CA6140臥式車(chē)床數(shù)控化改造設(shè)計(jì)—橫向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含CAD圖紙】

畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 中 文 摘 要如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。本文主要是采用微機(jī)數(shù)控技術(shù)對(duì)最大加工直徑為 400mm 的普通臥式車(chē)床進(jìn)行改造設(shè)計(jì)。首先對(duì)臥式車(chē)床的改造任務(wù)和功能需求進(jìn)行了認(rèn)真分析，其次確定了普通臥式車(chē)床數(shù)控改造的總體方案，包括主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案、換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架、螺紋編碼器的安裝方案、進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案。最后經(jīng)過(guò)計(jì)算切削力、滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算、齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算對(duì)絲杠、齒輪等進(jìn)行了選型，詳細(xì)設(shè)計(jì)出了橫向進(jìn)給系統(tǒng)。關(guān)鍵詞 數(shù)控技術(shù) 改造設(shè)計(jì) 橫向進(jìn)給 車(chē)床本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 頁(yè) 共 頁(yè)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 外 文 摘 要Title Design of Horizontal Machine based on Numerical Control Technology -Design of Lateral Feeding System AbstractToday, rapid development of science and technology, especially micro-electronics technology and computer technology have expanded rapidly, and applied to the numerical control system, it can increase the degree of automation, machine tools, can improve the machining accuracy, so the most economical way is to carry out general transformation of the NC machine tool. In this paper, using computer numerical control machining technology to the maximum diameter of 400mm for the general transformation of the design of horizontal lathe. First of all, the transformation of the horizontal lathe tasks and functions carried out a careful analysis of needs, and secondly to determine the general horizontal lathe CNC overall transformation program, including the main drive system of the transformation program, installed automatic rotary tool, the installation of encoder thread program, the transformation of feed system and design. Finally, after calculating the cutting force, ball screw design, the gear and the calculation of torque on the screw, gear selection, etc., the detailed design of a horizontal feed system.Keywords CNC technology Transformation design Lateral feed Lathe本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 頁(yè) 共 頁(yè)目 錄1 緒論 .11.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 .11.2 機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的意義 .21.3 機(jī)床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)任務(wù) .32 總體方案的確定 .42.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案 .52.2 換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架 .62.3 螺紋編碼器的安裝方案 .72.4 進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案 .72.5 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì) .83 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 103.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 103.2 數(shù)控車(chē)床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì) 163.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì) 224 微機(jī)數(shù)控部分設(shè)計(jì) 254.1 概述 254.2 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 264.3 軟件設(shè)計(jì) 27結(jié)束語(yǔ) .29致謝 .30參考文獻(xiàn) .31本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 1 頁(yè) 共 31 頁(yè)1 緒論1.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的發(fā)展美、德、日三國(guó)是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家。因其社會(huì)條件不同，各有特點(diǎn)。1.1.1 美國(guó)的數(shù)控發(fā)展史美國(guó)政府重視機(jī)床工業(yè)，美國(guó)國(guó)防部等部門(mén)因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費(fèi)，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如 1952 年研制出世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床、1958 年創(chuàng)制出加工中心、70 年代初研制成 FMS、1987 年首創(chuàng)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國(guó)首先結(jié)合汽車(chē)、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化所需的自動(dòng)線，而且電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí)，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國(guó)生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，其存在的教訓(xùn)是，偏重於基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì) 80 代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，于 1982 年被后進(jìn)的日本超過(guò)，并大量進(jìn)口。從 90 年代起，糾正過(guò)去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。 1.1.2 德國(guó)的數(shù)控發(fā)展史德國(guó)政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。于 1956 年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，德國(guó)特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門(mén)緊密合作，對(duì)數(shù)控機(jī)床的共性和特性問(wèn)題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國(guó)的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國(guó)特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門(mén)子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競(jìng)相采用。 1.1.3 日本的數(shù)控發(fā)展史日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過(guò)規(guī)劃、法規(guī)(如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等)引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國(guó)，在質(zhì)量本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 2 頁(yè) 共 31 頁(yè)管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國(guó)，甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。自 1958 年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，1978 年產(chǎn)量(7,342 臺(tái))超過(guò)美國(guó)(5,688 臺(tái))，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001 年產(chǎn)量 46,604 臺(tái)，出口 27,409 臺(tái)，占 59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場(chǎng)。在上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。日本 FANUC 公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工 3,674 人，科研人員超過(guò) 600 人，月產(chǎn)能力 7,000 套，銷售額在世界市場(chǎng)上占 50%，在國(guó)內(nèi)約占 70%，對(duì)加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。1.1.4 我國(guó)的數(shù)控發(fā)展史我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過(guò)“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)， “七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)” ，我國(guó)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績(jī)。特別是最近幾年，我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，19982004 年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長(zhǎng)率分別為 39.3%和 34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁，從 2002 年開(kāi)始，中國(guó)連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國(guó)、機(jī)床進(jìn)口第一大國(guó)，2004 年中國(guó)機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá) 94.6 億美元，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)方面與國(guó)外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看出國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，究其原因主要在于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識(shí)與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢(shì)，充分認(rèn)識(shí)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家之問(wèn)的差距 1。1.2 機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的意義國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工是從 40 年代開(kāi)始的。1952 年美國(guó)麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從 60 年代開(kāi)始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開(kāi)發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974 年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)床的功能越來(lái)越完善，可靠性和性能越來(lái)越高，它在制造業(yè)中逐漸擔(dān)當(dāng)了越來(lái)越重要的角色 2。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 3 頁(yè) 共 31 頁(yè)我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從 1958 年開(kāi)始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至 80 年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開(kāi)，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)需求變的越來(lái)越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通車(chē)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有車(chē)床上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場(chǎng)前景 3。1.3 機(jī)床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)任務(wù)本課題來(lái)源于生產(chǎn)實(shí)踐。將 CA6140 型普通車(chē)床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，應(yīng)能實(shí)現(xiàn) CA6140 車(chē)床原有功能，在機(jī)床的精度、性能等方面除保持原來(lái)狀況外還有所提高。在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中滿足以下幾點(diǎn)要求：（1）橫向（X 向） 進(jìn)給脈沖當(dāng)量為 0.005mm /脈沖；（2）橫向最快的工進(jìn)速度：400mm/min（無(wú)級(jí)調(diào)速） ；（3）床身上最大加工直徑：400mm；最大加工長(zhǎng)度：1000mm；（4）CNC 系統(tǒng)主 CPU 采用單片機(jī)。該設(shè)計(jì)的總體思路是采用以 8031 單片機(jī)為核心的數(shù)控裝置控制加工過(guò)程。微機(jī)通過(guò) I/O 接口發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過(guò)光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路，驅(qū)動(dòng)控制線路接受來(lái)自數(shù)控車(chē)床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。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 I/O 輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響單片機(jī)程序運(yùn)行，重則導(dǎo)致單片機(jī)接口電路的損壞，所以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離 4。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 4 頁(yè) 共 31 頁(yè)2 總體方案的確定臥式車(chē)床是金屬切削加工最常用的一類機(jī)床。它主要用車(chē)刀對(duì)旋轉(zhuǎn)的工件進(jìn)行車(chē)削加工。在車(chē)床上還可用鉆頭、擴(kuò)孔鉆、鉸刀、絲錐、板牙和滾花工具等進(jìn)行相應(yīng)的加工。車(chē)床主要用于加工軸、盤(pán)、套和其他具有回轉(zhuǎn)表面的工件，是機(jī)械制造和修配工廠中使用最廣的一類機(jī)床。CA6140 臥式車(chē)床的機(jī)構(gòu)布局如圖 2.1 所示。圖 2.1 CA6140 臥式車(chē)床的結(jié)構(gòu)布局對(duì)其進(jìn)行改造應(yīng)考慮車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式、進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類型、數(shù)控系統(tǒng) CPU 的選擇，以及進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)方式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的選擇等。（1）臥式車(chē)床數(shù)控化改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)以及螺紋插補(bǔ)的功能。因此，數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）臥式車(chē)床經(jīng)數(shù)控化改造后屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，在保證一定加工精度的前提下，應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本。因此，進(jìn)給伺服系統(tǒng)常采用步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。（3）根據(jù)技術(shù)指標(biāo)中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 5 頁(yè) 共 31 頁(yè)要求，決定選用 MCS51 系列的 8 位單片機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng)的 CPU。MCS 51 系列8 位機(jī)具有功能多、速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。（4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)與顯示電路、I/O 接口電路、D/A 轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等；還要選擇步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源以及主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器等。（5）為了達(dá)到技術(shù)指標(biāo)中的速度和精度要求，縱、橫向的進(jìn)給系統(tǒng)應(yīng)選用摩擦力小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副；為了消除傳動(dòng)間隙、提高傳動(dòng)剛度，滾珠絲杠的螺母應(yīng)有預(yù)緊機(jī)構(gòu)等。（6）計(jì)算選擇步進(jìn)電機(jī)，為了圓整脈沖當(dāng)量，可能需要減速齒輪副，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)。（7）選擇四工位立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，選擇螺紋編碼器等 58 ?？傮w布局圖如圖 2.2 所示。10-床身部件 20-車(chē)頭箱部件 30-縱向進(jìn)給部件 40-橫向進(jìn)給部件 50-尾架部件圖 2.2 總體布局圖2.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造方案經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床動(dòng)力系統(tǒng)可分為三類：（1）步進(jìn)電機(jī)式采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)與定位，是開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，同時(shí)限于造價(jià)，不再采用其它措施補(bǔ)本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 6 頁(yè) 共 31 頁(yè)償位置誤差。由于目前功率步進(jìn)電機(jī)力矩還不太大，所以機(jī)床的空選種速度較低，一般用于半精加工。這種系統(tǒng)具有 23 種插補(bǔ)功能，通過(guò)軟件控制接口，可加工錐面，螺紋，簡(jiǎn)單外形的曲面等十分靈活。由于性價(jià)比較恰當(dāng)，一般中小型企業(yè)在技術(shù)力量和財(cái)力上都比較容易實(shí)現(xiàn)，因此在全國(guó)較容易推廣，普及。（2）交流點(diǎn)位式采用交流電機(jī)變頻驅(qū)動(dòng)，用光柵數(shù)字點(diǎn)位控制，與步進(jìn)電機(jī)相比，提高了定位精度。光柵分辨率可達(dá) 0.001mm，重復(fù)定位精度為 0.005mm，所以加工精度較高。由于采用交流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，功率大，可進(jìn)行大切屑量加工零件加工中，效果尤為顯著。目前，交流點(diǎn)式系統(tǒng)只能加工柱面，不能加工曲面和螺紋功能上有限，而且成本高，使性能價(jià)格比相對(duì)下降，一般用于大企業(yè)或?qū)I(yè)化工廠使用，國(guó)內(nèi)用的很少。（3）半閉環(huán)連續(xù)控制式采用直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以脈沖編碼器檢測(cè)位置，實(shí)現(xiàn)半閉環(huán)連續(xù)控制。由于采用高性能直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，扭矩大，速度高，過(guò)載能力強(qiáng)，可進(jìn)行強(qiáng)力切削。當(dāng)絲杠螺在 6mm 左右時(shí)，快速可達(dá) 89m/min，且不丟步，效率高。該系統(tǒng)功能齊全，還帶有可編程序控制器，使強(qiáng)電計(jì)大大簡(jiǎn)化。對(duì)臥式車(chē)床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，一般可保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)，這樣可減少機(jī)械改造的工作量。主軸的正傳、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制。若要提高車(chē)床的自動(dòng)化程度，需要在加工中自動(dòng)變換轉(zhuǎn)速，可用 24 速的多速電動(dòng)機(jī)代替原有的單速主電動(dòng)機(jī)；當(dāng)多速電動(dòng)機(jī)仍不能滿足要求時(shí)，可用交流變頻器來(lái)控制主軸電動(dòng)機(jī)，已實(shí)現(xiàn)無(wú)極變速（工廠使用情況表明，使用變頻器時(shí)，若工作頻率低于 70Hz，原來(lái)的電動(dòng)機(jī)可以不換，但所選變頻器的功率應(yīng)比電機(jī)大） 9。2.2 換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車(chē)床原有的手動(dòng)刀架換成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。常見(jiàn)的自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架有四工位立式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架和六工位臥式自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架。如圖 2.3 所示。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架在結(jié)構(gòu)上必須具有良好的強(qiáng)度和剛性，以承受粗加工時(shí)的切削抗力。為了保證轉(zhuǎn)位之后具有高的復(fù)雜定位精度，自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架還要選擇可靠的定位方案和合理的定位結(jié)構(gòu)。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的自動(dòng)換刀由控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 7 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 2.3 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的外形2.3 螺紋編碼器的安裝方案螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器或圓光柵。數(shù)控車(chē)床加工螺紋時(shí)，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車(chē)床主軸位置信號(hào)的反饋元件，它與車(chē)床主軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)。螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是指將編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在主軸箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步的旋轉(zhuǎn)輸出軸，如果找不到同步軸，可將編碼器通過(guò)一對(duì)傳動(dòng)比為 1：1 的同步齒形帶與主軸聯(lián)接起來(lái)。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無(wú)間隙柔性聯(lián)接，且車(chē)床主軸的最高轉(zhuǎn)速不允許超過(guò)編碼器的最高許用轉(zhuǎn)速。2.4 進(jìn)給系統(tǒng)的改造與設(shè)計(jì)方案（1）拆除掛輪架所有齒輪，在此尋找主軸的同步軸，安裝螺紋編碼器。（2）拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與同步帶減速箱總成。（3）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在床鞍的下面安裝縱向滾珠絲杠的本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 8 頁(yè) 共 31 頁(yè)螺母座與螺母座托架。（4）拆除四方刀架與小滑板總成，在中滑板上方安裝四工位立式電動(dòng)刀架。（5）拆除中滑板下的滑動(dòng)絲杠螺母副，將滑動(dòng)絲杠靠刻度盤(pán)一段鋸斷保留，拆掉刻度盤(pán)上的手柄，保留刻度盤(pán)附近的兩個(gè)推力軸承，換上滾珠絲杠副。（6）將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)通過(guò)法蘭座安裝到中滑板后部的床鞍上，并與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。（7）拆去三杠（絲杠、光杠與操縱杠） ，更換絲杠的右支承 10。2.5 數(shù)控系統(tǒng)部分設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系統(tǒng)、連續(xù)(輪廓)控制系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，CA6140 車(chē)床要加工復(fù)雜零件輪廓，其各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有著確定的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。采用以步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制。因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。開(kāi)環(huán)控制多用于負(fù)載變化不大或要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控設(shè)備中。采用簡(jiǎn)易數(shù)控裝置，以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)在微機(jī)控制下的自動(dòng)加工。其工作原理是：根據(jù)加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式編寫(xiě)加工程序，通過(guò)數(shù)控裝置上的鍵盤(pán)輸入微機(jī)，微機(jī)在監(jiān)控程序的管理下工作，并通過(guò)專用控制程序，把用戶加工程序轉(zhuǎn)化成一定頻率和數(shù)量的脈沖信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后驅(qū)動(dòng)縱橫向二臺(tái)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)械接口傳動(dòng)絲杠實(shí)現(xiàn)刀架縱、橫兩個(gè)方向的頻率。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架由單片機(jī)發(fā)出換刀轉(zhuǎn)位指令，由自動(dòng)刀架驅(qū)動(dòng)電源驅(qū)動(dòng)三相電機(jī)使刀架松開(kāi)、抬起、旋轉(zhuǎn)后再自動(dòng)鎖緊而完成轉(zhuǎn)位換刀過(guò)程。該經(jīng)濟(jì)型微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件。微機(jī)通過(guò) I/O 接口發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖，經(jīng)過(guò)光電隔離進(jìn)入步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制線路，驅(qū)動(dòng)控制線路接受來(lái)自數(shù)控車(chē)床控制系統(tǒng)的進(jìn)給脈沖信號(hào)，并將該信號(hào)轉(zhuǎn)換為控制步進(jìn)電機(jī)各定子繞組依次通電、斷電的信號(hào)，使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子帶動(dòng)滾珠絲杠傳動(dòng)，絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)使工作臺(tái)產(chǎn)生移動(dòng)。如圖 2.4 所示。光電隔離微機(jī)功率放大步進(jìn)電 機(jī)橫向工作臺(tái)xx本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 9 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 2.4 CA6140 車(chē)床數(shù)控改造的方案示意圖綜上所述，本設(shè)計(jì)改造的總體方案為：采用 MCS-51 單片機(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，步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。數(shù)控改造后的車(chē)床不僅提高了原車(chē)床的精度和自動(dòng)化程度，達(dá)到快速調(diào)整且仍能保持車(chē)床的通用性，而且提高了原車(chē)床的功能，利用數(shù)控方法準(zhǔn)確地加工任意面的旋轉(zhuǎn)體 11。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 10 頁(yè) 共 31 頁(yè)3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算3.1.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(pán)將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來(lái)，以保證同軸度，提高傳動(dòng)精度。3.1.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算已知條件：工作臺(tái)重（根據(jù)圖紙粗略計(jì)算） 30NkgfW時(shí)間常數(shù) 25msT滾珠絲杠基本導(dǎo)程 左旋4L行程 30S脈沖當(dāng)量 ep.5/stp步距角 7.快速進(jìn)給速度 1m/inaxV（1）切削力計(jì)算 查參考文獻(xiàn)1可得知，橫向進(jìn)給量為縱向的 1/21/3,取 1/2,則切削力約為縱向的 1/2763.8N.kgf152.76(/)zF（3.1）在切斷工件時(shí)：381.9.kgf76.380.5. zz（3.2）（2）滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 11 頁(yè) 共 31 頁(yè)（a）強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌：W)(F fKPzy（3.3）取 1.4K0.2f則30)(76.80.23819.4P4N7kgf（3.4）壽命值51305610.TinLi （3.5）最大動(dòng)負(fù)載N5213kgf57412533 LQi （3.6）根據(jù)最大動(dòng)負(fù)荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)。查參考文獻(xiàn)2可知，選用型號(hào)為 WL2004-2.5X1B 左，其額定動(dòng)負(fù)荷為 6100N，所以強(qiáng)度足夠用。（b）效率計(jì)算螺旋升角 ，摩擦角93r01則傳動(dòng)效率9560183.)tan()t(（3.7）（c）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cm1096571062143472EFL01本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 12 頁(yè) 共 31 頁(yè)（3.8）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)2L1L程變形總誤差為m/914096541L0（3.9）查表知 E 級(jí)精度絲杠允許的螺距誤差 1 長(zhǎng)為 15 ，故剛度足夠。/（d）穩(wěn)定性驗(yàn)算由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來(lái)的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭ǎ欢藦较蛑С?，所以穩(wěn)定性增強(qiáng)，故不用驗(yàn)算。（3）齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算（a）有關(guān)齒輪計(jì)算傳動(dòng)比 67135036470Lip（3.10）故取 18Z302mb2361d2d40a64a8齒輪傳動(dòng)示意圖。如圖 3.1 所示。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 13 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 3.1 齒輪傳動(dòng)示意圖（b）齒輪傳動(dòng)間隙的消除措施進(jìn)給伺服系統(tǒng)中的減速齒輪，除了本身要求較高的運(yùn)動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性外，還必須盡可能消除齒側(cè)傳動(dòng)間隙，否則，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)會(huì)產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動(dòng)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性。常用的齒輪傳動(dòng)間隙消除的方法有以下兩種。偏心套調(diào)整法如圖 3.2 所示，電動(dòng)機(jī) 2 通過(guò)偏心套 1 裝在殼體上，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套 1 能夠方便地調(diào)整兩齒輪的中心距，從而達(dá)到消除側(cè)間隙的目的。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳動(dòng)剛度好，能傳遞較大的轉(zhuǎn)矩，但齒輪磨損后齒側(cè)間隙不能自動(dòng)補(bǔ)償。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 14 頁(yè) 共 31 頁(yè)1-偏心套 2-電動(dòng)機(jī)圖 3.2 偏心套調(diào)整機(jī)構(gòu)雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法如圖 3.3 所示，兩個(gè)齒數(shù)相同的薄片齒輪 1、2 與另外一個(gè)寬齒輪 6 嚙合。薄片齒輪 1 與軸整體鑄造而成，保證了機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度。薄片齒輪 2 套裝在軸上，兩片薄齒輪之間可作相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。每個(gè)薄齒輪上分別連接三個(gè)沉頭螺釘 4、5，并在齒輪 2上開(kāi)有三個(gè)較大通孔。齒輪 1 上的三個(gè)沉頭螺釘 5 從齒輪 2 上三個(gè)大孔中穿過(guò)后，再通過(guò)拉簧 7 與齒輪 2 上的螺釘 4 相聯(lián)，螺母 3 可防止拉簧滑出。由于拉簧 7 的拉力作用使齒輪 1、2 相互之間產(chǎn)生回轉(zhuǎn)，分別與寬齒輪 6 的兩側(cè)貼緊，從而消除了齒側(cè)間隙。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 15 頁(yè) 共 31 頁(yè)1、2、6-齒輪 3-螺母 4、5-螺釘 7-拉簧圖 3.3 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整機(jī)構(gòu)（c）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222 cmkgf0439137501438 ).(W)180(Jp（3.11）絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量24- c0.6kgf52107.8sJ（3.12）齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量cm0.26kgf3.107.824- 1zJ（3.13）c.f. 24- 2zJ（3.14）本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 16 頁(yè) 共 31 頁(yè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此，總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 043926062453JJi1JI1Z2S2 cm.58kgf（3.15）（d）所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算r/in7416350.Linomax（3.16）mN218400256974181044 T9.6iJnMmaxax（3.17）r/in17346013.DLfifnoo1主t （3.18）cmkgf5N702569784 .Mat（3.19） N028.287014320 iWfiLFf（3.20）m01ckgf1609580143692 .i6M2oYo （3.21）N1790ckgf824150432 .iLFoYt （3.22）所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩（3.23）cm326ckgf632102873 .Mofamx 切削時(shí)所需力矩：本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 17 頁(yè) 共 31 頁(yè)cmN042ckgf4028160287140 .MMtofat （3.24）快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：cmN034ckgf403162870.Mof （3.25）從以上計(jì)算可知：最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)， N326kgf62Mmax3.1.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇C6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定cN285640132.MLoq（3.26）電動(dòng)機(jī)選用三相六拍工作方式，查參考文獻(xiàn)1表 7-2 知：860.imq（3.27）所以，步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 為：iMcmN01768250.6qim（3.28）步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率Hz305610fpmaxx （3.29）為了便于設(shè)計(jì)和計(jì)算，選用 110BF003 型三相六拍步進(jìn)電機(jī)，能滿足使用要求。步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸見(jiàn)表 3.1，圖 3.4 所示 12。表 3.1 反應(yīng)式/磁阻式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的安裝尺寸型號(hào) D D h1 h2 d E b L d 1 D 2 鍵 MS本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 18 頁(yè) 共 31 頁(yè)1110BF003 110 85 4 8 14 29 112 186 9 132 平鍵 420 無(wú)圖 3.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)外型及安裝尺寸3.2 數(shù)控車(chē)床的傳動(dòng)裝置設(shè)計(jì)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)。包括絲杠螺母副、導(dǎo)軌、工作臺(tái)等。在數(shù)控機(jī)床數(shù)字調(diào)節(jié)技術(shù)領(lǐng)域，傳動(dòng)裝置是伺服系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。因此，數(shù)控車(chē)床的傳動(dòng)裝置與普通車(chē)床中傳動(dòng)裝置在概念上有重要差別，它的設(shè)計(jì)與普通車(chē)床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)不同。數(shù)控車(chē)床傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)要求除了具有較高的定位精度之外，還應(yīng)具有良好的動(dòng)態(tài)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)要快，穩(wěn)定性要好。為確保數(shù)控車(chē)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、低摩擦、高剛度等要求。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)，以減少摩擦力；（2）鏈以及用預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度；（3）量消除傳動(dòng)間隙，減少反向死區(qū)誤差 13。3.2.1 螺旋傳動(dòng)（1）概述螺旋傳動(dòng)主要用來(lái)把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，或把直線運(yùn)動(dòng)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。其中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運(yùn)動(dòng)為主，并要求有較高傳動(dòng)精度的本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 19 頁(yè) 共 31 頁(yè)傳動(dòng)螺旋，還有調(diào)整零件相互位置的調(diào)整螺旋。螺旋傳動(dòng)機(jī)構(gòu)又有滑動(dòng)絲杠螺母、滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機(jī)構(gòu)。在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床的進(jìn)給系統(tǒng)中，螺旋傳動(dòng)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)精密進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并廣泛采用滾珠絲杠副傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。滾珠絲杠副傳動(dòng)是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當(dāng)數(shù)量的滾珠。這些滾珠作為中間傳動(dòng)件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的一種傳動(dòng)裝置。它由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等四個(gè)部分組成。當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)螺母移動(dòng)時(shí)，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動(dòng)，在螺桿上滾動(dòng)數(shù)圈后，滾珠從滾道的一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進(jìn)入滾道，從而構(gòu)成閉和回路。（2）滾珠絲杠副傳動(dòng)的特點(diǎn)（a）傳動(dòng)效率高，摩擦損失小。（b）給予適當(dāng)預(yù)緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時(shí)就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛度好。（c）啟動(dòng)力矩小，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)爬行現(xiàn)象，傳動(dòng)精度高，同步性好。（d）有可逆性，可以從旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，也可以從直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，即絲杠和螺母都可以作為主動(dòng)件。（e）磨損小，使用壽命長(zhǎng)，精度保持性好。（f）制造工藝復(fù)雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值別別小，故制造成本高。（g）不能自鎖。特別是對(duì)于垂直絲杠，由于中立的作用，下降時(shí)當(dāng)傳動(dòng)切斷后，不能立刻停止運(yùn)動(dòng)，所以需要添加制動(dòng)裝置。（3）滾珠絲杠副的支承方式為了滿足高精度、高剛度進(jìn)給系統(tǒng)的需要，必須充分重視滾珠絲杠副支承的設(shè)計(jì)。（a）一端固定 一端自由絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都很低。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單軸向剛度小本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 20 頁(yè) 共 31 頁(yè)適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝（b）兩端鉸支結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單軸向剛度小適用于對(duì)剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝對(duì)絲杠的熱伸長(zhǎng)較敏感適用于中等回轉(zhuǎn)速度（c）一端固定 一端鉸支絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉(zhuǎn)速度結(jié)構(gòu)稍復(fù)雜軸向剛度大適用于對(duì)剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝推力球軸承應(yīng)安置在離熱源（步進(jìn)電機(jī)）較遠(yuǎn)的一端（d）兩端固定絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，兩端軸承均調(diào)整預(yù)緊，絲杠的溫度變形可轉(zhuǎn)化為推力軸承的預(yù)緊力軸向剛度最大適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝適用于較長(zhǎng)的絲杠安裝詳見(jiàn)表 3.2。表 3.2 滾珠絲杠副的支承形式支承形式 簡(jiǎn)圖 特點(diǎn)雙推-自由1.剛度、臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性低2.設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲杠受拉伸3.適用于較短和垂直安裝的絲杠本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 21 頁(yè) 共 31 頁(yè)雙推-簡(jiǎn)支1.臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性較高2.絲杠有熱膨脹的余地3.適用于較長(zhǎng)的臥式安裝的絲杠單推-單推可根據(jù)預(yù)計(jì)溫升產(chǎn)生的熱膨脹量進(jìn)行預(yù)拉伸雙推-雙推1.絲杠的軸向剛度高2.絲杠一般不會(huì)受壓，無(wú)壓桿穩(wěn)定性問(wèn)題3.可用預(yù)拉伸減小因絲杠自重引起的下垂4.適用于對(duì)剛度和位移精度要求高的場(chǎng)合綜上所述，本設(shè)計(jì)中滾珠絲杠副支承方式由原來(lái)的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承。?）滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動(dòng)精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。消除間隙的方法采用雙螺母結(jié)構(gòu)，利用兩個(gè)螺母的相對(duì)軸向位移，使兩個(gè)滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個(gè)相反的側(cè)面上。用這種方法預(yù)緊消除軸向間隙時(shí)，應(yīng)注意預(yù)緊力不宜過(guò)大，預(yù)緊力大會(huì)使空載力矩增加，從而降低傳動(dòng)效率，縮短使用壽命。此外，還要消除絲杠安裝部分和驅(qū)動(dòng)部分的間隙 14。3.2.2 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（1）軸 CAJJX6140-02-04 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由前面滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)可知：滾珠絲杠的直徑為 20mm。由于絲杠與軸CAJJX6140-02-04 通過(guò)聯(lián)接套聯(lián)接，考慮到軸的加工方便性和整體的連貫性，軸CAJJX6140-02-04 的軸身部分直徑與滾珠絲杠的直徑相同，均為 20mm，其長(zhǎng)度根據(jù)原車(chē)床實(shí)際需要的尺寸而定，軸頸部分直徑為 17mm。如圖 3.5 所示。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 22 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 3.5 軸 CAJJX6140-02-04（2）軸 CAJJX6140-02-08 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮與軸承內(nèi)經(jīng)的配合，所以該軸兩端支承部分直徑為 17mm。由于該軸需與法蘭盤(pán)聯(lián)接，而且該軸相對(duì)較長(zhǎng)，因此在設(shè)計(jì)時(shí)為了方便安裝，降低裝配難度，將軸身部分增加一個(gè)軸肩，直徑適當(dāng)減小，使其有一過(guò)渡，軸身直徑為 15mm。因?yàn)樵撦S的右端還需安裝一個(gè)透蓋，用雙螺母對(duì)其緊固。軸與透蓋用一鍵使其周向固定。查參考文獻(xiàn)3可知，根據(jù)軸的直徑選用型號(hào)為 GB/T1098-1979 的鍵，鍵槽寬度為3mm，深度為 3.8mm。如圖 3.6 所示。圖 3.6 軸 CAJJX6140-02-083.2.3 透蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)透蓋的內(nèi)徑和長(zhǎng)度由與之配合的軸 CAJJX6140-02-08 的直徑和長(zhǎng)度決定，所以透蓋的直徑為 16mm,長(zhǎng) 33mm。因?yàn)檫x用型號(hào)為 GB/T1098-1979 的鍵，查參考文獻(xiàn)3可知，轂 t1=1.4mm，上偏差為+0.1，下偏差為 0。外圓的直徑由法蘭盤(pán)的直徑?jīng)Q定，為 96mm。如圖 3.7 所示。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 23 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 3.7 透蓋 CAJJX6140-02-013.2.4 螺母座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)螺母座的長(zhǎng)度根據(jù)滾珠螺母的長(zhǎng)度而定。螺母座與滾珠螺母通過(guò)鍵進(jìn)行軸向固定，查參考文獻(xiàn)4可知，該鍵型號(hào)選用 GB/T1096-1979，4430。滾珠絲杠副通過(guò)螺母座帶動(dòng)工作臺(tái)移動(dòng)，因此螺母座通過(guò)螺釘與工作臺(tái)聯(lián)接。查參考文獻(xiàn)4可知，螺釘型號(hào)選用 GB/T70-1985。如圖 3.8 所示。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 24 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 3.8 螺母座 CAJJX6140-02-073.3 自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的設(shè)計(jì)是普通機(jī)床數(shù)控改造機(jī)械方面的關(guān)鍵。在進(jìn)行普通車(chē)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造時(shí)，多采用外購(gòu)自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。由微機(jī)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架具有重復(fù)定位精度高,工件剛性好,性能可靠,使用壽命長(zhǎng)以及工藝性好等特點(diǎn)。自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架設(shè)計(jì)時(shí),刀架要能自動(dòng)完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊,即要設(shè)計(jì)出合理的機(jī)構(gòu)又要檢測(cè)出個(gè)順序動(dòng)作的電信號(hào),以便由控制系統(tǒng)加以控制。自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 3.9 所示。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 25 頁(yè) 共 31 頁(yè)1-發(fā)信盤(pán) 2-推力軸承 3-螺桿螺母副 4-端面齒盤(pán) 6-三相異步電動(dòng)機(jī) 7-聯(lián)軸器 8-蝸桿副 9-反靠銷 10-圓柱銷 11-上蓋圓盤(pán) 12-上刀體圖 3.9 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的傳動(dòng)結(jié)構(gòu)示意圖刀架的回轉(zhuǎn)常采用微電機(jī)通過(guò)蝸輪蝸桿使刀架抬到一定高度時(shí),由撥塊帶動(dòng)刀架轉(zhuǎn)動(dòng)。刀架的選位由刀架位置的編碼和微機(jī)程序來(lái) 15實(shí)現(xiàn)。這里選用的是 LD4-1 型自動(dòng)刀架，其工作原理是由微機(jī)發(fā)出換刀信號(hào),使微電機(jī)正轉(zhuǎn),通過(guò)減速機(jī)構(gòu)和升降機(jī)構(gòu)將上刀體升至一定位置時(shí),離合轉(zhuǎn)盤(pán)起作用,帶動(dòng)上刀體旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)到所選刀位,發(fā)信盤(pán)發(fā)出刀位信號(hào),使微電機(jī)反轉(zhuǎn),反靠初定位,上刀體下降,齒牙盤(pán)嚙合，完成精定位，并通過(guò)蝸輪蝸桿，鎖緊螺母，使刀架固緊。當(dāng)夾緊力達(dá)到預(yù)先調(diào)好的狀態(tài)時(shí)，過(guò)流繼電器動(dòng)作，切斷電源，電機(jī)停轉(zhuǎn)，并向微機(jī)發(fā)出回答信號(hào)，開(kāi)始執(zhí)行下道工序。刀架的動(dòng)作順序簡(jiǎn)明地表示為：微電機(jī)減速機(jī)構(gòu)升降機(jī)構(gòu)上刀體上升轉(zhuǎn)位信號(hào)符合粗定位機(jī)構(gòu)上刀體下降精定位刀體鎖緊微電機(jī)停轉(zhuǎn)換刀回答信號(hào)加工順序執(zhí)行。自動(dòng)刀架的換刀流程如圖 3.10 所示。本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 26 頁(yè) 共 31 頁(yè)圖 3.10 自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的換刀流程圖本 科 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 說(shuō) 明 書(shū) （ 論 文 ） 第 27 頁(yè) 共 31 頁(yè)4 微機(jī)數(shù)控部分設(shè)計(jì)4.1 概述數(shù)控機(jī)械的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行驅(qū)動(dòng)元件，因此又稱為開(kāi)換步進(jìn)控制系統(tǒng)。由于這種系統(tǒng)不使用位置、速度檢測(cè)和反饋裝置，沒(méi)有閉環(huán)控制系統(tǒng)中的穩(wěn)定性問(wèn)題，因此具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便、可靠性高、制造成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，適用于精度要求不太高的中小型數(shù)控設(shè)備。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)主要由脈沖分配器、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)組成。步進(jìn)電機(jī)是一種多相脈沖電機(jī)，它的各相繞組必須按一定的規(guī)律輪流供電，步進(jìn)電機(jī)才能按一定的方向旋轉(zhuǎn)。為實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各繞組間有規(guī)律輪流供電，可以采用硬件邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可以用計(jì)算機(jī)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)通過(guò)運(yùn)算不斷地向步進(jìn)電機(jī)發(fā)出脈沖分配信號(hào)，這樣就使步進(jìn)電機(jī)朝一個(gè)方向不斷轉(zhuǎn)動(dòng)。單片機(jī)發(fā)出的脈沖速度快，步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)得快，單片機(jī)發(fā)出的脈沖速度慢，步進(jìn)電機(jī)也轉(zhuǎn)得慢，這樣單片機(jī)就可以通過(guò)改變輸出脈沖的速度來(lái)改變步進(jìn)電機(jī)的速度。單片機(jī)還可以通過(guò)改變脈沖分配的順序來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。再通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)使電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)角變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的進(jìn)退、移動(dòng)速度和位移量。單片機(jī)就是這樣通過(guò)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)控制工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的。由于單片機(jī)脈沖輸出的脈沖功率很小，不足以推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，因而必須有一個(gè)把脈沖信號(hào)放大到足以推動(dòng)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的放大器，這就是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。由于步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)電感性負(fù)載，電流的上升率受電感大小的影響而在高頻運(yùn)行時(shí)扭矩將有較大的下降。所以在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電源時(shí)必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣?lái)提高電流的上升率以保證運(yùn)行時(shí)有足夠的扭矩。由此可見(jiàn)步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的性能好壞將對(duì)開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的性能起很重要的作用。如圖 4.1 所示。