XA5032普通銑床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)

1、江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） xa5032 普通銑床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)普通銑床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)-1 學(xué)院名稱： 機(jī)械與汽車工程學(xué)院 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 08 機(jī)電 1w 學(xué) 號(hào)： 姓 名： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo)教師職稱： 教 授 二一二 年 六 月本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) （ 論 文 ）jiangsu teachers university of technology 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）ixa5032 普通銑床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)-1摘 要：數(shù)控機(jī)床是當(dāng)今機(jī)械制造業(yè)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的代表性先進(jìn)設(shè)備。隨著先進(jìn)制造業(yè)的發(fā)展，對(duì)普通機(jī)床數(shù)控化改造已經(jīng)成為

2、擺在我們面前迫切而艱巨的任務(wù)。本文在敘述了數(shù)控技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì) xa5032 舊機(jī)床的分析，結(jié)合機(jī)床改造的總體思想，提出了數(shù)控化改造的技術(shù)方案和新數(shù)控系統(tǒng)的選型配置方案。以 mcs-51 型單片機(jī)為控制處理芯片，進(jìn)行了機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)，機(jī)床各主要參數(shù)的優(yōu)化和匹配及機(jī)床的調(diào)試運(yùn)行，實(shí)現(xiàn) x、y 兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)改造,使得改造后的機(jī)床能加工除了銑削鍵槽、平面及孔等簡(jiǎn)單的零件外，還能加工形狀復(fù)雜的零件。改造后的數(shù)控機(jī)床具有高精、高效及加工產(chǎn)品范圍廣等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：數(shù)控改造；數(shù)控系統(tǒng)；xa5032 銑床；單片機(jī)nc transformation of xa5032 milling

3、 machineabstract: nc(numerical control)machine is the representative of advanced equipmemt in current mechanical manufacture industrywith the developing of modem manufacture industry,to study the ordinary milling-machines retrofitted with nc has becoming more urgent and arduous for usafter introduci

4、ng nc machines history and current status and the analysis of old machine xa5032,a novel scheme for nc machine retrofitted and new nc machine selection is proposed.by using mcs-51 singlechip as the control chip,the design and adjustment for the electric system have been completed. the main parameter

5、s of the machine have been confirmed and optimized too.the numerization rebuilding of xa5032 milling machine is used for machining keyway,plane and hole etc,but also,it can manufacturing complicated shap.the accuracy and function of machine in finally 江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）iihave been improved.keywords

6、: nc transformation,nc system,xa5032 milling machine,scm目錄序 言.1第 1 章 緒 論.21.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢(shì).21.1.1 數(shù)控 nc 階段.21.1.2 計(jì)算機(jī)數(shù)控.21.1.3 數(shù)控未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì).31.2 數(shù)控銑床加工的基本原理.31.3 數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì).51.4 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性.61.4.1 微觀看改造的必要性.61.4.2 宏觀看改造的必要性.6第 2 章 設(shè)計(jì)方案的確定.82.1 設(shè)計(jì)任務(wù).8江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）iii2.2 總體設(shè)計(jì)方案的確定.82.2.1 動(dòng)力的選定.82.2.2 控

7、制部分的設(shè)計(jì).9第 3 章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).113.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成.113.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì).123.3 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì).13第 4 章 機(jī)械部分改造與計(jì)算.154.1 原始數(shù)據(jù)分析.154.2 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計(jì)（x 向）.164.2.1 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理.174.2.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn).174.2.3 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整.184.2.3 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法.194.2.5 銑削力的計(jì)算.214.2.6 強(qiáng)度計(jì)算.224.2.7 剛度驗(yàn)算.224.2.8 效率計(jì)算.23江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）iv4.2.9 穩(wěn)定性驗(yàn)

8、算.234.3 齒輪間隙消除彈簧的計(jì)算（x 軸）.234.4 運(yùn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算（x 軸）.244.5 伺服電機(jī)的選擇（x 向）.25第 5 章 零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算.265.1 齒輪的設(shè)計(jì)與校核.265.1.1 z3、z4齒輪的強(qiáng)度校核.275.1.2 其他齒輪對(duì)的強(qiáng)度校核.315.2 軸系零部件的強(qiáng)度校核與壽命計(jì)算.32第 6 章 經(jīng)濟(jì)分析.35第 7 章 數(shù)控加工與典型零件加工程序設(shè)計(jì).367.1 數(shù)控加工工藝特點(diǎn).367.1.1 數(shù)控加工工藝的內(nèi)容.367.1.2 數(shù)控加工工藝的特點(diǎn).367.2 數(shù)控加工工藝分析與設(shè)計(jì).377.2.1 數(shù)控加工的合理性分析.37江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)

9、明書(shū)（論文）v7.2.2 零件的工藝性分析.397.2.3 確定工藝過(guò)程和工藝路線.397.2.4 選擇刀具和切削用量.407.3 零件加工程序設(shè)計(jì)列舉.417.3.1 數(shù)控銑床的加工對(duì)象.417.3.2 零件加工程序設(shè)計(jì)舉例.42結(jié) 論.45參考文獻(xiàn).46致 謝.47江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）vi江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 1 頁(yè) 共 47 頁(yè)序 言該課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐的需要，利用大量閑置舊機(jī)床，對(duì)其進(jìn)行數(shù)控化改造后，成為一種高效的、多功能的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，是一種推陳出新、盤(pán)活存量資金的有效辦法，是低成本自動(dòng)化的必由之路。數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)

10、，對(duì)傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品：數(shù)控機(jī)床；其技術(shù)范圍涉及很多領(lǐng)域：機(jī)械制造技術(shù)；信息處理技術(shù)；自動(dòng)控制技術(shù)；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；傳感器技術(shù)；軟件技術(shù)等。數(shù)控機(jī)床即是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床都采用計(jì)算機(jī)（微型機(jī)算計(jì)）作為控制系統(tǒng)，它由 cnc 系統(tǒng)，機(jī)床主機(jī)及輔助裝置組成。數(shù)控機(jī)床是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它集精密，柔性，和集成與一身，它可以較好的解決形狀復(fù)雜，精密，小批多變的零件加工問(wèn)題，能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，是一種高度自動(dòng)化機(jī)床。其造價(jià)較低，改造周期短，可靠性高，改造技術(shù)也日趨成熟，加之我國(guó)特有的經(jīng)濟(jì)實(shí)用產(chǎn)品“經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置”的技

11、術(shù)指標(biāo)不斷的提高，產(chǎn)品的更新和完善的進(jìn)度不斷的加快，產(chǎn)量不斷的提高，故有廣闊的前景，江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 2 頁(yè) 共 47 頁(yè)第 1 章 緒 論1.1 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢(shì)1946 年誕生了世界上第一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，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。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會(huì)中創(chuàng)造的那些只是增強(qiáng)體力勞動(dòng)的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會(huì)奠定了基礎(chǔ)。6 年后，即在 1952 年，計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用到了機(jī)床上，在美國(guó)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。近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個(gè)階段和六代的發(fā)展。1.1.1 數(shù)控 nc 階段（1952 年-

12、1970 年）早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低，對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(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） ，簡(jiǎn)稱為數(shù)控（nc） 。隨著元器件的發(fā)展，這個(gè)階段經(jīng)歷了三代，即 1952 年的第一代電子管；1959 年的第二代晶體管；1965 年的第三代小規(guī)模集成電路。1.1.2 計(jì)算機(jī)數(shù)控（cnc）階段（1970 年-現(xiàn)在）到 1970 年，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(guò)來(lái)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（把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的“通用”兩個(gè)字省略了

13、） 。到 1971 年，美國(guó) intel 公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件運(yùn)算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（microprocessor） ，又可稱為中央處理單元（簡(jiǎn)稱 cpu） 。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 3 頁(yè) 共 47 頁(yè)到 1974 年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng)，控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕（故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床，稱之為群控） ，不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過(guò)多處理器結(jié)構(gòu)來(lái)解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件，故仍稱為計(jì)

14、算機(jī)數(shù)控。到了 1990 年，pc 機(jī)（個(gè)人計(jì)算機(jī)，國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱微機(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?？傊?jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即 1970 年的第四代小型計(jì)算機(jī)；1974 年的第五代微處理器和 1990 年的第六代基于 pc（國(guó)外稱為 pc-based） 。還要指出的是，雖然國(guó)外早已改稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（即 cnc）了，而我國(guó)仍習(xí)慣稱數(shù)控（nc） 。所以我們?nèi)粘Ｖv的數(shù)控，實(shí)質(zhì)上已是指計(jì)算機(jī)數(shù)控了。1.1.3 數(shù)控未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)1.繼續(xù)向開(kāi)放式、基于 pc 的第六代方向發(fā)展基于 pc 所具有的開(kāi)放性、低成本、高可靠性、軟硬件資

15、源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會(huì)走上這條道路。至少采用 pc 機(jī)作為它的前端機(jī)，來(lái)處理人機(jī)界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問(wèn)題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。pc機(jī)所具有的友好的人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。2.向高速化和高精度化發(fā)展這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。3.向智能化方向發(fā)展隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 4 頁(yè) 共 47 頁(yè)1.2 數(shù)控銑床加工的基本原理數(shù)控控制（numerical control）是用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床的運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種控制方

16、法。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的一門新型的，發(fā)展十分迅速的高新技術(shù)。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍所覆蓋的領(lǐng)域又：機(jī)械制造技術(shù)；微電子技術(shù)；信息處理加工傳輸技術(shù)；自動(dòng)控制技術(shù)；伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；檢驗(yàn)監(jiān)控技術(shù)；傳感技術(shù)；軟件技術(shù)等。數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的是能技術(shù)和最基本的裝備。在提高生產(chǎn)率，降低成本，保證加工質(zhì)量及改善工人勞動(dòng)強(qiáng)度等方面，都有突出的優(yōu)點(diǎn)；特別是在適應(yīng)機(jī)械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代，小批量，多品種生產(chǎn)方面，各類數(shù)控裝備是實(shí)現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)

17、的關(guān)鍵。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說(shuō)是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。國(guó)際信息處聯(lián)盟（international federation of information processing，ieip）第五技術(shù)委員會(huì)，對(duì)數(shù)控機(jī)床作了如下的定義：數(shù)控機(jī)床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。該系統(tǒng)能邏輯的處理具有使用碼或其他符號(hào)編碼指令規(guī)定的程序。數(shù)控銑床是發(fā)展最早的一種數(shù)控機(jī)床，以主軸位于垂直方向的立式銑床居多。銑床的主軸只作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)帶動(dòng)工件作縱，橫，垂直三個(gè)方向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，稱為升降臺(tái)式銑床。為了提高剛度，目前多采用主軸既作旋轉(zhuǎn)主運(yùn)動(dòng)，又隨主軸箱升降臺(tái)作垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工作臺(tái)只作縱橫 2 個(gè)方向的進(jìn)

18、給運(yùn)動(dòng)的不升降類型銑床。立式數(shù)控銑床加工平面凸輪零件，只需要工作臺(tái)沿橫縱 2 個(gè)坐標(biāo)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即可以同時(shí)到達(dá)平面曲面的某一點(diǎn)這種加工軌跡的控制，稱為兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)控制（兩軸聯(lián)動(dòng)） 。當(dāng)加工圓錐臺(tái)零件時(shí)，依靠工作臺(tái)縱橫兩坐標(biāo)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)完成圓周加工，加工完一圈后，再沿錐臺(tái)高度方向提升一個(gè)高度，接著改變圓的直徑（x，y 的合成值）加工另一圓周，如此下去，直至加工出整個(gè)錐臺(tái)，這稱為兩軸半控制。如果在圓錐上加工一條螺旋槽曲線，則要求 3 個(gè)坐標(biāo)進(jìn)給每時(shí)每刻都必須協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，即同時(shí)到達(dá)空間的某一點(diǎn)，這稱為三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 5 頁(yè) 共 47 頁(yè)控制即三軸聯(lián)動(dòng)。三軸聯(lián)動(dòng)即可加工復(fù)雜的

19、空間曲面。從機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo)數(shù)量來(lái)看，目前 3 坐標(biāo)數(shù)控立式銑床仍占大多數(shù)。一般可進(jìn)行 3 坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，但也有部分機(jī)床只能進(jìn)行 3 坐標(biāo)中的任意兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。此外，還有機(jī)床主軸可以繞 x、y、z 坐標(biāo)軸中其中一個(gè)或兩個(gè)軸作數(shù)控?cái)[角運(yùn)動(dòng)的 4 坐標(biāo)和 5 坐標(biāo)數(shù)控立式銑床。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)床控制的坐標(biāo)軸越多，特別是要求聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸越多，機(jī)床的功能、加工范圍及可選擇的加工對(duì)象也越多。但隨之而來(lái)的是機(jī)床的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求更高，編程難度更大，設(shè)備的價(jià)格也更高。數(shù)控立式銑床可以附加數(shù)控轉(zhuǎn)盤(pán)、采用自動(dòng)交換臺(tái)、增加靠模裝置等來(lái)擴(kuò)大數(shù)控立式銑床的功能，加工范圍和加工對(duì)象，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。

20、1.3 數(shù)控加工工藝設(shè)計(jì)與普通加工相比，數(shù)控加工的工藝過(guò)程設(shè)計(jì)并不是從毛坯到成品的整個(gè)工藝過(guò)程，而是僅有幾道數(shù)控加工工序工藝過(guò)程的具體描述。許多在通用機(jī)床加工時(shí)由工人自行決定的工藝問(wèn)題，在工藝設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真考慮，并將正確的選擇編入程序中。這就要求編程人員要有多方面的知識(shí)基礎(chǔ)，不僅僅是懂得計(jì)算機(jī)編程或了解某種軟件的使用與操作。合格的編程員首先應(yīng)是一個(gè)很好的數(shù)控加工工藝人員，應(yīng)對(duì)所編程的數(shù)控機(jī)床的性能、特點(diǎn)、切削范圍、標(biāo)準(zhǔn)刀具系統(tǒng)有全面的了解。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控加工主要包括以下幾個(gè)方面的內(nèi)容：（1）選擇并確定進(jìn)行數(shù)控加工的零件及內(nèi)容；（2）對(duì)零件圖紙進(jìn)行數(shù)控加工的工藝分析；（3）數(shù)控加工的工藝設(shè)計(jì)；（

21、4）對(duì)零件圖形的數(shù)學(xué)處理；（5）編寫(xiě)加工程序單；（6）按程序單制作控制介質(zhì)；（7）程序的校驗(yàn)與修改；（8）首件試加工與現(xiàn)場(chǎng)處理；（9）數(shù)控加工工藝技術(shù)文件的定型與歸檔。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 6 頁(yè) 共 47 頁(yè)1.4 機(jī)床數(shù)控化改造的必要性1.4.1 微觀看改造的必要性從微觀上看，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(lái)自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。 1.可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)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

22、自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3 7 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(lái)，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)。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(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工。5.由以上五條派生的好處。 如：降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)床） ，減少了工裝，縮

23、短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)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)。1.4.2 宏觀看改造的必要性從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在 70 年代末、 80 年代江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 7 頁(yè) 共 47 頁(yè)初已開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過(guò)程中采用數(shù)控機(jī)床、 fm

24、c 、 fms 外，還包括在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中推行 cad 、 cae 、 cam 、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 mis （管理信息系統(tǒng)） 、 cims 等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)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(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后 20 年。如我國(guó)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(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。江蘇技術(shù)

25、師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 8 頁(yè) 共 47 頁(yè)第 2 章 設(shè)計(jì)方案的確定2.1 設(shè)計(jì)任務(wù)將一臺(tái) xa5032 普通立式升降臺(tái)銑床，由于長(zhǎng)期使用嚴(yán)重磨損，故障頻繁，既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，急需改造。用微電子技術(shù)改造機(jī)械設(shè)備是當(dāng)前世界新技術(shù)發(fā)展的潮流，是提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的重要手段。改造成三坐標(biāo)數(shù)控銑床。改造后的數(shù)控銑床主要用于加工不同品種的制動(dòng)凸輪軸，軸最長(zhǎng)為650mm，該制動(dòng)輪軸所需加工的輪廓外形含有直線、圓弧和漸開(kāi)線；要求的輪廓公差為 0.1mm，對(duì)稱度公差為 0.1mm，表面粗糙度為=1.6；工件材料為ar40cr 鍛件，調(diào)質(zhì)；設(shè)計(jì)生產(chǎn)節(jié)拍為 7 件/每分鐘。2.2 總體設(shè)計(jì)方

26、案的確定2.2.1 動(dòng)力的選定經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造，為了保證改造后的性能不低于原銑床，選 x、z坐標(biāo)快進(jìn)速度不低于 2.4m/min，水平拖動(dòng)力按 15kn 計(jì)算。則要求的功率為p=fv=152.4/60=0.6w，如果采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件，步進(jìn)電機(jī)達(dá)不到功率要求。例如，200bf001 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，最大靜轉(zhuǎn)距 16.8n.m 最高運(yùn)行頻率為 11000step/s，步距角為 1/6 度，若取最高頻率下的工作扭距為靜扭距的1/4，則高速下的功率為)(1344. 0)(4 .1341806110008 .164/1kwwph因此，如果選用步進(jìn)電機(jī)，必須相應(yīng)的降低機(jī)床的某些性能，主要是

27、快速性，另一方面由于步進(jìn)電機(jī)在低速工作時(shí)有明顯的沖動(dòng)，易自激震蕩，而且激江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 9 頁(yè) 共 47 頁(yè)震頻率很可能落如洗削加工所用的進(jìn)給速度范圍內(nèi)，這對(duì)加工極為不利，造成工件超差。此外，由于步進(jìn)電機(jī)沒(méi)有過(guò)載能力，高速時(shí)扭距下降很多，容易丟步，大功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)較困難等，選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)是不合適的。若采用直流或交流伺服電機(jī)的閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度較大，調(diào)試和維修困難很多，造價(jià)也高，閉環(huán)控制可達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙，干擾等對(duì)加工精度的影響，一般用于要求高的數(shù)控設(shè)備中，由于所改造的數(shù)控銑床工件的加工精度不十分高，采用閉

28、環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。若直流或交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)控制，其性能介于開(kāi)環(huán)和閉環(huán)控制之間，由于調(diào)速范圍寬，過(guò)載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制；反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械元件，調(diào)試比閉環(huán)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以閉環(huán)容易實(shí)現(xiàn)。但是采用閉環(huán)控制，調(diào)試要比開(kāi)環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)要困難些設(shè)計(jì)上也有自身的特點(diǎn)。在直流和交流伺服電機(jī)之間進(jìn)行比較時(shí)，交流調(diào)速逐漸擴(kuò)大了其使用范圍，似乎有取代直流伺服電機(jī)的優(yōu)勢(shì)。但交流伺服的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度高，普及不廣，而且價(jià)格高，直流伺服電機(jī)原理接近于直流電機(jī)，控制系統(tǒng)技術(shù)也較成熟，普及廣。2.2.2 控制部分的設(shè)計(jì)要能控制三個(gè)坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)，根據(jù)工件

29、加工要求，至少要控制兩軸聯(lián)動(dòng)完成圓弧插補(bǔ)，為了在加工中使用不同尺寸的刀具，數(shù)控裝置應(yīng)具有刀具的半徑和長(zhǎng)度的補(bǔ)償功能，以便數(shù)控加工中按輪廓編制程序而能適應(yīng)刀具尺寸的變化。綜上所述，整個(gè)改造方案如圖 2-1 所示。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 10 頁(yè) 共 47 頁(yè)圖 2-1 xa5032 數(shù)控改造結(jié)構(gòu)布局圖江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 11 頁(yè) 共 47 頁(yè)第 3 章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成任何一個(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，軟件才能有效地運(yùn)行機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概

30、括起來(lái)由以下四部分組成。(1)中央處理單元 cpu(2)總線。包括數(shù)據(jù)總線（db） 、地址總線（ab）和控制總線（cb） 。(3)存貯器。包括只讀可編程存貯器和隨機(jī)讀寫(xiě)存貯器。(4)i/o 輸入/輸出接口電路。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直協(xié)調(diào)工作。存貯器用于存放系統(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。總線則是 cpu 與存貯器、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。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如 31 所示。圖 3-1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖由于 mcs51 系列單片機(jī)在我國(guó)機(jī)床

31、數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價(jià)廉，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 12 頁(yè) 共 47 頁(yè)床改造的需要。c6140 數(shù)控改造以 8031cpu 組成的單片機(jī)為數(shù)控控制系統(tǒng)。也可直接購(gòu)買國(guó)內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置，如南京大方數(shù)控設(shè)備公司生產(chǎn)的 jwk 系列數(shù)控產(chǎn)品。3.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.硬件配置存貯器選用 1 片 4k8 的 2732eprom 和 1 片 8k8 位的 6234ram。監(jiān)控程序固化在 2732eprom 內(nèi)，各功能模塊程序及常用零件的的加工存放在2732eprom 內(nèi)。1 片 6234

32、ram 做為調(diào)試程序存放和運(yùn)行程序的中間數(shù)據(jù)存放用。i/o 接口芯片選用 8155 可編程 i/o 擴(kuò)展接口，它的 a 口做為 x、y 進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)脈沖的輸出口，其中 pa0pa2 為 x 向的輸出口，pa3pa5 為 y 向輸出口。b 口為為位控方式，其中 pb4pb7 為-y、+y、-x、+x 的行程越位信號(hào)輸入。顯示由 8 位 led 構(gòu)成，具有 24 鍵的鍵盤(pán)。2.存貯器空間分配單板機(jī)可尋址范圍是 64k 字節(jié)，板上提供的插座占 16k，已插入的芯片占10k，其余以備擴(kuò)展使用。其存貯空間分配如下。0000h07ffh 2kb eprom 放監(jiān)控程序0800h0fffh 2kb epro

33、m 放零件加工程序1000h17ffh 2kb ram 調(diào)試程序2000h27ffh 2kb ram 測(cè)試程序等3. i/o 口地址分配單片機(jī)設(shè)置 i/o 口地址為 809fh 共 32 個(gè)口地址，分配如下。80h83h mcs51 803184h87h 字形鎖存88h8bh 字位鎖存8ch8fh 讀鍵值90h9fh 用戶使用江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 13 頁(yè) 共 47 頁(yè)4.光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖信號(hào)經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流較大，如果將輸出信號(hào)與功率放大器直接相聯(lián)，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾。輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常工作，

34、重則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路損壞。所以一般在接口電路功率放大器之間都要接上隔離電路。3.3 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)mcs-51 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，可以用軟件來(lái)代替可變頻率脈沖源和環(huán)形分配器等硬件，對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。用軟件完成環(huán)形分配的優(yōu)點(diǎn)是線路簡(jiǎn)單，成本低，可以靈活的改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，驅(qū)動(dòng)功率放大功能仍由硬件完成。環(huán)形分配器邏輯序列的產(chǎn)生可用循環(huán)移動(dòng)和查表法實(shí)現(xiàn)，本次數(shù)控改造采用 jbf 系列三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，因此，脈沖分配采用三相六拍分配方式。1.步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制 以 x 向步進(jìn)電機(jī)為例，其環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)如表 3-1：表 3-1環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表節(jié)拍序號(hào)地址代

35、碼c 相b 相a 相通電順序00700h01h00100110701h03h01101120702h02h01001030703h06h11011040704h04h10010050705h05h101101將上述步進(jìn)電機(jī)所需的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表存入 eprom 中，根據(jù)加工程序的需要，依次取出表地址至 pa 口，驅(qū)動(dòng) x 向步進(jìn)電機(jī)。按以上順序進(jìn)行通電，電機(jī)正傳，反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。x 向電機(jī)與 x 向相同，其脈沖輸出狀態(tài)表略。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 14 頁(yè) 共 47 頁(yè)2.步進(jìn)電機(jī)速度控制控制步進(jìn)電機(jī)的速度，實(shí)際上是改變輸出狀態(tài)碼之間的間隔時(shí)間，通過(guò)調(diào)用軟件延時(shí)子程序，或者

36、用微機(jī)定時(shí)器，通過(guò)設(shè)定時(shí)間常數(shù)加以控制，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出不同頻率的時(shí)鐘脈沖，實(shí)現(xiàn)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)，采取調(diào)用軟件延時(shí)子程序的方法。3.軟件環(huán)形分配器的設(shè)計(jì)在數(shù)控系統(tǒng)中，專門將一些寄存器作為步進(jìn)電機(jī)的控制寄存器。控制字fcw 用來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)控制寄存器中的狀態(tài)，使步進(jìn)電機(jī)按確定的運(yùn)行方式工作。在 fcw 控制字中，對(duì)步進(jìn)電機(jī)的方向控制位，轉(zhuǎn)動(dòng)控制位以及停止控制位。分別進(jìn)行定義。fcw 中各個(gè)控制位含義如下：d7，d6，d5，d4，d3，d2，d1，d0，且d0-x 向轉(zhuǎn)?？刂莆唬?-轉(zhuǎn)動(dòng)；0-停止） ；d1-x 向方向位（1-正轉(zhuǎn)；0-反轉(zhuǎn)） ；d2-y 向轉(zhuǎn)停控制位（1-轉(zhuǎn)動(dòng)；0-停止）

37、 ；d3-y 向方向位（1-正轉(zhuǎn)；0-反轉(zhuǎn)） 。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 15 頁(yè) 共 47 頁(yè)第 4 章 機(jī)械部分改造與計(jì)算4.1 原始數(shù)據(jù)分析1原 xa5032 銑床的數(shù)據(jù)如表 4-1 所示表 4-1xa5032 銑床數(shù)據(jù)項(xiàng)目名稱item單位unit參數(shù)paraments工作面積（寬長(zhǎng)）working surface(wl)mm3201250承載重量 loadkg500t 型槽數(shù)目 no.of t-slots3t 型槽寬度 width of t-slotsmm18工作臺(tái)workingtablet 型槽間距 distance between t-slotsmm70x 向（工作

38、臺(tái)縱向）手動(dòng)/機(jī)動(dòng)longitudinal（manual/auto）mm700/680y 向（滑座橫向）手動(dòng)/機(jī)動(dòng) cross（manual/auto）mm255/240行程lengthz 向（升降臺(tái)垂向）手動(dòng)/機(jī)動(dòng)vertical（manual/auto）mm370/350最大回轉(zhuǎn)角度 max.swivel angledeg45轉(zhuǎn)速 speedr/min301500轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) no.of spindle speedsstep18錐孔 taperiso7:24 no.50軸向移動(dòng)距離 axial motionmm85主軸spindle主軸端面至工作臺(tái)面距離最小/最大distance from s

39、pindle nose to table surface min./max.mm45/415江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 16 頁(yè) 共 47 頁(yè)主軸中心線至床身垂直導(dǎo)軌面距離distance from center line of spindle to vertical guide way surface of columnmm350切削進(jìn)給速度 cutting feed ratemm/minx，y:23.5-1180z:8-394快速移動(dòng)速度 rapid feed ratemm/minx，y:2300z:770進(jìn)給feedrates進(jìn)給級(jí)數(shù) no.of feedsstep18主軸

40、電機(jī)功率 power of spindle motorkw7.5電動(dòng)機(jī)motor進(jìn)給電機(jī)功率 power of feed motorkw1.5機(jī)床外形尺寸（長(zhǎng)寬高）overall dimension(lwh)mm227217702094其他other機(jī)床凈重（約）net weight of machine(approximately)kg28002.工藝數(shù)據(jù)工件加工余量：銑削寬度 40mm，銑削深度 7mm。刀具數(shù)據(jù)：硬質(zhì)合金端銑刀，直徑 mm，銑刀齒數(shù) 6。工藝數(shù)據(jù)：主軸轉(zhuǎn)速 150-190r/min，走刀速度 40-60mm/min，每齒進(jìn)給量為 0.05-0.2mm/z，取 0.1mm

41、計(jì)算。3.機(jī)床進(jìn)給部件重量估計(jì)軸向（x 軸）工作臺(tái)，長(zhǎng) 1335mm，約重 220kg=2200n縱向（y 軸）工作臺(tái)約為 450kg=4500n升降（z 軸）部分運(yùn)動(dòng)件 約重 1000kg=10000n為防止升降臺(tái)自行下劃，原機(jī)床設(shè)置有單向超越離合器及摩擦片制動(dòng)器，而且為了保證工件可靠，將摩擦阻力調(diào)到略大于升降臺(tái)的重力，在數(shù)控改造后仍要保留此功能，這樣在實(shí)際運(yùn)動(dòng)時(shí)下降的阻力最大，按 12kn 計(jì)算。4.2 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計(jì)（x 向）銑床工作臺(tái)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)銑床絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)。在數(shù)控銑床上的絲杠傳動(dòng)，可以用普通的絲杠傳動(dòng)，也可以應(yīng)用滾珠絲杠來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)。原因江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)

42、計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 17 頁(yè) 共 47 頁(yè)是普通絲杠傳動(dòng)摩擦系數(shù)大，效率低，傳動(dòng)中有間隙。雖然傳動(dòng)中的間隙可以用一些辦法來(lái)補(bǔ)償，修正，但總是不太穩(wěn)定。 所以，在數(shù)控銑床上要采用滾珠絲杠傳動(dòng)。滾珠絲杠傳動(dòng)有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但制造工藝較為復(fù)雜，成本高，在某些應(yīng)用上受到一定的限制，但隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，它的使用將會(huì)更加廣泛。 滾珠絲杠傳動(dòng)都使用防護(hù)罩，以防止空氣中的塵土和其它雜物等進(jìn)入。 滾珠絲杠和滾珠螺母組成滾珠絲杠螺母副，它是把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角位移，變換成數(shù)控車床工作臺(tái)的的直線位移。滾珠絲杠螺母副，也簡(jiǎn)稱為滾珠絲杠副，是一種新的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，它是在絲杠和螺母的螺旋槽之間裝有滾珠，以此作為中間元件的一種

43、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。4.2.1 滾珠絲杠副的傳動(dòng)原理絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽，這兩個(gè)圓弧形的螺旋槽對(duì)合起來(lái)就形成螺旋線的滾道，在滾道內(nèi)裝有許多滾珠。當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時(shí)，滾珠相對(duì)于螺母上的滾道滾動(dòng)，因此絲杠與螺母之間滾道的摩擦為滾動(dòng)摩擦。為防止?jié)L珠從螺母中吊出來(lái)，在螺母的螺旋槽兩端應(yīng)用擋住器擋住，并設(shè)有回路滾道使它的兩端連接起來(lái).使?jié)L珠從滾道的一端滾出后，沿著這個(gè)回路滾道重新返回到滾道的另一端，可以循環(huán)進(jìn)行不斷地滾動(dòng)。4.2.2 滾珠絲杠副的傳動(dòng)特點(diǎn)滾珠絲杠副的優(yōu)點(diǎn)是：傳動(dòng)效率高，因?yàn)樗菨L動(dòng)摩擦，傳動(dòng)效率可達(dá)0.92-0.96，比普通的絲杠傳動(dòng)提高 3-4 倍.由此帶來(lái)了一系列的優(yōu)點(diǎn)，如功率損耗小，傳動(dòng)

44、平穩(wěn)，磨損小，無(wú)爬行現(xiàn)象等等。除此之外還有兩個(gè)特點(diǎn)，一是：一般的絲杠傳動(dòng)總是有間隙，而滾珠絲杠可以消除間隙，所以當(dāng)絲杠反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以沒(méi)有空程，提高了反向的定位精度，也增強(qiáng)了傳動(dòng)剛度。二是：一般的絲杠傳動(dòng)只能使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，而滾珠絲杠既能把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪\(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠副由于具有傳動(dòng)的可逆性，因此可以作為主動(dòng)件，也可以作為從動(dòng)件。江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 18 頁(yè) 共 47 頁(yè)它也有缺點(diǎn)，主要是元件的精度要求高，光潔度要求也高，所以制造工藝很復(fù)雜，成本也高。對(duì)于絲杠和螺母上的螺旋槽，一般要求磨削成型，因而制造困難，也限制了使用。又由于

45、傳動(dòng)的可逆性，所以不能自鎖，當(dāng)應(yīng)用在垂直傳動(dòng)裝置時(shí)，由于自重和慣性的關(guān)系，在下降過(guò)程中不能立刻停止，因此還需要備有制動(dòng)裝置。4.2.3 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)盡管在形式上有很多類型，但其主要區(qū)別是在螺紋滾道的型面形狀，滾珠循環(huán)的方式，軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法等三個(gè)方面。（1）螺紋滾道型面的形狀螺紋滾道型面的形狀有很多種，目前國(guó)內(nèi)正式投產(chǎn)的，僅有單圓弧型面和雙圓弧型面兩種，如圖 41 所示。滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)法線與絲杠軸線的垂線之間的夾角，稱為接觸角（） 。（a）單圓弧 （b）雙圓弧圖 4-1 滾珠絲杠副螺紋滾道型面的截形（2）單圓弧型面一般滾道的圓弧半徑要比滾珠的半徑稍

46、大一些。對(duì)于單圓弧型面的螺紋滾道，接觸角是隨著軸向負(fù)載大小而變化的，當(dāng)軸向負(fù)載為零時(shí)，接觸角也為零；當(dāng)負(fù)載逐漸增大，接觸角也逐漸增大。實(shí)驗(yàn)證明：當(dāng)接觸角增大時(shí)，傳動(dòng)效率，軸向剛度，承載能力都隨之增大。（3）雙圓弧型面雙圓弧型面螺紋滾道的接觸角是不變的。在偏心距（e）決定后，滾珠與滾道的圓弧角接處，會(huì)有很小的空隙。這些空隙雖然能容納一些臟物，但不至于江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 19 頁(yè) 共 47 頁(yè)堵塞，反而對(duì)滾珠的滾動(dòng)有利。從傳動(dòng)效率，軸向剛度，承載能力等要求出發(fā)，接觸角大一些好，但接觸角過(guò)大制造就會(huì)困難。一般接觸角為 45，滾道的圓弧半徑也同樣比滾珠的半徑稍大一些。滾珠的循環(huán)方

47、式目前國(guó)內(nèi)常用的滾珠循環(huán)方式由外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。（1）外循環(huán)方式如圖 4-2 所示為外循環(huán)方式，滾珠在循環(huán)過(guò)程中與絲杠脫離接觸，通過(guò)外面的循環(huán)回路稱為外循環(huán)（w 系列） 。這種外循環(huán)是直接在螺母的外圓上銑出螺旋槽，用擋珠器從螺母內(nèi)部切斷螺紋滾道，擋珠滾珠的去路，迫使?jié)L珠導(dǎo)入通向外圓螺旋槽中，構(gòu)成了外面的旋環(huán)回路。外循環(huán)的結(jié)構(gòu)和制造較為簡(jiǎn)單容易，因此應(yīng)用較廣，也可以制成單列或式雙列兩種的結(jié)構(gòu)形式。（2）內(nèi)循環(huán)方式滾珠在循環(huán)過(guò)程中與絲杠始終保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)（n 系列） ，如圖 4-3所示。這種內(nèi)循環(huán)是在螺母外側(cè)孔中裝了一個(gè)接通相鄰滾道的反向器，借助這個(gè)反向器迫使?jié)L珠翻過(guò)絲杠的牙頂，而進(jìn)入相鄰

48、的滾道。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副回路短，工作滾珠數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，流暢性好，摩擦磨損小，傳動(dòng)效率高，軸向剛度和承載能力都較高，具有一系列優(yōu)點(diǎn)，但制造困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以不及外循環(huán)方式應(yīng)用的廣泛。 圖 4-2 外循環(huán)的滾珠絲杠 圖 4-3 內(nèi)循環(huán)的滾珠絲杠4.2.3 軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法對(duì)于滾珠絲杠副，除了單一方向的進(jìn)給傳動(dòng)精度有一定的要求外，對(duì)它的軸向間隙也有嚴(yán)格的要求，以保證反向傳動(dòng)的精度。要把軸向間隙完全消除，也是相當(dāng)困難的。通常采用雙螺母，并加預(yù)緊力的方法來(lái)消除其軸向間隙。雙江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 20 頁(yè) 共 47 頁(yè)螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后，能基本上消除軸向間隙。

49、單螺母的滾珠絲杠副是不能調(diào)整軸向間隙和預(yù)緊力的，其軸向間隙只能依靠滾珠絲杠副本的精度和安裝時(shí)絲杠和螺母的連接精度來(lái)保證。雙螺母加預(yù)緊力消除軸向間隙必須注意兩點(diǎn)，一是：通過(guò)預(yù)緊后產(chǎn)生的力，可促使預(yù)拉變形，以減少?gòu)椥宰冃嗡鸬奈灰啤５A(yù)緊力不能太大，否則會(huì)使驅(qū)動(dòng)力矩增大，傳動(dòng)效率反而降低，使用壽命也隨之縮短。二是：軸向間隙的消除，不能忽視絲杠的安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的軸向間隙，應(yīng)同時(shí)調(diào)整是它減少到最小。目前常用的雙螺母預(yù)緊力調(diào)整方法有下面三種。（1）墊片調(diào)隙式如圖 4-4 所示為墊片調(diào)隙式，一般用螺釘來(lái)連接滾珠絲杠上的兩個(gè)螺母的凸緣處，在中間加墊片。墊片的厚度是螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)

50、生預(yù)緊力的目的。 這種結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，裝拆方便。但缺點(diǎn)是調(diào)整很費(fèi)時(shí)，在工作狀態(tài)下不能隨意調(diào)整，因?yàn)橐鼡Q不同厚度的墊片才能消除間隙，所以是用于一般精度的機(jī)構(gòu)中使用。（2）螺紋調(diào)隙式 如圖 4-5 所示為螺紋調(diào)隙式。它是一個(gè)螺母的外端有凸緣，而另一個(gè)螺母的外端沒(méi)有凸緣，車有螺紋，它伸出在套筒外，并用兩個(gè)圓螺母調(diào)整好間隙后，再用一圓螺母鎖緊螺母鎖緊就可以了。 這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，所以應(yīng)用廣泛，但調(diào)整的位移量不太精確。圖 4-4 墊片調(diào)隙式 圖 4-5 螺紋調(diào)隙式（3）齒差調(diào)隙式如圖 4-6 所示為齒差調(diào)隙式。它是在兩個(gè)螺母的凸緣上各有圓齒輪 2，兩者江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)

51、計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 21 頁(yè) 共 47 頁(yè)的齒數(shù)值相差一個(gè)齒，裝入內(nèi)齒圓 3 中，內(nèi)齒圓 3 是用螺釘 1 和定位銷 4 固定在套筒 5 上的。調(diào)整是先取下內(nèi)齒圓 3，轉(zhuǎn)動(dòng)圓柱齒輪 2，在兩個(gè)滾珠螺母相對(duì)于滾筒 5 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，可以使兩個(gè)螺母相互產(chǎn)生角位移，這樣滾珠螺母對(duì)于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對(duì)移動(dòng)是兩個(gè)螺母中的滾珠分別貼近在螺旋滾到的兩個(gè)相反的側(cè)面上。消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力后，把內(nèi)齒圓 3 套上用定位銷 4 固定。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是調(diào)整精確可靠，定位精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，僅在高精度的數(shù)控機(jī)床有所應(yīng)用。1螺釘； 2圓柱齒輪； 3內(nèi)齒圓；4定位銷； 5套筒。圖 4-6 齒差調(diào)隙式4.2.5 銑削力的計(jì)算

52、根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) ，對(duì)硬質(zhì)合金端銑刀計(jì)算銑削力86. 0072. 08 . 081.69zdaaacfpfefz其參數(shù)按實(shí)際加工過(guò)程中平均銑削條件為準(zhǔn)則選?。汗ぜ樘间?，取fzc2 .68fc z=4mmae5mmai1 . 0mmap40mmd360所以)(3735364401 . 052 .6881. 986. 072. 086. 0nfz對(duì)圓柱銑刀逆銑加工 取 p=1.1zhfp)2 . 11 (hzf江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 22 頁(yè) 共 47 頁(yè) 取zvfp)3 . 02 . 0(zvfp25. 0 取zofp)4 . 035. 0(zofp375. 0則)(213.

53、 4)(4213373525. 01 . 1)25. 01 . 1 ()(401. 1) 0222222knnfpppknnpzvho4.2.6 強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌工作時(shí)的軸向力為：mp 4 . 1)(kgppfkppzyxm2 . 0f 0yp)(81. 2213. 43232knppx )(81. 2213. 43232knppx)(156. 2)(21568 . 9220knng所以：)(650. 4)156. 2401. 1 (2 . 081. 24 . 1knpm壽命值9100000015000106010606nitili取=1.2 =1.1wfhf則

54、最大動(dòng)負(fù)載q=3)(77.12650. 41 . 12 . 193knpfflmhwi根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載 q 的值，可查表選取滾珠絲杠的型號(hào)。如選取 cd40 6，其動(dòng)負(fù)載為，遠(yuǎn)大于 q 值，所以強(qiáng)度足夠用。4.2.7 剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載 引起的導(dǎo)程變化量：)(137. 0)(10137. 0984.354200665. 422mmmeflplomi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)2l1ll江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 23 頁(yè) 共 47 頁(yè)程變形總誤差為)/(83.22137. 06 . 01001000mmll查表知選用 f 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差

55、為 30 ，故剛度足夠。4.2.8 效率計(jì)算 26210則傳動(dòng)效率 936. 0) 10262(tgtg4.2.9 穩(wěn)定性驗(yàn)算由于采用兩端固定，穩(wěn)定性足夠，不再驗(yàn)算。4.3 齒輪間隙消除彈簧的計(jì)算（x 軸）數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)由于經(jīng)常處于自動(dòng)變向狀態(tài)，反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪存在間隙，就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào)，從而影響其驅(qū)動(dòng)精度，因此必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙，提高加工精度，本例中采用雙片薄齒輪消隙法。雙片薄齒輪錯(cuò)齒消隙法關(guān)鍵是計(jì)算彈簧的拉力，一方面，使它能夠克服最大扭矩，否則將失去消除間隙的作用；另一方面，扭矩又不能太大，其目的是減少齒面的摩擦和磨損，減少傳動(dòng)消耗。彈簧材料選用碳

56、素彈簧鋼絲二組每根彈簧的拉力為 150160n 取力臂值為30 毫米，則 4 根彈簧產(chǎn)生總扭矩值為：m=(150160)304=(1819.2)102(nmm)可抵抗的軸向力為 13.5714.48kn，能滿足加工中的需要。 根據(jù)每根彈簧拉力，可選用，d=12 b 型 5.5 圈拉伸彈簧，其2d 為最大工作載荷及螺距。np3 .1812mmt16. 32江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 24 頁(yè) 共 47 頁(yè)未拉伸時(shí)彈簧的工作部分長(zhǎng)度 h=13 毫米，拉持點(diǎn)距離,掛鉤孔中心距為)(29)2212(213)2(20mmddhhh(d2d)29(1222)21 (mm) 安裝尺寸計(jì)算：以彈

57、簧單圈變形量為 1 毫米，工作圈數(shù)為 5.5 時(shí)總的變形量為 5.5 毫米。 則工作中的,安裝中采用仿彈簧吊環(huán)螺釘)(5 .345 . 5295 . 500mmhh作為支撐和一端掛鉤，另一端用螺母調(diào)節(jié)，兩支撐所需距離為拉簧工作長(zhǎng)度加上結(jié)構(gòu)尺寸，共約為)(445 . 75 .3425 . 720mmh4.4 運(yùn)動(dòng)部分轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算（x 軸） 慣量對(duì)運(yùn)動(dòng)特性有很大的影響，不但對(duì)加速度能力，加速度時(shí)驅(qū)動(dòng)力矩及動(dòng)態(tài)的快速反應(yīng)有關(guān)，在閉環(huán)或者半閉環(huán)系統(tǒng)中還往往影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此核算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很有必要。仍以 x 軸計(jì)算為例：對(duì)實(shí)心圓柱體，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式為 j=md2/8。d 為圓柱體直徑；m 為質(zhì)量；

58、m=d2l/4；l 柱體為長(zhǎng)度； 為材料密度，對(duì)鋼鐵體可取 =7.8103kgm2,因此可得式j(luò)=7.8d2l/3210-12kgm2。當(dāng) d 和 l 的單位取為 mm 時(shí)，j=7.8d2l/3210-12kgm2。對(duì)于外徑 d，內(nèi)徑 d 的圓環(huán)，j=7.8(d4d4 ) l/3210-12kgm2。2424444441214111045.7110145. 71016)3560(30)3572(3214. 38 . 710328 . 7mnmkgldjmnmkgldj221244441224221048.1710748. 1104515015328362614253214. 38 . 7103

59、28 . 7j =322212444444443421087.1110187. 1103304056651085530180366230105408014161103214. 38 . 7328 . 7mnmkgld江蘇技術(shù)師范學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）第 25 頁(yè) 共 47 頁(yè)j =425252. 6221016.8910916. 85 . 114. 321062202mnmkgigl則折算到電機(jī)軸上的總慣量為：j=222224101. 00101. 010182. 1502410748. 110145. 7mnmkg與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相比，20186. 0mkgjm543. 00186.

60、0/0101. 0/mjj根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：4/11可見(jiàn)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配合適。4.5 伺服電機(jī)的選擇（x 向） 根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和整個(gè)改造方案，伺服電機(jī) 110bf-003 的參數(shù)選擇如下：輸出功率 1.4 kw，零速額定轉(zhuǎn)矩 17.6 nm2；最大轉(zhuǎn)矩 153.6-188.1 nm2；最高轉(zhuǎn)速為 1500 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 0.0186 kgm2，重量 36 kg，靜摩擦力矩rpm0.86n，反電視常數(shù)為 0.57，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為 0.57，理論角加速radsv/amn/度為，電器時(shí)間常數(shù)為 3.5 ，機(jī)械時(shí)間常數(shù)為 15.2 ms。2max/8100sradms熱時(shí)間常數(shù)為 70 min，計(jì)算電阻值為 0.