簡易立式鉆銑床數(shù)控系統(tǒng)改造設計含6張CAD圖
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XXXXX
XX設計任務書
畢業(yè)生
姓名
專業(yè)
指導教師
姓名
類別
學號
班級
職稱
外聘、 √ 本校
一、畢業(yè)設計題目
簡易立式鉆銑床數(shù)控系統(tǒng)改造設計
二、畢業(yè)設計提供的原始數(shù)據(jù)資料
目前，在機械加工企業(yè)中，有許多舊式普通機床，為了機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工充分利用普通機床，就需要對普通機床進行機電一體化改造。改造后數(shù)控機床，不僅可提高機床精度，提高生產(chǎn)率，大大減輕工人的勞動強度。減少對工夾具的投資和數(shù)量，而且適合我國國情。對于ZXK7532鉆銑床，最大鉆孔直徑32mm,工作臺最大縱向行程300mm，最大橫向行程375mm,最大垂直行程400mm,電動機功率4.0KW,電機改用步進電機。
三、畢業(yè)設計應完成主要內(nèi)容：
1、畢業(yè)設計說明書：
（1）ZXK7532鉆銑床數(shù)控化改造總體機械部件設計。
（2）滾珠絲杠的設計和選用。
（3）電機的設計和選用。
（4）數(shù)控系統(tǒng)設計
（5）控制電路的設計
2、畢業(yè)設計圖紙：
（1）總體設計完整、圖紙表達清晰；
（2）完成機床結構圖； A0 1張
（3）垂直進給系統(tǒng)裝配圖； A0 1張
（4）橫縱向進給系統(tǒng)裝配圖； A0 2張
（5）機床設計電路圖； A0 1張
（6）零件圖 A2 1張
四、畢業(yè)生應提交的畢業(yè)設計資料要求
1、畢業(yè)設計說明書：
根據(jù)主要內(nèi)容完成設計說明書，正文在40000字左右，說明書的具體格式和要求見校園網(wǎng)上。
2、畢業(yè)設計圖紙：
（1）總體設計完整、圖紙表達清晰；
（2）完成機床結構圖； A0 1張
（3）垂直進給系統(tǒng)裝配圖； A0 1張
（4）橫縱向進給系統(tǒng)裝配圖； A0 2張
（5）機床設計電路圖； A0 1張
（6）零件圖 A2 1張
五、設計進度安排（從第五周起）
序號
時間
周次
設計任務完成的內(nèi)容及質(zhì)量要求
1
第5周
收集資料、調(diào)研
2
第6周
初定方案
3
第7周
確定方案，進行相關的計算，寫說明書
4
第8周
完成說明書粗稿，繪制水平進給裝配圖
5
第9周
完成說明書粗稿，繪制垂向進給裝配圖
6
第10周
完成說明書粗稿，完成電路圖，結構圖
7
第11周
說明書定稿，完成零件圖
8
第12周
說明書定稿，修改各部件圖、零件圖
9
第13周
檢查設計說明書及圖紙
10
第14周
檢查設計說明書及圖紙
11
第15周
打印和裝訂
12
第16周
教師評閱和開始答辯
六、主要參考文獻資料
1、工具書：
1. 賈鳳桐，《簡明鉆銑工手冊》【M】北京：機械工業(yè)出版社.2011
2. 《機床設計手冊》.【M】.北京：機械工業(yè)出版社.1992
3. 隋秀凜，高安邦，《實用機床設計手冊》【M】北京：機械工業(yè)出版社.2010
2、參考資料：
1. 《機械設計》
2. 《畫法幾何及機械制圖》
3. 《經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計》
4. 《機械制造裝備》
5. 《互換性與測量技術基礎》
七、簽字欄
簽 字 欄
畢業(yè)生
姓名
專業(yè)
班級
要求設計工作起止日期
2014年4月1日~~~2014年 6 月 9日
教師審核
指導教師（簽字）
日期
201 年 月 日
教研室主任審查（簽字）
日期
201 年 月 日
系主任批準（簽字）
日期
201 年 月 日
第4頁 共 4頁
太原理工大學陽泉學院-----畢業(yè)設計任務書
外文文獻
The Numerical Control Engine Bed Transforms
numerical control system development summary brief history and tendency
In 1946 the first electronic accounting machine was born in the world, this indicated the humanity created has been possible to strengthen and partially to replace the mental labor the tool. It with the humanity these which in the agriculture, the industry society created only is strengthens the physical labor the tool to compare, got up the quantitive leap, entered the information society for the humanity to lay the foundation.
After 6 years, in 1952, computer technology applied to the engine bed , the first numerical control engine bed were born in US. From this time on, the traditional engine bed has had the archery target change. Since nearly half century, the numerical control system has experienced two stages and six generation of development.
Numerical control (NC) stage (1952 ~ 1970)
The early computer operating speed is low, was not big to then science computation and the data processing influence, but could not adapt the engine bed real-time control request. The people can not but use numeral logic circuit "to build" to become an engine bed special purpose computer to take the numerical control system, is called the hardware connection numerical control (HARD-WIRED NC), Jian Chengwei numerical control (NC). Along with the primary device development, this stage has had been through repeatedly three generations, namely 1952 first generation of -- electron tube; 1959 second generation of -- transistor; 1965 third generation -- small scale integration electric circuit.
Computer numerical control (CNC) stage (in 1970 ~ present)
In 1970, the general minicomputer already appeared and the mass production. Thereupon transplants it takes the numerical control system the core part, from this time on entered the computer numerical control (CNC) the stage ("which should have computer in front of the general" two characters to abbreviate). In 1971, American INTEL Corporation in the world first time the computer two most cores part -- logic units and the controller, used the large scale integrated circuit technology integration on together the chip, called it the microprocessor (MICROPROCESSOR), also might be called the central processing element (to be called CPU).
The microprocessor is applied to 1974 in the numerical control system. This is because minicomputer function too strong, controlled an engine bed ability to have wealthily (therefore once uses in controlling the Taiwan engine bed at that time, called it group control), was inferior to used the microprocessor economy to be reasonable. Moreover then small machine reliability was not ideal. The early microprocessor speed and the function although insufficiently are also high, but may solve through the multi-processor structure. Because the microprocessor is the general-purpose calculator core part, therefore still was called the computer numerical control.
In 1990, PC machine (personal computer, domestic custom had called microcomputer) the performance has developed to the very high stage, may take the numerical control system core part the request. The numerical control system henceforth entered based on the PC stage.
In brief, the computer numerical control stage has also experienced three generations. Namely 1970 fourth generation of -- minicomputer; 1974 five dynasties -- microprocessor and 1990 sixth generation -- (overseas was called PC-BASED) based on PC.
Also must point out, although overseas already renamed as the computer numerical control (namely CNC).
Also must point out, although overseas already renamed as the computer numerical control (namely CNC), but our country still the custom called the numerical control (NC). Therefore we daily say "numerical control", the materially already was refers to "computer numerical control".
the numerical control future will develop tendency
1 open style continues to, to develop based on the PC sixth generation of direction
2 approaches and the high accuracy development
3 develops to the intellectualized direction
(1) applies the adaptive control technology
(2) introduces the expert system instruction processing
(3) introduces the breakdown to diagnose the expert system
(4) intellectualized numeral servo drive
engine bed numerical control transformation necessity
From on microscopic looked below that, the numerical control engine bed has the prominent superiority compared to the traditional engine bed, moreover these superiority come from the computer might which the numerical control system contains.
1 may process the traditional engine bed cannot process the curve, the curved surface and so on the complex components.
2 may realize the processing automation, moreover is the flexible automation, thus the efficiency may enhance 3 ~ 7 times compared to the traditional engine bed.
3 processings components precision high, size dispersion degree small, makes the assembly to be easy, no longer needs "to make repairs".
4 may realize the multi- working procedures centralism, reduces the components in engine bed between frequent transporting.
5 has auto-alarm, the automatic monitoring, automatic compensation and so on the many kinds of autonomy function, thus may realize long time nobody to safeguard the processing.
6 advantage which derives by above five.
中文譯文
數(shù)控機床改造
數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展簡史及趨勢
1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進入信息社會奠定了基礎。
6年后，即在1952年，計算機技術應用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
數(shù)控（NC）階段（1952～1970年）
早期計算機的運算速度低，對當時的科學計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段歷經(jīng)了三代，即1952年的第一代--電子管；1959年的第二代--晶體管；1965年的第三代--小規(guī)模集成電路。
計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年～現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應有的"通用"兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件--運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。
到1974年微處理器被應用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。
到了1990年，PC機的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進入了基于PC的階段。
總之，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代--小型計算機；1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC（也就是為PC-BASED）。
數(shù)控未來發(fā)展的趨勢
1繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。
2向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
3向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
（1）應用自適應控制技術
數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調(diào)整系統(tǒng)的有關參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。
（2）引入專家系統(tǒng)指導加工
將熟練工人和專家的經(jīng)驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。
（3）引入故障診斷專家系統(tǒng)
（4）智能化數(shù)字伺服驅(qū)動裝置
可以通過自動識別負載，而自動調(diào)整參數(shù)，使驅(qū)動系統(tǒng)獲得最佳的運行。
機床數(shù)控化改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
1 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。
2 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。
3 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。
4 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。
5 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
6 由以上五條派生的好處。
簡易立式鉆銑床數(shù)控系統(tǒng)改造設計
摘要
數(shù)控技術及數(shù)控機床在當今機械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國家 基礎工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統(tǒng)機械制造工業(yè)提升改造和實現(xiàn)自動化、 柔性化、集成化生產(chǎn)的重要手段和標志。數(shù)控技術及數(shù)控機床的廣泛應用，給機械制造 業(yè)的產(chǎn)業(yè)結構、產(chǎn)品種類和檔次以及生產(chǎn)方式帶來了革命性的變化。數(shù)控機床是現(xiàn)代加 工車間最重要的裝備。
本文的研究目標是針對機床的特點，在滿足生產(chǎn)的前提下，對原機床做盡可 能少的改動，利用數(shù)控系統(tǒng)控制鉆銑床運動，實現(xiàn)工作臺 X、Y、Z 的三坐標控制及任意倆軸的聯(lián)動控制，提高鉆銑床的加工精度和自動化水平，完成機床的數(shù)控化改造。
根據(jù)經(jīng)濟性原則和生產(chǎn)的需要，采用的總體方案為：拆除機床工作臺 X、 Y、 Z 軸 原進給系統(tǒng)。將滑動絲杠副更換為滾珠絲杠副，并改裝減速齒輪箱、減速齒輪、步進電 機。采用步進電機減速齒輪帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，并通過絲杠螺母副帶動工作臺轉(zhuǎn)動。首 先進行切削力的計算，然后根據(jù)切削力的大小計算絲杠的強度、剛度，再結合效率計算 校核所選絲杠。選擇合適的滾珠絲杠安裝方式。之后進行齒輪傳動機構設計，根據(jù)所選 步進電機的步距角、脈沖當量，結合公式計算出減速比，選擇合適的齒輪，根據(jù)所選齒 輪的參數(shù)計算出齒輪的轉(zhuǎn)動慣，再結合絲杠的轉(zhuǎn)動慣量，算出總的轉(zhuǎn)動慣量。最后進行 轉(zhuǎn)距的計算，計算負載和空載時的最大轉(zhuǎn)矩，根據(jù)最大轉(zhuǎn)矩選擇匹配的步進電機。
關鍵詞： 鉆銑床 ； 數(shù)控； 滾珠絲杠。
59
Abstract
NC and NC machine tool technology in today's machinery manufacturing industry an important position and great benefits, display its national infrastructure in the industrial modernization of the strategic role, and has become a traditional mechanical manufacturing industries to transform and enhance the implementation of automation, flexible, integrated production and an important means of signs. CNC technology and the widespread application of CNC machine tools, machinery manufacturing to the industrial structure, product variety and quality and production methods brought about a revolutionary change. CNC machine tools are the most important modern processing plant and equipment.
The goal of this paper is aimed at the ZXK7532 milling machine characteristic, to meet the production condition, the original milling machine to do as little as possible changes, using the numerical control system of milling machine working table movement, implementation of X, Y, Z three coordinate control and random three axis linkage control, improving the processing precision and the automation level, finish milling machine numerical control transformation.
According to the principle of economy and production requirements, the overall plan for the demolition of the work table of the machine tool: X, Y, Z axis feed system. The sliding screw replacement for the ball screw deputy, and modified the reduction gear box, gear, stepping motor. The stepping motor deceleration gear drives the ball screw to rotate, and the screw nut pair drives rotation of the table. After the gear drive mechanism design, according to the selected stepper motor step angle, pulse equivalent, combined with the formula to compute the ratio, choosing the right gear, the gear parameters calculated from the rotation of the gear is used, combined with the screw rotational inertia, work out the total rotational inertia. The final torque calculation, computation load and no-load maximum torque, according to the maximum torque matching selection of step motor.
Key words: drilling and milling machine， Numerically-controller machine ， ball screw
目錄
摘要 1
Abstract 2
第1章 緒論 5
1.1 機床數(shù)控技術概述 5
1.1.1 課題研究的目的、意義 5
1.1.2 國內(nèi)、外機床數(shù)控化改造的現(xiàn)狀 6
第2章 機床總體布局設計 8
2.1機床總體尺寸參數(shù)的選定 8
2.2機床改造方案 9
2.2.1 機械部分改造 9
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的改造 10
2.2.3 電氣部分改造 10
2.2.4 測試機床精度 10
第3章 進給系統(tǒng)的設計計算 10
3.1 垂直進給系統(tǒng)的設計計算 11
3.1.1 滾珠絲杠設計計算 11
3.1.2 滾珠絲桿副的預緊方式 17
3.1.3 齒輪傳動消隙 18
3.1.4 脈沖當量和傳動比的確定 18
3.1.5 減速齒輪副設計 20
3.1.6 步進電機的選擇 21
3.2 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 22
3.2.1 滾珠絲杠設計計算 23
3.2.2 脈沖當量和傳動比的確定 26
3.2.3 減速齒輪副設計 27
3.2.4 步進電機的選擇 28
3.3 橫向進給系統(tǒng)設計計算 29
3.3.1 滾珠絲杠設計計算 29
3.3.2 脈沖當量和傳動比的確定 32
3.3.3 減速齒輪副設計 32
3.3.4 步進電機的選擇 33
第4章 數(shù)控系統(tǒng)的設計 34
4.1 數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)的概述 34
4.2 控制系統(tǒng)總體方案的擬定 37
4.3 進給步進電機的驅(qū)動器選型 38
4.4 分配器 38
4.5 系統(tǒng)的編程與加工功能 39
4.6 系統(tǒng)報警 40
第5章 總控制系統(tǒng)硬件電路設計 41
5.1 單片機的設計 41
5.2 系統(tǒng)的擴展 44
5.3 I/O口的擴展 45
5.4 步進電機控制電路設計 48
第6章 控制系統(tǒng)的軟件設計 52
第7章 機床調(diào)試驗收 53
總結 55
參考文獻 56
致謝 57
第1章 緒論
1.1 機床數(shù)控技術概述
機床數(shù)控技術是20世紀70年代發(fā)展起來的一種機床自動控制技術。30多年來，隨著電子器件、計算機、傳感與檢測、機械制造技術的不斷進步，以電子信息技術為基礎，集傳統(tǒng)的機械制造技術、計算機技術、成組技術與現(xiàn)代控制技術，傳感測控技術、信息處理技術、網(wǎng)絡通訊技術、液壓氣動技術、光機電技術于一體的數(shù)控技術得到迅猛發(fā)展和廣泛應用，使得普通機械逐漸被高效率、高精度的數(shù)控設備所替代，從而形成了巨大的生產(chǎn)力，導致了制造業(yè)發(fā)生了根本性變化。數(shù)控技術已成為現(xiàn)代制造技術的基礎，其水平高低和數(shù)控機床擁有量多少是衡量一個國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要標志12J。數(shù)控技術在機械制造業(yè)中得到廣泛的應用，是因為它有效地解決了復雜、精密、小批多變的零件加工問題，能適應各種機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代的需要，使企業(yè)快速響應市場需求的能力大大加強，其經(jīng)濟效益顯著，具體表現(xiàn)在以下幾個方面：
l、生產(chǎn)效率高，比普通機床提高3．5倍：
2、減少工裝，減少人為誤差，提高加工精度，具有廣泛的適用性和靈活性；
3、縮短新產(chǎn)品的試制和生產(chǎn)周期，易于組織多品種生產(chǎn)，使企業(yè)能對市場需求做出快速響應；
4、能加工普通機床不能加工的大型復雜零件；
5、能減輕勞動強度，改善勞動條件，節(jié)省人力，能降低勞動成本；
6、可實現(xiàn)軟件誤差補償和優(yōu)化控制。
1.1.1 課題研究的目的、意義
眾所周知，設備是企業(yè)生產(chǎn)技術發(fā)展和實現(xiàn)經(jīng)營目標的物質(zhì)基礎，設備的技術性能和技術狀況的好壞，直接影響到企業(yè)的產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益。設備的技術改造和更新速度又直接影響企業(yè)技術進步、產(chǎn)品開發(fā)和市場開拓后勁。因此，加快設備更新和改造，以提高企業(yè)在國內(nèi)、外市場的競爭力，是企業(yè)的一項重大戰(zhàn)略任務。
更新改造舊機床是最近幾年發(fā)展起來的一個新興產(chǎn)業(yè)，在國外己形成一定規(guī)模和市場，涌現(xiàn)出了許多專門從事機床改造的公司。國外舊機床改造費用大約為同類型新機床價格的60％，盡管費用較高，但由于機床改造后使用效果好，所以仍然受到機床用戶的歡迎。國內(nèi)近幾年才有較多的用戶使用數(shù)控機床，大多數(shù)用戶當前最關心的還是怎樣用好、維護好數(shù)控機床，機床改造還處于起步階段。改造舊機床是一項高新技術，風險大，承擔者必須具備比較全面的知識和經(jīng)驗，不僅要熟悉各種類型的機床和不同類型的數(shù)控及驅(qū)動系統(tǒng)，還要熟悉用戶的使用要求和機床的優(yōu)缺點。因此我們決定對現(xiàn)有設備進行機床數(shù)控化改造。
1.1.2 國內(nèi)、外機床數(shù)控化改造的現(xiàn)狀
隨著科學生產(chǎn)力的發(fā)展，機床設備數(shù)控化率的提高已是衡量一個國家機械制造業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標志。根據(jù)最近有關資料表明，我國機床總量為380余萬臺，其中數(shù)控機床總數(shù)只有l(wèi) 1．34萬臺，即我國機床數(shù)控化率還不到3％，而一些發(fā)達國家早己達到20％以上。因此，我國機械制造水平與發(fā)達國家相比差距很大，設備陳舊，技術水平落后，嚴重地影響了生產(chǎn)力的發(fā)展。對于一個企業(yè)要想在競爭激烈的市場中贏得生存，適應當前產(chǎn)品更新日新月異的發(fā)展，要求在最短時間生產(chǎn)出優(yōu)質(zhì)、高產(chǎn)、低價的新產(chǎn)品。采用先進的工藝設備，包括采用數(shù)控機床，已顯得越來越重要。因此，逐步提高數(shù)控機床的占有比，己經(jīng)成為我國制造技術發(fā)展的總趨勢。
提高機床數(shù)控化率有兩個途徑：一是購買新的數(shù)控機床；二是對舊機床進行數(shù)控改造。這對于我國一個機床擁有量極大(其中大部分機床役齡較長)而當前經(jīng)濟財力又不足的發(fā)展中國家來說，采用舊機床改造來提高設備的先進性和數(shù)控化率，是一個極其有效和實用的途徑。即使在發(fā)達的工業(yè)幽家，在大量制造數(shù)控機床的同時，也在組建維修改造專業(yè)公司，專門從事舊機床的維修和數(shù)控化改造，尤其在美國、日本和德國等發(fā)達國家機床工業(yè)處于不景氣的今天，它們的機床改造卻是作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，生意盎然，處在黃金時代。用數(shù)控技術改造機床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，己形成了機床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新行業(yè)。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生 (Remanufacturing)業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有：Borsches工程公司、Anton機床公司、Devlieg．Bullavd(得寶)服務集團、US設備公司等。美國得寶公司己在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝(Retrofitting)XJk。從事改裝業(yè)的著名公司有：大限工程集團、崗三機械公司、千代田工程公司、野琦工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。由于機床本身的特點，以及相應技術的不斷發(fā)展進步，機床改造仍是一個“永恒”的課題，并且正在向著更高層次發(fā)展。我國的機床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新行業(yè)。結合我國機床業(yè)的實際和當前相關新技術的發(fā)展，采
用數(shù)控技術改造舊機床主要有下述適應性和特點：
(1)減少投資、交貨期短
同購置新機床相比，一般可以節(jié)省60％．80％的費用，改造費用低。特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只花新機床購置費用的1／3，交貨期短。但有些特殊情況，如高速主軸、刀具自動交換裝置、托盤自動交換裝置的制作與安裝等過于費工、費錢，往往使改造成本提高2．3倍，與購置新機床相比，只能節(jié)省投資50％左右。用數(shù)控技術改造舊機床主要有下述適應性和特點：
(2)機械性能穩(wěn)定可靠，但結構受限
由于機床本身的特點，它與汽車等類機電產(chǎn)品不同，機床所利用的床身、立柱等基礎件都是重而堅固的鑄鐵構件，而不是焊接構件。而鑄鐵件年代久，自然時效愈充分，內(nèi)應力的消除使得精度比新鑄件更穩(wěn)定。從另一方面來說，這些鑄鐵件的重復使用，即節(jié)約了社會資源，又減少了鑄鐵件生產(chǎn)時對環(huán)保的影響。但舊機床的改造，由于受到原機床機械結構的限制，不宜做突破性的改進。
(3)了解設備結構性能，便于操作維修
購買新設備時，事先不能全面了解機床結構性能，以致很難預計是否能完全適合其加工要求。改造則不然，由于舊設備已多年使用，機床操作者和維修人員已對其機械性能和結構了解透徹，對機床的加工能力能較準確地估算。機床數(shù)控改造時，可根據(jù)企業(yè)自身的技術力量和有關條件，采用自己改造或委托專業(yè)改造公司，并派原設備維修技術人員參加相結合的方法進行。這樣，既可在數(shù)控改造過程中，培養(yǎng)提高相關人員的數(shù)控技術水平和有關專業(yè)知識，又便于合理選擇更換原機床設備中的部份元器件，更主要的通過改造，大大提高了企業(yè)自身對數(shù)控機床維修的技術力量，并且也大大縮短了對數(shù)控機床在操作使用和維修方面的培訓時間，機床一旦改造調(diào)試完畢，就可很快投入正常全負荷運轉(zhuǎn)，見效甚快。
(4)可充分利用現(xiàn)有的條件
可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設備時那樣需重新構筑地基，同時工夾具、樣板及外圍設備也能再利用。以加工中心為例子，工藝裝備的費用一般要占整個機床售價的10％以上。
(5)可更好地因地制宜，合理篩選功能
購買現(xiàn)成的通用數(shù)控機床，往往對一個具體的生產(chǎn)加工有一些多余的功能，而又可能缺少某一專用的特殊功能。如向機床制造廠提出特殊訂貨，增加某些專用功能，往往費用大、交貨期長。而采用改造的方案，就可靈活選取所要的功能，并可根據(jù)生產(chǎn)加工要求，采用組合的方法，增添某些部件，設計改造成專用數(shù)控機床。
(6) 可及時采用最新技術、充分利用社會資源
由于技術進步和我國機床功能部件專業(yè)化生產(chǎn)的發(fā)展，目前已有眾多的社會資源來支持機械方面的改造。如可隨意采購各種尺寸的滾珠絲杠副，而且交貨期短：采用貼塑導軌新技術，不僅可使傳統(tǒng)的滑動導軌的摩擦系數(shù)降低五至十幾倍來防止爬行，還使得刮研極為容易。這種塑料導軌帶和粘結劑，國內(nèi)己有多家廠生產(chǎn)，可敞開供應。此外，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)還具有導軌精度自動補償?shù)墓δ?，最終可以獲得高于導軌實際具有精度。又如，當采用其他方式恢復主軸回轉(zhuǎn)錐度有困難時，國內(nèi)現(xiàn)己有多家專業(yè)工廠從事將主軸軸承改造為靜壓或動靜壓軸承的業(yè)務；現(xiàn)己有專業(yè)的潤滑系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、防護件生產(chǎn)廠；北京機床研究所已專業(yè)化生產(chǎn)加工中心的刀庫和機械手；洛陽軸承研究所為北京第一機床廠和南通機床廠配套電主軸部件，不僅將電動機和主軸制成一體，而且主軸內(nèi)還包含了自動央緊和松開刀柄的機構，某些舊機床改造時，可以用電主軸部件來替代原來的主軸等這些例子，說明有一大批社會資源，因此可根據(jù)技術更新的發(fā)展速度，及時地采用最新技術，提高生產(chǎn)設備的自動化水平和效率，提高設備質(zhì)量和檔次，將舊機床改成當今高水平、高效率的機床.
第2章 機床總體布局設計
2.1機床總體尺寸參數(shù)的選定
根據(jù)設計要求并參考實際情況，初步選定機床主要參數(shù)如下：
工作臺寬度×長度 400×1100mm
主軸錐孔 7∶24
工作臺最大縱向行程 300mm
工作臺最大橫向行程 375mm
工作臺最大垂直行程 400mm
主軸轉(zhuǎn)速級數(shù) 12級
主軸轉(zhuǎn)速范圍 30~1500r/min
X、Y軸步進電機 130BF001（反應式步進電動機）
Z軸步進電動機 130BF001（反應式步進電動機）
主電動機的功率 4KW
主軸電動機轉(zhuǎn)速 1440r/min
機床外形尺寸（長×寬×高） 150×1200×2300mm
機床凈重 500Kg
2.2機床改造方案
2.2.1 機械部分改造
通過對機床機械部分的分析和計算，在利用原機床的基礎上，通過對導軌的維修和滾珠絲杠的更換，來設定機械部件的規(guī)格、性能，以便數(shù)控系統(tǒng)正確且準確的控制整部機床的機械部件，達到機床NC化?；谝陨蠑?shù)控機床的工作原理和結構特點，對于ZXK7532鉆銑床機械部分改造的內(nèi)容如下：
(1)導軌與絲杠。由于長時間的磨損，導軌面產(chǎn)生摩擦致使產(chǎn)生了凹凸不平的現(xiàn)象，從而影響加工精度，因此要對導軌面進行加工，如精磨、精刨、刮研等；絲杠方面，為了提高傳動精度，把普通絲杠換為滾珠絲杠。滾珠絲杠的最大特點是可以減小正反向的傳動間隙和減小傳動阻尼，可大大提高傳動精度。
(2)保留原機床主傳動系統(tǒng)的基礎上，通過改造實現(xiàn)主軸正／反轉(zhuǎn)，啟動／停車的NC控制；將工作臺實現(xiàn)垂直、橫向和縱向三個方向拖板的進給傳動裝置取消，將滑動絲杠副更換為滾動絲杠副，并改裝減速齒輪、交流伺服電機。垂向工作臺傳動升降機構在更換滾珠絲杠副后會因失去自鎖而自動下7滑，必須增加平衡裝置和制動裝置；電機通過減速齒輪帶動滾珠絲杠，從而帶動拖板移動。因此機械結構更為簡單，減少了傳動誤差。改造后結構如圖：
2.2.2 數(shù)控系統(tǒng)的改造
從性價比高、綜合成本低這兩個主要的原則出發(fā)，在這兩個原則的指導下對眾多的數(shù)控系統(tǒng)進行比較，選擇最合適的數(shù)控系統(tǒng)。不選擇那些已經(jīng)或?qū)⒁惶蕴漠a(chǎn)品，這樣用不了多長時間又要進行更新，也不要一味追求高性能而增加投入，應該在選擇性能優(yōu)良產(chǎn)品的同時，考慮價格因素，除產(chǎn)品本身的價值外，還要顧及與其配套的配件的采購、維修成本，因故障停機導致的時間成本，以及壽命周期等等。
2.2.3 電氣部分改造
對機床電氣進行數(shù)控改造，需拆除原機床工作臺進給電機及其相應強電線路，由交流電動機及光電編碼器輸出控制信號，設計由KAl～KA4個繼電器和接線端子排構成的附件板，通過電纜與系統(tǒng)控制箱相連，接受系統(tǒng)的控制，可實現(xiàn)機床緊急停機、機床原點的設置、各坐標軸限位、主軸的正反轉(zhuǎn)、啟動停車、冷卻泵控制等功能。
2.2.4 測試機床精度
通過機床靜態(tài)測試和對標準樣件的試加工，來測試機床的各項精度，包括機床幾何精度和機床工作精度兩項。最后對改造后的機床和新機床的各項指標做以對比，來考核改造是否成功，并得出結論。
第3章 進給系統(tǒng)的設計計算
3.1 垂直進給系統(tǒng)的設計計算
假定進給箱的重量： =400kgf=400×9.8=3920N
Z軸的行程為： 400mm
垂直脈沖當量： 0.005mm
預選滾珠絲杠基本導程： =10mm
步距角：
快速進給速度： =2.0m/min
3.1.1 滾珠絲杠設計計算
滾珠絲杠副已經(jīng)標準化，因此，滾珠絲杠副的設計歸結為滾珠絲杠副型號的選擇。
（1）滾珠絲杠螺母副工作原理與特點
圖3-1 滾珠絲杠副的結構原理示意圖
1—螺母 2—滾珠 3—絲杠
滾珠絲杠副的結構原理示意圖如圖3-1所示。在絲杠3和螺母1上都有半圓弧形的螺旋槽，當它們套裝在一起便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠回路管道b，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構成封閉的循環(huán)滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠2。當絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動。因而迫使螺母（或絲杠）軸向移動?？芍?，滾珠絲杠螺母副中是滾動摩擦，它具有以下特點：
1）摩擦損失小，傳動效率高，可達0.9~0.96；
2）絲杠螺母之間預緊后，可以完全消除間隙，提高了傳動剛度；
3）摩擦阻力小，幾乎與運動速度無關，動靜摩擦力之差極小，能保證運動平穩(wěn)，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象。磨損小、壽命長、精度保持好；
4）不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動。因此，絲杠立式使用時，應增加制動裝置。
（2）、滾珠絲杠螺母副的選用
目前我國滾珠絲杠螺母副的精度標準為四級：普通級P、標準級B、精密級J和超精密級C。各級精度所規(guī)定的各項允差可查有關手冊。一般的數(shù)控機床可選用標準級B，精密數(shù)控機床可選精密級J或超精密級C。
在設計和選用滾珠絲杠螺母副時，首先要確定螺距t、名義直徑D0、滾珠直徑d0等主要參數(shù)。在確定后兩個參數(shù)時，采用與驗算滾珠軸承相似的方法，即規(guī)定在最大軸向載荷Q作用下，滾珠絲杠能以33.3r/min的轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)500小時而不出現(xiàn)點蝕。
選擇螺距t時，一般應根據(jù)絲杠的承載能力和剛度要求，首先確定名義直徑D0，然后根據(jù)名義直徑D0盡量取較大的螺距。常用的螺距t=4、5、6、8、10、12mm。螺距愈小，在一定軸向力作用下摩擦力矩愈?。坏玹小時（滾珠也?。?，導致滾珠絲杠承載能力下降。另外，如絲杠名義直徑D0一定時，t減小、螺距升角β隨之減小，傳動效率也隨之降低。絲杠名義直徑D0是指滾珠中心圓的直徑，根據(jù)承受的載荷來選取。D0愈大，絲杠承載能力和剛度愈大。為了滿足傳動剛度和穩(wěn)定性的要求，通常應大于絲杠長度的1/30~1/50。
滾珠直徑d0對承載能力有直接影響，應盡可能取較大的數(shù)值。一般d0≈0.6t，其最后尺寸按滾珠標準選用。
滾珠的工作圈數(shù)J、列數(shù)K和工作滾珠總數(shù)N對絲杠工作特性影響很大。根據(jù)試驗，每一個循環(huán)回路中，各圈所受載荷不均勻，滾珠第一圈約承受總載荷的50%，第二圈約承受30%，第三圈約承受20%。因此，圈數(shù)過多并不能加大承載能力，反而增加了軸向尺寸。一般工作圈數(shù)J=2.5~3.5圈。若工作圈數(shù)必須超過三圈半時，可制成雙列或三列，列數(shù)多，增加了接觸剛度，提高了承載能力。但并不是成比例增加，列數(shù)多，增加承載能力并不顯著，反而加大了螺母的軸向尺寸。一般K=2~3列。工作滾珠總數(shù)N不宜過多，一般N<150，否則，容易引起流通不暢而堵塞。但也不宜過少，這樣會使每個滾珠所受載荷加大，彈性變形也大。
（3）、工作載荷分析及計算
普通麻花鉆每一切刃都產(chǎn)生切向切削抗力,徑向切削抗力與軸向切削抗力。當左，右切削刃對稱時，徑向抗力相互平衡。切向抗力形成鉆削扭矩M，它消耗了切削功率。所有切削刃上軸向抗力之和形成了鉆頭上的軸向力。
鉆削時安裝工件的工作臺是靜止的，不作縱，橫向進給運動，因此鉆削時工作臺載荷主要是垂直進給方向載荷，其大小與鉆削軸向力F相同，方向相反。當鉆削工作臺不作垂直進給時，是工作臺的靜壓垂直載荷；當工作臺作垂直進給時，是工作臺垂直進給抗力。
由于鉆削時加工材料一般為碳素結構鋼，鉆頭為普通麻花鉆，加工方式為鉆孔，所以查《機床夾具設計手冊》得：
軸向切削力的計算公式如下：
F=667D
式中D為鉆頭直徑，f為每轉(zhuǎn)進給量，為修正系數(shù)。=
已知結構鋼和鑄鋼取,取進給量f=0.2mm，由于最大鉆孔直徑是32mm,所以鉆頭直徑取D=32mm.
F=667D=6918.26N
（4）計算作用在絲杠上的最大動負荷
首先根據(jù)切削力和運動部件的重量引起的進給抗力，計算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)要求的壽命值計算出絲杠副應能承受的最大動載荷C：
=
式中——運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，一般運轉(zhuǎn)取1.2～1.5，有沖擊的運轉(zhuǎn)取1.5～2.5；
——滾珠絲杠工作載荷（N）；
——工作壽命，單位為10r，可按下式計算
=
式中 ——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）；
——使用壽命時間（h），數(shù)控機床取15000h。
鉆鏜床主軸燕尾導軌滾珠絲桿副驅(qū)動時滾珠絲桿的工作載荷：
式中 F——切削時的軸向切削抗力；
——軸套和軸架以及主軸鍵上的摩擦系數(shù)＝0.15；
M——主軸上的扭矩；
——主軸直徑；
則 =
其中為最大切削力條件下的進給速度（），可取最高進給速度的～；為絲杠基本導程（），計算時，可初選一數(shù)值，等剛度驗算后再確定；
則
為額定使用壽命（），可?。?5000h;
則 ＝＝60.03萬轉(zhuǎn)
根據(jù)工作負載、壽命，計算出滾珠絲杠副承受的最大動負載，?。?.2，則：
=＝＝35828.26N
由查《機床設計手冊》，選擇絲杠的型號。選擇滾珠絲杠的直徑為40mm，型號為CDM4010-5-P4,其額定動載荷是53411N，強度足夠用。
（5）絲杠螺紋部分長度
等于工作臺最大行程（400mm）加螺母長度（150mm），再加上兩端余量（40mm）。即：=400+150+402=630mm。
（6） 支撐跨距
應略大于，取為=700mm。
（7） 效率計算
根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率為
＝
式中 ——螺紋的螺旋升角，該絲杠為5°41′；
——摩擦角約等于10′。
則 ＝0.971
（8）剛度驗算
①.絲桿的拉壓變形量
滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩的作用，它將引起導程發(fā)生變化，因滾珠絲杠受扭時引起的導程變化量很小，可忽略不計，故工作負載引起的導程變化量
式中 ——彈性模數(shù)，對鋼，；
——滾珠絲杠截面積（）（按絲杠螺紋底徑確定）
＝×＝834.7
“＋”用于拉伸時，“－”用于壓縮時。
則
則絲桿的拉伸或壓縮變形量
②.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關，即與滾珠總數(shù)量有關，與滾珠絲桿的長度無關。當絲桿在工作時有預緊時，其計算公式為：
式中 ——滾珠直徑；
——滾珠總數(shù)量＝Z×圈數(shù)×列數(shù)；
Z——一圈的滾珠數(shù)，Z=(外循環(huán))，，Z=（）－3（內(nèi)循環(huán)）；
——滾珠絲桿的公稱直徑；
——預緊力；
——滾珠絲桿工作載荷；
∵
Z==π×40/5.953＝21.11
則＝Z×圈數(shù)×列數(shù)＝21.11×2.5×2＝73.88
又∵滾珠絲桿的預緊力為軸向工作載荷的1/3，值可減小一半，因而。
③.支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
在垂直進給運動中采用角接觸球軸承，其計算公式為：
式中 ——軸承所受軸向載荷；
——軸承的滾動休數(shù)目；
——軸承滾動體直徑；
∵ 工作載荷
滾珠絲桿的滾動體數(shù)量，滾動體直徑
則
因為有預緊力，故實際變形量
根據(jù)以上的計算，則總變形量為：
四級精度絲桿允許的螺距誤差為25μm，故剛度足夠。
（7）、壓桿穩(wěn)定的校核
滾珠絲桿通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向力工作負荷過大，將使絲桿失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為：
= 2 EI/L2(N)
式中： E為絲桿的彈性模量，對于鋼，E=20.6104，
I為截面慣性矩，I=d14/64，(d1為絲桿底徑),
L為絲桿最大工作長度，為絲桿支承方式系數(shù).
∵ I=×32.64/64=55442.2 =4
∴ =24×20.610455442.2/5802
=134.08104
臨界載荷與絲桿工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[]，則該滾珠絲桿不會失穩(wěn)。一般取[]=2.5-4。
=134.08104/8087＝166.4
∴ 壓桿穩(wěn)定
3.1.2 滾珠絲桿副的預緊方式
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，常用的預緊方法有：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，預緊載荷過大，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(jīng)由制造廠調(diào)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。
雙螺母墊片式預緊：①調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②特點：結構見到，裝卸方便，剛度高；但調(diào)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。
雙螺母螺紋式預緊：①調(diào)整方法：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②結構緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但準確性差，且易于松動，適用于剛度要求不高或隨時調(diào)節(jié)預緊的傳動。
雙螺母齒差式預緊：①調(diào)整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座兩端的內(nèi)齒圈，兩個螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個齒，調(diào)整軸向位移。②能夠精確地調(diào)整預緊力，但結構尺寸較大，裝配調(diào)整比較復雜，宜用于高度精度的傳動機構。
在垂直進給運動中要求要不定時調(diào)節(jié)預緊力，因而宜用雙螺母螺紋式預緊。
3.1.3 齒輪傳動消隙
齒輪傳動的間隙也叫側(cè)隙，它是指一個齒輪固定不動，另一個齒輪能夠作出的最大角位移。傳動間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙；為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩(wěn)性，要盡可能減小傳動間隙。除了提高制造和裝配精度外，消隙的主要途徑有：設計可調(diào)整傳動間隙的機構；設置彈性補償元件。在這設計里我采用可調(diào)整齒輪傳動間隙的機構來消除間隙。
3.1.4 脈沖當量和傳動比的確定
⑴、傳動比的選定
對于步進電機，當脈沖當量確定，并且滾珠絲桿導程和步進電機步距角都已初步選定后，則可用下式來計算該軸伺服傳動系統(tǒng)的傳動比：
⑵、計算轉(zhuǎn)動慣量
初選步進電機的型號為130BF001
則查表查出電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量＝40.06×
對于軸，軸承，齒輪，聯(lián)軸節(jié)，絲桿等圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量公式為：
對于鋼材，材料密度為，則有
從資料定出齒輪副為：
m＝2 mm
則： 齒輪轉(zhuǎn)動慣量：
＝
＝
滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量折算：
＝
工作臺質(zhì)量折算：
＝
傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算：
=
=＝12.36
3.1.5 減速齒輪副設計
此處設計的減速齒輪副是開式齒輪傳動，為防止輪齒太小引起的意外斷齒，傳遞動力的齒輪模數(shù)一般不小于1.5～2mm，因此，減速齒輪模數(shù)取為m=2mm，選擇為直齒圓柱齒輪故分度圓壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)，頂隙系數(shù)。為了提高開式齒輪傳動的耐磨性，要求有較大的模數(shù)，因而齒數(shù)應少一些，一般取Z1=17～20，此處取=20，故= =20×4.17=84，取=84。
由
得：
表3-2 垂直進給齒輪參數(shù)表
齒輪1
齒輪2
齒數(shù)Z
20
84
模數(shù)m（mm）
2
2
分度圓 d（mm）
40
168
齒頂圓 （mm）
44
172
齒根圓 （mm）
35
163
中心距 a（mm）
104
104
齒寬
20
16
圖3-3 齒輪零件圖
3.1.6 步進電機的選擇
（1）、負載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
∵
又∵ t＝0.03s
①則折算到電動機軸上的總加速力矩為：
②折算到電動機軸上的摩擦力矩
∵ G＝980N ，(燕尾形導軌) ，
總效率 ， =4.17
∴
③附加摩擦力矩
∵ 預緊力 , 為滾珠絲桿未預緊時傳動效率，取
∴
則步進電機快速空轉(zhuǎn)啟動力矩：
對于工作方式為五相十拍的步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩為：
從相關資料查出130BF001型步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩為9.31，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號。
（2）、校核步進電機的空載啟動頻率
∵ 步進電機的空載啟動頻率是
查相關資料知：130BF001型步進電機允許的最高空載啟動頻率為＝3000,因而必須分三個階梯啟動，每個階梯啟動頻率為,在0.25s內(nèi)完成升速，0.05s過渡。取，則步進電機的運行頻率為：
而步進電機允許的運行頻率為16000，所以滿足設計要求。
滾珠絲杠沒有自鎖能力，垂直坐標不能鎖住，而進給箱的重量相對來說比較大所以必須采用平衡裝置，避免在工作時主軸箱的失控下降。
3.2 縱向進給系統(tǒng)的設計計算
滾珠絲杠螺母副的選擇計算
假定工作臺及零件的總的量： =100kgf=100×9.8=980N
X軸的行程為： 300mm
縱向脈沖當量： 0.01mm
預選滾珠絲杠基本導程： =5mm
步距角：
快速進給速度： =2.0m/min
3.2.1 滾珠絲杠設計計算
（1）、工作載荷分析及計算
滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫作進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩檫力。據(jù)機床加工的特點，當銑削槽時，工作載荷最大，由于銑削時，工作載荷既包括銑削時沿著絲杠軸的方向的力（即軸向力），也包括工作臺及工件的重量（即垂直絲杠軸方向的力），由于在鉆削時不存在縱向運動，因此只要考慮銑削的情況，而銑削時的軸向力不大，所以在此不考慮銑削時產(chǎn)生的軸向力。
取銑削刀具直徑為75mm，而機床的計算轉(zhuǎn)速為250r/min，則
而，機床主傳動系統(tǒng)的傳動效率
則
選端銑，對稱，其中端銑，時，
則得：
則可得
則在燕尾導軌上滾珠絲桿的工作載荷Fm為：
其中， =0.2， G=980N
（2）計算作用在絲杠上的最大動負荷
其中L=60nt/106
因為一般～1.5，取=1.2
則
由查《機床設計手冊》，選擇絲杠的型號。選擇滾珠絲杠的直徑為32mm，型號為CDM3205-5-P3,其額定動載荷是19249N，強度足夠用。
（4）絲杠螺紋部分長度
等于工作臺最大行程（300mm）加螺母長度（150mm），再加上兩端余量（40mm）。即：=300+150+402=530mm。
（5） 支撐跨距
應略大于，取為=550mm。
（6） 效率計算
根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率為
∵ 螺紋升角
∴
（7） 剛度驗算
①.絲桿的拉壓變形量
滾珠絲桿截面積按絲桿螺紋的底徑確定：
工作負載引起的導程的變化量可用下式計算：
則絲桿的拉伸或壓縮變形量
L——滾珠絲杠兩端的支撐間距，取L=900mm
由于兩端均采用推力軸承，且絲桿又進行了預緊，故其拉壓剛度可比一端固定的絲桿提高4倍。
②.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關，即與滾珠總數(shù)量有關，與滾珠絲桿的長度無關。當絲桿在工作時有預緊時，其接觸變形量為：
（其中為預緊力，，而 ）
∵ 絲桿加有預緊力，且預緊力為軸向最大負載的1/3時
∴ 可減少一半。因此實際變形量為：
③.支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
根據(jù)以上的計算，則總變形量為：
三級精度絲桿允許的螺距誤差為15μm/m，故剛度足夠。
(8)穩(wěn)定性驗算。
滾珠絲杠長期受軸向力，若軸向工作負載過大，會使其產(chǎn)生縱向變形失去穩(wěn)定性，
所以通過驗算其所能承受的最大軸向載荷了解是否會產(chǎn)生縱向彎曲。
式中 一一絲杠支撐系數(shù)，由于是兩端固定，所以=4；
E一一滾珠絲杠材料的彈性模量，取鋼；
L一一絲杠兩端距離。L=900mm；
I——絲杠截面慣性矩；
——絲杠底徑， =28.1m
所以最大軸向載荷為
穩(wěn)定性安全系數(shù)為
由于穩(wěn)定安全系數(shù)遠大于許用穩(wěn)定安全系數(shù)4，所以絲杠很穩(wěn)定，不會發(fā)生失穩(wěn)。
3.2.2 脈沖當量和傳動比的確定
⑴、傳動比的選定
⑵、計算轉(zhuǎn)動慣量
初選步進電機的型號為130BF001
則查表查出電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量＝40.06×
則滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量折算：
齒輪轉(zhuǎn)動慣量折算：
＝
工作臺質(zhì)量折算：
傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算：
=
=9.341
3.2.3 減速齒輪副設計
此處設計的減速齒輪副是開式齒輪傳動，為防止輪齒太小引起的意外斷齒，傳遞動力的齒輪模數(shù)一般不小于1.5～2mm，因此，減速齒輪模數(shù)取為m=2mm，選擇為直齒圓柱齒輪故分度圓壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)，頂隙系數(shù)。為了提高開式齒輪傳動的耐磨性，要求有較大的模數(shù)，因而齒數(shù)應少一些，一般取Z1=17～20，此處取=20，故= =20×1.04=21，取=21。
由
得：
表3-4 縱向進給齒輪參數(shù)表
齒輪1
齒輪2
齒數(shù)Z
20
21
模數(shù)m（mm）
2
2
分度圓 d（mm）
40
42
齒頂圓 （mm）
44
46
齒根圓 （mm）
35
37
中心距 a（mm）
41
41
齒寬
20
16
3.2.4 步進電機的選擇
（1）、負載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
∵
又∵
①則折算到電動機軸上的總加速力矩為：
②折算到電動機軸上的摩擦力矩
③附加摩擦力矩
∵ 預緊力，滾珠絲桿未預緊時的傳動效率取
則
則步進電動機快速空轉(zhuǎn)啟動力矩：
對于工作方式為五相十拍得步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩：
從相關資料查出130BF001型步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩為9.31，大于所需快速空載啟動力矩，可作為初選型號。
（2）、校核步進電機的空載啟動頻率
∵ 步進電機的空載啟動頻率是
而130BF001型步進電動機最高空載啟動頻率為f=3000HZ,因而必須分三個階段啟動，每個階段啟動頻率為，在0.25s內(nèi)玩完成升速0.05s過渡，取，則步進電動機運行頻率為：
而步進電機允許的運行頻率為16000HZ，因而滿足要求。
3.3 橫向進給系統(tǒng)設計計算
滾珠絲杠螺母副的選擇計算
假定工作臺及零件的總的量： =200kgf=200×9.8=1960N
Y軸的行程為： 375mm
縱向脈沖當量： 0.01mm
預選滾珠絲杠基本導程： =6mm
步距角：
快速進給速度： =2.0m/min
3.3.1 滾珠絲杠設計計算
（1）、工作載荷分析及計算
橫向?qū)к墳榫匦螌к墸嬎愎饺缦拢?
式中：
,,
已知工作臺及夾具工件重力：G=1960N。對于矩形導軌，k=1.1，f=0.15，
因此：
（2）計算作用在絲杠上的最大動負荷
其中L=60nt/106
因為一般～1.5，取=1.2
則
由查《機床設計手冊》，選擇絲杠的型號。選擇滾珠絲杠的直徑為40mm，型號為CDM4006-5-P3,其額定動載荷是19249N，強度足夠用。
（4）絲杠螺紋部分長度
等于工作臺最大行程（375mm）加螺母長度（150mm），再加上兩端余量（40mm）。即：=375+150+402=605mm。
（5） 支撐跨距
應略大于，取為=615mm。
（6） 效率計算
根據(jù)《機械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動效率為
∵ 螺紋升角
∴
（7） 剛度驗算
①.絲桿的拉壓變形量
滾珠絲桿截面積按絲桿螺紋的底徑確定：
工作負載引起的導程的變化量可用下式計算：
則絲桿的拉伸或壓縮變形量
其中 L——滾珠絲杠兩端的支撐間距，L=850mm
(8)穩(wěn)定性驗算。
滾珠絲杠長期受軸向力，若軸向工作負載過大，會使其產(chǎn)生縱向變形失去穩(wěn)定性，
所以通過驗算其所能承受的最大軸向載荷了解是否會產(chǎn)生縱向彎曲。
式中 一一絲杠支撐系數(shù)，由于是兩端固定，所以=4；
E一一滾珠絲杠材料的彈性模量，取鋼；
L一一絲杠兩端距離。L=850mm；
I——絲杠截面慣性矩；
——絲杠底徑， =28.1m
所以最大軸向載荷為
穩(wěn)定性安全系數(shù)為
由于穩(wěn)定安全系數(shù)遠大于許用穩(wěn)定安全系數(shù)4，所以絲杠很穩(wěn)定，不會發(fā)生失穩(wěn)。
3.3.2 脈沖當量和傳動比的確定
⑴、傳動比的選定
⑵、計算轉(zhuǎn)動慣量
初選步進電機的型號為130BF001
則查表查出電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量＝40.06×
則滾珠絲桿轉(zhuǎn)動慣量折算：
齒輪轉(zhuǎn)動慣量折算：
＝
工作臺質(zhì)量折算：
傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算：
=
=33.9
3.3.3 減速齒輪副設計
此處設計的減速齒輪副是開式齒輪傳動，為防止輪齒太小引起的意外斷齒，傳遞動力的齒輪模數(shù)一般不小于1.5～2mm，因此，減速齒輪模數(shù)取為m=2mm，選擇為直齒圓柱齒輪故分度圓壓力角α=20°，齒頂高系數(shù)，頂隙系數(shù)。為了提高開式齒輪傳動的耐磨性，要求有較大的模數(shù)，因而齒數(shù)應少一些，一般取Z1=17～20，此處取=20，故= =20×1.25=25，取=25。
由
得：
表3-5 橫向進給齒輪參數(shù)表
齒輪1
齒輪2
齒數(shù)Z
20
25
模數(shù)m（mm）
2
2
分度圓 d（mm）
40
50
齒頂圓 （mm）
44
54
齒根圓 （mm）
35
45
中心距 a（mm）
45
45
齒寬
20
16
3.3.4 步進電機的選擇
（1）、負載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
∵
又∵
①則折算到電動機軸上的總加速力矩為：
②折算到電動機軸上的摩擦力矩
③附加摩擦力矩
∵ 預緊力，滾珠絲桿未預緊時的傳動效率取
則
則步進電動機快速空轉(zhuǎn)啟動力矩：
對于工作方式為五相十拍得步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩：
從相關資料查出130BF001型步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩為9.31，大于所需快速空載啟動力矩，可作為初選型號。
（2）、校核步進電機的空載啟動頻率
∵ 步進電機的空載啟動頻率是
而130BF001型步進電動機最高空載啟動頻率為f=3000HZ,因而必須分三個階段啟動，每個階段啟動頻率為，在0.25s內(nèi)玩完成升速0.05s過渡，取，則步進電動機運行頻率為：
而步進電機允許的運行頻率為16000HZ，因而滿足要求。
第4章 數(shù)控系統(tǒng)的設計
4.1 數(shù)控車床及數(shù)控系統(tǒng)的概述
按照國際信息處理聯(lián)盟(International Federation of Information Processing-IFIP)第五技術委員會，對數(shù)控機床的定義:數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能夠處理用號碼或其它符號編碼指令規(guī)定的程序。定義中所指的程序控制系統(tǒng)，就是數(shù)控系統(tǒng)或數(shù)控裝置。它是一種控制系統(tǒng)，能自動閱讀讀入載體事先給定的數(shù)字值，并將其譯碼，從而控制機床動作，進行零件加工。數(shù)控機床的主要結構見圖4-1，由機床主機、驅(qū)動裝置、輔助裝置、CNC裝置和編程裝置等組成。
圖4-1 數(shù)控機床的主要結構
（1）機床主機
機床主機是數(shù)控機床的機械主體，由能實現(xiàn)各可控運動主軸和主運動的帶傳動、齒輪傳
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