C620普通车床进行数控改造

欢迎下载本文档参考使用 如果有疑问或者需要CAD图纸的请联系 q1484406321摘要 I 摘 要 针对现有常规 C620 普遍车床的缺点提出数控改装方案和单片机系统设 计 提高加工精度和扩大机床使用范围 并提高生产率 本论文说明了普通 车床的数控化改造的设计过程 较详尽地介绍了C620 机械改造部分的设 计及数控系统部分的设计 采用以8031 为 CPU 的控制系统对信号进行处 理 由 I O 接口输出步进脉冲 经一级齿轮传动减速后 带动滚动丝杠转 动 从而实现纵向 横向的进给运动 改造过程如下 1 机械部分的改造 包括纵向进给方向的改造和横 向进给方向的改造 主要包括对滚珠丝杠螺母副及反应式步进电机的计算选 择及纵向 横向机构装配图方案的制定 2 电气控制部分的设计 主 要包括 MCS 51 系列单片机及扩展 芯片的选用和电气控制图的设计 关键词 数控 单片机 步进电机 滚珠丝杠 改造 ABSTRACT II ABSTRACT To remedy the defects of ordinary lather C620 a design of data processing system and its single chip microcomputer system program is put forward to raise the processing precision and extend the machine s usage and to improve production rate This paper presents the process of designing numerical control reform and explicitly introduces the design of mechanical and numerical control system reforms We adopt control system which has 8031 as cpu to cope with the signal and output the step pulse through the I O interface After transmitting and slowing down by force 1 gear the step pulses drive the leading screw to roll Thus achieve the vertical movement and the crosswise movement Reform process as follows 1 The reformation of machine part include to enter lengthways to the reformation of the direction with horizontal enter to direction of reformation Mainly include to roll the ball screw shaft nut and the calculation choice of reaction stepping motor and the establishment of lengthways horizontal organization assemble diagram project 2 The reformation of electricity part mainly include the choice of MCS 51 family single chip and expand chip and the design of electric control chart Key words numerical control single chip stepping motor ball screw shaft reform 目录 III 目目 录录 摘 要 ABSTRACT 英文摘要 目 录 引引 言 1 第一章 总体方案的设计 3 1 1 设计任务 3 1 2 总体方案的论证 3 1 2 1 机械部分的改造设计 3 1 2 2 伺服进给系统的改造设计 4 1 2 3 数控系统的硬件电路设计 4 1 3 总体方案的确定 5 第二章 机械部分的改造设计 6 2 1 纵向进给系统的改造设计 6 2 1 1 纵向滚珠丝杠副的选用 6 2 1 1 1 确定系统脉冲当量 7 2 1 1 2 车削力的计算 7 2 1 1 3 滚珠丝杠副的设计 计算和选型 7 2 1 2 步进电机的选用 11 2 1 1 1 脉冲量的计算 11 2 1 1 2 等效负载转矩的计算 11 2 1 1 3 等效转动惯量的计算 12 2 1 1 4 步进电机型号的选择 12 2 2 横向进给系统得改造设计 13 2 2 1 横向滚珠丝杠副的选用 13 2 2 1 1 确定系统的脉冲当量 13 2 2 1 2 车削力的计算 13 目录 IV 2 2 1 3 滚珠丝杠副的设计 计算和选型 14 2 2 2 横向步进电机的选用 17 2 2 2 1 脉冲量的计算 17 2 2 2 2 等效负载转矩的计算 17 2 2 2 3 等效转动惯量的计算 18 2 2 2 4 步进电机型号的选择 18 2 3 齿轮传动间隙的调整 19 第三章 电气控制部分的设计 22 3 1 单片机的选择 22 3 2 步进电机的驱动 23 3 2 1 环形脉冲分配器的选择 24 3 2 2 功率放大器的选用 25 3 3 步进电机的微机控制 28 结论 30 致谢 31 参考文献 32 引言 1 引言 现代工业技术的发展 特别是能源部门的需求 使高温高压水广泛应用 于相关的领域中 对国民生产和人民生活起着越来越重要的作用 例如 机床作为机械制造业的重要基础装备 它的发展一直引起人们的关注 由于计算机技术的兴起 促使机床的控制信息出现了质的突破 导致了应用 数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床 数控机床的诞生和发展 计 算机的出现和应用 为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段 随着计算机的发展 数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用 同时使人们 对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变 数控机床以其优异的性 能和精度 灵捷而多样化的功能引起世人瞩目 并开创机械产品向机电一体 化发展的先河 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品 它把刀具 和工件之间的相对位置 机床电机的启动和停止 主轴变速 工件松开和夹 紧 刀具的选择 冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数 字记录在控制介质上 然后将数字信息送入数控装置或计算机 经过译码 运算 发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件 加工出所需的工 件 数控机床与普通机床相比 其主要有以下的优点 1 适应性强 适合加工单件或小批量的复杂工件 在数控机床上改变 加工工件时 只需重新编制新工件的加工程序 就能实现新工件加工 2 加工精度高 3 生产效率高 4 减轻劳动强度 改善劳动条件 5 良好的经济效益 6 有利于生产管理的现代化 引言 2 数控机床已成为我国市场需求的主流产品 需求量逐年激增 我国数控 机机床近几年在产业化和产品开发上取得了明显的进步 特别是在机床的高 速化 多轴化 复合化 精密化方面进步很大 但是 国产数控机床与先进 国家的同类产品相比 还存在差距 还不能满足国家建设的需要 我国是一个机床大国 有三百多万台普通机床 但机床的素质差 性能 落后 单台机床的平均产值只有先进工业国家的1 10 左右 差距太大 急待改造 旧机床的数控化改造 顾名思义就是在普通机床上增加微机控制装置 使其具有一定的自动化能力 以实现预定的加工工艺目标 随着数控 机床越来越多的普及应用 数控机床的技术经济效益为大家所理解 在国内 工厂的技术改造中 机床的微机数控化改造已成为重要方面 许多工厂一面 购置数控机床一面利用数控 数显 PC 技术改造普通机床 并取得了良好 的经济效益 我国经济资源有限 国家大 机床需要量大 因此不可能拿出 相当大的资金去购买新型的数控机床 而我国的旧机床很多 用经济型数控 系统改造普通机床 在投资少的情况下 使其既能满足加工的需要 又能提 高机床的自动化程度 比较符合我国的国情 1984 年 我国开始生产经济 型数控系统 并用于改造旧机床 到目前为止 已有很多厂家生产经济型数 控系统 可以预料 今后 机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及 所 以说 本毕业设计实例具有典型性和实用性 第一章 总体方案的设计 3 第一章 总体方案的设计 1 1 设计任务 本设计任务是对 C620 普通车床进行数控改造 利用 单片机对纵 横 向进给系统进行控制 纵向 Z 向 脉冲当量为 0 01mm 脉冲 横向 X 向 脉冲当量为 0 005mm 脉冲 驱动元件采用步进电机 传动系统采用滚 珠丝杠副 1 2 总体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造 在确定总体设计方案时 应考虑在满 足设计要求的前提下 对机床的改动应尽可能少 以降低成本 1 2 1 机械部分的改造设计 为了实现机床所要求的分辨率 采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠 为了保证一定的传动精度和平稳性 尽量减小摩擦力 选用滚珠丝杠螺母副 同时 为了提高传动刚度和消除间隙 采用有预加负载荷的结构 传动齿轮 也要采用消除齿侧间隙的结构 此设计过程主要是纵向进给和横向进给的 改造 关键是步进电机和滚珠丝杠的选用 改进后的车床简易传动系统如图1 1 第一章 总体方案的设计 4 图 1 1 改进后的车床传动系统 1 小刀架 2 横向步进电动机 3 横向滚珠丝杆 4 大拖板 5 纵向滚珠丝杆 6 纵向步进电动机 1 2 2伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环 半闭环和闭环之分 因为开环控 制具有结构简单 设计制造容易 控制精度较好 容易调试 价格便宜 使 用维修方便等优点 所以 本设计决定采用开环控制系统 1 2 3 数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成 硬件是数控系统的基础 性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能 有了硬件 软件才能有效地 运行 在设计的数控装置中 CPU 的选择是关键 选择 CPU 应考虑以下要素 1 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关 2 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关 3 I O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关 在我国 普通机床数控改造方面应用较普遍的是Z80CPU 和 MCS 51 系 列单片机 主要是因为它们的配套芯片便宜 普及性 通用性强 制造和维 修方便 完全能满足经济型数控机床的改造需要 本设计以8031 芯片为 第一章 总体方案的设计 5 核心 增加存储器扩展电路 接口和面板操作开关组成的控制系统 1 3 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后 确定C620 车床经济型数控改造 方案 C620 车床的主轴转速部分保留原机床的功能 即手动变速 车床的纵向 Z 轴 和横向 X 轴 进给运动采用步进电机驱动 将原来机床的普通 丝杠改为滚珠丝杠以减小摩擦力 并将8031 单片机组成 的微机作为数控 装置的核心 由 I O 接口 环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转 动 经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动 从而实现车床的纵向 横向进给运动 第二章 机械部分的改造设计 6 第二章 机械部分的改造设计 2 1 纵向进给系统的改造设计 2 1 1纵向滚珠丝杠副的选用 滚珠螺旋传动是在丝杠和螺母滚道之间放人适量的滚珠 使螺纹间产生 滚动摩擦 丝杠转动时 带动滚珠沿螺纹滚道滚动 螺母上设有返向器 与 螺纹滚道构成滚珠的循环通道 为了在滚珠与滚道之间形成无间隙甚至有过 盈配合 可设置预紧装置 为延长工作寿命 可设置润滑件和密封件 滚珠螺旋传动与滑动螺旋传动或其它直线运动副相比 有下列特点 1 传动效率高 一般滚珠丝杠副的传动效率达90 95 耗费能 量仅为滑动丝杆的 1 3 2 运动平稳 滚动摩擦系数接近常数 启动与工作摩擦力矩差别很 小 启动时无冲击 预紧后可消除间隙产生过盈 提高接触刚度和传动精度 3 工作寿命长 滚珠丝杠螺母副的摩擦表面为高硬度 HRC58 62 高精度 具有较长的工作寿命和精度保持性 寿命约为滑动丝杆副的 4 10 倍以上 4 定位精度和重复定位精度高 由于滚珠丝杆副摩擦小 温升小 无爬行 无间隙 通过预紧进行预拉伸以补偿热膨胀 因此可达到较高的定 位精度和重复定位精度 5 同步性好 用几套相同的滚珠丝杆副同时传动几个相同的运动部 件 可得到较好的同步运动 6 可靠性高 润滑密封装置结构简单 维修方便 7 不能自锁 用于垂直传动时 必须在系统中附加自锁或制动装置 第二章 机械部分的改造设计 7 8 制造工艺复杂 滚珠丝杆和螺母等零件加工精度 表面粗糙度要求 高 故制造成本较高 2 1 1 1确定系统的脉冲当量 在数控机床中 一个脉冲所产生的坐标轴位移量叫做脉冲当量 通常用 表示 也称机床的最小设定单位 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一 个基本技术参数 按机床设计的加工精度选定 本设计所要求的C620 的脉冲当量为 纵向 Z 向 脉冲当量为 0 01mm 脉冲 横向 X 向 脉 冲当量为 0 005mm 脉冲 2 1 1 2 车削力的计算 在设计机床进给伺服系统时 计算传动和导向元件 选用伺服电机等都 要用到切削力 现我们利用经验公式计算主切削力 车床的主切削力可用下式计算 NFZ 5 1 max 67 0 DFZ 式中 车床床身加工的最大直径单位为mm max D 因 C620 床身加工的最大直径 410mm 则 NFZ 3 556241067 0 5 1 按以下比例分别求出 分力和 x F y F4 0 25 0 1 yxZ FFF 则 NFx1391 NFy2226 2 1 1 3 滚珠丝杠螺母副的设计 计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型 确定滚轴循环方式 滚珠 丝杠副的预紧方式 结构类型确定后 再计算和确定其他参数 包括 公称 直径 导程 滚珠的工作圈数 列数 精度等级等 d 0 Ljk 本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式 滚珠丝杠副的预 紧方法选择双螺母螺纹预紧 第二章 机械部分的改造设计 8 图2 1 双螺母螺纹调隙式结构 1 2 单螺母 3 平键 4 调整螺母 1 23 4 1 计算进给率牵引力 m F 作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移 动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力 因而其数值大小和导轨的形 式有关 的计算公式如下 m F 纵向进给导轨为三角形 则 GFfKFF zxm N 8003 5562 15 0 139115 1 N2554 三角形导轨选取参数 NGfK800 15 0 15 1 2 计算最大动负荷C 选用滚珠丝杠副的直径时 必须保证在一定轴向负载作用下 丝杠 0 d 在回转 100 万转后 在它的滚道上不产生点蚀现象 这个轴向负载的最大 值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷 计算步骤如下 C 丝杠转速其中 0 1000 L n s s min75 0 m6 0 L min125 6 75 0 1000 rn 寿命 6 10 60Tn L r 6 1025 11 10 150012560 6 最大动负荷 NFjLC Mw 13 858425545 125 11 33 第二章 机械部分的改造设计 9 3 计算最大静负荷 当滚珠丝杠副在静态或低速 情况下工作时 滚珠丝杠min10rn 副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生变形 当塑性变形超过一定限度就 会破坏滚珠丝杠副的正常工作 一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万 分之一 产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷 选取静 0 C 态安全系数 2 滚珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静 s f 2254 maxm FF 负荷为 510825542 max0 FfC s 4 选择滚珠丝杠副 见表 2 1 5 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 943 0 0506 0 0477 0 542tan 442tan tan tan 0 0 表 2 1滚珠丝杠副参数 型号 公称 直径 mm 基本导 程 mm 螺旋升 角 丝杠外 径 mm 丝杠内 径 mm 额定动 载荷 N 丝杠长 度 mm 额定静载荷 N 5 34006 406 442o 2 3998 3524100120082400 6 刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩 T 共同作用下引起的每导程变 m F 形量是否符合丝杠精度要求 L 每导程变形量可按以下公式计算L 2 00 21 L EF LF LLL m 第二章 机械部分的改造设计 10 GJ TL0 选取 10 6 20 4 mmNE 2 2 1 88 1017 4 mm d F mm EF LF L m5 4 0 1 103 7 88 101710 6 20 62554 mm L L 4 4 0 2 102 2 2 1028 2 6 2 其中 444 1 102 8 64 mmdJ mmmm 4 4 1028 2 102 8824 62554 则 21 LLL 45 102 2103 7 mm 4 1093 2 mmmL L 000293 0 6 100100 1 mmm 0049 0 查表所得 所选用的级丝杠精度允许误差 为 满足要求 Dmm 10 7 稳定性校核 机床在进给时滚珠丝杠通常 是受轴向力的一压杆 若轴向力过大 将使丝杠失去稳定而产生翘曲 所以选用时必须进行稳定性校核 如果满足 稳定性安全系数大于许用稳定性安全系数 则丝杠安全 不会失稳 k n k n k m k k n F p n 式中 许用稳定性安全系数 一般取2 5 4 k n 丝杠失稳时的临界负载 由 k p 2 l EJ pk 式中 丝杠长度 l 第二章 机械部分的改造设计 11 丝杠轴端系数 由支承条件定 截面惯性矩 对实心圆 J 4 1 64 dJ 对于水平丝杠要考虑自重影响可取 4 k n 将相关数据代入上式中可得 Npk115776 12001 102 810 6 20 2 462 45 2554 115776 kk nn 丝杠不会失稳 2 1 2 步进电机的选用 2 1 2 1脉冲量的选择 初选三相步进电动机的步距角为 当三相六拍 1 2 00 5 175 0 相励磁 运行时 步距角其妹转脉冲数 0 75 0 rpS480 75 0 360360 0 00 脉冲当量 由此可得中间齿轮传动比为pmm01 0 i 25 1 48001 0 6 S L i 2 1 2 2等效负载转矩计算 1 空载时的摩擦转矩 LF T m i L T s LF 046 0 25 1 8 02 006 0 80006 0 2 2 车削加工时的负载转矩 L T m LFWF T Si yx L 5 1 25 1 8 02 006 0 222680006 0 1391 2 第二章 机械部分的改造设计 12 2 1 2 3等效转动惯量 的计算 1 滚珠丝杠的转动惯量 S J 2 344 0 00237 0 32 1085 7 2 104 0 32 m ld JS 2 拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量 J m i L g W Jw 5 2 2 2 2 1076 4 25 1 1 2 006 0 8 9 8001 2 3 大齿轮的转动惯量 2g J 选取大齿轮齿数 小齿轮齿数 模数 45 2 Z36 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 0005056 0 32 1085 7 01 0 09 0 32 m bd Jg 4 小齿轮的转动惯量 1g J 2 34 1 4 1 1 0004142 0 32 1085 7 02 0 072 0 32 m bd Jg 换算到电动机轴上的总惯性负载 L J 2 2 1 i JJ JJJ sg wgL 2 2 0023 0 25 1 00237 0 0005056 0 0000476 00004142 0 m 2 1 2 4步进电动机型号 的选择 已知 初选步进电机型号为 110BF003 mTL 5 1 23 103 2mJL 步距角三相六拍 其中最大静扭矩 转子惯量 0 75 0 mT 8 max 由此可得 23 10 8 36mkgJm 5 018 0 8 5 1 max T TL 2 3 3 25 0 10 8 36 103 2 m L J J 第二章 机械部分的改造设计 13 1 4 1 max T JL 经验算可知电动机合格 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图如图2 2 外型图 图 2 2 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图 2 2 横向进给系统的改造设计 2 2 1横向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用 横向进给方向的设计过程同纵向方向相同 2 2 1 1确定系统的脉冲当量 横向 X 向 脉冲当量为 0 005mm 脉冲 2 2 1 2车削力的计算 车床的主切削力可用下式计算 NFZ 5 1 max 67 0 DFZ 式中 车床刀架加工的最大直径单位为 mm max D 因 C620 床身加工的最大直径 210mm 则 NFZ203921067 0 5 1 按以下比例分别求出分力和 x F y F4 0 25 0 1 yxZ FFF 第二章 机械部分的改造设计 14 则 NFx510 NFy 6 815 2 2 1 3滚珠丝杠螺母副的设计 计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型 确定滚轴循环方式 滚珠 丝杠副的预紧方式 结构类型确定后 再计算和确定其他参数 包括 公称 直径 导程 滚珠的工作圈数 列数 精度等级等 d 0 Ljk 本设计中选择滚珠循环方式为内循环方式中的固定式 滚珠丝杠副 的预紧方法选择双螺母 螺纹预紧 1 计算进给率牵引力 m F 作用在滚珠丝杠上的进给率牵引力主要包括切削力时的走刀抗力以及移 动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力 因而其数值大小和导轨的形 式有关 的计算公式如下 m F 横向进给导轨为 燕尾形 则 2 GFFfKFF xzym N 6 1873 60051022039 2 0 6 8154 1 燕尾形导轨选取参数 NGfK600 2 0 4 1 2 计算最大动负荷C 选用滚珠丝杠副的直径时 必须保证在一定轴向负载作用下 丝杠 0 d 在回转 100 万转后 在它的滚道上不产生点蚀现象 这个轴向负载的最大 值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷 计算步骤如下 C 丝杠转速其中 0 1000 L n s s min6 0m5 0 L min120 5 6 01000 rn 寿命 6 10 60Tn L r 6 10 8 10 10 150012060 6 最大动负荷 MwF fLC 3 第二章 机械部分的改造设计 15 6212 6 18735 1 8 10 3 3 计算最大静负荷 当滚珠丝杠副在静态或低速 情况下工作时 滚珠丝杠min10rn 副的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生变形 当塑性变形超过一定限度就 会破坏滚珠丝杠副的正常工作 一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万 分之一 产生大的塑性变形量的负载称为允许的最大静负荷 选取静 0 C 态安全系数 2 滚珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静 s f 6 1873 maxm FF 负荷为 2 3747 6 18732 max0 FfC s 4 选择滚珠丝杠副 表 2 2 滚珠丝杠 副参数 型号 公称 直径 mm 基本导 程 mm 螺旋升 角 丝杠外 径 mm 丝杠内 径 mm 额定动 载荷 N 丝杠长 度 mm 额定静载荷 N 5 22005 205 334 3 19 2 171265028031600 5 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 965 0 0825 0 0796 0 434tan 334tan tan tan 0 0 6 刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载和扭矩 T 共同作用下引起的每导程变 m F 形量是否符合丝杠精度要求 L 第二章 机械部分的改造设计 16 每导程变形量可按以下公式计算L 2 00 21 L EF LF LLL m GJ TL0 选取 10 6 20 4 mmNE 2 2 1 23 232 4 mm d F mm EF LF L m4 4 0 1 100 2 23 23210 6 20 5 6 1873 mm L L 3 3 0 2 101 2 2 1064 2 5 2 其中 434 1 103 4 64 mmdJ mmmm 3 5 1064 2 43 0 10 4 82 5 6 1873 则 21 LLL 34 101 2100 2 mm 3 103 2 mmmL L 0023 0 5 100100 1 mmm 046 0 查手册所得 所选用的级丝杠精度允许误差为 满足要求 Gmm 60 7 稳定性校核 机床在进给时滚珠丝杠通常是受轴向力的一压杆 若轴向力过大 将使 丝杠失去稳定而产生翘曲 所以选用时必须进行稳定性校核 如果满足稳定 性安全系数大于许用稳定性安全系数 则丝杠安全 不会失稳 k n k n k m k k n F p n 第二章 机械部分的改造设计 17 式中 许用稳定性安全系数 一般取2 5 4 k n 丝杠失稳时的临界负载 由 k p 2 l EJ pk 式中 丝杠长度l 丝杠轴端系数 由支承条件定 截面惯性矩 对实心圆J 4 1 64 dJ 对于水平丝杠要考虑自重影响可取 4 k n 将相关数据代入上式中可得 Npk 7 2 362 1012 1 2801 103 410 6 20 6000 6 1873 1012 1 7 kk nn 丝杠不会失稳 2 2 2 横向步进电机的选用 2 2 2 1脉冲量的选择 初选三相步进电动机的步距角为 当三相六拍 1 2 相励 00 5 175 0 磁 运行时 步距角其妹转脉冲数 0 75 0 rpS480 75 0 360360 0 00 初选脉冲当量 由此可得中间齿轮传动比为pmm005 0 i 08 2 480005 0 5 S L i 2 2 2 2等效负载转矩计算 1 空载时的摩擦转矩 LF T 第二章 机械部分的改造设计 18 m Li T s LF 017 0 8 02 48 0 005 0 60006 0 2 2 车削加工时的负载转矩 L T m LiFWF T S yx L 29 0 8 02 48 0 005 0 6 81580006 0 510 2 2 2 2 3等效转动惯量 的计算 1 滚动丝杠的转动惯量 S J 2 344 0 000034 0 32 28 0 1085 7 02 0 32 m ld JS 2 拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量 w J mi L g W Jw 52 2 2 2 1089 0 48 0 2 005 0 8 9 600 2 3 大齿轮的转动惯量 2g J 选取大齿轮齿数 小齿轮齿数 模数 50 2 Z24 1 Zmmm2 2 34 2 4 2 2 00077 0 32 1085 7 01 0 1 0 32 m bd Jg 4 小齿轮的转动惯量 1g J 2 34 1 4 1 1 000082 0 32 1085 7 02 0 048 0 32 m bd Jg 换算到电动机轴上的总惯性负载 L J 2 21 iJJJJJ sgwgL 2 2 000276 0 48 0 000034 0 00077 0 0000089 0 000082 0 m 2 2 2 4步进电动机型号 的选择 已知 初选步进电mTL 29 0 2524 1082 2 1076 2 mkgmJL 机型号为 90BF002 步距角三相六拍 其中最大静扭矩 0 75 0 第二章 机械部分的改造设计 19 转子惯量 由此可得 mT 92 3 max 25 1064 17mkgJm 5 0074 0 92 3 29 0 max T TL 2 5 5 25 0 1064 17 1082 2 m L J J 1 4 1 max T JL 经验算可知电动机合格 电动机外形图 及矩频图 如图 2 3 图 2 3 110BF003 步进电机的外观图及矩频特性图 2 3 齿轮传动间隙的调整 在横向进给和纵向进给的步进电机和滚珠丝杠间都是通过一对减速 直齿轮传动的 这就要求我们对齿轮的传动间隙进行调整 常用的直齿轮调整齿侧间隙的方法有以下几种 1 偏心套 轴 调整法 如图 2 4 所示 将相互啮合的一对齿轮中的 一个齿轮 4 装在电机输出轴上 并将电机2 安装在偏心套 1 或偏心轴 上 通过转动偏心套 偏心轴 的转角 就可调节两啮合齿轮的中心距 从而消 除圆柱齿轮正 反转时的齿侧间隙 特点是结构简单 但其侧隙不能自动补 偿 第二章 机械部分的改造设计 20 图 2 4 偏心套式间隙消除机构 1 偏心套 2 电动机 3 减速箱 4 5 减速齿轮 2 轴向垫片调整法 如图 2 5 所示 齿轮 1 和 2 相啮合 其分度圆 弧齿厚沿轴线方向略有锥度 这样就可以用轴向垫片3 使齿轮 2 沿轴向 移动 从而消除两齿轮的齿侧间隙 装配时轴向垫片3 的厚度应使得齿轮 1 和 2 之间既齿侧间隙小 运转又灵活 特点同偏心套 轴 调整法 图 2 5 圆柱齿轮轴向垫片间隙消除机构 3 双片薄齿轮错齿调整法 这种消除齿侧间隙的方法是将其中一个 做成宽齿轮 另一个用两片薄齿轮组成 采取措施使一个薄齿轮的左齿侧和 另一个薄齿轮的右齿侧分别紧贴在宽齿轮齿槽的左 右两侧 以消除齿侧间 隙 反向时不会出现死区 具体调整措施如下 第二章 机械部分的改造设计 21 周向弹簧式 图 2 6 在两个薄片齿轮 2 和 4 上各开了几条周向圆弧 槽 并在齿轮 3 和 4 的端面上有安装弹簧 2 的短柱 1 在弹簧 2 的作用下 使薄片齿轮 3 和 4 错位而消除齿侧间隙 这种结构形式中的弹簧2 的拉 力必须足以克服驱动转矩才能起作用 因该方法受到周向圆弧槽及弹簧尺寸 限制 故仅适用于读数装置而不适用于驱动装置 可调拉簧式 图 2 7 在两个薄片齿轮 1 和 2 上装有凸耳 3 弹簧的 一端钩在凸耳 3 上 另一端钩在螺钉 7 上 弹簧 4 的拉力大小可用螺母 5 调节螺钉 7 的伸出长度 调整好后再用螺母6 锁紧 本设计所选用的是双片薄齿轮错齿调整法中的可调拉簧式 由此就 可以将纵向及横向进给系统的装配图设计并画出 具体请见图纸 图 2 6 薄片齿轮周向拉簧错齿调隙机构 图 2 7 可调拉簧式调隙 第三章 电气控制部分的 设计 22 第三章 电气控制部分的设计 在这一部分我们采用 MCS 51 系列单片机控制主控系统 51 系列相对 48 系列指令更丰富 相对 96 系列价格更便宜 51 系列中 是无 ROM 的 8051 8751 是用 EPROM 代替 ROM 的 8051 目前 工控机中应用最多的是 8031 单片机 本设计以 8031 芯片为核心 增加存储器扩展电路 接口和 面板操作开关组成的控制系统 3 1单片机的选择 图 3 1 8031 引脚图 本设计选用 8031 芯片 片内无 ROM 或者 EPROM 使用时必须配置外 部的程序存储器 EPROM 本设计选用了 27128 扩展其空间 8031 的引脚 分 3 大功能 1 I O 口线 P0 P1 P2 P3共 4 个八位口 2 控制口线 PSEN 片外取指控制 ALE 地址锁存控制 EA 片外存 储器选择 RESET 复位控制 第三章 电气控制部分的 设计 23 3 电源和时钟 8031 最小应用系统 8031 内部不带 ROM 需要外接 EPROM 作为外部 程序存储器 又因为 8031 在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8 位信息和数据信息分时送出 故还需要采用一片6264 数据存储器储存数 据 这样 一片 27128EPROM 和一片 6264 组成了一个最小的计算机应用系 统 图 3 2 系统存储器 3 2步进电机的驱动 步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切关系 驱动电源由脉 冲分配器 功率放大器组成 驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及 方向信号按要求的配电方式自动的循环供给电机各组绕组 以驱动电机转子 正反向旋转 第三章 电气控制部分的 设计 24 3 2 1环形脉冲分配器的选择 步进电机的各组绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作 这种使电机 绕组的通电顺序按一定规律变化的部分称为脉冲分配器 又称环形脉冲分配 器 所以不同相的电机应选用不同的环形分配器 本设计中所选用的电机 纵向部分为 110BF003 三相反应式步进电机 与其相配的环形脉冲分配器为 CH250 其管脚图见图 3 3 图 3 3 CH250 管脚图 CH250 有 A B C 三个输出端 当输入端 CL 或 EN 加上时钟脉冲后 输出波形将符合三相 反应式步进电机的要求 输出电流能力为0 5mA 经 推动级 驱动级放大后即可驱动电动机绕组 CH250 在供三相六拍步进电机工作时 线路中的接线见图3 4 图 3 4 三相六拍时 CH250 接线图 第三章 电气控制部分的 设计 25 横向部分为 90BF002 五相反应式步进电机 与其相配的环形脉冲分配 器为 PMM8714 其管脚图 见图 3 5 3 2 2功率放大器的选用 从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安 不能直接驱动步进电机 必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大 使其增 大到几至十几安培 从而驱动步进电机运转 步进电机所使用的功率放大器有电压型和电流型 电压型又有单电压型 双电压型 高低压型 电流型中有恒流驱动 斩波驱动等 图 3 5 PMM8714 管脚图 1 单电压功率放大电路 此电路的优点是电路结构简单 不足之处是Rc 消耗能量大 电流脉 冲前后沿不够陡 在改善了高频性能后 低频工作时会使振荡有所增加 使 低频特性变坏 2 高低电压功率放大电路 电源 U1 为高电压 电源大约为 80 150V U2 为低电压电源 大约为 5 20V 在绕组指令脉冲到来时 脉冲的上升沿同时使VT1 和 VT2 导通 图 3 5 单电压功率放大器 第三章 电气控制部分的 设计 26 由于二极管 VD1 的作用 使绕组只加上高电压U1 绕组的电流很快达 到规定值 到达规定值后 VT1 的输入脉冲先变成下降沿 使VT1 截止 电动机由低电压 U2供电 维持规定电流值 直到VT2输入脉冲下降沿到 来 VT2截止 不足之处是在高低压衔接处的电流波形在顶部有下凹 影响电动机运行 的平稳性 图 3 6 高低电压功率放大电路 3 斩波恒流功放电路 该电路的特点是工作时 Vin 端输入方波步进信号 当 Vin 为 0 电 平 由与门 A2输出 Vb为 0 电平 功率管 达林顿管 VT 截止 绕组 W 上无电流通过 采样电阻上R3上无反馈电压 A1放大器输出高电平 而当 Vin为高电平时 由与门 A2输出的 Vb也是高电平 功率管 VT 导通 绕组 W 上有电流 采样电阻上 R3上出现反馈电压 Vf 由分压电阻 R1 R2得到设定电压与反馈电压相减 来决定A1输出电平的高低 来决 定 Vin信 第三章 电气控制部分的 设计 27 号能否通过与门 A2 若 Vref Vf时 Vin信号通过与门 形成 Vb正脉冲 打开功率管 VT 反之 Vref Vf时 Vin信号被截止 无 Vb正脉冲 功率 管 VT 截止 这样在一个 Vin脉冲内 功率管 VT 会多次通断 使绕组电流 在设定值上下波动 图 3 7 斩波恒流功放电路 通过比较选择 本设计中选用单电压功率放大电路 为了避免功放后 强电对弱电产生干扰 应在 环形分配器和功率放大电路之间加一个光电隔 离电路 3 3步进电机的微机控制 步进电机的工作过程一般由控制器控制 控制器按照设计者的要求完成 一定的控制过程 使功率放大电路按照要求的规律驱动步进电机运行 简单 地控制过程可以用各种逻辑电路来实现 但缺点是线路复杂 控制方案 改变困难 自从微处理器问世以来 给步进电机控制器设计开辟了新的途径 各种单片微型计算机的迅速发展和普及 为设计功能很强而价格低廉的步进 电机控制器提供了条件 使用微型计算机对步进电机进行控制有串行和并行 两种方式 第三章 电气控制部分的 设计 28 串行控制 具有串行控制功能的单片机系统与步进电机驱动电源之间具 有较少的连线 将信号送入步进电机驱动电源的环形分配器 所以在这种系 统中 驱动电源中必须含有环形分配器 这种控制方式的示意图见图3 8 方式信号 方向信号 CP 脉冲 图 3 8 串行控制示意图 P1 0 P1 1 8031 P1 2 步 进 电 机 环 形 分 配 器 功 率 放 大 电 路 并行控制 用微型计算机系统的数个接口直接去控制步进电机各相驱动 电路的