【正文】 產(chǎn)和科學技術的迅速發(fā)展，機械產(chǎn)品日趨精密復雜，且需頻繁改型，普通機床已不能適應這些要求，數(shù)控機床應運而生。它綜合應用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機械結(jié)構(gòu)等多方面的技術成果，是今后機床控制的發(fā)展方向。1948年，美國帕森斯公司在研制加工直升機槳葉輪廓用檢查樣板的加工機床任務時，提出了研制數(shù)控機床的初始設想。并于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機床實驗性樣機。經(jīng)過三年改進和自動編程研究，于1955年進入實用階段。到了60年代，由于晶體管的應用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點位控制的機床。二、數(shù)控機床的發(fā)展自1952年，美國研制成功第一臺數(shù)控機床以來，隨著電子技術、計算機技術、自動控制和精密測量等相關技術的發(fā)展，數(shù)控機床也在迅速地發(fā)展和不斷地更新?lián)Q代，先后經(jīng)歷了五個發(fā)展階段。第二代數(shù)控：從1959年開始采用晶體管電路的NC系統(tǒng)。第四代數(shù)控：從1970年開始采用大規(guī)模集成電路的小型通用電子計算機控制的系統(tǒng)。目前，第五代微機數(shù)控系統(tǒng)基本上取代了以往的普通數(shù)控系統(tǒng)，形成了現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)。這些控制功能是由一系列控制程序來實現(xiàn)的。隨著集成電路規(guī)模的日益擴大，光纜通信技術應用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價格逐年下降，可靠性顯著提高，功能也更加完善。所有這些高級的自動化生產(chǎn)系統(tǒng)均是以數(shù)控機床為基礎，它們代表著數(shù)控機床今后的發(fā)展趨勢。從1965年開始，研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)，直到60年代末和70年代初，研制的劈錐數(shù)控銑床、非圓錐插齒機等獲得成功。19721979年是數(shù)控機床的生產(chǎn)和使用階段。從80年代初開始，隨著我國開放政策的實施，先后從日本、美國、德國等國家引進先進的數(shù)控技術。在引進、消化、吸收國外先進技術基礎上，北京機床研究所又開發(fā)出BSO3經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)和BSO4全功能數(shù)控系統(tǒng)，航空航天部706所研制出MNC864數(shù)控系統(tǒng)等。我國的數(shù)控機床已跨入一個新的發(fā)展階段。對單臺主機不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計算機集成制造系統(tǒng)的適應能力。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微機處理機、標準總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴大到1MB以上，高速進給可達100m/min,控制軸數(shù)可達16個，并采用先進的電裝工藝。交流傳動已由模擬式向數(shù)字式方向發(fā)展，以運算放大器等模擬器件為主的控制器正在被以微處理器為主的數(shù)字集成元件所取代，從而克服了零點漂移、溫度漂移等弱點。我國是擁有300多萬臺機床的國家。因此，盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設備技術改造迫切要求解決的課題。它是建立在微電子現(xiàn)代技術與傳統(tǒng)技術相結(jié)合的基礎上。而且所投入的改造費用低，一套經(jīng)濟型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3至1/5，用戶承擔的起。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟型數(shù)控這一中間技術的基礎上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經(jīng)濟水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設備技術改造主要方向之一。第一章 CA6140車床微機數(shù)控系統(tǒng)總體設計方案的擬定數(shù)控技術是先進制造技術的核心，是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡化、柔性化、集成化的基礎。機床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。11 總體方案確定一、系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控銑床應具有定位、直線插補、順、逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，由于在銑削加工中，要求工作臺或刀具沿各坐標軸運動有確定的函數(shù)關系，即刀具以給定的速率相對于工件沿加工路徑運動，所以不能選用點位系統(tǒng)，因為點位控制系統(tǒng)要求工件相對于刀具移動過程中不進行切削。X52K型銑床改造屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床，加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)，因閉環(huán)控制系統(tǒng)適用于精度要求較高的機床設計，且閉環(huán)控制系統(tǒng)的造價昂貴。由于MCS51系列單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快、抗干擾能力強、具有很高的性能價格比等特點，因此采用MCS51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。同時，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠副機構(gòu)。12 設計XY數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)計任務及參數(shù)在任務書中已經(jīng)給出。這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易。此工作臺采用滾珠絲杠螺母副和滾動導軌。計算機系統(tǒng)仍采用高性能價格比的MCS51系列單片機擴展系統(tǒng)。其主要設計參數(shù)如下：加工最大直徑：在床面上 φ400㎜ 在床鞍上 φ210㎜加工最大長度：1000㎜溜板及刀架重力： 縱向 1000N 橫向 600N刀架快速速度: 縱向 橫向 最大進給速度: 縱向 橫向 主電機功率 起動加速時間 30ms機床定位精度: 177?，F(xiàn)分述如下：21 系統(tǒng)脈沖當量的選擇一個進給脈沖，使機床運動部件產(chǎn)生位移量，也稱為機床的最小設定單位?！?2 切的計算削力在設計機床進給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導向元件，選用伺服電機等都需要用到切削力，下面介紹數(shù)控車床中的切削力的計算。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計算和確定其他技術參數(shù)，包括：公稱直徑d0（絲杠外徑d）、導程L0、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)K、精度等級等。如參考書[1]中的圖44所示。為防止?jié)L珠脫落，螺旋槽用鋼套蓋住。擋珠器用圓鋼彎成弧形桿，并焊上螺栓，用螺帽固定在螺母上。缺點是：螺旋槽同通孔不易連接準確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。本設計采用雙螺母螺紋式預緊結(jié)構(gòu)，它通過調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。一、縱向進給絲杠(N)作用在滾珠絲杠上的進給率引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動部件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力?？v向進給為綜合型導軌由前所知： =1340 N=5360 N=1000 N== 得：(N)= +(+G) =1340+(5360+1000)=2559 N式中 —考慮顛復力矩影響的實驗系數(shù),綜合導軌取K=。 溜板及刀架重力: =1000 N.利用滾珠絲杠副的直徑d0時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）后在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。 最大切削力下的進給速度，可取最高進給速度的(～),此處= 使用壽命,按15000h。 壽命，以10轉(zhuǎn)為1個單位。39′摩擦角取10′～將各數(shù)據(jù)帶入上式得： η==滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性因此應考慮以下引起軸向變形的因素：絲杠的拉伸或壓縮變形量；滾珠與螺紋滾道間的接觸變形；支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形；滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導程的變化量；和螺母座及軸承支座的變形。因此滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是前三種變形量，他們的和應不大于機床精度要求允許變形量的一半，否則，應考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。最大牽引力為2559 =1500㎜，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的。其實際變形量(㎜)為:==10(2)滾珠與螺紋滾道接觸變形查圖47, : =因進行了預緊, ===(3)支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用8107型推力球軸承，=35㎜,滾珠體直徑=㎜,滾動體數(shù)量=18, = = (㎜)注意,此公式中單位應為 因施加預緊力,故 ===㎜根據(jù)以上計算:=++=++ =㎜定位精度滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核.二、 橫向進給絲杠橫向?qū)к墳檠辔残?計算如下:由前所知：=1072 N =670 N =2680 N = 600 N = 得：=+(+2+)=670+(2680+21072+600)2023 N===30===27==2023=7283 N從附錄A表3中查出, WL3506 ,額定動載荷為9700 N,可滿足要求，選定精度為3級.η===橫向進給絲杠支承方式如圖22所示，最大牽引力為2425 N，支承間距=450㎜，因絲杠長度較短，不需預緊，螺母及軸承預緊。截面慣性矩(㎝)絲杠: =,為絲杠內(nèi)徑。絲杠支承方式系數(shù),從表413中查出，一端固定,一端簡支= ===㎝===78214 N===[](一般[]=～4)此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。其幾何參數(shù)如下:名稱符號W1L2506W1L2005螺紋滾道公 稱 直 徑2520導 程65接 觸 角鋼 球 直 徑滾道法面半徑偏 心 距螺 紋 升 角螺桿螺 桿 外 徑螺 桿 內(nèi) 徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋直徑螺 母 內(nèi) 徑24 齒輪傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量==6㎜，初選步進電機步距角176?？捎嬎銈鲃颖?: ===考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程,故此處可采用兩級齒輪降速: === =2===25因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)取2。一、縱向進給步進電機計算計算見圖21，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的慣量（㎏㎝）。㎝）。㎝）。㎝。=102=㎏=*1082=㎏㎝=1000 N代入上式： =++=10++=㎏機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面按個階段計算：（1） 快速空載起動力矩起 。=10= =將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。起動加速時間 =30 ==10= N㎝附加摩擦力矩： == ===153 N㎝（2）快速移動時所需力矩快 快=+=94+153=247 N㎝從上面的計算可以看出，起、快和切三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以次作為初選步進電機的依據(jù)。最大靜力矩=按此最大靜轉(zhuǎn)距從表查出， N大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動距頻特性和運行距頻特性。當快速運動和切削進給時，130BF001型步進電機運行矩頻特性（圖24）完全可以滿足要求。繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖在完成運動及動力計算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進電機型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫機械裝配圖。在兩個薄片齒輪1和2上分別裝上耳座3和8，彈簧4的一端鉤在耳座3上，另一端鉤在耳座8的螺釘7上。彈簧的彈力使薄齒輪1和2的左、右齒面分別與寬齒輪的齒槽左、右齒側(cè)面貼緊，消除了齒側(cè)間隙。 —進給牽引力 (N)。2 . 初選步進電機型號 根據(jù)=，其中，,..3 . 等效轉(zhuǎn)動慣量計算 根據(jù)簡圖 ，即圖（2），計算傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量運動件的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算: 式中 、—齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量 () —滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 () = 式中 D—圓柱體直徑(cm)。 代入上式: 4. 電機轉(zhuǎn)矩計算 機床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計算:1) 快速空載起動慣性矩在快速空載起動階段，加速力矩所占的比例較大，具體計算公式如下： 又： 代入得： 折算到電機軸上的摩擦力矩:）式中：η—傳動鏈總效率,~。 —貼塑導軌摩擦系數(shù)，取=附加摩擦力矩：式中：η—傳動鏈總效率,~。Fpo—滾珠絲杠預加負荷,一般取1/3Fm,Fm為進給牽引力(N)。計算步進電機空載起