CA6140數控車床改造設計說明書.doc

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設計題目：CA6140車床的數控化改造 專 業(yè)： 設 計 者： 指導老師： 年 月 日 摘 要 普通機床的經濟型數控改造主要是在合理選擇數控系統(tǒng)的前提下，然后再對普通車床進行適當的機械改造，改造的內容主要包括： (1) 床身的改造，為使改造后的機床有較好的精度保持性，除盡可能地減少電器和機械故障的同時，應充分考慮機床零部件的耐磨性，尤其是機床導軌。 (2) 拖板的改造，拖板是數控系統(tǒng)直接控制的對象，所以對其改造尤顯重要。這中間最突出一點就是選用滾珠絲杠代替滾動絲杠，提高了傳動的靈敏性和降低功率步進電機力矩損失。 (3) 變速箱體的改造，由于采用數控系統(tǒng)控制，所以要對輸入和輸出軸以及減速齒輪進行設計，從而再對箱體進行改造。 (4) 刀架的改造，采用數控刀架，這樣可以用數控系統(tǒng)直接控制，而且刀架體積小，重復定位精度高，安全可靠。 通過對機床的改造并根據要求選用步進電機作為驅動元件，這樣改造后的機床就能基本滿足現代化的加工要求。 關鍵字：普通車床 數控改造 步進電機 經濟型數控系統(tǒng) 數控刀架 一 緒 論 我國數控機床的研制是從1958年開始的，經歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進了日本、美國、西班牙等國數控伺服及伺服系統(tǒng)技術后，我國的數控技術才有質的飛躍，應用面逐漸鋪開，數控技術產業(yè)才逐步形成規(guī)模。 由于現代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場需求變的越來越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產占有相當大的比重，普通機床已越來越不能滿足現代加工工藝及提高勞動生產率的要求。如果設備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設備的閑置又將造成極大的浪費。如今科學技術發(fā)展很快，特別是微電子技術和計算機技術的發(fā)展更快，應用到數控系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工精度，所以最經濟的辦法就是進行普通機床的數控改造。 機床數控化改造的優(yōu)點：（1）改造閑置設備，能發(fā)揮機床原有的功能和改造后的新增功能，提高了機床的使用價值，可以提高固定資產的使用效率；（2）適應多品種、小批量零件生產；（3）自動化程度提高、專業(yè)性強、加工精度高、生產效率高；（4）降低對工人的操作水平的要求；（5）數控改造費用低、經濟性好；（6）數控改造的周期短，可滿足生產急需。因此，我們必須走數控改造之路。 普通車床（如C616，C618，CA6140）等是金屬切削加工最常用的一類機床。普通機床刀架的縱向和橫向進給運動是由主軸回轉運動經掛輪傳遞而來，通過進給箱變速后，由光杠或絲杠帶動溜板箱、縱溜箱、橫溜板移動。進給參數要靠手工預先調整好，改變參數時要停車進行操作。刀架的縱向進給運動和橫向進給運動不能聯(lián)動，切削次序也由人工控制。 對普通車床進行數控化改造，主要是將縱向和橫向進給系統(tǒng)改為用微機控制的、能獨立運動的進給伺服系統(tǒng)；刀架改造成為能自動換刀的回轉刀架。這樣，利用數控裝置，車床就可以按預先輸入的加工指令進行切削加工。由于加工過程中的切削參數，切削次序和刀具都會按程序自動調節(jié)和更換，再加上縱向和橫向進給聯(lián)動的功能，數控改裝后的車床就可以加工出各種形狀復雜的回轉零件，并能實現多工序自動車削，從而提高了生產效率和加工精度，也能適應小批量多品種復雜零件的加工。 二 總體方案設計 2.1 總體方案設計要求 本課題來源于生產實踐。將CA6140型普通車床改造成經濟型數控車床，應能實現CA6140車床原有功能，在機床的精度、性能等方面除保持原來狀況外還有所提高。在整個設計過程中滿足以下幾點要求： X軸（橫向）、Z軸（縱向）改為微機控制，采用步進電機或直流伺服電機驅動，滾珠絲杠傳動。 X軸（橫向）脈沖當量：0.005mm/脈沖 Z軸（縱向）脈沖當量：0.010mm/脈沖 實現功能：車削外圓、端面、圓弧、圓錐及螺紋加工 操作要求：起動、點動、單步運行、自動循環(huán)、暫停、停止。 2.2 CA6140車床改造的總體方案 由于是經濟性數控改造,所以在考慮具體方案時,基本原則是在滿足使用要求前提下,對機床改動盡可能少,以降低成本。 根據CA6140 車床有關資料以及數控機床的改造經驗,確定總體方案為：采用以8031單片機為核心的數控裝置控制加工過程。微機通過I/O接口發(fā)出步進脈沖，經過光電隔離進入步進電機的驅動控制線路，驅動控制線路接受來自數控車床控制系統(tǒng)的進給脈沖信號，并將該信號轉換為控制步進電機各定子繞組依次通電、斷電的信號，使步進電機運轉。步進電機的轉子帶動滾珠絲杠轉動，從而使工作臺產生移動，實現縱向、橫向的進給運動。為加工螺紋,在主軸上加裝主軸脈沖編碼器。由于步進電機需要的驅動電壓較高，電流較大，如果將I/O輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起強電干擾，輕則影響單片機程序運行，重則導致單片機接口電路的損壞，所以在接口電路與功率放大器之間加上隔離電路，實現電氣隔離。其總體改造方案結構示意圖見圖2-1所示。進給伺服系統(tǒng)總體方案框圖如圖2-2所示： 圖2-1 數控車床的總體改造方案結構示意圖 圖2-2 進給伺服系統(tǒng)總體方案框圖 總體框架說明： 微機：可采用8031單片機，可滿足該系統(tǒng)的控制要求。 光電隔離：作用是能夠隔離外部干擾信號對微機的信號沖擊，提高 系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 主軸脈沖編碼器：作用是實現螺紋加工。 橫（縱）向工作臺：是由CA6140改造而來，拆除原來的絲桿，溜板箱，變速箱等。 步進電機及其驅動器要能夠達到0.005mm的加工精度要求。 三 車床進給伺服系統(tǒng)機械部分改造設計與計算 3.1 車床進給伺服系統(tǒng)機械部分改造設計 進給系統(tǒng)改造設計需要改動的主要部分有掛輪架、進給箱、溜板箱、溜板刀架等。改造的方案不是唯一的，以下是其中的一種方案： (1) 主傳動系統(tǒng)保留原機床的主軸手動變速。改造后使其主運動和進給運動分離，主電機的作用僅為帶動主軸旋。增加一只電磁離合器，用以接收數控系統(tǒng)的停機制動信號以控制原制動裝置制動停車。加工螺紋或絲杠時，為保證主軸每轉一轉，刀具準確移動一個導程，需拆除掛輪架系統(tǒng)，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖編碼器，作為主軸位置信號的反饋元件。脈沖編碼器采用異軸安裝，意在實現角位移信號傳遞的同時，又能吸收車床主軸的部分振動，從而使主軸脈沖編碼器轉動平穩(wěn)，傳遞信號準確。 (2) 進給系統(tǒng)原機床的掛輪機構、進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠和操作杠全部拆除，縱向進給系統(tǒng)以步進電機作為驅動元件，經一級齒輪減速轉矩增大后，由滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠仍利用原絲杠位置，其螺母副通過托架安裝在床鞍底部，滾珠絲杠兩端加裝接套、接桿及支承。與床身尾部步進電機相聯(lián)接。步進電機經減速后和滾珠絲杠用套筒聯(lián)軸器連接。橫向進給系統(tǒng)中保留原手動構，將原橫溜板的絲杠的螺母拆除，改裝橫向進給滾珠絲杠螺母副、橫向進給步進電機與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。 3.2 橫向進給系統(tǒng)改造設計 3.2.1 橫向進給系統(tǒng)的設計 經濟型數控車床的改造一般是步進電機經減速后驅動滾珠絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動刀架橫向運動。步進電機安裝在大拖板后端，用法蘭盤將步進電機與車床大拖板連接起來，以保證同軸度，提高傳動精度。其結構示意圖見圖3-1所示。 圖3-1 橫向結構示意圖 3.2.2 橫向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件： 工作臺重（根據圖紙粗略計算） W=30kgf=300N 時間常數 T=25ms 滾珠絲杠基本導程 L=4mm左旋 行程 S=230mm 脈沖當量 =0.005mm/step 步距角 =0.75 /step 快速進給速度 νmax=1mm/min （1）切削力計算 查參考文獻[1]可得知，橫向進給量為縱向的1/2～1/3,取1/2,則切削力約為縱向的1/2， F=(1/2)152.76=76.38kgf=763.8N （3-1） 在切斷工件時： F=0.5F=0.5076.38=38.19kgf=381.9N （3-2） （2）滾珠絲杠設計計算 ① 強度計算 對于燕尾型導軌： P=KFy+f＇(Fz+W) （3-3） 取K=1.4 f＇=0.2,則 P=1.438.19+0.2（76.38+30） =74.74kgf=747.4N （3-4） 壽命值 L ===13.5 （3-5） 最大動負載 Q==1.2174.74=213.55kgf=2135.5N （3-6） 根據最大動負荷Q的值，可選擇滾珠絲杠的型號。查參考文獻[2]可知，選用型號為WL2004-2.5X1B左，其額定動負荷為6100N，所以強度足夠用。 ② 效率計算 螺旋升角γ=339′，摩擦角ψ=10′ 則傳動效率 η===0.956 （3-7） ③ 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載P引起的導程的變化量 ΔL===5.9610-6cm （3-8） 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量ΔL2很小，可忽略，即：ΔL=ΔL。所以，導程變形總誤差為 Δ=ΔL=5.9610-6=14.9μm/m （3-9） 查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差1m長為15μm/m，故剛度足夠。 ④穩(wěn)定性驗算 由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相同，而支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強，故不用驗算。 (3) 齒輪及轉矩有關計算 a.有關齒輪計算 傳動比 i== （3-10） 故取Z=18 Z=30 m=2mm b=20mm α=20 d=36mm d=60mm d=40mm d=64mm a=48mm b.轉動慣量計算 工作臺質量折算到電機軸上的轉動慣量 JI=（）2W=（）2300.01=0.0439kgfcm2 （3-11） 絲杠轉動慣量 JS=7.810-42450=0.624kgfcm2 （3-12） 齒輪的轉動慣量 J=7.810-43.642=0.262kgfcm2 （3-13） J=7.810-4642=2.022kgfcm2 （3-14） 電機轉動慣量很小可忽略，因此，總的轉動慣量 J= =1.258kgfcm2 （3-15） c．所需轉動力矩計算 n===41607r/min （3-16） M=Nm=2.23kgfcm （3-17） （3-18） m=0.1775kgfcm （3-19） = （3-20） (3-21) (3-22) 所以，快速空載啟動所需轉矩 (3-23) 切削時所需力矩： (3-24) 快速進給時所需力矩： （3-25） 從以上計算可知：最大轉矩發(fā)生在快速啟動時， =2.633kgfcm=26.33Ncm 3.2.3 步進電機的選擇 CA6140橫向進給系統(tǒng)步進電機的確定 （3-26） 電動機選用三相六拍工作方式，可知： （3-27） 所以，步進電機最大靜轉矩為： （3-28） 步進電機最高工作頻率 （3-29） 為了便于設計和計算，選用110BF003型三相六拍步進電機，能滿足使用要求。 3.3 縱向進給系統(tǒng)改造設計 3.3.1 縱向進給系統(tǒng)改造設計 拆除原機床縱向進給部分的進給箱、溜板箱、滑動絲杠、光杠等，在原安裝絲杠托架處布置步進電動機和減速箱。則步進電機經減速后驅動絲杠螺母機構運動,帶動大拖板左右移動,步進電機安裝在縱向絲杠的右端。其結構示意圖見圖3-2所示。 圖3-2 縱向結構示意圖 3.3.2 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件： 工作臺重（根據圖紙粗略計算） W=30kgf=300N 時間常數 T=25ms 滾珠絲杠基本導程 L=4mm左旋 行程 S=650mm 脈沖當量 =0.010mm/step 步距角 =0.36 /step 快速進給速度 νmax=2mm/min (1)切削力的計算 最大切削功率:W1L2005 P切=P主η 則P切=（7.50.8）kW=6kW 切削功率應按在各種加工情況下經常遇到的最大切削力（或轉矩）和最大切削速度（或轉速）來計算，即 P切= 在一般外圓車削時，Ff=(0.1～0.55)Fc ,Fp=(0.15～0.65)Fc，取 Ff=0.48Fc=0.483600N=1728N Fp=0.58Fc=0.583600N=2088N (2)滾珠絲杠副的計算和選型 縱向進給為綜合性導軌，則絲杠軸向進給切削力。其中K=1.15，取 f′=0.16，則 最大切削力下的進給速度可取最高進給速度的1/2～1/5（取為1/2），縱向最大進給速度為0.6m/min，絲杠導程L0=6mm，則絲杠轉速為 (2）滾珠絲杠副的計算和選型 絲杠使用壽命時間取為T=15000h。則絲杠的計算壽命L為 根據工作負載Fm、壽命L，則滾珠絲杠副承受的最大動載荷Cm，取fw=1.2，fa=1 由Cm參照某廠滾珠絲杠副產品樣本，可采用W1L4006外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動負載為16400N，強度足夠用，精度等級選為5級。其幾何參數如下：公稱直徑d0=40mm，導程L0=6mm，螺紋升角 ，鋼球直徑dW=3.969mm，螺桿內徑d1=35.984mm。 校驗絲杠螺母副的傳動效率 支承間距L=1500mm。絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。絲杠的變形量計算如下： 滾珠絲杠截面積,按絲杠螺紋的底徑確定: 工作負載 Fm引起的導程L0的變化量△L0可用下式計算 則絲杠的拉伸后壓縮變形量δ1 由于兩端均采用角接觸軸承，且絲杠又進行了預緊，故其拉壓剛度可比一端固定的絲杠提高4倍。其實際變形量為 滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2 因絲杠加有預緊力，且預緊力為軸向最大負載的1/3時，可減少一半，因此實際變形量為： 支承滾珠絲杠的軸承為8107型推力球軸承，幾何參數為：d1=35mm，滾動體直徑，滾動體數量。軸承的軸向接觸變形δ1 因施加預緊力，故實際變形量 根據以上計算，總變形量為 三級精度絲杠允許的螺距誤差為15um/m，故剛度足夠。 因為滾珠絲杠兩端都采用推力球軸承并預緊，因此不會產生失穩(wěn)現象，故不需做穩(wěn)定性校核。 (3) 減速齒輪設計 根據給定的縱向進給脈沖當量0.02mm，滾珠絲杠導程L0=6mm，及初選的步進電動機距角1.50，可計算出傳動比 選取齒輪齒數為z1=40、z2=40，模數m=2. 3.3.3步進電動機的選擇 根據計算及綜合考慮，縱向進給系統(tǒng)選用150BF002型步進電動機。 3.4 主軸系統(tǒng)的設計 主軸系統(tǒng)仍采用原電動機驅動，只是安裝一個光電編碼器，通過主軸→編碼器→數控系統(tǒng)→步進電機的信息轉換系統(tǒng)來實現工件轉一轉，刀具進給一個導程的運動關系，以便完成車削螺紋運動。 3.4.1 主軸箱的改造 1.通過帶傳動進行主傳動； 2.把原先的雙向摩擦片離合器換成電磁離合器； 3.采用異軸安裝主軸脈沖編碼器。 3.4.2 主傳動形式的選擇 通過帶傳動的主傳動（圖3-3）主要應用在小型數控機床上,可以避免齒輪傳動時引起的振動與噪聲,但它只適用于低轉矩特性要求的主軸。 其中，同步帶它利用帶上齒輪的齒依次嚙合傳遞動力，兼有帶傳動、齒輪傳動及鏈傳動的優(yōu)點，無相對滑動，傳動比準確，傳動精度高；另外同步帶的強度高，厚度小，重量輕，可用于高速傳動（速度可達50m/s）；齒形帶無需特別張緊，作用在軸和軸承上的載荷上，傳動效率較高，傳動平穩(wěn)，噪聲小，維修保養(yǎng)方便，不需潤滑，在數控機床上應用漸廣。 圖3-3 改造后的主軸帶傳動系統(tǒng) 3.4.3電磁離合器的選擇 由于原先主軸上的雙向摩擦片離合器只能起到控制車床主軸起停和正反轉在數控改造后不能接收數控系統(tǒng)的停機制動信號以控制原制動裝置制動停車，所以需要把原先的雙摩擦片離合器換成安裝尺寸一樣的電磁離合器，故選用DLM5有滑環(huán)濕式多片電磁離合器。 3.4.4 主軸脈沖編碼器 數控車床車螺紋時,主軸每轉一轉車刀移動一個螺矩(單頭)，主軸與絲杠應同步動作,為保證每次吃刀都不亂扣,必須在主軸后端安裝一個主軸脈沖編碼器，作為主軸位置信號的反饋元件。 同軸安裝雖然簡單但是不能使加工零件穿出原車床的主軸孔，所以本次改造采用異軸安裝。異軸安裝時應注意主軸脈沖編碼器的引出軸與車床主軸按1：1無間隙柔性聯(lián)接傳動同步齒形帶聯(lián)接。使用中車床主軸轉速不允許超過主軸脈沖編碼器的最高許用轉速。脈沖編碼器采用異軸安裝，意在實現角位移信號傳遞的同時，又能吸收車床主軸的部分振動，從而使主軸脈沖編碼器轉動，平穩(wěn)傳遞信號準確。圖3-4即為主軸脈沖編碼器的異軸安裝. 圖3-4 主軸脈沖編碼器的異軸安裝 3.5 數控車床的傳動裝置設計 數控機床的傳動裝置是指將電動機的旋轉運動變?yōu)楣ぷ髋_的直線運動的整個機械傳動鏈及其附屬機構。包括絲杠螺母副、導軌、工作臺等。在數控機床數字調節(jié)技術領域，傳動裝置是伺服系統(tǒng)中的一個重要環(huán)節(jié)。因此，數控車床的傳動裝置與普通車床中傳動裝置在概念上有重要差別，它的設計與普通車床傳動裝置的設計不同。數控車床傳動裝置的設計要求除了具有較高的定位精度之外，還應具有良好的動態(tài)特性，即系統(tǒng)跟蹤指令信號的響應要快，穩(wěn)定性要好。為確保數控車床進給系統(tǒng)的傳動精度和工作穩(wěn)定性，在設計機械傳動裝置時，通常提出了無間隙、低摩擦、高剛度等要求。為了達到這些要求，采取主要措施如下： a．盡量采用低摩擦的傳動副，如滾動導軌和滾珠絲桿螺母副，以減少摩擦力。 b．選用最佳的降速比，為達到數控機床所要求的脈沖當量，使運動位移盡可能地加速達到跟蹤指令。 c．盡量縮短傳動鏈以及用預緊的辦法提高傳動系統(tǒng)的剛度。 d．盡量消除傳動間隙，以減小反向行程誤差。如采用消除間隙的聯(lián)軸節(jié)和消除傳動齒輪間隙的機構等。 e．盡量滿足低振動和高可靠性方面的要求。為此應選擇間隙小，傳動精度高，運動平穩(wěn)，效率高以及傳遞扭矩大的傳動元件。 從應用的方面考慮,結合目前國內大多數工礦企業(yè)的現狀，普通臥式車床改造，可以采用更換滾珠絲桿來代替原機床上的T型絲桿。 3.5.1 絲杠后支承采用雙列向心球面球軸承 后支承采用可自動調心的雙列向心球面球軸承，如圖3-5所示。雙列向心球面球軸承不僅可承受徑向載荷和軸向載荷，更重要的是能消除由于安裝誤差、導軌直線誤差、加工過程中的切削變形而引起的軸和軸承之間的干涉，自動調節(jié)其相對位置，保證絲杠的回轉精度和位置精度。 圖3-5 雙列向心球面球軸承 3.5.2采用波形彈簧墊圈消除齒輪間隙 車床的數控改造中，通常在傳動裝置上采用一級減速齒輪來提高扭矩和傳動精度，而齒輪間隙會在系統(tǒng)每次變向之后使運動滯后于指令信號，即形成反向間隙，對加工精度產生影響。一般采用軸向壓簧錯齒結構，通過彈簧調節(jié)來消除間隙，盡管齒側間隙可以自動補償，但軸向尺寸大，結構不夠緊湊。在改造中曾經采用過橡膠彈簧，但其力學性能比較復雜，大多數情況下載荷與變形的關系為非線性，而且耐高溫和耐油性比鋼彈簧差，容易老化。因此采用了波形彈簧墊圈消隙，如圖3-6所示，既可以自動補償間隙，又具有緊湊的結構。 圖3-6雙片薄齒輪錯齒消隙結構 3.5.3傳動軸與滾動絲杠的聯(lián)軸器采用長聯(lián)軸套 為減小聯(lián)軸器的徑向尺寸和轉動慣量，采用了套筒式聯(lián)軸器；同時為保證被聯(lián)接的兩軸之間的同軸度和接觸面積，聯(lián)軸套的長度取120mm，約為彈性柱銷聯(lián)軸器的1.5倍。軸頸與軸套間用2個相互垂直的圓錐銷定位鎖緊，保證連接剛度，如圖3-7所示。 圖3-7 套筒式聯(lián)軸器 3.5.4公差與配合的選用 3.5.4.1軸套與軸頸間采用H7/k6 采用這種配合，在裝配時有少許過盈，以保證其精密定位和連接剛度，消除了配合件之間的振動。當使用一段時期后，需更換軸承或進行導軌修磨而拆卸時，又能方便將軸頸從軸套中取出。 3.5.4.2 與軸承配合的軸頸采用js6 因為軸承是標準件，軸的公差采用js6與軸承過渡配合，平均間隙較小，并允許略有過盈，以保證其剛度要求，又能方便軸承的裝卸。 3.5.4.3滾珠螺母與螺母座之間采用H7/h6 由于滾珠螺母與螺母座之間靠平鍵傳遞扭矩，故采用H7/h6配合，這樣裝配件之間有較小的間隙，可保證零件自由裝拆，而工作時又能相對靜止不動。 CA6140數控改造后，縱向進給定位準確，性能參數穩(wěn)定，顯著提高了零件的加工精度和生產效率。 3.5.5 螺旋傳動 A．概述 螺旋傳動主要用來把旋轉運動變?yōu)橹本€運動，或把直線運動變?yōu)樾D運動。其中，有以傳遞能量為主的傳力螺旋，有以傳遞運動為主，并要求有較高傳動精度的傳動螺旋，還有調整零件相互位置的調整螺旋。螺旋傳動機構又有滑動絲杠螺母、滾珠絲杠螺母和液壓絲杠螺母機構。 在經濟型數控車床的進給系統(tǒng)中，螺旋傳動主要用來實現精密進給運動，并廣泛采用滾珠絲杠副傳動機構。 滾珠絲杠副傳動是在具有螺旋滾道的絲杠和螺母間放入適當數量的滾珠。這些滾珠作為中間傳動件，使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種傳動裝置。它由絲杠、螺母、滾珠及滾珠循環(huán)返回裝置等四個部分組成。當螺桿轉動螺母移動時，滾珠則沿螺桿螺旋滾道面滾動，在螺桿上滾動數圈后，滾珠從滾道的一端滾出并沿返回裝置返回另一端，重新進入滾道，從而構成閉和回路。 B．滾珠絲杠副傳動的特點 a．傳動效率高，摩擦損失小。 b．給予適當預緊，可消除絲杠和螺母的螺紋間隙，反向時就可以消除空程死區(qū)，定位精度高，剛度好。 c．啟動力矩小，運動平穩(wěn)，無爬行現象，傳動精度高，同步性好。 d．有可逆性，可以從旋轉運動轉換為直線運動，也可以從直線運動轉換為旋轉運動，即絲杠和螺母都可以作為主動件。 e．磨損小，使用壽命長，精度保持性好。 f．制造工藝復雜。滾珠絲杠和螺母等元件的加工精度要求高，表面粗糙度值別別小，故制造成本高。 g．不能自鎖。特別是對于垂直絲杠，由于中立的作用，下降時當傳動切斷后，不能立刻停止運動，所以需要添加制動裝置。 C．滾珠絲杠副的支承方式 為了滿足高精度、高剛度進給系統(tǒng)的需要，必須充分重視滾珠絲杠副支承的設計。 a．一端固定，一端自由 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都很低。 b) 結構簡單 c) 軸向剛度小 d) 適用于較短的滾珠絲杠安裝和垂直的滾珠絲杠安裝 b．兩端鉸支 a) 結構簡單 b) 軸向剛度小 c) 適用于對剛度和位移精度要求不高的滾珠絲杠安裝 d) 對絲杠的熱伸長較敏感 e) 適用于中等回轉速度 c．一端固定，一端鉸支 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性都較高，適用于中等回轉速度。 b) 結構稍復雜 c) 軸向剛度大 d) 適用于對剛度和位移精度要求較高的滾珠絲杠安裝 e) 推力球軸承應安置在離熱源（步進電機）較遠的一端 d．兩端固定 a) 絲杠的靜態(tài)穩(wěn)定性和動態(tài)穩(wěn)定性最高，適用于高速回轉 b) 結構復雜，兩端軸承均調整預緊，絲杠的溫度變形可轉化為推力軸承的預緊力 c) 軸向剛度最大 d) 適用于對剛度和位移精度要求高的滾珠絲杠安裝 e) 適用于較長的絲杠安裝 綜上所述，本設計中滾珠絲杠副支承方式由原來的一端固定、一端懸空，變?yōu)橐欢斯潭?，一端徑向支承? D．滾珠絲杠副軸向間隙的調整 滾珠絲杠的傳動間隙是軸向間隙。為了保證反向傳動精度和軸向剛度，必須消除軸向間隙。消除間隙的方法采用雙螺母結構，利用兩個螺母的相對軸向位移，使兩個滾珠螺母中的滾珠分別貼緊在螺旋滾道的兩個相反的側面上。用這種方法預緊消除軸向間隙時，應注意預緊力不宜過大，預緊力大會使空載力矩增加，從而降低傳動效率，縮短使用壽命。此外，還要消除絲杠安裝部分和驅動部分的間隙。 3.5.6 軸的結構設計 A．軸CAJJX6140-02-04的結構設計 （1）選擇軸的材料及熱處理方法 因該軸無特殊要求，故選用HT150正火處理。 （2）確定軸的各段直徑 由前面滾珠絲杠副的設計可知：滾珠絲杠的直徑為20mm。由于絲杠與軸CAJJX6140-02-04(如圖3-8)通過聯(lián)接套聯(lián)接，考慮到軸的加工方便性和整體的連貫性，軸CAJJX6140-02-04的軸身部分直徑與滾珠絲杠的直徑相同，均為φ20mm，軸頸部分直徑為17mm。 （3）確定軸的各段長度 軸CAJJX6140-02-04的各段長度應根據實際工作需要而定，通過前面的計算和機床實際情況，軸身部分取155mm，軸頸部分取26mm。由此可定出軸的總長為181mm . （4）軸的強度校核 a)如下圖所示，確定危險截面上的扭矩Tmax. 由圖可知最大扭矩為Tmax=2633Nm b)按強度條件校核軸的強度，由公式得 大于軸的設計直徑為20mm ,滿足條件。 c)按剛度條件校核軸的強度，由公式得 小于軸的設計直徑為20mm ,滿足條件。 圖3-8 軸CAJJX6140-02-04 B．軸CAJJX6140-02-08的結構設計 （1）選擇軸的材料及熱處理方法 因該軸無特殊要求，同樣選用HT150正火處理。 （2）確定軸的各段直徑 考慮與軸承內經的配合，所以該軸兩端支承部分直徑為17mm。其余部分直徑為15mm。 （3）確定軸的各段長度 由于該軸需與法蘭盤聯(lián)接，而且該軸相對較長，因此在設計時為了方便安裝，降低裝配難度，將軸身部分增加一個軸肩，直徑適當減小，使其有一過渡，軸身直徑為15mm。因為該軸的右端還需安裝一個透蓋，用雙螺母對其緊固。軸與透蓋用一鍵使其周向固定。查參考文獻[3]可知，根據軸的直徑選用型號為GB/T1098-1979的鍵，鍵槽寬度為3mm，深度為3.8mm。 （4）軸的強度校核 (a)畫扭矩圖，并確定危險截面上的扭矩Tmax AB段：T1=-2633Nm BC段：T2=1316 Nm 由扭矩圖可知，最大扭矩發(fā)生在BC段，即為危險截面。最大扭矩為： T=2633 Nm（取絕對值） （b）按強度條件校核軸的強度，由公式得 小于軸CAJJX6140-02-08(如圖3-9)最細部分的設計直徑15mm，滿足要求。 (c)按剛度條件校核軸的強度，由公式得 小于軸CAJJX6140-02-08最細部分的設計直徑15mm，滿足要求。 圖3-9 軸CAJJX6140-02-08 3.5.7 透蓋的結構設計 透蓋的內徑和長度由與之配合的軸CAJJX6140-02-08的直徑和長度決定，所以透蓋的直徑為16mm,長33mm。因為選用型號為GB/T1098-1979的鍵，查參考文獻[3]可知，轂t1=1.4mm，上偏差為+0.1，下偏差為0。外圓的直徑由法蘭盤的直徑決定，為96mm。 圖3-10 透蓋CAJJX6140-02-01 3.5.8 螺母座的結構設計 螺母座的長度根據滾珠螺母的長度而定。螺母座與滾珠螺母通過鍵進行軸向固定，查參考文獻[4]可知，該鍵型號選用GB/T1096-1979，4430。滾珠絲杠副通過螺母座帶動工作臺移動，因此螺母座通過螺釘與工作臺聯(lián)接。查參考文獻[4]可知，螺釘型號選用GB/T70-1985。 圖3-11 螺母座CAJJX6140-02-07 3.6 繪制進給伺服系統(tǒng)的機械裝配圖 在繪制機械裝配圖時，除了從總體上考慮機床布局情況以及伺服進給機構與原機床的聯(lián)系外，還應認真的考慮與具體結構設計有關的一些問題。 1）了解原機床的詳細結構，從有關資料中查閱床身、縱溜板、橫溜板、刀架等的結構尺寸。 2）根據載荷特點和支承形式確定絲杠兩端支承軸承的型號，軸承座的結構以及軸承預緊和調節(jié)方式，確定齒輪軸支承軸承的型號。 3）減速齒輪的參數和結構尺寸計算，確定齒輪側隙的調整方法，在滿足裝配工藝的前提下，合理設計齒輪箱結構。 4）考慮各部位間的定位、聯(lián)接和調整方法。例如，應保證絲杠兩端支承與滾珠絲杠螺母同軸，保證絲杠與機床導軌平行，考慮螺母座。軸承座在安裝面上的聯(lián)接與定位、齒輪箱在安裝面上的定位、步進電機在齒輪箱上的聯(lián)接與定位等。 5）考慮密封、防護、潤滑以及安全機構等問題。例如，絲杠螺母的潤滑、防塵、防鐵屑保護、軸承的潤滑及密封、齒輪的潤滑及密封、行程限位保護裝置等。 6）在進行各零部件結構設計時，應注意裝配的工藝性，考慮正確的裝配順序，保證安裝、調試和拆卸的方便。 此外，注意繪制裝配圖時的一些基本要求。例如，制圖標準、視圖布置及圖形畫法要求、重要的中心距、中心高、聯(lián)系尺寸和輪廓尺寸的標準、重要配合的標注、裝配技術要求、標題欄要求等。 四 數控部分的改造 4.1總體方案設計 普通車床進行數控改造后，系統(tǒng)應能控制主軸轉速并實現其正反轉 ；控制工作臺實現縱向、橫向和垂直方向的進給運動(車床刀架能實現縱向和橫向的進給運動并自動轉位換刀；加工螺紋時應保證主軸轉一轉，刀架移動一個被加工螺紋的導程)；控制冷卻和潤滑；通過鍵盤輸入加工程序；由顯示器顯示加工狀態(tài)等 。為此數控部分采用 MCS-51系列單片機組成控制系統(tǒng)，由功率步進電機經一級齒輪減速后驅動 x , z軸。數控部分改造機床中的主軸、冷卻、潤滑和刀架等均需系統(tǒng)自動控制，為此需設計接口轉換電路和強電控制電路。電器元件可保留使用原機床中的變壓器、自動斷路器、接觸器等。拆除原電控箱，原位安裝改制后的電控箱。 4.1.1 數控系統(tǒng)的功能要求 （1）z向和x向進給伺服運動控制 （2）螺紋加工控制 （3）行程控制 （4）鍵盤及顯示 （5）面板管理 （6）其他功能：光電隔離、功率放大、報警、急停、復位。 4.1.2 硬件電路的組成 采用MCS-51系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖如圖4-1所示。電路的組成如下： （1）CPU采用8031芯片； （2）擴展程序存儲器2764兩片，6264一片； （3）擴展可編程接口芯片8155兩片； （4）地址鎖存器，譯碼器各一個； （5）鍵盤電路，顯示電路； （6）光電隔離電路，功率放大功率； （7）越程報警電路，急停電路，復位電路； （8）面板管理電路。 圖4-1 數控系統(tǒng)改造硬件原理連接圖 4.2 設計說明 4.2.1系統(tǒng)主機8031芯片 8031單片機的基本特征 1、具有8位處理單元。 2、共有128個字節(jié)RAM。 3、片內有時鐘發(fā)生電路，可執(zhí)行一條指令的是2us或4us。 4、有4個I／O接口，32根I／O線。 5、有2個16位定時器／計時器。 6、可尋址64K字節(jié)的外部數據存儲器和64K字節(jié)外部程序寄存器。 7、共有21個特殊功能寄存器。 8、有5個中斷源，配備兩個優(yōu)先級。 9、具有位尋址能力，適用邏輯運算。 10、具有一個全雙工串行接口 8031的引腳功能介紹如下： 電源引腳： Vss：接地端． Vcc：電源端，接+5V． P0.0～P0.7：通道0。它是8位漏極開路的雙向I/O通道，當擴展為外部存儲器時，這也是低八位地址線和數據總線。P0口是三態(tài)雙向口。通數據總線口，因為只有該口能直接用于對外部存儲器的讀／寫操作。由于是分時輸出，故應在外部加存儲器將此地址數據鎖存，地址鎖存信號用ALE。在編程和校驗期間，它輸入和輸出字節(jié)代碼，通道0吸收／發(fā)出一個TTL負載。 P1.0～P1.7：通道1是8位準雙向I/O通道。P1口是專門供用戶使用的I/O口，是準雙向口。P1是供系統(tǒng)擴展時作高8位地址線用。如果沒有系統(tǒng)擴展，P1也可以作為用戶I/O口線使用。P1也是準雙向口。當訪問外部存儲器時，作低8位地址總線。通道1吸收/發(fā)出一個TTL負載。 P2.0～P2.7：通道2是8位準雙向I／O通道。當訪問外部存儲器時，作高8位地址總線。通道2吸收／發(fā)出一個TTL負載。 P3.0～P3.7：通道3是8位準雙向I／O通道。P3口是雙功能口。該口的每一位均可獨立的定義為第一I／O都的功能或第二I／O口功能。作為第一I／O口功能使用時，口的結構與操作與P3口相同。通道3吸收／發(fā)出一個TTL負載。P3通道的每一根線還有另一種功能。 P3.0（RXD）：串行輸入口。 P3.l（）：外接中斷輸0入口。 P3.2（）：外接中斷輸1入口。 P3.3（TXD）：串行輸入口。 P3.4（TO）：定時／計數器0外部脈沖輸入端。 P3.5（T1）：定時／計數器㈠L部脈沖輸入端。 P3.6（）：外部數據存儲器寫脈沖。 P3.7（）：外部數據存儲器讀脈沖。 存儲器: 8031單片機的特點之一是硬件設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊，對于簡單的應用場合單片機的最小系統(tǒng)就能滿足要求。由8個部件組成，即微處理器(CPU)、數據存儲器(RAM)、程序存儲器(ROM/EPROM/——)、I/O口(P0、P1、P2、P3)、串行口、定時器/計數器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器(STR)。它們都是通過片內單一總線連接而成。其基本結構依然是通用CPU加上外圍芯片的結構模式。但在功能單元的控制上卻有了重大變化，采用了特殊功能寄存器(STR)的集中控制方法。單片機的存儲器有程序存儲器(ROM)與數據存儲器(RAM),在使用上是嚴格區(qū)分的,不得混用。程序存儲器(ROM)存放程序指令及常數、表格等；數據存儲器(RAM)存放緩沖數據。 單片機的管腳除了電源、復位、時鐘接入、用戶I/O口外，其余管腳都是為實現系統(tǒng)擴展而設置的。這些管腳構成了三總線形式，即：地址總線。地址總線寬度為16位，因此，其外部存儲器直接尋址范圍為64K字節(jié)。16位地址總線由P0口經地址鎖存器提供低8位地址(A0～A7)；P2口直接提供高8位地址(A8～Al5)。數據總線。數據總線寬度為8位，由P0口提供。控制總線。有h口的第二功能狀態(tài)和4根獨立控制線RESET、、ALE、組成。 程序存儲器可直接尋址范圍為64K字節(jié)。對片內有的ROM/EPRON單片機8051/8071，當管腳時，低4K地址(0000H～OFFFH)指向片內；時，則指向片外。對于片內無ROM/EPRON的單片機構成應用系統(tǒng)時，必須使程序存儲器的操作完全由程序計數器(PC)控制。PC值指向程序指令操作碼單元，則程序執(zhí)行指令操作；PC值指向常數、表格單元，則實現取數、查表操作。 數據存儲器的結構特點:片內外地址重疊。由于片內外數據存儲器使用不同的指令(MOV與MOVX)，故地址重疊不會造成操作混亂。片內數據存儲器與工作存儲器統(tǒng)一編址。80H～FFH區(qū)域為特殊功能寄存器，對于MCS—51派生系列8052單片機，該又是擴展的片內數據存儲器。片內數據存儲器的結構：片內數據存儲器由工作寄存器、位尋址區(qū)、數據緩沖區(qū)組成，堆棧可在07H以上不使用的連續(xù)單元任意設置。片外數據存儲器的結構和操作極為簡單。其最低位的128個在地址單元與片內數據存儲器地址重疊，并且與I/O口統(tǒng)一編址。 控制或與其它電源復位引腳8031單片機有40個引腳，采用雙列有插式塑料封裝，8031引腳圖見圖4-2: 圖4-2 8031結構 RST／UPD：當振蕩器運行時，在此引腳上出現兩個機器周期的高電子，將使單片機復位，推薦此引腳與Vcc引腳之間連接一個約8.2KQ的下拉電阻，與Vcc引腳之間連接一個約10uF的電容，以保證可靠復位。Vcc掉電期間，此引腳可接在備用電源上，以保證內部RAM的數據，當Vcc下掉至低于規(guī)定的值，而UPD在其范圍電壓范圍(50.5v)。 ALE／: 當單片機訪問外部存儲器ALE時(允許地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)，即使不訪問外部存儲器，ALE端仍以不變的頻率周期地出現Z脈沖信號，此頻率為振蕩周期的1／6。因此，它可用作對外輸出的時鐘或用于定時，然而，要注意的是，當訪問外部數據儲存器時，將跳過一個ALE脈沖，ALE端可以驅動(吸收或輸出電流)8個TTL輸入。對于EPROM型單片機，EPROM編程期間，此引腳用宋編程脈沖(PROG)。 XTAL1：引腳18，內部振蕩器外接晶振的另一個輸入端。HMOS芯片使用外部振蕩源時，此端口用于輸入外部振蕩信號。 XTAL2：引腳19，內部振蕩器外接晶振的另一個輸入端。HMOS芯片使用外部振蕩源時，此端口用于輸入外部振蕩信號。 : 此腳的輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，在由外部程序存儲器取指令(或常數)期間，每個機器周期兩次有效，但此期間，每當訪問數據時(從程序存儲器取宋指令MOLX類指令)，這兩次有效的PSEN信號將不出現，可以驅動(接收或輸出電流)8個LSTTL。 ／Vpp：當保持高電平時，單片機訪問內部程序存儲器，對8031、8071引腳應接高電平，但若地地址值超過4K范圍，則單片機將自動訪問外部程序存儲器，但在PC值超過了OFFFH時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序，當保持低電平時，單片機只訪問外部程序存儲器的選通信號，對8031此引腳必須接地，不管是否有內部程序存儲器，所以該腳必須接地。這樣，只能選擇外部程序存儲器。 4.2.2 74LS373地址鎖存器 74LS373芯片是帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器，當三態(tài)門的使能信號線OE為低電平時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，允許（Q1～Q8）輸出到OUT1～8，當OE為高電平時，輸出三態(tài)門斷開，輸出線OUT1～8處于浮空狀態(tài)。G稱為數據打入線，當74LS373用作地址鎖存器時，首先應使三態(tài)門的使能信號OE為低電平，這時，當G輸入端為高電平時，鎖存器輸出（Q1～Q8）狀態(tài)和輸入端（D1～D8）狀態(tài)相同；當G端從高電平返回到低電平時，輸入端（D1～D8）的數據鎖入（Q1～Q8）的8位鎖存器中。其引腳圖如下： 圖4-3 74LS373結構 4.3 CA6140普通車床的微機數控系統(tǒng) 它是用MCS—51系列單片機組成的開環(huán)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)擴展2片2764芯片，1片6264芯片，2片8155可編程并行I/O口。 （1）控制系統(tǒng)的功能 Z向和X向進給伺服運動；鍵盤顯示；自動轉刀架控制；螺紋加工控制；面板管理；行程控制；報警；急停；復位；隔離；功放等。 （2）采用軟件環(huán)形分配器 步進電動機采用軟件環(huán)形分配器，雖然運行速度沒有硬件環(huán)形分配器快，但可以省掉兩個硬件分配專用芯片，且電路比較簡單。由于CA6140普通車床最大加工直徑為320mm，規(guī)格比較小，故Z向進給系統(tǒng)采用130BF001型，五相十拍方式工作，X向進給系統(tǒng)采用110BF003型，三相六拍制方式工作。故由8155（2）的PA口輸出。經光電隔電路、功率放大電路直接驅動電動機。 （3）螺紋加工的控制 當加工螺紋時，由與主軸相連的光電脈沖編碼器發(fā)出螺紋信號和零位螺紋信號，分別送入8331（1）的PB6。通過設置不同的時間常數來加工不同螺距的螺紋，零位螺紋信號是防止螺紋亂牙。 地址編碼。存儲器及I/O地址編碼，見表4—4。 表4-4 芯片地址編碼 芯片 接74LS138引腳 地址選擇線 片內地址單元 （字節(jié)） 地址編碼 2746（1） Y0 000X XXXX XXXX XXXX 8K 0000H～1FFFH 2746（2） Y1 001X XXXX XXXX XXXX 8K 2000H～3FFFH 6264 Y2 010X XXXX XXXX XXXX 8K 4000H～5FFFH 8155（1） RAM Y3 0111 1110 XXXX XXXX 256 7E00H～7EFFH I/O Y3 0111 1111 1111 1XXX 6 7FF8H～7FFDH 8155（2） RAM Y4 1001 1110 XXXX XXXX 256 9E00H～9EFFH I/O Y4 1001 1111 1111 1XXX 6 9FF8H～9FFDH 4.4 步進電動機的微機控制 利用微機對步進電動機進行控制，有串行和并行兩種方式。 1.串行控制 該方式使單片機系統(tǒng)與步進電動機驅動電源之間具有較少的連線。單片機通過I/0接口將信號送入步進電動機驅動電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅動電源中必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖如圖4—18所示。CP脈沖用來控制步進電動機轉動的角度，每輸入一個脈沖，步進電動機轉動一個步距角。方向信號CW為電平輸入信號端，用來控制電動機轉動的方向，CW為高電平時，步進電動機在CP端輸入脈沖時順時針轉動；CW為低電平時，步進電動機在CP端輸入脈沖時逆時針轉動。 圖4—18所示線路用I／O 口產生CP脈沖將增加CPU的負擔，可改為由8255A并行口產生方向信號CW，脈沖信號CP由8253計數器/定時器產生。8255A的工作方式選擇為方式0，基本輸人/輸出方式。8253的2口的工作方式選擇為方式0，1口的工作方式選擇為方式3。 步進電動機的串行控制 a)串行控制1 b)串行控制2 2.并行控制 用微機系統(tǒng)的數條端口線直接去控制步進電動機各相驅動電路的方法稱為并行控制。在電動機驅動電源內，不包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微機系統(tǒng)完成。由計算機系統(tǒng)實現環(huán)形分配器的功能又有兩種方法：一種是純軟件方法，即完全用軟件來實現相序的分配，直接輸出各相導通或截止的信號，主要有寄存器移位法和查表法；第二種是軟、硬件相結合的方法，這里有專門設計的一種編程器接口，計算機向接口輸出簡單形式的代碼數據，而接口輸出的是步進電動機各相導通或截止的信號。 3.步進電動機速度控制 控制步進電動機的運行速度，實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或者換相的周期。系統(tǒng)可用兩種辦法來確定時鐘脈沖的周期：一種是軟件延時：另一種是用定時器。軟件延時的方法是通過調用延時子程序的方法來實現的，它占用CPU時間。定時器方法是通過設置定時時間常數的方法來實現的。 4．步進電動機的加減速控制 對于步進電動機的點位控制系統(tǒng)，從起點至終點的運行速度都有一定要求。如果要求運行的速度小于系統(tǒng)的極限起動頻率。則系統(tǒng)可以按要求的速度直接起動，運行至終點后可立即停發(fā)脈沖串而令其停止。系統(tǒng)在這樣的運行方式下速度可