C616縱向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控改造設(shè)計說明書含cad圖紙.doc

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1、xxx理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 xx學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 C616縱向進(jìn)給系統(tǒng)數(shù)控化改造設(shè)計 說 明 書 學(xué)員： 學(xué)號： 姓名： 班級： 日期： 目錄 1.緒論 1 2.機(jī)械部分設(shè)計 2 2.1 設(shè)計框圖及機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計 2 2.2轉(zhuǎn)動慣量的計算 3 2.3 轉(zhuǎn)動矩計算 4 2.4步進(jìn)電機(jī)的選擇 6 2.5縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 7 2.5.1系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 8 2.6切削力的計算 8 2.7滾珠絲杠螺母副的計

2、算和選型 9 2.7.1計算進(jìn)給牽引力 9 2.7.2 計算最大動載荷C 9 2.8 傳動效率的計荷 11 2.9 剛度驗算 13 2.10齒轉(zhuǎn)傳動比的計算 13 2.10.1齒輪傳動間隙的消除 14 2.11軸的設(shè)計與校核 16 2.12 初步估算軸的最小直徑，并選擇聯(lián)軸器 16 2.12.1. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 17 2.12.3按彎矩合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)度 18 2.12.4按疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核軸的強(qiáng)度 21 3.機(jī)床縱向伺服進(jìn)給單元電氣控制部分設(shè)計 23 3.1 電氣控制系統(tǒng)方案的確定 23 3.1.1 步進(jìn)電動機(jī)與絲杠的聯(lián)接 23 3.1.2 8051單片

3、機(jī)的選擇 24 3.2 步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 24 3.2.1 脈沖分配器 25 3.2.2 光隔離電路 28 3.2.3步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路 29 3.3 8255可編程控制芯片的擴(kuò)展 30 3.3.1 8255芯片的介紹 30 3.3.2 58051單片機(jī)與8255接口電路的設(shè)計 30 3.3.3 8255芯片在設(shè)計電路中的控制功能 31 3.4 6264芯片的擴(kuò)展 32 3.5 輔助電路的設(shè)計 32 3.5.1 8051單片機(jī)的時鐘電路 32 3.5.2 復(fù)位電路 33 3.5.3 越界報警電路 33 3.6 操作面板設(shè)計的簡要介紹 34 致謝 35

4、 參 考 文 獻(xiàn) 36 1.緒論 根據(jù)社會調(diào)查針對C616車床的使用情況，車床產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型，普通車床已不能適應(yīng)這些要求，數(shù)控車床應(yīng)運而生。 我國大多數(shù)企業(yè)中存在大量的C616車床，由于C616車床機(jī)械部分采用滑動絲杠傳動，精度低、質(zhì)量不穩(wěn)定，生產(chǎn)效率低，勞動輕度大、勞動條件差；在電氣部分，采用交流電機(jī)，這已經(jīng)不能滿足現(xiàn)在制造業(yè)發(fā)展要求，在機(jī)械制造業(yè)中，數(shù)控車床越來越受到企業(yè)的歡迎。企業(yè)一方面投入大量資金購買數(shù)控車床，另一方面更新改造現(xiàn)有普通車床，通過為普通車床添加數(shù)控裝置，將普通車床改造成數(shù)控車床，這是許多中小型企業(yè)面臨的重要技改措施。 改造后的C616數(shù)控

5、車床比普通C616車床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機(jī)的威力?？梢约庸こ鰝鹘y(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件?？梢詫崿F(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高3～7倍。加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"?？蓪崿F(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運。擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的，是一個極為重大的突破。發(fā)展趨勢一片看好，可以說數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 在美國、日本和德國等發(fā)達(dá)國家，數(shù)控車床改造作為新的經(jīng)濟(jì)增長行

6、業(yè)，生意盎然，正處在黃金時代。由于車床以及技術(shù)的不斷進(jìn)步，車床改造是個"永恒"的課題。我國的車床改造業(yè)，也從老的行業(yè)進(jìn)入到以數(shù)控技術(shù)為主的新的行業(yè)。在美國、日本、德國，用數(shù)控技術(shù)改造車床和生產(chǎn)線具有廣闊的市場，已形成了車床和生產(chǎn)線數(shù)控改造的新的行業(yè)。從事改裝業(yè)的著名公司有：大隈工程集團(tuán)、崗三機(jī)械公司、千代田工機(jī)公司、野崎工程公司、濱田工程公司、山本工程公司等。 數(shù)控車床能夠適應(yīng)市場對產(chǎn)品多樣化、高精度的要求。因此得到了越來越廣泛的應(yīng)用。但是，商品化的數(shù)控機(jī)床價格高，一致于推廣應(yīng)用受到限制，而我國又現(xiàn)存有大量的普通車床，利用較先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，對現(xiàn)有普通車床進(jìn)行技術(shù)改造，對提高我國機(jī)械行業(yè)的數(shù)控

7、加工技術(shù)具有更重要意義。根據(jù)我國車床擁有量大，生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情，將普通車床通過數(shù)控化改造為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床是我國機(jī)械工業(yè)技術(shù)改造的這樣目標(biāo)。但從我國目前機(jī)械工業(yè)制造水平與發(fā)達(dá)國家相比差距較大，而且從目前企業(yè)所面臨的情況看，因數(shù)控車床價格較貴，一次性投資較大，使企業(yè)心有余而力不足。因此，對普通車床數(shù)控化改造作為一種良好的有效途徑。這樣車床改造花費少，改造設(shè)計針對性強(qiáng)、時間短，改造設(shè)計后的機(jī)床大多能夠克服機(jī)床的缺點和存在的問題，生產(chǎn)效率高。 本論文主要解決了利用微機(jī)將進(jìn)給伺服系統(tǒng)，改造成開環(huán)控制伺服進(jìn)給系統(tǒng)。拆除原機(jī)床的進(jìn)給箱，利用原車床進(jìn)給箱的安裝孔和銷孔安裝齒輪箱體。滾珠絲杠仍安裝在原絲杠

8、的位置，兩端采用原固定方式，這樣可減小改裝現(xiàn)場，由于滾珠絲擦系數(shù)小于原絲杠，從而使縱向進(jìn)給整體剛性略優(yōu)于以前。 2.機(jī)械部分設(shè)計 2.1 設(shè)計框圖及機(jī)械結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計 圖2.1經(jīng)濟(jì)性數(shù)控車床進(jìn)給伺服系統(tǒng)總體方案框圖 本次改造的主要部件有：掛輪箱、進(jìn)給箱、溜板箱、溜板、刀架等，改造方案不是惟一。 掛輪架系統(tǒng)：全部拆除，在原掛輪主動軸處安裝光電脈沖發(fā)生器。 圖2.2 車床傳動系統(tǒng)圖 進(jìn)給箱部分：全部拆除，在該處安裝縱向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱組成。絲杠、光杠和操作杠拆去，齒輪箱連接滾珠絲杠，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部分。 溜板箱部分：全部拆除，

9、在原處安裝滾珠絲杠中間支撐架和螺母以及部分操作按鈕。 橫溜板部分：將原溜板中的絲杠、螺母拆除，改裝橫進(jìn)給滾珠絲杠螺母副，橫向進(jìn)給步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總成安裝在橫溜板后部并與滾珠絲杠相連。 刀架：拆除原刀架，改裝自動回轉(zhuǎn)四方刀架總成。 2.2轉(zhuǎn)動慣量的計算 選擇步進(jìn)電動機(jī)時必須根據(jù)機(jī)械傳動設(shè)置及負(fù)載折算到電動機(jī)軸上的等效轉(zhuǎn)動慣量，分別計算各種工況下所需的力矩，再根據(jù)步進(jìn)電動機(jī)最大轉(zhuǎn)矩和起動運行頻率特性選擇合適的步進(jìn)電動機(jī)。 剛體的轉(zhuǎn)動慣量是由質(zhì)量、質(zhì)量分布、轉(zhuǎn)軸位置三個因素決定的。 同一剛體對不同轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動不同,凡是提到轉(zhuǎn)動慣量,必須指明它是對哪個軸的才有意義。選擇步進(jìn)電動機(jī)時,負(fù)

10、載慣量是驅(qū)動系統(tǒng)的主要參數(shù)之一,它對選擇步進(jìn)電動機(jī),設(shè)計傳動比等都有十分重要的意義,如果該慣量與電動機(jī)的匹配不當(dāng),系統(tǒng)就得不到快速反應(yīng),甚至失效.所以我們在進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量計算時，一定要進(jìn)行多方面的考慮，選擇合適的電機(jī)是很重要的一步設(shè)計，它直接決定設(shè)計的成敗。 表2.1 轉(zhuǎn)動慣量的計算 計算項目 設(shè)計計算與說明 計算結(jié)果 1）工作臺質(zhì)量折算到步進(jìn)電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量 2）對材料為鋼的圓柱形零件，其轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算 式中 D--圓柱形零件的直徑（cm） L--零件的軸的長度（cm） 所以絲杠向轉(zhuǎn)動慣量 3）齒轉(zhuǎn)

11、的轉(zhuǎn) 動慣量 電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量很小或忽略。因此折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量 為0.75/1.5，二種不同脈沖分配方式對應(yīng)有二種步距角，步距角及減速比i與脈沖當(dāng)量和絲杠導(dǎo)程有關(guān)。初選電機(jī)型號時應(yīng)合理選擇及i ，并滿足即<< (滿足) 2.3 負(fù)載轉(zhuǎn)動矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 表2.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩計 計算項目 設(shè)計計算與說明 計算結(jié)果 1）加速力矩 式中與運動部件最大進(jìn)給速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速（r/min），運動部件最大快進(jìn)轉(zhuǎn)速（mm/min） 式中傳動系統(tǒng)各部件慣量折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，為轉(zhuǎn)動部件從靜止

12、啟動加速到最大快進(jìn)速度所需時間s 2）折算到電動機(jī)軸上的空 載摩擦力矩 折算到電動機(jī)軸上的空載摩擦力矩 式中 導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) 為運動部件的總重力 為齒輪傳動降速比 傳動系統(tǒng)的總效率 一般＝0.7～0.85 滾珠絲杠的基本導(dǎo)程（cm） 當(dāng) ＝0.8 ＝0.16時 即 3）附加摩擦 力矩 附加摩擦力矩 絲杠未預(yù)緊時的效率，取0.9 預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的1/3.即 即 計算項目 設(shè)計計算與說明 計算結(jié)果 4

13、）切削負(fù)載 力矩 切削負(fù)載力矩 式中 （詳見沿進(jìn)給方向的負(fù)載） 即 結(jié)論 （1）快速空載起動所需力矩 （2）快速進(jìn)給時所需力矩 （3）最大切削負(fù)載時所需力矩 以上分析計算可知：所需最大力矩發(fā)生在快速啟動時， 2.4步進(jìn)電機(jī)的選擇 合理選擇步進(jìn)電機(jī)是比較復(fù)雜的問題，需要根據(jù)電機(jī)在整個系統(tǒng)中的實際工作情況，經(jīng)分析后才能正確選擇。C616縱向進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)的選擇 式中＝電動機(jī)啟動力矩，=電動機(jī)靜負(fù)荷力矩 為了滿足最小步距要求，選擇三相六拍工作方式，有下

14、表可知 表2.3 步進(jìn)電相數(shù)、拍數(shù)、啟機(jī)動力矩 運行 方式 相數(shù) 3 4 5 6 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 所以步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為 步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率 綜合考慮，查表選用110BC3100型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。 2.5縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計與計算 已知條件 工作臺重量 G=400N（根據(jù)圖紙粗略計算） 時間常數(shù) T=25ms 滾珠絲杠基本導(dǎo)程

15、 行程 S=820mm 步距角 因本次改造的是縱向進(jìn)給系統(tǒng)，將原溜板箱中的絲杠，螺母拆除，改裝成縱向進(jìn)給滾珠絲杠螺母副。縱向步進(jìn)電機(jī)與齒輪減速箱總體安裝在縱溜板左部并與滾珠絲杠相連，滾珠絲杠的另一端支承座安裝在車床尾座端原來裝軸承座的部位，為保證其同軸度，提高傳動精度，使用法蘭盤連接牢固。 縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計計算與選型內(nèi)容包括：運動參數(shù)、動力參數(shù)的計算、轉(zhuǎn)動比的分配、轉(zhuǎn)動慣量等計算，計算簡圖如表2-1所示。 圖2.3 縱向進(jìn)給設(shè)計簡圖 2.5.1系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量

16、是指一個進(jìn)給脈沖使車床執(zhí)行部件產(chǎn)生的進(jìn)給量，它是衡量數(shù)控車床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。因此，根據(jù)車床精度的要求來確定，對經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床來說，縱向采用脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖。本次僅對C616車床的縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行改造，故取脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖。 2.6切削力的計算 表2.4 切削力計算 計算項目 設(shè)計計算與說明 計算結(jié)果 1）最大切削功率 的計算 最大切削功率 式中：主電動機(jī)的功率（C616車床=8KW），主傳動系統(tǒng)的總功率（一般為0.75-0.85）這里取=0.8 則 切削功率應(yīng)接各種情況下經(jīng)常遇到的量大切削力（或轉(zhuǎn)矩）和最大切削速度（

17、或轉(zhuǎn)速）來計算。 即 式中：主切削力N，V最大切削速度（m/min） KW 2）主切削力的計算 按用硬質(zhì)合金刀具是半精車鋼件時的速度取V=100m/min 則N 在進(jìn)給系統(tǒng)的計算，選用步進(jìn)電機(jī)時，都要用到切削力（機(jī)床的主要負(fù)載）則可用公式計算出車床切削力。 進(jìn)給抗力和切深抗力可按下列比例分別求出 N 因為車刀架夾在拖板上的刀架內(nèi)，車刀受到的車削抗力將傳遞到進(jìn)給拖板和導(dǎo)軌上，車削作業(yè)時，作用在進(jìn)給拖版上的載荷Fl，F(xiàn)v和Fc與車刀所受到的車削抗力有對應(yīng)關(guān)系，因此，作用在進(jìn)給拖板上載荷可以接下式求出： 拖板上進(jìn)給方向載荷N 拖板上垂直方

18、向載荷N 拖板上橫向載荷 2.7滾珠絲杠螺母副的計算和選型 滾珠絲杠螺母副初等造型的主要依據(jù)是最大動載荷和最大靜載荷，初選型號后，還要進(jìn)行軸向剛度驗算和壓桿穩(wěn)定性驗算。 2.7.1計算進(jìn)給牽引力 計算進(jìn)給牽引力如表2-2。 2.7.2 計算最大動載荷C 由已知參數(shù)可知：工進(jìn)速度為V溜=1m/min 、快進(jìn)速度為V溜=6m/min、基本導(dǎo)程、步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.75/step，則絲杠轉(zhuǎn)速為 滾珠絲杠壽命系數(shù)為，式中=壽命時間（h） 普通機(jī)械為5000~10000h，數(shù)控機(jī)床及其他機(jī)械電一體化設(shè)備及儀器裝置為15000h，航空機(jī)械為1000h， 即 表2.5牽引

19、力的計算 計算項目 設(shè)計計算與說明 計算結(jié)果 計算進(jìn)給牽引力 作用在滾珠絲杠上的進(jìn)給牽引力主要包括切削時的走刀抗力和導(dǎo)軌摩擦力，其數(shù)值大小與導(dǎo)軌的類型有關(guān)，（如車床的縱向?qū)к墸┪疫x用三角形導(dǎo)軌，其牽引力可用下式計算 式中：=工作臺進(jìn)給方向載荷 =工作臺垂直方向載荷 =為縱溜板上承載的移動部件重力（N）（實際設(shè)計時應(yīng)根據(jù)圖紙進(jìn)行計算或拆卸稱量）這里假定為400N ＝1782.4N 計算進(jìn)給 牽引力 =為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，三角導(dǎo)軌取1.15 =導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，三角形導(dǎo)軌屬于普通滑動導(dǎo)軌，取0.15～0.18，這里?。?.16 則＝

20、1.15960＋0.16（3840＋400） ＝1782.4N 根據(jù)工作負(fù)載壽命L可計算出絲杠軸向最大動載荷C為 N 式中 載荷系數(shù)如表7,硬度系數(shù)如表8。 表2.6載荷系數(shù) 運 轉(zhuǎn) 系 數(shù) 值 運轉(zhuǎn)狀態(tài) 運轉(zhuǎn)系數(shù) 無沖擊的圓潤運轉(zhuǎn) 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2.7硬度系數(shù) 硬度系數(shù)值 硬度HRC 60 57.5 55 52.5 50 47.5 45 42.5 硬度系數(shù) 1.0 1.1 1.2 1.4 2.0 2.5 3.3 4.5 即 根據(jù)最大動載荷

21、C，從《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)書》P18表2-5中，初選滾珠絲杠的型號和有關(guān)系數(shù)，選用時要注意公稱直徑和導(dǎo)程，應(yīng)用優(yōu)先組合，同時還需要滿足數(shù)控系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)對導(dǎo)程的要求，同時還受最大靜載荷的影響和限制，因當(dāng)滾珠絲杠在靜態(tài)或低速情況下工作時，滾珠絲杠副的破壞形式主要是滾珠與滾道面在接觸點上產(chǎn)生塑性變形，當(dāng)塑性變形超過一定限度就會使?jié)L珠絲杠無法正常工作。一般允許其塑性變形量不超過滾珠的萬分之一，此時的軸向負(fù)載稱為額定靜載荷，選用時應(yīng)使相應(yīng)的滾珠絲杠的額定靜載荷滿足以下條件： （一般使 2~3） 由滾珠絲杠副承受的最大動載荷C，參照《機(jī)電綜合設(shè)計指導(dǎo)》P22表2-8選滾珠絲杠副規(guī)格為GQ3206，內(nèi)

22、循環(huán)滾珠絲杠副螺母安裝，1列2.5圈，螺紋升角 ，Ca=21250， 強(qiáng)度足夠用，精度選用5級。 其幾何參數(shù)如下： 公稱直徑： mm； 導(dǎo)程： m m； 滾珠直徑： ； 滾道直徑: ； 偏心距: = ； 螺桿內(nèi)徑: ； 螺母安裝尺寸注：3206 （ =6 B=13 h=7） 2.8 傳動效率的計荷 滾珠絲杠螺母副的傳動效率； 可用下式計算，式中：為絲杠螺旋升角，－摩擦

23、角，滾珠杠副的滾動摩擦系數(shù) ,其摩擦角數(shù)約等于10′，即 計算載荷時，首先考慮載荷靜狀態(tài)下的工作壓力，應(yīng)視不同的情況進(jìn)行分析，不同的條件下，其值一般三不會變化的。靜載荷在進(jìn)行計算時是比較容易確定的，并且不容易發(fā)生改變。同時還要進(jìn)行動載荷的考慮，在此次設(shè)計中極其重要的，因為動載荷直接決定著整個系統(tǒng)的安全指數(shù)，要經(jīng)過多方為的考慮！ 表2.8剛度計算 計算項目 設(shè)計計算與說明 計算結(jié)果 2）滾珠與螺紋滾道間的接 觸彎形量 式中： Dw－滾珠直徑（）； =為滾珠總數(shù)量； ； z為一圈的滾珠數(shù)； (外循環(huán) )(內(nèi)循環(huán) ) --預(yù)緊力； Fm --滾

24、珠絲杠工作載荷 ； 即 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，值可減少一半左右 所以 ， 3）螺母支承變形量 支承滾珠絲杠的軸承為8209型推力球軸承幾何參數(shù) =45mm， 滾動體直徑=7.06mm,滾動體數(shù)量=20軸承的軸向接觸變形， 式：中Fm--軸承所受軸的載（N)； --軸承的滾動體數(shù)目； --軸承的滾動體直徑； 4）滾珠絲桿 剛度的驗算 根據(jù)以上計算，絲杠的總變形量， 由絲杠精度等級（五級），查出規(guī)定長度允許的螺距誤差為27um/m， 故剛度足夠。 5）壓桿穩(wěn)定 性

25、驗算 滾珠絲桿通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，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)。 但兩端裝止推軸承與向心軸承時，絲杠一般不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象，由圖1－3可知絲杠兩端裝有止推軸承進(jìn)行支承，故無需進(jìn)行壓桿穩(wěn)定性驗算。 2.9 剛度驗算 縱向進(jìn)給，滾珠絲杠支承方式如圖2.5所示。絲杠螺母及軸承均進(jìn)行了預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載荷的1/3，絲桿的變形量計算如上： 2.10齒轉(zhuǎn)傳動比的計算 為了滿足脈沖當(dāng)量的設(shè)計要求和增大轉(zhuǎn)矩，同時也為了使傳動系統(tǒng)負(fù)載慣量可能小，傳動鏈中常采用齒輪降速傳動。 已知，縱向進(jìn)行脈沖當(dāng)量為0.01mm/脈沖，滾珠絲杠導(dǎo)程為6mm，并初

26、選步進(jìn)電動機(jī)與距離為0.75度/step，由下式可計算出齒輪傳動比i (19) 式中：--步進(jìn)電機(jī)的步距角（） --滾動絲杠的導(dǎo)程（mm）即 S--縱向進(jìn)給的脈沖當(dāng)量（mm/脈沖） 選取小齒輪齒數(shù),采用一級齒輪降速，則大齒輪數(shù)，由于進(jìn)給伺服預(yù)定傳遞的功率都不大，齒輪的模數(shù)一般取m=2。 齒寬 b = 20mm 齒輪直徑 兩齒輪的中心距 2.10.1齒輪傳動間隙的消除 數(shù)控車床在加工過程中，會經(jīng)常變換移動方向。當(dāng)進(jìn)給方向改變時，如果齒側(cè)存在間隙會造成進(jìn)給運動滯后于指令信號，丟失指令脈沖并產(chǎn)生反向死區(qū)，影響傳動精度和系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，必須消除齒側(cè)間隙。通常齒側(cè)

27、間隙的消除主要有剛性調(diào)整法和柔性調(diào)整法。剛性調(diào)整法雖然結(jié)構(gòu)簡單，但側(cè)隙調(diào)整后不能自動補(bǔ)償，柔性調(diào)整法是調(diào)整后齒側(cè)間隙仍可自動補(bǔ)償?shù)恼{(diào)整法。因此決定采用柔性調(diào)整法中的雙片齒輪錯齒消隙法和周向彈簧調(diào)整法。 雙片齒輪錯齒消隙法 圖2.11是雙片齒輪錯齒式消除間隙結(jié)構(gòu)。兩個相同齒數(shù)的薄齒輪1和2與另一個厚齒輪(圖中未畫出)嚙合。齒輪l空套在齒輪2上并可作相對回轉(zhuǎn)。每個齒輪的端面均勻分布著四個螺孔，分別裝上凸耳3和8。齒輪1的端面還有另外四 1、2—薄齒輪 3、8—凸耳 4—彈簧 5、6—螺母 7—調(diào)節(jié)螺釘 圖 2.11 雙圓柱薄片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu) 個通孔，凸耳8可以在其中穿過。彈簧4

28、的兩端分別鉤在凸耳3和調(diào)節(jié)螺釘7上，通過轉(zhuǎn)動螺母5就可以調(diào)節(jié)彈簧4的拉力，調(diào)節(jié)完畢用螺母6鎖緊。彈簧的拉力使薄片齒輪1和2錯位，即兩個薄齒輪的左、右齒面分別緊貼在厚齒輪齒槽的左、右齒面上，消除了齒側(cè)間隙。這種方法適合直徑較大，有充分安裝螺釘空間的圓柱齒輪。 2）周向彈簧調(diào)整法 圖2-11是周向彈簧消隙結(jié)構(gòu)。同樣是兩個齒數(shù)、模數(shù)相同的兩片薄齒輪2和3。齒輪2空套在齒輪3上可以做相對回轉(zhuǎn)運動。在齒輪3上開有三個周向圓弧槽，齒輪2上均布著三個螺紋孔，裝配時在齒輪3的槽中放置3個彈簧， 圖 2.3 周向彈簧消隙結(jié)構(gòu) 利用齒輪2上安裝的螺釘頂住彈簧，裝配完成后兩片齒輪在彈簧力作用下錯齒

29、，從而達(dá)到消除間隙的目的。這種結(jié)構(gòu)適合齒輪直徑偏小，安裝空間較小的情況下。 2.11軸的設(shè)計與校核 表2.9 軸的計算 計算項目 設(shè)計計算 計算結(jié)果 選擇軸的材料并確定許用應(yīng)力 由于傳遞的功率不大，而且對其重量及尺寸也無特殊，故選擇常用的材料45號鋼，調(diào)質(zhì)處理 由表查得 HBS=23 強(qiáng)度極限=635Mpa 屈服極限=353Mpa 彎曲疲勞極限=268Mpa 剪切疲勞極限=155Mpa 對稱循環(huán)彎應(yīng)力的許用應(yīng)力=59Mpa 2.12 初步估算軸的最小直徑，并選擇聯(lián)軸器 表2.10 計算項目 設(shè)計計算與說明 計算結(jié)果 初步估算軸的最小

30、直徑并 選擇聯(lián)軸器 由裝配可以看出為保證輸出軸上零件裝拆方便，安裝聯(lián)軸器出軸的直徑為軸的最小直徑。根據(jù)公式 查《使用機(jī)械設(shè)計》表10—2 C=110 則 選取聯(lián)軸器，按軸傳遞的扭矩，查手冊，選用YL4型，彈性套柱銷聯(lián)軸器，其軸孔直徑為20mm，與軸與絲杠配合的總長度為49mm，故該軸的最小直徑確定為 =20mm =20mm 2.12.1. 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計 表2.11軸的設(shè)計 計算項目 設(shè)計計算與說明 計算結(jié)果 1）擬定軸上零件的裝拆方案 由圖可以看出，軸上軸承，螺母由右端裝配板卸，齒輪左端軸承及左端軸承端蓋，由軸的左端裝配與板卸

31、 2）確定軸的各段直徑與長度 Ⅳ段長度的確定:為保證齒輪壓緊，使從動齒輪的左端面不與箱體內(nèi)壁發(fā)生干涉，則Ⅳ段長度確定為 Ⅴ段直徑的確定:為此應(yīng)選擇軸承型號，這里初選深溝球軸承6204，查手冊可得軸承內(nèi)徑為20mm，寬度為10mm，則Ⅴ段的直徑為 Ⅴ段長度的確定;Ⅴ段長度為根據(jù)以上各軸段的直徑和長度，繪制出軸的結(jié)構(gòu)草圖，如圖3-1a所示，由圖可知，軸的總長為 ： 可算得軸的支承跨距為 Ⅱ段長度確定：因該軸傳送的功率不大，結(jié)構(gòu)較簡單，應(yīng)選用價格便宜的深溝球軸承6305。查手冊可得軸承內(nèi)徑為25mm,寬度為17mm右端的軸套，根據(jù)取L1=12mm。 最右端的推力球軸承5

32、2205, 查手冊可得軸承內(nèi)徑為25mm，寬度為11mm；同時還應(yīng)選擇軸承端蓋的類型與尺寸，軸承端蓋根據(jù)軸徑來選，其寬度尺寸為30mm。 軸段Ⅱ的右端靠兩個的螺母來鎖緊，為防止發(fā)生干涉，應(yīng)留調(diào)整間隙。 考慮以上幾個因素尺寸，Ⅱ段長度 Ⅲ段直徑的確定:為保證齒輪左端的定位及固定，齒輪左端面軸承高度取為,則Ⅲ段直徑 Ⅲ段長度的確定：該段為軸環(huán)，根據(jù)《使用機(jī)械設(shè)計》查表10-3，Ⅲ段長 Ⅳ段直徑的確定:為使齒輪方便裝、拆，設(shè)置過渡軸肩，則Ⅳ段直徑確定為圓整為30mm 2.12.3按彎矩合成強(qiáng)度校核軸的強(qiáng)

33、度 ⑴ 繪制軸的計算簡圖 ⑵ 齒輪受力分析 圓周力 徑向力 ⑶ 繪制鉛垂面彎矩圖 畫鉛垂面受力圖，計算鉛垂面支反力 ② 畫鉛垂面彎矩圖 計算彎矩值： 截面C右側(cè)彎矩 截面C左側(cè)彎矩 ③ 繪制水平彎矩圖 畫水平受力圖，計算水平支反力 圖2.4 輸出軸的設(shè)計 解得： 畫水平彎矩。計算截面C處彎矩值： ⑷ 繪制合成彎矩圖(圖3.1e) 計算合成彎矩值： ⑸ 繪制轉(zhuǎn)矩圖 轉(zhuǎn)矩 ⑹ 繪制當(dāng)量彎矩圖 為此應(yīng)先計算當(dāng)量彎矩,根據(jù)合成彎矩圖可知,截面C為危險截面,截面C的當(dāng)量彎矩為 考慮到減速器的剎車和起動,轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的切應(yīng)

34、力應(yīng)按脈動循環(huán)變化,故取 則 ⑺ 校核軸的強(qiáng)度 由公式：< 故，其強(qiáng)度足夠。 2.12.4按疲勞強(qiáng)度安全系數(shù)校核軸的強(qiáng)度 由軸的當(dāng)量彎矩圖可見,截面出所C-C處當(dāng)量彎矩最大,且過盈配合和鍵槽引起的應(yīng)力集中,故確定截面C-C為危險截面，需要校核其疲勞強(qiáng)度。 ⑴ 計算彎曲應(yīng)力幅和平均應(yīng)力 由前分析可知, 彎矩產(chǎn)生的彎曲正應(yīng)力在軸的轉(zhuǎn)動過程中呈對稱循環(huán)變化,根據(jù)對稱循環(huán)變應(yīng)力特點可得： , 式中： 為C截面直徑； b為軸上鍵槽寬度，查《實用機(jī)械設(shè)計》書附表10-5,取b=17mm； t為軸上鍵槽寬度，查《實用機(jī)械設(shè)計》書附表10-5,取t=6mm； 需要指出和只能

35、按合成彎矩進(jìn)行設(shè)計計算,而不能按當(dāng)量彎矩計算 ⑵ 計算扭矩轉(zhuǎn)應(yīng)力幅平均應(yīng)力 由前分析可知, 扭矩產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力呈對稱循環(huán)變化.根據(jù)脈動循環(huán)變應(yīng)力的特點可得： 式中： （ b及t如上所述） ⑶ 確定計算參數(shù) ① 查附表10-1按過盈配合查得應(yīng)力集中系數(shù)=2.60，=1.87； 按鍵槽查得=1.76K =1.54 故取=2.52，=1.82； ② 查附表10-6尺寸系數(shù)=0.81; =0.76； ③ 查附表10-4得表面質(zhì)量系數(shù)； ④ 查附表10-7得銅的 ； ⑤ 查附表10-8 得許用安全系數(shù)[S]=1.3--1.5； ⑷ 計算只考慮彎距作用時的安全

36、系數(shù) ⑸ 計算只考慮彎距作用時的安全系數(shù) ⑹ 疲勞安全系數(shù)校核 由前分析可知,轉(zhuǎn)軸危險系數(shù)截面為二向應(yīng)力狀態(tài)，由公式： > 所以，該軸的疲勞強(qiáng)度足夠。 ⑺ 繪制軸的零件圖見附圖 3.機(jī)床縱向伺服進(jìn)給單元電氣控制部分設(shè)計 C616車床是一種小型的車床，對于它的伺服進(jìn)給單元的機(jī)電一體化改造設(shè)計，我們從設(shè)計內(nèi)容中可以知道，是用微機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲杠帶動工作臺來完成數(shù)控處理和運動控制。由此可見，改造設(shè)計后的機(jī)床具有一定的數(shù)控機(jī)床的功能特點，是一種簡易經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床，所以，我們就按照經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床進(jìn)行電氣控制部分的改造設(shè)計。 3.1 電氣控制系統(tǒng)方案的確定 我們知道對

37、于一些經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床，常采用開環(huán)伺服系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示， 工作臺 驅(qū) 動 電 路 I/O 接 口 微 機(jī) 步進(jìn) 電機(jī) 圖3.1 開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理框圖 它主要由步進(jìn)電動機(jī)和相適應(yīng)的驅(qū)動電路組成，數(shù)控裝置發(fā)出的指令脈沖驅(qū)動電路變換放大傳給步進(jìn)電動機(jī)，步進(jìn)電動機(jī)每接受一個脈沖就旋轉(zhuǎn)一個角度，再通過齒輪副和絲杠螺母帶動機(jī)床工作臺移動，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)過的角度取決于指令脈沖的頻率和個數(shù)，反映到工作臺就是工作臺的移動速度和位移的大小。但系統(tǒng)沒有位置檢測反饋環(huán)節(jié)，工作臺位移到位，其精度取決于步進(jìn)電機(jī)

38、齒距角精度、齒輪傳動間隙和絲杠螺母精度等。由此可見，對于我們改造設(shè)計的C616車床的縱向伺服進(jìn)給單元，就采用這種由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的開環(huán)控制系統(tǒng)是比較合適的。該系統(tǒng)方案中不使用位置檢測元件，也就沒有閉環(huán)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。因此，具有結(jié)構(gòu)簡單，使用維修方便，可靠性高，制造成本低等一系列優(yōu)點。對于C616車床精度要求不太高的中小型機(jī)床改造設(shè)計來說，特別適合適用這種開環(huán)步進(jìn)控制系統(tǒng)方案。 3.1.1 步進(jìn)電動機(jī)與絲杠的聯(lián)接 對于經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床，步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)與進(jìn)給運動的絲杠相聯(lián)接，這主要是從進(jìn)給傳動鏈最短發(fā)出信息來考慮的。步進(jìn)電動機(jī)與絲杠的聯(lián)接的方法有兩種：一種是與絲杠直接聯(lián)接在一起，此方法結(jié)構(gòu)簡

39、單，但是運行位移的脈沖當(dāng)量不是5的倍數(shù)編程計算時不方便。另一種是在步進(jìn)電動機(jī)輸出軸端配置減速器，使減速器輸出軸通過聯(lián)接套于絲杠直接聯(lián)接在一起，一般改造常采用這種聯(lián)接方式。所以，C616車床改造設(shè)計也采用這種聯(lián)接方式，而且從前面步進(jìn)電動機(jī)計算和選擇中可知選用的是一級齒輪傳動。 3.1.2 8051單片機(jī)的選擇 根據(jù)C616車床最大加工尺寸，加工精度，控制速度以及經(jīng)濟(jì)性要求，改造設(shè)計后的簡易經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床一般采用8位微機(jī)進(jìn)行控制。在8位微機(jī)中，MCS-51系列單片機(jī)集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾性強(qiáng)、具有很高的性能價格比。因此，我們設(shè)計選擇應(yīng)用MCS-51系列單片機(jī)作為控制微機(jī)

40、。 在MCS-51系列單片機(jī)中8051為典型代表，它具有高性能8位CPU、4KROM、128字節(jié)RAM、2個16位定時/計數(shù)器、4個I/O、一個全雙工異步串行口、5個中斷源、可訪問64K程序存儲器空間和64K數(shù)據(jù)存儲器空間。它與其中的8031相比，片內(nèi)有4KB的ROM，而8031片內(nèi)沒有ROM或EPROM。8031使用時必須配置外部的程序存儲器EPROM，而8051就不需要了。但8051的片內(nèi)ROM和片外ROM 不能同時占有，為了指示機(jī)器的這種只有生產(chǎn)廠家或器件設(shè)計者為用戶提供了一條專用的控制引腳EA，如果EA 接+5V 高電平，則機(jī)器使用片內(nèi)4KBROM，如果EA 接低電平，則機(jī)器自動使用

41、片外ROM，而8031引腳EA必須接地。所以，對于C616車床縱向進(jìn)給伺服系統(tǒng)就采用8051單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和運動控制。 我們改造設(shè)計的機(jī)床，主要是縱向伺服進(jìn)給單元機(jī)電一體化改造設(shè)計，根據(jù)下面設(shè)計其控制電路原理圖如后面附圖（B）所示。 3.2 步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)設(shè)計 脈沖信號源 脈沖分配器 光隔離電路 功率放大電路 圖3.2 步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動原理框圖 步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)，使一種把脈沖信號轉(zhuǎn)換成為線位移或角位移的電動機(jī)，常用作數(shù)字控制系統(tǒng)中的執(zhí)行元件。根據(jù)前面的設(shè)計步進(jìn)電動機(jī)的計算和選擇可知，我們設(shè)計選用的是三相六拍的反映式步進(jìn)電動機(jī)——110BC31

42、00,由于步進(jìn)電動機(jī)各繞阻按一定節(jié)拍依次輪流通電才能轉(zhuǎn)動，控制脈沖頻率可控制其轉(zhuǎn)動速度，因此 步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)由脈沖發(fā)生器，光隔離電路，脈沖功率放大器等組成，其驅(qū)動原理框圖如下圖4所示。 脈沖信號源是由CNC系統(tǒng)根據(jù)程序控制脈沖頻率和頻率的個數(shù)，脈沖分配器將脈沖信號按一定順序分配；然后送到放大電路中進(jìn)行功率放大，驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)進(jìn)行工作，其中脈沖分配器及前面的微機(jī)及接口芯片，工作電平一般為+5V， 而作為電動機(jī)電源需要符合步進(jìn)電動機(jī)要求的額定電壓值。為避免強(qiáng)電對弱電的干擾，在它們之間設(shè)計采用光隔離電路。具體電路如下面所設(shè)計的 3.2.1 脈沖分配器 對于開環(huán)伺服驅(qū)動中，我們設(shè)計采用

43、單片機(jī)脈沖分配器，如下圖5所 設(shè)計的8051單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)的控制電路。 P1.0 8051 P1.1 P1.2 P1.2 光隔離電路 驅(qū)動電路 圖3.3 8051單片機(jī)控制步進(jìn)電動機(jī)控制原理框圖 8051單片機(jī)的P1口作為輸出口，用程序?qū)崿F(xiàn)脈沖分配功能。對于三相步進(jìn)電動機(jī)，用P1.0，P1.1，P1.2作為輸出端，經(jīng)光電隔離電路，再由驅(qū)動電路放大來驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)運轉(zhuǎn)。對于我們改造設(shè)計的C616 車床的縱向伺服進(jìn)給單元機(jī)電一體化改造，選擇的是 三相六拍的反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)——110BF003。因此，按三相六拍的步電

44、動機(jī)的通電順序，可以得出P1口的輸出控制字表如下表2所示。由表2可見，步進(jìn)電動機(jī)第一個狀態(tài)字為01H，從上而下輸出控制字，步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)。從正轉(zhuǎn)最后一個狀態(tài)字05H 之后加上反轉(zhuǎn)第一個控制字01H，此時，再接著輸出控制字時，步進(jìn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)，假設(shè)這些控制字存在，根據(jù)狀態(tài)字在存儲器地址以及讀取控制字的順序，可以畫出三相六拍步進(jìn)電動機(jī)的控制程序框圖如下圖6。 表3.1P1口輸出控制字 轉(zhuǎn)向 通電順序 D7，D6，D5，D4，D3，D2，D1，D0 控制字 正轉(zhuǎn) A 0 0 1 01H AB 0

45、 1 1 03H B 0 0 1 02H BC 1 1 0 06H C 1 0 1 04H CA 1 0 0 05H 反轉(zhuǎn) A 0 0 1 01H AC 1 0 1 05H C

46、 0 0 1 04H CB 1 1 0 06H B 0 1 0 02H BA 0 1 1 03H 假設(shè)，步進(jìn)電動機(jī)總的運行參數(shù)放在R4，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志FI（D5H）中，當(dāng)F1為“0”時，步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)F1為“1”時，步進(jìn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時，8051的P1口的輸出控制字01H，03H，02H，06H，04H，05存放在8051的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器單元20H～25H中，26H

47、存放結(jié)束標(biāo)志00H。在27H～2CH 的存儲單元內(nèi)存放反轉(zhuǎn)時P1端口的輸出控制字01H，05H，04H，06H，.02H，03H，在2DH單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00H。我們可以編出步進(jìn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序，其控制程序如下： PUSH A； 保護(hù)現(xiàn)場； MOV R4 #N 設(shè)步長計數(shù)器； CLR C； ORL C， D5H； 轉(zhuǎn)向標(biāo)志為“1”轉(zhuǎn)移；

48、 JC R0TE； MOV R0， #20H； 正轉(zhuǎn)控制字首地址； AJMP LOOP； FI（D5H）中，當(dāng)F1為“0”時，步進(jìn)電動機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)F1為“1”時，步進(jìn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時，8051的P1口的輸出控制字01H，03H，02H，06H，04H，05存放在8051的片內(nèi)數(shù)據(jù)存假設(shè)，步進(jìn)電動機(jī)總的運行參數(shù)放在R4，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志儲器單元20H～25H中，26H 存放結(jié)束標(biāo)志00H。在27H～2CH 的存儲單元內(nèi)存放反轉(zhuǎn)時P1端口的輸出控制字01H，05H，04H

49、，06H，.02H，03H，在2DH單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00H。根據(jù)前面的控制程序表2和圖（7）的控制程序控制框圖，我們可以編出步進(jìn)電動機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序，其控制程序如下。 保護(hù)現(xiàn)場 設(shè)步長數(shù)算器 轉(zhuǎn)向標(biāo)志“1” 置正轉(zhuǎn)控制字地址 置反轉(zhuǎn)控制字地址 輸出控制器 延時，控制字地址指針加“1” 是結(jié)束標(biāo)志 是恢復(fù)控制字首地址 總步長為零 恢復(fù)現(xiàn)場 返回 PUSH A；

50、 保護(hù)現(xiàn)場； MOV R4 #N 設(shè)步長計數(shù)器； CLR C； ORL C， D5H； 轉(zhuǎn)向標(biāo)志為“1”轉(zhuǎn)移； JC R0TE； MOV R0， #20H； 正轉(zhuǎn)控制字首地址； AJMP LOOP； R0TE： MOV R0，#27H； 反轉(zhuǎn)控制字首地址；

51、 LOOP： MOV A， ﹫R0； MOV P1， A； 輸出控制字； ACALL DELAY； 延時； INC R0； MOV A，＃00H； ORL A，﹫R0； JZ TPL； 是結(jié)束標(biāo)志轉(zhuǎn)移； LOOP1： DJNZ R4，LOOP； 步數(shù)不為“0”； POP

52、 A； 恢復(fù)現(xiàn)場； TPL： MOV A， R0； CLR C； SUBB A， ＃06H； MOV R0，A； 恢復(fù)控制首地址； AJMP LOOP1； DELAY： MOV R2，＃M； DELAY1：MOV A， ＃M1； LOOP： DEC A； JNZ LOOP； D

53、JNZ R2，DELAY1； RET 3.2.2 光隔離電路 在這個步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電動機(jī)的勵磁繞組。由于步進(jìn)電動機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏）電流也教大（幾安到幾十安）如果將I/O口輸出信號直接與功率放大器相連，輕則影響單片機(jī)程序的正常運行，重則導(dǎo)致單片機(jī)接口電路的損壞。因此，在接口電路與功率放大器之間設(shè)計加上光隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光耦合器。光耦合器由發(fā)光二級管和光敏晶體管組成如下圖7所示的共集電極輸出型光耦合器。當(dāng)輸入信號VI加到輸入端時，發(fā)光二極管導(dǎo)通激發(fā)出紅外光，光敏晶體管受光照后，

54、由于光敏效應(yīng)產(chǎn)生光電流，通過輸出端輸出，從而實現(xiàn)以光為媒介的電信號傳輸，輸入端與輸出端在電氣上完全隔離。 圖3.5共集電極耦合器 圖3.6 光電隔離輸出電路 上圖8為光隔離輸入與輸出電路。控制信號74LS05集電極開路門反相后驅(qū)動光耦器的輸入發(fā)光二 極管 。當(dāng)控制信號為低電平，74LS05不吸收電流，發(fā)光二極管不導(dǎo)通，從而輸出的光敏晶體管截止，當(dāng)控制信號為高電平，74LS05吸收電流，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，光敏晶體管受到激勵導(dǎo)通。對于我們的改造設(shè)計就采用這種光隔離電路進(jìn)行控制。 3.2.3步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動電路 圖3.7 高低壓雙電源驅(qū)動電路

55、 由于邏輯電路和單片機(jī)的輸出脈沖電平很小，一般為3V左右電流為毫安級，無法驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)，而需要經(jīng)過驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大。我們知道常用的驅(qū)動電路有：單電源驅(qū)動電路、高低壓雙電源驅(qū)動電路和恒流斬波驅(qū)動電路。而我們設(shè)計采用高低壓雙電源驅(qū)動電路 作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電動。如下圖9所示設(shè)計的高低壓雙電源驅(qū)動電路。 圖中LA為步進(jìn)電動機(jī)A相繞組，接大功率VT1和VT2之間，VT1為高壓管。當(dāng)脈沖分配器輸出低電平時，VTI和VT2之間截止，LA無電流通過。當(dāng)脈沖分配器輸出高電平時，使單穩(wěn)態(tài)電路翻轉(zhuǎn)為高電平輸出，經(jīng)前置放大使VT1導(dǎo)通，同時功率管VT2也導(dǎo)通，高壓電源Vn經(jīng)VTI和VT2加至LA上。此時，二極

56、管VD1因承受反向電壓而截止，切斷低壓電路VL，由于高壓源電壓很高，線圈的電流上升很快，上升沿變陡，當(dāng)電流值接近步進(jìn)電動機(jī)的額定值時，單穩(wěn)態(tài)電路延時時間到 ，翻轉(zhuǎn)為輸出低電壓，使高電壓管VT1截止。這時，由低電壓電源VL供電，VT2繼續(xù)導(dǎo)通LA繼續(xù)通過電流 。當(dāng)脈沖分配器輸出的脈沖為低電平時，功率VT2截止，這時，續(xù)流二極管VD2續(xù)流，電流隨之減少為零。 采用這種驅(qū)動電路是因為它于單電源驅(qū)動電路相比，高低壓雙電源驅(qū)動電路的電流波形上升沿變陡，使步進(jìn)電機(jī)的力矩和運行頻率等主要性能得到明顯改善，而且驅(qū)動功率也比單電源的高；在結(jié)構(gòu)上也比恒流斬波驅(qū)動電路的簡單。所以我們設(shè)計應(yīng)用這種高低壓雙電源驅(qū)動電

57、路來進(jìn)行驅(qū)動。 3.3 8255可編程控制芯片的擴(kuò)展 MCS—51系列單片機(jī)的特點之一就是硬件設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊。對于簡單的應(yīng)用場合可以不用I/O口系統(tǒng)，但是對于復(fù)雜的應(yīng)用場合就需要用I/O口擴(kuò)展來滿足單片機(jī)運行功能的完善性。像我們設(shè)計的C616車床的數(shù)控化的改造設(shè)計就有一定的復(fù)雜程度。因此，我們對8051單片機(jī)進(jìn)行I/O口擴(kuò)展，擴(kuò)展應(yīng)用兩片8255可編程控制芯片來達(dá)到機(jī)床控制運動功能的可靠性和完善性。 3.3.1 8255芯片的介紹 選用的8255芯片是INTEL生產(chǎn)的可編程輸入輸出接口芯片它具有3個8位的并行I/O口分別為PA、PB、PC口其中PC又分為高4位（PC7～P

58、C4）和低4位（PC3～PC0），它們都可以使用軟件編程來改變I/O口工作方式。因此，8255使用方便，通用性強(qiáng)，經(jīng)常作為單片機(jī)與多種外圍設(shè)連接時的中間接口電路。 3.3.2 58051單片機(jī)與8255接口電路的設(shè)計 我們設(shè)計的兩片8255芯片與8051直接接口電路如下圖（11）所示 在8051單片機(jī)的I/O口上擴(kuò)展兩片8255芯片，無需加任何邏輯電路，只需用地址鎖存器74LS373芯片鎖存后提供就可以了。從圖10中可以看出8255的片選信號CS及口地址選擇線A0，A1分別由8051的P2.6、P2.7和P0.0和P0.1經(jīng)地址鎖存器74LS373鎖存后提供。8255的復(fù)位端與805

59、1 的復(fù)位端相連，都接到8051的復(fù)位電路上。因此，我們可以從圖中看出8255的A口、B 口 、C口以及控制口地址。我們知道在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，必須根據(jù)外圍設(shè)備的類型選擇8255的操作方式，并在初始化程序中把相應(yīng)的控制字寫人操作口。根據(jù)我們的設(shè)計圖10可以知道兩片8255的A口、B 口 、C口以及控制口地址分別為： 8255（1）芯片： A口地址： BFFCH； B口地址： BFFDH； C口地址： BFFEH； 控

60、制口地址： BFFFH； 8255（2）芯片： A口地址： 7FFCH； B口地址： 7FFDH； C口地址： 7FFEH； 控制口地址： 7FFFH； 對于每一片8255的C口8位中的任一位，均可以用指令來置位和復(fù)位。例如，如果把C口的第6位PC5置1相應(yīng)的字控制為00001011B=0BH，程序如下： MOV DPTR ，#07F7FH； 控制口地址——DPTR MOV

61、 A，#0BH； 控制字——A MOVX ＠DPTR，A； 控制字——控制口；PC5=1 由此可見，8255可編程控制接口芯片在MCS-51系列單片機(jī)中應(yīng)用非常廣泛，廣泛應(yīng)用與外圍設(shè)備，如打印機(jī)，鍵盤，顯示器以及作為控制信息的輸人輸出。所以，對于我們的設(shè)計就擴(kuò)展應(yīng)用兩片8255可編程控制芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和進(jìn)行運行控制。 3.3.3 8255芯片在設(shè)計電路中的控制功能 在采用的兩片8255芯片中，用8255（1）的A口作為輸入口，用于功能鍵的控制，其中，PA0～PA4口分別控制空運行、自動、手動I、手動II、和回零等功能。B口用作輸

62、出口，其中B0～B4口控制面板上的按鍵，分別控制啟動、暫停、單段、連續(xù)、急停等功能。PC0口用于報警顯示，系統(tǒng)正常工作時，輸出低電平，綠色燈亮；當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況時，輸出高電平，紅色燈亮，實現(xiàn)報警顯示功能。用8255（2）的A口控制步進(jìn)電動機(jī)，PA0～PA5為輸出口，用于控制Z向步進(jìn)電動機(jī)和X向步進(jìn)電動機(jī)。其中，PB口的PB0～PB3接鍵盤的安鍵部分；PB4～PB7口接越程報警控制電路，當(dāng)床鞍或工作臺在X向或Z向越程時，即向單片機(jī)輸入此信號，使進(jìn)給系統(tǒng)停止進(jìn)給工作，以保護(hù)工作臺正常運行。 3.4 6264芯片的擴(kuò)展 圖3.9 8051單片機(jī)片外儲存器擴(kuò)展 由于我們改造設(shè)計的經(jīng)濟(jì)型數(shù)

63、控車床功能比較完善，對于它的I/O口的擴(kuò)展我們就多擴(kuò)展上6264數(shù)據(jù)存儲器芯片。數(shù)據(jù)存儲器只使用WR、RD控制線而不用PSEN，正因為這樣，數(shù)據(jù)存儲器與程序存儲器地址可以完全重合，均為0000H～FFFFH，但是，數(shù)據(jù)存儲器與I/O口及外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的，即任何擴(kuò)展的I/O口及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存儲器地址。我們設(shè)計的6264芯片的擴(kuò)展電路圖如下圖示中所連接的。 從圖中我們很容易看出，6264芯片的控制地址：0000H～3FFFH。這樣對于機(jī)床的運動控制就很容易利用8051單片機(jī)進(jìn)行控制了。我們選擇利用6264芯片進(jìn)數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展是比較合理完善的。 3.5 輔助電路的設(shè)計 3.5

64、.1 8051單片機(jī)的時鐘電路 我們知道單片機(jī)的時鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，如下圖（12）所示，晶體可在1.2～12MHZ任選，偶合電容在5～30PF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把XTAI直接接地，XTAL2接外 部時鐘源。經(jīng)過比較選擇，我們設(shè)計采用內(nèi)部時鐘方式，如下圖12所示。 圖3.10 時鐘電器 3.5.2 復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上高電平，單片機(jī)便實現(xiàn)復(fù)位，以后單片機(jī)便從0000H單元開始執(zhí)

65、行程序。單片機(jī)通常采用上自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種，而我們設(shè)計應(yīng)用上電與按鈕復(fù)位組合的復(fù)位電路如下圖（13）所示。在上電瞬間，R、C 電路充電，RESET引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RESET端保持10ms以上高電平，就能使單片機(jī)有效地復(fù)位。這種復(fù)位電路結(jié)構(gòu)簡單，使用比較合理經(jīng)濟(jì)。 圖3.11 復(fù)位電路 3.5.3 越界報警電路 為了防止工作臺越界出現(xiàn)事故，我們設(shè)計越界電路來保證機(jī)床的工作的可靠性。設(shè)計的越界報警電路如下圖（12）所示。 圖3.12 越界報警顯示電路 我們改造設(shè)計的C616車床有4個方向可能越界，即+X、-X、+Z、-Z方向。一旦某一方向越界，應(yīng)立即停止工作臺移動。

66、其中圖（14）中（a）圖是報警信號的產(chǎn)生，（b）圖是報警顯示。這里利用8255（2）的PC口進(jìn)行控制，只要任一個行程開關(guān)閉合，即工作臺在某一個方向越界，均能產(chǎn)生越界報警信號。為了報警，設(shè)置紅綠燈指示，正常工作時綠燈亮，當(dāng)產(chǎn)生越界報警時紅燈亮。兩個燈均設(shè)計用一個I/O口輸出控制，我們利用8255（1）的PC0口進(jìn)行控制。 其他的輔助電路的設(shè)計在此不在一一詳細(xì)列舉，詳細(xì)情況請參照附圖（B）所示的電氣控制原理電路圖。 3.6 操作面板設(shè)計的簡要介紹 圖3.13 控制面板致謝 在本次畢業(yè)設(shè)計當(dāng)中，我曾因為一些問題不知道如何解決，是老師和給予資料并耐心細(xì)致地講解，我才得以明白繼續(xù)做設(shè)計。我在做機(jī)械部分設(shè)計的時候也有許多不會的地方，是段老師的熱心幫助，她給我們分析問題，還把相關(guān)的參考資料借給我們，讓我們對設(shè)計更加擁有信心！ 總之，段老師是擁有淵博理論知識和深厚實踐經(jīng)驗的，在她的殷勤帶領(lǐng)之下，我才少走彎路獲得解決問題的有效方法。老師給與我的畢業(yè)設(shè)計很大幫助，讓我的設(shè)計更加具有論證性、合理性，也使設(shè)計更加具有說服力！在這里請讓我向老師說一聲：老師，您辛苦了！ 通過畢業(yè)設(shè)計，也讓