2001 (200X200)方臺面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計

2001 (200X200)方臺面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計,x200,臺面,數(shù)控,回轉(zhuǎn),工作臺,設(shè)計 專業(yè)課課程設(shè)計設(shè)計說明書設(shè)計題目：數(shù)控 X-Y 工作臺設(shè)計學(xué) 生： 學(xué) 號： 班 級： 指導(dǎo)教師： 2(200X200)方臺面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計目錄序言……………………………………………………………………………………………3摘要…………………………………………………………………………………………… 4設(shè)計目的…………………………………………………………………………………… 4設(shè)計要求…………………………………………………………………………………… 4總體方案設(shè)計………………………………………………………………………………5機械系統(tǒng)設(shè)計計算……………………………………………………………………… 61、確定脈沖當(dāng)量…………………………………………………………………………… 62、確定傳動比……………………………………………………………………………… 63、滾珠絲杠螺母副的選型和校核……………………………………………………… 74、步進電動機的選型和計算…………………………………………………………… 115、導(dǎo)軌的選型和計算 ……………………………………………………………… 136、啟動矩頻特性校核…………………………………………………………………… 14控制系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………………………………… 18第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成……………………………………………… 18第二節(jié) 步進電機控制電路………………………………………………………… 18步進電機控制程序設(shè)計……………………………………………………………… 20其它電路輔助設(shè)計………………………………………………………………………24設(shè)計總結(jié)……………………………………………………………………………………24參考文獻……………………………………………………………………………………253序言據(jù)資料介紹，我國擁有400多萬臺機床，絕大部分都是多年累積生產(chǎn)的普通機床。這些機床自動化程度不高，加工精度低，要想在短時期內(nèi)用自動化程度高的設(shè)備大量更新，替代現(xiàn)有的機床，無論從資金還是從我國機床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國現(xiàn)有的部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改造又勢在必行。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，金屬切削機床的基本動作原理變化不大，但社會生產(chǎn)力特別是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。反映到機床控制系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，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。實踐證明，改造后的機床既滿足了技術(shù)進步和較高生產(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床上進行數(shù)控技術(shù)改造的必要性和迫切性。由于新型機床價格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機床設(shè)備全部以新型機床替換，國家要花費大量的資金，而替換下的機床又會閑置起來造成浪費，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)濟型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(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，也對實力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟吸引力，起到了事半功倍的積極作用。據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計訂購新的數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此機床的數(shù)控改造就成為滿足市場需求的主要補充手段。在機械工業(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)，不外乎選擇通用機床、專用機床或數(shù)控機床，其中數(shù)控機床是最能適應(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)和實踐使用的證明，把微機數(shù)控系統(tǒng)引入機床的改造有以下幾方面的優(yōu)點：1）可靠性高；"柔性強；#易于實現(xiàn)機電一體化；2）經(jīng)濟性可觀。為此在舊的機床上進行數(shù)控改造可以提高機床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較高的機床性能和較大的經(jīng)濟效益。4摘要本課程設(shè)計是對銑床進行改造，目的在于培養(yǎng)對機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計能力，重點是對所學(xué)知識的鞏固和加強，為畢業(yè)設(shè)計及將來的工作打下堅實的基礎(chǔ)。本課程設(shè)計由序言、設(shè)計要求、總體方案、進給系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計，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)驗不足，以及對知識掌握程度的限制，設(shè)計過程還存在某方面的錯漏，敬請老師提出寶貴意見。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(xué)中的一個重要的實踐環(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(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)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(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)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(xué)會運用手冊、標(biāo)準、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導(dǎo)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(xùn)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(xué)會使用手冊及圖表資料。5總體方案設(shè)計一般來講，普通銑床的數(shù)控改造主要有兩部分，一是設(shè)計一套簡易微機數(shù)控X-Y工作臺，固定在銑床的工作臺上。二是將控制銑刀上、下運動的手柄拆去，改用微機控制步進電機通過一級減速裝置使銑頭上下運動。本設(shè)計只對X-Y工作臺進行設(shè)計。取銑床步進電機的脈沖當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖，步進電機的步距角0.9° 。方案1．系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點位直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。數(shù)控銑床在工作臺移動過程中銑頭并不進行銑孔加工，因此數(shù)控裝置可采用點位控制方式。對點位系統(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到較高水平的基本問題，但是步進電機具有角位移與輸入脈沖的嚴格對應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴格的對應(yīng)關(guān)系，而且在負載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化的特點。并且步進電機控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測與反饋控制的問題，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進電機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)，這種采用步進電機作為驅(qū)動執(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、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，要實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動態(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)計采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)。3．執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機構(gòu)傳動裝配時，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)計中應(yīng)考慮以下幾點：1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌等。2）盡量消除傳動間隙。如步進電機上的傳動齒輪采用偏心軸套式消隙結(jié)構(gòu)。3）縮短傳動鏈?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動剛度。如應(yīng)用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動副，絲杠支承設(shè)計成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等提高傳動剛度。X-Y工作臺傳動采用滾珠絲杠螺母傳動副和滾動導(dǎo)軌。4．計算機系統(tǒng)的選擇計算機數(shù)控系統(tǒng)一般由微機部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機驅(qū)動電路、檢測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算機。如何采用Z80CPU或 MCS-51單片機組成的微機應(yīng)用系統(tǒng)。Z80CPU有芯片價廉，通用性強，維修方便等特點。MCS-51單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快和很高的性能價格比等特點。通過比較，對于簡易數(shù)控機床推薦采用MCS-51系列單片機作為主控制器。65．實施保留原機床主傳動鏈，保留銑床工作臺和控制工作臺移動手柄，在原工作臺上安裝一套微機數(shù)控的X-Y工作臺。由于X-Y工作臺的運動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。采用滾動導(dǎo)軌可減小兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動。考慮到電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準選取，為達到分辨率0.01mm要求，需采用齒輪降速傳動。綜上所述，本文改造的總體方案確定為：采用MCS-51單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖步進電機經(jīng)一級齒輪減速后，帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)工件的縱向、橫向運動，同時為了防止意外事故，保護微機及其它設(shè)備，還設(shè)置報警，急停電路等，機械系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計參數(shù)系統(tǒng)分辯率為 0.01mm,其它設(shè)計參數(shù)見下表：要求：設(shè)計一臺數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺并開發(fā)其控制、驅(qū)動系統(tǒng)，工作臺面200X200mm，分辨率為 ?=5分/step，承受最大軸向載荷 Tmax=800Nm。機械系統(tǒng)設(shè)計計算1.脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量，考慮到機械傳動系統(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)計確定脈沖當(dāng)量為 0.01mm/步.二.銑削力分析與計算銑削運動的特征是主運動為銑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銑刀軸線方向緩慢進給(鍵槽銑刀可沿軸線進給).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)計為 8mmap ———背吃刀量，本設(shè)計為 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 ———每齒進給量（mm/齒） ，即銑刀每轉(zhuǎn)一個齒間角時，工件與銑刀的相對移動量，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.齒輪傳動比計算進給齒輪箱傳動比計算已確定進給脈沖當(dāng)量 =0.01mm 滾珠絲杠導(dǎo)程 L =4mm，初選步進電機步距p??角 0.9 。?可計算出傳動比 i：i= =0.9×4/360×0.01=1pbL??360?因傳動比為 1，這時可以使步進電機直接與絲桿聯(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算和選型（1） 計算進給牽引力 （N）Fm滾珠絲杠上的工作載荷 Fm(N)是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。直線滾動導(dǎo)軌的計算公式：Fm=KFL＋f ， (Fv＋F c＋G)式中 K———考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，矩形導(dǎo)軌 K=1.1———滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.0025～0.005；這里取 0.005f?G———移動部件的重力（N）：G=600NFL———工作臺縱向進給方向載荷Fc———工作臺橫向進給方向載荷 Fv———工作臺垂直進給方向載荷由表 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）計算最大動負載 C滾珠絲杠最大動載荷可用下式計算C= fmFm3LL= 610ntn= 0Lvv=afZn，式中：L—工作壽命、以 106轉(zhuǎn)為單位。fm－運轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運轉(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－最大切削力下的進給速度a---每齒進給量（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)最大動載荷和公稱直徑選外循環(huán)滾動螺母副，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)傳動效率計算=?)(???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)剛度驗算先畫出此縱向進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行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的 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度（mm） ；L=500mmE—材料的彈性模量，對鋼 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，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)大于機床進給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)定性驗算驗算滾珠絲杠尺寸和支承方式后，應(yīng)驗算絲杠在承受最大軸向載荷時是否11會產(chǎn)生縱向彎曲。滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷 FK(N) 為E—為材料的彈性模量，對鋼 E=20.6×104Mpa; I－為截面慣性矩，對絲杠圓截面：I=∏d 14/64=3.14×16.94/64=4002.2mm4L－絲杠最大工作長度（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. 縱向步進電機的計算和選型一、初選步進電機 57BYG4504,步距角 θ b=0.9°,滿足要求.036bpQLi??二、矩頻特性: 等效轉(zhuǎn)動慣量計算1.滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量JS=0.78D4L×10-3(kf·cm2)L---絲杠長度,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.工作臺轉(zhuǎn)動慣量JG=(L0/2∏) 2ML0----絲杠導(dǎo)程,L 0=4mm=0.4cmM----工作臺質(zhì)量,M=62kgJG=(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm 23.聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)鋼的直徑為(20,22)選用定位螺絲固定平行式聯(lián)軸器，型號為 SLK2-100-2LEIfFZk??120608 (廣州菱科自動化設(shè)備有限公司)，查得：JL=0.068㎏·cm 24. 步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)初選電機型號,查得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為: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、步進電機所需空載啟動的計算 kqM0kqkakfM??——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩（N·cm） ；aM ——為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N·cm） ；kfM ——電絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機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-----運動部件從靜止啟動加速到最大快速所需的時間,t=0.3s vmax---運動部件最大快進速度（mm/min）, v max=3m/min=3000mm/minθ b--------初選步距角，θ b=0.9°nmax---與運動部件最大快進速度對應(yīng)的電機最大轉(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----運動部件的總重量（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)緊時的傳動效率，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上述三項合計：步進電機空載啟動力矩：M okfkakqM??= 3.83＋0.225＋0.950= 5.005（N·cm）步進電機名義啟動力矩： 從產(chǎn)品系列及性能參數(shù)根據(jù)電機型號查出步進電機為四相八拍；從表 2-17 根據(jù)電機拍數(shù)查出啟動轉(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運動部件正常工作（數(shù)控機床為工作臺開始工進）時，電動機的啟動為帶負載啟動，其總負載轉(zhuǎn)矩 Mfq可按下式計算Mfq=Mka＋M kf＋M 0＋M f’Mf’=F’L/2∏ηi(N·cm)F’---作用在工作臺的合力，F(xiàn)＇=（F L2＋F V2＋F C2） 1/2=694.4NMf’--- 合力 F’折算到電機上的轉(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運動部件正常運行時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax2=Mfq/0.5=57/0.5=114 N·cm根據(jù)電機型號查得步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩:M jmax=1.4N·m=140N·cm所以 Mjmax﹥M jmax2﹥M jmax114初選電機型號時應(yīng)滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動力矩，即 Mjmax≥max｛M jmax1， Mjmax2｝所以初選電機 57BYG4504 能滿足要求。5．導(dǎo)軌的選用與校核初選滾動導(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：單位㎜2)對導(dǎo)軌進行按下式進行校核： 350???????WCTHaFfL式中:L 為滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km）本設(shè)計 L 定為 50km；為額定載荷，查表 =6.07kN；aaF 為每個滑塊上的工作載荷（N）F 本設(shè)計設(shè)定為 588N；為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為 58-64HRC 時 =1.0；Hf Hf為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過 100°C 時， =1；T T為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個滑塊時 =0.81；Cf f為載荷/速度系數(shù)，無明顯沖擊振動或 v≤60m/min 時， =1.5-2 這里選擇W Wf=2。f ?????CTHwa ffLFC350/=588× ×2÷（1×0.81×1）=1361Nfq=1200 Hz,步進電機會不丟步。（2）電機快速進給矩頻特性較核最高運行頻率 fmax maxax106pVf??式中：V max——運動部件最大快進速度 Hzfp501.6301maxax ????快進時已經(jīng)不存在加速力矩項 Ma,并且一般處于空載狀態(tài)，故快速進給力矩MJK= okf?其中：M 0 為附加摩檫力矩（N·cm） ，M KF為快進時的折算到電機的摩檫力矩（N·cm） 。所以 ：M JK= =1.175（N·cm）okf?由圖 2可知道快進力矩對應(yīng)允許快進頻率 FYK近似為 20000Hz，F(xiàn) mzx〈F YK，所以電機不會丟步。（3） 、工進運行距頻特性校核17工進步進電機的運行頻率 ：GJf106GGJpVf??式中： ——最大工作進給速度GVHzfpJ 501.6301????工進時，步進電機運行所需力矩 Mkj 可按下式計算：（式 2-39）tfGJ??0式中：——附加摩擦力矩， 0M——摩擦力矩f——折算到電機軸上的工作負載力矩t(式 2-40)0()()2VfFGLMNcmi?????(式 2-41)0()2iiLc????式中：Fv——垂直方向作用于工作臺的工作載荷Ft——沿進給方向的切削負載，F(xiàn)t=F L cmNMf cN　iLF cGftGJttVf ??????????23.89.368.095.124.3.01.24)638(05.)(0??在圖 2 初選步進電機的運行矩頻率特性曲線中，對應(yīng)工進頻率 fGJ查到的允許工進運行力矩 MYJ=1.08N·m >MGJ=0.382N·m，滿足工進時運行距頻特性的要求。18（4）步進電機的安裝尺寸步進電機安裝尺寸/㎜控制系統(tǒng)設(shè)計 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) 步進電機控制電路一、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)的作用是進行人和機對話和檢測系統(tǒng)運行狀態(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，指令分析機構(gòu)，以及系統(tǒng)自測等。1 系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電式復(fù)位后，系統(tǒng)軟件進行初始化處理。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)即進入命令處理程序，對于一般單片機構(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)。+80V204 指令分析執(zhí)行：微機控制系統(tǒng)對輸入的指令進行分析，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。機電系統(tǒng)控制軟件的機構(gòu)一般機電控制系統(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)逐點比較法 ④用逐點比較法進行直線插補計算，每走一步都需要以下四個步驟： 1 判別偏差：F m≥0 或 FM＜O ，從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算方向進給。2 偏差計算：進給一步后計算新的加工偏差。3 終點判別：進給一步后，終點計數(shù)器，若為零，表示到達終點停止插補，不為零則返回第一步繼續(xù)插補。終點計數(shù)判別可用方向坐標(biāo)值判斷，也可由一個方向的坐標(biāo)值判斷。當(dāng) Xe＞ YE逐點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 方向進給 Y 方向進給FM=FM-YEX=X+1FM=FM+XEY=Y+1X=XM ?Y=YM ?NONOYES21步進電機控制程序設(shè)計步進電機控制程序的任務(wù)是：判斷旋轉(zhuǎn)方向，依次送出控制字，運行速度實現(xiàn)一定的延時，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)計返回YES光電耦合器 驅(qū)動電路22設(shè)計總結(jié)近年來，我國機床數(shù)控化改造工作，已從初步摸索進入比較成熟的階段。我們運用成熟可靠、性能先進的國內(nèi)外數(shù)控產(chǎn)品，為已進入頻繁故障期、維修代價昂貴的第一代數(shù)控機床實現(xiàn)升級換代作了大量的工作。通過這次對銑床 X-Y 工作臺的數(shù)控化改裝設(shè)計，使我們進一步的了解了普通機床與數(shù)控機床的差異。也使我們更加深刻的認識到，利用數(shù)控系統(tǒng)改造機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，提高舊設(shè)備利用率，推廣機電一體化技術(shù)的重要手段。通過這次課程設(shè)計，讓我們進一步熟悉了數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計原理，讓我們深刻的把電和機結(jié)合起來，達到自動化控制的要求。同時也深刻的體會到設(shè)計的嚴謹性，數(shù)據(jù)的處理技巧，以及各種參數(shù)的取舍，對我們?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！2324參考文獻[1]李洪主編.實用機床設(shè)計手冊.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社， 1999[2]鄭堤主編.數(shù)控機床與編程.北京：機械工業(yè)出版社，[3]機械加工技術(shù)手冊編寫組.機械加工技術(shù)手冊.北京：北京出版社， 1993[4]何立民.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計【M】北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1990[5]周開勤主編.機械零件手冊.北京：高等教育出版社，1999[6]馮辛安主編.機械制造裝備設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社， 1999[7]吳振彪.機電綜合設(shè)計指導(dǎo).北京：機械工業(yè)出版社，1997[8]李洪.機械加工工藝手冊.北京：北京出版社，1990專業(yè)課課程設(shè)計設(shè)計說明書設(shè)計題目：數(shù)控 X-Y 工作臺設(shè)計學(xué) 生： 學(xué) 號： 班 級： 指導(dǎo)教師： 2(200X200)方臺面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計目錄序言……………………………………………………………………………………………3摘要…………………………………………………………………………………………… 4設(shè)計目的…………………………………………………………………………………… 4設(shè)計要求…………………………………………………………………………………… 4總體方案設(shè)計………………………………………………………………………………5機械系統(tǒng)設(shè)計計算……………………………………………………………………… 61、確定脈沖當(dāng)量…………………………………………………………………………… 62、確定傳動比……………………………………………………………………………… 63、滾珠絲杠螺母副的選型和校核……………………………………………………… 74、步進電動機的選型和計算…………………………………………………………… 115、導(dǎo)軌的選型和計算 ……………………………………………………………… 136、啟動矩頻特性校核…………………………………………………………………… 14控制系統(tǒng)設(shè)計…………………………………………………………………………… 18第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成……………………………………………… 18第二節(jié) 步進電機控制電路………………………………………………………… 18步進電機控制程序設(shè)計……………………………………………………………… 20其它電路輔助設(shè)計………………………………………………………………………24設(shè)計總結(jié)……………………………………………………………………………………24參考文獻……………………………………………………………………………………253序言據(jù)資料介紹，我國擁有400多萬臺機床，絕大部分都是多年累積生產(chǎn)的普通機床。這些機床自動化程度不高，加工精度低，要想在短時期內(nèi)用自動化程度高的設(shè)備大量更新，替代現(xiàn)有的機床，無論從資金還是從我國機床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國現(xiàn)有的部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改造又勢在必行。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，金屬切削機床的基本動作原理變化不大，但社會生產(chǎn)力特別是微電子技術(shù)、計算機技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。反映到機床控制系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，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。實踐證明，改造后的機床既滿足了技術(shù)進步和較高生產(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床上進行數(shù)控技術(shù)改造的必要性和迫切性。由于新型機床價格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機床設(shè)備全部以新型機床替換，國家要花費大量的資金，而替換下的機床又會閑置起來造成浪費，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)濟型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(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，也對實力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟吸引力，起到了事半功倍的積極作用。據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計訂購新的數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此機床的數(shù)控改造就成為滿足市場需求的主要補充手段。在機械工業(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)，不外乎選擇通用機床、專用機床或數(shù)控機床，其中數(shù)控機床是最能適應(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)和實踐使用的證明，把微機數(shù)控系統(tǒng)引入機床的改造有以下幾方面的優(yōu)點：1）可靠性高；"柔性強；#易于實現(xiàn)機電一體化；2）經(jīng)濟性可觀。為此在舊的機床上進行數(shù)控改造可以提高機床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較高的機床性能和較大的經(jīng)濟效益。4摘要本課程設(shè)計是對銑床進行改造，目的在于培養(yǎng)對機電一體化產(chǎn)品的設(shè)計能力，重點是對所學(xué)知識的鞏固和加強，為畢業(yè)設(shè)計及將來的工作打下堅實的基礎(chǔ)。本課程設(shè)計由序言、設(shè)計要求、總體方案、進給系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計，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)驗不足，以及對知識掌握程度的限制，設(shè)計過程還存在某方面的錯漏，敬請老師提出寶貴意見。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(xué)中的一個重要的實踐環(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(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)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(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)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(xué)會運用手冊、標(biāo)準、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導(dǎo)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(xùn)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(xué)會使用手冊及圖表資料。5總體方案設(shè)計一般來講，普通銑床的數(shù)控改造主要有兩部分，一是設(shè)計一套簡易微機數(shù)控X-Y工作臺，固定在銑床的工作臺上。二是將控制銑刀上、下運動的手柄拆去，改用微機控制步進電機通過一級減速裝置使銑頭上下運動。本設(shè)計只對X-Y工作臺進行設(shè)計。取銑床步進電機的脈沖當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖，步進電機的步距角0.9° 。方案1．系統(tǒng)運動方式的確定數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點位直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。數(shù)控銑床在工作臺移動過程中銑頭并不進行銑孔加工，因此數(shù)控裝置可采用點位控制方式。對點位系統(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到較高水平的基本問題，但是步進電機具有角位移與輸入脈沖的嚴格對應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴格的對應(yīng)關(guān)系，而且在負載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化的特點。并且步進電機控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測與反饋控制的問題，結(jié)構(gòu)比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計算機控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進電機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)，這種采用步進電機作為驅(qū)動執(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、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，要實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動態(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)計采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)。3．執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計機構(gòu)傳動裝配時，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)計中應(yīng)考慮以下幾點：1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌等。2）盡量消除傳動間隙。如步進電機上的傳動齒輪采用偏心軸套式消隙結(jié)構(gòu)。3）縮短傳動鏈?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動剛度。如應(yīng)用預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動副，絲杠支承設(shè)計成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)等提高傳動剛度。X-Y工作臺傳動采用滾珠絲杠螺母傳動副和滾動導(dǎo)軌。4．計算機系統(tǒng)的選擇計算機數(shù)控系統(tǒng)一般由微機部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機驅(qū)動電路、檢測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算機。如何采用Z80CPU或 MCS-51單片機組成的微機應(yīng)用系統(tǒng)。Z80CPU有芯片價廉，通用性強，維修方便等特點。MCS-51單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快和很高的性能價格比等特點。通過比較，對于簡易數(shù)控機床推薦采用MCS-51系列單片機作為主控制器。65．實施保留原機床主傳動鏈，保留銑床工作臺和控制工作臺移動手柄，在原工作臺上安裝一套微機數(shù)控的X-Y工作臺。由于X-Y工作臺的運動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。采用滾動導(dǎo)軌可減小兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動?？紤]到電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準選取，為達到分辨率0.01mm要求，需采用齒輪降速傳動。綜上所述，本文改造的總體方案確定為：采用MCS-51單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖步進電機經(jīng)一級齒輪減速后，帶動絲杠轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)工件的縱向、橫向運動，同時為了防止意外事故，保護微機及其它設(shè)備，還設(shè)置報警，急停電路等，機械系統(tǒng)設(shè)計設(shè)計參數(shù)系統(tǒng)分辯率為 0.01mm,其它設(shè)計參數(shù)見下表：要求：設(shè)計一臺數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺并開發(fā)其控制、驅(qū)動系統(tǒng)，工作臺面200X200mm，分辨率為 ?=5分/step，承受最大軸向載荷 Tmax=800Nm。機械系統(tǒng)設(shè)計計算1.脈沖當(dāng)量的確定根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量，考慮到機械傳動系統(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)計確定脈沖當(dāng)量為 0.01mm/步.二.銑削力分析與計算銑削運動的特征是主運動為銑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銑刀軸線方向緩慢進給(鍵槽銑刀可沿軸線進給).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)計為 8mmap ———背吃刀量，本設(shè)計為 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 ———每齒進給量（mm/齒） ，即銑刀每轉(zhuǎn)一個齒間角時，工件與銑刀的相對移動量，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.齒輪傳動比計算進給齒輪箱傳動比計算已確定進給脈沖當(dāng)量 =0.01mm 滾珠絲杠導(dǎo)程 L =4mm，初選步進電機步距p??角 0.9 。?可計算出傳動比 i：i= =0.9×4/360×0.01=1pbL??360?因傳動比為 1，這時可以使步進電機直接與絲桿聯(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算和選型（1） 計算進給牽引力 （N）Fm滾珠絲杠上的工作載荷 Fm(N)是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。直線滾動導(dǎo)軌的計算公式：Fm=KFL＋f ， (Fv＋F c＋G)式中 K———考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，矩形導(dǎo)軌 K=1.1———滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.0025～0.005；這里取 0.005f?G———移動部件的重力（N）：G=600NFL———工作臺縱向進給方向載荷Fc———工作臺橫向進給方向載荷 Fv———工作臺垂直進給方向載荷由表 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）計算最大動負載 C滾珠絲杠最大動載荷可用下式計算C= fmFm3LL= 610ntn= 0Lvv=afZn，式中：L—工作壽命、以 106轉(zhuǎn)為單位。fm－運轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運轉(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－最大切削力下的進給速度a---每齒進給量（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)最大動載荷和公稱直徑選外循環(huán)滾動螺母副，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)傳動效率計算=?)(???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)剛度驗算先畫出此縱向進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行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的 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度（mm） ；L=500mmE—材料的彈性模量，對鋼 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，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)大于機床進給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)定性驗算驗算滾珠絲杠尺寸和支承方式后，應(yīng)驗算絲杠在承受最大軸向載荷時是否11會產(chǎn)生縱向彎曲。滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷 FK(N) 為E—為材料的彈性模量，對鋼 E=20.6×104Mpa; I－為截面慣性矩，對絲杠圓截面：I=∏d 14/64=3.14×16.94/64=4002.2mm4L－絲杠最大工作長度（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. 縱向步進電機的計算和選型一、初選步進電機 57BYG4504,步距角 θ b=0.9°,滿足要求.036bpQLi??二、矩頻特性: 等效轉(zhuǎn)動慣量計算1.滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量JS=0.78D4L×10-3(kf·cm2)L---絲杠長度,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.工作臺轉(zhuǎn)動慣量JG=(L0/2∏) 2ML0----絲杠導(dǎo)程,L 0=4mm=0.4cmM----工作臺質(zhì)量,M=62kgJG=(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm 23.聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)鋼的直徑為(20,22)選用定位螺絲固定平行式聯(lián)軸器，型號為 SLK2-100-2LEIfFZk??120608 (廣州菱科自動化設(shè)備有限公司)，查得：JL=0.068㎏·cm 24. 步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量根據(jù)初選電機型號,查得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為: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、步進電機所需空載啟動的計算 kqM0kqkakfM??——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩（N·cm） ；aM ——為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N·cm） ；kfM ——電絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機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-----運動部件從靜止啟動加速到最大快速所需的時間,t=0.3s vmax---運動部件最大快進速度（mm/min）, v max=3m/min=3000mm/minθ b--------初選步距角，θ b=0.9°nmax---與運動部件最大快進速度對應(yīng)的電機最大轉(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----運動部件的總重量（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)緊時的傳動效率，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上述三項合計：步進電機空載啟動力矩：M okfkakqM??= 3.83＋0.225＋0.950= 5.005（N·cm）步進電機名義啟動力矩： 從產(chǎn)品系列及性能參數(shù)根據(jù)電機型號查出步進電機為四相八拍；從表 2-17 根據(jù)電機拍數(shù)查出啟動轉(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運動部件正常工作（數(shù)控機床為工作臺開始工進）時，電動機的啟動為帶負載啟動，其總負載轉(zhuǎn)矩 Mfq可按下式計算Mfq=Mka＋M kf＋M 0＋M f’Mf’=F’L/2∏ηi(N·cm)F’---作用在工作臺的合力，F(xiàn)＇=（F L2＋F V2＋F C2） 1/2=694.4NMf’--- 合力 F’折算到電機上的轉(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運動部件正常運行時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax2=Mfq/0.5=57/0.5=114 N·cm根據(jù)電機型號查得步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩:M jmax=1.4N·m=140N·cm所以 Mjmax﹥M jmax2﹥M jmax114初選電機型號時應(yīng)滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動力矩，即 Mjmax≥max｛M jmax1， Mjmax2｝所以初選電機 57BYG4504 能滿足要求。5．導(dǎo)軌的選用與校核初選滾動導(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：單位㎜2)對導(dǎo)軌進行按下式進行校核： 350???????WCTHaFfL式中:L 為滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km）本設(shè)計 L 定為 50km；為額定載荷，查表 =6.07kN；aaF 為每個滑塊上的工作載荷（N）F 本設(shè)計設(shè)定為 588N；為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為 58-64HRC 時 =1.0；Hf Hf為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過 100°C 時， =1；T T為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個滑塊時 =0.81；Cf f為載荷/速度系數(shù)，無明顯沖擊振動或 v≤60m/min 時， =1.5-2 這里選擇W Wf=2。f ?????CTHwa ffLFC350/=588× ×2÷（1×0.81×1）=1361Nfq=1200 Hz,步進電機會不丟步。（2）電機快速進給矩頻特性較核最高運行頻率 fmax maxax106pVf??式中：V max——運動部件最大快進速度 Hzfp501.6301maxax ????快進時已經(jīng)不存在加速力矩項 Ma,并且一般處于空載狀態(tài)，故快速進給力矩MJK= okf?其中：M 0 為附加摩檫力矩（N·cm） ，M KF為快進時的折算到電機的摩檫力矩（N·cm） 。所以 ：M JK= =1.175（N·cm）okf?由圖 2可知道快進力矩對應(yīng)允許快進頻率 FYK近似為 20000Hz，F(xiàn) mzx〈F YK，所以電機不會丟步。（3） 、工進運行距頻特性校核17工進步進電機的運行頻率 ：GJf106GGJpVf??式中： ——最大工作進給速度GVHzfpJ 501.6301????工進時，步進電機運行所需力矩 Mkj 可按下式計算：（式 2-39）tfGJ??0式中：——附加摩擦力矩， 0M——摩擦力矩f——折算到電機軸上的工作負載力矩t(式 2-40)0()()2VfFGLMNcmi?????(式 2-41)0()2iiLc????式中：Fv——垂直方向作用于工作臺的工作載荷Ft——沿進給方向的切削負載，F(xiàn)t=F L cmNMf cN　iLF cGftGJttVf ??????????23.89.368.095.124.3.01.24)638(05.)(0??在圖 2 初選步進電機的運行矩頻率特性曲線中，對應(yīng)工進頻率 fGJ查到的允許工進運行力矩 MYJ=1.08N·m >MGJ=0.382N·m，滿足工進時運行距頻特性的要求。18（4）步進電機的安裝尺寸步進電機安裝尺寸/㎜控制系統(tǒng)設(shè)計 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) 步進電機控制電路一、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)的作用是進行人和機對話和檢測系統(tǒng)運行狀態(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，指令分析機構(gòu)，以及系統(tǒng)自測等。1 系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電式復(fù)位后，系統(tǒng)軟件進行初始化處理。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)即進入命令處理程序，對于一般單片機構(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)。+80V204 指令分析執(zhí)行：微機控制系統(tǒng)對輸入的指令進行分析，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。機電系統(tǒng)控制軟件的機構(gòu)一般機電控制系統(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)逐點比較法 ④用逐點比較法進行直線插補計算，每走一步都需要以下四個步驟： 1 判別偏差：F m≥0 或 FM＜O ，從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算方向進給。2 偏差計算：進給一步后計算新的加工偏差。3 終點判別：進給一步后，終點計數(shù)器，若為零，表示到達終點停止插補，不為零則返回第一步繼續(xù)插補。終點計數(shù)判別可用方向坐標(biāo)值判斷，也可由一個方向的坐標(biāo)值判斷。當(dāng) Xe＞ YE逐點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 方向進給 Y 方向進給FM=FM-YEX=X+1FM=FM+XEY=Y+1X=XM ?Y=YM ?NONOYES21步進電機控制程序設(shè)計步進電機控制程序的任務(wù)是：判斷旋轉(zhuǎn)方向，依次送出控制字，運行速度實現(xiàn)一定的延時，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)計返回YES光電耦合器 驅(qū)動電路22設(shè)計總結(jié)近年來，我國機床數(shù)控化改造工作，已從初步摸索進入比較成熟的階段。我們運用成熟可靠、性能先進的國內(nèi)外數(shù)控產(chǎn)品，為已進入頻繁故障期、維修代價昂貴的第一代數(shù)控機床實現(xiàn)升級換代作了大量的工作。通過這次對銑床 X-Y 工作臺的數(shù)控化改裝設(shè)計，使我們進一步的了解了普通機床與數(shù)控機床的差異。也使我們更加深刻的認識到，利用數(shù)控系統(tǒng)改造機床是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，提高舊設(shè)備利用率，推廣機電一體化技術(shù)的重要手段。通過這次課程設(shè)計，讓我們進一步熟悉了數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計原理，讓我們深刻的把電和機結(jié)合起來，達到自動化控制的要求。同時也深刻的體會到設(shè)計的嚴謹性，數(shù)據(jù)的處理技巧，以及各種參數(shù)的取舍，對我們?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！2324參考文獻[1]李洪主編.實用機床設(shè)計手冊.沈陽：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社， 1999[2]鄭堤主編.數(shù)控機床與編程.北京：機械工業(yè)出版社，[3]機械加工技術(shù)手冊編寫組.機械加工技術(shù)手冊.北京：北京出版社， 1993[4]何立民.單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計【M】北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 1990[5]周開勤主編.機械零件手冊.北京：高等教育出版社，1999[6]馮辛安主編.機械制造裝備設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社， 1999[7]吳振彪.機電綜合設(shè)計指導(dǎo).北京：機械工業(yè)出版社，1997[8]李洪.機械加工工藝手冊.北京：北京出版社，1990