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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濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計1目錄摘要.IIABSTRACT.III緒 論.21 機械部分改造的設計及計算.31.1 課題的來源與意義及總體方案的確定 .31.1.1 課題的來源與意義： .31.1.2 總體方案的確定： .41.2 滾珠絲杠副的計算和選型.51.2.1 確定系統(tǒng)的脈沖當量.51.2.2 切削力計算 .61.2.3 傳動效率 .81.3 步進電動機的選擇.101.3.1 傳動比的計算 .101.3.2 轉動慣量的計算 .111.4 齒輪設計及強度校核計算.151.4.1 選定齒輪類型，精度等級，材料及齒數(shù) .151.4.2 按照齒面接觸疲勞強度校核.161.4.3 校核齒根彎曲疲勞強度.181.5 軸的設計（中間軸）及校核.191.5.1 選擇軸的材料 .191.5.2 初步估算軸的最小直徑.191.5.3 軸的結構設計 .201.5.4 按彎扭合成應力校核軸的強度.201.5.5 精確校核軸的疲勞強度.231.6 滾動軸承的選擇和計算.281.7 鍵聯(lián)接的選擇和強度校核（即中間軸） .291.7.1 大齒輪 2 與軸的鍵聯(lián)接.291.7.2 小齒輪 3 和軸的鍵聯(lián)接 .302 機床橫向伺服進給單元電氣控制部分設計.312.1電氣控制系統(tǒng)方案的確定 .312.1.1 步進電動機與絲杠的聯(lián)接.322.1.28051 單片機的選擇 .32濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計22.2 步進電動機開環(huán)控制系統(tǒng)設計 .322.2.1 脈沖分配器 .332.2.2 光隔離電路 .362.2.3 步進電動機驅動電路.372.3 8255 可編程控制芯片的擴展 .392.4 輔助電路的設計 .402.4.1 8051 單片機的時鐘電路 .402.4.2 復位電路 .412.4.3 越界報警電路 .412.5 操作面板設計的簡要介紹.422.6 繪制機床電氣控制電路原理圖.42結 論.44致 謝.45參考文獻.46濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計1緒 論隨著我國生產技術進步，在機械制造業(yè)中，數(shù)控機床越來越受到企業(yè)的歡迎。企業(yè)一方面投入大量資金購買數(shù)控車床，另一方面更新改造現(xiàn)有普通機床，通過 為普通機床添加數(shù)控裝置，將普通機床改造成數(shù)控機床，這是許多中小型企業(yè)面臨的重要技改措施。數(shù)控機床能夠適應市場對產品多樣化、高精度的要求。因此得到了越來越廣泛的應用。但是，商品化的數(shù)控機床價格高，一致于推廣應用受到限制，而我國又現(xiàn)存有大量的普通機床，利用較先進的數(shù)控 系統(tǒng)，對現(xiàn)有普通機床進行技術改造，對提高我國機械行業(yè)的數(shù)控加工技術具有 更重要意義。數(shù)控機床是衡量一個國家機械制造業(yè)水平的重要指標。根據(jù)我國機床擁有量大，生產 規(guī)模小的具體國情，將普通機床通過數(shù)控化改造為經濟型數(shù)控機床是我國機械工業(yè)技術改造的這樣目標。但從我國目前機械工業(yè)制造水平與發(fā)達國家相比差距較大， 而且從目前企業(yè)所面臨的情況看，因數(shù)控機床價格較貴，一次性投資較大，使企業(yè)心有余而力不足。因此，我國作為機床大國。對普通機床數(shù)控化改造作為一種良好的有效途徑。這樣機床改造花費少，改造設計針對性強、時間短，改造設計后的機床大多能夠克服機床的缺點和存在的問題，生產效率高。濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計11 機械部分改造的設計及計算1.11.1 課題的來源與意義及總體方案的確定課題的來源與意義及總體方案的確定1.1.11.1.1 課題的來源與意義：課題的來源與意義： 社會發(fā)展的今天，現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展非常迅速突出，普通機床已越來越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動生產率的要求。如果設備全部更新?lián)Q代不僅資金投入大，成本太高，而且原有設備的閑置又將造成極大浪費。所以最簡易經濟的辦法就 是進行數(shù)控化改造。數(shù)控機床作為機電一體化的典型產品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好的解決了現(xiàn)代機械制造中結構復雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產品的加工質量，大幅度地提高生產效率。但從我國目前機械工業(yè)制造水平與發(fā)達國家相比差距較大，而且從目前企業(yè)所面臨的情況看，因數(shù)控機床價格較貴，一次性投資較大，使企業(yè)心有余而力不足。因此，我國作為機床大國。對普通機床數(shù)控化改造作為一種良好的有效途徑。這樣機床改造花費少，改造設計 針對性強、時間短，改造設計后的機床大多能夠克服機床的缺點和存在的問題，生產效率高。1.1.21.1.2 總體方案的確定：總體方案的確定：根據(jù)改造設計內容確定方案。有設計內容可知，該 C616 車床的改造設計是將原機床中手動進給裝置改裝成有步進電動機驅動，采用微機控制步進電動機來完成數(shù)據(jù)的處理運動控制。由此可見改造設計以后的車床具有一定的數(shù)控機床功能和特點，大大提高了車床的數(shù)控化程度和生產效率，是一種經濟型的數(shù)控機床。翻閱查看 C616 車床是一種小型的車床，床身最大工件回轉直徑 320mm 加工工件最大長度750mm，主要用于加工中小型類零件。根據(jù)我們的設計內容要求參考數(shù)控機床的改造設計經驗，我們設計確定如圖 1-1 1-2 所示總體改造方案。濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計2圖 11 總體改造方案圖 12 C616 普通車床的數(shù)控改造方案圖該方案中以步進電動機作為驅動元件，采用開環(huán)伺服控制，無檢測反饋機構，具有結簡單，使用維護方便，可靠性高，制造成本低等一系列的優(yōu)點。從設計題目中可知，我們改造設計的是基于 C616 車床的橫向伺服進給單元機電一體化改造設計。所以針對橫向進給機構進行如下改造： 拆除原機床進給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱，拆除原絲杠安裝滾珠絲杠并仍然安裝在原絲杠的位置，兩端采用原固定方式，這樣可以減小裝配現(xiàn)場，并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)小于原絲杠，從而是橫向進給整體的剛性提高，優(yōu)勝于以前的， 橫向進給機構采用二級齒輪減速，并用雙片齒輪銷齒法消除間隙。其余部分的改造設計盡量按照原機床的主要結構布局基本不變，盡量減少改裝的部位，以降低生產成本，節(jié)約改造生產時間，提高生產效率。1 1. .2 2 滾滾珠珠絲絲杠杠副副的的計計算算和和選選型型濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計3進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算與選型的內容包括:運動參數(shù)、動力參數(shù)的計算、傳動比的分配、轉動慣量、等效轉矩等計算.計算簡圖如圖 1-3:圖 13 進給伺服系統(tǒng)機械部分的計算1 1. .2 2. .1 1 確確定定系系統(tǒng)統(tǒng)的的脈脈沖沖當當量量脈沖當量是指一個進給脈沖使車床執(zhí)行部件產生的進給量 ,它是衡量數(shù)控機床加工精度的一個基本技術參數(shù).因此脈沖當量應根據(jù)機床精度來確定.對于經濟車床來說橫向采用的脈沖當量為 0.005mm/脈沖1 1. .2 2. .2 2 切切削削力力計計算算 在進給系統(tǒng)的傳動的計算過程中,選用步進電動機時都需要用到切削力(機床的主要負載),則可用公式計算出車床切削力最大切削功率(或轉矩) =P主 式中 P主.主電動機的功率,C616 車床 P主 =8 kw .主傳動系統(tǒng)的總功率一般為 0.70.85 取 =0.8 則 P切 =(80.8) kw=6.4 kw切削功率應按在各種加工情況下經常遇到的最大切削力 (或轉矩)和最大切削速度(或轉矩)來計算,即: P主 =/60cF310-式中 主切削力( N )cF濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計4 最大切削速度(m/min).按用硬質合金刀具半精車鋼件是的速度取 =100m/min = 60 6.4/100 = 3840( N )cF310在一般情況外圓車削時, =(0.10.55) fFcF =(0.150.65) pFcF取 = 0.48 = 1843.2N = 0.58 = 2227.2NfFcFpFcF滾珠絲杠副的選擇和性能驗算,橫向進給為綜合型導軌,由公式可得絲杠軸向進行切削,其中 k= 1.15, =0.16 則:f = k+(+W)mFfFfcF式中 .切削分力( N )cFfFpF W移動部件的重量( N ) 導軌上的摩擦系數(shù),隨導軌型式不同而不同fK考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)即 =1.15 1843.2+0.16 (3840+200)N=2766.08NmF 最大切削力下的進給速度可取最高進給速度的 1/21/5,取為 1/2.橫向進給sv速度為 2m/min,絲杠導程選取 6mm,則絲杠轉速為: n = 1000/ = 1000 2/6 = 333.33r/minsv0L絲杠使用的壽命時間取為 T = 15000h,則絲杠的計算壽命 L 為: L = 60nt/ = 60 333.33 15000/ = 300 ()610610610根據(jù)工作負載、壽命 L,按公式計算滾珠絲杠副承受 的最大的動載荷取mFmC= 1.2 = 1wfaf濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計5 =/=1.2 2766.08=22220NmC3LmFwfaf3300由當量載荷,從手冊或樣本的滾珠絲杠系列表中初選滾珠絲杠的型號和有關mC參數(shù).選用是要注意公稱直徑和導程應用優(yōu)先組合，同時還需要滿足數(shù)控系統(tǒng)0d0L和伺服系統(tǒng)對導承的要求。同時還受最大靜載荷的影響和限制，因當滾珠絲杠在靜態(tài)或低速(n10r/min)情況下工作時，滾珠絲杠副的破壞形式主要是滾珠與滾道型面在接觸點上產生塑性變形，當塑性變形超過一定限度就會使?jié)L珠絲杠副無法正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠直徑的萬分之一。此時的軸向負載稱oaC為額定靜載荷。選用時應將相應的滾珠絲杠的額定靜載荷滿足以下條件：oaC =f/maxFoaCsf式中 滾珠絲杠的最大軸向工作載荷；maxF 靜態(tài)安全系數(shù)。一般 12,有沖擊時 =23sfsfsf由參照表查出該滾珠絲杠型號為W5006外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲mC杠副。1列3圈，其額定動負載為24000N，強度足夠應，精度選用5級，其幾何參數(shù)如下：公稱直徑=50mm，導承=6mm，螺紋升角v=arctg/=211繭鋼球直徑為0d0L0L0d3.969mm，螺桿內徑為45.88mm。滾道半徑R為： R=0.52 3.969=2.06388mm偏心距為： e=0.07（R-/2）=0.07（2.064-3.969/2）=5.6mm0d310螺桿內徑： =+2e-2R=50 2 5.6-2 2.06388=45.88mm1d0d3101 1. .2 2. .3 3 傳傳動動效效率率 滾動絲杠副的傳動效率可用下式計算。 =tgr/tg（r+）式中 r絲杠的螺旋升角濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計6 摩擦角。滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)因數(shù)f=0.003-0.004，摩擦角約等于10即=tg211/tg(211+10)0.927橫向進給滾珠絲扛支承方式如前圖所示，支承間距L=400mm，絲杠螺母及軸承均進行了預緊，預緊力的最大軸向負載荷的1/3，絲杠的變形量計算如下：滾珠絲杠截面積按絲杠螺紋的底徑確定A=/4 45.882mm2=1653.24mm工作載荷引起導程的變化量可用下式計算mF0L0L=/EA=2766.08 6/20 104 1653.24=0.487mm0LmF0L410式中 E絲杠材料的彈性模量，對鋼E=2.06 1011N/2m則絲杠的拉伸或壓縮變形量：1=/L=0.487/6 1500=1.22mm10L0L410210由于兩端均采用角接觸球軸承，且絲杠又進行了預緊故其拉壓剛度可比一端固定的絲杠提高4倍。其實際變形量為=1/4=0.305mm11210滾珠與螺紋通道間接觸變形=0.0013/=0.0072mm2mF23oyd F Z式中 軸向工作載荷（N） ；mF 預緊力（N）yF 滾珠直徑（mm） ；wd滾珠數(shù)量，=Z j k其中j為圈數(shù)，k為列數(shù)，Z每圈螺紋滾道內的ZZ 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計7滾珠數(shù)：外循環(huán)時Z=/；內循環(huán)時Z/-30dwd0dwd滾珠絲杠公稱直徑（mm） ；0d因絲杠加有預緊力；且預緊力為軸向最大負載的1/3時, 可減少一半，因此2實際變形量為： =0.0072/2=0.036mm2210支承滾珠絲杠的軸承為8209型推力球軸承，幾何參數(shù)為=45mm，滾動體直徑1d=7.06mm，滾動體數(shù)量=20軸承的軸向接觸變形為： QdQZ3=0.0243232mQQFd z式中軸承所受軸向載荷（N） ；軸承的滾動體數(shù)目；mFQz 軸承的滾動體直徑；即Qd=0.024=0.024=0.03346mm3232mQQFd z2322766.087.06 20注意：此公式的單位為KgfmF因施加預緊力故實際變形量=1/2=1/2 0.03346mm=0.0167mm33根據(jù)以上計算總變形量為：=+=（0.00305+0.0036+0.0167）mm=0.0234mm123五級精度絲杠允許邏輯誤差為27m/m，故剛度足夠。因為滾珠絲杠的兩端都采用推力球軸承并預緊，因此不會產生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需要作穩(wěn)定性校核。濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計81 1. .3 3 步步進進電電動動機機的的選選擇擇1 1. .3 3. .1 1 傳傳動動比比的的計計算算 根據(jù)給定的橫向進給的脈沖當量0.005mm，滾珠絲杠導程=6mm，及初選的步0L進電機步距角0.75，可計算出傳動比i： =360/ 0L式中 脈沖當量（mm/步） ； 滾珠絲杠導程（mm） ；0L 步進電機步距角（） ；減速齒輪考慮到結構上的原因，不使大齒輪直徑太大，以免影響到橫向溜板的有效行程故采用兩級齒輪降速，根據(jù)傳動比，即 i=360/0L選齒輪Z1=28，Z2=56，Z3=24，Z4=30一級降速傳動比為0.5二級降速傳動比為0.8初選步進電動機型為150BF002,因為進給伺服系統(tǒng)傳遞功率不大,一般選模數(shù)取m=12，本次設計選用m=2。1 1. .3 3. .2 2 轉轉動動慣慣量量的的計計算算選擇步進電動機時,必須根據(jù)機械傳動裝置及負載折算到電動機軸上的等效轉動慣量,分別計算各種情況下所需要的力矩,再根據(jù)步進電動機最大靜轉矩和啟動運行頻率特性選擇合適的步進電動機,負載慣量是驅動系統(tǒng)的主要參數(shù)之一,它對選擇步進電動機,設計傳動比等都有十分重要的意義,如果該慣量與電動機的匹配不當,系統(tǒng)就得不到快速反應,甚至失效.Z1=28,z2=56,z3=24,z4=30 齒輪的轉動慣量。1,2,3,4Z Z Z Z1234,J JJJ 341111032JdL濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計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絲杠的轉動慣量可以從表中查得負載轉動慣量22131234242222862.653836.148 1042270.186 15.90.417.522562LSZ ZLwJJJJJJgZ ZWg216Z（）（）Z考慮步進電動機與負載轉動系統(tǒng)慣量匹配問題即 0.571 滿足慣量匹配要求。而慣量J由伺附電動機的慣量 mJ 和進給系統(tǒng)慣量LJ 組成 10 17.52227.522mLJJJmJ伺附電動機的慣量LJ進給系統(tǒng)慣量負載轉矩計算及最大靜轉矩選擇：機床在不同的情況下，其所需要的轉矩不同，下面分別進行計算快速空載啟動是所需要的轉矩為 max0afMMMM起濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計10式中： M起 快速空載啟動力矩 maxaM 空載啟動折算到電動機上的加速力矩 fM 折算到電動機軸上的摩擦力矩 0M 由于絲杠加緊時折算到電動機軸上的附加力矩將已知數(shù)據(jù)代入 max2000 0.758333600.005 360minbpvrm axn 2maxmax21060aatnMJ式中 J傳動系統(tǒng)折算到電動機軸上的等效的轉動慣量 at 運動部件從停止啟動加速到最大快進速度所需要的時間 maxn電動機的最大轉速 2max283327.52210694.428 .60 0.0253aMN cm折算到電動機軸上的摩擦力矩 002FF LMi 式中 0F 導軌的摩擦力0cFf FW cF 垂直方向的切削力 W 運動部件的總重量 f 導軌的摩擦系數(shù) i 齒輪降速比 傳動鏈總效率，一般取 0.70.85 000.1638402000.630.87220.8 2.5FF LMi濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計11附加力矩： 2000012PF LMi 式中： 0PF 滾珠絲杠預加負荷前一般取 0L 滾珠絲杠導程0滾珠絲杠擰緊時的效率一般大于 0.9于是： max0730.424aFMMMM起快速移動時需要的力矩： 035.996FMMM快最大切削負載時所需要的力矩： 0124.04FtMMMM切從以上計算可以看出三種工況下以快速空載啟動所需要的力矩最大，依次作為出選電動機的依據(jù)。對于工作方式與五相十拍的步進電動機最大靜轉矩： max7.680.951jMMNm起從相關資料可以查出 150BF002 型號的步進電動機最大靜轉矩為 13027N.M 大于所需要的最大靜轉矩可以作為初選型號大需要考慮電動機啟動矩頻特性和運行它。步進電動機的空載啟動頻率： maxmax10006666.760vfHZ maxmax10006666.760vfHZ由相關資料知道 150BF002 步進電動機允許的作大空載啟動頻率為 2800HZ，運行頻率為 8000HZ，有下圖（a)可以看出步進電動機啟動是頻率為 2500HZ，遠不能滿足機床所需。直接使用回產生失步現(xiàn)象，所以必須采取升降速度控制（可以用軟件實濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計12現(xiàn)）將啟動頻率降到 1000HZ 時，啟動扭矩可以增高到 588 。然后在電路上再采用高低壓驅動電路，可以將步進電機輸出轉矩擴大一倍左右。 當快速運動和切削進給時，由 150BF002 型號的步進電動機矩頻特性（b)知道電動機可以滿足要求。根據(jù)上述計算綜合考慮，橫向進給系統(tǒng)采用 150BF002 型號電動機（a)步進電動機啟動頻率（b) 步進電動機矩頻特性圖 14 步進電動機的啟動頻率和矩頻特性零件的設計計算，傳動軸的初步計算及結構設計，支撐方式和部件的選擇計算 .1 1. .4 4 齒齒輪輪設設計計及及強強度度校校核核計計算算濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計131 1. .4 4. .1 1 選選定定齒齒輪輪類類型型，精精度度等等級級，材材料料及及齒齒數(shù)數(shù)該傳動方案選用直齒圓柱齒輪傳動.速度不高,所以齒輪選 8 級精度；齒輪材料選用價格便宜并且硬度合適的材料；齒輪 Z1，Z3，Z4 材料為 45#鋼(調質)； 齒輪 Z2 材料為 45 鋼(?；?。 根據(jù)傳動比選取小齒輪 Z1=28.Z2=56.Z3=24.Z4=30因齒面硬度小于 350HBS 的閉式傳動,所以按照齒面接觸疲勞強度設計,然后校核齒根彎曲疲勞強度.1 1. .4 4. .2 2 按按照照齒齒面面接接觸觸疲疲勞勞強強度度校校核核 213112.3251EdHKTzud tu由公式確定公式中各參數(shù)的值選擇載荷系數(shù)1.3tK 519.55 1011923.16PTNmmn計算小齒輪傳遞的轉矩查表選擇齒寬系數(shù)0.8d查表得出彈性影響系數(shù)189.8EZMpalim1lim3lim4lim2590470HHHHMpaMpa由表查出 F tFasaFFmK Y Yb濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計14由公式確定公由表查出壽命系數(shù) 12341HNHNHNHNKKKK計算接觸疲勞強度許用應力,取失效概率為 1%,安全系數(shù) S=1.由公式 limHNHHHKS 可得 134590HHHMpa 2470HMpa計算小齒輪分度圓直徑 213112.3251EdHKTzud tu計算圓周速度 112.2560 1000d tnmVs 計算載荷系數(shù). 根據(jù)10.45100V Z查表1.04VK 因為是直齒圓柱齒輪,取同時由表查 得1AK ， 1.121.25aKK 所以載荷系數(shù)1 1.04 1 1.021.1AVKKKKK 按實際的載荷系數(shù)校正所計算的分度圓直徑 33111.151481.3kdd tmmkt計算模數(shù)：濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計15 1148224dm= z取模數(shù)12m 根據(jù)綜合因素的 考慮及傳遞的力矩不大,故選用：1128 256,2dmm m 計算分度圓直徑： 128 256,dmm256 2112dmm 324 248,dmm430 260dmm計算中心距： 12341284,5422ddddaa計算齒輪寬度： 110.8 5644dbdmm由于傳遞振動不大，1 1. .4 4. .3 3 校校核核齒齒根根彎彎曲曲疲疲勞勞強強度度式中各個參數(shù)值,計算圓周力： 1122 11923.16425.82756TTFd查取應力校正系數(shù)： 112.80,1.55.FaSaYY222.40,1.67FaSaYY 332.80,1.55.FaSaYY442.62,1.59FaSaYY計算載荷系數(shù)： 1 1.04 1 1.251.3AVKKKKK 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計16查取彎曲強度極限及壽命系數(shù)：查表得：lim1lim2lim3lim4450,390,450,450FFFFMpaMpaMpaMpa查表知道；12341FNFNFNFNKKKK計算彎曲疲勞許用應力,取彎曲疲勞安全系數(shù)： 1.4FSS由公式： limFNFFFKS所以 1lim1134321.43FNFFFFKMpaS 2lim22390278.571.4FNFFKMpaS校核計算： 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 軸軸的的設設計計（中中間間軸軸）及及校校核核1 1. .5 5. .1 1 選選擇擇軸軸的的材材料料 選取 45 鋼，調制硬度 HBS=230，強度極限=650Mpa，屈服極限=360Mpa,BS濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計17彎曲疲勞極限=300Mpa,剪切疲勞極限=155Mpa,對稱循環(huán)變應力時的許用應力11=60Mpa-1b 1 1. .5 5. .2 2 初初步步估估算算軸軸的的最最小小直直徑徑取=110，得：0Ad=11015mm0A232pu30.98416.5由于采用步進電動機驅動，選用 150BF002 型，它的軸徑為 18mm，為了配d合二級齒輪傳動，在此選擇最小軸徑為15mm，便于受力均勻，結構緊湊，便于安裝。1 1. .5 5. .3 3 軸軸的的結結構構設設計計 由軸的結構和強度要求選取軸承孔的軸徑 d=15mm，初選軸承型號 6202 的深溝球軸承，齒輪軸處軸孔 d=25mm,軸肩直徑 d=35mm,軸的結構如附圖兩軸承支點間的距離為 L=+u+2T13B312T式中 T 軸承的寬度，查表可知 6205 軸承 T=11mm 齒輪端面與箱體內壁的距離，查表可知取=8mm11 齒輪 3 的齒寬，=32mm3B3B 齒輪 2 與齒輪 3 輪轂端面間的距離，取=8mm33L 齒輪 2 的輪轂長度，L=（1.21.5）dB,u=34mm代入以上各數(shù)值得 L=11+8+27+34+8+13.5=96mm齒輪 3 的對稱線與左軸承支點的距離為： =+=5.5+8+13.5=27mm1L2T132B齒輪 3 的對稱線與齒輪 2 的對稱線間的距離為：濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計18 =+=13.5+8+17=38.5mm2L32B32u齒輪 2 的對稱線與右軸承支點間的距離為： =+=17+8+5.5=30.5mm3L2u12T1 1. .5 5. .4 4 按按彎彎扭扭合合成成應應力力校校核核軸軸的的強強度度繪軸的計算簡圖 軸的計算簡圖如圖 1-5(a) 所示計算作用軸上的力大齒輪 2 受力分析圓周力 =401.26N2tF222Td2 22470.588192 徑向力 =401.26=146.05N2rF2tFtgtg20小齒輪 3 受力分析 圓周力 =936.27N3tF232Td2 22470.58848 徑向力 =936.27=340.77N3rF320tF tg20tg計算支反力： 水平面 =0BM 96-69.5-32.5=0AHR3tF2tF =805.30NAHR =0Fy =+-=532.23NBHR2tF3tFAHR濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計19 垂直面 =0BM 96-69+30.5=0AVR3rF2rF =198.52NAVR =0Fy =-=-3.8NBVR3rF2rFAVR作彎矩圖 水平面彎矩圖(b) =-28.5=-803.527.5=-21743.1N.mmcHMAHR =-32=-523.2330.5=-16233.015 N.mmDHMBHR 垂直面彎矩圖(c)=28.5=198.5227=5360.04 N.mm1CVMAVR =32=-3.830.5=-115.9 N.mm1DVMBVR合成彎矩 =CM22CHCVMM =22( 21743.1)6360.04 =22393.92 N.mm =DM22CHDVMM =22( 16233.015)( 115.9) =16233.42 N.mm做扭矩圖(d) =22470.588 N.mm2T作計算彎矩圖圖(e) 考慮減速器的剎車和啟動，轉矩產生的切應力應按脈動循環(huán)變化，故取 a=0.6。則：濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計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按彎扭合成應力校核周 6 的強度 由計算彎矩圖可知，C 剖面的計算彎矩最大，該處的計算應力為： =16.729Mpacac2cacMW326139.270.1cd326139.270.1 25 16.729Mpa=60Mpa1b故安全1 1. .5 5. .5 5 精精確確校校核核軸軸的的疲疲勞勞強強度度 由玩具圖和轉矩圖可知彎矩最大，但從應力集中對軸的疲勞度的影響看，剖面，處的過盈配合引起的應力集中最嚴重，由于過盈配合及鍵槽的應力集中兩端，故 C 剖面處受影響不大，在剖面處的載荷比剖面處的載荷要大，而剖面，的尺寸相同，因而在此只需要校核剖面兩側的疲勞強度。剖面左側彎矩及彎曲應力 彎矩：2521102.079(256139.2721102.079)38.5M =24372.98 N.mm抗彎剖面模量：濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計21 3330.10.1 251562.5Wdmm 彎曲應力： 24372.9815.5981562.5bMMpaW 應力幅： 15.598abMpa 平均應力： =0m轉矩及扭剪應力 轉矩： 222470.588 .TTN mm 抗扭剖面模量： 3330.20.2 253125TWdmm 扭轉剪應力： 22470.5887.193125TTTMpaW 應力幅及平均應力：13.5952amTMpa各項系數(shù) 過盈配合處的有效應力集中系數(shù)：查表可求得過盈配合處的=1.867256Hr6RR由圖查得尺寸系數(shù)=0.83，=0.89由圖查得表面質量系數(shù)，精車加工0.88r軸徑表面強化處理，故強度系數(shù)=1彎曲疲勞 的綜合影響系數(shù)，由公式得11(1)KK=（1.86+）110.8811=1.996濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計2211(1)KKB=（1.86+）110.88=1.996 對材料特性系數(shù)，對碳鋼，取=0.1，=0.050.10.2計算安全系數(shù) 13009.6351.996 15.5980.1amSKv 115511.43.72 3.5950.05 3.595amSK S22109.847.35892.84 129.96caS SSSS所以安全剖面右側彎矩及彎曲應力 彎矩：1726252.36(26139.2721102.079)38.5M 23326.29Mpa 抗彎剖面模量：330.11562.5Wdmm 彎曲應力：Mpa23326.2914.9281562.5bMW 應力幅：14.928abMpa 平均應力：0m轉矩及扭剪應力 轉矩： 222470.588 .TTN mm濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計23 抗扭剖面模量： 3330.20.2 253125TWdmm 扭轉剪應力： 22470.5887.193125TTMpaW 應力幅及平均應力：13.5952mMpa各項系數(shù)（如前） 即 ，1.996K1.996K計算安全系數(shù) 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，強度足夠 (a)濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計24 (b)(c)濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計25 (d) (e) 圖 15 軸的疲勞校核1 1. .6 6 滾滾動動軸軸承承的的選選擇擇和和計計算算即中間軸滾動軸承的選擇計算，按軸的結構設計，初步選用型號為 6204 的深溝球軸承。計算軸承載荷：圖 16 軸的受力圖軸承的徑向載荷軸承 A：2222805.30198.52829.40AAHAVRRRN 軸承 B： N2222523.23( 3.8)532.24BBHBVRRR 按壽命計算選擇軸承型號派生軸向力的計算， 查表可知 濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計26 N02532.24166.32622 1.6SFFYN10839.4259.1822 1.6sFFY確定軸承的軸向載荷aF 2259.18219.97asFFN故軸承 1“放松”軸承 2“壓緊”根據(jù)當量動載荷公式計算 P 值 1129.180.310.37829.4aAFeR 111,0 xY 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計算工作所需要的徑向基本額定動載荷： 由于常溫，中等沖擊取，深溝球軸承壽命指數(shù)，兩支承用同1tf 1.2pf 3一型號，101000rCKNN h316667166671 1000()()40579416.6 1.2 829.4thpf CLnf p若按大修期 5 年更換軸承，軸承的壽命足夠用，故所選軸承合適1 1. .7 7 鍵鍵聯(lián)聯(lián)接接的的選選擇擇和和強強度度校校核核（即即中中間間軸軸）1 1. .7 7. .1 1 大大齒齒輪輪 2 2 與與軸軸的的鍵鍵聯(lián)聯(lián)接接濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計27選用圓頭普通平鍵（A）型按軸徑 d=25mm 及輪轂 L=34，選鍵 bh=87GBGB1096-79 強度校核 鍵材料用45 鋼，查表得許用應力，鍵的工作長度 l=L-b=34-8=26mm； 100120pMpa:，按公式得擠壓應力：3.5hRmmv 32102 22470.58810.973.5 26 45pTMpaRld故強度是足夠的。1 1. .7 7. .2 2 小小齒齒輪輪 3 3 和和軸軸的的鍵鍵聯(lián)聯(lián)接接 按稠徑 d=25mm（輪轂 L=27mm，選鍵 bh=87，GB1096-79，選用圓頭普通平鍵（A 型）強度校核鍵材料用 45 鋼，查表得許用應力，鍵的工作長度 l=L-b=27- (100 120)pMpa7=20mm，,按公式3.5hRmmv 122 22470.58814.26 3.5 20 45ppTMpaRld故能滿足。濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計282機床橫向伺服進給單元電氣控制部分設計C616 車床是一種小型的車床，對于它的伺服進給單元的機電一體化改造設計，我們從設計內容中可以知道，是用微機控制步進電動機驅動滾珠絲杠帶動工作臺來完成數(shù)控處理和運動控制。由此可見，改造設計后的機床具有一定的數(shù)控機床的功能特點，是一種簡易經濟數(shù)控機床，所以，我們就按照經濟數(shù)控機床進行電氣控制部分的改造設計。2 2. .1 1電電氣氣控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)方方案案的的確確定定 我們知道對于一些經濟數(shù)控機床，常采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，其結構如圖 21圖 21 開環(huán)伺服系統(tǒng)結構原理圖它主要由步進電動機和相適應的驅動電路組成，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖驅動電路變換放大傳給步進電動機，步進電動機每接受一個脈沖就旋轉一個角度，再通過齒輪副和絲杠螺母帶動機床工作臺移動，步進電動機的轉速和轉過的角度取決于指令脈沖的頻率和個數(shù)，反映到工作臺就是工作臺的移動速度和位移的大小。但系統(tǒng)沒有位置檢測反饋環(huán)節(jié)，工作臺位移到位，其精度取決于步進電機齒距角精度，齒輪傳動間隙和絲杠螺母精度等。由此可見，對于我們改造設計的 C616 車床的橫向伺服就進給單元采用這種由步進電機驅動的開環(huán)控制系統(tǒng)比較合適的。該系統(tǒng)方案中不使用位置檢測元件，也就沒有閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。因此，具有結構簡單，使用維修方便，可靠性高，制造成本低等一系列優(yōu)點。對于 C616 車床精度要求不太高的中小型機床改造設計來說，特別適合適用這種開環(huán)步進控制系統(tǒng)發(fā)案。濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計292 2. .1 1. .1 1 步步進進電電動動機機與與絲絲杠杠的的聯(lián)聯(lián)接接對于經濟數(shù)控機床，步進電動機應與進給運動的絲杠相連著主要是從進給傳動鏈最短發(fā)出信息來考慮的，步進電動機與絲杠的聯(lián)接的方法有兩種：一種是與絲杠直接聯(lián)接在一起，此方法結構簡單，但是運行位移的脈沖當量不是 5 的倍數(shù)編程計算時不方便。另一種是在步進電動機輸出軸端配置減速器，使減速器輸出軸通才聯(lián)接套于絲杠直接聯(lián)接在一起，一般改造常采用這種聯(lián)接方式。所以， C616 車床改造設計也采用這種聯(lián)接方式，而且從前面步進電動機計算和選擇中可知采用二級傳動2 2. .1 1. .2 2 8 80 05 51 1 單單片片機機的的選選擇擇 根據(jù) C616 車床最大加工尺寸，加工精度，控制速度以及經濟性要求，改造設計后的簡易經濟型數(shù)控機床一般采用 8 位微機進行控制，在 8 位微機中，MCS-51系列單片機集成度高，可靠性好，功能強，速度快，抗干擾性強，具有很高的性能比。因此，我們設計選擇應用 MCS-51 系列單片機作為控制微機在 MCS-51 系列單片機中 8051 為典型代表，它具有高性能 8 位 CPU，4KROM，128 字節(jié) RAM，2 個 16 位定時/計數(shù)器，4 個 I/O，一個全雙工異步串行口，5 個中斷源，可訪問 64K 程序存儲器空間和 64K 數(shù)據(jù)存儲器空間，它與其中的 8031 相比，片內有 4KB 的 ROM，而 8031 片內沒有 ROM 或 EPROM。8031 使用時必須配置外部的程序存儲器 EPROM，而 8051 就不需要了。但它的片內 ROM 和片外 ROM 不能同時占有，為了指示機器的這種只有生產廠家或器件設計者為用戶提供了一條專用的控制引腳EA，如果 EA 接+5V 高電平，則機器使用片內 4KBROM ，如果 EA 接低電平，則機器自動使用片外 ROM，而 8031 引腳 EA 接地 所以，對于 C616 車床橫向進給伺服系統(tǒng)就采用 8051 單片機進行數(shù)據(jù)傳遞和運動控制我們改造設計的機床，主要是橫向伺服進給單元機電一體化改造設計，根據(jù)下面設計起控制電路如后面附圖（B）所示 2 2. .2 2 步步進進電電動動機機開開環(huán)環(huán)控控制制系系統(tǒng)統(tǒng)設設計計 步進電動機又稱脈沖電動機 ，使一種把脈沖信號轉換成為線位移或角位移的濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計30電動機，常用作數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。根據(jù)前面的設計步進電動機的計算和選擇可知，我們設計選用的是三相六拍的反映式步進電動機 - 110BF003 由于步進電動機各繞阻按一定節(jié)拍依次輪流通電才能轉動，控制脈沖頻率可控制其轉動速度，因此 步進電動機的驅動系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器，光隔離電路，脈沖功率放大器等組成，其驅動原理框圖如下圖 22 所示圖 22 步進電動機驅動原理圖圖中，脈沖信號源是由 CNC 系統(tǒng)根據(jù)程序控制脈沖頻率和頻率的個數(shù)，脈沖分配器將脈沖信號按一定順序分配；然后送到放大電路中進行功率放大，驅動步進電動機進行工作，其中脈沖分配器及前面的微機及接口芯片工作一般為 +5V 而作為電動機電源需要符合 步進電動機的額定電壓值，為避免強電對弱電的干擾，在它們之間設計采用光隔離電路。具體電路如下面所設計的2 2. .2 2. .1 1 脈脈沖沖分分配配器器對于開環(huán)伺服驅動中，我們設計采用單片機脈沖分配器，如圖 23 所設計的8051 單片機控制步進電動機的控制電路。濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計31圖 23 8051 單片機控制步進電動機控制電路原理圖8051 單片機的 P1 口作為輸出口，用程序實現(xiàn)脈沖分配功能。對于三相異步電動機，用 P1.0，P1.1，P1.2 作為輸出端，精光電隔離電路，再由驅動電路放大來驅動 步進電動機運轉。對于我們改造設計的 C616 車床的橫向伺服進給單元機電一體化改造選擇的是 三相六拍的反應式步進電動機 -110BF003。因此，按三相六拍的步電動機的通表電順序，可以得出 P1.0 口的輸出控制字表如下表 1 所示表 1 P1.0 口的輸出控制字表由表可見，步進電動機第一個狀態(tài)字為 01H，從上而下輸出控制字，步進電動機正轉。從正轉最后一個狀態(tài)字 05H 之后加上反轉第一個控制字 01H，此時，再接著輸出控制字時，步進電動機反轉，假設這些控制字在存儲器地址以及讀取控制字的順序，可以畫出三相六拍步進電動機的控制程序框圖 2-3 如下濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計32圖 2-3 步進電動機控制程序流程圖假設，步進電動機總的運行參數(shù)放在 R4 轉向標志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標志 FI（D5H）中，當 F1 為“0”時，步進電動機正轉。當 F1 為“1”時，步進電動機反轉。正轉時，8051 的 P1 口的輸出控制字 01H，03H，02H，06H，04H，05 存放在 8051 的片內數(shù)據(jù)存儲器單元 20H25H 中，26H 存放結束標志 00H 在 27H2CH 的存儲單元內存放反轉時 P1 端口的輸出控制字 01H，04H，06H，.02H，03H，在2DH 單元內存放結束標志 00H。根據(jù)前面的控制程序表 1 圖 2-4）的控制程序控制框圖，我們可以 編出步進電動機正反轉及轉速控制，其控制程序如下； PUSH A； MOV R4， #H CLR C； ORL C， D5H； JC R0TE； MOV R0， #20H濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計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 光光隔隔離離電電路路在這個步進電動機驅動電路中，脈沖分配器輸出的信號經放大后，控制步進電動機的勵磁繞組。由于步進電動機需要的驅動電壓較高（幾十伏）電流也教大（幾濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計34安到幾十安）如果將 I/O 口輸出信號直接與功率放大器相連，輕則影響單片機程序的正常運行，重則導致單片機接口電路的損壞。因此，在接口電路與功率放大器之間設計加光隔離電路，實現(xiàn)電器隔離，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由發(fā)光二級管和光敏晶體管組成如下圖 2-5 所示的共集電極輸出型光耦合器。當輸入信號 VI 加到輸入端時，發(fā)光二極管導通激發(fā)出紅外光，光敏晶體管受光照后，由于光敏效應產生光電流，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)以光為媒介的電信號傳輸，輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。圖 2-5 共集電極耦合器 圖 2-6 光電隔離輸出電路上圖 26 為光隔離輸入與輸出電路?？刂菩盘?74LS05 集電極開路門反相后驅動光耦器的輸入發(fā)光二 極管 。當控制信號為低電平，74LS05 不吸收電 流，發(fā)光二極管不導通，從而輸出的光敏晶體管截止，當控制信號為高電平， 74LS05 吸收電流，發(fā)光二極管導通 發(fā)光，光敏晶體管受到激勵導通。我們的改造設計就采用這種光隔離電路。2 2. .2 2. .3 3 步步進進電電動動機機驅驅動動電電路路由于邏輯電路和單片機的輸出脈沖電平很小，一般為 3V 左右電流為毫安無法驅動步進電動機，而需要經過驅動電路進行功率放大。我們知道常用的驅動電路有：單電源驅動電路高低壓雙電源驅動電路和恒流斬波驅動電路。而我們設計采用高低濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計35壓雙電源驅動電路 作為該系統(tǒng)的驅動電動。如下圖所示設計的高低雙電源驅動電路。 圖 2-7 高低雙電源驅動電路 圖中 LA 為步進電動機 A 相繞組，接大功率 VT1 和 VT2 之間，VT1 為高壓管。當脈沖分配器輸出低電平是，VTI 和 VT2 之間截止，LA 無電流通過。當脈沖分配器輸出高電平是，是單穩(wěn)態(tài)電路翻轉為高電平輸出，經前端放大使 VT1 導通，同時功率管 VT2 也導通，高壓電源 Vn 經 VTI 和 VT2 加至 LA 上。此時，二極管 VD1 因承受反向電壓而截止，切斷低壓電路 VL，由于高壓源電壓很高，線圈的電流 上升很快，上升沿變陡，當電流值接近步進電動機的額定值是，單穩(wěn)態(tài)電路延時時間到 ，翻轉為輸出低電壓，使高電壓管 VT1 截止。這時，由低電壓電源 VL 供電，VT2 繼續(xù)導通 LA 繼續(xù)通過電流 。當脈沖分配器輸出的脈沖為低電平時，功率 VT2 截止，這時為二極管 VD2 續(xù)流，電流隨之減少為零采用這種驅動電路是因為它于單電源驅動電路相比，高低壓雙電源驅動電路的電流波形上升沿變陡，使步進電機的力矩和運行頻率等主要性能得到明顯改善，而且驅動功率也比單電源的高；在結構上也比恒流斬波驅動電 路的簡單。所以我們設計應用這種高低壓雙電源驅動電路濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計362 2. .3 3 8 82 25 55 5 可可編編程程控控制制芯芯片片的的擴擴展展MCS51 系列單片機的特點之一就是硬件設計簡單，系統(tǒng)結構緊湊。對于簡單的應用場合可以不用 I/O 口系統(tǒng)，但是對于復雜的應用場合就需要用 I/O 口擴展來滿足單片機運行功能的像我們設計的 C616 車床的數(shù)控化的改造就有一定的復雜程度。因此。我們對 8051 單片機進行 I/O 口擴展，擴展一片 8255 可編程控制芯片來達到機床控制運動功能的完善性選用的 8255 芯片是 INTEL 生產的可編程 0 輸入輸出接口芯片它具有 3 個 8 位的并行 I/O 口分別為 PA。PB，PC 口其中 PC 又分為高 4 位（PC7PC4）和低 4 位（PC3PC0） ，它們都可以使用軟件編程來改變 I/O 口工作方式。因此，8255 使用方便，通用性強，經常作為單片機與多種外圍設備連接時的中間接口電路。我們設計的是 8255 芯片與 8051 直接接口電路如圖 28 所示 圖 2-8 8051擴展8255的接口電路連接圖在8051單片機的I/O口上擴展一片8255芯片，無需加任何邏輯電路，從圖中可以看出8255的片選信號CS及口地址選擇線A0，A1分別由8051的P0.7和P0.0，P0.1經濟源職業(yè)技術學院畢業(yè)設計37地址鎖存器74LS373鎖存后提供。所以8255的A口，B 口 ，C口以及控制口地址分別為FF7CH，F(xiàn)F7DH，F(xiàn)F7EH，F(xiàn)F7FH。8255的復位端與8