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文檔簡介
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-
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