【正文】 從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。用微電子技術(shù)改造機械設(shè)備是當前世界新技術(shù)發(fā)展的潮流，是提高產(chǎn)品質(zhì)量，生產(chǎn)效率和經(jīng)濟效益的重要手段。改造后的數(shù)控銑床主要用于加工不同品種的制動凸輪軸，軸最長為650mm，該制動輪軸所需加工的輪廓外形含有直線、圓弧和漸開線；，表面粗糙度為=；工件材料為40Cr鍛件，調(diào)質(zhì)；設(shè)計生產(chǎn)節(jié)拍為7件/每分鐘。則要求的功率為P=FV=15，如果采用步進電機作為伺服驅(qū)動元件，步進電機達不到功率要求。此外，由于步進電機沒有過載能力，高速時扭距下降很多，容易丟步，大功率步進電機的驅(qū)動較困難等，選用步進電機驅(qū)動是不合適的。 若直流或交流伺服電機的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)控制之間，由于調(diào)速范圍寬，過載能力強，又采用反饋控制，因此性能遠優(yōu)于步進電機的開環(huán)控制；反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機械元件，調(diào)試比閉環(huán)簡單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以閉環(huán)容易實現(xiàn)。在直流和交流伺服電機之間進行比較時，交流調(diào)速逐漸擴大了其使用范圍，似乎有取代直流伺服電機的優(yōu)勢。 控制部分的設(shè)計 要能控制三個坐標軸的運動，根據(jù)工件加工要求，至少要控制兩軸聯(lián)動完成圓弧插補，為了在加工中使用不同尺寸的刀具，數(shù)控裝置應具有刀具的半徑和長度的補償功能，以便數(shù)控加工中按輪廓編制程序而能適應刀具尺寸的變化。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。(1)中央處理單元CPU(2)總線。(3)存貯器。(4)I/O輸入/輸出接口電路。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應用程序和運行中所需要的各種數(shù)據(jù)。總線則是CPU與存貯器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。由于MCS—51系列單片機在我國機床數(shù)控改造方面應用較普遍，其配套芯片價廉，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟型數(shù)控車床改造的需要。也可直接購買國內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置，如南京大方數(shù)控設(shè)備公司生產(chǎn)的JWK系列數(shù)控產(chǎn)品。監(jiān)控程序固化在2732EPROM內(nèi)，各功能模塊程序及常用零件的的加工存放在2732EPROM內(nèi)。I/O接口芯片選用8155可編程I/O擴展接口，它的A口做為X、Y進給系統(tǒng)步進脈沖的輸出口，其中PA0~PA2為X向的輸出口，PA3~PA5為Y向輸出口。顯示由8位LED構(gòu)成，具有24鍵的鍵盤。其存貯空間分配如下。80H~83H MCS—51 803184H~87H 字形鎖存88H~8BH 字位鎖存8CH~8FH 讀鍵值90H~9FH 用戶使用4. 光電隔離電路在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制步進電機勵磁繞組。輕則影響計算機程序的正常工作，重則導致計算機和接口電路損壞。MCS51單片機數(shù)控系統(tǒng)的步進電機驅(qū)動系統(tǒng)，可以用軟件來代替可變頻率脈沖源和環(huán)形分配器等硬件，對步進電機進行控制。環(huán)形分配器邏輯序列的產(chǎn)生可用循環(huán)移動和查表法實現(xiàn)，本次數(shù)控改造采用JBF系列三相六拍步進電動機，因此，脈沖分配采用三相六拍分配方式。按以上順序進行通電，電機正傳，反之電機反轉(zhuǎn)。 控制步進電機的速度，實際上是改變輸出狀態(tài)碼之間的間隔時間，通過調(diào)用軟件延時子程序，或者用微機定時器，通過設(shè)定時間常數(shù)加以控制，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出不同頻率的時鐘脈沖，實現(xiàn)不同的電機轉(zhuǎn)速。在數(shù)控系統(tǒng)中，專門將一些寄存器作為步進電機的控制寄存器。在FCW控制字中，對步進電機的方向控制位，轉(zhuǎn)動控制位以及停止控制位。FCW中各個控制位含義如下：D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0，且D0X向轉(zhuǎn)?？刂莆唬?轉(zhuǎn)動；0停止）；D1X向方向位（1正轉(zhuǎn)；0反轉(zhuǎn)）；D2Y向轉(zhuǎn)?？刂莆唬?轉(zhuǎn)動；0停止）；D3Y向方向位（1正轉(zhuǎn)；0反轉(zhuǎn)）。 刀具數(shù)據(jù)：高速鋼圓柱銑刀，直徑mm，斜刀齒數(shù)34。3. 機床進給部件重量估計 軸向（X軸）工作臺，約重220kg=2200N 縱向（Z軸）工作臺約為450kg=4500N 為防止升降臺自行下劃，原機床設(shè)置有單向超越離合器及摩擦片制動器，而且為了保證工件可靠，將摩擦阻力調(diào)到略大于升降臺的重力，在數(shù)控改造后仍要保留此功能，這樣在實際運動時下降的阻力最大，按12KN計算。在數(shù)控銑床上的絲杠傳動，可以用普通的絲杠傳動，也還有應用滾珠絲杠來轉(zhuǎn)動。雖然傳動中的間隙可以用一些辦法來補償，修正，但總是不太穩(wěn)定。滾珠絲杠傳動有一系列的優(yōu)點，但制造工藝較為復雜，成本高，在某些應用上受到一定的限制，但隨著數(shù)控機床的發(fā)展，它的使用將會更加廣泛。 滾珠絲杠和滾珠螺母組成滾珠絲杠螺母副，它是把步進電機的轉(zhuǎn)動－角位移，變換成數(shù)控車床工作臺的的直線位移。絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽,這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線的滾道,滾珠相對于螺母上的滾道滾動,在螺母的螺旋槽兩端應用擋住器擋住,沿著這個回路滾道從新返回到滾道的另一端,可以循環(huán)進行不斷地滾動.滾珠絲杠副的優(yōu)點是:傳動效率高,因為它是滾動摩擦,如功率損耗小,傳動平穩(wěn),磨損小,一是:一般的絲杠傳動總是有間隙,而滾珠絲杠可以消除間隙,所以當絲杠轉(zhuǎn)動反向時,可以沒有空程,提高了反向的定位精度,:一般的絲杠傳動只能使旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動,而滾小,所以既能把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動,也可以從直線運動轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪\動,珠絲杠副由于傳動的摩擦系數(shù)具有傳動的可逆性,因此可以作為主動件,也可以作為從動件.它也有缺點,主要是元件的精度要求高,光潔度要求也高,所以制造工藝很復雜,一般要求磨削成型,因而制造困難,也限制了使用.又由于傳動的可逆性,所以不能自鎖,當應用在垂直傳動裝置時,由于自重和慣性的關(guān)系,在下降過程中不能立刻停止,因此還需要備有制動裝置.滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)盡管在形式上有很多類型，但其主要區(qū)別是在螺紋滾道的型面形狀，滾珠循環(huán)的方式，軸向間隙的調(diào)整和加預緊力的方法等三個方面。滾珠與滾道型面接觸點法線與絲杠軸線的垂線之間的夾角，稱為接觸角（）。對于單圓弧型面的螺紋滾道，接觸角是隨著軸向負載大小而變化的，當軸向負載為零時，接觸角也為零；當負載逐漸增大，接觸角也逐漸增大。（3）雙圓弧型面 雙圓弧型面螺紋滾道的接觸角是不變的。這些空隙雖然能容納一些臟物，但不至于堵塞，反而對滾柱的滾動有利。一般接觸角為，滾道的圓弧半徑也同樣比滾柱的半徑稍大一些。（1）外循環(huán)方式 如圖所示為外循環(huán)方式，滾柱在循環(huán)過程中與絲杠脫離接觸，通過外面的循環(huán)回路稱為外循環(huán)（W系列）。外循環(huán)的結(jié)構(gòu)和制造較為簡單容易，因此應用較廣，他可以制成單列或式雙列兩種的結(jié)構(gòu)形式。這種內(nèi)循環(huán)是在螺母外側(cè)孔中裝了一個接通相鄰滾道的反向器，借助這個反向器迫使?jié)L珠翻過絲杠的牙頂，而進入相鄰的滾道。圖4－2外循環(huán)的滾珠絲杠 圖4－3內(nèi)循環(huán)的滾珠絲杠對于滾珠絲杠副，除了單一方向的進給傳動精度有一定的要求外，對它的軸向間隙也有嚴格的要求，以保證反向傳動的精度。通常采用雙螺母，并加預緊力的方法來消除其軸向間隙。單螺母的滾珠絲杠副是不能調(diào)整軸向間隙和預緊力的，其軸向間隙只能依靠滾珠絲杠副本的精度和安裝時絲杠和螺母的連接精度來保證。但預緊力不能太大，否則會使驅(qū)動力矩增大，傳動效率反而降低，使用壽命也隨之縮短。目前常用的雙螺母預緊力調(diào)整方法有下面三種。墊片的厚度是螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達到消除間隙和產(chǎn)生預緊力的目的。但缺點是調(diào)整很費時，在工作狀態(tài)下不能隨意調(diào)整，因為要更換不同厚度的墊片才能消除間隙，所以是用于一般精度的機構(gòu)中使用。它是一個螺母的外端有凸緣，而另一個螺母的外端沒有凸緣，車有螺紋，它伸出在套筒外，并用兩個圓螺母調(diào)整好間隙后，再用一圓螺母鎖緊螺母鎖緊就可以了。圖4－4墊片調(diào)隙式 圖4－5螺紋調(diào)隙式（3）齒差調(diào)隙式 如圖所示為齒差調(diào)隙式。調(diào)整是先取下內(nèi)齒圓3，轉(zhuǎn)動圓柱齒輪2，在兩個滾柱螺母相對于滾筒5轉(zhuǎn)動時，可以使兩個螺母相互產(chǎn)生角位移，這樣滾柱螺母對于滾珠絲杠的螺旋滾道也相對移動是兩個螺母中的滾柱分別貼近在螺旋滾到的兩個相反的側(cè)面上。 這種結(jié)構(gòu)的特點是調(diào)整精確可靠，定位精度高，但結(jié)構(gòu)復雜，僅在高精度的數(shù)控機床有所應用。 銑削力的計算 根據(jù)機床設(shè)計手冊，對高速鋼圓柱銑刀 其參數(shù)按實際加工過程中平均銑削條件為準則選?。骸ぜ樘间?，取 Z=4所以 對圓柱銑刀逆銑加工 取P= 取 取則： 強度計算 對于燕尾型導軌工作時的軸向力為： 所以：壽命值取= =則最大動負載 Q=3根據(jù)最大動負載Q的值，可查表選取滾珠絲杠的型號。 滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量： 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略。 效率計算 則傳動效率 穩(wěn)定性驗算 由于采用兩端固定，穩(wěn)定性足夠，不再驗算。根據(jù)《機床設(shè)計手冊》選用電機軸直徑為，錐形環(huán)尺寸為d=35mm ，D=40mm ，L=7mm ,l=6mm。通過以上計算可知：（1）錐形夾緊環(huán)聯(lián)軸機構(gòu)必須進行計算，否則如果軸向壓緊力太大，可能超過許用接觸應力，造成零件的損壞，但如果軸向壓緊力太小，則可能造成聯(lián)軸的不可靠，使用中當扭矩過大時發(fā)生“丟步”。（3）為保證合適的軸向力，在禁錮壓緊套時，應控制對螺栓施加的擰緊力矩。 齒輪間隙消除彈簧的計算（X軸） 數(shù)控機床進給系統(tǒng)由于經(jīng)常處于自動變向狀態(tài)，反向時如果驅(qū)動鏈中的齒輪存在間隙，就會使進給運動的反向滯后于指令信號，從而影響其驅(qū)動精度，因此必須采取措施消除齒輪傳動中的間隙，提高加工精度，本例中采用雙片薄齒輪消隙法。 彈簧材料選用碳素彈簧鋼絲二組每根彈簧的拉力為150~160N取力臂值為30毫米，則4根彈簧產(chǎn)生總扭矩值為： ~，能滿足加工中的需要。 未拉伸時彈簧的工作部分長度H=13毫米，拉持點距離，掛鉤孔中心距為 安裝尺寸計算： 以彈簧單圈變形量為1毫米。 運動部分轉(zhuǎn)動慣量計算（X軸） 慣量對運動特性有很大的影響，不但對加速度能力，加速度時驅(qū)動力矩及動態(tài)的快速反應有關(guān)，在閉環(huán)或者半閉環(huán)系統(tǒng)中還往往影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此核算轉(zhuǎn)動慣量很有必要。D為圓柱體直徑；m為質(zhì)量；m=ρπD2L/4；L 柱體為長度；ρ為材料密度，對鋼鐵體可取ρ=103kgm2。m2。m2。 伺服電機的選擇（X向） 根據(jù)設(shè)計計算和整個改造方案，伺服電機110BF003的參數(shù)選擇如下： ，；；最高轉(zhuǎn)速為1500；，重量36千克，理論角加速度為。（2）本機床在改造過程中，盡量減少對機床結(jié)構(gòu)的改動，充分利用原有的結(jié)構(gòu)零件，以減少改造的費用和工作量。 本機床由于原機構(gòu)中絲杠安裝在工作臺滑鞍上，如果將直流伺服電機直接與絲杠連接，將簡化傳動結(jié)構(gòu)，有利于精度的提高，減少轉(zhuǎn)動慣量，摩擦，磨損，損耗；但是由于電機很重，為了避免產(chǎn)生大的傾斜力，有為了使改造后的機床外觀造型協(xié)調(diào)和均衡，本設(shè)計不將X軸伺服電機直接裝在工作臺的滑鞍上，所以需要增加變速箱及相應的傳動級。如果X軸運動是絲杠運動，螺母不動，則傳動齒輪與絲杠之間也需要相對運動，會增加傳動齒輪與絲杠之間的傳動間隙，且不利于消除其間隙。由于伺服電機大，再加上支架等的影響，使一級傳動難以實現(xiàn)，為此在設(shè)計中采用二級傳動。工作臺內(nèi)各齒輪的主要參數(shù)及材料列于表51中。（3） 計算彎曲工作應力 式中； ————計算圓周力，而 其中： ————工作圓周力N————工作狀況系數(shù)，由《設(shè)計手冊》8——7 查知 ————動載荷系數(shù)，因為，由設(shè)計手冊圖8——4知 ————載荷分配系數(shù)，時所以 ————載荷分布系數(shù)，因，故由圖8——5查得則； N ————載荷作用系數(shù) ————螺旋角系數(shù) ————齒寬 mm ————模數(shù) 所以 （4）計算齒輪的彎曲疲勞安全系數(shù) 可靠。校核、齒輪對時。表52 齒輪校核 齒對數(shù) 項目 1彎曲疲勞極限應力300——2接觸疲勞極限應力11001100——3彎曲工作應力211——4接觸工作應力628——5短期過載彎曲強度極限應力8109608106短期過載接觸強度極限應力1858198218587最大彎曲應力3458最大接觸應力97016109彎曲疲勞強度安全系數(shù)——10接觸疲勞強度安全系數(shù)——11短期過載彎曲強度安全系數(shù)12短期過載接觸強度安全系數(shù)已知下列條件：軸的材料為40Cr，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理HB=220250，各齒輪的分度圓直徑分別為：（mm）（mm），（mm）。計算Ⅰ—Ⅰ、Ⅱ—Ⅱ兩截面的安全系數(shù)。M垂直面的彎矩： =542 N