數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)---十字工作臺(tái)

1、課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目：ZX3型數(shù)控鉆銑床工作臺(tái)設(shè)計(jì) 課程名稱(chēng)： 數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 機(jī)械工程 專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化姓 名： 學(xué) 號(hào)： 年 級(jí)： 任課教師： 2013年12月30日貴州大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)誠(chéng)信責(zé)任書(shū)本人鄭重聲明：本人所呈交的課程論文（設(shè)計(jì)），是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所完成。課程論文（設(shè)計(jì)）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(diǎn)等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設(shè)計(jì)）作者簽名： 日 期： 貴州大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)學(xué)生信息學(xué)號(hào)學(xué)院機(jī)械學(xué)院班級(jí)姓名 專(zhuān)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化教師信息姓名職稱(chēng)學(xué)歷教師信息姓名職稱(chēng)學(xué)歷任務(wù)書(shū)發(fā)出時(shí)間2013年12月9日設(shè)計(jì)題目Z

2、X3型數(shù)控鉆銑床工作臺(tái)設(shè)計(jì)論文（設(shè)計(jì)）起止時(shí)間2013年12月16日2014年1月3日共需周數(shù)3主要內(nèi)容: 設(shè)計(jì)一套數(shù)控鉆銑床XY工作臺(tái) 結(jié)合設(shè)計(jì)任務(wù)的要求擬定總體機(jī)械和電氣控制設(shè)計(jì)方案。 根據(jù)擬定的機(jī)械設(shè)計(jì)方案進(jìn)行XY坐標(biāo)數(shù)控工作臺(tái)的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算和元件的選用。 根據(jù)擬定的電氣設(shè)計(jì)方案進(jìn)行數(shù)控系統(tǒng)方案框圖設(shè)計(jì)及步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)計(jì)算及相關(guān)元器件選用。 完成工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)的工程圖和相關(guān)電氣原理圖的繪制。 編寫(xiě)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。主要要求: 方案擬定正確，設(shè)計(jì)計(jì)算根據(jù)來(lái)源可靠，計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤。 元?dú)饧x用正確規(guī)范符合國(guó)家頒布標(biāo)準(zhǔn)。 機(jī)械裝配圖紙及相關(guān)電氣圖紙的繪制要求視圖完整、符合最新國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，

3、圖面整潔、質(zhì)量高。 機(jī)械和電氣部份圖紙折合總量不低于 1 張“0”號(hào)圖量，其中必須含工作臺(tái)機(jī)械裝配圖1張、電氣控制原理框圖、相關(guān)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)控制電路等電氣原理圖12張。 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)闡述整個(gè)設(shè)計(jì)內(nèi)容：如課題來(lái)源現(xiàn)實(shí)意義、總體方案確定、系統(tǒng)框圖分析、電氣元件選用說(shuō)明、機(jī)械傳動(dòng)和驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、選用以及機(jī)械和電氣的其它部分。說(shuō)明書(shū)要突出重點(diǎn)，圖文并茂、文字通暢、計(jì)算正確、字跡清晰、內(nèi)容完整。說(shuō)明書(shū)頁(yè)數(shù)不少于 20 頁(yè)。預(yù)期目標(biāo):設(shè)計(jì)出符合任務(wù)書(shū)要求的的數(shù)控鉆銑床XY聯(lián)動(dòng)工作臺(tái)、電氣控制原理框圖、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，撰寫(xiě)不低于20頁(yè)左右設(shè)計(jì)論文，并附錄相關(guān)資料及設(shè)計(jì)圖紙。計(jì)劃進(jìn)程:序號(hào)計(jì)劃時(shí)間進(jìn)程11

4、2.912.16課題調(diào)研及資料收集，研究問(wèn)題及提出初步總體方案212.1612.17總體方案論證及確定312.1712.23機(jī)械部分方案論證確定及計(jì)算412.2312.30電氣部分方案論證確定及設(shè)計(jì)512.301.1撰寫(xiě)論文及繪制相關(guān)圖紙61.3答辯主要參考文獻(xiàn):1李斌. 數(shù)控技術(shù)M.華中科技大學(xué)出版社，2013.12尹志強(qiáng).機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)，2007.73成大先. 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)(單行本 機(jī)械傳動(dòng))M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.14 沈愛(ài)琴. 數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)Z. 貴陽(yáng)：貴州工業(yè)大學(xué)機(jī)電教研室，1998.95 張毅剛. 單片機(jī)原理及應(yīng)用M. 北京：高等教育出版社，

5、2004.16 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)編委會(huì). 機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)M. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1999.97 陸昆，奚大順，李之權(quán)等. 電子設(shè)計(jì)技術(shù)M. 北京：電子科技大學(xué)出版社，1998.10ZX3型數(shù)控鉆銑床工作臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)說(shuō)明參數(shù)指標(biāo)單位量綱鉆銑床型號(hào)ZX1ZX2ZX3ZX4ZX5ZX6ZX7ZX8加速時(shí)間TS0.10.10.20.20.30.30.40.4Y向以上質(zhì)量（含臺(tái)面、工件及夾具等）Kg5055606570758090X向坐標(biāo)行程 mm100150200200240250250300Y向坐標(biāo)行程 80100120150160200240250工作臺(tái)面(XY)mm21201001801

6、50220150220180280200280220280260320280工作臺(tái)最快快速進(jìn)給速度（快進(jìn)）mm/min1000150020002500工作臺(tái)最大切削進(jìn)給速度（工進(jìn)）400500500600脈沖當(dāng)量mm/pulse0.01定位精度mm0.05重復(fù)定位精度mm0.03步進(jìn)電機(jī)步距角自定導(dǎo)軌類(lèi)型自定滾珠絲杠螺距自定控制系統(tǒng)類(lèi)型自定設(shè)備使用壽命10年；年均工作280天；每天8小時(shí) 加工參數(shù)立銑刀最大直徑D=15mm立銑刀齒數(shù)Z=3大銑削寬度銑削深度每齒進(jìn)給量0.1mm銑刀轉(zhuǎn)速500r/min加工材料碳素鋼或有色金屬目 錄摘 要8第一章 前 言91.1控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床概述9第二章 總體方

7、案的擬定與論證102.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)102.2總體方案的擬定102.2.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇102.2.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)11第三章 工作臺(tái)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算123.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算123.2銑削力的計(jì)算123.3導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)及計(jì)算133.3.1滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取133.3.2距離額定壽命和時(shí)間額定壽命的計(jì)算153.4滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算及其型號(hào)與直徑的選擇163.4.1滾珠絲杠螺母副的計(jì)算163.4.2初選型號(hào)183.5滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算183.5.1滾珠絲杠剛度校核183.5.2滾珠絲杠螺母副承載能力的校核193.6絲杠的支承方式及軸承的選擇213.6.1絲杠支承

8、方式的選擇213.6.2軸承的選擇213.7滾珠絲杠副的預(yù)緊力的確定223.8滾珠絲杠軸預(yù)緊拉伸力的確定223.9機(jī)械傳動(dòng)剛度的計(jì)算和校核233.9.1絲杠軸支承剛度的確定233.9.2滾珠絲杠拉壓剛度的確定233.9.3滾珠與滾道的接觸剛度243.9.4機(jī)械傳動(dòng)綜合抗壓剛度 ，的計(jì)算243.9.5機(jī)械傳動(dòng)剛度變化引起的定位誤差的校驗(yàn)243.9.6進(jìn)給系統(tǒng)的死區(qū)誤差的校驗(yàn)253.10計(jì)算電機(jī)軸上的慣量和轉(zhuǎn)矩，選取步進(jìn)電機(jī)253.10.1傳動(dòng)比及步矩角的確定253.10.2計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量253.10.3計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩263.10.4步進(jìn)電機(jī)的選擇27 3.11聯(lián)軸

9、器的選擇29第四章 工作臺(tái)電氣控制部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算304.1工作臺(tái)電氣控制部分總體設(shè)計(jì)304.2 控制器的選擇304.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇314.4其他輔助電路設(shè)計(jì)324.4.1 8051的時(shí)鐘電路324.4.2復(fù)位電路334.4.3限位電路344.5零件加工程序設(shè)計(jì)34第五章 總結(jié)36參 考 文 獻(xiàn)37 ZX3型數(shù)控鉆銑床工作臺(tái)設(shè)計(jì)摘 要當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用。本次設(shè)計(jì)的XY數(shù)控十字工作臺(tái)主要應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，精度不高。機(jī)械部分采用滾珠絲杠副，滑動(dòng)導(dǎo)軌和步進(jìn)電機(jī)。用步進(jìn)電機(jī)直接連接滾珠絲杠，驅(qū)動(dòng)工

10、作臺(tái)進(jìn)給，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便。控制部分主要采用8051單片機(jī)。采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)X、Y方向進(jìn)行控制。關(guān)鍵詞：精度，滾珠絲杠，步進(jìn)電機(jī)，控制。貴州大學(xué)本科課程設(shè)計(jì)論文 第 35 頁(yè)第一章 前 言1.1控技術(shù)及數(shù)控機(jī)床概述從數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來(lái)，數(shù)控機(jī)床給機(jī)械制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化。它具有普通機(jī)床無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，自動(dòng)化程度高，勞動(dòng)力要求低，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟(jì)效益的提高。數(shù)控機(jī)床是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、精度要求較高的零件。一個(gè)國(guó)家工業(yè)化發(fā)展的程度，很大程度在于數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用上。我國(guó)是制造業(yè)大國(guó)，在世界物質(zhì)生產(chǎn)中占

11、有很大比例，但是作為“世界工廠”數(shù)控機(jī)床的普及率確遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于發(fā)達(dá)國(guó)家，傳統(tǒng)落后的普通機(jī)床加工已經(jīng)落后于時(shí)代，大力發(fā)展數(shù)控機(jī)床技術(shù)勢(shì)在必行。和發(fā)達(dá)國(guó)家相比，我國(guó)數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用主要存在以下問(wèn)題： 低端產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化，但競(jìng)爭(zhēng)激烈，互相靠壓價(jià)促銷(xiāo)； 高技術(shù)水平、全功能產(chǎn)品主要依靠進(jìn)口； 配套的高質(zhì)量功能部件、數(shù)控系統(tǒng)附件主要依靠進(jìn)口； 應(yīng)用技術(shù)水平較低，聯(lián)網(wǎng)技術(shù)沒(méi)有完全推廣使用； 自行開(kāi)發(fā)能力較差，較高技術(shù)水平的產(chǎn)品主要靠引進(jìn)圖紙、合資生產(chǎn)或進(jìn)口件組裝。1十字工作臺(tái)是許多機(jī)床上必不可少的部件，而數(shù)控十字工作臺(tái)已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上，它在提高機(jī)床加工精度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率上發(fā)揮了很大作用。

12、第二章 總體方案的擬定與論證2.1主要設(shè)計(jì)參數(shù)加速時(shí)間：0.2S臺(tái)面以上最大重量：60Kg工作臺(tái)尺寸：220*150X坐標(biāo)行程：200mmY坐標(biāo)行程：120mm脈沖當(dāng)量：0.01mm/pluse定位精度：0.05mm重復(fù)定位精度：0.03mm工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度：1500 mm/min工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度：500 mm/min立銑刀最大直徑：D=15mm立銑刀齒數(shù)：Z=3最大銑削寬度：最大背吃刀量：加工材料：碳素鋼或有色金屬2.2總體方案的擬定2.2.1機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇1.導(dǎo)軌副的選用本次設(shè)計(jì)的十字工作臺(tái)所配合的是數(shù)控銑床，脈沖當(dāng)量較小，要求定位精度較高而負(fù)責(zé)較小，因此考慮選用滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)

13、軌。與滑動(dòng)導(dǎo)軌相比，它具有靈敏度高，運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，低速移動(dòng)時(shí)不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，定位精度高，摩擦阻力小，移動(dòng)輕便，磨損小、精度保持性好的優(yōu)點(diǎn)，但滾動(dòng)導(dǎo)軌的抗震性較差，對(duì)防護(hù)要求較高。2.絲杠螺母機(jī)構(gòu)的選用本次設(shè)計(jì)給出條件脈沖當(dāng)量為0.01mm/pluse，定位精度為0.05mm，要求較高。且相對(duì)于滑動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)，滾動(dòng)摩擦機(jī)構(gòu)具有傳動(dòng)效率高(達(dá)92%98%)，靈敏度高（無(wú)顫動(dòng)、無(wú)爬行，同步性好），定位精度高(可以實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙傳動(dòng)，剛度強(qiáng)，溫升小)，使用壽命長(zhǎng)（是普通滑動(dòng)絲杠的4倍以上，磨損小，精度保持期長(zhǎng)）等優(yōu)點(diǎn)。雖然相對(duì)于滑動(dòng)絲杠價(jià)位偏高，但是性?xún)r(jià)比較高，也更加符合設(shè)計(jì)所需滿(mǎn)足條件，因此還是選用滑動(dòng)絲杠

14、螺母機(jī)構(gòu)。3.伺服電機(jī)的選用任務(wù)書(shū)規(guī)定的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)可以滿(mǎn)足，因此本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，如交流伺服電動(dòng)機(jī)或直流伺服電動(dòng)機(jī)等。采用開(kāi)環(huán)控制也能滿(mǎn)足精度要求，以降低成本，提高性?xún)r(jià)比。4.減速裝置的選用根據(jù)所選用的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠機(jī)構(gòu)，計(jì)算傳動(dòng)比來(lái)確定是否需要安裝減速裝置。2.2.2控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的XY數(shù)控工作臺(tái)用于數(shù)控銑床，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制、兩坐標(biāo)直線(xiàn)插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)8051作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿(mǎn)足任務(wù)書(shū)給定的相關(guān)指標(biāo)。設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選

15、擇CPU之后，還需要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、鍵盤(pán)與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。最后，還要選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。第三章 工作臺(tái)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)計(jì)算3.1導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算根據(jù)任務(wù)書(shū)，向以上質(zhì)量為60Kg估算，包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)總重量G約為680N。3.2銑削力的計(jì)算零件采用的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。查下表3-1可得立銑時(shí)的銑削力計(jì)算公式為：表3-1硬質(zhì)合金銑刀銑削力的計(jì)算公式（單位N）銑刀類(lèi)型工件材料銑削力計(jì)算公式面銑刀碳素鋼灰鑄鐵可鍛

16、鑄鐵圓柱銑刀碳素鋼灰鑄鐵三面刃銑刀碳素鋼兩面刃銑刀立銑刀查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)P13、14頁(yè)，取銑刀每齒進(jìn)給量=0.1；銑刀轉(zhuǎn)速=500r/min,其他參數(shù)設(shè)計(jì)已經(jīng)給出，數(shù)值如下：立銑刀最大直徑：D=15mm立銑刀齒數(shù)：Z=3最大銑削寬度：最大背吃刀量：所以最大銑削力F=118afdanz=1563N采用立銑刀進(jìn)行圓柱逆銑時(shí)，各銑削力之間的比值查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)P13頁(yè)可得出：=(1.01.2) /=(0.20.3) /=（0.350.4） 分別計(jì)算出三個(gè)方向銑削力為：F=1.1F=1719NF=0.25F=390NF=0.38F=594N由于是立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力F=F

17、=594N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向（絲杠軸線(xiàn)方向），則縱向銑削力,徑向銑削力。3.3導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)及計(jì)算3.3.1滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取本設(shè)計(jì)中的XY工作臺(tái)為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第二卷P9127頁(yè)得則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為， 其中，G工作臺(tái)移動(dòng)部件重量。根據(jù)計(jì)算出的工作載荷初選符合要求的直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 第二卷P9132頁(yè)到133頁(yè)，根據(jù)選取原則，選擇南京工藝裝備制造廠的GGB20BA四方向等載荷窄型

18、滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副。其額定動(dòng)載荷，額定靜載荷。工作臺(tái)尺寸為220mm150mm，加工范圍為200mm120mm，因此初選導(dǎo)軌長(zhǎng)度為800mm。3.3.2距離額定壽命和時(shí)間額定壽命的計(jì)算1.距離額定壽命的計(jì)算上述選取的GGB20BA 型導(dǎo)軌每根導(dǎo)軌上配有兩個(gè)滑塊，精度為4 級(jí)，工作速度較低，載荷不大，一般把直線(xiàn).軌的距離.定壽命定為50km，查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)P34頁(yè)，則有公式其中為導(dǎo)軌額定動(dòng)載荷；為硬度系數(shù)，取=1.0；為計(jì)算載荷；查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)P35頁(yè)各表可得為溫度系數(shù)，=1，為接觸系數(shù)，取=0.66，為精度系數(shù)，取=0.9，為載荷系數(shù)，取=1.5，則 遠(yuǎn)大于期望值50km，設(shè)計(jì)

19、符合要求。2. 時(shí)間額定壽命的計(jì)算預(yù)計(jì)導(dǎo)軌的工作10年，年均工作280天每天工作8小時(shí)，取導(dǎo)軌副的使用壽命為T(mén)=22400h，時(shí)間額定壽命可按下式進(jìn)行計(jì)算其中為行程長(zhǎng)度，XY工作臺(tái)行程為200mm120mm，取250mm計(jì)算；為每分鐘移動(dòng)部件往返次數(shù)取5次，則滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。滾動(dòng)導(dǎo)軌副3.4滾珠絲杠副設(shè)計(jì)計(jì)算及其型號(hào)與直徑的選擇3.4.1滾珠絲杠螺母副的計(jì)算1.最大工作載荷的計(jì)算 如前面所述，在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷，受到橫向的載荷，受到垂直方向的載荷。已知移動(dòng)部件總重量G=680，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)。求得滾珠絲杠副的最

20、大工作載荷為：參考公式2.最大動(dòng)載荷的計(jì)算 本次設(shè)計(jì)工作臺(tái)最快進(jìn)給速度，初選絲杠導(dǎo)程，則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速。取滾珠絲杠的使用壽命T=22400h，代入得絲杠壽命系數(shù)查表，取載荷系數(shù)，軌道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)，代入得 載荷系數(shù)如下表：3.4.2初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)P219頁(yè)選FFZD3205-3型滾珠絲杠副，其公稱(chēng)直徑為32mm，外徑為31.5mm,底徑為28.9mm，導(dǎo)程為5mm，滾珠直徑為3.5mm，螺母的安裝尺寸L=85mm，精度等級(jí)取5級(jí)，基本額定動(dòng)載荷為11.7KN，大于計(jì)算的絲杠最大動(dòng)載荷，選擇適合。確定滾珠絲杠副的螺紋長(zhǎng)度：上

21、式中，為有效行程，=行程+螺母長(zhǎng)度=200+85=285mm；為安全行程，=5=25mm；為余程，=2=10mm。則計(jì)算得：3.5滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算3.5.1滾珠絲杠剛度校核滾珠絲杠在軸向力的作用下，將產(chǎn)生伸長(zhǎng)或壓縮，在切向力的作用下將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲會(huì)使絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，影響到傳動(dòng)及定位精度，工作臺(tái)滾珠絲杠副安裝采用“兩端固定”的方式。這種安裝適合于高精度，高剛度的絲杠。查表3-4可知滾珠直徑，絲杠底徑。絲杠的拉伸或壓縮在總變形量中的比重較大，可按下式計(jì)算式中為絲杠的最大工作載荷；為鋼的彈性模量，為2.1MPa；為絲杠的最小截面積，即絲杠底徑截面積；為絲杠兩端支承間的距離=行程+安全行程+2

22、余程+螺母長(zhǎng)度+支承長(zhǎng)度1.4行程+30=1.4200+305=430mm，則滾珠絲杠滾道間的接觸變形量在有預(yù)緊時(shí)的計(jì)算公式如下：FFZD3205-3型滾珠絲杠螺母副單圈滾珠數(shù),；為滾珠總數(shù)，。絲桿預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力。因此，總變形量，當(dāng)有效行程215mm到300mm時(shí)，5級(jí)精度的允許行程變量為0.021mm，總變形量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。3.5.2滾珠絲杠螺母副承載能力的校核1. 滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn)查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)P61頁(yè)，按下列公式計(jì)算上式中，為絲桿螺母副的螺紋底徑；為絲桿螺母副最大受壓長(zhǎng)度為435mm，為安全系數(shù)，絲杠垂直安裝時(shí)K=1/2，絲桿水平安裝取K=1/3 。為安全系

23、數(shù)，與支承方式有關(guān)。滾珠絲杠副支承方式選擇雙推-雙推式，這種方式適合于高剛度、高轉(zhuǎn)速、高精度的絲杠傳動(dòng)，與本次設(shè)計(jì)符合，則=4。遠(yuǎn)大于，因此絲杠穩(wěn)定性滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。與支承方式有關(guān)的系數(shù)2. 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗(yàn)滾珠絲杠螺母副轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)不產(chǎn)生共振的最高轉(zhuǎn)速稱(chēng)為臨界轉(zhuǎn)速。其計(jì)算公式參考數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)P61頁(yè)：上式中，為臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度，取=335mm；為彈性模量，??；為絲杠密度，取，；為滾珠絲杠最小慣性矩；為滾珠絲杠的最小截面積，??；為安全系數(shù)，取=0.8；為與支承方式有關(guān)的系數(shù)，可見(jiàn)上表，取=4.73。則帶入?yún)?shù)后上式計(jì)算得：3. 滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗(yàn)滾珠絲杠螺母副的壽命，主

24、要是指疲勞壽命。參照數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)P62頁(yè)，滾珠絲杠螺母副的疲勞壽命和時(shí)間壽命按一下公式計(jì)算：式中為額定動(dòng)載荷，查表得11700N；為軸向載荷，前面計(jì)算為1719N；為滾珠絲杠螺母副的轉(zhuǎn)速；為運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，無(wú)沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)取1.01.2.一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.21.5，有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)取1.53.0。則經(jīng)計(jì)算得大于22400h，因此絲杠螺母副的壽命滿(mǎn)足要求。3.6絲杠的支承方式及軸承的選擇3.6.1絲杠支承方式的選擇由于本次設(shè)計(jì)的是數(shù)控銑床工作臺(tái)，設(shè)計(jì)精度較高，為了提高滾珠絲杠的拉壓剛度，因此選用兩端固定的“雙推-雙推式”支承，雖然其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工藝?yán)щy，但絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍，剛度和精度都很高，特

25、別適用于數(shù)控機(jī)床。兩端固定支承3.6.2軸承的選擇實(shí)踐證明，絲杠的軸承組合及軸承座以及其他零件的連接剛性不足，將嚴(yán)重影響滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度和剛度，因此在設(shè)計(jì)安裝時(shí)應(yīng)認(rèn)真考慮。為了提高軸向剛度，因此本次設(shè)計(jì)采用以角接觸球軸承組合來(lái)支承絲杠。因?yàn)闈L珠絲杠螺母副擬采用預(yù)拉伸措施，所以選用60角接觸球軸承組背對(duì)背安裝，以組成滾珠絲杠兩端固定的支承形式。由于絲杠底徑=28.9mm，查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)P211頁(yè)，選用760205TNI型接觸角推力角接觸球軸承作為安裝軸承，其具體參數(shù)如下：軸承參數(shù)軸承名稱(chēng)軸承型號(hào)內(nèi)徑d外徑D寬度B安裝尺寸安裝尺寸額定動(dòng)載荷角接觸球軸承760205TNI25mm52mm

26、15mm32mm45mm1.35KN3.7滾珠絲杠副的預(yù)緊力的確定為了消除軸向間隙，增加絲杠副的剛性和定位精度，在絲杠螺母間加以預(yù)緊力。過(guò)大的值將引起滾珠絲杠壽命下降及磨擦力矩增大，而偏小，會(huì)產(chǎn)生軸向載荷作用下出現(xiàn)間隙影響定位精度。因此，一般情況下取：上式中，為最大軸向工作載荷。3.8滾珠絲杠軸預(yù)緊拉伸力的確定為減小或消除絲杠自重而產(chǎn)生的彎曲變形，補(bǔ)償因工作溫度和六螺角母溫度升高而引起的絲杠伸長(zhǎng)，保證滋珠絲杠在正常使用時(shí)的定位精度和提高滾珠絲杠的系統(tǒng)剛性，對(duì)有快速驅(qū)動(dòng)并有定位精度要求的滾珠絲杠副其絲杠副軸、需要進(jìn)行預(yù)拉伸力，決定拉伸力時(shí)還應(yīng)考慮到絲杠兩端支承軸承允許的預(yù)緊力的大小。根據(jù)數(shù)控設(shè)計(jì)

27、指導(dǎo)P54頁(yè)得的計(jì)算公式： 上式中，為滾珠絲杠的溫度變化值，一般情況下為2-3，取=3；為絲杠底徑。所以經(jīng)計(jì)算得：3.9機(jī)械傳動(dòng)剛度的計(jì)算和校核3.9.1絲杠軸支承剛度的確定滾珠絲杠支承剛度分兩步計(jì)算，首先由于本設(shè)計(jì)的軸承有預(yù)緊，因此查數(shù)控指導(dǎo)可知角接觸球軸承有預(yù)緊時(shí)的組合剛度公式。然后由于是兩端固定，因此查表可得。上式中為滾動(dòng)體直徑，已知=3.5mm；為軸承接觸角，軸承為60角接觸球軸承，所以=60；為滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，前面已算出=25；最大軸向工作載荷=1899N。計(jì)算得：3.9.2滾珠絲杠拉壓剛度的確定當(dāng)絲杠支承方式為兩端固定時(shí)，查數(shù)控指導(dǎo)得公式：其中為絲杠固定端之間的距離，即軸承間的距離=5

28、70mm；為滾珠絲杠的螺母中心到固定端支承中心的距離。當(dāng)絲杠螺母中心位于滾珠絲杠支承中心時(shí)，拉壓剛度最?。寒?dāng)絲杠螺母中心距其中一個(gè)固定端最近時(shí)，拉壓剛度最大：其中為螺母中心到最近的固定端的距離，=135mm。3.9.3滾珠與滾道的接觸剛度在滾珠絲杠有預(yù)緊時(shí)，有公式： 上式中為滾珠絲杠剛度值，查前面數(shù)據(jù)得=826；為滾珠絲杠軸向工作載荷，=11700N。計(jì)算得：3.9.4機(jī)械傳動(dòng)綜合抗壓剛度 ，的計(jì)算3.9.5機(jī)械傳動(dòng)剛度變化引起的定位誤差的校驗(yàn)查數(shù)控指導(dǎo)P68頁(yè)，最大定位誤差計(jì)算公式如下：上式中為由機(jī)床執(zhí)行部件重量引起的靜摩擦力，；，分別為進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)在行程范圍內(nèi)的最大、最小綜合拉壓剛度。應(yīng)在

29、定位誤差的1/51/4范圍內(nèi)，即0.01mm之內(nèi)，以上計(jì)算值滿(mǎn)足條件。3.9.6進(jìn)給系統(tǒng)的死區(qū)誤差的校驗(yàn)機(jī)床執(zhí)行部件反向時(shí)的最大反向死區(qū)誤差可按下式計(jì)算：=2= 上式中為由機(jī)床執(zhí)行部件重量引起的靜摩擦力。=2= 已知脈沖當(dāng)量為0.01mm，因此滿(mǎn)足條件。3.10計(jì)算電機(jī)軸上的慣量和轉(zhuǎn)矩，選取步進(jìn)電機(jī)3.10.1傳動(dòng)比及步矩角的確定 本次設(shè)計(jì)擬采用步進(jìn)電機(jī)直接連接絲杠的方式，因此傳動(dòng)比為=1；脈沖當(dāng)量為0.01mm/pluse；絲杠導(dǎo)程=5。則步矩角為： 0.723.10.2計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量1、 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量上式中為絲杠公稱(chēng)直徑，=32mm； 為絲杠長(zhǎng)度=有效行程+螺母長(zhǎng)度+

30、設(shè)計(jì)余量+兩端支撐長(zhǎng)度（軸承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量）+動(dòng)力輸入連接長(zhǎng)度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長(zhǎng)度的一半+裕量）=710mm。則計(jì)算得:2、 滾珠絲杠上一級(jí)移動(dòng)部件等折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量沿直線(xiàn)軸移動(dòng)物體的慣量為：= （3-18）上式中為絲杠導(dǎo)程；M為移動(dòng)部件總質(zhì)量。數(shù)據(jù)都為已知，則計(jì)算得=3、 總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量=+3.10.3計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 1.計(jì)算切削負(fù)載力矩上式中為絲杠導(dǎo)程=0.005m，進(jìn)給系統(tǒng)的總效率=0.90，=1897N。計(jì)算得：2. 計(jì)算摩擦負(fù)載力矩上式中為空載時(shí)導(dǎo)軌摩擦力，=4N，其它數(shù)據(jù)與上面相同。則計(jì)算得：3. 計(jì)算由滾珠絲杠副的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載

31、力矩上式中為滾珠絲杠副的預(yù)緊力=633N；為絲杠基本導(dǎo)程=0.005m；為滾珠絲杠副效率=0.94。則計(jì)算得：4. 各坐標(biāo)軸折算到電機(jī)軸上的負(fù)載力矩的計(jì)算空載時(shí)：切削時(shí)：3.10.4步進(jìn)電機(jī)的選擇 1、根據(jù)以上計(jì)算，查步進(jìn)電機(jī)數(shù)據(jù)，選擇北京和利時(shí)機(jī)電技術(shù)有限公司的110BYG550B-030混合式步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.72?？蛰d啟動(dòng)頻率為2200步/s，最大靜轉(zhuǎn)矩為8N.m。具體參數(shù)如下：110BYG550B-030混合式步進(jìn)電機(jī)參數(shù)型號(hào)步矩角相數(shù)驅(qū)動(dòng)電壓相電流額定轉(zhuǎn)矩空載運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)動(dòng)慣量110BYG550B-0300.72580V3A8N.m2200該電動(dòng)機(jī)的額定力矩為8Nm，大于空載及切

32、削時(shí)電動(dòng)機(jī)軸的負(fù)載力矩，因此本電動(dòng)機(jī)滿(mǎn)足驅(qū)動(dòng)要求。為了使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載總慣量與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比一般應(yīng)滿(mǎn)足：上面已經(jīng)計(jì)算出=，因此，滿(mǎn)足匹配要求。2、 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的性能校核1）最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度 vmaxf=500mm/min，脈沖當(dāng)量=0.01mm/脈沖求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率 fmaxf =500/(600.01)Hz 833Hz。從110BYG550B-030電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線(xiàn)圖可以看出，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf8Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tmaxf=Tt+Tf=1.6835Nm，滿(mǎn)

33、足要求。圖3-10電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線(xiàn)圖2）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書(shū)給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度vmax =1500mm/min，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率fmax =1500/（600.01）Hz =2500Hz。從圖查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 Tmax =6.5 Nm，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1 = 0.275Nm，滿(mǎn)足要求。3）最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 最快空載移動(dòng)速vmax =1500mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率fmax =2500Hz。查表4-5可知110BYG550B-030電動(dòng)機(jī)的極限運(yùn)行頻率為20000Hz，可見(jiàn)沒(méi)有超出上限。4）起

34、動(dòng)頻率的計(jì)算 已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J總=7.68 kgc m2 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jm =9.7 kgc m2，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的最高起動(dòng)頻率fq=2200Hz.則可以求出步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)頻率： =1643Hz上式說(shuō)明，要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于1388Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。綜上所述，本例中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)選用110BYG550B-030步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。3.11聯(lián)軸器的選擇根據(jù)選出的電機(jī)和絲杠的參數(shù)，選擇薄片彈性聯(lián)軸器，不僅可以簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，減少噪聲，

35、而且對(duì)減少傳動(dòng)鏈的間隙、提高傳動(dòng)剛度也大有好處。 因?yàn)闈L珠絲杠的公稱(chēng)直徑為32mm，所以選擇04號(hào)內(nèi)徑為32的膜片彈性聯(lián)軸器。第四章 工作臺(tái)電氣控制部分的設(shè)計(jì)與計(jì)算4.1工作臺(tái)電氣控制部分總體設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)框圖4.2 控制器的選擇MCS-51系列單片機(jī)中的基本型產(chǎn)品是8051,8031和8751，這三個(gè)產(chǎn)品只是片內(nèi)程序存儲(chǔ)器制造工藝不同。8051的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器ROM為掩膜型的在制造芯片時(shí)已將應(yīng)用程序固化進(jìn)去，使它具有了某種專(zhuān)用功能；8031無(wú)ROM，使用時(shí)需外接ROM；8751的片內(nèi)ROM是EPROM型的，固化的應(yīng)用程序可以方便改寫(xiě)。MCS-51系列單片機(jī)具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單靈活，成

36、本低且不需要特殊的開(kāi)發(fā)手段等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計(jì)選用MCS-51系列單片機(jī)中的8051。8051單片機(jī)引腳圖4.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的選擇由于本次設(shè)計(jì)所選用的是北京和利時(shí)機(jī)電技術(shù)有限公司的五相十拍110BYG550B-030混合式步進(jìn)電機(jī)，因此步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器同樣選用該公司生產(chǎn)的與其相配套的SH-50806B型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，其特點(diǎn)有：1.數(shù)字化升頻升壓結(jié)合恒流控制技術(shù)；2.運(yùn)行平穩(wěn)、低噪音、低振動(dòng)3.最大輸出驅(qū)動(dòng)電流 6.0A/相；4.輸入信號(hào) TTL 兼容；5.輸入輸出信號(hào)光電隔離；6.過(guò)壓保護(hù)及過(guò)流保護(hù)功能；7.脫機(jī)保持功能；8.撥碼選擇適配多種型號(hào)電機(jī)；9.單/雙脈

37、沖方式可選；10.整/半步運(yùn)行模式可選；11.提供零位信號(hào)輸出；12.提供故障信號(hào)輸出；13.斷電記憶功能；14.自動(dòng)半電流可選。其主要性能指標(biāo)有：其驅(qū)動(dòng)器控制接線(xiàn)圖如下：驅(qū)動(dòng)器接線(xiàn)圖4.4其他輔助電路設(shè)計(jì)4.4.1 8051的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如下圖所示。晶體可以在1.212之間任意選擇，耦合電容在530pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。時(shí)鐘電路4.4.2復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0000H單元開(kāi)始執(zhí)行程序。在實(shí)際運(yùn)用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與8051復(fù)位要求一致時(shí)，可以直接相連。實(shí)用復(fù)位電路圖如下所示： 復(fù)位電路4.4.3限位電路為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開(kāi)關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8051的I/O口P1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開(kāi)關(guān)被壓下的時(shí)候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電平。8051可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢(xún)的方法隨時(shí)檢查有無(wú)越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管