C616車床的橫向伺服進(jìn)給單元改造設(shè)計(jì)

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Electrical part to the use of MCS-8051 single-chip stepper motor for timely and effective control, and in order to facilitate the man-machine dialogue, by entering the program to better solve the shape of the complex, sophisticated and difficult to process problems. The design can be accurately specified action to achieve high degree of automation, flexibility to quickly adapt to change more parts processing.Keywords: Lathe; Stepper motor; SCM; Man-machine dialogue; Precision濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1目錄摘要.IIABSTRACT.III緒 論.21 機(jī)械部分改造的設(shè)計(jì)及計(jì)算.31.1 課題的來(lái)源與意義及總體方案的確定 .31.1.1 課題的來(lái)源與意義： .31.1.2 總體方案的確定： .41.2 滾珠絲杠副的計(jì)算和選型.51.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量.51.2.2 切削力計(jì)算 .61.2.3 傳動(dòng)效率 .81.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇.101.3.1 傳動(dòng)比的計(jì)算 .101.3.2 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 .111.4 齒輪設(shè)計(jì)及強(qiáng)度校核計(jì)算.151.4.1 選定齒輪類型，精度等級(jí)，材料及齒數(shù) .151.4.2 按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核.161.4.3 校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度.181.5 軸的設(shè)計(jì)（中間軸）及校核.191.5.1 選擇軸的材料 .191.5.2 初步估算軸的最小直徑.191.5.3 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .201.5.4 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強(qiáng)度.201.5.5 精確校核軸的疲勞強(qiáng)度.231.6 滾動(dòng)軸承的選擇和計(jì)算.281.7 鍵聯(lián)接的選擇和強(qiáng)度校核（即中間軸） .291.7.1 大齒輪 2 與軸的鍵聯(lián)接.291.7.2 小齒輪 3 和軸的鍵聯(lián)接 .302 機(jī)床橫向伺服進(jìn)給單元電氣控制部分設(shè)計(jì).312.1電氣控制系統(tǒng)方案的確定 .312.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠的聯(lián)接.322.1.28051 單片機(jī)的選擇 .32濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)22.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .322.2.1 脈沖分配器 .332.2.2 光隔離電路 .362.2.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路.372.3 8255 可編程控制芯片的擴(kuò)展 .392.4 輔助電路的設(shè)計(jì) .402.4.1 8051 單片機(jī)的時(shí)鐘電路 .402.4.2 復(fù)位電路 .412.4.3 越界報(bào)警電路 .412.5 操作面板設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要介紹.422.6 繪制機(jī)床電氣控制電路原理圖.42結(jié) 論.44致 謝.45參考文獻(xiàn).46濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)1緒 論隨著我國(guó)生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，在機(jī)械制造業(yè)中，數(shù)控機(jī)床越來(lái)越受到企業(yè)的歡迎。企業(yè)一方面投入大量資金購(gòu)買數(shù)控車床，另一方面更新改造現(xiàn)有普通機(jī)床，通過(guò) 為普通機(jī)床添加數(shù)控裝置，將普通機(jī)床改造成數(shù)控機(jī)床，這是許多中小型企業(yè)面臨的重要技改措施。數(shù)控機(jī)床能夠適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多樣化、高精度的要求。因此得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。但是，商品化的數(shù)控機(jī)床價(jià)格高，一致于推廣應(yīng)用受到限制，而我國(guó)又現(xiàn)存有大量的普通機(jī)床，利用較先進(jìn)的數(shù)控 系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有普通機(jī)床進(jìn)行技術(shù)改造，對(duì)提高我國(guó)機(jī)械行業(yè)的數(shù)控加工技術(shù)具有 更重要意義。數(shù)控機(jī)床是衡量一個(gè)國(guó)家機(jī)械制造業(yè)水平的重要指標(biāo)。根據(jù)我國(guó)機(jī)床擁有量大，生產(chǎn) 規(guī)模小的具體國(guó)情，將普通機(jī)床通過(guò)數(shù)控化改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床是我國(guó)機(jī)械工業(yè)技術(shù)改造的這樣目標(biāo)。但從我國(guó)目前機(jī)械工業(yè)制造水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大， 而且從目前企業(yè)所面臨的情況看，因數(shù)控機(jī)床價(jià)格較貴，一次性投資較大，使企業(yè)心有余而力不足。因此，我國(guó)作為機(jī)床大國(guó)。對(duì)普通機(jī)床數(shù)控化改造作為一種良好的有效途徑。這樣機(jī)床改造花費(fèi)少，改造設(shè)計(jì)針對(duì)性強(qiáng)、時(shí)間短，改造設(shè)計(jì)后的機(jī)床大多能夠克服機(jī)床的缺點(diǎn)和存在的問(wèn)題，生產(chǎn)效率高。濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)11 機(jī)械部分改造的設(shè)計(jì)及計(jì)算1.11.1 課題的來(lái)源與意義及總體方案的確定課題的來(lái)源與意義及總體方案的確定1.1.11.1.1 課題的來(lái)源與意義：課題的來(lái)源與意義： 社會(huì)發(fā)展的今天，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展非常迅速突出，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新?lián)Q代不僅資金投入大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大浪費(fèi)。所以最簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)的辦法就 是進(jìn)行數(shù)控化改造。數(shù)控機(jī)床作為機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好的解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問(wèn)題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從我國(guó)目前機(jī)械工業(yè)制造水平與發(fā)達(dá)國(guó)家相比差距較大，而且從目前企業(yè)所面臨的情況看，因數(shù)控機(jī)床價(jià)格較貴，一次性投資較大，使企業(yè)心有余而力不足。因此，我國(guó)作為機(jī)床大國(guó)。對(duì)普通機(jī)床數(shù)控化改造作為一種良好的有效途徑。這樣機(jī)床改造花費(fèi)少，改造設(shè)計(jì) 針對(duì)性強(qiáng)、時(shí)間短，改造設(shè)計(jì)后的機(jī)床大多能夠克服機(jī)床的缺點(diǎn)和存在的問(wèn)題，生產(chǎn)效率高。1.1.21.1.2 總體方案的確定：總體方案的確定：根據(jù)改造設(shè)計(jì)內(nèi)容確定方案。有設(shè)計(jì)內(nèi)容可知，該 C616 車床的改造設(shè)計(jì)是將原機(jī)床中手動(dòng)進(jìn)給裝置改裝成有步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，采用微機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)完成數(shù)據(jù)的處理運(yùn)動(dòng)控制。由此可見(jiàn)改造設(shè)計(jì)以后的車床具有一定的數(shù)控機(jī)床功能和特點(diǎn)，大大提高了車床的數(shù)控化程度和生產(chǎn)效率，是一種經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床。翻閱查看 C616 車床是一種小型的車床，床身最大工件回轉(zhuǎn)直徑 320mm 加工工件最大長(zhǎng)度750mm，主要用于加工中小型類零件。根據(jù)我們的設(shè)計(jì)內(nèi)容要求參考數(shù)控機(jī)床的改造設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)O(shè)計(jì)確定如圖 1-1 1-2 所示總體改造方案。濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)2圖 11 總體改造方案圖 12 C616 普通車床的數(shù)控改造方案圖該方案中以步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，采用開(kāi)環(huán)伺服控制，無(wú)檢測(cè)反饋機(jī)構(gòu)，具有結(jié)簡(jiǎn)單，使用維護(hù)方便，可靠性高，制造成本低等一系列的優(yōu)點(diǎn)。從設(shè)計(jì)題目中可知，我們改造設(shè)計(jì)的是基于 C616 車床的橫向伺服進(jìn)給單元機(jī)電一體化改造設(shè)計(jì)。所以針對(duì)橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行如下改造： 拆除原機(jī)床進(jìn)給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱，拆除原絲杠安裝滾珠絲杠并仍然安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式，這樣可以減小裝配現(xiàn)場(chǎng)，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而是橫向進(jìn)給整體的剛性提高，優(yōu)勝于以前的， 橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)采用二級(jí)齒輪減速，并用雙片齒輪銷齒法消除間隙。其余部分的改造設(shè)計(jì)盡量按照原機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改裝的部位，以降低生產(chǎn)成本，節(jié)約改造生產(chǎn)時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。1 1. .2 2 滾滾珠珠絲絲杠杠副副的的計(jì)計(jì)算算和和選選型型濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)3進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算與選型的內(nèi)容包括:運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算、傳動(dòng)比的分配、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、等效轉(zhuǎn)矩等計(jì)算.計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 1-3:圖 13 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的計(jì)算1 1. .2 2. .1 1 確確定定系系統(tǒng)統(tǒng)的的脈脈沖沖當(dāng)當(dāng)量量脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使車床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量 ,它是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù).因此脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機(jī)床精度來(lái)確定.對(duì)于經(jīng)濟(jì)車床來(lái)說(shuō)橫向采用的脈沖當(dāng)量為 0.005mm/脈沖1 1. .2 2. .2 2 切切削削力力計(jì)計(jì)算算 在進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)的計(jì)算過(guò)程中,選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)都需要用到切削力(機(jī)床的主要負(fù)載),則可用公式計(jì)算出車床切削力最大切削功率(或轉(zhuǎn)矩) =P主 式中 P主.主電動(dòng)機(jī)的功率,C616 車床 P主 =8 kw .主傳動(dòng)系統(tǒng)的總功率一般為 0.70.85 取 =0.8 則 P切 =(80.8) kw=6.4 kw切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力 (或轉(zhuǎn)矩)和最大切削速度(或轉(zhuǎn)矩)來(lái)計(jì)算,即: P主 =/60cF310-式中 主切削力( N )cF濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)4 最大切削速度(m/min).按用硬質(zhì)合金刀具半精車鋼件是的速度取 =100m/min = 60 6.4/100 = 3840( N )cF310在一般情況外圓車削時(shí), =(0.10.55) fFcF =(0.150.65) pFcF取 = 0.48 = 1843.2N = 0.58 = 2227.2NfFcFpFcF滾珠絲杠副的選擇和性能驗(yàn)算,橫向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌,由公式可得絲杠軸向進(jìn)行切削,其中 k= 1.15, =0.16 則:f = k+(+W)mFfFfcF式中 .切削分力( N )cFfFpF W移動(dòng)部件的重量( N ) 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),隨導(dǎo)軌型式不同而不同fK考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)即 =1.15 1843.2+0.16 (3840+200)N=2766.08NmF 最大切削力下的進(jìn)給速度可取最高進(jìn)給速度的 1/21/5,取為 1/2.橫向進(jìn)給sv速度為 2m/min,絲杠導(dǎo)程選取 6mm,則絲杠轉(zhuǎn)速為: n = 1000/ = 1000 2/6 = 333.33r/minsv0L絲杠使用的壽命時(shí)間取為 T = 15000h,則絲杠的計(jì)算壽命 L 為: L = 60nt/ = 60 333.33 15000/ = 300 ()610610610根據(jù)工作負(fù)載、壽命 L,按公式計(jì)算滾珠絲杠副承受 的最大的動(dòng)載荷取mFmC= 1.2 = 1wfaf濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)5 =/=1.2 2766.08=22220NmC3LmFwfaf3300由當(dāng)量載荷,從手冊(cè)或樣本的滾珠絲杠系列表中初選滾珠絲杠的型號(hào)和有關(guān)mC參數(shù).選用是要注意公稱直徑和導(dǎo)程應(yīng)用優(yōu)先組合，同時(shí)還需要滿足數(shù)控系統(tǒng)0d0L和伺服系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)承的要求。同時(shí)還受最大靜載荷的影響和限制，因當(dāng)滾珠絲杠在靜態(tài)或低速(n10r/min)情況下工作時(shí)，滾珠絲杠副的破壞形式主要是滾珠與滾道型面在接觸點(diǎn)上產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)塑性變形超過(guò)一定限度就會(huì)使?jié)L珠絲杠副無(wú)法正常工作。一般允許其塑性變形量不超過(guò)滾珠直徑的萬(wàn)分之一。此時(shí)的軸向負(fù)載稱oaC為額定靜載荷。選用時(shí)應(yīng)將相應(yīng)的滾珠絲杠的額定靜載荷滿足以下條件：oaC =f/maxFoaCsf式中 滾珠絲杠的最大軸向工作載荷；maxF 靜態(tài)安全系數(shù)。一般 12,有沖擊時(shí) =23sfsfsf由參照表查出該滾珠絲杠型號(hào)為W5006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲mC杠副。1列3圈，其額定動(dòng)負(fù)載為24000N，強(qiáng)度足夠應(yīng)，精度選用5級(jí)，其幾何參數(shù)如下：公稱直徑=50mm，導(dǎo)承=6mm，螺紋升角v=arctg/=211繭鋼球直徑為0d0L0L0d3.969mm，螺桿內(nèi)徑為45.88mm。滾道半徑R為： R=0.52 3.969=2.06388mm偏心距為： e=0.07（R-/2）=0.07（2.064-3.969/2）=5.6mm0d310螺桿內(nèi)徑： =+2e-2R=50 2 5.6-2 2.06388=45.88mm1d0d3101 1. .2 2. .3 3 傳傳動(dòng)動(dòng)效效率率 滾動(dòng)絲杠副的傳動(dòng)效率可用下式計(jì)算。 =tgr/tg（r+）式中 r絲杠的螺旋升角濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)6 摩擦角。滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)因數(shù)f=0.003-0.004，摩擦角約等于10即=tg211/tg(211+10)0.927橫向進(jìn)給滾珠絲扛支承方式如前圖所示，支承間距L=400mm，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行了預(yù)緊，預(yù)緊力的最大軸向負(fù)載荷的1/3，絲杠的變形量計(jì)算如下：滾珠絲杠截面積按絲杠螺紋的底徑確定A=/4 45.882mm2=1653.24mm工作載荷引起導(dǎo)程的變化量可用下式計(jì)算mF0L0L=/EA=2766.08 6/20 104 1653.24=0.487mm0LmF0L410式中 E絲杠材料的彈性模量，對(duì)鋼E=2.06 1011N/2m則絲杠的拉伸或壓縮變形量：1=/L=0.487/6 1500=1.22mm10L0L410210由于兩端均采用角接觸球軸承，且絲杠又進(jìn)行了預(yù)緊故其拉壓剛度可比一端固定的絲杠提高4倍。其實(shí)際變形量為=1/4=0.305mm11210滾珠與螺紋通道間接觸變形=0.0013/=0.0072mm2mF23oyd F Z式中 軸向工作載荷（N） ；mF 預(yù)緊力（N）yF 滾珠直徑（mm） ；wd滾珠數(shù)量，=Z j k其中j為圈數(shù)，k為列數(shù)，Z每圈螺紋滾道內(nèi)的ZZ 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)7滾珠數(shù)：外循環(huán)時(shí)Z=/；內(nèi)循環(huán)時(shí)Z/-30dwd0dwd滾珠絲杠公稱直徑（mm） ；0d因絲杠加有預(yù)緊力；且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的1/3時(shí), 可減少一半，因此2實(shí)際變形量為： =0.0072/2=0.036mm2210支承滾珠絲杠的軸承為8209型推力球軸承，幾何參數(shù)為=45mm，滾動(dòng)體直徑1d=7.06mm，滾動(dòng)體數(shù)量=20軸承的軸向接觸變形為： QdQZ3=0.0243232mQQFd z式中軸承所受軸向載荷（N） ；軸承的滾動(dòng)體數(shù)目；mFQz 軸承的滾動(dòng)體直徑；即Qd=0.024=0.024=0.03346mm3232mQQFd z2322766.087.06 20注意：此公式的單位為KgfmF因施加預(yù)緊力故實(shí)際變形量=1/2=1/2 0.03346mm=0.0167mm33根據(jù)以上計(jì)算總變形量為：=+=（0.00305+0.0036+0.0167）mm=0.0234mm123五級(jí)精度絲杠允許邏輯誤差為27m/m，故剛度足夠。因?yàn)闈L珠絲杠的兩端都采用推力球軸承并預(yù)緊，因此不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需要作穩(wěn)定性校核。濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)81 1. .3 3 步步進(jìn)進(jìn)電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)的的選選擇擇1 1. .3 3. .1 1 傳傳動(dòng)動(dòng)比比的的計(jì)計(jì)算算 根據(jù)給定的橫向進(jìn)給的脈沖當(dāng)量0.005mm，滾珠絲杠導(dǎo)程=6mm，及初選的步0L進(jìn)電機(jī)步距角0.75，可計(jì)算出傳動(dòng)比i： =360/ 0L式中 脈沖當(dāng)量（mm/步） ； 滾珠絲杠導(dǎo)程（mm） ；0L 步進(jìn)電機(jī)步距角（） ；減速齒輪考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程故采用兩級(jí)齒輪降速，根據(jù)傳動(dòng)比，即 i=360/0L選齒輪Z1=28，Z2=56，Z3=24，Z4=30一級(jí)降速傳動(dòng)比為0.5二級(jí)降速傳動(dòng)比為0.8初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型為150BF002,因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般選模數(shù)取m=12，本次設(shè)計(jì)選用m=2。1 1. .3 3. .2 2 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)慣慣量量的的計(jì)計(jì)算算選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí),必須根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)裝置及負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,分別計(jì)算各種情況下所需要的力矩,再根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩和啟動(dòng)運(yùn)行頻率特性選擇合適的步進(jìn)電動(dòng)機(jī),負(fù)載慣量是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)之一,它對(duì)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī),設(shè)計(jì)傳動(dòng)比等都有十分重要的意義,如果該慣量與電動(dòng)機(jī)的匹配不當(dāng),系統(tǒng)就得不到快速反應(yīng),甚至失效.Z1=28,z2=56,z3=24,z4=30 齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。1,2,3,4Z Z Z Z1234,J JJJ 341111032JdL濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)9 =334107.8/(5.6)3.532kg cmcmcm =2.63582.kg cm 342221032JdL =334107.8/(11.2)332kg cmcmcm =36.1482.kg cm =1.4227343331032JdL2.kg cm 344441032JdL =334107.8/(3)332kg cmcmcm =0.1862.kg cm絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以從表中查得負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量22131234242222862.653836.148 1042270.186 15.90.417.522562LSZ ZLwJJJJJJgZ ZWg216Z（）（）Z考慮步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題即 0.571 滿足慣量匹配要求。而慣量J由伺附電動(dòng)機(jī)的慣量 mJ 和進(jìn)給系統(tǒng)慣量LJ 組成 10 17.52227.522mLJJJmJ伺附電動(dòng)機(jī)的慣量LJ進(jìn)給系統(tǒng)慣量負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇：機(jī)床在不同的情況下，其所需要的轉(zhuǎn)矩不同，下面分別進(jìn)行計(jì)算快速空載啟動(dòng)是所需要的轉(zhuǎn)矩為 max0afMMMM起濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)10式中： M起 快速空載啟動(dòng)力矩 maxaM 空載啟動(dòng)折算到電動(dòng)機(jī)上的加速力矩 fM 折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩 0M 由于絲杠加緊時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的附加力矩將已知數(shù)據(jù)代入 max2000 0.758333600.005 360minbpvrm axn 2maxmax21060aatnMJ式中 J傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 at 運(yùn)動(dòng)部件從停止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需要的時(shí)間 maxn電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速 2max283327.52210694.428 .60 0.0253aMN cm折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩 002FF LMi 式中 0F 導(dǎo)軌的摩擦力0cFf FW cF 垂直方向的切削力 W 運(yùn)動(dòng)部件的總重量 f 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) i 齒輪降速比 傳動(dòng)鏈總效率，一般取 0.70.85 000.1638402000.630.87220.8 2.5FF LMi濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)11附加力矩： 2000012PF LMi 式中： 0PF 滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷前一般取 0L 滾珠絲杠導(dǎo)程0滾珠絲杠擰緊時(shí)的效率一般大于 0.9于是： max0730.424aFMMMM起快速移動(dòng)時(shí)需要的力矩： 035.996FMMM快最大切削負(fù)載時(shí)所需要的力矩： 0124.04FtMMMM切從以上計(jì)算可以看出三種工況下以快速空載啟動(dòng)所需要的力矩最大，依次作為出選電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。對(duì)于工作方式與五相十拍的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩： max7.680.951jMMNm起從相關(guān)資料可以查出 150BF002 型號(hào)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 13027N.M 大于所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩可以作為初選型號(hào)大需要考慮電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行它。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的空載啟動(dòng)頻率： maxmax10006666.760vfHZ maxmax10006666.760vfHZ由相關(guān)資料知道 150BF002 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)允許的作大空載啟動(dòng)頻率為 2800HZ，運(yùn)行頻率為 8000HZ，有下圖（a)可以看出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)是頻率為 2500HZ，遠(yuǎn)不能滿足機(jī)床所需。直接使用回產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速度控制（可以用軟件實(shí)濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)12現(xiàn)）將啟動(dòng)頻率降到 1000HZ 時(shí)，啟動(dòng)扭矩可以增高到 588 。然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動(dòng)電路，可以將步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩?cái)U(kuò)大一倍左右。 當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，由 150BF002 型號(hào)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩頻特性（b)知道電動(dòng)機(jī)可以滿足要求。根據(jù)上述計(jì)算綜合考慮，橫向進(jìn)給系統(tǒng)采用 150BF002 型號(hào)電動(dòng)機(jī)（a)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)頻率（b) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩頻特性圖 14 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)頻率和矩頻特性零件的設(shè)計(jì)計(jì)算，傳動(dòng)軸的初步計(jì)算及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支撐方式和部件的選擇計(jì)算 .1 1. .4 4 齒齒輪輪設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)及及強(qiáng)強(qiáng)度度校校核核計(jì)計(jì)算算濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)131 1. .4 4. .1 1 選選定定齒齒輪輪類類型型，精精度度等等級(jí)級(jí)，材材料料及及齒齒數(shù)數(shù)該傳動(dòng)方案選用直齒圓柱齒輪傳動(dòng).速度不高,所以齒輪選 8 級(jí)精度；齒輪材料選用價(jià)格便宜并且硬度合適的材料；齒輪 Z1，Z3，Z4 材料為 45#鋼(調(diào)質(zhì))； 齒輪 Z2 材料為 45 鋼(?；?。 根據(jù)傳動(dòng)比選取小齒輪 Z1=28.Z2=56.Z3=24.Z4=30因齒面硬度小于 350HBS 的閉式傳動(dòng),所以按照齒面接觸疲勞強(qiáng)度設(shè)計(jì),然后校核齒根彎曲疲勞強(qiáng)度.1 1. .4 4. .2 2 按按照照齒齒面面接接觸觸疲疲勞勞強(qiáng)強(qiáng)度度校校核核 213112.3251EdHKTzud tu由公式確定公式中各參數(shù)的值選擇載荷系數(shù)1.3tK 519.55 1011923.16PTNmmn計(jì)算小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩查表選擇齒寬系數(shù)0.8d查表得出彈性影響系數(shù)189.8EZMpalim1lim3lim4lim2590470HHHHMpaMpa由表查出 F tFasaFFmK Y Yb濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)14由公式確定公由表查出壽命系數(shù) 12341HNHNHNHNKKKK計(jì)算接觸疲勞強(qiáng)度許用應(yīng)力,取失效概率為 1%,安全系數(shù) S=1.由公式 limHNHHHKS 可得 134590HHHMpa 2470HMpa計(jì)算小齒輪分度圓直徑 213112.3251EdHKTzud tu計(jì)算圓周速度 112.2560 1000d tnmVs 計(jì)算載荷系數(shù). 根據(jù)10.45100V Z查表1.04VK 因?yàn)槭侵饼X圓柱齒輪,取同時(shí)由表查 得1AK ， 1.121.25aKK 所以載荷系數(shù)1 1.04 1 1.021.1AVKKKKK 按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所計(jì)算的分度圓直徑 33111.151481.3kdd tmmkt計(jì)算模數(shù)：濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)15 1148224dm= z取模數(shù)12m 根據(jù)綜合因素的 考慮及傳遞的力矩不大,故選用：1128 256,2dmm m 計(jì)算分度圓直徑： 128 256,dmm256 2112dmm 324 248,dmm430 260dmm計(jì)算中心距： 12341284,5422ddddaa計(jì)算齒輪寬度： 110.8 5644dbdmm由于傳遞振動(dòng)不大，1 1. .4 4. .3 3 校校核核齒齒根根彎彎曲曲疲疲勞勞強(qiáng)強(qiáng)度度式中各個(gè)參數(shù)值,計(jì)算圓周力： 1122 11923.16425.82756TTFd查取應(yīng)力校正系數(shù)： 112.80,1.55.FaSaYY222.40,1.67FaSaYY 332.80,1.55.FaSaYY442.62,1.59FaSaYY計(jì)算載荷系數(shù)： 1 1.04 1 1.251.3AVKKKKK 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)16查取彎曲強(qiáng)度極限及壽命系數(shù)：查表得：lim1lim2lim3lim4450,390,450,450FFFFMpaMpaMpaMpa查表知道；12341FNFNFNFNKKKK計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力,取彎曲疲勞安全系數(shù)： 1.4FSS由公式： limFNFFFKS所以 1lim1134321.43FNFFFFKMpaS 2lim22390278.571.4FNFFKMpaS校核計(jì)算： 111.3 425.827 2.80 1.5544.49127 2FFMpa 2211212240 1.6744.49141.0872.80 1.55saFaFFFSaFaY YMpaY Y 3341.92FF 4440.237FF1 1. .5 5 軸軸的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)（中中間間軸軸）及及校校核核1 1. .5 5. .1 1 選選擇擇軸軸的的材材料料 選取 45 鋼，調(diào)制硬度 HBS=230，強(qiáng)度極限=650Mpa，屈服極限=360Mpa,BS濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)17彎曲疲勞極限=300Mpa,剪切疲勞極限=155Mpa,對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)的許用應(yīng)力11=60Mpa-1b 1 1. .5 5. .2 2 初初步步估估算算軸軸的的最最小小直直徑徑取=110，得：0Ad=11015mm0A232pu30.98416.5由于采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，選用 150BF002 型，它的軸徑為 18mm，為了配d合二級(jí)齒輪傳動(dòng)，在此選擇最小軸徑為15mm，便于受力均勻，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。1 1. .5 5. .3 3 軸軸的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 由軸的結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度要求選取軸承孔的軸徑 d=15mm，初選軸承型號(hào) 6202 的深溝球軸承，齒輪軸處軸孔 d=25mm,軸肩直徑 d=35mm,軸的結(jié)構(gòu)如附圖兩軸承支點(diǎn)間的距離為 L=+u+2T13B312T式中 T 軸承的寬度，查表可知 6205 軸承 T=11mm 齒輪端面與箱體內(nèi)壁的距離，查表可知取=8mm11 齒輪 3 的齒寬，=32mm3B3B 齒輪 2 與齒輪 3 輪轂端面間的距離，取=8mm33L 齒輪 2 的輪轂長(zhǎng)度，L=（1.21.5）dB,u=34mm代入以上各數(shù)值得 L=11+8+27+34+8+13.5=96mm齒輪 3 的對(duì)稱線與左軸承支點(diǎn)的距離為： =+=5.5+8+13.5=27mm1L2T132B齒輪 3 的對(duì)稱線與齒輪 2 的對(duì)稱線間的距離為：濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)18 =+=13.5+8+17=38.5mm2L32B32u齒輪 2 的對(duì)稱線與右軸承支點(diǎn)間的距離為： =+=17+8+5.5=30.5mm3L2u12T1 1. .5 5. .4 4 按按彎彎扭扭合合成成應(yīng)應(yīng)力力校校核核軸軸的的強(qiáng)強(qiáng)度度繪軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖 1-5(a) 所示計(jì)算作用軸上的力大齒輪 2 受力分析圓周力 =401.26N2tF222Td2 22470.588192 徑向力 =401.26=146.05N2rF2tFtgtg20小齒輪 3 受力分析 圓周力 =936.27N3tF232Td2 22470.58848 徑向力 =936.27=340.77N3rF320tF tg20tg計(jì)算支反力： 水平面 =0BM 96-69.5-32.5=0AHR3tF2tF =805.30NAHR =0Fy =+-=532.23NBHR2tF3tFAHR濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)19 垂直面 =0BM 96-69+30.5=0AVR3rF2rF =198.52NAVR =0Fy =-=-3.8NBVR3rF2rFAVR作彎矩圖 水平面彎矩圖(b) =-28.5=-803.527.5=-21743.1N.mmcHMAHR =-32=-523.2330.5=-16233.015 N.mmDHMBHR 垂直面彎矩圖(c)=28.5=198.5227=5360.04 N.mm1CVMAVR =32=-3.830.5=-115.9 N.mm1DVMBVR合成彎矩 =CM22CHCVMM =22( 21743.1)6360.04 =22393.92 N.mm =DM22CHDVMM =22( 16233.015)( 115.9) =16233.42 N.mm做扭矩圖(d) =22470.588 N.mm2T作計(jì)算彎矩圖圖(e) 考慮減速器的剎車和啟動(dòng)，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的切應(yīng)力應(yīng)按脈動(dòng)循環(huán)變化，故取 a=0.6。則：濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)20 =22393.92 N.mm1cacM1cM =2 2c aM2212()CMT =2222393.92(0.6 22470.588) =26139.27 N.mm =2caDM222()DMT =2216233.42(0.6 22470.588) =21102.079 N.mm按彎扭合成應(yīng)力校核周 6 的強(qiáng)度 由計(jì)算彎矩圖可知，C 剖面的計(jì)算彎矩最大，該處的計(jì)算應(yīng)力為： =16.729Mpacac2cacMW326139.270.1cd326139.270.1 25 16.729Mpa=60Mpa1b故安全1 1. .5 5. .5 5 精精確確校校核核軸軸的的疲疲勞勞強(qiáng)強(qiáng)度度 由玩具圖和轉(zhuǎn)矩圖可知彎矩最大，但從應(yīng)力集中對(duì)軸的疲勞度的影響看，剖面，處的過(guò)盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重，由于過(guò)盈配合及鍵槽的應(yīng)力集中兩端，故 C 剖面處受影響不大，在剖面處的載荷比剖面處的載荷要大，而剖面，的尺寸相同，因而在此只需要校核剖面兩側(cè)的疲勞強(qiáng)度。剖面左側(cè)彎矩及彎曲應(yīng)力 彎矩：2521102.079(256139.2721102.079)38.5M =24372.98 N.mm抗彎剖面模量：濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)21 3330.10.1 251562.5Wdmm 彎曲應(yīng)力： 24372.9815.5981562.5bMMpaW 應(yīng)力幅： 15.598abMpa 平均應(yīng)力： =0m轉(zhuǎn)矩及扭剪應(yīng)力 轉(zhuǎn)矩： 222470.588 .TTN mm 抗扭剖面模量： 3330.20.2 253125TWdmm 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力： 22470.5887.193125TTTMpaW 應(yīng)力幅及平均應(yīng)力：13.5952amTMpa各項(xiàng)系數(shù) 過(guò)盈配合處的有效應(yīng)力集中系數(shù)：查表可求得過(guò)盈配合處的=1.867256Hr6RR由圖查得尺寸系數(shù)=0.83，=0.89由圖查得表面質(zhì)量系數(shù)，精車加工0.88r軸徑表面強(qiáng)化處理，故強(qiáng)度系數(shù)=1彎曲疲勞 的綜合影響系數(shù)，由公式得11(1)KK=（1.86+）110.8811=1.996濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)2211(1)KKB=（1.86+）110.88=1.996 對(duì)材料特性系數(shù)，對(duì)碳鋼，取=0.1，=0.050.10.2計(jì)算安全系數(shù) 13009.6351.996 15.5980.1amSKv 115511.43.72 3.5950.05 3.595amSK S22109.847.35892.84 129.96caS SSSS所以安全剖面右側(cè)彎矩及彎曲應(yīng)力 彎矩：1726252.36(26139.2721102.079)38.5M 23326.29Mpa 抗彎剖面模量：330.11562.5Wdmm 彎曲應(yīng)力：Mpa23326.2914.9281562.5bMW 應(yīng)力幅：14.928abMpa 平均應(yīng)力：0m轉(zhuǎn)矩及扭剪應(yīng)力 轉(zhuǎn)矩： 222470.588 .TTN mm濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)23 抗扭剖面模量： 3330.20.2 253125TWdmm 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力： 22470.5887.193125TTMpaW 應(yīng)力幅及平均應(yīng)力：13.5952mMpa各項(xiàng)系數(shù)（如前） 即 ，1.996K1.996K計(jì)算安全系數(shù) 130010.061.996 14.928mSK 115511.43.72 3.5950.05 3.595mSK S=1.5 22.114.777.54101.2 129.96caS SSSS安全，強(qiáng)度足夠 (a)濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)24 (b)(c)濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)25 (d) (e) 圖 15 軸的疲勞校核1 1. .6 6 滾滾動(dòng)動(dòng)軸軸承承的的選選擇擇和和計(jì)計(jì)算算即中間軸滾動(dòng)軸承的選擇計(jì)算，按軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，初步選用型號(hào)為 6204 的深溝球軸承。計(jì)算軸承載荷：圖 16 軸的受力圖軸承的徑向載荷軸承 A：2222805.30198.52829.40AAHAVRRRN 軸承 B： N2222523.23( 3.8)532.24BBHBVRRR 按壽命計(jì)算選擇軸承型號(hào)派生軸向力的計(jì)算， 查表可知 濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)26 N02532.24166.32622 1.6SFFYN10839.4259.1822 1.6sFFY確定軸承的軸向載荷aF 2259.18219.97asFFN故軸承 1“放松”軸承 2“壓緊”根據(jù)當(dāng)量動(dòng)載荷公式計(jì)算 P 值 1129.180.310.37829.4aAFeR 111,0 xY 111(1 829.40)829.4AaPx FY FNN 1259.180.4680.37532.24aBFeR 220.56,1.6xY 2220.56 532.24 1.6 259.18712.738BaPx FY FN計(jì)算工作所需要的徑向基本額定動(dòng)載荷： 由于常溫，中等沖擊取，深溝球軸承壽命指數(shù)，兩支承用同1tf 1.2pf 3一型號(hào)，101000rCKNN h316667166671 1000()()40579416.6 1.2 829.4thpf CLnf p若按大修期 5 年更換軸承，軸承的壽命足夠用，故所選軸承合適1 1. .7 7 鍵鍵聯(lián)聯(lián)接接的的選選擇擇和和強(qiáng)強(qiáng)度度校校核核（即即中中間間軸軸）1 1. .7 7. .1 1 大大齒齒輪輪 2 2 與與軸軸的的鍵鍵聯(lián)聯(lián)接接濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)27選用圓頭普通平鍵（A）型按軸徑 d=25mm 及輪轂 L=34，選鍵 bh=87GBGB1096-79 強(qiáng)度校核 鍵材料用45 鋼，查表得許用應(yīng)力，鍵的工作長(zhǎng)度 l=L-b=34-8=26mm； 100120pMpa:，按公式得擠壓應(yīng)力：3.5hRmmv 32102 22470.58810.973.5 26 45pTMpaRld故強(qiáng)度是足夠的。1 1. .7 7. .2 2 小小齒齒輪輪 3 3 和和軸軸的的鍵鍵聯(lián)聯(lián)接接 按稠徑 d=25mm（輪轂 L=27mm，選鍵 bh=87，GB1096-79，選用圓頭普通平鍵（A 型）強(qiáng)度校核鍵材料用 45 鋼，查表得許用應(yīng)力，鍵的工作長(zhǎng)度 l=L-b=27- (100 120)pMpa7=20mm，,按公式3.5hRmmv 122 22470.58814.26 3.5 20 45ppTMpaRld故能滿足。濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)282機(jī)床橫向伺服進(jìn)給單元電氣控制部分設(shè)計(jì)C616 車床是一種小型的車床，對(duì)于它的伺服進(jìn)給單元的機(jī)電一體化改造設(shè)計(jì)，我們從設(shè)計(jì)內(nèi)容中可以知道，是用微機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)來(lái)完成數(shù)控處理和運(yùn)動(dòng)控制。由此可見(jiàn)，改造設(shè)計(jì)后的機(jī)床具有一定的數(shù)控機(jī)床的功能特點(diǎn)，是一種簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床，所以，我們就按照經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行電氣控制部分的改造設(shè)計(jì)。2 2. .1 1電電氣氣控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)方方案案的的確確定定 我們知道對(duì)于一些經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床，常采用開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖 21圖 21 開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖它主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和相適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路組成，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖驅(qū)動(dòng)電路變換放大傳給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每接受一個(gè)脈沖就旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度，再通過(guò)齒輪副和絲杠螺母帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過(guò)的角度取決于指令脈沖的頻率和個(gè)數(shù)，反映到工作臺(tái)就是工作臺(tái)的移動(dòng)速度和位移的大小。但系統(tǒng)沒(méi)有位置檢測(cè)反饋環(huán)節(jié)，工作臺(tái)位移到位，其精度取決于步進(jìn)電機(jī)齒距角精度，齒輪傳動(dòng)間隙和絲杠螺母精度等。由此可見(jiàn)，對(duì)于我們改造設(shè)計(jì)的 C616 車床的橫向伺服就進(jìn)給單元采用這種由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)比較合適的。該系統(tǒng)方案中不使用位置檢測(cè)元件，也就沒(méi)有閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)題。因此，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用維修方便，可靠性高，制造成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于 C616 車床精度要求不太高的中小型機(jī)床改造設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，特別適合適用這種開(kāi)環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)發(fā)案。濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)292 2. .1 1. .1 1 步步進(jìn)進(jìn)電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)與與絲絲杠杠的的聯(lián)聯(lián)接接對(duì)于經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的絲杠相連著主要是從進(jìn)給傳動(dòng)鏈最短發(fā)出信息來(lái)考慮的，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠的聯(lián)接的方法有兩種：一種是與絲杠直接聯(lián)接在一起，此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是運(yùn)行位移的脈沖當(dāng)量不是 5 的倍數(shù)編程計(jì)算時(shí)不方便。另一種是在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸端配置減速器，使減速器輸出軸通才聯(lián)接套于絲杠直接聯(lián)接在一起，一般改造常采用這種聯(lián)接方式。所以， C616 車床改造設(shè)計(jì)也采用這種聯(lián)接方式，而且從前面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)計(jì)算和選擇中可知采用二級(jí)傳動(dòng)2 2. .1 1. .2 2 8 80 05 51 1 單單片片機(jī)機(jī)的的選選擇擇 根據(jù) C616 車床最大加工尺寸，加工精度，控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，改造設(shè)計(jì)后的簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用 8 位微機(jī)進(jìn)行控制，在 8 位微機(jī)中，MCS-51系列單片機(jī)集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，抗干擾性強(qiáng)，具有很高的性能比。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)選擇應(yīng)用 MCS-51 系列單片機(jī)作為控制微機(jī)在 MCS-51 系列單片機(jī)中 8051 為典型代表，它具有高性能 8 位 CPU，4KROM，128 字節(jié) RAM，2 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，4 個(gè) I/O，一個(gè)全雙工異步串行口，5 個(gè)中斷源，可訪問(wèn) 64K 程序存儲(chǔ)器空間和 64K 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間，它與其中的 8031 相比，片內(nèi)有 4KB 的 ROM，而 8031 片內(nèi)沒(méi)有 ROM 或 EPROM。8031 使用時(shí)必須配置外部的程序存儲(chǔ)器 EPROM，而 8051 就不需要了。但它的片內(nèi) ROM 和片外 ROM 不能同時(shí)占有，為了指示機(jī)器的這種只有生產(chǎn)廠家或器件設(shè)計(jì)者為用戶提供了一條專用的控制引腳EA，如果 EA 接+5V 高電平，則機(jī)器使用片內(nèi) 4KBROM ，如果 EA 接低電平，則機(jī)器自動(dòng)使用片外 ROM，而 8031 引腳 EA 接地 所以，對(duì)于 C616 車床橫向進(jìn)給伺服系統(tǒng)就采用 8051 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和運(yùn)動(dòng)控制我們改造設(shè)計(jì)的機(jī)床，主要是橫向伺服進(jìn)給單元機(jī)電一體化改造設(shè)計(jì)，根據(jù)下面設(shè)計(jì)起控制電路如后面附圖（B）所示 2 2. .2 2 步步進(jìn)進(jìn)電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)開(kāi)開(kāi)環(huán)環(huán)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī) ，使一種把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成為線位移或角位移的濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)30電動(dòng)機(jī)，常用作數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。根據(jù)前面的設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選擇可知，我們?cè)O(shè)計(jì)選用的是三相六拍的反映式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) - 110BF003 由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各繞阻按一定節(jié)拍依次輪流通電才能轉(zhuǎn)動(dòng)，控制脈沖頻率可控制其轉(zhuǎn)動(dòng)速度，因此 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器，光隔離電路，脈沖功率放大器等組成，其驅(qū)動(dòng)原理框圖如下圖 22 所示圖 22 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖圖中，脈沖信號(hào)源是由 CNC 系統(tǒng)根據(jù)程序控制脈沖頻率和頻率的個(gè)數(shù)，脈沖分配器將脈沖信號(hào)按一定順序分配；然后送到放大電路中進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作，其中脈沖分配器及前面的微機(jī)及接口芯片工作一般為 +5V 而作為電動(dòng)機(jī)電源需要符合 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定電壓值，為避免強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾，在它們之間設(shè)計(jì)采用光隔離電路。具體電路如下面所設(shè)計(jì)的2 2. .2 2. .1 1 脈脈沖沖分分配配器器對(duì)于開(kāi)環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)中，我們?cè)O(shè)計(jì)采用單片機(jī)脈沖分配器，如圖 23 所設(shè)計(jì)的8051 單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制電路。濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)31圖 23 8051 單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制電路原理圖8051 單片機(jī)的 P1 口作為輸出口，用程序?qū)崿F(xiàn)脈沖分配功能。對(duì)于三相異步電動(dòng)機(jī)，用 P1.0，P1.1，P1.2 作為輸出端，精光電隔離電路，再由驅(qū)動(dòng)電路放大來(lái)驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于我們改造設(shè)計(jì)的 C616 車床的橫向伺服進(jìn)給單元機(jī)電一體化改造選擇的是 三相六拍的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) -110BF003。因此，按三相六拍的步電動(dòng)機(jī)的通表電順序，可以得出 P1.0 口的輸出控制字表如下表 1 所示表 1 P1.0 口的輸出控制字表由表可見(jiàn)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第一個(gè)狀態(tài)字為 01H，從上而下輸出控制字，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。從正轉(zhuǎn)最后一個(gè)狀態(tài)字 05H 之后加上反轉(zhuǎn)第一個(gè)控制字 01H，此時(shí)，再接著輸出控制字時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，假設(shè)這些控制字在存儲(chǔ)器地址以及讀取控制字的順序，可以畫出三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制程序框圖 2-3 如下濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)32圖 2-3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制程序流程圖假設(shè)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)總的運(yùn)行參數(shù)放在 R4 轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志 FI（D5H）中，當(dāng) F1 為“0”時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng) F1 為“1”時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí)，8051 的 P1 口的輸出控制字 01H，03H，02H，06H，04H，05 存放在 8051 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元 20H25H 中，26H 存放結(jié)束標(biāo)志 00H 在 27H2CH 的存儲(chǔ)單元內(nèi)存放反轉(zhuǎn)時(shí) P1 端口的輸出控制字 01H，04H，06H，.02H，03H，在2DH 單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志 00H。根據(jù)前面的控制程序表 1 圖 2-4）的控制程序控制框圖，我們可以 編出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制，其控制程序如下； PUSH A； MOV R4， #H CLR C； ORL C， D5H； JC R0TE； MOV R0， #20H濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)33 AJMP LOOP； R0TE： MOV R0， #27H LOOP： MOV A， R0 MOV P1， A； ACALL DELAY； INC R0； MOV A， 00H ORL A， R0； JZ TPL； LOOP： DJNZ R4，LOOP； POP A； TPL MOV A， R0； CLR C； SUBB A， 06H； MOV R0， A； AJMP LOOP1； DELAY： MOV R2， M； DELAY1： MOV A， M1； LOOP： DEC A； JNZ LOOP； DJNZ R2， DELAY1； RET2 2. .2 2. .2 2 光光隔隔離離電電路路在這個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏）電流也教大（幾濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)34安到幾十安）如果將 I/O 口輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，輕則影響單片機(jī)程序的正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致單片機(jī)接口電路的損壞。因此，在接口電路與功率放大器之間設(shè)計(jì)加光隔離電路，實(shí)現(xiàn)電器隔離，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由發(fā)光二級(jí)管和光敏晶體管組成如下圖 2-5 所示的共集電極輸出型光耦合器。當(dāng)輸入信號(hào) VI 加到輸入端時(shí)，發(fā)光二極管導(dǎo)通激發(fā)出紅外光，光敏晶體管受光照后，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流，通過(guò)輸出端輸出，從而實(shí)現(xiàn)以光為媒介的電信號(hào)傳輸，輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。圖 2-5 共集電極耦合器 圖 2-6 光電隔離輸出電路上圖 26 為光隔離輸入與輸出電路?？刂菩盘?hào) 74LS05 集電極開(kāi)路門反相后驅(qū)動(dòng)光耦器的輸入發(fā)光二 極管 。當(dāng)控制信號(hào)為低電平，74LS05 不吸收電 流，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，從而輸出的光敏晶體管截止，當(dāng)控制信號(hào)為高電平， 74LS05 吸收電流，發(fā)光二極管導(dǎo)通 發(fā)光，光敏晶體管受到激勵(lì)導(dǎo)通。我們的改造設(shè)計(jì)就采用這種光隔離電路。2 2. .2 2. .3 3 步步進(jìn)進(jìn)電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電路路由于邏輯電路和單片機(jī)的輸出脈沖電平很小，一般為 3V 左右電流為毫安無(wú)法驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而需要經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大。我們知道常用的驅(qū)動(dòng)電路有：?jiǎn)坞娫打?qū)動(dòng)電路高低壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路和恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路。而我們?cè)O(shè)計(jì)采用高低濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)35壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路 作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)。如下圖所示設(shè)計(jì)的高低雙電源驅(qū)動(dòng)電路。 圖 2-7 高低雙電源驅(qū)動(dòng)電路 圖中 LA 為步進(jìn)電動(dòng)機(jī) A 相繞組，接大功率 VT1 和 VT2 之間，VT1 為高壓管。當(dāng)脈沖分配器輸出低電平是，VTI 和 VT2 之間截止，LA 無(wú)電流通過(guò)。當(dāng)脈沖分配器輸出高電平是，是單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)為高電平輸出，經(jīng)前端放大使 VT1 導(dǎo)通，同時(shí)功率管 VT2 也導(dǎo)通，高壓電源 Vn 經(jīng) VTI 和 VT2 加至 LA 上。此時(shí)，二極管 VD1 因承受反向電壓而截止，切斷低壓電路 VL，由于高壓源電壓很高，線圈的電流 上升很快，上升沿變陡，當(dāng)電流值接近步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定值是，單穩(wěn)態(tài)電路延時(shí)時(shí)間到 ，翻轉(zhuǎn)為輸出低電壓，使高電壓管 VT1 截止。這時(shí)，由低電壓電源 VL 供電，VT2 繼續(xù)導(dǎo)通 LA 繼續(xù)通過(guò)電流 。當(dāng)脈沖分配器輸出的脈沖為低電平時(shí)，功率 VT2 截止，這時(shí)為二極管 VD2 續(xù)流，電流隨之減少為零采用這種驅(qū)動(dòng)電路是因?yàn)樗趩坞娫打?qū)動(dòng)電路相比，高低壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路的電流波形上升沿變陡，使步進(jìn)電機(jī)的力矩和運(yùn)行頻率等主要性能得到明顯改善，而且驅(qū)動(dòng)功率也比單電源的高；在結(jié)構(gòu)上也比恒流斬波驅(qū)動(dòng)電 路的簡(jiǎn)單。所以我們?cè)O(shè)計(jì)應(yīng)用這種高低壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)362 2. .3 3 8 82 25 55 5 可可編編程程控控制制芯芯片片的的擴(kuò)擴(kuò)展展MCS51 系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一就是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合可以不用 I/O 口系統(tǒng)，但是對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合就需要用 I/O 口擴(kuò)展來(lái)滿足單片機(jī)運(yùn)行功能的像我們?cè)O(shè)計(jì)的 C616 車床的數(shù)控化的改造就有一定的復(fù)雜程度。因此。我們對(duì) 8051 單片機(jī)進(jìn)行 I/O 口擴(kuò)展，擴(kuò)展一片 8255 可編程控制芯片來(lái)達(dá)到機(jī)床控制運(yùn)動(dòng)功能的完善性選用的 8255 芯片是 INTEL 生產(chǎn)的可編程 0 輸入輸出接口芯片它具有 3 個(gè) 8 位的并行 I/O 口分別為 PA。PB，PC 口其中 PC 又分為高 4 位（PC7PC4）和低 4 位（PC3PC0） ，它們都可以使用軟件編程來(lái)改變 I/O 口工作方式。因此，8255 使用方便，通用性強(qiáng)，經(jīng)常作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)備連接時(shí)的中間接口電路。我們?cè)O(shè)計(jì)的是 8255 芯片與 8051 直接接口電路如圖 28 所示 圖 2-8 8051擴(kuò)展8255的接口電路連接圖在8051單片機(jī)的I/O口上擴(kuò)展一片8255芯片，無(wú)需加任何邏輯電路，從圖中可以看出8255的片選信號(hào)CS及口地址選擇線A0，A1分別由8051的P0.7和P0.0，P0.1經(jīng)濟(jì)源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)37地址鎖存器74LS373鎖存后提供。所以8255的A口，B 口 ，C口以及控制口地址分別為FF7CH，F(xiàn)F7DH，F(xiàn)F7EH，F(xiàn)F7FH。8255的復(fù)位端與8