C620普通車床進行數控改造【說明書+CAD】

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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 錄 摘 要 . ABSTRACT（英文摘要） . 目 錄 . 引 言 . 1 第一章 總體方案的設計 . 3 1.1 設計任務 . 3 1.2 總體方案的論證 . 3 1.2.1 機械部分的改造設計 . 3 1.2.2 伺服進給系統(tǒng)的改造設計 . 4 1.2.3 數控系統(tǒng)的硬件電路設計 . 4 1.3 總體方案的確定 . 5 第二章 機械部分的改造設計 . 6 2.1 縱向進給系統(tǒng)的改造設計 . 6 2.1.1 縱向滾珠絲杠副的選用 . 6 2.1.1.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 . 7 2.1.1.2 車削力的計算 . 7 2.1.1.3 滾珠絲杠副的設計、計算和選型 . 7 2.1.2 步 進 電 機 的 選 用 . 11 2.1.1.1 脈沖量的計算 . 11 2.1.1.2 等效負載轉矩的計算 . 11 2.1.1.3 等效轉動慣量的計算 . 12 2.1.1.4 步進電機型號的選擇 . 12 2.2 橫向進給系統(tǒng)得改造設計 . 13 2.2.1 橫 向 滾 珠 絲 杠 副 的 選 用 . 13 2.2.1.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量 . 13 2.2.1.2 車削力的計算 . 13 目 錄 IV 2.2.1.3 滾珠絲杠副的設計、計算和選型 . 14 2.2.2 橫 向 步 進 電 機 的 選 用 . 17 2.2.2.1 脈沖量的計算 . 17 2.2.2.2 等效負載轉矩的計算 . 17 2.2.2.3 等效轉動慣量的計算 . 18 2.2.2.4 步進電機型號的選擇 . 18 2.3 齒輪傳動間隙的調整 . 19 第三章 電氣控制部分的設計 . 22 3.1 單片機的選擇 . 22 3.2 步進電機的驅動 . 23 3.2.1 環(huán) 形 脈 沖 分 配 器 的 選 擇 . 24 3.2.2 功 率 放 大 器 的 選 用 . 25 3.3 步進電機的微機控制 . 28 結論 . 30 致謝. 31 參考文獻 . 32 引 言 - 1 - 引言 現 代 工 業(yè) 技 術 的 發(fā) 展 ， 特 別 是 能 源 部 門 的 需 求 ， 使 高 溫 高 壓 水 廣 泛 應 用 于 相 關 的 領 域 中 ， 對 國 民 生 產 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 裝 備 ， 它 的 發(fā) 展 一 直 引 起 人 們 的 關 注 ， 由 于 計 算 機 技 術 的 興 起 ， 促 使 機 床 的 控 制 信 息 出 現 了 質 的 突 破 ， 導 致 了 應 用 數 字 化 技 術 進 行 柔 性 自 動 化 控 制 的 新 一 代 機 床 數 控 機 床 的 誕 生 和 發(fā) 展 。 計 算 機 的 出 現 和 應 用 ， 為 人 類 提 供 了 實 現 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 控 機 床 也 得 到 迅 速 的 發(fā) 展 和 廣 泛 的 應 用 ， 同 時 使 人 們 對 傳 統(tǒng) 的 機 床 傳 動 及 結 構 的 概 念 發(fā) 生 了 根 本 的 轉 變 。 數 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 品 向 機 電 一 體 化 發(fā) 展 的 先 河 。 數 控 機 床 是 以 數 字 化 的 信 息 實 現 機 床 控 制 的 機 電 一 體 化 產 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 字 記 錄 在 控 制 介 質 上 ， 然 后 將 數 字 信 息 送 入 數 控 裝 置 或 計 算 機 ， 經 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 控 機 床 與 普 通 機 床 相 比 ， 其 主 要 有 以 下 的 優(yōu) 點 ： 1. 適 應 性 強 ， 適 合 加 工 單 件 或 小 批 量 的 復 雜 工 件 ； 在 數 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 新 工 件 加 工 。 2. 加 工 精 度 高 ； 3. 生 產 效 率 高 ； 4. 減 輕 勞 動 強 度 ， 改 善 勞 動 條 件 ； 5. 良 好 的 經 濟 效 益 ； 6. 有 利 于 生 產 管 理 的 現 代 化 。 引 言 - 2 - 數 控 機 床 已 成 為 我 國 市 場 需 求 的 主 流 產 品 ， 需 求 量 逐 年 激 增 。 我 國 數 控 機 機 床 近 幾 年 在 產 業(yè) 化 和 產 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 合 化 、 精 密 化 方 面 進 步 很 大 。 但 是 ， 國 產 數 控 機 床 與 先 進 國 家 的 同 類 產 品 相 比 ， 還 存 在 差 距 ， 還 不 能 滿 足 國 家 建 設 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 差 ， 性 能 落 后 ， 單 臺 機 床 的 平 均 產 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 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 預 定 的 加 工 工 藝 目 標 。 隨 著 數 控 機 床 越 來 越 多 的 普 及 應 用 ， 數 控 機 床 的 技 術 經 濟 效 益 為 大 家 所 理 解 。 在 國 內 工 廠 的 技 術 改 造 中 ， 機 床 的 微 機 數 控 化 改 造 已 成 為 重 要 方 面 。 許 多 工 廠 一 面 購 置 數 控 機 床 一 面 利 用 數 控 、 數 顯 、 PC 技 術 改 造 普 通 機 床 ， 并 取 得 了 良 好 的 經 濟 效 益 。 我 國 經 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 控 機 床 ， 而 我 國 的 舊 機 床 很 多 ， 用 經 濟 型 數 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 經 濟 型 數 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 經 濟 型 數 控 系 統(tǒng) 。 可 以 預 料 ， 今 后 ， 機 床 的 經 濟 型 數 控 化 改 造 將 迅 速 發(fā) 展 和 普 及 。 所 以 說 ， 本 畢 業(yè) 設 計 實 例 具 有 典 型 性 和 實 用 性 。 第 一 章 總 體 方 案 的 設 計 - 3 - 第一章 總體方案的設計 1.1 設 計 任 務 本 設 計 任 務 是 對 C620 普 通 車 床 進 行 數 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 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 濟 型 數 控 改 造 ， 在 確 定 總 體 設 計 方 案 時 ， 應 考 慮 在 滿 足 設 計 要 求 的 前 提 下 ， 對 機 床 的 改 動 應 盡 可 能 少 ， 以 降 低 成 本 。 1.2.1 機 械 部 分 的 改 造 設 計 為 了 實 現 機 床 所 要 求 的 分 辨 率 ， 采 用 步 進 電 機 經 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 加 負 載 荷 的 結 構 。 傳 動 齒 輪 也 要 采 用 消 除 齒 側 間 隙 的 結 構 。 此 設 計 過 程 主 要 是 縱 向 進 給 和 橫 向 進 給 的 改 造 ， 關 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 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 計 數 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 構 簡 單 、 設 計 制 造 容 易 、 控 制 精 度 較 好 、 容 易 調 試 、 價 格 便 宜 、 使 用 維 修 方 便 等 優(yōu) 點 。 所 以 ， 本 設 計 決 定 采 用 開 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 。 1.2.3 數 控 系 統(tǒng) 的 硬 件 電 路 設 計 任 何 一 個 數 控 系 統(tǒng) 都 由 硬 件 和 軟 件 兩 部 分 組 成 。 硬 件 是 數 控 系 統(tǒng) 的 基 礎 ， 性 能 的 好 壞 直 接 影 響 整 體 數 控 系 統(tǒng) 的 工 作 性 能 。 有 了 硬 件 ， 軟 件 才 能 有 效 地 運 行 。 在 設 計 的 數 控 裝 置 中 ， CPU 的 選 擇 是 關 鍵 ， 選 擇 CPU 應 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 ； 2. 可 擴 展 存 儲 器 的 容 量 與 數 控 功 能 的 強 弱 相 關 ； 3. I/O 口 擴 展 的 能 力 與 對 外 設 控 制 的 能 力 相 關 。 在 我 國 ， 普 通 機 床 數 控 改 造 方 面 應 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 濟 型 數 控 機 床 的 改 造 需 要 。 本 設 計 以 8031 芯 片 為 第 一 章 總 體 方 案 的 設 計 - 5 - 核 心 ， 增 加 存 儲 器 擴 展 電 路 、 接 口 和 面 板 操 作 開 關 組 成 的 控 制 系 統(tǒng) 。 1.3 總 體 方 案 的 確 定 經 總 體 設 計 方 案 的 論 證 后 ， 確 定 C620 車 床 經 濟 型 數 控 改 造 方 案 。 C620 車 床 的 主 軸 轉 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 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 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 動 ， 經 齒 輪 減 速 后 帶 動 滾 珠 絲 杠 轉 動 ， 從 而 實 現 車 床 的 縱 向 、 橫 向 進 給 運 動 。 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 6 - 第二章 機械部分的改造設計 2.1 縱 向 進 給 系 統(tǒng) 的 改 造 設 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 生 滾 動 摩 擦 。 絲 杠 轉 動 時 ， 帶 動 滾 珠 沿 螺 紋 滾 道 滾 動 。 螺 母 上 設 有 返 向 器 ， 與 螺 紋 滾 道 構 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 置 預 緊 裝 置 。 為 延 長 工 作 壽 命 ， 可 設 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 90 95 ， 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 接 近 常 數 ， 啟 動 與 工 作 摩 擦 力 矩 差 別 很 小 。 啟 動 時 無 沖 擊 ， 預 緊 后 可 消 除 間 隙 產 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 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 緊 進 行 預 拉 伸 以 補 償 熱 膨 脹 。 因 此 可 達 到 較 高 的 定 位 精 度 和 重 復 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 構 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 計 - 7 - (8) 制 造 工 藝 復 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 控 機 床 中 ， 一 個 脈 沖 所 產 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 定 單 位 。 脈 沖 當 量 是 衡 量 數 控 機 床 加 工 精 度 的 一 個 基 本 技 術 參 數 ， 按 機 床 設 計 的 加 工 精 度 選 定 。 本 設 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 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 我 們 利 用 經 驗 公 式 計 算 主 切 削 力 。 車 床 的 主 切 削 力 可 用 下 式 計 算 ：)(NFZ 5.1max670DFZ 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 ： NZ3.624.5.1 按 以 下 比 例 分 別 求 出 分 力 和 ，xFy .0:2:yxF 則 ： ，NFx139y26 2.1.1.3 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 設 計 、 計 算 和 選 型 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 設 計 首 先 要 選 擇 機 構 類 型 ： 確 定 滾 軸 循 環(huán) 方 式 ， 滾 珠 絲 杠 副 的 預 緊 方 式 。 結 構 類 型 確 定 后 ， 再 計 算 和 確 定 其 他 參 數 ， 包 括 ： 公 稱 直 徑 、 導 程 、 滾 珠 的 工 作 圈 數 、 列 數 、 精 度 等 級 等 。d0Ljk 本 設 計 中 選 擇 滾 珠 循 環(huán) 方 式 為 內 循 環(huán) 方 式 中 的 固 定 式 。 滾 珠 絲 杠 副 的 預 緊 方 法 選 擇 雙 螺 母 螺 紋 預 緊 。 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 8 - 圖 2-1 雙 螺 母 螺 紋 調 隙 式 結 構、 單 螺 母 3平 鍵 4調 整 螺 母 (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 值 大 小 和 導 軌 的 形 式 有 關 。 的 計 算 公 式 如 下 :mF 縱 向 進 給 導 軌 為 三 角 形 ， 則 ： )(GFfKzxmN)803.562(1.03915.( N24 三 角 形 導 軌 選 取 參 數 ： f8,.,. (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 100 萬 轉 后 ， 在 它 的 滾 道 上 不 產 生 點 蝕 現 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 速 其 中 = 0Lnssmin75.060Li126.1rn 壽 命 （ ）610Tr5.056 最 大 動 負 荷 NFjLCMw 13842.133 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 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min10r 副 的 破 壞 形 式 主 要 是 在 滾 珠 接 觸 面 上 產 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 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 =2， 滾 珠 絲 杠 的 最 大 軸 向 負 荷 故 最 大 靜sf 254maxF 負 荷 為 ： 。51084max0FC (4)選 擇 滾 珠 絲 杠 副 見 表 2-1 5)傳 動 效 率 計 算 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 傳 動 效 率 943.056.742tanta0 表 2-1 滾 珠 絲 杠 副 參 數 型 號 公 稱 直 徑m 基 本 導 程 螺 旋 升 角 絲 杠 外 徑 )(m 絲 杠 內 徑 額 定 動 載 荷 )(N 絲 杠 長 度m 額 定 靜 載 荷)(N5.3406642o.398.524108240 (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L2021LEFLm 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 10 - GJTL0 選 取 )(106.24mNE 221)(8.74mdFEL501 103.06.54402 2218 其 中 ： 441.86mdJ441028.02.5 則 ： 1L45.3.7m4092L/293.61/049. 查 表 所 得 ， 所 選 用 的 級 絲 杠 精 度 允 許 誤 差 為 ， 滿 足 要 求 。Dm/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 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 大 于 許 用 穩(wěn) 定 性 安 全 系 數 ( )， 則 絲 杠 安 全 ， 不 會 失 穩(wěn) ：knkn)(kmkFpn 式 中 ( )許 用 穩(wěn) 定 性 安 全 系 數 ， 一 般 取 2.5 4。k 絲 杠 失 穩(wěn) 時 的 臨 界 負 載 ， 由 ：kp )(l EJpk 式 中 絲 杠 長 度l 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 11 - 絲 杠 軸 端 系 數 ， 由 支 承 條 件 定 。 截 面 慣 性 矩 ， 對 實 心 圓J 416dJ 對 于 水 平 絲 杠 要 考 慮 自 重 影 響 可 取 ( ) 4。kn 將 相 關 數 據 代 入 上 式 中 可 得 Npk 1576)120(.86.42 457kknn 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 （ 1 205.17 相 勵 磁 ） 運 行 時 ， 步 距 角 其 妹 轉 脈 沖 數075.rpS48.360 脈 沖 當 量 ： 由 此 可 得 中 間 齒 輪 傳 動 比 為pm01. i25.1480.6SLi 2.1.2.2等 效 負 載 轉 矩 計 算 1.空 載 時 的 摩 擦 轉 矩 LFTmis 046.25.1806.2 2.車 削 加 工 時 的 負 載 轉 矩 LFWTSiyxL 5.125.80.6.39 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 12 - 2.1.2.3等 效 轉 動 慣 量 的 計 算 1.滾 珠 絲 杠 的 轉 動 慣 量 SJ 23440 07.32185.7.32 mldJS 2.拖 板 運 動 慣 量 換 算 到 電 動 機 軸 上 的 轉 動 慣 量 JiLgWJw 522 1076.45.106.8.91 3.大 齒 輪 的 轉 動 慣 量 gJ 選 取 大 齒 輪 齒 數 ， 小 齒 輪 齒 數 ， 模 數 。452Z31Zm242 056.285.709.3bdJg 4.小 齒 輪 的 轉 動 慣 量 1gJ 23441 041.32185.70.32 mbdJg 換 算 到 電 動 機 軸 上 的 總 慣 性 負 載 LJ21iJJsgwgL 2 203. 5.1 0376.047.4m 2.1.2.4步 進 電 動 機 型 號 的 選 擇 已 知 初 選 步 進 電 機 型 號 為 110BF003，TL5. 2310.mJL 步 距 角 三 相 六 拍 。 其 中 最 大 靜 扭 矩 ， 轉 子 慣 量07. T8ax ， 由 此 可 得 ：23186mkgJm , 5.018.axTL 235.01.62mLJ 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 13 - 14maxTJL 經 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 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 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 ：)(NFZ 5.1max670DFZ 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 ： NZ2039.5.1 按 以 下 比 例 分 別 求 出 分 力 和 ，xFy 4:0:yxF 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 14 - 則 : ，NFx510y6.815 2.2.1.3滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 設 計 、 計 算 和 選 型 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 設 計 首 先 要 選 擇 機 構 類 型 ： 確 定 滾 軸 循 環(huán) 方 式 ， 滾 珠 絲 杠 副 的 預 緊 方 式 。 結 構 類 型 確 定 后 ， 再 計 算 和 確 定 其 他 參 數 ， 包 括 ： 公 稱 直 徑 、 導 程 、 滾 珠 的 工 作 圈 數 、 列 數 、 精 度 等 級 等 。d0Ljk 本 設 計 中 選 擇 滾 珠 循 環(huán) 方 式 為 內 循 環(huán) 方 式 中 的 固 定 式 。 滾 珠 絲 杠 副 的 預 緊 方 法 選 擇 雙 螺 母 螺 紋 預 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 值 大 小 和 導 軌 的 形 式 有 關 。 的 計 算 公 式 如 下 :mF 橫 向 進 給 導 軌 為 燕 尾 形 ， 則 ： )2( GFfKFxzymN6.1873)6051039.54 燕 尾 形 導 軌 選 取 參 數 ： GfK0,2.,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 100 萬 轉 后 ， 在 它 的 滾 道 上 不 產 生 點 蝕 現 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 速 其 中 = 0Lnssmin6.050Li125.rn 壽 命 （ ）610Tr6 8.006 最 大 動 負 荷 MwFfLC3 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 15 - 6216.8735.03 (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min10r 副 的 破 壞 形 式 主 要 是 在 滾 珠 接 觸 面 上 產 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 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 =2， 滾 珠 絲 杠 的 最 大 軸 向 負 荷 故 最 大 靜sf 6.1873maxF 負 荷 為 2.46.18732max0FfCs (4)選 擇 滾 珠 絲 杠 副 表 2-2 滾 珠 絲 杠 副 參 數 型 號 公 稱 直 徑m 基 本 導 程 螺 旋 升 角 絲 杠 外 徑 )(m 絲 杠 內 徑 額 定 動 載 荷 )(N 絲 杠 長 度m 額 定 靜 載 荷)(N5.2034.192.71650283160 (5)傳 動 效 率 計 算 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 傳 動 效 率 965.082.743tanta0 (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 計 - 16 - 每 導 程 變 形 量 可 按 以 下 公 式 計 算L2021LEFLmGJT0 選 取 )(106.24mNE 221)(3.4dFmEL401 10.6.5873302 2125 其 中 ： 4341.6mdJ m351064.2.0.8267 則 1L34.m302mL/02.51 /46. 查 手 冊 所 得 ， 所 選 用 的 級 絲 杠 精 度 允 許 誤 差 為 ， 滿 足 要 求 。G/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 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 大 于 許 用 穩(wěn) 定 性 安 全 系 數 ( )， 則 絲 杠 安 全 ， 不 會 失 穩(wěn) ：knkn)(mkFpn 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 17 - 式 中 ( )許 用 穩(wěn) 定 性 安 全 系 數 ， 一 般 取 2.5 4。kn 絲 杠 失 穩(wěn) 時 的 臨 界 負 載 ， 由 ：p )(lEJpk 式 中 絲 杠 長 度l 絲 杠 軸 端 系 數 ， 由 支 承 條 件 定 。 截 面 慣 性 矩 ， 對 實 心 圓J 416dJ 對 于 水 平 絲 杠 要 考 慮 自 重 影 響 可 取 ( ) 4。kn 將 相 關 數 據 代 入 上 式 中 可 得 Npk 72362 102.)801(. )(6.73kk nn 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 （ 1 2 相 勵05.17 磁 ） 運 行 時 ， 步 距 角 其 妹 轉 脈 沖 數 ：075. rpS48075.360 初 選 脈 沖 當 量 ： 由 此 可 得 中 間 齒 輪 傳 動 比 為pm. i08.2405.SLi 2.2.2.2等 效 負 載 轉 矩 計 算 1.空 載 時 的 摩 擦 轉 矩 LFT 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 18 - mLiTsLF 017.8.024.56.2 2.車 削 加 工 時 的 負 載 轉 矩 LTiWSyxL 29.08.0248.561.51 2.2.2.3等 效 轉 動 慣 量 的 計 算 1.滾 動 絲 杠 的 轉 動 慣 量 SJ 23440 034.28.105.7.32 mldJS 2.拖 板 運 動 慣 量 換 算 到 電 動 機 軸 上 的 轉 動 慣 量 wJiLgWJw 522 1089.4.05.8.960 3.大 齒 輪 的 轉 動 慣 量 2gJ 選 取 大 齒 輪 齒 數 ， 小 齒 輪 齒 數 ， 模 數 。50Z21Zm234242 07.85.70.3bdJg 4.小 齒 輪 的 轉 動 慣 量 1gJ 23441 08.32185.70.32 mbdJg 換 算 到 電 動 機 軸 上 的 總 慣 性 負 載 LJ21)(iJJsgwgL2 2076. 48.0)3.07.(89.m 2.2.2.4步 進 電 動 機 型 號 的 選 擇 已 知 初 選 步 進 電TL9. 25240.076.2mkgmJL 機 型 號 為 90BF002， 步 距 角 三 相 六 拍 。 其 中 最 大 靜 扭 矩5 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 19 - ， 轉 子 慣 量 ， 由 此 可 得 ：mT92.3max 251064.7mkgJm ,.92.30axTL 25.0164.78LJ41maxT 經 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 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 整 。 常 用 的 直 齒 輪 調 整 齒 側 間 隙 的 方 法 有 以 下 幾 種 。 (1)偏 心 套 (軸 )調 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 動 偏 心 套 (偏 心 軸 )的 轉 角 ， 就 可 調 節(jié) 兩 嚙 合 齒 輪 的 中 心 距 ， 從 而 消 除 圓 柱 齒 輪 正 、 反 轉 時 的 齒 側 間 隙 。 特 點 是 結 構 簡 單 ， 但 其 側 隙 不 能 自 動 補 償 。 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 計 - 20 - 圖 2-4 偏 心 套 式 間 隙 消 除 機 構 1偏 心 套 2電 動 機 3減 速 箱 4、 5減 速 齒 輪 (2) 軸 向 墊 片 調 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 間 隙 。 裝 配 時 軸 向 墊 片 3 的 厚 度 應 使 得 齒 輪 1 和 2 之 間 既 齒 側 間 隙 小 ， 運 轉 又 靈 活 。 特 點 同 偏 心 套 (軸 )調 整 法 。 圖 2-5 圓 柱 齒 輪 軸 向 墊 片 間 隙 消 除 機 構 (3) 雙 片 薄 齒 輪 錯 齒 調 整 法 這 種 消 除 齒 側 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 和 另 一 個 薄 齒 輪 的 右 齒 側 分 別 緊 貼 在 寬 齒 輪 齒 槽 的 左 、 右 兩 側 ， 以 消 除 齒 側 間 隙 ， 反 向 時 不 會 出 現 死 區(qū) ， 具 體 調 整 措 施 如 下 ： 第 二 章 機 械 部 分 的 改 造 設 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 間 隙 。 這 種 結 構 形 式 中 的 彈 簧 2 的 拉 力 必 須 足 以 克 服 驅 動 轉 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 裝 置 而 不 適 用 于 驅 動 裝 置 。 可 調 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 節(jié) 螺 釘 7 的 伸 出 長 度 ， 調 整 好 后 再 用 螺 母 6 鎖 緊 。 本 設 計 所 選 用 的 是 雙 片 薄 齒 輪 錯 齒 調 整 法 中 的 可 調 拉 簧 式 。 由 此 就 可 以 將 縱 向 及 橫 向 進 給 系 統(tǒng) 的 裝 配 圖 設 計 并 畫 出 ， 具 體 請 見 圖 紙 。 圖 2-6 薄 片 齒 輪 周 向 拉 簧 錯 齒 調 隙 機 構 圖 2-7 可 調 拉 簧 式 調 隙 第 三 章 電 氣 控 制 部 分 的 設 計 - 22 - 第三章 電氣控制部分的設計 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 用 最 多 的 是 8031 單 片 機 。 本 設 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 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 計 選 用 8031 芯 片 ， 片 內 無 ROM 或 者 EPROM， 使 用 時 必 須 配 置 外 部 的 程 序 存 儲 器 EPROM。 本 設 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 位 控 制 ） 。 第 三 章 電 氣 控 制 部 分 的 設 計 - 23 - （ 3） 電 源 和 時 鐘 。 8031 最 小 應 用 系 統(tǒng) 。 8031 內 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 據 存 儲 器 時 地 址 的 低 8 位 信 息 和 數 據 信 息 分 時 送 出 ， 故 還 需 要 采 用 一 片 6264 數 據 存 儲 器 儲 存 數 據 。 這 樣 ， 一 片 27128EPROM 和 一 片 6264 組 成 了 一 個 最 小 的 計 算 機 應 用 系 統(tǒng) 。 圖 3-2 系 統(tǒng) 存 儲 器 3.2步 進 電 機 的 驅 動 步 進 電 機 的 運 行 特 性 與 配 套 使 用 的 驅 動 電 源 有 密 切 關 系 。 驅 動 電 源 由 脈 沖 分 配 器 、 功 率 放 大 器 組 成 ， 驅 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 動 電 機 轉 子 正 反 向 旋 轉 。 第 三 章 電 氣 控 制 部 分 的 設 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 選 用 不 同 的 環(huán) 形 分 配 器 。 本 設 計 中 所 選 用 的 電 機 ， 縱 向 部 分 為 110BF003 三 相 反 應 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 式 步 進 電 機 的 要 求 ， 輸 出 電 流 能 力 為 0.5mA， 經 推 動 級 、 驅 動 級 放 大 后 即 可 驅 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 計 - 25 - 橫 向 部 分 為 90BF002 五 相 反 應 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 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 動 步 進 電 機 運 轉 。 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 動 、 斬 波 驅 動 等 。 圖 3-5 PMM8714 管 腳 圖 (1) 單 電 壓 功