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成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 1 X52K 數(shù)控化改造 內(nèi)容摘要 本文提供了一種 X52k 銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造方案 改造的主要模 塊有 機(jī)械部分和數(shù)字控制電路部分 機(jī)械部分主要是對絲杠 驅(qū)動(dòng)元 件和減速齒輪的改造 改造后的系統(tǒng)是以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開 環(huán)控制系統(tǒng) 以 MCS 51 型單片機(jī)為控制處理芯片 實(shí)現(xiàn) X Y 兩坐標(biāo)聯(lián) 動(dòng)改造 使得改造后的機(jī)床能加工除了銑削鍵槽 平面及孔等簡單的零件 外 還能加工形狀復(fù)雜 如加工圓弧面 斜面及凸輪等 的零件 改造 后的數(shù)控機(jī)床具有高精 高效及加工產(chǎn)品范圍廣等特點(diǎn) 最后再對系統(tǒng) 的誤差及精度進(jìn)行分析 并提出改進(jìn)的方法 建議 關(guān)鍵詞 X52k 數(shù)控化 改造 單片機(jī) 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 2 ABSTRACT In this paper in base of our country s eco momic condition and the expensive CNC in order to extend machining scope high accuracy small batch and has a good condition in excitely complicative market So the numerization rebuilding of X52K is so necessary and feasible This paper provides a way of how to implement the synchronied motion of the two axes in the X and Y plane with CNC system and an open loop control which use stepping motors as actuators on a X52K mill and the microcomputer is MCS 51 The numerization rebuilding of X52K milling machine not only is used for machining keyway plane and hole etc but also it can ma nufacting complicated shap and the accuracy is high The technology of CNC has became the key and basic technology in the manufacturing industry Keywords X52Kmill numerization rebuilding single chip computer 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 3 目 錄 前言 5 正文 10 1 整體改造方案 10 1 1 總體設(shè)計(jì)方案 10 1 1 1 機(jī)床改造的方案比較 10 1 1 2 實(shí)現(xiàn)的目標(biāo) 12 1 2 主傳動(dòng)的系統(tǒng)改造 13 1 2 1 機(jī)械部分的數(shù)控化改造 13 1 2 2 電氣部分的數(shù)控化改造 13 1 3 進(jìn)給系統(tǒng)的改造 13 1 3 1 進(jìn)給機(jī)構(gòu)的改造 13 1 3 2X52K 的改造要求 13 1 4 微機(jī)系統(tǒng)的硬件與軟件設(shè)計(jì) 14 1 4 1 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 14 1 4 2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 14 1 5 改造后的布局 15 2 橫縱向系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 計(jì)算過程 15 2 1 縱向方向 X 軸 的設(shè)計(jì) 15 2 1 1 銑削力 CF的計(jì)算 16 2 1 2 滾珠絲杠所受的平均軸向載荷 mF 的計(jì)算 18 2 1 3 絲杠副工作負(fù)荷計(jì)算及絲杠型號的選擇 19 2 1 4 傳動(dòng)效率 的計(jì)算 20 2 1 5 剛度驗(yàn)算 20 2 1 6 穩(wěn)定性的驗(yàn)算 21 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 4 2 1 7 齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的有關(guān)計(jì)算 22 2 1 8 齒輪材料的選用及許用應(yīng)力 23 2 1 9 直齒圓柱齒輪副的計(jì)算 23 2 1 10 步進(jìn)電機(jī)型號的計(jì)算選擇 25 2 2 橫向 Y 軸 的設(shè)計(jì) 31 3 數(shù)控部分設(shè)計(jì) 32 3 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 33 3 1 1 主控制器 CPU 33 3 1 2 存儲器擴(kuò)展電路 34 3 1 3 擴(kuò)展 I O 接口 35 3 1 4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 35 3 1 5 行程控制 36 3 1 6 鍵盤與顯示 36 3 1 7 復(fù)位電路 37 3 1 8 緊急停車 37 3 2 編程時(shí)應(yīng)注意的問題 37 3 3 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)軟件控制 37 4 誤差來源及精度分析 38 4 1 誤差的來源 38 4 1 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)原因 38 4 1 2 數(shù)控部分原因 38 4 2 誤差補(bǔ)償措施 38 4 2 1 齒輪副誤差補(bǔ)償分析 38 4 2 2 數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償分析 39 4 2 3 滾珠絲杠副誤差補(bǔ)償分析 39 結(jié)論 41 致謝 42 參考文獻(xiàn) 43 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 5 前言 該課題來源于生產(chǎn)實(shí)踐的需要 利用大量閑置舊機(jī)床 對起進(jìn)行數(shù)控化改造后 成為一鐘高效的 多功能的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床 是一種推陳出新 盤活存量資金的有 效辦法 是低成本自動(dòng)化的必由之路 數(shù)控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù) 對傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲 透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 數(shù)控機(jī)床 其技術(shù)范圍涉及很多領(lǐng)域 機(jī)械制造技術(shù) 信息處理技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù) 伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù) 傳感器技術(shù) 軟件技術(shù)等 數(shù)控機(jī)床即是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床 或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床 現(xiàn)代 數(shù)控機(jī)床都采用計(jì)算機(jī) 微型機(jī)算計(jì) 作為控制系統(tǒng) 它由 CNC 系統(tǒng) 機(jī)床主機(jī)及 輔助裝置組成 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展及目前的狀況 數(shù)控技術(shù)是當(dāng)今工業(yè)產(chǎn)品自動(dòng)化發(fā)展中處于核心地位的一種高技術(shù) 第一臺數(shù)控機(jī)床問世于美國 是為了適應(yīng)航空工業(yè)制造復(fù)雜零件的需要而產(chǎn)生 的 70 年代初以前 美國處于領(lǐng)先的地位 70 年代中期 前蘇聯(lián)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床在 數(shù)量上趕超美國成為第一 1981 年 日本超過了其他國家而成為世界上最大的數(shù)控 機(jī)床生產(chǎn)國家 在國外數(shù)控機(jī)床的數(shù)量中 最多的是普通數(shù)控機(jī)床 特別是數(shù)控車床 但是發(fā) 展最快的則是可以自動(dòng)換刀具的加工中心 目前國際上研制的數(shù)控設(shè)備則是由加工 中心為主體的柔性加工單元及柔性制造系統(tǒng) 國際數(shù)控技術(shù)的發(fā)展主要經(jīng)過 2 個(gè)階段和 6 代的發(fā)展過程 如表 1 和表 2 所示 我國的機(jī)床數(shù)控行業(yè)起步 1961 年 到現(xiàn)在已有 45 年多的歷史了 70 年代中期 開始進(jìn)入實(shí)用階段 但直至 80 年代處由于引進(jìn)了國外數(shù)控系統(tǒng)及其關(guān)鍵器件 數(shù)控 技術(shù)生產(chǎn)中才獲得較好的應(yīng)用 我國目前狀況是 數(shù)控系統(tǒng)已形成年產(chǎn) 500 套多功 能數(shù)控機(jī)床和 3000 套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的能力 我國已建立了以中 低檔數(shù)控機(jī)床為 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 6 主的產(chǎn)業(yè)體系 20 世紀(jì) 90 年代主要發(fā)展高檔數(shù)控機(jī)床 隨著科學(xué)生產(chǎn)力的發(fā)展 機(jī) 床設(shè)備數(shù)控化率的提高已是衡量一個(gè)國家機(jī)械制造業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志 據(jù)最 近有關(guān)資料表明 我國機(jī)床總有量 380 余萬臺 其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有 11 34 萬臺 即我國機(jī)床數(shù)控化率還不到 3 而一些發(fā)達(dá)國家早已達(dá)到 20 以上 因此 我國機(jī) 械制造水平與發(fā)達(dá)國家相比差距很大 設(shè)備陳舊 技術(shù)水平落后 嚴(yán)重的影響了生 產(chǎn)力的發(fā)展 提高機(jī)床數(shù)控化率有兩個(gè)途徑 一是購買新的數(shù)控機(jī)床 二是對舊機(jī)床進(jìn)行 數(shù)控改造 這對于我國一個(gè)機(jī)床擁有量極大 其中大部分機(jī)床年齡較長 而當(dāng)前經(jīng) 濟(jì)財(cái)力又不足的發(fā)展中國家來說 采用舊機(jī)床改造來提高設(shè)備的先進(jìn)性和數(shù)控化率 是一個(gè)及其有效和實(shí)用的途徑 表 1 硬件數(shù)控發(fā)展階段 第一代 1952 年的電子管 第二代 1959 年的晶體管分離元件 第三代 1965 年的小規(guī)模集成電路 表 2 軟件數(shù)控發(fā)展階段 第四代 1970 年的小型計(jì)算機(jī) 第五代 1974 年的微處理器 第六代 1990 年的基于 PC 機(jī) PC BASEO 數(shù)控未來發(fā)展的趨勢 往高精 高速 高柔性化及高復(fù)合化加工方向 集成化 模塊化 網(wǎng)絡(luò)化 通用型開放式閉環(huán)控制模塊 高效多軸化 實(shí)時(shí)智能化 用戶界面圖形化 科學(xué)計(jì)算可視化 插補(bǔ)和補(bǔ)償方 式多樣化 內(nèi)裝高智能 PLC 多媒體技術(shù)的應(yīng)用 應(yīng)用自適應(yīng)控制技術(shù) 引入專家系統(tǒng)指導(dǎo)加工 引入故障診斷專家系統(tǒng) 數(shù)控化改造的優(yōu)缺點(diǎn) 減少投資額 交貨期短 機(jī)械性能穩(wěn)定可靠 結(jié)構(gòu)受限 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 7 熟悉了解設(shè)備 便于操作維修 可充分利用現(xiàn)有的條件 可更好的因地制宜 合理刪選功能 可及時(shí)采用最新技術(shù) 充分利用社會(huì)資源 數(shù)控改造對機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求 運(yùn)動(dòng)副之間的摩擦系數(shù)小 傳動(dòng)無間隙 有高的靜動(dòng)態(tài)剛度 功率大 低振性 可靠性高 便于操作和維修 機(jī)床數(shù)控改造的必要性 數(shù)控機(jī)床是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品 它集精密 柔性 和集成與一身 它 可以較好的解決形狀復(fù)雜 精密 小批多變的零件加工問題 能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和 提高生產(chǎn)效率 是一種高度自動(dòng)化機(jī)床 其造價(jià)較低 改造周期短 可靠性高 改 造技術(shù)也日趨成熟 加之我國特有的經(jīng)濟(jì)實(shí)用產(chǎn)品 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置 的技術(shù)指標(biāo) 不斷的提高 產(chǎn)品的更新和完善的進(jìn)度不斷的加快 產(chǎn)量不斷的提高 故有廣闊的 前景 其必要性還體現(xiàn)在 由于數(shù)控改造費(fèi)用低 可充分利用原有的設(shè)備和閑置設(shè)備 把它們改造成數(shù) 控 使它們的原有功能和改造后新增加的功能得到充分的利用 提高 了機(jī)床的使用價(jià)值 易于對現(xiàn)有機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 而且針對性強(qiáng) 即可針對新加工的零件類型及 機(jī)床來進(jìn)行改造 改造后機(jī)床沒有多余的功能 改造后的機(jī)床加工精度得到提高 工人的勞動(dòng)強(qiáng)度得到降低 減少了輔助加工時(shí)間 可提高機(jī)床的生產(chǎn)效率 數(shù)控改造可在企業(yè)技術(shù)人員參加下開發(fā) 所以他們可熟悉 掌握改造后的 機(jī)床性能 操作等 為以后的生產(chǎn) 維護(hù) 修理打下基礎(chǔ) 數(shù)控改造的可能性 從整體上說我國的數(shù)控機(jī)床不多 僅占總機(jī)床的 1 9 這與西方工業(yè)國家一 般達(dá)到 20 相差甚遠(yuǎn) 差距巨大 但是 我們也應(yīng)該看到 往往國家越發(fā)達(dá) 那 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 8 么數(shù)控機(jī)床所占的比例也就越大 從宏觀上看 工業(yè)發(fā)達(dá)國家的機(jī)械工業(yè) 由 于對其機(jī)械工業(yè)進(jìn)行信息化改造 使得他們的產(chǎn)品競爭力大為增強(qiáng) 而我國在 這方面比發(fā)達(dá)國家約落后近 20 年 數(shù)控化率極低 這也說明了數(shù)控化改造的必 要性 進(jìn)行經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床開發(fā) 是符合我國國情的有效的機(jī)床更新途徑 在 當(dāng)前的市場需求多變 競爭激烈的環(huán)境中 企業(yè)需要迅速地開發(fā)出新產(chǎn)品 以 低價(jià) 好質(zhì)量 快速去滿足市場需求的變化 而數(shù)控機(jī)床最適宜加工小批量 多品種 高精度 形狀復(fù)雜 生產(chǎn)周期短的零件 數(shù)控機(jī)床的柔性化加工 符 合產(chǎn)品頻繁變化的要求 更何況 當(dāng)今工業(yè)國家數(shù)控機(jī)床數(shù)量的擁有量反映了 這個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)能力和國防實(shí)力 因此 我國進(jìn)行數(shù)控改造是可行的也是行的 通的 在數(shù)控改造中應(yīng)注意的問題 車床改造的工藝流程 應(yīng)保留的部分 主軸箱 床身 大 中溜板 尾座等等 改造前 應(yīng)將機(jī)床大修處理 包括主軸箱傳動(dòng) 精度調(diào)整 主軸徑向跳動(dòng)及軸向竄 動(dòng)精度修復(fù) 機(jī)床導(dǎo)軌平面度及直線度 卡盤裝夾精度調(diào)整等 改造部分包括 增 加數(shù)控裝置 X Y Z 軸驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī) 換裝 X Y Z 軸滾珠絲杠及電動(dòng)刀架 增 加必要的控制電器開關(guān) 冷卻液及潤滑裝置改造等 滾珠絲杠的造用和安裝 滾珠絲杠分為 1 2 3 4 5 7 10 七個(gè)等級 1 級最高 10 級最低 任意 300mm 軸面行程內(nèi)變動(dòng)量應(yīng)該不能 0 05mm 行程偏差 0 02mm 安裝時(shí)應(yīng)注意調(diào)整絲杠間隙 驅(qū)動(dòng)器和驅(qū)動(dòng)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)方式 PWM 脈寬調(diào)制 電機(jī)每轉(zhuǎn) 12000 脈沖 以 確保驅(qū)動(dòng)精度 V 300 伏 電相位具有記憶功能 位置脈沖方式為單 雙脈沖控制 整 半步運(yùn)行模式 低速平穩(wěn)運(yùn)行 最高轉(zhuǎn)速 1500r min 主軸調(diào)速改造 自動(dòng)調(diào)速 通過指令設(shè)定 冷卻液及潤滑系統(tǒng)的改造 一般采用手工打開 可經(jīng)過 CNC 系統(tǒng)上有冷卻液 接口 通過 PLC 設(shè)置 實(shí)現(xiàn)冷卻液的自動(dòng)開和關(guān) 電器系統(tǒng)的改造 主要增加元件包括 主軸 絲杠 變壓器 X Y Z 軸的 驅(qū)動(dòng)器 電動(dòng)刀架控制器 以及必要的控制開 關(guān) 繼電器等等 如所需增加變頻電 機(jī)或變頻器 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 9 數(shù)控改造后機(jī)床應(yīng)該達(dá)到的基本技術(shù)要求 如表 3 所示 本文對 X52K 數(shù)控改造的主要過程 收集 收集資料 查與 X52K 相關(guān)的技術(shù)參數(shù) 設(shè)計(jì) 對 X52K 數(shù)控改造的總體思路 計(jì)算 對橫向 X 軸 和縱向 Y 軸 的改造計(jì)算 繪圖 繪制改造后 X 軸 Y 軸的裝配圖 和改造后外型布局圖 數(shù)控部分的 電路原理圖 分析 分析在數(shù)控改造中可能會(huì)出現(xiàn)的問題 以及解決問題的參考方法 表 3 改造后的基本技術(shù)要求 床身導(dǎo)軌平行度 0 01mm 橫向?qū)к壍钠叫卸?0 03mm 縱向?qū)к壴诖怪逼矫鎯?nèi)的直線度 0 02mm 溜板移動(dòng)在水平內(nèi)直線度 0 015mm 重復(fù)定位精度 X 0 01 Z 13194N 故選擇符合要求 絲杠可用 aCm 2 1 4傳動(dòng)效率 的計(jì)算 根據(jù) 機(jī)械設(shè)計(jì)原理 滾珠絲杠的傳動(dòng)效率 的計(jì)算公式為 tan 式中 絲杠的螺旋升角 由以上參數(shù)表知 39 摩擦角 滾珠絲杠副的摩擦角 10 則可得 97 01392tan 2 1 5剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)荷 引起的導(dǎo)程的變化量 xF 01LX EF 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 21 其中 彈性模量對于鋼為 E 21 26 10cmN 滾珠絲杠橫截面積 F 2c 而 F 223d 942cm 則 01LFX EF cm661903 810 227 滾珠絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量 很小 可以忽略 故 L 1L 故導(dǎo)程的變形誤差為 1010 28oL 12 8 m 查表得 E 級精度絲杠所允許的螺紋無廠誤差 1m 長 為 15 故剛度足夠 2 1 6穩(wěn)定性的驗(yàn)算 1 臨界壓縮載荷的驗(yàn)算 由于縱向 X 軸 的滾珠絲杠兩端采用的是滾珠絲杠螺紋副固定 絲杠一般不 會(huì)受壓 又由于機(jī)床的原普通絲杠的直徑大于滾珠絲杠的直徑 故穩(wěn)定性一定能滿 足要求 2 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 由計(jì)算得已知絲杠平均工作轉(zhuǎn)速為 156 3min10inrr 因此 必須進(jìn)行臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算 即 crcrflA EIn2max30 其中式中符號表示 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 22 絲杠的最大轉(zhuǎn)速 maznmax01 2 531 min8mazVnrL 絲杠支承方式系數(shù)取 因?yàn)闆]有受壓 2f 73 42f 9910 rcn2cfdL 1 2 40 1 2 5 34mm2oq 絲杠的長度 工作最大行程 螺母長度 兩端余量 取 40mm l 螺母長度由 機(jī)床零部件設(shè)計(jì) 上可查得 絲杠設(shè)計(jì)部分 680 131 40 2 l 680 342 1022mm 支撐跨距 應(yīng)略大于 取 11001ll1l 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度 680 131 40 cL102 811 40 39 890mm24 730 9189rcn 9533 minr 可見滿足 max1 5rcn 所以滿足穩(wěn)定性的要求 2 1 7齒輪傳動(dòng)設(shè)計(jì)的有關(guān)計(jì)算 由于初選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 110BF004 的系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為 0 01mm step p 步距角為 0 75b 絲杠導(dǎo)程為 8oLm 如果不采取齒輪傳動(dòng) 那么每個(gè)脈沖對應(yīng)的絲杠螺母傳動(dòng)的距離為 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 23 0 7536oL 8 0 0 0167 脈沖當(dāng)量 0 01mm 所以需要有減速機(jī)構(gòu) 也就是要設(shè)計(jì)齒輪減速 采用減速齒輪具有如下特點(diǎn) 便于配置出所要求的脈沖當(dāng)量 減小工作臺以及絲杠折算到電動(dòng)機(jī)軸上的慣量 放大電動(dòng)機(jī)輸出扭矩 即增大工作臺的推力 但采用減速齒輪會(huì)帶來額外的傳動(dòng)誤差 使機(jī)床的快速移動(dòng)速度降低 并且其自身 又引入附加的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 這些應(yīng)引起注意 2 1 8齒輪材料的選用及許用應(yīng)力 由于閉式齒輪主要失效形式是齒面點(diǎn)蝕和輪齒折斷 因此按照齒面接觸強(qiáng)度來 設(shè)計(jì)來計(jì)算 最后校合彎曲強(qiáng)度 初選 7 級精度 查 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 取小齒輪材料為 45 鋼 則齒輪硬度為 220HBS 大齒輪也采用 45 鋼 其齒輪硬度為 180HBS 由于 1limH 560Mpa 2limH 530Mpa 取 1 HS 509Mpa11 560liS 482Mpa1H 32lim 又 取MPaF901lim PaF170li 1 4FS lim1936 4FMS li22701 FPa 2 1 9 直齒圓柱齒輪副的計(jì)算 1 計(jì)算減速器的傳動(dòng)比 由 stepmP01 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 24 和步距角為 絲杠導(dǎo)程為 75 0 b mLo8 則傳動(dòng)比 Pbi 36067 10 5 o 2 粗選小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) 21 ZiZ 12 67 32 53 44 5 可參照 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 169 頁 則實(shí)際傳動(dòng)比為 i 滿足誤差要 取齒輪壓力角 初選模數(shù) m 2 5mm 則 o20 小齒輪直徑 mm1 538dmZ 大齒輪直徑 mm21 小齒輪大徑 mm102 aah 大齒輪大徑 mm2335d 中心距 mm 1 5 16mZ 圓整中心距 取 mm0a 齒寬為 大齒輪 mm ba 2 41 圓整為 mm5 小齒輪 mm 為了補(bǔ)償安裝誤差通常使小齒輪齒寬略寬一些 10 3 齒輪彎曲強(qiáng)度應(yīng)力校核 查 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 中表得齒性系數(shù) 34 2 59 1 FFY 處載荷系數(shù)為 K 1 5 最大轉(zhuǎn)矩查步進(jìn)電機(jī)相關(guān)參數(shù) 轉(zhuǎn)矩取 F 4 9N m 驗(yàn)算齒輪彎曲強(qiáng)度 按最小齒寬 50mm 來計(jì)算 511 122 549 103 80FF FKTYMPabmZ 136 Pa 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 25 2 21 348 159F FYMPaPa 這里 1T 所以符合安全要求 4 齒輪的圓周速度 可據(jù)公式 160 758min3nr 1dV 3 480756 3 6s 10 上式中 為小齒輪的轉(zhuǎn)速即步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)速 可據(jù)初選步進(jìn)電機(jī)1n 110BF004 的運(yùn)行頻率 和步距角 0 75 來計(jì)算 step70 可知選用 7 級精度是滿足要求的 2 1 10步進(jìn)電機(jī)型號的計(jì)算選擇 步進(jìn)電機(jī)是一種用電脈沖信號進(jìn)行控制 并將電信號轉(zhuǎn)換成響應(yīng)角位移的機(jī)電 元件 每輸入一個(gè)脈沖 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸就轉(zhuǎn)過一定角度 它與普通的勻速旋轉(zhuǎn)的 電動(dòng)機(jī)不同 它是步進(jìn)式的 所以稱步進(jìn)電機(jī) 它的優(yōu)點(diǎn)有 角位移輸出與輸入的 脈沖數(shù)相對應(yīng) 改變通電順序可以改變步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向 步矩誤差不會(huì)長期積累 在負(fù)載范圍內(nèi)步矩角和轉(zhuǎn)速不受電源電壓波動(dòng)的影響 而僅與脈沖頻率有關(guān) 維持 控制繞組的電流不變 電機(jī)便停在某一位置上不動(dòng) 即步進(jìn)電機(jī)有自整角能力 不 需要機(jī)械制動(dòng) 步矩角可在很大的范圍內(nèi)變化 步進(jìn)電機(jī)的主要特性 步矩角 啟 動(dòng)頻率 連續(xù)運(yùn)行頻率和加減速特性 步進(jìn)電機(jī)的缺點(diǎn)是效率低 拖動(dòng)負(fù)載的能力 不大 脈沖當(dāng)量不能太小 調(diào)整范圍不大 最高輸入脈沖頻率一般不超過 18000 Hz 數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機(jī)的基本要求是調(diào)速范圍寬 伺服電機(jī)需滿足調(diào)速要求 負(fù) 載特性硬 在調(diào)速范圍內(nèi)電機(jī)應(yīng)有足夠的驅(qū)動(dòng)力矩 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 為了使步進(jìn)電機(jī) 正常工作運(yùn)行 不失步 不超程 正常啟動(dòng)并滿足對轉(zhuǎn)速的要求 電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 26 步進(jìn)電機(jī)技術(shù)數(shù)據(jù) 必須大于電機(jī)的實(shí)際最大啟動(dòng)力矩 電機(jī)的運(yùn)行頻率必須大 于電機(jī)實(shí)際最高工作頻率 系統(tǒng)脈沖當(dāng)量是機(jī)床移動(dòng)部件相對于每一個(gè)進(jìn)給脈沖信 號的位移量 其大小視機(jī)床的加工精度而定 根據(jù) X52K 銑床工作狀況選系統(tǒng)脈沖 當(dāng)量為 0 01mm step 步矩角 75 0 根據(jù)同類型的機(jī)床及以往的經(jīng)驗(yàn) 結(jié)合重量輕 功耗小 外觀尺寸和與步距角 相配合的原則 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)類型 然后驗(yàn)算是否滿足使用要求 否則選取其它 型號 最后直到滿足要求為止 初選步進(jìn)電機(jī)型號為 110BF004 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 2 1 11縱向步進(jìn)電機(jī)選擇計(jì)算 1 計(jì)算工作臺 絲杠以及齒輪折算到電機(jī)軸上的慣量 dJ 根據(jù) 機(jī)電一體化基礎(chǔ) 所提供的計(jì)算公式 221 PgGJiJXSd 式中 折算到電機(jī)軸的慣量 d 2cmK 小 大齒輪的慣量 21 Jg 絲杠慣量 S 2c 橫向工作臺及夾具重量 XG NGX2156 絲杠螺距 P cmcP8 0 齒輪及絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 由于有些傳動(dòng)件 如齒輪 絲杠等 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 不易精確計(jì)算 可將其等效成圓柱體來近似計(jì)算 圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可依據(jù)公式 32 4ldJ 式中 材料密度 對鋼取 3cmKg35108 7cmKg 圓柱體直徑 對于齒輪 絲杠等就是其等效直徑 d 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 27 圓柱體長度 對于齒輪 絲杠等就是其等效齒寬或長度 l cm 則 321 41bdJ 54 780 20157Kgcm 3242bdJ 54 178013 2 078Kgcm 3240LdJS 54 178102 289Kgcm 則可算得 221 PgGJiJXSd 22 0 80 571 078 49 6 314 2 03 Kgcm 2 gc 2 慣量匹配驗(yàn)算 初選的步進(jìn)電機(jī) 110BF004 的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 4 61KgMJ2cm 轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)與步進(jìn)電機(jī)的慣量匹配條件 14 MdJ 而 2 03 4146dMJ 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 28 所以慣量是匹配的 3 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 計(jì)算快速空載起動(dòng)時(shí)所需力矩 起M 依據(jù)公式 0maxMf 起 式中 起 快速空載起動(dòng)力矩 cN 空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上最大加速力矩 max cmN fM 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩 cm 由于絲杠預(yù)緊時(shí)折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩 0 c 又 max J 式中 慣量和 cN 2 03461 dMJNcm 電機(jī)最大角加速度 2sra 又 260maxtn 其中 電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 max in rat 運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大快進(jìn)速度所需時(shí)間 s取 25ms 又 360maxaPbVn 則 ax25 721 minr 則 60 52314 2 8rads 故 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 29 JMamx 6 421 80Ncm 又因?yàn)?iLFf 20 式中 0 導(dǎo)軌的摩擦力 N 傳動(dòng)鏈總效率 一般可取 現(xiàn)取 85 0 7 85 0 又 0XfNGF 式中 垂直方向的切削力 f 0 23 75fNcFFN 導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 貼塑導(dǎo)軌 4 0 f 橫向工作臺及夾具重量 YG20XG 則 103N0 4 37520 F 故 1 823 4067fM 9 cm 又 00 iLFP 式中 滾珠絲杠預(yù)加載荷 取 0P 01387PmFN 滾珠絲杠預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率 95 故 203870 1 2 146M 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 30 37 10 9 7Ncm 140 9 8 3 7 153 50maxMf 起 cmN 4 快速進(jìn)給時(shí)所需力矩 快 依據(jù)公式 0f 快 而 9 8371 5MNcm 快 故有 3 快 起 5 最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 切M 根據(jù)公式 tfM 0切 式中 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 t cmN 又有公式 iLFft 20 式中 進(jìn)給方向最大切削力 fF N 1 2 1508fCFN 則 180 23 467tM 12cm 故 tf 0切 9 81 5Ncm 6 最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 依據(jù)文獻(xiàn) 實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊 上 有 對于在最大切削力下工作時(shí)所需要電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 31 5 0 31max切Mj 8 0 716Nc 對于空載起動(dòng)時(shí)所需要的電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 951 02max起Mj 3 6 Ncm 由 和 可知 以計(jì)算得 恒大于 所以就以 作為選取步進(jìn)ax1j 2maxjM1maxj 電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的依據(jù) 而初選的步進(jìn)電機(jī)為 110BF003 它的最大靜轉(zhuǎn)矩為 max1689jNcM 所以初選的步進(jìn)電機(jī)型號符合要求 2 1 12步進(jìn)電機(jī)動(dòng)載荷矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性 由 數(shù)控技術(shù) 得 動(dòng)矩頻特性 PVf 601maxax 2 501 4167Hz 運(yùn)行矩頻特性 PSeVf 6 其中 最大切削力下的進(jìn)給速度 可取最高進(jìn)給速度 eV min 的 現(xiàn)取中間值 即 max2 5in 31 2max71 46in2SV 所以 2431ef1046 Hz 由步進(jìn)電機(jī) 110BF004 的矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性參數(shù)可以看出所選步進(jìn)電機(jī)在 起動(dòng)時(shí)力矩是滿足要求的 所以最終就確定步進(jìn)電機(jī)的型號為 110BF004 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 2 2 橫向 Y 軸 的設(shè)計(jì) 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 32 Y 軸的絲杠選擇與 X 軸一樣為 FFZD5008 內(nèi)循環(huán)浮動(dòng)返向器 Y 軸的齒輪副設(shè)計(jì)也與 X 軸相同 這里不再累贅 Y 軸方向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 Y 軸銑削圓周力 1500NYOF 則有 Y 向絲杠牽引力 1 414f 1500 1 414 4410 0 01 1562NYOYG 則有電機(jī)軸負(fù)載力矩 T mNFYp 58 197 052416 036 其中 導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 取 0 1 步進(jìn)電機(jī)步矩角為 0 75 Y 向絲杠牽引力YF f 當(dāng)量摩擦系數(shù)取 0 01 若不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響 則啟動(dòng)力矩為 5 0 3Tq 可取安全系數(shù)極限值 0 3 則有 5 0 3Tq mN 27 538 1 對于工作方式為無相十拍的五相步進(jìn)電機(jī)最大啟動(dòng)力矩 mNTqq 4 91 275 0max 電機(jī)最大工作頻率 maxax1 6276001pVf Hz 綜合以上可選取步進(jìn)電機(jī)型號為 110BF004 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 步進(jìn)電機(jī) 110BF004 的外型尺寸為 軸徑為 6 1 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 33 3 數(shù)控部分設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)以單片機(jī)為控制核心 擴(kuò)展部件為外圍器件 是比較經(jīng)濟(jì)的數(shù)控系統(tǒng) 既滿足了機(jī)床的數(shù)控加工能力 又經(jīng)濟(jì)可靠 該系統(tǒng)是由數(shù)控單元和步進(jìn)伺服單元組成 數(shù)控部分采用 MCS 51 系列的 8031 單片機(jī) 它和擴(kuò)展系統(tǒng)以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源一起組成連續(xù)控制的數(shù)控系統(tǒng) 控制核心 按照所輸入的加工程序數(shù)據(jù) 經(jīng)計(jì)算處理 發(fā)出所需要的脈沖信號 經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放 大功率后 驅(qū)動(dòng)補(bǔ)進(jìn)電機(jī) 由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠副 從而使縱 橫向工作臺按 零件加工所需的進(jìn)給速度及方向移動(dòng) 實(shí)現(xiàn)機(jī)床的開環(huán)自動(dòng)控制 系統(tǒng)的定位精度 由軟件中適當(dāng)?shù)慕殿l處理來保證 重復(fù)定位采用固定間隙來改善 最終使系統(tǒng)靈活 性大 通用性強(qiáng) 數(shù)控功能豐富 可靠性高 且易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化 使用維護(hù)方 便 控制系統(tǒng)的主要功能 手動(dòng)暫停 手動(dòng)快速返回坐標(biāo)原點(diǎn) 六個(gè)方向點(diǎn)動(dòng)傳給 手動(dòng)快速進(jìn)給 間隙補(bǔ)償功能 刀具補(bǔ)償功能 用戶指令掉電保護(hù)功能 具有程序暫停 延時(shí) 局部循環(huán) 自動(dòng)循環(huán)功能 用戶指令編輯 修改 刪除 清零功能 錯(cuò)誤操作診斷 錯(cuò)誤操作顯示功能 可自行進(jìn)行直線 斜線 圓弧的加工 3 1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)的硬件組成如下所示 主要有主控制器 CPU 存儲器 鍵盤顯示器 I O 接 口和驅(qū)動(dòng)電路等 部分可參照 單片機(jī)原理 書中所述 如圖 3 1 所示 3 1 1主控制器 CPU CPU 選用功能強(qiáng) 價(jià)格便宜的 8031 單片機(jī) 有 4 個(gè) 8 位的并行接口 一個(gè)串行 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 34 接口 8031 的 口作為分時(shí)服用的低 8 位地址 數(shù)據(jù)總線接口 口作為顯示器的OP 1P 字型輸出口 口作為高 8 位地址總線接口 口作為中斷 定時(shí) 計(jì)數(shù) 讀寫控2 3P 制等特殊功能口 CPU 的時(shí)鐘采用內(nèi)部方式 晶振頻率為 6MHz 此芯片具有高集 成度 應(yīng)用廣泛 有 2 個(gè) 16 位的定時(shí) 計(jì)數(shù)器和一個(gè)處理功能很強(qiáng)的中央處理器 該芯片不易受干擾 容易實(shí)現(xiàn)屏蔽 可靠性高 能在較惡劣的環(huán)境下工作 功能強(qiáng) 速度高 指令執(zhí)行時(shí)間短 且具備刀具長度偏移和半徑補(bǔ)償功能 自診斷功能 可 以進(jìn)行加 減速操作 8031單 片 機(jī) 存 儲 器 行 程 控 制接 口 譯 碼 鎖 存 鍵 盤 顯 示 驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī) 圖 3 1 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖 3 1 2存儲器擴(kuò)展電路 1 存儲器芯片的選擇 8031 片內(nèi)只有 128KB 的 RAM 所以必須對其進(jìn)行外部 程序存儲和數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行擴(kuò)展 選擇存儲器應(yīng)考慮的主要因素是速度和容量 凡 是工作時(shí)間小于 8031 的工作時(shí)間均可滿足要求 這里選用 1 片容量為 8K 8 的 2764EPROM 芯片作為程序存儲器擴(kuò)展芯片 用 1 片容量為 8K 8 的 6264 靜態(tài) RAM 芯 片作為數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展芯片 并帶有 3 6V 的備用電池 使存放的加工數(shù)據(jù)能長時(shí)間 的保存 2 存儲器地址分配及接線 8031 芯片所支持的存儲系統(tǒng) 其程序存儲器與數(shù)據(jù) 存儲器獨(dú)立編址 因此 EPROM 和 RAM 的地址分配比較自由 不必考慮是否沖突 由于復(fù)位后 8031 從 0000H 單元開始執(zhí)行程序故 8K EPROM 的地址空間從 0000H 1FFFH 8K RAM 的地址空間也設(shè)為 0000H 1FFFH 8031 的地址鎖存允許信號 ALE 與地址鎖存器 74LS373 的輸入端 G 相連 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 35 從而將 口輸出的地址信息鎖存如 373 中 2764 需要 13 根地址線 低 8 位與 口OP OP 相連 高 5 位分別與 相連 8 為數(shù)據(jù)線直接與 口連 將 2764 的片選端4 20 P OP 接地 由于 8031 只能選通外部程序存儲器 因而將 8031 的 接地 RAM6264CE EA 的數(shù)據(jù)線和地址線的連接方法與 2764 相同 其讀寫控制端與 8031 的對應(yīng)端相連 由于 6264 的地址分配為 0000H 1FFFH 故其片選端 應(yīng)與 74LS138 譯碼器 相連 COY 3 1 3擴(kuò)展 I O接口 為了滿足銑床數(shù)控系統(tǒng)的需要 選用可編程并行接口芯片 8155 作為 I O 接口 各個(gè)端口的功能定義和地址分配如下表所示 8155 的片選端 與 74LS138 譯碼器CE 的 相連 地址空間為 2000H 2FFFH 地址鎖存控制端及讀寫控制分別與 8031 的控1Y 制線對應(yīng)相接 8155 的 對應(yīng)接至 8031 的 口線 如表 3 1 所示7ADO OP 如表 3 1 138155I O 口功能定義和地址分配 端口 工作方式 功能 地址 PA 輸出 提供步進(jìn)電機(jī)的控制信號及知識信號 2001H PB 輸入 鍵盤和行程控制 2002H PC 輸出 顯示和鍵盤管理 2003H 用 片 做為機(jī)床開關(guān) 刀架控制信號及主軸編碼器反饋信號 口 用 用 片 作為鍵盤 顯示器接口 識別鍵盤按鍵信號 對顯示器自動(dòng)掃 描 完成鍵盤輸入和 顯示控制兩種功能 為了增加數(shù)碼管的亮度 可分別在字型 口和字為口處增加 7407 驅(qū)動(dòng)器 3 1 4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng) 可采用較為簡單的開環(huán)控制 因而成為 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床最為主要的一種驅(qū)動(dòng)元件 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路一般由 4 部分組成 計(jì)算機(jī)接口 脈沖分配器 光電隔離電路和功率放大電路 本設(shè)計(jì)采用 8155 的 口作為控制步進(jìn)電機(jī)的接口 由該口的 提供步AP 5 AOP 進(jìn)電機(jī)所需的控制信號 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 36 脈沖分配器的作用是為步進(jìn)電機(jī)提供符合控制指令要求的脈沖序列 其實(shí)現(xiàn)方 法有硬件和軟件 2 種 為降低硬件的成本及故障源 本設(shè)計(jì)采用軟件方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中 脈沖信號經(jīng)過放大后送給步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組 為防止強(qiáng) 電干擾 在功放電路之前接上光電耦合電路進(jìn)行隔離 步進(jìn)電機(jī)所需電流較大 必須將光電耦合器輸出的信號放大后才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電 機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn) 步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由三部分構(gòu)成 環(huán)形分配器 光電耦合器 功率放大器 1 環(huán)形分配器 環(huán)行分配器的主要作用是把來自于加減速電路的一系列進(jìn)給脈 沖指令 轉(zhuǎn)換成控制步進(jìn)電機(jī)定子繞組通電 斷電的電平信號 電平信號狀態(tài)的改 變次數(shù)及順序與進(jìn)給脈沖的數(shù)量及方向?qū)?yīng) 硬件環(huán)型分配器是有觸發(fā)器和門電路 構(gòu)成的硬件邏輯電路 如型號 YB015 2 光電耦合器 選用 GO102 型光電耦合器 其電路圖如圖 3 2 所示 1V 5 K 3074LS6接 功 率 放 大 器接 82 圖 3 2 光電耦合電路圖 3 功率放大器 因?yàn)檩敵龅拿}沖功率很小 電流只有幾毫安 故需要進(jìn)行功率 放大 使脈沖電流達(dá)到 1 10 A 才足以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常工作 本設(shè)計(jì)決定采用 高低壓驅(qū)動(dòng)電路 其電路圖如圖 3 3 所示 3 1 5行程控制 為防止工作臺越界 設(shè)置了 4 個(gè)限位開關(guān) 8155 的 分別為工作臺74 PB X X Y Y 四個(gè)方向的行程控制信號 計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回檢測 的電平 74 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 37 當(dāng)某一個(gè)為低電位時(shí) 立即停止步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行 3 1 6鍵盤與顯示 鍵盤與顯示設(shè)計(jì)在一起 8155 的 PC 口的 擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的50 PC 掃描控制 字位線 PB 口的 為鍵盤的行線 8031 的 P1 口為顯示器自形80 PB 輸出口 該采用 3 8 共 24 個(gè)矩陣式鍵盤和六位八段共陰極 LED 顯示器 為了增加 數(shù)碼管的亮度 可分別在字型口和字為口處增加驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 3 1 7復(fù)位電路 此單片機(jī)是靠外部電路實(shí)現(xiàn) 在時(shí)鐘電路工作后 只要在 8031 的 RESET 引角 上出現(xiàn) 10ms 以上的高電平 單片機(jī)即可復(fù)位 本系統(tǒng)采用上電復(fù)位和手動(dòng)按紐復(fù)位 組合 圖 3 3 單電壓供電功放電路 3 1 8緊急停車 系統(tǒng)中設(shè)置了一個(gè)緊急按紐 利用 8031 的外部中斷 INT1 在加工過程中如果 出現(xiàn)緊急情況 按此按紐就可以緊急中斷信號 整個(gè)系統(tǒng)就立即停止工作 3 2 編程時(shí)應(yīng)注意的問題 應(yīng)準(zhǔn)確地測量出銑床縱向絲杠 橫向絲杠 銑頭垂直絲杠 圓盤工作臺與 分度頭蝸輪副中反向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的間隙 以便編程時(shí) 用消除間隙指令后運(yùn)行指令中予 以糾正 應(yīng)在銑床上用多種進(jìn)給速度值 進(jìn)行空載后負(fù)載切削的調(diào)試 測定空載時(shí) 允許的最高運(yùn)行速度 負(fù)載時(shí)的最大吃刀量及此時(shí)的運(yùn)行速度值 作為銑床改造大 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 38 編程的最大許用值的依據(jù) 在改造后應(yīng)該用危機(jī)調(diào)試其運(yùn)行方向 如果方向不對 可調(diào)試步進(jìn)電機(jī)的 電源接頭的連線 使其運(yùn)行方向變反 編程人員不可對此問題做硬性的統(tǒng)一規(guī)定 3 3 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)軟件控制 步進(jìn)電機(jī)的系統(tǒng)軟件部分的設(shè)計(jì)主要是指步進(jìn)電機(jī)的控制程序設(shè)計(jì) 控制步進(jìn) 電機(jī)各進(jìn)給軸的進(jìn)給速度和進(jìn)給方向 其控制流程圖主要包括初始化程序 計(jì)算運(yùn) 行總步數(shù)和兩軸的速度 步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向 然后調(diào)用步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)程序 通過數(shù) 據(jù)采樣比較來調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度 該過程直到運(yùn)行步數(shù) N0 1 0 時(shí)結(jié)束 否則 返回繼續(xù)執(zhí)行步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 4 誤差來源及精度分析 4 1 誤差的來源 4 1 1機(jī)械結(jié)構(gòu)原因 由于系統(tǒng)的縱 橫向都是開環(huán)進(jìn)給控制系統(tǒng) 沒有反饋檢測系統(tǒng) 無法消除機(jī) 械傳動(dòng)部件間隙誤差 如滾珠絲杠反向間隙誤差 齒輪隙誤差及支撐結(jié)構(gòu)和軸系變 形引起的誤差 步距角精度和導(dǎo)軌副的精度等 從而產(chǎn)生累積誤差 而滾珠絲杠的誤差主要是指反向間隙誤差 由于滾珠絲杠與螺母之間的軸向間 隙 導(dǎo)致反向運(yùn)動(dòng)時(shí)的空程誤差 引起失步 它將直接影響到工作臺的進(jìn)給精度 引起齒輪傳動(dòng)誤差最主要的是側(cè)隙誤差 4 1 2數(shù)控部分原因 數(shù)字控制系統(tǒng)的誤差等將直接影響進(jìn)給位移的精度 數(shù)控系統(tǒng)誤差是指編程誤差 包括編程中輪廓逼近誤差和編程時(shí)的脈沖圓整誤 差 4 2 誤差補(bǔ)償措施 而引起誤差的主要原因是齒輪副間隙 滾珠絲杠軸向間隙和控制誤差 4 2 1齒輪副誤差補(bǔ)償分析 齒輪副選用的精度等級均為 7 級 Ea 的精度等級為 C 類 由標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)查得 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 39 中心距 a 85mm mfa 15 小齒輪 Es6 mai 391 d641 大齒輪 as2 Ei5202 由數(shù)理統(tǒng)計(jì)可得 統(tǒng)計(jì)側(cè)隙所在的區(qū)間為 17 6 62 3 從而最大側(cè)隙引起大齒輪上 的轉(zhuǎn)角誤差為 10 3602max dJt 由側(cè)隙引起的螺母的移動(dòng)量為 即由齒輪傳動(dòng)引起的最大復(fù)位誤差為 LopOs 360 對于由齒輪間隙引起的誤差可采取雙片薄齒齒輪錯(cuò)齒調(diào)整法來消除 兩個(gè)嚙合 的直齒圓柱齒輪中的小齒輪采用寬齒輪 另一個(gè)由兩片可以相對轉(zhuǎn)動(dòng)的薄片齒輪組 成 裝配時(shí)使一片薄齒輪的齒左側(cè)分別緊貼在寬齒輪的左 右兩側(cè) 通過兩薄片齒 輪錯(cuò)齒 消除齒側(cè)間隙 反向時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)死區(qū) 錯(cuò)齒齒輪如圖 5 2 1 所示 兩薄片 齒輪上各裝入有螺紋的凸耳 1 3 轉(zhuǎn)動(dòng)螺母 7 可改變彈簧 6 的張力大小 而調(diào)節(jié)齒 輪 2 4 的相對位置 達(dá)到錯(cuò)齒的目的 4 2 2數(shù)控系統(tǒng)誤差補(bǔ)償分析 數(shù)字控制系統(tǒng)的誤差 主要是編程誤差 由于數(shù)控機(jī)床加工精度不僅與加工過程 有關(guān) 而且與編程 插補(bǔ)算法的精度有關(guān) 而編程誤差是控制系統(tǒng)固有的 主要包括 兩方面影響系統(tǒng)的加工精度 編程逼近誤差 因采用近似插補(bǔ)算法逼近零件輪廓形狀而產(chǎn)生的誤差 如加 工非圓曲線 用直線廓形代替曲線廓形 加工傾斜直線時(shí) 通過刀具沿平面上兩個(gè) 坐標(biāo)軸方向走折線 直線插補(bǔ) 而形成 造成鋸齒狀的插補(bǔ)誤差 編程圓整插補(bǔ)誤差 由于步進(jìn)電機(jī)是由脈沖當(dāng)量決定直線位移量最小值 脈 沖當(dāng)量值決定了機(jī)床可能加工的精度界限 而編程時(shí)要把零件圖紙尺寸尺寸參數(shù)轉(zhuǎn) 換成控制脈沖個(gè)數(shù) 尺寸的最小單位是脈沖當(dāng)量值 數(shù)學(xué)離散零件輪廓時(shí)只能圓整 到一個(gè)脈沖當(dāng)量值 而造成編程時(shí)的圓整誤差 影響尺寸精度 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 40 采用軟件補(bǔ)償法來補(bǔ)償數(shù)控系統(tǒng)誤差是可行的 預(yù)先根據(jù)系統(tǒng)誤差的規(guī)律 通 過在零件加工程序中增 減脈沖數(shù)來補(bǔ)償圓整誤差 4 2 3滾珠絲杠副誤差補(bǔ)償分析 滾珠絲杠副可采用預(yù)緊方式來減小滾珠絲杠副的軸向回程間隙誤差 工作原理 是在滾珠螺母體內(nèi)的兩側(cè)循環(huán)滾珠鏈之間 使內(nèi)螺紋滾道在軸向預(yù)制 L0 的導(dǎo)程突 變量 在兩列滾珠間產(chǎn)生軸向錯(cuò)位而實(shí)現(xiàn)預(yù)緊 L0 的大小和單列滾珠徑向間隙決 定預(yù)緊力大小 如圖 4 1 所示 L0 圖 4 1 單螺母變位導(dǎo)程式預(yù)緊 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 41 結(jié)論 依照我國目前的數(shù)控機(jī)床發(fā)展?fàn)顩r及我國的國情 對原有的普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控 化改造是符合當(dāng)前國情的 對普通立式銑床 X52K 的數(shù)控化改造是為了擴(kuò)大產(chǎn)品加工 范圍和提高加工精度 效率 質(zhì)量 進(jìn)而滿足市場多變的要求 小批量 多品種 柔性化加工 改造后的 X52K 銑床不僅能夠完成加工鍵槽 平面和孔等一般加工 還 能加工復(fù)雜的零件 且精度高 對普通 X52K 銑床改造的總體思路是把 X52K 改造成 X Y 兩坐標(biāo)能聯(lián)動(dòng)的經(jīng)濟(jì)型 數(shù)控銑床 由程序控制實(shí)現(xiàn)柔性化加工 從總體方案設(shè)計(jì)開始 確定了改造的目標(biāo) 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床 全文進(jìn)行了機(jī)械部分和數(shù)控部分的改造設(shè)計(jì) 最后進(jìn)行了系統(tǒng) 的誤差分析 在 X52K 的數(shù)控化改造中有如下特點(diǎn) 為了控制改造成本 不進(jìn)行升降臺方向 即 Z 向 機(jī)械部分的改造 而仍 采用手動(dòng)方式升降 為了不大量改變原有的機(jī)械結(jié)構(gòu) 本設(shè)計(jì)保留原有手動(dòng)功能手柄 且只把原 機(jī)床的普通絲杠改為滾動(dòng)絲杠 在橫向和縱向的改造設(shè)計(jì)計(jì)算中 突出步進(jìn)電機(jī) 減速箱和滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì) 算的連貫性 計(jì)算合理的準(zhǔn)確性 在論文的最后進(jìn)行系統(tǒng)的誤差分析 并提出自己的建議 方法 但是在這個(gè)設(shè)計(jì)過程中 還存在一些不足之處 如 在對整個(gè)系統(tǒng)的改造中 由于缺乏實(shí)踐的條件 對機(jī)床改造的結(jié)構(gòu)還欠合 理 只有理論與實(shí)踐相結(jié)合才能改造設(shè)計(jì)出理想的結(jié)構(gòu) 對數(shù)控系統(tǒng)的系統(tǒng)軟件的認(rèn)識不夠深入 在改造過程中只提出了總體的設(shè) 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 42 計(jì)思想和系統(tǒng)軟件的功能模塊 未給出詳細(xì)的系統(tǒng)程序 致謝 在完成本設(shè)計(jì)過程中 楊健老師的認(rèn)真負(fù)責(zé) 不厭其煩的教學(xué)態(tài)度給我留下了 深刻的印象 為我們講解知識難點(diǎn)和修正錯(cuò)誤 教導(dǎo)我們在設(shè)計(jì)中要注意的問題 以及查找資料等等 才能讓我能順利地完成該課題的論文 楊老師的教學(xué)態(tài)度 和 追求科學(xué)真理的精神 耐心的對學(xué)生指導(dǎo) 永遠(yuǎn)值得我們學(xué)習(xí) 不僅僅是因?yàn)閷W(xué)到 了知識 更是一種做人的道理和理念 可以說 在我們出了校園 步入社會(huì) 對我 們都是一種財(cái)富 在楊老師身上 我看到了作為老師的偉大和崇高 在我以后的生 活和工作中 所有的這一切一切都讓我受益匪淺 對完美的不懈追求的精神及做事 的科學(xué)態(tài)度 并將讓我終身受益 楊老師是值得尊敬的 在我整個(gè)在校學(xué)習(xí)的四年期間 各個(gè)任課老師的言傳身教 解答疑問 為我們學(xué)習(xí) 到最基礎(chǔ) 最扎實(shí)的公共課程和專業(yè)知識是分不開的 在此 我感謝你們 向你們 說一聲 老師們 你們辛苦了 還有和同學(xué)們的幫助也是分不開的 在完成本設(shè)計(jì)的過程中 與同學(xué)一起探討 問題也是一種樂趣 是他們讓我感到學(xué)習(xí)不是一種負(fù)擔(dān) 而是一種快樂 在彼此的 互相幫助 關(guān)心 生活中分享彼此的歡樂 共擔(dān)煩惱 這一切都讓我的大學(xué)生活變 的無比多彩 在這里 我向各位同窗好友表示忠心感謝 祝你們常年好運(yùn) 幸?？?樂 最后 我還要感謝給予我機(jī)會(huì) 賦予我能力的母校 成都理工大學(xué) 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 43 參 考 文 獻(xiàn) 1 楊廣才 唐學(xué)媛 普通銑床的數(shù)控改造 蘇鹽科技 2002 第 3 期 14 16 2 李為民 王海濤 軸向定位預(yù)緊軸承剛度計(jì)算 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào) 2001 年 30 卷第 2 期 15 19 3 劉興國 劉貴杰 岳恒志 銑床數(shù)控改造及設(shè)計(jì) 山東輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) 1998 4 楊可楨 程光蘊(yùn)主編 機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 北京 高等教育出版社 1988 5 鄭堤 唐可洪主編 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 北京 機(jī)械工業(yè) 6 張柱銀主編數(shù) 數(shù)控原理與數(shù)控機(jī)床 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2003 7 余英良主編 機(jī)床數(shù)控改造設(shè)計(jì)與實(shí)例 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1996 8 張德忠 X52K 銑床數(shù)控化改造 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造 1995 第 01 期 48 49 9 張寶林主編 數(shù)控技術(shù) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1997 8 10 成大先主編 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2002 11 廖效果 朱啟逑主編 數(shù)字控制機(jī)床 武漢 華中科技大學(xué)出社 1992 12 于俊主編 滾動(dòng)軸承計(jì)算 北京 高等教育出版社 1993 7 13 張新義主編 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì) 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1995 14 張俊生主編 金屬切削機(jī)床與數(shù)控機(jī)床 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2001 1 15 劉興國 姜莉莉 燕啟貴 劉昌祺 X52K 銑床數(shù)控改造及設(shè)計(jì) 西北工業(yè)學(xué)院 學(xué)報(bào) 1996 年 4 卷第 01 期 9 14 16 李培江 普通機(jī)床的數(shù)控改造研究 機(jī)械管理開發(fā) 2002 2 第 1 期 61 62 17 佟玲 用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)對 X52K 立銑床的改裝設(shè)計(jì) 機(jī)械與電子 1995 第 04 成都理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 44 18 張俊生主編 金屬切削機(jī)床與數(shù)控機(jī)床 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2001 1 19 陳艷紅 X52K 銑床數(shù)控化改造 機(jī)電一體化 2002 第 06 期 83 84 期 39 40