數(shù)控自動送料機(jī)設(shè)計(jì)
數(shù)控自動送料機(jī)設(shè)計(jì),數(shù)控自動送料機(jī)設(shè)計(jì),數(shù)控,自動,送料機(jī),設(shè)計(jì)
編號：
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)
題 目： 數(shù)控自動送料機(jī)設(shè)計(jì)
所在學(xué)院
專 業(yè)
班 級
姓 名
學(xué) 號
指導(dǎo)老師
年 月 日
V
摘 要
本次設(shè)計(jì)是對數(shù)控自動送料機(jī)裝置的設(shè)計(jì)。在這里主要包括:傳動系統(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)主要由電動機(jī)產(chǎn)生動力通過聯(lián)軸器將需要的動力傳遞到絲桿上，絲桿帶動絲桿螺母，從而帶動整機(jī)運(yùn)動，提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平。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)控自動送料機(jī)裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
(2) 數(shù)控自動送料機(jī)裝置工作性能分析。
(3)電動機(jī)的選擇。
(4) 數(shù)控自動送料機(jī)裝置的傳動系統(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)控自動送料機(jī)裝置， 聯(lián)軸器，滾珠絲杠
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
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)械傳動系統(tǒng)圖 3
3 數(shù)控自動送料機(jī)X方向進(jìn)給傳動設(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載荷 5
3.1.6精度的選擇 6
3.1.7選擇滾珠絲桿型號 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絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 8
3.3電機(jī)的選擇 9
3.3.1電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量 9
3.3.2電機(jī)扭矩計(jì)算 10
4 數(shù)控自動送料機(jī)Y方向進(jìn)給傳動設(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 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)拍相同的動作來完成送料，另設(shè)一套獨(dú)立驅(qū)動可移式輸送機(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)由沖床工作臺通過連桿彈簧驅(qū)動滑塊在滑道上水平滑動，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)動打板將沖好的料撥掉，往復(fù)運(yùn)動的一整套機(jī)構(gòu)比較簡單， 無輸送機(jī)構(gòu)，聯(lián)動可靠，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，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和儲運(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)自動送料機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)自動送料，消除積累誤差，同時可以減少勞動力成本。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)勞動力也會讓工人很疲倦，而且人工送料會產(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)控自動送料機(jī)設(shè)計(jì)理論及相關(guān)知識的資料和文獻(xiàn)基礎(chǔ)上，綜合考慮數(shù)控自動送料機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、具體作業(yè)任務(wù)特點(diǎn)以及數(shù)控自動送料機(jī)的推廣應(yīng)用，分析確定使用數(shù)控自動送料機(jī)配合生產(chǎn)工序，實(shí)現(xiàn)自動化的目的。
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)控自動送料機(jī)本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，確定數(shù)控自動送料機(jī)整體設(shè)計(jì)方案。
2 確定數(shù)控自動送料機(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)控自動送料機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案；
2 完成數(shù)控自動送料機(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)控自動送料機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；繪制數(shù)控自動送料機(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
45
2 數(shù)控自動送料機(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和儲運(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與儲運(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)控自動送料機(jī)具有可實(shí)現(xiàn)橫縱向進(jìn)給的工作臺和機(jī)座組成，工作臺面可附加氣動夾具與零件、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化輸送系統(tǒng)，對實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)自動化具有重要意義。
本設(shè)計(jì)主要完成自動給料機(jī)的機(jī)架結(jié)構(gòu)、工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、橫縱向進(jìn)給機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作臺
運(yùn)動軌道設(shè)計(jì)，橫縱向進(jìn)給運(yùn)動控制程序的編制。
技術(shù)參數(shù)：
工作臺臺面尺寸：1230x970mm 工作臺高度：870mm
送料速度：120pcs/min（步距110mm）
電機(jī)功率：1Kw
2.2 機(jī)械傳動系統(tǒng)圖
開環(huán)伺服系統(tǒng)——步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動——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——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——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。
、傳動初步設(shè)計(jì)
電動機(jī)——聯(lián)軸器——滾珠絲杠——工作臺
3 數(shù)控自動送料機(jī)X方向進(jìn)給傳動設(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
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，在受力較大時還得增加角接觸球軸承的數(shù)量，轉(zhuǎn)速不高時多用更經(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，絲桿不會受壓，不存在壓桿穩(wěn)定問題，固有頻率比一端固定要高?？梢灶A(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機(jī)構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)和直線運(yùn)動進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換。絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體，絲杠轉(zhuǎn)動時帶動滾珠滾動。
3.1.1導(dǎo)程確定
電機(jī)與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電機(jī)Y系列異步電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導(dǎo)程為
取Ph=12mm
3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速
基本公式
最大進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
最小進(jìn)給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速
絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故
3.1.3估計(jì)工作臺質(zhì)量及負(fù)重
工作臺重量
移動部件重量
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，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
其等效載荷按下式計(jì)算（式中取，）
3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷
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
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)時設(shè)定絲杠的任意300行程變動量應(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。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為1～3級（1級精度最高），Z軸為2～5級，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軸精度等級為3級，Z軸為4級。
3.1.7選擇滾珠絲桿型號
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)浮動返向器，雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為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/μm
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：
式中E------材料的彈性模量E鋼=2.1X1011（N/m2）
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)：f1=15.1
I=絲桿最小截面慣性距（m4）
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＞Fmax，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，需驗(yàn)算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速：
式中：A------絲桿最小截面：A=
-------絲杠內(nèi)徑，單位；
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=148/2+300+(620-488)/2=440mm
----------安全系數(shù)，可取=0.8
fZ----------絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取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。
3.2.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率
絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度Ke的計(jì)算公式
式中 A——絲杠最小橫截面，；
螺母座剛度KH=1000N/μm。
當(dāng)導(dǎo)軌運(yùn)動到兩極位置時，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：
式中 Ke ——滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/μm)；
KH——螺母座的剛度(N/μm)；KH=1000 N/μm
Kc——絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度(N/μm)；
KS——絲杠本身的拉壓剛度(N/μm)；
KB——軸承的接觸剛度(N/μm)。
經(jīng)計(jì)算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠(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)動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)軸步進(jìn)一個距角增量。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)電動機(jī)時首先要保證步進(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)動慣量
a、回轉(zhuǎn)運(yùn)動件的轉(zhuǎn)動慣量
上式中：d—直徑,絲桿外徑d=39.5mm
L—長度=1m
P—鋼的密度=7800
經(jīng)計(jì)算得
b、X向直線運(yùn)動件向絲桿折算的慣量
上式中：M—質(zhì)量 X向直線運(yùn)動件M=160kg
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
經(jīng)計(jì)算得
c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量
查表得
因此
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
上式中：
J=0.0028kg/m2
ta—加速時間 KS—系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s
經(jīng)計(jì)算得
b、折算至電機(jī)軸上的摩擦力矩
上式中：F0—導(dǎo)軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32N
P—絲桿螺距（m）P=0.001m
η—傳動效率，η=0.90
I—傳動比，I=1
經(jīng)計(jì)算得
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
上式中P0—滾珠絲桿預(yù)加載荷≈1500N
η0—滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率為0.9
經(jīng)計(jì)算的T0=0.05N·M
則快速空載啟動時所需的最大扭矩
根據(jù)以上計(jì)算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量，選擇電機(jī)型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。
4 數(shù)控自動送料機(jī)Y方向進(jìn)給傳動設(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)
其中：K=1.15，滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。
取f=0.004,則:
壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)
最大動載荷：
式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。
查表得中等沖擊時則:
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)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下:
其額定動載荷為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
――
20mm
螺距
――
５mm
接觸角
――
鋼球直徑
――
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺紋升角
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內(nèi)徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.755mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
20.7mm
（1） 傳動效率計(jì)算
絲杠螺母副的傳動效率為：
式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。
（2） 穩(wěn)定性驗(yàn)算
絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(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)
Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算
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Δ為
E級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。
4.2 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算
根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算公式，有：
（1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算
折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量為：
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)動慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動慣量；
為齒輪２的轉(zhuǎn)動慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；Ｍ為移動部件的質(zhì)量。
對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：
式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。
所以有：
電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有：
步進(jìn)電機(jī)的選用
(１）步進(jìn)電機(jī)啟動力矩的計(jì)算
設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，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：
式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以：
式中：為移動部件負(fù)載（N），G為移動部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負(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)），＝０.8，==279.23Ｎ?？紤]到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考慮到啟動時運(yùn)動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩：
取系數(shù)為０.３，則：
對于工作方式為三相６拍的步進(jìn)電機(jī)：
(２） 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率
電機(jī)功率：1Kw
為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個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
主要技術(shù)參數(shù)
相數(shù)
步距角
電壓
(V)
相電流
(A)
最大靜轉(zhuǎn)矩
(n.m)
空載啟動頻率
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)
重量
kg
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
Kg.m
外直徑
長度
軸直徑
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)動時受沖擊、振動）。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
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系列滾動直線導(dǎo)軌,其型號為: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
動載荷
靜載荷
L
(mm)
17500
26000
198
198
288
0.60
3.1
760
滑座個數(shù)
單向行程長度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
M
4
0.6
4
導(dǎo)軌的額定動載荷N
依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：
額定行程長度壽命:
導(dǎo)軌的額定工作時間壽命:
導(dǎo)軌的工作壽命足夠.
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、高可靠性和高自動化程度的要求，與普通機(jī)床相比，機(jī)床應(yīng)有高的靜、動剛度，更好的抗振性。
一、對機(jī)床的機(jī)架主要在以下3 個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，而且要長時間保持。另外，機(jī)床在切削加工時，所有的靜、動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。動剛度直接反映機(jī)床的動態(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及自激振動的能力，可以通過適當(dāng)?shù)脑黾幼枘帷⑻岣吖逃蓄l率等措施避免共振及因薄壁振動而產(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。把受迫振動振幅限制在允許范圍內(nèi)；
3） 躁聲小；
4） 溫度場分布合理，熱變形對精度的影響??；
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，致使工作臺在橫溜板上移動到達(dá)行程的兩端時容易出現(xiàn)翹曲，將會影響加工精度，為了避免工作臺翹曲，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。
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，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
⑴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
⑵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
⑶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)
⑷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
⑸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計(jì)算。
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)或整體穩(wěn)定(當(dāng)需計(jì)算整體穩(wěn)定時)選擇型鋼截面，然后驗(yàn)算其它項(xiàng)目是否足夠，不夠時再作調(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(φb值可先估計(jì)假定)選擇單向(強(qiáng)軸)彎曲梁的型鋼截面時，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翼緣的厚度，在取腹板高時要考慮鋼板的規(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：
3、翼緣尺寸
由式5.2.1求得需要的凈截面模量，則整個截面需要的慣性矩為：
5.4 機(jī)架的基本尺寸的確定
機(jī)架是支撐及其自動變速器所有附件的可移動機(jī)構(gòu)。要保證拆裝自動變速器方便、安全；重量要輕，便于移動；架子要有足夠的空間安裝。而且自動變速器每個總成之間要考慮它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系?？紤]到這些方面的因素后要確定的一些自動變速器尺寸根據(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，須在架子上裝輪子，因此在架子的4個側(cè)面通過螺栓各連接兩個輪子，使得架子和輪子連接牢固?？拷D(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，買材料時要考慮鋼材的性能，同時也要考慮成本，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。
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σ b =375～460MPa，取σ 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)椋篎RD =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F和一個力矩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σ b=375 MP a ,
Ip=∫y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.6884×10--6m3
所以
σ 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×σ max=5×0.26MP a=1.5 MP a﹤σ 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F和一個力矩M=F×Lbe=600×0.3N·M=180 N·m
因?yàn)椋篎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：MB=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σ b=375 MP a ,
Ip=∫y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.6884×10--6m3
所以
σ 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×σ max=5×0.45 MP a=2.25 MP a﹤σ 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。
6 橫縱向進(jìn)給運(yùn)動控制程序的編制
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8位CPU，128字節(jié)的RAM，兩個16位的定時器，四個8位并行口，一個全雙工串行口，可擴(kuò)展的程序和數(shù)據(jù)存儲器各64K，有5個中斷源。
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?？删幊滩⑿薪涌?255A是一種應(yīng)用廣泛的并行接口擴(kuò)展器件。它具有三個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，有鍵按下時，轉(zhuǎn)入鍵譯碼和處理程序。
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)動電路設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)主要涉及脈沖分配器的選擇問題和驅(qū)動電路的選擇問題。
時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
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)動程序
6.2.3.1 電機(jī)的控制電路原理及控制字
節(jié)拍
通電相
控制字
正轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn)
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，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為1時則反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時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)存儲單元20H~27H中，28H中存放結(jié)束標(biāo)志00H，在29H~2EH的存儲單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時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
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
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；
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，必須通過兩個方向運(yùn)動的合成來完成。在數(shù)控機(jī)床中，這是由X、Y兩個方向運(yùn)動的工作臺，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，都需要以下四個步驟：
偏差判別：判別偏差或，從而決定哪個方向進(jìn)給和采用哪個偏差計(jì)算公式。
坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進(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)算判別可用兩個方向坐標(biāo)值來判斷，也可由一個方向的坐標(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)，如動點(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)判別的依據(jù)。
由此，第一象限直線
插補(bǔ)程序的算法如圖：
6.3.1.2程序設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)程序時，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值、，動點(diǎn)坐標(biāo)值X,Y，偏差。對8位機(jī)，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。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
70H
X
Y
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；
MOV 29H,#0C8H；
MOV 2AH,#00H； X
MOV 2BH,#00H； Y
MOV 2EH,#00H； F
MOV 70H,#0AH；
LP3: MOV A,2EH；
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)算偏差的同時要進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。（2）終點(diǎn)的判別是以一個方向的坐標(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單元。第一象限逆圓弧插補(bǔ)程序如下：
XL EQU 18H
XH EQU 19H
YL EQU 28H
YH EQU 29H
L EQU 1AH
H EQU 1BH
L EQU 2AH
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; L
MOV H,#0CH; H
MOV L,#00H; L
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
MOV R7,#02H
LCALL MULT2
ADD: CLR C
MOV A,FL
ADDC A,1CH
MOV FL,A
MOV A,FH
ADDC A,1DH
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