機電一體化課程設(shè)計---ca6140普通車床數(shù)控化改造

1、<p><b>　　目錄</b></p><p>　　摘要 …………………………………………………………………………………………2</p><p>　　Abstract ……………………………………………………………………………………3</p><p>　　緒論 …………………………………………………………………………………………4&

2、lt;/p><p>　　1 CA6140車床微機數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案的擬訂…………………………………6</p><p>　　1.1 總體方案確定 ………………………………………………………………… 6</p><p>　　1.2 設(shè)計X—Y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng) …………………………………………7</p><p>　　2 CA6140

3、車床進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算 ……………………………………7</p><p>　　2.1 脈沖當量的選擇 …………………………………………………………………8</p><p>　　2.2 切削力的計算 ……………………………………………………………………8</p><p>　　2.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 …………………………………………………9<

4、;/p><p>　　2.4 齒輪傳動比的計算………………………………………………………………17</p><p>　　2.5 步進電機的計算與選型…………………………………………………………18</p><p>　　1.1 微機數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計的內(nèi)容………………………………………………………26</p><p>　　1.2 80C51單片機及

5、其擴展………………………………………………………..26</p><p>　　3 數(shù)控機床的零件程序………………………………………………………………… 34 </p><p>　　心得與體會………………………………………………………………………………… 36</p><p>　　總結(jié)…………………………………………………………………………………………37 <

6、;/p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………………………38</p><p>　　致謝…………………………………………………………………………………………39</p><p>　　摘 要：針對現(xiàn)有常規(guī)CA6140普遍車床的缺點提出數(shù)控改裝方案和單片機系統(tǒng)設(shè)計，提高加工精度和擴大機床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控

7、化改造的設(shè)計過程，較詳盡地介紹了CA6140機械改造部分的設(shè)計及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對信號進行處理，由I/O接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪傳動減速后，帶動滾動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向的進給運動。</p><p>　　結(jié)合我國實際國情，經(jīng)濟型數(shù)控車床是我國從普通車床向數(shù)控車床發(fā)展的及其重要的臺階。利用現(xiàn)有的普通車床，對其進行數(shù)控化改造是一條低成本，高效益的途徑。數(shù)控車床作為機電一體

8、化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。我國作為機床大國，數(shù)控機床的占有率還不足百分之三，但是在歐美等發(fā)達國家數(shù)控機床的占有率達到了百分之三十六以上，單從數(shù)字上來看我過和歐美等發(fā)達國家還有相當大的距離。其主要原因為數(shù)控車床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的良策。在金屬加

9、工行業(yè)中車床在所有加工設(shè)備中占有最大比重，例如最常見的軸類零件，就是由車床加工而成本論文針對目前國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)狀，以CA6140普通車床為例提出簡易型經(jīng)濟數(shù)控改造思路和設(shè)計方法。</p><p>　　關(guān)鍵詞：數(shù)控機床， 單片機數(shù)控系統(tǒng)，改裝設(shè)計，CA6140 伺服電機 傳動系統(tǒng) 控制系統(tǒng) 電氣控制線路 經(jīng)濟實惠 數(shù)控改造，</p><p>　　NC overview of the

10、application </p><p>　　[Abstract]       To remedy the defects of ordinary lather CA6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put for

11、ward to raise the processing precision and extend the machine’s usage, and to improve production rate。This paper presents the process of designing numerical control reform，and explicitly introduces the design of mechanic

12、al and numerical control system reforms。We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal，and output</p><p>　　China's actual conditions and economic CNC lathe is from the ordinary to

13、the lathe and NC lathe important development stage.Use of existing ordinary lathe, NC transformation is its low cost and highly efficient way.CNC lathe as a typical electromechanical integration products, machinery manuf

14、acturing plays an enormous role,good solution to the structural complexity of modern machinery, precision, small batches, changeable parts processing,able to stabilize the quality of the processing products,</p>&

15、lt;p>　　Essential character numerical control machine tool,   single chip microcomputer system，reform design，The CA6140 servo electrical machinery transmission system control system electricity control line e

16、conomical numerical control changes </p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　隨著社會生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型，普通機床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機床應(yīng)運而生。這種新型機床具有適應(yīng)性強、加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。它綜合應(yīng)用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)

17、動、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。</p><p><b>　　1、數(shù)控機床的產(chǎn)生</b></p><p>　　數(shù)控機床最早是從美國開始研制的。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務(wù)時，提出了研制數(shù)控機床的初始設(shè)想。1949年，帕森斯公司與麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)實驗室合作，開始從事數(shù)控機床的研制工

18、作。并于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機。這是一臺采用脈沖乘法器原理的直線插補三坐標連續(xù)控制銑床。經(jīng)過三年改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。一直到20世紀50年代末，由于價格和技術(shù)原因，品種多為連續(xù)控制系統(tǒng)。到了60年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機床。數(shù)控技術(shù)不僅在機床上得到實際應(yīng)用，而且逐步推廣到焊接機、火焰切割機等

19、，使數(shù)控技術(shù)不斷的擴展應(yīng)用范圍。</p><p><b>　　2、數(shù)控機床的發(fā)展</b></p><p>　　自1952年，美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)、自動控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。</p><p>　　第一代數(shù)控：1952-1959年采用電子管

20、元件構(gòu)成的專用數(shù)控裝置。</p><p>　　第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。</p><p>　　第三代數(shù)控：從1965年開始采用小、中規(guī)模集成電路的NC系統(tǒng)。</p><p>　　第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)。</p><p>　　第五代數(shù)控：從1974年開始采用微型電

21、子計算機控制的系統(tǒng)。</p><p>　　目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。它采用微型處理器及大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路，具有很強的程序存儲能力和控制功能。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。這些數(shù)控系統(tǒng)的通用性很強，幾乎只需改變軟件，就可以適應(yīng)不同類型機床的控制要求，具有很大的柔性。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下

22、降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。</p><p>　　近年來，微電子和計算機技術(shù)的日益成熟，它的成果正在不斷滲透到機械制造的各個領(lǐng)域中，先后出現(xiàn)了計算機直接數(shù)控系統(tǒng)，柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)。所有這些高級的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨勢。</p><p>　　3、我國數(shù)控機床的發(fā)展概況</p><p>　　我國從19

23、58年由北京機床研究所和清華大學(xué)等首先研制數(shù)控機床，并試制成功第一臺電子管數(shù)控機床。從1965年開始，研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到60年代末和70年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機等獲得成功。與此同時，還開展了數(shù)控加工平面零件自動編程的研究。1972-1979年是數(shù)控機床的生產(chǎn)和使用階段。例如：清華大學(xué)研制成功集成電路數(shù)控系統(tǒng)；數(shù)控技術(shù)在車、銑、鏜、磨、齒輪加工、電加工等領(lǐng)域開始研究與應(yīng)用；數(shù)控加工中心機床研制成功；數(shù)控升降臺銑床和數(shù)

24、控齒輪加工機床開始小批生產(chǎn)供應(yīng)市場。從80年代初開始，隨著我國開放政策的實施，先后從日本、美國、德國等國家引進先進的數(shù)控技術(shù)。上海機床研究所引進美國GE公司的MTC-1數(shù)控系統(tǒng)等。在引進、消化、吸收國外先進技術(shù)基礎(chǔ)上，北京機床研究所又開發(fā)出BSO3經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)和BSO4全功能數(shù)控系統(tǒng)，航空航天部706所研制出MNC864數(shù)控系統(tǒng)等。進而推動了我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，使我國數(shù)控機床在品種上、性能上以及水平上均有了新的飛躍。我國的數(shù)控機床已跨

25、入一個新的發(fā)展階段。</p><p>　　4、數(shù)控機床的發(fā)展趨勢</p><p>　　從數(shù)控機床技術(shù)水平看，高精度、高速度、高柔性、多功能和高自動化是數(shù)控機床的重要發(fā)展趨勢。對單臺主機不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。</p><p>　　在數(shù)控系統(tǒng)方面，目前世界上幾個著名的數(shù)控裝置生產(chǎn)廠家，諸如日本

26、的FANCU，德國的SIEMENS和美國的A-B公司，產(chǎn)品都向系列化、模塊化、高性能和成套性方向發(fā)展。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微機處理機、標準總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴大到1MB以上，機床分辨率可達0.1微米，高速進給可達100m/min,控制軸數(shù)可達16個，并采用先進的電裝工藝。</p><p>　　在驅(qū)動系統(tǒng)方面，交流驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)展迅速。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運算放大器

27、等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。</p><p>　　5、數(shù)控機床改造的意義</p><p>　　數(shù)控機床改造在國外已發(fā)展成一個新興的工業(yè)部門，早在60年代已經(jīng)開始迅速發(fā)展，其發(fā)展的原因是多方面的，主要有技術(shù)、經(jīng)濟、市場和生產(chǎn)上的原因。我國是擁有300多萬臺機床的國家。而這些機床又大多是多年累積生產(chǎn)的通用機床，不論資金和我

28、國機床制造廠的能力都是辦不到的。因此，盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的課題。用數(shù)控技術(shù)改造機床，正是適應(yīng)了這一要求。它是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。在機床改造中引入微機的應(yīng)用，不但技術(shù)上具有先進性，同時，在應(yīng)用上比其它傳統(tǒng)的自動化改裝方案，有較大的通用性與可調(diào)性。而且所投入的改造費用低，一套經(jīng)濟型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3至1/5，用戶承擔的起。從若

29、干單位成功應(yīng)用的實例可以證明，投入使用后，確實成倍地提高了生產(chǎn)效率，減少了廢品率，取得了顯著的技術(shù)經(jīng)濟效益。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟型數(shù)控這一中間技術(shù)的基礎(chǔ)上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經(jīng)濟水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。 。</p><p>　　1 CA6140車床微機數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案</p><p><b>　　的擬定&l

30、t;/b></p><p>　　數(shù)控技術(shù)是先進制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。數(shù)控裝備的整體水平標志著一個國家工業(yè)現(xiàn)代化水平和綜合國力的強弱。機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。</p><p>　　一般應(yīng)根據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案，進行綜合分析

31、、比較和論證，最后確定一個可行的總體方案。</p><p>　　1.1 總體方案確定</p><p>　　1、系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇</p><p>　　由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，由于在銑削加工中，要求工作臺或刀具沿各坐標軸運動有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速率相對于工件沿加工路徑運

32、動，所以不能選用點位系統(tǒng)，因為點位控制系統(tǒng)要求工件相對于刀具移動過程中不進行切削。因此，應(yīng)選用連續(xù)控制系統(tǒng)。</p><p>　　X52K型銑床改造屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)，因閉環(huán)控制系統(tǒng)適用于精度要求較高的機床設(shè)計，且閉環(huán)控制系統(tǒng)的造價昂貴。</p><p><b>　　2、計算機系統(tǒng)</b></p

33、><p>　　根據(jù)機床要求，采用8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性能價格比等特點，因此采用MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。</p><p>　　控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息

34、。</p><p><b>　　3、機械傳動方式</b></p><p>　　為實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機齒輪減速再傳動絲杠，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副以及滾動導(dǎo)軌。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機構(gòu)。齒輪傳動也要采用消除齒側(cè)間隙的消隙齒輪結(jié)構(gòu)。</p><p>

35、;　　1.2 設(shè)計X-Y數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)</p><p>　　計任務(wù)及參數(shù)在任務(wù)書中已經(jīng)給出。系統(tǒng)總體方案見圖1-1</p><p>　　根據(jù)設(shè)計任務(wù)的要求，采用連續(xù)控制系統(tǒng)和步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和滾動導(dǎo)軌。為盡量消除傳動間隙，可

36、設(shè)法調(diào)整傳動齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙。計算機系統(tǒng)仍采用高性能價格比的MCS-51系列單片機擴展系統(tǒng)。</p><p><b>　　Y向</b></p><p><b>　　X向</b></p><p>　　圖1.2 經(jīng)濟型數(shù)控車床總體方案框圖</p><p>　　2 CA6140車床進給伺服系

37、統(tǒng)機械部分</p><p><b>　　設(shè)計計算</b></p><p>　　一臺CA6140普通車床改造成微機數(shù)控車床，采用MCS-51系列單片機控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能，具有升降速控制功能。其主要設(shè)計參數(shù)如下：</p><p>　　加工最大直徑：在床面上 φ400㎜</p><p>　

38、　在床鞍上 φ210㎜</p><p>　　加工最大長度：1000㎜</p><p>　　溜板及刀架重力： 縱向 1000N</p><p><b>　　橫向 600N</b></p><p>　　刀架快速速度: 縱向 2.4m/min</p><p>　　橫

39、向 1.2m/min</p><p>　　最大進給速度: 縱向 0.6m/min</p><p>　　橫向 0.3m/min</p><p>　　主電機功率 7.5Kw</p><p>　　起動加速時間 30ms</p><p>　　機床定位精度:

40、 ±0.015mm</p><p>　　伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)的負載、確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣量計算，空載起動及切削力計算，確定伺服電機，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算及選用，繪制機械部分裝配圖及零件工作圖。現(xiàn)分述如下：</p><p>　　2.1 系統(tǒng)脈沖當量的選擇</p><p>　　一個進給脈沖，使機床運動部件產(chǎn)生位移量，也

41、稱為機床的最小設(shè)定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟型數(shù)控車床銑床常采用的脈沖當量是0.01～0.005mm/脈沖。</p><p>　　根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.01mm/脈沖，橫向：0.005mm/脈沖。</p><p>　　2.2 切的計算削力</p><p>　　在設(shè)計機床進給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導(dǎo)向元件，選用伺服電

42、機等都需要用到切削力，下面介紹數(shù)控車床中的切削力的計算。</p><p><b>　　1.縱車外圓</b></p><p>　　主切削力F (N)按經(jīng)驗公式估算:</p><p><b>　　=0.67D</b></p><p>　　=0.67×400=5360</p>&l

43、t;p>　　按切削力各分力比例：</p><p>　　=5360×0.25=1340</p><p>　　=5360×0.4=2144</p><p><b>　　2.橫切端面</b></p><p>　　主切削力可取縱切的1/2.</p><p>　　此時走刀抗力為(N

44、),吃刀抗力為.仍按上述比例粗略計算:</p><p>　　::=1:0.25:0.4</p><p>　　=2680×0.25=670</p><p>　　=2680×0.4=1072</p><p>　　2.3 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 </p><p>　　滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇結(jié)構(gòu)

45、類型：確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑d0（絲杠外徑d）、導(dǎo)程L0、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)K、精度等級等。</p><p>　　滾珠循環(huán)方式可分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類，外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。如參考書[1]中的圖4-4所示。我們在此選用螺旋槽式外循環(huán)：在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔，同螺母的螺紋滾道相切，形成滾珠返回通道。為防止?jié)L珠

46、脫落，螺旋槽用鋼套蓋住。在通孔口設(shè)有擋珠器，引導(dǎo)滾珠進入通孔。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。它的優(yōu)點是：工藝簡單，螺母外徑尺寸較小。缺點是：螺旋槽同通孔不易連接準確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。</p><p>　　滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等。</p><p>　　本設(shè)計采用雙螺母螺

47、紋式預(yù)緊結(jié)構(gòu)，它通過調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。其特點是結(jié)構(gòu)較緊湊，工作可靠，滾道磨損時可隨時調(diào)整，預(yù)緊量不很準確，應(yīng)用較普遍。</p><p><b>　　一、縱向進給絲杠</b></p><p>　　1.計算進給率引力(N)</p><p>　　作用在滾珠絲杠上的進給率引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動部件的重量和切削分力作用在

48、導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。</p><p>　　縱向進給為綜合型導(dǎo)軌</p><p><b>　　由前所知：</b></p><p><b>　　=1340 N</b></p><p><b>　　=5360 N</b></p><p&

49、gt;<b>　　=1000 N</b></p><p><b>　　=1.15</b></p><p><b>　　=0.16</b></p><p><b>　　得：</b></p><p>　　(N)= +(+G)</p><p&

50、gt;　　=1.15×1340+0.16×(5360+1000)=2559 N</p><p>　　式中 —考慮顛復(fù)力矩影響的實驗系數(shù),綜合導(dǎo)軌取K=1.15;</p><p>　　--滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.15～0.18;</p><p>　　--溜板及刀架重力: =1000 N.</p><p><b>

51、;　　2.計算最大動負載</b></p><p>　　利用滾珠絲杠副的直徑d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負載C，可以用下式計算：</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　=&l

52、t;/b></p><p>　　式中 --滾珠絲杠導(dǎo)程,初選=6㎜;</p><p>　　--最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的(～),此處=0.6m/min</p><p>　　--使用壽命,按15000h;</p><p>　　--運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取=1.2～1.5;</p><p>　　-

53、-壽命，以10轉(zhuǎn)為1個單位。</p><p>　　將數(shù)據(jù)分別帶入上式得：</p><p><b>　　==50r/min</b></p><p><b>　　===45</b></p><p>　　=×1.2×2559=10799 N</p><p>　　

54、3.滾珠絲杠螺母副的選型</p><p>　　查閱附錄表3,可采用WL3506外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副,1列2.5圈,其額定動負載為16400 N,精確等級按表4-15選為3級(大致相當于老標準級).</p><p><b>　　4.傳動效率計算</b></p><p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動效率為：</p><

55、;p><b>　　η=</b></p><p>　　式中 —螺旋升角, WL3506 =3°39′</p><p>　　--摩擦角取10′滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004</p><p>　　將各數(shù)據(jù)帶入上式得：</p><p><b>　　η==</b></p>

56、<p><b>　　5.剛度驗算</b></p><p>　　滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性因此應(yīng)考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形；支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形；滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量；和螺母座及軸承支座的變形。最后一種常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，但變形量計算較為困難，一般根據(jù)其精度要

57、求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強其剛度而不作計算。</p><p>　　因此滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是前三種變形量，他們的和應(yīng)不大于機床精度要求允許變形量的一半，否則，應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。</p><p>　　先畫出縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如圖2-1所示。最大牽引力為2559 N.軸承支撐間距=1500㎜，絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的。

58、 </p><p><b>　　圖2.1</b></p><p>　?。?）絲杠的拉伸或壓縮變形量</p><p>　　查圖4-6，根據(jù)=2559 N，=35㎜，*查出=1.2*10，可算出：</p><p>　　×1500=1.

59、6×10×1500=2.4×10（㎜）.</p><p>　　由于兩斷均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了預(yù)拉伸,故其剛度可以提高4倍。其實際變形量(㎜)為:</p><p><b>　　==0.6×10</b></p><p>　　(2)滾珠與螺紋滾道接觸變形</p><p>　

60、　查圖4-7, 系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量:</p><p><b>　　=7.1μm</b></p><p>　　因進行了預(yù)緊, ==×7.1=3.35μm</p><p>　　(3)支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形</p><p>　　采用8107型推力球軸承，=35㎜,滾珠體直徑=6.35㎜,

61、滾動體數(shù)量=18, =0.0024 =0.0024 0.0075(㎜)</p><p>　　注意,此公式中單位應(yīng)為 </p><p><b>　　因施加預(yù)緊力,故</b></p><p>　　==×0.0076=0.0038㎜</p><p><b>　　根據(jù)以上計算:</b></p

62、><p>　　=++=0.006+0.00355+0.0038</p><p>　　=0.01335㎜<定位精度</p><p><b>　　6.穩(wěn)定性校核</b></p><p>　　滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核.</p><p><b>　　二、 橫向進給

63、絲杠</b></p><p><b>　　1.計算進給牽引力</b></p><p>　　橫向?qū)к墳檠辔残?計算如下:</p><p><b>　　由前所知：</b></p><p><b>　　=1072 N</b></p><p><

64、;b>　　=670 N</b></p><p><b>　　=2680 N</b></p><p><b>　　= 600 N</b></p><p><b>　　=0.2 </b></p><p><b>　　得：</b></p&

65、gt;<p>　　=1.4×+(+2+)</p><p>　　=1.4×670+0.2×(2680+2×1072+600)2023 N</p><p><b>　　2.計算最大動負載</b></p><p><b>　　===30</b></p><

66、p><b>　　===27</b></p><p>　　==×1.2×2023=7283 N</p><p>　　3.選擇滾珠絲杠螺母副</p><p>　　從附錄A表3中查出, WL3506 1列2.5圈外循環(huán)螺紋預(yù)緊滾珠絲杠副,額定動載荷為9700 N,可滿足要求，選定精度為3級.</p><

67、p><b>　　4.傳動效率計算</b></p><p><b>　　η===0.965</b></p><p><b>　　5.剛度驗算</b></p><p>　　橫向進給絲杠支承方式如圖2-2所示，最大牽引力為2425 N，支承間距</p><p>　　=450㎜，

68、因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。</p><p><b>　　圖2.2</b></p><p><b>　　計算如下：</b></p><p>　?。?）絲杠的拉伸或壓縮變形量（㎜）</p><p>　　查圖4-6，根據(jù)=2023 N,=20㎜,查出=4.2×10,可算出<

69、/p><p>　　=×=4.2×10450=1.89×10㎜</p><p>　　(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形量</p><p><b>　　查圖4-7</b></p><p><b>　　=8.5</b></p><p>　　因進行了預(yù)緊 ==

70、×8.5=4.25</p><p>　　(3) 支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形</p><p>　　采用8120推力球軸承,</p><p>　　考慮到進行了預(yù)緊,故</p><p>　　綜合以上幾項變形之和:</p><p>　　顯然此變形量已大于定位精度的要求,應(yīng)該采取響應(yīng)的措施修改設(shè)計,因橫向溜板空間

71、的限制,不宜再加大滾珠絲杠的直徑,估采用貼塑導(dǎo)軌見效摩擦力,從而減小最大牽引力.重新計算如下:</p><p>　　從圖4-6查出當時,</p><p><b>　　和不變,</b></p><p>　　則,定位精度為,估此變形量仍不能滿足,如果將滾珠絲杠再經(jīng)過預(yù)拉伸,剛度還可提高四倍,則變形量可控制在要求的范圍之內(nèi).</p>&

72、lt;p><b>　　6.穩(wěn)定性校核</b></p><p><b>　　計算臨界負載</b></p><p><b>　　=</b></p><p>　　式中 ---材料彈性模量,鋼: =20.6×10 N/㎝;</p><p>　　---截面慣性矩(㎝)絲

73、杠: =,為絲杠內(nèi)徑;</p><p>　　---絲杠兩支承端距離(㎝);</p><p>　　---絲杠支承方式系數(shù),從表4-13中查出，一端固定,一端簡支=2.00</p><p>　　==×1.6788=0.3899㎝</p><p>　　===78214 N</p><p>　　===67.7>

74、>[]</p><p>　　(一般[]=2.5～4)</p><p>　　此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。</p><p>　　2.4 齒輪傳動比計算</p><p>　　1.縱向進給齒輪箱傳動比計算</p><p>　　已確定縱向進給脈沖當量=0.01滾珠絲杠導(dǎo)程=6㎜，初選步進電機步距角</p>&l

75、t;p>　　0.75°。可計算出傳動比 </p><p><b>　　===0.8</b></p><p><b>　　可選定齒輪齒數(shù)為:</b></p><p><b>　　==或</b></p><p>　　2.橫向進給齒輪箱傳動比計算</p>

76、<p>　　已確定橫向進給脈沖當量=0.005 ,滾珠絲杠導(dǎo)程=5㎜,初選步進電機步距角0.75°可計算傳動比 :</p><p><b>　　===0.48</b></p><p>　　考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程,故此處可采用兩級齒輪降速:</p><p><b>　　

77、==×=×</b></p><p>　　=24、=40、=20、=25</p><p>　　因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)取2。有關(guān)參數(shù)如下:</p><p><b>　　表2.1</b></p><p>　　2.5 步進電機的計算和選型</p><p>　　選用步進

78、電機時，必須首先根據(jù)機械結(jié)構(gòu)草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，分別計算各種工況下所需的等效力矩，在根據(jù)步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩和起動、運行矩頻特性選擇合適的步進電機。</p><p>　　一、縱向進給步進電機計算</p><p>　　1.等效轉(zhuǎn)動慣量計算</p><p>　　計算見圖2-1，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的慣量（㎏·㎝）可由下式

79、計算：</p><p><b>　　=++</b></p><p>　　式中 ---步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量（㎏·㎝）;</p><p>　　、---齒輪、的傳動慣量（㎏·㎝）;</p><p>　　---滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量（㎏·㎝）。</p><p>　　參考同類型機

80、床，初選反應(yīng)式步進電機150BF，起轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量=10㎏·㎝。</p><p>　　=0.78×10×·=0.78×10×6.4×2=2.62㎏·㎝</p><p>　　=0.78×10×·=0.78*10×8×2=6.39㎏·㎝</p>

81、<p>　　=0.78×10×4×150=29.952㎏·㎝</p><p><b>　　=1000 N</b></p><p><b>　　代入上式：</b></p><p><b>　　=++</b></p><p>&l

82、t;b>　　=10+2.62+</b></p><p>　　=36.474㎏·㎝</p><p>　　考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題</p><p>　　/=10/36.474=0.274</p><p>　　基本滿足匹配的要求。</p><p><b>　　2.電機力矩的計算

83、</b></p><p>　　機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面按個階段計算：</p><p>　?。?） 快速空載起動力矩起 。</p><p>　　在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：</p><p><b>　　起 =++</b></p><p>

84、<b>　　=·=×10=×</b></p><p><b>　　=×</b></p><p>　　將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。</p><p><b>　　=×==500 。</b></p><p>　　起動加速時間

85、=30</p><p>　　=×=36.474××10</p><p>　　=636.6 N·㎝</p><p>　　折算到電機軸上的摩擦力矩：</p><p><b>　　==</b></p><p><b>　　==94 N·㎝<

86、;/b></p><p><b>　　附加摩擦力矩：</b></p><p><b>　　==</b></p><p>　　==805.3×0.19=153 N·㎝</p><p><b>　　上述三項合計：</b></p><p&

87、gt;<b>　　起 =++</b></p><p>　　=636.6+94+153=881.5 N·㎝</p><p>　?。?）快速移動時所需力矩快</p><p>　　快=+=94+153=247 N·㎝</p><p>　　（3）最大切削負載時所需力矩切</p><p&g

88、t;<b>　　切=++=++</b></p><p>　　=94+153+=94+153+127.96</p><p><b>　　=375 N·㎝</b></p><p>　　從上面的計算可以看出，起、快和切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以次作為初選步進電機的依據(jù)。</p><p

89、>　　從表中查出，當步進電機為五相十拍時，==0.951。</p><p>　　最大靜力矩=881.5/0.951=927 N·㎝ 。</p><p>　　按此最大靜轉(zhuǎn)距從表查出，型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72 N·㎝ 。大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動距頻特性和運行距頻特性。</p><p>　　3.計算步進電

90、機空載起動頻率和切削時的工作頻率</p><p>　　===4000 HZ</p><p>　　===1000 HZ</p><p>　　從表中查出 型步進電機允許的最高空載起動頻率為2800 HZ運行頻率為8000 HZ ， 130BF001步進電機的起動矩頻特性和運行矩頻特性曲線如圖2-3，2-4所示，可以看出，當步進電機起動時，f起=2500Hz時，M=10

91、0，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（881.5）直接使用將會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速控制（用軟件實現(xiàn)），將起動頻率將到1000Hz時，起動力矩可增到588.4，然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。</p><p>　　當快速運動和切削進給時，130BF001型步進電機運行矩頻特性（圖2-4）完全可以滿足要求。</p><p>　　二、橫向

92、進給步進電機計算和選型</p><p>　　電機選為計算步驟如上所述，經(jīng)計算滿足要求，此處計算略。</p><p>　　5、繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖</p><p>　　在完成運動及動力計算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進電機型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫機械裝配圖。見附圖（一）</p><p>　　例如，雙片齒輪采用周

93、向彈簧調(diào)整消隙法：</p><p>　　如圖（5）所示，采用了可調(diào)拉力彈簧調(diào)整間隙。在兩個薄片齒輪1和2上分別裝上耳座3和8，彈簧4的一端鉤在耳座3上，另一端鉤在耳座8的螺釘7上。用螺母5調(diào)節(jié)螺釘7的伸出長度即可調(diào)整彈簧的彈力，調(diào)整好后再用螺母6鎖緊。彈簧的彈力使薄齒輪1和2的左、右齒面分別與寬齒輪的齒槽左、右齒側(cè)面貼緊，消除了齒側(cè)間隙。 </p>

94、<p>　?。▓D5） 雙薄片齒輪周向彈簧調(diào)整法</p><p>　　1、2-薄片齒輪 3、8-耳座 4-彈簧 5-調(diào)節(jié)螺母 6-鎖緊螺母 7-螺釘</p><p>　　（1）、橫向機構(gòu)初選步進電機：1 . 計算步進電機負載轉(zhuǎn)矩Tm ………………………………式（18） </p><p>　　式中: —脈沖當量

95、(mm/step); —進給牽引力 (N); —步距角,初選雙拍制為0.9°;2 . 初選步進電機型號 根據(jù)=0.611N.m在網(wǎng)上查混合式步進電機技術(shù)數(shù)據(jù)表初選步進電機型號為56BYG250D-SASSBL-0241，其中，,保持轉(zhuǎn)矩為1.72N.m..3 . 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 根據(jù)簡圖 ，即圖（2），計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量</p>&l

96、t;p>　　運動件的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算: </p><p>　　式中 、、、—齒輪、、、的轉(zhuǎn)動慣量 () —滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 () =</p><p>　　式中 D—圓柱體直徑(cm); L—圓柱體長度 (cm); 代入上式: </p><p>　　4. 電機轉(zhuǎn)矩計算 機

97、床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算:1) 快速空載起動慣性矩</p><p>　　在快速空載起動階段，加速力矩所占的比例較大，具體計算公式如下：</p><p><b>　　又：</b></p><p><b>　　代入得：</b></p><p>　　折算到電機軸上的摩擦力矩:</

98、p><p><b>　?。?lt;/b></p><p>　　式中：η—傳動鏈總效率,一般可取0.7~0.85此處取0.8;</p><p><b>　　i—傳動比;</b></p><p>　　—貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取=0.04</p><p><b>　　附加摩擦力矩：&l

99、t;/b></p><p>　　式中：η—傳動鏈總效率,一般可取0.7~0.85此處取0.8;</p><p>　　i—傳動比;Fpo—滾珠絲杠預(yù)加負荷,一般取1/3Fm,Fm為進給牽引力(N);ηo—滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率,一般取≥0.9,此處取ηo=0.9</p><p>　　所以：2) 快速移動所需力矩 </p>

100、;<p>　　=1.96+4.84=6.8N.cm 3) 最大切削載時所需力矩</p><p>　　從上面計算可以看出、、三種工況下,以快速空載起動慣性矩最大,即以此項作為校核步進電機轉(zhuǎn)矩的依據(jù).</p><p>　　查得：當步進電機為兩相四拍時， =0.707</p><p>　　故最大靜力矩Mjmax=59.3/0.707N.m=0.839N.

101、cm，而電機保持轉(zhuǎn)矩為 1.72N.m，大于最大靜力矩Mjmax，所以滿足要求！</p><p>　　但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運轉(zhuǎn)矩頻特性。</p><p>　　計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率</p><p>　　圖（5）、56BYG250E—ASSBL—0241型混合式步進電機矩頻特性圖</p><p>　　當快

102、速運動和切削進給時，56BYG250E—ASSBL—0241型混合式步進電機運行矩頻完全可以滿足要求。</p><p>　　5、繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖</p><p>　　在完成運動及動力計算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進電機型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫橫向機械裝配圖。見附圖（二）</p><p>　　3 數(shù)控機床的零件加工程序</

103、p><p>　　數(shù)控機床零件加工程序的基本要求是：能按照零件圖紙進行數(shù)控加工程序的手工編制。</p><p>　　主要內(nèi)容：1）對加工零件進行工藝分析；2）對零件加工精度分析；3）確定數(shù)控機床工夾量具；4）確定加工路線；5）確定加工所用的各種工藝參數(shù)；6）各節(jié)點坐標計算；7）填寫程序單。</p><p>　　以以下零件為例，如圖所示工件，毛坯為φ25㎜×65㎜

104、棒材，材料為45鋼。</p><p>　　1．根據(jù)零件圖樣要求、毛坯情況，確定工藝方案及加工路線 1）對軸類零件，軸心線為工藝基準，用三爪自定心卡盤夾持φ90mm外圓，一次裝夾完成粗精加工。 2) 工步順序 ① 粗車外圓?；静捎秒A梯切削路線，為編程時數(shù)值計算方便，圓弧部分可用同心圓車圓弧法，分三刀切完。 ② 自右向左精車右端面及各外圓面：車右端面→倒角→切削螺紋外圓→車φ48mm外圓→車圓錐→車φ70mm外圓

105、→車φ80mm外圓→車R3㎜圓弧→車φ80mm外圓。 ③ 切槽。 ④ 車螺紋。 </p><p>　　2．選擇機床設(shè)備 　　即本設(shè)計所改造后的CA6140。</p><p>　　3．選擇刀具 　　根據(jù)加工要求，選用四把刀具，T01為粗加工刀，選90°外圓車刀，T02為精加工刀，選尖頭車刀，T03為切槽刀，刀寬為4mm，T04為60°螺紋刀?！　⊥瑫r把四把刀在四工位自動

106、換刀刀架上安裝好，且都對好刀，把它們的刀偏值輸入相應(yīng)的刀具參數(shù)中。 </p><p>　　4．確定切削用量 　　切削用量的具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)該機床性能、相關(guān)的手冊并結(jié)合實際經(jīng)驗確定，詳見加工程序。 </p><p>　　5．確定工件坐標系、對刀點和換刀點 　　確定以工件右端面與軸心線的交點O為工件原點，建立XOZ工件坐標系，如上圖所示。換刀點設(shè)置在工件坐標系下X100、Z50處。 </p

107、><p>　　6．編寫程序　　按該機床規(guī)定的指令代碼和程序段格式，把加工零件的全部工藝過程編寫成程序清單。</p><p>　　該工件的加工程序如下： </p><p><b>　　%</b></p><p>　　O3032 </p>

108、<p>　　N10 G90 G00 G92 X100 Z60; 坐標設(shè)定</p><p>　　N20 M3 S1000; 主軸正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速1000r/min</p><p>　　N30 X48 Z1; 快速移動到

109、X=48mm，Z=1mm處</p><p>　　N40 G01 X48 Z-2 F10; 倒角2×45°</p><p>　　N50 X48 Z-60; 加工M48的外徑</p><p>　　N60 X50 Z-60;

110、 加工50mm外徑</p><p>　　N70 X70 Z-120; 加工錐面</p><p>　　N80 X70 Z-140; 加工70mm外徑</p><p>　　N90 X80 Z

111、-160; 加工80mm外徑</p><p>　　N100 G02 X80 Z-220 I51.96 K-30 F5; 加工R=70mm圓弧</p><p>　　N110 G01 X80 Z-225 F10; 加工80mm外徑</p>&l

112、t;p>　　N120 G26 T1000; 回換刀點</p><p>　　N130 M5; 主軸停轉(zhuǎn)</p><p>　　N140 T0202; 換2號刀</p><

113、;p>　　N150 M3 S100; 主軸正轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速100r/min</p><p>　　N160 G00 X50 Z-60; 快速移動刀X=50mm，Z=-60mm處</p><p>　　N170 G01 X45 Z-60 F5;

114、 切槽</p><p>　　N180 X50 Z-60; </p><p>　　N190 G26 T2000; 回換刀點</p><p>　　N200 M5;

115、主軸停轉(zhuǎn)</p><p>　　N210 T0303; 換3號刀</p><p>　　N220 M3 S60; 主軸正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速60r/min</p><p>　　N230 G00 X47.6 Z10 F2;

116、 快速移到X=47.6mm,Z=10mm</p><p>　　N240 G33 X47.6 Z-58 F2; 加工螺紋</p><p>　　N250 G01 X52.6 F10; 回安全點</p><p>　　N260 G26;

117、 回換刀點</p><p>　　N270 G00 X47.2 Z10; 快速移到X=47.2mm,Z=10mm</p><p>　　N280 G33 X47.2 Z-58 F2; 加工螺紋</p><p&

118、gt;　　N290 G01 X51.2 F10; 回安全點</p><p>　　N300 G26; 回換刀點</p><p>　　N310 G00 X46.8 Z10; 快速移到X=46.8mm,Z=10m

119、m</p><p>　　N320 G33 X46.8 Z-58 F2; 加工螺紋</p><p>　　N330 G01 X51.8 F10; 回安全點</p><p>　　N340 G26;

120、 回換刀點</p><p>　　N350 G00 X46.587 Z10; 快速移到X=46.587mm,Z=10mm</p><p>　　N360 G33 X46.587 Z-58 F2; 加工螺紋</p><p>　　N370 G01 X51.587 F10;