CM6132型精密车床主传动系统数控改造设计
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CM6132型精密车床主传动系统数控改造设计,cm6132,精密,车床,传动系统,数控,改造,设计
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机 械 技 术 学 院 毕 业 设 计 论 文 CM6132型精密车床主传动系统数控改造设计 学生姓名： 陶春屹 指导教师姓名： 江宏辰 高级工程师 所在班级 数控设备 11031 所在专业 数控设备应用与维护 论文提交日期 2013年 4月 10日 论文答辩日期 20 年 月 日 答辩委员会主任 主答辩人 X X 技 术 系 20 年 月 nts - I - 目 录 摘要 . I Abstract . I 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 数控机床的发展 . 1 1.2 普通机床数控改造的必要性 . 1 1.3 数控机床的发展趋势 . 1 第 2 章 总体方案设计 . 2 2.1 计算参数和技术要求 . 2 2.2 总体方案的拟定 . 2 2.2.1 机械部分改造 . 2 2.3 基本参数的确定 . 4 2.3.1 运动参数 . 4 2.3.2 动力参数 . 5 第 3 章 主传动系统设计 . 6 3.1 带轮及带的计算 . 6 3.2 齿轮校核 9 3.2.1 校核齿面接触疲劳强度 . 8 3.2.2 校核齿根弯曲疲劳强度 . 10 3.3 轴的校核 . 11 3.4 键的校核 . 14 第 4 章 控制 原理设计 . 15 4.1 数控系统的基本硬件组成 . 15 4.1.1 单 CPU 系统的组成 . 15 4.1.2 数控系统的选用 . 15 4.2 步进电机的控制 . 15 4.2.1 步进电机的工作原 理 . 15 4.3 键盘及显示器接口 . 18 4.3.1 键盘接口电路 . 18 4.3.2 液晶显示模块的工作原理 . 18 第 5 章 经济技术分析 . 19 5.1 产品结构改造的合理化 . 19 5.2 提高技术经济价值的方法 . 20 5.3 产品成本核算 . 20 5.4 产品年利润 . 21 结论 . 24 致谢 . 24 参 考文献 . 25 nts - II - 摘 要 对 CM6132 精密车床主传动系统进行数控化改造， 主要对主传动系统进行改造。改造包括机械和数控两部分。 机械部分：拆掉变速箱改用变频电动机实现无级调速。数控部分：数控系统采用开环控制系统，系统中没有反馈电路，不带检测装置，指令信号单方向传递。开环系统主要由步进电机驱动，结构简单，成本低廉、易掌握，调试和维修比较方便简单，已广泛应用于数控机床 .数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品。它的发展和运用 ，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现代的 CAD/CAM、 FMS、 CIMS 等技术都是建立在数控技术之上。数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业水平的核心标志，实现加工机床及生产过程的数控化，已经成为当今制造业的发展方向。 关键词：数改造；数控车床；步进电机控 Abstract As to the NC transform of CM 6132 precise lathe, vertical and horizontal motion system are concerned including mechanism part and NC part. As for as the mechanism part is concerned, in order to decrease the friction and increase the motion precision, ball guide screw is adopted. As to the NC part, open loop control system is adopted in NC system. There is no feedback circuit and test and determining facilities with one-way instruction signal transmission.The open loop system is mainly droved by stepper motor, which is of simple structure, low cost, easy learning with simple preliminary test and maintenance. It is widely used in NC lathe. 【 Key words】 Numerical control innovation NC lathe Stepper motor nts - 1 - 第 1 章 绪 论 1.1 数控机床的发展 随着电子技术和自动化技术的发展，数控技术的应用越来越广泛。以微处理器为基础，以大规模集成电路为标志的数控设备，已在我国批量生产、大量引进和推广应用，它们给机械制造业的发展创造了条件，并带来很大的效益。但同 时，由于它们的先进性、复杂性和智能化的特点，在维修理论、技术和手段上都发生了飞跃的变化。 数控机床自 20 世纪中期诞生以来，它们数控系统随着电子器件的更新换代也不断发展。特别是超大规模集成电路技术和微处理器引入数控系统，以及直流和交流伺服驱动技术的成熟，大大地推动了数控机床的发展。今天数控机床已发展为一种高度机电一体化的典型产品，成为现代生产系统得基本单元，成为支撑先进技术的基础核心设备。 20 世纪后半期， 数控机床不仅品种多，而且产量迅速发展，同期世界数控车床拥有达 100 万台，品种有 1500 种，数控机床的年产量近 15 万台。美国在 1983 年的机床拥有量比 1973 年下降了 23 1，而同期数控机床拥有量增加了 2 6倍，日本 1983 年生产数控机床占机床品种数的 65，数控机床的产量（台数）占车床总产量的 28 3，数控机床的产值为车床总产值的 70 9。美国 1989 年机床拥有量为 232678 台，其中数控机床为 2323566 台；日本 1987 年机床拥有量为 792975 台，其中数控机床为 70255 台。到 1994 年，日本机床拥有量的数控化率达 20 9，美国、意大利均达 10以上。 1995年我国机床拥有量达 85 12 万台，占 22 2。机床拥有量的数控化率为 1.9，金属切削加工数控化率达 2.15，成型机床的数控化率为 1.02。 据了解， 2001 年中国机床产值已进入世界前 10名的第 5 名，机床消费额在世界排名上升到第 3 位，达 47.39 亿美元，仅次于美国的 53.67 亿美元，消费额比上一年增长 25。但由于国产数控机床不能满足市场的需求，使我国机床的进口额呈逐年上升态势，2001 年进口机床跃升至世界第 2位，达 24.06 亿美元，比上年增长 27.3。 1.2 普通机床数控改造的必要性 面对世界机床 市场的强烈冲击，国产数控机床如何从容应对并占有一定的市场份额，有关人士提出，必须把发展国产数控机床放在突出位置，因为数控机床是衡量一个国家经济实力的重要标志；数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造中发挥着巨大的作用，很好地解决了形态复杂、精密、小批及多变零件的加工问题且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产率。因此，国产数控机床市场需求大力培育，不能光靠一个展览会来推动，各级政府应重视数控机床开发研制及市场销售等一系列问题，为国产数控机床发展大开“绿灯” 。 提高数控化率有两个途径：（ 1）投入 巨资购买新的数控机床；因为我国现有老机床nts - 2 - 太多，再加上资金问题，我国购买的数控机床还是有限的。（ 2）对现有普通机床进行数控改造，对拥有 300 多万台普通机床的我国来说，普通机床的数控化无疑是一条简单可行的途径“研究如何简便、实用地对普通机床进行数控改造是十分必要的。” 1.3 数控机床的发展趋势 随着科学技术不断发展，数控机床的发展也越来越快，数控机床也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化和模块化方向发展。高性能：随着数控系统集成度的增强，数控机床也实现多台集中控制，甚至远距离遥控。高精度：数控机床 本身的精度和加工件的精度越来越高，而精度的保持性要好。高速度：数控机床各轴运行的速度将大大加快。高柔性：数控机床的柔性化将向自动化程度更高的方向发展，将管理、物流及各相应辅机集成柔性制造系统。模块化：数控机床要缩短周期和降低成本，就必然向模块化方向发展，这既有利于制造商又有利于客户。 机床工业被称之为装备工业，装备工业又是技术密集、技术更新速度十分快的行业，面对入世和世界经济一体化的进程，必须在新一轮经济结构调整中找准自己的位置，加快发展、更新的频率，用“限普赠数”来加快集约化进程，促进装备工业的发 展，参与世界经济竞争。我国近几年数控机床虽然发展较快，但与国际先进水平还存在一定的差距，主要表现在：可靠性差，外观质量差，产品开发周期长，应变能力差。为了缩小与世界先进水平的差距。 现在国内的主要先进的数控机床都是靠进口的，即使自己做的车床中的精密部件例如精密丝杠都是靠进口的，没法靠自己的技术来制造，这样大大限制了我国机床的水平和与国际竞争的能力 这样经济数控机床就显得尤为重要，不但可以节省资金而且技术水平不比大型数控机床简单，也能体现一个国家的机床水平，从简单向大型化， 复杂化，集成化发展 奠定一定的技术。对现有老机床进行数控化改造费用低廉符合我国的国情，可以普遍提高我国的数控人员。 第 2 章 总体方案设计 2.1 计算参数和技术要求 （ 1）床身上最大加工直径 320 （ 2）主传动系统保持主轴箱内背轮机构不变，取消变速箱，用变频调速电机实现无级调速。 （ 3）拆掉进给箱、溜板箱改用步进电机驱动纵、横进给，脉冲当量 0.01 总体方案的拟定 数控机床主要用于轴类、盘类件的加工，能自动完成外圆柱面、内孔、锥面、圆弧nts - 3 - 面 2.2 总体方案的拟定 数控机床主要用于轴类、盘类 零件的加工，能自动完成外圆柱面、内孔、锥面、圆弧面、螺纹等工序的粗细加工，并能在外圆柱面或端面上进行铣、钻孔、铰孔等工作，可以实现回转体零件在预先加工好定位基面后，一次装夹下完成从毛坯到成品的全部工序。因此，能够极大地提高生产率。本项研究的对象 CM6132 车床，主要用于对小型轴类！盘类以及螺纹零件的加工。 2.2.1 机械部分改造 （ 1）主轴伺服系统的改造 拆去原床身的变速箱、进给箱、三相异步电动机，主轴箱继续保留使用，变频调速电动机、原进给机构输出端接脉冲发生器。由于采用了先进的数控系统、变 频调速系统电动机驱动主轴进给系统，主轴的变速特性变佳，实现了无级调速。 方案如图 2-1 图 主轴伺服系统的组成 （ 2）进给电机伺服系统的改造设计 为满足尽可能减少改动量的要求，采用步进电机经常接口箱驱动丝杠，带动刀具纵向和横向移动。用滚珠丝杠螺母机构代替普通的滑动丝杠螺母机构，具有摩擦力小，运动灵敏，无爬行现象的特点，也可以进行预紧，以实现无间隙传动，以使传动刚度好，反向时无空程死区。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光杠与丝杠 以及安装座，配上滚珠丝杠及其相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及其和丝杠的链接部分在主轴箱之下并不占据丝杠空间。由于采用滚珠丝杠可提高系统的精度和纵向进给的整体刚度；横向进给机构的改造：由于原横向进给的丝杠空间有限，所以拆除横向丝杠换上滚珠丝杠。由于现在的步进电机的驱动能力很强，步距角也比原来小了很多，所以步进电机和丝杠之间用联轴器连接， 1： 1 传动。方案如图 2-2。 MCS-51 8155 光电隔离 D/A PWM 变频调速 主轴 齿轮传动 电机 nts - 4 - 图 2-2 整机方案图 （ 3）联轴器 图 2-3 是现在广泛采用的直接联接电机轴和丝杠的挠性联轴节。这种联轴节的工作原理是：联轴节的左半部装 在电机轴上，当拧紧螺钉 2 时，件 3 和件 5 相互靠近，挤压内锥环 17、外锥环 4，使外锥环内径缩小，内锥环外径胀大，使件 5 与电机轴 1 形成无键联接。右半部也同样形成无键联接。左半部通过刚性钢片组成 15 的两个对角孔与螺栓 6、球面垫圈 7、 8 相联。图中表明球面垫圈 8 和右半部件 9 没有任何联接关系。同样，弹性钢片组 15 的另外两个对角孔通过球面垫圈 14、 16、螺栓 13 与右半部联接，垫圈 16 与件5 没有任何联接关系。这样依靠弹性钢片组对角联接（即挠性）传递扭矩，且与电机轴和丝杠都无键联接，便是挠性联轴节的工作原理。 1 电机轴； 2、 12 螺钉； 3 法兰； 4 外锥环； 5 左本体； 6、 13 螺栓； 7、 8、 14、 16 垫片； 9 右本体； 10 法兰； 11 丝杠。 图 2-3 挠性联轴器 2.3 基本参数的确定 nts - 5 - 通过主轴孔最大棒料直径 d： 床身宽度 B： B = 2.14 D0.82 = 273 mm 经济合理的工件或刀具直径按照以下几种经验公式估定： d max = (0.5 0.7)D = 0.6D = 0.6 320 = 192 mm d min = (0.08 0.12)D = 0.10D = 0.10 320 = 32 mm 2.3.1 运动参数 可通过类比实验和计算等方法综合确定： n max = 1000 220 = 2189 32 v min 、 v max 、 d min 、 d max 为经济加工切削速度和经济合理的工件或刀具直径。 n max 、n max 是机床的最低、最高转速，其中常用经济加工切削速度硬质合金刀具精车中碳刚 v = 200 220 m/min 取 v max = 220 m/min v min 取高速钢刀具精车丝杠 v = 15m/min。 取 n = 24 2200r/min 计算速度： n j 2.3.2 动力参数 据下列公式及数据估算电机功率 P： F z = f t s （公斤力） f 单位切削面积上的切削力，取硬质合金刀加工中碳钢 f = 220 （公斤力 /mm 2 ） t 切削深度 s 进给量 切削深度及进给量取半精车中碳钢，故 t 取 1mm； s 取 0.2mm； v = 190m/s 取 P = 2.5kw （参考图 2-4 主运动转载图） nts - 6 - 第 3 章 主传动系统设计 3.1 带轮及带的计算 选用宰 V 带传动，电动机的额定功率 P = 2.5 KW,转速 n1 = 1500r/min 传动比 i = 2 一天的运转时间 10h 主传动系统的传动方式 机床主传动系统可分为分级变速传动和无级变速传动。分级调速传动是在一定的变速范围内均匀地、离散地分布着有 限级数的转速，变速级数一般不超过 2030 级。这种传动方法主要用于普通机床，一些普通机床经数控化改造后也保留了原分级变速传动方式。无级调速传动可以在一定的变速范围内连续改变转速，以便得到满足加工要求的最nts - 7 - 佳速度，能在运转中变速，便于自动变速。数控车床的主传动系统通常采用无级变速传动。 与普通机床相比，数控车床的主传动采用交、直流主轴调速电动机，电动机调速范围大，并可无级调速，使主轴箱结构大为简化。为了适应不同的加工需要，数控车床的主传动系统有以下三种传动方式。 （ 1）由电动机直接驱动 （ 2）采用定比传 动 （ 3）采用分档变速传动 无级变速是指在一定的范围内，转速（或速度）能连续地变换，从而获得最有利的切削速度。机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。 （ 1）变速电动机 机床上常有的变速电动机有直流电动机有直流电动机和交流变频电动机，在额定转数以上为恒功率变速，通常变速范围仅为 2 3；额定转速以下为恒转矩变速，调整范围很大，变速范围可达 30 甚至更大。上述功率和转距特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间 串联一个分级变速箱。变速电动机广泛用于数控机床、大型机床中。 （ 2）机械无级变速装置 机械无级变速装置有柯普型、行星锥轮性、分离锥轮钢环形和宽带型等多种结构，它们都是利用摩擦力来传递转距，通过连续地改变摩擦传动副工作半径来实现无级变速。由于它的变速范围小，多数是恒转距传动，通常较少单独使用，而是与分级变速机构串联使用，以扩大变速范围，机械无级变速器应用于要求功率和变速范围较小的中小型车床、铣床等机床的主传动中，更多的是用于进给变速传动中。 （ 3）液压无级变速装置 液压无级变速装置通过改变单位 时间内输入液压缸或液动机中液体的油量来实现无级变速。它的特点是变速范围较广、变速方便、传动平稳、运动换向时冲击小、易于实现直线运动和自动化。液压无级变速装置常用在主运动的机床中，如刨床、拉床等。 1.确定计算功率 P ca 由机械设计 3表 8 6 工作情况系数查得工作情况系数 K A = 1.3,故： P ca = K A P = 1.3 2.5 = 3.25 KW 2.选取窄 V 带带型 根据 P ca、 n 1 由机械设计 3图 8 9 窄 V 带选型图确定选用 SPB 型。 3.确定带轮基准直径 由机 械设计 3表 8 3V 带轮的最小基准直径和 8 7V 带轮的基准直径系列取主nts - 8 - 动轮基准直径 d d1 = 125 mm 根据机械设计 3式（ 8 15），从动轮基准直径 d d2。 d d2 = i d d1 = 2 125 =250 mm 根据机械设计 3表 8 7V 带轮的基准直径系列，取 d d2 = 250 mm 按机械设计 3式（ 8 13）验算带的速度 所以带的速度合适。 4.确定窄 V 带的基准长度和传动中心距 min = 0.7（ d d1 + d d2） = 0.7 （ 125 + 250） = 262.5 mm max = 2 (d d1 + d d2 ) = 2 （ 125 +250） = 750 mm 初步确定中心距 0 =520 mm 根据机械设计 3式（ 8 20）计算带所需的基准长度 由机械设计 3表 8 2V 带的基准长度系列及长度系数 KL选带的基准长度 Ld = 1600mm 按机械设计 3式（ 8 21）计算实际中心距 2 5.验算主动轮上的包角 1 由机械设计 3式（ 8 6）得 所 以主动轮上的包角合适。 6.计算窄 V 带的根数 由机械设计 3式（ 8 22）知 由 n1 = 1480、 dd1 = 125mm、 i = 2 查机械设计 3表 8 5c 单根窄 V 带的基本额定功率 P0 和表 8 5d 单根窄 V 带额定功率的增量 P0 得 : P0 = 2.61KW P0 = 0.56 KW 查机械设计表 8 8 包角系数 Ka 得： Ka=0.98，查表 8 2V 带的基准长度系列及nts - 9 - 长度系数 KL 得： KL = 1.00 则 取 z =2 根。 7.计算预紧力 F0 查机械设计 3表 8 4V 带单位长度的质量得： q = 0.07kg/m，故 8.计算作用在轴上的压轴力 FP 由机械设计 3式（ 8 24）得： 3.2 齿轮校核 主轴箱内的齿轮校核，小齿轮材料为 40Cr，调质处理，硬度 241HB286HB，平均取为260HB，大齿轮选用双片齿轮，用 45 钢，调质处理，硬度为 229HB286HB，平均取 240HB。 Z1 = 27， Z2 = 63， m = 2.5 由机械零件设计手册 1图 12 12 及图齿面接触疲劳强度极限 12 23 按 MQ 级 质量要求取值，查得： Hlim1= 700N/mm2 Hlim2 = 510N/mm2 FE1=580N/mm2 FE2 = 460N/mm2 小齿轮传递的转距 T1 3.2.1 校核齿面接触疲劳强度 按机械零件设计手册 1表 12 20 圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度与齿根弯曲疲劳强度校核计算公式 式中 分度园上的圆周力 Ft： nts - 10 - 使用系数 KA：查机械零件设计手册 1表 12 22 使用系数 得 齿面圆周速度 V： 根据齿轮的圆周速度 V，参考机械零件设计手册 1表 12 34 选择齿轮的精度等级为： 8 8 01 GB10095 88。 查机械零件设计手册 1图 12 8a 直齿圆柱齿轮的动载荷系数 得 KV = 1.01.。 齿向载荷分布系数 KH ： 按 查机械零件设计手册 1图 12 9a 齿向载荷分布系数，得 KH =1。 齿间载荷分布系数 K Ha： 按 查机械零件设计手册 1表 12 23 齿间载荷分布系数，得 KHa = 1.2 节点 区域系数ZH：按 =0。查机械零件设计手册 1表 12 24 材料弹性系数 得 重合度： = + 查机械零件设计手册 1图 12 4 标准外口齿合圆柱齿轮的端面重合度 得 =0.82 =0.91 所以 = + =0.82 +0.91 =1.73 直齿圆柱齿轮可知 Z =1 以上各数值带入齿面接触应力 计算方式得： 计算安全系数 SH：按机械零件设计手册 1表 12 20 圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度与齿根弯曲强度校核计算公式 式中 寿命系数 ZN：先计算应力循环次数 对于调质钢（可以有一定量的点蚀），从机械零件设计手册 1图 12 23 接触强度寿命系数 可查得 N =109 。 nts - 11 - 因为 N1 N，所以 ZN1 1。按 N2 = 7.3 108 从机械零件设计手册 1图 1213 接触强度寿命系数 查得 ZN2=1.03 。 润滑油膜影响系数 ZLVR:按 v=1.413m/s 选 320 号中极压型工业齿轮油，其运动粘度v40=320mm2/S，查接触强度寿命系数图 12 14 软齿面及调质钢、渗碳淬火钢短时间气体或液体氮化齿轮的 ZLVR 值，得 ZLVR = 0.92。 工业硬化系数 ZW：因为小齿轮齿面未硬化处理，齿面未光整，故 ZW=1。 接触强度计算的尺寸系数 ZX：查机械零件设计手册 1图 12 17 接触强度计算的尺寸系数 得 ZX=1。 将以上数值代入安全系数的计算公式得 按机械零件设计手册 1式（ 12 7） SHmin = 1 因为 SH SHmin 故齿轮是安全的。 3.2.2 校核齿根弯曲疲劳强度 按机械零件设计手册 1表 12 20 圆柱齿轮传动齿面接触疲劳强度与齿根弯曲疲劳强度校核计算公式 式中 弯曲强度计算的载荷分布系数 KF KF = KH =1.06 弯曲迁都计算的载荷分配系数 K Fa： K Fa =K Ha =1.2 复合齿轮系数 YFS，按 Zv1 = 27， Zv2 = 63 查机械零件设计手册外齿轮的复 合齿形系数图 12 18 得 YFS1 = 3.1, YFS2 = 2.8 。 弯曲强度计算的重合度与螺旋角系数 Y ：按 =1.73， =0 查机械零件设计手册 1图 12 22 弯曲强度计算的重合度与螺旋角系数 得 Y = 0.68 将以上各数值代入齿根弯曲应力计算公式得 nts - 12 - 式中 寿命系数 YN：对调质钢由机械零件设计手册 1图 12-24 寿命系数，查得弯曲疲劳应力的循环基数 N =3 105 。因为， N1=1.68 109， N2=7.3 108 均大于 N ，所以 YN1= YN2=1 。 相对齿根圆角敏感系数 Y relT：由机械零件设计手册 1图 12-18 外齿轮的符合齿形系数知 qS1 1.5、 qS2 1.5 。查机械零件设计手册 1表 12-25 相对齿根圆角敏感系数表 12-25 相对齿根圆角敏感系数 得 Y relT= =1 。 相对齿根表面状况系数 YRrelT：由机械零件设计手册 1表 12-33 常用精度等级齿轮的加工方法及应用范围，齿面粗糟度 Ra1=Ra2=1.6 m 。按机械零件设计手册 1式12-22， YRrelT=1 。 尺寸系数 YX：查机械零件设计手册 1图 12-25 尺寸系数 得 YX=1 。将以上各数值带入安全系数 SF 的公式得 由机械零件设计手册 1式 12-18， SFmin = 1.4 SF1 和 SF2 均大于 SFmin，故齿轮安全 。 3.3 轴的校核 轴的材料为 45 号钢，经调质后， b = 637 MPa， E = 210 MPa 。轴颈 d = 28 mm 。 齿轮直径 ：大轮 d1 = mz1 = 2.5 63 d1 = 157.5 mm 小轮 d2 = mz2 = 3 17 d2 = 51 mm 大齿轮受力 ： 转距 圆周力 nts - 13 - 径向力 小齿轮受力：转矩 圆周力 径向力 计算机平面内支反力 由 MA =0 得 由 FZ =0,得 RAZ = Fr1 + Fr2 RBZ = 309.66 + 956.31 734.30 = 531.67 N 垂直面的支反力 由 MA =0 得 由 FY =0 得 RAY = Ft1 + Ft2 RDYA = 850.79 + 2627.45 2017.47 = 1460.77N 轴上的转矩图 T = T1 =T2 T= 6.7 105 Nmm 由于齿轮的作用力在水平平面的弯矩图 MBZ = RAZa = 531.67 35 nts - 14 - = 18608.48 Nmm = 18.61 Nm MCZ = RDZc = 734.30 110 = 80773 Nmm = 80.8 Nm 齿轮作用在垂直面的弯矩图 MBY = RAYa = 100.68 35 = 3523.8 Nmm = 3.5 Nm MCY = RDYc = 1877.34 110 = 206507.4 Nmm = 206.5 Nm 大齿轮作用力在 B 截面的最大弯矩 小齿轮作用力在 C 截面的最大弯矩： 根据轴的结构尺寸及弯矩图、转矩图，截面 C 处弯矩较大， 是危险截面 。下面对轴的 C 截面进行弯曲应力校核计算： 由机械零件设计手册 2表 20 13 得 式中许用应力值由机械零件设计手册 2表 20 14 查得： 0b = 110 Mpa 1b = 65 Mpa 应力校正系数 当量转矩 因为 = 20.91MPa = 637MPa 。 所以轴是安全的 。 nts - 15 - 3 4 键的校核 图 3.1 主传动系统图 主轴上的普通圆头平键，轴径 54，传动转矩为 286。 47N*m，整个齿轮组的宽度 B50 ,载荷稳定。 （ 1） 选择键的类型，选 A 型普通平键； （ 2） 确定键的尺寸：查的可选键的尺寸为 b h l=16 10 27 ; （ 3） 挤压强度：取 k=h/2 则工件表面的挤压应力为： 32 2 * 2 8 6 . 4 7 * 1 0 7 8 . 65 * 5 4 * 2 7p T M P ak d l ； （ 4） 7 8 . 6 1 2 0 2 0 0ppM P a M P a ， 故连接能满足挤压强度要求。 （ 5） 剪强度： 由公式得切应力为 32 2 * 2 8 6 . 4 7 * 1 0 2 4 . 61 6 * 5 4 * 2 7T M P abdl 由表得知，当载荷平稳时，许用应力 1 2 0 M Pa 所以 2 4 . 6 M P a，故能满足剪切强度要求。 图 3 1 主传动系统图 nts - 16 - 第 4 章 控制原理设计 4.1 数控系统的基本硬件组成 CNC 系统主要由硬件和软件两大部分组成。硬件和软件的关系是密不可分的。硬件为软件提供了活动舞台，是软件的肌体，而软件则是整个系统的灵魂。数控系统是在软件的控制下，也叫控制软件，存放在计算机 EPROM 内存中。各种 CNC 系统的功能设置和控制方案各不相同，它们的系统软件在结构上和规模上差别很大，但是一般包括输入数据处理程序、插补运算程序、速度控制程序、管理程序和诊断程序。 目前， CNC 系统主要分为两种形式：一种是单个 CPU 组成 的系统；另一种是由两个以上的 CPU 组成的多微处理器系统。 CNC 系统大都采用一个 CPU 完成机床的控制。 4.1.1 单 CPU 系统的组成 单 CPU 组成的系统，数控系统主要由微型计算机、外围 I/O 设备和机床 I/O 控制部分组成。 （ 1）微型计算机 微型计算机又简称微机，它是数控系统的中枢，整个系统是在微机的指挥下协调工作。微机主要由微处理器（也称 CPU），内部存储器（ RAM 及 ROM）和I/O 接口电路组成，相互之间由数据总线、地址总线和控制总线连接。 微机是在系统软件控制下工作，系统软件存放在 只读存储器（ ROM）中，当控制系统接通电源或重新复位时， CPU 就执行存放在 ROM 的系统程序。随机存储器 RAM 主要用来存放工件加工程序、加工现场参数和提供系统的工作缓冲区。由于系统掉电后， RAM 中的信息会丢失，所以应具有掉电保持电路和后备电池供电电路。 （ 2） I/O 接口 I/O 接口是指外围设备与 CPU 之间的接口电路。一般情况下，外围与存储器之间不能直接通信，必须靠 CPU 对 I/O 接口的读 /写控制，完成外围设备与 CPU之间的信息传递。 （ 3）机床 I/O 控制部分 机床 I/O 控制部分是微机与机床连 接的关键部件。 CNC 系统的机床 I/O 控制具有下面几个特点： 1）能够可靠的传送控制机床动作的信息并能输入机床当前的状态信息。 2）能够进行相应的信息转换，以满足 CNC 系统的输入与输出要求。输入时，必须将机床有关状态信息转换成计算机能够识别的二进制数字量； 输出时，应将数字量转换nts - 17 - 成机床各种执行元件所需的物理量。信息转换主要包括以下几种方式：数字量模拟量转换（ D/A）模拟量 /数字量转换 (A/D)；数字量和开关量之间的转换。 （ 3）具有较强的阻断干扰信号进入计算机的能力，以提高系统的可 靠性。为了防止强电干扰信号通过 I/O 控制回路进入计算机，最常见的方法是在接口处增加光电隔离电路。 4.1.2 数控系统的选用 unsp 单片机是由凌阳公司推出的 16 位单片机，它的数据处理较强，集成度较高，而且有较大的存贮器空间，较快的处理速度，片内较多的 RAM 和 FLASHROM 存贮器，有 D/A、A/D 接口和支持 DSP（数字信号处理）的指令，因此在这里不过多地扩展存贮器监控程序和功能子程序的可擦除存贮器和调试程序用的随机存贮器。数控系统也可以直接购买国内外较好的数控系统系列产品作为数控装置。在这里我们是在 unsp 单片机的基础之上设计的数控系统。 4.2 步进电机的控制 4.2.1 步进电机的工作原理 步进电机是将电能转化为机械能的电磁元件。定子上安排了六个磁极，相对的两个磁极上放置着同一相励磁绕组，而转子上没有，只有四个凸极， a、 b、 c、 d 组成，当 s1接通， s2,s3断开， A相建立磁场，转子力求以磁路最大来取向，转子齿与定子 A相磁极对齐，即转子 a、 c齿的轴线与定子 A相磁极轴线重合。当 s1,s3断开， s2接通，转子 b、 d齿的轴线与定子 B 相磁极轴线重合。以此类推 s1 s2 s3 s1循环接通，转子以一定的步距角旋 转，改变输入电流方向，实现反转即 s1 s3 s2 s1。 4.2.2 步进电机的控制 （ 1）、单电压驱动电路 单电压驱动电路的工作原理如图 4-1 所示。 在图 4-1中， L为步进电机激磁绕组的电感， R1为绕组电阻并串接一电阻 Rc，为了减少回路的时间常数 L/(R1+Rc),电阻 Rc 并联一电容 C（可提高负载瞬间电流的上升率），从而提高电机的快速相应能力和启动性能。续流二极管 VD和阻容吸收回路 RC 是功率管 VT的保护线路。 单电压驱动电路是早期的功率驱动电路，它的优点是线路简单，缺点是电流 上升不够快，高频时负载能力低。 （ 2）、高低压驱动电路 高低压驱动电路是恒电压驱动的改进型，它的特点是供给步进电机挠组两种电压，以改善电机启动时的电流前沿特性。一种是高电压 UH，由电机参数和晶体管特性决定，nts - 18 - 一般在 80V 至更高范围；一种是低电压，即步进电机挠组额定电压 UL，一般为几伏至 20V。 图 4-2 为高低压驱动电路的原理。在相序输入信号到来时， IH， IL信号使 VT1， VT2同时导通，给挠组加上高压 UH，以提高挠组中电流上升率；当电流达到规定值时， VT1关断、VT2仍然导通（ tH脉宽小于 tL），则自 动切换到低电压 UL该电路的优点是在较宽的频率范围有较大的平均电流，能产生较大的频率且稳定的平均转矩，其缺点是电流波形由凹陷，电路较复杂。 外加高压控制线路前 置放 大 器输 入图 4-1 高压驱动电路原理图 高压前置放大低压前置放大整形 控制门输入图 4-2 斩波驱动电路原理图 nts - 19 - （ 3）斩波驱动电路 高低压驱动电路的电流波形的波顶会出现凹型，造成高频输出转矩的下降，为了使激磁挠组中的电流维持在额定值附近，需采取斩波电路（见图 4-2）。 斩波电 路以环行分配器的输出脉冲作为输入信号，若为正脉冲，则 VT1 和 VT2导通，由于 UH 电压较高，挠组回路又没有串电阻，所以挠组中的电流迅速上升；当挠组中的电流上升到额定值以上某个数值时，采样电阻 Re 的电压将达到某设定值，并经反馈、放大后送至 VT1 的基极，使 VT1截止。接着挠组由 UL低电压供电，挠组中的电流立即下降，但刚降至额定值以下时，由于采样电阻 RE的反馈作用，使整形电路无信号输出，此时高压前置放大电路又使 VT1导通，电流又上升。如此反复进行，形成一个在额定值上下波动呈锯齿状的电流波形，近似恒流，所 以斩波电路也称斩波恒流驱动电路。锯齿波的频率可通过调整采样电阻 Re和整形电路的电位来调整。斩波电路具有快速响应好、功率小、电机共振小、转矩恒定的突出优点，但电路复杂，低频时会使电机产生严重振荡。 （ 4）高低压斩波恒流驱动电路 W 是步进电机的一相绕组， VD3 是续流二极管。 74LS373 是 8 路三态输出触发器，一路输出信号控制一相绕组，可控制两台三相步进电机或两台四相步进电机。 Q输出高电平，将使其所控制的相绕组通电。 74L 373 的 LE 是锁存允许端，高电平有效。下面来分析一下接口电路的工作过程。 设 绕组初始无电流流过， Rf上的压降为零，即 Uf=0,因此光耦合器 VL3的发光二极管熄灭，其中的光电二极管截止，使与非门 D5的一个输入端为高电平。这时，如果 8031 通过 P0口输出 01H 时， WR有效，并通过反向器作用于 74LS373 的 LE 端，使 74LS373 将单片机输出的信号锁存到输出端，即 1Q 输出高电平信号。这个步进信号一方面通过与非门D2使 VL2的发光二极管发光，使其光电三极管导通，反相器 D4输出高电平，使功率晶体管V4和 v5 导通；另一方面信号作用于 D5门，使 D5输出低电平，经反向器 D6输出高电平，和1Q 一起 作用于 D1,D1输出低电平，因此光耦合器 VL1发光二极管发光，使其中的光电三极管导通。这样 D3 输出高电平， V1 截止，使高压功率晶体管 V2和 V3导通，高电压 Ug作用于电机绕组，使步进电机的一相通电。 nts - 20 - 图 4-3 步进电机驱动电路 图 4-3 中 随着绕组电流的上升， Rf的压降 Uf增加，当 Uf增加到一定程度时，使 VL3的发光二极管发光，从而使其中的光电三极管导通。导通后， D5 输出高电平，反相器 D6输出低电平，但不是立即关闭门 D1 使高压管 V2， V3 截止，而是要延时一段时间。这是因为 Rd,Cd的存在。 Rd,Cd组成了 延时电路，其目的就是延时关闭 V2,V3,这样可避免由于绕组电流的波动而使 V2,V3通断次数太多，以至于造成太多的开关损耗。高压晶体管 V2,V3关断后，便由低压电源供给绕组供电。当绕组电流下降， Uf下降， VL3 发光二极管熄灭，光电三极管截止，若这时 1Q 仍为高电平，则又使高压晶体管 V2,V3导通，高压电源再次作用在绕组上，使绕组中电流上升。上升到设定值后， Uf V2,V3截止。 V2,V3的反复通断，实现了绕组电流的恒流斩波控制。 1Q 输出低电平后， V2V5 皆截止 ,绕组电流经 VD3-Ud-地-Ud-VD4-L 回路 泄放。 由上述过程可知，只要 8051 按照步进电机工作方式和工作频率向接口输出相应的信号，便可实现对步进电机的速度和转向控制。 4 3 键盘及显示器接口 键盘和显示器是数控系统常用的人机对话的外围设备，键盘可以完成程序数据的输入，显示器显示计算机运行时的状态数据。 LCD 的应用非常广泛，从电子表到计算机，从袖珍仪表到便携式微型计算机以及一些文字处理机都应用了液晶显示器。 4.3.1 键盘接口电路 nts - 21 - 键盘接口电路，用 8279 作为并行接口使用。 8279 的地址，数据线和凌阳单片机的接口直接连接，由片选信 号控制实现分时信息传递， IO/M 引脚直接经电阻 R 接高电平。 8279中 PA口的 8根列线按一定时间间隔轮流输出低电平。当扫描到某一列线上时，若无键按下，则行线都是高电平，若有一键按下时，交叉点上对应的行线变为低电平，此低电平信号被计算机捕获后，根据此位置，计算机可判断出此键值。完成一次键输入扫描工作。 4.3.2 液晶显示模块的工作原理 液晶显示模块是一种被动式显示模块，由于它的功耗低，抗干扰能力强，因而在低功耗的单片机应用系统中大量使用。 LCD 本身不发光，只调节光的亮度
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