3603 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)-橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3603 臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)-橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì),臥式,車(chē)床,數(shù)控,改造,設(shè)計(jì),橫向,進(jìn)給,系統(tǒng) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 Ⅰ 頁(yè) 共 Ⅰ 頁(yè)目 錄1 緒論 .................................................................11.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 ...............................................11.2 機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的意義 ...........................................21.3 機(jī)床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)任務(wù) ...........................................32 總體方案的確定 .......................................................42.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案 ...............................................52.2 換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 ...................................................62.3 螺紋編碼器的安裝方案 ...............................................72.4 進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案 ...........................................72.5 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) ...................................................83 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) ..............................................103.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 ..........................................103.2 數(shù)控車(chē)床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) ............................................163.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì) ................................................224 微機(jī)數(shù)控部分設(shè)計(jì) ....................................................254.1 概述 ..............................................................254.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) ............................................264.3 軟件設(shè)計(jì) ..........................................................27結(jié)束語(yǔ) .................................................................29致謝 ...................................................................30參考文獻(xiàn) ...............................................................31 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 0 頁(yè) 共 31 頁(yè)1 緒論1.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展美、德、日三國(guó)是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家。因其社會(huì)條件不同，各有特點(diǎn)。1.1.1 美國(guó)的數(shù)控發(fā)展史美國(guó)政府重視機(jī)床工業(yè)，美國(guó)國(guó)防部等部門(mén)因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費(fèi)，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如 1952 年研制出世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床、1958 年創(chuàng)制出加工中心、70 年代初研制成 FMS、1987 年首創(chuàng)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國(guó)首先結(jié)合汽車(chē)、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化所需的自動(dòng)線(xiàn)，而且電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí)，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國(guó)生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，其存在的教訓(xùn)是，偏重於基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì) 80 代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，于 1982 年被后進(jìn)的日本超過(guò)，并大量進(jìn)口。從 90 年代起，糾正過(guò)去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。 1.1.2 德國(guó)的數(shù)控發(fā)展史德國(guó)政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。于 1956 年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，德國(guó)特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門(mén)緊密合作，對(duì)數(shù)控機(jī)床的共性和特性問(wèn)題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國(guó)的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國(guó)特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門(mén)子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競(jìng)相采用。 1.1.3 日本的數(shù)控發(fā)展史日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過(guò)規(guī)劃、法規(guī)(如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等)引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國(guó)，在質(zhì)量 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 1 頁(yè) 共 31 頁(yè)管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國(guó)，甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。自 1958 年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，1978 年產(chǎn)量(7,342 臺(tái))超過(guò)美國(guó)(5,688 臺(tái))，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001 年產(chǎn)量 46,604 臺(tái)，出口 27,409 臺(tái)，占 59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場(chǎng)。在上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。日本 FANUC 公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工 3,674 人，科研人員超過(guò) 600 人，月產(chǎn)能力 7,000 套，銷(xiāo)售額在世界市場(chǎng)上占 50%，在國(guó)內(nèi)約占 70%，對(duì)加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。1.1.4 我國(guó)的數(shù)控發(fā)展史我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過(guò)“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)， “七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)” ，我國(guó)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績(jī)。特別是最近幾年，我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004 年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長(zhǎng)率分別為 39.3%和 34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁，從 2002 年開(kāi)始，中國(guó)連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國(guó)、機(jī)床進(jìn)口第一大國(guó)，2004 年中國(guó)機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá) 94.6 億美元，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)方面與國(guó)外的差距更加明顯，70%以上的此類(lèi)設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴(lài)進(jìn)口。由此可以看出國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，究其原因主要在于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識(shí)與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢(shì)，充分認(rèn)識(shí)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家之問(wèn)的差距 [1]。1.2 機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的意義國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工是從 40 年代開(kāi)始的。1952 年美國(guó)麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從 60 年代開(kāi)始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開(kāi)發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974 年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)床的功能越來(lái)越完善，可靠性和性能越來(lái)越高，它在制造業(yè)中逐漸擔(dān)當(dāng)了越來(lái)越重要的角色 [2]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 2 頁(yè) 共 31 頁(yè)我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從 1958 年開(kāi)始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開(kāi)，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)需求變的越來(lái)越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿(mǎn)足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通車(chē)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有車(chē)床上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場(chǎng)前景 [3]。1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)任務(wù)本課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐。將 CA6140 型普通車(chē)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，應(yīng)能實(shí)現(xiàn) CA6140 車(chē)床原有功能，在機(jī)床的精度、性能等方面除保持原來(lái)狀況外還有所提高。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中滿(mǎn)足以下幾點(diǎn)要求：（1）橫向（X 向） 進(jìn)給脈沖當(dāng)量為 0.005mm /脈沖；（2）橫向最快的工進(jìn)速度：400mm/min（無(wú)級(jí)調(diào)速） ；（3）床身上最大加工直徑：400mm；最大加工長(zhǎng)度：1000mm；（4）CNC 系統(tǒng)主 CPU 采用單片機(jī)。該設(shè)計(jì)的總體思路是采用以 8031 單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置控制加工過(guò)程。微機(jī)通過(guò) I/O 接口發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過(guò)光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線(xiàn)路，驅(qū)動(dòng)控制線(xiàn)路接受來(lái)自數(shù)控車(chē)床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將 I/O 輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響單片機(jī)程序運(yùn)行，重則導(dǎo)致單片機(jī)接口電路的損壞，所以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離 [4]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 3 頁(yè) 共 31 頁(yè)2 總體方案的確定臥式車(chē)床是金屬切削加工最常用的一類(lèi)機(jī)床。它主要用車(chē)刀對(duì)旋轉(zhuǎn)的工件進(jìn)行車(chē)削加工。在車(chē)床上還可用鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鉸刀、絲錐、板牙和滾花工具等進(jìn)行相應(yīng)的加工。車(chē)床主要用于加工軸、盤(pán)、套和其他具有回轉(zhuǎn)表面的工件，是機(jī)械制造和修配工廠(chǎng)中使用最廣的一類(lèi)機(jī)床。CA6140 臥式車(chē)床的機(jī)構(gòu)布局如圖 2.1 所示。圖 2.1 CA6140 臥式車(chē)床的結(jié)構(gòu)布局對(duì)其進(jìn)行改造應(yīng)考慮車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類(lèi)型、數(shù)控系統(tǒng) CPU 的選擇，以及進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。（1）臥式車(chē)床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）臥式車(chē)床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 4 頁(yè) 共 31 頁(yè)要求，決定選用 MCS—51 系列的 8 位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。MCS —51 系列8 位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)與顯示電路、I/O 接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源以及主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器等。（5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)選用摩擦力小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動(dòng)間隙、提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。（6）計(jì)算選擇步進(jìn)電機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。（7）選擇四工位立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，選擇螺紋編碼器等 [5～8] ?？傮w布局圖如圖 2.2 所示。10-床身部件 20-車(chē)頭箱部件 30-縱向進(jìn)給部件 40-橫向進(jìn)給部件 50-尾架部件圖 2.2 總體布局圖2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床動(dòng)力系統(tǒng)可分為三類(lèi)：（1）步進(jìn)電機(jī)式采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與定位，是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)限于造價(jià)，不再采用其它措施補(bǔ) 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 5 頁(yè) 共 31 頁(yè)償位置誤差。由于目前功率步進(jìn)電機(jī)力矩還不太大，所以機(jī)床的空選種速度較低，一般用于半精加工。這種系統(tǒng)具有 2～3 種插補(bǔ)功能，通過(guò)軟件控制接口，可加工錐面，螺紋，簡(jiǎn)單外形的曲面等十分靈活。由于性?xún)r(jià)比較恰當(dāng)，一般中小型企業(yè)在技術(shù)力量和財(cái)力上都比較容易實(shí)現(xiàn)，因此在全國(guó)較容易推廣，普及。（2）交流點(diǎn)位式采用交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)，用光柵數(shù)字點(diǎn)位控制，與步進(jìn)電機(jī)相比，提高了定位精度。光柵分辨率可達(dá) 0.001mm，重復(fù)定位精度為 0.005mm，所以加工精度較高。由于采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率大，可進(jìn)行大切屑量加工零件加工中，效果尤為顯著。目前，交流點(diǎn)式系統(tǒng)只能加工柱面，不能加工曲面和螺紋功能上有限，而且成本高，使性能價(jià)格比相對(duì)下降，一般用于大企業(yè)或?qū)I(yè)化工廠(chǎng)使用，國(guó)內(nèi)用的很少。（3）半閉環(huán)連續(xù)控制式采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以脈沖編碼器檢測(cè)位置，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)連續(xù)控制。由于采用高性能直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，扭矩大，速度高，過(guò)載能力強(qiáng)，可進(jìn)行強(qiáng)力切削。當(dāng)絲杠螺在 6mm 左右時(shí)，快速可達(dá) 8～9m/min，且不丟步，效率高。該系統(tǒng)功能齊全，還帶有可編程序控制器，使強(qiáng)電計(jì)大大簡(jiǎn)化。對(duì)臥式車(chē)床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，一般可保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正傳、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制。若要提高車(chē)床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速，可用 2~4 速的多速電動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不能滿(mǎn)足要求時(shí)，可用交流變頻器來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)，已實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速（工廠(chǎng)使用情況表明，使用變頻器時(shí)，若工作頻率低于 70Hz，原來(lái)的電動(dòng)機(jī)可以不換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電機(jī)大） [9]。2.2 換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車(chē)床原有的手動(dòng)刀架換成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。常見(jiàn)的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架有四工位立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架和六工位臥式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。如圖 2.3 所示。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位之后具有高的復(fù)雜定位精度，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)換刀由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 6 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 2.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的外形2.3 螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器又稱(chēng)主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車(chē)床加工螺紋時(shí)，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車(chē)床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它與車(chē)床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在主軸箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步的旋轉(zhuǎn)輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比為 1：1 的同步齒形帶與主軸聯(lián)接起來(lái)。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無(wú)間隙柔性聯(lián)接，且車(chē)床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過(guò)編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。2.4 進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與同步帶減速箱總成。（3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在床鞍的下面安裝縱向滾珠絲杠的 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 7 頁(yè) 共 31 頁(yè)螺母座與螺母座托架。（4）拆除四方刀架與小滑板總成，在中滑板上方安裝四工位立式電動(dòng)刀架。（5）拆除中滑板下的滑動(dòng)絲杠螺母副，將滑動(dòng)絲杠靠刻度盤(pán)一段鋸斷保留，拆掉刻度盤(pán)上的手柄，保留刻度盤(pán)附近的兩個(gè)推力軸承，換上滾珠絲杠副。（6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)法蘭座安裝到中滑板后部的床鞍上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。（7）拆去三杠（絲杠、光杠與操縱杠） ，更換絲杠的右支承 [10]。2.5 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線(xiàn)控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CA6140 車(chē)床要加工復(fù)雜零件輪廓，其各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有著確定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。采用簡(jiǎn)易數(shù)控裝置，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制下的自動(dòng)加工。其工作原理是：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫(xiě)加工程序，通過(guò)數(shù)控裝置上的鍵盤(pán)輸入微機(jī)，微機(jī)在監(jiān)控程序的管理下工作，并通過(guò)專(zhuān)用控制程序，把用戶(hù)加工程序轉(zhuǎn)化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)縱橫向二臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械接口傳動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)刀架縱、橫兩個(gè)方向的頻率。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架由單片機(jī)發(fā)出換刀轉(zhuǎn)位指令，由自動(dòng)刀架驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)使刀架松開(kāi)、抬起、旋轉(zhuǎn)后再自動(dòng)鎖緊而完成轉(zhuǎn)位換刀過(guò)程。該經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。微機(jī)通過(guò) I/O 接口發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過(guò)光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線(xiàn)路，驅(qū)動(dòng)控制線(xiàn)路接受來(lái)自數(shù)控車(chē)床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)。如圖 2.4 所示。光電隔離微機(jī)功率放大步進(jìn)電 機(jī)橫向工作臺(tái)xx 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 8 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 2.4 CA6140 車(chē)床數(shù)控改造的方案示意圖綜上所述，本設(shè)計(jì)改造的總體方案為：采用 MCS-51 單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，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)。數(shù)控改造后的車(chē)床不僅提高了原車(chē)床的精度和自動(dòng)化程度，達(dá)到快速調(diào)整且仍能保持車(chē)床的通用性，而且提高了原車(chē)床的功能，利用數(shù)控方法準(zhǔn)確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體 [11]。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 9 頁(yè) 共 31 頁(yè)3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(pán)將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來(lái)，以保證同軸度，提高傳動(dòng)精度。3.1.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算已知條件：工作臺(tái)重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） 30Nkgf?W時(shí)間常數(shù) 25ms?T滾珠絲杠基本導(dǎo)程 左旋4L行程 30S脈沖當(dāng)量 ep.5/st?pδ步距角 7.α?快速進(jìn)給速度 1m/inaxV（1）切削力計(jì)算 查參考文獻(xiàn)[1]可得知，橫向進(jìn)給量為縱向的 1/2～1/3,取 1/2,則切削力約為縱向的 1/2763.8N.kgf152.76(/)???zF（3.1）在切斷工件時(shí)：381.9.kgf76.380.5. ???zz（3.2）（2）滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 10 頁(yè) 共 31 頁(yè)（a）強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌：W)(F fKPzy???（3.3）取 1.4?K0.2?f則30)(76.80.23819.4???P4N7kgf（3.4）壽命值51305610.TinLi ???（3.5）最大動(dòng)負(fù)載N5213kgf57412533 ....LQi ???（3.6）根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。查參考文獻(xiàn)[2]可知，選用型號(hào)為 WL2004-2.5X1B 左，其額定動(dòng)負(fù)荷為 6100N，所以強(qiáng)度足夠用。（b）效率計(jì)算螺旋升角 ，摩擦角93???r01???則傳動(dòng)效率9560183.)tan()t(????????（3.7）（c）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cm1096571062143472???????....EFLΔ01 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 11 頁(yè) 共 31 頁(yè)（3.8）滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小，可忽略，即： 。所以，導(dǎo)2ΔL1ΔL?程變形總誤差為μm/914096541..L0Δ????（3.9）查表知 E 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差 1 長(zhǎng)為 15 ，故剛度足夠。/（d）穩(wěn)定性驗(yàn)算由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來(lái)的一端固定、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)，故不用驗(yàn)算。（3）齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算（a）有關(guān)齒輪計(jì)算傳動(dòng)比 6713503647..δ0Lip????（3.10）故取 18?Z302mb?2??361d2d40?a64a8齒輪傳動(dòng)示意圖。如圖 3.1 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 12 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 3.1 齒輪傳動(dòng)示意圖（b）齒輪傳動(dòng)間隙的消除措施進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的減速齒輪，除了本身要求較高的運(yùn)動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性外，還必須盡可能消除齒側(cè)傳動(dòng)間隙，否則，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動(dòng)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。常用的齒輪傳動(dòng)間隙消除的方法有以下兩種。①偏心套調(diào)整法如圖 3.2 所示，電動(dòng)機(jī) 2 通過(guò)偏心套 1 裝在殼體上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套 1 能夠方便地調(diào)整兩齒輪的中心距，從而達(dá)到消除側(cè)間隙的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)剛度好，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，但齒輪磨損后齒側(cè)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 13 頁(yè) 共 31 頁(yè)1-偏心套 2-電動(dòng)機(jī)圖 3.2 偏心套調(diào)整機(jī)構(gòu)②雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法如圖 3.3 所示，兩個(gè)齒數(shù)相同的薄片齒輪 1、2 與另外一個(gè)寬齒輪 6 嚙合。薄片齒輪 1 與軸整體鑄造而成，保證了機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度。薄片齒輪 2 套裝在軸上，兩片薄齒輪之間可作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)薄齒輪上分別連接三個(gè)沉頭螺釘 4、5，并在齒輪 2上開(kāi)有三個(gè)較大通孔。齒輪 1 上的三個(gè)沉頭螺釘 5 從齒輪 2 上三個(gè)大孔中穿過(guò)后，再通過(guò)拉簧 7 與齒輪 2 上的螺釘 4 相聯(lián)，螺母 3 可防止拉簧滑出。由于拉簧 7 的拉力作用使齒輪 1、2 相互之間產(chǎn)生回轉(zhuǎn)，分別與寬齒輪 6 的兩側(cè)貼緊，從而消除了齒側(cè)間隙。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 14 頁(yè) 共 31 頁(yè)1、2、6-齒輪 3-螺母 4、5-螺釘 7-拉簧圖 3.3 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整機(jī)構(gòu)（c）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222 cmkgf0439137501438?????? ..).(W)πδ180(Jp?（3.11）絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量24- c0.6kgf52107.8????sJ（3.12）齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量cm0.26kgf3.107.824- ????1zJ（3.13）c.f. 24- ?2zJ（3.14） 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 15 頁(yè) 共 31 頁(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ????043926062453....JJi1JI1Z2S2 ????????????cm.58kgf?（3.15）（d）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算r/in7416350.Liυnomax???（3.16）mN218400256974181044 ???????? ..T9.6iJnMmaxax（3.17）r/in17346013...πDLυfifnoo1主t ?（3.18）cmkgf5N702569784 ???????...Mat（3.19） N028.287014320 ????? ..πηiWfiLFf（3.20）????m01ckgf1609580143692 ·.·....πηi6M2oYo ???????（3.21）N1790ckgf824150432 ·.·...πηiLFoYt ????（3.22）所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩（3.23）cm326ckgf632102873 ·.·...Mofamx ??????切削時(shí)所需力矩： 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 16 頁(yè) 共 31 頁(yè)cmN042ckgf4028160287140 ·.·.....MMtofat ???????（3.24）快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：cmN034ckgf403162870·.·...Mof ????（3.25）從以上計(jì)算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)， N326kgf62M???..max3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇C6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定cN285640132·...MLoq???（3.26）電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查參考文獻(xiàn)[1]表 7-2 知：860.imq?（3.27）所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 為：iMcmN0176825·..0.6qim??（3.28）步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率Hz30561..δ0υfpmaxx ???（3.29）為了便于設(shè)計(jì)和計(jì)算，選用 110BF003 型三相六拍步進(jìn)電機(jī)，能滿(mǎn)足使用要求。步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸見(jiàn)表 3.1，圖 3.4 所示 [12]。表 3.1 反應(yīng)式/磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的安裝尺寸型號(hào) φD φD h1 h2 φd E b L φd 1 φD 2 鍵 MS 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 17 頁(yè) 共 31 頁(yè)1110BF003 110 85 4 8 14 29 112 186 9 132 平鍵 4×20 無(wú)圖 3.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外型及安裝尺寸3.2 數(shù)控車(chē)床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈及其附屬機(jī)構(gòu)。包括絲杠螺母副、導(dǎo)軌、工作臺(tái)等。在數(shù)控機(jī)床數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，傳動(dòng)裝置是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)控車(chē)床的傳動(dòng)裝置與普通車(chē)床中傳動(dòng)裝置在概念上有重要差別，它的設(shè)計(jì)與普通車(chē)床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)不同。數(shù)控車(chē)床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求除了具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。為確保數(shù)控車(chē)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(wú)間隙、低摩擦、高剛度等要求。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)，以減少摩擦力；（2）鏈以及用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度；（3）量消除傳動(dòng)間隙，減少反向死區(qū)誤差 [13]。3.2.1 螺旋傳動(dòng)（1）概述螺旋傳動(dòng)主要用來(lái)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，或把直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，并要求有較高傳動(dòng)精度的 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 18 頁(yè) 共 31 頁(yè)傳動(dòng)螺旋，還有調(diào)整零件相互位置的調(diào)整螺旋。螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又有滑動(dòng)絲杠螺母、滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機(jī)構(gòu)。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給系統(tǒng)中，螺旋傳動(dòng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并廣泛采用滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠副傳動(dòng)是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當(dāng)數(shù)量的滾珠。這些滾珠作為中間傳動(dòng)件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的一種傳動(dòng)裝置。它由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等四個(gè)部分組成。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)螺母移動(dòng)時(shí)，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動(dòng)，在螺桿上滾動(dòng)數(shù)圈后，滾珠從滾道的一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進(jìn)入滾道，從而構(gòu)成閉和回路。（2）滾珠絲杠副傳動(dòng)的特點(diǎn)（a）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。（b）給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛度好。（c）啟動(dòng)力矩小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高，同步性好。（d）有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，也可以從直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件。（e）磨損小，使用壽命長(zhǎng)，精度保持性好。（f）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值別別小，故制造成本高。（g）不能自鎖。特別是對(duì)于垂直絲杠，由于中立的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，所以需要添加制動(dòng)裝置。（3）滾珠絲杠副的支承方式為了滿(mǎn)足高精度、高剛度進(jìn)給系統(tǒng)的需要，必須充分重視滾珠絲杠副支承的設(shè)計(jì)。（a）一端固定 一端自由絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都很低。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單軸向剛度小 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 19 頁(yè) 共 31 頁(yè)適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝（b）兩端鉸支結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單軸向剛度小適用于對(duì)剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝對(duì)絲杠的熱伸長(zhǎng)較敏感適用于中等回轉(zhuǎn)速度（c）一端固定 一端鉸支絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜軸向剛度大適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝推力球軸承應(yīng)安置在離熱源（步進(jìn)電機(jī)）較遠(yuǎn)的一端（d）兩端固定絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力軸向剛度最大適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝適用于較長(zhǎng)的絲杠安裝詳見(jiàn)表 3.2。表 3.2 滾珠絲杠副的支承形式支承形式 簡(jiǎn)圖 特點(diǎn)雙推-自由1.剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低2.設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲杠受拉伸3.適用于較短和垂直安裝的絲杠 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 20 頁(yè) 共 31 頁(yè)雙推-簡(jiǎn)支1.臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性較高2.絲杠有熱膨脹的余地3.適用于較長(zhǎng)的臥式安裝的絲杠單推-單推可根據(jù)預(yù)計(jì)溫升產(chǎn)生的熱膨脹量進(jìn)行預(yù)拉伸雙推-雙推1.絲杠的軸向剛度高2.絲杠一般不會(huì)受壓，無(wú)壓桿穩(wěn)定性問(wèn)題3.可用預(yù)拉伸減小因絲杠自重引起的下垂4.適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的場(chǎng)合綜上所述，本設(shè)計(jì)中滾珠絲杠副支承方式由原來(lái)的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?。?）滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動(dòng)精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。消除間隙的方法采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位移，使兩個(gè)滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個(gè)相反的側(cè)面上。用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時(shí)，應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過(guò)大，預(yù)緊力大會(huì)使空載力矩增加，從而降低傳動(dòng)效率，縮短使用壽命。此外，還要消除絲杠安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的間隙 [14]。3.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）軸 CAJJX6140-02-04 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由前面滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)可知：滾珠絲杠的直徑為 20mm。由于絲杠與軸CAJJX6140-02-04 通過(guò)聯(lián)接套聯(lián)接，考慮到軸的加工方便性和整體的連貫性，軸CAJJX6140-02-04 的軸身部分直徑與滾珠絲杠的直徑相同，均為 φ20mm，其長(zhǎng)度根據(jù)原車(chē)床實(shí)際需要的尺寸而定，軸頸部分直徑為 17mm。如圖 3.5 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 21 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 3.5 軸 CAJJX6140-02-04（2）軸 CAJJX6140-02-08 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮與軸承內(nèi)經(jīng)的配合，所以該軸兩端支承部分直徑為 17mm。由于該軸需與法蘭盤(pán)聯(lián)接，而且該軸相對(duì)較長(zhǎng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)為了方便安裝，降低裝配難度，將軸身部分增加一個(gè)軸肩，直徑適當(dāng)減小，使其有一過(guò)渡，軸身直徑為 15mm。因?yàn)樵撦S的右端還需安裝一個(gè)透蓋，用雙螺母對(duì)其緊固。軸與透蓋用一鍵使其周向固定。查參考文獻(xiàn)[3]可知，根據(jù)軸的直徑選用型號(hào)為 GB/T1098-1979 的鍵，鍵槽寬度為3mm，深度為 3.8mm。如圖 3.6 所示。圖 3.6 軸 CAJJX6140-02-083.2.3 透蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)透蓋的內(nèi)徑和長(zhǎng)度由與之配合的軸 CAJJX6140-02-08 的直徑和長(zhǎng)度決定，所以透蓋的直徑為 16mm,長(zhǎng) 33mm。因?yàn)檫x用型號(hào)為 GB/T1098-1979 的鍵，查參考文獻(xiàn)[3]可知，轂 t1=1.4mm，上偏差為+0.1，下偏差為 0。外圓的直徑由法蘭盤(pán)的直徑?jīng)Q定，為 96mm。如圖 3.7 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 22 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 3.7 透蓋 CAJJX6140-02-013.2.4　螺母座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺母座的長(zhǎng)度根據(jù)滾珠螺母的長(zhǎng)度而定。螺母座與滾珠螺母通過(guò)鍵進(jìn)行軸向固定，查參考文獻(xiàn)[4]可知，該鍵型號(hào)選用 GB/T1096-1979，4×4×30。滾珠絲杠副通過(guò)螺母座帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，因此螺母座通過(guò)螺釘與工作臺(tái)聯(lián)接。查參考文獻(xiàn)[4]可知，螺釘型號(hào)選用 GB/T70-1985。如圖 3.8 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 23 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 3.8 螺母座 CAJJX6140-02-073.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械方面的關(guān)鍵。在進(jìn)行普通車(chē)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造時(shí)，多采用外購(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。由微機(jī)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架具有重復(fù)定位精度高,工件剛性好,性能可靠,使用壽命長(zhǎng)以及工藝性好等特點(diǎn)。自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架設(shè)計(jì)時(shí),刀架要能自動(dòng)完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊,即要設(shè)計(jì)出合理的機(jī)構(gòu)又要檢測(cè)出個(gè)順序動(dòng)作的電信號(hào),以便由控制系統(tǒng)加以控制。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3.9 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 24 頁(yè) 共 31 頁(yè)1-發(fā)信盤(pán) 2-推力軸承 3-螺桿螺母副 4-端面齒盤(pán) 6-三相異步電動(dòng)機(jī) 7-聯(lián)軸器 8-蝸桿副 9-反靠銷(xiāo) 10-圓柱銷(xiāo) 11-上蓋圓盤(pán) 12-上刀體圖 3.9 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖刀架的回轉(zhuǎn)常采用微電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿使刀架抬到一定高度時(shí),由撥塊帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)。刀架的選位由刀架位置的編碼和微機(jī)程序來(lái) [15]實(shí)現(xiàn)。這里選用的是 LD4-1 型自動(dòng)刀架，其工作原理是由微機(jī)發(fā)出換刀信號(hào),使微電機(jī)正轉(zhuǎn),通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體升至一定位置時(shí),離合轉(zhuǎn)盤(pán)起作用,帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)到所選刀位,發(fā)信盤(pán)發(fā)出刀位信號(hào),使微電機(jī)反轉(zhuǎn),反靠初定位,上刀體下降,齒牙盤(pán)嚙合，完成精定位，并通過(guò)蝸輪蝸桿，鎖緊螺母，使刀架固緊。當(dāng)夾緊力達(dá)到預(yù)先調(diào)好的狀態(tài)時(shí)，過(guò)流繼電器動(dòng)作，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，并向微機(jī)發(fā)出回答信號(hào)，開(kāi)始執(zhí)行下道工序。刀架的動(dòng)作順序簡(jiǎn)明地表示為：微電機(jī)——減速機(jī)構(gòu)——升降機(jī)構(gòu)——上刀體上升轉(zhuǎn)位——信號(hào)符合——粗定位機(jī)構(gòu)——上刀體下降——精定位——刀體鎖緊——微電機(jī)停轉(zhuǎn)——換刀回答信號(hào)——加工順序執(zhí)行。自動(dòng)刀架的換刀流程如圖 3.10 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 25 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 3.10 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 26 頁(yè) 共 31 頁(yè)4 微機(jī)數(shù)控部分設(shè)計(jì)4.1 概述數(shù)控機(jī)械的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行驅(qū)動(dòng)元件，因此又稱(chēng)為開(kāi)換步進(jìn)控制系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)不使用位置、速度檢測(cè)和反饋裝置，沒(méi)有閉環(huán)控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性問(wèn)題，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、可靠性高、制造成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于精度要求不太高的中小型數(shù)控設(shè)備。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)主要由脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)電機(jī)是一種多相脈沖電機(jī)，它的各相繞組必須按一定的規(guī)律輪流供電，步進(jìn)電機(jī)才能按一定的方向旋轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各繞組間有規(guī)律輪流供電，可以采用硬件邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過(guò)運(yùn)算不斷地向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖分配信號(hào)，這樣就使步進(jìn)電機(jī)朝一個(gè)方向不斷轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)發(fā)出的脈沖速度快，步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)得快，單片機(jī)發(fā)出的脈沖速度慢，步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)得慢，這樣單片機(jī)就可以通過(guò)改變輸出脈沖的速度來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的速度。單片機(jī)還可以通過(guò)改變脈沖分配的順序來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。再通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的進(jìn)退、移動(dòng)速度和位移量。單片機(jī)就是這樣通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的。由于單片機(jī)脈沖輸出的脈沖功率很小，不足以推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因而必須有一個(gè)把脈沖信號(hào)放大到足以推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的放大器，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。由于步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)電感性負(fù)載，電流的上升率受電感大小的影響而在高頻運(yùn)行時(shí)扭矩將有較大的下降。所以在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)提高電流的上升率以保證運(yùn)行時(shí)有足夠的扭矩。由此可見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的性能好壞將對(duì)開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的性能起很重要的作用。如圖 4.1 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 27 頁(yè) 共 31 頁(yè)CPU I/O 接口光電隔 離功率放 大步進(jìn)電 機(jī)RAMROM外 設(shè)鍵盤(pán)、顯示器圖 4.1 數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖4.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路概括起來(lái)由 CPU、總線(xiàn)、存儲(chǔ)器以及 I/O 接口四部分組成。其中 CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作。存儲(chǔ)器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O 接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€(xiàn)則是 CPU 與存儲(chǔ)器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是 CPU 與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路 [16]。控制系統(tǒng)的原理框圖如圖 4.2 所示。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 28 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 4.2 控制系統(tǒng)原理框圖4.3 軟件設(shè)計(jì)車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用工作中，軟件設(shè)計(jì)是一個(gè)重要方面。實(shí)際上，軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)工作是不可分割的，二者必須結(jié)合進(jìn)行。軟件設(shè)計(jì)工作，按其功能可分二類(lèi)：一類(lèi)是執(zhí)行軟件，它能完成各種實(shí)質(zhì)性的功能；另一類(lèi)是監(jiān)控（管理）軟件，它是控制微機(jī)系統(tǒng)按預(yù)定的操作方式運(yùn)轉(zhuǎn)的程序。但執(zhí)行軟件和監(jiān)控軟件沒(méi)有明確的界限和固定的功能劃分。習(xí)慣上把鍵盤(pán)解釋程序作為監(jiān)控程序，其它任務(wù)都分散在特定功能的執(zhí)行程序中，并由監(jiān)控程序來(lái)調(diào)用必要的功能模塊，完成預(yù)定的任務(wù) [17]。在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從全局著眼，先將整個(gè)系統(tǒng)的任務(wù)按功能分成一個(gè)一個(gè)的模塊，并為每一個(gè)執(zhí)行模塊定義，然后設(shè)計(jì)出每一個(gè)具體模塊的程序，最后組成一個(gè)系統(tǒng)。不僅整個(gè)系統(tǒng)的程序結(jié)構(gòu)可具有模塊化的特性，而且其模塊內(nèi)部也可以分為小模塊。模塊特性對(duì)測(cè)試很有利，功能擴(kuò)充也很方便。要增加新功能，只要增 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 29 頁(yè) 共 31 頁(yè)加新模塊就能實(shí)現(xiàn)，像搭積木一樣。因此，這樣的模塊程序設(shè)計(jì)方法，思路清晰，邏輯性強(qiáng)，柔性較大。如圖 4.3 所示。數(shù)控系統(tǒng)加工程序 管理與操作模塊插補(bǔ)功能間隙補(bǔ)償步進(jìn)電機(jī)控制速度控制環(huán)行分配管理模塊程序設(shè)計(jì)自動(dòng)換刀程序設(shè)計(jì)鍵盤(pán)程序顯示程序鍵盤(pán)診斷中斷功能診斷圖 4.3 數(shù)控系統(tǒng)框圖 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 30 頁(yè) 共 31 頁(yè)結(jié)束語(yǔ)迄今為止，經(jīng)過(guò) 3 個(gè)多月的努力，畢業(yè)設(shè)計(jì)已基本完成。課題的主要設(shè)計(jì)內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：（1）分析國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì)、機(jī)床改造的意義以及設(shè)計(jì)任務(wù)（2）對(duì) CA6140 臥式車(chē)床進(jìn)行了總體方案的確定（3）對(duì)橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的改造設(shè)計(jì)（4）微機(jī)部分的改造設(shè)計(jì)通過(guò)以上設(shè)計(jì)了解掌握了一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思維方法。不僅提高收集、閱讀、分析和運(yùn)用資料的能力，獨(dú)立工作的能力，理論聯(lián)系實(shí)際的設(shè)計(jì)和計(jì)算能力，和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與編制技術(shù)文件的能力，而且使我的專(zhuān)業(yè)知識(shí)得到了進(jìn)一步的鞏固。在此之中遇到了一些問(wèn)題，在老師和同學(xué)的幫助下得到了解決。由于自身的經(jīng)驗(yàn)有限，面對(duì)這些關(guān)鍵性問(wèn)題只能從理論上去尋求解決的方法。因此，自己所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)和運(yùn)用到生產(chǎn)實(shí)踐中仍相距甚遠(yuǎn)。總而言之，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我收益非淺，為我今后的工作打下了良好的基礎(chǔ)。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 31 頁(yè) 共 31 頁(yè)致 謝本論文由張少文指導(dǎo)老師審閱全搞。從課題的選擇、方案制定、工作實(shí)施到論文的撰寫(xiě)、修改無(wú)不滲透著老師的心血。張老師以他嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，深深地感染和激勵(lì)著我。在學(xué)習(xí)和畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中給予我很大的啟迪與幫助，給我留下了極為深刻的印象，使我對(duì)以后的工作充滿(mǎn)信心。同時(shí)還在思想、生活上給我以無(wú)微不至的關(guān)懷。許多同組設(shè)計(jì)人員和其他同學(xué)都提出了熱情而中肯的建議，都對(duì)提高本論文質(zhì)量給予了很大的幫助，我在此致以衷心的感謝。最后，由于我的水平和時(shí)間所限，誤漏之處恐屬難免，殷切期望廣大老師和專(zhuān)家隨時(shí)予以批評(píng)指正。 本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 32 頁(yè) 共 31 頁(yè)參 考 文 獻(xiàn)[1] 張新義.經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.[2] 《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫(xiě)組編.機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 2 零件設(shè)計(jì)（上冊(cè)）[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.[3] 成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)單行本聯(lián)接與緊固［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.[4] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]. 第二版,北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2000.[5] 趙松年、戴志義.機(jī)電一體化數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994.[6] 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