基于CP1H PLC的數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與雙軸伺服電機逐點插補控制設(shè)計說明書

課程設(shè)計(論文)課程名稱機電系統(tǒng)綜合創(chuàng)新設(shè)計學院機械工程學院班級學號學生姓名課程設(shè)計任務(wù)書及成績學生姓名班級學號課程名稱機電系統(tǒng)綜合創(chuàng)新設(shè)計題目基于CP1HPLC的數(shù)控車床伺服進給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與雙軸伺服電機逐點插補控制設(shè)計1、設(shè)計內(nèi)容（1）運動設(shè)計：確定最佳傳動比，計算選擇滾珠絲杠螺母副、驅(qū)動電動機、導軌及絲杠的支承；（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計：完成進給系統(tǒng)裝配圖設(shè)計（0#圖1張）；（3）驗算：完成系統(tǒng)剛度計算，驗算定位誤差等；（4）設(shè)計CP1HPLC與步進電機、驅(qū)動器的接線圖；（5）實現(xiàn)第1象限直線逐點比較插補,設(shè)計PLC控制梯形圖；（6）撰寫設(shè)計計算說明書。2、主要技術(shù)參數(shù)：X軸：進給行程570mm；進給速度5700mm/min，快移速度14m/min,；最大進給力：4700N；定位精度:0.012mm/300mm,定位精度:0.006mm，橫向滑板上刀架重量：87Kg。工作計劃與進度安排:（共2周）（1）集中講授設(shè)計內(nèi)容、步驟及要求，下發(fā)設(shè)計題目及任務(wù)書，理解題目要求，查閱資料，確定結(jié)構(gòu)設(shè)計方案（第16周的周一～周二）（2）指導學生進行設(shè)計計算及確定設(shè)計方案、裝配圖結(jié)構(gòu)設(shè)計（第16周的周三～周五）（3）結(jié)構(gòu)部分說明書撰寫及答辯驗收（第16周的周六～第17周的周一上午）（4）控制方案確定及接線圖設(shè)計、PLC梯形圖設(shè)計（第17周的周一下午～周四）（5）控制部分說明書撰寫及答辯驗收（第17周的周四～周五）評語：成績：指導教師：2018年11月30日專業(yè)負責人：陳白寧2018年11月30日學院教學副院長：魏永和2018年11月30日目錄TOC\o"1-3"\f\h\u26648第1章緒論 ④穩(wěn)定性驗算由于選用滾珠絲杠的直徑與原絲杠直徑相等，而支承方式由原來的一端固定，一端懸空變?yōu)橐欢艘欢斯潭?，一端徑向支承，所以穩(wěn)定性增強，故不再驗算。⑤、齒輪及轉(zhuǎn)矩的相關(guān)計算減速器為一般機器，沒有什么特殊要求，從降低成本，減小結(jié)構(gòu)、尺寸和易于取材等原則出發(fā)，決定小齒輪選用45鋼、調(diào)質(zhì)，齒面硬度為217～255HBS；大齒輪選用45鋼正火、齒面硬度為169～217HBS傳動比i=其中8表示步驅(qū)角；8P表示脈沖當量i=所以，取Z1=30，Z2=99M=2mm，嚙合角為20°小齒輪齒寬為25mm；大齒輪齒寬為20mm。d1=mZ1=2×30=60d2=mZ2=2×99=198da1=m(Z1+2)=2×(30+2)=64da2=m(Z2+2)=2×(99+2)=202a=齒輪傳動精度計算齒輪圓周速度VV=根據(jù)圓周速度和對噪音的要求確定齒輪精度等級及側(cè)隙分別為：小齒輪：8GJ大齒輪：8FL⑥、傳動慣量計算工作臺質(zhì)量折算到電機軸上的傳動慣量J1==0.04378(Kg.cm2)絲杠轉(zhuǎn)動慣量：JS=7.8×10-4×D4×L1=7.8×10-4×3.54×13.3=1.556(㎏.㎝2)齒輪的傳動的慣量JZ1=7.8×10-4×D4×M=7.8×10-4×64×2=2.02(㎏.㎝2)JZ2=7.8×10-4×D4×M=7.8×10-4×（198㎜）2×2=239.76(㎏.㎝2)由于電機傳動慣量很小，可以忽略不計，因此總的轉(zhuǎn)動慣量J=(JS+JZ2）+JZ1+J1=(1.556+239.76）+2.022+0.04378=24.22(㎏.㎝2)⑦所需轉(zhuǎn)動力矩的計算nmax=Mamax==4.16(N.m)nt=43.79(r/min)Mat==0.4419(N.m)Mf=其中，f’=0.2η=0.8時Mf==0.029（N.m）M0==0.1386≈0.0139（N.m）Mt==2.19(kgf.cm)≈0.219（N.m）所以，快速空載啟動時所需轉(zhuǎn)矩M=Mamax+Mf=Mo=4.16+0.029+0.0139=4.2079(N.m)切削的所需力矩M切=Mat+Mf+Mo+Mt=0.4419+0.029+0.0139+0.219=0.6938(N.m)快速啟動時所需力矩M快進=Mf+Mo=0.029+0.0139=0.0429(N.m)即最大轉(zhuǎn)矩發(fā)生在快速啟動時即Mamax=4.2079(N.m)3.1.3.縱向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟(1)最大工作載荷計算滾珠絲杠上的工作載荷Fm(N)是指滾珠絲杠副的在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。由于原普通CA6140車床的縱向?qū)к壥侨切螌к?，則用公式3-2計算工作載荷的大小。（3-2）1）車削抗力分析車削外圓時的切削抗力有Fx、Fy、Fz，主切削力Fz與切削速度方向一致，垂直向下，是計算車床主軸電機切削功率的主要依據(jù)。且深抗力Fy與縱向進給方向垂直，影響加工精度或已加工表面質(zhì)量。進給抗力Fx與進給方向平行且相反指向，設(shè)計或校核進給系統(tǒng)是要用它?？v切外圓時，車床的主切削力Fz可以用下式計算：（3-3）=5360(N)由<<金屬切削原理>>知:Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4(3-4)得Fx=1340(N)Fy=2144(N)因為車刀裝夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進給拖板和導軌上，車削作業(yè)時作用在進給拖板上的載荷Fl、Fv和Fc與車刀所受到的車削抗力有對應(yīng)關(guān)系，因此，作用在進給拖板上的載荷可以按下式求出：拖板上的進給方向載荷Fl=Fx=1340(N)拖板上的垂直方向載荷Fv=Fz=5360(N)拖板上的橫向載荷Fc=Fy=2144(N)因此，最大工作載荷=1.121340+0.04(5360+909.8)=1790.68(N)對于三角形導軌K=1.12，f′=0.03~0.05,選f′=0.04(因為是貼塑導軌)，G是縱向、橫向溜板箱和刀架的重量，選縱向、橫向溜板箱的重量為75kg,刀架重量為12kg.(2)最大動載荷C的計算滾珠絲杠應(yīng)根據(jù)額定動載荷Ca選用，可用式3-5計算：C=，(3-5)L為工作壽命，單位為10r,L=60nt/10;n為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）,n=;v為最大切削力條件下的進給速度（m/min）,可取最高進給速度的1/2~1/3;L0為絲杠的基本導程，查資料得L。=12mm；fm為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，因為此時是有沖擊振動，所以取fm=1.5。V縱向=1.59mm/r1400r/min=2226mm/minn縱向=v縱向1/2/L。=22261/2/12=92.75r/minL=60nt/10=6092.7512000/10=83.5則C==1.51790.68=11740(N)初選滾珠絲桿副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷Ca不得小于最大動載荷C:因此有Ca>C=11740N.另外假如滾珠絲杠副有可能在靜態(tài)或低速運轉(zhuǎn)下工作并受載，那么還需考慮其另一種失效形式-滾珠接觸面上的塑性變形。即要考慮滾珠絲杠的額定靜載荷Coa是否充分地超過了滾珠絲杠的工作載荷Fm,一般使Coa/Fm=2~3.初選滾珠絲杠為：外循環(huán)，因為內(nèi)循環(huán)較外循環(huán)絲杠貴，并且較難安裝。考慮到簡易經(jīng)濟改裝，所以采用外循環(huán)。因此初選滾珠絲杠的型號為CD63×8-3.5-E型，主要參數(shù)為Dw=4.763mm,L。=8mm,dm=63mm,λ=2o19′，圈數(shù)列數(shù)3.51(3)縱向滾珠絲杠的校核1)傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為=tgλ/tg(λ+φ)=tg2o19′/tg(2o19′+10′)=92%(3-6)2)剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形將引起導程發(fā)生變化，從而影響其定位精度和運動平穩(wěn)性，滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形，絲杠與螺母之間滾道的接觸變形，絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。1_絲杠的拉壓變形量δ1δ1=FmL/EA(3-7)=1790.682280/20.610π(31.5)2=0.0064mm2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2采用有預緊的方式，因此用公式δ2=0.0013(3-8)==0.0028mm在這里=1/3Fm=1/31790.68=597NZ=πdm/Dw=3.1463/4.763=41.53ZΣ=41.533.51=145.36絲杠的總變形量δ=δ1+δ2=0.0064+0.0028=0.0092mm<0.012mm查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差為0.012mm,故所選絲杠合格。3)壓桿穩(wěn)定性驗算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷為Fk=fzπEI/L（3-9）式中：E為絲杠材料彈性模量，對鋼E=20.610Mpa;I為截面慣性矩，對絲杠圓截面I=πd1/64（mm）(d1為絲杠的底徑)；L為絲杠的最大工作長度（mm）;fz為絲杠的支撐方式系數(shù)由表3-1查得。表3.1：方式兩端端自由一端固定一端自由兩端固定兩端簡支Fz0.252.04.01.0由=fzπEI/L且fz=2.0，E=20.610Mpa，I=πd1/64,L=2800mm為絲杠的長度由于 I=πd1/64=π(63-5.953)/64=3.1457.047/64=517903mm=23.1420.610517903/(2800)=727959=727959/1857=392>>4所以絲杠很穩(wěn)定。3.1.4．橫向滾珠絲杠螺母副的型號選擇與校核步驟(1)型號選擇1)最大工作載荷計算由于導向為貼塑導軌，則：k=1.4f′=0.05，F(xiàn)l為工作臺進給方向載荷，F(xiàn)l=2144N，F(xiàn)v=5360N，F(xiàn)c=1340N，G=60kg，t=12000h，最大工作載荷：Fm=kFl+f′(Fv+2Fc+G)=1.42144+0.05(5360+21340+9.875)=3452.6N2)最大動負載的計算v橫=1400r/min0.79mm/r=1106mm/minn橫絲=v橫1/2/L?？v=11061/2/5=110.6r/minL=60nt/10=1106110.612000/10=99.54C=fmFm=99.541.53352.6=23283.8N初選滾珠絲杠型號為:CD50×6-3.5-E其基本參數(shù)為Dw=3.969mm，λ=2°11′，L。=6mm，dm=50mm，圈數(shù)列數(shù)3.51(2)橫向滾珠絲杠的校核1)傳動效率計算η=tgλ/tg(λ+φ)=tg2°11′/tg(2°11′+10′)=93%2)剛度驗算1絲杠的拉壓變形量δ1=±FmL/EA=±3352.6320/20.610π252=±0.0026mm2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量δ2=0.0013=0.0013=0.0099mm在這里Fyj===1118NZ=dm/Dw=3.1450/3.969=39.56ZΣ=39.563.51=138.48絲杠的總變形量δ=δ1+δ2=0.0026+0.0099=0.0125mm<0.012mm查表知E級精度絲杠允許的螺距誤差為0.012mm,故所選絲杠合格。3.2減速器箱體的設(shè)計一般機床數(shù)控設(shè)計后，經(jīng)濟型數(shù)控車床的脈沖當量是一不可改變的值，為了實現(xiàn)多脈沖當量的任意選擇，我們可在步進電機與滾珠絲杠間加一個減速機構(gòu)，下面即是對減速機構(gòu)的設(shè)計過程。由任務(wù)書中可知縱向和橫向的脈沖當量分別為：縱向0.010.0080.005橫向0.0050.0040.0025為減少減速機構(gòu)的體積設(shè)定中心距A=(z1+z2)m/2=67.5其中m=1.5z1+z2=90(齒)則以橫向脈沖計算為例i=z1/z2=45/45時，則脈沖當量為0.005mmi=z1/z2=40/50時，則脈沖當量為0.004mmi=z1/z2=30/60時，則脈沖當量為0.0025mm因此縱向與橫向的減速機構(gòu)可以相同，為了降低成本將橫縱減速器結(jié)構(gòu)設(shè)置為一樣。3.2.1．軸的計算：（縱向輸入軸）由公式：d≥=A（3-10）可初選軸的直徑由于T=5N.m,由于采用的是45號鋼，正火硬度[]為170-217HBS,扭曲疲勞極限-1=124，軸材料的許用切應(yīng)力為45MPa則對于縱向輸入軸：d輸入=（3-11）==8.2mm在這里，d為軸的直徑(mm),T為軸傳遞的轉(zhuǎn)矩（N.mm）,[]為軸材料的許用切應(yīng)力（MPa）,則縱向輸入軸軸徑取18mm,輸出軸軸徑取25mm對于橫向輸入軸：d輸入=（3-12）==12mm橫向輸入軸軸徑可取18mm，輸出軸軸徑可取25mm。綜上可知：縱向與橫向可用一種減速機構(gòu)。軸材料為45號鋼，精度5級。3.2.2．減速器箱體尺寸a=67.5mm下箱體壁厚=0.025a+3≥8則=8上箱蓋壁厚=0.03a+3≥8則=8地角螺釘數(shù)目n由于a≤250mmn=4地角螺釘直徑df=0.036a+12取df=M8齒輪端面與內(nèi)箱壁最小距離2==8mm3.2.3．減速齒輪 第一對齒n45與n45嚙合計算公式為：=1.6d=0.5(D2+D1)L=(1.2~1.5)d一般取l=bC=0.2b但是不小于10R=0.5lN=0.5mnmn為模數(shù)。=（2.5~4）mn但是不小于8mm圖3-1齒輪結(jié)構(gòu)圖因此輸入軸齒輪d=18mm=1.6d=28.8mm=67.5-3-7.5=57mm=0.5(57+28.8)=42.9mm=3.75mmda=67.5mmd。=0.25（57-28.8）=7.05mm=1.2d=21.6mmc=0.221.6=4.32mmr=0.5=2.16mmn=0.51.5=0.75為了更好得使輸入軸與輸出軸嚙合且因D1=28.8〉d=18的原因會導致齒輪的剛度下降，采用圖3-2形狀，以下輸出軸與輸入軸均采用這種圖B結(jié)構(gòu)。圖3-2齒輪結(jié)構(gòu)圖則由上列數(shù)據(jù)可知=21.6mmda=67.5mmd=18mmha=mn=1.5mmhf=1.2mn=1.8mm輸出軸用圖3-2結(jié)構(gòu)則由公式得d=25mm=1.6d=40mm=0.5(57+40)=48.5mm=2.51.5=3.75mmda=67.5mmd。=0.25(57-40)=4.25mm =1.225=30mmc=0.2b30=10mmr=0.5c=5mmn=0.51.5=0.75mm第二對齒n=40與n=50嚙合則輸出齒輪d=25mm=1.5d=40mm=da-2mn-2。=75-21.5-23.75=64.5=0.5(D2+D1)=0.5(64.5+40)=52.25=(2.5-4)=2.51.5=3.75da=Z=1.550=75=1.2d=1.225=30r=0.5c=5c=0.2b=10(不小于10)n=0.51.5=0.75輸入齒輪d=18ha=1.5hf=1.8=1.2d=21.6da=2=1.540=60第三對齒n=30與n=60嚙合時，輸出齒輪d=25D1=1.6d=40Da=Z=601.5=90D2=Da-1.52-2。=90-3-7.5=79.5。=2.51.5=3.75D。=0.5(D2+D1)=0.5(40+79.5)=59.75d。=0.25(D2-D1)=(79.5-40)0.25=9.875=1.2d=1.225=30c=0.2b=0.230=10(不小于10)r=0.5c=5n=0.5mn=0.51.5=0.75輸入齒輪d=18ha=1.5hf=1.8=1.2d=21.6da=Z=1.530=45齒輪精度按：GB10095-886級精度，其適應(yīng)于高速度下平穩(wěn)回轉(zhuǎn)并要求有最高效率和低噪音，傳動效率為99%。減速器簡圖圖3-3減速器簡圖3.3軸承的選擇3.3.1．選型深溝球軸承GB276-82圖3-4深溝球軸承（1）減速器輸入端的軸承選擇：d=18mm，則其型號為：，深溝球軸承型號dDB額定動負荷C額定靜負荷C。極限轉(zhuǎn)速（脂潤滑）1000803182651700N1050N19000r/min（2）減速器輸出端的軸承選擇：d=25mm則其型號為：，深溝球軸承型號dDB額定動負荷C額定靜負荷C。極限轉(zhuǎn)速（脂潤滑）1000805253772900N2000N12000r/min3.3.2校核由于減速器軸的軸向載荷是經(jīng)過60度推力軸承才輸入減速器的所以軸向載荷Fa很小徑向載荷基本也是由于安裝方面誤差所導致所以也很小。軸承合乎要求。3.4軸承蓋的設(shè)計3.4.1悶蓋計算公式：圖3-5悶蓋=D+(2~2.5)d3+2S2(有套環(huán))（3-13）=+(2.5~3)d3=(0.85~0.9)Dd。=d3+（1~2）D≤100mm時n=4D>100mm時n=6m由結(jié)構(gòu)確定，在這里均取3,d3為螺釘直徑.（1）D=26時的尺寸=n-d3-1則d3=2.5取M4的螺釘=26+2.52.5=32.25=32.25+32.5=39.25=0.9D=0.926=23.4m=3（2）D=37d3=2.5mm取M4的螺釘=37+6.25=43.25mm=43.25+7.5=50.75mm=0.937=33.3mmm=3mm3.4.2通蓋圖3-6通蓋=D+(2~2.5)d3+2S2(有套環(huán))=D。+(2.5~3)d3=(0.85~0.9)Dd。=d3+（1~2）D≤100mm時n=4D>100mm時n=6m由結(jié)構(gòu)確定，在這里均取3mm,d3為螺釘直徑.（1）D=6通蓋尺寸，內(nèi)加密封圈d3取M4螺釘 =32.5=39.75=23.4d=18m=3（2）D=37通蓋尺寸d3取M4螺釘=43.25=50.75=33.3d=25m=3選用型號7602025TVP的60゜推力角接觸軸承軸徑d=25mm外徑d=52mm寬度B=12mm球徑Dw=6.35mm球數(shù)Z=16動載荷Ca=22000N靜載荷Coa=44000N預加載荷500N極限轉(zhuǎn)速2600r/min3.5.校核大部分滾動軸承是由于疲勞點蝕而失效的。軸承中任一元件出現(xiàn)疲勞步剝落擴展跡象前院運轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)數(shù)或一定轉(zhuǎn)速下的工作小時數(shù)稱為軸承壽命（指的是兩個套圈間的相對轉(zhuǎn)數(shù)或相對轉(zhuǎn)速）。同樣的一批軸承載相同工作條件下運轉(zhuǎn)，各軸承的實際壽命大不相同，最高和最低的可能相差數(shù)十倍。對一個具體軸承很難預知其確切壽命，但是一批軸承則服從一定的概率分布規(guī)律，用數(shù)理統(tǒng)計的方法處理數(shù)據(jù)可分析計算一定可靠度R或失效概率n下的軸承壽命。實際選擇軸承時常以基本額定壽命為標準。軸承的基本額定壽命是指90%可靠度，常用材料和加工質(zhì)量，常規(guī)運轉(zhuǎn)條件下的壽命，以符號L10(r)或L10h(h)表示。不同可靠度，特殊軸承性能和運轉(zhuǎn)條件時其壽命可對基本額定壽命進行修正，稱為修正額定壽命。標準中規(guī)定將基本額定壽命一百萬轉(zhuǎn)（10r）時軸承所能承受的恒定載荷取為基本額定動載荷C。也就是說，在基本額定動載荷作用下，軸承可以工作10r而不發(fā)生點蝕失效，其可靠度為90%?；绢~定動載荷大，軸承抗疲勞的承載能力相應(yīng)較強。徑向基本額定動載荷Cr對向心軸承（角接觸軸承除外）是指徑向載荷，對角接觸軸承則是指引起軸承套圈間產(chǎn)生相對徑向位移時的載荷徑向分量。對推力軸承，軸向基本額定動載荷Ca是指中心軸向載荷。(1)當量載荷滾動軸承若同時承受徑向和軸向聯(lián)合載荷，為了計算軸承壽命時在相同條件下比較，需將實際工作載荷轉(zhuǎn)化為當量動載荷。在當量動載荷作用下，軸承壽命與實際聯(lián)合載荷下軸承的壽命相同。當量動載荷P的計算公式是：P=（3-14）表3.2軸承滾動當量動載荷計算的X,Y值軸承類型Fa/Core單向軸承雙列軸承Fa/Fr≤eFa/Fr>eFa/Fr≤eFa/Fr>eXYXYXYXY角接觸球軸承α=12°0.0120.38100.441.4711.650.722.390.0290.41.401.572.280.0580.431.301.462.110.0870.461.231.3820.120.471.191.341.930.170.501.121.261.820.290.551.021.141.660.440.561.001.121.630.580.561.001.121.63當量動載荷式中Fr為徑向載荷，N；Fa為軸向載荷，N；X，Y分別為徑向動載荷系數(shù)和軸向動載荷系數(shù)，可由上表查出。上表中，e是一個判斷系數(shù)，它是適用于各種X,Y系數(shù)值的Fa/Fr極限值。試驗證明，軸承Fa/Fr≤e或Fa/Fr>e時其X,Y值是不同的。單列向心軸承或角接觸軸承當Fa/Fr≤e時，Y=0,P=Fr,即軸向載荷對當量動載荷的影響可以不計。深溝球軸承和角接觸球軸承的e值隨Fa/Cor的增大而增大。Fa/Cor反映軸向載荷的相對大小，它通過接觸角的變化而影響e值。=0°的圓柱滾子軸承與滾針軸承只能承受徑向力，當量動載荷Pr=Fr;而=90°的推力軸承只能承受軸向力，其當量動載荷Pa=Fa。由于機械工作時常具有振動和沖擊，為此，軸承的當量動載荷應(yīng)按下式計算：P=fd(XFr+Yfa)沖擊載荷系數(shù)fd由表3.3選取表3.3：載荷性質(zhì)機器舉例fd平穩(wěn)運轉(zhuǎn)或輕微沖擊電機，水泵，通風機，汽輪機1.0~1.2中等沖擊車輛，機床，起重機，冶金設(shè)備，內(nèi)燃機1.2~1.8強大沖擊破碎機，軋鋼機，振動篩，工程機械，石油鉆機1.8~3.0由于軸承載荷與縱向載荷之比：==0.25<e查表得：X=1,Y=0=1.2則：P=Fr=1.25360=6432N(2)基本額定壽命滾動軸承的壽命隨載荷的增大而降低，壽命與載荷的關(guān)系曲線如圖，其曲線方程為：PL10=常數(shù)式中：P-當量動載荷，N;L10-基本壽命，常以10r為單位（當壽命為一百轉(zhuǎn)時，L10=1）;-壽命指數(shù)，球軸承=3，滾子軸承=10/3。由手冊查得的基本額定動載荷C是以L10=1，可靠度為90%為依據(jù)的。由此可列出當軸承的當量動載荷為P時以轉(zhuǎn)數(shù)為單位的基本額定壽命L10為C1=PL10L10=10r若軸承工作轉(zhuǎn)速為nr/min,可求出以小時數(shù)為單位的基本額定壽命L10h==h應(yīng)取L10h≥Lh.L’h為軸承的預期壽命。通常參照機器大修期限決定軸承的預期使用壽命。若已知軸承的當量動載荷P和預期使用壽命L’h，則可按下式求得相應(yīng)的計算額定動載荷C’,它與所選用軸承型號的C值必須滿足下式要求：C≥C=N(3-13)滾動軸承預期使用壽命的薦用值使用條件預期使用壽命h不經(jīng)常使用的儀器和設(shè)備短期或間斷使用的機械，中斷使用不致引起嚴重后果，如手動機械，農(nóng)用機械，裝配吊車，自動送料裝置間斷使用的機械，中斷使用將引起嚴重后果，如發(fā)電站輔助設(shè)備，流水作業(yè)的傳動裝置，帶式運輸機，車間吊車每天8小時工作的機械，但經(jīng)常不是滿載荷使用，如電機，一般齒輪裝置，壓碎機，起重機和一般機械每天8小時工作，滿載荷使用，如機床，木材加工機械，工程機械，印刷機械，分離機，離心機24小時連續(xù)工作的機械，如壓縮機，泵，電機，軋機齒輪裝置，紡織機械24小時連續(xù)工作的機械，中斷使用將引起嚴重后果，如纖維機械，造紙機械，電站主要設(shè)備，給排水設(shè)備，礦用泵，礦用通風機300~30003000~80008000~1200010000~2500020000~3000040000~50000100000由上表查得為20000小時則額定動載荷C’=N=3P=6432NL’h=20000h則C’=18000NC=22000N>C’此軸承合乎要求另外由于橫向絲杠與縱向絲杠采用同一軸承，且載荷小于縱向，因此同理可驗證其是合理的。第4章步進電機的選擇4.1縱向步進電機的選擇4.1.1確定系統(tǒng)的脈沖當量脈沖當量是指一個進給脈沖使機床執(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，脈沖當量應(yīng)根據(jù)機床精度的要求來確定，CA6140的定位精度為±0.012mm，因此選用的脈沖當量為0.01mm/脈沖~0.005mm/脈沖。4.1.2步距角的選擇根據(jù)步距角初步選步進電機型號，并從步進電機技術(shù)參數(shù)表中查到步距角θb，三種不同脈沖分配方式對應(yīng)有兩種步距角。步距角θb及減速比i與脈沖當量δp和絲杠導程L0有關(guān)。初選電機型號時應(yīng)合理選擇θb及i,并滿足：θb≤(δpi360)/L0（4-1）由上式可知：θb≤δpi360/L0=3600.011/10=0.36°初選電機型號為:90BYG5502具體參數(shù)如表4.1所示表4.1：縱向電機步距角相數(shù)驅(qū)動電壓電流90BYG55020.36550V3A靜轉(zhuǎn)矩空載起動頻率空載運行頻率轉(zhuǎn)動慣量重量5N.m2200≥3000040kg.cm4.5kg圖4-1電機簡圖4.1.3矩頻特性：=J=J10(N.cm)由于：nmax=(r/min)則：Mka=J(N.cm)式中：J為傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm）;ε為電機最大角加速度（rad/s）;nmax為與運動部件最大快進速度對應(yīng)的電機最大轉(zhuǎn)速（r/min）;t為運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間（s）;vmax為運動部件最大快進速度（mm/min）;δp為脈沖當量（mm/脈沖）；θb為初選步進電機的步距角[（o）步]，對于軸、軸承、齒輪、聯(lián)軸器，絲杠等圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量計算公式為J=(kg.cm),對于鋼材，材料密度為7.810(kg.cm),則上式轉(zhuǎn)化為J=0.78DL10(kg.cm),式中：Mc為圓柱體質(zhì)量（kg）;D為圓柱體直徑（cm），JD為電動機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，可由資料查出。(1)絲杠的轉(zhuǎn)動慣量JsJs=Js/i，i為絲杠與電機軸之間的總傳動比由于i=1則:Js=0.78DL10=0.78(6.3)17010=208.9(kg.cm)(2)工作臺質(zhì)量折算工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量慣量折算到滾珠絲杠軸上的轉(zhuǎn)動量JG:JG=（）M(kg.cm),式中：L。為絲杠導程（cm）;M為工作臺質(zhì)量（kg）.由于L。=1cm,M=90kg則：JG=（）M=90=2.28(kg.cm)1）一對齒輪傳動小齒輪裝置在電機軸上轉(zhuǎn)動慣量不用折算，為J1.大齒輪轉(zhuǎn)動慣量J2折算到電機軸上為=J2()2）兩對齒輪傳動傳動總速比i=i1i2,二級分速比為i1=z2/z1和i2=z4/z3.于是，齒輪1的轉(zhuǎn)動慣量為J1,齒輪2和3裝在中間軸上，其轉(zhuǎn)動慣量要分別折算到電機軸上，分別為J2()和J3().齒輪4的轉(zhuǎn)動慣量要進行二次折算或以總速比折算為：=J4()()（4-2）因此，可以得到這樣的結(jié)論：在電機軸上的傳動部件轉(zhuǎn)動慣量不必折算，在其他軸上的傳動部件轉(zhuǎn)動慣量折算時除以該軸與電機軸之間的總傳動比平方。由于減速機構(gòu)為一對齒輪傳動，且第一級i=1,則可分別求出各齒輪與軸的轉(zhuǎn)動慣量如下：n=45,m=1.5的轉(zhuǎn)動慣量J45,其分度圓直徑d=451.5=67.5mmS=27mm則:J45=0.786.7510=4.371kg.cmn=40,m=1.5的轉(zhuǎn)動慣量J40,其分度圓直徑d=401.5=60mmS=27mm則:J40=0.78610=2.73kg.cmn=30,m=1.5的轉(zhuǎn)動慣量J30,其分度圓直徑d=301.5=45mmS=27mm則:J30=0.784.510=0.964kg.cmn=45,m=1.5的轉(zhuǎn)動慣量J45,其分度圓直徑d=451.5=67.5mmS=30mm則:J45=0.786.7510=4.9538kg.cmn=50,m=1.5的轉(zhuǎn)動慣量J50,其分度圓直徑d=501.5=75mmS=30mm則:J50=0.787.510=7.548kg.cmn=60,m=1.5的轉(zhuǎn)動慣量J60,其分度圓直徑d=601.5=90mmS=30mm則:J60=0.78910=12.66kg.cm兩輸入輸出軸的轉(zhuǎn)動慣量為:J輸入=0.781.81310=0.106kg.cm;L=130mmJ輸出=0.782.51310=0.396kg.cm;L=130mm查表得：JD=4kg.cm綜上可知：J=JD+Js+JG+J30+J40+J60+J50+2J45（4-3）=252.302kg.cm又由于V=1.461600=2236mm/min則：Mka=252.30210=41.1N.cm(3)力矩的折算：1）Mkf空載摩擦力矩Mkf=（4-4）式中：G為運動部件的總重力（N）；f′為導軌摩擦系數(shù)；i為齒輪傳動降速比；η為傳動系統(tǒng)總效率，一般取η=0.7~0.85；L。為滾珠絲杠的基本導程（cm）。由于G=9010=900N,f=0.05,i=1,η=0.85則Mkf==8.4N.cm2）M。附加摩擦力矩M。=(1-η。)（4-5）式中：Fyj為滾珠絲杠預加負載，即預緊力，一般取1/3Fm;Fm為進給牽引力（N）,η。為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取η。≥0.9得Fyj=1/3Fm=1/31728.8=576.3N又L。=10mm，η=0.95則M。==96.6N.cm則=++M。=41.1+8.4+96.6=140N.cm由于≤=λ則所選步進電機為五相十拍的經(jīng)表查得：λ=0.951則=1.67N.m<λ=0.955=4.75N.m所以所選步進電機合乎要求4.1.4據(jù)步進電機的矩頻特性計算加減速時間校核的快速性T=(fn-f0)（4-6）式中：T為加減速時間，Jr和Jl分別為轉(zhuǎn)子，負載的轉(zhuǎn)動慣量（kg.m）β為電機得步距角（°），Tcp,Tl為電機最大平均轉(zhuǎn)矩，負載轉(zhuǎn)矩（N.m）f。,fn為起始加速時，加速終了時的頻率（Hz）由于 Jr=0.410kg.mJl=0.0252kg.mβ=0.36°Tcp=5N.mTl=1.67N.mf0=2200Hzfn=30000Hz則T=(30000-2200)=1.2s<1.5s所以選此步進電機能滿足要求。矩頻特性曲線4.2橫向步進電機的選擇4.2.1步距角的確定θb≤δpi360/L。(4-7）L。=6mm,i=1,δp=0.005θb≤0.3初選電機型號為:110BYG5602橫向電機步距角相數(shù)驅(qū)動電壓電流110BYG56020.3580V3A靜轉(zhuǎn)矩空載起動頻率空載運行頻率轉(zhuǎn)動慣量重量16N.m2500≥3500012kg.cm16kg圖4-2電機簡圖4.2.2距頻特性(1)力矩的折算1)空載摩擦力矩Mkf=Gf′L。/2πηiG=6010=600Nf′=0.05L。=6mmη=0.8==3.5(N.cm)2)附加摩擦力矩M。=(1-η。)(N.cm)Fyj=1/3Fm=1/33433.6=1144.5NL。=6M。==112N.cm(2)轉(zhuǎn)動慣量的折算1)滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量Js=0.78DL10D=4cmL=26cmJs=0.78DL10=0.78(4)2610=5.19N.cm2)工作臺轉(zhuǎn)動慣量JG=M（4-8）L。=0.6cmM=60kgJG=M=60=0.54(kg.cm)(3)多脈沖減速裝置的轉(zhuǎn)動慣量折算Z=30d=mz=1.530=45mmJ=0.78DL10=0.784.51.810=0.58kg.cmZ=40d=mz=1.540=60mmJ=0.78DL10=0.7861.810=1.82kg.cmZ=45d=mz=1.545=67.5mmJ=0.78DL10=0.786.751.810=2.92kg.cmZ=50d=mz=1.550=75mmJ=0.78DL10=0.787.51.810=4.44kg.cmZ=60d=mz=1.560=90mmJ=0.78DL10=0.7891.810=9.2kg.cm又由于J輸入=0.106kg.cmJ輸出=0.396kg.cmJD=12.8kg.cm則J=Js+JG+JJ=58kg.cmMka=J10vmax=0.781600=1248mm/mint=1.5sδp=0.005θb=0.3°Mka=50=7.257N.cmMkq=Mka+Mkf+M0=7.527+3.5+112=125.7N.cm又Mkq≤λMjmax步進電機為五相十拍λ=0.95Mjmax=16N.mMkq=1.257N.m<0.9516=12.2N.m所以此步進電機符合條件(4)上升時間校核t=(fn-f0)Jr=1.5810kg.mJl=5.810kg.mβ=0.3Tcp=16N.mTl=1.257N.mf0=2500Hzfn=35000Hzt=(35000-2500)=0.086s<1.5s合乎要求三）110BF003型直流步進電機主要技術(shù)參數(shù)電機型號相數(shù)步驅(qū)角電壓相電流最大轉(zhuǎn)矩最高空載啟動率110BF00330.758067.84（80）1200運行頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量線圈電阻分配方式重量外徑長度軸徑700046.06(4.7)0.37三相六拍611016011參考價原型號350BFG090811（四）110BF004型直流步進電機主要技術(shù)參數(shù)電機型號相數(shù)步驅(qū)角電壓相電流最大轉(zhuǎn)矩最高空載啟動率110BF00430.753044.9（50）500運行頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量線圈電阻分配方式重量外徑長度軸徑34.3(3.5)0.76三相六拍5.511011011參考價原型號350BFG09041111

第5章微機控制系統(tǒng)設(shè)計5.1控制系統(tǒng)的功能要求1．z向和x向進給系統(tǒng)運動的設(shè)計；2．自動回轉(zhuǎn)刀架設(shè)計；3．螺紋加工設(shè)計；4．行程控制；5．鍵盤輸入及輸出的顯示；6．面板管理；7．其他功能：功率放大、急停、光電隔離、報警、復位。5.2硬件電路的組成后面所畫大圖采用MCS-51系列單片機組成的控制系統(tǒng)硬件電路原理圖。電路的組成如下：1．CPU采用8031芯片；2．擴展程序存儲器2764兩片，6264一片；3．擴展可編程接口芯片8155兩片；4．地址鎖存器，譯碼器個一個；5．鍵盤電路，顯示電路；6．光電隔離電路，功率放大功率；7．越程報警電路，急停電路，復位電路；8．面板管理電路。由于MCS—51系列單片機在我國機床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價廉，普及性、通用性強，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟型數(shù)控車床改造的需要。C6140數(shù)控改造以8031CPU組成的單板機為數(shù)控控制系統(tǒng)。也可直接購買國內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置。5.3設(shè)計說明5.3.1硬件配置存貯器選用1片4K×8的2732EPROM和1片8K×8位的6234RAM。監(jiān)控程序固化在2732EPROM內(nèi)，各功能模塊程序及常用零件的的加工存放在2732EPROM內(nèi)。1片6234RAM做為調(diào)試程序存放和運行程序的中間數(shù)據(jù)存放用。I/O接口芯片選用8155可編程I/O擴展接口，它的A口做為X、Y進給系統(tǒng)步進脈沖的輸出口，其中PA0~PA2為X向的輸出口，PA3~PA5為Y向輸出口。B口為為位控方式，其中PB4~PB7為-Y、+Y、-X、+X的行程越位信號輸入。顯示由8位LED構(gòu)成，具有24鍵的鍵盤。5.3.2存貯器空間分配單板機可尋址范圍是64K字節(jié)，板上提供的插座占16K，已插入的芯片占10K，其余以備擴展使用。其存貯空間分配如下：0000H~07FFH2KBEPROM放監(jiān)控程序0800H~0FFFH2KBEPROM放零件加工程序1000H~17FFH2KBRAM調(diào)試程序2000H~27FFH2KBRAM測試程序等5.3.3I/O口地址分配單板機設(shè)置I/O口地址為80~9FH共32個口地址，分配如下。80H~83HMCS—51803184H~87H字形鎖存88H~8BH字位鎖存8CH~8FH讀鍵值90H~9FH用戶使用5.3.4光電隔離電路在步進電機驅(qū)動電路，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)過放大后，控制步進電機的勵磁繞組。由于步進電機需要的驅(qū)動電壓數(shù)高，電流也較大，如果將I/O口輸出信號直接與功率放大電路相連，將引起電路干擾，輕則影響計數(shù)機程序的正常運行，重則導致接口電路的破壞。因此一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實行電氣隔離使用最多的是光電耦合器。如下圖5-1所示：圖5-1光電耦合器5.3.5程序存儲器的擴展MCS-5系列單片機的特點之一是硬件電路設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對于簡單的應(yīng)用場合，MCS-51系列的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片EPROM就能滿足功能的要求，對于復雜的應(yīng)用場合，可利用MCS-51的擴展功能，構(gòu)成功能強、規(guī)模較大的系統(tǒng)。MCS-51的程序存儲器的尋址空間為64K字節(jié)，8031片內(nèi)不帶ROM，EPROM作為程序存儲器。常用的半導體ROM芯片有：2732、27218、2716、2764、27256、27512等。2764、27256、27218、27512芯片均為8腳雙列直插式扁平封裝芯片，本設(shè)計中采用兩片2764，其引腳如下圖5-2所示：1．ROM及引腳的選擇選擇2764（8K×8）半導體芯片。晶體頻率選用6MHz，其所能提供的讀取時間t小于480ms，故其芯片在時序上滿足要求。2764芯片的引腳排列與兼容特性如下圖5-2所示：圖5-22764芯片的引腳2．地址鎖存器的設(shè)計與選擇由于單片機8031芯片的口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器。選擇74LS373芯片。74LS373芯片是帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器。其引腳及與8031芯片連接見下圖5-3所示：圖5-374LS373芯片與8031芯片連接其真值表見下表5-1：表5-1EGDQLHHHLHLLLLX注釋：L—低電平；H—高電平；X—不定態(tài)；Q0—建立穩(wěn)態(tài)前Q的電平；G—輸入端，與8031ALE連高電平：暢通無阻；低電平：關(guān)門所存；—使能端，接地。當G=“1”時，74LS373輸出端1Q~8Q與輸入端1D~8D相同當G為下降沿時，將輸入數(shù)據(jù)鎖存。5.3.6數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于8031芯片內(nèi)部RAM芯片只有128字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的需要，需擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器RAM。常用的靜態(tài)RAM芯片有6116、6264、62256等。6264、62256均采用CMOS工藝，由單一5V供電，典型存取時間為150-200ns。它們均采用28腳雙列直插式片平封裝。圖5-46264靜態(tài)RAM芯片5.3.7并行I/O接口電路的擴展8031單片機共有四個8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口和部分P3口。因此，在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都需要擴展I/O口芯片。Intel公司常用外圍接口芯片有：8155：可編程的RAM/IO的擴展接口（1個6位口、2個8位口、256個RAM單元、一個14位的定時/計數(shù)器）。8255：可編程通用并行接口（3個8位口）。8253：3個16位的可編程的定時/計數(shù)器。8279：可編程鍵盤、顯示電路。8243：4個4位口I/O擴展接口電路。此外，74LS系列的LSTTS電路或MOS電路也可作MCS-51單片機的擴展I/O口，如74LS373、74LS377等。本設(shè)計中使用兩片8155可編程接口芯片。1．8155的結(jié)構(gòu)及其引腳8155有3個可編程并行I/O端口：A口、B口、C口。其中，A口和B口是八位，C口是6位；1個14位可編程定時/計數(shù)器和256B的靜態(tài)RAM，能方便的進行I/O擴展和RAM擴展，其引腳下圖5-5所示：圖5-58155引腳8155共有40個引腳，按其功能特點分類說明如下：（1）地址數(shù)據(jù)線：ADO~AD7是低八位地址和數(shù)據(jù)共用輸入口，當ALE=1時，輸入的是地址信息，否則是數(shù)據(jù)信息。所以ADO~AD7應(yīng)與MCS-51的P0口相連。（2）端口線：PA0~PA7、PB0~PB7用于8155與外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)，PC0~PC5既可用于8155與外設(shè)之間傳送數(shù)據(jù)，也可作為A口、B口的控制信號線。（3）地址鎖存線：在ALE下降沿將單片機P0口輸出的低８位地址信息及、的狀態(tài)都所存到內(nèi)部寄存器，因此，單片機P0口輸出的。（4）RAM或I/O口選擇線:當=0時，選中8155的片內(nèi)RAM，ADO~AD7為RAM地址；若=1時，選中8155片內(nèi)3個I/O端口及命令/狀態(tài)寄存器和定時/計數(shù)器。（5）片選線：為低電平時選中8155。（6）度、寫線：、控制對8155的讀/寫操作。（7）定時/計數(shù)器的脈沖輸入、輸出線：TIMERIN是外界向8155輸入計數(shù)脈沖的輸入端，是8155向外界輸出脈沖或方波的輸出端。2．8155的工作方式（1）作為256BRAM使用時，將引腳置低電平，這時8155只能作片外RAM使用，其尋址范圍由片選線和ADO~AD7決定，與應(yīng)用系統(tǒng)中其他數(shù)據(jù)存儲器統(tǒng)一編址。（2）作為擴展I/O口使用時，引腳必須為高電平，這時PA、PB、PC的口地址低八位，分別為01H、02H、03H。（3）作為定時/計數(shù)器用時，8155的可編程定時計數(shù)器實際上是一個14位減法器，在TIMERIN端輸入計數(shù)脈沖，計數(shù)溢出時，由TIMEROUT輸出脈沖或方波。當TIMERIN接外部脈沖時為計數(shù)方式，連接系統(tǒng)脈沖時，可作為定時方式，但需要注意芯片允許的最高計數(shù)頻率。5.4譯碼電路設(shè)計8031單片機允許擴展64K數(shù)據(jù)存儲器和64K程序存儲器（包括I/O口芯片）。因此，外圍芯片要擴展多個，因而需要把外部地址空間分配給這些芯片，并且使程序存儲器各芯片之間、數(shù)據(jù)存儲器各芯片之間地址互相不重疊，以使單片機訪問外部存儲器時，避免發(fā)生沖突。當8031數(shù)據(jù)總線分時地與各個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送時，首先要進行片選，而當片內(nèi)有許多單元時，還要進行片內(nèi)地址選擇。由于系統(tǒng)容量較大，擴展的外圍芯片較多，芯片所需的片選信號多于可利用的地