C6132橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)數(shù)控改造(含CAD圖紙)

1、 . PAGE31 / NUMPAGES31目 錄總體方案確定4 1.1、C6132工藝圍4 1.2、設(shè)計(jì)任務(wù)4 1.3、總體方案4 1.3.1、進(jìn)給系統(tǒng)改造4 1.3.2、伺服系統(tǒng)改造5 1.3.3、導(dǎo)軌改造6 1.3.4、控制系統(tǒng)改造6 1.3.5、系統(tǒng)框圖62、機(jī)械部分改造6 2.1、C6132普通車床的改造6 2.2、切削力的計(jì)算6 2.2.1、主切削力7 2.2.2、進(jìn)給力與背吃刀力7 2.2.3、工作載荷7 2.3、滾珠絲杠的計(jì)算與選型8 2.3.1、絲杠轉(zhuǎn)速8 2.3.2、承載能力計(jì)算8 2.3.3、計(jì)算額定載荷9 2.3.4、滾珠絲杠螺母選型10 2.3.5、壓桿穩(wěn)定性校核11

2、 2.3.6、剛度演算12 2.3.7、傳動(dòng)效率12 2.3.8、臨界轉(zhuǎn)速12 2.3.9、最大轉(zhuǎn)速13 2.3.10、壓彎臨界轉(zhuǎn)速13 2.3.11、預(yù)緊力13 2.3.12、絲杠與導(dǎo)軌間接觸變性14 2.4、減速齒輪的計(jì)算14 2.5、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算與選型16 2.5.1、反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)特性17 2.5.2、步進(jìn)電機(jī)選型考慮因素18 2.5.3、步進(jìn)電機(jī)初選19 2.5.4、步進(jìn)電機(jī)校核20 2.6、導(dǎo)軌的選型24數(shù)控部分硬件電路設(shè)計(jì)24 3.1、硬件電路組成24 3.2、中央處理器選擇22 3.3、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展與選型23 3.4、其他電路設(shè)計(jì)24總結(jié)28致29參考文獻(xiàn)301、總體設(shè)計(jì)方案

3、確定1.1、c6132工藝圍數(shù)控車床主要用于軸類、盤類零件的加工, 能自動(dòng)完成外圍柱面、孔、錐面、圓弧面、螺紋等工序的粗細(xì)加工, 并能在圓柱面或端面上進(jìn)行銑槽、鉆孔、鉸孔等工作, 可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件在預(yù)先加工好定位基面后, 一次裝夾下完成從毛坯到成品的全部工序。因此能夠極大的提高生產(chǎn)率。C6132車床主要用于對(duì)小型軸類、盤類以與螺紋零件的加工。1.2、設(shè)計(jì)任務(wù) 本設(shè)計(jì)任務(wù)在現(xiàn)有C6132車床的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，對(duì)機(jī)床橫向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，主傳動(dòng)系統(tǒng)保留。，橫向進(jìn)給系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量分別為0.005mm/step，最大快移速度2000mm/min，定位精度0.01mm。1.3、總體方案1.3.1、進(jìn)給

4、系統(tǒng)改造 將車床溜板箱拆除，在原處安裝滾珠絲杠螺母座，絲杠螺母固定在其上。將橫溜板中的普通絲杠、螺母拆除，在該處安裝橫向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副，伺服電機(jī)與絲杠間采用一級(jí)減速器聯(lián)接, 以縮小傳動(dòng)鏈, 提高系統(tǒng)剛度, 并減少傳動(dòng)鏈誤差。橫向伺服電動(dòng)機(jī)與齒輪減速器總成安裝在機(jī)床后部并與滾珠絲杠通過柔性聯(lián)軸器相連。柔性聯(lián)軸器的特點(diǎn)是有一定的緩沖性能和較大的綜合補(bǔ)償性能（包括：軸向偏移，徑向偏移，角度偏移）。滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是具有摩擦力小,運(yùn)動(dòng)靈敏, 無爬行現(xiàn)象, 也可以進(jìn)行預(yù)緊, 以實(shí)現(xiàn)無間隙傳動(dòng),傳動(dòng)剛度好,反向時(shí)無空程死區(qū)等特點(diǎn)。可提高傳動(dòng)精度。1.3.2、伺服系統(tǒng)的改造= 1 * GB2、考慮到

5、數(shù)控的方便性，伺服系統(tǒng)改造的經(jīng)濟(jì)型，所以在保證具有一定加工精度的前提下，從改造成本考慮。應(yīng)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本與考慮到加工精度的要求，應(yīng)采用以伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)的開環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)特點(diǎn)：環(huán)路短，剛性好，較容易獲得較高的精度和速度。 伺服電動(dòng)機(jī) 機(jī)床工作臺(tái) 比較器放大電路脈沖指令圖1.1 開環(huán)控制系統(tǒng)原理圖= 2 * GB2、開環(huán)伺服系統(tǒng)一般選用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移量的執(zhí)行元件。其轉(zhuǎn)速則與脈沖頻率成正比。由于輸入為電脈沖，因而易于電子計(jì)算機(jī)或其他數(shù)字電路接口，適用于數(shù)字控制系統(tǒng)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、自動(dòng)生產(chǎn)線、自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)外

6、部設(shè)備、繪圖機(jī)、計(jì)時(shí)鐘表等方面。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)用于系統(tǒng)具有較好的開環(huán)穩(wěn)定性，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有可能省去閉環(huán)系統(tǒng)中的測(cè)量元件。= 3 * GB2、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：步距角小，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率高，在一相繞組長(zhǎng)期通電狀態(tài)下，具有自鎖能力，消耗功率較大，應(yīng)用圍比較廣泛。例如閥門控制、數(shù)控機(jī)床與其他數(shù)控裝置。永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)：功率比較小，在斷電的情況下，有定位轉(zhuǎn)矩，步距角大，啟動(dòng)和運(yùn)行頻率較低，主要應(yīng)用在自動(dòng)化儀表方面。故：從精度和經(jīng)濟(jì)的角度來選，伺服系統(tǒng)采用反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制。為使步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)行并輸出一定的功率，需要有足夠功率提供給電動(dòng)機(jī)因此需要有功率放大環(huán)節(jié)，脈沖分配器與前面的微機(jī)與接口

7、芯片，工作電平一般為5V，而作為電動(dòng)機(jī)電源需符合電機(jī)要求的額定電壓值，為避免強(qiáng)電對(duì)弱電的干擾在它們之間應(yīng)采用隔離電路。如下圖圖1.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路1.3.3、導(dǎo)軌改造 導(dǎo)軌需沿用原機(jī)床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機(jī)床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤(rùn)滑性。1.3.4、控制系統(tǒng)選用 控制系統(tǒng)選用MCS-51單片機(jī)。1.3.5、系統(tǒng)框圖 見圖012、機(jī)械部分改造2.1、C6132普通車床參數(shù)最大回轉(zhuǎn)直徑：320mm 最大加工長(zhǎng)度：640mm 移動(dòng)步件重盤：橫向 500N 刀架快進(jìn)速度：橫向 1.2m/min 最大進(jìn)給速度：橫向0.3m/

8、min 主電機(jī)功率：4KW 起動(dòng)加速時(shí)間：25ms機(jī)床定位精度：0.015mm 機(jī)床效率：0.82.2、切削力的計(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)等都需要用到切削力，2.2.1、主切削力選工件材料碳素結(jié)構(gòu)鋼，=650 MP；選用刀具材料為高速鋼；刀具幾何參數(shù)：主偏角=，前角=，刃傾角=；切削用量為：背吃刀量=2mm，進(jìn)給量=0.8mm/r，切削速度=1 m /min.。由表（2.1）查得：=1770; =1.0 =0.75 =0;由表（2.2）查得：主偏角修正系數(shù)=0.92 ,前角，刃傾角修正系數(shù)都為1.0； 代入公式： = =2754.92 ( N )2.2.2、

9、進(jìn)給力與背吃刀力 由經(jīng)驗(yàn)公式：=1:0.35:0.4 知：=2754.92N =0.35x2754.92=964.22N=0.4x2754.92=1101.97N2.2.3、工作載荷選擇矩形三角形組合導(dǎo)軌由表（2.3）計(jì)算： =1.15x964.22+0.15x(2754.92+500) =1597.09（N）： 溜板箱與刀架（橫向）重力=500（N）;： 考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)由表（2.3）查得：K=1.15 f ： 滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)由表（2.3）查得：f= 0.15表2.1車削力公式中系數(shù)參數(shù)結(jié)構(gòu)鋼，鑄鋼=650 MP刀具材料加工外形公式中指數(shù)與參數(shù)主切削力高速鋼外圓縱車，橫車，切斷1

10、7701.00.750 表2.2加工鋼或鑄鐵刀具幾何參數(shù)改變時(shí)切削力修正系數(shù)名稱數(shù)值主偏角 修正系數(shù)0.92前角1.0刃傾角1.0刀尖圓角半徑1.0 表2.3實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式與參考參數(shù)導(dǎo)軌類型實(shí)驗(yàn)公式f矩形導(dǎo)軌1.10.15燕尾導(dǎo)軌1,40.2三角形或綜合導(dǎo)軌1.150.15-0.182.3、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算和選型2.3.1、絲杠轉(zhuǎn)速=200r/min；其中：最大切削條件下進(jìn)給速度（mm/min），取最高進(jìn)給速度(2000mm/min)的 1/21/3 即： =2000 =1000mm/min：絲杠導(dǎo)程初選5 mm（導(dǎo)程越大，承載越大；導(dǎo)程越小，精度越高）；2.3.2、承載能力選擇 = =110

11、10.38 N 其中：=180 (r)； 滾道硬度HRC=55； 表2.4 使用壽命時(shí)間（h）使用壽命時(shí)間（h）普通機(jī)床數(shù)控機(jī)床航空機(jī)械500010000150001000表2-5 硬度系數(shù)硬度系數(shù)HRC58HRC=55HRC=52.5HRC=50HRC=451.01.111.351.562.4表2-6載荷系數(shù)載荷系數(shù)平穩(wěn)或輕度沖擊中等沖擊較大沖擊1.01.21.21.51.52.52.3.3、計(jì)算額定載荷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)（106轉(zhuǎn)）時(shí)，其中90%不產(chǎn)生疲勞損傷時(shí)所能承受的最大軸向載荷。、計(jì)算最大額定動(dòng)載荷 =9919.26 (N

12、)絲杠選型應(yīng)使得絲杠額定動(dòng)載荷滿足：知：此項(xiàng)滿足要求。、計(jì)算最大額定靜載荷=2x1597.09=3194.18 (N)絲杠選型應(yīng)使得絲杠額定靜載荷滿足：=28538 知：此項(xiàng)滿足要求。表2.7靜態(tài)安全系數(shù)靜態(tài)安全系數(shù)一般運(yùn)動(dòng)有沖擊與振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)12232.3.4、選擇滾珠絲杠螺母的選型： = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 、滾珠絲杠選型根據(jù)上面的計(jì)算查表選滾珠絲杠型號(hào)為：FL2505-3 表2.8 FLF2505-3 型滾珠絲杠參數(shù)型號(hào)公稱直徑基本導(dǎo)程絲杠外徑滾珠直徑螺旋升角循環(huán)圈數(shù)額定載荷N接觸剛度R(N/）動(dòng)剛度靜剛度絲杠底徑2505-525524.53.1753392x2.5

13、-2x2.5116702853887021.2表2.9螺母安裝尺寸DDDBM406653114105.86M62830102余程有效行程全長(zhǎng)20=-2=360400126P1042 = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 、滾珠絲杠循環(huán)方式本設(shè)計(jì)循環(huán)方式采用：外循環(huán)滾珠絲杠，螺旋槽式。 = 3 * GB2 * MERGEFORMAT 、滾珠絲杠副的標(biāo)注方法 滾珠絲杠 GB/T - 名稱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)號(hào)公稱直徑基本導(dǎo)程螺紋長(zhǎng)度類型P/T公差等級(jí)旋向R/L FL25005-3-310 /400表示：外循環(huán)墊片調(diào)隙式、法蘭式雙螺母螺紋預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠母副，名義直徑為25mm，導(dǎo)程為5mm,一個(gè)

14、螺母工作滾珠為3.5圈，單列，3級(jí)精度，右旋，絲杠螺紋部分長(zhǎng)度為310mm,絲杠總長(zhǎng)度為400mm。2.3.5、壓桿穩(wěn)定性效核 = =17081.98 =1597.09 ( N ) 知：此項(xiàng)滿足要求； 其中：實(shí)際承受載荷能力N；-剛的彈性模量，MPa；：滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，=9910.44 mm；：壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)取2.54；表2.10 壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù)壓桿穩(wěn)定支撐系數(shù)雙推-雙推單推-單推雙推-簡(jiǎn)支雙推-自由4120.25注：若時(shí)，絲杠失去穩(wěn)定發(fā)生翹曲；兩端裝推力軸承與向心軸承時(shí)一般不會(huì)發(fā)生現(xiàn)象；當(dāng)n10r/min時(shí)，無需計(jì)算，只效核。2.3.6、剛度驗(yàn)算 每一導(dǎo)程變形量 （mm）

15、= = 0.006+0.1x0.006 （mm） 其中：T=0.768 （Ncm）（“+” 取拉，“”取壓）：剛的彈性模量，MPa；：絲杠最小截面積，；：扭矩，Ncm；：滾珠絲杠底徑的抗彎截面慣性矩，；2.3.7、傳動(dòng)效率=95.6%：絲杠螺旋線升角；：摩擦角（滾珠絲杠取）2.3.8、臨界轉(zhuǎn)速= 9060000 ( r/min )：絲杠底徑（mm）；：絲杠支撐間距（mm）。表2.11 臨界裝束系數(shù)臨界裝束系數(shù)雙推-雙推雙推-支撐雙推-單推雙推-自由21.915.19.73.42.3.9、最大轉(zhuǎn)速 絲杠最大轉(zhuǎn)速滿足：=50000/25=2000 ( r/min )：絲杠公稱直徑（mm）；：常取=

16、5000070000。2.3.10、壓彎臨界載荷 N= 367.2 ( N )：絲杠底徑（mm）；：絲杠支撐間距（mm）表2.12 臨界載荷系數(shù)m臨界載荷系數(shù)雙推-雙推雙推-支撐雙推-單推雙推-自由20.310.25.11.32.3.11、預(yù)緊力預(yù)緊力增加，滾珠與滾道間接觸剛度也增加，傳動(dòng)精度提供；但過大預(yù)緊力會(huì)影響甚至降低絲杠的壽命。按下表選擇表2.13 預(yù)緊力計(jì)算公式工 作 條 件（N）舉例工作速度反向間隙定位精度接觸剛度中速無高高=（0.10.13）加工中心NC機(jī)床中速無較高較高=(1/3)經(jīng)濟(jì)型NC機(jī)床，普通機(jī)床高速無一般低(1/3)工業(yè)機(jī)器人工程機(jī)械=(1/3)=1/3x1597.0

17、9=532.36 ( N )滾珠絲杠副的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊、單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊以與過盈滾珠預(yù)緊等。2.3.12、絲杠與軌道間接觸變形 取：=0.005mm其中：=3281.93 N ；=532.36N:滾珠直徑；=3.173 mm；：滾珠總數(shù)；=x圈數(shù)x列數(shù)=370個(gè)； 由：=+=0.005+0.006=11 =13查表知：3級(jí)精度，310-400長(zhǎng)度允許變量為13 故：此項(xiàng)滿足要求。綜上知：選用 FL2505-3 型滾珠絲杠可以設(shè)計(jì)滿足要求。2.4、減速齒輪計(jì)算= 1 * GB2、算進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)比i =360 0.005/5=0.48式中：脈

18、沖當(dāng)盒(mm/步）;=0.005 mm/step：滾珠絲杠的基本導(dǎo)程(mm); =5：步進(jìn)電機(jī)的步距角。初選。= 2 * GB2、減速齒輪的計(jì)算計(jì)算出傳動(dòng)比以后，再根據(jù)降速級(jí)數(shù)決定一對(duì)或兩對(duì)齒輪的齒數(shù)、模數(shù)和各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)。因?yàn)檫M(jìn)給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大，一般取模數(shù)m=12，數(shù)控臺(tái)鉆xy工作臺(tái)取m=1，數(shù)控車床，銑床可取m=2。由（、為降速齒輪的齒數(shù)）可計(jì)算和選取齒數(shù)。齒輪各部分幾何參數(shù)如表（2.15）計(jì)算。I=Z1/Z2=0.48所以選主動(dòng)輪Z1=24，從動(dòng)齒輪Z2=50 表2.15減速齒輪計(jì)算參數(shù) 名稱代號(hào)計(jì)算=24=50齒頂高=2齒根高=2.5齒全高=4.5分度圓直徑=48=100齒頂圓直徑

19、=52=104齒根圓直徑=43=95齒距=6.28齒厚=3.14中心距=74模數(shù)=2齒頂高系數(shù)=1齒隙系數(shù)=0.2齒形角=20齒輪寬（初選）B=20B=14= 3 * GB2、齒輪消隙由于數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動(dòng)變向狀態(tài)，反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪等傳動(dòng)副存在間隙，就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào)，從而影響其驅(qū)動(dòng)精度。因此必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙，以提高數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)精度。故采用：雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法（如圖2.1）。其特點(diǎn)：既可以消除間隙，且反向時(shí)不會(huì)出現(xiàn)死區(qū)。 圖2.1 可拉彈簧式雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法圖中,在2 個(gè)薄片齒輪1 和2 上裝有螺紋的凸耳4 和8 ,彈簧的一段鉤

20、在凸耳4上,另一端鉤在螺釘5 上。彈簧3 所受的力大小可用螺母6 來調(diào)節(jié)螺釘5 的伸出長(zhǎng)度,調(diào)整好后再用螺母7 鎖緊。雙片薄齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法原理：在一對(duì)嚙合的齒輪中，其中一個(gè)是寬齒輪（圖中標(biāo)出），另一個(gè)是由兩薄齒輪組成。薄片齒輪1和2上各開有周向圓弧槽，并在兩齒輪的槽各壓配有安裝彈贊4的短圈柱3。在彈簧4的作用下使齒輪1和2錯(cuò)位，分別與寬齒輪的齒槽左、右側(cè)貼緊，消除了齒側(cè)間隙，但彈簧4的力必須足以克服扭矩2.5、步進(jìn)電機(jī)計(jì)算與選用2.5.1、反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特性= 1 * GB2、步距角步距角是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的主要指標(biāo)之一，它的大小由公式（1）決定步距角的大小反映了系統(tǒng)能夠達(dá)到的分辨能力。目前國(guó)產(chǎn)

21、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角由0.3750到900最常用的為1.20/0.60、1.50/0.750、180/0.90、20/10、30/1.50、4.50/2.250等幾種。=360/k m z (1)= 2 * GB2、靜特性靜特性是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的特性，包括矩角特性、靜態(tài)稚定區(qū)等。1.矩角特性在脈沖電流不變的情況下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的靜轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子失調(diào)角的關(guān)系M=f()稱為矩角特性。失調(diào)角的關(guān)系，即定、轉(zhuǎn)子齒中心線間的夾角在反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)中一個(gè)齒距對(duì)應(yīng)的電角度為2。定、轉(zhuǎn)子齒對(duì)齊時(shí)，即=0，電機(jī)轉(zhuǎn)子無切向力轉(zhuǎn)矩為零；若定、轉(zhuǎn)子齒錯(cuò)開一個(gè)角度這時(shí)出現(xiàn)切向力，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，其作用是使齒對(duì)齊。根據(jù)理論和

22、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，M=f()近似為一條正弦曲線，如圖19所示，矩角特性上電磁轉(zhuǎn)矩的最大值稱為最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩。它表示步進(jìn)電動(dòng)機(jī)承受負(fù)載的能力，是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最主要的性能指標(biāo)之一。= 3 * GB2、步進(jìn)動(dòng)行特性= 1 * GB3、靜穩(wěn)定區(qū)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的矩角特性可知，當(dāng)失調(diào)角在到（即相當(dāng)齒距）的圍，若去掉負(fù)載，轉(zhuǎn)子仍能回到初始穩(wěn)定平衡位置稱到為靜穩(wěn)定區(qū)，如圖19所示若失調(diào)角超過這個(gè)圍，去掉負(fù)載再也不能自動(dòng)加到這個(gè)平衡位置。步進(jìn)運(yùn)行特性是指脈沖頻率很低，每一個(gè)脈沖到來之前，轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)己經(jīng)停止，這種運(yùn)行狀態(tài)稱為步進(jìn)運(yùn)行狀態(tài)。= 2 * GB3、動(dòng)穩(wěn)定區(qū)動(dòng)穩(wěn)定區(qū)是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)從一種通電狀態(tài)切換到另一種通電狀態(tài)時(shí)，不致

23、引起失步的區(qū)域。如步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載，在A相通電狀態(tài)下，轉(zhuǎn)子位于矩角特性曲線A上的平衡點(diǎn)OA處：A相斷電，B相通電，工作點(diǎn)將由OA點(diǎn)跳至曲線B上，轉(zhuǎn)子穩(wěn)定運(yùn)行于OB點(diǎn)。改為B相通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子位置處于B-B之間，轉(zhuǎn)子就能向OB點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。而達(dá)到新的德定平衡，區(qū)域B-B為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載狀態(tài)下的動(dòng)穩(wěn)定區(qū)，如圖20所示，顯然相數(shù)或拍數(shù)增加，步距角減小，穩(wěn)定區(qū)越接近靜穩(wěn)定區(qū)。= 3 * GB3、步進(jìn)運(yùn)行時(shí)的負(fù)載能力如果步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZI較小時(shí)，在A相繞組通電的情況下，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定工作點(diǎn)在曲線A上的a1點(diǎn)，A相繞組斷電，B相繞組通電時(shí)，工作點(diǎn)將由點(diǎn)a1跳到曲線B上的b1點(diǎn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩大于MZI，轉(zhuǎn)子

24、加速，工作點(diǎn)由b1點(diǎn)沿曲線B移到的b1，達(dá)到新的平衡位置，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZ2很大時(shí)，在A相通電時(shí)，電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定在曲線A上的a2點(diǎn)。A相斷電，B相通電瞬間，工作點(diǎn)由a2跳到曲線B上的b2點(diǎn)，此時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZ2，轉(zhuǎn)子無法帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩作步進(jìn)運(yùn)動(dòng)。顯然，電動(dòng)機(jī)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)所能帶動(dòng)的最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩取決于曲線A和曲線B交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩。此稱最大負(fù)載轉(zhuǎn)矩MZM如圖21所示，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)m或拍數(shù)N的增加，步距角減小，兩曲線的交點(diǎn)就升高，帶負(fù)載轉(zhuǎn)矩的能力增強(qiáng)。= 3 * GB2、連續(xù)運(yùn)行特性如果輸入脈沖頻率很高時(shí)，控制脈沖的時(shí)間間隔小于過渡過程時(shí)間，轉(zhuǎn)子尚未走完前一步，下一個(gè)脈沖已經(jīng)到來步進(jìn)電動(dòng)機(jī)呈連續(xù)狀

25、態(tài)。= 1 * GB3、矩頻特性：因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制繞組中存在電感，所以電流增長(zhǎng)就有個(gè)過渡過程，頻率較高時(shí)，電流達(dá)不到穩(wěn)定值，電流峰值隨脈沖頻率增大而減小，轉(zhuǎn)矩就隨脈沖頻率的升高而降低如圖22所示。= 2 * GB3、工作頻率起動(dòng)頻率是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩下能夠不失步起動(dòng)的最高頻率。因?yàn)椴竭M(jìn)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，除要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩外，還要克服慣性轉(zhuǎn)矩，頻率高時(shí)，轉(zhuǎn)子就可能跟不上，為保證正常起動(dòng)，起動(dòng)頻率要有限制。連續(xù)工作頻率又稱運(yùn)行頻率，它是指步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，當(dāng)控制脈沖連續(xù)上升時(shí)，能不失步運(yùn)行的最高頻率，起動(dòng)后，再逐步升高脈沖頻率，慣性轉(zhuǎn)矩不那么大，所以達(dá)到的最高頻率要比起動(dòng)頻率高得多。

26、有關(guān)。布距角越小，最大靜轉(zhuǎn)矩越大，起動(dòng)頻率和工作頻率越高。2.5.2、選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)考慮因素根據(jù)系統(tǒng)的需要，參照各種步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型，然后再考慮以下各項(xiàng)具體因素，選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的規(guī)格。= 1 * GB2、根據(jù)需要的脈沖當(dāng)量（每一個(gè)脈沖步進(jìn)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載所轉(zhuǎn)的角或直線位移）和可能選擇的傳動(dòng)比來選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角= 2 * GB2、根據(jù)負(fù)載的阻力矩，按下式選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩MJM=MZ/（0.30.5）= 3 * GB2、對(duì)大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的負(fù)載來說，起和停動(dòng)頻率不宜過高。應(yīng)當(dāng)考慮在低頻下起動(dòng)后再升到工作頻率，停動(dòng)應(yīng)從工作頻率下降到適當(dāng)頻率在停動(dòng)。= 4 * GB2、

27、盡量使工作過程負(fù)載均衡，避免由于突變引起動(dòng)態(tài)誤差。= 5 * GB2、對(duì)有強(qiáng)迫冷卻的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)要注意工作過程中冷卻裝置的正常運(yùn)行。= 6 * GB2、發(fā)現(xiàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有失步現(xiàn)象，首先應(yīng)檢查負(fù)載是否過大，電派電壓是否正常，指令安排是否合理，然后再檢查驅(qū)動(dòng)電源輸出是否正常，波形是否正常，最后根據(jù)原因再處理，處理中不宜任意更換元件或改變其規(guī)格。2.5.3、步進(jìn)電機(jī)初選根據(jù)初選查表初選距角 選擇步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為150BF002。電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表2-14。其中：150BF002步距角/,其中是五相十拍，是五相五拍。選擇五相十拍其步距角是，滿足減速比的計(jì)算。表2.14 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)型 號(hào)主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸

28、重量步距角最 大靜轉(zhuǎn)距最高空載啟動(dòng)頻率()相數(shù)電壓電流外徑長(zhǎng)度軸徑45BF003-150.19637003602455843.855BF004150.4922003273556066.575BF001150.39217503243755361175BF003150.882125033047575815.890BF0010.93.922000480790145945110BF0030.757.84150038061101601160110BF0040.754.9150033041101101155130BF0010.759.313000580/12101301701492150BF0020.75

29、13.722800580/1212105155181402.5.4、步進(jìn)電機(jī)的校核 = 1 * GB2 * MERGEFORMAT 、電機(jī)軸上總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 = =26.11 ( ) 其中：滾珠絲杠轉(zhuǎn)矩；=1.20 ()：床鞍折算到絲杠上轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；= 0.32 ( ) ：齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；=0.81 ( ) = =1.15( ) ：電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；查表（3-1）=13.72 ( ) = 2 * GB2 * MERGEFORMAT 、電動(dòng)機(jī)上等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 快速空載啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)軸所受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N/m 其中：最大加速轉(zhuǎn)矩；：最大轉(zhuǎn)速；=833.33 ( r/mi

30、n )：步進(jìn)電機(jī)由靜止加速到最大轉(zhuǎn)速歷時(shí)；設(shè)=0.4 （ s ）：橫向傳動(dòng)總效率；取=0.8 則： = =0.71 ( N/m ) 移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)軸上摩擦轉(zhuǎn)矩= 其中：導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；取=0.2：垂直方向工作負(fù)載；空載時(shí)取=0 則：= = =0.004 ( N/m ) 絲杠部分忽不計(jì)故： =0.71+0.004=0.714 ( N/m ) = 2 * GB3 * MERGEFORMAT 最大工作負(fù)載下電機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N/m 其中：最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；=2.00 ( N/m )= = =0.13 ( N/m )故： =2.00+0.13=2.13 ( N/m )故： =2.13

31、( N/m ) = 3 * GB2 * MERGEFORMAT 、步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩選定=4x1.01=8.52 ( N/m )由表（2.14）知 150BF002 型步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩=13.72 N/m 。故：此項(xiàng)滿足要求。 = 4 * GB2 * MERGEFORMAT 、步進(jìn)電機(jī)性能校核 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 、最大工進(jìn)時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 N/m校核 由：=1000 mm/min；=0.005 mm； 求得運(yùn)行頻率=3333.33 ; 查圖（2.14）得：= ( N/m ) 知： =1.01 ( N/m )； 故：此項(xiàng)滿足要求。 = 2 * GB3 * MERGE

32、FORMAT 、最大空載時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩 N/m校核由： =2000 mm/min；=0.005 mm；=6666.67 ; 查圖（2-14）得：= ( N/m ) 知： =0.714 ( N/m ) 故：此項(xiàng)滿足要求。 = 3 * GB3 * MERGEFORMAT 、最快空載運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率 由：=6666.67 ； 查表（2-14）150BF002 極限運(yùn)行頻率=8000； 知：； 故：此項(xiàng)滿足要求。 = 4 * GB3 * MERGEFORMAT 、啟動(dòng)頻率計(jì)算=1643其中：最高空載啟動(dòng)頻率，由表（3.1）查得=2800 ；：電機(jī)總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，由上計(jì)算知：=26.11 ：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣

33、量，查表（2.14）知：=13.72 由上式計(jì)算知：要保證步進(jìn)電機(jī)不是步，任何時(shí)候啟動(dòng)頻率都必須小于1643。綜上知：本設(shè)計(jì)選150BF002型步進(jìn)電機(jī)，可以滿足設(shè)基要求。2.6、導(dǎo)軌的選擇導(dǎo)軌需沿用原機(jī)床的導(dǎo)軌，但因起精度較低，不適合數(shù)控機(jī)床。因而在原導(dǎo)軌上粘接四氟乙烯軟帶，使其有良好的耐摩性和較小的摩擦阻力，能預(yù)防爬行并具有自潤(rùn)滑性。其特點(diǎn)是：摩擦系數(shù)低，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，可吸收震動(dòng)，維修方便，損壞后更換容易。伺服控制系統(tǒng)的選擇。綜上知：機(jī)械部分改造均已滿足要求。由此得：機(jī)械部分裝配圖，見圖02；傳動(dòng)鏈圖，見圖03。3、數(shù)控部分硬件電路設(shè)計(jì)3.1、硬件電路組成機(jī)床硬件電路由以下組成。（1）、主控制

34、器，即中央處理單元CPU。（2）、總線。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線。（3）、存儲(chǔ)器。包括程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（4）、接口。即I/O輸入/輸出接口電路。（5）、處圍設(shè)備。如鍵盤、顯示器與光電輸入機(jī)等。見圖7RAMROMI/O步進(jìn)電機(jī)功率放大器光電隔離CPU外設(shè)鍵盤，顯示等圖 3.1機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖（開環(huán)系統(tǒng)）3.2、中央處理器（CPU）選擇 = 1 * GB3 * MERGEFORMAT 、本設(shè)計(jì)選用MCS-51的8031芯片。8031芯片部無程序存儲(chǔ)器（故EA端必須接地），8031有256字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，地址從00HFFH。部256字節(jié)的空間被分成兩部分，其中低8位部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（

35、RAM）地址為00H-7FH,高8 位特殊功能寄存器（SFR）的地址80HFFH為4個(gè)工作寄存器區(qū)，每個(gè)區(qū)都有8個(gè)8位寄存器R0-R7，可以用來暫存運(yùn)算的中間結(jié)果以提高運(yùn)算速度。其中的R0和R1還可以用來存放8位地址，要確定采用哪個(gè)工作寄存器，可通過標(biāo)志寄存器PSW中的RS0、RS1來指定。8031在組成控制系統(tǒng)時(shí)可根據(jù)需要擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，由于地址線是16位的，故最多能擴(kuò)展64K程序存儲(chǔ)器和64K數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其地址均為0000FFFFH，即程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。因此，EPROM和RAM的地址分配比較自由，編程不必考慮地址沖突問題。圖3.2 8031管腳圖 = 2

36、 * GB3 * MERGEFORMAT 、地址鎖存器74L373由于MCS51單片機(jī)的P0口是分時(shí)復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此在進(jìn)行程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展時(shí)，必須利用地址鎖存器將地址信號(hào)從地址/數(shù)據(jù)總線中分離開來。圖3.4 74LS373的管腳圖3.3、存儲(chǔ)器的選擇與擴(kuò)展= 1 * GB2、因?yàn)?031沒有部ROM，故需外擴(kuò)一片EROM，此處選擇一片8KB的2764作為外擴(kuò)EROM。程序存儲(chǔ)器2764圖 3.5 2764管腳圖= 2 * GB2、因?yàn)?031只有00F-7FH的128位數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，故此處選擇一片6264作為外擴(kuò)RAM。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器62646264芯片是一個(gè)8KX8的CMOS SRAM

37、 芯片，它共有28條引出線，包括13根地址線、8根數(shù)據(jù)線以與4根控制信號(hào)線。圖3.6 6264管腳圖= 3 * GB2、因?yàn)樾枰语@示與鍵盤電路而8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口與部分P2口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免的要進(jìn)行I/O口擴(kuò)展。此處選8155，以便更好的實(shí)現(xiàn)c6132機(jī)床的數(shù)控功能，利用8155的PC與P0口外接輸入鍵盤；利用8155的PA口與PB口外接輸出顯示。此處顯示采用LED數(shù)碼管，并選用兩篇BIC8718驅(qū)動(dòng)器來連接PA口和PB口以驅(qū)動(dòng)LED顯示。 81558155是具有40條引腳的雙列直插式RAM/IO/CTC擴(kuò)展器。含有256個(gè)字節(jié)的RAM存儲(chǔ)器，一個(gè)6位、兩個(gè)8位可編程I/O口，一個(gè)14位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。圖3.7 8155管腳圖擴(kuò)展芯片地址芯片地址選線片單元地址編碼2764001x xxxx xxxx xxxx8K2000H-3FFFH6264000 x xxxx xxxx xxxx8K0000H-1FFFH8155I/O01xx xxxx xxxx xxx