【正文】 畢業(yè)設(shè)計時間雖然短，但它是對我們大學四年來所學知識的總 檢閱，也是我們大學四年的最后一堂豐富多彩的課，它留給我們的將是美好的回憶，我們要以它為新的起點去迎接新生活的挑戰(zhàn)。在知識方面，首先了解了在數(shù)控機床中的一種線切割機床的性能和加工原理；其次就是學習了單片機的有關(guān)內(nèi)容；再就是溫習了許多學過的知識如《機電一體化設(shè)計》、《機械設(shè)計》等。 縱觀此次畢業(yè)設(shè)計，我的收獲不小。材料選用硬制合金鋼。為能更好的使檢測裝置具備實用性，工作臺采用落地結(jié)構(gòu)。本設(shè)計最大 進給速度為 5mm/min,正常進給速度為 1~5mm/min。在此設(shè)計中要求用２ s 時間完成 10mm 的位移，則每一步進脈沖的延時為： sssT 102 66 ????? ?? 設(shè)其基本延時時間為１０ 181。 步 進電動機步數(shù)和轉(zhuǎn)速的確定 步進電動機步數(shù)的確定 PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設(shè)計 （共 44頁） 40 步進電動機常用來控制角位移或直線位移，在步進電動機帶動滾珠絲杠實現(xiàn)直線位移時，步進電動機直接帶動絲杠，絲杠每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生直線位移５ mm，現(xiàn)要求位移 1０ μ m，則步進電動機需要轉(zhuǎn)過的角度為： 6 0/4 10 0 ??? Omm m?? 又因為步進電機工作方式為三相六拍，步距角０ .75，則步數(shù)為 ?OO 轉(zhuǎn)速的確定 在實際應(yīng)用中，往往不僅要求精確地控制位移量，還要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成位移。這樣信息通過光電轉(zhuǎn)換，單 向傳遞，又由于光電耦合器輸出輸入端之間絕緣電阻非常大，寄生電容很小，干擾信號難以從輸出端反饋到輸入端，從而起到隔離作用。 在這個控制系統(tǒng)中，由于是由弱電控制強電，不可避免地會產(chǎn)生干擾，為防止強電干擾，采用光電隔離。 根據(jù)以上分析，只要控制步進電機的輸入節(jié)拍就可以控制步進電機的工作方式、速度等。在步進數(shù)將達到 N時，使之自動降速，間隔越來越大，直到Δ t2≤max1f 時，步進電機停止轉(zhuǎn)動。采用這種方法也能方便地實現(xiàn)步進電動機的均勻加速或減速。每隔一定時間定時器向 CPU 申請中斷。 3．定時器的變速控制 步進脈沖的時間間隔也可以由單片機內(nèi)部的定時 器來提供。具體來說就是均勻改變延時子程序中的時間常數(shù)。 現(xiàn)有以下三種變速控制的方法： 1．步進電動機的工作方式 利用改變步進電動機的工作方式可以實現(xiàn)變速控制。反之，步進電動機從高速運行到停止也應(yīng)進行減速。因此，為了使步進電動機盡量加快工作過程而又不致辭發(fā)生失步現(xiàn)象，應(yīng)以較低的工作頻率開始啟動，在啟動過程中逐漸 加速，然后穩(wěn)定在較高的工作頻率。如果帶負載啟動，其允許頻率還要低些。然而為了做主步進電動機的轉(zhuǎn)子運動能跟上步進脈沖的頻率，即不失步，對于脈沖頻率是有限制的。 時鐘輸入CP觸發(fā)控制方向選擇接單片機選通 圖 54 三相步進電機與 8253的接口電路 步進電動機控制系統(tǒng) 在步進電動機啟動和停止的過 程中，往往需要改變速度。第二部分，由移位寄存器和或門 U2構(gòu)成分相電路，它能產(chǎn)生符合步進電機需要的多項脈沖源。在步進電機工作期間，不用 CPU 的直接干預，大大提高了 CPU 實時處理能力。 步進電動機與 8253的接口電路 圖 54 所示為三相步進電動機與 8253 的接口電路。 圖 53 微機控制步進電動機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 因此本設(shè)計采用計算機控制系統(tǒng)。這不僅簡化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高可靠性。在這種控制方式中，由于步進控制器線路復雜，成本高，限制它的應(yīng)用。其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實現(xiàn)對步進電動機的轉(zhuǎn)動和正反向控制。 [18] 步進電動機控制系統(tǒng)的選擇 舊式的步進電動機控制系統(tǒng)由步進控制器、功率放大器和步進電動機組成，如圖 52所示。國內(nèi)的直流或交流伺服系統(tǒng)，價格較高，技術(shù)難度大，正努力改進。油馬達容易獲得較大的輸出扭矩，故可用于大功率數(shù)控機床，但該系統(tǒng)必須有液壓站，占地面積大，且易產(chǎn)生漏油。 由于它性能好，價格便宜，所以步進電機廣泛用于經(jīng)濟型數(shù)控的開環(huán)系統(tǒng)中。 5. 脈沖當量很小，或細分數(shù)較大時，很難獲得很高的速度 由于步進電機的調(diào)速性、靈活性和準確性好，體積又小，也不需要反饋傳感器，因而是一種較好的驅(qū)動系統(tǒng)，使用于運動軌跡較復雜的、動作要求高的中小型設(shè)備。步進電機既是驅(qū)動元件又是脈沖 —— 角位移變換元件。步進電機本身是一種脈沖或數(shù)字控制的裝置，極易與計算機 和微處理器聯(lián)接，構(gòu)成智能化系統(tǒng)。 2．無論從電機還是驅(qū)動電源，體積都比較小，伺服系統(tǒng)可以不需反饋元件，因而驅(qū)動裝置整體體積小。定子的三相繞組依次通電，轉(zhuǎn)子被吸引著一步步前進，轉(zhuǎn)子便旋轉(zhuǎn)起來。對本設(shè)計電火花成形機 床的設(shè)計來說，機床的縱橫向均采用步進電機驅(qū)動。 目前在數(shù)控機床改造中常用的驅(qū)動器件是步進電機、電脈沖馬達、直流伺服電機，交流伺服電機。 工作方式 三相步進電動機有三種工作方式： 1）單三拍，通電方式為 ????? UWVU 2）雙三拍，通電方式 ????? UVWUVWUV 3）六拍，通電方 式為 ????? UVWUVWUV 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 伺服驅(qū)動系統(tǒng)在數(shù)控機床的作用：接受控制機發(fā)出的進給脈沖信號，并把它變換成模擬角，徑功率放大后去驅(qū)動工作臺，使工作臺進行精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合精度并要求的零件。按照UVWU ??? 次序給繞組輪流通電，轉(zhuǎn)子就逆時針方向轉(zhuǎn)動?？梢娫诓竭M電動機中，定轉(zhuǎn) 子錯齒是使轉(zhuǎn)子得到步進轉(zhuǎn)矩的基本因素。 當某相繞組通電時，所在的磁極產(chǎn)生磁場，與轉(zhuǎn)子形成磁路。當某一相繞組有電流通過時，該繞組所在的兩個磁極形成 N極和 S 極。相對的兩個磁極組成一相，磁極上繞有一相線圈。 圖 51 步進電動機的結(jié)構(gòu)示意圖 圖中電動機定子上有 6個磁極： U U V V W W2，每個磁極上有 5個均勻分布的矩形小齒。在本設(shè)計中使用圓錐銷固定聯(lián)軸器和軸。 PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設(shè)計 （共 44頁） 34 圖 44 聯(lián)軸器的結(jié)構(gòu) 定位銷設(shè)計 定位銷主要是用來固定零件之間的相對位置，一般不受載荷或只受很小的 載荷，故不作強度計算。機床常用的聯(lián)軸器類型有剛性聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器和安全聯(lián)軸器。 速度系數(shù) ?mn nf 3100? ，其中ε為壽命指數(shù)，對球軸承取ε =3，故有 163 1 003 ???nf 若額定壽命取 15000?hL ，又壽命系數(shù) ? 500hh Lf ?，故 ?hf 進給力的方向是可變的，軸承載荷可能是 mFP? ，也可能是mt FFP 21??，兩者幾乎相等，故取其平均值 tm FF ? 將所有數(shù)據(jù)代入式中得 NC c 5 7 5 9 ??? 可 以看出，軸承額定動負荷 6600 足夠，選用此軸承合適。絲杠兩端固定，故軸承的最大載荷等于預拉伸力 tF 加最大外載荷的一半。欲選雙推力軸承 52205。根據(jù)材料力學歐拉公式得 ? ? NlAEFut5 5 03 8 311230 ?????????????? [16] 軸承的選擇 縱向滾珠絲杠主要受軸向力，使用滾動軸承。 壓桿穩(wěn)定性驗算 根據(jù)公式 PK=fKπ 2EI/Kl≥ Pmax 其中 fK=2（雙推 —— 簡支） 4441 cmdI ???? ? 取 K=4， L=Ls= 剛度檢驗 IEMLESPLL ?2 200 ??? 式中： L0= S= 21d? = = I= P=Pmax= 將所有數(shù)據(jù)代入公式得： mL ?? 9 9 1 828 ???? ???? ??? 預拉伸計算 a. 溫升引起的伸長量 t? 。 Pmax=G+F ? ?? ? NVgG 9 32 ?????????????? ??? NfF 550 000 ????? ? 因為 G》 F，所以 F 可以忽略不計。 （ 9）等效負載轉(zhuǎn)矩 PDC 鉆頭檢測裝 置機械部分機構(gòu)的結(jié)構(gòu) （ 共 43頁 ） 29 ? ? mNnFvT mm .1 4 ?????? ??? （ 10）啟動慣性阻力矩（ T 慣）的計算以最不利于快進速度計算時，設(shè)啟動加速時間為Δ t=，由于電機轉(zhuǎn)速 ? ?sn mn /???? ??? 取加速曲線為等加速梯形曲線，故角加速度為 ? ?2/ stnm ???? ?? 則 mNJT mr . 44 ?? ?????? ?慣 步進電機輸出軸上總負載轉(zhuǎn)矩的計 算如下： ? ? mNTTT m . 4 ?????? ?? 慣 步進電機的匹配選擇 上述計算未考慮機械系統(tǒng)的傳動效率，當選擇機械總效率為 時，則 mNnTT .2 ???? ?? 選擇安全系數(shù)為 ，則步進電機可按以下總負載轉(zhuǎn)矩選取 mNKTT .3 1 0 ?????? ?? 為保證帶負載能正常加速啟動，應(yīng)使 ?? ?TTq 查負載系數(shù)為 mNT q . ??? ?? ?TTq 選用 110BF004 反應(yīng)式步進電機合適。 初選滾珠絲杠副型號為 FFZDD2020,其參數(shù)如下 : 公稱直徑 : d0=20mm 基本導程 : P0=4mm 鋼球直徑 : Dw=3mm 絲杠外徑 : d= 循環(huán)圈數(shù) : 3 額定動載荷 : Ca=7500N 額定靜載荷 : C0a=14500N 長度 : l= 剛度 : Ke=519N/μ m 根據(jù)理論力學公式計算進給系統(tǒng)中各回轉(zhuǎn)零件的轉(zhuǎn)動慣量。 （ 7）橫向進給系統(tǒng)滾珠絲杠基本導程 P0=4mm，脈沖當 量取為 ，步進電機的步距角選為 。雙推端可預拉伸安裝，預緊力小，軸承壽命較高，適用于中速、精度較高的長絲杠傳動系統(tǒng)。該方式適合于高剛度、高速度、高精度 的精密絲杠傳動系統(tǒng)，由于隨溫度的升高會使絲杠的預緊力增大，故易造成兩端支承的預緊力不對稱。其特點是軸向剛度較高；預拉伸安裝時，預緊力較大，軸承壽命一般比雙推 — 雙推式低。 （ 6）滾珠絲杠副支承方式的選擇 （ a）單推 — 單推式 (b)雙推 — 雙推式 (c)雙推 — 簡支式 (d) 雙推 — 自由式 圖 43 滾珠絲杠副的支承方式 實踐證明， 絲杠的軸承組合及軸承座以及其它零件的連接剛性不足，將嚴重影響滾珠絲杠副的傳動精度和剛度，為了提高軸向剛度，常用止推軸承為主的 PDC 鉆頭檢測裝 置機械部分機構(gòu)的結(jié)構(gòu) （ 共 43頁 ） 27 軸承組合來支承絲杠，當軸向載荷較小時，也可用向心推力球軸承來支承絲杠。換向時，其軸向間隙會引起空回，這種空回是非連續(xù)的，既影響傳動精度，又影響系統(tǒng)的動態(tài)性能。 ② 支撐跨距 1L 應(yīng)略大于 ul ，取為 mmL 6001 ? 。 （ 3）導程精度選擇 根據(jù)機床定位精度 10μ m，確定滾珠絲杠副導程的精度等級。 ②法蘭形狀的選擇 按安裝由標準形狀選擇。 ①滾珠的工作圈數(shù) i 和列數(shù) j 的確定 滾珠總數(shù) N一般不超過 150 個。由國際標準化組織（ ISO/DIS340821991）知尺寸系列 ： 基本導程： 1， 2， ， 3， 4， 5， 6， 8， 10， 12， 16， 20， 25， 32， 40 因此選用 mmP 40 ? （ 2）螺母選擇 由于數(shù)控機床對滾珠絲杠副的剛度有較高的要求，故選擇螺母時應(yīng)注重其剛PDC