普通車床數(shù)控化改造設(shè)計【數(shù)改CA6140】

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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 single chip as CPU to cope with the signal，and output the step 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 vertical movement and the crosswise movement. Keyword: Numerical control machine tool ，Single chip microcomputer，system Reform design 第 II 頁 目 錄 1 緒論 .1 1.1 課題研究背景 .1 1.1.1 數(shù)控技術(shù)及其發(fā)展 .1 1.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 .1 1.1.3 國外研究現(xiàn)狀 .3 1.1.4 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 .4 1.1.5 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) .4 1.2 普通機床數(shù)控改造的目的與意義 .5 1.2.1 微觀看改造的目的與意義 .5 1.2.2 宏觀看改造的目的與意義 .5 1.3 數(shù)控改造的研究內(nèi)容及優(yōu)缺點 .6 1.3.1 國外改造業(yè)的興起 .6 1.3.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容 .6 1.3.3 機床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點 .7 2 普通車床數(shù)改的總體方案 .8 2.1 總體方案 .8 2.1.1 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造 .8 2.1.2 主軸脈沖發(fā)生器 .9 2.1.3 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理 .9 3 床進給系統(tǒng)的數(shù)控化改造 .11 3.1 滾珠絲杠螺母副 .11 3.1.1 滾珠絲杠副的工作原理、特點及類型 .12 3.1.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) .13 3.1.3 螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸 .13 第 III 頁 3.1.4 絲杠副的循環(huán)方式 .14 3.2 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 .16 3.2.1 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 .16 3.2.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 .17 3.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計算 .21 3.3 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 .24 3.3.1 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 .24 3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 .25 3.3.2 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算 .27 3.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預緊方法 .28 3.5 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu) .31 3.6 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 .31 3.6.1 采用減速箱的目的及注意事項 .31 3.6.2 減少或消除空程的必要性和方法 .32 4 數(shù)改 CA6140 自動刀架設(shè)計 .33 4.1 自動刀架的分類 .33 4.2 自動刀架的設(shè)計 .33 5 數(shù)改 CA6140 步進電機的設(shè)計 .36 5.1 步進電機的工作方式 .36 5.2 步進電機的選擇 .36 5.2.1 步進電機選用的基本原則 .36 5.2.2 數(shù)改 CA6140 縱向進給系統(tǒng)步進電機的確定 .38 5.2.3 數(shù)改 CA6140 橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 .38 6 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 .39 6.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 .39 6.2 單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計 .39 第 IV 頁 6.2.1 硬件配置 .39 6.2.2 I/O 口地址分配 .40 6.2.3 步進電機與微型機的接口電路 .40 6.2.4 方向控制 .41 結(jié) 論 .42 參考文獻 .43 致謝 .44 附錄 .45 第 0 頁 1 緒論 1.1 課題研究背景 1.1.1 數(shù)控技術(shù)及其發(fā)展 數(shù)控技術(shù) 1 (NC Numerical Control)是指用數(shù)控信號構(gòu)成的控制程序?qū)?某一對象進行控制的一門技術(shù)。它所控制的一般是位移、速度、角度等機械量， 也可以是溫度、壓力、流量等物理量，這些量的數(shù)值不僅可以測得，而且可以 用數(shù)字信號表示?，F(xiàn)在市場上使用的數(shù)控機床及數(shù)控氣割機、數(shù)控繪圖機、數(shù) 控測量機等等，都是采用了數(shù)控技術(shù)的機械設(shè)備，就是用數(shù)字信號對該設(shè)備自 動工作過程進行控制。數(shù)控機床是數(shù)控設(shè)備的典型代表，它是為了解決小批量、 精度高、復雜型面零件加工的自動化要求而生產(chǎn)的。 1946 年，世界上第一臺電子計算機問世，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分 代替腦力勞動的工具，6 年后，計算機技術(shù)應用到了機床上，在美國誕生了第 一臺數(shù)控機床，從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。19521970 年，屬于數(shù)控(NC)階 段，由于早期計算機的運算速度低，不能適應機床實時控制的要求。人們不得 不采用數(shù)字邏輯電路“搭”成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件 連接數(shù)控(HARD-WIRED NC)。從 1970 年開始，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批 生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進入了計算機數(shù)控 (CNC)階段。到 1974 年微處理器被應用與數(shù)控系統(tǒng)；1990 年，PC 機的性能已 發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求，數(shù)控系統(tǒng)從此進 入了基于 PC 的階段；需要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控(CNC)了， 而我國仍習慣稱數(shù)控(NC)。所以我們?nèi)粘Ｖv的“數(shù)控” ，實質(zhì)上已經(jīng)是指“計算 機數(shù)控”了 2。 1.1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1958 年，我國開始數(shù)控機床的研制，其主要工作是剖析國外數(shù)控機床的 先進技術(shù)。由于電子元器件的質(zhì)量和制造工藝水平差，致使國產(chǎn)數(shù)控機床的穩(wěn) 定性、可靠性問題沒有從根本上得到解決，未能及時推廣 3。 從八十年代我國重新開始起步發(fā)展，到 1993 年產(chǎn)量已增長 1828 倍，產(chǎn) 第 1 頁 值數(shù)控化率從 1%以下增長到 12%。從此數(shù)控機床生產(chǎn)逐漸形成批量，出現(xiàn)了一 批以北京機床研究所為龍頭的機床廠，隨后，又組建了許多經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)的 生產(chǎn)廠家，如武漢華中數(shù)控有限公司、常州寶馬集團、西安微電子研究所等。 數(shù)控機床技術(shù)結(jié)合著大型、多功能和經(jīng)濟型兩大方向同時發(fā)展，以此來適合我 國國情的裝有數(shù)控系統(tǒng)的高效自動化機床 4。 隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，世界機床業(yè)已進入了以數(shù)字化制造技術(shù)為核心 的機電一體化時代，其中數(shù)控機床就是代表產(chǎn)品之一，而我國從上世紀 80 年 代開始起步，至今仍處于發(fā)展階段。相關(guān)資料指出， “十二五”期間我國固定資 產(chǎn)投資增速快，汽車和機械制造行業(yè)發(fā)展迅猛，外商投資企業(yè)增長速度加快， 對機床的需求仍然旺盛。我國目前擁有機床很多都是傳統(tǒng)的機床，而且半數(shù)以 上是役齡在 10 年以上的舊機床，其中數(shù)控機床總數(shù)只有 11.34 萬臺，即我國 機床數(shù)控化率不到 3%。近十年來，我國數(shù)控機床年產(chǎn)量約為 0.60.8 萬臺， 其中絕大部分為數(shù)控車床，年產(chǎn)值達到 18 億元，車床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為 6%。自改革開放以來，很多企業(yè)從國外引進技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進行技術(shù)改造， 從 19791988 年，全國引進技術(shù)改造項目就有 18446 項，其中大部分項目為 我國的經(jīng)濟建設(shè)發(fā)揮了應有的作用。但是有的引進項目由于技術(shù)等一些原因， 設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運轉(zhuǎn)，給企業(yè)造成很大損失，總結(jié)原因是在改造過程中， 對一些設(shè)備、生產(chǎn)流程等技術(shù)手段消化吸收不好，維護不當造成的 5。 世界各國，包括許多工業(yè)發(fā)達的國家相繼成立了機床修復公司、翻新公司 或改造公司，承擔舊機床數(shù)控改造的任務，并成功地改造了一些大型和重型機 床。我國常柴股份公司曾改造一臺仿形銑床 6，花費 40 萬元的改造費用，節(jié)約 投資近 250 萬元，使用該銑床加工 N485 柴油機鑄造用模具，不到三個月時間， 完成了兩套 N485 模具和 20 套空調(diào)模具的加工。根據(jù)常柴股份公司對已完成數(shù) 控化改造的 11 臺加工中心和 1 臺仿形銑床投入運行后統(tǒng)計，新增產(chǎn)值達到 3000 多萬元，取得了良好的經(jīng)濟效益。當然，在機床數(shù)控化改造實例中也有許 多失敗的例子，如航天部國營 507 廠，在八十年代曾經(jīng)對七十年代產(chǎn)品牡丹江 廠的一臺 C620-1 型舊車床進行數(shù)控化改造 7，但是由于當時對機床數(shù)控化改造 工藝論證不夠充分，所選用的數(shù)控系統(tǒng)性能不穩(wěn)定等原因?qū)е赂脑焓　?近年來，雖然我國的數(shù)控機床無論從產(chǎn)品種類、技術(shù)水平、質(zhì)量和產(chǎn)量上 都取得了很大的發(fā)展，在一些關(guān)鍵技術(shù)方面也取得了重大突破，但同世界先進 第 2 頁 水平比仍有一些差距，這也是制約我國機械工業(yè)快速穩(wěn)步發(fā)展的重要因素。 1.1.3 國外研究現(xiàn)狀 在日本、美國、英國、德國等國家，數(shù)控機床的年產(chǎn)量較高，占世界總產(chǎn) 量的 47%左右，僅日、德、美三國的年產(chǎn)數(shù)控機床就占世界數(shù)控機床年產(chǎn)量的 36%，其中，日本擁有量的數(shù)控化率為 22.8% 8-9。在目前世界機床擁有量中， 高檔(數(shù)控機床)、中檔(非數(shù)控的自動化機床)、抵檔(手動操作的普通機床)之 平均比例約為 5:60:35。在發(fā)達國家中約為 10:65:25，國外工業(yè)發(fā)達國家的機 床廠均生產(chǎn)數(shù)控機床，普通機床已逐步甩給第三世界國家生產(chǎn)，在數(shù)控機床的 生產(chǎn)中，發(fā)展最快的是自動換刀的加工中心。在我國約為 1:19:80?？梢?，國 外工業(yè)發(fā)達國家中的數(shù)控機床占有率比我國高很多 10-12。 在國外一些發(fā)達國家，它們的車床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)，用數(shù)控技 術(shù)改造車床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了車床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新行 業(yè)。比如說在美國，車床改造業(yè)稱為車床再生業(yè)，從事再生業(yè)的著名公司有： Bertsche 工程公司、Ayton 機床公司、US 設(shè)備公司等 13。在日本，車床改造 業(yè)稱為車床改裝業(yè)，從事改裝的著名公司有：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 14。在德國， 可以將改造后的舊車床的質(zhì)量和性能做得與新車床差不多，而且，改造后的二 手車床的用戶也同樣能夠得到供應商或改造廠提供的配套服務 15。其中，在德 國具有代表性的 Schiiess 公司在 1981 年把一臺加工直徑為 19m 的超重型立 式車床改裝成數(shù)控機床，當時生產(chǎn)于 1929 的該機床是世界上的機床；其改造 主要包括將工作臺導軌改裝為靜壓導軌，提高其承載能力；主傳動采用半導體 可控硅控制；刀架的滑動導軌改為滾動導軌等；該機床的整體改造費用僅為當 時同類規(guī)格新機床價格的 28.9%，該公司還改造了一臺最大直徑為 14m 的超重 型立式車床，全部改造費用是當時同類規(guī)格新機床價格的 19.1%16。 由此可見，對現(xiàn)有機床的數(shù)控化改造在節(jié)約成本和改善舊機床閑置資源的 合理利用等方面有明顯優(yōu)勢，從完成的改造設(shè)備運行情況來看，改造后的設(shè)備 取得了令人滿意的效果，從而更有力地推動了車床改造行業(yè)的發(fā)展。 第 3 頁 1.1.4 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢 1. 性能發(fā)展方向 (1) 高速高精高效化 (2) 柔性化 (3) 工藝復合性和多軸化 (4) 實時智能化 2. 功能發(fā)展方向 (1) 用戶界面圖形化 (2) 科學計算可視化 (3) 插補和補償方式多樣化 (4) 內(nèi)裝高性能 PLC (5) 多媒體技術(shù)應用 3. 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展 (1) 集成化 (2) 模塊化 (3) 網(wǎng)絡化 (4) 通用型開放式閉環(huán)控制模式 1.1.5 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) 當前開發(fā)研究適應于復雜制造過程的、具有閉環(huán)控制體系結(jié)構(gòu)的、智能化 新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)已成為可能。 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)將計算機智能技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、 CAD/CAM、伺服控制、自適應控制、動態(tài)數(shù)據(jù)管理及動態(tài)刀具補償、動態(tài)仿真 等高新技術(shù)融于一體，形成嚴密的制造過程閉環(huán)控制體系。 1.2 普通機床數(shù)控改造的目的與意義 1.2.1 微觀看改造的目的與意義 從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性 均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。 第 4 頁 (1) 可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復雜的零件。由于計算 機有高超的運算能力，可以瞬時準確地計算出每個坐標軸瞬時應該運動的運動 量，因此可以復合成復雜的曲線或曲面。 (2) 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提 高 37 倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來， 然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個 程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化， 故被稱為實現(xiàn)了柔性自動化 。 (3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要修配 。 (4 ) 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機床間的頻繁搬運。 (5) 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時 間無人看管加工。 由以上五條派生的優(yōu)點： (1)降低了工人的勞動強度； (2)節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床） ； (3)減少了工裝；縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期； (4)可對市場需求作出快速反應等等。 以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床 數(shù)控化還是推行 FMC（柔性制造單元） 、FMS （柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS（計 算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動 化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 1.2.2 宏觀看改造的目的與意義 由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進行深入改造（稱之為信息化） ， 最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信 息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達國家約落后 20 年。如我國機床擁有量中，數(shù)控 機床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994 年已達 20.8， 因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必 要性。 第 5 頁 1.3 數(shù)控改造的研究內(nèi)容及優(yōu)缺點 1.3.1 國外改造業(yè)的興起 在美國、日本和德國等發(fā)達國家，它們的機床改造作為新的經(jīng)濟增長行業(yè)， 生意盎然，正處在黃金時代。由于機床以及技術(shù)的不斷進步，機床改造是個永 恒 的課題。在美國，機床改造業(yè)稱為機床再生（ Remanufacturing）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(shè)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（Retrofitting）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。 1.3.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容 機床與生產(chǎn)線的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點： （1）恢復原功能，對機床、生產(chǎn)線存在的故障部分進行診斷并恢復； （2）NC 化，在普通機床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機床、 CNC 機床； （3）翻新，為提高精度、效率和自動化程度，對機械、電氣部分進行翻新， 對機械部分重新裝配加工，恢復原精度；對其不滿足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最 新 CNC 進行更新； （4）技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，為提高性能或檔次，或為了使用新工藝、新技 術(shù),在原有基礎(chǔ)上進行較大規(guī)模的技術(shù)更新或技術(shù)創(chuàng)新，較大幅度地提高水平和 檔次的更新改造。 1.3.3 機床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點 1. 減少投資額、交貨期短 2. 機械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限 3. 熟悉了解設(shè)備、便于操作維修 4. 可充分利用現(xiàn)有的條件 5. 可以采用最新的控制技術(shù) 第 6 頁 2 普通車床數(shù)改的總體方案 2.1 總體方案 由于是經(jīng)濟型數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時，基本原則是滿足使用要 求的前提下，對機床的改動盡可能少，以降低成本。本文針對 CA6140 進行設(shè) 計，根據(jù) CA6140 車床有關(guān)資料以及數(shù)控車床的改造經(jīng)驗，確定總體方案為： 采用微機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由 I/O 接口輸出步進脈沖，經(jīng)一級齒輪減速后， 帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)縱向、橫向進給運動。如圖 21 所示。 2.1.1 主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的改造 CA6140 型普通車床的主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)都由主軸電機控制，而改造后 的車床則把主傳動系統(tǒng)和進給系統(tǒng)的運動分離開。分別由各自的電機來控制， 但是為保證車床在車螺紋時主傳動運動與進給運動之間的聯(lián)系，所以在拆掉進 給系統(tǒng)的同時，必須在主軸上安裝一個脈沖發(fā)生器，來實現(xiàn)主軸傳動和進給運 動之間的聯(lián)系。同時，為了提高機床的精度和效率，用滾珠絲杠來代替原機床 的光杠，并且采用單獨的步進電機來控制。這樣不僅提高了機床的性能和精度， 還提高了機床的使用性能。 1. 機械部分的改造 圖 2.1 數(shù)改 CA6140 車床總體方案示意圖 第 7 頁 首先拆去進給箱、溜板箱；還要對車床的床鞍進行部分的改造，拆去縱向 小拖板、 橫向拖板的絲杠換成滾珠絲杠，并且由一端驅(qū)動的步進電機來控制。 2. 刀架的改造 CA6140 普通車床的刀架不能滿足數(shù)改后的車床的性能和精度的要求。所以， 必須要換成數(shù)控自動刀架。 2.1.2 主軸脈沖發(fā)生器 由于 CA6140 普通車床的主傳動系統(tǒng)的精度及其靈活性基本滿足數(shù)改后車 床精度的要求。改造后的車床既需要考慮一定的技術(shù)要求，以實現(xiàn)造價低廉。 圖 2.1.2 車螺紋及控制電路 經(jīng)濟方便的要求。所以在改造時，仍然保留原有的主傳動系統(tǒng)，只是為了在車 螺紋時保證主運動與進給運動的聯(lián)系，在原床頭 X 軸輸出端上安裝一個脈沖發(fā) 生器，發(fā)生脈沖以使步進電機準確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進給運動，從而完 成車削螺紋的動作，其車螺紋的控制電路如圖 22 所示：CA6140 普通車床在 加工螺紋時，為了得到符合加工要求的螺距，就必須保證主軸和進給之間的聯(lián) 系。但是，在數(shù)改后的車床上，由于主軸的運動與進給運動之間沒有機構(gòu)上的 直接聯(lián)系，為了變成這些功能，就設(shè)置了主軸脈沖發(fā)生器，發(fā)出脈沖以使步進 電機準確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進給運動，這樣既可以解決了主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)， 車刀進給一個螺距的動作的問題，進而在單片機系統(tǒng)的控制下，保證這種聯(lián)系 的順利完成。 2.1.3 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理 圖 23（a）所示是脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖： 第 8 頁 圖 2.1.3 主軸脈沖發(fā)生器示意圖 脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤、光闌板、光敏管及 其光電整形放大電路組成。光柵盤和光闌板都是玻璃材料制成，玻璃表面經(jīng)過 研磨拋光后用鍍膜法鍍上一層不透光的鉻層，透光條及用照相腐蝕法制成。在 光柵盤上刻有明暗條紋，有單條和 1024 個條兩組。當平行光束經(jīng)過光柵盤時， 在光柵盤的另一面就產(chǎn)生明暗光帶，這光帶通過一個光闌狹縫，照在對應的光 敏管上，從而產(chǎn)生光電脈沖信號，經(jīng)斯密特電路整形后輸出。單條紋的一組產(chǎn) 生同步脈沖，每轉(zhuǎn)發(fā)一個脈沖；1024 條紋的一組通過光欄上兩個相位差 /4 間 距的狹縫，產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn) 1024 個脈沖組相差為 /4 的脈沖序列，供給微機處理， 借以判斷主軸正、反轉(zhuǎn)，且可以從 1024 個脈沖中均勻地取出 F 個脈沖，作為中 斷信號控制插補速度，實現(xiàn) F 進給控制的目的。 第 9 頁 3 床進給系統(tǒng)的數(shù)控化改造 數(shù)控機床的傳動裝置是指將電動機的旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整 個機械傳動鏈及其附屬機構(gòu)。包括齒輪減速器、絲杠螺母副、導軌、工作臺等。 為確保數(shù)控機床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計機械傳動裝置時， 通常提出了無間隙、低磨擦、低慣量、高剛度、高諧振頻率能及有適宜的阻尼 比的要求。為了達到這些要求，采取主要措施如下： （1）盡量采用低摩擦的傳動，如采用靜壓導軌、滾動導軌和滾動絲杠等， 以減少摩擦力。 （2）選用最佳的降速比，以達到提高機床分辨率，使工作臺盡可能大地加 速，以達到跟蹤指令，系統(tǒng)折算到驅(qū)動軸上的轉(zhuǎn)動慣量盡量小的要求。 （3）縮短傳動鏈以及預緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度。如采用大扭矩寬調(diào) 速的直流電機與絲杠直接聯(lián)接，應用預加負載的滾動導軌和滾動絲杠副，絲杠 支承設(shè)計成兩端軸向固定的，并可用預拉伸的結(jié)構(gòu)等辦法來提高傳動系統(tǒng)的剛 度。 （4）盡量消除傳動間隙，減少反向死區(qū)誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸器 （如用加錐銷固定的聯(lián)軸套，用鍵加頂絲緊固的聯(lián)軸套以及用無扭轉(zhuǎn)間隙的撓 性聯(lián)軸器等） ，采用有消除間隙措施的傳動副等。 3.1 滾珠絲杠螺母副 滾珠絲杠副是在絲杠和螺母間以鋼球為滾動體的螺旋傳動元件，它以滾珠的滾 動代替絲桿螺母副中的滑動，摩擦力小，具有良好的性能。滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) 原理示意圖如圖 31 所示，在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當它們套裝在 一起時便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠。而滾珠則沿滾道滾動，并經(jīng)回 珠管作周而復始的循環(huán)運動?；刂楣軆啥诉€起擋珠的作用，以防滾珠沿滾道掉 出。它可將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動，或者將直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動。因此， 滾珠絲杠副既是傳動元件，也是直線運動與旋轉(zhuǎn)運動相互轉(zhuǎn)換的元件。 第 10 頁 圖 3.1 滾珠絲杠結(jié)構(gòu)原理圖 3.1.1 滾珠絲杠副的工作原理、特點及類型 弧形的螺旋槽，當它們套裝在一起時便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有 滾珠回路管道 b，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道，滾道內(nèi) 裝滿滾珠。當絲杠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動。因而迫使螺母（或絲杠） 軸向移動。 滾珠絲杠副的特點是： （1）磨擦損失小、傳動效率高，高達 0.920.96（滑動絲杠為 0.20.40） 。 （2）螺母之間預緊后，可以完全消除間隙，傳動精度高、剛性好。 （3）磨擦阻力小，且?guī)缀跖c運動速度無關(guān)，動靜磨擦力之差極小，不易產(chǎn) 生低速爬行現(xiàn)象，保證了運動的平穩(wěn)性。 （4）磨損小，壽命長，精度保持性好。 （5）不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動，也能將直線 運動轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運動，可滿足一些特殊要求的傳動場合，但當立式使用時，應 增加制動裝置。 （6）工藝復雜，成本高。 國產(chǎn)的標準滾珠絲杠副分為兩類：定位滾珠絲杠副（P 類） ，即通過旋轉(zhuǎn)角 度和導程控制軸向位移量的滾珠絲杠副；傳動滾珠絲杠副（T 類） ，即與旋轉(zhuǎn)角 度無關(guān)，用于傳遞動力的滾珠絲杠副。 此外，滾珠絲杠副通常還可根據(jù)其特征進行分類，如按制造方法的不同分 為普通滾珠絲杠副和滾軋滾珠絲杠副；按螺母類型式分為單側(cè)法蘭盤單螺母型、 雙法蘭盤雙螺母型、圓柱雙螺母型、圓柱單螺母型、簡易螺母型及方螺母型等； 第 11 頁 按螺旋滾道型面分為單圓弧面和雙圓弧面；按滾珠的循環(huán)方式分為：外循環(huán)和 內(nèi)循環(huán)式。 3.1.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) 目前國內(nèi)外生產(chǎn)的滾珠絲杠副，盡管在結(jié)構(gòu)上各種各樣，其主要區(qū)別是在 螺旋滾道型面的形狀、滾珠的循環(huán)方式以及軸向間隙的調(diào)整和預加載的方法等 方面。 3.1.3 螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸 螺旋滾道型面（即滾道法向截形）的形狀有多種，常見的截形有單圓弧面 和雙圓弧型面兩種。圖 32 為螺旋滾道型面的簡圖，圖中鋼球與滾道表面接觸 點處的公法線與螺紋軸線的垂線間的夾角稱為接觸角 。理想接觸角 =45。 圖 3.1.1 滾珠絲杠副螺旋滾道型面的形狀 （a） 單圓弧 （b）雙圓弧 （1）型面 如圖 32（a）所示，通常滾道半徑 rn 稍大于滾珠半徑 rw， 通常 2rn=（1.041.11）Dw。對于單弧型面的螺紋滾道，接觸角 是隨軸向負荷 F 的大小而變化。當 F=0 時，=0 ，承載后，隨 F 的增大， 的大小由接觸變形 的大小決定。當接觸角 增大后，傳動效率 Ed、軸向剛度 Rc 以及承載能力隨 之增大。 （2）圓弧型面 如圖 32（b）所示，滾珠與滾道只在內(nèi)相切的兩點接觸， 接觸角 不變。兩圓弧交接處有一小空隙，可容納一些臟物。這對滾珠的流動 第 12 頁 有利。 單圓弧型面，接觸角 是隨負載的大小而變化，因而軸承剛度和承載能力 也隨之而變化，應用較少。雙圓弧型面，接觸角選定后是不變的，應用較廣。 3.1.4 絲杠副的循環(huán)方式 常用的循環(huán)方式有兩種：滾珠在循環(huán)過程中有時與絲杠脫離接觸的稱為外 循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。 圖 3.1.2 插管式外循環(huán)方式原理圖 1壓板 2彎管（回珠管） 3螺母 4滾珠 （1）外循環(huán) 外循環(huán)多用螺旋槽式和插管式。圖 33 所示為常用的插管 式，被壓板 1 壓住的彎管 2 的兩端插入螺母 3 上與螺紋滾道相切的兩個孔內(nèi)， 引導滾珠 4 構(gòu)成循環(huán)回路。特點是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便。但徑向尺寸較大，彎 管端部容易磨損。若不用彎管，在螺母 3 的兩個孔內(nèi)裝上反向器，引導滾珠通 過螺母外表面的螺旋凹槽形成滾珠循環(huán)回路，則稱為螺旋槽式，其徑向尺寸較 小，工藝也較簡單。外循環(huán)式使用較廣，其缺點是滾道接縫處很難做得平滑， 影響滾珠滾動的平穩(wěn)性。 （2）內(nèi)循環(huán) 內(nèi)循環(huán)均采用反向器實現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種型式。如 圖 34(a)所示為圓柱凸鍵反向器，反向器的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開有反 第 13 頁 向器槽 2。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的凸鍵 1 定位，以保證對準螺紋滾道方 向。圖 34(b) 為扁圓鑲塊反向器，反向器為一半圓頭平鍵形鑲塊，鑲塊嵌入 螺母的切槽中，其端部開有反向槽 3，用鑲塊的外廓定位。兩種反向器比較，后 者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的 外廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。 圖 3.1.3 內(nèi)循環(huán)方式原理圖 1凸鍵 2、3反向器 內(nèi)循環(huán)反向器和外循環(huán)反向器相比，其結(jié)構(gòu)緊湊、定位可靠、剛性好、且 不易磨損、返回滾道短、不易發(fā)生滾珠堵塞、磨擦損失也小。其缺點是反向器 結(jié)構(gòu)復雜、制造困難、且不能用于多頭螺紋傳動。 由于滾珠在進入和離開循環(huán)反向裝置時容易產(chǎn)生較大的阻力，而且滾珠在 反向通道中的運動多屬前珠扒后珠的滑移運動，很少有“滾動” ，因此滾珠在反 向裝置中的摩擦力矩 M 反在整個滾珠絲杠的摩擦力矩 Mt 中所占比重較大，而 不同的循環(huán)反向裝置由于回珠通道的動軌跡不同，以及曲率半徑的差異，因而 M 反/Mt 值較小。 3.2 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 經(jīng)濟型數(shù)控車床的改造一般是步進電機經(jīng)減速驅(qū)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，外觀不必像產(chǎn)品設(shè)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。 第 14 頁 3.2.1 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 電機初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進給速度 Vmax=4m/min 根據(jù)機械設(shè)計手冊可知： maxhvpn （3.1） 為滾珠絲杠的基本導程 mm；hP Vmax絲杠的最大移動速度 mm/min； nmax絲杠副最大相對轉(zhuǎn)速 r/min； i傳動比則： mPh13.250.14 所以根據(jù)滾珠絲杠基本導程的基本系列可在機械設(shè)計手冊中查到 Ph， 選 Ph=6mm。 已知條件： 工作臺重量： W=95kg f=950N 步距角： 0.75/setp 滾珠絲杠基本導程： L0=6mm 行程： S=1000mm 脈沖當量 快速進給速度： =4m/minmaxV 切削力計算 由機床設(shè)計手冊可知，切削功率 cNK （3.2） 式中 N電機功率，查機床說明書，N=7.5kw； 主傳動系統(tǒng)總效率，一般為 0.6-0.7 取 =0.65； K進給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為 K=0.96。 則：N c=7.5 0.65 0.96=4.68kw 0.1/psetp 第 15 頁 又因為 （3.3）6120 vFNzcvcz 式中 切削線速度，取 =150m/min。v 主切削力 61204.8190.45ZFN 由金屬切削原理可知，主切削力： ZZFCfK （3.4） 式中： 切削深度（ mm） ； 進給量（mm/r ） ；paf 總修正系數(shù)； FZK 從機床設(shè)計手冊中可得知，在一般外圓車削時： (0.16)XZF(0.15.7)YZF 取： .5.9.4.2XZ 061056YF 3.2.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 根據(jù)經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計可知，綜合導軌車床絲杠的軸向力： ；()XZPKFfW 式中 FX、F Y為 X、Z 方向上的切削力； 導軌的摩擦系數(shù)； W為工作臺的重量；f K考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)。 其中 K=1.15， =0.15 0.18，取為 0.16；f 第 16 頁 則： P=1.15 954.72+0.16 (1909.44+950)=1555.45N; （1）計算： 壽命值： 6 01iinTL (3.5) 為滾珠絲杠當量轉(zhuǎn)速； 使用壽命時間（ h） ；in i 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： 0.7561.236FLi 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(zhuǎn)速為： max 1=50min0in.2nrri電 機 由機械設(shè)計手冊可知，當量轉(zhuǎn)速 ni 在 nmax 與 nmin 之間變化時： ； （3.6） maxini 取 nmin 為 1r/min； 則： 1206.5/ini r nmiir； 則： = (轉(zhuǎn))6 0150Li641 最大動負載： (3.7)3iWHQLPf 其中： P滾珠絲杠的軸向力； 壽命值；i 運動系數(shù)； 硬度系數(shù)；Wf Hf 從經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計表中可查到： =1.2 ； =1；則： WfHf 第 17 頁 。35401.25.419.58QN 根據(jù)最大動負載荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號?？稍?機械計手冊 中查到適合的滾珠絲杠。型號為 CMFZD40063.53 額定動載荷 18，800N， 所以強度足夠用。 (2) 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： ； (3.8)() tg 式中： 為螺旋升角； 為摩擦角。其中： 0Ltgd 為滾珠絲杠基本導程； 為滾珠絲杠的公稱直徑；0 0d 6243.1arctg ； 滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù) f=0.0030.004,其中摩擦角 可計算為： 12rtf 則： 。 93.0)214(tg (3) 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程變化量： ； (3.9)EF L01 式中： 滾珠絲杠的基本導程（cm） ； P工作負載（N ） ；0L E彈性模量； F滾珠絲杠截面積（按內(nèi)徑定） （cm） ； 滾珠絲杠截面積： 第 18 頁 ； 2dF （3.10） 其中： 02deR； 式中： 滾珠絲杠滾道圓弧偏心距； R滾道圓弧半徑；e 其中： ； /2cosWeRD （3.11） ；1.04/ 式中： 滾珠直徑； 接觸角；WD 根據(jù)機械設(shè)計手冊中的滾珠標準系列選 DW=4mm； 45 則： 41.042.2.08WRDm ； /cos.cos450.7e m ；02402.72.83.9d ； 3.59.10.4Fc 因此： ； cmEFPL6601 104.17.0.245 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 很小，可忽略。2L 第 19 頁 即： ；1L 所以，導程變形總誤差 為： 。 m/43.71046.0 查表可知 3 級精度滾珠絲杠允許的螺距誤差（1 米）長為 19 ，故剛/um 度夠用。 (4) 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。 3.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計算 (1) 有關(guān)齒輪計算 傳動比 ：i ； 25.10.3670pLi 故取： Z1=32； Z2=40； m=2； b=20mm； =20；a ； ；12364dmZ2408dmZ ； ；*8aah*aah 。 1207 (2) 轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： ；2222180180.()()95.5.347pJWkgmkgc 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量： ； （3.12） 417.80sJDL 式中： 滾珠絲杠的公稱直徑； 絲杠長度；D1 第 20 頁 則： 4 227.81059.9.5sJkgcmkgc 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： ；4 21.6.2.17z ；278039zJkgc 電機的轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略。 因此，總轉(zhuǎn)動慣量： （3.13）221(9.563.)2.175.64.3. kgcm (3) 所需轉(zhuǎn)動力矩計算 快速空載啟動時所需力矩： ； max0fM （3.14） 最大切削負載時所需力矩： ；0atftM 快速進給時所需力矩： ； （3.15）0f 式中： 空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩；maxM 折算到電機軸上的摩擦力矩；f 由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩；0 切削時折算到電機軸上的加速度力矩；at 折算到電機軸上的切削負載力矩；tM 212sZJJJi 第 21 頁 ；4109.6aJnMNmT 當 時：mx ；ax ； min/3.8625.140max rPiVnh ；4ax2.3.9.71.9MNc 當 時：tn ；at ； min/17.4265.30214.310 rLfiDvfint ；426.43.7.5905atMNmc ； 002fFfWihi 當 時， 時：0.8h.16 ；950.451.223.48.2fMNmc ； 01PLi 當 =0.9 時預加載荷 ，則：03bX F2 200(1)95.470.6(1.9)0.576.68xFLMNmci ；0.2382xt Nmci 所以，快速空載啟動所需力矩： max0fM 第 22 頁 =917.7+14.522+5.776=738.000Ncm； 切削時所需力矩： 0atftMM =15.7+1.4522+0.5776+9.12=26.85Nm=268.5Ncm； 快速進給時所需力矩： M=Mf+M0=1.4522+0.5776=2.0298Nm=202.98Ncm； 由上分析計算可知，所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動時：max Mmax=738.000Ngcm。 3.3 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 經(jīng)濟型數(shù)控改造的橫向進給的設(shè)計比較簡單，一般是步進電機經(jīng)減速后驅(qū) 動滾珠絲杠，使刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板上，用法蘭盤將步進電 機和機床和機床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動精度。 3.3.1 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 由于橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算與縱向類似，所用到的公式不在詳細說明， 只計算結(jié)果。 電機初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進給速度 =2 。maxV/in 根據(jù)機械設(shè)計手冊可知 ； in VPhmax （3.16） 則： ； minV07.125.1max 根據(jù)機械設(shè)計手冊可查到滾珠絲杠的標準系列，初選 。4hPm 已知條件如下： 工作臺重量： ； 30WN 第 23 頁 脈沖當量： ；0.5/mstep 步距角： ；7/at 進給速度： ；max2inV 滾珠絲杠基本導程： ；04L 滾珠絲杠行程： ；65S (1) 削力計算 橫向進給量為縱向的 ，取 ，則切削力約為縱向的 ： 12312 ； 90.45.7ZFN 在切斷工件時： ；.5.2.36yZ 3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 (1) 強度計算 對于燕尾型導軌： ； ()yZPKFfW （3.17） 取 K=1.4， =0.2；f 則： ；1.47.3602954.73091.248PN 壽命值： ；610 iinTL 由以上條件，可以確定步進電機與滾珠絲杠齒輪傳動比： ； 7.15.36470pi 由于電機軸與滾珠絲杠之間是降速傳動 則： 第 24 頁 ;max 13509/minnVri電 ax 由機械設(shè)計手冊可知，當量轉(zhuǎn)速 在 之間變化時：Vaxmin與 ； maxin2 取 為 時， ；取 ；inV1/ir450./inmVr450/imr 因此： ；66 01iiTL 根據(jù)經(jīng)濟型數(shù)控機床可知，最大動負載為： 。 33459.28.16.42iWHQPf N 根據(jù)最大負載 Q 值，可選擇滾珠絲杠的型號,外循環(huán)插管埋入式雙螺母預緊 式的滾珠絲杠，型號為 20042.53 左，其中額定動載荷為 14200N，所以強度 夠用。 (2) 效率計算 經(jīng)計算螺旋升角 ，摩擦角 ；23010 則： 。 .926()(2301)tgt (3) 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載 P 引起的導程的變化量： ； 6016291.2480.710.3(96)L cmEF 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 很小，即： 。所以，導程變2L1L 形總誤差為： ； 6102.7.8/4um 查表可知 3 級精度絲杠允許的螺距誤差（1m）為 15 ，故剛度足夠。/um (4) 穩(wěn)定性 由于選用的滾珠絲杠的直徑與絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固 第 25 頁 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，故不再驗算。 3.3.2 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計算 (1) 有關(guān)齒輪計算 傳動比： ； 0.7541.673603pLi 故?。?， ， ， ， ， ，18Z22mb20a136dm ， ， ， 。260d140ad64ad8 (2) 轉(zhuǎn)動慣量計算 工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量： ； 222180180.530.49347pJWkgcm 絲杠轉(zhuǎn)動慣量： ；4 27.80.26.9sJkgc 齒輪的轉(zhuǎn)動慣量： ；421.3.0.Z m ；278062Jkgc 電機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略，因此轉(zhuǎn)動慣量為： (3) 所需轉(zhuǎn)動力矩計算 ； max052383./min4VnrL 4axa.01.0.973.9.69625JMNcmT 2 22121.907.2.60.439.81sZJJJ kgci 第 26 頁 ；0 150.149.76/min3.463tnfi rDL主 ；2.897.8.5atMNc 00240.27.02873.1FfWf Nii2 200761.9.14.146.854.20.3.YtL cmiFMNcm 所以，快速空載啟動所需轉(zhuǎn)矩： max09.78.14.610.f Ncm 切削時需力矩： 快速0.520.2.392.attM 進給時所需力矩： 。0.87.14.34.1f Nmc 從上計算可，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速進給啟動時： max10.6MNc 3.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預緊方法 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(diào)整和預緊，通常采用雙螺母預緊方式，其結(jié)構(gòu)型式有三種。基本原 理是使兩個螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達到消除間隙和產(chǎn)生預緊力的目的。 1墊片調(diào)隙式 圖 35 所示結(jié)構(gòu)。是通過改變墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。這種結(jié) 構(gòu)簡單可靠、剛性好，但調(diào)整費時，且不能在工作中隨意調(diào)整。 第 27 頁 圖 3.4.1 雙螺母墊片式結(jié)構(gòu)圖 2螺帽調(diào)隙式 圖 36 所示為利用螺帽來實現(xiàn)預緊的結(jié)構(gòu)，兩個螺母以平鍵與外套相聯(lián)， 鍵可限制螺母在外套內(nèi)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(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào) 整也方便，故應用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作 又可靠，調(diào)整也方便，幫應用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制，因此，預緊 力也不能準確控制。 圖 3.4.2 雙螺母帽式結(jié)構(gòu)圖 1、2 鎖緊螺帽 3齒差調(diào)隙式 圖 37 所示為齒差式調(diào)整結(jié)構(gòu)。在兩個螺母的凸緣上分別有齒數(shù)為 Z1、Z2 的齒輪，而且 Z1、Z2 與相應的內(nèi)齒圈相嚙合。內(nèi)齒圈緊固在螺母座上， 預緊時脫開內(nèi)齒圈，使兩個螺母同向轉(zhuǎn)過相同的齒數(shù)，然后再合上內(nèi)齒圈。兩 第 28 頁 螺線的軸向相對位置發(fā)生變化從而實現(xiàn)間隙的調(diào)整和施加預緊力。如果其中 圖 3.4.3 雙螺母齒差式結(jié)構(gòu)圖 一個螺母轉(zhuǎn)過 n 個齒時則其軸向位移量為 （Ph 為絲杠導程，Z1 為1 hnsPZ 齒輪齒數(shù)） 。如兩齒輪沿同方向各轉(zhuǎn)過 n 個齒時，其兩螺母間相對軸向位移量 （Z2 為另一齒輪齒數(shù)）或 。例如： 2112hhZPsZ 12hsZnP 當 n=1，Z1=99 ，Z2=100， ,即兩個螺母在軸向產(chǎn)生 1 的位移。 019humum 這種調(diào)整方式的結(jié)構(gòu)復雜，但調(diào)整準確可靠，精度較高。 除上述三種雙螺母加預緊力的方式外，還有單螺母變導程自預緊和單螺母 鋼球過盈預緊方式。 3.5 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu) 為了高偉動剛度，應合理確定滾珠絲杠副的參數(shù)、螺母座的結(jié)構(gòu)、絲杠兩 端的支承型式，以及它們與機床的聯(lián)接剛度。常用的支承方式有下列幾種，如 圖 38 所示。 （1）一端裝止推軸承（固定自由式） 如圖 38(a)所示。這種安裝方式 的承載能力小，軸向剛度低，僅適應于短絲杠。如數(shù)控機床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降 臺式數(shù)控銑床的垂直坐標中。 （2）一端裝止推軸承，另一端裝深溝球軸承（固定支承式） 如圖 3 8(b)所示。滾珠絲杠較長時，一端裝止推軸承固定，另一端由深溝球軸承支承。 第 29 頁 為了減少絲杠熱變形的影響，止推軸承的安裝位置應遠離熱源（如液壓馬達） 。 （3）兩端裝止推軸承 如 38(c)所示。將止推軸承裝在滾珠絲杠的兩端， 并施加預緊力，有助于提高傳動剛度。但這種安裝方式對熱伸長較為敏感。 （4）兩端裝雙重止推軸承及深溝球軸承（固定固定式） 如圖 38(d) 所示。為了提高剛度，絲杠兩端采用雙重支承，如止推軸承和深溝球軸承，并 施加預緊力。這種結(jié)構(gòu)方式可使絲杠的熱變形轉(zhuǎn)化為止推軸承的預緊力。 圖 3.5 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu) 3.6 進給系統(tǒng)傳動齒輪間隙的消除 3.6.1 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(chǎn)生擅動就會產(chǎn)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(shè)計過程中我們采用減速齒輪來聯(lián)結(jié)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(chǎn)生使運動滯后 的指示信號的誤差，對加工件的精度就會產(chǎn)生很大的影響。 3.6.2 減少或消除空程的必要性和方法 1. 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 第 30 頁 身因素的影響，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象而引起的間隙誤差。在這次設(shè)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。 2. 消除方法 本次設(shè)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(cè)間隙。 第 31 頁 4 數(shù)改 CA6140 自動刀架設(shè)計 在零件的加工制造過程中，大量的時間用于更換刀具，裝卸、測量和搬運 零件等非切削時間上，切削加工時間僅占整個工時中較小的比例。數(shù)控機床要 提高效率的重要內(nèi)容之一，就是要縮短非切削時間。為此，近年來帶有自動換 刀裝置的數(shù)控機床（加工中心）得以迅速的發(fā)展。自動換刀裝置已廣泛用于各 種多工序數(shù)控機床，臺鏜床、銑床、車床及組合機床等。使用這種裝置，不僅 提高了機床的生產(chǎn)效率，擴大了單功能數(shù)控機床的使用范圍，而且由于零件在 一次安裝中完成多工序加工，大大減少了零件安裝定位次數(shù)，從而提高了加工 精度。 自動換刀數(shù)控機床上，對自動換刀裝置的基本要求是：換刀時間短、刀具 重復定位精度高、足夠的刀具存儲量、刀庫占地面積小及安全可靠等。 4.1 自動刀架的分類 1.螺旋轉(zhuǎn)位刀架 2.十字槽輪轉(zhuǎn)位刀架 3.凸臺棘爪式轉(zhuǎn)位刀架 4.2 自動刀架的設(shè)計 從自動轉(zhuǎn)位刀架的工作原理可知，這類刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能 自動完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊這樣一系列的動作，下面是數(shù) 改 CA6140 車床自動刀架的工作過程如下： 1.刀架抬起 當數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，步進電機啟動正轉(zhuǎn)，通過平鍵套筒聯(lián)軸器使 蝸桿軸 1 轉(zhuǎn)動，從而帶動蝸輪 2 轉(zhuǎn)動。蝸輪與轉(zhuǎn)軸連接在一起，因此一起轉(zhuǎn)動， 刀架體 7 的內(nèi)孔加工有螺紋，與轉(zhuǎn)軸連接在一起的絲杠套 5 外圈有螺紋。當蝸 輪開始轉(zhuǎn)動時，由于刀架底座 3 和刀架體 7 上的端面齒處在嚙合狀態(tài)，且絲杠 套軸向固定，因此這時刀架體 7 抬起。 2.刀架轉(zhuǎn)位 第 32 頁 當?shù)都荏w抬至一定距離后，端面齒脫開，轉(zhuǎn)位套 8 用銷釘與絲杠套聯(lián)接， 隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動，當端面齒完全脫開時，轉(zhuǎn)位套正好轉(zhuǎn)過 60 度，球頭銷 11 在 彈簧力的作用下進入轉(zhuǎn)位套 8 的槽中，帶動刀架體轉(zhuǎn)位。 3.刀架定位 刀架體 7 轉(zhuǎn)動，當轉(zhuǎn)到程序指定的刀號時，粗定位銷 4 在彈簧的作用下進 入刀體底座的粗定位盤的槽中進行粗定位，同時霍爾開關(guān)發(fā)出電機反轉(zhuǎn)的指令， 使電機反轉(zhuǎn)。由于粗定位銷的限制，刀架體 7 不能轉(zhuǎn)動，使其在該位置垂直落 下，刀架體 7 和刀架底座 3 上的端面齒嚙合實現(xiàn)精確定位。 4.夾緊刀架 電動機繼續(xù)反轉(zhuǎn)，此時蝸輪停止轉(zhuǎn)動，蝸桿軸 1 自身轉(zhuǎn)動，當兩端面齒增 加到一定夾緊力時，電動機 1 停止轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)了夾緊。 第 33 頁 圖 4.2 自動轉(zhuǎn)位六方刀架 第 34 頁 5 數(shù)改 CA6140 步進電機的設(shè)計 5.1 步進電機的工作方式 步進電機的工作方式和一般電機的不同，是采用脈沖控制方式工作的。只 有按一定的規(guī)律對各相繞組輪流通電，步進電機才能實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。數(shù)控機床中采 用的功率步進電機有三相、四相、五相、和六相等。一般電機的相數(shù)越多，工 作方式越多。 由步距角計算可知，循環(huán)拍數(shù)越多，步距角越小，因此定位精度越高。另 外，通電循環(huán)拍數(shù)和每拍通電相數(shù)對步進電機的矩頻特性、穩(wěn)定性等都有很大 的影響。步進電機的相數(shù)也對步進電機的運行性能有很大影響。為提高步進電 機輸出轉(zhuǎn)矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用多相步進電機，并采用 2m 拍工作方 式。 5.2 步進電機的選擇 5.2.1 步進電機選用的基本原則 合理選用步進電機是比較復雜的問題，需要根據(jù)電機在整個系統(tǒng)的實際工 作情況，經(jīng)過分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進電機最基本的原則介紹如 下： （1）步距角 步距角應滿足： mnai （5.1） 式中： 傳動比；i 系統(tǒng)對步進電機所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角。mna （2） 精度 步進電機的精確可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從