數(shù)控自動送料機設計【15張CAD圖紙+PDF圖】

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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IIAbstractIII1 緒論11.1 課題的背景11.2 課題的意義11.3本課題研究的內(nèi)容及方法11.3.1主要的研究內(nèi)容11.3.2設計要求21.3.3關鍵的技術問題22 數(shù)控自動送料機裝置總體結(jié)構(gòu)設計32.1設計的要求與數(shù)據(jù)32.2 機械傳動系統(tǒng)圖33 數(shù)控自動送料機X方向進給傳動設計43.1 X向滾珠絲桿副的選擇43.1.1導程確定43.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速53.1.3估計工作臺質(zhì)量及負重53.1.4確定絲桿的等效負載53.1.5確定絲桿所受的最大動載荷53.1.6精度的選擇63.1.7選擇滾珠絲桿型號73.2校核73.2.1 臨界壓縮負荷驗證73.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證83.2.3絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率83.3電機的選擇93.3.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量93.3.2電機扭矩計算104 數(shù)控自動送料機Y方向進給傳動設計124.1 滾珠絲杠計算、選擇124.2 步進電機慣性負載的計算144.3 Y軸滾導軌副的計算、選擇175 機架的設計195.1對機架結(jié)構(gòu)的基本要求195.2 機架的結(jié)構(gòu)205.3橫梁設計215.4 機架的基本尺寸的確定235.5 架子材料的選擇確定235.6 主要梁的強度校核246 橫縱向進給運動控制程序的編制266.1 控制系統(tǒng)硬件的基本組成266.2 接口程序初始化及步進電機控制程序276.3 直線圓弧插補程序設計31參考文獻39結(jié)論40致謝421 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)復雜，裝配、制造、維修困難，價格昂貴，又不適合于我國沖床的縱向送料的要求。RF20SDOR11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，另設一套獨立驅(qū)動可移式輸送機，通過隔料機構(gòu)將工件輸送至預定位置，這樣一套機構(gòu)的配置僅局限于日本設備，不能應用于國產(chǎn)沖床。國內(nèi)有的送料機構(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，通過隔料機構(gòu)推到模具中心，并聯(lián)動打板將沖好的料撥掉，往復運動的一整套機構(gòu)比較簡單， 無輸送機構(gòu)，聯(lián)動可靠，制造容易。但機械手不能將料提升、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，物料給料輸送機是機械制造系統(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）及時準確地送到指定加工位置、倉庫或裝卸站。計?，F(xiàn)在要求設計自動送料機構(gòu)，實現(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，即是一人看一臺機器，人工送料，這種生產(chǎn)模式生產(chǎn)效率很低，既浪費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)外送料機構(gòu)的特點，采用伺服電機與送料機構(gòu)為配合的主要裝置。設計了具有推廣意義的自動送料機。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)外大量的有關數(shù)控自動送料機設計理論及相關知識的資料和文獻基礎上，綜合考慮數(shù)控自動送料機結(jié)構(gòu)特點、具體作業(yè)任務特點以及數(shù)控自動送料機的推廣應用，分析確定使用數(shù)控自動送料機配合生產(chǎn)工序，實現(xiàn)自動化的目的。為了實現(xiàn)上述目標，本文擬進行的研究內(nèi)容如下:1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求和數(shù)控自動送料機本身的結(jié)構(gòu)特點，確定數(shù)控自動送料機整體設計方案。2 確定數(shù)控自動送料機的性能參數(shù)，對初步進行靜力學分析，根據(jù)實際情況選擇電機。3 從所要功能的實現(xiàn)出發(fā)，完成數(shù)控自動送料機各零部件的結(jié)構(gòu)設計；4 完成主要零部件強度與剛度校核。1.3.2設計要求1 根據(jù)所要實現(xiàn)的功能，提出數(shù)控自動送料機的整體設計方案；2 完成數(shù)控自動送料機結(jié)構(gòu)的詳細設計；3 通過相關設計計算，完成電機選型；4 完成數(shù)控自動送料機結(jié)構(gòu)的設計；繪制數(shù)控自動送料機結(jié)構(gòu)總裝配圖、主要零件圖。1.3.3關鍵的技術問題1 方案選擇2整體的支撐架設計3機構(gòu)設計 4 強度校核 452 數(shù)控自動送料機裝置總體結(jié)構(gòu)設計2.1設計的要求與數(shù)據(jù)在自動化制造系統(tǒng)中，伴隨著制造過程的進行，貫穿著各種物料的流動和儲運，物料給料輸送機是機械制造系統(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系統(tǒng)中，然后由物料輸送系統(tǒng)送至指定位置。本課題設計的數(shù)控自動送料機具有可實現(xiàn)橫縱向進給的工作臺和機座組成，工作臺面可附加氣動夾具與零件、隨行夾具進行裝夾，與帶式傳送機、滾筒式輸送機等輸送裝置組成自動化輸送系統(tǒng)，對實現(xiàn)制造系統(tǒng)自動化具有重要意義。本設計主要完成自動給料機的機架結(jié)構(gòu)、工作臺結(jié)構(gòu)設計、橫縱向進給機構(gòu)設計、工作臺運動軌道設計，橫縱向進給運動控制程序的編制。技術參數(shù)：工作臺臺面尺寸：1230x970mm 工作臺高度：870mm送料速度：120pcs/min（步距110mm）電機功率：1Kw2.2 機械傳動系統(tǒng)圖開環(huán)伺服系統(tǒng)步進電機驅(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驅(qū)動位置檢測裝置位置反饋本設計采用開環(huán)步進電機驅(qū)動。、傳動初步設計電動機聯(lián)軸器滾珠絲杠工作臺3 數(shù)控自動送料機X方向進給傳動設計表 3-1滾珠絲桿副支承支承方式簡圖特點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)速都較低設計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拉伸，預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構(gòu)。他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)和直線運動進行相互轉(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導程確定電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接，故其傳動比i=1, 選擇電機Y系列異步電動機的最高轉(zhuǎn)速，則絲杠的導程為 取Ph=12mm3.1.2確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速基本公式 最大進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 最小進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取故3.1.3估計工作臺質(zhì)量及負重 工作臺重量 移動部件重量 3.1.4確定絲桿的等效負載工作負載是指機床工作時，實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力，他的數(shù)值用進給牽引力的實驗公式計算。選定導軌為滑動導軌，取摩擦系數(shù)為0.03，K為顛覆力矩影響系數(shù)，一般取1.11.5，本課題中取1.3，則絲桿所受的力為其等效載荷按下式計算（式中取，）3.1.5確定絲桿所受的最大動載荷fw-負載性質(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由上式計算得Car=17300N表3-1-1各類機械預期工作時間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負載性質(zhì)系數(shù)fw3.1.6精度的選擇滾珠絲杠副的精度對電氣機床的定位精度會有影響，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，導程誤差對機床定位精度是最明顯的。一般在初步設計時設定絲杠的任意300行程變動量應小于目標設定定位精度值的1/31/2,在最后精度驗算中確定。，選用滾珠絲杠的精度等級X軸為13級（1級精度最高），Z軸為25級，考慮到本設計的定位精度要求及其經(jīng)濟性，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 計算得出Ca=Car=17.3KN,則Coa=(23)Fm=（34.651.9）KN公稱直徑Ph=12mm則選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)浮動返向器，雙螺母墊片預緊滾珠絲桿副，絲桿的型號為FFZD40103。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/m3.2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算而定。3.2.1 臨界壓縮負荷驗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。臨界壓縮負荷按下列計算：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=1.3Fmax-最大軸向工作負荷（N）f1-絲桿支撐方式系數(shù)：f1=15.1I=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應該大于絲桿螺紋部分長度Lu，選取LO=620mm代入上式計算得出Fca=5.8X108N可見FcaFmax，臨界壓縮負荷滿足要求。3.2.2臨界轉(zhuǎn)速驗證滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時，需驗算其是否會發(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)速計算長度，單位為，本設計中該值為=148/2+300+(620-488)/2=440mm-安全系數(shù)，可取=0.8fZ-絲杠支承系數(shù)，雙推-簡支方式時取18.9經(jīng)過計算，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的計算公式式中 A絲杠最小橫截面，；螺母座剛度KH=1000N/m。當導軌運動到兩極位置時，有最大和最小拉壓剛度，其中，L植分別為750mm和100mm。經(jīng)計算得：式中 Ke 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度(N/m)； KH螺母座的剛度(N/m)；KH=1000 N/mKc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)計算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于1500r/min，能滿足要求。3.3電機的選擇步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個距角增量。電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例，相應的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率。步進電機具有慣量低、定位精度高、無累計誤差、控制簡單等優(yōu)點，所以廣泛用于機電一體化產(chǎn)品中。選擇步進電動機時首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率，再者還要考慮轉(zhuǎn)動慣量、負載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán)境等因素。3.3.1電機軸的轉(zhuǎn)動慣量a、回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量上式中：d直徑,絲桿外徑d=39.5mmL長度=1mP鋼的密度=7800經(jīng)計算得b、X向直線運動件向絲桿折算的慣量上式中：M質(zhì)量 X向直線運動件M=160kgP絲桿螺距（m）P=0.001m經(jīng)計算得c、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量查表得 因此3.3.2電機扭矩計算a、折算至電機軸上的最大加速力矩上式中：J=0.0028kg/m2ta加速時間 KS系統(tǒng)增量，取15s-1,則ta=0.2s經(jīng)計算得b、折算至電機軸上的摩擦力矩上式中：F0導軌摩擦力，F(xiàn)0=Mf，而f=摩擦系數(shù)為0.02，F(xiàn)0=Mgf=32NP絲桿螺距（m）P=0.001m傳動效率，=0.90I傳動比，I=1經(jīng)計算得c、折算至電機軸上的由絲桿預緊引起的附加摩擦力矩上式中P0滾珠絲桿預加載荷1500N0滾珠絲桿未預緊時的傳動效率為0.9經(jīng)計算的T0=0.05NM則快速空載啟動時所需的最大扭矩 根據(jù)以上計算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量，選擇電機型號為SIEMENS的IFT5066，其額定轉(zhuǎn)矩為6.7。4 數(shù)控自動送料機Y方向進給傳動設計4.1 滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC5860，導程：l0=5mm強度計算絲杠軸向力：(N)其中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數(shù)f=0.0030005；在車床車削外圓時：Fx=(0.10.6)Fz，F(xiàn)y=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。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1.21.5；fH為硬度系數(shù)，HRC58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,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式.滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表名稱計算公式結(jié)果公稱直徑20mm螺距mm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） 傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為：式中：=10，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。（2） 穩(wěn)定性驗算絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。（3） 剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為：(cm)Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差為E級精度絲杠允許的螺距誤差 =15m/m。4.2 步進電機慣性負載的計算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有：（1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計算折算到步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為：式中：為折算到電機軸上的慣性負載；為步進電機軸的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；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：電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有：步進電機的選用(）步進電機啟動力矩的計算設步進電機的等效負載力矩為，負載力為，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與負載力所做的功有如下的關系：式中為電機轉(zhuǎn)角，為移動部件的相應位移，為機械傳動的效率。若取，則，且。所以：式中：為移動部件負載（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載力（N），為導軌摩擦系數(shù)，為步進電機的步距角（rad）,T為電機軸負載力矩（N.cm）。取=0.3（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)），.8，=279.23?？紤]到重力影響，向電機負載較大，因此1200，所以有：考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩：取系數(shù)為.，則： 對于工作方式為三相拍的步進電機： (） 步進電機的最高工作頻率電機功率：1Kw為使電機不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率,同時電機最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型三相反應式步進電機.電機有關參數(shù)如下:型號主要技術參數(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行頻率分配方式90BF00140.98073.92200080004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9014594.517644.3 Y軸滾導軌副的計算、選擇根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中：C0為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般運行狀況)，3.05.0（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結(jié)果查有關資料初選導軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取根據(jù)計算額定靜載荷初選導軌:選擇漢機江機床廠HJG-D系列滾動直線導軌,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滑座重量導軌重量導軌長度動載荷靜載荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座個數(shù)單向行程長度每分鐘往復次數(shù)M40.64導軌的額定動載荷N依據(jù)使用速度v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽命Ln：額定行程長度壽命: 導軌的額定工作時間壽命: 導軌的工作壽命足夠.5 機架的設計5.1對機架結(jié)構(gòu)的基本要求機架是整個機床的基礎支持件，一般用來放置重要部件。為了滿足機床高速度、高精度、高生產(chǎn)率、高可靠性和高自動化程度的要求，與普通機床相比，機床應有高的靜、動剛度，更好的抗振性。 一、對機床的機架主要在以下3 個方面提出了更高的要求： 1很高的精度和精度保持性 在機架上有很多安裝零部件的加工面和運動部件的導軌面，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，機床在切削加工時，所有的靜、動載荷最后往往都傳到機架上，所以，機架受力很復雜。為此，為保證零部件之間的相互位置或相對運動精度，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要求。 2應具有足夠的靜、動剛度 靜剛度包括：機架的自身結(jié)構(gòu)剛度、局部剛度和接觸剛度，都應該采取相應的措施，最后達到有較高的剛度-質(zhì)量比。動剛度直接反映機床的動態(tài)性能，為了保證機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?shù)脑黾幼枘?、提高固有頻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 對機床來說，熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個突出問題，必須在設計上要做到使整機的熱變形小，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；有導軌的機架，由于導軌面與底面存在溫差，在垂直平面內(nèi)導軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形。因此，機架結(jié)構(gòu)設計時應使熱變形盡量小。 二、機架機架設計的一般要求 ： 1） 在滿足強度和剛度的前提下，機架的重量應要求輕、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??； 4） 溫度場分布合理，熱變形對精度的影響小； 5） 結(jié)構(gòu)設計合理，工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工； 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） 有導軌的機架要求導軌面受力合理、耐磨性良好； 8） 造型好。使之既適用經(jīng)濟，有美觀大方。5.2 機架的結(jié)構(gòu)1機架結(jié)構(gòu) 根據(jù)機床的類型不同，機架的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式。例如車床機架的結(jié)構(gòu)形式有平機架、斜機架、平機架斜導軌和直立機架等四種類型。 另外，斜機架結(jié)構(gòu)還能設計成封閉式斷面，這樣大大提高了機架的剛度。鉆高精度立式萬能磨床、加工中心等這一類機床的機架結(jié)構(gòu)與車床有所不同。例如加工中心的機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形機架和前后機架分開組裝的T形機架。所謂T形機架是指機架是由橫置的前機架和與它垂直的后機架組成。整體式機架，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，尤其是大中型機床的整體機架，制造時需要大型設備。而分離式T形機架，鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善。前后機架聯(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形機架適用于大中型臥式加工中心。 由于機架導軌的跨距比較窄，致使工作臺在橫溜板上移動到達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了輔助導軌。 2機架的截面形狀 機床的機架通常為箱體結(jié)構(gòu)，合理設計機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?shù)墓逃蓄l率。機架肋板一般根據(jù)機架結(jié)構(gòu)和載荷分布情況，驚醒設計，滿足機架剛度和抗振性要求，V形肋板有利于加強導軌支承部分的剛度；斜方肋和對角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強機架的扭轉(zhuǎn)剛度，并且便于設計成全封閉的箱形結(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機架的結(jié)構(gòu)設計 機架結(jié)構(gòu)設計時，應盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)并簡化表面形狀。根據(jù)本設計的具體情況及要求，機架的結(jié)構(gòu)設如下：4.機架的設計步驟 根據(jù)機架上的零件、部件情況和設計要求初步確定機架及機架的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸，以保證機架內(nèi)外的零件能正常運動 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，單件小批量的非標準設備機架可以采用焊接和鍛喊結(jié)合的機架 分析承載情況，根據(jù)承載情況合理的選擇截面形式，確定主要設計參數(shù) 畫出結(jié)構(gòu)草圖，進行必要的強度和剛度計算和尺寸修改 對重要設備的機架，還應該進行模擬實驗設計和模擬實驗，并根據(jù)實驗結(jié)果對設計進行修改。5.3橫梁設計 梁設計的要求與軸心受壓相仿，鋼梁設計應考慮強度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定各個方面滿足要求。(1)梁的強度計算主要包括抗彎、抗剪和折算應力等強度應足夠。(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足夠的側(cè)向支承，或適當加大梁截面以降低彎曲壓應力至臨界應力以下。(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滿足梁的強度、剛度、整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定四個要求，其中強度包括抗彎、抗剪、局部壓應力和折算應力。由于型鋼截面的翼緣和腹板等板件常有足夠的厚度，一般不必驗算局部穩(wěn)定，無很大孔洞削弱時一般也不必驗算剪應力。局部壓應力和折算應力只在有較大集中荷載或支座反力時計算。型鋼梁設計通常是先按抗彎強度(當梁的整體穩(wěn)定有保證或Mmax處截面有較多孔洞削弱時)或整體穩(wěn)定(當需計算整體穩(wěn)定時)選擇型鋼截面，然后驗算其它項目是否足夠，不夠時再作調(diào)整。為了節(jié)省鋼材，應盡量采用牢固連接于受壓翼緣的密鋪面板或足夠的側(cè)向支承以達到不需計算整體穩(wěn)定的要求。按抗彎強度或整體穩(wěn)定(b值可先估計假定)選擇單向(強軸)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度，腹板的局部穩(wěn)定和構(gòu)造要求。從抗剪強度角度來看，應滿足下式：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 機架的基本尺寸的確定機架是支撐及其自動變速器所有附件的可移動機構(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，支承軸安裝在機架上。為了使機架能夠方便移動，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6060的方鋼和5050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60605050橫截面圖長度500567材料Q235Q2355.6 主要梁的強度校核考慮到一些外在壓力，按照重量為600N進行校核。支承軸160，查機械工程材料 P105頁表5-2得，Q235鋼材的屈服強度 b =375460MPa，取 b=375 MP a解：和軸一樣建立如圖所示的坐標系。以軸心為x軸，垂直上平面的直線為y軸，一端點為圓點建立如圖6.1所示的平面直角坐標系。因為：FRD =600N ，把RDE從D點移到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=FabLbe=6000.300NM=180 Nm計算軸的集慣性矩Ip和抗彎截面系數(shù)Wz，因為材料和軸的是一樣的，所以 b=375 MP a , Ip=y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=180/（6773.6910-6）P a=0.26MP a也設安全系數(shù)：K=5故：K max=50.26MP 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。所以可以進行制作。解：以軸心為x軸，垂直上平面的直線為y軸，一端點為圓點建立如圖2.2.1所示的平面直角坐標系。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點之間。把F從C點移到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=FLbe=6000.3NM=180 Nm因為：Fba+Fde=2F=1200N由于軸的受力完全對稱，故Fba=Fde=F=600NB點和F點的彎矩為：MB=WF=FbaLde+M=6000.01+180 Nm=601.8Nm 受力情況如圖2.2.1所示. 計算軸的極慣性矩Ip 和抗彎截面系數(shù)Wz因為材料和軸的是一樣的，所以 b=375 MP a , Ip=y2dA =10.16cm4; W= Ip/y max=6773.688410-6m3 所以 max= M max / W=305/（6773.6910-6）P a=0.45MP a也設安全系數(shù)：K=5故：K max=50.45 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。所以可以進行制作。6 橫縱向進給運動控制程序的編制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為核心的控制系統(tǒng)中，大多數(shù)采用MCS-51系列單片機的8031芯片，經(jīng)過擴展存儲器、接口和面板操作開關等，組成功能較完善、抗干擾性能較強的控制系統(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)擴展系統(tǒng)中采用鍵盤實現(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)需要進行系統(tǒng)擴展。可編程并行接口8255A是一種應用廣泛的并行接口擴展器件。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口的準雙向口功能可以實現(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)38譯碼器后顯示某一位，并持續(xù)1ms。各位掃描一遍之后，關掉顯示。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32 通過P1口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路6.1.4 步進電機驅(qū)動電路設計步進電機的驅(qū)動電路設計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，相應的降低了系統(tǒng)的成本，雖然這種方法占用了一定的計算機運行時間，但是在該設備中計算機有足夠的資源來擔當買中分配任務。該系統(tǒng)采用軟件來經(jīng)行脈沖分配更為合理。單片機與步進電機的接口電路如圖33。圖33 單片機與步進電機的接口電路6.2 接口程序初始化及步進電機控制程序6.2.1 8255A初始化程序INTT: MOV DX, 8255A控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL6.2.2 40H類型中斷服務程序MOV DX, 8255AIN AL, DXIRET6.2.3 步進電機驅(qū)動程序6.2.3.1 電機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)二進制十六進制18A0000000101H27AB0000001103H36B0000001002H45BC0000011006H54C0000010004H63CD0000010105H72D0000011006H81DA0000011107H設電機總的運行步數(shù)放在R4，轉(zhuǎn)向標志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標志位F1（D5）中，當F1為0時，電機正轉(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20H27H中，28H中存放結(jié)束標志00H，在29H2EH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)束標志00H。6.2.3.2電機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序PUSH A ；保護現(xiàn)場MOV R4, #N ；設步長計數(shù)器CLR C；ORL C, D5H ；轉(zhuǎn)向標志為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1MOV A, #00H；ORL A, R0；JZ TRL；LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步數(shù)步為0轉(zhuǎn)移POP A ；恢復現(xiàn)場RET； ；返回TPL: MOV A, R0；CLR A；SUBB A, #06H；MOV R0, A；恢復控制字首指針AJMP LOOP1；DELAY: MOV R2, #M；DELAY1: MOV A, #M1；LOOP: DEC A；JNZ LOOP；DJNZ R2, DELAY1；RET；6.3 直線圓弧插補程序設計在機電設備中，執(zhí)行部件如要實現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運動，必須通過兩個方向運動的合成來完成。在數(shù)控機床中，這是由X、Y兩個方向運動的工作臺，按照插補控制原理實現(xiàn)的。6.3.1直線插補程序的設計6.3.1.1用逐點比較法進行直線插補計算，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給和采用哪個偏差計算公式。坐標進給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。偏差計算：進給一步后，計算新的加工偏差。終點判別：進給一步后，終點計算器減1.若為0，表示到達終點停止插補；不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計算判別可用兩個方向坐標值來判斷，也可由一個方向的坐標值來判斷。當，可用X方向走的總步數(shù)作為終點判別的依據(jù)，如動點X等于終點則停止。當，則用Y方向走的總步數(shù)作為終點判別的依據(jù)。由此，第一象限直線插補程序的算法如圖：6.3.1.2程序設計設計程序時，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標值、，動點坐標值X,Y，偏差。對8位機，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)必須進行初始化，如設置初始值、X、Y向步進電機初態(tài)（控制字）。插補程序所用的內(nèi)存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXY電機正反轉(zhuǎn)控制字電機正反轉(zhuǎn)控制字為：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0為X向電機控制位。D0=1運行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。D2D3為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。第一象限直線插補的程序如下：ORG 2000HMIAN: 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,28HLP2: MOV 2EH,A MOV A,28H CJME A,2AH,LP3 RETEND程序中MOTR為步進電機的控制子程序。6.3.2圓弧插補程序的設計6.3.2.1逐點比較法逐點比較法的圓弧的插補計算過程和直線插補過程基本相同，也分為偏差判別、坐標進給、偏差計算和終點判別四個步驟。不同點在于：（1）偏差計算公式步進與前一點偏差有關，還與前一點的坐標有關，在計算偏差的同時要進行坐標計算。（2）終點的判別是以一個方向的坐標值與終點坐標值相比較判斷其是否相等為判據(jù)。若，則以X是否等于作為終點判據(jù)；若，則以Y是否等于作為終點判據(jù)。第一象限逆圓弧插補程序算法如圖：6.3.2.2程序設計和直線插補程序設計一樣，也在內(nèi)存中開辟存儲單元用以存放有關數(shù)據(jù)。在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放懂點坐標X和Y，其初始值為起點坐標值，其后依據(jù)坐標計算結(jié)果而變化，存放終點坐標值，以及存放偏差飛存儲單元。第一象限逆圓弧插補程序如下： 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 2DHORG 2400HMAIN: 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; FHLP3: 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 MULT2ADD: CLR C MOV A,FL ADDC A,1CH MOV FL,A MOV A,FH ADDC A,1DH