臥式車床數(shù)控化改造設計-縱向進給系統(tǒng)的設計.doc

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目 錄 1 緒論 1 1.1 國內外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 2 1.3 普通機床數(shù)控改造的意義 3 1.4 本文的設計任務 3 2 C6140普通車床數(shù)控改造的總體方案設計 5 2.1 C6140普通車床介紹 5 2.2 總體方案的確定 6 2.3 機械系統(tǒng)的改造設計方案 8 3 縱向進給系統(tǒng)的詳細設計與計算 13 3.1 脈沖當量的確定 13 3.2 切削力的計算 13 3.3 滾珠絲杠螺母副的設計及計算 14 3.4 齒輪傳動的計算 18 3.5 步進電動機的選擇 19 4 傳動間隙的調整與預緊及導軌的設計 22 4.1 滾珠絲杠副軸向間隙的調整與預緊 22 4.2 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 23 4.3 數(shù)控改造C6140車床導軌設計 24 5 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計和軟件設計 28 5.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 28 5.2 單板機控制系統(tǒng)的設計 28 5.3 軟件設計 31 結束語 33 致 謝 34 參 考 文 獻 35 1 緒論 1.1 國內外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀 1.1.1 國內數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀 近年來我國企業(yè)的數(shù)控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè)甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。在這些數(shù)控機床中，除少量機床以FMS模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后的狀態(tài)。 2001年，我國機床工業(yè)產值已進入世界第5名，機床消費額在世界排名上升到第3位，達47.39億美元，僅次于美國的53.67億美元，消費額比上一年增長25%。但由于國產數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001年進口機床躍升至世界第2位，達24.06億美元，比上年增長27.3%。近年來我國出口額增幅較大的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機床、數(shù)控剪板機、數(shù)控成形折彎機、數(shù)控壓鑄機等，普通機床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機床、液壓壓力機、木工機床等。出口的數(shù)控機床品種以中低檔為主。 1.1.2 國內數(shù)控機床的特點 （1）新產品開發(fā)有了很大突破，技術含量高的產品占據(jù)主導地位。 （2）數(shù)控機床產量大幅度增長，數(shù)控化率顯著提高。 2001年國內數(shù)控金切機床產量已達1.8萬臺，比上年增長28.5%。金切機床行業(yè)產值數(shù)控化率從2000年的17.4%提高到2001年的22.7%。 （3）數(shù)控機床發(fā)展的關鍵配套產品有了突破。 1.1.3 國外數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀 （1）國際機床市場的消費主流是數(shù)控機床。 1998年世界機床進口額中大部分是數(shù)控機床，美國進口機床的數(shù)控化率達70%，我國為60%。目前世界數(shù)控機床消費趨勢已從初期以數(shù)控電加工機床、數(shù)控車床、數(shù)控銑床為主轉向以加工中心、專用數(shù)控機床、成套設備為主。 （2）國外數(shù)控機床的網絡化。 隨著計算機技術、網絡技術日益普遍運用，數(shù)控機床走向網絡化、集成化已成為必然的趨勢和方向，互聯(lián)網進入制造工廠的車間只是時間的問題。從另一角度來看，目前流行的ERP即工廠信息化對于制造業(yè)來說，僅僅局限于通常的管理部門（人、財、物、產、供、銷）或設計、開發(fā)等等上層部分的信息化是遠遠不夠的，工廠、車間的最底層加工設備——數(shù)控機床不能夠連成網絡或信息化就必然成為制造業(yè)工廠信息化的制約瓶頸，所謂的ERP就比較“虛”沒有能夠真正地解決制造工廠的最關鍵的問題。所以，對于面臨日益全球化競爭的現(xiàn)代制造工廠來說，第一是要大大提高機床的數(shù)控化率，即數(shù)控機床必須達到起碼的數(shù)量或比例；第二就是所擁有的數(shù)控機床必須具有雙向、高速的聯(lián)網通訊功能，以保證信息流在工廠、車間的底層之間及底層與上層之間通訊的暢通無阻。 以FANVC和西門子為代表的數(shù)控系統(tǒng)生產廠商已在幾年前推出了具有網絡功能的數(shù)控系統(tǒng)。在這些系統(tǒng)中，除了傳統(tǒng)的RS232接口外，還備有以太網接口，為數(shù)控機床聯(lián)網提供了基本條件。由于國外企業(yè)的發(fā)展水平，數(shù)控機床的網絡接口功能被定義為用于遠程監(jiān)控、遠程診斷。 1.2 數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢 （1）繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展 基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔數(shù)控的任務。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠程通訊，遠程診斷和維修將更加普遍。 （2）向高速化和高精度化發(fā)展 這是適應機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。 （3）向智能化方向發(fā)展 隨著人工智能在計算機領域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。 （a）應用自適應控制技術 數(shù)控系統(tǒng)能檢測過程中一些重要信息，并自動調整系統(tǒng)的有關參數(shù)，達到改進系統(tǒng)運行狀態(tài)的目的。 （b）引入專家系統(tǒng)指導加工 將熟練工人和專家的經驗，加工的一般規(guī)律和特殊規(guī)律存入系統(tǒng)中，以工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫為支撐，建立具有人工智能的專家系統(tǒng)。 （c）引入故障診斷專家系統(tǒng) （d）智能化數(shù)字伺服驅動裝置 可以通過自動識別負載，而自動調整參數(shù)，使驅動系統(tǒng)獲得最佳的運行。 1.3 普通機床數(shù)控改造的意義 數(shù)控機床是制造業(yè)實現(xiàn)生產現(xiàn)代化的主機,數(shù)控技術的水平高低和機床的數(shù)控化率是衡量一個國家工業(yè)發(fā)展水平的重要標志。目前我國機床的數(shù)控化率還不到5%,新機床的數(shù)控化率也僅為6%。無論從數(shù)控技術水平和機床的數(shù)控化率都大大落后于西方發(fā)達國家。從20世紀后期,我國調整產業(yè)結構、產品結構和生產方式,作為自動化生產的基礎設備------數(shù)控機床,已遠遠滿足不了工廠逐年增加的生產需求。對于機械制造企業(yè),單純靠購買新的數(shù)控機床,所需投資大,周期長,常使許多中小企業(yè)望而怯步。因此,利用原有的部分普通機床進行數(shù)控化改造,提高機械設備的數(shù)控化率,無疑是一種有效的途徑。就是在美國、日本和德國等發(fā)達國家,機床的改造作為新的經濟增長行業(yè),也是生意盎然,正處于黃金時代。在美國、日本、德國,用數(shù)控技術改造機床和生產線具有廣闊的市場,已形成了機床和生產線數(shù)控改造的新行業(yè)。在美國,機床改造業(yè)稱為機床再生業(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)服務集團、US設備公司等。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。由于機床以及技術的不斷進步,機床改造已是個”永恒”的課題。我國的機床改造業(yè),也從老的行業(yè)進入到以數(shù)控技術為主的新的行業(yè),具有重要的現(xiàn)實意義和使用價值: （1）節(jié)省資金。機床的數(shù)控改造同購置新數(shù)控機床相比一般可以節(jié)省60%左右的費用,大型及特殊設備尤為明顯。一般大型機床改造只需花新數(shù)控機床購置費的1/3。即使將原機床的結構進行徹底改造升級也只需花費購買新數(shù)控機床60%的費用,并可以有效地利用現(xiàn)有地基。 （2）性能穩(wěn)定可靠。因原機床各基礎件經過長期生產的磨合和不斷改進完善,幾乎不會產生應變力變形而影響精度。 （3）提高生產效率。機床經數(shù)控改造后即可實現(xiàn)加工的自動化,效率可比傳統(tǒng)機床提高3至5倍。對復雜零件而言難度越高功效提高得越多,且可以不用或少用工裝,不僅節(jié)約了費用,而且可以縮短生產準備周期[1]。 1.4 本文的設計任務 本課題主要是采用微機數(shù)控技術改造最大加工直徑為400mm的普通臥式車床。要求在對臥式車床的改造任務和功能需求作出認真分析的基礎上，做好總體改造方案設計及縱向進給系統(tǒng)的詳細設計。通過這一典型機電一體化產品的開發(fā)設計，培養(yǎng)綜合運用所學專業(yè)知識改造開發(fā)新產品及解決工程實際問題的能力。 具體內容及要求如下： （1）調查研究、查閱及翻譯文獻資料，撰寫開題報告； （2）改造任務及功能需求分析； （3）總體改造方案的確定； （4）縱向進給系統(tǒng)機械部分和控制部分的詳細設計； （5）文檔整理、撰寫畢業(yè)設計說明書及使用說明書。 相關設計技術條件及要求如下： （1）床身上最大加工直徑：400mm； （2）最大加工長度：1000mm； （3）橫向進給脈沖當量：0.005mm/脈沖，縱向進給脈沖當量：0.01mm/脈沖； （4）橫向最快的工進速度：400mm/min，縱向最快的工進速度：800mm/min； （5）換刀時刀架轉速：30r/min； （6）CNC系統(tǒng)主CPU采用單片機。 2 C6140普通車床數(shù)控改造的總體方案設計 2.1 C6140普通車床介紹 C6140普通臥式車床的結構布局如圖2.1所示。當工件隨主軸回轉時,通過刀架的縱向和橫向移動,能加工出內外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋面等,借助成形刀具,還能加工各種成形回轉表面。 圖2.1 C6140普通臥式車床的結構布局 （1）主軸箱是支撐主軸并帶動工件作回轉運動。箱內裝有齒輪、軸等零件，組成變速傳動機構，變換箱外手柄位置，可使主軸得到多種不同的轉速。 （2）進給箱是進給傳動系統(tǒng)的變速機構。它把交換齒輪箱傳遞來的運動，經過變速后傳遞給絲桿，以實現(xiàn)各種螺紋的車削或機動進給。 （3）交換齒輪箱是用來將主軸的回轉運動傳遞到進給箱。更換箱內的齒輪，配合進給箱變速機構，可以得到車削各種螺距的螺紋的進給運動；并滿足車削時對不同縱、橫向進給量的需求。 （4）溜板箱是接受光桿傳遞的運動，驅動床鞍和中、小滑板及刀架實現(xiàn)車刀的縱橫進給運動。溜板箱上裝有一些微手柄和按鈕?？梢苑奖愕夭倏v車床上來選擇諸如機動、手動、車螺紋及快速移動等到運動方式。 （5）床身是車床的大型基礎部件，精度要求很高，用來支撐和連接車床的各個部件。床身上面有兩條精確的導軌，床鞍和尾座可沿著導軌移動。 （6）刀架部分由床鞍、兩層滑板和刀架體共同組成用于裝夾車刀并帶動車刀作縱向、橫向和斜向運動。 （7）尾座安裝在床身導軌上，并可沿著導軌縱向移動，以調整結構其工作位置。尾座主要用業(yè)安裝后頂尖，以支撐較長的工件，也可以安裝鉆頭、鉸刀等切削刀具進行孔加工。 （8）床身前后兩個床腳分別與床身前后兩端下部連為一體，用以支撐床身及安裝在床身上的各個部件。可以通過調整墊塊把床身調整到水平狀態(tài)，并用其所長地腳螺栓固定在此工作場地上。 （9）冷卻裝置主要通過冷卻泵將切削液加壓后經冷卻嘴噴射到切削區(qū)域[2][3]。 C6140普通臥式車床的功能如圖2.2所示。 圖2.2 C6140普通臥式車床的功能 2.2 總體方案的確定 C6140型普通車床是一種加工效率高，操作性能好，并且社會擁有量較大的普通型車床。經過大量實踐證明，將其改造為數(shù)控機床，無論是經濟上還是技術都是確實可行了。一般說來，如果原有車床的工作性能良好，精度尚未降低，改造后的數(shù)控車床，同時具有數(shù)控控制和原機床操作的性能，而且在加工精度，加工效率上都有新的突破。總體方案設計應考慮機床數(shù)控系統(tǒng)的類型，計算機的選擇，以及傳動方式和執(zhí)行機構的選擇等。 （1）普通車床數(shù)控化改造后應具有定位、縱向和橫向的直線插補、圓弧插補功能，還要求能暫停，進行循環(huán)加工和螺紋加工等，因此數(shù)控系統(tǒng)選連續(xù)控制系統(tǒng)。 （2）車床數(shù)控化改裝后屬于經濟型數(shù)控機床，在保證一定加工精度的前提下應簡化結構、降低成本，因此，進給伺服系統(tǒng)采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。 （3）根據(jù)普通車床最大的加工尺寸、加工精度、控制速度以及經濟性要求，經濟型數(shù)控機床一般采用8位微機。在8位微機中，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、具有很高的性價比，因此，可選 MCS—51系列單片機擴展系統(tǒng)。 （4）根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，微機數(shù)控系統(tǒng)中除了CPU外，還包括擴展程序存儲器，擴展數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口電路；包括能輸入加工程序和控制命令的鍵盤，能顯示加工數(shù)據(jù)和機床狀態(tài)信息的顯示器，包括光電隔離電路和步進電機驅動電路，此外，系統(tǒng)中還應包括螺紋加工中用的光電脈沖發(fā)生器和其他輔助電路。 （5）設計自動回轉刀架及其控制電路。 （6）縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們由步進電機、齒輪副、絲杠螺母副組成，其傳動比應滿足機床所要求的分辨率。 （7）為了保證進給伺服系統(tǒng)的傳動精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊機構，以提高傳動剛度和消除間隙，齒輪副也應有消除齒側間隙的機構。 （8）采用貼塑導軌，以減小導軌的摩擦力。 C6140車床數(shù)控改造的總體方案如圖2.3所示。 圖2.3 C6140車床數(shù)控改造的總體方案示意圖 2.3 機械系統(tǒng)的改造設計方案 （1）進給系統(tǒng)的改造與設計方案 （a）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 （b）拆除進給箱總成，在此位置安裝縱向進給步進電動機與齒輪減速箱總成。 （c）拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。 （d）拆除四方刀架與上溜板的總成，在橫溜板上方安裝四工位立式電動刀架。 （e）拆除橫溜板下的滑動絲杠螺母副，將滑動絲杠靠刻度盤一段鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。 （f）將橫向進給步進電動機通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并與滾珠絲杠的軸頭相連。 （g）拆去三杠（絲杠、光杠與操縱杠），更換絲杠的右支承。 （2）主傳動系統(tǒng)的改造方案 對普通車床進行數(shù)控化改造時，一般可保留原有的主傳動機構和變速操縱機構，這樣可減少機械改造的工作量。主軸的正轉、反轉、何停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。 若要提高車床的自動化程度，需要在加工中自動變換轉速，可用2～4檔的多速電動機代替原有的單速主電動機；當多速電動機仍不能滿足要求時，可用交流變頻器來控制主軸電動機，以實現(xiàn)無級變速。 當采用有級變速時，可選用YD系列7.5kW變速三相異步電動機，實現(xiàn)2～4檔變速；當采用無級變速時，應加裝交流變頻器，推薦型號為：F1000-G0075T3B，適配7.5kW電動機。 （3) 安裝電動卡盤 為了提高加工效率，工件的夾緊與松動采用電動卡盤，選用KD11250型電動三爪自定心卡盤?？ūP的夾緊和松開由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)信控制。 （4）換裝自動回轉刀架 為了提高加工精度，實現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車床原有的手動刀架換成自動回轉刀架，選用LD4B-CK6140型四工位立式電動刀架。實現(xiàn)自動換到需要配備相應的電路，由數(shù)控系統(tǒng)完成。 （5）螺紋編碼器的安裝方案 螺紋編碼器又稱主軸脈沖發(fā)生器和圓光柵。數(shù)控車床加工螺紋時，需要配置主軸脈沖發(fā)生器，作為車床主軸位置信號的反饋元件，它與車床主軸同步轉動。 改造后的車床能夠加工的最大螺紋導程是24mm/（0.01mm/脈沖）=2400脈沖。考慮到編碼器的輸出有相位差為90的A、B相信號，可用A、B異或后獲得2400個脈沖（一轉內），這樣編碼器的線數(shù)可降到1200線（A、B信號）。另外，為了重復車削同一螺旋槽時不亂扣，編碼器還需要輸出每轉一個的零位脈沖Z。 基于上述要求，選擇螺紋編碼器的型號為：ZLF-1200Z-05V0-15-CT。電源電壓+5V，每轉輸出1200個A/B脈沖與1個Z脈沖，信號為電壓輸出，軸頭直徑15mm。 螺紋編碼器通常有兩種安裝形式：同軸安裝和異軸安裝。同軸安裝是將變編碼器直接安裝在主軸后端，與主軸同軸，這種方式結構簡單，但它堵住了主軸的通孔。異軸安裝是指將編碼器安裝在床頭箱的后端，一般盡量裝在與主軸同步旋轉的輸出軸。需要注意的是，編碼器的軸頭與安裝軸之間必須采用無間隙柔性連接，且車床主軸的最高轉速不允許超過編碼器的最高許用轉速[4-6]。 數(shù)控改造后的車床傳動系統(tǒng)如圖2.4所示。 1 電動刀架 2 聯(lián)軸器 3 橫向步進電機 4 縱向步進電機 5 聯(lián)軸器 6 縱向微調機構 7 橫向滾珠絲杠 8 橫向螺母 9 縱向螺母 10 橫向微調機構 11縱向滾珠絲杠 圖2.4 數(shù)控改造后的車床傳動系統(tǒng) 2.3.1 數(shù)控車床的布局形式 結構：平床身、斜床身、平床身與斜滑板、立床身。 平床身：工藝性好、運動精度較高，但排屑困難，一般用于經濟形數(shù)控車床。 斜床身：排屑方便、占地面積小、外形美觀、便于安裝機械手、可實現(xiàn)單機自動化，一般用于中小型機床。數(shù)控車床的布局形式如圖2.5所示。 （a） 平床身 （b） 斜床身 （c） 平床身與斜床身 （d） 立床身 圖2.5 數(shù)控車床的布局形式 2.3.2 縱、橫向結構示意圖 齒輪傳動裝置是轉矩、轉速、和轉向的變換器。在機電一體化進給伺服系統(tǒng)中，采用齒輪傳動裝置的主要目的有二：一是降速，將伺服電動機的高速、小轉矩輸出變成克服負載所需的低速、大轉矩；二是使?jié)L珠絲桿和工作臺的轉矩慣量在傳動系統(tǒng)中所占比重減少，以保證傳動精度。 對齒輪傳動裝置的總體要求是傳動精度高、穩(wěn)定性好、靈敏度高、響應速度快。對于開環(huán)伺服系統(tǒng)，傳動誤差將直接影響工作精度，因此，要盡可能縮短傳動鏈的長度，消除傳動間隙，以提高傳動精度和傳動剛度?？v、橫向結構示意圖如圖2.6所示。 1 步進電機 2 齒輪減速裝置 3 支承裝置 4 絲杠 5 托板 圖2.6 縱、橫向結構示意圖 2.3.3 自動轉位刀架的設計 自動轉位刀架的設計是普通機床數(shù)控化改造的關鍵。它要求刀架要具有抬起、回轉、下降、定位和壓緊這一系功能。盡管其結構復雜，各方面要求高，但它保持了原本床工件最大回轉直徑的條件下，提供選用的多把刀的可能性。 電動刀架的安裝較方便，只要將原車床上的刀架拆下將電動刀架裝即可，但要注意兩點 （1）電動刀臺的兩側面應與車床的橫向進給方向平行。 （2）電動刀臺與系統(tǒng)的連線建議如下安裝：沿橫向工作臺右側面先走線到車床后面，再沿車床后導軌下方拉出的鐵絲滑線，走線到系統(tǒng)。其好處在于：避免走線雜亂無章，而使得加工時切屑、冷卻液以及其它雜物磕碰電動刀架系統(tǒng)。 下面是數(shù)控改造C6140車床自動轉位刀架工作原理圖2.7所示。 1 刀架 2 固定安裝絲杠 3 安全離合器 4 電機 圖2.7 自動轉位刀架工作原理圖 3 縱向進給系統(tǒng)的詳細設計與計算 經濟型數(shù)控車床的改造一般是步進電機經減速驅動絲杠，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，外觀不必象產品設計要求的那么高，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。 3.1 脈沖當量的確定 根據(jù)設計任務的要求, 橫向進給脈沖當量： ，縱向進給脈沖當量：。 3.2 切削力的計算 電機初步估算轉速為，進給速度 根據(jù)《機械設計手冊》可知 式中 ——為滾珠絲杠的基本導程； ——絲杠的最大移動速度； ——絲杠副最大相對轉速； ——傳動比 則 所以根據(jù)滾珠絲杠基本導程的基本系列可在《機械設計手冊》中查到，選。 已知條件 工作臺重量 步距角 滾珠絲杠基本導程 行程 脈沖當量 快速進給速度 切削力計算 由《機床設計手冊》可知，切削功率 式中 ——電機功率，查機床說明書，； ——主傳動系統(tǒng)總效率，一般為0.6～0.7?。? ——進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為。 則 又因為切削力應按在各種加工情況下經常遇到的最大切削力和最大切削速度來計算，即 所以 式中 ——切削線速度，??； ——主切削力。 主切削力 由《機床設計手冊》中可得知，在一般外圓車削時 ， 取 3.3 滾珠絲杠螺母副的設計及計算 （1）工作載荷的計算 工作負載的數(shù)值可《機床設計手冊》中進給牽引力的實驗公式計算，對于綜合導軌 式中 ——為方向上的切削力； ——為工作臺的重量； ——導軌的摩擦系數(shù), ，取為； ——考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù), 。 則 （2）最大動載荷計算 式中 ——為滾珠絲杠當量轉速； ——使用壽命時間。 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 由于電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動，所以滾珠絲杠的轉速為 由《機械設計手冊》可知，當量轉速在之間變化時 取為； 則 取 則 最大動負載 其中 ——滾珠絲杠的軸向力； ——壽命值； ——運動系數(shù)； ——硬度系數(shù)。 根據(jù)工作負載壽命，取 ； ； 則 根據(jù)最大動負載的值，可選擇滾珠絲杠的型號?？稍凇稒C械計手冊》中查到適合的滾珠絲杠。型號為額定動載荷，所以強度足夠用。 （3）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 式中 為螺旋升角； 為摩擦角。 其中 為滾珠絲杠基本導程； 為滾珠絲杠的公稱直徑。 滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù),其中摩擦角可計算為 則 （4）剛度驗算 滾珠絲杠工作時受軸向力和扭矩的作用，將引起基本導程的變化，因滾珠絲杠受扭時引起的導程變化量很小，可忽略不計，故工作負載引起的導程變化量為 式中 ——滾珠絲杠的基本導程； ——工作負載； ——彈性模量， ； ——滾珠絲杠截面積（按內徑定）； 滾珠絲杠截面積 其中 式中 ——滾珠絲杠滾道圓弧偏心距； ——滾道圓弧半徑。 其中 式中 ——滾珠直徑； ——接觸角。 根據(jù)《機械設計手冊》中的滾珠標準系列選； 則 因此 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略。 即 所以，導程變形總誤差為 查表可知3級精度滾珠絲杠允許的螺距誤差（1米）長為，故剛度夠用。 （5）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。 3.4 齒輪傳動的計算 有關齒輪計算 傳動比 故取 ； ； ； ； ； 3.5 步進電動機的選擇 （1）工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 絲杠的轉動慣量 式中 ——滾珠絲杠的公稱直徑； ——絲杠長度。 則 齒輪的轉動慣量 電機的轉動慣量很小可忽略。 因此，總轉動慣量 （2）所需轉動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩 最大切削負載時所需力矩 快速進給時所需力矩 式中 ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的摩擦力矩； ——由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩； ——切削時折算到電機軸上的加速度力矩； ——折算到電機軸上的切削負載力矩。 當時 當時 當時， 時 當時預加載荷，則 所以，快速空載啟動所需力矩 切削時所需力矩 快速進給時所需力矩 由上分析計算可知，所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時： （3）數(shù)控改造C6140縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 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 所以，步進電機最大靜轉距為 步進電機最高工作頻率 綜合考慮，查表選用110BF003型直流步進電動機，能滿足要求[7-12]。 4 傳動間隙的調整與預緊及導軌的設計 4.1 滾珠絲杠副軸向間隙的調整與預緊 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整和預緊，通常采用雙螺母預緊方式，其結構型式有兩種。基本原理是使兩個螺母間產生軸向位移，以達到消除間隙和產生預緊力的目的。 （1）墊片調隙式 圖4.1所示結構。是通過改變墊片的厚度，使螺母產生軸向位移。這種結構簡單可靠、剛性好，但調整費時，且不能在工作中隨意調整。 圖4.1 雙螺母墊片式結構圖 （2）螺帽調隙式 圖4.2所示為利用螺帽來實現(xiàn)預緊的結構，兩個螺母以平鍵與外套相聯(lián)，鍵可限制螺母在外套內移動，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。這種結構既緊湊，工作又可靠，調整也方便，故應用較廣。但調整位移量不易精確控制。這種結構既緊湊，工作又可靠，調整也方便，幫應用較廣。但調整位移量不易精確控制，因此，預緊力也不能準確控制。 1、2 鎖緊螺帽 圖4.2 雙螺母帽式結構圖 4.2 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 （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，就會使步進電機產生擅動就會產生啟動不良效果，所以，使用步進電機時盡量選小的負載。在本次設計過程中我們采用減速齒輪來聯(lián)結滾珠絲杠和步進電機，以達到改變慣性矩的目的。 同時，應該盡可能地消除配對齒輪之間的間隙，否則就會產生使運動滯后的指示信號的誤差，對加工件的精度就會產生很大的影響。 （2）減少或消除空程的必要性和方法 （a）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，產生滯后現(xiàn)象而引起的間隙誤差。在這次設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。 （b） 消除方法 本次設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間隙。雙片薄齒輪錯齒調整機構如圖4.3所示。 圖4.3 雙片薄齒輪錯齒調整機構 4.3 數(shù)控改造C6140車床導軌設計 （1）導軌的作用 導軌的作用主要是對運動部件起導向和支撐作用，也就是支撐運動部件（如刀架、工作臺等），并保證運動部件在外力作用下能準確沿著規(guī)定方向運動。因此，導軌的制造精度及性能對機床加工精度、承載能力等有著重要影響。數(shù)控機床對導軌主要有以下幾方面要求。 （a）導向精度高 導向精度是指機床的運動部件沿導軌移動時與有關基面之間的相互位置的準確性。無論空載還是加工，導軌都應具有足夠的導向精度。這是對導軌的基本要求。各種機床對于導軌本身的精度都有具體的規(guī)定或標準，以保證導軌的導向精度。 （b）精度保持性好 精度保持性是指導軌能否長期保持原始精度。影響精度保持性的主要因素是導軌的磨損，此外，還與導軌的結構形式及支撐件（如床身）的材料有關。數(shù)控機床的精度保持性要求比普通機床高，應采用摩擦系數(shù)小的滾動導軌，塑料導軌或靜壓導軌。 （c）足夠的剛度 機床各運動部件所受的外力，最后都由導軌面來承受，若導軌受力后變形過大，不僅破壞了導向精度，而且惡化了導軌的工作條件。導軌的剛度主要取決于導軌類型、結構形式、尺寸大小、導軌與機床本身的連接方式、導軌材料、表面加工質量等。數(shù)控機床的導軌截面積通常較大，有時還需要在主導軌外添加輔助導軌來提高剛度。 （d）良好的摩擦特性 數(shù)控機床導軌的摩擦系數(shù)要小，而且動、靜摩擦因數(shù)應盡量接近，以見效摩擦阻力和導軌熱變形，使運動輕便平穩(wěn)，低速無爬行。 此外，導軌結構工藝性要好，便于制造和裝配。便于檢驗、調整和維修，而且有合理的導軌防護、潤滑設施等。 機床導軌按其接觸面間的摩擦性質可以分為滑動導軌、滾動導軌和靜壓導軌三種。目前，數(shù)控機床上常用有直線滾動導軌副和鑲粘塑料的滑動導軌。 （2）塑料導軌軟帶 導軌軟帶的材料以聚四氟乙烯為機體，加入青銅粉、二硫化鉬、石磨等填充藥混合燒結，并做成厚度為0.1-2.5mm的軟帶狀。目前比較常見的導軌軟帶有國外的Turcite-B導軌軟帶以及國產TSF塑料軟帶。塑料導軌軟帶有以下幾個顯著的特點。 圖4.4 滑動導軌的摩擦速度特性曲線 （a）摩擦性能好 鑄鐵淬火導軌副的靜摩擦因數(shù)、動摩擦因數(shù)相差較大，幾乎相差一倍。而金屬聚四氟乙烯導軌軟帶的靜、動摩擦因數(shù)基本不變。圖4.4為TSF-鑄鐵導軌和鑄鐵-鑄鐵導軌的摩擦-速度特性曲線。由圖可見，鑄鐵-鑄鐵導軌副即使在有潤滑的條件下，摩擦因數(shù)也很大，且隨速度v的增大而降低，摩擦-速度曲線斜率為負值。而塑料-鑄鐵導軌副的摩擦因數(shù)很低，曲線為正斜率，無論干摩擦或有潤滑都是這樣，表明了具有良好的摩擦特性，能防止低訴爬行。 （b）耐磨性好 除了摩擦因數(shù)低外，聚四氟乙烯導軌軟帶材質中含有青銅、二硫化鉬和石墨，因此，本是很即具有潤滑作用，對潤滑油的供油量要求不高，采用間歇式供油即可。此外塑料質地較軟，即便嵌入金屬碎屑、灰塵等，也不至損傷金屬導軌面和軟帶本身，可延長導軌副的使用壽命。 （c）減振性好 塑料有很好的阻尼性能，其減振消聲的性能對提高摩擦副的相對運動速度有很大的意義。 （d）工藝性能好 可降低對粘貼塑料的金屬導軌基體的硬度和表面治療要求，而且塑料易于加工，使導軌副接觸面獲得良好的表面質量。 此外，還有化學穩(wěn)定性好，維修方便，經濟性好等優(yōu)點。 圖4.5 塑料導軌軟帶的粘結 塑料導軌軟帶的粘結方法簡單，通常采用黏結材料將其貼在所需處，作為導軌表面。其工藝如下：首先將導軌粘貼面加工至表面粗糙度3.2～1.6，有時為了起定位作用，導軌粘貼面加工成0.5～1mm深的凹槽，如圖4.5所示；用汽油或金屬清洗或丙酮清洗導軌粘貼面后，用膠黏劑粘合導軌軟帶，加壓初固化1～2h后再合攏到配對的固定導軌或專用夾具上施以一定的壓力，并在室溫固化24h，取下清除余膠，即可開油槽和進行精加工[13-16]。 5 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計和軟件設計 5.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎，其性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成。 （1）中央處理單元CPU。 （2）總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。 （3）存貯器。包括只讀可編程存貯器和隨機讀寫存貯器。 （4）I/O輸入/輸出接口電路。 其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路直協(xié)調工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁?？偩€則是CPU與存貯器、接口以及其它轉換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如5.1所示。 圖5.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 由于MCS—51系列單片機在我國機床數(shù)控改造方面應用較普遍，其配套芯片價廉，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能夠滿足經濟型數(shù)控車床改造的需要。C6140數(shù)控改造以8031CPU組成的單板機為數(shù)控控制系統(tǒng)。也可直接購買國內較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產品做為數(shù)控裝置，如南京大方數(shù)控設備公司生產的JWK系列數(shù)控產品。 5.2 單板機控制系統(tǒng)的設計 （1）主要技術特性及硬件配置 中央處理器為Z80CPU,系統(tǒng)時鐘為1.9968MHz，晶體頻率為3.9936 MHz。 存儲器選用4片2K*8位的只讀可編程存儲器2716（EPROM）和4片2K*8位隨機（讀寫）存儲器（RAM）6116。 監(jiān)控程序固化在EPROM2716中，占用2K字節(jié)（即一片2716），各功能模塊存放在另一片EPROM2716中，剩下的兩片2716可用于存放常用零件加工程序。四片6116RAM用于調試程序存放和運行的中間數(shù)控的存放，也可以存放用戶加工程序，而ROM中只存系統(tǒng)程序。 選用三片Z80～PIO，現(xiàn)需擴展兩片。PI(U19)中PA1～PA8為米字LED 管字形驅動輸出口，PB0為主軸同步信號輸入口，PB1 為刀具回答信號輸入口，PB2為行程限位中斷信號輸入口；PB3為急停中斷信號輸入口，PB4～PB7為+X，-X,+Z，-Z四個手動方向鍵輸入口。 PIO2(U20)中PA0～PA3為T01～T04四把刀具信號輸入口，PA4～PA7為備用輸入口，也可作S01～S04信號輸入口。PB0為啟動，PB1為暫停。 PIO3(U18)中PA0P～A2為X向步進電機的輸入口，PA3～PA5為Z向步進電機的輸入口，PB0～PB4依次為M03、M04、M05等M功能輔助指令信號輸入口，PB5為Z/X坐標現(xiàn)實性選擇信號輸入口。 選用Z80～CTC計算器/定時器芯片一片，它的4個通道中0#和3# 在用戶程序中使用，其余由監(jiān)控程序使用。 原顯示器為6位LED構成。現(xiàn)擴展為8位，并增設一片位鎖存器74LS273，其中7個數(shù)碼管，1個米字管。 TP801A有31個鍵，包括16個數(shù)字鍵，14個命令鍵及一個復位鍵。根據(jù)設計要求，除了保留數(shù)字鍵、復位鍵及部分命令鍵外，其余均重新定義，新定義的功能鍵與原功能鍵對應關系見表1。 表1 功能鍵的新定義 （2）光電隔離電路 在步進電機驅動電路中，脈沖信號經功率放大器后控制步進電機勵磁繞組。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起強電干擾。輕則影響計算機程序的正常工作，重則導致計算機和接口電路損壞。所以一般在接口電路功率放大器之間都要接上隔離電路。 （3）步進電機的驅動電路 圖5.2 步進電機驅動電路（A相） 步進電機驅動電路的主要功能是功率放大，它將光電隔離電路送來的弱信號經功率放大，變成較強的電信號，直接驅動步進電機。它分單電源和雙電源型。單電源型線路簡單，但效率不高，所以選用雙電源型。雙電源型采用高低壓供電電路，如圖5.2所示。 當控制脈沖來時，V1、V2、V3、V4全導通，并使脈沖變壓器Tc的副邊產生一定寬度的脈沖電流，使V2導通，使V5處于反向偏置，將低壓Ga與繞組La切斷，高壓電源Gh通過V2、V1為步進電機某一相繞組La供電，使其電流上升沿變陡。經過時間后脈沖電流消失，使V2截至，Gh與繞組之間被切斷。Ga通過V5、V1為La供電，提供電動機所需的額定電流、通過調整脈沖變壓器的磁芯和R5可改變高壓供電的時間寬度。 （4）數(shù)碼管及鍵盤的驅動電路 由于這些電路的電流較小，故使用TTL電路即可驅動。如半導體數(shù)碼管，發(fā)光二極管發(fā)亮時，所需電流約為2～20Ma，壓降為1.2～2.4V，因此，用于字母管的字形驅動選用74LS06；用于鍵盤和字位鎖存電路的驅動，選用74LS273。 5.3 軟件設計 軟件采用模塊化設計。主要包括主模塊，子程序模塊和定時中斷模塊等。 （1）主程序 主程序即系統(tǒng)管理程序，開機后即執(zhí)行該程序，其功能是做好數(shù)控加工的準備，對CTC，PIO初始化，對外部設備初始化（如隊MTS功能接口），步進電機置初態(tài)等。開放中斷，然后根據(jù)工作方式，選擇開關的位置，轉入各工作方式處理模塊。 （2）自動加工模塊程序 當工件方式選擇開關為自動加工時，轉入自動加工模塊程序，其功能是：從目錄區(qū)域找到要加工零件程序的首址和末址，從RAM中逐段取出用戶零件程序，校對無語法錯誤后，對功能字譯碼，再轉入各功能模塊進行處理，執(zhí)行完一段用戶程序后，再取下一段執(zhí)行，直至加工完畢，再返回系統(tǒng)管理程序。 （3）逐點比較法圓弧插補程序設計 （a）逐點比較法插補原理是：進給機構每一步后，計算出新坐標點的位置與加工曲線理想位置的偏差，根據(jù)偏差的正負確定下一步進給方向，以逼近理想位置，最后加工出零件外形。 一個插補循環(huán)由四個節(jié)拍組成，即偏差判別、進給、偏差計算和終點判別。 （b）逐點比較法圓弧插補算法 相對或絕對坐標編程時的終點坐標計算如圖5.3所示 圖5.3 相對或絕對坐標編程 當（XD、ZD）=（XE，ZE）時，終點到 式中（XA、ZA）——起點坐標 （XD、ZD）——動點坐標 （XE、ZE）——終點坐標 XA、ZA、XD、ZD、XE、ZE、FUN——各為3個字節(jié) 圖5.4 圓弧插補數(shù)據(jù)預處理程序 （4）圓弧插補數(shù)據(jù)預處理程序 從Y軸的負方向看X～Z單面上的圓?。磸募埨锩嫦蚣埻饷婵矗A弧分為順圓G02和逆圓G03，根據(jù)刀具進給規(guī)律，又將它們分為Ⅰ類和Ⅱ類圓弧，即進給時，﹝X﹞增加，﹝Z﹞減少的圓弧為Ⅰ類：﹝X﹞減少，﹝Z﹞增加的圓弧為Ⅱ類，如圖5.4所示 偏差判別函數(shù)FUN： 起點偏差： 若加工點在圓上或圓外， 若加工點在圓內， 當ΔX時， ；當ΔZ時， 。 為減少插補運算時間，令動點坐標，，則 當ΔX時，；當ΔZ時，。 程序中，首先將I、K、U/X、W/Z坐標由十進制換算成二進制取補，再給XD、ZD、XE、ZE賦值，換算根據(jù)XD、ZD是否同號和是否為G02，確定圓弧類型，若為Ⅰ類，則FLAG：0賦1，否則是1賦0。再根據(jù)XD、ZD是否為0等條件決定進給方向，最后送插補程序進行插補[17][18]。 結束語 隨著微電子技術的發(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的前提下，可大大降低技術改造的投資經費，在實際中得到廣泛應用。基于對C6140普通車床進行經濟型數(shù)控改造設計過程中，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，希望對原有機床進行改造，進行數(shù)控化、自動化、以提高生產效率。經濟型數(shù)控機床系統(tǒng)就是結合現(xiàn)實的生產實際，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。目前我國經濟型數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展迅速，研制了幾十種簡易NC系統(tǒng)，有力地促進了我國數(shù)控事業(yè)的發(fā)展。 本文主要是采用微機數(shù)控技術對最大加工直徑為400mm的普通臥式車床進行改造。首先對普通臥式車床的改造任務和功能需求進行了認真分析，其次是對臥式車床數(shù)控化改造總體方案的設計和縱向進給系統(tǒng)機械部分的設計與計算，由于時間的原因縱向進給系統(tǒng)控制部分硬件與軟件設計有所考慮，但做的不夠完善，當然還存在一些不足之處，懇請各位老師批評與指正。 改造后的車床，可手動、機動操作，操作簡單，使用方便，價格低廉，其性能價格比適中；而且還能解決復雜零件的加工精度控制問題，節(jié)約大量工裝費用，減輕工人的勞動強度，提高工人素質。 企業(yè)應用經濟型數(shù)控對設備進行改造后，增強了企業(yè)應變能力，為提高企業(yè)競爭能力創(chuàng)造了條件，提高了加工精度和批量生產的能力，提高了設備自身對產品更新?lián)Q代所需要的應變能力，增強了企業(yè)的競爭能力。 致 謝 本設計是在南京理工大學泰州科技學院機械工程及自動化專業(yè)所有教師的悉心指導下完成的。我系教師們嚴謹?shù)闹螌W態(tài)度，豐富的專業(yè)知識和工作經驗，平易近人的優(yōu)秀品質，對我產生了良好而深遠的影響。 在設計進行期間，得到南京理工大學張衛(wèi)老師和南京理工大學泰州科技學院張少文老師的大力支持和幫助，他們不僅在學業(yè)上給予我很多幫助，提出了很多寶貴意見，而且在生活上也給予了我無微不至的關懷，使我順利的完成了設計，尤其是張老師工作勤勤懇懇，兢兢業(yè)業(yè)，從不計較個人得失的高尚品質給我留下了深刻的印象。對我以后的工作、生活起到了榜樣的作用。 在設計后期審圖工作交由張少文老師負責，張老師認真負責的態(tài)度，一絲不茍的精神使我受益非淺。 在此，我向所有在我設計期間曾給予我?guī)椭睦蠋?，同學們表示最真誠的感謝。 參 考 文 獻 [1] 羅永順. 機床數(shù)控改造技術[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社，2007. 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