C620普通車床數(shù)控改造設(shè)計

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Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways, horizontal organization assemble diagram project. (2)The reformation of electricity part, mainly include the choice of MCS-51 family single-chip and expand chip and the design of electric control chart.Key words : numerical control ,single-chip ,stepping motor , ball screw shaft ,reform 目錄III目目 錄錄摘 要.ABSTRACT（英文摘要）.目 錄.引引 言.1第一章 總體方案的設(shè)計.31.1 設(shè)計任務(wù).31.2 總體方案的論證.31.2.1 機械部分的改造設(shè)計.31.2.2 伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計.41.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計.41.3 總體方案的確定.5第二章 機械部分的改造設(shè)計 .62.1 縱向進給系統(tǒng)的改造設(shè)計.62.1.1 縱向滾珠絲杠副的選用.62.1.1.1 確定系統(tǒng)脈沖當量.72.1.1.2 車削力的計算.72.1.1.3 滾珠絲杠副的設(shè)計、計算和選型.72.1.2 步進電機的選用 . 112.1.1.1 脈沖量的計算. 112.1.1.2 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算. 112.1.1.3 等效轉(zhuǎn)動慣量的計算. 122.1.1.4 步進電機型號的選擇. 122.2 橫向進給系統(tǒng)得改造設(shè)計. 132.2.1 橫向滾珠絲杠副的選用 . 132.2.1.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量. 132.2.1.2 車削力的計算. 13目錄IV2.2.1.3 滾珠絲杠副的設(shè)計、計算和選型. 142.2.2 橫向步進電機的選用 . 172.2.2.1 脈沖量的計算. 172.2.2.2 等效負載轉(zhuǎn)矩的計算. 172.2.2.3 等效轉(zhuǎn)動慣量的計算. 182.2.2.4 步進電機型號的選擇. 182.3 齒輪傳動間隙的調(diào)整. 19第三章 電氣控制部分的設(shè)計 .223.1 單片機的選擇. 223.2 步進電機的驅(qū)動. 233.2.1 環(huán)形脈沖分配器的選擇 . 243.2.2 功率放大器的選用 . 253.3 步進電機的微機控制. 28結(jié)論.30致謝. 31參考文獻.32 引言- 1 -引言現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是能源部門的需求，使高溫高壓水廣泛應(yīng)用于相關(guān)的領(lǐng)域中，對國民生產(chǎn)和人民生活起著越來越重要的作用，例如： 機床作為機械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計算機技術(shù)的興起，促使機床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進行柔性自動化控制的新一代機床數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。計算機的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河。 數(shù)控機床是以數(shù)字化的信息實現(xiàn)機床控制的機電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對位置，機床電機的啟動和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計算機，經(jīng)過譯碼，運算，發(fā)出各種指令控制機床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。 數(shù)控機床與普通機床相比，其主要有以下的優(yōu)點： 1. 適應(yīng)性強，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件 ；在數(shù)控機床上改變加工工件時，只需重新編制新工件的加工程序，就能實現(xiàn)新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生產(chǎn)效率高； 4. 減輕勞動強度，改善勞動條件； 5. 良好的經(jīng)濟效益； 6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。 引言- 2 -數(shù)控機床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機機床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進步，特別是在機床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化方面進步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機床與先進國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。 我國是一個機床大國，有三百多萬臺普通機床。但機床的素質(zhì)差，性能落后，單臺機床的平均產(chǎn)值只有先進工業(yè)國家的1/10 左右，差距太大，急待改造。 舊機床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機床上增加微機控制裝置，使其具有一定的自動化能力，以實現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標。 隨著數(shù)控機床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機床的技術(shù)經(jīng)濟效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機床的微機數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、 PC 技術(shù)改造普通機床，并取得了良好的經(jīng)濟效益。我國經(jīng)濟資源有限，國家大，機床需要量大，因此不可能拿出相當大的資金去購買新型的數(shù)控機床，而我國的舊機床很多，用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機床的自動化程度，比較符合我國的國情。 1984 年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今后，機床的經(jīng)濟型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計實例具有典型性和實用性 。第一章 總體方案的設(shè)計- 3 -第一章 總體方案的設(shè)計1.1 設(shè)計任務(wù)本設(shè)計任務(wù)是對 C620 普通車床進行數(shù)控改造。利用 單片機對縱、橫向進給系統(tǒng)進行控制，縱向（ Z 向）脈沖當量為 0.01mm/脈沖，橫向（ X向）脈沖當量為 0.005mm/脈沖，驅(qū)動元件采用步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠副 。1.2 總體方案的論證 對于普通機床的經(jīng)濟型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計方案時，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計要求的前提下，對機床的改動應(yīng)盡可能少，以降低成本。 1.2.1 機械部分的改造設(shè)計 為了實現(xiàn)機床所要求的分辨率，采用步進電機經(jīng)齒輪減速再傳動絲杠。為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負載荷的結(jié)構(gòu)。傳動齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。 此設(shè)計過程主要是縱向進給和橫向進給的改造，關(guān)鍵是步進電機和滾珠絲杠的選用。改進后的車床簡易傳動系統(tǒng)如圖1-1：第一章 總體方案的設(shè)計- 4 -圖 1-1 改進后的車床傳動系統(tǒng) 1.小刀架 2.橫向步進電動機 3.橫向滾珠絲桿 4.大拖板 5.縱向滾珠絲桿 6.縱向步進電動機 1.2.2伺服進給系統(tǒng)的改造設(shè)計 數(shù)控機床的伺服進給系統(tǒng)有開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)之分。 因為開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。所以，本設(shè)計決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。 1.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計 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)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運行。 在設(shè)計的數(shù)控裝置中， CPU 的選擇是關(guān)鍵，選擇 CPU 應(yīng)考慮以下要素：1.時鐘頻率和字長與被控對象的運動速度和精度密切相關(guān)； 2. 可擴展存儲器的容量與數(shù)控功能的強弱相關(guān)；3. I/O 口擴展的能力與對外設(shè)控制的能力相關(guān) 。 在我國，普通機床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU 和 MCS-51 系列單片機，主要是因為它們的配套芯片便宜，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟型數(shù)控機床的改造需要。本設(shè)計以8031 芯片為第一章 總體方案的設(shè)計- 5 -核心，增加存儲器擴展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。1.3 總體方案的確定 經(jīng)總體設(shè)計方案的論證后，確定C620 車床經(jīng)濟型數(shù)控改造 方案。C620 車床的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機床的功能，即手動變速。車床的縱向（Z 軸）和橫向（ X 軸）進給運動采用步進電機驅(qū)動。 將原來機床的普通絲杠改為滾珠絲杠以減小摩擦力。并將8031 單片機組成 的微機作為數(shù)控裝置的核心，由 I/O 接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進電機轉(zhuǎn)動，經(jīng)齒輪減速后帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)車床的縱向、橫向進給運動。第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 6 -第二章 機械部分的改造設(shè)計2.1 縱向進給系統(tǒng)的改造設(shè)計2.1.1縱向滾珠絲杠副的選用滾珠螺旋傳動是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動時，帶動滾珠沿螺紋滾道滾動。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。滾珠螺旋傳動與滑動螺旋傳動或其它直線運動副相比，有下列特點：(1) 傳動效率高 一般滾珠絲杠副的傳動效率達9095，耗費能量僅為滑動絲桿的 1/3。(2) 運動平穩(wěn) 滾動摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動與工作摩擦力矩差別很小。啟動時無沖擊，預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動精度。(3) 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度 (HRC5862)、高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動絲桿副的410 倍以上。(4) 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲桿副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，通過預(yù)緊進行預(yù)拉伸以補償熱膨脹。因此可達到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。(5) 同步性好 用幾套相同的滾珠絲桿副同時傳動幾個相同的運動部件，可得到較好的同步運動。(6) 可靠性高 潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。(7) 不能自鎖 用于垂直傳動時，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動裝置。第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 7 -(8) 制造工藝復(fù)雜 滾珠絲桿和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本較高。2.1.1.1確定系統(tǒng)的脈沖當量在數(shù)控機床中，一個脈沖所產(chǎn)生的坐標軸位移量叫做脈沖當量，通常用表示，也稱機床的最小設(shè)定單位。脈沖當量是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù) ，按機床設(shè)計的加工精度選定。本設(shè)計所要求的C620的脈沖當量為： 縱向（Z 向）脈沖當量為 0.01mm/脈沖，橫向（ X 向）脈沖當量為 0.005mm/脈沖。2.1.1.2 車削力的計算在設(shè)計機床進給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導向元件，選用伺服電機等都要用到切削力。 現(xiàn)我們利用經(jīng)驗公式計算主切削力。車床的主切削力可用下式計算：)(NFZ5 . 1max67. 0DFZ式中車床床身加工的最大直徑單位為mm。maxD因 C620 床身加工的最大直徑 410mm，則：NFZ3 .556241067. 05 . 1按以下比例分別求出 分力和，xFyF4 . 0:25. 0:1:yxZFFF則：，NFx1391NFy22262.1.1.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇機構(gòu)類型：確定滾軸循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定后，再計算和確定其他參數(shù)，包括：公稱直徑、導程、滾珠的工作圈數(shù)、列數(shù)、精度等級等。d0Ljk本設(shè)計中選擇滾珠循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)方式中的固定式。滾珠絲杠副的預(yù)緊方法選擇雙螺母螺紋預(yù)緊。第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 8 -圖2-1 雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)1、2-單螺母 3-平鍵 4-調(diào)整螺母1234 (1)計算進給率牽引力mF作用在滾珠絲杠上的進給率牽引力主要包括切削力時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導軌的形式有關(guān)。的計算公式如下 :mF縱向進給導軌為三角形，則：)(GFfKFFzxmN)8003 .5562(15. 0139115. 1 (N2554三角形導軌選取參數(shù)：NGfK800,15. 0,15. 1(2)計算最大動負荷C選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠0d在回轉(zhuǎn) 100 萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負荷。計算步驟如下：C絲杠轉(zhuǎn)速其中= 01000Lnssmin75. 0m60Lmin125675. 01000rn壽命（）61060TnLr61025.11101500125606最大動負荷 NFjLCMw13.858425545 . 125.1133第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 9 -(3)計算最大靜負荷當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速（）情況下工作時，滾珠絲杠min10rn 副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產(chǎn)生變形，當塑性變形超過一定限度就會破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產(chǎn)生大的塑性變形量的負載稱為允許的最大靜負荷。選取靜0C態(tài)安全系數(shù)=2，滾珠絲杠的最大軸向負荷 故最大靜sf2254maxmFF負荷為：。510825542max0FfCs(4)選擇滾珠絲杠副見表 2-15)傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率943. 00506. 00477. 0542tan442tantantan00表 2-1滾珠絲杠副參數(shù)型號公稱直徑mm基本導程mm螺旋升角絲杠外徑)(mm絲杠內(nèi)徑)(mm額定動載荷)(N絲杠長度mm額定靜載荷)(N5 . 34006406442o2 .3998.3524100120082400 (6)剛度校核主要校核滾珠絲杠在工作負載和扭矩 T 共同作用下引起的每導程變mF形量是否符合絲杠精度要求。L 每導程變形量可按以下公式計算L20021LEFLFLLLm第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 10 -GJTL0選取 )(106 .204mmNE221)(88.10174mmdFmmEFLFLm5401103 . 788.1017106 .2062554mmLL4402102 . 221028. 262其中：4441102 . 864mmdJmmmm441028. 2102 . 882462554則： 21LLL45102 . 2103 . 7mm41093. 2mmmLL/000293. 061001001mmm/0049. 0查表所得，所選用的級絲杠精度允許誤差 為，滿足要求。Dmm/10(7) 穩(wěn)定性校核機床在進給時滾珠絲杠通常 是受軸向力的一壓桿。若軸向力過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生翹曲，所以選用時必須進行穩(wěn)定性校核。如果滿足穩(wěn)定性安全系數(shù)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù) ()，則絲杠安全，不會失穩(wěn) ：knkn)(kmkknFpn式中()許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取2.54。kn絲杠失穩(wěn)時的臨界負載，由 ：kp2)( lEJpk式中 絲杠長度l第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 11 -絲杠軸端系數(shù)，由支承條件定 。截面慣性矩，對實心圓J4164dJ對于水平絲杠要考慮自重影響可取 ()4。kn將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式中可得Npk115776)12001 (102 . 8106 .202462)(452554115776kknn絲杠不會失穩(wěn)。2.1.2 步進電機的選用2.1.2.1脈沖量的選擇 初選三相步進電動機的步距角為，當三相六拍（ 12005 . 175. 0相勵磁）運行時，步距角其妹轉(zhuǎn)脈沖數(shù)075. 0rpS48075. 0360360000脈沖當量： 由此可得中間齒輪傳動比為pmm01. 0i25. 148001. 06SLi2.1.2.2等效負載轉(zhuǎn)矩計算1.空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩LFTmiLTsLF046. 025. 18 . 02006. 080006. 022.車削加工時的負載轉(zhuǎn)矩LTmLFWFTSiyxL5 . 125. 18 . 02006. 0222680006. 013912第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 12 -2.1.2.3等效轉(zhuǎn)動慣量 的計算1.滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量SJ2344000237. 0321085. 72 . 104. 032mldJS2.拖板運動慣量換算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量JmiLgWJw522221076. 425. 112006. 08 . 9800123.大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量2gJ 選取大齒輪齒數(shù)，小齒輪齒數(shù)，模數(shù)。452Z361Zmmm223424220005056. 0321085. 701. 009. 032mbdJg4.小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量1gJ23414110004142. 0321085. 702. 0072. 032mbdJg換算到電動機軸上的總慣性負載LJ221iJJJJJsgwgL 220023. 025. 100237. 00005056. 00000476. 00004142. 0m2.1.2.4步進電動機型號 的選擇已知 初選步進電機型號為 110BF003，mTL5 . 123103 . 2mJL步距角三相六拍。其中最大靜扭矩，轉(zhuǎn)子慣量075. 0mT 8max，由此可得：23108 .36mkgJm, 5 . 018. 085 . 1maxTTL23325. 0108 .36103 . 2mLJJ第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 13 -141maxTJL經(jīng)驗算可知電動機合格。110BF003 步進電機的外觀圖及矩頻特性圖如圖2.2：外型圖:圖 2-2 110BF003 步進電機的外觀圖及矩頻特性圖2.2 橫向進給系統(tǒng)的改造設(shè)計2.2.1橫向進給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的選用橫向進給方向的設(shè)計過程同縱向方向相同。2.2.1.1確定系統(tǒng)的脈沖當量橫向（X 向）脈沖當量為 0.005mm/脈沖。2.2.1.2車削力的計算車床的主切削力可用下式計算 ：)(NFZ5 . 1max67. 0DFZ式中車床刀架加工的最大直徑單位為 mm。maxD因 C620 床身加工的最大直徑 210mm，則：NFZ203921067. 05 . 1按以下比例分別求出分力和，xFyF4 . 0:25. 0:1:yxZFFF第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 14 -則:，NFx510NFy6 .8152.2.1.3滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇機構(gòu)類型：確定滾軸循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定后，再計算和確定其他參數(shù)，包括：公稱直徑、導程、滾珠的工作圈數(shù)、列數(shù)、精度等級等。d0Ljk 本設(shè)計中選擇滾珠循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)方式中的固定式。滾珠絲杠副的預(yù)緊方法選擇雙螺母 螺紋預(yù)緊。(1)計算進給率牽引力mF作用在滾珠絲杠上的進給率牽引力主要包括切削力時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導軌的形式有關(guān)。的計算公式如下 :mF橫向進給導軌為 燕尾形，則：)2(GFFfKFFxzymN6 .1873)60051022039(2 . 06 .8154 . 1燕尾形導軌選取參數(shù)：NGfK600, 2 . 0, 4 . 1(2)計算最大動負荷C選用滾珠絲杠副的直徑時，必須保證在一定軸向負載作用下，絲杠0d在回轉(zhuǎn) 100 萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點蝕現(xiàn)象。這個軸向負載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動負荷。計算步驟如下：C絲杠轉(zhuǎn)速其中= 01000Lnssmin6 . 0m50Lmin12056 . 01000rn壽命（）61060TnLr6108 .10101500120606最大動負荷 MwFfLC3第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 15 -62126 .18735 . 18 .103(3)計算最大靜負荷當滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速（）情況下工作時，滾珠絲杠min10rn 副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產(chǎn)生變形，當塑性變形超過一定限度就會破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產(chǎn)生大的塑性變形量的負載稱為允許的最大靜負荷。選取靜0C態(tài)安全系數(shù)=2，滾珠絲杠的最大軸向負荷 故最大靜sf6 .1873maxmFF負荷為2 .37476 .18732max0FfCs(4)選擇滾珠絲杠副表 2-2 滾珠絲杠 副參數(shù)型號公稱直徑mm基本導程mm螺旋升角絲杠外徑)(mm絲杠內(nèi)徑)(mm額定動載荷)(N絲杠長度mm額定靜載荷)(N5 . 220052053343 .192 .171265028031600(5)傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率965. 00825. 00796. 0434tan334tantantan00(6)剛度校核主要校核滾珠絲杠在工作負載和扭矩 T 共同作用下引起的每導程變mF形量是否符合絲杠精度要求。L第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 16 -每導程變形量可按以下公式計算L20021LEFLFLLLmGJTL0選取 )(106 .204mmNE221)(23.2324mmdFmmEFLFLm4401100 . 223.232106 .2056 .1873mmLL3302101 . 221064. 252其中：4341103 . 464mmdJmmmm351064. 243. 0104 .8256 .1873則 21LLL34101 . 2100 . 2mm3103 . 2mmmLL/0023. 051001001 mmm/046. 0查手冊所得，所選用的級絲杠精度允許誤差為，滿足要求。Gmm/60(7) 穩(wěn)定性校核機床在進給時滾珠絲杠通常是受軸向力的一壓桿。若軸向力過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生翹曲，所以選用時必須進行穩(wěn)定性校核。如果滿足穩(wěn)定性安全系數(shù)大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù) ()，則絲杠安全，不會失穩(wěn) ：knkn)(kmkknFpn第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 17 -式中()許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取2.54。kn絲杠失穩(wěn)時的臨界負載，由 ：kp2)( lEJpk式中 絲杠長度l絲杠軸端系數(shù)，由支承條件定。截面慣性矩，對實心圓J4164dJ對于水平絲杠要考慮自重影響可取 ()4。kn將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式中可得Npk723621012. 1)2801 (103 . 4106 .20)(60006 .18731012. 17kknn絲杠不會失穩(wěn)。2.2.2 橫向步進電機的選用2.2.2.1脈沖量的選擇初選三相步進電動機的步距角為，當三相六拍（ 12 相勵005 . 175. 0磁）運行時，步距角其妹轉(zhuǎn)脈沖數(shù) ：075. 0rpS48075. 0360360000初選脈沖當量： 由此可得中間齒輪傳動比為pmm005. 0i08. 2480005. 05SLi2.2.2.2等效負載轉(zhuǎn)矩計算1.空載時的摩擦轉(zhuǎn)矩LFT第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 18 -mLiTsLF017. 08 . 0248. 0005. 060006. 022.車削加工時的負載轉(zhuǎn)矩LTmLiFWFTSyxL29. 08 . 0248. 0005. 06 .81580006. 051022.2.2.3等效轉(zhuǎn)動慣量 的計算1.滾動絲杠的轉(zhuǎn)動慣量SJ23440000034. 03228. 01085. 702. 032mldJS2.拖板運動慣量換算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量wJmiLgWJw522221089. 048. 02005. 08 . 960023.大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量2gJ選取大齒輪齒數(shù)，小齒輪齒數(shù)，模數(shù)。502Z241Zmmm2234242200077. 0321085. 701. 01 . 032mbdJg4.小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量1gJ2341411000082. 0321085. 702. 0048. 032mbdJg換算到電動機軸上的總慣性負載LJ221)(iJJJJJsgwgL22000276. 048. 0)000034. 000077. 0(0000089. 0000082. 0m2.2.2.4步進電動機型號 的選擇已知 初選步進電mTL29. 025241082. 21076. 2mkgmJL機型號為 90BF002，步距角三相六拍。其中最大靜扭矩075. 0第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 19 -，轉(zhuǎn)子慣量，由此可得：mT92. 3max251064.17mkgJm,5 . 0074. 092. 329. 0maxTTL25525. 01064.171082. 2mLJJ141maxTJL經(jīng)驗算可知電動機合格。電動機外形圖 及矩頻圖 如圖 2-3：圖 2-3 110BF003 步進電機的外觀圖及矩頻特性圖2.3 齒輪傳動間隙的調(diào)整在橫向進給和縱向進給的步進電機和滾珠絲杠間都是通過一對減速直齒輪傳動的，這就要求我們對齒輪的傳動間隙進行調(diào)整。常用的直齒輪調(diào)整齒側(cè)間隙的方法有以下幾種。(1)偏心套(軸)調(diào)整法 如圖 2-4 所示，將相互嚙合的一對齒輪中的一個齒輪 4 裝在電機輸出軸上，并將電機2 安裝在偏心套 1(或偏心軸 )上，通過轉(zhuǎn)動偏心套 (偏心軸)的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時的齒側(cè)間隙。特點是結(jié)構(gòu)簡單，但其側(cè)隙不能自動補償。第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 20 -圖 2-4 偏心套式間隙消除機構(gòu)1偏心套 2電動機 3減速箱 4、5減速齒輪(2) 軸向墊片調(diào)整法 如圖 2-5 所示，齒輪 1 和 2 相嚙合，其分度圓弧齒厚沿軸線方向略有錐度，這樣就可以用軸向墊片3 使齒輪 2 沿軸向移動，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。裝配時軸向墊片3 的厚度應(yīng)使得齒輪1 和 2 之間既齒側(cè)間隙小，運轉(zhuǎn)又靈活。特點同偏心套(軸)調(diào)整法。圖 2-5 圓柱齒輪軸向墊片間隙消除機構(gòu)(3) 雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法 這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個做成寬齒輪，另一個用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個薄齒輪的左齒側(cè)和另一個薄齒輪的右齒側(cè)分別緊貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時不會出現(xiàn)死區(qū)，具體調(diào)整措施如下：第二章 機械部分的改造設(shè)計 - 21 -周向彈簧式 (圖 2-6) 在兩個薄片齒輪 2 和 4 上各開了幾條周向圓弧槽，并在齒輪 3 和 4 的端面上有安裝彈簧 2 的短柱 1。在彈簧 2 的作用下使薄片齒輪 3 和 4 錯位而消除齒側(cè)間隙。這種結(jié)構(gòu)形式中的彈簧2 的拉力必須足以克服驅(qū)動轉(zhuǎn)矩才能起作用。因該方法受到周向圓弧槽及彈簧尺寸限制，故僅適用于讀數(shù)裝置而不適用于驅(qū)動裝置?？烧{(diào)拉簧式 (圖 2-7) 在兩個薄片齒輪 1 和 2 上裝有凸耳 3，彈簧的一端鉤在凸耳 3 上，另一端鉤在螺釘 7 上。彈簧 4 的拉力大小可用螺母5 調(diào)節(jié)螺釘 7 的伸出長度，調(diào)整好后再用螺母6 鎖緊。本設(shè)計所選用的是雙片薄齒輪錯齒調(diào)整法中的可調(diào)拉簧式。由此就可以將縱向及橫向進給系統(tǒng)的裝配圖設(shè)計并畫出，具體請見圖紙。圖2-6 薄片齒輪周向拉簧錯齒調(diào)隙機構(gòu) 圖 2-7 可調(diào)拉簧式調(diào)隙第三章 電氣控制部分的 設(shè)計 - 22 -第三章 電氣控制部分的設(shè)計在這一部分我們采用 MCS-51 系列單片機控制主控系統(tǒng)， 51 系列相對48 系列指令更豐富，相對 96 系列價格更便宜， 51 系列中，是無 ROM 的8051，8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051。目前，工控機中應(yīng)用最多的是8031 單片機。本設(shè)計以 8031 芯片為核心，增加存儲器擴展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng) 。3.1單片機的選擇圖 3-1 8031 引腳圖本設(shè)計選用 8031 芯片，片內(nèi)無 ROM 或者 EPROM，使用時必須配置外部的程序存儲器 EPROM。本設(shè)計選用了 27128 擴展其空間， 8031 的引腳分 3 大功能：（1）I/O 口線P0,P1,P2,P3共 4 個八位口。（2）控制口線PSEN(片外取指控制 )、ALE（地址鎖存控制）、 EA（片外存儲器選擇）、 RESET（復(fù)位控制）。第三章 電氣控制部分的 設(shè)計 - 23 -（3）電源和時鐘。8031 最小應(yīng)用系統(tǒng)。 8031 內(nèi)部不帶 ROM，需要外接 EPROM 作為外部程序存儲器。又因為 8031 在外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時地址的低8位信息和數(shù)據(jù)信息分時送出，故還需要采用一片6264 數(shù)據(jù)存儲器儲存數(shù)據(jù)。這樣，一片 27128EPROM 和一片 6264 組成了一個最小的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。圖 3-2 系統(tǒng)存儲器3.2步進電機的驅(qū)動步進電機的運行特性與配套使用的驅(qū)動電源有密切關(guān)系。驅(qū)動電源由脈沖分配器、功率放大器組成 ，驅(qū)動電源是將變頻信號源送來的脈沖信號及方向信號按要求的配電方式自動的循環(huán)供給電機各組繞組，以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。第三章 電氣控制部分的 設(shè)計 - 24 -3.2.1環(huán)形脈沖分配器的選擇步進電機的各組繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電機繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分稱為脈沖分配器，又稱環(huán)形脈沖分配器。所以不同相的電機應(yīng)選用不同的環(huán)形分配器。本設(shè)計中所選用的電機，縱向部分為 110BF003 三相反應(yīng)式步進電機，與其相配的環(huán)形脈沖分配器為CH250，其管腳圖見圖 3-3：圖 3-3 CH250 管腳圖CH250 有 A、B、C 三個輸出端，當輸入端 CL 或 EN 加上時鐘脈沖后，輸出波形將符合三相 反應(yīng)式步進電機的要求，輸出電流能力為0.5mA，經(jīng)推動級、驅(qū)動級放大后即可驅(qū)動電動機繞組。CH250 在供三相六拍步進電機工作時，線路中的接線見圖3-4：圖 3-4 三相六拍時 CH250 接線圖第三章 電氣控制部分的 設(shè)計 - 25 -橫向部分為 90BF002 五相反應(yīng)式步進電機，與其相配的環(huán)形脈沖分配器為 PMM8714，其管腳圖 見圖 3-5。3.2.2功率放大器的選用從計算機輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號脈沖電流一般只有幾個毫安，不能直接驅(qū)動步進電機，必須采用功率放大器將脈沖電流進行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅(qū)動步進電機運轉(zhuǎn)。步進電機所使用的功率放大器有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型、雙電壓型（高低壓型）。電流型中有恒流驅(qū)動、斬波驅(qū)動等。圖 3-5 PMM8714 管腳圖(1) 單電壓功率放大電路 此電路的優(yōu)點是電路結(jié)構(gòu)簡單，不足之處是Rc 消耗能量大，電流脈沖前后沿不夠陡，在改善了高頻性能后，低頻工作時會使振蕩有所增加，使低頻特性變壞。(2) 高低電壓功率放大電路電源 U1 為高電壓，電源大約為 80150V，U2 為低電壓電源，大約為520V。在繞組指令脈沖到來時，脈沖的上升沿同時使VT1 和 VT2 導通。圖 3-5 單電壓功率放大器第三章 電氣控制部分的 設(shè)計 - 26 -由于二極管 VD1 的作用，使繞組只加上高電壓U1，繞組的電流很快達到規(guī)定值。到達規(guī)定值后， VT1 的輸入脈沖先變成下降沿，使VT1 截止，電動機由低電壓 U2供電，維持規(guī)定電流值，直到VT2輸入脈沖下降沿到來 VT2截止。不足之處是在高低壓銜接處的電流波形在頂部有下凹，影響電動機運行的平穩(wěn)性。圖 3-6 高低電壓功率放大電路（3）斬波恒流功放電路 該電路的特點是工作時 Vin 端輸入方波步進信號：當 Vin 為“0”電平，由與門 A2輸出 Vb為“0”電平，功率管（達林頓管） VT 截止，繞組W 上無電流通過，采樣電阻上R3上無反饋電壓， A1放大器輸出高電平；而當 Vin為高電平時，由與門 A2輸出的 Vb也是高電平，功率管 VT 導通，繞組 W 上有電流，采樣電阻上 R3上出現(xiàn)反饋電壓 Vf，由分壓電阻R1、R2得到設(shè)定電壓與反饋電壓相減，來決定A1輸出電平的高低，來決定 Vin信第三章 電氣控制部分的 設(shè)計 - 27 -號能否通過與門 A2。若 VrefVf時 Vin信號通過與門，形成 Vb正脈沖，打開功率管 VT；反之， VrefVf時 Vin信號被截止，無 Vb正脈沖，功率管 VT 截止。這樣在一個 Vin脈沖內(nèi)，功率管 VT 會多次通斷，使繞組電流在設(shè)定值上下波動。圖 3-7 斬波恒流功放電路通過比較選擇，本設(shè)計中選用單電壓功率放大電路。為了避免功放后強電對弱電產(chǎn)生干擾，應(yīng)在 環(huán)形分配器和功率放大電路之間加一個光電隔離電路。3.3步進電機的微機控制步進電機的工作過程一般由控制器控制，控制器按照設(shè)計者的要求完成一定的控制過程，使功率放大電路按照要求的規(guī)律驅(qū)動步進電機運行。簡單地控制過程可以用各種邏輯電路來實現(xiàn)，但缺點是線路復(fù)雜，控制方案改變困難，自從微處理器問世以來，給步進電機控制器設(shè)計開辟了新的途徑。各種單片微型計算機的迅速發(fā)展和普及，為設(shè)計功能很強而價格低廉的步進電機控制器提供了條件。使用微型計算機對步進電機進行控制有串行和并行兩種方式。第三章 電氣控制部分的 設(shè)計 - 28 -串行控制。具有串行控制功能的單片機系統(tǒng)與步進電機驅(qū)動電源之間具有較少的連線。將信號送入步進電機驅(qū)動電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動電源中必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖見圖3-8。 方式信號方向信號CP 脈沖圖 3-8 串行控制示意圖P1.0 P1.1 8031P1.2 步進電機環(huán)形分配器 功率放大電路并行控制。用微型計算機系統(tǒng)的數(shù)個接口直接去控制步進電機各相驅(qū)動電路的方法稱為并行控制。在電機驅(qū)動電源內(nèi)，還包括環(huán)形分配器，而其功能必須由微型計算機系統(tǒng)完成。由系統(tǒng)實現(xiàn)脈沖分配器的功能又有兩種方法：一種是純軟件方法，即完全用軟件來實現(xiàn)相序的分配，直接輸出各相導通或截止的信號。第二種是軟、硬件相結(jié)合的方法，這里有專門設(shè)計的一種編程器接口，計算機向接口輸入簡單形式的代碼數(shù)據(jù)，而接口輸出的是步進電機各相導通或截止的信號。并行控制方案的示意圖見圖3-9： P1.0 P1.18031 P1.2 P1.3 P1.4A 相B 相C 相 驅(qū)動器D 相E 相第三章 電氣控制部分的 設(shè)計 - 29 -圖 3-9 并行控制示意圖最后我們將 選擇的元件 用線連接，就可以畫出設(shè)計所需要的電氣控制吐了。詳細圖紙內(nèi)容見圖紙。結(jié)論 - 30 -結(jié)論面對目前國家的數(shù)控普及程度，現(xiàn)實要求我們必須進行普通機床的數(shù)控改造。使我們國家在花最少錢的情況下，提高我們的數(shù)控化水平。本設(shè)計的內(nèi)容即是對普通車床的數(shù)控化改造，目前已有很多人對其進行了研究。在數(shù)控改造領(lǐng)域內(nèi)，車床的數(shù)控改造是最普及、最簡單也是最重要的。本設(shè)計通過對機械部分和電氣控制部分中的硬件部分進行了設(shè)計，真正實現(xiàn)了機電一體。 經(jīng)過本次改造， C620 車床實現(xiàn)了 MCS-51 系列單片機控制系統(tǒng)，步進電機開環(huán)控制，具有直線和圓弧插補功能?？纱蟠筇岣呒庸すば?，加工質(zhì)量可以得到穩(wěn)定，并保留了原機床的特性。致謝 - 31 -參考文獻- 32 -參考文獻1 趙玉剛，宋現(xiàn)春等編 .數(shù)控技術(shù) .機械工業(yè)出版社， 2003.6 2 張建民主編. .機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 . .高考教育出版社 ,2001.83 李朝青主編.單片機原理及接口技術(shù) .北京航空航天大學出版社， 1995.3 4 李云主編.機械制造工藝及設(shè)備設(shè)計指導手冊 .機械工業(yè)出版社， 1997.8 5 王蘭美主編.畫法幾何及工程制圖 .機械工業(yè)出版社， 2002.126 蔡美琴，張為民等編 .MCS-51 系列單片機系統(tǒng)及其應(yīng)用 .高等教育出版社，1992.8 7 張新義主編經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計北京：機械工業(yè)出版社，1998 8 余英良主編機床數(shù)控改造設(shè)計與實例北京：機械工業(yè)出版社，19949 王貴明主編數(shù)控實用技術(shù)北京：機械工業(yè)出版社，200110 張建綱，胡大鋒主編數(shù)控技術(shù)武漢：華中科技大學出版社，2000 11 鄧星鐘主編機電傳動控制武漢：華中科技大學出版社，200112 王愛玲主編 .現(xiàn)代數(shù)控機床結(jié)構(gòu)與設(shè)計北京：兵器工業(yè)出版社，199913 卜云峰主編 .機械工業(yè)及自動化簡明設(shè)計手冊上下冊北京：機械工業(yè)出版社，199914 劉躍南主編 .機床計算機數(shù)控及應(yīng)用 ,北京:機械工業(yè)出版社 ,199715 李洪主編 .實用機床設(shè)計手冊 .沈陽:遼寧科學技術(shù)出版社 ,199916 李群芳，黃建等編.單片機微型計算機 及接口技術(shù)北京：電子工業(yè)出版社，200117 陶曉杰主編 .伺服電機用于車床進給系統(tǒng) .制造業(yè)自動化 ,2000.2218 機床設(shè)計手冊編寫組 .機床設(shè)計手冊（第三冊），機械工業(yè)出版社，198619 李立強等主編 .控車床自動轉(zhuǎn)位刀臺設(shè)計，制造技術(shù)與車床，200020 黃玉美主編 .床總體方案的創(chuàng)新設(shè)計，設(shè)備管理與維修，200021 孫桓等主編 .機械原理，高等教育出版社 , 199522 機械工程手冊 .機械工程手冊 .機械工業(yè)出版社 ,199023 劉淑華.淺談數(shù)控車床主傳動系統(tǒng)設(shè)計 .52668 網(wǎng)路博覽會 .產(chǎn)業(yè)頻道 ,200324 楊波.淺談機床數(shù)控改造 .e-works,e-works 論壇,2001參考文獻- 33 -