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長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 編號(hào) 41 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì) X53K立式數(shù)控銑床縱向進(jìn)給改造設(shè)計(jì) The Subject of Graduation Project 學(xué) 生 姓 名 丁洪輝 專 業(yè) 機(jī)械電子工程 學(xué) 號(hào) 0852141 指 導(dǎo) 教 師 張廣杰 分 院 機(jī)電工程分院 2012年 月 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 目 錄 0摘要----------------------------------------------------------------------3 第一章 概述 ------------------------------------------------------------------------5 1.1 課題概述與設(shè)計(jì)目的------------------------------------------------5 1.2 設(shè)計(jì)課題--------------------------------------------------------------9 第二章 設(shè)計(jì)說(shuō)明-----------------------------------------------------------------10 2.1 總體方案的確定及框圖-------------------------------------------10 2.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 ------------------------------------------------11 2.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-------------------------------------------17 2.4硬件部分電路的設(shè)計(jì)----------------------------------------------19 2.5 凸輪加工程序------------------------------------------------------24 第三章 畢業(yè)設(shè)計(jì)體會(huì)----------------------------------------------------------26 3.1畢業(yè)設(shè)計(jì)體會(huì)-------------------------------------------------------26 參考資料----------------------------------------------------------------------------28 摘要 在過(guò)去二十年間，工業(yè)上已應(yīng)用機(jī)器人來(lái)完成使操作人員感到厭煩和緊張的那些單調(diào)而又不安全的操作。由于機(jī)器人完成某些操作要比人更快，更精確，故在各種制造工業(yè)中的應(yīng)用愈來(lái)愈廣泛。對(duì)多數(shù)大型制造業(yè)（如汽車工業(yè)）來(lái)說(shuō)，為保持其具有競(jìng)爭(zhēng)性，必須大規(guī)模采用機(jī)器人。目前，機(jī)器人已廣泛應(yīng)用在點(diǎn)焊和縫焊、裝配部件、移動(dòng)重物、噴漆、重復(fù)加工等操作中，。 為使機(jī)器人能完成上述這些操作，必須使用小型計(jì)算機(jī)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行編程。小型計(jì)算機(jī)不僅要對(duì)機(jī)器人發(fā)出完成所要求工步的指令，而且還要能記憶程序。由操作人員（或程序員）將信息反饋給小型計(jì)算機(jī)個(gè)CRT或視頻顯示所組成的控制裝置。操作人員可以隨時(shí)改編原有程序，即：刪除或插入任何所要求的工步。 關(guān)鍵字：加工精度，設(shè)計(jì)方案，分配，參數(shù) ABSTRACT Over the past two decades the robot has been introduced into industry to perform many monotonous and often unsafe operations which in the past had caused both boredom and stress among employees. Because robots can perform certain basic tasks more quickly and accurately than humans they are being increasingly used in various manufacturing industries. In order for most of the larger manufacturing industries, such as the automotive industry, to remain competitive it has been necessary for them to introduce robots on quite a large scale. Robots are now used extensively for such operations as spot and seam welding, assembling components, moving heavy parts, spray painting, and repetitive machining operations. In order for a robot to perform these tasks it must be programmed by a minicomputer, which will not only direct the robot to perform the required steps but will also “remember” the sequence. Information is fed by the operator (or programmer) into a control unit consisting of the minicomputer and a cathode ray tube (CRT) or video display. The operator can, at any time, edit a previous program by deleting or adding any desired steps. KeyWords: Accuracy of Process,Project Design,Allotment,Parameter 第一章 概述 1.1 課題概述與設(shè)計(jì)目的 數(shù)控，用數(shù)字化信號(hào)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及其加工過(guò)程進(jìn)行控制，其對(duì)零件的加工相比普通機(jī)床有著很多的優(yōu)點(diǎn)： （1）動(dòng)化程度高： （2）加工精度、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠； （3）對(duì)零件加工的適應(yīng)性強(qiáng)靈活性好，能加工形狀復(fù)雜的零件； （4）加工生產(chǎn)率高； （5）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 國(guó)外利用數(shù)字計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制加工是從40年代開始的。1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院在一臺(tái)立式銑床上裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)，它成了世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床。此后，從60年代開始，其他一些工業(yè)國(guó)家如德國(guó)、日本等陸續(xù)地開發(fā)生產(chǎn)及使用數(shù)控機(jī)床。1974年微處理機(jī)直接用于數(shù)控機(jī)床，進(jìn)一步促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的普及應(yīng)用和大力發(fā)展。隨著數(shù)控機(jī)床的功能越來(lái)越完善，可靠性和性能越來(lái)越高，它在制造業(yè)中逐漸擔(dān)當(dāng)了越來(lái)越重要的角色。 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從1958年開始的，經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展，直至80年代后引進(jìn)了日本、美國(guó)、西班牙等國(guó)數(shù)控伺服及伺服系統(tǒng)技術(shù)后，我國(guó)的數(shù)控技術(shù)才有質(zhì)的飛躍，應(yīng)用面逐漸鋪開，數(shù)控技術(shù)產(chǎn)業(yè)才逐步形成規(guī)模。 近年來(lái)我國(guó)企業(yè)的數(shù)控機(jī)床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多 的使用，在中小企業(yè)甚至個(gè)體企業(yè)中也普遍開始使用。2001年國(guó)內(nèi)數(shù)控金切機(jī)床產(chǎn)量已達(dá)1. 8萬(wàn)臺(tái)，比上年增長(zhǎng)28. 5%，機(jī)床行業(yè)產(chǎn)值數(shù)控化率從2000年的17. 4%提高到2001年的22. 7%。2001年，我國(guó)機(jī)床工業(yè)產(chǎn)值己進(jìn)入世界第5名，機(jī)床消費(fèi)額在世界排名上升到第3位，達(dá)47. 39億美元，僅次于美國(guó)的53. 67億美元，消費(fèi)額比上一年增長(zhǎng)25%。但由于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床不能滿足市場(chǎng)的需求，使我國(guó)機(jī)床的進(jìn)口額呈逐年上升態(tài)勢(shì)，2001年進(jìn)口機(jī)床躍升至世界第2位，達(dá)24. 06億美元，比上年增長(zhǎng)27％。近年來(lái)我國(guó)出口額增幅較大的數(shù)控機(jī)床有數(shù)控車床、數(shù)控磨床、數(shù)控特種加工機(jī)床、數(shù)控剪板機(jī)、數(shù)控成形折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控壓鑄機(jī)等，普通機(jī)床有鉆床、鋸床、插床、拉床、組合機(jī)床、液壓壓力機(jī)、木工機(jī)床等。出口的數(shù)控機(jī)床品種以中低檔為主。 由于現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，市場(chǎng)需求變的越來(lái)越多樣化，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)占有相當(dāng)大的比重，普通機(jī)床已越來(lái)越不能滿足現(xiàn)代加工工藝及提高勞動(dòng)生產(chǎn)率的要求。如果設(shè)備全部更新替換，不僅資金投入太大，成本太高，而且原有設(shè)備的閑置又將造成極大的浪費(fèi)。如今科學(xué)技術(shù)發(fā)展很快，特別是微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展更快，應(yīng)用到數(shù)控系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工精度，所以最經(jīng)濟(jì)的辦法就是進(jìn)行普通機(jī)床的數(shù)控改造。這樣既可以提高加工生產(chǎn)率，改善加工工藝，還可以減少資金投入，減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，縮短訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期時(shí)間。實(shí)踐已經(jīng)證明普通銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控改造具有重大的實(shí)際價(jià)值，為此，在舊有銑床上進(jìn)行數(shù)控改造有著較好的市場(chǎng)前景。 我國(guó)目前機(jī)床總量380余萬(wàn)臺(tái)，而其中數(shù)控機(jī)床總數(shù)只有11.34萬(wàn)臺(tái)，即我國(guó)機(jī)床數(shù)控化率不到3％。近10年來(lái)，我國(guó)數(shù)控機(jī)床年產(chǎn)量約為0.6～0.8萬(wàn)臺(tái)，年產(chǎn)值約為18億元。機(jī)床的年產(chǎn)量數(shù)控化率為6％。我國(guó)機(jī)床役齡10年以上的占60％以上；10年以下的機(jī)床中，自動(dòng)/半自動(dòng)機(jī)床不到20％，F(xiàn)MC/FMS等自動(dòng)化生產(chǎn)線更屈指可數(shù)（美國(guó)和日本自動(dòng)和半自動(dòng)機(jī)床占60％以上）?？梢娢覀兊拇蠖鄶?shù)制造行業(yè)和企業(yè)的生產(chǎn)、加工裝備絕大數(shù)是傳統(tǒng)的機(jī)床，而且半數(shù)以上是役齡在10年以上的舊機(jī)床。用這種裝備加工出來(lái)的產(chǎn)品普遍存在質(zhì)量差、品種少、檔次低、成本高、供貨期長(zhǎng)，從而在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上缺乏競(jìng)爭(zhēng)力，直接影響一個(gè)企業(yè)的產(chǎn)品、市場(chǎng)、效益，影響企業(yè)的生存和發(fā)展。所以必須大力提高機(jī)床的數(shù)控化率。我國(guó)自改革開放以來(lái)，很多企業(yè)從國(guó)外引進(jìn)技術(shù)、設(shè)備和生產(chǎn)線進(jìn)行技術(shù)改造。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從1979～1988年10年間，全國(guó)引進(jìn)技術(shù)改造項(xiàng)目就有18446項(xiàng)，大約165.8億美元。這些項(xiàng)目中，大部分項(xiàng)目為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)揮了應(yīng)有的作用。但是有的引進(jìn)項(xiàng)目由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，嚴(yán)重的使企業(yè)陷入困境。一些設(shè)備、生產(chǎn)線從國(guó)外引進(jìn)以后，有的消化吸收不好，備件不全，維護(hù)不當(dāng)，結(jié)果運(yùn)轉(zhuǎn)不良；有的引進(jìn)時(shí)只注意引進(jìn)設(shè)備、儀器、生產(chǎn)線，忽視軟件、工藝、管理等，造成項(xiàng)目不完整，設(shè)備潛力不能發(fā)揮；有的甚至不能啟動(dòng)運(yùn)行，沒(méi)有發(fā)揮應(yīng)有的作用；有的生產(chǎn)線的產(chǎn)品銷路很好，但是因?yàn)樵O(shè)備故障不能達(dá)產(chǎn)達(dá)標(biāo)；有的因?yàn)槟芎母?、產(chǎn)品合格率低而造成虧損；有的已引進(jìn)較長(zhǎng)時(shí)間，需要進(jìn)行技術(shù)更新。種種原因使有的設(shè)備不僅沒(méi)有創(chuàng)造財(cái)富，反而消耗著財(cái)富。這些不能使用的設(shè)備、生產(chǎn)線是個(gè)包袱，也是一批很大的存量資產(chǎn)，修好了就是財(cái)富。只要找出主要的技術(shù)難點(diǎn)，解決關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，就可以最小的投資盤活最大的存量資產(chǎn)，爭(zhēng)取到最大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。這也是一個(gè)極大的改造市場(chǎng)。 本課題是圍繞將X53K立式銑床改造成經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床展開設(shè)計(jì)的，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床是指價(jià)格低廉、操作使用方便，適合我國(guó)國(guó)情的裝有簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)的高效自動(dòng)化機(jī)床。中小型企業(yè)為了發(fā)展生產(chǎn)，常希望對(duì)原有舊機(jī)床進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)數(shù)控化、自動(dòng)化。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床系統(tǒng)就是結(jié)合現(xiàn)實(shí)的的生產(chǎn)實(shí)際，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，在滿足系統(tǒng)基本功能的前提下，盡可能降低價(jià)格。價(jià)格便宜、性能價(jià)格比適中是其最主要的特點(diǎn)，特別適合在設(shè)備中占有較大比重的普通銑床改造，適合在生產(chǎn)第一線大面積推廣。企業(yè)應(yīng)用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控型系統(tǒng)對(duì)設(shè)備進(jìn)行改造后，將提高產(chǎn)品加工精度和批量生產(chǎn)的能力，同時(shí)又能保持“萬(wàn)能加工”和“專用高效”這兩種屬性，提高設(shè)備自身對(duì)產(chǎn)品更新?lián)Q代的應(yīng)變能力，增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)能力。 利用微機(jī)改造現(xiàn)有的普遍銑床，主要應(yīng)該解決的問(wèn)題是如何將機(jī)械傳動(dòng)的進(jìn)給和手工控制的刀架轉(zhuǎn)位，進(jìn)給改造成由計(jì)算機(jī)控制的刀架自動(dòng)轉(zhuǎn)位以及自動(dòng)進(jìn)給加工銑床，即經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床。 進(jìn)行數(shù)控機(jī)床的改造是非常有必要的。數(shù)控機(jī)床可以很好地解決形狀復(fù)雜、精密、小批量及多變零件的加工問(wèn)題。能夠穩(wěn)定加工質(zhì)量和提高生產(chǎn)效率，但是數(shù)控機(jī)床的運(yùn)用也受到其他條件的限制。如：數(shù)控機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大等，因此，普通銑床的數(shù)控改造，大有可為。它適合我國(guó)的經(jīng)濟(jì)水平、教育水平和生產(chǎn)水平，已成為我國(guó)設(shè)備技術(shù)改造主要方向之一。并且目前在機(jī)械行業(yè)中，隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，產(chǎn)品更新周期越來(lái)越短，中小批量的生產(chǎn)所占有的比例越來(lái)越大，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的精度和質(zhì)量要求也在不斷地提高與推進(jìn)。所以普通機(jī)床越來(lái)越難以滿足加工的要求，同時(shí)由于技術(shù)水平的提高，數(shù)控機(jī)床的價(jià)格在不斷下降，因此，數(shù)控機(jī)床在機(jī)械行業(yè)中的使用將越來(lái)越普遍，而對(duì)原有普通機(jī)床的數(shù)控化改造也應(yīng)是越來(lái)越廣泛，依照設(shè)計(jì)任務(wù)本設(shè)計(jì)對(duì)X53K立式銑床進(jìn)行了數(shù)控化改造。 1.2 設(shè)計(jì)課題 X53K立式銑床的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控化改造設(shè)計(jì) 1.2.1要求：將銑床改造成用MCS-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制，要求具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。機(jī)械部分要求計(jì)算，硬件電路部分要求用8031作CPU，控制系統(tǒng)中要求包括擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、擴(kuò)展數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、I/O接口芯片、譯碼電路及鍵盤、顯示等外設(shè)、硬件電路要求包括3個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)。 1.2.2參考設(shè)計(jì)參數(shù)： 工作臺(tái)尺寸：320×1250 mm2 工作臺(tái)行程：縱向：660mm 工作臺(tái)及夾具工作重力：縱向：2800 N 工作臺(tái)進(jìn)給速度：縱向：2 m/min 最大進(jìn)給速度： 0.8 m/min 主電機(jī)功率：7.5KW 起動(dòng)加速時(shí)間：30ms 定們精度：±0.05mm 代碼制：ISO 輸入方式：增量值、絕對(duì)值通用 控制坐標(biāo)數(shù)：3 最小指令值：0.01～0.005/脈沖 自動(dòng)升降速性能：有 第二章 設(shè)計(jì)說(shuō)明 2.1總體方案的確定及框圖 2.1.1總體方案的確定 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的要求，決定采用點(diǎn)位控制，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)。這樣可使控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，調(diào)試和維修都比較容易，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平衡性，采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件，此工作臺(tái)采用滾珠絲桿螺母副和液動(dòng)導(dǎo)軌，為盡量消除傳動(dòng)間隙，可設(shè)法調(diào)整傳動(dòng)齒輪的中心距以消除齒側(cè)間隙，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用高性能價(jià)格比的MCS-51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 2.1.2總體方案框圖 2.2 機(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算 2.2.1工作臺(tái)外形尺寸及重量估算 縱向：X=1250mm 工作加工范圍：縱向：X=320mm 工作臺(tái)及夾具工件策略：Gx=2800N 橫向：z=400 工作加工范圍：橫向：z=300mm 工作臺(tái)及夾具工件策略：Gz=5500N 2.2.2鉆削計(jì)算 Pz1=GFdfK 查得：C=304.11,XF=1,YF=0.8,KF=1取f=0.005mm/r 則：Pz1= 304.11×4×0.05×1=111N 2.2.3銑削力計(jì)算 P=9.81×22.6aadaz a=0.05d(銑凸輪) — 銑削接觸弧深 a=0.1mm/z 每齒進(jìn)給量 銑刀直徑：d=12 銑削深度：a=8 銑刀齒數(shù)：z=3 P=9.81×22.6×20.1×12×8×3=217 查表得：P/P=1,則走刀抗力P=P=217N 2.2.4滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定 （1）導(dǎo)軌形式：在原有滑動(dòng)導(dǎo)軌的基礎(chǔ)上，采用貼塑處理，摩擦特性好，耐磨性好，減振特性好等特點(diǎn)，且工藝較簡(jiǎn)單。 2.2.5滾珠絲桿的設(shè)計(jì)計(jì)算 滾珠絲桿的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時(shí)情況計(jì)算。 （1）最大動(dòng)負(fù)荷Q的計(jì)算：Q=fP 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)f=2，壽命值L=，n= 式中 L — 壽命 ，以10轉(zhuǎn)為一單位 n — 絲桿轉(zhuǎn)速（r/min） V— 為最大切前力條件下的進(jìn)給速度（m/min） 可取最高進(jìn)給速度的1/2 — 1/3縱向: V=0.6m/min L — 絲桿導(dǎo)程（mm） T — 為使用壽命（h）,對(duì)于數(shù)控機(jī)床取15000h; f — 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，表3 — 14 初選絲桿螺距L=6mm，得絲桿轉(zhuǎn)速n為：n==60r/min 所以L==54 X向絲桿牽引力：P=P+1.414fG =217+1.414×0.001×3500=222N 式中 f — 當(dāng)量摩擦系數(shù)，取0.01 所以最大動(dòng)負(fù)荷： X向：Q=fP=2229N 查表取滾珠絲桿直徑d=30,選用滾珠絲桿螺母副的型號(hào)為NL3005型，單螺母變導(dǎo)程預(yù)緊，見附錄A表A—7 （2）滾珠絲桿螺母幾何參數(shù)計(jì)算如下： 名稱 符號(hào) 計(jì)算公式和結(jié)果/mm 螺紋滾道 公稱直徑 d 30 螺距 t 6 接觸角 ? 45 鋼球直徑 d 3.969 螺紋滾道法面半徑 R 2.064 螺桿 偏心距 e E=(R-dq/z)sinβ=0.045 螺紋升角 =arctg=3o21 螺桿直徑 d D=d-0.2d=29.5 螺桿內(nèi)徑 d d= d+2e-2R=26.8 螺桿接觸直徑 dz d= d- dcos=27.8 螺母 螺母螺紋外徑 D D=60 螺母內(nèi)徑 D1 D1= 50 (3)傳動(dòng)效率的計(jì)算 ==0.96 式中 — 摩擦角 約等于10ˊ — 螺紋升角 （4）剛度驗(yàn)算 滾珠絲桿受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程L的變化量為 ΔL=± 式中ΔL — 在工作負(fù)載P作用下引起每一導(dǎo)程的變化量（mm）； P — 工作負(fù)載，即進(jìn)給牽引力（N）； L — 滾珠絲桿導(dǎo)程（mm）； E — 材料彈性模數(shù)（N/mm）,對(duì)鋼為20.6×10N/mm; F — 滾珠絲桿截面積（按內(nèi)徑確定） X向： P=222N. L=5mm, E=20.6×10 N/mm F=R=5.638cm 所以ΔL=±=±1.27×10cm 絲桿因受扭矩而引起的導(dǎo)的變化量ΔL很小，可忽略所以導(dǎo)程總誤差 Δ=ΔL×100/ L=2.53m/m 查表知E級(jí)精度的絲桿允許誤差1.5m，故剛度足夠。 6）步進(jìn)電機(jī)的選用 （1）步進(jìn)電機(jī)的步距角：對(duì)步進(jìn)電機(jī)施加一個(gè)脈沖信息，步 進(jìn)電機(jī)就回轉(zhuǎn)一個(gè)固定的角度。 因?yàn)橄到y(tǒng)分辨率為0.01mm，所以取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量=0.01mm/step 初選步進(jìn)電機(jī)步距角=1.5o （2）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)距的計(jì)算 設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T，負(fù)載力為P，根據(jù)能量守恒原理 電機(jī)所做的功與負(fù)載力做的功有如下關(guān)系：T=Ps 式中 — 電機(jī)轉(zhuǎn)角； s — 移動(dòng)部件的相應(yīng)位移； — 機(jī)械傳動(dòng)效率 若取==1.5o，則s=,p=p+(G+P) 所以T=[P+（G+P）] 式中： p — 銑削時(shí)走刀抗力（N）； G — 移動(dòng)部件重量（N）； P — 與策略方向一致的切削力（N）； — 導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，取0.005； — 步進(jìn)電機(jī)的步距角； T — 電機(jī)軸負(fù)載轉(zhuǎn)距（N·cm）; 代入數(shù)據(jù)得：T=10.45N 估算起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：T=N·cm=34.8N.cm 對(duì)工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機(jī)，=0.866；可求出最大靜轉(zhuǎn)矩 T==46.4 (3)步進(jìn)電機(jī)的最高起動(dòng)頻率f及運(yùn)行頻率f計(jì)算 f==2333Hz f==1000Hz （4）確定步進(jìn)電機(jī)型號(hào) 根據(jù)以上計(jì)算，從表3—2.3中選出130BF001型電機(jī)可以滿足要求，因?yàn)榧庸げ牧蠟榍嚆~，切削力小，故不再進(jìn)行校核計(jì)算。尺寸如下圖： 7） 確定齒輪傳動(dòng)比及模數(shù)和有關(guān)尺寸 因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)中距角=1.5o，滾珠絲桿螺距離t=5mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量=0.01mm/step，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一級(jí)齒輪降速傳動(dòng)，降速傳動(dòng)比：I===0.48 選Z=24，Z=50 因傳遞的扭矩較小，取模數(shù)m=2,齒輪有關(guān)尺寸如下表： 關(guān)系式 Z Z Z 24 50 d=mz 48 100 d=d+2m 52 104 d=d-2×1.25 43 95 B=(3~6 )mm 10 10 A= 74 2.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 縱橫向進(jìn)行機(jī)構(gòu)裝配圖 2.3.1經(jīng)過(guò)計(jì)算,本設(shè)計(jì)采用130BF001型步進(jìn)電機(jī)，內(nèi)循環(huán)NL3005滾珠絲桿副，齒輪箱中裝有三個(gè)齒輪Z=24，Z=52，Z=25，模數(shù)m=2。內(nèi)循環(huán)螺紋調(diào)整的雙螺母滾珠絲桿副,NL4006. 2.3.2.齒輪箱體在工作臺(tái)的右側(cè),設(shè)計(jì)中將一對(duì)齒輪水平放置(圖中沒(méi)畫出),避免箱體高工作臺(tái)面影響工人操作.步進(jìn)電機(jī)裝在齒輪箱蓋14上,為了保證電機(jī)與滾珠絲桿平衡度,在裝配之前,應(yīng)將端蓋14與箱體11用螺釘堅(jiān)固后打銷孔.在上鏜床,在一次裝夾中鏜出￠100H8和￠68H8兩個(gè)孔,再將端蓋坼下,進(jìn)行裝配. 2.3.3.將原回轉(zhuǎn)臺(tái)8中的錐齒輪,滑動(dòng)螺母等零件去掉，將回轉(zhuǎn)臺(tái)稍作加工，裝入滾珠螺母，再裝調(diào)左端的絲杠支架和右端的箱體11，使?jié)L珠絲杠與導(dǎo)軌平行，滾珠絲杠帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)行靈活，無(wú)阻滯現(xiàn)象，再堅(jiān)固螺釘，并打定位銷。 2.3.4．在水平面內(nèi)應(yīng)使絲桿中心線距導(dǎo)軌的距離盡量小，否則將會(huì)產(chǎn)生顛復(fù)力矩，增大摩擦力使運(yùn)動(dòng)不平穩(wěn)。此外設(shè)計(jì)中常見的錯(cuò)誤是為了在大齒輪端面與箱壁的矩，任意加長(zhǎng)電機(jī)伸出軸這是不允許的。如果齒輪端面與箱壁矩離太小，不便于裝配，可以用加長(zhǎng)齒輪輪轂的方法來(lái)解決。 2.3.5．本圖的消隙齒輪，是采用兩個(gè)薄片齒輪，中間開有三個(gè)月牙形的槽放入壓簧，并用三個(gè)內(nèi)六角螺釘固定（M——M和N——N）。這種消隙齒輪的裝配順序是：首先將雙片齒輪相對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒距，使雙片齒輪對(duì)齊，彈簧29受壓，上緊螺釘26裝入箱體后，將螺釘26松開，彈簧40將雙片齒輪沿周向錯(cuò)開，以消除與齒輪23的側(cè)隙，此時(shí)再將螺釘26上緊。設(shè)計(jì)時(shí)彈簧兩端用削扁的銷子壓住。 2.3.6．將原來(lái)機(jī)床橫向進(jìn)給手輪，刻度盤及前面的護(hù)蓋拆去，將螺桿換成NL3005滾珠絲桿，仍利用原來(lái)的一對(duì)圓錐滾子軸承，齒輪箱體直接裝在升降臺(tái)上。 為了將步進(jìn)電機(jī)裝在升降臺(tái)右側(cè)，齒輪箱體的后面，以便工人操作，必須加大絲桿中心與電機(jī)軸的中心距，故此設(shè)計(jì)中采用齒數(shù)為52的中間介輪。因Z=52齒輪直徑較大做成雙片齒輪，用以消除齒側(cè)間隙。 箱體上的電機(jī)止口孔100，中間軸軸承外圈孔42，及與升降臺(tái)上寂位座圈7作止口配合的孔75，是在鏜床上一次鏜出，其也中心距分別是77±0.023與76±0。023，裝配時(shí)將箱體止口孔75H8裝在定位座圈4上，則保證了滾珠絲桿上裝的齒輪8（Z=25，m=2）與箱體中問(wèn)軸上的齒輪10（Z=52,m=2）的中心距，使齒輪能正確嚙合。旋塞件4是為了旋下后，能從孔中伸進(jìn)內(nèi)六角桿，用來(lái)松緊介輪上的3個(gè)螺釘，使消隙齒輪錯(cuò)齒，以消除上下齒輪與之嚙合的側(cè)隙。 具體見裝配圖 2.4硬件部分電路的設(shè)計(jì) 2.4.1控制系統(tǒng)的功能 1. X向、Y向、Z向的進(jìn)給伺服運(yùn)動(dòng)； 2. 鍵盤顯示； 3. 面板管理 4. 行程控制 5. 其他功能、例如光隔離電路、功率放大電路、紅綠燈顯示 2.4.2CPU和存儲(chǔ)器 CPU采用8031芯片，由于8031芯片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器，需要有外部程序在存儲(chǔ)器的支持，同時(shí)8031內(nèi)部只有128B的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也遠(yuǎn)不能滿足控制的要求。故擴(kuò)展了16KB程序存儲(chǔ)器由兩片2764組成，又?jǐn)U展了一片6264數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。8031芯片的P和P用來(lái)傳送外部低8位地址和數(shù)據(jù)，P口傳送高8位地址，P口傳送低8位地址和數(shù)據(jù)，故要采用74LS373地址鎖存器的輸入和輸出透明，即輸入的低8位存儲(chǔ)器地址在輸出端出現(xiàn)，此時(shí)不需鎖存。當(dāng)ALEN高電平彎低電平，出現(xiàn)下降沿時(shí)，低8位地址鎖存入地址鎖存器中，74LS373的輸出不再隨輸入變化，這樣P口就可用來(lái)傳送讀寫的數(shù)據(jù)了。8031芯片的P口和74LS373送出的P口共組成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址線。A~A低8位接74LS373芯片的輸出，A~A接8031芯片的P~P。系統(tǒng)采用全地址譯碼，兩片2764芯片片選信號(hào)分別接74LS138譯碼器的和系統(tǒng)復(fù)位以后程序從0000H開始執(zhí)行。6264芯片的片選信號(hào)也接74LS138的，單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)允許程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器獨(dú)立編址（即允許地址重疊），8031芯片控制信號(hào)接2764的引腳，讀寫控制信號(hào)和分別接6264芯片的和，以實(shí)現(xiàn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀寫。由于8031芯片內(nèi)部沒(méi)有ROM故始終要選外部存儲(chǔ)器，故其必須接地。 2.4.3T/O接口電路 由于8031只有P口和P部分能提供用戶作為I/O口使用，不能滿足輸入輸出口的需要，因而系統(tǒng)必須擴(kuò)展輸入輸出接口電路。從附錄H圖H-2可以看出，系統(tǒng)擴(kuò)展了一片8155和一片8255可編程I/O接口芯片。8155的片選信號(hào)接74LS138的，8255芯片片選信號(hào)接到74LS138的端。74LS138譯碼器有三個(gè)輸入A、B、C分別接到8031的P、P、P，輸出~8個(gè)輸出，低電平有效。Y~Y對(duì)應(yīng)輸入A、B、C的000至111的8種組合，其中對(duì)應(yīng)A、B、C為000，Y對(duì)應(yīng)A、B、C為111。74LS138還有三個(gè)使能端，其中2上（和）為低電平使能，另一個(gè)G為高電平使能，只有當(dāng)使能端處于有效電平時(shí)，輸出才能產(chǎn)生，否則輸出處于高電平無(wú)效狀態(tài)。 I/O接口芯片與外設(shè)的連接是這樣安排的，8155芯片PA~PB是顯示器的位選信號(hào)輸出，PC~PC5要線是鍵盤掃描輸入。8155芯片的IO/引腳接8031芯片的P，因?yàn)槭褂?155的I/O口，故P為高電平。 8255芯片PA~PA接X(jué)向、Y向和Z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器，為輸出PB~PB為三個(gè)方向的點(diǎn)動(dòng)及回零輸入，PC~PC為面板上的選擇開關(guān)是輸入，設(shè)有編輯單步運(yùn)行，單段運(yùn)行、自動(dòng)、手動(dòng)I、手動(dòng)II等方式。 系統(tǒng)各芯片采用全地址譯碼，各存儲(chǔ)器及I/O接口芯片的地址編碼如下表： 芯片 接74LS138引腳 地址選擇線 片內(nèi)地址單元 地址編碼 2764（1） 0 0 0 ××××××××××××× 8KB 0000H～1FFFH 2764（2） 0 0 1 ××××××××××××× 8KB 2000H～3FFFH 6264 0 0 1 ××××××××××××× 8KB 2000H～ 3FFFH 8155 RAM 1 0 0 1 1 1 1 0 ×××××××× 256B 9E00H～9EFFH I/O 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ×××× 6B 9FF8H～5FFFH 8255 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ××× 4B 5FFCH～5FFFH X向、Y向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用YB015，3-2相通電五相十拍方式工作，故A、A引腳均接+5V，Z向步進(jìn)電機(jī)硬件環(huán)形分配器采用YB014，是以2-3相通電四相八拍試工作。A、A接高電平。三個(gè)芯片的選通輸出控制分別接8255的PA、PA、PA，清零接8255的PA，正反轉(zhuǎn)8255的PA、PA、PA，時(shí)鐘輸入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以決定脈沖分配器輸出脈沖的頻率。為實(shí)現(xiàn)插補(bǔ)時(shí)不同的進(jìn)給速度，可給8155芯片定時(shí)/計(jì)數(shù)器中設(shè)置不同的時(shí)間常數(shù)。 （1）其他輔助電路 此控制系統(tǒng)中設(shè)有越界報(bào)警和急停處理電路。±X、±Y、±Z方向的越界和急停信號(hào)經(jīng)或門引入 8031的P中斷源、，同時(shí)接到8031的P口，采用硬件申請(qǐng)中斷和軟件查詢的方法，這樣無(wú)論哪個(gè)方向，越界都會(huì)引起中斷，在中斷服務(wù)程序中通過(guò)軟件查詢的方法，便可確定是哪個(gè)方向越界，當(dāng)±X、±Y、 ±Z等方向越界，則相應(yīng)的紅燈這報(bào)警，另外，還有上電和按鈕，相結(jié)合的復(fù)位電路、光電隔離電路和功率放大電路等。 面板 2.5 凸輪加工程序 數(shù)控銑床銑削加工程序： 圖示為壓縮機(jī)殼焊接機(jī)上的仿形零件，零件曲線是二段圓弧和三條直線構(gòu)成，零件的上下兩面和中心孔已加工好，現(xiàn)要在數(shù)控銑床上銑削零件的輪廓曲線，并一次銑削加工成形。 零件的交點(diǎn)坐標(biāo)：A（-40，-20），B（-40，20），C（0，40），D（40，0），E（20，-20）。刀具偏移號(hào)為H08偏移方向?yàn)榈毒叩淖髠?cè)。設(shè)工件表面Z=0，厚度為25mm。 在數(shù)控銑床上銑削加工程序如下： O0012 N0010 G00 Z25.0 N0020 G90 G17 G41 X-40.0 Y-20.0 H08 N0030 S20 M03 N0040 G01 Z-25 F100 N0050 Y20.0 N0060 X0 Y40.0 N0070 G02 X40.0 Y0 R40.0 N0080 X20.0 Y-20.0 R20.0 N0090 G01 X-40.0 N0100 G00 Z25.0 N0110 G40 X0 Y0 N0120 M02 第三章 畢業(yè)設(shè)計(jì)體會(huì) 3.1畢業(yè)設(shè)計(jì)體會(huì) 也許是一開始就對(duì)畢業(yè)有種恐懼感吧，接到設(shè)計(jì)任務(wù)書，想著自己要單獨(dú)的面對(duì)設(shè)計(jì)，想著設(shè)計(jì)搞好后的答辯，答辯之后的離校。種種煩人思緒一下子全涌上了心頭，即將結(jié)束學(xué)生的生涯，走上社會(huì)，是我最不愿意想的，可是我無(wú)法不面對(duì)現(xiàn)實(shí)。匆匆地要自己結(jié)束一幕幕的幻想，要自己坦然的面對(duì)，還是在老師的指引下，開始了設(shè)計(jì)，過(guò)程中的查資料，眼花的數(shù)據(jù)，繁復(fù)的計(jì)算，不時(shí)的讓我產(chǎn)生了退縮的念頭，可“這是自己學(xué)習(xí)生涯的最后一個(gè)設(shè)計(jì)了”讓我繼續(xù)著。慢慢的發(fā)現(xiàn)原來(lái)自己四年中還是學(xué)了挺多東西的，這次設(shè)計(jì)涉及到數(shù)控、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)及制圖，工藝等，而我要把他們綜合，這比以前的設(shè)計(jì)難多了，我也是在不知不覺(jué)中用到了它們，偶爾遇到難題百思不得其解的困惑，偶爾不經(jīng)意的解決難題后的欣喜都讓我深深的體味著畢業(yè)設(shè)計(jì)，而四年中我也學(xué)了不少東西，卻是我這次畢業(yè)設(shè)計(jì)的最大體會(huì)和最大的收獲了。 在本次設(shè)計(jì)過(guò)程中，我得到了張廣杰老師的精心指導(dǎo)和技術(shù)資料方面的幫助，才使得設(shè)計(jì)得以順利進(jìn)行，借此表示謝意 參考資料 1．《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》機(jī)械工業(yè)出版社，1979年 2．郝忠軍 雷曉玲《綜合作業(yè)指導(dǎo)書》全國(guó)高等教育自考指導(dǎo)委員會(huì) 3．陸玉、何在洲、佟延偉主編：《機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)》，機(jī)械工業(yè)出版社，2000年8月第3版 4．華東紡織工學(xué)院，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，天津大學(xué)主編：《機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè)》，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1979年6月 5．石光源、周積義、彭福蔭主編：《機(jī)械制圖》，高等教育出版社，1990年5月第3版 6．李廣弟主編：《單片機(jī)基礎(chǔ)》，北京航空航天大學(xué)出版社，1994年6月第一版 7．中國(guó)機(jī)械工業(yè)教育協(xié)會(huì)組編 .數(shù)控技術(shù). 北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2001出版 8．《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組編 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)2 機(jī)械工業(yè)出版社 1980年8月出版 9．《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組編 機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)3 機(jī)械工業(yè)出版社 1986年12月出版 10．東北大學(xué)《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》編寫組編 機(jī)床零件設(shè)計(jì)手冊(cè) 第三版 冶金工業(yè)出版社 1994年5月出版 11．華東紡織工學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)主編 機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè) 上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 1979年6月出版 19