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前言
設(shè)計(jì)目的
數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，特別是“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用”課程后應(yīng)用的，它是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決實(shí)際問題能力的重要步驟。本課程設(shè)計(jì)是以機(jī)電一體化的典型課題---數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定為主線，通過對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的擬定、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)，計(jì)算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過的機(jī)械、電子和微機(jī)方面的知識，進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全方面訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計(jì)計(jì)算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過程中所遇到的問題的能力。
設(shè)計(jì)要求
課程設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計(jì)可以初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實(shí)際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運(yùn)用課程和選修課程的知識，獨(dú)立完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。
課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是改造設(shè)備，實(shí)現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或裝置）的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)I/O接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計(jì)等。
說明書的內(nèi)容應(yīng)包括：課程設(shè)計(jì)題目總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算以及機(jī)械和電氣及其他部分（如環(huán)形分配器等）的說明。
該課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及方法，可以歸納如下：
1.采用微型計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。
2.選用驅(qū)動(dòng)控制電路，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用，考慮電機(jī)選擇及驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算，控制電機(jī)電路的設(shè)計(jì)。
3.精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)問題：要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行元件的主要功能（傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運(yùn)轉(zhuǎn)等），進(jìn)行力矩、負(fù)載功率、慣性（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）、加（減）速控制和誤差計(jì)算。
4.學(xué)會(huì)使用手冊及圖表資料。
1.總體方案的確定
1.1設(shè)計(jì)參數(shù)
系統(tǒng)分辨率為0.01mm，其它設(shè)計(jì)參數(shù)如下表。
設(shè)計(jì)分組
最大銑刀直徑
最大銑削寬度ae
最大銑削深度ap
加工材料
工作臺加工范圍（mm）
最大移動(dòng)速度
4
16mm
5mm
2mm
碳鋼
X=200,y=150
3m/min
工作臺草圖
1.2初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和絲杠
當(dāng)傳動(dòng)比i=1時(shí)，可用聯(lián)軸器直接將電機(jī)與絲杠連接，這種結(jié)構(gòu)有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。由 i=(公式2-1) ①，θb為步進(jìn)電機(jī)步距角Lo為滾珠絲杠導(dǎo)程、為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。
選電動(dòng)機(jī)型號為55BF009，其步矩角=
選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND) 其導(dǎo)程為4mm,
由傳動(dòng)比公式得
故可用聯(lián)軸器將電機(jī)與絲杠直接連接。
預(yù)選由廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LK13系列剛性聯(lián)軸器（www.gzlink.com）。
1.3初定工作臺尺寸
查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊》，根據(jù)(GB/T 158-1996)選工作臺T型槽尺寸如下：
深度H=15mm
槽低寬度B＝12mm
槽寬A＝6mm
C＝6mm
槽數(shù)＝5，間隔＝40mm
；
由工作臺加工范圍200*150選工作臺尺寸
240
20 20
20
200
20
初定滾珠絲杠長度L＝340mm
B
B
50~60 Lx+B+10~20 35~45
1.4系統(tǒng)組成框圖
2.機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
2.1傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
2.1.1機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量查《指導(dǎo)書》表面2-18得
2.1.2絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由《指導(dǎo)書》公式2-3有得
2.1.3工作臺轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
由于工作臺材料為碳鋼，故其質(zhì)量為
由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小故可忽略不計(jì)
2.1.4總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算
2.2工作載荷分析及計(jì)算
銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn),進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給(鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給).銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.查《金屬切削手冊》P398常用銑刀介紹表，選擇細(xì)齒錐柄立銑刀， 其尺寸參數(shù)如下：D=16mm,齒數(shù)Z=4。
2.2.1
查《金屬切削手冊》P417細(xì)齒錐柄立銑刀切削用量表得銑削速度
查《銑工》表2－4，初選＝0.03mm
因此可得
查《機(jī)械制造基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表4-15立式銑床主軸轉(zhuǎn)速表，選銑床型號X51，查其轉(zhuǎn)速表并將轉(zhuǎn)速圓整為
實(shí)際切削速度為
故實(shí)際
2.2.2
根據(jù)《指導(dǎo)書》表2-2得高速鋼銑刀銑削公式為
查《指導(dǎo)書》表2-3得銑削力系數(shù)
有
2.3進(jìn)給工作臺工作載荷計(jì)算
查《指導(dǎo)書》表2-4，有如下表格參數(shù)
比值
不對稱銑削
逆銑
順銑
1．2
0．9
0．3
0．8
0．4
0．4
故有縱向進(jìn)給方向
工作臺垂直進(jìn)給方向
工作臺橫向進(jìn)給方向
2.4滾珠絲杠螺母副的選型和校核
2.4.1最大工作載荷的計(jì)算
滾珠絲杠上的工作載荷為走刀抗力，移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。
由于選擇的導(dǎo)軌要求結(jié)構(gòu)緊湊，間隙調(diào)整方便，摩損小，有良好的精度保持性且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，故選擇直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，在此設(shè)計(jì)中還要求導(dǎo)軌能承受一定的顛覆力矩，所以選擇燕尾導(dǎo)軌的實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，由式2-11
將所得數(shù)據(jù)代入公式有：
2.4.2最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選
滾珠絲杠最大運(yùn)載荷
由《指導(dǎo)書》中可知
2.4.3傳動(dòng)效率計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為
查得（或可由算出）
2.4.4剛度驗(yàn)算
絲杠的拉壓變形量的計(jì)算
滿載時(shí)拉壓變形量：
滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
由《指導(dǎo)書》式2-17得
式中為滾珠直徑，
為滾珠總數(shù)量
滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算
絲杠總變形量
變形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005
=0.00369<0.005
因此符合設(shè)計(jì)要求。
資料來源http://www.hjmtc.cn/cpzs_sg_cb.asp
2.4.5壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
由《指導(dǎo)書》式2-18 失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為
絲杠截面慣量矩
查《指導(dǎo)書》表2-11得
穩(wěn)定性安全系數(shù)
故絲杠符合要求
2.5導(dǎo)軌的選型和計(jì)算
由于選擇的導(dǎo)軌為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由《指導(dǎo)書》式2-20
L＝50（）
每個(gè)滑塊的的工作載荷
取硬度系數(shù)＝0.53、=1、＝0.81、＝2
預(yù)設(shè)導(dǎo)軌壽命L=50KM 則根據(jù)此壽命可算出
＝ 3267kN
故選導(dǎo)軌型號GDA20SV符合要求，查《指導(dǎo)書》表2－16可知其=12.4KN
資料來源http://www.hjmtc.cn/cpzs_dg_cs.asp
2.6驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用
根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選擇電機(jī)
2.6.1步距角的選擇
已知脈沖當(dāng)量
由公式2-23
2.6.2步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的選擇
查《指導(dǎo)書》表2-17得 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系有
2.6.2.1加速度力矩
2.6.2.2空載摩擦力矩（取傳動(dòng)系統(tǒng)總效率）
.、
,
2.6.2.2附加摩擦力矩
為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取
故電機(jī)空載啟動(dòng)力矩
作用在工作臺的合力的計(jì)算，逆銑的時(shí)候合力大
作用在工作臺上的合力折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩
運(yùn)動(dòng)部件正常工作時(shí)的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩
故運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)需的最大靜轉(zhuǎn)矩
此處取0.5代入得
按步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩選擇要求
所以， 查表2-18選擇步進(jìn)電機(jī)55BF009
2.6.3啟動(dòng)矩頻特性校核
查《指導(dǎo)書》圖2-21步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)矩頻特性曲線
當(dāng)啟動(dòng)力矩時(shí)對應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率，而由表2-18查得電機(jī)的啟動(dòng)頻率
，保證了電機(jī)快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。
運(yùn)行矩頻特性校核
快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核：
由式2-34得，快進(jìn)力矩
查《指導(dǎo)書》2-22得，允許快進(jìn)頻率
由式2-33得電機(jī)最高快進(jìn)頻率
，故電機(jī)快速進(jìn)給時(shí)不丟步。
2.6.4工進(jìn)運(yùn)行矩頻特性校核
工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率為
工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩
工作負(fù)載力矩
查《指導(dǎo)書》圖2-22得 允許工進(jìn)運(yùn)行力矩
滿足設(shè)計(jì)要求，故可選用此電機(jī)。
3.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1硬件設(shè)計(jì)（硬件詳細(xì)接線圖見圖紙3）
8031
＋
存儲(chǔ)器接口
輸入顯示 接口
MCX311
INT
限
位
X向編碼器控制
Y向編碼器控制
I/O
擴(kuò)展
接口
光耦
功放
X向電機(jī)
光耦
功放
Y向電機(jī)
3.2步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服原理
分配后的 脈沖信號
D
C
B
A
脈沖
信號源
脈沖分配器YBO14
功率
放大
脈沖信號
放大后的 脈沖信號
3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制框圖
N
Y
設(shè)步長計(jì)數(shù)器
保護(hù)現(xiàn)場
轉(zhuǎn)向標(biāo)志為1
置正轉(zhuǎn)控制字指針
輸出控制字
是結(jié)束標(biāo)志
延時(shí)、控制字地址指針＋1
返回
恢復(fù)現(xiàn)場
總步數(shù)為零
置反轉(zhuǎn)控制字
3.4軟件程序設(shè)計(jì)（逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)）
3.4.1
用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算，每走一步，都需要以下四個(gè)步驟：
偏差判別：判別偏差或,從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算公式。
坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個(gè)方向進(jìn)給。
偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后，計(jì)算新的加工偏差。
終點(diǎn)判別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器減1。若為零，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)；不為零，則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)判別可用兩個(gè)方向坐標(biāo)值來判斷，也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值來判斷。當(dāng)XE>YE，可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點(diǎn)判別的依據(jù)，如動(dòng)點(diǎn)X等于終點(diǎn)XE則停止。當(dāng)XE
=0？
Y方向進(jìn)給
＝＋X
Y＝Y(jié)＋1
＝—Y
X＝X＋1
X＝？
Y＝？
返 回
X方向進(jìn)給
3.4.2程序設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)程序時(shí)，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值XE，YE，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值X，Y，偏差FM。對8位機(jī)，一般可用2字節(jié)，而行程較大時(shí)則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始值、X、Y向步進(jìn)電機(jī)初態(tài)（控制字）。
插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下：
28H
29H
2AH
2BH
2CH
70H
XE
YE
X
Y
FM
電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字
電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
D1D0為X向電機(jī)控制位。D0=1運(yùn)行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。D3D2為Y向電機(jī)控制位。D2=1運(yùn)行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。
第一象限直線插補(bǔ)的程序：
ORG 2000H
MAIN：MOV SP, #60H
LP4: MOV 28H, #0C8H;
MOV 29H, #0C8H;
MOV 2AH, #00H;
MOV 2BH, #00H;
MOV 2EH, #00H;
MOV 70H, #0AH
LP3: MOV A, 2EH
JB ACC.7, LP1
MOV A, 70H
SETB ACC.0
CLR ACC.2
MOV 70H, A
LCALL MOTR
LCALL DELAY
MOV A, 2EH
SUBB A, 29H
INC 2AH
AJMP LP2
LP1: MOV A, 70H
SETB ACC.2
CLR ACC.0
LCALL MOTR
LCALL DELAY
MOV A, 2EH
ADD A, 28H
LP2: MOV 2EH, A
MOV A, 28H
CJMP A, 2AH, LP3;
RET
4.心得體會(huì)
我覺得這次專業(yè)課程設(shè)計(jì)是對過去所學(xué)專業(yè)知識的一個(gè)全面的綜合的運(yùn)用。在設(shè)計(jì)的過程中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)過的知識，包括機(jī)械專業(yè)課程和電路控制方面的基礎(chǔ)知識，經(jīng)過復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專業(yè)知識使得設(shè)計(jì)思路清晰系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際，鍛煉了將理論運(yùn)用于實(shí)際的分析和解決實(shí)際問題的能力，鞏固、加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識。
還有很重要的一點(diǎn)是讓我體會(huì)到了一個(gè)設(shè)計(jì)者的精神。在設(shè)計(jì)過程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。
通過對通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動(dòng)或簡單機(jī)械的設(shè)計(jì)，掌握了一般機(jī)械設(shè)計(jì)的程序和方法，有助于樹立正確的工程設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)能力。
最后對在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中對我認(rèn)真、耐心輔導(dǎo)的張建、李偉洪等老師表示衷心的感謝！
[參考書目]
鄭堤 .唐可洪 主. 《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006
何立民. 《單片機(jī)高級教程》. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 ，2000
上海市科學(xué)技術(shù)交流站. 《金屬切削手冊》.上海：上海人民出版社 ，1995
馮辛安. 《機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)》. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ，2006
鄒青. 《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教程》. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ，2005
周開勤. 《機(jī)械零件手冊》第五版. 北京：高等教育出版社 ,2001
周湛學(xué). 《銑工》. 化學(xué)工業(yè)出版社 ，2005
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