機電一體化課程設計--臥式數(shù)控車床CK6140工作臺二維伺服進給系統(tǒng)設計

1、*大學機電一體化系統(tǒng)設計課程設計題目: 臥式數(shù)控車床ck6140工作臺二維伺服進給系統(tǒng)設計 學生姓名 專 業(yè) 學 號 班 級 指導教師 成 績 *學院20 年 月14目錄1 前言12 設計任務13 總體方案確定23.1 機械傳動部件的選擇23.1.1 導軌副的選用23.1.2 絲杠螺母副的選用23.1.3 減速裝置的選用23.1.4 伺服電動機的選用23.2 控制系統(tǒng)的設計23.2.1 控制類型的確定23.2.2 控制方式的確定33.2.3 cpu的選用33.2.4 擴展系統(tǒng)的設計33.2.5 驅動電源的選擇33.3 繪制總體方案圖34 機械系統(tǒng)的設計34.1 脈沖當量的確定34.2 導軌上移

2、動部件的重量估算34.3 切削力的計算44.4直線滾動導軌副的計算與選型（縱向）44.4.1 滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取44.4.2 距離額定壽命l的計算44.4.3 滾珠絲杠螺母副計算和選型54.4.4 步進電機減速箱的設計74.4.5 步進電機的計算與選型74.5繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖115 控制系統(tǒng)的設計115.1控制系統(tǒng)硬件電路的設計115.2 控制系統(tǒng)原理框圖125.3 步進電機驅動電源的選擇126 結束語12參考文獻13臥式數(shù)控車床ck6140工作臺二維伺服進給系統(tǒng)設計*大學*學院，重慶 4007161 前言機電一體化系統(tǒng)設計課程設計，是我們大學幾年里很重要的一次課程設

3、計，這不僅讓我們大學幾年里所學的知識得以鞏固與綜合應用，同時也鍛煉了我們將所學的理論知識應用于實際問題的能力。通過這次課程設計，讓我們對專業(yè)課程機電一體化進行了一次補充學習、鞏固和運用，也對我們所學的機械、電子、傳感器、微機原理等理論知識的鞏固與補充。機電一體化系統(tǒng)設計課程設計是我們獨立進行的臥式數(shù)控車床ck6140工作臺二維運動伺服進給系統(tǒng)的設計，通過這次課程設計，讓我們了解臥式數(shù)控車床ck6140工作臺二維運動伺服進給系統(tǒng)的工作過程、工作原理，學會其機械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等的設計方法，進而舉一反三，為今后的學習、工作打下一定的基礎。2 設計任務設計臥式數(shù)控車床ck6140工作臺二維運動伺服進給

4、系統(tǒng)。主要技術指標如下：(1) 床身最大加工直徑410mm；(2) 最大加工長度750mm；(3) x方向(橫向)的脈沖當量，z方向(縱向)的脈沖當量；(4) x方向最快移動速度，z方向最快移動速度；(5) x方向最快工作速度，z方向最快工作速度；(6) x方向定位精度，z方向定位精度；(7) 縱、橫向安裝限位開關；(8) 數(shù)控系統(tǒng)可與pc機串行通信；(9) 顯示界面采用led數(shù)碼管，變成采用iso數(shù)控代碼。3 總體方案確定3.1 機械傳動部件的選擇3.1.1 導軌副的選用要設計的x-z工作臺是用來配經濟型數(shù)控車床ck6140的，需要承受的載荷較大，并有較高的導向精度，在滿足性能的前提下還應盡

5、可能降低成本，因此，決定選用組合滑動導軌副，它具有制造、調試方便，導向好，剛度高等優(yōu)點。3.1.2 絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，要滿足0.01mm和0.005mm的脈沖當量及±0.01mm和±0.02mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。3.1.3 減速裝置的選用 選擇了步進電機和滾珠絲杠副后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉子上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構。為此，本設計采

6、用無間隙齒輪齒輪傳動減速箱。3.1.4 伺服電動機的選用任務書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有6000mm/min。因此，本設計不必采用高檔次的伺服電動機，可選用性能性能好一些的步進電機，如混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。3.2 控制系統(tǒng)的設計3.2.1 控制類型的確定設計的x-z工作臺用于數(shù)控車床上，其控制系統(tǒng)應具有但坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補及螺紋插補的功能。所以，控制系統(tǒng)應設計成連續(xù)控制型。3.2.2 控制方式的確定步進電機適用于開環(huán)控制。同時，在滿足一定加工精度的前提下，應盡量簡化結構，降低成本。因此，進給伺服系統(tǒng)常采

7、用步進電機的開環(huán)控制系統(tǒng)。3.2.3 cpu的選用根據(jù)技術指標中的最大加工尺寸、最高控制速度，以及數(shù)控系統(tǒng)的經濟性要求，決定選用mcs-51的8位單片機作為控制系統(tǒng)的cpu。mcs-51系列8位機具有功能多、速度快、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。3.2.4 擴展系統(tǒng)的設計根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、i/o接口電路、d/a轉換電路、串行接口電路等；3.2.5 驅動電源的選擇選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。3.3 繪制總體方案圖4 機械系統(tǒng)的設計4.1 脈沖當量的確定根據(jù)設計任務的要求，x方向(橫向)的脈沖當量為，z方向(縱向)的脈沖當量為。4.2

8、 導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算，包括刀具、自動回轉刀架、刀架滑板、床鞍、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滑動導軌等，估計重量約為1400n；按照上導軌上面移動部件的重量來進行估算，包括刀具、自動回轉刀架、刀架滑板等，估計重量約為600n；4.3 切削力的計算 設工件材料為碳素結構鋼，；選用刀具材料為硬質合金yt15；刀具幾何參數(shù)為：主偏角，前角，刃傾角；切削用量為：背吃刀量，進給量，切削速度。查機電一體化系統(tǒng)設計課程設計指導書(以下如未特別說明，均指查閱此書) 表3-1得：，。查表3-3得：主偏角的修正系數(shù)；刃傾角、前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值約為1.0

9、。由經驗公式算得主切削力=2673.4n。由經驗公式，算得縱向進給切削力，背向力。4.4直線滾動導軌副的計算與選型（縱向）4.4.1 滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取根據(jù)=，=，=的對應關系，得：=2673.4n, =1069.36n, =935.69n.工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊導軌承擔，即單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： =+f=1400/4+2673.4=3023.4n查表3-41，根據(jù)工作載荷=3.0234kn，初選直線滾動導軌副的型號為kl系列的jsa-lg25型，其額定動載荷=17.7kn，額定靜載荷

10、=22.6kn.任務書規(guī)定工作臺面尺寸為200mm600mm,加工范圍為400mm1000mm考慮工作行程應留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導軌的長度為1480mm。4.4.2 距離額定壽命l的計算上述所取的kl系列jsa-lg25系列導軌副的滾道硬度為60hrc，工作溫度不超過100，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36表3-40，分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)fr=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命：l=遠大于期望值50km，故距離額定壽命滿足要求。4.4.3 滾珠絲杠螺

11、母副計算和選型(1) 工作載荷fm的計算已知移動部件總重g=1400n；車削力fc=2673.4n，fp=1069.36n，ff=935.69n。根據(jù)fx=fc，fy= fp，fz= ff的對應關系，可得：fx=2673.4n，fy=1069.36n，fz=935.69n。選用巨型-三角形組合滑動導軌，查表3-29，取k=1.15，=0.16，則工作載荷(2) 計算載荷fc的計算查表3-30，取載荷系數(shù)kf=1.1；又因滾道硬度大于50hrc，故取硬度系數(shù)kh=1；查表3-25，取滾珠絲杠螺母副精度等級為4級，則取精度系數(shù)ka=1。于是得計算載荷(3) 額定動載荷ca設本車床z向(縱向)在承受

12、最大切削力條件下的最快進給速度，初選絲杠基本導程ph=6mm，則此時絲杠轉速。取滾珠絲杠壽命t=15000h，于是得計算載荷(4) 絲杠螺母副尺寸的選擇按照滿足的原則選擇絲杠副尺寸，查表3-33，選擇啟東潤澤機床附件有限公司生產的fl4006-330/410型滾珠絲杠副，精度等級取為4級。其公稱直徑do=40mm，基本導程ph=6mm，絲杠螺旋升角，摩擦角，dw=3.9688mm，絲杠底徑，額定動載荷ca=13200n，滿足要求。(5) 剛度驗算滾珠絲杠副的支承，采用一端軸向固定，一端簡支的方式。固定端采用一對推力角接觸球軸承面對面安裝，絲杠加上兩端接桿后，左右兩端的中心距a為1497mm。滾

13、珠絲杠在工作載荷fm和轉矩t共同作用下引起每個導程的拉壓變形量為式中 e絲杠彈性模量，對于鋼e=2.1×105mpa； a絲杠危險截面的面積，； t轉矩； g絲杠切變模量，對于鋼g=83.3gpa； jc絲杠按底徑確定的極慣性矩。絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為由表3-27可知，4級精度滾珠絲杠任意300mm軸向行程的變動量允許16m，而對于跨度為1497mm的滾珠絲杠，總的變形量只有12.15m，可見，絲杠剛度足夠。(6) 穩(wěn)定性驗算絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的臨界載荷式中 i絲杠危險截面的軸慣性矩； 長度系數(shù)，雙推簡支時=2/3。安全系數(shù)可見，絲杠不會失穩(wěn)。(7) 臨界轉速驗證

14、絲杠不會發(fā)生失穩(wěn)的臨界轉速(既不會發(fā)生共振的最高轉速)式中 fc與支承方式有關的系數(shù)，雙推簡支時fc=3.927； 長度系數(shù)，雙推簡支時=2/3； nmax絲杠的最高轉速?？梢姡z杠滿足要求。(8) 效率驗算滾珠絲杠副的傳動效率為要求在90%95%之間，所以，所選滾珠絲杠副滿足使用要求。4.4.4 步進電機減速箱的設計為了滿足脈沖當量的設計要求，增大步進電機的輸出轉矩，同時也為使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉動慣量折算到電動機轉軸上盡可能的小，并盡可能地縮短傳動鏈的長度，今在步進電機的輸出軸上安裝一套減速箱。已知縱向脈沖當量，滾珠絲杠的導程ph=6mm，初選步進電機的步距角=0.9°，最大靜轉

15、矩，則減速比因i較小，故采用一級齒輪傳動。步進電機的輸出軸與小齒輪聯(lián)接，滾珠絲杠的軸頭愈大齒輪聯(lián)接，采用雙片薄齒輪錯齒調整法消除齒側間隙。小齒輪采用40cr，調質處理，硬度241hb286hb，平均取為260hb；大齒輪采用45鋼，調質處理，硬度229hb286hb，平均取為240hb。其基本尺寸如表1所示： 實際分度圓直徑。中心距。齒寬。表1 減速箱設計計算小結名稱材料硬度齒數(shù)齒寬m分度圓直徑齒輪40cr260hb4055mm1.2550mm齒輪45240hb6050mm1.2575mm4.4.5 步進電機的計算與選型(1) 加在步進電機轉軸上的總轉動慣量的計算jeq已知：滾珠絲杠的公稱直徑

16、do=40mm，總長(帶接桿)l=1560mm，導程ph=6mm，材料密度；縱向移動部件總重量g=1400n；減速箱小齒輪分度圓直徑d1=50mm，齒寬b1=55mm，材料密度；大齒輪分度圓直徑d2=75mm，齒寬b2=50mm，材料密度。初選步進電動機的型號110byg2502，為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產，二相八拍驅動時步距角為0.9°。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為式中 jm步進電機110byg2502轉子的轉動慣量，查表4-5，jm=15kg·cm2； j1小齒輪的轉動慣量 j2大齒輪的轉動慣量 jw床鞍折算到絲杠上轉動慣量kg·cm2； j

17、s滾珠絲杠的轉動慣量(2) 加在步進電機轉軸上的等效負載轉矩的計算teq1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩teq1 快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩式中 nm對應縱向空載最快移動速度的步進電機最高轉速，nm=1500r/min；ta步進電機由靜止加速至nm轉速所需的時間，取0.4s；縱向傳動鏈的在總效率，取0.97。其中式中 總行空載最快移動速度，任務書指定為6000mm/min。移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為式中 導軌的摩擦因素，滑動時取0.16； fc垂直方向的工作載荷，空載時取0?？焖倏蛰d起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩為式中 to滾珠絲杠預緊后折

18、算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，因為滾珠絲杠副傳動效率很高，to相對tamax和tf很小，可以忽略不計。2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩teq2折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩式中 ff進給方向的最大工作載荷。移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為式中 導軌的摩擦因素，滑動時取0.16；fc移動部件承受的最大載荷。 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩為式中 to滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，因為滾珠絲杠副傳動效率很高，to相對tt和tf很小，可以忽略不計。今上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為(3) 步進電動機最大靜轉

19、矩的選定考慮到步進電動機采用的是開環(huán)控制，當電網電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據(jù)teq選擇步進電動機的最大靜載矩時，需要考慮安全系數(shù)。取安全系數(shù)k=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足對于前面預選的110byg2602型步進電機，由表4-5可知，其最大靜轉矩tjmax=20n·m，可見，所選步進電機完全滿足要求。(4) 步進電機的性能校核1) 最快工進速度時電動機輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快工進速度，脈沖當量=0.01mm/脈沖，則電動機對應的運行頻率。查表4-7，在此頻率下，110byg2602型電動機的輸出轉矩tmaxf14n·m，滿足

20、要求。 2) 最快空載移動時電動機輸出轉矩校核任務書給定工作臺最快空載移動速度，則電動機對應的運行頻率。查表4-7，在此頻率下，110byg2502型電動機的輸出轉矩tmax6n·m，大于快速空載起動時的負載轉矩teq1=1.573n·m，滿足要求。3) 最快空載移動時電動機運行頻率校核 最快空載移動速度，對應的電動機運行頻率f=10000hz，查表4-5，可知110byg2502型電動機的極限運行頻率為20000hz，可見未超出上限。4) 起動頻率的計算 已知電動機轉軸上的總轉動慣量jeq=37.86kg·cm2，電動機轉子自身的轉動慣量jm=15 kg

21、3;cm2，查表4-5可知，電動機轉軸不帶任何負載時的最高空載起動頻率fq=1800hz，則步進電動機克服慣性負載的起動頻率為上式說明，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955hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得很底，通常只有100hz(即100脈沖/s)。綜上所述，本設計中縱向進給系統(tǒng)選用110byg2502型步進電動機，可以滿足設計要求。4.5繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖5 控制系統(tǒng)的設計5.1控制系統(tǒng)硬件電路的設計根據(jù)任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：1) 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制led顯示2) 接受操作面板的開關與按鈕信息；3) 接受車床限

22、位開關信號；4) 控制x，z向步進電動機的驅動器；5) 與pc機的串行通信。cpu選用intel公司三位mcs-51系列的8位單片機8031。由于8031片內無rom或eprom，因此選用一片eprom芯片2764用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；又因8031在外接程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時地址的低8位信息及數(shù)據(jù)信息分時送出，故還需采用一片74ls373來鎖存低8位地址信息。這樣，一片2764eprom及一片74ls373加上時鐘電路、復位電路、電源就組成了一個最小的計算機應用系統(tǒng)。但8031本身資源有限，所以擴展了一片sram芯片6264用作數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶數(shù)據(jù)。鍵盤與led顯示采用8279來管理；輸入/輸出口的擴展選用了并行接口ppi8255芯片，一些進/出的信號均作了隔離放大；使用74ls138三-八譯碼器實現(xiàn)片選；與pc機的串行通信經過max233芯片。5.2 控制系統(tǒng)原理框圖控制系統(tǒng)原理框圖如下：5.3 步進電機驅動電源的選擇由上述設計計算及說明可知，本設計縱、