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材料制備機械設(shè)計理論中的新趨勢和新問題 王艾倫 段吉安 黃明輝 鐘 掘 中南大學(xué)機電工程學(xué)院 湖南長沙 410083 摘 要 在全面綜述材料制備機械技術(shù)及設(shè)備發(fā)展動態(tài)的基礎(chǔ)上 提出了研究領(lǐng)域的幾個 新問題和發(fā)展方向 如通過集成和融合現(xiàn)代相關(guān)前沿科學(xué)和技術(shù) 生產(chǎn)具有超常和特殊性 能的新概念材料等 并進行了簡要分析和討論 關(guān)鍵詞 界面 超常物理場 制備機械 功能材料 1 機械材料加工的時代背景 在人類進步的一段長時間范圍內(nèi) 許多工具 機械和方法被提出來 不同的原料用 不同的工具來加工 原料及其處理過程已經(jīng)變成了推動人類進步不可缺的一部份 在當(dāng) 前世界中日益激烈的競爭和人們追求幸福生活的今天 物質(zhì)的功能已經(jīng)遠遠超出了人類 現(xiàn)有的并不斷增長的知識及想象 例如 神秘原料功能 半導(dǎo)體材料 原料能量有吸力 的材料 在航空領(lǐng)域中占有70 份額的強力鋁合金4 5um的薄金屬片 用各向異性深沖 壓金屬板在1 以下 電子鋁箔與強耐熱鋁合金已經(jīng)被應(yīng)用到航空 宇宙及深海領(lǐng)域中 等等 在原料加工加工領(lǐng)域中不同的時間段里 材料重要發(fā)展趨勢就這樣形成了 1 在特殊的物理領(lǐng)域里制造原料加工機械 是為了能有特殊的質(zhì)地結(jié)構(gòu)和輔助性 的加工功能 例如 運用熱能和機械能能夠突破科學(xué)技術(shù)的極限 將一些不常用的能量 例如 微波 化學(xué)能 生物能等等 一個接一個的被引入到材料加工中來 因此一些加 工特殊能量原材料的加工設(shè)備就被制造出來了 2 突破傳統(tǒng)的物質(zhì)限制 將溶化 凝固 造型一體化 然后加熱得到具有特殊功 能的原料 這樣就可以降低加工費用 例如 材料加工整形技術(shù) 比如像快速翻滾 噴 霧處理 塑膠成型 噴射造型法 高能量射束等等被應(yīng)用 3 原料加工處理正在向高速 重載和高精度在線控制方向上邁進 例如 軋制速 度達到130m s 壓力變形已達到300MPa 尺寸精度達到了0 1um 成型精度已達到 0 1i 濃度精度已達到0 1MPa 由于這些原因 原料加工機械設(shè)備設(shè)計理論將科學(xué)與技 術(shù)相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域有機的結(jié)合起來設(shè)計生產(chǎn)一中新概念材料加工設(shè)備是可能的 2 對于新概念材料加工設(shè)備的期望功能 1 要有能力生產(chǎn)具有特殊物質(zhì)的領(lǐng)域 能傳送那些對于新概念材料加工在特定的 物質(zhì)環(huán)境下是非常必要的特殊能流 例如 在高溫環(huán)境下能使那些高溫波或者脈沖以超 過104 106K s的速度冷卻下來 將外表面的凝固 變形合成一體 然后在將超強接觸面 應(yīng)力重新組合成新的分界面 融化的大金屬薄片的湍流 隨機的低頻率磁場用于金屬末 加熱的微波 用于大量凝固的超聲波等等都已經(jīng)被應(yīng)用了 2 有能力在臨界狀態(tài)下工作 因此高穩(wěn)定性和理想性能的處理設(shè)備是在加強技術(shù) 條件和室外操作的保證 例如 禁止在潤滑狀態(tài)下邊界上的搖晃 在特有的摩擦狀態(tài)下 的抗震能力 有韌性的連接管的合力穩(wěn)定性和干擾穩(wěn)定性與軸相比更易驅(qū)動系統(tǒng) 3 有能力精確的控制原料加工而獲得低損耗 高功率 高性能的原料加工 例如 精確的在線監(jiān)測產(chǎn)品成型 在線監(jiān)測和在線調(diào)整產(chǎn)品品質(zhì)和器具還有在線控制金屬 塑 膠成型的程序 產(chǎn)品的精確度指數(shù)可以列舉如下 宏觀上精確度可達到0 1um 微觀上 的晶狀體結(jié)構(gòu)非常均勻 濃度誤差在0 1MPa 簡而言之 擁有特別功能的新概念原料 加工設(shè)備應(yīng)該被設(shè)計和生產(chǎn)出來 這樣的話 那些特別性能的原料就能被處理加工了 3 在特殊的物理領(lǐng)域和環(huán)境下金屬材料加工設(shè)備的問題和需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容 由于這些原因和以上提到的背景 如下的一些新的研究主題應(yīng)該被改進 3 1 連接傳熱裝置和溫度應(yīng)力場的相界面 當(dāng)融化金屬處于液體和固體的臨界狀態(tài)時通過連續(xù)的變形和快速凝固 一種全新的 微觀結(jié)構(gòu)可以被獲得 在這個非常時刻 高濃度的熱流和動態(tài)的熱阻力在材料加工處理 中成了主要事項 關(guān)于設(shè)計這個設(shè)備的基本理論問題是要學(xué)習(xí)核心傳動系統(tǒng)合能量轉(zhuǎn)化 和建立數(shù)學(xué)模型 3 2 材料加工設(shè)備表面粘流摩擦力的抑制 操作裝置和工件的連接是相當(dāng)復(fù)雜的因為粘流阻擋了加工表面界面態(tài)由周轉(zhuǎn)速度 熱力學(xué)處理工作量 操作裝置的彈性 工件的可塑性 滑性界面的動態(tài)行為 局部水力 的潤滑油等等來決定 它們影響著材料加工設(shè)備抗摩擦裝置的成型 因為它們會會強制 其產(chǎn)生很大的非線性 這種強制會在瞬間被損壞或者是失諧 最后會導(dǎo)致動態(tài)不穩(wěn)定性 因此提出了以下的問題 機械裝置的噪聲可能在晃動的界面引起滑動摩擦 不穩(wěn)定狀態(tài) 在高速 重載和邊界潤滑狀態(tài)下在光滑表面和旋轉(zhuǎn)式噴灌器之間的裝置抑制 潤滑油薄 膜吸收裝置和不斷再生的表面的物理化學(xué)行為 流變學(xué)的特征和操作參數(shù)之間的關(guān)系 3 3 在高壓場條件下非線性接觸式機械裝置 在大范圍內(nèi)組建一個超強力壓力場是材料加工設(shè)備的一個基本功能 當(dāng)然形成一個 大結(jié)構(gòu)的元素也是可能的 例如太空船 大陸洲際間的交通工具 汽車 飛機 組建 一個超強壓力場是最重要的特征之一 也是保衛(wèi)國家獨立最基本的裝備 在強壓力場環(huán) 境下 接觸式和非線性摩擦將會產(chǎn)生 因此將會導(dǎo)致局部的永久的變形和不好的因素 在強壓力場下設(shè)計過程中 將會涉及到設(shè)備的設(shè)計新理論 例如 非接觸式 非線性摩 擦機構(gòu) 3 4 負荷分配規(guī)律 關(guān)于超靜定結(jié)構(gòu) 抑制點的負荷分配規(guī)律由相容性條件決定 雖然 關(guān)于那些大尺 寸的 不定的 靜止的結(jié)構(gòu)在真實空間中是自由變化的 但負荷分配規(guī)律是不能決定相 容性條件 因此新的基礎(chǔ)理論由分析接觸行為和變形裝置獲得 例如 摩擦力 變形相 容性條件 等等 3 5 耦合裝置和在材料加工系統(tǒng)中物理領(lǐng)域內(nèi)的穩(wěn)定性 隨著系統(tǒng)的功能越來越多元化 許多限制材料加工進度的傳統(tǒng)技術(shù)正在不斷的被改 善 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也逐漸變得越來越復(fù)雜 系統(tǒng)性能變得越來越好 例如 鋼扎廠的快速瞬 間反轉(zhuǎn)受彈性形變 粘流 散熱處理 水動力潤滑處理的 物理化學(xué)分子狀態(tài)的影響 另外 機電的耦合在處理系統(tǒng)中已經(jīng)超出了傳統(tǒng)的概念 例如 一些奇特的現(xiàn)象 微小 的變化可以引起很大的變化 已經(jīng)出現(xiàn) 因此 滾筒操作的不穩(wěn)定性可能會導(dǎo)致混亂 所以 這個主題將會在機械裝置的物理領(lǐng)域中 在處理系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響和加工助劑質(zhì) 量上被提及和充分關(guān)注 3 6 技術(shù)綜合和合并精準的控制 在特定的物理條件下進行操作的材料加工設(shè)備是一個相當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng) 一些系統(tǒng)的參 數(shù)在領(lǐng)域的邊界上也是可以改變的 因此在領(lǐng)域環(huán)境下精確的控制與調(diào)整 調(diào)和尺寸 能量轉(zhuǎn)換 信息傳遞 界面耦合等等是非常重要的 因為在控制模型中多種交互作用的 存在 根據(jù)退耦控制模型而建立綜合框架是必要的 精確的控制基于綜合技術(shù) 3 7 優(yōu)化的和創(chuàng)新的設(shè)計基于創(chuàng)新的知識 材料加工技術(shù)能促進產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量的提高 最優(yōu)化的材料加工技術(shù)和材料加工設(shè) 備意味著實現(xiàn)實質(zhì)的仿真通過類似的設(shè)計和一致的設(shè)計是我們學(xué)習(xí)的主題 3 8 在特殊的領(lǐng)域里機械裝置的特殊功能和應(yīng)用 一些重要的元素和部分在材料加工設(shè)備中常常在強力場 溫度場 電磁場和流場中 工作 有建造特別物理界面的功能 雖然對那些普通單一的物質(zhì)象金屬 陶瓷等擁有單 一的高指數(shù)和卓越的總質(zhì)量是很困難的 因此我們需要在重要部位采用具有新功能的原 料 例如 尺度功能有傾向的材料是想當(dāng)可貴的 由于這些原因 學(xué)習(xí)基本法律和以上 提到的具有這些功能的機械裝置 例如 強調(diào)分配功能 破壞機理和在特定領(lǐng)域中的設(shè) 計標(biāo)準 靜態(tài) 動態(tài) 的硬度和阻尼 模糊設(shè)計和明朗設(shè)計處理系統(tǒng)構(gòu)成了有斜度的材 料 等等 今天 材料加工科學(xué)和技術(shù)正在快速的向前發(fā)展 把學(xué)習(xí)的目標(biāo)瞄準材料加工設(shè)備 的技術(shù)問題將會為21世紀的制造業(yè)提供技術(shù)支持 畢業(yè)論文 題 目 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 姓 名 班 級 學(xué) 號 指導(dǎo)老師 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 2 摘 要 X Y 數(shù)控工作臺改裝設(shè)計是一個開環(huán)控制系統(tǒng) 其結(jié)構(gòu)簡單 實現(xiàn)方便并 且能夠保證一定的精度 本文主要對 Z3063 工作臺的機械部分和控制部分進行設(shè)計 對滾珠絲杠 滾動導(dǎo)軌及步進電動機做了設(shè)計計算及選用 并也對軸承座進行了分析和選擇 另外也利用 AutoCAD 進行了裝配圖的繪制 對其導(dǎo)軌座的設(shè)計及各零部件的 安裝也作了比較詳細的說明 針對滾珠絲杠的計算 通過對滾珠絲杠的動載荷 及靜載荷的計算 確定所要絲杠的動靜載荷值 并選擇 針對滾動導(dǎo)軌 分別 計算滾動導(dǎo)軌的動載荷及其工作壽命來確定滾動導(dǎo)軌的參數(shù) 并選取 針對步 進電動機的選取 我分別作了其轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動力矩的計算 根據(jù)所得的數(shù)據(jù) 作步進電動機的選擇 關(guān)鍵詞 XY 工作臺 步進電動機 滾動導(dǎo)軌 滾珠絲杠 ABSTRACT The XY CNC Workbench the design modifications and is an open the loop control system its structure is simple To achieve that the the convenient and able to to Guaranteed the certain level of accuracy a s This paper mainly carried out the the mechanical part of for Z3063 wo rkbench design on the the ball screw the scroll guide rail and the stepping motor done a design calculated and choosed and also on the bearings seat and couplings carried out analysis and selection In a ddition also the use of AutoCAD for a the the drawing of of the assem bly FIG of its the the installation of of the the the design of out lets and of of the guide seat Parts were also made by Compare Detail of described For the the calculation of of the ball screw the throu gh the the the dynamic load of of Ball Screw by with the calculation of and static load of the To determine the you want to lead screw s tatic and dynamic load value and select the Against the scroll thro ugh the guide rail respectively calculate the the the rolling guide the dynamic load of and its working life of to to determine the the scroll through the the parameters of of the guide rail and select th e Against the Select the of the stepper the electric motor I respe ctively have have a made an rotation thereof the the calculation of o f the the inertia Cover and the rotating torque is according to the resultant Data make the the the choice of of the stepper motor Key words XY workbench stepping motor rolling guide ball screw 目 錄 第一章 緒論 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 4 1 1 課題究的背景與意義 1 1 2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 1 1 2 1 發(fā)達國家數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 1 1 2 2 國內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 2 第二章 Z3063 搖臂鉆床工作臺改造總體方案 3 2 1 Z3063 搖臂鉆床簡介 3 2 2 機械改造方案 5 2 2 1 系統(tǒng)運動方式與伺服系統(tǒng) 5 2 2 2 計算機系統(tǒng) 6 2 2 3 X Y 工作臺的傳動方式 6 第三章 機械部分的設(shè)計和計算 7 3 1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 7 3 2 初步確定工作臺的尺寸及其重量 7 3 3 滾珠絲杠的設(shè)計計算及選擇 8 3 3 1 求絲杠的靜載荷 9 3 3 2 確定動載荷及其使用壽命 9 3 3 3 滾珠絲杠的選取 10 3 3 4 滾道半徑 偏心距 10 3 3 5 穩(wěn)定性計算 10 3 3 6 剛度過驗算 11 3 4 滾動導(dǎo)軌的計算與選擇 11 3 4 1 導(dǎo)軌的型號 12 3 4 2 導(dǎo)軌的受力分析 12 3 4 3 計算導(dǎo)軌的壽命 12 3 5 電機的計算 14 3 5 1 負載慣量的計算 17 3 5 2 負載轉(zhuǎn)矩的計算 17 3 5 3 步進電動機的選擇 18 3 6 齒輪計算 設(shè)計 19 第四章 精度分析 20 4 1 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)誤差來源 20 4 2 系統(tǒng)誤差的消除 21 第五章 控制部分的設(shè)計 22 5 1 硬件電路總體方案 22 5 1 1 主控制器 CPU 的選擇 22 5 1 2 I O 口擴展電路設(shè)計 23 5 1 3 鍵盤 顯示接口電路 24 5 1 4 步進電機驅(qū)動電路 25 5 1 5 其它輔助電路設(shè)計 26 5 2 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計 27 5 2 1 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 27 5 2 2 程序設(shè)計技術(shù) 28 5 2 3 步進電機控制子程序的設(shè)計 28 結(jié)論 30 致謝 31 參考文獻 31 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 1 第一章 緒論 1 1 課題研究的背景與意義 數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法 用數(shù)控技術(shù)實施加工控制的機床 或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控 Numerical Control 機 床 數(shù) 控 系 統(tǒng) 包 括 數(shù) 控 裝 置 可 編 程 控制器 主軸 驅(qū)動器及進給裝置等部分 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 使制造業(yè)成為工 業(yè)化的象征 而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大 他對國計民生 的一些重要行業(yè) IT 汽車 輕工 醫(yī)療等 的發(fā)展起著越來越重要的作用 因為 這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢 1 2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 1 2 1 發(fā)達國家數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 美 德 日三國是當(dāng)今世上在數(shù)控機床科研 設(shè)計 制造和使用上 技術(shù) 最先進 經(jīng)驗最多的國家 因其社會條件不同 各有特點 1 美國的數(shù)控發(fā)展史 美國政府重視機床工業(yè) 美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機 床的發(fā)展方向 科研任務(wù) 并且提供充足的經(jīng)費 且網(wǎng)羅世界人才 特別講究 效率 和 創(chuàng)新 注重基礎(chǔ)科研 因而在機床技術(shù)上不斷創(chuàng)新 如 1952 年研制 出世界第一臺數(shù)控機床 1958 年創(chuàng)制出加工中心 70 年代初研制成 FMS 1987 年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等 由於美國首先結(jié)合汽車 軸承生產(chǎn)需求 充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動化所需的自動線 而且電子 計算機技術(shù)在世界 上領(lǐng)先 因此其數(shù)控機床的主機設(shè)計 制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實 且一貫重視 科研和創(chuàng)新 故其高性能數(shù)控機床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先 當(dāng)今美國生產(chǎn)宇航 等使用的高性能數(shù)控機床 其存在的教訓(xùn)是 偏重於基礎(chǔ)科研 忽視應(yīng)用技術(shù) 且在上世紀 80 代政府一度放松了引導(dǎo) 致使數(shù)控機床產(chǎn)量增加緩慢 于 1982 年被后進的日本超過 并大量進口 從 90 年代起 糾正過去偏向 數(shù)控機床技 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 2 術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?產(chǎn)量又逐漸上升 2 德國的數(shù)控發(fā)展史 德國政府一貫重視機床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位 在多方面大力扶植 於 1956 年 研制出第一臺數(shù)控機床后 德國特別注重科學(xué)試驗 理論與實際相結(jié)合 基礎(chǔ) 科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重 企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作 對數(shù)控機床的共性 和特性問題進行深入的研究 在質(zhì)量上精益求精 德國的數(shù)控機床質(zhì)量及性能 良好 先進實用 貨真價實 出口遍及世界 尤其是大型 重型 精密數(shù)控機 床 德國特別重視數(shù)控機床主機及配套件之先進實用 其機 電 液 氣 光 刀具 測量 數(shù)控系統(tǒng) 各種功能部件 在質(zhì)量 性能上居世界前列 如西門 子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng) 均為世界聞名 競相采用 3 日本的數(shù)控發(fā)展史 日本政府對機床工業(yè)之發(fā)展異常重視 通過規(guī)劃 法規(guī) 如 機振法 機電法 機信法 等 引導(dǎo)發(fā)展 在重視人才及機床元部件配套上學(xué)習(xí)德國 在質(zhì)量管理 及數(shù)控機床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國 甚至青出于藍而勝于藍 自 1958 年研制出第一臺 數(shù)控機床后 1978 年產(chǎn)量 7 342 臺 超過美國 5 688 臺 至今產(chǎn)量 出口量一直 居世界首位 2001 年產(chǎn)量 46 604 臺 出口 27 409 臺 占 59 戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng) 先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機床 大量出口 占去世界廣大市場 在上世紀 80 年代開始進一步加強科研 向高性能數(shù)控機床發(fā)展 日本 FANUC 公司戰(zhàn)略正 確 仿創(chuàng)結(jié)合 針對性地發(fā)展市場所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng) 在技術(shù)上領(lǐng)先 在產(chǎn)量上居世界第一 該公司現(xiàn)有職工 3 674 人 科研人員超過 600 人 月產(chǎn) 能力 7 000 套 銷售額在世界市場上占 50 在國內(nèi)約占 70 對加速日本和 世界數(shù)控機床的發(fā)展起了重大促進作用 1 2 2 國內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀五十年代 通過 六五 期間引進數(shù)控 技術(shù) 七五 期間組織消化吸收 科技攻關(guān) 我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相 當(dāng)大的成績 特別是最近幾年 我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速 1998 2004 年國產(chǎn)數(shù) 控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為 39 3 和 34 9 盡管如此 進口 機床的發(fā)展勢頭依然強勁 從 2002 年開始 中國連續(xù)三年成為世界機床消費第 一大國 機床進口第一大國 2004 年中國機床主機消費高達 94 6 億美元 國內(nèi) 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 3 數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加 明顯 70 以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口 由此可以看出 國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力 究其原因主要在于 國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠 制造水平依然落后 服務(wù)意識與能力欠缺 數(shù)控 系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等 我們應(yīng)看清形勢 充分認識國 產(chǎn)數(shù)控機床的不足 努力發(fā)展先進技術(shù) 加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度 以縮 短與發(fā)達國家之問的差距 第二章 Z3063 搖臂鉆床工作臺改造總體方案 根據(jù)設(shè)計任務(wù)確定系統(tǒng)的總體機械和控制系統(tǒng)方案 進行系統(tǒng)運動方式的 確定 執(zhí)行機構(gòu)及傳動方案的確定 伺服電機類型及調(diào)速方案確定 計算機控 制系統(tǒng)的選擇 進行方案的分析 比較和論證 對普通機床進行數(shù)控化改造與 購置新機床相比 一般可以節(jié)省 60 至 80 的費用 改造費用低 大大節(jié)省了 成本 特別是大型 特殊機床尤其明顯 一般大型機床改造 只需要花費新機 床購置費用的 1 3 產(chǎn) 品 交 貨 期 短 機 床 經(jīng) 改 造 后 降 低 了工人的勞動強度 節(jié)省了勞 動力 一個人可看管多臺機床 減少了工裝 縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周 期 可對市場需求作出快速反應(yīng) 2 1 Z3063 搖臂鉆床簡介 Z3063 鉆床是機械制造中使用廣泛的一類機床 作為孔加工機床 主要用 來加工箱體 機架等外形較復(fù)雜 沒有對稱回轉(zhuǎn)軸線的工件上的孔 鉆削加工 時 工件不動 刀具作旋轉(zhuǎn)運動和軸向進給運動 鉆床可完成鉆孔 鉸孔 锪 平面 攻螺紋等工作 鉆床主要由底座 內(nèi)立柱 搖臂 主軸箱 工作臺等部 分組成 由于搖臂鉆床運動部件較多 常采用多臺電動機拖動 Z3063 搖臂鉆 床共有 4 臺電動機 一般采用籠型異步電動機 其中 M1 為主電動機 控制主軸 旋轉(zhuǎn)運動和進給運動 單向旋轉(zhuǎn) 用機械變換完成加工螺紋所需要的正反向運 動 主軸的正反運動一般通過正反轉(zhuǎn)摩擦離合器來實現(xiàn) M2 為升降電動機 控 制搖臂升降運動 雙向旋轉(zhuǎn) M3 為液壓泵電動機 M4 為冷卻電動機 對加工的 道具進行冷卻 手動控制 單向旋轉(zhuǎn) Z3063 液壓搖臂床主要適用于在大 中 型鑄件 鋼件上鉆孔 擴孔 鉸孔及攻螺紋等加工 適合本機床工作的溫度要 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 4 求在 0 到 45 攝氏度 大氣壓強 86 到 106 Kpa 空氣清潔度較好 粉塵濃度不得 大于 10mg m3 不得含酸 堿腐蝕和有毒氣體 不得有爆炸危險 不得有導(dǎo)電 塵埃 廠房內(nèi)不得有雨雪侵襲 地面平整 清潔 室內(nèi)光線充足 機床安裝在 遠離振源 熱源等地方 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 5 2 2 機械改造方案 2 2 1 系統(tǒng)運動方式與伺服系統(tǒng) 采用直角坐標(biāo)控制方式 在原機床的底座上設(shè)計一個獨立的十字數(shù)控滑臺 即提供了獨立的 X Y 坐標(biāo) Z 坐標(biāo)作為主軸的上下運動 通過機床手動微進 給軸傳入 采用連續(xù)控制系統(tǒng) 考慮到運動精度要求不高 為簡化結(jié)構(gòu) 降低 成本 宜采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 6 2 2 2 計算機系統(tǒng) 采用 ATMEL 公司的 AT89 系列單片機擴展控制系統(tǒng) 它 內(nèi)含 Flash 存儲器 在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改 同時掉電也不影響信息的保 存 它和 80C51 插座兼容 并且采用靜態(tài)時鐘方式可以節(jié)省電能 2 2 3 X Y 工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊 采用滾珠絲杠螺母傳動 副 為提高傳動剛度和消除間隙 采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu) 由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大 故選用滾動直線導(dǎo)軌副 從 而減小工作臺的摩擦系數(shù) 提高運動平穩(wěn)性 考慮電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準選取 為達到分辨率的要求 以及 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 7 考慮步進電機負載匹配 采用齒輪減速傳動 系統(tǒng)總體框圖 第三章 機械部分的設(shè)計和計算 3 1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量 是個進給指令時工作位移量 應(yīng)小于等于工作臺的位置精度 dp 一般為 0 01 0 005mm 3 2 初步確定工作臺的尺寸及其重量 初步設(shè)定能夠加工的最大面積為 200 210mm 最大工件的重量為 150kg 因此我初定工作臺的 工作臺的材料為 號鋼 其密度為315240m 45 取 因此 3 1085 7mkg kgN 8 9 3 2 1 工作臺 X 向托板 kg78 61085 7240 31 NG4 9 9 3 2 2 取 Y 向托板 X 向托板 kgm8 612G7 62 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 8 3 2 3 上導(dǎo)軌座 連電機 重量 初步取導(dǎo)軌座的長 寬為 高為 但導(dǎo)軌座中間有一m40150m30 大空缺 空缺部分大約 280 70 30mm3 因此 kg52 918 7 72815 93 NG24 9 所以根據(jù)上面所求 得 XY 工作臺運動部分的總重量為 6 363 根據(jù)要求所知 其最大加工工件為 另外 還有絲杠 電機等 大約kg20 3kg 因此 m 4 3kg NG58 172 68 9 315 總 3 3 滾珠絲杠的設(shè)計計算及選擇 X 方向定位精度要求為 0 01mm 工作臺快進速度定為 2m min 加速時間為 0 1s 絲杠分為滑動絲杠和滾珠絲杠 滾珠絲杠副是由絲杠 螺母 滾珠等零件 組成的機械元件 其作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾?轉(zhuǎn)運動 它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展 這一發(fā)展的深刻意義如同滾動 軸承對滑動軸承所帶來得改變一樣 滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的 運用于各種工業(yè)設(shè)備 精密儀器 精密數(shù)控機床 尤其是近年來 滾珠絲杠副 作為數(shù)控機床直線驅(qū)動執(zhí)行單元 在機床行業(yè)得到廣泛運用 極大的推動了機 床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展 這些都取決于其具有以下幾個方面的優(yōu)良特性 傳動效 率高 定位精度高 傳動可逆性 使用壽命長 同步性能好 由于滾珠絲杠副 運轉(zhuǎn)順滑 消除軸向間隙以及制造的一致性 采用多套滾珠絲杠副方案驅(qū)動同 一裝置或多個相同部件時 可獲得很好的同步工作 滾珠絲杠與傳統(tǒng)滑動絲杠相比 有以下優(yōu)點 一 與滑動絲杠副相比驅(qū)動 力矩為 1 3 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動運 動 所以能得到較高的運動效率 與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到 1 3 以下 即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的 1 3 在省電方面 很有幫助 二 高精度的保證 三 微進給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動 所以 啟動力矩極小 不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象 能保證實現(xiàn)精確的微進給 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 9 四 無側(cè)隙 剛性高 滾珠絲杠副可以加預(yù)壓 由于預(yù)壓力可使軸向間隙達到 負值 進而得到較高的剛性 滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加預(yù)壓力 在實際用于機械 裝置等時 由于滾珠的斥力可使絲杠螺母部的剛性增強 五 高速進給可能 滾珠絲杠由于運動效率高 發(fā)熱小 所以可實現(xiàn)高速進給運動 因此 在設(shè)計 X 方向工作臺時 采用滾珠絲杠驅(qū)動 滾珠絲杠負載有運動 部件和導(dǎo)軌之間的摩擦阻力 鉆頭切削時的絲杠受的軸向力 由于工作臺運動 時不進行切削 而進行切削時 絲杠受的軸向力很小 可以忽略不計 因此 絲杠的負載只按運動部件和導(dǎo)軌之間的摩擦阻力算 3 3 1 求絲杠的靜載荷 cF 已知其計算公式 MLHFcK 式中的 KF 載荷系數(shù) 取 1 1 KH 硬度系數(shù) 取 1 0 KL 精度系數(shù) 取 1 0 FM 絲杠工作時的軸向阻力 根據(jù) NFZ 1985 7201 7251 其中 為淬火鋼的摩擦因數(shù) 查 數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計 P182 因此 KMLHFc 398 3 3 2 確定動載荷及其使用壽命 根據(jù)絲杠動載荷公式 CFnC 41067 式中 額定動載荷 C n 絲杠的最高轉(zhuǎn)速 使用壽命L FC 靜載荷 根據(jù) h140n6 TL 式中的 絲杠的最高轉(zhuǎn)速 因題目中所給其工作臺快進的速度為 因此n min 2 其計算為 in 5 2 10max rPVn Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 10 所以 NFLnCC3921067 4 3 3 3 滾珠絲杠的選取 安裝尺寸 根據(jù)動載荷及動載荷和公稱導(dǎo)程值的核對 最后選取的滾珠絲杠為天津龍創(chuàng)日 盛機電實業(yè)有限公司生產(chǎn)的 FFB2005 2 其公稱直徑為 20mm 公稱導(dǎo)程為 5mm 動靜載荷分別為 6 4KN 和 12 2KN 3 3 4 滾道半徑 偏心距 在上圖中查得 鋼球直徑為 3 5mm 絲杠底徑為 16 9mm 滾道半徑 mdR82 15304 2 1 偏心距 me 31095 4sin sin 3 3 5 穩(wěn)定性計算 因螺桿較長 所以穩(wěn)定性驗算應(yīng)以下式求臨界載荷 2 lEIFa 式中 E 螺桿材料的彈性模量 查 材料力學(xué) 表 2 2 取 E 200GPa Ia 螺桿危險截面的軸慣性矩 長度系數(shù) 查 機電一體化設(shè)計手冊 得 1 絲杠的有效長度是 240mm 49434 106 9 1 6mdIa 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 11 NlEIFacr 529922 1037 4 01 2 5 4 是安全的4 5 McrF 3 3 6 剛度過驗算 按最不利的情況考慮 螺紋螺距因受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起 彈性變形方向是一致的 所以 214126EdFPGTs 式中 305arctnarct0 dP1 tn1 41 t mNDFTm 3101 108 6235 tan 273 ta 2 查 材料力學(xué) 表 2 2 得 0 25 GPaEG 25 所以 46 2396392 6232141209 058 10 573 1 5 64 EdFPGTs 每米螺紋度上的螺紋距離彈性變形為 mPs 8 5 234 查 機電一體化設(shè)計手冊 滾動螺旋 3 4 滾動導(dǎo)軌的計算與選擇 滾動導(dǎo)軌副的介紹 一 滾動直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌 滑塊 鋼球 返向器 保持架 密封端蓋及 擋板等組成 如圖 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 12 當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對運動時 鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而 成的四條滾道滾動 在滑塊端部鋼球又通過返向裝置 返向器 進入返向孔后 再進入滾道 鋼球就這樣周而復(fù)始地進行滾動運動 返向器兩端裝有防塵密封 端蓋 可有效地防止灰塵 屑末進入滑塊內(nèi)部 二 特點 滾動直線導(dǎo)軌副是在 滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動 靜 摩擦力之差很小 隨動性極好 即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短 有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度 驅(qū)動功率大幅度下降 只相當(dāng)于普 通機械的十分之一 與 V 型十字交叉滾子導(dǎo)軌相比 摩擦阻力可下降約 40 倍 適應(yīng)高速直線運動 其瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高約 10 倍 能實現(xiàn)高定位精度和 重復(fù)定位精度 動摩擦 大大降低二者之間的運動摩擦阻力 從而獲得 能實 現(xiàn)無間隙運動 提高機械系統(tǒng)的運動剛度 成對使用導(dǎo)軌副時 具有 誤差均 化效應(yīng) 從而降低基礎(chǔ)件 導(dǎo)軌安裝面 的加工精度要求 降低基礎(chǔ)件的機械 制造成本與難度 導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽 接觸應(yīng)力小 承 接能力及剛度比平面與鋼球點接觸時大大提高 滾動摩擦力比雙圓弧滾道有明 顯降低 導(dǎo)軌采用表面硬化處理 使導(dǎo)軌具有良好的可校性 心部保持良好的 機械性能 簡化了機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造 3 4 1 導(dǎo)軌的型號 查 機電一體化技術(shù)手冊 1 卷下冊 6 篇 3 章 選用 GGB20BA 型導(dǎo)軌 表 6 3 11 選擇導(dǎo)軌精度等級為 4 級 每個托板有兩條導(dǎo)軌 每條導(dǎo)軌有兩個 滑塊 由于絲杠的直徑為 20mm 跟根 機電一體化技術(shù)手冊 所給的選用方 法 選用導(dǎo)軌的規(guī)格為 20 查 機電一體化技術(shù)手冊 表 6 3 12 和表 6 3 13 選 擇導(dǎo)軌的預(yù)加載荷為普通載荷 P 287 5N 導(dǎo)軌是承受力的主要部件 除工件外 工作臺外 還有鉆床的切削力 鉆床的切削力約為 100N 3 4 2 導(dǎo)軌的受力分析 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 13 A 70 b 80 當(dāng)機床沒有切削時 NabGF7 1047285 1 總abGFb 9702 58 12 總 當(dāng)機床在切削時候 N Fa 4 10858 1 切總bFGb 2 702 5 2 切總 NPb 38 011 19592 當(dāng)量載荷 llllFLFc 7 254 87 230 33231 查 機電一體化設(shè)計手冊 得 GGB 型號規(guī)格為 20 的導(dǎo)軌的動載荷為 11 6KN 3 4 3 計算導(dǎo)軌的壽命 5 3 cwtCf 式中 f t 溫度系數(shù) 查 機電一體化技術(shù)手冊 表 6 3 3 取 ft 1 fc 接觸系數(shù) 查 機電一體化技術(shù)手冊 表 6 3 4 f c 0 81 fw 載荷系數(shù) 查 機電一體化技術(shù)手冊 表 6 3 5 f w 1 2 壽命 kmFCfLcct 1 20945 7 2416 801 5 33 根據(jù)要求所知其壽命要在 6 年以上 一年 300 天 一天 8 小時 假設(shè)每分鐘走 6 個行程 則 所選用的導(dǎo)軌壽命比要求壽命要長 所以合格 kh 2 140 0833 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 14 我選定的導(dǎo)軌副的型號為 GGB20BA 其尺寸見上圖 來自昆山春 本自動化設(shè)備有限公司 3 5 電機的計算 數(shù)控機床上可以用步進電機和伺服電機控制 這里先對兩者進行一下性能 比較 以便更好的選擇合適的電機 步進電機是一種離散運動的裝置 它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系 在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中 步進電機的應(yīng)用十分廣泛 隨著全數(shù)字式交流 伺服系統(tǒng)的出現(xiàn) 交流伺服電機也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中 為了適 應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢 運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 15 服電機作為執(zhí)行電動機 雖然兩者在控制方式上相似 脈沖串和方向信號 但 在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異 現(xiàn)就二者的使用性能作一比較 第一 控制精度不同 兩相混合式步進電機步距角一般為 3 6 1 8 五相混合式步進電機步距角一般為 0 72 0 36 也有一些高性能的步進 電機步距角更小 如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進電機 其步距 角為 0 09 德國百格拉公司 BERGER LAHR 生產(chǎn)的三相混合式步進電機其 步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為 1 8 0 9 0 72 0 36 0 18 0 09 0 072 0 036 兼容了兩相和五相混合式步進電機的步距角 交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證 以松下全數(shù)字式交 流伺服電機為例 對于帶標(biāo)準 2500 線編碼器的電機而言 由于驅(qū)動器內(nèi)部采用 了四倍頻技術(shù) 其脈沖當(dāng)量為 360 10000 0 0036 對于帶 17 位編碼器 的電機而言 驅(qū)動器每接收 131072 個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈 即其脈沖當(dāng)量為 360 131072 是步距角為 1 8 的步進電機的脈沖當(dāng)量的 1 655 第二 低頻特性不同 步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象 振動頻率 與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān) 一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半 這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不 利 當(dāng)步進電機工作在低速時 一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象 比 如在電機上加阻尼器 或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等 交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平 穩(wěn) 即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象 交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能 可 涵蓋機械的剛性不足 并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能 FFT 可檢測出機械 的共振點 便于系統(tǒng)調(diào)整 第三 矩頻特性不同 步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降 且在較高 轉(zhuǎn)速時會急劇下降 所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在 300 600RPM 交流伺服電機 為恒力矩輸出 即在其額定轉(zhuǎn)速 一般為 2000RPM 或 3000RPM 以內(nèi) 都能輸 出額定轉(zhuǎn)矩 在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出 第四 過載能力不同 步進電機一般不具有過載能力 交流伺服電機具有 較強的過載能力 以松下交流伺服系統(tǒng)為例 它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力 其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍 可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩 步進電機因為沒有這種過載能力 在選型時為了克服這種慣性力矩 往往需要 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 16 選取較大轉(zhuǎn)矩的電機 而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩 便出現(xiàn) 了力矩浪費的現(xiàn)象 第五 運行性能不同 步進電機的控制為開環(huán)控制 啟動頻率過高或負載 過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象 停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象 所以為保 證其控制精度 應(yīng)處理好升 降速問題 交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制 驅(qū)動 器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣 內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán) 一般不 會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象 控制性能更為可靠 第六 速度響應(yīng)性能不同 步進電機從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速 一般為每分 鐘幾百轉(zhuǎn) 需要 200 400 毫秒 交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好 以松下 MSMA 400W 交流伺服電機為例 從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速 3000RPM 僅需幾毫秒 可用 于要求快速啟停的控制場合 綜上所述 交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機 但在一些要求 不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機 所以 在控制系統(tǒng)的設(shè)計過程 中要綜合考慮控制要求 成本等多方面的因素 選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C 步進電動機是純粹的數(shù)字控制電動機 它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?即 給一個脈沖 步進電機就轉(zhuǎn)一個角度 因此非常合適單片機控制 在非超載的 情況下 電機的轉(zhuǎn)速 停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù) 而不受 負載變化的影響 電機則轉(zhuǎn)過一個步距角 同時步進電機只有周期性的無累積 誤差 精度高 步進電動機有如下特點 第一 步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成 正比 因此 當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后 沒有累計誤差 具有良好的跟隨性 第二 由步 進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 既簡單 廉價 又非?？煽?同時 它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 第三 步進電動機的動 態(tài)響應(yīng)快 易于啟停 正反轉(zhuǎn)及變速 第四 速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào) 整 低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距 因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動負載 第 五 步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行 不能直接使用交流電源和直流 電源 第六 步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象 必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取 相應(yīng)措施 步進電機有兩種工作方式 整步方式和半步方式 以步進角 1 8 四相混 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 17 合式步進電機為例 在整步方式下 步進電機每接收一個脈沖 旋轉(zhuǎn) 1 8 旋轉(zhuǎn)一周 則需要 200 個脈沖 在半步方式下 步進電機每接收一個脈沖 旋 轉(zhuǎn) 0 9 旋轉(zhuǎn)一周 則需要 400 個脈沖 控制步進電機旋轉(zhuǎn)必須按一定時序 對步進電機引線輸入脈沖 步進電機在低頻工作時 會有振動大 噪聲大的缺點 如果使用細分方式 就能很好的解決這個問題 步進電機的細分控制 從本質(zhì)上講是通過對步進電 機勵磁繞組中電流的控制 使步進電機內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場 從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分 一般情況下 合成磁場矢量的幅值決定了步 進電機旋轉(zhuǎn)力矩的大小 相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的 大小 步進電機半步工作方式就蘊涵了細分的工作原理 通過以上信息 可知本次設(shè)計的工作臺控制精度要求不需要很高 考慮成 本因素等等 選擇步進電機控制 下面對步進電機進行計算選型 3 5 1 負載慣量的計算 絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 45433 402 107 3 2 185 71 mkgdlmRJ 絲 工作臺的轉(zhuǎn)去慣量 2523 2412 106 05 978 6 kgpmpJ 臺 工件的轉(zhuǎn)動慣量 252 32 9 1 pmJ 工工 255510 6 07 3mkg 臺絲空 249 19JJ 臺工絲切 3 5 2 負載轉(zhuǎn)矩的計算 快速空程啟動時電機所需力矩 最大切削負載時電0maxMf 空 機所需力矩 快給速進時電機所需力矩tfatM0 切 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 18 0Mf 進 由于電機與絲杠間直接用齒輪連接 所以傳動鏈效率 取 0 9 滾球未加 預(yù)緊力時的效率 0 取 0 93 鉆床在 X Y 軸進給方向是沒有切削力的 所以 沒有切削力矩 空載加速力矩 mNTnJa 01 2 6941035 mx空 切削加速力矩 Mat 3 46 94切 摩擦力矩 mNiPFf 330 105 271 附加摩擦力矩 mNi a 4230mx0 10 9 切削力矩 NMt 3 5 3 步進電動機的選擇 根據(jù)上述分析 最后我選定步距角為 0 36 度的型號為 60BYG550A 的步進電動機 其最大靜轉(zhuǎn)矩為 0 6 我所需要的 0 22 其外形結(jié)構(gòu)及尺寸如下圖所示 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 19 3 6 齒輪計算 設(shè)計 根據(jù)本部分的第一步所初選的電機步距角和脈沖當(dāng)量 又已知滾珠絲杠螺 距 t 5mm 在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動 齒輪傳動比 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 20 2536 01 21 lZip 若取 Z1 60 則 Z2 30 模數(shù) m 1mm 齒輪尺寸 Z 60 30md 60 302a 62 321 5f 57 5 29 52da 45 第四章 精度分析 以步進電機為執(zhí)行元件所構(gòu)成的開環(huán)系統(tǒng)具有功能簡單 價格低廉等特點 在一些經(jīng)濟型普通數(shù)控機床上得到了廣泛的應(yīng)用 但是 這種系統(tǒng)普遍存在低 速不平穩(wěn) 控制精度不高 拖動能力較小等問題 特別是控制精度問題在實際 中最引人關(guān)注 4 1 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)誤差來源 本設(shè)計中的開環(huán)控制系統(tǒng) 工作臺沒有檢測反饋裝置 控制系統(tǒng)發(fā)出的信 號只是單向傳遞 由控制系統(tǒng)傳向移動工作臺 控制系統(tǒng)對工作臺的實際位置 不作檢測 因此 加工精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能 而伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元 件為步進電機 步進電機將直接影響整個系統(tǒng)的精度 對于步進電機 步距角 對精度有顯著的影響 若步距角顯著減小 轉(zhuǎn)子達到新穩(wěn)定點時所具有的動能 變小 振動也變小 精度得到提高 低速運行時的平滑性也得到提高 反之 會使精度變差 除了伺服系統(tǒng)的性能對工作臺的精度有影響 減速機構(gòu)傳動鏈中的傳動間 隙 滾珠絲杠的傳動間隙及其剛度 齒輪減速機構(gòu) 支撐軸承也會影響系統(tǒng)精 度 滾珠絲杠副的傳動精度主要有兩個影響因素 其一 傳動間隙 由于絲杠 支承存在傳動間隙 機械傳動鏈在改變方向時 會引起步進電機的空走 而工 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 21 作臺并無實際移動 這樣 最初的指令產(chǎn)生的脈沖只能起到消除間隙的作用 從而影響了工作臺的位置精度 其二 絲杠的傳動剛度 滾珠絲杠副和支承絲 杠的軸承在內(nèi)的傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度稱為滾珠絲杠副的傳動剛度 當(dāng)工作 臺切削進給時 承受切削力 絲杠會產(chǎn)生彈性變形 此彈性變形會影響系統(tǒng)的 定位精度和傳動精度 4 2 系統(tǒng)誤差的消除 對于步進電機來說 提高步距角精度 改善步距角特性 會提高定位精度 因為步進電機的步距角與步進電機定子繞組相數(shù) 通電方式系數(shù) 步進電機轉(zhuǎn) 子齒數(shù)有關(guān) 所以合理選擇步進電機電磁參數(shù)能有效地改善步距角精度 其次 就是減小步距角或采用細分電路 當(dāng)傳動比一定時 隨著步距角的減小 脈沖 當(dāng)量也減小 從而提高了加工精度 但是步距角的減小受到電動機轉(zhuǎn)子外形尺 寸 相數(shù)以及拍數(shù)的限制 沒有辦法做得很小 因而 只能采取細分電路 使 得步進電機的勵磁繞組電流的切換按很小的階梯進行 步進電機在細分狀態(tài)下 步距角顯著減小 達到了提高精度的目的 本設(shè)計中的驅(qū)動器自帶有細分的功 能 也可以說 在一定程度上提高了系統(tǒng)的精度 再次就是采用間隙和螺距補 償電路 也稱誤差較正電路 由于機械傳動的間隙具有一定的穩(wěn)定性 很有可 能是一個常數(shù) 這個常數(shù)隨磨損緩慢增加 可由實際調(diào)整和測量來決定 可以 在工作臺反向或移動有間隙誤差的位置時 用補充一定脈沖量的方法來消除誤 差 提高精度 對于提高絲杠副的傳動精度 通常采用預(yù)緊的方法 這種方法 相比于誤差較正電路的方法來說 更為簡便易行 在實際中更常用 本設(shè)計中 絲杠副采用的是墊片預(yù)緊的方法來消除間隙 提高精度 為了提高傳動精度和傳動平穩(wěn)性 避免齒輪在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生沖擊和噪聲 對 于30 60這一對齒輪還必須設(shè)計頂隙和側(cè)隙調(diào)整機構(gòu) 主動輪裝在步進電機軸上 而步進電機的端面用螺釘與偏心套聯(lián)接 偏心 套裝在箱體上 轉(zhuǎn)動偏心套 這時步進電機連同齒輪一同轉(zhuǎn)動 從而可以調(diào)整主 動輪與從動輪之間的中心距 使齒輪頂隙得到調(diào)整 齒輪側(cè)隙的調(diào)整是利用圓 柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯齒調(diào)整法來實現(xiàn)的 支撐軸承采用預(yù)緊的方法來消除間隙 提高精度 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 22 第五章 控制部分的設(shè)計 5 1 確定硬件電路總體方案 機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成 1 主控制器 就是中央處理單元 CPU 2 總線 包括數(shù)據(jù)總線 DB 地址總線 AB 控制總線 CB 3 存儲器 包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器 4 接口 即 I O 輸入 輸出接口電路 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下 控制系統(tǒng)硬件框圖 除此之外 還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備和信號變換電路 其中信號變換電路是 A D 轉(zhuǎn)換 D A 轉(zhuǎn)換 光電隔離 功率放大等 是實現(xiàn)微 機與控制對象之間的信號匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路 它們可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求 選取 5 1 1 主控制器 CPU 的選擇 在微機應(yīng)用系統(tǒng)中 CPU 的選擇應(yīng)考慮以下要素 1 時鐘頻率和字長 控制數(shù)據(jù)處理的速度 2 可擴展存儲器 ROM RAM 的容量 3 指令系統(tǒng)功能是否強 4 I O 口擴展的能力 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 23 5 開發(fā)手段 包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路 隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高 單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展 單片 機的型號很多 而目前市場上應(yīng)用 MCS 51 芯片及其派生的兼容芯片比較多 如 目前應(yīng)用最廣的 8 位單片機 89C51 價格低廉 而性能優(yōu)良 功能強大 從要設(shè)計的系統(tǒng)來看 選用較老的 8051 單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù) 存儲器 無疑提高了設(shè)計價格 而選用高性能的 16 位 MCS 96 又顯得過于浪費 生產(chǎn)基于 51 為內(nèi)核的單片機的廠家有 Intel ATMEL Simens 其中在 CMOS 器 件生產(chǎn)領(lǐng)域 ATMEL 公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位 ATMEL 公司的 AT89 系列單片機內(nèi)含 Flash 存儲器 在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程 序修改 同時掉電也不影響信息的保存 它和 80C51 插座兼容 并且采用靜態(tài) 時鐘方式可以節(jié)省電能 因此硬件 CPU 選用 AT89S51 AT 表示 ATMEL 公司的產(chǎn)品 9 表示內(nèi)含 Flash 存儲器 S 表示含有串行下載 Flash 存儲器 AT89S51 的性能參數(shù)為 Flash 存儲器容量為 4KB 16 位定時器 2 個 中斷 源 6 個 看門狗中斷 接收發(fā)送中斷 外部中斷 0 外部中斷 1 定時器 0 和定 時器 1 中斷 RAM 為 128B 14 位的計數(shù)器 WDT I O 口共有 32 個 5 1 2 I O 口擴展電路設(shè)計 CPU 接口部分包括傳感器部分 傳動驅(qū)動部分 人機交互界面三部分 示意圖 如下所示 行程開關(guān) 前向通道 傳動驅(qū)動 步進電機 人機界面 傳 感 器 AT89S51 鍵盤 LED 后向通道 圖 5 1 CPU 外部接口示意圖 AT89S51 要完成的任務(wù) Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 24 1 將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入 CPU 通過中斷進行處理 它的優(yōu)先級別最高 2 通過程序?qū)崟r控制電機的運行 3 接受鍵盤中斷指令 并響應(yīng)指令 將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反 應(yīng)到 LED 上 實現(xiàn)人機交互作用 由于 AT89S51 只有 P1 口和 P3 口是準雙向口 但 P3 口主要以第二功能為主 并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口 因此要進行 I O 擴展 考慮到電路的 簡便性和可實現(xiàn)性 實際外擴鎖存器的 8255 所以 AT89S51 的 I O 口線分配如 下 1 P1 0 P1 5 控制 X Y 兩個方向步進電機的 A B C 線圈通電 形成 A AB B BC C CA A 三相六拍正轉(zhuǎn)模式和 A AC C CB B BA A 的反轉(zhuǎn)模式 2 P1 6 口輸出控制電磁鐵的吸合 3 P3 2 和 P3 3 兩個中斷源中 INT0 優(yōu)先級最高 它讀入行程開關(guān)的狀態(tài) 并觸發(fā)中斷 INT1 讀入點動 復(fù)位 圓弧插補開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷 4 P0 0 P0 7 外部 I O 擴展的數(shù)據(jù)讀取 5 P2 7 和 P2 6 決定 8255 的 PA PB PC 口的地址 P1 0 P1 2驅(qū)動 1X 步進電機 驅(qū)動 2Y 步進電機 P1 3 P1 5 P1 6驅(qū)動 3 P3 2外部中斷 0 P3 3外部中斷 1 P0 0 P0 7 AD0 AD7 P2 7 CE P2 6 IO M PB 口 PA 口 PC 口 AT89S51 鍵盤 電磁鐵 8255 圖 5 2 AT89S51 控制系統(tǒng)圖 PB 口接 LED 反映當(dāng)前運行的 8 個狀態(tài) X 禁止 X 禁止 Y 禁止 Y 禁止 手動 X 運行 手動 X 運行 手動 Y 運行 手動 Y 運行 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 25 PA 口低四位反映觸發(fā)中斷 1 的 4 個行程開關(guān)的狀態(tài) PC 口低 6 位反映了觸發(fā)中斷 2 的手動 X 運行 手動 X 運行 手動 Y 運行 手動 Y 運行 復(fù)位 RST 圓弧插補 6 個開關(guān)的狀態(tài) 5 1 3 鍵盤 顯示接口電路 鍵盤 顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設(shè)備 可以完成數(shù)據(jù)的輸 入和計算機狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示 通常 數(shù)控系統(tǒng)都用行列式鍵盤 即用 I O 口線組成行 列接構(gòu) 按鍵設(shè)置在行列的交點上 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有 LED 發(fā)光二極管顯示器 和 LCD 液晶顯 示器 為了方便顯示圖形 也有用 CRT 接口顯示方式的系統(tǒng) 5 1 4 步進電機驅(qū)動電路 步進電機是一種用脈沖信號控制的電動機 在負載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi) 電動機的角位移僅與控制脈沖數(shù)成正比 轉(zhuǎn)速僅與控制脈沖頻率成正比 在多 數(shù)情況下 用步進電機作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)中不需要 A D 或 D A 轉(zhuǎn)換 可 采用較為簡單的開環(huán)控制 因而成為經(jīng)濟型數(shù)控機床最主要的一種的伺服驅(qū)動 單元 步進電機的驅(qū)動電路由圖 5 所示四部分組成 步進電機驅(qū)動電路 步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn) 而且不需要反饋電路 設(shè)計時的脈沖當(dāng)量 為 0 01mm 步進電機每走一步 工作臺直線行進 0 01mm 步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器 它具有較強的抗干擾性 而且具有保護 CPU 的 作用 當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時 不會將大的電壓加在 CPU 上使其燒壞 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 26 圖 4 3 步進電機驅(qū)動電路圖 圖中僅為一相的驅(qū)動電路 其余兩相與之相同 相繞組的通斷由開關(guān)管 VT1 和 VT2 共同控制 VT2 的發(fā)射極接一個采樣電阻 R 該電阻上的壓降與相繞組電 流 i 成正比 當(dāng)控制脈沖 ui 為高電平時 VT1 和 VT2 兩個開關(guān)管均導(dǎo)通 直流電源向繞 組供電 由于繞組電感的影響 采樣電阻 R 上的電壓逐漸升高 當(dāng)超過給定電 壓 ua 的值時 比較器輸出低電平 使與門也輸出低電平 VT1 被截止 直流 電源被切斷 繞組電流 i 經(jīng) VT2 R VD2 續(xù)流而衰減 采樣電阻 R 上的電壓 隨之下降 當(dāng)采樣電阻 R 上的電壓小于給定電壓 ua 時 比較器輸出高電平 與門也輸出高電平 VT1 重新導(dǎo)通 直流電源又開始向繞組供電 如此反復(fù) 相繞組的電流就穩(wěn)定在由給定電壓 ua 所決定的數(shù)值上 由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式 三個線圈 A B C 其正轉(zhuǎn) 的通電順序為 A AB B BC C CA A 其反轉(zhuǎn)的通電順序為 A AC C CB B BA A 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 27 步進時鐘 A 相波形 B 相波形 C 相波形 圖 4 4 三相六拍工作方式時相電壓波形 正轉(zhuǎn) 5 1 5 其它輔助電路設(shè)計 1 AT89S51 的時鐘電路 單片機的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生 內(nèi)部方式和外部方式 內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路 AT89S51 內(nèi)部有一個用于構(gòu)成振蕩器 的高增益反相放大器 它的出入端為引腳 XTAL1 輸出端為 XTAL2 AT89S51 常 選擇振蕩頻率 6MHz 或 12MHz 的石英晶體 2 復(fù)位電路 AT89S51 單片機的第 9 腳 RST 為復(fù)位引腳 系統(tǒng)上電后 時鐘電路開 始工作 只要 RST 引腳上出現(xiàn)大于兩個機器周期時間的高電平即可引起單片機 執(zhí)行復(fù)位操作 有兩種方法可以使 AT89S51 單片機復(fù)位 即在 RST 引腳加上大 于兩個機器周期時間的高電平或 WDT 計數(shù)溢出 單片機復(fù)位后 PC 0000H CPU 從程序存儲器的 0000H 開始取指執(zhí)行 上電瞬間 由于電容兩端電壓不能突變 RST 引腳電壓端為 VR 為 VCC 隨著對 電容的充電 RST 引腳的電壓呈指數(shù)規(guī)律下降 到 t1 時刻 VR 降為 3 6V 隨 著對電容充電的進行 VR 最后將接近 0V RST 引腳的電壓變化如圖所示 為了 確保單片機復(fù)位 t1 必須大于兩個機器周期的時間 機器周期取決于單片機系 統(tǒng)采用的晶振頻率 圖中 R 不能取得太小 典型值 8 2k Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 28 3 越界報警電路 為了防止工作臺越界 可分別在極限位置安裝限位開關(guān) 如是兩坐標(biāo)聯(lián) 動的數(shù)控系統(tǒng) 則有 4 個方向可能越界 即 X X Y Y 一旦某一方向越 界 應(yīng)立即停止工作臺移動 可通過光電耦合器的輸入隔離電路 行程開關(guān)接 到發(fā)光二極管的陰極 光敏三極管的輸出接到 AT89S51 的 I O 口 P1 0 當(dāng)任何 一個方向的行程開關(guān)被壓下 發(fā)光二極管就發(fā)光 使光敏三極管導(dǎo)通 由低電 平變?yōu)楦唠娖?AT89S51 可用軟件設(shè)計成查詢的方法隨時檢測有無越界信號 也可接成從光敏三極管的集電極輸出接到 AT89S51 的外部中斷引腳 INT 0或 INT1 采用中斷方式檢測越界信號 為了報警 可以設(shè)置發(fā)光二極管 工作 時不亮 有越界信號時 紅燈亮 指示工作臺越過極限位置 5 2 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計 5 2 1 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現(xiàn)各種控制功能 按照功能可將 數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾部分內(nèi)容 1 系統(tǒng)管理程序 它是實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件 其主要功能是 接收操作者的命令 執(zhí)行命令 從命令處理程序返回到管理程序接收命令的環(huán)節(jié) 使系統(tǒng)處于新的等待 操作狀態(tài) 2 零件加工源程序的輸入處理程序 該程序完成從外部 I O 設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù) 3 插補程序 插補程序根據(jù)零件加工源程序進行插補運算 分配進給脈沖 4 伺服控制程序 伺服控制程序根據(jù)插補運算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機的速度 轉(zhuǎn)角及方向 5 診斷程序 診斷程序包括移動部件移動越界處理 緊急停機處理 系統(tǒng)故障診斷 查 09 屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計 29 錯等功能 6 機床的自動加工與手動控制程序 在調(diào)整機床時往往需要機床的手動控制 7 鍵盤操作和顯示處理程序 鍵盤操作和顯示處理程序的功能包括監(jiān)視鍵盤操作 顯示加工程序 機床 工作狀態(tài) 操作命令等信息 5 2 2 程序設(shè)計技術(shù) 系統(tǒng)控制軟件根據(jù)系統(tǒng)功能的要求而設(shè)計 應(yīng)可靠的實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能 在設(shè)計系統(tǒng)軟件時必須詳盡而細致地分析系統(tǒng)控制對象的特點及對控制功能的 要求 在確定好控制方式 計算方法和控制順序后 將其處理順序用框圖描述 出 系統(tǒng)控制軟件通常用匯編語言編寫 程序設(shè)計的方法通常有 模塊化程序設(shè)計和自頂向下程序設(shè)計 5 2 3 步進電機控制子程序的設(shè)計 步進電機的控制包括速度 轉(zhuǎn)角及方向的控制 步進電機在突然啟動或停 止時 由于負載和慣性 會使電機失步 所以步進電機運行時應(yīng)有一個加 減 速過程 通過確定進給脈沖數(shù)和脈沖時間間隔 即可實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)角與速度的控 制 經(jīng)過計算知加 減速脈沖個數(shù)都為 27 個 因為 所以nmtftfn axax21max2fnttn 計算時要根據(jù)脈沖時刻 tn查時間常數(shù)表 得脈沖時間間隔 T 再由 Te T 10 3 t e 10 6 求出時間常數(shù) Te 式中 T 脈沖時間間隔 ms t e 單片機機器周期 s 在時鐘為 6MHz 時 t e 2 s 在 EPROM 存儲器中 時間常數(shù)依次安排在首地址為 1000H 的存儲單元中 每個時間常數(shù)占兩個字節(jié) 低位地址存放時間常數(shù)低 8 位 高位地址存放時間 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計 30 常數(shù)高 8 位 在程序中 設(shè)置加速 恒速 減速脈沖數(shù)計數(shù)器 N0 N1 N2 以計數(shù)器的 值是否為 0 作為相應(yīng)過程 加速 恒速或減速 是否結(jié)束的標(biāo)志 復(fù)位程序流程 DIRX EQU 30H DIRY EQU 31H RST CLR P1 6 RPA MOV A PA MOV DPTR A MOVX A DPTR 讀 PA 口內(nèi)容 JNB ACC 0 ACC2 MOV DIRX 00H 表 X 電機反轉(zhuǎn) ACALL XMOTOR0 X 電機反轉(zhuǎn)一步 ACC2 JNB ACC 2 LOOP0 MOV DIRY 00H 表 Y 電