CM6132型精密車床主傳動系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計
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cm6132
精密
車床
傳動系統(tǒng)
數(shù)控
改造
設(shè)計
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CM6132型精密車床主傳動系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計,cm6132,精密,車床,傳動系統(tǒng),數(shù)控,改造,設(shè)計
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機 械 技 術(shù) 學(xué) 院 畢 業(yè) 設(shè) 計 論 文 CM6132型精密車床主傳動系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計 學(xué)生姓名： 陶春屹 指導(dǎo)教師姓名： 江宏辰 高級工程師 所在班級 數(shù)控設(shè)備 11031 所在專業(yè) 數(shù)控設(shè)備應(yīng)用與維護 論文提交日期 2013年 4月 10日 論文答辯日期 20 年 月 日 答辯委員會主任 主答辯人 X X 技 術(shù) 系 20 年 月 nts - I - 目 錄 摘要 . I Abstract . I 第 1 章 緒 論 . 1 1.1 數(shù)控機床的發(fā)展 . 1 1.2 普通機床數(shù)控改造的必要性 . 1 1.3 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 . 1 第 2 章 總體方案設(shè)計 . 2 2.1 計算參數(shù)和技術(shù)要求 . 2 2.2 總體方案的擬定 . 2 2.2.1 機械部分改造 . 2 2.3 基本參數(shù)的確定 . 4 2.3.1 運動參數(shù) . 4 2.3.2 動力參數(shù) . 5 第 3 章 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 . 6 3.1 帶輪及帶的計算 . 6 3.2 齒輪校核 9 3.2.1 校核齒面接觸疲勞強度 . 8 3.2.2 校核齒根彎曲疲勞強度 . 10 3.3 軸的校核 . 11 3.4 鍵的校核 . 14 第 4 章 控制 原理設(shè)計 . 15 4.1 數(shù)控系統(tǒng)的基本硬件組成 . 15 4.1.1 單 CPU 系統(tǒng)的組成 . 15 4.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的選用 . 15 4.2 步進電機的控制 . 15 4.2.1 步進電機的工作原 理 . 15 4.3 鍵盤及顯示器接口 . 18 4.3.1 鍵盤接口電路 . 18 4.3.2 液晶顯示模塊的工作原理 . 18 第 5 章 經(jīng)濟技術(shù)分析 . 19 5.1 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)改造的合理化 . 19 5.2 提高技術(shù)經(jīng)濟價值的方法 . 20 5.3 產(chǎn)品成本核算 . 20 5.4 產(chǎn)品年利潤 . 21 結(jié)論 . 24 致謝 . 24 參 考文獻(xiàn) . 25 nts - II - 摘 要 對 CM6132 精密車床主傳動系統(tǒng)進行數(shù)控化改造， 主要對主傳動系統(tǒng)進行改造。改造包括機械和數(shù)控兩部分。 機械部分：拆掉變速箱改用變頻電動機實現(xiàn)無級調(diào)速。數(shù)控部分：數(shù)控系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)中沒有反饋電路，不帶檢測裝置，指令信號單方向傳遞。開環(huán)系統(tǒng)主要由步進電機驅(qū)動，結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉、易掌握，調(diào)試和維修比較方便簡單，已廣泛應(yīng)用于數(shù)控機床 .數(shù)控機床集計算機技術(shù)、電子技術(shù)、自動控制、傳感測量、機械制造、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)于一體，是典型的機電一體化產(chǎn)品。它的發(fā)展和運用 ，開創(chuàng)了制造業(yè)的新時代，改變了制造業(yè)的生產(chǎn)方式、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、管理方式，使世界制造業(yè)的格局發(fā)生了巨大變化。現(xiàn)代的 CAD/CAM、 FMS、 CIMS 等技術(shù)都是建立在數(shù)控技術(shù)之上。數(shù)控技術(shù)水平的高低已成為衡量一個國家制造業(yè)水平的核心標(biāo)志，實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程的數(shù)控化，已經(jīng)成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。 關(guān)鍵詞：數(shù)改造；數(shù)控車床；步進電機控 Abstract As to the NC transform of CM 6132 precise lathe, vertical and horizontal motion system are concerned including mechanism part and NC part. As for as the mechanism part is concerned, in order to decrease the friction and increase the motion precision, ball guide screw is adopted. As to the NC part, open loop control system is adopted in NC system. There is no feedback circuit and test and determining facilities with one-way instruction signal transmission.The open loop system is mainly droved by stepper motor, which is of simple structure, low cost, easy learning with simple preliminary test and maintenance. It is widely used in NC lathe. 【 Key words】 Numerical control innovation NC lathe Stepper motor nts - 1 - 第 1 章 緒 論 1.1 數(shù)控機床的發(fā)展 隨著電子技術(shù)和自動化技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用越來越廣泛。以微處理器為基礎(chǔ)，以大規(guī)模集成電路為標(biāo)志的數(shù)控設(shè)備，已在我國批量生產(chǎn)、大量引進和推廣應(yīng)用，它們給機械制造業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了條件，并帶來很大的效益。但同 時，由于它們的先進性、復(fù)雜性和智能化的特點，在維修理論、技術(shù)和手段上都發(fā)生了飛躍的變化。 數(shù)控機床自 20 世紀(jì)中期誕生以來，它們數(shù)控系統(tǒng)隨著電子器件的更新?lián)Q代也不斷發(fā)展。特別是超大規(guī)模集成電路技術(shù)和微處理器引入數(shù)控系統(tǒng)，以及直流和交流伺服驅(qū)動技術(shù)的成熟，大大地推動了數(shù)控機床的發(fā)展。今天數(shù)控機床已發(fā)展為一種高度機電一體化的典型產(chǎn)品，成為現(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)得基本單元，成為支撐先進技術(shù)的基礎(chǔ)核心設(shè)備。 20 世紀(jì)后半期， 數(shù)控機床不僅品種多，而且產(chǎn)量迅速發(fā)展，同期世界數(shù)控車床擁有達(dá) 100 萬臺，品種有 1500 種，數(shù)控機床的年產(chǎn)量近 15 萬臺。美國在 1983 年的機床擁有量比 1973 年下降了 23 1，而同期數(shù)控機床擁有量增加了 2 6倍，日本 1983 年生產(chǎn)數(shù)控機床占機床品種數(shù)的 65，數(shù)控機床的產(chǎn)量（臺數(shù)）占車床總產(chǎn)量的 28 3，數(shù)控機床的產(chǎn)值為車床總產(chǎn)值的 70 9。美國 1989 年機床擁有量為 232678 臺，其中數(shù)控機床為 2323566 臺；日本 1987 年機床擁有量為 792975 臺，其中數(shù)控機床為 70255 臺。到 1994 年，日本機床擁有量的數(shù)控化率達(dá) 20 9，美國、意大利均達(dá) 10以上。 1995年我國機床擁有量達(dá) 85 12 萬臺，占 22 2。機床擁有量的數(shù)控化率為 1.9，金屬切削加工數(shù)控化率達(dá) 2.15，成型機床的數(shù)控化率為 1.02。 據(jù)了解， 2001 年中國機床產(chǎn)值已進入世界前 10名的第 5 名，機床消費額在世界排名上升到第 3 位，達(dá) 47.39 億美元，僅次于美國的 53.67 億美元，消費額比上一年增長 25。但由于國產(chǎn)數(shù)控機床不能滿足市場的需求，使我國機床的進口額呈逐年上升態(tài)勢，2001 年進口機床躍升至世界第 2位，達(dá) 24.06 億美元，比上年增長 27.3。 1.2 普通機床數(shù)控改造的必要性 面對世界機床 市場的強烈沖擊，國產(chǎn)數(shù)控機床如何從容應(yīng)對并占有一定的市場份額，有關(guān)人士提出，必須把發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控機床放在突出位置，因為數(shù)控機床是衡量一個國家經(jīng)濟實力的重要標(biāo)志；數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了形態(tài)復(fù)雜、精密、小批及多變零件的加工問題且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)率。因此，國產(chǎn)數(shù)控機床市場需求大力培育，不能光靠一個展覽會來推動，各級政府應(yīng)重視數(shù)控機床開發(fā)研制及市場銷售等一系列問題，為國產(chǎn)數(shù)控機床發(fā)展大開“綠燈” 。 提高數(shù)控化率有兩個途徑：（ 1）投入 巨資購買新的數(shù)控機床；因為我國現(xiàn)有老機床nts - 2 - 太多，再加上資金問題，我國購買的數(shù)控機床還是有限的。（ 2）對現(xiàn)有普通機床進行數(shù)控改造，對擁有 300 多萬臺普通機床的我國來說，普通機床的數(shù)控化無疑是一條簡單可行的途徑“研究如何簡便、實用地對普通機床進行數(shù)控改造是十分必要的?！?1.3 數(shù)控機床的發(fā)展趨勢 隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，數(shù)控機床的發(fā)展也越來越快，數(shù)控機床也正朝著高性能、高精度、高速度、高柔性化和模塊化方向發(fā)展。高性能：隨著數(shù)控系統(tǒng)集成度的增強，數(shù)控機床也實現(xiàn)多臺集中控制，甚至遠(yuǎn)距離遙控。高精度：數(shù)控機床 本身的精度和加工件的精度越來越高，而精度的保持性要好。高速度：數(shù)控機床各軸運行的速度將大大加快。高柔性：數(shù)控機床的柔性化將向自動化程度更高的方向發(fā)展，將管理、物流及各相應(yīng)輔機集成柔性制造系統(tǒng)。模塊化：數(shù)控機床要縮短周期和降低成本，就必然向模塊化方向發(fā)展，這既有利于制造商又有利于客戶。 機床工業(yè)被稱之為裝備工業(yè)，裝備工業(yè)又是技術(shù)密集、技術(shù)更新速度十分快的行業(yè)，面對入世和世界經(jīng)濟一體化的進程，必須在新一輪經(jīng)濟結(jié)構(gòu)調(diào)整中找準(zhǔn)自己的位置，加快發(fā)展、更新的頻率，用“限普贈數(shù)”來加快集約化進程，促進裝備工業(yè)的發(fā) 展，參與世界經(jīng)濟競爭。我國近幾年數(shù)控機床雖然發(fā)展較快，但與國際先進水平還存在一定的差距，主要表現(xiàn)在：可靠性差，外觀質(zhì)量差，產(chǎn)品開發(fā)周期長，應(yīng)變能力差。為了縮小與世界先進水平的差距。 現(xiàn)在國內(nèi)的主要先進的數(shù)控機床都是靠進口的，即使自己做的車床中的精密部件例如精密絲杠都是靠進口的，沒法靠自己的技術(shù)來制造，這樣大大限制了我國機床的水平和與國際競爭的能力 這樣經(jīng)濟數(shù)控機床就顯得尤為重要，不但可以節(jié)省資金而且技術(shù)水平不比大型數(shù)控機床簡單，也能體現(xiàn)一個國家的機床水平，從簡單向大型化， 復(fù)雜化，集成化發(fā)展 奠定一定的技術(shù)。對現(xiàn)有老機床進行數(shù)控化改造費用低廉符合我國的國情，可以普遍提高我國的數(shù)控人員。 第 2 章 總體方案設(shè)計 2.1 計算參數(shù)和技術(shù)要求 （ 1）床身上最大加工直徑 320 （ 2）主傳動系統(tǒng)保持主軸箱內(nèi)背輪機構(gòu)不變，取消變速箱，用變頻調(diào)速電機實現(xiàn)無級調(diào)速。 （ 3）拆掉進給箱、溜板箱改用步進電機驅(qū)動縱、橫進給，脈沖當(dāng)量 0.01 總體方案的擬定 數(shù)控機床主要用于軸類、盤類件的加工，能自動完成外圓柱面、內(nèi)孔、錐面、圓弧nts - 3 - 面 2.2 總體方案的擬定 數(shù)控機床主要用于軸類、盤類 零件的加工，能自動完成外圓柱面、內(nèi)孔、錐面、圓弧面、螺紋等工序的粗細(xì)加工，并能在外圓柱面或端面上進行銑、鉆孔、鉸孔等工作，可以實現(xiàn)回轉(zhuǎn)體零件在預(yù)先加工好定位基面后，一次裝夾下完成從毛坯到成品的全部工序。因此，能夠極大地提高生產(chǎn)率。本項研究的對象 CM6132 車床，主要用于對小型軸類！盤類以及螺紋零件的加工。 2.2.1 機械部分改造 （ 1）主軸伺服系統(tǒng)的改造 拆去原床身的變速箱、進給箱、三相異步電動機，主軸箱繼續(xù)保留使用，變頻調(diào)速電動機、原進給機構(gòu)輸出端接脈沖發(fā)生器。由于采用了先進的數(shù)控系統(tǒng)、變 頻調(diào)速系統(tǒng)電動機驅(qū)動主軸進給系統(tǒng)，主軸的變速特性變佳，實現(xiàn)了無級調(diào)速。 方案如圖 2-1 圖 主軸伺服系統(tǒng)的組成 （ 2）進給電機伺服系統(tǒng)的改造設(shè)計 為滿足盡可能減少改動量的要求，采用步進電機經(jīng)常接口箱驅(qū)動絲杠，帶動刀具縱向和橫向移動。用滾珠絲杠螺母機構(gòu)代替普通的滑動絲杠螺母機構(gòu)，具有摩擦力小，運動靈敏，無爬行現(xiàn)象的特點，也可以進行預(yù)緊，以實現(xiàn)無間隙傳動，以使傳動剛度好，反向時無空程死區(qū)?？v向進給機構(gòu)的改造：拆去原機床的溜板箱、光杠與絲杠 以及安裝座，配上滾珠絲杠及其相應(yīng)的安裝裝置，縱向驅(qū)動的步進電機及其和絲杠的鏈接部分在主軸箱之下并不占據(jù)絲杠空間。由于采用滾珠絲杠可提高系統(tǒng)的精度和縱向進給的整體剛度；橫向進給機構(gòu)的改造：由于原橫向進給的絲杠空間有限，所以拆除橫向絲杠換上滾珠絲杠。由于現(xiàn)在的步進電機的驅(qū)動能力很強，步距角也比原來小了很多，所以步進電機和絲杠之間用聯(lián)軸器連接， 1： 1 傳動。方案如圖 2-2。 MCS-51 8155 光電隔離 D/A PWM 變頻調(diào)速 主軸 齒輪傳動 電機 nts - 4 - 圖 2-2 整機方案圖 （ 3）聯(lián)軸器 圖 2-3 是現(xiàn)在廣泛采用的直接聯(lián)接電機軸和絲杠的撓性聯(lián)軸節(jié)。這種聯(lián)軸節(jié)的工作原理是：聯(lián)軸節(jié)的左半部裝 在電機軸上，當(dāng)擰緊螺釘 2 時，件 3 和件 5 相互靠近，擠壓內(nèi)錐環(huán) 17、外錐環(huán) 4，使外錐環(huán)內(nèi)徑縮小，內(nèi)錐環(huán)外徑脹大，使件 5 與電機軸 1 形成無鍵聯(lián)接。右半部也同樣形成無鍵聯(lián)接。左半部通過剛性鋼片組成 15 的兩個對角孔與螺栓 6、球面墊圈 7、 8 相聯(lián)。圖中表明球面墊圈 8 和右半部件 9 沒有任何聯(lián)接關(guān)系。同樣，彈性鋼片組 15 的另外兩個對角孔通過球面墊圈 14、 16、螺栓 13 與右半部聯(lián)接，墊圈 16 與件5 沒有任何聯(lián)接關(guān)系。這樣依靠彈性鋼片組對角聯(lián)接（即撓性）傳遞扭矩，且與電機軸和絲杠都無鍵聯(lián)接，便是撓性聯(lián)軸節(jié)的工作原理。 1 電機軸； 2、 12 螺釘； 3 法蘭； 4 外錐環(huán)； 5 左本體； 6、 13 螺栓； 7、 8、 14、 16 墊片； 9 右本體； 10 法蘭； 11 絲杠。 圖 2-3 撓性聯(lián)軸器 2.3 基本參數(shù)的確定 nts - 5 - 通過主軸孔最大棒料直徑 d： 床身寬度 B： B = 2.14 D0.82 = 273 mm 經(jīng)濟合理的工件或刀具直徑按照以下幾種經(jīng)驗公式估定： d max = (0.5 0.7)D = 0.6D = 0.6 320 = 192 mm d min = (0.08 0.12)D = 0.10D = 0.10 320 = 32 mm 2.3.1 運動參數(shù) 可通過類比實驗和計算等方法綜合確定： n max = 1000 220 = 2189 32 v min 、 v max 、 d min 、 d max 為經(jīng)濟加工切削速度和經(jīng)濟合理的工件或刀具直徑。 n max 、n max 是機床的最低、最高轉(zhuǎn)速，其中常用經(jīng)濟加工切削速度硬質(zhì)合金刀具精車中碳剛 v = 200 220 m/min 取 v max = 220 m/min v min 取高速鋼刀具精車絲杠 v = 15m/min。 取 n = 24 2200r/min 計算速度： n j 2.3.2 動力參數(shù) 據(jù)下列公式及數(shù)據(jù)估算電機功率 P： F z = f t s （公斤力） f 單位切削面積上的切削力，取硬質(zhì)合金刀加工中碳鋼 f = 220 （公斤力 /mm 2 ） t 切削深度 s 進給量 切削深度及進給量取半精車中碳鋼，故 t 取 1mm； s 取 0.2mm； v = 190m/s 取 P = 2.5kw （參考圖 2-4 主運動轉(zhuǎn)載圖） nts - 6 - 第 3 章 主傳動系統(tǒng)設(shè)計 3.1 帶輪及帶的計算 選用宰 V 帶傳動，電動機的額定功率 P = 2.5 KW,轉(zhuǎn)速 n1 = 1500r/min 傳動比 i = 2 一天的運轉(zhuǎn)時間 10h 主傳動系統(tǒng)的傳動方式 機床主傳動系統(tǒng)可分為分級變速傳動和無級變速傳動。分級調(diào)速傳動是在一定的變速范圍內(nèi)均勻地、離散地分布著有 限級數(shù)的轉(zhuǎn)速，變速級數(shù)一般不超過 2030 級。這種傳動方法主要用于普通機床，一些普通機床經(jīng)數(shù)控化改造后也保留了原分級變速傳動方式。無級調(diào)速傳動可以在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到滿足加工要求的最nts - 7 - 佳速度，能在運轉(zhuǎn)中變速，便于自動變速。數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)通常采用無級變速傳動。 與普通機床相比，數(shù)控車床的主傳動采用交、直流主軸調(diào)速電動機，電動機調(diào)速范圍大，并可無級調(diào)速，使主軸箱結(jié)構(gòu)大為簡化。為了適應(yīng)不同的加工需要，數(shù)控車床的主傳動系統(tǒng)有以下三種傳動方式。 （ 1）由電動機直接驅(qū)動 （ 2）采用定比傳 動 （ 3）采用分檔變速傳動 無級變速是指在一定的范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速（或速度）能連續(xù)地變換，從而獲得最有利的切削速度。機床主傳動中常采用的無級變速裝置有三大類：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。 （ 1）變速電動機 機床上常有的變速電動機有直流電動機有直流電動機和交流變頻電動機，在額定轉(zhuǎn)數(shù)以上為恒功率變速，通常變速范圍僅為 2 3；額定轉(zhuǎn)速以下為恒轉(zhuǎn)矩變速，調(diào)整范圍很大，變速范圍可達(dá) 30 甚至更大。上述功率和轉(zhuǎn)距特性一般不能滿足機床的使用要求。為了擴大恒功率調(diào)速范圍，在變速電動機和主軸之間 串聯(lián)一個分級變速箱。變速電動機廣泛用于數(shù)控機床、大型機床中。 （ 2）機械無級變速裝置 機械無級變速裝置有柯普型、行星錐輪性、分離錐輪鋼環(huán)形和寬帶型等多種結(jié)構(gòu)，它們都是利用摩擦力來傳遞轉(zhuǎn)距，通過連續(xù)地改變摩擦傳動副工作半徑來實現(xiàn)無級變速。由于它的變速范圍小，多數(shù)是恒轉(zhuǎn)距傳動，通常較少單獨使用，而是與分級變速機構(gòu)串聯(lián)使用，以擴大變速范圍，機械無級變速器應(yīng)用于要求功率和變速范圍較小的中小型車床、銑床等機床的主傳動中，更多的是用于進給變速傳動中。 （ 3）液壓無級變速裝置 液壓無級變速裝置通過改變單位 時間內(nèi)輸入液壓缸或液動機中液體的油量來實現(xiàn)無級變速。它的特點是變速范圍較廣、變速方便、傳動平穩(wěn)、運動換向時沖擊小、易于實現(xiàn)直線運動和自動化。液壓無級變速裝置常用在主運動的機床中，如刨床、拉床等。 1.確定計算功率 P ca 由機械設(shè)計 3表 8 6 工作情況系數(shù)查得工作情況系數(shù) K A = 1.3,故： P ca = K A P = 1.3 2.5 = 3.25 KW 2.選取窄 V 帶帶型 根據(jù) P ca、 n 1 由機械設(shè)計 3圖 8 9 窄 V 帶選型圖確定選用 SPB 型。 3.確定帶輪基準(zhǔn)直徑 由機 械設(shè)計 3表 8 3V 帶輪的最小基準(zhǔn)直徑和 8 7V 帶輪的基準(zhǔn)直徑系列取主nts - 8 - 動輪基準(zhǔn)直徑 d d1 = 125 mm 根據(jù)機械設(shè)計 3式（ 8 15），從動輪基準(zhǔn)直徑 d d2。 d d2 = i d d1 = 2 125 =250 mm 根據(jù)機械設(shè)計 3表 8 7V 帶輪的基準(zhǔn)直徑系列，取 d d2 = 250 mm 按機械設(shè)計 3式（ 8 13）驗算帶的速度 所以帶的速度合適。 4.確定窄 V 帶的基準(zhǔn)長度和傳動中心距 min = 0.7（ d d1 + d d2） = 0.7 （ 125 + 250） = 262.5 mm max = 2 (d d1 + d d2 ) = 2 （ 125 +250） = 750 mm 初步確定中心距 0 =520 mm 根據(jù)機械設(shè)計 3式（ 8 20）計算帶所需的基準(zhǔn)長度 由機械設(shè)計 3表 8 2V 帶的基準(zhǔn)長度系列及長度系數(shù) KL選帶的基準(zhǔn)長度 Ld = 1600mm 按機械設(shè)計 3式（ 8 21）計算實際中心距 2 5.驗算主動輪上的包角 1 由機械設(shè)計 3式（ 8 6）得 所 以主動輪上的包角合適。 6.計算窄 V 帶的根數(shù) 由機械設(shè)計 3式（ 8 22）知 由 n1 = 1480、 dd1 = 125mm、 i = 2 查機械設(shè)計 3表 8 5c 單根窄 V 帶的基本額定功率 P0 和表 8 5d 單根窄 V 帶額定功率的增量 P0 得 : P0 = 2.61KW P0 = 0.56 KW 查機械設(shè)計表 8 8 包角系數(shù) Ka 得： Ka=0.98，查表 8 2V 帶的基準(zhǔn)長度系列及nts - 9 - 長度系數(shù) KL 得： KL = 1.00 則 取 z =2 根。 7.計算預(yù)緊力 F0 查機械設(shè)計 3表 8 4V 帶單位長度的質(zhì)量得： q = 0.07kg/m，故 8.計算作用在軸上的壓軸力 FP 由機械設(shè)計 3式（ 8 24）得： 3.2 齒輪校核 主軸箱內(nèi)的齒輪校核，小齒輪材料為 40Cr，調(diào)質(zhì)處理，硬度 241HB286HB，平均取為260HB，大齒輪選用雙片齒輪，用 45 鋼，調(diào)質(zhì)處理，硬度為 229HB286HB，平均取 240HB。 Z1 = 27， Z2 = 63， m = 2.5 由機械零件設(shè)計手冊 1圖 12 12 及圖齒面接觸疲勞強度極限 12 23 按 MQ 級 質(zhì)量要求取值，查得： Hlim1= 700N/mm2 Hlim2 = 510N/mm2 FE1=580N/mm2 FE2 = 460N/mm2 小齒輪傳遞的轉(zhuǎn)距 T1 3.2.1 校核齒面接觸疲勞強度 按機械零件設(shè)計手冊 1表 12 20 圓柱齒輪傳動齒面接觸疲勞強度與齒根彎曲疲勞強度校核計算公式 式中 分度園上的圓周力 Ft： nts - 10 - 使用系數(shù) KA：查機械零件設(shè)計手冊 1表 12 22 使用系數(shù) 得 齒面圓周速度 V： 根據(jù)齒輪的圓周速度 V，參考機械零件設(shè)計手冊 1表 12 34 選擇齒輪的精度等級為： 8 8 01 GB10095 88。 查機械零件設(shè)計手冊 1圖 12 8a 直齒圓柱齒輪的動載荷系數(shù) 得 KV = 1.01.。 齒向載荷分布系數(shù) KH ： 按 查機械零件設(shè)計手冊 1圖 12 9a 齒向載荷分布系數(shù)，得 KH =1。 齒間載荷分布系數(shù) K Ha： 按 查機械零件設(shè)計手冊 1表 12 23 齒間載荷分布系數(shù)，得 KHa = 1.2 節(jié)點 區(qū)域系數(shù)ZH：按 =0。查機械零件設(shè)計手冊 1表 12 24 材料彈性系數(shù) 得 重合度： = + 查機械零件設(shè)計手冊 1圖 12 4 標(biāo)準(zhǔn)外口齒合圓柱齒輪的端面重合度 得 =0.82 =0.91 所以 = + =0.82 +0.91 =1.73 直齒圓柱齒輪可知 Z =1 以上各數(shù)值帶入齒面接觸應(yīng)力 計算方式得： 計算安全系數(shù) SH：按機械零件設(shè)計手冊 1表 12 20 圓柱齒輪傳動齒面接觸疲勞強度與齒根彎曲強度校核計算公式 式中 壽命系數(shù) ZN：先計算應(yīng)力循環(huán)次數(shù) 對于調(diào)質(zhì)鋼（可以有一定量的點蝕），從機械零件設(shè)計手冊 1圖 12 23 接觸強度壽命系數(shù) 可查得 N =109 。 nts - 11 - 因為 N1 N，所以 ZN1 1。按 N2 = 7.3 108 從機械零件設(shè)計手冊 1圖 1213 接觸強度壽命系數(shù) 查得 ZN2=1.03 。 潤滑油膜影響系數(shù) ZLVR:按 v=1.413m/s 選 320 號中極壓型工業(yè)齒輪油，其運動粘度v40=320mm2/S，查接觸強度壽命系數(shù)圖 12 14 軟齒面及調(diào)質(zhì)鋼、滲碳淬火鋼短時間氣體或液體氮化齒輪的 ZLVR 值，得 ZLVR = 0.92。 工業(yè)硬化系數(shù) ZW：因為小齒輪齒面未硬化處理，齒面未光整，故 ZW=1。 接觸強度計算的尺寸系數(shù) ZX：查機械零件設(shè)計手冊 1圖 12 17 接觸強度計算的尺寸系數(shù) 得 ZX=1。 將以上數(shù)值代入安全系數(shù)的計算公式得 按機械零件設(shè)計手冊 1式（ 12 7） SHmin = 1 因為 SH SHmin 故齒輪是安全的。 3.2.2 校核齒根彎曲疲勞強度 按機械零件設(shè)計手冊 1表 12 20 圓柱齒輪傳動齒面接觸疲勞強度與齒根彎曲疲勞強度校核計算公式 式中 彎曲強度計算的載荷分布系數(shù) KF KF = KH =1.06 彎曲遷都計算的載荷分配系數(shù) K Fa： K Fa =K Ha =1.2 復(fù)合齒輪系數(shù) YFS，按 Zv1 = 27， Zv2 = 63 查機械零件設(shè)計手冊外齒輪的復(fù) 合齒形系數(shù)圖 12 18 得 YFS1 = 3.1, YFS2 = 2.8 。 彎曲強度計算的重合度與螺旋角系數(shù) Y ：按 =1.73， =0 查機械零件設(shè)計手冊 1圖 12 22 彎曲強度計算的重合度與螺旋角系數(shù) 得 Y = 0.68 將以上各數(shù)值代入齒根彎曲應(yīng)力計算公式得 nts - 12 - 式中 壽命系數(shù) YN：對調(diào)質(zhì)鋼由機械零件設(shè)計手冊 1圖 12-24 壽命系數(shù)，查得彎曲疲勞應(yīng)力的循環(huán)基數(shù) N =3 105 。因為， N1=1.68 109， N2=7.3 108 均大于 N ，所以 YN1= YN2=1 。 相對齒根圓角敏感系數(shù) Y relT：由機械零件設(shè)計手冊 1圖 12-18 外齒輪的符合齒形系數(shù)知 qS1 1.5、 qS2 1.5 。查機械零件設(shè)計手冊 1表 12-25 相對齒根圓角敏感系數(shù)表 12-25 相對齒根圓角敏感系數(shù) 得 Y relT= =1 。 相對齒根表面狀況系數(shù) YRrelT：由機械零件設(shè)計手冊 1表 12-33 常用精度等級齒輪的加工方法及應(yīng)用范圍，齒面粗糟度 Ra1=Ra2=1.6 m 。按機械零件設(shè)計手冊 1式12-22， YRrelT=1 。 尺寸系數(shù) YX：查機械零件設(shè)計手冊 1圖 12-25 尺寸系數(shù) 得 YX=1 。將以上各數(shù)值帶入安全系數(shù) SF 的公式得 由機械零件設(shè)計手冊 1式 12-18， SFmin = 1.4 SF1 和 SF2 均大于 SFmin，故齒輪安全 。 3.3 軸的校核 軸的材料為 45 號鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)后， b = 637 MPa， E = 210 MPa 。軸頸 d = 28 mm 。 齒輪直徑 ：大輪 d1 = mz1 = 2.5 63 d1 = 157.5 mm 小輪 d2 = mz2 = 3 17 d2 = 51 mm 大齒輪受力 ： 轉(zhuǎn)距 圓周力 nts - 13 - 徑向力 小齒輪受力：轉(zhuǎn)矩 圓周力 徑向力 計算機平面內(nèi)支反力 由 MA =0 得 由 FZ =0,得 RAZ = Fr1 + Fr2 RBZ = 309.66 + 956.31 734.30 = 531.67 N 垂直面的支反力 由 MA =0 得 由 FY =0 得 RAY = Ft1 + Ft2 RDYA = 850.79 + 2627.45 2017.47 = 1460.77N 軸上的轉(zhuǎn)矩圖 T = T1 =T2 T= 6.7 105 Nmm 由于齒輪的作用力在水平平面的彎矩圖 MBZ = RAZa = 531.67 35 nts - 14 - = 18608.48 Nmm = 18.61 Nm MCZ = RDZc = 734.30 110 = 80773 Nmm = 80.8 Nm 齒輪作用在垂直面的彎矩圖 MBY = RAYa = 100.68 35 = 3523.8 Nmm = 3.5 Nm MCY = RDYc = 1877.34 110 = 206507.4 Nmm = 206.5 Nm 大齒輪作用力在 B 截面的最大彎矩 小齒輪作用力在 C 截面的最大彎矩： 根據(jù)軸的結(jié)構(gòu)尺寸及彎矩圖、轉(zhuǎn)矩圖，截面 C 處彎矩較大， 是危險截面 。下面對軸的 C 截面進行彎曲應(yīng)力校核計算： 由機械零件設(shè)計手冊 2表 20 13 得 式中許用應(yīng)力值由機械零件設(shè)計手冊 2表 20 14 查得： 0b = 110 Mpa 1b = 65 Mpa 應(yīng)力校正系數(shù) 當(dāng)量轉(zhuǎn)矩 因為 = 20.91MPa = 637MPa 。 所以軸是安全的 。 nts - 15 - 3 4 鍵的校核 圖 3.1 主傳動系統(tǒng)圖 主軸上的普通圓頭平鍵，軸徑 54，傳動轉(zhuǎn)矩為 286。 47N*m，整個齒輪組的寬度 B50 ,載荷穩(wěn)定。 （ 1） 選擇鍵的類型，選 A 型普通平鍵； （ 2） 確定鍵的尺寸：查的可選鍵的尺寸為 b h l=16 10 27 ; （ 3） 擠壓強度：取 k=h/2 則工件表面的擠壓應(yīng)力為： 32 2 * 2 8 6 . 4 7 * 1 0 7 8 . 65 * 5 4 * 2 7p T M P ak d l ； （ 4） 7 8 . 6 1 2 0 2 0 0ppM P a M P a ， 故連接能滿足擠壓強度要求。 （ 5） 剪強度： 由公式得切應(yīng)力為 32 2 * 2 8 6 . 4 7 * 1 0 2 4 . 61 6 * 5 4 * 2 7T M P abdl 由表得知，當(dāng)載荷平穩(wěn)時，許用應(yīng)力 1 2 0 M Pa 所以 2 4 . 6 M P a，故能滿足剪切強度要求。 圖 3 1 主傳動系統(tǒng)圖 nts - 16 - 第 4 章 控制原理設(shè)計 4.1 數(shù)控系統(tǒng)的基本硬件組成 CNC 系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩大部分組成。硬件和軟件的關(guān)系是密不可分的。硬件為軟件提供了活動舞臺，是軟件的肌體，而軟件則是整個系統(tǒng)的靈魂。數(shù)控系統(tǒng)是在軟件的控制下，也叫控制軟件，存放在計算機 EPROM 內(nèi)存中。各種 CNC 系統(tǒng)的功能設(shè)置和控制方案各不相同，它們的系統(tǒng)軟件在結(jié)構(gòu)上和規(guī)模上差別很大，但是一般包括輸入數(shù)據(jù)處理程序、插補運算程序、速度控制程序、管理程序和診斷程序。 目前， CNC 系統(tǒng)主要分為兩種形式：一種是單個 CPU 組成 的系統(tǒng)；另一種是由兩個以上的 CPU 組成的多微處理器系統(tǒng)。 CNC 系統(tǒng)大都采用一個 CPU 完成機床的控制。 4.1.1 單 CPU 系統(tǒng)的組成 單 CPU 組成的系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)主要由微型計算機、外圍 I/O 設(shè)備和機床 I/O 控制部分組成。 （ 1）微型計算機 微型計算機又簡稱微機，它是數(shù)控系統(tǒng)的中樞，整個系統(tǒng)是在微機的指揮下協(xié)調(diào)工作。微機主要由微處理器（也稱 CPU），內(nèi)部存儲器（ RAM 及 ROM）和I/O 接口電路組成，相互之間由數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線連接。 微機是在系統(tǒng)軟件控制下工作，系統(tǒng)軟件存放在 只讀存儲器（ ROM）中，當(dāng)控制系統(tǒng)接通電源或重新復(fù)位時， CPU 就執(zhí)行存放在 ROM 的系統(tǒng)程序。隨機存儲器 RAM 主要用來存放工件加工程序、加工現(xiàn)場參數(shù)和提供系統(tǒng)的工作緩沖區(qū)。由于系統(tǒng)掉電后， RAM 中的信息會丟失，所以應(yīng)具有掉電保持電路和后備電池供電電路。 （ 2） I/O 接口 I/O 接口是指外圍設(shè)備與 CPU 之間的接口電路。一般情況下，外圍與存儲器之間不能直接通信，必須靠 CPU 對 I/O 接口的讀 /寫控制，完成外圍設(shè)備與 CPU之間的信息傳遞。 （ 3）機床 I/O 控制部分 機床 I/O 控制部分是微機與機床連 接的關(guān)鍵部件。 CNC 系統(tǒng)的機床 I/O 控制具有下面幾個特點： 1）能夠可靠的傳送控制機床動作的信息并能輸入機床當(dāng)前的狀態(tài)信息。 2）能夠進行相應(yīng)的信息轉(zhuǎn)換，以滿足 CNC 系統(tǒng)的輸入與輸出要求。輸入時，必須將機床有關(guān)狀態(tài)信息轉(zhuǎn)換成計算機能夠識別的二進制數(shù)字量； 輸出時，應(yīng)將數(shù)字量轉(zhuǎn)換nts - 17 - 成機床各種執(zhí)行元件所需的物理量。信息轉(zhuǎn)換主要包括以下幾種方式：數(shù)字量模擬量轉(zhuǎn)換（ D/A）模擬量 /數(shù)字量轉(zhuǎn)換 (A/D)；數(shù)字量和開關(guān)量之間的轉(zhuǎn)換。 （ 3）具有較強的阻斷干擾信號進入計算機的能力，以提高系統(tǒng)的可 靠性。為了防止強電干擾信號通過 I/O 控制回路進入計算機，最常見的方法是在接口處增加光電隔離電路。 4.1.2 數(shù)控系統(tǒng)的選用 unsp 單片機是由凌陽公司推出的 16 位單片機，它的數(shù)據(jù)處理較強，集成度較高，而且有較大的存貯器空間，較快的處理速度，片內(nèi)較多的 RAM 和 FLASHROM 存貯器，有 D/A、A/D 接口和支持 DSP（數(shù)字信號處理）的指令，因此在這里不過多地擴展存貯器監(jiān)控程序和功能子程序的可擦除存貯器和調(diào)試程序用的隨機存貯器。數(shù)控系統(tǒng)也可以直接購買國內(nèi)外較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品作為數(shù)控裝置。在這里我們是在 unsp 單片機的基礎(chǔ)之上設(shè)計的數(shù)控系統(tǒng)。 4.2 步進電機的控制 4.2.1 步進電機的工作原理 步進電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的電磁元件。定子上安排了六個磁極，相對的兩個磁極上放置著同一相勵磁繞組，而轉(zhuǎn)子上沒有，只有四個凸極， a、 b、 c、 d 組成，當(dāng) s1接通， s2,s3斷開， A相建立磁場，轉(zhuǎn)子力求以磁路最大來取向，轉(zhuǎn)子齒與定子 A相磁極對齊，即轉(zhuǎn)子 a、 c齒的軸線與定子 A相磁極軸線重合。當(dāng) s1,s3斷開， s2接通，轉(zhuǎn)子 b、 d齒的軸線與定子 B 相磁極軸線重合。以此類推 s1 s2 s3 s1循環(huán)接通，轉(zhuǎn)子以一定的步距角旋 轉(zhuǎn)，改變輸入電流方向，實現(xiàn)反轉(zhuǎn)即 s1 s3 s2 s1。 4.2.2 步進電機的控制 （ 1）、單電壓驅(qū)動電路 單電壓驅(qū)動電路的工作原理如圖 4-1 所示。 在圖 4-1中， L為步進電機激磁繞組的電感， R1為繞組電阻并串接一電阻 Rc，為了減少回路的時間常數(shù) L/(R1+Rc),電阻 Rc 并聯(lián)一電容 C（可提高負(fù)載瞬間電流的上升率），從而提高電機的快速相應(yīng)能力和啟動性能。續(xù)流二極管 VD和阻容吸收回路 RC 是功率管 VT的保護線路。 單電壓驅(qū)動電路是早期的功率驅(qū)動電路，它的優(yōu)點是線路簡單，缺點是電流 上升不夠快，高頻時負(fù)載能力低。 （ 2）、高低壓驅(qū)動電路 高低壓驅(qū)動電路是恒電壓驅(qū)動的改進型，它的特點是供給步進電機撓組兩種電壓，以改善電機啟動時的電流前沿特性。一種是高電壓 UH，由電機參數(shù)和晶體管特性決定，nts - 18 - 一般在 80V 至更高范圍；一種是低電壓，即步進電機撓組額定電壓 UL，一般為幾伏至 20V。 圖 4-2 為高低壓驅(qū)動電路的原理。在相序輸入信號到來時， IH， IL信號使 VT1， VT2同時導(dǎo)通，給撓組加上高壓 UH，以提高撓組中電流上升率；當(dāng)電流達(dá)到規(guī)定值時， VT1關(guān)斷、VT2仍然導(dǎo)通（ tH脈寬小于 tL），則自 動切換到低電壓 UL該電路的優(yōu)點是在較寬的頻率范圍有較大的平均電流，能產(chǎn)生較大的頻率且穩(wěn)定的平均轉(zhuǎn)矩，其缺點是電流波形由凹陷，電路較復(fù)雜。 外加高壓控制線路前 置放 大 器輸 入圖 4-1 高壓驅(qū)動電路原理圖 高壓前置放大低壓前置放大整形 控制門輸入圖 4-2 斬波驅(qū)動電路原理圖 nts - 19 - （ 3）斬波驅(qū)動電路 高低壓驅(qū)動電路的電流波形的波頂會出現(xiàn)凹型，造成高頻輸出轉(zhuǎn)矩的下降，為了使激磁撓組中的電流維持在額定值附近，需采取斬波電路（見圖 4-2）。 斬波電 路以環(huán)行分配器的輸出脈沖作為輸入信號，若為正脈沖，則 VT1 和 VT2導(dǎo)通，由于 UH 電壓較高，撓組回路又沒有串電阻，所以撓組中的電流迅速上升；當(dāng)撓組中的電流上升到額定值以上某個數(shù)值時，采樣電阻 Re 的電壓將達(dá)到某設(shè)定值，并經(jīng)反饋、放大后送至 VT1 的基極，使 VT1截止。接著撓組由 UL低電壓供電，撓組中的電流立即下降，但剛降至額定值以下時，由于采樣電阻 RE的反饋作用，使整形電路無信號輸出，此時高壓前置放大電路又使 VT1導(dǎo)通，電流又上升。如此反復(fù)進行，形成一個在額定值上下波動呈鋸齒狀的電流波形，近似恒流，所 以斬波電路也稱斬波恒流驅(qū)動電路。鋸齒波的頻率可通過調(diào)整采樣電阻 Re和整形電路的電位來調(diào)整。斬波電路具有快速響應(yīng)好、功率小、電機共振小、轉(zhuǎn)矩恒定的突出優(yōu)點，但電路復(fù)雜，低頻時會使電機產(chǎn)生嚴(yán)重振蕩。 （ 4）高低壓斬波恒流驅(qū)動電路 W 是步進電機的一相繞組， VD3 是續(xù)流二極管。 74LS373 是 8 路三態(tài)輸出觸發(fā)器，一路輸出信號控制一相繞組，可控制兩臺三相步進電機或兩臺四相步進電機。 Q輸出高電平，將使其所控制的相繞組通電。 74L 373 的 LE 是鎖存允許端，高電平有效。下面來分析一下接口電路的工作過程。 設(shè) 繞組初始無電流流過， Rf上的壓降為零，即 Uf=0,因此光耦合器 VL3的發(fā)光二極管熄滅，其中的光電二極管截止，使與非門 D5的一個輸入端為高電平。這時，如果 8031 通過 P0口輸出 01H 時， WR有效，并通過反向器作用于 74LS373 的 LE 端，使 74LS373 將單片機輸出的信號鎖存到輸出端，即 1Q 輸出高電平信號。這個步進信號一方面通過與非門D2使 VL2的發(fā)光二極管發(fā)光，使其光電三極管導(dǎo)通，反相器 D4輸出高電平，使功率晶體管V4和 v5 導(dǎo)通；另一方面信號作用于 D5門，使 D5輸出低電平，經(jīng)反向器 D6輸出高電平，和1Q 一起 作用于 D1,D1輸出低電平，因此光耦合器 VL1發(fā)光二極管發(fā)光，使其中的光電三極管導(dǎo)通。這樣 D3 輸出高電平， V1 截止，使高壓功率晶體管 V2和 V3導(dǎo)通，高電壓 Ug作用于電機繞組，使步進電機的一相通電。 nts - 20 - 圖 4-3 步進電機驅(qū)動電路 圖 4-3 中 隨著繞組電流的上升， Rf的壓降 Uf增加，當(dāng) Uf增加到一定程度時，使 VL3的發(fā)光二極管發(fā)光，從而使其中的光電三極管導(dǎo)通。導(dǎo)通后， D5 輸出高電平，反相器 D6輸出低電平，但不是立即關(guān)閉門 D1 使高壓管 V2， V3 截止，而是要延時一段時間。這是因為 Rd,Cd的存在。 Rd,Cd組成了 延時電路，其目的就是延時關(guān)閉 V2,V3,這樣可避免由于繞組電流的波動而使 V2,V3通斷次數(shù)太多，以至于造成太多的開關(guān)損耗。高壓晶體管 V2,V3關(guān)斷后，便由低壓電源供給繞組供電。當(dāng)繞組電流下降， Uf下降， VL3 發(fā)光二極管熄滅，光電三極管截止，若這時 1Q 仍為高電平，則又使高壓晶體管 V2,V3導(dǎo)通，高壓電源再次作用在繞組上，使繞組中電流上升。上升到設(shè)定值后， Uf V2,V3截止。 V2,V3的反復(fù)通斷，實現(xiàn)了繞組電流的恒流斬波控制。 1Q 輸出低電平后， V2V5 皆截止 ,繞組電流經(jīng) VD3-Ud-地-Ud-VD4-L 回路 泄放。 由上述過程可知，只要 8051 按照步進電機工作方式和工作頻率向接口輸出相應(yīng)的信號，便可實現(xiàn)對步進電機的速度和轉(zhuǎn)向控制。 4 3 鍵盤及顯示器接口 鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機對話的外圍設(shè)備，鍵盤可以完成程序數(shù)據(jù)的輸入，顯示器顯示計算機運行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)。 LCD 的應(yīng)用非常廣泛，從電子表到計算機，從袖珍儀表到便攜式微型計算機以及一些文字處理機都應(yīng)用了液晶顯示器。 4.3.1 鍵盤接口電路 nts - 21 - 鍵盤接口電路，用 8279 作為并行接口使用。 8279 的地址，數(shù)據(jù)線和凌陽單片機的接口直接連接，由片選信 號控制實現(xiàn)分時信息傳遞， IO/M 引腳直接經(jīng)電阻 R 接高電平。 8279中 PA口的 8根列線按一定時間間隔輪流輸出低電平。當(dāng)掃描到某一列線上時，若無鍵按下，則行線都是高電平，若有一鍵按下時，交叉點上對應(yīng)的行線變?yōu)榈碗娖?，此低電平信號被計算機捕獲后，根據(jù)此位置，計算機可判斷出此鍵值。完成一次鍵輸入掃描工作。 4.3.2 液晶顯示模塊的工作原理 液晶顯示模塊是一種被動式顯示模塊，由于它的功耗低，抗干擾能力強，因而在低功耗的單片機應(yīng)用系統(tǒng)中大量使用。 LCD 本身不發(fā)光，只調(diào)節(jié)光的亮度
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