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C616縱向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì)說明書含cad圖紙.doc

  • 資源ID:13303860       資源大?。?span id="2eew2uu" class="font-tahoma">1.56MB        全文頁數(shù):38頁
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C616縱向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì)說明書含cad圖紙.doc

xxx理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) xx學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)C616縱向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控化改造設(shè)計(jì)說明書學(xué)員: 學(xué)號(hào): 姓名: 班級(jí): 日期: 目錄1.緒論12.機(jī)械部分設(shè)計(jì)22.1 設(shè)計(jì)框圖及機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)22.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算32.3 轉(zhuǎn)動(dòng)矩計(jì)算42.4步進(jìn)電機(jī)的選擇62.5縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算72.5.1系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量82.6切削力的計(jì)算82.7滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型92.7.1計(jì)算進(jìn)給牽引力92.7.2 計(jì)算最大動(dòng)載荷C92.8 傳動(dòng)效率的計(jì)荷112.9 剛度驗(yàn)算132.10齒轉(zhuǎn)傳動(dòng)比的計(jì)算132.10.1齒輪傳動(dòng)間隙的消除142.11軸的設(shè)計(jì)與校核162.12 初步估算軸的最小直徑,并選擇聯(lián)軸器162.12.1. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)172.12.3按彎矩合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度182.12.4按疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核軸的強(qiáng)度213.機(jī)床縱向伺服進(jìn)給單元電氣控制部分設(shè)計(jì)233.1 電氣控制系統(tǒng)方案的確定233.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠的聯(lián)接233.1.2 8051單片機(jī)的選擇243.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)243.2.1 脈沖分配器253.2.2 光隔離電路283.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路293.3 8255可編程控制芯片的擴(kuò)展303.3.1 8255芯片的介紹303.3.2 58051單片機(jī)與8255接口電路的設(shè)計(jì)303.3.3 8255芯片在設(shè)計(jì)電路中的控制功能313.4 6264芯片的擴(kuò)展323.5 輔助電路的設(shè)計(jì)323.5.1 8051單片機(jī)的時(shí)鐘電路323.5.2 復(fù)位電路333.5.3 越界報(bào)警電路333.6 操作面板設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要介紹34致謝35參 考 文 獻(xiàn)361.緒論根據(jù)社會(huì)調(diào)查針對(duì)C616車床的使用情況,車床產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜,且需頻繁改型,普通車床已不能適應(yīng)這些要求,數(shù)控車床應(yīng)運(yùn)而生。我國大多數(shù)企業(yè)中存在大量的C616車床,由于C616車床機(jī)械部分采用滑動(dòng)絲杠傳動(dòng),精度低、質(zhì)量不穩(wěn)定,生產(chǎn)效率低,勞動(dòng)輕度大、勞動(dòng)條件差;在電氣部分,采用交流電機(jī),這已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在制造業(yè)發(fā)展要求,在機(jī)械制造業(yè)中,數(shù)控車床越來越受到企業(yè)的歡迎。企業(yè)一方面投入大量資金購買數(shù)控車床,另一方面更新改造現(xiàn)有普通車床,通過為普通車床添加數(shù)控裝置,將普通車床改造成數(shù)控車床,這是許多中小型企業(yè)面臨的重要技改措施。改造后的C616數(shù)控車床比普通C616車床有以下突出的優(yōu)越性,而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計(jì)算機(jī)的威力??梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件??梢詫?shí)現(xiàn)加工的自動(dòng)化,而且是柔性自動(dòng)化,從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高37倍。加工零件的精度高,尺寸分散度小,使裝配容易,不再需要"修配"??蓪?shí)現(xiàn)多工序的集中,減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)監(jiān)控、自動(dòng)補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能,因而可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間無人看管加工。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的,是一個(gè)極為重大的突破。發(fā)展趨勢(shì)一片看好,可以說數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動(dòng)化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家,數(shù)控車床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè),生意盎然,正處在黃金時(shí)代。由于車床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步,車床改造是個(gè)"永恒"的課題。我國的車床改造業(yè),也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國,用數(shù)控技術(shù)改造車床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場(chǎng),已形成了車床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有:大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。數(shù)控車床能夠適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多樣化、高精度的要求。因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是,商品化的數(shù)控機(jī)床價(jià)格高,一致于推廣應(yīng)用受到限制,而我國又現(xiàn)存有大量的普通車床,利用較先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng),對(duì)現(xiàn)有普通車床進(jìn)行技術(shù)改造,對(duì)提高我國機(jī)械行業(yè)的數(shù)控加工技術(shù)具有更重要意義。根據(jù)我國車床擁有量大,生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情,將普通車床通過數(shù)控化改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是我國機(jī)械工業(yè)技術(shù)改造的這樣目標(biāo)。但從我國目前機(jī)械工業(yè)制造水平與發(fā)達(dá)國家相比差距較大,而且從目前企業(yè)所面臨的情況看,因數(shù)控車床價(jià)格較貴,一次性投資較大,使企業(yè)心有余而力不足。因此,對(duì)普通車床數(shù)控化改造作為一種良好的有效途徑。這樣車床改造花費(fèi)少,改造設(shè)計(jì)針對(duì)性強(qiáng)、時(shí)間短,改造設(shè)計(jì)后的機(jī)床大多能夠克服機(jī)床的缺點(diǎn)和存在的問題,生產(chǎn)效率高。本論文主要解決了利用微機(jī)將進(jìn)給伺服系統(tǒng),改造成開環(huán)控制伺服進(jìn)給系統(tǒng)。拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱,利用原車床進(jìn)給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置,兩端采用原固定方式,這樣可減小改裝現(xiàn)場(chǎng),由于滾珠絲擦系數(shù)小于原絲杠,從而使縱向進(jìn)給整體剛性略優(yōu)于以前。2.機(jī)械部分設(shè)計(jì) 2.1 設(shè)計(jì)框圖及機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì) 圖2.1經(jīng)濟(jì)性數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案框圖本次改造的主要部件有:掛輪箱、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板、刀架等,改造方案不是惟一。掛輪架系統(tǒng):全部拆除,在原掛輪主動(dòng)軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。圖2.2 車床傳動(dòng)系統(tǒng)圖進(jìn)給箱部分:全部拆除,在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱組成。絲杠、光杠和操作杠拆去,齒輪箱連接滾珠絲杠,滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。溜板箱部分:全部拆除,在原處安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。橫溜板部分:將原溜板中的絲杠、螺母拆除,改裝橫進(jìn)給滾珠絲杠螺母副,橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。刀架:拆除原刀架,改裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)四方刀架總成。 2.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)必須根據(jù)機(jī)械傳動(dòng)設(shè)置及負(fù)載折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,分別計(jì)算各種工況下所需的力矩,再根據(jù)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和起動(dòng)運(yùn)行頻率特性選擇合適的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。剛體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是由質(zhì)量、質(zhì)量分布、轉(zhuǎn)軸位置三個(gè)因素決定的。 同一剛體對(duì)不同轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)不同,凡是提到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,必須指明它是對(duì)哪個(gè)軸的才有意義。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí),負(fù)載慣量是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要參數(shù)之一,它對(duì)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī),設(shè)計(jì)傳動(dòng)比等都有十分重要的意義,如果該慣量與電動(dòng)機(jī)的匹配不當(dāng),系統(tǒng)就得不到快速反應(yīng),甚至失效.所以我們?cè)谶M(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算時(shí),一定要進(jìn)行多方面的考慮,選擇合適的電機(jī)是很重要的一步設(shè)計(jì),它直接決定設(shè)計(jì)的成敗。表2.1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算與說明計(jì)算結(jié)果1)工作臺(tái)質(zhì)量折算到步進(jìn)電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量2)對(duì)材料為鋼的圓柱形零件,其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算式中 D-圓柱形零件的直徑(cm) L-零件的軸的長(zhǎng)度(cm)所以絲杠向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3)齒轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小或忽略。因此折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為0.75/1.5,二種不同脈沖分配方式對(duì)應(yīng)有二種步距角,步距角及減速比i與脈沖當(dāng)量和絲杠導(dǎo)程有關(guān)。初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)合理選擇及i ,并滿足即<< (滿足) 2.3 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇表2.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算與說明計(jì)算結(jié)果1)加速力矩 式中與運(yùn)動(dòng)部件最大進(jìn)給速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min),運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)轉(zhuǎn)速(mm/min)式中傳動(dòng)系統(tǒng)各部件慣量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量,為轉(zhuǎn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間s 2)折算到電動(dòng)機(jī)軸上的空載摩擦力矩折算到電動(dòng)機(jī)軸上的空載摩擦力矩式中 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) 為運(yùn)動(dòng)部件的總重力為齒輪傳動(dòng)降速比傳動(dòng)系統(tǒng)的總效率一般0.70.85 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程(cm)當(dāng) 0.8 0.16時(shí)即 3)附加摩擦力矩 附加摩擦力矩 絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率,取0.9 預(yù)加載荷,一般為最大軸向載荷的1/3.即即 計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算與說明計(jì)算結(jié)果4)切削負(fù)載力矩切削負(fù)載力矩式中 (詳見沿進(jìn)給方向的負(fù)載)即結(jié)論(1)快速空載起動(dòng)所需力矩(2)快速進(jìn)給時(shí)所需力矩(3)最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩以上分析計(jì)算可知:所需最大力矩發(fā)生在快速啟動(dòng)時(shí), 2.4步進(jìn)電機(jī)的選擇合理選擇步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問題,需要根據(jù)電機(jī)在整個(gè)系統(tǒng)中的實(shí)際工作情況,經(jīng)分析后才能正確選擇。C616縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的選擇式中電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)力矩,=電動(dòng)機(jī)靜負(fù)荷力矩為了滿足最小步距要求,選擇三相六拍工作方式,有下表可知表2.3 步進(jìn)電相數(shù)、拍數(shù)、啟機(jī)動(dòng)力矩運(yùn)行方式相數(shù)3456拍數(shù)36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866所以步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率綜合考慮,查表選用110BC3100型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 2.5縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算已知條件 工作臺(tái)重量 G=400N(根據(jù)圖紙粗略計(jì)算)時(shí)間常數(shù) T=25ms滾珠絲杠基本導(dǎo)程 行程 S=820mm步距角 因本次改造的是縱向進(jìn)給系統(tǒng),將原溜板箱中的絲杠,螺母拆除,改裝成縱向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副??v向步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總體安裝在縱溜板左部并與滾珠絲杠相連,滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部位,為保證其同軸度,提高傳動(dòng)精度,使用法蘭盤連接牢固??v向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)計(jì)算與選型內(nèi)容包括:運(yùn)動(dòng)參數(shù)、動(dòng)力參數(shù)的計(jì)算、轉(zhuǎn)動(dòng)比的分配、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等計(jì)算,計(jì)算簡(jiǎn)圖如表2-1所示。圖2.3 縱向進(jìn)給設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖 2.5.1系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是指一個(gè)進(jìn)給脈沖使車床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量,它是衡量數(shù)控車床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)。因此,根據(jù)車床精度的要求來確定,對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床來說,縱向采用脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖。本次僅對(duì)C616車床的縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造,故取脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖。 2.6切削力的計(jì)算表2.4 切削力計(jì)算計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算與說明計(jì)算結(jié)果1)最大切削功率 的計(jì)算最大切削功率式中:主電動(dòng)機(jī)的功率(C616車床=8KW),主傳動(dòng)系統(tǒng)的總功率(一般為0.75-0.85)這里取=0.8則切削功率應(yīng)接各種情況下經(jīng)常遇到的量大切削力(或轉(zhuǎn)矩)和最大切削速度(或轉(zhuǎn)速)來計(jì)算。即式中:主切削力N,V最大切削速度(m/min)KW2)主切削力的計(jì)算按用硬質(zhì)合金刀具是半精車鋼件時(shí)的速度取V=100m/min則N在進(jìn)給系統(tǒng)的計(jì)算,選用步進(jìn)電機(jī)時(shí),都要用到切削力(機(jī)床的主要負(fù)載)則可用公式計(jì)算出車床切削力。進(jìn)給抗力和切深抗力可按下列比例分別求出 N因?yàn)檐嚨都軍A在拖板上的刀架內(nèi),車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上,車削作業(yè)時(shí),作用在進(jìn)給拖版上的載荷Fl,F(xiàn)v和Fc與車刀所受到的車削抗力有對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此,作用在進(jìn)給拖板上載荷可以接下式求出:拖板上進(jìn)給方向載荷N拖板上垂直方向載荷N拖板上橫向載荷 2.7滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型滾珠絲杠螺母副初等造型的主要依據(jù)是最大動(dòng)載荷和最大靜載荷,初選型號(hào)后,還要進(jìn)行軸向剛度驗(yàn)算和壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。 2.7.1計(jì)算進(jìn)給牽引力計(jì)算進(jìn)給牽引力如表2-2。 2.7.2 計(jì)算最大動(dòng)載荷C由已知參數(shù)可知:工進(jìn)速度為V溜=1m/min 、快進(jìn)速度為V溜=6m/min、基本導(dǎo)程、步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.75/step,則絲杠轉(zhuǎn)速為滾珠絲杠壽命系數(shù)為,式中=壽命時(shí)間(h)普通機(jī)械為500010000h,數(shù)控機(jī)床及其他機(jī)械電一體化設(shè)備及儀器裝置為15000h,航空機(jī)械為1000h,即表2.5牽引力的計(jì)算計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算與說明計(jì)算結(jié)果計(jì)算進(jìn)給牽引力 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時(shí)的走刀抗力和導(dǎo)軌摩擦力,其數(shù)值大小與導(dǎo)軌的類型有關(guān),(如車床的縱向?qū)к墸┪疫x用三角形導(dǎo)軌,其牽引力可用下式計(jì)算式中:=工作臺(tái)進(jìn)給方向載荷=工作臺(tái)垂直方向載荷=為縱溜板上承載的移動(dòng)部件重力(N)(實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)圖紙進(jìn)行計(jì)算或拆卸稱量)這里假定為400N1782.4N計(jì)算進(jìn)給牽引力=為考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù),三角導(dǎo)軌取1.15=導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),三角形導(dǎo)軌屬于普通滑動(dòng)導(dǎo)軌,取0.150.18,這里取0.16則1.159600.16(3840400)1782.4N根據(jù)工作負(fù)載壽命L可計(jì)算出絲杠軸向最大動(dòng)載荷C為 N式中 載荷系數(shù)如表7,硬度系數(shù)如表8。表2.6載荷系數(shù)運(yùn) 轉(zhuǎn) 系 數(shù) 值運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)無沖擊的圓潤(rùn)運(yùn)轉(zhuǎn)1.0-1.2一般運(yùn)轉(zhuǎn)1.2-1.5有沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn)1.5-2.5表2.7硬度系數(shù)硬度系數(shù)值硬度HRC6057.55552.55047.54542.5硬度系數(shù)1.01.11.21.42.02.53.34.5即根據(jù)最大動(dòng)載荷C,從機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書P18表2-5中,初選滾珠絲杠的型號(hào)和有關(guān)系數(shù),選用時(shí)要注意公稱直徑和導(dǎo)程,應(yīng)用優(yōu)先組合,同時(shí)還需要滿足數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)對(duì)導(dǎo)程的要求,同時(shí)還受最大靜載荷的影響和限制,因當(dāng)滾珠絲杠在靜態(tài)或低速情況下工作時(shí),滾珠絲杠副的破壞形式主要是滾珠與滾道面在接觸點(diǎn)上產(chǎn)生塑性變形,當(dāng)塑性變形超過一定限度就會(huì)使?jié)L珠絲杠無法正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠的萬分之一,此時(shí)的軸向負(fù)載稱為額定靜載荷,選用時(shí)應(yīng)使相應(yīng)的滾珠絲杠的額定靜載荷滿足以下條件: (一般使 23)由滾珠絲杠副承受的最大動(dòng)載荷C,參照機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)P22表2-8選滾珠絲杠副規(guī)格為GQ3206,內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副螺母安裝,1列2.5圈,螺紋升角 ,Ca=21250, 強(qiáng)度足夠用,精度選用5級(jí)。其幾何參數(shù)如下:公稱直徑: mm;導(dǎo)程: m m;滾珠直徑: ;滾道直徑: ;偏心距: = ;螺桿內(nèi)徑: ;螺母安裝尺寸注:3206 ( =6 B=13 h=7) 2.8 傳動(dòng)效率的計(jì)荷滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率;可用下式計(jì)算,式中:為絲杠螺旋升角,摩擦角,滾珠杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù) ,其摩擦角數(shù)約等于10,即計(jì)算載荷時(shí),首先考慮載荷靜狀態(tài)下的工作壓力,應(yīng)視不同的情況進(jìn)行分析,不同的條件下,其值一般三不會(huì)變化的。靜載荷在進(jìn)行計(jì)算時(shí)是比較容易確定的,并且不容易發(fā)生改變。同時(shí)還要進(jìn)行動(dòng)載荷的考慮,在此次設(shè)計(jì)中極其重要的,因?yàn)閯?dòng)載荷直接決定著整個(gè)系統(tǒng)的安全指數(shù),要經(jīng)過多方為的考慮!表2.8剛度計(jì)算計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算與說明計(jì)算結(jié)果2)滾珠與螺紋滾道間的接觸彎形量 式中: Dw滾珠直徑();=為滾珠總數(shù)量;z為一圈的滾珠數(shù);(外循環(huán) )(內(nèi)循環(huán) )-預(yù)緊力;Fm -滾珠絲杠工作載荷 ;即 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力,且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時(shí),值可減少一半左右所以 ,3)螺母支承變形量支承滾珠絲杠的軸承為8209型推力球軸承幾何參數(shù) =45mm,滾動(dòng)體直徑=7.06mm,滾動(dòng)體數(shù)量=20軸承的軸向接觸變形,式:中Fm-軸承所受軸的載(N);-軸承的滾動(dòng)體數(shù)目;-軸承的滾動(dòng)體直徑;4)滾珠絲桿剛度的驗(yàn)算根據(jù)以上計(jì)算,絲杠的總變形量,由絲杠精度等級(jí)(五級(jí)),查出規(guī)定長(zhǎng)度允許的螺距誤差為27um/m,故剛度足夠。5)壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲桿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)。但兩端裝止推軸承與向心軸承時(shí),絲杠一般不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象,由圖13可知絲杠兩端裝有止推軸承進(jìn)行支承,故無需進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算。 2.9 剛度驗(yàn)算縱向進(jìn)給,滾珠絲杠支承方式如圖2.5所示。絲杠螺母及軸承均進(jìn)行了預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載荷的1/3,絲桿的變形量計(jì)算如上: 2.10齒轉(zhuǎn)傳動(dòng)比的計(jì)算為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩,同時(shí)也為了使傳動(dòng)系統(tǒng)負(fù)載慣量可能小,傳動(dòng)鏈中常采用齒輪降速傳動(dòng)。已知,縱向進(jìn)行脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖,滾珠絲杠導(dǎo)程為6mm,并初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與距離為0.75度/step,由下式可計(jì)算出齒輪傳動(dòng)比i (19)式中:-步進(jìn)電機(jī)的步距角()-滾動(dòng)絲杠的導(dǎo)程(mm)即 S-縱向進(jìn)給的脈沖當(dāng)量(mm/脈沖)選取小齒輪齒數(shù),采用一級(jí)齒輪降速,則大齒輪數(shù),由于進(jìn)給伺服預(yù)定傳遞的功率都不大,齒輪的模數(shù)一般取m=2。齒寬 b = 20mm 齒輪直徑 兩齒輪的中心距 2.10.1齒輪傳動(dòng)間隙的消除數(shù)控車床在加工過程中,會(huì)經(jīng)常變換移動(dòng)方向。當(dāng)進(jìn)給方向改變時(shí),如果齒側(cè)存在間隙會(huì)造成進(jìn)給運(yùn)動(dòng)滯后于指令信號(hào),丟失指令脈沖并產(chǎn)生反向死區(qū),影響傳動(dòng)精度和系統(tǒng)穩(wěn)定。因此,必須消除齒側(cè)間隙。通常齒側(cè)間隙的消除主要有剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法。剛性調(diào)整法雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但側(cè)隙調(diào)整后不能自動(dòng)補(bǔ)償,柔性調(diào)整法是調(diào)整后齒側(cè)間隙仍可自動(dòng)補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整法。因此決定采用柔性調(diào)整法中的雙片齒輪錯(cuò)齒消隙法和周向彈簧調(diào)整法。 雙片齒輪錯(cuò)齒消隙法 圖2.11是雙片齒輪錯(cuò)齒式消除間隙結(jié)構(gòu)。兩個(gè)相同齒數(shù)的薄齒輪1和2與另一個(gè)厚齒輪(圖中未畫出)嚙合。齒輪l空套在齒輪2上并可作相對(duì)回轉(zhuǎn)。每個(gè)齒輪的端面均勻分布著四個(gè)螺孔,分別裝上凸耳3和8。齒輪1的端面還有另外四1、2薄齒輪 3、8凸耳 4彈簧 5、6螺母 7調(diào)節(jié)螺釘 圖 2.11 雙圓柱薄片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu) 個(gè)通孔,凸耳8可以在其中穿過。彈簧4的兩端分別鉤在凸耳3和調(diào)節(jié)螺釘7上,通過轉(zhuǎn)動(dòng)螺母5就可以調(diào)節(jié)彈簧4的拉力,調(diào)節(jié)完畢用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪1和2錯(cuò)位,即兩個(gè)薄齒輪的左、右齒面分別緊貼在厚齒輪齒槽的左、右齒面上,消除了齒側(cè)間隙。這種方法適合直徑較大,有充分安裝螺釘空間的圓柱齒輪。 2)周向彈簧調(diào)整法 圖2-11是周向彈簧消隙結(jié)構(gòu)。同樣是兩個(gè)齒數(shù)、模數(shù)相同的兩片薄齒輪2和3。齒輪2空套在齒輪3上可以做相對(duì)回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在齒輪3上開有三個(gè)周向圓弧槽,齒輪2上均布著三個(gè)螺紋孔,裝配時(shí)在齒輪3的槽中放置3個(gè)彈簧,圖 2.3 周向彈簧消隙結(jié)構(gòu) 利用齒輪2上安裝的螺釘頂住彈簧,裝配完成后兩片齒輪在彈簧力作用下錯(cuò)齒,從而達(dá)到消除間隙的目的。這種結(jié)構(gòu)適合齒輪直徑偏小,安裝空間較小的情況下。 2.11軸的設(shè)計(jì)與校核表2.9 軸的計(jì)算計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算計(jì)算結(jié)果選擇軸的材料并確定許用應(yīng)力由于傳遞的功率不大,而且對(duì)其重量及尺寸也無特殊,故選擇常用的材料45號(hào)鋼,調(diào)質(zhì)處理由表查得 HBS=23 強(qiáng)度極限=635Mpa 屈服極限=353Mpa 彎曲疲勞極限=268Mpa 剪切疲勞極限=155Mpa 對(duì)稱循環(huán)彎應(yīng)力的許用應(yīng)力=59Mpa 2.12 初步估算軸的最小直徑,并選擇聯(lián)軸器表2.10計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算與說明計(jì)算結(jié)果初步估算軸的最小直徑并選擇聯(lián)軸器由裝配可以看出為保證輸出軸上零件裝拆方便,安裝聯(lián)軸器出軸的直徑為軸的最小直徑。根據(jù)公式查使用機(jī)械設(shè)計(jì)表102 C=110 則 選取聯(lián)軸器,按軸傳遞的扭矩,查手冊(cè),選用YL4型,彈性套柱銷聯(lián)軸器,其軸孔直徑為20mm,與軸與絲杠配合的總長(zhǎng)度為49mm,故該軸的最小直徑確定為 =20mm=20mm 2.12.1. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表2.11軸的設(shè)計(jì)計(jì)算項(xiàng)目設(shè)計(jì)計(jì)算與說明計(jì)算結(jié)果1)擬定軸上零件的裝拆方案由圖可以看出,軸上軸承,螺母由右端裝配板卸,齒輪左端軸承及左端軸承端蓋,由軸的左端裝配與板卸2)確定軸的各段直徑與長(zhǎng)度段長(zhǎng)度的確定:為保證齒輪壓緊,使從動(dòng)齒輪的左端面不與箱體內(nèi)壁發(fā)生干涉,則段長(zhǎng)度確定為段直徑的確定:為此應(yīng)選擇軸承型號(hào),這里初選深溝球軸承6204,查手冊(cè)可得軸承內(nèi)徑為20mm,寬度為10mm,則段的直徑為段長(zhǎng)度的確定;段長(zhǎng)度為根據(jù)以上各軸段的直徑和長(zhǎng)度,繪制出軸的結(jié)構(gòu)草圖,如圖3-1a所示,由圖可知,軸的總長(zhǎng)為 :可算得軸的支承跨距為段長(zhǎng)度確定:因該軸傳送的功率不大,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單,應(yīng)選用價(jià)格便宜的深溝球軸承6305。查手冊(cè)可得軸承內(nèi)徑為25mm,寬度為17mm右端的軸套,根據(jù)取L1=12mm。最右端的推力球軸承52205, 查手冊(cè)可得軸承內(nèi)徑為25mm,寬度為11mm;同時(shí)還應(yīng)選擇軸承端蓋的類型與尺寸,軸承端蓋根據(jù)軸徑來選,其寬度尺寸為30mm。軸段的右端靠?jī)蓚€(gè)的螺母來鎖緊,為防止發(fā)生干涉,應(yīng)留調(diào)整間隙??紤]以上幾個(gè)因素尺寸,段長(zhǎng)度 段直徑的確定:為保證齒輪左端的定位及固定,齒輪左端面軸承高度取為,則段直徑段長(zhǎng)度的確定:該段為軸環(huán),根據(jù)使用機(jī)械設(shè)計(jì)查表10-3,段長(zhǎng)段直徑的確定:為使齒輪方便裝、拆,設(shè)置過渡軸肩,則段直徑確定為圓整為30mm 2.12.3按彎矩合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度 繪制軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 齒輪受力分析圓周力徑向力 繪制鉛垂面彎矩圖畫鉛垂面受力圖,計(jì)算鉛垂面支反力 畫鉛垂面彎矩圖計(jì)算彎矩值:截面C右側(cè)彎矩截面C左側(cè)彎矩 繪制水平彎矩圖畫水平受力圖,計(jì)算水平支反力圖2.4 輸出軸的設(shè)計(jì)解得: 畫水平彎矩。計(jì)算截面C處彎矩值: 繪制合成彎矩圖(圖3.1e)計(jì)算合成彎矩值: 繪制轉(zhuǎn)矩圖轉(zhuǎn)矩 繪制當(dāng)量彎矩圖為此應(yīng)先計(jì)算當(dāng)量彎矩,根據(jù)合成彎矩圖可知,截面C為危險(xiǎn)截面,截面C的當(dāng)量彎矩為考慮到減速器的剎車和起動(dòng),轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的切應(yīng)力應(yīng)按脈動(dòng)循環(huán)變化,故取則 校核軸的強(qiáng)度由公式:<故,其強(qiáng)度足夠。 2.12.4按疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核軸的強(qiáng)度由軸的當(dāng)量彎矩圖可見,截面出所C-C處當(dāng)量彎矩最大,且過盈配合和鍵槽引起的應(yīng)力集中,故確定截面C-C為危險(xiǎn)截面,需要校核其疲勞強(qiáng)度。 計(jì)算彎曲應(yīng)力幅和平均應(yīng)力由前分析可知, 彎矩產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力在軸的轉(zhuǎn)動(dòng)過程中呈對(duì)稱循環(huán)變化,根據(jù)對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力特點(diǎn)可得:,式中:為C截面直徑;b為軸上鍵槽寬度,查實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)書附表10-5,取b=17mm;t為軸上鍵槽寬度,查實(shí)用機(jī)械設(shè)計(jì)書附表10-5,取t=6mm;需要指出和只能按合成彎矩進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算,而不能按當(dāng)量彎矩計(jì)算 計(jì)算扭矩轉(zhuǎn)應(yīng)力幅平均應(yīng)力由前分析可知, 扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力呈對(duì)稱循環(huán)變化.根據(jù)脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力的特點(diǎn)可得:式中:( b及t如上所述) 確定計(jì)算參數(shù) 查附表10-1按過盈配合查得應(yīng)力集中系數(shù)=2.60,=1.87;按鍵槽查得=1.76K =1.54 故取=2.52,=1.82; 查附表10-6尺寸系數(shù)=0.81; =0.76; 查附表10-4得表面質(zhì)量系數(shù); 查附表10-7得銅的 ; 查附表10-8 得許用安全系數(shù)S=1.3-1.5; 計(jì)算只考慮彎距作用時(shí)的安全系數(shù) 計(jì)算只考慮彎距作用時(shí)的安全系數(shù) 疲勞安全系數(shù)校核由前分析可知,轉(zhuǎn)軸危險(xiǎn)系數(shù)截面為二向應(yīng)力狀態(tài),由公式:>所以,該軸的疲勞強(qiáng)度足夠。 繪制軸的零件圖見附圖3.機(jī)床縱向伺服進(jìn)給單元電氣控制部分設(shè)計(jì)C616車床是一種小型的車床,對(duì)于它的伺服進(jìn)給單元的機(jī)電一體化改造設(shè)計(jì),我們從設(shè)計(jì)內(nèi)容中可以知道,是用微機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)來完成數(shù)控處理和運(yùn)動(dòng)控制。由此可見,改造設(shè)計(jì)后的機(jī)床具有一定的數(shù)控機(jī)床的功能特點(diǎn),是一種簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床,所以,我們就按照經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行電氣控制部分的改造設(shè)計(jì)。 3.1 電氣控制系統(tǒng)方案的確定我們知道對(duì)于一些經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床,常采用開環(huán)伺服系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖3所示,工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)電路I/O接口微機(jī)步進(jìn)電機(jī)圖3.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖它主要由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和相適應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路組成,數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖驅(qū)動(dòng)電路變換放大傳給步進(jìn)電動(dòng)機(jī),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)每接受一個(gè)脈沖就旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度,再通過齒輪副和絲杠螺母帶動(dòng)機(jī)床工作臺(tái)移動(dòng),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過的角度取決于指令脈沖的頻率和個(gè)數(shù),反映到工作臺(tái)就是工作臺(tái)的移動(dòng)速度和位移的大小。但系統(tǒng)沒有位置檢測(cè)反饋環(huán)節(jié),工作臺(tái)位移到位,其精度取決于步進(jìn)電機(jī)齒距角精度、齒輪傳動(dòng)間隙和絲杠螺母精度等。由此可見,對(duì)于我們改造設(shè)計(jì)的C616車床的縱向伺服進(jìn)給單元,就采用這種由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)是比較合適的。該系統(tǒng)方案中不使用位置檢測(cè)元件,也就沒有閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。因此,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用維修方便,可靠性高,制造成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于C616車床精度要求不太高的中小型機(jī)床改造設(shè)計(jì)來說,特別適合適用這種開環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)方案。 3.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠的聯(lián)接對(duì)于經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)與進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的絲杠相聯(lián)接,這主要是從進(jìn)給傳動(dòng)鏈最短發(fā)出信息來考慮的。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠的聯(lián)接的方法有兩種:一種是與絲杠直接聯(lián)接在一起,此方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但是運(yùn)行位移的脈沖當(dāng)量不是5的倍數(shù)編程計(jì)算時(shí)不方便。另一種是在步進(jìn)電動(dòng)機(jī)輸出軸端配置減速器,使減速器輸出軸通過聯(lián)接套于絲杠直接聯(lián)接在一起,一般改造常采用這種聯(lián)接方式。所以,C616車床改造設(shè)計(jì)也采用這種聯(lián)接方式,而且從前面步進(jìn)電動(dòng)機(jī)計(jì)算和選擇中可知選用的是一級(jí)齒輪傳動(dòng)。 3.1.2 8051單片機(jī)的選擇根據(jù)C616車床最大加工尺寸,加工精度,控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求,改造設(shè)計(jì)后的簡(jiǎn)易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)進(jìn)行控制。在8位微機(jī)中,MCS-51系列單片機(jī)集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾性強(qiáng)、具有很高的性能價(jià)格比。因此,我們?cè)O(shè)計(jì)選擇應(yīng)用MCS-51系列單片機(jī)作為控制微機(jī)。在MCS-51系列單片機(jī)中8051為典型代表,它具有高性能8位CPU、4KROM、128字節(jié)RAM、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器、4個(gè)I/O、一個(gè)全雙工異步串行口、5個(gè)中斷源、可訪問64K程序存儲(chǔ)器空間和64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間。它與其中的8031相比,片內(nèi)有4KB的ROM,而8031片內(nèi)沒有ROM或EPROM。8031使用時(shí)必須配置外部的程序存儲(chǔ)器EPROM,而8051就不需要了。但8051的片內(nèi)ROM和片外ROM 不能同時(shí)占有,為了指示機(jī)器的這種只有生產(chǎn)廠家或器件設(shè)計(jì)者為用戶提供了一條專用的控制引腳EA,如果EA 接+5V 高電平,則機(jī)器使用片內(nèi)4KBROM,如果EA 接低電平,則機(jī)器自動(dòng)使用片外ROM,而8031引腳EA必須接地。所以,對(duì)于C616車床縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)就采用8051單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和運(yùn)動(dòng)控制。我們改造設(shè)計(jì)的機(jī)床,主要是縱向伺服進(jìn)給單元機(jī)電一體化改造設(shè)計(jì),根據(jù)下面設(shè)計(jì)其控制電路原理圖如后面附圖(B)所示。 3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)脈沖信號(hào)源脈沖分配器光隔離電路功率放大電路圖3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)原理框圖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī),使一種把脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成為線位移或角位移的電動(dòng)機(jī),常用作數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。根據(jù)前面的設(shè)計(jì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選擇可知,我們?cè)O(shè)計(jì)選用的是三相六拍的反映式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)110BC3100,由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)各繞阻按一定節(jié)拍依次輪流通電才能轉(zhuǎn)動(dòng),控制脈沖頻率可控制其轉(zhuǎn)動(dòng)速度,因此 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器,光隔離電路,脈沖功率放大器等組成,其驅(qū)動(dòng)原理框圖如下圖4所示。脈沖信號(hào)源是由CNC系統(tǒng)根據(jù)程序控制脈沖頻率和頻率的個(gè)數(shù),脈沖分配器將脈沖信號(hào)按一定順序分配;然后送到放大電路中進(jìn)行功率放大,驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行工作,其中脈沖分配器及前面的微機(jī)及接口芯片,工作電平一般為+5V, 而作為電動(dòng)機(jī)電源需要符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要求的額定電壓值。為避免強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾,在它們之間設(shè)計(jì)采用光隔離電路。具體電路如下面所設(shè)計(jì)的 3.2.1 脈沖分配器對(duì)于開環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)中,我們?cè)O(shè)計(jì)采用單片機(jī)脈沖分配器,如下圖5所 設(shè)計(jì)的8051單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制電路。P1.08051P1.1P1.2 P1.2光隔離電路驅(qū)動(dòng)電路圖3.3 8051單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制原理框圖8051單片機(jī)的P1口作為輸出口,用程序?qū)崿F(xiàn)脈沖分配功能。對(duì)于三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī),用P1.0,P1.1,P1.2作為輸出端,經(jīng)光電隔離電路,再由驅(qū)動(dòng)電路放大來驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于我們改造設(shè)計(jì)的C616 車床的縱向伺服進(jìn)給單元機(jī)電一體化改造,選擇的是 三相六拍的反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)110BF003。因此,按三相六拍的步電動(dòng)機(jī)的通電順序,可以得出P1口的輸出控制字表如下表2所示。由表2可見,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)第一個(gè)狀態(tài)字為01H,從上而下輸出控制字,步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。從正轉(zhuǎn)最后一個(gè)狀態(tài)字05H 之后加上反轉(zhuǎn)第一個(gè)控制字01H,此時(shí),再接著輸出控制字時(shí),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn),假設(shè)這些控制字存在,根據(jù)狀態(tài)字在存儲(chǔ)器地址以及讀取控制字的順序,可以畫出三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制程序框圖如下圖6。表3.1P1口輸出控制字轉(zhuǎn)向通電順序D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0控制字正轉(zhuǎn)A 0 0 101HAB 0 1 1 03HB 0 0 102HBC 1 1 006HC 1 0 104HCA 1 0 005H反轉(zhuǎn)A 0 0 101HAC 1 0 105HC 0 0 104HCB 1 1 006HB 0 1 002HBA 0 1 103H假設(shè),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)總的運(yùn)行參數(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FI(D5H)中,當(dāng)F1為“0”時(shí),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)F1為“1”時(shí),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí),8051的P1口的輸出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05存放在8051的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器單元20H25H中,26H 存放結(jié)束標(biāo)志00H。在27H2CH 的存儲(chǔ)單元內(nèi)存放反轉(zhuǎn)時(shí)P1端口的輸出控制字01H,05H,04H,06H,.02H,03H,在2DH單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00H。我們可以編出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序,其控制程序如下: PUSH A; 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng); MOV R4 #N 設(shè)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器; CLR C; ORL C, D5H; 轉(zhuǎn)向標(biāo)志為“1”轉(zhuǎn)移; JC R0TE; MOV R0, #20H; 正轉(zhuǎn)控制字首地址; AJMP LOOP;FI(D5H)中,當(dāng)F1為“0”時(shí),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)F1為“1”時(shí),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí),8051的P1口的輸出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05存放在8051的片內(nèi)數(shù)據(jù)存假設(shè),步進(jìn)電動(dòng)機(jī)總的運(yùn)行參數(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)志儲(chǔ)器單元20H25H中,26H 存放結(jié)束標(biāo)志00H。在27H2CH 的存儲(chǔ)單元內(nèi)存放反轉(zhuǎn)時(shí)P1端口的輸出控制字01H,05H,04H,06H,.02H,03H,在2DH單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00H。根據(jù)前面的控制程序表2和圖(7)的控制程序控制框圖,我們可以編出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序,其控制程序如下。保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)步長(zhǎng)數(shù)算器轉(zhuǎn)向標(biāo)志“1”置正轉(zhuǎn)控制字地址置反轉(zhuǎn)控制字地址 輸出控制器 延時(shí),控制字地址指針加“1”是結(jié)束標(biāo)志 是恢復(fù)控制字首地址總步長(zhǎng)為零 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 返回 PUSH A; 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng); MOV R4 #N 設(shè)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器; CLR C; ORL C, D5H; 轉(zhuǎn)向標(biāo)志為“1”轉(zhuǎn)移; JC R0TE; MOV R0, #20H; 正轉(zhuǎn)控制字首地址; AJMP LOOP; R0TE: MOV R0,#27H; 反轉(zhuǎn)控制字首地址; LOOP: MOV A, R0; MOV P1, A; 輸出控制字; ACALL DELAY; 延時(shí); INC R0; MOV A,00H; ORL A,R0; JZ TPL; 是結(jié)束標(biāo)志轉(zhuǎn)移; LOOP1: DJNZ R4,LOOP; 步數(shù)不為“0”; POP A; 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng); TPL: MOV A, R0; CLR C; SUBB A, 06H; MOV R0,A; 恢復(fù)控制首地址; AJMP LOOP1; DELAY: MOV R2,M; DELAY1:MOV A, M1; LOOP: DEC A; JNZ LOOP; DJNZ R2,DELAY1; RET 3.2.2 光隔離電路在這個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中,脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后,控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高(幾十伏)電流也教大(幾安到幾十安)如果將I/O口輸出信號(hào)直接與功率放大器相連,輕則影響單片機(jī)程序的正常運(yùn)行,重則導(dǎo)致單片機(jī)接口電路的損壞。因此,在接口電路與功率放大器之間設(shè)計(jì)加上光隔離電路,實(shí)現(xiàn)電氣隔離,通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由發(fā)光二級(jí)管和光敏晶體管組成如下圖7所示的共集電極輸出型光耦合器。當(dāng)輸入信號(hào)VI加到輸入端時(shí),發(fā)光二極管導(dǎo)通激發(fā)出紅外光,光敏晶體管受光照后,由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流,通過輸出端輸出,從而實(shí)現(xiàn)以光為媒介的電信號(hào)傳輸,輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。 圖3.5共集電極耦合器 圖3.6 光電隔離輸出電路上圖8為光隔離輸入與輸出電路。控制信號(hào)74LS05集電極開路門反相后驅(qū)動(dòng)光耦器的輸入發(fā)光二 極管 。當(dāng)控制信號(hào)為低電平,74LS05不吸收電流,發(fā)光二極管不導(dǎo)通,從而輸出的光敏晶體管截止,當(dāng)控制信號(hào)為高電平,74LS05吸收電流,發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光,光敏晶體管受到激勵(lì)導(dǎo)通。對(duì)于我們的改造設(shè)計(jì)就采用這種光隔離電路進(jìn)行控制。 3.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3.7 高低壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路由于邏輯電路和單片機(jī)的輸出脈沖電平很小,一般為3V左右電流為毫安級(jí),無法驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī),而需要經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行功率放大。我們知道常用的驅(qū)動(dòng)電路有:?jiǎn)坞娫打?qū)動(dòng)電路、高低壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路和恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路。而我們?cè)O(shè)計(jì)采用高低壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路 作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)。如下圖9所示設(shè)計(jì)的高低壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路。圖中LA為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)A相繞組,接大功率VT1和VT2之間,VT1為高壓管。當(dāng)脈沖分配器輸出低電平時(shí),VTI和VT2之間截止,LA無電流通過。當(dāng)脈沖分配器輸出高電平時(shí),使單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)為高電平輸出,經(jīng)前置放大使VT1導(dǎo)通,同時(shí)功率管VT2也導(dǎo)通,高壓電源Vn經(jīng)VTI和VT2加至LA上。此時(shí),二極管VD1因承受反向電壓而截止,切斷低壓電路VL,由于高壓源電壓很高,線圈的電流上升很快,上升沿變陡,當(dāng)電流值接近步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的額定值時(shí),單穩(wěn)態(tài)電路延時(shí)時(shí)間到 ,翻轉(zhuǎn)為輸出低電壓,使高電壓管VT1截止。這時(shí),由低電壓電源VL供電,VT2繼續(xù)導(dǎo)通LA繼續(xù)通過電流 。當(dāng)脈沖分配器輸出的脈沖為低電平時(shí),功率VT2截止,這時(shí),續(xù)流二極管VD2續(xù)流,電流隨之減少為零。采用這種驅(qū)動(dòng)電路是因?yàn)樗趩坞娫打?qū)動(dòng)電路相比,高低壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路的電流波形上升沿變陡,使步進(jìn)電機(jī)的力矩和運(yùn)行頻率等主要性能得到明顯改善,而且驅(qū)動(dòng)功率也比單電源的高;在結(jié)構(gòu)上也比恒流斬波驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)單。所以我們?cè)O(shè)計(jì)應(yīng)用這種高低壓雙電源驅(qū)動(dòng)電路來進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 3.3 8255可編程控制芯片的擴(kuò)展MCS51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一就是硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對(duì)于簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合可以不用I/O口系統(tǒng),但是對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用場(chǎng)合就需要用I/O口擴(kuò)展來滿足單片機(jī)運(yùn)行功能的完善性。像我們?cè)O(shè)計(jì)的C616車床的數(shù)控化的改造設(shè)計(jì)就有一定的復(fù)雜程度。因此,我們對(duì)8051單片機(jī)進(jìn)行I/O口擴(kuò)展,擴(kuò)展應(yīng)用兩片8255可編程控制芯片來達(dá)到機(jī)床控制運(yùn)動(dòng)功能的可靠性和完善性。 3.3.1 8255芯片的介紹選用的8255芯片是INTEL生產(chǎn)的可編程輸入輸出接口芯片它具有3個(gè)8位的并行I/O口分別為PA、PB、PC口其中PC又分為高4位(PC7PC4)和低4位(PC3PC0),它們都可以使用軟件編程來改變I/O口工作方式。因此,8255使用方便,通用性強(qiáng),經(jīng)常作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)連接時(shí)的中間接口電路。 3.3.2 58051單片機(jī)與8255接口電路的設(shè)計(jì)我們?cè)O(shè)計(jì)的兩片8255芯片與8051直接接口電路如下圖(11)所示在8051單片機(jī)的I/O口上擴(kuò)展兩片8255芯片,無需加任何邏輯電路,只需用地址鎖存器74LS373芯片鎖存后提供就可以了。從圖10中可以看出8255的片選信號(hào)CS及口地址選擇線A0,A1分別由8051的P2.6、P2.7和P0.0和P0.1經(jīng)地址鎖存器74LS373鎖存后提供。8255的復(fù)位端與8051 的復(fù)位端相連,都接到8051的復(fù)位電路上。因此,我們可以從圖中看出8255的A口、B 口 、C口以及控制口地址。我們知道在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中,必須根據(jù)外圍設(shè)備的類型選擇8255的操作方式,并在初始化程序中把相應(yīng)的控制字寫人操作口。根據(jù)我們的設(shè)計(jì)圖10可以知道兩片8255的A口、B 口 、C口以及控制口地址分別為:8255(1)芯片: A口地址: BFFCH; B口地址: BFFDH; C口地址: BFFEH; 控制口地址: BFFFH;8255(2)芯片: A口地址: 7FFCH; B口地址: 7FFDH; C口地址: 7FFEH; 控制口地址: 7FFFH;對(duì)于每一片8255的C口8位中的任一位,均可以用指令來置位和復(fù)位。例如,如果把C口的第6位PC5置1相應(yīng)的字控制為00001011B=0BH,程序如下: MOV DPTR ,#07F7FH; 控制口地址DPTR MOV A,#0BH; 控制字A MOVX DPTR,A; 控制字控制口;PC5=1由此可見,8255可編程控制接口芯片在MCS-51系列單片機(jī)中應(yīng)用非常廣泛,廣泛應(yīng)用與外圍設(shè)備,如打印機(jī),鍵盤,顯示器以及作為控制信息的輸人輸出。所以,對(duì)于我們的設(shè)計(jì)就擴(kuò)展應(yīng)用兩片8255可編程控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和進(jìn)行運(yùn)行控制。 3.3.3 8255芯片在設(shè)計(jì)電路中的控制功能在采用的兩片8255芯片中,用8255(1)的A口作為輸入口,用于功能鍵的控制,其中,PA0PA4口分別控制空運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)I、手動(dòng)II、和回零等功能。B口用作輸出口,其中B0B4口控制面板上的按鍵,分別控制啟動(dòng)、暫停、單段、連續(xù)、急停等功能。PC0口用于報(bào)警顯示,系統(tǒng)正常工作時(shí),輸出低電平,綠色燈亮;當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時(shí),輸出高電平,紅色燈亮,實(shí)現(xiàn)報(bào)警顯示功能。用8255(2)的A口控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī),PA0PA5為輸出口,用于控制Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和X向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其中,PB口的PB0PB3接鍵盤的安鍵部分;PB4PB7口接越程報(bào)警控制電路,當(dāng)床鞍或工作臺(tái)在X向或Z向越程時(shí),即向單片機(jī)輸入此信號(hào),使進(jìn)給系統(tǒng)停止進(jìn)給工作,以保護(hù)工作臺(tái)正常運(yùn)行。 3.4 6264芯片的擴(kuò)展圖3.9 8051單片機(jī)片外儲(chǔ)存器擴(kuò)展由于我們改造設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床功能比較完善,對(duì)于它的I/O口的擴(kuò)展我們就多擴(kuò)展上6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器芯片。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器只使用WR、RD控制線而不用PSEN,正因?yàn)檫@樣,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與程序存儲(chǔ)器地址可以完全重合,均為0000HFFFFH,但是,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與I/O口及外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的,即任何擴(kuò)展的I/O口及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器地址。我們?cè)O(shè)計(jì)的6264芯片的擴(kuò)展電路圖如下圖示中所連接的。從圖中我們很容易看出,6264芯片的控制地址:0000H3FFFH。這樣對(duì)于機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制就很容易利用8051單片機(jī)進(jìn)行控制了。我們選擇利用6264芯片進(jìn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展是比較合理完善的。 3.5 輔助電路的設(shè)計(jì) 3.5.1 8051單片機(jī)的時(shí)鐘電路我們知道單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生:內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路,在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件,如下圖(12)所示,晶體可在1.212MHZ任選,偶合電容在530PF之間,對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式,可把XTAI直接接地,XTAL2接外 部時(shí)鐘源。經(jīng)過比較選擇,我們?cè)O(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式,如下圖12所示。圖3.10 時(shí)鐘電器 3.5.2 復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部電路實(shí)現(xiàn),在時(shí)鐘電路工作后,只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上高電平,單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)復(fù)位,以后單片機(jī)便從0000H單元開始執(zhí)行程序。單片機(jī)通常采用上自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種,而我們?cè)O(shè)計(jì)應(yīng)用上電與按鈕復(fù)位組合的復(fù)位電路如下圖(13)所示。在上電瞬間,R、C電路充電,RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖,只要RESET端保持10ms以上高電平,就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。這種復(fù)位電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用比較合理經(jīng)濟(jì)。圖3.11 復(fù)位電路 3.5.3 越界報(bào)警電路為了防止工作臺(tái)越界出現(xiàn)事故,我們?cè)O(shè)計(jì)越界電路來保證機(jī)床的工作的可靠性。設(shè)計(jì)的越界報(bào)警電路如下圖(12)所示。圖3.12 越界報(bào)警顯示電路我們改造設(shè)計(jì)的C616車床有4個(gè)方向可能越界,即+X、-X、+Z、-Z方向。一旦某一方向越界,應(yīng)立即停止工作臺(tái)移動(dòng)。其中圖(14)中(a)圖是報(bào)警信號(hào)的產(chǎn)生,(b)圖是報(bào)警顯示。這里利用8255(2)的PC口進(jìn)行控制,只要任一個(gè)行程開關(guān)閉合,即工作臺(tái)在某一個(gè)方向越界,均能產(chǎn)生越界報(bào)警信號(hào)。為了報(bào)警,設(shè)置紅綠燈指示,正常工作時(shí)綠燈亮,當(dāng)產(chǎn)生越界報(bào)警時(shí)紅燈亮。兩個(gè)燈均設(shè)計(jì)用一個(gè)I/O口輸出控制,我們利用8255(1)的PC0口進(jìn)行控制。其他的輔助電路的設(shè)計(jì)在此不在一一詳細(xì)列舉,詳細(xì)情況請(qǐng)參照附圖(B)所示的電氣控制原理電路圖。 3.6 操作面板設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要介紹圖3.13 控制面板致謝在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)當(dāng)中,我曾因?yàn)橐恍﹩栴}不知道如何解決,是老師和給予資料并耐心細(xì)致地講解,我才得以明白繼續(xù)做設(shè)計(jì)。我在做機(jī)械部分設(shè)計(jì)的時(shí)候也有許多不會(huì)的地方,是段老師的熱心幫助,她給我們分析問題,還把相關(guān)的參考資料借給我們,讓我們對(duì)設(shè)計(jì)更加擁有信心! 總之,段老師是擁有淵博理論知識(shí)和深厚實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的,在她的殷勤帶領(lǐng)之下,我才少走彎路獲得解決問題的有效方法。老師給與我的畢業(yè)設(shè)計(jì)很大幫助,讓我的設(shè)計(jì)更加具有論證性、合理性,也使設(shè)計(jì)更加具有說服力!在這里請(qǐng)讓我向老師說一聲:老師,您辛苦了!通過畢業(yè)設(shè)計(jì),也讓

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