數(shù)控技術(shù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）CK6163車(chē)床數(shù)控化改造

1、1 緒論11 選題目的及意義機(jī)床是裝備制造業(yè)的工作母機(jī)，是實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)和裝備現(xiàn)代化的基石。數(shù)控機(jī)床是一種高效率、高精度，能保證加工質(zhì)量，解決工藝難題，而且又有一定柔性的生產(chǎn)設(shè)備。自五十年代末世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床在美國(guó)研制成功的半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，數(shù)控技術(shù)正在發(fā)生根本性變革，由專(zhuān)用封閉式開(kāi)環(huán)控制模式向通用型開(kāi)放式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)全閉環(huán)控制模式發(fā)展。在美國(guó)、日本和德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家，他們的機(jī)床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)行業(yè)，正處在黃金時(shí)代，由于技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)床改造是個(gè)永恒的課題。在國(guó)內(nèi)，機(jī)床的數(shù)控化改造是發(fā)展我國(guó)數(shù)控設(shè)備的一個(gè)重要方面。國(guó)務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見(jiàn)的發(fā)布和實(shí)施，是提高我國(guó)國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)國(guó)

2、民經(jīng)濟(jì)全面、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略舉措，把發(fā)展數(shù)控裝備和數(shù)控系統(tǒng)及功能部件作為振興裝備制造業(yè)重大突破的16個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域之一，對(duì)我國(guó)機(jī)床工具行業(yè)的發(fā)展，具有重要的指導(dǎo)意義。車(chē)床是金屬切削加工最常用的一類(lèi)機(jī)床，它能夠加工內(nèi)外圓柱面、圓錐面、端面、螺紋等。普通車(chē)床由于造價(jià)低廉在我國(guó)運(yùn)用十分廣泛，但是因?yàn)槠溥M(jìn)給軸不能聯(lián)動(dòng)，切削次序需要人工控制，致其效率低下并且無(wú)法加工復(fù)雜的回轉(zhuǎn)零件。對(duì)普通車(chē)床的數(shù)控化改造，主要是將縱向和橫向進(jìn)給系統(tǒng)改成用微機(jī)控制的并能獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的進(jìn)給伺服系統(tǒng)；將手動(dòng)刀架換成能自動(dòng)換刀的電動(dòng)刀架。這樣，利用數(shù)控裝置，車(chē)床就可以按預(yù)先輸入的加工指令進(jìn)行切削加工。改造后的車(chē)床針對(duì)性高，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)

3、，可以加工出普通車(chē)床加工不了的曲線、曲面等復(fù)雜零件。加工精度高，尺寸分散度小，易于裝配?？梢詫?shí)現(xiàn)多工序集中加工，提高了相關(guān)加工精度，同時(shí)減少被加工零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。擁有自動(dòng)補(bǔ)償?shù)裙δ?，?jiǎn)化了傳統(tǒng)機(jī)床加工工藝中的工序，機(jī)床利用率大幅度提高。由于采用自動(dòng)化加工技術(shù)，可大大降低操作者的勞動(dòng)強(qiáng)度，減少?gòu)U品的產(chǎn)生，提高工作效率。另外其改造成本同購(gòu)置新機(jī)床相比，節(jié)省的費(fèi)用十分可觀，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床價(jià)格也要48萬(wàn)元，進(jìn)口機(jī)床有的近20萬(wàn)元，而對(duì)普通車(chē)床進(jìn)行數(shù)控化改造也能滿(mǎn)足實(shí)際生產(chǎn)要求，其改造費(fèi)用僅23萬(wàn)元，非常符合我國(guó)國(guó)情。12 設(shè)計(jì)任務(wù)與總體方案的確定 將c6163普通車(chē)床（如圖1-1所示）改造成采用

4、16位單片機(jī)半閉環(huán)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，要求該車(chē)床進(jìn)給兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)并且能夠?qū)崿F(xiàn)直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)并增配自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架和主軸脈沖發(fā)生器，能車(chē)削螺紋。 圖1-1 普通車(chē)床c61631.2.1 已知參數(shù)及設(shè)計(jì)參數(shù)最大加工直徑：630； 床鞍上最大加工直徑：350；最大加工長(zhǎng)度：1500；縱向?qū)к夐L(zhǎng)度：2000；主電動(dòng)機(jī)功率：11；冷卻泵電機(jī)功率：0.12；主軸通孔直徑：105；主軸轉(zhuǎn)速：14級(jí) 12.51120；托板和刀架的總重力g：1500；最大進(jìn)給速度：縱向：， 橫向：0.4；最大刀架快移速度：縱向：6， 橫向：4；脈沖當(dāng)量：縱向：0.001/脈沖， 橫向：0.0005/脈沖；定位精度：縱向：0.0

5、1， 橫向：0.005；啟動(dòng)加速時(shí)間：縱向：200； 橫向：100；電動(dòng)刀架轉(zhuǎn)位數(shù)：4122 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類(lèi)型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇等。（1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式：該車(chē)床改造后應(yīng)具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線/圓弧插補(bǔ)的功能。所以數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。（2）進(jìn)給伺服系統(tǒng)的類(lèi)型：按任務(wù)要求采用直流電動(dòng)機(jī)的半閉環(huán)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有精度高，動(dòng)態(tài)性能良好的特點(diǎn)。相應(yīng)的進(jìn)給傳動(dòng)鏈由自帶增量式光電編碼器的直流電機(jī)與減速機(jī)構(gòu)及滾珠絲杠螺母副組成。（3）數(shù)控系統(tǒng)處理器的選擇：采用ti公司推出的msp430系

6、列16位單片機(jī)，該系列單片功能強(qiáng)大，性?xún)r(jià)比高，是16位單片機(jī)中的主流芯片之一。另外采用lm629全數(shù)字專(zhuān)用運(yùn)動(dòng)控制處理器，可以進(jìn)行位置與速度的反饋控制。（4）根據(jù)系統(tǒng)的要求，還要設(shè)計(jì)鍵盤(pán)與顯示電路，顯示界面采用led數(shù)碼管，數(shù)控系統(tǒng)還可以和pc機(jī)串行通信，所以還要設(shè)計(jì)串行接口電路。（5）為了加工安全還需安裝縱向和橫向限位開(kāi)關(guān)。（6）主軸電動(dòng)機(jī)的交流變頻器的選擇及主軸脈沖發(fā)生器的選擇。（7）為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求中的速度和精度，縱向與橫向進(jìn)給傳動(dòng)應(yīng)選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副。（8）為了滿(mǎn)足脈沖當(dāng)量的設(shè)計(jì)要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時(shí)也為了是傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載慣量勁可能地減小，傳動(dòng)鏈中應(yīng)設(shè)有減速機(jī)構(gòu)。減速

7、機(jī)構(gòu)選則同步帶，其綜合了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域已經(jīng)替代了齒輪傳動(dòng)和鏈傳動(dòng)。（9）自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架的選擇及其控制電路的設(shè)計(jì)等。（10）保留原來(lái)的冷卻系統(tǒng)，滾珠絲杠和滑板輪滑采用手動(dòng)泵注入。根據(jù)以上選定的普通機(jī)床數(shù)控化改造方案，擬訂它的數(shù)控系統(tǒng)及控制方法，系統(tǒng)的總體框圖如下： 數(shù)控裝置隔離放大mm光電編碼器光電編碼器鍵盤(pán)與顯示接口芯片串行接口冷卻泵刀位信號(hào)限位信號(hào)按鈕信號(hào)刀架控制交流變頻器主軸編碼器主軸電機(jī)z軸傳動(dòng)x軸傳動(dòng) 圖1-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方框圖2 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)21 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造普通車(chē)床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí)，為了減少工作量一般保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)。改造后使

8、其主運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)分離，主電機(jī)的作用僅為帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，主軸的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止由數(shù)控系統(tǒng)來(lái)控制。采用交流變頻器實(shí)現(xiàn)主軸電機(jī)的無(wú)極變速，本設(shè)計(jì)選用f1000-g0110t3c型變頻器，該型號(hào)適配電機(jī)11kw，額定輸出電流為23a。22 換裝自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架為了提高加工精度和加工效率，實(shí)現(xiàn)一次裝夾完成多道工序，將車(chē)床原有的手動(dòng)刀架換成自動(dòng)回轉(zhuǎn)刀架，選用常州市南新數(shù)控設(shè)備有限公司生產(chǎn)的ld4-6163型四工位立式電動(dòng)刀架,該型號(hào)刀架采用蝸桿傳動(dòng)，上下齒盤(pán)嚙合，螺桿夾緊的工作原理。具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)采用無(wú)觸點(diǎn)霍爾開(kāi)關(guān)發(fā)信，使用壽命長(zhǎng)。該系列電動(dòng)刀架是用戶(hù)普通采用的經(jīng)濟(jì)型產(chǎn)品。其相

9、關(guān)參數(shù)如表2-1所示。表2-1 ld4-6163電動(dòng)刀架相關(guān)參數(shù)型號(hào)換刀時(shí)間（s）最大許用力矩(nm)重復(fù)定位精度（mm）電機(jī)功率（w）電機(jī)轉(zhuǎn)速（rpm）凈重（kg）90度180度270度mqmxmsld4-61632.83.54.2100025008000.00518014005523 主軸脈沖發(fā)生器的安裝主軸脈沖發(fā)生器是為了加工螺紋而安裝的主軸檢測(cè)裝置，微機(jī)從主軸脈沖發(fā)生器中取出與螺距相應(yīng)的脈沖數(shù)，使主軸旋轉(zhuǎn)角度與進(jìn)給量保持一定關(guān)系，確保螺距的準(zhǔn)確性。主軸脈沖發(fā)生器的安裝通常有兩種：一種是同軸安裝，另一種是異軸安裝。一般經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造多采用同軸安裝。本設(shè)計(jì)選用1200線主軸脈沖發(fā)生器，采用

10、同軸安裝方式并采用波紋管與主軸柔性連接，該連接方式在實(shí)現(xiàn)角位移傳遞的同時(shí)，能夠吸收車(chē)床的部分振動(dòng)，從而使脈沖發(fā)生器平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。24 進(jìn)給系統(tǒng)的改造拆除掛輪架所有齒輪并尋找主軸，安裝主軸脈沖發(fā)生器；拆除原機(jī)床進(jìn)給箱、溜板箱、滑動(dòng)絲杠、光桿、操縱桿、齒條等；在縱溜板、橫溜板的下面絲杠螺母座托架；在原進(jìn)給箱位置安裝縱向伺服電機(jī)與減速箱總成，在橫溜板后部安裝橫向伺服電機(jī)與減速箱總成；拆除四方刀架及上溜板總成，在橫溜板上方安裝電動(dòng)刀架。25 安裝防護(hù)普通車(chē)床的數(shù)控化改造中應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的防護(hù)措施，比如滾珠絲杠副由于精度要求較高，工作時(shí)需防塵防灰，尤其不能讓金屬削進(jìn)入滾道，所以縱向絲杠應(yīng)安裝防護(hù)罩。

11、大托板與導(dǎo)軌接觸的兩端面要貼上橡膠片，防止雜質(zhì)進(jìn)入滑動(dòng)導(dǎo)軌面損傷導(dǎo)軌。3 縱向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型31 切削力的計(jì)算切削力是指在切屑過(guò)程中產(chǎn)生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力，或通俗的講是在切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn)生的阻力。車(chē)削外圓時(shí)的切削力如圖3-1所示。主切削力與切削速度的方向一致，垂直向下，是計(jì)算車(chē)床主軸電動(dòng)機(jī)切削功率的依據(jù)；進(jìn)給力與進(jìn)給方向平行且方向相反；背向力與進(jìn)給方向相垂直，對(duì)加工精度的影響較大。fzfxfy 圖3-1 車(chē)削力分析由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，切削功率 式中：主軸電動(dòng)機(jī)功率， ； 主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般為0.750.85，取=0.8； 進(jìn)給系統(tǒng)

12、功率系數(shù)，一般取=0.96。則 切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削速度來(lái)計(jì)算，即，式中切削速度v取100,則主切削力： =5088根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式:=1:0.4:0.35，計(jì)算出： =50880.4=2035.2 =50880.35=1780.832 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型 滾珠絲杠副的作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，其螺旋傳動(dòng)是在絲杠和螺母滾道之間放人適量的滾珠，使螺紋間產(chǎn)生滾動(dòng)摩擦。絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)滾珠沿螺紋滾道滾動(dòng)。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。為了在滾珠與滾道之間形成無(wú)間隙甚至有過(guò)盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長(zhǎng)工作壽命，可設(shè)置潤(rùn)滑件和密封件。3

13、21 精度的選擇滾珠絲杠副的精度直接影響數(shù)控機(jī)床的定位精度，在滾珠絲杠精度參數(shù)中，其導(dǎo)程誤差對(duì)機(jī)床定位精度最明顯。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意300行程變動(dòng)量應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定位精度值的1/31/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。對(duì)于車(chē)床，選用滾珠絲杠的精度等級(jí)x軸為13級(jí)（1級(jí)精度最高），z軸為25級(jí)，考慮到本設(shè)計(jì)的定位精度要求和改造的經(jīng)濟(jì)性，選擇x軸精度等級(jí)為3級(jí)，z軸為4級(jí)。322 絲杠導(dǎo)程的確定 選擇導(dǎo)程跟所需要的運(yùn)動(dòng)速度、系統(tǒng)等有關(guān)，通常在：4、5、6、8、10、12、20中選擇，規(guī)格較大，導(dǎo)程一般也可選擇較大（主要考慮承載牙厚）。在速度滿(mǎn)足的情況下，一般選擇較小導(dǎo)程（利于提高控制精度），本

14、設(shè)計(jì)中初選縱向絲杠導(dǎo)程為8，橫向絲杠導(dǎo)程為5。3 23 最大工作載荷的計(jì)算最大工作載荷是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大軸向力，也叫進(jìn)給牽引力,其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表3-1所示。表3-1 實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式及參考系數(shù)導(dǎo)軌類(lèi)型實(shí)驗(yàn)公式矩形導(dǎo)軌1.10.15燕尾導(dǎo)軌1.40.2綜合或三角導(dǎo)軌1.150.15-0.18表中為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)；為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；為移動(dòng)部件總重量。查表3-1選擇綜合導(dǎo)軌，取1.15,取0.18,為1500；算得=1.151780.8+0.18（5088+1500） =3233.76324 最大動(dòng)載荷的計(jì)算載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生

15、慣性力），此類(lèi)載荷為動(dòng)載荷。比如起重機(jī)以等速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為靜載，起重機(jī)以加速度吊起重物，重物對(duì)吊索的作用為動(dòng)載。對(duì)于滾珠絲杠螺母副的最大動(dòng)載荷計(jì)算公式如下： 式中：滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r，（t為使用壽命，普通機(jī)床t取5000-10000h，數(shù)控機(jī)床t取15000h；n為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)速）； 載荷系數(shù)，一般取1.21.5，本設(shè)計(jì)取1.2； 硬度系數(shù)（hrc58時(shí)取1.0；等于55時(shí)取1.11；等于52.5時(shí)取1.35；等于50時(shí)取1.56；等于45時(shí)取2.40）； 滾珠絲杠副的最大工作載荷，單位為n。本設(shè)計(jì)中車(chē)床z向承受最大切削力條件下最快的進(jìn)給速度,初選絲杠基本導(dǎo)程，則絲

16、杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠使用壽命，帶入得=90；取，代入，求得 ：=17390n。325 滾珠絲杠螺母副的選型初選滾珠絲桿副時(shí)應(yīng)使其額定動(dòng)載荷, 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速狀態(tài)下長(zhǎng)時(shí)間承受工作載荷時(shí)，還應(yīng)使額定靜載荷。根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的fl5008-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母螺紋式預(yù)緊，精度等級(jí)為4級(jí)，其參數(shù)如表3-2所示。表3-2 fl5008-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)公稱(chēng)直徑/導(dǎo)程/鋼球直徑/絲杠外徑/絲杠底徑/額定載荷/接觸剛度/ 18975084.76348.645.246631326 滾珠絲杠副的支承方式 滾珠絲杠副的支承主要用來(lái)約束絲杠的軸向

17、竄動(dòng)，為了提高軸向剛度，絲杠支承常用推力軸承為主的軸承組合。考慮到縱向絲杠長(zhǎng)度較大，本設(shè)計(jì)縱向絲杠采用雙推簡(jiǎn)支支承方式，該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。327 傳動(dòng)效率的計(jì)算滾珠絲杠的傳動(dòng)效率一般在0.80.9之間，其計(jì)算公式如下： =式中：螺距升角，根據(jù),可得=291； 摩擦角，一般取=10。算得： =96.67%3 28 剛度的驗(yàn)算滾珠絲杠副工作時(shí)受軸向力和轉(zhuǎn)矩的作用，引起導(dǎo)程的變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性。軸向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形、絲杠與螺母間滾道的接觸變形、支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形。因轉(zhuǎn)矩和絲杠-螺母滾道接觸對(duì)絲杠產(chǎn)生的導(dǎo)程變化很小，所以、可以

18、忽略不計(jì)，所以絲杠的拉伸或壓縮變形量為：=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）式中：絲杠的最大工作載荷，單位為； 絲杠縱向最大有效行程，單位為； 絲杠材料的彈性模量，鋼； 絲杠的橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。根據(jù)前面的設(shè)計(jì)，為3233.76，取1665，為45.24，算得： =0.01597=15.97查表3-3可知，,所以剛度足夠。表3-3 有效行程內(nèi)的目標(biāo)行程公差和行程變動(dòng)量有效行程精度等級(jí)12345大于至31566881212161623234005008710915132019272616002000181325183525483665513 29 穩(wěn)定性校核由于滾珠絲杠本身比

19、較細(xì)長(zhǎng)又受軸向力的作用，若軸向負(fù)載過(guò)大，則會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷fk應(yīng)該滿(mǎn)足： =式中：絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)，取2，其他方式如表3-4所示； 滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.54，垂直安裝時(shí)取最小值，本設(shè)計(jì)取4； 滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為2200； 按絲杠底徑確定的截面慣性矩（，單位為）,本設(shè)中將代入算出=205513.36。 由以上數(shù)據(jù)可以算出：= 臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（3233.76n），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。表3-4 絲杠支承系數(shù)支承方式雙推-雙推雙推-簡(jiǎn)支單推-單推雙推-自由取值4210.253210 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證滾珠絲杠副高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，需驗(yàn)算

20、其是否會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速，要求絲杠的最高轉(zhuǎn)速： 式中：絲杠支承系數(shù)，雙推-簡(jiǎn)支方式時(shí)，取值如表3-5所示；臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為2300；絲杠內(nèi)徑，單位；安全系數(shù)，可取=0.8表3-5 絲杠支承系數(shù)支承方式雙推-雙推雙推-簡(jiǎn)支單推-單推雙推-自由取值27.418.912.14.3 經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出=1293，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿(mǎn)足要求。33 同步帶減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 同步帶也叫同步齒形帶，它綜合了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，主要用在驅(qū)動(dòng)帶輪與被動(dòng)帶輪之間要求有固定傳動(dòng)比的情況。同步帶是通過(guò)帶上的凸齒與帶輪上的齒槽強(qiáng)制嚙合而工作，即當(dāng)主動(dòng)帶輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)能

21、通過(guò)帶齒與帶輪的依次嚙合將動(dòng)力傳給從動(dòng)輪，因此主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的線速度相同。同步帶的張緊力小，輪軸上的壓力輕，因此可以延長(zhǎng)軸承的使用壽命。同步帶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，工作時(shí)不會(huì)打滑，線速度可達(dá)，可用于高速場(chǎng)合，傳動(dòng)比可達(dá)到10，效率可達(dá)98%，維護(hù)保養(yǎng)方便，運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用低，因此應(yīng)用日益廣泛。331 傳動(dòng)比的確定由和可得：式中：電機(jī)編碼器分辨率，單位為度/脈沖； 絲杠分辨率，單位為度/脈沖； 絲杠導(dǎo)程，其值為8； 脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中z軸為0.001/脈沖。初選電機(jī)編碼器紋數(shù)為1000，四倍細(xì)分，即=0.09（度/脈沖），算得：=2332 傳遞功率的估算 由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，對(duì)該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)傳遞功率的研究只要考慮三種工

22、作狀態(tài)，他們分別是：最大負(fù)載且最大工進(jìn)速度、快速空載啟動(dòng)、最快空載移動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)學(xué)可知，最后一種狀態(tài)的傳遞功率一定小于快速空載啟動(dòng)（最后時(shí)刻）的瞬時(shí)傳遞功率，所以只需要比較前二者。 （1）最大工作負(fù)載下最大傳遞功率的估算： 式中：絲杠的最大工作載荷，其值為3233.76；最大工進(jìn)速度，換算為； 預(yù)緊摩擦力，單位n，（摩擦系數(shù)取0.15）計(jì)算得出：。 （2）快速啟動(dòng)時(shí)的最大傳遞功率估算： 式中：移動(dòng)部件（僅包括絲杠折算，而忽略的從動(dòng)輪、軸承等由增大系數(shù)來(lái)補(bǔ)償）加速時(shí)所受的合力即慣性力，=3607.4該式中絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 112.13，d為絲杠的公稱(chēng)直徑，l為絲杠的長(zhǎng)度，單位為，換算為，為，換算為0

23、.8； 移動(dòng)部件與綜合導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦力，=270。計(jì)算得出： 因?yàn)椋?所以帶的設(shè)計(jì)功率(根據(jù)一般數(shù)控機(jī)床情況以及相關(guān)參數(shù)的補(bǔ)償，系數(shù)取1.5)。333 選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的傳遞功率pd，查表3-6選擇同步帶，型號(hào)為xl型，節(jié)距。表3-6 同步帶型號(hào)型號(hào)節(jié)距/基準(zhǔn)帶寬傳遞功率范圍/基準(zhǔn)帶寬/說(shuō)明xl(特輕型)5.0800.0040.5739.5gb/t 11616-1989gb/t 11362-1989l（輕型）9.5250.054.7625.4h（重型）12.7000.65576.2 334 確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑 xl型小帶輪轉(zhuǎn)速在1200至1800時(shí)的最少許用齒數(shù)為12，為了提高傳動(dòng)精

24、度，取小齒輪數(shù)，則小帶輪節(jié)圓直徑，根據(jù)傳動(dòng)比算出大齒輪數(shù)，則大帶輪節(jié)圓直徑。當(dāng)主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速時(shí)，同步帶的線速度為：，遠(yuǎn)小于xl型帶的極限速度，所以滿(mǎn)足要求。335 中心距、節(jié)線長(zhǎng)度和帶齒數(shù)的確定 初選中心距，圓整后取。則帶的節(jié)線長(zhǎng)度。根據(jù)表3-7，選取接近的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度，相應(yīng)的齒數(shù)z=100。實(shí)際中心距。表3-7 同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度長(zhǎng)度代號(hào)節(jié)線長(zhǎng)度型號(hào)xllh公稱(chēng)尺寸極限偏差齒數(shù)190482.60.5195200508100210533.410556336 校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) 嚙合齒數(shù) ，式中為取整函數(shù)。一般情況下，應(yīng)該保證，對(duì)于xl型至少要保證。當(dāng)不滿(mǎn)足要求時(shí)，可以增大或不變時(shí)減小節(jié)距。

25、 通過(guò)計(jì)算，得出，滿(mǎn)足要求。337 計(jì)算基準(zhǔn)額定功率基準(zhǔn)額定功率就是所選型號(hào)同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率，其計(jì)算公式如下： 式中： 單位為； 帶寬為基準(zhǔn)帶寬b時(shí)的許用工作拉力，單位n，如表3-8所示； 帶寬為基準(zhǔn)帶寬b時(shí)的單位長(zhǎng)度質(zhì)量（線密度），單位； 同步帶線速度，上述3.3.4中已算出其值為3.05。表3-8 同步帶基準(zhǔn)寬度下的許用拉力和線密度帶型號(hào)基準(zhǔn)帶寬b/許用拉力/線密度/xl9.550.170.022l25.4244.460.095h76.22100.850.448經(jīng)計(jì)算，338 確定實(shí)際同步帶寬度實(shí)際所需同步帶寬度的計(jì)算公式如下： 式中：選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，xl型其值為

26、9.5； 小帶輪嚙合系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)，當(dāng)時(shí)，其值為1。經(jīng)計(jì)算得出：31.88。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，選定最接近的帶寬33.3339 同步帶工作能力的驗(yàn)算用下式來(lái)計(jì)算同步帶的額定功率: 式中：齒寬系數(shù)，其值為。 小帶輪嚙合系數(shù)，取1；經(jīng)計(jì)算得出：,所以滿(mǎn)足要求。4 橫向進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型41 切削力的計(jì)算因?yàn)闄M向切削力大小一般等于縱向切削力的一半，所以： =2035.22=1017.6 =1780.82=890.4式中：橫向主切削力； 走刀方向切削力； 吃刀方向切削力。42 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算和選型421 最大工作載荷的計(jì)算已知移動(dòng)部件總重力，電動(dòng)刀架重量為，則橫向進(jìn)給機(jī)構(gòu)的重力約為，橫向?yàn)檠辔矊?dǎo)

27、軌，查表3-1，最大工作載荷的計(jì)算如下： =式中： 為考慮顛覆力矩影響時(shí)的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，取1.4； 為滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.2。422 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 式中：滾珠絲杠副的壽命系數(shù)，單位為r； 絲杠壽命，取15000； 載荷系數(shù)，一般取1.2； 硬度系數(shù)取1； 橫向絲杠副最大工作載荷，其值為2459.6； 橫向滾珠絲杠導(dǎo)程，初選為。 橫向最大工進(jìn)速度，該設(shè)計(jì)值為； 橫向最大工進(jìn)速度對(duì)應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度，單位。計(jì)算得出得 ：=12278.8。4 23滾珠絲杠螺母副的選型根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷,選擇江蘇啟東潤(rùn)澤機(jī)床附件有限公司生產(chǎn)的fl4005-3型內(nèi)循環(huán)式滾珠絲杠副，采用雙螺母方式預(yù)緊，精度等級(jí)為3級(jí)，

28、其參數(shù)如表4-1所示。表4-1 fl4005-3型滾珠絲杠相關(guān)參數(shù)公稱(chēng)直徑/導(dǎo)程/鋼球直徑/絲杠外徑/絲杠底徑/額定載荷/接觸剛度/14534053.53936.532.814424 滾珠絲杠副的支承方式 考慮到橫向滾珠絲杠副的長(zhǎng)度、精度與負(fù)載的大小以及改造成本，采用雙推-單推支承方式，該方式軸向剛度高，位移精度好，可以進(jìn)行預(yù)拉伸。425 傳動(dòng)效率的計(jì)算 =式中：螺距升角，根據(jù),可得=228； 摩擦角，一般取=10。算得： =95.67%4 26 剛度的驗(yàn)算=（“+”號(hào)代表拉伸，“-”代表壓縮）式中：絲杠的最大工作載荷，單位為； 絲杠縱向最大有效行程，單位為； 絲杠材料的彈性模量，鋼； 絲杠的

29、橫截面面積，單位按絲杠螺紋的底徑確定。根據(jù)設(shè)計(jì)，為2459.6n，為420，為36.5，算得： =0.0047 =4.7查表3-3可知，,所以剛度足夠。427 穩(wěn)定性校核 =式中：絲杠支承系數(shù)，由表3-4得出單推-單推時(shí)，取1； 滾珠絲杠穩(wěn)定安全系數(shù)，一般取2.54，本設(shè)計(jì)取4； 滾珠絲杠兩端支承間的距離，單位為，本設(shè)計(jì)中該值為500； 按絲杠底徑確定的截面慣性矩，（，單位為）本設(shè)中將代入算出=87080。 由以上數(shù)據(jù)可以算出：= 臨界載荷遠(yuǎn)大于工作載荷（2459.6n），故絲杠不會(huì)失穩(wěn)。428 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 式中：絲杠支承系數(shù)，單推-單推方式時(shí)，由表3-5可得該值為12.1；臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)

30、度，單位為，本設(shè)計(jì)中該值約為720；絲杠內(nèi)徑，單位；安全系數(shù)，可取=0.8經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出=5321，由已知，可以算出，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿(mǎn)足要求。43 同步帶減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)431 傳動(dòng)比的確定由和可得：式中：電機(jī)編碼器分辨率，單位為度/脈沖； 絲杠分辨率，單位為度/脈沖； 絲杠導(dǎo)程，其值為5； 脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中x軸為0.0005/脈沖。初選電機(jī)編碼器紋數(shù)為1500，四倍細(xì)分，即=0.06（度/脈沖），算得：=432 傳遞功率的估算 （1）最大工作負(fù)載下最大傳遞功率的估算：式中：絲杠的最大工作載荷，其值為2459.6；橫向最大工進(jìn)速度，其值換算為；預(yù)緊摩擦力，單位n，（摩擦系數(shù)取0.15

31、）；計(jì)算得出：。（2）快速啟動(dòng)時(shí)的最大傳遞功率估算：式中：移動(dòng)部件（僅包括絲杠折算，而忽略的從動(dòng)輪、軸承等由增大系數(shù)來(lái)補(bǔ)償）加速時(shí)所受的合力即慣性力，= 1568.67該計(jì)算式中絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=14.377 式中d為絲杠的公稱(chēng)直徑，l為絲杠兩端的大約長(zhǎng)度，單位均為，換算成，換算為0.5，； 橫向移動(dòng)部件與燕尾導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦力，=170；預(yù)緊摩擦力，其值為123n。 計(jì)算得出： 因?yàn)?，所以帶的設(shè)計(jì)功率(根據(jù)一般數(shù)控機(jī)床情況以及相關(guān)參數(shù)的補(bǔ)償，系數(shù)取1.6)433 選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的傳遞功率，查表3-4選擇同步帶，型號(hào)為xl型，節(jié)距。434 確定帶輪齒數(shù)和節(jié)圓直徑 取小齒輪數(shù)，則小帶輪節(jié)圓直徑

32、，根據(jù)傳動(dòng)比算出大齒輪數(shù)，則大帶輪節(jié)圓直徑。經(jīng)計(jì)算，主動(dòng)輪，同步帶最大線速度。435 中心距、節(jié)線長(zhǎng)度和帶齒數(shù)的確定 初選中心距，圓整后取。則帶的節(jié)線長(zhǎng)度。根據(jù)表4-2，選取接近的標(biāo)準(zhǔn)節(jié)線長(zhǎng)度，相應(yīng)的齒數(shù)。 實(shí)際中心距。表4-2 同步帶的節(jié)線長(zhǎng)度長(zhǎng)度代號(hào)節(jié)線長(zhǎng)度型號(hào)mxlxll公稱(chēng)尺寸極限偏差齒數(shù)160406.40.5120080170431.885180457.222590436 校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) 嚙合齒數(shù) ，式中為取整函數(shù)。一般情況下，應(yīng)該保證，對(duì)于xl型至少要保證。 通過(guò)計(jì)算，得出，滿(mǎn)足要求。437 計(jì)算基準(zhǔn)額定功率基準(zhǔn)額定功率就是所選型號(hào)同步帶在基準(zhǔn)寬度下所允許傳遞的額定功率，

33、其計(jì)算公式如下： 式中： 帶寬為基準(zhǔn)帶寬b時(shí)的許用拉力，根據(jù)表3-8其值為50.17n； 帶寬為基準(zhǔn)帶寬b時(shí)的線密度，根據(jù)表3-8其值為0.022； 同步帶線速度，其值為2.7。經(jīng)過(guò)計(jì)算得出：438 確定實(shí)際同步帶寬度實(shí)際所需同步帶寬度的計(jì)算公式如下： 式中：選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度，xl型其值為9.5； 小帶輪嚙合系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)，當(dāng)時(shí)，其值為1。 設(shè)計(jì)功率，其值為200經(jīng)計(jì)算得出：13.408。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)，選定最接近的帶寬。439 同步帶工作能力的驗(yàn)算用下式來(lái)計(jì)算同步帶的額定功率: 式中：齒寬系數(shù)，其值為； 小帶輪嚙合系數(shù)，其值為1； 帶寬為時(shí)的許用拉力，其值為50.17n； 帶寬為時(shí)的線密度，

34、其值為0.022； 同步帶線速度，其值為2.7。經(jīng)計(jì)算得出：,所以滿(mǎn)足要求。5 電動(dòng)機(jī)的選擇及其驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)直流電動(dòng)機(jī)是最早出現(xiàn)的電動(dòng)機(jī)，也是最早能實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)期以來(lái)一直占據(jù)著調(diào)速控制的統(tǒng)治地位。它具有良好的線性調(diào)速特性，簡(jiǎn)單的控制性能，較高的效率，優(yōu)異的動(dòng)態(tài)特性。隨著永磁材料和工藝的發(fā)展，已將直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁部分用永磁材料代替，產(chǎn)生永磁直流電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用電量少，所以目前在中小功率范圍內(nèi)運(yùn)用廣泛。近年來(lái)，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制方式都發(fā)生了很大的變化。隨著計(jì)算機(jī)進(jìn)入控制領(lǐng)域以及新型電力電子功率元件的不斷出現(xiàn)，使采用全控型的開(kāi)關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（pwm）控制方式已成為

35、主流，并作為其數(shù)字控制的基礎(chǔ)。如果直流電機(jī)要求工作在正反轉(zhuǎn)場(chǎng)合，這時(shí)還需要使用可逆pwm控制方式，其又分為單極性驅(qū)動(dòng)與雙極性驅(qū)動(dòng)兩種，一般大功率電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用單極性驅(qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)離不開(kāi)半導(dǎo)體功率器件，在對(duì)直流電機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體功率器件的使用上又可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)，由于前者在工作時(shí)有大量功率消耗在元器件上，致使效率很低，因此絕大多數(shù)直流電機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式，該方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。51 縱向直流電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型511 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： 式中： 電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)

36、慣量，單位為，本設(shè)計(jì)初選值為25；、同步帶帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為； 、分別為帶輪的外徑和寬度，單位為； 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，取值為112.13； 、分別為重力加速度，取9.8和導(dǎo)程，其值換算為 0.8。計(jì)算得出： =56.660512 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型縱向電動(dòng)機(jī)的相關(guān)計(jì)算如表5-1所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果：，即,選用深圳市泰科智能伺服技術(shù)有限公司推出的nt4p101-20e型直流有刷伺服電機(jī)，該電機(jī)采用高強(qiáng)度永磁材料，體積小轉(zhuǎn)矩大，過(guò)載能力強(qiáng)，編碼器選定1000p/r，具體參數(shù)如表5-2所示。52 橫向直流電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型521 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： 式中： 電機(jī)轉(zhuǎn)子的

37、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為，本設(shè)計(jì)初選值為20；、同步帶帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為； 、分別為帶輪的外徑和寬度，單位為； 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其值為14.377 ； 絲杠導(dǎo)程，其值換算為； 重力加速度，取9.8。計(jì)算得出： 522 電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型橫向電動(dòng)機(jī)的相關(guān)計(jì)算如表5-3所示。根據(jù)計(jì)算結(jié)果：，即選用深圳市泰科智能伺服技術(shù)有限公司推出的nt4p101-16e型直流有刷伺服電機(jī)，編碼器選定1500p/r，具體參數(shù)如表5-4所示。表5-1 縱向電動(dòng)機(jī)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算1快速空載啟動(dòng)狀態(tài) 為折合到電機(jī)軸上的慣性力矩， 、 分別為折合到電機(jī)軸上的摩擦力矩和預(yù)緊力矩，（即）能量守恒：或 在3.3.2中已經(jīng)算出：（

38、考慮到總傳動(dòng)效率約為90%）；由，和得：由能量守恒：得：同理，2最大負(fù)載狀態(tài)為最大工作載荷根據(jù)能量守恒等效到電機(jī)軸上的力矩由能量守恒：得：3最快空載移動(dòng)狀態(tài)表5-2 nt4p101-20e型直流有刷伺服電機(jī)相關(guān)參數(shù)額定功率614超載功率1096.5連續(xù)轉(zhuǎn)矩3.00超載峰值轉(zhuǎn)矩6.00額定電壓90v超載峰值電流15.7a額定電流8.1a轉(zhuǎn)動(dòng)慣量26.129最高空載轉(zhuǎn)速2163重量7.71最高超載轉(zhuǎn)速1746長(zhǎng)度21.97表5-3 橫向電動(dòng)機(jī)最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算1快速空載啟動(dòng)狀態(tài) 為折合到電機(jī)軸上的慣性力矩， 、 分別為折合到電機(jī)軸上的摩擦力矩和預(yù)緊力矩，（即）能量守恒：或 在4.3.2中已經(jīng)算出：

39、（考慮到總傳動(dòng)效率約為90%）；由，和得：由能量守恒：得：同理，2最大負(fù)載狀態(tài)為最大工作載荷根據(jù)能量守恒等效到電機(jī)軸上的力矩由能量守恒： 得：3最快空載移動(dòng)狀態(tài)表5-4 nt4p101-16e型直流有刷伺服電機(jī)相關(guān)參數(shù)額定功率491超載功率891.627連續(xù)轉(zhuǎn)矩2.54超載峰值轉(zhuǎn)矩5.08額定電壓90v超載峰值電流12.5a額定電流6.5a轉(zhuǎn)動(dòng)慣量21.186最高空載轉(zhuǎn)速1843重量6.80最高超載轉(zhuǎn)速1677長(zhǎng)度19.4353 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)531 光電隔離電路（1）光電耦合器(光電隔離器)簡(jiǎn)介光電隔離電路的作用是在電隔離的情況下,以光為煤介傳送信號(hào),對(duì)輸入和輸出電路可以進(jìn)行隔離.因

40、而具有良好的電絕緣能力并能夠有效地抑制系統(tǒng)噪聲，消除接地回路的干擾，具有響應(yīng)速度較快、壽命長(zhǎng)、體積小耐沖擊等特點(diǎn)。光電隔離在強(qiáng)-弱電接口、特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣泛應(yīng)用。光電耦合器分為兩種：一種為非線性光耦，另一種為線性光耦。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類(lèi)光耦適合于開(kāi)關(guān)信號(hào)（數(shù)字信號(hào)）的傳輸，不適合于傳輸模擬量；線性光耦的電流傳輸手特性曲線接進(jìn)直線，并且小信號(hào)時(shí)性能較好，能以線性特性進(jìn)行隔離控制。 （2）相關(guān)設(shè)計(jì)與選用本設(shè)計(jì)選用6n135高速光耦與pwm信號(hào)連接，其最高轉(zhuǎn)換頻率可達(dá)1m赫茲，工作電壓0-15v，典型的驅(qū)動(dòng)電流為16ma，工作時(shí)led壓降為1.75v

41、，電流最低轉(zhuǎn)換率為50%?，F(xiàn)以5v電源供電，計(jì)算光電耦合器的輸入端電阻和輸出端電阻。=（），取整，得=200（）=625（），為了使輸入端深度飽和以及歸一化處理，可取=1000（）。532 單極性可逆pwm電路設(shè)計(jì)（1）電路簡(jiǎn)介可逆pwm電路分雙極性和單極性?xún)煞N，前者有低速運(yùn)行平穩(wěn)的優(yōu)點(diǎn)，但存在著電流波動(dòng)大，功率損耗大的缺點(diǎn)，尤其是必須增加死區(qū)來(lái)避免開(kāi)關(guān)直通的危險(xiǎn)，限制了開(kāi)關(guān)頻率的提高，因此只用于中小功率直流電機(jī)的控制。由于本設(shè)計(jì)選用的直流電機(jī)功率較大，尤其是在啟動(dòng)加速時(shí)刻，故選擇后者。單極性驅(qū)動(dòng)又分t型和h型，以h型應(yīng)用最多。一般對(duì)中大功率的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以用相應(yīng)的mos管和續(xù)流二級(jí)管（

42、肖特基管）搭建h橋驅(qū)動(dòng)電路。使用mos管，其開(kāi)關(guān)速度快，同時(shí)又是電壓驅(qū)動(dòng)型，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單而且導(dǎo)通后內(nèi)阻小，通過(guò)電流大，這樣加在電機(jī)的電壓就接近電源電壓，使電機(jī)能正常工作。使用續(xù)流二級(jí)管，用來(lái)保護(hù)元器件不被感應(yīng)電壓擊穿或燒壞，以及提供電機(jī)制動(dòng)回路。（2）相關(guān)設(shè)計(jì)與選用根據(jù)第5章第2節(jié)內(nèi)容可知，選用的直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)為：縱軸電動(dòng)機(jī)：額定電壓為90v，超載峰值電流為15.7a；橫軸電動(dòng)機(jī)：額定電壓為90v，超載峰值電流為12.5a。根據(jù)以上參數(shù)，選用mos管型號(hào)為：縱軸：irfp250 （200v 33a ）；橫軸：irfp240 （200v 19a ）。選用續(xù)流二級(jí)管型號(hào)為：10ctq150-1（1

43、50v 10a），與門(mén)電路選用二輸入端四與門(mén)74ls08,非門(mén)電路選用74ls06。縱向驅(qū)動(dòng)電路如圖5-1所示，橫向驅(qū)動(dòng)電路如圖5-2所示。 圖5-1 縱向直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖5-2 橫向直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路6 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，其設(shè)計(jì)也是普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的核心工程，對(duì)機(jī)床而言，數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)輸入的加工程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算后，輸出控制信號(hào)，控制主軸、進(jìn)給軸和其他輔助裝置正確、及時(shí)和可靠地執(zhí)行加工程序所規(guī)定的任務(wù)，同時(shí)接受從機(jī)床反饋來(lái)的各種信息，對(duì)機(jī)床控制進(jìn)行調(diào)整。任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，在處理信息方面，軟件和硬件對(duì)要完成的任務(wù)是等價(jià)的，硬件處理

44、速度快，線路復(fù)雜，軟件設(shè)計(jì)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，但速度較慢。隨著高性能微處理器的誕生，現(xiàn)代數(shù)控已越來(lái)越傾向于軟件控制。數(shù)控系統(tǒng)最核心的控制是位置控制，最重要的運(yùn)算是插補(bǔ)運(yùn)算，最主要的數(shù)據(jù)處理是刀具補(bǔ)償。位置控制的實(shí)質(zhì)就是位置負(fù)反饋，即指令位置和實(shí)際位置進(jìn)行比較，用位置偏差進(jìn)行控制；插補(bǔ)運(yùn)算就是根據(jù)加工程序所確定的坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)一定的運(yùn)算法則實(shí)時(shí)獲得位置指令；刀具補(bǔ)償就是要解決編程軌跡和刀具中心不相符的矛盾。61 硬件電路設(shè)計(jì)611 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu) 數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)其使用微機(jī)結(jié)構(gòu)的劃分，一般可分為單微處理器和多微處理器結(jié)構(gòu)兩大類(lèi)。單微處理器數(shù)控系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，在一些標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛。

45、多微處理器數(shù)控系統(tǒng)可以滿(mǎn)足當(dāng)今數(shù)控機(jī)床高速度、高精度和許多復(fù)雜功能的要求，代表當(dāng)今數(shù)控發(fā)展的水平。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)將采用較經(jīng)濟(jì)的單微處理器數(shù)控結(jié)構(gòu)，對(duì)于一般切削加工而言，其速度和精度已能滿(mǎn)足實(shí)際要求。 數(shù)控機(jī)床單微處理器硬件結(jié)構(gòu)電路概括起來(lái)有以下幾個(gè)部分組成：（1）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，包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)器；（4）輸入輸出接口電路；（5）外圍設(shè)備，如鍵盤(pán)、顯示器及光電編碼器等。612 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的功能 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，確定數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有以下功能：(1) 讀取鍵盤(pán)輸入數(shù)據(jù)；(2) 讀取操作面板開(kāi)關(guān)及按鈕信號(hào)；(

46、3) 讀取螺紋/光電編碼器信號(hào) ；(4) 讀取電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；(5) 接受車(chē)床行程開(kāi)關(guān)信號(hào)；(6) 控制led顯示；(7) 控制電動(dòng)刀架自動(dòng)選刀；(8) 控制縱向、橫向電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)；(9) 控制主軸正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)與停止；(10) 控制交流變頻器；(11) 控制冷卻泵啟停；(12) 可與pc進(jìn)行串行通信。613 主控芯片簡(jiǎn)介（1）msp430簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)采用的核心芯片為ti公司推出16位系列單片機(jī)msp430。msp430具有集成度高，外圍設(shè)備豐富，超低功耗等優(yōu)點(diǎn)。msp430系列種類(lèi)繁多，針對(duì)不同的場(chǎng)合需要選用相應(yīng)合適的芯片，本次設(shè)計(jì)選用msp430f149型，該型號(hào)為64引腳封裝，工作電壓為1.8

47、v-3.6v。單片集成了多通道12bit的a/d轉(zhuǎn)換、片內(nèi)精密比較器、多個(gè)具有pwm功能的定時(shí)器、片內(nèi)usart、看門(mén)狗定時(shí)器、片內(nèi)數(shù)控振蕩器（dco）、大量的i/o端口以及大容量的片內(nèi)存儲(chǔ)器，采用串行在線編程方法，單片可以滿(mǎn)足絕大多數(shù)的應(yīng)用需要。msp430的這種高集成度使應(yīng)用人員不必在接口、外接i/o及存儲(chǔ)器上花太多的精力，而可以方便的設(shè)計(jì)真正意義上的單片系統(tǒng)；在運(yùn)算性能上，msp430系列單片機(jī)采用目前流行的精簡(jiǎn)指令集（risc）結(jié)構(gòu)，1個(gè)時(shí)鐘周期可以執(zhí)行1條指令(傳統(tǒng)的mcs51系列單片機(jī)要12個(gè)時(shí)鐘周期才可以執(zhí)行一條指令)。（2）msp430的擴(kuò)展msp430f149擁有6個(gè)8位并行

48、接口且2個(gè)8位端口（p1、p2）有中斷能力，完全可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有信號(hào)的輸入、輸出，無(wú)需硬件擴(kuò)展。在存儲(chǔ)器方面，其內(nèi)置flash（閃存，具有rom的非易失性和eprom的可擦除性）多達(dá)60kb，ram多達(dá)2kb并支持jtag仿真，真正實(shí)現(xiàn)了在線仿真調(diào)試，對(duì)于一般數(shù)控系統(tǒng)而言已經(jīng)足夠，所以也無(wú)需擴(kuò)展外部存儲(chǔ)器。（3）msp430的復(fù)位及晶振電路設(shè)計(jì)如圖6-1所示。圖6-1 msp430單片機(jī)的復(fù)位電路及晶振電路614 鍵盤(pán)與顯示接口電路設(shè)計(jì)（1）鍵盤(pán)、顯示器接口電路芯片8279單片機(jī)系統(tǒng)中有兩種 led顯示方式，即靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示，靜態(tài)顯示的優(yōu)點(diǎn)是顯示效果好，編程簡(jiǎn)單，但由于輸出的每一位都需要鎖

49、存，使用的硬件較多；動(dòng)態(tài)顯示方式中，每一時(shí)刻只有一位數(shù)碼管被點(diǎn)亮，各位依次輪流被點(diǎn)亮，硬件電路簡(jiǎn)單，但由于需要不停地進(jìn)行刷新顯示，降低了cpu的效率，而且編程的工作量很大。為了解決動(dòng)態(tài)顯示中存在的問(wèn)題，intel 公司研制出了專(zhuān)用的鍵盤(pán)、顯示器接口電路芯片8279，該芯片采用單5v電源供電，40腳封裝，能自動(dòng)完成對(duì)顯示的刷新，同時(shí)還可以對(duì)鍵盤(pán)自動(dòng)掃描，識(shí)別閉合鍵的鍵號(hào)，能自動(dòng)消除開(kāi)關(guān)抖動(dòng)并能對(duì)多鍵同時(shí)按下提供保護(hù)。顯示輸出時(shí)，它有一個(gè)168位顯示ram，其內(nèi)容通過(guò)自動(dòng)掃描，可由8或16位led數(shù)碼管顯示。（2）各引腳功能與連接由于本設(shè)計(jì)為兩軸聯(lián)動(dòng)，需同時(shí)顯示z方向和x方向的位置信息，所以8279要能夠控制16個(gè)led數(shù)碼管輸出。鍵盤(pán)采用56鍵，在普通數(shù)控系統(tǒng)中已足用。8279芯片的8位數(shù)據(jù)口與系統(tǒng)數(shù)據(jù)總線db0-db7連接，在msp430和8279之間傳遞命令或數(shù)據(jù)。8259的a0用來(lái)區(qū)分信息區(qū)分信息特征，當(dāng)a0為0時(shí)，cpu從8279讀出的是狀態(tài)，寫(xiě)入的是命令；當(dāng)a0=1時(shí)讀出和