畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)-C6132橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控改造(含CAD圖紙).doc

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目 錄 1、 總體方案確定.......................................4 1.1、C6132工藝范圍...................................4 1.2、設(shè)計(jì)任務(wù).........................................4 1.3、總體方案.........................................4 1.3.1、進(jìn)給系統(tǒng)改造.................................4 1.3.2、伺服系統(tǒng)改造.................................5 1.3.3、導(dǎo)軌改造.....................................6 1.3.4、控制系統(tǒng)改造.................................6 1.3.5、系統(tǒng)框圖.....................................6 2、機(jī)械部分改造........................................6 2.1、C6132普通車(chē)床的改造.............................6 2.2、切削力的計(jì)算....................................6 2.2.1、主切削力....................................7 2.2.2、進(jìn)給力與背吃刀力.............................7 2.2.3、工作載荷....................................7 2.3、滾珠絲杠的計(jì)算及選型.............................8 2.3.1、絲杠轉(zhuǎn)速....................................8 2.3.2、承載能力計(jì)算.................................8 2.3.3、計(jì)算額定載荷.................................9 2.3.4、滾珠絲杠螺母選型............................10 2.3.5、壓桿穩(wěn)定性校核..............................11 2.3.6、剛度演算...................................12 2.3.7、傳動(dòng)效率...................................12 2.3.8、臨界轉(zhuǎn)速...................................12 2.3.9、最大轉(zhuǎn)速...................................13 2.3.10、壓彎臨界轉(zhuǎn)速...............................13 2.3.11、預(yù)緊力....................................13 2.3.12、絲杠與導(dǎo)軌間接觸變性.......................14 2.4、減速齒輪的計(jì)算.................................14 2.5、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算及選型............................16 2.5.1、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)特性..........................17 2.5.2、步進(jìn)電機(jī)選型考慮因素........................18 2.5.3、步進(jìn)電機(jī)初選................................19 2.5.4、步進(jìn)電機(jī)校核................................20 2.6、導(dǎo)軌的選型......................................24 3、 數(shù)控部分硬件電路設(shè)計(jì)..............................24 3.1、硬件電路組成...................................24 3.2、中央處理器選擇.................................22 3.3、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展及選型.............................23 3.4、其他電路設(shè)計(jì)...................................24 4、 總結(jié)..............................................28 5、 致謝..............................................29 6、 參考文獻(xiàn)..........................................30 1、總體設(shè)計(jì)方案確定 1.1、c6132工藝范圍 數(shù)控車(chē)床主要用于軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)零件的加工, 能自動(dòng)完成外圍柱面、內(nèi)孔、錐面、圓弧面、螺紋等工序的粗細(xì)加工, 并能在圓柱面或端面上進(jìn)行銑槽、鉆孔、鉸孔等工作, 可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件在預(yù)先加工好定位基面后, 一次裝夾下完成從毛坯到成品的全部工序。因此能夠極大的提高生產(chǎn)率。C6132車(chē)床主要用于對(duì)小型軸類(lèi)、盤(pán)類(lèi)以及螺紋零件的加工。 1.2、設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)在現(xiàn)有C6132車(chē)床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，主傳動(dòng)系統(tǒng)保留。，橫向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量分別為0.005mm/step，最大快移速度2000mm/min，定位精度0.01mm。 1.3、總體方案 1.3.1、進(jìn)給系統(tǒng)改造 將車(chē)床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的普通絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副，伺服電機(jī)與絲杠間采用一級(jí)減速器聯(lián)接, 以縮小傳動(dòng)鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動(dòng)鏈誤差。橫向伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪減速器總成安裝在機(jī)床后部并與滾珠絲杠通過(guò)柔性聯(lián)軸器相連。柔性聯(lián)軸器的特點(diǎn)是有一定的緩沖性能和較大的綜合補(bǔ)償性能（包括：軸向偏移，徑向偏移，角度偏移）。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是具有摩擦力小,運(yùn)動(dòng)靈敏, 無(wú)爬行現(xiàn)象, 也可以進(jìn)行預(yù)緊, 以實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng),傳動(dòng)剛度好,反向時(shí)無(wú)空程死區(qū)等特點(diǎn)?？商岣邆鲃?dòng)精度。 1.3.2、伺服系統(tǒng)的改造 ⑴、考慮到數(shù)控的方便性，伺服系統(tǒng)改造的經(jīng)濟(jì)型，所以在保證具有一定加工精度的前提下，從改造成本考慮。應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本及考慮到加工精度的要求，應(yīng)采用以伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)的開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：環(huán)路短，剛性好，較容易獲得較高的精度和速度。 伺服電動(dòng)機(jī) 機(jī)床工作臺(tái) 比較器 放大電路 脈沖指令 圖1.1 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)原理圖 ⑵、開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)一般選用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移量的執(zhí)行元件。其轉(zhuǎn)速則與脈沖頻率成正比。由于輸入為電脈沖，因而易于電子計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字電路接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、繪圖機(jī)、計(jì)時(shí)鐘表等方面。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用于系統(tǒng)具有較好的開(kāi)環(huán)穩(wěn)定性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有可能省去閉環(huán)系統(tǒng)中的測(cè)量元件。 ⑶、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：步距角小，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率高，在一相繞組長(zhǎng)期通電狀態(tài)下，具有自鎖能力，消耗功率較大，應(yīng)用范圍比較廣泛。例如閥門(mén)控制、數(shù)控機(jī)床及其他數(shù)控裝置。 永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：功率比較小，在斷電的情況下，有定位轉(zhuǎn)矩，步距角大，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，主要應(yīng)用在自動(dòng)化儀表方面。 故：從精度和經(jīng)濟(jì)的角度來(lái)選，伺服系統(tǒng)采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的開(kāi)環(huán)控制。 為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定的功率，需要有足夠功率提供給電動(dòng)機(jī)因此需要有功率放大環(huán)節(jié)，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)電源需符合電機(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應(yīng)采用隔離電路。如下圖 圖1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 1.3.3、導(dǎo)軌改造 導(dǎo)軌需沿用原機(jī)床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機(jī)床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤(rùn)滑性。 1.3.4、控制系統(tǒng)選用 控制系統(tǒng)選用MCS-51單片機(jī)。 1.3.5、系統(tǒng)框圖 見(jiàn)圖【01】 2、機(jī)械部分改造 2.1、C6132普通車(chē)床參數(shù) 最大回轉(zhuǎn)直徑：ф320mm 最大加工長(zhǎng)度：640mm 移動(dòng)步件重盤(pán)：橫向 500N 刀架快進(jìn)速度：橫向 1.2m/min 最大進(jìn)給速度：橫向0.3m/min 主電機(jī)功率：4KW 起動(dòng)加速時(shí)間：25ms 機(jī)床定位精度：0.015mm 機(jī)床效率：0.8 2.2、切削力的計(jì)算 在設(shè)計(jì)機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)時(shí)，計(jì)算傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，選用伺服電機(jī)等都需要用到切削力， 2.2.1、主切削力 選工件材料碳素結(jié)構(gòu)鋼，=650 MP；選用刀具材料為高速鋼； 刀具幾何參數(shù)：主偏角=，前角=，刃傾角=； 切削用量為：背吃刀量=2mm，進(jìn)給量=0.8mm/r，切削速度=1 m /min.。 由表（2.1）查得：=1770; =1.0 =0.75 =0; 由表（2.2）查得：主偏角修正系數(shù)=0.92 ,前角，刃傾角修正系數(shù)都為1.0； 代入公式： = =2754.92 ( N ) 2.2.2、進(jìn)給力與背吃刀力 由經(jīng)驗(yàn)公式： ：：=1:0.35:0.4 知：==2754.92N ==0.35x2754.92=964.22N ==0.4x2754.92=1101.97N 2.2.3、工作載荷 選擇矩形三角形組合導(dǎo)軌由表（2.3）計(jì)算： =1.15x964.22+0.15x(2754.92+500) =1597.09（N） ： 溜板箱及刀架（橫向）重力=500（N）; ： 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)由表（2.3）查得：K=1.15 f ： 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)由表（2.3）查得：f= 0.15 表2.1車(chē)削力公式中系數(shù)參數(shù) 結(jié)構(gòu)鋼，鑄鋼=650 MP 刀具材料 加工外形 公式中指數(shù)及參數(shù)主切削力 高速鋼 外圓縱車(chē)，橫車(chē)，切斷 1770 1.0 0.75 0 表2.2加工鋼或鑄鐵刀具幾何參數(shù)改變時(shí)切削力修正系數(shù) 名稱(chēng) 數(shù)值 主偏角 修正系數(shù) 0.92 前角 1.0 刃傾角 1.0 刀尖圓角半徑 1.0 表2.3實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考參數(shù) 導(dǎo)軌類(lèi)型 實(shí)驗(yàn)公式 f 矩形導(dǎo)軌 1.1 0.15 燕尾導(dǎo)軌 1,4 0.2 三角形或綜合導(dǎo)軌 1.15 0.15-0.18 2.3、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型 2.3.1、絲杠轉(zhuǎn)速 =200r/min； 其中：：最大切削條件下進(jìn)給速度（mm/min）， 取最高進(jìn)給速度(2000mm/min)的 1/2～1/3 即： =2000 =1000mm/min ：絲杠導(dǎo)程初選5 mm（導(dǎo)程越大，承載越大；導(dǎo)程越小，精度越高）； 2.3.2、承載能力選擇 = =11010.38 N 其中： =180 (r)； 滾道硬度HRC=55； 表2.4 使用壽命時(shí)間（h） 使用壽命時(shí)間（h） 普通機(jī)床 數(shù)控機(jī)床 航空機(jī)械 5000～10000 15000 1000 表2-5 硬度系數(shù) 硬度系數(shù) HRC≧58 HRC=55 HRC=52.5 HRC=50 HRC=45 1.0 1.11 1.35 1.56 2.4 表2-6載荷系數(shù) 載荷系數(shù) 平穩(wěn)或輕度沖擊 中等沖擊 較大沖擊 1.0～1.2 1.2～1.5 1.5～2.5 2.3.3、計(jì)算額定載荷C 選用滾珠絲杠副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬(wàn)轉(zhuǎn)（106轉(zhuǎn)）時(shí)，其中90%不產(chǎn)生疲勞損傷時(shí)所能承受的最大軸向載荷。 ①、計(jì)算最大額定動(dòng)載荷 =9919.26 (N) 絲杠選型應(yīng)使得絲杠額定動(dòng)載荷滿(mǎn)足： 知：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。 ②、計(jì)算最大額定靜載荷 =2x1597.09=3194.18 (N) 絲杠選型應(yīng)使得絲杠額定靜載荷滿(mǎn)足：=28538 知：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。 表2.7靜態(tài)安全系數(shù) 靜態(tài)安全系數(shù) 一般運(yùn)動(dòng) 有沖擊及振動(dòng)的運(yùn)動(dòng) 1～2 2～3 2.3.4、選擇滾珠絲杠螺母的選型： ⑴、滾珠絲杠選型 根據(jù)上面的計(jì)算查表選滾珠絲杠型號(hào)為：FL2505-3 表2.8 FLF2505-3 型滾珠絲杠參數(shù) 型號(hào) 公稱(chēng)直徑 基本導(dǎo)程 絲杠外徑 滾 珠 直 徑 螺旋升角 循環(huán)圈數(shù) 額定載荷N 接觸剛度R (N/） 動(dòng)剛度 靜剛度 絲 杠 底 徑 2505-5 25 5 24.5 3.175 3`39` 2x2.5-2x2.5 11670 28538 870 21.2 表2.9螺母安裝尺寸 D D D B M 40 66 53 11 4 10 5.8 6 M6 28 30 102 余程 有效行程 全長(zhǎng) 20 =-2=360 400 12 6 P1042 ⑵、滾珠絲杠循環(huán)方式 本設(shè)計(jì)循環(huán)方式采用：外循環(huán)滾珠絲杠，螺旋槽式。 ⑶、滾珠絲杠副的標(biāo)注方法 滾珠絲杠 GB/T - 名稱(chēng) 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)號(hào) 公稱(chēng)直徑 基本導(dǎo)程 螺紋長(zhǎng)度 類(lèi)型P/T 公差等級(jí) 旋向R/L FL25005-3-310 /400 表示： 外循環(huán)墊片調(diào)隙式、法蘭式雙螺母螺紋預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠母副，名義直徑為25mm，導(dǎo)程為5mm,一個(gè)螺母工作滾珠為3.5圈，單列，3級(jí)精度，右旋，絲杠螺紋部分長(zhǎng)度為310mm,絲杠總長(zhǎng)度為400mm。 2.3.5、壓桿穩(wěn)定性效核 = =17081.98 >>=1597.09 ( N ) 知：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求； 其中： ：實(shí)際承受載荷能力N；-剛的彈性模量，MPa； ：滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，=9910.44 mm； ：壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取2.5～4； 表2.10 壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù) 壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù) 雙推-雙推 單推-單推 雙推-簡(jiǎn)支 雙推-自由 4 1 2 0.25 注：①若＜時(shí)，絲杠失去穩(wěn)定發(fā)生翹曲； ②兩端裝推力軸承及向心軸承時(shí)一般不會(huì)發(fā)生現(xiàn)象； ③當(dāng)n＜10r/min時(shí)，無(wú)需計(jì)算，只效核≥。 2.3.6、剛度驗(yàn)算 每一導(dǎo)程變形量 （mm） = = 0.006+0.1x 0.006 （mm） 其中：T===0.768 （Ncm） （“+” 取拉，“–”取壓） ：剛的彈性模量，MPa； ：絲杠最小截面積，；：扭矩，Ncm； ：滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，； 2.3.7、傳動(dòng)效率 ==95.6% ：絲杠螺旋線升角；：摩擦角（滾珠絲杠?。? 2.3.8、臨界轉(zhuǎn)速 == 9060000 ( r/min ) ：絲杠底徑（mm）；：絲杠支撐間距（mm）。 表2.11 臨界裝束系數(shù) 臨界裝束系數(shù) 雙推-雙推 雙推-支撐 雙推-單推 雙推-自由 21.9 15.1 9.7 3.4 2.3.9、最大轉(zhuǎn)速 絲杠最大轉(zhuǎn)速滿(mǎn)足： =50000/25=2000 ( r/min ) ：絲杠公稱(chēng)直徑（mm）；：常取=50000～70000。 2.3.10、壓彎臨界載荷 N == 367.2 ( N ) ：絲杠底徑（mm）；：絲杠支撐間距（mm） 表2.12 臨界載荷系數(shù)m 臨界載荷系數(shù) 雙推-雙推 雙推-支撐 雙推-單推 雙推-自由 20.3 10.2 5.1 1.3 2.3.11、預(yù)緊力 預(yù)緊力增加，滾珠與滾道間接觸剛度也增加，傳動(dòng)精度提供；但過(guò)大預(yù)緊力會(huì)影響甚至降低絲杠的壽命。 按下表選擇 表2.13 預(yù)緊力計(jì)算公式 工 作 條 件 （N） 舉例 工作速度 反向間隙 定位精度 接觸剛度 中速 無(wú) 高 高 =（0.1～0.13） 加工中心NC機(jī)床 中速 無(wú) 較高 較高 =(1/3) 經(jīng)濟(jì)型NC機(jī)床，普通機(jī)床 高速 無(wú) 一般 低 <<(1/3) 工業(yè)機(jī)器人工程機(jī)械 =(1/3) =1/3x1597.09=532.36 ( N ) 滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以及過(guò)盈滾珠預(yù)緊等。 2.3.12、絲杠與軌道間接觸變形 ?。?0.005mm 其中：=3281.93 N ；=532.36N :滾珠直徑；=3.173 mm； ：滾珠總數(shù)；=x圈數(shù)x列數(shù)=370個(gè)； 由：=+=0.005+0.006=11 <=13 查表知：3級(jí)精度，310-400長(zhǎng)度內(nèi)允許變量為13 故：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。 綜上知：選用 FL2505-3 型滾珠絲杠可以設(shè)計(jì)滿(mǎn)足要求。 2.4、減速齒輪計(jì)算 ⑴、算進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)比i =360 0.005/5 =0.48 式中：脈沖當(dāng)盒(mm/步）;=0.005 mm/step ：滾珠絲杠的基本導(dǎo)程(mm); =5 ：步進(jìn)電機(jī)的步距角。初選。 ⑵、減速齒輪的計(jì)算 計(jì)算出傳動(dòng)比以后，再根據(jù)降速級(jí)數(shù)決定一對(duì)或兩對(duì)齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，一般取模數(shù)m=1—2，數(shù)控臺(tái)鉆x—y工作臺(tái)取m=1，數(shù)控車(chē)床，銑床可取m=2。 由（、為降速齒輪的齒數(shù)）可計(jì)算和選取齒數(shù)。 齒輪各部分幾何參數(shù)如表（2.15）計(jì)算。 I=Z1/Z2=0.48 所以選主動(dòng)輪Z1=24，從動(dòng)齒輪Z2=50 表2.15減速齒輪計(jì)算參數(shù) 名稱(chēng) 代號(hào) 計(jì)算 =24 =50 齒頂高 =2 齒根高 =2.5 齒全高 =4.5 分度圓直徑 =48 =100 齒頂圓直徑 =52 =104 齒根圓直徑 =43 =95 齒距 =6.28 齒厚 =3.14 中心距 =74 模數(shù) =2 齒頂高系數(shù) =1 齒隙系數(shù) =0.2 齒形角 =20 齒輪寬（初選） B=20 B=14 ⑶、齒輪消隙 由于數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動(dòng)變向狀態(tài)，反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪等傳動(dòng)副存在間隙，就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào)，從而影響其驅(qū)動(dòng)精度。因此必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙，以提高數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)精度。故采用：雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法（如圖2.1）。其特點(diǎn)：既可以消除間隙，且反向時(shí)不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)。 圖2.1 可拉彈簧式雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 圖中,在2 個(gè)薄片齒輪1 和2 上裝有螺紋的凸耳4 和8 ,彈簧的一段鉤在凸耳4上,另一端鉤在螺釘5 上。彈簧3 所受的張力大小可用螺母6 來(lái)調(diào)節(jié)螺釘5 的伸出長(zhǎng)度,調(diào)整好后再用螺母7 鎖緊。 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法原理：在一對(duì)嚙合的齒輪中，其中一個(gè)是寬齒輪（圖中標(biāo)出），另一個(gè)是由兩薄齒輪組成。薄片齒輪1和2上各開(kāi)有周向圓弧槽，并在兩齒輪的槽內(nèi)各壓配有安裝彈贊4的短圈柱3。在彈簧4的作用下使齒輪1和2錯(cuò)位，分別與寬齒輪的齒槽左、右側(cè)貼緊，消除了齒側(cè)間隙，但彈簧4的張力必須足以克服扭矩 2.5、步進(jìn)電機(jī)計(jì)算及選用 2.5.1、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性 ⑴、步距角 步距角是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要指標(biāo)之一，它的大小由公式（1）決定步距角的大小反映了系統(tǒng)能夠達(dá)到的分辨能力。目前國(guó)產(chǎn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角由0.3750到900最常用的為1.20/0.60、1.50/0.750、1．80/0.90、20/10、30/1.50、4.50/2.250等幾種。 θ=360/k m z (1) ⑵、靜特性 靜特性是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性，包括矩角特性、靜態(tài)稚定區(qū)等。1.矩角特性 在脈沖電流不變的情況下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系M=f(θ)稱(chēng)為矩角特性。 失調(diào)角的關(guān)系，即定、轉(zhuǎn)子齒中心線間的夾角θ在反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中一個(gè)齒距對(duì)應(yīng)的電角度為2。 定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，即θ=0，電機(jī)轉(zhuǎn)子無(wú)切向力轉(zhuǎn)矩為零；若定、轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開(kāi)一個(gè)角度．這時(shí)出現(xiàn)切向力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其作用是使齒對(duì)齊。根據(jù)理論和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，M=f(θ)近似為一條正弦曲線，如圖19所示，矩角特性上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱(chēng)為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。它表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)承受負(fù)載的能力，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一。 ⑶、步進(jìn)動(dòng)行特性 ①、靜穩(wěn)定區(qū) 由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性可知，當(dāng)失調(diào)角θ在到（即相當(dāng)齒距）的范圍內(nèi)，若去掉負(fù)載，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置稱(chēng)到為靜穩(wěn)定區(qū)，如圖19所示若失調(diào)角超過(guò)這個(gè)范圍，去掉負(fù)載再也不能自動(dòng)加到這個(gè)平衡位置。 步進(jìn)運(yùn)行特性是指脈沖頻率很低，每一個(gè)脈沖到來(lái)之前，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)己經(jīng)停止，這種運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)。 ②、動(dòng)穩(wěn)定區(qū) 動(dòng)穩(wěn)定區(qū)是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)時(shí)，不致引起失步的區(qū)域。如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載，在A相通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子位于矩角特性曲線A上的平衡點(diǎn)OA處：A相斷電，B相通電，工作點(diǎn)將由OA點(diǎn)跳至曲線B上，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行于OB點(diǎn)。改為B相通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子位置處于B--B"之間，轉(zhuǎn)子就能向OB點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。而達(dá)到新的德定平衡，區(qū)域B--B"為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載狀態(tài)下的動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，如圖20所示，顯然相數(shù)或拍數(shù)增加，步距角減小，穩(wěn)定區(qū)越接近靜穩(wěn)定區(qū)。 ③、步進(jìn)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載能力 如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZI較小時(shí)，在A相繞組通電的情況下，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作點(diǎn)在曲線A上的a1點(diǎn)，A相繞組斷電，B相繞組通電時(shí)，工作點(diǎn)將由點(diǎn)a1跳到曲線B上的b1點(diǎn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩大于MZI，轉(zhuǎn)子加速，工作點(diǎn)由b1點(diǎn)沿曲線B移到的b1，達(dá)到新的平衡位置，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZ2很大時(shí)，在A相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在曲線A上的a2點(diǎn)。A相斷電，B相通電瞬間，工作點(diǎn)由a2跳到曲線B上的b2點(diǎn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZ2，轉(zhuǎn)子無(wú)法帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。顯然，電動(dòng)機(jī)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)所能帶動(dòng)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩取決于曲線A和曲線B交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。此稱(chēng)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZM如圖21所示，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)m或拍數(shù)N的增加，步距角減小，兩曲線的交點(diǎn)就升高，帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩的能力增強(qiáng)。 ⑶、連續(xù)運(yùn)行特性 如果輸入脈沖頻率很高時(shí)，控制脈沖的時(shí)間間隔小于過(guò)渡過(guò)程時(shí)間，轉(zhuǎn)子尚未走完前一步，下一個(gè)脈沖已經(jīng)到來(lái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)呈連續(xù)狀態(tài)。 ①、矩頻特性： 因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組中存在電感，所以電流增長(zhǎng)就有個(gè)過(guò)渡過(guò)程，頻率較高時(shí)，電流達(dá)不到穩(wěn)定值，電流峰值隨脈沖頻率增大而減小，轉(zhuǎn)矩就隨脈沖頻率的升高而降低如圖22所示。 ②、工作頻率 起動(dòng)頻率是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步起動(dòng)的最高頻率。 因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，除要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要克服慣性轉(zhuǎn)矩，頻率高時(shí)，轉(zhuǎn)子就可能跟不上，為保證正常起動(dòng)，起動(dòng)頻率要有限制。 連續(xù)工作頻率又稱(chēng)運(yùn)行頻率，它是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖連續(xù)上升時(shí)，能不失步運(yùn)行的最高頻率，起動(dòng)后，再逐步升高脈沖頻率，慣性轉(zhuǎn)矩不那么大，所以達(dá)到的最高頻率要比起動(dòng)頻率高得多。有關(guān)。布距角越小，最大靜轉(zhuǎn)矩越大，起動(dòng)頻率和工作頻率越高。 2.5.2、選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)考慮因素 根據(jù)系統(tǒng)的需要，參照各種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型，然后再考慮以下各項(xiàng)具體因素，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的規(guī)格。 ⑴、根據(jù)需要的脈沖當(dāng)量（每一個(gè)脈沖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載所轉(zhuǎn)的角或直線位移）和可能選擇的傳動(dòng)比來(lái)選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角 ⑵、根據(jù)負(fù)載的阻力矩，按下式選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩MJM=MZ/（0.3~0.5） ⑶、對(duì)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的負(fù)載來(lái)說(shuō)，起和停動(dòng)頻率不宜過(guò)高。應(yīng)當(dāng)考慮在低頻下起動(dòng)后再升到工作頻率，停動(dòng)應(yīng)從工作頻率下降到適當(dāng)頻率在停動(dòng)。 ⑷、盡量使工作過(guò)程負(fù)載均衡，避免由于突變引起動(dòng)態(tài)誤差。 ⑸、對(duì)有強(qiáng)迫冷卻的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要注意工作過(guò)程中冷卻裝置的正常運(yùn)行。 ⑹、發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有失步現(xiàn)象，首先應(yīng)檢查負(fù)載是否過(guò)大，電派電壓是否正常，指令安排是否合理，然后再檢查驅(qū)動(dòng)電源輸出是否正常，波形是否正常，最后根據(jù)原因再處理，處理中不宜任意更換元件或改變其規(guī)格。 2.5.3、步進(jìn)電機(jī)初選 根據(jù)初選查表初選距角 選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為150BF002。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2-14。 其中：150BF002步距角/,其中是五相十拍，是五相五拍。選擇五相十拍其步距角是，滿(mǎn)足減速比的計(jì)算。 表2.14 步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 型 號(hào) 主要技術(shù)數(shù)據(jù) 外形尺寸 重量 步距角 最 大靜轉(zhuǎn)距 最高空載啟動(dòng)頻率() 相數(shù) 電壓 電流 外徑 長(zhǎng)度 軸徑 45BF003-Ⅱ 1．5 0.196 3700 3 60 2 45 58 4 3.8 55BF004 1．5 0.49 2200 3 27 3 55 60 6 6.5 75BF001 1．5 0.392 1750 3 24 3 75 53 6 11 75BF003 1．5 0.882 1250 3 30 4 75 75 8 15.8 90BF001 0.9 3.92 2000 4 80 7 90 145 9 45 110BF003 0.75 7.84 1500 3 80 6 110 160 11 60 110BF004 0.75 4.9 1500 3 30 4 110 110 11 55 130BF001 0.75 9.31 3000 5 80/12 10 130 170 14 92 150BF002 0.75 13.72 2800 5 80/12 12 105 155 18 140 2.5.4、步進(jìn)電機(jī)的校核 ⑴、電機(jī)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 = =26.11 ( ) 其中：：滾珠絲杠轉(zhuǎn)矩； ==1.20 () ：床鞍折算到絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； === 0.32 ( ) ：齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； ==0.81 ( ) = =1.15( ) ：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；查表（3-1）=13.72 ( ) ⑵、電動(dòng)機(jī)上等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ①快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N/m 其中：：最大加速轉(zhuǎn)矩； ：最大轉(zhuǎn)速；==833.33 ( r/min ) ：步進(jìn)電機(jī)由靜止加速到最大轉(zhuǎn)速歷時(shí)；設(shè)=0.4 （ s ） ：橫向傳動(dòng)總效率；取=0.8 則： = =0.71 ( N/m ) 移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上摩擦轉(zhuǎn)矩 = 其中：：導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；取=0.2 ：垂直方向工作負(fù)載；空載時(shí)取=0 則：= = =0.004 ( N/m ) 絲杠部分忽不計(jì) 故： =0.71+0.004=0.714 ( N/m ) ②最大工作負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N/m 其中：：最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩； ==2.00 ( N/m ) = = =0.13 ( N/m ) 故： =2.00+0.13=2.13 ( N/m ) 故： ==2.13 ( N/m ) ⑶、步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩選定 =4x1.01=8.52 ( N/m ) 由表（2.14）知 150BF002 型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩=13.72 N/m 。 故：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。 ⑷、步進(jìn)電機(jī)性能校核 ①、最大工進(jìn)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 N/m校核 由：=1000 mm/min；=0.005 mm； 求得運(yùn)行頻率=3333.33 ; 查圖（2.14）得：= ( N/m ) 知： =1.01 ( N/m )； 故：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。 ②、最大空載時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 N/m校核 由： =2000 mm/min；=0.005 mm； =6666.67 ; 查圖（2-14）得：= ( N/m ) 知： =0.714 ( N/m ) 故：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。 ③、最快空載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率 由：=6666.67 ； 查表（2-14）150BF002 極限運(yùn)行頻率=8000； 知：<； 故：此項(xiàng)滿(mǎn)足要求。 ④、啟動(dòng)頻率計(jì)算 ===1643 其中：最高空載啟動(dòng)頻率，由表（3.1）查得=2800 ； ：電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由上計(jì)算知：=26.11 ：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，查表（2.14）知：=13.72 由上式計(jì)算知：要保證步進(jìn)電機(jī)不是步，任何時(shí)候啟動(dòng)頻率都必須小于1643。 綜上知：本設(shè)計(jì)選150BF002型步進(jìn)電機(jī)，可以滿(mǎn)足設(shè)基要求。 2.6、導(dǎo)軌的選擇 導(dǎo)軌需沿用原機(jī)床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機(jī)床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤(rùn)滑性。 其特點(diǎn)是：摩擦系數(shù)低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可吸收震動(dòng)，維修方便，損壞后更換容易。伺服控制系統(tǒng)的選擇。 綜上知：機(jī)械部分改造均已滿(mǎn)足要求。 由此得：機(jī)械部分裝配圖，見(jiàn)圖【02】； 傳動(dòng)鏈圖，見(jiàn)圖【03】。 3、數(shù)控部分硬件電路設(shè)計(jì) 3.1、硬件電路組成機(jī)床硬件電路由以下組成。 （1）、主控制器，即中央處理單元CPU。 （2）、總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。 （3）、存儲(chǔ)器。包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 （4）、接口。即I/O輸入/輸出接口電路。 （5）、處圍設(shè)備。如鍵盤(pán)、顯示器及光電輸入機(jī)等。見(jiàn)圖7 RAM ROM I/O 步進(jìn)電機(jī) 功率放大器 光電隔離 CPU 外設(shè) 鍵盤(pán)，顯示等 圖 3.1 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開(kāi)環(huán)系統(tǒng)） 3.2、中央處理器（CPU）選擇 ①、本設(shè)計(jì)選用MCS-51的8031芯片。8031芯片內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器（故EA端必須接地），8031有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，地址從00H－FFH。內(nèi)部256字節(jié)的空間被分成兩部分，其中低8位內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）地址為00H-7FH,高8 位特殊功能寄存器（SFR）的地址80H－FFH為4個(gè)工作寄存器區(qū)，每個(gè)區(qū)都有8個(gè)8位寄存器R0-R7，可以用來(lái)暫存運(yùn)算的中間結(jié)果以提高運(yùn)算速度。其中的R0和R1還可以用來(lái)存放8位地址，要確定采用哪個(gè)工作寄存器，可通過(guò)標(biāo)志寄存器PSW中的RS0、RS1來(lái)指定。8031在組成控制系統(tǒng)時(shí)可根據(jù)需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由于地址線是16位的，故最多能擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器和64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其地址均為0000－FFFFH，即程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。因此，EPROM和RAM的地址分配比較自由，編程不必考慮地址沖突問(wèn)題。 圖3.2 8031管腳圖 ②、地址鎖存器74L373 由于MCS－51單片機(jī)的P0口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須利用地址鎖存器將地址信號(hào)從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開(kāi)來(lái)。 圖3.4 74LS373的管腳圖 3.3、存儲(chǔ)器的選擇與擴(kuò)展 ⑴、因?yàn)?031沒(méi)有內(nèi)部ROM，故需外擴(kuò)一片EROM，此處選擇一片8KB的2764作為外擴(kuò)EROM。 程序存儲(chǔ)器2764 圖 3.5 2764管腳圖 ⑵、因?yàn)?031只有00F-7FH的128位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，故此處選擇一片6264作為外擴(kuò)RAM。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264 6264芯片是一個(gè)8KX8的CMOS SRAM 芯片，它共有28條引出線，包括13根地址線、8根數(shù)據(jù)線以及4根控制信號(hào)線。 圖3.6 6264管腳圖 ⑶、因?yàn)樾枰语@示及鍵盤(pán)電路而8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可供用戶(hù)使用的只有P1口及部分P2口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免的要進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。此處選8155，以便更好的實(shí)現(xiàn)c6132機(jī)床的數(shù)控功能，利用8155的PC及P0口外接輸入鍵盤(pán)；利用8155的PA口及PB口外接輸出顯示。此處顯示采用LED數(shù)碼管，并選用兩篇BIC8718驅(qū)動(dòng)器來(lái)連接PA口和PB口以驅(qū)動(dòng)LED顯示。 8155 8155是具有40條引腳的雙列直插式RAM/IO/CTC擴(kuò)展器。含有256個(gè)字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器，一個(gè)6位、兩個(gè)8位可編程I/O口，一個(gè)14位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。 圖3.7 8155管腳圖 擴(kuò)展芯片地址 芯片 地址選線 片內(nèi)單元 地址編碼 2764 001x xxxx xxxx xxxx 8K 2000H-3FFFH 6264 000x xxxx xxxx xxxx 8K 0000H-1FFFH 8155 I/O 01xx xxxx xxxx xxxx 6 4000H-7FFFH RAM 00xx xxxx xxxx xxxx 256 0000H-3FFFH 綜上： 把上述所給硬件連接起來(lái)，組成一個(gè)單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)，其中8031的P1口連接步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；8031的P0口經(jīng)74L373地址鎖存器分別與2764、6264的低8位地址線相連接；8031的P2口分別直接與2764、6264相連接；8031的P0口與8155相連接；8155的PA口，PC口分別作為鍵盤(pán)的列口、行口，另外PA口加一個(gè)驅(qū)動(dòng)器8718作為顯示器的位控口，PB口作為顯示器的段控口。 3.4、其他電路 ⑴、復(fù)位電路 ⑵、時(shí)鐘電路 ⑶、報(bào)警電路 ⑷、光電耦合電路 ⑸、功率放大電路 即得電氣原理硬件接線圖：見(jiàn)圖【04】 4、總結(jié) 本設(shè)計(jì)主要任務(wù)是C6132橫向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造，是基于現(xiàn)有普通型C6132車(chē)床的基礎(chǔ)之上進(jìn)行數(shù)控改造，以減少普通車(chē)床的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高普通型C6132車(chē)床的加工精度、工作效率和經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)改善車(chē)削加工的工作環(huán)境。 本設(shè)計(jì)中我堅(jiān)持思考和踐行相結(jié)合，從設(shè)計(jì)任務(wù)出發(fā)閱讀所有學(xué)過(guò)知識(shí)及設(shè)計(jì)可能用到的相關(guān)課本，以便在知識(shí)儲(chǔ)備方面有個(gè)好的基礎(chǔ)，此外也在許多網(wǎng)站尋找瀏覽有關(guān)知識(shí)，的確這次的做課設(shè)過(guò)程中復(fù)習(xí)了不少學(xué)過(guò)的知識(shí)，也學(xué)到和接觸了許多新知識(shí)，當(dāng)然，接觸的多了也遇到了不少的問(wèn)題，而面對(duì)問(wèn)題時(shí)，的確讓我很是苦惱，思考，詢(xún)問(wèn)，查資料，還好有老師和同學(xué)的幫助，自己也在網(wǎng)上論壇提問(wèn)求解，大多問(wèn)題也都解決了。所以，通過(guò)這次課設(shè)我鞏固了許多知識(shí)也學(xué)到的確很多知識(shí)，懂得了虛心求教，多思考，多查資料，多看書(shū)，多總結(jié)的學(xué)習(xí)態(tài)度。謙恭而進(jìn)取，集思而廣益，我很感謝我的老師和同學(xué)們是你們的智慧幫我完成了本次的課程設(shè)計(jì)，使我學(xué)到如此之多的知識(shí)。 事躬行而得知。通過(guò)這次的課程設(shè)計(jì)我學(xué)到許多。雖然4個(gè)周的課設(shè)時(shí)間，但在這段時(shí)間里我學(xué)到了許多知識(shí)，懂得了長(zhǎng)久學(xué)習(xí)的重要性，做完這次課設(shè)，對(duì)我來(lái)說(shuō)不是一個(gè)終點(diǎn)，而是邁相機(jī)械方面學(xué)習(xí)的又一次起航。 5、致謝 本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)是C6132橫向進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)控改造，主要是在黃老師的精心指導(dǎo)下完成的。她給了我許多的幫助和指導(dǎo)，老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，豐富的知識(shí)，永遠(yuǎn)是我的學(xué)習(xí)榜樣。 我能夠順利完成此次課程設(shè)計(jì)，離不開(kāi)黃老師，同學(xué)們的幫助，再次我想你們表示誠(chéng)摯的謝意。 6、參考文獻(xiàn) [1] 吳宗澤.機(jī)械設(shè)計(jì)師手冊(cè)（上，下冊(cè)）.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001. 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