CA6140车床改造说明书
第一章: 微机数控系统总体设计方案的拟定
第一节总体方案设计的内容
数控系统总体方案的拟定应包括以下内容:系统运动方式的确定、伺服系统的选择、执行机构的结构及传动方式的确定、计算机系统的选择等内容。
一、系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制系统、连续控制系统和点位/直线控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削,可选用点位控制方式。例如,数控钻床,在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工,因此数控系统可采用点位控制方式。对于点位控制系统的要求是快速定位,保证定位精度。
连续控制系统要求工作台和刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系,能够控制刀具沿任意直线或曲线运动,控制每一个轴的位置和速度,使得各个轴同步协调到达目标点。连续控制系统不仅控制目标点,而且控制刀具到达这些目标点的整个路径,使刀具始终接触工件并制造出希望的形状,所以具有连续控制系统的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件,故而连续控制系统又称为轮廓控制系统或仿型系统。在点位控制系统中不具有连续控制系统中所具有的轨迹计算装置,而连续控制系统中却具有点位系统的功能。例如,数控铣床、数控车床等。
点位-直线系统,不但要求工作台运动的终点坐标,还要求工作台沿坐标轴运动过程中切削工作,进行简单的车削和铣削作业。其控制方法与点位系统十分相似,故有时也将这两种系统统称为点位控制系统。例如,数控镗铣床等。
二、伺服系统的选择
伺服系统可以分为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。
开环控制系统中,没有反馈电路,不带检测装置,指令信号是单方向传送的。指令发出后,不再反馈回来,故称为开环控制。开环控制系统主要由步进电机驱动。开环伺服系统结构简单,成本低廉,容易掌握,调试和维修都比较简单。目前国内大力发展的经济型数控机床普遍采用开环伺服系统。
闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件,用来检测实际位移量,能补偿系统的误差,因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。但闭环系统造价高、结构和调试较复杂,多用于精度要求高的场合。
半闭环控制系统与闭环控制系统不同,不直接检测工作台的位移半闭环控制系统与闭环控制系统不同,不直接检测工作台的位移量,而是检测元件测出驱动轴的转角,再间接推算出工作台实际的位移量,也有反馈回路,其性能介于开环系统和闭环系统之间。
三、执行机构传动方式的确定
为确定数控系统传动精度和工件平稳性,在设计机械传动装置时,通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及适当的阻尼比要求。在设计中应考虑以下几点:
(1)尽量采用低摩擦的传动和导向元件。例如,采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、贴塑导轨等。
(2)尽量消除传动间隙。例如,采用消隙齿轮等。
(3)提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度、减小传动链误差。也可以
用预紧的方法提高系统刚度。例如,采用预加负载的滚动导轨和滚动丝杠副等。
四、计算机的选择
微机数控系统由CPU、存储扩展电路、I/O接口电路、伺服电机驱动电路、检测电路等组成。
第二节总体设计方案的确定
一、系统的运动方式与伺服系统的选择
由于改造后的经济型数控车床应具有定位、直线插补、顺圆插补、逆圆插补、暂停、循环加工、公英制螺纹加工等功能,故应选择连续控制系统。考虑到属于经济型数控机床加工精度不高,为了简化结构、降低成本容易调试和维护,经济型数控车床应选用步进电机开环控制系统。
二、计算机系统
根据机床要求采用8位微机。由于MCS-51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强性能价格比高等特点,决定采用MCS-51系列的80C31单片机扩展系统。
控制系统由微机部分、键盘、显示器,I/O接口及光隔离电路,步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现,显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。
三、机械传动方式
为实现机床所要求的分辨率,采用步进电机经齿轮减速再传动给丝杠。为保证一定的传动精度和平稳性,应尽量减少摩擦力,选用滚珠丝杠螺母副。同时为提高传动刚度和消除间隙,采用有预加负载的结构。齿轮传动也要采用消除齿侧间隙的结构。
第三节绘制总体方案框图
微机
光
耦
合
功
率
放
大
进电机
步
Z
进电机
步
功
率
放
大
光
耦
合
X
图1-1 经济型数控车床总体方案框图
床鞍及
拖板
中拖板
第二章机械传动部件的计算与选型
第一节概述
机床的主运动提供金属切削所需要的能量,而进给运动则根据被加工工件的形状,保持工件和刀具的相对位置。这样设计机床的运动,则主运动一般为旋转运动,要求驱动力源的功率大,其控制问题主要是进行调试,要求较低;而进给运动驱动动力源的功率较小,为了保证生成被加工的工件所要求的型线和一定的加工精度,一般应进行伺服控制,因此控制上的要求较低。
第二节系统脉冲当量的确定
一个进给脉冲使机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量,也称机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数,经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量为0.015mm/step到0.005mm/step。
根据任务书上的定位精度为 0.01mm,所以在设计时选择脉冲当量为0.01mm/step。
第三节机床导轨副的确定
传统机床上使用的均为铸铁-铸铁、铸铁-淬火钢的导轨副,其静摩擦系数大,动摩擦系数随速度变化而变化,摩擦损失大,低速时易出现爬行而降低运动部件的定位精度,因此目前在数控机床上已不采用,而代之为铸铁-塑料或镶钢-塑料导轨。它们主要包括以下两种类型。
一、涂塑导轨
涂塑导轨是以环氧树脂为基体,加入二硫化钼和胶体石墨以及铁份混合而成,再配以固化剂均匀涂刮或注入导轨面。这种涂料导轨具有良好的摩擦特性和耐磨性,可使用在大型、重型数控机床上。
二、贴塑导轨
聚四氟乙烯胶带,是以聚四氟乙烯为基体,加入青铜粉、二硫化钼和石墨等填充剂混合而成。.它具有摩擦特性好、耐磨性好、减震性好等特点。已成功用在中、小型数控机床上。这种软带可以在原有滑动导轨面上用粘结剂粘结,加压固化后进行精加工,故一般称之为贴塑导轮。由于其工艺较简单,对原有滑动导轨不需作大的改动,故在普通机床数控化改装上应用广泛。
根据综合作业任务书和以上分析可知,本次数控化改造采用在原有三角形导轨上进行贴塑改造,即采用三角形贴塑导轨。
第四节 滚珠丝杠螺母副的计算和选型
一、 滚珠丝杠螺母副的选型
滚珠丝杠螺母副分为外循环插管式和内循环反向器式两种类型。
内循环方向器式滚珠丝杠螺母副的滚珠,在循环的过程中始终和丝杠表面接触,通过方向器越过丝杠的螺纹外径进入相邻的滚道,形成一个循环回路,内循环方向器式结构回路短,摩擦小,效率高,径向尺寸小,但制造成本很高。 外循环插管式滚珠丝杠螺母副的滚珠,在循环的过程中有一段离开丝杠表面,通过弯道形成循环回路,虽然它的径向尺寸大,而且弯道两端管的耐磨性和抗冲击性较差,但是它的结构简单,制造容易,成本低,故从经济性考虑选择外循环插管式的滚珠丝杠螺母副是可行的。
二、滚珠丝杠螺母副预紧及间隙消除方法
(1)预紧方法
1.双螺母齿差式
由于齿数差的关系,两螺母在圆周上相互错动一定的相位,从而达到调整间隙的目的。这种调整方法精度高,预紧准确可靠,不易松动,调整方便。适用于高精度传动中。 2.双螺母螺纹式
这种方法通过拧紧圆螺母达到消除间隙和预紧的目的。该方法结构简单,但较难控制,容易松动,准确性和可靠性均差。 3.双螺母垫片式
这种方法通过调整垫片的厚度,使螺母产生位移,以达到消除间隙和预紧的目的。该方法结构简单,拆卸方便,工作可靠,刚性好;但使用中不便于随时调整,调整精度较低。根据我们的具体情况可采用此方法预紧。 4.单螺母变位导程自预紧式
这种方法是在滚珠螺母内的两组循环圈之间,借助于螺母内螺纹变位导程产生变位量来实现消除间隙和预紧,其预紧力的大小由变位量和径向间隙确定。该方法和以上3种方法相比,结构最简单、尺寸最紧凑,且价格低廉,缺点是不便于随时调整。 (2)间隙消除方法
滚珠丝杠螺母副的传动间隙除了结构本身的轴向窜动外,还应考虑加上轴向载荷后弹性变形所产生的轴向窜动。预紧能有效地减少弹性变形所带来的轴向间隙,但预紧力过大将增加摩擦阻力,降低传动效率,减少其使用寿命。预紧一般应在最大轴向载荷下,即能消除间隙,又能灵活运转。在工程设计中,一般预载值的大小取最大负载的1/3的预载力,可使效率不偏低。加预载一般分三次加栽,每次加1/3的预载力,开车跑20min 。
三、计算进给牵引力m F
作用在滚珠丝杠上的牵引力主要包括切削时的走刀抗力和移动件的重量以及切削分力作用在导轨上的摩擦力。按三角形导轨(贴塑处理)计算:
+=Z m KF F )(G F Y +μ
式中: K----考虑颠力矩影响的实验系数,导轨为三角形,则K=1.15; Z F ----工作台受到进给方向的载荷(与丝杠的轴线平行)Z F =1000 N ;
Y F ----受到垂直方向的载荷(与丝杠的轴线垂直)Y F =5000 N ; G----移动部件的重量G=200010200=?kg
N
kg N ; μ----摩擦系数,我们采用帖塑导轨μ=05.0~03.0,这里选μ=04.0;
所以 1430)20005000(04.0100015.1=++?=m F N
四、计算最大动载荷C
选用滚珠丝杠螺母副的直径0d 时,必须保证在一定轴向载荷作用下,丝杠在回转100万转(610转)后,在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载C ,可用下面公式计算:
C =m w F f L 3 L =
6
10
60nT
n =
1000L V s
式中: L ----寿命,以610转为一个单位; n ----丝杠的转速r/min ;
s V ----为最大切削力条件下的进给速度m/min ,可取最高进给速度的
5.0~3.0;
0L ----丝杠的导程(mm );
T ----为使用寿命(h ),对于数控机床取15000h ; w f ----运转系数,有表2-1可得w f 取1.5; 表2-1
所以, n =
min /5.126
5
.015.010*******r L V S
=??=
L =)10(25.1110
15000
5.126010
606
6
6
转=??=
nT
C =N F f L m w 480614305.125.113
3=??=
五、滚珠丝杠副的选型
查阅《机电一体化系统设计课程设计指导书》的表3-32并根据其实际技术要求,可初选CDM4006-2.5系列的外循环双螺母垫片预紧的滚珠丝杠螺母副,循环的列数为1 ×2.5×2=5,额定动载荷为14820N 大于C ,满足要求。
六、计算最大静载荷0C
当滚珠丝杠副在静态或低速情况下工作时,滚珠丝杠的破坏形式主要是在滚珠接触面上产生塑性变形,一般允许其塑性变形量不超过滚珠直径的万分之一,产生这样大的塑性变形量时的负载称为允许的最大静载荷0C ,其计算公式如下: max 0F f C s =
式中 --max F 滚珠丝杠的最大轴向负载,由上可知)(4806max N C F ==; --s f 静态安全系数,当为一般运转时 22~1,此处取=s f
所以有:)
(N F f C s 961248062max 0=?== 查表知, CDM4006型丝杠的额定静载荷为42890(N )>9612(N),所以CDM4006型滚
珠丝杠的螺母副符合要求。 综上所诉,CDM4006-2.5型滚珠丝杠螺母副符合我们需要的要求,采用双螺母垫片式预
紧。
七、传动效率η的计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率)tan(tan φη+=
r r
式中: r----丝杠螺旋升角,且r=)arctan(
d L π;
0L ----丝杠导程; 0d ----丝杠的公称直径;; φ----为摩擦角,约为01';
所以, r=
736.2)/arctan(00=d L π
9425.0)
tan(tan =+=
φηr r
第五节 进给伺服系统传动部分计算
由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步,每一步都有一个加速的过程,因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求,同时也要满足一定的脉冲当量,常采用齿轮降速传动。
一、初选步进电机步距角b θ
对步进电机施加一个电脉冲信号时,步进电机就回转一个固定的角度,叫做步距角。电
机的总回转角和输入的脉冲数成正比,而电机的转速则正比于输入脉冲的频率。
步进电机的步距角越小,意味着它能到达的位置精度就越高。通常的步距角是
75.05.13或、,
步距角的大小与通电的方式及转子的齿数有关,因而初选步距角为 75.0。 二、计算传动比i
传动比0
360L i b p
θδ
=
式中: p δ----脉冲当量(mm/step ),此处p δ=0.01mm/step ;
b θ----步进电机的步进角,已初选为 75.0;
0L ----滚珠丝杠的导程(mm )
,0L =6mm ; 所以, 8.06
75.001.0360=??=
i
三、计算齿轮齿数及各项技术参数
(一)齿轮齿数确定
因为:121<
8.02
1==Z Z i 根据减速箱实际技术要求并考虑电机安装情况
初设齿轮齿数 60,4821==Z Z
(二)模数的确定
因为进给伺服系统传递功率不大,一般取模数2~1=m ,数控车床、铣床取
2=m ,数控台钻、X-Y 工作台取1=m ,所以此处2=m 。
第六节 步进电机的计算和选型
一、计算电机的负载转距
1)、计算导轨的摩擦力
)(垂切摩F G f F +?=
式中: f ----导轨的摩擦系数,f=0.04;
G ----导轨上运动件的总重,=G 2000N ; 垂切F ----垂直方向的切削力,垂切F =5000 N ;
所以, 280)50002000(04.0=+?=摩F N 2)、计算折算到电机上的导轨和丝杠的摩擦转距
a 、 )())((摩导210/2/Z Z L F T ??=πη
式中:η----传动系统的总效率,取0.7-0.8,此处取 η=0.8;
2
1Z Z ----即为传动比i ;
所以, )
())((摩导210/2/Z Z L F T ??=πη=m N ?268.0 b 、 )
()()()(丝切摩丝22101/]6/[ηηπ-????+=Z Z L F F T 式中: 切F ----最大切削力;
丝η----丝杠的传动效率,取0.9-0.96,此处丝η=0.94; 所以
m N T ?=-?????+=047.094.018.0]8.014.36/61000280[2
)()()(丝
3)、计算电机的切削转距和摩擦转距
a 、 切削转距切T 210/2/Z Z L F T ??=)(
切切πη =m N ?=????955.08.08.014.32/61000)(
b 、 摩擦转距摩T N T T T ?
=+=315.0导丝摩
二、初算电机的启动转距
因 )(惯摩切安起T T T K T ++?=
式中: 安K ----安全系数,取2-3,此处取安K =3; 惯T ----惯性转距,此处惯T =0;
所以, )(惯摩切安起T T T K T ++?=
=m N ?=+?
81.3315.0955.03)( 三、初算电机的静转距和初选电机
λ/起静T T =
式中: λ----步进电机启动转距和最大静转距之比,应采用三相六拍,查表2-2
可知λ=0.866; 所以, m N T T ?===399.4866.0/81.3/λ起静
表 2-2 步进电机启动转距和最大静转距的关系
综合上述,初选电机为110BC380F ,电机的最大的静转距m N ?76.11,电机转子的转动惯量29cm Kg J m ?=。
四、计算惯性转距惯T
1)、计算启动时电机的最高转速1电n
由)/()/1000(1201Z Z L V n ??=快电 式中: 快V ----最大移动速度,快V =2m/min ;
所以, min /67.4168.0/1]6/)21000[(1r n =??=电 2)、计算折算到电机上的运动件的转动惯量
圆柱体转动惯量(齿轮、联柱器、丝杠、轴的转动惯量)的计算公式:
8
3
MD J =
对于钢材: 3
4410
78.032
-?==
L D L D J πρ
所以:
小齿轮的转动惯量 243125.1326.91078.0cm Kg J ?=???=- 大齿轮的转动惯量 2
43
235.3221210
78.0cm Kg J ?=???=-
丝杠的转动惯量 2
4395.2915041078.0cm Kg J ?=???=-丝
所以移动件的转动惯量2
202221
129.54]2[cm Kg L g G J J Z Z J J ?=+++
=)()()(丝运π 3)、计算加工时电机的最高转速
1
202/1000Z Z L V n ??=
)(进电
式中: 进V ----加工时的最大进给速度
min /25.31)4/5/(6/15.010002r n =?=
)(电 4)、计算启动和切削时的惯性转距
11/60/2a t n J J T )()(电运动电机启动π??+=
式中: 启动T ----启动时的惯性转距;
电机J ----电机转子的转动惯量;
1a t ----启动时间,取0.2-0.5s ,此处取1a t =0.4s ;
所以, m N T ?=???+=69.04.0/60/14.3266.41629.549)()(启动
22/60/2a t n J J T ))((电运动电机切削π?+=
式中: 切削时加速时间,取0.02-0.05s ,此处取s t a 04.02=;
所以, m N T ?=???+=
52.004.0/60/14.3225.3129.549)()(切削 ∴ 启动T 大于切削T ∴启动惯T T =
由以上计算可知 m N T T T K T ?=++=88.5)(惯摩切安
起 所以 m N T m N T T ?===76.11.789.6/max 静起静〈λ
所以电机110BC380F 满足要求。
五、验算电机的运行频率和启动频率
由 运f =1000工v /60p δ 启f =1000快v /60p δ 式中:运f ---- 运行频率;
工v ---- 最大进给速度(工进),工v =0.15 m/min ; 启f ---- 启动频率;
快v ---- 最大移动速度(快进),快v =2 m/min ; 所以, 运f =250 Hz 启f =3333.33 Hz
查《机电一体化系统设计课程设计指导书》表4-3可知,110BC380F 型号电机的空载启动频率1200Hz,空载运行频率12000Hz 。
显然,运行频率是满足要求的,但启动频率不能够满足要求,这可以采用软件升降速程序来解决这个问题。
第七节 滚动轴承的选型和寿命验算
由于由于经济型数控车床的改造的支承方式是一端固定,一端简支,所以初选型号为7205B 的角接触球轴承和6204的深沟球轴承。
一、角接触球轴承的验算
1、7205B 轴承的主要的参数: 基本额定动载荷C=15.8 KN ,
0C =9.45 KN
系数 e=1.14 2、计算两端轴承的径向载荷: 轴承所受的受力简图如下图2-1;
轴承的内部轴向力
轴承所受的径向力
运动件的总重量
外部船动件轴向力的合力
图 2-1 轴承受力简图
1)、轴承所受的垂直方向的力
轴承所受的垂直方向的力G (即运动件的总重量)取400 N (包括丝杠的重量、大齿轮的重量和电机转距折算的力),
所以轴承所受的径向力1r F =2r F =2002
=F N
2) 外部轴向力的合力A F
N F G F F A 12605000150004.01000=++=++=)()(垂切切μ
3)、轴承的内部轴向力 N F F F r S s 22814.121=== 4)、轴向力 因 12s A s F F F >+
所以, 右边的轴承放松,左边的轴承压紧。 则轴向力N F F s a 22822== N F F F A s a 148821=+= 3、计算轴承的当量动载荷
1)、
e F F r a >==
44.7200
14881
1
所以 57.0,35.011==Y X
左边轴的当量动载荷N F Y F X p a r 16.91811111=+=
2)、e F F r a ===14.1200
2282
2
所以 0,122==Y X
右轴的当量动载荷N F X p r 200222== 因选用的是一对轴承;而1p 大于2p , 所以,应以1p 为寿命的计算依据 4、计算轴承的寿命
ξ
)(
6010
6
p
f C F n
L p t h =
式中: n----轴承的工作转速,单位为r/min ; h L ----轴承的基本额定寿命,单位为h ; t f ----温度系数,此处t f =1; p f ----载荷性质系数,p f =1.5; C----基本额定动载荷C=15.8 KN ; p----当量动载荷p=952.36 N ; ξ----寿命指数,球轴承时为ξ=3; ∴ h L h 62882)16
.9185.115800
1(
4006010
3
6
=???=
∴轴承满足要求;
二、深沟球轴承的验算
丝杠上所受的径向力的简图如下图2-2所示:
图 2-2 丝杠上所受的径向力的简图 图中: G 1----大齿轮的重力,很小可以不计;
F----电动机的最大静转距折算到丝杠上的力; F r1 F r2----角接触球轴承所受的径向力;
G 2----丝杠的重力;
F r3----深沟球轴承所受的径向力; 1.丝杠的转速 因为 n =
min /5.126
5
.015.010*******
r L V S
=??=
2.当量动载荷的计算
由于深沟球轴承只受到径向力
电动机的最大静转距折算到丝杠上的力F=T/r 1 ?tan20=70.6 N 丝杠的重力G 2=lg 2r ρπ=10202.014.3108.723?????=195.94 N 由于轴承所受的力很小,取 p=F r3=(F+G 2)/2=133.27 N 3. 寿命公式:
ξ
)(
6010
6
p
f C F n
L p t h =
所以轴承寿命: h L h 6
36
106.349)27
.1335.112800
1(
5.126010
?≈???=
所以寿命足够,所选用的深沟球轴承6204满足要求
第八节 齿轮的设计和校核
齿轮传动装置是转距、转速和转向的变换器。在机电一体化的进给伺服系统中,采用齿轮传动装置的主要目的有二:一、降速,将伺服电机的高速、小转距输出变成克服负载的低速、大转距;二是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在传动系统中所占比重减小,以保证传动精度。
对齿轮传动装置的总体要求是传动精度高、稳定性好、灵敏度好、响应速度快。对于开
环伺服系统,传动误差将直接影响工作精度,因此,要尽量缩短传动链的长度,消除传动间隙,以提高传动精度和传动刚度。
图2-2偏心套调整机构
1、电动机
2、偏心套
此处采用偏心套调整法来消除间隙,如图2-2所示,电动机1通过偏心套2装在壳体上,通过转动偏心套2能够方便地调整两齿轮的中心距,从而达到消除齿侧间隙的目的。该方法结构简单,传动刚度好,能传递较大的转距,但齿轮磨损后齿侧间隙不能自动补偿。
1)、选择齿轮的材料,确定许用应力
小齿轮的材料: 40Cr,调质,硬度为210-280HBS
1,计算中用260HBS
1
;
大齿轮的材料: 45钢,正火,硬度为170-210HBS
2,计算中用180HBS
2
;
小齿轮许用接触应力: [
H
σ]1=380+0.7HBS1=380+260?0.7=562Mpa;
大齿轮许用接触应力: [
H
σ]2=380+0.7HBS2=380+180?0.7=506Mpa;
小齿轮许用弯曲应力: [
F
σ]1=140+0.2HBS1=140+0.2?260=192Mpa;
大齿轮许用弯曲应力: [
F
σ]2=140+0.2HBS2=140+0.2?180=176Mpa;2)、按接触疲劳强度设计
中心距
小齿轮的转距: T 1=11760 N.mm 即电机的最大的静转距;
载荷系数: 根据工作平稳,单级直齿圆柱齿轮减速器,一般为对称布置,则取
K=1.35 齿宽系数: 根据中等载荷;对称布置,取a ?=0.4; 齿数比: 因减速传动,所以u=1.25;
许用接触应力: 选用[H σ]1和[H σ]2中的最小值,即[H σ]=506Mpa ,代入设计式 3
2
1]
[)1(48H
a u KT u a σ
?+?= 可得 a=53.9 mm ;
取模数m=2 mm 3)、配凑几何尺寸参数
小齿轮齿数 考虑到电动机的安装问题,取Z 1=48;
大齿轮齿数 Z 2=uZ 1=60; 中心距 1082
)
(21=+=
Z Z m a mm,比强度计算值大,可以; 工作齿宽 b=a ?a=0.4?108=43.2 mm ;
考虑到电动机的安装,取b=30 mm ,且取两齿轮的齿宽相等,
即3021==b b mm
4)、按弯曲疲劳强度校核:
小齿轮的复合齿形系数: 00.41=FS Y 大齿轮的复合齿形系数: 94.32=FS Y 小齿轮的弯曲疲劳强度的校核:
12
1111][05.224
483000
.41176035.122F FS F Mpa m
bZ Y KT σσ<=?????=
=
大齿轮的弯曲疲劳强度的校核: 21
21
2][7.21F FS FS F F Mpa Y Y σσσ<==
所以,大小齿轮都满足弯曲疲劳强度的要求。 5)、几何参数的计算:
小齿轮分度圆直径: d 1=mZ 1=96 mm ;
小齿轮齿顶圆直径: mm m d h d d a a 10022111=+=+=; 小齿轮齿根圆直径: mm m d h d d
f f 915.22111
=-=-=;
大齿轮分度圆直径: d 2=mZ 2=120 mm ;
大齿轮齿顶圆直径: mm m d m h d d a a 12422222=+=+=*
;
大齿轮齿根圆直径: mm m d h d d f f 1155.22222
=-=-=;
6)、确定齿轮的传动精度等级
齿轮的圆周速度:1000
601
1?=
n d v π
又 min 67.46611r n n ==电; 所以,s m v 34.2=
查《机械设计基础》表8-3可知,齿轮的精度等级:选用9级的精度;
注:齿轮弯曲疲劳强度及接触疲劳强度等的计算公式、参数均参考《机械设计基础》
(公式8-26,8-27;表8-4,8-5,8-7,8-9,8-10等)。
第三章 微机数控系统硬件电路设计
第一节
绘制系统电气控制的结构框图
根据总体方案及机械结构的控制要求,确定硬件电路的总体方案,绘制系统电气控制的结构框图。
一、数控系统的组成
数控系统是有硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础,有了硬件,软件才能有效的运行,硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。
二、机床硬件电路的组成
(1)、主控制器,即中央处理单元(CPU ); (2)、总线,包括数据总线、地址总线和控制总线; (3)、存储器,包括程序存储器和数据存储器; (4)、接口,即I/O 输入/输出接口电路;
(5)、外围设备,如键盘、显示器、及光电输入机等,见图3-1。
图 3-1 机床数控系统硬件电路框图(开环系统)
第二节 CPU 和存储器
一、 中央处理器CPU
CPU 采用80C31芯片,由于80C31芯片内无程序存储器,需要有外部程序存储器的支持,故扩展了16KB 程序存储器,由两片2764组成,同时80C31内部只有128B 的数据存储器,也远不能满足控制系统的要求,故又扩展16KB 的数据存储器,有两片6264组成。
80C31的P 0口是低8位地址/数据总线分时复用口,P 2口传送高8位地址,故要采用74LS373(1)地址锁存器,锁存低8位地址。ALE 作为选通信号,且接到74LS373(1)的LE 端,即利用ALE 进行锁存控制,在ALE 脉冲的下将沿可使8个输入端的信号锁到8个对应的输出引脚上,即对低8位地址进行锁存。这样P 0口就可以用来传送读写的数据了。
80C31芯片的P 2口和和74LS373(1)送出的P 0口芯片组成16位地址线,而2764和6264芯片都是8KB ,需13根地址线。70A A -低8位地址接74LS373(1)的8位输入,128A A -接80C31芯片的4.20.2P P -。
二、存储器ROM/RAM
系统采用全地址译码,两片2764芯片片选信号CS 分别接74LS138译码器的10Y Y 和,系统复位以后程序从0000H 开始执行。
两片6264芯片的片选信号1CS 分别接译码器的43Y Y 和。80C31芯片控制信号PSEN 接
2764的OE 引脚,读写控制信号WR 和RD 分别接6264芯片的WR 和OE ,以实现外部数据存储器的读写。
由于80C31芯片片内无ROM ,故要始终选外部程序存储器,所以EA 引脚必须接地。
第三节 I/O 接口电路
一、I/O 接口电路的扩展
由于80C31只有P 1和P 3口部分能提供给用户作为I/O 口使用,不能满足输入输出的饿要求,因此系统扩展了一片8279和两片8255可编程I/O 接口芯片。8279的片选信号接74LS138(1)的2Y 端。8255的片选信号分别接译码器的65Y Y 和端。74LS138(1)有三个输入A 、B 、C 分别接到80C31的7.26.25.2P P P 、、,输出70Y Y -8个输出,低电平有效。
二、I/O 接口芯片与外设的连接
8279构成的键盘、显示器接口电路。
由于采用编码扫描,且有40个键,所以8279的SL 3-SL 13根扫描线送给74LS138(2)译码器,得到8根列扫描线,组成距阵键盘时,全部使用;行回归线不必扩展,直接使用8279的RL 3-RL 0中的4根,但要接上拉电阻。组成的键盘为84?距阵,共有32按键,键值的计算如下:
D 7 D 6 D 5 D 4 D 3 D 2 D 1 D 0
其中:CNTL=SHIFT=0(已接地);NNN 表示行的位置,它的值等于74LS138(2)输出i Y =0时的标号,即NNN=i (写成二进制);KKK 表示列的位置,它的值等于j RL =0时的标号j ,即KKK=j (写成二进制)。
8279的显示是采用8段LED 和16段LED 的混合显示电路设计,显示器有一个“米”字管(16段的LED )和7个8 段的LED 数码管组成。8279的显示数据输出OUTA3-OUTA0、OUTB3-OUTB0上,并接了两路8位数据锁存器74LS373,因74LS373的驱动能力不足,所以在LED 数码管之前加上了两片74LS240进行驱动。8279的扫描线0SL 控制了两片74LS240的触发端LE ,扫描线SL 1-SL 3接“3-8”译码器的输入端,译码后的输出Y 0-Y 4作为数码管com 的选择线。第一个“米”有Y 0来选择,中间的6个数码管,每两个共用一根片选线(Y 0-Y 3),最后一个数码管由Y 4来选择。
三、8255的I/O 口
8255(1)的A P 口用于控制X 向的步进电机的运转,此系统采用硬环分配,B P 和C P 口主要用于功能键的控制。70B B P P -为三个方向的点动、起动及回零的输入。70C C P P -为控制面板上的选择开关。设有编辑、单步运行、自动、手动1、手动2、单段运行等方式。 8255(2)要用A P 口来控制Y 向和Z 向步进电机的运转,也采用硬环分配。
四、I/O 接口地址译码方式
本次设计扩展了少量的RAM 和I/O 接口芯片,所以采用线选法。所谓线选法就是把单独
的地址线接到外围芯片的片选端上,只要该地址线为低电平,就可选中该芯片。
以下给出本次设计中的外围芯片的译码地址:
第四节 各种芯片的工作方式及性能特点介绍
一、80C31单片机芯片的介绍
MCS-51系列单片机是美国Intel 公司在MCS-48系列单片机基础上推出的产品,主要有三种型号的产品:8031、8051、和8751。而8031片内无ROM ,用时要扩展ROM ,可在现场修改和更新程序存储器的应用场合,其价格低,使用灵活。
(一)、80C31单片机的特点
具有很强的8位中央处理单元;片内具有128字节的RAM ;可扩展64KB 的外部数据存储器和程序存储器;具有4个I/O 口,32根I/O 口线;具有5个中断源,配备两个中断优先级;具有21个特殊功能寄存器;具有位寻址能力,使用逻辑运算;具有两个16位定时/计数器。
(二)、80C31芯片的引脚图如下图3-2所示: 40个引脚按其功能分为如下四种: 1、 电源线2根(ss cc V V 、); 2、 晶体震荡器2根
XTAL 1:震荡器的反向放大器的输入,使用外部震荡器时必须接地; 3、I/O 口 (1)、P 0口:该口是低8位地址和数据分时复用口; (2)、P 1口:专供用户使用; (3)、P 2口:在访问外部存储器时,它输出高8位地址;
(4)、P 3口:该口的每一位均可独立的定为第一I/O 口或第二I/O 口功能;第二功能如下
表3-1所示:
图3-280C31芯片的引脚图4、控制线