機械設(shè)計課程設(shè)計說明書立式數(shù)控銑床XY數(shù)控工作臺

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1、 課程設(shè)計 課程名稱： 學(xué) 院： 專 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號： 年 級： 任課教師： 年 月 日 貴州大學(xué)本科課程設(shè)計 誠信責(zé)任書 本人鄭重聲明：本人所呈交的課程論文（設(shè)計），是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所完成。課程論文（設(shè)

2、計）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。 特此聲明。 論文（設(shè)計）作者簽名： 日 期： 貴州大學(xué)本科課程設(shè)計任務(wù)書 學(xué)生 信息 學(xué)號 學(xué)院 機械學(xué)院 班級 姓名 專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 機自XXX 教師 信息 姓名 職稱 學(xué)歷 任務(wù)書 發(fā)出時間 XXXX年XX月XX日 論文（設(shè)計）題目 XY數(shù)控工作臺1設(shè)計 論文（設(shè)計）起止時間 XXXX年XX月XX日——XXXX年X月XX日 共需 周數(shù) 3 主要內(nèi)容: 1、 結(jié)

3、合設(shè)計任務(wù)的要求擬定總體機械和電氣控制設(shè)計方案。 2、 根據(jù)擬定的機械設(shè)計方案進行二坐標(biāo)數(shù)控工作臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和元件的選用。 3、 根據(jù)擬定的電氣設(shè)計方案進行數(shù)控系統(tǒng)控制電路的框圖設(shè)計及驅(qū)動控制電路的計算和元件選用。 4、 根據(jù)指定要求進行有關(guān)軟件的流程圖設(shè)計。 5、 對指定的軟件程序進行編寫。 6、 進行機械結(jié)構(gòu)的工程圖和電氣原理圖的繪制。 主要要求: 1、 方案擬定正確。 2、 設(shè)計計算根據(jù)來源可靠，計算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。 3、 元氣件選用正確規(guī)范符合國家頒布標(biāo)準(zhǔn)。 4、 機械結(jié)構(gòu)圖紙繪制視圖完整、符合最新國家標(biāo)準(zhǔn)，圖面整潔、質(zhì)量高。 5、 電氣部份圖紙要求符合

4、國家標(biāo)準(zhǔn)，圖面布局合理、整潔、質(zhì)量高。 6、 機械和電氣部份圖紙總量為 1.5 張“0”號圖量，其中含機械裝配圖1～2張、電氣控制原理框圖及計算機I/O接口和驅(qū)動控制電路等電氣原理圖1～2張。 7、 課程設(shè)計說明書應(yīng)闡述整個設(shè)計內(nèi)容：如課題來源現(xiàn)實意義、總體方案確定、系統(tǒng)框圖分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機械傳動和驅(qū)動電路的設(shè)計計算以及機械和電氣的其它部分。說明書要突出重點和特色，圖文并茂、文字通暢、計算正確、字跡清晰、內(nèi)容完整。說明書頁數(shù)不少于 20 頁 預(yù)期目標(biāo): 設(shè)計出合理的XY機床工作臺部分、電氣控制原理框圖、驅(qū)動控制電路及指定軟件設(shè)計，撰寫不低于3000字左右設(shè)計論文

5、，并附錄相關(guān)資料及設(shè)計圖紙。 計劃進程: 序號 計劃時間 進程 1 12.31～1.2 課題調(diào)研及資料收集，研究問題及提出初步總體方案 2 1.3～1.4 總體方案論證及確定 3 1.5～1.9 機械部分方案論證確定及計算 4 1.10～1.15 電氣部分方案論證確定及設(shè)計 5 1.16～1.17 撰寫論文及繪制相關(guān)圖紙 6 1.18 答辯 主要參考文獻: [1] 成大先. 機械設(shè)計手冊(單行本 機械傳動)[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.1 [2] 沈愛琴. 數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書[Z]. 貴陽：貴州工業(yè)大學(xué)機電教研室

6、，1998.9 [3] 張毅剛. 單片機原理及應(yīng)用[M]. 北京：高等教育出版社，2004.1 [4] 機電一體化技術(shù)手冊編委會. 機電一體化技術(shù)手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.9 [5] 陸昆，奚大順，李之權(quán)等. 電子設(shè)計技術(shù)[M]. 北京：電子科技大學(xué)出版社，1998.10 目 錄 摘要 1 第一章 前言 1 第二章 設(shè)計任務(wù) 2 第三章 設(shè)計主要步驟 2 3.1 確定設(shè)計總方案 2 3.1.1 機械傳動部件的選擇 2 3.1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 2 3.2 機械傳動部件的計算和選擇 2 3.2.1

7、 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 2 3.2.2 計算切削力 2 3.2.3 滾珠絲杠傳動設(shè)計計算及校驗 2 3.2.4 步進電機的傳動計算及電動機的選用 2 3.2.5 滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算 2 3.3 其余附件的選擇 2 第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計 2 4.1 進給控制系統(tǒng)原理框圖 2 4.2 驅(qū)動電路流程設(shè)計 2 第五章 驅(qū)動電路設(shè)計 2 5.1 驅(qū)動電路的時間常數(shù) 2 5.2 電源電路的確定 2 5.3 元器件的確定 2 5.3.1確定三極管 2 5.3.2 確定R2和R3 2 第六章 機械部分裝配圖的繪制 2 第七章 結(jié)論 2 參考

8、文獻 2 致 謝 2 1 貴州大學(xué)本科課程設(shè)計論文 機電 摘要 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化

9、以及輕量、微型化方向發(fā)展。 關(guān)鍵字：機電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 發(fā)展趨勢 滾珠絲杠 滾動導(dǎo)軌 步進電機 Abstract Now the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development

10、enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system t

11、echnology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive syste

12、ms engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. key words: Integration of machinery foundation basic com

13、ponent elements characteristic trend of development. 貴州大學(xué)本科課程設(shè)計論文 機電 第一章 前言 當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀 在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點看法。 　　裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)

14、今先進制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 《數(shù)控機床》課程設(shè)計是一個重要的時間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運用所學(xué)的理論知識，獨立進行的設(shè)計訓(xùn)練，主要目的： 1、通過設(shè)計，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機床的基本組成及其想關(guān)知識，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。 2、通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握幾種典型傳動元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計計算及選用的方式 3、通過對機械系統(tǒng)的設(shè)計，掌握常用伺服電機的工作原理、計

15、算控制方法與控制驅(qū)動方式 4、培養(yǎng)學(xué)生獨立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計”的思想 5、鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力 第二章 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計一套供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 1、立銑刀最大直徑的d=15mm，立銑刀齒數(shù)Z=3，最大銑削寬度=15mm 最大背吃刀量=8mm，加工材料為碳素鋼或有色金屬。 2、X、Z方向的定位精度均為0.02mm。 3、工作臺面尺寸為210mm210mm，加工范圍為100mm80mm 4、工作臺空載進給最快移動速度： Vxmax = Vymax =1000mm/min，工

16、作臺進給最快移動速度:，加減速0.1s。 第三章 設(shè)計主要步驟 3.1 確定設(shè)計總方案 3.1.1 機械傳動部件的選擇 ①、 絲杠螺母副的選擇 步進電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足初選0.01mm脈沖當(dāng)量，因為定位精度0.02mm，對于機械傳動要有一定的精度損失，大約是1/3-1/2的定位精度，現(xiàn)取為1/2，即是0.01mm和0.02mm的定位精度，滑動絲杠副無法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。 同時選用內(nèi)循環(huán)的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸

17、結(jié)構(gòu)緊湊，軸向剛度高。 由于定位精度不高，故選擇的調(diào)隙方式是墊片調(diào)隙式，這種調(diào)隙方式結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，裝卸方便。 由于工作臺最快的移動速度Vxmax = Vymax =1000mm/min，所需的轉(zhuǎn)速不高，故可以采用一般的安裝方法，即一端固定，一端游動的軸承配置形式。 ②、導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點。 ③、伺服電機的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進電動機來說還是偏低，為了確保電

18、動機在運動過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務(wù)書初選的脈沖當(dāng)量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有3000mm/min,故本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。 ④、減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)，如果要選用減速裝置，則應(yīng)選用無間隙齒輪傳動減速箱。 3.1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 ①、設(shè)計的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有

19、輪廓控制，兩坐標(biāo)直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計成連續(xù)控制型。 ②、對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。 ③、要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。 ④、選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。 3.2 機械傳動部件的計算和選擇 3.2.1 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 按照下導(dǎo)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(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估

20、計重量約為800N。 3.2.2 計算切削力 根據(jù)設(shè)計任務(wù)，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數(shù)： 立銑刀 最大直徑的d=15mm， 立銑刀齒數(shù)Z=3， 最大切削寬度=15mm 最大背吃刀量=8mm， 設(shè)零件的加工方式為立式加工，采用硬質(zhì)合金銑刀，工件材料為碳素鋼。由【5】中P13頁的表中，可知d=15mm的硬質(zhì)合金立銑刀最大的切削參數(shù)如下： 每齒進給量fz=0.1mm 銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min 由【2】中P200,查得立銑時切削力計算公式為： 代如上式得： 采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由【2】中查得，各銑削力之間的比值

21、范圍如下： =(1.0~1.2) 取1.1 /=(0.2~0.3) 取0.25 /=（0.35~0.4） 取0.38 考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險的工況。由此可估算三個方向的銑削力分別為： 考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和 今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。 3.2.3 滾珠絲杠傳動設(shè)計計算及校驗 ①

22、、 最大工作載荷的計算 已知移動部件總重量G=1000N，按滾動導(dǎo)軌計算，由【3】中P389，取顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查【1】中P194可知u=0.0025—0.005,現(xiàn)取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： =1.11352+0.005(307+467+800) =1495N ②、最大計算動載荷的確定 設(shè)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(dǎo)程P=5mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速=v/P=80r/min。 預(yù)計滾珠絲杠的工作5年,每年算360天，每天工作8小時，由此得使用壽命為： T=5

23、3608=14400h，根據(jù)【1】中P110，公式5—4得：= 其中 T——使用壽命 14400 h N——循環(huán)次數(shù) ——滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 80r/min 求得：≈69（） 查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等沖擊載荷取值范圍，現(xiàn)取，滾道硬度為60HRC時，硬度影響系數(shù)取值，由【1】中P109，式5-3 代入數(shù)據(jù)得：≈7971N ②、 規(guī)格型號的初選 根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號的生產(chǎn)廠家的資料，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GDM系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)

24、固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于最大計算動載荷=7971N，滿足要求。 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) （單位mm） 名 稱 符 號 計算公式和結(jié)果 絲杠滾道 公稱直徑 20 螺距 P 5 接觸角 鋼球直徑 3.175 螺紋滾道法面半徑 偏心距 螺紋升角 絲桿 絲杠外徑 19.3 絲杠底徑 螺桿接觸直徑 絲杠螺母 螺母螺

25、紋外徑 螺母內(nèi)徑（內(nèi)循環(huán)） 表一 ④、傳動效率的計算 將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程P=5mm,代入λ=arctan[P/(d0)]，得絲杠螺旋升角λ=433′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率η=96.4%。 ⑤、剛度的驗算 X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“一端固定—-一端游動”的軸承配置形式?？芍@種安裝適用于較高精度、中等載荷的絲杠，一端采用深溝球軸承，一端采用一對背對背角接觸球軸承,這樣能承受集中力偶。 絲杠螺母的剛度的驗算可以用接觸量來校核。 a、滾珠絲杠滾道間的接觸變δ，查【3】中相關(guān)公式，根據(jù)公式，求得

26、單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為32，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=120。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力/3=498N。查【3】中相關(guān)公式，得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形 式中 Pa==。因為絲杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0007mm。 b、 絲杠在工作載荷作用下的抗拉壓變形 絲杠采用的是一端采用深溝球軸承，一端采用一對背對背角接觸球軸承的配置形式，軸承的中心距a=560mm,鋼的彈性模量E=2.110MPa,由表一中可知，滾珠直徑=3.175mm,絲杠底徑=16.2mm，則絲杠的截面積S==206.12,由【7】中，式3-

27、35 其中， 最大工作載荷=1495N 中心距a=200mm 彈性模量E=2.110MPa 截面積S==206.12 代入以上數(shù)據(jù)，得 =0.0069mm d、則δ總=δ1+δ2=0.0007+0.0069=0.0076mm=7.6本例中，絲杠的有效行程取130mm，由【3】中知，5級精度滾珠絲杠有效行程在100~200mm時，行程偏差允許達到20，可見絲杠剛度足夠。 ⑥、穩(wěn)定性的驗算 根據(jù)【3】中 式5.7-17 。 取支承系數(shù)=2； 由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380.88； 壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取

28、3（絲杠臥式水平安裝）； 滾動螺母至軸向固定處的距離L=a取最大值200mm。 代入公式，得P=233576kg.f=233576N大于=7533N，故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。 ⑦、臨界轉(zhuǎn)速的驗算 對于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗算其臨界轉(zhuǎn)速，不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速，由【1】中P111式5-10得： 其中 20-1.23.175=1mm 為臨界轉(zhuǎn)速計算長度 為絲杠支承方式系數(shù)=3.927（一端固定，一端游動） 代入數(shù)據(jù)得： 臨界轉(zhuǎn)速遠大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會發(fā)生共振。 ⑧、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定 由以上驗算可知，選用

29、GDM2005型的絲杠，完全符合滿足所需要求，故確定選用該型號， 由表一可知絲杠所需的安裝連接尺寸 3.2.4 步進電機的傳動計算及電動機的選用 ①傳動計算 因為該銑床的加工精度為0.02mm，脈沖當(dāng)量為0.01mm/Hz， 初選步進電動機的步距角α=0.72。由【1】中P121式5-18得：傳動比i= 由于傳動比為1，則不需要選用減速箱，采用電動機軸與絲杠通過聯(lián)軸器聯(lián)接的方式。 ② 步進電動機的計算和選型 a、步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算。 總轉(zhuǎn)動慣量J主要包括電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。 ⅰ、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J

30、 由【1】中P134式5-28得： 式中 D為絲杠公稱直徑D=20mm L為絲杠長度L=300mm 代入數(shù)據(jù)，得：J=0.772030010=3.710kg.㎡ ⅱ、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量 由【1】中式5-29得： 其中 M為工作臺的（包括工件）的質(zhì)量M==81.6kg S為絲杠螺距S=5mm 代入數(shù)據(jù)，得： ⅲ、初選常州寶馬前楊電機電器有限公司的90YG5502型混合式步進電動機，可知其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 所以=3.710+5.210+41

31、0=4.910 Nm 驗算慣量匹配，電動機軸向慣量比值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大也不應(yīng)太小，即伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性取決于負(fù)載特性。為使該系統(tǒng)慣量達到較合理的配合，一般比值控制在1/4——1之間， ==0.82 由此可見:,符合慣量匹配要求。 ②、步進電機軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩M的計算 a、承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同工況下是不同的，考慮最大切削負(fù)載時電動機所需力矩，由【1】中P132式5-25得： 其中 其中: 為折算到電動機軸上的總慣量==4.910 T系統(tǒng)時間常數(shù)，由任務(wù)書知為T=0.1S 切削時的

32、轉(zhuǎn)速為300r/min 得： Mat ==3.8210-2 Nm 其中： 為導(dǎo)軌摩擦力 S為絲杠螺距S=5mm i為齒輪降速比，已計算出為1 η為傳動鏈總效率，η=0.7—0.8，取0.8 代入數(shù)據(jù) 得： Nm 其中： 為最大軸向載荷，F(xiàn)amax=Fz=503N 為滾珠絲杠未預(yù)緊時的效率，=0.95≥0.9 其余數(shù)據(jù)同上

33、 代入數(shù)據(jù) 得： Nm 其中：進給方向的最大切削力 其余參數(shù)同上。 代入數(shù)據(jù)得： Nm 由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Nm b、快速空載時電動機所需力矩M 由【1】中P132式5-24得： 加速力矩其中： 其余參數(shù)同上 代入數(shù)據(jù)得： Nm 力矩摩擦其中：u為導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取 u=0.005 其余參數(shù)同上。 代入數(shù)據(jù)得：Nm 附加摩擦力矩： 其余參數(shù)同上

34、 代入數(shù)據(jù)得： Nm 所以可知快速空載時電機所需力矩： =0.06+0.0004+0.048 =0.1084 Nm 比較和，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即：==1.46N.M ③、步進電機的初選 考慮到步進電機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)的影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸入轉(zhuǎn)矩也會下降，可能會造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)，因此按最大等效負(fù)載M考慮一定的安全系數(shù)λ，取λ=3，則步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： Nm 由所選的電機型號參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩 Nm，可知滿足要求。 ④、步進電機性能校核 a 、最快

35、工進速度時電動機時輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，求出電動機對應(yīng)的運行頻率。從90BYG5502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(zhuǎn)矩4Nm，遠遠大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.46Nm，滿足要求。 b、最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度=1000mm/min，求出其對應(yīng)運行頻fmax=[1000/(600.01)]=1667Hz。由圖查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩=3.9Nm，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.1084Nm，滿足要求。 c、最快空載移動時電動機運行頻率

36、校核 與快速空載移動速度=1000mm/min對應(yīng)的電動機運行頻率為。查圖3中相應(yīng)表格，可知90BYG5502電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。 ⑤、起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載起動頻率。由式可知步進電動機克服慣性負(fù)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。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有。 綜上所述，本次設(shè)計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用90BYG5502步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。 ⑥、確定選型的步進電機的參數(shù)

37、所選電動機參數(shù)如下圖所示： 圖2 外形尺寸安裝接線圖和和矩頻特性如圖3所示 圖3 參考網(wǎng)址 http://www.cz- 圖3 3.2.5 滾動導(dǎo)軌的設(shè)計計算 ①、工作載荷的計算 工作載荷是影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素，對于水平布置的十字工作臺多采用雙導(dǎo)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(dān)，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量G=800N,外加載荷F==503N 代入上式，得：Fmax=703N. ② 、小時額定工作壽命的計算 預(yù)期工作臺的工作

38、壽命為5年，一年365天，取工作時間為360天，每天工作8小時，因此得到小時額定工作壽命 ③、距離額定壽命計算 由公式，從而得到 式中，為小時額定工作壽命。 n為移動件每分鐘往復(fù)次數(shù)（4—6）取5 S為移動件行程長度，由加工范圍為100mm80mm取200mm 代入數(shù)據(jù) 得：L=1728km . ④、額定動載荷計算 由公式 從而得到： 式中：為額定動載荷 L為距離工作壽命，由上式可知為1728km F為滑塊的工作載荷，由上式可知為703N 代入數(shù)據(jù)得： =4580N ⑤、產(chǎn)品選型 根據(jù)額定動載荷，選擇滾動導(dǎo)軌，查滾動導(dǎo)

39、軌生產(chǎn)廠家，選用南京工藝裝備制造有限公司的GGB20BA型，相關(guān)尺寸如下圖4所示， 參考網(wǎng)址： 圖4 可知其額定動載荷C=11.6KN，大于4580N，故可知滿足要求。 ⑥、安裝連接尺寸。 對于導(dǎo)軌的安裝按照如圖4所示相關(guān)尺寸安裝。 3.3 其余附件的選擇 1、聯(lián)軸器的選擇 剛性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)比較簡單，制造容易， 免維護，超強抗油以及耐腐蝕，即使承受負(fù)載時也無任何回轉(zhuǎn)間隙，即便是有偏差產(chǎn)生負(fù)荷時，剛性聯(lián)軸器還是剛性傳遞扭矩。適用于安裝底座剛性好、對中精度較高、沖擊載荷不大、對減振要求不高的中小功率軸系傳動。根據(jù)選出的電機和絲杠的參數(shù)，選用沈陽光

40、宇科技有限公司的LK13-C32-1012型剛性聯(lián)軸器。 參考網(wǎng)址 圖5 第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計 根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的時主要考慮以下功能： （1） 接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息； （2） 接受限位開關(guān)信號； （3） 控制X，Y向步進電動機的驅(qū)動器； （4） 與PC機的串行通信。 CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲器擴展芯片。W27C512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴展AT89S52的RAM存儲器存放調(diào)試和運行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示

41、器借口，鍵盤主要是輸入工作臺方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報警功能，并有越位開關(guān)和報警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時鐘電路，越位報警指示電路。 4.1 進給控制系統(tǒng)原理框圖 圖6 4.2 驅(qū)動電路流程設(shè)計 步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進給0.01mm。步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。 圖7 步進電機驅(qū)動電路圖 該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路

42、，當(dāng)A相得電時，電動機轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。 由于步進電機采用的是五相十拍的工作方式（五個線圈A、B、C、D、E），其正轉(zhuǎn)時通電順序為：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A……….其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A………。 4.3 驅(qū)動電源的選用，及驅(qū)動電源與控制器的接線方式 設(shè)計中X、Y向步進電動機均為90BYG5502型，生產(chǎn)廠家

43、為常州寶馬前楊電機電器有限公司。查步進電動機的資料，選擇與之匹配的驅(qū)動電源為BD28Nb型，輸入電壓為50V AC，相電流為3A，分配方式為五相十拍。該驅(qū)動電源與控制器的接線方式如圖8所示： 圖8 第五章 驅(qū)動電路設(shè)計 5.1 驅(qū)動電路的時間常數(shù) 五相十拍工作方式的控制脈沖，每相工作五拍改變一次通電狀態(tài)，為使每一拍都能正常工作，每拍脈沖寬度的2/3時間內(nèi)相電流上升至額定電流的60%，即I=0.6In1.5A。 負(fù)載回路的時間常數(shù)為 τi=L/Rm=0.003/0.8=3.7 (ms) 因此 τi>1/fy=

44、0.455 (ms) 5.2 電源電路的確定 若選用線路簡單的串聯(lián)電阻法改善電流上升沿，其時間常數(shù)為 τi′=L/(Rm+R0) 則 R0=(L－τi′Rm)/ τi′ 其中 τi′=0.455 (ms) 所以 需要串聯(lián)如此一個電阻，在該電阻上損失功率為52.2W，顯然不合理，所以采用低壓電源直接驅(qū)動。 5.3 元器件的確定 5.3.1確定三極管 為了使電路簡單、緊湊，功率放大級的T1和T2選用達林管GO201.當(dāng)標(biāo)色綠點時其性能見表5-

45、1 UF (V) IR （μA） IFM （mA） ICSO （μA） UCES （V） U(BR)CEO （V） PCM （mW） CTR （%） tr/t （μS）l ≤1.3 ≤10 50 ≤1 ≤1.5 ≥30 75 100~200 200~500 ≥500 ≤50 表5-1 5.3.2 確定R2和R3 從T1和T2性能數(shù)據(jù)知UBE≤2.5V，故UR3≈2.5V，而負(fù)載電流=3A，取IL=3A，T1基極電流IB為 IB=IL/hFE=3/

46、3000=1 (mA) 式中：hFE——電流放大倍數(shù)。 因此T1等效輸入電阻為RT1=UBE/IB=2.5kΩ。 光耦合器光敏三極管的輸入等效電路見圖5-1. 從等效電路可得 IC1=I3＋IB I3R3=UBE=2.5 IC1 IC1R2=En－UBE=27.5 (V) 選光耦合器輸入電流Ii=10mA(最大電流50mA)，電流傳輸比CTR=30%，所以有 IB I3 IC1=IiCTR=3 (mA) 解上述方程組得： R3≈1.25（kΩ） R2≈9.2(kΩ) 圖5-1 第六章 機械部分裝配圖的繪制 裝配圖見附件CAD A0

47、圖紙 第七章 結(jié)論 整個系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，進給系統(tǒng)采用了GDM系列滾珠絲杠副，其型號為：2005-3。以提高整個系統(tǒng)的進給要求。伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機通過彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動絲杠傳動。而且軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動，采用一個深溝球軸承來保證其徑向的圓跳動。用PWM脈寬調(diào)制電路來實現(xiàn)伺服電機電壓的平均值，電路中采用了阻容滯后電路，來防止H型橋式功率放大器中兩對IGBT功率管同時導(dǎo)通造成短路現(xiàn)象，能夠有效的控制伺服電機單位正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，同時為了保證一定的精度的要求，系統(tǒng)又采用了光電編碼器作為位置檢測器，來檢測伺服電機的位置，通過單片機對光電編碼器反饋信號

48、處理來達到預(yù)期的精度要求。在設(shè)計中我們兼顧經(jīng)濟性，考慮滿足精度的要求，因此對于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設(shè)計的成本較高。 參考文獻 【1】、文懷興、夏田 .《數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》 北京：北京化工出版社，2005. 【2】、韓榮第 .《金屬切削原理與刀具》 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007. 【3】、李洪 .《機床設(shè)計手冊》北京：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999. 【4】、陳家芳.《金屬切削工藝手冊》 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2005. 【5】、楊建明. 《數(shù)控加工工藝與編程》北京：北京理工大學(xué)出版社，2009. 【6】、張新義.《經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設(shè)計》北京：

49、機械工業(yè)出版社，2000 【7】、尹志強.《機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計指導(dǎo)書》北京:機械工業(yè)出版社，2007. 【8】王蘭美. 《機械制圖》高等教育出版社，2007 【9】濮良貴、紀(jì)名剛. 《機械設(shè)計》，2009 【10】戴曙. 《金屬切削機床》機械工業(yè)出版社，2009 【11】孫恒、陳作模、葛文杰. 《機械原理》高等教育出版社，2009 致 謝 我覺得這次《數(shù)控機床》課程設(shè)計是對過去所學(xué)專業(yè)知識的一個全面的綜合的運用。在設(shè)計的過程中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)過的知識，包括機械設(shè)計基礎(chǔ)和機械制圖方面的基礎(chǔ)知識，還有剛學(xué)過的機電一體化這門課，經(jīng)過復(fù)習(xí)整理所學(xué)得

50、專業(yè)知識使得設(shè)計思路清晰系統(tǒng)。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設(shè)計者的精神。在設(shè)計過程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。 通過對通用機械零件、常用機械傳動或簡單機械的設(shè)計，掌握了一般機械設(shè)計的程序和方法，借助于CAD軟件繪圖，不但使學(xué)生更加熟練地掌握CAD軟件的應(yīng)用，而且有助于樹立正確的工程設(shè)計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學(xué)的機械設(shè)計能力。 最后對在整個設(shè)計過程中對老師認(rèn)真、耐心輔導(dǎo)表示衷心的感謝。 25