毕业设计（论文）-回转振动珩磨机床身的设计.doc

陕西理工学院毕业设计论文回转振动珩磨机床身的设计（陕理工机械工程学院测控技术与仪器专业班，陕西 汉中 723003）指导教师：摘要汽车和机械中最为重要的和应用最为广泛的关键零件之一就是气缸和油缸，气缸和油缸的精加工都有一道珩磨工序，传统的珩磨加工方法使珩磨头产生周向高速旋转运动和轴向往复运动，珩磨轨迹为正弦曲线；磨粒磨削轨迹的密度和长度受到了限制，从而使产品质量和精度的提高也受到了一定的限制。特别是随着难加工材料在产品中的应用比重扩大，使得振动切削加工技术在切削加工中应用越来越广泛。回转振动珩磨的概念就是在这样的背景下提出的。回转振动珩磨机是利用珩磨头珩磨工件精加工表面的磨床。主要应用在汽车、拖拉机、液压件、轴承、航空等制造业中珩磨工件的孔。本次我主要对珩磨机的床身及工作台结构进行了设计，力求结构简单，拆装方便，经济实用。关键词回转振动；珩磨机；床身；设计The design of rotary vibration honing machine（Grade,Class, Major Testing and Monitoring Technology and Instrumentation，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）tutor:Abstract In cars and machinery one of the most important and the most widely used key parts is a cylinder , the cylinders have a honing finishing process, the conventional honing methods make the honing head produce the high-speed rotational and reciprocating axially movement ,the track of the honing is the sinusoidal trajectory; abrasive grinding tracks density and length is restricted, so that the improvement of product quality and precision has also been restricted. Particularly the machine materials which are difficult in machining and whose applications in the proportion of products expand make the vibration cutting technology in machining widely applied. The concept of rotary vibration honing is raised under such a background .The rotary vibration honing machines use the honing head finish grinding for the workpieces surface. Which are mainly used in cars, tractors, hydraulic components, bearings, aerospace and other manufacturing industries in the honing of the workpieces hole. I mainly design the body and table structure of the honing machine this time, and it will be a simple structure, easy accessibility, economical and practical.Key words: rotary vibration; honing machines; the body of machine；design目录1 绪论11.1 概述11.1.1 珩磨切削在机械产品加工中的应用11.1.2 回转振动珩磨切削的原理和特点21.2 回转振动珩磨机床的主要结构及运动情况31.3 机床主要设计参数：42 工作台62.1 X、Y工作台进给系统的设计计算62.1.1 初步确定尺寸及估算重量62.1.2 滚珠丝杠螺母副的选用62.1.3 滚珠丝杠副的支承结构62.1.4 滚珠丝杠传动的设计计算72.1.5 滚珠丝杠螺母副几何参数的计算82.1.6 滚珠丝杠副传动效率92.1.7 滚珠丝杠副刚度验算92.1.8 稳定性验算102.2 系统的精度分析113 立柱133.1 设计要求133.2 珩磨机床的受力分析和变形分析133.2.1 立柱的受力分析133.2.2 立柱的变形特性143.3 立柱的结构设计143.4 立柱断面的选择143.5 立柱壁厚的选择153.5.1 立柱材料及加工工艺153.5.2 机床铸件的结构特点164 升降台的设计184.1 丝杠的选用184.2 丝杠的固定184.3 丝杠螺母机构的核算184.3.1 耐磨性的计算184.3.2 稳定性的核算194.3.3 刚度的核算194.3.4 强度的核算204.4 步进电机的选用204.5 传动轴的设计215 控制系统硬件设计部分225.1 步进电机的单片机控制225.2 步进电机的速度控制235.3 步进电机的驱动电路235.3.1 三相六拍环形分配器的选用245.3.2 光电隔离电路的设计265.3.4 功率放大电路的设计276 控制系统软件设计部分296.1 系统控制软件的主要内容296.2 系统程序设计306.2.1 程序设计技术306.2.2 控制程序的编写307 立柱的刚度校核337.1 有关机床动刚度的基本概念337.2 机床振动的类型337.2.1 按产生振动的原因分337.2.2 按机床振动的特性分357.3 机床振动系统动态特性的确定357.3.1 机床振动系统动态特性的指标357.3.2 影响动刚度的主要参数367.4 提高机床动刚度的措施367.4.1 提高机床构件的静刚度和固有频率368 回转振动珩磨机床的动刚度特性388.1 珩磨机床刚度的动态特性388.2 立柱刚度对刀具位移的影响40总结41参考文献42英文资料43III1 绪论1.1 概述珩磨机是磨床的一种。主要用砂轮旋转研磨工件以使其可达到要求的平整度，根据工作台形状可分为矩形工作台和圆形工作台两种，矩形工作台平面磨床的主参数为工作台面直径。根据轴类的不同分为卧轴和立轴磨床。如M7432立轴圆台平面磨床，M7130卧轴平面磨床；利用珩磨头珩磨工件精加工表面的磨床。主要用在汽车、拖拉机、液压件、轴承、航空等制造业中珩磨工件的孔。1.1.1 珩磨切削在机械产品加工中的应用珩磨切削的应用范围。1，珩磨能获得较高的尺寸精度和形状精度，加工精度为IT7IT6级，孔的圆度和圆柱度误差可控制在35um的范围之内，但珩磨工艺不能提高被加工孔的位置精度。2，珩磨能获得较高的表面质量，表面Ra为0.20.025um，表层金属的变质缺陷层深度极微（2.525um）。3，与磨削速度相比，珩磨头的圆周速度虽不高，但由于砂条与工件的接触面积大，往复速度相对较高，所以珩磨加工仍有较高的生产率。珩磨切削技术在汽车制造中的应用。先进的精密孔加工设备和技术在汽车及零部件加工业的应用十分广泛，比较典型的应用有发动机缸体、缸套、连杆、齿轮、油泵油嘴、刹车泵、刹车鼓、油缸、转向器、增压器等。如：1，珩磨在油泵油嘴行业的应用。善能KGM-5000系列珩磨机是针对油泵油嘴行业的柱塞而开发的高精度珩磨机，去除量0.01，加工总周期为30秒；圆度0.0005；直线度0.0007mm；表面粗糙度Ra0.06。实现了完全以珩磨代代研磨的目标，从而大大延长了提高油泵油嘴的性能和寿命，完全达到排污标准。2，珩磨在齿轮内孔中的应用。现在广泛使用珩磨工艺的汽车齿轮有行星轮、太阳轮、双联齿轮等。3，珩磨在增压器零件上的应用。根据增压器中间壳的材料和内孔的特殊结构形式，可采用电镀刚石磨粒套作为珩磨工具，多立轴结构型式，可以实现在一个循环过程中完成粗加工、半精加工、精加工和去毛刺等多个加工程序，多工位转台可以实现加工过程的自动化，提高工作效率。1.1.2 回转振动珩磨切削的原理和特点珩磨是利用安装于珩磨头周围上的若干条油石，由涨开机构将油石沿径向工件孔壁以便产生一定的面接触，同时使磨头作旋转和往复运动（工件不动），由此而实现对孔的低低速磨削（图1.1）。为了减少机床主轴与工件孔中心的不同轴度及主轴旋转精度对加工精度的影响，在大多数珩磨情况下，珩磨头与机床主轴之间或珩磨头与工件夹具之间是浮动的图（图1.2）。这样，加工时磨头以工件孔壁作导向，因而加工精度受到机床本身精度的影响较小，孔表面的形成基本上具有创制过程的特点。其创制的原理类似于两块作平面运动的平板相互对研而形成平面的原理。珩磨时，磨头圆周上的油石与孔壁的重叠接触点相互干涉，此时，一方面油石将孔壁上的干涉点磨去；另一方面，孔壁也相应地使油石面上的干涉点（磨粒尖角或整个磨粒）脱落或破碎。即油石面与孔壁在珩磨中能相互修整，这与两块做平面运动的平板对研时相互研磨去干涉点相似。由于珩磨头在珩磨时不仅作旋转及往复运动使加工面形成交叉的螺旋线切削轨迹，而且在每一次往复行程时间内磨头的转数为非整数，因此两次行程间，磨头相对工件在周向有错开一定角度，这样复杂的运动使磨头上每一磨粒在孔壁上的运动轨迹不会重复。此外，磨头每转一转，油石与前一转的切削轨迹在轴向有一段重叠长度，使前后的磨削轨迹的衔接更光滑均匀。这样，在整个珩磨过程中，孔壁及油石面上的每一点相互干涉的机会差不多是均等的。因此，随着珩磨的进行，孔表面和油石面不断产生干涉点，有不断将这些干涉点磨去，并产生新的更多的干涉点，使孔壁与油石面的接触面积不断增加，相互干涉的程度和切削作用也不断减弱，孔和磨头油石面的圆度及圆柱度也不断提高，最后完成孔表面的创制过程。但由于磨头在轴向的位置不能倒置，因此磨头对孔圆轴度的创制能力比对圆度的创制能力差，例如，当孔和磨头油石面有相同的锥度时，则孔的锥度如不采取其他措施就较难完全消除。近年来，由于珩磨油石采用了金刚石及立方氮化硼等耐磨材料，这种油石的珩磨头在加工前经过校正，在加工过程中油石的磨耗很小，即油石受工件修整的量很小，因此，虽然加工中有部分创制过程，但与成形刀具加工孔的过程相似，孔的精度在一定程度上取决于珩磨头的原始精度，与一般油石珩磨过程有区别。珩磨加工的特点: 1.加工精度高：特别是一些中小型的光通孔，其圆柱度可达 0.001mm 以内。一些壁厚不均匀的零件,如连杆,其圆度能达 0.002mm。对于h大孔(孔径在200mm以内),圆度也可达 0.005mm, 如果没有环槽或径向孔等,直线度在 0.01mm 以内也是有可能的。珩磨比磨削加工精度高, 磨削时支撑砂轮的轴承位于被珩孔之外, 会产生偏差, 特别是小孔加工, 磨削比珩磨精度更差。珩磨一般只能提高被加工件的形状精度, 要想提高零件的位置精度, 需要采取一些必要的措施。如用面板改善零件端面与轴线的垂直度 (面板安装在冲程臂上, 调它与旋转主轴垂直, 零件靠在面板上加工即可)。2. 表面质量好：表面为交叉网纹，有利于润滑油的存储及油膜的保持。有较高的表面支承率（孔与轴的实际接触面积与两者之间配合面积之比），因而能承受较大载荷，耐磨损，从而提高了产品的使用寿命。珩磨速度低（是磨削速度的几十分之一），且油石与孔是面接触，因此每一个磨粒的平均磨削压力小，这样工件的发热量很小，工件表面几乎无热损伤和变质层，变形小。珩磨加工面几乎无嵌砂和挤压硬质层。 磨削比珩磨切削压力大, 磨具和工件是线接触, 有较高的相对速度。因而会在局部区域产生高温, 会导致零件表面结构的永久性破坏。3. 加工范围广：主要加工各种圆柱形孔：光通孔。轴向和径向有间断的孔，如有径向孔或槽的孔、键槽孔、花键孔。盲孔。多台阶孔等。另外, 用专用珩磨头, 还可加工圆锥孔, 椭圆孔等, 但由于珩磨头结构复杂, 一般不用。用外圆珩磨工具可以珩磨圆柱体, 但其去除的余量远远小于内圆珩磨的余量。几乎可以加工任何材料，特别是金刚石和立方氮化硼磨料的应用。同时也提高了珩磨加工的效率。 图1.1 珩磨切削运动图1.2 珩磨头与工件的关系1.2 回转振动珩磨机床的主要结构及运动情况回转振动珩磨机床主要由底座1、床身2、悬梁3、箱体4、升降台5、蹓板6、工作台6部分组成。它的外形如（图1.3）所示。箱形的床身固定在底座上，主轴的传动机构和变速操纵机构在装床身内。装着带有一个悬梁(用来支承安装珩磨头的一端，另一端则固定在主轴上)安装在床身的顶部水平导轨上。刀杆支架在悬梁上以及悬梁在床身顶部的水平导轨上都可作水平移动，以便安装不同的心轴。升降台可沿着在床身的前面的垂直导轨上、下移动。在升降台上面的水平导轨上，装有钉在平行主轴轴线方向移动(横向移动)的跑板。蹓板上部有可转动部分，工作台在蹓板上部可转动部分的导轨上作垂直于主轴轴线方向移动(纵向运动)。工作台上有燕尾槽来固定加工件。这样安装在工作台上的工件就可以在二个互相垂直方向调整或进给。图1.3 回转振动珩磨立式机床外型图如立式珩磨机主要用于珩磨机加工各种发动机的缸体孔、缸套孔以及其它精密孔。立式珩磨机设计先进、性能可靠；主轴旋转和进给采用无级变速；主轴箱可轻便地实现纵横向移动；工作台可纵向移动，并快速夹紧缸体(包括V型缸体)。 1.3 机床主要设计参数：回转振动珩磨床主要技术参数：、珩孔直径范围：32170mm、最大珩孔深度：320mm、主轴接杆伸缩长度：120mm、主轴行程Z：480mm、横向行程X：350mm、纵向行程Y：250mm、电机功率：15Kw、主轴额定转速：2930r/min 、主轴孔锥度莫氏：3号11 工作台尺寸：390*92mm2 工作台2.1 X、Y工作台进给系统的设计计算首先要初步估算工作台的重量、最大行程参数才能进行结构的设计。2.1.1 初步确定尺寸及估算重量根据珩磨床工作台的尺寸初步确定：X轴方向移动的工作台尺寸长宽高为330250111mm，重量约为350N，最大行程为350mm。Y轴方向移动的工作台尺寸长宽高为350250111mm，重量约为600N，最大行程为250mm。X、Y工作台总重量(包括夹具及工件)不超过1400N。2.1.2 滚珠丝杠螺母副的选用滚珠丝杠螺母副应根据其当量动载荷选用。一批相同的滚珠丝杠螺母副，在轴向载荷的作用下，运转后，在它的滚道上，90%不产生疲劳点蚀作用，则称为这种规格丝杠副的额定动载荷。各种规格的滚珠丝杠，其当量动载荷、额定动载荷可从机床设计手册中查得。计算的原理，与计算滚动轴承相同。2.1.3 滚珠丝杠副的支承结构一端轴向固定，一端自由式（FO）：常用于短丝杠和竖直丝杠。特点：结构简单，承载能力小，轴向刚度低，压杆稳定性差和临界转速低，设计时应尽量使丝杠受拉伸。一端固定，一端浮动式（FS）：常用于较长的丝杠或卧式安装的丝杠。特点：轴向刚度和FO相同，压杆稳定性和临界转速比同长度的FO高，丝杠有热膨胀的余地，需要保证螺母与两支承同轴，结构较复杂，工艺较困难。两端固定式（FF）：常用于长丝杠或高转速、要求高拉压刚度的地方；这种支承方式还可以预拉伸。特点：丝杠的轴向刚度为一端固定的4倍，压杆稳定性好，固有频率比一端固定的高，可施加预紧力提高传动刚度，结构和工艺都较复杂。根据以上对滚珠丝杠螺母副支承结构的分析，本设计决定采用FF支撑结构。为了提高传动精度，选择合理的支承结构并正确安装很重要。丝杠轴承的载荷主要是轴向的。径向除卧式丝杠的自重外，一般无外载荷。因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高。进给系统对微小位移(丝杠的微小转角)要响应灵敏，故轴承的摩擦力矩要低。丝杠轴承种类很多，但从目前情况来看，占优势的有两种:接触角为60的双向推力角接触组合球轴承和滚针双向推力圆柱滚子组合轴承。2.1.4 滚珠丝杠传动的设计计算横向滚珠丝杠设计：最大动载荷的计算：（N）（2.1）由数控技术第204页可知，式中：刚度系数，1、2、3级丝杠， =1.0；4、5、6级丝杠，=0.9；运转状态系数，无冲击取1.21.5;有冲击振动取1.52.5；轴向平均载荷（N），主要包括切削时进给切削力以及移动部件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力，其数值大小与导轨的型式有关。对于滚柱导轨的机床：取= 1.5，取= 1.0。（N）（2.2）式中：X方向上的切削力（N）Y方向上的切削力（N）移动部件总重量（N）导轨上的摩擦因数，随导轨型式的不同而不同；考虑颠覆力矩影响的实验系数。在一般情况下，选用滚动导轨，在传动过程中不考虑，N，所以：（N）（2.3）（2.4）工作寿命时间（），一般机床可取，数控机床可取（r/min）（按最大速度m/s计算）（2.5） （N）（2.6）查机床设计手册表5.7-38取 ， mm。2.1.5 滚珠丝杠螺母副几何参数的计算螺纹滚道：钢球直径：mm（2.7）螺纹滚道法平面半径： mm（2.8）偏心距： mm（2.9）螺纹升角： （2.10）丝杠：外径： mm （2.11）内径： mm（2.12）接触直径： mm （2.13）螺母：外径： mm（2.14）内径： mm（2.15）2.1.6 滚珠丝杠副传动效率（2.16）式中：丝杠的螺旋升角；摩擦角。滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦因数，摩擦角约等于。2.1.7 滚珠丝杠副刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动平稳性，因此需验算满载时的轴向的变形量。滚珠丝杠副的轴向变形有以下几种：丝杠的拉伸或压缩变形量。在总变形量中占的比重较大，可按下式计算：（2.17）式中：滚珠丝杠支承间的受力长度（mm）；滚珠丝杠的导程（mm）；滚珠丝杠在工作载荷作用下引起的导程变化量（mm）；轴向平均载荷引起的导程变化量可用下式计算：（2.18）式中：轴向平均载荷（N）；材料弹性模量，钢（N/mm）（2.19）滚珠丝杠截面积，（mm）（2.20）式中 (N), (mm), ( N/mm )（2.21） (mm) （2.22） (mm)（2.23）导程变化量总误差： （um）（2.24）滚珠丝杠受扭矩作用而引起的导程变化量，一般占的比重很小，此项可忽略不计。三级精度丝杠允许螺距误差为15um/m，故刚度足够。2.1.8 稳定性验算临界压缩载荷：对于受压的细长滚珠丝杠，应该校核其压杆稳定性，即验算其承受最大轴向压缩载荷（单位N）时是否会产生纵向弯曲（失稳）的危险。可用下式进行压杆稳定性验算：（2.25）式中：丝杠材料弹性模量，对钢N/m； 丝杠两支承端距离（m）；丝杠的支撑方式系数；查数控技术表5-11：取=2.0；许用稳定性安全系数，一般取为3；丝杠截面惯性矩（m）；式中：丝杠螺纹底径（m），。其中为丝杠公称直径（m）；滚珠直径（m） （N）临界转速：对于转速较高、支承距离较大的滚珠丝杠还需验算其临界转速，即验算最高转速是否接近其固有频率而产生共振。一般丝杠如果工作转速低于100r/min则不需要验算。（2.26）式中：丝杠支承方式系数，时为1.875；时为3.927；时为4.73；丝杠最小截面积， （m）；临界转速计算长度，自由端或游动端到螺母的最大距离（m）；丝杠材料密度kg/m；安全系数；一般取=1.25。 (r/min)另外滚珠丝杠还受限制：70000 mmr/min。2.2 系统的精度分析X、Y工作台中，齿轮传动精度、滚珠螺旋传动的精度、滚动导轨的精度和控制系统的精度均对系统的精度有影响。现将齿轮传动的侧隙对精度的影响作一说明。两齿轮的精度均采用 GB2363-80（即、组精度均为7级，的精度等级为6级，侧隙类型为C类）。由机械课程设计手册查得：小齿轮：mm，um，um；（查表1014）大齿轮：mm，um，um；（查表1014）中心矩：mm，um；（查表109）umumumum最小统计侧隙：um最大统计侧隙：um最大侧隙引起大齿轮上的转角误差为：由侧隙引起的螺母以动量为：mm=um由齿轮传动引起的最大复位误差为1.9um。采用间隙可调的滚珠螺旋传动，丝杠对精度的影响小。移动的导轨因采用间隙可调的滚动导轨，对精度的影响也很小。对于控制系统，只要步进电机不失步，精度也较高，一般在的范围之内。按计算um,因此能满足所提的精度要求。纵向进给系统的设计计算与横向的类似，故具体计算过程省略。同样选用纵向进给系统的滚珠丝杠的型号为WD2506。3 立柱3.1 设计要求回转振动珩磨机床身包括立柱、底座。虽然件数不多，但重量却占机床总重的80%85%，而且这类零件是整台机床的基础和支架。机床的其它零、部件或者固定在大件上，或者工作是在大件的导轨上运动，因此，为了保证这些零件工作时的相对位置和相对运动具有足够的精确度以及是整台机床在工作时不出现振动，对于这类大件的设计，一般都须提出下列要求：1 工艺性良好，易于制造和装配。2 静刚度良好，在最大允许载荷时，变形量不超过规定值；在大件本身移动时，静刚度的变化应小。3 动刚度良好，在预定的切削条件下工作时不产生振动。4 温度场分布合理，工作时的热变形对加工精度的影响小。5 导轨面受力合理，耐磨性良好。6 结构设计合理，铸造应力小，能长期地保持规定精度。7 大型机床大件的运输和吊装方便。8 排屑容易，冷却液好，润滑油的渠道畅通，电气、液压部件的安装位置合理。3.2 珩磨机床的受力分析和变形分析3.2.1 立柱的受力分析a. 承受载荷： 铣刀的3个切削分力、，通过刀杆、主轴、及工件作用到铣床立柱上。 图3.1 b. 支撑条件：立柱可以看作是通过自身轴线、一端固定一段自由的悬臂杆件，固定端的位置在升降台导轨与床身导轨接触长度的一半处。升降台工作时间固定在床身的一定位置上，可看作是一端固定、一段自由的悬臂梁。3.2.2 立柱的变形特性珩磨机床的刚度，一般以z向刚度最高，Y向刚度次之，X向最差。当工作台、滑座、升降台和铣刀都位于中间位置，而、的比例为1：（0.580.75）：（0.670.84）时立柱在三个方向上的变形比例为：表3.1 立柱在三个方向的变形比例XYZ1520%1015%515%在结构设计时，应注意提高床身的扭转刚度、悬梁y向的弯曲刚度、工作台z向的导轨接触刚度和升降台的扭转刚度。3.3 立柱的结构设计回转振动珩磨机床的立柱分为上下两部分。上部分安装轴承以固定升降台的传动部件丝杠，下段再次安装轴承固定丝杠，并安装电机。3.4 立柱断面的选择由机床设计手册表5.15-54，选用正方形闭式断面结构，内部有筋板和筋条，此类断面结构常应用于复杂空间载荷的机床，扭抗及抗弯刚度高，断面尺寸 图3.13.5 立柱壁厚的选择立柱的重量在一台珩磨机床的总重中占很大比例，在节约金属材料方面有较大的潜力。大件的壁厚应在刚度要求和铸造工艺允许的条件下，尽量采用较小的值。根据实践的经验，铸铁大件的壁厚可根据大件外形的最大尺寸或大件外形的空间尺寸（即大件的长、宽、高）来决定。筋板的厚度一般取壁厚的80%。立柱在导轨处，和其它大件连接处以见状轴承和轴承支架处的壁板和筋板，除须合理布筋外，还应适当增加厚度，以减少局部变形。3.5.1 立柱材料及加工工艺机床铸件应具有较高的强度，刚度和耐磨性，以保持其精度不随切削条件、使用时间等因素而有明显的变化，这样才能使被加工的零件具有合乎要求的精度与光洁度。选用合适的材料、热处理工艺和合理的结构是使铸件性能达到上述要求的一些基本措施。根据机床铸件的工作条件与结构特点，其材料应满足以下一些要求：（1） 在扭转、弯曲、压缩等外力作用下，产生的变形要小 ；（2） 吸振性要好；（3） 耐磨性好，能长期保持初始的精度；（4） 由于机床的筋多、形状复杂，因此要求其材料的铸造性能要好。由于铸铁性能较好的满足上述要求，并且价格便宜，因此是机床铸件很合适的材料。据统计，铸铁件要占机床总重的7090%。对于一些承受较大载荷，形状复杂以便采用锻件毛胚的机床零件，才采用铸钢件。3.5.2 机床铸件的结构特点机床铸件的种类虽然多，但从铸造工艺的角度来看，在结构上主要有以下一些特点：（1） 机床铸件中的基础件都是箱体型结构，并增设了很多加强筋，只是铸件结构形状较为复杂。铸造是需要用较多的型芯，还常常要用型芯撑来固定型芯；浇铸时型芯产生的气体也难以排除，容易产生气孔、砂眼等缺陷。（2） 铸件上的一些部位，如导轨面、轴孔和T形槽（增加加工余量后）等处较厚大处以产生缩孔、缩松外，还由于铸铁的机械性能对壁厚较敏感，而易使该处组织疏松石墨粗大，硬度低，不耐磨。当这些部位的厚度与周围连接壁相差过大时还易产生裂纹等缺陷。（3） 一些承受油压、切削压力的铸件，要求具有较高的气密性，不允许有漏洞现象。（4） 由于切削加工向自动化、高速化、强力切削方向发展，数控机床地出现，使机床铸件结构产生一些变化，带来一些铸造工艺问题。机床主要铸件易产生的缺陷及位置如表所列。在分析这些缺陷产生原因的基础上尽量设计合理的结构来加以避免。表3.2机床铸件易产生的缺陷种类和位置机床种类铸件名称缺陷产生的位置主要缺陷的种类车 床床 身导轨面缩孔、粗大疏松组织、气孔、夹渣、夹砂床头箱轴 孔缩孔、缩松尾 座轴 孔缩孔、缩松溜板箱、进给箱轴 孔缩孔、缩松拖 板导轨面粗大疏松组织、硬度不均匀铣 床底 座平面处缩孔、气孔立 柱导轨面缩孔、缩松、夹渣、夹砂工作台窗孔四周缩孔、裂纹摇臂钻床底 座平面处缩孔、气孔T型槽缩松、立 柱下颈部缩孔、缩松空心轴外圆面夹砂、气孔、缩孔法兰盘四周针孔摇 臂导轨面缩孔、缩松、气孔内 腔夹砂、气孔、缩孔主轴箱轴 孔缩孔、缩松磨 床床 身导轨面缩孔、缩松、夹渣、夹砂油箱处气缩孔处漏油、型芯撑处漏油龙门刨床床 身整 体挠曲导轨面缩孔、缩松、气孔立柱、横梁导轨面缩孔、缩松、气孔工作台平面处夹渣导轨面缩孔、缩松、气孔4 升降台的设计升降台采用丝杠螺母传动，其特点是：丝杠螺母传动可以使旋转运动变为直线运动。若丝杠为单头螺纹，螺距为P，当丝杠转速为n时，则螺母沿轴线的直线移动速度为： S=Pn（mm/min）。如果是多头丝杠传动，则以导程来替代上式中的螺距。丝杠螺母传动工作平稳，无噪音，可以达到高的传动精度，可以增力。4.1 丝杠的选用由于设计要求本处要求丝杠的传导距离较长，且安装其的轴承已选定，查机床设计手册故选用外径为70mm的丝杠。4.2 丝杠的固定滑动丝杠的固定于滚动丝杠的固定相同，由于本处丝杠较长，且高速运转，所以采用两端固定，这里不再叙述。4.3 丝杠螺母机构的核算4.3.1 耐磨性的计算螺纹工作面上单位压力的大小，直接影响丝杠的损坏速度。应限制工作面上的单位压力，确保丝杠的耐磨性。查机床设计手册的，耐磨性的核算公式为： 式中 丝杠所受的最大轴向力（）;根据步进电机的选用可知，这里取10000kgf. 螺母长径比，L为螺母的长度（mm）,一般取1.24,但螺母的螺纹圈数一般不超过10，因为圈数愈多，载荷分布不均，第10圈以后的螺纹，实际上起不到分担载荷的作用；这里取3。 许用单位压力，查机床设计手册得值为50kgf/。经计算得为41.15,故符合要求。4.3.2 稳定性的核算当丝杠的长径比较大（一般大于10），且承受轴向压力时，丝杠有发生纵向弯曲（侧向鼓出）的危险，因此，需进行稳定性的核算。丝杠具有良好稳定性时的最大允许轴向压缩载荷可用材料力学公式来计算：式中 丝杠支撑系数，由于本设计采用两段固定，则此系数查机床设计手册的为4 材料弹性模量，钢为； 丝杠内径，此处取60mm. 支撑距离(mm)，此处取700mm. 安全系数 ，一般取3。经计算得： =34.4（kgf）查得机床设计手册可知，稳定性符合设计要求。4.3.3 刚度的核算 滑动丝杠的刚度核算与滚珠丝杠的基本相同，只是没有滚珠与螺纹滚到间的接触变形一项。其刚度公式为： 式中 轴向载荷； 转矩； 螺距；查表得此处螺距为10mm; 、 分别为螺杆材料的弹性模量和剪切弹性模量； 、 分别为螺杆螺纹段截面面积和极惯性矩，在梯形螺纹刚度计算中，按螺纹中径计算为合理，即。计算得=33.11=55。故符合要求。4.3.4 强度的核算 丝杠拉压应力的计算公式为：式中 丝杠所受的最大轴向力； A 丝杠内径的断面积，；查表得A取值为27.36； 丝杠的内径，这里取值为62； 丝杠的传动效率；这里经计算得为0.204； 许用拉压应力，由于螺纹所引起的应力集中系数不能精确确定，取，为材料的屈服点。 经计算得值为38.66，符合要求。4.4 步进电机的选用本设计研究的钻铣床是以中小型机床为主要的研究对象，由于本设计要求使得升降台升降速度可控，其控制部分选用单片机，而步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲，步进电机就转一个角度，故选用系列三相异步电动机，根据设计要求，选用型号为160S2，其具体参数见下表 表4.1 -160S2三相异步电动机技术数据 电动机型号额定数据起动电流额定电流起动转矩额定转矩最大转矩额定转矩电机重量（kg）功率（kW）转速（r/min）电流（A）效率（%）功率因数160S21529303086.50.887.01.72.24.5 传动轴的设计 根据材料力学可知，对于实心轴，其扭转强度条件为： 式中 轴受T作用时，轴中的切应力（N/mm） T 轴所传递的转矩（N/mm） 轴的抗扭截面系数（） 轴的直径（mm） 轴的传递功率（Kw） N 轴的转速（） 许用切应力（）写成设计公式可得轴的最小直径的设计公式为： 式中的C值是许用切应力变化的系数，其大小决定于所选用的轴的材料和载荷的性质，表中列出几种常用材料的和C值。 表 4.2 轴常用材料的许用切应力和系数C 轴的材料Q235*，20Q275*，354540Cr，35siMn,40MnBsi，11.8-19.619.6-29.429.4-39.239.2-51C159-135135-118118-107107-97经以上公式计算的轴的最小直径d为：d=33.7mm则取d=40mm.5 控制系统硬件设计部分5.1 步进电机的单片机控制步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲，步进电机就转一个角度，因此非常适合单片机控制。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，电机则转过一个步距角，同时步进电机只有周期性的误差而无累积误差，精度高。环形分配器功率放大电路步进电动机AT89C52P1.0P1.1P1.2P1.3利用微机对步进电动机进行控制，有串行和并行两种方式，本设计中采用串行控制。该方法使单片机系统与步进电机驱动电源之间具有较少的连线。单片机通过I/O接口将信号送入步进电动机驱动电源的环形分配器，所以在这种系统中，驱动电源中必须含有环形分配器。这种控制方式的示意图如图5.1所示。CP脉冲用来控制步进电机转动的角度，每输入一个脉冲，步进电动机转动一个步距角。方向信号CW为电平输入信号端，用来控制电动机转动的方向，CW为高电平时，步进电动机在CP端输入脉冲时顺时针转动；CW为低电平时，步进电动机在CP端输入脉冲时逆时针转动。控制系统的工作原理的实际是对步进电动机运行速度的控制，也就是控制系统发出时钟脉冲的频率或者换相的周期。由步进电动机的工作原理知，要使电动机正常的一步一步地运行，控制脉冲必须按一定的顺序分别供给电动机各相，例如三相单拍驱动方式，供给脉冲的顺序为A-B-C-A或A-C-B-A，也可称为环形脉冲分配。脉冲分配有两种方式：一种是硬件脉冲分配；另一种是软件分配，是由计算机的软件完成的。图5.1 步进电动机的串行控制5.2 步进电机的速度控制在珩磨机床数控装置中，同样也存在着定位速度和进给速度的控制问题，由于机械进给系统的惯性量不大，进给速度也不高，所以在速度控制中采用速度较低的恒速控制运行方式，这样编程就较简单。系统的核心控制部件采用8位高性能的AT89C52单片机芯片，该芯片有32个I/O口引脚，内带8K字节的快闪存储器（FPEROM），256字节内部RAM，3个16位定时/计数器，一个6向量两级中断结构，一个全双工串行通信口、偏内振荡器及时钟电路。编程时钟频率324MHZ，同时也可降至0HZ的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。不但价格便宜，而且具有较高的性价比。所选用的AT89C52的时钟为s，如果要将时钟的脉冲频率转换为电机的低速运行频率，需要采用适当的降频方式。改变输出指令状态代码之间的时间间隔，即可实现步进电机的升降速及变速控制，步进电机在启动加速和制动减速时，由于负载惯性，可能会引起失步。因此，步进电机运行时应有一个加、减速的过程，而且希望在指定的时间内达到预定的速度。其中，最简单的而且使用的是等加速与等减速，此时加速和减速的速度曲线如图5.2所示。t 加 速 恒 速 f 低 速 减 速 图5.2 速度曲线图5.3 步进电机的驱动电路本设计主要是对步进电机的控制驱动电路进行设计，步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机。在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移与控制脉冲数成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件作开环控制时，无需A/D与D/A进行转换。在这个自动进给系统中涉及到步进电机的选择控制，并作为调整的执行元件，步进电机都有7种状态可供选择，它是正转时的快速、中速、慢速；反转时的快速、中速、慢速；以及停转。在任一时间内每个步进电动机均可为7种状态中的任意一种，因而步进电机的状态共有7种，步进电机运转的结果都将影响被调整对象的参数，这将决定步进电机采取何种状态，并直接控制电动机的运转以驱动升降台运转，将旋转运动转变为工作台的线性进给运动，实现在同一加工平面上的加工任意分布的孔，以达到本次设计题目的要求。由于本次所设计的控制电路重在驱动电路的设计上，所以在这里将对驱动电路进行设计分析，步进电机的驱动电路由以下几部分组成（如图5.3所示）：计算机接口脉冲分配隔离电路功率放大步进电机图5.3 步进电机驱动电路原理框图根据指令输入的电脉冲不能直接用来控制步进电动机的运转，必须采用脉冲分配器先将电脉冲按通电的工作方式进行分配，而后再经过脉冲放大器放大到具有足够的功率，才能驱动电动机的工作。5.3.1 三相六拍环形分配器的选用在驱动器中带有环形分配器，它是用于控制步进电动机的通电运行方式的，其作用是将数控装置的插补脉冲，按步进电动机所要求的规律分配给步进电动机驱动电源的各相输入端，以控制励磁绕组的导通或关断。同时由于电动机有正反转要求，所以环形分配器的输出不仅是周期性的，又是可逆的。可以根据正、反转通电顺序列出状态表及真值表。根据所选用的步进电动机的绕组相数为三相，所以在脉冲选分配器的选择上我将选用只有三相引脚的米阿冲分配器。脉冲分配器可以用门电路及逻辑电路构成，提供符合步进电动机控制指令所需的顺序脉冲。目前已经有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的脉冲分配器供选择。按其电路结构不同可分为TTL集成电路和CMOS集成电路。目前市场提供的国产TTL脉冲分配器有三相（YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均为18个管脚的直插式封装。CMOS集成脉冲分配器也有不同型号，例如CH250型用来驱动三相步进电动机，封装形式为本16脚直插式。这两种脉冲分配器的工作方式基本相同，当各个引脚连接好之后，主要通过一个脉冲输入端，控制步进的速度；一个输入端控制电动机的转向；并有与步进电动机相数相同数目的输出端分别控制电动机的各相。CH250是三相反应式步进电动机环形分配器的专用集成电路芯片，它采用CMOS工艺，集成度高，可靠性好。它的管脚图和三相六拍工作时的接线图如图5.4所示。 图5.4 CH250管脚图和三相六拍接线图CH250主要管脚的作用：A、B、CA、B、C相输出端。R、R*确定初始励磁相；若为“10”，则为A相；若为“01”，则为A、B相。环形分配器工作时应为“00”状态。、均为电源端。CL、EN进给脉冲输入端，若ENl，进给脉冲接CL，脉冲上升沿使环形分配器工作；若CL0，进给脉冲接EN，脉冲下降沿使环形分配器工作。不符合上述规定则为环形分配器状态锁定（保持）。、分别为控制三拍、六拍工作的控制端。CH250管脚图的功能是三相六拍工作方式；步进电动机的初始励磁相为A、B相；进给脉冲CP的上升沿有效；方向信号为l，则正转，为0，则反转。在计算机控制的步进电动机驱动系统中，通常采用软件的方法实现环形脉冲分配。一个AT89C52单片机芯片的P1口的三个引脚经过光电耦合电路/功率放大电路驱动后，分别与电动机的A、B、C三相连接。当采用三相六拍方式时，电动机正转的通常顺序为A-AB-B-BC-C-CA-A；电动机反转的顺序为A-AC-C-CB-B-BA-A。它们的环形分配如表5.1所示。它的P1的某口为高电平时，相应的电动机相通电。5.1 环形分配状态表步序表导电相工作状态数值（16进制）程序的数据表正传 反转C B ATABA相0 0 101HTAB1 DB01HA B相0 1 103H DB03HB相0 1 002H DB02HB C相1 1 006H DB06HC相1 0 004H DB04HC A相1 0 105HTAB5 DB05H5.3.2 光电隔离电路的设计在环形分配器和功率驱动电路之间采用光电隔离电路是为了隔离步进电动机大功率、高电平的脉冲信号对微型计算机的干扰，同时还能进行两者不同电平的转换，以便提高驱动能力。光电隔离电路图如图5.5所示：图5.5 光电隔离电路图环形分配器送出的脉冲信号经过光电耦合器4N25组成的光电隔离电路，然后送到功率驱动电路对步进电动机进行驱动，其电路设计计算如下： 确定输入电阻（5.1）式中：驱动电流。