X502型立式銑床微機數控改裝設計

第一章系統(tǒng)總體改造方案的確定1.1系統(tǒng)總體改造方案的確定目前，在機械加工工業(yè)中，絕大多數是舊式機床，如果改用微機控制，實現機電一體化的改造，會使機床適應小批量、多品種、復雜零件的加工，不但提高加工精度和生產率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用微機實現機床的機電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機為中心設計控制部件；另一種是采用標準的步進電機數字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需重新設計控制系統(tǒng)，比較復雜；后者選用國內標準化的微機數控系統(tǒng)，比較簡單。這種標準的微機數控系統(tǒng)通常采用單片機、驅動電源、步進電機及專用的控制程序組成開環(huán)控制，如圖1-1所示，其結構簡單、價格低廉。對機床的控制過程大多是由單片機按照輸入的加工程序進行插補運算，產生進給，由軟件或硬件實現脈沖分配，輸出一系列脈沖，經功率放大、驅動刀架、縱橫軸運動的步進電機，實現刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運動。微機進行插補運算的速度較快，可以讓單片機每完成一次插補、進給，就執(zhí)行一次延時程序，由延時程序控制進給速度。圖1-1開環(huán)控制系統(tǒng)框圖1.1.1功能與技術參數分析設計的最初環(huán)節(jié)必須理解和分析設計任務所提出的主要功能和技術指標。比如，普通車床的數控改造要求利用數控系統(tǒng)代替人工或機械凸輪、靠模來控制車床的運動，提高車床的加工精度和自動化水平，滿足多品種小批量零件加工的功能要求。設計任務提出了縱向走刀，橫向走刀的定位精度、走刀速度、主軸變速等諸多技術參數。并且，要求能夠進行人機對話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯功能強，具有顯示和通信功能，縮短非生產準備時間，提高生產率。1.1.2原理構思和技術路線確定針對設計任務的主要功能和技術指標要求提出一些原理性的構思。比如，普通車床車削螺紋時為了防止亂扣，進給與主軸旋轉之間用掛輪來實現嚴格的機械傳動關系，改變螺紋的螺距就需要改變掛輪。數控改造后，省掉了掛輪，要提出合理的、先進的方法來解決進給與主軸旋轉相配合的問題。要做到：主軸轉一轉，車刀精確移動一個螺距；螺紋加工不能一次切削完成時，每次進刀的位置必須相同。有了原理性構思，還要提出實現該功能原理的技術途徑。沒有合理的可行的技術途徑來保障，好的原理性構思就成為空想。1.1.3擬定總體方案功能原理構思和技術路線確定后，對運動、布局、傳動、結構、控制以及軟件等方面作出總體方案設計。方案可以同時作幾個，經過技術和經濟評價后，選擇其中一種較合理的作為最優(yōu)方案加以采用。比如，普通車床的數控化改造方案應該在滿足改造設計任務的前提下，盡可能對普通車床作較少的改動，這樣可以降低改造成本。1.2機械系統(tǒng)設計方案的確定在熟悉原機床的操作過程及傳動系統(tǒng)后，根據設計要求確定系統(tǒng)的機械傳動系統(tǒng)改造方案。包括電機型號的選擇，減速比的確定，齒輪模數及齒數的確定，原有絲杠及導軌是否要重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時絲杠螺母副的型號及安裝形式如何確定，導軌的設計方法等。X502型銑床的外形如圖1-2所示。工件裝在機床的工作臺上，銑刀裝在轉動的刀桿上，銑刀和工件相互間的位置可用縱向、橫向和升降進給機構進行調整。機床的傳動系統(tǒng)見圖1-3。圖1-2X502型銑床外形圖圖1-3X502型銑床傳動系統(tǒng)1.2.1傳動系統(tǒng)由四部分組成：（1）主軸旋轉運動由轉速為1450r/min，功率為2.2kW的電動機經過帶輪1通過三根皮帶傳到I軸，經過齒輪6、8傳到II軸，通過交換齒輪10、11將動力傳到III軸，經過滑移齒輪12（或14）和15（或16）嚙合動力傳到IV軸，再經過齒輪15和55動力傳到IX軸上，通過傘齒輪56、57動力傳到主軸上使主軸回轉，從而使裝在主軸上的銑刀轉動進行加工，可使主軸獲得8種不同的轉速。（2）工作臺縱向運動工作臺縱向運動，由軸II通過齒輪9與19嚙合，動力傳到V軸，再經過齒輪20（19）與21（22）嚙合，使軸VI轉動，再經過齒輪23和24動力傳到VII軸，經過萬向接頭26傳到VIII軸，經過換向齒輪箱內傘齒輪29、30及齒輪33、34到傘齒輪35、36，通過凸瓣離合器37與凸瓣離合器套39嚙合使動力傳到絲杠40上，絲杠再與工作臺相固聯(lián)的螺母中轉動，使絲杠帶動工作臺縱向移動，當離合器脫開，可用手輪43使工作臺手搖移動。（3）工作臺橫向運動工作臺和工作臺底座，一起再升降臺導軌上作橫向移動。用裝在升降臺內橫向行程絲杠45傳動，橫向絲杠螺母46固定裝在工作臺底座上，所以當44傳動45時，螺母46跟工作臺及工作臺底座一起在升降臺上橫向移動。只能由手動進給。（4）工作臺的升降運動只能手動。用套在升降軸48上的手柄44轉動傘齒輪49和50，使升降絲杠52轉動，升降螺母53固定在底座上，從而得到升降移動。根據設計要求可對機械部分進行如下改動：保留原機床的主軸旋轉運動；保留原機床縱向進給的機動部分，將離合器脫開，去掉手輪43，將手輪軸通過一對齒輪與步進電機相聯(lián)，用步進電機數控系統(tǒng)控制縱向工作臺的移動；工作臺橫向運動改為通過一對齒輪與步進電機相聯(lián)的數控系統(tǒng)控制，工作臺的升降移動仍用手動。為了保證精度要求，橫向及縱向工作臺的絲杠換為滾珠絲杠副傳動。1.3微機控制系統(tǒng)方案的確定1.3.1微機控制系統(tǒng)的總體組成數控部分采用MCS-51系列的單片機控制，其典型代表有8031、8051、8075等，其中8031的價格低，功能強，使用靈活等特點，比較適用于一般機床的數控改造，但由于其無內存，必須外接存儲及I/O擴展芯片才可成為一個較簡單的微機控制系統(tǒng)。存儲芯片的選擇依據系統(tǒng)控制程序的大小及CPU的字長，I/O擴展芯片的個數根據整個系統(tǒng)需要的I/O通道的個數來確定。1.3.2軟硬件任務合理分配涉及軟、硬件任務分配的有：控制步進電機的脈沖發(fā)生與脈沖分配；數碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。上述三個都可以用專用硬件芯片實現，也可用軟件編程實現。用硬件實現，編程時較簡單，但同時增加了硬件成本及故障源。用軟件實現，可節(jié)省芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實現時，應統(tǒng)籌兼顧，同時還應根據設計者的軟、硬件方面的實際經驗及能力。

第二章機床進給伺服系統(tǒng)機械部分改裝（橫向）設計計算2.1工作載荷的分析及計算根據課程設計指導書的分析，可知對于數控銑床來說，其切削力的計算方法有兩種，即一種方法是按切削用量計算切削力法，另一種是按主電機功率法計算切削力計算切削力法。一般來說，對于經濟型數控銑床，可采用按主電機功率計算切削力法來計算其切削力。2.1.1銑床的銑削抗力分析銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向上緩慢進給（鍵槽銑刀可沿軸線進給）。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的切削部分都可以看作車刀頭部的演變，銑刀的每一個刀齒相當于一把車刀，它的切削基本規(guī)律與車削相似，所不同的是銑刀回轉，刀齒數多。通常都假定銑削時銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒的某一點上，如圖2-1所示。設刀齒上受到的切削抗力的合力為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向進行分解，則分別為軸向銑削力Fx，徑向銑削力Fy和切向銑削力Fz。切向銑削力Fz是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床主電機功率（即銑削功率）最多，因此，切向銑削力Fz可按銑削功率Pm(kW)或主電機功率PE（kW）算出。圖2-1銑削力及工作臺上的載荷對于現有機床的改裝設計，可以從已知機床的電機功率和主軸上傳動的功率反推出工作臺進給時的銑削力。若該機床的主傳動和進給傳動均用一個電機，進給傳動的功率較小，可在主傳動功率上乘以一個系數。由《機床設計手冊》查銑床傳動系數k=0.85。主傳動功率N包括切削功率Nc、空載功率Nmo、附加功率Nmc三部分，即：N=Nc+Nmo+Nmc?？蛰d功率Nmo是當機床無切削負載時主傳動系統(tǒng)空載所消耗的功率，對于一般輕載高速的中、小型機床，可達總功率的50%，現取Nmo=0.5N，附加功率Nmc是指有了切削載荷后所增加的傳動件的摩擦功率，它直接與載荷大小有關。可以用下式計算，Nmc=(1–η)Nc，所以總功率為：N=Nc+0.5N+(1–η)Nc(KW)則：在進給傳動中切削功率上式中k銑床的傳動系數，查《機床設計手冊》得k=0.85η為傳動效率，可由下式計算η＝由所給設計任務書給定的已知條件可知，主軸上的傳動功率N=1.45KW，主電機的功率=2.2KW。則η==0.6591所以：切削時作用在主軸上的扭矩為：上式中n主軸的最小轉速，由設計任務書給定條件知n=47.5(r/min)切向切削力：上式中d銑刀的最大直徑(cm)，由設計任務書給定條件知d=3.2cm2.1.2計算進給工作臺工作載荷、、作用在進給工作臺上的合力F’與銑刀刀齒上受到的銑削抗力的合力F大小相同，方向相反，如圖2-1所示。合力F’就是設計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺縱向進給方向載荷FL,工作臺橫向進給方向載荷和工作臺垂直進給方向載荷FV。由課程設計指導書表3-1“銑削加工的主切削力與其它切削分力的比值”可知，工作臺工作載荷FL，Fc和FV與銑刀的切向銑削力Fz之間有一定的經驗比值。因此，求出Fz后，即可計算出進給工作臺的如下五組工作載荷FL，Fc和FV。第(1)組：端銑—對稱銑削=0.35Fz=0.35×=1010.67(N))=0.9Fz=0.9×=2598.86(N)=0.52Fz=0.52×=1501.56(N)第(2)組：端銑—逆銑=0.75Fz=0.75×=2165.71(N)=0.55Fz=0.55×=1588.19(N)=0.52Fz=0.52×=1501.56(N)第(3)組：端銑—順銑=0.22Fz=0.22×=635.28(N)=0.95Fz=0.95×=2743.24(N)=0.52Fz=0.52×=1501.56(N)第(4)組：周銑—逆銑=1.0Fz=1.0×=2887.62(N)=0.25Fz=0.25×=721.90(N)=0.37Fz=0.37×=1068.42(N)第(5)組：周銑—順銑=0.85Fz=0.85×=2454.48(N)=0.75Fz=0.75×=2165.71(N)=0.4Fz=0.4×=1155.05(N)2.2滾珠絲杠副的選型與校核2.2.1滾珠絲杠螺母副結構類型的選擇滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉運動轉變?yōu)橹本€運動或將直線運動轉變?yōu)樾D運動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動軸承對滑動軸承所帶來得改變一樣。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運用于各種工業(yè)設備、精密儀器、精密數控機床。尤其是近年來，滾珠絲杠副作為數控機床直線驅動執(zhí)行單元，在機床行業(yè)得到廣泛運用，極大的推動了機床行業(yè)的數控化發(fā)展。這些都取決于其具有以下幾個方面的優(yōu)良特性：傳動效率高、定位精度高、傳動可逆性、使用壽命長、同步性能好。滾珠絲杠螺母副一般由專業(yè)廠生產并成套供貨，且都附有使用說明書，其中除列有型號、規(guī)格、螺母安裝面的結構等外，還附有允許負載、預加負載、剛度、典型支撐方式、驅動力矩和功率等指導性材料供設計時參考。滾珠絲杠螺母副的設要選擇結構類型：確定滾珠循環(huán)方式、滾珠絲杠副的預緊方式；結構類型確定之后，再計算和確定其它技術參數，包括：公稱直徑、導程、滾計首先珠的工作圈數和列數、精度等級等。因為所要改裝的銑床為普通銑床，精度要求并不是很高，在使用過程中不需要調整，并且加工過程中運動平穩(wěn)。根據上述實際條件，并考慮到經濟成本問題，通過查課程設計指導書第三章表3－2和表3－3以及《機電液設計手冊》P669頁表15-27，可以初步選用“FFZ型內循環(huán)浮動式返向器雙螺母對旋預緊滾珠絲杠副”這種結構類型的滾珠絲杠螺母副。它具有循環(huán)滾珠鏈最短，螺母外徑比外循環(huán)小，結構緊湊，反向裝置剛性好，壽命長，扁圓形反向器的軸向尺寸短，，承載能力較高；剛度高，預緊可靠，不易松弛等優(yōu)點。它主要適用于各種高靈敏、高剛度的精密進給定位系統(tǒng)，是目前應用得較廣泛的結構。2.2.2滾珠絲杠螺母副型號的選擇及校核步驟1、計算最大工作載荷由設計任務書給定已知條件，可知銑床導軌的類型為綜合導軌。再查《課程設計指導書》第三章表3-4可知計算最大工作載荷的公式為該式中：K=1.15；取摩擦系數f’=0.16（f’=0.15～0.18）；G為工作臺及夾具總重量的1/2。由設計任務書給定已知條件可計算得G=800xN將以上數值以及先前計算所得五組工作載荷FL，Fc和FV可得如下五組相應的最大工作載荷Fm值。（1）Fm=1.15×1010.67+0.16×(2598.86+1501.56+400)=1882.34(N)（2）Fm=1.15×2165.71+0.16×(1588.19+1501.56+400)=3048.93(N)（3）Fm=1.15×635.28+0.16×(2743.24+1501.56+400)=1473.74(N)（4）Fm=1.15×2887.62+0.16×(721.90+1068.42+400)=3671.21(N)（5）Fm=1.15×2454.48+0.16×(2165.71+1155.05+400)=3417.97(N)由以上計算數據可知，第（4）組算得的值較大。故最大工作載荷為：Fm=3671.21（N）2、計算最大動載荷C查《機電一體化系統(tǒng)設計》P35頁可知：最大動載荷C的計算公式為最大動載荷C可由下式計算上式中：各參數見《機電一體化系統(tǒng)設計》P35頁硬度系數，選＝1.0(HRC≥58)運轉系數，選＝1.0(無沖擊運轉)L壽命系數，由下式計算上式中：T使用壽命(h)，對于數控機床T=15000(h)n絲杠轉速(r/min)，可由下式計算上式中：最大切削力條件下的縱向進給速度(m/min)，由設計任務書給定條件可知為380(mm/min)可取最高切削進給速度的1/2～1/3，現取1/2，即=×0.38(m/min)=0.19(m/min)所選用絲杠的基本導程，考慮到傳動精度的要求，可選基本導程為4、6、8(mm)的絲杠。（1）基本導程為L0=4mm時：==C==12836.74(N)（2）基本導程為L0=6mm時：===28.50C==11213.92(N)（3）基本導程為L0=8mm時：===21.38C==10188.52(N)查《機電液設計手冊》P669表15-27FFZ型內循環(huán)浮動式返向器雙螺母對旋預緊滾珠絲杠副可知，基本導程為L0=4mm時，最大動載荷都不滿足C<Ca。而基本導程為L0=8mm時，其最小公稱直徑，大于原來機床絲杠公稱直徑，也不滿足設計要求，故只能選基本導程為L0=6mm的滾珠絲杠副。表2-1滾珠絲杠副選型及相關參數滾珠絲杠副型號公稱直徑（mm）基本導程（mm）鋼球直徑（mm）最大動負載Ca（kN）圈數x列數FFZ2506256413FFZ3206326415FFZ40064064173、計算傳動效率η查課程設計指導書可知傳動效率可由下式計算上式中：絲杠螺旋升角（查課程設計指導書第三章得）摩擦角。滾珠絲杠副的滾動摩擦系數f=0.003~0.004其摩擦角約為則：基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，可見三者的傳動效率η均大于0.9，滿足設計要求。4、剛度驗算(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量當絲杠進行了預緊，且預緊力為最大工作載荷的1/3時，查《課程設計指導書》P22頁可知其實際變形量為：(拉伸為＋，壓縮為－)上式中：E材料彈性模數對于鋼：L滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)540mmF滾珠絲杠的截面積()，可由下列幾式計算、滾珠直徑(mm)，接觸角()R滾道法面半徑(mm)，e偏心距(mm)絲杠公稱直徑(mm)由前述表2-1可知所選滾珠絲杠副的滾珠直徑均為4mm，則:基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，(2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形查《課程設計指導書》P23頁可知，當絲杠進行了預緊，且預緊力為最大工作載荷的1/3時，其實際變形量為：上式中：最大工作載荷(kgf)，1kgf=10N=367.121(kgf)預緊力(kgf)，==1223.74(kgf)滾珠直徑(mm)，滾珠數量，＝Z×圈數×列數Z一圈的滾珠數，(內循環(huán))滾珠絲杠公稱直徑（mm）基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的1/3時，的值可減少一半。即基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，同理基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，同理(3)滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形查《課程設計指導書》P23頁可知，滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形計算公式為推力球軸承：上式中：最大工作載荷(kgf)，Fm=367.121(kgf)軸承滾動體直徑(mm)，Z兩邊軸承總的滾動體數目由公式T軸承的寬度（mm）D軸承的外徑（mm）d軸承的內徑（mm）基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，選用型號為51204的推力球軸承，其參數如下：表2-2軸承型號內徑d(mm)外徑D(mm厚度T(mm)51204204014則由公式計算：取Z=11，可估算得兩邊總的滾動體數目為22基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，選用型號為51205的推力球軸承，其參數如下：表2-3軸承型號內徑d(mm)外徑D(mm厚度T(mm)51205254715則由計算公式得：取Z=13，可估算得兩邊總的滾動體數目為26基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，選用型號為51207的推力球軸承，其參數如下：表2-4軸承型號內徑d(mm)外徑D(mm厚度T(mm)51207356218則由計算公式得：取Z=16，可估算得兩邊總的滾動體數目為32綜上，可得：基本導程為L0=6mm，公稱直徑時基本導程為L0=6mm，公稱直徑時基本導程為L0=6mm，公稱直徑時可知基本導程為L0=6mm，公稱直徑時，符合要求。故選擇基本的滾珠絲杠副導程為L0=6mm，公稱直徑的滾珠絲杠副。經查表，選用型號為FFZ4006的滾珠絲杠副。其參數如下：表2-5滾珠絲杠副型號公稱直徑（mm）基本導程（mm）鋼球直徑（mm）最大動負載Ca（kN）圈數x列數FFZ40064064175、穩(wěn)定性驗算對已選定的滾珠絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負載時，應驗算其有沒有產生縱向彎曲（失穩(wěn)）的危險。查《課程設計指導書》P24頁，可知產生失穩(wěn)的臨界負載計算式：上式中：E絲杠材料彈性模量，對鋼截面慣性矩絲杠兩端支承距離（mm）由前述知絲杠的支承方式系數，兩端固定式，由前述知，則：臨界負載與最大工作負載之比稱為穩(wěn)定性安全系數如果：，則絲杠不致失穩(wěn)。許用穩(wěn)定性安全系數，一般取故可計算得，穩(wěn)定性安全系數，則絲杠不致失穩(wěn)，滿足設計要求。2.3脈沖當量和傳動比的確定2.3.1確定系統(tǒng)脈沖當量由題設計任務書給定條件知脈沖當量2.3.2傳動比的選定設傳動副的傳動比為i，若為一對齒輪減速傳動，則，為主動齒輪的齒數，為從動齒輪的齒數。對于步進電機，當脈沖當量確定和初選定步進電機的步距角后，可根據下式計算出該伺服傳動系統(tǒng)總的傳動比：=上式中：滾珠絲杠的基本導程6(mm)步進電機的步距角，查《機電一體化系統(tǒng)設計》P96頁，初選步2.3.3齒輪傳動的確定對于數控機車的齒輪傳動，應采用設計、結構和工藝均較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動。通常，齒輪傳動鏈的傳動級數少一些比較好，因為可以減少零部件的數目，簡化傳動鏈的結構，并且可以提高傳動精度，減少空程誤差，有利于提高傳動效率。同時傳動比較小，故在此選用圓柱直齒輪單級傳動。一般模數取，數控銑削取模數m=2。齒輪寬，為了消除齒側隙，寬度可加大到由《機械原理》P203頁,表10-2可得z17，取z=35，m=2，則小齒輪分度圓直徑：小齒輪齒頂圓直徑：小齒輪齒根圓直徑：小齒輪齒寬：，取大齒輪齒數：大齒輪分度圓直徑：大齒輪齒頂圓直徑：大齒輪齒根圓直徑大齒輪齒寬，取兩齒輪的中心距綜上，選小齒輪齒數，小齒輪的齒寬度，大齒輪齒數，大齒輪的齒寬度。2.4進給伺服系統(tǒng)傳動計算2.4.1轉動慣量的計算1、齒輪、絲杠等圓柱體慣量的計算。查《課程設計指導書》P26頁知可由下式計算：式中：M圓柱體質量(kg)D圓柱體直徑(cm)L圓柱體長度或圓度(cm)對主動輪：對從動輪：對滾珠絲杠：2、工作臺折算到絲桿的轉動慣量v工作臺移動速度(cm/min)n絲桿轉速(r/min)G工作臺的重量(N)g重力加速度(9.8m/s)L絲桿導程(cm)3、傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉動慣量上式中：i系統(tǒng)總的減速比(i>1)J各轉動體的轉動慣量(kg.cm)n各轉動體的轉速(r/min)n電機的轉速(r/min)J電機的轉動慣量(kg.cm)4、電機的轉動慣量的確定查《課程設計指導書》P30頁表3-10，選用電機的工作方式為三相六拍，步距角為，故符合電機的是：110BF003和110BF004。電機的轉動慣量分別為：110BF003（新）型步進電機：110BF004型步進電機：5、系統(tǒng)總的轉動慣量110BF003（新）型步進電機：110BF004型步進電機：2.4.2步進電機的計算和選用1、電機力矩的計算步進電機能正常工作所需的力矩受到多方面的影響，主要包括快速空載起動時所需力矩、快速進給時所需力矩、最大切削負載時所需力矩，其中快速進給時所需力矩較小，因此在、兩種力矩中取其大者作為選擇步進電機的依據。對于大多數數控機床來說，因為要保證一定的動態(tài)性能，系統(tǒng)時間常數較小，而等效轉動慣量又較大，故電機力矩主要是用來產生加速度的，而負載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進電機的依據?？焖倏蛰d起動時所需力矩：最大切削負載時所需力矩：電機的力矩主要是用來產生加速度，而負載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進電機的依據。(1)空載起動時折算到電機軸上的加速力矩=333.71（N.cm）式中：傳動系統(tǒng)折算到電機軸總的等效轉動慣運動部件從停止起動加速到最大進給速度所需的時間（s）約為30ms電機最大轉速(r/min)運動部件最大快進速度，由設計任務書給定條件知n===333.33(r/min)110BF003（新）型步進電機：110BF004型步進電機：摩擦力矩式中：G運動部件的總重量（N）導軌摩擦系數，取齒輪總減速比傳動鏈總效率，一般可取，取則：附加摩擦力矩式中：Fp0滾珠絲杠預加負載（N），一般取最大工作載荷1/3，L0滾珠絲杠導程（cm），由前述0滾珠絲杠未預緊時的傳動效率，一般取，取則：折算到電機軸上的切削負載力進給方向最大切削力（N），即為前述計算的工作載荷、、中的，故則：綜合以上計算可得：對110BF003（新）型步進電機：快速空載起動時所需力矩：最大切削負載時所需力矩：對110BF004型步進電機：快速空載起動時所需力矩：最大切削負載時所需力矩：2、步進電機的選擇與校核(1)根據最大靜態(tài)轉矩初選電機型號步進電機的起動轉矩110BF003（新0型步進電機：110BF004型步進電機：查《課程設計指導書》P28頁表3-9，表3-10可知對于三相六拍步進電機，。并且可知110BF003(新)和110BF004型步進電機相關參數如下：表2-6型號相數步距角最大靜轉矩空載啟動頻率運行頻率分配方式轉子轉動慣量110BF003（新）30.75/1.57841400150003相6拍4.61110BF00430.75/1.549015003相6拍3.43則可計算得：滿足要求。也滿足要求。(2)計算電機工作頻率最大空載啟動頻率：滿足要求切削時最大工作頻率：上式中運動部件快速進給速度，由前述知為1.6最大切削進給速度0.38脈沖當量0.01由上述計算可知：系統(tǒng)要求的空載起動轉矩頻率要大于電機的空載起動頻率1500Hz,且空載起動頻率滿足要求的電機型號較少，可以采用調壓起動等方式起動電機使電機的空載起動頻率滿足要求；而電機運行頻率15000Hz可以滿足系統(tǒng)要求。(3)校核步進電機根據步進電機轉矩和慣量的匹配條件校核為了使步進電機具有良好的起動能力及較快的響應速度，通常推薦：及上式中：步進電機轉子的轉動慣量()傳動系統(tǒng)折算到電機轉子的等效轉動慣量()步進電機的最大靜態(tài)轉矩()傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的負載轉矩()對110BF003（新）型步進電機：則：對110BF004型步進電機：由公式計算可知幾乎不滿足要求，故不選用此步進電機，最終采用110BF003型步進電機。（4）校核起動轉矩頻率特性和運行轉矩頻率特性根據計算出的最大空載起動頻率和切削時最大工作頻率分別找出（根據和在矩頻特性曲線上找到與其對應的失步轉矩）在此頻率下對應的電機不失步時所允許的最大力矩和，應滿足：〈，〈=226.37M=116.51查《課程設計指導書》P55頁110BF003（新）步進電機矩頻特性曲線，可知：所以：=226.37>=120--(1)M=116.51<=310--(2)(2)滿足要求，(1)不滿足要求，必須用升降速的措施。如果步進電機起動力矩還不能滿足要求，則可采用高低壓驅動功放電路，將步進電機起動力矩再擴大一倍。以上的驗算結果表明，所選的型號為110BF003（新）的步進電機符合要求。

第三章微機控制部分的設計3.1微機控制系統(tǒng)概述3.1.1微機控制系統(tǒng)的設計思路1、確定系統(tǒng)狀態(tài)控制方案（1）從系統(tǒng)構成上考慮是否采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制；（2）執(zhí)行元件采用何種方式；（3）考慮系統(tǒng)是否有特殊控制要求對于具有高可靠性、高精度和快速性要求的系統(tǒng)應采取的措施是什么？（4）考慮微機在整個控制系統(tǒng)中的作用，是設定計算、直接控制還是數據處理，微機承擔哪些任務，為完成這些任務微機應具備哪些輸入/輸出通道、配備哪些外圍設備。（6）初步估算其成本，通過整體方案考慮，最后畫出系統(tǒng)組成的初步框圖，附加說明，以此作為設計的基礎和依據。2、確定控制算法（1）建立系統(tǒng)的數學模型，確定其控制算法，按照規(guī)定的控制算法進行控制。（2）控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質，甚至決定整個系統(tǒng)的成敗。（3）在選擇控制算法時，應考慮所選的算法是否能滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。3、選擇微型計算機對于給定的任務，選擇微機的方案不是唯一的，從控制角度出發(fā)，微機應能滿足具有較完善的中斷系統(tǒng)、足夠的存儲容量、完善的輸入/輸出通道和實時時鐘等要求。在選擇微型計算機時還應考慮：較完善的中斷系統(tǒng)，足夠的存儲容量，完備的輸入輸出通道和實時時鐘等。3.1.2微機控制系統(tǒng)基本硬件組成任何一個微機控制系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成，硬件是軟件的基礎，而配置了軟件的硬件才有控制功能，數控系統(tǒng)通過與硬件軟件的密切配合實現各種功能。圖3-1控制系統(tǒng)硬件基本組成框圖在以單片機為核心的控制系統(tǒng)中，大多采用MCS-51系列單片機的8031芯片，經過擴展存儲器、接口和面板操作開關等，組成功能較完善的、抗干擾性能較強的控制系統(tǒng)。8031內部包含一個8位CPU，128字節(jié)的RAM，兩個16位的定時器，四個8位并行口，一個全雙工串行口，可擴展的程序和數據存儲器64KB，有5個中斷源。3.2微機系統(tǒng)的擴展3.2.1單片機的選擇在本次設計中，旨在于對傳統(tǒng)機床的改造，各方面的要求不是很高，所以本設計采用以8031單片機為核心的控制系統(tǒng)。由于8031內部沒有程序存儲器，必須擴展程序存儲器，用以存放控制程序。由于單片機內部存儲器容量較小，不能滿足實際需要，所以還需要擴展數據存儲器。這種擴展就是配置外部存儲器（包括程序存儲器COM和數據存儲器RAM）。另外，雖然8031本身有4個I/O接口電路，但尚不能滿足改造的需要，因此，還需要擴展輸入輸出接口芯片，以滿足使用要求。3.2.2存儲器的擴展1、地址鎖存器由于MCS-51單片機的P0口是分時復用的地址/數據總線，因此，在進行程序存儲器擴展時，必須用地址鎖存器鎖存地址信號。故本次設計采用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。2、程序存儲器當片內ROM不夠或采用8031芯片時，需擴展程序存儲器。用作程序存儲器的器件時EPROM和E2PROM，常用EPROM。綜合任務需要及成本考慮，本設計擬采用EPROM2764。3、數據存儲器的擴展在用于實時數據采集和處理時，僅靠片內提供的128字節(jié)的數據存儲器是遠遠不夠的，在這種情況下，可利用MCS-51的擴展功能，擴展外部數據存儲器。在此設計中，外部數據存儲器選用一片靜態(tài)RAM6264。數據存儲器6264參數：容量為選用8K×8位，選用一片靜態(tài)RAM6264，單一電源供電，雙列直插式28管角封裝，可以與MCS-51系列單片機直接接口。其地址范圍6000H—7FFFH。圖3-28031擴展EPROM2764及RAM6264的連接圖3.2.3I/O接口的擴展8031只有P1口可作為普通I/O口用，所以需擴展。在本次設計中，鍵盤需要36個鍵，采用矩形陣式鍵盤；顯示器采用8個7段式LED數碼管，使用8155芯片專門驅動鍵盤和數碼管。一個三相步進電機，采用硬件脈沖分配器，需要5個I/O，兩個主標軸的超程式報警及故障顯示及急停均采用8031的I/O口，不做內存擴展口計算，為使系統(tǒng)出現故障時，仍可控制自動轉換刀具或用手動轉動刀架，需要6個I/O口；為控制工作臺X軸的速度和位移，使其具有暫停功能，起動鍵可繼續(xù)執(zhí)行及單步控制功能，需采用一個8255芯片，肯定可以滿足要求。3.3步進電機的控制根據已知條件和前述相應的計算結果，選用的步進電機型號為110BF003（新），其參數如下表所示。齒輪1的齒數=35，齒輪2的齒數=44，模數m=2，絲杠基本導程=6mm。工作臺的最大切削速度為0.38m/min。表3-1步進電機110BF003（新）的參數型號相數步距角(0)電壓(V)電流(A)保持轉矩N.cm空載起動頻率(Hz)運行頻率(Hz)電感(mH)內阻(R)110BF00330.7580-300678414001500035.50.373.3.1確定步進電機運行頻率1、確定步進電機最大轉速滾珠絲桿的轉速為：步進電機的最大轉速為：2、確定步進電機的運行頻率所選的步進電機采用三相六拍方式的控制脈沖，其運行頻率為：3.3.2驅動回路的時間常數每相工作三拍改變依次通電狀態(tài)，但為了每一拍都能正常工作，每拍脈沖寬度的時間電流上升至額定電流的60%，即則負載回路的時間常數為：因此,上式中：為步進電機一相繞組的平均電感量為通電回路的電阻和見《機電一體化系統(tǒng)設計》。3.3.3選用線路簡單的串聯(lián)電阻法若選用線路簡單的串聯(lián)電阻法改善靜電流上升沿，其時間常數為：則可計算得：需要串聯(lián)如此大的電阻，在該電阻上損失的功率為：顯然很不合理，所以采用雙電源法。3.3.4高壓電源電壓的確定電機每相工作三拍改變一次通電狀態(tài)，設要求在控制脈沖寬度時間內相電流達到額定電流的60%，即I=0.6In=3.6（A）這個時間也就是高壓電源工作時間，即單穩(wěn)翻轉時間，其值為：圖3-3高低壓驅動電路高電壓電源電壓：3.3.5元器件型號的確定1、確定T1、T2為了使電路簡單、緊湊，功率放大T1和T2選用復合管三極管2SC5948。表3-2復合管三極管2SC5948參數(V)(V)(V)(uA)（V）200200555(V)(A)(W)（V）1701220052、確定R5和R6從T1和T2性能數據知，基極電流為：因此，等效輸入電阻為：取晶體管FJE3303的放大倍數為10，于是，選用光電耦合器TLP521-4，選擇耦合器輸入電流，(最大的電流為50mA),電流傳輸比；解上述方程組得：查《電工學下冊》附錄H電阻器標準阻值系列，E24系列，對理論阻值進行圓整，取3、確定R1和R2前面已選定耦合器輸入電流=16mA，可得到光耦合器輸入正向壓降為1.3V，所以，查《電工學下冊》附錄H電阻器標準阻值系列，E24系列，對理論阻值進行圓整，取R1=R2=2204、確定R3和R4（1）若使電流上升沿陡，希望T2工作于飽和狀態(tài)（實際還沒有達到飽和電流，單穩(wěn)已翻轉成低電平）。首先確定基極電流。負載的平均阻抗：（2）T2的飽和電流：T2基極電流應為：光耦合器輸入電流為16mA，所以：光耦合器輸出電流：,且,因此：（3）求U0在期間，U0是變化的，變化范圍近似為EH-2至EH-En，計算時取平均值：T2的等效輸入電阻為：R3、R4分別為：查《電工學下冊》附錄H電阻器標準阻值系列，E24系列，對理論阻值進行圓整，取選擇D1，D2選用2CZ13A硅整流二極管。3.4其他接口電路的設計3.4.1超程、急停保護電路為防止X，Y工作臺越出邊界，可設置限位開關，由于本次設計僅考慮橫向進給，分別為+X，-X，2個限位開關，一旦越界，立即停止工作臺移動。，可利用8031的外部中斷引腳INT0，只要有一個開關閉合，即工作臺越界，立即停止工作臺移動?？紤]實際加工的需要，增加急停按鈕。將超程限位和急停通過軟件設置為最高級別的中斷。為了提醒工作人員處理故障，經P1.2、P1.3輸出相應電平點亮LED等和蜂鳴器報警。圖3-4超程、急停保護電路3.4.274LS138譯碼器接口電路查《機電一體化系統(tǒng)設計》可知下表：表3-374LS138功能表CBA，，，，，，，0000010100111001011101111111111011111101111110111111011111101111110111111011111101111111在74LS138中引腳C接地為0，B接P1.4，A接P2.7由BA引腳輸入的值來確定選中的芯片，芯片80C31有14條地址線，基本地址范圍0000H～3FFFH。可知：（1）BA為00時，選中6264芯片；（2）BA為01時，選中2764芯片；（3）BA為10時，選中8155H芯片；（4）BA為11時，選中8255A芯片；

第四章微機控制系統(tǒng)軟件設計4.1各功能模塊組成本程序主要由如下模塊組成：（1）主模塊，用于系統(tǒng)初始化和監(jiān)控。（2）子程序模塊。（3）越界報警、急停處理模塊。（4）實時修改顯示緩沖區(qū)數據模塊。（5）鍵盤、顯示定時掃描管理模塊。（6）其中除主模塊和子程序模塊外，其余均為中斷執(zhí)行方式模塊。4.2緩沖區(qū)設置應設置兩個緩沖區(qū)：鍵盤緩沖區(qū)和顯示緩沖區(qū)。4.2.1鍵盤緩沖區(qū)主要用于存放由鍵盤輸入的命令，長度為4字節(jié)，地址為8031內部RAM區(qū)20H~23H，第一字可用于緩沖區(qū)空、滿等標志，定義如下：（20H）=00H，緩沖區(qū)為空，（20H）=01H，緩沖區(qū)內未處理完的命令個數，顯然（20H）=30H時即為滿。其余3個字節(jié)內存放具體的命令碼。為防止誤操作，可以進一步規(guī)定：命令碼若為00H，為無效命令。從本系統(tǒng)的施加情況及后面的軟件框圖可以看出，鍵盤緩沖區(qū)很少出現兩個或兩個以上未處理的命令碼，一般情況只要一個命令碼，馬上會得到處理。4.2.2顯示緩沖區(qū)主要用于存放欲顯示的具體數據，每一字節(jié)對應一顯示位，共5個字節(jié)，地址為8031內部RAM25H~29H，分別對應百位、十位、個位（包括小數點）、10E-1位和10E-2位。除以上緩沖區(qū)外，根據需要，可以設立一些標志位，視具體情況而定。4.3中斷優(yōu)先級所處理時間為緊急的則其中斷級別為最高，根據本題實際情況，中斷模塊的優(yōu)先級如下：表4-1各中斷模塊優(yōu)先級模塊名級別越界報警、急停處理模塊0高實時修改顯示緩沖區(qū)數據模塊1鍵盤、顯示定時掃描管理模塊2低4.4各模塊說明及流程圖4.4.1主模塊主模塊功能為：初始化、監(jiān)控。其中初始化包括8155初始化、緩沖區(qū)清零、定時/計數常數的設置、開中斷等處理；監(jiān)控主要判斷是否有命令按下，并根據命令調用相應的子程序模塊。主模塊流程圖如下：圖3-5主模塊流程圖根據鍵盤功能鍵的設定，相應的子程序模塊包括“←”、“→”、“↑”、“↓”各個命令及“暫停”命令處理模塊。這里設定一標志，其作用是反映XY工作臺的當前運動方向。標志位為內部RAM區(qū)的2BH，其定義如下：2BH單元值當前運動方向（2B）=01H→+X（2B）=02H←-X（2B）=03H↑+Z（2B）=04H↓-Z（2B）=00H初始時為00H4.4.2報警、急停處理中斷模塊本模塊的主要功能是當XY工作臺移動越出邊界時進行應急處理，停止一切正常工作，由復位重新使系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)。報警用紅燈亮指示。4.4.3鍵盤、顯示定時掃描管理模塊根據鍵盤的接口電路，可以用編程掃描方式和定時掃描方式。這里選擇后一種，用定時中斷模塊同時完成鍵盤和顯示的掃描。4.4.4實時修改顯示緩沖區(qū)數據模塊本模塊采用中斷方式，其作用是通過對8155定時/計數的輸出信號，也即對步進脈沖進行計數，來修改顯示緩沖區(qū)中工作臺當前工作位置。根據步進電機的實際脈沖當量，一個步進脈沖，相當于工作臺位移增量為0.01mm，可以設定中斷計數常數為10，每中斷一次，工作臺運動0.1mm，這里用內部RAM單元為中斷次數計數器。

第五章成本估算5.1機械部分項目單價（元）數量總價（元）滾珠絲杠7001根700推力球軸承5120725250深溝球軸承620718236齒輪(減速箱)2501250步進電動機110BF0034501450軸套12560粗羊毛墊圈1.557.5墊圈7.5507.5雙頭螺柱M81.6根1524圓螺母M25/M206424普通平鍵13.6/包1013.6軸承端蓋15230箱體1701170六角螺母M81.21214.4共計:1837元

5.2微機部分項目單價（元）數量總價（元）單片機80315.515.5RAM6264717EPROM2764313鎖存器74HC573224鎖存器74LS3732.512.5三八譯碼器74HC1382.8812