《502型立式銑床數(shù)控改裝(縱向)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《502型立式銑床數(shù)控改裝(縱向)（49頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、 第一章和最后的設(shè)計(jì) 總結(jié)自己寫吧， 還有我總結(jié)的這些內(nèi)容可能不完全正確 ，大家仔細(xì)看下，順便加上自己的部分文字。 第二章 機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng) 機(jī)械部分 ( 縱向 ) 的設(shè)計(jì)計(jì)算 第一節(jié) 工作載荷分析及計(jì)算 根據(jù)指導(dǎo)書的分析，對(duì)于數(shù)控銑床來說，可采取按切削用量計(jì)算 切削力法和按主電機(jī)功率法計(jì)算切削力計(jì)算切削力法兩種。 一般來說，對(duì)于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，可采用按主電機(jī)功率計(jì)算切削力法。 一、銑削抗力分析 通常都假定銑削時(shí)銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒的某一點(diǎn) 上。設(shè)刀齒受到的切削抗力的合力為 F，將 F 沿銑刀軸

2、線、徑向和切向進(jìn)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(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗銑床主電機(jī) 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(jī)功率 Pe（kw）算出。 對(duì)于現(xiàn)有的機(jī)床的改裝設(shè)計(jì)， 可以從已知機(jī)床的電機(jī)的功率和主軸上的功率反推出工作臺(tái)進(jìn)給時(shí)的銑削力。 若該機(jī)床的主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)均用一個(gè)電機(jī)， 進(jìn)給傳動(dòng)的功率較小， 可在主傳動(dòng)功率上乘以一個(gè)系數(shù)。由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊查得銑床傳動(dòng)系數(shù) k=0.85 。 主傳動(dòng)功率 N 包括切削功率 Nc、空載功率 Nmo、附加功率 Nmc 三部分，即：

3、N=Nc + Nmo + Nmc ?？蛰d功率 Nmo 是當(dāng)機(jī)床無切削負(fù)載時(shí)主傳動(dòng)系統(tǒng)空載所消耗的功率， 對(duì)于一般輕載高速的中、 小型機(jī)床，可達(dá)總功率的 50%，現(xiàn)取 Nmo = 0.5N，附加功率 Nmc 是指有了切削載荷后所增加的傳動(dòng)件的摩擦功率， 它直接與載荷大小有關(guān)。 可以用下式計(jì)算， Nmc = (1–η)NC，所以總功率為： N=Nc + 0.5N + ( 1– η )Nc ( KW ) 則： Nc= 0.5N (KW) 2 － η 在進(jìn)給傳動(dòng)中切削功率 Nct = kNc = k 0.5N (KW) －

4、 2 η 上式中 k----銑床的傳動(dòng)系數(shù)，查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》得 k=0.85 η為傳動(dòng)效率，可由下式計(jì)算 η＝主軸上的傳動(dòng)功率 主電機(jī)的功率 由題設(shè)給定的已知條件可知，主軸上的傳動(dòng)功率 N=1.45 KW ， 主電機(jī)的功率 N電機(jī) = 2.2 KW。則 η=1.45=0.6591 2.2 所以： Nct = 0.85 0.5 2.2 = 0.6973 (

5、KW) 2 0.6591 切削時(shí)在主軸上的扭矩為： Mn = 955000 Nct = 955000 0.6973＝ 14019.4(Ncm) n 47.5 上式中 n----主軸的最小轉(zhuǎn)速，由題設(shè)條件知 n = 47.5 (r/min) 切向切削力 Fz= M n 14019.4 4381.0625 (N) d 3.2 上式中 d---- 銑刀的最大直徑 (cm)，由題設(shè)條件知 d = 3.

6、2 cm 二、計(jì)算進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷 FL 、 FV 、 FC 作用在進(jìn)給工作臺(tái)上的合力 F’與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合力 F 大小相同，方向相反。合力 F’就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考 慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺(tái)縱向載荷 FL ，橫向載荷 Fc 和 工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷 FV 。 計(jì)算與說明 作用在進(jìn)給工作臺(tái)上的合力 F’與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合 力 F 大小相同，方向相反。合力 F’就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考 慮的工作載荷，它可以沿著銑床工

7、作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三 個(gè)力：工作臺(tái) 縱向進(jìn)給方向載荷， 工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷 Fc 和 工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷 Fv。 根據(jù)《專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》第三章表 3 — 1 “銑削加工主切 削力 與其它切削分力的比值”列表可計(jì)算出三組 FL、FV、 FC (取范 圍的值計(jì)算最大值 )。 (1) 組：端銑——對(duì)稱銑削 FL =0.4 FZ=0.4x2890.1=1156.04N FC =0.95 FZ =0.95 X 2890.1=2745.595N FV =0.55 FZ=0.55x 289

8、0.1=1589.555N (2) 組：端銑——逆銑 FL =0.9F=0.9X 2890.1=2601.09N FC =0.7 F=0.7X2890.1=2023.07N FV =0.55 F=0.55x 2890.1=1589.56N (3) 組：端銑——順銑 FL =0.3FZ=0.3X2890.1=867.03N FC=1.0FZ=1.0x2890.1=2887.62N FV =0.55FZ=0.55x2890.1=1589.56N 由于銑床是兩軸聯(lián)動(dòng)，所以只考慮端銑，無需考慮周銑，則考慮 采用

9、第三組數(shù)據(jù)。 第二節(jié)滾珠絲杠螺母副的選型和校核 一、滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型的選擇 因?yàn)樗难b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(diào)整，并且加工過程中有輕微沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)上述實(shí) 際條件， 并考慮到經(jīng)濟(jì)成本問題， 通過查第三章表 3 — 2 和表 3 — 3，可以初步選用“外循環(huán)插管埋入式法蘭直筒組合雙螺母墊片預(yù)緊 （ CMD) ”這種結(jié)構(gòu) 類型的滾珠絲杠螺母副。 它具有結(jié)構(gòu)簡單， 工藝性優(yōu)良，承載能力較高 ; 剛度高，預(yù)緊可靠，不易松弛等優(yōu)點(diǎn)。它主要適用于重載荷、高剛度、 高速驅(qū)動(dòng)

10、及較精密的定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用得較廣泛的結(jié)構(gòu)。 二、滾珠絲杠螺母副型號(hào)的選擇及校核步驟 1、計(jì)算最大工作載荷 2、由題設(shè)已知條件，銑床導(dǎo)軌的類型為綜合導(dǎo)軌。再查指導(dǎo)書 P38 表 3-29 得最大工作載荷 Fm Fm=KF L +f， (FV +G) 該式中： K=1.15; 取 f ，= 0.18 (f，=0.15? 0.18)(摩擦系數(shù) )；G 為工作臺(tái)及夾具總重量 的 1/2。由題設(shè)已知條件可得 G = 400 N。 將以上數(shù)值及先前計(jì)算得到的三組 FL.FV 數(shù)據(jù)代入上式，可得到 三組

11、相應(yīng)的 Fm 的最大值 (1) 組： Fm=1.15x1156.64+0.18x(1589.56+400)= 1687.57N (2) 組： Fm=1.15x2601.09+0.18x(1589.56+400)=3349.37N (3) 組： Fm=1.15x867.03+0.18x (1589.56+400)=1355.2N 由以上計(jì)算數(shù)據(jù)可知，第 (2)組算得的 Fm 值較大。故最大工作載 荷為 Fm=3349.37N 2、計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 C

12、 最大動(dòng)載荷 C 可由下式計(jì)算 C= fwf HFm (1) (1)式中：各參數(shù)見《專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》 fH 為硬度系數(shù)，選 f H =1.0(HRC 60) fw 為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，選 f w =2.0(有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)） L 為壽命，由下式計(jì)算 L=60nT/106 (2) (2)式中： T 為使用壽命 (h)，對(duì)于數(shù)控機(jī)床 T=15000(h) n 為絲杠轉(zhuǎn)速 (r/min) ， 可由下式計(jì)算： n=1000Vs/L o (3)式中：V s 為最大切削力條件下的縱向進(jìn)給速

13、度 (m/min),查指導(dǎo)書為 540(mm/min) 可取最高切削進(jìn)給速度的 1/2? 1/3，現(xiàn)取 1/3,即 Vs=0.54/3=0.18m/min L0 為所選用絲杠的基本導(dǎo)程 ,考慮到傳動(dòng)精度的要求 ,可選基本 導(dǎo)程為 4、6、8(mm)的絲杠。基本導(dǎo)程為 4mm 時(shí): L=60nT/106=60T1000Vs/(106L 0) =60x15000x1000x0.18/(1000000x4)=40.5 Cl= x1.0x2.0x3349.37=23004.43 基本導(dǎo)程

14、為 6mm 時(shí)： L=60nT/106=60T1000Vs/(106L0) =60x15000x1000x0.18/(1000000x8)=20.25 C 3 20.25 1.0 2.0 3349.37 18258.63( N ) 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》表 3-11 當(dāng)公稱直徑 do 32mm 時(shí) Ca=15KN8258.63N 合格 Ca=21.85>C3 合格 當(dāng)公稱直徑 do 40mm 時(shí) 當(dāng) L0 8 時(shí) Ca=30.9KN>C2 合

15、格 當(dāng) L0 6 時(shí) Ca=24.11KN>C3 合格 所以絲杠 L0 為 6mm 或 8mm d0 32mm或者 40mm 通過查《金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊》表 4-143 可知 當(dāng)公稱直徑 do 32mm 時(shí)、基本導(dǎo)程為 6mm 的絲杠，查得他們的承載能力 Ca 為 21.85KN，螺旋升角 為 3.41 ，圈數(shù) 列數(shù)分別為 3.5 1，滾珠直徑 d q 為 4mm， -----接觸角（ 45 ）。 公稱直徑 do 40mm 、基本導(dǎo)程為 8mm 的絲杠，查得它們的承載能力 Ca 為 30.9KN，螺

16、旋升角 為 3.65 ，圈數(shù) 列數(shù)分別為 2.5 1，滾珠直徑 d q 為 5mm， -----接觸角（ 45 ）。 公稱直徑 do 40 mm 、基本導(dǎo)程為 6mm 的絲杠，查得它們 的承載能力 Ca 為 24.11KN，螺旋升角 為 2.73 ，圈數(shù) 列數(shù)分別為 3.5 ， 1 滾珠直徑 d q 為 4mm， ----- 接觸角（ 45 ）。 3、計(jì)算傳動(dòng)效率 η 傳動(dòng)效率可由下式計(jì)算 tg tg 上式中： ---- 絲杠螺旋升角 --

17、-- 摩擦角。滾珠絲杠副的摩擦角約 10 0.167 （ 1）當(dāng)公稱直徑 d0 =32mm、基本導(dǎo)程為 6mm： tg tan 3.41 0.9 tg ( 0.953 ) tan(3.41 0.167) 故滿足設(shè)計(jì)要求。 （ 2）選公稱直徑 d0 =40mm 1）基本導(dǎo)程為 8mm： tan tan 2.73o 0.9 tan() tan(2.73o 0.9423 0.167o ) 故滿足設(shè)計(jì)要求。 4、剛度驗(yàn)算 (1)絲杠的拉伸或壓縮變形量 1

18、 當(dāng)絲杠進(jìn)行了預(yù)緊，且預(yù)緊力為最大工作載荷的 1/3 時(shí)，其實(shí)際 變形量為（由指導(dǎo)書 P39，公式 3—24 可知）： （拉伸為 +，壓縮為—） 上式中： E——材料的彈性模數(shù) 對(duì)于鋼： E 20.6 10 4 ( N / mm2 ) L ——滾珠絲杠在支承間的受力長度（ mm） L= 工作長度 +螺紋長度 +軸承寬度 +端蓋寬度 700mm F——滾珠絲杠的截面積 ( mm2 ) ,可由下列幾式計(jì)算 2 F d1 、d1=D 0 2e - 2R 4 d q 0.52dq e

19、 (R)sin 、 R 2 dq ——滾阻直徑（ mm）， ——接觸角（ 45o ）， R——滾道法面半徑（ mm）， e——偏心距（ mm）， D 0 ——絲杠公稱直徑（ mm） （1）當(dāng)公稱直徑 D 0 =32mm，基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)， R 0.52 4 2.08(mm) 4 o e=（ 2.08- ） sin45 =0.057 d1=32+2 0.057 2 2.08=27.954（mm） F d 2 = 27.954 =613.7306（ mm 2）

20、 1 4 4 = 3 3 4 9 . 3 7 7 0 0 （ ） 總 2 0 . 6 1 0 0 0 0 6 1 3 . 7 3 0 6 （2）當(dāng)公稱直徑 d0 =40mm、基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)： R 0.52 5 2.6(mm) 5 o e=（ 2.6- ） sin 45 =0.071 d1 =40+2 0.071 2 2.6=34.942（mm） F d2 1 =

21、 34.9422 2 4 4 =958.9267（ mm ） 1 = 3349.37 700 （ mm ） 20.6 10000 =0.002967 4 958.9267 （3）當(dāng)公稱直徑 d0 =40mm 、基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)： R=0.52 4=2.08（ mm ） （ 2.08- 4） sin 45o =0.057 e= 2

22、 d1=40+2 0.057 2 2.08=35.954（ mm ） F d2 1 35.954 2 2 4 = 4 =1015.276（ mm ） 1 3349.37 700 （ mm ） = 20.6 10000 =0.002802 4 1015.276 (2) 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 當(dāng)絲杠進(jìn)行了預(yù)緊， 且預(yù)緊力為最大工作載荷的 1/3 時(shí)，其實(shí)際變 變

23、 形量為 2 Fm 0.0013 3 do FyZ 2 /10 上式中： Fm ------ 最大工作載荷 (kgf) Fm=341.77(kgf) Fy ---- 預(yù)緊力 (kgf)， Fy =1 3 Fm =113.9(kgf) d 0 ---- 滾珠直徑 (mm)， Z ---- 滾珠數(shù)量， Z ＝ Z圈數(shù)列數(shù) Z ----一圈的滾珠數(shù)， Z D o do (內(nèi)循環(huán) ) (1)當(dāng)公稱直徑 do 32mm 基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)： Z 32 25.13

24、 4 Z 25.13 3.5 1 87.955 2 0.0013 334. 937 0.00286 113.9 87.9552 4 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的 1/3 時(shí)， 2 的值可減少一半。 即： 2 = 2 =0.00143 （ mm） 2 （ 2）當(dāng)公稱直徑 do 40mm 基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)： 40 Z 25.13 5 Z ＝25.13 2.5 1=62

25、.825 0.0013 334.937 2 113.9 0.00332 mm 3 5 62.8252 4、 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的 1/3 時(shí)， 2 的值可減少 一半。指導(dǎo)書 P42 即： 2 = 2 =0.00166 （ mm） 2 （ 3）當(dāng)公稱直徑 do 40mm 基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)： Z 40 31.4159 4 Z ＝31.4159 3.5 1=1

26、09.96 0.0013 334.937 2 113.9 0.00247 4 109.962 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的 1/3 時(shí)， 2 的值可減少 一半。即： 2 = 2 =0.00123 （ mm） 2 (3)滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 3 （ 1）當(dāng)公稱直徑 do 32mm 基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)：選用型號(hào)為深溝球 206 的軸承，其參數(shù)如下： 額 定 動(dòng)載 型 號(hào) 內(nèi)徑 d (mm) 外徑 D (mm) 厚度 T (mm) 荷 Ca (kN) 51206

27、30 52 16 28.0 3 可由下式計(jì)算： 2 Fm 3 0.0024 3 2 dQ Z 上式中： Fm ---- 最大工作載荷 (kgf)，F(xiàn)m=341.77(kgf) d Q ---- 軸承滾動(dòng)體直徑 (mm)， dQ T 2 8 Z---- 兩邊軸承總的滾動(dòng)體數(shù)目由公式 (d D ) Z T 可估算兩邊總得滾動(dòng)體的數(shù)目為 32。 將以上數(shù)據(jù)代入可得： 3 0.0024 3 341.77 0.00582 8 322 基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)：

28、 1 2 3 =0.004636+0.00286+0.00582 =0.01332mm>0.01(mm) 可見，當(dāng)公稱直徑 do 32mm 基本導(dǎo)程為 5mm 時(shí)不符合要求； （ 2）當(dāng)公稱直徑 do 40mm 基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)：選用型號(hào)為 51207 的軸承，其參數(shù)如下： 額 定 動(dòng)載 型 號(hào) 內(nèi)徑 d (mm) 外徑 D (mm) 厚度 T (mm) 荷 Ca (kN) 51207 35 62 18 39.2 40 Z 31.4159 4 可估算兩邊總得滾動(dòng)體的數(shù)目為 34。 將以上數(shù)據(jù)代入可得

29、： 3 0.0024 3 341.77 0.005374 9 32 2 基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)： 1 2 3 =0.002967+0.00332+0.005374 =0.011661mm>0.01(mm) 可見，當(dāng)公稱直徑 do 40mm 基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)不符合要求 （ 3）當(dāng)公稱直徑 do 40mm 基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)：選用型號(hào)為深溝球 206 的軸承，其參數(shù)如下： 內(nèi)徑 d (mm) 外徑 D (mm) 額 定 動(dòng)載 型 號(hào) 厚度 T (mm)

30、荷 Ca (kN) 51207 35 62 18 39.2 (d D ) Z T 可估算兩邊總得滾動(dòng)體的數(shù)目為 32。 將以上數(shù)據(jù)代入可得： 3 0.0024 3 334.937 0.005374 9 34 2 基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)： 1 2 3 =0.002802+0.00123+0.005374 =0

31、.009406mm<0.01(mm) 可見，當(dāng)公稱直徑 do 40mm 基本導(dǎo)程為 8mm 時(shí)符合要求 可見，公稱直徑為 40，基本導(dǎo)程為 6mm 時(shí)，以基本導(dǎo)程最大的滾珠絲杠作 為最終選擇， 即以 Lo =6mm 的作為計(jì)算依據(jù)。 經(jīng)查表，選用型號(hào)為 CMD4006---2 的滾珠絲杠副。其參數(shù)如下 滾珠的 額定動(dòng) 公稱直徑 導(dǎo)程 鋼球直徑 循環(huán) 載荷 型 號(hào) L0 (mm) dq (mm) 圈數(shù) C a d0 (mm) 列數(shù) (N) CMD400 6

32、 4 3.5 1 24100 40 N 6---2 第 三 節(jié) 脈 沖 當(dāng) 量和 傳 動(dòng) 比 的 確 定一、確 定 系 統(tǒng) 脈 沖 當(dāng) 量 由題設(shè)條件知脈沖當(dāng)量 p 0.01 / step mm 二、傳動(dòng)比的選定 設(shè)傳動(dòng)副的傳動(dòng)比為 i ，若為一對(duì)齒輪減速傳動(dòng)，則 i Z2 / Z1 ， Z1 為主動(dòng)齒輪的齒數(shù)， Z2 為從動(dòng)齒輪的齒數(shù)。 對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)脈沖當(dāng)量確定和初選定步進(jìn)電機(jī)的步距角后，可根據(jù)下式計(jì)算出該

33、伺服傳動(dòng)系統(tǒng)總的傳動(dòng)比： 公式可查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》 P19公式 3-12 i b L0 0.75 6 360 p 360 1.25 0.01 上式中： L0 ---- 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程 6(mm) b ---- 步進(jìn)電機(jī)的步距角，今初選步 b 0.75 三、齒輪傳動(dòng)的確定 對(duì)于數(shù)控機(jī)車的齒輪傳動(dòng)， 應(yīng)采用設(shè)計(jì)、 結(jié)構(gòu)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(dòng)。 通常，齒輪傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)級(jí)數(shù)少一些比較好， 因?yàn)榭梢詼p少零部件 的數(shù)目，簡化傳動(dòng)鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳

34、動(dòng)精度，減少空程誤差，有利于提高傳動(dòng)效率。同時(shí) i=1.67 較小，故在此選用圓柱直齒輪單級(jí)傳動(dòng)。 一般模數(shù)取 m 1 ~ 2 , 數(shù)控統(tǒng)削取 m 2 。齒 輪 寬 b=(3? 6)m，為 了 消除齒側(cè)隙，寬度可加大到（ 6? 10) m。齒頂 / 根圓半徑公式， 《機(jī)械原理》 P130,表 4-3 。 z1 20 ，取 z1 39 ， m 2 , 則 d1 mz1 2 39 78(mm) da 1 d1 2ha* m 78 2 1 2 82

35、(mm) d f 1 d1 2hf d1 （ * c *） m 2 ha d f 1 d1 2 (1 0.25)m 78 2 1.25 2 73(mm) b1 (6 ~ 10) m ，取 b1 9m 9 2 18(mm) z2 z1i 39 1.25 48.75 49 d2 mz2 2 49 98( mm) da 2 d2 2ha* m 98 2 1 2 102(mm) d f 2 d2 1.25m

36、2 98 1.25 2 2 93(mm) b2 (6 ~ 10) m ，取 b2 6m 6 2 12( mm) d1 d2 78 98 88 中心距 a 2 2 選小齒輪齒數(shù) z1 39 ，小齒輪的齒寬度 b1 18mm ，大齒輪齒數(shù) z2 49 ，大齒輪的齒寬度 b2 12mm 。 進(jìn) 給伺 服 系 統(tǒng) 傳 動(dòng) 計(jì)算一 、 轉(zhuǎn) 動(dòng) 慣 量 的 計(jì) 算 1、齒輪、絲杠等圓柱體慣量的計(jì)算。 可由下式計(jì)算：

37、 2 J MD 0.78 10 3 D 4 L( kg cm2 ) 8 式中： M---- 圓柱體質(zhì)量 (kg) D---- 圓柱體直徑 (cm) L---- 圓柱體長度或圓度 (cm) 對(duì)主動(dòng)齒輪： J1 0.78 10 3 (0.2 39) 4 1.8 5.19691(kg cm2 ) 對(duì)從動(dòng)齒輪： J 2 0.78 10 3 (0.2 49) 4 1.2 5.61315(kg cm2 ) 對(duì)滾珠絲杠： J3 0.78 10 3 44 70 11.85192 (

38、kg cm2 ) 2、工作臺(tái)折算到絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JG ( )2 G ( L0 )2 G ( kg cm2 ) 2 n g 2 g v---- 工作臺(tái)移動(dòng)速度 (cm/min) n---- 絲桿轉(zhuǎn)速 (r/min) G---- 工作臺(tái)的重量 (N) g---- 重力加速度 (9.8m/s 2) L0 ---- 絲桿導(dǎo)程 (cm) JG (0.6 )2 400 0.37220(kg cm2 ) 2 9.8 3、傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣

39、量 m L0 ) 2 G 1 n Ji ( ni )2 (kg cm2 ) JL ( j 1 2 g i 2 i 1 nk J L 0.3722 1 J1 ( J2 J3 )( Z1 ) 2 1.252 Z 2 0.237 5.19891 (5.61315 13.9776)( 39 )2 49 =17.846(kg.cm 2) 式中： i ---- 系統(tǒng)總的減速比 (i>1)

40、 Ji ---- 各轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg cm2 ) ni ---- 各轉(zhuǎn)動(dòng)體的轉(zhuǎn)速 (r/min) nk ---- 電機(jī)的轉(zhuǎn)速 (r/min) Jm ---- 2 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 (kg cm) 4、電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的確定 查表 3—10《機(jī)電一體化指導(dǎo)書》，因?yàn)檫x用電機(jī)工作方式的是 三相六拍，步距角為 b 0.75 , 故符合的是： 110BF003和 110BF004。 電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為： 110BF003： J m1 46.1 10 5 kg m2

41、 4.61(kg cm2 ) 110BF004： J m2 34.3 10 5 kg m2 3.43(kg cm2 ) 5、 系 統(tǒng) 總 的 轉(zhuǎn)動(dòng) 慣 量 J J  1 JL Jm1 17.846 4.61 22.456(kg cm2 ) 2 JL Jm2 17.846 3.43 21.276(kg cm2 ) 二 、 步 進(jìn) 電 機(jī)的 計(jì) 算 和 選 用 1、 電 機(jī) 力矩 的 計(jì) 算 速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩： M 起 M a max M f M 0 ( N cm)

42、 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩： M 切 M t M f M 0 (N cm) 電機(jī)的力矩主要是用來產(chǎn)生加速度， 而負(fù)載力矩往往小于加速力 矩，故常常用快速空載起動(dòng)力矩作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 (1)空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速力矩 M a max M a max = J 1 2 n max 10-2 60ta = 22.456 2 3.1416 500 10-2 60 0.03 391.92(N cm) 式中： J ----系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

43、 ta ---- 運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大進(jìn)給速度所需的時(shí)間 （s）約為 30 毫秒 nmax ----電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 (r/min) n nmax = θb v max = 0.75 2400 =500( r/min) 360 δp 360 0.01 vmax ----運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 1600(mm/min) (2)摩擦力矩 M f M f f GL 0 800 0.165 0.6 2 i 2 12.6( N cm) 0.

44、8 1.25 上式中： G----運(yùn)動(dòng)部件的總重量 (N) f ----導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 0.165 i ---- 齒輪總減速比 η ----傳動(dòng)鏈總效率，一般取 η＝0.7～0.85，在此取 0.8 (3)附加摩擦力矩 M 0 M 0 F p 0 L0 2 1702.14 0.6 (1 0.95 2 ) 15.86 ( N cm) (1 0 ) 2 i 2 0.8 1.25 上式中：Fp0 ----滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載 (N)，一般取最大工作載荷的 Fp0

45、 1/3， ＝5106.42/3=1702.14 (N) L0 ----滾珠絲杠基本導(dǎo)程 0.6(cm) 0 ---- 滾珠絲杠未加預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 0 0.9， 今取 0.95 。 （4）折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力 Mt FtL 0 2601.09 0.6 （ N cm） M t = = = 209.166 2 i 2 3.1416 0.95 1.25 上式中： F

46、t ----進(jìn)給方向最大切削力 (N)，即前面計(jì)算進(jìn)給工作臺(tái) 工作載荷 FL 、 FV 、 C C ， F 時(shí)所得到的數(shù)據(jù) F 所以 Ft ＝ FC ＝2601.09 (N) 綜合以上，可得： M 起 1 （ N cm） =391.92+6.11115+11.7964=409.8276 M 起 2 =373.07+6.11115+11.7694=390.9776（N cm） M 切1 =209.166+6.11115+11.7964=227.0739 c

47、m） （ N M 切 2 （ N cm） =209.166+6.11115+11.7964=227.0739 2、步進(jìn)電機(jī)的選擇與校核 (1)根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 M jmax 初選電機(jī)型號(hào) 步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)： M q1=max（ M起 1，M切 1）=M起1 =409.8276(N cm) M q2 =max （ M起2， M切2）=M起2 =390.9776(N cm) 對(duì)于三相六拍步進(jìn)電機(jī)， 1 M q1 = 409.8276 =0.5227 0.5

48、 M j max 784 M q2 = 390.9776 0.866 2 M j max =0.7979 490 前面計(jì)算時(shí)已初選型號(hào)為 110BF003 的步進(jìn)電機(jī)其相關(guān)參數(shù)為： (2)計(jì)算電機(jī)工作頻率 1)最大空載起動(dòng)頻率：  M j max M q / 1000v fk= 60  max p  1000 2.4 （ H ） = 0.01 =4

49、000 z/s 60 f k < f max =7000(Hz/s) ，滿足要求。 2)切削時(shí)最大工作頻率 f = 1000v = 1000 0.54 =900（ Hz/s） 60 p 60 0.01 f e < f max =1500(Hz/s) ，滿足要求。 上式中： vmax ----運(yùn)動(dòng)部件橫向最大快速進(jìn)給速度 2.4(m/min) vs ----橫向最大切削進(jìn)給速度 0.54(m/min) p ----脈沖當(dāng)量 0.01(mm/step) 由上述計(jì)算可

50、知：系統(tǒng)要求的空載起動(dòng)轉(zhuǎn)矩頻率要大于電機(jī)的 空載起動(dòng)頻率 1500Hz,且空載起動(dòng)頻率滿足要求的電機(jī)型號(hào)較少，可 以采用調(diào)壓起動(dòng)等方式起動(dòng)電機(jī)使電機(jī)的空載起動(dòng)頻率滿足要求； 而 電機(jī)運(yùn)行頻率 7000Hz可以滿足系統(tǒng)要求。 (3)校核步進(jìn)電機(jī) （ 2）根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件校核 為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動(dòng)能力及較快的響應(yīng)速度，通常推薦： ML =321.355 (N.cm) 且 M L 0.5 及 J L 4 M j max J m 則：對(duì)于電機(jī) 110BF003

51、 M L 321.355 M j max 784 JL 17.846  0.40989 0.5 3.871 4 Jm 4.61 滿足要求； 對(duì)于電機(jī) 110BF004 M L 321.355 0.0.6558 0.5 M j max 490 J 17.846 L 5.20 4 J 3.43 m 不滿足要求，故選擇 110BF003的步進(jìn)電機(jī)。

52、 第三章 微機(jī)控制部分的設(shè)計(jì) 主要內(nèi)容： 以 MCS-51系列單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。一、硬件系統(tǒng) （1）基本組成（最小系統(tǒng)） （2）系統(tǒng)擴(kuò)展 1 ）程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展 2 ）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展 3 ）輸入輸出端口擴(kuò)展 4 ）綜合功能擴(kuò)展 （3）接口技術(shù) 1 ）鍵盤接口技術(shù) 2 ）顯示器接口技術(shù) （4）步進(jìn)電機(jī)控制硬件電路 二、軟件系統(tǒng) （1）軟件結(jié)構(gòu)與基本組成 （2）插補(bǔ)原理及軟件程序 （3）步進(jìn)電機(jī)控制軟件 第一節(jié) 微機(jī)控制系統(tǒng)概述 一、微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路 1. 確定系

53、統(tǒng)狀態(tài)控制方案 1 ）從系統(tǒng)構(gòu)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(duì)于具有高可靠性、高精度和快速性要求 的系統(tǒng)應(yīng)采取的措施是什么？ 4 ）考慮微機(jī)在整個(gè)控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計(jì)算、直接控制還是數(shù)據(jù)處 理，微機(jī)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)微機(jī)應(yīng)具備哪些輸入 / 輸出通道、配備哪些外圍設(shè)備。 5 ）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(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和依據(jù)。 2. 確定控制算法 1 ）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 確定其控制算法， 按照規(guī)定的控

54、制算法進(jìn)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(zhì)，甚至決定整個(gè)系統(tǒng)的成敗。 3 ）在選擇控制算法時(shí)，應(yīng)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(jì)算機(jī) 對(duì)于給定的任務(wù)， 選擇微機(jī)的方案不是唯一的， 從控制角度出發(fā)， 微機(jī)應(yīng)能滿足具有較完善的中斷系統(tǒng)、足夠的存儲(chǔ)容量、完善的輸入 / 輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘等要求。 1）較完善的中斷系統(tǒng) 2 ）足夠的存儲(chǔ)容量 3）完備的出入 / 輸出通道和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。 二、微機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件組成 任何一個(gè)微機(jī)控制系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成， 硬件是軟件的

55、基礎(chǔ)， 而配置了軟件的硬件才有控制功能， 數(shù)控系統(tǒng)通過與硬件軟件的密切配合實(shí)現(xiàn)各種功能。 控制系統(tǒng)硬件基本組成框圖 第二節(jié) 系統(tǒng)介紹 該微機(jī)控制系統(tǒng)由單片機(jī)、 存儲(chǔ)器、鍵盤和顯示器等接口電路、 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、 AT 標(biāo)準(zhǔn)下載接口電路、急停和限位報(bào)警等輔助控制電路組成。其電路原理圖如下圖 3-1 所示。 一、單片機(jī)的選擇 由于本設(shè)計(jì)只是對(duì)傳統(tǒng)機(jī)床的改造， 各方面的要求不是很高， 所以本設(shè)計(jì)采用以 AT89S51-24PU單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng) . 目前，數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用最多的是AT

56、89S51-24PU單片機(jī)，他價(jià)格低，功能強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)。 由于 AT89S51-24PU 內(nèi)部沒有程序存儲(chǔ)器， 必須擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器， 用以存放控制程序。 由于單片機(jī)內(nèi)部存儲(chǔ)器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，所以還需要擴(kuò)展 COM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM）。另外，雖然 AT89S51-24PU本身有 4 個(gè) I/O 接口電路，但尚不能滿足改造的需要，因此，還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片，以滿足使用要求。 圖 4-1 系統(tǒng)電路原理圖 圖 4-2 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 二、存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 如圖 3-

57、2  所示，為存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，由鎖存器、譯碼器、靜態(tài)存儲(chǔ)器和  E2PROM  等芯 片連接而成。 1. 地址鎖存 由于 MCS-51 系列單片機(jī)的 P0 口試分時(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)，必須用地址鎖存器鎖住低 8 位的地址信號(hào)。 采用的地址 鎖存器為 74HC573。 D0 到 D7 為數(shù)據(jù)輸入， Q0 到 Q7 為輸出， 11 管腳為鎖存使能， 1 管腳 OE 為 輸出使能。 10 管腳 GND 接地， 20 管腳接高電平。 圖 4-3 鎖存器 74

58、HC573芯片連接電路 2. 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 MCS-51系列單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器空間和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器空間的相互獨(dú)立的。 AT89S51-24PU芯片片內(nèi) ROM不夠用時(shí)，需擴(kuò)展外部程序存儲(chǔ)器。用作程序存儲(chǔ) 器的器件有 EPROM和 E2PROM，在本設(shè)計(jì)中程序存儲(chǔ)器選用一片 E2PROM,其型號(hào)為 AT28C256-15PI。 AT28C256-15PI 主要參數(shù)： 32K 8 位，為雙列直插式 28 腳封裝。采用單一正 5V 電源，可以與 MCS-51系列單片機(jī)直接接口。 ROM的地址范圍為 0000H— 7FFFH。 A0 —A14 為地

59、址線， CE 為芯片使能， OE 輸出使能， WE 寫入使能， I/O0 — I/O7 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出， NC 、DC 為預(yù)留端口，不用連接。 GND 接地， Vcc 接高電平。 圖 4-4 程序存儲(chǔ)器 AT89S51-24PU芯片連接電路 3. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 AT89S51-24PU 單片機(jī)內(nèi)部有 256 字節(jié)的 RAM存儲(chǔ)器。 CPU提供對(duì)內(nèi)部的 RAM 具有豐富的操作指令。單在用于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在這種情況下，可利用 MCS-51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

60、器選用一片靜態(tài) RAM，其型號(hào)為 IDT7164S35P 。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 IDT7164S35P參數(shù)：容量為選用 8K 8 位，選用一片 SRAM6，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(jī)直接接口。 其 地址范圍 0000H—1FFFH。 A0 — A12 為地址線， OE 輸出使能， WE 寫入使能， I/O0 —I/O7 為數(shù)據(jù)輸入 / 輸出， CS1 、 CS2 為片選端口， GND 接地， Vcc 接高電平。 圖 4-5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 IDT7164S35P芯片連接電路 4、74

61、HC138譯碼器接口電路 查《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》可知下表： 表 3-1 74HC138 功能表 C B A Y7 ， Y6 ， Y5 ， Y4 ， Y3 ， Y2 ， Y1 ， Y0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1

62、 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 在 74HC138中引腳 C、B、 A 分別接地、 P1.4 和 P2.7， 確定 Y0 ~Y7 中的選擇。從原理圖可知： 1、 當(dāng) BA 為 00 時(shí)，即 P2. 7 =0， P1.4 =0 時(shí)，選擇 Y0 腳輸出 0，此時(shí)選通芯片IDT7164S35P，該芯片有 13 條地址線，基本地址范圍 0000H～ 1FFFH。 2、 當(dāng) BA 為 01 時(shí)，即 P2.7 =0， P1.4 =

63、1 時(shí)， Y1腳為 0，而 Y1 腳接芯片 AT28C256-15PI，.此時(shí)選通該芯片，其有 15 條地址線，基本地址范圍 0000H～7FFFH。 3、 當(dāng) BA 為 10，即 P2.7 =1， P1.4 =0 時(shí)， Y 2 腳為 0，而 Y2 腳接 8155 的片選腳，此時(shí)選中 8155 芯片。 4、 當(dāng) BA 為 11，即 P2 .7 =1， P2. 6 =1 時(shí)， Y3腳為 0，而 Y3 腳接 8255 的片選 腳，因此此時(shí)選中 8255 芯片。 圖 4-6 譯碼器 74HC138 芯片連接電路 三、 I

64、/O 口的擴(kuò)展 在 MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)本身提供給用戶使用的輸出口線并不多，只有 P1 口和部分 P3 口線。應(yīng)此，在大部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中都不可避免的要在單 片機(jī)外部擴(kuò)展 I/O 端口。單片機(jī)可以像訪問外部 RAM存儲(chǔ)器一樣訪問外部接口芯片，對(duì)其進(jìn)行讀 / 寫操作。 由于接口較多，需采用一個(gè) 8155 芯片和一個(gè) 8255 芯片，才可以滿足要求。復(fù)合接口擴(kuò)展芯片 8155 共有三個(gè)端口 PA、 PB、PC，即 PA0— PA7、PB0—PB7、 PC0— PC4共為 21 位輸入輸出。 AD0 -AD7 為數(shù)據(jù)總線， RD 讀入接口， WR寫入 接

65、口，RESET為復(fù)位接口， Vss 接地，Vcc 接高電平，ALE芯片使能、IO/ M 、TMRIN、 TMROUT、片選 CE。 圖 4-7 8155 芯片連接電路 專用接口擴(kuò)展芯片 8255 有三個(gè)端口 PA、PB、PC，均為 8 位，即 PA0— PA7、PB0— PB7、 PC0—PC7 共 24 位輸入輸出口。 A0-A1 為地址線接口， D0-D7 為數(shù)據(jù)線接口， RD 讀入接 口， WR寫入接口， RESET 為復(fù)位接口， CS 為片選端口， GND 接地， Vcc 接高電平。 圖 4-8 8255A 芯片連接

66、電路 通過 8155 復(fù)合接口芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤和數(shù)碼管顯示接口的擴(kuò)展，通過 8255 專用接口芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)手動(dòng)操作等按鍵功能和步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖輸出接口的擴(kuò)展。 1、數(shù)碼顯示管位數(shù)確定 如下圖 3-9 所示所設(shè)計(jì)數(shù)碼顯示電路原理圖， 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)書要求及數(shù)據(jù)計(jì) 算，數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量 0.01mm/ step ，需要兩位數(shù)碼管顯示小數(shù)部分（右 邊兩個(gè)），銑床行程小于 1000mm，需要三位數(shù)碼管顯示整數(shù)部分（右起 3~5 個(gè)），需要一位顯示 x、y 的方向（左起第 3 個(gè)），一位顯示行程的正負(fù)（左起第 2 個(gè)）。還有一位（左起第 1 個(gè)）根據(jù)具體情況由用戶設(shè)定（比如狀態(tài)信息） 。 圖 4-9 數(shù)碼管顯示電路 2、鍵盤電路設(shè)計(jì)及鍵數(shù)確定 如下圖 3-10 所示，為所設(shè)計(jì)矩陣鍵盤電路原理圖。根據(jù)數(shù)控銑床加工特點(diǎn)及各方面性能要求，擬定如下按鍵： 圖 4-10 鍵盤電路設(shè)計(jì) 返回鍵、垂直菜單鍵、回車 / 輸入鍵、上檔鍵、光標(biāo)向上鍵、光標(biāo)向下鍵、 光標(biāo)向左鍵、光標(biāo)向右鍵、刪除鍵、