X6132铣床经济型数控改造[垂向改造]【含CAD图纸和文档所见所得】【JC系列】
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垂向改造
含CAD图纸和文档所见所得
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X6132
铣床
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山东大学 毕业设计（论文）题 目：x6132经济型数控（垂直）改造 专 业： 机电一体化工程 学 生： 准考证号： 指导老师：_ _ 毕业设计（论文）时间： 年 月 日 年 月 日 山东大学毕业设计（论文）摘要本论文在本专业社会实践的基础上，结合实际所要加工零件的精度、生产率、批量、材质，所选用的数控加工系统，以及其它各方面因素的综合论证拟定改造方案，对万能铣床进行垂直方向的改造，以达到使该型号铣床能够最优化的适应实际零件的加工，最大限度满足所要加工零件的要求。因此，通过查阅大量的工具书，有关标准，了解并熟知该型机床与改造方案有关的详细数据，在此基础之上选定合理的改造数据，比如：丝杠的转速、传动比、滚珠丝杠副的刚度、轴向载荷等。结合实际改造的需要对各数据进行最优化合理配比，最终达到顺利完成对该机床的改造。关键词：伺服驱动 切削力 滚珠丝杠副 传动比 载荷AbstractThe paper in the profession on the basis of social practice, combined with the actual processing of parts to the accuracy, productivity, volume, material, the use of CNC machining systems, and other factors demonstrate the development of a comprehensive rehabilitation programs, the direction of universal vertical milling machine the transformation in order to achieve so that the type milling machine can be optimized to adapt to the actual parts machining, machining parts to be possible to meet the requirements. Therefore, by access to a large number of books, and related standards, understanding and kind, well-known bed and the transformation of detailed data relating to the program, on this basis, a reasonable selection of the transformation of data, such as: screw rotation speed, transmission ratio, ball wire Vice-bar stiffness, axial load and so on. Light of the actual transformation of the data need to optimize all reasonable proportion, and ultimately achieving the successful completion of the transformation of the machine.Keywords: Servo-driven Cutting force Ball screw Transmission ratio Load目录绪论- 1 -第一章 毕业设计任务书- 3 -一、毕业设计的目的- 3 -二、毕业设计的课题- 3 -、卧式升降台铣床的数控改造- 3 -（）、拟定方案- 3 -（）、设计内容- 3 -、设计时间安排- 3 -第二章 数据准备- 4 -一、机床数据- 4 -二、工艺数据- 4 -第三章 总体改造方案- 5 -一、伺服驱动- 5 -二、数控装置- 6 -三、其它电气装置- 7 -四、机械部分- 7 -第四章 步进电机和滚珠丝杠的选取计算- 7 -一、切削力的计算- 7 -二、丝杠工作时轴向压力F轴的计算- 9 -三、滚珠丝杠副工作负荷的计算- 9 -1、丝杠的转速- 9 -2、丝杠寿命系数L- 13 -3、丝杠工作动载荷C- 13 -（1）滚珠丝杠副轴向刚度Kz的计算- 14 -丝杠的轴向刚度Ksz- 14 -螺母组件的轴向刚度Klz- 15 -支撑轴承的轴向刚度Kcz- 15 -（2）滚珠丝杠副临界转速的验算- 16 -第五章 关于滚珠丝杠副的性能分析- 17 -第六章 双片齿轮错齿法调隙机构- 18 -第七章 部分数控系统控制软件的框图- 20 -第八章 凸轮加工程序- 21 -数字控制的发展- 24 -The Development of numerical control- 27 -设计体会- 32 -致谢- 33 -参考文献- 34 -附录- 34 -格式不对山东大学毕业设计（论文）绪论机床是在人类认识和改造自然的过程中产生，又随着社会生产的发展和科学技术的进步而不断发展、不断完善的。最原始的机床是木制的，所有运动都是由人力或畜力驱动，主要用于加工木料、石料和陶瓷制品的泥坯，它们实际上并不是一种完整的机器。现代意义上的用于加工金属零件的机床，是在18世纪中叶才开始发展起来的。18世纪发明了机动刀架，并以蒸汽机为动力，对机床进行驱动或通过天轴对机床进行集体驱动，才初步形成了现代机床的雏形。19世纪至20世纪初，随着电动机的问世，电动机取代了蒸汽机，经过了由天轴对机床进行集体驱动、单独电动机驱动的封闭齿轮箱结构的发展过程，才使机床基本具备了现代的结构形式。20世纪初到20世纪40年代，随着高速钢和硬质合金刀具的使用以及液压等技术的应用，机床在传动、结构、控制等方面得到很大的改进，加工精度和生产率得到显著提高。自20世纪50年代以来，计算机技术开始应用于机床中，先后出现了数控机床、加工中心、柔性制造系统等。计算机集成制造的出现，表明机械制造业正在走向一个崭新的变革时代。电火花加工、电解加工、超声波加工、激光加工、电子束加工、磨料流加工、磨料喷射加工等各种机械加工设备，表明特种加工设备也有了长足的发展。由于我国历史上的长期封建统治以及帝国主义侵略和掠夺，在新中国成立之前，没有自己的机床制造业。新中国成立后，机床工业从无到有、从小到大、从仿造到自行设计，扩建及兴建了一批机床制造厂，开始了各种机床的研究和试验工作。我国机床工业已经形成了一个布局合理、产品门类齐全的完整体系，能够生产出从小型的 仪表机床到重型的各类机床，从通用机床到各种精密、高效率、高度自动化的机床。我国从20世纪50年代末开始研制数控机床，并通过引进和消化先进技术，现已经生产包括加工中心、柔性制造系统单元在内的各种数控机床，并且研制出了柔性制造系统。其中铣床是用铣刀对工件进行加工的机床。最早的铣床是美国人惠特尼于1818年创制的卧式铣床。为了铣削麻花钻的螺旋槽，美国人布朗于1862年创制了第一台万能铣床，这是升降台铣床的雏形。1884年前后又出现了龙门铣床。20世纪20年代出现了半自动铣床，利用挡块工作台完成“进给快速”或“快速进给”运动的自动转换。1950年以后，铣床在控制系统方面发展很快，数字控制的应用大大提高了铣床的自动化程度。尤其是20世纪70年代以后，微处理器的数字控制系统和自动换刀系统在铣床上得到应用，扩大了铣床的加工范围，提高了加工精度与效率。第一章 毕业设计任务书一、毕业设计的目的通过毕业设计，学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识，使认识提高到一个新的水平，通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果，通过毕设计，不但提高了解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且建立了正确的设计和科研思想，加强了科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。二、毕业设计的课题、卧式升降台铣床的数控改造（）、拟定方案：根据加工零件的精度、生产率、批量，分析应采用的数控系统、伺服系统实施方案的合理性。（）、设计内容：铣床（或或）坐标机械伺服机构的设计计算，绘制装配图。数控系统框图及硬件电路接线图的设计与绘制。用软件实现串行数据通讯程序的设计。绘图工作量不少于0图示2张，设计计算书一份。、设计时间安排设计阶段的任务包括方案设计、图纸设计和编写技术文件等。总设计时间为16周。其中：方案设计时间约3周（包括查资料），计算及图纸设计时间约6周（包括查资料），编写技术文件约7周（包括查资料）。第二章 数据准备一、机床数据：进给电机1.5KW 工作台最大拖力1500kgf 工作台最大承载重量500kg 工作台快速进给量 垂=766.6mm/min 横=纵=2300mm/min 工作台行程：纵800mm 横300mm 垂400mm.。最大回转角度（45。）工作进给量：纵横向101000mm/min 垂向3.3333mm/min机床设计图册二、工艺数据：通用机床由于工艺范围广，在同一台机床上常用不同材料刀具对不同材料和尺寸的工件进行多种加工，故取具有代表性的典型加工条件为计算依据。通常以加工量最大的钢料或铸件为工件材料，硬质合金或高速钢为刀具材料，选取用该机床上用得最多的常用工序或极限加工工序及与此相应的切削用量。结合本次改造，选取加工材料为HT200的平板凸轮的加工工艺。刀具：粗齿圆柱铣刀：孔径27mm，直径为63mm取63前角。为15。，后角。为12。，螺旋角为45。，齿数为6 切削用量： 铣削铸铁铣削前深度 tmm 取tmm。进给量：粗齿圆柱铣刀，在加工铸铁装夹系统刚性一般，机床功率7.5kw的条件下，取每齿进给量fz0.010.15毫米齿，取fz0.15毫米齿金属切削手册(第二版，上海市金属切削技术协会编)第三章 总体改造方案采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出泳冲，经光电隔离电路，功率放大到步进电机，再齿轮减速，带动滚珠丝杠转动。从而实现X、Y、Z方向的进给运动。总体设计示意图如下所示：结合实际工作量，本次数控改造只涉及进给系统的数控改造，对于主轴部分不予考虑。数控改造过程中，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小，调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。滚珠丝杠作为当代数控机床进给的主要传动机构，以其寿命长、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的重要配套部件，并已实现了标准化、通用化和商品化。为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。一、伺服驱动：在我国设备数控改造的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动元件，步进电机是一种特殊结构的电机，它利用通电激磁绕组产生反应力矩：将脉冲电信号的能量转换为机械位移的机电执行元件。当激磁绕组每产生一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就转动。转子转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。由于步进电机容易丢步，启动频率低，工作频率也不够高，低频时振动大，有时还自激振荡，且没有过载能力，当工作条件变动时，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小、负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。开环伺服是由步进电机和机械传动装置组成的开环式控制系统。由于没有位置检测及反馈装置，就必须使其机械传动装置在任何时刻、任何情况下均能严格跟随步进电机的运动而运动。然而实际上，在机械传动装置的输入与输出之间总会有误差存在的。这误差的产生，除了有一部分是由传动链的传误差（如丝杠螺距累积误差）引起的之外，还有一部分是由于传动系统的动力参数（如传动刚度、移动件惯量、导轨摩擦力、间隙、速度阻尼等）产生的。这部分误差在设计开环伺服进给系统中必须予以注意。它包括三部分：、启动或反向时的死区误差；、由于传动刚度的变化引起的定位误差；、运动时的动态误差。二、数控装置：数控装置的选择也有多种方案，可以全部自行设计制作，可以来用单板机或模块改制等，工厂中一般多采用以下两种方法：一种情况是所需的功能和要求有现成的数控装置可以满足，这时绝大多数都采取买现成产品的方案，因为自行设计制作不但费时间，投资也不一定能省，往往是投资更多，而且质量也不容易保证的，另一种情况是买不到现成产品来实现有些特殊功能，这时大多采取买性价比尽量高的性能接近的装置，然后自行补充或改造，至少也是买模块或工控机，单板机来制作，很少全部自行设计制作，对于我们所需的数控装置，除了直接能进行渐开线插补这一条功能外，其它没有特殊的功能要求，市场上可以有很多种型号的铣床数控装置供选择，因此直接选用市场上现成的装置切合实际，可以加快改造步伐，适合生产需要，但是作为毕业设计，也需对其结构、原理。控制方式等有新了解。能提出自己的处理办法，即设计方案。根据所选方案确定选用国产的经济数控系统，控制轴数X、，联动轴数任意二轴，生产厂家：南京微分电机厂江南机床数控工程公司。经济型数控装置选用步进电机驱动的开环数控装置。三、其它电气装置在经济型数控改造中，还需要结合数控装置和伺服驱动的特点配其它电气装置，包括强弱电信号的变换，传输或必要的处理，其中对输入输出接口部分还要考虑是否有隔离，屏蔽的要求 ，此外，还要配置所需要的电源，各种保护电路等辅助电路。步进电机性能参数和安装尺寸要符合GBn|3或JB/DQ3302的规定。连接方式：控制柜（箱）与机床，柜（箱）与电机之间的电气连接应采用插头插座或接线盒型，连接线应有金属软管保护，并应按符合GB522685，JB/GQ058085，JB/GQ057685有关章节规定和JB/DQ300280中1.3规定四、机械部分：在设备的数控化改造中，虽然中心工作是数控部分，涉及较多的是微机但如果忽视了机械方面的要求而只是按数控方面的要求来进行相应的改动，或者在改造设计中制造不合理的装运，结果会给数控化改造带来意想不到的不良后果，甚至是失败。第四章 步进电机和滚珠丝杠的选取计算一、切削力的计算Fz = f(apaeafz。d。n。)k式中：ap 切削深度（mm）ae 切削宽度（mm）af 每齿进给量（mm/z）z。 刀齿数d。 刀具公称直径n。 刀具每分钟转数k。 与刀具材料，切速，工件材料，刀具几何参数，刀具磨损状态等有关的综合修正系数。结合本次改造：Fz=Ccapfz0.65. ae0.83do-0.83zkFc式中：Cc 铣削力系数取282ap 铣削深度（即被加工表面的宽度，同时加工个工件,每个工件厚度为10mm,故深度为50mm）fz 每齿进给量取0.15mm/z.ae 铣削宽度（即被切削金属层的深度）取6mmdo 铣刀公称直径取63mmz 刀齿数取kFc 铣削力修正系数且：kFc= kmFc kFckmFc 工件材料系数取(HB/190)0.55kFc 前角系数取0.92故Fz=282500.150.65200.8363-0.836(200/190)0.550.92故可求出: Fz=9000N金属切削刀具表48 . 49 P69垂向切削分力Fy:按经验公式：Fy/Fz=0.80 Fy=7200N故：Fy=0.8Fz纵向切削分力Fx: 按经验公式：Fx/Fz=0.9 Fx=8100N横向切削分力Fz： 按经验公式：Fz/Fz=0.4 二、丝杠工作时轴向压力F轴的计算：铣削条件下： 在插补平面内合力Fr：Fr=(Fx+Fy)1/2 铣削一周平均铣削力Fav 取2Fr/3 ，铣削时丝杠轴向压力F轴 ：F轴=Fav+(mg +Fy) 式中： 考虑到颠覆力矩的影响系数 一般取1.1 导轨当量摩擦系数。取0.18m 移动部件的质量 估计为1000Kgg 重力加速度 取9.8m/s2 Fz=3600NFr=123.69NFav=82.46NF轴=3151N机床设计手册第3 分册P177机床与液压2000年第5期机床数控改造中进给系统滚珠丝杠副的选择三、滚珠丝杠副工作负荷的计算：1、丝杠的转速：数控改造多半采用开环步进式伺服驱动系统，本次改造也采用步进电机驱动丝杠。开环步进伺服进给系统的设计计算步骤：A 脉冲当量取0.01mm.初选步进电机的步距角为1.5B 计算降速比。由于步进电机工作的特点是一个脉冲走一步，每一步均有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求 ，同时也为满足要求的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。传动比：=S/360式中：步距角 S丝杠螺距 初取12mm 脉冲当量各级传动比的确定：首先确定传动级数为3。考虑到垂向进给机构中采用锥齿传动，在机床中的锥齿轮传动齿数比通常在12.5之间，尤其是传动比为的正交等比传动用得最多。结合本次改造选这级传动比也为。 根据相关资料确定不同啮合对数时的最佳降速比： , 2.5 , 今选齿轮Z1=27, Z1=54 ,Z2=24, Z2=60,(机床上常用的锥齿轮齿数比为时有Z1 Z222)取Z3 =Z3=40。模数m1=m2=2,m3=3.3故正交等比传动直齿锥齿轮的主要尺寸：40,De=41.4143.3,Ae=19.2933.3,Le=28.2843.3，i=4234机床设计手册3册510图6.445C. 根据结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的转动惯量Jt，并计算电机力矩,再按步距角，电机力矩，允许的负载惯量等项要求来选取合适的步进电机。 惯量计算：Jt=J1+i1-2J1+J2+i2-2J2+J3+i3-2(J3+Js)+G/g(S/2)2 式中：Js0.03715Kgf.cm.s2机床设计手册2册P301表5.515力矩计算：快速空载启动时所需力矩：amax f0最大切削负载时所需力矩：atf0t快速进给时所需力矩：f0式中：amax 空载启动时折算到马达轴上的加速力矩 f 折算到马达轴上的摩擦力矩 0 由于丝杠预紧引起的折算到马达轴上的附加摩擦力矩at切削时折算到马达轴上的加速力矩t折算到马达轴上的切削负载力矩丝杠传动时a , f,0 ,t计算公式：a r9.6（gf.m）式中： r 折算到马达轴上的总惯量 系统时间常数（系统时间常数表示线路在导通瞬间允许电流值上升的速率。时间常数越小，线路导通后电流上升越快，达到近似稳定值的时间越短；反之则越长） n 电机转速当n=nmax时计算amax,n=nt时计算at nt 切削时的转速摩擦力矩=(FS/2)10-3 (Nm)F导轨摩擦力 （F）S 丝杠螺距 齿轮降速比h 传动链总效率一般取0.700.85取0.8F=2106N=1.00554Nm附加摩擦力矩：2（o2）10式中：滚珠丝杆预加载荷（kgfm）为使预紧后的双螺母机构在正向传动链受力运行时其反向传动链仍保证无间隙出现，要求预紧力的数值应大于最大轴向载前的1/3倍。1/3F轴=1/33151=1050.3N 取=1200N 丝杆螺距 传动链总效率 齿轮降速比o 滚珠丝杆未预紧时的效率，一般取0.90.0363Nm切削力矩t：tt210(N)式中： t 进给方向的最大切削力 S 丝机螺距（cm） 传动链总效率取0.8 齿轮降速比初选步进电机：130BF001 五相十拍分配方式检验计算：Ma=(Jt+Jm)n/9.6T102式中：Jm电机转动惯量Jt系统转动惯量T系统时间常数(s) 加速时间50ms故： amax= (Jt+Jm)nmax/9.60.05102(0.01545+7102)1000/9.60.05102Mamax=4.22NmM=amax+Mf+Mo M=5。26Nm(M9.31Nm)由于采用步进电机驱动：n=f/60i (r/min)式中：步进电机步距角 取1.5f 电机脉冲频率 取16000Hzi电机与丝杠间的降速比 取5n=80机床设计手册2册表5.730 P476由表查得选取步进电机2、丝杠寿命系数L：L=式中：T 丝杠预期寿命 取15000hL=72机床设计手册 2册表5.732 P4763、丝杠工作动载荷C： C=12F轴式中：1 丝杠硬度系数 取1.5 2 载荷性质系数 取1.4C=27528.25N 机床设计手册2册P500根据CCa原则，考虑丝杠导程初选滚珠丝杠型号，使选取的滚珠丝杠的额定负载大于计算最大工作负载。 从相应表中选取滚珠丝杠的型号为：NL6012Ca=37200N. D0=60mm S=12mm滚珠丝杠副传动刚度验算：对于精密机床数控改造，应对选取的滚珠的丝杠副传动刚度进行校核，以保证机床的定位精度，传动精度，可靠性。丝杠工作时，受轴向力及扭转力矩作用，其变形为轴向压缩变形和扭转变形。设丝杠副的轴向刚度为Kz，导轨刚度为并将扭转变形的扭转角转换为轴向变形，则滚珠丝杠副KN传动时的轴向总变形量zz为： zz=+(Mt/KN2)103=+(Fxt/KN2)103式中： M作用在丝杠上的扭矩（Nm） t丝杠导程 (mm)由刚度定义可知，滚珠丝杠副传动刚度K与轴向刚度，扭转刚度有如下关系：则滚珠丝杠副的传动刚度K为：K=KnKz/Kn+(t/2)2103Kz欲求K，则只要求Kz，Kn即可。（1）滚珠丝杠副轴向刚度Kz的计算：滚珠丝珠副的轴向刚度取决于丝杠，螺母组件，支承轴承的轴向刚度。丝杠的轴向刚度Ksz丝杠的轴向刚度Ksz与其安装方式有关，本次改造设计中选取双推双推式支承方式：两端各两个推力轴承，此时，丝杠轴向最小刚度发生在载荷作用点处于支承端距离一半，即La/2 处Ksz=(4SE/La)10-3 (N/um)式中： S 丝杠小径截面积 (mm2) E 丝杠材料的弹性模量 (MPa) 钢料的E为2.1106 (Kgf/cm2)La 载荷作用点距双推轴承的最大长度 (mm)Ksz=195N/um螺母组件的轴向刚度Klz：螺母组件的轴向刚度是指滚珠丝杠，螺母螺纹形成的滚道间的轴向刚度。据赫兹理论，滚珠与滚道之间在轴向载荷的作用下，弹性变形为：-式中： s 滚珠的接触角度 45 Zg每圈承受载荷的滚珠个数 dg滚珠的直径 7.144mm Zg按下式计算：Zg=D/(dgcoss) 9 D为螺母的公称直径， s为丝杠螺纹螺旋升角=23.76umKlz=Klz=167.062N/um支撑轴承的轴向刚度Kcz：支承轴承的轴向刚度也按赫兹理论接触弹性位移理论求解。轴承类别不同，刚度公式也不同。采用双列止推滚珠轴承。选取38212Kcz = Kcz= 454N/um螺母座的轴向刚度一般在螺母组件刚度计算时乘以0.8计入，不再单独计算。滚珠丝杠副的轴向刚度Kz：Kz=46.7 N/um由材料力学可知：Kn=GJp/x 式中： G 丝杠材料抗剪切弹性模量 （MPa） 钢材的剪切弹性模量为80GPa Jp 丝杠小径截面惯性矩 （mm4） X = La（两支承端中心点距离115mm）Kn=392103N/um将求得的Kn ,Kz代入滚珠丝杠副传动刚度公式，便可求得K 。如果刚度不足，可改变丝杠支承方式或重选滚珠丝杠副型号。K=32.56(N/um)各类机床滚珠丝杠副的推荐精等级，本次改造垂向滚珠丝杠传动精度B级，取传动精度故有如下关系式：n故可靠性好，稳定性好。第五章 关于滚珠丝杠副的性能分析在升降台铣床的垂向运动中，普遍存在着工作台运动时摇动力过大的问题。因此，操作进刀不便，丝杠螺母副易磨损，电磁离合器易烧坏。解决这一问题的根本措施是将滑动丝杠改为滚珠丝杠副，提高机械传动效率，当采用滚珠丝杠副后，其矛盾就转化为滚珠丝杠副逆运转的自锁上。垂向升降丝杠副的受力情况如下图所示：图1及图2所示为升降滚珠丝杠受载示意图及传动系统图。采用滚珠丝杠后，因摩擦角小于螺旋升角而不能自锁，在自重作用下丝杠副产生逆转，升降台自动下降。为防止其逆转，必须满足自锁条件方程：F式中： F 向下分力，F= (kgf); Fm Nf =f (kgf)。Fm为防逆转所需的附加摩擦力，但在丝杠向上摇动时却又不应增加阻力。这就是垂向滚珠丝杠副防逆转机构设计的基本出发点。在机构中一般用超越离合器实现单向加载的目的。假若在丝杠传动系统中附加单向摩擦载荷Fm，此时，向上驱动力矩M上基本不变，而M下由下式确定：M下若使，则M下=0，摇臂的手摇力Q下=0。但在实际使用中总调整到0使其在不同载荷的变化状态下，有较好的自锁可靠性，但值又不宜过大，否则造成向下摇动力Q下过大以及超越离合器易磨损等弊端。这是考核垂向升降滚珠丝杠副结构是否合理的重要指标。所以从自锁条件方程不分析，附加摩擦力Fm应满足上述方程并有足够的安全系数条件下取最小值。此外，为使实际使用时能取得最佳效果和磨损后的补偿，Fm应能方便地进行调节和具有补偿机能。这是垂向升降丝杠副能否得到广泛应用的关键。本次改造中附加摩擦力可通过碟形弹簧调节，使之达到最佳自锁状态。碟形弹簧能自动补偿磨损，因此，确保了自 锁性和摇动轻巧；同时，离合器通过1：2.5的传动减速比使离合器能以较小的阻尼去实现较大的控制力，从而延长使用寿命。由以上的分析可知，改造成后的“可调阻尼式”垂向滚珠丝杠副传动机构，结构布局合理，具有摇动轻巧，自锁可靠，调节方便，寿命较长，及更新改装方便等多方面的优点。第六章 双片齿轮错齿法调隙机构为了提高齿轮传动精度，需要设计齿轮消隙装置，采用二片和三片齿轮错齿法。示意图如下所示：该机构为自动补偿机构。相互啮合的一对齿轮中的一个做成两个薄片齿轮7和8，两薄片齿轮套在一起，彼此可作相对运动。两个齿轮的端面上，分别装有螺纹凸耳2和6，拉簧1的一端钩在凸耳6上，另一端钩在穿过凸耳2通孔的螺钉5上。在拉簧的拉力作用下， 两面三刀薄片齿轮的轮齿相互错位，分别贴紧在与之啮合的齿轮左、右齿廓面上，消除了它们之间的齿侧间隙。拉簧的拉力大小可由螺母3调节。不过这种结构传动刚度较差，能传递的转矩较小。第七章 部分数控系统控制软件的框图单板机控制的步进电机开环系统中，单板机负责插补运算并输出脉冲，步进电机为执行机构。控制中的核心，是由软件按加工要求对步进电机的运动方向，速度和转数实现控制。一是长控制，即把编程尺寸变为步进电机的步数；二是速度控制，一般用CTC定时器，使其每隔一定时间发出一次中断，进行插补；三是方向控制，即正反转控制。一般软件有两种结构。一种是中断方式，即把插补输出作为中断程序；另一种是流水线式结构，即按插补加工的顺序来安排软件。中断方式软件结构框图如下：第八章 凸轮加工程序数控铣床铣削凸轮加工程序：图示为压缩机壳焊接机上的仿形凸轮，凸轮曲线是四段圆弧构成，凸轮的上下两面和中心孔已加工好，现要在数控铣床上铣削凸轮的轮廓曲线，并一次铣削加工成形。 以凸轮毛坯的中心孔为定位孔，将凸轮毛坯装到通用夹具上。选凸轮上的O点为工件坐标系的坐标原点，凸轮曲线各段圆弧的切点坐标如图所示。选用直径为20的立铣刀铣削凸轮。铣刀相对工件坐标系原点的距离X、Y、Z分别为450、200、300mm。程序启动时，刀具停在机床参考点位置。在数控铣床上铣削凸轮的加工程序如下：O0012N1 G92 X450.0 Y200.0 Z300.0N2 G90 G00 X95.0 Y70.0N3 Z6.0 M3N4 G01 G41 H12 Y0 F100N5 G02 X71.666 Y29.926 R72.0N6 X71.666 R310.0N7 Y29.926 R72.0N8 X71.666 R310.0N9 X95.0 Y0 R72.0N10 G00 G40 Y70.0N11 M5N12 G91 G28 Z0N13 G28 X0 Y0N14 M02指令简介：在上述的凸轮加工程序中O0011表示加工该零件的程序序号；N是各个程序段的序号；G是准备功能的指令代码：G00快速移动，G01直线插补，G02顺时针圆弧插补，G41刀具半径左补偿，G40取消刀具补偿；H12刀具补偿量代号；F100进给速度；M辅助功能代号：M3主轴启动，M5主轴停止，M02程序结束。每种零件的加工程序都有一个相应的程序号，加工程序都是由若干个程序段构成，每个程序段都有程序段序号，在程序中用字母，符号和数字来表示各种指令，如准备功能G、进给功能F、主轴功能S、刀具功能T、辅助功能M等。数字控制的发展机床工业的发展很难用简单的几句话来形容它的产生和成长。约翰威廉森在18世纪建立了他自己的金属切削钻床；但是，在近两个世纪的的改革中模仿铣床和车床的具有液压系统控制的钻床一样被社会所需要。大批量自动化的引进在农业，家庭工具和化学生产的应用，就像账本在财务数据上的使用，即将成为下一个关注的焦点。 在20世纪，有三种自动化形式广泛适用于社会，它们是1)机动或者固定装配生产线的自动化2)加工控制自动化，主要用于化学工艺和食品的生产3)为计算报表，数据收集和商品报表而发展的数据处理自动化第二次世界大战标志金属切削机床工业在面向处理社会需求能力上的转折点；充满野心的美国空军的航空，导弹事业的发展，十分明了的显示出常规的制造工业根本不能满足将来的需要。一份美国政府的研究数据显示在1947年整个美国的金属切削机床工业的资源配合在一起也满足不了空军的部分需要。 在美国空军的合约下，帕森公司肩负重任，设计突出对达到所需要的精度细节来扩大生产率的一个灵活的、有动力的制造业体系。这个系统允许设计的改变但却没有材料的浪费，并且它符合现代小批量生产制造的管理的需要。帕森公司在1951年承担了麻省理工学院的控制系统的改造，一个广泛适用于各种机床的控制在得到计算机的指示后通过一个分界面推动了滑架丝杠的发展。麻省理工学院实验的成功，在1952年对外宣布一台辛辛那提市的含先进技术并把控制面板作为输入媒介被命名为数字控制的铣床设备产生了。自从1952年开始，在西方国家，每台实际应用的机床全部转化成数控化的形式。 每一台数控机床均使用了真空管道，电子继电器，复杂的机床界面。第二代可利用机床发展成成缩小电子继电器，更新固态电路。计算机的迅猛发展，数控技术经历了一个又一个的巨大历史变革。第三代使用的是集成电路。低费用的电脑软件的进步，变得更可靠和只读存储器技术第一次被数字控制设计者的引进。只读存储器是一个典型应用在特殊目的程序存储器，引导计算机数控系统的出现。计算机数字控制系统是一个成功的引进每一台实际操作的制造工艺。钻床、铣床逐渐演变成加工中心或者是车削中心，计算机数字控制系统采用玻璃切削，制模工具，电火花加工，轧辊抛光和坐标测量电子束焊。管子弯头，绘图，打印回路地板，线圈绕组性能测验，机器人，和许多其他的工艺程序。 一组既定程序的子程序，在周期往复操作中使用存储循环，它们记录着只读存储器并且在关闭电源后还能继续保持，首先读入存储器程序，然后再用程序去操作机床。除此这些优点之外，读入的内存错误的消失是一个问题之一。伴随着许多存储循环的选择，工程师们设计了一个在存储器中部分程序的可视化编辑，各种循环问题都能产生警报而且适用的各种特征信息都能显示。实际上，机床中的每一个函数在操作中都是消耗系统的，一个表面的速度控制是被混合的，而且能不停的估计切削加速度效果，为下一次缩小加速度值的损失做准备。传统的生产线和在迪卡坐标系中的圆弧插补在极坐标和螺旋内部坐标中有所增加并且设置了一个电子碰撞障碍来阻止碰撞，后者标志了金属切削机床技术又上升了一个新的高度。 驱动的加速对系统来说数就像微处理器和微型计算机所做的贡献一样重要。传动系统的驱动一般被广泛的称为由马达和从计算机数字控制接受马达指示的控制的伺服驱动。计算机数字控制制系统的动作是非常的准确，稳定和灵活的。虽然技术的进步使它能够在轮廓操作中安装，但是开环系统还只是普遍适用在简单点对点的控制上。虽然计算机控制系统还在使用液压或脉冲马达，但是直流驱动在很大成度上已经占了统治的地位。大部分情况下，这个驱动的组件通过特别的驱动系统范围在3000r/m到1r/m是可以购买的。在使系统最优化的同时高速低惯性的扩展峰值转矩的大小。许多驱动系统在通过加大的电压范围在晶体硅控制校核和脉冲宽度的调制中提供一个选择。这些驱动能应用在典型的螺纹导程，他们的高响应内部回路电流提供了可靠的转矩负载调节。他们能被设计成高增益前置放大器进而去接近高宽频段的高速回路。直流发电机驱动提供最基本的加速度、减速度、停止和恒高速需求的方法。并且还包括固有轴的硬度来对计算机控制系统进行控制。相同的驱动系统使遥控装置、生产线、飞行模拟机、绘图机等变得更加精确。因为这些驱动是极其不稳定并且全部回热的驱动系统，所以他们能为增强它们整个自定范围的性能和控制做准备。通过消除变速箱和离合器，第三代计算机控制系统的花费在逐步下降。第四代微处理器计算机控制系统在许多情况下混合成传统的气泡形式存储，这种形式是一种范围在2-30微米的范围内具有磁性的红水晶，加深了对非磁性物的影响，并且作为永存储器来使用。虽然在这个部分他不能与大型计算机竞争，但是气泡式存储器是缩小成本差额的存储方案；温度的相反变化、集尘、波动都相对的不敏感。气泡式存储器曾经实验了在车间环境具有很高的可靠性。总体来说数字控制介绍了它使用气泡式存储的第四代计算机控制系统的使用。可是，另一个电子巨头认为气泡式存储器将会对数字控制技术产生直接的经济影响。第四代微处理器的发展逐步增加了程序存储、电路板还原打印、程序界面、快速存储，参数与子程序，超大容量的功能。客户们现在为特种加工可以写出特殊的循环程序，越来越多的经济与效率问题被关注多于传统的循环。循环的精确计算易变的循环子程序的精确计算在部分程序中现在能被混合到一起。微处理器控制是一个动态估算的命令。因此在加工测量中，一个超差零件将要被进给，并且进行自动刀具补偿修改进而达到所需要的尺寸。除此之外，第四代微处理器计算机控制系统有一定的能力去控制典型自动操做控制函数例如装载和卸载部分。使用教学案例自动操控装置能自动的改变程序去移动碎片。维护部分，并没有同体统一样的发展，许多控制系统并没有作为计算机控制系统提供的具有相同能量的由焊接设备、螺线管、马达或者荧光灯引起的足够的电源、波动、信号和过渡的保护。潜在的问题是存储程序的信息毁坏和流失。许多令人不适应的维护过程通过高速和低噪音或者控制面板上反应和高能消声都能被消除。替代的固态消声都有一个反应的时间在4-6毫微秒的范围内，这种比金属氧化方式10倍。它们的能量损耗16667焦耳远高于金属氧化的能量损耗40焦耳。这样的技术将来会怎么发展?总体来看它应该同系统的使用者和设计者的设计还有最实际的计算机辅助设计和计算机辅助制造的发展而发展。构成数控机床的基础硬件包括输入单元，计算插补单元，控制单元和输出单元。许多输入单元的功能是用数字指令的形式提供数据进入计算机。现代的数字控制系统是这样设计的，可以被不同输入介质操作。最普遍的是用纸带打孔，因为它是缺少敏感性处理、购买便宜并且制作答孔的设备不用太多和存储数据也不用花太多的空间。可是打孔带的缺点是他不能重复使用。磁带已经在数控系统中局部使用，他需要精密复杂的（昂贵）设备，才能对程序进行记录和读取，并且编程人员和操作人员不能看那些记录的代码，因此编程人员不能读到这些代码，记录错误不像他们购买打孔纸袋那样显而易见的。磁带需要特殊的存储地方并且操作必须十分小心，从而擦除指令程序。打印机普遍知道的键盘已经有限的应用，因为打字机能提高操作的速度，打字机不能被大量输入时使用，但是可以应用于较小的程序段。打字机主要应用于编辑（修改）已经存在介质中的程序式。应用于一般的操作在手动数据输入方式，这里是介绍读者是我们在我们同计算机交流的输入单元的发展。The Development of numerical controlThe evolution of the machine tool industry could hardly be appreciated without a brief review of its birth and growth. John Wilkinson built his metal-cutting boring machine in the eighteenth century, but nearly two centuries of evolution were needed to produce the hydraulic tracer controlled copy mills and lathes. The next stare, automation, was brought about by mass production of automobiles, agricultural implements, household appliances, chemical products, as well as inventory and financial data handling. Three kinds of automation met the needs of society for a major part of the twentieth century. There were:1)Automotive or fixed assembly line automation.2)Process control automation, primarily used in the manufacture of chemical and food products.3)Data processing first developed for processing payrolls, data collection, and inventory control.The Second World War marked the turning point in the ability of the metal-cutting industry to cope with the requirements facing it. The ambitious aircraft and missile projects of the U.S. air force, combined with the demands for commercial jets, made it quite clear that conventional manufacturing could not fulfill future needs. A study of the U.S. government showed that the combined resources of the entire U.S. metal-cutting industry in 1947 could not produce the parts needed by the air force along.Under contract to the U.S. air force，the Parsons Corporation under took the development of a flexible, dynamic manufacturing system, designed to maximize productivity by emphasizing details required to achieve desired accuracies. This system would allow design changes without costly modifications to tooling and fix Turing, and it would fit in to modern, productive manufacturing management for small-to-medium-sized production runs. The Parsons Corporation subcontracted the development of the control system to the Massachusetts Institute of Technology in 1951. A control, which would be applicable to a wide variety of machine tools, would drive a slide lead screw through an interface, as instructed by the out put of a computer. MIT met the challenge successfully, and in 1952 demonstrated a Cincinnati Hydrotel milling machine equipped with the new technology, which was named Numerical Control (NC) and used a prepunched tape as the input media. Since 1952, practically every machine tool manufacturer in the Western world has converted part or all of its product to NC.The first NC machines used vacuum tubes, electrical relays, and complicated machine-control interfaces. The second generation of machines utilized improved miniature electronic tubes, and later solid-state circuits. As computer technology improved, NC underwent one of the most rapid changes known in history. The third generation used much improved integrated circuits. Computer hardware became progressively less expensive and more reliable and NC control builders introduced for the first time Read Only Memory (ROM) technology. ROM was typically used for program storage in special-purpose application, leading to the appearance of the computer numerical control (CNC) system. CNC was successfully introduced to practically every manufacturing process. Drilling, milling, and turning to were performed on “machining centre” and “turning centre.” CNC took over glass cutting, pattern making, electrical discharge machining, steel-mill roll grinding, and coordinate measuring electron beam welding， Tube bending, drafting, printed circuit manufacturing, coil winding functional testing, robots, and many other processes. A set of preprogrammed subroutines, named canned cycles, were developed for use in routine operations. They were recorded into the ROMs and remained there even after power was shut off. For the first time, this concept made it possible to read the machining program into memory and to operate the machine from memory. In addition to the advantages of editing, the problems caused by erroneous tape reading disappeared. Along with the many canned cycle option, CNC builders introduced displays for visual editing of part programs in memory. Various in-cycle problems generated alarms and hundreds of diagnostic messages which could be displayed as applicable. Practically every function of the machine was tired into the system and monitored during operation. A constant surface speed control was incorporated and continuously anticipated the most efficient spindle speed for the next cut to minimize time lost for spindle acceleration. The conventional linear and circular interpolation in cartesian (rectangular) coordinates were supplemented by polar coordinates and helical internal parameters, created an electronic crash barrier to prevent tool collision the latter group features marked the arrival of high technology to the manufacturing or metal-cutting industry.The improvement in drives was important for the system as the contribution of the microprocessor or the minicomputer.The feed drives, usually known as servos rives, consist of a motor and its control which receives its motion instruction from the CNC. Their performance is essential to the accuracy, reliability, and flexibility of the CNC system. The open-loop system is normally used in simple point-to-point, or positioning systems, although improvements in technology have made it possible to install the system in contouring systems as well. Although many CNC systems still use hydraulic or pulse motors, the DC drives have gained dominance on a much large scale. In most cases, the drive packages are purchased from specialized drive system builders range from 3000 revolution per minute (rpm) to less than 1 rpm without stalling. They develop peak torque capabilities with high slide acceleration and low inertia for optimized system response. Most drive systems offer a choice between transistorized silicone-controlled rectifiers and pulse width modulation over the full range of amplified voltages. These drives can now drive virtually any lead screw. Their high-response inner current loops provide reliable regulation of torque-load disturbance. They can also be built with high-gain preamplifiers to close high-band-width velocity loops. The DC drives provide the answer to the most essential needs of acceleration, deceleration, shopping, and constant velocity, with inherent shaft stiffness for successful operation of the CNC system. The same drive systems actuate robots, transfer, flight simulators, graphic plotters, etc. As these drives are infinitely variable and fully regenerative, they can provide for maximum performance and control over the whole range of the motor. By eliminating gearboxes and clutches the cost of drives for the third-generation CNC system was reduced substantially.The forth- generation microprocessor CNC incorporated in many cases the controversial bubble memory. The bubbles are magnetic garnet crystals grown on nonmagnetic substrate, ranging in size from 2 to 30 micrometers, and used as non-volatile data storage. Although at this stage it is not competitive in the large computers, the bubble memory is closing the cost gap with disk storage devices. Insensitive to adverse temperature changes, dust, and vibration, the bubble memory has demonstrates superior reliability in shop environment. General Numerical introduce its fourth-generation CNC using bubble memory; however Hitachi, another electronic giant, believe that bubble memory will provide the economical answer to direct numerical control (DNC). Among the strengths of the fourth-generation microprocessor CNC (MCNC) are added part program memory storage, reduction of printed circuit boards, programmable interface, faster memory access, parametric subroutines, and macro capabilities.The system user can now write specific canned cycles directed to particular applications (“user macros”), far more economical and efficient than conventional canned cycles. Mathematical calculations with do-loop subroutines using variables can now be incorporated in the part program. The microprocessor controls both computations and motion commands. Thus, following an in-process gagging, an out-of-tolerance condition will be fed back, and the tool offset will be automatically modified to achieve the desired part dimensions In addition, the fourth-generation microcomputer CNC system has the ability to control typical robot functions such as loading and unloading parts. Using the teach-in learning mode, the robot can be programmed to change tools or remove chips.The maintenance aspect, however, has not kept up with the system development. Many CNCs and MCNCs are not sufficiently protected against power surges, spikes, or transients, caused by welding equipment, solenoids, motors, or fluorescent lights connected to the same power supply as the CNC. Potential problems are runaways and loss or damage to programs in memory. Many of the maintenance headaches could and probably will be eliminated by phasing out the fast-response, low-energy ( metal oxide version) suppressors or the medium response, high energy (isolation transformers) suppressors. The replacement, solid-state suppressors, have a response time on the order of 4-6 nanoseconds, ten times faster than the metal oxide versions (MOVs). Thire energy- dissipating capacity of 16667-J is far higher than the 40-J capacity of the MOVs.Where will technology go from here? To a large extent it develops on the knowledge of the system users and the demands they will pose to the designers and builders of the most practical elements of computer-aided design and computer-aided manufacturing technology.The basic hardware of the CNC consists of the input units , the computing or mathematics unit ,the control unit , and the output units .The function of any input unit is to provide data to the computer in the form of numeric instructions . Present CNC systems are designed to operate with different input media. The most common of these is the punched tape, mainly because it can read inexpensively, is less sensitive to handling, is inexpensive to purchase, and requires less equipment to make and less costly space for data storage . Its disadvantage, however, is that it cannot be reused. The magnetic tape has limited us
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