普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)【數(shù)改CA6140】

普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)【數(shù)改CA6140】,數(shù)改CA6140,普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)【數(shù)改CA6140】,普通,車床,數(shù)控,改造,設(shè)計(jì),ca6140 單位代碼 學(xué) 號(hào) 分 類 號(hào) 密 級(jí) 說 明 書 普通車床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 院 （ 系 ） 名 稱 專 業(yè) 名 稱 學(xué) 生 姓 名 指 導(dǎo) 教 師 2014 年 5 月 15 日 第 頁 普通車床數(shù)控化改造 摘 要 針對現(xiàn)有常規(guī)普遍車床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，擴(kuò)大 機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過程， 較詳盡地介紹了普通車床機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以 單片機(jī)為 CPU 的控制系統(tǒng)對信號(hào)進(jìn)行處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí) 齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 關(guān)鍵詞: 數(shù)控機(jī)床，單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，改裝設(shè)計(jì) 第 I 頁 Ordinary lathe numerical control transformation Author: Tutor: Abstract To remedy the defects of ordinary lather, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machines usage, and to improve production rate. This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms. We adopt control system which has single chip as CPU to cope with the signal，and output the step pulse through the I/O interface. After transmitting and slowing down by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll. Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement. Keyword: Numerical control machine tool ，Single chip microcomputer，system Reform design 第 II 頁 目 錄 1 緒論 .1 1.1 課題研究背景 .1 1.1.1 數(shù)控技術(shù)及其發(fā)展 .1 1.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .1 1.1.3 國外研究現(xiàn)狀 .3 1.1.4 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 .4 1.1.5 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) .4 1.2 普通機(jī)床數(shù)控改造的目的與意義 .5 1.2.1 微觀看改造的目的與意義 .5 1.2.2 宏觀看改造的目的與意義 .5 1.3 數(shù)控改造的研究內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn) .6 1.3.1 國外改造業(yè)的興起 .6 1.3.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容 .6 1.3.3 機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn) .7 2 普通車床數(shù)改的總體方案 .8 2.1 總體方案 .8 2.1.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造 .8 2.1.2 主軸脈沖發(fā)生器 .9 2.1.3 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理 .9 3 床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造 .11 3.1 滾珠絲杠螺母副 .11 3.1.1 滾珠絲杠副的工作原理、特點(diǎn)及類型 .12 3.1.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) .13 3.1.3 螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸 .13 第 III 頁 3.1.4 絲杠副的循環(huán)方式 .14 3.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .16 3.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .16 3.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 .17 3.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計(jì)算 .21 3.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .24 3.3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .24 3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 .25 3.3.2 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算 .27 3.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法 .28 3.5 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu) .31 3.6 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除 .31 3.6.1 采用減速箱的目的及注意事項(xiàng) .31 3.6.2 減少或消除空程的必要性和方法 .32 4 數(shù)改 CA6140 自動(dòng)刀架設(shè)計(jì) .33 4.1 自動(dòng)刀架的分類 .33 4.2 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì) .33 5 數(shù)改 CA6140 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì) .36 5.1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式 .36 5.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .36 5.2.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 .36 5.2.2 數(shù)改 CA6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 .38 5.2.3 數(shù)改 CA6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 .38 6 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) .39 6.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 .39 6.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .39 第 IV 頁 6.2.1 硬件配置 .39 6.2.2 I/O 口地址分配 .40 6.2.3 步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口電路 .40 6.2.4 方向控制 .41 結(jié) 論 .42 參考文獻(xiàn) .43 致謝 .44 附錄 .45 第 0 頁 1 緒論 1.1 課題研究背景 1.1.1 數(shù)控技術(shù)及其發(fā)展 數(shù)控技術(shù) 1 (NC Numerical Control)是指用數(shù)控信號(hào)構(gòu)成的控制程序?qū)?某一對象進(jìn)行控制的一門技術(shù)。它所控制的一般是位移、速度、角度等機(jī)械量， 也可以是溫度、壓力、流量等物理量，這些量的數(shù)值不僅可以測得，而且可以 用數(shù)字信號(hào)表示?，F(xiàn)在市場上使用的數(shù)控機(jī)床及數(shù)控氣割機(jī)、數(shù)控繪圖機(jī)、數(shù) 控測量機(jī)等等，都是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)械設(shè)備，就是用數(shù)字信號(hào)對該設(shè)備自 動(dòng)工作過程進(jìn)行控制。數(shù)控機(jī)床是數(shù)控設(shè)備的典型代表，它是為了解決小批量、 精度高、復(fù)雜型面零件加工的自動(dòng)化要求而生產(chǎn)的。 1946 年，世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)問世，這表明人類創(chuàng)造了可增強(qiáng)和部分 代替腦力勞動(dòng)的工具，6 年后，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國誕生了第 一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，從此，傳統(tǒng)機(jī)床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。19521970 年，屬于數(shù)控(NC)階 段，由于早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得 不采用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件 連接數(shù)控(HARD-WIRED NC)。從 1970 年開始，通用小型計(jì)算機(jī)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(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控 (CNC)階段。到 1974 年微處理器被應(yīng)用與數(shù)控系統(tǒng)；1990 年，PC 機(jī)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(jìn) 入了基于 PC 的階段；需要指出的是，雖然國外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)了， 而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控(NC)。所以我們?nèi)粘Ｖv的“數(shù)控” ，實(shí)質(zhì)上已經(jīng)是指“計(jì)算 機(jī)數(shù)控”了 2。 1.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1958 年，我國開始數(shù)控機(jī)床的研制，其主要工作是剖析國外數(shù)控機(jī)床的 先進(jìn)技術(shù)。由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平差，致使國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的穩(wěn) 定性、可靠性問題沒有從根本上得到解決，未能及時(shí)推廣 3。 從八十年代我國重新開始起步發(fā)展，到 1993 年產(chǎn)量已增長 1828 倍，產(chǎn) 第 1 頁 值數(shù)控化率從 1%以下增長到 12%。從此數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)逐漸形成批量，出現(xiàn)了一 批以北京機(jī)床研究所為龍頭的機(jī)床廠，隨后，又組建了許多經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)的 生產(chǎn)廠家，如武漢華中數(shù)控有限公司、常州寶馬集團(tuán)、西安微電子研究所等。 數(shù)控機(jī)床技術(shù)結(jié)合著大型、多功能和經(jīng)濟(jì)型兩大方向同時(shí)發(fā)展，以此來適合我 國國情的裝有數(shù)控系統(tǒng)的高效自動(dòng)化機(jī)床 4。 隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機(jī)床業(yè)已進(jìn)入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心 的機(jī)電一體化時(shí)代，其中數(shù)控機(jī)床就是代表產(chǎn)品之一，而我國從上世紀(jì) 80 年 代開始起步，至今仍處于發(fā)展階段。相關(guān)資料指出， “十二五”期間我國固定資 產(chǎn)投資增速快，汽車和機(jī)械制造行業(yè)發(fā)展迅猛，外商投資企業(yè)增長速度加快， 對機(jī)床的需求仍然旺盛。我國目前擁有機(jī)床很多都是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以 上是役齡在 10 年以上的舊機(jī)床，其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11.34 萬臺(tái)，即我國 機(jī)床數(shù)控化率不到 3%。近十年來，我國數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為 0.60.8 萬臺(tái)， 其中絕大部分為數(shù)控車床，年產(chǎn)值達(dá)到 18 億元，車床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6%。自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造， 從 19791988 年，全國引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有 18446 項(xiàng)，其中大部分項(xiàng)目為 我國的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于技術(shù)等一些原因， 設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，給企業(yè)造成很大損失，總結(jié)原因是在改造過程中， 對一些設(shè)備、生產(chǎn)流程等技術(shù)手段消化吸收不好，維護(hù)不當(dāng)造成的 5。 世界各國，包括許多工業(yè)發(fā)達(dá)的國家相繼成立了機(jī)床修復(fù)公司、翻新公司 或改造公司，承擔(dān)舊機(jī)床數(shù)控改造的任務(wù)，并成功地改造了一些大型和重型機(jī) 床。我國常柴股份公司曾改造一臺(tái)仿形銑床 6，花費(fèi) 40 萬元的改造費(fèi)用，節(jié)約 投資近 250 萬元，使用該銑床加工 N485 柴油機(jī)鑄造用模具，不到三個(gè)月時(shí)間， 完成了兩套 N485 模具和 20 套空調(diào)模具的加工。根據(jù)常柴股份公司對已完成數(shù) 控化改造的 11 臺(tái)加工中心和 1 臺(tái)仿形銑床投入運(yùn)行后統(tǒng)計(jì)，新增產(chǎn)值達(dá)到 3000 多萬元，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)然，在機(jī)床數(shù)控化改造實(shí)例中也有許 多失敗的例子，如航天部國營 507 廠，在八十年代曾經(jīng)對七十年代產(chǎn)品牡丹江 廠的一臺(tái) C620-1 型舊車床進(jìn)行數(shù)控化改造 7，但是由于當(dāng)時(shí)對機(jī)床數(shù)控化改造 工藝論證不夠充分，所選用的數(shù)控系統(tǒng)性能不穩(wěn)定等原因?qū)е赂脑焓　?近年來，雖然我國的數(shù)控機(jī)床無論從產(chǎn)品種類、技術(shù)水平、質(zhì)量和產(chǎn)量上 都取得了很大的發(fā)展，在一些關(guān)鍵技術(shù)方面也取得了重大突破，但同世界先進(jìn) 第 2 頁 水平比仍有一些差距，這也是制約我國機(jī)械工業(yè)快速穩(wěn)步發(fā)展的重要因素。 1.1.3 國外研究現(xiàn)狀 在日本、美國、英國、德國等國家，數(shù)控機(jī)床的年產(chǎn)量較高，占世界總產(chǎn) 量的 47%左右，僅日、德、美三國的年產(chǎn)數(shù)控機(jī)床就占世界數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量的 36%，其中，日本擁有量的數(shù)控化率為 22.8% 8-9。在目前世界機(jī)床擁有量中， 高檔(數(shù)控機(jī)床)、中檔(非數(shù)控的自動(dòng)化機(jī)床)、抵檔(手動(dòng)操作的普通機(jī)床)之 平均比例約為 5:60:35。在發(fā)達(dá)國家中約為 10:65:25，國外工業(yè)發(fā)達(dá)國家的機(jī) 床廠均生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床，普通機(jī)床已逐步甩給第三世界國家生產(chǎn)，在數(shù)控機(jī)床的 生產(chǎn)中，發(fā)展最快的是自動(dòng)換刀的加工中心。在我國約為 1:19:80?？梢?，國 外工業(yè)發(fā)達(dá)國家中的數(shù)控機(jī)床占有率比我國高很多 10-12。 在國外一些發(fā)達(dá)國家，它們的車床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)，用數(shù)控技 術(shù)改造車床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了車床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新行 業(yè)。比如說在美國，車床改造業(yè)稱為車床再生業(yè)，從事再生業(yè)的著名公司有： Bertsche 工程公司、Ayton 機(jī)床公司、US 設(shè)備公司等 13。在日本，車床改造 業(yè)稱為車床改裝業(yè)，從事改裝的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、 千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等 14。在德國， 可以將改造后的舊車床的質(zhì)量和性能做得與新車床差不多，而且，改造后的二 手車床的用戶也同樣能夠得到供應(yīng)商或改造廠提供的配套服務(wù) 15。其中，在德 國具有代表性的 Schiiess 公司在 1981 年把一臺(tái)加工直徑為 19m 的超重型立 式車床改裝成數(shù)控機(jī)床，當(dāng)時(shí)生產(chǎn)于 1929 的該機(jī)床是世界上的機(jī)床；其改造 主要包括將工作臺(tái)導(dǎo)軌改裝為靜壓導(dǎo)軌，提高其承載能力；主傳動(dòng)采用半導(dǎo)體 可控硅控制；刀架的滑動(dòng)導(dǎo)軌改為滾動(dòng)導(dǎo)軌等；該機(jī)床的整體改造費(fèi)用僅為當(dāng) 時(shí)同類規(guī)格新機(jī)床價(jià)格的 28.9%，該公司還改造了一臺(tái)最大直徑為 14m 的超重 型立式車床，全部改造費(fèi)用是當(dāng)時(shí)同類規(guī)格新機(jī)床價(jià)格的 19.1%16。 由此可見，對現(xiàn)有機(jī)床的數(shù)控化改造在節(jié)約成本和改善舊機(jī)床閑置資源的 合理利用等方面有明顯優(yōu)勢，從完成的改造設(shè)備運(yùn)行情況來看，改造后的設(shè)備 取得了令人滿意的效果，從而更有力地推動(dòng)了車床改造行業(yè)的發(fā)展。 第 3 頁 1.1.4 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 1. 性能發(fā)展方向 (1) 高速高精高效化 (2) 柔性化 (3) 工藝復(fù)合性和多軸化 (4) 實(shí)時(shí)智能化 2. 功能發(fā)展方向 (1) 用戶界面圖形化 (2) 科學(xué)計(jì)算可視化 (3) 插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化 (4) 內(nèi)裝高性能 PLC (5) 多媒體技術(shù)應(yīng)用 3. 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 (1) 集成化 (2) 模塊化 (3) 網(wǎng)絡(luò)化 (4) 通用型開放式閉環(huán)控制模式 1.1.5 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 當(dāng)前開發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化 新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)將計(jì)算機(jī)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真 等高新技術(shù)融于一體，形成嚴(yán)密的制造過程閉環(huán)控制體系。 1.2 普通機(jī)床數(shù)控改造的目的與意義 1.2.1 微觀看改造的目的與意義 從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)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(jì)算機(jī)的威力。 第 4 頁 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算 機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng) 量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 (2) 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提 高 37 倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來， 然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè) 程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化， 故被稱為實(shí)現(xiàn)了柔性自動(dòng)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(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。 (5) 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時(shí) 間無人看管加工。 由以上五條派生的優(yōu)點(diǎn)： (1)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度； (2)節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床） ； (3)減少了工裝；縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期； (4)可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)床 數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元） 、FMS （柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計(jì) 算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng) 化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 1.2.2 宏觀看改造的目的與意義 由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化） ， 最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信 息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控 機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已達(dá) 20.8， 因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必 要性。 第 5 頁 1.3 數(shù)控改造的研究內(nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn) 1.3.1 國外改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行業(yè)， 生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)永 恒 的課題。在美國，機(jī)床改造業(yè)稱為機(jī)床再生（ Remanufacturing）業(yè)。從事再 生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機(jī)床公司、Devlieg-Bullavd（得 寶）服務(wù)集團(tuán)、US 設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機(jī) 床改造業(yè)稱為機(jī)床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程 集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本 工程公司等。 1.3.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容 機(jī)床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)： （1）恢復(fù)原功能，對機(jī)床、生產(chǎn)線存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)； （2）NC 化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機(jī)床、 CNC 機(jī)床； （3）翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新， 對機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最 新 CNC 進(jìn)行更新； （4）技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新?術(shù),在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和 檔次的更新改造。 1.3.3 機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn) 1. 減少投資額、交貨期短 2. 機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限 3. 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修 4. 可充分利用現(xiàn)有的條件 5. 可以采用最新的控制技術(shù) 第 6 頁 2 普通車床數(shù)改的總體方案 2.1 總體方案 由于是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是滿足使用要 求的前提下，對機(jī)床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。本文針對 CA6140 進(jìn)行設(shè) 計(jì)，根據(jù) CA6140 車床有關(guān)資料以及數(shù)控車床的改造經(jīng)驗(yàn)，確定總體方案為： 采用微機(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪減速后， 帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。如圖 21 所示。 2.1.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造 CA6140 型普通車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)都由主軸電機(jī)控制，而改造后 的車床則把主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分離開。分別由各自的電機(jī)來控制， 但是為保證車床在車螺紋時(shí)主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，所以在拆掉進(jìn) 給系統(tǒng)的同時(shí)，必須在主軸上安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器，來實(shí)現(xiàn)主軸傳動(dòng)和進(jìn)給運(yùn) 動(dòng)之間的聯(lián)系。同時(shí)，為了提高機(jī)床的精度和效率，用滾珠絲杠來代替原機(jī)床 的光杠，并且采用單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)來控制。這樣不僅提高了機(jī)床的性能和精度， 還提高了機(jī)床的使用性能。 1. 機(jī)械部分的改造 圖 2.1 數(shù)改 CA6140 車床總體方案示意圖 第 7 頁 首先拆去進(jìn)給箱、溜板箱；還要對車床的床鞍進(jìn)行部分的改造，拆去縱向 小拖板、 橫向拖板的絲杠換成滾珠絲杠，并且由一端驅(qū)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)來控制。 2. 刀架的改造 CA6140 普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的性能和精度的要求。所以， 必須要換成數(shù)控自動(dòng)刀架。 2.1.2 主軸脈沖發(fā)生器 由于 CA6140 普通車床的主傳動(dòng)系統(tǒng)的精度及其靈活性基本滿足數(shù)改后車 床精度的要求。改造后的車床既需要考慮一定的技術(shù)要求，以實(shí)現(xiàn)造價(jià)低廉。 圖 2.1.2 車螺紋及控制電路 經(jīng)濟(jì)方便的要求。所以在改造時(shí)，仍然保留原有的主傳動(dòng)系統(tǒng)，只是為了在車 螺紋時(shí)保證主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，在原床頭 X 軸輸出端上安裝一個(gè)脈沖發(fā) 生器，發(fā)生脈沖以使步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而完 成車削螺紋的動(dòng)作，其車螺紋的控制電路如圖 22 所示：CA6140 普通車床在 加工螺紋時(shí)，為了得到符合加工要求的螺距，就必須保證主軸和進(jìn)給之間的聯(lián) 系。但是，在數(shù)改后的車床上，由于主軸的運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間沒有機(jī)構(gòu)上的 直接聯(lián)系，為了變成這些功能，就設(shè)置了主軸脈沖發(fā)生器，發(fā)出脈沖以使步進(jìn) 電機(jī)準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這樣既可以解決了主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)， 車刀進(jìn)給一個(gè)螺距的動(dòng)作的問題，進(jìn)而在單片機(jī)系統(tǒng)的控制下，保證這種聯(lián)系 的順利完成。 2.1.3 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理 圖 23（a）所示是脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖： 第 8 頁 圖 2.1.3 主軸脈沖發(fā)生器示意圖 脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤、光闌板、光敏管及 其光電整形放大電路組成。光柵盤和光闌板都是玻璃材料制成，玻璃表面經(jīng)過 研磨拋光后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層，透光條及用照相腐蝕法制成。在 光柵盤上刻有明暗條紋，有單條和 1024 個(gè)條兩組。當(dāng)平行光束經(jīng)過光柵盤時(shí)， 在光柵盤的另一面就產(chǎn)生明暗光帶，這光帶通過一個(gè)光闌狹縫，照在對應(yīng)的光 敏管上，從而產(chǎn)生光電脈沖信號(hào)，經(jīng)斯密特電路整形后輸出。單條紋的一組產(chǎn) 生同步脈沖，每轉(zhuǎn)發(fā)一個(gè)脈沖；1024 條紋的一組通過光欄上兩個(gè)相位差 /4 間 距的狹縫，產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn) 1024 個(gè)脈沖組相差為 /4 的脈沖序列，供給微機(jī)處理， 借以判斷主軸正、反轉(zhuǎn)，且可以從 1024 個(gè)脈沖中均勻地取出 F 個(gè)脈沖，作為中 斷信號(hào)控制插補(bǔ)速度，實(shí)現(xiàn) F 進(jìn)給控制的目的。 第 9 頁 3 床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造 數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置是指將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線運(yùn)動(dòng)的整 個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈及其附屬機(jī)構(gòu)。包括齒輪減速器、絲杠螺母副、導(dǎo)軌、工作臺(tái)等。 為確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)， 通常提出了無間隙、低磨擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率能及有適宜的阻尼 比的要求。為了達(dá)到這些要求，采取主要措施如下： （1）盡量采用低摩擦的傳動(dòng)，如采用靜壓導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)絲杠等， 以減少摩擦力。 （2）選用最佳的降速比，以達(dá)到提高機(jī)床分辨率，使工作臺(tái)盡可能大地加 速，以達(dá)到跟蹤指令，系統(tǒng)折算到驅(qū)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小的要求。 （3）縮短傳動(dòng)鏈以及預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。如采用大扭矩寬調(diào) 速的直流電機(jī)與絲杠直接聯(lián)接，應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)絲杠副，絲杠 支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固定的，并可用預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等辦法來提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛 度。 （4）盡量消除傳動(dòng)間隙，減少反向死區(qū)誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸器 （如用加錐銷固定的聯(lián)軸套，用鍵加頂絲緊固的聯(lián)軸套以及用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓 性聯(lián)軸器等） ，采用有消除間隙措施的傳動(dòng)副等。 3.1 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件，它以滾珠的滾 動(dòng)代替絲桿螺母副中的滑動(dòng)，摩擦力小，具有良好的性能。滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) 原理示意圖如圖 31 所示，在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當(dāng)它們套裝在 一起時(shí)便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動(dòng)，并經(jīng)回 珠管作周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動(dòng)?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉 出。它可將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或者將直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此， 滾珠絲杠副既是傳動(dòng)元件，也是直線運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的元件。 第 10 頁 圖 3.1 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)原理圖 3.1.1 滾珠絲杠副的工作原理、特點(diǎn)及類型 弧形的螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)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(gòu)成封閉的循環(huán)滾道，滾道內(nèi) 裝滿滾珠。當(dāng)絲杠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。因而迫使螺母（或絲杠） 軸向移動(dòng)。 滾珠絲杠副的特點(diǎn)是： （1）磨擦損失小、傳動(dòng)效率高，高達(dá) 0.920.96（滑動(dòng)絲杠為 0.20.40） 。 （2）螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，傳動(dòng)精度高、剛性好。 （3）磨擦阻力小，且?guī)缀跖c運(yùn)動(dòng)速度無關(guān)，動(dòng)靜磨擦力之差極小，不易產(chǎn) 生低速爬行現(xiàn)象，保證了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。 （4）磨損小，壽命長，精度保持性好。 （5）不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也能將直線 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可滿足一些特殊要求的傳動(dòng)場合，但當(dāng)立式使用時(shí)，應(yīng) 增加制動(dòng)裝置。 （6）工藝復(fù)雜，成本高。 國產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠副分為兩類：定位滾珠絲杠副（P 類） ，即通過旋轉(zhuǎn)角 度和導(dǎo)程控制軸向位移量的滾珠絲杠副；傳動(dòng)滾珠絲杠副（T 類） ，即與旋轉(zhuǎn)角 度無關(guān)，用于傳遞動(dòng)力的滾珠絲杠副。 此外，滾珠絲杠副通常還可根據(jù)其特征進(jìn)行分類，如按制造方法的不同分 為普通滾珠絲杠副和滾軋滾珠絲杠副；按螺母類型式分為單側(cè)法蘭盤單螺母型、 雙法蘭盤雙螺母型、圓柱雙螺母型、圓柱單螺母型、簡易螺母型及方螺母型等； 第 11 頁 按螺旋滾道型面分為單圓弧面和雙圓弧面；按滾珠的循環(huán)方式分為：外循環(huán)和 內(nèi)循環(huán)式。 3.1.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) 目前國內(nèi)外生產(chǎn)的滾珠絲杠副，盡管在結(jié)構(gòu)上各種各樣，其主要區(qū)別是在 螺旋滾道型面的形狀、滾珠的循環(huán)方式以及軸向間隙的調(diào)整和預(yù)加載的方法等 方面。 3.1.3 螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸 螺旋滾道型面（即滾道法向截形）的形狀有多種，常見的截形有單圓弧面 和雙圓弧型面兩種。圖 32 為螺旋滾道型面的簡圖，圖中鋼球與滾道表面接觸 點(diǎn)處的公法線與螺紋軸線的垂線間的夾角稱為接觸角 。理想接觸角 =45。 圖 3.1.1 滾珠絲杠副螺旋滾道型面的形狀 （a） 單圓弧 （b）雙圓弧 （1）型面 如圖 32（a）所示，通常滾道半徑 rn 稍大于滾珠半徑 rw， 通常 2rn=（1.041.11）Dw。對于單弧型面的螺紋滾道，接觸角 是隨軸向負(fù)荷 F 的大小而變化。當(dāng) F=0 時(shí)，=0 ，承載后，隨 F 的增大， 的大小由接觸變形 的大小決定。當(dāng)接觸角 增大后，傳動(dòng)效率 Ed、軸向剛度 Rc 以及承載能力隨 之增大。 （2）圓弧型面 如圖 32（b）所示，滾珠與滾道只在內(nèi)相切的兩點(diǎn)接觸， 接觸角 不變。兩圓弧交接處有一小空隙，可容納一些臟物。這對滾珠的流動(dòng) 第 12 頁 有利。 單圓弧型面，接觸角 是隨負(fù)載的大小而變化，因而軸承剛度和承載能力 也隨之而變化，應(yīng)用較少。雙圓弧型面，接觸角選定后是不變的，應(yīng)用較廣。 3.1.4 絲杠副的循環(huán)方式 常用的循環(huán)方式有兩種：滾珠在循環(huán)過程中有時(shí)與絲杠脫離接觸的稱為外 循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。 圖 3.1.2 插管式外循環(huán)方式原理圖 1壓板 2彎管（回珠管） 3螺母 4滾珠 （1）外循環(huán) 外循環(huán)多用螺旋槽式和插管式。圖 33 所示為常用的插管 式，被壓板 1 壓住的彎管 2 的兩端插入螺母 3 上與螺紋滾道相切的兩個(gè)孔內(nèi)， 引導(dǎo)滾珠 4 構(gòu)成循環(huán)回路。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。但徑向尺寸較大，彎 管端部容易磨損。若不用彎管，在螺母 3 的兩個(gè)孔內(nèi)裝上反向器，引導(dǎo)滾珠通 過螺母外表面的螺旋凹槽形成滾珠循環(huán)回路，則稱為螺旋槽式，其徑向尺寸較 小，工藝也較簡單。外循環(huán)式使用較廣，其缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做得平滑， 影響滾珠滾動(dòng)的平穩(wěn)性。 （2）內(nèi)循環(huán) 內(nèi)循環(huán)均采用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種型式。如 圖 34(a)所示為圓柱凸鍵反向器，反向器的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開有反 第 13 頁 向器槽 2。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的凸鍵 1 定位，以保證對準(zhǔn)螺紋滾道方 向。圖 34(b) 為扁圓鑲塊反向器，反向器為一半圓頭平鍵形鑲塊，鑲塊嵌入 螺母的切槽中，其端部開有反向槽 3，用鑲塊的外廓定位。兩種反向器比較，后 者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的 外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。 圖 3.1.3 內(nèi)循環(huán)方式原理圖 1凸鍵 2、3反向器 內(nèi)循環(huán)反向器和外循環(huán)反向器相比，其結(jié)構(gòu)緊湊、定位可靠、剛性好、且 不易磨損、返回滾道短、不易發(fā)生滾珠堵塞、磨擦損失也小。其缺點(diǎn)是反向器 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、且不能用于多頭螺紋傳動(dòng)。 由于滾珠在進(jìn)入和離開循環(huán)反向裝置時(shí)容易產(chǎn)生較大的阻力，而且滾珠在 反向通道中的運(yùn)動(dòng)多屬前珠扒后珠的滑移運(yùn)動(dòng)，很少有“滾動(dòng)” ，因此滾珠在反 向裝置中的摩擦力矩 M 反在整個(gè)滾珠絲杠的摩擦力矩 Mt 中所占比重較大，而 不同的循環(huán)反向裝置由于回珠通道的動(dòng)軌跡不同，以及曲率半徑的差異，因而 M 反/Mt 值較小。 3.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動(dòng)絲杠，螺母固定在溜板 箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。對車床 改造來說，外觀不必像產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的那么高，而從改造方便，實(shí)用方面來考 慮。一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向滾珠絲杠的左端。 第 14 頁 3.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 電機(jī)初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進(jìn)給速度 Vmax=4m/min 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知： maxhvpn （3.1） 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 mm；hP Vmax絲杠的最大移動(dòng)速度 mm/min； nmax絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速 r/min； i傳動(dòng)比則： mPh13.250.14 所以根據(jù)滾珠絲杠基本導(dǎo)程的基本系列可在機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中查到 Ph， 選 Ph=6mm。 已知條件： 工作臺(tái)重量： W=95kg f=950N 步距角： 0.75/setp 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： L0=6mm 行程： S=1000mm 脈沖當(dāng)量 快速進(jìn)給速度： =4m/minmaxV 切削力計(jì)算 由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊可知，切削功率 cNK （3.2） 式中 N電機(jī)功率，查機(jī)床說明書，N=7.5kw； 主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為 0.6-0.7 取 =0.65； K進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=0.96。 則：N c=7.5 0.65 0.96=4.68kw 0.1/psetp 第 15 頁 又因?yàn)?（3.3）6120 vFNzcvcz 式中 切削線速度，取 =150m/min。v 主切削力 61204.8190.45ZFN 由金屬切削原理可知，主切削力： ZZFCfK （3.4） 式中： 切削深度（ mm） ； 進(jìn)給量（mm/r ） ；paf 總修正系數(shù)； FZK 從機(jī)床設(shè)計(jì)手冊中可得知，在一般外圓車削時(shí)： (0.16)XZF(0.15.7)YZF 取： .5.9.4.2XZ 061056YF 3.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 根據(jù)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)可知，綜合導(dǎo)軌車床絲杠的軸向力： ；()XZPKFfW 式中 FX、F Y為 X、Z 方向上的切削力； 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)； W為工作臺(tái)的重量；f K考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。 其中 K=1.15， =0.15 0.18，取為 0.16；f 第 16 頁 則： P=1.15 954.72+0.16 (1909.44+950)=1555.45N; （1）計(jì)算： 壽命值： 6 01iinTL (3.5) 為滾珠絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速； 使用壽命時(shí)間（ h） ；in i 由以上條件，可以確定步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠齒輪之間的傳動(dòng)比： 0.7561.236FLi 由于電機(jī)軸與滾珠絲杠之間是降速傳動(dòng)，所以滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為： max 1=50min0in.2nrri電 機(jī) 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知，當(dāng)量轉(zhuǎn)速 ni 在 nmax 與 nmin 之間變化時(shí)： ； （3.6） maxini 取 nmin 為 1r/min； 則： 1206.5/ini r nmiir； 則： = (轉(zhuǎn))6 0150Li641 最大動(dòng)負(fù)載： (3.7)3iWHQLPf 其中： P滾珠絲杠的軸向力； 壽命值；i 運(yùn)動(dòng)系數(shù)； 硬度系數(shù)；Wf Hf 從經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)表中可查到： =1.2 ； =1；則： WfHf 第 17 頁 。35401.25.419.58QN 根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)?？稍?機(jī)械計(jì)手冊 中查到適合的滾珠絲杠。型號(hào)為 CMFZD40063.53 額定動(dòng)載荷 18，800N， 所以強(qiáng)度足夠用。 (2) 效率計(jì)算 根據(jù)機(jī)械原理的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 為： ； (3.8)() tg 式中： 為螺旋升角； 為摩擦角。其中： 0Ltgd 為滾珠絲杠基本導(dǎo)程； 為滾珠絲杠的公稱直徑；0 0d 6243.1arctg ； 滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) f=0.0030.004,其中摩擦角 可計(jì)算為： 12rtf 則： 。 93.0)214(tg (3) 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程變化量： ； (3.9)EF L01 式中： 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（cm） ； P工作負(fù)載（N ） ；0L E彈性模量； F滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑定） （cm） ； 滾珠絲杠截面積： 第 18 頁 ； 2dF （3.10） 其中： 02deR； 式中： 滾珠絲杠滾道圓弧偏心距； R滾道圓弧半徑；e 其中： ； /2cosWeRD （3.11） ；1.04/ 式中： 滾珠直徑； 接觸角；WD 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊中的滾珠標(biāo)準(zhǔn)系列選 DW=4mm； 45 則： 41.042.2.08WRDm ； /cos.cos450.7e m ；02402.72.83.9d ； 3.59.10.4Fc 因此： ； cmEFPL6601 104.17.0.245 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小，可忽略。2L 第 19 頁 即： ；1L 所以，導(dǎo)程變形總誤差 為： 。 m/43.71046.0 查表可知 3 級(jí)精度滾珠絲杠允許的螺距誤差（1 米）長為 19 ，故剛/um 度夠用。 (4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算 由于滾珠絲杠兩端采用固定支承，所以穩(wěn)定性沒有問題。 3.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計(jì)算 (1) 有關(guān)齒輪計(jì)算 傳動(dòng)比 ：i ； 25.10.3670pLi 故取： Z1=32； Z2=40； m=2； b=20mm； =20；a ； ；12364dmZ2408dmZ ； ；*8aah*aah 。 1207 (2) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；2222180180.()()95.5.347pJWkgmkgc 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ； （3.12） 417.80sJDL 式中： 滾珠絲杠的公稱直徑； 絲杠長度；D1 第 20 頁 則： 4 227.81059.9.5sJkgcmkgc 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；4 21.6.2.17z ；278039zJkgc 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。 因此，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： （3.13）221(9.563.)2.175.64.3. kgcm (3) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩： ； max0fM （3.14） 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩： ；0atftM 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩： ； （3.15）0f 式中： 空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；maxM 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；f 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；0 切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；at 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩；tM 212sZJJJi 第 21 頁 ；4109.6aJnMNmT 當(dāng) 時(shí)：mx ；ax ； min/3.8625.140max rPiVnh ；4ax2.3.9.71.9MNc 當(dāng) 時(shí)：tn ；at ； min/17.4265.30214.310 rLfiDvfint ；426.43.7.5905atMNmc ； 002fFfWihi 當(dāng) 時(shí)， 時(shí)：0.8h.16 ；950.451.223.48.2fMNmc ； 01PLi 當(dāng) =0.9 時(shí)預(yù)加載荷 ，則：03bX F2 200(1)95.470.6(1.9)0.576.68xFLMNmci ；0.2382xt Nmci 所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩： max0fM 第 22 頁 =917.7+14.522+5.776=738.000Ncm； 切削時(shí)所需力矩： 0atftMM =15.7+1.4522+0.5776+9.12=26.85Nm=268.5Ncm； 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩： M=Mf+M0=1.4522+0.5776=2.0298Nm=202.98Ncm； 由上分析計(jì)算可知，所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)：max Mmax=738.000Ngcm。 3.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的橫向進(jìn)給的設(shè)計(jì)比較簡單，一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速后驅(qū) 動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進(jìn)電 機(jī)和機(jī)床和機(jī)床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動(dòng)精度。 3.3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與縱向類似，所用到的公式不在詳細(xì)說明， 只計(jì)算結(jié)果。 電機(jī)初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進(jìn)給速度 =2 。maxV/in 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知 ； in VPhmax （3.16） 則： ； minV07.125.1max 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可查到滾珠絲杠的標(biāo)準(zhǔn)系列，初選 。4hPm 已知條件如下： 工作臺(tái)重量： ； 30WN 第 23 頁 脈沖當(dāng)量： ；0.5/mstep 步距角： ；7/at 進(jìn)給速度： ；max2inV 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： ；04L 滾珠絲杠行程： ；65S (1) 削力計(jì)算 橫向進(jìn)給量為縱向的 ，取 ，則切削力約為縱向的 ： 12312 ； 90.45.7ZFN 在切斷工件時(shí)： ；.5.2.36yZ 3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 (1) 強(qiáng)度計(jì)算 對于燕尾型導(dǎo)軌： ； ()yZPKFfW （3.17） 取 K=1.4， =0.2；f 則： ；1.47.3602954.73091.248PN 壽命值： ；610 iinTL 由以上條件，可以確定步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠齒輪傳動(dòng)比： ； 7.15.36470pi 由于電機(jī)軸與滾珠絲杠之間是降速傳動(dòng) 則： 第 24 頁 ;max 13509/minnVri電 ax 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊可知，當(dāng)量轉(zhuǎn)速 在 之間變化時(shí)：Vaxmin與 ； maxin2 取 為 時(shí)， ；取 ；inV1/ir450./inmVr450/imr 因此： ；66 01iiTL 根據(jù)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床可知，最大動(dòng)負(fù)載為： 。 33459.28.16.42iWHQPf N 根據(jù)最大負(fù)載 Q 值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào),外循環(huán)插管埋入式雙螺母預(yù)緊 式的滾珠絲杠，型號(hào)為 20042.53 左，其中額定動(dòng)載荷為 14200N，所以強(qiáng)度 夠用。 (2) 效率計(jì)算 經(jīng)計(jì)算螺旋升角 ，摩擦角 ；23010 則： 。 .926()(2301)tgt (3) 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量： ； 6016291.2480.710.3(96)L cmEF 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小，即： 。所以，導(dǎo)程變2L1L 形總誤差為： ； 6102.7.8/4um 查表可知 3 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差（1m）為 15 ，故剛度足夠。/um (4) 穩(wěn)定性 由于選用的滾珠絲杠的直徑與絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固 第 25 頁 定，一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不再驗(yàn)算。 3.3.2 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算 (1) 有關(guān)齒輪計(jì)算 傳動(dòng)比： ； 0.7541.673603pLi 故?。?， ， ， ， ， ，18Z22mb20a136dm ， ， ， 。260d140ad64ad8 (2) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ； 222180180.530.49347pJWkgcm 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；4 27.80.26.9sJkgc 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： ；421.3.0.Z m ；278062Jkgc 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： (3) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算 ； max052383./min4VnrL 4axa.01.0.973.9.69625JMNcmT 2 22121.907.2.60.439.81sZJJJ kgci 第 26 頁 ；0 150.149.76/min3.463tnfi rDL主 ；2.897.8.5atMNc 00240.27.02873.1FfWf Nii2 200761.9.14.146.854.20.3.YtL cmiFMNcm 所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩： max09.78.14.610.f Ncm 切削時(shí)需力矩： 快速0.520.2.392.attM 進(jìn)給時(shí)所需力矩： 。0.87.14.34.1f Nmc 從上計(jì)算可，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速進(jìn)給啟動(dòng)時(shí)： max10.6MNc 3.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法 滾珠絲杠副的軸向間隙，是指負(fù)載時(shí)滾珠與滾道型面接觸的彈性變形所引 起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和。滾珠絲杠副的軸向間隙直接影響其傳 動(dòng)剛度和傳動(dòng)精度，尤其是反向傳動(dòng)精度。因此，滾珠絲杠副除了對本身單一 方面的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴(yán)格的要求。滾珠絲杠副軸 向間隙的調(diào)整和預(yù)緊，通常采用雙螺母預(yù)緊方式，其結(jié)構(gòu)型式有三種?；驹?理是使兩個(gè)螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。 1墊片調(diào)隙式 圖 35 所示結(jié)構(gòu)。是通過改變墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。這種結(jié) 構(gòu)簡單可靠、剛性好，但調(diào)整費(fèi)時(shí)，且不能在工作中隨意調(diào)整。 第 27 頁 圖 3.4.1 雙螺母墊片式結(jié)構(gòu)圖 2螺帽調(diào)隙式 圖 36 所示為利用螺帽來實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)螺母以平鍵與外套相聯(lián)， 鍵可限制螺母在外套內(nèi)移動(dòng)，其中右邊的一個(gè)螺母外伸部分有螺紋。用兩個(gè)鎖 緊螺帽 1、2 能使螺母相對絲杠作軸向移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào) 整也方便，故應(yīng)用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作 又可靠，調(diào)整也方便，幫應(yīng)用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制，因此，預(yù)緊 力也不能準(zhǔn)確控制。 圖 3.4.2 雙螺母帽式結(jié)構(gòu)圖 1、2 鎖緊螺帽 3齒差調(diào)隙式 圖 37 所示為齒差式調(diào)整結(jié)構(gòu)。在兩個(gè)螺母的凸緣上分別有齒數(shù)為 Z1、Z2 的齒輪，而且 Z1、Z2 與相應(yīng)的內(nèi)齒圈相嚙合。內(nèi)齒圈緊固在螺母座上， 預(yù)緊時(shí)脫開內(nèi)齒圈，使兩個(gè)螺母同向轉(zhuǎn)過相同的齒數(shù)，然后再合上內(nèi)齒圈。兩 第 28 頁 螺線的軸向相對位置發(fā)生變化從而實(shí)現(xiàn)間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力。如果其中 圖 3.4.3 雙螺母齒差式結(jié)構(gòu)圖 一個(gè)螺母轉(zhuǎn)過 n 個(gè)齒時(shí)則其軸向位移量為 （Ph 為絲杠導(dǎo)程，Z1 為1 hnsPZ 齒輪齒數(shù)） 。如兩齒輪沿同方向各轉(zhuǎn)過 n 個(gè)齒時(shí)，其兩螺母間相對軸向位移量 （Z2 為另一齒輪齒數(shù)）或 。例如： 2112hhZPsZ 12hsZnP 當(dāng) n=1，Z1=99 ，Z2=100， ,即兩個(gè)螺母在軸向產(chǎn)生 1 的位移。 019humum 這種調(diào)整方式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但調(diào)整準(zhǔn)確可靠，精度較高。 除上述三種雙螺母加預(yù)緊力的方式外，還有單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊和單螺母 鋼球過盈預(yù)緊方式。 3.5 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu) 為了高偉動(dòng)剛度，應(yīng)合理確定滾珠絲杠副的參數(shù)、螺母座的結(jié)構(gòu)、絲杠兩 端的支承型式，以及它們與機(jī)床的聯(lián)接剛度。常用的支承方式有下列幾種，如 圖 38 所示。 （1）一端裝止推軸承（固定自由式） 如圖 38(a)所示。這種安裝方式 的承載能力小，軸向剛度低，僅適應(yīng)于短絲杠。如數(shù)控機(jī)床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降 臺(tái)式數(shù)控銑床的垂直坐標(biāo)中。 （2）一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定支承式） 如圖 3 8(b)所示。滾珠絲杠較長時(shí)，一端裝止推軸承固定，另一端由深溝球軸承支承。 第 29 頁 為了減少絲杠熱變形的影響，止推軸承的安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離熱源（如液壓馬達(dá)） 。 （3）兩端裝止推軸承 如 38(c)所示。將止推軸承裝在滾珠絲杠的兩端， 并施加預(yù)緊力，有助于提高傳動(dòng)剛度。但這種安裝方式對熱伸長較為敏感。 （4）兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定固定式） 如圖 38(d) 所示。為了提高剛度，絲杠兩端采用雙重支承，如止推軸承和深溝球軸承，并 施加預(yù)緊力。這種結(jié)構(gòu)方式可使絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為止推軸承的預(yù)緊力。 圖 3.5 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu) 3.6 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除 3.6.1 采用減速箱的目的及注意事項(xiàng) 為了保證步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)性能，要特別考慮負(fù)載慣性矩。當(dāng)所帶負(fù)載的慣 性矩增大時(shí)，由于步進(jìn)電機(jī)是按電磁鐵吸力原理來動(dòng)作，所以當(dāng)慣性矩增大到 某一值時(shí)，就會(huì)使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生擅動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)不良效果，所以，使用步進(jìn) 電機(jī)時(shí)盡量選小的負(fù)載。在本次設(shè)計(jì)過程中我們采用減速齒輪來聯(lián)結(jié)滾珠絲杠 和步進(jìn)電機(jī)，以達(dá)到改變慣性矩的目的。 同時(shí)，應(yīng)該盡可能地消除配對齒輪之間的間隙，否則就會(huì)產(chǎn)生使運(yùn)動(dòng)滯后 的指示信號(hào)的誤差，對加工件的精度就會(huì)產(chǎn)生很大的影響。 3.6.2 減少或消除空程的必要性和方法 1. 減少或消除空程的必要性 數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)精度，除了機(jī)床的幾何精度、絲桿精度影響外，又受其本 第 30 頁 身因素的影響，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象而引起的間隙誤差。在這次設(shè)計(jì)改造過程中只能 采用開環(huán)系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)不能對車床的誤差進(jìn)行修改，所以只能通過機(jī)械的方 式對其各部分傳動(dòng)誤差進(jìn)行修改。 2. 消除方法 本次設(shè)計(jì)采用雙片齒輪來達(dá)到消隙的目的，通常將一對齒輪的從動(dòng)齒制成 兩片，其中一片固定在軸上，兩片之間裝有彈簧，彈簧力使兩片齒輪的齒廓分 別與主動(dòng)齒輪的齒廓貼緊，從而完全消除了齒側(cè)間隙。 第 31 頁 4 數(shù)改 CA6140 自動(dòng)刀架設(shè)計(jì) 在零件的加工制造過程中，大量的時(shí)間用于更換刀具，裝卸、測量和搬運(yùn) 零件等非切削時(shí)間上，切削加工時(shí)間僅占整個(gè)工時(shí)中較小的比例。數(shù)控機(jī)床要 提高效率的重要內(nèi)容之一，就是要縮短非切削時(shí)間。為此，近年來帶有自動(dòng)換 刀裝置的數(shù)控機(jī)床（加工中心）得以迅速的發(fā)展。自動(dòng)換刀裝置已廣泛用于各 種多工序數(shù)控機(jī)床，臺(tái)鏜床、銑床、車床及組合機(jī)床等。使用這種裝置，不僅 提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率，擴(kuò)大了單功能數(shù)控機(jī)床的使用范圍，而且由于零件在 一次安裝中完成多工序加工，大大減少了零件安裝定位次數(shù)，從而提高了加工 精度。 自動(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床上，對自動(dòng)換刀裝置的基本要求是：換刀時(shí)間短、刀具 重復(fù)定位精度高、足夠的刀具存儲(chǔ)量、刀庫占地面積小及安全可靠等。 4.1 自動(dòng)刀架的分類 1.螺旋轉(zhuǎn)位刀架 2.十字槽輪轉(zhuǎn)位刀架 3.凸臺(tái)棘爪式轉(zhuǎn)位刀架 4.2 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì) 從自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的工作原理可知，這類刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能 自動(dòng)完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊這樣一系列的動(dòng)作，下面是數(shù) 改 CA6140 車床自動(dòng)刀架的工作過程如下： 1.刀架抬起 當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，通過平鍵套筒聯(lián)軸器使 蝸桿軸 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)蝸輪 2 轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪與轉(zhuǎn)軸連接在一起，因此一起轉(zhuǎn)動(dòng)， 刀架體 7 的內(nèi)孔加工有螺紋，與轉(zhuǎn)軸連接在一起的絲杠套 5 外圈有螺紋。當(dāng)蝸 輪開始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于刀架底座 3 和刀架體 7 上的端面齒處在嚙合狀態(tài)，且絲杠 套軸向固定，因此這時(shí)刀架體 7 抬起。 2.刀架轉(zhuǎn)位 第 32 頁 當(dāng)?shù)都荏w抬至一定距離后，端面齒脫開，轉(zhuǎn)位套 8 用銷釘與絲杠套聯(lián)接， 隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)端面齒完全脫開時(shí)，轉(zhuǎn)位套正好轉(zhuǎn)過 60 度，球頭銷 11 在 彈簧力的作用下進(jìn)入轉(zhuǎn)位套 8 的槽中，帶動(dòng)刀架體轉(zhuǎn)位。 3.刀架定位 刀架體 7 轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到程序指定的刀號(hào)時(shí)，粗定位銷 4 在彈簧的作用下進(jìn) 入刀體底座的粗定位盤的槽中進(jìn)行粗定位，同時(shí)霍爾開關(guān)發(fā)出電機(jī)反轉(zhuǎn)的指令， 使電機(jī)反轉(zhuǎn)。由于粗定位銷的限制，刀架體 7 不能轉(zhuǎn)動(dòng)，使其在該位置垂直落 下，刀架體 7 和刀架底座 3 上的端面齒嚙合實(shí)現(xiàn)精確定位。 4.夾緊刀架 電動(dòng)機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)蝸輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿軸 1 自身轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩端面齒增 加到一定夾緊力時(shí)，電動(dòng)機(jī) 1 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了夾緊。 第 33 頁 圖 4.2 自動(dòng)轉(zhuǎn)位六方刀架 第 34 頁 5 數(shù)改 CA6140 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì) 5.1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式 步進(jìn)電機(jī)的工作方式和一般電機(jī)的不同，是采用脈沖控制方式工作的。只 有按一定的規(guī)律對各相繞組輪流通電，步進(jìn)電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床中采 用的功率步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、和六相等。一般電機(jī)的相數(shù)越多，工 作方式越多。 由步距角計(jì)算可知，循環(huán)拍數(shù)越多，步距角越小，因此定位精度越高。另 外，通電循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性、穩(wěn)定性等都有很大 的影響。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)也對步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能有很大影響。為提高步進(jìn)電 機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用多相步進(jìn)電機(jī)，并采用 2m 拍工作方 式。 5.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 5.2.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際工 作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如 下： （1）步距角 步距角應(yīng)滿足： mnai （5.1） 式中： 傳動(dòng)比；i 系統(tǒng)對步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角。mna （2） 精度 步進(jìn)電機(jī)的精確可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從