CK5116A立式車床數(shù)控畢業(yè)論文

1、 摘 要針對(duì)現(xiàn)有常規(guī)CK5116A立式車床數(shù)控的缺點(diǎn)提出數(shù)控改裝方案和單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高加工精度和擴(kuò)大機(jī)床使用范圍，并提高生產(chǎn)率。本論文說明了普通車床的數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)過程，較詳盡地介紹了CK5116A機(jī)械改造部分的設(shè)計(jì)及數(shù)控系統(tǒng)部分的設(shè)計(jì)。采用以8031為CPU的控制系統(tǒng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖，經(jīng)一級(jí)齒輪傳動(dòng)減速后，帶動(dòng)滾動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)縱向、橫向的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。改造過程如下：（1）機(jī)械部分的改造，包括縱向進(jìn)給方向的改造和橫向進(jìn)給方向的改造。主要包括對(duì)滾珠絲杠螺母副及反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇及縱向、橫向機(jī)構(gòu)裝配圖方案的制定。（2）電氣控制部分的設(shè)計(jì)，主要包括MCS-51系

2、列單片機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用和電氣控制圖的設(shè)計(jì)。關(guān)鍵詞：數(shù)控;單片機(jī);步進(jìn)電機(jī);滾珠絲杠;改造 1 目 錄摘 要 1引 言 3第1章 總體方案的設(shè)計(jì) -51.1 設(shè)計(jì)任務(wù)-51.2 總體方案的論證-51.2.1 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì) -71.2.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) -81.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì) 81.3 總體方案的確定 -9第2章 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì) 102.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 102.1.1 縱向滾珠絲杠副的選用102.1.2 步進(jìn)電機(jī)的選用-162.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)-192.2.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的選用 202.2.2 橫向步進(jìn)電機(jī)的選用 252.

3、3 齒輪傳動(dòng)間隙的調(diào)整 27第3章 電氣控制部分的設(shè)計(jì) 303.1 單片機(jī)的選擇 303.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 313.2.1 環(huán)形脈沖分配器的選擇-313.2.2 功率放大器的選用-323.3 步進(jìn)電機(jī)的微機(jī)控制-35 結(jié)論 37參考文獻(xiàn) 38 2 引 言畢業(yè)設(shè)計(jì)是機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)教學(xué)計(jì)劃的一個(gè)重要組成部分，是各教學(xué)環(huán)節(jié)的繼續(xù)深化和檢驗(yàn)，其實(shí)踐性和綜合性是其他教學(xué)環(huán)節(jié)所不能替代的，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)使學(xué)生獲得綜合訓(xùn)練，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)際工作能力具有十分重要的作用。畢業(yè)設(shè)計(jì)還是高等學(xué)校工科學(xué)院學(xué)生畢業(yè)前進(jìn)行的全面綜合訓(xùn)練，是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)與技能解決實(shí)際問題的教學(xué)環(huán)節(jié)，是學(xué)生在校獲得的

4、最后訓(xùn)練機(jī)會(huì)，也是對(duì)學(xué)生在校期間所獲得知識(shí)的體驗(yàn)。這次設(shè)計(jì)的題目是： CK5116A立式車床數(shù)控的數(shù)控化改造現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，特別是能源部門的需求，使高溫高壓水廣泛應(yīng)用于相關(guān)的領(lǐng)域中，對(duì)國民生產(chǎn)和人民生活起著越來越重要的作用，例如： 機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，促使機(jī)床的控制信息出現(xiàn)了質(zhì)的突破，導(dǎo)致了應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行柔性自動(dòng)化控制的新一代機(jī)床數(shù)控機(jī)床的誕生和發(fā)展。計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動(dòng)化的理想手段。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本

5、的轉(zhuǎn)變。數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，并開創(chuàng)機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。數(shù)控機(jī)床是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它把刀具和工件之間的相對(duì)位置，機(jī)床電機(jī)的啟動(dòng)和停止，主軸變速，工件松開和夾緊，刀具的選擇，冷卻泵的起停等各種操作和順序動(dòng)作等信息用代碼化的數(shù)字記錄在控制介質(zhì)上，然后將數(shù)字信息送入數(shù)控裝置或計(jì)算機(jī)，經(jīng)過譯碼，運(yùn)算，發(fā)出各種指令控制機(jī)床伺服系統(tǒng)或其它的執(zhí)行元件，加工出所需的工件。數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床相比，其主要有以下的優(yōu)點(diǎn)：1. 適應(yīng)性強(qiáng)，適合加工單件或小批量的復(fù)雜工件；在數(shù)控機(jī)床上改變加工工件時(shí)，只需重新編制新工件的加工程序，就能實(shí)現(xiàn)新工

6、件加工。2. 加工精度高；3. 生產(chǎn)效率高；4. 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，改善勞動(dòng)條件；5. 良好的經(jīng)濟(jì)效益；6. 有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化。數(shù)控機(jī)床已成為我國市場需求的主流產(chǎn)品，需求量逐年激增。我國數(shù)控機(jī)機(jī)床近幾年在產(chǎn)業(yè)化和產(chǎn)品開發(fā)上取得了明顯的進(jìn)步，特別是在機(jī)床的高速化、多軸化、復(fù)合化、精密化 3 方面進(jìn)步很大。但是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與先進(jìn)國家的同類產(chǎn)品相比，還存在差距，還不能滿足國家建設(shè)的需要。我國是一個(gè)機(jī)床大國，有三百多萬臺(tái)普通機(jī)床。但機(jī)床的素質(zhì)差，性能落后，單臺(tái)機(jī)床的平均產(chǎn)值只有先進(jìn)工業(yè)國家的1/10左右，差距太大，急待改造。舊機(jī)床的數(shù)控化改造，顧名思義就是在普通機(jī)床上增加微機(jī)控制裝置，使其具有一定

7、的自動(dòng)化能力，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定的加工工藝目標(biāo)。 隨著數(shù)控機(jī)床越來越多的普及應(yīng)用，數(shù)控機(jī)床的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益為大家所理解。在國內(nèi)工廠的技術(shù)改造中，機(jī)床的微機(jī)數(shù)控化改造已成為重要方面。許多工廠一面購置數(shù)控機(jī)床一面利用數(shù)控、數(shù)顯、PC技術(shù)改造普通機(jī)床，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國經(jīng)濟(jì)資源有限，國家大，機(jī)床需要量大，因此不可能拿出相當(dāng)大的資金去購買新型的數(shù)控機(jī)床，而我國的舊機(jī)床很多，用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)改造普通機(jī)床，在投資少的情況下，使其既能滿足加工的需要，又能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，比較符合我國的國情。1984年，我國開始生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)，并用于改造舊機(jī)床。到目前為止，已有很多廠家生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)?？梢灶A(yù)料，今

8、后，機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造將迅速發(fā)展和普及。所以說，本畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)例具有典型性和實(shí)用性。 4 第1章 總體方案的設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)任務(wù)是對(duì)CK5116A普通車床進(jìn)行數(shù)控改造。利用單片機(jī)對(duì)縱、橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制，縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖，驅(qū)動(dòng)元件采用步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)系統(tǒng)采用滾珠絲杠副。1.2 總體方案的論證對(duì)于普通機(jī)床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造，在確定總體設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)考慮在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，對(duì)機(jī)床的改動(dòng)應(yīng)盡可能少，以降低成本。一般數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)包括以下五大要素和功能，其圖如下： - 5 此五個(gè)要素的工作結(jié)構(gòu)示意圖如下： 1、輸入、輸出設(shè)備

9、主要作用：編制程序、輸入數(shù)據(jù)，程序輸出、顯示器。2、微機(jī)控制設(shè)備可先用專用計(jì)算機(jī)PC、PLC、或者單片機(jī)。功能：完成零件的測量及精度的保證，產(chǎn)生脈沖信號(hào)。在我國，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU和MCS-51系列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋?，普及性、通用性?qiáng)，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。本設(shè)計(jì)中是以MCS-51系列單片機(jī)，51系列相對(duì)48系列指令更豐富，相對(duì)96系列價(jià)格更便宜，51系列中，是無ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計(jì)以8031芯片為核心，增加存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、接口和

10、面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。3、伺服系統(tǒng)包括：伺服電機(jī)、伺服控制系統(tǒng)線路、驅(qū)動(dòng)電路、執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能：將微機(jī)控制設(shè)備產(chǎn)生的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化為電機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度和位移。伺服電機(jī)有：功率步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)、交流電機(jī)。本設(shè)計(jì)選用 步進(jìn)電機(jī)作拖動(dòng)元件。因?yàn)閿?shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令僅使床鞍運(yùn)動(dòng)而沒有位置檢測和信號(hào)反饋，故實(shí)際移動(dòng)值和系統(tǒng)指令如果有差別就會(huì)造成加工誤差。4、測量反饋裝置測量系統(tǒng)有接觸觸發(fā)式測頭、信號(hào)傳輸系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成，是數(shù)控機(jī)床在線 6 檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵部分，直接影響著在線檢測的精度。其中關(guān)鍵部件為測頭，使用測頭可在加工過程中進(jìn)行尺寸測量，將執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度、位置信號(hào)測量出來反饋到控制裝置中。根

11、據(jù)測量結(jié)果修改加工程序，改善加工精度，使得數(shù)控機(jī)床既是加工設(shè)備，又兼具測量機(jī)的某種功能。我的這次車床的改造，因?yàn)槭呛喴椎母脑欤覀冞@次改造就沒有使用測量反饋裝置。5、機(jī)械傳動(dòng)包括傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作臺(tái)、床身、支柱等。6、輔助控制 、 手動(dòng)（點(diǎn)動(dòng)）、限位、緊急停車的實(shí)現(xiàn)。1.2.1 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的機(jī)械部分在剛度、精度、速度、摩擦磨損等方面較普通機(jī)床有更高的要求。因此，不能簡單地認(rèn)為將數(shù)控裝置與普通機(jī)床連接在一起就達(dá)到了機(jī)床數(shù)控改造的目的。而是應(yīng)該從機(jī)床自身的價(jià)值考慮，分析改造要達(dá)到的目標(biāo)和所需投入。從該機(jī)床在本單位產(chǎn)品制造中的地位和重要程度來分析改造價(jià)值。對(duì)被改造機(jī)床的結(jié)構(gòu)、性能、精度等

12、技術(shù)現(xiàn)狀作全面分析。其中包括機(jī)床原來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否符合改造要求，部件結(jié)構(gòu)是否仍然完好，各坐標(biāo)軸的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)及導(dǎo)軌副的形式等是否適用，各項(xiàng)精度是否滿足要求，機(jī)床在加工中是否存在故障和歷史上有無出現(xiàn)過重大故障。從該機(jī)床的投入產(chǎn)出率估算，確定最終改造方案。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)床所要求的分辨率，采用步進(jìn)電機(jī)經(jīng)齒輪減速再傳動(dòng)絲杠。為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，為了提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加負(fù)載荷的結(jié)構(gòu)。傳動(dòng)齒輪也要采用消除齒側(cè)間隙的結(jié)構(gòu)。此設(shè)計(jì)過程主要是縱向進(jìn)給和橫向進(jìn)給的改造，關(guān)鍵是步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠的選用。 7 改進(jìn)后的車床簡易傳動(dòng)系統(tǒng)如圖1-1： 圖1-

13、1 改進(jìn)后的車床傳動(dòng)系統(tǒng)1.小刀架 2.橫向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 3.橫向滾珠絲桿 4.大拖板5.縱向滾珠絲桿 6.縱向步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 1.2.2 伺服進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，它既是數(shù)控系統(tǒng)CNC系統(tǒng)與刀具、主軸間的信息傳遞環(huán)節(jié)，又是能量放大與傳遞的環(huán)節(jié)。它的性能在很大程度上決定了數(shù)控機(jī)床的性能。例如，數(shù)控機(jī)床的最高移動(dòng)速度、跟蹤精度、定位精度等重要指標(biāo)均取決于伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)按控制方式分為開環(huán)控制系統(tǒng)、半閉環(huán)控制系統(tǒng)和閉環(huán)控制系統(tǒng)三類。因?yàn)殚_環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)制造容易、控制精度較好、容易調(diào)試、價(jià)格便宜、使用維修方便等優(yōu)點(diǎn)。所以，本設(shè)計(jì)決定采用開

14、環(huán)控制系統(tǒng)。1.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)任何一個(gè)數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，性能的好壞直接影響整體數(shù)控系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行。在設(shè)計(jì)的數(shù)控裝置中，CPU的選擇是關(guān)鍵，選擇CPU應(yīng)考慮以下要素：1.時(shí)鐘頻率和字長與被控對(duì)象的運(yùn)動(dòng)速度和精度密切相關(guān)；2. 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器的容量與數(shù)控功能的強(qiáng)弱相關(guān)； 8 3. I/O口擴(kuò)展的能力與對(duì)外設(shè)控制的能力相關(guān)。在我國，普通機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍的是Z80CPU和MCS-51系列單片機(jī)，主要是因?yàn)樗鼈兊呐涮仔酒阋?，普及性、通用性?qiáng)，制造和維修方便，完全能滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的改造需要。本設(shè)計(jì)以8031芯

15、片為核心，增加存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。1.3 總體方案的確定經(jīng)總體設(shè)計(jì)方案的論證后，確定CK5116A車床經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造方案。CK5116A車床的主軸轉(zhuǎn)速部分保留原機(jī)床的功能，即手動(dòng)變速。車床的縱向（Z軸）和橫向（X軸）進(jìn)給運(yùn)動(dòng)采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。將原來機(jī)床的普通絲杠改為滾珠絲杠以減小摩擦力。并將8031單片機(jī)組成的微機(jī)作為數(shù)控裝置的核心，由I/O接口、環(huán)形分配器與功率放大器一起控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)齒輪減速后帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)車床的縱向、橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。 9 第2章 機(jī)械部分的改造設(shè)計(jì)2.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)在對(duì)進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，一般都應(yīng)該把原來的進(jìn)給

16、變速傳動(dòng)裝置及操縱機(jī)構(gòu)全部拆除。而每個(gè)方向的進(jìn)給傳動(dòng)都改由各自獨(dú)立的功率步進(jìn)電機(jī)，經(jīng)減速齒輪直接與帶動(dòng)滑板移動(dòng)的絲杠連接，分別實(shí)現(xiàn)各坐標(biāo)方向的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行各坐標(biāo)的控制。例如普通機(jī)床的簡易化數(shù)控改裝，通常都是把原來由主軸箱到進(jìn)給箱的傳動(dòng)路線切斷，且將溜板箱拆除，直接把齒輪減速箱和功率步進(jìn)電機(jī)安裝在縱向絲杠的右端和橫向絲杠的外端。在對(duì)機(jī)床進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)改裝的同時(shí)，也要對(duì)此傳動(dòng)系統(tǒng)中的傳動(dòng)裝置元件進(jìn)行相應(yīng)的改造。具體如下：（1）絲杠。絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)裝置。改造時(shí)，為了滿足數(shù)控機(jī)床上較高精度零件的加工要求，應(yīng)該用滾珠絲杠螺母副替換原普通機(jī)床上的梯形絲杠螺母副。滾珠絲杠螺母副把傳動(dòng)絲杠與

17、螺母之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)榱藵L動(dòng)摩擦，使摩擦損失減小，精度保持性、傳動(dòng)平穩(wěn)性、傳動(dòng)效率等都得以提高。其傳動(dòng)效率可達(dá)到92%98%，是普通絲杠螺母副的34倍。（2）機(jī)床導(dǎo)軌。為了使改造后的機(jī)床有較高的開動(dòng)率和精度保持性，應(yīng)充分考慮機(jī)床導(dǎo)軌的耐磨性。當(dāng)前國內(nèi)普通機(jī)床床身等大件多采用普通鑄鐵，其摩擦系數(shù)較大。改造中，在對(duì)達(dá)不到預(yù)定要求的原機(jī)床導(dǎo)軌進(jìn)行修磨、刮研后，要在上面貼上耐磨、吸振的聚四氟飛烯軟帶。（3）拖板。拖板是數(shù)控系統(tǒng)直接控制的對(duì)象。不論是點(diǎn)位控制、直線控制，還是輪廓控制，被加工零件的最終坐標(biāo)精度都將受到拖板運(yùn)動(dòng)精度、靈敏度和穩(wěn)定性的影響。除拖板及相配件精度要高外，由驅(qū)動(dòng)電機(jī)到絲杠間的傳動(dòng)齒輪

18、也要采用間隙消除結(jié)構(gòu)。以滿足傳動(dòng)精度和靈敏度的要求。常用的消隙方法有剛度調(diào)整法和柔性調(diào)整法兩種。剛性調(diào)整法傳動(dòng)剛度較好，結(jié)構(gòu)簡單，但調(diào)整起來很費(fèi)時(shí)；柔性調(diào)整法，一般用彈簧彈力自動(dòng)消除齒側(cè)間隙，傳動(dòng)剛度較低，傳動(dòng)平穩(wěn)性差，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。改造中，可根據(jù)機(jī)床加工目標(biāo)選用。具體選用可參考有關(guān)資料。 2.1.1 縱向滾珠絲杠副的選用滾珠螺旋傳動(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間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。滾珠螺旋傳動(dòng)與滑動(dòng)螺旋傳

19、動(dòng)或其它直線運(yùn)動(dòng)副相比，有下列特點(diǎn)： 10 (1) 傳動(dòng)效率高 一般滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率達(dá)9095，耗費(fèi)能量僅為滑動(dòng)絲桿的1/3。(2) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 滾動(dòng)摩擦系數(shù)接近常數(shù)，啟動(dòng)與工作摩擦力矩差別很小。啟動(dòng)時(shí)無沖擊，預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動(dòng)精度。(3) 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度(HRC5862)、高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動(dòng)絲桿副的410倍以上。(4) 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲桿副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，通過預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹。因此可達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。(5) 同步性好 用幾套相同的滾珠絲桿副

20、同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)部件，可得到較好的同步運(yùn)動(dòng)。(6) 可靠性高 潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。(7) 不能自鎖 用于垂直傳動(dòng)時(shí)，必須在系統(tǒng)中附加自鎖或制動(dòng)裝置。(8) 制造工藝復(fù)雜 滾珠絲桿和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本較高。2.1.1.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量在數(shù)控機(jī)床中，一個(gè)脈沖所產(chǎn)生的坐標(biāo)軸位移量叫做脈沖當(dāng)量，通常用d表示，也稱機(jī)床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個(gè)基本技術(shù)參數(shù)，d按機(jī)床設(shè)計(jì)的加工精度選定。本設(shè)計(jì)所要求的CK5116A的脈沖當(dāng)量為：縱向（Z向）脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖。2.1.1.2

21、 車削力的計(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)等都要用到切削力?，F(xiàn)我們利用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算主切削力。1.5車床的主切削力FZ(N)可用下式計(jì)算：FZ=0.67Dm ax式中Dmax車床床身加工的最大直徑單位為mm。 11 因CK5116A床身加工的最大直徑410mm，則：FZ=0.674101.5=5562.3N按以下比例分別求出分力Fx和Fy，F(xiàn)Z:Fx:Fy=1:0.25:0.4則：Fx=1391N，F(xiàn)y=2226N2.1.1.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇機(jī)構(gòu)類型：確定滾軸循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定后，再計(jì)算和確

22、定其他參數(shù)，包括：公稱直徑d、導(dǎo)程L0、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)k、精度等級(jí)等。本設(shè)計(jì)中選擇滾珠循環(huán)方式為 雙螺母螺紋調(diào)隙式結(jié)構(gòu)1、2-單螺母 3-平鍵 4-調(diào)整螺母(1)計(jì)算進(jìn)給率牽引力Fm作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率牽引力主要包括切削力時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的形式有關(guān)。Fm的計(jì)算公式如下:縱向進(jìn)給導(dǎo)軌為三角形，則：Fm=KFx+f(Fz+G)=(1.151391+0.15(5562.3+800)N=2554N三角形導(dǎo)軌選取參數(shù)：K=1.15,f=0.15,G=800N(2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)荷C 12 選用滾珠絲杠副的直徑d0時(shí)，必須保證在一定

23、軸向負(fù)載作用下，絲杠在回轉(zhuǎn)100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)荷C。計(jì)算步驟如下： 絲杠轉(zhuǎn)速n=1000nL0s其中ns=0.75mmin L0=610000.756n=60nT106=125rmin 壽命L=（106r）=LjwFM=3601251500106=11.25最大動(dòng)負(fù)荷 C=.251.52554=8584.13N(3)計(jì)算最大靜負(fù)荷 當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速（n10rmin）情況下工作時(shí)，滾珠絲杠副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產(chǎn)生變形，當(dāng)塑性變形超過一定限度就會(huì)破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑

24、的萬分之一。產(chǎn)生大的塑性變形量的負(fù)載稱為允許的最大靜負(fù)荷C0。選取靜態(tài)安全系數(shù)fs=2，滾珠絲杠的最大軸向負(fù)荷Fmax=Fm=2254N故最大靜負(fù)荷為：C0=fsFmax=22554=5108N。(4)選擇滾珠絲杠副見表2-15)傳動(dòng)效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率hh=tangtan(g+f)=tan244tan25400=0.04770.0506=0.943 13 表2-1滾珠絲杠副參數(shù)(6)剛度校核主要校核滾珠絲杠在工作負(fù)載Fm和扭矩T共同作用下引起的每導(dǎo)程變形量DL是否符合絲杠精度要求。每導(dǎo)程變形量DL可按以下公式計(jì)算DL=DL1+DL2=FmL0EFL0j2p j=TL0GJ 選取E

25、=20.610(Nmm) F=4pd142=1017.88(mm)2 DL1=FmL0EF=2554620.6101017.88-44=7.310-5mm DL2=L0j2p=62.28102p44=2.210-4mm 其中：J=j=p64d1=8.210mm255464 -48248.2104mm=2.2810mm 14 則： DL=DL1+DL2=7.310-5+2.210-4 =2.9310-4mm D=100L1DL=10060.000293mm/m=0.0049mm/m查表所得，所選用的D級(jí)絲杠精度允許誤差為10mm/m，滿足要求。 (7) 穩(wěn)定性校核機(jī)床在進(jìn)給時(shí)滾珠絲杠通常是受軸向

26、力的一壓桿。若軸向力過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生翹曲，所以選用時(shí)必須進(jìn)行穩(wěn)定性校核。如果滿足穩(wěn)定性安全系數(shù)nk大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)(nk)，則絲杠安全，不會(huì)失穩(wěn)：nk=pkFm(nk)式中 (nk)許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取2.54。pk=pEJ(ml)2 pk絲杠失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載，由：式中 l絲杠長度m絲杠軸端系數(shù)，由支承條件定。 p4d1 J截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓J=64對(duì)于水平絲杠要考慮自重影響可取(nk)4。 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式中可得絲杠不會(huì)失穩(wěn)。pk=p20.6108.210(11200)2264=115776N 15 nk=1157762554=45(nk)2.1.2 步進(jìn)電機(jī)的選

27、用CK5116A型普通車床數(shù)控化改造，采用了一種比較簡單但是較為典型的改裝方案，改造后的車床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)由步進(jìn)電機(jī)A和B驅(qū)動(dòng)，它們分別安裝在床頭箱內(nèi)（或床身尾部）和拖板后方，通過減速齒輪和縱橫向絲杠帶動(dòng)車床的縱橫進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。為使改造后的車床能充分發(fā)揮數(shù)控車床的效能，縱橫向絲杠螺母副一般需要調(diào)換成滾珠絲杠螺母副。當(dāng)利用原絲杠螺母副時(shí)，為了減少改造工作量，縱向驅(qū)動(dòng)電機(jī)及減速箱一般裝在床身尾部，這時(shí)連接車床原傳動(dòng)系統(tǒng)（主軸系統(tǒng)）和縱向絲杠傳動(dòng)的離合器尚未拆除，工作時(shí)應(yīng)使處于脫開位置。同理，脫落蝸桿等原橫向自動(dòng)進(jìn)給機(jī)構(gòu)若未拆除，工作時(shí)也應(yīng)使其處于空檔（空擋）位置。改造后的進(jìn)給脈沖當(dāng)量的量值靠步進(jìn)電機(jī)步距角、

28、減速齒輪比、絲杠導(dǎo)程三者協(xié)調(diào)確定。三者之間換算關(guān)系可以以下式表示：（/360）（ac/bd）T=式中步進(jìn)電機(jī)步聚角（度）；T所驅(qū)動(dòng)絲杠導(dǎo)程（mm）;a,b,c,d齒輪齒數(shù)，當(dāng)單級(jí)減數(shù)時(shí)，令c、d等于1；脈沖當(dāng)量值（mm）。步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)根據(jù)阻力矩及切屑用量的大小和機(jī)床型號(hào)來選擇，普通車床（如C6140、CK5116A等）的數(shù)控改造中多采用0.080.15（Nm）靜力矩的步進(jìn)電機(jī)，本設(shè)計(jì)選0.08（Nm）的作為橫向進(jìn)給電機(jī)；選0.15（Nm）的作為縱向進(jìn)給電機(jī)。2.1.2.1 脈沖量的選擇初選三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.750.50，當(dāng)三相六拍（12相勵(lì)磁）運(yùn)行時(shí)，步距角b=0.750其妹轉(zhuǎn)脈沖

29、數(shù)3600S=b=3600.7500=480pr 脈沖當(dāng)量：d=0.01mmp 由此可得中間齒輪傳動(dòng)比i為i=L=60.01480=1.25dS 16 2.1.2.2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算1.空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩TLFmwL2phsi0.068000.0062p0.81.25TLF=0.046Nm2.車削加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLTL=Fx+m(W+Fy)L2phSi=1391+0.06(800+22262p0.81.25)0.006=1.5Nm2.1.2.3 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算1.滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JSpd0lr324JS=p0.041.27.85103243=0.00237Nm22.拖板運(yùn)動(dòng)慣量換算到電

30、動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JwWL18000.0061-5=4.7610Nm2=2g2p9.82pi1.2522Jw3.大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg2選取大齒輪齒數(shù)Z2=45，小齒輪齒數(shù)Z1=36，模數(shù)m=2mm。pd2b2r324Jg2=p0.090.017.85103243=0.0005056Nm24.小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg1 17 Jg1=pd1b1r324=p0.07240.027.8510323=0.0004142Nm2 換算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣性負(fù)載JLJg2+Jsi2JL=Jg1+Jw+ =0.0004142+0.0000476+=0.0023Nm20.0005056+0.002371.252 2.

31、1.2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇已知TL=1.5Nm JL=2.310-3Nm2 初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為110BF003，步距角0.750三相六拍。其中最大靜扭矩Tmax=8Nm，轉(zhuǎn)子慣量Jm=36.810-3kgm2，由此可得：TLTmax1.58=0.180.5,=JLJm=2.31036.810-3-3=0.252 14JLTmax1經(jīng)驗(yàn)算可知電動(dòng)機(jī)合格。110BF003步進(jìn)電機(jī)的外觀圖及矩頻特性圖如圖2.2： 外型圖: 18 圖2-2 110BF003步進(jìn)電機(jī)的外觀圖及矩頻特性圖2.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)濟(jì)性數(shù)控改造的橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較簡單，-般是步進(jìn)電機(jī)經(jīng)

32、減速后驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，使刀架橫向運(yùn)動(dòng)。步進(jìn)電機(jī)安裝在大拖板上，用法蘭將步進(jìn)電機(jī)和機(jī)床大拖板連接起來，以保證其同軸度，提高傳動(dòng)精度。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖23所示 圖2-3 車床縱向傳動(dòng)的支承結(jié)構(gòu)1-步進(jìn)電機(jī)；2-床身；3-左支架；4-齒輪副；5-右支架；6-絲杠左支承；7-手輪；8-軸套；9-絲杠右支承；10-螺母座架；11-螺母座；12-絲杠；13-蓋；14-軸承。 滾珠絲杠仍安裝在原絲杠的位置上，為了便于手動(dòng)與對(duì)刀，在絲杠的右端設(shè)有手輪，使用時(shí)安裝上，不用即卸下，以防造成傷害，原機(jī)床拖板予以保留，并設(shè)有-螺母座架，安裝在拖板上，以實(shí)現(xiàn)絲杠螺母與拖板之間的聯(lián)接。步進(jìn)電機(jī)安裝在絲杠的左端原進(jìn)給箱的位置

33、上，由電機(jī)上的止口定位，靠四個(gè)螺釘和二個(gè)定位銷與床體相連。絲杠左右端分別用支架與軸承支承，左端用向心球軸承，右端用推力球軸承支承。2. 橫向滾珠絲杠橫向滾珠絲杠也采用三點(diǎn)支承形式。保留原手動(dòng)機(jī)械，用子手動(dòng)與對(duì)刀，步進(jìn)電機(jī)安裝在床鞍的后部?？拷僮髡?端，布置-根支承短軸，通過-個(gè)聯(lián)軸套與滾珠絲杠連接起來。利用原機(jī)床滑動(dòng)軸承作為徑向支承，并對(duì)原支承處進(jìn)行適當(dāng)改裝，布置-對(duì)推力球軸承，以實(shí)現(xiàn)軸向支承。在遠(yuǎn)離操作者-端，用-個(gè)聯(lián)軸套和-根連接短軸把滾珠絲杠與減速箱輸出軸連接起來。與縱向進(jìn)給-樣，絲杠螺母與橫向拖板間仍用-螺母座聯(lián)接。橫 19 向進(jìn)給機(jī)構(gòu)改造設(shè)計(jì)如圖2-4所示。 1 -步進(jìn)電機(jī)：2 -

34、消隙減速箱：3 -支承架；4 、5 、8 -聯(lián)軸套；于螺母座；7 -滾珠絲杠螺母副：于支承短軸圖24 車床橫向傳動(dòng)的支承結(jié)構(gòu) 2.2.1 橫向進(jìn)給系統(tǒng)滾珠絲杠螺母副的選用滾珠螺旋傳動(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間隙甚至有過盈配合，可設(shè)置預(yù)緊裝置。為延長工作壽命，可設(shè)置潤滑件和密封件。滾珠螺旋傳動(dòng)與滑動(dòng)螺旋傳動(dòng)或其它直線運(yùn)動(dòng)副相比，有下列特點(diǎn)：(1) 傳動(dòng)效率高 一般滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率達(dá)9095，耗費(fèi)能量僅為滑動(dòng)絲桿的1/3。(2) 運(yùn)動(dòng)平穩(wěn) 滾動(dòng)摩擦系

35、數(shù)接近常數(shù)，啟動(dòng)與工作摩擦力矩差別很小。啟動(dòng)時(shí)無沖擊，預(yù)緊后可消除間隙產(chǎn)生過盈，提高接觸剛度和傳動(dòng)精度。(3) 工作壽命長 滾珠絲杠螺母副的摩擦表面為高硬度(HRC5862)、高精度，具有較長的工作壽命和精度保持性。壽命約為滑動(dòng)絲桿副的410倍以上。(4) 定位精度和重復(fù)定位精度高 由于滾珠絲桿副摩擦小、溫升小、無爬行、無間隙，通過預(yù)緊進(jìn)行預(yù)拉伸以補(bǔ)償熱膨脹。因此可達(dá)到較高的定位精度和重復(fù)定位精度。(5) 同步性好 用幾套相同的滾珠絲桿副同時(shí)傳動(dòng)幾個(gè)相同的運(yùn)動(dòng)部件，可得到較好的同步運(yùn)動(dòng)。 20 (6) 可靠性高 潤滑密封裝置結(jié)構(gòu)簡單，維修方便。(7) 不能自鎖 用于垂直傳動(dòng)時(shí)，必須在系統(tǒng)中附加

36、自鎖或制動(dòng)裝置。(8) 制造工藝復(fù)雜 滾珠絲桿和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，故制造成本較高。2.2.1.1 確定系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量橫向（X向）脈沖當(dāng)量為0.005mm/脈沖。2.2.1.2 車削力的計(jì)算1.5車床的主切削力FZ(N)可用下式計(jì)算：FZ=0.67Dm ax式中Dmax車床刀架加工的最大直徑單位為mm。因CK5116A床身加工的最大直徑210mm，則：FZ=0.672101.5=2039N按以下比例分別求出分力Fx和Fy，F(xiàn)Z:Fx:Fy=1:0.25:0.4則:Fx=510N，F(xiàn)y=815.6N2.2.1.3 滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計(jì)首先要選擇機(jī)

37、構(gòu)類型：確定滾軸循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。結(jié)構(gòu)類型確定后，再計(jì)算和確定其他參數(shù)，包括：公稱直徑d、導(dǎo)程L0、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)k、精度等級(jí)等。本設(shè)計(jì)中選擇滾珠循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)方式中的固定式。滾珠絲杠副的預(yù)緊方法選擇雙螺母螺紋預(yù)緊。(1)計(jì)算進(jìn)給率牽引力Fm作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給率牽引力主要包括切削力時(shí)的走刀抗力以及移動(dòng)件的重量和切 21 削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的形式有關(guān)。Fm的計(jì)算公式如下: 橫向進(jìn)給導(dǎo)軌為燕尾形，則：Fm=KFy+f(Fz+2Fx+G)=1.4815.6+0.2(2039+2510+600)=1873.6N 燕尾形導(dǎo)軌選取參數(shù)：K=1.4,

38、f=0.2,G=600N (2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)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)100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)生點(diǎn)蝕現(xiàn)象。這個(gè)軸向負(fù)載的最大值即稱為該滾珠絲杠能承受的最大動(dòng)負(fù)荷C。計(jì)算步驟如下： 絲杠轉(zhuǎn)速n=1000nL0s其中ns=0.6mmin L0=510000.65n=60nT106=120rmin 壽命L=（106r）=LfwFM=601201500106=10.8最大動(dòng)負(fù)荷 C=.81.51873.6 =6212N(3)計(jì)算最大靜負(fù)荷當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速（n10rmin）情況下工作時(shí)，滾珠絲杠副的破壞形式主要是在滾珠接觸面上產(chǎn)生變形，當(dāng)塑性變

39、形超過一定限度就會(huì)破壞滾珠絲杠副的正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。產(chǎn)生大的塑性變形量的負(fù)載稱為允許的最大靜負(fù)荷C0。選取靜態(tài)安全系數(shù)fs=2，滾珠絲杠的最大軸向負(fù)荷Fmax=Fm=1873.6N 故最大靜負(fù)荷為C0=fsFmax=21873.6=3747.2N 22 (4)選擇滾珠絲杠副(5)傳動(dòng)效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率htangtan(g+f)tan433tan44300h=0.07960.0825=0.965 (6)剛度校核主要校核滾珠絲杠在工作負(fù)載Fm和扭矩T共同作用下引起的每導(dǎo)程變形量DL是否符合絲杠精度要求。每導(dǎo)程變形量DL可按以下公式計(jì)算DL=DL1

40、+DL2=FmL0EFL0j2p j=TL0GJ 選取E=20.610(Nmm) F=4pd142=232.23(mm)2 DL1=FmL0EF=1873.6520.610232.23-34=2.010-4mm DL2=L0j2p=52.64102p=2.110-3mm 23 其中：J=p64d1=4.310mm434 mm=2.6410-3j=1873.6582.4100.435mm 則 DL=DL1+DL2=2.010-4+2.110-3 =2.310-3mm 1005D=100L1DL=0.0023mm/m =0.046mm/m查手冊所得，所選用的G級(jí)絲杠精度允許誤差為60mm/m，滿足

41、要求。 (7) 穩(wěn)定性校核機(jī)床在進(jìn)給時(shí)滾珠絲杠通常是受軸向力的一壓桿。若軸向力過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生翹曲，所以選用時(shí)必須進(jìn)行穩(wěn)定性校核。如果滿足穩(wěn)定性安全系數(shù)nk大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)(nk)，則絲杠安全，不會(huì)失穩(wěn)：nk=pkFm(nk)式中(nk)許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取2.54。絲杠失穩(wěn)時(shí)的臨界負(fù)載，由：pk=pEJ(ml)2pk 式中l(wèi)絲杠長度m絲杠軸端系數(shù)，由支承條件定。 J截面慣性矩，對(duì)實(shí)心圓J=p64d14 對(duì)于水平絲杠要考慮自重影響可取(nk)4。 24 將相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式中可得pk=p20.6104.310(1280)2263=1.1210N7nk=1.12101873

42、.67=6000(nk)絲杠不會(huì)失穩(wěn)。2.2.2 橫向步進(jìn)電機(jī)的選用電動(dòng)機(jī)工作時(shí)會(huì)發(fā)熱，它不僅取決于負(fù)載的大小，也和負(fù)載持續(xù)的時(shí)間的長短密切相關(guān)，這是選擇額定功率時(shí)必須考慮的。按電動(dòng)機(jī)的不同發(fā)熱情況，可以分為三種工作方式（或稱工作制），即連續(xù)工作方式、短時(shí)工作方式和斷續(xù)周期性工作方式。 CK5116A車床其工作時(shí)間一般較長，溫升可以達(dá)到穩(wěn)定值，電機(jī)的負(fù)載可能是恒定或大小基本恒定的常值負(fù)載或變化負(fù)載，因此屬于連續(xù)工作方式。 由于電動(dòng)機(jī)為連續(xù)工作方式，負(fù)載平穩(wěn)，且經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)和正反轉(zhuǎn)，因此因優(yōu)先采用鼠籠式異步電動(dòng)機(jī)。 2.2.2.1 脈沖量的選擇 初選三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角為0.750.50，當(dāng)

43、三相六拍（12相勵(lì)磁）運(yùn)行時(shí)，步距角b=0.75其妹轉(zhuǎn)脈沖數(shù)：S=03600b=3600.7500=480pr 初選脈沖當(dāng)量：d=0.005mmp 由此可得中間齒輪傳動(dòng)比i為i=L=50.005480=2.08dS2.2.2.2 等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算1.空載時(shí)的摩擦轉(zhuǎn)矩TLF 25 TLF=mwLi2phs=0.066000.0050.482p0.8=0.017Nm 2.車削加工時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TLTL=Fx+m(W+Fy)Li2phS=510+0.06(800+815.6)0.0050.482p0.8=0.29Nm 2.2.2.3 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算1.滾動(dòng)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JSpd0lr324JS=p

44、0.027.85100.283243=0.000034Nm2 2.拖板運(yùn)動(dòng)慣量換算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JwWL6000.00522-5=i=0.48=0.8910Nmg2p9.82p22Jw 3.大齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg2選取大齒輪齒數(shù)Z2=50，小齒輪齒數(shù)Z1=24，模數(shù)m=2mm。pd2b2r324Jg2=p0.10.017.85103243=0.00077Nm2 4.小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jg1Jg1=pd1b1r324=p0.0480.027.85103243=0.000082Nm2 換算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣性負(fù)載JLJL=Jg1+Jw+(Jg2+Js)i 262 =0.000082+0.000

45、0089+(0.00077+0.000034)0.48=0.000276Nm22 2.2.2.4 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)型號(hào)的選擇已知TL=0.29Nm JL=2.7610-4Nm2=2.8210-5kgm2 初選步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為90BF002，步距角0.750三相六拍。其中最大靜扭矩Tmax=3.92Nm，轉(zhuǎn)子慣量Jm=17.6410-5kgm2，由此可得：TL0.293.92Tmax=0.0740.5,JLJm=2.821017.6410-5-5=0.252 14JLTmax1經(jīng)驗(yàn)算可知電動(dòng)機(jī)合格。 電動(dòng)機(jī)外形圖及矩頻圖如圖2-5： 圖2-5 110BF003步進(jìn)電機(jī)的外觀圖及矩頻特性圖2.3 齒輪傳動(dòng)

46、間隙的調(diào)整在橫向進(jìn)給和縱向進(jìn)給的步進(jìn)電機(jī)和滾珠絲杠間都是通過一對(duì)減速直齒輪傳動(dòng)的，這就要求我們對(duì)齒輪的傳動(dòng)間隙進(jìn)行調(diào)整。常用的直齒輪調(diào)整齒側(cè)間隙的方法有以下幾種。(1)偏心套(軸)調(diào)整法 如圖2-6所示，將相互嚙合的一對(duì)齒輪中的一個(gè)齒輪4裝在電機(jī) 27 輸出軸上，并將電機(jī)2安裝在偏心套1(或偏心軸)上，通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套(偏心軸)的轉(zhuǎn)角，就可調(diào)節(jié)兩嚙合齒輪的中心距，從而消除圓柱齒輪正、反轉(zhuǎn)時(shí)的齒側(cè)間隙。特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，但其側(cè)隙不能自動(dòng)補(bǔ)償。 圖2-6 偏心套式間隙消除機(jī)構(gòu)1偏心套 2電動(dòng)機(jī) 3減速箱 4、5減速齒輪(2) 軸向墊片調(diào)整法 如圖2-7所示，齒輪1和2相嚙合，其分度圓弧齒厚沿軸線方向略

47、有錐度，這樣就可以用軸向墊片3使齒輪2沿軸向移動(dòng)，從而消除兩齒輪的齒側(cè)間隙。裝配時(shí)軸向墊片3的厚度應(yīng)使得齒輪1和2之間既齒側(cè)間隙小，運(yùn)轉(zhuǎn)又靈活。特點(diǎn)同偏心套(軸)調(diào)整法。 圖2-7 圓柱齒輪軸向墊片間隙消除機(jī)構(gòu)(3) 雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法 這種消除齒側(cè)間隙的方法是將其中一個(gè)做成寬齒輪，另一個(gè)用兩片薄齒輪組成。采取措施使一個(gè)薄齒輪的左齒側(cè)和另一個(gè)薄齒輪的右齒側(cè)分別緊 28 貼在寬齒輪齒槽的左、右兩側(cè)，以消除齒側(cè)間隙，反向時(shí)不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)，具體調(diào)整措施如下：周向彈簧式(圖2-8) 在兩個(gè)薄片齒輪2和4上各開了幾條周向圓弧槽，并在齒輪3和4的端面上有安裝彈簧2的短柱1。在彈簧2的作用下使薄片齒輪3和4

48、錯(cuò)位而消除齒側(cè)間隙。這種結(jié)構(gòu)形式中的彈簧2的拉力必須足以克服驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩才能起作用。因該方法受到周向圓弧槽及彈簧尺寸限制，故僅適用于讀數(shù)裝置而不適用于驅(qū)動(dòng)裝置。可調(diào)拉簧式(圖2-9) 在兩個(gè)薄片齒輪1和2上裝有凸耳3，彈簧的一端鉤在凸耳3上，另一端鉤在螺釘7上。彈簧4的拉力大小可用螺母5調(diào)節(jié)螺釘7的伸出長度，調(diào)整好后再用螺母6鎖緊。本設(shè)計(jì)所選用的是雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法中的可調(diào)拉簧式。由此就可以將縱向及橫向進(jìn)給系統(tǒng)的裝配圖設(shè)計(jì)并畫出，具體請見圖紙。12圖2-8 薄片齒輪周向拉簧錯(cuò)齒調(diào)隙機(jī)構(gòu) 圖2-9 可調(diào)拉簧式調(diào)隙 29 第3章 電氣控制部分的設(shè)計(jì)在這一部分我們采用MCS-51系列單片機(jī)控制主控系統(tǒng)

49、，51系列相對(duì)48系列指令更豐富，相對(duì)96系列價(jià)格更便宜，51系列中，是無ROM的8051，8751是用EPROM代替ROM的8051。目前，工控機(jī)中應(yīng)用最多的是8031單片機(jī)。本設(shè)計(jì)以8031芯片為核心，增加存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、接口和面板操作開關(guān)組成的控制系統(tǒng)。3.1 單片機(jī)的選擇 圖3-1 8031引腳圖 本設(shè)計(jì)選用8031芯片，片內(nèi)無ROM或者EPROM，使用時(shí)必須配置外部的程序存儲(chǔ)器EPROM。本設(shè)計(jì)選用了27128擴(kuò)展其空間，8031的引腳分3大功能：（1）I/O口線P0,P1,P2,P3共4個(gè)八位口。（2）控制口線PSEN(片外取指控制)、ALE（地址鎖存控制）、EA（片外存儲(chǔ)器選擇）

50、、RESET（復(fù)位控制）。（3）電源和時(shí)鐘。8031最小應(yīng)用系統(tǒng)。8031內(nèi)部不帶ROM，需要外接EPROM作為外部程序存儲(chǔ)器。又因?yàn)?031在外接程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)地址的低8位信息和數(shù)據(jù)信息分時(shí)送出，故還需要采用一片6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器儲(chǔ)存數(shù)據(jù)。這樣，一片27128EPROM和一片6264組成了一個(gè)最小的計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 30 圖3-2 系統(tǒng)存儲(chǔ)器3.2 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源有密切關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器組成，驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源送來的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按要求的配電方式自動(dòng)的循環(huán)供給電機(jī)各組繞組，以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子正反向旋轉(zhuǎn)。3.2.1 環(huán)形脈

51、沖分配器的選擇步進(jìn)電機(jī)的各組繞組必須按一定的順序通電才能正常工作。這種使電機(jī)繞組的通電順序按一定規(guī)律變化的部分稱為脈沖分配器，又稱環(huán)形脈沖分配器。所以不同相的電機(jī)應(yīng)選用不同的環(huán)形分配器。本設(shè)計(jì)中所選用的電機(jī)，縱向部分為110BF003三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，與其相配的環(huán)形脈沖分配器為CH250，其管腳圖見圖3-3： 圖3-3 CH250管腳圖 31 CH250有A、B、C三個(gè)輸出端，當(dāng)輸入端CL或EN加上時(shí)鐘脈沖后，輸出波形將符合三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的要求，輸出電流能力為0.5mA，經(jīng)推動(dòng)級(jí)、驅(qū)動(dòng)級(jí)放大后即可驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)繞組。CH250在供三相六拍步進(jìn)電機(jī)工作時(shí)，線路中的接線見圖3-4： 圖3-4 三相六拍時(shí)CH250接線圖橫向部分為90BF002五相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，與其相配的環(huán)形脈沖分配器為PMM8714，其管腳圖見圖3-5。3.2.2 功率放大器的選用從計(jì)算機(jī)輸出口或從環(huán)形分配器輸出的信號(hào)脈沖電流一般只有幾個(gè)毫安，不能直接驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，必須采用功率放大器將脈沖電流進(jìn)行放大，使其增大到幾至十幾安培，從而驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。步進(jìn)電機(jī)所使用的功率放大器有電壓型和電流型。電壓型又有單電壓型、雙電壓型（高低壓型）。電流型中有恒流驅(qū)動(dòng)、斬波驅(qū)動(dòng)等。 32 圖3-5 PMM8714管腳圖(1) 單電壓功率放大電路此電路的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，不足