數(shù)控機床工作臺設(shè)計

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1、目錄一、 前言 3二、總體方案的確定 .51、 設(shè)計參數(shù).52、 初選步進電動機和絲杠.53、 選定工作臺尺寸 .64、 系統(tǒng)組成框圖.7三、機械部分的設(shè)計 .81、 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 .82、 工作載荷分析與計算.83、 進給工作臺工作載荷計算 .94、 滾珠絲杠螺母副的選型與校核 .95、 導軌的選型和計算 136、 驅(qū)動電動機的選用 13四、數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 .171、 硬件設(shè)計 172、 步進電動機開環(huán)伺服原理 183、 步進電動機的控制框圖 194、 軟件程序設(shè)計 20五、心得體會 .23六、參考書目 .23課程設(shè)計 III 任務(wù)書要求：該工作臺可安裝在鉆、銑床上用于鉆孔或銑

2、削加工。設(shè)計參數(shù)如下： Y 方向的脈沖當量為：0.005 mm/STEP;最大鉆孔直徑10 mm,銃刀直徑的D=20;齒數(shù)為4；加工材料為碳鋼；工作臺行程范圍是：500 mm X450mm,；最大快速移動速度為：3M/MIN,具體任務(wù)：1 、確定總方案，繪制系統(tǒng)組成圖一張（A3）2 、機械部分設(shè)計計算，選擇適當?shù)脑骷? 、 畫出 X-Y 工作臺外形圖和Y 向機械部分裝配圖一張（A0）4 、 設(shè)計控制系統(tǒng)硬件電路, 畫出控制系統(tǒng)硬件電路圖一張（ A1）5 、 編寫設(shè)計說明書 1 分， （不少于8000）24、/4 刖百設(shè)計目的數(shù)控機床課程設(shè)計是機電一體化專業(yè)教學中的一個重要的實踐環(huán)節(jié)， 學生

3、學完技術(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)學生理論聯(lián)系實際、 解決實際問題能力的重要步驟。 本課程設(shè)計是以機電一體化的典型課題 - 數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定為主線，通過對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計總體方案的擬定、 進給伺服系統(tǒng)機械部分設(shè)計， 計算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計， 使學生能夠綜合應(yīng)用所學過的機械、 電子和微機方面的知識， 進行一次機電結(jié)合的全方面訓練， 從而培養(yǎng)學生具有初步設(shè)計計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)計要求課程設(shè)計是機床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。 通過課程設(shè)計可以初步樹立正確的設(shè)計思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學會運用手冊、標準、規(guī)

4、范等資料；培養(yǎng)學生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)。課程設(shè)計的內(nèi)容是改造設(shè)備， 實現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計訓練。 如精密執(zhí)行機構(gòu)（或裝置）的設(shè)計、計算機I/O 接口設(shè)計和驅(qū)動電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計等。說明書的內(nèi)容應(yīng)包括：課程設(shè)計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、 機械傳動設(shè)計計算以及機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)計的內(nèi)容及方法，可以歸納如下：1. 采用微型計算機（包括單片機）進行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。2. 選

5、用驅(qū)動控制電路， 對執(zhí)行機構(gòu)進行控制。 主要考慮計算機的選擇或單片機構(gòu)成電路的選用，考慮電機選擇及驅(qū)動力矩的計算，控制電機電路的設(shè)計。3. 精密執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計。主要是考慮數(shù)控機床工作臺傳動裝置的設(shè)計問題：要弄清機構(gòu)或機械執(zhí)行元件的主要功能（傳動運動、動力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運轉(zhuǎn)等） ，進行力矩、負載功率、慣性（轉(zhuǎn)動慣量） 、加（減）速控制和誤差計算。4. 學會使用手冊及圖表資料。1 .總體方案的確定1.1 設(shè)計參數(shù)Y方向脈沖當量為：6P =0.005mm/step,其它設(shè)計參數(shù)如下表。設(shè)計分組取大蔬刀直徑中最大鉆孔直 徑e齒數(shù)Lo加工材料工作臺加工范圍(mm)最大移動速 度220m

6、m10mm4碳鋼X=500,y=4503m/min工作臺草圖1.2 初選步進電動機和絲杠當傳動比i=2時，由于本機構(gòu)結(jié)構(gòu)簡單，可用聯(lián)軸器直接將電機與絲杠連接,無需用減速裝置，這樣有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。由知公式2叱 p未找到引用源。一為步進電機步距角Lo為滾珠絲杠導程、6P為系統(tǒng)脈沖當量。選電動機型號為55BF009,其步矩角4= 0.9型號相數(shù)步距角i()電壓/V電流/A最大靜轉(zhuǎn)矩/(N.M)空載啟動頻率/H Z空在運行頻率/H Z轉(zhuǎn)動慣量/(Kg. cm2)55BF00940.9/1.82730.7482500240000.075選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND) 其導程為4mm,滾珠

7、直徑為2.381,絲杠底徑：16.2, 絲杠外徑為19.3,循環(huán)列數(shù)為3*2,額定載荷Ca=5243, Ca = 11506.由傳動比公式i=N13得i= 0.9父4=2360、d360 0.005p故可用聯(lián)軸器將電機與絲杠直接連接。預(yù)選由廣州菱科自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LK13系列剛性聯(lián)軸器。1.3 初定工作臺尺寸查機電一體化設(shè)計手冊，根據(jù)(GB/T 158-1996)選工作臺T型梢尺寸如下:深度H=15mm梢低寬度B=12mm梢寬A =6mmC = 6mm梢數(shù)=5,間隔=40mm由工作臺加工范圍500*450選工作臺尺寸1.4系統(tǒng)組成框圖2.機械部分的設(shè)計2.1 傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算2

8、.1.1機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量查指導書表面2-18 得 JD =0.0701kg cm22.1.2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量由指導書公式2-3 有Js =0.78MD4LM107g cm2得_4_32JS =0.78 24 340 10 = 0.424kg cm22.1.3 工作臺轉(zhuǎn)動慣量Jg由于工作臺材料為碳鋼，故其質(zhì)量為m=：v=7.8 10, 45 500 2 = 35.1kgJg =(-L-)2 m K 0.4 )2 35.1 =2.235kg.cm2 2 二2 3.14由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量小故可忽略不計2.1.4 總轉(zhuǎn)動慣量計算Jl=Jd Js Jg =0.0701 0.424 2.235 =2.730

9、1kg cm2 工 D S G2.2工作載荷分析及計算銃削運動的特征是主運動為銃刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銃刀軸線方向緩慢進給(鍵梢銃刀可沿軸線進給).銃刀的類型 很多，但以圓柱銃刀和端銃刀為基本形式，此選用圓柱銃刀，銃刀材料選擇高速鋼. 查金屬切削手冊P398常用銃刀介紹表，選擇細齒錐柄立銃刀，其尺寸參數(shù)如下：D=20mm數(shù) Z=4o2.2.1查金屬切削手冊鼻7細齒錐柄立銃刀切削用量表得銃削速度 v = 45m/min 查銃工表2 4,初選af = 0.03mm 因此可得af Z 0.03 4v 45 n = = 375r / min查機械制造基礎(chǔ)課程設(shè)計指導書表

10、 4-15立式銃床主軸轉(zhuǎn)速表，選銃床型號X51,查其轉(zhuǎn)速表并將轉(zhuǎn)速圓整為 n=380r/mink1了rd;匕、擊 rfr d n x d x n 3.14 20 父 380 o / .頭際切削速度為 v =23.8m/min10001000故實際af454 380= 0.0296nm2.2.2根據(jù)指導書表2-2得高速鋼銃刀銃削公式為Fz =9.81Cfz a：86 af0.72 d。86 az查指導書表2-3得銃削力系數(shù)Cfz =68.2有 Fz=9.81 68.2 50.86 0.02960.72 20.86 2 5 =161.068N2.3 進給工作臺工作載荷計算查指導書表2-4 ,有如下

11、表格參數(shù)比值不對稱銃削逆銃順銃Fl/Fz1 . 20. 9Fv/Fz0. 30. 8Fc/Fz0. 40. 4故有縱向進給方向FLN =1.2 161.068 =193.281NFLS =0.9 161.068 =144.961NLS工作臺垂直進給方向Fvn =0.3 161.968 =48.320NFVS =0.8 161.068 =128.854N2.4 滾珠絲杠螺母副的選型和校核2.4.1 最大工作載荷的計算滾珠絲杠上的工作載荷Fm為走刀抗力，移動體重力和作用在導軌上的其他切 削分力相關(guān)的摩擦力。由于選擇的導軌要求結(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 運動平穩(wěn)，故選擇直線

12、滾動導軌，在此設(shè)計中還要求導軌能承受一定的顛覆力矩, 所以選擇燕尾導軌的實驗公式進行計算，由式 2-11Fm =kFL f (FV 2 FC G) k =1.4f =0.2將所得數(shù)據(jù)代入公式有：Fm =1.4 193.281 0.2 (128.854 2 78.055 66.052) = 343.964N2.4.2 最大動負載C的計算及主要尺寸初選滾珠絲杠最大運載荷C =3 L fm Fm由指導書中可知一卡1000 v 1000 0.045 .n = 11.25r / minLo460 11.25 15500106= 11.125 106rC -3 11.125 2 343.964-1561.

13、54N Ca-7.747KN2.4.3 傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率。為tg九 杳得2 -2 55 tg( )qio（或可由,=更2更0算出） 二 Dotg 2 55tg(2 55 10)= 0.9462.4.4 剛度驗算絲杠的拉壓變形量的計算滿載時拉壓變形量：,1二Fm LE A343.964 640_4220.6 10 3.14 17.5 /4=0.00139mm滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量殳由指導書式2-17得-0.0013 3 DwFmFyjzJ式中Dw為滾珠直徑，Dw = 2.381mmZ工 為滾珠總數(shù)量2工=2父圈數(shù)M列數(shù)=23父3父1=69個Z =(二 dm)-3=(3.

14、14 202.381)-3 : 23Fyj 為預(yù)緊力=Fm/3 =343.964/3 =114.654N=0.0013343.964/9.8=0.096mm#.381父曙，692滾珠絲杠副剛度的驗算絲杠總變形量、=、1、2 =0.000139 0.0096= 0.001099mm變形量要少于定位精度得一半，即 0.01/2=0.005=0.0010998000Hz,而由表2-18查 l、qyq得電機的啟動頻率fq =8000Hz qfq 8000Hz由式2-33得電機最高快進頻率1000 v1000 3fkj-max5000Hz60 p60 0.01 fykj ,故電機快速進給時不丟步。2.6

15、.4 工進運行矩頻特性校核工進時步進電機的運行頻率為1000 vG J。0.544 . 907Hz60 P 60 0.01工進時步進電機運行所需力矩Mgj 二Mo Mf MtMfMtJWFLG/Lo/004156.11 .6.748/0.4=0.071n 5工作負載力矩2 ： 1： ：i2 3.14 0.8 2Ft Lo188.867 0.4=15.04 N cm2, i 2 3.14 0.8 2MGJ =0.936 0.071 15.04 =16.047N.cm查指導書圖2-22得 允許工進運行力矩MyGj =3.5N.mMyGJ MGJ滿足設(shè)計要求，故可選用此電機。3. 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計3.

16、1 硬件設(shè)計（硬件詳細接線圖見圖紙3）3.2 步進電機開環(huán)伺服原理由于滾珠絲杠的定位精度為0.01，脈沖當量為0.0050或，F(xiàn) M YE,可用X方向走的總步數(shù)Xe作為終點判別的依據(jù)，如動點 X等于終點Xe則停止。當X%,則用Y方向 走的總步數(shù)Ye作為終點判別的依據(jù)。由此，第一象限直線插補程序的算法如下：(1 )判別Fm是大于0還是小于0。(2)若Fm R,則向+X方向輸出一進給脈沖，計算新偏差 Fm=Fm_Ye,并修改 動點坐標為X=X+1；若Fm 0,則向=丫方向輸出一進給脈沖，計算新偏 差Fm=Fm+Xe,并修改動點坐標為Y=Y+1(3)終點判別：若X=X (Y=Y),則停止插補運算。否

17、則轉(zhuǎn)入第一步，重復(fù) 上述步驟。第一象限直線插補程序框圖如下圖:3.4.2程序設(shè)計設(shè)計程序時，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標值 Ye,動點坐標值Y,偏差 Fm。對8位機，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能 滿足長度和精度要求。止匕外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進行初始值、 Y向步進電機 初態(tài)（控制字）。插補程序所用的內(nèi)存單元如下29H2BH2CH70HYeyFm電機正反轉(zhuǎn)控制字電機正反轉(zhuǎn)控制字為:D7D6D5D4D3D2D1D0D3D2為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)第一象限直線插補的程序:ORG 2000HMAIN : MOV SP, #60HL

18、P4: MOV 28H, #0C8H;MOV 29H, #0C8H;MOV 2AH, #00H;MOV 2BH, #00H;MOV 2EH, #00H;MOVLP3: MOVJBMOVSETBCLRMOVLCALLLCALLMOVSUBBINCAJMPLP1: MOVSETBCLRLCALLLCALL70H, #0AHA, 2EHACC.7, LP1A, 70HACC.0ACC.270H, AMOTRDELAYA, 2EHA, 29H2AHLP2A, 70HACC.2ACC.0MOTRDELAYMOVA,2EHADDA,28HMOV2EH,AMOVA,28HCJMPA,2AH,RETLP3;L

19、P2:4. 心得體會通過這次專業(yè)課程設(shè)計， 我對過去所學專業(yè)知識進行了一個全面的綜合的應(yīng)用。在設(shè)計的過程中我全面地溫習了以前所學過的知識，包括機械設(shè)計、機械原理 、機械設(shè)計基礎(chǔ)和電子電工方面的基礎(chǔ)知識，經(jīng)過復(fù)習整理所學得專業(yè)知識使得我的設(shè)計思路變得清晰系統(tǒng)化。 通過設(shè)計使我更加接近生產(chǎn)實際， 鍛煉了將理論運用于實際的分析和解決實際問題的能力， 鞏固、 加深了有關(guān)機械設(shè)計方面的知識。還有很重要的一點是讓我體會到了一個機械設(shè)計者的精神。 在設(shè)計過程中既要自己不斷思考、創(chuàng)新，又要注意借用現(xiàn)有的資料、課本；掌握了查閱和使用標準、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關(guān)技術(shù)資料和文獻的基本技能以及計算、CA膾圖、數(shù)據(jù)處

20、理等方面的能力。在設(shè)計過程，我遇到了很多困難，但是我懷著補攻克難關(guān)不吃飯的決心，用了足足快 6 周的時間，完成了這個浩大的工程。通過對通用機械零件、機構(gòu)造型，控制系統(tǒng)設(shè)計、常用機械傳動和簡單機械的設(shè)計， 掌握了一般機械設(shè)計的程序和方法， 正確的樹立了正確的工程設(shè)計思想，培養(yǎng)我獨立、全面、科學嚴謹?shù)臋C械設(shè)計能力。學校能為我們提供這次機會，我感到很高興，最后，我想對在整個設(shè)計過程中對幫助過我的同學、我的導師和校領(lǐng)導表示衷心的感謝！5、參考書目鄭堤 . 唐可洪 主 . 機電一體化設(shè)計基礎(chǔ) . 北京：機械工業(yè)出版社， 2006何立民 . 單片機高級教程 . 北京：北京航空航天大學出版社， 2000上海市科學技術(shù)交流站 . 金屬切削手冊 . 上海：上海人民出版社 ， 1995馮辛安 . 機械制造裝備設(shè)計 . 北京：機械工業(yè)出版社， 2006鄒青 . 機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指導教程 . 北京：機械工業(yè)出版社 ， 2005周開勤 . 機械零件手冊第五版. 北京：高等教育出版社 ,2001周湛學 . 銑工 . 化學工業(yè)出版社， 2005