XA5032普通立式升降臺銑床改造成三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計,XA5032普通立式升降臺銑床改造成三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計,xa5032,普通,立式,升降臺,銑床,造成,坐標(biāo),數(shù)控,設(shè)計
目 錄
摘要 I
Abstract II
第一章 緒論 1
1.1數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢 1
1.2數(shù)控銑床加工的基本原理 2
1.3數(shù)控加工工藝設(shè)計 3
1.4機床數(shù)控化改造的必要性 4
1.4.1微觀看改造的必要性 4
1.4.2宏觀看改造的必要性 5
第二章 設(shè)計方案的確定 6
2.1 設(shè)計任務(wù) 6
2.2 總體設(shè)計方案的確定 6
2.2.1 動力的選定 6
2.2.2 控制部分的設(shè)計 7
第三章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 8
3.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成 8
3.2 單板機控制系統(tǒng)的設(shè)計 9
3.3步進(jìn)電機控制程序設(shè)計 9
第四章 機械部分改造與計算 11
4.1 原始數(shù)據(jù)分析 11
4.2 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計（X向） 11
4.2.1滾珠絲杠副的傳動原理 12
4.2.2滾珠絲杠副的傳動特點 12
4.2.3滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整 12
4.2.4軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法 14
4.2.5 銑削力的計算 16
4.2.6 強度計算 16
4.2.7剛度驗算 17
4.2.8 效率計算 17
4.2.9 穩(wěn)定性驗算 18
4.3錐形夾緊機構(gòu)的設(shè)計計算（X向） 18
4.4 齒輪間隙消除彈簧的計算（X軸） 20
4.5 運動部分轉(zhuǎn)動慣量計算（X軸） 21
4.6 伺服電機的選擇（X向） 22
第五章 零件的設(shè)計與計算 23
5.1齒輪的設(shè)計與校核 23
5.1.1 Z、Z齒輪的強度校核 24
5.1.2其他齒輪對的強度校核 29
5.2軸系零部件的強度校核與壽命計算 31
第六章 經(jīng)濟(jì)分析 33
第七章 數(shù)控加工與典型零件加工程序設(shè)計 34
7.1數(shù)控加工工藝特點 34
7.1.1數(shù)控加工工藝的內(nèi)容 34
7.1.2數(shù)控加工工藝的特點 34
7.2數(shù)控加工工藝分析與設(shè)計 35
7.2.1數(shù)控加工的合理性分析 35
7.2.2零件的工藝性分析 36
7.2.3確定工藝過程和工藝路線 37
7.2.4選擇刀具和切削用量 37
7.3零件加工程序設(shè)計列舉 38
7.3.1數(shù)控銑床的加工對象 38
7.3.2零件加工程序設(shè)計舉例 39
結(jié) 論 42
致謝 43
參考文獻(xiàn) 44
摘要
20世紀(jì)中葉數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床的誕生標(biāo)志著生產(chǎn)和控制領(lǐng)域的一個嶄新時代的到來。
科學(xué)技術(shù)和社會生產(chǎn)力的迅速發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程的自動化成為實現(xiàn)上述要求的最重要的措施之一。它不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量、提高生產(chǎn)率、降低生產(chǎn)成本，還能夠極大地改善生產(chǎn)者的勞動條件。
數(shù)控機床的工作過程是將加工零件的幾何信息和工藝信息進(jìn)行數(shù)字化處理，即對所有的操作步驟和刀具與工件之間的相對位移，以及進(jìn)給速度等都用數(shù)字化的代碼表示。
而經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控改造則對數(shù)控機床有了更新的要求。即在不改變原來功能的前提條件下，還要特別講究經(jīng)濟(jì)性、可靠性、性能優(yōu)越等。所以，在改造的同時，盡量不要改變原來的結(jié)構(gòu)。
關(guān)鍵詞：生產(chǎn)率 經(jīng)濟(jì)型 可靠性
Abstract
Naissance that 20 century middle period few technique is with the few machine the bed scribe to produce with control coming of a brand-new ages of realm.
The science technique bring upped with rate of production to the quantity of the machine product with the quick development of the social productivity more and more high request.The automation that machine process the craft process one of the most important measure of becoming to realizes the above requests.It can not only increase the product quantity,increase the rate of production ,lower the production cost ,and can be still biggest ameliorative production of labor term.
Work process that few machine the bed will process the spare parts several why the information proceedswith the craft informations the arithmetic figure handle,then operation allly the step have with knife with of the work piece the code for of opposite moving,and entering giving the speed waiting all using the arithmetic figure mean.But few of the economic types then reform the logarithms achine bed contain new request.
Namely still want the superior etc.of particular about and economic,dependable,function under not changes originally the function’s prior condition.Therefore,at reform at the same time ,and as far as possible don’t change original construction.
Key words: Rate of production Economic type Dependable
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第1章 緒 論
1.1數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展及趨勢
1946年誕生了世界上第一臺電子計算機，這表明人類創(chuàng)造了可增強和部分代替腦力勞動的工具。它與人類在農(nóng)業(yè)、工業(yè)社會中創(chuàng)造的那些只是增強體力勞動的工具相比，起了質(zhì)的飛躍，為人類進(jìn)入信息社會奠定了基礎(chǔ)。6年后，即在1952年，計算機技術(shù)應(yīng)用到了機床上，在美國誕生了第一臺數(shù)控機床。從此，傳統(tǒng)機床產(chǎn)生了質(zhì)的變化。近半個世紀(jì)以來，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了兩個階段和六代的發(fā)展。
1數(shù)控NC階段（1952年-1970年）
早期計算機的運算速度低，對當(dāng)時的科學(xué)計算和數(shù)據(jù)處理影響還不大，但不能適應(yīng)機床實時控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數(shù)控系統(tǒng)，被稱為硬件連接數(shù)控（HARD-WIRED NC），簡稱為數(shù)控（NC）。隨著元器件的發(fā)展，這個階段經(jīng)歷了三代，即1952年的第一代—電子管；1959年的第二代—晶體管；1965年的第三代—小規(guī)模集成電路。
2計算機數(shù)控（CNC）階段（1970年-現(xiàn)在）
到1970年，通用小型計算機業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，從此進(jìn)入了計算機數(shù)控（CNC）階段（把計算機前面應(yīng)有的“通用”兩個字省略了）。到1971年，美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件—運算器和控制器，采用大規(guī)模集成電路技術(shù)集成在一塊芯片上，稱之為微處理器（MICROPROCESSOR），又可稱為中央處理單元（簡稱CPU）。
到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因為小型計算機功能太強，控制一臺機床能力有富裕（故當(dāng)時曾用于控制多臺機床，稱之為群控），不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高，但可以通過多處理器結(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件，故仍稱為計算機數(shù)控。
到了1990年，PC機（個人計算機，國內(nèi)習(xí)慣稱微機）的性能已發(fā)展到很高的階段，可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。
總之，計算機數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代—小型計算機；1974年的第五代—微處理器和1990年的第六代—基于PC（國外稱為PC-BASED）。
還要指出的是，雖然國外早已改稱為計算機數(shù)控（即CNC）了，而我國仍習(xí)慣稱數(shù)控（NC）。所以我們?nèi)粘Ｖv的"數(shù)控"，實質(zhì)上已是指"計算機數(shù)控"了。
3.數(shù)控未來發(fā)展的趨勢
(1) 繼續(xù)向開放式、基于PC的第六代方向發(fā)展
基于PC所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路。至少采用PC機作為它的前端機，來處理人機界面、編程、聯(lián)網(wǎng)通信等問題，由原有的系統(tǒng)承擔(dān)數(shù)控的任務(wù)。PC機所具有的友好的人機界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊，遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。
(2) 向高速化和高精度化發(fā)展
這是適應(yīng)機床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。
(3) 向智能化方向發(fā)展
隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。
1.2數(shù)控銑床加工的基本原理
數(shù)控控制（Numerical Control）是用數(shù)字化信號對機床的運動及其加工過程進(jìn)行控制的一種控制方法。
數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中的一門新型的，發(fā)展十分迅速的高新技術(shù)。數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍所覆蓋的領(lǐng)域又：機械制造技術(shù)；微電子技術(shù)；信息處理加工傳輸技術(shù)；自動控制技術(shù)；伺服驅(qū)動技術(shù)；檢驗監(jiān)控技術(shù)；傳感技術(shù)；軟件技術(shù)等。數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的是能技術(shù)和最基本的裝備。在提高生產(chǎn)率，降低成本，保證加工質(zhì)量及改善工人勞動強度等方面，都有突出的優(yōu)點；特別是在適應(yīng)機械產(chǎn)品迅速更新?lián)Q代，小批量，多品種生產(chǎn)方面，各類數(shù)控裝備是實現(xiàn)先進(jìn)制造技術(shù)的關(guān)鍵。
數(shù)控機床是采用了數(shù)控技術(shù)的機床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。國際信息處聯(lián)盟（International Federation of Information Processing,IEIP）第五技術(shù)委員會，對數(shù)控機床作了如下的定義：數(shù)控機床是一種裝了程序控制系統(tǒng)的機床。該系統(tǒng)能邏輯的處理具有使用碼或其他符號編碼指令規(guī)定的程序。
數(shù)控銑床是發(fā)展最早的一種數(shù)控機床，以主軸位于垂直方向的立式銑床居多。銑床的主軸只作旋轉(zhuǎn)運動，工作臺帶動工件作縱，橫，垂直三個方向的進(jìn)給運動，稱為升降臺式銑床。為了提高剛度，目前多采用主軸既作旋轉(zhuǎn)主運動，又隨主軸箱升降臺作垂直進(jìn)給運動，工作臺只作縱橫2個方向的進(jìn)給運動的不升降類型銑床。立式數(shù)控銑床加工平面凸輪零件，只需要工作臺沿橫縱2個坐標(biāo)協(xié)調(diào)運動，即可以同時到達(dá)平面曲面的某一點這種加工軌跡的控制，稱為兩坐標(biāo)聯(lián)動控制（兩軸聯(lián)動）。當(dāng)加工圓錐臺零件時，依靠工作臺縱橫兩坐標(biāo)協(xié)調(diào)運動完成圓周加工，加工完一圈后，再沿錐臺高度方向提升一個高度，接著改變圓的直徑（X,Y的合成值）加工另一圓周，如此下去，直至加工出整個錐臺，這稱為兩軸半控制。如果在圓錐上加工一條螺旋槽曲線，則要求3個坐標(biāo)進(jìn)給每時每刻都必須協(xié)調(diào)運動，即同時到達(dá)空間的某一點，這稱為三坐標(biāo)聯(lián)動控制即三軸聯(lián)動。三軸聯(lián)動即可加工復(fù)雜的空間曲面。從機床數(shù)控系統(tǒng)控制的坐標(biāo)數(shù)量來看，目前3坐標(biāo)數(shù)控立式銑床仍占大多數(shù)。一般可進(jìn)行3坐標(biāo)聯(lián)動加工，但也有部分機床只能進(jìn)行3坐標(biāo)中的任意兩坐標(biāo)聯(lián)動加工。此外，還有機床主軸可以繞X、Y、Z坐標(biāo)軸中其中一個或兩個軸作數(shù)控擺角運動的4坐標(biāo)和5坐標(biāo)數(shù)控立式銑床。一般來說，機床控制的坐標(biāo)軸越多，特別是要求聯(lián)動的坐標(biāo)軸越多，機床的功能、加工范圍及可選擇的加工對象也越多。但隨之而來的是機床的結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，對數(shù)控系統(tǒng)的要求更高，編程難度更大，設(shè)備的價格也更高。
數(shù)控立式銑床可以附加數(shù)控轉(zhuǎn)盤、采用自動交換臺、增加靠模裝置等來擴(kuò)大數(shù)控立式銑床的功能，加工范圍和加工對象，進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率。
1.3數(shù)控加工工藝設(shè)計
與普通加工相比，數(shù)控加工的工藝過程設(shè)計并不是從毛坯到成品的整個工藝過程，而是僅有幾道數(shù)控加工工序工藝過程的具體描述。許多在通用機床加工時由工人自行決定的工藝問題，在工藝設(shè)計時必須認(rèn)真考慮，并將正確的選擇編入程序中。這就要求編程人員要有多方面的知識基礎(chǔ)，不僅僅是懂得計算機編程或了解某種軟件的使用與操作。合格的編程員首先應(yīng)是一個很好的數(shù)控加工工藝人員，應(yīng)對所編程的數(shù)控機床的性能、特點、切削范圍、標(biāo)準(zhǔn)刀具系統(tǒng)有全面的了解。一般來說，數(shù)控加工主要包括以下幾個方面的內(nèi)容：
（1）選擇并確定進(jìn)行數(shù)控加工的零件及內(nèi)容；
（2）對零件圖紙進(jìn)行數(shù)控加工的工藝分析；
（3）數(shù)控加工的工藝設(shè)計；
（4）對零件圖形的數(shù)學(xué)處理；
（5）編寫加工程序單；
（6）按程序單制作控制介質(zhì)；
（7）程序的校驗與修改；
（8）首件試加工與現(xiàn)場處理；
（9）數(shù)控加工工藝技術(shù)文件的定型與歸檔。
1.4機床數(shù)控化改造的必要性
1.4.1微觀看改造的必要性
從微觀上看，數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力。
1.可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2.可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高 3 ～ 7 倍。由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了 “ 柔性自動化 ” 。
3.加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要 “ 修配 ” 。
4.可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。
5.由以上五條派生的好處。
如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。此外，機床數(shù)控化還是推行 FMC （柔性制造單元）、 FMS （柔性制造系統(tǒng)）以及 CIMS （計算機集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。
1.4.2宏觀看改造的必要性
從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機械工業(yè)，在 70 年代末、 80 年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、 FMC 、 FMS 外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行 CAD 、 CAE 、 CAM 、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行 MIS （管理信息系統(tǒng)）、 CIMS 等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后 20 年。如我國機床擁有量中，數(shù)控機床的比重（數(shù)控化率）到 1995 年只有 1.9% ，而日本在 1994 年已達(dá) 20.8% ，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。
第2章 設(shè)計方案的確定
2.1 設(shè)計任務(wù)
將一臺XA5032普通立式升降臺銑床，由于長期使用嚴(yán)重磨損，故障頻繁，既費時又費力，急需改造。用微電子技術(shù)改造機械設(shè)備是當(dāng)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(jì)效益的重要手段。改造成三坐標(biāo)數(shù)控銑床。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；要求的輪廓公差為0.1mm，對稱度公差為0.1mm，表面粗糙度為=1.6；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。
2.2 總體設(shè)計方案的確定
2.2.1 動力的選定
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機床的改造，為了保證改造后的性能不低于原銑床，選X、Z坐標(biāo)快進(jìn)速度不低于2.4m/min，水平拖動力按15KN計算。則要求的功率為P=FV=15×2.4/60=0.6W，如果采用步進(jìn)電機作為伺服驅(qū)動元件，步進(jìn)電機達(dá)不到功率要求。例如，200BF001反應(yīng)式步進(jìn)電機，最大靜轉(zhuǎn)距16.8N.m最高運行頻率為11000step/s，步距角為1/6度，若取最高頻率下的工作扭距為靜扭距的1/4，則高速下的功率為
因此，如果選用步進(jìn)電機，必須相應(yīng)的降低機床的某些性能，主要是快速性，另一方面由于步進(jìn)電機在低速工作時有明顯的沖動，易自激震蕩，而且激震頻率很可能落如洗削加工所用的進(jìn)給速度范圍內(nèi)，這對加工極為不利，造成工件超差。此外，由于步進(jìn)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(jìn)電機的驅(qū)動較困難等，選用步進(jìn)電機驅(qū)動是不合適的。
若采用直流或交流伺服電機的閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度較大，調(diào)試和維修困難很多，造價也高，閉環(huán)控制可達(dá)到很好的機床精度，能補償機械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙，干擾等對加工精度的影響，一般用于要求高的數(shù)控設(shè)備中，由于所改造的數(shù)控銑床工件的加工精度不十分高，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。
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(yuǎn)優(yōu)于步進(jìn)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)。但是采用閉環(huán)控制，調(diào)試要比開環(huán)控制的步進(jìn)電機要困難些設(shè)計上也有自身的特點。在直流和交流伺服電機之間進(jìn)行比較時，交流調(diào)速逐漸擴(kuò)大了其使用范圍，似乎有取代直流伺服電機的優(yōu)勢。但交流伺服的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度高，普及不廣，而且價格高，直流伺服電機原理接近于直流電機，控制系統(tǒng)技術(shù)也較成熟，普及廣。
2.2.2 控制部分的設(shè)計
要能控制三個坐標(biāo)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(yīng)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(yīng)刀具尺寸的變化。
綜上所述 整個改造方案如下圖所示
第3章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
3.1數(shù)控系統(tǒng)基本硬件組成
任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。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。有了硬件，軟件才能有效地運行機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成。
(1)中央處理單元CPU
(2)總線。包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。
(3)存貯器。包括只讀可編程存貯器和隨機讀寫存貯器。
(4)I/O輸入/輸出接口電路。
其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路直協(xié)調(diào)工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運行中所需要的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€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(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如3—1所示。
由于MCS—51系列單片機在我國機床數(shù)控改造方面應(yīng)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(jì)型數(shù)控車床改造的需要。C6140數(shù)控改造以8031CPU組成的單板機為數(shù)控控制系統(tǒng)。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。
3.2 單板機控制系統(tǒng)的設(shè)計
1. 硬件配置
存貯器選用1片4K×8的2732EPROM和1片8K×8位的6234RAM。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)。1片6234RAM做為調(diào)試程序存放和運行程序的中間數(shù)據(jù)存放用。
I/O接口芯片選用8155可編程I/O擴(kuò)展接口，它的A口做為X、Y進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)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。B口為為位控方式，其中PB4~PB7為-Y、+Y、-X、+X的行程越位信號輸入。顯示由8位LED構(gòu)成，具有24鍵的鍵盤。
2. 存貯器空間分配
單板機可尋址范圍是64K字節(jié)，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以備擴(kuò)展使用。其存貯空間分配如下。
0000H~07FFH 2KB EPROM 放監(jiān)控程序
0800H~0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序
1000H~17FFH 2KB RAM 調(diào)試程序
2000H~27FFH 2KB RAM 測試程序等
3. I/O口地址分配
單板機設(shè)置I/O口地址為80~9FH共32個口地址，分配如下。
80H~83H MCS—51 8031
84H~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(jìn)電機驅(qū)動電路中，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機勵磁繞組。由于步進(jìn)電機需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起強電干擾。輕則影響計算機程序的正常工作，重則導(dǎo)致計算機和接口電路損壞。所以一般在接口電路功率放大器之間都要接上隔離電路。
3.3步進(jìn)電機控制程序設(shè)計
MCS-51單片機數(shù)控系統(tǒng)的步進(jìn)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(jìn)電機進(jìn)行控制。用軟件完成環(huán)形分配的優(yōu)點是線路簡單，成本低，可以靈活的改變步進(jìn)電機的控制方案，驅(qū)動功率放大功能仍由硬件完成。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(jìn)電動機，因此，脈沖分配采用三相六拍分配方式。
1.步進(jìn)電機的轉(zhuǎn)向控制
以X 向步進(jìn)電機為例，其環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表如下：
環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)
節(jié)拍序號 地址 代碼 C相 B相 A相 通電順序
0 0700H 01H 0 0 1 001
1 0701H 03H 0 1 1 011
2 0702H 02H 0 1 0 010
3 0703H 06H 1 1 0 110
4 0704H 04H 1 0 0 100
5 0705H 05H 1 0 1 101
將上述步進(jìn)電機所需的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表存入EPROM中，根據(jù)加工程序的需要，依次取出表地址至PA口，驅(qū)動X向步進(jìn)電機。按以上順序進(jìn)行通電，電機正傳，反之電機反轉(zhuǎn)。X向電機與X向相同，其脈沖輸出狀態(tài)表略。
2.步進(jìn)電機速度控制
控制步進(jìn)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。本系統(tǒng)，采取調(diào)用軟件延時子程序的方法。
3.軟件環(huán)形分配器的設(shè)計
在數(shù)控系統(tǒng)中，專門將一些寄存器作為步進(jìn)電機的控制寄存器?？刂谱諪CW用來控制電機轉(zhuǎn)動，通過控制寄存器中的狀態(tài)，使步進(jìn)電機按確定的運行方式工作。在FCW控制字中，對步進(jìn)電機的方向控制位，轉(zhuǎn)動控制位以及停止控制位。分別進(jìn)行定義。
FCW中各個控制位含義如下：D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0，且D0-X向轉(zhuǎn)停控制位（1-轉(zhuǎn)動；0-停止）；D1-X向方向位（1-正轉(zhuǎn)；0-反轉(zhuǎn)）；D2-Y向轉(zhuǎn)停控制位（1-轉(zhuǎn)動；0-停止）；D3-Y向方向位（1-正轉(zhuǎn)；0-反轉(zhuǎn)）。
第4章 機械部分改造與計算
4.1 原始數(shù)據(jù)分析
1. 原XA5032銑床的數(shù)據(jù)進(jìn)給電機1.5KW，1400r/min，最大水平拖動力1500kg=1500N，進(jìn)給最大速度縱、橫向2.3m/min，工件最大重量，500Kg=5000N，機動范圍 縱向680mm、橫向240mm
2. 工藝數(shù)據(jù)
工件加工余糧：最大銑削寬度7mm，最大銑削深度40mm。
刀具數(shù)據(jù)：高速鋼圓柱銑刀，直徑-mm，斜刀齒數(shù)3-4。
工藝數(shù)據(jù)：主軸轉(zhuǎn)速150-190r/min，走刀速度40-60mm/min，每齒切厚為0.05-0.2mm，取0.1mm計算。
3. 機床進(jìn)給部件重量估計
軸向（X軸）工作臺，長1.335m，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。
4.2 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計（X向）
銑床工作臺的進(jìn)給運動，由進(jìn)電機的轉(zhuǎn)動，然后帶動銑床絲杠傳動。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(yīng)用滾珠絲杠來轉(zhuǎn)動。原因是普通絲杠傳動摩擦系數(shù)大，效率低，傳動中有間隙。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。
所以，在數(shù)控銑床上要采用滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠傳動有一系列的優(yōu)點，但制造工藝較為復(fù)雜，成本高，在某些應(yīng)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。
滾珠絲杠傳動都使用防護(hù)罩，以防止空氣中的塵土和其它雜物等進(jìn)入。
滾珠絲杠和滾珠螺母組成滾珠絲杠螺母副，它是把步進(jìn)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。
滾珠絲杠螺母副，也簡稱為滾珠絲杠副，是一種新的傳動機構(gòu)，它是在絲杠和螺母的螺旋槽之間裝有滾珠，以此作為中間元件的一種傳動機構(gòu)。
4.2.1滾珠絲杠副的傳動原理
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,在滾道內(nèi)裝有許多滾珠.當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時,滾珠相對于螺母上的滾道滾動,因此絲杠與螺母之間滾道的摩擦為滾動摩擦.為防止?jié)L珠從螺母中吊出來,在螺母的螺旋槽兩端應(yīng)用擋住器擋住,并設(shè)有回路滾道是他的兩端連接起來.使?jié)L珠從滾道的一端滾出后,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(jìn)行不斷地滾動.
4.2.2滾珠絲杠副的傳動特點
滾珠絲杠副的優(yōu)點是:傳動效率高,因為它是滾動摩擦,傳動效率可達(dá)0.92-0.96,比普通的絲杠傳動提高3-4倍.由此帶來了一系列的優(yōu)點,如功率損耗小,傳動平穩(wěn),磨損小,無爬行現(xiàn)象等等.除此而外還有兩個特點,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(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動反向時,可以沒有空程,提高了反向的定位精度,,也增強了傳動剛度.二是: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(fù)雜,成本也高.對于絲杠和螺母上的螺旋槽,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(dāng)應(yīng)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.
4.2.3滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整
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(yù)緊力的方法等三個方面。
(1)螺紋滾道型面的形狀
螺紋滾道型面的形狀有很多種，目前國內(nèi)正式投產(chǎn)的，僅有單圓弧型面和雙圓弧型面兩種，如圖4－1所示。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（）。
（a） (b)
圖4－1 滾珠絲杠副螺紋滾道型面的截形
（a）單圓??； （b）雙圓弧
（2） 單圓弧型面
一般滾道的圓弧半徑要比滾柱的半徑稍大一些。對于單圓弧型面的螺紋滾道，接觸角是隨著軸向負(fù)載大小而變化的，當(dāng)軸向負(fù)載為零時，接觸角也為零；當(dāng)負(fù)載逐漸增大，接觸角也逐漸增大。實驗證明：當(dāng)接觸角增大時，傳動效率，軸向剛度，承載能力都隨之增大。
（3）雙圓弧型面
雙圓弧型面螺紋滾道的接觸角是不變的。在偏心距（e）決定后，滾珠與滾道的圓弧角接處，會有很小的空隙。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。從傳動效率，軸向剛度，承載能力等要求出發(fā)，接觸角大一些好，但接觸角過大制造就會困難。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。
滾珠的循環(huán)方式
目前國內(nèi)常用的滾珠循環(huán)方式由外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩種。
（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）。這種外循環(huán)是直接在螺母的外圓上銑出螺旋槽，用擋珠器從螺母內(nèi)部切斷螺紋滾道，擋珠滾珠的去路，迫使?jié)L珠導(dǎo)入通向外圓螺旋槽中，構(gòu)成了外面的旋環(huán)回路。外循環(huán)的結(jié)構(gòu)和制造較為簡單容易，因此應(yīng)用較廣，他可以制成單列或式雙列兩種的結(jié)構(gòu)形式。
（2）內(nèi)循環(huán)方式
滾柱在循環(huán)過程中與絲杠始終保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)（N系列），如圖所示。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(jìn)入相鄰的滾道。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副回路短，工作滾珠數(shù)目少，結(jié)構(gòu)尺寸緊湊，流暢性好，摩擦磨損小，傳動效率高，軸向剛度和承載能力都較高，具有一系列優(yōu)點，但制造困難，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以不及外循環(huán)方式應(yīng)用的廣泛。
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
4.2.4軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法
對于滾珠絲杠副，除了單一方向的進(jìn)給傳動精度有一定的要求外，對它的軸向間隙也有嚴(yán)格的要求，以保證反向傳動的精度。要把軸向間隙完全消除，也是相當(dāng)困難的。通常采用雙螺母，并加預(yù)緊力的方法來消除其軸向間隙。雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后，能基本上消除軸向間隙。單螺母的滾珠絲杠副是不能調(diào)整軸向間隙和預(yù)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。
雙螺母加預(yù)緊力消除軸向間隙必須注意兩點，一是：通過預(yù)緊后產(chǎn)生的力，可促使預(yù)拉變形，以減少彈性變形所引起的位移。但預(yù)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。二是：軸向間隙的消除，不能忽視絲杠的安裝部分和驅(qū)動部分的軸向間隙，應(yīng)同時調(diào)整是它減少到最小。目前常用的雙螺母預(yù)緊力調(diào)整方法有下面三種。
（1）墊片調(diào)隙式
如圖所示為墊片調(diào)隙式，一般用螺釘來連接滾珠絲杠上的兩個螺母的凸緣處，在中間加墊片。墊片的厚度是螺母間產(chǎn)生軸向位移，以達(dá)到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的。
這種結(jié)構(gòu)特點是結(jié)構(gòu)簡單，可靠，裝拆方便。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。
（2）螺紋調(diào)隙式
如圖所示為螺紋調(diào)隙式。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。
這種結(jié)構(gòu)的特點是結(jié)構(gòu)緊湊，調(diào)整方便，所以應(yīng)用廣泛，但調(diào)整的位移量不太精確。
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。它是在兩個螺母的凸緣上各有圓齒輪2，兩者的齒數(shù)值相差一個齒，裝入內(nèi)齒圓3中，內(nèi)齒圓3是用螺釘1和定位銷4固定在套筒5上的。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。消除間隙并產(chǎn)生預(yù)緊力后，把內(nèi)齒圓3套上用定位銷4固定。
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(fù)雜，僅在高精度的數(shù)控機床有所應(yīng)用。
圖4－6齒差調(diào)隙式
1——螺釘； 2——圓柱齒輪； 3——內(nèi)齒圓；
4——定位銷； 5——套筒。
4.2.5 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(zhǔn)則選取：
——工件為碳鋼，取
Z=4
所以
對圓柱銑刀逆銑加工
取P=1.1
取
取
則： 4.2.6 強度計算
對于燕尾型導(dǎo)軌工作時的軸向力為：
所以：
壽命值
取=1.2 =1.1
則最大動負(fù)載
Q=3
根據(jù)最大動負(fù)載Q的值，可查表選取滾珠絲杠的型號。如選取CD406，其動負(fù)載為為差、年感