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機電一體化畢業(yè)設計 論文 1 X53K 數控化改造 內容摘要 本文提供了一種 X53k 銑床的經濟型數控化改造方案 改造的主要模 塊有 機械部分和數字控制電路部分 機械部分主要是對絲杠 驅動元 件和減速齒輪的改造 改造后的系統是以步進電機為驅動執(zhí)行元件的開 環(huán)控制系統 以 MCS 51 型單片機為控制處理芯片 實現 X Y 兩坐標聯 動改造 使得改造后的機床能加工除了銑削鍵槽 平面及孔等簡單的零件 外 還能加工形狀復雜 如加工圓弧面 斜面及凸輪等 的零件 改造 后的數控機床具有高精 高效及加工產品范圍廣等特點 最后再對系統 的誤差及精度進行分析 并提出改進的方法 建議 關鍵詞 X53k 數控化 改造 單片機 機電一體化畢業(yè)設計 論文 2 ABSTRACT In this paper in base of our country s eco momic condition and the expensive CNC in order to extend machining scope high accuracy small batch and has a good condition in excitely complicative market So the numerization rebuilding of X53K is so necessary and feasible This paper provides a way of how to implement the synchronied motion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open loop control which use stepping motors as actuators on a X53K mill and the microcomputer is MCS 51 The numerization rebuilding of X53K milling machine not only is used for machining keyway plane and hole etc but also it can ma nufacting complicated shap and the accuracy is high The technology of CNC has became the key and basic technology in the manufacturing industry Keywords X53Kmill numerization rebuilding single chip computer 機電一體化畢業(yè)設計 論文 3 目 錄 前言 5 正文 10 1 整體改造方案 10 1 1 總體設計方案 10 1 1 1 機床改造的方案比較 10 1 1 2 實現的目標 12 1 2 主傳動的系統改造 13 1 2 1 機械部分的數控化改造 13 1 2 2 電氣部分的數控化改造 13 1 3 進給系統的改造 13 1 3 1 進給機構的改造 13 1 3 2X53K 的改造要求 13 1 4 微機系統的硬件與軟件設計 14 1 4 1 系統軟件的設計 14 1 4 2 硬件系統設計 14 1 5 改造后的布局 15 2 橫縱向系統的設計 計算過程 15 2 1 縱向方向 X 軸 的設計 15 2 1 1 銑削力 CF的計算 16 2 1 2 滾珠絲杠所受的平均軸向載荷 mF 的計算 18 2 1 3 絲杠副工作負荷計算及絲杠型號的選擇 19 2 1 4 傳動效率 的計算 20 2 1 5 剛度驗算 20 2 1 6 穩(wěn)定性的驗算 21 機電一體化畢業(yè)設計 論文 4 2 1 7 齒輪傳動設計的有關計算 22 2 1 8 齒輪材料的選用及許用應力 23 2 1 9 直齒圓柱齒輪副的計算 23 2 1 10 步進電機型號的計算選擇 25 2 2 橫向 Y 軸 的設計 31 3 數控部分設計 32 3 1 系統硬件設計 33 3 1 1 主控制器 CPU 33 3 1 2 存儲器擴展電路 34 3 1 3 擴展 I O 接口 35 3 1 4 步進電機驅動電路 35 3 1 5 行程控制 36 3 1 6 鍵盤與顯示 36 3 1 7 復位電路 37 3 1 8 緊急停車 37 3 2 編程時應注意的問題 37 3 3 步進電機系統軟件控制 37 4 誤差來源及精度分析 38 4 1 誤差的來源 38 4 1 1 機械結構原因 38 4 1 2 數控部分原因 38 4 2 誤差補償措施 38 4 2 1 齒輪副誤差補償分析 38 4 2 2 數控系統誤差補償分析 39 4 2 3 滾珠絲杠副誤差補償分析 39 結論 41 致謝 42 參考文獻 43 機電一體化畢業(yè)設計 論文 5 前言 該課題來源于生產實踐的需要 利用大量閑置舊機床 對起進行數控化改造后 成為一鐘高效的 多功能的經濟型數控機床 是一種推陳出新 盤活存量資金的有 效辦法 是低成本自動化的必由之路 數控技術及數控機床是以數控系統為代表的新技術 對傳統機械制造產業(yè)的滲 透形成的機電一體化產品 數控機床 其技術范圍涉及很多領域 機械制造技術 信息處理技術 自動控制技術 伺服驅動技術 傳感器技術 軟件技術等 數控機床即是采用了數控技術的機床 或者說是裝備了數控系統的機床 現代 數控機床都采用計算機 微型機算計 作為控制系統 它由 CNC 系統 機床主機及 輔助裝置組成 數控機床的發(fā)展及目前的狀況 數控技術是當今工業(yè)產品自動化發(fā)展中處于核心地位的一種高技術 第一臺數控機床問世于美國 是為了適應航空工業(yè)制造復雜零件的需要而產生 的 70 年代初以前 美國處于領先的地位 70 年代中期 前蘇聯生產的數控機床在 數量上趕超美國成為第一 1981 年 日本超過了其他國家而成為世界上最大的數控 機床生產國家 在國外數控機床的數量中 最多的是普通數控機床 特別是數控車床 但是發(fā) 展最快的則是可以自動換刀具的加工中心 目前國際上研制的數控設備則是由加工 中心為主體的柔性加工單元及柔性制造系統 國際數控技術的發(fā)展主要經過 2 個階段和 6 代的發(fā)展過程 如表 1 和表 2 所示 我國的機床數控行業(yè)起步 1961 年 到現在已有 45 年多的歷史了 70 年代中期 開始進入實用階段 但直至 80 年代處由于引進了國外數控系統及其關鍵器件 數控 技術生產中才獲得較好的應用 我國目前狀況是 數控系統已形成年產 500 套多功 能數控機床和 3000 套經濟型數控裝置的能力 我國已建立了以中 低檔數控機床為 機電一體化畢業(yè)設計 論文 6 主的產業(yè)體系 20 世紀 90 年代主要發(fā)展高檔數控機床 隨著科學生產力的發(fā)展 機 床設備數控化率的提高已是衡量一個國家機械制造業(yè)現代化水平的重要標志 據最 近有關資料表明 我國機床總有量 380 余萬臺 其中數控機床總數只有 11 34 萬臺 即我國機床數控化率還不到 3 而一些發(fā)達國家早已達到 20 以上 因此 我國機 械制造水平與發(fā)達國家相比差距很大 設備陳舊 技術水平落后 嚴重的影響了生 產力的發(fā)展 提高機床數控化率有兩個途徑 一是購買新的數控機床 二是對舊機床進行 數控改造 這對于我國一個機床擁有量極大 其中大部分機床年齡較長 而當前經 濟財力又不足的發(fā)展中國家來說 采用舊機床改造來提高設備的先進性和數控化率 是一個及其有效和實用的途徑 表 1 硬件數控發(fā)展階段 第一代 1953 年的電子管 第二代 1959 年的晶體管分離元件 第三代 1965 年的小規(guī)模集成電路 表 2 軟件數控發(fā)展階段 第四代 1970 年的小型計算機 第五代 1974 年的微處理器 第六代 1990 年的基于 PC 機 PC BASEO 數控未來發(fā)展的趨勢 往高精 高速 高柔性化及高復合化加工方向 集成化 模塊化 網絡化 通用型開放式閉環(huán)控制模塊 高效多軸化 實時智能化 用戶界面圖形化 科學計算可視化 插補和補償方 式多樣化 內裝高智能 PLC 多媒體技術的應用 應用自適應控制技術 引入專家系統指導加工 引入故障診斷專家系統 數控化改造的優(yōu)缺點 減少投資額 交貨期短 機械性能穩(wěn)定可靠 結構受限 機電一體化畢業(yè)設計 論文 7 熟悉了解設備 便于操作維修 可充分利用現有的條件 可更好的因地制宜 合理刪選功能 可及時采用最新技術 充分利用社會資源 數控改造對機械傳動系統的要求 運動副之間的摩擦系數小 傳動無間隙 有高的靜動態(tài)剛度 功率大 低振性 可靠性高 便于操作和維修 機床數控改造的必要性 數控機床是一種典型的機電一體化產品 它集精密 柔性 和集成與一身 它 可以較好的解決形狀復雜 精密 小批多變的零件加工問題 能夠穩(wěn)定加工質量和 提高生產效率 是一種高度自動化機床 其造價較低 改造周期短 可靠性高 改 造技術也日趨成熟 加之我國特有的經濟實用產品 經濟型數控裝置 的技術指標 不斷的提高 產品的更新和完善的進度不斷的加快 產量不斷的提高 故有廣闊的 前景 其必要性還體現在 由于數控改造費用低 可充分利用原有的設備和閑置設備 把它們改造成數 控 使它們的原有功能和改造后新增加的功能得到充分的利用 提高 了機床的使用價值 易于對現有機床實現自動化 而且針對性強 即可針對新加工的零件類型及 機床來進行改造 改造后機床沒有多余的功能 改造后的機床加工精度得到提高 工人的勞動強度得到降低 減少了輔助加工時間 可提高機床的生產效率 數控改造可在企業(yè)技術人員參加下開發(fā) 所以他們可熟悉 掌握改造后的 機床性能 操作等 為以后的生產 維護 修理打下基礎 數控改造的可能性 從整體上說我國的數控機床不多 僅占總機床的 1 9 這與西方工業(yè)國家一 般達到 20 相差甚遠 差距巨大 但是 我們也應該看到 往往國家越發(fā)達 那 機電一體化畢業(yè)設計 論文 8 么數控機床所占的比例也就越大 從宏觀上看 工業(yè)發(fā)達國家的機械工業(yè) 由 于對其機械工業(yè)進行信息化改造 使得他們的產品競爭力大為增強 而我國在 這方面比發(fā)達國家約落后近 20 年 數控化率極低 這也說明了數控化改造的必 要性 進行經濟型數控機床開發(fā) 是符合我國國情的有效的機床更新途徑 在 當前的市場需求多變 競爭激烈的環(huán)境中 企業(yè)需要迅速地開發(fā)出新產品 以 低價 好質量 快速去滿足市場需求的變化 而數控機床最適宜加工小批量 多品種 高精度 形狀復雜 生產周期短的零件 數控機床的柔性化加工 符 合產品頻繁變化的要求 更何況 當今工業(yè)國家數控機床數量的擁有量反映了 這個國家的經濟能力和國防實力 因此 我國進行數控改造是可行的也是行的 通的 在數控改造中應注意的問題 車床改造的工藝流程 應保留的部分 主軸箱 床身 大 中溜板 尾座等等 改造前 應將機床大修處理 包括主軸箱傳動 精度調整 主軸徑向跳動及軸向竄 動精度修復 機床導軌平面度及直線度 卡盤裝夾精度調整等 改造部分包括 增 加數控裝置 X Y Z 軸驅動器驅動電機 換裝 X Y Z 軸滾珠絲杠及電動刀架 增 加必要的控制電器開關 冷卻液及潤滑裝置改造等 滾珠絲杠的造用和安裝 滾珠絲杠分為 1 2 3 4 5 7 10 七個等級 1 級最高 10 級最低 任意 300mm 軸面行程內變動量應該不能 0 05mm 行程偏差 0 02mm 安裝時應注意調整絲杠間隙 驅動器和驅動電機 驅動方式 PWM 脈寬調制 電機每轉 12000 脈沖 以 確保驅動精度 V 300 伏 電相位具有記憶功能 位置脈沖方式為單 雙脈沖控制 整 半步運行模式 低速平穩(wěn)運行 最高轉速 1500r min 主軸調速改造 自動調速 通過指令設定 冷卻液及潤滑系統的改造 一般采用手工打開 可經過 CNC 系統上有冷卻液 接口 通過 PLC 設置 實現冷卻液的自動開和關 電器系統的改造 主要增加元件包括 主軸 絲杠 變壓器 X Y Z 軸的 驅動器 電動刀架控制器 以及必要的控制開 關 繼電器等等 如所需增加變頻電 機或變頻器 機電一體化畢業(yè)設計 論文 9 數控改造后機床應該達到的基本技術要求 如表 3 所示 本文對 X53K 數控改造的主要過程 收集 收集資料 查與 X53K 相關的技術參數 設計 對 X53K 數控改造的總體思路 計算 對橫向 X 軸 和縱向 Y 軸 的改造計算 繪圖 繪制改造后 X 軸 Y 軸的裝配圖 和改造后外型布局圖 數控部分的 電路原理圖 分析 分析在數控改造中可能會出現的問題 以及解決問題的參考方法 表 3 改造后的基本技術要求 床身導軌平行度 0 01mm 橫向導軌的平行度 0 03mm 縱向導軌在垂直平面內的直線度 0 02mm 溜板移動在水平內直線度 0 015mm 重復定位精度 X 0 01 Z 13194N 故選擇符合要求 絲杠可用 aCm 2 1 4傳動效率 的計算 根據 機械設計原理 滾珠絲杠的傳動效率 的計算公式為 tan 式中 絲杠的螺旋升角 由以上參數表知 39 摩擦角 滾珠絲杠副的摩擦角 10 則可得 97 01392tan 2 1 5剛度驗算 滾珠絲杠受工作負荷 引起的導程的變化量 xF 01LX EF 機電一體化畢業(yè)設計 論文 21 其中 彈性模量對于鋼為 E 21 26 10cmN 滾珠絲杠橫截面積 F 2c 而 F 223d 942cm 則 01LFX EF cm661903 810 227 滾珠絲杠受扭矩引起的導程變化量 很小 可以忽略 故 L 1L 故導程的變形誤差為 1010 28oL 12 8 m 查表得 E 級精度絲杠所允許的螺紋無廠誤差 1m 長 為 15 故剛度足夠 2 1 6穩(wěn)定性的驗算 1 臨界壓縮載荷的驗算 由于縱向 X 軸 的滾珠絲杠兩端采用的是滾珠絲杠螺紋副固定 絲杠一般不 會受壓 又由于機床的原普通絲杠的直徑大于滾珠絲杠的直徑 故穩(wěn)定性一定能滿 足要求 2 臨界轉速的驗算 由計算得已知絲杠平均工作轉速為 156 3min10inrr 因此 必須進行臨界轉速的驗算 即 crcrflA EIn2max30 其中式中符號表示 機電一體化畢業(yè)設計 論文 22 絲杠的最大轉速 maznmax01 2 531 min8mazVnrL 絲杠支承方式系數取 因為沒有受壓 2f 73 42f 9910 rcn2cfdL 1 2 40 1 2 5 34mm2oq 絲杠的長度 工作最大行程 螺母長度 兩端余量 取 40mm l 螺母長度由 機床零部件設計 上可查得 絲杠設計部分 680 131 40 2 l 680 342 1022mm 支撐跨距 應略大于 取 11001ll1l 臨界轉速計算長度 680 131 40 cL102 811 40 39 890mm24 730 9189rcn 9533 minr 可見滿足 max1 5rcn 所以滿足穩(wěn)定性的要求 2 1 7齒輪傳動設計的有關計算 由于初選的步進電動機 110BF004 的系統脈沖當量為 0 01mm step p 步距角為 0 75b 絲杠導程為 8oLm 如果不采取齒輪傳動 那么每個脈沖對應的絲杠螺母傳動的距離為 機電一體化畢業(yè)設計 論文 23 0 7536oL 8 0 0 0167 脈沖當量 0 01mm 所以需要有減速機構 也就是要設計齒輪減速 采用減速齒輪具有如下特點 便于配置出所要求的脈沖當量 減小工作臺以及絲杠折算到電動機軸上的慣量 放大電動機輸出扭矩 即增大工作臺的推力 但采用減速齒輪會帶來額外的傳動誤差 使機床的快速移動速度降低 并且其自身 又引入附加的轉動慣量 這些應引起注意 2 1 8齒輪材料的選用及許用應力 由于閉式齒輪主要失效形式是齒面點蝕和輪齒折斷 因此按照齒面接觸強度來 設計來計算 最后校合彎曲強度 初選 7 級精度 查 機械設計基礎 取小齒輪材料為 45 鋼 則齒輪硬度為 220HBS 大齒輪也采用 45 鋼 其齒輪硬度為 180HBS 由于 1limH 560Mpa 2limH 530Mpa 取 1 HS 509Mpa11 560liS 482Mpa1H 32lim 又 取MPaF901lim PaF170li 1 4FS lim1936 4FMS li22701 FPa 2 1 9 直齒圓柱齒輪副的計算 1 計算減速器的傳動比 由 stepmP01 機電一體化畢業(yè)設計 論文 24 和步距角為 絲杠導程為 75 0 b mLo8 則傳動比 Pbi 36067 10 5 o 2 粗選小齒輪齒數 則大齒輪齒數 21 ZiZ 12 67 32 53 44 5 可參照 機械設計基礎 169 頁 則實際傳動比為 i 滿足誤差要 取齒輪壓力角 初選模數 m 2 5mm 則 o20 小齒輪直徑 mm1 538dmZ 大齒輪直徑 mm21 小齒輪大徑 mm102 aah 大齒輪大徑 mm2335d 中心距 mm 1 5 16mZ 圓整中心距 取 mm0a 齒寬為 大齒輪 mm ba 2 41 圓整為 mm5 小齒輪 mm 為了補償安裝誤差通常使小齒輪齒寬略寬一些 10 3 齒輪彎曲強度應力校核 查 機械設計基礎 中表得齒性系數 34 2 59 1 FFY 處載荷系數為 K 1 5 最大轉矩查步進電機相關參數 轉矩取 F 4 9N m 驗算齒輪彎曲強度 按最小齒寬 50mm 來計算 511 122 549 103 80FF FKTYMPabmZ 136 Pa 機電一體化畢業(yè)設計 論文 25 2 21 348 159F FYMPaPa 這里 1T 所以符合安全要求 4 齒輪的圓周速度 可據公式 160 758min3nr 1dV 3 480756 3 6s 10 上式中 為小齒輪的轉速即步進電機軸的轉速 可據初選步進電機1n 110BF004 的運行頻率 和步距角 0 75 來計算 step70 可知選用 7 級精度是滿足要求的 2 1 10步進電機型號的計算選擇 步進電機是一種用電脈沖信號進行控制 并將電信號轉換成響應角位移的機電 元件 每輸入一個脈沖 步進電動機轉軸就轉過一定角度 它與普通的勻速旋轉的 電動機不同 它是步進式的 所以稱步進電機 它的優(yōu)點有 角位移輸出與輸入的 脈沖數相對應 改變通電順序可以改變步進電機的旋轉方向 步矩誤差不會長期積累 在負載范圍內步矩角和轉速不受電源電壓波動的影響 而僅與脈沖頻率有關 維持 控制繞組的電流不變 電機便停在某一位置上不動 即步進電機有自整角能力 不 需要機械制動 步矩角可在很大的范圍內變化 步進電機的主要特性 步矩角 啟 動頻率 連續(xù)運行頻率和加減速特性 步進電機的缺點是效率低 拖動負載的能力 不大 脈沖當量不能太小 調整范圍不大 最高輸入脈沖頻率一般不超過 18000 Hz 數控系統對伺服電機的基本要求是調速范圍寬 伺服電機需滿足調速要求 負 載特性硬 在調速范圍內電機應有足夠的驅動力矩 動態(tài)響應快 為了使步進電機 正常工作運行 不失步 不超程 正常啟動并滿足對轉速的要求 電機最大靜轉矩 機電一體化畢業(yè)設計 論文 26 步進電機技術數據 必須大于電機的實際最大啟動力矩 電機的運行頻率必須大 于電機實際最高工作頻率 系統脈沖當量是機床移動部件相對于每一個進給脈沖信 號的位移量 其大小視機床的加工精度而定 根據 X53K 銑床工作狀況選系統脈沖 當量為 0 01mm step 步矩角 75 0 根據同類型的機床及以往的經驗 結合重量輕 功耗小 外觀尺寸和與步距角 相配合的原則 初選步進電動機類型 然后驗算是否滿足使用要求 否則選取其它 型號 最后直到滿足要求為止 初選步進電機型號為 110BF004 反應式步進電動機 2 1 11縱向步進電機選擇計算 1 計算工作臺 絲杠以及齒輪折算到電機軸上的慣量 dJ 根據 機電一體化基礎 所提供的計算公式 221 PgGJiJXSd 式中 折算到電機軸的慣量 d 2cmK 小 大齒輪的慣量 21 Jg 絲杠慣量 S 2c 橫向工作臺及夾具重量 XG NGX2156 絲杠螺距 P cmcP8 0 齒輪及絲杠轉動慣量的計算 由于有些傳動件 如齒輪 絲杠等 的轉動慣量 不易精確計算 可將其等效成圓柱體來近似計算 圓柱體的轉動慣量可依據公式 32 4ldJ 式中 材料密度 對鋼取 3cmKg35108 7cmKg 圓柱體直徑 對于齒輪 絲杠等就是其等效直徑 d 機電一體化畢業(yè)設計 論文 27 圓柱體長度 對于齒輪 絲杠等就是其等效齒寬或長度 l cm 則 321 41bdJ 54 780 20157Kgcm 3242bdJ 54 178013 2 078Kgcm 3240LdJS 54 178102 289Kgcm 則可算得 221 PgGJiJXSd 22 0 80 571 078 49 6 314 2 03 Kgcm 2 gc 2 慣量匹配驗算 初選的步進電機 110BF004 的轉子的轉動慣量 4 61KgMJ2cm 轉動系統與步進電機的慣量匹配條件 14 MdJ 而 2 03 4146dMJ 機電一體化畢業(yè)設計 論文 28 所以慣量是匹配的 3 負載轉矩計算及最大靜轉矩選擇 計算快速空載起動時所需力矩 起M 依據公式 0maxMf 起 式中 起 快速空載起動力矩 cN 空載起動時折算到電機軸上最大加速力矩 max cmN fM 折算到電機軸上的摩擦力矩 cm 由于絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩 0 c 又 max J 式中 慣量和 cN 2 03461 dMJNcm 電機最大角加速度 2sra 又 260maxtn 其中 電機最大轉速 max in rat 運動部件從停止起動加速到最大快進速度所需時間 s取 25ms 又 360maxaPbVn 則 ax25 721 minr 則 60 52314 2 8rads 故 機電一體化畢業(yè)設計 論文 29 JMamx 6 421 80Ncm 又因為 iLFf 20 式中 0 導軌的摩擦力 N 傳動鏈總效率 一般可取 現取 85 0 7 85 0 又 0XfNGF 式中 垂直方向的切削力 f 0 23 75fNcFFN 導軌摩擦系數 貼塑導軌 4 0 f 橫向工作臺及夾具重量 YG20XG 則 103N0 4 37520 F 故 1 823 4067fM 9 cm 又 00 iLFP 式中 滾珠絲杠預加載荷 取 0P 01387PmFN 滾珠絲杠預緊時的傳動效率 95 故 203870 1 2 146M 機電一體化畢業(yè)設計 論文 30 37 10 9 7Ncm 140 9 8 3 7 153 50maxMf 起 cmN 4 快速進給時所需力矩 快 依據公式 0f 快 而 9 8371 5MNcm 快 故有 3 快 起 5 最大切削負載時所需力矩 切M 根據公式 tfM 0切 式中 折算到電機軸上的切削負載力矩 t cmN 又有公式 iLFft 20 式中 進給方向最大切削力 fF N 1 2 1508fCFN 則 180 23 467tM 12cm 故 tf 0切 9 81 5Ncm 6 最大靜轉矩選擇 依據文獻 實用機床設計手冊 上 有 對于在最大切削力下工作時所需要電機最大靜轉矩為 機電一體化畢業(yè)設計 論文 31 5 0 31max切Mj 8 0 716Nc 對于空載起動時所需要的電機最大靜轉矩為 951 02max起Mj 3 6 Ncm 由 和 可知 以計算得 恒大于 所以就以 作為選取步進ax1j 2maxjM1maxj 電機最大靜轉矩的依據 而初選的步進電機為 110BF003 它的最大靜轉矩為 max1689jNcM 所以初選的步進電機型號符合要求 2 1 12步進電機動載荷矩頻特性和運行矩頻特性 由 數控技術 得 動矩頻特性 PVf 601maxax 2 501 4167Hz 運行矩頻特性 PSeVf 6 其中 最大切削力下的進給速度 可取最高進給速度 eV min 的 現取中間值 即 max2 5in 31 2max71 46in2SV 所以 2431ef1046 Hz 由步進電機 110BF004 的矩頻特性和運行矩頻特性參數可以看出所選步進電機在 起動時力矩是滿足要求的 所以最終就確定步進電機的型號為 110BF004 反應式步進電動機 2 2 橫向 Y 軸 的設計 機電一體化畢業(yè)設計 論文 32 Y 軸的絲杠選擇與 X 軸一樣為 FFZD5008 內循環(huán)浮動返向器 Y 軸的齒輪副設計也與 X 軸相同 這里不再累贅 Y 軸方向步進電動機的選擇 Y 軸銑削圓周力 1500NYOF 則有 Y 向絲杠牽引力 1 414f 1500 1 414 4410 0 01 1562NYOYG 則有電機軸負載力矩 T mNFYp 58 197 052416 036 其中 導軌摩擦系數 取 0 1 步進電機步矩角為 0 75 Y 向絲杠牽引力YF f 當量摩擦系數取 0 01 若不考慮啟動時運動部件慣性的影響 則啟動力矩為 5 0 3Tq 可取安全系數極限值 0 3 則有 5 0 3Tq mN 27 538 1 對于工作方式為無相十拍的五相步進電機最大啟動力矩 mNTqq 4 91 275 0max 電機最大工作頻率 maxax1 6276001pVf Hz 綜合以上可選取步進電機型號為 110BF004 反應式步進電動機 步進電機 110BF004 的外型尺寸為 軸徑為 6 1 機電一體化畢業(yè)設計 論文 33 3 數控部分設計 本系統以單片機為控制核心 擴展部件為外圍器件 是比較經濟的數控系統 既滿足了機床的數控加工能力 又經濟可靠 該系統是由數控單元和步進伺服單元組成 數控部分采用 MCS 51 系列的 8031 單片機 它和擴展系統以及電機驅動電源一起組成連續(xù)控制的數控系統 控制核心 按照所輸入的加工程序數據 經計算處理 發(fā)出所需要的脈沖信號 經驅動電路放 大功率后 驅動補進電機 由步進電機帶動滾珠絲杠副 從而使縱 橫向工作臺按 零件加工所需的進給速度及方向移動 實現機床的開環(huán)自動控制 系統的定位精度 由軟件中適當的降頻處理來保證 重復定位采用固定間隙來改善 最終使系統靈活 性大 通用性強 數控功能豐富 可靠性高 且易于實現機電一體化 使用維護方 便 控制系統的主要功能 手動暫停 手動快速返回坐標原點 六個方向點動傳給 手動快速進給 間隙補償功能 刀具補償功能 用戶指令掉電保護功能 具有程序暫停 延時 局部循環(huán) 自動循環(huán)功能 用戶指令編輯 修改 刪除 清零功能 錯誤操作診斷 錯誤操作顯示功能 可自行進行直線 斜線 圓弧的加工 3 1 系統硬件設計 系統的硬件組成如下所示 主要有主控制器 CPU 存儲器 鍵盤顯示器 I O 接 口和驅動電路等 部分可參照 單片機原理 書中所述 如圖 3 1 所示 3 1 1主控制器 CPU CPU 選用功能強 價格便宜的 8031 單片機 有 4 個 8 位的并行接口 一個串行 機電一體化畢業(yè)設計 論文 34 接口 8031 的 口作為分時服用的低 8 位地址 數據總線接口 口作為顯示器的OP 1P 字型輸出口 口作為高 8 位地址總線接口 口作為中斷 定時 計數 讀寫控2 3P 制等特殊功能口 CPU 的時鐘采用內部方式 晶振頻率為 6MHz 此芯片具有高集 成度 應用廣泛 有 2 個 16 位的定時 計數器和一個處理功能很強的中央處理器 該芯片不易受干擾 容易實現屏蔽 可靠性高 能在較惡劣的環(huán)境下工作 功能強 速度高 指令執(zhí)行時間短 且具備刀具長度偏移和半徑補償功能 自診斷功能 可 以進行加 減速操作 8031單 片 機 存 儲 器 行 程 控 制接 口 譯 碼 鎖 存 鍵 盤 顯 示 驅動電路 步進電機 圖 3 1 數控系統硬件框圖 3 1 2存儲器擴展電路 1 存儲器芯片的選擇 8031 片內只有 128KB 的 RAM 所以必須對其進行外部 程序存儲和數據存儲器進行擴展 選擇存儲器應考慮的主要因素是速度和容量 凡 是工作時間小于 8031 的工作時間均可滿足要求 這里選用 1 片容量為 8K 8 的 2764EPROM 芯片作為程序存儲器擴展芯片 用 1 片容量為 8K 8 的 6264 靜態(tài) RAM 芯 片作為數據存儲器擴展芯片 并帶有 3 6V 的備用電池 使存放的加工數據能長時間 的保存 2 存儲器地址分配及接線 8031 芯片所支持的存儲系統 其程序存儲器與數據 存儲器獨立編址 因此 EPROM 和 RAM 的地址分配比較自由 不必考慮是否沖突 由于復位后 8031 從 0000H 單元開始執(zhí)行程序故 8K EPROM 的地址空間從 0000H 1FFFH 8K RAM 的地址空間也設為 0000H 1FFFH 8031 的地址鎖存允許信號 ALE 與地址鎖存器 74LS373 的輸入端 G 相連 機電一體化畢業(yè)設計 論文 35 從而將 口輸出的地址信息鎖存如 373 中 2764 需要 13 根地址線 低 8 位與 口OP OP 相連 高 5 位分別與 相連 8 為數據線直接與 口連 將 2764 的片選端4 20 P OP 接地 由于 8031 只能選通外部程序存儲器 因而將 8031 的 接地 RAM6264CE EA 的數據線和地址線的連接方法與 2764 相同 其讀寫控制端與 8031 的對應端相連 由于 6264 的地址分配為 0000H 1FFFH 故其片選端 應與 74LS138 譯碼器 相連 COY 3 1 3擴展 I O接口 為了滿足銑床數控系統的需要 選用可編程并行接口芯片 8155 作為 I O 接口 各個端口的功能定義和地址分配如下表所示 8155 的片選端 與 74LS138 譯碼器CE 的 相連 地址空間為 2000H 2FFFH 地址鎖存控制端及讀寫控制分別與 8031 的控1Y 制線對應相接 8155 的 對應接至 8031 的 口線 如表 3 1 所示7ADO OP 如表 3 1 138155I O 口功能定義和地址分配 端口 工作方式 功能 地址 PA 輸出 提供步進電機的控制信號及知識信號 2001H PB 輸入 鍵盤和行程控制 2002H PC 輸出 顯示和鍵盤管理 2003H 用 片 做為機床開關 刀架控制信號及主軸編碼器反饋信號 口 用 用 片 作為鍵盤 顯示器接口 識別鍵盤按鍵信號 對顯示器自動掃 描 完成鍵盤輸入和 顯示控制兩種功能 為了增加數碼管的亮度 可分別在字型 口和字為口處增加 7407 驅動器 3 1 4步進電機驅動電路 用步進電機作為執(zhí)行元件的數控系統 可采用較為簡單的開環(huán)控制 因而成為 經濟型數控機床最為主要的一種驅動元件 步進電機的驅動電路一般由 4 部分組成 計算機接口 脈沖分配器 光電隔離電路和功率放大電路 本設計采用 8155 的 口作為控制步進電機的接口 由該口的 提供步AP 5 AOP 進電機所需的控制信號 機電一體化畢業(yè)設計 論文 36 脈沖分配器的作用是為步進電機提供符合控制指令要求的脈沖序列 其實現方 法有硬件和軟件 2 種 為降低硬件的成本及故障源 本設計采用軟件方法進行實現 步進電機驅動電路中 脈沖信號經過放大后送給步進電機勵磁繞組 為防止強 電干擾 在功放電路之前接上光電耦合電路進行隔離 步進電機所需電流較大 必須將光電耦合器輸出的信號放大后才能驅動步進電 機正常運轉 步進電機的驅動電路由三部分構成 環(huán)形分配器 光電耦合器 功率放大器 1 環(huán)形分配器 環(huán)行分配器的主要作用是把來自于加減速電路的一系列進給脈 沖指令 轉換成控制步進電機定子繞組通電 斷電的電平信號 電平信號狀態(tài)的改 變次數及順序與進給脈沖的數量及方向對應 硬件環(huán)型分配器是有觸發(fā)器和門電路 構成的硬件邏輯電路 如型號 YB015 2 光電耦合器 選用 GO102 型光電耦合器 其電路圖如圖 3 2 所示 1V 5 K 3074LS6接 功 率 放 大 器接 82 圖 3 2 光電耦合電路圖 3 功率放大器 因為輸出的脈沖功率很小 電流只有幾毫安 故需要進行功率 放大 使脈沖電流達到 1 10 A 才足以驅動步進電機正常工作 本設計決定采用 高低壓驅動電路 其電路圖如圖 3 3 所示 3 1 5行程控制 為防止工作臺越界 設置了 4 個限位開關 8155 的 分別為工作臺74 PB X X Y Y 四個方向的行程控制信號 計算機隨時巡回檢測 的電平 74 機電一體化畢業(yè)設計 論文 37 當某一個為低電位時 立即停止步進電機的運行 3 1 6鍵盤與顯示 鍵盤與顯示設計在一起 8155 的 PC 口的 擔任鍵盤的列線及顯示器的50 PC 掃描控制 字位線 PB 口的 為鍵盤的行線 8031 的 P1 口為顯示器自形80 PB 輸出口 該采用 3 8 共 24 個矩陣式鍵盤和六位八段共陰極 LED 顯示器 為了增加 數碼管的亮度 可分別在字型口和字為口處增加驅動器進行驅動 3 1 7復位電路 此單片機是靠外部電路實現 在時鐘電路工作后 只要在 8031 的 RESET 引角 上出現 10ms 以上的高電平 單片機即可復位 本系統采用上電復位和手動按紐復位 組合 圖 3 3 單電壓供電功放電路 3 1 8緊急停車 系統中設置了一個緊急按紐 利用 8031 的外部中斷 INT1 在加工過程中如果 出現緊急情況 按此按紐就可以緊急中斷信號 整個系統就立即停止工作 3 2 編程時應注意的問題 應準確地測量出銑床縱向絲杠 橫向絲杠 銑頭垂直絲杠 圓盤工作臺與 分度頭蝸輪副中反向轉動時的間隙 以便編程時 用消除間隙指令后運行指令中予 以糾正 應在銑床上用多種進給速度值 進行空載后負載切削的調試 測定空載時 允許的最高運行速度 負載時的最大吃刀量及此時的運行速度值 作為銑床改造大 機電一體化畢業(yè)設計 論文 38 編程的最大許用值的依據 在改造后應該用危機調試其運行方向 如果方向不對 可調試步進電機的 電源接頭的連線 使其運行方向變反 編程人員不可對此問題做硬性的統一規(guī)定 3 3 步進電機系統軟件控制 步進電機的系統軟件部分的設計主要是指步進電機的控制程序設計 控制步進 電機各進給軸的進給速度和進給方向 其控制流程圖主要包括初始化程序 計算運 行總步數和兩軸的速度 步進電機的轉向 然后調用步進電機的驅動程序 通過數 據采樣比較來調節(jié)步進電機的運行速度 該過程直到運行步數 N0 1 0 時結束 否則 返回繼續(xù)執(zhí)行步進電機驅動程序 4 誤差來源及精度分析 4 1 誤差的來源 4 1 1機械結構原因 由于系統的縱 橫向都是開環(huán)進給控制系統 沒有反饋檢測系統 無法消除機 械傳動部件間隙誤差 如滾珠絲杠反向間隙誤差 齒輪隙誤差及支撐結構和軸系變 形引起的誤差 步距角精度和導軌副的精度等 從而產生累積誤差 而滾珠絲杠的誤差主要是指反向間隙誤差 由于滾珠絲杠與螺母之間的軸向間 隙 導致反向運動時的空程誤差 引起失步 它將直接影響到工作臺的進給精度 引起齒輪傳動誤差最主要的是側隙誤差 4 1 2數控部分原因 數字控制系統的誤差等將直接影響進給位移的精度 數控系統誤差是指編程誤差 包括編程中輪廓逼近誤差和編程時的脈沖圓整誤 差 4 2 誤差補償措施 而引起誤差的主要原因是齒輪副間隙 滾珠絲杠軸向間隙和控制誤差 4 2 1齒輪副誤差補償分析 齒輪副選用的精度等級均為 7 級 Ea 的精度等級為 C 類 由標準參數查得 機電一體化畢業(yè)設計 論文 39 中心距 a 85mm mfa 15 小齒輪 Es6 mai 391 d641 大齒輪 as2 Ei5202 由數理統計可得 統計側隙所在的區(qū)間為 17 6 62 3 從而最大側隙引起大齒輪上 的轉角誤差為 10 3602max dJt 由側隙引起的螺母的移動量為 即由齒輪傳動引起的最大復位誤差為 LopOs 360 對于由齒輪間隙引起的誤差可采取雙片薄齒齒輪錯齒調整法來消除 兩個嚙合 的直齒圓柱齒輪中的小齒輪采用寬齒輪 另一個由兩片可以相對轉動的薄片齒輪組 成 裝配時使一片薄齒輪的齒左側分別緊貼在寬齒輪的左 右兩側 通過兩薄片齒 輪錯齒 消除齒側間隙 反向時也不會出現死區(qū) 錯齒齒輪如圖 5 2 1 所示 兩薄片 齒輪上各裝入有螺紋的凸耳 1 3 轉動螺母 7 可改變彈簧 6 的張力大小 而調節(jié)齒 輪 2 4 的相對位置 達到錯齒的目的 4 2 2數控系統誤差補償分析 數字控制系統的誤差 主要是編程誤差 由于數控機床加工精度不僅與加工過程 有關 而且與編程 插補算法的精度有關 而編程誤差是控制系統固有的 主要包括 兩方面影響系統的加工精度 編程逼近誤差 因采用近似插補算法逼近零件輪廓形狀而產生的誤差 如加 工非圓曲線 用直線廓形代替曲線廓形 加工傾斜直線時 通過刀具沿平面上兩個 坐標軸方向走折線 直線插補 而形成 造成鋸齒狀的插補誤差 編程圓整插補誤差 由于步進電機是由脈沖當量決定直線位移量最小值 脈 沖當量值決定了機床可能加工的精度界限 而編程時要把零件圖紙尺寸尺寸參數轉 換成控制脈沖個數 尺寸的最小單位是脈沖當量值 數學離散零件輪廓時只能圓整 到一個脈沖當量值 而造成編程時的圓整誤差 影響尺寸精度 機電一體化畢業(yè)設計 論文 40 采用軟件補償法來補償數控系統誤差是可行的 預先根據系統誤差的規(guī)律 通 過在零件加工程序中增 減脈沖數來補償圓整誤差 4 2 3滾珠絲杠副誤差補償分析 滾珠絲杠副可采用預緊方式來減小滾珠絲杠副的軸向回程間隙誤差 工作原理 是在滾珠螺母體內的兩側循環(huán)滾珠鏈之間 使內螺紋滾道在軸向預制 L0 的導程突 變量 在兩列滾珠間產生軸向錯位而實現預緊 L0 的大小和單列滾珠徑向間隙決 定預緊力大小 如圖 4 1 所示 L0 圖 4 1 單螺母變位導程式預緊 機電一體化畢業(yè)設計 論文 41 結論 依照我國目前的數控機床發(fā)展狀況及我國的國情 對原有的普通機床進行數控 化改造是符合當前國情的 對普通立式銑床 X53K 的數控化改造是為了擴大產品加工 范圍和提高加工精度 效率 質量 進而滿足市場多變的要求 小批量 多品種 柔性化加工 改造后的 X53K 銑床不僅能夠完成加工鍵槽 平面和孔等一般加工 還 能加工復雜的零件 且精度高 對普通 X53K 銑床改造的總體思路是把 X53K 改造成 X Y 兩坐標能聯動的經濟型 數控銑床 由程序控制實現柔性化加工 從總體方案設計開始 確定了改造的目標 經濟型數控銑床 全文進行了機械部分和數控部分的改造設計 最后進行了系統 的誤差分析 在 X53K 的數控化改造中有如下特點 為了控制改造成本 不進行升降臺方向 即 Z 向 機械部分的改造 而仍 采用手動方式升降 為了不大量改變原有的機械結構 本設計保留原有手動功能手柄 且只把原 機床的普通絲杠改為滾動絲杠 在橫向和縱向的改造設計計算中 突出步進電機 減速箱和滾珠絲杠設計計 算的連貫性 計算合理的準確性 在論文的最后進行系統的誤差分析 并提出自己的建議 方法 但是在這個設計過程中 還存在一些不足之處 如 在對整個系統的改造中 由于缺乏實踐的條件 對機床改造的結構還欠合 理 只有理論與實踐相結合才能改造設計出理想的結構 對數控系統的系統軟件的認識不夠深入 在改造過程中只提出了總體的設 機電一體化畢業(yè)設計 論文 42 計思想和系統軟件的功能模塊 未給出詳細的系統程序 致謝 在完成本設計過程中 楊健老師的認真負責 不厭其煩的教學態(tài)度給我留下了 深刻的印象 為我們講解知識難點和修正錯誤 教導我們在設計中要注意的問題 以及查找資料等等 才能讓我能順利地完成該課題的論文 楊老師的教學態(tài)度 和 追求科學真理的精神 耐心的對學生指導 永遠值得我們學習 不僅僅是因為學到 了知識 更是一種做人的道理和理念 可以說 在我們出了校園 步入社會 對我 們都是一種財富 在楊老師身上 我看到了作為老師的偉大和崇高 在我以后的生 活和工作中 所有的這一切一切都讓我受益匪淺 對完美的不懈追求的精神及做事 的科學態(tài)度 并將讓我終身受益 楊老師是值得尊敬的 在我整個在校學習的四年期間 各個任課老師的言傳身教 解答疑問 為我們學習 到最基礎 最扎實的公共課程和專業(yè)知識是分不開的 在此 我感謝你們 向你們 說一聲 老師們 你們辛苦了 還有和同學們的幫助也是分不開的 在完成本設計的過程中 與同學一起探討 問題也是一種樂趣 是他們讓我感到學習不是一種負擔 而是一種快樂 在彼此的 互相幫助 關心 生活中分享彼此的歡樂 共擔煩惱 這一切都讓我的大學生活變 的無比多彩 在這里 我向各位同窗好友表示忠心感謝 祝你們常年好運 幸福快 樂 最后 我還要感謝給予我機會 賦予我能力的母校 成都理工大學 機電一體化畢業(yè)設計 論文 43 參 考 文 獻 1 楊廣才 唐學媛 普通銑床的數控改造 蘇鹽科技 2002 第 3 期 14 16 2 李為民 王海濤 軸向定位預緊軸承剛度計算 河北工業(yè)大學學報 2001 年 30 卷第 2 期 15 19 3 劉興國 劉貴杰 岳恒志 銑床數控改造及設計 山東輕工業(yè)學院學報 1998 4 楊可楨 程光蘊主編 機械設計基礎 北京 高等教育出版社 1988 5 鄭堤 唐可洪主編 機電一體化設計基礎 北京 機械工業(yè) 6 張柱銀主編數 數控原理與數控機床 北京 化學工業(yè)出版社 2003 7 余英良主編 機床數控改造設計與實例 北京 機械工業(yè)出版社 1996 8 張德忠 X53K 銑床數控化改造 機械設計與制造 1995 第 01 期 48 49 9 張寶林主編 數控技術 北京 機械工業(yè)出版社 1997 8 10 成大先主編 機械設計手冊 北京 化學工業(yè)出版社 2002 11 廖效果 朱啟逑主編 數字控制機床 武漢 華中科技大學出社 1992 12 于俊主編 滾動軸承計算 北京 高等教育出版社 1993 7 13 張新義主編 經濟型數控機床系統設計 北京 機械工業(yè)出版社 1995 14 張俊生主編 金屬切削機床與數控機床 北京 機械工業(yè)出版社 2001 1 15 劉興國 姜莉莉 燕啟貴 劉昌祺 X53K 銑床數控改造及設計 西北工業(yè)學院 學報 1996 年 4 卷第 01 期 9 14 16 李培江 普通機床的數控改造研究 機械管理開發(fā) 2002 2 第 1 期 61 62 17 佟玲 用微機數控系統對 X53K 立銑床的改裝設計 機械與電子 1995 第 04 機電一體化畢業(yè)設計 論文 44 18 張俊生主編 金屬切削機床與數控機床 北京 機械工業(yè)出版社 2001 1 19 陳艷紅 X53K 銑床數控化改造 機電一體化 2002 第 06 期 83 84 期 39 40