臥式車床數(shù)控化改造及橫向進(jìn)給設(shè)計

1、第一章 緒 論1.1數(shù)控機(jī)床的發(fā)展現(xiàn)狀數(shù)控機(jī)床正在向精密、高速、復(fù)合、智能、環(huán)保的方向發(fā)展。精密和高速加工對傳動及其控制提出了更高的動態(tài)特性和控制精度，更高的進(jìn)給速度和加速度，更低的振動噪聲和更小的磨損。問題的癥結(jié)在傳統(tǒng)的傳動鏈從作為動力源的電動機(jī)到工作部件要通過齒輪、蝸輪副，皮帶、絲杠副、聯(lián)軸器、離合器等中間傳動環(huán)節(jié)，在這些環(huán)節(jié)中產(chǎn)生了較大的轉(zhuǎn)動慣量、彈性變形、反向間隙、運(yùn)動滯后、摩擦、振動、噪聲及磨損。雖然在這些方面通過不斷的改進(jìn)使傳動性能有所提高，但問題很難從根本上解決，于是出現(xiàn)了“直接傳動”的概念，即取消從電動機(jī)到工作部件之間的各種中間環(huán)節(jié)。隨著電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)的發(fā)展，電主軸、直線

2、電機(jī)、力矩電機(jī)的出現(xiàn)和技術(shù)的日益成熟，使主軸、直線和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)運(yùn)動的“直接傳動”概念變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)，并日益顯示其巨大的優(yōu)越性。直線電機(jī)及其驅(qū)動控制技術(shù)在機(jī)床進(jìn)給驅(qū)動上的應(yīng)用，使機(jī)床的傳動結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了重大變化，并使機(jī)床性能有了新的飛躍。目前，世界先進(jìn)制造技術(shù)不斷興起，超高速切削、超精密加工等技術(shù)的應(yīng)用，柔性制造系統(tǒng)的迅速發(fā)展和計算機(jī)集成系統(tǒng)的不斷成熟，對數(shù)控加工技術(shù)提出了更高的要求。為適應(yīng)這種情況，數(shù)控機(jī)床正朝著以下幾個方面發(fā)展。1.高速度、高精度化速度和精度是數(shù)控機(jī)床的兩個重要指標(biāo)，它直接關(guān)系到加工效率和產(chǎn)品質(zhì)量。 目前，數(shù)控系統(tǒng)采用位數(shù)、頻率更高的處理器，以提高系統(tǒng)的基本運(yùn)算速度。同時，采用超大規(guī)模的

3、集成電路和多微處理器結(jié)構(gòu)，以提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力，即提高插補(bǔ)運(yùn)算的速度和精度。并采用直線電機(jī)直接驅(qū)動機(jī)床工作臺的直線伺服進(jìn)給方式，其高速度和動態(tài)響應(yīng)特性相當(dāng)優(yōu)越。在直線電機(jī)剛開始開發(fā)時，因其能實(shí)現(xiàn)高速加工而備受矚目。但近年來，使用直線電機(jī)的目的已逐漸轉(zhuǎn)向高精度化。也就是說，在直線電機(jī)的諸多優(yōu)良特性中，很高的定位精度和圓弧插補(bǔ)精度尤其令人刮目相看。其原因是非接觸式的驅(qū)動系統(tǒng)沒有傳統(tǒng)伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)減速用的齒輪副、滾珠絲杠、耦合件等各種機(jī)械因素引起的誤差，以及直線電機(jī)必然采用閉路控制。2.引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)智能化現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床將引進(jìn)自適應(yīng)控制技術(shù)，根據(jù)切削條件的變化，自動調(diào)節(jié)工作參數(shù)，使加工過程中能保

4、持最佳工作狀態(tài)，從而得到較高的加工精度和較好的表面粗糙度，同時也能提高刀具的使用壽命和設(shè)備的生產(chǎn)效率。具有自診斷、自修復(fù)功能，在整個工作狀態(tài)中，系統(tǒng)隨時對CNC系統(tǒng)本身以及與其相連的各種設(shè)備進(jìn)行自診斷、檢查。一旦出現(xiàn)故障，立即采用停機(jī)等措施，并進(jìn)行故障報警，提示發(fā)生故障的部位、原因等。還可自動使故障模塊脫機(jī)，而接通備用模塊，以確保無人化工作環(huán)境的要求。為實(shí)現(xiàn)更高的故障診斷要求，其發(fā)展趨勢是采用人工智能專家診斷系統(tǒng)。3控制系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)小型化控制系統(tǒng)與數(shù)控系統(tǒng)小型化便于將機(jī)、電裝置結(jié)合為一體。目前主要采用超大規(guī)模集成元件、多層印刷電路板，采用三維安裝方法，使電子元器件得以高密度安裝，較大規(guī)?？s小

5、系統(tǒng)的占有空間。而利用新型的彩色液晶薄型顯示器替代傳統(tǒng)的陰極射線管，將使數(shù)控操作系統(tǒng)進(jìn)一步小型化。這樣可方便地將它安裝在機(jī)床設(shè)備上，更便于對數(shù)控機(jī)床的操作使用。1.2 機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的必要性由于當(dāng)前市場竟?fàn)幖ち?，一個企業(yè)想要生存和發(fā)展就必須迅速地更新和開發(fā)出新產(chǎn)品，并且以最低的價格、最好的質(zhì)量、最短的時間去滿足市場需求的不斷變化。目前來說，普通機(jī)床已不適應(yīng)多品種，小批量生產(chǎn)的要求，而數(shù)控機(jī)床則綜合了數(shù)控技術(shù)，微電子技術(shù)，自動檢測技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，最適宜加工小批量、高精度、形狀復(fù)雜、生產(chǎn)周期短的零件。因此，要對普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造以是迫不得已。數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)的普通機(jī)床相比有許多優(yōu)點(diǎn)，而這些優(yōu)

6、點(diǎn)主要從數(shù)控機(jī)床的計算機(jī)系統(tǒng)來說主要表現(xiàn)在以下幾個方面：1.計算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該達(dá)到的運(yùn)動量，因此可以加工出帶有曲線或曲面以及帶有錐度的零件?？梢詫?shí)現(xiàn)加工的自動化，加工效率高。2.計算機(jī)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(shí)現(xiàn)自動化。3.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易。4.工序集中，減少了零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)，大大降低了工人的勞動強(qiáng)度。5.擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時間無人看管加工。大大的提高了勞動生產(chǎn)率，縮短了生產(chǎn)周期，同時帶來了很高的經(jīng)濟(jì)效益。第二章 CW

7、6163臥式車床總體方案設(shè)計2.1設(shè)計任務(wù)本設(shè)計任務(wù)是對CW6163臥式車床進(jìn)行數(shù)控化改造。大體步驟是將x軸（橫向）、z軸（縱向）改為微機(jī)控制，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠傳動。其中x軸（橫向）脈沖當(dāng)量：0.005/mm脈沖，Z軸（縱向）脈沖當(dāng)量：0.010/mm脈沖。1.實(shí)現(xiàn)功能：車削外圓、端面、圓弧、圓錐及螺紋加工。2.操作要求：起動、點(diǎn)動、單步運(yùn)行、自動作循環(huán)、暫停、停止。 2 .2總體方案的確定對于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機(jī)床的改造應(yīng)盡可能少，以便降低成本。一、數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動方式分為：點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線控制系

8、統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床應(yīng)具有定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓弧插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工，螺紋加工等功能，由于在車削加工中，要求刀具沿各坐標(biāo)軸運(yùn)動，要有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速率相對工件沿加工路徑運(yùn)動，所以不能選用點(diǎn)位系統(tǒng)，因?yàn)辄c(diǎn)位控制系統(tǒng)要求工件相對于刀具移動過程中，不進(jìn)行切削。所以，此微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。 二、伺服系統(tǒng)的選擇數(shù)控機(jī)床的伺服進(jìn)給系統(tǒng)有開環(huán)、閉環(huán)和半閉環(huán)之分。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。由于CW6163型車床改造屬于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床，加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，所以，本設(shè)計采

9、用開環(huán)控制系統(tǒng)。三、微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)由于MCS-51系列單片機(jī)具有集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾能力強(qiáng)，具有很高的性能價格比等優(yōu)點(diǎn)，因此采用MCS-51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分，鍵盤及顯示器，I/O接口及光電隔離電路，步進(jìn)電機(jī)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(shí)現(xiàn)，顯示器采用LED顯示器。四、機(jī)械傳動方式為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電動機(jī)加聯(lián)軸器與傳動絲杠連接；為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，同時為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)載的貼塑性滑動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)。2 .3機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計方案一、主傳動系統(tǒng)的改造為減少

10、機(jī)械改造的工作量，保留原有的主傳動機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)。主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止可由數(shù)控系統(tǒng)來控制。為了在加工中自動變換轉(zhuǎn)速，可用交流變頻器來控制主軸電動機(jī)，以實(shí)現(xiàn)無級變速。二、改裝自動回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將原有的手動刀架換成由微機(jī)控制的經(jīng)電動機(jī)驅(qū)動的自動回轉(zhuǎn)刀架。三、螺紋編碼器的安裝為保持切削螺紋的功能，必須安裝主軸脈沖發(fā)生器（也稱螺紋編碼器），為此采用同軸安裝方式，即編碼器直接安裝在主軸后端，因?yàn)檫@種方式結(jié)構(gòu)簡單。主軸和編碼器同步旋轉(zhuǎn)，發(fā)出兩路信號：每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個數(shù)和一個同步信號，經(jīng)隔離電路以及I/O接口送給微機(jī)。四、進(jìn)給系統(tǒng)的改造1.拆除掛輪架所有齒輪，在主

11、軸的同步軸處，安裝螺紋編碼器。2.拆除進(jìn)給箱總成，在此位置安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)與錐環(huán)聯(lián)軸器。3.拆除溜板箱總成與快走刀的齒輪齒條，在縱溜板的下面安裝縱向滾珠絲杠的螺母座與螺母座托架。4.拆除四方刀架與上溜板總成，以及刀架縱橫向移動手柄，刀架的移動由微機(jī)控制，在橫溜板上方安裝四工位立式電動刀架。5.拆除橫溜板下的滑動絲桿螺母副，將滑動絲桿靠刻度盤一段鋸斷保留，拆掉刻度盤上的手柄，保留刻度盤附近的兩個推力軸承，換上滾珠絲杠副。6.將橫向進(jìn)給步進(jìn)電動機(jī)通過法蘭座安裝到橫溜板后部的縱溜板上，并通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠的軸頭相聯(lián)。7.拆去三桿：絲桿、光桿與操縱桿。第三章 CW6163臥式車床橫向進(jìn)給系統(tǒng)的

12、設(shè)計3.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)切削力計算1.技術(shù)指標(biāo)：（查閱CW6163型臥式車床說明書得知）機(jī)床長度：3630mm機(jī)床高度：1830mm機(jī)床寬度：1375mm工作臺重（根據(jù)圖紙粗略計算）：W=40kgf=400N滾珠絲杠基本導(dǎo)程：L0=12mm ,左旋行程: S=450mm最大加工直徑：在床身上630mm ；在刀架上550mm最大加工長度：1500mm快速進(jìn)給速度：mm/min最大切削進(jìn)給速度：250mm/min切削線速度：100m/min主電動機(jī)功率：11kw脈沖當(dāng)量：0.005mm/step步距角：0.750/step2.橫向切削力計算目的：通過計算切削力來選取滾珠絲桿以及步進(jìn)電動機(jī)的型號，進(jìn)

13、一步對導(dǎo)軌的強(qiáng)度，所受的摩擦力，承受的載荷大小的校驗(yàn)，以及滾珠絲桿的強(qiáng)度驗(yàn)算，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量的驗(yàn)算等。查大連機(jī)床廠CW6163臥式車床說明書知，各電動機(jī)型號如下表：電動機(jī)型號額定功率電壓電流轉(zhuǎn)速主電動機(jī)Y160M411kw380V23A1460rmin冷卻泵電動機(jī)JCB220.15kw0.43A2790rmin快速移動電動機(jī)Y90LS41.1kw2.8A1400rmin由機(jī)床設(shè)計手冊可知，切削功率計算公式如下：式中，主電動機(jī)功率，；（由上表得知）主傳動系統(tǒng)效率，一般為0.750.85，??；K進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù)，取為K=0.96。 則，又因?yàn)?，所以有，式中，切削線速度，；切削功率。又由縱向進(jìn)

14、給切削力得，式中，縱向進(jìn)給系統(tǒng)的主切削力由于橫向進(jìn)給量為縱向進(jìn)給量的1/2 1/3，取1/2；則切削力約為縱向的1/2。故式中，橫向進(jìn)給系統(tǒng)的主切削力在一般外圓切削時，（由機(jī)床設(shè)計手冊可知）：在切斷工件時，?。菏街校瑇方向的軸向力。3.2 導(dǎo)軌的設(shè)計與選型一、導(dǎo)軌的類型及選型1.導(dǎo)軌的類型 導(dǎo)軌的分類方法有多種：按運(yùn)動軌跡可以分為直線導(dǎo)軌和圓導(dǎo)軌，按工作性質(zhì)可分為主運(yùn)動導(dǎo)軌、進(jìn)給導(dǎo)軌和調(diào)整導(dǎo)軌，按受力情況可分為開式導(dǎo)軌和閉式導(dǎo)軌，按摩擦性質(zhì)可分為滑動導(dǎo)軌和滾動導(dǎo)軌。此設(shè)計采用貼塑滑動導(dǎo)軌。2.貼塑滑動導(dǎo)軌的特點(diǎn)：       

15、;貼塑滑動導(dǎo)軌一般與鑄鐵導(dǎo)軌或淬硬的鋼導(dǎo)軌相配合使用，是在與鑄鐵導(dǎo)軌或淬硬的鋼導(dǎo)軌相配合的導(dǎo)軌上貼上一層塑料導(dǎo)軌軟帶制成的。特點(diǎn)：（1）摩擦系數(shù)小，且動、靜摩擦系數(shù)的差別較小，可以防止低速爬行現(xiàn)象。（2）耐磨性、抗撕傷能力強(qiáng)。（3）加工性和化學(xué)穩(wěn)定性好，工藝簡單，成本低，并有良好的自潤滑性和抗振性。         3.導(dǎo)軌的選型塑料導(dǎo)軌的軟帶的類型和特點(diǎn)：       塑料導(dǎo)軌軟帶有兩種類型：一種是美國霞板（shanban）公司研制的得爾賽(T

16、urciteB)塑料導(dǎo)軌軟帶；另一種是我國研制的軟帶。TurciteB塑料導(dǎo)軌軟帶由可以自潤滑的復(fù)合材料制成，它主要是在聚四氟乙烯中填充50%的青銅粉，還加有一定量的二硫化鉬、玻璃纖維和氧化物制成的帶狀復(fù)合材料。它具有優(yōu)異的減磨、抗咬傷性能，不會損壞配合面吸振性能好，低速無爬行，并可以在干摩擦下工作。       塑料導(dǎo)軌軟件與其他導(dǎo)軌相比，具有以下特點(diǎn)：（1）摩擦系數(shù)低而穩(wěn)定，比鑄鐵導(dǎo)軌副低一個數(shù)量級。（2）耐磨性好，有自潤滑作用，無潤滑油也能工作，灰塵、磨粒的嵌入性好。 （3）化學(xué)穩(wěn)定性好，耐磨、耐低溫，耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿、強(qiáng)氧化劑及各

17、種有機(jī)溶劑。（4）維護(hù)修理方便，軟帶耐磨，損壞后更換容易。（5）經(jīng)濟(jì)性好，結(jié)構(gòu)簡單，成本低，其成本約為滾動導(dǎo)軌成本的。        因此，在CW6163臥式車床的數(shù)控化改造中，選擇美國霞板公司研制的得爾賽(TurciteB)塑料導(dǎo)軌軟帶較為合理。二、貼塑導(dǎo)軌摩擦力計算1. 在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力的計算:式中：、主切削力的垂向切削分力和橫向切削分力（=；=）；     坐標(biāo)軸上移動部件的全部重量（包括機(jī)床夾具和工件的重量）；摩擦系數(shù)，對于貼塑導(dǎo)軌，； 

18、0;   鑲條緊固力（根據(jù)表23可知）；鑲條緊固力推薦值 （單位：N）導(dǎo)軌形式主電動機(jī)功率/kw2.23.75.57.5111518貼塑滑動導(dǎo)軌50080015002000250030003500滾動直線導(dǎo)軌2540751001251501752.在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸導(dǎo)軌摩擦力的計算。3.3橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計計算3.3.1滾珠絲杠副的設(shè)計計算一、強(qiáng)度計算滾珠絲杠在工作過程中承受軸向負(fù)載，使得滾珠和滾道型面間產(chǎn)生接觸應(yīng)力，對滾道型面上某一點(diǎn)，是交變接觸應(yīng)力。在這種交變應(yīng)力的作用下，經(jīng)過一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，滾珠或滾道型面產(chǎn)生疲勞損傷，從而使得滾珠絲杠喪失工作性能。因此，必須保

19、證滾珠絲杠副在一定的軸向負(fù)載的作用下，在回轉(zhuǎn)106轉(zhuǎn)后，滾道上雖然受滾珠壓力，但不應(yīng)有點(diǎn)蝕現(xiàn)象發(fā)生，此時所能承受的軸向負(fù)載為滾珠絲杠能承受的最大動負(fù)荷Q。 工作負(fù)載P是指數(shù)控機(jī)床工作時，實(shí)際作用在滾珠絲杠上的軸向壓力。由進(jìn)給牽引力的實(shí)驗(yàn)公式得，對貼塑性導(dǎo)軌：式中，X,Z方向上的切削分力；移動部件的重量；導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)；考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；取，,對貼塑性導(dǎo)軌取0.15則，壽命值，式中，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）；使用壽命時間（h）。由機(jī)床設(shè)計手冊查得自動控制機(jī)械及機(jī)床的使用壽命時間為15000。（如表66所示）表66 機(jī)器的使用壽命機(jī)器類型使用壽命（）通用機(jī)械500010000普通機(jī)

20、床1000自動控制機(jī)械及機(jī)床15000儀器裝置15000航空機(jī)械1000又因?yàn)椋?(21) （22）式中，線速度（mm/min）；主軸轉(zhuǎn)速；進(jìn)給量（0.5mm/r）；D工件最大回轉(zhuǎn)直徑（mm）。由(21) 和（22）得，r/min最大動負(fù)載：從機(jī)床設(shè)計手冊中，查表可得：運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，硬度系數(shù)。（如表67和表68所示）67 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)值運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)無沖擊的圓滑運(yùn)轉(zhuǎn)1.01.2一般運(yùn)轉(zhuǎn)1.21.5有沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn)1.52.568 硬度系數(shù)值硬度HRC6057.55552.55047.54542.5403025硬度系數(shù)1.01.11.21.42.02.53.34.55.01015故根據(jù)最大動負(fù)荷Q的值，可

21、選擇滾珠絲杠的型號為：FFZL40123，其額定動負(fù)荷為：24.9kw，公稱直徑為，所以強(qiáng)度足夠用。 二、預(yù)緊力計算在滾珠絲杠副上施加預(yù)緊力后，可提高軸向剛度和傳動精度，但預(yù)緊力不可過大，過大則影響絲杠副的使用壽命。因此，要在滿足所需壽命和精度要求的條件下，合理決定預(yù)緊力的大小。 滾珠和螺紋滾道間由于受軸向力的作用而產(chǎn)生軸向變形，在彈性變形范圍內(nèi)，變形量的大小可由赫茲公式計算：式中，k與滾道的曲率半徑，材料的彈性模量有關(guān)的系數(shù)。在滾珠絲杠副的預(yù)緊，采用雙螺母預(yù)緊，設(shè)這兩個螺母分別為A、B，則施加的預(yù)緊力為，相應(yīng)的變形為。當(dāng)外加軸向工作載荷時，螺母B在接觸點(diǎn)處又產(chǎn)生了的彈性變形，而螺母A由于彈性

22、恢復(fù)；其接觸點(diǎn)上的變形量反而減少了，其結(jié)果螺母A、B在和的共同作用下，總變形量為：此時，若繼續(xù)增大，則螺母A中的滾珠負(fù)荷減小，變形亦隨之減小，當(dāng)增加到一定數(shù)值時，與相等，這時螺母A中滾珠和滾道剛好接觸，如果再繼續(xù)增大，就會出現(xiàn)間隙。因此，要保證絲杠在最大軸向載荷作用下沒有間隙，就必須滿足下列關(guān)系 當(dāng)時，此時螺母B的變?yōu)椋河忠驗(yàn)椋?#160;      故，得到， （）由此得出結(jié)論：在雙螺母預(yù)緊的滾珠絲杠副中，為使螺母和絲杠之間不出現(xiàn)間隙，應(yīng)使預(yù)緊力近似等于最大軸向載荷的。過小，不能保證無間隙傳動；過大，會降低傳動效率和承載能力。 三、

23、效率計算根據(jù)機(jī)械原理公式，絲杠螺母副的傳動效率為：式中，螺紋的螺旋升角；摩擦角。滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角可計算為。根據(jù)機(jī)床設(shè)計手冊可取，螺旋升角，摩擦角，則傳動效率為：滾珠絲杠的傳動效率較高（可在0.80.9之間），這可使絲杠副的溫度變化較小，對于減少熱變形，提高剛度、強(qiáng)度都起了很大作用。四、轉(zhuǎn)動慣量計算1.工作臺質(zhì)量折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量為：2.折算到絲杠軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量：由公式，式中，橫向溜板及刀架質(zhì)量，；導(dǎo)程。3.加在電動機(jī)軸上的總負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為：注：當(dāng)滾珠絲杠與電動機(jī)直接相連時，傳動比取1。4.所需轉(zhuǎn)動力矩計算：式中，步進(jìn)電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速（）；傳動比，當(dāng)滾珠絲杠與

24、電動機(jī)直接連接時，；移動部件的最高移動速度（）。1）空載起動時折算到電動機(jī)軸上的加速度力矩:2）切削時折算到電動機(jī)軸上的加速度力矩。（對開環(huán)系統(tǒng)取加速度時間為0.025）3）折算到電動機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩(已知在切削狀態(tài)下的軸向負(fù)載力)：4）折算到電動機(jī)軸上的摩擦負(fù)載力矩：式中，空載時的導(dǎo)軌摩擦力。5）由滾珠絲杠預(yù)緊力產(chǎn)生的并折算到電動機(jī)軸上的附加負(fù)載力矩：故，空載快速起動所需轉(zhuǎn)矩：切削時所需力矩：快速進(jìn)給時所需轉(zhuǎn)矩：從以上計算可知，最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在切削時，即，五、剛度驗(yàn)算滾珠絲杠是精密傳動元件，它在軸向力的作用下將產(chǎn)生伸長或縮短，在扭矩的作用下將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，這將引起絲杠的導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響其

25、傳動精度及定位精度，因此滾珠絲杠應(yīng)驗(yàn)算滿載時的變形量。滾珠絲杠受工作負(fù)載的作用，引起導(dǎo)程的變化量，其值可按下式計算：式中，工作負(fù)載（N）；滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（mm）；彈性模量，對鋼；滾珠絲杠載面積（按內(nèi)徑定，）。注：“+”號用于拉伸時，“-”號用于壓縮時。則，滾珠絲杠因受扭矩作用而引起的導(dǎo)程變化量，可按下式計算，式中，在扭矩的作用下，滾珠絲杠每一導(dǎo)程長度兩載面上的相對扭轉(zhuǎn)角。式中，扭矩（）（根據(jù)CW6163系列機(jī)床說明書知）；切變模量，對鋼；滾珠絲杠載面積的慣性矩。式中，絲杠小徑，單位mm。綜合上述結(jié)果，滾珠絲杠在工作負(fù)載和扭矩共同作用下，所引起每一導(dǎo)程變形量為：滾珠絲杠長度為1m，則其上共有

26、個導(dǎo)程，它的導(dǎo)程變形總誤差為：六、穩(wěn)定性驗(yàn)算 機(jī)床的進(jìn)給絲杠通常是受軸向力的壓杠，若軸向力過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生翹曲。長壓杠失穩(wěn)時的臨界負(fù)載可依據(jù)材料力學(xué)中的歐拉公式計算：式中，絲杠材料彈性模量，對鋼；絲杠工作長度（mm）；載面慣性矩，對實(shí)心圓柱；絲杠軸端系數(shù)，由支承條件決定。經(jīng)計算，兩端裝推力軸承的情況下，絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。臨界負(fù)載與工作負(fù)載之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)。如果穩(wěn)定性安全系數(shù)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)（），則該壓杠安全，不致失穩(wěn)。注：一般，對于水平絲杠，考慮自重影響可取。 3.3.2 滾珠絲杠螺母副支承方式及軸承的選擇滾珠絲杠的支承結(jié)構(gòu)形式可以分為三種類型：“自由”（

27、代號“O”），指的是無支承；“游動”（代號“S”），指的是徑向有約束，軸向無約束；“固定”（代號“F”），指的是徑向和軸向都有約束。本設(shè)計采用兩端固定式的支承方式。     1.支承方式兩端固定（FF）式的特點(diǎn)：需保持螺母與兩支承同軸；只要軸承無間隙，絲杠的軸向剛度為一端固的4倍；絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定問題，機(jī)械系統(tǒng)的固有頻率比一端固定的要高；要進(jìn)行預(yù)拉伸的絲杠其目標(biāo)行程應(yīng)略小于公稱行程，減少量等于拉伸量；適用于對剛度和位移精度要求高的場合。2. 軸承的選擇由于滾珠絲杠軸承所受載荷主要是軸向載荷，徑向除絲杠的自重外，一般無外載荷。因此，對

28、滾珠絲杠軸承的要求是軸向剛度要高。另外，絲杠轉(zhuǎn)速一般不會很高，或高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時間很短，因此發(fā)熱不是主要問題。數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)要求運(yùn)動靈活，對微小的位移要響應(yīng)靈敏。因此所用軸承的摩擦力矩要盡量低。各類滾動軸承特點(diǎn)比較（如下表223所示）：表223滾動軸承類型軸向剛度軸承安裝預(yù)載調(diào)整摩擦力矩60°接觸角推力角接觸球軸承大簡單不需要小雙向推力角接觸球軸承中簡單不需要小深溝球軸承和推力球軸承的組合大復(fù)雜麻煩小通過上表223各種軸承結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的比較以及與滾珠絲杠的裝配方式和所承受的載荷大小，選取型號為：760304TNI的60°接觸角推力角接觸球軸承比較合理。 滾珠絲杠與步進(jìn)電動機(jī)的聯(lián)接

29、一、連接方式的選擇在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給傳動系統(tǒng)中，驅(qū)動電動機(jī)與滾珠絲杠的聯(lián)接是數(shù)控機(jī)床穩(wěn)定工作的重要環(huán)節(jié)之一。目前在直線進(jìn)給傳動系統(tǒng)中，驅(qū)動電動機(jī)與滾珠絲杠的連接方式主要有聯(lián)軸器，齒輪和同步帶。在CW 6163臥式車床的設(shè)計中，滾珠絲杠與步進(jìn)電動機(jī)的連接方式采用聯(lián)軸器。1.聯(lián)軸器目前聯(lián)軸器的類型繁多，有液壓式，電磁式和機(jī)械式。機(jī)械式聯(lián)軸器是應(yīng)用最廣泛的一種，它借助于機(jī)械構(gòu)件相互間的機(jī)械作用力來傳遞扭矩，大致可將聯(lián)軸器劃分為剛性聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器兩大類。本設(shè)計采用彈性聯(lián)軸器中的錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器2.錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器介紹：這種聯(lián)軸器定心性好，承載能力強(qiáng)，傳遞功率大，轉(zhuǎn)速高，使用壽命長，具有過載保護(hù)能力，能在振

30、動和沖擊載荷等惡劣條件下連續(xù)工作，安裝、使用和維護(hù)方便，作用于系統(tǒng)中的載荷小，噪音低。3.錐環(huán)無鍵聯(lián)軸器工作原理：該聯(lián)軸器的工作原理是：當(dāng)擰緊螺釘時，法蘭盤對內(nèi)外錐環(huán)施加軸向力，由于錐環(huán)之間的楔緊作用，內(nèi)外錐環(huán)分別產(chǎn)生徑向彈性變形（內(nèi)錐環(huán)的外徑脹大，外錐環(huán)的內(nèi)徑收縮），消除軸與套筒之間的配合間隙，并產(chǎn)生接觸壓力，通過摩擦傳遞扭矩，且套筒與軸之間的角度位置可以任意調(diào)節(jié)。二、錐環(huán)的設(shè)計計算方法（1）錐環(huán)傳遞的扭矩計算:錐環(huán)與連接套筒接觸面的正壓力為：式中，軸向力（）；為使錐環(huán)與軸以及輪轂內(nèi)壁接觸時所加的預(yù)壓緊力；錐面半角；摩擦系數(shù)。錐環(huán)傳遞的扭矩為：式中，d軸徑。（2）錐環(huán)對數(shù)的選擇方法若用n對錐

31、環(huán)，則各接觸面正壓力將依次等比遞減，所以n對錐環(huán)能傳遞的扭矩為：式中，錐環(huán)對數(shù)；接觸面正壓力遞減的公比，定義為n對錐環(huán)扭矩增加系數(shù)，將所選對數(shù)n，扭矩增加系數(shù)，在不同摩擦系數(shù)時所能傳遞的扭矩關(guān)系列于表250，其中，為錐環(huán)工作時所受的軸向載荷，取16°40。3.4 CW6163臥式車床步進(jìn)電動機(jī)的選擇3.4.1、步進(jìn)電動機(jī)選用應(yīng)考慮的幾項(xiàng)原則（1）步距角步距角應(yīng)滿足式中，傳動比；系統(tǒng)對步進(jìn)電動機(jī)所驅(qū)動部件的最小轉(zhuǎn)角。（2）精度 步進(jìn)電動機(jī)的精度可用步距誤差或積累誤差衡量。積累誤差是指轉(zhuǎn)子從任意位置開始，經(jīng)過任意步后，轉(zhuǎn)子的實(shí)際轉(zhuǎn)角與理論轉(zhuǎn)角之差的最大值，所選用的步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)滿足，式中，

32、步進(jìn)電動機(jī)的積累誤差；系統(tǒng)對步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動部分允許的角度誤差。（3）轉(zhuǎn)矩 為了使步進(jìn)電動機(jī)正常運(yùn)行（不失步、不越步），正常啟動并滿足對轉(zhuǎn)速的要求，必須考慮：起動力矩：一般起動力矩選取為，式中，電動機(jī)起動力矩；步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩；電動機(jī)靜負(fù)載力矩。31 步進(jìn)電動機(jī)相數(shù)、拍數(shù)、起動力矩表運(yùn)行方式相數(shù)33445566拍數(shù)36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866在要求的運(yùn)行頻率范圍內(nèi)，電動機(jī)運(yùn)行力矩應(yīng)大于電動機(jī)的靜載力矩與電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量引起的慣性鉅之和。（4）起動頻率由于步進(jìn)電動機(jī)的起動頻率隨著負(fù)載力矩和轉(zhuǎn)動慣量的增大而降低，因此，相應(yīng)負(fù)載力

33、矩和轉(zhuǎn)動慣量的極限起動頻率應(yīng)滿足：式中，極限起動頻率；步進(jìn)電動機(jī)的最高起動頻率。3.4.2步進(jìn)電動機(jī)的確定電動機(jī)選用三相六拍工作方式，查表31知: 。 所以，步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：步進(jìn)電動機(jī)最高工作頻率為：根據(jù)上述計算數(shù)值故選用110BF003型直流步進(jìn)電動機(jī)，能滿足使用要求。第四章 CW6163臥式車床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計4.1微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計內(nèi)容機(jī)床硬件電路由以下五部分組成： （1）主控制器：即中央處理單元（CPU）；（2）總線：包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線；（3）存儲器：包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器；（4）接口：即I/O輸入/輸出接口電路；（5）外圍設(shè)備：如鍵盤、顯示器及光電輸

34、入機(jī)等。一、選擇中央處理單元CPU應(yīng)考慮的因素（1）時鐘頻率和字長，這個指標(biāo)將控制數(shù)據(jù)處理的度；（2）可擴(kuò)展存儲器的容量；（3）指令系統(tǒng)功能，影響編程靈活性；（4）I/O口擴(kuò)展的能力，即對外設(shè)控制的能力； （6）應(yīng)用場合、控制對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟(jì)價格比的要求。二、存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計應(yīng)該包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展。程序存儲器主要用于儲存數(shù)控系統(tǒng)程序，而數(shù)據(jù)存儲器用于存放用戶加工程序，為保護(hù)用戶加工程序，數(shù)據(jù)存儲器必須有掉電保護(hù)功能。三、I/O接口電路設(shè)計應(yīng)包括接口芯片的選用，步進(jìn)電動機(jī)控制電路、鍵盤顯示電路以及其他輔助電路的設(shè)計。4.28031單片機(jī)硬件電路設(shè)計

35、MCS51系列單片機(jī)主要有三種型號：8031、8051和8751。三種型號的引腳完全相同，僅在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上有少數(shù)差異。8031片內(nèi)無ROM，適用于需擴(kuò)展ROM，可在現(xiàn)場修改和更新程序存儲器的應(yīng)用場合，其價格低，使用靈活，非常適合在我國使用。本設(shè)計使用的是8031芯片。一、8031芯片引腳的選擇8031芯片具有40根引腳，在設(shè)計時直接選擇8031芯片的引腳即可，其引腳圖，如圖42所示圖42 8031芯片引腳圖圖454.3存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計MCS51的程序存儲器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM，用作程序存儲器的器件是EPROM。常用的半導(dǎo)體ROM芯片有2764的28腳雙列直插式扁平封裝

36、芯片，所以本設(shè)計中選擇此型號芯片。一、程序存儲器的擴(kuò)展1、2764芯片的結(jié)構(gòu)及工作方式2764芯片為28腳雙列直插式扁平封裝芯片，其引腳排列如圖45所示。圖中VPP是編程電壓端，PGM是編程控制端，OE是輸出使能端，CE是片選端，它們均為低電平有效。2764的第26引腳空，（NC）未用。2、地址鎖存器由于單片機(jī)8031芯片的P0口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。在此選用的地址鎖存器芯片是74LS373。74LS373是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。4.4 I/O接口電路及輔助電路設(shè)計8031單片機(jī)共有4個8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口和部分P

37、3口，因此，在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴(kuò)展I/O芯片。在此選用了8255芯片。一、 8255可編程接口芯片 8255可編程并行接口芯片有三個輸入輸出端口，即A口、B口和C口，對應(yīng)于引腳PA7PA0、PB7PB0和PC7PC0。其內(nèi)部還有一個控制寄存器，即控制口。通常A口、B口作為輸入輸出的數(shù)據(jù)端口。C口作為控制或狀態(tài)信息的端口，它在方式字的控制下，可以分成4位的端口，每個端口包含一個4位鎖存器。它們分別與端口A配合使用，可以用作控制信號輸出或作為狀態(tài)信號輸入。二、鍵盤顯示接口電路1、顯示器工作原理在此選用的是LED顯示器，它是由8個發(fā)光二極管組成，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，應(yīng)的一個點(diǎn)或一個筆畫發(fā)亮?？?/p>

38、制不同組合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。三、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制。步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的電動機(jī)。其角位移量與電脈沖成正比，其轉(zhuǎn)速與電脈沖頻率成反比，通過改變脈沖頻率就可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)的脈沖需要按所要求的順序提供給電機(jī)各項(xiàng)。脈沖分配器就是實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)各項(xiàng)脈沖通電順序的。為使步進(jìn)電機(jī)正常用行并輸出一定功率，需要有足夠功率提供給電動機(jī)，因此要有功率放大環(huán)節(jié)。脈沖分配器及前面的微機(jī)接口芯片，工作電平一般為5V，而作為電動機(jī)電源的需符合步進(jìn)電機(jī)要求的額定值。為避免強(qiáng)電對弱電的干擾，在它們之間應(yīng)采用隔離

39、電路。其控制電路框圖如下圖48所示：圖48 步進(jìn)電機(jī)控制電路框圖1. 脈沖分配器脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，有硬件環(huán)形分配器和集成環(huán)形分配器，而硬件環(huán)形分配器是由門電路及其邏輯電路組成，目前已大量采用，可靠性高，外形尺寸小。目前市場上提供的國產(chǎn)TTL集成電路分配器有三相、四相、五相、六相，按其類型號分為：YBOB、YBO14、YBO15、及YBO16，均為18個引腳直插式封裝。本設(shè)計選用TTL集成電路中的三相YBO14的硬件環(huán)形分配器。2.光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高，電流也較大，如果將I/O口輸出信號直接

40、與功率放大器相連，將會引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計算機(jī)的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致計算機(jī)接口電路損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。3.功率放大電路 脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，必須將它放大以產(chǎn)生足夠的功率驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為了提高步進(jìn)電機(jī)動態(tài)特性，必須改善電流波形，使電流前、后沿陡些。可采用以下兩種方法：（1）電阻法（2）雙電源法4.5 步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行軟件控制一、步進(jìn)電動機(jī)運(yùn)行程序設(shè)計步進(jìn)電動機(jī)控制程序的任務(wù)是：判斷旋轉(zhuǎn)方向、依次送出控制字、根據(jù)運(yùn)轉(zhuǎn)速度實(shí)現(xiàn)一定的延時、判斷是否結(jié)束。設(shè)步進(jìn)電動機(jī)總的運(yùn)行步數(shù)放在

41、R4，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位F1（DSH）中，當(dāng)F1為0時，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)F1為1時，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時，P1端口的輸出控制字（01H，03H，02H，06H，04H，05H）存放在8031的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲單元20H25H中，26H中存放結(jié)束標(biāo)志00H；反轉(zhuǎn)時，P1端口的輸出控制字(01H,05H,04H,06H,02H,03H)存放在27H2CH的存儲單元內(nèi)，在2DH內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00H。步進(jìn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序如下： PUSH A ；保護(hù)現(xiàn)場 MOV R4，#N ；設(shè)計長計數(shù)器 CLR C ； ORL C,D5H ；轉(zhuǎn)向標(biāo)志為1轉(zhuǎn)移 JC ROTE ； MOV R0，#20H ；正轉(zhuǎn)控制字首指針 AJMP LOOP ； ROTE: MOV R0，#27H ；反轉(zhuǎn)控制字首指針 LOOP: MOV A,R0 ； MOV P1，A ；輸出控制字 ACALL DELAY ；延時 INC R0 ；指針加1 MOV A,#00H ； ORL A,R0 ； JZ TPL ；是結(jié)束標(biāo)志轉(zhuǎn)移 LOOP1:DJNZ R4，LOOP