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廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院
數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)
一、數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)的目的
數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是機(jī)電專(zhuān)業(yè)教學(xué)活動(dòng)的一個(gè)重要的實(shí)踐性環(huán)節(jié)，是對(duì)學(xué)生所學(xué)《數(shù)控機(jī)床》課程和其它有關(guān)課程知識(shí)和技能的一次綜合性練習(xí)，旨在使之鞏固、充實(shí)、系統(tǒng)化，并得到進(jìn)一步擴(kuò)展。課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決生產(chǎn)實(shí)際問(wèn)題的機(jī)會(huì)。通過(guò)對(duì)數(shù)控銑床典型部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和零件編程的具體問(wèn)題的解決，使學(xué)生對(duì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)原理、設(shè)計(jì)方法以及用編程方法處理實(shí)際問(wèn)題的一般步驟和具體技巧得到訓(xùn)練，提高運(yùn)用所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。
二、數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容與要求
每個(gè)學(xué)生應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)，獨(dú)立完成所選題目，對(duì)于做機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的學(xué)生，要求用計(jì)算機(jī)繪圖方式繪制有關(guān)的總裝圖(A0或A1圖紙一張)和適量零件圖。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)5000字以上。要求裝配圖充分表明整機(jī)或部件的工作原理及結(jié)構(gòu)，裝配關(guān)系明確，圖面整潔,布局合理，線條粗細(xì)均勻，圓弧連接光滑，尺寸標(biāo)注規(guī)范，文字注釋必須使用工整字體書(shū)寫(xiě)，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
對(duì)選擇編程題目的學(xué)生，要求用編寫(xiě)計(jì)算機(jī)軟件的方法解決數(shù)控過(guò)程為的一個(gè)問(wèn)題?？梢匀芜x用本人熟悉的一種編程語(yǔ)言，要求清楚地分析問(wèn)題、提出算法、列出流程圖，最后用程序驗(yàn)證，并且提交程序說(shuō)明書(shū)，。
三、課程設(shè)計(jì)的步驟
課程設(shè)計(jì)的步驟大致包括: 調(diào)查研究，收集資料，查閱文獻(xiàn)；論證及確定設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，編寫(xiě)程序和編制設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
四、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)的編寫(xiě)
課程設(shè)計(jì)過(guò)程中參考和閱讀各種文獻(xiàn)資料是重要的。因此設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)中要求有一定篇幅的文獻(xiàn)綜述。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)是圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的理論根據(jù)，是記錄軟件設(shè)計(jì)思想和方法的重要工作，又是設(shè)計(jì)計(jì)算的整理和總結(jié)。因此是審核設(shè)計(jì)是否合理的技術(shù)文件之一。
設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)要求計(jì)算正確，論述清楚、文字簡(jiǎn)潔通順、語(yǔ)言流暢、無(wú)錯(cuò)別字、書(shū)寫(xiě)工整，要求獨(dú)立完成。對(duì)計(jì)算內(nèi)容只須寫(xiě)出計(jì)算公式，再代入各文字符號(hào)相應(yīng)的數(shù)值 (運(yùn)算和簡(jiǎn)化過(guò)程不必寫(xiě)出)，寫(xiě)出計(jì)算結(jié)果，并表明單位，寫(xiě)出簡(jiǎn)短的結(jié)論。
說(shuō)明書(shū)中應(yīng)包括與文字和計(jì)算有關(guān)的必要簡(jiǎn)圖，作到圖文并茂。插圖及各種曲線圖表、框圖等均不得用徙手畫(huà)，必須按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)或工程要求繪制，各種符號(hào)、名稱(chēng)和計(jì)量單位均須符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
說(shuō)明書(shū)中所引用的重要公式、數(shù)據(jù)或論點(diǎn)，應(yīng)注明來(lái)源，或在右上角注出參考文獻(xiàn)的編號(hào)。 設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)用藍(lán)黑或黑色鋼筆書(shū)寫(xiě)，或用計(jì)算機(jī)打印，格式要求按下列次序:
1、數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)題目；
2、目錄 (標(biāo)題、頁(yè)次)；
3、內(nèi)容提要(200字，必須用中英文各一份)；
4、引言；
5、正文；
6、參考文獻(xiàn)；
7、附錄；
正文內(nèi)容大致如下:
1、數(shù)控系統(tǒng)總體方案的分析、原理闡述和框圖；
2、機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程說(shuō)明；
3、結(jié)構(gòu)和零件參數(shù)的選擇和計(jì)算；
4、使用、運(yùn)行、保養(yǎng)、裝配維護(hù)的必要的技術(shù)說(shuō)明等；
5、軟件設(shè)計(jì)方案、算法、程序流程圖。原程序列在附錄中。
6、設(shè)計(jì)小結(jié) (對(duì)數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)的體會(huì)，設(shè)計(jì)方案優(yōu)缺點(diǎn)及改進(jìn)意見(jiàn)等)
五、數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)題目
[1]、經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)是承載工件并能實(shí)現(xiàn)XY兩軸聯(lián)動(dòng)的工作面。在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作臺(tái)完成平面運(yùn)動(dòng)，精確高效地完成平面內(nèi)各種復(fù)雜曲線的凸輪、樣板、模具等零件的自動(dòng)加工。
(1) 基本參數(shù)：
A工作臺(tái)面積 480mm×240mm
B工作臺(tái)行程 X向 450mm，Y向280mm
C工作臺(tái)最大進(jìn)給速度 1.2m/mm
D定位精度 0.04mm
E重復(fù)定位精度 0.04mm
F最大承載重量 50Kg
G啟動(dòng)加速時(shí)間 25ms
(2) 要求完成的主要內(nèi)容：
A 數(shù)控系統(tǒng)的總體方案擬定
B 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
1)確定脈沖當(dāng)量；
2)滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型
3)導(dǎo)軌的計(jì)算和選型
4)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)計(jì)算
5)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型
6)完成X-Y軸工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械裝配圖
(3) 設(shè)計(jì)的順序可參考的路線：負(fù)載力的計(jì)算、最高運(yùn)行頻率的確定、選擇步進(jìn)電機(jī)、選擇滾珠絲桿副，確定齒輪減速比、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。
[2]、數(shù)控系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真
對(duì)于給定的一段NC代碼，用VB或其他高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)程序解釋、插補(bǔ)，在PC機(jī)上仿真數(shù)控裝置，進(jìn)行圖形描繪、坐標(biāo)值顯示、步進(jìn)電機(jī)控制模擬顯示及信號(hào)輸出、冷卻液和主軸開(kāi)關(guān)量控制模擬顯示及信號(hào)輸出。具體要求如下：
(1) NC代碼中包含的代碼類(lèi)型有：
G90 G54 G00 G01 G02 G03 M03 M05 M08 M09 M30
例：下面給出一個(gè)具體的圖形示意圖，NC代碼及其加工軌跡圖：
圖1 工件平面圖
%
O0000
N106G0G90G54X10.Y20.M03M08
N108Z50.
N110Z10.
N112G1Z-1.
N114Y15.0
N118G2X15.Y13.09J7.5
N120X20.Y15.I-5.0J5.59
N122G1Y20.0
N126X10.
N128G0Z50.
N130M5M09
N136M30
%
(2)、要求根據(jù)NC代碼屏幕模擬加工過(guò)程，圖形顯示位置，坐標(biāo)值顯示，輔助功能狀態(tài)顯示（冷卻液和主軸開(kāi)關(guān)量控制模擬顯示）。
(3)、PC機(jī)模擬加工過(guò)程中，要求有實(shí)時(shí)的驅(qū)動(dòng)三軸步進(jìn)電機(jī)的控制信號(hào)、控制冷卻液和主軸轉(zhuǎn)動(dòng)的開(kāi)關(guān)量輸出控制信號(hào)。假設(shè)信號(hào)從計(jì)算機(jī)并行打印口的數(shù)據(jù)信號(hào)線輸出，端口地址為0x378。并行口數(shù)據(jù)線分配如下（低電平有效）：
圖2 加工仿真示意圖
七、參考文獻(xiàn)
1《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》第三分冊(cè)
2 數(shù)字控制機(jī)床 廖效果 主編 華中理工大學(xué)出版社
3 數(shù)控技術(shù) 廖效果 主編 湖北科學(xué)技術(shù)出版社
4 數(shù)字控制機(jī)床 劉又午 編 機(jī)械工業(yè)出版社
5 機(jī)床電氣控制 龔浦泉 主編 重慶大學(xué)出版社
廣東工業(yè)大學(xué)
機(jī)電工程學(xué)院
數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專(zhuān) 業(yè)
班 級(jí)
姓 名
學(xué) 號(hào)
指導(dǎo)老師
年 月 日
摘 要
數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床在當(dāng)今機(jī)械制造業(yè)中的重要地位和巨大效益，顯示了其在國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)現(xiàn)代化中的戰(zhàn)略性作用，并已成為傳統(tǒng)機(jī)械制造工業(yè)提升改造和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的重要手段和標(biāo)志。數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床的廣泛應(yīng)用，給機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品種類(lèi)和檔次以及生產(chǎn)方式帶來(lái)了革命性的變化。數(shù)控機(jī)床是現(xiàn)代加工車(chē)間最重要的裝備。它的發(fā)展是信息技術(shù)(1T)與制造技術(shù)(MT)結(jié)合發(fā)展的結(jié)果?，F(xiàn)代的CAD/CAM、FMS、CIMS、敏捷制造和智能制造技術(shù)，都是建立在數(shù)控技術(shù)之上的。掌握現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)知識(shí)是現(xiàn)代機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必不可少的。
本次設(shè)計(jì)內(nèi)容介紹了數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)、電機(jī)選型以及計(jì)算誤差的一般分析。并通過(guò)一定的實(shí)例詳細(xì)的介紹了數(shù)控車(chē)床改造的分析方法。
關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù) 數(shù)控改造 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 電氣控制
Abstract
numerical control technology and the numerically-controlled machine tool in now in the machine-building industry the important position and the huge benefit, had demonstrated it in the key industry modernization's strategic function, and has become the traditional machine manufacture industry promotion to transform and to realize the automation, the flexibility, the integrated production important means and the sign. The numerical control technology and numerically-controlled machine tool's widespread application, for machine-building industry's industrial structure, the product type and the scale as well as the production method has brought the revolutionary change. The numerically-controlled machine tool is the modern Processing workshop most important equipment. Its development is the information technology (1T) and the technique of manufacture (MT) union development result. Modern CAD/CAM, FMS, CIMS, the agile manufacture and the intelligence technique of manufacture, is the establishment above the numerical control technology. Masters the modern numerical control technical knowledge is the modern mechanical and electrical kind of college major is essential.
This design content introduced the numerical control lathe's characteristic, the electrical machinery shaping as well as counting error's general analysis. And through certain example detailed introduction the analysis method which numerical control lathe transformed.
Keywords: the numerical control technology, numerical control transformation step-by-steps, the electric motor electric control.
目 錄
摘 要 II
目 錄 IV
第1章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的分析、原理闡述和框圖 1
1.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的分析 1
1.1.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 1
1.1.2伺服系統(tǒng)的選擇 1
1.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇 1
1.1.4 X-Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 1
1.2 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的原理闡述 2
1.3 數(shù)控系統(tǒng)總體方案框圖 7
1.4 課題設(shè)計(jì)參數(shù)與要求 7
第2章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程說(shuō)明 9
2.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 9
2.2工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算 9
2.3滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 10
2.4滾珠絲杠計(jì)算、選擇 11
2.5齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì) 14
2.6步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算以及步進(jìn)電機(jī)的選用 14
第3章 結(jié)構(gòu)和零件參數(shù)的選擇和計(jì)算 17
3.1滾珠絲杠副的支承形式 17
3.2滾珠絲杠副的特點(diǎn) 18
3.3導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 18
3.3.1導(dǎo)軌的功用 18
3.3.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選擇程序 18
3.3.3 直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)支承系統(tǒng)負(fù)荷的計(jì)算 19
3.3.4 導(dǎo)軌的選擇 19
3.4 滾動(dòng)軸承的計(jì)算 21
3.4.1 支撐方案的確定 21
3.4.2 軸承型號(hào)選型及校核 21
第4章 使用、運(yùn)行、保養(yǎng)、裝配維護(hù)的必要的技術(shù)說(shuō)明等 22
第5章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 24
5.1 軟件設(shè)計(jì)方案 24
5.2 程序流程圖 24
5.3 算法 25
5.4匯編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì) 26
第六章 設(shè)計(jì)小結(jié) 27
參考文獻(xiàn) 28
附錄：程序清單 29
33
第1章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的分析、原理闡述和框圖
數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類(lèi)型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。
1.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的分析
1.1.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。
1.1.2伺服系統(tǒng)的選擇
開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī)。開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于沒(méi)有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。
考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)作為開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。
1.1.3計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇
采用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性?xún)r(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。
1.1.4 X-Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式
為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。
由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。
1.2 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的原理闡述
數(shù)控機(jī)床一般由信息載體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機(jī)床本體等四部分組成。信息載體即穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶和磁盤(pán)等，用于記錄程序編制的內(nèi)容，并通過(guò)光電紙帶閱讀機(jī)、磁帶機(jī)和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器等讀入裝置輸送給數(shù)控裝置。數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心，也就是常說(shuō)的NC（普通數(shù)控裝置） 或CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置），NC是數(shù)控機(jī)床發(fā)展初期的一種形式，現(xiàn)在的數(shù)控機(jī)床大多使用CNC系統(tǒng)。數(shù)控裝置的作用是接受讀入裝置輸入的加工信息，經(jīng)過(guò)譯碼處理和運(yùn)算，發(fā)出相應(yīng)的指令脈沖給伺服系統(tǒng)，完成零件加工。伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行部分，由電動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)裝置組成。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控裝置傳來(lái)的指令脈沖信號(hào)，控制機(jī)床執(zhí)行件（工作臺(tái)或刀架）運(yùn)動(dòng)的位移和速度。機(jī)床本體主要是機(jī)械部件，包括主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件和支承部件等。對(duì)于數(shù)控機(jī)床部件來(lái)講，機(jī)械部件結(jié)構(gòu)較通用機(jī)床簡(jiǎn)單，但其各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求比通用機(jī)床要高。在數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行加工時(shí)，首先根據(jù)零件圖編制程序，編程的代碼和指令格式大多符合ISO標(biāo)準(zhǔn)和相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。然后將程序通過(guò)信息載體輸入到NC或CNC中，由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)程序內(nèi)容發(fā)出指令，一方面由伺服系統(tǒng)中的電動(dòng)機(jī)通過(guò)傳動(dòng)裝置控制機(jī)床執(zhí)行件的運(yùn)動(dòng)，另一方面控制機(jī)床的其它輔助運(yùn)動(dòng)，如主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向選擇，冷卻泵的開(kāi)停等。兩方面協(xié)同動(dòng)作，共同完成加工內(nèi)容。數(shù)控機(jī)床加工零件的過(guò)程如圖1所示。
二、數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)方法多種多樣，常見(jiàn)的分類(lèi)方法有四種
（一）按伺服系統(tǒng)類(lèi)型分類(lèi)
分為開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)。由伺服系統(tǒng)控制機(jī)床執(zhí)行件運(yùn)動(dòng)時(shí)，雖然其接受了數(shù)控裝置的指令要求值，但實(shí)際位移量并不一定等同于指令要求值，也就是存在一定的誤差。這一誤差是由伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角誤差、減速齒輪的傳動(dòng)誤差、滾珠絲杠的導(dǎo)程誤差以及導(dǎo)軌副抵抗爬行的能力這四項(xiàng)因素綜合反映的。開(kāi)環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)的主要區(qū)別在于使用的電動(dòng)機(jī)不同、是否進(jìn)行執(zhí)行件的測(cè)量及誤差補(bǔ)償以及誤差補(bǔ)償范圍的大小不同。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)如圖2所示，由于不進(jìn)行執(zhí)行件的測(cè)量及誤差補(bǔ)償，所以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，精度相對(duì)較低，成本低，一般用于精度要求不太高的中小型數(shù)控機(jī)床上。閉環(huán)系統(tǒng)如圖3所示，精度高，成本高，主要用于精度要求較高的大型和精密數(shù)控機(jī)床上。半閉環(huán)系統(tǒng)如圖4所示，介于兩者之間，只對(duì)部分誤差進(jìn)行補(bǔ)償，因此從理論上講其加工精度不如全閉環(huán)系統(tǒng)。圖1所示的系統(tǒng)稱(chēng)之為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)（圖中虛線框部分所示），如果加入位移檢測(cè)裝置和反饋系統(tǒng)（圖中虛線部分所示），此時(shí)，該系統(tǒng)稱(chēng)為閉環(huán)系統(tǒng)。
（二）按控制運(yùn)動(dòng)的方式分類(lèi)
分為點(diǎn)位控制、直線控制和輪廓控制三種。點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床在加工平面內(nèi)只控制刀具相對(duì)于工件的定位點(diǎn)的坐標(biāo)位置，而對(duì)定位移動(dòng)的軌跡不作要求。這類(lèi)控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床和測(cè)量機(jī)等。直線控制數(shù)控機(jī)床能控制刀具或工件的適當(dāng)?shù)倪M(jìn)給運(yùn)動(dòng)，沿平行于坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行直線移動(dòng)和加工，或者控制兩個(gè)坐標(biāo)軸以相同的速度運(yùn)動(dòng)，沿45°斜線進(jìn)行切削加工。這類(lèi)控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控車(chē)床、數(shù)控鏜銑床以及某些加工中心。輪廓控制數(shù)控機(jī)床能同時(shí)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上坐標(biāo)軸，使刀具與工件作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工復(fù)雜零件。單純的點(diǎn)位控制和直線控制機(jī)床很少，大部分為輪廓控制數(shù)控機(jī)床。輪廓控制數(shù)控機(jī)床能夠?qū)崿F(xiàn)聯(lián)動(dòng)加工，也能進(jìn)行點(diǎn)位和直線控制。這類(lèi)控制系統(tǒng)主要用于數(shù)控車(chē)床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床以及加工中心機(jī)床。
（三）按工藝用途分類(lèi)
分為一般數(shù)控機(jī)床和數(shù)控加工中心。一般數(shù)控機(jī)床指與一般通用機(jī)床相對(duì)應(yīng)的數(shù)控車(chē)、銑、鉆、鏜、磨和齒輪加工機(jī)床。加工中心最顯著的特點(diǎn)是具有刀庫(kù)和換刀機(jī)械手，能夠?qū)崿F(xiàn)多工序加工。刀庫(kù)的容量應(yīng)為二十把刀以上，但是一般常說(shuō)的四方刀架、八方刀架等不屬于刀庫(kù)的范疇。
（四）按數(shù)控裝置的功能分類(lèi)
分為數(shù)控機(jī)床、簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床和經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置功能齊全，能夠進(jìn)行自動(dòng)編程、自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)故障診斷等。簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床的功能單一，僅具備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的基本功能，并采用直觀輸入方式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜。通用機(jī)床可采用單片機(jī)或單板機(jī)經(jīng)數(shù)控化改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，性能可靠，操作簡(jiǎn)便。
插補(bǔ)的任務(wù)是根據(jù)進(jìn)給速度的要求，在輪廓起點(diǎn)和終點(diǎn)之間計(jì)算出若干個(gè)中間點(diǎn)的坐標(biāo)值，每個(gè)中間點(diǎn)計(jì)算所需時(shí)間直接影響系統(tǒng)的控制速度，而插補(bǔ)中間點(diǎn)坐標(biāo)值的計(jì)算精度又影響到數(shù)控系統(tǒng)的控制精度，因此，插補(bǔ)算法是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)控制的核心。
插補(bǔ)算法經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，不斷成熟，種類(lèi)很多。一般說(shuō)來(lái)，從產(chǎn)生的數(shù)學(xué)模型來(lái)分，主要有直線插補(bǔ)、二次曲線插補(bǔ)等；從插補(bǔ)計(jì)算輸出的數(shù)值形式來(lái)分，主要有脈沖增量插補(bǔ)(也稱(chēng)為基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ))和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)[26]。脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)都有個(gè)自的特點(diǎn)，本文根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同分別開(kāi)發(fā)出了脈沖增量插補(bǔ)和數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)。
三.插補(bǔ)原理和道具補(bǔ)償原理
機(jī)床數(shù)字控制的核心問(wèn)題之一，就是如何控制刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō)為了滿(mǎn)足被加工工件幾何尺寸精度的要求，刀具中心軌跡應(yīng)該準(zhǔn)確的依照工件的輪廓來(lái)生城刀具中心軌跡。然而對(duì)于簡(jiǎn)單的曲線，數(shù)控裝置易于實(shí)現(xiàn)但對(duì)于較復(fù)雜的形狀，若直接生成勢(shì)必會(huì)使算法變得很復(fù)雜計(jì)算機(jī)的工作量也相應(yīng)的大大增加。因此，在實(shí)際應(yīng)用中常常采用一小段直線或圓弧去進(jìn)行逼近，有些場(chǎng)合也可以用拋物線、橢圓、雙曲線和其他高次曲線去逼近復(fù)雜曲線（或稱(chēng)為擬合）所謂插補(bǔ)就是指數(shù)據(jù)密化的過(guò)程。在對(duì)數(shù)控系統(tǒng)諸如有限坐標(biāo)點(diǎn)的情況下，計(jì)算機(jī)根據(jù)線段的特征，運(yùn)用一定的算法，自動(dòng)地在這些特征之間插入一系列的中間點(diǎn)，即所謂數(shù)據(jù)密化，從而對(duì)坐標(biāo)軸進(jìn)行脈沖分配，完成整個(gè)曲線的軌跡運(yùn)行一滿(mǎn)足加工精度的要求。插補(bǔ)算法有很多種，現(xiàn)將其歸納為兩大類(lèi)：
（一）脈沖增量插補(bǔ)
脈沖增量插補(bǔ)是行程標(biāo)量插補(bǔ)，每次插補(bǔ)結(jié)束產(chǎn)生一個(gè)行程增量，以脈沖的方式輸出。這種插補(bǔ)算法主要應(yīng)用在開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)中，在插補(bǔ)計(jì)算過(guò)程中不斷向各坐標(biāo)軸發(fā)出互相協(xié)調(diào)的進(jìn)給脈沖，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)。一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的坐標(biāo)軸移動(dòng)量叫做脈沖當(dāng)量。脈沖當(dāng)量是脈沖分配的基本單位，按機(jī)床設(shè)計(jì)的加工精度選定，普通精度的機(jī)床一般取脈沖當(dāng)量為：0.01mm，較精密的機(jī)床取1或0.5。采用脈沖增量插補(bǔ)算法的數(shù)控系統(tǒng)，其坐標(biāo)軸進(jìn)給速度主要受插補(bǔ)程序運(yùn)行時(shí)間的限制，一般為1~3m/min。
脈沖增量插補(bǔ)主要有逐點(diǎn)比較法、數(shù)據(jù)積分插補(bǔ)法等。逐點(diǎn)比較法最初稱(chēng)為區(qū)域判別法，或代數(shù)運(yùn)算法，或醉步式近似法。這種方法的原理是：計(jì)算機(jī)在控制加工過(guò)程中，能逐點(diǎn)地計(jì)算和判別加工偏差，以控制坐標(biāo)進(jìn)給，按規(guī)定圖形加工出所需要的工件，用步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)拖動(dòng)機(jī)床，其進(jìn)給方式是步進(jìn)式的，插補(bǔ)器控制機(jī)床。逐點(diǎn)比較法既可以實(shí)現(xiàn)直線插補(bǔ)也可以實(shí)現(xiàn)圓弧等插補(bǔ)，它的特點(diǎn)是運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻，速度變化小，調(diào)節(jié)方便，因此在兩個(gè)坐標(biāo)開(kāi)環(huán)的CNC系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍。但這種方法不能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，其應(yīng)用范圍受到了很大限制。
數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法
根據(jù)數(shù)控加工程序所要求的進(jìn)給速度，按照插補(bǔ)周期的大小，先將零件輪廓曲線分割為一系列首尾相接的微小直線段，然后輸出這些微小直線段所對(duì)應(yīng)的位置增量數(shù)據(jù)，控制伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸進(jìn)給。
采用數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)算法時(shí)，每調(diào)用一次插補(bǔ)程序，數(shù)控系統(tǒng)就計(jì)算出本插補(bǔ)周期內(nèi)各個(gè)坐標(biāo)軸的位置增量以及各個(gè)坐標(biāo)軸的目標(biāo)位置。
隨后伺服位置控制軟件將把插補(bǔ)計(jì)算求得的坐標(biāo)軸位置與采樣獲得的坐標(biāo)軸實(shí)際位置進(jìn)行比較求得位置跟蹤誤差，然后根據(jù)當(dāng)前位置誤差計(jì)算出坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度并輸出給驅(qū)動(dòng)裝置，從而驅(qū)動(dòng)移動(dòng)部件向減小誤差的方向運(yùn)動(dòng)。
逐點(diǎn)比較法：
逐點(diǎn)比較法的基本原理是，在刀具按要求軌跡運(yùn)動(dòng)加工零件輪廓的過(guò)程中，不斷比較刀具與被加工零件輪廓之間的相對(duì)位置，并根據(jù)比較結(jié)果決定下一步的進(jìn)給方向，使刀具向減小偏差的方向進(jìn)給（始終只有一個(gè)方向）。
一般地，逐點(diǎn)比較法插補(bǔ)過(guò)程有四個(gè)處理節(jié)拍，如圖４－１：
（１）偏差判別。判別刀具當(dāng)前位置相對(duì)于給定輪廓的偏差狀況；
（２）坐標(biāo)進(jìn)給。根據(jù)偏差狀況，控制相應(yīng)坐標(biāo)軸進(jìn)給一步，使加工點(diǎn)向被加工輪廓靠攏；
（３）重新計(jì)算偏差。刀具進(jìn)給一步后，坐標(biāo)點(diǎn)位置發(fā)生了變化，應(yīng)按偏差計(jì)算公式計(jì)算新位置的偏差值；
（４）終點(diǎn)判別。若已經(jīng)插補(bǔ)到終點(diǎn)，則返回監(jiān)控，否則重復(fù)以上過(guò)程。
?
圖4-1 處理節(jié)拍 圖4-2 第一象限直線插補(bǔ)規(guī)律
１．直線插補(bǔ)
圖4-2為第一象限直線，其終點(diǎn)坐標(biāo)為（Ｘe，Ｙe），現(xiàn)分析其插補(bǔ)規(guī)律。
刀尖點(diǎn)位置不外乎３種情況：輪廓線上方（點(diǎn)Ａ），輪廓線上（Ｂ點(diǎn)），輪廓線下方（點(diǎn)Ｃ）。顯然，在點(diǎn)Ａ處，為使刀尖點(diǎn)向輪廓直線靠攏，應(yīng)＋Ｘ向走一步；Ｃ點(diǎn)處，應(yīng)＋Ｙ向走一步；至于Ｂ點(diǎn)，看來(lái)兩個(gè)方向均可以，但考慮匯編編程時(shí)的方便，現(xiàn)規(guī)定往＋Ｘ向走一步。
Ａ（Ｘ，Ｙ）點(diǎn)處有：Ｙ／Ｘ>Ｘe／Ｙe????????????? ＸeＹ－ＸＹe > 0
Ｂ（Ｘ，Ｙ）點(diǎn)處有：Ｙ／Ｘ＝Ｘe／Ｙe???????????? ＸeＹ－ＸＹe ＝ 0
Ｃ（Ｘ，Ｙ）點(diǎn)處有：Ｙ／Ｘ<Ｘe／Ｙe????????????? ＸeＹ－ＸＹe < 0
Ｆ＝ＸeＹ－ＸＹe為原始的偏差計(jì)算公式（Ｘ，Ｙ為當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)動(dòng)態(tài)坐標(biāo)），Ｆ稱(chēng)為偏差，每走一步到達(dá)新位置點(diǎn)，就要計(jì)算相應(yīng)這個(gè)Ｆ值。
顯然，Ｆ≥0時(shí)，須＋Ｘ向走一步；Ｆ＜0時(shí)，須＋Ｙ向走一步。為方便匯編編程和提高計(jì)算速度，現(xiàn)對(duì)偏差Ｆ的計(jì)算公式加以簡(jiǎn)化：
插補(bǔ)點(diǎn)位于Ａ、Ｂ點(diǎn)時(shí)，走完下一步（＋Ｘ）：動(dòng)態(tài)坐標(biāo)變?yōu)椋ǎ兀剑兀?，Ｙ＝Ｙ），新偏差變?yōu)椋疲剑豦Ｙ－（Ｘ＋１）Ｙe＝ＸeＹ－ＸＹe－Ｙe＝Ｆ－Ｙe。這個(gè)公式比Ｆ＝ＸeＹ－ＸＹe計(jì)算要方便。
圖4-3 逐點(diǎn)比較法第一象限直線插補(bǔ)軟件框圖
插補(bǔ)點(diǎn)位于Ｃ點(diǎn)時(shí)，走完下一步（＋Ｙ）：動(dòng)態(tài)坐標(biāo)變?yōu)椋ǎ兀剑?，Ｙ＝Ｙ＋１），新偏差變?yōu)椋疲剑豦（Ｙ＋１）－ＸＹe＝ＸeＹ－ＸＹe＋Ｘe＝Ｆ＋Ｘe。
因此，
走完＋Ｘ后：偏差計(jì)算公式為Ｆ＝Ｆ－Ｙe；
走完＋Ｙ后：偏差計(jì)算公式為Ｆ＝Ｆ＋Ｘe。
圖4-3為逐點(diǎn)比較法第一象限直線插補(bǔ)軟件框圖。
1.3 數(shù)控系統(tǒng)總體方案框圖
系統(tǒng)總體框圖如下：
計(jì)
算
機(jī)
光電隔離
功率放大
步進(jìn)
電機(jī)
X向工作臺(tái)
光電隔離
功率放大
步進(jìn)
電機(jī)
Y向工作臺(tái)
1.4 課題設(shè)計(jì)參數(shù)與要求
數(shù)控機(jī)床的工作臺(tái)是承載工件并能實(shí)現(xiàn)XY兩軸聯(lián)動(dòng)的工作面。在數(shù)控系統(tǒng)的控制下，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，工作臺(tái)完成平面運(yùn)動(dòng)，精確高效地完成平面內(nèi)各種復(fù)雜曲線的凸輪、樣板、模具等零件的自動(dòng)加工。
(1) 基本參數(shù)：
A工作臺(tái)面積 480mm×240mm
B工作臺(tái)行程 X向 450mm，Y向280mm
C工作臺(tái)最大進(jìn)給速度 1.2m/mm
D定位精度 0.04mm
E重復(fù)定位精度 0.04mm
F最大承載重量 50Kg
G啟動(dòng)加速時(shí)間 25ms
(2) 要求完成的主要內(nèi)容：
A 數(shù)控系統(tǒng)的總體方案擬定
B 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算
1)確定脈沖當(dāng)量；
2)滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型
3)導(dǎo)軌的計(jì)算和選型
4)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)計(jì)算
5)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型
6)完成X-Y軸工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械裝配圖
(3) 設(shè)計(jì)的順序可參考的路線：負(fù)載力的計(jì)算、最高運(yùn)行頻率的確定、選擇步進(jìn)電機(jī)、選擇滾珠絲桿副，確定齒輪減速比、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。
第2章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程說(shuō)明
機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。
2.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量δp是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由于定位精度為±0.04mm因此選擇可以選擇脈沖當(dāng)量為0.02mm。
2.2工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算
根據(jù)給定的有效行程，畫(huà)出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如下：
圖3-1
X向拖板(上拖板)尺寸為:
重量:
Y向拖板(下拖板)尺寸為:
重量:
上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量:
夾具及工件重量: 最大承載重量50Kg
X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為:
2.3滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇
根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取
根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌,其型號(hào)為：HJG-D25。基本參數(shù)如下：
表2-1
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑座重量
導(dǎo)軌重量
導(dǎo)軌長(zhǎng)度
動(dòng)載荷
靜載荷
L
(mm)
17500
26000
198
198
288
0.60
3.1
760
滑座個(gè)數(shù)
單向行程長(zhǎng)度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
M
4
0.6
4
導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命T：
額定行程長(zhǎng)度壽命:
導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命:
導(dǎo)軌的工作壽命足夠。
2.4滾珠絲杠計(jì)算、選擇
初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：
強(qiáng)度計(jì)算：
絲杠軸向力：
其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在工作臺(tái)工作時(shí)：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。
取f=0.004,則:
壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速
最大動(dòng)載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。
查表得中等沖擊時(shí),則：
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為:：CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。其基本參數(shù)如下：
表2-2
絲杠代號(hào)
公稱(chēng)直徑
基本導(dǎo)程
絲杠外徑
絲杠底徑
循環(huán)圈數(shù)
D0
Ph
D1
D3
n
CM2005-5
20
5
19.5
16.76
5
額定載荷
剛度
螺母安裝尺寸
動(dòng)載荷
靜載荷
K
D
L
B
14205
38244
730
70
62
11
螺母安裝尺寸
油杯孔
D1
D4
h
M
45
56
5.8
10
6
M6
其額定動(dòng)載荷為14205N>Qy足夠用。滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式。
滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表
表2-3
名稱(chēng)
計(jì)算公式
結(jié)果
公稱(chēng)直徑
――
20mm
螺距
――
5mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內(nèi)徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.755mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
20.7mm
傳動(dòng)效率計(jì)算
絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：
式中：為摩擦角；為絲杠螺旋升角。
穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。
剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：
Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算
絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差Δ為
E級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差。
2.5齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)
因步進(jìn)電機(jī)步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量,在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。
齒輪傳動(dòng)比：，步進(jìn)電機(jī)步距角：
=1
故無(wú)需齒輪機(jī)構(gòu)，直接用電機(jī)連接聯(lián)軸器帶動(dòng)絲杠傳動(dòng)。
由于軟齒面齒輪工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)率高，故選擇軟齒面齒輪。
2.6步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算以及步進(jìn)電機(jī)的選用
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：
(1)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算
折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：
式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
為齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；M為移動(dòng)部件的質(zhì)量。
對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長(zhǎng)度。
所以有：
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有：
(2)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算
設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為T(mén)，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：
式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，S為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移， 為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取，則，且。所以：
式中：為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。
?。ù慊痄摑L珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），，。考慮到重力影響，Y向電機(jī)負(fù)載較大，所以有：
考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩：
取系數(shù)為0.4，則：
對(duì)于工作方式為三相6拍的步進(jìn)電機(jī)：
(3)步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率
空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)90BF001型步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下：
表2-4
型號(hào)
主要技術(shù)參數(shù)
相數(shù)
步距角
電壓
(V)
相電流
(A)
最大靜轉(zhuǎn)矩
(n.m)
空載啟動(dòng)頻率
空載運(yùn)行頻率
分配方式
90BF001
4
0.9
80
7
3.92
2000
8000
4相8拍
外形尺寸(mm)
重量
kg
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
Kg.m
外直徑
長(zhǎng)度
軸直徑
90
145
9
4.5
1764
第3章 結(jié)構(gòu)和零件參數(shù)的選擇和計(jì)算
3.1滾珠絲杠副的支承形式
支承應(yīng)限制絲杠的軸向竄動(dòng).較短的絲杠或垂直安裝的絲杠,可以一端固定,一端無(wú)支承.水平安裝絲杠較長(zhǎng)時(shí), 可以一端固定,一端游動(dòng);對(duì)于精密和高精度機(jī)床的滾珠絲杠副,為了提高絲杠的拉壓剛度,可以?xún)啥斯潭?為了補(bǔ)償熱膨脹和減少絲杠下垂,兩端固定絲杠時(shí)還可以進(jìn)行預(yù)拉伸。
一般情況下,應(yīng)以固定端作為軸向定位基準(zhǔn),從固定端起計(jì)算絲桿杠副的長(zhǎng)度誤差.此外,應(yīng)盡可能固定端作為驅(qū)動(dòng)端。
考慮到本設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)與要求,我們決定采用一端固定一端游動(dòng)(F-S)的支承形式, 如圖3.1所示。
一端固定一端游動(dòng)（F~S）。固定端采用深溝球軸承2和雙向推力球軸承4，可分別承受徑向和軸向負(fù)載，螺母1、擋圈3、軸肩、支撐座5臺(tái)肩、端蓋7提供軸向限位，墊圈6可調(diào)節(jié)推力軸承4的軸向預(yù)緊力。游動(dòng)端需徑向約束，軸向無(wú)約束。采用深溝球軸承8，其內(nèi)圈由擋圈9限位，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮。
圖3.1 一端固定一端游動(dòng)支承
這種支承形勢(shì)有以下一些特點(diǎn)：
1.需保持螺母與兩端支撐同軸,故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜,工藝較困難。
2.絲杠的軸向剛度較高。
3.壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速較高。
4.絲杠有熱膨脹的余地。
5.適用于較長(zhǎng)的臥式安裝絲杠。
3.2滾珠絲杠副的特點(diǎn)
1.傳動(dòng)效率高 效率高達(dá)90%~95%,耗費(fèi)的能量?jī)H為滑動(dòng)絲杠的1/3。
2.運(yùn)動(dòng)具有可逆性 即可將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng),又可將直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)榛剞D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),且逆?zhèn)鲃?dòng)效率幾乎與正傳動(dòng)效率相同。
3.系統(tǒng)剛度好 通過(guò)給螺母組件內(nèi)施加預(yù)壓來(lái)獲得較高的系統(tǒng)剛度,可滿(mǎn)足各種機(jī)械傳動(dòng)要求,無(wú)爬行現(xiàn)象,始終保持運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和靈敏性。
4.傳動(dòng)精度高 經(jīng)過(guò)淬硬并精磨螺紋滾道后的滾珠絲杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,絲桿副工作時(shí)溫升和熱變形小,容易獲得較高的傳動(dòng)精度。
5.使用壽命長(zhǎng) 滾珠是在淬硬的滾道上作滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),磨損極小,長(zhǎng)期使用后仍能保持其精度,因而壽命長(zhǎng),且具有很高的可靠性。其壽命一般比滑動(dòng)絲杠高5~6倍。
6.不能自鎖 特別是垂直安裝的絲杠，當(dāng)運(yùn)動(dòng)停止后，螺母將在重力作用下下滑，故常需設(shè)置制動(dòng)裝置。
7.制造工藝復(fù)雜 滾珠絲杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。
由于滾珠絲杠副獨(dú)特的性能而受到極高的評(píng)價(jià),因而已成為數(shù)控機(jī)床,精密機(jī)械,各種省力機(jī)械設(shè)備及各種機(jī)電一體化產(chǎn)品中不可缺少的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.3導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)
3.3.1導(dǎo)軌的功用
機(jī)電一體化產(chǎn)品要求其機(jī)械系統(tǒng)的各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)必須得到安全的支承，并能準(zhǔn)確的完成其特定方向的運(yùn)動(dòng)。這個(gè)任務(wù)就由導(dǎo)向機(jī)構(gòu)來(lái)完成。機(jī)電一體化產(chǎn)品的導(dǎo)向機(jī)構(gòu)是導(dǎo)軌，其作用是支承和導(dǎo)向。
3.3.2 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的選擇程序
在設(shè)計(jì)選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌時(shí)，除應(yīng)對(duì)其使用條件，包括工作載荷、精度要求、速度、工作行程、預(yù)期工作壽命進(jìn)行研究外，還須對(duì)其剛度、摩擦特性及誤差平均、阻尼特性等綜合考慮，從而達(dá)到正確合理的選用，以滿(mǎn)足主機(jī)技術(shù)性能的要求。
3.3.3 直線運(yùn)動(dòng)滾動(dòng)支承系統(tǒng)負(fù)荷的計(jì)算
直線運(yùn)動(dòng)支承系統(tǒng)的負(fù)荷與導(dǎo)軌配置形式(水平、豎直、傾斜等),移動(dòng)件的重心和力作用點(diǎn)的位置,導(dǎo)軌上移動(dòng)件牽引力作用點(diǎn)的位置,啟動(dòng)及停止時(shí)的慣性力以及切削力等有關(guān)。
本設(shè)計(jì)的直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌安裝形式為水平,采用臥式導(dǎo)軌、滑塊座移動(dòng)。
圖3.1 導(dǎo)軌
3.3.4 導(dǎo)軌的選擇
由機(jī)床設(shè)計(jì)要求可知對(duì)該導(dǎo)軌設(shè)計(jì)的基本要求為:
假設(shè)作用在滑座上的載荷，滑座個(gè)數(shù)，單向行程長(zhǎng)度，每分鐘往復(fù)次數(shù)為4，用于輕型機(jī)床的工作臺(tái)。
導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命=500000小時(shí)
表3-1 硬度系數(shù)
滾道表面硬度HRC
60
58
55
53
50
45
1.0
0.98
0.90
0.71
0.54
0.38
表3-2 溫度系數(shù)
工作溫度/
〈100
1.00
100~150
0.90
150~200
0.73
200~250
0.61
表3-3 接觸系數(shù)
每根導(dǎo)軌上的滑塊數(shù)
1
1.00
2
0.81
3
0.72
4
0.66
5
0.61
表3-4負(fù)荷系數(shù)
工作條件
無(wú)外部沖擊或震動(dòng)的低速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。
速度小于15m/min
1~1.5
無(wú)明顯沖擊或震動(dòng)的中速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。
速度小于60m/min
1.5~2
無(wú)外部沖擊或震動(dòng)的高速運(yùn)動(dòng)場(chǎng)合。
速度大于60m/min
2~2.5
（1） 計(jì)算額定動(dòng)載荷
滑座的運(yùn)動(dòng)速度最大為5m/min<15m/min，工作溫度在100以下，導(dǎo)軌滾道硬度為60HRC，無(wú)明顯沖擊和振動(dòng)，每根導(dǎo)軌上滑塊配置數(shù)為2。
由 得：
因滑塊座M=4,所以每根導(dǎo)軌上2個(gè)，由表2-1~2-4確定，， , , 則由式
得
其中
選用的是漢江機(jī)床廠的HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,查其產(chǎn)品手冊(cè)知, HJG-D型號(hào)的導(dǎo)軌的Ca值為17500N,能滿(mǎn)足五年的使用要求,所以可選用。
3.4 滾動(dòng)軸承的計(jì)算
3.4.1 支撐方案的確定
考慮滾珠絲杠在軸向的伸縮變形，故考慮在支撐方面采用一端固定，一端游動(dòng)。在綜合考慮后，決定用角接觸球軸承完成支承。固定端用一對(duì)背靠背接觸球軸承，而用單個(gè)角接觸球軸承支于游動(dòng)端。
在選擇了滾珠絲杠的型號(hào)后，由于我們采用的是現(xiàn)存的絲杠。所以尺寸都已經(jīng)確定，初選固定端7307B/DB背對(duì)背型號(hào)內(nèi)徑d=35㎜，D=80㎜,B=42㎜。
游動(dòng)端采用7307B型號(hào)B=21㎜
軸承座連接孔14442、 M12-4
3.4.2 軸承型號(hào)選型及校核
軸向力Fa=383.3N 徑向力Fr=10000/2=5000N
因?yàn)镕a/Fr=5000/383.3〉1.14（查機(jī)械設(shè)計(jì)第七版表13-5）
則X=0.35,Y=0.57。 fp取1.5（中等沖擊或中等慣性力..查表13-6同上）
動(dòng)載荷P=fp(XFr+YFa)=1.5×（0.35×5000+0.57×883.3）
=3380.25N
預(yù)計(jì)壽命Lh=5000h,轉(zhuǎn)速n=1000r/min÷1.5=666.7
計(jì)算基本額定動(dòng)載荷C=
滾動(dòng)軸承受力分析圖
因?yàn)镃=19768.15
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