【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ——低檔數(shù)控機(jī)床聯(lián)動(dòng)軸數(shù)一般為2軸；中、高檔的則為3～5軸。(4) 通信能力——低檔數(shù)控系統(tǒng)一般無(wú)通信能力；中檔的可以有Rs232c或直接數(shù)控(Direct Numerical control，簡(jiǎn)稱DNC)接口；高檔的還可以有制造自動(dòng)化協(xié)議(Manufacturing Automation Protocol，簡(jiǎn)稱MAP)通信接口，具有聯(lián)網(wǎng)功能。(5) 顯示功能——低檔數(shù)控系統(tǒng)一般只有簡(jiǎn)單的數(shù)碼管顯示或單色CRT字符顯示；中檔的則具有較齊全的CRT顯示，不僅有字符，而且有二維圖形、人機(jī)對(duì)話、狀態(tài)和自診斷功能等；高檔的還可以有三維圖形顯示、圖形編程等功能。(6) 內(nèi)裝PLC——低檔數(shù)控系統(tǒng)一般無(wú)PLC，中、高檔的都有內(nèi)裝PLC。(7) 主CPU——低檔數(shù)控系統(tǒng)一般采用8bit CPU，中、高檔的已經(jīng)逐步由16bit CPUX53k立式銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 10 向32bit CPU過(guò)渡，國(guó)外一些新的數(shù)控系統(tǒng)甚至已選用了64bit CPU。在國(guó)內(nèi)還有經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的提法。所謂經(jīng)濟(jì)型數(shù)控，一般均屬低檔數(shù)控系統(tǒng)，是指由單板機(jī)、單片機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成的數(shù)控系統(tǒng)以及其他功能簡(jiǎn)單、價(jià)格低的數(shù)控系統(tǒng)。它主要用于線切割機(jī)床及舊機(jī)床的改造等。 立式數(shù)控銑床的常用布局形式立式數(shù)控銑床是數(shù)控銑床中數(shù)量最多的一種，應(yīng)用范圍也最為廣泛。小型數(shù)控銑床一般都采用工作臺(tái)移動(dòng)、升降及主軸轉(zhuǎn)動(dòng)方式，與普通立式升降臺(tái)銑床結(jié)構(gòu)相似；中型立式數(shù)控銑床一般采用縱向和橫向工作臺(tái)移動(dòng)方式，且主軸沿垂直溜板上下運(yùn)動(dòng)；大型立式數(shù)控銑床，因要考慮到擴(kuò)大行程、縮小占地面積及剛性等技術(shù)問(wèn)題，往往采用龍門(mén)架移動(dòng)式，其主軸可以在龍門(mén)架的橫向與垂直溜板上運(yùn)動(dòng)，而龍門(mén)架則沿床身作縱向運(yùn)動(dòng)。從機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo)數(shù)量來(lái)看，目前3坐標(biāo)立式數(shù)控銑床仍占大多數(shù)。一般可進(jìn)行3坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工，但也有部分機(jī)床只能進(jìn)行3坐標(biāo)中的任意2個(gè)坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)加工。此外，還有機(jī)床主軸可以繞X、Y、Z坐標(biāo)軸中其中一個(gè)或兩個(gè)軸作數(shù)控?cái)[角運(yùn)動(dòng)的4坐標(biāo)和5坐標(biāo)立式數(shù)控銑床。一般來(lái)說(shuō)，機(jī)床控制的坐標(biāo)軸越多，特別是要求聯(lián)動(dòng)的坐標(biāo)軸越多，機(jī)床的功能、加工范圍及可選擇的加工對(duì)象也越多。但隨之而來(lái)的是機(jī)床的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的要求更高，編程的難度更大，設(shè)備的價(jià)格也更高。 X53k立式銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 112基本方案的比較與選擇在我國(guó)設(shè)備數(shù)控化改造的一段時(shí)間里，較多采用步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)元件。步進(jìn)電機(jī)是一種特殊結(jié)構(gòu)的電機(jī)，它是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的電磁機(jī)械裝置。對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)施加一個(gè)電脈沖信號(hào)時(shí)，它就旋轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角位移，我們通常把它稱為一步，每一步所轉(zhuǎn)過(guò)的角度叫步距角。176。/176。、176。/176。、176。/176。等，斜線前面的角度表示半步距角度，斜線后面的表示全步距角度。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移量和輸入脈沖的個(gè)數(shù)嚴(yán)格地成正比，在時(shí)間上角位移量與輸入脈沖同步。因此，只需控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序，便可獲得所需要的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及旋轉(zhuǎn)方向。沒(méi)有脈沖輸入時(shí)，在繞組電源激勵(lì)下，氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于定位狀態(tài)。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所用電源是脈沖電源，所以也稱步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為脈沖馬達(dá)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)具有較好的定位精度，無(wú)漂移和累積定位誤差，能跟蹤一定頻率范圍的脈沖列，可作同步電動(dòng)機(jī)使用。[4](1)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分轉(zhuǎn)子與定子兩大部分。轉(zhuǎn)子是一個(gè)有許多齒的鐵芯或者具有永磁磁極，由硅鋼片或其他軟磁材料組成，無(wú)繞組。定子也由硅鋼片或軟磁材料制成，上有多相控制繞組。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有專用電源供給電脈沖，它既不是正弦交流也不是恒定的直流，而是脈沖電流，故又叫脈沖馬達(dá)。它的轉(zhuǎn)速與脈沖頻率成正比，改變輸了頻率，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。(2)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)能把數(shù)字量直接變成模擬量，直接控制執(zhí)行元件的位移量。它是一種將脈沖信號(hào)變換成角位移（或直線位移）的電磁元件，它的角位移與輸入脈沖個(gè)數(shù)成正比，在時(shí)間上與輸入脈沖同步，它能將指令脈沖變換成輸出軸的不連續(xù)的選擇，每外加一個(gè)脈沖信號(hào)，它就轉(zhuǎn)動(dòng)一步。由于步進(jìn)式的運(yùn)動(dòng)，故稱之為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(3)只要控制輸入脈沖的數(shù)量、頻率及電動(dòng)機(jī)繞組通電相序，便可獲得所需的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)動(dòng)方向、在一定的頻率范圍內(nèi)，各種運(yùn)行方式都能方便的任意改變，且不會(huì)丟步。(4)有自整步的能力。在無(wú)脈沖輸入時(shí)，只要維持控制繞組電流不變，氣隙磁場(chǎng)能使轉(zhuǎn)子保持原有位置而處于定位狀態(tài)。(5)沒(méi)有一周的累積誤差，故定位精度高。不過(guò)齒間的相鄰誤差還是存在的。(6)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，響應(yīng)快。 X53k立式銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 12(1)按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的大小，可以分為快速步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)?？焖俨竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)連續(xù)工作頻率高，而輸出轉(zhuǎn)矩小。功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩比較大。數(shù)控機(jī)床一般采用功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(2)按轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的工作原理，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)分為可變磁阻式、永磁式和混合式3種基本類(lèi)型?？勺兇抛枋讲竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱為反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，它的工作原理是由改變電動(dòng)機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子的軟鋼齒之間的電磁引力來(lái)改變定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置，這種電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，步距角小。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鐵芯上裝有多條永久磁鐵，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)與定位是由定、轉(zhuǎn)子之間的電磁引力與磁鐵磁力共同作用的。與反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相比，相同體積的永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩大，步距角也大。混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)結(jié)合了反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，采用永久磁鐵提高電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩，采用細(xì)密的極齒來(lái)減小步距角。(3)按勵(lì)磁組數(shù)，可分為兩相、三相、四相、五相、六相甚至八相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(4)從電流的極性上，可分為單極性和雙極性步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。(5)從運(yùn)動(dòng)的形式上，可分為旋轉(zhuǎn)、直線、平面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。[5]采用直流或交流伺服電機(jī)時(shí)，其控制系統(tǒng)需采用半閉環(huán)或閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度大，調(diào)試和維修困難的多，造價(jià)也高。半閉環(huán)或閉環(huán)控制也可以達(dá)到很好的機(jī)床精度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)中各種誤差，消除間隙、干擾等對(duì)加工精度的影響，一般應(yīng)用于要求高的數(shù)控設(shè)備中。由于所改造數(shù)控銑床的目標(biāo)工件加工精度不十分高，采用半閉環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不打。進(jìn)過(guò)上述比較，綜合了技術(shù)難度，精度和投資等各方面要求。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與交、直流伺服電動(dòng)機(jī)相比，在低速運(yùn)行時(shí)有較大的噪聲和振動(dòng)，在過(guò)載或高速運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生失步現(xiàn)象。所以利用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制機(jī)床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，限制了數(shù)控機(jī)床的精度和可靠性。因此，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床和各種小型自動(dòng)化設(shè)備及儀器。數(shù)控裝置的選擇也有很多種方案，例如：可以全部自己設(shè)計(jì)、制作；可以采用現(xiàn)有系統(tǒng)進(jìn)行改造；可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置作少量的適用化改動(dòng)或配接。在工廠的實(shí)際應(yīng)用中，一般多采用以下兩種解決辦法。一種情況是所需的功能和要求有現(xiàn)成的數(shù)控裝置可以滿足，這時(shí)絕大多數(shù)都采取買(mǎi)現(xiàn)成產(chǎn)品的方案，因?yàn)樽孕性O(shè)計(jì)制作不但費(fèi)時(shí)間，投資也不一定能省，往往是投資更多，而且質(zhì)量也不容易保證。另外一種情況是買(mǎi)不到現(xiàn)成產(chǎn)品來(lái)實(shí)現(xiàn)有些特殊功能，這時(shí)大多數(shù)采取買(mǎi)性價(jià)比盡量高的性能接近的裝置，然后自行補(bǔ)充或改造，很少全部自行設(shè)計(jì)制作。對(duì)于我們所需的數(shù)控裝置，除了直接能進(jìn)行直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)功能外，其它沒(méi)有特殊的功能要求，市場(chǎng)上可以有多種型號(hào)的銑床X53k立式銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 13 數(shù)控裝置供選擇。但作為畢業(yè)設(shè)計(jì)，需要對(duì)其結(jié)構(gòu)、原理控制方式等有所了解，能提出自己的處理辦法，即設(shè)計(jì)方案。所以決定對(duì)其硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，銑床改造成用MCS51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)控制。硬件電路部分用8031作CPU，控制系統(tǒng)中包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口芯片、譯碼電路及鍵盤(pán)、顯示等外設(shè)、硬件電路包括3個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)。 滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。滾珠絲杠由螺桿、螺母和滾珠組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是滾珠螺絲的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。滾珠絲杠的特點(diǎn)：（1）與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。（2）高精度的保證滾珠絲杠副是用日本制造的世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來(lái)的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度、濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。（3）微進(jìn)給可能滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。（4）無(wú)側(cè)隙、剛性高滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加予壓力,在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí),由于滾珠的斥力可使絲母部的剛性增強(qiáng))。（5）高速進(jìn)給可能滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高、發(fā)熱小、所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給(運(yùn)動(dòng))。 X53k立式銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 14（1）按照國(guó)標(biāo)GB/，滾珠絲杠（目前已基本取代梯形絲杠，已俗稱絲杠）是用來(lái)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)；或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行元件，并具有傳動(dòng)效率高，定位準(zhǔn)確等特點(diǎn)；（2）當(dāng)絲杠作為主動(dòng)體時(shí)，螺母就會(huì)隨絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)角度按照對(duì)應(yīng)規(guī)格的導(dǎo)程轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，被動(dòng)工件可以通過(guò)螺母座和螺母連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的直線運(yùn)動(dòng)。滾珠絲杠副有三種常用消隙方法。其一為墊片調(diào)隙式雙螺母結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)是通過(guò)修磨墊片的厚度來(lái)達(dá)到消隙的目的。其二為螺紋調(diào)隙式雙螺母結(jié)構(gòu)，它可以通過(guò)螺母的軸向位置進(jìn)行消隙。其三為齒差調(diào)隙式雙螺母結(jié)構(gòu)，它通過(guò)調(diào)整螺母端頭上的外齒相對(duì)外循環(huán)多用螺旋槽式和插管式。圖32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 2—彎管（回珠管） 3—螺母 4—滾珠（2）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。如圖33(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33(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X53k立式銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 153，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22 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。所以綜上考慮滾珠絲杠副采用采用外循環(huán)螺紋預(yù)警方式。齒輪副消隙的方法很多，其中典型的消隙結(jié)構(gòu)有（1）如圖23通過(guò)調(diào)整偏心套1的安裝角度來(lái)改變兩齒輪間的中心距，進(jìn)而消除齒側(cè)間隙；（2）通過(guò)修磨墊片的厚度，繼而改變帶錐度的兩齒輪軸向的相對(duì)位置，來(lái)消除側(cè)隙。（3）如圖24斜齒輪副消隙結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)靠修磨墊片的厚度，改變兩薄片齒輪相對(duì)與其嚙合的齒輪的圓周?chē)Ш辖嵌?，?lái)達(dá)到消除側(cè)隙的目的。這種結(jié)構(gòu)，無(wú)論是正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)，都只有一個(gè)薄片齒輪參與傳動(dòng)。上述幾種齒輪側(cè)隙調(diào)整方法，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，傳動(dòng)剛度好，但調(diào)整之后間隙不能再自動(dòng)補(bǔ)償，且需嚴(yán)格控制齒輪的厚度和齒距公差，否則將影響傳動(dòng)的靈活性。雙齒輪拉簧錯(cuò)齒間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)如圖25是一種齒側(cè)間隙可以自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整結(jié)構(gòu)。在這種齒輪結(jié)構(gòu)中，齒數(shù)相同的兩個(gè)薄片齒輪在與另一寬齒輪嚙合時(shí)，利用齒輪端面上的拉簧產(chǎn)生的拉力，使薄片齒輪形成相對(duì)圓周方向上的錯(cuò)位，由此，兩個(gè)薄片齒輪的左、右齒側(cè)分別緊壓在寬齒輪同齒廓兩側(cè)面上，以此消除齒側(cè)間隙。顯然，該結(jié)構(gòu)應(yīng)保證拉簧產(chǎn)生于嚙合面的壓力，大于齒輪承載時(shí)嚙合面間的反力，否則結(jié)構(gòu)將失去作用。而雙齒輪內(nèi)壓簧錯(cuò)齒間隙調(diào)整結(jié)構(gòu)如圖26是采用內(nèi)裝壓簧，通過(guò)分裝在兩個(gè)薄片齒輪上的銷(xiāo)子的推壓，使兩個(gè)薄片齒輪與寬齒輪嚙合時(shí)，形成相對(duì)錯(cuò)齒效果而達(dá)到消隙目的。之后，借助螺釘固緊兩個(gè)薄片齒輪。這種結(jié)構(gòu)，對(duì)壓簧壓力沒(méi)有嚴(yán)格的要求，且X53k立式銑床數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 16 結(jié)構(gòu)緊湊，能在高速運(yùn)轉(zhuǎn)中使用。但調(diào)整之后，仍不能自動(dòng)補(bǔ)償間隙。但在近年來(lái)，數(shù)控機(jī)床上采用較多的一種消隙結(jié)構(gòu)就是雙齒輪 圖24 圓柱齒輪軸向墊片間隙消除機(jī)構(gòu)1—偏心套 2—電動(dòng)機(jī) 3—減速箱 5—減速齒輪 4 圖25 雙齒輪 圖26可調(diào)拉簧式調(diào)隙結(jié)構(gòu) 1231固