[機械畢業(yè)論文]x5032銑床進給系統(tǒng)數(shù)控改造設計【專業(yè)答辯必備資料】

畢 業(yè) 設 計 X5032 立式銑床進給系統(tǒng)數(shù)控改造設計 學生姓名： 劉聲宇 專業(yè)班級： 機械設計制造及其自動化 2010-4 指導教師： 李三平 學 院： 機電工程學院 2014 年 5 月 X5032 立式銑床進給系統(tǒng)數(shù)控改造設計 摘要 本設計是 對 X5032 型普通 立式銑床 的進給系統(tǒng)進行 數(shù)控化改造。為了把 X5032立式銑床改 進 成經(jīng)濟型數(shù)控銑床，我 主要 針對 X5032 立式 銑床 進給 系統(tǒng)進行數(shù)控改造 。 在 進給系統(tǒng) 中 ，我把 原有 的 梯形 絲杠換 為 滾珠絲杠， 以便 提高 效率和精度 ， 并且 由原先的手動控制， 變?yōu)?由電動機控制。 關(guān)鍵詞 數(shù)控 機床 改造，滾珠絲杠，進給 系統(tǒng) X5032 vertical milling machine nc feed system design Abstract This design is for numerical control transformation X5032 vertical milling machine. In order to put the X5032 vertical milling machine ordinary transformed into economical nc milling machine, I for X5032 vertical milling machine main drive system for numerical control transformation, and increase the CNC device and servo system. For main drive system, I choose FANUC AC motor through the gear drive shaft. For feed system, I put the original trapezoidal screw in for the ball screw, in order to improve the efficiency and accuracy, and controlled by the original manual, controlled by the motor. Keywords NC transformation, ball screw, Servo System 目錄 摘要 Abstract 1 前言 .1 1.1 引言 .1 1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 .1 1.3 X5032 數(shù)控改造的主要過程 .2 2 X5032 立式銑床機械結(jié)構(gòu)設計 .3 2.1 進給系統(tǒng)的改造 .3 2.1.1 進給系統(tǒng)的改造 .3 2.1.2 X5032的改造要求 .3 2.1.3 導軌副的改造 .3 2.2 橫（縱）向（ X、 Y 軸）進給系統(tǒng)的設計及計算過程 .4 2.2.1 縱向（ X 軸）的設計 .4 2.2.2 橫 向（ Y 軸）的設計 .9 2.3 齒輪的設計 .9 2.3.1 齒輪材料的選取及許用應力的計算 .10 2.3.2 計算直齒圓柱齒輪副的 相關(guān)內(nèi)容 .10 2.4 步進電機型號的計算與選擇 .12 2.4.1 縱向步進電機的計算與選擇 .12 2.4.2 步進電機動載荷矩 頻特性和運行矩頻特性 .17 2.4.3 橫向步進電機的計算與選擇 .17 3 數(shù)控部分的設計 .19 3.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件的設計 .19 3.1.1 CPU（主控制器） .19 3.1.2 存儲器 .19 3.1.3 擴展 I/O接口 .20 3.1.4 步進電機驅(qū)動電路 .20 3.1.5 行程控制 .20 3.1.6 復位電路 . 錯誤 !未定義書簽。 3.1.7 緊急停車 .20 結(jié)論 .21 參考文獻 .22 1 前言 - 1 - 1 前言 1.1 引言 數(shù)控機床的優(yōu)點有高精度、高效、高速、高可靠性等，而且機 床結(jié)構(gòu)趨于模塊化、數(shù)控功能 趨于 專門化。數(shù)控機床是集電子技術(shù)、自動控制 技術(shù) 、傳感測量 技術(shù)、機械制造于一體的典型 機電一體化 的 產(chǎn)品 。 1目前看來，數(shù)控機床的快速發(fā)展使當今制造業(yè)進入了新的時期，更是是現(xiàn)代制造業(yè)的生產(chǎn)方式更加完善，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)與管理方式更加優(yōu)化，改變了世界制造業(yè)的格局。 按照當前形勢看來，一個國家機械現(xiàn)代化的衡量標準可以用機械數(shù)控化水平來衡量，數(shù)控化生產(chǎn)已成為制造業(yè)發(fā)找的主流 。中國作為世界上擁有最多普通機床的國家，數(shù)控機床的占有率還比較低，無法擁有較高的產(chǎn)品和市場的競爭力。因為研發(fā)一臺全新的數(shù)控機床， 不僅周期較長，成本較高，而且無法及時針對用戶的要求進行及時的改進。因此，在原有的普通機床上進行數(shù)控改進， 不僅可以減少資金的投入，還不會造成原有老舊機床的限制與空間的浪費。 普通機床 的 數(shù)控化改造，就是 將 計算機控制部分 加入原有的老式機床中，將 自動化控制能力 賦予普通機床 ， 從而使其有能力 實現(xiàn)預定的加工 目標。這種機床改造 的 針對性強， 所用時間短， 還有能夠克服原有機床缺點的優(yōu)點，并且在生產(chǎn)效率上也有顯著的提高，非常適合我國現(xiàn)如今機床擁有量大但是生產(chǎn)規(guī)模小的特點。 1.2 國內(nèi)外研究的現(xiàn)狀 根據(jù) 目前的一些 研究資料表明，我國 擁有的 機床總數(shù)量為 380 余萬臺， 其中數(shù)控機床僅有 11.34 萬臺，即我國機床的數(shù)控化率還未達到 3%，而一些發(fā)達國家卻早己經(jīng)達到 20%以上。 2因此， 設備的陳舊和技術(shù)水平的落后已然成為我國制造業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展的主要制約因素 。 逐漸的 提高數(shù)控機床的 市場占有比例，已然 成為我國制造 業(yè)技術(shù)發(fā)展的趨勢 。 3 提高數(shù)控機床的占有比，通常有兩種方式，一是購買全新的數(shù)控機床，二是改進現(xiàn)有的普通機床。 縱然是發(fā)達國家，也無法全面采用購買新機床的方法，也需要在原有的機床上進行改進，并且成立專門的公司負責此項業(yè)務。 尤其在美國 等發(fā)達國家， 作為新興行業(yè)的數(shù)控改造業(yè) ，已然成為朝陽產(chǎn)業(yè)，徐徐升起， 有著非常美好和廣闊的未來 。在美國，機床改造業(yè) 被 稱為機床再生業(yè)。從事再生業(yè)的著名公司有 :Borsches 工程公司、Anton 機床公司、 Devlieg-Bullavd(得寶 )服務集團、 us 設備公司等。 4美國得寶公司己在中國開辦公司。在日本，機床改造業(yè)稱為機床改裝業(yè)。 在 改裝業(yè) 方面的幾個有名的 公司為 :大限工程集團 千代田工程公司、野琦工程公司 等 5 。 隨著機床數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與進步，結(jié)合機床的特點，普通機床的改進已成為一個永恒不變的研究課題，且逐漸向著更高的層次發(fā) 展。 6中國的機床改造業(yè)同歐美日本一樣，也是將現(xiàn)有的普通機床改進成以數(shù)控操作為主。 目前看來，根據(jù)我國的實際國情， 數(shù)控改造的老式機床 主要有 以下 特點 : (1)減少投資、交貨期短 相較于入手全新 的 數(shù)控機床 ， 改進原有機床可以節(jié)省至少 60%的投入 ，改造 成本低。 尤其 是大型、特殊機床。 (2)機械性能穩(wěn)定性高， 可靠 性高，可 受限 于原有結(jié)構(gòu) 機床不用于汽車等機電產(chǎn)品，其自身所采用的部件如床身，立柱等都是鑄鐵件。 7東北林業(yè)大學本科設計 - 2 - 鑄鐵件的特點就是使用的時間越久，就會得到越充分的自然失效，自身的內(nèi)應力就越小，精度越高。 (3)對 設備 結(jié)構(gòu)性能 認識更加熟悉 機床在工廠使用的這段時間內(nèi)，與機床使用與運行息息相關(guān)的工人已經(jīng)對機床的性能與一些問題有了詳細的了解。 ，因此 用這種方法 ，在數(shù)控改造 的 過程中， 提高 了 相關(guān)人員的數(shù)控 水平 ，且選零件的時候能做出更能適應原有機床的選擇。 更重 要的 是， 經(jīng)過相關(guān)的 改造 過程 ， 不經(jīng) 提高了企業(yè) 自身對數(shù)控機床維修的技術(shù)力量，更是減少了在數(shù)控機床上 操作使用和維修方面的培訓時間，一旦 完成 改造調(diào)試 工作，就可很快投入正常有效的滿負荷運行 。 8 (4)可充分利用現(xiàn)有的條件 (5)可更好地因地制宜，合理篩選功能 1.3 X5032 數(shù)控改造的主 要過程 （ 1） 收集： ，查找收集有關(guān) X5032立式銑床 的 資料 技術(shù)參數(shù)。 （ 2） 設計： 對 X5032 立式銑床 數(shù)控改造的 整體 思路。 （ 3） 計算： 進行橫向與縱向的設計計算 （ 4） 繪圖 ： 畫出改造后橫向與縱向的裝配圖，一級外觀布局圖，還有部分零件圖。 表 1-1 改造基本技術(shù)要求 床身導軌平行度 0.01mm 橫向?qū)к壍钠叫卸?0.03mm 縱向?qū)к壴诖怪逼矫鎯?nèi)的直線 度 0.02mm 溜板移動在水平內(nèi)直線度 0.015mm 重復定位精度： X 0.01 0.01Z 定位精度： X軸 0.02mm Z軸 0.02mm 精車外圓精度： 圓度 0.005mm 圓軸度 0.03mm 端面平行度 0 .0 2 m m / 3 0 0 m m 2 X5032 立式銑床機械結(jié)構(gòu)設計 - 3 - 2 X5032 立式銑床機械結(jié)構(gòu)設計 2.1 進給系統(tǒng)的改造 2.1.1 進給系統(tǒng)的改造 我 設計的數(shù)控系統(tǒng)采用 無位置反饋電路的 開環(huán)控制 ， 所以進給系統(tǒng)要 減少中間傳動環(huán)節(jié)。 本系統(tǒng) 將步進電機、一級減速齒輪、 滾珠絲桿 直接連接 起來， 將原有的 絲杠 拆卸下來 ，增加 一些其他的 機械附件， 然后再 安裝步進電機及滾珠絲桿螺母副 。 9初步選用的 步進電機的型號為 110BF004， 其主要參數(shù)： 步距角 75.0b， 扭距 4.61N m ， 脈沖當量 stepmmP 01.0 。 2.1.2 X5032 的改造要求 本設計的進給系統(tǒng)改造要求： 1、 增加傳動部件的剛度 ； 2、 減小傳動部件的間隙 ； 3、提 高精度 ； 4、增加 穩(wěn)定性 ； 5、 提高 響應 速度 ，無超調(diào) ； 6、在 低速 能夠輸出 大轉(zhuǎn)矩 ； 7、有很寬的 調(diào)速范圍 ； 2.1.3 導軌副的改造 將 聚四乙炔軟帶涂層 粘貼在原導軌上 ，使 摩擦系數(shù) 系數(shù)減小且增加了 耐磨性 。 并且擁有更 好的 抗震性和自潤滑性。這種方法改造較為容易且費用較低。 東北林業(yè)大學本科設計 - 4 - 2.2 橫（縱）向（ X、 Y 軸）進給系統(tǒng)的設計及計 算過程 2.2.1 縱向（ X 軸）的設計 X5032機床的技術(shù)規(guī)格 如圖 2-1所示 ： 主軸端面到工作臺的距離 m a x 4 0 0 m md m in 30d mm 主軸軸線到床身垂直導軌面的距離 350mm 面積： 320 1250mm 最大縱向行程手動（機動） 700（ 680） mm 最大橫向行程手動（機動） 260（ 240） mm 最大升降行程手動（機動） 370（ 350） mm 進給級數(shù) 18級 進級量范圍 縱向： 23.5 1180mm/min 橫向： 15 786mm/min 垂直： 8 394mm/min 孔徑 29mm 主軸孔錐度 7： 24 刀桿公稱直徑 32 50 mm 轉(zhuǎn)速級數(shù) 18級 轉(zhuǎn)速范圍 30 1500r/min 軸向調(diào)整距離 70 mm 主軸電動機功率 7.5KW 工作臺進給電動機功率 1.5KW 最大工件質(zhì)量 150 Kg 機床進給部件重量 橫向 4410N 縱向 2200N 圖 2-1 X5032基本參數(shù) 縱向工作臺及夾具重量： fF縱 向 進 給 力 滾珠絲杠的基本導程： 0L = 8mm 螺紋升角： 0393 行程： S= 680mm 快速進給速度：取 maxV= 2.5m/min 2 X5032 立式銑床機械結(jié)構(gòu)設計 - 5 - 2.2.1.1 銑削力CF的計算 為了 確保在正常工作狀態(tài)下的安全性與可靠性 ，用工作壽命與實際加工過程中的最大 銑削力進行設計計算 工件材料 ： 45 鋼 鍛件并調(diào)質(zhì) 銑削寬度 ea ： 50 mm 銑削深度 pa ： 5 mm 刀具直徑 d ： 32 mm 每齒切厚 zf ： 0.1 mm/Z 刃齒數(shù) Z ： 3 刀具材料為 ：高速剛立銑刀 根 據(jù) 機床設計手冊 10 ： 86.072.086.02.6581.9 dZafaF pZeC （ 1） 86.0172.086.0 32351.050222.6581.9 2683N 2.2.1.2 滾珠絲杠所受 平均軸向載荷 mF 計算 對合金鋼進行高速 逆銑時 ，切削力 查 金屬切削手冊 得 : fF縱 向 進 給 力 1 1.2fCFF （取中間值： 1.1） fF=1.1cF=1.1 1500=2952N 橫 （ X） 向進給力eF 0 . 3 5 0 . 4eCFF （ 此時 取中間值： 0.375） eF= 0.375cF=0.375 1500=1006N 垂直 （ Z） 進給力fNF 0 .2 0 .3fNCFF （ 此時 取中間值： 0.25） fNF=0.25cF=0.25 1500=670.75N 所以 在插補平面內(nèi)的合力為 : 22 efr FFF （ 2） =3118.7N 絲 杠 所 受 的 平 均 工 作 載 荷 為 ： Fm=2/3Fr=2079N 東北林業(yè)大學本科設計 - 6 - 絲杠軸向所受載荷 Fx ： Fx )( om FmgF （ 3） 其中oF橫向分力 為 oF=cF 0.85=2280.55N 縱向工作臺 和 夾具重量 為 Mg Mg =2200N 顛覆力矩影響系數(shù) 取 1.1 M 當量摩擦系數(shù) M 取 1.18 所以 xF=1.1 2079 + 0.18 (2200+2280.55) =3093.4N 2.2.1.3 計算絲杠副工作的負荷和選擇 絲杠型號 估計絲杠的 導程 為 80 Lmm 依據(jù) 動載荷 最大當量的 計算公式： awxm f fFLC 3 （ 4） 上 式中： wf為 運轉(zhuǎn)系數(shù)，取 1.2wf af為 精度系數(shù)，取 9.0af xF為 絲杠所受 的 軸向載荷（ N ）， Fx=3093.4N L 為壽命值，依據(jù) 公式 61060nTL （ 5） n 為 絲杠平均轉(zhuǎn)速（ r / min） 11 0 0 0 * 2 .5 *28 =156.3 r/min 上 式中： SV-進給速度 在最大切削力下 ， 因為 最高進給速度 為 m a x 2 . 5 ( m i n )V m m的 12 則： 61060nTL （ 6） T 為使用壽命 ， 根據(jù) 機床設計手冊 ， T 1 5 0 0 0 小 時 01000SVn L2 X5032 立式銑床機械結(jié)構(gòu)設計 - 7 - L 66 0 1 5 6 . 3 1 5 0 0 010 140.625 awxm f fFLC 3 （ 7） 3 1 4 0 . 6 2 5 1 9 0 3 1 . 20 . 9 21447N 根據(jù) 機床設計手冊 ， 適用 5 0 0 8 5FFZD 型 滾珠 絲杠 。 5 0 0 8 5FFZD 的 基本尺寸為： 公稱直徑： 50od mm， 螺距： 8oL mm 剛球直徑： 5qd mm， 螺紋升角， = 339 絲杠外徑， d =od- (0.2 0.3)qd= 48.9 螺紋底徑，1 30d mm 動載荷 aC=34700mC=21447N 所以該選擇符合要求，此型號絲杠可用做本設計的滾珠絲杠 2.2.1.4 計算 傳動效率 根據(jù) 滾珠絲杠的傳動效率的計算公式為： tantan （ 8） 上 式中： -螺旋升角， 由參數(shù)表可知 ， = 339 -摩擦角， 該 摩擦角 取 10 所以 ： )01392tan (393tan =97% 2.2.1.5 驗算剛度 滾珠絲杠在 工作負荷xF的作用下所產(chǎn)生的導程的變量為 ： 01 LFL X /EF （ 9） 鋼 的彈性模量 ： E=21 26 /10 cmN 滾珠絲杠 的 橫截面積： F（ 2cm ） 所以 ： 東北林業(yè)大學本科設計 - 8 - F=22322d =942cm 所以 ： 01 LFL X /EF 663 0 9 3 0 . 8 1 6 . 6 1 02 1 1 0 7 . 1 cm 我們 可以忽略滾珠絲杠 因受扭所產(chǎn)生的 導程變化量 2L ， 所以1LL ； 所以 導程的變形誤差為： 1 01 0 0 1 0 00 . 8LLL16.6 =20.28 m /m （ 10） E 級精度絲杠所允許 產(chǎn)生的螺紋 誤差（ 1m長 ）為 21. 21 /mm ， 所以剛度滿足要求 2.2.1.6 驗算穩(wěn)定性 1、驗算臨界壓縮載荷 因為 縱向（ X 軸） 滾珠絲杠螺紋副固定 在滾珠絲杠的兩端 ，絲杠不會 產(chǎn)生 受壓，又因為機床 原 有梯形 絲杠的直徑大于 改進所采用的 滾珠絲杠的直徑， 所以穩(wěn)定性能夠滿足設計所用的要求 2、驗算 臨界轉(zhuǎn)速 絲杠 的 平均工作轉(zhuǎn)速 ： 1 5 6 . 3 m i n 1 0 0 m i nn r r 因此，必須 驗算 臨界轉(zhuǎn)速，即：crccr flAEIfnn 22m a x30 （ 11） 符號表示： mazn 絲杠 最大轉(zhuǎn)速：m a x01000 1 0 0 0 * 2 . 5 3 1 2 . 5 m i n8m a zVnrL 2f 絲杠支承方式 的 系數(shù)取 73.42 f （ 未受壓 ） rcn=9910 2222cfdL 2d=od- 1.2qd=50-1.2 5 = 44mm 4 0 m m 絲 杠 的 長 度 工 作 的 最 大 行 程 螺 母 長 度 兩 端 余 量 （ 取 ） 查 機械設計手冊 11 得 螺母的長度 ， 2 X5032 立式銑床機械結(jié)構(gòu)設計 - 9 - 設計絲杠的 l = 680 + （ 131 + 40） 2 = 680 + 342 = 1022mm 支撐跨距 1l須 大于 l 取 1l = 1100 臨界轉(zhuǎn)速計算長度 cL = 680 + 131 + 40 + 1100 10222 = 811 + 40 + 39 = 890mm 24 . 7 3 0 . 0 3 499100 . 8 9 2rcn =9533 /minr 滿足： m a x 3 1 2 . 5 / m i nrcn n r 因此穩(wěn)定性滿足設計要求 縱向裝配圖如圖 2-2 所示 圖 2-2 縱向裝配圖 2.2.2 橫向（ Y 軸）的設計 Y 軸的絲杠選擇與 X 軸相同的 FFZD5008-5 型 滾珠 絲杠 2.3 齒輪的設計 因為設計所選 110BF004 型 步進電動機的系統(tǒng)脈沖當量為 p =0.01mm/step。 步距角 ： 0.75b 絲杠導程 ： 8oL mm 東北林業(yè)大學本科設計 - 10 - 如果沒有 齒輪傳動 ， 每個脈沖對應的絲杠螺母 所產(chǎn)生 傳動的距離為： 0.75360oLL = 8 0.75360 =0.0167脈沖當量 0.01mm 在這里需要設計一個減速機構(gòu)，我選擇較為簡單的齒輪減速機構(gòu) 采用齒輪減速具有下列優(yōu)點 ： 可以使脈沖當量與要求的相吻合 使電動機的軸上的慣量減小 12 將電動機的輸出轉(zhuǎn)矩放大，也就是增加了工作臺所擁有的推力 可是由于采用 齒輪減速機構(gòu)會產(chǎn)生 傳動誤差，降低 了機床的 移動速度 2.3.1 齒輪材料的選取 及許用應力 的計算 因為 齒面點蝕和輪齒折斷 是 閉式齒輪 的 主要失效形式 ， 所以 按照齒面接觸強度來 驗算強度，然后 校合彎曲強度。 13所以初步采用 7 級精度要求 。 根據(jù)機械原理 ，小齒輪選用 45 鋼； 齒輪 的硬度： 220HBS。 大齒輪 選用 45 鋼， 齒輪的齒輪硬度： 180HBS。 因為 ： 1limH 560Mpa， 2limH 530Mpa 取 1.1HS 1H =1.15601lim HHS=509Mpa 1H =1.15302lim HHS=482Mpa 而 MPaF 1901lim ， MPaF 1701lim 所以取 1.4FS l i m 11 190 1361 . 4FFFM P aS l i m 22 170 1211 . 4FFFM P aS 2.3.2 計算直齒圓柱齒輪副的相關(guān)內(nèi)容 減速機構(gòu) 傳動比 的計算 因為 stepmmP 01.0 步距角 ： 75.0b，絲杠導程為： mmLo 8 可知 傳動比： 2 X5032 立式銑床機械結(jié)構(gòu)設計 - 11 - Pb Li 360 0= 67.101.0360 875.0 o （ 12） 2、粗略估計 小齒輪 的 齒數(shù) 為 321 Z ， 所以 大齒輪 的 齒數(shù) 為 ： iZZ 12 67.132 =53.44 53 所以實際傳動比 i： 656.13253 i 因為要滿足誤差， 齒 輪 壓 力 角 選 取 o20 ，初定 模數(shù) 為 m=2.5mm，則： 小齒輪直徑：11 2 . 5 3 2 8 0d m Z mm 大齒輪直徑：22 2 . 5 5 3 1 3 3d m Z mm 小齒輪大徑：11 2 8 0 2 1 . 0 8 2a ad d h mm 大齒輪大徑：22 2 1 3 3 2 1 . 0 1 3 5aad d h mm 中心距：12 2 . 5( ) ( 3 2 5 3 ) 1 0 622ma Z Z mm 中心距 圓整 ：取 110a mm 大齒輪 尺寬 ： aba *2 0 .4 1 1 0 4 4 mm 圓整后 ：2 45b mm 小齒輪 尺寬（將小齒輪尺寬設計的寬一些以補償安裝誤差） ：1 50b mm 3、 校核齒輪彎曲強度應力校核 根據(jù) 機械原理 ， 齒性系數(shù) 取 34.2,59.2 21 FF YY 載荷系數(shù)為 1.5K ，根據(jù) 步進電機 的 相關(guān)參數(shù) 選取最大轉(zhuǎn)矩 ， 取 轉(zhuǎn)矩 F F=4.9N m 齒輪 彎曲強度驗算（依據(jù) 最小齒寬計算）： 51111222 2 1 . 5 4 . 9 2 . 5 9 1 0 3 . 8 15 0 2 . 5 3 2FFFK T Y M P ab m Z =136MPa （ 13） 22212 . 3 43 . 8 1 3 . 4 4 1 2 12 . 5 9FFY M P a M P aY 1TF 所以強度 符合安全要求。 4、 齒輪的圓周速度 運用 公式：16 0 0 0 6 0 0 . 7 5 8 7 5 m i n360nr 東北林業(yè)大學本科設計 - 12 - 1000*60 11ndV （ 14） 3 . 1 4 8 0 8 7 56 0 1 0 0 0 3.66ms 10 /ms 式中： 1n 為小齒輪的轉(zhuǎn)速 也是步進電機的輸出轉(zhuǎn)速。 可以根據(jù) 初定 的 110BF004 型步進電機 的運行頻率： sstep7000 ，和步距角：0.75 計算。 所以采 用 7級精度是 能夠滿足系統(tǒng)要求 2.4 步進電機型號的計算與 選擇 步進電機是 本設計為實現(xiàn) 機電一體化的關(guān)鍵部件 ,做為執(zhí)行元件，其精度較高。 它能將脈沖信號轉(zhuǎn)變成角位移 ,也就是 給一個脈沖 ,步進電機 將 轉(zhuǎn)過一個角度 ,所以使 控制精度 能達到很高 14。它 具有低價格 ,易實現(xiàn)調(diào)速 ,系統(tǒng)簡單 ,能快速啟動和停止 ,易定位準確 ,功率小 等優(yōu)點 15 。步 進電機 的主要缺點有：效率較低 ， 不能有力的拖動負載 ，對脈沖當量的要求較高 ，調(diào)整 的范圍較小，輸入的脈沖頻率最高通常 不 得 超過 18000 Hz。 伺服電機在數(shù)控系統(tǒng)中有如下基本要求： 1、 伺服電機需要滿足調(diào)速的范圍要求； 2、 有較硬的負載特性，有足夠的驅(qū)動 力矩和快速的響應時間，且電機的最大靜轉(zhuǎn)矩應大于電機的實際啟動轉(zhuǎn)矩的最大值來滿足步進電機的正常工作 3、 所選擇的電機的運行頻率要大于電機實際工作頻率的最大值。 根據(jù) X5032 銑床的工作狀態(tài)， 選擇脈沖當量為 0.01m m / step 的步進電機 ， 步矩角75.0 。 依據(jù)以往同類型機床的改進經(jīng)驗，并且要滿足輕重量小功耗的特點，外形尺寸 要與步距角相配合 ，初步選擇的電動機型號為 1 1 0 B F 0 0 4 反 應 式 步 進 電 動 機。 2.4.1 縱向步進電機的計算 與選擇 1、絲杠和齒輪以及工作臺 折算到電機軸上的慣量 dJ 的計算 根據(jù)計算公式： 2221 21PgGJJiJJXSd （ 15） 上 式中：dJ-折算到電機軸的慣量 )( 2cmKg ； 21,JJ -小 ,大 齒輪的慣量 )( 2cmKg ； SJ-絲杠慣量 )( 2cmKg ； XG -橫向工作臺及夾具重量 )(N , NG X 2156 ； P -絲杠螺距 )(cm ， cmP 8.0 ； 2 X5032 立式銑床機械結(jié)構(gòu)設計 - 13 - 齒輪及絲 杠轉(zhuǎn)動慣量的 （dJ） 計算 因為不能精確計算一些傳動件（比如 齒輪、絲杠等）的轉(zhuǎn)動慣量 ， 只能用等效圓柱體來代替進行 近似計算。 計算圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量的 公式：324ldJ （ 16） 式中： -為 材料密度 )( 3cmKg ,鋼取 35108.7 cmKg ； d -圓柱體直徑 )(cm .(作為齒輪和絲杠等的 等效直徑 )； l -圓柱體長度 )(cm ,(作為齒輪和絲杠等的 等效齒寬或長度 ) 則： 32 1411bdJ 543 . 1 4 7 . 8 1 0 8 5 . 032 20 .1 5 7 K g cm 32 2422bdJ 543 . 1 4 7 . 8 1 0 1 3 . 3 4 . 532 21 . 0 7 8K g cm 3240 LdJS 543 . 1 4 7 . 8 1 0 5 1 0 2 . 232 20 . 4 8 9K g c m 計算 得： 2221 21PgGJJiJJXSd （ 17） 221 2 2 0 0 0 . 80 . 1 5 7 1 . 0 7 8 0 . 4 8 91 . 6 7 9 . 8 2 3 . 1 4 22 . 0 2 5K g c m 2.03 2/Kg cm 匹配驗算 慣量 本設計選用的 1 1 0 B F 0 0 4 型 步 進 電 機的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量： MJ =4.61Kg 2cm 東北林業(yè)大學本科設計 - 14 - 而： 1 2 . 0 3 0 . 4 4 14 4 . 6 1dMJJ 所以慣量是匹配的。 計算負載轉(zhuǎn)矩以及 最大靜轉(zhuǎn)矩 快速空載起動時所需力矩 的計算 起M 根據(jù) 公式： 0m a x MMMM fa 起 （ 18） 上 式中： 又 ： *m ax JM a 式中： J-慣量和 )( cmN ， 2 . 0 3 4 . 6 1 6 . 6 4dMJ J J N c m ； -電機最大角加速度 )( 2srad ； 又： 260maxatn （ 19） 其中： maxn-電機最大轉(zhuǎn)速 )min(r ； at -運動部件從 靜止到最大快進速度所用 時間 )(s 取 25ms 又：360m axm ax P bVn （ 20） 所以 ： m a x 2 5 0 0 0 . 7 5 5 2 1 / m i n0 . 0 1 3 6 0nr 則： 5216 0 0 .0 2 52 3 .1 4 22 1 .8 rad s 所以 ： 2 X5032 立式銑床機械結(jié)構(gòu)設計 - 15 - JM a m ax （ 21） 6.64 21.8 140N cm 又因為： iLFMf 2 00 （ 22） 上 式中： 0F -導軌的摩擦力 )(N ； -傳動鏈總效率，通常 取 85.07.0 ，本設計 取 85.0 ； 又： )(0 XfN GFfF 式中：fNF 為垂直 切削力 )(N ， ( 0 . 2 0 . 3 ) 6 7 0 . 7 5f N cF F N； f 為 導軌 的 摩擦系數(shù)， 04.0f ()此 處 采 用 貼 塑 導 軌； YG 橫向工作臺及夾具重量 )(N ， 2200XGN ； 則： 0 0 . 0 4 ( 6 7 0 . 7 5 2 2 0 0 )F =115N 所以 ： 1 1 5 0 . 82 3 . 1 4 0 . 8 1 . 6 7fM 10.9cm 又： 20000 12 iLFM P （ 23） 故： 20 6 9 3 0 . 8 1 0 . 9 52 3 . 1 4 0 . 8 1 . 6 7M 6 6 . 6 ( 1 0 . 9 ) 6 . 6 6 N c m 0m a x MMMM fa 起=140+9.8+6.7=156.5 cmN 快速進給時所需力矩 快M的計算 東北林業(yè)大學本科設計 - 16 - 根據(jù) 公式： 0MMM f 快 （ 24） 而： 9 . 8 6 . 7 1 6 . 5M N c m 快 所以 ： 1 6 . 5 1 5 6 . 5M N c m M N c m 快 起 5、 最大切削負載時所需力矩 切M的計算 根據(jù)公式： tf MMMM 0切 （ 25） 式中：tM 折算到電機軸上的切削負載力矩 )( cmN ； 又有公式： iLFM ft 2 0 （ 26） 式中： fF-進給方向最大切削力 )(N ， (1 1 . 2 ) 1 . 2 2 6 8 3 3 2 2 0fCF F N ； 則： 3 2 2 0 0 . 82 3 . 1 4 0 . 8 1 . 6 7tM 308N cm 故：tf MMMM 0切 9 .8 3 .7 1 7 2 325.6 N cm 6、 最大靜轉(zhuǎn)矩 的選擇計算 根據(jù) 機床設計手冊所提供的公式 ，有： （ 1） 電機最 大靜轉(zhuǎn)矩 在最大切削力工作條件下 ： 5.03.01m a x 切MM j 325.60.3 0.5 6 5 1 . 2 1 0 8 5N c m 電機空載啟動時需滿足的條件 為： 951.02m ax 起MMj 2 X5032 立式銑床機械結(jié)構(gòu)設計 - 17 - 153.50.95161.6N cm max1jM恒大于2maxjM 。 以1maxjM作為 最大靜轉(zhuǎn)矩。而初選的步進電機為110BF004 ，它的最大靜轉(zhuǎn)矩為：m a x 1689 jN c m M 所以初選的步進電機型號符合要求。 2.4.2 步進電機動載荷矩頻特性和運行矩頻特性 根據(jù) 動矩頻特性： PVf601000 m axm ax 1000 2.560 0.01 =4167Hz （ 27） 和 運行矩頻特性： PSe Vf 601000 其中： eV 最 大 切 削 力 下 的 進 給 速 度 )min(m ， 可 取 最 高 進 給 速 度 m a x 2 .5 m i nVm的3121，現(xiàn)取中間值，即m a x7 1 . 4 6 m i n12SV V m。 m a x7 1 . 4 6 m i n12SV V m。 則 ：ef 1000 1.4660 0.01 =2431Hz 根 據(jù) 110BF004 型逼近電機的 運行矩頻特性參數(shù) 與 矩頻特性 ，能夠看出此型號步進電機的啟動力矩可以滿足本設計要求。 因此，最后確定使用型號為 110BF004 發(fā)影視步進電機為本設計所用縱向步進電機。 2.4.3 橫向步進電機的計算與選擇 Y 軸銑削 的 圓周力：YOF =2683N 則有 Y 向絲杠牽引力： YF = YOF +1.414f YG =1500+1.414 4410 0.01=2745N 則有電機軸負載力矩： T= 3 6 ( )2p y yFG （ 28） 東北林業(yè)大學本科設計 - 18 - =1.58Nm 0 . 1 導 軌 摩 擦 系 數(shù) ， 取 0 . 7 5 步 進 電 機 步 矩 角 為 YYF 向 絲 杠 牽 引 力 0 . 0 1f 當 量 摩 擦 系 數(shù) 取 若不考慮 啟動時運動部件慣性的影響，則啟動力矩為： 5.03.0 TTq 可取安全系數(shù)極限值 0.3，則有：5.03.0 TTq = mNT 27.53.0 58.13.0 對于工作方式為 3 相 6 拍的 3 相步進電機最大啟動力矩： mNTT qq 54.59 5 1.027.59 5 1.0m a x 綜上所述本設計選用的橫向 步進電機型號 依然 為： 步進電機 110BF004 的外型尺寸如圖（ 2-2） ： 型號 ( 12)Dh 1( 7)Dh b E L h1 h2 d 2d 1d 110BF004 110 85 112 27 111 4 8 0.0160.03411 132 9 圖 2-2 110BF004 外形尺寸圖 3 數(shù)控部分的設計 - 19 - 3 數(shù)控部分的設計 本設計的 控制核心 是單片機，用 外圍器件 作為擴展設備 ， 這種數(shù)控 系統(tǒng)比較經(jīng)濟可靠，并且能夠滿足數(shù)控加工能力 。 1、 能夠?qū)嵤┦謩涌刂茣和Ｅc快速返回； 16 2、能夠在 六個方向 都能實施點動傳給并且能夠 手動快速進給。 3、能夠具備間隙補償 和 刀具補償功能。 17 4、 能夠進行 程序 的暫停與 延時、 部分程序循環(huán) 、 整體 自動循環(huán)功能 等 。 5、 用戶 能夠進行 指令 的編輯、修改、刪除與 清零 6、能夠進行錯誤操作診斷與顯示 。 7、能夠自動 進行直線、斜線、圓弧 等 的加工 18 3.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件的設計 本 系統(tǒng)的硬件組成如 圖 （ 3-1） 所示。 包括 CPU（主控制器） 、存儲器、鍵盤顯示器、 I/O 接口與 驅(qū)動電路等 8 0 3 1單 片 機 存 儲 器 行 程 控 制 接口 譯 碼 鎖 存 鍵 盤 顯 示驅(qū)動電路步進電機 圖（ 3-1） 數(shù)控系統(tǒng)硬件圖 3.1.1 CPU（主控制器） 本系統(tǒng)的主控制器 選用功能強 大、價格較低 的 8031 單片機。該 單片機的核心芯片不容易 受 外界 干擾， 可以 實現(xiàn)屏蔽， 有較高的可靠性 ， 并且可以在惡劣的條件下工作，功能強，速度快 。 有較短的指令執(zhí)行時間。 3.1.2 存儲器 我們需要擴展 8031 芯片存儲器，因為其只有 128KB 的 RAM。 這里選用 1 片容量為 8K 8的 2764EPROM 芯片作為程序存儲器擴展芯片 . 東北林業(yè)大學本科設計 - 20 - 3.1.3 擴展 I/O 接口 在 I/O 接口的選用 上選擇 8155 可編程并行接 口 芯片 來滿足改進數(shù)控系統(tǒng)的條件 ，端口的功能定義和地址分配如 表 3-1 所示。 將 8155 芯片 的片選端 CE 與 74LS138 譯碼器的 1Y 相連 。 19地址空間： 2 0 0 0 H 2 F F F H 。 表 3-1 138155I/O口功能定義和地址分配 端口 工作方式 功能 地址 PA 輸出 提供步進電機的控制信號及知識信號 2001H PB 輸入 鍵盤和行程控制 2002H PC 輸出 顯示和鍵盤管理 2003H （圖 3-2） 3.1.4 步進電機驅(qū)動電路 步進電機的驅(qū)動電路由三部分構(gòu)成， 環(huán) 形分配器，光電耦合器， 功率放大器。 20 3.1.5 行程控制 為了避免 工作臺 產(chǎn)生 越界， 本設計 設置了 4 個限位開關(guān)， 8155 的 74 PBPB 為工作臺+X、 -X、 +Y、 -Y 四個方向的行程控制信號，計算機 隨時巡回檢測 74 PBPB 的電平，當某一個為低電位時，立即停止步進電機的運行。 3.1.6 緊急停車 本系統(tǒng)中設計 了一個緊急按紐 。 如果在工作過程中出現(xiàn)危險情況，可以按下此按鈕緊急停車，整個系統(tǒng)就 會馬上停下來。 該按鈕 利用 8 0 3 1 I N T 1可 以 利 用 的 外 部 中 斷 3 數(shù)控部分的設計 - 21 - 結(jié)論 根據(jù)我國現(xiàn)有的機械水平和機床發(fā)展歷史，大量買進全新的數(shù)控機床的難度較大，而對現(xiàn)有普通機床的數(shù)控改進是比較合理的。