回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨機(jī)床身的設(shè)計(jì)

1、回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨機(jī)床身的設(shè)計(jì) 摘要汽車和機(jī)械中最為重要的和應(yīng)用最為廣泛的關(guān)鍵零件之一就是氣缸和油缸，氣缸和油缸的精加工都有一道珩磨工序，傳統(tǒng)的珩磨加工方法使珩磨頭產(chǎn)生周向高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，珩磨軌跡為正弦曲線；磨粒磨削軌跡的密度和長(zhǎng)度受到了限制，從而使產(chǎn)品質(zhì)量和精度的提高也受到了一定的限制。特別是隨著難加工材料在產(chǎn)品中的應(yīng)用比重?cái)U(kuò)大，使得振動(dòng)切削加工技術(shù)在切削加工中應(yīng)用越來(lái)越廣泛?；剞D(zhuǎn)振動(dòng)珩磨的概念就是在這樣的背景下提出的?；剞D(zhuǎn)振動(dòng)珩磨機(jī)是利用珩磨頭珩磨工件精加工表面的磨床。主要應(yīng)用在汽車、拖拉機(jī)、液壓件、軸承、航空等制造業(yè)中珩磨工件的孔。本次我主要對(duì)珩磨機(jī)的床身及工作臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，力

2、求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)用。關(guān)鍵詞回轉(zhuǎn)振動(dòng)；珩磨機(jī)；床身；設(shè)計(jì)The design of rotary vibration honing machine（Grade,Class, Major Testing and Monitoring Technology and Instrumentation，Shaanxi University of Technology，Hanzhong 723003，Shaanxi）tutor:Abstract In cars and machinery one of the most important and the most widely used key

3、 parts is a cylinder , the cylinders have a honing finishing process, the conventional honing methods make the honing head produce the high-speed rotational and reciprocating axially movement ,the track of the honing is the sinusoidal trajectory; abrasive grinding tracks density and length is restri

4、cted, so that the improvement of product quality and precision has also been restricted. Particularly the machine materials which are difficult in machining and whose applications in the proportion of products expand make the vibration cutting technology in machining widely applied. The concept of r

5、otary vibration honing is raised under such a background .The rotary vibration honing machines use the honing head finish grinding for the workpieces surface. Which are mainly used in cars, tractors, hydraulic components, bearings, aerospace and other manufacturing industries in the honing of the wo

6、rkpieces hole. I mainly design the body and table structure of the honing machine this time, and it will be a simple structure, easy accessibility, economical and practical.Key words: rotary vibration; honing machines; the body of machine；design目錄1 緒論11.1 概述11.1.1 珩磨切削在機(jī)械產(chǎn)品加工中的應(yīng)用11.1.2 回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨切削的原理和特

7、點(diǎn)21.2 回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)情況31.3 機(jī)床主要設(shè)計(jì)參數(shù)：42 工作臺(tái)62.1 X、Y工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算62.1.1 初步確定尺寸及估算重量62.1.2 滾珠絲杠螺母副的選用62.1.3 滾珠絲杠副的支承結(jié)構(gòu)62.1.4 滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算72.1.5 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)的計(jì)算82.1.6 滾珠絲杠副傳動(dòng)效率92.1.7 滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算92.1.8 穩(wěn)定性驗(yàn)算102.2 系統(tǒng)的精度分析113 立柱133.1 設(shè)計(jì)要求133.2 珩磨機(jī)床的受力分析和變形分析133.2.1 立柱的受力分析133.2.2 立柱的變形特性143.3 立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)143.4 立柱斷

8、面的選擇143.5 立柱壁厚的選擇153.5.1 立柱材料及加工工藝153.5.2 機(jī)床鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)164 升降臺(tái)的設(shè)計(jì)184.1 絲杠的選用184.2 絲杠的固定184.3 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的核算184.3.1 耐磨性的計(jì)算184.3.2 穩(wěn)定性的核算194.3.3 剛度的核算194.3.4 強(qiáng)度的核算204.4 步進(jìn)電機(jī)的選用204.5 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì)215 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分225.1 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制225.2 步進(jìn)電機(jī)的速度控制235.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路235.3.1 三相六拍環(huán)形分配器的選用245.3.2 光電隔離電路的設(shè)計(jì)265.3.4 功率放大電路的設(shè)計(jì)276 控制系統(tǒng)軟

9、件設(shè)計(jì)部分296.1 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容296.2 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)306.2.1 程序設(shè)計(jì)技術(shù)306.2.2 控制程序的編寫307 立柱的剛度校核337.1 有關(guān)機(jī)床動(dòng)剛度的基本概念337.2 機(jī)床振動(dòng)的類型337.2.1 按產(chǎn)生振動(dòng)的原因分337.2.2 按機(jī)床振動(dòng)的特性分357.3 機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的確定357.3.1 機(jī)床振動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的指標(biāo)357.3.2 影響動(dòng)剛度的主要參數(shù)367.4 提高機(jī)床動(dòng)剛度的措施367.4.1 提高機(jī)床構(gòu)件的靜剛度和固有頻率368 回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨機(jī)床的動(dòng)剛度特性388.1 珩磨機(jī)床剛度的動(dòng)態(tài)特性388.2 立柱剛度對(duì)刀具位移的影響40總結(jié)41參考文獻(xiàn)4

10、2英文資料431 緒論1.1 概述珩磨機(jī)是磨床的一種。主要用砂輪旋轉(zhuǎn)研磨工件以使其可達(dá)到要求的平整度，根據(jù)工作臺(tái)形狀可分為矩形工作臺(tái)和圓形工作臺(tái)兩種，矩形工作臺(tái)平面磨床的主參數(shù)為工作臺(tái)面直徑。根據(jù)軸類的不同分為臥軸和立軸磨床。如M7432立軸圓臺(tái)平面磨床，M7130臥軸平面磨床；利用珩磨頭珩磨工件精加工表面的磨床。主要用在汽車、拖拉機(jī)、液壓件、軸承、航空等制造業(yè)中珩磨工件的孔。1.1.1 珩磨切削在機(jī)械產(chǎn)品加工中的應(yīng)用珩磨切削的應(yīng)用范圍。1，珩磨能獲得較高的尺寸精度和形狀精度，加工精度為IT7IT6級(jí)，孔的圓度和圓柱度誤差可控制在35um的范圍之內(nèi)，但珩磨工藝不能提高被加工孔的位置精度。2，珩

11、磨能獲得較高的表面質(zhì)量，表面Ra為0.20.025um，表層金屬的變質(zhì)缺陷層深度極微（2.525um）。3，與磨削速度相比，珩磨頭的圓周速度雖不高，但由于砂條與工件的接觸面積大，往復(fù)速度相對(duì)較高，所以珩磨加工仍有較高的生產(chǎn)率。珩磨切削技術(shù)在汽車制造中的應(yīng)用。先進(jìn)的精密孔加工設(shè)備和技術(shù)在汽車及零部件加工業(yè)的應(yīng)用十分廣泛，比較典型的應(yīng)用有發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、缸套、連桿、齒輪、油泵油嘴、剎車泵、剎車鼓、油缸、轉(zhuǎn)向器、增壓器等。如：1，珩磨在油泵油嘴行業(yè)的應(yīng)用。善能KGM-5000系列珩磨機(jī)是針對(duì)油泵油嘴行業(yè)的柱塞而開(kāi)發(fā)的高精度珩磨機(jī)，去除量0.01，加工總周期為30秒；圓度0.0005；直線度0.0007m

12、m；表面粗糙度Ra0.06。實(shí)現(xiàn)了完全以珩磨代代研磨的目標(biāo)，從而大大延長(zhǎng)了提高油泵油嘴的性能和壽命，完全達(dá)到排污標(biāo)準(zhǔn)。2，珩磨在齒輪內(nèi)孔中的應(yīng)用。現(xiàn)在廣泛使用珩磨工藝的汽車齒輪有行星輪、太陽(yáng)輪、雙聯(lián)齒輪等。3，珩磨在增壓器零件上的應(yīng)用。根據(jù)增壓器中間殼的材料和內(nèi)孔的特殊結(jié)構(gòu)形式，可采用電鍍剛石磨粒套作為珩磨工具，多立軸結(jié)構(gòu)型式，可以實(shí)現(xiàn)在一個(gè)循環(huán)過(guò)程中完成粗加工、半精加工、精加工和去毛刺等多個(gè)加工程序，多工位轉(zhuǎn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的自動(dòng)化，提高工作效率。1.1.2 回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨切削的原理和特點(diǎn)珩磨是利用安裝于珩磨頭周圍上的若干條油石，由漲開(kāi)機(jī)構(gòu)將油石沿徑向工件孔壁以便產(chǎn)生一定的面接觸，同時(shí)使磨頭

13、作旋轉(zhuǎn)和往復(fù)運(yùn)動(dòng)（工件不動(dòng)），由此而實(shí)現(xiàn)對(duì)孔的低低速磨削（圖1.1）。為了減少機(jī)床主軸與工件孔中心的不同軸度及主軸旋轉(zhuǎn)精度對(duì)加工精度的影響，在大多數(shù)珩磨情況下，珩磨頭與機(jī)床主軸之間或珩磨頭與工件夾具之間是浮動(dòng)的圖（圖1.2）。這樣，加工時(shí)磨頭以工件孔壁作導(dǎo)向，因而加工精度受到機(jī)床本身精度的影響較小，孔表面的形成基本上具有創(chuàng)制過(guò)程的特點(diǎn)。其創(chuàng)制的原理類似于兩塊作平面運(yùn)動(dòng)的平板相互對(duì)研而形成平面的原理。珩磨時(shí)，磨頭圓周上的油石與孔壁的重疊接觸點(diǎn)相互干涉，此時(shí)，一方面油石將孔壁上的干涉點(diǎn)磨去；另一方面，孔壁也相應(yīng)地使油石面上的干涉點(diǎn)（磨粒尖角或整個(gè)磨粒）脫落或破碎。即油石面與孔壁在珩磨中能相互修整，

14、這與兩塊做平面運(yùn)動(dòng)的平板對(duì)研時(shí)相互研磨去干涉點(diǎn)相似。由于珩磨頭在珩磨時(shí)不僅作旋轉(zhuǎn)及往復(fù)運(yùn)動(dòng)使加工面形成交叉的螺旋線切削軌跡，而且在每一次往復(fù)行程時(shí)間內(nèi)磨頭的轉(zhuǎn)數(shù)為非整數(shù)，因此兩次行程間，磨頭相對(duì)工件在周向有錯(cuò)開(kāi)一定角度，這樣復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)使磨頭上每一磨粒在孔壁上的運(yùn)動(dòng)軌跡不會(huì)重復(fù)。此外，磨頭每轉(zhuǎn)一轉(zhuǎn)，油石與前一轉(zhuǎn)的切削軌跡在軸向有一段重疊長(zhǎng)度，使前后的磨削軌跡的銜接更光滑均勻。這樣，在整個(gè)珩磨過(guò)程中，孔壁及油石面上的每一點(diǎn)相互干涉的機(jī)會(huì)差不多是均等的。因此，隨著珩磨的進(jìn)行，孔表面和油石面不斷產(chǎn)生干涉點(diǎn)，有不斷將這些干涉點(diǎn)磨去，并產(chǎn)生新的更多的干涉點(diǎn)，使孔壁與油石面的接觸面積不斷增加，相互干涉的程度

15、和切削作用也不斷減弱，孔和磨頭油石面的圓度及圓柱度也不斷提高，最后完成孔表面的創(chuàng)制過(guò)程。但由于磨頭在軸向的位置不能倒置，因此磨頭對(duì)孔圓軸度的創(chuàng)制能力比對(duì)圓度的創(chuàng)制能力差，例如，當(dāng)孔和磨頭油石面有相同的錐度時(shí)，則孔的錐度如不采取其他措施就較難完全消除。近年來(lái)，由于珩磨油石采用了金剛石及立方氮化硼等耐磨材料，這種油石的珩磨頭在加工前經(jīng)過(guò)校正，在加工過(guò)程中油石的磨耗很小，即油石受工件修整的量很小，因此，雖然加工中有部分創(chuàng)制過(guò)程，但與成形刀具加工孔的過(guò)程相似，孔的精度在一定程度上取決于珩磨頭的原始精度，與一般油石珩磨過(guò)程有區(qū)別。珩磨加工的特點(diǎn): 1.加工精度高：特別是一些中小型的光通孔，其圓柱度可達(dá)

16、0.001mm 以內(nèi)。一些壁厚不均勻的零件,如連桿,其圓度能達(dá) 0.002mm。對(duì)于h大孔(孔徑在200mm以內(nèi)),圓度也可達(dá) 0.005mm, 如果沒(méi)有環(huán)槽或徑向孔等,直線度在 0.01mm 以內(nèi)也是有可能的。珩磨比磨削加工精度高, 磨削時(shí)支撐砂輪的軸承位于被珩孔之外, 會(huì)產(chǎn)生偏差, 特別是小孔加工, 磨削比珩磨精度更差。珩磨一般只能提高被加工件的形狀精度, 要想提高零件的位置精度, 需要采取一些必要的措施。如用面板改善零件端面與軸線的垂直度 (面板安裝在沖程臂上, 調(diào)它與旋轉(zhuǎn)主軸垂直, 零件靠在面板上加工即可)。2. 表面質(zhì)量好：表面為交叉網(wǎng)紋，有利于潤(rùn)滑油的存儲(chǔ)及油膜的保持。有較高的表面

17、支承率（孔與軸的實(shí)際接觸面積與兩者之間配合面積之比），因而能承受較大載荷，耐磨損，從而提高了產(chǎn)品的使用壽命。珩磨速度低（是磨削速度的幾十分之一），且油石與孔是面接觸，因此每一個(gè)磨粒的平均磨削壓力小，這樣工件的發(fā)熱量很小，工件表面幾乎無(wú)熱損傷和變質(zhì)層，變形小。珩磨加工面幾乎無(wú)嵌砂和擠壓硬質(zhì)層。 磨削比珩磨切削壓力大, 磨具和工件是線接觸, 有較高的相對(duì)速度。因而會(huì)在局部區(qū)域產(chǎn)生高溫, 會(huì)導(dǎo)致零件表面結(jié)構(gòu)的永久性破壞。3. 加工范圍廣：主要加工各種圓柱形孔：光通孔。軸向和徑向有間斷的孔，如有徑向孔或槽的孔、鍵槽孔、花鍵孔。盲孔。多臺(tái)階孔等。另外, 用專用珩磨頭, 還可加工圓錐孔, 橢圓孔等, 但由

18、于珩磨頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 一般不用。用外圓珩磨工具可以珩磨圓柱體, 但其去除的余量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于內(nèi)圓珩磨的余量。幾乎可以加工任何材料，特別是金剛石和立方氮化硼磨料的應(yīng)用。同時(shí)也提高了珩磨加工的效率。 圖1.1 珩磨切削運(yùn)動(dòng)圖1.2 珩磨頭與工件的關(guān)系1.2 回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨機(jī)床的主要結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)情況回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨機(jī)床主要由底座1、床身2、懸梁3、箱體4、升降臺(tái)5、蹓板6、工作臺(tái)6部分組成。它的外形如（圖1.3）所示。箱形的床身固定在底座上，主軸的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)在裝床身內(nèi)。裝著帶有一個(gè)懸梁(用來(lái)支承安裝珩磨頭的一端，另一端則固定在主軸上)安裝在床身的頂部水平導(dǎo)軌上。刀桿支架在懸梁上以及懸梁在床身頂部的水平導(dǎo)

19、軌上都可作水平移動(dòng)，以便安裝不同的心軸。升降臺(tái)可沿著在床身的前面的垂直導(dǎo)軌上、下移動(dòng)。在升降臺(tái)上面的水平導(dǎo)軌上，裝有釘在平行主軸軸線方向移動(dòng)(橫向移動(dòng))的跑板。蹓板上部有可轉(zhuǎn)動(dòng)部分，工作臺(tái)在蹓板上部可轉(zhuǎn)動(dòng)部分的導(dǎo)軌上作垂直于主軸軸線方向移動(dòng)(縱向運(yùn)動(dòng))。工作臺(tái)上有燕尾槽來(lái)固定加工件。這樣安裝在工作臺(tái)上的工件就可以在二個(gè)互相垂直方向調(diào)整或進(jìn)給。圖1.3 回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨立式機(jī)床外型圖如立式珩磨機(jī)主要用于珩磨機(jī)加工各種發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體孔、缸套孔以及其它精密孔。立式珩磨機(jī)設(shè)計(jì)先進(jìn)、性能可靠；主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給采用無(wú)級(jí)變速；主軸箱可輕便地實(shí)現(xiàn)縱橫向移動(dòng)；工作臺(tái)可縱向移動(dòng)，并快速夾緊缸體(包括V型缸體)。 1.3

20、機(jī)床主要設(shè)計(jì)參數(shù)：回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨床主要技術(shù)參數(shù)：、珩孔直徑范圍：32170mm、最大珩孔深度：320mm、主軸接桿伸縮長(zhǎng)度：120mm、主軸行程Z：480mm、橫向行程X：350mm、縱向行程Y：250mm、電機(jī)功率：15Kw、主軸額定轉(zhuǎn)速：2930r/min 、主軸孔錐度莫氏：3號(hào)11 工作臺(tái)尺寸：390*92mm2 工作臺(tái)2.1 X、Y工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算首先要初步估算工作臺(tái)的重量、最大行程參數(shù)才能進(jìn)行結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。2.1.1 初步確定尺寸及估算重量根據(jù)珩磨床工作臺(tái)的尺寸初步確定：X軸方向移動(dòng)的工作臺(tái)尺寸長(zhǎng)寬高為330250111mm，重量約為350N，最大行程為350mm。Y軸方向移動(dòng)的

21、工作臺(tái)尺寸長(zhǎng)寬高為350250111mm，重量約為600N，最大行程為250mm。X、Y工作臺(tái)總重量(包括夾具及工件)不超過(guò)1400N。2.1.2 滾珠絲杠螺母副的選用滾珠絲杠螺母副應(yīng)根據(jù)其當(dāng)量動(dòng)載荷選用。一批相同的滾珠絲杠螺母副，在軸向載荷的作用下，運(yùn)轉(zhuǎn)后，在它的滾道上，90%不產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕作用，則稱為這種規(guī)格絲杠副的額定動(dòng)載荷。各種規(guī)格的滾珠絲杠，其當(dāng)量動(dòng)載荷、額定動(dòng)載荷可從機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)中查得。計(jì)算的原理，與計(jì)算滾動(dòng)軸承相同。2.1.3 滾珠絲杠副的支承結(jié)構(gòu)一端軸向固定，一端自由式（FO）：常用于短絲杠和豎直絲杠。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，承載能力小，軸向剛度低，壓桿穩(wěn)定性差和臨界轉(zhuǎn)速低，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡

22、量使絲杠受拉伸。一端固定，一端浮動(dòng)式（FS）：常用于較長(zhǎng)的絲杠或臥式安裝的絲杠。特點(diǎn)：軸向剛度和FO相同，壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長(zhǎng)度的FO高，絲杠有熱膨脹的余地，需要保證螺母與兩支承同軸，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工藝較困難。兩端固定式（FF）：常用于長(zhǎng)絲杠或高轉(zhuǎn)速、要求高拉壓剛度的地方；這種支承方式還可以預(yù)拉伸。特點(diǎn)：絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍，壓桿穩(wěn)定性好，固有頻率比一端固定的高，可施加預(yù)緊力提高傳動(dòng)剛度，結(jié)構(gòu)和工藝都較復(fù)雜。根據(jù)以上對(duì)滾珠絲杠螺母副支承結(jié)構(gòu)的分析，本設(shè)計(jì)決定采用FF支撐結(jié)構(gòu)。為了提高傳動(dòng)精度，選擇合理的支承結(jié)構(gòu)并正確安裝很重要。絲杠軸承的載荷主要是軸向的。徑向除臥式絲杠的自重外，

23、一般無(wú)外載荷。因此對(duì)絲杠軸承的軸向精度和剛度要求較高。進(jìn)給系統(tǒng)對(duì)微小位移(絲杠的微小轉(zhuǎn)角)要響應(yīng)靈敏，故軸承的摩擦力矩要低。絲杠軸承種類很多，但從目前情況來(lái)看，占優(yōu)勢(shì)的有兩種:接觸角為60°的雙向推力角接觸組合球軸承和滾針雙向推力圓柱滾子組合軸承。2.1.4 滾珠絲杠傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算橫向滾珠絲杠設(shè)計(jì)：最大動(dòng)載荷的計(jì)算：（N）（2.1）由數(shù)控技術(shù)第204頁(yè)可知，式中：剛度系數(shù)，1、2、3級(jí)絲杠， =1.0；4、5、6級(jí)絲杠，=0.9；運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無(wú)沖擊取1.21.5;有沖擊振動(dòng)取1.52.5；軸向平均載荷（N），主要包括切削時(shí)進(jìn)給切削力以及移動(dòng)部件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力，

24、其數(shù)值大小與導(dǎo)軌的型式有關(guān)。對(duì)于滾柱導(dǎo)軌的機(jī)床：取= 1.5，取= 1.0。（N）（2.2）式中：X方向上的切削力（N）Y方向上的切削力（N）移動(dòng)部件總重量（N）導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)，隨導(dǎo)軌型式的不同而不同；考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)。在一般情況下，選用滾動(dòng)導(dǎo)軌，在傳動(dòng)過(guò)程中不考慮，N，所以：（N）（2.3）（2.4）工作壽命時(shí)間（），一般機(jī)床可取，數(shù)控機(jī)床可?。╮/min）（按最大速度m/s計(jì)算）（2.5） （N）（2.6）查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表5.7-38取 ， mm。2.1.5 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)的計(jì)算螺紋滾道：鋼球直徑：mm（2.7）螺紋滾道法平面半徑： mm（2.8）偏心距： mm（2.9

25、）螺紋升角： （2.10）絲杠：外徑： mm （2.11）內(nèi)徑： mm（2.12）接觸直徑： mm （2.13）螺母：外徑： mm（2.14）內(nèi)徑： mm（2.15）2.1.6 滾珠絲杠副傳動(dòng)效率（2.16）式中：絲杠的螺旋升角；摩擦角。滾珠絲杠螺母副的滾動(dòng)摩擦因數(shù)，摩擦角約等于。2.1.7 滾珠絲杠副剛度驗(yàn)算滾珠絲杠副的軸向變形會(huì)影響進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度及運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，因此需驗(yàn)算滿載時(shí)的軸向的變形量。滾珠絲杠副的軸向變形有以下幾種：絲杠的拉伸或壓縮變形量。在總變形量中占的比重較大，可按下式計(jì)算：（2.17）式中：滾珠絲杠支承間的受力長(zhǎng)度（mm）；滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）；滾珠絲杠在工作載荷作用下引

26、起的導(dǎo)程變化量（mm）；軸向平均載荷引起的導(dǎo)程變化量可用下式計(jì)算：（2.18）式中：軸向平均載荷（N）；材料彈性模量，鋼（N/mm）（2.19）滾珠絲杠截面積，（mm）（2.20）式中 (N), (mm), ( N/mm )（2.21） (mm) （2.22） (mm)（2.23）導(dǎo)程變化量總誤差： （um）（2.24）滾珠絲杠受扭矩作用而引起的導(dǎo)程變化量，一般占的比重很小，此項(xiàng)可忽略不計(jì)。三級(jí)精度絲杠允許螺距誤差為15um/m，故剛度足夠。2.1.8 穩(wěn)定性驗(yàn)算臨界壓縮載荷：對(duì)于受壓的細(xì)長(zhǎng)滾珠絲杠，應(yīng)該校核其壓桿穩(wěn)定性，即驗(yàn)算其承受最大軸向壓縮載荷（單位N）時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險(xiǎn)

27、?？捎孟率竭M(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算：（2.25）式中：絲杠材料彈性模量，對(duì)鋼N/m； 絲杠兩支承端距離（m）；絲杠的支撐方式系數(shù)；查數(shù)控技術(shù)表5-11：取=2.0；許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，一般取為3；絲杠截面慣性矩（m）；式中：絲杠螺紋底徑（m），。其中為絲杠公稱直徑（m）；滾珠直徑（m） （N）臨界轉(zhuǎn)速：對(duì)于轉(zhuǎn)速較高、支承距離較大的滾珠絲杠還需驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，即驗(yàn)算最高轉(zhuǎn)速是否接近其固有頻率而產(chǎn)生共振。一般絲杠如果工作轉(zhuǎn)速低于100r/min則不需要驗(yàn)算。（2.26）式中：絲杠支承方式系數(shù)，時(shí)為1.875；時(shí)為3.927；時(shí)為4.73；絲杠最小截面積， （m）；臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，自由端或游動(dòng)端到螺母的

28、最大距離（m）；絲杠材料密度kg/m；安全系數(shù)；一般取=1.25。 (r/min)另外滾珠絲杠還受限制：70000 mm·r/min。2.2 系統(tǒng)的精度分析X、Y工作臺(tái)中，齒輪傳動(dòng)精度、滾珠螺旋傳動(dòng)的精度、滾動(dòng)導(dǎo)軌的精度和控制系統(tǒng)的精度均對(duì)系統(tǒng)的精度有影響?，F(xiàn)將齒輪傳動(dòng)的側(cè)隙對(duì)精度的影響作一說(shuō)明。兩齒輪的精度均采用 GB2363-80（即、組精度均為7級(jí)，的精度等級(jí)為6級(jí)，側(cè)隙類型為C類）。由機(jī)械課程設(shè)計(jì)手冊(cè)查得：小齒輪：mm，um，um；（查表1014）大齒輪：mm，um，um；（查表1014）中心矩：mm，um；（查表109）umumumum最小統(tǒng)計(jì)側(cè)隙：um最大統(tǒng)計(jì)側(cè)隙：um最

29、大側(cè)隙引起大齒輪上的轉(zhuǎn)角誤差為：°由側(cè)隙引起的螺母以動(dòng)量為：mm=um由齒輪傳動(dòng)引起的最大復(fù)位誤差為1.9um。采用間隙可調(diào)的滾珠螺旋傳動(dòng)，絲杠對(duì)精度的影響小。移動(dòng)的導(dǎo)軌因采用間隙可調(diào)的滾動(dòng)導(dǎo)軌，對(duì)精度的影響也很小。對(duì)于控制系統(tǒng)，只要步進(jìn)電機(jī)不失步，精度也較高，一般在的范圍之內(nèi)。按計(jì)算um,因此能滿足所提的精度要求。縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算與橫向的類似，故具體計(jì)算過(guò)程省略。同樣選用縱向進(jìn)給系統(tǒng)的滾珠絲杠的型號(hào)為WD2506。3 立柱3.1 設(shè)計(jì)要求回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨機(jī)床身包括立柱、底座。雖然件數(shù)不多，但重量卻占機(jī)床總重的80%85%，而且這類零件是整臺(tái)機(jī)床的基礎(chǔ)和支架。機(jī)床的其它零、部件或者

30、固定在大件上，或者工作是在大件的導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，因此，為了保證這些零件工作時(shí)的相對(duì)位置和相對(duì)運(yùn)動(dòng)具有足夠的精確度以及是整臺(tái)機(jī)床在工作時(shí)不出現(xiàn)振動(dòng)，對(duì)于這類大件的設(shè)計(jì)，一般都須提出下列要求：1 工藝性良好，易于制造和裝配。2 靜剛度良好，在最大允許載荷時(shí)，變形量不超過(guò)規(guī)定值；在大件本身移動(dòng)時(shí)，靜剛度的變化應(yīng)小。3 動(dòng)剛度良好，在預(yù)定的切削條件下工作時(shí)不產(chǎn)生振動(dòng)。4 溫度場(chǎng)分布合理，工作時(shí)的熱變形對(duì)加工精度的影響小。5 導(dǎo)軌面受力合理，耐磨性良好。6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，鑄造應(yīng)力小，能長(zhǎng)期地保持規(guī)定精度。7 大型機(jī)床大件的運(yùn)輸和吊裝方便。8 排屑容易，冷卻液好，潤(rùn)滑油的渠道暢通，電氣、液壓部件的安裝位置合理

31、。3.2 珩磨機(jī)床的受力分析和變形分析3.2.1 立柱的受力分析a. 承受載荷： 銑刀的3個(gè)切削分力、，通過(guò)刀桿、主軸、及工件作用到銑床立柱上。 圖3.1 b. 支撐條件：立柱可以看作是通過(guò)自身軸線、一端固定一段自由的懸臂桿件，固定端的位置在升降臺(tái)導(dǎo)軌與床身導(dǎo)軌接觸長(zhǎng)度的一半處。升降臺(tái)工作時(shí)間固定在床身的一定位置上，可看作是一端固定、一段自由的懸臂梁。3.2.2 立柱的變形特性珩磨機(jī)床的剛度，一般以z向剛度最高，Y向剛度次之，X向最差。當(dāng)工作臺(tái)、滑座、升降臺(tái)和銑刀都位于中間位置，而、的比例為1：（0.580.75）：（0.670.84）時(shí)立柱在三個(gè)方向上的變形比例為：表3.1 立柱在三個(gè)方向的

32、變形比例XYZ1520%1015%515%在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意提高床身的扭轉(zhuǎn)剛度、懸梁y向的彎曲剛度、工作臺(tái)z向的導(dǎo)軌接觸剛度和升降臺(tái)的扭轉(zhuǎn)剛度。3.3 立柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)回轉(zhuǎn)振動(dòng)珩磨機(jī)床的立柱分為上下兩部分。上部分安裝軸承以固定升降臺(tái)的傳動(dòng)部件絲杠，下段再次安裝軸承固定絲杠，并安裝電機(jī)。3.4 立柱斷面的選擇由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)表5.15-54，選用正方形閉式斷面結(jié)構(gòu)，內(nèi)部有筋板和筋條，此類斷面結(jié)構(gòu)常應(yīng)用于復(fù)雜空間載荷的機(jī)床，扭抗及抗彎剛度高，斷面尺寸 圖3.13.5 立柱壁厚的選擇立柱的重量在一臺(tái)珩磨機(jī)床的總重中占很大比例，在節(jié)約金屬材料方面有較大的潛力。大件的壁厚應(yīng)在剛度要求和鑄造工藝允許的條件下

33、，盡量采用較小的值。根據(jù)實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，鑄鐵大件的壁厚可根據(jù)大件外形的最大尺寸或大件外形的空間尺寸（即大件的長(zhǎng)、寬、高）來(lái)決定。筋板的厚度一般取壁厚的80%。立柱在導(dǎo)軌處，和其它大件連接處以見(jiàn)狀軸承和軸承支架處的壁板和筋板，除須合理布筋外，還應(yīng)適當(dāng)增加厚度，以減少局部變形。3.5.1 立柱材料及加工工藝機(jī)床鑄件應(yīng)具有較高的強(qiáng)度，剛度和耐磨性，以保持其精度不隨切削條件、使用時(shí)間等因素而有明顯的變化，這樣才能使被加工的零件具有合乎要求的精度與光潔度。選用合適的材料、熱處理工藝和合理的結(jié)構(gòu)是使鑄件性能達(dá)到上述要求的一些基本措施。根據(jù)機(jī)床鑄件的工作條件與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，其材料應(yīng)滿足以下一些要求：（1） 在扭轉(zhuǎn)、

34、彎曲、壓縮等外力作用下，產(chǎn)生的變形要小 ；（2） 吸振性要好；（3） 耐磨性好，能長(zhǎng)期保持初始的精度；（4） 由于機(jī)床的筋多、形狀復(fù)雜，因此要求其材料的鑄造性能要好。由于鑄鐵性能較好的滿足上述要求，并且價(jià)格便宜，因此是機(jī)床鑄件很合適的材料。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鑄鐵件要占機(jī)床總重的7090%。對(duì)于一些承受較大載荷，形狀復(fù)雜以便采用鍛件毛胚的機(jī)床零件，才采用鑄鋼件。3.5.2 機(jī)床鑄件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)機(jī)床鑄件的種類雖然多，但從鑄造工藝的角度來(lái)看，在結(jié)構(gòu)上主要有以下一些特點(diǎn)：（1） 機(jī)床鑄件中的基礎(chǔ)件都是箱體型結(jié)構(gòu)，并增設(shè)了很多加強(qiáng)筋，只是鑄件結(jié)構(gòu)形狀較為復(fù)雜。鑄造是需要用較多的型芯，還常常要用型芯撐來(lái)固定型芯；澆鑄

35、時(shí)型芯產(chǎn)生的氣體也難以排除，容易產(chǎn)生氣孔、砂眼等缺陷。（2） 鑄件上的一些部位，如導(dǎo)軌面、軸孔和T形槽（增加加工余量后）等處較厚大處以產(chǎn)生縮孔、縮松外，還由于鑄鐵的機(jī)械性能對(duì)壁厚較敏感，而易使該處組織疏松石墨粗大，硬度低，不耐磨。當(dāng)這些部位的厚度與周圍連接壁相差過(guò)大時(shí)還易產(chǎn)生裂紋等缺陷。（3） 一些承受油壓、切削壓力的鑄件，要求具有較高的氣密性，不允許有漏洞現(xiàn)象。（4） 由于切削加工向自動(dòng)化、高速化、強(qiáng)力切削方向發(fā)展，數(shù)控機(jī)床地出現(xiàn)，使機(jī)床鑄件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一些變化，帶來(lái)一些鑄造工藝問(wèn)題。機(jī)床主要鑄件易產(chǎn)生的缺陷及位置如表所列。在分析這些缺陷產(chǎn)生原因的基礎(chǔ)上盡量設(shè)計(jì)合理的結(jié)構(gòu)來(lái)加以避免。表3.2機(jī)床

36、鑄件易產(chǎn)生的缺陷種類和位置機(jī)床種類鑄件名稱缺陷產(chǎn)生的位置主要缺陷的種類車 床床 身導(dǎo)軌面縮孔、粗大疏松組織、氣孔、夾渣、夾砂床頭箱軸 孔縮孔、縮松尾 座軸 孔縮孔、縮松溜板箱、進(jìn)給箱軸 孔縮孔、縮松拖 板導(dǎo)軌面粗大疏松組織、硬度不均勻銑 床底 座平面處縮孔、氣孔立 柱導(dǎo)軌面縮孔、縮松、夾渣、夾砂工作臺(tái)窗孔四周縮孔、裂紋搖臂鉆床底 座平面處縮孔、氣孔T型槽縮松、立 柱下頸部縮孔、縮松空心軸外圓面夾砂、氣孔、縮孔法蘭盤四周針孔搖 臂導(dǎo)軌面縮孔、縮松、氣孔內(nèi) 腔夾砂、氣孔、縮孔主軸箱軸 孔縮孔、縮松磨 床床 身導(dǎo)軌面縮孔、縮松、夾渣、夾砂油箱處氣縮孔處漏油、型芯撐處漏油龍門刨床床 身整 體撓曲導(dǎo)軌面

37、縮孔、縮松、氣孔立柱、橫梁導(dǎo)軌面縮孔、縮松、氣孔工作臺(tái)平面處夾渣導(dǎo)軌面縮孔、縮松、氣孔4 升降臺(tái)的設(shè)計(jì)升降臺(tái)采用絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)，其特點(diǎn)是：絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)可以使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。若絲杠為單頭螺紋，螺距為P，當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)速為n時(shí)，則螺母沿軸線的直線移動(dòng)速度為： S=P×n（mm/min）。如果是多頭絲杠傳動(dòng)，則以導(dǎo)程來(lái)替代上式中的螺距。絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)工作平穩(wěn)，無(wú)噪音，可以達(dá)到高的傳動(dòng)精度，可以增力。4.1 絲杠的選用由于設(shè)計(jì)要求本處要求絲杠的傳導(dǎo)距離較長(zhǎng)，且安裝其的軸承已選定，查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)故選用外徑為70mm的絲杠。4.2 絲杠的固定滑動(dòng)絲杠的固定于滾動(dòng)絲杠的固定相同，由于本處絲杠較長(zhǎng)，且高

38、速運(yùn)轉(zhuǎn)，所以采用兩端固定，這里不再敘述。4.3 絲杠螺母機(jī)構(gòu)的核算4.3.1 耐磨性的計(jì)算螺紋工作面上單位壓力的大小，直接影響絲杠的損壞速度。應(yīng)限制工作面上的單位壓力，確保絲杠的耐磨性。查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)的，耐磨性的核算公式為： 式中 絲杠所受的最大軸向力（）;根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的選用可知，這里取10000kgf. 螺母長(zhǎng)徑比，L為螺母的長(zhǎng)度（mm）,一般取1.24,但螺母的螺紋圈數(shù)一般不超過(guò)10，因?yàn)槿?shù)愈多，載荷分布不均，第10圈以后的螺紋，實(shí)際上起不到分擔(dān)載荷的作用；這里取3。 許用單位壓力，查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)得值為50kgf/。經(jīng)計(jì)算得為41.15,故符合要求。4.3.2 穩(wěn)定性的核算當(dāng)絲杠的長(zhǎng)徑比

39、較大（一般大于10），且承受軸向壓力時(shí)，絲杠有發(fā)生縱向彎曲（側(cè)向鼓出）的危險(xiǎn)，因此，需進(jìn)行穩(wěn)定性的核算。絲杠具有良好穩(wěn)定性時(shí)的最大允許軸向壓縮載荷可用材料力學(xué)公式來(lái)計(jì)算：式中 絲杠支撐系數(shù)，由于本設(shè)計(jì)采用兩段固定，則此系數(shù)查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)的為4 材料彈性模量，鋼為； 絲杠內(nèi)徑，此處取60mm. 支撐距離(mm)，此處取700mm. 安全系數(shù) ，一般取3。經(jīng)計(jì)算得： =34.4（kgf）查得機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)可知，穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。4.3.3 剛度的核算 滑動(dòng)絲杠的剛度核算與滾珠絲杠的基本相同，只是沒(méi)有滾珠與螺紋滾到間的接觸變形一項(xiàng)。其剛度公式為： 式中 軸向載荷； 轉(zhuǎn)矩； 螺距；查表得此處螺距為10

40、mm; 、 分別為螺桿材料的彈性模量和剪切彈性模量； 、 分別為螺桿螺紋段截面面積和極慣性矩，在梯形螺紋剛度計(jì)算中，按螺紋中徑計(jì)算為合理，即。計(jì)算得=33.11=55。故符合要求。4.3.4 強(qiáng)度的核算 絲杠拉壓應(yīng)力的計(jì)算公式為：式中 絲杠所受的最大軸向力； A 絲杠內(nèi)徑的斷面積，；查表得A取值為27.36； 絲杠的內(nèi)徑，這里取值為62； 絲杠的傳動(dòng)效率；這里經(jīng)計(jì)算得為0.204； 許用拉壓應(yīng)力，由于螺紋所引起的應(yīng)力集中系數(shù)不能精確確定，取，為材料的屈服點(diǎn)。 經(jīng)計(jì)算得值為38.66，符合要求。4.4 步進(jìn)電機(jī)的選用本設(shè)計(jì)研究的鉆銑床是以中小型機(jī)床為主要的研究對(duì)象，由于本設(shè)計(jì)要求使得升降臺(tái)升降速

41、度可控，其控制部分選用單片機(jī)，而步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個(gè)角度，故選用系列三相異步電動(dòng)機(jī)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，選用型號(hào)為160S2，其具體參數(shù)見(jiàn)下表 表4.1 -160S2三相異步電動(dòng)機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 電動(dòng)機(jī)型號(hào)額定數(shù)據(jù)起動(dòng)電流額定電流起動(dòng)轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩額定轉(zhuǎn)矩電機(jī)重量（kg）功率（kW）轉(zhuǎn)速（r/min）電流（A）效率（%）功率因數(shù)160S21529303086.50.887.01.72.24.5 傳動(dòng)軸的設(shè)計(jì) 根據(jù)材料力學(xué)可知，對(duì)于實(shí)心軸，其扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度條件為： 式中 軸受T作用時(shí)，軸中的切應(yīng)力（N/mm） T 軸所傳遞的轉(zhuǎn)矩（N/m

42、m） 軸的抗扭截面系數(shù)（） 軸的直徑（mm） 軸的傳遞功率（Kw） N 軸的轉(zhuǎn)速（） 許用切應(yīng)力（）寫成設(shè)計(jì)公式可得軸的最小直徑的設(shè)計(jì)公式為： 式中的C值是許用切應(yīng)力變化的系數(shù)，其大小決定于所選用的軸的材料和載荷的性質(zhì)，表中列出幾種常用材料的和C值。 表 4.2 軸常用材料的許用切應(yīng)力和系數(shù)C 軸的材料Q235*，20Q275*，354540Cr，35siMn,40MnBsi，39.2-51C159-135135-118118-107107-97經(jīng)以上公式計(jì)算的軸的最小直徑d為：d=33.7mm則取d=40mm.5 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)部分5.1 步進(jìn)電機(jī)的單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)

43、機(jī)，它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變成角位移，即給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個(gè)角度，因此非常適合單片機(jī)控制。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差，精度高。環(huán)形分配器功率放大電路步進(jìn)電動(dòng)機(jī)AT89C52P1.0P1.1P1.2P1.3利用微機(jī)對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行控制，有串行和并行兩種方式，本設(shè)計(jì)中采用串行控制。該方法使單片機(jī)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源之間具有較少的連線。單片機(jī)通過(guò)I/O接口將信號(hào)送入步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的環(huán)形分配器，所以在這種系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電源中必須含有環(huán)形分配器。這種控制方式的示意圖如圖

44、5.1所示。CP脈沖用來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度，每輸入一個(gè)脈沖，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。方向信號(hào)CW為電平輸入信號(hào)端，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向，CW為高電平時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在CP端輸入脈沖時(shí)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；CW為低電平時(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在CP端輸入脈沖時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。控制系統(tǒng)的工作原理的實(shí)際是對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行速度的控制，也就是控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或者換相的周期。由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的工作原理知，要使電動(dòng)機(jī)正常的一步一步地運(yùn)行，控制脈沖必須按一定的順序分別供給電動(dòng)機(jī)各相，例如三相單拍驅(qū)動(dòng)方式，供給脈沖的順序?yàn)锳-B-C-A或A-C-B-A，也可稱為環(huán)形脈沖分配。脈沖分配有兩種方式：一種是硬件脈沖分配；另一種

45、是軟件分配，是由計(jì)算機(jī)的軟件完成的。圖5.1 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的串行控制5.2 步進(jìn)電機(jī)的速度控制在珩磨機(jī)床數(shù)控裝置中，同樣也存在著定位速度和進(jìn)給速度的控制問(wèn)題，由于機(jī)械進(jìn)給系統(tǒng)的慣性量不大，進(jìn)給速度也不高，所以在速度控制中采用速度較低的恒速控制運(yùn)行方式，這樣編程就較簡(jiǎn)單。系統(tǒng)的核心控制部件采用8位高性能的AT89C52單片機(jī)芯片，該芯片有32個(gè)I/O口引腳，內(nèi)帶8K字節(jié)的快閃存儲(chǔ)器（FPEROM），256字節(jié)內(nèi)部RAM，3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)6向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口、偏內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。編程時(shí)鐘頻率324MHZ，同時(shí)也可降至0HZ的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作

46、模式。不但價(jià)格便宜，而且具有較高的性價(jià)比。所選用的AT89C52的時(shí)鐘為s，如果要將時(shí)鐘的脈沖頻率轉(zhuǎn)換為電機(jī)的低速運(yùn)行頻率，需要采用適當(dāng)?shù)慕殿l方式。改變輸出指令狀態(tài)代碼之間的時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的升降速及變速控制，步進(jìn)電機(jī)在啟動(dòng)加速和制動(dòng)減速時(shí)，由于負(fù)載慣性，可能會(huì)引起失步。因此，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)有一個(gè)加、減速的過(guò)程，而且希望在指定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到預(yù)定的速度。其中，最簡(jiǎn)單的而且使用的是等加速與等減速，此時(shí)加速和減速的速度曲線如圖5.2所示。t 加 速 恒 速 f 低 速 減 速 圖5.2 速度曲線圖5.3 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路本設(shè)計(jì)主要是對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信

47、號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)。在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移與控制脈沖數(shù)成正比。在多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件作開(kāi)環(huán)控制時(shí)，無(wú)需A/D與D/A進(jìn)行轉(zhuǎn)換。在這個(gè)自動(dòng)進(jìn)給系統(tǒng)中涉及到步進(jìn)電機(jī)的選擇控制，并作為調(diào)整的執(zhí)行元件，步進(jìn)電機(jī)都有7種狀態(tài)可供選擇，它是正轉(zhuǎn)時(shí)的快速、中速、慢速；反轉(zhuǎn)時(shí)的快速、中速、慢速；以及停轉(zhuǎn)。在任一時(shí)間內(nèi)每個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均可為7種狀態(tài)中的任意一種，因而步進(jìn)電機(jī)的狀態(tài)共有7種，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果都將影響被調(diào)整對(duì)象的參數(shù)，這將決定步進(jìn)電機(jī)采取何種狀態(tài)，并直接控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)以驅(qū)動(dòng)升降臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)，將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣ぷ髋_(tái)的線性進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)在同一加工平面上的加工任意分布的孔，以達(dá)到

48、本次設(shè)計(jì)題目的要求。由于本次所設(shè)計(jì)的控制電路重在驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)上，所以在這里將對(duì)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)分析，步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由以下幾部分組成（如圖5.3所示）：計(jì)算機(jī)接口脈沖分配隔離電路功率放大步進(jìn)電機(jī)圖5.3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理框圖根據(jù)指令輸入的電脈沖不能直接用來(lái)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，必須采用脈沖分配器先將電脈沖按通電的工作方式進(jìn)行分配，而后再經(jīng)過(guò)脈沖放大器放大到具有足夠的功率，才能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的工作。5.3.1 三相六拍環(huán)形分配器的選用在驅(qū)動(dòng)器中帶有環(huán)形分配器，它是用于控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的通電運(yùn)行方式的，其作用是將數(shù)控裝置的插補(bǔ)脈沖，按步進(jìn)電動(dòng)機(jī)所要求的規(guī)律分配給步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源的各相輸入端，以

49、控制勵(lì)磁繞組的導(dǎo)通或關(guān)斷。同時(shí)由于電動(dòng)機(jī)有正反轉(zhuǎn)要求，所以環(huán)形分配器的輸出不僅是周期性的，又是可逆的。可以根據(jù)正、反轉(zhuǎn)通電順序列出狀態(tài)表及真值表。根據(jù)所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的繞組相數(shù)為三相，所以在脈沖選分配器的選擇上我將選用只有三相引腳的米阿沖分配器。脈沖分配器可以用門電路及邏輯電路構(gòu)成，提供符合步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制指令所需的順序脈沖。目前已經(jīng)有很多可靠性高、尺寸小、使用方便的脈沖分配器供選擇。按其電路結(jié)構(gòu)不同可分為TTL集成電路和CMOS集成電路。目前市場(chǎng)提供的國(guó)產(chǎn)TTL脈沖分配器有三相（YBO13）、四相（YBO14）、五相（YBO15）和六相（YBO16），均為18個(gè)管腳的直插式封裝。CMOS集成

50、脈沖分配器也有不同型號(hào)，例如CH250型用來(lái)驅(qū)動(dòng)三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，封裝形式為本16腳直插式。這兩種脈沖分配器的工作方式基本相同，當(dāng)各個(gè)引腳連接好之后，主要通過(guò)一個(gè)脈沖輸入端，控制步進(jìn)的速度；一個(gè)輸入端控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向；并有與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)相數(shù)相同數(shù)目的輸出端分別控制電動(dòng)機(jī)的各相。CH250是三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)環(huán)形分配器的專用集成電路芯片，它采用CMOS工藝，集成度高，可靠性好。它的管腳圖和三相六拍工作時(shí)的接線圖如圖5.4所示。 圖5.4 CH250管腳圖和三相六拍接線圖CH250主要管腳的作用：A、B、CA、B、C相輸出端。R、R*確定初始勵(lì)磁相；若為“10”，則為A相；若為“01”，則為A、B相

51、。環(huán)形分配器工作時(shí)應(yīng)為“00”狀態(tài)。、均為電源端。CL、EN進(jìn)給脈沖輸入端，若ENl，進(jìn)給脈沖接CL，脈沖上升沿使環(huán)形分配器工作；若CL0，進(jìn)給脈沖接EN，脈沖下降沿使環(huán)形分配器工作。不符合上述規(guī)定則為環(huán)形分配器狀態(tài)鎖定（保持）。、分別為控制三拍、六拍工作的控制端。CH250管腳圖的功能是三相六拍工作方式；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的初始勵(lì)磁相為A、B相；進(jìn)給脈沖CP的上升沿有效；方向信號(hào)為l，則正轉(zhuǎn)，為0，則反轉(zhuǎn)。在計(jì)算機(jī)控制的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，通常采用軟件的方法實(shí)現(xiàn)環(huán)形脈沖分配。一個(gè)AT89C52單片機(jī)芯片的P1口的三個(gè)引腳經(jīng)過(guò)光電耦合電路/功率放大電路驅(qū)動(dòng)后，分別與電動(dòng)機(jī)的A、B、C三相連接。當(dāng)采用

52、三相六拍方式時(shí)，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)的通常順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CA-A；電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)的順序?yàn)锳-AC-C-CB-B-BA-A。它們的環(huán)形分配如表5.1所示。它的P1的某口為高電平時(shí)，相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)相通電。5.1 環(huán)形分配狀態(tài)表步序表導(dǎo)電相工作狀態(tài)數(shù)值（16進(jìn)制）程序的數(shù)據(jù)表正傳 反轉(zhuǎn)C B ATABA相0 0 101HTAB1 DB01HA B相0 1 103H       DB03HB相0 1 002H   DB02HB C相1 1 006H       D

53、B06HC相1 0 004H        DB04HC A相1 0 105HTAB5 DB05H5.3.2 光電隔離電路的設(shè)計(jì)在環(huán)形分配器和功率驅(qū)動(dòng)電路之間采用光電隔離電路是為了隔離步進(jìn)電動(dòng)機(jī)大功率、高電平的脈沖信號(hào)對(duì)微型計(jì)算機(jī)的干擾，同時(shí)還能進(jìn)行兩者不同電平的轉(zhuǎn)換，以便提高驅(qū)動(dòng)能力。光電隔離電路圖如圖5.5所示：圖5.5 光電隔離電路圖環(huán)形分配器送出的脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)光電耦合器4N25組成的光電隔離電路，然后送到功率驅(qū)動(dòng)電路對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其電路設(shè)計(jì)計(jì)算如下： 確定輸入電阻（5.1）式中：驅(qū)動(dòng)電流。選mA；驅(qū)動(dòng)電路的電源電壓。取V；光敏二極管的正向電壓。取V；驅(qū)動(dòng)電路輸出低電壓。取V。則 確定輸出回路電阻和（5.2）（5.3）式中：V（查機(jī)電一體化