CA6140車床數(shù)控化的改造【說(shuō)明書(shū)+CAD】

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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 I 目錄 摘 要 .I ABSTRACT.II 第一章 緒論 .1 1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢(shì) .1 1.1.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 .1 1.1.2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) .1 1.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) .1 1.2 普通機(jī)床數(shù)控改造的目的與意義 .2 1.2.1 微觀看改造的目的與意義 .2 1.2.2 宏觀看改造的目的與意義 .2 1.3 數(shù)控改造的研究?jī)?nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn) .3 1.3.1 國(guó)外改造業(yè)的興起 .3 1.3.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容 .3 1.3.3 機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn) .3 第二章 普通車床數(shù)改的總體方案 .4 2.1 總體方案 .4 2.1.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造 .4 2.1.2 主軸脈沖發(fā)生器 .5 2.1.3 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理 .5 第三章 車床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造 .7 3.1 滾珠絲杠螺母副 .7 3.1.1 滾珠絲杠副的工作原理、特點(diǎn)及類型 .7 3.1.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) .8 3.1.3 螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸 .8 3.1.4 絲杠副的循環(huán)方式 .9 3.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .10 3.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .10 3.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 .12 3.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計(jì)算 .15 3.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .18 3.3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 .18 II 3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 .19 3.3.2 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算 .21 3.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法 .22 3.5 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu) .24 3.5.1 支承結(jié)構(gòu) .24 3.6 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除 .25 3.6.1 采用減速箱的目的及注意事項(xiàng) .25 3.6.2 減少或消除空程的必要性和方法 .25 4.1 自動(dòng)刀架的分類 .26 4.2 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì) .26 第五章 數(shù)改 CA6140 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì) .28 5.1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式 .28 5.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 .28 5.2.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 .28 5.2.2 數(shù)改 CA6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 .29 5.2.3 數(shù)改 CA6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 .30 第六章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) .31 6.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 .31 6.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .31 6.2.1 硬件配置 .31 6.2.2I/O 口地址分配 .31 6.2.3 步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口電路 .32 6.2.4 方向控制 .32 結(jié) 論 .34 參考文獻(xiàn) .35 致 謝 .36 附錄 .37 1 第一章 緒論 1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢(shì) 1.1.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開(kāi)始了根本性變革，各工業(yè)發(fā) 達(dá)國(guó)家投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，提出了全新的制造模式。在 現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自 動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特 點(diǎn)，對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。 長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC 只能作為非智能 的機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器。加工過(guò)程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程 序在實(shí)際加工前用手工方式或通過(guò) CAD/CAM 及自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。 1.1.2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 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(kāi)放式閉環(huán)控制模式 1.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 當(dāng)前開(kāi)發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過(guò)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(guò)程閉環(huán)控制體系。 2 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(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(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)。 (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(zhǎng)時(shí) 間無(wú)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(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)。 1.2.2 宏觀看改造的目的與意義 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?息技術(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。 3 1.3 數(shù)控改造的研究?jī)?nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn) 1.3.1 國(guó)外改造業(yè)的興起 在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)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(guó)，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(guó)得寶公司已在中國(guó)開(kāi)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(duì)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(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新， 對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對(duì)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) 4 第二章 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(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。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(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，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(kāi)。分別由各自的電機(jī)來(lái)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(lái)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(lái)代替原機(jī)床 的光杠，并且采用單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)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 首先拆去進(jìn)給箱、溜板箱；還要對(duì)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(lái)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。 圖 2-1 數(shù)改 CA6140 車床總體方案示意圖 5 齒 輪圖 2- 車 螺 紋 及 控 制 電 路806PID光電隔離電路 主 軸 脈 沖發(fā) 生 器 主 軸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。 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(méi)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(wèn)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： 圖 23 主軸脈沖發(fā)生器示意圖 6 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(guò) 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(guò)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(guò)一個(gè)光闌狹縫，照在對(duì)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(guò)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。 7 第三章 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(wú)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(lái)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(wú)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。 圖 31 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 8 滾珠回路管道 b，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來(lái)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(wú)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(zhǎng)，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(chǎng)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(guó)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(guò)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(wú)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(jiǎn)易螺母型及方螺母型等； 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(guó)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(jiàn)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(jiǎn)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 32 滾珠絲杠副螺旋滾道型面的形狀 （a） 單圓弧 （b）雙圓弧 9 （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(duì)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(duì)滾珠的流動(dòng) 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(guò)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 33 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(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)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 10 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(kāi)有反 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(duì)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(kāi)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 34 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(kāi)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(duì)車床 改造來(lái)說(shuō)，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(lái)考 慮。一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向滾珠絲杠的左端。 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(cè)可知： maxhvpn （3-1） 11 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(duì)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(cè)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(cè)可知，切削功率 （3-cNK 2） 式中 N電機(jī)功率，查機(jī)床說(shuō)明書(shū)，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 又因?yàn)?（33）6120 vFzcvNcz 式中 切削線速度，取 =150m/min。v 主切削力 61204.8190.45ZFN0.1/psetp 12 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(cè)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 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： 13 max 1=150min120in.2nrri電 機(jī) 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，當(dāng)量轉(zhuǎn)速 ni 在 nmax 與 nmin 之間變化時(shí)： ； （3 maxini 6） 取 nmin 為 1r/min； 則： 1206.5/mini r niir； 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 。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(cè) 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 14 6243.10arctg ； 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： ； （310） 2d 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： ； （3/2cosWeRD 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(cè)中的滾珠標(biāo)準(zhǔn)系列選 DW=4mm； 45 15 則： 41.042.2.08WRDm ； /cos.cos450.7e m ；02402.72.83.9d ； 3.59.10.4Fc 因此： ； cmEPL6601 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 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(zhǎng)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(méi)有問(wèn)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?。?Z1=32； Z2=40； m=2； b=20mm； =20；a ； ；12364dmZ2408dmZ ； ；*8aah*aah 16 。 12648072dam (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： ； （312） 417.sDL 式中： 滾珠絲杠的公稱直徑； 絲杠長(zhǎng)度；D1 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： ； （3-max0fM 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： ； （30f 15） 2sZJJJi 17 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 ；4109.6aJnNmT 當(dāng) 時(shí)：mx ；axM ； min/3.8625.140max rPiVnh ；4ax2.3.9.71.9Nc 當(dāng) 時(shí)：tn ；atM ； min/17.4265.30214.310 rLfiDvfint ；426.43.7.5905at Nmc ； 002fFfWMihi 當(dāng) 時(shí)， 時(shí)：0.8h.16 ；950.451.223.48.2f Nmc ； 01PLMi 18 當(dāng) =0.9 時(shí)預(yù)加載荷 ，則：0 13bXPF2 200(1)95.470.6(.9)0.576.618xFLMNmci ；0.12382xt Nmci 所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩： max0fM =917.7+14.522+5.776=738.000Ncm； 切削時(shí)所需力矩： 0atftM =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)：maxM 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(jiǎn)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(lái)，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(shuō)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(cè)可知 ； （3-in VPhmax 16） 則： ； minV07.125.1max 19 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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 脈沖當(dāng)量： ；.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(duì)于燕尾型導(dǎo)軌： ； （3-()yZPKFfW 17） 取 K=1.4， =0.2；f 則： ；1.47.3602954.73091.248PN 壽命值： ；6 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： ； 7.105.3470pi 由于電機(jī)軸與滾珠絲杠之間是降速傳動(dòng) 則： 20 ;max 13509/minnVri電 ax 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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 ；2010 則： 。 3.926()(201)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2L:1L: 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(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)，故不再驗(yàn)算。 21 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./min4VnrL4axa.01.0.973.9.69625JMNcmT ；0 15.7/in3.43tnfi rDL主 ；42870.580.9.6at mc02.27N0.2873.1FfWMf mii 2 22121.907.2.60.439.81sZJJJ kgci 22 2 20047.360.11.90.4.014685.2.YtFLMNcmi Ncm 所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩： 切削時(shí)需max09.7380.14.610.fMNc 力矩： 快速0.52.2.392.att m 進(jìn)給時(shí)所需力矩： 。0.87.140.34.1f Nc 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(duì)本身單一 方面的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度有要求外，對(duì)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(guò)改變墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。這種結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)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。 圖 35 雙螺母墊片式結(jié)構(gòu)圖 2螺帽調(diào)隙式 23 圖 36 所示為利用螺帽來(lái)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(duì)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 36 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(kāi)內(nèi)齒圈，使兩個(gè)螺母同向轉(zhuǎn)過(guò)相同的齒數(shù)，然后再合上內(nèi)齒圈。兩 螺線的軸向相對(duì)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 37 雙螺母齒差式結(jié)構(gòu)圖 24 一個(gè)螺母轉(zhuǎn)過(guò) 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(guò) n 個(gè)齒時(shí)，其兩螺母間相對(duì)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(guò)盈預(yù)緊方式。 3.5 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu) 3.5.1 支承結(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(zhǎng)時(shí)，一端裝止推軸承固定，另一端由深溝球軸承支承。 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(duì)熱伸長(zhǎng)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。 25 圖 38 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(lái)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(guò)程中我們采用減速齒輪來(lái)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(duì)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(duì)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 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(guò)程中只能 采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)不能對(duì)車床的誤差進(jìn)行修改，所以只能通過(guò)機(jī)械的方 式對(duì)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(lái)達(dá)到消隙的目的，通常將一對(duì)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。 26 第四章 數(shù)改 CA6140 自動(dòng)刀架設(shè)計(jì) 在零件的加工制造過(guò)程中，大量的時(shí)間用于更換刀具，裝卸、測(cè)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(lái)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(duì)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(kù)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(guò)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(guò)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(kāi)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 當(dāng)?shù)都荏w抬至一定距離后，端面齒脫開(kāi)，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(kāi)時(shí)，轉(zhuǎn)位套正好轉(zhuǎn)過(guò) 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(kāi)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。 27 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。 圖 41 自動(dòng)轉(zhuǎn)位六方刀架 28 第五章 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(duì)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(duì)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(duì)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(wèn)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(guò)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(duì)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)子從任意 位置開(kāi)始，經(jīng)過(guò)任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，用積累 誤差衡量精度比較實(shí)用。所選用的步進(jìn)電機(jī)應(yīng)滿足： （5-Qi 2） 式中： 步進(jìn)電機(jī)的積累誤差；m 系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分允許的角度誤差。s 29 （3） 轉(zhuǎn)距 為了使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步） ，正常啟動(dòng)并滿足對(duì)轉(zhuǎn)速的要 求，必須考慮： （4） 啟動(dòng)力矩 一般啟動(dòng)力矩選取為： （5-3） 0.35LM: 式中： 電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩；q 電動(dòng)機(jī)靜負(fù)載力矩。0L 在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動(dòng)機(jī)的靜載力矩與電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（包括負(fù)載的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）引起的慣性矩之和。 （5）啟動(dòng)頻率 由于步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的增大而降低，因此相 應(yīng)負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的極限啟動(dòng)頻率應(yīng)滿足： （5-topmf 4） 式中： 極限啟動(dòng)頻率；tf 要求步進(jìn)電機(jī)最高啟動(dòng)頻率；opm 5.2.2 數(shù)改 CA6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定0938.716.5LqMNcm 為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知： ；/.6qjm 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距 為：jmM1876.2.460.qjmMNc 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率： axma40.6.1pvf Hz 30 綜合考慮，查表選用 130BF003 型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足要求。 5.2.3 數(shù)改 CA6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定01.6203.5LqMNcm 為了滿足最小步距要求，電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查表知： ；/.8qjm 所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)距 為：jmM203.4.67.86qjmMNc 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率： axma .0.05pvf Hz 綜合考慮，查表選用 110BF003 型直流步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，能滿足要求。 31 第六章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 6.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 CPU 選用 ATMEL 公司的 8 位單片機(jī) AT89S52；由于 AT89S52 本身資源有 限，所以擴(kuò)展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用作程序存儲(chǔ)器，存放系統(tǒng)底層程 序；擴(kuò)展了一片 SRAM 芯片 6264 用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，存放用戶程序；鍵盤與 LED 顯示采用 8279 來(lái)管理；輸入 /輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口 8255 芯片，一 些進(jìn)/出的信號(hào)均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于 DAC0832；與 PC 機(jī)的 串行通信經(jīng)過(guò) MAX233 芯片。 6.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 6.2.1 硬件配置 根據(jù)功能要求等，硬件配置有 AT89S52 單片機(jī)、 擴(kuò)展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用作程序存儲(chǔ)器、擴(kuò)展了一片 SRAM 芯片 6264 用作數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、輸 入/輸出口的擴(kuò)展選用了并行接口 8255 芯片 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編 程 Flash 存儲(chǔ)器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程， 亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使 得 AT89S52在眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。 6264的容量為8KB，是28引腳雙列直插式芯片，采用 CMOS 工藝制造 A12A0（address inputs）：地址線，可尋址8KB 的存儲(chǔ)空間。 D7D0（data bus）：數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)。 （output enable）：讀出允許信號(hào)， 輸入，低電平有效。 （write enable）：寫允許信號(hào)，輸入，低電平有效。 （chip enable）：片選信號(hào)1，輸入，在讀/寫方式時(shí)為低電平。CE2（chip enable）： 片選信號(hào)2，輸入，在讀/寫方式時(shí)為高電平。 VCC ：+5V 工作電壓。 GND：信號(hào)地。 8255是 Intel 公司生產(chǎn)的可編程并行 I/O 接口芯片，有3個(gè)8位并行 I/O 口。 具有3個(gè)通道3種工作方式的可編程并行接口芯片（40引腳） 。 其各口功能可由 軟件選擇，使用靈活，通用性強(qiáng)。8255可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時(shí)的中間 接口電路。 8255作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機(jī)相連的3個(gè) 總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時(shí)必須具有與外設(shè)連接的接口 A、B、 C 口。由于 8255可編程 ,所以必須具有邏輯控制部分，因而8255內(nèi)部結(jié) 構(gòu)分為3個(gè)部分：與 CPU 連接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。 6.2.2I/O 口地址分配 32 根據(jù)設(shè)計(jì)電路圖連接情況，可以計(jì)算出主板中存儲(chǔ)器與 I/O 芯片的地址分 配如表格 7-1。 表 7-1 I/O 芯片地址分配 6.2.3 步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口電路 由于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大，所以微型機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的連接都需要專門 的接口及驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動(dòng)器。 總之，只要按一定的順序改變 8713 脈沖分配器的 13 腳15 腳三位通電的 狀況，即可控制步進(jìn)電機(jī)依選定的方向步進(jìn)。由于步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)功率較大， 可在微型機(jī)與驅(qū)動(dòng)器之間增加增加一級(jí)光電隔離器（一是抗干擾，二是電隔離） 以防強(qiáng)功率的干擾信號(hào)反串進(jìn)主控系統(tǒng)。電路圖如圖 7-2 所示。 圖 7-2 光電隔離電路 6.2.4 方向控制 步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。三相六拍，通電順序?yàn)椋?正轉(zhuǎn)： AABBBC CCA 反轉(zhuǎn)：AACCCB BBA 改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 33 通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配：所謂硬件法實(shí)際上就是使用脈沖分配器 8713，來(lái) 進(jìn)行通電換向控制。 8713 是屬于單極性控制，用于控制三相和四項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)，我們選擇的是三 相六拍工作方式。8713 可以選擇單時(shí)鐘輸入或雙時(shí)鐘輸入，具有正反轉(zhuǎn)控制、 初始化復(fù)位、工作方式和輸入脈沖狀態(tài)監(jiān)視等功能，所有輸入端內(nèi)部都設(shè)有斯 密特整形電路，提高抗干擾能力，使用 418V 直流電源，輸入電流為 20mA。 本例選用單時(shí)鐘輸入方式，如圖 7-3 所示。 圖 7-3 脈沖分配器電路 由于采用了脈沖分配器，單片機(jī)只需提供步進(jìn)脈沖，進(jìn)行速度控制和轉(zhuǎn)向控 制，脈沖分配的工作交給 8713 來(lái)自動(dòng)完成，因此 CPU 的負(fù)擔(dān)減輕。 34 結(jié) 論 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，我國(guó)的機(jī)床數(shù)控化在近十年來(lái)有了很大的發(fā)展， 而普通機(jī)床的數(shù)控化改造后在滿足完成同樣的加工任務(wù)的前提下，可大大降低 技術(shù)改造的投資經(jīng)費(fèi)，在實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用?；趯?duì) CA6140 普通車床進(jìn)行 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造設(shè)計(jì)過(guò)程中，我認(rèn)為普通機(jī)床的數(shù)控改造具有很多的優(yōu)點(diǎn)、必 要性及其良好的發(fā)展趨勢(shì)。 全功能的數(shù)控系統(tǒng)雖然功能豐富，但成本高，我國(guó)的一般中小企業(yè)購(gòu)置困 難，但是中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，希望對(duì)原有機(jī)床進(jìn)行改造，進(jìn)行數(shù)控化、 自動(dòng)化、以提高生產(chǎn)效率。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實(shí)的生產(chǎn)實(shí)際，我 國(guó)的國(guó)情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價(jià)格。目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)