普通沖床送料裝置的自動化改造含3張CAD圖

普通沖床送料裝置的自動化改造含3張CAD圖,普通,沖床,裝置,自動化,改造,cad 普通沖床送料裝置的自動化改造 摘 要 沖壓形成的沖壓件具有重量輕、厚度薄、剛性好和質量穩(wěn)定等優(yōu)點，沖壓設備被 廣泛使用。本文在總結了普通沖床的送料裝置系統(tǒng)和電源數字化的研究的基礎上，對 沖床的送料裝置進行了自動化的改造，并對該設計過程進行了論述。 本設計主要包括自動送料裝置的設計及其控制系統(tǒng)的設計?？刂葡到y(tǒng)設計主要是 利用單片機 AT89C52 通過程序控制 X-Y 方向的兩個步進電機來帶動滾珠絲杠機構和工 作臺的協(xié)調工作，從而達到自動送料的目的，并借助于鍵盤和液晶顯示來完成運動的 啟動、停止和速度的選擇等控制操作。步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位 移的開環(huán)控制元件，在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號 的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一 個步矩角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特 點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變得非常簡單。自動送料裝置的 設計主要是：導軌的設計、選擇與驗算，滾珠絲杠的設計、選擇與驗算，電機的選擇 和驗算。X-Y 工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作臺、滾珠絲杠螺母副以及步進電 機等部件構成。其中步進電機做執(zhí)行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊 和工作臺在導軌上運動，完成工作臺在 X、Y 方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母 副和步進電機等均已標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可。 通過該設計來完成系統(tǒng)的機械傳動以及工作套在 X-Y 方向的移動，而自動送料裝置的 設計與該控制系統(tǒng)的設計的相互結合，就完成了普通沖床的自動送料裝置的自動化改 造。 關鍵詞：單片機控制； 自動送料裝置； 沖床改造； X-Y 工作臺 Abstract Stamping parts stamping formation has the advantages of light weight, thin, good rigidity and stable quality stamping equipment is widely used. On the basis of summed up the general press feeding equipment and systems for power digital punch feeders automated transformation of the design process are discussed in the article. Control system design is the use of SCM AT89C52 through the program control XY direction two stepper motor driven ball screw agencies and the table coordination, so as to achieve the purpose of automatic feeding, and by means of keyboard and LCD to complete the start movement , stop and speed of the chose and other control operations.The stepper motor is the electrical pulses into angular displacement or linear displacement of the open- loop control components in the case of non-overload, the motor speed, the stop position depends only on the frequency and number of pulses of the pulse signal,without the impact of load changes ,a pulse signal to the motor plus ,the motor is turned one step angle.The existence of this linear relationship, And the stepper motor are only have periodic error without accumulated error characteristics, making in the speed , position etc control field use the stepper motor is becoming very simple.Automatic feeding device design is:rail design,selecting and checking;design, choice and checking of the ball screw; selection and checking of the motor.X-Y table:usually constitute by the rail seat, move the slider, table, the ball screw nut and the stepper motor and other components.The stepper motor as the actuator used to drive the ball screw, ball screw driven the movement of the slider and the table on the rail, to complete the linear movement of the table in the X, Y directions.The guideway, ball screw nut and stepper motors have been standardized.Production by specialized manufacturers,you can only need to according to select by the working load when in the design.Through the design to complete the system of mechanical transmission, as well as table moves in the XY direction,the design of the automatic feeding device and the control system design combined with each other to complete the automated transformation of the automatic feeding device in the general press. Keywords: MCU control； Automatic feeding device； Punch transformation； X-Y table 目 錄 1 緒論 1 1.1 問題提出的背景、目的和意義 1 1.2 自動送料技術國內發(fā)展概況及發(fā)展趨勢 1 2 系統(tǒng)的總體設計 2 2.1 系統(tǒng)的組成 2 2.2 方案的確定 2 2.2.1 專用數控系統(tǒng)2 2.2.2 繼電接觸器控制2 2.2.3PLC 控制方式 3 2.2.4 單片機控制3 3 機械部分設計 3 3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 4 3.2 工作臺外形尺寸及重量初步計算 4 3.3 滾動導軌副的計算、選擇 5 3.3.1 導軌的組成種類及應滿足的要求5 3.3.2 導軌材料的選擇與熱處理6 3.3.3 滾動導軌副的計算、選型7 3.4 滾珠絲杠計算、選擇 9 3.4.1 絲杠的介紹9 3.4.2 滾珠絲杠副的計算13 3.5 步進電機的計算選擇 18 3.5.1 步進電機驅動器的原理與參數的設定18 3.5.2 步進電機啟動轉矩的計算 8 20 3.5.3 步進電機的控制方式22 4 硬件系統(tǒng)的詳細設計 24 4.1 驅動器的連接與參數的設定 24 4.2 AT89C52 單片機的工作原理 24 4.2.1AT89C52 單片機概述25 4.2.2 引腳說明25 4.2.3 時鐘電路27 4.2.4 復位電路28 4.2.5 步進電機的驅動電路設計 1629 4.3 顯示電路及控制按鍵的設計 30 4.3.1 顯示電路30 4.3.2 鍵盤模塊的設計31 4.4 單片機軟件設計 33 4.4.1 系統(tǒng)軟件設計的基本原則33 4.4.2 主程序的設計33 4.4.3 顯示子程序的設計35 （2）LCD1602 液晶顯示流程36 4.4.4 鍵盤子程序的設計36 4.4.5 驅動程序流程圖37 4.4.6 調速程序流程圖38 系統(tǒng)原理圖40 5 結 論 41 謝 辭 42 參考文獻 43 附 錄 I44 程序44 1 緒論 1.1 問題提出的背景、目的和意義 沖壓成形是一種塑性加工方法，因沖壓件具有重量輕、厚度薄、剛性好和質量穩(wěn) 定等優(yōu)點，所以沖壓設備被廣泛使用。沖壓件無論在汽車制造業(yè)、農業(yè)機械、動力機 械、建筑機械、化工機械、精密機械等等各個門類行業(yè)，都具有舉足輕重的地位 1。 沖床是屬于點位控制機床，在中間行程中不進行加工，由于一般加工產品單一， 模具不經常進行更換，所以在傳統(tǒng)的沖床控制中一般采用繼電氣控制，送料一般采用 手工送料，但是這種方式存在著效率低、速度慢、精度不能保證、安全存在隱患等方 面的一系列問題。而在我國存在著一部分的小微企業(yè)由于受到資金管理等方面的限制， 大多數還在使用那些比較簡單那的普通沖床，送料基本是人工送料，而且缺乏保護的 裝置，所以這些廠總是存在著“效率低、勞動強度大”的特點。而且這些廠中的員工 基本上都是不經過正規(guī)的培訓便直接上崗，因此給操作者帶來了較大的安全隱患。 沖床送料裝置自動化改造的目的就是盡可能的減少在生產過程中會發(fā)生的安全隱 患，同時有效的提高生產效率、產品精度等等，而且又可以減少購買設備的成本，這 樣便可以為那一部分的小微企業(yè)帶來既減少成本而又同時挺高了他們的生產效率等等 有利的條件。送料裝置自動化就是材料的供給、制品、沖床的調整和運轉、沖壓過程 的異常狀況的監(jiān)視等作業(yè)過程的自動化。 自動送料機構作為沖壓加工生產地基本要求，它的自動化程度的高低直接影響著 沖壓的生產效率、生產的節(jié)拍。 1.2 自動送料技術國內發(fā)展概況及發(fā)展趨勢 隨著社會經濟的發(fā)展，特別是中國還將會在較長時間內處于制造業(yè)大國階段，這 個形式的發(fā)展對于我國的生產效率的要求越來越高，所以國內的許多機械設備均需要 信息化改造來提高其生產效率，在數控設備引進后，特別是國內的設備出現了信息化 改造成功之后，便出現了一個改造的熱潮。同時，這也是我國近期設備發(fā)展的一個趨 勢，因為通過改造對于引進新的設備或是直接研發(fā)一款新的設備來說會節(jié)約更多的成 本，而同時改造后的設備的性價比也會相對的提高很多。 為了提高部分小微企業(yè)的生產能力及其其在國內的競爭力，擁有送 料裝置改造的沖床設備是其一個有力的條件。而且當代殘品對精度的要求 越來越高，很多精密零件的誤差范圍要求在微米以內，而自動送料裝置的 精度是直接影響產品的精度，追求自動送料裝置的高精度化是永恒的主題， 著主要表現在定位和進給量上 2。 2 系統(tǒng)的總體設計 2.1 系統(tǒng)的組成 自動送料裝置的的系統(tǒng)控制部分主要包括兩個步進電機、單片機、步進電機驅動 動器等。機械部分主要是自動送料機構的設計。 該系統(tǒng)的工作原理是由兩個步進電機 互相配合帶動螺母絲桿并帶動工作臺來完成送料的自動進給的。此工作過程由單片機 發(fā)動控制信號來控制，單片機通過發(fā)出脈沖數目的多少與頻率的高低，步進電機轉過 的角度與頻率，從而控制送料量的長度與速率。其中，單片機產生的脈沖是靠高速脈 沖指令來完成的，為了在高速進料中不至于使步進電機失步，采用了帶上升沿和下降 沿的脈沖指令。同時為了保證進料的精度，工作臺與原料之間應無相對滑動，它們之 間具有一定的夾緊力。 2.2 方案的確定 本次改造是自動送料裝置的設計，目前所采用的控制方式有專用的數控系統(tǒng)，傳 統(tǒng)的繼電器、接觸方式，PLC 控制方式，單片機控制方式等 1。 2.2.1 專用數控系統(tǒng) 專用的數控系統(tǒng)具有控制精度高，編程能力強，系統(tǒng)可靠性高，待開發(fā)的功能等 優(yōu)點，但對于沖床來說由于它是屬于點位控制，控制相對簡單，如果選用造價昂貴的 專用系統(tǒng)無疑是資源上的一種浪費，況且對于具有特定意義的送料裝置其控制不一定 具優(yōu)勢，因此，專用系統(tǒng)將不予以此次改造的考慮之列。 2.2.2 繼電接觸器控制 繼電器邏輯控制器的顯著特點是造價低廉，在邏輯控制上采用硬接線連接邏輯， 利用繼電器機械觸點的串聯或并聯及延時繼電器的滯后動作等組合成控制邏輯。在現 代化生產設備中，往往有大量的開關量、數字量、脈沖量以及模擬量的控制裝置，例 如電機的啟停、電磁閥的開閉、產品的計數等等。此種控制方案其連線多而復雜、體 積大、功耗大，一旦系統(tǒng)構成后，想在改變或增加功能都很困難；另外繼電器觸點數 目有限，因此靈活性和擴展性都很差；其次在控制速度上，繼電控制邏輯依靠觸點的 機械動作實現控制，工作頻率低，自然控制速度就很慢，另外機械觸點還會出現抖動 現象，工作不穩(wěn)定。早期的邏輯控制主要是用繼電器或分立電子線路來實現，但是隨 著生產的飛速發(fā)展，人們對這些自控裝置提出了更通用、易變、易修、可靠、控制能 力更強的要求。此種固定接線式的老裝置顯然不能夠適應這種要求，因此，繼電器接 觸器的控制方案本次設計也不予采用。 2.2.3PLC 控制方式 PLC 是經過幾十年實際應用中檢驗過的控制器，其抗干擾能力強，故障率低，易 于設備的擴展，便于維護，開發(fā)周期短。但是其成本相對單片機要高！而對于本次設 計來說是應用于較低成本的設計，所以本次設計不予采用。 2.2.4 單片機控制 單片機具有結構簡單、使用方便、價格便宜等優(yōu)點，它更善長于數據計算與數據 處理，一般更廣泛的被應用于數據采集和中央控制室控制，本次設計主要是送料裝置 進行自動化改造，本著成本低與控制相對簡單的原則，本次設計采用單片機控制。系 統(tǒng)控制方案如圖 2-1 所示。 2-1 系統(tǒng)控制結構示意圖 3 機械部分設計 機械部分設計內容包括：確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣性的計算，選著步進電 AT89C52 ULN2003A 驅動器 ULN2003A 驅動器 LCD 液晶顯 外部輸入控 制電路 步進電機 1 步進電機 2 機及導向元件的設計、計算與選著，繪制機械部分裝配圖等。 （1）傳動機構為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺 母傳動副。絲杠的轉速為中轉速，精度要求為高精度，采用滾珠絲杠副，滾珠絲杠直 接與聯軸器相連。 （2）導向機構采用滾動直線導軌。滾動直線導軌副動靜摩擦力之差很小，摩擦阻 力小，隨動性極好。導軌的導向精度要求高。 （3）執(zhí)行機構采用步進電機。 已知條件：定位精度： mm，滾珠絲杠及導軌使用壽命：T=15000h，中等沖05. 擊；X 方向有效行程 ，最大進給速度 ；Y 方向的有效mLx min/90maxV 行程 ，最大進給速度 ；承受工作載荷 13069N，電Ly50 in/9axVyzF 機最高轉速 。in/1maxrn 3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 脈沖當量 是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的位置精度 ，b p 由于定位精度為 mm，因此選著脈沖當量為 mm。05.01. 3.2 工作臺外形尺寸及重量初步計算 根據給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算 X 方向和 Y 方向工作臺承載重量 和 14。Wxy 取 X 方向的導軌支撐鋼球的中心距為 500mm， Y 方向導軌支撐鋼球的中心距為 550mm。設計工作臺簡圖如圖 3-1 所示 15 圖 3-1 工作臺簡圖 X 方向托板（上托板）尺寸為： 長*寬*高=700*300*50 (3.21) 重量：按重量=體積*材料比重姑估算為： NWx 8190.71503723 Y 方向托板（下托板）尺寸為： 長*寬*高=700*350*50 重量 y 5..23 上導軌（含電機）重量為 N89.26108.7)957021370( 3 夾具及工件重量：約 98.61N XY 工作臺運動部分總重量為： (3.22) NW46.85.98.526 3.3 滾動導軌副的計算、選擇 3.3.1 導軌的組成種類及應滿足的要求 導軌副主要由承導件和運動件兩大部分組成。運動方向為直線的被稱為直線運動 導軌副、為回轉的被稱為回轉運動導軌副。常用的導軌副的種類很多，按其接觸面的 摩擦性質可分為滑動導軌副、滾動導軌副、流體介質摩擦導軌等。按其結構特點可分 為開式導軌和閉式導軌。機電一體化系統(tǒng)對導軌的基本要求是導向精度高、剛性高、 運動輕便平穩(wěn)、耐磨性好、溫度變化影響小以及結構工藝性好。對精度要求高的直線 運動導軌還要求導軌的承載面與導向面嚴格分開；當運動件較重時，必須設有卸荷裝 置，運動件的支承必須符合三點定位原理 3。 （1）導向精度 導向精度是指動導軌按給定方向作直線運動的準確程度。導向 精度的高低，主要取決于導軌的類型；導軌的幾何精度和接觸精度；導軌的配合間隙； 油膜厚度和油膜剛度；導軌和基礎件的剛度和熱變形等。 直線運動導軌的幾何精度，一般有下列幾項規(guī)定： 導軌在垂直平面內的直線度（即導軌縱向直線度） 導軌在水平平面內的直線度（即導軌橫向直線度） 兩導軌面間的平行度，也稱扭曲 （2）剛度 導軌的剛度就是抵抗載荷的能力。抵抗恒定載荷的能力成為靜剛度； 抵抗交變載荷的能力成為動剛度。為了保證導軌副的剛度，導軌副應有一定的接觸精 度。 （3）運動的靈活性于平穩(wěn)性 一般專用設備和計算機等的精度和運動速度都比較 高，因此，其導軌應具有較好的靈活性和平穩(wěn)性，工作時應輕便省力，速度均勻，低 速運動或微量位移時不出現爬行現象；高速運動時應無振動。 影響導軌運動靈活性和平穩(wěn)性的主要因素是：導軌的配合間隙，配合表面幾何形 狀誤差，動、靜摩擦系數的差值，驅動導軌運動的傳動系統(tǒng)的剛度和精度，導軌的表 面粗糙度和潤滑等。 （4）耐磨性 導軌的耐磨性是指導軌長期使用后，應能保證一定的導向精度。導 軌的耐磨性主要取決于導軌的結構、材料、摩擦性質、表面粗糙度、表面潤滑及受力 情況等。 （5）對溫度變化的敏感性 導軌在環(huán)境溫度變化的情況下，應能正常工作，既不 “卡死” ，亦不影響設備的運動精度。導軌對溫度變化的敏感性，主要取決于導軌材料 和導軌配合間隙的選擇。 （6）結構工藝性 導軌在保證設配正常工作的條件下，應力求結構簡單，制造容 易，裝拆、調整、維修及檢驗方便，從而最大限度的降低成本。 3.3.2 導軌材料的選擇與熱處理 (1)導軌材料的選擇 導軌常用的材料有鑄鐵、鋼、有色金屬和塑料等。常使用鑄鐵鑄鐵、鑄鐵 鋼的導軌。 鑄鐵：鑄鐵具有耐磨性和減震性好、熱穩(wěn)定性高，易于鑄造和切削加工， 成本低等特點，因此在滑動導軌中被廣泛應用。常用的鑄鐵有： 灰鑄鐵，常用的是 HT200（一級鑄鐵） ，硬度以 180200HB 較為合適。適當增加 鑄鐵中含碳量和含磷量，減少含硅量，可以提高導軌的耐磨性。 高磷鑄鐵：它是指含磷量為 0.3%0.65%的灰口鑄鐵，其硬度為 180220HB，耐 磨性比 HT200 約高一倍。 低合金鑄鐵：這類鑄鐵具有較好的耐磨性，且鑄造性能優(yōu)于高磷系鑄鐵。 稀土鑄鐵：它具有強度高、韌性好的特點，耐磨性與高磷鑄鐵相似，但鑄造性能 和減震性較差，成本也較高。 鋼：為了提高導軌的耐磨性，可以采用淬硬的鋼導軌。淬火的鋼導軌都是焊接或 鑲裝上去的，淬硬的鋼導軌的耐磨性比不淬硬的鑄鐵導軌高 510 倍。常用的鋼有 45 鋼=40Cr ，T8A、T10A、 GCr15 等。 有色金屬：常用的有色金屬有黃銅 HPb591，鋁青銅 ZQA192，超硬鋁 LC4， 鑄鋁 Z16 等，其中以鋁青銅較好。 塑料：鑲裝塑料導軌具有較好的耐磨性，抗震性能好，工作適應范圍廣，抗撕傷 能力強，動、靜摩擦系數低、差別小，可降低低速運動的臨界速度，加工性和化學穩(wěn) 定性好，工藝簡單，成本低等特點。 （2）滾動導軌的特點： 在相配的兩導軌之間，放置滾珠、滾柱或滾針等滾動體，使導軌運動為滾動摩擦， 就成滾動導軌。 滾動導軌的優(yōu)點：摩擦系數小，動、靜摩擦系數差別小，低速運動時不易出現 “爬行”現象；運動靈敏輕便，所需功率?。灰苿泳群投ㄎ痪雀?；鋼制淬硬導軌 具有極高的耐磨性，精度保持性好；對溫度變化的敏感性較低；潤滑簡單，維修方便； 高速運動時不會像滑動導軌那樣因動壓效應而使動導軌浮起。 滾動導軌的缺點：導軌面于滾動體為點接觸或線接觸，所以抗震性較差，接觸應 力大；對導軌的表面硬度、表面形狀精度和滾動體的尺寸精度要求高，若滾動體的直 徑不一致，導軌表面有高低，回會使運動部件傾斜，產生振動，影響運動精度；結構 復雜，制造困難，成本較高；對贓物比較敏感，必須有良好的防護裝置。 3.3.3 滾動導軌副的計算、選型 根據給定的工作載荷 和估算的 和 計算導軌的靜安全系數 ,式中：zFxWy PCfSL/0 為導軌的基本靜載荷，kN;工作載荷 ； （一般運行狀況）0C )(5.0FPx.31SLf ，3.05.0（運動時受沖擊、振動） 。根據計算結果查有關資料楚軒導軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊，因此 .4SLf (3.31)yxSLPf,0 式中： 導軌的基本靜載荷0C 導軌的靜安全系數SLf P工作載荷 (3.32))(5.,, yxzyxWF 式中： 承受工作載荷z 托板重量x NFPxz 694)8130(5.)(5.0 yy 25.70. fCxSLx 276940 yy. 根據計算額定靜載荷初選導軌： 選擇 HGWHA 系列直線導軌，其型號為： HGW25HA4 基本參數如表 3-3-1 所示： 表 3-3-1 導軌參數 型號規(guī)格 組裝尺寸 H H1 N HGW25HA 36 5.5 23.5 滑塊尺寸（mm） W B B1 C L1 L G M T T1 H2 H3 70 57 6.5 45 78.6 104. 6 12 M8 8 14 6 9 導軌尺寸 （mm）RRH D h d P E 導軌的 固定螺 栓尺寸 （mm ） 23 22 11 9 7 60 20 M6 20 容許靜力矩 重量基本動額 定負荷 C（KN） 基本靜額 定負荷 C0(KN) Mr (KN*m) Mp (KN*m) My (KN*m) 滑塊 (kg) 導軌 （kg/m） 32.75 76.00 0.87 0.88 0.88 0.88 3.21 滑座個數 單向行程長度 每分鐘往復次數 M1 S n 4 0.420 0.75 導軌的額定動載荷 C=32750N 根據使用速度 v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 C（KN）驗算導軌的工作 壽命 Ln： 根據德國工業(yè)標準 DIN636 第 2 部分 56，微型滾動直線導軌的額定壽命可由下式 計算： （3.33）5310)/(PCL （3.34）)60*/(nSh 式中： L按行程計算的額定壽命，m 按時間計算的額定壽命， hrh C額定動負荷，N P等效負荷， N S單一行程長度，m n往復行程頻率，次/min 等效合成負荷 P： 簡單計算時，等效合成負荷按下式計算： (3.35))/(*MoCF 式中： P等效合成負荷，N M微型滾動直線導軌承受的靜扭矩，N*m Co微型滾動直線導軌的額定靜負荷，N Mo微型滾動直線導軌的額定靜扭矩，N*m （3.36）WF604/21/ F每一個滑塊承受的重力 W工作臺運動部分總重量 M1滑座的個數 根據德國工業(yè)標準 DIN 第 2 部分，P 值不能超過 0.5C，C 為微型滾動直線導軌的 額定動負荷，F=600N ，M=0.036N*m ，Co=76KN,Mo=0.88KN*m 代入對應數據到公式（3.35）得： NMoCFP 09.371*)8.0/76(3.60)/(* N1575.320. 3 因為 而 P=3709.09NT=15000hh 導軌的工作壽命足夠。 3.4 滾珠絲杠計算、選擇 3.4.1 絲杠的介紹 （1）絲杠螺母機構又稱螺旋傳動機構，它主要用來將旋轉運動變?yōu)橹本€運動或將 直線運動變?yōu)槁菪\動，有以傳遞能量為主的（如螺旋壓力機） ，也有以傳遞運動為主 的（如工作臺的進給絲杠） 3。 絲杠螺母機構有滑動摩擦和滾動摩擦之分?；瑒咏z杠螺母機構簡單，加工方便， 制造成本低，具有自鎖功能。但其摩擦阻力大，傳動效率低（30%40%） 。滾動絲杠螺 母機構雖然結構復雜制造成本高，但其最大優(yōu)點是摩擦阻力小，傳動效率高（92%98%） ， 因此選用滾珠絲杠螺母機構。 根據絲杠和螺母相對運動的組合情況，其基本傳動形式一般分為四種類型，其類 型如下： 螺母固定、絲杠傳動并移動。該傳動形式因螺母本身起有支承作用，消除了絲 杠軸承可能產生的附加軸向滑動，結構比較簡單，可獲得較高的傳動精度，但其軸向 尺寸不宜太長，剛性較差。因此只適合用于較小的場合。 絲桿傳動、螺母移動。該傳動形式需要限制螺母的傳動，固需要導向裝置。其 特點是結構緊湊、絲杠剛性較好。適用于工作行程較大的場合。 螺母傳動、絲桿移動。該移動形式需要限制螺母移動和絲杠的傳動。由于結構 較復雜且占用軸向空間較大，固應用較少。 絲杠固定、螺母傳動并移動。該傳動方式結構簡單、緊湊，但在多數情況下， 使用極不方便，固很少應用。 根據工作臺應用情況，應選擇絲杠傳動螺母移動的形式，該傳動形式需要限制螺 母的轉動，固需導向裝置。其特點是結構緊湊，絲杠剛性較好，適用于工作行程較大 的場合。 （2）滾珠絲杠副的組成及特點 滾珠絲杠副是一種新型螺旋傳動機構，其具有螺旋槽的絲杠與螺母之間裝有中間 傳動元件滾珠。滾珠絲杠螺母機構由絲杠、螺母、滾珠和反相器等四部分組成。 當絲杠轉動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。為防止?jié)L珠從滾道端面掉出，在螺母的螺 旋槽兩端設有滾珠回程引導裝置構成滾珠的循環(huán)返回通道，從而形成滾珠流動的閉合 回路。 滾珠絲杠副與滑動絲杠副相比，除上訴有優(yōu)點外，還具有軸向剛度高，運動平穩(wěn)， 不易磨損，使用壽命長凳優(yōu)點。但由于不能自鎖，具有傳功的可逆性，在用作升降傳 動機構時，需要采取制動等措施。 （3）滾珠絲杠副的典型結構形式 滾珠絲杠副的結構類型可以從螺紋滾道的截面形狀、滾珠的循環(huán)方式和消除軸向 的調整方法進行區(qū)別。 我國生產的滾珠絲杠副的螺紋滾道有單元弧形和雙圓弧型，滾道型面和滾珠接觸 點的法線與絲杠軸向的垂線的夾角被稱為接觸角，一般為 45 度。單圓弧形的螺紋滾道 的接觸角隨軸向載荷大小的變化而變化，重要由軸向載荷所引起的接觸變形的大小而 定。接觸角增大時，傳動效率、軸向剛度以及承載能力也隨之增大。由于單元弧形滾 道加工用砂輪加工成型比較簡單，固容易得到較高的加工精度，單元弧形面的滾道圓 弧半徑 R 稍大于滾珠半徑。 雙圓弧形的螺紋滾道的接觸角在工作中基本保持不變。兩圓弧相交處有一小空隙， 可使?jié)L道底部與滾珠不接觸，并能儲存一定的潤滑油以減少摩擦磨損。由于加工其型 面的砂輪修整和加工，檢驗均比較困難，固加工成本較高。 滾珠絲杠副中的滾珠循環(huán)方式有內循環(huán)和外循環(huán)兩種，區(qū)別見表 3-4-1 表 3-4-1 滾珠的循環(huán)方式 類別 形式 特點 內循環(huán) 優(yōu)點：返回通道短，一個循環(huán)只有一圈鋼珠，流暢性 好，摩擦損失小，效率高，徑向尺寸小，剛性好 缺點：反相器鋼球返回通道的曲面加工復雜 端蓋式 優(yōu)點：結構緊湊，工藝性好 缺點：循環(huán)回路長，流暢性差，鋼球通過短槽時易卡 住 螺旋槽 式 優(yōu)點：結構簡單，制造方便，承載能力大 缺點：鋼球流暢性較差，擋珠器較易磨損 外循環(huán) 插管式 優(yōu)點：結構簡單，工藝性好，鋼球的流暢性好，應用 較廣 缺點：突出式的插管突出于螺母外部，徑向尺寸較大 （4）滾珠絲杠副軸向間隙的調整和預緊 滾珠絲杠副在負載時，其滾珠與滾道面接觸點處將產生彈性變形。換向時，其軸 向間隙會引起空回。這種空回是非連續(xù)的，既影響傳動精度，又影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 單螺母絲桿螺母副的間隙消除相當困難。實際應用中，常采用以下幾種調整預緊方法 見表 3-4-2. 表 3-4-2 常用的調整預緊方法 調整預緊方式 特點 雙螺母螺紋預緊調整式 結構簡單、剛性好，預緊可調， 使用調整方便，但不能精確定量地進 行調整 雙螺母齒差預緊調整式 可實現定量調整即可進行精密微調， 使用中調整方便 雙螺母墊片調整預緊式 結構簡單剛度高，預緊可靠，但 使用中調整不方便。 彈簧式自動調整預緊式 能消除使用過程中因磨損或彈性變 形產生的間隙，但其結構復雜、軸向 剛度低，適用于輕載場合。 單螺母變?yōu)閷С套灶A預緊式和單螺母滾 珠過盈預緊式 結構簡單緊湊，但在使用中不能調 整，且制造困難 根據防塵防護條件以及對調隙及預緊的要求，可選擇適當的結構形式。例如，當 允許有間隙存在時可選用具有單圓弧形螺紋滾道的單螺母滾珠絲杠副，當必需有預緊 或在使用過程中因磨損而需要定期調整時，應采用雙螺母螺紋預緊或齒差式預緊結構； 當具備良好的防塵條件，且只需要在裝配時調整間隙及預緊力時，可采用結構簡單的 雙螺母墊片調整預緊式結構。 考慮到所用設計的工作臺有良好的防塵條件且只需在裝配時調整間隙及預緊力， 故采用結構簡單的雙螺母墊片調整預緊方式。 （5）絲杠的支承 絲杠支承是絲杠螺母機構中的重要組成部分，它的結構形式和安排布置，對傳動 精度影響也很大。因此，支承結構必須保證絲杠在其中旋轉時，不會產生過大的軸向 和徑向跳動，否則即使精度很高，工作臺仍然不能得到準確的位移。 在絲杠的支承中，常采用滑動和滾動軸承，或兩種軸承組合使用。通常，絲杠的 轉速很低，因此，可裝在兩個滑動軸承或徑向滾珠軸承或滾針軸承中。為了限制絲杠 軸向移動并承受軸向力，需采用高精度的滾珠止推軸承或滑動止推軸承。常見的絲杠 支承方式有三種：外側安裝法、內側安裝法和單端安裝法三種。 外側安裝法：它是將止推軸承裝于絲杠兩端支承外側，當絲杠受熱伸長時，能做 軸向移動，故對穩(wěn)定性無影響。但由于止推軸承間隙的增大，會使絲杠軸向跳動，影 響傳動精度和正常工作。 內側安裝法：這種結構當絲杠受熱時將產生彎曲，并使軸承的負載加重，只適用 于恒溫室中或很短的絲杠。尾部調整螺釘用以調節(jié)止推軸承中的工作間隙。 對于非恒溫條件下工作的長絲杠，采用這種安裝方式時，止推軸承中必須有一定 的軸向間隙，以免絲杠受熱伸長而產生彎曲。 單端安裝法：它是將兩個徑向止推軸承裝在絲杠一端的支承中作為固定支承，而 另一端則為游動支承，當絲杠熱膨脹變形時，可以自由伸長，不會引起絲杠撓曲。短 的進給絲杠、操縱用的絲杠及調整用的絲杠，往往只用一個支承，螺母起另一支承的 作用。 考慮到所用設計的條件，本次設計中絲杠的支承方式采用單端支承的方式。 （6）滾珠絲杠副的密封于潤滑 滾珠絲杠副可用防塵密封圈或防護套來防止灰塵及雜質進入滾珠絲杠副，使用潤 滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，從而維持其傳動精度、延長其使用壽命。密封圈有 接觸式和非接觸式兩種，將其裝在滾珠螺母兩端即可。非接觸式密封圈通常由聚氯乙 烯等塑料制成，其內孔螺紋表面與絲杠螺紋之間略有間隙，故又稱迷宮式密封圈。接 觸式密封圈用具有彈性的耐油橡膠或尼龍等材料制成。因此有解除壓力并產生一定的 摩擦力矩，但其防塵效果好。常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩類。潤滑脂一般在裝 配式放進滾珠螺母滾道內定期潤滑。而使用潤滑油時應注意經常通過往油孔注油。防 護套的形式有折疊式密封套、伸縮套管和伸縮擋板，其材料有耐油塑料、人造革等。 3.4.2 滾珠絲杠副的計算 初選絲杠材質：CrWMn 鋼，HRC5860 （1）確定滾珠絲杠副的導程 7hP 圖 3-4 傳動關系圖 由傳動關系圖，工作臺最高傳動速度 ，電機最高轉速 ，傳動比 i 等確定maxVmaxnhP （9）ax*niPh 式中： 導成 ，mmhP =9000mm/minmaxV =1500r/minn 代入數據得 mrPh6in/150*9 （2）強度計算 絲杠軸向力： (3.4.2-1))((,,max NWFfKFyxzy 式中： K=1.15 f滾動導軌摩擦系數 f=0.0030.005 工作臺承受的 X 方向力xF 工作臺承受的 Y 方向力y W工作臺運動部分總重量 在運動平臺工作分別承受 X,Y 方向力時： ， ，WFx)6.01(WFy)7.015.( 可取 ， 計算。取 ，則：Fx5.0y5.0Nf24,0. N124y5.fKxxx 5.73)9(.4.)(ma WFyyy 224005 壽命值： （3.4.2-2）610nTL 其中絲杠轉速 ，T=15000hmin)/(axrPvh ，i/90maxv6 代入數據到式（3.4.2-1） 、 （3.4.2-2）得 in)/(1506axrPnh 1350015606TL 最大動載荷： （3.4.2-3）FfQWH3 式中： Q 為最大動載荷 為載荷系數，由機械設計手冊查得：中等沖擊時為 1.21.5Wf 為硬度系數，查手冊有 HRC 大于 58 時為 1.0H L 為壽命值 F 為絲杠軸向力 查表得 ， 則2.1Wf0.Hf NQxHx 6.3785.21353 fLyy . 根據使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據最大動載荷的數值查機械設 計手冊可選滾珠絲杠的型號為：CMF 系列滾珠絲杠副，其型號為 CMF63125（導珠 管埋入式，外循環(huán)插管式） ，基本參數如下表 3-4-3 所示。 表 3-4-3 螺母尺寸 額定載荷/KN規(guī)格代號 絲杠底徑 md/2螺母長度 L/mm 動載荷 aC靜載荷 a0 剛度 R1*umN 63125 24.7 121 66.8 200.1 1288 其額定動載荷 66.8KN 足夠使用yQ 滾珠絲杠螺母副的幾何參數計算如下表 3-4-4 下： 表 3-4-4 滾珠絲杠螺母副的參數 名稱 計算公式 結果 公稱直徑 0d 25mm 導程 hP 6mm 接觸角 45 滾珠直徑 bdhbPd)6.0(3.6mm 滾道半徑 R bdR521.98mm 滾道圓弧偏心距 e sin/b0.127mm 螺紋升角 )arct(0h422 螺桿外徑 d bd.024.28mm 螺桿內徑 1 e2121.294mm 螺桿接觸底徑 2 cos0b22.45mm 螺母螺紋外徑 D Rd28.706mm 螺母內徑（外循環(huán)） 1 bd)25.(025.72mm 有機械設計手冊可查得滾珠螺母的安裝及連接尺寸如下表 3-4-5 所示。 表 3-4-5 滾珠螺母的安裝尺寸 規(guī)格 代號 公稱 直徑 公稱 導程 滾珠螺母安裝、連接尺寸（埋入式）0dhP1D D 4B 5D6h2506 25 6 53 80 67 11 55 10 5.7 滾珠絲杠鉸接式（游動端）軸端型式尺寸如下表 3-4-6 所示。 表 3-4-6 滾珠絲杠游動端的尺寸 公稱直 徑 軸端部尺寸 軸承型號0d d 21Lm L 25 17 16.2 16.1 14.016 80303 滾珠絲杠固定式軸端型式尺寸下表 3-4-7 所示 表 3-4-7 滾珠絲杠固定端的尺寸 公稱 直徑 軸端部尺寸 SH 軸承 型號0d d 螺紋 代號 公差 等級 1d1L2L 25 17 M16 1.5 6h 或 6g 14 69 26 126 222 4 76020 17TN （2）傳動效率計算 絲杠螺母副的傳動效率為： （3.4.2-4）)tan( 式中： =10 ，為摩擦角 =422，為螺旋升角 代入數據到式（11）得： 96.0324tan)ta( （3）剛度驗算 滾珠絲杠受工作負荷引起的導程變化量為： （3.4.2-5） )(1cmESFPlh 式中： 導成變化量1l F絲杠牽引力 S螺桿軸面積 由于 X Y 方向所受牽引力一樣，股可選 Y 方向參數計算 Ny120cmPh6. )/(6.2nE 2221 78.3194.34cmdS 將數據代入式（3.4.2-5）得： )(105..06. 61EFPlh 由此可以看出絲杠受扭矩引起的導程變化量很少，可忽略不計。 導程變形總誤差 為 （3.4.2-6）73.41073.461025.91 umcPlh E 級精度絲杠允許的螺距誤差=15um （4）穩(wěn)定性驗算 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設計時應驗算其 安全系數 S，其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數，絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的最大載 荷成為臨界載荷 （3.4.2-7）2)(ulEIFccr 其中 L=0.414m（絲杠工作長度）aGP06 484341 109.6)109.( mdIa 取 u=2/3 則 NFcr 52 892 6.)4.03( 安全系數 （3.4.2-8）8.1.2693 5mcrS 查機械設計手冊的S=2.53.3 SS 絲杠時安全的，不會失穩(wěn) 高速絲杠工作時可能發(fā)生共振，因此需要驗算其不會發(fā)生共振的最高轉速臨 界轉速 ，要求絲杠的最高轉速crncrnmax （3.4.2-9）in/4290)1.032(97.1)(9022uldfr 所以絲杠不會發(fā)生共振crnmax 此外，滾珠絲杠副還受到 值的限制，通常要求nD0 mi/10740rd min/107min/1075.3min/1502 440 rrrnd 經上述計算驗證，CMF6312 5 各項性能均符合題目要求，可選用 （5）步進電機慣性負載的計算 8 根據等效轉動慣量的計算公式，折算到步進電機軸上的等效負載轉動慣量為： （3.4.2-10）210)80(bpqMJ 式中： 為折算到電機軸上的慣性負載； 為步進電機的轉動慣量；0J 為滾珠絲杠的轉動慣量；1 M 為移動部件的質量； 為脈沖當量；p 為步進電機步矩角b 對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算： （3.4.2-11）LDJ431078. 式中：D 為圓柱零件的直徑，D=25mm L 為圓柱零件的長度，L=551mm 所以代入數據到式（3.4.2-11）得： 2431 68.15.2078. cmKgJ 步進電機軸的轉動慣量很少，可以忽略，所以將數據代入式（3.4.2-10）得； 220.).1(6.d 3.5 步進電機的計算選擇 3.5.1 步進電機驅動器的原理與參數的設定 （1）步進電機驅動原理 9 步進電機通過細分驅動器的驅動，其步距角變小了，如驅動器工作在 10 細分狀態(tài) 時，其步距角只為電機固有步距角的十分之一，也就是說：當驅動器工作在不細分的 整步狀態(tài)時，控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電機轉動 1.8；而用細分驅動器工作在 10 細分狀態(tài)時，電機只轉動了 0.18 ，這就是細分的基本概念。 細分功能完全是由驅動 器靠精確控制電機的相電流所產生，與電機無關。 驅動器的作用是接受控制器（單片機、PLC、數控系統(tǒng)等）的脈沖控制信號，并經 過處理放大，為步進電機提供足夠的功率驅動信號。步進電機步矩角的含義是指，它 表示控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖信號，電機所轉動的角度。而細分技術是在原來步矩 角的基礎上進行的再次細化。如 42BYG016 型電機出廠時給出了一個步矩角的值 0.9/1.8（表示半步工作時為 0.9、整步工作時為 1.8），這個步矩角可以稱 之為電機固有步矩角，它不一定是電機實際工作時的真正步矩角，真正的步矩角 和驅動器有關 110。 表 3-5-1 驅動器細分技術電機固有步矩角與實際步矩角對照表 電機固有步矩角 所用驅動器類型及工作狀態(tài) 電機運行時真正步矩角 0.9/1.8 驅動器工作在版驅動狀態(tài) 0.9 0.9/1.8 細分驅動器工作在 5 細分狀態(tài) 0.18 0.9/1.8 細分驅動器工作在 10 細分狀態(tài) 0.09 0.9/1.8 細分驅動器工作在 20 細分狀態(tài) 0.045 0.9/1.8 細分驅動器工作在 40 細分狀態(tài) 0.0225 從表 3-5-1 可以看出，步進電動機通過細分驅動器的驅動，其步矩角變小了，如驅 動器工作在 10 細分狀態(tài)時，其步矩角只為電機固有步矩角的十分之一，也就是說： “當驅動器工作在不細分的狀態(tài)時，控制器每發(fā)一個步進脈沖，電機轉動 1.8；而啟 動器工作在 10 細分狀態(tài)時，電機只轉了 0.18，分辨率大大提高” ，低頻振蕩是步進 電機的固有屬性，而細分是消除它的唯一途徑。采用細分功能減小了步矩角、提高了 步矩的均勻度，提高了電機的輸出轉矩。 （2）步進電機的原理 11 它是將電信號脈沖轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電 機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響， 當步進電機接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角 度，稱為“步矩角” ，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢允雇ㄟ^控制脈沖 頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。由于脈沖信號數與步矩 角的線性關系，加上步進電機只有周期性的誤差而無累枳誤差等特點，使得在速度位 置等控制領域用步進電機來控制變得非常的簡單。 （3）步進電機的工作原理 步進電機是一種控制用的電機，它是把控制系統(tǒng)發(fā)出的脈沖信號轉化為步進電機的 角位移，其特點是沒有累枳誤差，所以廣泛應用于各種開環(huán)控制。 步進電機的運行要有步進電機驅動器，控制系統(tǒng)每發(fā)一個脈沖信號，通過驅動器就 就使步進電機的轉速與脈沖信號的頻率成正比。 該步進電機為一四相步進電機，采用單極性直流電源供電。只要對步進電機的各相繞 組按合適的時序通電，就能使步進電機步進轉動。圖 3.5.1 是該四相反應式步進電機 工作原理示意圖。 圖 3-5-1 四相步進電機步進示意圖 開始時，開關 接通電源， 、 、 斷開，B 相磁極和轉子 0、3 號齒對齊，同時，BSASCD 轉子的 1、4 號齒就和 C、D 相，繞組磁極產生錯齒， 2、5 號齒就和 D、A 相繞組磁極 產生錯齒。 當開關 接通電源， 、 、 斷開時，由于 C 相繞組的磁力線和 1、4 號齒之BAD 間磁力線的作用，使轉子轉動，1、4 號齒和 C 相繞組的磁極對齊。而 0、3 號齒和 A、B 相繞組產生錯齒，2、5 號齒就和 A、D 相繞組磁極產生錯齒。依次類推， A、B、C、D 四相繞組輪流供電，則轉子會沿著 A、B、C、D 方向轉動。 四相步進電機按照通電順序的不同，可分為單四拍、雙四拍、八拍三種工作方式。 單四拍與雙四拍的步距角相等，但單四拍的轉動力矩小。八拍工作方式的步距角是單 四拍與雙四拍的一半，因此，八拍工作方式既可以保持較高的轉動力矩又可以提高控 制精度。單四拍、雙四拍與八拍工作方式的電源通電時序與波形分別如圖 3-5- 2a、b、c 所示 a. 單四拍 b. 雙四拍 c. 八拍 圖 3-5-2 步進電機工作時序波形圖 3.5.2 步進電機啟動轉矩的計算 8 設步進電機的等效負載力矩為 T，負載力為 F，根據能量守恒定理，電機所做的功 與負載所做的功有如下關系： （3.5.2-1）FST 式中： 為電機轉角 S 為移動部件的相應位移 為機械傳動效率。 若取 ，則 ，且 ,所以bp)(ZSFGu （3.5.2-2）bzsT236 式中： 為移動部件負載SF G 為移動部件重量（N） 為重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N ）z u 為導軌系數 為步進電機的步矩角（rad ）b T 為電機軸的負載力矩（N*cm） 為脈沖當量p 取 u=0.03（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數） ，=0.8， NFHs0 考慮到重力的影響，X 方向負載一致，因此取 G=1200N 所以有： cmT 30.48.104.32)2(1.06 考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉矩： 5.T 取系數為 0.4，則 cmN7.104.30 對于工作方式為三相六拍的步進電機： cTj 4.286.5.max 步進電機的最大工作頻率： HZvfp67.210.63maxa 為了不使步進電機空載啟動時不產生失步，要求空載啟動頻率大于最大運行頻率 ，maxf 同時步進電機的最大靜扭矩要足夠大。查表選擇兩個 42BYG016 型步進電機，電機有關 參數如圖 3-5-3 所示： 圖 3-5-3 42BYG016 步進電機 3.5.3 步進電機的控制方式 在步進電機的微機控制中，包括開環(huán)控制和閉環(huán)控制兩大類 12。 步進電機開環(huán)控制中，不包含反饋通道，這樣就使得控制系統(tǒng)的成本較低，但是 為了保證控制系統(tǒng)少出錯，在設計時必須要考慮一定的富裕度，即驅動脈沖的頻率不 宜過高，電機的負載不能太重。開環(huán)控制的基本原理圖如圖 3-5-4 所示，在有些系統(tǒng)中， 也將脈沖分配由微機軟件來實現，即圖中虛線框內的功能全部由單片機來實現。 走步脈沖 方向電平 微機 脈沖分配 功率驅動 M 步進電機 圖 3-5-4 開環(huán)控制的基本原理框圖 在采用單片機的步進電機開環(huán)系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)的 CP 脈沖的頻率或者換向周期實 際上就是控制步進電機的運行速度。系統(tǒng)可用兩種辦法實現步進電機的速度控制。一 種是延時，一種是定時。延時方法是在每次換向之后調用一個延時子程序，待延時結 束后再次執(zhí)行換向，這樣周而復始就可發(fā)出一定頻率的 CP 脈沖 或換向周期。延時子程序的延時時間與換向程序所用的時間和，就是 CP 脈沖的周期， 該方法簡單，占用資源少，全部由軟件實現，調用不同的子程序可以實現不同速度的 運行。但占用 CPU 時間長，不能在運行時處理其他工作。因此只適合較簡單的控制過 程。定時方法是利用單片機系統(tǒng)中的定時器定時功能長生任意周期的定時信號，從而 可方便的控制系統(tǒng)輸出 CP 脈沖的周期。當定時器啟動后，定時器從裝載的初值開始對 系統(tǒng)及其周期進行加計數，當定時器溢出時，定時器產生中斷，系統(tǒng)轉去執(zhí)行定時中 斷子程序。將電機換向子程序放在定時中斷服務程序中，定時中斷一次，電機換向一 次，從而實現電機的速度控制。由于從定時器裝載完重新啟動開始至定時器申請中斷 止，有一定的時間間隔，造成定時時間增加，為了減少這種定時誤差，實現精確定時， 要對重裝的計數