振动攻丝机床设计方案

1 振动攻丝机床设计方案 1 绪论 言 随着科学技术的发展，人们对机械零件的精度要求越来越高，也出现了大量新材料，这些材料用传统的方法很难加工。目前，在机械制造业中， 以丝锥攻丝内螺纹的加工方法，加工质量差，生产效率低，尤其在难加工材料上攻丝， 如在粘而韧的不锈钢零件上攻丝 ，加工更加困难。在加工过程中切削扭矩大，易产生有害振动，导致丝锥崩刃、断裂或磨损，而 且加工后的螺纹轮廓形状严重失真 ，尺寸精度低，表面粗糙度大，这是目前 普通攻丝技术存在的缺点 。 本课题旨在通过一种新的加工方法 解决 上述存在的问题。本人应用单片机来控制振动的频率、正反转，一改过去机械装置既笨重又难操作的特点，同时又降低成本，另一方面本项研究充分利用旧有的设备而加以改造就可以取得好的加工效果，从而使振动攻丝能真正得到推广和应用。 内外振动攻丝研究的现状 外振动攻丝研究的现状 二十世纪五十年代，日本学者宇都宫大学博士隈部淳一郎教授首次提出了振动切削新概念，振动切削在螺纹加工中的应用就是振动攻丝。其实质就是在原有攻丝的基础上，叠加一个一定频率、振幅的周向振动，把传统攻丝的连续切削变为一种断续的反 复切削，在抑制系统原有振动的同时，让振动发挥作用，达到改善攻丝状况、降低攻丝扭矩、提高攻丝质量和效率的目的，从而在攻丝加工中实现了振动切削。隈部淳一郎教授在 70年代左右研究造制出了多种振动攻丝机床，它们的主要型号有： 10实用振动攻丝机，其主要技术参数为：振动频率为 100幅为 出切削速度应满足 T=v/f 一要求， 2 按这个标准来选取，用机械式振动机构进行振动；台钻式 10是利用台式钻床附加振动机构形成的 振动攻丝机，基本工作形式和 10实用振动攻丝机一样；单头多轴 10要是单头三轴），成功开展振动切削及振动攻丝加工的理论与实验研究，获得了一定的研究成果，其应用取得了显著的经济和社会效益 1。 前苏联早在 50 年代末开始振动切削方面的研究，并发表了一些很有价值的振论文。前苏联在振动攻丝方面主要研究的是高频振动攻丝，研制有专用轴向超声动攻丝机床和相应的超声振动头。他们做了大量的超声振动攻丝试验，结果表明超声振动攻丝在加工不锈钢和钛合金时与传统攻丝相比丝锥耐用度提高 310倍，在加工钛合金 时扭矩降低 40% 50%，表面粗糙度提高 1 印度的 也对振动攻丝进行了大量的研究并得出了一些有价值的结论。他们认为：降低攻丝扭矩和轴向力的最佳振动频率因条件而异。对铸铁而言 0 85幅 166*1则为 50幅 10*铝材料， 1幅是 135反小于 螺纹不适合使用振动攻丝。采用振动攻丝可减小攻丝扭矩达 8% 14%，降低轴向力达 16% 56%们认为，对于振动攻丝存在一个临界切削厚度（螺纹深度）值，在临界切削厚度的范围内，振动攻丝能降低攻丝扭矩。而其临界切削厚度与材料的硬度有关。且最佳的振动频率与切削厚度有关，随着切削厚度的减小，最佳振动频率反而增加，而最佳的振幅（对于同一种尺寸或同一种切削厚度）也与材料的硬度有关。 在美国，振动切削也作为一个重点课题来研究。振动切削系统也部分应用于工业。 欧洲发达国家，如英国、前西德等国家对振动切削的工业应用技术和振动切削机理也有较多的研究，也取得一些可观的成果。 内振动攻丝研究的现状 我国对振动攻丝方面的研究工作开始于 60 年代末。华中理工大学的王立平和杨叔子对变参数振动攻丝提高微小孔加工精度进行了深入的研究。 北京航空航天大学的陈鼎昌教授和青岛大学的苟琪博士从动态振动攻丝扭矩出发，探讨了影响动态切削力变化的因素，从而得到动态攻丝扭矩功率谱可以反映攻丝过程，可以用信号功率谱峰变化和信号能量变化对攻丝过程进行监控的结论。另外，通过回归分析，建立了钛合金振动攻丝的扭矩模型 3 统揭示了攻丝扭矩 a 的关系。认为用此模型可预测振动攻丝加工的切削模型，还可以用于振动攻丝加工过程中的优化控制。 北京航空航天大学的张德远等人应用弹塑性理论对振动攻丝减小钛合金攻丝扭矩进行了理论分析，认为后刀面对已加工表面的重复熨压，是减小攻丝中的磨擦扭矩及提高已加工表面精度的主要原因，并 利用弹塑性理论推导出了振动攻丝中丝锥后刀面上产生的磨擦扭矩计算公式。据此公式可以计算要获得最小扭矩的最佳熨压次数，这对指导振动攻丝中切削参数的选择有一定的指导意义 2。 山东工业大学张勤河等人通过对超声振动钻削加工陶瓷的研究 ,认为是静态负载的接触力与冲击力同时作用在工件上 得出金刚石刀具颗粒如同一个个小压头 ,在作用于工件表面瞬间产生裂纹与裂纹的扩展 振动切削不同于常规切削 刀具挤压工件 ,使工件产生塑性变形 ,振动切削在一个周期 内切削长度小 ,刀具切削工件的瞬时速度较高 ,切削时间短 ,刀具与工件间断分离 ,切削液能进入切削区 ,切削温度降低 ,破坏了积屑瘤和鳞刺的产生 ,即便产生积屑瘤也难以附在刀具上 正是这一特点才使得刀尖每次能以极大的加速度冲击工件进行切削。 南京理工大学芮小健等人从切削过程分析着手 ,研究了振动切削过程中刀具与被切削工件之间的力学作用规律 ,得出如下结论 :1)刀具以冲击载荷作用于被切材料 ,其动态应力波作用是改善切削效果的一个主要因素； 2)振动切削中摩擦力降低是前刀面和剪切面的内摩擦 向外摩擦转换所致； 3)振动切削中 ,前刀面正应力减小 ,对材料破坏的断裂抑制作用减弱 ,利于切削； 4)振动切削中 ,材料破坏过程与普通切削的挤压滑移过程有区别 ,它由每次冲击都产生微细破坏而完成切削 3。 究的主要内容和关键技术 究的主要内容 通过现有的机械设备，进行相应的改造，在原有普通攻丝技术基础上完成机械的振动攻丝。其主要设计内容如下： 控制系统的设计机械单元的改造设计振动攻丝机床的设计 4 究的关键技术 （ 1）步进电机的正 反转驱动技术，步进电机一方面是攻丝的动力源，另一方面又是振动攻丝的振源，这是实现步进振动攻丝关键技术，良好的控制能让步进电机充分发挥性能优势。 （ 2）计算机的硬件接口（如模数转换等）和软件编程技术，涉及振动攻丝的工艺参数的设置、步进电机的输出控制和攻丝扭矩的数据采集、存储以及数据的前期处理等多个关键部分。系统性能的完善程度与这一部分有很大的关系。 （ 3）故障诊断技术，一个功能全面的攻丝系统，应该具备在线监测和故障诊断技术的能力，特别是攻丝系统，攻丝过程很容易发生丝锥折断故障，而丝锥折断则导致 工件报废、效率降低，因此利用故障诊断技术，在攻丝过程中对丝锥折断进行诊断和预报，有效地防止丝锥折断。 2 总体方案的选定 动攻丝的原理 本次设计的是一台可由单片机控制的振动攻丝机床，因此，对于设计方案的选择，应该考虑到其加工原理的确定。所谓振动攻丝就是在普通攻丝的基础上，给丝锥或工件施加有规律的扭转振动，成脉冲式间断切削。在每一次扭振过程中，丝锥的切削用量按某种规律变化，同时丝锥切入时，提高了瞬时切削速度，丝锥后退时，起到断削作用，并且改善了切削环境提高加工质量。 从丝锥与工件的相对 运动振动设计方按角度分析，一般可分为四种： 1）工件固定，丝锥旋转并形成沿螺旋升角方向的振动； 2）工件回转，丝锥沿螺旋升角方向振动； 3）工件沿螺旋升角方向振动，丝锥做回转运动； 4）工件沿螺旋升角方向振动并同时回转，丝锥则固定不动。 四种方案的示意图如图 1所示： 5 锥既回转又振动； 锥振动； 锥回转； 锥不动 图 2动攻丝的 4种形式 案分析 在上述 4 种形式中， b、 c 和 d 三种方式中工件都有运动，这就使得整个系统的结构必然特别的庞大，故不宜采用。而对于方式 而可通过简单机构予以实现，所以经过比较分析在四种振动加工方式中 实现起来其结构也较为简单。 案的类型 1)切削主动力源和振源合一 本方案只以 1 个步进 电机为动力源 ,通过控制系统输出有规律的脉冲序列，经功率驱动后输入电机，使其做进多退少的运动 ,再通过丝杆 螺母副的作用，将旋转运动变成螺旋运动，并把沿圆周方向振动转化为沿螺旋方向振动，从而实现振动攻丝。此方案以功率步进电机为驱动源，把切削主动力源和振源合为一体，从而使系统结构简单、运动精度高且便于控制 般只用作小孔加工。 2)切削主动力源和振源分离 此方案必须使用 2个电机，通常 1个为普通电机，另 1 个为步进电机 后通过一定的机械机 构（行星轮机构）进行合成，再经过丝杠螺母副作用，就得到振动攻丝所需的运动。这一方案将切削主动力源和振源分开 ,综合利用了普通电机具有较大的功率和步进电机易于控制的特点 但因其使用了中间合成机构，使得系统结构教为庞大，进而使其运动精度降低了。 6 案的特点 上述 2 种方案中都有一个共同的特点：为了将圆周方向的振动转换为螺旋方向的振动，使用丝杠螺母副机构。这就给系统带来了以下 3个不良的影响： 1）在攻制不同螺距的螺纹时，必需同时更换丝锥和丝杠螺母副； 2）由于丝杠螺母副的相互摩擦，不但消耗系统一部分能量，而且因摩檫发热还会影响系统的工作精度； 3）因增加了这一高精度的丝杠螺母副机构，使得整个系统的制造成本增加。 计方案的确定 由分析可知在上述两方案中使用靠模，其作用有： 1）转换振动方向； 2）在攻丝开始时给丝锥施加一定的预压力以便导入 . 而实际上，当丝锥的切削部分切入工件后，工件内就有部分螺纹形成 相当于上述两方案中丝 杠螺母副、内的丝杆与螺母 掉攻丝丝杠螺母副，让丝锥自导，同样也可以满足转换振动方向的要求。 基于上述分析，考虑到本次设计的实际情况 ,本设计采用一种新型的振动攻丝系统 ,即以步进电机为动力源，把振动源与切削主动力源合为一体，省掉靠模，让丝锥自导 时检测攻丝扭矩，并利用单片机系统进行运动控制和数据采集 ,可以方便地更改振动攻丝工艺参数，并能实时检测攻丝扭矩值，及时对加工过程进行控制。 动攻丝的特点 丝锥切削时有切削力为零， 攻丝过程按切削 空切断屑 切削的循环过程。丝锥的切削力便成为脉冲切削力。攻丝的过程可以通过控制数控攻丝机的控制系统自为进行控制，因此，脉冲切削力的脉冲可以通过人为调整控制，来取得不同的攻丝效果。综上分析，振动攻丝与普通攻丝不同，它是一种间断的有规律的过程。 在间断攻丝的过程中，可以通过以下方法实现： 1）促进切屑的顺利排除。采用振动攻丝，可以较好地解决普通攻丝切屑难折断、切屑易划伤工件等问题，尤其在难加工材料上攻丝效果更明显。 2）切削力、切削扭矩小。振动切削时，切削速度的大小和方向 产生周期性的变化，刀具在每一个振动周期内的切削时间短，实际切削速度高，切削变形小 7 同时也使切削摩擦系数大大降低，同时使得切削时的切削力、切削扭矩显著降低。 3）延长丝锥寿命。振动攻丝时，作用在零件上的脉冲切削力小，切削温度低冷却充分，在丝锥切削刃上可以消除传统攻丝时容易产生的积屑瘤，热磨损等现象，从而延长丝锥的寿命。 4）提高加工精度。由于振动攻丝切削扭矩小，排屑流畅，丝锥前刀面和切削刃上没有黏结任何杂物，切削刃轮廓清晰，所以加工出的螺纹齿形误差小，外观整齐规则 6。 8 3 振动攻丝机床的设计 普通攻丝是在电动机带动下进行连续攻丝切削，这种方法的主要缺点是丝锥连续切削发热大，攻丝过程不易排屑，易发生切屑堵塞和丝锥折断现象，而振动攻丝则采用丝锥不断进行正反转振动，克服常规攻丝的不足，减少切削发热，增加散热时间，为充分润滑和冷却提供条件。另一方面，振动攻丝正如手动攻丝一样也是用正反转来实现断屑的。 所谓振动攻丝就是在普通攻丝的基础上，给丝锥或工件施加一个有规律的扭转振动，使丝锥做脉冲式间断切削。 根据振动攻丝机研究的需要，结合其特点，对沈阳机床股份有限公司生产的进行改造设计。 机床总体结构包括机械单元（传动部分、动力部分）和控制单元两大部分。其传动部分为在 的基础上改装而成，在立柱上添加丝杠经电机传动实现。其动力单元由步进电机及其相应的驱动系统组成：步进电机采用混合式步进电机，该电机具有输出扭矩大、外特性硬、空载启动频率高等优点。 本次设计主要完成机械部分的设计。 动攻丝机床系统的机械单元 术参数的拟定 1）主参数 通用振动攻螺纹机床的主参数原则上按“金属切削机床型号编制方法” ( 94) 选择即可。专用振动攻螺纹机床的主参数根据被加工工件确定。但要注意 , 振动攻螺纹技术是针对难切削材料小螺孔攻螺纹存在的困难而发展起来的 , 对中大型螺纹孔或易切削材料 , 使用普通攻螺纹工艺就可以满足生产实际需要 7。 2）基本参数 由于振动攻丝机是在 立式钻床的基础上加以改造的，所以机床的基本参数为 立式钻床的主要技术参数见表 3 3立式钻床的主要技术参数 最大钻孔孔直径 50轴中心线至立柱母线距离（最大） 1600轴中心线至立柱母线距离（最小） 350轴端面至底座工作面距离（最大） 1220轴端面至底座工作面距离（最小） 3209 续表 3轴行程 315轴锥孔（莫氏） 5 主轴转速范围 25 2000r/轴转速级数 16 主轴进给量范围 r 主轴进给级数 16 工作台尺寸 500*630轴箱水平移动距离 1250电动机功率 4筒升降距离 主轴箱倾斜度 滑座移动距离 机床 重量 3500床外形尺寸（长 *宽 *高） 250010702840 机床工作台的选择 对于工作台的设计，采用两个步进电机经齿轮传动控制滚珠丝杠来带动工作台来运动的传动方案。考虑到机床加工精度不高，为了简化结构，降低成本，采用模块化结构的伺服系统来驱动 X 滚动导轨、滚珠丝杠、步进电、主轴驱动等部件采用模块化的结构，钻头主轴以及攻丝部分主轴的上下运动由步进电机带动主轴在主轴箱内滑动实现。 其主要技术参数为： 510 510 宽 高为： 1170 606 300 宽 高为： 1170 606 400 珠丝杠的选择 滚动螺旋传动的牙面之间置入滚动体，滚动体大多数采用钢珠，也有采用滚子，螺旋副的旋合运动为滚动摩擦，摩擦因数低，传动效率高。滚动螺旋应轴向预紧以获得较高的传动精度。 根据用途，滚动螺旋传动分为传力和定位两类：传力滚动螺旋（ 要用于传递动力，定位滚动螺旋（ 于通过转角或导程控制轴向位置 8。 整台攻丝机的传动方案方面以主轴箱的移动和 X Y 向工作台的移动要求较 10 抵于其它部分，从结构的简便方面以及经济性方面最终确定为由电机经一级齿 轮传动带动滚珠丝杠来实现工作部件的移动。滚珠丝杠的外形结构如图 2 所示： 图 3珠丝杠的外形结构 现选择 滚珠丝杠，其主要安装尺寸及性能参数可在表 1 中查得。 确定滚珠丝杠的型号后，就是其支承方式的选择，一般来说滚珠丝杠的支承方式有四种： （ 1） 一端固定一端自由； （ 2） 一端固定一端游动； （ 3） 两端支承； （ 4） 两端固定 由于本次设计要求的是一个可由单片机控制的工作台，所以对于支承方式的选择可选第 四种两端固定的安装支承方式，如下图 3所示： 图 3珠丝杠安装支撑方式 11 选择两端固定的方式其特点是： （ 1）压杆稳定性和临界转速高 （ 2）丝杠的轴向刚度为一端固定的 4倍 （ 3）丝杠可以预拉伸，预拉伸后可减小自重下垂和补偿热膨胀 （ 4）轴承组合的刚度高 所示： l:导程 径 N:珠圈数 K:刚性 (m) 额定负荷 (额定负荷 ( 型 号 滾珠螺杆 , 螺帽之基准数据 d l A B L W H X Y Z Q n 6 4 0 49 10 50 39 34 6 4 625 1254 22 0 49 10 50 39 34 6 4 888 1525 22 0 4 58 10 57 45 34 6 3 716 1232 17 0 4 4 57 11 46 45 40 6 4 693 1584 27 4 57 11 51 45 40 6 4 999 1995 27 4 57 11 51 45 40 6 4 999 1995 27 5 4 0 63 11 46 51 46 6 4 775 2046 33 0 63 11 51 51 46 8 4 1119 2581 34 0 6 72 12 85 58 52 1 6 4 1903 3953 35 2 4 6 72 12 47 58 52 1 6 4 868 2640 43 6 72 12 52 58 52 1 8 4 1450 4150 43 0 4 88 15 90 70 62 9 14 8 4 102 44 0 5 6 90 15 55 72 64 9 14 8 4 1407 4342 53 0 10 2 104 18 93 82 70 11 1 3480 7979 55 0 10 2 114 18 93 92 82 11 1 3898 10326 68 3 10 5 131 22 98 107 95 14 20 13 4402 13611 81 0 10 05 150 22 98 127 115 14 20 13 4900 17366 106 图 3珠丝杠的技术参数 12 820 6501= 700 771= 56 56珠丝杠额定动载荷，静载荷的计算： (1)计算所需的已知条件及参数 滚珠直径 ( 滚珠丝杠副的节 圆直径（ E 材料的弹性模量；对于钢， E =105 M i 承载滚珠圈数； 公称导程（ 接触角；一般为 45 螺纹导程角； 滚珠丝杠的导程角公式可通过查阅机械设计手册第五版第 2卷 r c t a n DP h 式（ 1z 每圈承载滚珠数目 ；查表获得如下公式： 式（ 对外循环时， 1Z =0；对内循环时，为反向器中的滚珠数，一般取 1Z =3。 根据上面的公式结合图 4中滚珠丝杠的各项参数。将其代入，可求得滚珠丝杠的参数为： d= 40 E = M i = 5 6 = 45 。r c t a n o 0z 1 。 13 （ 2）滚珠丝杠副轴向静刚度 R 的计算 1）材料常数 材料常数为滚珠丝杠选用的一重要参数，由该参数可以确定滚珠丝杠的合理材料。 由机械设计手册中查得滚珠丝杠的材料常数的计算公式为： 0201020111550 式（ 由机械设计手册中查得滚珠丝杠的弹性模量的计算公式为： 20 11 式（ 已知滚珠丝杠和螺母材料均为钢，其弹性模量 ；泊松比 10/3；根据上述公式可求的 2）材料参数 几何参数为滚珠丝杠选用的一个重要参数，由该参数可以确定滚珠丝杠的合理几何形状。 由机械设计手册查得滚珠丝杠的几何参数的计算公式为： 33 其中：滚动体与螺杆滚道的综合曲率 1121 滚动体与螺母滚道的综合曲率 1121 D r r 14 式中： 结构系数 滚珠螺杆滚道适应度 滚珠螺母滚道适应度 通过机械设计手册可查的： 入上式求的滚珠丝杠的几何参数为： 8 9 3 3）滚珠丝杠副一圈受载螺纹的刚度特性系数 k 23刚性特性参数为滚珠丝杠选用的一重要参数，由该参数可以确定滚珠丝杠的刚度是否满足设计要求。 由机械设计手册查得滚珠丝杠 副一圈受载螺纹的刚度特性系数 的计算公式为： c o ss i 式（ 由于滚珠丝杠与螺母材料均 为钢，将上面已求得参数代入公式得： 4）螺母无预紧有间隙，滚珠丝杠副在承受轴向力 F 时，滚道 3 22n 式（ 当不考虑滚珠丝杠和螺母本身的拉压变形 时， 2 。 滚珠丝杠的接触刚度作为选用的滚珠丝杠的依据，要求小于丝杠的接触刚度参数。 （ 3）滚珠丝杠副轴向额定静载荷 0 N） 轴向额定静载荷的定义：滚动螺旋副在转速 条件下，受接触应力最大的钢球和滚道接触面产生的塑性变形量之和为钢球直径万分之一时的轴向载荷。 1）轴向额定静载荷特性数该参数可以确定滚珠丝杠的轴向安全载荷范围。 由机械设计手册查得滚珠丝杠 副的轴向额定载荷的特性系数 的计算公式为： 15 式（ 根据上述求的参数，代入公式得 2）轴向额定静载荷 0 N） 由机械设计手册查得滚珠丝杠副的轴向额定静载荷的计算公式为： c o ss i 1式（ 根据上述代入数据，即： 3 1 3 i 9 8 2 。C（ N） 滚珠丝杠的静载荷同样是选择滚珠丝杠的重要技术参数，额定静载荷小于滚珠丝杠的额定静载荷即可选用。 （ 4）滚珠丝杠副轴向额定动载荷 N） 轴向额定动载荷的定义：一组相同参数的滚动螺旋副，在相同条件下，运转610 转， 90%（即可靠度 效率 螺旋副（滚动体或滚道表面）不发生疲劳剥伤所能承受的纯轴向载荷。 螺杆单圈轴向额定动载荷 查机械设计手册可得其公式为： t a nc o sc o s 式（ 螺杆单圈轴向轴向额定动载荷为其强度选用的重 要依据之一，额定动载荷小于滚珠丝杠的允许值即可。 2）几何系数 滚珠丝杠的几何系数为滚珠丝杠的重要参数，几何参数若在滚珠丝杠几何参数选择范围内即可。 由机械设计手册查得滚珠丝杠副的几何系数的计算公式为： f 式（ 3）滚珠丝杠轴向额定动载荷械设计手册查得滚珠丝杠 副 的轴向额定动载荷的计算公式为： 其中，参数 式（ 16 通过上述求的参数，代入公式可得 ： C（ N） 滚珠丝杠的轴向额定动载荷为其强度选用的重要依据，由上述数据选择丝杠满足要求。 在设计的一致性与机构的简便性以及设计的经济性方面考虑确定 Y 向工作台的参数如下。 在选择 撑方式采用两端固定方式的基础上。 820 6501= 700 771= 56 56算参数与 上述给出的 代入公式（ ，可得到： d= 40 E = M i = 5 6 = 45 。r c t a n 01 。设计的一致性与机构的简便性以及设计的经济性方面考虑，最终确定沿横梁方向移动的滚珠丝杠，其参数如下： 型号： 支承方式：两端固定 主轴箱沿横梁方向移动所选用的丝杠的长度和尺寸为： 1000 7001= 800 771= 56 5617 线导轨的选择 （ 1） 概述 直线 动领域中，直线导轨副一直是关键性的产品，目前已成为各种机床、数控加工中心、精密电子机械中不可缺少的重要功能部件。随着直线导轨副应用的范围日益扩大，使技术提升和产品细分已经成为必然趋势，高速化与环保化已经成为直线导轨副的发展方向。为了适应各种机床设备对其直线导轨副的耐冲击性、较高的刚度、运行顺畅度、适当摩擦力等要求，合理选择直线导轨副是必须首先解决的技术问题 。 (2)常用结构 根据滚珠 在导轨和滑块之间的接触牙型 可以将其分为 歌德式（ 型和圆弧式牙型 ， 如图 5所示： 图 3其中， 圆弧式也称 为 四列式 ， 歌德式也称 为二 列式。 相比而言， 圆弧式牙型的 接触角在传动 过程 中 容 易 产生 变动， 使得 间隙与侧向力 发生 变动， 但是易于安装 。而歌德式牙型 在传动过程中 其接触角能保持不变，刚性 也相对 稳定。一般而言直线导轨的常用结构以这两种类型为主 ， 两者主要区别如 表 39。 18 表 3哥德式接触牙型 圆弧式接触牙型 当承受 侧向负荷时，钢珠完全被束制住，无偏移现象发生，刚性较强。 珠卷数只需使用双卷设计即能承受上、下、侧向方向上的负荷。 当承受侧向负荷时，钢珠在与受力垂直的方向没有被束制住，因而产生很大的位置偏移。 卷珠数必须使用四卷设计方能承受上、下、侧向方向上的负荷。 （ 3） 主要性能指标 通常，直线导轨副的选用必须根据使用条件、负载能力和预期寿命选用。但由于直线导轨的寿命分散性较大，为了便于选用直线导轨副，必须先清楚以下几个重要概念。 额定寿命：所谓额定寿命 就 是指 相同的一批 产品，在 一样 条件及 相同的 负 载下，有 90%的产品没有 发生表面 被 剥离 的 现象 而能运行的最大距离 。直线导轨副是 用钢 球 作为滚动体的额定寿命 在 基本动额定负荷下 一般 为 50 基本动额定负荷（ C） ： 所谓基本动额定负荷是指一批相同规格的直线导轨副，在负荷方向和大小均等的状态下，经过运行 50， 90%的直线导轨其滚道表面不产生疲劳损坏（剥离或点蚀）时的最高负荷。 基本静额定负荷 ( 所谓基本静额定负荷是指在负荷方向和大小均等的状态下，在受到最大应力的接触面处，钢珠与滚道表面的总永久变形量恰为钢珠直径万分之一时的静负荷 10。 预压力：所谓预压力是预先给予钢珠负荷力，利用钢珠与珠道之间负向间隙给予预压，这样能够提高直线导轨的刚性和消除间隙。按照预压力的大小可以分为不同的预压等级。如台湾上银公司（ 供六种标准预压，预压力从有间隙到 详细的预压力数值和应用范围如 表 3 19 表 3预压等级 标记 预压力 精度等级 适用范围 普通间隙 隙值 搬送装置，自动包装机 无预压 隙值 动 化产业机械 轻预压 般工具机的 ，焊接机，熔锻机 中预压 般工具机的 电加工机， 床，精密 台 重预压 械加工中心，磨床，立式或卧式铣床，机床的 超重预压 切削加工机 由于在机械加工方面的精度要求愈来愈高，使得对加工机械上的重要组件直线导轨的精度等级划分也越来越细。一般直线导轨副的精度分为普通级、高级、精密级、超精密级和超高精密级五种。 其 主要检测指标一般有 三个 ： 一是滑块 面的平行度，二是滑块 面的平行度，三是行走平行度 11。 如下图 3 图 3线导轨的检测指标 20 不同的精度等级对应滑轨的行走平行度误差如下图 3 图 3同精度等级对应滑轨的行走平行度误差 （ 4）直线导轨副的选用 通常，直线导轨副的选用必须根据使用条件：安装空间及方式（水平或立式、导轨及滑块个数）；作用载荷的大小、方位及坐标；行程的长度及坐标；运行的速度及加速度；要求的寿命、刚度及精度；环境要求（温度、材料等）来选择合适的滚动直线导轨副的类型。各个直线导轨的生产厂家都对其产品进行了合适的系列划分。如台湾 司的直线导轨主 要分为 列、 具体的选用过程如图 3 图 3线导轨的选用流程图 21 在选用的过程中可以根据计算结果随时返回到前面的步骤进行重新选择和设定。计算滑块最大负荷时要确认选用的直线导轨静安全系数（静安全系数定义为静额定负荷与工作负荷的比值）应该超过推荐表中所列值（见表 3如果所选用的直线导轨副刚性不足，可以提高预压力，加大选用尺寸或增加滑块数来提高刚性。 表 3负载条件 静安全系数 一般负荷状况 冲击、振动 取沈阳欧申科技有限公司的直线导轨介绍编号事项，如图 3 图 3 22 值得提到的是两列歌德式结构的直线导轨副能承受各个方向的力和力矩，在轻负载或中负载应用场合较多，尤其在侧向力负载较大时。而四列圆弧式结构的直线导轨在重负载或超重负载应用场合较多，圆弧型有吸收装配面误差的能力。但若有冲击负载的情况发生时，宜选用歌德型结构的直线导轨副。 根据上述规定结合图 3选用的沈阳欧申科技有限公司的直线导轨确定直线导轨 的型号： 动攻丝机床系统的动力单元 振动攻丝系统的动力单元是由步进电机及其驱动系统组成。 进电机 步进电动机是一种把电脉冲信号转变成角位移或者直线位移的执行元件。电脉冲由专用电源供给。每输入一个脉冲，电动机前进一步，故又称为脉冲电动机。它是将脉冲信号变换成角位移或者直线位移的一种机电式数模转换器。它每接受一个电脉冲信号，所转过的角度，称为步距角，步距角一般为 00 3电动机的步距角用 表示，其相关表达式为： 式中： P 步进电机的相数； Z 步进电机转子的步数； K 通电方式（当三相三拍导电方式时 K=1，三相六拍导电方式时 K=2）。 步进电动机的位移量与脉冲数成正比，速度与脉冲频率成正比；在其负载能力范围内，不因电源电压、负载、环境条件的波动而发生变化；可以在宽广的范围内通过改变脉冲频率来调速；能够快速启动、反转和制动；在一相绕组长期通电时具有自锁能力 12。 步进电动机的优点是没有 累积误差，结构简单，使用维修方便，制造成本低，步进电动机带动负载惯量能力大，被广泛地应用于自动控制、数控机床、计算机外围设备、自动记录仪、轧钢机的自动控制以及数模转换。其缺点是效率低，发热大，有时会“失步”。 步进电动机有如下特点： 23 （ 1） 步进电动机的机械角位移与控制脉冲数严格成正比，改变脉冲频率可实现速度调节； （ 2）由步进电机与驱动电路组成的开环数控系统，既非常简单，廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统； （ 3）步进电机的动态响应快，易于起停，正反转及变速； （ 4）步 进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，它不能直接使用交流电源和直流电源； （ 5）速度可在相当宽的范围内平滑调节，低速下仍能保证获得大转矩，因此，一般可以不用减速器而直接驱动负载； （ 6）步进电动机存在振动和失步现角，必须对控制系统和机械负载采取相应的措施； （ 7）步进电动机自身的噪声和振动较大，带惯性负载的能力较差 13。 常用步进电动机可分为反应式、永磁式、永磁感应子式和直线步进电动机四类，其特点如表 3示： 表 3分类 特点 反应式步进电动机 反应式步进电动机 步距角从零点几度到几度；起动和运行频率较高；断电时无定位扭矩，消耗功率大 永磁式步进电动机 消耗功率比 反应式步进电动机小，但需要供给正、负脉冲电流，起动和运行频率较低，有定位扭矩 永磁感应子式步进电动机 有较高的运行和起动频率，需要正、负脉冲供电，消耗功率较小，有定位扭矩，是具有反应式和永磁式步进电动机两者优点的一种步进电动机，但其结构和制造都比较复杂 直线步进电动机 可直接提供直线运动，而不必像其他旋转步进电动机那样需要将旋转运动转化为直线运动的机械转化机构，从而使系统结构简化，惯量减小，提高了系统 的快速性和精度，显著改善了系统的动态性能 根据本次设计的要求以及对工作台运动要求较低，所以 本设计在 X 向和 用 列四相异步电动机 ,选取型号为 120 查现代机械设备设计册第 2卷 相数： 4 额定电压： 50V 静态电流： 6A 步距角： 3/ 保持转距： 空载起动频率： 1000载运行频率： 1300形尺寸：总长 170 外径 120 轴径 1724 动系统 该单元 重点在于对步进电机的控制和驱动，设计中受控电机为四相的步进电机 。 （ 1）驱动系统方案的拟定 方案 1： 使用多个功率放大器件驱动电机 通过使用不同的放大电路和不同参数的器件，可以达到不同的放大的要求，放大后能够得到较大的功率。但是由于使用的是四相 的步进电机，就需要对四路信号分别进行放大，由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电路的制作也比较复杂。 方案 2： 使用 片驱动电机 图 3，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达 50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的 且电路简单，使用比较方便。 图 3298（ 2） 驱动系统方案的确定 通过比较，使用 稳定地驱动步进电机，且价格不高；而且在使用 ，可以用 提供时序信号，可以节省单片机 的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂，故选用第 2种方案， 使用 14。 25 进电机驱动电路设计 驱动电路主要由脉冲发生器，环形分配器和功率放大器三部分组成。其主 要功能是：按一定顺序接通和关断步进电动机的控制绕组，使其按要求起动，运行和停止；供给步进电动机足够的功率、使其能带动负载；提高步进电动机的快速性和平稳性。 其系统框架如图 3 图 3进电动机驱动电路系统框架图 通过 成步进电机的驱动电路，电路图如图 3示：该电路通过单片机的 298时序图如图 3 图 3进电机的驱动电路 图 3进电机起时序图 脉冲 发生器 环形 分配器 步进 电动机 功率 放大器 26 4 振动攻丝机床控制系统的设计 动攻丝控制流程的设计 根据设计任务的要求及参考相关资料设计出振动攻丝机的控制流程图如图4 图 4统控制流程图 进电机的控制 对于控制方式的选择，一般从成本和工作要求两方面考虑。目前，主要的控制方法有单片机控制， 工控机控制三种常用的方法，考虑到振动攻丝机床的特点在此选用单片机控制系统。 27 进电机的控制原理 步进电机是数字控制电机，它将脉冲信号转变成角位移，即给一个脉冲信号，步进电机就转动一个角度，因此非常适合于单片机控制。步进电机可分为反应式步进电机（简称 永磁式步进电机（简称 混合式步进电机（简称 步进电机区别于其他控制电机的最大特点是，它是通过输入脉冲信号来进行控制的，即电机的总转动角度由输入脉冲数决定，而电机的转速由脉冲信号频率决定。步进电机的驱动电路根据控制信号工作， 控制信号由单片机产生。 其基本原理作用如下： （ 1）控制换相顺序 通电换相这一过程称为脉冲分配。例如：四相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为 D,通电控制脉