C620普通车床进行数控改造1

摘要 I 摘 要 本次毕业论文主要是将一台 C620 型普通车床进行经济型数控改造设计 针对现有的普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设计 提高加工 精度和扩大机床使用范围 并提高生产率 论文说明了普通车床的数控化改 造的设计过程 比较详细的介绍了 C620 机械改造部分的设计及数控系统部 分的设计 采用以 8031 为 CPU 的控制系统对信号进行处理 由 I O 接口输 出步进脉冲 经一级齿轮传动减速后 带动滚动丝杠转动 从而实现纵向 横向的进给运动 论文中车床改装设计如下 1 机械部分的改装 包括纵向进给方向 的改装和横向进给方向的改装 主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电 机的计算选择及纵向 横向机构装配图方案的制定 2 电气控制部分的 设计 主要包括 MCS 51 系列单片机及 8031 单片机扩展芯片的选用和电气 控制图的设计 数控系统采用 MCS 51 系列的 8031 单片机扩展系统 因为 MCS 51 系列的单片机具有集成度高 可靠性高 功能强 速度快 抗干扰 能力强等优点 设计改造后的经济型数控机床具有定位 直线插补 顺逆圆弧插补 暂 停 循环加工 公英制螺纹加工等功能 且加工质量稳定可靠 零件加工的 适应性强 自动化程度高 关关键键词词 数控 单片机 步进电机 滚珠丝杠 改造 ABSTRACT II ABSTRACT The main thesis is a C620 type CNC lathe economic transformation of the design for the shortcomings of the existing general made CNC lathe conversion program and microcomputer system design higher precision and expand the use of machine tools and increase productivity Paper describes the transformation of CNC Lathe design process a more detailed description of the mechanical transformation of C620 part of the design and numerical control parts of the system design To adopt a 8031 control system for the CPU to process the signal from the I O interface the output pulse stepping through a gear reducer the drive rolling screw rotation In order to achieve vertical and horizontal movement of the feed Paper lathe design modifications are as follows 1 modification of the mechanical parts including the vertical direction of feed conversion and horizontal direction of feed conversion Include ball screw pair and reaction to the stepping motor selection and the calculation of vertical and horizontal body assembly drawing program development 2 The electrical control part of the design include MCS 51 MCU 8031 Series MCU and expanding the selection of chips and electrical control chart design numerical control system adopts MCS 51 series of 8031 micro expansion system Because the MCS 51 family of microcontrollers with a high integration high reliability strong function high speed anti interference ability and so on After transformation the economic design of CNC machine tools with a positioning linear interpolation circular interpolation good times or bad pause loop processing processing and other functions of public Inch thread and the processing quality stable and reliable Parts processing adaptability high degree of automation Key words NC microcontroller stepper motors ball screws transformation 目录 III 目目 录录 摘 要 ABSTRACT 目 录 绪 论 1 0 1 今国内外数控技术的发展现状 3 0 2 普通机床改造的意义 3 0 3 数控机床与普通机床相比的优点 3 第一章 主要方案的设计 4 1 1 设计任务 4 1 2 总体方案的论证 4 1 2 1 机械部分的改造设计 4 1 2 2 伺服进给系统的改造设计 5 1 2 3 数控系统的硬件电路设计 5 1 3 总体方案的确定 6 第二章 机械部分的改造设计 7 2 1 纵向进给系统的改造设计 7 2 1 1 纵向滚珠丝杠副的选用 7 2 1 1 1 确定系统脉冲当量 8 2 1 1 2 车削力的计算 8 2 1 1 3 滚珠丝杠副的设计 计算和选型 8 2 1 2 步进电机的选用 12 2 1 2 1 脉冲量的计算 12 2 1 2 2 等效负载转矩的计算 12 2 1 2 3 等效转动惯量的计算 13 2 1 2 4 步进电机型号的选择 13 2 2 横向进给系统得改造设计 14 2 2 1 横向滚珠丝杠副的选用 14 目录 IV 2 2 1 1 确定系统的脉冲当量 14 2 2 1 2 车削力的计算 14 2 2 1 3 滚珠丝杠副的设计 计算和选型 14 2 2 2 横向步进电机的选用 18 2 2 2 1 脉冲量的计算 18 2 2 2 2 等效负载转矩的计算 18 2 2 2 3 等效转动惯量的计算 18 2 2 2 4 步进电机型号的选择 19 2 3 齿轮传动间隙的调整 20 第三章 电气控制部分的设计 23 3 1 单片机的选择 23 3 2 步进电机的驱动 24 3 2 1 环形脉冲分配器的选择 24 3 2 2 功率放大器的选用 26 3 3 步进电机的微机控制 29 结论 31 致谢 32 参考文献 33 绪论 1 1 绪 论 0 1今国内外数控技术的发展现状 近年来 随着计算机技术的发展 数字控制技术已经广泛应用于工业控 制的各个领域 尤其是机械制造业中 普通机械正逐渐被高效率 高精度 高自动化的数控机械所代替 目前国外机械设备的数控化率已达到 85 以上 而我国的机械设备的数控化率不足 20 随着我国机制行业新技术的应用 我国世界制造业加工中心地位形成 数控机床的使用 维修 维护人员在全 国各工业城市都非常紧缺 再加上数控加工人员从业面非常广 可在现代制 造业的模具 钟表业 五金行业 中小制造业 从事相应公司企业的电脑绘 图 数控编程设计 加工中心操作 模具设计与制造 电火花及线切割工 作 所以目前现有的数控技术人才无法满足制造业的需求 而且人才市场上 的这类人才储备并不大 企业要在人才市场上寻觅合适的人才显得比较困难 以至于导致模具设计 CAD CAM 工程师 数控编程 数控加工等已成为我国 各人才市场招聘频率最高的职位之一 在各种招聘会上 数控专业人才更是 企业热衷于标注 急聘 高薪诚聘 等字样的少数职位之一 以致出现 了 月薪 6000 元难聘数控技工 年薪 16 万元招不到数控技工 的现 象 据报载 我国高级技工正面临着 青黄不接 的严重局面 原有技工年 龄已大 中年技工为数不多 青年技工尚未成熟 在制造业 能够熟练操作 现代化机床的人才已成稀缺 据统计 目前 我国技术工人中 高级技工 占 3 5 中级工占 35 初级工占 60 而发达国家技术工人中 高级工占 35 中级工占 50 初级工占 15 这表明 我们的高级技工在未来 5 10 年内仍会有大量的人才缺口 数控机床已成为我国市场需求的主流产品 需求量逐年激增 我国数控 机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步 特别是在机床的高 速化 多轴化 复合化 精密化方面进步很大 但是 国产数控机床与先进 国家的同类产品相比 还存在差距 还不能满足国家建设的需要 我国是一个机床大国 有三百多万台普通机床 但机床的素质差 性能 绪论 1 2 落后 单台机床的平均产值只有先进工业国家的 1 10 左右 差距太大 急 待改造 机床的数控化改造 顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置 使 其具有一定的自动化能力 以实现预定的加工工艺目标 随着数控机床越来 越多的普及应用 数控机床的技术经济效益为大家所理解 在国内工厂的技 术改造中 机床的微机数控化改造已成为重要方面 许多工厂一面购置数控 机床一面利用数控 数显 PC 技术改造普通机床 并取得了良好的经济效益 我国经济资源有限 国家大 机床需要量大 因此不可能拿出相当大的资金 去购买新型的数控机床 而我国的旧机床很多 用经济型数控系统改造普通 机床 在投资少的情况下 使其既能满足加工的需要 又能提高机床的自动 化程度 比较符合我国的国情 1984 年 我国开始生产经济型数控系统 并 用于改造旧机床 到目前为止 已有很多厂家生产经济型数控系统 可以预 料 今后 机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及 所以说 本毕业设 计实例具有典型性和实用性 绪论 1 3 0 2 普通机床改造的意义 1 节省资金 普通机床的翻新改造同购置新机床相比一般可节省 60 左右的费用 大型及特殊设备尤为明显 一般大型机床改造只需花新铣 床购置费的 1 3 即使将原机床的结构进行彻底改造升级也只需花费购买新 机床 60 的费用 并可以利用现有地基 2 性能稳定可靠 因原机床各基础件经过长期时效 几乎不会产生 应力变形而影响精度 3 提高生产效率 机床经数控改造后即可实现加工的自动化效率 可比传统机床提高 3 至 5 倍 对复杂零件而言难度越高功效提高得越多 且可以不用或少用工装 不仅节约了费用而且可以缩短生产准备周期 0 3 数控机床与普通机床相比的优点 1 适应性强 适合加工单件或小批量的复杂工件 在数控机床上改变 加工工件时 只需重新编制新工件的加工程序 就能实现新工件加工 2 加工精度高 3 生产效率高 4 减轻劳动强度 改善劳动条件 5 良好的经济效益 6 有利于生产管理的现代化 第一章 主要方案的设计 4 第一章 主要方案的设计 1 1 设计任务 本设计任务是对 C620 普通车床进行数控改造 利用单片机对纵 横向 进给系统进行控制 纵向 Z 向 脉冲当量为 0 01mm 脉冲 横向 X 向 脉冲当量为 0 005mm 脉冲 驱动元件采用步进电机 传动系统采用滚珠丝 杠副 1 2 总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造 在确定总体设计方案时 应考虑在满 足设计要求的前提下 对机床的改动应尽可能少 以降低成本 1 2 1 机械部分的改造设计 为了实现机床所要求的分辨率 采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠 为了保证一定的传动精度和平稳性 尽量减小摩擦力 选用滚珠丝杠螺母副 同时 为了提高传动刚度和消除间隙 采用有预加负载荷的结构 传动齿轮 也要采用消除齿侧间隙的结构 此设计过程主要是纵向进给和横向进给的改 造 关键是步进电机和滚珠丝杠的选用 改进后的车床简易传动系统如图 1 1 第一章 主要方案的设计 5 图 1 1 改进后的车床传动系统 1 小刀架 2 横向步进电动机 3 横向滚珠丝杆 4 大拖板 5 纵向滚珠丝杆 6 纵向步进电动机 1 2 2伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环 半闭环和闭环之分 因为开环控制 具有结构简单 设计制造容易 控制精度较好 容易调试 价格便宜 使用 维修方便等优点 所以 本设计决定采用开环控制系统 1 2 3 数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成 硬件是数控系统的基础 性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能 有了硬件 软件才能有效地 运行 在设计的数控装置中 CPU 的选择是关键 选择 CPU 应考虑以下要素 1 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关 2 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关 3 I O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关 在我国 普通机床数控改造方面应用较普遍的是 Z80CPU 和 MCS 51 系 列单片机 主要是因为它们的配套芯片便宜 普及性 通用性强 制造和维 修方便 完全能满足经济型数控机床的改造需要 本设计以 8031 芯片为核 第一章 主要方案的设计 6 心 增加存储器扩展电路 接口和面板操作开关组成的控制系统 1 3 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后 确定 C620 车床经济型数控改造方案 C620 车床的主轴转速部分保留原机床的功能 即手动变速 车床的纵向 Z 轴 和横向 X 轴 进给运动采用步进电机驱动 将原来机床的普通丝杠改为滚 珠丝杠以减小摩擦力 并将 8031 单片机组成的微机作为数控装置的核心 由 I O 接口 环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动 经齿轮减速 后带动滚珠丝杠转动 从而实现车床的纵向 横向进给运动 第二章 机械部分的改造设计 7 第二章 机械部分的改造设计 2 1 纵向进给系统的改造设计 2 1 1纵向滚珠丝杠副的选用 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠 使螺纹间产生 滚动摩擦 丝杠转动时 带动滚珠沿螺纹滚道滚动 螺母上设有返向器 与 螺纹滚道构成滚珠的循环通道 为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过 盈配合 可设置预紧装置 为延长工作寿命 可设置润滑件和密封件 滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比 有下列特点 1 传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达 90 95 耗费能量 仅为滑动丝杆的 1 3 2 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数 启动与工作摩擦力矩差别很小 启动时无冲击 预紧后可消除间隙产生过盈 提高接触刚度和传动精度 3 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度 HRC58 62 高精度 具有较长的工作寿命和精度保持性 寿命约为滑动丝杆副的 4 10 倍以上 4 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆副摩擦小 温升小 无 爬行 无间隙 通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀 因此可达到较高的定位 精度和重复定位精度 5 同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部件 可得到较好的同步运动 6 可靠性高 润滑密封装置结构简单 维修方便 7 不能自锁 用于垂直传动时 必须在系统中附加自锁或制动装置 8 制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度 表面粗糙度要求高 故制造成本较高 第二章 机械部分的改造设计 8 2 1 1 1确定系统的脉冲当量 在数控机床中 一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫做脉冲当量 通常用 表示 也称机床的最小设定单位 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一 个基本技术参数 按机床设计的加工精度选定 本设计所要求的 C620 的 脉冲当量为 纵向 Z 向 脉冲当量为 0 01mm 脉冲 横向 X 向 脉冲当 量为 0 005mm 脉冲 2 1 1 2 车削力的计算 在设计机床进给伺服系统时 计算传动和导向元件 选用伺服电机等都 要用到切削力 现我们利用经验公式计算主切削力 车床的主切削力可用下式计算 NFZ 5 1 max 67 0 DFZ 式中 车床床身加工的最大直径单位为 mm max D 因 C620 床身加工的最大直径 410mm 则 NFZ 3 556241067 0 5 1 按以下比例分别求出分力和 x F y F4 0 25 0 1 yxZ FFF 则 NFx1391 NFy2226 2 1 1 3 滚珠丝杠螺母副的设计 计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型 确定滚轴循环方式 滚珠 丝杠副的预紧方式 结构类型确定后 再计算和确定其他参数 包括 公称 直径 导程 滚珠的工作圈数 列数 精度等级等 d 0 Ljk 本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式 滚珠丝杠副的预 紧方法选择双螺母螺纹预紧 第二章 机械部分的改造设计 9 图2 1 双螺母螺纹调隙式结构 1 2 单螺母 3 平键 4 调整螺母 1 23 4 1 计算进给率牵引力 m F 作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移 动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力 因而其数值大小和导轨的形 式有关 的计算公式如下 m F 纵向进给导轨为三角形 则 GFfKFF zxm N 800 3 5562 15 0 139115 1 N2554 三角形导轨选取参数 NGfK800 15 0 15 1 2 计算最大动负荷C 选用滚珠丝杠副的直径时 必须保证在一定轴向负载作用下 丝杠 0 d 在回转 100 万转后 在它的滚道上不产生点蚀现象 这个轴向负载的最大值 即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷 计算步骤如下 C 丝杠转速其中 0 1000 L n s s min75 0 m6 0 L min125 6 75 0 1000 rn 寿命 6 10 60Tn L r 6 1025 11 10 150012560 6 最大动负荷 NFjLC Mw 13 858425545 125 11 33 第二章 机械部分的改造设计 10 3 计算最大静负荷 当滚珠丝杠副在静态或低速 情况下工作时 滚珠丝杠min10rn 副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生变形 当塑性变形超过一定限度就 会破坏滚珠丝杠副的正常工作 一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万 分之一 产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷 选取静态 0 C 安全系数 2 滚珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静负荷 s f 2254 maxm FF 为 510825542 max0 FfC s 4 选择滚珠丝杠副 见表 2 1 5 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 943 0 0506 0 0477 0 542tan 442tan tan tan 0 0 表 2 1滚珠丝杠副参数 型号 公称 直径 mm 基本导 程 mm 螺旋升 角 丝杠外 径 mm 丝杠内 径 mm 额定动 载荷 N 丝杠长 度 mm 额定静载荷 N 5 34006 406 442o 2 3998 3524100120082400 6 刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩 T 共同作用下引起的每导程变 m F 形量是否符合丝杠精度要求 L 每导程变形量可按以下公式计算L 2 00 21 L EF LF LLL m 第二章 机械部分的改造设计 11 GJ TL0 选取 10 6 20 4 mmNE 2 2 1 88 1017 4 mm d F mm EF LF L m5 4 0 1 103 7 88 101710 6 20 62554 mm L L 4 4 0 2 102 2 2 1028 2 6 2 其中 444 1 102 8 64 mmdJ mmmm 4 4 1028 2 102 8824 62554 则 21 LLL 45 102 2103 7 mm 4 1093 2 mmmL L 000293 0 6 100100 1 mmm 0049 0 查表所得 所选用的级丝杠精度允许误差为 满足要求 Dmm 10 7 稳定性校核 机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆 若轴向力过大 将使丝杠失去稳定而产生翘曲 所以选用时必须进行稳定性校核 如果满足 稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数 则丝杠安全 不会失稳 k n k n k m k k n F p n 式中 许用稳定性安全系数 一般取 2 5 4 k n 丝杠失稳时的临界负载 由 k p 2 l EJ pk 式中 丝杠长度 l 第二章 机械部分的改造设计 12 丝杠轴端系数 由支承条件定 截面惯性矩 对实心圆 J 4 1 64 dJ 对于水平丝杠要考虑自重影响可取 4 k n 将相关数据代入上式中可得 Npk115776 12001 102 810 6 20 2 462 45 2554 115776 kk nn 丝杠不会失稳 2 1 2 步进电机的选用 2 1 2 1脉冲量的选择 初选三相步进电动机的步距角为 当三相六拍 1 2 相 00 5 175 0 励磁 运行时 步距角其妹转脉冲数 0 75 0 rpS480 75 0 360360 0 00 脉冲当量 由此可得中间齿轮传动比为pmm01 0 i 25 1 48001 0 6 S L i 2 1 2 2等效负载转矩计算 1 空载时的摩擦转矩 LF T m i L T s LF 046 0 25 1 8 02 006 0 80006 0 2 2 车削加工时的负载转矩 L T m LFWF T Si yx L 5 1 25 18 02 006 0 222680006 01391 2 第二章 机械部分的改造设计 13 2 1 2 3等效转动惯量的计算 1 滚珠丝杠的转动惯量 S J 2 344 0 00237 0 32 1085 72 104 0 32 m ld JS 2 拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量 J m i L g W Jw 5 2 2 2 2 1076 4 25 1 1 2 006 0 8 9 8001 2 3 大齿轮的转动惯量 2g J 选取大齿轮齿数 小齿轮齿数 模数 45 2 Z36 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 0005056 0 32 1085 7 01 0 09 0 32 m bd Jg 4 小齿轮的转动惯量 1g J 2 34 1 4 1 1 0004142 0 32 1085 7 02 0 072 0 32 m bd Jg 换算到电动机轴上的总惯性负载 L J 2 2 1 i JJ JJJ sg wgL 2 2 0023 0 25 1 00237 0 0005056 0 0000476 0 0004142 0 m 2 1 2 4步进电动机型号的选择 已知 初选步进电机型号为 110BF003 mTL 5 1 23 103 2mJL 步距角三相六拍 其中最大静扭矩 转子惯量 0 75 0 mT 8 max 由此可得 23 10 8 36mkgJm 5 018 0 8 5 1 max T TL 2 3 3 25 0 10 8 36 103 2 m L J J 1 4 1 max T JL 第二章 机械部分的改造设计 14 经验算可知电动机合格 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图如图 2 2 外型图 图 2 2 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图 2 2 横向进给系统的改造设计 2 2 1横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用 横向进给方向的设计过程同纵向方向相同 2 2 1 1确定系统的脉冲当量 横向 X 向 脉冲当量为 0 005mm 脉冲 2 2 1 2车削力的计算 车床的主切削力可用下式计算 NFZ 5 1 max 67 0 DFZ 式中 车床刀架加工的最大直径单位为 mm max D 因 C620 床身加工的最大直径 210mm 则 NFZ203921067 0 5 1 按以下比例分别求出分力和 x F y F4 0 25 0 1 yxZ FFF 则 NFx510 NFy 6 815 第二章 机械部分的改造设计 15 2 2 1 3滚珠丝杠螺母副的设计 计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型 确定滚轴循环方式 滚珠 丝杠副的预紧方式 结构类型确定后 再计算和确定其他参数 包括 公称 直径 导程 滚珠的工作圈数 列数 精度等级等 d 0 Ljk 本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式 滚珠丝杠副 的预紧方法选择双螺母螺纹预紧 1 计算进给率牵引力 m F 作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移 动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力 因而其数值大小和导轨的形 式有关 的计算公式如下 m F 横向进给导轨为燕尾形 则 2 GFFfKFF xzym N 6 1873 60051022039 2 0 6 8154 1 燕尾形导轨选取参数 NGfK600 2 0 4 1 2 计算最大动负荷C 选用滚珠丝杠副的直径时 必须保证在一定轴向负载作用下 丝杠 0 d 在回转 100 万转后 在它的滚道上不产生点蚀现象 这个轴向负载的最大值 即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷 计算步骤如下 C 丝杠转速其中 0 1000 L n s s min6 0m5 0 L min120 5 6 01000 rn 寿命 6 10 60Tn L r 6 108 10 10 150012060 6 最大动负荷 MwF fLC 3 6212 6 18735 1 8 10 3 第二章 机械部分的改造设计 16 3 计算最大静负荷 当滚珠丝杠副在静态或低速 情况下工作时 滚珠丝杠min10rn 副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生变形 当塑性变形超过一定限度就 会破坏滚珠丝杠副的正常工作 一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万 分之一 产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷 选取静态 0 C 安全系数 2 滚珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静负 s f 6 1873 maxm FF 荷为 2 3747 6 18732 max0 FfC s 4 选择滚珠丝杠副 表 2 2 滚珠丝杠副参数 型号 公称 直径 mm 基本导 程 mm 螺旋升 角 丝杠外 径 mm 丝杠内 径 mm 额定动 载荷 N 丝杠长 度 mm 额定静载荷 N 5 22005 205 334 3 19 2 171265028031600 5 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 965 0 0825 0 0796 0 434tan 334tan tan tan 0 0 6 刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩 T 共同作用下引起的每导程变 m F 形量是否符合丝杠精度要求 L 每导程变形量可按以下公式计算L 第二章 机械部分的改造设计 17 2 00 21 L EF LF LLL m GJ TL0 选取 10 6 20 4 mmNE 2 2 1 23 232 4 mm d F mm EF LF L m4 4 0 1 100 2 23 23210 6 20 5 6 1873 mm L L 3 3 0 2 101 2 2 1064 2 5 2 其中 434 1 103 4 64 mmdJ mmmm 3 5 1064 2 43 0 10 4 82 5 6 1873 则 21 LLL 34 101 2100 2 mm 3 103 2 mmmL L 0023 0 5 100100 1 mmm 046 0 查手册所得 所选用的级丝杠精度允许误差为 满足要求 Gmm 60 7 稳定性校核 机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆 若轴向力过大 将使 丝杠失去稳定而产生翘曲 所以选用时必须进行稳定性校核 如果满足稳定 性安全系数大于许用稳定性安全系数 则丝杠安全 不会失稳 k n k n k m k k n F p n 式中 许用稳定性安全系数 一般取 2 5 4 k n 第二章 机械部分的改造设计 18 丝杠失稳时的临界负载 由 k p 2 l EJ pk 式中 丝杠长度l 丝杠轴端系数 由支承条件定 截面惯性矩 对实心圆J 4 1 64 dJ 对于水平丝杠要考虑自重影响可取 4 k n 将相关数据代入上式中可得 Npk 7 2 362 1012 1 2801 103 410 6 20 6000 6 1873 1012 1 7 kk nn 丝杠不会失稳 2 2 2 横向步进电机的选用 2 2 2 1脉冲量的选择 初选三相步进电动机的步距角为 当三相六拍 1 2 相励磁 00 5 175 0 运行时 步距角其妹转脉冲数 0 75 0 rpS480 75 0 360360 0 00 初选脉冲当量 由此可得中间齿轮传动比为pmm005 0 i 08 2 480005 0 5 S L i 2 2 2 2等效负载转矩计算 1 空载时的摩擦转矩 LF T m Li T s LF 017 0 8 02 48 0 005 0 60006 0 2 2 车削加工时的负载转矩 L T 第二章 机械部分的改造设计 19 m LiFWF T S yx L 29 0 8 02 48 0 005 0 6 81580006 0 510 2 2 2 2 3等效转动惯量的计算 1 滚动丝杠的转动惯量 S J 2 344 0 000034 0 32 28 0 1085 7 02 0 32 m ld JS 2 拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量 w J mi L g W Jw 52 2 2 2 1089 0 48 0 2 005 0 8 9 600 2 3 大齿轮的转动惯量 2g J 选取大齿轮齿数 小齿轮齿数 模数 50 2 Z24 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 00077 0 32 1085 7 01 01 0 32 m bd Jg 4 小齿轮的转动惯量 1g J 2 34 1 4 1 1 000082 0 32 1085 7 02 0 048 0 32 m bd Jg 换算到电动机轴上的总惯性负载 L J 2 21 iJJJJJ sgwgL 2 2 000276 0 48 0 000034 000077 0 0000089 0000082 0 m 2 2 2 4步进电动机型号的选择 已知 初选步进电机mTL 29 0 2524 1082 21076 2 mkgmJL 型号为 90BF002 步距角三相六拍 其中最大静扭矩 0 75 0 mT 92 3 max 转子惯量 由此可得 25 1064 17mkgJm 5 0074 0 92 3 29 0 max T TL 2 5 5 25 0 1064 17 1082 2 m L J J 第二章 机械部分的改造设计 20 1 4 1 max T JL 经验算可知电动机合格 电动机外形图及矩频图如图 2 3 图 2 3 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图 2 3 齿轮传动间隙的调整 在横向进给和纵向进给的步进电机和滚珠丝杠间都是通过一对减速直齿 轮传动的 这就要求我们对齿轮的传动间隙进行调整 常用的直齿轮调整齿侧间隙的方法有以下几种 1 偏心套 轴 调整法 如图 2 4 所示 将相互啮合的一对齿轮中的一 个齿轮 4 装在电机输出轴上 并将电机 2 安装在偏心套 1 或偏心轴 上 通 过转动偏心套 偏心轴 的转角 就可调节两啮合齿轮的中心距 从而消除圆 柱齿轮正 反转时的齿侧间隙 特点是结构简单 但其侧隙不能自动补偿 图 2 4 偏心套式间隙消除机构 第二章 机械部分的改造设计 21 1 偏心套 2 电动机 3 减速箱 4 5 减速齿轮 2 轴向垫片调整法 如图 2 5 所示 齿轮 1 和 2 相啮合 其分度圆 弧齿厚沿轴线方向略有锥度 这样就可以用轴向垫片 3 使齿轮 2 沿轴向移动 从而消除两齿轮的齿侧间隙 装配时轴向垫片 3 的厚度应使得齿轮 1 和 2 之 间既齿侧间隙小 运转又灵活 特点同偏心套 轴 调整法 图 2 5 圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构 3 双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个做 成宽齿轮 另一个用两片薄齿轮组成 采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和另 一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左 右两侧 以消除齿侧间隙 反向时不会出现死区 具体调整措施如下 周向弹簧式 图 2 6 在两个薄片齿轮 2 和 4 上各开了几条周向圆弧槽 并在齿轮 3 和 4 的端面上有安装弹簧 2 的短柱 1 在弹簧 2 的作用下使薄片 齿轮 3 和 4 错位而消除齿侧间隙 这种结构形式中的弹簧 2 的拉力必须足以 克服驱动转矩才能起作用 因该方法受到周向圆弧槽及弹簧尺寸限制 故仅 适用于读数装置而不适用于驱动装置 可调拉簧式 图 2 7 在两个薄片齿轮 1 和 2 上装有凸耳 3 弹簧的一 端钩在凸耳 3 上 另一端钩在螺钉 7 上 弹簧 4 的拉力大小可用螺母 5 调节 螺钉 7 的伸出长度 调整好后再用螺母 6 锁紧 本设计所选用的是双片薄齿轮错齿调整法中的可调拉簧式 由此就可以 将纵向及横向进给系统的装配图设计并画出 具体请见图纸 第二章 机械部分的改造设计 10 图 2 6 薄片齿轮周向拉簧错齿调隙机构 图 2 7 可调拉簧式调隙 第三章 电气控制部分的设计 23 第三章 电气控制部分的设计 在这一部分我们采用 MCS 51 系列单片机控制主控系统 51 系列相对 48 系列指令更丰富 相对 96 系列价格更便宜 51 系列中 是无 ROM 的 8051 8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051 目前 工控机中应用最多的是 8031 单片机 本设计以 8031 芯片为核心 增加存储器扩展电路 接口和面 板操作开关组成的控制系统 3 1单片机的选择 图 3 1 8031 引脚图 本设计选用 8031 芯片 片内无 ROM 或者 EPROM 使用时必须配置外部 的程序存储器 EPROM 本设计选用了 27128 扩展其空间 8031 的引脚分 3 大功能 1 I O 口线 P0 P1 P2 P3共 4 个八位口 2 控制口线 PSEN 片外取指控制 ALE 地址锁存控制 EA 片外存 储器选择 RESET 复位控制 第三章 电气控制部分的设计 24 3 电源和时钟 8031 最小应用系统 8031 内部不带 ROM 需要外接 EPROM 作为外部程 序存储器 又因为 8031 在外接程序存储器或数据存储器时地址的低 8 位信 息和数据信息分时送出 故还需要采用一片 6264 数据存储器储存数据 这 样 一片 27128EPROM 和一片 6264 组成了一个最小的计算机应用系统 图 3 2 系统存储器 3 2步进电机的驱动 步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系 驱动电源由脉 冲分配器 功率放大器组成 驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方 向信号按要求的配电方式自动的循环供给电机各组绕组 以驱动电机转子正 反向旋转 3 2 1环形脉冲分配器的选择 步进电机的各组绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作 这种使电机 绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器 又称环形脉冲分配 第三章 电气控制部分的设计 25 器 所以不同相的电机应选用不同的环形分配器 本设计中所选用的电机 纵向部分为 110BF003 三相反应式步进电机 与其相配的环形脉冲分配器为 CH250 其管脚图见图 3 3 图 3 3 CH250 管脚图 CH250 有 A B C 三个输出端 当输入端 CL 或 EN 加上时钟脉冲后 输 出波形将符合三相反应式步进电机的要求 输出电流能力为 0 5mA 经推动 级 驱动级放大后即可驱动电动机绕组 CH250 在供三相六拍步进电机工作时 线路中的接线见图 3 4 图 3 4 三相六拍时 CH250 接线图 横向部分为 90BF002 五相反应式步进电机 与其相配的环形脉冲分配 器为 PMM8714 其管脚图见图 3 5 第三章 电气控制部分的设计 26 3 2 2功率放大器的选用 从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安 不能直接驱动步进电机 必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大 使其增 大到几至十几安培 从而驱动步进电机运转 步进电机所使用的功率放大器有电压型和电流型 电压型又有单电压型 双电压型 高低压型 电流型中有恒流驱动 斩波驱动等 图 3 5 PMM8714 管脚图 1 单电压功率放大电路 此电路的优点是电路结构简单 不足之处是 Rc 消耗能量大 电流脉冲 前后沿不够陡 在改善了高频性能后 低频工作时会使振荡有所增加 使低 频特性变坏 2 高低电压功率放大电路 电源 U1 为高电压 电源大约为 80 150V U2 为低电压电源 大约为 5 20V 在绕组指令脉冲到来时 脉冲的上升沿同时使 VT1 和 VT2 导通 图 3 5 单电压功率放大器 由于二极管 VD1 的作用 使绕组只加上高电压 U1 绕组的电流很快达 到规定值 到达规定值后 VT1 的输入脉冲先变成下降沿 使 VT1 截止 电 动机由低电压 U2供电 维持规定电流值 直到 VT2输入脉冲下降沿到来 VT2截止 第三章 电气控制部分的设计 27 不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹 影响电动机运行 的平稳性 图 3 6 高低电压功率放大电路 3 斩波恒流功放电路 该电路的特点是工作时 Vin 端输入方波步进信号 当 Vin 为 0 电平 由与门 A2输出 Vb为 0 电平 功率管 达林顿管 VT 截止 绕组 W 上无 电流通过 采样电阻上 R3上无反馈电压 A1放大器输出高电平 而当 Vin 为高电平时 由与门 A2输出的 Vb也是高电平 功率管 VT 导通 绕组 W 上 有电流 采样电阻上 R3上出现反馈电压 Vf 由分压电阻 R1 R2得到设定 电压与反馈电压相减 来决定 A1输出电平的高低 来决定 Vin信 第三章 电气控制部分的设计 28 号能否通过与门 A2 若 Vref Vf时 Vin信号通过与门 形成 Vb正脉冲 打 开功率管 VT 反之 Vref Vf时 Vin信号被截止 无 Vb正脉冲 功率管 VT 截止 这样在一个 Vin脉冲内 功率管 VT 会多次通断 使绕组电流在设定 值上下波动 图 3 7 斩波恒流功放电路 通过比较选择 本设计中选用单电压功率放大电路 为了避免功放后 强电对弱电产生干扰 应在环形分配器和功率放大电路之间加一个光电隔 离电路 3 3步进电机的微机控制 步进电机的工作过程一般由控制器控制 控制器按照设计者的要求完成 一定的控制过程 使功率放大电路按照要求的规律驱动步进电机运行 简单 地控制过程可以用各种逻辑电路来实现 但缺点是线路复杂 控制方案改变 困难 自从微处理器问世以来 给步进电机控制器设计开辟了新的途径 各 种单片微型计算机的迅速发展和普及 为设计功能很强而价格低廉的步进电 机控制器提供了条件 使用微型计算机对步进电机进行控制有串行和并行两 种方式 第三章 电气控制部分的设计 29 串行控制 具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间具 有较少的连线 将信号送入步进电机驱动电源的环形分配器 所以在这种系 统中 驱动电源中必须含有环形分配器 这种控制方式的示意图见图 3 8 方式信号 方向信号 CP 脉冲 图 3 8 串行控制示意图 P1 0 P1 1 8031 P1 2 步 进 电 机 环 形 分 配 器 功 率 放 大 电 路 并行控制 用微型计算机系统的数个接口直