C616縱向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)含cad圖紙.doc

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1、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(shuō) 明 書(shū) 學(xué)員： 學(xué)號(hào)： 姓名： 班級(jí)： 日期： 目錄 1.緒論 1 2.機(jī)械部分設(shè)計(jì) 2 2.1 設(shè)計(jì)框圖及機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì) 2 2.2轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 3 2.3 轉(zhuǎn)動(dòng)矩計(jì)算 4 2.4步進(jìn)電機(jī)的選擇 6 2.5縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與計(jì)算 7 2.5.1系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 8 2.6切削力的計(jì)算 8 2.7滾珠絲杠螺母副的計(jì)

2、算和選型 9 2.7.1計(jì)算進(jìn)給牽引力 9 2.7.2 計(jì)算最大動(dòng)載荷C 9 2.8 傳動(dòng)效率的計(jì)荷 11 2.9 剛度驗(yàn)算 13 2.10齒轉(zhuǎn)傳動(dòng)比的計(jì)算 13 2.10.1齒輪傳動(dòng)間隙的消除 14 2.11軸的設(shè)計(jì)與校核 16 2.12 初步估算軸的最小直徑，并選擇聯(lián)軸器 16 2.12.1. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 17 2.12.3按彎矩合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度 18 2.12.4按疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核軸的強(qiáng)度 21 3.機(jī)床縱向伺服進(jìn)給單元電氣控制部分設(shè)計(jì) 23 3.1 電氣控制系統(tǒng)方案的確定 23 3.1.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與絲杠的聯(lián)接 23 3.1.2 8051單片

3、機(jī)的選擇 24 3.2 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 24 3.2.1 脈沖分配器 25 3.2.2 光隔離電路 28 3.2.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 29 3.3 8255可編程控制芯片的擴(kuò)展 30 3.3.1 8255芯片的介紹 30 3.3.2 58051單片機(jī)與8255接口電路的設(shè)計(jì) 30 3.3.3 8255芯片在設(shè)計(jì)電路中的控制功能 31 3.4 6264芯片的擴(kuò)展 32 3.5 輔助電路的設(shè)計(jì) 32 3.5.1 8051單片機(jī)的時(shí)鐘電路 32 3.5.2 復(fù)位電路 33 3.5.3 越界報(bào)警電路 33 3.6 操作面板設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)要介紹 34 致謝 35

4、 參 考 文 獻(xiàn) 36 1.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(guó)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(lái)越受到企業(yè)的歡迎。企業(yè)一方面投入大量資金購(gòu)買(mǎi)數(shù)控車床，另一方面更新改造現(xiàn)有普通車床，通過(guò)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

5、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(lái)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(lái)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3～7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"。可實(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(wú)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(shuō)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(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，數(shù)控車床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行

6、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(guó)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(guó)、日本、德國(guó)，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(lái)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(guó)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(guó)機(jī)械行業(yè)的數(shù)控

7、加工技術(shù)具有更重要意義。根據(jù)我國(guó)車床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國(guó)情，將普通車床通過(guò)數(shù)控化改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是我國(guó)機(jī)械工業(yè)技術(shù)改造的這樣目標(biāo)。但從我國(guó)目前機(jī)械工業(yè)制造水平與發(fā)達(dá)國(guó)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(wèn)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(kāi)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

8、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(lái)裝軸承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，

9、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)

10、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(shuō)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)

11、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(shuō)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

12、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＝0.7～0.85 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(shuō)明 計(jì)算結(jié)果 4

13、）切削負(fù)載 力矩 切削負(fù)載力矩 式中 （詳見(jiàn)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(wèn)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

14、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) 3 4 5 6 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 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

15、 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(lái)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(pán)連接牢固。 縱向進(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

16、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(lái)確定，對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床來(lái)說(shuō)，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(shuō)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（

17、或轉(zhuǎn)速）來(lái)計(jì)算。 即 式中：主切削力N，V最大切削速度（m/min） KW 2）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

18、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5000~10000h，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

19、力的計(jì)算 計(jì)算項(xiàng)目 設(shè)計(jì)計(jì)算與說(shuō)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400N ＝1782.4N 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0.15～0.18，這里取＝0.16 則＝

20、1.15960＋0.16（3840＋400） ＝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(wú)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HRC 60 57.5 55 52.5 50 47.5 45 42.5 硬度系數(shù) 1.0 1.1 1.2 1.4 2.0 2.5 3.3 4.5 即 根據(jù)最大動(dòng)載荷

21、C，從《機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》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(guò)一定限度就會(huì)使?jié)L珠絲杠無(wú)法正常工作。一般允許其塑性變形量不超過(guò)滾珠的萬(wàn)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 2~3） 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)

22、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

23、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(guò)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(shuō)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

24、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

25、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(guò)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1－3可知絲杠兩端裝有止推軸承進(jìn)行支承，故無(wú)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

26、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(guò)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)

27、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(huà)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(guò)。彈簧4

28、的兩端分別鉤在凸耳3和調(diào)節(jié)螺釘7上，通過(guò)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(kāi)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

29、，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(wú)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(shuō)明 計(jì)算結(jié)果 初步估算軸的最小

30、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10—2 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(shuō)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

31、 2）確定軸的各段直徑與長(zhǎng)度 Ⅳ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Ⅳ段長(zhǎng)度確定為 Ⅴ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Ⅴ段的直徑為 Ⅴ段長(zhǎng)度的確定;Ⅴ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 Ⅱ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5

32、2205, 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(lái)選，其寬度尺寸為30mm。 軸段Ⅱ的右端靠?jī)蓚€(gè)的螺母來(lái)鎖緊，為防止發(fā)生干涉，應(yīng)留調(diào)整間隙。 考慮以上幾個(gè)因素尺寸，Ⅱ段長(zhǎng)度 Ⅲ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Ⅲ段直徑 Ⅲ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，Ⅲ段長(zhǎng) Ⅳ段直徑的確定:為使齒輪方便裝、拆，設(shè)置過(guò)渡軸肩，則Ⅳ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)

33、度 ⑴ 繪制軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖 ⑵ 齒輪受力分析 圓周力 徑向力 ⑶ 繪制鉛垂面彎矩圖 畫(huà)鉛垂面受力圖，計(jì)算鉛垂面支反力 ② 畫(huà)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 ③ 繪制水平彎矩圖 畫(huà)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(huà)水平彎矩。計(jì)算截面C處彎矩值： ⑷ 繪制合成彎矩圖(圖3.1e) 計(jì)算合成彎矩值： ⑸ 繪制轉(zhuǎn)矩圖 轉(zhuǎn)矩 ⑹ 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)

34、力應(yīng)按脈動(dòng)循環(huán)變化,故取 則 ⑺ 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(jiàn),截面出所C-C處當(dāng)量彎矩最大,且過(guò)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。 ⑴ 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(guò)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(shū)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(shū)附表10-5,取t=6mm； 需要指出和只能

35、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 ⑵ 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） ⑶ 確定計(jì)算參數(shù) ① 查附表10-1按過(guò)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； ② 查附表10-6尺寸系數(shù)=0.81; =0.76； ③ 查附表10-4得表面質(zhì)量系數(shù)； ④ 查附表10-7得銅的 ； ⑤ 查附表10-8 得許用安全系數(shù)[S]=1.3--1.5； ⑷ 計(jì)算只考慮彎距作用時(shí)的安全

36、系數(shù) ⑸ 計(jì)算只考慮彎距作用時(shí)的安全系數(shù) ⑹ 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。 ⑺ 繪制軸的零件圖見(jiàn)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(lái)完成數(shù)控處理和運(yùn)動(dòng)控制。由此可見(jiàn)，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)

37、于一些經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床，常采用開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)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(méi)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)

38、齒距角精度、齒輪傳動(dòng)間隙和絲杠螺母精度等。由此可見(jiàn)，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(kāi)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(méi)有閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問(wèn)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(lái)說(shuō)，特別適合適用這種開(kāi)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(lái)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)

39、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(guò)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)

40、。 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(wèn)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(méi)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

41、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(kāi)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)——110BC31

42、00,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(kāi)環(huán)伺服驅(qū)動(dòng)中，我們?cè)O(shè)計(jì)采用

43、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。 P1.0 8051 P1.1 P1.2 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(lái)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

44、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(jiàn)，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(huà)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 1 01H AB 0

45、 1 1 03H B 0 0 1 02H BC 1 1 0 06H C 1 0 1 04H CA 1 0 0 05H 反轉(zhuǎn) A 0 0 1 01H AC 1 0 1 05H C

46、 0 0 1 04H CB 1 1 0 06H B 0 1 0 02H BA 0 1 1 03H 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20H～25H中，26H

47、存放結(jié)束標(biāo)志00H。在27H～2CH 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；

48、 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20H～25H中，26H 存放結(jié)束標(biāo)志00H。在27H～2CH 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

49、，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；

50、 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；

51、 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

52、 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； D

53、JNZ 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，

54、由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流，通過(guò)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?？刂菩盘?hào)74LS05集電極開(kāi)路門(mén)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

55、 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(wú)法驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，而需要經(jīng)過(guò)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(wú)電流通過(guò)。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

56、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(guò)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

57、路來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 3.3 8255可編程控制芯片的擴(kuò)展 MCS—51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(lái)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(lái)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（PC7～P

58、C4）和低4位（PC3～PC0），它們都可以使用軟件編程來(lái)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(wú)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805

59、1 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(xiě)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

60、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(lái)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

61、 A，#0BH； 控制字——A MOVX ＠DPTR，A； 控制字——控制口；PC5=1 由此可見(jiàn)，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(pán)，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，PA0～PA4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

62、出口，其中B0～B4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)，PA0～PA5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PB0～PB3接鍵盤(pán)的安鍵部分；PB4～PB7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)

63、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0000H～FFFFH，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：0000H～3FFFH。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

64、.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1.2～12MHZ任選，偶合電容在5～30PF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(guò)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(kāi)始執(zhí)

65、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(lái)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)。

66、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(kāi)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﹩?wèn)題不知道如何解決，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(wèn)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(wèn)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(shuō)服力！在這里請(qǐng)讓我向老師說(shuō)一聲：老師，您辛苦了！ 通過(guò)畢業(yè)設(shè)計(jì)，也讓