普通銑床數(shù)控改造

PAGE1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數(shù)控NC階段（1952年-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-WIREDNC），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。

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）。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）。

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)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。

總之，計(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。3.數(shù)控未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)(1)繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展

基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(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。1.2數(shù)控銑床加工的基本原理數(shù)控控制（NumericalControl）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)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（InternationalFederationofInformation（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年代初已開始大規(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、FMC、FMS外，還包括在產(chǎn)品開發(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。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40Cr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=15×2.4/60=0.6W。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是十分高，因此，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。步進(jìn)電機(jī)可以達(dá)到改造后要求的功率，而且步進(jìn)電機(jī)的成本比較便宜，安裝及調(diào)試方便，因此，在本進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用步進(jìn)電機(jī)。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)改造方案如下圖所示第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?？偩€則是CPU與存貯器、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。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如3—1所示。由于MCS—51系列單片機(jī)在我國(guó)機(jī)床數(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)控車床改造的需要。C6140數(shù)控改造以8031CPU組成的單板機(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單板機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.硬件配置存貯器選用1片4K×8的2732EPROM和1片8K×8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6234RAM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PA0~PA2為X向的輸出口，PA3~PA5為Y向輸出口。B口為為位控方式，其中PB4~PB7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。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。0000H~07FFH2KBEPROM放監(jiān)控程序0800H~0FFFH2KBEPROM放零件加工程序1000H~17FFH2KBRAM調(diào)試程序2000H~27FFH2KBRAM測(cè)試程序等3.I/O口地址分配單板機(jī)設(shè)置I/O口地址為80~9FH共32個(gè)口地址，分配如下。80H~83HMCS—51803184H~87H字形鎖存88H~8BH字位鎖存8CH~8FH讀鍵值90H~9FH用戶使用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，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)表如下：環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)節(jié)拍序號(hào)地址代碼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。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?？刂谱諪CW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)停控制位（1-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)?？刂莆唬?-轉(zhuǎn)動(dòng)；0-停止）；D3-Y向方向位（1-正轉(zhuǎn)；0-反轉(zhuǎn)）。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)進(jìn)給電機(jī)1.5KW，1400r/min，最大水平拖動(dòng)力1500kg=1500N，進(jìn)給最大速度縱、橫向2.3m/min，工件最大重量，500Kg=5000N，機(jī)動(dòng)范圍縱向680mm、橫向240mm2.工藝數(shù)據(jù)工件加工余糧：最大銑削寬度7mm，最大銑削深度40mm。刀具數(shù)據(jù)：高速鋼圓柱銑刀，直徑-mm，斜刀齒數(shù)3-4。工藝數(shù)據(jù)：主軸轉(zhuǎn)速150-190r/min，走刀速度40-60mm/min，每齒切厚為0.05-0.2mm，取0.1mm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)1.335m，約重220kg=2200N縱向（Z軸）工作臺(tái)約為450kg=4500N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)，然后帶動(dòng)銑床絲杠傳動(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)，也還有應(yīng)用滾珠絲杠來(lái)轉(zhuǎn)動(dòng)。原因是普通絲杠傳動(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)控銑床工作臺(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)有回路滾道是他的兩端連接起來(lái).使?jié)L珠從滾道的一端滾出后,沿著這個(gè)回路滾道從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)平穩(wěn),磨損小,無(wú)爬行現(xiàn)象等等.除此而外還有兩個(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)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)反向時(shí),可以沒有空程,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),而滾小,所以既能把旋轉(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),珠絲杠副由于傳動(dòng)的摩擦系數(shù)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.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4－1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）(b)圖4－1滾珠絲杠副螺紋滾道型面的截形（a）單圓??；（b）雙圓?。?）單圓弧型面一般滾道的圓弧半徑要比滾柱的半徑稍大一些。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，但不至于堵塞，反而對(duì)滾柱的滾動(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，滾道的圓弧半徑也同樣比滾柱的半徑稍大一些。我在設(shè)計(jì)中采用的是雙圓弧型面。滾珠的循環(huán)方式目前國(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)方式如圖所示為外循環(huán)方式，滾柱在循環(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，他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)方式滾柱在循環(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)。因此，我在本設(shè)計(jì)中采用的都是內(nèi)循環(huán)方式。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4.2.4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。雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后，能基本上消除軸向間隙。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?。但預(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)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)滾柱螺母相對(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，這樣滾柱螺母對(duì)于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對(duì)移動(dòng)是兩個(gè)螺母中的滾柱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。圖4－6齒差調(diào)隙式1——螺釘；2——圓柱齒輪；3——內(nèi)齒圓；4——定位銷；5——套筒。4.2.5銑削力的計(jì)算根據(jù)機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)高速鋼圓柱銑刀其參數(shù)按實(shí)際加工過(guò)程中平均銑削條件為準(zhǔn)則選取：——工件為碳鋼，取Z=4所以

對(duì)圓柱銑刀逆銑加工取P=1.1取取則：4.2.6強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌工作時(shí)的軸向力為：所以：壽命值取=1.2=1.1則最大動(dòng)負(fù)載Q=3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CD406，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：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)程變形總誤差為查表知選用F級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差為30，故剛度足夠。4.2.8效率計(jì)算則傳動(dòng)效率4.2.9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錐形夾緊機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算（X向）伺服電機(jī)的軸伸為光軸，采用錐形夾緊環(huán)與齒輪相連的方式比較方便。根據(jù)《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》選用電機(jī)軸直徑為，錐形環(huán)尺寸為d=35mm，D=40mm，L=7mm,l=6mm。計(jì)算過(guò)程如下：基本參數(shù)：克服間隙所需軸向力為：?jiǎn)挝唤佑|壓力所能傳遞的扭矩為：?jiǎn)挝粔毫λ璧妮S向力為：摩擦系數(shù)為所能傳遞的扭矩M=CM[P]式中——額定扭矩；——?jiǎng)虞d荷系數(shù)[P]為許用接觸壓力，[P]=10~15取為100~500MPC為系數(shù)C=為電機(jī)扭矩取K=6則[P]所需軸向力P=用螺栓拉緊套產(chǎn)生軸向力時(shí)，螺栓強(qiáng)度計(jì)算如下：螺栓強(qiáng)度計(jì)算公式取[]=0.4；n=6則由于安裝位置有限，若采用M6×1的螺栓則要求查表知，只能采用40Cr調(diào)質(zhì)處理才滿足要求。通過(guò)以上計(jì)算可知：（1）錐形夾緊環(huán)聯(lián)軸機(jī)構(gòu)必須進(jìn)行計(jì)算，否則如果軸向壓緊力太大，可能超過(guò)許用接觸應(yīng)力，造成零件的損壞，但如果軸向壓緊力太小，則可能造成聯(lián)軸的不可靠，使用中當(dāng)扭矩過(guò)大時(shí)發(fā)生“丟步”。（2）在考慮壓緊套時(shí)，要產(chǎn)生壓緊力的接觸面積并不大，因此壓緊套也應(yīng)該選用交好的材料制作，否則會(huì)因接觸壓力造成損壞。（3）為保證合適的軸向力，在禁錮壓緊套時(shí)，應(yīng)控制對(duì)螺栓施加的擰緊力矩。（4）也可采用帶螺紋的壓緊套，其強(qiáng)度比較容易滿足但制造困難。4.4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。彈簧材料選用碳素彈簧鋼絲二組每根彈簧的拉力為150~160N取力臂值為30毫米，則4根彈簧產(chǎn)生總扭矩值為：可抵抗的軸向力為13.57~14.48KN，能滿足加工中的需要。根據(jù)每根彈簧拉力，可選用，D=12B型5.5圈拉伸彈簧，其為最大工作載荷及螺距。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，掛鉤孔中心距為安裝尺寸計(jì)算：以彈簧單圈變形量為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。4.5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；m=ρπD2L/4；L柱體為長(zhǎng)度；ρ為材料密度，對(duì)鋼鐵體可取ρ=7.8×103kg·m2,因此可得式J=7.8πD2L/32×10-12當(dāng)D和L的單位取為mm時(shí)，J=7.8πD2L/32×10-12kg·m對(duì)于外徑D，內(nèi)徑d的圓環(huán)，J=7.8π(D4－d4)L/32×10-12kg·m2J=J=則折算到電機(jī)軸上的總慣量為：J=與電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量相比，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：可見，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配合適。4.6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1.4KW，零速額定轉(zhuǎn)矩17.6N；最大轉(zhuǎn)矩153.6-188.1N；最高轉(zhuǎn)速為1500；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量0.0186，重量36千克，靜摩擦力矩0.86N，反電視常數(shù)為0.57，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為0.57，理論角加速度為，電器時(shí)間常數(shù)為3.5，機(jī)械時(shí)間常數(shù)為15.2ms。熱時(shí)間常數(shù)為70min，計(jì)算電阻值為0.2655，實(shí)惻包括引線、接線端子和接觸電阻約為0.5，計(jì)算電感為0.93nH.說(shuō)明（1）本設(shè)計(jì)計(jì)算只是計(jì)算X軸、其他軸類似。（2）本機(jī)床在改造過(guò)程中，盡量減少對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)的改動(dòng)，充分利用原有的結(jié)構(gòu)零件，以減少改造的費(fèi)用和工作量。（3）本設(shè)計(jì)采用固定絲杠，轉(zhuǎn)動(dòng)螺母?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)的方案第5章零件的設(shè)計(jì)與計(jì)算5.1齒輪的設(shè)計(jì)與校核根據(jù)齒輪的一般設(shè)計(jì)原則，為了有利于提高精度，盡量減少傳動(dòng)級(jí)數(shù)，并且盡可能采用升速的傳動(dòng)比。本機(jī)床由于原機(jī)構(gòu)中絲杠安裝在工作臺(tái)滑鞍上，如果將直流伺服電機(jī)直接與絲杠連接，將簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，有利于精度的提高，減少轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，摩擦，磨損，損耗；但是由于電機(jī)很重，為了避免產(chǎn)生大的傾斜力，有為了使改造后的機(jī)床外觀造型協(xié)調(diào)和均衡，本設(shè)計(jì)不將X軸伺服電機(jī)直接裝在工作臺(tái)的滑鞍上，所以需要增加變速箱及相應(yīng)的傳動(dòng)級(jí)。由于滾珠絲杠隨工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，而伺服電機(jī)不隨該工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)，這樣，給運(yùn)動(dòng)的傳遞造成了困難。如果X軸運(yùn)動(dòng)是絲杠運(yùn)動(dòng)，螺母不動(dòng)，則傳動(dòng)齒輪與絲杠之間也需要相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)增加傳動(dòng)齒輪與絲杠之間的傳動(dòng)間隙，且不利于消除其間隙。本設(shè)計(jì)采用固定絲杠，旋轉(zhuǎn)螺母?jìng)鬟f運(yùn)動(dòng)的方案。由于伺服電機(jī)大，再加上支架等的影響，使一級(jí)傳動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)，為此在設(shè)計(jì)中采用二級(jí)傳動(dòng)。為了使絲杠的螺距值與數(shù)控裝置中可選擇的參數(shù)相匹配，并使傳動(dòng)性能較好，選擇了總減速比i=1.5.本機(jī)床改造中取i1=z2/z1=50/24,i2=z3/z2=36/50,i=i1×i2=(50/24)×（36/50）=1.5得以滿足。工作臺(tái)內(nèi)各齒輪的主要參數(shù)及材料列于表5-1中。齒輪齒數(shù)模數(shù)齒寬毫米變位系數(shù)材料硬度頂高系數(shù)壓力角253.5430.1640CrRC45-50120313.5280.1340CrRC45-50120183.5280.1940CrRC45-50120383.5250.140CrRC45-50120263.5280.1640CrRC45-50120303.5280.1640CrRC45-50120463200.1640CrRC45-50120213300.4540CrRC45-50120表5-1齒輪材料5.1.1Z、Z齒輪的強(qiáng)度校核1齒根彎曲疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算：（1）計(jì)算齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力式中：————被校核齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力————實(shí)驗(yàn)齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》圖8——13查得：————彎曲壽命系數(shù)，因兩齒輪得應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：次次（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖8——14查得）————尺寸系數(shù)（機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖8——15查得）————有效應(yīng)力集中系數(shù)，由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)圖8——16知：，所以（2）比較彎曲強(qiáng)度由圖《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》8——6查得齒形系數(shù)：，則有：因此齒輪彎曲強(qiáng)度弱。（3）計(jì)算彎曲工作應(yīng)力式中；————計(jì)算圓周力，而其中：————工作圓周力N————工作狀況系數(shù)，由《設(shè)計(jì)手冊(cè)》8——7查知————?jiǎng)虞d荷系數(shù)，因?yàn)?，由設(shè)計(jì)手冊(cè)圖8——4知————載荷分配系數(shù)，，時(shí)所以————載荷分布系數(shù)，因，故由圖8——5查得則；N————載荷作用系數(shù)————螺旋角系數(shù)————齒寬mm————模數(shù)所以（4）計(jì)算齒輪的彎曲疲勞安全系數(shù)可靠。2.齒面接觸疲勞強(qiáng)度驗(yàn)算（1）計(jì)算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力式中：————實(shí)驗(yàn)齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得：————壽命系數(shù)，由手冊(cè)8——18圖查知，————硬化系數(shù)取所以（2）計(jì)算接觸工作應(yīng)力式中：————材料系數(shù)，由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》表8——9查得：————節(jié)點(diǎn)系數(shù)，（圖8——10）————重合度系數(shù)（圖8——9）————齒數(shù)比則：（3）計(jì)算安全系數(shù)安全可靠.3短期過(guò)載強(qiáng)度校驗(yàn)計(jì)算取最大短期尖峰載荷是額定工作載荷得1.5倍.短期過(guò)載彎曲極限應(yīng)力,可知：最大得彎曲工作應(yīng)力為：短期過(guò)載彎曲強(qiáng)度安全系數(shù)；（安全）短期過(guò)載接觸極限應(yīng)力，根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表8——12知而最大接觸應(yīng)力為：短期過(guò)載接觸強(qiáng)度的安全系數(shù)為：（安全）5.1.2其他齒輪對(duì)的強(qiáng)度校核按上面的方法和步驟，對(duì)工作臺(tái)中的其他齒輪對(duì)可進(jìn)行類似的計(jì)算，現(xiàn)將其計(jì)算結(jié)果列于表5-2中供以參考。校核、齒輪對(duì)時(shí)。只計(jì)算短期過(guò)載時(shí)的安全系數(shù)，不計(jì)算疲勞強(qiáng)度，這是因?yàn)槭褂玫臅r(shí)間很多。表5-2齒輪校核齒對(duì)數(shù)項(xiàng)目1彎曲疲勞極限應(yīng)力298.7300——2接觸疲勞極限應(yīng)力11001100——3彎曲工作應(yīng)力141.2211——4接觸工作應(yīng)力628886.8——5短期過(guò)載彎曲強(qiáng)度極限應(yīng)力8109608106短期過(guò)載接觸強(qiáng)度極限應(yīng)力1858198218587最大彎曲應(yīng)力212.5253.53458最大接觸應(yīng)力768.597016109彎曲疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)2.041.42——10接觸疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)