2001 (200X200)方臺(tái)面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)設(shè)計(jì),x200,臺(tái)面,數(shù)控,回轉(zhuǎn),工作臺(tái),設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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： 2(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……………………………………………………………………… 61、確定脈沖當(dāng)量…………………………………………………………………………… 62、確定傳動(dòng)比……………………………………………………………………………… 63、滾珠絲杠螺母副的選型和校核……………………………………………………… 74、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算…………………………………………………………… 115、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 ……………………………………………………………… 136、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)……………………………………………………………………………………253序言據(jù)資料介紹，我國(guó)擁有400多萬(wàn)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(wú)論從資金還是從我國(guó)機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國(guó)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(guó)現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的重要課題。在過(guò)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(guó)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(lái)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(guó)的具體情況來(lái)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(kāi)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(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，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(zhuān)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(guò)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。4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(lái)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(guò)程還存在某方面的錯(cuò)漏，敬請(qǐng)老師提出寶貴意見(jiàn)。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(zhuān)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(zhuān)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)程中所遇到的問(wèn)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(guò)課程設(shè)計(jì)可以初步樹(shù)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(wèn)題解決問(wèn)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(shuō)明書(shū)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(shuō)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(shuō)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(wèn)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。5總體方案設(shè)計(jì)一般來(lái)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開(kāi)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(wèn)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(kāi)環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測(cè)與反饋控制的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(kāi)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)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(wú)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。縮短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差?？刹捎妙A(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(jiǎn)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(guò)比較，對(duì)于簡(jiǎn)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。65．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)。考慮到電機(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(jiàn)下表：要求：設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)并開(kāi)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(lèi)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)，C Fz=68.2（表 2-3）ae ———最大銑削寬度，本設(shè)計(jì)為 8mmap ———背吃刀量，本設(shè)計(jì)為 3mmZ ———銑刀齒數(shù)，齒數(shù)取 3d0 ———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 ：7FZ=9.81×68.2×80.86×0.100.72×20-0.86×3×3=547 N2.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p??角 0.9 。?可計(jì)算出傳動(dòng)比 i：i= =0.9×4/360×0.01=1pbL??360?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(jiǎn)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）Fm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＋F c＋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 0.005f?G———移動(dòng)部件的重力（N）：G=600NFL———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=438NFv /FZ=0.40， Fv =0.4FZ=219 N 故：8Fm=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= fmFm3LL= 610ntn= 0Lvv=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）a f=0.06mm/齒Z----銑刀齒數(shù)，Z=5n， ---銑刀轉(zhuǎn)速，區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)速 n，n ， ， 取為 1000r/minv=0.06×5×1000=0.3 m/minn= =(1000×0.3)/4=7501LvminrL= =(60×75×15000)/106=67.5 r16tn?C= fmFm=4.1×1.2×858.17=3.35kN3L(3)螺母副的選型9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(guó)·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=?)(???tg式中 ——絲杠螺旋升角, =3°38′?——摩擦角，取 10′?= =0.064/0.0664=0.9638=96.4%?)(???tg(5)剛度驗(yàn)算先畫(huà)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。向4-20向向向向向向向向向向LJp GZ2J2Z1J1Jm[1]絲杠的拉伸或壓縮變形量 1?=±1?EALFmFm—絲杠的工作載荷（N） ；L—滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度（mm） ；L=500mmE—材料的彈性模量，對(duì)鋼 E=20.6× Mpa;41010A—滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） 。A=3.14×d2/4=3.14×16.92/4=224.3 mm2故： =±(548×500/20.6× ×224.3)= ±0.0059(mm）1?410[2]滾珠與螺紋滾道間接觸變形 2?有預(yù)緊：′=0.0013× (mm) =0.0014mm2?32?ZFDYJwmDw－為滾珠直徑（mm）,D=3mm；－為滾珠總數(shù)量： ＝Z×圈數(shù)×列數(shù)z?z?Z－為一圈的滾珠數(shù)，外循環(huán) Z= =3.14×20/3=21；wmDd?故： ＝21×3×1=63；z?--為滾珠絲杠的公稱直徑（mm）, =20mmmd md—為預(yù)緊力，此處單位為 kgf，為軸向工作載荷的 1/3 時(shí)，YJF= FL /3=493/3=164N=16.8kgfYJ—為滾珠絲杠工作載荷，單位為 kgf。 =548/9.8=55.9kgfm mF有預(yù)緊：′=0.0013× (mm)2?32?ZFDYJwm=1/2 ′=0.0014mm22[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21????系統(tǒng)的定位精度的一半：=0.0059+0.0014=0.0073 0.025/2mm=0.0125mm(定位精度的一半)。21????(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11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(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)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=∏d 14/64=3.14×16.94/64=4002.2mm4L－絲杠最大工作長(zhǎng)度（mm） ；L=500 mmfZ－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(jiǎn)支的方式，所以 fZ＝22×3.142×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104N2/KzFfEIL???nk=Fk/Fm=2.0731×104/548=37.8﹥［n k］=4所以，該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。［n k］－許用穩(wěn)定性安全系數(shù)， ［n k］=2.5～44. 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 θ b=0.9°,滿足要求.036bpQLi??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(zhǎng)度,設(shè)定為 500mm=50cmD---絲杠公稱直徑,D=20mm=2cmJS=0.78×24×50×10-3=0.624㎏·cm 22.工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG=(L0/2∏) 2ML0----絲杠導(dǎo)程,L 0=4mm=0.4cmM----工作臺(tái)質(zhì)量,M=62kgJG=(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm 23.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 SLK2-100-2LEIfFZk??120608 (廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備有限公司)，查得：JL=0.068㎏·cm 24. 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㎏·cm 2故：J ∑ =JS＋J G＋J L＋J Z=0.634＋0.248＋0.068＋0.46=1.462㎏·cm 2三、步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)的計(jì)算 kqM0kqkakfM??——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（N·cm） ；aM ——為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N·cm） ；kfM ——電絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。o(1)加速度力矩 kaMka= J∑ ×2×∏×n max×10-2/60t(N·cm)nmax=vmaxθ b/360δ pt-----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）, v max=3m/min=3000mm/minθ b--------初選步距角，θ b=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：n max=3000×0.9/（360×0.01） =750 r/minMka=1.462×2×3.14×750×10-2/60×0.3=3.83N·cm (2)空載摩擦力矩 kfMkf=G ’L0/2∏ηi(N·cm)f?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;f? f?η---傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般取 η=0.7—0.85,這里取 η=0.85L －滾珠絲杠基本導(dǎo)程，L =0.4 cm.o o13空載摩擦力矩：Mkf=G ’L0/2∏ηi=600×0.005×0.4／（2×3.14×0.85×1）=0.225 f?N·cm(3)附加摩擦力矩 MoM0=FYJL0（1-η 2）/2 ∏ηiη--絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 ≥0.9，這里取 =0.96；o?o?F －預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的 ,即 F = F =183NYJ 31YJLM0=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 okfkakqM??= 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：M jmax1=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(kāi)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＋M kf＋M 0＋M f’Mf’=F’L/2∏ηi(N·cm)F’---作用在工作臺(tái)的合力，F(xiàn)＇=（F L2＋F V2＋F C2） 1/2=694.4NMf’--- 合力 F’折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩故:M f’=694.4×0.4/（2×3.14×0.85×1）=52.01 N·cmMfq=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:M jmax=1.4N·m=140N·cm所以 Mjmax﹥M jmax2﹥M jmax114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｛M jmax1， 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(guó)·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，C a 為 6.07KN，參數(shù)如下：?jiǎn)挝哗L2)對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行按下式進(jìn)行校核： 350???????WCTHaFfL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；aaF 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；Hf Hf為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過(guò) 100°C 時(shí)， =1；T T為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí) =0.81；Cf f為載荷/速度系數(shù)，無(wú)明顯沖擊振動(dòng)或 v≤60m/min 時(shí)， =1.5-2 這里選擇W Wf=2。f ?????CTHwa ffLFC350/=588× ×2÷（1×0.81×1）=1361Nfq=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 maxax106pVf??式中：V max——運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 Hzfp501.6301maxax ????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= okf?其中：M 0 為附加摩檫力矩（N·cm） ，M KF為快進(jìn)時(shí)的折算到電機(jī)的摩檫力矩（N·cm） 。所以 ：M JK= =1.175（N·cm）okf?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〈F YK，所以電機(jī)不會(huì)丟步。（3） 、工進(jìn)運(yùn)行距頻特性校核17工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率 ：GJf106GGJpVf??式中： ——最大工作進(jìn)給速度GVHzfpJ 501.6301????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）tfGJ??0式中：——附加摩擦力矩， 0M——摩擦力矩f——折算到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩t(式 2-40)0()()2VfFGLMNcmi?????(式 2-41)0()2iiLc????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=F L cmNMf cN　iLF cGftGJttVf ??????????23.89.368.095.124.3.01.24)638(05.)(0??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。18（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19MCS-51 系列 8031 芯片第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制電路一、開(kāi)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(pán)輸入，也可通過(guò)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)。+80V204 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(lèi)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)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：F m≥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)比較法框圖主程序條件 1 子程序 1條件 2條件 3子程序 2子程序 3初始化FM≥0 ?X 方向進(jìn)給 Y 方向進(jìn)給FM=FM-YEX=X+1FM=FM+XEY=Y+1X=XM ?Y=YM ?NONOYES21步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)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。P1.0P1.1P1.2P1.38031節(jié)拍：正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 通電阻 控制字1 8 A 0000 0001 01H2 7 AB 0000 0011 03H3 6 B 0000 0010 02H4 5 BC 0000 0110 06H5 4 C 0000 0100 04H6 3 CD 0000 1100 0CH7 2 D 0000 1000 8H8 1 DA 0000 1001 9H其它電路輔助設(shè)計(jì)返回YES光電耦合器 驅(qū)動(dòng)電路22設(shè)計(jì)總結(jié)近年來(lái)，我國(guó)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(guó)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(guò)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(guò)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(lái)，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?lái)從事這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)！2324參考文獻(xiàn)[1]李洪主編.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).沈陽(yáng)：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(xiě)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(kāi)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專(zhuān)業(yè)課課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)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： 2(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……………………………………………………………………… 61、確定脈沖當(dāng)量…………………………………………………………………………… 62、確定傳動(dòng)比……………………………………………………………………………… 63、滾珠絲杠螺母副的選型和校核……………………………………………………… 74、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算…………………………………………………………… 115、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 ……………………………………………………………… 136、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)……………………………………………………………………………………253序言據(jù)資料介紹，我國(guó)擁有400多萬(wàn)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(wú)論從資金還是從我國(guó)機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國(guó)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(guó)現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的重要課題。在過(guò)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(guó)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(lái)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(guó)的具體情況來(lái)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(kāi)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(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，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(zhuān)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(guò)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。4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(lái)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(guò)程還存在某方面的錯(cuò)漏，敬請(qǐng)老師提出寶貴意見(jiàn)。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(zhuān)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(zhuān)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(wèn)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(guò)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(guò)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(guò)程中所遇到的問(wèn)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(guò)課程設(shè)計(jì)可以初步樹(shù)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(wèn)題解決問(wèn)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(shuō)明書(shū)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(shuō)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(shuō)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(wèn)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。5總體方案設(shè)計(jì)一般來(lái)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(jiǎn)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(guò)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(guò)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(guò)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(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開(kāi)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(wèn)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(kāi)環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測(cè)與反饋控制的問(wèn)題，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)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(kāi)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(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)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(wú)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?？刹捎妙A(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(jiǎn)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(guò)比較，對(duì)于簡(jiǎn)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。65．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)。考慮到電機(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(jiàn)下表：要求：設(shè)計(jì)一臺(tái)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺(tái)并開(kāi)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(lèi)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)，C Fz=68.2（表 2-3）ae ———最大銑削寬度，本設(shè)計(jì)為 8mmap ———背吃刀量，本設(shè)計(jì)為 3mmZ ———銑刀齒數(shù)，齒數(shù)取 3d0 ———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 ：7FZ=9.81×68.2×80.86×0.100.72×20-0.86×3×3=547 N2.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p??角 0.9 。?可計(jì)算出傳動(dòng)比 i：i= =0.9×4/360×0.01=1pbL??360?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(jiǎn)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）Fm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＋F c＋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 0.005f?G———移動(dòng)部件的重力（N）：G=600NFL———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=438NFv /FZ=0.40， Fv =0.4FZ=219 N 故：8Fm=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= fmFm3LL= 610ntn= 0Lvv=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）a f=0.06mm/齒Z----銑刀齒數(shù)，Z=5n， ---銑刀轉(zhuǎn)速，區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)速 n，n ， ， 取為 1000r/minv=0.06×5×1000=0.3 m/minn= =(1000×0.3)/4=7501LvminrL= =(60×75×15000)/106=67.5 r16tn?C= fmFm=4.1×1.2×858.17=3.35kN3L(3)螺母副的選型9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(guó)·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=?)(???tg式中 ——絲杠螺旋升角, =3°38′?——摩擦角，取 10′?= =0.064/0.0664=0.9638=96.4%?)(???tg(5)剛度驗(yàn)算先畫(huà)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。向4-20向向向向向向向向向向LJp GZ2J2Z1J1Jm[1]絲杠的拉伸或壓縮變形量 1?=±1?EALFmFm—絲杠的工作載荷（N） ；L—滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度（mm） ；L=500mmE—材料的彈性模量，對(duì)鋼 E=20.6× Mpa;41010A—滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積（mm 2） 。A=3.14×d2/4=3.14×16.92/4=224.3 mm2故： =±(548×500/20.6× ×224.3)= ±0.0059(mm）1?410[2]滾珠與螺紋滾道間接觸變形 2?有預(yù)緊：′=0.0013× (mm) =0.0014mm2?32?ZFDYJwmDw－為滾珠直徑（mm）,D=3mm；－為滾珠總數(shù)量： ＝Z×圈數(shù)×列數(shù)z?z?Z－為一圈的滾珠數(shù)，外循環(huán) Z= =3.14×20/3=21；wmDd?故： ＝21×3×1=63；z?--為滾珠絲杠的公稱直徑（mm）, =20mmmd md—為預(yù)緊力，此處單位為 kgf，為軸向工作載荷的 1/3 時(shí)，YJF= FL /3=493/3=164N=16.8kgfYJ—為滾珠絲杠工作載荷，單位為 kgf。 =548/9.8=55.9kgfm mF有預(yù)緊：′=0.0013× (mm)2?32?ZFDYJwm=1/2 ′=0.0014mm22[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21????系統(tǒng)的定位精度的一半：=0.0059+0.0014=0.0073 0.025/2mm=0.0125mm(定位精度的一半)。21????(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11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(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)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=∏d 14/64=3.14×16.94/64=4002.2mm4L－絲杠最大工作長(zhǎng)度（mm） ；L=500 mmfZ－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(jiǎn)支的方式，所以 fZ＝22×3.142×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104N2/KzFfEIL???nk=Fk/Fm=2.0731×104/548=37.8﹥［n k］=4所以，該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。［n k］－許用穩(wěn)定性安全系數(shù)， ［n k］=2.5～44. 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 θ b=0.9°,滿足要求.036bpQLi??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(zhǎng)度,設(shè)定為 500mm=50cmD---絲杠公稱直徑,D=20mm=2cmJS=0.78×24×50×10-3=0.624㎏·cm 22.工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG=(L0/2∏) 2ML0----絲杠導(dǎo)程,L 0=4mm=0.4cmM----工作臺(tái)質(zhì)量,M=62kgJG=(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm 23.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 SLK2-100-2LEIfFZk??120608 (廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備有限公司)，查得：JL=0.068㎏·cm 24. 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㎏·cm 2故：J ∑ =JS＋J G＋J L＋J Z=0.634＋0.248＋0.068＋0.46=1.462㎏·cm 2三、步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)的計(jì)算 kqM0kqkakfM??——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（N·cm） ；aM ——為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N·cm） ；kfM ——電絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。o(1)加速度力矩 kaMka= J∑ ×2×∏×n max×10-2/60t(N·cm)nmax=vmaxθ b/360δ pt-----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）, v max=3m/min=3000mm/minθ b--------初選步距角，θ b=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：n max=3000×0.9/（360×0.01） =750 r/minMka=1.462×2×3.14×750×10-2/60×0.3=3.83N·cm (2)空載摩擦力矩 kfMkf=G ’L0/2∏ηi(N·cm)f?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;f? f?η---傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般取 η=0.7—0.85,這里取 η=0.85L －滾珠絲杠基本導(dǎo)程，L =0.4 cm.o o13空載摩擦力矩：Mkf=G ’L0/2∏ηi=600×0.005×0.4／（2×3.14×0.85×1）=0.225 f?N·cm(3)附加摩擦力矩 MoM0=FYJL0（1-η 2）/2 ∏ηiη--絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取 ≥0.9，這里取 =0.96；o?o?F －預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的 ,即 F = F =183NYJ 31YJLM0=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 okfkakqM??= 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：M jmax1=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(kāi)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＋M kf＋M 0＋M f’Mf’=F’L/2∏ηi(N·cm)F’---作用在工作臺(tái)的合力，F(xiàn)＇=（F L2＋F V2＋F C2） 1/2=694.4NMf’--- 合力 F’折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩故:M f’=694.4×0.4/（2×3.14×0.85×1）=52.01 N·cmMfq=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:M jmax=1.4N·m=140N·cm所以 Mjmax﹥M jmax2﹥M jmax114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｛M jmax1， 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(guó)·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，C a 為 6.07KN，參數(shù)如下：?jiǎn)挝哗L2)對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行按下式進(jìn)行校核： 350???????WCTHaFfL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；aaF 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；Hf Hf為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過(guò) 100°C 時(shí)， =1；T T為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí) =0.81；Cf f為載荷/速度系數(shù)，無(wú)明顯沖擊振動(dòng)或 v≤60m/min 時(shí)， =1.5-2 這里選擇W Wf=2。f ?????CTHwa ffLFC350/=588× ×2÷（1×0.81×1）=1361Nfq=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 maxax106pVf??式中：V max——運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度 Hzfp501.6301maxax ????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= okf?其中：M 0 為附加摩檫力矩（N·cm） ，M KF為快進(jìn)時(shí)的折算到電機(jī)的摩檫力矩（N·cm） 。所以 ：M JK= =1.175（N·cm）okf?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〈F YK，所以電機(jī)不會(huì)丟步。（3） 、工進(jìn)運(yùn)行距頻特性校核17工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率 ：GJf106GGJpVf??式中： ——最大工作進(jìn)給速度GVHzfpJ 501.6301????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）tfGJ??0式中：——附加摩擦力矩， 0M——摩擦力矩f——折算到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩t(式 2-40)0()()2VfFGLMNcmi?????(式 2-41)0()2iiLc????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=F L cmNMf cN　iLF cGftGJttVf ??????????23.89.368.095.124.3.01.24)638(05.)(0??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。18（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19MCS-51 系列 8031 芯片第二節(jié) 步進(jìn)電機(jī)控制電路一、開(kāi)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(pán)輸入，也可通過(guò)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)。+80V204 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(lèi)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)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：F m≥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)比較法框圖主程序條件 1 子程序 1條件 2條件 3子程序 2子程序 3初始化FM≥0 ?X 方向進(jìn)給 Y 方向進(jìn)給FM=FM-YEX=X+1FM=FM+XEY=Y+1X=XM ?Y=YM ?NONOYES21步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)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。P1.0P1.1P1.2P1.38031節(jié)拍：正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 通電阻 控制字1 8 A 0000 0001 01H2 7 AB 0000 0011 03H3 6 B 0000 0010 02H4 5 BC 0000 0110 06H5 4 C 0000 0100 04H6 3 CD 0000 1100 0CH7 2 D 0000 1000 8H8 1 DA 0000 1001 9H其它電路輔助設(shè)計(jì)返回YES光電耦合器 驅(qū)動(dòng)電路22設(shè)計(jì)總結(jié)近年來(lái)，我國(guó)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(guó)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(guò)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(guò)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(lái)，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?lái)從事這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)！2324參考文獻(xiàn)[1]李洪主編.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).沈陽(yáng)：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(xiě)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(kāi)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