目錄
緒論………………………………………………………………1
1. 數(shù)控機床的基本知識…………………………… 2
1.1數(shù)控機床的發(fā)展趨勢…………………………………………………2
1.2數(shù)控機床的組成………………………………………………………4
1.3機床的運動性能指標…………………………………………………5
1.4數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的組成、特點……………………………………5
1.5數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點及其要求………………………………7
2 總體方案設計…………………………………………… 10
2.1設計任務 10
2.2.總體方案確定 10
2.2.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇 10
2.2.2計算機系統(tǒng) 10
2.2.3機械傳動方式 11
3 電機的選擇和脈沖當量的選擇…………………………… 11
3.1確定系統(tǒng)脈沖當量 11
3.2電機的選擇 12
3.2.1縱向進給步進電機的計算 12
3.2.2橫向進給步進電機的計算 12
4. 導軌的設計………………………………………………… 13
4.1滾動導軌的優(yōu)點 13
4.2選擇滾動導軌的結(jié)構(gòu)形式 13
4.3滾動導軌預緊方式的確定 13
4.4滾動導軌幾何參數(shù)的確定 14
4.4.1滾動體尺寸和數(shù)目的選擇 14
4.4.2滾動導軌的長度 14
4.5塑料導軌的應用 15
4.6貼塑導軌 15
5. 縱、橫向自動走刀機床進給伺服系統(tǒng)機械部分的設計 15
5.1設計任務 15
5.2總體設計的方案確定 15
5.3 縱向自動走刀機床進給伺服系統(tǒng)機械部分的設計 16
5.3.1切削力計算 17
5.3.2 滾珠絲杠設計計算 17
5.3.3齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關計算： 19
5.4 橫向自動走刀機床進給伺服系統(tǒng)機械部分的設計 21
5.4.1切削力計算 21
5.4.2 滾珠絲杠設計計算 21
5.4.3齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關計算： 24
6 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設計…………………………… 25
6.1控制系統(tǒng)的功能 25
6.2采用軟件環(huán)形分配器 26
6.3.自動回轉(zhuǎn)刀架的控制 26
6.4.螺紋加工的控制 26
6.5地址編碼 26
7. 安裝………………………………………………………… 27
7.1 縱向進給系統(tǒng)安裝 27
7.2 橫向進給系統(tǒng)安裝 27
7.3 刀架安裝 27
7.4 數(shù)控系統(tǒng)箱安裝 27
7.5 編碼器安裝 27
8. 結(jié)論………………………………………………………… 28
9. 致謝……………………………………………………… 29
10. 參考文獻……………………………………………………… 30
附圖一 CA6140縱向伺服進給單元裝配圖
附圖二 CA6140橫向伺服進給單元裝配圖
附圖三 CA6140機床電氣控制原理圖
摘要
隨著科學技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機床已經(jīng)成為衡量一個國家機械制造工業(yè)水平的重要標志。采用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)對普通機床進行數(shù)控化改造，尤其適合我國普通機床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。機電一體化技術(shù)涉及機械、電子、以及控制等多門學科，是現(xiàn)代工業(yè)最主要的基礎技術(shù)和核心技術(shù)之一，是衡量一個國家機械裝備發(fā)展水平的重要標志。雖然這門學科還正處于發(fā)展階段，許多理論還處于研究和完善階段，但是它代表著機械工業(yè)技術(shù)革命的前沿方向，是綜合國力的又一具體體現(xiàn)。因此，我們應該重視該學科的研究，并大力發(fā)展這門學科，逐漸縮小與日美等發(fā)達國家的差距。本次設計是對CA6140普通車床的數(shù)控化改造。在國內(nèi)，盛行普通車床改造成數(shù)控車床，此設計就是針對著這以目的而設計的，這就降低了生產(chǎn)成本，縮短了工業(yè)化的進程，同時為廣大的生產(chǎn)廠家所接受。
此設計主要是結(jié)合國內(nèi)的具體國情，針對于廣大的用戶所設計的。遠遠比不上那些外國的設備所達到的精度。當然，時代在發(fā)展，隨著我國的正和國力迅速攀升，在不久的將來那些精度要求比較高的數(shù)控設備一定出現(xiàn)在中國的大部分企業(yè)中。
關鍵字：數(shù)控改造 機電一體化 國情 學科研究
Abstract
Along with the science technical fast fierce development, number's controling tool machine has already become the important marking which measures a national machine manufacture industry level.Adopt the economic number controls system to carry on a number to control to turn a reformation to the common tool machine, particularly in keeping with our country the common tool machine own to have great capacity, the small concrete state of the nation of the production scale.The machine electricity integral whole turns a technique to involve a machine, electronics, and control etc. several academicses, is one of the foundation technique and core techniques of modern and industrial most, is the important marking which measures a national development level of the machine material.Although this academics is still be placed in a development a stage, many orieses are still placed in research and perfect stage, it represents the machine industrial technique revolution of ex- follow a direction, is comprehensive another concrete body of national strength now.Therefore, we should value the research of that academics, and strongly develop this academics, contract to wait with day the United States gradually flourishing nation of margin.This design is to control to turn a reformation to the number of CA6140 common lather.At the domestic, the widely accepted common lather reforms into a number to control lather, this design is to aim at this with the purpose but design of, this lowered production cost and shortenned industrialization of the progress is a large production factory in the meantime, house accept.
This design is mainly to combine local concrete state of the nation and aim at at what large customer design.Far and far can not compare with the accuracy that the equipments of those foreign countries attain.Certainly, the ages is in the development, along with our country of positive with the national strength quickly increase, in the near future those greatly parts of business enterprises that the accuracy requests higher number to control an equipments and must appear in China in.
Key word:The number controls a reformation The machine electricity integral whole turn State of the nation The academics study
緒論
普通機床數(shù)控化改造,實質(zhì)是機械工程技術(shù)與微電子技術(shù)的結(jié)合。經(jīng)改造后的機床加工的精度、效率、速度都有了很明顯的提高，適合我國現(xiàn)在經(jīng)濟水平的發(fā)展要求。
本次畢業(yè)設計主要是對機床機械部分進行改造,以步進電機驅(qū)動橫向進給運動、縱向進給運動以及刀架的快速換刀,使傳動系統(tǒng)變得十分簡單，傳動鏈大大縮短,傳動件數(shù)減少,從而提高機床的精度。
設計中，我們對有關數(shù)控機床及數(shù)控改造的相關書籍、刊物進行大量閱讀,收集了很多資料,了解了數(shù)控機床的基本概念，數(shù)控機床的發(fā)展概況，數(shù)控機床的組成及其工作原理，擴大了我們的知識面。
隨著科學技術(shù)的發(fā)展,現(xiàn)代機械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進，對零件的加工質(zhì)量的要求也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣化要求的增強，產(chǎn)品品種增多,產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。數(shù)控機床代替普通機床被廣泛應用是一個必然的趨勢。同時，數(shù)控機床將向著更高的速度、精度、可靠性及完善性的功能發(fā)展。
第一部分：數(shù)控機床的基礎知識
1.1數(shù)控機床的發(fā)展趨勢
隨著科學技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代機械制造要求產(chǎn)品的形狀和結(jié)構(gòu)不斷改進，對零件加工質(zhì)量的要求也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣話需求的增強，產(chǎn)品品種增多，產(chǎn)品更新?lián)Q代加速。這就要求數(shù)控機床成為一種具有高效率、高質(zhì)量、高柔性和抵成本的新一代制造設備。尤其是FMS的迅猛發(fā)展CIMS的興起和不斷成熟，對機床數(shù)控系統(tǒng)提出了更高的要求。現(xiàn)代數(shù)控機床正向著更高的速度、更高的精度、更高的可靠性及更完善的功能發(fā)展。
1. 智能化
在數(shù)控機床控機床采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服電動機的位置環(huán)、速度環(huán)、及電流環(huán)都實現(xiàn)了數(shù)字化，并采用了不受機械負荷變動影響的高速響應伺服驅(qū)動技術(shù)。
同時，高分辨率、高響應的絕對位置檢測器也已應用到數(shù)字伺服系統(tǒng)中，這種檢測器每轉(zhuǎn)可進行100萬細分,可在1000r/min的高速運轉(zhuǎn)中使用。
此外，提高主軸轉(zhuǎn)速、減少非切削時間，采用快速插補、超高速通信技術(shù)都使現(xiàn)代數(shù)控機床的切削速度得到很大的提高。
2. 高精度化
高精度化一直是機床數(shù)控技術(shù)發(fā)展追求的目標，在20世紀末一取得明顯的效果。普通級中等規(guī)格的加工中心的定位精度已從20世紀80年代初的+12 m提高到+0.5 m.
現(xiàn)代數(shù)控機床通常采用以下技術(shù)來提高精度：
利用數(shù)控系統(tǒng)的補償功能，提高其加工精度和動態(tài)特性。例如補償軸向運動誤差、絲杠導程誤差、齒輪間隙誤差、刀具磨損誤差等。在新一代數(shù)控系統(tǒng)中，還開發(fā)了具有熱補償、空間誤差補償功能的傳感器件和軟件。
采用高分辨率、高響應性的絕對位置傳感器技術(shù)，實現(xiàn)切削加工的精密檢測。如這種傳感器檢測到的絕對位置信號，通過專用微處理器進行細分處理，可達到極高的分辨率,現(xiàn)已生產(chǎn)出配套的專用芯片,大大提高了使用精度和可靠性。
采用數(shù)字式伺服控制技術(shù)，該技術(shù)是基于現(xiàn)代控制理論而構(gòu)成的反饋控制技術(shù)。該技術(shù)引進的現(xiàn)代控制技術(shù)有：非線性補償技術(shù)，消除機床靜摩檫引起的誤差；魯棒控制技術(shù)，實現(xiàn)加速度反饋，減小因負載變動而引起的誤差；前饋控制技術(shù)，使伺服系統(tǒng)的追蹤滯后減少一半,改善拐角切削加工精度；加減速控制技術(shù)，可在插補前后進行平滑的加減速控制.可使系統(tǒng)形狀誤差減至最小，保證系統(tǒng)具有高精度、高速度雙重性能；低噪聲電動機技術(shù)，保證控制系統(tǒng)獲得高增益,目前生產(chǎn)的低噪聲電動機，其噪聲水平已降到額定值到0.5 以下,提高數(shù)控機床機械本體中基礎大件的結(jié)構(gòu)剛性和熱穩(wěn)定性。
3. 高可靠性. 現(xiàn)代數(shù)控機床的可靠性是在設計階段就開始進
行，即預先確定可靠性指標，在生產(chǎn)過程中模擬實際工作條件，進行檢測并提高可靠性的措施予以保證。通常采用的可靠性技術(shù)有：冗余技術(shù)，故障診斷技術(shù)，自動檢錯、糾錯技術(shù)，系統(tǒng)恢復技術(shù)，軟件可靠性技術(shù)等。
4.現(xiàn)代數(shù)控機床還采取了以下措施來提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性：
(1)提高元器件和系統(tǒng)的可靠性。新型的數(shù)控系統(tǒng)大量采用大規(guī)模或超大規(guī)模的集成 電路，采用專用芯片及混合式集成電路，使電路的集成度提高，元器件數(shù)量減小,供耗降低，從而大幅度降低系統(tǒng)的故障率。
(2)采用抗干擾技術(shù)，提高數(shù)控系統(tǒng)對環(huán)境的適應能力。例如采取濾波、隔離、屏蔽、合理接地等抗干擾措施。
使數(shù)控系統(tǒng)模塊化、通用化和標準化。數(shù)控系統(tǒng)的硬件被制成多種功能模塊，根據(jù)機床數(shù)控功能的要求，選擇不同的模塊，還可以自行擴展或裁剪,組成滿意的數(shù)控系統(tǒng)。模塊化、標準化、通用化的實現(xiàn)，不但便于組織開發(fā)、生產(chǎn)和應用，而且提高了可靠性。
(3)提高自診斷及保護功能。數(shù)控系統(tǒng)一般都具有軟件、硬件及故障的自診斷程序,為了防止超程,可以在系統(tǒng)內(nèi)預先設定工作范圍，避免由于限位開關的不可靠而造成軸端超程,數(shù)控系統(tǒng)還具有自動返回功能，當機床在加工過程中，出現(xiàn)某種特殊情況時,例如由于刀具斷裂等原因造成加工中斷時,數(shù)控系統(tǒng)能力將刀具位置保存起來。在更換刀具后，只要重新輸入刀具的有關數(shù)據(jù),刀具就能自動回到正確位置，保證通電后繼續(xù)工作，不讓工件報廢。
(4)多功能復合化
現(xiàn)代數(shù)控機床的功能復合化發(fā)展，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
大多數(shù)數(shù)控機床都具有人機對話功能，都有很“友好”的人機界面,借助CRT與鍵盤的配合，可以實現(xiàn)程序的輸入、編輯、修改、刪除等功能。此外還具有前臺操作、后臺編輯的功能，并大量采用菜單選擇操作方式，操作更加方便
1.2數(shù)控機床的組成
數(shù)控機床的工作原理：首先根據(jù)零件圖樣制定工藝方案,采用手工或計算機進行零件的程序編制，把加工零件所需的機床各種運作及全部工藝參數(shù)變成機床數(shù)控裝置能接受的信息代碼，并把這些代碼存儲在信息載體(上穿孔紙帶、磁盤等)。另一種方法是利用計算機和數(shù)控機床的借口直接進行通信,實現(xiàn)零件程序的輸入和輸出。
進入數(shù)控裝置的信息，經(jīng)過一系列處理和運算轉(zhuǎn)變成脈沖信號。有的信號送到機床的伺服系統(tǒng)，通過伺服機構(gòu)對其進行轉(zhuǎn)換和放大，再經(jīng)過傳動機構(gòu)驅(qū)動機床有關部件,使刀具和工件嚴格執(zhí)行零件加工程序所規(guī)定的相應運動。還有的信號送到可編程控制器中，用以順序控制機床的其他輔助動作,如實現(xiàn)刀具的自動更換和變速、松夾工件、開關切削液等動作。
數(shù)控機床主要有信息載體、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體等四個基本部分組成。
1.信息載體
信息載體(又稱控制介質(zhì))的功能是用于記載以數(shù)控加工程序表示的各種加工信息，如零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)等以控制機床的運動和和各種動作,實現(xiàn)零件的機械。常用的信息載體有穿孔紙帶,磁盤和磁帶。信息載體上的各種加工信息要經(jīng)輸入裝置輸送給控制裝置。對于用微型計算機控制的數(shù)控機床，還可以通過信息接口從其他計算機獲取加工信息。也可用操作面板上的按鈕和鍵盤將加工信息直接手動鍵盤輸入，并將數(shù)控加工程序存入數(shù)控裝置的存儲器中。
2.數(shù)控裝置
數(shù)控裝置是數(shù)控機床的運算和控制系統(tǒng)，在普通數(shù)控機床中一般由輸入裝置、控制器、運算器、和輸出裝置組成，它接受信息載體的信息，并將其代碼加以識別、儲存、運算、輸出相應的指令脈沖以驅(qū)動伺服系統(tǒng)，進而控制機床動作。
3.伺服系統(tǒng)
系統(tǒng)的作用是來自數(shù)控裝置的脈沖信號轉(zhuǎn)換為機床移動部件的運動，它相映于手工操作時人的手，使工作臺精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合圖樣要求的零件。因此伺服系統(tǒng)的性能是決定數(shù)控機床的加工精度、表面質(zhì)量和生產(chǎn)率的主要因素之一。
4.機床本體
數(shù)控機床中的機床本體,在開始階段沿用普通機床，只是在自動變速、刀架或工作臺自動轉(zhuǎn)位和手柄等方面作些改變。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床的外部造型、整體布局、機械傳動系統(tǒng)與刀具系統(tǒng)的部件結(jié)構(gòu)以及操作結(jié)構(gòu)等機床的技術(shù)性能要求更高了。與傳統(tǒng)的普通機床相比，數(shù)控機床采用了高性能主軸部件及傳動系統(tǒng)，機械傳動結(jié)構(gòu)簡化，傳動鏈較短;機械結(jié)構(gòu)具有較高剛度和耐磨性，熱變形??；更多地采用高效部件,如滾珠絲杠,靜壓導軌、滾動導軌等。
1.3機床的運動性能指標
1.主軸轉(zhuǎn)速
機床的主軸一般均采用直流或交流調(diào)速主軸電動機驅(qū)動，選
用高速精數(shù)控密軸承支承,保證主軸具有較寬的調(diào)速范圍和足夠高的回轉(zhuǎn)精度、剛度及抗振性。目前，數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速已普遍達到5000-10000r/min,甚至更高，這樣對各種小孔加工以及提高專用零件加工質(zhì)量和表面質(zhì)量都極為有利。
2.進給速度 數(shù)控機床的進給速度是影響零件加工質(zhì)量、生產(chǎn)率以及刀具壽命的主要因素。它受數(shù)控系統(tǒng)裝置的運算速度、機床動特性及工藝系統(tǒng)剛度等因素的限制。目前國內(nèi)數(shù)控機床的進給速度可達10-15m/min,國外數(shù)控機床的進給速度一般可達15-30m/min.
3.坐標行程 數(shù)控機床坐標軸X、Y、Z的行程大小，構(gòu)成數(shù)控機床的空間加工范圍，即加工零件的大小。坐標行程是直接體現(xiàn)機床加工能力的指標參數(shù)。
4.擺角范圍 具有擺角坐標的數(shù)控機床，其轉(zhuǎn)角大小也直接影響到加工零件空間部位的能力。但轉(zhuǎn)角太大又造成機床的剛度下降，因此給機床設計帶來許多困難。
5.刀庫容量和換刀時間 刀庫容量和換刀時間對數(shù)控機床的生產(chǎn)率有直接影響。刀庫容量是指刀庫能存放加工所需要的刀具數(shù)量，目前常見的中小型數(shù)控加工中心多為16-60把刀具，大型數(shù)控加工中心達100把刀具。換刀時間制帶有自動交換刀具系統(tǒng)的數(shù)控機床，將主軸上使用的刀具與裝在刀庫上的下一工序需用的刀具進行交換所需的時間，目前國內(nèi)數(shù)控機床均在10-20s內(nèi)完成換刀,國外不少數(shù)控機床的換刀時間僅為4-5s.
1.4數(shù)控機床機械結(jié)構(gòu)的組成、特點
1． 數(shù)控機床的機械組成
由于數(shù)控機床主軸驅(qū)動、進給驅(qū)動和CNC技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)已從初期對通用機床局部結(jié)構(gòu)的改進，逐步發(fā)展形成數(shù)控機床的獨特機械結(jié)構(gòu)。數(shù)控機床的機械結(jié)構(gòu)主要下列個部分組成：
1） 機床的基礎件,又稱為機床大件,通常指床身、底座、立柱、橫梁、滑座和工作臺 等
2） 主運動傳動系統(tǒng)
3） 進給運動傳動系統(tǒng)。
4） 實現(xiàn)主軸回轉(zhuǎn)、定位的裝置。
5） 實現(xiàn)某些部件動作和輔助功能的系統(tǒng)和裝置，如液壓、氣動、潤滑、冷卻、排屑、防護等。
6） 刀架或自動換刀裝置。
7） 特殊功能裝置
8） 各種反饋裝置和元件。
2．數(shù)控機床結(jié)構(gòu)的特點：
1）高剛度 因為數(shù)控機床要在高速度和高重載下工作，所以機 床的床身、主軸、立柱和刀架等主要部件,均需具有很高的剛度，工件中應無變形或振動。例如：床身應合理布置加強肋,能承受重載與重切削力;工作臺與溜板應具有足夠的剛度，能承受工作重量并使工作平穩(wěn)；主軸在高速下運轉(zhuǎn)，應承受大的徑向扭矩和軸向推力;立柱在床身上移動，應平穩(wěn)且能承受大的切削加工中應十分平穩(wěn)且無振動。
2）高靈敏性 數(shù)控機床工作時,要求精度比較通用機床高，因而運動部件應具有高靈敏度。導軌部件通常用于滾動導軌、靜壓導軌和塑料導軌等,以減少摩檫力,在低速運動時無爬行現(xiàn)象。工作臺的移動,有直流或交流伺服電動機驅(qū)動，經(jīng)滾珠絲杠或靜壓絲杠傳動。主軸既要在高剛度和高速下回轉(zhuǎn)，又要有高靈敏度，因而多數(shù)采用滾動軸承或靜壓軸承。
3）高抗振性 數(shù)控機床的運動部件、除了應具有高剛度、高靈敏度外，還應具有高抗振性,在高速重載下應無振動,一保證加工工作的高精度和高表面質(zhì)量。
4）熱變形小 機床的主軸、工作臺、刀架等運動部件,.在運動中常易產(chǎn)生熱量，為保證部件的運動精度，要求各運動部件的發(fā)熱量少，以防止產(chǎn)生熱量變形。
5）高精度保持性 為了保證數(shù)控機床在長期內(nèi)具有穩(wěn)定的加工精度,要求數(shù)控機床具有高的精度保持性。除了各有關零件應正確選材外，還要求采取一些工藝措施，如淬火和磨削導軌，一提高運動部件的耐磨性。
6）高可靠性 數(shù)控機床在自動或半自動條件下工作，尤其是在柔性制造系統(tǒng)中的數(shù)控機床，這24h運轉(zhuǎn)中無人看管,因此要求機床具有高的可靠性。
7）刀具先進 數(shù)控機床要能充分發(fā)揮效能,實現(xiàn)高精度、高自動化,除了機床本身應滿足上述要求外，必須保證長期可靠地工作。
1.5數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點及其要求
1.5.1．數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)的特點
1）精度高 由于數(shù)控機床的主軸部件本身的精度高、傳動鏈短,
故數(shù)控的主傳動系統(tǒng)的精度高。
2)轉(zhuǎn)速高、功率大 它能使數(shù)控機床進行大功率切削和高速切削，提高生產(chǎn)率
3)調(diào)速范圍寬 數(shù)控機床的主傳動系統(tǒng)有較寬的調(diào)速范圍，以保證加工時能選用合理的切削用量,獲得最佳的生產(chǎn)率、加工精度和表面質(zhì)量。
4)主軸組件的耐磨性高 凡有機械摩檫的部位如軸承、錐孔等都有較高的硬度，軸承處潤滑良好，因此耐磨性高，精度保持性好
1.5.2．對進給傳動系統(tǒng)的要求
1）傳動精度高 從機械結(jié)構(gòu)方面考慮，進給傳動系的傳動精度主要去取決與傳動間隙和傳動件的精度。傳動間隙主要來自于傳動齒輪副、絲杠螺母副之間，因此進跟傳動系統(tǒng)中廣泛采用施加預緊力或其它消除間隙的措施?？s短傳動及采用高精度的傳動裝置，也可提高傳動精度。
2）摩檫阻力小 為了提高數(shù)控機床進給系統(tǒng)的快速響應性能，必須減小運動件之間的摩檫阻力和動、靜摩檫力之差。欲滿足上述要求，數(shù)控機床進給系統(tǒng)普通采用滾珠絲杠螺母副、靜壓絲杠螺母副、滾動導軌、靜壓導軌和塑料導軌。
3）運動部件慣量小 運動部件的慣量對伺服機構(gòu)的起動和制動特性都有影響。因此，在滿足部件強度和剛度的前提下，應盡可能減小運動部件的質(zhì)量、減小旋轉(zhuǎn)零件的直徑，以降低其慣量。
滾珠絲杠副 在數(shù)控機床上，將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動一般采用滾珠絲杠螺母機構(gòu)。
滾珠絲杠的特點：傳動效率高,一般為η=0.92-0.96;傳動靈敏,不易產(chǎn)生爬行；;使用壽命長；具有可逆性,不僅可將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動，亦可將直線運動變成旋轉(zhuǎn)運動；施加預緊力后,可消除軸向間隙，反向時無空行程;成本高,不能自鎖,垂直安裝時需有平衡裝置。
滾珠絲杠的結(jié)構(gòu)和工作原理; 滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種方式
在外循環(huán)中,當絲杠相對于螺母旋轉(zhuǎn)時絲杠的旋轉(zhuǎn)面經(jīng)滾珠推動螺母軸向移動,同時滾珠沿螺旋形滾道滾動，使絲杠和螺母之間的滑動摩檫變?yōu)闈L珠與絲杠、螺母之間的滾動摩檫,螺母螺旋槽的兩端用回株管連接起來，使?jié)L珠能夠從一端重新回到另一端,構(gòu)成一個閉合的循環(huán)回路。
在內(nèi)循環(huán)中，在螺母的測孔中裝有圓柱凸輪式反向器反向器上銑有S形回珠槽,將相等兩螺紋滾道聯(lián)結(jié)起來。滾珠從螺紋滾道進入反向器,借助反向器迫使反向器越過絲杠牙頂進入相鄰滾道，實現(xiàn)循環(huán)。
滾珠絲杠螺母副間隙的調(diào)整方法,為了保證滾珠絲杠副的反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。常采用雙螺母施加預緊力的方法消除軸向間隙，但必須注意預緊力不能太大，預緊力過大會造成傳動效率降低、摩檫力增大，磨損增大、使用壽命降低。常用的雙螺母消除間隙的方法有：
（1）墊片調(diào)隙式
如圖1-5-1所示，此種形式結(jié)構(gòu)簡單可靠、剛度好，應用最為廣泛，在雙螺母間加墊片的形式可由專業(yè)生產(chǎn)廠根據(jù)用戶要求事先調(diào)整好預緊力，使用時裝卸非常方便。
（2）齒差調(diào)隙式 如圖1-5-2所示, 兩螺母的凸輪緣為圓柱外齒輪,而且齒數(shù)差為1,兩只內(nèi)齒輪用螺釘、定位銷緊固在螺母座上。調(diào)整時先將內(nèi)齒輪取出，根據(jù)間隙大小使兩螺母分別向相同方向轉(zhuǎn)過1個齒或幾個齒,然后再插入內(nèi)齒輪，使螺母在軸向彼此移動了相應的距離，從而消除兩個螺母的軸向間
圖1-5-1 墊片調(diào)隙式
隙。這種方法的結(jié)構(gòu)復雜,尺寸較大,適應于高精度傳動。
（3）螺紋調(diào)隙式 如圖1-5-3所示，利用一個螺母上的外螺紋，通過圓螺母調(diào)整兩個螺母的相對軸向位置實現(xiàn)預緊，調(diào)整好后用另一個圓螺母鎖緊，這種結(jié)構(gòu) 圖1-5-2 齒差調(diào)隙式
調(diào)整方便，且可在使用過程中，隨時調(diào)整，但預緊力大小不能準確控制。
圖1-5-3 螺紋調(diào)隙式
（4）單螺母預緊式 單螺母預緊原理如圖1-5-4所示，為了補償滾道的間隙，設計時將滾珠的尺寸適當增大，使其4點接觸，產(chǎn)生預緊力，為了提高工作性能，可以在承載滾珠之間加入間隔鋼球。
圖1-5-4 單螺母預緊式
第二部分：總體方案設計
2.1設計任務
將CA6140普通車床高造成用MCS－51系列單片機控制的經(jīng)濟型數(shù)控車床。要求該車床有自動回轉(zhuǎn)，具有切削螺紋的功能。在縱向和橫向具有直線和圓弧差補功能。系統(tǒng)分辨率縱向：0.01mm/步，橫向;0.005mm/步。
設計參數(shù)如下：
最大加工直徑：
在床鞍上：210mm
在床面上：400mm
最大加工長度：1000mm
快進速度：縱向2.4m/min
橫向1.2m/min
最大切削進給速度：
縱向0.5m/min
橫向0.25m/min
脈沖分配方式：逐點比較法
控制坐標數(shù)：2
最小指令值
縱向：0.15mm/脈沖
橫向;0.005mm/脈沖
刀具補償量：0～99.99mm
自動升降能力：有
2.2.總體方案確定
2.2.1系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇
由于改造候的經(jīng)濟型數(shù)控車床應具有定位、直線差補、順、逆園差補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.2計算機系統(tǒng)
根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。
控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。
2.2.3機械傳動方式
為實現(xiàn)機床所需要的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)行，盡量見效摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結(jié)構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)，如圖（2-2）
2-2經(jīng)濟型數(shù)控車床總體方案框圖
第三部分：電機的選擇和脈沖當量的選擇
3.1確定系統(tǒng)脈沖當量
一個進給脈沖，使機床運動不見產(chǎn)生的位移量，稱為脈沖當量，也稱為機床的最小設定單位。脈沖當量使衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床銑床常采用的脈沖當量是0.01～0.005mm/脈沖，經(jīng)濟型數(shù)控磨床經(jīng)常采用脈沖當量為0.002～0.001mm/脈沖。此次設計中，在設計任務書中沒有直接給出，根機床的定位精度來確定脈沖當量的大小，此次設計中我們要求的機床的定位精度達到0.015mm.
根據(jù)這個精度我們確定機床系統(tǒng)脈沖當量為，縱向：0.01mm/步 橫向：0.0054mm/步。
3.2電機的選擇
3.2.1縱向進給步進電機的計算
目前，經(jīng)濟型數(shù)控機床中大多采用反應式步進電機， CA6140縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定：
(1) 步距角θb
θbLo/360i = 0.75×6/1.25×360 = 0.01
(2) 矩頻特性
步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機在(靜止狀態(tài)),可以[2]表2-11中查出.步進電機的名義轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩有[2]表2-11所示的關系
即 Mmq = λMjmax
步進電機選用五相十拍,則λ = 0.951
Mjmax = 13.72 N.m
Mmq = λMjmax = 0.951×13.72 = 13.05
所選電機型號應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq
即Mkq≤Mmq
顯然所選電機滿足要求,電機型號為150BF002
3.2.2橫向進給步進電機的計算
CA6140縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定：
(3) 步距角θb
θbLo/360i = 0.36×5/1×360 = 0.005
(4) 矩頻特性
步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機在(靜止狀態(tài)),可以[2]表2-11中查出.步進電機的名義轉(zhuǎn)矩Mmq與最大靜轉(zhuǎn)矩有[2]表2-11所示的關系
即 Mmq = λMjmax
步進電機選用五相十拍,則λ = 0.951
Mjmax = 2.156 N.m
Mmq = λMjmax = 0.951×2.156= 2.05
所選電機型號應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動轉(zhuǎn)矩Mmq
即Mkq≤Mmq
顯然所選電機滿足要求,電機型號為90BF006
第四部分：導軌的設計
第一種方案：滾動導軌
4.1滾動導軌的優(yōu)點
目前，滾動導軌再數(shù)控機床上的應用非常的廣泛，因為其摩擦系數(shù)小，f=0.0025～0.005;動、靜摩擦系數(shù)很接近，且?guī)缀醪皇苓\動速度變化的影響，運動輕便靈活，所需驅(qū)動功率?。荒Σ涟l(fā)熱小，磨損小，精度保持好；低速運動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，因而定位精度高。所以本次設計優(yōu)先選用滾動導軌而不用滑動導軌。
4.2選擇滾動導軌的結(jié)構(gòu)形式
滾動導軌可分為滾動體不作循環(huán)運動的直線運動導軌和滾動體作循環(huán)的直線運動導軌兩大類。其中滾動體不作循環(huán)運動的導軌又分為滾珠導軌、滾柱導軌、滾針導軌三類。其中前者只適合于載荷小于2000N以下，因而承載能力小，并且因為時點接觸，剛度也低。后者滾動導軌的滾動體時滾針，其廠長徑比（導軌的長度和滾動體的直徑之比）比滾珠大，能承載重荷，因而摩擦系數(shù)也要大些。本次設計要求的切削力大于2000N以上，所以選擇滾柱導軌。
4.3滾動導軌預緊方式的確定
滾動導軌經(jīng)過預緊，可顯著地提高其剛度。通常經(jīng)過預緊的導軌的剛度可以比沒有預緊的高三倍左右。因此，對于顛覆力矩較大，或要求接觸剛度或移動精度較高的導軌均應進行預緊。但預緊力應適當，預緊力過大會使牽引力顯著增加。常用的預緊方法有兩種：采用過盈配合或采用調(diào)整元件。因為CA6140的床身上的下托板的兩側(cè)都設計的有調(diào)整元件，此次改造用托板兩側(cè)的頂絲來預緊導軌。如圖4-3
4-3滾動導軌的預緊
4.4滾動導軌幾何參數(shù)的確定
4.4.1滾動體尺寸和數(shù)目的選擇
滾動體直徑越大，滾動摩擦阻力及接觸應力久越小，但滾動體的直徑過小，則不僅摩擦阻力加大，而且還會產(chǎn)生滑動現(xiàn)象，所以再結(jié)構(gòu)尺寸不受限制時，應盡可能選用較大的直徑。滾珠直徑應不小于6～8mm。滾柱的長度應適當，過短會增加導軌面的壓強，過長則會因滾珠的錐度誤差引起載荷分布不均勻。一般淬硬鋼制造的導軌，滾柱的長徑比最好不超過1.5～2。在這里我選用滾珠直徑為8mm的滾柱。
滾動體的樹木也應選擇適當，滾動體樹木過少，則導軌的制造誤差將明顯地影響動導軌地位置精度。隨著滾動體數(shù)目地增多，不僅提高了動導軌地位置精度，還可以降低導軌地壓強。通常每個導軌上每排滾子的數(shù)量最少為12～16個。但滾動體數(shù)目太多 ，則會出現(xiàn)載荷在滾動體上分布不均勻的現(xiàn)象，部分滾動體可能受不到載荷而不起作用，反而使剛度下降。 在這里我選用單排滾珠的數(shù)目為14個。
在根據(jù)結(jié)構(gòu)選擇滾動體的尺寸和數(shù)目后，還要驗算滾動體的承載能力，發(fā)現(xiàn)不能滿足要求時，可加大滾動體的直徑或增加滾動體的數(shù)目。
4.4.2滾動導軌的長度
滾動導軌重的滾動體和保持架隨著導軌移動，但其移動速度僅是動導軌移動速度的一半。如圖4-4
圖4-4
如圖4-4所示滾動體與保持架長度為
式中－動導軌的長度（mm）;
l－動導軌行程長度（mm）
支承導軌長度L（mm）為
由于本次改造選用的是第二種方案，第一種方案的計算省略，僅供參考。
第二種方案：塑料導軌
4.5塑料導軌的應用
目前，在普通機床上仍廣泛地應用滑動導軌，因其具有結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、剛度好、抗震性強等優(yōu)點。但是傳統(tǒng)的鑄鐵－鑄鐵、鑄鐵－淬火鋼的導軌副，其靜摩擦系數(shù)大，動摩擦系數(shù)隨速度變化而變化，摩擦損失大，低速時容易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象而降低運動部件的定位精度，因此目前在數(shù)控機床上已不采用，而代之以鑄鐵－塑料或鑲鋼－塑料導軌。
4.6貼塑導軌
聚四氟乙烯軟膠帶，是以聚四氟乙烯為基體，加入青銅粉、二硫化鉬和石墨等填充劑混合燒結(jié)而成。它具有摩擦特性好、耐磨性好、減震性好等特點，已成功地用在中、小型數(shù)控機床上。這種軟帶可在原有滑動導軌上用粘結(jié)劑粘結(jié)，加壓固化后進行精加工，故一般稱之為貼塑導輪。由于其工藝較簡單，對遠遠滑動導軌不需作大地改動，故在普通機床數(shù)控改裝上應用很廣泛。
本此改造就應用這種簡便的技術(shù)，同時很好地達到機床的各種要求。
第五部分：縱、橫向自動走刀機床進給伺服系統(tǒng)機械部分的設計
5.1設計任務
本設計任務是利用數(shù)控裝置對CA6140普通車床進行數(shù)控改造.對縱、橫進給開環(huán)控制,縱向脈沖當量為0.01mm/脈沖,橫向脈沖當量為0.005mm/脈沖,驅(qū)動元件采用步進電機,傳動裝置采用滾珠絲杠副,刀架采用自動轉(zhuǎn)位刀架。
5.2總體設計的方案確定
考慮到具體方案時,基本原則是在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.確定機械部分改造總體方案為：
1縱向進給機構(gòu)的改造 拆除原機床的進給箱,利用原機床進給箱的安裝孔和銷孔安裝步進 電動機減速齒輪箱,滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置,兩端采用原固定方式,這樣可減少改造工作量,由于滾珠絲杠的摩檫系數(shù)小于原絲杠所以縱向進給機構(gòu)整體剛性優(yōu)于以前。
2橫向進給機構(gòu)改造 保留原手動機構(gòu),用于調(diào)整操作,原有的支撐結(jié)構(gòu)也保留,步進電動機,齒輪箱體安裝在中滑板的后側(cè)。
3刀架改造 電動刀架能實現(xiàn)自動換刀功能，減少輔助時間，提高生產(chǎn)效率。我們選用常州宏達機床數(shù)控設備廠的LD4-CK6140刀架。
4 數(shù)控系統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng)采用南京博洋數(shù)控設備有限公司的BY-300T型車床數(shù)控系統(tǒng)。
5 編碼器 在螺紋車削時，主軸每轉(zhuǎn)一圈，刀架移動一個螺距值，在數(shù)控機床中靠編碼器檢測主軸的實際轉(zhuǎn)速并反饋到數(shù)控系統(tǒng)后，再由系統(tǒng)自動調(diào)整進給軸的進給速度來保證。為了保證每次吃刀都不亂扣必須安裝編碼器，我們選擇了長春光學儀器廠的ZJE-38A型光電編碼器。
5.3 縱向自動走刀機床進給伺服系統(tǒng)機械部分的設計
其主要設計參數(shù)：
加工最大直徑：在床面上
在床鞍上
加工最大長度：1000mm
工作臺重量 w=80千克(粗略估計)
時間常數(shù) t=25ms
滾珠絲杠基本導程 Ph=6mm
行程 s=1000mm
脈沖當量 δp=0.01/脈沖
步距角 ψ=0.75mm/脈沖
快速進給速度 Vmax=4m/min
5.3.1切削力計算
縱切外圓時,車床的切削力Fz可以用下式計算：
FZ=0.67
式中：Dmax為在車床床面上加工的最大直徑(mm ),Dmax=21mm
則 Fz=0.67×210=2039(N)
進給抗力Fx和切深抗力可按下列比例分別求出
Fz ： Fx ： Fy = 1 ： 0.25 ： 0.4
則 Fx=0.25×2039=510(N) Fy = 0.4 × 2039 = 815.6(N)
5.3.2 滾珠絲杠設計計算
(1) 實際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力,可用下列進給牽引力實際公式計
算,對于三角形或綜合導軌機床：
f = KFx + f′(Fz + W)
式中： Fx Fz — X Z方向上的切削分力,單位為N
W — 移動部件的重量,單位為
F'' — 導軌上的摩檫系數(shù)
K — 考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)
對于三角形或綜合性導軌機床：
K = 1.15 f' = 0.15-0.18 取f '= 0.16
則 Fm = 1.15 ×510 + 0.16 (2039 + 800) = 1040.7(N)
(2) 最大動負載C的計算及主要尺寸初選
滾珠絲杠應根據(jù)額定動載荷Ca選用,最大動載荷計算原理與滾珠軸承相似,滾珠絲杠最大C可用下式計算：
C = fm Fm
式中： L為工作壽命,單位為10r , L=60nt/10 ; n 為絲杠轉(zhuǎn)速(r/min),n =1000v/Lo, v 為最大切削力條件下的進給速度(m/min),可取最高進給速度的1/2-1/3 ;Lo為絲杠基本導程(mm) ;計算時,可根據(jù)快進速度Vmax和絲杠最大轉(zhuǎn)速nmax初選一個數(shù)值Lo≥1000Vmax/nmax,待剛度驗算后再確定t為額定使用壽命(h)可取t =1500h;fm為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù),一般情況取1.2-1.5; Fm為滾珠絲杠工作載荷(N)
v = 1/2vmax = 1/2 ×4 = 2 m/min
nmin = 1440 ×1.129 = 1625.8r/min
Lo≥1000vmax/nmax=1000×4/1625.8=2.46mm 取Lo=6mm
則 n=1000v/Lo=1000×2/6=333r/min
L=60nt/10=60×333×15000/10=300 (10r)
C=fm Fm= ×1.3×1040. 7=9056.8 (N)
初選滾珠絲桿副的尺寸,相應的額定動載荷Ca不得小于最大動載荷C：Ca>C,選用內(nèi)循環(huán)滾動螺旋副：
Dw=3.696, dm=40mm, Ca=16300, Coa=47100,λ=2?44', Lo=6, 1×2
(3) 傳動效率計算：
滾動絲杠螺紋的傳動效率η為：η=tg/ tg ()
式中： λ為絲杠螺紋升角,可根據(jù)初選型號查出,λ=2.44°;ψ為摩檫絲杠副的滾動摩檫系數(shù)f=0.003-0.004,其摩檫角約等于10?
則 η=tg2?44'/ tg (2?44'+10')
(4) 剛度驗算
滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導程發(fā)生變化,從而影響其定位精和運動平穩(wěn)性,滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形,絲杠與螺母之間滾道的接觸變形,絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形.滾珠絲杠的扭矩變形較小,對縱向變形的影響更 小,可忽略不計,螺母座只要設計合理,其變形量也可忽略不計。絲杠軸承的軸向接觸變形計算方法可參考機械設計手冊.可供滾珠絲杠支承使用的滾動軸承種類很多,目前占優(yōu)勢的有：接觸角為60的推力角接觸球軸承,可以背靠背或面對面組配,還可以三聯(lián)組配,四聯(lián)組配等,為提高剛度和承載能力。因此,只要滾珠絲杠的剛度設計得好,軸承的軸夏管內(nèi)接觸變形在此可以不予考慮。
<1> 絲杠的拉壓變形量
滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量
δ1= FmL/EA
式中： 為在工作載荷 作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量(mm)：為絲杠的工作載荷(N); L為滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm); E材料彈性模量,對鋼E=20.6×10Mpa;A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面 (mm), + 號用于拉伸, - 號用于壓縮。
Fm = 1040.7 (N) L = 1600 mm E =20.6×10 Mpa A= (dm-Dm)
則δ1=FmL/EA=1040.7×1600/20.6×π/4(40-3.969)=0.0079mm
<2> 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2
該變形量與滾珠列.圈數(shù)有關,即與滾珠總數(shù)量有關,與滾珠絲杠的長度無關,有預緊力時δ2=0.013Fm/
式中： Dw為滾珠直徑(mm);Z 為滾珠總數(shù)量, Z=Z×圓數(shù)×列數(shù); Z為一圈的滾珠數(shù),Z=(πdm/Dm)-3(內(nèi)循環(huán)); dm為滾珠絲杠的公稱直徑(mm);Fxj為預緊力(Kgf); Fm為滾珠絲杠工作載荷(Kgf);
Dw = 3.969 mm Z = π × 40/ (3.969-3) ×1×2
Fm = 1040.7 (N) Fxj = 1/3 Fx = 1/3 ×510 = 170 (N)
所以, δ2=0.0013=0.0022mm
絲杠的總變形量δ = δ1+δ2=0.0079+0.0101<0.015
由此可得滾珠絲杠副剛度滿足條件
(5) 壓桿穩(wěn)定性驗算：
滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿,若軸向工作載荷過大,將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲,即失穩(wěn).失穩(wěn)時的臨界載荷為：
Fk = π E I / (fzL) (N)
式中： E為絲杠材料彈性模量,對鋼E=20.6×10 Mpa;I為截面慣性矩,對絲杠圓截面I=π /64(mm) (d1為絲杠底徑);為絲杠最大工作長度(mm); fz為絲杠支承方式系數(shù)
I = π (40-9) / 64 = 45310 fz=2(一端固定一端簡支) L=1600mm
Fk = π EI/ (fzL ) = 20.6× 10× 45310/(2× 1600)=8987(N)
穩(wěn)定性足夠。
5.3.3齒輪及轉(zhuǎn)矩的有關計算：
傳動比： i= φ Ph / 360δp=0.75× 6/360× 0.01=1.25
故取齒輪齒數(shù)： Z1=32 Z2=40
模數(shù)： m=2mm b=20mm α =20?
分度圓直徑： d1=mz=2 32=64mm d=mz=2 40=80
齒頂圓直徑： da1=d+2mhamm=68mm da2=d2+2mhamm=84mm
中心距： a=(d1+d2)/2=72mm
轉(zhuǎn)動慣量的計算：
工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量：
J1=(180δp/π)W=(180×0.01×/0.75)×80/