方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)【200X200】
方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)【200X200】,200X200,方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)【200X200】,臺(tái)面,數(shù)控,回轉(zhuǎn),工作臺(tái),設(shè)計(jì),x200
專業(yè)課課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書
設(shè)計(jì)題目:數(shù)控X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì)
學(xué) 生:
學(xué) 號(hào):
班 級(jí):
指導(dǎo)教師:
(200X200)方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)
目錄
序言……………………………………………………………………………………………3
摘要…………………………………………………………………………………………… 4
設(shè)計(jì)目的…………………………………………………………………………………… 4
設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………………………………… 4
總體方案設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………5
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………………… 6
1、確定脈沖當(dāng)量…………………………………………………………………………… 6
2、確定傳動(dòng)比……………………………………………………………………………… 6
3、滾珠絲杠螺母副的選型和校核……………………………………………………… 7
4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算…………………………………………………………… 11
5、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 ……………………………………………………………… 13
6、啟動(dòng)矩頻特性校核…………………………………………………………………… 14
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………… 18
第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成……………………………………………… 18
第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制電路………………………………………………………… 18
步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 20
其它電路輔助設(shè)計(jì)………………………………………………………………………24
設(shè)計(jì)總結(jié)……………………………………………………………………………………24
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………25
序言
據(jù)資料介紹,我國(guó)擁有400多萬(wàn)臺(tái)機(jī)床,絕大部分都是多年累積生產(chǎn)的普通機(jī)床。這些機(jī)床自動(dòng)化程度不高,加工精度低,要想在短時(shí)期內(nèi)用自動(dòng)化程度高的設(shè)備大量更新,替代現(xiàn)有的機(jī)床,無(wú)論從資金還是從我國(guó)機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國(guó)現(xiàn)有的部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改造又勢(shì)在必行。為此,如何改造就成了我國(guó)現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的重要課題。
在過去的幾十年里,金屬切削機(jī)床的基本動(dòng)作原理變化不大,但社會(huì)生產(chǎn)力特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。反映到機(jī)床控制系統(tǒng)上,它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度,又能提高加工的精度,現(xiàn)已有一些企業(yè)在這方面做了有益的嘗試。實(shí)踐證明,改造后的機(jī)床既滿足了技術(shù)進(jìn)步和較高生產(chǎn)率的要求,又由于產(chǎn)品精度提高,型面加工范圍增多也使改造后的設(shè)備適應(yīng)能力加大了許多。這更加突出了在舊機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控技術(shù)改造的必要性和迫切性。
由于新型機(jī)床價(jià)格昂貴,一次性投資巨大,如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換,國(guó)家要花費(fèi)大量的資金,而替換下的機(jī)床又會(huì)閑置起來(lái)造成浪費(fèi),若采用改造技術(shù)加以現(xiàn)代化,則可以節(jié)省50%以上的資金。從我國(guó)的具體情況來(lái)講,一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3到1/5,一般用戶都承擔(dān)得起。這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)發(fā)展開創(chuàng)了新路,也對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)吸引力,起到了事半功倍的積極作用。
據(jù)國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng),往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿足市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)充手段。
在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中,多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)是現(xiàn)代機(jī)械制造的基本特征,占有相當(dāng)大的比重。要完成這些生產(chǎn)任務(wù),不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床,其中數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。
從上述分析中不難看出數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)之上。通過理論上的推導(dǎo)和實(shí)踐使用的證明,把微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)引入機(jī)床的改造有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn):1)可靠性高;"柔性強(qiáng);#易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化;2)經(jīng)濟(jì)性可觀。為此在舊的機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能,降低生產(chǎn)成本,用較少的資金投入而得到較高的機(jī)床性能和較大的經(jīng)濟(jì)效益。
摘要
本課程設(shè)計(jì)是對(duì)銑床進(jìn)行改造,目的在于培養(yǎng)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力,重點(diǎn)是對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固和加強(qiáng),為畢業(yè)設(shè)計(jì)及將來(lái)的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
本課程設(shè)計(jì)由序言、設(shè)計(jì)要求、總體方案、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),以及相應(yīng)元件的選擇與確定和主程序框圖、數(shù)控化電路原理組成。由于本人經(jīng)驗(yàn)不足,以及對(duì)知識(shí)掌握程度的限制,設(shè)計(jì)過程還存在某方面的錯(cuò)漏,敬請(qǐng)老師提出寶貴意見。
設(shè)計(jì)目的
數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié),學(xué)生學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課,特別是“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用”課程后應(yīng)用的,它是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決實(shí)際問題能力的重要步驟。本課程設(shè)計(jì)是以機(jī)電一體化的典型課題---數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定為主線,通過對(duì)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的擬定、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì),計(jì)算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì),使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過的機(jī)械、電子和微機(jī)方面的知識(shí),進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全方面訓(xùn)練,從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計(jì)計(jì)算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過程中所遇到的問題的能力。
設(shè)計(jì)要求
課程設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計(jì)可以初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想,了解有關(guān)的工業(yè)政策,學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料;培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實(shí)際能力,并在教師的指導(dǎo)下,系統(tǒng)地運(yùn)用課程和選修課程的知識(shí),獨(dú)立完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。
課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是改造設(shè)備,實(shí)現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)(或裝置)的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)I/O接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計(jì)等。
說明書的內(nèi)容應(yīng)包括:課程設(shè)計(jì)題目總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算以及機(jī)械和電氣及其他部分(如環(huán)形分配器等)的說明。
該課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及方法,可以歸納如下:
1.采用微型計(jì)算機(jī)(包括單片機(jī))進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。
2.選用驅(qū)動(dòng)控制電路,對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用,考慮電機(jī)選擇及驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算,控制電機(jī)電路的設(shè)計(jì)。
3.精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)問題:要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行元件的主要功能(傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運(yùn)轉(zhuǎn)等),進(jìn)行力矩、負(fù)載功率、慣性(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)、加(減)速控制和誤差計(jì)算。
4.學(xué)會(huì)使用手冊(cè)及圖表資料。
總體方案設(shè)計(jì)
一般來(lái)講,普通銑床的數(shù)控改造主要有兩部分,一是設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易微機(jī)數(shù)控X-Y工作臺(tái),固定在銑床的工作臺(tái)上。二是將控制銑刀上、下運(yùn)動(dòng)的手柄拆去,改用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)通過一級(jí)減速裝置使銑頭上下運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)只對(duì)X-Y工作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。取銑床步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖,步進(jìn)電機(jī)的步距角0.9°。
方案
1.系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng),點(diǎn)位直線系統(tǒng),連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削,可選用點(diǎn)位控制方式。數(shù)控銑床在工作臺(tái)移動(dòng)過程中銑頭并不進(jìn)行銑孔加工,因此數(shù)控裝置可采用點(diǎn)位控制方式。對(duì)點(diǎn)位系統(tǒng)的要求是快速定位,保證定位精度。
2.伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能達(dá)到較高水平的基本問題,但是步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系,使步距誤差不會(huì)積累;轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化的特點(diǎn)。并且步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測(cè)與反饋控制的問題,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此,在一定范圍內(nèi),這種采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求,適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能,然而由于在具體的系統(tǒng)中,增加了位置檢測(cè)、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié),除了在安裝調(diào)試增加工作量和復(fù)雜性外,從控制理論的角度看,要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能,其難度也將大為提高。為此,考慮到在普通立式銑床上進(jìn)行改造,精度要求不是很高,為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),降低成本,本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。
3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性,在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝配時(shí),通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無(wú)間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):
1)盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌等。
2)盡量消除傳動(dòng)間隙。如步進(jìn)電機(jī)上的傳動(dòng)齒輪采用偏心軸套式消隙結(jié)構(gòu)。
3)縮短傳動(dòng)鏈??s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度,減小傳動(dòng)鏈誤差。可采用預(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動(dòng)副,絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固定,并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等提高傳動(dòng)剛度。X-Y工作臺(tái)傳動(dòng)采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。
4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇
計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般由微機(jī)部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分所組成。在簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)中,大多采用8位微處理器的微型計(jì)算機(jī)。如何采用Z80CPU或MCS-51單片機(jī)組成的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。
Z80CPU有芯片價(jià)廉,通用性強(qiáng),維修方便等特點(diǎn)。MCS-51單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快和很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)。通過比較,對(duì)于簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。
5.實(shí)施
保留原機(jī)床主傳動(dòng)鏈,保留銑床工作臺(tái)和控制工作臺(tái)移動(dòng)手柄,在原工作臺(tái)上安裝一套微機(jī)數(shù)控的X-Y工作臺(tái)。由于X-Y工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和切削力不大,因此選用有預(yù)加載荷的滾珠導(dǎo)軌。采用滾動(dòng)導(dǎo)軌可減小兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差,從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,減小振動(dòng)??紤]到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取,為達(dá)到分辨率0.01mm要求,需采用齒輪降速傳動(dòng)。
綜上所述,本文改造的總體方案確定為:采用MCS-51單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理,由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后,帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)工件的縱向、橫向運(yùn)動(dòng),同時(shí)為了防止意外事故,保護(hù)微機(jī)及其它設(shè)備,還設(shè)置報(bào)警,急停電路等,
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)參數(shù)
系統(tǒng)分辯率為0.01mm,其它設(shè)計(jì)參數(shù)見下表:
要求:設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)并開發(fā)其控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),工作臺(tái)面200X200mm,分辨率為=5分/step,承受最大軸向載荷Tmax=800Nm。
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
1.脈沖當(dāng)量的確定
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量,考慮到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在。脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計(jì)確定脈沖當(dāng)量為0.01mm/步.
二.銑削力分析與計(jì)算
銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn),進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給(鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給).銑刀的類型很多,但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.根據(jù)工件材料為碳鋼可確定銑削力的計(jì)算公式:
FZ=9.81CFz·ae0.86·af0.72·d0-0.86·ap·Z
式中各參數(shù)如下:
CFz———銑削力系數(shù),CFz=68.2(表2-3)
ae ———最大銑削寬度,本設(shè)計(jì)為8mm
ap ———背吃刀量,本設(shè)計(jì)為3mm
Z ———銑刀齒數(shù),齒數(shù)取3
d0 ———圓柱銑刀直徑,查得d0= 20mm(技術(shù)指導(dǎo))
af ———每齒進(jìn)給量(mm/齒),即銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí),工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量,查得af=0.10mm/齒(技術(shù)指導(dǎo))
故 :
FZ=9.81×68.2×80.86×0.100.72×20-0.86×3×3=547 N
2.齒輪傳動(dòng)比計(jì)算
進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算
已確定進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01mm滾珠絲杠導(dǎo)程L=4mm,初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.9。
可計(jì)算出傳動(dòng)比i:
i==0.9×4/360×0.01=1
因傳動(dòng)比為1,這時(shí)可以使步進(jìn)電機(jī)直接與絲桿聯(lián)接,有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),提高精度。
3.滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型
(1) 計(jì)算進(jìn)給牽引力(N)
滾珠絲杠上的工作載荷Fm(N)是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力,也叫做進(jìn)給牽引力。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算公式:
Fm=KFL+f,(Fv+Fc+G)
式中K———考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù),矩形導(dǎo)軌K=1.1
———滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.0025~0.005;這里取0.005
G———移動(dòng)部件的重力(N):G=600N
FL———工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷
Fc———工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷
Fv———工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷
由表2-4查得,F(xiàn)L/ FZ=0.90, FL= 0.9FZ=493 N
Fc /FZ=0.80, Fc =0.8FZ=438N
Fv /FZ=0.40, Fv =0.4FZ=219 N
故:
Fm=1.1×493+0.005×(438+219+600)=548N
(2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C
滾珠絲杠最大動(dòng)載荷可用下式計(jì)算
C=fmFm
L=
n=
v=afZn,
式中:L—工作壽命、以106轉(zhuǎn)為單位。
fm-運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fm =1.2~1.5;這里取fm =1.5。
Fm----滾珠絲杠工作載荷(N)
t—使用壽命,按15000h;
n----絲杠的轉(zhuǎn)速
L0— 滾珠絲杠導(dǎo)程,初選L0=4mm;
v-最大切削力下的進(jìn)給速度
a---每齒進(jìn)給量(mm/齒)af=0.06mm/齒
Z----銑刀齒數(shù),Z=5
n,---銑刀轉(zhuǎn)速,區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)速n,n,,取為1000r/min
v=0.06×5×1000=0.3 m/min
n==(1000×0.3)/4=75
L==(60×75×15000)/106=67.5 r
C=fmFm=4.1×1.2×858.17=3.35kN
(3)螺母副的選型
根據(jù)最大動(dòng)載荷和公稱直徑選外循環(huán)滾動(dòng)螺母副,選用中國(guó)·南京工藝裝備制造有限公司生產(chǎn)的FFZL型 內(nèi)循環(huán)螺紋預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副,規(guī)格代號(hào)為FFZL2004-3,公稱直徑=20mm,滾珠直徑為Dw=3mm,圈數(shù)×列數(shù)=3×1,螺距為4mm,螺旋升角為=3°38′。
(4)傳動(dòng)效率計(jì)算
=
式中——絲杠螺旋升角, =3°38′
——摩擦角,取10′
==0.064/0.0664=0.9638=96.4%
(5)剛度驗(yàn)算
先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖4-20所示,最大牽引力為548N,支承間距L=500mm絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。
[1]絲杠的拉伸或壓縮變形量
=±
Fm—絲杠的工作載荷(N);
L—滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm);L=500mm
E—材料的彈性模量,對(duì)鋼E=20.6×Mpa;
A—滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積(mm2)。
A=3.14×d2/4=3.14×16.92/4=224.3 mm2
故: =±(548×500/20.6××224.3)= ±0.0059(mm)
[2]滾珠與螺紋滾道間接觸變形
有預(yù)緊:
′=0.0013× (mm) =0.0014mm
Dw-為滾珠直徑(mm),D=3mm;
-為滾珠總數(shù)量:=Z×圈數(shù)×列數(shù)
Z-為一圈的滾珠數(shù),外循環(huán)Z==3.14×20/3=21;
故:=21×3×1=63;
--為滾珠絲杠的公稱直徑(mm),=20mm
—為預(yù)緊力,此處單位為kgf,為軸向工作載荷的1/3時(shí),
= FL /3=493/3=164N=16.8kgf
—為滾珠絲杠工作載荷,單位為kgf。=548/9.8=55.9kgf
有預(yù)緊:
′=0.0013× (mm)
=1/2′=0.0014mm
[3]滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算
絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度的一半:
=0.0059+0.0014=0.00730.025/2mm=0.0125mm(定位精度的一半)。
(6)壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
驗(yàn)算滾珠絲杠尺寸和支承方式后,應(yīng)驗(yàn)算絲杠在承受最大軸向載荷時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲。滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿,若軸向工作負(fù)載過大,將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲,即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷FK(N) 為
E—為材料的彈性模量,對(duì)鋼E=20.6×104Mpa;
I-為截面慣性矩,對(duì)絲杠圓截面:
I=∏d14/64=3.14×16.94/64=4002.2mm
L-絲杠最大工作長(zhǎng)度(mm);L=500 mm
fZ-為絲杠支承方式系數(shù),這里滾珠絲杠的支承方式采用一端固定一端簡(jiǎn)支的方式,所以fZ=2
2×3.142×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104N
nk=Fk/Fm=2.0731×104/548=37.8﹥[nk]=4
所以,該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
[nk]-許用穩(wěn)定性安全系數(shù),[nk]=2.5~4
4. 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型
一、初選步進(jìn)電機(jī)57BYG4504,步距角θb=0.9°
,滿足要求.
二、矩頻特性:
等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
1.滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
JS=0.78D4L×10-3(kf·cm2)
L---絲杠長(zhǎng)度,設(shè)定為500mm=50cm
D---絲杠公稱直徑,D=20mm=2cm
JS=0.78×24×50×10-3=0.624㎏·cm2
2.工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
JG=(L0/2∏)2M
L0----絲杠導(dǎo)程,L0=4mm=0.4cm
M----工作臺(tái)質(zhì)量,M=62kg
JG=(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm2
3.聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
根據(jù)鋼的直徑為(20,22)選用定位螺絲固定平行式聯(lián)軸器,型號(hào)為SLK2-100-0608 (廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備有限公司),查得:
JL=0.068㎏·cm2
4. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
根據(jù)初選電機(jī)型號(hào),查得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
JZ=0.46㎏·cm2
故:J∑=JS+JG+JL+JZ=0.634+0.248+0.068+0.46=1.462㎏·cm2
三、步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)的計(jì)算
——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩(N·cm);
M——為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩(N·cm);
M——電絲杠預(yù)緊所引起,折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。
(1) 加速度力矩
Mka= J∑×2×∏×nmax×10-2/60t(N·cm)
nmax=vmaxθb/360δp
t-----運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快速所需的時(shí)間,t=0.3s
vmax---運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度(mm/min), vmax=3m/min=3000mm/min
θb--------初選步距角,θb=0.9°
nmax---與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min)
故:nmax=3000×0.9/(360×0.01) =750 r/min
Mka=1.462×2×3.14×750×10-2/60×0.3=3.83N·cm
(2)空載摩擦力矩
Mkf=G’L0/2∏ηi(N·cm)
G----運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N),G=600N
-導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),=0.005;
η---傳動(dòng)系統(tǒng)總效率,一般取η=0.7—0.85,這里取η=0.85
L-滾珠絲杠基本導(dǎo)程,L=0.4 cm.
空載摩擦力矩:
Mkf=G’L0/2∏ηi=600×0.005×0.4/(2×3.14×0.85×1)=0.225 N·cm
(3)附加摩擦力矩M
M0=FYJL0(1-η2)/2 ∏ηi
η--絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,一般取≥0.9,這里取=0.96;
F-預(yù)加載荷,一般為最大軸向載荷的,即F=F=183N
M0=183×0.4×(1-0.962)/(2×3.14×0.96×1)=0.950N·cm
上述三項(xiàng)合計(jì):
步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)力矩:M
= 3.83+0.225+0.950
= 5.005(N·cm)
步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)力矩:
從產(chǎn)品系列及性能參數(shù)根據(jù)電機(jī)型號(hào)查出步進(jìn)電機(jī)為四相八拍;
從表2-17根據(jù)電機(jī)拍數(shù)查出啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩Mkq與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為Mkq/Mjmax1=0.707
故:Mjmax1=Mkq/0.707=4.58/0.707=6.471N·cm
運(yùn)動(dòng)部件正常工作(數(shù)控機(jī)床為工作臺(tái)開始工進(jìn))時(shí),電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)為帶負(fù)載啟動(dòng),其總負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mfq可按下式計(jì)算
Mfq=Mka+Mkf+M0+Mf’
Mf’=F’L/2∏ηi(N·cm)
F’---作用在工作臺(tái)的合力,
F'=(FL2+FV2+FC2)1/2=694.4N
Mf’--- 合力F’折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩
故:Mf’=694.4×0.4/(2×3.14×0.85×1)=52.01 N·cm
Mfq=5.005+52.01=57.015 N·cm
運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩
Mjmax2=Mfq/0.5=57/0.5=114 N·cm
根據(jù)電機(jī)型號(hào)查得步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩:Mjmax=1.4N·m=140N·cm
所以Mjmax﹥Mjmax2﹥Mjmax1
初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)力矩,即Mjmax≥max{Mjmax1,Mjmax2}所以初選電機(jī)57BYG4504能滿足要求。
5.導(dǎo)軌的選用與校核
初選滾動(dòng)導(dǎo)軌
選取中國(guó)·南京工藝裝備制造有限公司的GGB AA-AAL 四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副, 其額定載荷Coa為6.8KN,Ca 為6.07KN,參數(shù)如下:?jiǎn)挝哗L
2)對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行按下式進(jìn)行校核:
式中:L為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命(km)本設(shè)計(jì)L定為50km;
為額定載荷,查表=6.07kN;
F為每個(gè)滑塊上的工作載荷(N)F本設(shè)計(jì)設(shè)定為588N;
為硬度系數(shù),導(dǎo)軌面的硬度為58-64HRC時(shí)=1.0;
為溫度系數(shù),當(dāng)工作溫度不超過100°C時(shí),=1;
為接觸系數(shù),每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)=0.81;
為載荷/速度系數(shù),無(wú)明顯沖擊振動(dòng)或v≤60m/min時(shí),=1.5-2這里選擇=2。
=588××2÷(1×0.81×1)
=1361N<[]=6.07kN
因此所選導(dǎo)軌滿足要求。
1) 滾動(dòng)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù)
滾動(dòng)導(dǎo)軌采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。常用牌號(hào)為ZL-2鋰基潤(rùn)滑脂(GB/7324—87,2號(hào))。它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)泄漏,不需經(jīng)常加油;缺點(diǎn)是塵屑進(jìn)入后容易磨損導(dǎo)軌,因此防護(hù)要求較
高。易被污染又難防護(hù)的地方,可用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。
本設(shè)計(jì)的防護(hù)裝置采用伸縮式。
6、啟動(dòng)矩頻特性校核
部件電機(jī)有三種工況:?jiǎn)?dòng)、快速進(jìn)給運(yùn)行、工進(jìn)運(yùn)行。
前面提出的,僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求,但是不能保證電機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此,還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。以后還要對(duì)快進(jìn)、工進(jìn)時(shí)的運(yùn)行矩頻特性作校核。
f
fmax
0
t1
ta
tb
t222
Δt1
Δt2
t
圖1 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)
步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng),一般突跳啟動(dòng)很少使用。在升速啟動(dòng)中,步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速,(如圖1所示)在零時(shí)刻(t1=0),啟動(dòng)頻率fq=0。在一段時(shí)間Δt1內(nèi),按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí),步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度,即fq=fmax。在整個(gè)升速、均勻運(yùn)行、降速過程中,步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時(shí)間Δt1足夠長(zhǎng),啟動(dòng)過程緩慢,空載啟動(dòng)力矩Mkq中的加速力矩項(xiàng)Mka不會(huì)很大,一般不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象,但是降低了工作效率。升速時(shí)間Δt1過短,則步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩中的加速力矩項(xiàng)M就會(huì)很大,所以需要校核啟動(dòng)矩頻特性。
圖2
由圖2初選步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線中,可知空載啟動(dòng)力矩M=0.05N·M值所對(duì)應(yīng)
的允許啟動(dòng)頻率fyq=11000Hz>fq=1200 Hz,步進(jìn)電機(jī)會(huì)不丟步。
(2)電機(jī)快速進(jìn)給矩頻特性較核
最高運(yùn)行頻率fmax
式中:Vmax——運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度
快進(jìn)時(shí)已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)Ma,并且一般處于空載狀態(tài),故快速進(jìn)給力矩
MJK=
其中:M0為附加摩檫力矩(N·cm),MKF為快進(jìn)時(shí)的折算到電機(jī)的摩檫力矩(N·cm)。
所以 :MJK= =1.175(N·cm)
由圖2可知道快進(jìn)力矩對(duì)應(yīng)允許快進(jìn)頻率FYK近似為20000Hz,F(xiàn)mzx〈FYK,
所以電機(jī)不會(huì)丟步。
(3)、工進(jìn)運(yùn)行距頻特性校核
工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率:
式中: ——最大工作進(jìn)給速度
工進(jìn)時(shí),步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩Mkj可按下式計(jì)算:
(式2-39)
式中:
——附加摩擦力矩,
——摩擦力矩
——折算到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩
(式2-40)
(式2-41)
式中:
Fv——垂直方向作用于工作臺(tái)的工作載荷
Ft——沿進(jìn)給方向的切削負(fù)載,F(xiàn)t=FL
在圖2初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻率特性曲線中,對(duì)應(yīng)工進(jìn)頻率fGJ查到的允許工進(jìn)運(yùn)行力矩MYJ=1.08N·m >MGJ=0.382N·m,滿足工進(jìn)時(shí)運(yùn)行距頻特性的要求。
(4)步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸
步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸/㎜
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成
MCS-51系列 8031芯片
第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制電路
一、開環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖
二.脈沖分配
由表(2-18)①查得脈沖分配方式為四相八拍
三.驅(qū)動(dòng)電路
+80V
④控制系統(tǒng)軟件的組成和結(jié)構(gòu)
監(jiān)控系統(tǒng)的作用是進(jìn)行人和機(jī)對(duì)話和檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)一般包括系統(tǒng)初始化,命令處理循環(huán),零件加工程序和作業(yè)程序輸入,編輯,指令分析機(jī)構(gòu),以及系統(tǒng)自測(cè)等。
1系統(tǒng)初始化:系統(tǒng)上電式復(fù)位后,系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化處理。包括設(shè)置CPU的狀態(tài),可編程I/O芯片的工作狀態(tài),中斷方式
2命令處理:系統(tǒng)初始化后系統(tǒng)即進(jìn)入命令處理程序,對(duì)于一般單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)通常采用循環(huán)處理程序作為系統(tǒng)的主程序
3:零件加工程序或作業(yè)程序的輸入和編程:零件加工程序可以鍵盤輸入,也可通過串行口通信輸入。輸入程序的功能就是讀入源程序,并經(jīng)數(shù)據(jù)處理,按規(guī)定的格式將其存入規(guī)定的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。
4 指令分析執(zhí)行:微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)輸入的指令進(jìn)行分析,并根據(jù)分析的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作。
5診斷程序:診斷程序用于檢測(cè)系統(tǒng)硬軟件功能的正確性,找出系統(tǒng)故障的位置,并指出故障類型。
機(jī)電系統(tǒng)控制軟件的機(jī)構(gòu)
一般機(jī)電控制系統(tǒng)中常用的軟件結(jié)構(gòu)有:子程序,主程序加中斷程序結(jié)構(gòu)子程序3
子程序1
子程序2
條件2
條件3
條件1
主程序
逐點(diǎn)比較法④
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:
1判別偏差:Fm≥0或FM<O ,從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算方向進(jìn)給。
2偏差計(jì)算:進(jìn)給一步后計(jì)算新的加工偏差。
3終點(diǎn)判別:進(jìn)給一步后,終點(diǎn)計(jì)數(shù)器,若為零,表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ),不為零則返回第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)判別可用方向坐標(biāo)值判斷,也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值判斷。當(dāng)Xe>YE
逐點(diǎn)比較法框圖YES
NO
NO
Y方向進(jìn)給
X方向進(jìn)給
X=XM ?
Y=YM ?
FM=FM+XE
Y=Y+1
FM=FM-YE
X=X+1
FM≥0 ?
初始化
YES
返回
步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)
光電耦合器
步進(jìn)電機(jī)控制程序的任務(wù)是:判斷旋轉(zhuǎn)方向,依次送出控制字,運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)一定的延時(shí),判斷是否結(jié)束。
驅(qū)動(dòng)電路
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
8031
節(jié)拍:
正轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn)
通電阻
控制字
1
8
A
0000 0001
01H
2
7
AB
0000 0011
03H
3
6
B
0000 0010
02H
4
5
BC
0000 0110
06H
5
4
C
0000 0100
04H
6
3
CD
0000 1100
0CH
7
2
D
0000 1000
8H
8
1
DA
0000 1001
9H
其它電路輔助設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)總結(jié)
近年來(lái),我國(guó)機(jī)床數(shù)控化改造工作,已從初步摸索進(jìn)入比較成熟的階段。我們運(yùn)用成熟可靠、性能先進(jìn)的國(guó)內(nèi)外數(shù)控產(chǎn)品,為已進(jìn)入頻繁故障期、維修代價(jià)昂貴的第一代數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代作了大量的工作。通過這次對(duì)銑床X-Y工作臺(tái)的數(shù)控化改裝設(shè)計(jì),使我們進(jìn)一步的了解了普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床的差異。也使我們更加深刻的認(rèn)識(shí)到,利用數(shù)控系統(tǒng)改造機(jī)床是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率,提高舊設(shè)備利用率,推廣機(jī)電一體化技術(shù)的重要手段。
通過這次課程設(shè)計(jì),讓我們進(jìn)一步熟悉了數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)原理,讓我們深刻的把電和機(jī)結(jié)合起來(lái),達(dá)到自動(dòng)化控制的要求。
同時(shí)也深刻的體會(huì)到設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性,數(shù)據(jù)的處理技巧,以及各種參數(shù)的取舍,對(duì)我們?nèi)蘸蟪鰜?lái)從事這方面的工作有很大的幫助。
在這里,感謝我們的指導(dǎo)老師,在他們的指導(dǎo)下我們解決了各種疑難,順利地完成設(shè)計(jì)!
參考文獻(xiàn)
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[3]機(jī)械加工技術(shù)手冊(cè)編寫組.機(jī)械加工技術(shù)手冊(cè).北京:北京出版社,1993
[4]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)【M】北京:北京航空航天大學(xué)出版社,1990
[5]周開勤主編.機(jī)械零件手冊(cè).北京:高等教育出版社,1999
[6]馮辛安主編.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1999
[7]吳振彪.機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1997
[8]李洪.機(jī)械加工工藝手冊(cè).北京:北京出版社,1990
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方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)【200X200】
臺(tái)面
數(shù)控
回轉(zhuǎn)
工作臺(tái)
設(shè)計(jì)
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方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)【200X200】,200X200,方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)【200X200】,臺(tái)面,數(shù)控,回轉(zhuǎn),工作臺(tái),設(shè)計(jì),x200
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