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材料制備機(jī)械設(shè)計(jì)理論中的新趨勢(shì)和新問(wèn)題 王艾倫 段吉安 黃明輝 鐘 掘 中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 湖南長(zhǎng)沙 410083 摘 要 在全面綜述材料制備機(jī)械技術(shù)及設(shè)備發(fā)展動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上 提出了研究領(lǐng)域的幾個(gè) 新問(wèn)題和發(fā)展方向 如通過(guò)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(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和討論 關(guān)鍵詞 界面 超常物理場(chǎng) 制備機(jī)械 功能材料 1 機(jī)械材料加工的時(shí)代背景 在人類(lèi)進(jìn)步的一段長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi) 許多工具 機(jī)械和方法被提出來(lái) 不同的原料用 不同的工具來(lái)加工 原料及其處理過(guò)程已經(jīng)變成了推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)步不可缺的一部份 在當(dāng) 前世界中日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)和人們追求幸福生活的今天 物質(zhì)的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類(lèi) 現(xiàn)有的并不斷增長(zhǎng)的知識(shí)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)間段里 材料重要發(fā)展趨勢(shì)就這樣形成了 1 在特殊的物理領(lǐng)域里制造原料加工機(jī)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(yùn)用熱能和機(jī)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(gè)接一個(gè)的被引入到材料加工中來(lái) 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(lái)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(fèi)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(xiàn)控制方向上邁進(jìn) 例如 軋制速 度達(dá)到130m s 壓力變形已達(dá)到300MPa 尺寸精度達(dá)到了0 1um 成型精度已達(dá)到 0 1i 濃度精度已達(dá)到0 1MPa 由于這些原因 原料加工機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)理論將科學(xué)與技 術(shù)相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域有機(jī)的結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)一中新概念材料加工設(shè)備是可能的 2 對(duì)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(duì)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(guò)104 106K s的速度冷卻下來(lái) 將外表面的凝固 變形合成一體 然后在將超強(qiáng)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(jī)的低頻率磁場(chǎng)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(qiáng)技術(shù) 條件和室外操作的保證 例如 禁止在潤(rùn)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(dòng)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(xiàn)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品成型 在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和在線(xiàn)調(diào)整產(chǎn)品品質(zhì)和器具還有在線(xiàn)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(dá)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(jiǎn)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(jì)和生產(chǎn)出來(lái) 這樣的話(huà) 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(wèn)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(jìn) 3 1 連接傳熱裝置和溫度應(yīng)力場(chǎng)的相界面 當(dāng)融化金屬處于液體和固體的臨界狀態(tài)時(shí)通過(guò)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(gè)非常時(shí)刻 高濃度的熱流和動(dòng)態(tài)的熱阻力在材料加工處理 中成了主要事項(xiàng) 關(guān)于設(shè)計(jì)這個(gè)設(shè)備的基本理論問(wèn)題是要學(xué)習(xí)核心傳動(dòng)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?yàn)檎沉髯钃趿思庸け砻娼缑鎽B(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(dòng)態(tài)行為 局部水力 的潤(rùn)滑油等等來(lái)決定 它們影響著材料加工設(shè)備抗摩擦裝置的成型 因?yàn)樗鼈儠?huì)會(huì)強(qiáng)制 其產(chǎn)生很大的非線(xiàn)性 這種強(qiáng)制會(huì)在瞬間被損壞或者是失諧 最后會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性 因此提出了以下的問(wèn)題 機(jī)械裝置的噪聲可能在晃動(dòng)的界面引起滑動(dòng)摩擦 不穩(wěn)定狀態(tài) 在高速 重載和邊界潤(rùn)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(rùn)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(chǎng)條件下非線(xiàn)性接觸式機(jī)械裝置 在大范圍內(nèi)組建一個(gè)超強(qiáng)力壓力場(chǎng)是材料加工設(shè)備的一個(gè)基本功能 當(dāng)然形成一個(gè) 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(chē) 飛機(jī) 組建 一個(gè)超強(qiáng)壓力場(chǎng)是最重要的特征之一 也是保衛(wèi)國(guó)家獨(dú)立最基本的裝備 在強(qiáng)壓力場(chǎng)環(huán) 境下 接觸式和非線(xiàn)性摩擦將會(huì)產(chǎn)生 因此將會(huì)導(dǎo)致局部的永久的變形和不好的因素 在強(qiáng)壓力場(chǎng)下設(shè)計(jì)過(guò)程中 將會(huì)涉及到設(shè)備的設(shè)計(jì)新理論 例如 非接觸式 非線(xiàn)性摩 擦機(jī)構(gòu) 3 4 負(fù)荷分配規(guī)律 關(guān)于超靜定結(jié)構(gòu) 抑制點(diǎn)的負(fù)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(shí)空間中是自由變化的 但負(fù)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(lái)越多元化 許多限制材料加工進(jìn)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(lái)越復(fù)雜 系統(tǒng)性能變得越來(lái)越好 例如 鋼扎廠(chǎng)的快速瞬 間反轉(zhuǎn)受彈性形變 粘流 散熱處理 水動(dòng)力潤(rùn)滑處理的 物理化學(xué)分子狀態(tài)的影響 另外 機(jī)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(huì)導(dǎo)致混亂 所以 這個(gè)主題將會(huì)在機(jī)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(zhǔn)的控制 在特定的物理?xiàng)l件下進(jìn)行操作的材料加工設(shè)備是一個(gè)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?yàn)樵诳刂颇Ｐ椭卸喾N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(jì)基于創(chuàng)新的知識(shí) 材料加工技術(shù)能促進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)的仿真通過(guò)類(lèi)似的設(shè)計(jì)和一致的設(shè)計(jì)是我們學(xué)習(xí)的主題 3 8 在特殊的領(lǐng)域里機(jī)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(qiáng)力場(chǎng) 溫度場(chǎng) 電磁場(chǎng)和流場(chǎng)中 工作 有建造特別物理界面的功能 雖然對(duì)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(jī)械裝置 例如 強(qiáng)調(diào)分配功能 破壞機(jī)理和在特定領(lǐng)域中的設(shè) 計(jì)標(biāo)準(zhǔn) 靜態(tài) 動(dòng)態(tài) 的硬度和阻尼 模糊設(shè)計(jì)和明朗設(shè)計(jì)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(zhǔn)材料加工設(shè)備 的技術(shù)問(wèn)題將會(huì)為21世紀(jì)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(jì) 姓 名 班 級(jí) 學(xué) 號(hào) 指導(dǎo)老師 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 2 摘 要 X Y 數(shù)控工作臺(tái)改裝設(shè)計(jì)是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 實(shí)現(xiàn)方便并 且能夠保證一定的精度 本文主要對(duì) Z3063 工作臺(tái)的機(jī)械部分和控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì) 對(duì)滾珠絲杠 滾動(dòng)導(dǎo)軌及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)做了設(shè)計(jì)計(jì)算及選用 并也對(duì)軸承座進(jìn)行了分析和選擇 另外也利用 AutoCAD 進(jìn)行了裝配圖的繪制 對(duì)其導(dǎo)軌座的設(shè)計(jì)及各零部件的 安裝也作了比較詳細(xì)的說(shuō)明 針對(duì)滾珠絲杠的計(jì)算 通過(guò)對(duì)滾珠絲杠的動(dòng)載荷 及靜載荷的計(jì)算 確定所要絲杠的動(dòng)靜載荷值 并選擇 針對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌 分別 計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)載荷及其工作壽命來(lái)確定滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù) 并選取 針對(duì)步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選取 我分別作了其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算 根據(jù)所得的數(shù)據(jù) 作步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 關(guān)鍵詞 XY 工作臺(tái) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 滾動(dòng)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(jì) 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(dá)國(guó)家數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 1 1 2 2 國(guó)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(tái)改造總體方案 3 2 1 Z3063 搖臂鉆床簡(jiǎn)介 3 2 2 機(jī)械改造方案 5 2 2 1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng) 5 2 2 2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 6 2 2 3 X Y 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 6 第三章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算 7 3 1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 7 3 2 初步確定工作臺(tái)的尺寸及其重量 7 3 3 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇 8 3 3 1 求絲杠的靜載荷 9 3 3 2 確定動(dòng)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(jì)算 10 3 3 6 剛度過(guò)驗(yàn)算 11 3 4 滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇 11 3 4 1 導(dǎo)軌的型號(hào) 12 3 4 2 導(dǎo)軌的受力分析 12 3 4 3 計(jì)算導(dǎo)軌的壽命 12 3 5 電機(jī)的計(jì)算 14 3 5 1 負(fù)載慣量的計(jì)算 17 3 5 2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 17 3 5 3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 18 3 6 齒輪計(jì)算 設(shè)計(jì) 19 第四章 精度分析 20 4 1 開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)誤差來(lái)源 20 4 2 系統(tǒng)誤差的消除 21 第五章 控制部分的設(shè)計(jì) 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(kuò)展電路設(shè)計(jì) 23 5 1 3 鍵盤(pán) 顯示接口電路 24 5 1 4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 25 5 1 5 其它輔助電路設(shè)計(jì) 26 5 2 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 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(jì)技術(shù) 28 5 2 3 步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì) 28 結(jié)論 30 致謝 31 參考文獻(xiàn) 31 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法 用數(shù)控技術(shù)實(shí)施加工控制的機(jī)床 或者說(shuō)裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱(chēng)為數(shù)控 Numerical Control 機(jī) 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(dòng)器及進(jìn)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(lái)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(kuò)大 他對(duì)國(guó)計(jì)民生 的一些重要行業(yè) IT 汽車(chē) 輕工 醫(yī)療等 的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用 因?yàn)?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(shì) 1 2 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 1 2 1 發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 美 德 日三國(guó)是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研 設(shè)計(jì) 制造和使用上 技術(shù) 最先進(jìn) 經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家 因其社會(huì)條件不同 各有特點(diǎn) 1 美國(guó)的數(shù)控發(fā)展史 美國(guó)政府重視機(jī)床工業(yè) 美國(guó)國(guó)防部等部門(mén)因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī) 床的發(fā)展方向 科研任務(wù) 并且提供充足的經(jīng)費(fèi) 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(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新 如 1952 年研制 出世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)等 由於美國(guó)首先結(jié)合汽車(chē) 軸承生產(chǎn)需求 充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化所需的自動(dòng)線(xiàn) 而且電子 計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界 上領(lǐng)先 因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì) 制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí) 且一貫重視 科研和創(chuàng)新 故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先 當(dāng)今美國(guó)生產(chǎn)宇航 等使用的高性能數(shù)控機(jī)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(jì) 80 代政府一度放松了引導(dǎo) 致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢 于 1982 年被后進(jìn)的日本超過(guò) 并大量進(jìn)口 從 90 年代起 糾正過(guò)去偏向 數(shù)控機(jī)床技 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 2 術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?產(chǎn)量又逐漸上升 2 德國(guó)的數(shù)控發(fā)展史 德國(guó)政府一貫重視機(jī)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(tái)數(shù)控機(jī)床后 德國(guó)特別注重科學(xué)試驗(yàn) 理論與實(shí)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(mén)緊密合作 對(duì)數(shù)控機(jī)床的共性 和特性問(wèn)題進(jìn)行深入的研究 在質(zhì)量上精益求精 德國(guó)的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能 良好 先進(jìn)實(shí)用 貨真價(jià)實(shí) 出口遍及世界 尤其是大型 重型 精密數(shù)控機(jī) 床 德國(guó)特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用 其機(jī) 電 液 氣 光 刀具 測(cè)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(mén) 子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng) 均為世界聞名 競(jìng)相采用 3 日本的數(shù)控發(fā)展史 日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視 通過(guò)規(guī)劃 法規(guī) 如 機(jī)振法 機(jī)電法 機(jī)信法 等 引導(dǎo)發(fā)展 在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國(guó) 在質(zhì)量管理 及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國(guó) 甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán) 自 1958 年研制出第一臺(tái) 數(shù)控機(jī)床后 1978 年產(chǎn)量 7 342 臺(tái) 超過(guò)美國(guó) 5 688 臺(tái) 至今產(chǎn)量 出口量一直 居世界首位 2001 年產(chǎn)量 46 604 臺(tái) 出口 27 409 臺(tái) 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(jī)床 大量出口 占去世界廣大市場(chǎng) 在上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始進(jìn)一步加強(qiáng)科研 向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展 日本 FANUC 公司戰(zhàn)略正 確 仿創(chuàng)結(jié)合 針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)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(guò) 600 人 月產(chǎn) 能力 7 000 套 銷(xiāo)售額在世界市場(chǎng)上占 50 在國(guó)內(nèi)約占 70 對(duì)加速日本和 世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用 1 2 2 國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代 通過(guò) 六五 期間引進(jìn)數(shù)控 技術(shù) 七五 期間組織消化吸收 科技攻關(guān) 我國(guó)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相 當(dāng)大的成績(jī) 特別是最近幾年 我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速 1998 2004 年國(guó)產(chǎn)數(shù) 控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長(zhǎng)率分別為 39 3 和 34 9 盡管如此 進(jìn)口 機(jī)床的發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁 從 2002 年開(kāi)始 中國(guó)連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第 一大國(guó) 機(jī)床進(jìn)口第一大國(guó) 2004 年中國(guó)機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá) 94 6 億美元 國(guó)內(nèi) 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)方面與國(guó)外的差距更加 明顯 70 以上的此類(lèi)設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴(lài)進(jìn)口 由此可以看出 國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力 究其原因主要在于 國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)深度不夠 制造水平依然落后 服務(wù)意識(shí)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(shì) 充分認(rèn)識(shí)國(guó) 產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足 努力發(fā)展先進(jìn)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(dá)國(guó)家之問(wèn)的差距 第二章 Z3063 搖臂鉆床工作臺(tái)改造總體方案 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定系統(tǒng)的總體機(jī)械和控制系統(tǒng)方案 進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的 確定 執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定 伺服電機(jī)類(lèi)型及調(diào)速方案確定 計(jì)算機(jī)控 制系統(tǒng)的選擇 進(jìn)行方案的分析 比較和論證 對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造與 購(gòu)置新機(jī)床相比 一般可以節(jié)省 60 至 80 的費(fèi)用 改造費(fèi)用低 大大節(jié)省了 成本 特別是大型 特殊機(jī)床尤其明顯 一般大型機(jī)床改造 只需要花費(fèi)新機(jī) 床購(gòu)置費(fèi)用的 1 3 產(chǎn) 品 交 貨 期 短 機(jī) 床 經(jīng) 改 造 后 降 低 了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度 節(jié)省了勞 動(dòng)力 一個(gè)人可看管多臺(tái)機(jī)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(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng) 2 1 Z3063 搖臂鉆床簡(jiǎn)介 Z3063 鉆床是機(jī)械制造中使用廣泛的一類(lèi)機(jī)床 作為孔加工機(jī)床 主要用 來(lái)加工箱體 機(jī)架等外形較復(fù)雜 沒(méi)有對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的工件上的孔 鉆削加工 時(shí) 工件不動(dòng) 刀具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 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(tái)等部 分組成 由于搖臂鉆床運(yùn)動(dòng)部件較多 常采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng) Z3063 搖臂鉆 床共有 4 臺(tái)電動(dòng)機(jī) 一般采用籠型異步電動(dòng)機(jī) 其中 M1 為主電動(dòng)機(jī) 控制主軸 旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 單向旋轉(zhuǎn) 用機(jī)械變換完成加工螺紋所需要的正反向運(yùn) 動(dòng) 主軸的正反運(yùn)動(dòng)一般通過(guò)正反轉(zhuǎn)摩擦離合器來(lái)實(shí)現(xiàn) M2 為升降電動(dòng)機(jī) 控 制搖臂升降運(yùn)動(dòng) 雙向旋轉(zhuǎn) M3 為液壓泵電動(dòng)機(jī) M4 為冷卻電動(dòng)機(jī) 對(duì)加工的 道具進(jìn)行冷卻 手動(dòng)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(kuò)孔 鉸孔及攻螺紋等加工 適合本機(jī)床工作的溫度要 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 4 求在 0 到 45 攝氏度 大氣壓強(qiáng) 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(xiǎn) 不得有導(dǎo)電 塵埃 廠(chǎng)房?jī)?nèi)不得有雨雪侵襲 地面平整 清潔 室內(nèi)光線(xiàn)充足 機(jī)床安裝在 遠(yuǎn)離振源 熱源等地方 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 2 2 機(jī)械改造方案 2 2 1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng) 采用直角坐標(biāo)控制方式 在原機(jī)床的底座上設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的十字?jǐn)?shù)控滑臺(tái) 即提供了獨(dú)立的 X Y 坐標(biāo) Z 坐標(biāo)作為主軸的上下運(yùn)動(dòng) 通過(guò)機(jī)床手動(dòng)微進(jìn) 給軸傳入 采用連續(xù)控制系統(tǒng) 考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高 為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) 降低 成本 宜采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 6 2 2 2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 采用 ATMEL 公司的 AT89 系列單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng) 它 內(nèi)含 Flash 存儲(chǔ)器 在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改 同時(shí)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(shí)鐘方式可以節(jié)省電能 2 2 3 X Y 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊 采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng) 副 為提高傳動(dòng)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(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大 故選用滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副 從 而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù) 提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取 為達(dá)到分辨率的要求 以及 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配 采用齒輪減速傳動(dòng) 系統(tǒng)總體框圖 第三章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算 3 1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量 是個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作位移量 應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度 dp 一般為 0 01 0 005mm 3 2 初步確定工作臺(tái)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(tái)的 工作臺(tái)的材料為 號(hào)鋼 其密度為315240m 45 取 因此 3 1085 7mkg kgN 8 9 3 2 1 工作臺(tái) 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(jì) 8 3 2 3 上導(dǎo)軌座 連電機(jī) 重量 初步取導(dǎo)軌座的長(zhǎng) 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(tái)運(yùn)動(dòng)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(jī)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(jì)計(jì)算及選擇 X 方向定位精度要求為 0 01mm 工作臺(tái)快進(jìn)速度定為 2m min 加速時(shí)間為 0 1s 絲杠分為滑動(dòng)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(jī)械元件 其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾?轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展 這一發(fā)展的深刻意義如同滾動(dòng) 軸承對(duì)滑動(dòng)軸承所帶來(lái)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(yùn)用于各種工業(yè)設(shè)備 精密儀器 精密數(shù)控機(jī)床 尤其是近年來(lái) 滾珠絲杠副 作為數(shù)控機(jī)床直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元 在機(jī)床行業(yè)得到廣泛運(yùn)用 極大的推動(dòng)了機(jī) 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(gè)方面的優(yōu)良特性 傳動(dòng)效 率高 定位精度高 傳動(dòng)可逆性 使用壽命長(zhǎng) 同步性能好 由于滾珠絲杠副 運(yùn)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(dòng)同 一裝置或多個(gè)相同部件時(shí) 可獲得很好的同步工作 滾珠絲杠與傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠相比 有以下優(yōu)點(diǎn) 一 與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng) 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(dòng)運(yùn) 動(dòng) 所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率 與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到 1 3 以下 即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)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(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng) 所以 啟動(dòng)力矩極小 不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象 能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 四 無(wú)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(dá)到 負(fù)值 進(jìn)而得到較高的剛性 滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加預(yù)壓力 在實(shí)際用于機(jī)械 裝置等時(shí) 由于滾珠的斥力可使絲杠螺母部的剛性增強(qiáng) 五 高速進(jìn)給可能 滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高 發(fā)熱小 所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 因此 在設(shè)計(jì) X 方向工作臺(tái)時(shí) 采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng) 滾珠絲杠負(fù)載有運(yùn)動(dòng) 部件和導(dǎo)軌之間的摩擦阻力 鉆頭切削時(shí)的絲杠受的軸向力 由于工作臺(tái)運(yùn)動(dòng) 時(shí)不進(jìn)行切削 而進(jìn)行切削時(shí) 絲杠受的軸向力很小 可以忽略不計(jì) 因此 絲杠的負(fù)載只按運(yùn)動(dòng)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(jì)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(shí)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(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) P182 因此 KMLHFc 398 3 3 2 確定動(dòng)載荷及其使用壽命 根據(jù)絲杠動(dòng)載荷公式 CFnC 41067 式中 額定動(dòng)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(tái)快進(jìn)的速度為 因此n min 2 其計(jì)算為 in 5 2 10max rPVn Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 10 所以 NFLnCC3921067 4 3 3 3 滾珠絲杠的選取 安裝尺寸 根據(jù)動(dòng)載荷及動(dòng)載荷和公稱(chēng)導(dǎo)程值的核對(duì) 最后選取的滾珠絲杠為天津龍創(chuàng)日 盛機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的 FFB2005 2 其公稱(chēng)直徑為 20mm 公稱(chēng)導(dǎo)程為 5mm 動(dòng)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(jì)算 因螺桿較長(zhǎng) 所以穩(wěn)定性驗(yàn)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(xiǎn)截面的軸慣性矩 長(zhǎng)度系數(shù) 查 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè) 得 1 絲杠的有效長(zhǎng)度是 240mm 49434 106 9 1 6mdIa 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 NlEIFacr 529922 1037 4 01 2 5 4 是安全的4 5 McrF 3 3 6 剛度過(guò)驗(yàn)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(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè) 滾動(dòng)螺旋 3 4 滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的介紹 一 滾動(dòng)直線(xiàn)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(jì) 12 當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí) 鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過(guò)淬硬和精密磨削加工而 成的四條滾道滾動(dòng) 在滑塊端部鋼球又通過(guò)返向裝置 返向器 進(jìn)入返向孔后 再進(jìn)入滾道 鋼球就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng) 返向器兩端裝有防塵密封 端蓋 可有效地防止灰塵 屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部 二 特點(diǎn) 滾動(dòng)直線(xiàn)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(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng) 靜 摩擦力之差很小 隨動(dòng)性極好 即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)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(dòng)功率大幅度下降 只相當(dāng)于普 通機(jī)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(xiàn)運(yùn)動(dòng) 其瞬時(shí)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約 10 倍 能實(shí)現(xiàn)高定位精度和 重復(fù)定位精度 動(dòng)摩擦 大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力 從而獲得 能實(shí) 現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng) 提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度 成對(duì)使用導(dǎo)軌副時(shí) 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(jī)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(diǎn)接觸時(shí)大大提高 滾動(dòng)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(jī)械性能 簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造 3 4 1 導(dǎo)軌的型號(hào) 查 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè) 1 卷下冊(cè) 6 篇 3 章 選用 GGB20BA 型導(dǎo)軌 表 6 3 11 選擇導(dǎo)軌精度等級(jí)為 4 級(jí) 每個(gè)托板有兩條導(dǎo)軌 每條導(dǎo)軌有兩個(gè) 滑塊 由于絲杠的直徑為 20mm 跟根 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè) 所給的選用方 法 選用導(dǎo)軌的規(guī)格為 20 查 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè) 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(tái)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(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 A 70 b 80 當(dāng)機(jī)床沒(méi)有切削時(shí) NabGF7 1047285 1 總abGFb 9702 58 12 總 當(dāng)機(jī)床在切削時(shí)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(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè) 得 GGB 型號(hào)規(guī)格為 20 的導(dǎo)軌的動(dòng)載荷為 11 6KN 3 4 3 計(jì)算導(dǎo)軌的壽命 5 3 cwtCf 式中 f t 溫度系數(shù) 查 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè) 表 6 3 3 取 ft 1 fc 接觸系數(shù) 查 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè) 表 6 3 4 f c 0 81 fw 載荷系數(shù) 查 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè) 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(shí) 假設(shè)每分鐘走 6 個(gè)行程 則 所選用的導(dǎo)軌壽命比要求壽命要長(zhǎng) 所以合格 kh 2 140 0833 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 14 我選定的導(dǎo)軌副的型號(hào)為 GGB20BA 其尺寸見(jiàn)上圖 來(lái)自昆山春 本自動(dòng)化設(shè)備有限公司 3 5 電機(jī)的計(jì)算 數(shù)控機(jī)床上可以用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)控制 這里先對(duì)兩者進(jìn)行一下性能 比較 以便更好的選擇合適的電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)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(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中 步進(jìn)電機(jī)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(jī)也越來(lái)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(shì) 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī) 雖然兩者在控制方式上相似 脈沖串和方向信號(hào) 但 在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)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(jìn)電機(jī)步距角一般為 3 6 1 8 五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為 0 72 0 36 也有一些高性能的步進(jìn) 電機(jī)步距角更小 如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī) 其步距 角為 0 09 德國(guó)百格拉公司 BERGER LAHR 生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其 步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)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(jìn)電機(jī)的步距角 交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)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(jī)為例 對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn) 2500 線(xiàn)編碼器的電機(jī)而言 由于驅(qū)動(dòng)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(duì)于帶 17 位編碼器 的電機(jī)而言 驅(qū)動(dòng)器每接收 131072 個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈 即其脈沖當(dāng)量為 360 131072 是步距角為 1 8 的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的 1 655 第二 低頻特性不同 步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象 振動(dòng)頻率 與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān) 一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半 這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不 利 當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí) 一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象 比 如在電機(jī)上加阻尼器 或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等 交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平 穩(wěn) 即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象 交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能 可 涵蓋機(jī)械的剛性不足 并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能 FFT 可檢測(cè)出機(jī)械 的共振點(diǎn) 便于系統(tǒng)調(diào)整 第三 矩頻特性不同 步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降 且在較高 轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)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(jī) 為恒力矩輸出 即在其額定轉(zhuǎn)速 一般為 2000RPM 或 3000RPM 以?xún)?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(guò)載能力不同 步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力 交流伺服電機(jī)具有 較強(qiáng)的過(guò)載能力 以松下交流伺服系統(tǒng)為例 它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)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(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩 步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力 在選型時(shí)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(jì) 16 選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī) 而機(jī)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(fèi)的現(xiàn)象 第五 運(yùn)行性能不同 步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制 啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載 過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象 停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象 所以為保 證其控制精度 應(yīng)處理好升 降速問(wèn)題 交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制 驅(qū)動(dòng) 器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣 內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán) 一般不 會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)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(jìn)電機(jī)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(jī)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(chǎng)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(jìn)電機(jī) 但在一些要求 不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī) 所以 在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)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(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī) 它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?即 給一個(gè)脈沖 步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個(gè)角度 因此非常合適單片機(jī)控制 在非超載的 情況下 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù) 而不受 負(fù)載變化的影響 電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角 同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的無(wú)累積 誤差 精度高 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn) 第一 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成 正比 因此 當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后 沒(méi)有累計(jì)誤差 具有良好的跟隨性 第二 由步 進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng) 既簡(jiǎn)單 廉價(jià) 又非?？煽?同時(shí) 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(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng) 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(dòng)負(fù)載 第 五 步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行 不能直接使用交流電源和直流 電源 第六 步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象 必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取 相應(yīng)措施 步進(jìn)電機(jī)有兩種工作方式 整步方式和半步方式 以步進(jìn)角 1 8 四相混 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 合式步進(jìn)電機(jī)為例 在整步方式下 步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖 旋轉(zhuǎn) 1 8 旋轉(zhuǎn)一周 則需要 200 個(gè)脈沖 在半步方式下 步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖 旋 轉(zhuǎn) 0 9 旋轉(zhuǎn)一周 則需要 400 個(gè)脈沖 控制步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)必須按一定時(shí)序 對(duì)步進(jìn)電機(jī)引線(xiàn)輸入脈沖 步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí) 會(huì)有振動(dòng)大 噪聲大的缺點(diǎn) 如果使用細(xì)分方式 就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題 步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制 從本質(zhì)上講是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電 機(jī)勵(lì)磁繞組中電流的控制 使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng) 從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分 一般情況下 合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步 進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小 相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的 大小 步進(jìn)電機(jī)半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分的工作原理 通過(guò)以上信息 可知本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)控制精度要求不需要很高 考慮成 本因素等等 選擇步進(jìn)電機(jī)控制 下面對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算選型 3 5 1 負(fù)載慣量的計(jì)算 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 45433 402 107 3 2 185 71 mkgdlmRJ 絲 工作臺(tái)的轉(zhuǎn)去慣量 2523 2412 106 05 978 6 kgpmpJ 臺(tái) 工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 252 32 9 1 pmJ 工工 255510 6 07 3mkg 臺(tái)絲空 249 19JJ 臺(tái)工絲切 3 5 2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 快速空程啟動(dòng)時(shí)電機(jī)所需力矩 最大切削負(fù)載時(shí)電0maxMf 空 機(jī)所需力矩 快給速進(jìn)時(shí)電機(jī)所需力矩tfatM0 切 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 18 0Mf 進(jìn) 由于電機(jī)與絲杠間直接用齒輪連接 所以傳動(dòng)鏈效率 取 0 9 滾球未加 預(yù)緊力時(shí)的效率 0 取 0 93 鉆床在 X Y 軸進(jìn)給方向是沒(méi)有切削力的 所以 沒(méi)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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(hào)為 60BYG550A 的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 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(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 3 6 齒輪計(jì)算 設(shè)計(jì) 根據(jù)本部分的第一步所初選的電機(jī)步距角和脈沖當(dāng)量 又已知滾珠絲杠螺 距 t 5mm 在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)比 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 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(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件所構(gòu)成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)具有功能簡(jiǎn)單 價(jià)格低廉等特點(diǎn) 在一些經(jīng)濟(jì)型普通數(shù)控機(jī)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(dòng)能力較小等問(wèn)題 特別是控制精度問(wèn)題在實(shí)際 中最引人關(guān)注 4 1 開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)誤差來(lái)源 本設(shè)計(jì)中的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng) 工作臺(tái)沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置 控制系統(tǒng)發(fā)出的信 號(hào)只是單向傳遞 由控制系統(tǒng)傳向移動(dòng)工作臺(tái) 控制系統(tǒng)對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置 不作檢測(cè) 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(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度 對(duì)于步進(jìn)電機(jī) 步距角 對(duì)精度有顯著的影響 若步距角顯著減小 轉(zhuǎn)子達(dá)到新穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)所具有的動(dòng)能 變小 振動(dòng)也變小 精度得到提高 低速運(yùn)行時(shí)的平滑性也得到提高 反之 會(huì)使精度變差 除了伺服系統(tǒng)的性能對(duì)工作臺(tái)的精度有影響 減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)間 隙 滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙及其剛度 齒輪減速機(jī)構(gòu) 支撐軸承也會(huì)影響系統(tǒng)精 度 滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度主要有兩個(gè)影響因素 其一 傳動(dòng)間隙 由于絲杠 支承存在傳動(dòng)間隙 機(jī)械傳動(dòng)鏈在改變方向時(shí) 會(huì)引起步進(jìn)電機(jī)的空走 而工 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 作臺(tái)并無(wú)實(shí)際移動(dòng) 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(tái)的位置精度 其二 絲杠的傳動(dòng)剛度 滾珠絲杠副和支承絲 杠的軸承在內(nèi)的傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度稱(chēng)為滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度 當(dāng)工作 臺(tái)切削進(jìn)給時(shí) 承受切削力 絲杠會(huì)產(chǎn)生彈性變形 此彈性變形會(huì)影響系統(tǒng)的 定位精度和傳動(dòng)精度 4 2 系統(tǒng)誤差的消除 對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō) 提高步距角精度 改善步距角特性 會(huì)提高定位精度 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的步距角與步進(jìn)電機(jī)定子繞組相數(shù) 通電方式系數(shù) 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn) 子齒數(shù)有關(guān) 所以合理選擇步進(jìn)電機(jī)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(xì)分電路 當(dāng)傳動(dòng)比一定時(shí) 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(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外形尺 寸 相數(shù)以及拍數(shù)的限制 沒(méi)有辦法做得很小 因而 只能采取細(xì)分電路 使 得步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組電流的切換按很小的階梯進(jìn)行 步進(jìn)電機(jī)在細(xì)分狀態(tài)下 步距角顯著減小 達(dá)到了提高精度的目的 本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)器自帶有細(xì)分的功 能 也可以說(shuō) 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(bǔ) 償電路 也稱(chēng)誤差較正電路 由于機(jī)械傳動(dòng)的間隙具有一定的穩(wěn)定性 很有可 能是一個(gè)常數(shù) 這個(gè)常數(shù)隨磨損緩慢增加 可由實(shí)際調(diào)整和測(cè)量來(lái)決定 可以 在工作臺(tái)反向或移動(dòng)有間隙誤差的位置時(shí) 用補(bǔ)充一定脈沖量的方法來(lái)消除誤 差 提高精度 對(duì)于提高絲杠副的傳動(dòng)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(lái)說(shuō) 更為簡(jiǎn)便易行 在實(shí)際中更常用 本設(shè)計(jì)中 絲杠副采用的是墊片預(yù)緊的方法來(lái)消除間隙 提高精度 為了提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性 避免齒輪在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生沖擊和噪聲 對(duì) 于30 60這一對(duì)齒輪還必須設(shè)計(jì)頂隙和側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu) 主動(dòng)輪裝在步進(jìn)電機(jī)軸上 而步進(jìn)電機(jī)的端面用螺釘與偏心套聯(lián)接 偏心 套裝在箱體上 轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套 這時(shí)步進(jìn)電機(jī)連同齒輪一同轉(zhuǎn)動(dòng) 從而可以調(diào)整主 動(dòng)輪與從動(dòng)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(cuò)齒調(diào)整法來(lái)實(shí)現(xiàn)的 支撐軸承采用預(yù)緊的方法來(lái)消除間隙 提高精度 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 22 第五章 控制部分的設(shè)計(jì) 5 1 確定硬件電路總體方案 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來(lái)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(xiàn) 包括數(shù)據(jù)總線(xiàn) DB 地址總線(xiàn) AB 控制總線(xiàn) CB 3 存儲(chǔ)器 包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(hào)變換電路 其中信號(hào)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(shí)現(xiàn)微 機(jī)與控制對(duì)象之間的信號(hào)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(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中 CPU 的選擇應(yīng)考慮以下要素 1 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng) 控制數(shù)據(jù)處理的速度 2 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器 ROM RAM 的容量 3 指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng) 4 I O 口擴(kuò)展的能力 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 23 5 開(kāi)發(fā)手段 包括支持開(kāi)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(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展 單片 機(jī)的型號(hào)很多 而目前市場(chǎng)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(jī) 89C51 價(jià)格低廉 而性能優(yōu)良 功能強(qiáng)大 從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)看 選用較老的 8051 單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù) 存儲(chǔ)器 無(wú)疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格 而選用高性能的 16 位 MCS 96 又顯得過(guò)于浪費(fèi) 生產(chǎn)基于 51 為內(nèi)核的單片機(jī)的廠(chǎng)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(jī)內(nèi)含 Flash 存儲(chǔ)器 在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以十分容易的進(jìn)行程 序修改 同時(shí)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(shí)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(chǔ)器 S 表示含有串行下載 Flash 存儲(chǔ)器 AT89S51 的性能參數(shù)為 Flash 存儲(chǔ)器容量為 4KB 16 位定時(shí)器 2 個(gè) 中斷 源 6 個(gè) 看門(mén)狗中斷 接收發(fā)送中斷 外部中斷 0 外部中斷 1 定時(shí)器 0 和定 時(shí)器 1 中斷 RAM 為 128B 14 位的計(jì)數(shù)器 WDT I O 口共有 32 個(gè) 5 1 2 I O 口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) CPU 接口部分包括傳感器部分 傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分 人機(jī)交互界面三部分 示意圖 如下所示 行程開(kāi)關(guān) 前向通道 傳動(dòng)驅(qū)動(dòng) 步進(jìn)電機(jī) 人機(jī)界面 傳 感 器 AT89S51 鍵盤(pán) 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(jì) 24 1 將行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)讀入 CPU 通過(guò)中斷進(jìn)行處理 它的優(yōu)先級(jí)別最高 2 通過(guò)程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)的運(yùn)行 3 接受鍵盤(pán)中斷指令 并響應(yīng)指令 將當(dāng)前行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)和鍵盤(pán)狀態(tài)反 應(yīng)到 LED 上 實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用 由于 AT89S51 只有 P1 口和 P3 口是準(zhǔn)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(jìn)行 I O 擴(kuò)展 考慮到電路的 簡(jiǎn)便性和可實(shí)現(xiàn)性 實(shí)際外擴(kuò)鎖存器的 8255 所以 AT89S51 的 I O 口線(xiàn)分配如 下 1 P1 0 P1 5 控制 X Y 兩個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)的 A B C 線(xiàn)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(gè)中斷源中 INT0 優(yōu)先級(jí)最高 它讀入行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài) 并觸發(fā)中斷 INT1 讀入點(diǎn)動(dòng) 復(fù)位 圓弧插補(bǔ)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷 4 P0 0 P0 7 外部 I O 擴(kuò)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(dòng) 1X 步進(jìn)電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 2Y 步進(jìn)電機(jī) P1 3 P1 5 P1 6驅(qū)動(dòng) 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(pán) 電磁鐵 8255 圖 5 2 AT89S51 控制系統(tǒng)圖 PB 口接 LED 反映當(dāng)前運(yùn)行的 8 個(gè)狀態(tài) X 禁止 X 禁止 Y 禁止 Y 禁止 手動(dòng) X 運(yùn)行 手動(dòng) X 運(yùn)行 手動(dòng) Y 運(yùn)行 手動(dòng) Y 運(yùn)行 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 PA 口低四位反映觸發(fā)中斷 1 的 4 個(gè)行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài) PC 口低 6 位反映了觸發(fā)中斷 2 的手動(dòng) X 運(yùn)行 手動(dòng) X 運(yùn)行 手動(dòng) Y 運(yùn)行 手動(dòng) Y 運(yùn)行 復(fù)位 RST 圓弧插補(bǔ) 6 個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài) 5 1 3 鍵盤(pán) 顯示接口電路 鍵盤(pán) 顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備 可以完成數(shù)據(jù)的輸 入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示 通常 數(shù)控系統(tǒng)都用行列式鍵盤(pán) 即用 I O 口線(xiàn)組成行 列接構(gòu) 按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)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(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī) 在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi) 電動(dòng)機(jī)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(jìn)電機(jī)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(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制 因而成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床最主要的一種的伺服驅(qū)動(dòng) 單元 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由圖 5 所示四部分組成 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn) 而且不需要反饋電路 設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量 為 0 01mm 步進(jìn)電機(jī)每走一步 工作臺(tái)直線(xiàn)行進(jìn) 0 01mm 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器 它具有較強(qiáng)的抗干擾性 而且具有保護(hù) CPU 的 作用 當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時(shí) 不會(huì)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(jì) 26 圖 4 3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 圖中僅為一相的驅(qū)動(dòng)電路 其余兩相與之相同 相繞組的通斷由開(kāi)關(guān)管 VT1 和 VT2 共同控制 VT2 的發(fā)射極接一個(gè)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(shí) VT1 和 VT2 兩個(gè)開(kāi)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(guò)給定電 壓 ua 的值時(shí) 比較器輸出低電平 使與門(mén)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(shí) 比較器輸出高電平 與門(mén)也輸出高電平 VT1 重新導(dǎo)通 直流電源又開(kāi)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(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式 三個(gè)線(xiàn)圈 A B C 其正轉(zhuǎn) 的通電順序?yàn)?A AB B BC C CA A 其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)?A AC C CB B BA A 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 27 步進(jìn)時(shí)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(shí)相電壓波形 正轉(zhuǎn) 5 1 5 其它輔助電路設(shè)計(jì) 1 AT89S51 的時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)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(gè)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(jī)的第 9 腳 RST 為復(fù)位引腳 系統(tǒng)上電后 時(shí)鐘電路開(kāi) 始工作 只要 RST 引腳上出現(xiàn)大于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間的高電平即可引起單片機(jī) 執(zhí)行復(fù)位操作 有兩種方法可以使 AT89S51 單片機(jī)復(fù)位 即在 RST 引腳加上大 于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間的高電平或 WDT 計(jì)數(shù)溢出 單片機(jī)復(fù)位后 PC 0000H CPU 從程序存儲(chǔ)器的 0000H 開(kāi)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(duì) 電容的充電 RST 引腳的電壓呈指數(shù)規(guī)律下降 到 t1 時(shí)刻 VR 降為 3 6V 隨 著對(duì)電容充電的進(jìn)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(jī)復(fù)位 t1 必須大于兩個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間 機(jī)器周期取決于單片機(jī)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(jì) 28 3 越界報(bào)警電路 為了防止工作臺(tái)越界 可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān) 如是兩坐標(biāo)聯(lián) 動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng) 則有 4 個(gè)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(tái)移動(dòng) 可通過(guò)光電耦合器的輸入隔離電路 行程開(kāi)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(gè)方向的行程開(kāi)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(jì)成查詢(xún)的方法隨時(shí)檢測(cè)有無(wú)越界信號(hào) 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(cè)越界信號(hào) 為了報(bào)警 可以設(shè)置發(fā)光二極管 工作 時(shí)不亮 有越界信號(hào)時(shí) 紅燈亮 指示工作臺(tái)越過(guò)極限位置 5 2 控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 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(lái)實(shí)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(shí)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(bǔ)程序 插補(bǔ)程序根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算 分配進(jìn)給脈沖 4 伺服控制程序 伺服控制程序根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度 轉(zhuǎn)角及方向 5 診斷程序 診斷程序包括移動(dòng)部件移動(dòng)越界處理 緊急停機(jī)處理 系統(tǒng)故障診斷 查 09 屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì) 29 錯(cuò)等功能 6 機(jī)床的自動(dòng)加工與手動(dòng)控制程序 在調(diào)整機(jī)床時(shí)往往需要機(jī)床的手動(dòng)控制 7 鍵盤(pán)操作和顯示處理程序 鍵盤(pán)操作和顯示處理程序的功能包括監(jiān)視鍵盤(pán)操作 顯示加工程序 機(jī)床 工作狀態(tài) 操作命令等信息 5 2 2 程序設(shè)計(jì)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(jì) 應(yīng)可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能 在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)必須詳盡而細(xì)致地分析系統(tǒng)控制對(duì)象的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的 要求 在確定好控制方式 計(jì)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(yǔ)言編寫(xiě) 程序設(shè)計(jì)的方法通常有 模塊化程序設(shè)計(jì)和自頂向下程序設(shè)計(jì) 5 2 3 步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度 轉(zhuǎn)角及方向的控制 步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停 止時(shí) 由于負(fù)載和慣性 會(huì)使電機(jī)失步 所以步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)有一個(gè)加 減 速過(guò)程 通過(guò)確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔 即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控 制 經(jīng)過(guò)計(jì)算知加 減速脈沖個(gè)數(shù)都為 27 個(gè) 因?yàn)?所以nmtftfn axax21max2fnttn 計(jì)算時(shí)要根據(jù)脈沖時(shí)刻 tn查時(shí)間常數(shù)表 得脈沖時(shí)間間隔 T 再由 Te T 10 3 t e 10 6 求出時(shí)間常數(shù) Te 式中 T 脈沖時(shí)間間隔 ms t e 單片機(jī)機(jī)器周期 s 在時(shí)鐘為 6MHz 時(shí) t e 2 s 在 EPROM 存儲(chǔ)器中 時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為 1000H 的存儲(chǔ)單元中 每個(gè)時(shí)間常數(shù)占兩個(gè)字節(jié) 低位地址存放時(shí)間常數(shù)低 8 位 高位地址存放時(shí)間 Z3063 搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 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(jì)數(shù)器 N0 N1 N2 以計(jì)數(shù)器的 值是否為 0 作為相應(yīng)過(guò)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(jī)反轉(zhuǎn) ACALL XMOTOR0 X 電機(jī)反轉(zhuǎn)一步 ACC2 JNB ACC 2 LOOP0 MOV DIRY 00H 表 Y 電