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目 錄
1、 總體方案確定.......................................4
1.1、C6132工藝范圍...................................4
1.2、設(shè)計(jì)任務(wù).........................................4
1.3、總體方案.........................................4
1.3.1、進(jìn)給系統(tǒng)改造.................................4
1.3.2、伺服系統(tǒng)改造.................................5
1.3.3、導(dǎo)軌改造.....................................6
1.3.4、控制系統(tǒng)改造.................................6
1.3.5、系統(tǒng)框圖.....................................6
2、機(jī)械部分改造........................................6
2.1、C6132普通車(chē)床的改造.............................6
2.2、切削力的計(jì)算....................................6
2.2.1、主切削力....................................7
2.2.2、進(jìn)給力與背吃刀力.............................7
2.2.3、工作載荷....................................7
2.3、滾珠絲杠的計(jì)算及選型.............................8
2.3.1、絲杠轉(zhuǎn)速....................................8
2.3.2、承載能力計(jì)算.................................8
2.3.3、計(jì)算額定載荷.................................9
2.3.4、滾珠絲杠螺母選型............................10
2.3.5、壓桿穩(wěn)定性校核..............................11
2.3.6、剛度演算...................................12
2.3.7、傳動(dòng)效率...................................12
2.3.8、臨界轉(zhuǎn)速...................................12
2.3.9、最大轉(zhuǎn)速...................................13
2.3.10、壓彎臨界轉(zhuǎn)速...............................13
2.3.11、預(yù)緊力....................................13
2.3.12、絲杠與導(dǎo)軌間接觸變性.......................14
2.4、減速齒輪的計(jì)算.................................14
2.5、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型............................16
2.5.1、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)特性..........................17
2.5.2、步進(jìn)電機(jī)選型考慮因素........................18
2.5.3、步進(jìn)電機(jī)初選................................19
2.5.4、步進(jìn)電機(jī)校核................................20
2.6、導(dǎo)軌的選型......................................24
3、 數(shù)控部分硬件電路設(shè)計(jì)..............................24
3.1、硬件電路組成...................................24
3.2、中央處理器選擇.................................22
3.3、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展及選型.............................23
3.4、其他電路設(shè)計(jì)...................................24
4、 總結(jié)..............................................28
5、 致謝..............................................29
6、 參考文獻(xiàn)..........................................30
1、總體設(shè)計(jì)方案確定
1.1、c6132工藝范圍
數(shù)控車(chē)床主要用于軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)零件的加工, 能自動(dòng)完成外圍柱面、內(nèi)孔、錐面、圓弧面、螺紋等工序的粗細(xì)加工, 并能在圓柱面或端面上進(jìn)行銑槽、鉆孔、鉸孔等工作, 可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件在預(yù)先加工好定位基面后, 一次裝夾下完成從毛坯到成品的全部工序。因此能夠極大的提高生產(chǎn)率。C6132車(chē)床主要用于對(duì)小型軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)以及螺紋零件的加工。
1.2、設(shè)計(jì)任務(wù)
本設(shè)計(jì)任務(wù)在現(xiàn)有C6132車(chē)床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，主傳動(dòng)系統(tǒng)保留。，橫向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量分別為0.005mm/step，最大快移速度2000mm/min，定位精度±0.01mm。
1.3、總體方案
1.3.1、進(jìn)給系統(tǒng)改造
將車(chē)床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的普通絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副，伺服電機(jī)與絲杠間采用一級(jí)減速器聯(lián)接, 以縮小傳動(dòng)鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動(dòng)鏈誤差。橫向伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪減速器總成安裝在機(jī)床后部并與滾珠絲杠通過(guò)柔性聯(lián)軸器相連。柔性聯(lián)軸器的特點(diǎn)是有一定的緩沖性能和較大的綜合補(bǔ)償性能（包括：軸向偏移，徑向偏移，角度偏移）。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是具有摩擦力小,運(yùn)動(dòng)靈敏, 無(wú)爬行現(xiàn)象, 也可以進(jìn)行預(yù)緊, 以實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng),傳動(dòng)剛度好,反向時(shí)無(wú)空程死區(qū)等特點(diǎn)?？商岣邆鲃?dòng)精度。
1.3.2、伺服系統(tǒng)的改造
⑴、考慮到數(shù)控的方便性，伺服系統(tǒng)改造的經(jīng)濟(jì)型，所以在保證具有一定加工精度的前提下，從改造成本考慮。應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本及考慮到加工精度的要求，應(yīng)采用以伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：環(huán)路短，剛性好，較容易獲得較高的精度和速度。
伺服電動(dòng)機(jī) 機(jī)床工作臺(tái)
比較器
放大電路
脈沖指令
圖1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理圖
⑵、開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)一般選用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移量的執(zhí)行元件。其轉(zhuǎn)速則與脈沖頻率成正比。由于輸入為電脈沖，因而易于電子計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字電路接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、繪圖機(jī)、計(jì)時(shí)鐘表等方面。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用于系統(tǒng)具有較好的開(kāi)環(huán)穩(wěn)定性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有可能省去閉環(huán)系統(tǒng)中的測(cè)量元件。
⑶、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：步距角小，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率高，在一相繞組長(zhǎng)期通電狀態(tài)下，具有自鎖能力，消耗功率較大，應(yīng)用范圍比較廣泛。例如閥門(mén)控制、數(shù)控機(jī)床及其他數(shù)控裝置。
永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：功率比較小，在斷電的情況下，有定位轉(zhuǎn)矩，步距角大，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，主要應(yīng)用在自動(dòng)化儀表方面。
故：從精度和經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)選，伺服系統(tǒng)采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制。
為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定的功率，需要有足夠功率提供給電動(dòng)機(jī)因此需要有功率放大環(huán)節(jié)，脈沖分配器及前面的微機(jī)及接口芯片，工作電平一般為5V，而作為電動(dòng)機(jī)電源需符合電機(jī)要求的額定電壓值，為避免強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾在它們之間應(yīng)采用隔離電路。如下圖
圖1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
1.3.3、導(dǎo)軌改造
導(dǎo)軌需沿用原機(jī)床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機(jī)床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤(rùn)滑性。
1.3.4、控制系統(tǒng)選用
控制系統(tǒng)選用MCS-51單片機(jī)。
1.3.5、系統(tǒng)框圖
見(jiàn)圖【01】
2、機(jī)械部分改造
2.1、C6132普通車(chē)床參數(shù)
最大回轉(zhuǎn)直徑：ф320mm
最大加工長(zhǎng)度：640mm
移動(dòng)步件重盤(pán)：橫向 500N
刀架快進(jìn)速度：橫向 1.2m/min
最大進(jìn)給速度：橫向0.3m/min
主電機(jī)功率：4KW
起動(dòng)加速時(shí)間：25ms
機(jī)床定位精度：0.015mm
機(jī)床效率：0.8
2.2、切削力的計(jì)算
在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，選用伺服電機(jī)等都需要用到切削力，
2.2.1、主切削力
選工件材料碳素結(jié)構(gòu)鋼，=650 MP；選用刀具材料為高速鋼；
刀具幾何參數(shù)：主偏角=，前角=，刃傾角=；
切削用量為：背吃刀量=2mm，進(jìn)給量=0.8mm/r，切削速度=1 m /min.。
由表（2.1）查得：=1770; =1.0 =0.75 =0;
由表（2.2）查得：主偏角修正系數(shù)=0.92 ,前角，刃傾角修正系數(shù)都為1.0；
代入公式：
=
=2754.92 ( N )
2.2.2、進(jìn)給力與背吃刀力
由經(jīng)驗(yàn)公式：
：：=1:0.35:0.4
知：==2754.92N
==0.35x2754.92=964.22N
==0.4x2754.92=1101.97N
2.2.3、工作載荷
選擇矩形三角形組合導(dǎo)軌由表（2.3）計(jì)算：
=1.15x964.22+0.15x(2754.92+500)
=1597.09（N）
： 溜板箱及刀架（橫向）重力=500（N）;
： 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)由表（2.3）查得：K=1.15
f ： 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)由表（2.3）查得：f= 0.15
表2.1車(chē)削力公式中系數(shù)參數(shù)
結(jié)構(gòu)鋼，鑄鋼=650 MP
刀具材料
加工外形
公式中指數(shù)及參數(shù)主切削力
高速鋼
外圓縱車(chē)，橫車(chē)，切斷
1770
1.0
0.75
0
表2.2加工鋼或鑄鐵刀具幾何參數(shù)改變時(shí)切削力修正系數(shù)
名稱(chēng)
數(shù)值
主偏角
修正系數(shù)
0.92
前角
1.0
刃傾角
1.0
刀尖圓角半徑
1.0
表2.3實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考參數(shù)
導(dǎo)軌類(lèi)型
實(shí)驗(yàn)公式
f
矩形導(dǎo)軌
1.1
0.15
燕尾導(dǎo)軌
1,4
0.2
三角形或綜合導(dǎo)軌
1.15
0.15-0.18
2.3、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型
2.3.1、絲杠轉(zhuǎn)速
=200r/min；
其中：：最大切削條件下進(jìn)給速度（mm/min），
取最高進(jìn)給速度(2000mm/min)的 1/2～1/3
即： =2000 × ?=1000mm/min
：絲杠導(dǎo)程初選5 mm（導(dǎo)程越大，承載越大；導(dǎo)程越小，精度越高）；
2.3.2、承載能力選擇
=
=11010.38 N
其中：
=180 (r)；
滾道硬度HRC=55；
表2.4 使用壽命時(shí)間（h）
使用壽命時(shí)間（h）
普通機(jī)床
數(shù)控機(jī)床
航空機(jī)械
5000～10000
15000
1000
表2-5 硬度系數(shù)
硬度系數(shù)
HRC≧58
HRC=55
HRC=52.5
HRC=50
HRC=45
1.0
1.11
1.35
1.56
2.4
表2-6載荷系數(shù)
載荷系數(shù)
平穩(wěn)或輕度沖擊
中等沖擊
較大沖擊
1.0～1.2
1.2～1.5
1.5～2.5
2.3.3、計(jì)算額定載荷C
選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(wàn)轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）時(shí)，其中90%不產(chǎn)生疲勞損傷時(shí)所能承受的最大軸向載荷。
①、計(jì)算最大額定動(dòng)載荷
=9919.26 (N)
絲杠選型應(yīng)使得絲杠額定動(dòng)載荷滿(mǎn)足：
知：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。
②、計(jì)算最大額定靜載荷
=2x1597.09=3194.18 (N)
絲杠選型應(yīng)使得絲杠額定靜載荷滿(mǎn)足：=28538
知：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。
表2.7靜態(tài)安全系數(shù)
靜態(tài)安全系數(shù)
一般運(yùn)動(dòng)
有沖擊及振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)
1～2
2～3
2.3.4、選擇滾珠的杠螺母的選型：
⑴、滾珠絲杠選型
根據(jù)上面的計(jì)算查表選滾珠絲杠型號(hào)為：FL2505-3
表2.8 FLF2505-3 型滾珠絲杠參數(shù)
型號(hào)
公稱(chēng)直徑
基本導(dǎo)程
絲杠外徑
滾
珠
直
徑
螺旋升角
循環(huán)圈數(shù)
額定載荷N
接觸剛度R
(N/）
動(dòng)剛度
靜剛度
絲
杠
底
徑
2505-5
25
5
24.5
3.175
3`39`
2x2.5-2x2.5
11670
28538
870
21.2
表2.9螺母安裝尺寸
D
D
D
B
M
40
66
53
11
4
10
5.8
6
M6
28
30
102
余程
有效行程
全長(zhǎng)
20
=-2=360
400
12
6
P1042
⑵、滾珠絲杠循環(huán)方式
本設(shè)計(jì)循環(huán)方式采用：外循環(huán)滾珠絲杠，螺旋槽式。
⑶、滾珠絲杠副的標(biāo)注方法
滾珠絲杠 GB/T ××××× - ××× × ×× ××××× × ×× ×
名稱(chēng)
國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)號(hào)
公稱(chēng)直徑
基本導(dǎo)程
螺紋長(zhǎng)度
類(lèi)型P/T
公差等級(jí)
旋向R/L
FL25005-3-310 /400
表示：
外循環(huán)墊片調(diào)隙式、法蘭式雙螺母螺紋預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠母副，名義直徑為25mm，導(dǎo)程為5mm,一個(gè)螺母工作滾珠為3.5圈，單列，3級(jí)精度，右旋，絲杠螺紋部分長(zhǎng)度為310mm,絲杠總長(zhǎng)度為400mm。
2.3.5、壓桿穩(wěn)定性效核
=
=17081.98 >>=1597.09 ( N )
知：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求；
其中：
：實(shí)際承受載荷能力N；-剛的彈性模量，MPa；
：滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，=9910.44 mm；
：壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取2.5～4；
表2.10 壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù)
壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù)
雙推-雙推
單推-單推
雙推-簡(jiǎn)支
雙推-自由
4
1
2
0.25
注：①若＜時(shí)，絲杠失去穩(wěn)定發(fā)生翹曲；
②兩端裝推力軸承及向心軸承時(shí)一般不會(huì)發(fā)生現(xiàn)象；
③當(dāng)n＜10r/min時(shí)，無(wú)需計(jì)算，只效核≥。
2.3.6、剛度驗(yàn)算
每一導(dǎo)程變形量 （mm）
=
= 0.006+0.1x
0.006 （mm）
其中：T===0.768 （N·cm）
（“+” 取拉，“–”取壓）
：剛的彈性模量，MPa；
：絲杠最小截面積，；：扭矩，N·cm；
：滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，；
2.3.7、傳動(dòng)效率
==95.6%
：絲杠螺旋線升角；：摩擦角（滾珠絲杠?。?
2.3.8、臨界轉(zhuǎn)速
== 9060000 ( r/min )
：絲杠底徑（mm）；：絲杠支撐間距（mm）。
表2.11 臨界裝束系數(shù)
臨界裝束系數(shù)
雙推-雙推
雙推-支撐
雙推-單推
雙推-自由
21.9
15.1
9.7
3.4
2.3.9、最大轉(zhuǎn)速
絲杠最大轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足：
=50000/25=2000 ( r/min )
：絲杠名義直徑（mm）；：常取=50000～70000。
2.3.10、壓彎臨界載荷 N
== 367.2 ( N )
：絲杠底徑（mm）；：絲杠支撐間距（mm）
表2.12 臨界載荷系數(shù)m
臨界載荷系數(shù)
雙推-雙推
雙推-支撐
雙推-單推
雙推-自由
20.3
10.2
5.1
1.3
2.3.11、預(yù)緊力
預(yù)緊力增加，滾珠與滾道間接觸剛度也增加，傳動(dòng)精度提供；但過(guò)大預(yù)緊力會(huì)影響甚至降低絲杠的壽命。
按下表選擇
表2.13 預(yù)緊力計(jì)算公式
工 作 條 件
（N）
舉例
工作速度
反向間隙
定位精度
接觸剛度
中速
無(wú)
高
高
=（0.1～0.13）×
加工中心NC機(jī)床
中速
無(wú)
較高
較高
=(1/3)
經(jīng)濟(jì)型NC機(jī)床，普通機(jī)床
高速
無(wú)
一般
低
<<(1/3)
工業(yè)機(jī)器人工程機(jī)械
=(1/3) =1/3x1597.09=532.36 ( N )
滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過(guò)盈滾珠預(yù)緊等。
2.3.12、絲杠與軌道間接觸變形
取：=0.005mm
其中：=3281.93 N ；=532.36N
:滾珠直徑；=3.173 mm；
：滾珠總數(shù)；=x圈數(shù)x列數(shù)=370個(gè)；
由：=+=0.005+0.006=11 <=13
查表知：3級(jí)精度，310-400長(zhǎng)度內(nèi)允許變量為13
故：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。
綜上知：選用 FL2505-3 型滾珠絲杠可以設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。
2.4、減速齒輪計(jì)算
⑴、算進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)比i
=360 × 0.005/×5
=0.48
式中：脈沖當(dāng)盒(mm/步）;=0.005 mm/setp
：滾珠絲杠的基本導(dǎo)程(mm); =5
：步進(jìn)電機(jī)的步距角。初選。
⑵、減速齒輪的計(jì)算
計(jì)算出傳動(dòng)比以后，再根據(jù)降速級(jí)數(shù)決定一對(duì)或兩對(duì)齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，一般取模數(shù)m=1—2，數(shù)控臺(tái)鉆x—y工作臺(tái)取m=1，數(shù)控車(chē)床，銑床可取m=2。
由（、為降速齒輪的齒數(shù)）可計(jì)算和選取齒數(shù)。
齒輪各部分幾何參數(shù)如表（2.15）計(jì)算。
I=Z1/Z2=0.48
所以選主動(dòng)輪Z1=24，從動(dòng)齒輪Z2=50
表2.15減速齒輪計(jì)算參數(shù)
名稱(chēng)
代號(hào)
計(jì)算
=24
=50
齒頂高
=2
齒根高
=2.5
齒全高
=4.5
分度圓直徑
=48
=100
齒頂圓直徑
=52
=104
齒根圓直徑
=43
=95
齒距
=6.28
齒厚
=3.14
中心距
=74
模數(shù)
=2
齒頂高系數(shù)
=1
齒隙系數(shù)
=0.2
齒形角
=20
齒輪寬（初選）
B=20
B=14
⑶、齒輪消隙
由于數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動(dòng)變向狀態(tài)，反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪等傳動(dòng)副存在間隙，就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào)，從而影響其驅(qū)動(dòng)精度。因此必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙，以提高數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)精度。故采用：雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法（如圖2.1）。其特點(diǎn)：既可以消除間隙，且反向時(shí)不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)。
圖2.1 可拉彈簧式雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法
圖中,在2 個(gè)薄片齒輪1 和2 上裝有螺紋的凸耳4 和8 ,彈簧的一段鉤在凸耳4上,另一端鉤在螺釘5 上。彈簧3 所受的張力大小可用螺母6 來(lái)調(diào)節(jié)螺釘5 的伸出長(zhǎng)度,調(diào)整好后再用螺母7 鎖緊。
雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法原理：在一對(duì)嚙合的齒輪中，其中一個(gè)是寬齒輪（圖中標(biāo)出），另一個(gè)是由兩薄齒輪組成。薄片齒輪1和2上各開(kāi)有周向圓弧槽，并在兩齒輪的槽內(nèi)各壓配有安裝彈贊4的短圈柱3。在彈簧4的作用下使齒輪1和2錯(cuò)位，分別與寬齒輪的齒槽左、右側(cè)貼緊，消除了齒側(cè)間隙，但彈簧4的張力必須足以克服扭矩
2.5、步進(jìn)電機(jī)計(jì)算及選用
2.5.1、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性
⑴、步距角
步距角是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要指標(biāo)之一，它的大小由公式（1）決定步距角的大小反映了系統(tǒng)能夠達(dá)到的分辨能力。目前國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角由0.3750到900最常用的為1.20/0.60、1.50/0.750、1．80/0.90、20/10、30/1.50、4.50/2.250等幾種。
（1）
⑵、靜特性
靜特性是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性，包括矩角特性、靜態(tài)稚定區(qū)等。1.矩角特性
在脈沖電流不變的情況下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系M=f(θ)稱(chēng)為矩角特性。
失調(diào)角的關(guān)系，即定、轉(zhuǎn)子齒中心線間的夾角θ在反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中一個(gè)齒距對(duì)應(yīng)的電角度為2。
定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，即θ=0，電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)切向力轉(zhuǎn)矩為零；若定、轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度．這時(shí)出現(xiàn)切向力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其作用是使齒對(duì)齊。根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，M=f(θ)近似為一條正弦曲線，如圖19所示，矩角特性上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱(chēng)為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。它表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)承受負(fù)載的能力，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一。
⑶、步進(jìn)動(dòng)行特性
①、靜穩(wěn)定區(qū)
由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性可知，當(dāng)失調(diào)角θ在到（即相當(dāng)齒距）的范圍內(nèi)，若去掉負(fù)載，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置稱(chēng)到為靜穩(wěn)定區(qū)，如圖19所示若失調(diào)角超過(guò)這個(gè)范圍，去掉負(fù)載再也不能自動(dòng)加到這個(gè)平衡位置。
步進(jìn)運(yùn)行特性是指脈沖頻率很低，每一個(gè)脈沖到來(lái)之前，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)己經(jīng)停止，這種運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)。
②、動(dòng)穩(wěn)定區(qū)
動(dòng)穩(wěn)定區(qū)是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)時(shí)，不致引起失步的區(qū)域。如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載，在A相通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子位于矩角特性曲線A上的平衡點(diǎn)OA處：A相斷電，B相通電，工作點(diǎn)將由OA點(diǎn)跳至曲線B上，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行于OB點(diǎn)。改為B相通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子位置處于B'--B"之間，轉(zhuǎn)子就能向OB點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。而達(dá)到新的德定平衡，區(qū)域B'--B"為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載狀態(tài)下的動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，如圖20所示，顯然相數(shù)或拍數(shù)增加，步距角減小，穩(wěn)定區(qū)越接近靜穩(wěn)定區(qū)。
③、步進(jìn)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載能力
如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZI較小時(shí)，在A相繞組通電的情況下，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作點(diǎn)在曲線A上的a1點(diǎn)，A相繞組斷電，B相繞組通電時(shí)，工作點(diǎn)將由點(diǎn)a1跳到曲線B上的b1點(diǎn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩大于MZI，轉(zhuǎn)子加速，工作點(diǎn)由b1點(diǎn)沿曲線B移到的b1'，達(dá)到新的平衡位置，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZ2很大時(shí)，在A相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在曲線A上的a2點(diǎn)。A相斷電，B相通電瞬間，工作點(diǎn)由a2跳到曲線B上的b2點(diǎn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZ2，轉(zhuǎn)子無(wú)法帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。顯然，電動(dòng)機(jī)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)所能帶動(dòng)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩取決于曲線A和曲線B交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。此稱(chēng)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZM如圖21所示，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)m或拍數(shù)N的增加，步距角減小，兩曲線的交點(diǎn)就升高，帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩的能力增強(qiáng)。
⑶、連續(xù)運(yùn)行特性
如果輸入脈沖頻率很高時(shí)，控制脈沖的時(shí)間間隔小于過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，轉(zhuǎn)子尚未走完前一步，下一個(gè)脈沖已經(jīng)到來(lái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)呈連續(xù)狀態(tài)。
①、矩頻特性：
因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組中存在電感，所以電流增長(zhǎng)就有個(gè)過(guò)渡過(guò)程，頻率較高時(shí)，電流達(dá)不到穩(wěn)定值，電流峰值隨脈沖頻率增大而減小，轉(zhuǎn)矩就隨脈沖頻率的升高而降低如圖22所示。
②、工作頻率
起動(dòng)頻率是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步起動(dòng)的最高頻率。
因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，除要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要克服慣性轉(zhuǎn)矩，頻率高時(shí)，轉(zhuǎn)子就可能跟不上，為保證正常起動(dòng)，起動(dòng)頻率要有限制。
連續(xù)工作頻率又稱(chēng)運(yùn)行頻率，它是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖連續(xù)上升時(shí)，能不失步運(yùn)行的最高頻率，起動(dòng)后，再逐步升高脈沖頻率，慣性轉(zhuǎn)矩不那么大，所以達(dá)到的最高頻率要比起動(dòng)頻率高得多。有關(guān)。布距角越小，最大靜轉(zhuǎn)矩越大，起動(dòng)頻率和工作頻率越高。
2.5.2、選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)考慮因素
根據(jù)系統(tǒng)的需要，參照各種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型，然后再考慮以下各項(xiàng)具體因素，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的規(guī)格。
⑴、根據(jù)需要的脈沖當(dāng)量（每一個(gè)脈沖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載所轉(zhuǎn)的角或直線位移）和可能選擇的傳動(dòng)比來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角
⑵、根據(jù)負(fù)載的阻力矩，按下式選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩MJM=MZ/（0.3~0.5）
⑶、對(duì)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的負(fù)載來(lái)說(shuō)，起和停動(dòng)頻率不宜過(guò)高。應(yīng)當(dāng)考慮在低頻下起動(dòng)后再升到工作頻率，停動(dòng)應(yīng)從工作頻率下降到適當(dāng)頻率在停動(dòng)。
⑷、盡量使工作過(guò)程負(fù)載均衡，避免由于突變引起動(dòng)態(tài)誤差。
⑸、對(duì)有強(qiáng)迫冷卻的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要注意工作過(guò)程中冷卻裝置的正常運(yùn)行。
⑹、發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有失步現(xiàn)象，首先應(yīng)檢查負(fù)載是否過(guò)大，電派電壓是否正常，指令安排是否合理，然后再檢查驅(qū)動(dòng)電源輸出是否正常，波形是否正常，最后根據(jù)原因再處理，處理中不宜任意更換元件或改變其規(guī)格。
2.5.3、步進(jìn)電機(jī)初選
根據(jù)初選查表初選距角 選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為150BF002。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2-14。
其中：150BF002步距角/,其中是五相十拍，是五相五拍。選擇五相十拍其步距角是，滿(mǎn)足減速比的計(jì)算。
表2.14 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)
型 號(hào)
主要技術(shù)數(shù)據(jù)
外形尺寸
重量
步距角
最 大靜轉(zhuǎn)距
最高空載啟動(dòng)頻率()
相數(shù)
電壓
電流
外徑
長(zhǎng)度
軸徑
45BF003-Ⅱ
1．5
0.196
3700
3
60
2
45
58
4
3.8
55BF004
1．5
0.49
2200
3
27
3
55
60
6
6.5
75BF001
1．5
0.392
1750
3
24
3
75
53
6
11
75BF003
1．5
0.882
1250
3
30
4
75
75
8
15.8
90BF001
0.9
3.92
2000
4
80
7
90
145
9
45
110BF003
0.75
7.84
1500
3
80
6
110
160
11
60
110BF004
0.75
4.9
1500
3
30
4
110
110
11
55
130BF001
0.75
9.31
3000
5
80/12
10
130
170
14
92
150BF002
0.75
13.72
2800
5
80/12
12
105
155
18
140
2.5.4、步進(jìn)電機(jī)的校核
⑴、電機(jī)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
=
=26.11 ( )
其中：：滾珠絲杠轉(zhuǎn)矩；
==1.20 ()
：床鞍折算到絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
=== 0.32 ( )
：齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；
==0.81 ( )
= =1.15( )
：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；查表（3-1）=13.72 ( )
⑵、電動(dòng)機(jī)上等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩
①快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N/m
其中：：最大加速轉(zhuǎn)矩；
：最大轉(zhuǎn)速；==833.33 ( r/min )
：步進(jìn)電機(jī)由靜止加速到最大轉(zhuǎn)速歷時(shí)；設(shè)=0.4 （ s ）
：橫向傳動(dòng)總效率；取=0.8
則：
=
=0.71 ( N/m )
移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上摩擦轉(zhuǎn)矩
=
其中：：導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；取=0.2
：垂直方向工作負(fù)載；空載時(shí)取=0
則：=
=
=0.004 ( N/m )
絲杠部分忽不計(jì)
故： =0.71+0.004=0.714 ( N/m )
②最大工作負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N/m
其中：：最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；
==2.00 ( N/m )
=
=
=0.13 ( N/m )
故： =2.00+0.13=2.13 ( N/m )
故： ==2.13 ( N/m )
⑶、步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩選定
=4x1.01=8.52 ( N/m )
由表（2.14）知 150BF002 型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩=13.72 N/m 。
故：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。
⑷、步進(jìn)電機(jī)性能校核
①、最大工進(jìn)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 N/m校核
由：=1000 mm/min；=0.005 mm；
求得運(yùn)行頻率=3333.33 ;
查圖（2.14）得：= ( N/m )
知： =1.01 ( N/m )；
故：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。
②、最大空載時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 N/m校核
由： =2000 mm/min；=0.005 mm；
=6666.67 ;
查圖（2-14）得：= ( N/m )
知： =0.714 ( N/m )
故：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。
③、最快空載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率
由：=6666.67 ；
查表（2-14）150BF002 極限運(yùn)行頻率=8000；
知：<；
故：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。
④、啟動(dòng)頻率計(jì)算
===1643
其中：最高空載啟動(dòng)頻率，由表（3.1）查得=2800 ；
：電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由上計(jì)算知：=26.11
：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，查表（2.14）知：=13.72
由上式計(jì)算知：要保證步進(jìn)電機(jī)不是步，任何時(shí)候啟動(dòng)頻率都必須小于1643。
綜上知：本設(shè)計(jì)選150BF002型步進(jìn)電機(jī)，可以滿(mǎn)足設(shè)基要求。
2.6、導(dǎo)軌的選擇
導(dǎo)軌需沿用原機(jī)床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機(jī)床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤(rùn)滑性。
其特點(diǎn)是：摩擦系數(shù)低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可吸收震動(dòng)，維修方便，損壞后更換容易。伺服控制系統(tǒng)的選擇。
綜上知：機(jī)械部分改造均已滿(mǎn)足要求。
由此得：機(jī)械部分裝配圖，見(jiàn)圖【02】；
傳動(dòng)鏈圖，見(jiàn)圖【03】。
3、數(shù)控部分硬件電路設(shè)計(jì)
3.1、硬件電路組成機(jī)床硬件電路由以下組成。
（1）、主控制器，即中央處理單元CPU。
（2）、總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。
（3）、存儲(chǔ)器。包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器
（4）、接口。即I/O輸入/輸出接口電路。
（5）、處圍設(shè)備。如鍵盤(pán)、顯示器及光電輸入機(jī)等。見(jiàn)圖7
RAM
ROM
I/O
步進(jìn)電機(jī)
功率放大器
光電隔離
CPU
外設(shè)
鍵盤(pán)，顯示等
圖 3.1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)）
3.2、中央處理器（CPU）選擇
①、本設(shè)計(jì)選用MCS-51的8031芯片。8031芯片內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器（故EA端必須接地），8031有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，地址從00H－FFH。內(nèi)部256字節(jié)的空間被分成兩部分，其中低8位內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）地址為00H-7FH,高8 位特殊功能寄存器（SFR）的地址80H－FFH為4個(gè)工作寄存器區(qū)，每個(gè)區(qū)都有8個(gè)8位寄存器R0-R7，可以用來(lái)暫存運(yùn)算的中間結(jié)果以提高運(yùn)算速度。其中的R0和R1還可以用來(lái)存放8位地址，要確定采用哪個(gè)工作寄存器，可通過(guò)標(biāo)志寄存器PSW中的RS0、RS1來(lái)指定。8031在組成控制系統(tǒng)時(shí)可根據(jù)需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由于地址線是16位的，故最多能擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器和64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其地址均為0000－FFFFH，即程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。因此，EPROM和RAM的地址分配比較自由，編程不必考慮地址沖突問(wèn)題。
圖3.2 8031管腳圖
②、地址鎖存器74L373
由于MCS－51單片機(jī)的P0口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須利用地址鎖存器將地址信號(hào)從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開(kāi)來(lái)。
圖3.4 74LS373的管腳圖
3.3、存儲(chǔ)器的選擇與擴(kuò)展
⑴、因?yàn)?031沒(méi)有內(nèi)部ROM，故需外擴(kuò)一片EROM，此處選擇一片8KB的2764作為外擴(kuò)EROM。
程序存儲(chǔ)器2764
圖 3.5 2764管腳圖
⑵、因?yàn)?031只有00F-7FH的128位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，故此處選擇一片6264作為外擴(kuò)RAM。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264
6264芯片是一個(gè)8KX8的CMOS SRAM 芯片，它共有28條引出線，包括13根地址線、8根數(shù)據(jù)線以及4根控制信號(hào)線。
圖3.6 6264管腳圖
⑶、因?yàn)樾枰语@示及鍵盤(pán)電路而8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可供用戶(hù)使用的只有P1口及部分P2口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免的要進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。此處選8155，以便更好的實(shí)現(xiàn)c6132機(jī)床的數(shù)控功能，利用8155的PC及P0口外接輸入鍵盤(pán)；利用8155的PA口及PB口外接輸出顯示。此處顯示采用LED數(shù)碼管，并選用兩篇BIC8718驅(qū)動(dòng)器來(lái)連接PA口和PB口以驅(qū)動(dòng)LED顯示。
8155
8155是具有40條引腳的雙列直插式RAM/IO/CTC擴(kuò)展器。含有256個(gè)字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器，一個(gè)6位、兩個(gè)8位可編程I/O口，一個(gè)14位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。
圖3.7 8155管腳圖
擴(kuò)展芯片地址
芯片
地址選線
片內(nèi)單元
地址編碼
2764
001x xxxx xxxx xxxx
8K
2000H-3FFFH
6264
000x xxxx xxxx xxxx
8K
0000H-1FFFH
8155
I/O
01xx xxxx xxxx xxxx
6
4000H-7FFFH
RAM
00xx xxxx xxxx xxxx
256
0000H-3FFFH
綜上： 把上述所給硬件連接起來(lái)，組成一個(gè)單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，其中8031的P1口連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；8031的P0口經(jīng)74L373地址鎖存器分別與2764、6264的低8位地址線相連接；8031的P2口分別直接與2764、6264相連接；8031的P0口與8155相連接；8155的PA口，PC口分別作為鍵盤(pán)的列口、行口，另外PA口加一個(gè)驅(qū)動(dòng)器8718作為顯示器的位控口，PB口作為顯示器的段控口。
3.4、其他電路
⑴、復(fù)位電路
⑵、時(shí)鐘電路
⑶、報(bào)警電路
⑷、光電耦合電路
⑸、功率放大電路
即得電氣原理硬件接線圖：見(jiàn)圖【04】
4、總結(jié)
本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是C6132橫向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造，是基于現(xiàn)有普通型C6132車(chē)床的基礎(chǔ)之上進(jìn)行數(shù)控改造，以減少普通車(chē)床的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高普通型C6132車(chē)床的加工精度、工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)改善車(chē)削加工的工作環(huán)境。
本設(shè)計(jì)中我堅(jiān)持思考和踐行相結(jié)合，從設(shè)計(jì)任務(wù)出發(fā)閱讀所有學(xué)過(guò)知識(shí)及設(shè)計(jì)可能用到的相關(guān)課本，以便在知識(shí)儲(chǔ)備方面有個(gè)好的基礎(chǔ)，此外也在許多網(wǎng)站尋找瀏覽有關(guān)知識(shí)，的確這次的做課設(shè)過(guò)程中復(fù)習(xí)了不少學(xué)過(guò)的知識(shí)，也學(xué)到和接觸了許多新知識(shí)，當(dāng)然，接觸的多了也遇到了不少的問(wèn)題，而面對(duì)問(wèn)題時(shí)，的確讓我很是苦惱，思考，詢(xún)問(wèn)，查資料，還好有老師和同學(xué)的幫助，自己也在網(wǎng)上論壇提問(wèn)求解，大多問(wèn)題也都解決了。所以，通過(guò)這次課設(shè)我鞏固了許多知識(shí)也學(xué)到的確很多知識(shí)，懂得了虛心求教，多思考，多查資料，多看書(shū)，多總結(jié)的學(xué)習(xí)態(tài)度。謙恭而進(jìn)取，集思而廣益，我很感謝我的老師和同學(xué)們是你們的智慧幫我完成了本次的課程設(shè)計(jì)，使我學(xué)到如此之多的知識(shí)。
事躬行而得知。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)我學(xué)到許多。雖然4個(gè)周的課設(shè)時(shí)間，但在這段時(shí)間里我學(xué)到了許多知識(shí)，懂得了長(zhǎng)久學(xué)習(xí)的重要性，做完這次課設(shè)，對(duì)我來(lái)說(shuō)不是一個(gè)終點(diǎn)，而是邁相機(jī)械方面學(xué)習(xí)的又一次起航。
5、致謝
本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)是C6132橫向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造，主要是在黃崇麗老師的精心指導(dǎo)下完成的。黃老師給了我無(wú)私的幫助和指導(dǎo)，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，豐富的知識(shí)，永遠(yuǎn)是我的學(xué)習(xí)榜樣。
同時(shí)，也感謝王長(zhǎng)乾老師的幫助和指導(dǎo)。感謝同班同學(xué)的幫助。
我能夠順利完成此次課程設(shè)計(jì)，離不開(kāi)黃老師，王老師和同學(xué)們的幫助，再次我想你們表示誠(chéng)摯的謝意。
6、參考文獻(xiàn)
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