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專業(yè)課課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書 設(shè)計(jì)題目：數(shù)控X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì) 學(xué) 生： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 指導(dǎo)教師： (200X200)方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì) 目錄 序言……………………………………………………………………………………………3 摘要…………………………………………………………………………………………… 4 設(shè)計(jì)目的…………………………………………………………………………………… 4 設(shè)計(jì)要求…………………………………………………………………………………… 4 總體方案設(shè)計(jì)………………………………………………………………………………5 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算……………………………………………………………………… 6 1、確定脈沖當(dāng)量…………………………………………………………………………… 6 2、確定傳動(dòng)比……………………………………………………………………………… 6 3、滾珠絲杠螺母副的選型和校核……………………………………………………… 7 4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算…………………………………………………………… 11 5、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 ……………………………………………………………… 13 6、啟動(dòng)矩頻特性校核…………………………………………………………………… 14 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)…………………………………………………………………………… 18 第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成……………………………………………… 18 第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制電路………………………………………………………… 18 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)……………………………………………………………… 20 其它電路輔助設(shè)計(jì)………………………………………………………………………24 設(shè)計(jì)總結(jié)……………………………………………………………………………………24 參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………25 序言 據(jù)資料介紹，我國擁有400多萬臺(tái)機(jī)床，絕大部分都是多年累積生產(chǎn)的普通機(jī)床。這些機(jī)床自動(dòng)化程度不高，加工精度低，要想在短時(shí)期內(nèi)用自動(dòng)化程度高的設(shè)備大量更新，替代現(xiàn)有的機(jī)床，無論從資金還是從我國機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國現(xiàn)有的部分普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改造又勢(shì)在必行。為此，如何改造就成了我國現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的重要課題。 在過去的幾十年里，金屬切削機(jī)床的基本動(dòng)作原理變化不大，但社會(huì)生產(chǎn)力特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。反映到機(jī)床控制系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工的精度，現(xiàn)已有一些企業(yè)在這方面做了有益的嘗試。實(shí)踐證明，改造后的機(jī)床既滿足了技術(shù)進(jìn)步和較高生產(chǎn)率的要求，又由于產(chǎn)品精度提高，型面加工范圍增多也使改造后的設(shè)備適應(yīng)能力加大了許多。這更加突出了在舊機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控技術(shù)改造的必要性和迫切性。 由于新型機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換，國家要花費(fèi)大量的資金，而替換下的機(jī)床又會(huì)閑置起來造成浪費(fèi)，若采用改造技術(shù)加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)省50%以上的資金。從我國的具體情況來講，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3到1/5，一般用戶都承擔(dān)得起。這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)發(fā)展開創(chuàng)了新路，也對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)吸引力，起到了事半功倍的積極作用。 據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿足市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)充手段。 在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)是現(xiàn)代機(jī)械制造的基本特征，占有相當(dāng)大的比重。要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。 從上述分析中不難看出數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)之上。通過理論上的推導(dǎo)和實(shí)踐使用的證明，把微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)引入機(jī)床的改造有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：1）可靠性高；"柔性強(qiáng)；#易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；2）經(jīng)濟(jì)性可觀。為此在舊的機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較高的機(jī)床性能和較大的經(jīng)濟(jì)效益。 摘要 本課程設(shè)計(jì)是對(duì)銑床進(jìn)行改造，目的在于培養(yǎng)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力，重點(diǎn)是對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)及將來的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 本課程設(shè)計(jì)由序言、設(shè)計(jì)要求、總體方案、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)元件的選擇與確定和主程序框圖、數(shù)控化電路原理組成。由于本人經(jīng)驗(yàn)不足，以及對(duì)知識(shí)掌握程度的限制，設(shè)計(jì)過程還存在某方面的錯(cuò)漏，敬請(qǐng)老師提出寶貴意見。 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(duì)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(shí)，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(cè)、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(shí)，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(duì)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(tái)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(cè)及圖表資料。 總體方案設(shè)計(jì) 一般來講，普通銑床的數(shù)控改造主要有兩部分，一是設(shè)計(jì)一套簡易微機(jī)數(shù)控X-Y工作臺(tái)，固定在銑床的工作臺(tái)上。二是將控制銑刀上、下運(yùn)動(dòng)的手柄拆去，改用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)通過一級(jí)減速裝置使銑頭上下運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)只對(duì)X-Y工作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。取銑床步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖，步進(jìn)電機(jī)的步距角0.9°。 方案 1．系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)，點(diǎn)位直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。數(shù)控銑床在工作臺(tái)移動(dòng)過程中銑頭并不進(jìn)行銑孔加工，因此數(shù)控裝置可采用點(diǎn)位控制方式。對(duì)點(diǎn)位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 2．伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能達(dá)到較高水平的基本問題，但是步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會(huì)積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化的特點(diǎn)。并且步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測(cè)與反饋控制的問題，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具體的系統(tǒng)中，增加了位置檢測(cè)、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了在安裝調(diào)試增加工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在普通立式銑床上進(jìn)行改造，精度要求不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。 3．執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝配時(shí)，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)： 1）盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌等。 2）盡量消除傳動(dòng)間隙。如步進(jìn)電機(jī)上的傳動(dòng)齒輪采用偏心軸套式消隙結(jié)構(gòu)。 3）縮短傳動(dòng)鏈?？s短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差。可采用預(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動(dòng)副，絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等提高傳動(dòng)剛度。X-Y工作臺(tái)傳動(dòng)采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。 4．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇 計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般由微機(jī)部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾部分所組成。在簡易數(shù)控系統(tǒng)中，大多采用8位微處理器的微型計(jì)算機(jī)。如何采用Z80CPU或MCS-51單片機(jī)組成的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。 Z80CPU有芯片價(jià)廉，通用性強(qiáng)，維修方便等特點(diǎn)。MCS-51單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快和很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)。通過比較，對(duì)于簡易數(shù)控機(jī)床推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。 5．實(shí)施 保留原機(jī)床主傳動(dòng)鏈，保留銑床工作臺(tái)和控制工作臺(tái)移動(dòng)手柄，在原工作臺(tái)上安裝一套微機(jī)數(shù)控的X-Y工作臺(tái)。由于X-Y工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和切削力不大，因此選用有預(yù)加載荷的滾珠導(dǎo)軌。采用滾動(dòng)導(dǎo)軌可減小兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)?？紤]到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率0.01mm要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。 綜上所述，本文改造的總體方案確定為：采用MCS-51單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件的縱向、橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為了防止意外事故，保護(hù)微機(jī)及其它設(shè)備，還設(shè)置報(bào)警，急停電路等， 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)參數(shù) 系統(tǒng)分辯率為0.01mm,其它設(shè)計(jì)參數(shù)見下表： 要求：設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)并開發(fā)其控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，工作臺(tái)面200X200mm，分辨率為=5分/step，承受最大軸向載荷Tmax=800Nm。 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算 1.脈沖當(dāng)量的確定 根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，考慮到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在。脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計(jì)確定脈沖當(dāng)量為0.01mm/步. 二.銑削力分析與計(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(tái)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.根據(jù)工件材料為碳鋼可確定銑削力的計(jì)算公式： FZ=9.81CFz·ae0.86·af0.72·d0-0.86·ap·Z 式中各參數(shù)如下: CFz———銑削力系數(shù)，CFz=68.2（表2-3） ae ———最大銑削寬度，本設(shè)計(jì)為8mm ap ———背吃刀量，本設(shè)計(jì)為3mm Z ———銑刀齒數(shù)，齒數(shù)取3 d0 ———圓柱銑刀直徑，查得d0= 20mm(技術(shù)指導(dǎo)) af ———每齒進(jìn)給量（mm/齒），即銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)，工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量，查得af=0.10mm/齒（技術(shù)指導(dǎo)） 故 ： FZ=9.81×68.2×80.86×0.100.72×20-0.86×3×3=547 N 2.齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算 已確定進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01mm滾珠絲杠導(dǎo)程L=4mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.9。 可計(jì)算出傳動(dòng)比i： i==0.9×4/360×0.01=1 因傳動(dòng)比為1，這時(shí)可以使步進(jìn)電機(jī)直接與絲桿聯(lián)接，有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。 3.滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型 （1） 計(jì)算進(jìn)給牽引力（N） 滾珠絲杠上的工作載荷Fm(N)是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算公式： Fm=KFL＋f，(Fv＋Fc＋G) 式中K———考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，矩形導(dǎo)軌K=1.1 ———滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.0025～0.005；這里取0.005 G———移動(dòng)部件的重力（N）：G=600N FL———工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷 Fc———工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷 Fv———工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷 由表2-4查得，F(xiàn)L/ FZ=0.90， FL= 0.9FZ=493 N Fc /FZ=0.80， Fc =0.8FZ=438N Fv /FZ=0.40， Fv =0.4FZ=219 N 故： Fm=1.1×493＋0.005×（438＋219＋600）=548N （2）計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C 滾珠絲杠最大動(dòng)載荷可用下式計(jì)算 C=fmFm L= n= v=afZn， 式中：L—工作壽命、以106轉(zhuǎn)為單位。 fm－運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fm =1.2～1.5;這里取fm =1.5。 Fm----滾珠絲杠工作載荷（N） t—使用壽命，按15000h； n----絲杠的轉(zhuǎn)速 L0— 滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L0=4mm； v－最大切削力下的進(jìn)給速度 a---每齒進(jìn)給量（mm/齒）af=0.06mm/齒 Z----銑刀齒數(shù)，Z=5 n，---銑刀轉(zhuǎn)速，區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)速n，n，，取為1000r/min v=0.06×5×1000=0.3 m/min n==(1000×0.3)/4=75 L==(60×75×15000)/106=67.5 r C=fmFm=4.1×1.2×858.17=3.35kN (3)螺母副的選型 根據(jù)最大動(dòng)載荷和公稱直徑選外循環(huán)滾動(dòng)螺母副，選用中國·南京工藝裝備制造有限公司生產(chǎn)的FFZL型 內(nèi)循環(huán)螺紋預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副,規(guī)格代號(hào)為FFZL2004-3，公稱直徑=20mm,滾珠直徑為Dw=3mm,圈數(shù)×列數(shù)=3×1,螺距為4mm,螺旋升角為=3°38′。 (4)傳動(dòng)效率計(jì)算 = 式中——絲杠螺旋升角, =3°38′ ——摩擦角，取10′ ==0.064/0.0664=0.9638=96.4% (5)剛度驗(yàn)算 先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖4-20所示，最大牽引力為548N，支承間距L=500mm絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。 [1]絲杠的拉伸或壓縮變形量 =± Fm—絲杠的工作載荷（N）； L—滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm）；L=500mm E—材料的彈性模量，對(duì)鋼E=20.6×Mpa; A—滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm2）。 A=3.14×d2/4=3.14×16.92/4=224.3 mm2 故： =±(548×500/20.6××224.3)= ±0.0059(mm） [2]滾珠與螺紋滾道間接觸變形 有預(yù)緊： ′=0.0013× (mm) =0.0014mm Dw－為滾珠直徑（mm）,D=3mm； －為滾珠總數(shù)量：＝Z×圈數(shù)×列數(shù) Z－為一圈的滾珠數(shù)，外循環(huán)Z==3.14×20/3=21； 故：＝21×3×1=63； --為滾珠絲杠的公稱直徑（mm）,=20mm —為預(yù)緊力，此處單位為kgf，為軸向工作載荷的1/3時(shí)， = FL /3=493/3=164N=16.8kgf —為滾珠絲杠工作載荷，單位為kgf。=548/9.8=55.9kgf 有預(yù)緊： ′=0.0013× (mm) =1/2′=0.0014mm [3]滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算 絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度的一半： =0.0059+0.0014=0.00730.025/2mm=0.0125mm(定位精度的一半)。 (6)壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 驗(yàn)算滾珠絲杠尺寸和支承方式后，應(yīng)驗(yàn)算絲杠在承受最大軸向載荷時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲。滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷FK(N) 為 E—為材料的彈性模量，對(duì)鋼E=20.6×104Mpa; I－為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面： I=∏d14/64=3.14×16.94/64=4002.2mm L－絲杠最大工作長度（mm）；L=500 mm fZ－為絲杠支承方式系數(shù)，這里滾珠絲杠的支承方式采用一端固定一端簡支的方式，所以fZ＝2 2×3.142×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104N nk=Fk/Fm=2.0731×104/548=37.8﹥［nk］=4 所以，該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。 ［nk］－許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，［nk］=2.5～4 4. 縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型 一、初選步進(jìn)電機(jī)57BYG4504,步距角θb=0.9° ,滿足要求. 二、矩頻特性: 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 1.滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JS=0.78D4L×10-3(kf·cm2) L---絲杠長度,設(shè)定為500mm=50cm D---絲杠公稱直徑,D=20mm=2cm JS=0.78×24×50×10-3=0.624㎏·cm2 2.工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 JG=(L0/2∏)2M L0----絲杠導(dǎo)程,L0=4mm=0.4cm M----工作臺(tái)質(zhì)量,M=62kg JG=(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm2 3.聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 根據(jù)鋼的直徑為(20,22)選用定位螺絲固定平行式聯(lián)軸器，型號(hào)為SLK2-100-0608 (廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備有限公司)，查得： JL=0.068㎏·cm2 4. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 根據(jù)初選電機(jī)型號(hào),查得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為: JZ=0.46㎏·cm2 故：J∑=JS＋JG＋JL＋JZ=0.634＋0.248＋0.068＋0.46=1.462㎏·cm2 三、步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)的計(jì)算 ——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（N·cm）； M——為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N·cm）； M——電絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。 (1) 加速度力矩 Mka= J∑×2×∏×nmax×10-2/60t(N·cm) nmax=vmaxθb/360δp t-----運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快速所需的時(shí)間,t=0.3s vmax---運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度（mm/min）, vmax=3m/min=3000mm/min θb--------初選步距角，θb=0.9° nmax---與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min) 故：nmax=3000×0.9/（360×0.01） =750 r/min Mka=1.462×2×3.14×750×10-2/60×0.3=3.83N·cm (2)空載摩擦力矩 Mkf=G’L0/2∏ηi(N·cm) G----運(yùn)動(dòng)部件的總重量（N），G=600N －導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，=0.005; η---傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般取η=0.7—0.85,這里取η=0.85 L－滾珠絲杠基本導(dǎo)程，L=0.4 cm. 空載摩擦力矩： Mkf=G’L0/2∏ηi=600×0.005×0.4／（2×3.14×0.85×1）=0.225 N·cm (3)附加摩擦力矩M M0=FYJL0（1-η2）/2 ∏ηi η--絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取≥0.9，這里取=0.96； F－預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的,即F=F=183N M0=183×0.4×(1-0.962)/(2×3.14×0.96×1)=0.950N·cm 上述三項(xiàng)合計(jì)： 步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)力矩：M = 3.83＋0.225＋0.950 = 5.005（N·cm） 步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)力矩： 從產(chǎn)品系列及性能參數(shù)根據(jù)電機(jī)型號(hào)查出步進(jìn)電機(jī)為四相八拍； 從表2-17根據(jù)電機(jī)拍數(shù)查出啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩Mkq與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為Mkq/Mjmax1=0.707 故：Mjmax1=Mkq/0.707=4.58/0.707=6.471N·cm 運(yùn)動(dòng)部件正常工作（數(shù)控機(jī)床為工作臺(tái)開始工進(jìn)）時(shí)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)為帶負(fù)載啟動(dòng)，其總負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mfq可按下式計(jì)算 Mfq=Mka＋Mkf＋M0＋Mf’ Mf’=F’L/2∏ηi(N·cm) F’---作用在工作臺(tái)的合力， F＇=（FL2＋FV2＋FC2）1/2=694.4N Mf’--- 合力F’折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩 故:Mf’=694.4×0.4/（2×3.14×0.85×1）=52.01 N·cm Mfq=5.005＋52.01=57.015 N·cm 運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩 Mjmax2=Mfq/0.5=57/0.5=114 N·cm 根據(jù)電機(jī)型號(hào)查得步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩:Mjmax=1.4N·m=140N·cm 所以Mjmax﹥Mjmax2﹥Mjmax1 初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)力矩，即Mjmax≥max｛Mjmax1，Mjmax2｝所以初選電機(jī)57BYG4504能滿足要求。 5．導(dǎo)軌的選用與校核 初選滾動(dòng)導(dǎo)軌 選取中國·南京工藝裝備制造有限公司的GGB AA-AAL 四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副, 其額定載荷Coa為6.8KN，Ca 為6.07KN，參數(shù)如下：單位㎜ 2)對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行按下式進(jìn)行校核： 式中:L為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km）本設(shè)計(jì)L定為50km； 為額定載荷，查表=6.07kN； F為每個(gè)滑塊上的工作載荷（N）F本設(shè)計(jì)設(shè)定為588N； 為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為58-64HRC時(shí)=1.0； 為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過100°C時(shí)，=1； 為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)=0.81； 為載荷/速度系數(shù)，無明顯沖擊振動(dòng)或v≤60m/min時(shí)，=1.5-2這里選擇=2。 =588××2÷（1×0.81×1） =1361N<[]=6.07kN 因此所選導(dǎo)軌滿足要求。 1） 滾動(dòng)導(dǎo)軌的潤滑與防護(hù) 滾動(dòng)導(dǎo)軌采用潤滑脂潤滑。常用牌號(hào)為ZL-2鋰基潤滑脂（GB/7324—87，2號(hào)）。它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)泄漏，不需經(jīng)常加油；缺點(diǎn)是塵屑進(jìn)入后容易磨損導(dǎo)軌，因此防護(hù)要求較 高。易被污染又難防護(hù)的地方，可用潤滑油潤滑。 本設(shè)計(jì)的防護(hù)裝置采用伸縮式。 6、啟動(dòng)矩頻特性校核 部件電機(jī)有三種工況：啟動(dòng)、快速進(jìn)給運(yùn)行、工進(jìn)運(yùn)行。 前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。以后還要對(duì)快進(jìn)、工進(jìn)時(shí)的運(yùn)行矩頻特性作校核。 f fmax 0 t1 ta tb t222 Δt1 Δt2 t 圖1 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng) 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)，一般突跳啟動(dòng)很少使用。在升速啟動(dòng)中，步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開始逐漸升速，（如圖1所示）在零時(shí)刻（t1=0），啟動(dòng)頻率fq=0。在一段時(shí)間Δt1內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)達(dá)到了最高運(yùn)行速度，即fq=fmax。在整個(gè)升速、均勻運(yùn)行、降速過程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時(shí)間Δt1足夠長，啟動(dòng)過程緩慢，空載啟動(dòng)力矩Mkq中的加速力矩項(xiàng)Mka不會(huì)很大，一般不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時(shí)間Δt1過短，則步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩中的加速力矩項(xiàng)M就會(huì)很大，所以需要校核啟動(dòng)矩頻特性。 圖2 由圖2初選步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線中，可知空載啟動(dòng)力矩M=0.05N·M值所對(duì)應(yīng) 的允許啟動(dòng)頻率fyq=11000Hz>fq=1200 Hz,步進(jìn)電機(jī)會(huì)不丟步。 （2）電機(jī)快速進(jìn)給矩頻特性較核 最高運(yùn)行頻率fmax 式中：Vmax——運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 快進(jìn)時(shí)已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)Ma,并且一般處于空載狀態(tài)，故快速進(jìn)給力矩 MJK= 其中：M0為附加摩檫力矩（N·cm），MKF為快進(jìn)時(shí)的折算到電機(jī)的摩檫力矩（N·cm）。 所以 ：MJK= =1.175（N·cm） 由圖2可知道快進(jìn)力矩對(duì)應(yīng)允許快進(jìn)頻率FYK近似為20000Hz，F(xiàn)mzx〈FYK， 所以電機(jī)不會(huì)丟步。 （3）、工進(jìn)運(yùn)行距頻特性校核 工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率： 式中： ——最大工作進(jìn)給速度 工進(jìn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩Mkj可按下式計(jì)算： （式2-39） 式中： ——附加摩擦力矩， ——摩擦力矩 ——折算到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩 (式2-40) (式2-41) 式中： Fv——垂直方向作用于工作臺(tái)的工作載荷 Ft——沿進(jìn)給方向的切削負(fù)載，F(xiàn)t=FL 在圖2初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻率特性曲線中，對(duì)應(yīng)工進(jìn)頻率fGJ查到的允許工進(jìn)運(yùn)行力矩MYJ=1.08N·m >MGJ=0.382N·m，滿足工進(jìn)時(shí)運(yùn)行距頻特性的要求。 （4）步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸 步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸/㎜ 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成 MCS-51系列 8031芯片 第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制電路 一、開環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖 二．脈沖分配 由表（2-18）①查得脈沖分配方式為四相八拍 三．驅(qū)動(dòng)電路 +80V ④控制系統(tǒng)軟件的組成和結(jié)構(gòu) 監(jiān)控系統(tǒng)的作用是進(jìn)行人和機(jī)對(duì)話和檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)一般包括系統(tǒng)初始化，命令處理循環(huán)，零件加工程序和作業(yè)程序輸入，編輯，指令分析機(jī)構(gòu)，以及系統(tǒng)自測(cè)等。 1系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電式復(fù)位后，系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化處理。包括設(shè)置CPU的狀態(tài)，可編程I/O芯片的工作狀態(tài)，中斷方式 2命令處理：系統(tǒng)初始化后系統(tǒng)即進(jìn)入命令處理程序，對(duì)于一般單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)通常采用循環(huán)處理程序作為系統(tǒng)的主程序 3：零件加工程序或作業(yè)程序的輸入和編程：零件加工程序可以鍵盤輸入，也可通過串行口通信輸入。輸入程序的功能就是讀入源程序，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理，按規(guī)定的格式將其存入規(guī)定的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。 4 指令分析執(zhí)行：微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)輸入的指令進(jìn)行分析，并根據(jù)分析的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作。 5診斷程序：診斷程序用于檢測(cè)系統(tǒng)硬軟件功能的正確性，找出系統(tǒng)故障的位置，并指出故障類型。 機(jī)電系統(tǒng)控制軟件的機(jī)構(gòu) 一般機(jī)電控制系統(tǒng)中常用的軟件結(jié)構(gòu)有：子程序，主程序加中斷程序結(jié)構(gòu)子程序3 子程序1 子程序2 條件2 條件3 條件1 主程序 逐點(diǎn)比較法④ 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： 1判別偏差：Fm≥0或FM＜O ，從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算方向進(jìn)給。 2偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后計(jì)算新的加工偏差。 3終點(diǎn)判別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，若為零，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)，不為零則返回第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)判別可用方向坐標(biāo)值判斷，也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值判斷。當(dāng)Xe＞YE 逐點(diǎn)比較法框圖YES NO NO Y方向進(jìn)給 X方向進(jìn)給 X=XM ? Y=YM ? FM=FM+XE Y=Y+1 FM=FM-YE X=X+1 FM≥0 ? 初始化 YES 返回 步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì) 光電耦合器 步進(jìn)電機(jī)控制程序的任務(wù)是：判斷旋轉(zhuǎn)方向，依次送出控制字，運(yùn)行速度實(shí)現(xiàn)一定的延時(shí)，判斷是否結(jié)束。 驅(qū)動(dòng)電路 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 8031 節(jié)拍： 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 通電阻 控制字 1 8 A 0000 0001 01H 2 7 AB 0000 0011 03H 3 6 B 0000 0010 02H 4 5 BC 0000 0110 06H 5 4 C 0000 0100 04H 6 3 CD 0000 1100 0CH 7 2 D 0000 1000 8H 8 1 DA 0000 1001 9H 其它電路輔助設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)總結(jié) 近年來，我國機(jī)床數(shù)控化改造工作，已從初步摸索進(jìn)入比較成熟的階段。我們運(yùn)用成熟可靠、性能先進(jìn)的國內(nèi)外數(shù)控產(chǎn)品，為已進(jìn)入頻繁故障期、維修代價(jià)昂貴的第一代數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)升級(jí)換代作了大量的工作。通過這次對(duì)銑床X-Y工作臺(tái)的數(shù)控化改裝設(shè)計(jì)，使我們進(jìn)一步的了解了普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床的差異。也使我們更加深刻的認(rèn)識(shí)到，利用數(shù)控系統(tǒng)改造機(jī)床是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，提高舊設(shè)備利用率，推廣機(jī)電一體化技術(shù)的重要手段。 通過這次課程設(shè)計(jì)，讓我們進(jìn)一步熟悉了數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計(jì)原理，讓我們深刻的把電和機(jī)結(jié)合起來，達(dá)到自動(dòng)化控制的要求。 同時(shí)也深刻的體會(huì)到設(shè)計(jì)的嚴(yán)謹(jǐn)性，數(shù)據(jù)的處理技巧，以及各種參數(shù)的取舍，對(duì)我們?nèi)蘸蟪鰜韽氖逻@方面的工作有很大的幫助。 在這里，感謝我們的指導(dǎo)老師，在他們的指導(dǎo)下我們解決了各種疑難，順利地完成設(shè)計(jì)！ 參考文獻(xiàn) [1]李洪主編.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999 [2]鄭堤主編.數(shù)控機(jī)床與編程.北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [3]機(jī)械加工技術(shù)手冊(cè)編寫組.機(jī)械加工技術(shù)手冊(cè).北京：北京出版社，1993 [4]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)【M】北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1990 [5]周開勤主編.機(jī)械零件手冊(cè).北京：高等教育出版社，1999 [6]馮辛安主編.機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999 [7]吳振彪.機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997 [8]李洪.機(jī)械加工工藝手冊(cè).北京：北京出版社，1990 24