Φ460mm的数控车床总体设计及纵向进给设计说明书.doc
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毕业设计(论文)460mm的数控车床总体设计及纵向进给设计设计所在学院专 业班 级姓 名学 号指导老师年 月 日摘 要本次设计是对460MM数控车床的设计。在这里主要包括:主传动系统的设计、纵向进给系统的设计、横向进给系统的设计。而我主要是针对纵向进给系统进行机械设计。这次毕业设计对设计工作的基本技能的训练，提高了分析和解决工程技术问题的能力，并为进行一般机械的设计创造了一定条件。数控设计主要传动系统的机械设计。由于对经济型数控机床的加工精度要求不高，为简化结构、降低成本。通过控制横进给系统，保证设计后的车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停等功能。为实现机床所要求的传动效率，采用步进电机经联轴器再传动丝杠；为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。关键词：车床，数控设计， 联轴器，滚珠丝杠 AbstractThis design is about the common Lathe 460MM transformation of NC. Main tasks are: the transformation of the main transmission system, the transformation of the vertical feeding system, horizontal feed system reform. While I was mainly aim at the lateral feeding system mechanical transformation. The graduation project on the design of the basic skills training has improved the analysis and the ability to solve engineering problems, and create a certain condition for general mechanical design. NC transformation is mainly a transformation of mechanical drive system. Because of the economy less precision CNC machining, it is order to simplify the structure and reduce costs. By controlling the cross-feed system, it ensures the modified lathe with positioning, linear interpolation, circular interpolation, and pause. Required for the realization of the transmission efficiency of machine tool, we should us a stepping motor drive and then screw through the coupling. To ensure a certain degree of driving accuracy and stability and minimize friction, a ball screw pair is needed. Keywords: lathe, NC Transformation , Coupling ,Ball Screw 目 录摘 要IIAbstractIII目 录IV第1章 数控机床发展概述- 1 -1.1数控机床及其特点- 1 -1.2 数控机床的经济分析- 2 -1.2 数控机床的工艺范围及加工精度- 2 -1.4 数控机床的发展趋势- 3 -第2章 数控机床总体方案的制订及比较- 5 -2.1总体方案设计内容- 5 -2.2 总体方案的论证- 5 -2.2.1 机械部分的改造设计- 5 -2.2.2伺服进给系统的改造设计- 6 -2.2.3 数控系统的硬件电路设计- 6 -2.3 总体方案的确定- 6 -第3章 确定切削用量及选择刀具- 6 -3.1科学选择数控刀具- 6 -3.1.1选择数控刀具的原则- 6 -3.1.2选择数控车削用刀具- 6 -3.2 设置刀点和换刀点- 7 -3.3 确定切削用量- 8 -3.3.1确定主轴转速- 8 -3.3.2确定进给速度- 8 -3.3.3 确定背吃刀量- 8 -第4章 传动系统图的设计- 10 -4.1主传动系统主要技术指标的确定- 10 -4.1.1动力参数的确定- 10 -4.1.2主运动调速范围的确定- 11 -4.1.3主轴计算转速的确定- 12 -4.2变速主传动系统的设计- 13 -4.2.1确定传动方案- 13 -4.2.2转速图的拟定- 14 -4.2.3拟定传动变速系统图- 15 -第5章 纵向进给系统设计- 16 -5.1纵向滚珠丝杠副的选用- 16 -5.1.1确定系统的脉冲当量- 16 -5.1.2 车削力的计算- 17 -5.1.3 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型- 17 -5.2步进电机的选用- 21 -5.2.1脉冲量的选择- 21 -5.2.2等效负载转矩计算- 21 -5.2.3等效转动惯量的计算- 22 -5.2.4步进电动机型号的选择- 23 -5.3 齿轮传动间隙的调整- 24 -第6章 电气控制部分的设计276.1单片机的选择276.2步进电机的驱动286.2.1环形脉冲分配器的选择286.2.2功率放大器的选用296.3步进电机的微机控制32结 论34致 谢35参考文献36V第1章 数控机床发展概述1.1数控机床及其特点数字控制机床（Numerical Control Machine Tools）简称数控机床，这是一种将数字计算机技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置，经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，是典型的机电一体化产品。数控机床一般由下列几个部分组成： 1）主机，它是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件，是用于完成各种切削加工的机械部件。 2）数控装置，是数控机床的核心，相当于人的大脑，它包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。 3）驱动装置，它是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动系统、伺服驱动系统、主轴电机及伺服电机等。它在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线以及曲面的加工。 4）辅助装置，指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。 5） 编程及其他附属设备，可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。与数控机床相比，数控机床有如下特点： 1）加工精度高，具有稳定的加工质量； 2）可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件； 3）加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间； 4）机床本身的精度高、刚性大,可选择有利的加工用量，生产率高（一般为数控机床的3-5倍）； 5）机床自动化程度高，可以减轻劳动强度； 6）对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。 1.2 数控机床的经济分析数控机床能缩短生产准备时间，增加切屑加工时间的比率；使用数控机床进行生产，加工的零件精度高，产品质量稳定,从而有效的提高了产品在市场上的竞争力；数控机床具有广泛的适应性和较大的灵活性，因此能够完成很多数控机床很难完成或者根本不能加工的、具有复杂型面、要求高精度的零件的加工；许多数控机床如加工中心具有自动换刀功能，使零件一次装夹之后就能够完成多个加工部位的加工，实现了一机多用，大大节省了设备和厂房面积；生产者可以对生产成本进行预算，并对生产进度进行合理的安排，以达到提高经济效益的目的；应用数控机床进行生产，减轻了工人的劳动强度，提高了工人工作的环境质量，增加了工人的生产积极性，促进了生产，提高了生产效率。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型，数控机床已不能适应这些要求，数控机床应运而生。这种新型机床具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点。它综合应用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密测量和新型机械结构等多方面的技术成果，是今后机床控制的发展方向。1.2 数控机床的工艺范围及加工精度数控车床是一种高精度、高效率的自动化机床，也是使用数量最多的数控机床，约占数控机床总数的25%。它主要用于精度要求高、表面粗糙度好、轮廓形状复杂的轴类、盘类等回转体零件的加工，能够通过程序控制自动完成园柱面、圆锥面、圆弧面和各种螺纹的切削加工，并能进行切槽、钻孔、扩孔、铰孔等加工。由于数控车床具有加工精度高、能作直线和圆弧插补功能，有些数控车床还具有非圆曲线插补功能以及加工过程中具有自动变速功能等特点，所以它的工艺范围要比普通车床要宽得多。1.精度要求高的回转体零件由于数控车床刚性好，制造和对刀精度高，以及能方便和精确地进行人工补偿和自动补偿，所以能加工精度要求高的零件，甚至可以以铣代磨。2.表面粗糙度要求高的回转体零件数控车床具有恒线速切削功能，能加工出表面粗糙度小的均匀的零件。使用恒线速切削功能，就可选用最佳速度来切削锥面和端面，使切削后的工件表面粗糙度既小又一致。数控车床还适合加工各表面粗糙度要求不同的工件。粗糙度要求大的部位选用较大的进给量，要求小的部位选用小的进给量。3.轮廓形状特别复杂和难于控制尺寸的回转体零件由于数控车床具有直线和圆弧插补功能，部分车床数控装置还有某些非圆曲线和平面曲线插补功能，所以可以加工形状特别复杂或难于控制尺寸的的回转体零件。1.4 数控机床的发展趋势数控机床最早是从美国开始研制的。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机桨叶轮廓用检查样板的加工机床任务时，提出了研制数控机床的初始设想。1949年，帕森斯公司与麻省理工学院伺服机构实验室合作，开始从事数控机床的研制工作。并于1952年试制成功世界上第一台数控机床实验性样机。这是一台采用脉冲乘法器原理的直线插补三坐标连续控制铣床。经过三年改进和自动编程研究，于1955年进入实用阶段。一直到20世纪50年代末，由于价格和技术原因，品种多为连续控制系统。到了60年代，由于晶体管的应用，数控系统提高了可靠性且价格开始下降，一些民用工业开始发展数控机床，其中多数是钻床、冲床等点位控制的机床。数控技术不仅在机床上得到实际应用，而且逐步推广到焊接机、火焰切割机等，使数控技术不断的扩展应用范围。自1952年，美国研制成功第一台数控机床以来，随着电子技术、计算机技术、自动控制和精密测量等相关技术的发展，数控机床也在迅速地发展和不断地更新换代，先后经历了五个发展阶段。第一代数控：1952-1959年采用电子管元件构成的专用数控装置。第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统。第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统。目前，第五代微机数控系统基本上取代了以往的数控数控系统，形成了现代数控系统。它采用微型处理器及大规模或超大规模集成电路，具有很强的程序存储能力和控制功能。这些控制功能是由一系列控制程序来实现的。这些数控系统的通用性很强，几乎只需改变软件，就可以适应不同类型机床的控制要求，具有很大的柔性。随着集成电路规模的日益扩大，光缆通信技术应用于数控装置中，使其体积日益缩小，价格逐年下降，可靠性显著提高，功能也更加完善。近年来，微电子和计算机技术的日益成熟，它的成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统，柔性制造系统和计算机集成制造系统。所有这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。第2章 数控机床总体方案的制订及比较2.1总体方案设计内容数控机床可以较好的解决形状复杂、精密多品种及中小批零件的加工问题，能够稳定加工质量和提高生产率，随着制造技术向自动化、柔性化方向的发展，当前机床的数控化率已经成为衡量一个国家制造工业水平的重要标志。本设计任务是对460mm的数控车床总体设计。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。2.2 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。 2.2.1 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。车床简易传动系统如图2-1：图1-1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 2.2.2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。 2.2.3 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。2.3 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，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。为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杆，为保证一定的传动精度和平稳性，尽量减少摩擦力，选用滚珠丝杆螺母副。同时，为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。齿轮传动也要采用消除齿轮间隙的结构。系统总体方案框图如下： 图2-1 系统总体方案框图36第3章 确定切削用量及选择刀具3.1科学选择数控刀具3.1.1选择数控刀具的原则 选择刀具寿命时可考虑如下几点根据刀具复杂程度、制造和磨刀成本来选择。复杂和精度高的刀具寿命应选得比单刃刀具高些。对于机夹可转位刀具，由于换刀时 间短，为了充分发挥其切削性能，提高生产效率，刀具寿命可选得低些，一般取15-30min。对于装刀、换刀和调刀比较复杂的多刀机床、组合机床与自动化 加工刀具，刀具寿命应选得高些，尤应保证刀具可靠性。车间内某一工序的生产率限制了整个车间的生产率的提高时，该工序的刀具寿命要选得低些当某工序单位时 间内所分担到的全厂开支M较大时，刀具寿命也应选得低些。大件精加工时，为保证至少完成一次走刀，避免切削时中途换刀，刀具寿命应按零件精度和表面粗糙度 来确定。与普通机床加工方法相比，数控加工对刀具提出了更高的要求，不仅需要冈牲好、精度高，而且要求尺寸稳定，耐用度高，断和排性能坛同时要求安装调整 方便，这样来满足数控机床高效率的要求。数控机床上所选用的刀具常采用适应高速切削的刀具材料(如高速钢、超细粒度硬质合金)并使用可转位刀片。刀具寿命与切削用量有密切关系。在制定切削用量时，应首先选择合理的刀具寿命，而合理的刀具寿命则应根据优化的目标而定。一般分最高生产率刀具寿命和最低成本刀具寿命两种，前者根据单件工时最少的目标确定，后者根据工序成本最低的目标确定。3.1.2选择数控车削用刀具在数控加工中，车削平面零件内外轮廓 及车削平面常用平底立车刀，该刀具有关参数的经验数据如下:一是车刀半径RD应小于零件内轮廓面的最小曲率半径Rmin，一般取RD=(0.8-0.9)Rmin。二是零件的加工高度HRdp，电动机直接驱动主轴不能满足恒功率变速要求，因此需要串联一个有级变速箱，以满足主轴的恒功率调速范围。（5）确定转速级数取，则对于数控车床，为了加工端面时满足恒线速度切削的要求，应使转速有一些重复，故取Z=2（6）拟定转速图和功率特性图如图4.2.3拟定传动变速系统图拟定传动系统的原则是：在保证机床的运动和使用要求的前提下，运动传动链要尽可能的短而简单；传动效率高以及操作简单方便 。首先要考虑某些结构方面的问题，考虑结构能否实现：如小齿轮的齿根圆是否大于轴的直径，大齿轮的顶圆是否会碰及相邻轴等；其次因考虑结构是否合理，如布置是否紧凑，操纵是否方便等。该机床采用双联滑移齿轮变速组，采用窄式排列结构，使机床结构紧凑。主轴变速拟采用通过滑移齿轮的移位来实现，需保证当齿轮2与齿轮4完全脱开啮合之后，齿轮3和齿轮6才能开始进入啮合，所以齿轮5与齿轮6相邻间的距离b要大于于滑移齿轮的宽度（齿轮2与齿轮宽度之和），一般b+, =14 mm。 综合考虑个因素，拟订传动系统图。第5章 纵向进给系统设计5.1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9095，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(HRC5862)、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。5.1.1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。5.1.2 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：式中车床床身加工的最大直径单位为mm。因C620床身加工的最大直径410mm，则：按以下比例分别求出分力和，则：，5.1.3 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。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:纵向进给导轨为三角形，则：三角形导轨选取参数：(2)计算最大动负荷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：丝杠转速其中= 寿命（）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。选取静态安全系数=2，滚珠丝杠的最大轴向负荷 故最大静负荷为：。(4)选择滚珠丝杠副见表2-15)传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率表2-1滚珠丝杠副参数型号公称直径基本导程螺旋升角丝杠外径丝杠内径额定动载荷丝杠长度额定静载荷 (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形量是否符合丝杠精度要求。 每导程变形量可按以下公式计算选取 其中：则： 查表所得，所选用的级丝杠精度允许误差为，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2.54。丝杠失稳时的临界负载，由：式中丝杠长度丝杠轴端系数，由支承条件定。截面惯性矩，对实心圆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丝杠不会失稳。5.2步进电机的选用5.2.1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（12相励磁）运行时，步距角其妹转脉冲数脉冲当量： 由此可得中间齿轮传动比为5.2.2等效负载转矩计算1.空载时的摩擦转矩2.车削加工时的负载转矩5.2.3等效转动惯量的计算1.滚珠丝杠的转动惯量2.拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量3.大齿轮的转动惯量 选取大齿轮齿数，小齿轮齿数，模数。4.小齿轮的转动惯量换算到电动机轴上的总惯性负载 5.2.4步进电动机型号的选择已知 初选步进电机型号为110BF003，步距角三相六拍。其中最大静扭矩，转子惯量，由此可得：, 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5-2 110BF003步进电机的外观图及矩频特性图5.3 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。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：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5-6 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6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。6.1单片机的选择图6-1 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）。（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6-2 系统存储器6.2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。6.2.1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6-3 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6-4 三相六拍时CH250接线图横向部分为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。6.2.2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6-5 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80150V，U2为低电压电源，大约为520V。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6-5 单电压功率放大器由于二极管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6-6 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信号能否通过与门A2。若VrefVf时Vin信号通过与门，形成Vb正脉冲，打开功率管VT；反之，VrefVf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6-7 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。6.3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。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6-8。 方式信号方向信号CP脉冲图6-8 串行控制示意图P1.0 P1.1 8031P1.2 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方法称为并行控制。在电机驱动电源内，还包括环形分配器，而其功能必须由微型计算机系统完成。由系统实现脉冲分配器的功能又有两种方法：一种是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号。第二种是软、硬件相结合的方法，这里有专门设计的一种编程器接口，计算机向接口输入简单形式的代码数据，而接口输出的是步进电机各相导通或截止的信号。并行控制方案的示意图见图3-9： P1.0 P1.18031 P1.2 P1.3 P1.4A相B相C相 驱动器D相E相图6-9并行控制示意图最后我们将选择的元件用线连接，就可以画出设计所需要的电气控制吐了。详细图纸内容见图纸。结
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