)電機(jī)工作效率高，噪音低。
②步進(jìn)電機(jī)最好不使用整步狀態(tài)，整步狀態(tài)時(shí)振動(dòng)大。
③由于歷史原因，只有標(biāo)稱為12V電壓的電機(jī)使用12V外，其他電機(jī)的電壓值不是驅(qū)動(dòng)電壓伏值 ，可根據(jù)驅(qū)動(dòng)器選擇驅(qū)動(dòng)電壓（建議：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），當(dāng)然12伏的電壓除12V恒壓驅(qū)動(dòng)外也可以采用其他驅(qū)動(dòng)電源， 不過(guò)要考慮溫升。
④轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大的負(fù)載應(yīng)選擇大機(jī)座號(hào)電機(jī)。
⑤電機(jī)在較高速或大慣量負(fù)載時(shí)，一般不在工作速度起動(dòng)，而采用逐漸升頻提速，一電機(jī)不失步，二可以減少噪音同時(shí)可以提高停止的定位精度。
⑥高精度時(shí)，應(yīng)通過(guò)機(jī)械減速、提高電機(jī)速度,或采用高細(xì)分?jǐn)?shù)的驅(qū)動(dòng)器來(lái)解決，也可以采用5相電機(jī)，不過(guò)其整個(gè)系統(tǒng)的價(jià)格較貴，生產(chǎn)廠家少。
⑦電機(jī)不應(yīng)在振動(dòng)區(qū)內(nèi)工作，如若必須可通過(guò)改變電壓、電流或加一些阻尼的解決。
⑧電機(jī)在600PPS（0.9度）以下工作，應(yīng)采用小電流、大電感、低電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)。
? ⑨應(yīng)遵循先選電機(jī)后選驅(qū)動(dòng)的原則。
（2）步進(jìn)電機(jī)的選擇
步進(jìn)電機(jī)有步距角（涉及到相數(shù)）、靜轉(zhuǎn)矩、及電流三大要素組成。一旦三大要素確定，步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)便確定下來(lái)了。
①步距角的選擇
電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。目前市場(chǎng)上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。選用1.5度。
②靜力矩的選擇
步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的。直接起動(dòng)時(shí)（一般由低速）時(shí)二種負(fù)載均要考慮，加速起動(dòng)時(shí)主要考慮慣性負(fù)載，恒速運(yùn)行進(jìn)只要考慮摩擦負(fù)載。一般情況下，靜力矩應(yīng)為摩擦負(fù)載的2-3倍內(nèi)好，靜力矩一旦選定，電機(jī)的機(jī)座及長(zhǎng)度便能確定下來(lái)。
③電流的選擇
靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流（參考驅(qū)動(dòng)電源、及驅(qū)動(dòng)電壓）
綜上所述選擇電機(jī)一般應(yīng)遵循步驟如圖2所示：
??
圖2 選擇電機(jī)的步驟
④力矩與功率換算
步進(jìn)電機(jī)一般在較大范圍內(nèi)調(diào)速使用、其功率是變化的，一般只用力矩來(lái)衡量，力矩與功率換算如下：
????P= Ω·M
????Ω=2π·n/60
????P=2πnM/60
????其中P為功率，單位為瓦；Ω為每秒角速度，單位為弧度；n為每分鐘轉(zhuǎn)速；M為力矩，單位為牛頓·米。
????P=2πfM/400(半步工作)
????其中f為每秒脈沖數(shù)（簡(jiǎn)稱PPS）。
（3）混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)
混合式步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)正是由混合式步進(jìn)電機(jī)特殊的結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的，簡(jiǎn)而言之它具有穩(wěn)定可靠、性能好、運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，以和最具有可比性的反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)相比為例。
首先，混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性較高，由于驅(qū)動(dòng)器是系統(tǒng)中可靠性最薄弱的一個(gè)部分，所以系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性主要是由驅(qū)動(dòng)器的可靠性來(lái)決定的?；旌鲜诫姍C(jī)轉(zhuǎn)子上有永磁體，部分磁場(chǎng)已由轉(zhuǎn)子上的磁鋼產(chǎn)生，所以混合式電機(jī)繞組電流可以設(shè)計(jì)得比較小，而反應(yīng)式電機(jī)磁場(chǎng)完全由繞組電流產(chǎn)生，故欲和混合式電機(jī)產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)體積相差不太大的情況下，反應(yīng)式電機(jī)所需電流就要大得多。在當(dāng)前電力電子器件水平限制下，混合式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器就比反應(yīng)式電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器要可靠得多，同時(shí)由于大的繞組電流，反應(yīng)式電機(jī)本體的發(fā)熱情況也要嚴(yán)重的多。
實(shí)際上，為產(chǎn)生相同的轉(zhuǎn)矩，反應(yīng)式電機(jī)不僅線圈電流大，而且定子線圈匝數(shù)多，電機(jī)體積大，繞組電感也大。由于繞組電感大，反應(yīng)式驅(qū)動(dòng)器必須要以高壓驅(qū)動(dòng)才會(huì)有比較好的高頻性能，但這樣驅(qū)動(dòng)器的可靠性會(huì)明顯變差；如果反應(yīng)式驅(qū)動(dòng)器取和混合式驅(qū)動(dòng)器一樣的驅(qū)動(dòng)電壓時(shí)，電機(jī)的高頻轉(zhuǎn)矩明顯要小，這也是反應(yīng)式電機(jī)系統(tǒng)性能比混合式電機(jī)系統(tǒng)差的一個(gè)重要原因。
混合式步進(jìn)電機(jī)一般步距角θ較小，再加上混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯，振蕩較小，在控制步進(jìn)電機(jī)升降頻規(guī)律一致的情況下，運(yùn)行要比反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)穩(wěn)定。
混合式步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的缺點(diǎn)在于混合式步進(jìn)電機(jī)的制造比較復(fù)雜，電機(jī)的成本相對(duì)較高；其次是雖然混合式步進(jìn)電機(jī)共振區(qū)不明顯，振蕩較小，但依然影響性能。
脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)精度要求來(lái)確定，一般取為0.01~0.02mm。如取得太大，無(wú)法滿足系統(tǒng)精度要求，如取得太小，或者機(jī)械系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)，或者對(duì)其精度和動(dòng)態(tài)性能提出過(guò)高要求，使經(jīng)濟(jì)性降低。所以根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖當(dāng)量：δ=0.02/Step，步角距θ=1.8/ Step。由于無(wú)減速裝置，所以由δ=θ/360×P可知，滾珠絲杠螺距，即基本導(dǎo)程P=4mm。一般來(lái)講，反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)步距角較小，運(yùn)行頻率高，價(jià)格較低，但功耗較大，永磁式步進(jìn)電機(jī)功耗較小，斷電后仍有制動(dòng)力矩，但步距角較大，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，混合式步進(jìn)電機(jī)由上述兩種電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，但價(jià)格較高。
考慮到該機(jī)床垂直進(jìn)給方向需用自鎖機(jī)構(gòu)，所以選用具有自鎖功能的混合式步進(jìn)電機(jī)。
（4） 計(jì)算選擇
1. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算
銑削時(shí)：F=26.1N, F=65.27N
T=36×0.01×[26.1+0.03×（300+65.27）]/2π×1.8×0.85=40.8 N.cm
根據(jù)以上計(jì)算可知，銑削時(shí)啟動(dòng)力矩遠(yuǎn)大于鉆削啟動(dòng)力矩，為滿足鉆銑要求，以銑削時(shí)所需要求為宜。由手冊(cè)可知：T/T=0.866，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩T= T/0.866=40.8/0.866=47.1 N.cm
2. 確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
f=1000v/δ，v=0.025(m/s)
f=1000×0.025/0.02=1250(HZ)
根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進(jìn)電機(jī)。57BYGH6403采用兩相四拍的通電方式。
相數(shù)，3；步距角，1.8；電流，2.5A；靜力矩,110Ncm；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，280gcm
引線數(shù)，4。
接線圖 圖3
3.2.2 絲杠的選擇
1.滾珠絲杠的特點(diǎn)
滾珠絲杠螺母副（以下簡(jiǎn)稱滾珠絲杠副）是一種新型的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。具有螺旋槽的絲杠螺母間裝有滾珠作為中間元件的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)為滾珠絲杠副。在數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)中，經(jīng)常用于代替滑動(dòng)絲杠，以提高傳動(dòng)精度。
絲杠螺母副的特點(diǎn)：
（1）用較小的扭矩轉(zhuǎn)動(dòng)絲杠（或螺母），可使螺母（或絲杠）獲得較大的軸向牽引力。
（2）可達(dá)到很大的降速比，使降速機(jī)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈的以縮短。
（3）能達(dá)到較高的傳動(dòng)精。用于進(jìn)給機(jī)構(gòu)時(shí),還可兼作測(cè)量元件，通過(guò)刻度盤(pán)讀出直線位移的尺寸，最小數(shù)值可達(dá)0.0001mm。
（4）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠的傳動(dòng)效率=0.92~0.96,而一般的常規(guī)（滑動(dòng)）絲杠螺母副的=0.20~0.40。所以滾珠絲杠的傳動(dòng)效率比常規(guī)絲杠的傳動(dòng)效率提高了3~4倍。因此功率消耗只相當(dāng)于常規(guī)絲杠螺母副的。
（5）給予適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可消除絲杠和螺母螺紋間隙，這樣反向時(shí)就可以沒(méi)有空程死區(qū)，反向定位精度高。與常規(guī)絲杠螺母副比較有較高的軸向精度。
（6）運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高。滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小幾乎和運(yùn)動(dòng)速度完全無(wú)關(guān)，這樣就可以保證運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。由于滾珠絲杠基本上是滾動(dòng)摩擦，與常規(guī)絲杠螺母副比較不宜出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，故傳動(dòng)精度高。
（7）有可逆性，由于滾珠絲杠副摩擦系數(shù)小，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以由直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件，也可以作為從動(dòng)件。
（8）制造工藝復(fù)雜，滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求較高，光潔度要求也高，故制造成本高。例如絲杠和螺母上的螺旋槽滾道，一般都要求磨削成型表面的。
（9）不能自鎖，特別是垂直絲杠，由于自重慣性力的關(guān)系，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，故常需要添加制動(dòng)裝置。
在設(shè)計(jì)滾珠絲杠時(shí)，首先要確定其名義直徑、螺距及滾珠直徑等。確定滾珠絲杠的上述參數(shù)時(shí)，目前采用的方法是，在防止疲勞點(diǎn)蝕的基礎(chǔ)上，即滾性絲杠在工作過(guò)程中受軸向負(fù)載時(shí)，在滾珠和滾道型面間使產(chǎn)生接觸應(yīng)力。在這種交變接觸應(yīng)力的作用下，經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞剝傷，而使?jié)L珠副喪失其工作性能，這是滾球絲杠副的主要破壞形式。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí)，必須保證在一定的軸向負(fù)載作用下，這種名義直徑D和螺距t的滾珠絲杠在回轉(zhuǎn)一百萬(wàn)轉(zhuǎn)后，在他的滾道上由于受滾珠的壓力而不致有點(diǎn)蝕現(xiàn)象，這個(gè)負(fù)載的最大值稱為這種滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)載。
2. 滾珠絲杠的選擇計(jì)算
(1) 動(dòng)載荷Cae的計(jì)算
Q= ffP
其中f——載荷系數(shù)取為1.0，
f——硬度系數(shù)取為1.2，
P——最大的工作負(fù)載
L——使用壽命
工作負(fù)載P是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數(shù)據(jù)可用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算：
對(duì)于類似燕尾型尋軌的機(jī)床
P=kP+f(P+2P+G)
P——X方向的切削力
P——Y方向的切削力
P——z方向的切削力
G——移動(dòng)部件的重量
f——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)
k——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)
選用滾動(dòng)導(dǎo)軌，在正常潤(rùn)滑情況下，對(duì)于類似燕尾型尋軌
k=1.4 f=0.03
由于銑削時(shí)所需切削力均大于鉆削的切削力，故意下計(jì)算均按銑削設(shè)計(jì)。
在銑削過(guò)程中，P=706.4N ，P=0，
P=1059.6N ，G=300N
P=1.4×0+0.03×(706.4+2×1059.6+300)=93.7N
而L=60nT/10
式中n——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）
T——使用壽命（小時(shí)）
對(duì)于數(shù)控機(jī)床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，
因?yàn)長(zhǎng)=60×1250×15000/10=1125
Q=×1.0×1.2×93.7=1169N
查表初步選用的型號(hào)為N系列1604-3，3列Q=4612N較為合適，這是一種內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)隙單螺母的滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下：
名義直徑：D=20mm，基本導(dǎo)程t=5mm，剛求直徑：D=3.725 mm ，絲杠內(nèi)徑d=17.96mm ，絲杠外徑d =19.4mm ，循環(huán)列數(shù)3，額定動(dòng)負(fù)載C=6367 N ，螺母外徑D=72 mm，螺母內(nèi)徑 D=32 mm，螺母長(zhǎng)度 L=40 mm。
(2) 校核
（1）效率計(jì)算
從《機(jī)械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η=tgβ/tg(β+φ)
式中：β-螺紋的螺旋升角；
β=arctg=arctg=4.55
φ-摩擦角；
滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角
φ約等于10(tgφ= f=0.003~0.004)。
η==0.965
(3) 剛度的驗(yàn)算
數(shù)控機(jī)床的滾珠絲杠是一種精密的傳動(dòng)元件，它在工作負(fù)載P的作用下，將伸長(zhǎng)或縮短，在扭矩M的作用下，將向一方或另一方扭轉(zhuǎn)，這樣，滾珠絲杠的螺距就要產(chǎn)生變化，從而影響其傳動(dòng)精度和定位精度，因此，滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn)算其滿載時(shí)的變形量。
從《材料力學(xué)》中得知，滾珠絲杠受工作負(fù)載（軸向力）P的作用而引起一個(gè)螺距t的變化量△t,可按下式計(jì)算：
△t=
其中：P-工作負(fù)載；
t-滾珠絲杠螺距 ；
E-彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言（E=20.1×10）；
F-滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）；
△t==0.14×10cm
滾珠絲杠受扭矩M作用而引起一個(gè)螺距t的變化量△t，可以按下式計(jì)算：
△t=(cm)
其中φ-在扭矩M的作用下，滾珠絲杠每一螺距長(zhǎng)度兩截面上的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角；
φ= 其中，M-扭矩（Ncm）,M===6.18Ncm
G——扭轉(zhuǎn)彈性對(duì)鋼而言，G=841×10N/cm
J——滾珠絲杠載面積的極慣性矩J=/32d（cm）
（其中d——滾珠絲杠的內(nèi)徑，cm）
J=3.14/32×13.1=2889cm
Φ=Mt/ GJ=6.18×0.4/84×10×2889=0.1×10
t=tΦ/2π=0.4×0.1×10/2×3.14=0.6×10cm(可忽略不計(jì))
如果Y方向的滾珠絲杠的長(zhǎng)度為100m,則整個(gè)工作長(zhǎng)度上的螺距變形總誤差： △=100/0.4×0.14×10=3.5×10cm/m
查表得對(duì)E級(jí)絲杠，允許誤差△=15um/m ，故該滾珠絲杠滿足要求。
(4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算
機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過(guò)大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長(zhǎng)柱。長(zhǎng)柱壓桿失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載P，可用《材料力學(xué)》中的歐拉公式計(jì)算
P=（N）
E-絲杠材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言E=2.1×10 N/cm；
J-截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓桿而言，J===1445cm；
l-絲杠的工作長(zhǎng)度,l=28.6cm；
u-絲杠的軸端系數(shù)，由支撐條件決定，本設(shè)計(jì)是兩端向心軸承，u=1。
P==3.6×10N
臨界負(fù)載P與工作負(fù)載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)n。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)n大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[ n]，則該壓桿安全不致失穩(wěn)。
n===3.8×10>>[ n]=4
故此滾珠絲杠不致失穩(wěn)。
（5）由于鉆、銑工作時(shí)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速比較低，滾珠絲杠傳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)就會(huì)非常小，所以臨界轉(zhuǎn)速就不用校核了。
3.2.3 軸承的選擇
機(jī)床傳動(dòng)軸的滾動(dòng)軸承的失效形式，主要是在循環(huán)接觸應(yīng)力下的作用，滾動(dòng)體和滾道表面上出現(xiàn)疲勞破環(huán)。即通常所說(shuō)的疲勞剝落。而絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺(tái)的重量外，一般無(wú)外載荷，對(duì)絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要小。所以選用60角接觸球軸承，該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承，其主要特點(diǎn)如下：
（1）接觸角大，鋼球數(shù)多，承載能力高，剛度高。
（2）既能承受軸向載荷，也能承受徑向載荷，支撐結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化。
（3）軸承啟動(dòng)摩擦力矩小，降低絲杠副的驅(qū)動(dòng)功率，提高進(jìn)給系統(tǒng)的靈敏度。
現(xiàn)選用7000C型號(hào)，基本尺寸為:d=10mm,外徑D=26mm,寬度B=8mm,基本額定動(dòng)負(fù)荷C=4.29KN,基本額定靜載荷C=2.25KN，極限轉(zhuǎn)速（油潤(rùn)滑）為28000。
對(duì)軸承的疲勞壽命進(jìn)行校核：由《機(jī)械設(shè)計(jì)》可知,軸承的基本額定壽命為：
L=
式中：P-當(dāng)量動(dòng)載荷；
L-基本額定壽命；
ε—壽命指數(shù)，球軸承ε=3；
n—軸承工作轉(zhuǎn)速，n=1250；
C——基本額定動(dòng)載荷，C=2250N；
其中：P=f(X+YF)
f——沖擊載荷系數(shù)，取1.1；
F——徑向載荷；
X、Y——徑向動(dòng)載荷系數(shù)和軸向動(dòng)載荷系數(shù)。X=0.44,Y=1；
P=1.1×(0.44×305+415)=604N
L==21000h>15000h
所以該軸承的選用也是合格的。
3.2.4 導(dǎo)軌的選擇
導(dǎo)軌（Guideways）的功用是導(dǎo)向和承載。在導(dǎo)軌副（如工作臺(tái)和床身導(dǎo)軌）中，運(yùn)動(dòng)的另一方（如工作臺(tái)導(dǎo)軌）叫作動(dòng)導(dǎo)軌，不動(dòng)的另一方（如床身導(dǎo)軌）叫做支承導(dǎo)軌。
按摩擦性質(zhì)分為滑動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)導(dǎo)軌。在滑動(dòng)導(dǎo)軌中有靜壓導(dǎo)軌、靜壓導(dǎo)軌和普通滑動(dòng)導(dǎo)軌。靜壓導(dǎo)軌的原理和靜壓滑動(dòng)軸承相同，該導(dǎo)軌多用于進(jìn)給運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌。動(dòng)壓倒軌，當(dāng)導(dǎo)軌面間的相對(duì)滑動(dòng)速度達(dá)到一定值后，液體的動(dòng)壓效應(yīng)是導(dǎo)軌的油腔處出現(xiàn)壓力油楔，把兩導(dǎo)軌面分開(kāi)，從而形成以液體摩擦，這種導(dǎo)軌只能用于高速的場(chǎng)合，故僅用作主運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌，例如立式銑床導(dǎo)軌。普通滑動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦狀態(tài)有的為混合摩擦。
按受力狀態(tài)可分為開(kāi)式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌。在部件自重和外載作用下，導(dǎo)軌面在導(dǎo)軌全長(zhǎng)上可以始終貼合的稱為開(kāi)式導(dǎo)軌，如龍門(mén)銑床的工作臺(tái)和床身導(dǎo)軌。部件的自重不能使主導(dǎo)軌面始終貼合，就必須增加壓板，形成輔助導(dǎo)軌面，稱為閉式導(dǎo)軌。
導(dǎo)軌選擇考慮的因素：
1. 導(dǎo)向精度
導(dǎo)軌在空載下運(yùn)動(dòng)和在切削條件下運(yùn)動(dòng)時(shí)，都應(yīng)具有足夠的導(dǎo)向精度。保證軸承運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，是保證導(dǎo)軌工作質(zhì)量的前提。
（1）幾何精度
直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌的幾何精度一般包括：導(dǎo)軌在豎直平面內(nèi)的直線度（簡(jiǎn)稱A項(xiàng)精度）；導(dǎo)軌在水平平面內(nèi)的直線度（簡(jiǎn)稱B項(xiàng)精度）；兩導(dǎo)軌面間的平行度，也叫作扭曲（簡(jiǎn)稱C項(xiàng)精度）。在A、B兩項(xiàng)精度中，都規(guī)定了導(dǎo)軌在每米長(zhǎng)度上和導(dǎo)軌全長(zhǎng)上，兩導(dǎo)軌面間在橫向每米長(zhǎng)度上的扭曲值。
（2）接觸精度
磨削和刮研的導(dǎo)軌表面，接觸精度按的規(guī)定，采用著色法進(jìn)行檢查。用接觸面所占的百分比或面積內(nèi)接觸點(diǎn)數(shù)衡量。
精度保持性
影響精度保持性的主要因素是磨損。提高耐磨性以保持精度，是提高機(jī)床質(zhì)量的主要內(nèi)容之一，也是科學(xué)研究的一大課題。常見(jiàn)的磨損形式有磨料（硬粒）磨損、粘著磨損（或咬焊）和接觸疲勞。磨料磨損經(jīng)常發(fā)生在邊界摩擦和混合摩擦狀態(tài)。磨粒夾在導(dǎo)軌面間隨之相對(duì)運(yùn)動(dòng)，形成對(duì)導(dǎo)軌面的切削，使導(dǎo)軌面產(chǎn)生劃傷。磨料的硬度越高，相對(duì)滑動(dòng)速度越大，壓強(qiáng)越大，對(duì)摩擦副的危害也越大。磨料磨損很難避免，是導(dǎo)軌防護(hù)的重點(diǎn)。粘著磨損也稱為分子——機(jī)械磨損。當(dāng)兩個(gè)摩擦表面相互接觸時(shí)，在高壓強(qiáng)下材料產(chǎn)生塑性變形，相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦，又使表面層的氧化膜破壞，在新暴露出來(lái)的金屬表面之間，就會(huì)產(chǎn)生分子間的相互吸引和滲透，使接觸點(diǎn)粘結(jié)而發(fā)生咬焊。接觸面的相對(duì)運(yùn)動(dòng)又要將咬焊點(diǎn)拉開(kāi)，就造成撕裂性破壞。咬焊是不允許發(fā)生的。接觸疲勞發(fā)生在滾動(dòng)摩擦副中，也是無(wú)法避免的。
低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性
當(dāng)導(dǎo)軌作低速運(yùn)動(dòng)或微量位移時(shí)，應(yīng)保證導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性，即不出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。低速運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性與導(dǎo)軌的結(jié)構(gòu)、材料和潤(rùn)滑，與動(dòng)、靜摩擦系數(shù)的差值，與傳動(dòng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)鏈的剛度有關(guān)。
結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單平穩(wěn)性好
大多數(shù)機(jī)床的導(dǎo)軌都要淬硬，因此導(dǎo)軌的精加工，不能淬硬。設(shè)計(jì)時(shí)要注意使導(dǎo)軌的制造和維修方便，刮研量少。如果采用鑲裝導(dǎo)軌，則應(yīng)盡量做到更換容易。
導(dǎo)軌的潤(rùn)滑
潤(rùn)滑的目的、要求與方式
潤(rùn)滑的目的是為了降低摩擦力、減少磨損、降低溫度和防止生銹。
潤(rùn)滑要求供給導(dǎo)軌清潔的潤(rùn)滑油。油量可以調(diào)節(jié)。盡量采取自動(dòng)和強(qiáng)制潤(rùn)滑。潤(rùn)滑元件要可靠。要有安全裝。例如靜壓導(dǎo)軌在未形成油膜之前不能開(kāi)車和潤(rùn)滑不正常有報(bào)警信號(hào)等。
導(dǎo)軌的潤(rùn)滑方式有很多?？梢匀斯ざㄆ谙?qū)к壝鏉灿?。此法?jiǎn)單易行，但不能經(jīng)常保證足夠的潤(rùn)滑。也可在運(yùn)動(dòng)部件上裝油杯，使油沿油孔流或滴向?qū)к壝妫部稍谶\(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌面上裝潤(rùn)滑電磁泵?；蚴謩?dòng)潤(rùn)滑油泵，定時(shí)拉動(dòng)幾下供油。
為使?jié)櫥驮趯?dǎo)軌面上較均勻的分布，保證潤(rùn)滑效果，需在導(dǎo)軌面上開(kāi)出油溝。
2. 潤(rùn)滑油的選擇
導(dǎo)軌常用的潤(rùn)滑劑有潤(rùn)滑油和潤(rùn)滑脂，滑動(dòng)導(dǎo)軌用潤(rùn)滑油，滾動(dòng)導(dǎo)軌兩者都可用。
導(dǎo)軌潤(rùn)滑油的粘度可根據(jù)導(dǎo)軌的工作條件和潤(rùn)滑方式選擇。高速低載荷可用粘度較低的潤(rùn)滑油，反之，則用粘度較高的潤(rùn)滑油。低載荷，高、中速的中、小型機(jī)床進(jìn)給導(dǎo)軌，可用導(dǎo)軌油；中載荷的中低速導(dǎo)軌，可采用導(dǎo)軌油；重型機(jī)床的低速導(dǎo)軌，可用或?qū)к売?。三嗪的合成路線
3.2.5 聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是用來(lái)聯(lián)接兩進(jìn)給機(jī)構(gòu)的兩根軸使之一起回轉(zhuǎn)傳遞扭矩和運(yùn)動(dòng)的一種裝置。目前聯(lián)軸器的類型繁多，有液力式、電磁式和機(jī)械式。機(jī)械式聯(lián)軸器的應(yīng)用最為廣泛。
套筒聯(lián)軸器構(gòu)造簡(jiǎn)單，徑向尺寸小，但裝卸困難（軸需作軸向移動(dòng)）。且要求兩軸嚴(yán)格對(duì)中，不允許有徑向或角度偏差，因此使用時(shí)受到一定限制。
繞行聯(lián)軸器采用錐形夾緊環(huán)傳遞載荷，可使動(dòng)力傳遞沒(méi)有方向間隙。
凸緣式聯(lián)軸器構(gòu)造簡(jiǎn)單、成本的、可傳遞較大扭矩，常用于轉(zhuǎn)速低、五種及、軸的剛性大及對(duì)中性好的場(chǎng)合。他的主要缺點(diǎn)是對(duì)兩軸的對(duì)中性要求很高。若兩軸間存在位移與傾斜，救在機(jī)件內(nèi)引起附加載荷，使工作狀況惡化。
根據(jù)所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)為模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)，需要的轉(zhuǎn)距不是很大，精度不高，又因?yàn)檩S徑較小，所以選擇了套同式聯(lián)軸器
3.2.6 傳動(dòng)裝置的選擇
傳動(dòng)裝置選用閉式標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)的適用范圍很廣，傳遞功率可高達(dá)數(shù)萬(wàn)千瓦，圓周速度可達(dá)150m/s(最高可達(dá)300m/s)。和其他機(jī)械傳動(dòng)比較，齒輪傳動(dòng)的主要優(yōu)點(diǎn)是工作可靠，使用壽命長(zhǎng)；瞬時(shí)傳動(dòng)比為常數(shù)；傳動(dòng)效率高；結(jié)構(gòu)緊湊；功率和速度適用范圍很廣等。
齒輪的設(shè)計(jì)
1）材料的選取
因傳動(dòng)載荷小，生產(chǎn)批量少，故大齒輪選用45鋼,硬度為229-286HB，平均取240HB；小齒輪選用45，調(diào)制處理，硬度為240-280HB，平均取250HB。
2）尺寸計(jì)算
初選兩齒輪的模數(shù)m=1，大齒輪的齒數(shù)為,小齒輪的齒數(shù)為,
根據(jù)公式，計(jì)算得齒輪的傳動(dòng)比=1.25＜5，符合齒輪單級(jí)減速的條件。
中心距
小齒輪: 齒頂高
齒根高
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓直徑
大齒輪: 齒頂高
齒根高=1.25
齒頂圓直徑
齒根圓直徑
分度圓直徑
據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)知識(shí)校核計(jì)算得知，齒輪的設(shè)計(jì)符合要求。
3.3 Y軸進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例
1、步進(jìn)電機(jī)的選擇和脈沖當(dāng)量的確定
根據(jù)數(shù)控鉆銑床的精度要求，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)脈沖當(dāng)量：δ=0.02/Step，步角距θ=1.8/ Step。由于無(wú)減速裝置，所以由δ=θ/360×P可知，滾珠絲杠螺距，即基本導(dǎo)程P=5mm。
2、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上啟動(dòng)力矩的計(jì)算
T=36δ[F+μ(G+F)]/2πθη（Ｎｃｍ）
其中：F——水平方向的切削抗力 F=260N；
μ——摩擦系數(shù) μ=0.03；
F——垂直方向的切削抗力 F=650N；
G——移動(dòng)部件的總重量 G=50N；
η——總機(jī)械效率 η=0.85；
代入得： =47Ncm；
由手冊(cè)可知：T/T=0.866，
則步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩T= T/0.866=60N.cm
（3）確定步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率
f=1000v/δ，v=0.025(m/s)
f=1000×0.025/0.02=1250(HZ)
根據(jù)以上參數(shù)，初選混合式步進(jìn)電機(jī)。57BYGH6403采用兩相四拍的通電方式。相數(shù)，3；步距角，1.8；電流，2.5A；靜力矩,110Ncm；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，280gcm
引線數(shù)，4。
3. 滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
（1）最大動(dòng)負(fù)載Q的計(jì)算
Q= ffP
其中f——載荷系數(shù)取為1.0，f——硬度系數(shù)取為1.2，P——最大的工作負(fù)載，L——使用壽命。
工作負(fù)載P是指數(shù)控機(jī)床工作時(shí)，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力，他的數(shù)據(jù)可用進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算：
對(duì)于類似圓柱導(dǎo)軌的機(jī)床： P=kP+f(P+2P+G)
P——X方向的切削力，取260N；P——Y方向的切削力，由于Y方向不進(jìn)行切削，所以為0N；P——z方向的切削力，取為650N。G——移動(dòng)部件的重量,取50N,f——導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),k——考慮顛復(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)
選用滾動(dòng)導(dǎo)軌，在正常潤(rùn)滑情況下，對(duì)于類似燕尾型尋軌:k=1.4 ,f=0.03。
代入公式得: P=1.4*260+0.03*(650+0+50)=285N。
而L=60nT/10
式中n——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）
T——使用壽命（小時(shí)）
對(duì)于數(shù)控機(jī)床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，
因?yàn)長(zhǎng)=60×1250×15000/10=1125
Q=×1.0×1.2×285=3358.9N
查表初步選用的型號(hào)為N系列1604-3，3列Q=4612N較為合適，這是一種內(nèi)循環(huán)墊片調(diào)隙單螺母的滾珠絲杠副，其主要參數(shù)如下：
名義直徑：D=20mm，基本導(dǎo)程t=4mm，鋼球直徑：D=3.725 mm ，絲杠內(nèi)徑d=17.1 mm ，絲杠外徑d =19.3mm ，循環(huán)列數(shù)3，額定動(dòng)負(fù)載C=6612 N ，螺母外徑D=72 mm，螺母內(nèi)徑 D=28 mm，螺母長(zhǎng)度 L=40 mm。
（2）效率計(jì)算
從《機(jī)械原理》中得知，滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η=tgβ/tg(β+φ)
式中：β-螺紋的螺旋升角；φ-摩擦角；
β=arctg=arctg=4.55
滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角
φ約等于10(tgφ= f=0.003~0.004)。
η==0.965
（3）剛度的驗(yàn)算
從《材料力學(xué)》中得知，滾珠絲杠受工作負(fù)載（軸向力）P的作用而引起一個(gè)螺距t的變化量△t,可按下式計(jì)算： △t=
其中：P-工作負(fù)載；t-滾珠絲杠螺距 ；
E-彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言（E=20.1×10）；
F-滾珠絲杠的橫截面積（按內(nèi)徑而定）；
△t==0.31×10cm
由于扭矩引起的螺距誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于軸向力引起的螺距誤差，所以可以忽略不計(jì)。
如果Y方向的滾珠絲杠的長(zhǎng)度為100m,則整個(gè)工作長(zhǎng)度上的螺距變形總誤差：
△=100/0.4×0.31×10=7.1×10cm/m
查表得對(duì)E級(jí)絲杠，允許誤差△=15um/m，故該滾珠絲杠滿足要求。
(4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算
機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是一種受軸向力的壓桿，如果軸向力過(guò)大，可使絲杠失去穩(wěn)定性而產(chǎn)生翹曲。機(jī)床上的進(jìn)給絲杠一般均為長(zhǎng)柱。長(zhǎng)柱壓桿失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載P，可用《材料力學(xué)》中的歐拉公式計(jì)算：
P=（N）
E-絲杠材料的彈性模數(shù)，對(duì)鋼而言E=2.1×10 N/cm；
J-截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓桿而言，J===1445cm；
l-絲杠的工作長(zhǎng)度,l=290cm；
u-絲杠的軸端系數(shù)，由支撐條件決定，本設(shè)計(jì)是兩端向心軸承，u=1。
P==3.5×10N
臨界負(fù)載P與工作負(fù)載P之比成為穩(wěn)定性安全系數(shù)n。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)n大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[ n]，則該壓桿安全不致失穩(wěn)。
n===3.7×10>>[ n]=4
所以該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
(5) 由于鉆、銑工作時(shí)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速比較低，滾珠絲杠傳動(dòng)時(shí)的振動(dòng)就會(huì)非常小，所以臨界轉(zhuǎn)速就不用校核了。
5 滾動(dòng)軸承的選用計(jì)算
絲杠軸承的載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠和工作臺(tái)的重量外，一般無(wú)外載荷，對(duì)絲杠軸承的要求主要是軸向精度和剛度較高，摩擦力矩要小。所以選用60角接觸球軸承，該軸承是與滾珠絲杠配合的專用軸承，
現(xiàn)選用7000C型號(hào)，基本尺寸為:d=10mm,外徑D=26mm,寬度B=8mm,基本額定動(dòng)負(fù)荷C=4.29KN,基本額定靜載荷C=2.25KN，極限轉(zhuǎn)速（油潤(rùn)滑）為28000。
由于橫向與縱向的切削力相差不大，所以橫向的滾動(dòng)軸承也能滿足要求。就不進(jìn)行滾動(dòng)軸承壽命的校核了。
6、滾動(dòng)導(dǎo)軌的選用
本設(shè)計(jì)選用的滑動(dòng)導(dǎo)軌中的圓柱的導(dǎo)軌，
該滾動(dòng)導(dǎo)軌內(nèi)部套有銅套，提高了耐磨性，并且其導(dǎo)向精度能滿足一般數(shù)控鉆銑床的要求，同時(shí)，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，耐磨性和剛度都能符合要求。
根據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式及選用原則，分別對(duì)其他兩個(gè)方向的各個(gè)部件進(jìn)行選擇，為了提高互換性，并且在裝配時(shí)統(tǒng)一，首先分別進(jìn)行計(jì)算，然后選取性能更高的零部件，這樣不但保證個(gè)各個(gè)性能要求。
其余計(jì)算過(guò)程在此將不再一一贅述。
第四章 第四章 虛擬樣機(jī)的制作
根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果，首先進(jìn)行了Solidworks的三維模擬，以下是其中部分零件及裝配圖的基本外觀形狀，其余各零件圖及部件圖見(jiàn)附光盤(pán)。
4.1 微型數(shù)控銑床部分零件圖
4.1.1 減速箱齒輪
圖4
4.1.2 工作臺(tái)
圖5
4.1.3 滾珠絲杠
圖6
4.1.4 套筒式聯(lián)軸器
圖7
4.1.5 橫梁
圖8
4.1.6 滾動(dòng)軸承
圖9
4.1.7 軸
圖10
4.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)總裝配圖
圖11
第五章 第五章 控制系統(tǒng)
任何一個(gè)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)都是由硬件和軟件兩部分組成的，硬件是軟件運(yùn)行的基礎(chǔ)，而只有配置了軟件的硬件才是可以工作的控制系統(tǒng)。其核心是計(jì)算機(jī)數(shù)字控制裝置。它通過(guò)系統(tǒng)控制軟件配合系統(tǒng)硬件、合理地組織、管理數(shù)控系統(tǒng)的輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)和輸出信息，控制執(zhí)行部件，使數(shù)控機(jī)床按照操作者的要求進(jìn)行自動(dòng)加工。
隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，微型計(jì)算機(jī)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。其發(fā)展之一就是將微處理器及其外圍芯片，如程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、并行、串行I/O口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷控制器及其他控制部件集成在一個(gè)芯片之中，制成單片機(jī)（Single Chip Microcomputer）。單片機(jī)正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，今后單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)將是進(jìn)一步向著CMOS化、低功耗、小體積、大容量、高性能、低價(jià)格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個(gè)方面發(fā)展。
5.1 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇
步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切聯(lián)系。驅(qū)動(dòng)電源由喚醒脈沖分配器、功率放大器組成如圖12所示：
圖12
驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源（微機(jī)或數(shù)控裝置等）送來(lái)的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按照要求的配電方式自動(dòng)地循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)的各個(gè)繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增加到幾至幾十毫安，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。因此，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量和頻率就可精確地控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和速度。
環(huán)形分配器輸出的電流很?。ê涟布?jí)），不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，需要功率器將脈沖電流放大到幾安培甚至幾十安培，才能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。放大電路對(duì)步進(jìn)電機(jī)的性能起著非常重要的作用。功率放大的類型很多，從放大元器件來(lái)分，可以用功率晶體管、可關(guān)斷晶閘管、混合元件來(lái)組成放大電路；從工作原理來(lái)分，有單電壓、高低電壓切換、恒流斬波、調(diào)頻調(diào)壓、細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路等。從工作原理上講，目前用的最多的是恒流斬波電路。
斬波恒流功率放大電路如圖所示。該電路的工作特點(diǎn)是：Vin端輸入方波步進(jìn)信號(hào)，當(dāng)Vin為“0”電平時(shí)，由與門(mén)A2輸出Vb為“0”電平，功率管（大林頓管）VT截止，繞組W上沒(méi)有電流通過(guò)，采樣電阻R3上沒(méi)有反饋電壓，A1放大器輸出高電平；當(dāng)Vin為高電平時(shí)，由與門(mén)A2輸出的Vb也是高電平，功率管VT導(dǎo)通，繞組W上有電流，采樣電阻R3上出現(xiàn)反饋電壓Vf，由分壓電阻R1、R2得到設(shè)定電壓與反饋電壓相減，來(lái)決定A1輸出點(diǎn)評(píng)的高低，來(lái)決定Vin信號(hào)能否通過(guò)與門(mén)A2。若Vref>Vf時(shí)，Vin信號(hào)通過(guò)與門(mén)，形成Vb正脈沖，打開(kāi)功管VT；反之，Vref
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