可任意分度的插齒機(jī)齒輪加工回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計(畢業(yè)論文+全套CAD圖紙)(答辯通過)

充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 充值下載文檔就送全套 CAD 圖紙 扣扣加 414951605 可任意分度的插齒機(jī)齒輪加工回轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計 THE DESIGN OF GEAR PROCESSING ROTARY TABLE ON RANDOM INDEXING GEAR SHAPER I 摘要 插齒機(jī)作為齒輪加工機(jī)床的一種，已逐步體現(xiàn)出其加工的優(yōu)越性，在滾齒機(jī)、銑齒機(jī)上無法加工的一些齒輪，如雙聯(lián)齒輪和內(nèi)齒輪，在插齒機(jī)上可加工制造出來。在本課題的設(shè)計中，采用步進(jìn)電機(jī)控制回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)角。在單片機(jī)的控制下，步進(jìn)電機(jī)每秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)決定了工作臺的轉(zhuǎn)位角度，使該插齒機(jī) 成為真正意義上的可任意分度加工，進(jìn)而可實現(xiàn)加工任意齒數(shù)的齒輪。 本課題所設(shè)計的回轉(zhuǎn)工作臺是用單片機(jī)作為控制系統(tǒng)來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，動力由步進(jìn)電機(jī)發(fā)出，通過齒輪傳動和蝸輪蝸桿傳動，將動力傳遞到蝸輪上，蝸輪的轉(zhuǎn)動再帶動主軸轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)與主軸夾緊的工件的轉(zhuǎn)動。所設(shè)計的回轉(zhuǎn)工作臺實用、簡單、可靠、效率高。 關(guān)鍵詞 步進(jìn)電機(jī)；回轉(zhuǎn)工作臺；單片機(jī)；任意分度 II Abstract As one kind of the gear finishing lathes, the gear shaper has manifested the superiority in processing gradually, on the gear-hobbing machine, the gear cutter cannt be true, for exampl- e,the twin gear and the annular gear, but they can be processed on the gear shaper. In this design, I use a step-by-step the electrical machinery to control the corner of rotary table. Under the control of monolithic integrated circuit, the number of pulse of the step-by-step electrical machinery each second can be sent out to decide the rotary tables indexing angle, making the gear shaper to become the random indexing processing in the true sense .And then, the gear processing which is mentioned willfully might be realized. The rotary table designed in this topic is controled by the monolithic integrated circuit to control the rotational speed of step-by-step electrical machinery, the step-by-step electrical machinery send out the power firstly, through the gear drive and the worm gear worm drive, then the power is transmisted to worm gear , and worm gear-rotating makes the main axle rotate the same time, and then,it comes to be realized that the work piece clamped with main axle come to rotate.In my opinion， this design of the rotary table is practical, simple, reliable, and the efficiency is high. Keywords step-by-step the electrical machinery the rotary table the monolithic integrated circuit random indexing I 目 錄 1 緒論 . 1 1.1 本課題的背景及 應(yīng)解決的主要問題 . 1 1.2 本課題的研究目的和現(xiàn)實意義 . 1 1.3 插齒概述 . 2 1.4 插齒機(jī)類型與適用范圍 . 2 1.4.1 插齒機(jī)類型 . 2 1.4.2 各種插齒機(jī)的適用范圍 . 3 1.5 插齒機(jī)的工作原理及其參數(shù) . 3 1.5.1 插齒機(jī)的外觀圖 . 3 1.5.2 插齒機(jī)的工作原理 . 4 1.5.3 插齒機(jī)的參數(shù) . 5 2 設(shè)計方案選擇 . 6 2.1 分度工作臺 . 6 2.2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 . 6 2.2.1 開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺 . 6 2.2.2 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 . 7 3 工作臺設(shè)計 . 8 3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇與控制 . 8 3.1.1 步進(jìn)電動機(jī)的特點與種類 . 8 3.1.2 步進(jìn)電動機(jī)的選擇 . 9 3.1.3 步進(jìn)電動機(jī)的控制 . 9 3.2 蝸輪蝸桿設(shè)計計算 . 14 3.2.1 蝸桿傳動輸入?yún)?shù) . 14 3.2.2 接觸疲勞強(qiáng)度計算 . 15 3.2.3 確定蝸輪蝸桿的主要尺寸 . 16 3.2.4 確定蝸輪蝸桿的傳動效率 . 16 3.2.5 選擇蝸輪蝸桿的精度等級 . 17 3.2.6 蝸輪蝸桿傳動的熱平衡計算 . 17 3.3 齒輪設(shè)計計算 . 18 3.3.1 齒輪設(shè)計輸入?yún)?shù) . 18 3.3.2 齒輪的材料及熱處理 . 18 3.3.3 齒輪的基本參數(shù) . 18 3.3.4 齒面接觸疲勞強(qiáng)度校核 . 20 II 3.3.5 齒根彎曲強(qiáng)度校核 . 21 3.4 軸承設(shè)計計算 . 21 3.4.1 軸承方案選擇 . 21 3.4.2 軸承動載荷和壽命計算 . 22 3.5 箱體設(shè)計計算 . 23 4 控制系統(tǒng)設(shè)計 . 24 4.1 單片機(jī) . 24 4.2 驅(qū)動電路的設(shè)計 . 24 4.3 電源電路設(shè)計 . 25 4.4 程序設(shè)計 . 26 結(jié)論 . 32 致謝 . 33 參考文獻(xiàn) . 34 附錄 . 35 附錄 1 . 35 附錄 2 . 42 買文檔送全套圖紙 扣扣 414951605 III IV 1 1 緒論 1.1 本課題的背景及 應(yīng)解決的主要問題 齒輪是重要的基礎(chǔ)傳動元件。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展，盡管采用電氣、液壓傳動裝置日益增多，對齒輪的需求仍有增無減。目前，中國齒輪市場的年銷售額超過了 800 億元。而齒輪加工機(jī)床也是結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造難度大的機(jī)床產(chǎn)品之一。 世界進(jìn)入 20 世紀(jì)，齒輪的需求量迅速增長，從而促進(jìn)了齒輪加工機(jī)床的開發(fā)和生產(chǎn)。 20 世紀(jì) 70 年代以后，由于現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的功率、速度、噪聲與結(jié)構(gòu)尺寸等工作參數(shù)的提高， 以及對加工可靠性的進(jìn)一步要求，目前齒輪裝置的制造精度和內(nèi)在質(zhì)量都提高了。齒輪加工技術(shù)在高精度、高效率、自動化和柔性化等方面提出更高的要求。當(dāng)前齒輪機(jī)床的發(fā)展趨勢是：提高精度；提高剛度；提高效率；應(yīng)用數(shù)控技術(shù)增加柔性和擴(kuò)展工藝性能。 插齒機(jī)作為齒輪加工機(jī)床的一種，已逐步體現(xiàn)出其加工的特殊性，在滾齒機(jī)、銑齒機(jī)上無法加工的一些齒輪，如雙聯(lián)齒輪和內(nèi)齒輪，在插齒機(jī)上可加工制造出來。為了插齒機(jī)工作的可靠性、工藝適應(yīng)性，增強(qiáng)機(jī)床的柔性和自動化程度、簡化機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)，特別是為滿足一些特殊齒輪加工需要，如各種非圓異形的內(nèi)嚙合 齒輪加工，國外先進(jìn)工業(yè)國家的插齒機(jī)產(chǎn)品早在 80 年代末就已全部數(shù)控化，近年來我國已開發(fā)了不同品種的數(shù)控插齒機(jī)，推向市場，逐步向機(jī)電一體化產(chǎn)品發(fā)展。 在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下 ,如何擴(kuò)大插齒機(jī)的加工范圍和降低制造成本是提高產(chǎn)品競爭力的關(guān)鍵所在。產(chǎn)品成本一般包括原材料、工具損耗、機(jī)床折舊、工人工資等各項管理費(fèi)用。他們與勞動生產(chǎn)效率密切相關(guān) ,因此 ,擴(kuò)大機(jī)床加工范圍 ,提高產(chǎn)品加工效率是降低產(chǎn)品成本的有效途徑。 1.2 本課題的研究目的和現(xiàn)實意義 在本課題的設(shè)計中，采用步進(jìn)電機(jī)控制回轉(zhuǎn)工作臺的轉(zhuǎn)角。在單片機(jī)的控制下，步進(jìn)電機(jī) 每秒鐘發(fā)出的脈沖數(shù)決定了工作臺的轉(zhuǎn)位角度，使該插齒機(jī)成為真正意義上的可任意分度加工，進(jìn)而可實現(xiàn)加工任意齒數(shù)的齒輪。 為了擴(kuò)大插齒機(jī)的加工性能，適應(yīng)某些齒輪加工的需要，插齒機(jī)的進(jìn)給運(yùn)動，除了 X、Y、 Z三個坐標(biāo)軸的直線進(jìn)給運(yùn)動之外，還可以繞 X、 Y、 Z 三個坐標(biāo)軸的圓周進(jìn)給運(yùn)動，分別稱 A、 B、 C軸。插齒機(jī)的圓周進(jìn)給運(yùn)動，一般由回轉(zhuǎn)工作臺來實現(xiàn)。插齒機(jī)除了可以實現(xiàn)圓周進(jìn)給運(yùn)動之外，還可以完成分度運(yùn)動，一次裝夾即可多次加工，大大提高生產(chǎn)率。 一般插齒機(jī)等加工設(shè)備都配有回轉(zhuǎn)工作臺等標(biāo)準(zhǔn)附件。標(biāo)準(zhǔn)附件的普通回轉(zhuǎn)工作臺不能調(diào) 整中心 ,使用很不方便 ,在操作過程中必須把中心與回轉(zhuǎn)工作臺中心重合裝夾后 ,才能進(jìn)行加工。若如工件有多個中心位置需要加工 ,一次裝夾就無法完成。只能是逐個裝夾、調(diào)整和加工 ,這樣做使安裝和調(diào)整的時間大幅度增加 ,不但影響了加工的效率 ,也降低了工件的加工精度 ,增加產(chǎn)品的制造成本。 2 本課題設(shè)計的回轉(zhuǎn)工作臺，在加工多個中心的工件時 ,顯示出它的優(yōu)越性 ,調(diào)整中心十分方便 ,省去了多次找正、調(diào)整和裝夾的麻煩。由于一次裝夾后實現(xiàn)了多個中心位置的加工 ,明顯地減少了因多次調(diào)整安裝所造成的積累誤差 ,所加工零件的尺寸精度比原先有大幅度的提高 ,工效提高 3倍以上。 1.3 插齒概述 插齒加工（如圖 1-1所示）是由插齒刀具與工件齒輪之間作無間隙的嚙合運(yùn)動，插齒刀具作往復(fù)運(yùn)動，并繞本身軸線轉(zhuǎn)動，在展成運(yùn)動中加工出工件齒形。插齒是廣泛采用的切齒方法，用形狀為齒輪或齒條的插齒刀具，與被加工齒輪按一定的速比作嚙合運(yùn)動的同時，刀具沿齒寬方向作往復(fù)運(yùn)動形成切削加工。 插齒運(yùn)動包括：往復(fù)運(yùn)動、圓周運(yùn)動、徑向進(jìn)給運(yùn)動、分度運(yùn)動和讓刀運(yùn)動。插齒，能加工滾齒、銑齒等無法加工的一些齒輪，如雙聯(lián)齒輪和內(nèi)齒輪。 插齒方法最常見的是用齒輪型插齒刀插齒，其次是用齒條型插齒刀插齒 。以上兩種方法為滾切法，此外還有成形法插齒。 圖 1-1 插齒刀和插齒運(yùn)動 1 插齒刀 2 齒坯 1.4 插齒機(jī)類型與適用范圍 1.4.1插齒機(jī)類型 插齒機(jī)按其工件軸線的空間位置分為立式插齒機(jī)和臥式插齒機(jī)。立式插齒機(jī)又可分為工件（工作臺）讓刀和插齒刀（刀架）讓刀兩種。臥式插齒機(jī)又可分為單插齒刀和雙插齒刀兩種。臥式插齒機(jī)的刀具軸線與工件主軸軸線是水平布置的。 插齒機(jī)按其刀具形狀分為齒條刀插齒機(jī)和圓盤刀插齒機(jī)兩種型式。齒條刀插齒機(jī)也分立式和臥式兩種。立式齒條刀插齒機(jī)以一把齒條刀作為切削工具；臥式齒條刀插齒機(jī) 以兩把齒條刀作為切削工具。齒條刀插齒機(jī)的生產(chǎn)廠家為數(shù)不多，主要以瑞士馬格公司為代表，絕大多數(shù)廠家都生產(chǎn)圓盤刀插齒機(jī)。 目前生產(chǎn)和使用得最多的是立式插齒機(jī)。立式插齒機(jī)與臥式插齒機(jī)的加工原理是相同 3 的，但結(jié)構(gòu)形式差別很大。 1.4.2各種插齒機(jī)的適用范圍 插齒是加工范圍最廣的制齒方法之一。和滾齒機(jī)一樣，插齒機(jī)加工也采用展成原理，但插齒的主運(yùn)動采用往復(fù)運(yùn)動形式，因此圓盤插齒刀軸不僅可在工件的外部 加工外齒輪，也可伸入到工件的內(nèi)部 加工內(nèi)齒輪；由于插齒刀切出工件端面只需很小的空間，所以它是加工臺階齒輪 雙聯(lián)或 多聯(lián)齒輪的主要方法；此外，它還是目前加工齒條、尤其是 7級精度以上齒條的最重要的方法。但是，當(dāng)用圓盤刀加工斜齒輪時，相應(yīng)于每一種螺旋角和旋向的斜齒輪需要一特定的斜齒插齒刀，并且在一般情況下，還需要設(shè)計專用的插斜齒附件 螺旋導(dǎo)軌。 齒條刀插齒機(jī)加工外齒輪時，由于齒條刀的長度有限，當(dāng)插銷到一定齒數(shù)時工件必須自動退回到原始位置，同時完成分齒動作，因而滾切過程不是連續(xù)的，而是周期性的。用同一把齒條刀既可加工直齒又可加工斜齒，但螺旋角越大，刀具切出時需要的空間越大。齒條刀插齒機(jī)只有一對分度蝸輪副，并且齒條刀形狀簡單容 易達(dá)到高精度，所以加工精度較圓盤刀插齒機(jī)高。特別是當(dāng)切制大模數(shù)大直徑的外齒輪時，齒條刀插齒機(jī)的刀架和齒條刀的剛性都可得到加強(qiáng)，因而可獲得較高的加工精度和生產(chǎn)率。 圓盤刀插齒機(jī)主要用于加工內(nèi)、外嚙合直齒圓柱齒輪，當(dāng)?shù)都軗Q裝上螺旋導(dǎo)軌時，還可以加工相應(yīng)的斜齒圓柱齒輪。特別適宜于加工帶有臺階的雙聯(lián)或多聯(lián)齒輪。如采用特殊刀具和專用附件時，可加工各種多邊輪廓的工件：無聲鏈輪、棘輪、內(nèi)外花鍵、齒形帶輪、扇形齒輪、非完整齒齒輪和特殊齒形的離合器、齒條、端面齒輪和錐齒輪等。 1.5 插齒機(jī)的工作原理及其參數(shù) 1.5.1插齒機(jī) 的外觀圖 插齒機(jī)的外觀立體圖如圖 1-2 所示。 4 圖 1-2 插齒機(jī)的外觀立體圖 1 插齒刀 2 刀架 3 橫梁 4 工件 5 工作臺 6 床身 1.5.2插齒機(jī)的工作原理 插齒加工按展成原理 滾切法。 插銷過程如同一對齒輪作無間隙的嚙合運(yùn)轉(zhuǎn)，其中一個是工件，另一個是特殊的齒輪（插齒刀）。插齒刀本身如同一個修正齒輪，它在磨損后可重復(fù)刃磨使用。插齒刀的模數(shù)和壓力角必須與被加工齒輪的模數(shù)和壓力角相等，當(dāng)用圓盤刀插銷斜齒輪時兩者的螺旋角必須相等，加工外齒輪時兩者螺旋方向相反；加工內(nèi)齒輪時兩者 螺旋方向相同。插齒刀每個刀齒的漸開線齒廓和齒頂都做出刀刃：一個頂刃和兩個側(cè)刃，它們有前角和后角。 為了在切削時實現(xiàn)滾切過程，插齒刀和齒坯（工件）按不同的方向各繞其本身的軸線回轉(zhuǎn)，它們的相互關(guān)系見式（ 1.1）： n/n0=z0/z 式（ 1.1） 式中 n 工件轉(zhuǎn)速； no 插齒刀轉(zhuǎn)速； z 工件齒數(shù)； 5 z0 插齒刀齒數(shù)。 滾切運(yùn)動是形成工件漸開線齒廓所必須的，插齒刀 軸的上下往復(fù)運(yùn)動（主運(yùn)動）形成齒線。 此外，整個加工過程還需要插齒刀相對于工件作徑向進(jìn)給（切入）運(yùn)動。這個運(yùn)動根據(jù)具體情況可分為一次至多次進(jìn)行。若采用一次進(jìn)給，則一次進(jìn)給到全齒深時為止。此后插齒刀與工件繼續(xù)對滾，當(dāng)工件轉(zhuǎn)過一整轉(zhuǎn)時，全部輪齒切到全齒深，加工結(jié)束。刀架或工作臺退出并回到原始位置。 通常，插齒刀軸向下運(yùn)動為工作行程，向上運(yùn)動為空行程。滾切運(yùn)動、進(jìn)給運(yùn)動和刀軸往復(fù)運(yùn)動同時進(jìn)行，為了避免插齒刀刮傷已加工的工件表面，在插齒刀空回行程時，插齒刀相對于工件還必須有一個讓刀運(yùn)動，而在工作行程開始時插齒刀（或 工件）必須回復(fù)到原來的位置。 1.5.3插齒機(jī)的參數(shù) 插齒機(jī)的主要聯(lián)系尺寸如圖 1-3所示，機(jī)床的參數(shù)應(yīng)符合表 1-1 的規(guī)定。 圖 1-3 插齒機(jī)主要機(jī)床尺寸 表 1-1 最大工件直徑 D mm 200 320 500（ 800） 1250（ 2000） 3150 最大模數(shù) m mm 4 6 8 12 16 最大加工齒寬 B mm 50 70 100 160 240 插齒刀 主軸 軸頸 D mm 31.743 31.743 31.743 31.743 80 錐孔 莫氏三號 1： 20 插 齒 刀 孔徑 d2 mm 60 80 100 180 240 T 型槽槽數(shù) 4 4 8 16 槽寬 mm 12 14 22 36 注 1.括號內(nèi)參數(shù)主要用于變型產(chǎn)品。 2.當(dāng) D=1250mm 時，刀軸應(yīng)增加軸頸直徑為 88.9mm、 101.6mm 的接套； 當(dāng) D=3150mm 時，刀軸應(yīng)增加軸頸直徑為 31.743mm、 889mm、 101.6mm 的接套 6 2 設(shè)計方案選擇 回轉(zhuǎn)工作臺是插齒機(jī)不可缺少的重要附件。它的作用是按照控制裝置的信號或指令作回 轉(zhuǎn)分度或連續(xù)作回轉(zhuǎn)進(jìn)給運(yùn)動，以使插齒機(jī)能完成指定的加工工序。常用的回轉(zhuǎn)工作臺有分度工作臺和數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。 2.1 分度工作臺 分度工作臺的功能是完成回轉(zhuǎn)分度運(yùn)動，即按照控制系統(tǒng)的指令，在需要分度時，將工作臺及其工作臺回轉(zhuǎn)一定角度。其作用是在加工中自動完成工作的轉(zhuǎn)位換面，實現(xiàn)工件一次安裝完成幾個面的加工。按照采用的定位元件的不同，有定位銷式分度工作臺和鼠牙盤式分度工作臺。分度工作臺通常由于結(jié)構(gòu)的關(guān)系，僅能作規(guī)定好的度數(shù)的分度運(yùn)動，不能連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。機(jī)床的分度結(jié)構(gòu)，它本身很難保證工作臺的分度的高精度的要求不 適合本設(shè)計要求。 2.2 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的功用有： （ 1）使工作臺進(jìn)行圓周進(jìn)給完成切削工作； （ 2）使工作臺進(jìn)行分度工作。 它按照控制系統(tǒng)的指令，在需要時候完成任務(wù)。其作用是既能作為數(shù)控機(jī)床的一個回轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，用于加工直線、曲線、圓弧或與直線坐標(biāo)軸聯(lián)動加工曲面，又能作為分度頭完成工作的轉(zhuǎn)位換面。這正式本設(shè)計所需要的。 再看數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺與分度工作臺的區(qū)別，數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，從外形上看，與分度工作臺沒有什么區(qū)別，但在結(jié)構(gòu)上有以下一系列特點，現(xiàn)就開環(huán)數(shù)控工作臺和閉環(huán)數(shù)控工作臺分述如下： 2.2.1 開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺 開環(huán)系統(tǒng)數(shù)控轉(zhuǎn)臺是由傳動系統(tǒng)、間隙消除裝置及蝸輪夾緊裝置等組成。數(shù)控轉(zhuǎn)臺一般由電液脈沖馬達(dá)或功率步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，當(dāng)接到控制系統(tǒng)的回轉(zhuǎn)指令后，首先要把蝸輪松開，然后開動電 液脈沖馬達(dá)，按照指令脈沖來確定工作臺回轉(zhuǎn)的方向、回轉(zhuǎn)的速度快慢、回轉(zhuǎn)的角度大小以及回轉(zhuǎn)過程中速度的變化等參數(shù)。當(dāng)回轉(zhuǎn)工作臺回轉(zhuǎn)完畢后，再把蝸輪夾緊恢復(fù)到原來的位置。數(shù)控轉(zhuǎn)臺的分度定位是按控制系統(tǒng)所指定的脈沖數(shù)來決定轉(zhuǎn)位角度的，沒有其他的定位元件。因此，對開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺的傳動精度要求高，傳動間隙應(yīng)盡量小。 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺既沒有鼠 牙盤，也沒有定位銷，它的定位精度完全是由控制系統(tǒng)來決定的。因此，對于開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺，要求它的傳動系統(tǒng)中沒有間隙，否則在反向時產(chǎn)生傳動誤差而影響定位精度。 7 當(dāng)工作臺靜止時，必須處于鎖緊狀態(tài)。為此，在蝸輪底部的輻射方向裝有 八 對夾緊瓦，并在底座上均布同樣數(shù)量的小液壓缸。當(dāng)小液壓缸的上腔接通壓力油時，活塞便壓向鋼球，撐開夾緊瓦，并夾緊蝸輪。在工作臺需要回轉(zhuǎn)時，先使小液壓缸的上腔接通回油路，在彈簧的作用下，鋼球抬起，夾緊瓦將蝸輪松開。 回轉(zhuǎn)工作臺的導(dǎo)軌面由大型滾動軸承支承，并由圓錐滾柱軸承及雙列向心圓柱滾子 軸承保持準(zhǔn)確的回轉(zhuǎn)中心。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的定位精度主要取決于蝸桿副的傳動精度，因而必須采用高精度蝸桿副。在半閉環(huán)控制系統(tǒng)中，可以在實際測量工作臺靜態(tài)定位誤差之后，確定需要補(bǔ)償角度的位置和補(bǔ)償?shù)闹担洃浽谘a(bǔ)償回路中，由數(shù)控裝置進(jìn)行誤差補(bǔ)償。在全閉環(huán)控制系統(tǒng)中，由高精度的圓光柵發(fā)出工作臺精確到位信號，反饋給數(shù)控裝置進(jìn)行控制。 回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)有零點，當(dāng)它作回零運(yùn)動時，先用擋鐵壓下限位開關(guān)，使工作臺降速，然后由圓光柵或編碼器發(fā)出零位信號，使工作臺準(zhǔn)確地停在零位。數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺可以作任意角度的回轉(zhuǎn)和分度，也可以作連續(xù)回轉(zhuǎn) 進(jìn)給運(yùn)動。 這種數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺的驅(qū)動采用開環(huán)系統(tǒng)，其定位精度主要取決于蝸桿蝸輪的運(yùn)動精度，雖然采用高精度的五級蝸桿蝸輪副，但還是不能滿足機(jī)床的定位精度 10 。因此還需要借助于數(shù)控裝置進(jìn)行誤差補(bǔ)償。 回轉(zhuǎn)工作臺的導(dǎo)軌面是由大型滾柱軸承支承，徑向又有圓錐滾子軸承及雙列向心圓柱滾子軸承保證回轉(zhuǎn)平穩(wěn)，并有上述強(qiáng)力夾緊機(jī)構(gòu)。因此回轉(zhuǎn)工作臺的剛度很好。 2.2.2 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺 閉環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺一般采用直流或交流伺服電機(jī)驅(qū)動，其結(jié)構(gòu)與開環(huán)數(shù)控轉(zhuǎn)臺大致相同。區(qū)別在于：閉環(huán) 數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺有角度測量元件（圓光柵或圓感應(yīng)同步器）。所測量的結(jié)果反饋與指令進(jìn)行比較，按閉環(huán)原理進(jìn)行工作，使回轉(zhuǎn)工作臺定位精度更高。 總結(jié)，對以上三種方案進(jìn)行分析，它們各有優(yōu)缺點，為了達(dá)到設(shè)計要求，我選擇開環(huán)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺。另外，為了消除蝸輪副的傳動間隙，采用雙導(dǎo)程蝸桿，通過移動蝸桿的軸向位置來調(diào)整間隙。 在此設(shè)計中將采用此結(jié)構(gòu)來控制工作臺繞 Z軸的轉(zhuǎn)動，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，通過變速齒輪和蝸桿傳遞動力給大蝸輪，從而帶動附加工作臺在 Z 軸方向的旋轉(zhuǎn)。 8 3 工作臺設(shè)計 3.1 步進(jìn)電機(jī)的選擇與控制 3.1.1 步進(jìn)電動機(jī)的特點與種類 3.1.1.1 步進(jìn)電動機(jī)的特點 步進(jìn)電動機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)。它是將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移的執(zhí)行元件。其輸入一個電脈沖就轉(zhuǎn)動一步，既每當(dāng)電動機(jī)的繞組接受一個電脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過一個相應(yīng)的步距角。轉(zhuǎn)子角位移的大小及轉(zhuǎn)速分別與輸入的電脈沖數(shù)與頻率成正比，并在時間上與輸入脈沖同步，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量，頻率以及電動機(jī)繞組的通電順序，電動機(jī)即可獲得所需的轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，很容易用微機(jī)實現(xiàn)數(shù)字控制。步進(jìn)電動機(jī)具有以下主要特點： （ 1）步進(jìn)電動機(jī)的工作狀態(tài)不易受各種干擾因素（如電源電 壓的波動，電流的大小與波形的變化，溫度等）的影響，只要在他們的大小未引起步進(jìn)電動機(jī)產(chǎn)生“丟失”現(xiàn)象之前，就不會影響其正常工作； （ 2）步進(jìn)電動機(jī)的步距角有誤差，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定的步數(shù)以后也會出現(xiàn)累計誤差，但轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)之后，其累計誤差就會變?yōu)椤傲恪?，因此不會長期積累； （ 3）控制性能好，在啟動、停止、反轉(zhuǎn)時不易“丟失”。 因此，步進(jìn)電動機(jī)被廣泛應(yīng)用于開環(huán)控制的機(jī)電一體化系統(tǒng)，使系統(tǒng)簡化，并可靠的獲得較高的位置精度。 3.1.1.2 步進(jìn)電動機(jī)的種類 步進(jìn)電動機(jī)的種類很多 ,有旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動機(jī) ,也有直線步進(jìn)電動機(jī) ；從 勵磁相數(shù)來分有三相 ,四相 ,五相 ,六相等步進(jìn)電動機(jī) .就常用的旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)來說 ,可將其分為一下三種 : （ 1）可變磁阻型 (VR-Variable Reluctance) 該類電動機(jī)由定子繞組產(chǎn)生的反應(yīng)電磁力吸引用軟磁鋼制成的齒形轉(zhuǎn)子作步進(jìn)驅(qū)動 ,故又稱作反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī) ,其結(jié)構(gòu)原理為 :其定子與轉(zhuǎn)子由鐵心構(gòu)成 ,沒有永久磁鐵 ,定子上嵌有線圈 ,轉(zhuǎn)子朝定子與轉(zhuǎn)子之間磁阻最小方向轉(zhuǎn)動 ,并由此而得名可變磁阻型 .這類電動機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)簡單 ,轉(zhuǎn)子直徑小，有利于高速下的響應(yīng) .由于 VR型步進(jìn)電動機(jī)的鐵心無極性 ,故不需要改 變電流極性 ,為此多為單極性勵磁 . 該類電動機(jī)的定子與轉(zhuǎn)子均不含永久磁鐵 ,故無勵磁時沒有保持力 .另外 ,需要將氣隙做得盡可能小 ,例如幾個微米 .這種電動機(jī)具有制造成本高 ,效率低 ,轉(zhuǎn)子的阻尼差 ,噪聲大等缺點 . （ 2）永磁型 (PM-Permanent Magner) PM 型步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵 ,定子采用軟磁鋼制成 ,繞組輪流通電 ,建立的磁場與永久磁鐵的恒定磁場相互吸引與排斥產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩 ,這種電動機(jī)采用了永久磁鐵 ,即使定子 9 繞組斷電也能保持一定轉(zhuǎn)矩 ,故具有記憶能力 ,可用作定位驅(qū)動 .PM 型電動機(jī)的特點是勵磁功率小 ,效率高 ,造價便宜 ,但由于轉(zhuǎn)子磁鐵的磁化間距受到限制 ,難于制造 ,故步距角較大 . （ 3）混合型 (HB-Hybrid) 這種電動機(jī)轉(zhuǎn)子上嵌有永久磁鐵 ,故可以說是永磁型步進(jìn)電動機(jī) ,但從定子和轉(zhuǎn)子的導(dǎo)磁體來看 ,又和可變磁組型相似 ,所以是永磁型和可變磁組型相結(jié)合的一種形式 ,故稱為混合型步進(jìn)電動機(jī) ,它不僅具有 VR 型步進(jìn)電動機(jī)步矩角小 ,響應(yīng)頻率高的優(yōu)點 ,而且還具有 PM型步進(jìn)電動機(jī)勵磁功率小 ,效率高的優(yōu)點 .它的定子與 VR 型沒有多大的差別 ,只是在相數(shù)和繞組接線方面有其特殊的地方 ,例如 ,VR 型一般都作成集中繞組的形式 ,每極上放有一套繞組 ,相對的兩極為一相 ,而 HB 型步進(jìn)電動機(jī)的定子繞組大多數(shù)為四相 ,而且每極同時繞兩相繞組或采用橋式電路繞一相繞組 ,按正反脈沖供電 . 這種類型的電動機(jī)由轉(zhuǎn)子鐵心的凸極數(shù)和定子的副凸極數(shù)決定步距角的大小 ,可制造出步距角較小的電動機(jī) .永久磁鐵也可磁化軸向的兩極 ,可使用軸向各向異性磁鐵制成高效電動機(jī) . 3.1.2 步進(jìn)電動機(jī)的選擇 本設(shè)計選用反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，其技術(shù)性能數(shù)據(jù)如下： 型號： 75BF001 相數(shù)： 3 步距角： 1.5/o（ ） 電壓 : 24V 相電流 : 3A 最大靜轉(zhuǎn)矩 : 0.392（ N.M） 空載起動頻率 : 1750 步 /S 電感 : 19mH 電阻 : 0.62 分配方式 : 三相六拍 外形尺寸 : 75x53( 6) 轉(zhuǎn)子動慣量： 1.274 5210 .Kg m 重量： 1.1（ Kg） 3.1.3 步進(jìn)電動機(jī)的控制 控制步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行速度實際上就是控制系統(tǒng)發(fā)出 CP 脈沖的頻率或者是換相的周期 ,系統(tǒng)可用兩種辦法來確定 CP 脈沖的周期 ,一種是延時 ,一種是定時器 . （ 1）延時方法 這種方 法是在每次換相后 ,調(diào)用一個延時子程序 ,待延時結(jié)束后再次執(zhí)行換相子程序 , 10 延時子程序的延時時間與換相子程序所用的時間的和就是 CP 脈沖的周期 . 例如 : SV:LCALL CW； 正轉(zhuǎn)一步 LCALL OS； 調(diào)用延時子程序 SJMP SV； 返回繼續(xù) （ 2）定時器方法 AT89S51 芯片內(nèi)部有兩個定時器 ,都是可編程的利用定時器的定時功能就可以產(chǎn)生任意周期的定時信號 ,從而可以方便地控制系統(tǒng)輸出 CP 脈沖周期 . 我們 將電動機(jī)的換相子程序放在定時器中斷服務(wù)程序中則定時器中斷一次電動機(jī)就換相一次 ,從而實現(xiàn)對電動機(jī)的速度控制 ,在本設(shè)計中 ,電動機(jī)的驅(qū)動頻率是每秒 2500 步(2500PPS),則周期為 400 s. 計算裝載初值 : 1 6 6 60( 2 ) 1 0 4 0 0 1 0tT 初 值X=FE70H 由于從定時器申請中斷到系統(tǒng)響應(yīng)中斷 ,再到中斷服務(wù)程序中對定時器進(jìn)行裝載 ,都需要花費(fèi)一定的時間 ,這個時間形成附加延時 ,為實現(xiàn)精確定時 ,應(yīng)將這個時間計算在內(nèi)。下面的程序定時器需要 7 個機(jī) 器周期 ,因此先把 FE7OH 加上 7 后得 FE77H 作為裝載值先存在中間單元 R6、 R7 中 ,R6 存 77H， R7 存 FEH。程序如下： SPD： MOV R6， #77H MOV R7， #FEH LCALL CW CLR TR0 MOVA， TL0 ADDA， R6 MOV TL0， A MOVA， TH0 ADDA， R7 MOV TH0， A SETB TR0 RET1 系統(tǒng)在反復(fù)執(zhí)行這個中斷程序時，所產(chǎn) 生的驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)的時鐘脈沖就是恒定的頻率。而且與設(shè)定值之間不存在誤差。 程序如下：（所列出的程序均通過編譯） ORG 0000H AJMP MAIN ORG 000BH 11 LJMP SPD ORG 001BH LJMP DISBUFF ORG 0040H MAIN： MOV SP， #60H MOV TMOD， #O1H MOV TCON， #01H MOV RO,#8 MOV SCON,#00H MOV TL1,#00H MOV TH1,#00H SETB TR1 PRO: LCALL KEY1 LCALL KP SJMP PR0 SPD: MOV R6,#1FH MOV R7,#0FCH LCALL CW LCALL DISBUFF LCALL DISP CLR TR0 MOV A, TL0 ADD A, R6 MOV TL0,A MOV A,TH0 ADD A,R7 MOV TH0,A SETB TR0 RET1 KEY1: ACALL KSY1 JNZ LK1 AJMP KEY1 LK1: ACALL TRMS ACALL KS1 JNZ LK2 12 AJMP KEY1 LK2: MOV R2,#0FEH MOV R4,#00H LK4: MOV DPTR,#7FFCH MOV A,R2 MOVX DPTR,A INC DPTR INC DPTR MOVX A,DPTR JB ACC.0,LONE MOV A,#00H AJMP LKP LTWO: JB ACC.2,LTHR MOV A,#16H AJMP LKP LTHR: JB ACC.3,NEXT MOV A,#24H LKP: ADD A,R4 PUSH ACC LK3: ACALL KS1 JNZ LK3 POP ACC RET NEXT: INC R4 MOV A,R2 JNB ACC.7,KND RL A MOV R2,A AJMP LK4 KND: AJMP KEY1 KS1: MOV DPTR,#7FFCH MOV A,#00H MOVX DPTR,A INC DPTR INC DPTR 13 MOVX A,DPTR CPL A ANL A,#0FH RET TRMS: MOV R7,#18H TM: MOV R6,#0FFH TM6: DJMZ R6,TM6 DJMZ R7TM RET KP: MOV R3,A RL A ADD A,R2 MOV DPTR,#JPTAB JMP A+DPTR JPTAB:LJMP SPD RET CW: INC R0 CJNE R0,#8,CW1 MOV RO,#0 CW1: MOV A,RO MOV DPTR,#7FFOH MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#7FF0H MOVX DPTR,A RET DISBUFF:MOV R5,