購買設計請充值后下載,,資源目錄下的文件所見即所得,都可以點開預覽,,資料完整,充值下載可得到資源目錄里的所有文件。。?!咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙,doc,docx為WORD文檔,原稿無水印,可編輯。。。帶三維備注的都有三維源文件,由于部分三維子文件較多,店主做了壓縮打包,都可以保證打開的,三維預覽圖都是店主用電腦打開后截圖的,具體請見文件預覽,有不明白之處,可咨詢QQ:1304139763===========題目最后備注XX系列,只是店主整理分類,與內(nèi)容無關,請忽視
畢業(yè)設計說明書
緒 論
機械工程為國民經(jīng)濟建設和社會發(fā)展提供各類機械裝備和生產(chǎn)制造技術以創(chuàng)造物質(zhì)財富和提高社會文明水準的重要工程領域,是與人類社會活動關系十分密切、應用非常廣泛的工程領域。他是一個傳統(tǒng)的工程領域,自人類有史以來,就為生產(chǎn)活動所關注,第一次工業(yè)革命、第二次工業(yè)革命乃至當前的信息革命,無不直接或間接的同機械工程的發(fā)展有密切關系;它也是一個發(fā)展迅速的工程領域,隨著電子技術、自動化技術、計算機及軟件技術、材料科學的發(fā)展和滲透,充實和豐富了本領域的基礎,拓寬和發(fā)展了本領域的研究范疇,促進機械產(chǎn)品和生產(chǎn)過程向精密化、自動化、智能化、連續(xù)化、高效化、集成化方向發(fā)展。
本領域涉及機械設計、制造、試驗、使用、維修等基礎理論、技術和方法。并與材料工程、動力工程、電氣工程、電子與信息工程、控制工程、計算機技術、工業(yè)設計工程等工程領域及力學學科密切相關。
隨著社會生產(chǎn)和科學技術的發(fā)展,機械、電子產(chǎn)品的性能和質(zhì)量不斷提高,產(chǎn)品更新?lián)Q代的周期在縮短,因此對車床的要求也在提高,不僅要有較高的精度和生產(chǎn)率,而且能迅速的適應機械產(chǎn)品的變換。社會的發(fā)展促進了數(shù)控機床的誕生和發(fā)展。隨著電子技術特別是計算機技術的發(fā)展,數(shù)控技術迅速的發(fā)展起來了。
近十幾年來,尤其是改革開放以來,我國特別注重數(shù)控技術的發(fā)展,加快了數(shù)控機床的引進與開發(fā),促進了數(shù)控機床的普及。各大企業(yè)都不斷的購進數(shù)控機床,來擴大再生產(chǎn)和替換舊設備,數(shù)控機床在企業(yè)中不再是鳳毛麟角,而是不斷的普及。但數(shù)控機床的成本比較高,在這種情況下,普通機床的改造就成了一種必要。
第1章方案的擬定
1.1數(shù)控改造的必要性
數(shù)控機床可以較好的解決形狀復雜、精密、多變零件的加工問題,可以穩(wěn)定加工質(zhì)量,提高生產(chǎn)率,但是數(shù)控機床的應用還是受到其他條件的限制:
(1) 目前很多企業(yè)都有很多普通機床,完全用數(shù)控機床代替很不現(xiàn)實,而且替代后閑置下來的機床會造成很大的浪費。
(2) 國內(nèi)定購數(shù)控機床的交貨期長,往往不能滿足急需。
(3) 數(shù)控機床價格昂貴,對很多企業(yè)是一很大障礙。
(4) 通用數(shù)控機床對很多企業(yè)來說,功能剩余。
要解決上述問題,普通機床的數(shù)控化改造是必由之路。從歐美等工業(yè)化國家的經(jīng)驗來看,機床的數(shù)控改造必不可少。因此,普通機床的數(shù)控改造不但有必要,而且大有可為尤其對一些中小企業(yè)更是如此。
1.2數(shù)控改造目的
(1) 為了提高生產(chǎn)進行數(shù)控改造。
(2) 從提高資本效率出發(fā),改造閑置舊設備,發(fā)揮機床的原有功能和改造后的新增功能,提高機床的使用價值。
(3) 為了適應多品種、小批量零件生產(chǎn)而進行數(shù)控改造。
(4) 為了使技術等級較低的工人也能加工出高質(zhì)量的產(chǎn)品和提高生產(chǎn)率而進行的數(shù)控改造。
(5) 為了減少整個設備投資計劃而進行數(shù)控改造。
通過畢業(yè)設計,學習系統(tǒng)的運用所學的知識和技能解決實際工程問題的本領,鞏固和加深對所學知識的理解,并且通過畢業(yè)設計的實踐擴大和補充知識,使認識提高到一個新的水平。通過畢業(yè)設計的實踐,培養(yǎng)調(diào)查研究的習慣和工作能力,練習查閱資料和有關標準,查閱工具書或參考書,合理選擇設計計算公式,正確計算,并能以圖紙和說明書表達設計的思想和結果。通過畢業(yè)設計,不但要提高解決具體問題的獨立工作能力,具體動腦動手能力,而且應樹立正確的設計和科研思想,加強科學性,牢固樹立實事求是和嚴肅認真的工作態(tài)度。
1.3設計內(nèi)容
將一臺CA6132普通車床改造成數(shù)控車床。結合畢業(yè)設計的工作量和時間限制,機械部分主要2個坐標軸,完成機械結構設計,零件及參數(shù)的選擇,部分計算過程;電器和微機部分主要有系統(tǒng)框圖,部分設計計算說明。要求圖紙不少于相當于2.5張A0圖。
1.4數(shù)據(jù)準備
1.原機床數(shù)據(jù)
原機床有關數(shù)據(jù)為:最大工件直徑最大工件長度:340750(mm),最大加工直徑:床身上340(mm)刀架上180(mm),最大加工長度:650(mm),主軸轉(zhuǎn)速:20—2000r/min,電動機功率3kw.
2.縱向進給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)
時間常數(shù)T=25ms;
滾珠絲杠導程S=6mm;
脈沖當量;
布距角;
快速進給速度
3.橫向進給系統(tǒng)的數(shù)據(jù)
時間常數(shù)T=25ms;
滾珠絲杠導程S=5mm,左旋;
脈沖當量;
布距角;
快速進給速度
1.5基本方案的比較和選擇
1、伺服驅(qū)動
在我國設備數(shù)控化改造的一段時間里,較多采用步進電機作為伺服驅(qū)動元件。步進電機是一種特殊結構的電機,它利用通電勵磁繞組產(chǎn)生反應力矩,將脈沖電信號的能量轉(zhuǎn)換為機械位移的機電執(zhí)行元件。當勵磁繞組按一定規(guī)律獲得分配脈沖時,步進電機的轉(zhuǎn)子就會轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度與輸入的脈沖個數(shù)有較嚴格的比例關系,而且轉(zhuǎn)動與輸入脈沖在時間上同步,因此可以利用這些特點控制運動的速度和位移量。
步進電機的優(yōu)點是結構簡單,電器控制和驅(qū)動電路也簡單,體積小,重量輕,價格便宜,設計制造簡單,容易調(diào)試,使用維修方便。位移精度較好,對各種干擾因素不敏感,結構誤差不會累積。另外,機電時間常數(shù)小,反應快。但步進電機也有缺點,主要是容易丟步,啟動頻率低,工作頻率也不夠高,低頻時振動大,沖擊大,有時還有自激震蕩。步進電機沒有過載能力,當工作條件變動時,可能造成失誤,因此步進電機多用于負載較小,負載變化不大或者要求不太高的經(jīng)濟型簡易型數(shù)控設備中。
由于步進電機的沒有過載能力,高速時扭矩下降很多,容易丟步。開環(huán)由于沒有反饋校正作用,一旦丟不容易造成工件報廢,嚴重時甚至發(fā)生事故,而且如果不能及時發(fā)現(xiàn)還會造成工件的成批報廢,因此實際應用是不可靠。
采用直流或交流伺服電機閉環(huán)控制方案,結構復雜,技術難度大,調(diào)試和維修困難得多,造價也高。閉環(huán)控制可以達到很好的機床精度,能補償機械傳動系統(tǒng)中各種誤差,消除減息、干擾等對加工精度的影響,一般應用于要求高的數(shù)控設備中。另外,由于閉環(huán)控制使機械傳動的各個環(huán)節(jié)都綜合作用于反饋信號,因此對系統(tǒng)的穩(wěn)定性造成影響。任何一個環(huán)節(jié)設計制作不當都可能造成系統(tǒng)失穩(wěn),所以相應的要求系統(tǒng)中每一個影響因素都嚴格控制把關。由于改造數(shù)控銑床的目標共建加工精度不十分高,采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。
采用直流或者交流伺服電機的半閉環(huán)系統(tǒng),其性能介于開緩和閉環(huán)控制之間。由于調(diào)速范圍寬,過載能力強,又采用反饋控制,因此性能遠優(yōu)于步進電機開環(huán)控制;反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機械傳動元件,調(diào)試比閉環(huán)簡單,系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證,所以比閉環(huán)容易實現(xiàn)。但是采用半閉環(huán)控制,調(diào)試比開環(huán)控制步進電機要復雜,設計上也有自身的特點,技術難度大。本設計任務的要求不高,是經(jīng)濟型數(shù)控的改造,通常的情況下均采用以步進電機驅(qū)動的開環(huán)控制。因為開環(huán)控制具有結構簡單、設計制造容易、控制精度好、容易調(diào)試、價格便宜、使用維修方便等優(yōu)點。缺點是步進電機沒有過載能力,啟動頻率低,工作頻率也不高等。開環(huán)控制多用于負載變化不大或者要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控設備中。
經(jīng)過上述比較,決定采用開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.數(shù)控裝置
數(shù)控裝置的選擇也有多種方案,例如,可以全部自己設計、制作;可以采用單板機或STD模塊改制;可以選用現(xiàn)成的數(shù)控裝置做少量的適用化改動或配接。在工廠的實際應用中,一半多采用以下兩種解決辦法。一種情況是所需的功能和要求有現(xiàn)成的數(shù)控裝置可以滿足,這是絕大多數(shù)采用買現(xiàn)成產(chǎn)品的方案,因為自行設計制作不但浪費時間,投資也不一定能省,往往是投資更多,而且質(zhì)量也不容易保證。另一種情況是買不到現(xiàn)成產(chǎn)品來實現(xiàn)有些特殊功能,這時大多數(shù)采取買性價比盡量高的性能接近的裝置,然后自行補充或改造,來滿足設計要求。但是作為畢業(yè)設計,即使采用上述兩種數(shù)控裝置的設計方案,也需要對其結構、原理、控制方式等有所了解,才能提出自己的處理辦法,也可以采用自行設計數(shù)控裝置的方案和數(shù)控裝置,可以更全面的鍛煉學生運用計算機、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路的設計和應用的能力,其難度比較大,也為今后從事其他類似的工作打下堅實的基礎,也為今后在普通機床進行經(jīng)濟型數(shù)控改造時采用后兩種方法奠定了基礎。本設計采用自行設計數(shù)控裝置的方法。
3.其他電氣裝置
在數(shù)控化改造中,還需要結合數(shù)控裝置和伺服驅(qū)動的特點配置其他電氣部分,包括強、弱點信號的變換、傳輸或必要的處理,其中對輸入/出接口要考慮是否有隔離、屏蔽的要求;此外,還要配置所需的電源,各種保護電路,檢測顯示等輔助電路。
4.機械部分
在設備的數(shù)控化改造中,雖然核心工作是數(shù)控,涉及較多的是微機、電子和電氣,但絕不是全部。如果忽視了機械方面按照數(shù)控機床的特點進行必要的改動,或者在改造中設計制造不盡合理,結果會給數(shù)控化改造帶來意想不到的困難,甚至會因為機械問題而導致失敗。
1.6總體方案的確定
查看了CA6132車床及有關資料,并且參考數(shù)控車床的改造經(jīng)驗,確定總體方案:采用微機對數(shù)據(jù)進行計算處理,由I/O接口輸出布進脈沖,經(jīng)一級齒輪減速后,帶動滾珠絲杠轉(zhuǎn)動,從而實現(xiàn)縱向和橫向的進給運動。
由于設計的是簡單性經(jīng)濟數(shù)控,所以在考慮具體方案時,基本原則是在滿足需要的前提下, 對于機床盡可能的減小運動量,以降低成本。
微機參考TP801單板機的線路。主要是因為Z80CPU在我國的數(shù)控改造應用較普遍,各種應用軟件較多,系統(tǒng)開發(fā)較容易,而且其價格較低廉。Z80有獨立的I/O指令,指令個市與執(zhí)行時間較短,有利于縮短掃描現(xiàn)場機床工作的周期。
直流步進電機參照西安微電機研究所的產(chǎn)品樣品選取,便于就近得到部件。
滾珠絲杠參照漢江機床廠的產(chǎn)品樣本選取FC1B系列,即外插管變螺距型滾珠絲杠副。其優(yōu)點是螺母的軸向尺寸小,而已經(jīng)預加載荷消除間隙。
縱向進給機構的改造:拆除原機床的進給箱和溜板箱,利用原機床進給箱的安裝孔和銷釘孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠安裝在原絲杠的位置,兩端仍采用原固定方式。這樣可減少改裝工作量,并由于滾珠絲杠的摩擦系數(shù)比原絲杠的小,從而使縱向進給整體剛度只可能增大。
橫向進給機構的改造:保留原手動裝置機構,用于微進給和機床刀具對零件操作,原有的支承結構也保留。步進電機—齒輪箱體安裝在機床后側(cè)。為了便于安裝滾珠絲杠副,絲杠軸不是整體的,而采用分移式的,然后用套筒剛性連接。
縱橫向進給機構都采用了一級齒輪減速,并用雙齒輪錯齒法消除間隙。雙片齒輪間則沒有見彈簧自動消除間隙。因為彈簧的彈力很難適應負載的變化情況。當負載大時,彈簧彈力顯小,起不到消除間隙之目的;當負載小時,彈簧力又顯大,則加速齒輪的磨損。因此,采用人工調(diào)整,螺釘緊固的辦法消除間隙。
縱向齒輪箱和溜板均加外罩,以保持機床原外觀,起到美化機床的作用,在溜板箱上安裝了縱橫向快速進給按鈕和急停按鈕,以適應機床調(diào)整時的操作需要和遇到意外情況時的緊急處理需要。
第2章 機械部分設計計算
伺服系統(tǒng)機械部分設計計算的內(nèi)容包括:確定系統(tǒng)的負載,確定系統(tǒng)的脈沖當量,運動部件的慣量的計算,空載啟動切削力距的計算,確定伺服電機,傳動及導向元件的設計、計算及選用,繪制機械部分裝配圖及工作圖等,分述如下:
2.1 確定系統(tǒng)脈沖當量
任務書給定脈沖當量:縱向為0.01mm/步,橫向為0.005mm/步。
2.2切削力的計算
切削力的計算可通過具體加工條件、不同工況,選擇合理的切削用量,用切削量來計算切削力。但是用切削量來計算切削力雖然比較準確,但只能適用于某種工作的專用機床。對于通用機床的數(shù)控化改造,由于切削用量選擇的范圍較大,這樣會導致切削力計算結果差別很大。這里的方法是,按照需要數(shù)控化改造設計的CA6132主要電機功率來計算切削力。具體方法為:
由《機床設計手冊》〉可知,切削功率
式中:N——電機功率,查機床說明書,為3kw;
——主動系統(tǒng)總功率,一般為0.6-0.7,取0.65;
K——進給系統(tǒng)系數(shù),取0.96。
則
=3x0.65x0.96=1.872KW
又因為 =6120/v
式中:v——切削線速度,取100m/min。
主切削力
由《金屬切削力原理》〉可知,主切削力
=
查表得
=188kgf/
XFZ=1,YFZ=0.75,TFZ=1
當=時,切削深度為=2mm,走刀量為f=0.3mm.次參數(shù)作為下邊計算的依據(jù)。
從《機床設計手冊》中可得,在一般外圓車銷時
=(0.1—0.6) =(0.15—0.7)
取 =0.5=0.5114.56=57.28kgf
=0.6114.56=68.74kgf
2.3縱向滾珠絲杠螺母副的設計、計算和選定
2.3.1滾珠絲杠螺母副的設計、計算
首先要選擇結構類型,確定滾珠循環(huán)方式,滾珠絲杠的預緊方式。結構類型確定后,再計算其他技術參數(shù),包括: 公稱直徑d,絲杠外徑d,導程Lo,滾珠的圈數(shù)j,列數(shù)k等。
(1) 滾珠循環(huán)方式
滾珠循環(huán)方式分為外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)兩大類,外循環(huán)又分為螺旋槽式和插管式。插管式為外循環(huán)式,結構簡單,制造容易,彎管由兩部分組成,采用沖壓件,工藝性好。
(2) 滾珠絲杠的預緊方式
滾珠絲杠的預緊方式有: 雙螺母墊片式、雙螺母螺紋式、雙螺母齒差式、單螺母導程式。雙螺母墊片式結構簡單,剛性好,裝卸方便。
(3) 計算軸向力
由《機床數(shù)控系統(tǒng)》〉一書可得,綜合導軌車床絲杠的軸向力
P=k+(+W)
式中,k=1.15, =0.15—0.18,取0.16。
則 P=1.1557.28+0.16(114.56+80)=97kgf
2.3.2 計算最大負載C
——滾珠絲杠導程,初選為6mm
——最大切削力下得進給速度,可取最高進給速度的(1/2~1/3),
T——使用壽命
——運轉(zhuǎn)系數(shù),一般取=0.5~1.2
——硬度系數(shù)
——縱向軸向力
L——壽命,以為單位。
由知
表1
機器類型
使用壽命(h)
通用機械
5000~10000
普通機械
10000
自動控制機械及機床
15000
儀器裝置
15000
航空機械
1000
表2
運轉(zhuǎn)狀態(tài)
運轉(zhuǎn)系數(shù)
無沖擊的圓滑狀態(tài)
1.0~1.2
一般運轉(zhuǎn)
1.2~1.5
有沖擊的運轉(zhuǎn)
1.5~2.5
表3
HRC
60
57.5
55
52.5
50
47.5
45
42.5
40
30
25
硬度系數(shù)
1.0
1.1
1.2
1.4
2.0
2.5
3.3
4.5
5.0
10
15
所以:
取工件直徑D=80mm,查表的T=1500h,則
所以
=
根據(jù)漢江機床廠滾珠絲杠產(chǎn)品樣本,選取滾珠絲杠公稱直徑為。其額定動荷載是10689N,所以強度足夠用 。
2.3.3 傳動效率計算
其中:
——螺旋升角,則有
——摩擦角,所以:
2.3.4 剛度驗算
滾珠絲杠螺母副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度和運動的平穩(wěn)性,因此應該考慮以下引起軸向變形的因素:
(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量;在總的變形量中占的比重較大,計算:
——在工作負載作用下引起每一導程的變化量,(mm)
——工作負載即進給引力,(N)
——滾珠絲杠的導程,(mm)
E——材料的彈性模數(shù),對鋼E=
F——滾珠絲杠的界面設計(按內(nèi)徑確定),
L——滾珠絲杠在支承件的受力長度
“+”用于拉伸,“-”用于壓縮
滾珠絲杠副扭矩引起得到成變化量很小,可忽略,所以
查表知E級精度絲杠允差15,故剛度足夠。
2.3.5 穩(wěn)定性的驗算
由于原絲杠直徑30mm,現(xiàn)選用的絲杠直徑為32mm,支承方式不變,所以穩(wěn)定性不存在問題,故不在驗算。
2.3.6 滾珠絲杠副的精度等級
滾珠絲杠副的精度,按機械工業(yè)部標準JB3162.2-91,分為七個等級,即1、2、3、4、5、6、7、10級,1級精度最高,依次降低。
2.4 橫向滾珠絲杠的設計計算
2.4.1計算軸向力
由《機床數(shù)控系統(tǒng)》〉一書可得,綜合導軌車床絲杠的軸向力
P=k+(+W)
式中,k=1.4, =0.2。
則 P=1.1528.64+0.2(57.28+30)=50.39kgf
2.4.2計算最大負載C
——滾珠絲杠導程,初選為6mm
——最大切削力下得進給速度,可取最高進給速度的(1/2~1/3),
T——使用壽命
——運轉(zhuǎn)系數(shù),一般取=0.5~1.2
——硬度系數(shù)
——縱向軸向力
L——壽命,以為單位。
=
根據(jù)漢江機床廠滾珠絲杠產(chǎn)品樣本,選取滾珠絲杠公稱直徑為。其額定動荷載是5393N,所以強度足夠用 。
2.4.3 傳動效率計算
其中:
——螺旋升角,則有
——摩擦角,所以:
2.4.4 剛度驗算
滾珠絲杠螺母副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度和運動的平穩(wěn)性,因此應該考慮以下引起軸向變形的因素:
(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量;在總的變形量中占的比重較大,計算:
——在工作負載作用下引起每一導程的變化量,(mm)
——工作負載即進給引力,(N)
——滾珠絲杠的導程,(mm)
E——材料的彈性模數(shù),對鋼E=
F——滾珠絲杠的界面設計(按內(nèi)徑確定),
L——滾珠絲杠在支承件的受力長度
表知E級精度絲杠允差15,故剛度足夠。
2.4.5 穩(wěn)定性計算
由于選用的滾珠絲杠的直徑于原絲杠直徑相同,而支承方式由原來的一端固定,一端懸空。變?yōu)橐欢斯潭?,一端向支撐,所以穩(wěn)定性增大,故不再驗算。
2.5 塑料導軌的應用
目前,塑料導軌在普通機床上仍有廣泛的應用,但其靜摩擦系數(shù)大,動摩擦系數(shù)隨速度變化而變化,摩擦損失大,低速時易出現(xiàn)爬坡現(xiàn)象而降低運動部件的定位精度。因此,目前在數(shù)控機床上不再使用,而代之以鑄鐵——塑料或鑲鋼——塑料導軌。這次設計選用的貼塑導軌。聚四氯乙烯軟膠帶是以聚四乙烯為基體,加入青銅粉,二硫化物和石墨等添加劑混合而成。它具有摩擦性好、減震性好等特點。這種膠帶由于工藝簡單,對原有導軌在普通機床上的改造有廣泛應用。
2.6 進給伺服系統(tǒng)傳動的計算
由于步進電機的工作特點是一個脈沖走一步,每一步都有一個加速過程,因而對負載慣量很敏感。為滿足負載慣量盡可能小的要求,同時也滿足一定的脈沖當量,常用齒輪降速傳動。
2.6.1 縱向傳動系數(shù)計算
2.6.1.1 選定齒輪類型、精度等級、材料
(1)、縱向齒輪傳動組初步選用直齒圓柱齒輪傳動
(2)、選精度等級,由機械設計手冊得:
表5
機器名稱
精度等級
機器名稱
精度等級
汽輪機
3~6
拖拉機
6~8
金屬切割機床
3~8
通用減速器
6~8
航空發(fā)動機
4~8
鍛壓機床
6~9
輕型汽車
5~8
起重機
7~10
重載汽車
7~9
農(nóng)用機器
8~11
故選用8級精度。
(3)、 材料選擇:
由機械設計手冊選擇小齒輪材料為45(調(diào)質(zhì)),硬度280HBS。大齒輪材料為45#鋼(調(diào)質(zhì)),硬度240HBS,二者材料硬度差40HBS。
(4)、 選齒輪齒數(shù)及計算各圓直徑:
傳動比i=
故取=32 =40
m=2mm b=20mm
=m=64mm =m=80mm
=68mm =84mm
=59mm =75mm
=72mm
2.6.1.2 按齒面接觸硬度校核
(1) 由機械設計手冊公式:
將、代入上式得:
式中:——齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩,單位為N.mm.
——齒輪的分度圓直徑,單位為N.mm
為齒寬系數(shù),計算公式為,式中b為齒輪寬度,單位為mm,
k——載荷系數(shù),
由機械設計手冊,使用系數(shù)
表6
原動機工作特性
均勻平穩(wěn)(如機床進給機構、通風機)
中等顫動(如重型升降機、起重機回轉(zhuǎn)機構)
嚴重沖擊(如沖床、挖掘機、重型離心機)
均勻平穩(wěn)
1.00
1.25
1.75或更大
中等顫動
1.25
1.50
2.00或更大
嚴重沖擊
1.50
1.75
2.25或更大
由表選使用系數(shù)1.00
同理可得:,所以:
=1.8
(2)分別為區(qū)域系數(shù)(標準直齒輪取2.5),彈性影響系數(shù)。由機械設計手冊表10——6知齒輪材料為段鋼時,彈性影響系數(shù)取189.8。
(3) 由機械設計圖冊10-21d按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限為600Mpa;大齒輪的接觸疲勞強度極限為550Mpa。
(4) 由圖10-19接觸疲勞壽命系數(shù):
(5)計算接觸疲勞許用壓力,取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,由式10-21得:
(6) 校核
對于齒數(shù)32與齒數(shù)為40的齒輪配合:
小齒輪傳的扭矩:,為電機功率單位為Kw,n1為扭矩。
由已知條件原機床的進給電機功率為3KW,計算得:
則大齒輪傳遞的扭矩為:
為配合齒輪的齒數(shù)比:,齒寬系數(shù)將以上數(shù)據(jù)代入公式得:
所以,從而齒數(shù)為32的齒輪滿足接觸疲勞強度。同理對齒數(shù)為50的齒輪代入數(shù)據(jù)得:
所以,從而齒數(shù)為40的齒輪滿足要求。
2.6.1.3 按齒根彎曲強度校核
由《機械設計》公式: ,式中,Ysa為載荷作用于齒頂時的應力校正系數(shù)Yfa為齒行系數(shù),齒寬系數(shù)將和代入上式得:
其中:T1為齒輪傳遞的扭矩,單位N.mm,m為齒輪的模數(shù),Z1為齒數(shù)。對齒數(shù)為32和40的配合齒輪:
(1) 由圖10-20c查得大齒輪和小齒輪的彎曲疲勞強度分別為:
(2) 由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù):
(3) 計算彎曲疲勞需用應力,取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,由式10-12查得:
(4) 計算載荷系數(shù)K
,其中,為齒間載荷分配系數(shù),為齒向載荷分配系數(shù),查機械設計手冊和機械設計得:=1,=1.12,=1.2,=1.35,所以:
(5) 查齒形系由機械設計表10-5得:
Z
24
25
26
27
28
2.65
2.62
2.60
2.57
2.55
1.58
1.59
1.595
1.60
1.61
Z
30
35
36
45
50
2.52
2.45
2.44
2.35
2.32
1.625
1.65
1.66
1.68
1.70
查得齒數(shù)為32和40的齒輪對應的齒形系數(shù)分別為:2.52,2.40
(6) 查應力校正系數(shù)
由表10-5得,齒數(shù)為32和40的齒輪對應的應力校正系數(shù)分別為1.625,1.67由5.5.1.2知齒數(shù)分別為18和38的齒輪傳遞的扭矩分別為26344N.m,32930N.m,將以上數(shù)據(jù)代入公式:,得:
=21.814263441.6252.52/(0.38)=181.2MPa
<=303.57Mpa
=21.814329302.401.67/(0.258)=149.6Mpa
<=238.6Mpa
所以,齒數(shù)為30和40的齒輪滿足彎曲疲勞強度。
2.6.2 橫向傳動系數(shù)計算
2.6.2.1 齒輪的計算
傳動比
m=3mm b=20mm =
=54mm =114mm
2.6.2.2 按齒面接觸硬度校核
(1) 由機械設計手冊公式:
將、代入上式得:
式中:——齒輪傳遞的轉(zhuǎn)矩,單位為N.mm.
——齒輪的分度圓直徑,單位為N.mm
為齒寬系數(shù),計算公式為,式中b為齒輪寬度,單位為mm,
k——載荷系數(shù),
由機械設計手冊,使用系數(shù)
由表選使用系數(shù)1.00
同理可得:,所以:
=1.8
(2)分別為區(qū)域系數(shù)(標準直齒輪取2.5),彈性影響系數(shù)。由機械設計手冊表10——6知齒輪材料為段鋼時,彈性影響系數(shù)取189.8。
(3) 由機械設計圖冊10-21d按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限為600Mpa;大齒輪的接觸疲勞強度極限為550Mpa。
(4) 由圖10-19接觸疲勞壽命系數(shù):
(5)計算接觸疲勞許用壓力,取失效概率為1%,安全系數(shù)S=1,由式10-21得:
(6) 校核
對于齒數(shù)18與齒數(shù)為38的齒輪配合:
小齒輪傳的扭矩:,為電機功率單位為Kw,n1為扭矩。
由已知條件原機床的進給電機功率為3KW,計算得:
則大齒輪傳遞的扭矩為:
為配合齒輪的齒數(shù)比:,齒寬系數(shù)將以上數(shù)據(jù)代入公式得:
所以,從而齒數(shù)為18的齒輪滿足接觸疲勞強度。同理對齒數(shù)為50的齒輪代入數(shù)據(jù)得:
所以,從而齒數(shù)為38的齒輪滿足要求。
2.6.2.3 按齒根彎曲強度校核
由《機械設計》公式: ,式中,Ysa為載荷作用于齒頂時的應力校正系數(shù)Yfa為齒行系數(shù),齒寬系數(shù)將和代入上式得:
其中:T1為齒輪傳遞的扭矩,單位N.mm,m為齒輪的模數(shù),Z1為齒數(shù)。對齒數(shù)為18和38的配合齒輪:
(1) 由圖10-20c查得大齒輪和小齒輪的彎曲疲勞強度分別為:
(2) 由圖10-18查得彎曲疲勞壽命系數(shù):
(3) 計算彎曲疲勞需用應力,取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4,由式10-12查得:
(4) 計算載荷系數(shù)K
,其中,為齒間載荷分配系數(shù),為齒向載荷分配系數(shù),查機械設計手冊和機械設計得:=1,=1.12,=1.2,=1.35,所以:
(5) 查齒形系由機械設計表10-5得:
查得齒數(shù)為18和38的齒輪對應的齒形系數(shù)分別為2.91,2.40
(6) 查應力校正系數(shù)
由表10-5得,齒數(shù)為18和38的齒輪對應的應力校正系數(shù)分別為1.53,1.67由5.5.1.2知齒數(shù)分別為18和38的齒輪傳遞的扭矩分別為10232N.m,21600N.m,將以上數(shù)據(jù)代入公式:,得:
=21.814102321.532.91/(0.427)=47.2MPa
<=303.57Mpa
=21.814216002.401.67/(0.227)=40.3Mpa
<=238.6Mpa
所以,齒數(shù)為18和38的齒輪滿足彎曲疲勞強度。
2.7 步進電機的計算
2.7.1縱向進給步進電機的計算
2.7.1.1轉(zhuǎn)動慣量的計算
工作臺質(zhì)量轉(zhuǎn)換到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量
電動機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略,總的轉(zhuǎn)動慣量
J=
=
2.7.1.2 所需轉(zhuǎn)動力矩計算
快速空載啟動時所需力矩
最大切削負載時所需力矩
快進給時所需力矩
式中: ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩;
——折算到電機軸上的摩擦力矩;
——切削時折算到電機上的加速度力矩;
——折算到電機軸上的切削負載力矩。
當n=時,
當n=,
=
當=0.8,=0.1時,
當=0.9時,預加載荷=,則
所以,快速空載所需力矩
M=++
=25.72+1.223+0.173
=27.116
切削所需力矩
M=+++
=1.536+1.223+0.173+2.736
=5.668
快速進給時所需力矩
M=+=1.223+0.173=1.396
從以上數(shù)據(jù)分析,所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時。
2.7.1.3步進電機最高工作頻率
2.7.1.4步進電機的選擇
對于工作方式的三相六拍得步進電機
查表選用110BF003型直流步進電機,其最大靜轉(zhuǎn)距是800=81.6,其啟動距頻率特性如圖4所示。
從圖中可以看到該電機在3333.3Hz下啟動遠達不到所需要的轉(zhuǎn)距27.1,所以采用高低壓放電路,并在程序設計中有速度控制子程序,以免發(fā)生失步現(xiàn)象。
其運行特性如圖5所示。
2.7.2橫向進給步進電機的計算
2.7.2.1轉(zhuǎn)動慣量的計算
工作臺質(zhì)量轉(zhuǎn)換到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量
絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
齒輪的轉(zhuǎn)動慣量
電動機轉(zhuǎn)動慣量很小可忽略,總的轉(zhuǎn)動慣量
J=
=
2.7.2.2 所需轉(zhuǎn)動力矩計算
快速空載啟動時所需力矩
最大切削負載時所需力矩
快進給時所需力矩
式中: ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩;
——折算到電機軸上的摩擦力矩;
——切削時折算到電機上的加速度力矩;
——折算到電機軸上的切削負載力矩。
當n=時,
當n=,
=
當=0.9時,預加載荷=,則
所以,快速空載所需力矩
M=++
=22.34+0.287+0.043
=22.67
切削所需力矩
M=+++
=1.333+0.287+0.043+0.684
=2.347
快速進給時所需力矩
M=+=0.287+0.043=0.33
從以上數(shù)據(jù)分析,所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時。
2.7.2.3步進電機最高工作頻率
2.7.2.4步進電機的選擇
對于工作方式的三相六拍得步進電機
仍然選用110BF003型直流步進電機,采用高低壓放電路,并在程序設計中有速度
控制子程序,以免發(fā)生失步現(xiàn)象。
第3章 控制部分設計計算
設計圖紙中的第四張給出了8031單片機組成的控制系統(tǒng)。車床的縱向、橫向都采用步進電機開環(huán)控制。
3.1 控制系統(tǒng)的功能
(1)X向、Y向的進給伺服運動
(2)鍵盤顯示
(3)棉板管理
(4)行程管理
(5)其他功能,例如光電隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示。
3.2 CPU和存儲器
CPU采用8031芯片內(nèi)部具有128字節(jié)數(shù)據(jù)存儲器RAM,內(nèi)部編址為000H~7FH,用作工作寄存器、堆棧、軟件標志和數(shù)據(jù)緩沖器。CPU對內(nèi)部RAM有豐富的操作指令。但僅用片內(nèi)RAM往往不夠,現(xiàn)外接6264芯片來擴展8031的RAM存儲器,8031的輸入、輸出線不多,不能滿足設計要求,所以外接8255A芯片以擴展I/O口。由于8031無ROM,它不能構成完整的計算機系統(tǒng),必須外接EPROM或ROM作為程序存儲器,因此,外接兩片2764芯便。
8031是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯便,共四個8位的I/O接口,以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行輸入輸出。設計圖中的對應,對應,對應,對應,
——串行斷口接收接入,
——串行斷口發(fā)出輸送,
——外部中斷0申請,
——外部中斷1申請,
——外部程序存儲器的讀選通信號,
——訪問程序存儲器的控制信號:高表示ROM的讀寫操作從內(nèi)部存儲器開始并延續(xù)到外部存儲器,低表示對ROM的讀寫操作只限于外部存儲器??诤涂谧鳛榈刂肪€,口傳送高八位地址,口傳送第八位地址和數(shù)據(jù),故采用74LS373地址鎖存器,鎖存低八位的地址,ALE作為其選通信號,當ALE為高電平,鎖存器的輸入輸出透明,即輸入的低八位存儲器地址在輸出端出現(xiàn),此時不鎖存。當ALE從高電平變?yōu)榈仉娖剑霈F(xiàn)下降延時,低八位地址鎖入地址鎖存器中,74LS373芯片的輸出不再隨輸入變化,這樣就可以傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的口和74LS373送出的共組成16為地址,6264和2764都是8KB,需要13跟地址線。底8位接74LS373芯片的輸出,接8031系統(tǒng)采用全地址譯碼,兩片2764芯片的片選信號分別接74LS138的和,系統(tǒng)復位以后工0000H開始執(zhí)行。6264芯片的片選信號也接74LS3138的,單片機擴展系統(tǒng)允許程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器獨立編址(即允許地址重疊),8031芯片控制信號接2764的引腳,讀寫控制信號和分別接6264芯片的,以實現(xiàn)外部數(shù)據(jù)的讀寫。由于8031芯片內(nèi)部沒有ROM故要選外部存儲器,故其必須接地。
3.3 時鐘電路
時鐘電路用于產(chǎn)生單片機工作所需的信號,而需研究的是指令執(zhí)行中各信號之間的相互關系。單片機本身就相當于一個復雜的時序電路,為了保證同步工作方式的實現(xiàn),電路應在唯一的時鐘信號控制作用下嚴格按照時序工作。設計圖中8031芯片內(nèi)部有一個高增益反向放大器,起輸入端為引腳,其輸出端為引腳。而在芯片的外部,和之間跨接晶體震蕩器和微調(diào)電容,從而構成一個穩(wěn)定的自激振蕩器,這就是單片機的時鐘電路。一般電容,30Vpf左右。晶體振蕩頻率范圍是1.2MHZ~12MHZ。如果晶體的振蕩頻率高,則系統(tǒng)的時鐘頻率也高。單片機的時鐘頻率也高,單片機的運行速度就快。但反過來運行速度快對存儲器的要求也高,對應持續(xù)24個振蕩脈沖周期(即兩個機器周期)以上,對于使用頻率為6MHZ的晶振,則復位信號持續(xù)應超過4us才能完成復位操作。復位操作方式有上電自動復位和手動復位兩種方式。我采用的是按鍵手動復位的方式,它又包括電平方式和脈沖方式兩種,其中按鍵電平復位方式是通過是復位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)的,其電路如下圖(a)所示。而按鍵脈沖方式則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的,其電路如下圖(b)。我選用的按鍵電平復位方式,圖中電容參數(shù)適用于6MHZ晶振,能保證復位信號高電平持續(xù)時間大于兩個機器周期。
3.4復位方式
復位是單片機的初始化操作,其主要功能是把PC初始化為000H,使單片機從00H單元開始執(zhí)行程序。除了使系統(tǒng)初始化外,當由于程序運行出錯或者操作錯誤是系統(tǒng)處于鎖死狀態(tài)時,為了擺脫困境也需要按復位鍵。REST引腳是復位鍵的輸入端,復位信號是高電平有效,有效時間持續(xù)2~4個振蕩脈沖周期(即兩個機器周期)以上,對于使用頻率為6MHZ的晶振,則復位則復位信號持續(xù)應超過4us才能完成復位操作。復位操作方式有上電自動復位和手動復位兩種方式。我采用的是按鍵手動復位的方式,它又包括電平方式和脈沖方式兩種,其中按鍵電平復位方式是通過是復位端經(jīng)電阻與VCC電源接通而實現(xiàn)的。而按鍵脈沖方式則是利用RC微分電路產(chǎn)生的正脈沖來實現(xiàn)的。我選用的按鍵電平復位方式,圖中電容參數(shù)適用于6MHZ晶振,能保證復位信號高電平持續(xù)時間大于兩個機器周期。
3.5 I/O接口電路
由于8031只有P1口和P3口部分能提供用戶作為I/O口使用,不能滿足輸入和輸出口的需求,因而系統(tǒng)必須擴展輸入輸出口接口電路。設計圖中,系統(tǒng)擴展了一片8255(帶RAM和定時器/計數(shù)器的可編程并行接口芯片)和一片8255(可編程通用并行接口芯片)。8155的片選信號接74LS138的端,8255A的片選信號接到74LS138的端。74LS138翼碼器有三個輸入A、B、C分別接到8031的 , ,,輸出為,低電平有效。對應輸入000~111等8種組合,其中對應A、B、C的000,對應111。74LS138有個使能端,其中為低電平使能,另一個為高電平使能。只有當使能端均處于有效電平時,輸出在能產(chǎn)生,否則輸出處于高電平無效狀態(tài)。
I/O接口芯片與外設的連接是這樣安排的:8155的PA0~PA7作為顯示器的段選信號,PB0~PB7作為顯示器的位選信號,PC0~PC4作為鍵盤掃描輸入。行掃描法的基本原理是:使一條列線為低電平,如果這條列線上沒有閉和鍵,則各行線的狀態(tài)都為高電平;如果這條列線上有閉和鍵,則相應的那條行線的狀態(tài)變?yōu)榈碗娖?。這樣就可以根據(jù)行線和列線號求得閉和鍵的鍵碼。行掃描的過程:是先是輸出口輸出FEH,然后輸入行線狀態(tài),判斷行線狀態(tài)是否有低電平。如果沒有低電平,則再使輸出口輸出FDH,再判斷行線狀態(tài),依次輸入、判斷,行線中有狀態(tài)為低時,則閉和鍵找到。至此,行掃描似乎可以結束,但是,掃描往往繼續(xù)進行下去,以排除可能出現(xiàn)的多鍵同時被按下的現(xiàn)象。
AD0~AD7是數(shù)據(jù)地址符合線,之所以能與P0口直接相連,而不需要地址鎖存,是由于8155內(nèi)部已有鎖存器,可以進行地址鎖存,因此連接是不須再加鎖存器。8155與8031中沒有相應的信號。在采用以高位地址直接作為信號上,因為是8155特有的信號,8031中沒有相應的信號。在此采用以高位地址直接作為,所以P2.0接。
8255A芯片PA0~PA6接X向、Y向步進電機硬件環(huán)行分配器,作為輸出,PB0~PB5位兩個方向的點動及回零輸入。PC0~PC5為面板上的選擇開關,設有編輯、單步運行、單段運行、自動、手動1、手動2等方式。A0、A1為端口選擇信號,四個可尋址的端口(A、B、C和控制寄存器),用兩位地址編碼即可實現(xiàn)選擇。在I/O擴展連接時應把A0和A1直接與單片機的P0.0和P0.1相連。
系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼,各存儲器及I/O接口芯片的地址編碼如下所示:
芯片
接引腳
74LS138
片內(nèi)地址
單元(B)
地址編碼
2764(1)
8K
0000H~1FFFH
2764(2)
8K
2000~3FFFH
6264
8K
2000H~3FFFH
8155
256
9E00H~9EFFH
8155
6
9FF8H~9FFDH
8255
4
5FFCH~5FFFH
3.6電隔離器的功放回路設計
3.6.1 驅(qū)動回路的時間常數(shù)
縱向和橫向進給都選用110BF003步進電機,差得相電流=6A,電壓=80v L=0.0355H,Rm=0.37u
步進電機以三項六拍工作方式
Ti=L/Rm=0.0355/0.37=95.9ms
因此
3.6.2 時間常數(shù)為;
若選用串聯(lián)電阻法改善電流上升沿,
Ti2=L/(Rm+Ro) =1.1ms 則
Ro= =31.9
在串聯(lián)電阻 Ro=3.19O后會消耗一部分功率將其轉(zhuǎn)換成熱能會給設備散熱帶來困難,也降低了功率放大器的功率,因此Ro一般不超過10u為宜,所以采用雙電源電路。
3.6.3高壓電源的確定
電機每向五拍改變一次通電狀態(tài),則控制脈沖2/3寬度的時間為高壓電源工作時間,即單穩(wěn)反轉(zhuǎn)時間,其值為:
0.73ms
而,得;
=122v
3.6.4元器件的確定
3.6.4.1為了使電路簡單、緊湊、功率放大級的T1和T2選用復合管,其性能如下:
(V)
(V)
(V)
(mA)
(V)
2
(V)
(倍)
(A)
(w)
()
3000~5000
10
50
150
注:在管綠色標時。
硅整流管,選用,主要參數(shù)如下:
額定工作電壓
額定工作電流
正向電壓降
反向電流
20
125
100
5000
0.8
1
20
3.6.4.2確定,
從T1和T2性能數(shù)據(jù)知取=20.5v,而步進電機相電流In=6A
,基極電流:取=4000
則=6/4000=1.5(ma)
等效輸入電阻為:=
選光點隔離器的輸入電流為:=10mA,插得電流傳輸比=30%,所以
=3mA
,=
=-,=80V
=1.5mA
=25.8
=1.7
3.6.4.3確定R1 R2
因為=10mA,查得光電隔離器的輸入端的正向壓降為1.3V,則:
==370
3.6.4.4.確定
負載的平均阻抗為:
==13.3
T2的飽和電流:
==6.92mA
而,=6.92/4000=1.73mA,又:
=
0點的電壓為:
==1445
==1969
==13k
3.6.4.5確定
為提供給單穩(wěn)定態(tài)和驅(qū)動門足夠的輸入電流(各10mA),所以
=5/==500
3.6.4.6單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74221翻轉(zhuǎn)時間的確定
振蕩器的“消除”端加高電平,A端加低電平時,B端躍變可是單穩(wěn)的Q端從低電平變?yōu)楦唠娖?,?jīng)一段時間自動翻轉(zhuǎn)為低電平,恢復到穩(wěn)定狀態(tài)。Q端輸出一個脈沖,脈沖寬度由外接電阻和確定。
脈沖寬度t=cln2,所以,c=t/ln2,取=10k,則:
C==0.048uF
74221為雙單穩(wěn)態(tài)多諧震蕩器,一塊74221可供步進惦記兩向工作,所以相電機需兩片74221
參考文獻
1.北京有色冶金設計研究總院.機械設計手冊,北京:化學工業(yè)出版社出版,1994,355-341.
2.華東紡織學院,哈爾濱工業(yè)大學,天津大學.機床設計圖冊,上??茖W出版社出版,1991,211-231.
3.孟少農(nóng).機械加工工藝手冊,機械工業(yè)出版社出版,1991,3-231.
4.陳經(jīng)斗,許鎮(zhèn)等編.機械制圖,天津:天津大學出版社出版,1998,2-233.
5.濮良貴,紀明剛.機械設計,北京:高等教育出版社出版,2003,3-231.
6.趙如福.金屬機械加工工藝人員手冊,上海:上海科學技術出版社出版,1990,322-344.
7.畢承恩,丁乃建.數(shù)控機床,北京:機械工業(yè)出版社出版,1991,5-211.
8.周佩玲,吳耿鋒等.16位微型計算機原理接口及應用,安徽合肥:中國科學技術大學出版社出版,2003,12-243.
9.楊志強,劉會英.機械原理,北京:機械工業(yè)出版社出版,2003-58-236.
10.張新義.經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計,北京:機械工業(yè)出版社出版,1993,56-78.
11楊友軍.數(shù)字控制技術與數(shù)控機床,北京:機械工業(yè)出版社出版,20