機電一體化畢業(yè)設(shè)計（論文）基于C616車床的橫向伺服進給單元數(shù)控化改造

1、 河南機電高等?？茖W(xué)校畢業(yè)設(shè)計論文 緒論 隨著我國生產(chǎn)技術(shù) 進步，在機械制造業(yè)中，數(shù)控機床越來越受到企業(yè)的歡迎。企業(yè)一方面投入大量資金購買數(shù)控車床，另一方面更新改造現(xiàn)有普通機床，通過 為普通機床添加數(shù)控裝置，將普通機床改造成數(shù)控機床，這是許多中小型企業(yè)面臨的重要技改措施。 數(shù)控機床能夠適應(yīng)市場對產(chǎn)品多樣化、高精度的要求。因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，商品化的數(shù)控機床價格高，一致于推廣應(yīng)用受到限制，而我國又現(xiàn)存有大量的普通機床，利用較先進的數(shù)控 系統(tǒng)，對現(xiàn)有普通機床進行技術(shù)改造，對提高我國機械行業(yè)的數(shù)控加工技術(shù)具有 更重要意義。數(shù)控機床是衡量一個國家機械制造業(yè)水平的重要指標(biāo)。根據(jù)我國機床擁有

2、量大，生產(chǎn) 規(guī)模小的具體國情，將普通機床通過數(shù)控化改造為經(jīng)濟型數(shù)控機床是我國機械工業(yè)技術(shù)改造的這樣目標(biāo)。但從我國目前機械工業(yè)制造水平與發(fā)達國家相比差距較大， 而且從目前企業(yè)所面臨的情況看，因數(shù)控機 床價格較貴，一次性投資較大，使企業(yè)心有余而力不足。因此，我國作為機床大國。對普通機床數(shù)控化改造作為一種良好的有效途徑。這樣機床改造花費少，改造設(shè)計 針對性強、時間短，改造設(shè)計 后的機床大多能夠克服機床的缺點和存在的問題，生產(chǎn)效率高。1 機械部分改造的設(shè)計及計算1.1課題的來源與意義及總體方案的確定1.1.1 課題的來源與意義： 社會發(fā)展的今天，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展非常迅速突出，普通機床已越來越不能滿足現(xiàn)代加

3、工工藝及提高勞動生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新?lián)Q代不僅資金投入大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大浪費。所以最簡易經(jīng)濟的辦法就 是進行數(shù)控化改造。數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好的解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從我國目前機械工業(yè)制造水平與發(fā)達國家相比差距較大，而且從目前企業(yè)所面臨的情況看，因數(shù)控機 床價格較貴，一次性投資較大，使企業(yè)心有余而力不足。因此，我國作為機床大國。對普通機床數(shù)控化改造作為一種良好的有效途徑。這樣機床改造花費少，改造設(shè)計 針對性強、時間短，改造設(shè)

4、計 后的機床大多能夠克服機床的缺點和存在的問題，生產(chǎn)效率高。1.1.2 總體方案的確定： 根據(jù)改造設(shè)計內(nèi)容確定方案。有設(shè)計內(nèi)容可知，該c616車床的改造設(shè)計是將原機床中手動進給裝置改裝成有步進電動機驅(qū)動，采用微機控制步進電動機來完成數(shù)據(jù)的處理運動控制。由此可見改造設(shè)計以后的車床具有一定的數(shù)控機床功能和特點，大大提高了車床的數(shù)控化程度和生產(chǎn)效率，是一種經(jīng)濟型的數(shù)控機床。翻閱查看c616車床是一種小型的車床，床身最大工件回轉(zhuǎn)直徑320mm加工工件最大長度750mm，主要用于加工中小型類零件。根據(jù)我們的設(shè)計內(nèi)容要求參考數(shù)控機床的改造設(shè)計經(jīng)驗，我們設(shè)計確定如圖1-1 1-2 所示總體改造方案。圖11總

5、體改造方案圖12 c616普通車床的數(shù)控改造方案圖 1.縱向滾珠絲杠 2.橫向滾珠絲杠 3.步進電動機 4.減速齒輪 5. 減速齒輪 6. 步進電動機該方案中以步進電動機作為驅(qū)動元件，采用開環(huán)伺服控制，無檢測反饋機構(gòu)，具有結(jié)簡單，使用維護方便，可靠性高，制造成本低等一系列的優(yōu)點。從設(shè)計題目中可知，我們改造設(shè)計的是基于c616車床的橫向伺服進給單元機電一體化改造設(shè)計。所以針對橫向進給機構(gòu)進行如下改造：拆除原機床進給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱，拆除原絲杠安裝滾珠絲杠并仍然安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式，這樣可以減小裝配現(xiàn)場，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而是橫向進給整體的剛性提高，

6、優(yōu)勝于以前的，橫向進給機構(gòu)采用二級齒輪減速，并用雙片齒輪銷齒法消除間隙。其余部分的改造設(shè)計盡量按照原機床的主要結(jié)構(gòu)布局基本不變，盡量減少改裝的部位，以降低生產(chǎn)成本，節(jié)約改造生產(chǎn)時間，提高生產(chǎn)效率。1.2 滾珠絲杠副的計算和選型進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型的內(nèi)容包括:運動參數(shù)、動力參數(shù)的計算、傳動比的分配、轉(zhuǎn)動慣量、等效轉(zhuǎn)矩等計算.計算簡圖如圖1-3:圖13進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算1.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是指一個進給脈沖使車床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進給量,它是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù).因此脈沖當(dāng)量應(yīng)根據(jù)機床精度來確定.對于經(jīng)濟車床來說橫向采用的脈沖當(dāng)量為0.005mm/

7、脈沖1.2.2 切削力計算 在進給系統(tǒng)的傳動的計算過程中,選用步進電動機時都需要用到切削力(機床的主要負載),則可用公式計算出車床切削力最大切削功率(或轉(zhuǎn)矩) =p主 式中 p主.主電動機的功率,c616車床p主 =8 kw .主傳動系統(tǒng)的總功率一般為0.70.85 取=0.8 則p切 =(80.8) kw=6.4 kw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(或轉(zhuǎn)矩)和最大切削速度(或轉(zhuǎn)矩)來計算,即: p主 =/60式中 主切削力( n ) 最大切削速度(m/min).按用硬質(zhì)合金刀具半精車鋼件是的速度取=100m/min = 60 6.4/100 = 3840( n )在一般情況

8、外圓車削時, =(0.10.55) =(0.150.65) 取 = 0.48 = 1843.2n = 0.58 = 2227.2n滾珠絲杠副的選擇和性能驗算,橫向進給為綜合型導(dǎo)軌,由公式可得絲杠軸向進行切削,其中k= 1.15, =0.16則: = k+(+w)式中 .切削分力( n ) w移動部件的重量( n ) 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),隨導(dǎo)軌型式不同而不同k考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)即 =1.15 1843.2+0.16(3840+200)n=2766.08n 最大切削力下的進給速度可取最高進給速度的1/21/5,取為1/2.橫向進給速度為2m/min,絲杠導(dǎo)程選取6mm,則絲杠轉(zhuǎn)速為: n =

9、 1000/ = 1000 2/6 = 333.33r/min絲杠使用的壽命時間取為t = 15000h,則絲杠的計算壽命l為: l = 60nt/ = 60333.3315000/ = 300 ()根據(jù)工作負載、壽命l,按公式計算滾珠絲杠副承受 的最大的動載荷取= 1.2 = 1 =/=1.22766.08=22220n由當(dāng)量載荷,從手冊或樣本的滾珠絲杠系列表中初選滾珠絲杠的型號和有關(guān)參數(shù).選用是要注意公稱直徑和導(dǎo)程應(yīng)用優(yōu)先組合，同時還需要滿足數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)對導(dǎo)承的要求。同時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(n10r/min)情況下工作時，滾珠絲杠副的破壞形式主要是滾

10、珠與滾道型面在接觸點上產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)塑性變形超過一定限度就會使?jié)L珠絲杠副無法正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。此時的軸向負載稱為額定靜載荷。選用時應(yīng)將相應(yīng)的滾珠絲杠的額定靜載荷滿足以下條件： =f/式中 滾珠絲杠的最大軸向工作載荷； 靜態(tài)安全系數(shù)。一般 12,有沖擊時 =23由參照表查出該滾珠絲杠型號為w5006外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副。1列3圈，其額定動負載為24000n，強度足夠應(yīng)，精度選用5級，其幾何參數(shù)如下：公稱直徑=50mm，導(dǎo)承=6mm，螺紋升角v=arctg/=211繭鋼球直徑為3.969mm，螺桿內(nèi)徑為45.88mm。滾道半徑r為： r=0.

11、523.969=2.06388mm偏心距為： e=0.07（r-/2）=0.07（2.064-3.969/2）=5.6mm螺桿內(nèi)徑： =+2e-2r=5025.6-22.06388=45.88mm1.2.3 傳動效率 滾動絲杠副的傳動效率可用下式計算。 =tgr/tg（r+）式中 r絲杠的螺旋升角 摩擦角。滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)因數(shù)f=0.003-0.004，摩擦角約等于10即=tg211/tg(211+10)0.927橫向進給滾珠絲扛支承方式如前圖所示，支承間距l(xiāng)=400mm，絲杠螺母及軸承均進行了預(yù)緊，預(yù)緊力的最大軸向負載荷的1/3，絲杠的變形量計算如下：滾珠絲杠截面積按絲杠螺紋的底徑確

12、定a=/4 45.882mm2=1653.24mm工作載荷引起導(dǎo)程的變化量可用下式計算=/ea=2766.086/201041653.24=0.487mm式中 e絲杠材料的彈性模量，對鋼e=2.061011n/則絲杠的拉伸或壓縮變形量：=/l=0.487/61500=1.22mm由于兩端均采用角接觸球軸承，且絲杠又進行了預(yù)緊故其拉壓剛度可比一端固定的絲杠提高4倍。其實際變形量為=1/4=0.305mm滾珠與螺紋通道間接觸變形=0.0013/=0.0072mm式中 軸向工作載荷（n）； 預(yù)緊力（n） 滾珠直徑（mm）；滾珠數(shù)量，=zjk其中j為圈數(shù)，k為列數(shù)，z每圈螺紋滾道內(nèi)的滾珠數(shù)：外循環(huán)時z

13、=/；內(nèi)循環(huán)時z/-3滾珠絲杠公稱直徑（mm）；因絲杠加有預(yù)緊力；且預(yù)緊力為軸向最大負載的1/3時, 可減少一半，因此實際變形量為： =0.0072/2=0.036mm支承滾珠絲杠的軸承為8209型推力球軸承，幾何參數(shù)為=45mm，滾動體直徑=7.06mm，滾動體數(shù)量=20軸承的軸向接觸變形為： =0.024式中軸承所受軸向載荷（n）；軸承的滾動體數(shù)目； 軸承的滾動體直徑；即=0.024=0.024=0.03346mm注意：此公式的單位為kgf因施加預(yù)緊力故實際變形量=1/2=1/20.03346mm=0.0167mm根據(jù)以上計算總變形量為：=+=（0.00305+0.0036+0.0167）

14、mm=0.0234mm五級精度絲杠允許邏輯誤差為27m/m，故剛度足夠因為滾珠絲杠的兩端都采用推力球軸承并預(yù)緊，因此不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需要作穩(wěn)定性校核1.3 步進電動機的選擇。1.3.1 傳動比的計算 根據(jù)給定的橫向進給的脈沖當(dāng)量0.005mm，滾珠絲杠導(dǎo)程=6mm，及初選的步進電機步距角0.75，可計算出傳動比i： =360/ 式中 脈沖當(dāng)量（mm/步）； 滾珠絲杠導(dǎo)程（mm）； 步進電機步距角（）；減速齒輪考慮到結(jié)構(gòu)上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程故采用兩級齒輪降速，根據(jù)傳動比，即 i=360/選齒輪z1=28，z2=56，z3=24，z4=30一級降速傳動比

15、為0.5二級降速傳動比為0.8初選步進電動機型為150bf002,因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般選模數(shù)取m=12，本次設(shè)計選用m=21.3.2 轉(zhuǎn)動慣量的計算選擇步進電動機時,必須根據(jù)機械傳動裝置及負載折算到電動機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量,分別計算各種情況下所需要的力矩,再根據(jù)步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩和啟動運行頻率特性選擇合適的步進電動機,負載慣量是驅(qū)動系統(tǒng)的主要參數(shù)之一,它對選擇步進電動機,設(shè)計傳動比等都有十分重要的意義,如果該慣量與電動機的匹配不當(dāng),系統(tǒng)就得不到快速反應(yīng),甚至失效.z1=28,z2=56,z3=24,z4=30齒輪的轉(zhuǎn)動慣量。 = =2.6358 = =36.148 =1.422

16、7 = =0.186絲杠的轉(zhuǎn)動慣量可以從表中查得負載轉(zhuǎn)動慣量考慮步進電動機與負載轉(zhuǎn)動系統(tǒng)慣量匹配問題即 0.571滿足慣量匹配要求。而慣量由伺附電動機的慣量 和進給系統(tǒng)慣量 組成 伺附電動機的慣量進給系統(tǒng)慣量負載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇：機床在不同的情況下，其所需要的轉(zhuǎn)矩不同，下面分別進行計算快速空載啟動是所需要的轉(zhuǎn)矩為 式中： 快速空載啟動力矩 空載啟動折算到電動機上的加速力矩 折算到電動機軸上的摩擦力矩 由于絲杠加緊時折算到電動機軸上的附加力矩將已知數(shù)據(jù)代入 式中 傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的等效的轉(zhuǎn)動慣量 運動部件從停止啟動加速到最大快進速度所需要的時間 電動機的最大轉(zhuǎn)速 折算到電動機軸上

17、的摩擦力矩 式中 導(dǎo)軌的摩擦力 垂直方向的切削力 運動部件的總重量 導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) 齒輪降速比 傳動鏈總效率，一般取0.70.85 附加力矩： 式中： 滾珠絲杠預(yù)加負荷前一般取 滾珠絲杠導(dǎo)程滾珠絲杠擰緊時的效率一般大于0.9于是： 快速移動時需要的力矩： 最大切削負載時所需要的力矩： 從以上計算可以看出三種工況下以快速空載啟動所需要的力矩最大，依次作為出選電動機的依據(jù)。對于工作方式與五相十拍的步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩： 從相關(guān)資料可以查出150bf002型號的步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩為13027n.m大于所需要的最大靜轉(zhuǎn)矩可以作為初選型號大需要考慮電動機啟動矩頻特性和運行它。步進電動機的空載啟動頻率：

18、 由相關(guān)資料知道150bf002步進電動機允許的作大空載啟動頻率為2800hz，運行頻率為8000hz，有下圖（a)可以看出步進電動機啟動是頻率為2500hz，遠不能滿足機床所需。直接使用回產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速度控制（可以用軟件實現(xiàn)）將啟動頻率降到1000hz時，啟動扭矩可以增高到588 。然后在電路上再采用高低壓驅(qū)動電路，可以將步進電機輸出轉(zhuǎn)矩擴大一倍左右。 當(dāng)快速運動和切削進給時，由150bf002型號的步進電動機矩頻特性（b)知道電動機可以滿足要求。根據(jù)上述計算綜合考慮，橫向進給系統(tǒng)采用150bf002型號電動機（a)步進電動機啟動頻率（b) 步進電動機矩頻特性 圖14步進電

19、動機的啟動頻率和矩頻特性零件的設(shè)計計算，傳動軸的初步計算及結(jié)構(gòu)設(shè)計，支撐方式和部件的選擇計算：1.4 齒輪設(shè)計及強度校核計算1.4.1選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù)該傳動方案選用直齒圓柱齒輪傳動.速度不高,所以齒輪選8級精度；齒輪材料選用價格便宜并且硬度合適的材料；齒輪 z1，z3，z4 材料為45#鋼(調(diào)質(zhì))； 齒輪z2材料為45鋼(?；?。 根據(jù)傳動比選取小齒輪z1=28.z2=56.z3=24.z4=30因齒面硬度小于350hbs的閉式傳動,所以按照齒面接觸疲勞強度設(shè)計,然后校核齒根彎曲疲勞強度.1.4.2 按照齒面接觸疲勞強度校核 由公式確定公式中各參數(shù)的值選擇載荷系數(shù) 計算小齒輪

20、傳遞的轉(zhuǎn)矩查表選擇齒寬系數(shù)查表得出彈性影響系數(shù)由表查出 由公式確定公由表查出壽命系數(shù) 計算接觸疲勞強度許用應(yīng)力,取失效概率為1%,安全系數(shù)s=1.由公式 可得 計算小齒輪分度圓直徑 計算圓周速度 計算載荷系數(shù). 根據(jù)查表因為是直齒圓柱齒輪,取同時由表查 得， 所以載荷系數(shù) 按實際的載荷系數(shù)校正所計算的分度圓直徑 計算模數(shù)： 1148224dm= z= =取模數(shù) 根據(jù)綜合因素的 考慮及傳遞的力矩不大,故選用： 計算分度圓直徑： 計算中心距： 計算齒輪寬度： 由于傳遞振動不大，1.4.3校核齒根彎曲疲勞強度式中各個參數(shù)值,計算圓周力： 查取應(yīng)力校正系數(shù)： 計算載荷系數(shù)： 查取彎曲強度極限及壽命系數(shù)

21、：查表得：查表知道；計算彎曲疲勞許用應(yīng)力,取彎曲疲勞安全系數(shù)： 由公式： 所以 校核計算： 1.5 軸的設(shè)計（中間軸）及校核1.5.1選擇軸的材料 選取45鋼，調(diào)制硬度hbs=230，強度極限=650mpa，屈服極限=360mpa,彎曲疲勞極限=300mpa,剪切疲勞極限=155mpa,對稱循環(huán)變應(yīng)力時的許用應(yīng)力=60mpa1.5.2初步估算軸的最小直徑取=110，得：d=11015mm 由于采用步進電動機驅(qū)動，選用150bf002型，它的軸徑為18mm，為了配合二級齒輪傳動，在此選擇最小軸徑為15mm，便于受力均勻，結(jié)構(gòu)緊湊，便于安裝。1.5.3軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 由軸的結(jié)構(gòu)和強度要求選取軸承孔的

22、軸徑d=15mm，初選軸承型號6202的深溝球軸承，齒輪軸處軸孔d=25mm,軸肩直徑d=35mm,軸的結(jié)構(gòu)如附圖兩軸承支點間的距離為 l=+u+式中t 軸承的寬度，查表可知6205軸承t=11mm 齒輪端面與箱體內(nèi)壁的距離，查表可知取=8mm 齒輪3的齒寬，=32mm 齒輪2與齒輪3輪轂端面間的距離，取=8mml 齒輪2的輪轂長度，l=（1.21.5）db,u=34mm代入以上各數(shù)值得 l=11+8+27+34+8+13.5=96mm齒輪3的對稱線與左軸承支點的距離為： =+=5.5+8+13.5=27mm齒輪3的對稱線與齒輪2的對稱線間的距離為： =+=13.5+8+17=38.5mm齒輪

23、2的對稱線與右軸承支點間的距離為： =+=17+8+5.5=30.5mm1.5.4 按彎扭合成應(yīng)力校核軸的強度繪軸的計算簡圖 軸的計算簡圖如圖1-5(a) 所示計算作用軸上的力大齒輪2受力分析圓周力 =401.26n 徑向力 =401.26=146.05n小齒輪3受力分析 圓周力 =936.27n 徑向力 =936.27=340.77n計算支反力： 水平面 =0 96-69.5-32.5=0 =805.30n =0 =+-=532.23n 垂直面 =0 96-69+30.5=0 =198.52n =0 =-=-3.8n作彎矩圖 水平面彎矩圖(b) =-28.5=-803.527.5=-2174

24、3.1n.mm =-32=-523.2330.5=-16233.015 n.mm 垂直面彎矩圖(c)=28.5=198.5227=5360.04 n.mm =32=-3.830.5=-115.9 n.mm合成彎矩 = = =22393.92 n.mm = = =16233.42 n.mm做扭矩圖(d) =22470.588 n.mm作計算彎矩圖圖(e) 考慮減速器的剎車和啟動，轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的切應(yīng)力應(yīng)按脈動循環(huán)變化，故取a=0.6。則： =22393.92 n.mm = = =26139.27 n.mm = = =21102.079 n.mm按彎扭合成應(yīng)力校核周6的強度 由計算彎矩圖可知，c剖面的計

25、算彎矩最大，該處的計算應(yīng)力為： =16.729mpa 16.729mpa=60mpa故安全1.5.5 精確校核軸的疲勞強度 由玩具圖和轉(zhuǎn)矩圖可知彎矩最大，但從應(yīng)力集中對軸的疲勞度的影響看，剖面，處的過盈配合引起的應(yīng)力集中最嚴(yán)重，由于過盈配合及鍵槽的應(yīng)力集中兩端，故c剖面處受影響不大，在剖面處的載荷比剖面處的載荷要大，而剖面，的尺寸相同，因而在此只需要校核剖面兩側(cè)的疲勞強度。剖面左側(cè)彎矩及彎曲應(yīng)力 彎矩： =24372.98 n.mm抗彎剖面模量： 彎曲應(yīng)力： 應(yīng)力幅： 平均應(yīng)力： =0轉(zhuǎn)矩及扭剪應(yīng)力 轉(zhuǎn)矩： 抗扭剖面模量： 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力： 應(yīng)力幅及平均應(yīng)力：各項系數(shù) 過盈配合處的有效應(yīng)力集中系數(shù)

26、：查表可求得過盈配合處的=1.86由圖查得尺寸系數(shù)=0.83，=0.89由圖查得表面質(zhì)量系數(shù)，精車加工軸徑表面強化處理，故強度系數(shù)=1彎曲疲勞 的綜合影響系數(shù)，由公式得=（1.86+）=1.996=（1.86+）=1.996 對材料特性系數(shù)，對碳鋼，取=0.1，=0.05計算安全系數(shù) s所以安全剖面右側(cè)彎矩及彎曲應(yīng)力 彎矩： 抗彎剖面模量： 彎曲應(yīng)力：mpa 應(yīng)力幅： 平均應(yīng)力：轉(zhuǎn)矩及扭剪應(yīng)力 轉(zhuǎn)矩： 抗扭剖面模量： 扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力： 應(yīng)力幅及平均應(yīng)力：各項系數(shù)（如前） 即 ，計算安全系數(shù) s=1.5 安全，強度足夠 (a) (b)(c) (d) (e) 圖15軸的疲勞校核1.6滾動軸承的選擇和計

27、算即中間軸滾動軸承的選擇計算，按軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，初步選用型號為6204的深溝求軸承。計算軸承載荷：圖16 軸的受力圖軸承的徑向載荷軸承 a： 軸承 b： n按壽命計算選擇軸承型號派生軸向力的計算， 查表可知 nn確定軸承的軸向載荷 故軸承1“放松”軸承2“壓緊”根據(jù)當(dāng)量動載荷公式計算p值 計算工作所需要的徑向基本額定動載荷： 由于常溫，中等沖擊取，深溝球軸承壽命指數(shù)，兩支承用同一型號， h若按大修期5年更換軸承，軸承的壽命足夠用，故所選軸承合適1.7 鍵聯(lián)接的選擇和強度校核（即中間軸）1.7.1 大齒輪2與軸的鍵聯(lián)接選用圓頭普通平鍵（a）型按軸徑d=25mm及輪轂l=34，選鍵bh=87gbgb

28、1096-79強度校核 鍵材料用45鋼，查表得許用應(yīng)力，鍵的工作長度l=l-b=34-8=26mm；，按公式得擠壓應(yīng)力： 故強度是足夠的。1.7.2小齒輪3和軸的鍵聯(lián)接 按稠徑d=25mm（輪轂l=27mm，選鍵bh=87，gb1096-79，選用圓頭普通平鍵（a型）強度校核鍵材料用45鋼，查表得許用應(yīng)力，鍵的工作長度l=l-b=27-7=20mm，,按公式 故能滿足。2 機床橫向伺服進給單元電氣控制部分設(shè)計c616車床是一種小型的車床，對于它的伺服進給單元的機電一體化改造設(shè)計，我們從設(shè)計內(nèi)容中可以知道，是用微機控制步進電動機驅(qū)動滾珠絲杠帶動工作臺來完成數(shù)控處理和運動控制。由此可見，改造設(shè)計后

29、的機床具有一定的數(shù)控機床的功能特點，是一種簡易經(jīng)濟數(shù)控機床，所以，我們就按照經(jīng)濟數(shù)控機床進行電氣控制部分的改造設(shè)計。2.1 電氣控制系統(tǒng)方案的確定 我們知道對于一些經(jīng)濟數(shù)控機床，常采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖21圖21開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖它主要由步進電動機和相適應(yīng)的驅(qū)動電路組成，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖驅(qū)動電路變換放大傳給步進電動機，步進電動機每接受一個脈沖就旋轉(zhuǎn)一個角度，再通過齒輪副和絲杠螺母帶動機床工作臺移動，步進電動機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過的角度取決于指令脈沖的頻率和個數(shù)，反映到工作臺就是工作臺的移動速度和位移的大小。但系統(tǒng)沒有位置檢測反饋環(huán)節(jié)，工作臺位移到位，其精度取決于步進電機齒距角精度，齒輪

30、傳動間隙和絲杠螺母精度等。由此可見，對于我們改造設(shè)計的c616車床的橫向伺服就進給單元采用這種由步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)比較合適的。該系統(tǒng)方案中不使用位置檢測元件，也就沒有閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。因此，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，可靠性高，制造成本低等一系列優(yōu)點。對于c616車床精度要求不太高的中小型機床改造設(shè)計來說，特別適合適用這種開環(huán)步進控制系統(tǒng)發(fā)案。2.1.1 步進電動機與絲杠的聯(lián)接對于經(jīng)濟數(shù)控機床，步進電動機應(yīng)與進給運動的絲杠相連著主要是從進給傳動鏈最短發(fā)出信息來考慮的，步進電動機與絲杠的聯(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)簡單，但是運行位移的脈沖當(dāng)量不是5的倍

31、數(shù)編程計算時不方便。另一種是在步進電動機輸出軸端配置減速器，使減速器輸出軸通才聯(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)計也采用這種聯(lián)接方式，而且從前面步進電動機計算和選擇中可知采用二級傳動2.1.2 8051單片機的選擇 根據(jù)c616車床最大加工尺寸，加工精度，控制速度以及經(jīng)濟性要求，改造設(shè)計后的簡易經(jīng)濟型數(shù)控機床一般采用8位微機進行控制，在8位微機中，mcs-51系列單片機集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能比。因此，我們設(shè)計選擇應(yīng)用mcs-51系列單片機作為控制微機在mcs-51系列單片機中8051為典型代表，它具有高性能8

32、位cpu，4krom，128字節(jié)ram，2個16位定時/計數(shù)器，4個i/o，一個全雙工異步串行口，5個中斷源，可訪問64k程序存儲器空間和64k數(shù)據(jù)存儲器空間，它與其中的8031相比，片內(nèi)有4kb的rom，而8031片內(nèi)沒有rom或eprom。8031使用時必須配置外部的程序存儲器eprom，而8051就不需要了。但它的片內(nèi)rom和片外rom 不能同時占有，為了指示機器的這種只有生產(chǎn)廠家或器件設(shè)計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，則機器使用片內(nèi)4kbrom ，如果ea 接低電平，則機器自動使用片外rom，而8031引腳ea接地 所以，對于c616車床橫向進給伺服

33、系統(tǒng)就采用8051單片機進行數(shù)據(jù)傳遞和運動控制我們改造設(shè)計的機床，主要是橫向伺服進給單元機電一體化改造設(shè)計，根據(jù)下面設(shè)計起控制電路如后面附圖（b）所示 2.2 步進電動機開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 步進電動機又稱脈沖電動機 ，使一種把脈沖信號轉(zhuǎn)換成為線位移或角位移的電動機，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)計步進電動機的計算和選擇可知，我們設(shè)計選用的是三相六拍的反映式步進電動機- 110bf003由于步進電動機各繞阻按一定節(jié)拍依次輪流通電才能轉(zhuǎn)動，控制脈沖頻率可控制其轉(zhuǎn)動速度，因此 步進電動機的驅(qū)動系統(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)動原理框圖如下圖22所示圖22步進電動機

34、驅(qū)動原理圖圖中，脈沖信號源是由cnc系統(tǒng)根據(jù)程序控制脈沖頻率和頻率的個數(shù)，脈沖分配器將脈沖信號按一定順序分配；然后送到放大電路中進行功率放大，驅(qū)動步進電動機進行工作，其中脈沖分配器及前面的微機及接口芯片工作一般為+5v 而作為電動機電源需要符合 步進電動機的額定電壓值，為避免強電對弱電的干擾，在它們之間設(shè)計采用光隔離電路。具體電路如下面所設(shè)計的2.2.1 脈沖分配器對于開環(huán)伺服驅(qū)動中，我們設(shè)計采用單片機脈沖分配器，如圖23所設(shè)計的8051單片機控制步進電動機的控制電路。圖 23 8051單片機控制步進電動機控制電路原理圖8051單片機的p1口作為輸出口，用程序?qū)崿F(xiàn)脈沖分配功能。對于三相異步電動

35、機，用p1.0，p1.1，p1.2作為輸出端，精光電隔離電路，再由驅(qū)動電路放大來驅(qū)動 步進電動機運轉(zhuǎn)。對于我們改造設(shè)計的c616 車床的橫向伺服進給單元機電一體化改造選擇的是 三相六拍的反應(yīng)式步進電動機 -110bf003。因此，按三相六拍的步電動機的通表電順序，可以得出p1.0口的輸出控制字表如下表1所示表1 p1.0口的輸出控制字表由表可見，步進電動機第一個狀態(tài)字為01h，從上而下輸出控制字，步進電動機正轉(zhuǎn)。從正轉(zhuǎn)最后一個狀態(tài)字05h 之后加上反轉(zhuǎn)第一個控制字01h，此時，再接著輸出控制字時，步進電動機反轉(zhuǎn)，假設(shè)這些控制字在存儲器地址以及讀取控制字的順序，可以畫出三相六拍步進電動機的控制程

36、序框圖2-3如下圖 2-3 步進電動機控制程序流程圖假設(shè)，步進電動機總的運行參數(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，步進電動機正轉(zhuǎn)。當(dāng)f1為“1”時，步進電動機反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時，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)存儲器單元20h25h中，26h 存放結(jié)束標(biāo)志00h 在27h2ch 的存儲單元內(nèi)存放反轉(zhuǎn)時p1端口的輸出控制字01h，04h，06h，.02h，03h，在2dh單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00h。根據(jù)前面的控制程序表1圖2-4）的控制程序控制框圖，我們可以 編出步進電動機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制，其控

37、制程序如下； push a； mov r4， #h clr c； orl c， d5h； jc r0te； mov r0， #20h ajmp loop； r0te： mov r0， #27h loop： mov a， r0 mov p1， a； acall delay； inc r0； mov a， 00h orl a， r0； jz tpl； loop： djnz r4，loop； pop a； tpl mov a， r0； clr c； subb a， 06h； mov r0， a； ajmp loop1； delay： mov r2， m； delay1： mov a， m1； loo

38、p： dec a； jnz loop； djnz r2， delay1； ret2.2.2 光隔離電路在這個步進電動機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后，控制步進電動機的勵磁繞組。由于步進電動機需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏）電流也教大（幾安到幾十安）如果將i/o口輸出信號直接與功率放大器相連，輕則影響單片機程序的正常運行，重則導(dǎo)致單片機接口電路的損壞。因此，在接口電路與功率放大器之間設(shè)計加光隔離電路，實現(xiàn)電器隔離，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由發(fā)光二級管和光敏晶體管組成如下圖2-5所示的共集電極輸出型光耦合器。當(dāng)輸入信號vi加到輸入端時，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

39、，由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)以光為媒介的電信號傳輸，輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。圖 2-5 共集電極耦合器 圖 2-6 光電隔離輸出電路上圖26為光隔離輸入與輸出電路?？刂菩盘?4ls05集電極開路門反相后驅(qū)動光耦器的輸入發(fā)光二 極管 。當(dāng)控制信號為低電平，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導(dǎo)通。我們的改造設(shè)計就采用這種光隔離電路。2.2.3 步進電動機驅(qū)動電路由于邏輯電路和單片機的輸出脈沖電平很小，一般為3v左右電流為毫安無法驅(qū)動步進電動機，而需要經(jīng)

40、過驅(qū)動電路進行功率放大。我們知道常用的驅(qū)動電路有：單電源驅(qū)動電路高低壓雙電源驅(qū)動電路和恒流斬波驅(qū)動電路。而我們設(shè)計采用高低壓雙電源驅(qū)動電路 作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電動。如下圖所示設(shè)計的高低雙電源驅(qū)動電路。 圖 2-7 高低雙電源驅(qū)動電路 圖中l(wèi)a為步進電動機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是，vti和vt2之間截止，la無電流通過。當(dāng)脈沖分配器輸出高電平是，是單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)為高電平輸出，經(jīng)前端放大使vt1導(dǎo)通，同時功率管vt2也導(dǎo)通，高壓電源vn經(jīng)vti和vt2加至la上。此時，二極管vd1因承受反向電壓而截止，切斷低壓電路vl，由于高壓源電壓很高，線圈的

41、電流 上升很快，上升沿變陡，當(dāng)電流值接近步進電動機的額定值是，單穩(wěn)態(tài)電路延時時間到 ，翻轉(zhuǎn)為輸出低電壓，使高電壓管vt1截止。這時，由低電壓電源vl供電，vt2繼續(xù)導(dǎo)通la繼續(xù)通過電流 。當(dāng)脈沖分配器輸出的脈沖為低電平時，功率vt2截止，這時為二極管vd2續(xù)流，電流隨之減少為零采用這種驅(qū)動電路是因為它于單電源驅(qū)動電路相比，高低壓雙電源驅(qū)動電路的電流波形上升沿變陡，使步進電機的力矩和運行頻率等主要性能得到明顯改善，而且驅(qū)動功率也比單電源的高；在結(jié)構(gòu)上也比恒流斬波驅(qū)動電 路的簡單。所以我們設(shè)計應(yīng)用這種高低壓雙電源驅(qū)動電路2.3 8255可編程控制芯片的擴展mcs51系列單片機的特點之一就是硬件設(shè)計

42、簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對于簡單的應(yīng)用場合可以不用i/o口系統(tǒng)，但是對于復(fù)雜的應(yīng)用場合就需要用i/o口擴展來滿足單片機運行功能的像我們設(shè)計的c616車床的數(shù)控化的改造就有一定的復(fù)雜程度。因此。我們對8051單片機進行i/o口擴展，擴展一片8255可編程控制芯片來達到機床控制運動功能的完善性選用的8255芯片是intel生產(chǎn)的可編程0輸入輸出接口芯片它具有3個8位的并行i/o口分別為pa。pb，pc口其中pc又分為高4位（pc7pc4）和低4位（pc3pc0），它們都可以使用軟件編程來改變i/o口工作方式。因此，8255使用方便，通用性強，經(jīng)常作為單片機與多種外圍設(shè)備連接時的中間接口電路。我們設(shè)計的

43、是8255芯片與8051直接接口電路如圖28所示 圖 2-8 8051擴展8255的接口電路連接圖在8051單片機的i/o口上擴展一片8255芯片，無需加任何邏輯電路，從圖中可以看出8255的片選信號cs及口地址選擇線a0，a1分別由8051的p0.7和p0.0，p0.1經(jīng)地址鎖存器74ls373鎖存后提供。所以8255的a口，b 口 ，c口以及控制口地址分別為ff7ch，ff7dh，ff7eh，ff7fh。8255的復(fù)位端與8051 的復(fù)位端相連，都接到8051的復(fù)位電路上。我們知道在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，必須根據(jù)外圍設(shè)備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應(yīng)的控制字寫人操作口。根據(jù)

44、我們的設(shè)計圖28可知： a口地址：ff7ch； b口地址：ff7dh； c口地址：ff7eh； 控制口地址： ff7fh；對于8255的c口8位中的一位，均可以用指令來置位和復(fù)位。例如，如果把c口的第6位pc5置1相應(yīng)的字控制為00001011b=0bh，程序如下： mov dptr ， #0ff7fh； mov a， #0bh； movx dptr , a； 由此可見，8255接口芯片在mcs-51系列單片機中應(yīng)用非常廣泛，廣泛應(yīng)用與外圍設(shè)備，如打印機，鍵盤，顯示器以及作為控制信息輸人輸出。所以我們設(shè)計擴展用8255可編程控制芯片進行數(shù)據(jù)傳遞和進行控制。其中，用8255的a口控制步進電動機，

45、pa0pa5為輸出口，用于控制z向步進電動機。b口作為輸入口，用于功能鍵的控制，其中，pb0pb4口分別控制空運行、自動、手動i、手動ii、和回零 。pb5口用于報警顯示，系統(tǒng)正常時，輸出低電平，綠色燈亮；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，輸出高電平，紅色燈亮，實現(xiàn)報警功能。c口也用作輸出口，其中c0c3口控制面板上的按鍵，分別控制啟動、暫停、連續(xù)、急停等功能。c4c7口接越程報警控制電路，當(dāng)床鞍工作停止，以保護工作臺正常運行。2.4 輔助電路的設(shè)計2.4.1 8051單片機的時鐘電路我們知道單片機的時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引腳上外接定時元件，如下圖2-9所示，晶體可在1.212mhz任選，偶合電容在530pf之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把xtai直接接地，xtal2接外 部時鐘源。經(jīng)過比較，我們設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，如圖2-9所示。 圖 2-