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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(文獻(xiàn)翻譯) 第10 頁
單位代碼 0 2
學(xué) 號(hào) 080105655
分 類 號(hào) TH6
密 級(jí) 秘密
畢業(yè)設(shè)計(jì)
文獻(xiàn)翻譯
院(系)名稱
工學(xué)院機(jī)械系
專業(yè)名稱
機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
學(xué)生姓名
金賀
指導(dǎo)教師
薛東彬
2012年 3 月 10 日
針對(duì)不同的數(shù)控機(jī)床一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)床檢查計(jì)劃
Dong-ttoon Kim
情報(bào)和精密機(jī)械部門,韓國機(jī)械和材料研究所,大田305 - 343,韓國
Sun-Ho Kim
機(jī)電工程專業(yè)本科工程,東義大學(xué),Busan 614 - 714釜山、韓國
Kwang-SIK KOH
電氣工程和計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院,慶北國立大學(xué),大邱廣域市702-701,韓國
摘要
本文提出了一個(gè)基于互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)床檢查與數(shù)字控制機(jī)床(CNC)技術(shù)。根據(jù)其體系結(jié)構(gòu)的不同,數(shù)控機(jī)床分為兩種類型:一種是封閉式控制結(jié)構(gòu)(CAC),它是傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床;一種是開放式控制結(jié)構(gòu)(OAC),這是最近推出的PC-based控制器。由于CAC有一個(gè)封閉的架構(gòu),所以它依賴于數(shù)控機(jī)床供應(yīng)商制定的規(guī)格。而因?yàn)檫@一點(diǎn),它的應(yīng)用程序很難在數(shù)控領(lǐng)域?yàn)橛脩羲鶎?shí)現(xiàn)。近日,傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床已被基于PC的開放式數(shù)控機(jī)床所取代。然而,現(xiàn)在還有很多傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床在OAC配備不足的車間工作。對(duì)于CAC和OAC數(shù)控機(jī)床基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查,一個(gè)合適的系統(tǒng)環(huán)境是必要的。通過這項(xiàng)研究,對(duì)包括CAC和OAC在內(nèi)的各種CNC在專業(yè)化生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行全球化管理,對(duì)各種CNC基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查設(shè)計(jì)一個(gè)合適的環(huán)境,并對(duì)CAC和OAC檢查方法作比較。這項(xiàng)研究成果可作為一個(gè)數(shù)控機(jī)床集成制造系統(tǒng)的全球監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制的基本模型。在本研究中定義的檢查點(diǎn)分為兩類:結(jié)構(gòu)性點(diǎn)和操作點(diǎn)。前者包括軸承的振動(dòng),主軸單元的溫度,和其他期刊管理點(diǎn),而后者則包括油檢查,夾具鎖/開鎖,加工開/關(guān)狀態(tài)。
關(guān)鍵詞:基于Internet的檢查方法,變式數(shù)控,CAC,0AC
1導(dǎo)言
電腦和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用,導(dǎo)致一個(gè)基于Internet的數(shù)控機(jī)床的控制和監(jiān)測(cè)的全球化管理在專業(yè)化生產(chǎn)系統(tǒng)的需求不斷增加。在過去,利用可編程邏輯控制器(PLC)的接觸點(diǎn),監(jiān)測(cè)做為數(shù)控機(jī)床和制造系統(tǒng)外圍設(shè)備的I / O信號(hào)。
但是,這個(gè)程序已經(jīng)被限制到CNC內(nèi)部信息的監(jiān)測(cè)。它很難執(zhí)行用戶在數(shù)控領(lǐng)域定義的程序,這個(gè)程序包括檢查有關(guān)CNC的各種監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),外圍設(shè)備和其他外部單位(Rober and Shin, 1995;Lee et.al.,2004)。而所需的用戶自定義程序是數(shù)控機(jī)床監(jiān)測(cè)與遠(yuǎn)程站點(diǎn)的通信應(yīng)用程序模塊。近日,基于PC的開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床取代了傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床,從而提供了一個(gè)方便的環(huán)境來實(shí)現(xiàn)用戶定義的用于遠(yuǎn)程監(jiān)視和控制的數(shù)控程序(Rober and Shin, 1995;Kwon et.al.,2000;Hong et.al.,2003)。然而,很多傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床在OAC配備不足的車間工作。為了做到對(duì)這種變式數(shù)控機(jī)床遠(yuǎn)程檢查,應(yīng)對(duì)每個(gè)CAC和OAC構(gòu)建合適的環(huán)境。
現(xiàn)在,我們簡(jiǎn)要的概述下相關(guān)的研究。關(guān)于機(jī)床的開放式數(shù)控制造系統(tǒng)管理的研究,已經(jīng)快速的實(shí)現(xiàn)了在柔性制造系統(tǒng)和自動(dòng)配置(Wright,1995)和動(dòng)態(tài)重新配置(Oldknow and Yellowley,2001)的研究。一個(gè)開關(guān)函數(shù)發(fā)生器的研究解決了在開放式結(jié)構(gòu)機(jī)床的維修機(jī)制(Kim et al.,2002)。
機(jī)床的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測(cè)客戶端 - 服務(wù)器環(huán)境也一直被研究(Oldknow and Yellowley,2003)。這種關(guān)于遠(yuǎn)程服務(wù)的代表性例子是由CNC供應(yīng)商開發(fā)的工廠窗口和遠(yuǎn)程系統(tǒng)(Kim et al.,2000;Kang and Kang,1999)。然而,這些系統(tǒng)的特點(diǎn)是當(dāng)?shù)氐挠颦h(huán)境提高基本的技術(shù)支持。此外,這些研究還包括基于互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)床管理,CNC故障診斷的實(shí)現(xiàn)和基本的遠(yuǎn)程服務(wù)(Kim et al.,2003)。在柔性制造系統(tǒng)中基于Web的監(jiān)控也進(jìn)行了研究(Jung et al.,2001)。此外,還研究了維護(hù)數(shù)控機(jī)床的公共交換電信電話網(wǎng)(PSTN)和數(shù)字I / O模塊(Hyun et al.,1998)。
然而,這些研究都集中在CAC機(jī)除外的OAC機(jī)上,而研究的大多數(shù)的服務(wù)功能是通過電話線或外部網(wǎng)絡(luò)(如Internet)傳輸?shù)谋O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。盡管是基于互聯(lián)的應(yīng)用程序,仍要安裝一個(gè)開發(fā)商依賴的特殊的客戶端,因?yàn)榇蠖鄶?shù)情況下是基于客戶-服務(wù)器的配置。在某些特殊情況下,一個(gè)額外的內(nèi)核是必需的。此外,優(yōu)越的數(shù)控廠商,如西門子的第三方支持通過互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。然而,在這情況下,非常困難的是服務(wù)的功能往往不適合車間修改功能。在國內(nèi),甚至有部分?jǐn)?shù)控廠商無法服務(wù)一般商用的基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查服務(wù),如通過lnternet的監(jiān)測(cè)。出現(xiàn)這種情況是因?yàn)榇蟛糠值倪\(yùn)營商和數(shù)控廠商都集中在國內(nèi)數(shù)控市場(chǎng)的穩(wěn)定性和原創(chuàng)能力上面。也就是說,大部分的數(shù)控廠商都害怕數(shù)控機(jī)床因過載而崩潰或因故障造成額外軟件安裝或升級(jí),所以他們支持遠(yuǎn)程服務(wù)功能。總之,雖然對(duì)OAC有一些研究,但是少有滿意的設(shè)計(jì),而對(duì)CAC的研究更是非常缺乏。尤其是,基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查與CAC和OAC的變種數(shù)控機(jī)床沒有得到充分的研究報(bào)告,由于不便開發(fā)環(huán)境和較差的軟件可移植性。
本文調(diào)查申請(qǐng)的方法是基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查技術(shù),對(duì)OAC和CAC兩個(gè)變式數(shù)控機(jī)床進(jìn)行比較。通過這項(xiàng)研究建議通過基于Internet檢查變式數(shù)控機(jī)床的有效計(jì)劃。首先,遠(yuǎn)程檢查和控制與CAC的機(jī)床和零部件相關(guān)的數(shù)字信號(hào),通過使用I / O的嵌入式模塊介紹網(wǎng)頁;其次,本文認(rèn)為模擬和數(shù)字遠(yuǎn)程檢查OAC的機(jī)器通過實(shí)施相關(guān)的信號(hào)用戶定義的應(yīng)用程序能夠接口與外部服務(wù)器的數(shù)控域,并通過數(shù)據(jù)采集單元(DAU),能夠獲得與連接的數(shù)據(jù)機(jī)及周邊設(shè)備的聯(lián)系點(diǎn)。
CAC有一個(gè)封閉的架構(gòu),它是依賴數(shù)控協(xié)力廠商規(guī)范。由于這一點(diǎn),就已經(jīng)很困難,為用戶實(shí)施在數(shù)控應(yīng)用程序。因此,一個(gè)特殊的,額外的模塊需要基于互聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用程序(塞納科技,2002年)。對(duì)于這一點(diǎn),一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的I / O嵌入式模塊適用于本研究基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查。模塊直接連接到TCP/ IP網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程通信網(wǎng)站。為了獲得監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)數(shù)控機(jī)床,模塊的I / O信號(hào)在數(shù)控被分配到PLC的I / O信號(hào)。另一方面,OAC有一個(gè)基于PC的開放式架構(gòu),運(yùn)作獨(dú)立于數(shù)控供應(yīng)商的規(guī)范并沒有額外的模塊是必要的,用于連接遠(yuǎn)程站點(diǎn)。正因?yàn)槿绱?,一個(gè)簡(jiǎn)單的DAU,這是不直接連接到OAC的主要電路板,而不是直接影響到數(shù)控穩(wěn)定,用于信號(hào)傳感和數(shù)據(jù)通過RS232/422行收購無需額外通信設(shè)備模塊。基于Internet的遠(yuǎn)程機(jī)器檢查與OAC,用戶定義的守護(hù)進(jìn)程的工具通信和應(yīng)用程序Web服務(wù)的形式實(shí)現(xiàn)OAC和內(nèi)部功能內(nèi)外部服務(wù)器?;ヂ?lián)網(wǎng)通信之間進(jìn)行數(shù)控領(lǐng)域的守護(hù)程序外部服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)腳本程序。
2基于Internet檢查OAC的方法
在OAC的情況,不需要網(wǎng)絡(luò)支持附加設(shè)備模塊,OAC有一個(gè)方便的結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。檢查和獲得機(jī)床I / O信號(hào)的數(shù)據(jù),只需要信號(hào)處理板或外部的DAU數(shù)據(jù)采集。由于大多數(shù)OAC是基于單板計(jì)算機(jī)上的DAU一個(gè)緊湊的結(jié)構(gòu),比板型(Advantech,2002)更有效可以簡(jiǎn)單地連接I / O信號(hào)。試圖通過監(jiān)測(cè)加工狀態(tài),應(yīng)用程序通過DAU零部件溫度和振動(dòng)的檢查方法,可以通知檢查時(shí)間和零部件的更換時(shí)間。通過這個(gè)應(yīng)用,數(shù)控機(jī)床及周邊設(shè)備的模擬和數(shù)字接觸點(diǎn)監(jiān)測(cè)使用的DAU。在實(shí)驗(yàn)中,使用外部的I / O的DAU模塊,以減少硬件設(shè)備的大小,并盡量減少負(fù)荷?;贗nternet的檢查OAC機(jī)床配置使用的DAU如圖1RS485通訊內(nèi)部通過RS232/485轉(zhuǎn)換規(guī)范。0V至1.5V的范圍內(nèi)分配一個(gè)采樣周期為每秒10次,以獲取模擬傳輸值。為獲取軸承的振動(dòng)和主軸溫度的實(shí)驗(yàn),傳輸?shù)哪M值在OAC和DAU之間的通信協(xié)議實(shí)時(shí)監(jiān)控,如圖2所示Subsequently,也進(jìn)行檢查開/關(guān)狀態(tài)的石油和鉗的基本實(shí)驗(yàn),如圖3所示功能的應(yīng)用程序代碼,實(shí)現(xiàn)在OAC數(shù)控域的內(nèi)部功能。
基于Internet的檢查應(yīng)用,通訊發(fā)達(dá)的守護(hù)程序在數(shù)控領(lǐng)域?qū)嵤?,在外部服?wù)器由Web服務(wù)的Web scr.ipt方案實(shí)施,使用vbscrip,JavaScript和活動(dòng)服務(wù)器頁面(ASP),如圖4守護(hù)程序之間的網(wǎng)絡(luò)通信可以在數(shù)控域和外部Web腳本程序。因此,多個(gè)客戶端可以監(jiān)控檢查的數(shù)據(jù)和機(jī)器的狀態(tài),通過收購數(shù)字和模擬數(shù)據(jù)傳輸從外部數(shù)據(jù)庫的OAC。數(shù)控通信服務(wù)程序采用標(biāo)準(zhǔn)的開放式數(shù)據(jù)庫連接(ODBC)和數(shù)據(jù)處理,利用結(jié)構(gòu)化查詢語言(SQL)查詢。通過這個(gè)過程,檢查數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的表中的信息構(gòu)建在數(shù)據(jù)庫表中。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的遠(yuǎn)程檢查,實(shí)現(xiàn)了通過設(shè)計(jì)的應(yīng)用程序,如圖5所示結(jié)果表明,這種檢查方法是有利的,在其方便的開發(fā)環(huán)境在軟件方面,可以很容易地實(shí)現(xiàn)用戶定義的應(yīng)用程序。
圖1基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查OAC的機(jī)器配置使用的DAU
圖2通信協(xié)議之間的OAC的DAU模
圖3模擬輸入(0-1.5V的范圍)的收購和數(shù)字輸入(8位直接投資)
圖4 OAC和應(yīng)用程序之間的接口網(wǎng)站SEVER
圖5 檢查OAC的機(jī)器所使用的DAU和應(yīng)用程序
3基于Internet的檢查計(jì)劃和變式數(shù)控機(jī)床的例子
基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查的計(jì)劃變型數(shù)控機(jī)床的建議圖6CAC機(jī)區(qū)旨在檢查通過下載腳本代碼的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和嵌入式設(shè)備服務(wù)器的I / O接口機(jī)制。在OAC機(jī)區(qū)檢查所使用的DAU和應(yīng)用程序,如數(shù)據(jù)采集模塊,通信守護(hù)進(jìn)程模塊,和一個(gè)web腳本模塊的模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)?;诨ヂ?lián)網(wǎng)的變種數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程檢查,通過擬議的計(jì)劃表見圖7
在CAC的機(jī)床的情況下,一個(gè)Java applet被編碼和下載,以檢查機(jī)床的I / O數(shù)據(jù)和通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器向客戶提供檢查結(jié)果。在I / O地址的Java applet代碼和真正的I / O點(diǎn)的機(jī)床之間分配,監(jiān)視和控制遠(yuǎn)程站點(diǎn)。展示的內(nèi)容是對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果 I / O的接觸點(diǎn)與當(dāng)前加工/關(guān)狀態(tài)。 CAC的機(jī)床運(yùn)作周期的啟動(dòng)按鈕正在網(wǎng)頁瀏覽器上。
在OAC機(jī)床的情況下,收購的DAU監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送到在遠(yuǎn)程站點(diǎn),外部服務(wù)器和通信守護(hù)進(jìn)程服務(wù)。它通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器激活油傳感器,主軸溫度是0.0007(這是從0至1.5 V范圍內(nèi)的模擬值)。
結(jié)果表明,在前一種情況下,CAC是有利的,它可以很容易地利用網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式設(shè)備,在硬件實(shí)現(xiàn)基于lnternet的檢查系統(tǒng)。然而,用戶定義的應(yīng)用程序和下載數(shù)據(jù)的最大尺寸被限制在512字節(jié);后者的情況下,在其方便的開發(fā)環(huán)境,可以方便地實(shí)現(xiàn)在數(shù)控領(lǐng)域的許多不同的應(yīng)用程序,無需額外設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)。然而,用戶定義的應(yīng)用程序編程工作需要比在前者的情況下實(shí)施通信和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
圖6基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查環(huán)境變異數(shù)控機(jī)床
圖7 例如基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程檢查變種數(shù)控機(jī)床
4結(jié)論
本文提出了一種新的研究基于Internet檢查傳統(tǒng)的CAC和最近推廣的OAC兩種變式數(shù)控機(jī)床。為了實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)高效的檢查CAC機(jī),,使用信號(hào)檢測(cè)方法,通過網(wǎng)絡(luò)I / O嵌入式設(shè)備模塊,可以支持互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境,因?yàn)樵贑AC的環(huán)境執(zhí)行用戶定義的應(yīng)用程序,是依賴于數(shù)控廠商規(guī)范了的數(shù)控領(lǐng)域。
為了實(shí)現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)檢查OAC機(jī)床,數(shù)字和模擬信號(hào)的檢查方法,它不需要額外的網(wǎng)絡(luò)I / O的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嵌入式設(shè)備,有人建議,因?yàn)閿?shù)控域執(zhí)行用戶定義的應(yīng)用程序很容易因方便OAC的環(huán)境。這種方法只需利用的DAU取得的I / O硬件方面的數(shù)據(jù)和采集到的數(shù)據(jù)傳送到外部服務(wù)器通過在遠(yuǎn)程站點(diǎn)上的網(wǎng)頁瀏覽器的遠(yuǎn)程檢查。
隨后,對(duì)CAC和OAC機(jī)的檢查方法進(jìn)行了比較。通過這項(xiàng)研究,為數(shù)控機(jī)床與數(shù)控變種的CAC和OAC在制造系統(tǒng),基于互聯(lián)網(wǎng)的變型數(shù)控機(jī)床的檢查,被設(shè)計(jì)為一體的綜合經(jīng)營的一個(gè)合適的環(huán)境,如建筑的全球管理。這項(xiàng)研究的結(jié)果可能是一個(gè)全球監(jiān)測(cè)和遠(yuǎn)程控制在變種數(shù)控機(jī)床集成制造系統(tǒng)的基本模型。
在今后的工作中應(yīng)解決以下問題:首先,研究人員應(yīng)該調(diào)查優(yōu)越的遠(yuǎn)程檢查環(huán)境的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),可以在嵌入式設(shè)備利用足夠的上下載的代碼;其次,還需要進(jìn)一步研究,可以更簡(jiǎn)單地對(duì)集成和經(jīng)營變式數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)。
感謝
感謝工業(yè)改造技術(shù)項(xiàng)目(商務(wù)部,工業(yè)和能源)提供的財(cái)政支持。
專業(yè)課課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書
設(shè)計(jì)題目:數(shù)控X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì)
學(xué) 生:
學(xué) 號(hào):
班 級(jí):
指導(dǎo)教師:
(200X200)方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì)
目錄
序言……………………………………………………………………………………………3
摘要…………………………………………………………………………………………… 4
設(shè)計(jì)目的…………………………………………………………………………………… 4
設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………………………………… 4
總體方案設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………5
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………………… 6
1、確定脈沖當(dāng)量…………………………………………………………………………… 6
2、確定傳動(dòng)比……………………………………………………………………………… 6
3、滾珠絲杠螺母副的選型和校核……………………………………………………… 7
4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算…………………………………………………………… 11
5、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 ……………………………………………………………… 13
6、啟動(dòng)矩頻特性校核…………………………………………………………………… 14
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………… 18
第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成……………………………………………… 18
第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制電路………………………………………………………… 18
步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 20
其它電路輔助設(shè)計(jì)………………………………………………………………………24
設(shè)計(jì)總結(jié)……………………………………………………………………………………24
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………25
序言
據(jù)資料介紹,我國擁有400多萬臺(tái)機(jī)床,絕大部分都是多年累積生產(chǎn)的普通機(jī)床。這些機(jī)床自動(dòng)化程度不高,加工精度低,要想在短時(shí)期內(nèi)用自動(dòng)化程度高的設(shè)備大量更新,替代現(xiàn)有的機(jī)床,無論從資金還是從我國機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國現(xiàn)有的部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改造又勢(shì)在必行。為此,如何改造就成了我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的重要課題。
在過去的幾十年里,金屬切削機(jī)床的基本動(dòng)作原理變化不大,但社會(huì)生產(chǎn)力特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。反映到機(jī)床控制系統(tǒng)上,它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度,又能提高加工的精度,現(xiàn)已有一些企業(yè)在這方面做了有益的嘗試。實(shí)踐證明,改造后的機(jī)床既滿足了技術(shù)進(jìn)步和較高生產(chǎn)率的要求,又由于產(chǎn)品精度提高,型面加工范圍增多也使改造后的設(shè)備適應(yīng)能力加大了許多。這更加突出了在舊機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控技術(shù)改造的必要性和迫切性。
由于新型機(jī)床價(jià)格昂貴,一次性投資巨大,如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換,國家要花費(fèi)大量的資金,而替換下的機(jī)床又會(huì)閑置起來造成浪費(fèi),若采用改造技術(shù)加以現(xiàn)代化,則可以節(jié)省50%以上的資金。從我國的具體情況來講,一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3到1/5,一般用戶都承擔(dān)得起。這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)發(fā)展開創(chuàng)了新路,也對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)吸引力,起到了事半功倍的積極作用。
據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng),往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿足市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)充手段。
在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中,多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)是現(xiàn)代機(jī)械制造的基本特征,占有相當(dāng)大的比重。要完成這些生產(chǎn)任務(wù),不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床,其中數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。
從上述分析中不難看出數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)之上。通過理論上的推導(dǎo)和實(shí)踐使用的證明,把微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)引入機(jī)床的改造有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn):1)可靠性高;"柔性強(qiáng);#易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化;2)經(jīng)濟(jì)性可觀。為此在舊的機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能,降低生產(chǎn)成本,用較少的資金投入而得到較高的機(jī)床性能和較大的經(jīng)濟(jì)效益。
摘要
本課程設(shè)計(jì)是對(duì)銑床進(jìn)行改造,目的在于培養(yǎng)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力,重點(diǎn)是對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固和加強(qiáng),為畢業(yè)設(shè)計(jì)及將來的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
本課程設(shè)計(jì)由序言、設(shè)計(jì)要求、總體方案、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),以及相應(yīng)元件的選擇與確定和主程序框圖、數(shù)控化電路原理組成。由于本人經(jīng)驗(yàn)不足,以及對(duì)知識(shí)掌握程度的限制,設(shè)計(jì)過程還存在某方面的錯(cuò)漏,敬請(qǐng)老師提出寶貴意見。
設(shè)計(jì)目的
數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié),學(xué)生學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課,特別是“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用”課程后應(yīng)用的,它是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決實(shí)際問題能力的重要步驟。本課程設(shè)計(jì)是以機(jī)電一體化的典型課題---數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定為主線,通過對(duì)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的擬定、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì),計(jì)算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì),使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過的機(jī)械、電子和微機(jī)方面的知識(shí),進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全方面訓(xùn)練,從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計(jì)計(jì)算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過程中所遇到的問題的能力。
設(shè)計(jì)要求
課程設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計(jì)可以初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想,了解有關(guān)的工業(yè)政策,學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料;培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實(shí)際能力,并在教師的指導(dǎo)下,系統(tǒng)地運(yùn)用課程和選修課程的知識(shí),獨(dú)立完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。
課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是改造設(shè)備,實(shí)現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)(或裝置)的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)I/O接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計(jì)等。
說明書的內(nèi)容應(yīng)包括:課程設(shè)計(jì)題目總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算以及機(jī)械和電氣及其他部分(如環(huán)形分配器等)的說明。
該課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及方法,可以歸納如下:
1.采用微型計(jì)算機(jī)(包括單片機(jī))進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。
2.選用驅(qū)動(dòng)控制電路,對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用,考慮電機(jī)選擇及驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算,控制電機(jī)電路的設(shè)計(jì)。
3.精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)問題:要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行元件的主要功能(傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運(yùn)轉(zhuǎn)等),進(jìn)行力矩、負(fù)載功率、慣性(轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)、加(減)速控制和誤差計(jì)算。
4.學(xué)會(huì)使用手冊(cè)及圖表資料。
總體方案設(shè)計(jì)
一般來講,普通銑床的數(shù)控改造主要有兩部分,一是設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易微機(jī)數(shù)控X-Y工作臺(tái),固定在銑床的工作臺(tái)上。二是將控制銑刀上、下運(yùn)動(dòng)的手柄拆去,改用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)通過一級(jí)減速裝置使銑頭上下運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)只對(duì)X-Y工作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。取銑床步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖,步進(jìn)電機(jī)的步距角0.9°。
方案
1.系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定
數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng),點(diǎn)位直線系統(tǒng),連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削,可選用點(diǎn)位控制方式。數(shù)控銑床在工作臺(tái)移動(dòng)過程中銑頭并不進(jìn)行銑孔加工,因此數(shù)控裝置可采用點(diǎn)位控制方式。對(duì)點(diǎn)位系統(tǒng)的要求是快速定位,保證定位精度。
2.伺服系統(tǒng)的選擇
伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能達(dá)到較高水平的基本問題,但是步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系,使步距誤差不會(huì)積累;轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系,而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化的特點(diǎn)。并且步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測(cè)與反饋控制的問題,結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此,在一定范圍內(nèi),這種采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求,適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能,然而由于在具體的系統(tǒng)中,增加了位置檢測(cè)、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié),除了在安裝調(diào)試增加工作量和復(fù)雜性外,從控制理論的角度看,要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能,其難度也將大為提高。為此,考慮到在普通立式銑床上進(jìn)行改造,精度要求不是很高,為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),降低成本,本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。
3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定
為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性,在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝配時(shí),通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn):
1)盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌等。
2)盡量消除傳動(dòng)間隙。如步進(jìn)電機(jī)上的傳動(dòng)齒輪采用偏心軸套式消隙結(jié)構(gòu)。
3)縮短傳動(dòng)鏈??s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度,減小傳動(dòng)鏈誤差??刹捎妙A(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動(dòng)副,絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固定,并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等提高傳動(dòng)剛度。X-Y工作臺(tái)傳動(dòng)采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。
4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇
計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般由微機(jī)部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分所組成。在簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)中,大多采用8位微處理器的微型計(jì)算機(jī)。如何采用Z80CPU或MCS-51單片機(jī)組成的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。
Z80CPU有芯片價(jià)廉,通用性強(qiáng),維修方便等特點(diǎn)。MCS-51單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快和很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)。通過比較,對(duì)于簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。
5.實(shí)施
保留原機(jī)床主傳動(dòng)鏈,保留銑床工作臺(tái)和控制工作臺(tái)移動(dòng)手柄,在原工作臺(tái)上安裝一套微機(jī)數(shù)控的X-Y工作臺(tái)。由于X-Y工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和切削力不大,因此選用有預(yù)加載荷的滾珠導(dǎo)軌。采用滾動(dòng)導(dǎo)軌可減小兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差,從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性,減小振動(dòng)??紤]到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取,為達(dá)到分辨率0.01mm要求,需采用齒輪降速傳動(dòng)。
綜上所述,本文改造的總體方案確定為:采用MCS-51單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理,由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后,帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng),從而實(shí)現(xiàn)工件的縱向、橫向運(yùn)動(dòng),同時(shí)為了防止意外事故,保護(hù)微機(jī)及其它設(shè)備,還設(shè)置報(bào)警,急停電路等,
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)參數(shù)
系統(tǒng)分辯率為0.01mm,其它設(shè)計(jì)參數(shù)見下表:
要求:設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)并開發(fā)其控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),工作臺(tái)面200X200mm,分辨率為=5分/step,承受最大軸向載荷Tmax=800Nm。
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
1.脈沖當(dāng)量的確定
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量,考慮到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在。脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計(jì)確定脈沖當(dāng)量為0.01mm/步.
二.銑削力分析與計(jì)算
銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn),進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給(鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給).銑刀的類型很多,但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.根據(jù)工件材料為碳鋼可確定銑削力的計(jì)算公式:
FZ=9.81CFz·ae0.86·af0.72·d0-0.86·ap·Z
式中各參數(shù)如下:
CFz———銑削力系數(shù),CFz=68.2(表2-3)
ae ———最大銑削寬度,本設(shè)計(jì)為8mm
ap ———背吃刀量,本設(shè)計(jì)為3mm
Z ———銑刀齒數(shù),齒數(shù)取3
d0 ———圓柱銑刀直徑,查得d0= 20mm(技術(shù)指導(dǎo))
af ———每齒進(jìn)給量(mm/齒),即銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí),工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量,查得af=0.10mm/齒(技術(shù)指導(dǎo))
故 :
FZ=9.81×68.2×80.86×0.100.72×20-0.86×3×3=547 N
2.齒輪傳動(dòng)比計(jì)算
進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算
已確定進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01mm滾珠絲杠導(dǎo)程L=4mm,初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.9。
可計(jì)算出傳動(dòng)比i:
i==0.9×4/360×0.01=1
因傳動(dòng)比為1,這時(shí)可以使步進(jìn)電機(jī)直接與絲桿聯(lián)接,有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu),提高精度。
3.滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型
(1) 計(jì)算進(jìn)給牽引力(N)
滾珠絲杠上的工作載荷Fm(N)是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力,也叫做進(jìn)給牽引力。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算公式:
Fm=KFL+f,(Fv+Fc+G)
式中K———考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù),矩形導(dǎo)軌K=1.1
———滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.0025~0.005;這里取0.005
G———移動(dòng)部件的重力(N):G=600N
FL———工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷
Fc———工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷
Fv———工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷
由表2-4查得,F(xiàn)L/ FZ=0.90, FL= 0.9FZ=493 N
Fc /FZ=0.80, Fc =0.8FZ=438N
Fv /FZ=0.40, Fv =0.4FZ=219 N
故:
Fm=1.1×493+0.005×(438+219+600)=548N
(2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C
滾珠絲杠最大動(dòng)載荷可用下式計(jì)算
C=fmFm
L=
n=
v=afZn,
式中:L—工作壽命、以106轉(zhuǎn)為單位。
fm-運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fm =1.2~1.5;這里取fm =1.5。
Fm----滾珠絲杠工作載荷(N)
t—使用壽命,按15000h;
n----絲杠的轉(zhuǎn)速
L0— 滾珠絲杠導(dǎo)程,初選L0=4mm;
v-最大切削力下的進(jìn)給速度
a---每齒進(jìn)給量(mm/齒)af=0.06mm/齒
Z----銑刀齒數(shù),Z=5
n,---銑刀轉(zhuǎn)速,區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)速n,n,,取為1000r/min
v=0.06×5×1000=0.3 m/min
n==(1000×0.3)/4=75
L==(60×75×15000)/106=67.5 r
C=fmFm=4.1×1.2×858.17=3.35kN
(3)螺母副的選型
根據(jù)最大動(dòng)載荷和公稱直徑選外循環(huán)滾動(dòng)螺母副,選用中國·南京工藝裝備制造有限公司生產(chǎn)的FFZL型 內(nèi)循環(huán)螺紋預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副,規(guī)格代號(hào)為FFZL2004-3,公稱直徑=20mm,滾珠直徑為Dw=3mm,圈數(shù)×列數(shù)=3×1,螺距為4mm,螺旋升角為=3°38′。
(4)傳動(dòng)效率計(jì)算
=
式中——絲杠螺旋升角, =3°38′
——摩擦角,取10′
==0.064/0.0664=0.9638=96.4%
(5)剛度驗(yàn)算
先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖4-20所示,最大牽引力為548N,支承間距L=500mm絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。
[1]絲杠的拉伸或壓縮變形量
=±
Fm—絲杠的工作載荷(N);
L—滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度(mm);L=500mm
E—材料的彈性模量,對(duì)鋼E=20.6×Mpa;
A—滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積(mm2)。
A=3.14×d2/4=3.14×16.92/4=224.3 mm2
故: =±(548×500/20.6××224.3)= ±0.0059(mm)
[2]滾珠與螺紋滾道間接觸變形
有預(yù)緊:
′=0.0013× (mm) =0.0014mm
Dw-為滾珠直徑(mm),D=3mm;
-為滾珠總數(shù)量:=Z×圈數(shù)×列數(shù)
Z-為一圈的滾珠數(shù),外循環(huán)Z==3.14×20/3=21;
故:=21×3×1=63;
--為滾珠絲杠的公稱直徑(mm),=20mm
—為預(yù)緊力,此處單位為kgf,為軸向工作載荷的1/3時(shí),
= FL /3=493/3=164N=16.8kgf
—為滾珠絲杠工作載荷,單位為kgf。=548/9.8=55.9kgf
有預(yù)緊:
′=0.0013× (mm)
=1/2′=0.0014mm
[3]滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算
絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度的一半:
=0.0059+0.0014=0.00730.025/2mm=0.0125mm(定位精度的一半)。
(6)壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
驗(yàn)算滾珠絲杠尺寸和支承方式后,應(yīng)驗(yàn)算絲杠在承受最大軸向載荷時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲。滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿,若軸向工作負(fù)載過大,將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲,即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷FK(N) 為
E—為材料的彈性模量,對(duì)鋼E=20.6×104Mpa;
I-為截面慣性矩,對(duì)絲杠圓截面:
I=∏d14/64=3.14×16.94/64=4002.2mm
L-絲杠最大工作長(zhǎng)度(mm);L=500 mm
fZ-為絲杠支承方式系數(shù),這里滾珠絲杠的支承方式采用一端固定一端簡(jiǎn)支的方式,所以fZ=2
2×3.142×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104N
nk=Fk/Fm=2.0731×104/548=37.8﹥[nk]=4
所以,該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。
[nk]-許用穩(wěn)定性安全系數(shù),[nk]=2.5~4
4. 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型
一、初選步進(jìn)電機(jī)57BYG4504,步距角θb=0.9°
,滿足要求.
二、矩頻特性:
等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
1.滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
JS=0.78D4L×10-3(kf·cm2)
L---絲杠長(zhǎng)度,設(shè)定為500mm=50cm
D---絲杠公稱直徑,D=20mm=2cm
JS=0.78×24×50×10-3=0.624㎏·cm2
2.工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
JG=(L0/2∏)2M
L0----絲杠導(dǎo)程,L0=4mm=0.4cm
M----工作臺(tái)質(zhì)量,M=62kg
JG=(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm2
3.聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
根據(jù)鋼的直徑為(20,22)選用定位螺絲固定平行式聯(lián)軸器,型號(hào)為SLK2-100-0608 (廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備有限公司),查得:
JL=0.068㎏·cm2
4. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
根據(jù)初選電機(jī)型號(hào),查得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:
JZ=0.46㎏·cm2
故:J∑=JS+JG+JL+JZ=0.634+0.248+0.068+0.46=1.462㎏·cm2
三、步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)的計(jì)算
——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩(N·cm);
M——為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩(N·cm);
M——電絲杠預(yù)緊所引起,折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。
(1) 加速度力矩
Mka= J∑×2×∏×nmax×10-2/60t(N·cm)
nmax=vmaxθb/360δp
t-----運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快速所需的時(shí)間,t=0.3s
vmax---運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度(mm/min), vmax=3m/min=3000mm/min
θb--------初選步距角,θb=0.9°
nmax---與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min)
故:nmax=3000×0.9/(360×0.01) =750 r/min
Mka=1.462×2×3.14×750×10-2/60×0.3=3.83N·cm
(2)空載摩擦力矩
Mkf=G’L0/2∏ηi(N·cm)
G----運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N),G=600N
-導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù),=0.005;
η---傳動(dòng)系統(tǒng)總效率,一般取η=0.7—0.85,這里取η=0.85
L-滾珠絲杠基本導(dǎo)程,L=0.4 cm.
空載摩擦力矩:
Mkf=G’L0/2∏ηi=600×0.005×0.4/(2×3.14×0.85×1)=0.225 N·cm
(3)附加摩擦力矩M
M0=FYJL0(1-η2)/2 ∏ηi
η--絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率,一般取≥0.9,這里取=0.96;
F-預(yù)加載荷,一般為最大軸向載荷的,即F=F=183N
M0=183×0.4×(1-0.962)/(2×3.14×0.96×1)=0.950N·cm
上述三項(xiàng)合計(jì):
步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)力矩:M
= 3.83+0.225+0.950
= 5.005(N·cm)
步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)力矩:
從產(chǎn)品系列及性能參數(shù)根據(jù)電機(jī)型號(hào)查出步進(jìn)電機(jī)為四相八拍;
從表2-17根據(jù)電機(jī)拍數(shù)查出啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩Mkq與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為Mkq/Mjmax1=0.707
故:Mjmax1=Mkq/0.707=4.58/0.707=6.471N·cm
運(yùn)動(dòng)部件正常工作(數(shù)控機(jī)床為工作臺(tái)開始工進(jìn))時(shí),電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)為帶負(fù)載啟動(dòng),其總負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mfq可按下式計(jì)算
Mfq=Mka+Mkf+M0+Mf’
Mf’=F’L/2∏ηi(N·cm)
F’---作用在工作臺(tái)的合力,
F'=(FL2+FV2+FC2)1/2=694.4N
Mf’--- 合力F’折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩
故:Mf’=694.4×0.4/(2×3.14×0.85×1)=52.01 N·cm
Mfq=5.005+52.01=57.015 N·cm
運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩
Mjmax2=Mfq/0.5=57/0.5=114 N·cm
根據(jù)電機(jī)型號(hào)查得步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩:Mjmax=1.4N·m=140N·cm
所以Mjmax﹥Mjmax2﹥Mjmax1
初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)力矩,即Mjmax≥max{Mjmax1,Mjmax2}所以初選電機(jī)57BYG4504能滿足要求。
5.導(dǎo)軌的選用與校核
初選滾動(dòng)導(dǎo)軌
選取中國·南京工藝裝備制造有限公司的GGB AA-AAL 四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副, 其額定載荷Coa為6.8KN,Ca 為6.07KN,參數(shù)如下:?jiǎn)挝哗L
2)對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行按下式進(jìn)行校核:
式中:L為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命(km)本設(shè)計(jì)L定為50km;
為額定載荷,查表=6.07kN;
F為每個(gè)滑塊上的工作載荷(N)F本設(shè)計(jì)設(shè)定為588N;
為硬度系數(shù),導(dǎo)軌面的硬度為58-64HRC時(shí)=1.0;
為溫度系數(shù),當(dāng)工作溫度不超過100°C時(shí),=1;
為接觸系數(shù),每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)=0.81;
為載荷/速度系數(shù),無明顯沖擊振動(dòng)或v≤60m/min時(shí),=1.5-2這里選擇=2。
=588××2÷(1×0.81×1)
=1361N<[]=6.07kN
因此所選導(dǎo)軌滿足要求。
1) 滾動(dòng)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù)
滾動(dòng)導(dǎo)軌采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。常用牌號(hào)為ZL-2鋰基潤(rùn)滑脂(GB/7324—87,2號(hào))。它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)泄漏,不需經(jīng)常加油;缺點(diǎn)是塵屑進(jìn)入后容易磨損導(dǎo)軌,因此防護(hù)要求較
高。易被污染又難防護(hù)的地方,可用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。
本設(shè)計(jì)的防護(hù)裝置采用伸縮式。
6、啟動(dòng)矩頻特性校核
部件電機(jī)有三種工況:?jiǎn)?dòng)、快速進(jìn)給運(yùn)行、工進(jìn)運(yùn)行。
前面提出的,僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求,但是不能保證電機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此,還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。以后還要對(duì)快進(jìn)、工進(jìn)時(shí)的運(yùn)行矩頻特性作校核。
f
fmax
0
t1
ta
tb
t222
Δt1
Δt2
t
圖1 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)
步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng),一般突跳啟動(dòng)很少使用。在升速啟動(dòng)中,步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速,(如圖1所示)在零時(shí)刻(t1=0),啟動(dòng)頻率fq=0。在一段時(shí)間Δt1內(nèi),按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí),步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度,即fq=fmax。在整個(gè)升速、均勻運(yùn)行、降速過程中,步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時(shí)間Δt1足夠長(zhǎng),啟動(dòng)過程緩慢,空載啟動(dòng)力矩Mkq中的加速力矩項(xiàng)Mka不會(huì)很大,一般不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象,但是降低了工作效率。升速時(shí)間Δt1過短,則步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩中的加速力矩項(xiàng)M就會(huì)很大,所以需要校核啟動(dòng)矩頻特性。
圖2
由圖2初選步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線中,可知空載啟動(dòng)力矩M=0.05N·M值所對(duì)應(yīng)
的允許啟動(dòng)頻率fyq=11000Hz>fq=1200 Hz,步進(jìn)電機(jī)會(huì)不丟步。
(2)電機(jī)快速進(jìn)給矩頻特性較核
最高運(yùn)行頻率fmax
式中:Vmax——運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度
快進(jìn)時(shí)已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)Ma,并且一般處于空載狀態(tài),故快速進(jìn)給力矩
MJK=
其中:M0為附加摩檫力矩(N·cm),MKF為快進(jìn)時(shí)的折算到電機(jī)的摩檫力矩(N·cm)。
所以 :MJK= =1.175(N·cm)
由圖2可知道快進(jìn)力矩對(duì)應(yīng)允許快進(jìn)頻率FYK近似為20000Hz,F(xiàn)mzx〈FYK,
所以電機(jī)不會(huì)丟步。
(3)、工進(jìn)運(yùn)行距頻特性校核
工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率:
式中: ——最大工作進(jìn)給速度
工進(jìn)時(shí),步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩Mkj可按下式計(jì)算:
(式2-39)
式中:
——附加摩擦力矩,
——摩擦力矩
——折算到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩
(式2-40)
(式2-41)
式中:
Fv——垂直方向作用于工作臺(tái)的工作載荷
Ft——沿進(jìn)給方向的切削負(fù)載,F(xiàn)t=FL
在圖2初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻率特性曲線中,對(duì)應(yīng)工進(jìn)頻率fGJ查到的允許工進(jìn)運(yùn)行力矩MYJ=1.08N·m >MGJ=0.382N·m,滿足工進(jìn)時(shí)運(yùn)行距頻特性的要求。
(4)步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸
步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸/㎜
控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成
MCS-51系列 8031芯片
第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制電路
一、開環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖
二.脈沖分配
由表(2-18)①查得脈沖分配方式為四相八拍
三.驅(qū)動(dòng)電路
+80V
④控制系統(tǒng)軟件的組成和結(jié)構(gòu)
監(jiān)控系統(tǒng)的作用是進(jìn)行人和機(jī)對(duì)話和檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)一般包括系統(tǒng)初始化,命令處理循環(huán),零件加工程序和作業(yè)程序輸入,編輯,指令分析機(jī)構(gòu),以及系統(tǒng)自測(cè)等。
1系統(tǒng)初始化:系統(tǒng)上電式復(fù)位后,系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化處理。包括設(shè)置CPU的狀態(tài),可編程I/O芯片的工作狀態(tài),中斷方式
2命令處理:系統(tǒng)初始化后系統(tǒng)即進(jìn)入命令處理程序,對(duì)于一般單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)通常采用循環(huán)處理程序作為系統(tǒng)的主程序
3:零件加工程序或作業(yè)程序的輸入和編程:零件加工程序可以鍵盤輸入,也可通過串行口通信輸入。輸入程序的功能就是讀入源程序,并經(jīng)數(shù)據(jù)處理,按規(guī)定的格式將其存入規(guī)定的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。
4 指令分析執(zhí)行:微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)輸入的指令進(jìn)行分析,并根據(jù)分析的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作。
5診斷程序:診斷程序用于檢測(cè)系統(tǒng)硬軟件功能的正確性,找出系統(tǒng)故障的位置,并指出故障類型。
機(jī)電系統(tǒng)控制軟件的機(jī)構(gòu)
一般機(jī)電控制系統(tǒng)中常用的軟件結(jié)構(gòu)有:子程序,主程序加中斷程序結(jié)構(gòu)子程序3
子程序1
子程序2
條件2
條件3
條件1
主程序
逐點(diǎn)比較法④
用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算,每走一步都需要以下四個(gè)步驟:
1判別偏差:Fm≥0或FM<O ,從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算方向進(jìn)給。
2偏差計(jì)算:進(jìn)給一步后計(jì)算新的加工偏差。
3終點(diǎn)判別:進(jìn)給一步后,終點(diǎn)計(jì)數(shù)器,若為零,表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ),不為零則返回第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)判別可用方向坐標(biāo)值判斷,也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值判斷。當(dāng)Xe>YE
逐點(diǎn)比較法框圖YES
NO
NO
Y方向進(jìn)給
X方向進(jìn)給
X=XM ?
Y=YM ?
FM=FM+XE
Y=Y+1
FM=FM-YE
X=X+1
FM≥0 ?
初始化
YES
返回
步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)
光電耦合器
步進(jìn)電機(jī)控制程序的任務(wù)是:判斷旋轉(zhuǎn)方向,依次送出控制字,運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)一定的延時(shí),判斷是否結(jié)束。
驅(qū)動(dòng)電路
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
8031
節(jié)拍:
正轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn)
通電阻
控制字
1
8
A
0000 0001
01H
2
7
AB
0000 0011
03H
3
6
B
0000 0010
02H
4
5
BC
0000 0110
06H
5
4
C
0000 0100
04H
6
3
CD
0000 1100
0CH
7
2
D
0000 1000
8H
8
1
DA
0000 1001
9H
其它電路輔助設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)總結(jié)
近年來,我國機(jī)床數(shù)控化改造工作,已從初步摸索進(jìn)入比較成熟的階段。我們運(yùn)用成熟可靠、性能先進(jìn)的國內(nèi)外數(shù)控產(chǎn)品,為已進(jìn)入頻繁故障期、維修代價(jià)昂貴的第一代數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代作了大量的工作。通過這次對(duì)銑床X-Y工作臺(tái)的數(shù)控化改裝設(shè)計(jì),使我們進(jìn)一步的了解了普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床的差異。也使我們更加深刻的認(rèn)識(shí)到,利用數(shù)控系統(tǒng)改造機(jī)床是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率,提高舊設(shè)備利用率,推廣機(jī)電一體化技術(shù)的重要手段。
通過這次課程設(shè)計(jì),讓我們進(jìn)一步熟悉了數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)原理,讓我們深刻的把電和機(jī)結(jié)合起來,達(dá)到自動(dòng)化控制的要求。
同時(shí)也深刻的體會(huì)到設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性,數(shù)據(jù)的處理技巧,以及各種參數(shù)的取舍,對(duì)我們?nèi)蘸蟪鰜韽氖逻@方面的工作有很大的幫助。
在這里,感謝我們的指導(dǎo)老師,在他們的指導(dǎo)下我們解決了各種疑難,順利地完成設(shè)計(jì)!
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