【正文】 向絲桿換上滾珠絲桿，但在現(xiàn)在的滾珠絲桿系列中選出合適的絲桿副比較困難，需特制滾珠絲桿副的絲桿軸不是整體的，而是采用分移式，然后采用聯(lián)軸器聯(lián)接；另一種方法仍采用原絲桿，這樣做就避免了特制滾珠絲桿副的麻煩，減少成本，但需要電氣補(bǔ)償絲桿精度和反向間隙的措施。主軸箱的設(shè) 計(jì)：由于本設(shè)計(jì)可在不對(duì)主軸改動(dòng)的情況下滿足要求，因此主軸不改動(dòng)以降低成本。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能好壞直接影響整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的性能。數(shù)控系統(tǒng)中關(guān)鍵部分為控制裝置。因?yàn)樽孕性O(shè)計(jì)制作不但費(fèi)時(shí)且不經(jīng)濟(jì)。單作為畢業(yè)設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)采用第一種方法即自行設(shè)計(jì)數(shù)控裝置。 目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的 CPU芯片有 808 808 8028 8038 809 8096 等16 為機(jī)的 CPU，也有采用 8080、 Z80 和 805 803 8751 等 8 位機(jī)的 CPU。完全能滿 足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床過(guò)改造需要。 總體設(shè)計(jì)方案的確定 經(jīng)過(guò)總體方案的論證后，確定的 CA6136 車床經(jīng)濟(jì)型改造的總體方案如圖 22 所示，車床主軸的轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的功能，即手動(dòng)變速。刀架改裝成由微機(jī)控制的經(jīng) 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的自動(dòng)控制的自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀架。每轉(zhuǎn)發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)和一個(gè)同步信號(hào)，經(jīng)隔離電力以及 I/O 接口送給微機(jī)。其設(shè)計(jì)過(guò)程如下： 主軸箱的傳動(dòng)系統(tǒng)圖如 下圖 CA6136 臥式車床傳動(dòng)系統(tǒng)圖左邊部分所示。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式，這樣可減小改裝現(xiàn)場(chǎng)，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)給整體剛性略優(yōu)于以前。為了在齒輪傳動(dòng)中消除間隙，實(shí)現(xiàn)微量自動(dòng)補(bǔ)償以提高傳動(dòng)精度，選用雙片薄齒輪調(diào)隙、可調(diào)拉簧 式結(jié)構(gòu)。縱、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，雙片齒輪間沒(méi)有加彈簧自動(dòng)消除間隙，因?yàn)閺椈傻膹椓茈y適應(yīng)負(fù)載的變化情況。為此采用人工定期調(diào)整螺釘緊固的辦法來(lái)消除間隙。 刀架部分是機(jī)床的重要功能部件，對(duì)其進(jìn)行改裝主要是為了實(shí)現(xiàn)多刀夾持，自動(dòng)轉(zhuǎn)位。刀架選用常州市宏達(dá)機(jī)床數(shù)控設(shè)備廠生產(chǎn)的 LD4B。該刀架具有重復(fù)定位精度高、剛性好、使用壽命長(zhǎng)、工藝性好等特點(diǎn)。 改裝后的機(jī)床總體布置請(qǐng)參看所畫機(jī)床總體布置圖。 CA6136 車床數(shù)控改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 20 一．切削力計(jì)算 圖 41 進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖 （ a）縱向進(jìn)給 （ b）橫向進(jìn)給 車削抗力分析 車削外圓時(shí)的切削抗力 Fx、 Fy及 Fz如圖所示，主切削力 Fz與切削速度 V 的方向一致，垂直向下，是計(jì)算主軸電機(jī)車削功率的主要依據(jù)。進(jìn)給抗力 Fx 與進(jìn)給方向平行且相反指 向，設(shè)計(jì)或校核進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要用到它。 縱向切削外圓時(shí)，車床的主切削力 Fz可以用下式計(jì)算： Fz= （ N） 《機(jī)械加工工藝手冊(cè)》 則： Fz= （ N） =? 360 ＝ 4577N 進(jìn)給抗力 Fx和切深力可按下列比例分別計(jì)算： Fz： Fx： Fy = 1： ： Fx = Fz =4577 = 1145 N Fy = Fz = 4577 =1831 N 因?yàn)檐嚨堆b夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上。因此，作用在進(jìn)給拖板上的載荷可以按下式求得： 拖板上進(jìn)給方向載荷 Fl=Fx=1145N 拖板上垂直方向載荷 Fv=Fz=4577N 拖板上橫向載荷 Fc=Fy=1831N 、滾珠絲桿副的設(shè)計(jì) 因?yàn)闈L珠絲桿副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，所以滾珠絲桿副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲桿副型號(hào)的選擇。 CA6136 車床數(shù)控改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 22 設(shè)計(jì)步驟： 計(jì)算作用在滾珠絲桿上的最大動(dòng)負(fù)荷。 根據(jù)具體工作要求，對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸、循環(huán)方式、調(diào)隙方法及傳動(dòng)效率等方面的要求，從中再挑出比較合適的直徑、導(dǎo)程、滾珠列數(shù)等，確定某一型號(hào)。如不滿足要求，則需另選其他型號(hào)，再作上述計(jì)算與驗(yàn)算，直到滿足要求為止。 在本設(shè)計(jì)中，車削縱向?qū)к壊捎萌切螌?dǎo)軌。 滾珠絲桿最大動(dòng)載荷 C 可用下式計(jì)算： C= 3L fm Fm 《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》 式中： L——工作壽命，單位為 106 r， L=60nt/106 fm——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取 1—，一般情況下取 —，有沖擊振動(dòng)取—，此處取 fm= Fm——滾珠絲桿工作載荷（ N） n——絲桿轉(zhuǎn)速（ r/min）， n=1000v/L0 t——額定使用壽命（ h），可取 1500h v——最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高進(jìn)給速度的 1/2—1/3 L0 ——絲桿基本導(dǎo)程，可根據(jù)快進(jìn)速度 Vmax和絲桿最大轉(zhuǎn) nmax初選一數(shù)值（ L0 大于或等于 Vmax/nmax），此處選取 L0 為 10mm，待剛度驗(yàn)算后再確定。即考慮滾珠絲桿杠的額定靜載荷 Coa 是否充分地超過(guò)了滾珠絲桿的工作載荷 Fm，一般使 Coa/Fm=2~3。 由《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》零件設(shè)計(jì)部分查表得，可采用滾珠絲杠螺母副 1 列 圈，其額定動(dòng)負(fù)載為 22021Kgf,選定精度等級(jí)為 4 級(jí)。33′ 螺 桿 螺桿外徑 d D=dm(～ )dq=24mm 螺桿內(nèi)徑 di di=dm+2e2R= 螺桿接觸直徑 dz dz=dmdqcos? = 螺 母 螺母螺紋外徑 D D=dm+2R2e= 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） Di di=dm+(～ )dq=40mm c、傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠螺母副的傳動(dòng)效率 ? 為 ?= tg? /tg（ ? +? ） 式中： ? ——絲桿螺旋升角，可根據(jù)初選型號(hào)查出 ?——摩擦角，滾珠絲桿副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) f=~，其摩擦角約等于 10 。滾珠絲桿副的軸向變形包括絲桿的拉壓變形、絲桿和螺母之間滾道的接觸變形、絲桿的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形。螺母座只要設(shè)計(jì)合理，其變形量也可忽略不計(jì)。可供滾珠絲桿杠支承使用的滾珠軸承種類很多，目前占優(yōu)勢(shì)的有：接觸為 60 的推力角接觸球軸承 ，可以背靠背或面對(duì)面組配，還可以三聯(lián)組配、四聯(lián)組配等，以提高剛度和承載能力；滾針 ——推力圓柱滾子組合軸承，從雙向軸承支承絲桿，剛度好、多用于重載。下圖所示，為縱向進(jìn)給滾珠絲桿杠支承方式草圖。 (1)絲桿的拉壓變形量 δ1 為： δ1 =177。FmLo/EA =177?！?”號(hào)用于拉伸， “”號(hào)用于壓宿 (2)滾珠 與螺紋滾道間的變形量 δ2 有預(yù)緊時(shí)： δ2 =?ZFD YJW DW 為滾珠直徑（ mm）； Z? 為滾珠總數(shù)量、 Z? =Z?圓數(shù) ?列數(shù)； FYJ 為預(yù)緊力； δ2 = δ1 +δ2 所以絲桿的剛度符合要求。所以絲桿符合穩(wěn)定條件。 已知脈沖當(dāng)量 ? p，滾珠絲桿杠導(dǎo)程 Lo=8mm，初選步進(jìn)電機(jī)的步距角 ? b 后，可以依據(jù)下式計(jì)算出齒輪傳動(dòng)比 i，即 i =? b Lo/360? p 縱向進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算： 已確定縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量 ? p =，滾珠絲桿導(dǎo)程 Lo=10mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角 ? b = ，可計(jì)算傳動(dòng)比 i， i = ? b Lo/360? p =8/（ 360） ≈ 計(jì)算出 i〈 5，因此可以采用一級(jí)傳動(dòng)。經(jīng)校核均合格，其校核過(guò)程從略。 CA6136 車床數(shù)控改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 26 ： 步進(jìn)電機(jī)選型主要考慮三個(gè)問(wèn)題： （ 1）步距角 ? b 要滿足脈沖當(dāng)量的要求。 （ 3）啟動(dòng)轉(zhuǎn)距與啟動(dòng)頻率，工作運(yùn)行轉(zhuǎn)距與運(yùn)行頻率必須滿足所選電機(jī)型號(hào)相應(yīng)的啟動(dòng)距率特性和工作距頻特性。 （ 2）矩頻特性 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 M jmax 是指電機(jī)的 定位轉(zhuǎn)矩（靜止?fàn)顟B(tài)），其值可根據(jù)初選的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，從《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 211 查得 Mjmax =，步進(jìn)電機(jī)的名義啟動(dòng)轉(zhuǎn)距 Mmp 與最大靜轉(zhuǎn)距 Mjmax 有《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 212 所示的關(guān)系： 即 Mmq =? Mjmax 由《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)》表 212，得 ? =，所以 Mmq == 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)是指電機(jī)在沒(méi)有外加工作負(fù)荷下的啟動(dòng)，步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩可按下式計(jì)算： Mkp = Mka + M kf + Mo 式中： Mkp ——空載啟動(dòng)力矩（ ） Mka ——空載啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上加速力矩（ ） M kf ——空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力距（ ） Mo ——由于絲桿預(yù)緊，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力距（ ） 初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟 動(dòng)轉(zhuǎn)距，即： Mkp ≤Mmq =? Mjmax 有關(guān) Mkp 的各項(xiàng)計(jì)算如下： ① 加速力矩 Mka =J∑? =J∑2? nmax/（ 60t102 ）（ ） 式中： J∑——傳動(dòng)系統(tǒng)個(gè)部件慣量折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 第四章 機(jī)械部分設(shè)計(jì)與計(jì)算 27 ——電機(jī)最大加速度（ rad/s2 ） nmax——運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（ r/min） t——運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間（ s），假設(shè) t=1s Vmax——運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度（ mm/min） p——脈沖當(dāng)量（ mm/脈沖） b——部件電機(jī)的步距角 nmax= Vmax? b/? p360（ r/min） =10 （ 360） =（ r/min） Mka =2? nmax/（ 60t102 ） =2? （ 601102 ） =（ rad/s2 ） J? =JD +J1 +[J2 +Js+（ Lo/2? ） 2 M]（ Z1 /Z2 ） 2 （㎏ .c ㎡） 式中： JD ——電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由初選的電機(jī)型號(hào)查《機(jī)電綜合設(shè) 計(jì)指導(dǎo)》表 211得 JD =（㎏ .c ㎡） J1 ——小齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J2 ——大齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Js——滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 M——工作太質(zhì)量（㎏）， M=800/=（㎏） Lo——絲桿導(dǎo)程（ cm） Z1 ——齒輪 1 的齒數(shù) Z2 ——齒輪 2 的齒數(shù) 對(duì)材料為鋼的圓柱形零件，其 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算 J=10 D L（㎏ .c ㎡） 式中： D——圓柱體直徑（ cm） L——圓柱體長(zhǎng)度（ cm） J1 =10 4? 1=10 4? （㎏ .c ㎡） J2 =10 4? 1=（㎏ .c ㎡） Js=10 4? 100=（㎏ .c ㎡） 即： J? = JD + J1 +[ J2 +Js+（ Lo/2? ） 2 M]（ Z1 / Z2 ） 2 （㎏ .c ㎡） =+10 4? +[++（ 1/2 ? ） 2 ]（ 18/72） 2 =（㎏ .c ㎡） 加速力矩： Mka = J? ? CA6136 車床數(shù)控改造及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 28 = =（ ） ② 空載摩擦力距： M kf =GfLo/2? ? i =800818/（ 2 ? 72） =（ ） 式中： G——運(yùn)動(dòng)部件的總重力（ N） f ——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， f= i ——齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)降速比 ? ——傳動(dòng)系數(shù)總效率，一般取 ? =～ ，取 ? = Lo——滾珠絲桿的基本導(dǎo)程（ cm） ③ 附加摩擦力矩： Mo=F YJ Lo（ 1? o2 ） /2? ? i =（ ） 18/（ 32? 72） = 式中： F YJ ——滾珠絲桿預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取 Fm的 1/3， Fm為進(jìn)給牽引力（ N） ?o ——滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 ? o≥ Lo——滾珠絲桿的基本