C616车床的横向伺服进给单元改造【5张CAD图纸+PDF图】
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济源职业技术学院济源职业技术学院 毕毕 业业 设设 计计题目C616 车床的横向伺服进给单元改造系别 机电系 专业 机电一体化技术 班级 机电 0510 姓名 李文成 学号 05011012 指导教师 高清冉 日期 2007 年 12 月 济源职业技术学院毕业设计I设计任务书设计题目：设计题目：C616 车床的横向伺服进给单元机电一体化改造设计设计要求：设计要求：将原机床中横向装置改装成由步进电动机驱动，包括刀架的自动换刀改装，根据负载转动惯量选择与之相匹配的步进电动机（包括力矩和功率） 。 采用微机完成数据处理和运动控制，具有简单的接口电路设计，选择驱动电路，设计通用接口和专用接口以及 CPU 与辅助电路的连接。设计进度要求：设计进度要求：设计时间为八周：第一周： 拟定题目第二周： 列写大纲第三周： 收集查看资料第四周： 材料的整理和录入第五周： 论文排版、编辑第六周： 论文的修改第七周： 打印论文 指导教师（签名）：指导教师（签名）： 济源职业技术学院毕业设计II摘要本次设计主要是针对 C616 车床的横向进给伺服系统改造，机械方面的改造过程是：拆掉原手动刀架和小拖板，安装上数控刀架；拆掉普通丝杆、光杆进给箱和溜板箱，换上滚珠丝杠螺母副；保留原手动机构，用于调整操作，原有的支撑结构也保留，采用一级齿轮减速，步进电机、齿轮箱体安装在中拖板的后侧。机械部分采用步进电动机驱动滚珠丝杠，然后再通过滚珠螺母副来动工作台运作。电器部分采用 MCS8051 单片机来对步进电动机进行适时有效的控制，同时为了便于人机对话，通过输入程序来更好的解决形状复杂、精密、难加工的问题。这次设计可以准确地实现规定的动作、自动化程度较高、能灵活迅速的适应加工零件的更变。关键字： 车床 步进电动机 单片机 人机对话 精密济源职业技术学院毕业设计IIIAbstractThe system is mainly aimed C616 lathe infeed servo system transformation, the transformation process is mechanical: the original manual turret removed and a small carriage, the installation of CNC turret; removed ordinary screw, rod feed box and slide crate, put the ball screw nut; retain the original manual body for adjusting operation, the support structure to retain the original, with a gear, stepper motor, gear box installed in the extension unit back.Stepping motor drive mechanical ball screw, and then through the ball nut to move the operation table. Electrical part to the use of MCS-8051 single-chip stepper motor for timely and effective control, and in order to facilitate the man-machine dialogue, by entering the program to better solve the shape of the complex, sophisticated and difficult to process problems. The design can be accurately specified action to achieve high degree of automation, flexibility to quickly adapt to change more parts processing.Keywords: Lathe; Stepper motor; SCM; Man-machine dialogue; Precision济源职业技术学院毕业设计1目录摘要.IIABSTRACT.III绪 论.21 机械部分改造的设计及计算.31.1 课题的来源与意义及总体方案的确定 .31.1.1 课题的来源与意义： .31.1.2 总体方案的确定： .41.2 滚珠丝杠副的计算和选型.51.2.1 确定系统的脉冲当量.51.2.2 切削力计算 .61.2.3 传动效率 .81.3 步进电动机的选择.101.3.1 传动比的计算 .101.3.2 转动惯量的计算 .111.4 齿轮设计及强度校核计算.151.4.1 选定齿轮类型，精度等级，材料及齿数 .151.4.2 按照齿面接触疲劳强度校核.161.4.3 校核齿根弯曲疲劳强度.181.5 轴的设计（中间轴）及校核.191.5.1 选择轴的材料 .191.5.2 初步估算轴的最小直径.191.5.3 轴的结构设计 .201.5.4 按弯扭合成应力校核轴的强度.201.5.5 精确校核轴的疲劳强度.231.6 滚动轴承的选择和计算.281.7 键联接的选择和强度校核（即中间轴） .291.7.1 大齿轮 2 与轴的键联接.291.7.2 小齿轮 3 和轴的键联接 .302 机床横向伺服进给单元电气控制部分设计.312.1电气控制系统方案的确定 .312.1.1 步进电动机与丝杠的联接.322.1.28051 单片机的选择 .32济源职业技术学院毕业设计22.2 步进电动机开环控制系统设计 .322.2.1 脉冲分配器 .332.2.2 光隔离电路 .362.2.3 步进电动机驱动电路.372.3 8255 可编程控制芯片的扩展 .392.4 辅助电路的设计 .402.4.1 8051 单片机的时钟电路 .402.4.2 复位电路 .412.4.3 越界报警电路 .412.5 操作面板设计的简要介绍.422.6 绘制机床电气控制电路原理图.42结 论.44致 谢.45参考文献.46济源职业技术学院毕业设计1绪 论随着我国生产技术进步，在机械制造业中，数控机床越来越受到企业的欢迎。企业一方面投入大量资金购买数控车床，另一方面更新改造现有普通机床，通过 为普通机床添加数控装置，将普通机床改造成数控机床，这是许多中小型企业面临的重要技改措施。数控机床能够适应市场对产品多样化、高精度的要求。因此得到了越来越广泛的应用。但是，商品化的数控机床价格高，一致于推广应用受到限制，而我国又现存有大量的普通机床，利用较先进的数控 系统，对现有普通机床进行技术改造，对提高我国机械行业的数控加工技术具有 更重要意义。数控机床是衡量一个国家机械制造业水平的重要指标。根据我国机床拥有量大，生产 规模小的具体国情，将普通机床通过数控化改造为经济型数控机床是我国机械工业技术改造的这样目标。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大， 而且从目前企业所面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计针对性强、时间短，改造设计后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。济源职业技术学院毕业设计11 机械部分改造的设计及计算1.11.1 课题的来源与意义及总体方案的确定课题的来源与意义及总体方案的确定1.1.11.1.1 课题的来源与意义：课题的来源与意义： 社会发展的今天，现代工业发展非常迅速突出，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。如果设备全部更新换代不仅资金投入大，成本太高，而且原有设备的闲置又将造成极大浪费。所以最简易经济的办法就 是进行数控化改造。数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好的解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度地提高生产效率。但从我国目前机械工业制造水平与发达国家相比差距较大，而且从目前企业所面临的情况看，因数控机床价格较贵，一次性投资较大，使企业心有余而力不足。因此，我国作为机床大国。对普通机床数控化改造作为一种良好的有效途径。这样机床改造花费少，改造设计 针对性强、时间短，改造设计后的机床大多能够克服机床的缺点和存在的问题，生产效率高。1.1.21.1.2 总体方案的确定：总体方案的确定：根据改造设计内容确定方案。有设计内容可知，该 C616 车床的改造设计是将原机床中手动进给装置改装成有步进电动机驱动，采用微机控制步进电动机来完成数据的处理运动控制。由此可见改造设计以后的车床具有一定的数控机床功能和特点，大大提高了车床的数控化程度和生产效率，是一种经济型的数控机床。翻阅查看 C616 车床是一种小型的车床，床身最大工件回转直径 320mm 加工工件最大长度750mm，主要用于加工中小型类零件。根据我们的设计内容要求参考数控机床的改造设计经验，我们设计确定如图 1-1 1-2 所示总体改造方案。济源职业技术学院毕业设计2图 11 总体改造方案图 12 C616 普通车床的数控改造方案图该方案中以步进电动机作为驱动元件，采用开环伺服控制，无检测反馈机构，具有结简单，使用维护方便，可靠性高，制造成本低等一系列的优点。从设计题目中可知，我们改造设计的是基于 C616 车床的横向伺服进给单元机电一体化改造设计。所以针对横向进给机构进行如下改造： 拆除原机床进给箱的安装孔和销孔安装齿轮箱，拆除原丝杠安装滚珠丝杠并仍然安装在原丝杠的位置，两端采用原固定方式，这样可以减小装配现场，并由于滚珠丝杠的摩擦系数小于原丝杠，从而是横向进给整体的刚性提高，优胜于以前的， 横向进给机构采用二级齿轮减速，并用双片齿轮销齿法消除间隙。其余部分的改造设计尽量按照原机床的主要结构布局基本不变，尽量减少改装的部位，以降低生产成本，节约改造生产时间，提高生产效率。1 1. .2 2 滚滚珠珠丝丝杠杠副副的的计计算算和和选选型型济源职业技术学院毕业设计3进给伺服系统机械部分的计算与选型的内容包括:运动参数、动力参数的计算、传动比的分配、转动惯量、等效转矩等计算.计算简图如图 1-3:图 13 进给伺服系统机械部分的计算1 1. .2 2. .1 1 确确定定系系统统的的脉脉冲冲当当量量脉冲当量是指一个进给脉冲使车床执行部件产生的进给量 ,它是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数.因此脉冲当量应根据机床精度来确定.对于经济车床来说横向采用的脉冲当量为 0.005mm/脉冲1 1. .2 2. .2 2 切切削削力力计计算算 在进给系统的传动的计算过程中,选用步进电动机时都需要用到切削力(机床的主要负载),则可用公式计算出车床切削力最大切削功率(或转矩) =P主 式中 P主.主电动机的功率,C616 车床 P主 =8 kw .主传动系统的总功率一般为 0.70.85 取 =0.8 则 P切 =(80.8) kw=6.4 kw切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力 (或转矩)和最大切削速度(或转矩)来计算,即: P主 =/60cF310-式中 主切削力( N )cF济源职业技术学院毕业设计4 最大切削速度(m/min).按用硬质合金刀具半精车钢件是的速度取 =100m/min = 60 6.4/100 = 3840( N )cF310在一般情况外圆车削时, =(0.10.55) fFcF =(0.150.65) pFcF取 = 0.48 = 1843.2N = 0.58 = 2227.2NfFcFpFcF滚珠丝杠副的选择和性能验算,横向进给为综合型导轨,由公式可得丝杠轴向进行切削,其中 k= 1.15, =0.16 则:f = k+(+W)mFfFfcF式中 .切削分力( N )cFfFpF W移动部件的重量( N ) 导轨上的摩擦系数,随导轨型式不同而不同fK考虑颠覆力矩影响的实验系数即 =1.15 1843.2+0.16 (3840+200)N=2766.08NmF 最大切削力下的进给速度可取最高进给速度的 1/21/5,取为 1/2.横向进给sv速度为 2m/min,丝杠导程选取 6mm,则丝杠转速为: n = 1000/ = 1000 2/6 = 333.33r/minsv0L丝杠使用的寿命时间取为 T = 15000h,则丝杠的计算寿命 L 为: L = 60nt/ = 60 333.33 15000/ = 300 ()610610610根据工作负载、寿命 L,按公式计算滚珠丝杠副承受 的最大的动载荷取mFmC= 1.2 = 1wfaf济源职业技术学院毕业设计5 =/=1.2 2766.08=22220NmC3LmFwfaf3300由当量载荷,从手册或样本的滚珠丝杠系列表中初选滚珠丝杠的型号和有关mC参数.选用是要注意公称直径和导程应用优先组合，同时还需要满足数控系统0d0L和伺服系统对导承的要求。同时还受最大静载荷的影响和限制，因当滚珠丝杠在静态或低速(n10r/min)情况下工作时，滚珠丝杠副的破坏形式主要是滚珠与滚道型面在接触点上产生塑性变形，当塑性变形超过一定限度就会使滚珠丝杠副无法正常工作。一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一。此时的轴向负载称oaC为额定静载荷。选用时应将相应的滚珠丝杠的额定静载荷满足以下条件：oaC =f/maxFoaCsf式中 滚珠丝杠的最大轴向工作载荷；maxF 静态安全系数。一般 12,有冲击时 =23sfsfsf由参照表查出该滚珠丝杠型号为W5006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝mC杠副。1列3圈，其额定动负载为24000N，强度足够应，精度选用5级，其几何参数如下：公称直径=50mm，导承=6mm，螺纹升角v=arctg/=211繭钢球直径为0d0L0L0d3.969mm，螺杆内径为45.88mm。滚道半径R为： R=0.52 3.969=2.06388mm偏心距为： e=0.07（R-/2）=0.07（2.064-3.969/2）=5.6mm0d310螺杆内径： =+2e-2R=50 2 5.6-2 2.06388=45.88mm1d0d3101 1. .2 2. .3 3 传传动动效效率率 滚动丝杠副的传动效率可用下式计算。 =tgr/tg（r+）式中 r丝杠的螺旋升角济源职业技术学院毕业设计6 摩擦角。滚珠丝杠副的滚动摩擦系数因数f=0.003-0.004，摩擦角约等于10即=tg211/tg(211+10)0.927横向进给滚珠丝扛支承方式如前图所示，支承间距L=400mm，丝杠螺母及轴承均进行了预紧，预紧力的最大轴向负载荷的1/3，丝杠的变形量计算如下：滚珠丝杠截面积按丝杠螺纹的底径确定A=/4 45.882mm2=1653.24mm工作载荷引起导程的变化量可用下式计算mF0L0L=/EA=2766.08 6/20 104 1653.24=0.487mm0LmF0L410式中 E丝杠材料的弹性模量，对钢E=2.06 1011N/2m则丝杠的拉伸或压缩变形量：1=/L=0.487/6 1500=1.22mm10L0L410210由于两端均采用角接触球轴承，且丝杠又进行了预紧故其拉压刚度可比一端固定的丝杠提高4倍。其实际变形量为=1/4=0.305mm11210滚珠与螺纹通道间接触变形=0.0013/=0.0072mm2mF23oyd F Z式中 轴向工作载荷（N） ；mF 预紧力（N）yF 滚珠直径（mm） ；wd滚珠数量，=Z j k其中j为圈数，k为列数，Z每圈螺纹滚道内的ZZ 济源职业技术学院毕业设计7滚珠数：外循环时Z=/；内循环时Z/-30dwd0dwd滚珠丝杠公称直径（mm） ；0d因丝杠加有预紧力；且预紧力为轴向最大负载的1/3时, 可减少一半，因此2实际变形量为： =0.0072/2=0.036mm2210支承滚珠丝杠的轴承为8209型推力球轴承，几何参数为=45mm，滚动体直径1d=7.06mm，滚动体数量=20轴承的轴向接触变形为： QdQZ3=0.0243232mQQFd z式中轴承所受轴向载荷（N） ；轴承的滚动体数目；mFQz 轴承的滚动体直径；即Qd=0.024=0.024=0.03346mm3232mQQFd z2322766.087.06 20注意：此公式的单位为KgfmF因施加预紧力故实际变形量=1/2=1/2 0.03346mm=0.0167mm33根据以上计算总变形量为：=+=（0.00305+0.0036+0.0167）mm=0.0234mm123五级精度丝杠允许逻辑误差为27m/m，故刚度足够。因为滚珠丝杠的两端都采用推力球轴承并预紧，因此不会产生失稳现象，故不需要作稳定性校核。济源职业技术学院毕业设计81 1. .3 3 步步进进电电动动机机的的选选择择1 1. .3 3. .1 1 传传动动比比的的计计算算 根据给定的横向进给的脉冲当量0.005mm，滚珠丝杠导程=6mm，及初选的步0L进电机步距角0.75，可计算出传动比i： =360/ 0L式中 脉冲当量（mm/步） ； 滚珠丝杠导程（mm） ；0L 步进电机步距角（） ；减速齿轮考虑到结构上的原因，不使大齿轮直径太大，以免影响到横向溜板的有效行程故采用两级齿轮降速，根据传动比，即 i=360/0L选齿轮Z1=28，Z2=56，Z3=24，Z4=30一级降速传动比为0.5二级降速传动比为0.8初选步进电动机型为150BF002,因为进给伺服系统传递功率不大,一般选模数取m=12，本次设计选用m=2。1 1. .3 3. .2 2 转转动动惯惯量量的的计计算算选择步进电动机时,必须根据机械传动装置及负载折算到电动机轴上的等效转动惯量,分别计算各种情况下所需要的力矩,再根据步进电动机最大静转矩和启动运行频率特性选择合适的步进电动机,负载惯量是驱动系统的主要参数之一,它对选择步进电动机,设计传动比等都有十分重要的意义,如果该惯量与电动机的匹配不当,系统就得不到快速反应,甚至失效.Z1=28,z2=56,z3=24,z4=30 齿轮的转动惯量。1,2,3,4Z Z Z Z1234,J JJJ 341111032JdL济源职业技术学院毕业设计9 =334107.8/(5.6)3.532kg cmcmcm =2.63582.kg cm 342221032JdL =334107.8/(11.2)332kg cmcmcm =36.1482.kg cm =1.4227343331032JdL2.kg cm 344441032JdL =334107.8/(3)332kg cmcmcm =0.1862.kg cm丝杠的转动惯量可以从表中查得负载转动惯量22131234242222862.653836.148 1042270.186 15.90.417.522562LSZ ZLwJJJJJJgZ ZWg216Z（）（）Z考虑步进电动机与负载转动系统惯量匹配问题即 0.571 满足惯量匹配要求。而惯量J由伺附电动机的惯量 mJ 和进给系统惯量LJ 组成 10 17.52227.522mLJJJmJ伺附电动机的惯量LJ进给系统惯量负载转矩计算及最大静转矩选择：机床在不同的情况下，其所需要的转矩不同，下面分别进行计算快速空载启动是所需要的转矩为 max0afMMMM起济源职业技术学院毕业设计10式中： M起 快速空载启动力矩 maxaM 空载启动折算到电动机上的加速力矩 fM 折算到电动机轴上的摩擦力矩 0M 由于丝杠加紧时折算到电动机轴上的附加力矩将已知数据代入 max2000 0.758333600.005 360minbpvrm axn 2maxmax21060aatnMJ式中 J传动系统折算到电动机轴上的等效的转动惯量 at 运动部件从停止启动加速到最大快进速度所需要的时间 maxn电动机的最大转速 2max283327.52210694.428 .60 0.0253aMN cm折算到电动机轴上的摩擦力矩 002FF LMi 式中 0F 导轨的摩擦力0cFf FW cF 垂直方向的切削力 W 运动部件的总重量 f 导轨的摩擦系数 i 齿轮降速比 传动链总效率，一般取 0.70.85 000.1638402000.630.87220.8 2.5FF LMi济源职业技术学院毕业设计11附加力矩： 2000012PF LMi 式中： 0PF 滚珠丝杠预加负荷前一般取 0L 滚珠丝杠导程0滚珠丝杠拧紧时的效率一般大于 0.9于是： max0730.424aFMMMM起快速移动时需要的力矩： 035.996FMMM快最大切削负载时所需要的力矩： 0124.04FtMMMM切从以上计算可以看出三种工况下以快速空载启动所需要的力矩最大，依次作为出选电动机的依据。对于工作方式与五相十拍的步进电动机最大静转矩： max7.680.951jMMNm起从相关资料可以查出 150BF002 型号的步进电动机最大静转矩为 13027N.M 大于所需要的最大静转矩可以作为初选型号大需要考虑电动机启动矩频特性和运行它。步进电动机的空载启动频率： maxmax10006666.760vfHZ maxmax10006666.760vfHZ由相关资料知道 150BF002 步进电动机允许的作大空载启动频率为 2800HZ，运行频率为 8000HZ，有下图（a)可以看出步进电动机启动是频率为 2500HZ，远不能满足机床所需。直接使用回产生失步现象，所以必须采取升降速度控制（可以用软件实济源职业技术学院毕业设计12现）将启动频率降到 1000HZ 时，启动扭矩可以增高到 588 。然后在电路上再采用高低压驱动电路，可以将步进电机输出转矩扩大一倍左右。 当快速运动和切削进给时，由 150BF002 型号的步进电动机矩频特性（b)知道电动机可以满足要求。根据上述计算综合考虑，横向进给系统采用 150BF002 型号电动机（a)步进电动机启动频率（b) 步进电动机矩频特性图 14 步进电动机的启动频率和矩频特性零件的设计计算，传动轴的初步计算及结构设计，支撑方式和部件的选择计算 .1 1. .4 4 齿齿轮轮设设计计及及强强度度校校核核计计算算济源职业技术学院毕业设计131 1. .4 4. .1 1 选选定定齿齿轮轮类类型型，精精度度等等级级，材材料料及及齿齿数数该传动方案选用直齿圆柱齿轮传动.速度不高,所以齿轮选 8 级精度；齿轮材料选用价格便宜并且硬度合适的材料；齿轮 Z1，Z3，Z4 材料为 45#钢(调质)； 齿轮 Z2 材料为 45 钢(常化)。 根据传动比选取小齿轮 Z1=28.Z2=56.Z3=24.Z4=30因齿面硬度小于 350HBS 的闭式传动,所以按照齿面接触疲劳强度设计,然后校核齿根弯曲疲劳强度.1 1. .4 4. .2 2 按按照照齿齿面面接接触触疲疲劳劳强强度度校校核核 213112.3251EdHKTzud tu由公式确定公式中各参数的值选择载荷系数1.3tK 519.55 1011923.16PTNmmn计算小齿轮传递的转矩查表选择齿宽系数0.8d查表得出弹性影响系数189.8EZMpalim1lim3lim4lim2590470HHHHMpaMpa由表查出 F tFasaFFmK Y Yb济源职业技术学院毕业设计14由公式确定公由表查出寿命系数 12341HNHNHNHNKKKK计算接触疲劳强度许用应力,取失效概率为 1%,安全系数 S=1.由公式 limHNHHHKS 可得 134590HHHMpa 2470HMpa计算小齿轮分度圆直径 213112.3251EdHKTzud tu计算圆周速度 112.2560 1000d tnmVs 计算载荷系数. 根据10.45100V Z查表1.04VK 因为是直齿圆柱齿轮,取同时由表查 得1AK ， 1.121.25aKK 所以载荷系数1 1.04 1 1.021.1AVKKKKK 按实际的载荷系数校正所计算的分度圆直径 33111.151481.3kdd tmmkt计算模数：济源职业技术学院毕业设计15 1148224dm= z取模数12m 根据综合因素的 考虑及传递的力矩不大,故选用：1128 256,2dmm m 计算分度圆直径： 128 256,dmm256 2112dmm 324 248,dmm430 260dmm计算中心距： 12341284,5422ddddaa计算齿轮宽度： 110.8 5644dbdmm由于传递振动不大，1 1. .4 4. .3 3 校校核核齿齿根根弯弯曲曲疲疲劳劳强强度度式中各个参数值,计算圆周力： 1122 11923.16425.82756TTFd查取应力校正系数： 112.80,1.55.FaSaYY222.40,1.67FaSaYY 332.80,1.55.FaSaYY442.62,1.59FaSaYY计算载荷系数： 1 1.04 1 1.251.3AVKKKKK 济源职业技术学院毕业设计16查取弯曲强度极限及寿命系数：查表得：lim1lim2lim3lim4450,390,450,450FFFFMpaMpaMpaMpa查表知道；12341FNFNFNFNKKKK计算弯曲疲劳许用应力,取弯曲疲劳安全系数： 1.4FSS由公式： limFNFFFKS所以 1lim1134321.43FNFFFFKMpaS 2lim22390278.571.4FNFFKMpaS校核计算： 111.3 425.827 2.80 1.5544.49127 2FFMpa 2211212240 1.6744.49141.0872.80 1.55saFaFFFSaFaY YMpaY Y 3341.92FF 4440.237FF1 1. .5 5 轴轴的的设设计计（中中间间轴轴）及及校校核核1 1. .5 5. .1 1 选选择择轴轴的的材材料料 选取 45 钢，调制硬度 HBS=230，强度极限=650Mpa，屈服极限=360Mpa,BS济源职业技术学院毕业设计17弯曲疲劳极限=300Mpa,剪切疲劳极限=155Mpa,对称循环变应力时的许用应力11=60Mpa-1b 1 1. .5 5. .2 2 初初步步估估算算轴轴的的最最小小直直径径取=110，得：0Ad=11015mm0A232pu30.98416.5由于采用步进电动机驱动，选用 150BF002 型，它的轴径为 18mm，为了配d合二级齿轮传动，在此选择最小轴径为15mm，便于受力均匀，结构紧凑，便于安装。1 1. .5 5. .3 3 轴轴的的结结构构设设计计 由轴的结构和强度要求选取轴承孔的轴径 d=15mm，初选轴承型号 6202 的深沟球轴承，齿轮轴处轴孔 d=25mm,轴肩直径 d=35mm,轴的结构如附图两轴承支点间的距离为 L=+u+2T13B312T式中 T 轴承的宽度，查表可知 6205 轴承 T=11mm 齿轮端面与箱体内壁的距离，查表可知取=8mm11 齿轮 3 的齿宽，=32mm3B3B 齿轮 2 与齿轮 3 轮毂端面间的距离，取=8mm33L 齿轮 2 的轮毂长度，L=（1.21.5）dB,u=34mm代入以上各数值得 L=11+8+27+34+8+13.5=96mm齿轮 3 的对称线与左轴承支点的距离为： =+=5.5+8+13.5=27mm1L2T132B齿轮 3 的对称线与齿轮 2 的对称线间的距离为：济源职业技术学院毕业设计18 =+=13.5+8+17=38.5mm2L32B32u齿轮 2 的对称线与右轴承支点间的距离为： =+=17+8+5.5=30.5mm3L2u12T1 1. .5 5. .4 4 按按弯弯扭扭合合成成应应力力校校核核轴轴的的强强度度绘轴的计算简图 轴的计算简图如图 1-5(a) 所示计算作用轴上的力大齿轮 2 受力分析圆周力 =401.26N2tF222Td2 22470.588192 径向力 =401.26=146.05N2rF2tFtgtg20小齿轮 3 受力分析 圆周力 =936.27N3tF232Td2 22470.58848 径向力 =936.27=340.77N3rF320tF tg20tg计算支反力： 水平面 =0BM 96-69.5-32.5=0AHR3tF2tF =805.30NAHR =0Fy =+-=532.23NBHR2tF3tFAHR济源职业技术学院毕业设计19 垂直面 =0BM 96-69+30.5=0AVR3rF2rF =198.52NAVR =0Fy =-=-3.8NBVR3rF2rFAVR作弯矩图 水平面弯矩图(b) =-28.5=-803.527.5=-21743.1N.mmcHMAHR =-32=-523.2330.5=-16233.015 N.mmDHMBHR 垂直面弯矩图(c)=28.5=198.5227=5360.04 N.mm1CVMAVR =32=-3.830.5=-115.9 N.mm1DVMBVR合成弯矩 =CM22CHCVMM =22( 21743.1)6360.04 =22393.92 N.mm =DM22CHDVMM =22( 16233.015)( 115.9) =16233.42 N.mm做扭矩图(d) =22470.588 N.mm2T作计算弯矩图图(e) 考虑减速器的刹车和启动，转矩产生的切应力应按脉动循环变化，故取 a=0.6。则：济源职业技术学院毕业设计20 =22393.92 N.mm1cacM1cM =2 2c aM2212()CMT =2222393.92(0.6 22470.588) =26139.27 N.mm =2caDM222()DMT =2216233.42(0.6 22470.588) =21102.079 N.mm按弯扭合成应力校核周 6 的强度 由计算弯矩图可知，C 剖面的计算弯矩最大，该处的计算应力为： =16.729Mpacac2cacMW326139.270.1cd326139.270.1 25 16.729Mpa=60Mpa1b故安全1 1. .5 5. .5 5 精精确确校校核核轴轴的的疲疲劳劳强强度度 由玩具图和转矩图可知弯矩最大，但从应力集中对轴的疲劳度的影响看，剖面，处的过盈配合引起的应力集中最严重，由于过盈配合及键槽的应力集中两端，故 C 剖面处受影响不大，在剖面处的载荷比剖面处的载荷要大，而剖面，的尺寸相同，因而在此只需要校核剖面两侧的疲劳强度。剖面左侧弯矩及弯曲应力 弯矩：2521102.079(256139.2721102.079)38.5M =24372.98 N.mm抗弯剖面模量：济源职业技术学院毕业设计21 3330.10.1 251562.5Wdmm 弯曲应力： 24372.9815.5981562.5bMMpaW 应力幅： 15.598abMpa 平均应力： =0m转矩及扭剪应力 转矩： 222470.588 .TTN mm 抗扭剖面模量： 3330.20.2 253125TWdmm 扭转剪应力： 22470.5887.193125TTTMpaW 应力幅及平均应力：13.5952amTMpa各项系数 过盈配合处的有效应力集中系数：查表可求得过盈配合处的=1.867256Hr6RR由图查得尺寸系数=0.83，=0.89由图查得表面质量系数，精车加工0.88r轴径表面强化处理，故强度系数=1弯曲疲劳 的综合影响系数，由公式得11(1)KK=（1.86+）110.8811=1.996济源职业技术学院毕业设计2211(1)KKB=（1.86+）110.88=1.996 对材料特性系数，对碳钢，取=0.1，=0.050.10.2计算安全系数 13009.6351.996 15.5980.1amSKv 115511.43.72 3.5950.05 3.595amSK S22109.847.35892.84 129.96caS SSSS所以安全剖面右侧弯矩及弯曲应力 弯矩：1726252.36(26139.2721102.079)38.5M 23326.29Mpa 抗弯剖面模量：330.11562.5Wdmm 弯曲应力：Mpa23326.2914.9281562.5bMW 应力幅：14.928abMpa 平均应力：0m转矩及扭剪应力 转矩： 222470.588 .TTN mm济源职业技术学院毕业设计23 抗扭剖面模量： 3330.20.2 253125TWdmm 扭转剪应力： 22470.5887.193125TTMpaW 应力幅及平均应力：13.5952mMpa各项系数（如前） 即 ，1.996K1.996K计算安全系数 130010.061.996 14.928mSK 115511.43.72 3.5950.05 3.595mSK S=1.5 22.114.777.54101.2 129.96caS SSSS安全，强度足够 (a)济源职业技术学院毕业设计24 (b)(c)济源职业技术学院毕业设计25 (d) (e) 图 15 轴的疲劳校核1 1. .6 6 滚滚动动轴轴承承的的选选择择和和计计算算即中间轴滚动轴承的选择计算，按轴的结构设计，初步选用型号为 6204 的深沟球轴承。计算轴承载荷：图 16 轴的受力图轴承的径向载荷轴承 A：2222805.30198.52829.40AAHAVRRRN 轴承 B： N2222523.23( 3.8)532.24BBHBVRRR 按寿命计算选择轴承型号派生轴向力的计算， 查表可知 济源职业技术学院毕业设计26 N02532.24166.32622 1.6SFFYN10839.4259.1822 1.6sFFY确定轴承的轴向载荷aF 2259.18219.97asFFN故轴承 1“放松”轴承 2“压紧”根据当量动载荷公式计算 P 值 1129.180.310.37829.4aAFeR 111,0xY 111(1 829.40)829.4AaPx FY FNN 1259.180.4680.37532.24aBFeR 220.56,1.6xY 2220.56 532.24 1.6 259.18712.738BaPx FY FN计算工作所需要的径向基本额定动载荷： 由于常温，中等冲击取，深沟球轴承寿命指数，两支承用同1tf 1.2pf 3一型号，101000rCKNN h316667166671 1000()()40579416.6 1.2 829.4thpf CLnf p若按大修期 5 年更换轴承，轴承的寿命足够用，故所选轴承合适1 1. .7 7 键键联联接接的的选选择择和和强强度度校校核核（即即中中间间轴轴）1 1. .7 7. .1 1 大大齿齿轮轮 2 2 与与轴轴的的键键联联接接济源职业技术学院毕业设计27选用圆头普通平键（A）型按轴径 d=25mm 及轮毂 L=34，选键 bh=87GBGB1096-79 强度校核 键材料用45 钢，查表得许用应力，键的工作长度 l=L-b=34-8=26mm； 100120pMpa:，按公式得挤压应力：3.5hRmmv 32102 22470.58810.973.5 26 45pTMpaRld故强度是足够的。1 1. .7 7. .2 2 小小齿齿轮轮 3 3 和和轴轴的的键键联联接接 按稠径 d=25mm（轮毂 L=27mm，选键 bh=87，GB1096-79，选用圆头普通平键（A 型）强度校核键材料用 45 钢，查表得许用应力，键的工作长度 l=L-b=27- (100 120)pMpa7=20mm，,按公式3.5hRmmv 122 22470.58814.26 3.5 20 45ppTMpaRld故能满足。济源职业技术学院毕业设计282机床横向伺服进给单元电气控制部分设计C616 车床是一种小型的车床，对于它的伺服进给单元的机电一体化改造设计，我们从设计内容中可以知道，是用微机控制步进电动机驱动滚珠丝杠带动工作台来完成数控处理和运动控制。由此可见，改造设计后的机床具有一定的数控机床的功能特点，是一种简易经济数控机床，所以，我们就按照经济数控机床进行电气控制部分的改造设计。2 2. .1 1电电气气控控制制系系统统方方案案的的确确定定 我们知道对于一些经济数控机床，常采用开环伺服系统，其结构如图 21图 21 开环伺服系统结构原理图它主要由步进电动机和相适应的驱动电路组成，数控装置发出的指令脉冲驱动电路变换放大传给步进电动机，步进电动机每接受一个脉冲就旋转一个角度，再通过齿轮副和丝杠螺母带动机床工作台移动，步进电动机的转速和转过的角度取决于指令脉冲的频率和个数，反映到工作台就是工作台的移动速度和位移的大小。但系统没有位置检测反馈环节，工作台位移到位，其精度取决于步进电机齿距角精度，齿轮传动间隙和丝杠螺母精度等。由此可见，对于我们改造设计的 C616 车床的横向伺服就进给单元采用这种由步进电机驱动的开环控制系统比较合适的。该系统方案中不使用位置检测元件，也就没有闭环控制系统的稳定性问题。因此，具有结构简单，使用维修方便，可靠性高，制造成本低等一系列优点。对于 C616 车床精度要求不太高的中小型机床改造设计来说，特别适合适用这种开环步进控制系统发案。济源职业技术学院毕业设计292 2. .1 1. .1 1 步步进进电电动动机机与与丝丝杠杠的的联联接接对于经济数控机床，步进电动机应与进给运动的丝杠相连着主要是从进给传动链最短发出信息来考虑的，步进电动机与丝杠的联接的方法有两种：一种是与丝杠直接联接在一起，此方法结构简单，但是运行位移的脉冲当量不是 5 的倍数编程计算时不方便。另一种是在步进电动机输出轴端配置减速器，使减速器输出轴通才联接套于丝杠直接联接在一起，一般改造常采用这种联接方式。所以， C616 车床改造设计也采用这种联接方式，而且从前面步进电动机计算和选择中可知采用二级传动2 2. .1 1. .2 2 8 80 05 51 1 单单片片机机的的选选择择 根据 C616 车床最大加工尺寸，加工精度，控制速度以及经济性要求，改造设计后的简易经济型数控机床一般采用 8 位微机进行控制，在 8 位微机中，MCS-51系列单片机集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰性强，具有很高的性能比。因此，我们设计选择应用 MCS-51 系列单片机作为控制微机在 MCS-51 系列单片机中 8051 为典型代表，它具有高性能 8 位 CPU，4KROM，128 字节 RAM，2 个 16 位定时/计数器，4 个 I/O，一个全双工异步串行口，5 个中断源，可访问 64K 程序存储器空间和 64K 数据存储器空间，它与其中的 8031 相比，片内有 4KB 的 ROM，而 8031 片内没有 ROM 或 EPROM。8031 使用时必须配置外部的程序存储器 EPROM，而 8051 就不需要了。但它的片内 ROM 和片外 ROM 不能同时占有，为了指示机器的这种只有生产厂家或器件设计者为用户提供了一条专用的控制引脚EA，如果 EA 接+5V 高电平，则机器使用片内 4KBROM ，如果 EA 接低电平，则机器自动使用片外 ROM，而 8031 引脚 EA 接地 所以，对于 C616 车床横向进给伺服系统就采用 8051 单片机进行数据传递和运动控制我们改造设计的机床，主要是横向伺服进给单元机电一体化改造设计，根据下面设计起控制电路如后面附图（B）所示 2 2. .2 2 步步进进电电动动机机开开环环控控制制系系统统设设计计 步进电动机又称脉冲电动机 ，使一种把脉冲信号转换成为线位移或角位移的济源职业技术学院毕业设计30电动机，常用作数字控制系统中的执行元件。根据前面的设计步进电动机的计算和选择可知，我们设计选用的是三相六拍的反映式步进电动机 - 110BF003 由于步进电动机各绕阻按一定节拍依次轮流通电才能转动，控制脉冲频率可控制其转动速度，因此 步进电动机的驱动系统由脉冲发生器，光隔离电路，脉冲功率放大器等组成，其驱动原理框图如下图 22 所示图 22 步进电动机驱动原理图图中，脉冲信号源是由 CNC 系统根据程序控制脉冲频率和频率的个数，脉冲分配器将脉冲信号按一定顺序分配；然后送到放大电路中进行功率放大，驱动步进电动机进行工作，其中脉冲分配器及前面的微机及接口芯片工作一般为 +5V 而作为电动机电源需要符合 步进电动机的额定电压值，为避免强电对弱电的干扰，在它们之间设计采用光隔离电路。具体电路如下面所设计的2 2. .2 2. .1 1 脉脉冲冲分分配配器器对于开环伺服驱动中，我们设计采用单片机脉冲分配器，如图 23 所设计的8051 单片机控制步进电动机的控制电路。济源职业技术学院毕业设计31图 23 8051 单片机控制步进电动机控制电路原理图8051 单片机的 P1 口作为输出口，用程序实现脉冲分配功能。对于三相异步电动机，用 P1.0，P1.1，P1.2 作为输出端，精光电隔离电路，再由驱动电路放大来驱动 步进电动机运转。对于我们改造设计的 C616 车床的横向伺服进给单元机电一体化改造选择的是 三相六拍的反应式步进电动机 -110BF003。因此，按三相六拍的步电动机的通表电顺序，可以得出 P1.0 口的输出控制字表如下表 1 所示表 1 P1.0 口的输出控制字表由表可见，步进电动机第一个状态字为 01H，从上而下输出控制字，步进电动机正转。从正转最后一个状态字 05H 之后加上反转第一个控制字 01H，此时，再接着输出控制字时，步进电动机反转，假设这些控制字在存储器地址以及读取控制字的顺序，可以画出三相六拍步进电动机的控制程序框图 2-3 如下济源职业技术学院毕业设计32图 2-3 步进电动机控制程序流程图假设，步进电动机总的运行参数放在 R4 转向标志存放在程序状态寄存器用户标志 FI（D5H）中，当 F1 为“0”时，步进电动机正转。当 F1 为“1”时，步进电动机反转。正转时，8051 的 P1 口的输出控制字 01H，03H，02H，06H，04H，05 存放在 8051 的片内数据存储器单元 20H25H 中，26H 存放结束标志 00H 在 27H2CH 的存储单元内存放反转时 P1 端口的输出控制字 01H，04H，06H，.02H，03H，在2DH 单元内存放结束标志 00H。根据前面的控制程序表 1 图 2-4）的控制程序控制框图，我们可以 编出步进电动机正反转及转速控制，其控制程序如下； PUSH A； MOV R4， #H CLR C； ORL C， D5H； JC R0TE； MOV R0， #20H济源职业技术学院毕业设计33 AJMP LOOP； R0TE： MOV R0， #27H LOOP： MOV A， R0 MOV P1， A； ACALL DELAY； INC R0； MOV A， 00H ORL A， R0； JZ TPL； LOOP： DJNZ R4，LOOP； POP A； TPL MOV A， R0； CLR C； SUBB A， 06H； MOV R0， A； AJMP LOOP1； DELAY： MOV R2， M； DELAY1： MOV A， M1； LOOP： DEC A； JNZ LOOP； DJNZ R2， DELAY1； RET2 2. .2 2. .2 2 光光隔隔离离电电路路在这个步进电动机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电动机的励磁绕组。由于步进电动机需要的驱动电压较高（几十伏）电流也教大（几济源职业技术学院毕业设计34安到几十安）如果将 I/O 口输出信号直接与功率放大器相连，轻则影响单片机程序的正常运行，重则导致单片机接口电路的损坏。因此，在接口电路与功率放大器之间设计加光隔离电路，实现电器隔离，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由发光二级管和光敏晶体管组成如下图 2-5 所示的共集电极输出型光耦合器。当输入信号 VI 加到输入端时，发光二极管导通激发出红外光，光敏晶体管受光照后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现以光为媒介的电信号传输，输入端与输出端在电气上完全隔离。图 2-5 共集电极耦合器 图 2-6 光电隔离输出电路上图 26 为光隔离输入与输出电路。控制信号 74LS05 集电极开路门反相后驱动光耦器的输入发光二 极管 。当控制信号为低电平，74LS05 不吸收电 流，发光二极管不导通，从而输出的光敏晶体管截止，当控制信号为高电平， 74LS05 吸收电流，发光二极管导通 发光，光敏晶体管受到激励导通。我们的改造设计就采用这种光隔离电路。2 2. .2 2. .3 3 步步进进电电动动机机驱驱动动电电路路由于逻辑电路和单片机的输出脉冲电平很小，一般为 3V 左右电流为毫安无法驱动步进电动机，而需要经过驱动电路进行功率放大。我们知道常用的驱动电路有：单电源驱动电路高低压双电源驱动电路和恒流斩波驱动电路。而我们设计采用高低济源职业技术学院毕业设计35压双电源驱动电路 作为该系统的驱动电动。如下图所示设计的高低双电源驱动电路。 图 2-7 高低双电源驱动电路 图中 LA 为步进电动机 A 相绕组，接大功率 VT1 和 VT2 之间，VT1 为高压管。当脉冲分配器输出低电平是，VTI 和 VT2 之间截止，LA 无电流通过。当脉冲分配器输出高电平是，是单稳态电路翻转为高电平输出，经前端放大使 VT1 导通，同时功率管 VT2 也导通，高压电源 Vn 经 VTI 和 VT2 加至 LA 上。此时，二极管 VD1 因承受反向电压而截止，切断低压电路 VL，由于高压源电压很高，线圈的电流 上升很快，上升沿变陡，当电流值接近步进电动机的额定值是，单稳态电路延时时间到 ，翻转为输出低电压，使高电压管 VT1 截止。这时，由低电压电源 VL 供电，VT2 继续导通 LA 继续通过电流 。当脉冲分配器输出的脉冲为低电平时，功率 VT2 截止，这时为二极管 VD2 续流，电流随之减少为零采用这种驱动电路是因为它于单电源驱动电路相比，高低压双电源驱动电路的电流波形上升沿变陡，使步进电机的力矩和运行频率等主要性能得到明显改善，而且驱动功率也比单电源的高；在结构上也比恒流斩波驱动电 路的简单。所以我们设计应用这种高低压双电源驱动电路济源职业技术学院毕业设计362 2. .3 3 8 82 25 55 5 可可编编程程控控制制芯芯片片的的扩扩展展MCS51 系列单片机的特点之一就是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合可以不用 I/O 口系统，但是对于复杂的应用场合就需要用 I/O 口扩展来满足单片机运行功能的像我们设计的 C616 车床的数控化的改造就有一定的复杂程度。因此。我们对 8051 单片机进行 I/O 口扩展，扩展一片 8255 可编程控制芯片来达到机床控制运动功能的完善性选用的 8255 芯片是 INTEL 生产的可编程 0 输入输出接口芯片它具有 3 个 8 位的并行 I/O 口分别为 PA。PB，PC 口其中 PC 又分为高 4 位（PC7PC4）和低 4 位（PC3PC0） ，它们都可以使用软件编程来改变 I/O 口工作方式。因此，8255 使用方便，通用性强，经常作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。我们设计的是 8255 芯片与 8051 直接接口电路如图 28 所示 图 2-8 8051扩展8255的接口电路连接图在8051单片机的I/O口上扩展一片8255芯片，无需加任何逻辑电路，从图中可以看出8255的片选信号CS及口地址选择线A0，A1分别由8051的P0.7和P0.0，P0.1经济源职业技术学院毕业设计37地址锁存器74LS373锁存后提供。所以8255的A口，B 口 ，C口以及控制口地址分别为FF7CH，FF7DH，FF7EH，FF7FH。8255的复位端与8051 的复位端相连，都接到8051的复位电路上。我们知道在实际应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写人操作口。根据我们的设计图28可知： A口地址：FF7CH； B口地址：FF7DH； C口地址：FF7EH； 控制口地址： FF7FH；对于8255的C口8位中的一位，均可以用指令来置位和复位。例如，如果把 C口的第6位PC5置1相应的字控制为00001011B=0BH，程序如下： MOV DPTR ， #0FF7FH； MOV A， #0BH； MOVX DPTR , A； 由此可见，8255接口芯片在MCS-51系列单片机中应用
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