CK5116A立式車床數(shù)控的數(shù)控化改造

1、CK5116A 立式車床數(shù)控的數(shù)控化改造 摘摘 要要 針對(duì)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(shuō)明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過(guò)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(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，由I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng) 一級(jí)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、橫向的進(jìn)給 運(yùn)動(dòng)。改造過(guò)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(duì)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

2、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)關(guān)鍵鍵詞詞： 數(shù)控;單片機(jī);步進(jìn)電機(jī) ;滾珠絲杠 ;改造 ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather CK5116A, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and exten

3、d the machines usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output the step

4、 pulse through the I/O interface。After transmitting and slowing down 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:(1)The reformation of machine part, include to enter lengthways to the reforma

5、tion of the direction with horizontal enter to direction of reformation. Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part

6、, 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 screw haft ,reform 目目錄錄 摘摘 要要 I ABSTRACT 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

7、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 章 電氣控制部分的設(shè)計(jì) - 29 - 3.1 單片機(jī)的選擇 - 29

8、- 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 - 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 - 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(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)使學(xué)生獲得綜合訓(xùn)練，對(duì)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)行的全面綜合訓(xùn)練，是培 養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技能解決實(shí)際問(wèn)題的教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生在校獲得

9、的最后訓(xùn)練機(jī)會(huì)，也是對(duì)學(xué)生在校期間所獲得知識(shí)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(duì)國(guó)民生產(chǎn)和人民生活起著越來(lái)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(guò)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)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們 對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)

10、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(kāi)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(duì)位置，機(jī)床電機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開(kāi)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(guò)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復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改 變加工工件時(shí)

11、，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。 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(guó)市場(chǎng)需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國(guó)數(shù)控 機(jī)機(jī)床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開(kāi)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(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn) 國(guó)家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國(guó)家建設(shè)的需要。 我國(guó)是一個(gè)機(jī)床大國(guó)，有三百多萬(wàn)臺(tái)普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能 落后，單臺(tái)機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國(guó)家的1/10 左右，差 距太大， 急待改造。 舊機(jī)床

12、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(lái)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(guó)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(gòu)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(guó)經(jīng)濟(jì)資源有限，國(guó)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(gòu)買新型的數(shù)控機(jī)床，而我國(guó)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(guó)的國(guó)情。1984 年，我國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)

13、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)?？梢灶A(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(shuō)，本畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例具有典型性和實(shí)用性。 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(duì) CK5116A 普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用 單片機(jī)對(duì)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(duì)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，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)應(yīng)盡可能

14、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(cè)） - 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： 控 制 設(shè) 備 伺服 系統(tǒng) 輔助控制 裝置 測(cè)量反饋裝 置 機(jī)械傳動(dòng)部 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(cè)量及精度的保證，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。 在我國(guó)，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阋耍占靶?、通用性?qiáng)，制 造和維修方

15、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(duì) 48 系列指令更豐富，相對(duì) 96 系列價(jià)格 更便宜， 51 系列中，是無(wú) 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(chǔ)器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開(kāi)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(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度和 位移。 輸入、輸出 設(shè)備 伺服電機(jī)有：功率步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流電機(jī)。本設(shè)計(jì)選

16、 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(méi)有位置 檢測(cè)和信號(hào)反饋，故實(shí)際移動(dòng)值和系統(tǒng)指令如果有差別就會(huì)造成加工誤差。 4、測(cè)量反饋裝置 測(cè)量系統(tǒng)有接觸觸發(fā)式測(cè)頭、信號(hào)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(cè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，直接影響著在線檢測(cè)的精度。其中關(guān)鍵 部件為測(cè)頭，使用測(cè)頭可在加工過(guò)程中進(jìn)行尺寸測(cè)量，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度、 位置信號(hào)測(cè)量出來(lái)反饋到控制裝置中。 根據(jù)測(cè)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(cè)量機(jī)的某種功能。 我的這次車床的改造，因?yàn)槭呛?jiǎn)易的改造，我們這次改造就沒(méi)有使 用測(cè)量反饋裝置 。 5、機(jī)械傳動(dòng) 包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作

17、臺(tái)、床身、支柱等。 6、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(jiǎn)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(lái) 分析改造價(jià)值。對(duì)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(lái)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

18、否存在故障和歷史上有無(wú)出現(xiàn)過(guò)重大故障。從該機(jī)床的 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(guò)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(jiǎn)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) 1.2.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造

19、設(shè)計(jì) 伺服系統(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(kāi)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_(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)。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開(kāi)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

20、響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，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(zhǎng)與被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度和精度密切相關(guān)； 2. 可擴(kuò)展存儲(chǔ)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(duì)外設(shè)控制的能力相關(guān) 。 在我國(guó)，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阋耍占靶?、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(chǔ)器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開(kāi)關(guān)組成的控制系統(tǒng)。 1.3 總體方案的確定 經(jīng)總

21、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。 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(lái)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)。 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(duì)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(lái)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

22、由各自獨(dú)立的功率步進(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(jiǎn)易化數(shù)控改裝，通常都是把原來(lái) 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(duì)機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng) 系統(tǒng)改裝的同時(shí)，也要對(duì)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

23、摩擦損失減小，精度保持性、傳動(dòng)平穩(wěn)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(kāi)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(guó)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(duì)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(duì)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

24、除結(jié)構(gòu)。以滿足傳動(dòng)精度和靈敏度的要求。常用 的消隙方法有剛度調(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(jiǎn)單，但調(diào)整起來(lái)很費(fèi)時(shí)；柔性調(diào)整法，一般用彈簧彈力自動(dòng)消除齒側(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(wú)間隙甚至有過(guò) 盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長(zhǎng)工作壽命，可設(shè)置潤(rùn)滑件和密封件。 滾珠螺旋傳動(dòng)與滑動(dòng)螺

25、旋傳動(dòng)或其它直線運(yùn)動(dòng)副相比，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)9095，耗費(fèi)能 量?jī)H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(wú)沖擊，預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過(guò)盈，提高接觸剛度和傳動(dòng)精度。 (3) 工作壽命長(zhǎng) 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度 (HRC5862)、 高精度，具有較長(zhǎng)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(wú)爬行、無(wú)間隙，通過(guò)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

26、 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，可得到較好的同步運(yùn)動(dòng)。 (6) 可靠性高 潤(rùn)滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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 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 （

27、X 向）脈沖當(dāng)量為 0.005mm/脈沖。 2.1.1.2 車削力的計(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。 現(xiàn)我們利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主切削力。 車床的主切削力可用下式計(jì)算：)(NFZ 5 . 1 max 67 . 0 DFZ 式中車床床身加工的最大直徑單位為mm。 max D 因 CK5116A 床身加工的最大直徑 410mm，則： NFZ 3 . 556241067 . 0 5 . 1 按以下比例分別求出 分力和， x F y F4 . 0:25 . 0 :1: yxZ FFF 則：，NFx1391NFy2226 2.1.1.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)

28、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。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、導(dǎo)程、滾珠的工作圈數(shù)、列數(shù)、精度等級(jí)等。d 0 Ljk 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。 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 23 4 (1)計(jì)算進(jìn)給率牽引力 m F 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)。的計(jì)算公式如下 : m F 縱向進(jìn)給導(dǎo)軌

29、為三角形，則：)( GFfKFF zxm N)800 3 . 5562(15 . 0 139115. 1 ( N2554 三角形導(dǎo)軌選取參數(shù)：NGfK800,15 . 0 ,15 . 1 (2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)荷C 選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠 0 d 在回轉(zhuǎn) 100 萬(wàn)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。計(jì)算步驟如下：C 絲杠轉(zhuǎn)速其中= 0 1000 L n s s min75 . 0 m6 0 L min125 6 75 . 0 1000 rn 壽命（） 6 10 60Tn L r 6 1025.11 10

30、150012560 6 最大動(dòng)負(fù)荷 NFjLC Mw 13.858425545 . 125.11 33 (3)計(jì)算最大靜負(fù)荷 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速（）情況下工作時(shí)，滾珠絲杠min10rn 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(guò)一定限度就 會(huì)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(guò)滾珠直徑的萬(wàn) 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。選取靜 0 C 態(tài)安全系數(shù)=2，滾珠絲杠的最大軸向負(fù)荷 故最大靜 s f2254 maxm FF 負(fù)荷為：。510825542 max0 FfC s (4)選擇滾珠絲杠副 見(jiàn)表 2-1 5)傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副

31、的傳動(dòng)效率 943 . 0 0506 . 0 0477 . 0 542tan 442tan tan tan 0 0 表 2-1滾珠絲杠副參數(shù) 型號(hào) 公稱 直徑 mm 基本導(dǎo) 程 mm 螺旋升 角 絲杠外 徑 )(mm 絲杠內(nèi) 徑 )(mm 額定動(dòng) 載荷 )(N 絲杠長(zhǎng) 度 mm 額定靜載荷 )(N 5 . 34006406 442o 2 . 3998.3524100120082400 (6)剛度校核 主要校核滾珠絲杠在工作負(fù)載和扭矩 T 共同作用下引起的每導(dǎo)程變 m F 形量是否符合絲杠精度要求。L 每導(dǎo)程變形量可按以下公式計(jì)算L 2 00 21 L EF LF LLL m GJ TL0 選取

32、 )(10 6 . 20 4 mmNE 2 2 1 )(88.1017 4 mm d F mm EF LF L m5 4 0 1 103 . 7 88.101710 6 . 20 62554 mm L L 4 4 0 2 102 . 2 2 1028 . 2 6 2 其中： 444 1 102 . 8 64 mmdJ mmmm 4 4 1028 . 2 102 . 8824 62554 則： 21 LLL 45 102 . 2103 . 7 mm 4 1093 . 2 mmmL L /000293 . 0 6 100100 1 mmm/0049 . 0 查表所得，所選用的級(jí)絲杠精度允許誤差 為

33、，滿足要求。Dmm/10 (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(guò)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)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù) ()，則絲杠安全，不會(huì)失穩(wěn) ： k n k n )( k m k k n F p n 式中()許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取2.54。 k n 絲杠失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載，由 ： k p 2 )( l EJ pk 式中 絲杠長(zhǎng)度 l 絲杠軸端系數(shù)，由支承條件定 。 截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓 J 4 1 64 dJ 對(duì)于水平絲杠要考慮自重影響可取 ()4。 k n 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式中可得 Npk1

34、15776 )12001 ( 102 . 810 6 . 20 2 462 )(45 2554 115776 kk nn 絲杠不會(huì)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(jiǎn)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(guò)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)。 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)（

35、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(kāi)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(jí)減數(shù)時(shí)，令c、d 等于 1； 脈沖當(dāng)量值（ mm）。 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(hào)來(lái)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

36、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，當(dāng)三相六拍（ 12 00 5 . 175 . 0 相勵(lì)磁）運(yùn)行時(shí)，步距角其妹轉(zhuǎn)脈沖數(shù) 0 75 . 0 rpS480 75 . 0 360360 0 00 脈沖當(dāng)量： 由此可得中間齒輪傳動(dòng)比為pmm01 . 0 i 25 . 1 48001 . 0 6 S L i 2.1.2.2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 1.空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩 LF T m i L T s LF 046 . 0 25 . 1 8 . 02 006 . 0 80006 . 0

37、 2 2.車削加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 L T m LFWF T Si yx L 5 . 1 25 . 1 8 . 02 006 . 0 222680006 . 0 1391 2 2.1.2.3 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的計(jì)算 1.滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 S J 2 344 0 00237 . 0 32 1085 . 7 2 . 104 . 0 32 m ld JS 2.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 m i L g W Jw 5 2 2 2 2 1076 . 4 25 . 1 1 2 006 . 0 8 . 9 8001 2 3.大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2g J 選取大齒輪齒數(shù)，小齒輪齒數(shù)，模數(shù)。45 2

38、Z36 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 0005056 . 0 32 1085 . 7 01 . 0 09 . 0 32 m bd Jg 4.小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1g J 2 34 1 4 1 1 0004142 . 0 32 1085 . 7 02 . 0 072 . 0 32 m bd Jg 換算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣性負(fù)載 L J 2 2 1 i JJ JJJ sg wgL 2 2 0023. 0 25 . 1 00237 . 0 0005056 . 0 0000476. 00004142. 0 m 2.1.2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào) 的選擇 已知 初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為 110BF003，

39、mTL5 . 1 23 103 . 2mJL 步距角三相六拍。其中最大靜扭矩，轉(zhuǎn)子慣量 0 75 . 0 mT 8 max ，由此可得： 23 10 8 . 36mkgJm , 5 . 018 . 0 8 5 . 1 max T TL 2 3 3 25 . 0 10 8 . 36 103 . 2 m L J J 1 4 1 max T JL 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： 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(jiǎn)單，-

40、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(lái)，以保證其同軸度，提高傳動(dòng)精度。其結(jié)構(gòu)示 意圖見(jiàn)圖 23 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(duì)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

41、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(duì)刀， 步進(jìn)電機(jī)安裝在床鞍的后部?？拷僮髡?-端，布置 -根支承短軸，通過(guò) -個(gè)聯(lián)軸套與滾珠絲杠連接起來(lái)。利用原機(jī)床滑動(dòng)軸承作為徑向支承，并對(duì) 原支承處進(jìn)行適當(dāng)改裝，布置 -對(duì)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(lái)。與縱向進(jìn)給 -樣，絲杠螺母與橫向拖板間仍用

42、 -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 24 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(wú)間隙甚至有過(guò) 盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長(zhǎng)工作壽命，可設(shè)置潤(rùn)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)副相比，有下列特點(diǎn)： (1)

43、 傳動(dòng)效率高 一般滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率達(dá)9095，耗費(fèi)能 量?jī)H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(wú)沖擊，預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過(guò)盈，提高接觸剛度和傳動(dòng)精度。 (3) 工作壽命長(zhǎng) 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度 (HRC5862)、 高精度，具有較長(zhǎng)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(wú)爬行、無(wú)間隙，通過(guò)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

44、 件，可得到較好的同步運(yùn)動(dòng)。 (6) 可靠性高 潤(rùn)滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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、表面粗糙度要求 高，故制造成本較高。 2.2.1.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 橫向（X 向）脈沖當(dāng)量為 0.005mm/脈沖。 2.2.1.2 車削力的計(jì)算 車床的主切削力可用下式計(jì)算 ：)(NFZ 5 . 1 max 67 . 0 DFZ 式中車床刀架加工的最大直徑單位為 mm。 max D 因 CK5116A 床身加工的最大直徑 210mm，則： NFZ203921067 . 0 5 . 1 按

45、以下比例分別求出分力和， x F y F4 . 0:25 . 0 :1: yxZ FFF 則:，NFx510NFy 6 . 815 2.2.1.3 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。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、導(dǎo)程、滾珠的工作圈數(shù)、列數(shù)、精度等級(jí)等。d 0 Ljk 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。 (1)計(jì)算進(jìn)給率牽引力 m F 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

46、摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的形 式有關(guān)。的計(jì)算公式如下 : m F 橫向進(jìn)給導(dǎo)軌為 燕尾形，則：)2( GFFfKFF xzym N 6 . 1873 )60051022039(2 . 0 6 . 8154 . 1 燕尾形導(dǎo)軌選取參數(shù)：NGfK600, 2 . 0, 4 . 1 (2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)荷C 選用滾珠絲杠副的直徑時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠 0 d 在回轉(zhuǎn) 100 萬(wàn)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。計(jì)算步驟如下：C 絲杠轉(zhuǎn)速其中= 0 1000 L n s s min6 . 0m5 0 L min120 5 6

47、. 01000 rn 壽命（） 6 10 60Tn L r 6 10 8 . 10 10 150012060 6 最大動(dòng)負(fù)荷 MwF fLC 3 6212 6 . 18735 . 1 8 . 10 3 (3)計(jì)算最大靜負(fù)荷 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速（）情況下工作時(shí)，滾珠絲杠min10rn 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(guò)一定限度就 會(huì)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(guò)滾珠直徑的萬(wàn) 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。選取靜 0 C 態(tài)安全系數(shù)=2，滾珠絲杠的最大軸向負(fù)荷 故最大靜 s f 6 . 1873 maxm FF 負(fù)荷為 2

48、. 3747 6 . 18732 max0 FfC s (4)選擇滾珠絲杠副 表 2-2 滾珠絲杠 副參數(shù) 型號(hào) 公稱 直徑 mm 基本導(dǎo) 程 mm 螺旋升 角 絲杠外 徑 )(mm 絲杠內(nèi) 徑 )(mm 額定動(dòng) 載荷 )(N 絲杠長(zhǎng) 度 mm 額定靜載荷 )(N 5 . 22005205 334 3 . 19 2 . 171265028031600 (5)傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率 965 . 0 0825 . 0 0796 . 0 434tan 334tan tan tan 0 0 (6)剛度校核 主要校核滾珠絲杠在工作負(fù)載和扭矩 T 共同作用下引起的每導(dǎo)程變 m F 形量是否

49、符合絲杠精度要求。L 每導(dǎo)程變形量可按以下公式計(jì)算L 2 00 21 L EF LF LLL m GJ TL0 選取 )(10 6 . 20 4 mmNE 2 2 1 )(23.232 4 mm d F mm EF LF L m4 4 0 1 100 . 2 23.23210 6 . 20 5 6 . 1873 mm L L 3 3 0 2 101 . 2 2 1064 . 2 5 2 其中： 434 1 103 . 4 64 mmdJ mmmm 3 5 1064 . 2 43 . 0 10 4 . 82 5 6 . 1873 則 21 LLL 34 101 . 2100 . 2 mm 3 1

50、03 . 2 mmmL L /0023 . 0 5 100100 1 mmm/046 . 0 查手冊(cè)所得，所選用的級(jí)絲杠精度允許誤差為，滿足要求。Gmm/60 (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(guò)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)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù) ()，則絲杠安全，不會(huì)失穩(wěn) ： k n k n )( k m k k n F p n 式中()許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取2.54。 k n 絲杠失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載，由 ： k p 2 )( l EJ pk 式中 絲杠長(zhǎng)度l 絲杠軸端系數(shù)，由支承條件定。 截

51、面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓J 4 1 64 dJ 對(duì)于水平絲杠要考慮自重影響可取 ()4。 k n 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式中可得 Npk 7 2 362 1012 . 1 )2801 ( 103 . 410 6 . 20 )(6000 6 . 1873 1012 . 1 7 kk nn 絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 2.2.2 橫向步進(jìn)電機(jī)的選用 電動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，它不僅取決于負(fù)載的大小，也和負(fù)載持續(xù)的 時(shí)間的長(zhǎng)短密切相關(guān)，這是選擇額定功率時(shí)必須考慮的。按電動(dòng)機(jī)的不 同發(fā)熱情況，可以分為三種工作方式（或稱工作制），即連續(xù)工作方式、 短時(shí)工作方式和斷續(xù)周期性工作方式。 CK5116A 車床其工作時(shí)間一 般較長(zhǎng)，溫升可以

52、達(dá)到穩(wěn)定值，電機(jī)的負(fù)載可能是恒定或大小基本恒定 的常值負(fù)載或變化負(fù)載，因此屬于連續(xù)工作方式。 由于電動(dòng)機(jī)為連 續(xù)工作方式，負(fù)載平穩(wěn)，且經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)，因此因優(yōu)先采用 鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。 2.2.2.1 脈沖量的選擇 初選三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為，當(dāng)三相六拍（ 12 相勵(lì) 00 5 . 175 . 0 磁）運(yùn)行時(shí)，步距角其妹轉(zhuǎn)脈沖數(shù) ： 0 75 . 0 rpS480 75 . 0 360360 0 00 初選脈沖當(dāng)量： 由此可得中間齒輪傳動(dòng)比為pmm005 . 0 i 08 . 2 480005 . 0 5 S L i 2.2.2.2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算 1.空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩 LF T

53、m Li T s LF 017 . 0 8 . 02 48 . 0 005 . 0 60006 . 0 2 2.車削加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 L T m LiFWF T S yx L 29 . 0 8 . 02 48 . 0 005 . 0 6 . 81580006 . 0 510 2 2.2.2.3 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 的計(jì)算 1.滾動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 S J 2 344 0 000034 . 0 32 28 . 0 1085 . 7 02 . 0 32 m ld JS 2.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 w J mi L g W Jw 52 2 2 2 1089 . 0 48 . 0 2 005

54、. 0 8 . 9 600 2 3.大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 2g J 選取大齒輪齒數(shù)，小齒輪齒數(shù)，模數(shù)。50 2 Z24 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 00077 . 0 32 1085 . 7 01 . 0 1 . 0 32 m bd Jg 4.小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 1g J 2 34 1 4 1 1 000082 . 0 32 1085 . 7 02 . 0 048 . 0 32 m bd Jg 換算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣性負(fù)載 L J 2 21 )(iJJJJJ sgwgL 2 2 000276 . 0 48 . 0 )000034 . 0 00077 . 0 (0000089 . 0 0

55、00082 . 0 m 2.2.2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào) 的選擇 已知 初選步進(jìn)電mTL29 . 0 2524 1082 . 2 1076 . 2 mkgmJL 機(jī)型號(hào)為 90BF002，步距角三相六拍。其中最大靜扭矩 0 75 . 0 ，轉(zhuǎn)子慣量，由此可得：mT92 . 3 max 25 1064.17mkgJm ,5 . 0074 . 0 92 . 3 29 . 0 max T TL 2 5 5 25 . 0 1064.17 1082 . 2 m L J J 1 4 1 max T JL 經(jīng)驗(yàn)算可知電動(dòng)機(jī)合格。 電動(dòng)機(jī)外形圖 及矩頻圖 如圖 2-5： 圖 2-5 110BF003 步進(jìn)電機(jī)的

56、外觀圖及矩頻特性圖 2.3 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整 在橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給的步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠間都是通過(guò)一對(duì)減速 直齒輪傳動(dòng)的，這就要求我們對(duì)齒輪的傳動(dòng)間隙進(jìn)行調(diào)整。 常用的直齒輪調(diào)整齒側(cè)間隙的方法有以下幾種。 (1)偏心套(軸)調(diào)整法 如圖 2-6 所示，將相互嚙合的一對(duì)齒輪中的 一個(gè)齒輪 4 裝在電機(jī)輸出軸上，并將電機(jī)2 安裝在偏心套 1(或偏心軸 )上， 通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套 (偏心軸)的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消 除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒側(cè)間隙。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但其側(cè)隙不能自動(dòng)補(bǔ) 償。 圖 2-6 偏心套式間隙消除機(jī)構(gòu) 1偏心套 2電動(dòng)機(jī) 3減速箱 4、5減速齒輪 (2) 軸向墊片調(diào)

57、整法 如圖 2-7 所示，齒輪 1 和 2 相嚙合，其分度圓 弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片3 使齒輪 2 沿軸向 移動(dòng)，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。裝配時(shí)軸向墊片3 的厚度應(yīng)使得齒輪 1 和 2 之間既齒側(cè)間隙小，運(yùn)轉(zhuǎn)又靈活。特點(diǎn)同偏心套(軸)調(diào)整法。 圖 2-7 圓柱齒輪軸向墊片間隙消除機(jī)構(gòu) (3) 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個(gè) 做成寬齒輪，另一個(gè)用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個(gè)薄齒輪的左齒側(cè)和 另一個(gè)薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間 隙，反向時(shí)不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)，具體調(diào)整措施如下： 周向彈簧式 (圖 2-8) 在兩個(gè)薄片齒輪

58、 2 和 4 上各開(kāi)了幾條周向圓弧 槽，并在齒輪 3 和 4 的端面上有安裝彈簧 2 的短柱 1。在彈簧 2 的作用下 使薄片齒輪 3 和 4 錯(cuò)位而消除齒側(cè)間隙。這種結(jié)構(gòu)形式中的彈簧2 的拉 力必須足以克服驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩才能起作用。因該方法受到周向圓弧槽及彈簧尺寸 限制，故僅適用于讀數(shù)裝置而不適用于驅(qū)動(dòng)裝置。 可調(diào)拉簧式 (圖 2-9) 在兩個(gè)薄片齒輪 1 和 2 上裝有凸耳 3，彈簧的 一端鉤在凸耳 3 上，另一端鉤在螺釘 7 上。彈簧 4 的拉力大小可用螺母 5 調(diào)節(jié)螺釘 7 的伸出長(zhǎng)度，調(diào)整好后再用螺母6 鎖緊。 本設(shè)計(jì)所選用的是雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法中的可調(diào)拉簧式。由此就 可以將縱向及橫向進(jìn)

59、給系統(tǒng)的裝配圖設(shè)計(jì)并畫(huà)出，具體請(qǐng)見(jiàn)圖紙。 圖 2-8 薄片齒輪周向拉簧錯(cuò)齒調(diào)隙機(jī)構(gòu) 圖 2-9 可調(diào)拉簧式調(diào)隙 第3章 電氣控制部分的 設(shè)計(jì) 在這一部分我們采用 MCS-51 系列單片機(jī)控制主控系統(tǒng)， 51 系列相對(duì) 48 系列指令更豐富，相對(duì) 96 系列價(jià)格更便宜， 51 系列中，是無(wú) 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(chǔ)器擴(kuò)展電路、接口和 面板操作開(kāi)關(guān)組成的控制系統(tǒng) 。 3.1 單片機(jī)的選擇 圖 3-1 8031 引腳圖 本設(shè)計(jì)選用 8031 芯片，片內(nèi)無(wú) ROM

60、 或者 EPROM，使用時(shí)必須配置外 部的程序存儲(chǔ)器 EPROM。本設(shè)計(jì)選用了 27128 擴(kuò)展其空間， 8031 的引腳 分 3 大功能： （1）I/O 口線 P0,P1,P2,P3共 4 個(gè)八位口。 （2）控制口線 PSEN(片外取指控制 )、ALE（地址鎖存控制）、 EA（片外存 儲(chǔ)器選擇）、 RESET（復(fù)位控制）。 （3）電源和時(shí)鐘。 8031 最小應(yīng)用系統(tǒng)。 8031 內(nèi)部不帶 ROM，需要外接 EPROM 作為外部 程序存儲(chǔ)器。又因?yàn)?8031 在外接程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)地址的低8 位信息和數(shù)據(jù)信息分時(shí)送出，故還需要采用一片6264 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器儲(chǔ)存數(shù) 據(jù)。這樣，一片 2712