[工學(xué)]機(jī)電一體化課程設(shè)計

1、前 言隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已是衡量一個國家機(jī)械制造水平的重要標(biāo)志。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對普通機(jī)床數(shù)控改造，尤其適合我國機(jī)床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。電氣時代、機(jī)械工人、電氣應(yīng)用等多家雜志為滿足廣大企業(yè)技術(shù)改造發(fā)展生產(chǎn)的需要，多次聯(lián)合舉辦學(xué)習(xí)班，為企業(yè)提供權(quán)威、經(jīng)濟(jì)、可行、實用的技術(shù)指導(dǎo)，改造費(fèi)用為新購置費(fèi)用的四分之一到三分之一。鑒于此，對我們本科生來說，進(jìn)行一次機(jī)電一體化課程設(shè)計尤為重要！該課程設(shè)計的目的與內(nèi)容如下：一、課程設(shè)計的目的機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計是機(jī)電一體化系統(tǒng)課程的最后一個教學(xué)環(huán)節(jié)，同時也是一次對學(xué)生進(jìn)行全面的機(jī)電一體化設(shè)計訓(xùn)練，其基本目的是：（1）綜合運(yùn)用機(jī)電

2、一體化系統(tǒng)設(shè)計課程和其它有關(guān)先修課程的理論及生產(chǎn)實踐的知識去分析和解決機(jī)電一體化指紋設(shè)計問題，并使所學(xué)知識得到進(jìn)一步鞏固和深化；（2）學(xué)習(xí)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的一般方法，了解和掌握常用的機(jī)電一體化系統(tǒng)中的機(jī)械設(shè)計及接口電路訴設(shè)計方法，培養(yǎng)正確的設(shè)計思想和分析問題、解決問題的能力，特別使總體設(shè)計和零部件設(shè)計的能力；（3）通過計算和繪圖，學(xué)會運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊和查閱有關(guān)技術(shù)資料等，培養(yǎng)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計的基本技能。二、課程設(shè)計內(nèi)容（1）采用微機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理和控制，主要考慮計算機(jī)的選擇或單片機(jī)動性構(gòu)成電路的選用，接口電路，軟件編制。（2）選用驅(qū)動控制電路，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制

3、。主要考慮電機(jī)的選拔馺驅(qū)動力矩的計算，控制電機(jī)電路的設(shè)計。（3）精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計。主要考慮數(shù)控機(jī)床工作臺傳動裝置的設(shè)計問題；要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行的主要功能（如傳遞運(yùn)動、動力、位置控制、微調(diào)、精密定位或高速運(yùn)轉(zhuǎn)等），進(jìn)行力（力矩）、負(fù)載功率、慣性（轉(zhuǎn)動慣量）、加（減）速控制和誤差計算，提出裝配圖和零件加工圖，提出對電機(jī)驅(qū)動和計算機(jī)控制要求。（4）采用傳感器和計算機(jī)控制要求。（5）學(xué)會使用手冊及圖表資料。目錄設(shè)計任務(wù)書4數(shù)控改造的重要性6系統(tǒng)總體方案的分析與擬訂8機(jī)床傳動部分的改造10電動機(jī)的選擇計算20系統(tǒng)微機(jī)部分改造設(shè)計27微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計37設(shè)計小結(jié)40參考文獻(xiàn)41第一章 設(shè)計任務(wù)書一

4、、設(shè)計任務(wù)將ca6140普通臥式車床改造成用at89s51單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床。要求該車床在縱向具有直線和圓弧插補(bǔ)功能。系統(tǒng)分辨率： 縱向： 0.01mm/puls 橫向： 0.005mm/puls二、給定參數(shù)最大加工直徑： 在床面上 400mm 在床鞍上 210mm工作行程： 縱向 1000 mm橫向 500mm 導(dǎo)軌類型： 縱向 綜合性導(dǎo)軌橫向 燕尾形導(dǎo)軌主軸轉(zhuǎn)速范圍： 正轉(zhuǎn)（24級） 101400rpm 反轉(zhuǎn)（12級） 141580rpm溜板及刀架重力： 縱向 800n 橫向 600n刀架快速進(jìn)給速度：縱向 2.4m/min橫向 1.2m/min最大切削進(jìn)給速度：縱向 0.6m/m

5、in橫向 0.3m/min主電機(jī)功率： 7.5kw/1450rpm 啟動加速時間： 30ms機(jī)床定位精度： 0.015mm三、設(shè)計要求1.改裝后數(shù)控車床應(yīng)具有的性能數(shù)控代碼制： iso脈沖分配方式： 逐點(diǎn)比較法輸入方式: 增量值、絕對值通用同時控制坐標(biāo)軸數(shù)： 2坐標(biāo)軸（縱向z，橫向）脈沖當(dāng)量值： 縱向 0.01/脈沖 橫向 0.005/脈沖刀具補(bǔ)償量： 099.99mm進(jìn)給傳動鏈間隙補(bǔ)償量： 縱向 0.15mm 橫向 0.075mm自動升降速性能： 有2.改裝后數(shù)控車床的工藝范圍 具有快速定位，直線插補(bǔ)，順、逆圓插補(bǔ)，暫停，循環(huán)加工。3.采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制4.對微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的要求： 微機(jī)控制

6、系統(tǒng)要有可靠性好、功能強(qiáng)、速度快、抗干擾能力強(qiáng)，可在線編程、具有很高的性能價格比等特點(diǎn)。 1）單片機(jī)型號at89s51-24pu 2)sram型號：idt7164s35p(8kx8) 3）eeprom型號：at28c256-15pi(32kx8) 4）采用全譯碼方式譯碼 5）步進(jìn)電機(jī)采用硬件環(huán)形分配，功放電路采用高低壓功放 6）控制系統(tǒng)的加工程序和控制命令可通過鍵盤操作實現(xiàn) 7）采用數(shù)碼顯示加工數(shù)據(jù)及機(jī)床的狀態(tài)等信息 8）具有isp（在線編程）功能四.設(shè)計工作量1.進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械裝配圖一張（a1）；2.一張數(shù)控系統(tǒng)硬件原理圖（a1）；3.驅(qū)動電路原理圖一張（a2）；4.課程設(shè)計說明書一份包括一下

7、內(nèi)容：1）前言（數(shù)控改裝的意義、用途及目的等）；2）改裝方案的確定（包括系統(tǒng)總體方案的確定，機(jī)械系統(tǒng)改裝方案確定、控制系統(tǒng)方案確定；3）機(jī)械部分改裝設(shè)計計算：（1）滾珠絲桿螺母副型號確定；（2）齒輪傳動比和齒數(shù)的確定；（3）軸承型號確定；（4）聯(lián)軸器的選擇； 4）步進(jìn)電機(jī)選型 5）控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 （1）存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計 （2）通用接口芯片型號選擇及接口電路設(shè)計 （3）譯碼芯片型號選擇及各芯片地址分配 （4）數(shù)碼管和鍵盤接口電路設(shè)計 （5）環(huán)形分配器芯片型號選擇及環(huán)形分配電路設(shè)計 （6）步進(jìn)電機(jī)功放電路設(shè)計 （7）isp（in-system programming-在線系統(tǒng)編程及調(diào)試）接

8、口設(shè)計 （8）機(jī)床報警電路設(shè)計等6）總結(jié)及結(jié)束語第二章 數(shù)控改造的重要性隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)控機(jī)床已是衡量一個國家機(jī)械制造水平的重要標(biāo)志。采用經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)對普通機(jī)床數(shù)控改造，尤其適合我國機(jī)床擁有量大、生產(chǎn)規(guī)模小的具體國情。（一）、數(shù)控改造有兩方面的必要性：1微觀看改造的必要性 ：從微觀上看，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性，而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機(jī)的威力。 （）可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。由于計算機(jī)有高超的運(yùn)算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運(yùn)動的運(yùn)動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。 （）可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自

9、動化，從而效率可比傳統(tǒng)機(jī)床提高37倍。由于計算機(jī)有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機(jī)床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了“柔性自動化”。（）加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要“修配”。（）可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。（）擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實現(xiàn)長時間無人看管加工。 （）由以上五條派生的好處。 如：降低了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周

10、期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 此外，機(jī)床數(shù)控化還是推行fmc（柔性制造單元）、fms（柔性制造系統(tǒng)）以及cims（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)）等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 宏觀看改造的必要性 從宏觀上看，工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機(jī)械工業(yè)，在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。其本質(zhì)是，采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)（包括軍、民機(jī)械工業(yè)）進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機(jī)床、fmc、fms外，還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行cad、cae、cam、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行mis（管理信息系統(tǒng)）、cims等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù)，包括人工智能

11、等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機(jī)械工業(yè)進(jìn)行深入改造（稱之為信息化），最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強(qiáng)。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機(jī)床擁有量中，數(shù)控機(jī)床的比重（數(shù)控化率）到1995年只有1.9，而日本在1994年已達(dá)20.8，因此每年都有大量機(jī)電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏觀上說明了機(jī)床數(shù)控化改造的必要性。（二）、數(shù)控改造有多方面的優(yōu)點(diǎn)：減少投資額、交貨期短同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯，一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1/3，交貨期短。機(jī)械性能穩(wěn)定可靠所用的床身、立柱等

12、基礎(chǔ)件都是重而堅固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。熟悉了解設(shè)備、便于操作維修購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其加工要求。改造則不然，可以精確地計算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機(jī)床一旦安裝好，就可以實現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。可充分利用現(xiàn)有的條件可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基?？梢圆捎米钚碌目刂萍夹g(shù)可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今水平的機(jī)床。(三)、數(shù)控發(fā)展的趨勢： 1繼

13、續(xù)向開放式、基于的第六代方向發(fā)展基于機(jī)所具有的開放性、低成本、高可靠性、軟硬件資源豐富等特點(diǎn)，更多的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家會走上這條道路，機(jī)所具有的友好人機(jī)界面，將普及到所有的數(shù)控系統(tǒng)。遠(yuǎn)程通訊、遠(yuǎn)程診斷和維修將更加普遍。向高速化和高精度化發(fā)展這是適應(yīng)機(jī)床向高速和高精度方向發(fā)展的需要。向智能化發(fā)展隨著人工智能在計算機(jī)領(lǐng)域的不斷滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)的智能化程度將不斷提高。第三章 系統(tǒng)總體方案的分析與擬訂目前，在機(jī)械加工工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機(jī)床，如果改用微機(jī)控制，實現(xiàn)機(jī)電一體化的改造，會使機(jī)床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)雜零件的加工，不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用微機(jī)實現(xiàn)機(jī)

14、床的機(jī)電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計控制部件；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需重新設(shè)計控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，比較簡單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用單片機(jī)、驅(qū)動電源、步進(jìn)電機(jī)及專用的控制程序組成開環(huán)控制，如圖所示，其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。對機(jī)床的控制過程大多是由單片機(jī)按照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動刀架、縱橫軸運(yùn)動的步進(jìn)電機(jī)，實現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運(yùn)動。微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的速度較快，可以讓單片機(jī)每完成一次插補(bǔ)、進(jìn)給，就執(zhí)行一次延時程序，由延時程序控制

15、進(jìn)給速度。綜合考慮以上因素，故選用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電動機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為數(shù)控車床控制系統(tǒng)。圖開環(huán)控制系統(tǒng)框圖（一）、功能與技術(shù)參數(shù)分析設(shè)計的最初環(huán)節(jié)必須理解和分析設(shè)計任務(wù)所提出的主要功能和技術(shù)指標(biāo)。設(shè)計任務(wù)提出了縱向走刀，橫向走刀的定位精度、走刀速度、主軸變速等諸多技術(shù)參數(shù)。并且，要求能夠進(jìn)行人機(jī)對話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯功能強(qiáng)，具有顯示和通信功能，縮短非生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，提高生產(chǎn)率。（二）、原理構(gòu)思和技術(shù)路線確定 針對設(shè)計任務(wù)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)要求提出一些原理性的構(gòu)思。車床傳動部分改造比較簡單，當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)出現(xiàn)故障時仍可使用原驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行手動加工。改裝時，只要在原來機(jī)床進(jìn)給絲杠尾部加裝減速箱

16、和步進(jìn)電機(jī)（如圖中a和b）即可。對其縱向（z向）進(jìn)給運(yùn)動，可將對開開合螺母合上，離合器m5脫開，以使主運(yùn)動與進(jìn)給運(yùn)動脫開，同時，將脫開蝸桿等橫向自動進(jìn)給機(jī)構(gòu)調(diào)整至空擋（脫開）位置。若手動轉(zhuǎn)動刀架換為自動轉(zhuǎn)位刀架，則可以由微機(jī)控制自動轉(zhuǎn)換刀具。如需加工螺紋，則要在主軸外端或其他適當(dāng)位置安裝一個脈沖發(fā)生器c檢測主軸轉(zhuǎn)動位置，用它發(fā)出的脈沖來保證主軸旋轉(zhuǎn)位置與縱向進(jìn)給運(yùn)動的相互關(guān)系。為了保證加工精度，還需根據(jù)實際情況對機(jī)床進(jìn)行修檢，以能保證控制精度。原機(jī)床運(yùn)動部件（包括導(dǎo)軌副、絲杠副等）安裝質(zhì)量的好壞，直接影響阻力或阻轉(zhuǎn)矩的大小，應(yīng)盡量減小阻力（轉(zhuǎn)矩），以提高步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的有效率。絲杠要提高其

17、直線度，導(dǎo)軌壓板及螺母的預(yù)緊力都要合適。根據(jù)阻力（轉(zhuǎn)矩）、切削用量的大小及機(jī)床型號的不同，應(yīng)通過計算，選用與之相匹配的步進(jìn)電動機(jī)。還必須對執(zhí)行元件進(jìn)行匹配選擇。對要求加工精度較高得機(jī)床，其進(jìn)給絲杠改換為滾珠絲杠。數(shù)控部分采用mcs-51系列的單片機(jī)，控制外接存儲及i/o擴(kuò)展芯片才可成為一個簡單的微機(jī)控制系統(tǒng)。i/o擴(kuò)展芯片的個數(shù)根據(jù)整個系統(tǒng)需要的i/o通道的個數(shù)來確定。涉及軟、硬件任務(wù)分配的有：控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生與脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。（三）、擬訂總體方案功能原理構(gòu)思和技術(shù)路線確定后，對運(yùn)動、布局、傳動、結(jié)構(gòu)、控制以及軟件等方面作出總體方案設(shè)計。通過第四章的設(shè)計計算，

18、比較各部件的選擇，經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評價后，選擇其中一種較合理的作為最優(yōu)方案加以采用。普通車床的數(shù)控化改造方案應(yīng)該在滿足改造設(shè)計任務(wù)的前提下，盡可能對普通車床作較少改動，這樣可以降低改造成本。計算與說明主要結(jié)果第四章、機(jī)床傳動部分的改造伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計計算內(nèi)容包括:1. 確定系統(tǒng)的負(fù)載2. 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量3. 運(yùn)動部件慣量計算4. 穿戴起動及切削力矩計算5. 確定伺服電機(jī)6. 傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算及選用一、系統(tǒng)負(fù)載的確定1、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控機(jī)床加工精度的一個基本技術(shù)參數(shù)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床采用的脈沖當(dāng)量是0.010.005mm/脈沖，根據(jù)任務(wù)書的要求機(jī)床定位精度為0.01

19、5mm，故改造的ca6140車床縱向脈沖當(dāng)量取0.01mm/脈沖。2、切削力計算用經(jīng)驗公式計算主切削力對于車床的主切削力縱切：= 車床床身上加工最大直徑（mm）按比例分別求出進(jìn)給抗力和切深抗力：由：,=1：0.25：0.4計算得：=0.255360=1340（n），=0.45360=2144（n）-走刀方向的切削分力（n） -垂直走刀方向的切削分力（n）作用在進(jìn)給拖板上的載荷可按下列式子求出：拖板上進(jìn)給方向載荷： =1340（n）拖板上垂直方向載荷： =5360（n）拖板上橫向方向載荷： =2144（n）二、滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算與選型1、計算進(jìn)給牽引力(最大工作載荷)根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求，查

20、機(jī)電一體化方向?qū)I(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書表3-4得知 =+(+g)選綜合型導(dǎo)軌,其中k=1.15,摩擦系數(shù)=0.150.18, 取=0.16，工作臺重量g=800（n），則：=1.151340+0.16（5360+800）=2526.6（n）2、計算最大動載荷cc=其中：l壽命 l=；n-絲杠轉(zhuǎn)速（r/min）,n=；-最大切削力條件下的進(jìn)給速度（m/min）,可取最高進(jìn)給速度的1/21/3，取=0.6/3=0.2（m/min）；-絲杠的導(dǎo)程（mm）；t-使用壽命（h）,對于數(shù)控機(jī)床t=15000h；-運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，數(shù)控車床為一般運(yùn)轉(zhuǎn)，查機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書表35取=1.3；-硬度系數(shù)，查機(jī)電一體

21、化專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書表36按經(jīng)驗公式取=1.35?？紤]到絲杠對加工精度和經(jīng)濟(jì)性的影響，應(yīng)優(yōu)先取4、6、8（mm）系列；（1）選基本導(dǎo)程=4mm,則： 絲杠轉(zhuǎn)速n=50 (r/min) 壽命l=45 最大動載荷： = =1.31.352526.6=15772（n）（2）選基本導(dǎo)程=6mm,則：絲杠轉(zhuǎn)速n=(r/min)壽命l=30最大動載荷： = =1.31.352526.6=13778（n）（3）選基本導(dǎo)程=8mm,則：絲杠轉(zhuǎn)速n=25 (r/min)壽命l=22.5最大動載荷： = =1.31.352526.6=12518（n）考慮到工作要求，外循環(huán)插管式雙螺母墊片預(yù)緊滾珠絲杠副結(jié)構(gòu)簡單，工

22、藝性好,安裝尺寸小，剛度高等優(yōu)點(diǎn)可以滿足車床改造要求，故選漢江機(jī)床廠fc1型滾珠絲杠。查機(jī)電一體化技術(shù)手冊表7.214得相應(yīng)的額定動載荷ca滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格和結(jié)構(gòu)類型，選用時應(yīng)滿足c。查表，選擇以下驗算：當(dāng)=4mm時，表中額定動載荷顯示 0.9滿足設(shè)計要求。當(dāng)=6mm時，=0.9滿足要求；當(dāng)=8mm時，=0.9滿足要求；4剛度檢驗當(dāng)=6mm時，（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）-在工作負(fù)載作用下引起每一導(dǎo)程的變化量（mm）-最大工作載荷（n）-滾珠絲杠的導(dǎo)程（mm）e-材料彈性模數(shù)，對鋼e=20.6（n/mm）f-滾珠絲杠的截面積（mm） -絲杠的公稱直徑，e-偏心距，r-螺紋滾道的半徑

23、r=0.52=0.523.969=2.064mme=（r-/2）=(2.064-3.969/2) sin=0.07950.707=0.056mm故=40+20.056-22.064=35.984mm=1016.456 mm=0.0000724mm則滾珠絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量為：=0.0143mm l-滾珠絲杠在支承間的受力長度 l=1185mm若兩端采用角接觸球軸承，且絲杠進(jìn)行了預(yù)緊，預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3時，其拉伸剛度可比一端固定的絲杠提高4倍，其實際變形量為：=0.0036mm（2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形 (mm)（此項在總變形量中也占比較大的比重）z：一圈的滾珠數(shù)（外循環(huán)）

24、 z=31.645，取z=32：滾珠數(shù)總數(shù) =z=80：軸向工作載荷 =252.66（kgf）(1千克力=9.8n,約等于10n)：預(yù)緊力 = 84.22（kgf）有預(yù)緊時：=0.0013=0.0025mm當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，值可減少一半，即：=0.0013mm（3）滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形(mm) 軸向接觸變形 占的比重也比較大。計算軸向接觸變形，不同類型的軸承的接觸變形量可用不同的公式計算，選：推力球軸承：-軸承所受軸向載荷（kgf）；z-軸承的滾動體數(shù)目； -軸承滾動體直徑（mm）；查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表12-4：其內(nèi)徑d=30，外徑d=52，寬t=1

25、6，=，z=14=0.0083（mm）（4）滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的導(dǎo)程的變形量一般所占的比重比較小，忽略不計。（5）螺母座及軸承支座的變形常為滾珠絲杠副系統(tǒng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，但變形量計算較為困難，一般根據(jù)其精度要求，在結(jié)構(gòu)上盡量增強(qiáng)剛度而不作計算。一般所占的比重比較小，忽略不計。滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是驗算，之和不應(yīng)大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半。由于預(yù)緊的作用，采用雙螺母預(yù)緊，可將原機(jī)床的剛度提高4倍。因此，只要滿足+機(jī)床精度（0.015mm）要求即可。即：+=0.0036+0.0013+0.0083=0.0132mm0.015mm故=6mm符合條件要求。當(dāng)=8mm時（以下計算各符號所

26、代表意義與計算=6mm時相同）（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）r=0.52=0.524.763=2.477mme=（r-/2）=(2.477-4.763/2)sin=0.07950.707=0.0674mm 故=40+20.0674-22.477=35.181mm=971.586 mm=0.000101mm=0.015mm =0.0037（mm）（2）滾珠與螺紋滾道間接觸變形mmz= =26.554取z=27=z=67.5（kgf）= 84.22（kgf）=0.0013=0.00269mm=mm（3）滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形mm查機(jī)械設(shè)計課程設(shè)計表12-4：c=1251828000，8

27、206，其內(nèi)徑d=30，外徑d=52，寬t=16，=，z=14=0.0024=0.0083（mm）（4）滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的導(dǎo)程的變形量一般所占的比重比較小，忽略不計。（5）螺母座及軸承支座的變形一般所占的比重比較小，忽略不計。滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是驗算，之和不應(yīng)大于機(jī)床精度要求允許變形量的一半。由于預(yù)緊的作用，采用雙螺母預(yù)緊，可將原機(jī)床的剛度提高4倍。因此，只要+機(jī)床精度要求。即：=+=0.0037+0.00135+0.0083=0.0134mm1) j-各轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動慣量() n-各轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)速(r/min) n-電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min) j-電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量()（4）系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動

28、慣量 2、電機(jī)力矩的計算主要考慮快速空載起動時所需力矩和最大切削負(fù)載時所需力矩。 電機(jī)的啟動負(fù)載 （1）空載起動時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩 式中：-傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動慣量()-運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度(mm/min) n-電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min) t-運(yùn)動部件從停止起動加速到最大進(jìn)給速度所需時間(s)， 可以計算電機(jī)軸上的加速度力矩：（2）摩擦力矩式中：g-運(yùn)動部件的總重量(n) g=800(n) -導(dǎo)軌摩擦系數(shù) =0.16 -齒輪總減速比 =1.7 -傳動鏈總效率，一般可取 則有： （3）附加摩擦力矩式中：-滾珠絲桿預(yù)加負(fù)載（n）,一般取工作載荷的 -滾珠絲桿導(dǎo)程(cm) -

29、滾珠絲桿未預(yù)緊時的傳動效率，一般取 則有： （4） 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力矩 式中：-進(jìn)給方向最大切削力（n） （5）快速空載起動時所需力矩最大切削負(fù)載時所需力矩在、兩種力矩中取大者為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。對于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床來說，因為要保證一定的動態(tài)性能，系統(tǒng)時間常數(shù)較小，而等效轉(zhuǎn)動慣量又較大，故電機(jī)力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。3、步進(jìn)電機(jī)的選擇（1）首先根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)的型號 步進(jìn)電機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩由于，所以 電機(jī)的起動力矩與最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩之間要滿足以下關(guān)系，見機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書表39：（因電機(jī)工作方式

30、為三相六拍，故取=0.866）查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計表3.11知 110bf003：=，110bf004： =（2）計算電機(jī)的工作效率最大空載起動頻率式中： -為運(yùn)動部件最大快速進(jìn)給速度（m/min） 故：， 滿足要求切削時的最大工作頻率式中： -最大切削進(jìn)給速度（m/min） 故：由上述計算可知：系統(tǒng)要求的空載起動轉(zhuǎn)矩頻率要大于電機(jī)的空載起動頻率500hz且很難找到空載起動頻率滿足要求的電機(jī)型號，可以采用調(diào)壓起動等方式起動電機(jī)使電機(jī)的空載起動頻率滿足要求；而電機(jī)運(yùn)行頻率7000hz可以滿足系統(tǒng)要求。（3）校核步進(jìn)電機(jī)1）校核步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動能力及較快的響

31、應(yīng)速度，通常推薦： 式中：-步進(jìn)電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩（）查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計表3-11得： -傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩（） -步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量()，查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計表3-11得： （110bf003） （110bf004） -傳動系統(tǒng)折算到步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子上的等效轉(zhuǎn)動慣量() =12.77() 故110bf004也符合要求，但110bf003具有良好的起動能力及較快的響應(yīng)速度，滿足要求。2)校核起動轉(zhuǎn)矩頻率特性和運(yùn)行轉(zhuǎn)矩頻率特性根據(jù)計算出的最大空載起動頻率和切削時最大工作頻率分別查出在此頻率下電機(jī)不失步時所允許的最大力矩 和，滿足：，故選電機(jī)型號110bf003作為縱向驅(qū)動電機(jī)。第

32、六章 系統(tǒng)微機(jī)部分改造設(shè)計(一)單片機(jī)的選擇根據(jù)總體方案的鑒定，微機(jī)采用at89s51單片機(jī)，at89s51是一個低功耗，高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes isp(in-system programmable)的可反復(fù)擦寫1000次的flash只讀程序存儲器，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)及80c51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和isp flash存儲單元，功能強(qiáng)大的at89s51可用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床改造。（二）擴(kuò)展存儲器設(shè)計1地址鎖存由于at89s51的p0口是分時復(fù)用的地址數(shù)據(jù)總線，采用74hc373作為地址

33、鎖存器時，鎖存器端g可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號端ale相連，在ale下降沿進(jìn)行地址鎖存。2擴(kuò)展romat89s51單片機(jī)的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的空間是相互獨(dú)立的，程序存儲器的尋址空間為64kb（0000hffffh）。因at89s51有4k bytes flash片內(nèi)程序存儲器，但這是不夠的，須采用外部rom擴(kuò)展空間，采用at28c256-15pi（32k8）eeprom型號的芯片，由于采用電擦除，在應(yīng)用系統(tǒng)中使用十分方便。rom的地址范圍為0000h7fffh，并且采用譯碼器，使地址范圍為無重疊區(qū)。3擴(kuò)展ramat89s51有 128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），對實時數(shù)據(jù)

34、采集和處理時，僅靠片內(nèi)提供的ram是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，故采用idt7164s35p（8k8）型號的sram擴(kuò)展，其地址范圍 0000h1fffh，也采用譯碼器，使其無重疊區(qū)的地址范圍。（三）i/o擴(kuò)展單片機(jī)本身提供給用戶使用的輸入、輸出口線不多，只有p1口和部分p3口線，at89s51只有p1口可作為普通i/o口用，所以需擴(kuò)展，需要計算一下總共需多少i/o口線。一個三相步進(jìn)電機(jī)，采用硬件脈沖分配器，需要5個i/o，兩個主軸的超程式報警及故障顯示及急停均采用8031的i/o口，不做內(nèi)存擴(kuò)展口計算，為使系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，仍可由驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行加工或控制自動轉(zhuǎn)換刀具或用受動轉(zhuǎn)動刀架，需要6個i/o口；為控制工作

35、臺x軸，z軸的速度和位移，使其具有暫停功能，起動鍵可繼續(xù)執(zhí)行及單步控制功能，需采用一個8255芯片，即可以滿足要求。（四）超程保護(hù)電路為防止x，y工作臺越出邊界，可設(shè)置限位開關(guān)，分別為+x，-x，+y和-y向4個限位開關(guān)，一旦越界，立即停止工作臺移動?？衫胊t89s51的外部中斷引腳int0，只要有一個開關(guān)閉合，即工作臺越界，立即停止工作臺移動。（五）緊急停電電路采用兩點(diǎn)控制環(huán)節(jié)組成緊急停電電路，為便于操作人員的操作也應(yīng)經(jīng)過隔音電路。（六）鍵盤與顯示電路采用一片8279。（七）由地址范圍計算74ls138譯碼器接口電路1芯片at28c256-15pi地址范圍0000h7fffh，共有15個引

36、腳。c b 0 00 0 00 01 1 1查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計表4.6 74ls138功能表c b a，0 0 0 0 0 1 0 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 11 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 1由于at28c256-15pi需要15個引腳，所以在74ls138中由c，b.a引腳來確定中的選擇。由地址范圍可知cba為100，所以選擇腳，即當(dāng)=0，=0和=0時為

37、0000h=0，=0和=1時為7fffh（2）芯片idt7164s35p地址范圍8000h9fffh需要12個引腳。查表4.6 74ls138功能表可知c b 0 1 1 1 0 00 1 1 1 1 1cba為0 1 0時，選腳(3) cb控制方式有=4種，為cb00011001 (八)驅(qū)動電路設(shè)計根據(jù)所選的110bf003型電機(jī)有如下參數(shù)：相數(shù)步距角電壓 v電流a最大靜轉(zhuǎn)矩空載起動頻率空載運(yùn)行頻率電感電阻30.758067.841500700035.50.371.確定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行參數(shù)（1）確定步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 絲桿的轉(zhuǎn)速為： 其中-工作臺的最大切削速度步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為：（2）確定其運(yùn)行

38、頻率步進(jìn)電機(jī)采用三相六拍方式的控制脈沖 2、驅(qū)動回路的時間常數(shù) 采用三相拍方式的控制脈沖。每相工作三拍改變依次通電狀態(tài)，但為了每一拍都能正常工作，每拍脈沖寬度的時間電流上升至額定電流的60%，即 負(fù)載回路的時間常數(shù)為： 因此式中：l-步進(jìn)電機(jī)一相繞組的平均電感量 -通電回路的電阻l和由機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計（表3-11反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)技術(shù)性能數(shù)據(jù)）3、若選用線路簡單的串聯(lián)電阻法改善靜電流上升沿，其時間常數(shù)為： 則： 其中： 所以 需要串聯(lián)如此大的電阻，在該電阻上損失的功率為1276w顯然很不合理，所以采用雙電源電路。4、高壓電源電壓的確定 電機(jī)每相工作三拍改變一次通電狀態(tài)，設(shè)要求在控制脈沖寬度時間內(nèi)

39、相電流達(dá)到額定電流的60%，這個時間也就是高壓電源工作時間，即單穩(wěn)翻轉(zhuǎn)時間，其值為： 高電壓電源電壓5、元件的確定（1）為了使電路簡單、緊湊，功率放大t1和t2選用復(fù)合管2sd851(v)(v)(v)(a)(v)1501503102(v)(a)(w)()8300010801（2）確定和從和性能數(shù)據(jù)知，負(fù)載電流，基極電流為：式中：-電路放大倍數(shù)因此等效輸入電阻為：光耦合器選用：g0102光耦合器光敏三極管的輸入等效電路見下圖：從等效電路可得：=+ =8.0 =-=80-8=72選擇耦合器輸入電流 =10ma(最大的電流為50ma),電流傳輸比=30%；=1030%=3ma解上述方程組得：8k 24k（3）確定 前面已選定耦合器輸入電流=10ma，可得到光耦合器輸入正向壓降為1.3v，所以=（51.3）/=370（4）確定，若使電流上升沿陡，希望t2工作