1、精選優質文檔-傾情為你奉上數控機床課程設計說明書設計題目： XY數控工作臺機電系統設計班級： 姓名： 指導教師： 機電一體化教研室2010年 6 月目 錄參考文獻.20一、設計目的數控機床課程設計是一個很重要的實踐性教學環節，要求學生綜合運用所學的理論知識，獨立進行設計訓練，主要目的：1） 通過本設計，使學生全面地，系統地了解和掌握數控機床得基本組成及其相關基本知識，學習總體方案擬定、分析與比較的方法。2） 通過對機械系統的設計，掌握幾種典型傳動元件與導向元件得工作原理、設計計算方法及選用原則。3） 通過伺服系統得設計，掌握常用伺服電機得工作原理、計算選擇方法與控制驅動方式。4） 培養學生獨立

2、分析問題和解決問題的能力，學習并初步樹立“系統設計”的思想。5） 鍛煉提高學生應用手冊和標準、查閱文獻資料以及撰寫科技論文的能力。二、設計任務任務：設計一種立式數控銑床使用的X-Y數控工作臺，主要參數如下：1. 立銑刀最大直徑的d=15mm；2. 立銑刀齒數Z=3;3. 最大銑削寬度=15mm;4. 最大背吃刀量=8mm;5. 加工材料為碳素鋼活有色金屬。6. X、Y方向的定位精度均為±0.02mm;7. 工作臺尺寸 230mm×230，加工范圍為250mm×250mm8. 工作臺空載進給最快移動速度：Vxmax =Vymax =3000mm/min;9. 工作臺

3、進給最快移動速度: Vxmax =Vymax =400mm/min;10. 加減速0.4s三總體方案的確定1、機械傳動部件的選擇(1)絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足mm的定位精度，滑動絲杠副不能達到要求，因此選用滾珠絲桿副，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。軸向間隙的調整和預緊方式：選用墊片調隙式，這種方法結構簡單、剛性好、裝卸方便，適用于一般精度的機構滾珠絲杠的安裝：采用一端固定，一端游動的方式，因其壓桿穩定性和臨界轉速較高(2)導軌副的選用要設計數控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且定位精度

4、高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便好且精度保持性等優點。選滾珠導軌，適合用于導軌上運動部件重量小于200kg的機床，摩擦阻力小，制造容易，成本較低。(3)伺服電動機的選用任務書規定的定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有因此3000mm/min，故本設計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。2、控制系統的設計1）設計的X-Z工作臺準備用在數控車床上，其控制系統應該具有單坐標定位，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統設計成連續控制型。2）對于步進電動機的半閉環控制，選用MCS-5

5、1系列的8位單片機AT89S52作為控制系統的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。3）要設計一臺完整的控制系統，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉換電路，串行接口電路等。4）選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。3、繪制總體方案圖總體方案圖如圖3.1所示。圖3.1 總體方案圖四、機械傳動部件的計算與選型1、導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等,估計重量約為800N。2、銑削力的計算采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼，根據金屬切屑原理與

6、刀具200頁表15-5得硬質合金立銑刀銑削力經驗公式 FC=118e0.85fz0.75d-0.73 ap1.0 n0.1其中銑刀的直徑d=15mm，齒數Z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=15mm，背吃刀量ap=8mm，查切削用量簡明手冊可得，每齒進給量fz=0.1mm，銑刀轉速n=300/min。則由上公式求得最大銑削力：FC=118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.1 x1 =1233 N考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：Ff=1Fc=1356N，Fe=0.38 Fc=308 N，Ffm=469 N則工作

7、臺受到垂直方向的銑削力Fz=Fe=308N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力Fx=Ff=1356N，徑向銑削力Fy=Ffn=469N。3杠螺母副的計算與選型（1）最大工作載荷Fm的計算 在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1356N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy =308N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz =469N。已知移動部件總質量G=800N，按矩形導軌進行計算，由金屬切屑機床126頁公式17-5得：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.11356+0.005(469+

8、308+500)N1498N取摩擦系數=0.005。取顛覆力矩影響系數K=1.1,求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： （2）最大動載荷FQ的計算 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程Ph=5mm，則此時絲杠轉速n=v/Ph=80r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數L0=72 (單位為：106r)。查課本110頁表5-1,5-2，取載荷系數fW=1.2，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數fH=1.0，求得最大動載荷： FQ7478 N（3）初選型號 根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查現代實用機床設

9、計手冊（上冊）967頁，選擇南京工藝裝備制造有限公司生產的FF2005-3型滾珠絲杠副，為內循環浮動式反向器螺母無預緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環滾珠總圈數為3圈，精度等級取5級，額定動載荷為9100N，大于FQ滿足要求。（4）傳動效率的計算 將公稱直徑d0=20mm，導程Ph=5mm，代入=arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=4°33。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+)，得傳動效率=96.4%。（5）剛度的驗算1）X-Y 工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支撐均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支撐的中

10、心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1×105MPa；查現代實用機床設計手冊（上冊）967頁，得滾珠直徑DW=3.5mm，絲杠底徑d2=16.9mm，絲杠截面積S= d22/4=224.2mm2。則絲杠在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量：1=Fma/(ES)= 1498×500/(2.1×105×224.2)0.0159mm。2）根據公式Z=(d0/DW)-3，求得單圈滾珠數Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數×列數為3×1，代入公式：Z= Z×圈數×列數，得滾珠總數量Z=60。絲杠預緊時，取軸向

11、預緊力FYJ =Fm/3=631。則求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形20.0027。因為絲杠加有預緊力,且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減少一半，取2=0.0013mm。17.23)將以上算出的1和2代入總=1+2，求得絲杠總變形量(對應跨度500mm)總=0.0172mm=17.2m。本例中，絲杠的有效行程為350mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時，行程偏差允許達到25m，可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩定性校核 根據公式計算失穩時的臨界載荷。查現代實用機床設計手冊（上冊）944、953頁，知當滾珠絲杠的安裝方式為一端固定，一端游動時，取壓桿穩定安全系數f1

12、=0.25（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式：得臨界載荷=4.324× KN >Fm，故絲杠不會失穩。（7）臨界轉速的驗算：查表得臨界轉速公式為：式中f2絲杠支撐方式系數，一端固定一端游動時f2=1.875 Lc=500mm=0.5m d2=d0-1.2Dw=15.8查機床設計手冊圖5.7-93，當支撐方式為GT時長度L=500mm時交點在D=20的左側，所以臨界轉速驗算合格.（8）滾珠絲杠的選型以及安裝尺寸的確定絲杠工作長度L，應滿足控制中的行程要求。L應為絲杠工作長度：L=（1.051.1）行程+（1014）Ph 所以絲杠： L=1

13、.1×250+14+5=350 mm安裝方式為一端固定，一端游動。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。故滾珠絲杠的型號為FF2005-3型滾珠絲杠副內循環浮動式反向器螺母無預緊滾珠絲杠副。五、步進電動機的計算與選型1、傳動計算為了滿足加工精度在0.01-0.02范圍內時，數控銑床、鉆床車床的脈沖當量可取0.005-0.01mm/Hz,因此取脈沖當量=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程Ph=5mm， 初選步進電動機的步距角=0.72°越高。因為步距角越小，數控機床的控制精度。根據數控機床系統設計式（5-18），算得減速比：=（0.725）/（3600.01）=1由此可見

14、本機構不必要選減速箱。2、計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq 由數控機床系統設計134頁得：由于負載轉矩情況不同，負載慣量只能由已計算精確地得到。由電動機驅動的所有運動部件，無論是旋轉運動還是直線運動部件，都成為電動機的負載慣量，總的慣量以通過計算各個被驅動部件的慣量，并以一定規律將其加起來即可。滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=500mm，導程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=800N； 圓柱體慣量，當圓柱體圍繞其中心軸線旋轉時，其慣量可由下述公式計算： 對于鋼材： 代入數據得： J1=0.4312 沿直線軸移動物體的慣量： 初選步進電動機的型

15、號為90BYG5502,由常州市德利來電器有限公司生產，五相混合式步進電動機，驅動時的步距角為0.72°，從表查得該型號的電動機轉子的轉動慣量Jm=4kg·cm2。 總的轉動慣量為： J = J1 + J2 + J0 。其中J0為初選電動機的轉子轉動慣量，為4 kg·cm2。 代入數據得： J=9.48 kg·cm23、計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq 分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算。1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩由式（4-8）可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩；一部分是移動部件

16、運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據式（4-12）可知，則有：=+T0 （6-13）根據式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩：= (6-14)其中： =600r/min (6-15)式中空載最快移動速度，任務書指定為3000mm/min；步進電動機步距角，預選電動機為0.72；脈沖當量，本例=0.01mm/脈沖。設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式求得：=由式知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：=式中導軌的摩擦因素，滾動導軌取0.

17、005垂直方向的銑削力，空載時取0傳動鏈效率，取0.7由式知，由于絲杠預緊引起的折算到電動機軸上的附加摩擦力矩為： 最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩： =+=0.1765Nm (6-17) 2) 最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有： =+ （6-18）其中折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩由公式（4-14）計算。有：N·

18、m再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：=最后由式（6-18），求得最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩：=+=1.887N·m （6-19）最后求得在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為：=1.887 N·m4、步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。取K=3, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：=3×1.887=5.661 N.m初選步進電動機

19、的型號為110BYG550B，由表查得該型號電動機的最大靜轉矩=6.8Nm。可見，滿足要求。5、步進電動機的性能校核1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當量=0.01mm/脈沖，電動機對應的運行頻率為。從90BYG5002電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩4.5Nm，遠遠大于最大工作負載轉矩=1.887Nm，滿足要求。2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應運行頻率5000Hz。由矩頻特性曲線圖查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩=6.0Nm，大于快

20、速空載起動時的負載轉矩=0.1765Nm，滿足要求。3）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/min對應的電動機運行頻率為5000Hz。由矩頻特性曲線圖查得90BYG5002電動機的空載運行頻率可達10000，可見沒有超出上限。4）啟動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量J=9.48 kg·cm2，電動機轉子的轉動慣量=4Nm，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率（查表4-5）。由式（4-17）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：說明：要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于1000Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率

21、選得更低，通常只有100。綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統選用110BYG550B步進電動機，完全滿足設計要求。六、直線滾動導軌副的計算與選型1、塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量800N，外加載荷F=Fz=469，代入上式，得最大工作載荷=669N=0.669kN。根據工作載荷=0.669kN，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的LG15型，其額定動載荷為7.9

22、4KN，額定靜載荷9.5 KN。任務書規定工作臺面尺寸為，加工范圍為，考慮工作行程應留有一定余量，按標準系列，選取導軌的長度為520mm。2、距離額定壽命L的計算上述所取的KL系列LG15系列導軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查機電一體化系統設計手冊表2.9-132.9-16，分別取硬度系數f=1.0，溫度系數f=1.00，接觸系數f=0.81，精度系數fa=0.9，載荷系數f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命：L=遠大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。七、 繪制進給傳動系統示意圖進給傳動系統示意圖如圖5.

23、1所示。伺服電動機工作臺滾珠絲杠圖5.1 進給傳動系統示意圖八、控制系統硬件電路設計根據任務書的要求，設計控制系統的硬件電路時主要考慮以下功能：（1） 接收鍵盤數據，控制LED顯示（2） 接受操作面板的開關與按鈕信息；（3） 接受車床限位開關信號；（4） 接受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；（5） 控制X，Z向步進電動機的驅動器；（6） 控制主軸的正轉，反轉與停止；（7） 控制多速電動機，實現主軸有級變速；（8） 控制交流變頻器，實現主軸無級變速；（9） 控制切削液泵啟動/停止；（10）控制電動卡盤的夾緊與松開；（11）控制電動刀架的自動選刀；（12）與PC機的串行通信。X-Y數控工作臺的

24、控制系統設計，控制系統根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統。本設計CPU選用ATMEL公司的8位單片機AT89S52，由于AT89S52本身資源有限，所以擴展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統底層程序；擴展了一片SRAM芯片6264用做數據存儲器，存放用戶程序；由于數控工作臺還需要加入銑刀運動控制和程序輸入等指令，所以除設置了XY方向的控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復位鍵等外還采用8279來管理擴展多種按鍵。8279是一種通用的可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與64個按鍵的矩陣

25、鍵盤進行連接，能對鍵盤實行不間斷的自動掃描，自動消除抖動，自動識別按鍵并給出鍵值。顯示部分包括一組數碼顯示管和七只發光二極管。與PC機的串行通信經過MAX233，可以采用PC機將編好的程序送入本系統。控制步進電動機的轉動需要三個要素：方向轉角和轉速。對于含有硬件環形分配器的驅動電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉角取決于控制送出的步進脈沖個數，而轉速則取決于控制器發出的步進脈沖的頻率。在步進電動的控制中，方向和轉角控制簡單，而轉速控制則比較復雜。由于步進電動的轉速正比于控制脈沖的頻率，所以對步進電動機脈沖頻率的調節，實質上就是對步進電動機的速度的調節。步進電動機的調頻的軟件延時和硬件

26、定時。采用軟件延時法實現速度的調節，程序簡單，不占用其他硬件資源；缺點是控制電動機轉動的過程中，CPU不能做其他事。硬件定時要占用一個定時器。本設計沒有從硬件上布置，由于單片機功能強大，采用軟件延時。當步進電動機的運行頻率低于它本身的起動頻率時，步進電動機可以用運行頻率直接起動，并以該頻率連續運行；需要停止的時候，可以從運行頻率直接降到零，無需升降頻控制。當步進電動機的運行頻率 （為步進電動機有載起動時的起動頻率）時，若直接用 起動，由于頻率太高，步進電動機會失步，甚至會丟步，甚至停轉；同樣在 頻率下突然停止，步進電動機會超程。因此，當步進電動機在運行頻率 下工作時，就需要采用升降頻控制，以使步進電動機從起動頻率開始，逐漸加速升到運行頻率 ，然后進入勻速運行，停止前的降頻可以看作是升頻的逆過程。雖然本設計采用了半閉環控制，加入了增量式編碼器作為反饋信號，但是在編程過程中仍需設計升降頻的部分，以使步進電動機運行平穩、精確。根據需要，可編寫出驅動步進電動機的程序。AT89S52指令與80C51指令完全兼容。控制系統原理框圖如圖6.1