【正文】 第 5 頁(yè) 共 49 頁(yè) 2 機(jī)械系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì) 2． 1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的改造 普通車床進(jìn)行數(shù)控化改造時(shí) ，為了減少工作量一般保留原有的主傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和變速操縱機(jī)構(gòu)。具有轉(zhuǎn)位快，定位精度高，切向扭矩大的優(yōu)點(diǎn)。 表 21 LD46163電動(dòng)刀架相關(guān)參數(shù) 型號(hào) 換 刀時(shí)間（ s） 最大許用力矩 (N178。本設(shè)計(jì)選用 1200 線 主軸脈沖發(fā)生器，采用同軸安裝方式并采用 波紋管與主軸 柔性連接 ，該連接方式在實(shí)現(xiàn)角位移傳遞的同時(shí)，能夠吸收車床的部分振動(dòng)，從而使脈沖發(fā)生器平穩(wěn)轉(zhuǎn)動(dòng)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 7 頁(yè) 共 49 頁(yè) 3 縱向 進(jìn)給傳動(dòng)部件的計(jì)算和選型 3． 1 切削力的計(jì)算 切削力 是指在切屑過(guò)程中產(chǎn)生的作用在工 件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力 ，或 通俗的講 是 在切削加工時(shí)，工件材料抵抗刀具切削時(shí)產(chǎn) 生的阻力。 則 )( kWP c ???? Fz Fx Fy 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 8 頁(yè) 共 49 頁(yè) 切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力和最大切削速度來(lái)計(jì)算，即 31060 ??? vFP Zc，式中切削速度 v 取 100 min/m ,則主切削力 ： 31060 ??vPF cz= 310 ??=5088 )(N 根據(jù) 經(jīng)驗(yàn)公式 zF : yF : xF =1::，計(jì)算出： yF =5088179。螺母上設(shè)有返向器，與螺紋滾道構(gòu)成滾珠的循環(huán)通道。一般在初步設(shè)計(jì)時(shí)設(shè)定絲杠的任意 300mm行程變動(dòng)量 30V 應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)定定 位精度 值 的 1/3～ 1/2,在最后精度驗(yàn)算中確定。 3． 2． 3 最大工作載荷的計(jì)算 最大工作載荷 mF 是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)所承受的最大 軸向力，也叫進(jìn)給牽引力 ,其實(shí)驗(yàn)計(jì)算公式如表 31所示。（ 5088+1500） = )(N 3． 2． 4 最大動(dòng)載荷的計(jì)算 載荷隨時(shí)間急劇變化且使構(gòu)件的速度有顯著變化（系統(tǒng)產(chǎn)生慣性力），此類載荷為動(dòng)載荷。取 滾珠絲杠使用壽命 hT 15000? ，帶入 610/60nTL ? 得 L =90；取 ?wf ， 1?hf 代入mhwQ FffLF 3? ，求得 ： QF =17390N。 考慮到縱向絲杠 長(zhǎng)度較大， 本設(shè)計(jì)縱 向 絲杠采 用雙推 — 簡(jiǎn)支支承方式， 該方式臨界轉(zhuǎn)速、壓 桿穩(wěn)定性高，有熱膨脹的余地。軸 向變形主要包括絲杠的拉伸或壓縮變形 1? 、絲杠與螺母間滾道的接觸變形 2? 、 支承 滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形 3? 。 m? 查表 33 可知， m?? 361 ,所以剛度足夠。 3． 3 同步帶 減速機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 同步帶 也叫同步齒形帶， 它 綜合了帶傳動(dòng)、鏈條傳動(dòng)以及齒輪傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)，主要用在驅(qū)動(dòng)帶輪與被動(dòng)帶輪之間要求有固定傳動(dòng)比的情況 。 3． 3． 1 傳動(dòng)比的確定 由2121 ????nni 和phP ??2360 ?? 可得：phPi ?? ??3601 式中：1?— 電機(jī)編碼器分辨率，單位 為 度 /脈沖； 2? — 絲杠分辨率，單位 為 度 /脈沖 ； hP — 絲杠導(dǎo)程， 其值為 8mm ； p? — 脈沖當(dāng)量，本設(shè)計(jì)中 Z軸 為 /脈沖 。 （ 2） 快速啟動(dòng)時(shí)的 最大 傳遞 功率估算： m a x)( VfFFP yjfcan ???? 式中： caF — 移動(dòng)部件 （ 僅 包括絲杠 折算 ， 而 忽略的從動(dòng)輪、軸承等由 增大 系數(shù) aK 來(lái) 補(bǔ)償 ） 加速時(shí)所受的合力 即慣性力 ，0m a x2 ])2([ tVJPgGF chca ????= )(N 該式中絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 ???? ? LDJ c )( 2cmkg? ， D為絲杠 的公稱直徑， L為絲杠 的長(zhǎng)度， 單位為 cm ， maxV 換算 為 sm/ ， 0t 為 ， hP 換算為 ； fF — 移動(dòng)部件 與 綜合 導(dǎo)軌的滑動(dòng)摩擦力， GFf ?? =270 )(N 。 當(dāng)主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速 m i n)/(150060 m a xm a x rP Vin h ????時(shí)，同步帶 的 線 速 度為 ： )/( m a x1 smndv ?????? ? ， 遠(yuǎn)小 于 XL 型帶的極限速度 sm/40 ，所以滿足要求。 實(shí)際中心距 )( mmLLaa pr ??????。當(dāng) mz 不滿足要求時(shí)，可以增大 ra 或 1d 不變時(shí)減小節(jié)距 p 。 經(jīng)計(jì)算得出： ?rb mm 。 2= )(N xF? =247。 maxjV? — 橫向最大工進(jìn)速度，該 設(shè)計(jì) 值為 min/ m ； n? — 橫向最大工進(jìn)速度對(duì)應(yīng)絲杠的轉(zhuǎn)度，單位 min/r 。 4． 2． 5 傳動(dòng)效率的計(jì)算 ?? =)tan(tan ????? ? 式中： ?? — 螺距升角，根據(jù)0 Ptan d????? ,可得 ?? =2176。 )(mm =177。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 21 頁(yè) 共 49 頁(yè) 4． 2． 8 臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)證 722m a x 10???????? kccr adfKnn 式中： nkf — 絲杠支承系數(shù)， 單 推 單推 方式時(shí)， 由 表 35可得該值為 ； ca? — 臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度，單位為 mm ，本設(shè)計(jì)中該值 約 為 720mm ； 2d? — 絲杠內(nèi)徑，單位 mm ； cK — 安全系數(shù)，可取 cK = 經(jīng)過(guò)計(jì)算，得出 crn? = 5321 min/r ，由已知 min/4max mV ?? ， mmPh 5?? 可以算出 min/800m ax rn ?? ，該值小于絲杠臨界轉(zhuǎn)速，所以滿足要求。 計(jì)算得出： )( ??????nP )(W 因?yàn)?nmPP ??? ，所以 帶的設(shè)計(jì)功率 WWPKP nad ?????? (根據(jù)一般 數(shù)控機(jī)床情況以及相關(guān)參數(shù)的補(bǔ)償，系數(shù) aK 取 ) 4． 3． 3 選擇帶型和節(jié)距 根據(jù)帶的傳遞功率 dP? ，查表 34選擇同步帶，型號(hào)為 XL型，節(jié)距 mmp ? 。則帶的 節(jié)線長(zhǎng)度 )(4 )()(22 22121 mmaddddaL ?? ??????????? ?。 200 80 170 85 180 225 90 4． 3． 6 校驗(yàn)帶與小帶輪的嚙合齒數(shù) 嚙合齒數(shù) )](22[ 122 11 zzazpze ntz rm ????????? ? ，式中 )(xent 為取整函數(shù)。 經(jīng)過(guò)計(jì)算得出： WP ?? 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 24 頁(yè) 共 49 頁(yè) 4． 3． 8 確定實(shí)際同步帶寬度 實(shí)際所需同步帶寬度 rb? 的計(jì)算公式如下： 0 )( PKPbbzdr ???? 式中： b — 選定型號(hào)的基準(zhǔn)寬度， XL 型其值為 ； zK — 小帶輪嚙合系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)，當(dāng) 6?mz 時(shí)，其值為 1。 經(jīng)計(jì)算得出： WPWP dr 202115 ????? ,所以滿足要求。隨著永磁材料和工藝的發(fā)展，已將直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁部分用永磁材料代替，產(chǎn)生永磁直流電動(dòng)機(jī)，這種電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，用電量少，所以目前在中小功率范圍內(nèi)運(yùn)用廣泛。 電 動(dòng) 機(jī)的驅(qū)動(dòng) 離不開(kāi)半導(dǎo)體功率器件 ， 在對(duì)直流電機(jī)電樞電壓的控制和驅(qū)動(dòng)中，對(duì)半導(dǎo)體功率器件的使用上又可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)和開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng) ，由于前者在工作時(shí)有大量功率消耗在元器件上，致使效率很低，因此絕大多數(shù)直流電機(jī)采用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式 ， 該方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào) 制來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 5． 2 橫向直流 電 動(dòng) 機(jī)的計(jì)算與選型 5． 2． 1 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算 折合到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量如下： ])2(/[1232210hzzPgGJJiJJJ ????????????? ? 式中： 0J? — 電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為 2cmkg? ，本設(shè)計(jì)初選值為 20 2cmkg? ； 1zJ? 、 2zJ? — 同步帶帶輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，單位為 2cmkg? ； 214141 2 5 cmkgLDJ zzz ???????? ? 224242 8 7 cmkgLDJ zzz ???????? ? 1zD? 、 2zL? 分別為帶輪的 外 徑和寬度，單位為 cm ； 3J? — 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，其值為 2cmkg? ； hP? — 絲杠導(dǎo)程，其值換算為 ； g — 重力加速度，取 2/sm 。光電隔離 在強(qiáng) 弱電接口 、 特別是在微機(jī)系統(tǒng)的前向和后向通道中獲得廣 泛應(yīng)用。 現(xiàn)以 5V電源供電，計(jì)算光電 耦合器的輸入 端 電阻 1R 和 輸出端 電阻 2R 。 單極性驅(qū)動(dòng)又分 T型和 H型，以 H型應(yīng)用最多。 （ 2） 相關(guān)設(shè)計(jì)與選用 根據(jù)第 5 章第 2節(jié)內(nèi)容可知， 選用的直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)為： 縱軸 電動(dòng)機(jī)：額定電壓為 90V，超載峰值電流為 ； 橫軸電動(dòng)機(jī)：額定電壓為 90V，超載峰值電流為 。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 32 頁(yè) 共 49 頁(yè) 圖 51 縱向 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖 52 橫向 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 第 33 頁(yè) 共 49 頁(yè) 6 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的 “ 大腦 ”， 其設(shè)計(jì) 也是普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造的核心 工程 ， 對(duì)機(jī)床而言，數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)對(duì)輸入的加工程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算后，輸出控制 信號(hào)，控制主軸、進(jìn)給軸和其他輔助裝置正確、及時(shí)和可靠地執(zhí)行加工程序所規(guī)定的任務(wù)，同時(shí)接受從機(jī)床反饋來(lái)的各種信息，對(duì)機(jī)床控制進(jìn)行調(diào)整 。位置控制的實(shí)質(zhì)就是位置負(fù)反饋，即指令位置和實(shí)際位置進(jìn)行比較，用位置偏差進(jìn)行控制；插 補(bǔ)運(yùn)算就是根據(jù)加工程序所確定的坐標(biāo)點(diǎn)，通過(guò)一定的運(yùn)算法則實(shí)時(shí)獲得位置指令；刀具補(bǔ)償 就是要解決編程軌跡和刀具中心不相符的矛盾。根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求，本設(shè)計(jì)將采用 較 經(jīng)濟(jì)的單微處理器數(shù)控結(jié)構(gòu)，對(duì)于 一般切削加工而言，其速度和精度已 能滿足實(shí)際要求。 MSP430 具有集成度高，外圍設(shè)備豐富，超低功耗等優(yōu)點(diǎn)。 （ 2） MSP430 的擴(kuò)展 MSP430F149 擁有 6 個(gè) 8 位并行接口 且 2個(gè) 8位端口 （ P P2） 有中斷能力 ，完全可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所有信號(hào)的輸入、輸出， 無(wú)需 硬件擴(kuò)展。為了解決動(dòng)態(tài)顯示中存在的問(wèn)題， Intel 公司研制出了專用的鍵盤、顯示器接口電路芯片 8279， 該芯片 采用單 177。 （ 2）各 引腳 功能與 連接 由于本設(shè)計(jì)為兩軸聯(lián)動(dòng)，需同時(shí)顯示 Z方向和 X方向的位置信息，所以 8279要能夠控制 16 個(gè) LED數(shù)碼管 輸出。 8279內(nèi)部有兩個(gè)緩沖區(qū)，即一個(gè) 8 字節(jié)的 FIFO（ First In First Out）鍵盤 RAM 和一個(gè) 16 字節(jié)的顯示 RAM，顯示數(shù)據(jù)時(shí)只要將待顯示數(shù)據(jù)的段碼寫入顯示 RAM 即可；當(dāng)有鍵閉合時(shí)， 8279 會(huì)自動(dòng)執(zhí)行去抖、得到鍵值、等待按鍵釋放等操作，最后將鍵值存入 FIFO RAM 中，程序只需從 FIFO 中讀取鍵值即可 。 圖 62 8279與單片機(jī) MSP430的連接 (3)7407 驅(qū)動(dòng) 電路 以及 上拉電阻的計(jì)算 由于 7407 為 OC門正相高壓驅(qū)動(dòng)器，所以需要上拉電阻。 （ 1） LM629 專用運(yùn)動(dòng)控制處理器 LM629 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的產(chǎn)品，它是全數(shù)字式控制的運(yùn)動(dòng)處理器。 （ 2）各 引腳 功能與 連接 LM629 的 8 位數(shù)據(jù)口與系統(tǒng)總線連接，用單片機(jī)來(lái)傳送數(shù)據(jù)或控制指令。 LM629 的 2個(gè)輸出 PWMS和 PWMM 經(jīng)光電隔離后與電機(jī)驅(qū)動(dòng)橋相連，來(lái)使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，與此同時(shí)，安裝在電機(jī)軸端的增量光電編碼器進(jìn)行角位移檢測(cè)，其輸出連接到 LM629 的 A、 B、 IN 輸入口，形成反饋環(huán)節(jié)?？?(多為 RS485)進(jìn)行控制。而對(duì)于模擬量輸入控制方式，則幾乎在所有的變頻器中都能支持，雖然在功能上比較單一，但可實(shí)現(xiàn)調(diào)速的主要功能，能滿足多數(shù)場(chǎng)合的使用要求，具有