【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 環(huán)系統(tǒng)的良好的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，因此它的難度也隨之提高。由于本設(shè)計(jì)是在普通沖床的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造，故采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)控制。其系統(tǒng)框圖如下：MCS518051步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器X 方向工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī) Y 方向工作臺(tái)步進(jìn)電機(jī)圖 21 驅(qū)動(dòng)部分框圖 普通沖床數(shù)控改造的方案設(shè)計(jì)要求將普通沖床改造成數(shù)控沖床機(jī)械部分的設(shè)計(jì)參數(shù)如下：表 21 沖床改造機(jī)械部分設(shè)計(jì)參數(shù)X、Y的直線移動(dòng)速度 20m/min定位精度 177。最大沖孔板厚 2mm最大沖切力 300KN最大加工板材尺寸 1250 1000mm?7 / 43第三章 進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算本次設(shè)計(jì)將普通沖床改造成數(shù)控沖床，在原沖床床身的基礎(chǔ)上，將原有工作臺(tái)改造成含有 X、Y 方向的工作臺(tái)。沖床數(shù)控化改造機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括: 滾珠絲杠副的選型與計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)的選擇。改造后的機(jī)械圖如下： 23451步進(jìn)電機(jī) 2聯(lián)軸套 3角接觸球軸承 4滾珠絲杠副 5密封氈圖 31 工作臺(tái)機(jī)械圖 工作臺(tái)重量的估算取工件的材料為 號(hào)鋼，其密度為 ，取 ，根據(jù)沖453/?kgN/?床參數(shù)尺寸可得工件的重量為： (31)gvmG . 31 ???? ??設(shè)夾具和工件的重量和為 NG1設(shè)工作臺(tái)的重量 23 電機(jī)轉(zhuǎn)速的確定根據(jù)沖床的加工要求，在本設(shè)計(jì)中選取 1500 為進(jìn)給系統(tǒng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。/minr8 / 43 滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算與選擇 確定滾珠絲杠的導(dǎo)程根據(jù)公式 （33max10??nivPh2） 式中 ——滾珠絲杠副的導(dǎo)程，單位為 ；hP——電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速, 單位為 ，根據(jù)所選電機(jī)轉(zhuǎn)速為maxn /minr1500 ；/ir——工作臺(tái)移動(dòng)的最高速度，單位為 ，由參數(shù)可得， =20axv /imaxv；/in ——傳動(dòng)比 ，因電機(jī)與絲杠直接連接，故 =1。i將以上已知數(shù)據(jù)代入式 32 可得=3max10??nivPh 1352? 確定脈沖當(dāng)量選取三相步進(jìn)電機(jī)，三相步進(jìn)電機(jī)的步距角一般為 或者 ，選取步進(jìn)電??機(jī)的步距角為 ，根據(jù)公式? (33)itl??360??式中 ——脈沖當(dāng)量，單位為 /脈沖； l?m——步距角，單位為度/脈沖；?——滾珠絲杠的螺距，單位為 ，設(shè)為單頭螺紋， =13 ；t t?hPm——傳動(dòng)比， =1。 ii將數(shù)據(jù)代入式 33 可得脈沖當(dāng)量 mitl ?????? 滾珠絲杠軸向載荷的計(jì)算根據(jù)滾珠絲杠軸向載荷公式9 / 43 （3)(321GFyX?????4） 式中 ——軸向載荷，單位為 ；FN——軸向切削力，單位為 ；x——摩擦因數(shù)，取 =；??——縱向切削力，單位為 ；y——移動(dòng)件的重量，單位為 ；1GN——夾具的重量，單位為 ；2——工作臺(tái)的重量，單位為 。3由于沖床在工作件移動(dòng)的時(shí)候并不產(chǎn)生沖壓，故軸向切削力和縱向切削力均為0，故的滾珠絲杠軸向載荷為 NGF30)210(.)(321 ???????? 當(dāng)量載荷的計(jì)算由滾珠絲杠當(dāng)量載荷計(jì)算公式 （33 311 ????mnnmm tFntF5） 式中 ——當(dāng)量速度，單位為n/ir——當(dāng)量載荷，單位為mN其中，當(dāng)量速度 （ nttntn?????6）滾珠絲杠副在各種轉(zhuǎn)速 ， ...... 的情況下，各轉(zhuǎn)速所占用時(shí)間的百分比為12n%， %...... %，受到的載荷為 ， ...... 。因?yàn)闆_床的沖頭在工件運(yùn)動(dòng)時(shí)不1t2ntF會(huì)出現(xiàn)沖壓力，不妨設(shè)工件運(yùn)動(dòng)在沖壓工程中所占用的時(shí)間比列是 20%。可得當(dāng)量速度 min30125rnm??10 / 43則由式 35 可得當(dāng)量載荷 NFm30? 預(yù)期額定動(dòng)載荷的計(jì)算根據(jù)預(yù)期額定動(dòng)載荷計(jì)算公式 （3camhmmfFLnC???106037）式中 ——預(yù)期額定動(dòng)載荷，單位為m N——當(dāng)量速度，單位為n/inr——機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間，單位為小時(shí)hL——負(fù)載性質(zhì)系數(shù)，由于數(shù)控沖床沖擊較大，取 fw=2wf——可靠性系數(shù)，可靠性 97%，取 = cf——精度等級(jí)系數(shù)，精度等級(jí)為 7 級(jí)，取af ?a其中，機(jī)械預(yù)期工作時(shí)間為250（天） 16（小時(shí)） 10（年） （開(kāi)機(jī)率）=20220 （小時(shí)） hL???（38）按預(yù)期工作時(shí)間估算，將已知數(shù)據(jù)代入式 37 可得預(yù)期額定動(dòng)載荷 NCm ???擬采用預(yù)緊滾珠絲杠副，由以下公式，按最大負(fù)載 Fmax 計(jì)算 （3maxFfe?9）式中 ——預(yù)加負(fù)載類型，按中預(yù)載，取 =；ef ef——軸向負(fù)荷，單位為 ，取 。maxFNmax30N?將公式中的已知數(shù)據(jù)代入式 38 可得 FfCe ?取以上兩種結(jié)果的最大值，故得預(yù)期額定動(dòng)載荷 ?11 / 43 允許的最小螺紋底徑的確定根據(jù)絲杠允許的最大軸向變形量 ，滿足 ≤（1/4 ～1/5 ）定位精度，由所設(shè)m?的定位精度 ， 由于脈沖當(dāng)量為 ，所以能達(dá)到要求 。則可估算絲m02. ]3[杠允許的最大軸向變形量=m?375.根據(jù)絲杠要求預(yù)拉伸，選取兩端固定的支承形式，根據(jù)最小螺紋底徑的計(jì)算公式 （3mmm LFELFd???????10） 式中 ——最小螺紋底徑，單位為 ；m——兩個(gè)固定支撐之間的距離，單位為 ；L——靜摩擦力，單位為 ；0FN——楊式彈性模量，為 。?/m其中，靜摩擦力為 （???11）兩個(gè)固定支撐之間的距離估算公式為行程+ （3(1.~2)L??(10~4)hP12）由工作臺(tái)行程為 1250 （根據(jù)機(jī)床最大加工板材尺寸可知） ，則兩個(gè)固定支撐之m間的距離 為 mL1682341250.????將已知數(shù)據(jù)代入式 39 可得最小螺紋底徑=. 確定滾珠絲杠的尺寸規(guī)格根據(jù)上面的計(jì)算，選取的滾珠絲杠副型號(hào)為 CDM ，以下為滾珠絲杠副的尺寸：12 / 43導(dǎo)程： =12 ；hPm取最小螺紋底徑： = ；d公稱直徑為： =25 ；0兩固定支承距離：L=1682 ；螺紋的長(zhǎng)度：Ls=1400 ；絲杠的總長(zhǎng)： =1800 。 tLm 確定滾珠絲杠的預(yù)緊力根據(jù)預(yù)緊力計(jì)算公式 （3max13pF?13）式中 ——軸向負(fù)荷，單位為 ， ；maxFNax30FN?則 10pF? 滾珠絲杠預(yù)拉伸力與行程補(bǔ)償值的計(jì)算根據(jù)預(yù)拉伸力計(jì)算公式 （3AEtaLtaLAECFt ??????14）式中 ——滾珠絲杠的線膨脹系數(shù)，取 10 6?；a——溫度變化值，取為 ℃；t?——面積， ；A24md??——彈性模量，E= ；E510.?/N——螺紋底徑，根據(jù)上面可得 = 。mdmd將已知數(shù)據(jù)代入式 313 得預(yù)拉伸力為 NFt . 56 ????根據(jù)行程補(bǔ)償值 （3tLaC??15）13 / 43式中 t?——溫度變化值，取為 ℃；——滾珠絲杠的線膨脹系數(shù)，取 ；a 6108.??L——絲杠兩支撐軸承間的距離，單位為 ，由上面可得 。m1682?Lm將已知數(shù)據(jù)代入式 314，則行程補(bǔ)償值為=???Cu 滾珠絲杠副支承用的軸承尺寸規(guī)格的確定根據(jù)軸承所承受的最大軸向載荷計(jì)算公式 （3maxaxBtF??16）由已知數(shù)據(jù)可得 2093maxBN根據(jù)沖床加工要求，該選擇軸承類型為兩端固定的支承形式，選取背對(duì)背 15176。角接觸球軸承。軸承內(nèi)徑 略小于 ，取 =17 。則ddm （??17）根據(jù)樣本選軸承型號(hào)規(guī)格，當(dāng) =17mm 要求預(yù)加負(fù)荷為大于 ，所以選型dBPF號(hào)為 7103C 的軸承。 步進(jìn)電機(jī)的相關(guān)計(jì)算與選擇 作用在滾珠絲杠上轉(zhuǎn)矩的計(jì)算由外加載荷所產(chǎn)生的摩擦力矩 為FT （33102?????hP18）式中 ——滾珠絲杠上的外加軸向載荷，單位為 ，由于沖床只需克服摩擦力，F(xiàn)N故 。30N?——滾珠絲杠副的效率，取 =。??——滾珠絲杠副的導(dǎo)程，單位為 ， 。hPmPh12?將以上數(shù)據(jù)代入式318得外加載荷所產(chǎn)生的摩擦力矩 FT14 / 43mNTF ?????根據(jù)滾珠絲杠副預(yù)加載荷 產(chǎn)生的力矩 的計(jì)算公式ppT （332???hP19）由滾珠絲杠副預(yù)加載荷 =4000N，則由已知數(shù)據(jù)可得pF mNTP ??????? 負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算對(duì)于滾珠絲杠，計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，一般可以把滾珠絲杠看作圓柱體繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)進(jìn)行計(jì)算。其慣量的計(jì)算公式為 （362108???DMJ20）對(duì)材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可以根據(jù)下面的公式估算 （?LJ21）式中 J——慣量，單位為 ；M——單位體積質(zhì)量，單位為 ；L——圓柱體長(zhǎng)度，單位為 mm, 由上面的計(jì)算可知，滾珠絲杠的全長(zhǎng)為1800 ；mD——圓柱體直徑，單位為 mm，滾珠絲杠的公稱直徑，根據(jù)上面的計(jì)算可知 D =25 。將已知數(shù)據(jù)代入式 321 可得慣量為 23124 mkgJ ??????? 加速轉(zhuǎn)矩的計(jì)算根據(jù)加速轉(zhuǎn)矩公式 （3dtwTa?22）經(jīng)變形為15 / 43 （3aatnJT??602mx?23）式中 ——啟動(dòng)（加速）時(shí)間，取 = ；at ats——電機(jī)最高轉(zhuǎn)速，根據(jù)所選電機(jī)，可得 =1500 。mxn maxn/inr將以上數(shù)據(jù)代入式 323 得加速轉(zhuǎn)矩為 NTa ?????? 電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 的計(jì)算r由最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的計(jì)算公式 （3rapFT??24）代入已知數(shù)據(jù)可得電機(jī)的最大啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為++= mN? 電機(jī)連續(xù)工作的最大轉(zhuǎn)矩 MT根據(jù)電機(jī)連續(xù)工作的最大轉(zhuǎn)矩計(jì)算公式 （3pF??25）代入數(shù)據(jù)可得 =+=? 電機(jī)型號(hào)的選擇根據(jù)電機(jī)選擇原則：轉(zhuǎn)動(dòng)慣量應(yīng)滿足 ；(1~4)mJ?電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩大于 ；rT電機(jī)額定轉(zhuǎn)矩大于 。M因此，選擇兩臺(tái) Y90L4 型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)分別作為為 X、Y 方向的進(jìn)給電機(jī)，其參數(shù)如下表所示：表 31 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)與型號(hào)輸出功率 Pe （ KW ） 額定轉(zhuǎn)矩 Te （ .Nm）16 / 43最大轉(zhuǎn)矩 Tr （ .Nm）最高轉(zhuǎn)速 Ne ( )/inr1500重量 G ( )kg27轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 J (Kg . )電機(jī)型號(hào) Y90L417 / 43第四章 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成硬 件 部 分 和 軟 件 部 分 構(gòu) 成 了 一 個(gè) 數(shù) 控 系 統(tǒng) 。 硬 件 主 要 由 沖 床 、 單 片 機(jī) 以 及]4[輔 助 電 路 構(gòu) 成 。 硬 件 是 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 基 礎(chǔ) ， 它 的 控 制 性 能 的 情 況 ， 對(duì) 于 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的工 作 性 能 會(huì) 產(chǎn) 生 很 大 的 影 響 。 在 硬 件 的 基 礎(chǔ) 上 ， 軟 件 才 能 有 效 地 運(yùn) 行 。 機(jī) 床 數(shù) 控系 統(tǒng) 的 硬 件 電 路 總 結(jié) 起 來(lái) 主 要 有 四 部 分 組 成 ： 中 央 處 理 單 元 （ CPU） 、 總 線 、 存貯 器 、 I/O 接 口 電 路 。 其 中 CPU 是 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 核 心 ， 它 的 作 用 是 協(xié) 調(diào) 各 部 分 的 電路 工 作 情 況 和 進(jìn) 行 運(yùn) 算 處 理 相 關(guān) 數(shù) 據(jù) 。 存 貯 器 是 用 存 放 系 統(tǒng) 軟 件 ， 運(yùn) 行 中 所 需 要的 各 種 數(shù) 據(jù) 和 工 作 過(guò) 程 中 用 到 的 程 序 。 數(shù) 控 系 統(tǒng) 與 外 界 進(jìn) 行 信 息 的 交 流 要 通 過(guò)I/O 接 口 。 總 線 是 CPU 與 存 貯 器 、 接 口 以 及 其 它 轉(zhuǎn) 換 電 路 聯(lián) 接 的 通 道 ， 是 CPU與 部 分 電 路 進(jìn) 行 信 息 交 換 和 通 訊 的 必 須 通 過(guò) 的 路 線 。 數(shù) 控 系 統(tǒng) 硬 件 框 如 下 圖 所 示 ：MCS51Y