數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)設(shè)計(jì)

1、目錄一、 前言 3二、總體方案的確定 .51、 設(shè)計(jì)參數(shù).52、 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和絲杠.53、 選定工作臺(tái)尺寸 .64、 系統(tǒng)組成框圖.7三、機(jī)械部分的設(shè)計(jì) .81、 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 .82、 工作載荷分析與計(jì)算.83、 進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算 .94、 滾珠絲杠螺母副的選型與校核 .95、 導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 136、 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選用 13四、數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .171、 硬件設(shè)計(jì) 172、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開(kāi)環(huán)伺服原理 183、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制框圖 194、 軟件程序設(shè)計(jì) 20五、心得體會(huì) .23六、參考書(shū)目 .23課程設(shè)計(jì) iii 任務(wù)書(shū)要求：該工作臺(tái)可安裝在鉆、銑床上用于鉆孔或銑

2、削加工。設(shè)計(jì)參數(shù)如下： y 方向的脈沖當(dāng)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(tái)行程范圍是：500 mm x450mm,；最大快速移動(dòng)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(jī)械部分設(shè)計(jì)計(jì)算，選擇適當(dāng)?shù)脑骷? 、 畫(huà)出 x-y 工作臺(tái)外形圖和y 向機(jī)械部分裝配圖一張（a0）4 、 設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)硬件電路, 畫(huà)出控制系統(tǒng)硬件電路圖一張（ a1）5 、 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 1 分， （不少于8000）24、/4 刖百設(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

3、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)

4、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

5、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。1 .總體方案的確定1.1 設(shè)計(jì)參數(shù)y方向脈沖當(dāng)量為：6p =0.005mm/step,其它設(shè)計(jì)參數(shù)如下表。設(shè)計(jì)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(tái)加工范圍(mm)最大移動(dòng)速 度220m

6、m10mm4碳鋼x=500,y=4503m/min工作臺(tái)草圖1.2 初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和絲杠當(dāng)傳動(dòng)比i=2時(shí)，由于本機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可用聯(lián)軸器直接將電機(jī)與絲杠連接,無(wú)需用減速裝置，這樣有利于簡(jiǎn)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(jìn)電機(jī)步距角lo為滾珠絲杠導(dǎo)程、6p為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為55bf009,其步矩角4= 0.9型號(hào)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(dòng)頻率/h z空在運(yùn)行頻率/h z轉(zhuǎn)動(dòng)慣量/(kg. cm2)55bf00940.9/1.82730.7482500240000.075選絲杠規(guī)格為2004-3(fynd) 其導(dǎo)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(dòng)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(jī)與絲杠直接連接。預(yù)選由廣州菱科自動(dòng)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(tái)尺寸查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)，根據(jù)(gb/t 158-1996)選工作臺(tái)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(tái)加工范圍500*450選工作臺(tái)尺寸1.4系統(tǒng)組成框圖2.機(jī)械部分的設(shè)計(jì)2.1 傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算2

8、.1.1機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量查指導(dǎo)書(shū)表面2-18 得 jd =0.0701kg cm22.1.2絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由指導(dǎo)書(shū)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(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量jg由于工作臺(tái)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(dòng)慣量小故可忽略不計(jì)2.1.4 總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)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(jì)算銃削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銃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)工件在垂直于銃刀軸線方向緩慢進(jìn)給(鍵梢銃刀可沿軸線進(jìn)給).銃刀的類(lèi)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(cè)p398常用銃刀介紹表，選擇細(xì)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(cè)鼻7細(xì)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(jī)械制造基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)表

10、 4-15立式銃床主軸轉(zhuǎn)速表，選銃床型號(hào)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(shí)際af454 380= 0.0296nm2.2.2根據(jù)指導(dǎo)書(shū)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(dǎo)書(shū)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(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算查指導(dǎo)書(shū)表2-4 ,有如下

11、表格參數(shù)比值不對(duì)稱(chēng)銃削逆銃順銃fl/fz1 . 20. 9fv/fz0. 30. 8fc/fz0. 40. 4故有縱向進(jìn)給方向fln =1.2 161.068 =193.281nfls =0.9 161.068 =144.961nls工作臺(tái)垂直進(jìn)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(jì)算滾珠絲杠上的工作載荷fm為走刀抗力，移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切 削分力相關(guān)的摩擦力。由于選擇的導(dǎo)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(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，故選擇直線

12、滾動(dòng)導(dǎo)軌，在此設(shè)計(jì)中還要求導(dǎo)軌能承受一定的顛覆力矩, 所以選擇燕尾導(dǎo)軌的實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)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(dòng)負(fù)載c的計(jì)算及主要尺寸初選滾珠絲杠最大運(yùn)載荷c =3 l fm fm由指導(dǎo)書(shū)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(dòng)效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)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(yàn)算絲杠的拉壓變形量的計(jì)算滿載時(shí)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(dǎo)書(shū)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(gè)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(yàn)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(jī)的啟動(dòng)頻率fq =8000hz qfq 8000hz由式2-33得電機(jī)最高快進(jìn)頻率1000 v1000 3fkj-max5000hz60 p60 0.01 fykj ,故電機(jī)快速進(jìn)給時(shí)不丟步。2.6

15、.4 工進(jìn)運(yùn)行矩頻特性校核工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率為1000 vg j。0.544 . 907hz60 p 60 0.01工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩mgj 二mo mf mtmfmtjwflg/lo/004156.11 .6.748/0.4=0.071n 5工作負(fù)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(dǎo)書(shū)圖2-22得 允許工進(jìn)運(yùn)行力矩mygj =3.5n.mmygj mgj滿足設(shè)計(jì)要求，故可選用此電機(jī)。3. 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.

16、1 硬件設(shè)計(jì)（硬件詳細(xì)接線圖見(jiàn)圖紙3）3.2 步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服原理由于滾珠絲杠的定位精度為0.01，脈沖當(dāng)量為0.0050或，f m ye,可用x方向走的總步數(shù)xe作為終點(diǎn)判別的依據(jù)，如動(dòng)點(diǎn) x等于終點(diǎn)xe則停止。當(dāng)x%,則用y方向 走的總步數(shù)ye作為終點(diǎn)判別的依據(jù)。由此，第一象限直線插補(bǔ)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(jìn)給脈沖，計(jì)算新偏差 fm=fm_ye,并修改 動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為x=x+1；若fm 0,則向=丫方向輸出一進(jìn)給脈沖，計(jì)算新偏 差fm=fm+xe,并修改動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為y=y+1(3)終點(diǎn)判別：若x=x (y=y),則停止插補(bǔ)運(yùn)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(bǔ)程序框圖如下圖:3.4.2程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)程序時(shí)，在ram數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值 ye,動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值y,偏差 fm。對(duì)8位機(jī)，一般可用2字節(jié)，而行程較大時(shí)則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能 滿足長(zhǎng)度和精度要求。止匕外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始值、 y向步進(jìn)電機(jī) 初態(tài)（控制字）。插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下29h2bh2ch70hyeyfm電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為:d7d6d5d4d3d2d1d0d3d2為y向電機(jī)控制位。d2=1運(yùn)行，d2=0停止；d3=1正轉(zhuǎn)，d3=0反轉(zhuǎn)第一象限直線插補(bǔ)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;lp2:4. 心得體會(huì)通過(guò)這次專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)， 我對(duì)過(guò)去所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行了一個(gè)全面的綜合的應(yīng)用。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，包括機(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械原理 、機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和電子電工方面的基礎(chǔ)知識(shí)，經(jīng)過(guò)復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專(zhuān)業(yè)知識(shí)使得我的設(shè)計(jì)思路變得清晰系統(tǒng)化。 通過(guò)設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際， 鍛煉了將理