畢業(yè)設計（論文）-激光焊接(切割)數(shù)控工作臺及控制系統(tǒng)畢業(yè)設計.doc

激光焊接（切割）數(shù)控工作臺及控制系統(tǒng) 的設計 I 摘摘 要要 當代世界電子技術的快速發(fā)展，使得微處理器、微型計算機在各技術領域得到了 最為廣泛的應用，這對各種相關技術領域的發(fā)展起到極大的促進作用。同時，數(shù)控激 光焊接、切割技術和數(shù)控機床在我國制造業(yè)中發(fā)揮的作用愈來愈大，它具有普通機床 難以比擬的精度和可靠性。本文設計了一臺以 8031 單片機作為控制系統(tǒng)硬件的激光 切割（焊接）數(shù)控工作臺，主要完成了以下幾個部分的設計：機床工作臺整體的結構 設計、X 方向和 Y 方向的結構尺寸設計、滾珠絲杠和直線滾動導軌的選型和強度驗算； 驅(qū)動系統(tǒng)和傳動機構的分析設計；以 8031 單片機為控制芯片的控制系統(tǒng)硬件電路的 設計。 關鍵詞：電子技術；單片機；數(shù)控工作臺；控制系統(tǒng) 湖南工業(yè)大學本科畢業(yè)設計（論文） II ABSTRACT Nowadays, with the rapid development of electronic technology, the microprocessor and the microcomputer are widely used in the word. And the related areas get promoted greatly. At the same time, the technology of laser welding and the machine of numerical control have played an important role in the manufacturing business of our country. They have the advantage of high accuracy and high reliability This paper describes the design of a SCM-controlled CNC laser cutting (welding) machine tools with the 8031 single-chip microcomputer. More attention were paid on overall machine design , the design of structural size of X direction and Y direction, the selection and strength calculation of ball screw and linear rolling guide model; The design of driving system and transmission mechanism; the 8031 single-chip microcomputer was used in the control system of hardware circuit. Keywords: electronic technology; single-chip microcomputer; NC workbench; the control system 主要符號表 III 目 錄 第第 1 1 章章 緒論緒論 .1 1 1.1 數(shù)控裝備技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 .1 1.1.1 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 .1 1.1.2 對我國數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 .1 1.1.3 對我國數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 .2 1.2 激光焊接（切割）的發(fā)展及其應用現(xiàn)狀 .4 1.3 數(shù)控工作臺的發(fā)展及應用前景.6 1.4 本設計的意義及目的.7 第第 2 2 章章 系統(tǒng)總系統(tǒng)總體體方案設計方案設計 .8 8 2.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng).8 2.2 計算機控制系統(tǒng).9 2.3 系統(tǒng)工作臺的傳動方式.9 2.4 系統(tǒng)其他零部件的選擇.10 第第 3 3 章章 機械系統(tǒng)設計機械系統(tǒng)設計 .1111 3.1 工作臺的設計 .11 3.1.1 X 方向工作臺尺寸確定.11 3.1.2 Y 方向工作臺尺寸確定.11 3.1.3 工作臺重量估算.12 3.2 滾動導軌的選用 .12 主要符號表 IV 3.2.1 導軌形式及尺寸確定.12 3.2.2 導軌許用負荷校核.13 3.2.3 導軌額定壽命計算.13 3.3 滾珠絲杠副的選用.14 3.3.1 最大工作載荷的計算.14 3.3.2 最大動載荷的計算.15 3.3.3 滾珠絲桿副的預緊方式 .16 3.3.3 傳動效率計算.17 3.3.4 絲杠變形量及剛度驗算.17 3.4 齒輪設計 .18 3.4.1 絲杠傳動比的確定 .18 3.4.2 傳動齒輪參數(shù)確定 .18 3.4.3 齒輪傳動消隙 .19 3.5 步進電機的選用 .19 3.5.1 步進電機轉(zhuǎn)動軸上的總轉(zhuǎn)動慣量的計算.19 3.5.2 步進電機轉(zhuǎn)動軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩的計算.20 3.5.3 步進電機的初選和參數(shù)校核.21 第第 4 4 章章 控制系統(tǒng)的設計控制系統(tǒng)的設計 .2323 4.1 控制系統(tǒng)總體方案的擬訂.23 4.2 總控制系統(tǒng)硬件電路設計.23 4.2.1 MCS-51 系列單片機的設計.23 主要符號表 V 4.2.2 MCS-51 單片機的時鐘電路.26 4.2.3 MCS-51 單片機的復位電路.26 4.3 系統(tǒng)的擴展.27 4.3.1 程序存貯器的擴展 .27 4.3.2 數(shù)據(jù)存貯器的擴展 .29 4.3.3 I/O 的擴展.31 4.3.4 狀態(tài)查詢.34 4.4 鍵盤、顯示器接口設計.35 4.4.1 矩陣式鍵盤接口設計 .35 4.4.2 顯示器接口設計.36 4.5 步進電機控制電路設計.38 4.5.1 步進電機開環(huán)驅(qū)動原理.38 4.5.2 步進電機脈沖分配 .39 4.5.3 步進電機驅(qū)動電路 .39 4.6 光電隔離電路設計.41 4.7 其他接口電路設計.42 結結 論論 .1 1 參考文獻參考文獻 .1 1 致致 謝謝 .1 1 1 第 1 章 緒論 1.1 數(shù)控裝備技術的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 數(shù)控技術，簡稱數(shù)控（Numerical Control ）即采用數(shù)字控制的方法對某一工作過 程實現(xiàn)自動控制的技術。它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和與機械能量 流向有關的開關量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴于數(shù)據(jù)載體和二進制形式數(shù)據(jù)運算的出現(xiàn)。 科學技術和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，使機械制造技術發(fā)生了深刻的變化，我們越來 越要求機械產(chǎn)品結構的合理性，追求高性能、高精度和高自動化。我們現(xiàn)代的機械產(chǎn) 品的關鍵零部件，往往都精密復雜，加工批量小，這種不適合在普通的專業(yè)機床和組 合機床上加工，影響產(chǎn)品的加工精度和加工效率。為了解決上面的一些問題，數(shù)字程 序控制機床應運而生，它有效地解決好上面的一些問題，為單件、小批量生產(chǎn)，特別 適用于為復雜型面零件提供給了自動化加工的手段1。 1.1.1 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術的發(fā)展應用可以說是人類進入現(xiàn)代化以后的一次產(chǎn)業(yè)化革命。它的發(fā)展 促進了現(xiàn)代工業(yè)化的發(fā)展，使得生產(chǎn)產(chǎn)品的規(guī)模得到不斷擴大以及產(chǎn)品的質(zhì)量得到不 斷提高。當前數(shù)控技術的發(fā)展趨勢有以下幾個方面： (1) 性能發(fā)展方向。高的產(chǎn)品生產(chǎn)效率、高精度、高規(guī)模、高速度。 (2) 多軸化和工藝復合加工機床的快速發(fā)展。我們所強調(diào)的復合加工，正是向 著多種控制系類和多軸方式的方向發(fā)展。我們強調(diào)的工藝復合加工使工件在機床上進 行一次裝夾后，通過主軸的旋轉(zhuǎn)和刀具的自動換刀來完成多種工序以及多個表面的復 合加工。 (3) 實時智能化、網(wǎng)絡化、開放式。 機器人的出現(xiàn)和應用對于數(shù)控領域的發(fā)展起了重要的作用。人工智能化能夠用計 算機來模擬出人類大部分的生產(chǎn)活動。人工智能和數(shù)控技術的結合是今后的一大趨勢。 1.1.2 對我國數(shù)控技術及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 我國數(shù)控機床的研制起步于 1958 年 ，我們可以將 50 多年的發(fā)展歷程大致可 2 分為幾個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由 于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的限制，數(shù)控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是 在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術、消化吸收，初 步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán) 境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了 長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產(chǎn)業(yè)化的 研究，進入市場競爭階段?？v觀我國數(shù)控技術 50 多年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過 4 個 5 年計劃的攻關，總體來看取得的成績還是不小。 1.1.3 對我國數(shù)控技術和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 我國數(shù)控技術產(chǎn)業(yè)經(jīng)過了 50 多年的發(fā)展歷程，已經(jīng)度過了艱難的起步階段，并 且逐步發(fā)展起來了。 （一）奠定了數(shù)控技術發(fā)展的基礎，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術 從技術水平上來比較，國產(chǎn)普及型數(shù)控系統(tǒng)的性能和國外相比差不多，并且價格 和服務方面的優(yōu)勢明顯，可靠性方面我們和國外系統(tǒng)的差別正在不斷的縮小。 （二）形成了一批數(shù)控系統(tǒng)骨干企業(yè) 目前國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè) 5060 家，其中能夠開發(fā)普及型數(shù)控系統(tǒng)的企業(yè)近 10 家。這些企業(yè)的發(fā)展，使得我國的數(shù)控技術有了全面的普及，使我國具備了與國 外企業(yè)競爭的實力。 （三）形成了數(shù)控系統(tǒng)理論研究的產(chǎn)業(yè)化隊伍 （四）一些數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)走出了國門 近年來，我國一些數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)在海外建立起了人員培訓、技術服務中心，開拓 了海外市場，取得了非常好的成績。 與其同時我國國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)同樣具有一定的優(yōu)勢： （一）價格優(yōu)勢 我國國產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床比國外便宜了很多。 （二）功能和配置優(yōu)勢 但是，對于我們來說推廣國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)還存在一些主要障礙： 近年來，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的性能、功能和可靠性已大幅提高，與國外的差距也在不 斷縮小。目前，普及型數(shù)控系統(tǒng)外國品牌仍然占據(jù)了我國 80%的市場份額。高檔數(shù)控 系統(tǒng)外國品牌占據(jù)我國 95%以上市場份額。究其原因，主要存在以下幾方面的問題： （一）技術問題 3 多年來，由于我國數(shù)控軟硬件研究開發(fā)的基礎薄弱，技術積累少，研發(fā)隊伍的實 力較弱，研發(fā)的投入力度不夠，國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)在質(zhì)量與穩(wěn)定性上與國外的差距較大。 國產(chǎn)系統(tǒng)的可靠性指標與國外有較大差距，也無統(tǒng)一的可靠性測評標準。 （二）產(chǎn)業(yè)化問題 由于以往歷次的攻關主要是從技術的角度關注數(shù)控產(chǎn)業(yè)的問題，而不是從系統(tǒng)工 程的角度去綜合考慮影響數(shù)控產(chǎn)業(yè)化的諸多個因素，導致數(shù)控技術的研究、開發(fā)、生 產(chǎn)等環(huán)節(jié)脫節(jié)；數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠與主機生產(chǎn)廠脫節(jié)。加之我們在某些技術質(zhì)量方面的 問題沒有完全解決，導致數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)規(guī)模上不來，產(chǎn)品批量上不去。 （三）品牌管理與營銷問題 國產(chǎn)品牌管理與營銷策略較之國外的一些知名品牌也有差距。我國數(shù)控系統(tǒng)市場 早已被德國西門子和日本 FANUC 兩大國際名牌所壟斷，這兩家還分別占有世界市場 份額的 50%和 25%，壟斷世界市場長達 30 余年，壟斷我國市場也已 20 年，他們擁 有很高的信譽和知名度。 還有一個特殊的原因，應用進口高端數(shù)控系統(tǒng)的企業(yè)，可有機會出國培訓，銷售 “西門子系”的企業(yè)技術人員待遇高還有銷售提成。而應用國產(chǎn)中高端數(shù)控系統(tǒng)，企 業(yè)經(jīng)營者要擔負穩(wěn)定性、可靠性、精度差等風險。 （四）標準問題 近年來，外國公司試圖將其生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)變成國際標準，將其技術標準應用在 占領市場份額上。 （五）用戶的信任度問題 由于用戶對國產(chǎn)品牌市場的認同度比較低，我國中高檔數(shù)控系統(tǒng)市場一直為 FANUC、西門子等國外品牌所壟斷。 針對以上的一些問題，我們逐漸開始探索出了開拓國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)市場的途徑： （一）國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)主動與整機廠合作結盟。第一步是鼓勵試用，建立信心； 第二步是在主機廠建立展示點，用使用實效說服最終用戶；第三步是數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)和 主機企業(yè)建立合作股份關系。 （二）以增大國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)市場占有份額為目的，由數(shù)控企業(yè)開發(fā)機床或成立主 機廠。 （三）建立數(shù)控技術培訓與服務中心。為數(shù)控機床生產(chǎn)和使用的廣大企業(yè)，大量 培訓操作使用、工藝編程、維護維修人員。數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)建設面向最終用戶的銷售服 務網(wǎng)絡，為用戶提供應用國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的全方位的解決方案，建立用戶對國產(chǎn)數(shù)控系 統(tǒng)的信心。 4 發(fā)展國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的政策建議： 發(fā)展數(shù)控系統(tǒng)這種關鍵功能部件，光靠企業(yè)自身很難解決，必須有國家政策扶持 或保護，并采取多方面的措施，支持我國數(shù)控系統(tǒng)自主化建設。 （一）政府主導，從政策層面支持國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)加速占領市場 1.在“高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備”國家重大科技專項中，盡快啟動中、高檔 數(shù)控系統(tǒng)及關鍵功能部件可靠性應用示范工程，在軍工、汽車、發(fā)電設備、造船、機 床制造等行業(yè)，建立國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)及關鍵功能部件應用示范基地。通過應用示范，增 強用戶選用國產(chǎn)品牌的信心。 2.國家有關部門盡快組織制訂自主創(chuàng)新的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)及關鍵功能部件采購目錄。 3.在貫徹實施裝備制造業(yè)調(diào)整與振興規(guī)劃中，對能夠提升國產(chǎn)中高檔數(shù)控系統(tǒng)核 心競爭力和產(chǎn)業(yè)規(guī)模的技改項目給予重點支持和投入。 （二）從技改、稅收和金融政策方面給予扶持，增強數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)綜合實力 1.比照國家對軟件企業(yè)的稅收扶持政策，制定對數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)的稅收扶持政策。 2.建議國家對外國企業(yè)在中國總裝生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的進口組件，按數(shù)控系統(tǒng)同等稅 率征收進口關稅。同時對國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)進口關鍵電子元件實行零關稅。 3.調(diào)配多種資源，扶優(yōu)扶強，支持骨干數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)進行技術改造。 4.解決數(shù)控系統(tǒng)企業(yè)的中長期貸款難的問題。 （三）國家加大科技投入力度，加強數(shù)控技術研發(fā)和人才建設 以高檔數(shù)控機床與基礎制造裝備重大專項為平臺，利用重大專項資金，重點支持 高檔數(shù)控系統(tǒng)的關鍵技術、基礎共性技術，以及高檔數(shù)控系統(tǒng)標準化技術研究。 根據(jù)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展的特點，有計劃、多渠道、多層次地共同培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。充 分發(fā)揮高等院校的作用，選擇若干個重點院校，加強數(shù)控系統(tǒng)學科的建設。 1.2 激光焊接（切割）的發(fā)展及其應用現(xiàn)狀 激光具有強的亮度，很高的方向性以及單色性和很好的相干性，這些性能是平常 的普通光源無法比擬的。激光技術的產(chǎn)生讓很多的行業(yè)得到了迅猛的發(fā)展，其應用的 領域也越來越廣，在機械加工方面的重要性越來越得到人們的廣泛認可。而激光加工 技術廣泛的應用在了機械制造、航天航空、儀器儀表、電子信息、武器裝備及核能工 業(yè)等國家重要經(jīng)濟部門。它對于國民經(jīng)濟的發(fā)展，產(chǎn)品的規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、科技化、 智能化、高效率和環(huán)保化起到了重要的作用，這是材料加工領域的一次革命性的進步。 5 激光切割是把激光凝聚成一條細的具有高能量密度的光束射到加工工件上，通過 金屬和激光的作用，將工件按照一定形狀給融化掉。 激光切割設備的價格非常的貴。但是，它降低了后續(xù)工藝處理的成本，所以，在 大生產(chǎn)中采用這種設備還是可行的。由于這種加工沒有加工時刀具損失部分的成本費 用，所以激光切割設備可以應用于生產(chǎn)小批量的原本不適宜加工的尺寸的部件。 激光切割技術在我們的生產(chǎn)活動中的應用越來越廣泛, 這個技術的應用雖然現(xiàn)在 還不是很廣，但隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，我們可以預見今后很多重工業(yè)都需要著們技術。 隨著科技水平的不斷提高，國外在這方面的探索正在不斷的展開和深化，他們在不斷 的提高切割裝置的切割速度以及能夠切割鋼板的厚度值，所以國內(nèi)對這方面的探索和 研究室非常有必要的。 激光焊接是以高功率聚焦激光束為熱源，熔化材料形成焊接接頭的高效率、高精 度的焊接方法。激光焊接的應用開始于 1964 年，但早期僅限于用小功率脈沖固體激 光器來進行薄小零件的焊接。而 70 年代以來，隨著千瓦級大功率 CO2 激光器的出現(xiàn)， 激光深熔焊得到了迅猛的發(fā)展。激光焊接的厚度已從零點幾毫米提高到 50mm，已應 用于汽車、電氣電子、航空、原子能、鋼鐵等重要工 l 部門。目前在世界各國激光加 工的應用領域中，激光焊接的應用僅次于激光切割，約占 20.9。 激光焊接是這些年發(fā)展起來的一種高能量的焊接方法，由于用的是激光，所以它 具有通透性，即能夠通過一定的介質(zhì)。這樣，我們在透明介質(zhì)容器外對里面進行用除 了激光以外的方法難以做到的焊接。另外，我們考慮把這種方法利用到醫(yī)學治療里面， 將其應用于視網(wǎng)膜脫落上。視網(wǎng)膜是處在我們眼球的后面，而視網(wǎng)膜脫落以后眼睛 會失明。我們可以使用激光，將其透過眼球來焊接眼球和它后面的視網(wǎng)膜。這種方法 非常奇特。這種類型的應用也非常的廣泛了。 在工業(yè)發(fā)達國家，激光焊接已在許多工業(yè)部門得到應用，而汽車是其中最重要的 部門，最典型的例子是車身覆蓋件剪裁激光拼焊。用激光將不同厚度，不同材質(zhì)，不 同性能的多塊小坯料拼焊起來，再沖壓成形。在這里只有依靠激光焊接技術才能保證 拼焊后表面光整，無變形和翹曲。材料利用率可以由 4060提升到 7080，而且減輕了重量，提高了綜合性能。大型的汽車公司都會采用了這種方 法來批量化生產(chǎn)。 我國激光焊接技術經(jīng)過了十余年的研究，已開始應用于電機中的定子轉(zhuǎn)子、食品 罐頭盒罐身熱軋硅鋼片、多聯(lián)齒輪、顯像管陰極、金剛石鋸片等。例如采用激光焊接 技術焊接裝核燃料棒的核供熱堆鋯元件盒，外形尺寸為 166.5mm166.5mm2384mm，采用 2mm 厚高活性鋯合金板焊接而成，最后在鋯盒 6 全長范圍內(nèi)，各面及相互間的平面度、平行度、垂直度和尺寸公差均達到在 0.20.3mm 范圍內(nèi)，正反面焊縫表面不平度小于 0.15mm。這充分體現(xiàn)了激光焊接 的先進性。 所以，我們可以認識到激光焊接（切割）是激光材料加工技術應用的一個重要方 面。它與其它焊接技術相比而來主要優(yōu)點是： 1、變形小、深度大、速度快。 2、能夠在滿足室溫和其他特殊條件的情況下進行加工，焊接的裝置設備較簡單。 3、可焊接高熔點、難熔金屑或兩種不同金屑材料如鈦、石英等，并能對異性材 料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接時，深寬比可達 5：1，最高可 達 10：1。 5、可進行微型焊接，無機械應力和機械形變。 6、可以焊接一些難以接近的部位，靈活性較大。 7、激光束易實現(xiàn)光束按時間與空間分光，能進行多光束同時加工及多工位加工， 為更精密的焊接提供了條件。 8、激光焊接裝置容易與計算機聯(lián)機，能精確定位 但是，激光焊接也存在著一定的局限性： 1、要求焊件具有較高的精度。這是因為激光聚焦后光斑尺寸小，焊縫比較窄， 為加填充金屬材料。若工件裝配的精度或光束定位精度達不到要求，很容易造成焊接 缺陷。 2、激光器及其相關系統(tǒng)的成本較高1。 1.3 數(shù)控工作臺的發(fā)展及應用前景 模塊化的 X-Y 數(shù)控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副， 以及伺服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲 杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在 X、Y 方向的直線移動。導 軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設計時只需根 據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)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(tǒng)。 隨著科學技術的發(fā)展，機械產(chǎn)品的形狀和結構不斷得到改進，這對零件加工質(zhì)量 7 的要求也越來越高。隨著社會對產(chǎn)品多樣化需求的增強，產(chǎn)品跟新?lián)Q代加快，這使得 數(shù)控加工在生產(chǎn)中得到了廣泛的應用，并不斷的發(fā)展。尤其是隨著 FMS 和 CIMS 的 興起和不斷成熟，對機床數(shù)控系統(tǒng)提出了更高的要求，現(xiàn)代數(shù)控加工正在向高速化、 高精度化、高可靠性、高柔性化、網(wǎng)絡化、智能化等方向發(fā)展。 高速化：通過高速運算技術、快速插補運算技術、超高速通訊技術等技術來實現(xiàn)。 高精度化：這是數(shù)控技術一直所追求的目標，也是它最為主要的方面和本質(zhì)屬性。 高可靠性：這個指標非常的關鍵。現(xiàn)在很多的企業(yè)都在對這個方面進行研究設計， 希望在以后能將其提高到一個更新的水平上來。 高柔性化：我們說的柔性指的是機床來適應加工產(chǎn)品變化的能力。通過高的柔性 化設計，使得我們的機床越來越具有變化能力和成本的節(jié)約性，應用得更加的廣泛。 高一體化：機床主機設計和數(shù)控系統(tǒng)的一體化設計。 網(wǎng)絡化： 現(xiàn)在的計算機系統(tǒng)的網(wǎng)絡化能夠讓我們更加的節(jié)約成本。能夠方便快 捷的獲得信息聯(lián)系和產(chǎn)品。 智能化：如今工業(yè)機器人的愈發(fā)普及讓我們機床的系統(tǒng)控制和工作臺的結構設計 更加的人性化，更加的智能和節(jié)省人力成本3。 1.4 本設計的意義及目的 機電一體化的設計是體現(xiàn)我們大學生大學里學習能力和實踐能力的一次很好的綜 合檢驗。我們能夠運用到我們這幾年所學到的機械原理、機械設計、材料力學、自動 化控制、計算機原理等課程來設計完成工作臺和控制系統(tǒng)。這有利于掌握各種理論知 識，直觀而深刻的理解理論的具體含義和重大意義。掌握好機械一體化這門專業(yè)必要 的文化水平和平時操作中注意的事項和要注意的問題和錯誤。這能夠使我們?nèi)跁炌?好理論水平和操作技能。 通過機械部分的設計，我們掌握好各種零件的結構分析和特點，通過方案的比較 得出較為合理的完整方案，按照各種原理、準則和計算公式，給定好尺寸，校正好強 度等指標，完成好設計的步驟流程，體現(xiàn)出我們的設計能力水平。這為以后我們在機 電一化行業(yè)的發(fā)展起到很好的基礎作用。 8 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設計 X-Y 數(shù)控工作臺是很多機電一體化設備的基本部件，比如數(shù)控銑床、數(shù)控車床的 縱橫向進刀機構和激光加工設備的工作臺、數(shù)控鉆床的 X-Y 工作臺、電子元件表 面貼裝設備等。模塊化的 X-Y 數(shù)控工作臺，通常由移動滑塊、導軌座、滾珠絲杠螺 母副、伺服電動機以及等部件構成。伺服電動機是用來做執(zhí)行元件來驅(qū)動滾珠絲杠， 而滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，使得工作臺能夠在 X、Y 方向直 線移動。并且導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產(chǎn)， 設計時只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)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(tǒng)4。 2.1 系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng) 我們所設計的這個數(shù)控工作臺要能夠廣泛應用與各種復雜形狀的工件的焊接（切 割）加工，并且噴嘴的運動形式受到了一些限制。該系統(tǒng)要求工作臺沿著各個坐標軸 都有準確的運動關系，因此采用的控制方式是連續(xù)控制。而我們有如下的伺服系統(tǒng)控 制方式： 圖 2.1 數(shù)控機床開環(huán)控制框圖 9 圖 2.2 數(shù)控機床閉環(huán)控制框圖 開環(huán)伺服系統(tǒng)在不大的載荷情況下一般采用的伺服電機是功率步進電機，它并不 能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但是對于這種加工精度不高的，要求運動的平穩(wěn)性和均衡性 不是那么高的場合，同時為了減少成本，以及簡化機械的結構，我們可以在這里采用 步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)來驅(qū)動 X-Y 工作臺。 2.2 計算機控制系統(tǒng) 本設計選用 MCS-51 系列中的 8031 單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51 單片機系列 的主要特點是可靠性好、運算速度快、功能強、集成度高、具有很高的性能價格比。 而控制系統(tǒng)由鍵盤及顯示器、步進電機功率放大器、I/O 接口及光電隔離電路、微機 部分等組成、系統(tǒng)的控制指令和加工程序則通過鍵盤來操作實現(xiàn)，顯示器采用數(shù)碼管 顯示監(jiān)控數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)信息。 2.3 系統(tǒng)工作臺的傳動方式 為保證工作臺具有一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求其結構緊湊，所以采用滾珠 絲杠螺旋副傳動機構，同時為提高傳動機構的剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結 構。 由于系統(tǒng)工作臺的運動部件重量不大，因此選用由預加載荷的雙 V 形直線滾珠 導軌副。采用滾動導軌可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動 的平穩(wěn)性，減少振動。 考慮到本次設計所采用的步進電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到定 位精度為 0.01mm 的要求，所以采用齒輪降速傳動，并通過齒輪消隙的方式來降低傳 動誤差。 10 2.4 系統(tǒng)其他零部件的選擇 考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟性，工作臺采用直線滾動導軌副且其間隙可根據(jù) 實際需求，按規(guī)定的間隙進行調(diào)整和預緊。而且整個工作臺材料采用鑄造件進行加工 以及工作臺上所用的標準件，如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。 綜上所訴，系統(tǒng)的總體框圖如圖 2.3 所示 圖 2.3 系統(tǒng)總體框圖 11 第 3 章 機械系統(tǒng)設計 3.1 工作臺的設計 3.1.1 X 方向工作臺尺寸確定 根據(jù)設計要求，我們?nèi)?X 方向?qū)к壷С袖撉虻闹行木酁?180mm，Y 方向?qū)к壷?承 鋼球的中心距為 230mm，設計工作臺簡圖如圖 3.1： 圖 3.1 工作臺簡圖 托板尺寸：長寬高 666mm320mm25mm 上導軌（X 方向） 取動導軌長度 =230mm p l 動導軌行程 =250mm l 支承導軌長度 L= + =230+250=480mm p ll 保持器長度 =+ /2=355mm a l p ll 3.1.2 Y 方向工作臺尺寸確定 托板尺寸：長寬高 666mm320mm25mm 下導軌（Y 方向） 12 取動導軌長度 =320 p l 動導軌行程 =250mml 支承導軌長度 L=+ =320+250=570 p ll 保持器長度 =+ /2=445mm a l p ll 3.1.3 工作臺重量估算 上托板重量： (1) 32 1 666 320 25 107.8 10415.584WN 下托板重量： (2) 32 2 666 320 25 107.8 10415.584WN X 方向?qū)к壷亓浚?(3) 23 2 (230480) 20 20 7.8 101044.304N Y 方向?qū)к壷亓浚?(4) 23 2 (320480) 20 20 7.8 101049.92N 焊接工件重量暫取： 160N (5) X 工作臺運動部分重量： (1)(3)/2(5)415.58444.304/2 160600 X GN X-Y 工作臺運動部分總重量：(1)(2)(3)(4)(5)1085 X GN 3.2 滾動導軌的選用 3.2.1 導軌形式及尺寸確定 首先根據(jù)上述系統(tǒng)總體方案要求，選用的是雙 V 形滾珠導軌。根據(jù)系統(tǒng)工作臺的 使用情況，初選滾珠直徑 d=6mm，數(shù)目由決定2。 9.5 G Z d 上導軌： 600 X GN 600 25.78 9.59.56 G Z d X 方向?qū)к夐L度取=230mm，取=20,兩滾珠之間的間距 t=11.5mm p l X Z 下導軌 1085 Y GN 13 1085 46.62 9.59.56 G Z d Y 方向?qū)к夐L度取用=320mm，取，兩滾珠之間的間距 t=10.7mm p l30 X Z 3.2.2 導軌許用負荷校核 平均每個滾珠上的最大負荷: 而： max / G PPZ 1 2 () 22 Z GH GP PP 式中-導軌的預加負荷，按最大負荷的 1/2 計算。 H P 激光焊接時滾珠所受的負荷只有其工件的重力，因此較小可以按最大受力情況驗算， 如下： 1 2 () 22 Z GH GP PP X 方向?qū)к壍淖畲筘摵桑?21.21 20 600707 . 0 max X P Y 方向?qū)к壍淖畲筘摵桑?56.25 30 1085707 . 0 max Y P 許用負荷 2 pkd 查表得，考慮到制造精度，且導軌短，k 可提高 50%，即 k 取， 2 60/kN cm 2 90/N cm 查表得： 32.4pN max X Pp max Y Pp 故導軌滿足設計要求。 14 3.2.3 導軌額定壽命計算 直線滾動導軌副的壽命計算，是以在一定載荷下行走一定距離時，90%的支承不 會發(fā)生點蝕為依據(jù)。滾珠的距離額定壽命計算公式如下： 3 ()50 HTCRa W f f f fC L fF 其中查表得： 、1.0 H f1.0 T f 1.0 C f 1.0 R f 1.5 W f =7.6 F=1.085 a C 33 7.6 ()50()505091.52 1.085 1.5 HTCRa W f f f fC Lkm fF 小時額定壽命的計算，可以通過公式： 3 10 260 h L L nS 其中為移動件行程長度，單位為 m，n 為移動件每分鐘往復次數(shù)。代入數(shù)據(jù)的：S 33 105091.52 10 16971.73 2602 10 0.25 60 h L L nS 通常導軌的距離額定壽命在 50KM 以上就滿足要求。通過以上導軌的距離額定壽 命和額定小時壽命的校核，該導軌完全滿足設計的要求。 3.3 滾珠絲杠副的選用 3.3.1 最大工作載荷的計算 最大工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠承受的軸向力，由于 m F 本次設計的工作臺主要適用于激光焊接（切割）加工，所以其工作臺主要承受工件的 重力作用，且導軌形式為矩形導軌，則計算公式如下： ( ) mLVC FKFfFFG 其中、分別為工作臺進給方向載荷、垂直載荷和橫向載荷（N） ；為 L F V F C FG 移動部件的重力；和分別為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)和導軌上的摩擦因數(shù)。K f 15 對于本次的絲杠傳動系統(tǒng)，計算如下； 1.1 0.0025 10850.0025 1603.384 mLY FKFf GKf Gf GN 由于是滑動導軌則有 0.0025f 3.3.2 最大動載荷的計算 最大動載荷的計算公式如下： Q K 3 0QWHm FL ff F 式中的為滾珠絲杠副的壽命，單位為，其中 T=15000h，n 0 L 6 10 r 6 0 60/10LnT 為絲杠每分鐘轉(zhuǎn)數(shù) 代入數(shù)據(jù)計算如下： 666 0 60/1060 4500 15000/10405010LnTr 36 3 0 4050101.5 1.0 3.3848091.08 QWHm FL ff Fr 初選滾珠絲杠副的規(guī)格時，應使其額定動載荷。 aQ CF 同時由于滾珠絲杠副在靜態(tài)低速長時間承受工作載荷，應使額定靜載荷 。根據(jù)以上條件初選滾珠絲杠的規(guī)格代號為 CLM25045 系列，其(2 3) oam CF 額定動載荷為 10140N足夠用。滾珠循環(huán)方式為內(nèi)循環(huán)螺旋槽式9。 a C 表 3.1 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù) 名稱計算公式結果 公稱直徑 0 d 25mm 螺距t 4mm 接觸角 45 鋼球直徑 b d 2.381mm 螺紋滾道法向半徑R 0.52 b Rd 1.23812mm 偏心距e (2)sin b eRd 0.03367mm 螺紋升角 0 t arctg d 2.917 16 螺桿外徑d 0 (0.2 0.25) b ddd 24.5mm 螺桿內(nèi)徑 1 d 10 22ddeR 22.1mm 螺桿接觸直徑 2 d 20 cos b ddd 23.32mm 螺母螺紋外徑D 0 22DdeR 27.4089mm 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 1 D 10 (0.2 0.255) b Ddd 25.4762mm 3.3.3 滾珠絲桿副的預緊方式 為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預加載荷，使它在過盈的條件下工 作，常用的預緊方式有：雙螺母墊片式預緊、雙螺母螺紋式預緊、雙螺母齒差式預緊 等。預緊后的剛度可提高到無預緊時的 2 倍。但是，預緊載荷過大，將使壽命下降和 摩擦力矩加大，通常，滾珠絲桿在出廠時，就已經(jīng)由制造商調(diào)好預加載荷，并且預加 載荷往往與絲桿副的額定動載荷有一定的比例關系。 雙螺母墊片式預緊：特點：簡單可靠，裝卸方便，剛性好，剛度高；在雙螺母 間加墊片的形式可有專業(yè)生產(chǎn)廠根據(jù)用戶要求事先調(diào)整好預緊力，使用時裝卸非常方 便但調(diào)整不便，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和預緊，適用于高剛度重載傳動。 調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。 雙螺母螺紋式預緊：調(diào)整方法：利用一個螺母上的外螺紋，通過圓螺母調(diào)整兩 個螺母的相對軸向位置實現(xiàn)預緊。調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。結構 緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，但準確性差，且易于松動，適用于剛度要求不高或隨時 調(diào)節(jié)預緊的傳動。 雙螺母齒差式預緊：調(diào)整方法：在兩個螺母的凸緣上分別切出齒數(shù)差為 1 的齒 輪，兩個齒輪分別與兩端相應的內(nèi)齒兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺 母座 4 的內(nèi)齒圈，兩個螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個齒，調(diào)整軸向位移。能夠 精確地調(diào)整預緊力，但結構尺寸較大，裝配調(diào)整比較復雜，適宜用于高度精度的傳動 結構。 單螺母變導程自預緊：將螺母的內(nèi)螺紋滾道在中部的一圈上產(chǎn)生一個導程突變， 從而使左右端的滾珠在裝配后產(chǎn)生軸向錯位實現(xiàn)預緊11。 17 3.3.3 傳動效率計算 絲杠螺母副的傳動效率為： )( tg tg 10 式中：，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。 10 2 91 0.97 () (2 91 10 ) tgtg tg tg 3.3.4 絲杠變形量及剛度驗算 (1)絲杠的變形量主要指絲杠在運動時所受的拉伸和壓縮變形量，這部分在變形 量中占的比重較大，并按以下公式計算： 2 1 2 m F aMa ESIL 其中 a 為絲杠兩端支承之間的距離，單位 mm；E 為絲杠材料的彈性模量鋼的 E= MPa，S 為絲杠底徑確定的截面慣性矩（） ，單位為，而公式 5 2.1 10 4 2 /64Id 4 mm 中的第二項由于轉(zhuǎn)矩較小，故可忽略不計。所以計算如下： 6 1 5 3.384 342 0.14374 10 2.1 10383.4 m F a ES 2 2 1 383.4 4 d Smm (2)滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量，且在有預緊的情況下，計算公式: 2 2 3 0.0013 10/10 m WYJ F D F Z 式中滾珠直徑，單位 mm，滾珠總數(shù)量， W D 0 (/) 3 W ZdD ZZ 圈數(shù)列數(shù) 預緊力 YJ F 6 2 322 3 3.384 0.00130.00133.44 10 mm 10/10102.381 1085 90 /10 m WYJ F D F Z 0 (/)3(3.14 25/2.381)330 W ZdD 18 ZZ 圈數(shù)列數(shù)=30 1 3=90 所以絲杠的總變形量為： 666 2 0.14374 103.44 103.58374 100.005 1 滾珠絲杠的剛度一般要求其總變形量小于定位精度的一半，通過以上驗算，此絲 杠剛度符合要求。 3.4 齒輪設計 3.4.1 絲杠傳動比的確定 因步進電機步距角滾珠絲杠螺距 t=4mm,要實現(xiàn)脈沖當量1.5o b ,在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動.0.005/ p mm step 齒輪傳動比：，初選步進電機步距角：= 1.5/step。 0 360 b P L i 0 0 1.54 3.3 360360 0.005 b P L i 2 1 Z i Z 考慮到傳動比為 3.3，比較大，影響傳動精度，故本次傳動采用兩級傳動。為便 于計算取傳動比。 12 1.83ii 3.4.2 傳動齒輪參數(shù)確定 （1）一級傳動齒輪參數(shù)確定： 取小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) 1 35Z 2 64Z 因傳遞的扭距較小，取模數(shù) m=1mm 則： 分度圓直徑: 11 1 3535dmzmm 22 1 6464dmzmm 齒頂圓直徑: 11 (2)(352) 137 a dzmmm 22 (2)(642) 166 a dzmmm 齒根圓直徑: 11 (2.5)(352.5) 132.5 f dzmmm 22 (2.5)(642.5) 161.5 f dzmmm 齒寬: 取 1 1 3535 d bdmm 12 16,16bb 19 中心距: 12 0.5()0.5(3564)49.5addmm 分度圓壓力角: 0 20 大小齒輪均采用漸開線標準圓柱齒輪. （2）由于二級與一級傳動比相同，我們采用同樣的齒輪參數(shù)設計，故此處省略 其計算過程。 3.4.3 齒輪傳動消隙 齒輪傳動的間隙也叫側隙，它是指一個齒輪固定不動，另一個齒輪能夠作出的最 大角位移。傳動間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn) 生的間隙，為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩(wěn)性，要 盡可能