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畢業(yè)設(shè)計(jì) 結(jié)論 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 任務(wù)書 課題名稱 C620 普通車床進(jìn)行數(shù)控改造 學(xué) 院 專 業(yè) 姓 名 學(xué) 號(hào) 一 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 的內(nèi)容 針對(duì)現(xiàn)有常規(guī) C620 普遍車床的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī) 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 對(duì) C620 進(jìn)行機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì) 采用以 8031 為 CPU 的控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理 由 I O 接口輸出步 進(jìn)脈沖 經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后 帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng) 從而實(shí)現(xiàn)縱 向 橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 本課題的設(shè)計(jì)提高了機(jī)床加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍 并提高 生產(chǎn)率 改善加工工藝 還可以減少資金投入 減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng) 度 縮短訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間 實(shí)踐已經(jīng)證明普通車 床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值 為此 在舊有車床上進(jìn) 行數(shù)控改造有著較好的市場前景 二 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 的要求 畢業(yè)設(shè)計(jì) 結(jié)論 1 本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì) C620 普通車床進(jìn)行數(shù)控改造 利用單片機(jī)對(duì)縱 橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制 縱向 Z 向 脈沖當(dāng)量為 0 01mm 脈沖 橫 向 X 向 脈沖當(dāng)量為 0 005mm 脈沖 驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī) 傳 動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副 2 機(jī)械部分的改造 包括縱向進(jìn)給方向的改造和橫向進(jìn)給方向的改 造 主要包括對(duì)滾珠絲杠螺母副及反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇及縱 向 橫向機(jī)構(gòu)裝配圖方案的制定 3 電氣控制部分的設(shè)計(jì) 主要包括 MCS 51 系列單片機(jī)及擴(kuò)展芯片的 選用和電氣控制圖的設(shè)計(jì) 三 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 應(yīng)完成的工作 1 參考機(jī)床有關(guān)技術(shù)資料 完成機(jī)械部分設(shè)計(jì)及電氣部分設(shè)計(jì) 并 用 CAD 繪制圖紙 2 完成設(shè)計(jì)說明一份 四 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 進(jìn)程安排 序號(hào) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 各階段內(nèi)容 日期 1 查閱 搜索相關(guān)資料 2008 年 11 月 1 日 2 做好設(shè)計(jì)定題工作 2008 年 11 月 6 日 3 畢業(yè)設(shè)計(jì)主要工作準(zhǔn)備階段 動(dòng)和動(dòng)力設(shè)計(jì)計(jì)算 校核 2008 年 11 月 12 日 4 確定設(shè)計(jì)的總體方案及初稿 2008 年 11 月 18 日前 5 完成各種設(shè)計(jì)計(jì)算 校核及所有圖紙 2008 年 12 月 26 日前 6 最后定稿 2008 年 12 月 30 日 畢業(yè)設(shè)計(jì) 結(jié)論 7 完成答辯工作 2009 年 1 月 7 日 前 五 應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn) 1 趙玉剛 宋現(xiàn)春等編 數(shù)控技術(shù) 機(jī)械工業(yè)出版社 2003 6 2 張建民主編 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高考教育出版社 2001 8 3 李朝青主編 單片機(jī)原理及接口技術(shù) 北京航空航天大學(xué)出版社 1995 3 4 李云主編 機(jī)械制造工藝及設(shè)備設(shè)計(jì)指導(dǎo)手冊(cè) 機(jī)械工業(yè)出版社 1997 8 5 王蘭美主編 畫法幾何及工程制圖 機(jī)械工業(yè)出版社 2002 12 6 蔡美琴 張為民等編 MCS 51 系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用 高等教育出版社 1992 8 7 張新義主編 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1998 8 余英良主編 機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1994 9 王貴明主編 數(shù)控實(shí)用技術(shù) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2001 10 張建綱 胡大鋒主編 數(shù)控技術(shù) 武漢 華中科技大學(xué)出版社 2000 11 鄧星鐘主編 機(jī)電傳動(dòng)控制 武漢 華中科技大學(xué)出版社 2001 12 王愛玲主編 現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì) 北京 兵器工業(yè)出版社 1999 13 卜云峰主編 機(jī)械工業(yè)及自動(dòng)化簡明設(shè)計(jì)手冊(cè)上下冊(cè) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1999 14 劉躍南主編 機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控及應(yīng)用 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1997 15 李洪主編 實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) 沈陽 遼寧科學(xué)技術(shù)出版社 1999 摘 要 I 摘 要 針 對(duì) 現(xiàn) 有 常 規(guī) C620 普 遍 車 床 的 缺 點(diǎn) 提 出 數(shù) 控 改 裝 方 案 和 單 片 機(jī) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 提 高 加 工 精 度 和 擴(kuò) 大 機(jī) 床 使 用 范 圍 并 提 高 生 產(chǎn) 率 本 論 文 說 明 了 普 通 車 床 的 數(shù) 控 化 改 造 的 設(shè) 計(jì) 過 程 較 詳 盡 地 介 紹 了 C620 機(jī) 械 改 造 部 分 的 設(shè) 計(jì) 及 數(shù) 控 系 統(tǒng) 部 分 的 設(shè) 計(jì) 采 用 以 8031 為 CPU 的 控 制 系 統(tǒng) 對(duì) 信 號(hào) 進(jìn) 行 處 理 由 I O 接 口 輸 出 步 進(jìn) 脈 沖 經(jīng) 一 級(jí) 齒 輪 傳 動(dòng) 減 速 后 帶 動(dòng) 滾 動(dòng) 絲 杠 轉(zhuǎn) 動(dòng) 從 而 實(shí) 現(xiàn) 縱 向 橫 向 的 進(jìn) 給 運(yùn) 動(dòng) 改 造 過 程 如 下 1 機(jī) 械 部 分 的 改 造 包 括 縱 向 進(jìn) 給 方 向 的 改 造 和 橫 向 進(jìn) 給 方 向 的 改 造 主 要 包 括 對(duì) 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 及 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 計(jì) 算 選 擇 及 縱 向 橫 向 機(jī) 構(gòu) 裝 配 圖 方 案 的 制 定 2 電 氣 控 制 部 分 的 設(shè) 計(jì) 主 要 包 括 MCS 51 系 列 單 片 機(jī) 及 擴(kuò) 展 芯 片 的 選 用 和 電 氣 控 制 圖 的 設(shè) 計(jì) 關(guān) 鍵 詞 數(shù) 控 單 片 機(jī) 步 進(jìn) 電 機(jī) 滾 珠 絲 杠 改 造 ABSTRACT II ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather C620 a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine s usage and to improve production rate This paper presents the process of designing numerical control reform and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal and output the step pulse through the I O interface After transmitting and slowing down by force 1 gear the step pulses drive the leading screw to roll Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement Reform process as follows 1 The reformation of machine part include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways horizontal organization assemble diagram project 2 The reformation of electricity part mainly include the choice of MCS 51 family single chip and expand chip and the design of electric control chart Key words numerical control single chip stepping motor ball screw shaft reform 目 錄 III 目 錄 摘 要 ABSTRACT 英文摘要 目 錄 引 言 1 第一章 總體方案的設(shè)計(jì) 3 1 1 設(shè)計(jì)任務(wù) 3 1 2 總體方案的論證 3 1 2 1 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì) 3 1 2 2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 4 1 2 3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 4 1 3 總體方案的確定 5 第二章 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì) 6 2 1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 6 2 1 1 縱向滾珠絲杠副的選用 6 2 1 1 1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 7 2 1 1 2 車削力的計(jì)算 7 2 1 1 3 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì) 計(jì)算和選型 7 2 1 2 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 選 用 11 2 1 1 1 脈沖量的計(jì)算 11 2 1 1 2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 11 2 1 1 3 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 12 2 1 1 4 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇 12 2 2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)得改造設(shè)計(jì) 13 2 2 1 橫 向 滾 珠 絲 杠 副 的 選 用 13 2 2 1 1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 13 2 2 1 2 車削力的計(jì)算 13 目 錄 IV 2 2 1 3 滾珠絲杠副的設(shè)計(jì) 計(jì)算和選型 14 2 2 2 橫 向 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 選 用 17 2 2 2 1 脈沖量的計(jì)算 17 2 2 2 2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 17 2 2 2 3 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 18 2 2 2 4 步進(jìn)電機(jī)型號(hào)的選擇 18 2 3 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整 19 第三章 電氣控制部分的設(shè)計(jì) 22 3 1 單片機(jī)的選擇 22 3 2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 23 3 2 1 環(huán) 形 脈 沖 分 配 器 的 選 擇 24 3 2 2 功 率 放 大 器 的 選 用 25 3 3 步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制 28 結(jié)論 30 致謝 31 參考文獻(xiàn) 32 引 言 1 引言 現(xiàn) 代 工 業(yè) 技 術(shù) 的 發(fā) 展 特 別 是 能 源 部 門 的 需 求 使 高 溫 高 壓 水 廣 泛 應(yīng) 用 于 相 關(guān) 的 領(lǐng) 域 中 對(duì) 國 民 生 產(chǎn) 和 人 民 生 活 起 著 越 來 越 重 要 的 作 用 例 如 機(jī) 床 作 為 機(jī) 械 制 造 業(yè) 的 重 要 基 礎(chǔ) 裝 備 它 的 發(fā) 展 一 直 引 起 人 們 的 關(guān) 注 由 于 計(jì) 算 機(jī) 技 術(shù) 的 興 起 促 使 機(jī) 床 的 控 制 信 息 出 現(xiàn) 了 質(zhì) 的 突 破 導(dǎo) 致 了 應(yīng) 用 數(shù) 字 化 技 術(shù) 進(jìn) 行 柔 性 自 動(dòng) 化 控 制 的 新 一 代 機(jī) 床 數(shù) 控 機(jī) 床 的 誕 生 和 發(fā) 展 計(jì) 算 機(jī) 的 出 現(xiàn) 和 應(yīng) 用 為 人 類 提 供 了 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 械 加 工 工 藝 過 程 自 動(dòng) 化 的 理 想 手 段 隨 著 計(jì) 算 機(jī) 的 發(fā) 展 數(shù) 控 機(jī) 床 也 得 到 迅 速 的 發(fā) 展 和 廣 泛 的 應(yīng) 用 同 時(shí) 使 人 們 對(duì) 傳 統(tǒng) 的 機(jī) 床 傳 動(dòng) 及 結(jié) 構(gòu) 的 概 念 發(fā) 生 了 根 本 的 轉(zhuǎn) 變 數(shù) 控 機(jī) 床 以 其 優(yōu) 異 的 性 能 和 精 度 靈 捷 而 多 樣 化 的 功 能 引 起 世 人 矚 目 并 開 創(chuàng) 機(jī) 械 產(chǎn) 品 向 機(jī) 電 一 體 化 發(fā) 展 的 先 河 數(shù) 控 機(jī) 床 是 以 數(shù) 字 化 的 信 息 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 床 控 制 的 機(jī) 電 一 體 化 產(chǎn) 品 它 把 刀 具 和 工 件 之 間 的 相 對(duì) 位 置 機(jī) 床 電 機(jī) 的 啟 動(dòng) 和 停 止 主 軸 變 速 工 件 松 開 和 夾 緊 刀 具 的 選 擇 冷 卻 泵 的 起 停 等 各 種 操 作 和 順 序 動(dòng) 作 等 信 息 用 代 碼 化 的 數(shù) 字 記 錄 在 控 制 介 質(zhì) 上 然 后 將 數(shù) 字 信 息 送 入 數(shù) 控 裝 置 或 計(jì) 算 機(jī) 經(jīng) 過 譯 碼 運(yùn) 算 發(fā) 出 各 種 指 令 控 制 機(jī) 床 伺 服 系 統(tǒng) 或 其 它 的 執(zhí) 行 元 件 加 工 出 所 需 的 工 件 數(shù) 控 機(jī) 床 與 普 通 機(jī) 床 相 比 其 主 要 有 以 下 的 優(yōu) 點(diǎn) 1 適 應(yīng) 性 強(qiáng) 適 合 加 工 單 件 或 小 批 量 的 復(fù) 雜 工 件 在 數(shù) 控 機(jī) 床 上 改 變 加 工 工 件 時(shí) 只 需 重 新 編 制 新 工 件 的 加 工 程 序 就 能 實(shí) 現(xiàn) 新 工 件 加 工 2 加 工 精 度 高 3 生 產(chǎn) 效 率 高 4 減 輕 勞 動(dòng) 強(qiáng) 度 改 善 勞 動(dòng) 條 件 5 良 好 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 6 有 利 于 生 產(chǎn) 管 理 的 現(xiàn) 代 化 引 言 2 數(shù) 控 機(jī) 床 已 成 為 我 國 市 場 需 求 的 主 流 產(chǎn) 品 需 求 量 逐 年 激 增 我 國 數(shù) 控 機(jī) 機(jī) 床 近 幾 年 在 產(chǎn) 業(yè) 化 和 產(chǎn) 品 開 發(fā) 上 取 得 了 明 顯 的 進(jìn) 步 特 別 是 在 機(jī) 床 的 高 速 化 多 軸 化 復(fù) 合 化 精 密 化 方 面 進(jìn) 步 很 大 但 是 國 產(chǎn) 數(shù) 控 機(jī) 床 與 先 進(jìn) 國 家 的 同 類 產(chǎn) 品 相 比 還 存 在 差 距 還 不 能 滿 足 國 家 建 設(shè) 的 需 要 我 國 是 一 個(gè) 機(jī) 床 大 國 有 三 百 多 萬 臺(tái) 普 通 機(jī) 床 但 機(jī) 床 的 素 質(zhì) 差 性 能 落 后 單 臺(tái) 機(jī) 床 的 平 均 產(chǎn) 值 只 有 先 進(jìn) 工 業(yè) 國 家 的 1 10 左 右 差 距 太 大 急 待 改 造 舊 機(jī) 床 的 數(shù) 控 化 改 造 顧 名 思 義 就 是 在 普 通 機(jī) 床 上 增 加 微 機(jī) 控 制 裝 置 使 其 具 有 一 定 的 自 動(dòng) 化 能 力 以 實(shí) 現(xiàn) 預(yù) 定 的 加 工 工 藝 目 標(biāo) 隨 著 數(shù) 控 機(jī) 床 越 來 越 多 的 普 及 應(yīng) 用 數(shù) 控 機(jī) 床 的 技 術(shù) 經(jīng) 濟(jì) 效 益 為 大 家 所 理 解 在 國 內(nèi) 工 廠 的 技 術(shù) 改 造 中 機(jī) 床 的 微 機(jī) 數(shù) 控 化 改 造 已 成 為 重 要 方 面 許 多 工 廠 一 面 購 置 數(shù) 控 機(jī) 床 一 面 利 用 數(shù) 控 數(shù) 顯 PC 技 術(shù) 改 造 普 通 機(jī) 床 并 取 得 了 良 好 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 我 國 經(jīng) 濟(jì) 資 源 有 限 國 家 大 機(jī) 床 需 要 量 大 因 此 不 可 能 拿 出 相 當(dāng) 大 的 資 金 去 購 買 新 型 的 數(shù) 控 機(jī) 床 而 我 國 的 舊 機(jī) 床 很 多 用 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 改 造 普 通 機(jī) 床 在 投 資 少 的 情 況 下 使 其 既 能 滿 足 加 工 的 需 要 又 能 提 高 機(jī) 床 的 自 動(dòng) 化 程 度 比 較 符 合 我 國 的 國 情 1984 年 我 國 開 始 生 產(chǎn) 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 并 用 于 改 造 舊 機(jī) 床 到 目 前 為 止 已 有 很 多 廠 家 生 產(chǎn) 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 可 以 預(yù) 料 今 后 機(jī) 床 的 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 化 改 造 將 迅 速 發(fā) 展 和 普 及 所 以 說 本 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì) 實(shí) 例 具 有 典 型 性 和 實(shí) 用 性 第 一 章 總 體 方 案 的 設(shè) 計(jì) 3 第一章 總體方案的設(shè)計(jì) 1 1 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 本 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 是 對(duì) C620 普 通 車 床 進(jìn) 行 數(shù) 控 改 造 利 用 單 片 機(jī) 對(duì) 縱 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 控 制 縱 向 Z 向 脈 沖 當(dāng) 量 為 0 01mm 脈 沖 橫 向 X 向 脈 沖 當(dāng) 量 為 0 005mm 脈 沖 驅(qū) 動(dòng) 元 件 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 采 用 滾 珠 絲 杠 副 1 2 總 體 方 案 的 論 證 對(duì) 于 普 通 機(jī) 床 的 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 改 造 在 確 定 總 體 設(shè) 計(jì) 方 案 時(shí) 應(yīng) 考 慮 在 滿 足 設(shè) 計(jì) 要 求 的 前 提 下 對(duì) 機(jī) 床 的 改 動(dòng) 應(yīng) 盡 可 能 少 以 降 低 成 本 1 2 1 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 為 了 實(shí) 現(xiàn) 機(jī) 床 所 要 求 的 分 辨 率 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) 經(jīng) 齒 輪 減 速 再 傳 動(dòng) 絲 杠 為 了 保 證 一 定 的 傳 動(dòng) 精 度 和 平 穩(wěn) 性 盡 量 減 小 摩 擦 力 選 用 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 同 時(shí) 為 了 提 高 傳 動(dòng) 剛 度 和 消 除 間 隙 采 用 有 預(yù) 加 負(fù) 載 荷 的 結(jié) 構(gòu) 傳 動(dòng) 齒 輪 也 要 采 用 消 除 齒 側(cè) 間 隙 的 結(jié) 構(gòu) 此 設(shè) 計(jì) 過 程 主 要 是 縱 向 進(jìn) 給 和 橫 向 進(jìn) 給 的 改 造 關(guān) 鍵 是 步 進(jìn) 電 機(jī) 和 滾 珠 絲 杠 的 選 用 改 進(jìn) 后 的 車 床 簡 易 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 如 圖 1 1 第 一 章 總 體 方 案 的 設(shè) 計(jì) 4 圖 1 1 改 進(jìn) 后 的 車 床 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 1 小 刀 架 2 橫 向 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 3 橫 向 滾 珠 絲 桿 4 大 拖 板 5 縱 向 滾 珠 絲 桿 6 縱 向 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 1 2 2伺 服 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 改 造 設(shè) 計(jì) 數(shù) 控 機(jī) 床 的 伺 服 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 有 開 環(huán) 半 閉 環(huán) 和 閉 環(huán) 之 分 因 為 開 環(huán) 控 制 具 有 結(jié) 構(gòu) 簡 單 設(shè) 計(jì) 制 造 容 易 控 制 精 度 較 好 容 易 調(diào) 試 價(jià) 格 便 宜 使 用 維 修 方 便 等 優(yōu) 點(diǎn) 所 以 本 設(shè) 計(jì) 決 定 采 用 開 環(huán) 控 制 系 統(tǒng) 1 2 3 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 硬 件 電 路 設(shè) 計(jì) 任 何 一 個(gè) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 都 由 硬 件 和 軟 件 兩 部 分 組 成 硬 件 是 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 基 礎(chǔ) 性 能 的 好 壞 直 接 影 響 整 體 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 工 作 性 能 有 了 硬 件 軟 件 才 能 有 效 地 運(yùn) 行 在 設(shè) 計(jì) 的 數(shù) 控 裝 置 中 CPU 的 選 擇 是 關(guān) 鍵 選 擇 CPU 應(yīng) 考 慮 以 下 要 素 1 時(shí) 鐘 頻 率 和 字 長 與 被 控 對(duì) 象 的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 和 精 度 密 切 相 關(guān) 2 可 擴(kuò) 展 存 儲(chǔ) 器 的 容 量 與 數(shù) 控 功 能 的 強(qiáng) 弱 相 關(guān) 3 I O 口 擴(kuò) 展 的 能 力 與 對(duì) 外 設(shè) 控 制 的 能 力 相 關(guān) 在 我 國 普 通 機(jī) 床 數(shù) 控 改 造 方 面 應(yīng) 用 較 普 遍 的 是 Z80CPU 和 MCS 51 系 列 單 片 機(jī) 主 要 是 因 為 它 們 的 配 套 芯 片 便 宜 普 及 性 通 用 性 強(qiáng) 制 造 和 維 修 方 便 完 全 能 滿 足 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 機(jī) 床 的 改 造 需 要 本 設(shè) 計(jì) 以 8031 芯 片 為 第 一 章 總 體 方 案 的 設(shè) 計(jì) 5 核 心 增 加 存 儲(chǔ) 器 擴(kuò) 展 電 路 接 口 和 面 板 操 作 開 關(guān) 組 成 的 控 制 系 統(tǒng) 1 3 總 體 方 案 的 確 定 經(jīng) 總 體 設(shè) 計(jì) 方 案 的 論 證 后 確 定 C620 車 床 經(jīng) 濟(jì) 型 數(shù) 控 改 造 方 案 C620 車 床 的 主 軸 轉(zhuǎn) 速 部 分 保 留 原 機(jī) 床 的 功 能 即 手 動(dòng) 變 速 車 床 的 縱 向 Z 軸 和 橫 向 X 軸 進(jìn) 給 運(yùn) 動(dòng) 采 用 步 進(jìn) 電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 將 原 來 機(jī) 床 的 普 通 絲 杠 改 為 滾 珠 絲 杠 以 減 小 摩 擦 力 并 將 8031 單 片 機(jī) 組 成 的 微 機(jī) 作 為 數(shù) 控 裝 置 的 核 心 由 I O 接 口 環(huán) 形 分 配 器 與 功 率 放 大 器 一 起 控 制 步 進(jìn) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 經(jīng) 齒 輪 減 速 后 帶 動(dòng) 滾 珠 絲 杠 轉(zhuǎn) 動(dòng) 從 而 實(shí) 現(xiàn) 車 床 的 縱 向 橫 向 進(jìn) 給 運(yùn) 動(dòng) 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 6 第二章 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì) 2 1 縱 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 改 造 設(shè) 計(jì) 2 1 1縱 向 滾 珠 絲 杠 副 的 選 用 滾 珠 螺 旋 傳 動(dòng) 是 在 絲 杠 和 螺 母 滾 道 之 間 放 人 適 量 的 滾 珠 使 螺 紋 間 產(chǎn) 生 滾 動(dòng) 摩 擦 絲 杠 轉(zhuǎn) 動(dòng) 時(shí) 帶 動(dòng) 滾 珠 沿 螺 紋 滾 道 滾 動(dòng) 螺 母 上 設(shè) 有 返 向 器 與 螺 紋 滾 道 構(gòu) 成 滾 珠 的 循 環(huán) 通 道 為 了 在 滾 珠 與 滾 道 之 間 形 成 無 間 隙 甚 至 有 過 盈 配 合 可 設(shè) 置 預(yù) 緊 裝 置 為 延 長 工 作 壽 命 可 設(shè) 置 潤 滑 件 和 密 封 件 滾 珠 螺 旋 傳 動(dòng) 與 滑 動(dòng) 螺 旋 傳 動(dòng) 或 其 它 直 線 運(yùn) 動(dòng) 副 相 比 有 下 列 特 點(diǎn) 1 傳 動(dòng) 效 率 高 一 般 滾 珠 絲 杠 副 的 傳 動(dòng) 效 率 達(dá) 90 95 耗 費(fèi) 能 量 僅 為 滑 動(dòng) 絲 桿 的 1 3 2 運(yùn) 動(dòng) 平 穩(wěn) 滾 動(dòng) 摩 擦 系 數(shù) 接 近 常 數(shù) 啟 動(dòng) 與 工 作 摩 擦 力 矩 差 別 很 小 啟 動(dòng) 時(shí) 無 沖 擊 預(yù) 緊 后 可 消 除 間 隙 產(chǎn) 生 過 盈 提 高 接 觸 剛 度 和 傳 動(dòng) 精 度 3 工 作 壽 命 長 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 摩 擦 表 面 為 高 硬 度 HRC58 62 高 精 度 具 有 較 長 的 工 作 壽 命 和 精 度 保 持 性 壽 命 約 為 滑 動(dòng) 絲 桿 副 的 4 10 倍 以 上 4 定 位 精 度 和 重 復(fù) 定 位 精 度 高 由 于 滾 珠 絲 桿 副 摩 擦 小 溫 升 小 無 爬 行 無 間 隙 通 過 預(yù) 緊 進(jìn) 行 預(yù) 拉 伸 以 補(bǔ) 償 熱 膨 脹 因 此 可 達(dá) 到 較 高 的 定 位 精 度 和 重 復(fù) 定 位 精 度 5 同 步 性 好 用 幾 套 相 同 的 滾 珠 絲 桿 副 同 時(shí) 傳 動(dòng) 幾 個(gè) 相 同 的 運(yùn) 動(dòng) 部 件 可 得 到 較 好 的 同 步 運(yùn) 動(dòng) 6 可 靠 性 高 潤 滑 密 封 裝 置 結(jié) 構(gòu) 簡 單 維 修 方 便 7 不 能 自 鎖 用 于 垂 直 傳 動(dòng) 時(shí) 必 須 在 系 統(tǒng) 中 附 加 自 鎖 或 制 動(dòng) 裝 置 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 7 8 制 造 工 藝 復(fù) 雜 滾 珠 絲 桿 和 螺 母 等 零 件 加 工 精 度 表 面 粗 糙 度 要 求 高 故 制 造 成 本 較 高 2 1 1 1確 定 系 統(tǒng) 的 脈 沖 當(dāng) 量 在 數(shù) 控 機(jī) 床 中 一 個(gè) 脈 沖 所 產(chǎn) 生 的 坐 標(biāo) 軸 位 移 量 叫 做 脈 沖 當(dāng) 量 通 常 用 表 示 也 稱 機(jī) 床 的 最 小 設(shè) 定 單 位 脈 沖 當(dāng) 量 是 衡 量 數(shù) 控 機(jī) 床 加 工 精 度 的 一 個(gè) 基 本 技 術(shù) 參 數(shù) 按 機(jī) 床 設(shè) 計(jì) 的 加 工 精 度 選 定 本 設(shè) 計(jì) 所 要 求 的 C620 的 脈 沖 當(dāng) 量 為 縱 向 Z 向 脈 沖 當(dāng) 量 為 0 01mm 脈 沖 橫 向 X 向 脈 沖 當(dāng) 量 為 0 005mm 脈 沖 2 1 1 2 車 削 力 的 計(jì) 算 在 設(shè) 計(jì) 機(jī) 床 進(jìn) 給 伺 服 系 統(tǒng) 時(shí) 計(jì) 算 傳 動(dòng) 和 導(dǎo) 向 元 件 選 用 伺 服 電 機(jī) 等 都 要 用 到 切 削 力 現(xiàn) 我 們 利 用 經(jīng) 驗(yàn) 公 式 計(jì) 算 主 切 削 力 車 床 的 主 切 削 力 可 用 下 式 計(jì) 算 NFZ 5 1max670DFZ 式 中 車 床 床 身 加 工 的 最 大 直 徑 單 位 為 mm maxD 因 C620 床 身 加 工 的 最 大 直 徑 410mm 則 NZ3 624 5 1 按 以 下 比 例 分 別 求 出 分 力 和 xFy 0 2 yxF 則 NFx139 y26 2 1 1 3 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 和 選 型 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 設(shè) 計(jì) 首 先 要 選 擇 機(jī) 構(gòu) 類 型 確 定 滾 軸 循 環(huán) 方 式 滾 珠 絲 杠 副 的 預(yù) 緊 方 式 結(jié) 構(gòu) 類 型 確 定 后 再 計(jì) 算 和 確 定 其 他 參 數(shù) 包 括 公 稱 直 徑 導(dǎo) 程 滾 珠 的 工 作 圈 數(shù) 列 數(shù) 精 度 等 級(jí) 等 d0Ljk 本 設(shè) 計(jì) 中 選 擇 滾 珠 循 環(huán) 方 式 為 內(nèi) 循 環(huán) 方 式 中 的 固 定 式 滾 珠 絲 杠 副 的 預(yù) 緊 方 法 選 擇 雙 螺 母 螺 紋 預(yù) 緊 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 8 圖 2 1 雙 螺 母 螺 紋 調(diào) 隙 式 結(jié) 構(gòu) 單 螺 母 3平 鍵 4調(diào) 整 螺 母 1 計(jì) 算 進(jìn) 給 率 牽 引 力 mF 作 用 在 滾 珠 絲 杠 上 的 進(jìn) 給 率 牽 引 力 主 要 包 括 切 削 力 時(shí) 的 走 刀 抗 力 以 及 移 動(dòng) 件 的 重 量 和 切 削 分 力 作 用 在 導(dǎo) 軌 上 的 摩 擦 力 因 而 其 數(shù) 值 大 小 和 導(dǎo) 軌 的 形 式 有 關(guān) 的 計(jì) 算 公 式 如 下 mF 縱 向 進(jìn) 給 導(dǎo) 軌 為 三 角 形 則 GFfKzxm N 803 562 1 03915 N24 三 角 形 導(dǎo) 軌 選 取 參 數(shù) f8 2 計(jì) 算 最 大 動(dòng) 負(fù) 荷 C 選 用 滾 珠 絲 杠 副 的 直 徑 時(shí) 必 須 保 證 在 一 定 軸 向 負(fù) 載 作 用 下 絲 杠0d 在 回 轉(zhuǎn) 100 萬 轉(zhuǎn) 后 在 它 的 滾 道 上 不 產(chǎn) 生 點(diǎn) 蝕 現(xiàn) 象 這 個(gè) 軸 向 負(fù) 載 的 最 大 值 即 稱 為 該 滾 珠 絲 杠 能 承 受 的 最 大 動(dòng) 負(fù) 荷 計(jì) 算 步 驟 如 下 C 絲 杠 轉(zhuǎn) 速 其 中 0Lns smin75 060 Li126 1rn 壽 命 610T r5 056 最 大 動(dòng) 負(fù) 荷 NFjLCMw 13842 133 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 9 3 計(jì) 算 最 大 靜 負(fù) 荷 當(dāng) 滾 珠 絲 杠 副 在 靜 態(tài) 或 低 速 情 況 下 工 作 時(shí) 滾 珠 絲 杠min10r 副 的 破 壞 形 式 主 要 是 在 滾 珠 接 觸 面 上 產(chǎn) 生 變 形 當(dāng) 塑 性 變 形 超 過 一 定 限 度 就 會(huì) 破 壞 滾 珠 絲 杠 副 的 正 常 工 作 一 般 允 許 其 塑 性 變 形 量 不 超 過 滾 珠 直 徑 的 萬 分 之 一 產(chǎn) 生 大 的 塑 性 變 形 量 的 負(fù) 載 稱 為 允 許 的 最 大 靜 負(fù) 荷 選 取 靜0C 態(tài) 安 全 系 數(shù) 2 滾 珠 絲 杠 的 最 大 軸 向 負(fù) 荷 故 最 大 靜sf 254maxF 負(fù) 荷 為 51084max0FC 4 選 擇 滾 珠 絲 杠 副 見 表 2 1 5 傳 動(dòng) 效 率 計(jì) 算 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 傳 動(dòng) 效 率 943 056 742tanta 0 表 2 1 滾 珠 絲 杠 副 參 數(shù) 型 號(hào) 公 稱 直 徑 m 基 本 導(dǎo) 程 螺 旋 升 角 絲 杠 外 徑 m 絲 杠 內(nèi) 徑 額 定 動(dòng) 載 荷 N 絲 杠 長 度 m 額 定 靜 載 荷 N5 3406 6 42o 398 524108240 6 剛 度 校 核 主 要 校 核 滾 珠 絲 杠 在 工 作 負(fù) 載 和 扭 矩 T 共 同 作 用 下 引 起 的 每 導(dǎo) 程 變mF 形 量 是 否 符 合 絲 杠 精 度 要 求 L 每 導(dǎo) 程 變 形 量 可 按 以 下 公 式 計(jì) 算L 2021LEFLm 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 10 GJTL0 選 取 106 24mNE 221 8 74mdF EL501 103 06 5 4402 2218 其 中 441 86mdJ 441028 02 5 則 1L 45 3 7 m4092L 293 61 049 查 表 所 得 所 選 用 的 級(jí) 絲 杠 精 度 允 許 誤 差 為 滿 足 要 求 Dm 10 7 穩(wěn) 定 性 校 核 機(jī) 床 在 進(jìn) 給 時(shí) 滾 珠 絲 杠 通 常 是 受 軸 向 力 的 一 壓 桿 若 軸 向 力 過 大 將 使 絲 杠 失 去 穩(wěn) 定 而 產(chǎn) 生 翹 曲 所 以 選 用 時(shí) 必 須 進(jìn) 行 穩(wěn) 定 性 校 核 如 果 滿 足 穩(wěn) 定 性 安 全 系 數(shù) 大 于 許 用 穩(wěn) 定 性 安 全 系 數(shù) 則 絲 杠 安 全 不 會(huì) 失 穩(wěn) knkn kmkFpn 式 中 許 用 穩(wěn) 定 性 安 全 系 數(shù) 一 般 取 2 5 4 k 絲 杠 失 穩(wěn) 時(shí) 的 臨 界 負(fù) 載 由 kp l EJpk 式 中 絲 杠 長 度l 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 11 絲 杠 軸 端 系 數(shù) 由 支 承 條 件 定 截 面 慣 性 矩 對(duì) 實(shí) 心 圓J 416dJ 對(duì) 于 水 平 絲 杠 要 考 慮 自 重 影 響 可 取 4 kn 將 相 關(guān) 數(shù) 據(jù) 代 入 上 式 中 可 得 Npk 1576 120 86 42 457kknn 絲 杠 不 會(huì) 失 穩(wěn) 2 1 2 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 選 用 2 1 2 1脈 沖 量 的 選 擇 初 選 三 相 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 步 距 角 為 當(dāng) 三 相 六 拍 1 205 17 相 勵(lì) 磁 運(yùn) 行 時(shí) 步 距 角 其 妹 轉(zhuǎn) 脈 沖 數(shù)075 rpS48 360 脈 沖 當(dāng) 量 由 此 可 得 中 間 齒 輪 傳 動(dòng) 比 為pm01 i25 1480 6 SLi 2 1 2 2等 效 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 計(jì) 算 1 空 載 時(shí) 的 摩 擦 轉(zhuǎn) 矩 LFTmis 046 25 1806 2 2 車 削 加 工 時(shí) 的 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 L FWTSiyxL 5 125 80 6 39 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 12 2 1 2 3等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 的 計(jì) 算 1 滾 珠 絲 杠 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 SJ 23440 07 32185 7 32 mldJS 2 拖 板 運(yùn) 動(dòng) 慣 量 換 算 到 電 動(dòng) 機(jī) 軸 上 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 JiLgWJw 522 1076 45 106 8 91 3 大 齒 輪 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 gJ 選 取 大 齒 輪 齒 數(shù) 小 齒 輪 齒 數(shù) 模 數(shù) 452 Z31 Zm 242 056 285 709 3bdJg 4 小 齒 輪 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 1gJ 23441 041 32185 70 32 mbdJg 換 算 到 電 動(dòng) 機(jī) 軸 上 的 總 慣 性 負(fù) 載 LJ21iJJsgwgL 2 203 5 1 0376 047 4m 2 1 2 4步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 型 號(hào) 的 選 擇 已 知 初 選 步 進(jìn) 電 機(jī) 型 號(hào) 為 110BF003 TL 5 2310 mJL 步 距 角 三 相 六 拍 其 中 最 大 靜 扭 矩 轉(zhuǎn) 子 慣 量07 T 8ax 由 此 可 得 23186mkgJm 5 018 ax TL 235 01 62 mLJ 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 13 14max TJL 經(jīng) 驗(yàn) 算 可 知 電 動(dòng) 機(jī) 合 格 110BF003 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 外 觀 圖 及 矩 頻 特 性 圖 如 圖 2 2 外型圖 圖 2 2 110BF003 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 外 觀 圖 及 矩 頻 特 性 圖 2 2 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 改 造 設(shè) 計(jì) 2 2 1橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 選 用 橫 向 進(jìn) 給 方 向 的 設(shè) 計(jì) 過 程 同 縱 向 方 向 相 同 2 2 1 1確 定 系 統(tǒng) 的 脈 沖 當(dāng) 量 橫 向 X 向 脈 沖 當(dāng) 量 為 0 005mm 脈 沖 2 2 1 2車 削 力 的 計(jì) 算 車 床 的 主 切 削 力 可 用 下 式 計(jì) 算 NFZ 5 1max670DFZ 式 中 車 床 刀 架 加 工 的 最 大 直 徑 單 位 為 mm maxD 因 C620 床 身 加 工 的 最 大 直 徑 210mm 則 NZ2039 5 1 按 以 下 比 例 分 別 求 出 分 力 和 xFy 4 0 yxF 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 14 則 NFx510 y6 815 2 2 1 3滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 設(shè) 計(jì) 計(jì) 算 和 選 型 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 設(shè) 計(jì) 首 先 要 選 擇 機(jī) 構(gòu) 類 型 確 定 滾 軸 循 環(huán) 方 式 滾 珠 絲 杠 副 的 預(yù) 緊 方 式 結(jié) 構(gòu) 類 型 確 定 后 再 計(jì) 算 和 確 定 其 他 參 數(shù) 包 括 公 稱 直 徑 導(dǎo) 程 滾 珠 的 工 作 圈 數(shù) 列 數(shù) 精 度 等 級(jí) 等 d0Ljk 本 設(shè) 計(jì) 中 選 擇 滾 珠 循 環(huán) 方 式 為 內(nèi) 循 環(huán) 方 式 中 的 固 定 式 滾 珠 絲 杠 副 的 預(yù) 緊 方 法 選 擇 雙 螺 母 螺 紋 預(yù) 緊 1 計(jì) 算 進(jìn) 給 率 牽 引 力 mF 作 用 在 滾 珠 絲 杠 上 的 進(jìn) 給 率 牽 引 力 主 要 包 括 切 削 力 時(shí) 的 走 刀 抗 力 以 及 移 動(dòng) 件 的 重 量 和 切 削 分 力 作 用 在 導(dǎo) 軌 上 的 摩 擦 力 因 而 其 數(shù) 值 大 小 和 導(dǎo) 軌 的 形 式 有 關(guān) 的 計(jì) 算 公 式 如 下 mF 橫 向 進(jìn) 給 導(dǎo) 軌 為 燕 尾 形 則 2 GFfKFxzym N6 1873 6051039 54 燕 尾 形 導(dǎo) 軌 選 取 參 數(shù) GfK0 2 4 1 2 計(jì) 算 最 大 動(dòng) 負(fù) 荷 C 選 用 滾 珠 絲 杠 副 的 直 徑 時(shí) 必 須 保 證 在 一 定 軸 向 負(fù) 載 作 用 下 絲 杠0d 在 回 轉(zhuǎn) 100 萬 轉(zhuǎn) 后 在 它 的 滾 道 上 不 產(chǎn) 生 點(diǎn) 蝕 現(xiàn) 象 這 個(gè) 軸 向 負(fù) 載 的 最 大 值 即 稱 為 該 滾 珠 絲 杠 能 承 受 的 最 大 動(dòng) 負(fù) 荷 計(jì) 算 步 驟 如 下 C 絲 杠 轉(zhuǎn) 速 其 中 0Lns smin6 050 Li125 rn 壽 命 610T r6 8 006 最 大 動(dòng) 負(fù) 荷 MwFfLC3 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 15 6216 8735 03 3 計(jì) 算 最 大 靜 負(fù) 荷 當(dāng) 滾 珠 絲 杠 副 在 靜 態(tài) 或 低 速 情 況 下 工 作 時(shí) 滾 珠 絲 杠min10r 副 的 破 壞 形 式 主 要 是 在 滾 珠 接 觸 面 上 產(chǎn) 生 變 形 當(dāng) 塑 性 變 形 超 過 一 定 限 度 就 會(huì) 破 壞 滾 珠 絲 杠 副 的 正 常 工 作 一 般 允 許 其 塑 性 變 形 量 不 超 過 滾 珠 直 徑 的 萬 分 之 一 產(chǎn) 生 大 的 塑 性 變 形 量 的 負(fù) 載 稱 為 允 許 的 最 大 靜 負(fù) 荷 選 取 靜0C 態(tài) 安 全 系 數(shù) 2 滾 珠 絲 杠 的 最 大 軸 向 負(fù) 荷 故 最 大 靜sf 6 1873maxF 負(fù) 荷 為 2 46 18732max0FfCs 4 選 擇 滾 珠 絲 杠 副 表 2 2 滾 珠 絲 杠 副 參 數(shù) 型 號(hào) 公 稱 直 徑 m 基 本 導(dǎo) 程 螺 旋 升 角 絲 杠 外 徑 m 絲 杠 內(nèi) 徑 額 定 動(dòng) 載 荷 N 絲 杠 長 度 m 額 定 靜 載 荷 N5 20 34 192 71650283160 5 傳 動(dòng) 效 率 計(jì) 算 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 的 傳 動(dòng) 效 率 965 082 743tanta 0 6 剛 度 校 核 主 要 校 核 滾 珠 絲 杠 在 工 作 負(fù) 載 和 扭 矩 T 共 同 作 用 下 引 起 的 每 導(dǎo) 程 變mF 形 量 是 否 符 合 絲 杠 精 度 要 求 L 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 16 每 導(dǎo) 程 變 形 量 可 按 以 下 公 式 計(jì) 算L 2021LEFLm GJT0 選 取 106 24mNE 221 3 4dF mEL401 10 6 587 3302 2125 其 中 4341 6mdJ m351064 2 0 8267 則 1L 34 m302 mL 02 51 46 查 手 冊(cè) 所 得 所 選 用 的 級(jí) 絲 杠 精 度 允 許 誤 差 為 滿 足 要 求 G 60 7 穩(wěn) 定 性 校 核 機(jī) 床 在 進(jìn) 給 時(shí) 滾 珠 絲 杠 通 常 是 受 軸 向 力 的 一 壓 桿 若 軸 向 力 過 大 將 使 絲 杠 失 去 穩(wěn) 定 而 產(chǎn) 生 翹 曲 所 以 選 用 時(shí) 必 須 進(jìn) 行 穩(wěn) 定 性 校 核 如 果 滿 足 穩(wěn) 定 性 安 全 系 數(shù) 大 于 許 用 穩(wěn) 定 性 安 全 系 數(shù) 則 絲 杠 安 全 不 會(huì) 失 穩(wěn) knkn mkFpn 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 17 式 中 許 用 穩(wěn) 定 性 安 全 系 數(shù) 一 般 取 2 5 4 kn 絲 杠 失 穩(wěn) 時(shí) 的 臨 界 負(fù) 載 由 p lEJpk 式 中 絲 杠 長 度l 絲 杠 軸 端 系 數(shù) 由 支 承 條 件 定 截 面 慣 性 矩 對(duì) 實(shí) 心 圓J 416dJ 對(duì) 于 水 平 絲 杠 要 考 慮 自 重 影 響 可 取 4 kn 將 相 關(guān) 數(shù) 據(jù) 代 入 上 式 中 可 得 Npk 72362 102 801 6 73kk nn 絲 杠 不 會(huì) 失 穩(wěn) 2 2 2 橫 向 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 選 用 2 2 2 1脈 沖 量 的 選 擇 初 選 三 相 步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 的 步 距 角 為 當(dāng) 三 相 六 拍 1 2 相 勵(lì)05 17 磁 運(yùn) 行 時(shí) 步 距 角 其 妹 轉(zhuǎn) 脈 沖 數(shù) 075 rpS48075 360 初 選 脈 沖 當(dāng) 量 由 此 可 得 中 間 齒 輪 傳 動(dòng) 比 為pm i08 2405 SLi 2 2 2 2等 效 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 計(jì) 算 1 空 載 時(shí) 的 摩 擦 轉(zhuǎn) 矩 LFT 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 18 mLiTsLF 017 8 024 56 2 2 車 削 加 工 時(shí) 的 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 LT iWSyxL 29 08 0248 561 51 2 2 2 3等 效 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 的 計(jì) 算 1 滾 動(dòng) 絲 杠 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 SJ 23440 034 28 105 7 32 mldJS 2 拖 板 運(yùn) 動(dòng) 慣 量 換 算 到 電 動(dòng) 機(jī) 軸 上 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 wJiLgWJw 522 1089 4 05 8 960 3 大 齒 輪 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 2gJ 選 取 大 齒 輪 齒 數(shù) 小 齒 輪 齒 數(shù) 模 數(shù) 50 Z21 Zm2 34242 07 85 70 3bdJg 4 小 齒 輪 的 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 1gJ 23441 08 32185 70 32 mbdJg 換 算 到 電 動(dòng) 機(jī) 軸 上 的 總 慣 性 負(fù) 載 LJ21 iJJsgwgL 2 2076 48 0 3 07 89 m 2 2 2 4步 進(jìn) 電 動(dòng) 機(jī) 型 號(hào) 的 選 擇 已 知 初 選 步 進(jìn) 電TL 9 25240 076 2mkgmJL 機(jī) 型 號(hào) 為 90BF002 步 距 角 三 相 六 拍 其 中 最 大 靜 扭 矩5 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 19 轉(zhuǎn) 子 慣 量 由 此 可 得 mT 92 3max 251064 7mkgJm 92 30ax TL 25 0164 78 LJ41maxT 經(jīng) 驗(yàn) 算 可 知 電 動(dòng) 機(jī) 合 格 電 動(dòng) 機(jī) 外 形 圖 及 矩 頻 圖 如 圖 2 3 圖 2 3 110BF003 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 外 觀 圖 及 矩 頻 特 性 圖 2 3 齒 輪 傳 動(dòng) 間 隙 的 調(diào) 整 在 橫 向 進(jìn) 給 和 縱 向 進(jìn) 給 的 步 進(jìn) 電 機(jī) 和 滾 珠 絲 杠 間 都 是 通 過 一 對(duì) 減 速 直 齒 輪 傳 動(dòng) 的 這 就 要 求 我 們 對(duì) 齒 輪 的 傳 動(dòng) 間 隙 進(jìn) 行 調(diào) 整 常 用 的 直 齒 輪 調(diào) 整 齒 側(cè) 間 隙 的 方 法 有 以 下 幾 種 1 偏 心 套 軸 調(diào) 整 法 如 圖 2 4 所 示 將 相 互 嚙 合 的 一 對(duì) 齒 輪 中 的 一 個(gè) 齒 輪 4 裝 在 電 機(jī) 輸 出 軸 上 并 將 電 機(jī) 2 安 裝 在 偏 心 套 1 或 偏 心 軸 上 通 過 轉(zhuǎn) 動(dòng) 偏 心 套 偏 心 軸 的 轉(zhuǎn) 角 就 可 調(diào) 節(jié) 兩 嚙 合 齒 輪 的 中 心 距 從 而 消 除 圓 柱 齒 輪 正 反 轉(zhuǎn) 時(shí) 的 齒 側(cè) 間 隙 特 點(diǎn) 是 結(jié) 構(gòu) 簡 單 但 其 側(cè) 隙 不 能 自 動(dòng) 補(bǔ) 償 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 20 圖 2 4 偏 心 套 式 間 隙 消 除 機(jī) 構(gòu) 1 偏 心 套 2 電 動(dòng) 機(jī) 3 減 速 箱 4 5 減 速 齒 輪 2 軸 向 墊 片 調(diào) 整 法 如 圖 2 5 所 示 齒 輪 1 和 2 相 嚙 合 其 分 度 圓 弧 齒 厚 沿 軸 線 方 向 略 有 錐 度 這 樣 就 可 以 用 軸 向 墊 片 3 使 齒 輪 2 沿 軸 向 移 動(dòng) 從 而 消 除 兩 齒 輪 的 齒 側(cè) 間 隙 裝 配 時(shí) 軸 向 墊 片 3 的 厚 度 應(yīng) 使 得 齒 輪 1 和 2 之 間 既 齒 側(cè) 間 隙 小 運(yùn) 轉(zhuǎn) 又 靈 活 特 點(diǎn) 同 偏 心 套 軸 調(diào) 整 法 圖 2 5 圓 柱 齒 輪 軸 向 墊 片 間 隙 消 除 機(jī) 構(gòu) 3 雙 片 薄 齒 輪 錯(cuò) 齒 調(diào) 整 法 這 種 消 除 齒 側(cè) 間 隙 的 方 法 是 將 其 中 一 個(gè) 做 成 寬 齒 輪 另 一 個(gè) 用 兩 片 薄 齒 輪 組 成 采 取 措 施 使 一 個(gè) 薄 齒 輪 的 左 齒 側(cè) 和 另 一 個(gè) 薄 齒 輪 的 右 齒 側(cè) 分 別 緊 貼 在 寬 齒 輪 齒 槽 的 左 右 兩 側(cè) 以 消 除 齒 側(cè) 間 隙 反 向 時(shí) 不 會(huì) 出 現(xiàn) 死 區(qū) 具 體 調(diào) 整 措 施 如 下 第 二 章 機(jī) 械 部 分 的 改 造 設(shè) 計(jì) 21 周 向 彈 簧 式 圖 2 6 在 兩 個(gè) 薄 片 齒 輪 2 和 4 上 各 開 了 幾 條 周 向 圓 弧 槽 并 在 齒 輪 3 和 4 的 端 面 上 有 安 裝 彈 簧 2 的 短 柱 1 在 彈 簧 2 的 作 用 下 使 薄 片 齒 輪 3 和 4 錯(cuò) 位 而 消 除 齒 側(cè) 間 隙 這 種 結(jié) 構(gòu) 形 式 中 的 彈 簧 2 的 拉 力 必 須 足 以 克 服 驅(qū) 動(dòng) 轉(zhuǎn) 矩 才 能 起 作 用 因 該 方 法 受 到 周 向 圓 弧 槽 及 彈 簧 尺 寸 限 制 故 僅 適 用 于 讀 數(shù) 裝 置 而 不 適 用 于 驅(qū) 動(dòng) 裝 置 可 調(diào) 拉 簧 式 圖 2 7 在 兩 個(gè) 薄 片 齒 輪 1 和 2 上 裝 有 凸 耳 3 彈 簧 的 一 端 鉤 在 凸 耳 3 上 另 一 端 鉤 在 螺 釘 7 上 彈 簧 4 的 拉 力 大 小 可 用 螺 母 5 調(diào) 節(jié) 螺 釘 7 的 伸 出 長 度 調(diào) 整 好 后 再 用 螺 母 6 鎖 緊 本 設(shè) 計(jì) 所 選 用 的 是 雙 片 薄 齒 輪 錯(cuò) 齒 調(diào) 整 法 中 的 可 調(diào) 拉 簧 式 由 此 就 可 以 將 縱 向 及 橫 向 進(jìn) 給 系 統(tǒng) 的 裝 配 圖 設(shè) 計(jì) 并 畫 出 具 體 請(qǐng) 見 圖 紙 圖 2 6 薄 片 齒 輪 周 向 拉 簧 錯(cuò) 齒 調(diào) 隙 機(jī) 構(gòu) 圖 2 7 可 調(diào) 拉 簧 式 調(diào) 隙 第 三 章 電 氣 控 制 部 分 的 設(shè) 計(jì) 22 第三章 電氣控制部分的設(shè)計(jì) 在 這 一 部 分 我 們 采 用 MCS 51 系 列 單 片 機(jī) 控 制 主 控 系 統(tǒng) 51 系 列 相 對(duì) 48 系 列 指 令 更 豐 富 相 對(duì) 96 系 列 價(jià) 格 更 便 宜 51 系 列 中 是 無 ROM 的 8051 8751 是 用 EPROM 代 替 ROM 的 8051 目 前 工 控 機(jī) 中 應(yīng) 用 最 多 的 是 8031 單 片 機(jī) 本 設(shè) 計(jì) 以 8031 芯 片 為 核 心 增 加 存 儲(chǔ) 器 擴(kuò) 展 電 路 接 口 和 面 板 操 作 開 關(guān) 組 成 的 控 制 系 統(tǒng) 3 1單 片 機(jī) 的 選 擇 圖 3 1 8031 引 腳 圖 本 設(shè) 計(jì) 選 用 8031 芯 片 片 內(nèi) 無 ROM 或 者 EPROM 使 用 時(shí) 必 須 配 置 外 部 的 程 序 存 儲(chǔ) 器 EPROM 本 設(shè) 計(jì) 選 用 了 27128 擴(kuò) 展 其 空 間 8031 的 引 腳 分 3 大 功 能 1 I O 口 線 P0 P1 P2 P3 共 4 個(gè) 八 位 口 2 控 制 口 線 PSEN 片 外 取 指 控 制 ALE 地 址 鎖 存 控 制 EA 片 外 存 儲(chǔ) 器 選 擇 RESET 復(fù) 位 控 制 第 三 章 電 氣 控 制 部 分 的 設(shè) 計(jì) 23 3 電 源 和 時(shí) 鐘 8031 最 小 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 8031 內(nèi) 部 不 帶 ROM 需 要 外 接 EPROM 作 為 外 部 程 序 存 儲(chǔ) 器 又 因 為 8031 在 外 接 程 序 存 儲(chǔ) 器 或 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 時(shí) 地 址 的 低 8 位 信 息 和 數(shù) 據(jù) 信 息 分 時(shí) 送 出 故 還 需 要 采 用 一 片 6264 數(shù) 據(jù) 存 儲(chǔ) 器 儲(chǔ) 存 數(shù) 據(jù) 這 樣 一 片 27128EPROM 和 一 片 6264 組 成 了 一 個(gè) 最 小 的 計(jì) 算 機(jī) 應(yīng) 用 系 統(tǒng) 圖 3 2 系 統(tǒng) 存 儲(chǔ) 器 3 2步 進(jìn) 電 機(jī) 的 驅(qū) 動(dòng) 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 運(yùn) 行 特 性 與 配 套 使 用 的 驅(qū) 動(dòng) 電 源 有 密 切 關(guān) 系 驅(qū) 動(dòng) 電 源 由 脈 沖 分 配 器 功 率 放 大 器 組 成 驅(qū) 動(dòng) 電 源 是 將 變 頻 信 號(hào) 源 送 來 的 脈 沖 信 號(hào) 及 方 向 信 號(hào) 按 要 求 的 配 電 方 式 自 動(dòng) 的 循 環(huán) 供 給 電 機(jī) 各 組 繞 組 以 驅(qū) 動(dòng) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 子 正 反 向 旋 轉(zhuǎn) 第 三 章 電 氣 控 制 部 分 的 設(shè) 計(jì) 24 3 2 1環(huán) 形 脈 沖 分 配 器 的 選 擇 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 各 組 繞 組 必 須 按 一 定 的 順 序 通 電 才 能 正 常 工 作 這 種 使 電 機(jī) 繞 組 的 通 電 順 序 按 一 定 規(guī) 律 變 化 的 部 分 稱 為 脈 沖 分 配 器 又 稱 環(huán) 形 脈 沖 分 配 器 所 以 不 同 相 的 電 機(jī) 應(yīng) 選 用 不 同 的 環(huán) 形 分 配 器 本 設(shè) 計(jì) 中 所 選 用 的 電 機(jī) 縱 向 部 分 為 110BF003 三 相 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 與 其 相 配 的 環(huán) 形 脈 沖 分 配 器 為 CH250 其 管 腳 圖 見 圖 3 3 圖 3 3 CH250 管 腳 圖 CH250 有 A B C 三 個(gè) 輸 出 端 當(dāng) 輸 入 端 CL 或 EN 加 上 時(shí) 鐘 脈 沖 后 輸 出 波 形 將 符 合 三 相 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 的 要 求 輸 出 電 流 能 力 為 0 5mA 經(jīng) 推 動(dòng) 級(jí) 驅(qū) 動(dòng) 級(jí) 放 大 后 即 可 驅(qū) 動(dòng) 電 動(dòng) 機(jī) 繞 組 CH250 在 供 三 相 六 拍 步 進(jìn) 電 機(jī) 工 作 時(shí) 線 路 中 的 接 線 見 圖 3 4 圖 3 4 三 相 六 拍 時(shí) CH250 接 線 圖 第 三 章 電 氣 控 制 部 分 的 設(shè) 計(jì) 25 橫 向 部 分 為 90BF002 五 相 反 應(yīng) 式 步 進(jìn) 電 機(jī) 與 其 相 配 的 環(huán) 形 脈 沖 分 配 器 為 PMM8714 其 管 腳 圖 見 圖 3 5 3 2 2功 率 放 大 器 的 選 用 從 計(jì) 算 機(jī) 輸 出 口 或 從 環(huán) 形 分 配 器 輸 出 的 信 號(hào) 脈 沖 電 流 一 般 只 有 幾 個(gè) 毫 安 不 能 直 接 驅(qū) 動(dòng) 步 進(jìn) 電 機(jī) 必 須 采 用 功 率 放 大 器 將 脈 沖 電 流 進(jìn) 行 放 大 使 其 增 大 到 幾 至 十 幾 安 培 從 而 驅(qū) 動(dòng) 步 進(jìn) 電 機(jī) 運(yùn) 轉(zhuǎn) 步 進(jìn) 電 機(jī) 所 使 用 的 功 率 放 大 器 有 電 壓 型 和 電 流 型 電 壓 型 又 有 單 電 壓 型 雙 電 壓 型 高 低 壓 型 電 流 型 中 有 恒 流 驅(qū) 動(dòng) 斬 波 驅(qū) 動(dòng) 等 圖 3 5 PMM8714 管 腳 圖 1 單 電 壓 功 率 放 大 電 路 此 電 路 的 優(yōu) 點(diǎn) 是 電 路 結(jié) 構(gòu) 簡 單 不 足 之 處 是 Rc 消 耗 能 量 大 電 流 脈 沖 前 后 沿 不 夠 陡 在 改 善 了 高 頻 性 能 后 低 頻 工 作 時(shí) 會(huì) 使 振 蕩 有 所 增 加 使 低 頻 特 性 變 壞 2 高 低 電 壓 功 率 放 大 電 路 電 源 U1 為 高 電 壓 電 源 大 約 為 80 150V U2 為 低 電 壓 電 源 大 約 為 5 20V 在 繞 組 指 令 脈 沖 到 來 時(shí) 脈 沖 的 上 升 沿 同 時(shí) 使 VT1 和 VT2 導(dǎo) 通 圖 3 5 單 電 壓 功 率 放 大 器 第 三 章 電 氣 控 制 部 分 的 設(shè) 計(jì) 26 由 于 二 極 管 VD1 的 作 用 使 繞 組 只 加 上 高 電 壓 U1 繞 組 的 電 流 很 快 達(dá) 到 規(guī) 定 值 到 達(dá) 規(guī) 定 值 后 VT1 的 輸 入 脈 沖 先 變 成 下 降 沿 使 VT1 截 止 電 動(dòng) 機(jī) 由 低 電 壓 U2 供 電 維 持 規(guī) 定 電 流 值 直 到 VT2 輸 入 脈 沖 下 降 沿 到 來 VT2 截 止 不 足 之 處 是 在 高 低 壓 銜 接 處 的 電 流 波 形 在 頂 部 有 下 凹 影 響 電 動(dòng) 機(jī) 運(yùn) 行 的 平 穩(wěn) 性 圖 3 6 高 低 電 壓 功 率 放 大 電 路 3 斬 波 恒 流 功 放 電 路 該 電 路 的 特 點(diǎn) 是 工 作 時(shí) Vin 端 輸 入 方 波 步 進(jìn) 信 號(hào) 當(dāng) Vin 為 0 電 平 由 與 門 A2 輸 出 Vb 為 0 電 平 功 率 管 達(dá) 林 頓 管 VT 截 止 繞 組 W 上 無 電 流 通 過 采 樣 電 阻 上 R3 上 無 反 饋 電 壓 A1 放 大 器 輸 出 高 電 平 而 當(dāng) Vin 為 高 電 平 時(shí) 由 與 門 A2 輸 出 的 Vb 也 是 高 電 平 功 率 管 VT 導(dǎo) 通 繞 組 W 上 有 電 流 采 樣 電 阻 上 R3 上 出 現(xiàn) 反 饋 電 壓 Vf 由 分 壓 電 阻 R1 R2 得 到 設(shè) 定 電 壓 與 反 饋 電 壓 相 減 來 決 定 A1 輸 出 電 平 的 高 低 來 決 定 Vin信 第 三 章 電 氣 控 制 部 分 的 設(shè) 計(jì) 27 號(hào) 能 否 通 過 與 門 A2 若 Vref Vf 時(shí) Vin 信 號(hào) 通 過 與 門 形 成 Vb 正 脈 沖 打 開 功 率 管 VT 反 之 Vref Vf 時(shí) Vin 信 號(hào) 被 截 止 無 Vb 正 脈 沖 功 率 管 VT 截 止 這 樣 在 一 個(gè) Vin 脈 沖 內(nèi) 功 率 管 VT 會(huì) 多 次 通 斷 使 繞 組 電 流 在 設(shè) 定 值 上 下 波 動(dòng) 圖 3 7 斬 波 恒 流 功 放 電 路 通 過 比 較 選 擇 本 設(shè) 計(jì) 中 選 用 單 電 壓 功 率 放 大 電 路 為 了 避 免 功 放 后 強(qiáng) 電 對(duì) 弱 電 產(chǎn) 生 干 擾 應(yīng) 在 環(huán) 形 分 配 器 和 功 率 放 大 電 路 之 間