機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)開環(huán)控制縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)（完整圖紙）

1、目錄摘要及關(guān)鍵詞3正文4前言部分4本論部分5第1章 緒論51.1 機(jī)床機(jī)電一體化改造總體方案的設(shè)計(jì)51.2 開環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)5第2章 機(jī)床機(jī)電一體化改造總體方案的設(shè)計(jì)62.1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書62.2 總體方案設(shè)計(jì)7第3章 開環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)93.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量93.2 計(jì)算切削力93.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算選型（縱向進(jìn)給絲杠）93.4 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算143.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型14第4章 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整和結(jié)構(gòu)的簡要說明194.1 絲杠進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)194.2 軸向的預(yù)緊力的調(diào)整及定位19結(jié)論部分19設(shè)計(jì)體會(huì)20參考文獻(xiàn)21摘要及關(guān)鍵詞【摘要】數(shù)控機(jī)床作為

2、機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品，在機(jī)械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機(jī)械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機(jī)床價(jià)格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機(jī)床大國，擁有大量的普通機(jī)床。因此，對普通機(jī)床數(shù)控化改造不失為一種較好的選擇?！娟P(guān)鍵詞】機(jī)電一體化 開環(huán)控制縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 滾珠絲杠螺母副 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)cad圖紙，聯(lián)系153893706正文前言部分計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，推動(dòng)了機(jī)械加工在各方面的變革和進(jìn)步。典型的數(shù)控機(jī)床已成為現(xiàn)代加工器械的鮮明代表?？紤]到企業(yè)的生產(chǎn)效率和投入成本

3、，普通車床的數(shù)控化改造將是一個(gè)極為有意義的課題。普通車床數(shù)控改造的設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容。作為機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)的學(xué)生，這次設(shè)計(jì)是本人在學(xué)習(xí)完“機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)”、“數(shù)控機(jī)床”等專業(yè)課程之后進(jìn)行的一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。通過綜合運(yùn)用所學(xué)的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、微機(jī)等知識，進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全面訓(xùn)練，以培養(yǎng)獨(dú)立分析問題，解決問題和進(jìn)行機(jī)電一體化系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)的能力。此設(shè)計(jì)過程為期三個(gè)星期，在趙洪兵的指導(dǎo)下，本人將對普通車床進(jìn)行開環(huán)控制縱向進(jìn)給的改造。由于學(xué)生水平有限，在設(shè)計(jì)乃至計(jì)算過程中難免會(huì)有一些錯(cuò)誤，望各位老師及同學(xué)指點(diǎn)賜教。不勝感激。學(xué)生鄭利江2007年6月計(jì) 算

4、 及 說 明結(jié)果本論部分第1章 緒論1.1 機(jī)床機(jī)電一體化改造總體方案的設(shè)計(jì)1.1.1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書（1） 題目（2） 原始數(shù)據(jù)（3） 主要技術(shù)參數(shù)（4） 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求1.1.2 總體方案設(shè)計(jì)（1） 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式的確定（2） 伺服系統(tǒng)的選擇（3） 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定（4） 數(shù)控系統(tǒng)的選擇1.2 開環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)1.2.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量1.2.2 計(jì)算切削力1.2.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算選型（縱向進(jìn)給絲杠）（1） 計(jì)算進(jìn)給牽引力（2） 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載 （3） 滾珠絲杠螺母副的選型（4） 傳動(dòng)效率計(jì)算（5） 剛度計(jì)算（6） 穩(wěn)定性校核計(jì) 算 及 說 明結(jié)果1.2.

5、4 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算1.2.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型（1） 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算（2） 電機(jī)力矩計(jì)算（3） 計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率1.2.6 設(shè)計(jì)繪制伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械裝配圖第2章 機(jī)床機(jī)電一體化改造總體方案的設(shè)計(jì)2.1 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2.1.1 題目：普通車床的機(jī)電一體化改造開環(huán)控制縱向進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1.2 原始數(shù)據(jù)：最大共建回轉(zhuǎn)直徑：在床身上d=400毫米在床鞍上 d=210 毫米最大工件長度 1000毫米主電動(dòng)機(jī)功率 7.5千瓦；轉(zhuǎn)速1450轉(zhuǎn)/分2.1.3 主要技術(shù)參數(shù)（均為縱向）：最大進(jìn)給速度 1.0米/分最大快移速度 4米/分起動(dòng)加速時(shí)間 30毫秒移動(dòng)部件重量

6、80公斤機(jī)床定位精度 0.015毫米2.1.4 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及要求：對ca6140型普通車床縱向進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控改造，主要設(shè)計(jì)內(nèi)容及要求如下：（1）采用開環(huán)控制，選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)并確定伺服傳動(dòng)系統(tǒng)方案；（2）設(shè)計(jì)改造后數(shù)控車床縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)原理框圖；計(jì) 算 及 說 明結(jié)果（3）設(shè)計(jì)繪制改造后數(shù)控車床縱向伺服進(jìn)給系統(tǒng)裝配圖（0號圖紙一張）；（4）設(shè)計(jì)繪制主要零件圖一張（由指導(dǎo)老師制定）；（5）撰寫設(shè)計(jì)計(jì)算說明書一份，正文字?jǐn)?shù)不少于0.8萬字，設(shè)計(jì)說明書應(yīng)包含如下內(nèi)容：設(shè)計(jì)任務(wù)書；目錄；摘要及關(guān)鍵詞；前言；正文：包括方案設(shè)計(jì)與比較論證、理論分析計(jì)算、主要機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)說明與簡圖等；小結(jié)；參考文獻(xiàn)。

7、設(shè)計(jì)說明書語言要流暢，書寫要工整，一律使用鋼筆書寫。2.2 總體方案設(shè)計(jì)2.2.1 系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式的確定由于改造后的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床具有定位、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)。2.2.2 伺服系統(tǒng)的選擇應(yīng)任務(wù)書的要求，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)控制系統(tǒng)。2.2.3 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式的確定為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時(shí)，若直接將電機(jī)與滾珠絲杠聯(lián)必會(huì)引起絲杠溫度過高即磨損加劇使其壽命降低。故在其兩者之間加一消隙齒輪箱，一使絲杠速度降低，二則消除系統(tǒng)傳動(dòng)中的間隙，提高傳動(dòng)精度，并有效減少反向運(yùn)動(dòng)死區(qū)現(xiàn)象，消隙齒輪箱與絲杠可采用

8、聯(lián)軸器形式連接，這樣便確定了如下圖2-1所示的傳動(dòng)方案。電機(jī)消隙齒輪箱滾珠絲杠螺母副工作臺(tái)圖2-1 執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方案計(jì) 算 及 說 明結(jié)果2.2.4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇根據(jù)機(jī)床要求，本著經(jīng)濟(jì)耐用的原則，確定采用8位機(jī)。mcs51系列單片機(jī)主要有三種型號的產(chǎn)品：8031、8051和8751。由于mcs51系列單片機(jī)的特點(diǎn)之一是硬件設(shè)計(jì)簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，故對于簡單的應(yīng)用場合，mcs51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴(kuò)一片eprom就能滿足開環(huán)控制的要求。8031單片機(jī)內(nèi)含4kb eeprom程序存儲(chǔ)器，具有功耗低、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器wm0016drh是一種多功能非易失性sram，8031

9、單片機(jī)高速高抗干擾自保持，不怕掉電，上下電百萬次數(shù)據(jù)無丟失，斷電保護(hù)10年有效，既可高速連續(xù)讀寫，也可任意地址單字節(jié)操作，無需拼湊頁面，隨機(jī)讀寫不需等待，立即有效，輸入輸出ttl/cmos兼容，上電復(fù)位輸出，掉電保護(hù)，內(nèi)置看門狗，電源監(jiān)測，不用外加電路和電池，且引腳與標(biāo)準(zhǔn)sram兼容。8031單片機(jī)價(jià)格低，使用靈活，其特點(diǎn)具具體如下：（1）具有功能很強(qiáng)的8位中央處理單元（cpu）；（2）片內(nèi)有時(shí)鐘發(fā)生電路（6mh或12mh）；（3）片內(nèi)具有128字節(jié)的ram；（4）具有21個(gè)特殊寄存器。（5）可擴(kuò)展64k字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和64k字節(jié)的外部程序存儲(chǔ)器；（6）具有4個(gè)i/o口，32根i/o線；

10、（7）具有2個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；（8）具有5個(gè)中斷源，配備2個(gè)中斷優(yōu)先級；（9）具有一個(gè)全雙功串行接口；（10）具有位尋址能力，適用邏輯運(yùn)算。從上述特性可看出這種8031芯片集成度高、功能強(qiáng)，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)系統(tǒng)。故應(yīng)選用8031單片機(jī)。選用8031單片機(jī)計(jì) 算 及 說 明結(jié)果第3章 開環(huán)伺服進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)3.1 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向：0.01mm/步，橫向0.005mm/步。3.2 計(jì)算切削力確定切削力（縱車外圓）：主切削力按經(jīng)驗(yàn)公式估算： 按切削力各分力比例： ?。?3.3 滾珠絲杠螺母副的計(jì)算選型（縱向進(jìn)給絲杠）3.3.

11、1 計(jì)算進(jìn)給牽引力縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌式中考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取；滑動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：溜板及刀架重力：3.3.2 計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載計(jì) 算 及 說 明結(jié)果式中滾珠絲杠導(dǎo)程，初選； 最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最大進(jìn)給速度的（），此處?。皇褂脡勖?，按；運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取； 壽命，以轉(zhuǎn)為1單位。3.3.3 滾珠絲杠螺母副的選型查閱附錄a表a-2，可采用外循環(huán)螺紋調(diào)整浴巾的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動(dòng)負(fù)載為164000n，進(jìn)度等級按表4-6選為3級（大致相當(dāng)于老標(biāo)準(zhǔn)e級）。3.3.4 傳動(dòng)效率計(jì)算式中螺旋升角，摩擦角，取，滾動(dòng)摩擦系數(shù)計(jì) 算 及 說 明結(jié)果3.3.5 剛度計(jì)

12、算先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3-1所示。最大牽引力為2530n，支承間距，絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的。圖3-1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡圖（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量查課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書p17，圖4-2，根據(jù)，查出，可算出由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進(jìn)行了 預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實(shí)際變形量為：（2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形查課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書p18圖4-3，w系列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量，因進(jìn)行預(yù)緊，。計(jì) 算 及 說 明結(jié)果（3）支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形采用51107（舊代號為8107）型推力球軸承，滾動(dòng)體直徑，滾動(dòng)體數(shù)量z=18

13、。注：此公式中的單位應(yīng)為kgf。因施加預(yù)緊力，故據(jù)以上計(jì)算：3.3.6 穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要作穩(wěn)定性校核。 3.3.7 縱向滾珠絲杠副的幾何參數(shù)，如下表3-1。表3-1 滾珠絲杠的幾何參數(shù)名稱符號參 數(shù)螺 紋 滾 道公稱直徑40導(dǎo) 程6接觸角鋼球直徑(mm)3.969滾道法面半徑2.064偏心距0.056螺紋升角螺 桿螺桿外徑39螺桿內(nèi)徑35.984螺桿接觸直徑36.0355螺 母螺母螺紋直徑44.016螺母內(nèi)徑40.7938計(jì) 算 及 說 明結(jié)果3.4 齒輪傳動(dòng)比計(jì)算已取得縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量，滾珠絲杠導(dǎo)程，初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角?？捎?jì)算出傳動(dòng)比可選定齒輪齒

14、數(shù)為： 故，取，模數(shù)取2.5。有關(guān)參數(shù)表3-2。表3-2 傳動(dòng)齒輪的幾何參數(shù)齒 輪 編 號齒數(shù)323224分度圓808060齒頂圓858560齒根圓73.7573.7553.75齒寬202015中心距80703.5 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型3.5.1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算計(jì)算簡圖見圖3-1，傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可由下式計(jì)算：計(jì) 算 及 說 明結(jié)果式中步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。參考同類型機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其轉(zhuǎn)子慣量式中、齒輪、的分度圓直徑； 、齒輪、的齒寬。代入上式：考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問題?；緷M足慣量匹配的要求。計(jì) 算 及 說 明結(jié)果

15、3.5.2 電機(jī)力矩計(jì)算機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算：（1）快速空載起動(dòng)力矩在快速空載起動(dòng)階段加速力矩占的比例較大，具體計(jì)算公式如下：將前面的數(shù)據(jù)帶入，式中各符號意義同前。起動(dòng)加速時(shí)間 折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩： 附加摩擦力矩：計(jì) 算 及 說 明結(jié)果上述三項(xiàng)合計(jì)： （2）快速移動(dòng)時(shí)所需力矩（3）最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩 從上面計(jì)算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的依據(jù)。從課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書p36表4-13查出，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為三相六拍時(shí)，。最大靜力矩。按此最大靜轉(zhuǎn)矩從下表3-3（由網(wǎng)址

16、/bujindianji/ 和/production/stepmotion/350/110.asp）查出，110byg3503型最大靜轉(zhuǎn)矩為。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進(jìn)一步校核步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。 如下表3-3所示。計(jì) 算 及 說 明結(jié)果3.5.3 計(jì)算步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率從上表3-3查出110byg3503型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)空載起動(dòng)頻率為，圖3-2（/docc/product2.htm）查出運(yùn)行頻率為，且根據(jù)下圖3-2）藍(lán)色背景區(qū)所示可知其運(yùn)行距頻特性。表3-3

17、110byg350系列電機(jī)的技術(shù)參數(shù)型 號步距角相數(shù)電壓線電流靜轉(zhuǎn)矩空載起動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動(dòng)慣量機(jī)身長單 位度van.mkhzkhz（kg.cm2)（mm)110byg35010.63110-2205121600=3011144110byg35020.63110-2205161600=3015182110byg35030.63110-2205201600=3018261圖3-2 110byg3503型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)矩頻特性計(jì) 算 及 說 明結(jié)果從圖3-2看出，當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，若，則，能滿足此機(jī)床所要求的空載起動(dòng)力矩可直接起動(dòng)。當(dāng)快速運(yùn)動(dòng)和切削進(jìn)給時(shí)，根據(jù)圖3-2，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行矩頻特性知，

18、時(shí)，左右，大于，完全可以滿足要求。第4章 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的調(diào)整和結(jié)構(gòu)的簡要說明4.1 絲杠進(jìn)給速度的調(diào)節(jié)由于系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，故采用脈沖信號的變化來控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而通過齒輪箱到絲杠軸，對大托板的縱向進(jìn)給速度進(jìn)行控制。4.2 軸向的預(yù)緊力的調(diào)整及定位由裝配圖可知，在絲杠軸的兩端各裝有一對鎖緊螺母（預(yù)緊螺母），可有這對螺母對絲杠軸的軸向預(yù)緊進(jìn)行調(diào)整，并起到定位作用。每組支承部件的另一端，即與鎖緊螺母對應(yīng)的那端采用端蓋定位。在絲杠副的一端也采用端蓋定位，另一端為鎖緊螺母，既預(yù)緊又定位。結(jié)論部分經(jīng)過計(jì)算、校核、設(shè)計(jì)，表明改造任務(wù)的初步設(shè)計(jì)合理，數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，現(xiàn)改造方案已設(shè)計(jì)成圖紙見裝配圖（圖01）和零

19、件圖（圖02）。該改造設(shè)計(jì)相對普通車床來說，提高了自動(dòng)化程度，加入了計(jì)算機(jī)控制，操作、結(jié)構(gòu)簡單化，既能降低能耗，又能提高了工作效率。但是設(shè)計(jì)者由于能力有限，經(jīng)驗(yàn)寒酸，時(shí)間緊迫，設(shè)計(jì)及圖紙中難免有不妥甚至是重大錯(cuò)誤，望老師和同學(xué)指正。設(shè)計(jì)體會(huì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實(shí)際問題，鍛煉實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學(xué)生實(shí)際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計(jì)，我感慨頗多。在整整三星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是總體來講，效果還是很好的，不僅鞏固了以前所學(xué)的知識，還學(xué)到了很多在書本上無法學(xué)到的知識。整個(gè)設(shè)計(jì)過程不能說是困難重重，難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，和第一次課程設(shè)計(jì)相比，力不從心的感覺不再那么強(qiáng)烈，但在設(shè)計(jì)的過程中還是發(fā)現(xiàn)了自己許多不足之處，使自己認(rèn)識到對以前所學(xué)知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說螺釘?shù)漠嫹ǜ緵]有掌握，全篇的螺釘沒有一個(gè)畫對，箱體壁厚取值太小，電機(jī)無法固定，并出現(xiàn)設(shè)計(jì)太隨意，尺寸隨意取，以至于設(shè)計(jì)方案難以加工。通過這次課程設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合的重要性，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的