數(shù)控維修改造大學(xué)本科方案設(shè)計(jì)書

1、四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文題目： CK5116A立式車床數(shù)控設(shè)計(jì)專業(yè)： 數(shù)控維修年級： 2008 級姓名：指導(dǎo)教師：完成時(shí)間：2011 年 5 月 8 日四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文CK5116A立式車床數(shù)控的數(shù)控化改造摘要針對現(xiàn)有常規(guī)CK5116A 立式車床數(shù)控的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過程，較詳盡地介紹了CK5116A 機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以8031為 CPU 的控制系統(tǒng)對信號進(jìn)行處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向

2、、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。改造過程如下：（ 1）機(jī)械部分的改造，包括縱向進(jìn)給方向的改造和橫向進(jìn)給方向的改造。主要包括對滾珠絲杠螺母副及反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇及縱向、橫向機(jī)構(gòu)裝配圖方案的制定。（2）電氣控制部分的設(shè)計(jì)，主要包括MCS-51 系列單片機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用和電氣控制圖的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：數(shù)控 ; 單片機(jī) ; 步進(jìn)電機(jī); 滾珠絲杠; 改造I四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文ABSTRACTTo remedy the defects of ordinary lather CK5116A, a design of dataprocessing system and its single chip micro

3、computer system program isput forward to raise the processingprecision and extend the machine susage, and to improve production rate 。This paper presents the process ofdesigning numerical control reform，and explicitly introduces the designof mechanical and numerical control system reforms。 We adopt

4、controlsystem which has 8031 as cpu to cope with the signal， and output thestep pulse through the I/O interface。 After transmitting and slowingdown by force 1 gear, the step pulses drive the leading screw to roll。Thus achieve the verticalmovement and the crosswise movement 。Reform process as follows

5、:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction ofreformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal

6、 organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part,mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart.Key words : numerical control ;single-chip ;stepping motor ; ball screwhaft ,reformII四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文目錄摘要 IABST

7、RACT II引言 -1-第1章總體方案的設(shè)計(jì)-3-1.1 設(shè)計(jì)任務(wù) - 3 -1.2 總體方案的論證- 3 -1.2.1機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)- 5 -1.2.2伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)- 7 -1.2.3數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)- 7 -1.3 總體方案的確定- 7 -第 2 章機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)- 9 -2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)- 9 -2.1.1縱向滾珠絲杠副的選用- 10 -2.1.2步進(jìn)電機(jī)的選用- 15 -2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)- 18 -2.2.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的選用-19-2.2.2橫向步進(jìn)電機(jī)的選用- 24 -2.3 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整- 26 -第 3

8、 章 電氣控制部分的設(shè)計(jì)- 29 -3.1 單片機(jī)的選擇- 29 -3.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)- 30 -3.2.1環(huán)形脈沖分配器的選擇- 30 -II四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文3.2.2功率放大器的選用- 32 -3.3 步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制- 35 -結(jié)論 -37-參考文獻(xiàn)- 38 -致謝 -39-III四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文引言畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的一個(gè)重要組成部分，是各教學(xué)環(huán)節(jié)的繼續(xù)深化和檢驗(yàn)，其實(shí)踐性和綜合性是其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)使學(xué)生獲得綜合訓(xùn)練，對培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力具有十分重要的作用。畢業(yè)設(shè)計(jì)還是高等學(xué)校工科學(xué)院學(xué)生畢業(yè)前進(jìn)行的全面

9、綜合訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識與技能解決實(shí)際問題的教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生在校獲得的最后訓(xùn)練機(jī)會，也是對學(xué)生在校期間所獲得知識的體驗(yàn)。這次設(shè)計(jì)的題目是：CK5116A立式車床數(shù)控的數(shù)控化改造現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是能源部門的需求，使高溫高壓水廣泛應(yīng)用于相關(guān)的領(lǐng)域中，對國民生產(chǎn)和人民生活起著越來越重要的作用，例如： 機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代機(jī)床數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動(dòng)化的理想手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)

10、床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機(jī)床電機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動(dòng)作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：1. 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的

11、復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時(shí)，只需重新編制新工件的加工程序，就能實(shí)現(xiàn)新工件加工。- 1 -四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文2. 加工精度高；3. 生產(chǎn)效率高；4. 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件；5. 良好的經(jīng)濟(jì)效益；6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。數(shù)控機(jī)床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機(jī)機(jī)床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。我國是一個(gè)機(jī)床大國，有三百多萬臺普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國

12、家的1/10 左右，差距太大，急待改造。舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。隨著數(shù)控機(jī)床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國經(jīng)濟(jì)資源有限，國家大，機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機(jī)床，而我國的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，比較符合我國的國情。1

13、984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)。可以預(yù)料，今后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例具有典型性和實(shí)用性。- 2 -四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文第 1章總體方案的設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)任務(wù)是對CK5116A普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用單片機(jī)對縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制，縱向（Z 向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/ 脈沖，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/ 脈沖，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。1.2總體方案的論證對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，

14、對機(jī)床的改動(dòng)應(yīng)盡可能少，以降低成本。一般數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)包括以下五大要素和功能，其圖如下：動(dòng)力設(shè)備（運(yùn)轉(zhuǎn)）傳感器（檢測）-微機(jī)（控制）-執(zhí)行機(jī)構(gòu)（驅(qū)動(dòng)）機(jī)械主體（加工）此五個(gè)要素的工作結(jié)構(gòu)示意圖如下：- 3 -四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文備輸控伺服系統(tǒng)機(jī)入制械、設(shè)輔助控傳輸出備制裝置動(dòng)設(shè)部測量反饋裝置1、輸入、輸出設(shè)備主要作用：編制程序、輸入數(shù)據(jù)，程序輸出、顯示器。2、微機(jī)控制設(shè)備可先用專用計(jì)算機(jī)PC 、 PLC 、或者單片機(jī)。功能：完成零件的測量及精度的保證，產(chǎn)生脈沖信號。在我國，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU 和 MCS-51系列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋?，普及性、通?/p>

15、性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。本設(shè)計(jì)中是以MCS-51 系列單片機(jī)，51 系列相對48 系列指令更豐富，相對96 系列價(jià)格更便宜， 51 系列中，是無ROM 的 8051 ， 8751 是用 EPROM 代替 ROM 的8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031 單片機(jī)。本設(shè)計(jì)以8031 芯片為核心，增加存儲器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。3、伺服系統(tǒng)包括：伺服電機(jī)、伺服控制系統(tǒng)線路、驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能：將微機(jī)控制設(shè)備產(chǎn)生的脈沖信號轉(zhuǎn)化為電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度和位移。- 4 -四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文伺服電機(jī)有：功率步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流電

16、機(jī)。本設(shè)計(jì)選用步進(jìn)電機(jī)作拖動(dòng)元件。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使床鞍運(yùn)動(dòng)而沒有位置檢測和信號反饋，故實(shí)際移動(dòng)值和系統(tǒng)指令如果有差別就會造成加工誤差。4、測量反饋裝置測量系統(tǒng)有接觸觸發(fā)式測頭、信號傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，是數(shù)控機(jī)床在線檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，直接影響著在線檢測的精度。其中關(guān)鍵部件為測頭，使用測頭可在加工過程中進(jìn)行尺寸測量，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度、位置信號測量出來反饋到控制裝置中。根據(jù)測量結(jié)果修改加工程序，改善加工精度，使得數(shù)控機(jī)床既是加工設(shè)備，又兼具測量機(jī)的某種功能。我的這次車床的改造，因?yàn)槭呛喴椎母脑欤覀冞@次改造就沒有使用測量反饋裝置。5、機(jī)械傳動(dòng)包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作臺、床身、支柱等。6

17、、輔助控制、手動(dòng)（點(diǎn)動(dòng)）、限位、緊急停車的實(shí)現(xiàn)。1.2.1機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分在剛度、精度、速度、摩擦磨損等方面較普通機(jī)床有更高的要求。因此，不能簡單地認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了機(jī)床數(shù)控改造的目的。而是應(yīng)該從機(jī)床自身的價(jià)值考慮，分析改造要達(dá)到的目標(biāo)和所需投入。從該機(jī)床在本單位產(chǎn)品制造中的地位和重要程度來分析改造價(jià)值。對被改造機(jī)床的結(jié)構(gòu)、性能、精度等技術(shù)現(xiàn)狀作全面分析。其中包括機(jī)床原來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合改造要求，部件結(jié)構(gòu)是否仍然完好，各坐標(biāo)軸的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌副的形式等是否適用，各項(xiàng)精度是否滿足要求，機(jī)床在加工中是否存在故障和歷史上有無出現(xiàn)過重大故障。從該機(jī)床的

18、投入產(chǎn)出率估算，確定最終改造方案。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠。為了保證一定的傳- 5 -四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。此設(shè)計(jì)過程主要是縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給的改造，關(guān)鍵是步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠的選用。改進(jìn)后的車床簡易傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1-1 ：圖 1-1改進(jìn)后的車床傳動(dòng)系統(tǒng)1.小刀架2.橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)3.橫向滾珠絲桿4.大拖板5.縱向滾珠絲桿6.縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)- 6 -四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文1.2.2伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)伺服

19、系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它既是數(shù)控系統(tǒng)CNC 系統(tǒng)與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)。它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。例如，數(shù)控機(jī)床的最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標(biāo)均取決于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按控制方式分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三類。 因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、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)。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。1.2.3數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)任何一個(gè)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(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬

20、件，軟件才能有效地運(yùn)行。在設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇 CPU應(yīng)考慮以下要素：1. 時(shí)鐘頻率和字長與被控對象的運(yùn)動(dòng)速度和精度密切相關(guān)；2. 可擴(kuò)展存儲器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)；3. I/O 口擴(kuò)展的能力與對外設(shè)控制的能力相關(guān)。在我國，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU和 MCS-51系列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋?，普及性、通用性?qiáng)，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。本設(shè)計(jì)以8031 芯片為核心，增加存儲器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。1.3總體方案的確定經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的論證后，確定CK5116A 車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造方案。-

21、 7 -四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文CK5116A 車床的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的功能，即手動(dòng)變速。車床的縱向（ Z 軸）和橫向（X 軸）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。將原來機(jī)床的普通絲杠改為滾珠絲杠以減小摩擦力。并將8031 單片機(jī)組成的微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，由 I/O 接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車床的縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。- 8 -四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文第 2章機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)2.1縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)在對進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，一般都應(yīng)該把原來的進(jìn)給變速傳動(dòng)裝置及操縱機(jī)構(gòu)全部拆除。而每個(gè)方向的進(jìn)給傳動(dòng)都改由各自獨(dú)立的功率

22、步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)減速齒輪直接與帶動(dòng)滑板移動(dòng)的絲杠連接，分別實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行各坐標(biāo)的控制。例如普通機(jī)床的簡易化數(shù)控改裝，通常都是把原來由主軸箱到進(jìn)給箱的傳動(dòng)路線切斷，且將溜板箱拆除，直接把齒輪減速箱和功率步進(jìn)電機(jī)安裝在縱向絲杠的右端和橫向絲杠的外端。在對機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)改裝的同時(shí)，也要對此傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)裝置元件進(jìn)行相應(yīng)的改造。具體如下：（ 1）絲杠。絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。改造時(shí)，為了滿足數(shù)控機(jī)床上較高精度零件的加工要求，應(yīng)該用滾珠絲杠螺母副替換原普通機(jī)床上的梯形絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副把傳動(dòng)絲杠與螺母之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)榱藵L動(dòng)摩擦，使摩擦損失減小，精度保持性、傳動(dòng)平穩(wěn)

23、性、傳動(dòng)效率等都得以提高。其傳動(dòng)效率可達(dá)到92% 98%，是普通絲杠螺母副的34 倍。（ 2）機(jī)床導(dǎo)軌。為了使改造后的機(jī)床有較高的開動(dòng)率和精度保持性，應(yīng)充分考慮機(jī)床導(dǎo)軌的耐磨性。當(dāng)前國內(nèi)普通機(jī)床床身等大件多采用普通鑄鐵，其摩擦系數(shù)較大。改造中，在對達(dá)不到預(yù)定要求的原機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行修磨、刮研后，要在上面貼上耐磨、吸振的聚四氟飛烯軟帶。（ 3）拖板。拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對象。不論是點(diǎn)位控制、直線控制，還是輪廓控制， 被加工零件的最終坐標(biāo)精度都將受到拖板運(yùn)動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。除拖板及相配件精度要高外，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)到絲杠間的傳動(dòng)齒輪也要采用間隙消除結(jié)構(gòu)。以滿足傳動(dòng)精度和靈敏度的要求。常用的消

24、隙方法有剛度調(diào)整法和柔性調(diào)整法兩種。剛性調(diào)整法傳動(dòng)剛度較好，結(jié)構(gòu)簡單，但調(diào)整起來很費(fèi)時(shí)；柔性調(diào)整法，一般用彈簧彈力自動(dòng)消- 9 -四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文除齒側(cè)間隙，傳動(dòng)剛度較低，傳動(dòng)平穩(wěn)性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。改造中，可根據(jù)機(jī)床加工目標(biāo)選用。具體選用可參考有關(guān)資料。2.1.1縱向滾珠絲杠副的選用滾珠螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。 螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合， 可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。滾珠螺旋傳動(dòng)與滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)或其它直線運(yùn)動(dòng)副

25、相比，有下列特點(diǎn)：(1)傳動(dòng)效率高一般滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率達(dá)90 95，耗費(fèi)能量僅為滑動(dòng)絲桿的1/3 。(2)運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)滾動(dòng)摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動(dòng)與工作摩擦力矩差別很小。啟動(dòng)時(shí)無沖擊，預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動(dòng)精度。(3)工作壽命長滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度(HRC58 62) 、高精度， 具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動(dòng)絲桿副的410倍以上。(4)定位精度和重復(fù)定位精度高由于滾珠絲桿副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，通過預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹。因此可達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。(5)同步性好用幾套相同的滾珠絲桿副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)部件，可得到較

26、好的同步運(yùn)動(dòng)。(6)可靠性高潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。(7) 不能自鎖用于垂直傳動(dòng)時(shí)， 必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動(dòng)裝置。(8) 制造工藝復(fù)雜滾珠絲桿和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要-10-四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文求高，故制造成本較高。2.1.1.1確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量在數(shù)控機(jī)床中，一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的坐標(biāo)軸位移量叫做脈沖當(dāng)量，通常用表示，也稱機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)，按機(jī)床設(shè)計(jì)的加工精度選定。本設(shè)計(jì)所要求的CK5116A 的脈沖當(dāng)量為：縱向（Z 向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/ 脈沖，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/ 脈沖。2.1.1.2車削

27、力的計(jì)算在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，選用伺服電機(jī)等都要用到切削力?，F(xiàn)我們利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主切削力。車床的主切削力 FZ (N ) 可用下式計(jì)算： FZ0.67Dmax1.5式中 Dm a x車床床身加工的最大直徑單位為mm。因 CK5116A床身加工的最大直徑 410mm，則：FZ 0.67 4101 .5 5562.3N按以下比例分別求出分力Fx 和 F y ， FZ : Fx : Fy1 : 0.25: 0.4則： Fx1391N ， Fy2226N2.1.1.3滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇機(jī)構(gòu)類型：確定滾軸循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式

28、。結(jié)構(gòu)類型確定后，再計(jì)算和確定其他參數(shù)，包括：公稱直徑d 、導(dǎo)程L0 、滾珠的工作圈數(shù)j 、列數(shù) k 、精度等級等。本設(shè)計(jì)中選擇滾珠循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)方式中的固定式。滾珠絲杠副的預(yù)緊方法選擇雙螺母螺紋預(yù)緊。-11-四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文2341圖2-1雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)1、2- 單螺母 3- 平鍵 4- 調(diào)整螺母(1) 計(jì)算進(jìn)給率牽引力 Fm作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率牽引力主要包括切削力時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的形式有關(guān)。Fm 的計(jì)算公式如下:縱向進(jìn)給導(dǎo)軌為三角形，則：FmKF xf (FzG)(1.1513910.15(5562 .

29、3800) N2554 N三角形導(dǎo)軌選取參數(shù)：K1.15, f 0.15,G800N(2) 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)荷 C選用滾珠絲杠副的直徑d0 時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100 萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)荷C 。計(jì)算步驟如下：絲杠轉(zhuǎn)速 n1000 s 其中s =0.75 m minL06L0n10000.756125 r min壽命 L60nT （ 106 r ）60125150011.2510610 6最大動(dòng)負(fù)荷C3 L jFM311.251.52554Nw8584.13-12-四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文(3) 計(jì)算最

30、大靜負(fù)荷當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速（n10r min ）情況下工作時(shí)，滾珠絲杠副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產(chǎn)生變形，當(dāng)塑性變形超過一定限度就會破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產(chǎn)生大的塑性變形量的負(fù)載稱為允許的最大靜負(fù)荷C0 。選取靜態(tài)安全系數(shù)f s =2，滾珠絲杠的最大軸向負(fù)荷FmaxFm2254故最大靜負(fù)荷為：C0f s Fmax225545108。(4) 選擇滾珠絲杠副見表 2-15) 傳動(dòng)效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率tantan 20 440.0477tantan 20540.9430.0506表 2-1 滾珠絲杠副參數(shù)公稱基本導(dǎo)絲杠外絲杠內(nèi)

31、額定動(dòng)絲杠長直徑螺旋升額定靜載荷型號程徑徑載荷度mm角(m m)(m m)( N )(N )mmmm40063.5 4062 o 4439.235.9824100120082400(6) 剛度校核主要校核滾珠絲杠在工作負(fù)載Fm 和扭矩T 共同作用下引起的每導(dǎo)程變形量L 是否符合絲杠精度要求。每導(dǎo)程變形量L 可按以下公式計(jì)算Fm L0L0LL1L22EF-13-2.5 4。四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文TL0GJ選取E20.6104 ()Fd122N mm41017.88(mm)Fm L0255467.3 105mmL1EF20.610 41017.88L 2L062.2810 42.210 4

32、mm22其中：444J64d18.210 mm25546 4mm2.2810 4 mm8248.210則：LL1L27.310 52.210 42.9310 4 mm100L1000.000293mm / mL160.0049mm / m查表所得，所選用的D 級絲杠精度允許誤差為10 m / m ，滿足要求。(7) 穩(wěn)定性校核機(jī)床在進(jìn)給時(shí)滾珠絲杠通常是受軸向力的一壓桿。若軸向力過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生翹曲，所以選用時(shí)必須進(jìn)行穩(wěn)定性校核。如果滿足穩(wěn)定性安全系數(shù)nk 大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)( nk ) ，則絲杠安全，不pk會失穩(wěn)：nk( nk )Fm式中( nk ) 許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取

33、EJpkpk2絲杠失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載，由：( l )式中l(wèi) 絲杠長度-14-四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文絲杠軸端系數(shù)，由支承條件定。J 截面慣性矩，對實(shí)心圓4J64d1對于水平絲杠要考慮自重影響可取( nk )4。將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式中可得220.61068.2104115776Npk(11200)2115776)nk45 ( nk2554絲杠不會失穩(wěn)。2.1.2步進(jìn)電機(jī)的選用CK5116A 型普通車床數(shù)控化改造，采用了一種比較簡單但是較為典型的改裝方案，改造后的車床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)A 和 B 驅(qū)動(dòng)，它們分別安裝在床頭箱內(nèi)（或床身尾部）和拖板后方，通過減速齒輪和縱橫向絲杠帶動(dòng)車床的縱橫進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

34、為使改造后的車床能充分發(fā)揮數(shù)控車床的效能，縱橫向絲杠螺母副一般需要調(diào)換成滾珠絲杠螺母副。當(dāng)利用原絲杠螺母副時(shí)，為了減少改造工作量，縱向驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速箱一般裝在床身尾部，這時(shí)連接車床原傳動(dòng)系統(tǒng)（主軸系統(tǒng)）和縱向絲杠傳動(dòng)的離合器尚未拆除，工作時(shí)應(yīng)使處于脫開位置。同理，脫落蝸桿等原橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)若未拆除，工作時(shí)也應(yīng)使其處于空檔（空擋）位置。改造后的進(jìn)給脈沖當(dāng)量的量值靠步進(jìn)電機(jī)步距角、減速齒輪比、絲杠導(dǎo)程三者協(xié)調(diào)確定。三者之間換算關(guān)系可以以下式表示：（ /360 ）（ ac/bd ） T= 式中 步進(jìn)電機(jī)步聚角（度）；T所驅(qū)動(dòng)絲杠導(dǎo)程（mm） ;a,b,c,d齒輪齒數(shù)，當(dāng)單級減數(shù)時(shí)，令c 、 d 等

35、于 1； 脈沖當(dāng)量值（mm）。-15-四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)根據(jù)阻力矩及切屑用量的大小和機(jī)床型號來選擇，普通車床（如 C6140 、CK5116A等）的數(shù)控改造中多采用0.08 0.15（ Nm）靜力矩的步進(jìn)電機(jī)，本設(shè)計(jì)選0.08 （ Nm）的作為橫向進(jìn)給電機(jī)；選0.15（ Nm）的作為縱向進(jìn)給電機(jī)。2.1.2.1脈沖量的選擇初選三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.750 1.50 ，當(dāng)三相六拍（1 2 相勵(lì)磁）運(yùn)行時(shí)，步距角0.750 其妹轉(zhuǎn)脈沖數(shù)36003600480 p rS0.750脈沖當(dāng)量：0.01mm p 由此可得中間齒輪傳動(dòng)比i 為L61.25i0.01480S2.1

36、.2.2等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算1.空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩TLFTLFL0.068000.0062si20.80.046 m1.252.車削加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLTLFxW FyL13910.06 8002226 0.006220.81.5 mSi1.252.1.2.3等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算1. 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J Sd04l0.044 1.27.85 1030.00237 m2J S32322. 拖板運(yùn)動(dòng)慣量換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J-16-四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文22JwWL18000.00614.76 10 5 mg2i 29.821.2523. 大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J g 2選取大齒輪齒數(shù) Z 2

37、45 ，小齒輪齒數(shù)Z136 ，模數(shù) m 2mm 。J g2d 24b20.0940.017.8510 30.0005056 m232324. 小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J g1Jg 1d14 b10.07240.02 7.85 1030.0004142 m23232換算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣性負(fù)載J LJ LJ g1J g 2J sJ wi20.00041420.00050560.002370.00004761.2520.0 0 2 3 m 22.1.2.4步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號的選擇已知 TL1.5 mJL 2.3 10 3m2 初選步進(jìn)電機(jī)型號為110BF003，步距角 0.75 0 三相六拍。其中最大靜扭矩

38、Tmax8 m ，轉(zhuǎn)子慣量Jm 36.8 10 3 kg m2 ，由此可得：TL1.50.18 0.5J L2.310Tmax8,36.810J m1J L14Tmax33 0.252經(jīng)驗(yàn)算可知電動(dòng)機(jī)合格。110BF003 步進(jìn)電機(jī)的外觀圖及矩頻特性圖如圖2.2 ：-17-四川工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文外型圖 :圖 2-2 110BF003步進(jìn)電機(jī)的外觀圖及矩頻特性圖2.2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性數(shù)控改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較簡單，- 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，用法蘭將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳

39、動(dòng)精度。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖 2 3 所示圖 2-3車床縱向傳動(dòng)的支承結(jié)構(gòu)1- 步進(jìn)電機(jī)； 2- 床身； 3-左支架； 4- 齒輪副； 5-右支架； 6-絲杠左支承； 7-手輪； 8-軸套； 9- 絲杠右支承； 10- 螺母座架； 11-螺母座； 12- 絲杠； 13-蓋； 14- 軸承。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置上，為了便于手動(dòng)與對刀，在絲杠的右端設(shè)有手輪，使用時(shí)安裝上，不用即卸下，以防造成傷害，原機(jī)床拖板予以保留，并設(shè)有- 螺母座架，安裝在拖板上，以實(shí)現(xiàn)絲杠螺母與拖板之間的聯(lián)接。步進(jìn)電機(jī)安裝在絲杠的左端原進(jìn)給箱的位置上，由電機(jī)上的止口定位，靠四個(gè)螺釘和二個(gè)定位銷與床體相連。絲杠左-18-四川

40、工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)論文右端分別用支架與軸承支承，左端用向心球軸承，右端用推力球軸承支承。2. 橫向滾珠絲杠橫向滾珠絲杠也采用三點(diǎn)支承形式。保留原手動(dòng)機(jī)械，用子手動(dòng)與對刀，步進(jìn)電機(jī)安裝在床鞍的后部。靠近操作者- 端，布置 - 根支承短軸，通過 - 個(gè)聯(lián)軸套與滾珠絲杠連接起來。利用原機(jī)床滑動(dòng)軸承作為徑向支承，并對原支承處進(jìn)行適當(dāng)改裝，布置 - 對推力球軸承，以實(shí)現(xiàn)軸向支承。在遠(yuǎn)離操作者- 端，用 - 個(gè)聯(lián)軸套和- 根連接短軸把滾珠絲杠與減速箱輸出軸連接起來。與縱向進(jìn)給- 樣，絲杠螺母與橫向拖板間仍用- 螺母座聯(lián)接。橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造設(shè)計(jì)如圖2-4所示。1 - 步進(jìn)電機(jī)： 2 - 消隙減速箱： 3 - 支承架； 4 、 5 、 8 - 聯(lián)軸套；于螺母座； 7 - 滾珠絲杠螺母副：于支承短軸圖 2 4車床橫向傳動(dòng)的支承結(jié)構(gòu)2.2.1橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的選用滾珠螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。 螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈