【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)作為伺服驅(qū)動元件，步進(jìn)電機(jī)達(dá)不到功率要求。例如， 200BF001 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，最大靜轉(zhuǎn)距 運(yùn)行頻率為 11000step/s，步距角為 1/6 度，若取最高頻率下的工作扭距為靜扭距的 1/4，則高速下的功率 為 )(1 3 4 )( 3 41 8 061 1 0 0 ??????? ? 因此，如果選用步進(jìn)電機(jī)，必須相應(yīng)的降低機(jī)床的某些性能，主要是快速性，另一方面由于步進(jìn)電機(jī)在低速工作時有明顯的沖動，易自激震蕩，而且激震頻率很可能落如洗削加工所用的進(jìn)給速度范圍內(nèi)，這對加工極為不利，造成工件超差。此外，由于步進(jìn)電機(jī)沒有過載能力，高速時扭距下降很多，容易丟步，大功率步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動較困難等，選用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動是不合適的。 若采用直流或交流伺服電機(jī)的閉環(huán)控制方案，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度較大，調(diào)試和維修困難很多，造價也高，閉環(huán)控制可達(dá)到很好的機(jī)床精 度，能補(bǔ)償機(jī)械傳動系統(tǒng)中的各種誤差，消除間隙，干擾等對加工精度的影響，一般用于要求高的數(shù)控設(shè)備中，由于所改造的數(shù)控銑床工件的加工精度不十分高， 7 采用閉環(huán)系統(tǒng)的必要性不大。 若直流或交流伺服電機(jī)的半閉環(huán)控制，其性能介于開環(huán)和閉環(huán)控制之間，由于調(diào)速范圍寬，過載能力強(qiáng)，又采用反饋控制，因此性能遠(yuǎn)優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)的開環(huán)控制；反饋環(huán)節(jié)不包括大部分機(jī)械元件，調(diào)試比閉環(huán)簡單，系統(tǒng)的穩(wěn)定性較易保證，所以閉環(huán)容易實現(xiàn)。但是采用閉環(huán)控制，調(diào)試要比開環(huán)控制的步進(jìn)電機(jī)要困難些設(shè)計上也有自身的特點(diǎn)。在直流和交流伺服電機(jī)之間進(jìn)行比較 時，交流調(diào)速逐漸擴(kuò)大了其使用范圍，似乎有取代直流伺服電機(jī)的優(yōu)勢。但交流伺服的控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)難度高，普及不廣，而且價格高，直流伺服電機(jī)原理接近于直流電機(jī)，控制系統(tǒng)技術(shù)也較成熟，普及廣。 控制部分的設(shè)計 要能控制三個坐標(biāo)軸的運(yùn)動，根據(jù)工件加工要求，至少要控制兩軸聯(lián)動完成圓弧插補(bǔ)，為了在加工中使用不同尺寸的刀具，數(shù)控裝置應(yīng)具有刀具的半徑和長度的補(bǔ)償功能，以便數(shù)控加工中按輪廓編制程序而能適應(yīng)刀具尺寸的變化。 綜上所述 整個改造方案如下圖所示 8 第 3 章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 數(shù)控系統(tǒng)基本硬 件組成 任何一個數(shù)控系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成。硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞，直接影響整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效地運(yùn)行機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成。 (1)中央處理單元 CPU (2)總線。包括數(shù)據(jù)總線（ DB）、地址總線（ AB）和控制總線（ CB）。 (3)存貯器。包括只讀可編程存貯器和隨機(jī)讀寫存貯器。 (4)I/O 輸入 /輸出接口電路。 其中 CPU 是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路直協(xié)調(diào)工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用程序和運(yùn)行中所需要的各種數(shù)據(jù) 。 I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁?？偩€則是 CPU與存貯器、 31 數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖I/O接口CPU外設(shè)存儲器RAMROM控制信號信號變換接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是 CPU與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。數(shù)控系統(tǒng)硬件框圖如 3— 1所示。 由于 MCS— 51系列單片機(jī)在我國機(jī)床數(shù)控改造方面應(yīng)用較普遍，其配套芯片價廉，普及性、通用性強(qiáng)，制造和維修方便，完全能夠滿足經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床改造的需要。 C6140數(shù)控改造以 8031CPU 組成的單板機(jī)為數(shù)控控制系統(tǒng)。也可直接購買國內(nèi)較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品做為數(shù)控裝置，如南京 大方數(shù)控設(shè)備公司生產(chǎn)的 JWK系列數(shù)控產(chǎn)品。 單板機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計 9 1. 硬件配置 存貯器選用 1片 4K 8的 2732EPROM 和 1 片 8K 8 位的 6234RAM。監(jiān)控程序固化在 2732EPROM 內(nèi)，各功能模塊程序及常用零件的的加工存放在2732EPROM內(nèi)。 1片 6234RAM做為調(diào)試程序存放和運(yùn)行程序的中間數(shù)據(jù)存放用。 I/O 接口芯片選用 8155 可編程 I/O 擴(kuò)展接口，它的 A口做為 X、 Y進(jìn)給系統(tǒng)步進(jìn)脈沖的輸出口，其中 PA0~PA2為 X向的輸出口， PA3~PA5為 Y向輸出口。B口為為位控方式，其中 PB4~PB7為 Y、 +Y、 X、 +X的行程越位信號輸入。顯示由 8 位 LED 構(gòu)成，具有 24 鍵的鍵盤。 2. 存貯器空間分配 單板機(jī)可尋址范圍是 64K字節(jié)，板上提供的插座占 16K，已插入的芯片占 10K，其余以備擴(kuò)展使用。其存貯空間分配如下。 0000H~07FFH 2KB EPROM 放監(jiān)控程序 0800H~0FFFH 2KB EPROM 放零件加工程序 1000H~17FFH 2KB RAM 調(diào)試 程序 2020H~27FFH 2KB RAM 測試程序等 3. I/O 口地址分配 單板機(jī)設(shè)置 I/O 口地址為 80~9FH共 32個口地址，分配如下。 80H~83H MCS— 51 8031 84H~87H 字形鎖存 88H~8BH 字位鎖存 8CH~8FH 讀鍵值 90H~9FH 用戶使用 4. 光電隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中 ，脈沖信號經(jīng)功率放大器后控制步進(jìn)電機(jī)勵磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高，電流較大，如果將輸出信號與功率放大器直接相聯(lián)，將會引起強(qiáng)電干擾。輕則影響計算機(jī)程序的正常工作，重則導(dǎo)致計算機(jī)和接口電路損壞。所以一般在接口電路功率放大器之間都要接上隔離電路。 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計 MCS51單片機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，可以用軟件來代替可變頻率脈沖源和環(huán)形分配器等硬件，對步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行控制。用軟件完成環(huán)形分配的優(yōu)點(diǎn)是線路簡單，成本低，可以靈活的改變步進(jìn)電機(jī)的控制方案，驅(qū)動功 10 率放大功能仍由硬件完成。環(huán)形分 配器邏輯序列的產(chǎn)生可用循環(huán)移動和查表法實現(xiàn)，本次數(shù)控改造采用 JBF 系列三相六拍步進(jìn)電動機(jī)，因此，脈沖分配采用三相六拍分配方式。 以 X 向步進(jìn)電機(jī)為例，其環(huán)形分配器的輸出狀態(tài)表如下： 環(huán)形分配器的輸出狀態(tài) 節(jié)拍序號 地址 代碼 C相 B 相 A 相 通電順序 0 0700H 01H 0 0 1 001 1 0701H 03H 0 1 1 011 2 0702H 02H 0 1 0 010 3 0703H 06H 1 1 0 110 4 0704H 04H 1 0 0 100 5 0705H 05H 1 0 1 101 將上述步進(jìn)電機(jī)所需的環(huán)形分配器輸出狀態(tài)表存入 EPROM 中，根據(jù)加工程序的需要，依次取出表地址至 PA口，驅(qū)動 X 向步進(jìn)電機(jī)。按以上順序進(jìn)行通電，電機(jī)正傳，反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。 X 向電機(jī)與 X 向相同，其脈沖輸出狀態(tài)表略。 控制步進(jìn)電機(jī)的速度，實際上是改變輸出狀態(tài)碼之間的間隔時間，通過調(diào)用軟件延時子程序，或者用微機(jī)定時器，通過設(shè)定時間常數(shù)加以控制，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出不同頻率的時鐘脈沖，實現(xiàn)不同的電機(jī)轉(zhuǎn)速。本系統(tǒng)，采取調(diào)用軟件延時子程序的方法。 在數(shù)控系 統(tǒng)中，專門將一些寄存器作為步進(jìn)電機(jī)的控制寄存器?？刂谱諪CW 用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動，通過控制寄存器中的狀態(tài)，使步進(jìn)電機(jī)按確定的運(yùn)行方式工作。在 FCW 控制字中，對步進(jìn)電機(jī)的方向控制位，轉(zhuǎn)動控制位以及停止控制位。分別進(jìn)行定義。 FCW 中各個控制位含義如下： D7,D6,D5,D4,D3,D2,D1,D0，且 D0X 向轉(zhuǎn)?？刂莆唬?1轉(zhuǎn)動； 0停止）； D1X向方向位（ 1正轉(zhuǎn)； 0反轉(zhuǎn)）； D2Y向轉(zhuǎn)?？刂莆唬?1轉(zhuǎn)動； 0停止）； D3Y向方向位（ 1正轉(zhuǎn)； 0反轉(zhuǎn)）。 11 第 4 章 機(jī)械部分改造與計算 原始數(shù) 據(jù)分析 1. 原 XA5032銑床的數(shù)據(jù)進(jìn)給電機(jī) ， 1400r/min，最大水平拖動力1500kg=1500N，進(jìn)給最大速度縱、橫向 ，工件最大重量，500Kg=5000N，機(jī)動范圍 縱向 680mm、橫向 240mm 2. 工藝數(shù)據(jù) 工件加工余糧：最大銑削寬度 7mm，最大銑削深度 40mm。 刀具數(shù)據(jù)：高速鋼圓柱銑刀，直徑 32? 40? mm，斜刀齒數(shù) 34。 工藝數(shù)據(jù)：主 軸轉(zhuǎn)速 150190r/min，走刀速度 4060mm/min，每齒切厚為 ，取 計算。 3. 機(jī)床進(jìn)給部件重量估計 軸向（ X軸）工作臺，長 ，約重 220kg=2200N 縱向（ Z軸）工作臺約為 450kg=4500N 為防止升降臺自行下劃，原機(jī)床設(shè)置有單向超越離合器及摩擦片制動器，而且為了保證工件可靠，將摩擦阻力調(diào)到略大于升降臺的重力，在數(shù)控改造后仍要保留此功能，這樣在實際運(yùn)動時下降的阻力最大，按 12KN 計算。 滾珠絲杠螺母副的選用設(shè)計（ X 向） 銑床工作臺的進(jìn)給運(yùn)動，由進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動，然后帶動銑床絲杠傳動。在數(shù)控銑床上的絲杠傳動，可以用普通的絲杠傳動，也還有應(yīng)用滾珠絲杠來轉(zhuǎn)動。原因是普通絲杠傳動摩擦系數(shù)大，效率低，傳動中有間隙。雖然傳動中的間隙可以用一些辦法來補(bǔ)償，修正，但總是不太穩(wěn)定。 所以，在數(shù)控銑床上要采用滾珠絲杠傳動。滾珠絲杠傳動有一系列的優(yōu)點(diǎn)，但制造工藝較為復(fù)雜，成本高，在某些應(yīng)用上受到一定的限制，但隨著數(shù)控機(jī)床的發(fā)展，它的使用將會更加廣泛。 滾珠絲杠傳動都使用防護(hù)罩，以防止空氣中的塵土和其它雜物等進(jìn)入。 滾珠絲杠和 滾珠螺母組成滾珠絲杠螺母副，它是把步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動－角位移，變換成數(shù)控車床工作臺的的直線位移。 滾珠絲杠螺母副，也簡稱為滾珠絲杠副，是一種新的傳動機(jī)構(gòu)，它是在絲杠和螺母的螺旋槽之間裝有滾珠，以此作為中間元件的一種傳動機(jī)構(gòu)。 12 滾珠絲杠副的傳動原理 絲杠和螺母上都有圓弧形的螺旋槽 ,這兩個圓弧形的螺旋槽對合起來就形成螺旋線的滾道 ,在滾道內(nèi)裝有許多滾珠 .當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時 ,滾珠相對于螺母上的滾道滾動 ,因此絲杠與螺母之間滾道的摩擦為滾動摩擦 .為防止?jié)L珠從螺母中吊出來 ,在螺母的螺旋槽兩端應(yīng)用擋住器擋住 ,并設(shè)有 回路滾道是他的兩端連接起來 .使?jié)L珠從滾道的一端滾出后 ,沿著這個回路滾道從新返回到滾道的另一端 ,可以循環(huán)進(jìn)行不斷地滾動 . 滾珠絲杠副的傳動特點(diǎn) 滾珠絲杠副的優(yōu)點(diǎn)是 :傳動效率高 ,因為它是滾動摩擦 ,傳動效率可達(dá),比普通的絲杠傳動提高 34倍 .由此帶來了一系列的優(yōu)點(diǎn) ,如功率損耗小 ,傳動平穩(wěn) ,磨損小 ,無爬行現(xiàn)象等等 .除此而外還有兩個特點(diǎn) ,一是 :一般的絲杠傳動總是有間隙 ,而滾珠絲杠可以消除間隙 ,所以當(dāng)絲杠轉(zhuǎn)動反向時 ,可以沒有空程 ,提高了反向的定位精度 ,也增強(qiáng)了傳動剛度 .二是 :一般的絲杠傳動 只能使旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動 ,而滾小 ,所以既能把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動 ,也可以從直線運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)槁菪\(yùn)動 ,珠絲杠副由于傳動的摩擦系數(shù)具有傳動的可逆性 ,因此可以作為主動件 ,也可以作為從動件 . 它也有缺點(diǎn) ,主要是元件的精度要求高 ,光潔度要求也高 ,所以制造工藝很復(fù)雜 ,成本也高 .對于絲杠和螺母上的螺旋槽 ,一般要求磨削成型 ,因而制造困難 ,也限制了使用 . 又由于傳動的可逆性 ,所以不能自鎖 ,當(dāng)應(yīng)用在垂直傳動裝置時 ,由于自重和慣性的關(guān)系 ,在下降過程中不能立刻停止 ,因此還需要備有制動裝置 . 滾珠絲杠副的結(jié)構(gòu)與調(diào)整 滾 珠絲杠副的結(jié)構(gòu)盡管在形式上有很多類型，但其主要區(qū)別是在螺紋滾道的型面形狀，滾珠循環(huán)的方式，軸向間隙的調(diào)整和加預(yù)緊力的方法等三個方面。 (1)螺紋滾道型面的形狀 螺紋滾道型面的形狀有很多種，目前國內(nèi)正式投產(chǎn)的，僅有單圓弧型面和雙圓弧型面兩種，如圖 4－ 1所示。滾珠與滾道型面接觸點(diǎn)法線與絲杠軸線的垂線之間的夾角，稱為接觸角（ ? ）。 13 （ a） (b) 圖 4－ 1 滾珠絲杠副螺紋滾道型面的截形 （ a）單圓??； （ b）雙圓弧 （ 2） 單 圓弧型面 一般滾道的圓弧半徑要比滾柱的半徑稍大一些。對于單圓弧型面的螺紋滾道，接觸角是隨著軸向負(fù)載大小而變化的，當(dāng)軸向負(fù)載為零時，接觸角也為零；當(dāng)負(fù)載逐漸增大，接觸角也逐漸增大。實驗證明：當(dāng)接觸角增大時，傳動效率，軸向剛度，承載能力都隨之增大。 （ 3）雙圓弧型面 雙圓弧型面螺紋滾道的接觸角是不變的。在偏心距（ e）決定后，滾珠與滾道的圓弧角接處，會有很小的空隙。這些空隙雖然能容納一些臟