C616車床的橫向伺服進給單元改造【5張CAD圖紙和畢業(yè)論文全套】

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濟源職業(yè)技術學院 畢 業(yè) 設 計 題目 C616 車床的橫向伺服進給單元改造 系別 機電系 專業(yè) 機電一體化技術 班級 機電 0510 姓名 李文成 學號 05011012 指導教師 高清冉 日期 2007 年 12 月 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 I 設計任務書 設計題目 C616車床的橫向伺服進給單元機電一體化改造設計 設計要求 將 原 機 床 中 橫 向 裝 置 改 裝 成 由 步 進 電 動 機 驅 動 包 括 刀 架 的 自 動 換 刀 改 裝 根 據 負 載 轉 動 慣 量 選 擇 與 之 相 匹 配 的 步 進 電 動 機 包 括 力 矩 和 功 率 采 用 微 機 完 成 數 據 處 理 和 運 動 控 制 具 有 簡 單 的 接 口 電 路 設 計 選 擇 驅 動 電 路 設 計 通 用 接 口 和 專 用 接 口 以 及 CPU 與 輔 助 電 路 的 連 接 設計進度要求 設計時間為八周 第一周 擬定題目 第二周 列寫大綱 第三周 收集查看資料 第四周 材料的整理和錄入 第五周 論文排版 編輯 第六周 論文的修改 第七周 打印論文 指導教師 簽名 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 II 摘 要 本次設計主要是針對 C616 車床的橫向進給伺服系統改造 機械方面的改造過程 是 拆掉原手動刀架和小拖板 安裝上數控刀架 拆掉普通絲桿 光桿進給箱和溜 板箱 換上滾珠絲杠螺母副 保留原手動機構 用于調整操作 原有的支撐結構也 保留 采用一級齒輪減速 步進電機 齒輪箱體安裝在中拖板的后側 機械部分采用步進電動機驅動滾珠絲杠 然后再通過滾珠螺母副來動工作臺運 作 電器部分采用 MCS 8051 單片機來對步進電動機進行適時有效的控制 同時為 了便于人機對話 通過輸入 程 序 來 更 好 的 解 決 形 狀 復 雜 精 密 難 加 工 的 問 題 這 次 設 計 可 以 準 確 地 實 現 規(guī) 定 的動作 自動化程度較高 能靈活迅速的適應加工零件 的更變 關鍵字 車床 步進電動機 單片機 人機對話 精密 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 III Abstract The system is mainly aimed C616 lathe infeed servo system transformation the transformation process is mechanical the original manual turret removed and a small carriage the installation of CNC turret removed ordinary screw rod feed box and slide crate put the ball screw nut retain the original manual body for adjusting operation the support structure to retain the original with a gear stepper motor gear box installed in the extension unit back Stepping motor drive mechanical ball screw and then through the ball nut to move the operation table 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 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 1 目 錄 摘要 II ABSTRACT III 緒 論 2 1 機械部分改造的設計及計算 3 1 1 課題的來源與意義及總體方案的確定 3 1 1 1 課題的來源與意義 3 1 1 2 總體方案的確定 4 1 2 滾 珠 絲 杠 副 的 計 算 和 選 型 5 1 2 1 確 定 系 統 的 脈 沖 當 量 5 1 2 2 切 削 力 計 算 6 1 2 3 傳 動 效 率 8 1 3 步 進 電 動 機 的 選 擇 10 1 3 1 傳 動 比 的 計 算 10 1 3 2 轉 動 慣 量 的 計 算 11 1 4 齒 輪 設 計 及 強 度 校 核 計 算 15 1 4 1 選 定 齒 輪 類 型 精 度 等 級 材 料 及 齒 數 15 1 4 2 按 照 齒 面 接 觸 疲 勞 強 度 校 核 16 1 4 3 校 核 齒 根 彎 曲 疲 勞 強 度 18 1 5 軸 的 設 計 中 間 軸 及 校 核 19 1 5 1 選 擇 軸 的 材 料 19 1 5 2 初 步 估 算 軸 的 最 小 直 徑 19 1 5 3 軸 的 結 構 設 計 20 1 5 4 按 彎 扭 合 成 應 力 校 核 軸 的 強 度 20 1 5 5 精 確 校 核 軸 的 疲 勞 強 度 23 1 6 滾 動 軸 承 的 選 擇 和 計 算 28 1 7 鍵 聯 接 的 選 擇 和 強 度 校 核 即 中 間 軸 29 1 7 1 大 齒 輪 2 與 軸 的 鍵 聯 接 29 1 7 2 小 齒 輪 3 和 軸 的 鍵 聯 接 30 2 機 床 橫 向 伺 服 進 給 單 元 電 氣 控 制 部 分 設 計 31 2 1 電 氣 控 制 系 統 方 案 的 確 定 31 2 1 1 步 進 電 動 機 與 絲 杠 的 聯 接 32 2 1 2 8051 單 片 機 的 選 擇 32 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 2 2 2 步 進 電 動 機 開 環(huán) 控 制 系 統 設 計 32 2 2 1 脈 沖 分 配 器 33 2 2 2 光 隔 離 電 路 36 2 2 3 步 進 電 動 機 驅 動 電 路 37 2 3 8255 可 編 程 控 制 芯 片 的 擴 展 39 2 4 輔 助 電 路 的 設 計 40 2 4 1 8051 單 片 機 的 時 鐘 電 路 40 2 4 2 復 位 電 路 41 2 4 3 越 界 報 警 電 路 41 2 5 操 作 面 板 設 計 的 簡 要 介 紹 42 2 6 繪 制 機 床 電 氣 控 制 電 路 原 理 圖 42 結 論 44 致 謝 45 參 考 文 獻 46 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 1 緒 論 隨著我國生產技術進步 在機械制造業(yè)中 數控機床越來越受到企業(yè)的歡迎 企業(yè)一方面投入大量資金購買數控車床 另一方面更新改造現有普通機床 通過 為 普通機床添加數控裝置 將普通機床改造成數控機床 這是許多中小型企業(yè)面臨的 重要技改措施 數控機床能夠適應市場對產品多樣化 高精度的要求 因此得到了越來越廣泛 的應用 但是 商品化的數控機床價格高 一致于推廣應用受到限制 而我國又現 存有大量的普通機床 利用較先進的數控 系統 對現有普通機床進行技術改造 對 提高我國機械行業(yè)的數控加工技術具有 更重要意義 數控機床是衡量一個國家機械 制造業(yè)水平的重要指標 根據我國機床擁有量大 生產 規(guī)模小的具體國情 將普通 機床通過數控化改造為經濟型數控機床是我國機械工業(yè)技術改造的這樣目標 但從 我國目前機械工業(yè)制造水平與發(fā)達國家相比差距較大 而且從目前企業(yè)所面臨的情 況看 因數控機床價格較貴 一次性投資較大 使企業(yè)心有余而力不足 因此 我國作為機床大國 對普通機床數控化改造作為一種良好的有效途徑 這樣機床改造花費少 改造設計針對性強 時間短 改造設計后的機床大多能夠克 服機床的缺點和存在的問題 生產效率高 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 1 1 機械部分改造的設計及計算 1 1 課題的來源與意義及總體方案的確定 1 1 1 課題的來源與意義 社 會 發(fā) 展 的 今 天 現 代 工 業(yè) 發(fā) 展 非 常 迅 速 突 出 普 通 機 床 已 越 來 越 不 能 滿 足 現 代 加 工 工 藝 及 提 高 勞 動 生 產 率 的 要 求 如 果 設 備 全 部 更 新 換 代 不 僅 資 金 投 入 大 成 本 太 高 而 且 原 有 設 備 的 閑 置 又 將 造 成 極 大 浪 費 所 以 最 簡 易 經 濟 的 辦 法 就 是 進 行 數 控 化 改 造 數 控 機 床 作 為 機 電 一 體 化 的 典 型 產 品 在 機 械 制 造 業(yè) 中 發(fā) 揮 著 巨 大 的 作 用 很 好 的 解 決 了 現 代 機 械 制 造 中 結 構 復 雜 精 密 批 量 小 多 變 零 件 的 加 工 問 題 且 能 穩(wěn) 定 產 品 的 加 工 質 量 大 幅 度 地 提 高 生 產 效 率 但 從 我 國 目 前 機 械 工 業(yè) 制 造 水 平 與 發(fā) 達 國 家 相 比 差 距 較 大 而 且 從 目 前 企 業(yè) 所 面 臨 的 情 況 看 因 數 控 機 床 價 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 作 為 機 床 大 國 對 普 通 機 床 數 控 化 改 造 作 為 一 種 良 好 的 有 效 途 徑 這 樣 機 床 改 造 花 費 少 改 造 設 計 針 對 性 強 時 間 短 改 造 設 計 后 的 機 床 大 多 能 夠 克 服 機 床 的 缺 點 和 存 在 的 問 題 生 產 效 率 高 1 1 2 總體方案的確定 根 據 改 造 設 計 內 容 確 定 方 案 有 設 計 內 容 可 知 該 C616 車 床 的 改 造 設 計 是 將 原 機 床 中 手 動 進 給 裝 置 改 裝 成 有 步 進 電 動 機 驅 動 采 用 微 機 控 制 步 進 電 動 機 來 完 成 數 據 的 處 理 運 動 控 制 由 此 可 見 改 造 設 計 以 后 的 車 床 具 有 一 定 的 數 控 機 床 功 能 和 特 點 大 大 提 高 了 車 床 的 數 控 化 程 度 和 生 產 效 率 是 一 種 經 濟 型 的 數 控 機 床 翻 閱 查 看 C616 車 床 是 一 種 小 型 的 車 床 床 身 最 大 工 件 回 轉 直 徑 320mm 加 工 工 件 最 大 長 度 750mm 主 要 用 于 加 工 中 小 型 類 零 件 根 據 我 們 的 設 計 內 容 要 求 參 考 數 控 機 床 的 改 造 設 計 經 驗 我 們 設 計 確 定 如 圖 1 1 1 2 所 示 總 體 改 造 方 案 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 2 圖 1 1 總 體 改 造 方 案 圖 1 2 C616 普通車床的數控改造方案圖 該 方 案 中 以 步 進 電 動 機 作 為 驅 動 元 件 采 用 開 環(huán) 伺 服 控 制 無 檢 測 反 饋 機 構 具 有 結 簡 單 使 用 維 護 方 便 可 靠 性 高 制 造 成 本 低 等 一 系 列 的 優(yōu) 點 從 設 計 題 目 中 可 知 我 們 改 造 設 計 的 是 基 于 C616 車 床 的 橫 向 伺 服 進 給 單 元 機 電 一 體 化 改 造 設 計 所 以 針 對 橫 向 進 給 機 構 進 行 如 下 改 造 拆 除 原 機 床 進 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 場 并 由 于 滾 珠 絲 杠 的 摩 擦 系 數 小 于 原 絲 杠 從 而 是 橫 向 進 給 整 體 的 剛 性 提 高 優(yōu) 勝 于 以 前 的 橫 向 進 給 機 構 采 用 二 級 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 計 盡 量 按 照 原 機 床 的 主 要 結 構 布 局 基 本 不 變 盡 量 減 少 改 裝 的 部 位 以 降 低 生 產 成 本 節(jié) 約 改 造 生 產 時 間 提 高 生 產 效 率 1 2 滾 珠 絲 杠 副 的 計 算 和 選 型 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 3 進 給 伺 服 系 統 機 械 部 分 的 計 算 與 選 型 的 內 容 包 括 運 動 參 數 動 力 參 數 的 計 算 傳 動 比 的 分 配 轉 動 慣 量 等 效 轉 矩 等 計 算 計 算 簡 圖 如 圖 1 3 圖 1 3 進 給 伺 服 系 統 機 械 部 分 的 計 算 1 2 1 確 定 系 統 的 脈 沖 當 量 脈 沖 當 量 是 指 一 個 進 給 脈 沖 使 車 床 執(zhí) 行 部 件 產 生 的 進 給 量 它 是 衡 量 數 控 機 床 加 工 精 度 的 一 個 基 本 技 術 參 數 因 此 脈 沖 當 量 應 根 據 機 床 精 度 來 確 定 對 于 經 濟 車 床 來 說 橫 向 采 用 的 脈 沖 當 量 為 0 005mm 脈 沖 1 2 2 切 削 力 計 算 在 進 給 系 統 的 傳 動 的 計 算 過 程 中 選 用 步 進 電 動 機 時 都 需 要 用 到 切 削 力 機 床 的 主 要 負 載 則 可 用 公 式 計 算 出 車 床 切 削 力 最 大 切 削 功 率 或 轉 矩 P 主 式 中 P 主 主 電 動 機 的 功 率 C616 車 床 P 主 8 kw 主 傳 動 系 統 的 總 功 率 一 般 為 0 7 0 85 取 0 8 則 P 切 8 0 8 kw 6 4 kw 切 削 功 率 應 按 在 各 種 加 工 情 況 下 經 常 遇 到 的 最 大 切 削 力 或 轉 矩 和 最 大 切 削 速 度 或 轉 矩 來 計 算 即 P 主 60cF31 式 中 主 切 削 力 N cF 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 4 最 大 切 削 速 度 m min 按 用 硬 質 合 金 刀 具 半 精 車 鋼 件 是 的 速 度 取 100m min 60 6 4 100 3840 N cF 3 在 一 般 情 況 外 圓 車 削 時 0 1 0 55 f cF 0 15 0 65 pFc 取 0 48 1843 2N 0 58 2227 2Nfc pcF 滾 珠 絲 杠 副 的 選 擇 和 性 能 驗 算 橫 向 進 給 為 綜 合 型 導 軌 由 公 式 可 得 絲 杠 軸 向 進 行 切 削 其 中 k 1 15 0 16 則 f k W mFf cF 式 中 切 削 分 力 N cFfp W 移 動 部 件 的 重 量 N 導 軌 上 的 摩 擦 系 數 隨 導 軌 型 式 不 同 而 不 同 f K 考 慮 顛 覆 力 矩 影 響 的 實 驗 系 數 即 1 15 1843 2 0 16 3840 200 N 2766 08NmF 最 大 切 削 力 下 的 進 給 速 度 可 取 最 高 進 給 速 度 的 1 2 1 5 取 為 1 2 橫 向 進 給sv 速 度 為 2m min 絲 杠 導 程 選 取 6mm 則 絲 杠 轉 速 為 n 1000 1000 2 6 333 33r minsvL 絲 杠 使 用 的 壽 命 時 間 取 為 T 15000h 則 絲 杠 的 計 算 壽 命 L 為 L 60nt 60 333 33 15000 300 661 根 據 工 作 負 載 壽 命 L 按 公 式 計 算 滾 珠 絲 杠 副 承 受 的 最 大 的 動 載 荷 取mF mC 1 2 1wfaf 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 5 1 2 2766 08 22220NmC3LFwfa30 由 當 量 載 荷 從 手 冊 或 樣 本 的 滾 珠 絲 杠 系 列 表 中 初 選 滾 珠 絲 杠 的 型 號 和 有 關 參 數 選 用 是 要 注 意 公 稱 直 徑 和 導 程 應 用 優(yōu) 先 組 合 同 時 還 需 要 滿 足 數 控 系 統0d0L 和 伺 服 系 統 對 導 承 的 要 求 同 時 還 受 最 大 靜 載 荷 的 影 響 和 限 制 因 當 滾 珠 絲 杠 在 靜 態(tài) 或 低 速 n 10r min 情 況 下 工 作 時 滾 珠 絲 杠 副 的 破 壞 形 式 主 要 是 滾 珠 與 滾 道 型 面 在 接 觸 點 上 產 生 塑 性 變 形 當 塑 性 變 形 超 過 一 定 限 度 就 會 使 滾 珠 絲 杠 副 無 法 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 此 時 的 軸 向 負 載 稱oaC 為 額 定 靜 載 荷 選 用 時 應 將 相 應 的 滾 珠 絲 杠 的 額 定 靜 載 荷 滿 足 以 下 條 件 oaC f maxFoCs 式 中 滾 珠 絲 杠 的 最 大 軸 向 工 作 載 荷 maxF 靜 態(tài) 安 全 系 數 一 般 1 2 有 沖 擊 時 2 3sf sf sf 由 參 照 表 查 出 該 滾 珠 絲 杠 型 號 為 W5006外 循 環(huán) 螺 紋 調 整 預 緊 的 雙 螺 母 滾 珠 絲mC 杠 副 1列 3圈 其 額 定 動 負 載 為 24000N 強 度 足 夠 應 精 度 選 用 5級 其 幾 何 參 數 如 下 公 稱 直 徑 50mm 導 承 6mm 螺 紋 升 角 v arctg 2 11 繭 鋼 球 直 徑 為d0L0Ld 3 969mm 螺 桿 內 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 6 mmd 310 螺 桿 內 徑 2e 2R 50 2 5 6 2 2 06388 45 88mm10 1 1 2 3 傳 動 效 率 滾 動 絲 杠 副 的 傳 動 效 率 可 用 下 式 計 算 tgr tg r 式 中 r 絲 杠 的 螺 旋 升 角 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 6 摩 擦 角 滾 珠 絲 杠 副 的 滾 動 摩 擦 系 數 因 數 f 0 003 0 004 摩 擦 角 約 等 于 10 即 tg2 11 tg 2 11 10 0 927 橫 向 進 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 行 了 預 緊 預 緊 力 的 最 大 軸 向 負 載 荷 的 1 3 絲 杠 的 變 形 量 計 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 程 的 變 化 量 可 用 下 式 計 算mF0L0L EA 2766 08 6 20 104 1653 24 0 487 mmmF 41 式 中 E 絲 杠 材 料 的 彈 性 模 量 對 鋼 E 2 06 1011N m 則 絲 杠 的 拉 伸 或 壓 縮 變 形 量 1 L 0 487 6 1500 1 22 mm10 4 由 于 兩 端 均 采 用 角 接 觸 球 軸 承 且 絲 杠 又 進 行 了 預 緊 故 其 拉 壓 剛 度 可 比 一 端 固 定 的 絲 杠 提 高 4倍 其 實 際 變 形 量 為 1 4 0 305 mm 21 滾 珠 與 螺 紋 通 道 間 接 觸 變 形 0 0013 0 0072mm2mF2oydZ 式 中 軸 向 工 作 載 荷 N mF 預 緊 力 N y 滾 珠 直 徑 mm wd 滾 珠 數 量 Z j k其 中 j為 圈 數 k為 列 數 Z每 圈 螺 紋 滾 道 內 的Z 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 7 滾 珠 數 外 循 環(huán) 時 Z 內 循 環(huán) 時 Z 30dw0dw 滾 珠 絲 杠 公 稱 直 徑 mm 0d 因 絲 杠 加 有 預 緊 力 且 預 緊 力 為 軸 向 最 大 負 載 的 1 3時 可 減 少 一 半 因 此2 實 際 變 形 量 為 0 0072 2 0 036 mm2 2 支 承 滾 珠 絲 杠 的 軸 承 為 8209型 推 力 球 軸 承 幾 何 參 數 為 45mm 滾 動 體 直 徑1d 7 06mm 滾 動 體 數 量 20軸 承 的 軸 向 接 觸 變 形 為 QdQZ3 0 0243 32mFdz 式 中 軸 承 所 受 軸 向 載 荷 N 軸 承 的 滾 動 體 數 目 mFQ 軸 承 的 滾 動 體 直 徑 即Qd 0 024 0 024 0 03346mm3 23mQFdz2376 8 注 意 此 公 式 的 單 位 為 Kgfm 因 施 加 預 緊 力 故 實 際 變 形 量 1 2 1 2 0 03346mm 0 0167mm3 3 根 據 以 上 計 算 總 變 形 量 為 0 00305 0 0036 0 0167 mm 0 0234mm123 五 級 精 度 絲 杠 允 許 邏 輯 誤 差 為 27 m m 故 剛 度 足 夠 因 為 滾 珠 絲 杠 的 兩 端 都 采 用 推 力 球 軸 承 并 預 緊 因 此 不 會 產 生 失 穩(wěn) 現 象 故 不 需 要 作 穩(wěn) 定 性 校 核 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 8 1 3 步 進 電 動 機 的 選 擇 1 3 1 傳 動 比 的 計 算 根 據 給 定 的 橫 向 進 給 的 脈 沖 當 量 0 005mm 滾 珠 絲 杠 導 程 6mm 及 初 選 的 步0L 進 電 機 步 距 角 0 75 可 計 算 出 傳 動 比 i 360 0L 式 中 脈 沖 當 量 mm 步 滾 珠 絲 杠 導 程 mm 0L 步 進 電 機 步 距 角 減 速 齒 輪 考 慮 到 結 構 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 齒 輪 降 速 根 據 傳 動 比 即 i 360 0L 選 齒 輪 Z1 28 Z2 56 Z3 24 Z4 30 一 級 降 速 傳 動 比 為 0 5 二 級 降 速 傳 動 比 為 0 8 初 選 步 進 電 動 機 型 為 150BF002 因 為 進 給 伺 服 系 統 傳 遞 功 率 不 大 一 般 選 模 數 取 m 1 2 本 次 設 計 選 用 m 2 1 3 2 轉 動 慣 量 的 計 算 選 擇 步 進 電 動 機 時 必 須 根 據 機 械 傳 動 裝 置 及 負 載 折 算 到 電 動 機 軸 上 的 等 效 轉 動 慣 量 分 別 計 算 各 種 情 況 下 所 需 要 的 力 矩 再 根 據 步 進 電 動 機 最 大 靜 轉 矩 和 啟 動 運 行 頻 率 特 性 選 擇 合 適 的 步 進 電 動 機 負 載 慣 量 是 驅 動 系 統 的 主 要 參 數 之 一 它 對 選 擇 步 進 電 動 機 設 計 傳 動 比 等 都 有 十 分 重 要 的 意 義 如 果 該 慣 量 與 電 動 機 的 匹 配 不 當 系 統 就 得 不 到 快 速 反 應 甚 至 失 效 Z1 28 z2 56 z3 24 z4 30 齒 輪 的 轉 動 慣 量 1 23 4Z1234 J 11JdL 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 9 334107 8 5 6 2kgcmcm 2 6358 2 3410JdL 34107 2kgcc 36 148 2 m 1 4227 30JdL 2 kgm 44 33407 8 2kgcc 0 186 2 m 絲 杠 的 轉 動 慣 量 可 以 從 表 中 查 得 負 載 轉 動 慣 量 22131234 42862 6538 4070 15 90 7 556L SZLwJJJgW 21Z 考 慮 步 進 電 動 機 與 負 載 轉 動 系 統 慣 量 匹 配 問 題 即 0 57 1 滿 足 慣 量 匹 配 要 求 而 慣 量 J 由 伺 附 電 動 機 的 慣 量 mJ 和 進 給 系 統 慣 量 LJ 組 成 017 52 mLJ mJ 伺 附 電 動 機 的 慣 量L 進 給 系 統 慣 量 負 載 轉 矩 計 算 及 最 大 靜 轉 矩 選 擇 機 床 在 不 同 的 情 況 下 其 所 需 要 的 轉 矩 不 同 下 面 分 別 進 行 計 算 快 速 空 載 啟 動 是 所 需 要 的 轉 矩 為 max0fM 起 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 10 式 中 M 起 快 速 空 載 啟 動 力 矩 max空 載 啟 動 折 算 到 電 動 機 上 的 加 速 力 矩 f 折 算 到 電 動 機 軸 上 的 摩 擦 力 矩 0M 由 于 絲 杠 加 緊 時 折 算 到 電 動 機 軸 上 的 附 加 力 矩 將 已 知 數 據 代 入 max20 758336 6minbpvr n 2axmax10tnMJ 式 中 J 傳 動 系 統 折 算 到 電 動 機 軸 上 的 等 效 的 轉 動 慣 量 at運 動 部 件 從 停 止 啟 動 加 速 到 最 大 快 進 速 度 所 需 要 的 時 間 maxn 電 動 機 的 最 大 轉 速 2max2837 510694 86 5MNcm 折 算 到 電 動 機 軸 上 的 摩 擦 力 矩 02FLi 式 中 0 導 軌 的 摩 擦 力 0cfFW c 垂 直 方 向 的 切 削 力 W 運 動 部 件 的 總 重 量 f 導 軌 的 摩 擦 系 數 i 齒 輪 降 速 比 傳 動 鏈 總 效 率 一 般 取 0 7 0 85 0 16384263 2 FLMi 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 11 附 加 力 矩 2001PFLMi 式 中 0P 滾 珠 絲 杠 預 加 負 荷 前 一 般 取 L 滾 珠 絲 杠 導 程0 滾 珠 絲 杠 擰 緊 時 的 效 率 一 般 大 于 0 9 于 是 max073 42FM 起 快 速 移 動 時 需 要 的 力 矩 05 96F快 最 大 切 削 負 載 時 所 需 要 的 力 矩 0124 FtM 切 從 以 上 計 算 可 以 看 出 三 種 工 況 下 以 快 速 空 載 啟 動 所 需 要 的 力 矩 最 大 依 次 作 為 出 選 電 動 機 的 依 據 對 于 工 作 方 式 與 五 相 十 拍 的 步 進 電 動 機 最 大 靜 轉 矩 max 7 680 951jMNm 起 從 相 關 資 料 可 以 查 出 150BF002 型 號 的 步 進 電 動 機 最 大 靜 轉 矩 為 13027N M 大 于 所 需 要 的 最 大 靜 轉 矩 可 以 作 為 初 選 型 號 大 需 要 考 慮 電 動 機 啟 動 矩 頻 特 性 和 運 行 它 步 進 電 動 機 的 空 載 啟 動 頻 率 maxax106 7vf HZ 由 相 關 資 料 知 道 150BF002 步 進 電 動 機 允 許 的 作 大 空 載 啟 動 頻 率 為 2800HZ 運 行 頻 率 為 8000HZ 有 下 圖 a 可 以 看 出 步 進 電 動 機 啟 動 是 頻 率 為 2500HZ 遠 不 能 滿 足 機 床 所 需 直 接 使 用 回 產 生 失 步 現 象 所 以 必 須 采 取 升 降 速 度 控 制 可 以 用 軟 件 實 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 12 現 將 啟 動 頻 率 降 到 1000HZ 時 啟 動 扭 矩 可 以 增 高 到 588 然 后 在 電 路 上 再 采 用 高 低 壓 驅 動 電 路 可 以 將 步 進 電 機 輸 出 轉 矩 擴 大 一 倍 左 右 當 快 速 運 動 和 切 削 進 給 時 由 150BF002 型 號 的 步 進 電 動 機 矩 頻 特 性 b 知 道 電 動 機 可 以 滿 足 要 求 根 據 上 述 計 算 綜 合 考 慮 橫 向 進 給 系 統 采 用 150BF002 型 號 電 動 機 a 步 進 電 動 機 啟 動 頻 率 b 步 進 電 動 機 矩 頻 特 性 圖 1 4 步 進 電 動 機 的 啟 動 頻 率 和 矩 頻 特 性 零 件 的 設 計 計 算 傳 動 軸 的 初 步 計 算 及 結 構 設 計 支 撐 方 式 和 部 件 的 選 擇 計 算 1 4 齒 輪 設 計 及 強 度 校 核 計 算 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 13 1 4 1 選 定 齒 輪 類 型 精 度 等 級 材 料 及 齒 數 該 傳 動 方 案 選 用 直 齒 圓 柱 齒 輪 傳 動 速 度 不 高 所 以 齒 輪 選 8 級 精 度 齒 輪 材 料 選 用 價 格 便 宜 并 且 硬 度 合 適 的 材 料 齒 輪 Z1 Z3 Z4 材 料 為 45 鋼 調 質 齒 輪 Z2 材 料 為 45 鋼 常 化 根 據 傳 動 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 所 以 按 照 齒 面 接 觸 疲 勞 強 度 設 計 然 后 校 核 齒 根 彎 曲 疲 勞 強 度 1 4 2 按 照 齒 面 接 觸 疲 勞 強 度 校 核 21312 51EdHKTzut 由 公 式 確 定 公 式 中 各 參 數 的 值 選 擇 載 荷 系 數 1 3tK 59 01923 6PTNmn 計 算 小 齒 輪 傳 遞 的 轉 矩 查 表 選 擇 齒 寬 系 數0 8d 查 表 得 出 彈 性 影 響 系 數19 EZMpalimli3lim4259070HHpa 由 表 查 出 FtasFmKYb 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 14 由公式確定公由 表 查 出 壽 命 系 數 1234 1HNHNKK 計 算 接 觸 疲 勞 強 度 許 用 應 力 取 失 效 概 率 為 1 安 全 系 數 S 1 由 公 式 limHNKS 可 得 134590Mpa 270Hpa 計 算 小 齒 輪 分 度 圓 直 徑 21312 51EdHKTzut 計 算 圓 周 速 度 12 560tnmVs 計 算 載 荷 系 數 根 據1 4Z 查 表 0VK 因 為 是 直 齒 圓 柱 齒 輪 取 同 時 由 表 查 得1A 21 5aK 所 以 載 荷 系 數 04 21AV 按 實 際 的 載 荷 系 數 校 正 所 計 算 的 分 度 圓 直 徑 3311 548kdtm 計 算 模 數 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 15 1 1 48 2 24 dm z 取 模 數 12m 根 據 綜 合 因 素 的 考 慮 及 傳 遞 的 力 矩 不 大 故 選 用 11856 2dm 計 算 分 度 圓 直 徑 12 2dm 348 dm 4306 計 算 中 心 距 1234284 5daa 計 算 齒 輪 寬 度 110 8564dbm 由 于 傳 遞 振 動 不 大 1 4 3 校 核 齒 根 彎 曲 疲 勞 強 度 式中各個參數值 計算圓周力 1293 16425 87TFd 查 取 應 力 校 正 系 數 112 80 5FaSaY 22 40 1 67FaSaY 33 44 59 計 算 載 荷 系 數 1 0 213AVKK 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 16 查 取 彎 曲 強 度 極 限 及 壽 命 系 數 查 表 得 lim1lim2lim3lim4450 390 450 50FFFFMpapaMpapa 查 表 知 道 12341FNFNKK 計 算 彎 曲 疲 勞 許 用 應 力 取 彎 曲 疲 勞 安 全 系 數 4FS 由 公 式 limFNKS 所 以 1lim13432 4FNF MpaS 2lim9078 51 NFFKS 校 核 計 算 1 1 3425 87 054 9F FMpa 212 221 67 9 088saFSY 334 9FF 440 27 1 5 軸 的 設 計 中 間 軸 及 校 核 1 5 1 選 擇 軸 的 材 料 選 取 45 鋼 調 制 硬 度 HBS 230 強 度 極 限 650Mpa 屈 服 極 限 360Mpa B S 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 17 彎 曲 疲 勞 極 限 300Mpa 剪 切 疲 勞 極 限 155Mpa 對 稱 循 環(huán) 變 應 力 時 的 許 用 應 力1 60Mpa 1b 1 5 2 初 步 估 算 軸 的 最 小 直 徑 取 110 得 A d 110 15mm 0A23pu3 9846 由 于 采 用 步 進 電 動 機 驅 動 選 用 150BF002 型 它 的 軸 徑 為 18mm 為 了 配d 合 二 級 齒 輪 傳 動 在 此 選 擇 最 小 軸 徑 為 15mm 便 于 受 力 均 勻 結 構 緊 湊 便 于 安 裝 1 5 3 軸 的 結 構 設 計 由 軸 的 結 構 和 強 度 要 求 選 取 軸 承 孔 的 軸 徑 d 15mm 初 選 軸 承 型 號 6202 的 深 溝 球 軸 承 齒 輪 軸 處 軸 孔 d 25mm 軸 肩 直 徑 d 35mm 軸 的 結 構 如 附 圖 兩 軸 承 支 點 間 的 距 離 為 L u 2T1 3B12T 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 壁 的 距 離 查 表 可 知 取 8mm1 齒 輪 3 的 齒 寬 32mm3BB 齒 輪 2 與 齒 輪 3 輪 轂 端 面 間 的 距 離 取 8mm3 L 齒 輪 2 的 輪 轂 長 度 L 1 2 1 5 d B u 34mm 代 入 以 上 各 數 值 得 L 11 8 27 34 8 13 5 96mm 齒 輪 3 的 對 稱 線 與 左 軸 承 支 點 的 距 離 為 5 5 8 13 5 27mm12T1 3B 齒 輪 3 的 對 稱 線 與 齒 輪 2 的 對 稱 線 間 的 距 離 為 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 18 13 5 8 17 38 5mm2L3B u 齒 輪 2 的 對 稱 線 與 右 軸 承 支 點 間 的 距 離 為 17 8 5 5 30 5mm32T 1 5 4 按 彎 扭 合 成 應 力 校 核 軸 的 強 度 繪 軸 的 計 算 簡 圖 軸 的 計 算 簡 圖 如 圖 1 5 a 所 示 計 算 作 用 軸 上 的 力 大 齒 輪 2 受 力 分 析 圓 周 力 401 26N2tFTd27 5819 徑 向 力 401 26 146 05N2rtg tg 小 齒 輪 3 受 力 分 析 圓 周 力 936 27N3tF2Td7 584 徑 向 力 936 27 340 77N3r0tg tg 計 算 支 反 力 水 平 面 0BM 96 69 5 32 5 0AHR3tFt 805 30N 0Fy 532 23NBHR2t3tAHR 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 19 垂 直 面 0BM 96 69 30 5 0AVR3rF2r 198 52N 0Fy 3 8NBVR3r2AV 作 彎 矩 圖 水 平 面 彎 矩 圖 b 28 5 803 5 27 5 21743 1N mmcHMA 32 523 23 30 5 16233 015 N mmDBR 垂 直 面 彎 矩 圖 c 28 5 198 52 27 5360 04 N mm1CVA 32 3 8 30 5 115 9 N mmDMBR 合 成 彎 矩 C22HCV 2 1743 60 4 22393 92 N mm DMCHDV 22 16 05 1 9 16233 42 N mm 做 扭 矩 圖 d 22470 588 N mmT 作 計 算 彎 矩 圖 圖 e 考 慮 減 速 器 的 剎 車 和 啟 動 轉 矩 產 生 的 切 應 力 應 按 脈 動 循 環(huán) 變 化 故 取 a 0 6 則 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 20 22393 92 N mm1caMc 2c12 CT 239 0 647 58 26139 27 N mm caDM T 22163 40 647 58 21102 079 N mm 按 彎 扭 合 成 應 力 校 核 周 6 的 強 度 由 計 算 彎 矩 圖 可 知 C 剖 面 的 計 算 彎 矩 最 大 該 處 的 計 算 應 力 為 16 729Mpaca 2cMW3619 70cd32 5 16 729Mpa 60Mpa1 b 故 安 全 1 5 5 精 確 校 核 軸 的 疲 勞 強 度 由 玩 具 圖 和 轉 矩 圖 可 知 彎 矩 最 大 但 從 應 力 集 中 對 軸 的 疲 勞 度 的 影 響 看 剖 面 處 的 過 盈 配 合 引 起 的 應 力 集 中 最 嚴 重 由 于 過 盈 配 合 及 鍵 槽 的 應 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 的 疲 勞 強 度 剖 面 左 側 彎 矩 及 彎 曲 應 力 彎 矩 25210 79 25613 70 9 38 M 24372 98 N mm 抗 彎 剖 面 模 量 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 21 3330 1 2516 Wdm 彎 曲 應 力 4798 bMMpa 應 力 幅 15a 平 均 應 力 0m 轉 矩 及 扭 剪 應 力 轉 矩 2470 58TNm 抗 扭 剖 面 模 量 333 12Wd 扭 轉 剪 應 力 2470 58 9T Mpa 應 力 幅 及 平 均 應 力 13 amT 各 項 系 數 過 盈 配 合 處 的 有 效 應 力 集 中 系 數 查 表 可 求 得 過 盈 配 合 處 的 1 867256Hr R 由 圖 查 得 尺 寸 系 數 0 83 0 89 由 圖 查 得 表 面 質 量 系 數 精 車 加 工 r 軸 徑 表 面 強 化 處 理 故 強 度 系 數 1 彎 曲 疲 勞 的 綜 合 影 響 系 數 由 公 式 得 1 K 1 86 0 1 996 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 22 1 KB 1 86 0 1 996 對 材 料 特 性 系 數 對 碳 鋼 取 0 1 0 05 2 計 算 安 全 系 數 139 635 9615 80 amSKv 1 1 43 72 a S209 847 35816caS 所 以 安 全 剖 面 右 側 彎 矩 及 彎 曲 應 力 彎 矩 17265 3 19 270 9 38 5M pa 抗 彎 剖 面 模 量 330 1562 Wdm 彎 曲 應 力 Mpa94 8 b 應 力 幅 14 28apa 平 均 應 力 0m 轉 矩 及 扭 剪 應 力 轉 矩 2470 58TNm 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 23 抗 扭 剖 面 模 量 3330 2 512TWdm 扭 轉 剪 應 力 47 8 9TMpa 應 力 幅 及 平 均 應 力 13 52m 各 項 系 數 如 前 即 1 96K 1 96 計 算 安 全 系 數 1301 6 964 28mS 15 43 70 39K S 1 5 2 4 7 126caS 安 全 強 度 足 夠 a 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 24 b c 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 25 d e 圖 1 5 軸 的 疲 勞 校 核 1 6 滾 動 軸 承 的 選 擇 和 計 算 即 中 間 軸 滾 動 軸 承 的 選 擇 計 算 按 軸 的 結 構 設 計 初 步 選 用 型 號 為 6204 的 深 溝 球 軸 承 計 算 軸 承 載 荷 圖 1 6 軸 的 受 力 圖 軸 承 的 徑 向 載 荷 軸 承 A 222805 319 8 40AHVR N 軸 承 B N2 53 B 按 壽 命 計 算 選 擇 軸 承 型 號 派 生 軸 向 力 的 計 算 查 表 可 知 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 26 N0253 2416 SFY N189 8s 確 定 軸 承 的 軸 向 載 荷 aF 259 189 7as 故 軸 承 1 放 松 軸 承 2 壓 緊 根 據 當 量 動 載 荷 公 式 計 算 P 值 19 80 31 724aAFeR 1 xY 1 829 40 829 4AaPFN 1259 0 6 3734aBeR 22 xY 0 5632 41659 8712 3BaPF N 計 算 工 作 所 需 要 的 徑 向 基 本 額 定 動 載 荷 由 于 常 溫 中 等 沖 擊 取 深 溝 球 軸 承 壽 命 指 數 兩 支 承 用 同1tf pf 一 型 號 0rCKN h31671670 45794 28 thpfCLn 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 7 鍵 聯 接 的 選 擇 和 強 度 校 核 即 中 間 軸 1 7 1 大 齒 輪 2 與 軸 的 鍵 聯 接 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 27 選 用 圓 頭 普 通 平 鍵 A 型 按 軸 徑 d 25mm 及 輪 轂 L 34 選 鍵 b h 8 7GBGB1096 79 強 度 校 核 鍵 材 料 用 45 鋼 查 表 得 許 用 應 力 鍵 的 工 作 長 度 l L b 34 8 26mm 102pMpa 按 公 式 得 擠 壓 應 力 3 hRv 3210247 5810 97 6pTMpaRld 故 強 度 是 足 夠 的 1 7 2 小 齒 輪 3 和 軸 的 鍵 聯 接 按 稠 徑 d 25mm 輪 轂 L 27mm 選 鍵 b h 8 7 GB1096 79 選 用 圓 頭 普 通 平 鍵 A 型 強 度 校 核 鍵 材 料 用 45 鋼 查 表 得 許 用 應 力 鍵 的 工 作 長 度 l L b 27 102 pMpa 7 20mm 按 公 式3 hRv 1247 581 26 3 0p pTaRld 故 能 滿 足 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 28 2 機 床 橫 向 伺 服 進 給 單 元 電 氣 控 制 部 分 設 計 C616 車 床 是 一 種 小 型 的 車 床 對 于 它 的 伺 服 進 給 單 元 的 機 電 一 體 化 改 造 設 計 我 們 從 設 計 內 容 中 可 以 知 道 是 用 微 機 控 制 步 進 電 動 機 驅 動 滾 珠 絲 杠 帶 動 工 作 臺 來 完 成 數 控 處 理 和 運 動 控 制 由 此 可 見 改 造 設 計 后 的 機 床 具 有 一 定 的 數 控 機 床 的 功 能 特 點 是 一 種 簡 易 經 濟 數 控 機 床 所 以 我 們 就 按 照 經 濟 數 控 機 床 進 行 電 氣 控 制 部 分 的 改 造 設 計 2 1 電 氣 控 制 系 統 方 案 的 確 定 我 們 知 道 對 于 一 些 經 濟 數 控 機 床 常 采 用 開 環(huán) 伺 服 系 統 其 結 構 如 圖 2 1 圖 2 1 開 環(huán) 伺 服 系 統 結 構 原 理 圖 它 主 要 由 步 進 電 動 機 和 相 適 應 的 驅 動 電 路 組 成 數 控 裝 置 發(fā) 出 的 指 令 脈 沖 驅 動 電 路 變 換 放 大 傳 給 步 進 電 動 機 步 進 電 動 機 每 接 受 一 個 脈 沖 就 旋 轉 一 個 角 度 再 通 過 齒 輪 副 和 絲 杠 螺 母 帶 動 機 床 工 作 臺 移 動 步 進 電 動 機 的 轉 速 和 轉 過 的 角 度 取 決 于 指 令 脈 沖 的 頻 率 和 個 數 反 映 到 工 作 臺 就 是 工 作 臺 的 移 動 速 度 和 位 移 的 大 小 但 系 統 沒 有 位 置 檢 測 反 饋 環(huán) 節(jié) 工 作 臺 位 移 到 位 其 精 度 取 決 于 步 進 電 機 齒 距 角 精 度 齒 輪 傳 動 間 隙 和 絲 杠 螺 母 精 度 等 由 此 可 見 對 于 我 們 改 造 設 計 的 C616 車 床 的 橫 向 伺 服 就 進 給 單 元 采 用 這 種 由 步 進 電 機 驅 動 的 開 環(huán) 控 制 系 統 比 較 合 適 的 該 系 統 方 案 中 不 使 用 位 置 檢 測 元 件 也 就 沒 有 閉 環(huán) 控 制 系 統 的 穩(wěn) 定 性 問 題 因 此 具 有 結 構 簡 單 使 用 維 修 方 便 可 靠 性 高 制 造 成 本 低 等 一 系 列 優(yōu) 點 對 于 C616 車 床 精 度 要 求 不 太 高 的 中 小 型 機 床 改 造 設 計 來 說 特 別 適 合 適 用 這 種 開 環(huán) 步 進 控 制 系 統 發(fā) 案 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 29 2 1 1 步 進 電 動 機 與 絲 杠 的 聯 接 對 于 經 濟 數 控 機 床 步 進 電 動 機 應 與 進 給 運 動 的 絲 杠 相 連 著 主 要 是 從 進 給 傳 動 鏈 最 短 發(fā) 出 信 息 來 考 慮 的 步 進 電 動 機 與 絲 杠 的 聯 接 的 方 法 有 兩 種 一 種 是 與 絲 杠 直 接 聯 接 在 一 起 此 方 法 結 構 簡 單 但 是 運 行 位 移 的 脈 沖 當 量 不 是 5 的 倍 數 編 程 計 算 時 不 方 便 另 一 種 是 在 步 進 電 動 機 輸 出 軸 端 配 置 減 速 器 使 減 速 器 輸 出 軸 通 才 聯 接 套 于 絲 杠 直 接 聯 接 在 一 起 一 般 改 造 常 采 用 這 種 聯 接 方 式 所 以 C616 車 床 改 造 設 計 也 采 用 這 種 聯 接 方 式 而 且 從 前 面 步 進 電 動 機 計 算 和 選 擇 中 可 知 采 用 二 級 傳 動 2 1 2 8051 單 片 機 的 選 擇 根 據 C616 車 床 最 大 加 工 尺 寸 加 工 精 度 控 制 速 度 以 及 經 濟 性 要 求 改 造 設 計 后 的 簡 易 經 濟 型 數 控 機 床 一 般 采 用 8 位 微 機 進 行 控 制 在 8 位 微 機 中 MCS 51 系 列 單 片 機 集 成 度 高 可 靠 性 好 功 能 強 速 度 快 抗 干 擾 性 強 具 有 很 高 的 性 能 比 因 此 我 們 設 計 選 擇 應 用 MCS 51 系 列 單 片 機 作 為 控 制 微 機 在 MCS 51 系 列 單 片 機 中 8051 為 典 型 代 表 它 具 有 高 性 能 8 位 CPU 4KROM 128 字 節(jié) RAM 2 個 16 位 定 時 計 數 器 4 個 I O 一 個 全 雙 工 異 步 串 行 口 5 個 中 斷 源 可 訪 問 64K 程 序 存 儲 器 空 間 和 64K 數 據