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I 編號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 題 目 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)設(shè)計(jì) 所 在 學(xué) 院 專 業(yè) 班 級(jí) 姓 名 學(xué) 號(hào) 指 導(dǎo) 老 師 年 月 日 II 摘 要 本次設(shè)計(jì)是對數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)裝置的設(shè)計(jì) 在這里主要包括 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 裝 夾部位系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對設(shè)計(jì)工作的基本技能的訓(xùn)練 提高了 分析和解決工程技術(shù)問題的能力 并為進(jìn)行一般機(jī)械的設(shè)計(jì)創(chuàng)造了一定條件 整機(jī)結(jié)構(gòu)主要由電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生動(dòng)力通過聯(lián)軸器將需要的動(dòng)力傳遞到絲桿上 絲桿帶 動(dòng)絲桿螺母 從而帶動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng) 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動(dòng)化水平 更顯示其優(yōu)越 性 有著廣闊的發(fā)展前途 本論文研究內(nèi)容 1 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)裝置工作性能分析 3 電動(dòng)機(jī)的選擇 4 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)裝置的傳動(dòng)系統(tǒng) 執(zhí)行部件及機(jī)架設(shè)計(jì) 5 對設(shè)計(jì)零件進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算分析和校核 6 繪制整機(jī)裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計(jì)零件的零件圖 關(guān)鍵詞 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)裝置 聯(lián)軸器 滾珠絲杠 III Abstract This design is the design of CNC automatic feeder device Here mainly includes transmission system design the clamping part of the system design system design of the graduation design to the design work in basic skills training improve the ability to analyze and solve engineering problems and create a condition for general mechanical design The whole machine structure is mainly produced by the motor power by coupling will need power is passed on to the lead screw screw drive screw nut thus promote the machine movement improve labor productivity and production automation level More shows its superiority has a wide development future In this paper the research content 1 CNC automatic feeder device structure design as a whole 2 CNC automatic feeder device performance analysis 3 the choice of the motor 4 the numerical control automatic feeder device of the drive system and frame design execution parts 5 the design and calculation analysis was carried out on the design of parts and check 6 to draw the whole machine assembly drawings and detail drawings of the parts assembly drawing and design Key words CNC automatic feeder device coupling ball screw IV 目 錄 摘 要 II Abstract III 1 緒論 1 1 1 課題的背景 1 1 2 課題的意義 1 1 3 本課題研究的內(nèi)容及方法 1 1 3 1 主要的研究內(nèi)容 1 1 3 2 設(shè)計(jì)要求 2 1 3 3 關(guān)鍵的技術(shù)問題 2 2 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 3 2 1 設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù) 3 2 2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)圖 3 3 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī) X 方向進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì) 4 3 1 X 向滾珠絲桿副的選擇 4 3 1 1 導(dǎo)程確定 4 3 1 2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 5 3 1 3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 5 3 1 4 確定絲桿的等效負(fù)載 5 3 1 5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 5 3 1 6 精度的選擇 6 3 1 7 選擇滾珠絲桿型號(hào) 7 3 2 校核 7 3 2 1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 7 3 2 2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 8 3 2 3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 8 3 3 電機(jī)的選擇 9 3 3 1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 9 3 3 2 電機(jī)扭矩計(jì)算 10 V 4 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī) Y 方向進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì) 12 4 1 滾珠絲杠計(jì)算 選擇 12 4 2 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 14 4 3 Y 軸滾導(dǎo)軌副的計(jì)算 選擇 17 5 機(jī)架的設(shè)計(jì) 19 5 1 對機(jī)架結(jié)構(gòu)的基本要求 19 5 2 機(jī)架的結(jié)構(gòu) 20 5 3 橫梁設(shè)計(jì) 21 5 4 機(jī)架的基本尺寸的確定 23 5 5 架子材料的選擇確定 23 5 6 主要梁的強(qiáng)度校核 24 6 橫縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制程序的編制 26 6 1 控制系統(tǒng)硬件的基本組成 26 6 2 接口程序初始化及步進(jìn)電機(jī)控制程序 27 6 3 直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì) 31 參考文獻(xiàn) 39 結(jié)論 40 致謝 42 1 1 緒論 1 1 課題的背景 在我國和國外的生產(chǎn)和研究中 自動(dòng)送料方式有很多種 但是在這些產(chǎn)品中 存 在著一些問題 如日本的RF20SD OR11機(jī)械手送料裝置與沖床做成一體 從橫向 側(cè)面 送料 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 裝配 制造 維修困難 價(jià)格昂貴 又不適合于我國沖床的縱向送 料的要求 RF20SD OR11的結(jié)構(gòu)由沖床上的曲軸輸出軸 通過花鍵軸伸縮 球頭節(jié)部 件聯(lián)接機(jī)械手齒輪 由傘齒輪 圓柱齒輪 齒條 凸輪 撥叉 絲桿等一系列傳動(dòng)件 使機(jī)械手的夾爪作伸縮 升降 夾緊 松開等與沖床節(jié)拍相同的動(dòng)作來完成送料 另 設(shè)一套獨(dú)立驅(qū)動(dòng)可移式輸送機(jī) 通過隔料機(jī)構(gòu)將工件輸送至預(yù)定位置 這樣一套機(jī)構(gòu) 的配置僅局限于日本設(shè)備 不能應(yīng)用于國產(chǎn)沖床 國內(nèi)有的送料機(jī)構(gòu)由沖床工作臺(tái)通 過連桿彈簧驅(qū)動(dòng)滑塊在滑道上水平滑動(dòng) 將斜道上下來的料 通過隔料機(jī)構(gòu)推到模具 中心 并聯(lián)動(dòng)打板將沖好的料撥掉 往復(fù)運(yùn)動(dòng)的一整套機(jī)構(gòu)比較簡單 無輸送機(jī)構(gòu) 聯(lián)動(dòng)可靠 制造容易 但機(jī)械手不能將料提升 夾緊 料道傾斜放置靠料自重滑下 如規(guī)格重量變動(dòng) 則料道上工件下滑速度不一致 易產(chǎn)生疊料 推料機(jī)構(gòu)役有將料夾 緊 定位不正 增加廢品率 使用也不安全 1 2 課題的意義 本課題主要是貫穿著各種物料的流動(dòng)和儲(chǔ)運(yùn) 物料給料輸送機(jī)是機(jī)械制造系統(tǒng)的重要 組成部分 它將制造系統(tǒng)中的物料 如毛坯 半成品 成品 工夾具等 及時(shí)準(zhǔn)確地 送到指定加工位置 倉庫或裝卸站 計(jì) 現(xiàn)在要求設(shè)計(jì)自動(dòng)送料機(jī)構(gòu) 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)送料 消除積累誤差 同時(shí)可以減少勞動(dòng)力成本 目前在生產(chǎn)中還是采用手工模式 即是一 人看一臺(tái)機(jī)器 人工送料 這種生產(chǎn)模式生產(chǎn)效率很低 既浪費(fèi)勞動(dòng)力也會(huì)讓工人很 疲倦 而且人工送料會(huì)產(chǎn)生累積誤差 為了解決這些問題 減少生產(chǎn)成本 結(jié)合國內(nèi) 外送料機(jī)構(gòu)的特點(diǎn) 采用伺服電機(jī)與送料機(jī)構(gòu)為配合的主要裝置 設(shè)計(jì)了具有推廣意 義的自動(dòng)送料機(jī) 1 3 本課題研究的內(nèi)容及方法 1 3 1 主要的研究內(nèi)容 在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識(shí)的資料和文獻(xiàn)基 2 礎(chǔ)上 綜合考慮數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)的 推廣應(yīng)用 分析確定使用數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)配合生產(chǎn)工序 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的目的 為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo) 本文擬進(jìn)行的研究內(nèi)容如下 1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求和數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 確定數(shù)控自動(dòng)送料 機(jī)整體設(shè)計(jì)方案 2 確定數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)的性能參數(shù) 對初步進(jìn)行靜力學(xué)分析 根據(jù)實(shí)際情況選擇電 機(jī) 3 從所要功能的實(shí)現(xiàn)出發(fā) 完成數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 完成主要零部件強(qiáng)度與剛度校核 1 3 2 設(shè)計(jì)要求 1 根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的功能 提出數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案 2 完成數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì) 3 通過相關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算 完成電機(jī)選型 4 完成數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 繪制數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)結(jié)構(gòu)總裝配圖 主要零件 圖 1 3 3 關(guān)鍵的技術(shù)問題 1 方案選擇 2 整體的支撐架設(shè)計(jì) 3 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 4 強(qiáng)度校核 3 2 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 2 1 設(shè)計(jì)的要求與數(shù)據(jù) 在自動(dòng)化制造系統(tǒng)中 伴隨著制造過程的進(jìn)行 貫穿著各種物料的流動(dòng)和儲(chǔ)運(yùn) 物料給料輸送機(jī)是機(jī)械制造系統(tǒng)的重要組成部分 它將制造系統(tǒng)中的物料 如毛坯 半成品 成品 工夾具等 及時(shí)準(zhǔn)確地送到指定加工位置 倉庫或裝卸站 在制造系 統(tǒng)中 物料首先輸入到物料流動(dòng)與儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)中 然后由物料輸送系統(tǒng)送至指定位置 本課題設(shè)計(jì)的數(shù)控自動(dòng)送料機(jī)具有可實(shí)現(xiàn)橫縱向進(jìn)給的工作臺(tái)和機(jī)座組成 工作臺(tái)面 可附加氣動(dòng)夾具與零件 隨行夾具進(jìn)行裝夾 與帶式傳送機(jī) 滾筒式輸送機(jī)等輸送裝 置組成自動(dòng)化輸送系統(tǒng) 對實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)自動(dòng)化具有重要意義 本設(shè)計(jì)主要完成自動(dòng)給料機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu) 工作臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 工 作臺(tái) 運(yùn)動(dòng)軌道設(shè)計(jì) 橫縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制程序的編制 技術(shù)參數(shù) 工作臺(tái)臺(tái)面尺寸 1230 x970mm 工作臺(tái)高度 870mm 送料速度 120pcs min 步距 110mm 電機(jī)功率 1Kw 2 2 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)圖 開環(huán)伺服系統(tǒng) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 沒有檢測裝置 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 脈沖編碼器 速度反饋 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 交流或直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 位置檢測裝置 位置反饋 本設(shè)計(jì)采用開環(huán)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 傳動(dòng)初步設(shè)計(jì) 電動(dòng)機(jī) 聯(lián)軸器 滾珠絲杠 工作臺(tái) 4 3 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī) X 方向進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì) 表 3 1 滾珠絲桿副支承 支承 方式 簡圖 特點(diǎn) 一端 固定 一端 自由 結(jié)構(gòu)簡單 絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速 都較低設(shè)計(jì)時(shí)盡量使絲桿受拉伸 這種安裝 方式的承載能力小 軸向剛度底 僅僅適用 于短絲桿 一端 固定 一端 游動(dòng) 需保證螺母與兩端支承同軸 故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 工藝較困難 絲桿的軸向剛度與兩端相同 壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的較高 絲 桿有膨脹余地 這種安裝方式一般用在絲桿 較長 轉(zhuǎn)速較高的場合 在受力較大時(shí)還得 增加角接觸球軸承的數(shù)量 轉(zhuǎn)速不高時(shí)多用 更經(jīng)濟(jì)的推力球軸承代替角接觸球軸承 兩端 固定 只有軸承無間隙 絲桿的軸向剛度為一端固 定的四倍 一般情況下 絲桿不會(huì)受壓 不 存在壓桿穩(wěn)定問題 固有頻率比一端固定要 高 可以預(yù)拉伸 預(yù)拉伸后可減少絲桿自重 的下垂和熱膨脹的問題 結(jié)構(gòu)和工藝都比較 困難 這種裝置適用于對剛度和位移精度要 求較高的場合 3 1 X 向滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿 螺母和滾珠組成的一個(gè)機(jī)構(gòu) 他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動(dòng)進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換 絲桿和螺母之間用滾珠做滾動(dòng)體 絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)帶動(dòng)滾珠 滾動(dòng) 5 3 1 1 導(dǎo)程確定 電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接 故其傳動(dòng)比 i 1 選擇電機(jī) Y 系列異步電動(dòng)機(jī)的最 高轉(zhuǎn)速 則絲杠的導(dǎo)程為cmkgfMrn 2min 150maxmax 最 大 轉(zhuǎn) 矩 取 Ph 12mmVPH150 18 axee 3 1 2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 基本公式 in rPnh 最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 min 1502 8max rV 最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 3 inih 絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取 故i 212mi1axrtttnm 21t n 0 i 3 1 3 估計(jì)工作臺(tái)質(zhì)量及負(fù)重 工作臺(tái)重量 NXgG784 902 移動(dòng)部件重量 m2 33 3 1 4 確定絲桿的等效負(fù)載 工作負(fù)載是指機(jī)床工作時(shí) 實(shí)際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力 他的數(shù)值用進(jìn)給 牽引力的實(shí)驗(yàn)公式計(jì)算 選定導(dǎo)軌為滑動(dòng)導(dǎo)軌 取摩擦系數(shù)為 0 03 K 為顛覆力矩影 響系數(shù) 一般取 1 1 1 5 本課題中取 1 3 則絲桿所受的力為 NGFGFGfKFZx 215 2 03 3 12 2 3y12yma 0in 其等效載荷按下式計(jì)算 式中取 21t1nNtnFFm49 321mi3ax 3 1 5 確定絲桿所受的最大動(dòng)載荷 316mhkahtwm10 nT ffCar 6 fw 負(fù)載性質(zhì)系數(shù) 查表 取 fw 1 2 ft 溫度系數(shù) 查表 取 ft 1 fh 硬度系數(shù) 查表 取 fh 1 fa 精度系數(shù) 查表 取 fa 1 fk 可靠性系數(shù) 查表 取 fk 1 Fm 等效負(fù)載 nz 等效轉(zhuǎn)速 Th 工作壽命 取絲桿的工作壽命為 15000h 由上式計(jì)算得 Car 17300N 表 3 1 1 各類機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間 Lh 表 3 1 2 精度系數(shù) fa 表 3 1 3 可靠性系數(shù) fk 表 3 1 4 負(fù)載性質(zhì)系數(shù) fw 7 3 1 6 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對電氣機(jī)床的定位精度會(huì)有影響 在滾珠絲杠精度參數(shù)中 導(dǎo) 程誤差對機(jī)床定位精度是最明顯的 一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意 300 行程變m 動(dòng)量 應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的 1 3 1 2 在最后精度驗(yàn)算中確定 選用滾珠30V 絲杠的精度等級(jí) X 軸為 1 3 級(jí) 1 級(jí)精度最高 Z 軸為 2 5 級(jí) 考慮到本設(shè)計(jì)的定 位精度要求及其經(jīng)濟(jì)性 選擇 X 軸 Y 軸精度等級(jí)為 3 級(jí) Z 軸為 4 級(jí) 3 1 7 選擇滾珠絲桿型號(hào) 計(jì)算得出 Ca Car 17 3KN 則 Coa 2 3 Fm 34 6 51 9 KN 公稱直徑 Ph 12mm 則選擇 FFZD 型內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器 雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副 絲桿的型號(hào)為 FFZD4010 3 公稱直徑 d0 40mm 絲桿外徑 d1 39 5mm 鋼球直徑 dw 7 144mm 絲桿底徑 d2 34 3mm 圈數(shù) 3 圈 Ca 30KN Coa 66 3KN 剛度 kc 973N m 3 2 校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動(dòng)固有頻率 其扭 轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率 承受軸向負(fù)荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度 KO有絲桿本身 的拉壓剛度 KS 絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度 KC 軸承的接觸剛度 Ka 螺母座的剛度 Kn 按不同支撐組合方式計(jì)算而定 3 2 1 臨界壓縮負(fù)荷驗(yàn)證 絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大 采用一端固定一端支撐的方式 臨界壓 縮負(fù)荷按下列計(jì)算 NFKLEIfFcr max201e 式中 E 材料的彈性模量 E 鋼 2 1X1011 N m 2 LO 最大受壓長度 m K1 安全系數(shù) 取 K1 1 3 Fmax 最大軸向工作負(fù)荷 N f1 絲桿支撐方式系數(shù) f 1 15 1 8 I 絲桿最小截面慣性距 m 4 42 2 1 6woddI 式中 do 是絲桿公稱直徑 mm dw 滾珠直徑 mm 絲桿螺紋不封閉長度 Lu 工作臺(tái)最大行程 螺母長度 兩端余量 Lu 300 148 20X2 488mm 支撐距離 LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長度 Lu 選取 LO 620mm 代入上式計(jì)算得出 Fca 5 8X108N 可見 Fca F max 臨界壓縮負(fù)荷滿足要求 3 2 2 臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)證 滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí) 需驗(yàn)算其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 要求絲杠的最crn 高轉(zhuǎn)速 2230KPAEILfnCZcr 式中 A 絲桿最小截面 A 24 6 22 m10 9 3 414 d 絲杠內(nèi)徑 單位 2dm P 材料密度 p 7 85 103 Kg m 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度 單位為 本設(shè)計(jì)中該值為cL 148 2 300 620 488 2 440mmc 安全系數(shù) 可取 0 82K2K fZ 絲杠支承系數(shù) 雙推 簡支方式時(shí)取 18 9 經(jīng)過計(jì)算 得出 6 3 104 該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速 所以滿足要求 crnmin r 3 2 3 絲桿拉壓振動(dòng)與扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度 Ke的計(jì)算公式LAEs maxin 9 式中 A 絲杠最小橫截面 2 4Adm 螺母座剛度 KH 1000N m 當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)到兩極位置時(shí) 有最大和最小拉壓剛度 其中 L 植分別為 750mm 和 100mm 經(jīng)計(jì)算得 min 1 2 1 sCHe KK sradmWB k 式中 K e 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度 N m KH 螺母座的剛度 N m K H 1000 N m Kc 絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度 N m KS 絲杠本身的拉壓剛度 N m KB 軸承的接觸剛度 N m 經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動(dòng)的固有頻率遠(yuǎn)大于 1500r min 能滿足要求 3 3 電機(jī)的選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運(yùn)動(dòng)的電磁執(zhí)行元件 每輸入一個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個(gè)距角增量 電機(jī)總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例 相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率 步進(jìn)電機(jī)具有慣量低 定位精度高 無累計(jì)誤差 控制簡單等優(yōu)點(diǎn) 所以廣泛用于機(jī)電一體化產(chǎn)品中 選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)首先要保證步 進(jìn)電機(jī)的輸出功率大于負(fù)載所需的功率 再者還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 負(fù)載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán) 境等因素 3 3 1 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 a 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 328md42LJR 上式中 d 直徑 絲桿外徑 d 39 5mm L 長度 1m P 鋼的密度 7800 2kg m 10 經(jīng)計(jì)算得 2m0 kg RJ b X 向直線運(yùn)動(dòng)件向絲桿折算的慣量 2 PMJL 上式中 M 質(zhì)量 X 向直線運(yùn)動(dòng)件 M 160kg P 絲桿螺距 m P 0 001m 經(jīng)計(jì)算得 2 810 4 9kgJL c 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 查表得 2 W 因此 28 m0 8kg4 10 9 4 0 LRJJ 3 3 2 電機(jī)扭矩計(jì)算 a 折算至電機(jī)軸上的最大加速力矩 atJnT602mxax 上式中 in 15xr J 0 0028kg m2 ta 加速時(shí)間 KS 系統(tǒng)增量 取 15s 1 則 ta 0 2s3ta 經(jīng)計(jì)算得 mNT 2 max b 折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩 IPF 20f 上式中 F 0 導(dǎo)軌摩擦力 F 0 Mf 而 f 摩擦系數(shù)為 0 02 F 0 Mgf 32N P 絲桿螺距 m P 0 001m 傳動(dòng)效率 0 90 I 傳動(dòng)比 I 1 經(jīng)計(jì)算得 NTf 75 0 11 c 折算至電機(jī)軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩 i2 1 2000 PT 上式中 P0 滾珠絲桿預(yù)加載荷 1500N 0 滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率為 0 9 經(jīng)計(jì)算的 T0 0 05N M 則快速空載啟動(dòng)時(shí)所需的最大扭矩 mNf 82 0max 根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 選擇電機(jī)型號(hào)為 SIEMENS 的 IFT5066 其額定轉(zhuǎn) 矩為 6 7 NA 12 4 數(shù)控自動(dòng)送料機(jī) Y 方向進(jìn)給傳動(dòng)設(shè)計(jì) 4 1 滾珠絲杠計(jì)算 選擇 初選絲杠材質(zhì) CrWMn 鋼 HRC58 60 導(dǎo)程 l0 5mm 強(qiáng)度計(jì)算 絲杠軸向力 N maxyxzyxWFfKF 其中 K 1 15 滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) f 0 003 0005 在車床車削外圓時(shí) Fx 0 1 0 6 Fz Fy 0 15 0 7 Fz 可取 Fx 0 5Fz Fy 0 6Fz 計(jì)算 取 f 0 004 則 40Z maxXF0 5 2161 67 58 104 6042YZNN 壽命值 其中絲杠轉(zhuǎn)速 r min 61 nTL0maxlvnmax065240 i13ThvnrlL 最大動(dòng)載荷 FfLQWH 式中 fW為載荷系數(shù) 中等沖擊時(shí)為 1 2 1 5 fH為硬度系數(shù) HRC 58 時(shí)為 1 0 查表得中等沖擊時(shí) 則 1 2 ff 360 4568709 5 4XY NQ 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式 并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠 絲杠的型號(hào)為 CM 系列滾珠絲桿副 其型號(hào)為 CM2005 5 其基本參數(shù)如下 13 其額定動(dòng)載荷為 14205N 足夠用 滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式 預(yù)緊方式采用雙yQ 螺母螺紋預(yù)緊形式 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表 名稱 計(jì)算公式 結(jié)果 公稱直徑 0d 20mm 螺距 t mm 接觸角 045 鋼球直徑 bd 3 175mm 螺紋滾道法向半徑 R0 52bd 1 651mm 偏心距 e sine 0 04489mm 螺紋升角 0tarcgd 0 43 14 螺桿外徑 d0 2 5 bdd 19 365mm 螺桿內(nèi)徑 11eR 16 788mm 螺桿接觸直徑 220cosb 17 755mm 螺母螺紋外徑 Dd 23 212mm 螺母內(nèi)徑 外循環(huán) 10 5 bd 20 7mm 1 傳動(dòng)效率計(jì)算 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 tg 式中 10 為摩擦角 為絲杠螺旋升角 0 43 1 0 96ggt tt 2 穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算 3 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為 cm ESFll01 Y 向所受牽引力大 故用 Y 向參數(shù)計(jì)算60622 21 5615 80 241 5 3 40FNlcmECMSRL 絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小 可忽略不計(jì) 導(dǎo)程變形總誤差 為 E 級(jí)精0 6 4110 56 22 102 lL um 度絲杠允許的螺距誤差 15 m m 15 4 2 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式 有 1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 2 21013 180pq bzJJJM 式中 為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載 為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為齒輪 的qJ 0J1J 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為齒輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為移動(dòng)部件的質(zhì)量 2 3J 對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算 340 781JDL 式中 為圓柱零件直徑 為圓柱零件的長度 D 所以有 34221234 2230 782 56 710 0 3 4 J kgcm 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小 可以忽略 所以有 22 2220 16 4710 16 57 10 0 793 3458dJ kgcm 步進(jìn)電機(jī)的選用 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算 設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為 負(fù)載力為 根據(jù)能量守恒原理 電機(jī)所做的功 與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系 TPs 式中 為電機(jī)轉(zhuǎn)角 為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移 為機(jī)械傳動(dòng)的效率 若取 b 則 且 所以 p szPGP 16 36 2pszbPGPT 式中 為移動(dòng)部件負(fù)載 N G 為移動(dòng)部件質(zhì)量 N 為與重力方向一致的作用sP z 在移動(dòng)部件上的負(fù)載力 N 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 為步進(jìn)電機(jī)的步距角 rad T b 為電機(jī)軸負(fù)載力矩 N cm 取 0 3 淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) 8 279 23 考慮 sPH 到重力影響 向電機(jī)負(fù)載較大 因此 1200 所以有 360 1 25 80 3 20180 3145 65 2 T ncm 考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響 則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 0 3 5QT 取系數(shù)為 則 65 216 24qTncm 對于工作方式為三相 拍的步進(jìn)電機(jī) max163 20 808 36 qTj nc 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 axmax 1760 0pvf 電機(jī)功率 1Kw 為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率 同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足maxf 夠大 查表選擇兩個(gè) 90BF001 型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下 型號(hào) 主要技術(shù)參數(shù) 17 相數(shù) 步距 角 電壓 V 相電 流 A 最大靜 轉(zhuǎn)矩 maxjT n m 空載啟 動(dòng)頻率 空載 運(yùn)行 頻率 分配方式 90BF001 4 0 9 80 7 3 92 2000 8000 4 相 8 拍 外形尺寸 mm 外直徑 長度 軸直徑 重量 kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Kg m 90 145 9 4 5 1764 4 3 Y 軸滾導(dǎo)軌副的計(jì)算 選擇 根據(jù)給定的工作載荷 Fz和估算的 Wx和 Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù) fSL C0 P 式中 C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷 kN 工作載荷 P 0 5 Fz W fSL 1 0 3 0 一般運(yùn)行狀況 3 0 5 0 運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊 振動(dòng) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌 因系統(tǒng)受中等沖擊 因此取 4 0sLf 0 5 OSLXYZfPFW xYYOXSL 20 671 58 3 79N 26CfP413 94 根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌 選擇漢機(jī)江機(jī)床廠 HJG D 系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 其型號(hào)為 HJG D25 基本參數(shù)如下 額定載荷 N 靜態(tài)力矩 N M 滑座重 量 導(dǎo)軌重 量 導(dǎo)軌長度 動(dòng)載荷 aC靜載荷 oATBCTgK gmL mm 17500 26000 198 198 288 0 60 3 1 760 滑座個(gè)數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復(fù)次數(shù) 18 M Sl n 4 0 6 4 導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷 N1750aC 依據(jù)使用速度 v m min 和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 kN 驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作aC 壽命 Ln 額定行程長度壽命 HTCaWffSFTK 2045MF1 81 oTWCHRdffffK 導(dǎo)軌的額 3 310 817502 5 4209 58HTCaWffSF km 定工作時(shí)間壽命 3102SoTHln 3 310249 58104971506SoTln hTh 導(dǎo)軌的工作壽命足夠 19 5 機(jī)架的設(shè)計(jì) 5 1 對機(jī)架結(jié)構(gòu)的基本要求 機(jī)架是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)支持件 一般用來放置重要部件 為了滿足機(jī)床高速度 高精度 高生產(chǎn)率 高可靠性和高自動(dòng)化程度的要求 與普通機(jī)床相比 機(jī)床應(yīng)有高 的靜 動(dòng)剛度 更好的抗振性 一 對機(jī)床的機(jī)架主要在以下 3 個(gè)方面提出了更高的要求 1 很高的精度和精度保持性 在機(jī)架上有很多安裝零部件的加工面和運(yùn)動(dòng)部件的導(dǎo)軌面 這些面本身的精度和 相互位置精度要求都很高 而且要長時(shí)間保持 另外 機(jī)床在切削加工時(shí) 所有的靜 動(dòng)載荷最后往往都傳到機(jī)架上 所以 機(jī)架受力很復(fù)雜 為此 為保證零部件之間的 相互位置或相對運(yùn)動(dòng)精度 除了滿足幾何尺寸位置等精度要求外 還需要滿足靜 動(dòng) 剛度和抗振性 熱穩(wěn)定性 工藝性等方面的技術(shù)要求 2 應(yīng)具有足夠的靜 動(dòng)剛度 靜剛度包括 機(jī)架的自身結(jié)構(gòu)剛度 局部剛度和接觸剛度 都應(yīng)該采取相應(yīng)的措 施 最后達(dá)到有較高的剛度 質(zhì)量比 動(dòng)剛度直接反映機(jī)床的動(dòng)態(tài)性能 為了保證機(jī)床 在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動(dòng)及自激振動(dòng)的能力 可 以通過適當(dāng)?shù)脑黾幼枘?提高固有頻率等措施避免共振及因薄壁振動(dòng)而產(chǎn)生噪音 3 較好的熱穩(wěn)定性 對機(jī)床來說 熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個(gè)突出問題 必須在設(shè)計(jì)上要做到使整機(jī)的熱 變形小 或使熱變形對加工精度的影響小 熱變形將直接影響機(jī)架的原有的精度 從 而是產(chǎn)品精度下降 如立軸矩臺(tái)平面磨床 立柱前臂的溫度高于后臂 是立柱后傾 其結(jié)果磨出的零件工作表面與安裝基面不平行 有導(dǎo)軌的機(jī)架 由于導(dǎo)軌面與底面存 在溫差 在垂直平面內(nèi)導(dǎo)軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形 因此 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)使熱 變形盡量小 二 機(jī)架機(jī)架設(shè)計(jì)的一般要求 1 在滿足強(qiáng)度和剛度的前提下 機(jī)架的重量應(yīng)要求輕 成本低 2 抗振性好 把受迫振動(dòng)振幅限制在允許范圍內(nèi) 3 躁聲小 20 4 溫度場分布合理 熱變形對精度的影響小 5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理 工藝性良好 便于鑄造 焊接和機(jī)械加工 6 結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整 方便修理和更換零部件 7 有導(dǎo)軌的機(jī)架要求導(dǎo)軌面受力合理 耐磨性良好 8 造型好 使之既適用經(jīng)濟(jì) 有美觀大方 5 2 機(jī)架的結(jié)構(gòu) 1 機(jī)架結(jié)構(gòu) 根據(jù)機(jī)床的類型不同 機(jī)架的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式 例如車床機(jī)架的結(jié)構(gòu) 形式有平機(jī)架 斜機(jī)架 平機(jī)架斜導(dǎo)軌和直立機(jī)架等四種類型 另外 斜機(jī)架結(jié)構(gòu)還能設(shè)計(jì)成封閉式斷面 這樣大大提高了機(jī)架的剛度 鉆高精 度立式萬能磨床 加工中心等這一類機(jī)床的機(jī)架結(jié)構(gòu)與車床有所不同 例如加工中心 的機(jī)架有固定立柱式和移動(dòng)立柱式兩種 前者一般使用于中小型立式和臥式加工中心 而后者又分為整體 T 形機(jī)架和前后機(jī)架分開組裝的 T 形機(jī)架 所謂 T 形機(jī)架是指機(jī)架 是由橫置的前機(jī)架和與它垂直的后機(jī)架組成 整體式機(jī)架 剛性和精度保持性都比較 好 但是卻給鑄造和加工帶來很大不便 尤其是大中型機(jī)床的整體機(jī)架 制造時(shí)需要 大型設(shè)備 而分離式 T 形機(jī)架 鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善 前后機(jī)架聯(lián)接 處要刮研 聯(lián)接時(shí)用定位鍵和專用定位銷定位 然后再沿截面四周 用大螺栓固緊 這樣聯(lián)接成的機(jī)架 再剛度和精度保持性方面 基本能滿足使用要求 這種分離式 T 形機(jī)架適用于大中型臥式加工中心 由于機(jī)架導(dǎo)軌的跨距比較窄 致使工作臺(tái)在橫溜 板上移動(dòng)到達(dá)行程的兩端時(shí)容易出現(xiàn)翹曲 將會(huì)影響加工精度 為了避免工作臺(tái)翹曲 有的立式加工中心增設(shè)了輔助導(dǎo)軌 2 機(jī)架的截面形狀 機(jī)床的機(jī)架通常為箱體結(jié)構(gòu) 合理設(shè)計(jì)機(jī)架的截面形狀及尺寸 采用合理布置的 肋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當(dāng)?shù)墓逃蓄l率 機(jī)架肋板一般根據(jù) 機(jī)架結(jié)構(gòu)和載荷分布情況 驚醒設(shè)計(jì) 滿足機(jī)架剛度和抗振性要求 V 形肋板有利于 加強(qiáng)導(dǎo)軌支承部分的剛度 斜方肋和對角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強(qiáng)機(jī)架的扭轉(zhuǎn)剛度 并且便 于設(shè)計(jì)成全封閉的箱形結(jié)構(gòu) 此外 還有縱向肋板和橫向肋板 分別對抗彎剛度和抗扭剛度有明顯效果 米字 形肋板和井字形肋板的抗彎剛度也較高 尤其是米字形肋板更高 21 3 機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 機(jī)架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí) 應(yīng)盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)并簡化表面形狀 根據(jù)本設(shè)計(jì)的具體情況 及要求 機(jī)架的結(jié)構(gòu)設(shè)如下 4 機(jī)架的設(shè)計(jì)步驟 根據(jù)機(jī)架上的零件 部件情況和設(shè)計(jì)要求初步確定機(jī)架及機(jī)架的結(jié)構(gòu)形狀和尺 寸 以保證機(jī)架內(nèi)外的零件能正常運(yùn)動(dòng) 根據(jù)產(chǎn)品批量和結(jié)構(gòu)形式初步確定制造方法 合理選擇材料 單件小批量的非 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備機(jī)架可以采用焊接和鍛喊結(jié)合的機(jī)架 分析承載情況 根據(jù)承載情況合理的選擇截面形式 確定主要設(shè)計(jì)參數(shù) 畫出結(jié)構(gòu)草圖 進(jìn)行必要的強(qiáng)度和剛度計(jì)算和尺寸修改 對重要設(shè)備的機(jī)架 還應(yīng)該進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和模擬實(shí)驗(yàn) 并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對 設(shè)計(jì)進(jìn)行修改 5 3 橫梁設(shè)計(jì) 梁設(shè)計(jì)的要求 與軸心受壓相仿 鋼梁設(shè)計(jì)應(yīng)考慮強(qiáng)度 剛度 整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定各個(gè)方面滿 足要求 1 梁的強(qiáng)度計(jì)算主要包括抗彎 抗剪和折算應(yīng)力等強(qiáng)度應(yīng)足夠 2 剛度主要是控制最大撓度不超過按受力和使用要求規(guī)定的容許值 3 整體穩(wěn)定指梁不會(huì)在剛度較差的側(cè)向發(fā)生彎扭失穩(wěn) 主要通過對梁的受壓翼緣設(shè)足 夠的側(cè)向支承 或適當(dāng)加大梁截面以降低彎曲壓應(yīng)力至臨界應(yīng)力以下 4 局部穩(wěn)定指梁的翼緣和腹板等板件不會(huì)發(fā)生局部凸曲失穩(wěn) 在梁中主要通過限制受 壓翼緣和腹板的寬厚比不超過規(guī)定 對組合梁的腹板則常設(shè)置加勁肋以提高其局部穩(wěn) 定性 梁的截面選擇 一 型鋼梁截面的選擇 型鋼梁截面應(yīng)滿足梁的強(qiáng)度 剛度 整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定四個(gè)要求 其中強(qiáng)度包 括抗彎 抗剪 局部壓應(yīng)力和折算應(yīng)力 由于型鋼截面的翼緣和腹板等板件常有足夠 的厚度 一般不必驗(yàn)算局部穩(wěn)定 無很大孔洞削弱時(shí)一般也不必驗(yàn)算剪應(yīng)力 局部壓 應(yīng)力和折算應(yīng)力只在有較大集中荷載或支座反力時(shí)計(jì)算 22 型鋼梁設(shè)計(jì)通常是先按抗彎強(qiáng)度 當(dāng)梁的整體穩(wěn)定有保證或 Mmax 處截面有較多 孔洞削弱時(shí) 或整體穩(wěn)定 當(dāng)需計(jì)算整體穩(wěn)定時(shí) 選擇型鋼截面 然后驗(yàn)算其它項(xiàng)目是否 足夠 不夠時(shí)再作調(diào)整 為了節(jié)省鋼材 應(yīng)盡量采用牢固連接于受壓翼緣的密鋪面板 或足夠的側(cè)向支承以達(dá)到不需計(jì)算整體穩(wěn)定的要求 按抗彎強(qiáng)度或整體穩(wěn)定 b 值可先估計(jì)假定 選擇單向 強(qiáng)軸 彎曲梁的型鋼截面時(shí) 所需要的截面抵抗矩為 2 腹板尺寸 梁高確定后腹板高也就確定了 腹板高為梁高減兩個(gè)翼緣的厚度 在取腹板高時(shí) 要考慮鋼板的規(guī)格尺寸 一般使腹板高度為 50mm 的模數(shù) 從經(jīng)濟(jì)角度出發(fā) 腹板薄 一些比較省鋼 但腹板厚度的確定要考慮腹板的抗剪強(qiáng)度 腹板的局部穩(wěn)定和構(gòu)造要 求 從抗剪強(qiáng)度角度來看 應(yīng)滿足下式 23 3 翼緣尺寸 由式 5 2 1 求得需要的凈截面模量 則整個(gè)截面需要的慣性矩為 5 4 機(jī)架的基本尺寸的確定 機(jī)架是支撐及其自動(dòng)變速器所有附件的可移動(dòng)機(jī)構(gòu) 要保證拆裝自動(dòng)變速器方便 安全 重量要輕 便于移動(dòng) 架子要有足夠的空間安裝 而且自動(dòng)變速器每個(gè)總成之 間要考慮它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系 考慮到這些方面的因素后要確定的一些自動(dòng)變速器尺 寸根據(jù)這些數(shù)據(jù) 大概確定架子的長高 這樣架子的地面的結(jié)構(gòu)就確定了 支撐自動(dòng) 變速器的部件是支撐板 支撐板固定在支承軸上 支承軸安裝在機(jī)架上 為了使機(jī)架能夠方便移動(dòng) 須在架子上裝輪子 因此在架子的 4 個(gè)側(cè)面通過螺栓 各連接兩個(gè)輪子 使得架子和輪子連接牢固 靠近轉(zhuǎn)盤這端安裝有鎖止裝置 使得架 子在任何位置都能停止固定 5 5 架子材料的選擇確定 架子的結(jié)構(gòu)確定后 就需要準(zhǔn)備材料 買材料時(shí)要考慮鋼材的性能 同時(shí)也要考 慮成本 再者還要考慮到其美觀 通過到市場調(diào)查分析后 臺(tái)架選用 60 60 的方 鋼和 50 50 的角鋼組合制作 其規(guī)格如表一所示 受力比較小的底架就用 50 的角鋼制作 其他的受力大的轉(zhuǎn)架就用 60 的方鋼制 作 在轉(zhuǎn)架與支撐板的固定處需要用軸連接 24 表一 鋼材的尺寸 規(guī)格 60 60 50 50 橫截面圖 長度 500 567 材料 Q235 Q235 5 6 主要梁的強(qiáng)度校核 考慮到一些外在壓力 按照重量為 600N 進(jìn)行校核 支承軸 160 查機(jī)械工程材 料 P105 頁表 5 2 得 Q235 鋼材的屈服強(qiáng)度 b 375 460MPa 取 b 375 MP a 解 和軸一樣建立如圖所示的坐標(biāo)系 以軸心為 x 軸 垂直上平面的直線為 y 軸 一端點(diǎn)為圓點(diǎn)建立如圖 6 1 所示的平 面直角坐標(biāo)系 因?yàn)?FRD 600N 把 RDE 從 D 點(diǎn)移到 E 后的受力情況如圖 6 1 所示 圖 6 1 得到一個(gè) F 和一個(gè)力矩 M Fab Lbe 600 0 300N M 180 N m 計(jì)算軸的集慣性矩 Ip 和抗彎截面系數(shù) Wz 因?yàn)椴牧虾洼S的是一樣的 所以 b 375 MP a Ip y 2dA 10 16cm4 W Ip y max 6773 6884 10 6m3 25 所以 max M max W 180 6773 69 10 6 P a 0 26MP a 也設(shè)安全系數(shù) K 5 故 K max 5 0 26MP a 1 5 MP a b 375 MP a 因此 也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為 5 的情況下也是安全的 所以可以進(jìn)行制作 解 以軸心為 x 軸 垂直上平面的直線為 y 軸 一端點(diǎn)為圓 點(diǎn)建立如圖 2 2 1 所示的平面直角坐標(biāo)系 軸的受力分析 軸的軸心受力簡圖如圖 2 2 1 b 所示 通過受力圖可以明顯看出軸的最大彎矩是在 BE 點(diǎn)之間 把 F 從 C 點(diǎn)移到 B 后的受力情況如圖 2 2 1 b 所示 得到一個(gè) F 和一個(gè)力矩 M F Lbe 600 0 3N M 180 N m 因?yàn)?F ba Fde 2F 1200N 由于軸的受力完全對稱 故 Fba Fde F 600N B 點(diǎn)和 F 點(diǎn)的彎矩為 M B WF Fba Lde M 600 0 01 180 N m 601 8N m 受力情況如圖 2 2 1 所示 計(jì)算軸的極慣性矩 Ip 和抗彎截面系數(shù) Wz 因?yàn)椴牧虾洼S的是一樣的 所以 b 375 MP a Ip y 2dA 10 16cm4 W Ip y max 6773 6884 10 6m3 所以 max M max W 305 6773 69 10 6 P a 0 45MP a 也設(shè)安全系數(shù) K 5 故 K max 5 0 45 MP a 2 25 MP a b 375 MP a 因此 也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為 5 的情況下也是安全的 所以可以進(jìn)行制作 26 6 橫縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)控制程序的編制 6 1 控制系統(tǒng)硬件的基本組成 6 1 1 微處理器選擇 在以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中 大多數(shù)采用 MCS 51 系列單片機(jī)的 8031 芯片 經(jīng)過擴(kuò)展存儲(chǔ)器 接口和面板操作開關(guān)等 組成功能較完善 抗干擾性能較強(qiáng)的控制 系統(tǒng) 8031 內(nèi)部包含一個(gè) 8 位 CPU 128 字節(jié)的 RAM 兩個(gè) 16 位的定時(shí)器 四個(gè) 8 位 并行口 一個(gè)全雙工串行口 可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器各 64K 有 5 個(gè)中斷源 6 1 2 系統(tǒng)擴(kuò)展 系統(tǒng)中采用鍵盤實(shí)現(xiàn)輸入 并采用 LED 顯示器 它們均需要占用較多芯片口線 所以該系統(tǒng)需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展 可編程并行接口 8255A 是一種應(yīng)用廣泛的并行接口擴(kuò) 展器件 它具有三個(gè) 8 位并行口 PA PB PC 由此提供了 24 條口線 6 1 3 顯示模塊與鍵盤連接 如圖 3 2 通過 P1 口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路 這里由 P1 口的準(zhǔn)雙向口功 能可以實(shí)現(xiàn)一口多用 首先 使 P1 口的低 4 位輸出字形代碼 P1 口的高 4 位輸出一個(gè)位掃描字 經(jīng) 3 8 譯碼器后顯示某一位 并持續(xù) 1ms 各位掃描一遍之后 關(guān)掉顯示 其次 使 P1 口的高 4 位轉(zhuǎn)為輸入方式 使 P1 口的低 4 位輸出鍵掃描信號(hào) 有鍵 按下時(shí) 轉(zhuǎn)入鍵譯碼和處理程序 27 圖 3 2 通過 P1 口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路 6 1 4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主要涉及脈沖分配器的選擇問題和驅(qū)動(dòng)電路的選擇問題 時(shí)下脈沖分配器主要有兩種 一種是硬件脈沖分配器 國內(nèi)主要有 YB 系列 另 外一種是軟件脈沖分配器 軟件脈沖分配器不需要額外的電路 相應(yīng)的降低了系統(tǒng)的 成本 雖然這種方法占用了一定的計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間 但是在該設(shè)備中計(jì)算機(jī)有足夠的 資源來擔(dān)當(dāng)買中分配 任 務(wù) 該 系 統(tǒng) 采 用 軟 件 來 經(jīng) 行 脈 沖 分 配 更 為 合 理 單 片 機(jī) 與 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 接 口 電路如圖 3 3 圖 3 3 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口電路 6 2 接口程序初始化及步進(jìn)電機(jī)控制程序 6 2 1 8255A 初始化程序 28 INTT MOV DX 8255A 控制端口 MOV AL 86H OUT DX AL MOV AL 05H OUT DX AL 6 2 2 40H 類型中斷服務(wù)程序 MOV DX 8255A IN AL DX IRET 6 2 3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 6 2 3 1 電機(jī)的控制電路原理及控制字 節(jié)拍 控制字 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 通電相 二進(jìn)制 十六進(jìn)制 1 8 A 00000001 01H 2 7 AB 00000011 03H 3 6 B 00000010 02H 4 5 BC 00000110 06H 5 4 C 00000100 04H 6 3 CD 00000101 05H 7 2 D 00000110 06H 8 1 DA 00000111 07H 設(shè)電機(jī)總的運(yùn)行步數(shù)放在 R4 轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位 F1 D5 中 當(dāng) F1 為 0 時(shí) 電機(jī)正轉(zhuǎn) 為 1 時(shí)則反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn)時(shí) P1 端口的輸出控制字 01H 03H 02H 06H 04H 05H 存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 20H 27H 中 28H 中存放結(jié)束標(biāo)志 00H 在 29H 2EH 的存儲(chǔ)單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時(shí) P1 端口的輸出控制字 01H 05H 04H 06H 02H 03H 在 2DH 單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志 00H 6 2 3 2 電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序 PUSH A 保護(hù)現(xiàn)場 MOV R4 N 設(shè)步長計(jì)數(shù)器 29 CLR C ORL C D5H 轉(zhuǎn)向標(biāo)志為 1 轉(zhuǎn)移 JC ROTE MOV R0 20 正轉(zhuǎn)控制字首址指針 AJMP LOOP ROTE MOV R0 27H 反轉(zhuǎn)控制字首地址 LOOP MOV A R0 MOV P1 A 輸出控制字 ACALL DELAY 延時(shí) INC R0 指針加 1 MOV A 00H ORL A R0 JZ TRL LOOP1 DJNZ R4 LOOP 步數(shù)步為 0 轉(zhuǎn)移 POP A 恢復(fù)現(xiàn)場 RET 返回 TPL MOV A R0 CLR A SUBB A 06H MOV R0 A 恢復(fù)控制字首指針 AJMP LOOP1 DELAY MOV R2 M DELAY1 MOV A M1 LOOP DEC A JNZ LOOP DJNZ R2 DELAY1 RET 30 31 6 3 直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì) 在機(jī)電設(shè)備中 執(zhí)行部件如要實(shí)現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運(yùn)動(dòng) 必須通過兩 個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的合成來完成 在數(shù)控機(jī)床中 這是由 X Y 兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái) 按照 插補(bǔ)控制原理實(shí)現(xiàn)的 6 3 1 直線插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì) 6 3 1 1 用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算 每走一步 都需要以下四個(gè)步驟 偏差判別 判別偏差 或 從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)0 mF 算公式 坐標(biāo)進(jìn)給 根據(jù)直線所在象限及偏差符號(hào) 決定沿 X Y X Y 的哪個(gè)方向進(jìn) 給 偏差計(jì)算 進(jìn)給一步后 計(jì)算新的加工偏差 終點(diǎn)判別 進(jìn)給一步后 終點(diǎn)計(jì)算器減 1 若為 0 表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ) 不為 0 則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ) 終點(diǎn)計(jì)算判別可用兩個(gè)方向坐標(biāo)值來判斷 也可由一個(gè) 方向的坐標(biāo)值來判斷 當(dāng) 可用 X 方向走的總步數(shù) 作為終點(diǎn)判別的依據(jù) 如eY eX 動(dòng)點(diǎn) X 等于終點(diǎn) 則停止 當(dāng) 則用 Y 方向走的總步數(shù) 作為終點(diǎn)判別的依e Y 據(jù) 由此 第一象限直線 插補(bǔ)程序的算法如圖 32 6 3 1 2 程序設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)程序時(shí) 在 RAM 數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值 動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值 X Y 偏差eXY 對 8 位機(jī) 一般可用 2 字節(jié) 而行程較大時(shí)則需用 3 字節(jié)或 4 字節(jié)才能滿足長度mF 和精度要求 此外 所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始化 如設(shè)置初始值 X Y 向步進(jìn)電機(jī) 初態(tài) 控制字 插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下 28H 29H 2AH 2BH 2CH 70HeXeY X Y mF電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D1D0 為 X 向電機(jī)控制位 D0 1 運(yùn)行 D0 0 停止 D1 1 正轉(zhuǎn) D1 0 反轉(zhuǎn) D2D3 為 Y 向電機(jī)控制位 D2 1 運(yùn)行 D2 0 停止 D3 1 正轉(zhuǎn) D3 0 反轉(zhuǎn) 第一象限直線插補(bǔ)的程序如下 ORG 2000H MIAN MOV SP 60H LP4 MOV 28H 0C8H eX MOV 29H 0C8H Y MOV 2AH 00H X MOV 2BH 00H Y MOV 2EH 00H F MOV 70H 0AH LP3 MOV A 2EH 33 JB ACC 7 LP1 MOV A 70H SETB ACC 0 CLR ACC 2 MOV 70H A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A 2EH SUBB A 29 INC 2AH AJMP LP2 LP1 MOV A 70H STEB ACC 2 CLR ACC 0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A 2EH ADD A 28H LP2 MOV 2EH A MOV A 28H CJME A 2AH LP3 RET END 程序中 MOTR 為步進(jìn)電機(jī)的控制子程序 6 3 2 圓弧插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì) 6 3 2 1 逐點(diǎn)比較法 逐點(diǎn)比較法的圓弧的插補(bǔ)計(jì)算過程和直線插補(bǔ)過程基本相同 也分為偏差判別 坐標(biāo)進(jìn)給 偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)步驟 不同點(diǎn)在于 1 偏差計(jì)算公式步進(jìn)與前 一點(diǎn)偏差有關(guān) 還與前一點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān) 在計(jì)算偏差的同時(shí)要進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算 2 終 34 點(diǎn)的判別是以一個(gè)方向的坐標(biāo)值與終點(diǎn)坐標(biāo)值相比較判斷其是否相等為判據(jù) 若 則以 X 是否等于 作為終點(diǎn)判據(jù) 若 則以 Y 是否等于 作為終eYX e eX e 點(diǎn)判據(jù) 第一象限逆圓弧 插補(bǔ)程序算法如圖 6 3 2 2 程序設(shè)計(jì) 和直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)一樣 也在內(nèi)存中開辟存儲(chǔ)單元用以存放有關(guān)數(shù)據(jù) 在 RAM 數(shù)據(jù)區(qū)分別存放懂點(diǎn)坐標(biāo) X 和 Y 其初始值為起點(diǎn)坐標(biāo)值 其后依據(jù)坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果而變 化 存放終點(diǎn)坐標(biāo)值 以及存放偏差 飛存儲(chǔ)單元 第一象限逆圓弧插補(bǔ)程序e mF 如下 XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H 35 YH EQU 29H L EQU 1AHeX H EQU 1BH L EQU 2AHeY H EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DH ORG 2400H MAIN MOV SP 60H MOV 70H 08H MOV XL 80H XL MOV XH 0CH XH MOV L 80H LeYe MOV H 0CH H MOV L 00H LeXe MOV H 00H H MOV YL 00H YL MOV YH 00H YH MOV FL 00H FL MOV FH 00H FH LP3 MOV A FH JNB ACC 7 LP1 MOV A 70H SETB ACC 2 CLR ACC 0 LCALL MOTR MOV R1 28H MOV R0 1CH 36 MOV R7 02H LCALL MULT2 ADD CLR C MOV A FL ADDC A 1CH MOV FL A MOV A FH ADDC A 1DH MOV FH A CLR C MOV A YL ADD A 01H MOV 28H A MOV A YH ADDC A OOH MOV YH A CLR C MOV A FL ADD A 01H MOV FL A MOV A FL ADDC A 00H MOV FH A AJMP LP2 LP1 MOV A 70H SETB ACC 0 MOV 70H A LCALL MOTR MOV R1 18H 37 MOV R0 1CH MOV R7 02H LCALL MULT2 SUB CLR C MOV A FL SUBB A 1CH MOV FL A MOV A FL SUBB A 1DH MOV FH A CLR C MOV A XL SUBB A 01H MOV XL A MOV A XH SUBB A 00H MOV XH A CLR C MOV A FL ADD A 01H MOV FL A MOV A FL ADDC A 00H MOV FH A LP2 MOV A YH CJNE A H LP3AeY MOV A YL CJNE A L LP3Ae LP3A AJMP LP3 38 ORG 2500H MULT2 PUSH PSW PUSH A PUSH B CLR C MOV R2 00H SH1 MOV A R1 MOV B 02H MUL AB POP PSW ADDC A R2 MOV R0 A INC R0 INC R1 DJNZ R7 SH1 POP B POP PSW RET END 39 參考文獻(xiàn) 1 張建民 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) M 高等教育出版社 2001 2 45 49 2 馮開平 左宗義 畫法幾何與機(jī)械制圖 M 華南理工大學(xué)出版社 2005 3 51 60 3 顧崇銜 機(jī)械制造工藝學(xué) M 陜西科學(xué)技術(shù)出版社 1999 6 11 4 哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室 理論力學(xué) M 高等教育出版社 2002 4 79 83 5 華東紡織工學(xué)院 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 天津大學(xué) 機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊 S 上?？茖W(xué)技術(shù)出 版社 1979 5 15 21 6 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊編寫組 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 S 機(jī)械工業(yè)出版社 1986 6 12 18 7 邱宣懷 機(jī)械設(shè)計(jì) M 高等教育出版社 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