CA6140車床數(shù)控化的改造【說明書+CAD】

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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 .1 1.1.1 國內(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 .1 1.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) .1 1.2 普通機床數(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)控改造的研究內(nèi)容及優(yōu)缺點 .3 1.3.1 國外改造業(yè)的興起 .3 1.3.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容 .3 1.3.3 機床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點 .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 主傳動系統(tǒng)和進給系統(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 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 .10 3.2.1 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 .10 3.2.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 .12 3.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計算 .15 3.3 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 .18 3.3.1 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 .18 II 3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 .19 3.3.2 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算 .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 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 .25 3.6.1 采用減速箱的目的及注意事項 .25 3.6.2 減少或消除空程的必要性和方法 .25 4.1 自動刀架的分類 .26 4.2 自動刀架的設(shè)計 .26 第五章 數(shù)改 CA6140 步進電機的設(shè)計 .28 5.1 步進電機的工作方式 .28 5.2 步進電機的選擇 .28 5.2.1 步進電機選用的基本原則 .28 5.2.2 數(shù)改 CA6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 .29 5.2.3 數(shù)改 CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 .30 第六章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 .31 6.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 .31 6.2 單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計 .31 6.2.1 硬件配置 .31 6.2.2I/O 口地址分配 .31 6.2.3 步進電機與微型機的接口電路 .32 6.2.4 方向控制 .32 結(jié) 論 .34 參考文獻 .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 1.1.1 國內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開始了根本性變革，各工業(yè)發(fā) 達國家投入巨資，對現(xiàn)代制造技術(shù)進行研究開發(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、計算機、信息處理、自 動檢測、自動控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動化等特 點，對制造業(yè)實現(xiàn)柔性自動化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。 長期以來，我國的數(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 的機床運動控制器。加工過程變量根據(jù)經(jīng)驗以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程 序在實際加工前用手工方式或通過 CAD/CAM 及自動編程系統(tǒng)進行編制。 1.1.2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 1. 性能發(fā)展方向 (1) 高速高精高效化 (2) 柔性化 (3) 工藝復(fù)合性和多軸化 (4) 實時智能化 2. 功能發(fā)展方向 (1) 用戶界面圖形化 (2) 科學計算可視化 (3) 插補和補償方式多樣化 (4) 內(nèi)裝高性能 PLC (5) 多媒體技術(shù)應(yīng)用 3. 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 (1) 集成化 (2) 模塊化 (3) 網(wǎng)絡(luò)化 (4) 通用型開放式閉環(huán)控制模式 1.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 當前開發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化 新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)將計算機智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、 CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真 等高新技術(shù)融于一體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系。 2 1.2 普通機床數(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)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性 均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計算 機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應(yīng)該運動的運動 量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 (2) 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提 高 37 倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來， 然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個 程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化， 故被稱為實現(xiàn)了柔性自動化 。 (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 ) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 (5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時 間無人看管加工。 由以上五條派生的優(yōu)點： (1)降低了工人的勞動強度； (2)節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床） ； (3)減少了工裝；縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期； (4)可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床 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 算機集成制造系統(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 化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 1.2.2 宏觀看改造的目的與意義 由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化） ， 最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信 息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后 20 年。如我國機床擁有量中，數(shù)控 機床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已達 20.8， 因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必 要性。 3 1.3 數(shù)控改造的研究內(nèi)容及優(yōu)缺點 1.3.1 國外改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)， 生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個永 恒 的課題。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（ Remanufacturing）業(yè)。從事再 生業(yè)的著名公司有：Bertsche 工程公司、ayton 機床公司、Devlieg-Bullavd（得 寶）服務(wù)集團、US 設(shè)備公司等。美國得寶公司已在中國開辦公司。在日本，機 床改造業(yè)稱為機床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程 集團、崗三機械公司、千代田工機公司、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 機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點： （1）恢復(fù)原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復(fù)； （2）NC 化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機床、 CNC 機床； （3）翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新， 對機械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最 新 CNC 進行更新； （4）技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技 術(shù),在原有基礎(chǔ)上進行較大規(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 機床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點 1. 減少投資額、交貨期短 2. 機械性能穩(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)濟型數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時，基本原則是滿足使用要 求的前提下，對機床的改動盡可能少，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，確定總體方案為： 采用微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由 I/O 接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪減速后， 帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動。如圖 21 所示。 2.1.1 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造 CA6140 型普通車床的主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)都由主軸電機控制，而改造后 的車床則把主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的運動分離開。分別由各自的電機來控制， 但是為保證車床在車螺紋時主傳動運動與進給運動之間的聯(lián)系，所以在拆掉進 給系統(tǒng)的同時，必須在主軸上安裝一個脈沖發(fā)生器，來實現(xiàn)主軸傳動和進給運 動之間的聯(lián)系。同時，為了提高機床的精度和效率，用滾珠絲杠來代替原機床 的光杠，并且采用單獨的步進電機來控制。這樣不僅提高了機床的性能和精度， 還提高了機床的使用性能。 1. 機械部分的改造 首先拆去進給箱、溜板箱；還要對車床的床鞍進行部分的改造，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)動的步進電機來控制。 2. 刀架的改造 CA6140 普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的性能和精度的要求。所以， 必須要換成數(shù)控自動刀架。 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，以實現(xiàn)造價低廉。 經(jīng)濟方便的要求。所以在改造時，仍然保留原有的主傳動系統(tǒng)，只是為了在車 螺紋時保證主運動與進給運動的聯(lián)系，在原床頭 X 軸輸出端上安裝一個脈沖發(fā) 生器，發(fā)生脈沖以使步進電機準確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進給運動，從而完 成車削螺紋的動作，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，為了得到符合加工要求的螺距，就必須保證主軸和進給之間的聯(lián) 系。但是，在數(shù)改后的車床上，由于主軸的運動與進給運動之間沒有機構(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 電機準確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進給運動，這樣既可以解決了主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)， 車刀進給一個螺距的動作的問題，進而在單片機系統(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 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 個條兩組。當平行光束經(jīng)過光柵盤時， 在光柵盤的另一面就產(chǎn)生明暗光帶，這光帶通過一個光闌狹縫，照在對應(yīng)的光 敏管上，從而產(chǎn)生光電脈沖信號，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)一個脈沖；1024 條紋的一組通過光欄上兩個相位差 /4 間 距的狹縫，產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn) 1024 個脈沖組相差為 /4 的脈沖序列，供給微機處理， 借以判斷主軸正、反轉(zhuǎn)，且可以從 1024 個脈沖中均勻地取出 F 個脈沖，作為中 斷信號控制插補速度，實現(xiàn) F 進給控制的目的。 7 第三章 床進給系統(tǒng)的數(shù)控化改造 數(shù)控機床的傳動裝置是指將電動機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整 個機械傳動鏈及其附屬機構(gòu)。包括齒輪減速器、絲杠螺母副、導(dǎo)軌、工作臺等。 為確保數(shù)控機床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計機械傳動裝置時， 通常提出了無間隙、低磨擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率能及有適宜的阻尼 比的要求。為了達到這些要求，采取主要措施如下： （1）盡量采用低摩擦的傳動，如采用靜壓導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌和滾動絲杠等， 以減少摩擦力。 （2）選用最佳的降速比，以達到提高機床分辨率，使工作臺盡可能大地加 速，以達到跟蹤指令，系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)動慣量盡量小的要求。 （3）縮短傳動鏈以及預(yù)緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度。如采用大扭矩寬調(diào) 速的直流電機與絲杠直接聯(lián)接，應(yīng)用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾動絲杠副，絲杠 支承設(shè)計成兩端軸向固定的，并可用預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等辦法來提高傳動系統(tǒng)的剛 度。 （4）盡量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸器 （如用加錐銷固定的聯(lián)軸套，用鍵加頂絲緊固的聯(lián)軸套以及用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓 性聯(lián)軸器等） ，采用有消除間隙措施的傳動副等。 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為滾動體的螺旋傳動元件，它以滾珠的滾 動代替絲桿螺母副中的滑動，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，當它們套裝在 一起時便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動，并經(jīng)回 珠管作周而復(fù)始的循環(huán)運動?；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)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或者將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。因此， 滾珠絲杠副既是傳動元件，也是直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(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、特點及類型 弧形的螺旋槽，當它們套裝在一起時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構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道，滾道內(nèi) 裝滿滾珠。當絲杠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動。因而迫使螺母（或絲杠） 軸向移動。 滾珠絲杠副的特點是： （1）磨擦損失小、傳動效率高，高達 0.920.96（滑動絲杠為 0.20.40） 。 （2）螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，傳動精度高、剛性好。 （3）磨擦阻力小，且?guī)缀跖c運動速度無關(guān)，動靜磨擦力之差極小，不易產(chǎn) 生低速爬行現(xiàn)象，保證了運動的平穩(wěn)性。 （4）磨損小，壽命長，精度保持性好。 （5）不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也能將直線 運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，可滿足一些特殊要求的傳動場合，但當立式使用時，應(yīng) 增加制動裝置。 （6）工藝復(fù)雜，成本高。 國產(chǎn)的標準滾珠絲杠副分為兩類：定位滾珠絲杠副（P 類） ，即通過旋轉(zhuǎn)角 度和導(dǎo)程控制軸向位移量的滾珠絲杠副；傳動滾珠絲杠副（T 類） ，即與旋轉(zhuǎn)角 度無關(guān)，用于傳遞動力的滾珠絲杠副。 此外，滾珠絲杠副通常還可根據(jù)其特征進行分類，如按制造方法的不同分 為普通滾珠絲杠副和滾軋滾珠絲杠副；按螺母類型式分為單側(cè)法蘭盤單螺母型、 雙法蘭盤雙螺母型、圓柱雙螺母型、圓柱單螺母型、簡易螺母型及方螺母型等； 按螺旋滾道型面分為單圓弧面和雙圓弧面；按滾珠的循環(huán)方式分為：外循環(huán)和 內(nèi)循環(huán)式。 3.1.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) 目前國內(nèi)外生產(chǎn)的滾珠絲杠副，盡管在結(jié)構(gòu)上各種各樣，其主要區(qū)別是在 螺旋滾道型面的形狀、滾珠的循環(huán)方式以及軸向間隙的調(diào)整和預(yù)加載的方法等 方面。 3.1.3 螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸 螺旋滾道型面（即滾道法向截形）的形狀有多種，常見的截形有單圓弧面 和雙圓弧型面兩種。圖 32 為螺旋滾道型面的簡圖，圖中鋼球與滾道表面接觸 點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。對于單弧型面的螺紋滾道，接觸角 是隨軸向負荷 F 的大小而變化。當 F=0 時，=0 ，承載后，隨 F 的增大， 的大小由接觸變形 的大小決定。當接觸角 增大后，傳動效率 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)相切的兩點接觸， 接觸角 不變。兩圓弧交接處有一小空隙，可容納一些臟物。這對滾珠的流動 有利。 單圓弧型面，接觸角 是隨負載的大小而變化，因而軸承剛度和承載能力 也隨之而變化，應(yīng)用較少。雙圓弧型面，接觸角選定后是不變的，應(yīng)用較廣。 3.1.4 絲杠副的循環(huán)方式 常用的循環(huán)方式有兩種：滾珠在循環(huán)過程中有時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孔內(nèi)， 引導(dǎo)滾珠 4 構(gòu)成循環(huán)回路。特點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。但徑向尺寸較大，彎 管端部容易磨損。若不用彎管，在螺母 3 的兩個孔內(nèi)裝上反向器，引導(dǎo)滾珠通 過螺母外表面的螺旋凹槽形成滾珠循環(huán)回路，則稱為螺旋槽式，其徑向尺寸較 小，工藝也較簡單。外循環(huán)式使用較廣，其缺點是滾道接縫處很難做得平滑， 影響滾珠滾動的平穩(wěn)性。 （2）內(nèi)循環(huán) 內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(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，以保證對準螺紋滾道方 向。圖 34(b) 為扁圓鑲塊反向器，反向器為一半圓頭平鍵形鑲塊，鑲塊嵌入 螺母的切槽中，其端部開有反向槽 3，用鑲塊的外廓定位。兩種反向器比較，后 者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的 外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。 圖 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。 由于滾珠在進入和離開循環(huán)反向裝置時容易產(chǎn)生較大的阻力，而且滾珠在 反向通道中的運動多屬前珠扒后珠的滑移運動，很少有“滾動” ，因此滾珠在反 向裝置中的摩擦力矩 M 反在整個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 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造一般是步進電機經(jīng)減速驅(qū)動絲杠，螺母固定在溜板 箱上，帶動刀架左右移動。步進電機的布置，可放在絲杠的任意一端。對車床 改造來說，外觀不必像產(chǎn)品設(shè)計要求的那么高，而從改造方便，實用方面來考 慮。一般都把步進電機放在縱向滾珠絲杠的左端。 3.2.1 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 電機初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進給速度 Vmax=4m/min 根據(jù)機械設(shè)計手冊可知： maxhvpn （3-1） 11 為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 mm；hP Vmax絲杠的最大移動速度 mm/min； nmax絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速 r/min； i傳動比則： 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械設(shè)計手冊中查到 Ph， 選 Ph=6mm。 已知條件： 工作臺重量： 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 脈沖當量 快速進給速度： =4m/minmaxV 切削力計算 由機床設(shè)計手冊可知，切削功率 （3-cNK 2） 式中 N電機功率，查機床說明書，N=7.5kw； 主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 0.6-0.7 取 =0.65； K進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=0.96。 則：N c=7.5 0.65 0.96=4.68kw 又因為 （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） ； 進給量（mm/r） ；paf 總修正系數(shù)； FZK 從機床設(shè)計手冊中可得知，在一般外圓車削時： (0.16)XZF(0.15.7)YZF ?。?.5.9.4.2XZ 061056YF 3.2.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 根據(jù)經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計可知，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為工作臺的重量；f K考慮顛覆力矩影響的實驗系數(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）計算： 壽命值： 6 01iinTL (3-5) 為滾珠絲杠當量轉(zhuǎn)速； 使用壽命時間（h） ；in i 由以上條件，可以確定步進電機與滾珠絲杠齒輪之間的傳動比： 0.7561.236FLi 由于電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動，所以滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為： 13 max 1=150min120in.2nrri電 機 由機械設(shè)計手冊可知，當量轉(zhuǎn)速 ni 在 nmax 與 nmin 之間變化時： ； （3 maxini 6） 取 nmin 為 1r/min； 則： 1206.5/mini r niir； 則： = (轉(zhuǎn))6 0150Li641 最大動負載： (3-7)3iWHQLPf 其中： P滾珠絲杠的軸向力； 壽命值；i 運動系數(shù)； 硬度系數(shù)；Wf Hf 從經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計表中可查到： =1.2 ； =1；則： WfHf 。35401.25.419.58QN 根據(jù)最大動負載荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號?？稍?機械計手冊 中查到適合的滾珠絲杠。型號為 CMFZD40063.53 額定動載荷 18，800N， 所以強度足夠用。 (2) 效率計算 根據(jù)機械原理的公式，絲杠螺母副的傳動效率 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 ； 滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) f=0.0030.004,其中摩擦角 可計算為： 12rtf 則： 。 93.0)214(tg (3) 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 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)機械設(shè)計手冊中的滾珠標準系列選 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 級精度滾珠絲杠允許的螺距誤差（1 米）長為 19 ，故剛/um 度夠用。 (4) 穩(wěn)定性驗算 由于滾珠絲杠兩端采用固定支承，所以穩(wěn)定性沒有問題。 3.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計算 (1) 有關(guān)齒輪計算 傳動比 ：i ； 25.10.3670pLi 故?。?Z1=32； Z2=40； m=2； b=20mm； =20；a ； ；12364dmZ2408dmZ ； ；*8aah*aah 16 。 12648072dam (2) 轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： ；2222180180.()()95.5.347pJWkgmkgc 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： ； （312） 417.sDL 式中： 滾珠絲杠的公稱直徑； 絲杠長度；D1 則： 4 227.81059.9.5sJkgcmkgc 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： ；4 21.6.2.17z ；278039zJkgc 電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略。 因此，總轉(zhuǎn)動慣量： （3-13）221(9.563.)2.175.64.3. kgcm (3) 所需轉(zhuǎn)動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩： ； （3-max0fM 14） 最大切削負載時所需力矩： ；0atftM 快速進給時所需力矩： ； （30f 15） 2sZJJJi 17 式中： 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；maxM 折算到電機軸上的摩擦力矩；f 由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩；0 切削時折算到電機軸上的加速度力矩；at 折算到電機軸上的切削負載力矩；tM ；4109.6aJnNmT 當 時：mx ；axM ； min/3.8625.140max rPiVnh ；4ax2.3.9.71.9Nc 當 時：tn ；atM ； min/17.4265.30214.310 rLfiDvfint ；426.43.7.5905at Nmc ； 002fFfWMihi 當 時， 時：0.8h.16 ；950.451.223.48.2f Nmc ； 01PLMi 18 當 =0.9 時預(yù)加載荷 ，則：0 13bXPF2 200(1)95.470.6(.9)0.576.618xFLMNmci ；0.12382xt Nmci 所以，快速空載啟動所需力矩： max0fM =917.7+14.522+5.776=738.000Ncm； 切削時所需力矩： 0atftM =15.7+1.4522+0.5776+9.12=26.85Nm=268.5Ncm； 快速進給時所需力矩： M=Mf+M0=1.4522+0.5776=2.0298Nm=202.98Ncm； 由上分析計算可知，所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動時：maxM Mmax=738.000Ngcm。 3.3 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 經(jīng)濟型數(shù)控改造的橫向進給的設(shè)計比較簡單，一般是步進電機經(jīng)減速后驅(qū) 動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電 機和機床和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。 3.3.1 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 由于橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似，所用到的公式不在詳細說明， 只計算結(jié)果。 電機初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進給速度 =2 。maxV/in 根據(jù)機械設(shè)計手冊可知 ； （3-in VPhmax 16） 則： ； minV07.125.1max 19 根據(jù)機械設(shè)計手冊可查到滾珠絲杠的標準系列，初選 。4hPm 已知條件如下： 工作臺重量： ； 30WN 脈沖當量： ；.5/mstep 步距角： ；7/at 進給速度： ；max2inV 滾珠絲杠基本導(dǎo)程： ；04L 滾珠絲杠行程： ；65S (1) 削力計算 橫向進給量為縱向的 ，取 ，則切削力約為縱向的 ： 12312 ； 90.45.7ZFN 在切斷工件時： ；.5.2.36yZ 3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 (1) 強度計算 對于燕尾型導(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，可以確定步進電機與滾珠絲杠齒輪傳動比： ； 7.105.3470pi 由于電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動 則： 20 ;max 13509/minnVri電 ax 由機械設(shè)計手冊可知，當量轉(zhuǎn)速 在 之間變化時：Vaxmin與 ； maxin2 取 為 時， ；取 ；inV1/ir450./inmVr450/imr 因此： ；66 01iiTL 根據(jù)經(jīng)濟型數(shù)控機床可知，最大動負載為： 。 33459.28.16.42iWHQPf N 根據(jù)最大負載 Q 值，可選擇滾珠絲杠的型號,外循環(huán)插管埋入式雙螺母預(yù)緊 式的滾珠絲杠，型號為 20042.53 左，其中額定動載荷為 14200N，所以強度 夠用。 (2) 效率計算 經(jīng)計算螺旋升角 ，摩擦角 ；2010 則： 。 3.926()(201)tgt (3) 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 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 級精度絲杠允許的螺距誤差（1m）為 15 ，故剛度足夠。/um (4) 穩(wěn)定性 由于選用的滾珠絲杠的直徑與絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固 定，一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?，所以穩(wěn)定性增強，故不再驗算。 21 3.3.2 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算 (1) 有關(guān)齒輪計算 傳動比： ； 0.7541.673603pLi 故?。?， ， ， ， ， ，18Z22mb20a136dm ， ， ， 。260d140ad64ad8 (2) 轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： ； 222180180.530.49347pJWkgcm 絲杠轉(zhuǎn)動慣量： ；4 27.80.26.9sJkgc 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： ；421.3.0.Z m ；278062Jkgc 電機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此轉(zhuǎn)動慣量為： (3) 所需轉(zhuǎn)動力矩計算 ； 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，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩： 切削時需max09.7380.14.610.fMNc 力矩： 快速0.52.2.392.att m 進給時所需力矩： 。0.87.140.34.1f Nc 從上計算可，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速進給啟動時： 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，是指負載時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 動剛度和傳動精度，尤其是反向傳動精度。因此，滾珠絲杠副除了對本身單一 方面的進給運動精度有要求外，對其軸向間隙也有嚴格的要求。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。基本原 理是使兩個螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。 1墊片調(diào)隙式 圖 35 所示結(jié)構(gòu)。是通過改變墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。這種結(jié) 構(gòu)簡單可靠、剛性好，但調(diào)整費時，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 所示為利用螺帽來實現(xiàn)預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，兩個螺母以平鍵與外套相聯(lián)， 鍵可限制螺母在外套內(nèi)移動，其中右邊的一個螺母外伸部分有螺紋。用兩個鎖 緊螺帽 1、2 能使螺母相對絲杠作軸向移動。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)緊時脫開內(nèi)齒圈，使兩個螺母同向轉(zhuǎn)過相同的齒數(shù)，然后再合上內(nèi)齒圈。兩 螺線的軸向相對位置發(fā)生變化從而實現(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 一個螺母轉(zhuǎn)過 n 個齒時則其軸向位移量為 （Ph 為絲杠導(dǎo)程，Z1 為1 hnsPZ 齒輪齒數(shù)） 。如兩齒輪沿同方向各轉(zhuǎn)過 n 個齒時，其兩螺母間相對軸向位移量 （Z2 為另一齒輪齒數(shù)）或 。例如： 2112hhZPsZ 12hsZnP 當 n=1，Z1=99 ，Z2=100， ,即兩個螺母在軸向產(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)整準確可靠，精度較高。 除上述三種雙螺母加預(yù)緊力的方式外，還有單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊和單螺母 鋼球過盈預(yù)緊方式。 3.5 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu) 3.5.1 支承結(jié)構(gòu) 為了高偉動剛度，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)控機床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降 臺式數(shù)控銑床的垂直坐標中。 （2）一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定支承式） 如圖 3 8(b)所示。滾珠絲杠較長時，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)遠離熱源（如液壓馬達） 。 （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，有助于提高傳動剛度。但這種安裝方式對熱伸長較為敏感。 （4）兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定固定式） 如圖 38(d) 所示。為了提高剛度，絲杠兩端采用雙重支承，如止推軸承和深溝球軸承，并 施加預(yù)緊力。這種結(jié)構(gòu)方式可使絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為止推軸承的預(yù)緊力。 25 圖 38 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu) 3.6 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 3.6.1 采用減速箱的目的及注意事項 為了保證步進電機的啟動性能，要特別考慮負載慣性矩。當所帶負載的慣 性矩增大時，由于步進電機是按電磁鐵吸力原理來動作，所以當慣性矩增大到 某一值時，就會使步進電機產(chǎn)生擅動就會產(chǎn)生啟動不良效果，所以，使用步進 電機時盡量選小的負載。在本次設(shè)計過程中我們采用減速齒輪來聯(lián)結(jié)滾珠絲杠 和步進電機，以達到改變慣性矩的目的。 同時，應(yīng)該盡可能地消除配對齒輪之間的間隙，否則就會產(chǎn)生使運動滯后 的指示信號的誤差，對加工件的精度就會產(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)控機床的傳動精度，除了機床的幾何精度、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)計改造過程中只能 采用開環(huán)系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)不能對車床的誤差進行修改，所以只能通過機械的方 式對其各部分傳動誤差進行修改。 2. 消除方法 本次設(shè)計采用雙片齒輪來達到消隙的目的，通常將一對齒輪的從動齒制成 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 自動刀架設(shè)計 在零件的加工制造過程中，大量的時間用于更換刀具，裝卸、測量和搬運 零件等非切削時間上，切削加工時間僅占整個工時中較小的比例。數(shù)控機床要 提高效率的重要內(nèi)容之一，就是要縮短非切削時間。為此，近年來帶有自動換 刀裝置的數(shù)控機床（加工中心）得以迅速的發(fā)展。自動換刀裝置已廣泛用于各 種多工序數(shù)控機床，臺鏜床、銑床、車床及組合機床等。使用這種裝置，不僅 提高了機床的生產(chǎn)效率，擴大了單功能數(shù)控機床的使用范圍，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。 自動換刀數(shù)控機床上，對自動換刀裝置的基本要求是：換刀時間短、刀具 重復(fù)定位精度高、足夠的刀具存儲量、刀庫占地面積小及安全可靠等。 4.1 自動刀架的分類 1.螺旋轉(zhuǎn)位刀架 2.十字槽輪轉(zhuǎn)位刀架 3.凸臺棘爪式轉(zhuǎn)位刀架 4.2 自動刀架的設(shè)計 從自動轉(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 自動完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊這樣一系列的動作，下面是數(shù) 改 CA6140 車床自動刀架的工作過程如下： 1.刀架抬起 當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，步進電機啟動正轉(zhuǎn)，通過平鍵套筒聯(lián)軸器使 蝸桿軸 1 轉(zhuǎn)動，從而帶動蝸輪 2 轉(zhuǎn)動。蝸輪與轉(zhuǎn)軸連接在一起，因此一起轉(zhuǎn)動， 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。當蝸 輪開始轉(zhuǎn)動時，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，因此這時刀架體 7 抬起。 2.刀架轉(zhuǎn)位 當?shù)都荏w抬至一定距離后，端面齒脫開，轉(zhuǎn)位套 8 用銷釘與絲杠套聯(lián)接， 隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動，當端面齒完全脫開時，轉(zhuǎn)位套正好轉(zhuǎn)過 60 度，球頭銷 11 在 彈簧力的作用下進入轉(zhuǎn)位套 8 的槽中，帶動刀架體轉(zhuǎn)位。 3.刀架定位 刀架體 7 轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)到程序指定的刀號時，粗定位銷 4 在彈簧的作用下進 入刀體底座的粗定位盤的槽中進行粗定位，同時霍爾開關(guān)發(fā)出電機反轉(zhuǎn)的指令， 使電機反轉(zhuǎn)。由于粗定位銷的限制，刀架體 7 不能轉(zhuǎn)動，使其在該位置垂直落 下，刀架體 7 和刀架底座 3 上的端面齒嚙合實現(xiàn)精確定位。 27 4.夾緊刀架 電動機繼續(xù)反轉(zhuǎn)，此時蝸輪停止轉(zhuǎn)動，蝸桿軸 1 自身轉(zhuǎn)動，當兩端面齒增 加到一定夾緊力時，電動機 1 停止轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了夾緊。 圖 41 自動轉(zhuǎn)位六方刀架 28 第五章 數(shù)改 CA6140 步進電機的設(shè)計 5.1 步進電機的工作方式 步進電機的工作方式和一般電機的不同，是采用脈沖控制方式工作的。只 有按一定的規(guī)律對各相繞組輪流通電，步進電機才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。數(shù)控機床中采 用的功率步進電機有三相、四相、五相、和六相等。一般電機的相數(shù)越多，工 作方式越多。 由步距角計算可知，循環(huán)拍數(shù)越多，步距角越小，因此定位精度越高。另 外，通電循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對步進電機的矩頻特性、穩(wěn)定性等都有很大 的影響。步進電機的相數(shù)也對步進電機的運行性能有很大影響。為提高步進電 機輸出轉(zhuǎn)矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用多相步進電機，并采用 2m 拍工作方 式。 5.2 步進電機的選擇 5.2.1 步進電機選用的基本原則 合理選用步進電機是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)的實際工 作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進電機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： 傳動比；i 系統(tǒng)對步進電機所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角。mna （2） 精度 步進電機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 位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實際轉(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用。所選用的步進電機應(yīng)滿足： （5-Qi 2） 式中： 步進電機的積累誤差；m 系統(tǒng)對步進電機驅(qū)動部分允許的角度誤差。s 29 （3） 轉(zhuǎn)距 為了使步進電機正常運行（不失步、不越步） ，正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要 求，必須考慮： （4） 啟動力矩 一般啟動力矩選取為： （5-3） 0.35LM: 式中： 電動機啟動力矩；q 電動機靜負載力矩。0L 在要求的運行頻率范圍內(nèi)，電動機運行力矩應(yīng)大于電動機的靜載力矩與電 動機轉(zhuǎn)動慣量（包括負載的轉(zhuǎn)動慣量）引起的慣性矩之和。 （5）啟動頻率 由于步進電機的啟動頻率隨著負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此相 應(yīng)負載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限啟動頻率應(yīng)滿足： （5-topmf 4） 式中： 極限啟動頻率；tf 要求步進電機最高啟動頻率；opm 5.2.2 數(shù)改 CA6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定0938.716.5LqMNcm 為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知： ；/.6qjm 所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距 為：jmM1876.2.460.qjmMNc 步進電機最高工作頻率： axma40.6.1pvf Hz 30 綜合考慮，查表選用 130BF003 型直流步進電動機，能滿足要求。 5.2.3 數(shù)改 CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定01.6203.5LqMNcm 為了滿足最小步距要求，電動機選用三相六拍工作方式，查表知： ；/.8qjm 所以，步進電機最大靜轉(zhuǎn)距 為：jmM203.4.67.86qjmMNc 步進電機最高工作頻率： axma .0.05pvf Hz 綜合考慮，查表選用 110BF003 型直流步進電動機，能滿足要求。 31 第六章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 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 AT89S52；由于 AT89S52 本身資源有 限，所以擴展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用作程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程 序；擴展了一片 SRAM 芯片 6264 用作數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；鍵盤與 LED 顯示采用 8279 來管理；輸入 /輸出口的擴展選用了并行接口 8255 芯片，一 些進/出的信號均做了隔離放大；模擬電壓的輸出借助于 DAC0832；與 PC 機的 串行通信經(jīng)過 MAX233 芯片。 6.2 單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計 6.2.1 硬件配置 根據(jù)功能要求等，硬件配置有 AT89S52 單片機、 擴展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用作程序存儲器、擴展了一片 SRAM 芯片 6264 用作數(shù)據(jù)存儲器、輸 入/輸出口的擴展選用了并行接口 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 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術(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 的存儲空間。 D7D0（data bus）：數(shù)據(jù)線，雙向，三態(tài)。 （output enable）：讀出允許信號， 輸入，低電平有效。 （write enable）：寫允許信號，輸入，低電平有效。 （chip enable）：片選信號1，輸入，在讀/寫方式時為低電平。CE2（chip enable）： 片選信號2，輸入，在讀/寫方式時為高電平。 VCC ：+5V 工作電壓。 GND：信號地。 8255是 Intel 公司生產(chǎn)的可編程并行 I/O 接口芯片，有3個8位并行 I/O 口。 具有3個通道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。8255可作為單片機與多種外設(shè)連接時的中間 接口電路。 8255作為主機與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機相連的3個 總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設(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)計電路圖連接情況，可以計算出主板中存儲器與 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 步進電機與微型機的接口電路 由于步進電機的驅(qū)動電流較大，所以微型機與步進電機的連接都需要專門 的接口及驅(qū)動電路。驅(qū)動器可用大功率復(fù)合管，也可以是專門的驅(qū)動器。 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，即可控制步進電機依選定的方向步進。由于步進電機運行時功率較大， 可在微型機與驅(qū)動器之間增加增加一級光電隔離器（一是抗干擾，二是電隔離） 以防強功率的干擾信號反串進主控系統(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 步進電機旋轉(zhuǎn)方向與內(nèi)部繞組的通電順序相關(guān)。三相六拍，通電順序為： 正轉(zhuǎn)： AABBBC CCA 反轉(zhuǎn)：AACCCB BBA 改變通電順序可以改變步進電機的轉(zhuǎn)向 33 通過硬件實現(xiàn)脈沖分配：所謂硬件法實際上就是使用脈沖分配器 8713，來 進行通電換向控制。 8713 是屬于單極性控制，用于控制三相和四項步進電機，我們選擇的是三 相六拍工作方式。8713 可以選擇單時鐘輸入或雙時鐘輸入，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，單片機只需提供步進脈沖，進行速度控制和轉(zhuǎn)向控 制，脈沖分配的工作交給 8713 來自動完成，因此 CPU 的負擔減輕。 34 結(jié) 論 隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，我國的機床數(shù)控化在近十年來有了很大的發(fā)展， 而普通機床的數(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，在實際中得到廣泛應(yīng)用。基于對 CA6140 普通車床進行 經(jīng)濟型數(shù)控改造設(shè)計過程中，我認為普通機床的數(shù)控改造具有很多的優(yōu)點、必 要性及其良好的發(fā)展趨勢。 全功能的數(shù)控系統(tǒng)雖然功能豐富，但成本高，我國的一般中小企業(yè)購置困 難，但是中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，希望對原有機床進行改造，進行數(shù)控化、 自動化、以提高生產(chǎn)效率。經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實的生產(chǎn)實際，我 國的國情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價格。目前我國經(jīng)濟