【正文】 提高 機(jī) 床 的 自 動(dòng) 化 程 度 ， 比 較 符 合 我 國(guó) 的 國(guó) 情 。 1984 年 ， 我 國(guó) 開(kāi) 始 生 產(chǎn) 經(jīng) 濟(jì)型 數(shù) 控 系 統(tǒng) ， 并 用 于 改 造 舊 機(jī) 床 。 到 目 前 為 止 ， 已 有 很 多 廠 家 生 產(chǎn) 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù)控 系 統(tǒng) 。 可 以 預(yù) 料 ， 今 后 ， 機(jī) 床 的 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 化 改 造 將 迅 速 發(fā) 展 和 普 及 。 所以 說(shuō) ， 本 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 實(shí) 例 具 有 典 型 性 和 實(shí) 用 性 。4 / 47第一章 總體方案的設(shè)計(jì) 設(shè) 計(jì) 任 務(wù)本 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 是 對(duì) C620 普 通 車 床 進(jìn) 行 數(shù) 控 改 造 。 利 用 單 片 機(jī) 對(duì) 縱 、 橫向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 控 制 ， 縱 向 （ Z 向 ） 脈 沖 當(dāng) 量 為 ， 橫 向 （ X向 ） 脈 沖 當(dāng) 量 為 ， 驅(qū) 動(dòng) 元 件 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) ， 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 采 用 滾珠 絲 杠 副 。 總 體 方 案 的 論 證 對(duì) 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(jì) 方 案 時(shí) ， 應(yīng) 考 慮 在 滿足 設(shè) 計(jì) 要 求 的 前 提 下 ， 對(duì) 機(jī) 床 的 改 動(dòng) 應(yīng) 盡 可 能 少 ， 以 降 低 成 本 。 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 為 了 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 床 所 要 求 的 分 辨 率 ， 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) 經(jīng) 齒 輪 減 速 再 傳 動(dòng) 絲 杠 。為 了 保 證 一 定 的 傳 動(dòng) 精 度 和 平 穩(wěn) 性 ， 盡 量 減 小 摩 擦 力 ， 選 用 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 。同 時(shí) ， 為 了 提 高 傳 動(dòng) 剛 度 和 消 除 間 隙 ， 采 用 有 預(yù) 加 負(fù) 載 荷 的 結(jié) 構(gòu) 。 傳 動(dòng) 齒 輪也 要 采 用 消 除 齒 側(cè) 間 隙 的 結(jié) 構(gòu) 。 此 設(shè) 計(jì) 過(guò) 程 主 要 是 縱 向 進(jìn) 給 和 橫 向 進(jìn) 給 的改 造 ， 關(guān) 鍵 是 步 進(jìn) 電 機(jī) 和 滾 珠 絲 杠 的 選 用 。5 / 47 服 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 改 造 設(shè) 計(jì) 數(shù) 控 機(jī) 床 的 伺 服 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 有 開(kāi) 環(huán) 、 半 閉 環(huán) 和 閉 環(huán) 之 分 。 因 為 開(kāi) 環(huán) 控制 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 、 設(shè) 計(jì) 制 造 容 易 、 控 制 精 度 較 好 、 容 易 調(diào) 試 、 價(jià) 格 便 宜 、 使用 維 修 方 便 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 所 以 ， 本 設(shè) 計(jì) 決 定 采 用 開(kāi) 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 。 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 硬 件 電 路 設(shè) 計(jì) 任 何 一 個(gè) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 都 由 硬 件 和 軟 件 兩 部 分 組 成 。 硬 件 是 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 基 礎(chǔ) ，性 能 的 好 壞 直 接 影 響 整 體 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 工 作 性 能 。 有 了 硬 件 ， 軟 件 才 能 有 效 地運(yùn) 行 。 在 設(shè) 計(jì) 的 數(shù) 控 裝 置 中 ， CPU 的 選 擇 是 關(guān) 鍵 ， 選 擇 CPU 應(yīng) 考 慮 以 下 要 素 ： 鐘 頻 率 和 字 長(zhǎng) 與 被 控 對(duì) 象 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 和 精 度 密 切 相 關(guān) ； 2. 可 擴(kuò) 展 存 儲(chǔ) 器 的 容 量 與 數(shù) 控 功 能 的 強(qiáng) 弱 相 關(guān) ；3. I/O 口 擴(kuò) 展 的 能 力 與 對(duì) 外 設(shè) 控 制 的 能 力 相 關(guān) 。 在 我 國(guó) ， 普 通 機(jī) 床 數(shù) 控 改 造 方 面 應(yīng) 用 較 普 遍 的 是 Z80CPU 和 MCS51 系列 單 片 機(jī) ， 主 要 是 因 為 它 們 的 配 套 芯 片 便 宜 ， 普 及 性 、 通 用 性 強(qiáng) ， 制 造 和 維修 方 便 ， 完 全 能 滿 足 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 機(jī) 床 的 改 造 需 要 。 本 設(shè) 計(jì) 以 8031 芯 片 為核 心 ， 增 加 存 儲(chǔ) 器 擴(kuò) 展 電 路 、 接 口 和 面 板 操 作 開(kāi) 關(guān) 組 成 的 控 制 系 統(tǒng) 。 總 體 方 案 的 確 定 經(jīng) 總 體 設(shè) 計(jì) 方 案 的 論 證 后 ， 確 定 C620 車 床 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 改 造 方 案 。C620 車 床 的 主 軸 轉(zhuǎn) 速 部 分 保 留 原 機(jī) 床 的 功 能 ， 即 手 動(dòng) 變 速 。 車 床 的 縱 向（ Z 軸 ） 和 橫 向 （ X 軸 ） 進(jìn) 給 運(yùn) 動(dòng) 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 。 將 原 來(lái) 機(jī) 床 的 普 通絲 杠 改 為 滾 珠 絲 杠 以 減 小 摩 擦 力 。 并 將 8031 單 片 機(jī) 組 成 的 微 機(jī) 作 為 數(shù) 控裝 置 的 核 心 ， 由 I/O 接 口 、 環(huán) 形 分 配 器 與 功 率 放 大 器 一 起 控 制 步 進(jìn) 電 機(jī) 轉(zhuǎn)6 / 47動(dòng) ， 經(jīng) 齒 輪 減 速 后 帶 動(dòng) 滾 珠 絲 杠 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 從 而 實(shí) 現(xiàn) 車 床 的 縱 向 、 橫 向 進(jìn) 給 運(yùn) 動(dòng) 。由 于 設(shè) 計(jì) 的 是 簡(jiǎn) 易 型 經(jīng) 濟(jì) 數(shù) 控 ， 所 以 在 考 慮 具 體 方 案 時(shí) ， 基 本 原 則 是 在 滿 足需 要 的 前 提 下 ， 對(duì) 于 機(jī) 床 盡 可 能 減 小 改 動(dòng) 量 ， 以 降 低 成 本 。步 進(jìn) 電 機(jī) 縱 向 選 用 110BF00 橫 向 選 用 90BF002 。滾 珠 絲 杠 參 照 濟(jì) 寧 市 華 珠 機(jī) 械 有 限 公 司 的 產(chǎn) 品 樣 本 選 取 系 列 ， 即 外 插管 變 螺 距 型 滾 珠 絲 杠 副 。 其 優(yōu) 點(diǎn) 是 螺 母 的 軸 向 尺 寸 小 ， 而 已 經(jīng) 預(yù) 加 載 荷 消 除間 隙 ?？v 向 進(jìn) 給 機(jī) 構(gòu) 的 改 造 。 拆 除 原 機(jī) 床 的 光 杠 ， 利 用 原 機(jī) 床 進(jìn) 給 箱 的 安 裝孔 和 銷 釘 孔 安 裝 齒 輪 箱 體 。 滾 珠 絲 杠 仍 安 置 在 原 絲 杠 的 位 置 ， 兩 端 仍 采 用 原固 定 方 式 。 這 樣 可 減 小 改 裝 工 作 量 ， 并 由 于 滾 珠 絲 杠 的 摩 擦 系 數(shù) 小 于 原 絲 杠 ，從 而 使 縱 向 進(jìn) 給 整 體 剛 度 只 可 能 增 大 。橫 向 進(jìn) 給 機(jī) 構(gòu) 的 改 造 。 保 留 原 手 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) ， 用 于 微 進(jìn) 給 和 機(jī) 床 刀 具 對(duì) 零 操作 ， 原 有 的 支 承 結(jié) 構(gòu) 也 保 留 。 為 了 便 于 安 裝 滾 珠 絲 杠 副 ， 絲 杠 軸 不 是 整 體 的 ，而 采 用 分 移 式 ， 然 后 套 筒 剛 性 聯(lián) 接 ?？v 、 橫 向 進(jìn) 給 機(jī) 構(gòu) 都 采 用 了 一 級(jí) 齒 輪 減 速 ， 并 用 雙 片 齒 輪 錯(cuò) 齒 法 消 除 間隙 。 縱 向 齒 輪 箱 和 溜 板 箱 均 加 外 置 ， 以 保 持 機(jī) 床 原 外 觀 ， 起 到 美 化 機(jī) 床 的 效果 ， 在 溜 板 箱 上 安 裝 了 縱 、 橫 向 快 速 進(jìn) 給 按 鈕 和 急 停 按 鈕 ， 以 適 應(yīng) 機(jī) 床 調(diào) 整時(shí) 的 操 作 需 要 和 遇 到 意 外 情 況 時(shí) 的 緊 急 處 理 需 要 。6 / 47第二章 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì) 縱 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 改 造 設(shè) 計(jì) 向 滾 珠 絲 杠 副 的 選 用滾 珠 螺 旋 傳 動(dòng) 是 在 絲 杠 和 螺 母 滾 道 之 間 放 人 適 量 的 滾 珠 ， 使 螺 紋 間 產(chǎn) 生滾 動(dòng) 摩 擦 。 絲 杠 轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) ， 帶 動(dòng) 滾 珠 沿 螺 紋 滾 道 滾 動(dòng) 。 螺 母 上 設(shè) 有 返 向 器 ， 與螺 紋 滾 道 構(gòu) 成 滾 珠 的 循 環(huán) 通 道 。 為 了 在 滾 珠 與 滾 道 之 間 形 成 無(wú) 間 隙 甚 至 有 過(guò)盈 配 合 ， 可 設(shè) 置 預(yù) 緊 裝 置 。 為 延 長(zhǎng) 工 作 壽 命 ， 可 設(shè) 置 潤(rùn) 滑 件 和 密 封 件 。 滾 珠 螺 旋 傳 動(dòng) 與 滑 動(dòng) 螺 旋 傳 動(dòng) 或 其 它 直 線 運(yùn) 動(dòng) 副 相 比 ， 有 下 列 特 點(diǎn) ：(1) 傳 動(dòng) 效 率 高 一 般 滾 珠 絲 杠 副 的 傳 動(dòng) 效 率 達(dá) 90％ ~95％ ， 耗 費(fèi) 能量 僅 為 滑 動(dòng) 絲 桿 的 1/3。(2) 運(yùn) 動(dòng) 平 穩(wěn) 滾 動(dòng) 摩 擦 系 數(shù) 接 近 常 數(shù) ， 啟 動(dòng) 與 工 作 摩 擦 力 矩 差 別 很小 。 啟 動(dòng) 時(shí) 無(wú) 沖 擊 ， 預(yù) 緊 后 可 消 除 間 隙 產(chǎn) 生 過(guò) 盈 ， 提 高 接 觸 剛 度 和 傳 動(dòng) 精 度 。(3) 工 作 壽 命 長(zhǎng) 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 摩 擦 表 面 為 高 硬 度 (HRC58—62)、高 精 度 ， 具 有 較 長(zhǎng) 的 工 作 壽 命 和 精 度 保 持 性 。 壽 命 約 為 滑 動(dòng) 絲 桿 副 的4~10 倍 以 上 。(4) 定 位 精 度 和 重 復(fù) 定 位 精 度 高 由 于 滾 珠 絲 桿 副 摩 擦 小 、 溫 升 小 、無(wú) 爬 行 、 無(wú) 間 隙 ， 通 過(guò) 預(yù) 緊 進(jìn) 行 預(yù) 拉 伸 以 補(bǔ) 償 熱 膨 脹 。 因 此 可 達(dá) 到 較 高 的 定位 精 度 和 重 復(fù) 定 位 精 度 。(5) 同 步 性 好 用 幾 套 相 同 的 滾 珠 絲 桿 副 同 時(shí) 傳 動(dòng) 幾 個(gè) 相 同 的 運(yùn) 動(dòng) 部件 ， 可 得 到 較 好 的 同 步 運(yùn) 動(dòng) 。(6) 可 靠 性 高 潤(rùn) 滑 密 封 裝 置 結(jié) 構(gòu) 簡(jiǎn) 單 ， 維 修 方 便 。(7) 不 能 自 鎖 用 于 垂 直 傳 動(dòng) 時(shí) ， 必 須 在 系 統(tǒng) 中 附 加 自 鎖 或 制 動(dòng) 裝 置 。7 / 47(8) 制 造 工 藝 復(fù) 雜 滾 珠 絲 桿 和 螺 母 等 零 件 加 工 精 度 、 表 面 粗 糙 度 要求 高 ， 故 制 造 成 本 較 高 。 定 系 統(tǒng) 的 脈 沖 當(dāng) 量在 數(shù) 控 機(jī) 床 中 ， 一 個(gè) 脈 沖 所 產(chǎn) 生 的 坐 標(biāo) 軸 位 移 量 叫 做 脈 沖 當(dāng) 量 ， 通 常 用表 示 ， 也 稱 機(jī) 床 的 最 小 設(shè) 定 單 位 。 脈 沖 當(dāng) 量 是 衡 量 數(shù) 控 機(jī) 床 加 工 精 度 的 一?個(gè) 基 本 技 術(shù) 參 數(shù) ， 按 機(jī) 床 設(shè) 計(jì) 的 加 工 精 度 選 定 。 本 設(shè) 計(jì) 所 要 求 的 C620?的 脈 沖 當(dāng) 量 為 ： 縱 向 （ Z 向 ） 脈 沖 當(dāng) 量 為 ， 橫 向 （ X 向 ） 脈沖 當(dāng) 量 為 。 車 削 力 的 計(jì) 算工 作 臺(tái) 重 量 W=800N， 加 速 時(shí) 間 常 數(shù) t=25ms， 滾 珠 絲 杠 基 本 導(dǎo) 程L=6mm,快 速 進(jìn) 給 速 度 m/min。 由 《 機(jī) 床 設(shè) 計(jì) 手 冊(cè) 》 可 知 ， 切 削 功 率2ax?V KPc?式 中 P—電 動(dòng) 機(jī) 功 率 ， 查 機(jī) 床 說(shuō) 明 書 ， P=4kW—主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 總 功 率 ， 一 般 為 ～ ， 取 ?K—進(jìn) 給 系 統(tǒng) 功 率 系 數(shù) ， 取 K=則 kPc ???切 削 功 率 應(yīng) 按 在 各 種 加 工 情 況 下 經(jīng) 常 遇 到 的 最 大 切 削 力 和 最 大 切 削 速度 來(lái) 計(jì) 算 ， 即 3106???vFPzc式 中 —主 切 削 力 （ N）zF V—切 削 速 度 （ m/min）設(shè) 按 最 大 切 削 速 度 來(lái) 計(jì) 算 ， 取 v=100m/min,則 主 切 削 力 NvPFcz ??????8 / 47由 《 機(jī) 床 設(shè) 計(jì) 手 冊(cè) 》 可 知 ， 在 外 圓 車 削 時(shí)，??~1???~1.?Nz 8749?y ..6.. 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 設(shè) 計(jì) 、 計(jì) 算 和 選 型滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 設(shè) 計(jì) 首 先 要 選 擇 機(jī) 構(gòu) 類 型 ： 確 定 滾 軸 循 環(huán) 方 式 ， 滾 珠絲 杠 副 的 預(yù) 緊 方 式 。 結(jié) 構(gòu) 類 型 確 定 后 ， 再 計(jì) 算 和 確 定 其 他 參 數(shù) ， 包 括 ： 公 稱直 徑 、 導(dǎo) 程 、 滾 珠 的 工 作 圈 數(shù) 、 列 數(shù) 、 精 度 等 級(jí) 等 。d0Ljk本 設(shè) 計(jì) 中 選 擇 滾 珠 循 環(huán) 方 式 為 內(nèi) 循 環(huán) 方 式 中 的 固 定 式 。 滾 珠 絲 杠 副 的 預(yù)緊 方 法 選 擇 雙 螺 母 螺 紋 預(yù) 緊 。圖 21 雙 螺 母 螺 紋 調(diào) 隙 式 結(jié) 構(gòu)、 單 螺 母 3平 鍵 4調(diào) 整 螺 母 (1)計(jì) 算 進(jìn) 給 率 牽 引 力 mF作 用 在 滾 珠 絲 杠 上 的 進(jìn) 給 率 牽 引 力 主 要 包 括 切 削 力 時(shí) 的 走 刀 抗 力 以 及 移動(dòng) 件 的 重 量 和 切 削 分 力 作 用 在 導(dǎo) 軌 上 的 摩 擦 力 。 因 而 其 數(shù) 值 大 小 和 導(dǎo) 軌 的 形式 有 關(guān) 。 的 計(jì) 算 公 式 如 下 :mF縱 向 進(jìn) 給 導(dǎo) 軌 為 三 角 形 ， 則 ： )(39。GFfKzxm??N)(. ???N629 / 47三 角 形 導(dǎo) 軌 選 取 參 數(shù) ： NGfK80,15.,.39。 ??(2)計(jì) 算 最 大 動(dòng) 負(fù) 荷 C選 用 滾 珠 絲 杠 副 的 直 徑 時(shí) ， 必 須 保 證 在 一 定 軸 向 負(fù) 載 作 用 下 ， 絲 杠0d在 回 轉(zhuǎn) 100 萬(wàn) 轉(zhuǎn) 后 ， 在 它 的 滾 道 上 不 產(chǎn) 生 點(diǎn) 蝕 現(xiàn) 象 。 這 個(gè) 軸 向 負(fù) 載 的 最 大值 即 稱 為 該 滾 珠 絲 杠 能 承 受 的 最 大 動(dòng) 負(fù) 荷 。 計(jì) 算 步 驟 如 下 ：C絲 杠 轉(zhuǎn) 速 其 中 = 0Lns????壽 命 （ ）