【正文】 產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型，普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。它綜合應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī)、自動控制、伺服驅(qū)動、精密測量和新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等多方面的技術(shù)成果，是今后機(jī)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(jī)槳葉輪廓用檢查樣板的加工機(jī)床任務(wù)時(shí)，提出了研制數(shù)控機(jī)床的初始設(shè)想。并于1952年試制成功世界上第一臺數(shù)控機(jī)床實(shí)驗(yàn)性樣機(jī)。經(jīng)過三年改進(jìn)和自動編程研究，于1955年進(jìn)入實(shí)用階段。到了60年代，由于晶體管的應(yīng)用，數(shù)控系統(tǒng)提高了可靠性且價(jià)格開始下降，一些民用工業(yè)開始發(fā)展數(shù)控機(jī)床，其中多數(shù)是鉆床、沖床等點(diǎn)位控制的機(jī)床。二、數(shù)控機(jī)床的發(fā)展自1952年，美國研制成功第一臺數(shù)控機(jī)床以來，隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動控制和精密測量等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)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(gè)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(jì)算機(jī)控制的系統(tǒng)。目前，第五代微機(jī)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(shí)現(xiàn)的。隨著集成電路規(guī)模的日益擴(kuò)大，光纜通信技術(shù)應(yīng)用于數(shù)控裝置中，使其體積日益縮小，價(jià)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(jī)床為基礎(chǔ)，它們代表著數(shù)控機(jī)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(jī)等獲得成功。19721979年是數(shù)控機(jī)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(shí)施，先后從日本、美國、德國等國家引進(jìn)先進(jìn)的數(shù)控技術(shù)。在引進(jìn)、消化、吸收國外先進(jìn)技術(shù)基礎(chǔ)上，北京機(jī)床研究所又開發(fā)出BSO3經(jīng)濟(jì)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(jī)床已跨入一個(gè)新的發(fā)展階段。對單臺主機(jī)不僅要求提高其柔性和自動化程度，還要求具有進(jìn)入更高層次的柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的適應(yīng)能力。它們的數(shù)控系統(tǒng)都采用了16位和32位微機(jī)處理機(jī)、標(biāo)準(zhǔn)總線及軟件模塊和硬件模塊結(jié)構(gòu)，內(nèi)存容量擴(kuò)大到1MB以上，高速進(jìn)給可達(dá)100m/min,控制軸數(shù)可達(dá)16個(gè)，并采用先進(jìn)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(yùn)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(diǎn)漂移、溫度漂移等弱點(diǎn)。我國是擁有300多萬臺機(jī)床的國家。因此，盡快將我國現(xiàn)有一部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動化和精密化改裝，是我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的課題。它是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上。而且所投入的改造費(fèi)用低，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3至1/5，用戶承擔(dān)的起。因此，我國提出從大力推廣經(jīng)濟(jì)型數(shù)控這一中間技術(shù)的基礎(chǔ)上，再逐步推廣全功能數(shù)控這條道路，適合我國的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。第一章 CA6140車床微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案的擬定數(shù)控技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心，是制造業(yè)實(shí)現(xiàn)自動化、網(wǎng)絡(luò)化、柔性化、集成化的基礎(chǔ)。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)總體方案的擬定應(yīng)包括以下內(nèi)容：系統(tǒng)運(yùn)動方式的確定，伺服系統(tǒng)的選擇、執(zhí)行機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)及傳動方式的確定，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。11 總體方案確定一、系統(tǒng)的運(yùn)動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床應(yīng)具有定位、直線插補(bǔ)、順、逆圓插補(bǔ)、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(biāo)軸運(yùn)動有確定的函數(shù)關(guān)系，即刀具以給定的速率相對于工件沿加工路徑運(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。X52K型銑床改造屬于經(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)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)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(jī)床設(shè)計(jì)，且閉環(huán)控制系統(tǒng)的造價(jià)昂貴。由于MCS51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(jià)格比等特點(diǎn)，因此采用MCS51系列的8031單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床狀態(tài)等信息。同時(shí)，為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副機(jī)構(gòu)。12 設(shè)計(jì)XY數(shù)控工作臺及其控制系統(tǒng)計(jì)任務(wù)及參數(shù)在任務(wù)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(dǎo)軌。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍采用高性能價(jià)格比的MCS51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。其主要設(shè)計(jì)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(jìn)給速度: 縱向 橫向 主電機(jī)功率 起動加速時(shí)間 30ms機(jī)床定位精度: 177?，F(xiàn)分述如下：21 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量的選擇一個(gè)進(jìn)給脈沖，使機(jī)床運(yùn)動部件產(chǎn)生位移量，也稱為機(jī)床的最小設(shè)定單位?！?。22 切的計(jì)算削力在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算傳動和導(dǎo)向元件，選用伺服電機(jī)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(jì)算。結(jié)構(gòu)類型確定之后，再計(jì)算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括：公稱直徑d0（絲杠外徑d）、導(dǎo)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(diǎn)是：螺旋槽同通孔不易連接準(zhǔn)確，擋珠器鋼性差、耐磨性差。本設(shè)計(jì)采用雙螺母螺紋式預(yù)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(jìn)給絲杠(N)作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力以及移動部件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力?？v向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)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(fù)力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù),綜合導(dǎo)軌取K=。 溜板及刀架重力: =1000 N.利用滾珠絲杠副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)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(diǎn)蝕現(xiàn)象。 最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的(～),此處= 使用壽命,按15000h。 壽命，以10轉(zhuǎn)為1個(gè)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(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動的平穩(wěn)性因此應(yīng)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(dǎo)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(yàn)算，主要是前三種變形量，他們的和應(yīng)不大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半，否則，應(yīng)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(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的。其實(shí)際變形量(㎜)為:==10(2)滾珠與螺紋滾道接觸變形查圖47, : =因進(jìn)行了預(yù)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(yīng)為 因施加預(yù)緊力,故 ===㎜根據(jù)以上計(jì)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(jìn)給絲杠橫向?qū)к墳檠辔残?計(jì)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(jìn)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(yù)緊，螺母及軸承預(yù)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(dǎo) 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(jì)算已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量==6㎜，初選步進(jìn)電機(jī)步距角176?？捎?jì)算傳動比 : ===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(jìn)給運(yùn)動齒輪受力不大，模數(shù)取2。一、縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)計(jì)算計(jì)算見圖21，傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的慣量（㎏㎝）。㎝）。㎝）。㎝。=102=㎏=*1082=㎏㎝=1000 N代入上式： =++=10++=㎏機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)距不同，下面按個(gè)階段計(jì)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(shí)間 =30 ==10= N㎝附加摩擦力矩： == ===153 N㎝（2）快速移動時(shí)所需力矩快 快=+=94+153=247 N㎝從上面的計(jì)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(jìn)電機(jī)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(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動距頻特性和運(yùn)行距頻特性。當(dāng)快速運(yùn)動和切削進(jìn)給時(shí)，130BF001型步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行矩頻特性（圖24）完全可以滿足要求。繪制進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械裝配圖在完成運(yùn)動及動力計(jì)算后，以后確定了滾珠絲杠螺母副、步進(jìn)電機(jī)型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)、軸承型號之后，就可以畫機(jī)械裝配圖。在兩個(gè)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(jìn)給牽引力 (N)。2 . 初選步進(jìn)電機(jī)型號 根據(jù)=，其中，,..3 . 等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算 根據(jù)簡圖 ，即圖（2），計(jì)算傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量運(yùn)動件的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計(jì)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(jī)轉(zhuǎn)矩計(jì)算 機(jī)床在不同的工況下,在,下面分別按各階段計(jì)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(jì)算公式如下： 又： 代入得： 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩:）式中：η—傳動鏈總效率,~。 —貼塑導(dǎo)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(yù)加負(fù)荷,一般取1/3Fm,Fm為進(jìn)給牽引力(N)。計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起