2056 CA6140車(chē)床數(shù)控化改造,ca6140,車(chē)床,數(shù)控,改造 ICA6140車(chē)床數(shù)控化改造摘 要針對(duì)現(xiàn)有常規(guī) CA6140 普遍車(chē)床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(chē)床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過(guò)程，較詳盡地介紹了 CA6140 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)。采用以單片機(jī)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)。關(guān)鍵詞: 數(shù)控機(jī)床 單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 改裝設(shè)計(jì)AbstractTo remedy the defects of ordinary lather CA6140, a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward 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 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 designI目錄摘 要 ...............................................................IABSTRACT...........................................................II第一章 緒論 .........................................................11.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢(shì) ............................................11.1.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況 ....................................11.1.2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) ..........................................11.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng) .................................11.2 普通機(jī)床數(shù)控改造的目的與意義 ..................................21.2.1 微觀(guān)看改造的目的與意義 ....................................21.2.2 宏觀(guān)看改造的目的與意義 ....................................21.3 數(shù)控改造的研究?jī)?nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn) ....................................31.3.1 國(guó)外改造業(yè)的興起 ..........................................31.3.2 數(shù)控化改造的內(nèi)容 ..........................................31.3.3 機(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn) ....................................3第二章 普通車(chē)床數(shù)改的總體方案 .......................................42.1 總體方案 ......................................................42.1.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造 ................................42.1.2 主軸脈沖發(fā)生器 ............................................52.1.3 主軸脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及原理 ................................5第三章 車(chē)床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造 .....................................73.1 滾珠絲杠螺母副 ................................................73.1.1 滾珠絲杠副的工作原理、特點(diǎn)及類(lèi)型 ..........................73.1.2 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu) ..........................................83.1.3 螺紋滾道型面的形狀及其主要尺寸 ............................83.1.4 絲杠副的循環(huán)方式 ..........................................93.2 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .....................................103.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ...................................103.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 .........................................123.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計(jì)算 .....................................153.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .....................................183.3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 ...................................18II3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 .........................................193.3.2 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算 .......................................213.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法 ...........................223.5 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu) .........................................243.5.1 支承結(jié)構(gòu) .................................................243.6 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除 ...................................253.6.1 采用減速箱的目的及注意事項(xiàng) ...............................253.6.2 減少或消除空程的必要性和方法 .............................254.1 自動(dòng)刀架的分類(lèi) ...............................................264.2 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì) ...............................................26第五章 數(shù)改 CA6140 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì) ...................................285.1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式 ...........................................285.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 ...............................................285.2.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則 ...................................285.2.2 數(shù)改 CA6140 縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 ....................295.2.3 數(shù)改 CA6140 橫向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的確定 ....................30第六章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ........................................316.1 數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 .........................................316.2 單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .........................................316.2.1 硬件配置 .................................................316.2.2I/O 口地址分配 ............................................316.2.3 步進(jìn)電機(jī)與微型機(jī)的接口電路 ...............................326.2.4 方向控制 .................................................32結(jié) 論 ..............................................................34參考文獻(xiàn) ...........................................................35致 謝 ...........................................................36附錄 ...............................................................371第一章 緒論1.1 數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展及趨勢(shì)1.1.1 國(guó)內(nèi)外數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展概況隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)的制造業(yè)開(kāi)始了根本性變革，各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家投入巨資，對(duì)現(xiàn)代制造技術(shù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，提出了全新的制造模式。在現(xiàn)代制造系統(tǒng)中，數(shù)控技術(shù)是關(guān)鍵技術(shù)，它集微電子、計(jì)算機(jī)、信息處理、自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制等高新技術(shù)于一體，具有高精度、高效率、柔性自動(dòng)化等特點(diǎn)，對(duì)制造業(yè)實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)化、集成化、智能化起著舉足輕重的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的數(shù)控系統(tǒng)為傳統(tǒng)的封閉式體系結(jié)構(gòu)，CNC 只能作為非智能的機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制器。加工過(guò)程變量根據(jù)經(jīng)驗(yàn)以固定參數(shù)形式事先設(shè)定，加工程序在實(shí)際加工前用手工方式或通過(guò) CAD/CAM 及自動(dòng)編程系統(tǒng)進(jìn)行編制。1.1.2 數(shù)控技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)1. 性能發(fā)展方向(1) 高速高精高效化 (2) 柔性化(3) 工藝復(fù)合性和多軸化(4) 實(shí)時(shí)智能化2. 功能發(fā)展方向(1) 用戶(hù)界面圖形化(2) 科學(xué)計(jì)算可視化(3) 插補(bǔ)和補(bǔ)償方式多樣化(4) 內(nèi)裝高性能 PLC(5) 多媒體技術(shù)應(yīng)用3. 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展(1) 集成化(2) 模塊化(3) 網(wǎng)絡(luò)化(4) 通用型開(kāi)放式閉環(huán)控制模式1.1.3 智能化新一代 PCNC 數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)前開(kāi)發(fā)研究適應(yīng)于復(fù)雜制造過(guò)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(jì)算機(jī)智能技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、CAD/CAM、伺服控制、自適應(yīng)控制、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理及動(dòng)態(tài)刀具補(bǔ)償、動(dòng)態(tài)仿真等高新技術(shù)融于一體，形成嚴(yán)密的制造過(guò)程閉環(huán)控制體系。21.2 普通機(jī)床數(shù)控改造的目的與意義1.2.1 微觀(guān)看改造的目的與意義從微觀(guān)上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來(lái)自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力。(1) 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來(lái)的曲線(xiàn)、曲面等復(fù)雜的零件。由于計(jì)算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時(shí)準(zhǔn)確地計(jì)算出每個(gè)坐標(biāo)軸瞬時(shí)應(yīng)該運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線(xiàn)或曲面。(2) 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化，而且是柔性自動(dòng)化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高 3～7 倍。由于計(jì)算機(jī)有記憶和存儲(chǔ)能力，可以將輸入的程序記住和存儲(chǔ)下來(lái)，然后按程序規(guī)定的順序自動(dòng)去執(zhí)行，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個(gè)程序，就可實(shí)現(xiàn)另一工件加工的自動(dòng)化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動(dòng)化，故被稱(chēng)為實(shí)現(xiàn)了"柔性自動(dòng)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(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。(5) 擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人看管加工。由以上五條派生的優(yōu)點(diǎn)：(1)降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度；(2)節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可以看管多臺(tái)機(jī)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(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個(gè)極為重大的突破。此外，機(jī)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(jì)算機(jī)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(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。1.2.2 宏觀(guān)看改造的目的與意義由于采用信息技術(shù)對(duì)國(guó)外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱(chēng)之為信息化） ，最終使得他們的產(chǎn)品在國(guó)際軍品和民品的市場(chǎng)上競(jìng)爭(zhēng)力大為增強(qiáng)。而我們?cè)谛畔⒓夹g(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國(guó)家約落后 20 年。如我國(guó)機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 1.9％，而日本在 1994 年已達(dá) 20.8％，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀(guān)上說(shuō)明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。31.3 數(shù)控改造的研究?jī)?nèi)容及優(yōu)缺點(diǎn)1.3.1 國(guó)外改造業(yè)的興起在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，生意盎然，正處在黃金時(shí)代。由于機(jī)床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)"永恒" 的課題。在美國(guó)，機(jī)床改造業(yè)稱(chēng)為機(jī)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(jī)床公司、Devlieg-Bullavd（得寶）服務(wù)集團(tuán)、US 設(shè)備公司等。美國(guó)得寶公司已在中國(guó)開(kāi)辦公司。在日本，機(jī)床改造業(yè)稱(chēng)為機(jī)床改裝（Retrofitting）業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)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(jī)床與生產(chǎn)線(xiàn)的數(shù)控化改造主要內(nèi)容有以下幾點(diǎn)：（1）恢復(fù)原功能，對(duì)機(jī)床、生產(chǎn)線(xiàn)存在的故障部分進(jìn)行診斷并恢復(fù)；（2）NC 化，在普通機(jī)床上加數(shù)顯裝置，或加數(shù)控系統(tǒng)，改造成 NC 機(jī)床、CNC 機(jī)床；（3）翻新，為提高精度、效率和自動(dòng)化程度，對(duì)機(jī)械、電氣部分進(jìn)行翻新，對(duì)機(jī)械部分重新裝配加工，恢復(fù)原精度；對(duì)其不滿(mǎn)足生產(chǎn)要求的 CNC 系統(tǒng)以最新 CNC 進(jìn)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?yàn)榱耸褂眯鹿に?、新技術(shù),在原有基礎(chǔ)上進(jìn)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(jī)床數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn)1. 減少投資額、交貨期短2. 機(jī)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)4第二章 普通車(chē)床數(shù)改的總體方案2.1 總體方案由于是經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，所以在考慮具體方案時(shí)，基本原則是滿(mǎn)足使用要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)盡可能少，以降低成本。根據(jù) CA6140 車(chē)床有關(guān)資料以及數(shù)控車(chē)床的改造經(jīng)驗(yàn)，確定總體方案為：采用微機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由 I/O 接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。如圖 2—1 所示。2.1.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的改造CA6140 型普通車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)都由主軸電機(jī)控制，而改造后的車(chē)床則把主傳動(dòng)系統(tǒng)和進(jìn)給系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分離開(kāi)。分別由各自的電機(jī)來(lái)控制，但是為保證車(chē)床在車(chē)螺紋時(shí)主傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系，所以在拆掉進(jìn)給系統(tǒng)的同時(shí)，必須在主軸上安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器，來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸傳動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間的聯(lián)系。同時(shí)，為了提高機(jī)床的精度和效率，用滾珠絲杠來(lái)代替原機(jī)床的光杠，并且采用單獨(dú)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。這樣不僅提高了機(jī)床的性能和精度，還提高了機(jī)床的使用性能。1. 機(jī)械部分的改造首先拆去進(jìn)給箱、溜板箱；還要對(duì)車(chē)床的床鞍進(jìn)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(dòng)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。2. 刀架的改造CA6140 普通車(chē)床的刀架不能滿(mǎn)足數(shù)改后的車(chē)床的性能和精度的要求。所以，必須要換成數(shù)控自動(dòng)刀架。圖 2-1 數(shù)改 CA6140 車(chē)床總體方案示意圖5齒 輪圖 2- 車(chē) 螺 紋 及 控 制 電 路806PID光電隔離電路 主 軸 脈 沖發(fā) 生 器 主 軸2.1.2 主軸脈沖發(fā)生器由于 CA6140 普通車(chē)床的主傳動(dòng)系統(tǒng)的精度及其靈活性基本滿(mǎn)足數(shù)改后車(chē)床精度的要求。改造后的車(chē)床既需要考慮一定的技術(shù)要求，以實(shí)現(xiàn)造價(jià)低廉。經(jīng)濟(jì)方便的要求。所以在改造時(shí)，仍然保留原有的主傳動(dòng)系統(tǒng)，只是為了在車(chē)螺紋時(shí)保證主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的聯(lián)系，在原床頭 X 軸輸出端上安裝一個(gè)脈沖發(fā)生器，發(fā)生脈沖以使步進(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，從而完成車(chē)削螺紋的動(dòng)作，其車(chē)螺紋的控制電路如圖 2—2 所示：CA6140 普通車(chē)床在加工螺紋時(shí)，為了得到符合加工要求的螺距，就必須保證主軸和進(jìn)給之間的聯(lián)系。但是，在數(shù)改后的車(chē)床上，由于主軸的運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)之間沒(méi)有機(jī)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(jìn)電機(jī)準(zhǔn)確地配合主軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，這樣既可以解決了主軸轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，車(chē)刀進(jìn)給一個(gè)螺距的動(dòng)作的問(wèn)題，進(jìn)而在單片機(jī)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 2—3（a）所示是脈沖發(fā)生器的結(jié)構(gòu)原理圖：圖 2—3 主軸脈沖發(fā)生器示意圖6脈沖發(fā)生器的組成部分包括白熾燈、聚光鏡、光柵盤(pán)、光闌板、光敏管及其光電整形放大電路組成。光柵盤(pán)和光闌板都是玻璃材料制成，玻璃表面經(jīng)過(guò)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(pán)上刻有明暗條紋，有單條和 1024 個(gè)條兩組。當(dāng)平行光束經(jīng)過(guò)光柵盤(pán)時(shí)，在光柵盤(pán)的另一面就產(chǎn)生明暗光帶，這光帶通過(guò)一個(gè)光闌狹縫，照在對(duì)應(yīng)的光敏管上，從而產(chǎn)生光電脈沖信號(hào)，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(gè)脈沖；1024 條紋的一組通過(guò)光欄上兩個(gè)相位差 π/4 間距的狹縫，產(chǎn)生兩組每轉(zhuǎn) 1024 個(gè)脈沖組相差為 π/4 的脈沖序列，供給微機(jī)處理，借以判斷主軸正、反轉(zhuǎn)，且可以從 1024 個(gè)脈沖中均勻地取出 F 個(gè)脈沖，作為中斷信號(hào)控制插補(bǔ)速度，實(shí)現(xiàn) F 進(jìn)給控制的目的。7第三章 床進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控化改造數(shù)控機(jī)床的傳動(dòng)裝置是指將電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)鏈及其附屬機(jī)構(gòu)。包括齒輪減速器、絲杠螺母副、導(dǎo)軌、工作臺(tái)等。為確保數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置時(shí)，通常提出了無(wú)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(dá)到這些要求，采取主要措施如下：（1）盡量采用低摩擦的傳動(dòng)，如采用靜壓導(dǎo)軌、滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)絲杠等，以減少摩擦力。（2）選用最佳的降速比，以達(dá)到提高機(jī)床分辨率，使工作臺(tái)盡可能大地加速，以達(dá)到跟蹤指令，系統(tǒng)折算到驅(qū)動(dòng)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量盡量小的要求。（3）縮短傳動(dòng)鏈以及預(yù)緊的辦法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。如采用大扭矩寬調(diào)速的直流電機(jī)與絲杠直接聯(lián)接，應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾動(dòng)絲杠副，絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固定的，并可用預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等辦法來(lái)提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。（4）盡量消除傳動(dòng)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(xiāo)固定的聯(lián)軸套，用鍵加頂絲緊固的聯(lián)軸套以及用無(wú)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(dòng)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?yàn)闈L動(dòng)體的螺旋傳動(dòng)元件，它以滾珠的滾動(dòng)代替絲桿螺母副中的滑動(dòng)，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 3—1 所示，在絲桿和螺母上加工有弧行螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)便形成螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿(mǎn)滾珠。而滾珠則沿滾道滾動(dòng)，并經(jīng)回珠管作周而復(fù)始的循環(huán)運(yùn)動(dòng)?；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(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)，或者將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。因此，滾珠絲杠副既是傳動(dòng)元件，也是直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相互轉(zhuǎn)換的元件。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(diǎn)及類(lèi)型弧形的螺旋槽，當(dāng)它們套裝在一起時(shí)便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有8滾珠回路管道 b，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來(lái)構(gòu)成封閉的循環(huán)滾道，滾道內(nèi)裝滿(mǎn)滾珠。當(dāng)絲杠在滾道內(nèi)既自轉(zhuǎn)又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動(dòng)。因而迫使螺母（或絲杠）軸向移動(dòng)。滾珠絲杠副的特點(diǎn)是：（1）磨擦損失小、傳動(dòng)效率高，高達(dá) 0.92~0.96（滑動(dòng)絲杠為 0.2~0.40） 。（2）螺母之間預(yù)緊后，可以完全消除間隙，傳動(dòng)精度高、剛性好。（3）磨擦阻力小，且?guī)缀跖c運(yùn)動(dòng)速度無(wú)關(guān)，動(dòng)靜磨擦力之差極小，不易產(chǎn)生低速爬行現(xiàn)象，保證了運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。（4）磨損小，壽命長(zhǎng)，精度保持性好。（5）不能自鎖，有可逆性，即能將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，也能將直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可滿(mǎn)足一些特殊要求的傳動(dòng)場(chǎng)合，但當(dāng)立式使用時(shí)，應(yīng)增加制動(dòng)裝置。（6）工藝復(fù)雜，成本高。國(guó)產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)滾珠絲杠副分為兩類(lèi)：定位滾珠絲杠副（P 類(lèi)） ，即通過(guò)旋轉(zhuǎn)角度和導(dǎo)程控制軸向位移量的滾珠絲杠副；傳動(dòng)滾珠絲杠副（T 類(lèi)） ，即與旋轉(zhuǎn)角度無(wú)關(guān)，用于傳遞動(dòng)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(jìn)行分類(lèi)，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(lèi)型式分為單側(cè)法蘭盤(pán)單螺母型、雙法蘭盤(pán)雙螺母型、圓柱雙螺母型、圓柱單螺母型、簡(jiǎn)易螺母型及方螺母型等；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(guó)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(yù)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(jiàn)的截形有單圓弧面和雙圓弧型面兩種。圖 3—2 為螺旋滾道型面的簡(jiǎn)圖，圖中鋼球與滾道表面接觸點(diǎn)處的公法線(xiàn)與螺紋軸線(xiàn)的垂線(xiàn)間的夾角稱(chēng)為接觸角 α。理想接觸角 α=45°。圖 3—2 滾珠絲杠副螺旋滾道型面的形狀（a） 單圓弧 （b）雙圓弧9（1）型面 如圖 3—2（a）所示，通常滾道半徑 rn 稍大于滾珠半徑 rw，通常 2rn=（1.04~1.11）Dw。對(duì)于單弧型面的螺紋滾道，接觸角 α 是隨軸向負(fù)荷F 的大小而變化。當(dāng) F=0 時(shí)，α=0 ，承載后，隨 F 的增大，α 的大小由接觸變形的大小決定。當(dāng)接觸角 α 增大后，傳動(dòng)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 3—2（b）所示，滾珠與滾道只在內(nèi)相切的兩點(diǎn)接觸，接觸角 α 不變。兩圓弧交接處有一小空隙，可容納一些臟物。這對(duì)滾珠的流動(dòng)有利。單圓弧型面，接觸角 α 是隨負(fù)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(yīng)用較少。雙圓弧型面，接觸角選定后是不變的，應(yīng)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(guò)程中有時(shí)與絲杠脫離接觸的稱(chēng)為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱(chēng)為內(nèi)循環(huán)。圖 3—3 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 3—3 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(gè)孔內(nèi)，引導(dǎo)滾珠 4 構(gòu)成循環(huán)回路。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(gè)孔內(nèi)裝上反向器，引導(dǎo)滾珠通過(guò)螺母外表面的螺旋凹槽形成滾珠循環(huán)回路，則稱(chēng)為螺旋槽式，其徑向尺寸較小，工藝也較簡(jiǎn)單。外循環(huán)式使用較廣，其缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾動(dòng)的平穩(wěn)性。（2）內(nèi)循環(huán) 內(nèi)循環(huán)均采用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種型式。如10圖 3—4(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(kāi)有反向器槽 2。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的凸鍵 1 定位，以保證對(duì)準(zhǔn)螺紋滾道方向。圖 3—4(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(kāi)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—4 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(diǎn)是反向器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造困難、且不能用于多頭螺紋傳動(dòng)。由于滾珠在進(jìn)入和離開(kāi)循環(huán)反向裝置時(shí)容易產(chǎn)生較大的阻力，而且滾珠在反向通道中的運(yùn)動(dòng)多屬前珠扒后珠的滑移運(yùn)動(dòng)，很少有“滾動(dòng)” ，因此滾珠在反向裝置中的摩擦力矩 M 反在整個(gè)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(dòng)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(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床的改造一般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)減速驅(qū)動(dòng)絲杠，螺母固定在溜板箱上，帶動(dòng)刀架左右移動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)的布置，可放在絲杠的任意一端。對(duì)車(chē)床改造來(lái)說(shuō)，外觀(guān)不必像產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的那么高，而從改造方便，實(shí)用方面來(lái)考慮。一般都把步進(jìn)電機(jī)放在縱向滾珠絲杠的左端。3.2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算電機(jī)初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進(jìn)給速度 Vmax=4m/min根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知：maxhvpn?（3-1）11——為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 mm；hPVmax——絲杠的最大移動(dòng)速度 mm/min；nmax——絲杠副最大相對(duì)轉(zhuǎn)速 r/min；i——傳動(dòng)比則：mPh13.250.14??所以根據(jù)滾珠絲杠基本導(dǎo)程的基本系列可在《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中查到 Ph，選 Ph=6mm。已知條件：工作臺(tái)重量： W=95kg f=950N 步距角： 0.75/setp???滾珠絲杠基本導(dǎo)程： L0=6mm行程： S=1000mm脈沖當(dāng)量 快速進(jìn)給速度： =4m/minmaxV切削力計(jì)算 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，切削功率（3-cNK??2）式中 N——電機(jī)功率，查機(jī)床說(shuō)明書(shū)，N=7.5kw；——主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為 0.6-0.7 取 =0.65； ??K——進(jìn)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?又因?yàn)椋?—3）6120vFzc?vNcz式中 ——切削線(xiàn)速度，取 =150m/min。v主切削力??61204.8190.45ZFN???0.1/psetp?12由《金屬切削原理》可知，主切削力：ZZFCfK?? （3-4）式中：——切削深度（mm） ； ——進(jìn)給量（mm/r） ；paf——總修正系數(shù)； FZK從《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》中可得知，在一般外圓車(chē)削時(shí)：(0.1~6)XZF?(0.15~.7)YZF??。? .5.9.4.2XZ?061056YF??3.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》可知，綜合導(dǎo)軌車(chē)床絲杠的軸向力：；'()XZPKfFW??式中 FX、F Y——為 X、Z 方向上的切削力；——導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)； W——為工作臺(tái)的重量；'fK——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。其中 K=1.15， =0.15 0.18，取為 0.16；'f~則：P=1.15 954.72+0.16 (1909.44+950)=1555.45N;?（1）計(jì)算：壽命值： 601iinTL?(3-5)——為滾珠絲杠當(dāng)量轉(zhuǎn)速； ——使用壽命時(shí)間（h） ；in i由以上條件，可以確定步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠齒輪之間的傳動(dòng)比：0.7561.236FLi?????由于電機(jī)軸與滾珠絲杠之間是降速傳動(dòng)，所以滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速為：13max1=150min120in.2nrri???電 機(jī)由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，當(dāng)量轉(zhuǎn)速 ni 在 nmax 與 nmin 之間變化時(shí)：； （3—maxini?6）取 nmin 為 1r/min；則：1206.5/mini r??niir；則：= (轉(zhuǎn))60150Li??641?最大動(dòng)負(fù)載： (3-7)3iWHQLPf其中： P——滾珠絲杠的軸向力； ——壽命值；i——運(yùn)動(dòng)系數(shù)； ——硬度系數(shù)；Wf Hf從《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》表中可查到： =1.2 ； =1；則： WfHf。35401.25.419.58QN???根據(jù)最大動(dòng)負(fù)載荷 Q 的值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào)?？稍?《機(jī)械計(jì)手冊(cè)》中查到適合的滾珠絲杠。型號(hào)為 CMFZD4006—3.5—3 額定動(dòng)載荷 18，800N，所以強(qiáng)度足夠用。(2) 效率計(jì)算根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)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(dǎo)程； 為滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑；0 0d14'6243.10arctg????；滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) f=0.003~0.004,其中摩擦角 可計(jì)算為：?'12rtf???則：。93.0)214(???tg?(3) 剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程變化量：； (3-9)EFL01???式中：——滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（cm） ； P——工作負(fù)載（N ） ；0LE——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：； （3—10）2d????????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：； （3—??/2cosWeRD???11）；1.04/式中：——滾珠直徑； ——接觸角；WD?根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》中的滾珠標(biāo)準(zhǔn)系列選 DW=4mm； 45???15則：41.042.2.08WRDm???；??/cos.cos450.7e m???????????；02402.72.83.9d????；3.59.10.4Fc???????????因此：；cmEPL6601 104.17.0.245???????滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小，可忽略。2L?即：；1L??所以，導(dǎo)程變形總誤差 為：。m/43.71046.0????查表可知 3 級(jí)精度滾珠絲杠允許的螺距誤差（1 米）長(zhǎng)為 19 ，故剛/um度夠用。(4) 穩(wěn)定性驗(yàn)算由于滾珠絲杠兩端采用固定支承，所以穩(wěn)定性沒(méi)有問(wèn)題。3.2.3 齒輪及轉(zhuǎn)距的有關(guān)計(jì)算(1) 有關(guān)齒輪計(jì)算傳動(dòng)比 ：i；25.10.3670???pLi??故?。篫1=32； Z2=40； m=2； b=20mm； =20°；a； ；12364dmZ??2408dmZ???； ；*8aah?*aah?16。12648072dam???(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；2222180180.()()95.5.347pJWkgmkgc??????絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：； （3—12）417.sDL?式中：——滾珠絲杠的公稱(chēng)直徑； ——絲杠長(zhǎng)度；D1則：4 227.81059.9.5sJkgcmkgc?????齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；4 21.6.2.17z?；278039zJkgc???電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略。因此，總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：（3-13）221(9.563.)2.175.64.3. kgcm????(3) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算快速空載啟動(dòng)時(shí)所需力矩：； （3-max0fM??14）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩：；0atftM??快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：； （3—0f15）??2sZJJJi17式中：——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；maxM——折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；f——由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；0——切削時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩；at——折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩；tM；4109.6aJnNmT???當(dāng) 時(shí)：mx；axM；min/3.8625.140max rPiVnh???；4ax2.3.9.71.9Nc??當(dāng) 時(shí)：tn；atM?；min/17.4265.30214.310 rLfiDvfint ???；426.43.7.5905at Nmc????；002fFfWMihi???當(dāng) 時(shí)， 時(shí)：0.8h?.16?；950.451.223.48.2f Nmc??；??01PLMi???18當(dāng) =0.9 時(shí)預(yù)加載荷 ，則：0?13bXPF?2 200(1)95.470.6(.9)0.576.618xFLMNmci??????；0...12382xt Nmci???所以，快速空載啟動(dòng)所需力矩：max0fM??=917.7+14.522+5.776=738.000Ncm；切削時(shí)所需力矩： 0atftM??=15.7+1.4522+0.5776+9.12=26.85Nm=268.5Ncm；快速進(jìn)給時(shí)所需力矩：M=Mf+M0=1.4522+0.5776=2.0298Nm=202.98Ncm；由上分析計(jì)算可知，所需最大力矩 發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí)：maxMMmax=738.000Ngcm。3.3 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造的橫向進(jìn)給的設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，一般是步進(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，用法蘭盤(pán)將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床和機(jī)床大拖板連接起來(lái)，以保證其同軸度，提高傳動(dòng)精度。3.3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算由于橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與縱向類(lèi)似，所用到的公式不在詳細(xì)說(shuō)明，只計(jì)算結(jié)果。電機(jī)初步估算轉(zhuǎn)速為 1500r/min，進(jìn)給速度 =2 。maxV/in根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知； （3-inVPhmax?16）則：；minV07.125.1max??19根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可查到滾珠絲杠的標(biāo)準(zhǔn)系列，初選 。4hPm?已知條件如下：工作臺(tái)重量： ； 30WN?脈沖當(dāng)量： ；.5/mstep?步距角： ；7/at?進(jìn)給速度： ；max2inV?滾珠絲杠基本導(dǎo)程： ；04L滾珠絲杠行程： ；65S(1) 削力計(jì)算橫向進(jìn)給量為縱向的 ，取 ，則切削力約為縱向的 ：1~2312；90.45.7ZFN??在切斷工件時(shí)：；.5..2.36yZ?3.3.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算(1) 強(qiáng)度計(jì)算對(duì)于燕尾型導(dǎo)軌：； （3-()yZPKFfW???17）取 K=1.4， =0.2；f?則：；??1.47.3602954.73091.248PN?????壽命值：；6iinTL由以上條件，可以確定步進(jìn)電機(jī)與滾珠絲杠齒輪傳動(dòng)比：；7.105.3470???pi??由于電機(jī)軸與滾珠絲杠之間是降速傳動(dòng)則：20;max13509/minnVri???電 ax由《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，當(dāng)量轉(zhuǎn)速 在 之間變化時(shí)：Vaxmin與；maxin2??取 為 時(shí)， ；取 ；inV1/ir450./inmVr?450/imr?因此：；6601iiTL??根據(jù)《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床》可知，最大動(dòng)負(fù)載為：。 33459.28.16.42iWHQPf N??根據(jù)最大負(fù)載 Q 值，可選擇滾珠絲杠的型號(hào),外循環(huán)插管埋入式雙螺母預(yù)緊式的滾珠絲杠，型號(hào)為 2004—2.5—3 左，其中額定動(dòng)載荷為 14200N，所以強(qiáng)度夠用。(2) 效率計(jì)算經(jīng)計(jì)算螺旋升角 ，摩擦角 ；20????10???則：。 3.926()(201)tgt????????(3) 剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載 P 引起的導(dǎo)程的變化量：； 6016291.2480..710.3(96)L cmEF???????:滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小，即： 。所以，導(dǎo)程變2L:1L?:形總誤差為：；6102.7.8/4um????:查表可知 3 級(jí)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(lái)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(qiáng)，故不再驗(yàn)算。213.3.2 齒輪及轉(zhuǎn)矩有關(guān)計(jì)算(1) 有關(guān)齒輪計(jì)算傳動(dòng)比：；0.7541.673603pLi?????故?。海?， ， ， ， ，18Z22mb20a??136dm， ， ， 。260d?140ad?64ad8(2) 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算工作臺(tái)質(zhì)量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：； 222180180.530.49347pJWkgcm??????????????????絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；4 27.80.26.9sJkgc???齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：；421.3.0.Z m??；278062Jkgc??電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小可忽略，因此轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：(3) 所需轉(zhuǎn)動(dòng)力矩計(jì)算；max052383./min4VnrL???4axa.01.0.973.9.69625JMNcmT????；015..7/in3.43tnfi rDL??主；42870.580.9.6at mc???02.27N0.2873.1FfWMf mii????? ?????2 22121.907.2.60.439.81sZJJJ kgci ???????????22????2 20047.360.11.90.4.014685..2..YtFLMNcmi Ncm?????????所以，快速空載啟動(dòng)所需轉(zhuǎn)矩：切削時(shí)需max09.7380.14.610.fMNc?????力矩：快速0.52.2.392.att m?進(jìn)給時(shí)所需力矩：。0.87.140.34.1f Nc???從上計(jì)算可，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速進(jìn)給啟動(dòng)時(shí)： max10.6MNc?3.4 滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方法滾珠絲杠副的軸向間隙，是指負(fù)載時(shí)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(dòng)剛度和傳動(dòng)精度，尤其是反向傳動(dòng)精度。因此，滾珠絲杠副除了對(duì)本身單一方面的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)精度有要求外，對(duì)其軸向間隙也有嚴(yán)格的要求。滾珠絲杠副軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊，通常采用雙螺母預(yù)緊方式，其結(jié)構(gòu)型式有三種。基本原理是使兩個(gè)螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。1．墊片調(diào)隙式圖 3—5 所示結(jié)構(gòu)。是通過(guò)改變墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。這種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、剛性好，但調(diào)整費(fèi)時(shí)，且不能在工作中隨意調(diào)整。圖 3—5 雙螺母墊片式結(jié)構(gòu)圖2．螺帽調(diào)隙式 23圖 3—6 所示為利用螺帽來(lái)實(shí)現(xiàn)預(yù)緊的結(jié)構(gòu)，兩個(gè)螺母以平鍵與外套相聯(lián)，鍵可限制螺母在外套內(nèi)移動(dòng)，其中右邊的一個(gè)螺母外伸部分有螺紋。用兩個(gè)鎖緊螺帽 1、2 能使螺母相對(duì)絲杠作軸向移動(dòng)。這種結(jié)構(gòu)既緊湊，工作又可靠，調(diào)整也方便，故應(yīng)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(yīng)用較廣。但調(diào)整位移量不易精確控制，因此，預(yù)緊力也不能準(zhǔn)確控制。圖 3—6 雙螺母帽式結(jié)構(gòu)圖1、2 鎖緊螺帽 3．齒差調(diào)隙式 圖 3—7 所示為齒差式調(diào)整結(jié)構(gòu)。在兩個(gè)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(yīng)的內(nèi)齒圈相嚙合。內(nèi)齒圈緊固在螺母座上，預(yù)緊時(shí)脫開(kāi)內(nèi)齒圈，使兩個(gè)螺母同向轉(zhuǎn)過(guò)相同的齒數(shù)，然后再合上內(nèi)齒圈。兩螺線(xiàn)的軸向相對(duì)位置發(fā)生變化從而實(shí)現(xiàn)間隙的調(diào)整和施加預(yù)緊力。如果其中圖 3—7 雙螺母齒差式結(jié)構(gòu)圖24一個(gè)螺母轉(zhuǎn)過(guò) n 個(gè)齒時(shí)則其軸向位移量為 （Ph 為絲杠導(dǎo)程，Z1 為1hnsPZ?齒輪齒數(shù)） 。如兩齒輪沿同方向各轉(zhuǎn)過(guò) n 個(gè)齒時(shí)，其兩螺母間相對(duì)軸向位移量（Z2 為另一齒輪齒數(shù)）或 。例如：??2112hhZPsZ?????????? ??12hsZnP?當(dāng) n=1，Z1=99 ，Z2=100， ,即兩個(gè)螺母在軸向產(chǎn)生 1 的位移。019hum?um這種調(diào)整方式的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但調(diào)整準(zhǔn)確可靠，精度較高。除上述三種雙螺母加預(yù)緊力的方式外，還有單螺母變導(dǎo)程自預(yù)緊和單螺母鋼球過(guò)盈預(yù)緊方式。3.5 滾珠絲杠副的安裝結(jié)構(gòu)3.5.1 支承結(jié)構(gòu)為了高偉動(dòng)剛度，應(yīng)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(jī)床的聯(lián)接剛度。常用的支承方式有下列幾種，如圖 3—8 所示。（1）一端裝止推軸承（固定—自由式） 如圖 3—8(a)所示。這種安裝方式的承載能力小，軸向剛度低，僅適應(yīng)于短絲杠。如數(shù)控機(jī)床的調(diào)整環(huán)節(jié)或升降臺(tái)式數(shù)控銑床的垂直坐標(biāo)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(zhǎng)時(shí)，一端裝止推軸承固定，另一端由深溝球軸承支承。為了減少絲杠熱變形的影響，止推軸承的安裝位置應(yīng)遠(yuǎn)離熱源（如液壓馬達(dá)） 。（3）兩端裝止推軸承 如 3—8(c)所示。將止推軸承裝在滾珠絲杠的兩端，并施加預(yù)緊力，有助于提高傳動(dòng)剛度。但這種安裝方式對(duì)熱伸長(zhǎng)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 3—8(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(yù)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(yù)緊力。25圖 3—8 滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)3.6 進(jìn)給系統(tǒng)傳動(dòng)齒輪間隙的消除3.6.1 采用減速箱的目的及注意事項(xiàng)為了保證步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)性能，要特別考慮負(fù)載慣性矩。當(dāng)所帶負(fù)載的慣性矩增大時(shí)，由于步進(jìn)電機(jī)是按電磁鐵吸力原理來(lái)動(dòng)作，所以當(dāng)慣性矩增大到某一值時(shí)，就會(huì)使步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生擅動(dòng)就會(huì)產(chǎn)生啟動(dòng)不良效果，所以，使用步進(jìn)電機(jī)時(shí)盡量選小的負(fù)載。在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中我們采用減速齒輪來(lái)聯(lián)結(jié)滾珠絲杠和步進(jìn)電機(jī)，以達(dá)到改變慣性矩的目的。同時(shí)，應(yīng)該盡可能地消除配對(duì)齒輪之間的間隙，否則就會(huì)產(chǎn)生使運(yùn)動(dòng)滯后的指示信號(hào)的誤差，對(duì)加工件的精度就會(huì)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(jī)床的傳動(dòng)精度，除了機(jī)床的幾何精度、絲桿精度影響外，又受其本身因素的影響，產(chǎn)生滯后現(xiàn)象而引起的間隙誤差。在這次設(shè)計(jì)改造過(guò)程中只能采用開(kāi)環(huán)系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)不能對(duì)車(chē)床的誤差進(jìn)行修改，所以只能通過(guò)機(jī)械的方式對(duì)其各部分傳動(dòng)誤差進(jìn)行修改。2. 消除方法本次設(shè)計(jì)采用雙片齒輪來(lái)達(dá)到消隙的目的，通常將一對(duì)齒輪的從動(dòng)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(dòng)齒輪的齒廓貼緊，從而完全消除了齒側(cè)間隙。26第四章 數(shù)改 CA6140 自動(dòng)刀架設(shè)計(jì)在零件的加工制造過(guò)程中，大量的時(shí)間用于更換刀具，裝卸、測(cè)量和搬運(yùn)零件等非切削時(shí)間上，切削加工時(shí)間僅占整個(gè)工時(shí)中較小的比例。數(shù)控機(jī)床要提高效率的重要內(nèi)容之一，就是要縮短非切削時(shí)間。為此，近年來(lái)帶有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床（加工中心）得以迅速的發(fā)展。自動(dòng)換刀裝置已廣泛用于各種多工序數(shù)控機(jī)床，臺(tái)鏜床、銑床、車(chē)床及組合機(jī)床等。使用這種裝置，不僅提高了機(jī)床的生產(chǎn)效率，擴(kuò)大了單功能數(shù)控機(jī)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(dòng)換刀數(shù)控機(jī)床上，對(duì)自動(dòng)換刀裝置的基本要求是：換刀時(shí)間短、刀具重復(fù)定位精度高、足夠的刀具存儲(chǔ)量、刀庫(kù)占地面積小及安全可靠等。4.1 自動(dòng)刀架的分類(lèi)1.螺旋轉(zhuǎn)位刀架 2.十字槽輪轉(zhuǎn)位刀架 3.凸臺(tái)棘爪式轉(zhuǎn)位刀架 4.2 自動(dòng)刀架的設(shè)計(jì)從自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架的工作原理可知，這類(lèi)刀架由控制系統(tǒng)直接控制，刀架能自動(dòng)完成抬起、回轉(zhuǎn)、選位、下降、定位和壓緊這樣一系列的動(dòng)作，下面是數(shù)改 CA6140 車(chē)床自動(dòng)刀架的工作過(guò)程如下：1.刀架抬起當(dāng)數(shù)控裝置發(fā)出換刀指令后，步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)正轉(zhuǎn)，通過(guò)平鍵套筒聯(lián)軸器使蝸桿軸 1 轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)蝸輪 2 轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪與轉(zhuǎn)軸連接在一起，因此一起轉(zhuǎn)動(dòng)，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(dāng)蝸輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(shí)刀架體 7 抬起。2.刀架轉(zhuǎn)位當(dāng)?shù)都荏w抬至一定距離后，端面齒脫開(kāi)，轉(zhuǎn)位套 8 用銷(xiāo)釘與絲杠套聯(lián)接，隨轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)端面齒完全脫開(kāi)時(shí)，轉(zhuǎn)位套正好轉(zhuǎn)過(guò) 60 度，球頭銷(xiāo) 11 在彈簧力的作用下進(jìn)入轉(zhuǎn)位套 8 的槽中，帶動(dòng)刀架體轉(zhuǎn)位。3.刀架定位刀架體 7 轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)到程序指定的刀號(hào)時(shí)，粗定位銷(xiāo) 4 在彈簧的作用下進(jìn)入刀體底座的粗定位盤(pán)的槽中進(jìn)行粗定位，同時(shí)霍爾開(kāi)關(guān)發(fā)出電機(jī)反轉(zhuǎn)的指令，使電機(jī)反轉(zhuǎn)。由于粗定位銷(xiāo)的限制，刀架體 7 不能轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)現(xiàn)精確定位。274.夾緊刀架電動(dòng)機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)蝸輪停止轉(zhuǎn)動(dòng)，蝸桿軸 1 自身轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)兩端面齒增加到一定夾緊力時(shí)，電動(dòng)機(jī) 1 停止轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了夾緊。圖 4—1 自動(dòng)轉(zhuǎn)位六方刀架28第五章 數(shù)改 CA6140 步進(jìn)電機(jī)的設(shè)計(jì)5.1 步進(jìn)電機(jī)的工作方式步進(jìn)電機(jī)的工作方式和一般電機(jī)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(duì)各相繞組輪流通電，步進(jìn)電機(jī)才能實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)。數(shù)控機(jī)床中采用的功率步進(jìn)電機(jī)有三相、四相、五相、和六相等。一般電機(jī)的相數(shù)越多，工作方式越多。由步距角計(jì)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(duì)步進(jìn)電機(jī)的矩頻特性、穩(wěn)定性等都有很大的影響。步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)也對(duì)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行性能有很大影響。為提高步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、工作頻率和穩(wěn)定性，可選用多相步進(jìn)電機(jī)，并采用 2×m 拍工作方式。5.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇5.2.1 步進(jìn)電機(jī)選用的基本原則合理選用步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問(wèn)題，需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，經(jīng)過(guò)分析后才能正確選擇?，F(xiàn)僅就選用步進(jìn)電機(jī)最基本的原則介紹如下：（1）步距角 步距角應(yīng)滿(mǎn)足：?mnai?（5-1）式中：——傳動(dòng)比；i——系統(tǒng)對(duì)步進(jìn)電機(jī)所驅(qū)動(dòng)部件的最小轉(zhuǎn)角。mna（2） 精度步進(jìn)電機(jī)的精確可用步距誤差或積累誤差衡量。積累