普通銑床數(shù)控改造

PAGE1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-WIREDNC），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)濟合理。而且當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)。遠程通訊，遠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（NumericalControl）是用數(shù)字化信號對機床的運動及其加工過程進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（InternationalFederationofInformation（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20.8%，因此每年都有大量機電產(chǎn)品進口。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。改造成三坐標數(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坐標快進速度不低于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。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是十分高，因此，采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。步進電機可以達到改造后要求的功率，而且步進電機的成本比較便宜，安裝及調(diào)試方便，因此，在本進給系統(tǒng)的設(shè)計中采用步進電機。2.2.2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(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)與外界進行信息交換的橋梁。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。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。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，其余以備擴展使用。其存貯空間分配如下。0000H~07FFH2KBEPROM放監(jiān)控程序0800H~0FFFH2KBEPROM放零件加工程序1000H~17FFH2KBRAM調(diào)試程序2000H~27FFH2KBRAM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~83HMCS—51803184H~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。由于步進電機需要的驅(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步進電機控制程序設(shè)計MCS-51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。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系列三相六拍步進電動機，因此，脈沖分配采用三相六拍分配方式。1.步進電機的轉(zhuǎn)向控制以X向步進電機為例，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00700H01H00100110701H03H01101120702H02H01001030703H06H11011040704H04H10010050705H05H101101將上述步進電機所需的環(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向步進電機。按以上順序進行通電，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.步進電機速度控制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。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電機的控制寄存器。控制字FCW用來控制電機轉(zhuǎn)動，通過控制寄存器中的狀態(tài)，使步進電機按確定的運行方式工作。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。分別進行定義。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)?？刂莆唬?-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)?？刂莆唬?-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)進給電機1.5KW，1400r/min，最大水平拖動力1500kg=1500N，進給最大速度縱、橫向2.3m/min，工件最大重量，500Kg=5000N，機動范圍縱向680mm、橫向240mm2.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）銑床工作臺的進給運動，由步進電機的轉(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罩，以防止空氣中的塵土和其它雜物等進入。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)控銑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。實驗證明：當接觸角增大時，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。我在設(shè)計中采用的是雙圓弧型面。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。因此，我在本設(shè)計中采用的都是內(nèi)循環(huán)方式。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。要把軸向間隙完全消除，也是相當困難的。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則選?。骸ぜ樘间摚=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。如選取CD406，其動負載為，遠大于Q值，所以強度足夠用。4.2.7剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導(dǎo)程變化量：滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略。即：，所以導(dǎo)程變形總誤差為查表知選用F級精度絲杠允許的螺距誤差為30，故剛度足夠。4.2.8效率計算則傳動效率4.2.9穩(wěn)定性驗算由于采用兩端固定，穩(wěn)定性足夠，不再驗算。4.3錐形夾緊機構(gòu)的設(shè)計計算（X向）伺服電機的軸伸為光軸，采用錐形夾緊環(huán)與齒輪相連的方式比較方便。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。計算過程如下：基本參數(shù)：克服間隙所需軸向力為：單位接觸壓力所能傳遞的扭矩為：單位壓力所需的軸向力為：摩擦系數(shù)為所能傳遞的扭矩M=CM[P]式中——額定扭矩；——動載荷系數(shù)[P]為許用接觸壓力，[P]=10~15取為100~500MPC為系數(shù)C=為電機扭矩取K=6則[P]所需軸向力P=用螺栓拉緊套產(chǎn)生軸向力時，螺栓強度計算如下：螺栓強度計算公式取[]=0.4；n=6則由于安裝位置有限，若采用M6×1的螺栓則要求查表知，只能采用40Cr調(diào)質(zhì)處理才滿足要求。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(yīng)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”。（2）在考慮壓緊套時，要產(chǎn)生壓緊力的接觸面積并不大，因此壓緊套也應(yīng)該選用交好的材料制作，否則會因接觸壓力造成損壞。（3）為保證合適的軸向力，在禁錮壓緊套時，應(yīng)控制對螺栓施加的擰緊力矩。（4）也可采用帶螺紋的壓緊套，其強度比較容易滿足但制造困難。4.4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。雙片薄齒輪錯齒消隙法關(guān)鍵是計算彈簧的拉力，一方面，使它能夠克服最大扭矩，否則將失去消除間隙的作用；另一方面，扭矩又不能太大，其目的是減少齒面的摩擦和磨損，減少傳動消耗。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：可抵抗的軸向力為13.57~14.48KN，能滿足加工中的需要。根據(jù)每根彈簧拉力，可選用，D=12B型5.5圈拉伸彈簧，其為最大工作載荷及螺距。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，工作圈數(shù)為5.5時總的變形量為5.5毫米。則工作中的，安裝中采用仿彈簧吊環(huán)螺釘作為支撐和一端掛鉤，另一端用螺母調(diào)節(jié)，兩支撐所需距離為拉簧工作長度加上結(jié)構(gòu)尺寸，共約為。4.5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(yīng)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。仍以X軸計算為例：對實心圓柱體，轉(zhuǎn)動慣量的計算公式為J=Md2/8。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=7.8×103kg·m2,因此可得式J=7.8πD2L/32×10-12當D和L的單位取為mm時，J=7.8πD2L/32×10-12kg·m對于外徑D，內(nèi)徑d的圓環(huán)，J=7.8π(D4－d4)L/32×10-12kg·m2J=J=則折算到電機軸上的總慣量為：J=與電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量相比，根據(jù)經(jīng)驗公式：可見，轉(zhuǎn)動慣量匹配合適。4.6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110BF-003的參數(shù)選擇如下：輸出功率1.4KW，零速額定轉(zhuǎn)矩17.6N；最大轉(zhuǎn)矩153.6-188.1N；最高轉(zhuǎn)速為1500；轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量0.0186，重量36千克，靜摩擦力矩0.86N，反電視常數(shù)為0.57，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為0.57，理論角加速度為，電器時間常數(shù)為3.5，機械時間常數(shù)為15.2ms。熱時間常數(shù)為70min，計算電阻值為0.2655，實惻包括引線、接線端子和接觸電阻約為0.5，計算電感為0.93nH.說明（1）本設(shè)計計算只是計算X軸、其他軸類似。（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。（3）本設(shè)計采用固定絲杠，轉(zhuǎn)動螺母傳遞運動的方案第5章零件的設(shè)計與計算5.1齒輪的設(shè)計與校核根據(jù)齒輪的一般設(shè)計原則，為了有利于提高精度，盡量減少傳動級數(shù)，并且盡可能采用升速的傳動比。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(yīng)的傳動級。由于滾珠絲杠隨工作臺運動，而伺服電機不隨該工作臺運動，這樣，給運動的傳遞造成了困難。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。本設(shè)計采用固定絲杠，旋轉(zhuǎn)螺母傳遞運動的方案。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。為了使絲杠的螺距值與數(shù)控裝置中可選擇的參數(shù)相匹配，并使傳動性能較好，選擇了總減速比i=1.5.本機床改造中取i1=z2/z1=50/24,i2=z3/z2=36/50,i=i1×i2=(50/24)×（36/50）=1.5得以滿足。工作臺內(nèi)各齒輪的主要參數(shù)及材料列于表5-1中。齒輪齒數(shù)模數(shù)齒寬毫米變位系數(shù)材料硬度頂高系數(shù)壓力角253.5430.1640CrRC45-50120313.5280.1340CrRC45-50120183.5280.1940CrRC45-50120383.5250.140CrRC45-50120263.5280.1640CrRC45-50120303.5280.1640CrRC45-50120463200.1640CrRC45-50120213300.4540CrRC45-50120表5-1齒輪材料5.1.1Z、Z齒輪的強度校核1齒根彎曲疲勞強度驗算：（1）計算齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力式中：————被校核齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力————實驗齒輪的彎曲疲勞極限應(yīng)力，由《機械設(shè)計手冊》圖8——13查得：————彎曲壽命系數(shù)，因兩齒輪得應(yīng)力循環(huán)次數(shù)為：次次（機械設(shè)計手冊圖8——14查得）————尺寸系數(shù)（機械設(shè)計手冊圖8——15查得）————有效應(yīng)力集中系數(shù)，由機械設(shè)計手冊圖8——16知：，所以（2）比較彎曲強度由圖《機械設(shè)計手冊》8——6查得齒形系數(shù)：，則有：因此齒輪彎曲強度弱。（3）計算彎曲工作應(yīng)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。2.齒面接觸疲勞強度驗算（1）計算齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力式中：————實驗齒輪的接觸疲勞極限應(yīng)力，由《機械設(shè)計手冊》查得：————壽命系數(shù)，由手冊8——18圖查知，————硬化系數(shù)取所以（2）計算接觸工作應(yīng)力式中：————材料系數(shù)，由《機械設(shè)計手冊》表8——9查得：————節(jié)點系數(shù)，（圖8——10）————重合度系數(shù)（圖8——9）————齒數(shù)比則：（3）計算安全系數(shù)安全可靠.3短期過載強度校驗計算取最大短期尖峰載荷是額定工作載荷得1.5倍.短期過載彎曲極限應(yīng)力,可知：最大得彎曲工作應(yīng)力為：短期過載彎曲強度安全系數(shù)；（安全）短期過載接觸極限應(yīng)力，根據(jù)機械設(shè)計手冊表8——12知而最大接觸應(yīng)力為：短期過載接觸強度的安全系數(shù)為：（安全）5.1.2其他齒輪對的強度校核按上面的方法和步驟，對工作臺中的其他齒輪對可進行類似的計算，現(xiàn)將其計算結(jié)果列于表5-2中供以參考。校核、齒輪對時。只計算短期過載時的安全系數(shù)，不計算疲勞強度，這是因為使用的時間很多。表5-2齒輪校核齒對數(shù)項目1彎曲疲勞極限應(yīng)力298.7300——2接觸疲勞極限應(yīng)力11001100——3彎曲工作應(yīng)力141.2211——4接觸工作應(yīng)力628886.8——5短期過載彎曲強度極限應(yīng)力8109608106短期過載接觸強度極限應(yīng)力1858198218587最大彎曲應(yīng)力212.5253.53458最大接觸應(yīng)力768.597016109彎曲疲勞強度安全系數(shù)2.041.42——10接觸疲勞強度安全系數(shù)