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論 文(設(shè) 計)任 務 書
課程編號
課程名稱
專業(yè)課課程設(shè)計(機電、數(shù)控)
周數(shù)
實施地點
科技樓
班級
人數(shù)
起止時間
形式
√集中 □分散
指導教師
論文
(設(shè)計)
進度
安排
1.方案論證----------------------1天
2.機械部分設(shè)計------------------4天
3.電氣部分設(shè)計------------------2天
4.軟件設(shè)計----------------------1天
5.編寫說明書--------------------1天
6.準備答辯及答辯----------------1天
論文
(設(shè)計)
內(nèi)容
任務是:設(shè)計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銑床上,用于銑削加工。具體參數(shù)如下:
系統(tǒng)分辨率為0.01mm,最大銑刀直徑Φ, 最大銑削寬度ae mm, 最大銑削深度ap,,加工材料為碳鋼, 工作臺加工范圍mm, 最大移動速度為3m/min,控制系統(tǒng)為單片機控制系統(tǒng)
設(shè)計的內(nèi)容包括:
1.總體方案的確定
1)確定系統(tǒng)組成方案(組成框圖、功能、機械傳動系統(tǒng)簡圖、主要設(shè)計參數(shù),及方案分析、比較、說明)。
2.機械部分的設(shè)計
1)確定脈沖當量;2)機械部件的總體尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量的估算;3)傳動部件、導向部件的設(shè)計、計算和選用;4)步進電動機計算、選用;5)繪制機械結(jié)構(gòu)裝配圖。
3.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計
1)確定數(shù)控裝置方案(組成框圖、功能、主要設(shè)計參數(shù),及方案分析、比較、說明)。2)電氣控制原理圖設(shè)計(CPU、存儲器、I/O接口電路及伺服驅(qū)動電路)。3)系統(tǒng)控制軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(控制流程圖)。和部分功能控制軟件設(shè)計(匯編程序及流程圖)。
4.編寫設(shè)計說明書
要求
(包括紀律要求和報告書要求)
1.圖紙要求
1)機械結(jié)構(gòu)裝配圖,A0圖紙一張。要求視圖基本完整、符合標準。其中至少有一個坐標軸的完整剖視圖。
2)數(shù)控系統(tǒng)框圖(附在說明書上);
3)數(shù)控電器圖,A1圖紙一張;
4)軟件框圖(可附在說明書上)。
2.編寫設(shè)計說明書要求
說明書應當敘述整個設(shè)計的內(nèi)容,包括總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、機械傳動設(shè)計計算、電器部分的設(shè)計說明,選用元件及其具體參數(shù)的說明、軟件設(shè)計及其說明等,說明書的不少于8000字。
注:本表按自然班填寫。于動員時發(fā)給學生。不夠紙請另附頁。
設(shè)計參數(shù):
系統(tǒng)分辨率為0.01mm,其它設(shè)計參數(shù)如下表。
設(shè)計分組
最大銑刀直徑
最大銑削寬度ae
最大銑削深度ap
加工材料
工作臺加工范圍(mm)
最大移動速度
4
16mm
5mm
2mm
碳鋼
X=200,y=150
3m/min
論 文(設(shè) 計)任 務 書
課程編號
課程名稱
專業(yè)課課程設(shè)計(機電、數(shù)控)
周數(shù)
實施地點
班級
人數(shù)
起止時間
形式
√集中 □分散
指導教師
論文
(設(shè)計)
進度
安排
1.方案論證----------------------2天
2.機械部分設(shè)計------------------5天
3.電氣部分設(shè)計------------------3天
4.軟件設(shè)計----------------------2天
5.編寫說明書--------------------2天
6.準備答辯及答辯----------------1天
論文
(設(shè)計)
內(nèi)容
任務是:設(shè)計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銑床上,用于銑削加工。具體參數(shù)如下:
系統(tǒng)分辨率為0.01mm,最大銑刀直徑Φ= 16 mm, 最大銑削寬度ae = 5 mm, 最大銑削深度ap,= 2 mm,加工材料為碳鋼,工作臺加工范圍 200 mm×150 mm,最大移動速度為3m/min,制系統(tǒng)為單片機控制系統(tǒng)。
設(shè)計的內(nèi)容包括:
1.總體方案的確定
1)確定系統(tǒng)組成方案(組成框圖、功能、機械傳動系統(tǒng)簡圖、主要設(shè)計參數(shù),及方案分析、比較、說明)。
2.機械部分的設(shè)計
1)確定脈沖當量;2)機械部件的總體尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量的估算;3)傳動部件、導向部件的設(shè)計、計算和選用;4)步進電動機計算、選用;5)繪制機械結(jié)構(gòu)裝配圖。
3.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計
1)確定數(shù)控裝置方案(組成框圖、功能、主要設(shè)計參數(shù),及方案分析、比較、說明)。2)電氣控制原理圖設(shè)計(CPU、存儲器、I/O接口電路及伺服驅(qū)動電路)。3)系統(tǒng)控制軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(控制流程圖)和部分功能控制軟件設(shè)計(匯編程序及流程圖)。
4.編寫設(shè)計說明書
要求
(包括紀律要求和報告書要求)
1.圖紙要求
1)機械結(jié)構(gòu)裝配圖,A0圖紙一張。要求視圖基本完整、符合標準。其中至少有一個坐標軸的完整剖視圖。
2)數(shù)控系統(tǒng)框圖(附在說明書上);
3)數(shù)控電器圖,A1圖紙一張;
4)軟件框圖(可附在說明書上)。
2.編寫設(shè)計說明書要求
說明書應當敘述整個設(shè)計的內(nèi)容,包括總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、機械傳動設(shè)計計算、電氣部分的設(shè)計說明,選用元件及其具體參數(shù)的說明、軟件設(shè)計及其說明等,說明書的不少于8000字。
注:本表按自然班填寫。于動員時發(fā)給學生。不夠紙請另附頁。
前言
設(shè)計目的
數(shù)控機床課程設(shè)計是機電一體化專業(yè)教學中的一個重要的實踐環(huán)節(jié),學生學完技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課,特別是“數(shù)控技術(shù)及應用”課程后應用的,它是培養(yǎng)學生理論聯(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,使學生能夠綜合應用所學過的機械、電子和微機方面的知識,進行一次機電結(jié)合的全方面訓練,從而培養(yǎng)學生具有初步設(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,學會運用手冊、標準、規(guī)范等資料;培養(yǎng)學生分析問題解決問題的實際能力,并在教師的指導下,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。
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.學會使用手冊及圖表資料。
1.總體方案的確定
1.1設(shè)計參數(shù)
系統(tǒng)分辨率為0.01mm,其它設(shè)計參數(shù)如下表。
設(shè)計分組
最大銑刀直徑
最大銑削寬度ae
最大銑削深度ap
加工材料
工作臺加工范圍(mm)
最大移動速度
4
16mm
5mm
2mm
碳鋼
X=200,y=150
3m/min
工作臺草圖
1.2初選步進電動機和絲杠
當傳動比i=1時,可用聯(lián)軸器直接將電機與絲杠連接,這種結(jié)構(gòu)有利于簡化結(jié)構(gòu),提高精度。由 i=(公式2-1) ①,θb為步進電機步距角Lo為滾珠絲杠導程、為系統(tǒng)脈沖當量。
選電動機型號為55BF009,其步矩角=
選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND) 其導程為4mm,
由傳動比公式得
故可用聯(lián)軸器將電機與絲杠直接連接。
預選由廣州菱科自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LK13系列剛性聯(lián)軸器(www.gzlink.com)。
1.3初定工作臺尺寸
查《機電一體化設(shè)計手冊》,根據(jù)(GB/T 158-1996)選工作臺T型槽尺寸如下:
深度H=15mm
槽低寬度B=12mm
槽寬A=6mm
C=6mm
槽數(shù)=5,間隔=40mm
;
由工作臺加工范圍200*150選工作臺尺寸
240
20 20
20
200
20
初定滾珠絲杠長度L=340mm
B
B
50~60 Lx+B+10~20 35~45
1.4系統(tǒng)組成框圖
2.機械部分的設(shè)計
2.1傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算
2.1.1機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量查《指導書》表面2-18得
2.1.2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量由《指導書》公式2-3有得
2.1.3工作臺轉(zhuǎn)動慣量
由于工作臺材料為碳鋼,故其質(zhì)量為
由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量小故可忽略不計
2.1.4總轉(zhuǎn)動慣量計算
2.2工作載荷分析及計算
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.查《金屬切削手冊》P398常用銑刀介紹表,選擇細齒錐柄立銑刀, 其尺寸參數(shù)如下:D=16mm,齒數(shù)Z=4。
2.2.1
查《金屬切削手冊》P417細齒錐柄立銑刀切削用量表得銑削速度
查《銑工》表2-4,初選=0.03mm
因此可得
查《機械制造基礎(chǔ)課程設(shè)計指導書》表4-15立式銑床主軸轉(zhuǎn)速表,選銑床型號X51,查其轉(zhuǎn)速表并將轉(zhuǎn)速圓整為
實際切削速度為
故實際
2.2.2
根據(jù)《指導書》表2-2得高速鋼銑刀銑削公式為
查《指導書》表2-3得銑削力系數(shù)
有
2.3進給工作臺工作載荷計算
查《指導書》表2-4,有如下表格參數(shù)
比值
不對稱銑削
逆銑
順銑
1.2
0.9
0.3
0.8
0.4
0.4
故有縱向進給方向
工作臺垂直進給方向
工作臺橫向進給方向
2.4滾珠絲杠螺母副的選型和校核
2.4.1最大工作載荷的計算
滾珠絲杠上的工作載荷為走刀抗力,移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。
由于選擇的導軌要求結(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動平穩(wěn),故選擇直線滾動導軌,在此設(shè)計中還要求導軌能承受一定的顛覆力矩,所以選擇燕尾導軌的實驗公式進行計算,由式2-11
將所得數(shù)據(jù)代入公式有:
2.4.2最大動負載C的計算及主要尺寸初選
滾珠絲杠最大運載荷
由《指導書》中可知
2.4.3傳動效率計算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率為
查得(或可由算出)
2.4.4剛度驗算
絲杠的拉壓變形量的計算
滿載時拉壓變形量:
滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
由《指導書》式2-17得
式中為滾珠直徑,
為滾珠總數(shù)量
滾珠絲杠副剛度的驗算
絲杠總變形量
變形量要少于定位精度得一半,即0.01/2=0.005
=0.00369<0.005
因此符合設(shè)計要求。
2.4.5壓桿穩(wěn)定性驗算
由《指導書》式2-18 失穩(wěn)時的臨界載荷為
絲杠截面慣量矩
查《指導書》表2-11得
穩(wěn)定性安全系數(shù)
故絲杠符合要求
2.5導軌的選型和計算
由于選擇的導軌為直線滾動導軌由《指導書》式2-20
L=50()
每個滑塊的的工作載荷
取硬度系數(shù)=0.53、=1、=0.81、=2
預設(shè)導軌壽命L=50KM 則根據(jù)此壽命可算出
= 3267kN
故選導軌型號GDA20SV符合要求,查《指導書》表2-16可知其=12.4KN
2.6驅(qū)動電機的選用
根據(jù)脈沖當量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選擇電機
2.6.1步距角的選擇
已知脈沖當量
由公式2-23
2.6.2步進電機輸出轉(zhuǎn)矩的選擇
查《指導書》表2-17得 步進電機啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系有
2.6.2.1加速度力矩
2.6.2.2空載摩擦力矩(取傳動系統(tǒng)總效率)
.、
,
2.6.2.2附加摩擦力矩
為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率取
故電機空載啟動力矩
作用在工作臺的合力的計算,逆銑的時候合力大
作用在工作臺上的合力折算到電機上的轉(zhuǎn)矩
運動部件正常工作時的總負載轉(zhuǎn)矩
故運動部件正常運行時需的最大靜轉(zhuǎn)矩
此處取0.5代入得
按步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩選擇要求
所以, 查表2-18選擇步進電機55BF009
2.6.3啟動矩頻特性校核
查《指導書》圖2-21步進電機啟動矩頻特性曲線
當啟動力矩時對應的允許啟動頻率,而由表2-18查得電機的啟動頻率
,保證了電機快速啟動時不丟步。
運行矩頻特性校核
快速進給運行矩頻特性校核:
由式2-34得,快進力矩
查《指導書》2-22得,允許快進頻率
由式2-33得電機最高快進頻率
,故電機快速進給時不丟步。
2.6.4工進運行矩頻特性校核
工進時步進電機的運行頻率為
工進時步進電機運行所需力矩
工作負載力矩
查《指導書》圖2-22得 允許工進運行力矩
滿足設(shè)計要求,故可選用此電機。
3.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計
3.1硬件設(shè)計(硬件詳細接線圖見圖紙3)
8031
+
存儲器接口
輸入顯示 接口
MCX311
INT
限
位
X向編碼器控制
Y向編碼器控制
I/O
擴展
接口
光耦
功放
X向電機
光耦
功放
Y向電機
3.2步進電機開環(huán)伺服原理
分配后的 脈沖信號
D
C
B
A
脈沖
信號源
脈沖分配器YBO14
功率
放大
脈沖信號
放大后的 脈沖信號
3.3步進電動機的控制框圖
N
Y
設(shè)步長計數(shù)器
保護現(xiàn)場
轉(zhuǎn)向標志為1
置正轉(zhuǎn)控制字指針
輸出控制字
是結(jié)束標志
延時、控制字地址指針+1
返回
恢復現(xiàn)場
總步數(shù)為零
置反轉(zhuǎn)控制字
3.4軟件程序設(shè)計(逐點比較法直線插補)
3.4.1
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:
偏差判別:判別偏差或,從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算公式。
坐標進給:根據(jù)直線所在象限及偏差符號,決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。
偏差計算:進給一步后,計算新的加工偏差。
終點判別:進給一步后,終點計數(shù)器減1。若為零,表示到達終點停止插補;不為零,則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計數(shù)判別可用兩個方向坐標值來判斷,也可由一個方向的坐標值來判斷。當XE>YE,可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點判別的依據(jù),如動點X等于終點XE則停止。當XE
=0?
Y方向進給
=+X
Y=Y(jié)+1
=—Y
X=X+1
X=?
Y=?
返 回
X方向進給
3.4.2程序設(shè)計
設(shè)計程序時,在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標值XE,YE,動點坐標值X,Y,偏差FM。對8位機,一般可用2字節(jié),而行程較大時則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外,所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進行初始值、X、Y向步進電機初態(tài)(控制字)。
插補程序所用的內(nèi)存單元如下:
28H
29H
2AH
2BH
2CH
70H
XE
YE
X
Y
FM
電機正反轉(zhuǎn)控制字
電機正反轉(zhuǎn)控制字為:
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
D1D0為X向電機控制位。D0=1運行,D0=0停止;D1=1正轉(zhuǎn),D1=0反轉(zhuǎn)。D3D2為Y向電機控制位。D2=1運行,D2=0停止;D3=1正轉(zhuǎn),D3=0反轉(zhuǎn)。
第一象限直線插補的程序:
ORG 2000H
MAIN:MOV SP, #60H
LP4: MOV 28H, #0C8H;
MOV 29H, #0C8H;
MOV 2AH, #00H;
MOV 2BH, #00H;
MOV 2EH, #00H;
MOV 70H, #0AH
LP3: MOV A, 2EH
JB ACC.7, LP1
MOV A, 70H
SETB ACC.0
CLR ACC.2
MOV 70H, A
LCALL MOTR
LCALL DELAY
MOV A, 2EH
SUBB A, 29H
INC 2AH
AJMP LP2
LP1: MOV A, 70H
SETB ACC.2
CLR ACC.0
LCALL MOTR
LCALL DELAY
MOV A, 2EH
ADD A, 28H
LP2: MOV 2EH, A
MOV A, 28H
CJMP A, 2AH, LP3;
RET
4.心得體會
我覺得這次專業(yè)課程設(shè)計是對過去所學專業(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了以前所學過的知識,包括機械專業(yè)課程和電路控制方面的基礎(chǔ)知識,經(jīng)過復習整理所學得專業(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準、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,有助于樹立正確的工程設(shè)計思想,培養(yǎng)獨立、全面、科學的機械設(shè)計能力。
最后對在整個設(shè)計過程中對我認真、耐心輔導的等老師表示衷心的感謝!
[參考書目]
鄭堤 .唐可洪 主. 《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》. 北京:機械工業(yè)出版社,2006
何立民. 《單片機高級教程》. 北京:北京航空航天大學出版社 ,2000
上海市科學技術(shù)交流站. 《金屬切削手冊》.上海:上海人民出版社 ,1995
馮辛安. 《機械制造裝備設(shè)計》. 北京:機械工業(yè)出版社 ,2006
鄒青. 《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指導教程》. 北京:機械工業(yè)出版社 ,2005
周開勤. 《機械零件手冊》第五版. 北京:高等教育出版社 ,2001
周湛學. 《銑工》. 化學工業(yè)出版社 ,2005
23