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畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 學生姓名 院系 機電工程學院 專業(yè) 班級 指導(dǎo)教師姓名 王巍 職稱 講師 從事專業(yè) 機械設(shè)計制造及 其自動化 是否外聘 是 否 題目名稱 數(shù)控自動送料機設(shè)計 一 設(shè)計目的 意義 在自動化制造系統(tǒng)中 伴隨著制造過程的進行 貫穿著各種物料的流動和儲運 物料給料輸送 機是機械制造系統(tǒng)的重要組成部分 它將制造系統(tǒng)中的物料 如毛坯 半成品 成品 工夾具等 及時準確地送到指定加工位置 倉庫或裝卸站 在制造系統(tǒng)中 物料首先輸入到物料流動與儲運系 統(tǒng)中 然后由物料輸送系統(tǒng)送至指定位置 本課題設(shè)計的數(shù)控自動送料機具有可實現(xiàn)橫縱向進給的 工作臺和機座組成 工作臺面可附加氣動夾具與零件 隨行夾具進行裝夾 與帶式傳送機 滾筒式 輸送機等輸送裝置組成自動化輸送系統(tǒng) 對實現(xiàn)制造系統(tǒng)自動化具有重要意義 二 設(shè)計內(nèi)容 技術(shù)要求 研究方法 本設(shè)計主要完成自動給料機的機架結(jié)構(gòu) 工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 橫縱向進給機構(gòu)設(shè)計 工作臺 運動軌道設(shè)計 橫縱向進給運動控制程序的編制 技術(shù)參數(shù) 工作臺臺面尺寸 1230 x970mm 工作臺高度 870mm 送料速度 120pcs min 步距 110mm 電機功率 1Kw 三 設(shè)計完成后應(yīng)提交的成果 1 完成設(shè)計裝配圖 零件圖 合計 3 張 A0 圖紙當量 2 完成設(shè)計說明書 1 5 萬字 四 設(shè)計進度安排 1 2015 年 3 月 2 日 3 月 10 日 調(diào)研 收集相關(guān)文獻 確定設(shè)計方案 撰寫開題報告 2 2015 年 3 月 11 日 4 月 30 日 方案設(shè)計 整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計 設(shè)計計算及校核 3 2015 年 5 月 1 日 5 月 25 日 結(jié)構(gòu)設(shè)計 繪制裝配圖及零件圖 4 2015 年 5 月 26 日 6 月 7 日 撰寫論文 提交圖紙 設(shè)計說明書 5 2015 年 6 月 7 日 6 月 14 日 準備答辯 五 主要參考資料 姜鑫 孔令軍 張俊勇 一種非走心式單軸車床數(shù)控自動送料機的結(jié)構(gòu)設(shè)計 J 機械與電子 2011 05 24 程艷輝 基于 ARM9 的數(shù)控沖床自動送料運動控制系統(tǒng)設(shè)計 D 中國海洋大學 2010 06 05 鄒文明 廣數(shù) 980TB2 數(shù)控系統(tǒng)的自動送料控制 J IT 時代周刊 論文專版 第 300 期 2014 07 20 中國會議 黃慶專 程志杰 數(shù)控車削自動送料裝置設(shè)計與控制 J 制造技術(shù)與機床 2014 07 02 劉澤民 付麗 馬敘 敖茜 李慧 餐具橫壓延鏈條式自動送料機 J 輕工機械 2014 02 20 孫丕田 沖床自動送料機的設(shè)計分析 J 科技致富向?qū)?2012 06 25 祝文華 馬紅燕 自動送料機設(shè)計制造 J 械工程師 1995 10 15 黃信兵 劉小娟 一種數(shù)控車床自動送料裝置的設(shè)計研究 J 組合機床與自動化加工技術(shù) 2013 05 20 李臘梅 螺桿滾絲機自動送料和收料設(shè)備的設(shè)計與應(yīng)用 D 浙江工業(yè)大學 2013 10 01 六 備注 指導(dǎo)教師簽字 年 月 日 系主任簽字 年 月 日 I 編號 畢業(yè)設(shè)計 論文 題 目 數(shù)控自動送料機設(shè)計 所 在 學 院 專 業(yè) 班 級 姓 名 學 號 指 導(dǎo) 老 師 年 月 日 II 摘 要 本次設(shè)計是對數(shù)控自動送料機裝置的設(shè)計 在這里主要包括 傳動系統(tǒng)的設(shè)計 裝 夾部位系統(tǒng)的設(shè)計 系統(tǒng)的設(shè)計這次畢業(yè)設(shè)計對設(shè)計工作的基本技能的訓(xùn)練 提高了 分析和解決工程技術(shù)問題的能力 并為進行一般機械的設(shè)計創(chuàng)造了一定條件 整機結(jié)構(gòu)主要由電動機產(chǎn)生動力通過聯(lián)軸器將需要的動力傳遞到絲桿上 絲桿帶 動絲桿螺母 從而帶動整機運動 提高勞動生產(chǎn)率和生產(chǎn)自動化水平 更顯示其優(yōu)越 性 有著廣闊的發(fā)展前途 本論文研究內(nèi)容 1 數(shù)控自動送料機裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 數(shù)控自動送料機裝置工作性能分析 3 電動機的選擇 4 數(shù)控自動送料機裝置的傳動系統(tǒng) 執(zhí)行部件及機架設(shè)計 5 對設(shè)計零件進行設(shè)計計算分析和校核 6 繪制整機裝配圖及重要部件裝配圖和設(shè)計零件的零件圖 關(guān)鍵詞 數(shù)控自動送料機裝置 聯(lián)軸器 滾珠絲杠 III Abstract This design is the design of CNC automatic feeder device Here mainly includes transmission system design the clamping part of the system design system design of the graduation design to the design work in basic skills training improve the ability to analyze and solve engineering problems and create a condition for general mechanical design The whole machine structure is mainly produced by the motor power by coupling will need power is passed on to the lead screw screw drive screw nut thus promote the machine movement improve labor productivity and production automation level More shows its superiority has a wide development future In this paper the research content 1 CNC automatic feeder device structure design as a whole 2 CNC automatic feeder device performance analysis 3 the choice of the motor 4 the numerical control automatic feeder device of the drive system and frame design execution parts 5 the design and calculation analysis was carried out on the design of parts and check 6 to draw the whole machine assembly drawings and detail drawings of the parts assembly drawing and design Key words CNC automatic feeder device coupling ball screw IV 目 錄 摘 要 II Abstract III 1 緒論 1 1 1 課題的背景 1 1 2 課題的意義 1 1 3 本課題研究的內(nèi)容及方法 1 1 3 1 主要的研究內(nèi)容 1 1 3 2 設(shè)計要求 2 1 3 3 關(guān)鍵的技術(shù)問題 2 2 數(shù)控自動送料機裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 2 1 設(shè)計的要求與數(shù)據(jù) 3 2 2 機械傳動系統(tǒng)圖 3 3 數(shù)控自動送料機 X 方向進給傳動設(shè)計 4 3 1 X 向滾珠絲桿副的選擇 4 3 1 1 導(dǎo)程確定 4 3 1 2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 5 3 1 3 估計工作臺質(zhì)量及負重 5 3 1 4 確定絲桿的等效負載 5 3 1 5 確定絲桿所受的最大動載荷 5 3 1 6 精度的選擇 6 3 1 7 選擇滾珠絲桿型號 7 3 2 校核 7 3 2 1 臨界壓縮負荷驗證 7 3 2 2 臨界轉(zhuǎn)速驗證 8 3 2 3 絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 8 3 3 電機的選擇 9 3 3 1 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 9 3 3 2 電機扭矩計算 10 V 4 數(shù)控自動送料機 Y 方向進給傳動設(shè)計 12 4 1 滾珠絲杠計算 選擇 12 4 2 步進電機慣性負載的計算 14 4 3 Y 軸滾導(dǎo)軌副的計算 選擇 17 5 機架的設(shè)計 19 5 1 對機架結(jié)構(gòu)的基本要求 19 5 2 機架的結(jié)構(gòu) 20 5 3 橫梁設(shè)計 21 5 4 機架的基本尺寸的確定 23 5 5 架子材料的選擇確定 23 5 6 主要梁的強度校核 24 6 橫縱向進給運動控制程序的編制 26 6 1 控制系統(tǒng)硬件的基本組成 26 6 2 接口程序初始化及步進電機控制程序 27 6 3 直線圓弧插補程序設(shè)計 31 參考文獻 39 結(jié)論 40 致謝 42 1 1 緒論 1 1 課題的背景 在我國和國外的生產(chǎn)和研究中 自動送料方式有很多種 但是在這些產(chǎn)品中 存 在著一些問題 如日本的RF20SD OR11機械手送料裝置與沖床做成一體 從橫向 側(cè)面 送料 結(jié)構(gòu)復(fù)雜 裝配 制造 維修困難 價格昂貴 又不適合于我國沖床的縱向送 料的要求 RF20SD OR11的結(jié)構(gòu)由沖床上的曲軸輸出軸 通過花鍵軸伸縮 球頭節(jié)部 件聯(lián)接機械手齒輪 由傘齒輪 圓柱齒輪 齒條 凸輪 撥叉 絲桿等一系列傳動件 使機械手的夾爪作伸縮 升降 夾緊 松開等與沖床節(jié)拍相同的動作來完成送料 另 設(shè)一套獨立驅(qū)動可移式輸送機 通過隔料機構(gòu)將工件輸送至預(yù)定位置 這樣一套機構(gòu) 的配置僅局限于日本設(shè)備 不能應(yīng)用于國產(chǎn)沖床 國內(nèi)有的送料機構(gòu)由沖床工作臺通 過連桿彈簧驅(qū)動滑塊在滑道上水平滑動 將斜道上下來的料 通過隔料機構(gòu)推到模具 中心 并聯(lián)動打板將沖好的料撥掉 往復(fù)運動的一整套機構(gòu)比較簡單 無輸送機構(gòu) 聯(lián)動可靠 制造容易 但機械手不能將料提升 夾緊 料道傾斜放置靠料自重滑下 如規(guī)格重量變動 則料道上工件下滑速度不一致 易產(chǎn)生疊料 推料機構(gòu)役有將料夾 緊 定位不正 增加廢品率 使用也不安全 1 2 課題的意義 本課題主要是貫穿著各種物料的流動和儲運 物料給料輸送機是機械制造系統(tǒng)的重要 組成部分 它將制造系統(tǒng)中的物料 如毛坯 半成品 成品 工夾具等 及時準確地 送到指定加工位置 倉庫或裝卸站 計 現(xiàn)在要求設(shè)計自動送料機構(gòu) 實現(xiàn)自動送料 消除積累誤差 同時可以減少勞動力成本 目前在生產(chǎn)中還是采用手工模式 即是一 人看一臺機器 人工送料 這種生產(chǎn)模式生產(chǎn)效率很低 既浪費勞動力也會讓工人很 疲倦 而且人工送料會產(chǎn)生累積誤差 為了解決這些問題 減少生產(chǎn)成本 結(jié)合國內(nèi) 外送料機構(gòu)的特點 采用伺服電機與送料機構(gòu)為配合的主要裝置 設(shè)計了具有推廣意 義的自動送料機 1 3 本課題研究的內(nèi)容及方法 1 3 1 主要的研究內(nèi)容 在查閱了國內(nèi)外大量的有關(guān)數(shù)控自動送料機設(shè)計理論及相關(guān)知識的資料和文獻基 2 礎(chǔ)上 綜合考慮數(shù)控自動送料機結(jié)構(gòu)特點 具體作業(yè)任務(wù)特點以及數(shù)控自動送料機的 推廣應(yīng)用 分析確定使用數(shù)控自動送料機配合生產(chǎn)工序 實現(xiàn)自動化的目的 為了實現(xiàn)上述目標 本文擬進行的研究內(nèi)容如下 1 根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)的環(huán)境要求和數(shù)控自動送料機本身的結(jié)構(gòu)特點 確定數(shù)控自動送料 機整體設(shè)計方案 2 確定數(shù)控自動送料機的性能參數(shù) 對初步進行靜力學分析 根據(jù)實際情況選擇電 機 3 從所要功能的實現(xiàn)出發(fā) 完成數(shù)控自動送料機各零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計 4 完成主要零部件強度與剛度校核 1 3 2 設(shè)計要求 1 根據(jù)所要實現(xiàn)的功能 提出數(shù)控自動送料機的整體設(shè)計方案 2 完成數(shù)控自動送料機結(jié)構(gòu)的詳細設(shè)計 3 通過相關(guān)設(shè)計計算 完成電機選型 4 完成數(shù)控自動送料機結(jié)構(gòu)的設(shè)計 繪制數(shù)控自動送料機結(jié)構(gòu)總裝配圖 主要零件 圖 1 3 3 關(guān)鍵的技術(shù)問題 1 方案選擇 2 整體的支撐架設(shè)計 3 機構(gòu)設(shè)計 4 強度校核 3 2 數(shù)控自動送料機裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 2 1 設(shè)計的要求與數(shù)據(jù) 在自動化制造系統(tǒng)中 伴隨著制造過程的進行 貫穿著各種物料的流動和儲運 物料給料輸送機是機械制造系統(tǒng)的重要組成部分 它將制造系統(tǒng)中的物料 如毛坯 半成品 成品 工夾具等 及時準確地送到指定加工位置 倉庫或裝卸站 在制造系 統(tǒng)中 物料首先輸入到物料流動與儲運系統(tǒng)中 然后由物料輸送系統(tǒng)送至指定位置 本課題設(shè)計的數(shù)控自動送料機具有可實現(xiàn)橫縱向進給的工作臺和機座組成 工作臺面 可附加氣動夾具與零件 隨行夾具進行裝夾 與帶式傳送機 滾筒式輸送機等輸送裝 置組成自動化輸送系統(tǒng) 對實現(xiàn)制造系統(tǒng)自動化具有重要意義 本設(shè)計主要完成自動給料機的機架結(jié)構(gòu) 工作臺結(jié)構(gòu)設(shè)計 橫縱向進給機構(gòu)設(shè)計 工 作臺 運動軌道設(shè)計 橫縱向進給運動控制程序的編制 技術(shù)參數(shù) 工作臺臺面尺寸 1230 x970mm 工作臺高度 870mm 送料速度 120pcs min 步距 110mm 電機功率 1Kw 2 2 機械傳動系統(tǒng)圖 開環(huán)伺服系統(tǒng) 步進電機驅(qū)動 沒有檢測裝置 半閉環(huán)伺服系統(tǒng) 交流或直流伺服電機驅(qū)動 脈沖編碼器 速度反饋 閉環(huán)伺服系統(tǒng) 交流或直流伺服電機驅(qū)動 位置檢測裝置 位置反饋 本設(shè)計采用開環(huán)步進電機驅(qū)動 傳動初步設(shè)計 電動機 聯(lián)軸器 滾珠絲杠 工作臺 4 3 數(shù)控自動送料機 X 方向進給傳動設(shè)計 表 3 1 滾珠絲桿副支承 支承 方式 簡圖 特點 一端 固定 一端 自由 結(jié)構(gòu)簡單 絲桿的壓桿的穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速 都較低設(shè)計時盡量使絲桿受拉伸 這種安裝 方式的承載能力小 軸向剛度底 僅僅適用 于短絲桿 一端 固定 一端 游動 需保證螺母與兩端支承同軸 故結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 工藝較困難 絲桿的軸向剛度與兩端相同 壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速比同長度的較高 絲 桿有膨脹余地 這種安裝方式一般用在絲桿 較長 轉(zhuǎn)速較高的場合 在受力較大時還得 增加角接觸球軸承的數(shù)量 轉(zhuǎn)速不高時多用 更經(jīng)濟的推力球軸承代替角接觸球軸承 兩端 固定 只有軸承無間隙 絲桿的軸向剛度為一端固 定的四倍 一般情況下 絲桿不會受壓 不 存在壓桿穩(wěn)定問題 固有頻率比一端固定要 高 可以預(yù)拉伸 預(yù)拉伸后可減少絲桿自重 的下垂和熱膨脹的問題 結(jié)構(gòu)和工藝都比較 困難 這種裝置適用于對剛度和位移精度要 求較高的場合 3 1 X 向滾珠絲桿副的選擇 滾珠絲桿副就是由絲桿 螺母和滾珠組成的一個機構(gòu) 他的作用就是把旋轉(zhuǎn)運動 轉(zhuǎn)和直線運動進行相互轉(zhuǎn)換 絲桿和螺母之間用滾珠做滾動體 絲杠轉(zhuǎn)動時帶動滾珠 滾動 5 3 1 1 導(dǎo)程確定 電機與絲桿通過聯(lián)軸器連接 故其傳動比 i 1 選擇電機 Y 系列異步電動機的最 高轉(zhuǎn)速 則絲杠的導(dǎo)程為cmkgfMrn 2min 150maxmax 最 大 轉(zhuǎn) 矩 取 Ph 12mmVPH150 18 axee 3 1 2 確定絲桿的等效轉(zhuǎn)速 基本公式 in rPnh 最大進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 min 1502 8max rV 最小進給速度是絲桿的轉(zhuǎn)速 3 inih 絲桿的等效轉(zhuǎn)速 式中取 故i 212mi1axrtttnm 21t n 0 i 3 1 3 估計工作臺質(zhì)量及負重 工作臺重量 NXgG784 902 移動部件重量 m2 33 3 1 4 確定絲桿的等效負載 工作負載是指機床工作時 實際作用在滾珠絲桿上的軸向壓力 他的數(shù)值用進給 牽引力的實驗公式計算 選定導(dǎo)軌為滑動導(dǎo)軌 取摩擦系數(shù)為 0 03 K 為顛覆力矩影 響系數(shù) 一般取 1 1 1 5 本課題中取 1 3 則絲桿所受的力為 NGFGFGfKFZx 215 2 03 3 12 2 3y12yma 0in 其等效載荷按下式計算 式中取 21t1nNtnFFm49 321mi3ax 3 1 5 確定絲桿所受的最大動載荷 316mhkahtwm10 nT ffCar 6 fw 負載性質(zhì)系數(shù) 查表 取 fw 1 2 ft 溫度系數(shù) 查表 取 ft 1 fh 硬度系數(shù) 查表 取 fh 1 fa 精度系數(shù) 查表 取 fa 1 fk 可靠性系數(shù) 查表 取 fk 1 Fm 等效負載 nz 等效轉(zhuǎn)速 Th 工作壽命 取絲桿的工作壽命為 15000h 由上式計算得 Car 17300N 表 3 1 1 各類機械預(yù)期工作時間 Lh 表 3 1 2 精度系數(shù) fa 表 3 1 3 可靠性系數(shù) fk 表 3 1 4 負載性質(zhì)系數(shù) fw 7 3 1 6 精度的選擇 滾珠絲杠副的精度對電氣機床的定位精度會有影響 在滾珠絲杠精度參數(shù)中 導(dǎo) 程誤差對機床定位精度是最明顯的 一般在初步設(shè)計時設(shè)定絲杠的任意 300 行程變m 動量 應(yīng)小于目標設(shè)定定位精度值的 1 3 1 2 在最后精度驗算中確定 選用滾珠30V 絲杠的精度等級 X 軸為 1 3 級 1 級精度最高 Z 軸為 2 5 級 考慮到本設(shè)計的定 位精度要求及其經(jīng)濟性 選擇 X 軸 Y 軸精度等級為 3 級 Z 軸為 4 級 3 1 7 選擇滾珠絲桿型號 計算得出 Ca Car 17 3KN 則 Coa 2 3 Fm 34 6 51 9 KN 公稱直徑 Ph 12mm 則選擇 FFZD 型內(nèi)循環(huán)浮動返向器 雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲桿副 絲桿的型號為 FFZD4010 3 公稱直徑 d0 40mm 絲桿外徑 d1 39 5mm 鋼球直徑 dw 7 144mm 絲桿底徑 d2 34 3mm 圈數(shù) 3 圈 Ca 30KN Coa 66 3KN 剛度 kc 973N m 3 2 校核 滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度影響系統(tǒng)的定位精度和軸向拉壓震動固有頻率 其扭 轉(zhuǎn)剛度影響扭轉(zhuǎn)固有頻率 承受軸向負荷的滾珠絲桿副的拉壓系統(tǒng)剛度 KO有絲桿本身 的拉壓剛度 KS 絲桿副內(nèi)滾道的接觸剛度 KC 軸承的接觸剛度 Ka 螺母座的剛度 Kn 按不同支撐組合方式計算而定 3 2 1 臨界壓縮負荷驗證 絲桿的支撐方式對絲桿的剛度影響很大 采用一端固定一端支撐的方式 臨界壓 縮負荷按下列計算 NFKLEIfFcr max201e 式中 E 材料的彈性模量 E 鋼 2 1X1011 N m 2 LO 最大受壓長度 m K1 安全系數(shù) 取 K1 1 3 Fmax 最大軸向工作負荷 N f1 絲桿支撐方式系數(shù) f 1 15 1 8 I 絲桿最小截面慣性距 m 4 42 2 1 6woddI 式中 do 是絲桿公稱直徑 mm dw 滾珠直徑 mm 絲桿螺紋不封閉長度 Lu 工作臺最大行程 螺母長度 兩端余量 Lu 300 148 20X2 488mm 支撐距離 LO應(yīng)該大于絲桿螺紋部分長度 Lu 選取 LO 620mm 代入上式計算得出 Fca 5 8X108N 可見 Fca F max 臨界壓縮負荷滿足要求 3 2 2 臨界轉(zhuǎn)速驗證 滾珠絲杠副高速運轉(zhuǎn)時 需驗算其是否會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 要求絲杠的最crn 高轉(zhuǎn)速 2230KPAEILfnCZcr 式中 A 絲桿最小截面 A 24 6 22 m10 9 3 414 d 絲杠內(nèi)徑 單位 2dm P 材料密度 p 7 85 103 Kg m 臨界轉(zhuǎn)速計算長度 單位為 本設(shè)計中該值為cL 148 2 300 620 488 2 440mmc 安全系數(shù) 可取 0 82K2K fZ 絲杠支承系數(shù) 雙推 簡支方式時取 18 9 經(jīng)過計算 得出 6 3 104 該值大于絲杠臨界轉(zhuǎn)速 所以滿足要求 crnmin r 3 2 3 絲桿拉壓振動與扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率 絲杠系統(tǒng)的軸向拉壓系統(tǒng)剛度 Ke的計算公式LAEs maxin 9 式中 A 絲杠最小橫截面 2 4Adm 螺母座剛度 KH 1000N m 當導(dǎo)軌運動到兩極位置時 有最大和最小拉壓剛度 其中 L 植分別為 750mm 和 100mm 經(jīng)計算得 min 1 2 1 sCHe KK sradmWB k 式中 K e 滾珠絲杠副的拉壓系統(tǒng)剛度 N m KH 螺母座的剛度 N m K H 1000 N m Kc 絲杠副內(nèi)滾道的接觸剛度 N m KS 絲杠本身的拉壓剛度 N m KB 軸承的接觸剛度 N m 經(jīng)計算得絲杠的扭轉(zhuǎn)振動的固有頻率遠大于 1500r min 能滿足要求 3 3 電機的選擇 步進電機是一種能將數(shù)字輸入脈沖轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件 每輸入一個脈沖電機轉(zhuǎn)軸步進一個距角增量 電機總的回轉(zhuǎn)角與輸入脈沖數(shù)成正比例 相應(yīng)的轉(zhuǎn)速取決于輸入脈沖的頻率 步進電機具有慣量低 定位精度高 無累計誤差 控制簡單等優(yōu)點 所以廣泛用于機電一體化產(chǎn)品中 選擇步進電動機時首先要保證步 進電機的輸出功率大于負載所需的功率 再者還要考慮轉(zhuǎn)動慣量 負載轉(zhuǎn)矩和工作環(huán) 境等因素 3 3 1 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 a 回轉(zhuǎn)運動件的轉(zhuǎn)動慣量 328md42LJR 上式中 d 直徑 絲桿外徑 d 39 5mm L 長度 1m P 鋼的密度 7800 2kg m 10 經(jīng)計算得 2m0 kg RJ b X 向直線運動件向絲桿折算的慣量 2 PMJL 上式中 M 質(zhì)量 X 向直線運動件 M 160kg P 絲桿螺距 m P 0 001m 經(jīng)計算得 2 810 4 9kgJL c 聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量 查表得 2 W 因此 28 m0 8kg4 10 9 4 0 LRJJ 3 3 2 電機扭矩計算 a 折算至電機軸上的最大加速力矩 atJnT602mxax 上式中 in 15xr J 0 0028kg m2 ta 加速時間 KS 系統(tǒng)增量 取 15s 1 則 ta 0 2s3ta 經(jīng)計算得 mNT 2 max b 折算至電機軸上的摩擦力矩 IPF 20f 上式中 F 0 導(dǎo)軌摩擦力 F 0 Mf 而 f 摩擦系數(shù)為 0 02 F 0 Mgf 32N P 絲桿螺距 m P 0 001m 傳動效率 0 90 I 傳動比 I 1 經(jīng)計算得 NTf 75 0 11 c 折算至電機軸上的由絲桿預(yù)緊引起的附加摩擦力矩 i2 1 2000 PT 上式中 P0 滾珠絲桿預(yù)加載荷 1500N 0 滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率為 0 9 經(jīng)計算的 T0 0 05N M 則快速空載啟動時所需的最大扭矩 mNf 82 0max 根據(jù)以上計算的扭矩及轉(zhuǎn)動慣量 選擇電機型號為 SIEMENS 的 IFT5066 其額定轉(zhuǎn) 矩為 6 7 NA 12 4 數(shù)控自動送料機 Y 方向進給傳動設(shè)計 4 1 滾珠絲杠計算 選擇 初選絲杠材質(zhì) CrWMn 鋼 HRC58 60 導(dǎo)程 l0 5mm 強度計算 絲杠軸向力 N maxyxzyxWFfKF 其中 K 1 15 滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù) f 0 003 0005 在車床車削外圓時 Fx 0 1 0 6 Fz Fy 0 15 0 7 Fz 可取 Fx 0 5Fz Fy 0 6Fz 計算 取 f 0 004 則 40Z maxXF0 5 2161 67 58 104 6042YZNN 壽命值 其中絲杠轉(zhuǎn)速 r min 61 nTL0maxlvnmax065240 i13ThvnrlL 最大動載荷 FfLQWH 式中 fW為載荷系數(shù) 中等沖擊時為 1 2 1 5 fH為硬度系數(shù) HRC 58 時為 1 0 查表得中等沖擊時 則 1 2 ff 360 4568709 5 4XY NQ 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式 并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠 絲杠的型號為 CM 系列滾珠絲桿副 其型號為 CM2005 5 其基本參數(shù)如下 13 其額定動載荷為 14205N 足夠用 滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式 預(yù)緊方式采用雙yQ 螺母螺紋預(yù)緊形式 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表 名稱 計算公式 結(jié)果 公稱直徑 0d 20mm 螺距 t mm 接觸角 045 鋼球直徑 bd 3 175mm 螺紋滾道法向半徑 R0 52bd 1 651mm 偏心距 e sine 0 04489mm 螺紋升角 0tarcgd 0 43 14 螺桿外徑 d0 2 5 bdd 19 365mm 螺桿內(nèi)徑 11eR 16 788mm 螺桿接觸直徑 220cosb 17 755mm 螺母螺紋外徑 Dd 23 212mm 螺母內(nèi)徑 外循環(huán) 10 5 bd 20 7mm 1 傳動效率計算 絲杠螺母副的傳動效率為 tg 式中 10 為摩擦角 為絲杠螺旋升角 0 43 1 0 96ggt tt 2 穩(wěn)定性驗算 絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算 3 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載引起的導(dǎo)程變化量為 cm ESFll01 Y 向所受牽引力大 故用 Y 向參數(shù)計算60622 21 5615 80 241 5 3 40FNlcmECMSRL 絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小 可忽略不計 導(dǎo)程變形總誤差 為 E 級精0 6 4110 56 22 102 lL um 度絲杠允許的螺距誤差 15 m m 15 4 2 步進電機慣性負載的計算 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式 有 1 等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 折算到步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為 2 21013 180pq bzJJJM 式中 為折算到電機軸上的慣性負載 為步進電機軸的轉(zhuǎn)動慣量 為齒輪 的qJ 0J1J 轉(zhuǎn)動慣量 為齒輪 的轉(zhuǎn)動慣量 為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 為移動部件的質(zhì)量 2 3J 對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算 340 781JDL 式中 為圓柱零件直徑 為圓柱零件的長度 D 所以有 34221234 2230 782 56 710 0 3 4 J kgcm 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小 可以忽略 所以有 22 2220 16 4710 16 57 10 0 793 3458dJ kgcm 步進電機的選用 步進電機啟動力矩的計算 設(shè)步進電機的等效負載力矩為 負載力為 根據(jù)能量守恒原理 電機所做的功 與負載力所做的功有如下的關(guān)系 TPs 式中 為電機轉(zhuǎn)角 為移動部件的相應(yīng)位移 為機械傳動的效率 若取 b 則 且 所以 p szPGP 16 36 2pszbPGPT 式中 為移動部件負載 N G 為移動部件質(zhì)量 N 為與重力方向一致的作用sP z 在移動部件上的負載力 N 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 為步進電機的步距角 rad T b 為電機軸負載力矩 N cm 取 0 3 淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) 8 279 23 考慮 sPH 到重力影響 向電機負載較大 因此 1200 所以有 360 1 25 80 3 20180 3145 65 2 T ncm 考慮到啟動時運動部件慣性的影響 則啟動轉(zhuǎn)矩 0 3 5QT 取系數(shù)為 則 65 216 24qTncm 對于工作方式為三相 拍的步進電機 max163 20 808 36 qTj nc 步進電機的最高工作頻率 axmax 1760 0pvf 電機功率 1Kw 為使電機不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率 同時電機最大靜轉(zhuǎn)矩要足maxf 夠大 查表選擇兩個 90BF001 型三相反應(yīng)式步進電機 電機有關(guān)參數(shù)如下 型號 主要技術(shù)參數(shù) 17 相數(shù) 步距 角 電壓 V 相電 流 A 最大靜 轉(zhuǎn)矩 maxjT n m 空載啟 動頻率 空載 運行 頻率 分配方式 90BF001 4 0 9 80 7 3 92 2000 8000 4 相 8 拍 外形尺寸 mm 外直徑 長度 軸直徑 重量 kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 Kg m 90 145 9 4 5 1764 4 3 Y 軸滾導(dǎo)軌副的計算 選擇 根據(jù)給定的工作載荷 Fz和估算的 Wx和 Wy計算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù) fSL C0 P 式中 C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷 kN 工作載荷 P 0 5 Fz W fSL 1 0 3 0 一般運行狀況 3 0 5 0 運動時受沖擊 振動 根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌 因系統(tǒng)受中等沖擊 因此取 4 0sLf 0 5 OSLXYZfPFW xYYOXSL 20 671 58 3 79N 26CfP413 94 根據(jù)計算額定靜載荷初選導(dǎo)軌 選擇漢機江機床廠 HJG D 系列滾動直線導(dǎo)軌 其型號為 HJG D25 基本參數(shù)如下 額定載荷 N 靜態(tài)力矩 N M 滑座重 量 導(dǎo)軌重 量 導(dǎo)軌長度 動載荷 aC靜載荷 oATBCTgK gmL mm 17500 26000 198 198 288 0 60 3 1 760 滑座個數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復(fù)次數(shù) 18 M Sl n 4 0 6 4 導(dǎo)軌的額定動載荷 N1750aC 依據(jù)使用速度 v m min 和初選導(dǎo)軌的基本動額定載荷 kN 驗算導(dǎo)軌的工作aC 壽命 Ln 額定行程長度壽命 HTCaWffSFTK 2045MF1 81 oTWCHRdffffK 導(dǎo)軌的額 3 310 817502 5 4209 58HTCaWffSF km 定工作時間壽命 3102SoTHln 3 310249 58104971506SoTln hTh 導(dǎo)軌的工作壽命足夠 19 5 機架的設(shè)計 5 1 對機架結(jié)構(gòu)的基本要求 機架是整個機床的基礎(chǔ)支持件 一般用來放置重要部件 為了滿足機床高速度 高精度 高生產(chǎn)率 高可靠性和高自動化程度的要求 與普通機床相比 機床應(yīng)有高 的靜 動剛度 更好的抗振性 一 對機床的機架主要在以下 3 個方面提出了更高的要求 1 很高的精度和精度保持性 在機架上有很多安裝零部件的加工面和運動部件的導(dǎo)軌面 這些面本身的精度和 相互位置精度要求都很高 而且要長時間保持 另外 機床在切削加工時 所有的靜 動載荷最后往往都傳到機架上 所以 機架受力很復(fù)雜 為此 為保證零部件之間的 相互位置或相對運動精度 除了滿足幾何尺寸位置等精度要求外 還需要滿足靜 動 剛度和抗振性 熱穩(wěn)定性 工藝性等方面的技術(shù)要求 2 應(yīng)具有足夠的靜 動剛度 靜剛度包括 機架的自身結(jié)構(gòu)剛度 局部剛度和接觸剛度 都應(yīng)該采取相應(yīng)的措 施 最后達到有較高的剛度 質(zhì)量比 動剛度直接反映機床的動態(tài)性能 為了保證機床 在交變載荷作用下具有較高的抵抗變形的能力和抵抗受迫振動及自激振動的能力 可 以通過適當?shù)脑黾幼枘?提高固有頻率等措施避免共振及因薄壁振動而產(chǎn)生噪音 3 較好的熱穩(wěn)定性 對機床來說 熱穩(wěn)定性已經(jīng)成了一個突出問題 必須在設(shè)計上要做到使整機的熱 變形小 或使熱變形對加工精度的影響小 熱變形將直接影響機架的原有的精度 從 而是產(chǎn)品精度下降 如立軸矩臺平面磨床 立柱前臂的溫度高于后臂 是立柱后傾 其結(jié)果磨出的零件工作表面與安裝基面不平行 有導(dǎo)軌的機架 由于導(dǎo)軌面與底面存 在溫差 在垂直平面內(nèi)導(dǎo)軌將產(chǎn)生中凸或中凹熱變形 因此 機架結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)使熱 變形盡量小 二 機架機架設(shè)計的一般要求 1 在滿足強度和剛度的前提下 機架的重量應(yīng)要求輕 成本低 2 抗振性好 把受迫振動振幅限制在允許范圍內(nèi) 3 躁聲小 20 4 溫度場分布合理 熱變形對精度的影響小 5 結(jié)構(gòu)設(shè)計合理 工藝性良好 便于鑄造 焊接和機械加工 6 結(jié)構(gòu)力求便于安裝與調(diào)整 方便修理和更換零部件 7 有導(dǎo)軌的機架要求導(dǎo)軌面受力合理 耐磨性良好 8 造型好 使之既適用經(jīng)濟 有美觀大方 5 2 機架的結(jié)構(gòu) 1 機架結(jié)構(gòu) 根據(jù)機床的類型不同 機架的結(jié)構(gòu)形式有各種各樣的形式 例如車床機架的結(jié)構(gòu) 形式有平機架 斜機架 平機架斜導(dǎo)軌和直立機架等四種類型 另外 斜機架結(jié)構(gòu)還能設(shè)計成封閉式斷面 這樣大大提高了機架的剛度 鉆高精 度立式萬能磨床 加工中心等這一類機床的機架結(jié)構(gòu)與車床有所不同 例如加工中心 的機架有固定立柱式和移動立柱式兩種 前者一般使用于中小型立式和臥式加工中心 而后者又分為整體 T 形機架和前后機架分開組裝的 T 形機架 所謂 T 形機架是指機架 是由橫置的前機架和與它垂直的后機架組成 整體式機架 剛性和精度保持性都比較 好 但是卻給鑄造和加工帶來很大不便 尤其是大中型機床的整體機架 制造時需要 大型設(shè)備 而分離式 T 形機架 鑄造工藝性和加工工藝性都大大改善 前后機架聯(lián)接 處要刮研 聯(lián)接時用定位鍵和專用定位銷定位 然后再沿截面四周 用大螺栓固緊 這樣聯(lián)接成的機架 再剛度和精度保持性方面 基本能滿足使用要求 這種分離式 T 形機架適用于大中型臥式加工中心 由于機架導(dǎo)軌的跨距比較窄 致使工作臺在橫溜 板上移動到達行程的兩端時容易出現(xiàn)翹曲 將會影響加工精度 為了避免工作臺翹曲 有的立式加工中心增設(shè)了輔助導(dǎo)軌 2 機架的截面形狀 機床的機架通常為箱體結(jié)構(gòu) 合理設(shè)計機架的截面形狀及尺寸 采用合理布置的 肋板結(jié)構(gòu)可以在較小質(zhì)量下獲得較高的靜剛度和適當?shù)墓逃蓄l率 機架肋板一般根據(jù) 機架結(jié)構(gòu)和載荷分布情況 驚醒設(shè)計 滿足機架剛度和抗振性要求 V 形肋板有利于 加強導(dǎo)軌支承部分的剛度 斜方肋和對角肋結(jié)構(gòu)可明顯增強機架的扭轉(zhuǎn)剛度 并且便 于設(shè)計成全封閉的箱形結(jié)構(gòu) 此外 還有縱向肋板和橫向肋板 分別對抗彎剛度和抗扭剛度有明顯效果 米字 形肋板和井字形肋板的抗彎剛度也較高 尤其是米字形肋板更高 21 3 機架的結(jié)構(gòu)設(shè)計 機架結(jié)構(gòu)設(shè)計時 應(yīng)盡量避免薄壁結(jié)構(gòu)并簡化表面形狀 根據(jù)本設(shè)計的具體情況 及要求 機架的結(jié)構(gòu)設(shè)如下 4 機架的設(shè)計步驟 根據(jù)機架上的零件 部件情況和設(shè)計要求初步確定機架及機架的結(jié)構(gòu)形狀和尺 寸 以保證機架內(nèi)外的零件能正常運動 根據(jù)產(chǎn)品批量和結(jié)構(gòu)形式初步確定制造方法 合理選擇材料 單件小批量的非 標準設(shè)備機架可以采用焊接和鍛喊結(jié)合的機架 分析承載情況 根據(jù)承載情況合理的選擇截面形式 確定主要設(shè)計參數(shù) 畫出結(jié)構(gòu)草圖 進行必要的強度和剛度計算和尺寸修改 對重要設(shè)備的機架 還應(yīng)該進行模擬實驗設(shè)計和模擬實驗 并根據(jù)實驗結(jié)果對 設(shè)計進行修改 5 3 橫梁設(shè)計 梁設(shè)計的要求 與軸心受壓相仿 鋼梁設(shè)計應(yīng)考慮強度 剛度 整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定各個方面滿 足要求 1 梁的強度計算主要包括抗彎 抗剪和折算應(yīng)力等強度應(yīng)足夠 2 剛度主要是控制最大撓度不超過按受力和使用要求規(guī)定的容許值 3 整體穩(wěn)定指梁不會在剛度較差的側(cè)向發(fā)生彎扭失穩(wěn) 主要通過對梁的受壓翼緣設(shè)足 夠的側(cè)向支承 或適當加大梁截面以降低彎曲壓應(yīng)力至臨界應(yīng)力以下 4 局部穩(wěn)定指梁的翼緣和腹板等板件不會發(fā)生局部凸曲失穩(wěn) 在梁中主要通過限制受 壓翼緣和腹板的寬厚比不超過規(guī)定 對組合梁的腹板則常設(shè)置加勁肋以提高其局部穩(wěn) 定性 梁的截面選擇 一 型鋼梁截面的選擇 型鋼梁截面應(yīng)滿足梁的強度 剛度 整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定四個要求 其中強度包 括抗彎 抗剪 局部壓應(yīng)力和折算應(yīng)力 由于型鋼截面的翼緣和腹板等板件常有足夠 的厚度 一般不必驗算局部穩(wěn)定 無很大孔洞削弱時一般也不必驗算剪應(yīng)力 局部壓 應(yīng)力和折算應(yīng)力只在有較大集中荷載或支座反力時計算 22 型鋼梁設(shè)計通常是先按抗彎強度 當梁的整體穩(wěn)定有保證或 Mmax 處截面有較多 孔洞削弱時 或整體穩(wěn)定 當需計算整體穩(wěn)定時 選擇型鋼截面 然后驗算其它項目是否 足夠 不夠時再作調(diào)整 為了節(jié)省鋼材 應(yīng)盡量采用牢固連接于受壓翼緣的密鋪面板 或足夠的側(cè)向支承以達到不需計算整體穩(wěn)定的要求 按抗彎強度或整體穩(wěn)定 b 值可先估計假定 選擇單向 強軸 彎曲梁的型鋼截面時 所需要的截面抵抗矩為 2 腹板尺寸 梁高確定后腹板高也就確定了 腹板高為梁高減兩個翼緣的厚度 在取腹板高時 要考慮鋼板的規(guī)格尺寸 一般使腹板高度為 50mm 的模數(shù) 從經(jīng)濟角度出發(fā) 腹板薄 一些比較省鋼 但腹板厚度的確定要考慮腹板的抗剪強度 腹板的局部穩(wěn)定和構(gòu)造要 求 從抗剪強度角度來看 應(yīng)滿足下式 23 3 翼緣尺寸 由式 5 2 1 求得需要的凈截面模量 則整個截面需要的慣性矩為 5 4 機架的基本尺寸的確定 機架是支撐及其自動變速器所有附件的可移動機構(gòu) 要保證拆裝自動變速器方便 安全 重量要輕 便于移動 架子要有足夠的空間安裝 而且自動變速器每個總成之 間要考慮它們之間的協(xié)調(diào)關(guān)系 考慮到這些方面的因素后要確定的一些自動變速器尺 寸根據(jù)這些數(shù)據(jù) 大概確定架子的長高 這樣架子的地面的結(jié)構(gòu)就確定了 支撐自動 變速器的部件是支撐板 支撐板固定在支承軸上 支承軸安裝在機架上 為了使機架能夠方便移動 須在架子上裝輪子 因此在架子的 4 個側(cè)面通過螺栓 各連接兩個輪子 使得架子和輪子連接牢固 靠近轉(zhuǎn)盤這端安裝有鎖止裝置 使得架 子在任何位置都能停止固定 5 5 架子材料的選擇確定 架子的結(jié)構(gòu)確定后 就需要準備材料 買材料時要考慮鋼材的性能 同時也要考 慮成本 再者還要考慮到其美觀 通過到市場調(diào)查分析后 臺架選用 60 60 的方 鋼和 50 50 的角鋼組合制作 其規(guī)格如表一所示 受力比較小的底架就用 50 的角鋼制作 其他的受力大的轉(zhuǎn)架就用 60 的方鋼制 作 在轉(zhuǎn)架與支撐板的固定處需要用軸連接 24 表一 鋼材的尺寸 規(guī)格 60 60 50 50 橫截面圖 長度 500 567 材料 Q235 Q235 5 6 主要梁的強度校核 考慮到一些外在壓力 按照重量為 600N 進行校核 支承軸 160 查機械工程材 料 P105 頁表 5 2 得 Q235 鋼材的屈服強度 b 375 460MPa 取 b 375 MP a 解 和軸一樣建立如圖所示的坐標系 以軸心為 x 軸 垂直上平面的直線為 y 軸 一端點為圓點建立如圖 6 1 所示的平 面直角坐標系 因為 FRD 600N 把 RDE 從 D 點移到 E 后的受力情況如圖 6 1 所示 圖 6 1 得到一個 F 和一個力矩 M Fab Lbe 600 0 300N M 180 N m 計算軸的集慣性矩 Ip 和抗彎截面系數(shù) Wz 因為材料和軸的是一樣的 所以 b 375 MP a Ip y 2dA 10 16cm4 W Ip y max 6773 6884 10 6m3 25 所以 max M max W 180 6773 69 10 6 P a 0 26MP a 也設(shè)安全系數(shù) K 5 故 K max 5 0 26MP a 1 5 MP a b 375 MP a 因此 也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為 5 的情況下也是安全的 所以可以進行制作 解 以軸心為 x 軸 垂直上平面的直線為 y 軸 一端點為圓 點建立如圖 2 2 1 所示的平面直角坐標系 軸的受力分析 軸的軸心受力簡圖如圖 2 2 1 b 所示 通過受力圖可以明顯看出軸的最大彎矩是在 BE 點之間 把 F 從 C 點移到 B 后的受力情況如圖 2 2 1 b 所示 得到一個 F 和一個力矩 M F Lbe 600 0 3N M 180 N m 因為 F ba Fde 2F 1200N 由于軸的受力完全對稱 故 Fba Fde F 600N B 點和 F 點的彎矩為 M B WF Fba Lde M 600 0 01 180 N m 601 8N m 受力情況如圖 2 2 1 所示 計算軸的極慣性矩 Ip 和抗彎截面系數(shù) Wz 因為材料和軸的是一樣的 所以 b 375 MP a Ip y 2dA 10 16cm4 W Ip y max 6773 6884 10 6m3 所以 max M max W 305 6773 69 10 6 P a 0 45MP a 也設(shè)安全系數(shù) K 5 故 K max 5 0 45 MP a 2 25 MP a b 375 MP a 因此 也可以做出結(jié)論轉(zhuǎn)架在安全系數(shù)為 5 的情況下也是安全的 所以可以進行制作 26 6 橫縱向進給運動控制程序的編制 6 1 控制系統(tǒng)硬件的基本組成 6 1 1 微處理器選擇 在以單片機為核心的控制系統(tǒng)中 大多數(shù)采用 MCS 51 系列單片機的 8031 芯片 經(jīng)過擴展存儲器 接口和面板操作開關(guān)等 組成功能較完善 抗干擾性能較強的控制 系統(tǒng) 8031 內(nèi)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(shù)據(jù)存儲器各 64K 有 5 個中斷源 6 1 2 系統(tǒng)擴展 系統(tǒng)中采用鍵盤實現(xiàn)輸入 并采用 LED 顯示器 它們均需要占用較多芯片口線 所以該系統(tǒng)需要進行系統(tǒng)擴展 可編程并行接口 8255A 是一種應(yīng)用廣泛的并行接口擴 展器件 它具有三個 8 位并行口 PA PB PC 由此提供了 24 條口線 6 1 3 顯示模塊與鍵盤連接 如圖 3 2 通過 P1 口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路 這里由 P1 口的準雙向口功 能可以實現(xiàn)一口多用 首先 使 P1 口的低 4 位輸出字形代碼 P1 口的高 4 位輸出一個位掃描字 經(jīng) 3 8 譯碼器后顯示某一位 并持續(xù) 1ms 各位掃描一遍之后 關(guān)掉顯示 其次 使 P1 口的高 4 位轉(zhuǎn)為輸入方式 使 P1 口的低 4 位輸出鍵掃描信號 有鍵 按下時 轉(zhuǎn)入鍵譯碼和處理程序 27 圖 3 2 通過 P1 口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路 6 1 4 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計 步進電機的驅(qū)動電路設(shè)計主要涉及脈沖分配器的選擇問題和驅(qū)動電路的選擇問題 時下脈沖分配器主要有兩種 一種是硬件脈沖分配器 國內(nèi)主要有 YB 系列 另 外一種是軟件脈沖分配器 軟件脈沖分配器不需要額外的電路 相應(yīng)的降低了系統(tǒng)的 成本 雖然這種方法占用了一定的計算機運行時間 但是在該設(shè)備中計算機有足夠的 資源來擔當買中分配 任 務(wù) 該 系 統(tǒng) 采 用 軟 件 來 經(jīng) 行 脈 沖 分 配 更 為 合 理 單 片 機 與 步 進 電 機 的 接 口 電路如圖 3 3 圖 3 3 單片機與步進電機的接口電路 6 2 接口程序初始化及步進電機控制程序 6 2 1 8255A 初始化程序 28 INTT MOV DX 8255A 控制端口 MOV AL 86H OUT DX AL MOV AL 05H OUT DX AL 6 2 2 40H 類型中斷服務(wù)程序 MOV DX 8255A IN AL DX IRET 6 2 3 步進電機驅(qū)動程序 6 2 3 1 電機的控制電路原理及控制字 節(jié)拍 控制字 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 通電相 二進制 十六進制 1 8 A 00000001 01H 2 7 AB 00000011 03H 3 6 B 00000010 02H 4 5 BC 00000110 06H 5 4 C 00000100 04H 6 3 CD 00000101 05H 7 2 D 00000110 06H 8 1 DA 00000111 07H 設(shè)電機總的運行步數(shù)放在 R4 轉(zhuǎn)向標志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標志位 F1 D5 中 當 F1 為 0 時 電機正轉(zhuǎn) 為 1 時則反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn)時 P1 端口的輸出控制字 01H 03H 02H 06H 04H 05H 存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲單元 20H 27H 中 28H 中存放結(jié)束標志 00H 在 29H 2EH 的存儲單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時 P1 端口的輸出控制字 01H 05H 04H 06H 02H 03H 在 2DH 單元內(nèi)存放結(jié)束標志 00H 6 2 3 2 電機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序 PUSH A 保護現(xiàn)場 MOV R4 N 設(shè)步長計數(shù)器 29 CLR C ORL C D5H 轉(zhuǎn)向標志為 1 轉(zhuǎn)移 JC ROTE MOV R0 20 正轉(zhuǎn)控制字首址指針 AJMP LOOP ROTE MOV R0 27H 反轉(zhuǎn)控制字首地址 LOOP MOV A R0 MOV P1 A 輸出控制字 ACALL DELAY 延時 INC R0 指針加 1 MOV A 00H ORL A R0 JZ TRL LOOP1 DJNZ R4 LOOP 步數(shù)步為 0 轉(zhuǎn)移 POP A 恢復(fù)現(xiàn)場 RET 返回 TPL MOV A R0 CLR A SUBB A 06H MOV R0 A 恢復(fù)控制字首指針 AJMP LOOP1 DELAY MOV R2 M DELAY1 MOV A M1 LOOP DEC A JNZ LOOP DJNZ R2 DELAY1 RET 30 31 6 3 直線圓弧插補程序設(shè)計 在機電設(shè)備中 執(zhí)行部件如要實現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運動 必須通過兩 個方向運動的合成來完成 在數(shù)控機床中 這是由 X Y 兩個方向運動的工作臺 按照 插補控制原理實現(xiàn)的 6 3 1 直線插補程序的設(shè)計 6 3 1 1 用逐點比較法進行直線插補計算 每走一步 都需要以下四個步驟 偏差判別 判別偏差 或 從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計0 mF 算公式 坐標進給 根據(jù)直線所在象限及偏差符號 決定沿 X Y X Y 的哪個方向進 給 偏差計算 進給一步后 計算新的加工偏差 終點判別 進給一步后 終點計算器減 1 若為 0 表示到達終點停止插補 不為 0 則返回到第一步繼續(xù)插補 終點計算判別可用兩個方向坐標值來判斷 也可由一個 方向的坐標值來判斷 當 可用 X 方向走的總步數(shù) 作為終點判別的依據(jù) 如eY eX 動點 X 等于終點 則停止 當 則用 Y 方向走的總步數(shù) 作為終點判別的依e Y 據(jù) 由此 第一象限直線 插補程序的算法如圖 32 6 3 1 2 程序設(shè)計 設(shè)計程序時 在 RAM 數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標值 動點坐標值 X Y 偏差eXY 對 8 位機 一般可用 2 字節(jié) 而行程較大時則需用 3 字節(jié)或 4 字節(jié)才能滿足長度mF 和精度要求 此外 所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進行初始化 如設(shè)置初始值 X Y 向步進電機 初態(tài) 控制字 插補程序所用的內(nèi)存單元如下 28H 29H 2AH 2BH 2CH 70HeXeY X Y mF電機正反轉(zhuǎn)控制字 電機正反轉(zhuǎn)控制字為 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D1D0 為 X 向電機控制位 D0 1 運行 D0 0 停止 D1 1 正轉(zhuǎn) D1 0 反轉(zhuǎn) D2D3 為 Y 向電機控制位 D2 1 運行 D2 0 停止 D3 1 正轉(zhuǎn) D3 0 反轉(zhuǎn) 第一象限直線插補的程序如下 ORG 2000H MIAN MOV SP 60H LP4 MOV 28H 0C8H eX MOV 29H 0C8H Y MOV 2AH 00H X MOV 2BH 00H Y MOV 2EH 00H F MOV 70H 0AH LP3 MOV A 2EH 33 JB ACC 7 LP1 MOV A 70H SETB ACC 0 CLR ACC 2 MOV 70H A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A 2EH SUBB A 29 INC 2AH AJMP LP2 LP1 MOV A 70H STEB ACC 2 CLR ACC 0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A 2EH ADD A 28H LP2 MOV 2EH A MOV A 28H CJME A 2AH LP3 RET END 程序中 MOTR 為步進電機的控制子程序 6 3 2 圓弧插補程序的設(shè)計 6 3 2 1 逐點比較法 逐點比較法的圓弧的插補計算過程和直線插補過程基本相同 也分為偏差判別 坐標進給 偏差計算和終點判別四個步驟 不同點在于 1 偏差計算公式步進與前 一點偏差有關(guān) 還與前一點的坐標有關(guān) 在計算偏差的同時要進行坐標計算 2 終 34 點的判別是以一個方向的坐標值與終點坐標值相比較判斷其是否相等為判據(jù) 若 則以 X 是否等于 作為終點判據(jù) 若 則以 Y 是否等于 作為終eYX e eX e 點判據(jù) 第一象限逆圓弧 插補程序算法如圖 6 3 2 2 程序設(shè)計 和直線插補程序設(shè)計一樣 也在內(nèi)存中開辟存儲單元用以存放有關(guān)數(shù)據(jù) 在 RAM 數(shù)據(jù)區(qū)分別存放懂點坐標 X 和 Y 其初始值為起點坐標值 其后依據(jù)坐標計算結(jié)果而變 化 存放終點坐標值 以及存放偏差 飛存儲單元 第一象限逆圓弧插補程序e mF 如下 XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H 35 YH EQU 29H L EQU 1AHeX H EQU 1BH L EQU 2AHeY H EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DH ORG 2400H MAIN MOV SP 60H MOV 70H 08H MOV XL 80H XL MOV XH 0CH XH MOV L 80H LeYe MOV H 0CH H MOV L 00H LeXe MOV H 00H H MOV YL 00H YL MOV YH 00H YH MOV FL 00H FL MOV FH 00H FH LP3 MOV A FH JNB ACC 7 LP1 MOV A 70H SETB ACC 2 CLR ACC 0 LCALL MOTR MOV R1 28H MOV R0 1CH 36 MOV R7 02H LCALL MULT2 ADD CLR C MOV A FL ADDC A 1CH MOV FL A MOV A FH ADDC A 1DH MOV FH A CLR C MOV A YL ADD A 01H MOV 28H A MOV A YH ADDC A OOH MOV YH A CLR C MOV A FL ADD A 01H MOV FL A MOV A FL ADDC A 00H MOV FH A AJMP LP2 LP1 MOV A 70H SETB ACC 0 MOV 70H A LCALL MOTR MOV R1 18H 37 MOV R0 1CH MOV R7 02H LCALL MULT2 SUB CLR C MOV A FL SUBB A 1CH MOV FL A MOV A FL SUBB A 1DH MOV FH A CLR C MOV A XL SUBB A 01H MOV XL A MOV A XH SUBB A 00H MOV XH A CLR C MOV A FL ADD A 01H MOV FL A MOV A FL ADDC A 00H MOV FH A LP2 MOV A YH CJNE A H LP3AeY MOV A YL CJNE A L LP3Ae LP3A AJMP LP3 38 ORG 2500H MULT2 PUSH PSW PUSH A PUSH B CLR C MOV R2 00H SH1 MOV A R1 MOV B 02H MUL AB POP PSW ADDC A R2 MOV R0 A INC R0 INC R1 DJNZ R7 SH1 POP B POP PSW RET END 39 參考文獻 1 張建民 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 M 高等教育出版社 2001 2 45 49 2 馮開平 左宗義 畫法幾何與機械制圖 M 華南理工大學出版社 2005 3 51 60 3 顧崇銜 機械制造工藝學 M 陜西科學技術(shù)出版社 1999 6 11 4 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室 理論力學 M 高等教育出版社 2002 4 79 83 5 華東紡織工學院 哈爾濱工業(yè)大學 天津大學 機床設(shè)計圖冊 S 上?？茖W技術(shù)出 版社 1979 5 15 21 6 機械設(shè)計手冊編寫組 機械設(shè)計手冊 S 機械工業(yè)出版社 1986 6 12 18 7 邱宣懷 機械設(shè)計 M 高等教育出版社 2004 2 49 51 8 李華 李煥峰 機械制造技術(shù) M 機械工業(yè)出版社出版 2003 5 33 37 9 葉偉昌 林崗副 機械工程及自動化簡明設(shè)計手冊 S 機械工業(yè)出版社出 版 2008 2 56 62 10 姚立健 胡學同 周杏鵬 張軍 水果機器視覺自動分選機同步控制系統(tǒng)設(shè)計 期刊論文 農(nóng)業(yè)機械學報 2008 11 11 Texas Advanced Optoelectronic Solutions Inc TCS230 PRO G R A M M A B L E C O L O R L I G H T T O F R E Q U E N C YCONVERTER 2003 12 賀安之 閻大鵬編著 現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用 北京 宇航出版社 1995 13 SoedelW Design and mechanics of com