【JG008】C620普通车床进行数控改造[3A0]
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【JG008】C620普通车床进行数控改造[3A0],jg008,c620,普通,车床,进行,数控,改造,a0
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山东大学 毕业设计（论文） 题 目： 通车床进行数控改造 专 业： 机电一体化工程 学 生： 准考证号： 指导老师： 毕业设计（论文）时间： 年 月 日 年 月 日 山东大学本科生毕业设计（论文） I 摘 要 针对现有常规 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 械改造部分的设计及数控系统部分的设计。采用以8031 为 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 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 山东大学本科生毕业设计（论文） o of 620, a of is to s to of of We 031 as to 。 by to as 1)of to to of to of to of of (2)of of 山东大学本科生毕业设计（论文） 录 引 言 1 第一章 总体方案的设计 . 5 计任务 . 5 体方案的论证 . 5 械部分的改造设计 . 5 服进给系统的改造设计 . 6 控系统的硬件电路设计 . 6 体方案的确定 . 7 第二章 机械部分的改造设计 . 8 向进给系统的改造设计 . 8 向滚珠丝杠副的选用 . 8 进电机的选用 . 14 向进给系统得改造设计 . 18 向滚珠丝杠副的选用 . 18 向步进电机的选用 . 24 轮传动间隙的调整 . 25 第三章 电气控制部分的设计 . 30 片机的选择 . 30 进电机的驱动 . 31 形脉冲分配器的选择 . 31 率放大器的选用 . 32 进电机的微机控制 . 35 结论 . 38 致谢 . 39 参考文献 . 40 山东大学本科生毕业设计（论文） - 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。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 2 - 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。 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。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 3 - 国外利用数字计算机进行控制加工是从 40 年代开始的。 1952 年美国麻省理工学院在一台立式铣床上装了一套试验性的数控系统，成功地实现同时控制三轴的运动，它成了世界上第一台数控机床。此后，从 60 年代开始，其他一些工业国家如德国、日本等陆续地开发生产及使用数控机床。 1974 年微处理机直接用于数控机床，进一步促进了数控机床的普 及应用和大力发展。随着数控机床的功能越来越完善，可靠性和性能越来越高，它在制造业中逐渐担当了越来越重要的角色。 我国数控机床的研制是从 1958 年开始的，经历了几十年的发展，直至 80 年代后引进了日本、美国、西班牙等国数控伺服及伺服系统技术后，我国的数控技术才有质的飞跃，应用面逐渐铺开，数控技术产业才逐步形成规模。由于现代工业的飞速发展，市场需求变的越来越多样化，多品种、中小批量甚至单件生产占有相当大的比重，普通机床已越来越不能满足现代加工工艺及提高劳动生产率的要求。如果设备全部更新替换，不仅资金投入太大，成本 太高，而且原有设备的闲置又将造成极大的浪费。如今科学技术发展很快，特别是微电子技术和计算机技术的发展更快，应用到数控系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工精度，所以最经济的办法就是进行普通机床的数控改造。这样既可以提高加工生产率，改善加工工艺，还可以减少资金投入，减轻工人的劳动强度，缩短订购新的数控机床的交货周期时间。实践已经证明普通车床的经济型数控改造具有重大的实际价值，为此，在旧有车床上进行数控改造有着较好的市场前景。 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、山东大学本科生毕业设计（论文） - 4 - 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、 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 。山东大学本科生毕业设计（论文） - 5 - 第一章 总体方案的设计 计任务 本设计任务是对 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 冲，横向（ X 向）脉冲当量为 冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副 。 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。 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 山东大学本科生毕业设计（论文） - 5 - 图 1进后的车床传动系统 动机 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。 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， 选择是关键，选择 考虑以下要素： 2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 山东大学本科生毕业设计（论文） - 6 - 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 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。 体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定 床经济型数控改造 方案 。 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。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 7 - 第二章 机械部分的改造设计 向进给系统的改造设计 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 (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，可得到山东大学本科生毕业设计（论文） - 8 - 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。 (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。 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 脉冲当量为： 纵向（ Z 向）脉冲当量为 冲，横向（ X 向）脉冲当量为 冲 。 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 )(用下式计算： 式中 车床床身加工的最大直径单位为 因 身加工的最大直径 410： 6 24 1 按以下比例分别求出分力: 391， 226山东大学本科生毕业设计（论文） - 9 - 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 d 、导程0L、滚珠的工作圈数 j 、列数 k 、精度等级等。 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。 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸和发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠螺母副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业 得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。 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12 34(1)计算进给率牵引力文） - 10 - 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。 纵向进给导轨为三角形，则： )( N) 三角形导轨选取参数： 0 0, (2)计算最大动负荷 C 选用滚珠丝杠副的直径0须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 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 C 。计算步骤如下： 丝杠转速01000Ln s 其中 s = m 60 L m 6 0 寿命61060 （ 500125606 最大动负荷 (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山东大学本科生毕业设计（论文） - 11 - 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0C。选取静态安全系数，滚珠丝杠的最大轴向负荷 2254m a x 故最大静负荷为： 5 1 0 82 5 5 42m a fC s 。 (4)选择滚珠丝杠副 见表 25)传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 0 4 7 42t an t 00 表 2珠丝杠副参数 型号 公称直径 螺旋升角 丝杠外径)(丝杠内径)(额定动载荷 )(N 丝杠长度 额定静载荷 )(N 406)刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载 共同作用下引起的每导程变形量 L 是否符合丝杠精度要求。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 12 - 每导程变形量 L 可按以下公式计算 2 0021 m 选取 )( 221 )( 1 74 FL m 5401 2554 402 其中： 4441 4 2 5 54 则： 21 45 0 0 0 2 9 01 0 01 查表所得，所 选用的 D 级丝杠精度允许误差为 0 ，满足要求。 (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文） - 13 - 大于许用稳定性安全系数 (则丝杠安全，不会失稳： )( 式中 ( 许用稳定性安全系数，一般取 4。 丝杠失稳时的临界负载，由： 2)( 式中 l 丝杠长度 丝杠轴端系数，由支承条件定。 J 截面惯性矩，对实心圆 4164对于水平丝杠要考虑自重影响可取 ( 4。 将相关数据代入上式中可得 Np k 1 1 5 7 76)12001( 462 )(4525 5411 577 6 kk 丝杠不会失稳。 进电机的选用 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上 步进电机只有周期性的误差 而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不山东大学本科生毕业设计（论文） - 14 - 能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好 步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。 冲量的选择 初选三相步进电动机的步距角为 00 当三相六拍（ 1 2 相励磁）运行时，步距角 其妹转脉冲数 8 03 6 0 000 脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比 i 为 效负载转矩计算 0 4 0 T 效转动惯量的计算 文） - 15 - 23440 0 0 2 3 w 52222 2 52 Z ，小齿轮齿数 361 Z ，模数 。 2342422 0 0 0 5 0 5 g 0 0 4 1 4 g 换算到电动机轴上的总惯性负载 221 i 2 3 0 5 0 5 0 0 4 7 0 4 1 4 进电动机型号的选择 步进电机分三种：永磁式（ ，反应式（ 混合式（ 磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步进角一般为 或 15 度；反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步进角一般为 ，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80 年代已被淘汰；混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五山东大学本科生毕业设计（论文） - 16 - 相：两相步进角一般为 而五相步进角一般为 。这种步进电机的应用最为广泛。 保持转矩（ 指步进电机通电但没有转动时，定子锁住转子的力矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大 而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说 步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为 步进电机。 当步进电机转动时，电机各相绕组的电感将形成一个反向电动势；频率越高，反向电动势越大。在它的作用下，电机随频率（或速度）的增大而相电流减小，从而导致力矩下降。 四相混合式步进电机一般由两相驱动器来驱动，因此，连接时可以采用串联接法或并联接法将四相电机接成两相使用。串联接法一般在电机转速较的场合使用，此时需要的驱动器输出电流为电机相电流的 ，因而电机发热小； 并联接法一般在电机转速较高的场合使用（又称高速接法），所需要的驱动器输出电流为电机相电流的 而电机发热较大。 已知 23103.2 初选步进电机型号为 110距角 中最大静扭矩 8子惯量 ，由此可得： a x , 233 141 山东大学本科生毕业设计（论文） - 17 - 经验算可知电动机合格。 110进电机的外观图及矩频特性图如图 2 外型图 : 图 210进电机的外观图及矩频特性图 向进给系统的改造设计 向进给系统滚珠丝杠螺母副的选用 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。启动时山东大学本科生毕业设计（论文） - 18 - 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 (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 410 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。 (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。 定系统的脉冲当量 横向（ X 向）脉冲当量为 冲 。 削力的计算 车床的主切削力 )(用下式计算： F Z 式中 车床刀架加工的最大直径单位为 因 身加工的最大直径 210： 2 0 3 92 1 山东大学本科生毕业设计（论文） - 19 - 按以下比例分别求出分力: 10， 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 d 、导程0L、滚珠的工作圈数 j 、列数 k 、精度等级等。 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。 滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件 ，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸和发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠螺母副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。 (1)计算进给率牵引力轨上的摩擦力。因而其数值大小和导轨的形式有关。 横向进给导轨为燕尾形，则： )2( 山东大学本科生毕业设计（论文） - 20 - 60051022039(燕尾形导轨选取参数： 0 0, (2)计算最大动负荷 C 选用滚珠丝杠副的直径0须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转 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 C 。计算步骤如下： 丝杠转速01000Ln s 其中 s = m 50 L m 5 0 寿命61060 （ 500120606 最大动负荷 (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0C。选取静态安全系数，滚珠丝杠的最大轴向负荷 a x 故最大静负荷为 4 7 32m a fC s 山东大学本科生毕业设计（论文） - 21 - (4)选择滚珠丝杠副 表 2珠丝杠副参数 型号 公称直径 螺旋升角 丝杠外径)(丝杠内径)(额定动载荷 )(N 丝杠 长度 额定静载荷 )(N 205334)传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 2 7 9 34t an t 00 (6)刚度校核 主要校核滚珠丝杠在工作负载 共同作用下引起的每导程变形量 L 是否符合丝杠精度要求。 每导程变形量 L 可按以下公式计算 2 0021 m 山东大学本科生毕业设计（论文） - 22 - 选取 )( 221 )( 24 FL m 4401 302 其中： 4341 5 则 21 34 0 0 2 01 0 01 查手册所得，所选用的 G 级丝杠精度允许误差为 0 ，满足要求。 (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则丝杠安全，不会失稳： )( 式中 ( 许用稳定性安全系数，一般取 4。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 23 - 丝杠失稳时的临界负载，由：2)( 式中 l 丝杠长度 丝杠轴端系数，由支承条 件定。 J 截面惯性矩，对实心圆 4164对于水平丝杠要考虑自重影响可取 ( 4。 将相关数据代入上式中可得 Np k 72 362 801( )(6 0 0 7 3 kk 丝杠不会失稳。 向步进电机的选用 步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转 速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上 步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。 虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好 步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、山东大学本科生毕业设计（论文） - 24 - 电子及计算机等许多专业知识。 冲量的选择 初选三相步进电动 机的步距角为 00 当三相六拍（ 1 2 相励磁）运行时，步距角 其妹转脉冲数： 8 03 6 0000 初选脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比 i 为 效负载转矩计算 0 1 T 效转动惯量的计算 0 0 0 3 w 52222 文） - 25 - 选取 大齿轮齿数 502 Z ，小齿轮齿数 241 Z ，模数 。 2342422 0 0 0 7 g 0 0 0 8 g 换算到电动机轴上的总惯性负载 221 )( 220 0 0 27 0 0 03 0 0 0 00 8 0 08 进电动机型号的选择 已知 2524 初选步进电机型号为90步 距 角 相 六 拍 。 其 中 最 大 静 扭 矩 转 子 惯 m ，由此可得： a x , 255 141 经验算可 知电动机合格。 电动机外形图及矩频图如图 2 山东大学本科生毕业设计（论文） - 26 - 图 210进电机的外观图及矩频特性图 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。 图 2心套式间隙消除机构 山东大学本科生毕业设计（论文） - 27 - 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： 周向弹簧式 (图 2 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 错位山东大学本科生毕业设计（论文） - 28 - 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 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 。1 2 341233 4 5 6 7图 2片齿轮周向拉簧错齿调隙机构 图 2调拉簧式调隙山东大学本科生毕业设计（论文） - 30 - 第三章 电气控制部分的设计 在这一部分我们采用 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 8051， 8751 是用 替 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 。 片机的选择 图 3031 引脚图 本设计选用 8031 芯片，片内无 者 用时必须配置外部的程序存储器 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 1,3 共 4 个八位口。 （ 2）控制口线 山东大学本科生毕业设计（论文） - 31 - 外取指控制 )、 址锁存控制）、 外存储器选择）、位控制）。 （ 3）电源和时钟。 8031 最小应用系统。 8031 内部不带 要外接 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 27128一片 6264组成了一个最小的计算机应用系统。 图 3统存储器 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。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 32 - 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 110相反应式步进电机，与其相配的环形脉冲分配器为 管脚图见图 3 图 3脚图 A、 B、 C 三个输出端，当输入端 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 推动级、驱动级放大后即可驱动电动机绕组。 供三相六拍步进电机工作时，线路 中的接线见图 3 山东大学本科生毕业设计（论文） - 33 - 图 3相六拍时 线图 横向部分为 90相反应式步进电机，与其相配的环形脉冲分配器为管脚图见图 3 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。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 34 - 图 3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 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 高电压，电源大约为 80 150V， 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 通。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 35 - 图 3电压功率放大器 由于二极管 作用，使绕组只加上高电压 组的电流很快达到规定值。到达规定值后， 输入脉冲先变成下降 沿，使 止，电动 机由低电压 电，维持规定电流值，直到 入脉冲下降沿到来 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低电压功率放大电路 山东大学本科生毕业设计（论文） - 36 - （ 3）斩波恒流功放电路 该电路的特点是工作时 输入方波步进信号：当 “ 0” 电平，由与门出 “ 0” 电平，功率管（达林顿管） 止，绕组 W 上无电流通过，采样电阻上 无反馈电压， 大器输出高电平；而当 高电平时，由与门 出的 是高电平，功率管 通，绕组 W 上有 电流，采样电阻上 出现反馈电压分压电阻 到设定电压与反馈电压相减，来决定 出电平的高低，来决定 号能否通过与门 f 时 号通过与门，形成 脉冲，打开功率管 之， f 时 号被截止，无 脉冲，功率管 止。这样在一个 冲内，功率管 多次通断，使绕组电流在设定值上下波动。 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。 山东大学本科生毕业设计（论文） - 37 - 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
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