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1 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 2 機(jī)械部分改造 6 2 1 C6132 普通車床的改造 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 3 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 4 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 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)控車床主要用于軸類 盤類零件的加工 能自動完成外圍柱面 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 車床主要 用于對小型軸類 盤類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 車床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上 對機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù) 控改造 主傳動系統(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 6 1 3 1 進(jìn)給系統(tǒng)改造 將車床溜板箱拆除 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)與絲杠間采用一級減速器聯(lián)接 以縮小傳動鏈 提高系統(tǒng)剛度 并減少傳 動鏈誤差 橫向伺服電動機(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)動靈敏 無爬行現(xiàn)象 也可以進(jìn)行預(yù)緊 以實(shí)現(xiàn)無間隙傳動 傳動剛 度好 反向時(shí)無空程死區(qū)等特點(diǎn) 可提高傳動精度 1 3 2 伺服系統(tǒng)的改造 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 伺服電動機(jī)為驅(qū)動的開環(huán)伺服系統(tǒng) 開環(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 伺服電動機(jī) 機(jī)床工作臺 脈沖指令 圖 1 1 開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 開環(huán)伺服系統(tǒng)一般選用步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動機(jī)是一種把電脈沖信號轉(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)電動機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床 自動生產(chǎn)線 自動化儀表 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)電動機(jī)用于系統(tǒng)具有較好的 開環(huán)穩(wěn)定性 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 有可能省去閉環(huán)系統(tǒng)中的測量元件 反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn) 步距角小 啟動和運(yùn)行頻率高 在一相繞 比較器 放大電路 7 組長期通電狀態(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 閥門控制 數(shù)控機(jī)床及其他數(shù)控裝置 永磁式步進(jìn)電動機(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 啟動和運(yùn)行頻率較低 主要應(yīng)用在自動化儀表方面 故 從精度和經(jīng)濟(jì)的角度來選 伺服系統(tǒng)采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的開環(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 見圖 01 2 機(jī)械部分改造 2 1 C6132普通車床參數(shù) 最大回轉(zhuǎn)直徑 320mm 最大加工長度 640mm 移動步件重盤 橫向 500N 刀架快進(jìn)速度 橫向 1 2m min 8 最大進(jìn)給速度 橫向0 3m min 主電機(jī)功率 4KW 起動加速時(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 cF 選工件材料碳素結(jié)構(gòu)鋼 650 MP 選用刀具材料為高速鋼 b a 刀具幾何參數(shù) 主偏角 前角 刃傾角 rk 750 1s 5 切削用量為 背吃刀量 2mm 進(jìn)給量 0 8mm r 切削速度 1 m paf cv min 由表 2 1 查得 1770 1 0 0 75 0 CFCFxCFyCFn 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rkK 1 0 代入公式 cCFCFnyxpcvfa 92 018 21707501 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 4cFfp 9 知 2754 92N zFc 0 35x2754 92 964 22Nxf 0 4x2754 92 1101 97Nyp 2 2 3 工作載荷 mF 選擇矩形三角形組合導(dǎo)軌由表 2 3 計(jì)算 GfKzxm 1 15x964 22 0 15x 2754 92 500 1597 09 N 溜板箱及刀架 橫向 重力 500 N G 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 滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)由表 2 3 查得 f 0 15 表2 1車削力公式中系數(shù)參數(shù) 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 數(shù)值 主偏角 0 92 前角 1 0 刃傾角 1 0 刀尖圓角半徑 修正系數(shù) 1 0 表 2 3 實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考參數(shù)mF 導(dǎo)軌類型 實(shí)驗(yàn)公式 Kf 矩形導(dǎo)軌 GfKyzx 1 1 0 15 燕尾導(dǎo)軌 2 FFzm1 4 0 2 三角形或綜合導(dǎo)軌 fzx 1 15 0 15 0 18 刀具材料 加工外形 公式中指數(shù)及參數(shù)主切削力 cFCFCFxCyCn結(jié)構(gòu)鋼 鑄鋼 650 b MP a 高速鋼 外圓縱車 橫車 切 斷 1770 1 0 0 75 0 10 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 min r 200r min sphv 其中 最大切削條件下進(jìn)給速度 mm min s 取最高進(jìn)給速度 2000mm min 的 1 2 1 3 即 2000 1000mm minsv 絲杠導(dǎo)程初選 5 mm 導(dǎo)程越大 承載越大 導(dǎo)程越小 精sph 度越高 2 3 2 承載能力 選擇QF mWHQfL3 09 1572 180 11010 38 N 其中 180 r 610TnL 6 滾道硬度 HRC 55 表2 4 使用壽命時(shí)間 h T 普通機(jī)床 數(shù)控機(jī)床 航空機(jī)械使用壽命時(shí)間 h T5000 10000 15000 1000 表 2 5 硬度系數(shù) Hf HRC 58 HRC 55 HRC 52 5 HRC 50 HRC 45硬度系 數(shù) Hf 1 0 1 11 1 35 1 56 2 4 表 2 6 載荷系數(shù) Wf 平穩(wěn)或輕度沖擊 中等沖擊 較大沖擊 載荷系數(shù) Wf1 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 萬轉(zhuǎn) 10 6 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 11 向載荷 計(jì)算最大額定動載荷 aC MwFfLC3 a 9919 26 N 絲杠選型應(yīng)使得絲杠額定動載荷 滿足 a aC 知 此項(xiàng)滿足要求 計(jì)算最大額定靜載荷 oaC 2x1597 09 3194 18 N mdoaFfC 絲杠選型應(yīng)使得絲杠額定靜載荷 滿足 28538oaoaC 知 此項(xiàng)滿足要求 表2 7靜態(tài)安全系數(shù) df 一般運(yùn)動 有沖擊及振動的運(yùn)動靜態(tài)安全系數(shù) df 1 2 2 3 2 3 4 選擇滾珠的杠螺母的選型 滾珠絲杠選型 根據(jù)上面的計(jì)算查表選滾珠絲杠型號為 FL2505 3 表2 8 FLF2505 3 型滾珠絲杠參數(shù) 額定載荷N型號 公 稱 直 徑 0d 基 本 導(dǎo) 程 sph 絲 杠 外 徑 滾 珠 直 徑 WD 螺 旋 升 角 循環(huán)圈 數(shù) 動剛度 aC靜剛 度 oa 接觸剛 度 R N m 絲 杠 底 徑 2505 5 25 5 24 5 3 175 3 3 9 2x2 5 2x2 5 11670 2853 8 870 21 2 表2 9螺母安裝尺寸 D D1D2B M 2d3hMdXYL 12 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 滾珠絲杠副的標(biāo)注方法 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級精度 右旋 絲 杠螺紋部分長度為310mm 絲杠總長度為400mm 2 3 5 壓桿穩(wěn)定性效核 2ukKlEIfF 2 52310 4 914 3 17081 98 1597 09 N mF 知 此項(xiàng)滿足要求 其中 40 66 53 11 4 10 5 8 6 M6 28 30 102 余程 cL有效行程 uL全長 130V 2 20 1 2 360c 400 12 6 P104 2 滾珠絲杠 GB T 名稱 國家標(biāo) 準(zhǔn)號 公稱直 徑 0d 基本導(dǎo) 程 sph 螺 紋 長 度 1 類 型 P T 公 差 等 級 旋 向 R L 13 實(shí)際承受載荷能力 N 剛的彈性模量 MPa kFE510 2 滾珠絲杠底徑 的抗彎截面慣性矩 9910 44 mm I2d64dI 4 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取 2 5 4 K 表 2 10 壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù) kf 雙推 雙推 單推 單推 雙推 簡支 雙推 自由壓桿穩(wěn)定支 撐系數(shù) kf4 1 2 0 25 注 若 時(shí) 絲杠失去穩(wěn)定發(fā)生翹曲 Fm 兩端裝推力軸承及向心軸承時(shí)一般不會發(fā)生現(xiàn)象 當(dāng) n 10r min 時(shí) 無需計(jì)算 只效核 QFkmF 2 3 6 剛度驗(yàn)算 每一導(dǎo)程變形量 mm L IEThAFsps 2 652625 10 4910 3768104 1 30 2964 0 006 0 1x 0 006 mm 其中 T 0 768 N cm 2spFh3104 596 取拉 取壓 剛的彈性模量 MPa E5 絲杠最小截面積 扭矩 N cm A2cmT 滾珠絲杠底徑 的抗彎截面慣性矩 I2d642dI 2 3 7 傳動效率 14 95 6 tan 1039ta n 絲杠螺旋線升角 摩擦角 滾珠絲杠取 10 2 3 8 臨界轉(zhuǎn)速 c 9060000 r min 7210 Ldfnspc 71042 5 絲杠底徑 mm 絲杠支撐間距 mm spd 表2 11 臨界裝束系數(shù) f 雙推 雙推 雙推 支撐 雙推 單推 雙推 自由臨界裝束系數(shù) f 21 9 15 1 9 7 3 4 2 3 9 最大轉(zhuǎn)速 mn 絲杠最大轉(zhuǎn)速滿足 Adm 0 50000 25 2000 r min 0dAnm 絲杠名義直徑 mm 常取 50000 70000 0d 2 3 10 壓彎臨界載荷 NaF 367 2 N 4210 LdmFspa 102 絲杠底徑 mm 絲杠支撐間距 mm spd 表2 12 臨界載荷系數(shù)m 雙推 雙推 雙推 支撐 雙推 單推 雙推 自由臨界載荷系數(shù)m 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 傳動精度提供 但過大預(yù) 緊力會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 15 工 作 條 件 工作速度 反向間隙 定位精度 接觸剛度 N prF舉例 中速 無 高 高 0 1 0 1 3 aC 加工中心NC 機(jī)床 中速 無 較高 較高 1 3 mF經(jīng)濟(jì)型NC機(jī) 床 普通機(jī) 床 高速 無 一般 低 1 3 m工業(yè)機(jī)器人 工程機(jī)械 1 3 1 3x1597 09 532 36 N prFm 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)緊以及過盈滾珠預(yù)緊等 2 3 12 絲杠與軌道間接觸變形 s mZFDprWms 05 1 103 8 23有 預(yù) 緊 時(shí) 取無 預(yù) 緊 時(shí) 取 取 0 005mms 其中 3281 93 N 532 36NmFpr 滾珠直徑 3 173 mm WDW 滾珠總數(shù) x圈數(shù)x列數(shù) 370個(gè) Z ZDd 2 由 0 005 0 006 11 13總 sL m 總 查表知 3級精度 310 400長度內(nèi) 允許變量為 13總 故 此項(xiàng)滿足要求 綜上知 選用 FL2505 3 型滾珠絲杠可以設(shè)計(jì)滿足要求 2 4 減速齒輪計(jì)算 16 算進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動比i sphi 360 360 0 005 5 75 0 48 式中 脈沖當(dāng)盒 mm 步 0 005 mm setpp p 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 mm 5shsh 步進(jìn)電機(jī)的步距角 初選 75 0 減速齒輪的計(jì)算 計(jì)算出傳動比 以后 再根據(jù)降速級數(shù)決定一對或兩對齒輪的齒數(shù) 模數(shù)和i 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 鉆x y工作臺取m 1 數(shù)控車床 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) 21zi 12z 齒輪各部分幾何參數(shù)如表 2 15 計(jì)算 I Z1 Z2 0 48 所以選主動輪Z 1 24 從動齒輪 Z2 50 表2 15減速齒輪計(jì)算參數(shù) 代號 名稱 241 502 計(jì)算 齒頂高 2ah mha 齒根高 2 5f f25 1 齒全高 4 5 分度圓直徑 48d 100dZd 齒頂圓直徑 52a 104a 2 ma 齒根圓直徑 43f 95f 5 f 齒距 6 28p p 17 齒厚 3 14s ps 2 1 中心距 74a 2Zma 模數(shù) 2m 齒頂高系數(shù) 1 ah 齒隙系數(shù) 0 2c 齒形角 20 齒輪寬 初選 B 20 B 14 齒輪消隙 由于數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動變向狀態(tài) 反向時(shí)如果驅(qū)動鏈中的齒 輪等傳動副存在間隙 就會使進(jìn)給運(yùn)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 以提高數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng) 的驅(qū)動精度 故采用 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法 如圖 2 1 其特點(diǎn) 既可以消 除間隙 且反向時(shí)不會出現(xiàn)死區(qū) 圖 2 1 可拉彈簧式雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法 18 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 來調(diào)節(jié)螺釘5 的伸出長度 調(diào)整好后再用螺母7 鎖緊 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法原理 在一對嚙合的齒輪中 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)電動機(jī)的特性 步距角 步距角是步進(jìn)電動機(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 目前國產(chǎn)步進(jìn)電動機(jī)的步距角由0 375 0到 900最常用的為1 2 0 0 60 1 5 0 0 750 1 8 0 0 90 2 0 10 3 0 1 50 4 5 0 2 250等幾種 1 NZ b2036 靜特性 靜特性是指步進(jìn)電動機(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)電動機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系 M f 稱為矩角特性 失調(diào)角的關(guān)系 即定 轉(zhuǎn)子齒中心線間的夾角 在反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)中一 個(gè)齒距對應(yīng)的電角度為2 定 轉(zhuǎn)子齒對齊時(shí) 即 0 電機(jī)轉(zhuǎn)子無切向力轉(zhuǎn)矩為零 若定 轉(zhuǎn)子齒 錯開一個(gè)角度 這時(shí)出現(xiàn)切向力 產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 其作用是使齒對齊 根據(jù)理論和 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 M f 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 最大值稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 它表示步進(jìn)電動機(jī)承受負(fù)載的能力 是步進(jìn)電mM 動機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一 步進(jìn)動行特性 19 靜穩(wěn)定區(qū) 由步進(jìn)電動機(jī)的矩角特性可知 當(dāng)失調(diào)角 在 到 即相當(dāng) 齒距 21 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 到 為靜穩(wěn)定區(qū) 如圖19所示若失調(diào)角超過這個(gè)范圍 去掉負(fù)載再也不能自動加到這個(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)脈沖到來之前 轉(zhuǎn)子運(yùn)動己經(jīng)停 止 這種運(yùn)行狀態(tài)稱為步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài) 動穩(wěn)定區(qū) 動穩(wěn)定區(qū)是指步進(jìn)電動機(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 而達(dá)到新的德定平衡 區(qū)域B B 為步進(jìn)電動機(jī)空載狀態(tài)下的 動穩(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) 步進(jìn)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載能力 如果步進(jìn)電動機(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)子無法帶動負(fù)載轉(zhuǎn)矩 作步進(jìn)運(yùn)動 顯然 電動機(jī)步進(jìn)運(yùn)動所能帶動的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩取決于曲線A 和 曲線B 交點(diǎn)對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩 此稱最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZM如圖 21所示 步進(jìn)電動機(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) 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)間間隔小于過渡過程時(shí)間 轉(zhuǎn)子 尚未走完前一步 下一個(gè)脈沖已經(jīng)到來步進(jìn)電動機(jī)呈連續(xù)狀態(tài) 矩頻特性 因?yàn)椴竭M(jìn)電動機(jī)的控制繞組中存在電感 所以電流增長就有個(gè)過渡過程 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 20 脈沖頻率的升高而降低如圖22所示 工作頻率 起動頻率是指步進(jìn)電動機(jī)要在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步起動的最高頻 率 因?yàn)椴竭M(jìn)電動機(jī)在起動時(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 起動頻率要有限制 連續(xù)工作頻率又稱運(yùn)行頻率 它是指步進(jìn)電動機(jī)起動后 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頻率高得多 有關(guān) 布距角越小 最 大靜轉(zhuǎn)矩越大 起動頻率和工作頻率越高 2 5 2 選擇步進(jìn)電動機(jī)考慮因素 根據(jù)系統(tǒng)的需要 參照各種步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn) 選擇步進(jìn)電動機(jī)的類型 然后再考慮以下各項(xiàng)具體因素 選擇步進(jìn)電動機(jī)的規(guī)格 根據(jù)需要的脈沖當(dāng)量 每一個(gè)脈沖步進(jìn)電動機(jī)帶動負(fù)載所轉(zhuǎn)的角或直 線位移 和可能選擇的傳動比來選擇步進(jìn)電動機(jī)的步距角 根據(jù)負(fù)載的阻力矩 按下式選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 MJM MZ 0 3 0 5 對大轉(zhuǎn)動慣量的負(fù)載來說 起和停動頻率不宜過高 應(yīng)當(dāng)考慮在低頻 下起動后再升到工作頻率 停動應(yīng)從工作頻率下降到適當(dāng)頻率在停動 盡量使工作過程負(fù)載均衡 避免由于突變引起動態(tài)誤差 對有強(qiáng)迫冷卻的步進(jìn)電動機(jī)要注意工作過程中冷卻裝置的正常運(yùn)行 發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電動機(jī)有失步現(xiàn)象 首先應(yīng)檢查負(fù)載是否過大 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 21 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)型號為 150BF002 電機(jī)的有 75 0 關(guān)參數(shù)見表 2 14 其中 150BF002 步距角 其中 是五相十拍 是五相五 1 75 0 5 1 拍 選擇五相十拍其步距角是 滿足減速比的計(jì)算 750 表 2 14 步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸 m 型 號 步距 角 最 大 靜 轉(zhuǎn) 距NcmA 最 高 空 載 啟 動 頻 率 step 相 數(shù) 電 壓 V 電 流 A 外 徑 長度 軸徑 重量 N 45BF003 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 22 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 1 0 130 170 14 92 150BF002 0 75 13 72 2800 5 80 12 1 2 105 155 18 140 2 5 4 步進(jìn)電機(jī)的校核 電機(jī)軸上總轉(zhuǎn)動慣量 eqJ 221 iJSWZmeq 248 0 135 8 073 26 11 2ckg 其中 滾珠絲杠轉(zhuǎn)矩 sJ 1 20 8 2Dmjs 85 210 745 1332 2cmkg 床鞍折算到絲杠上轉(zhuǎn)動慣量 WJ 0 32 i sph2 8 9 50 14 3 2 2ckg 齒輪轉(zhuǎn)動慣量 ZJ 0 81 1ZJ8 8 4105 724 323 2cmkg 1 15 2ZJ8 105 7140 3232 2ckg 電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量 查表 3 1 13 72 m mJ2 23 電動機(jī)上等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 eqT 快速空載啟動時(shí)電動機(jī)軸所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N m1eqT faeq mx1 其中 最大加速轉(zhuǎn)矩 axT 602max meqtnJ 最大轉(zhuǎn)速 833 33 mn 3v05 7 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 t mt s 橫向傳動總效率 取 0 8 則 1602max meqtnJT 8 0 14 38 34 0 71 N m 移動部件運(yùn)動時(shí)折算到電動機(jī)軸上摩擦轉(zhuǎn)矩 fT fTi hGFspC 2 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 0c cF 則 fTi hGFspC 2 48 01 3 5 0 0 004 N m 絲杠部分忽不計(jì) 故 0 71 0 004 0 714 N m faeqT mx1 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 2eqT 24 fteqT 2 其中 最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 tT 2 00 N m i hFspxt 248 01 3596 fTi GspC 48 01 32 15 97 0 0 13 N m 故 2 00 0 13 2 13 N m fteqT 2 故 2 13 N m max 21eq 步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 選定maxj 4x1 01 8 52 N m eqjT4max 由表 2 14 知 150BF002 型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 13 72 N m maxjT 故 此項(xiàng)滿足要求 步進(jìn)電機(jī)性能校核 最大工進(jìn)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 N m校核fTmax 由 1000 mm min 0 005 mm fvmax 求得運(yùn)行頻率 3333 33 05 6 1max f ZH 查圖 2 14 得 N m fT 知 1 01 N m 2maxeqf 故 此項(xiàng)滿足要求 最大空載時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 N m校核maxT 由 2000 mm min 0 005 mm maxv 6666 67 05 6 2 f ZH 25 查圖 2 14 得 N m maxT 知 0 714 N m 1axeq 故 此項(xiàng)滿足要求 最快空載運(yùn)行時(shí)電動機(jī)運(yùn)行頻率 maxf 由 6666 67 maxfZH 查表 2 14 150BF002 極限運(yùn)行頻率 8000 fZH 知 maxf 故 此項(xiàng)滿足要求 啟動頻率 計(jì)算Lf 1643LfMeqJ 1 72 13 6 80 ZH 其中 最高空載啟動頻率 由表 3 1 查得 2800 f qfZ 電機(jī)總轉(zhuǎn)動慣量 由上計(jì)算知 26 11 eqJ eJ2cmkg 電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量 查表 2 14 知 13 72 m 由上式計(jì)算知 要保證步進(jìn)電機(jī)不是步 任何時(shí)候啟動頻率都必須小于 1643 ZH 綜上知 本設(shè)計(jì)選 150BF002 型步進(jìn)電機(jī) 可以滿足設(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 并具有自潤滑性 其特點(diǎn)是 摩擦系數(shù)低 運(yùn)動平穩(wěn) 可吸收震動 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)械部分改造均已滿足要求 由此得 機(jī)械部分裝配圖 見圖 02 傳動鏈圖 見圖 03 3 數(shù)控部分硬件電路設(shè)計(jì) 26 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 存儲器 包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器 4 接口 即I O輸入 輸出接口電路 5 處圍設(shè)備 如鍵盤 顯示器及光電輸入機(jī)等 見圖7 圖 3 1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 開環(huán)系統(tǒng) 3 2 中央處理器 CPU 選擇 本設(shè)計(jì)選用 MCS 51 的 8031 芯片 8031 芯片內(nèi)部無程序存儲器 故 EA 端必須接地 8031 有 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器 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 還可以用來存放 8 位地址 要確定采用哪個(gè)工作寄存器 可通過 標(biāo)志寄存器 PSW 中的 RS0 RS1 來指定 8031 在組成控制系統(tǒng)時(shí)可根據(jù)需要擴(kuò) 展外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器 由于地址線是 16 位的 故最多能擴(kuò)展 64K 程序存儲器和 64K 數(shù)據(jù)存儲器 其地址均為 0000 FFFFH 即程序存儲器 數(shù)據(jù)存儲器為獨(dú)立編址 因此 EPROM 和 RAM 的地址分配比較自由 編程不必 RAM ROM CPU I O 光電 隔離 功率放 大器 步進(jìn)電 機(jī) 外設(shè) 鍵盤 顯示等 27 考慮地址沖突問題 21345627893014536789402019876541320987654321 圖 3 2 8031 管腳圖 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 序存儲器擴(kuò)展時(shí) 必須利用地址鎖存器將地址信號從地址 數(shù)據(jù)總線中分離開來 19652308741 圖 3 4 74LS373 的管腳圖 3 3 存儲器的選擇與擴(kuò)展 因?yàn)?031沒有內(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 28 程序存儲器2764 圖 3 5 2764管腳圖 因?yàn)?031只有00F 7FH的128位數(shù)據(jù)存儲空間 故此處選擇一片6264作為外 擴(kuò)RAM 數(shù)據(jù)存儲器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根控制信號線 076543210A12098765A4321GNDNE0 圖3 6 6264管腳圖 因?yàn)樾枰语@示及鍵盤電路而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 29 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 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)動器來連接 PA口和PB 口以驅(qū)動 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 000 x xxxx xxxx xxxx 8K 0000H 1FFFH I O 01xx xxxx xxxx xxxx 6 4000H 7FFFH8155 RAM 00 xx xxxx xxxx xxxx 256 0000H 3FFFH 綜上 把上述所給硬件連接起來 組成一個(gè)單片機(jī)開發(fā)系統(tǒng) 其中8031的P1口 連接步進(jìn)電動機(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口分別作為鍵盤的列口 行口 另外PA 口加一個(gè)驅(qū)動器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 復(fù)位電路 時(shí)鐘電路 報(bào)警電路 光電耦合電路 功率放大電路 30 即得電氣原理硬件接線圖 見圖 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車床的基礎(chǔ)之上進(jìn)行數(shù)控改造 以減少普通車床的勞動 強(qiáng)度 提高普通型C6132車床的加工精度 工作效率和經(jīng)濟(jì)效益 同 時(shí)改善車削加工的工作環(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)過知識及設(shè)計(jì)可能用到的相關(guān)課本 以便在知識儲備方面有個(gè)好 的基礎(chǔ) 此外也在許多網(wǎng)站尋找瀏覽有關(guān)知識 的確這次的做課設(shè) 過程中復(fù)習(xí)了不少學(xué)過的知識 也學(xué)到和接觸了許多新知識 當(dāng)然 接觸的多了也遇到了不少的問題 而面對問題時(shí) 的確讓我很是苦 惱 思考 詢問 查資料 還好有老師和同學(xué)的幫助 自己也在網(wǎng) 上論壇提問求解 大多問題也都解決了 所以 通過這次課設(shè)我鞏 固了許多知識也學(xué)到的確很多知識 懂得了虛心求教 多思考 多 查資料 多看書 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 事躬行而得知 通過這次的課程設(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 懂得了長久學(xué)習(xí)的 31 重要性 做完這次課設(shè) 對我來說不是一個(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 永遠(yuǎn)是我的學(xué)習(xí)榜樣 同時(shí) 也感謝王長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) 離不開黃老師 王老師和同學(xué) 們的幫助 再次我想你們表示誠摯的謝意 6 參考文獻(xiàn) 1 吳宗澤 機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊 上 下冊 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2001 2 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊 上海 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 1996 3 張建民 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) M 3 版 北京 高等教育出版社 2000 4 周德儉 數(shù)控技術(shù) 第二版 重慶 重慶大學(xué)出版社 2007 32 5 霍孟友 單片機(jī)原理與應(yīng)用 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2008 6 機(jī)械工程及自動化簡明設(shè)計(jì)手冊 上 下冊 7 尹志強(qiáng) 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 M 北京 機(jī)械工業(yè)出版 2007 8 王愛玲 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床 第二版 北京 國防工業(yè)出版社 2009 9 毛謙德 機(jī)械工程師簡明設(shè)計(jì)手冊 第三冊 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2006 10 濮良貴 機(jī)械設(shè)計(jì) 第八版 西安 西安工業(yè)大學(xué)出版 2006 11 王永平 機(jī)械制圖 西安 西安工業(yè)大學(xué)出版社 2004 12 王永平 工程制圖 西安 西安工業(yè)大學(xué)出版社 2004 13 華楚生 械制造技術(shù)基礎(chǔ) 重慶 重慶大學(xué)出版社 2007 14 陳嬋娟 數(shù)控車床設(shè)計(jì) 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2006