數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計十字工作臺

1、課程設(shè)計設(shè)計題目：ZX3型數(shù)控鉆銑床工作臺設(shè)計課程名稱： 數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計 學(xué) 院： 機械工程 專 業(yè)：機械設(shè)計制造及其自動化姓 名：學(xué) 號：年 級：任課教師：2013年12月30日貴州大學(xué)本科課程設(shè)計誠信責(zé)任書本人鄭重聲明：本人所呈交的課程論文（設(shè)計），是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨立進行研究所完成。課程論文（設(shè)計）中凡引用他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的成果、數(shù)據(jù)、觀點等，均已明確注明出處。特此聲明。論文（設(shè)計）作者簽名：日期：貴州大學(xué)本科課程設(shè)計任務(wù)書學(xué)生信息學(xué)號學(xué)院機械學(xué)院班級姓名專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化教師信息姓名職稱學(xué)歷教師信息姓名職稱學(xué)歷任務(wù)書發(fā)出時間2013年12月9日設(shè)計題目ZX3型數(shù)控鉆銑床工

2、作臺設(shè)計論文（設(shè)計）起止時間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)計一套數(shù)控鉆銑床XY工作臺 結(jié)合設(shè)計任務(wù)的要求擬定總體機械和電氣控制設(shè)計方案。 根據(jù)擬定的機械設(shè)計方案進行XY坐標(biāo)數(shù)控工作臺的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計計算和元件的選用。 根據(jù)擬定的電氣設(shè)計方案進行數(shù)控系統(tǒng)方案框圖設(shè)計及步進電機驅(qū)動電路的設(shè)計計算及相關(guān)元器件選用。 完成工作臺機械結(jié)構(gòu)的工程圖和相關(guān)電氣原理圖的繪制。 編寫設(shè)計說明書。主要要求: 方案擬定正確，設(shè)計計算根據(jù)來源可靠，計算數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤。 元氣件選用正確規(guī)范符合國家頒布標(biāo)準(zhǔn)。 機械裝配圖紙及相關(guān)電氣圖紙的繪制要求視圖完整、符合最新國家標(biāo)準(zhǔn)，圖面整潔、質(zhì)量高。

3、 機械和電氣部份圖紙折合總量不低于 1 張“0”號圖量，其中必須含工作臺機械裝配圖1張、電氣控制原理框圖、相關(guān)步進驅(qū)動控制電路等電氣原理圖12張。 課程設(shè)計說明書應(yīng)闡述整個設(shè)計內(nèi)容：如課題來源現(xiàn)實意義、總體方案確定、系統(tǒng)框圖分析、電氣元件選用說明、機械傳動和驅(qū)動電路的設(shè)計、選用以及機械和電氣的其它部分。說明書要突出重點，圖文并茂、文字通暢、計算正確、字跡清晰、內(nèi)容完整。說明書頁數(shù)不少于 20 頁。預(yù)期目標(biāo):設(shè)計出符合任務(wù)書要求的的數(shù)控鉆銑床XY聯(lián)動工作臺、電氣控制原理框圖、步進電機驅(qū)動電路，撰寫不低于20頁左右設(shè)計論文，并附錄相關(guān)資料及設(shè)計圖紙。計劃進程:序號計劃時間進程112.912.16課

4、題調(diào)研及資料收集，研究問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機械部分方案論證確定及計算412.2312.30電氣部分方案論證確定及設(shè)計512.301.1撰寫論文及繪制相關(guān)圖紙61.3答辯主要參考文獻: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.機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導(dǎo)書，2007.73成大先. 機械設(shè)計手冊(單行本· 機械傳動)M. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.14沈愛琴. 數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書Z. 貴陽：貴州工業(yè)大學(xué)機電教研室，1998.95 張毅剛. 單片機原理及應(yīng)用M. 北京：高等教育出版社，2004

5、.16 機電一體化技術(shù)手冊編委會. 機電一體化技術(shù)手冊M. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.97 陸昆，奚大順，李之權(quán)等. 電子設(shè)計技術(shù)M. 北京：電子科技大學(xué)出版社，1998.10ZX3型數(shù)控鉆銑床工作臺設(shè)計數(shù)據(jù)說明參數(shù)指標(biāo)單位量綱鉆銑床型號ZX1ZX2ZX3ZX4ZX5ZX6ZX7ZX8加速時間TS0.10.10.20.20.30.30.40.4Y向以上質(zhì)量（含臺面、工件及夾具等）Kg5055606570758090X向坐標(biāo)行程mm100150200200240250250300Y向坐標(biāo)行程80100120150160200240250工作臺面(X×Y)mm2120×1

6、00180×150220×150220×180280×200280×220280×260320×280工作臺最快快速進給速度（快進）mm/min1000150020002500工作臺最大切削進給速度（工進）400500500600脈沖當(dāng)量mm/pulse0.01定位精度mm0.05重復(fù)定位精度mm0.03步進電機步距角°自定導(dǎo)軌類型自定滾珠絲杠螺距自定控制系統(tǒng)類型自定設(shè)備使用壽命10年；年均工作280天；每天8小時加工參數(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給量0.1mm銑刀轉(zhuǎn)速500

7、r/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)控機床概述9第二章 總體方案的擬定與論證102.1主要設(shè)計參數(shù)102.2總體方案的擬定10機械傳動部件的選擇10控制系統(tǒng)的設(shè)計11第三章 工作臺傳動裝置的設(shè)計計算123.1導(dǎo)軌上移動部件的重量估算123.2銑削力的計算123.3導(dǎo)軌的設(shè)計及計算13滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取13距離額定壽命和時間額定壽命的計算153.4滾珠絲杠副設(shè)計計算及其型號與直徑的選擇16滾珠絲杠螺母副的計算16初選型號183.5滾珠絲杠副剛度的驗算18滾珠絲杠剛度校核18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

8、選擇21絲杠支承方式的選擇21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機械傳動剛度的計算和校核23絲杠軸支承剛度的確定23滾珠絲杠拉壓剛度的確定23滾珠與滾道的接觸剛度24機械傳動綜合抗壓剛度 ，的計算24機械傳動剛度變化引起的定位誤差的校驗24進給系統(tǒng)的死區(qū)誤差的校驗253.10計算電機軸上的慣量和轉(zhuǎn)矩，選取步進電機25傳動比及步矩角的確定25計算折算到電動機軸上的負載慣量25計算折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩26步進電機的選擇27 3.11聯(lián)軸器的選擇29第四章 工作臺電氣控制部分的設(shè)計與計算304.1工作臺電氣控制部分總體設(shè)計304.2 控制

9、器的選擇304.3步進電機驅(qū)動器的選擇314.4其他輔助電路設(shè)計324.4.1 8051的時鐘電路32復(fù)位電路33限位電路344.5零件加工程序設(shè)計34第五章 總結(jié)36參 考 文 獻37 ZX3型數(shù)控鉆銑床工作臺設(shè)計摘 要當(dāng)今世界科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速，微處理器、微型計算機在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。本次設(shè)計的XY數(shù)控十字工作臺主要應(yīng)用于經(jīng)濟型數(shù)控銑床，精度不高。機械部分采用滾珠絲杠副，滑動導(dǎo)軌和步進電機。用步進電機直接連接滾珠絲杠，驅(qū)動工作臺進給，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便?？刂撇糠种饕捎?051單片機。采用開環(huán)控制系統(tǒng)對X、Y方向進行控制。關(guān)鍵詞：精度，滾珠絲杠

10、，步進電機，控制。第一章 前 言1.1控技術(shù)及數(shù)控機床概述從數(shù)控技術(shù)出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。它具有普通機床無法比擬的優(yōu)點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，自動化程度高，勞動力要求低，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(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。一個國家工業(yè)化發(fā)展的程度，很大程度在于數(shù)控機床的應(yīng)用上。我國是制造業(yè)大國，在世界物質(zhì)生產(chǎn)中占有很大比例，但是作為“世界工廠”數(shù)控機床的普及率確遠遠低于發(fā)達國家，傳統(tǒng)落后的普通機床加工已經(jīng)落后于時代，大力發(fā)展數(shù)控機床技術(shù)勢在必行。和發(fā)達國家相比，我國數(shù)控

11、機床的應(yīng)用主要存在以下問題： 低端產(chǎn)品國產(chǎn)化，但競爭激烈，互相靠壓價促銷； 高技術(shù)水平、全功能產(chǎn)品主要依靠進口； 配套的高質(zhì)量功能部件、數(shù)控系統(tǒng)附件主要依靠進口； 應(yīng)用技術(shù)水平較低，聯(lián)網(wǎng)技術(shù)沒有完全推廣使用； 自行開發(fā)能力較差，較高技術(shù)水平的產(chǎn)品主要靠引進圖紙、合資生產(chǎn)或進口件組裝。1十字工作臺是許多機床上必不可少的部件，而數(shù)控十字工作臺已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于各種數(shù)控機床上，它在提高機床加工精度，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率上發(fā)揮了很大作用。第二章 總體方案的擬定與論證2.1主要設(shè)計參數(shù)加速時間：0.2S臺面以上最大重量：60Kg工作臺尺寸：220*150X坐標(biāo)行程：200mmY坐標(biāo)行程：120mm

12、脈沖當(dāng)量：0.01mm/pluse定位精度：0.05mm重復(fù)定位精度：0.03mm工作臺空載最快移動速度：1500 mm/min工作臺進給最快移動速度：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總體方案的擬定機械傳動部件的選擇1.導(dǎo)軌副的選用本次設(shè)計的十字工作臺所配合的是數(shù)控銑床，脈沖當(dāng)量較小，要求定位精度較高而負責(zé)較小，因此考慮選用滾動直線導(dǎo)軌。與滑動導(dǎo)軌相比，它具有靈敏度高，運動平穩(wěn)，低速移動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，定位精度高，摩擦阻力小，移動輕便，磨損小、精度保持性好的優(yōu)點，但滾動導(dǎo)軌的抗震性較差，對防護要求

13、較高。2.絲杠螺母機構(gòu)的選用本次設(shè)計給出條件脈沖當(dāng)量為0.01mm/pluse，定位精度為0.05mm，要求較高。且相對于滑動摩擦機構(gòu)，滾動摩擦機構(gòu)具有傳動效率高(達92%98%)，靈敏度高（無顫動、無爬行，同步性好），定位精度高(可以實現(xiàn)無間隙傳動，剛度強，溫升小)，使用壽命長（是普通滑動絲杠的4倍以上，磨損小，精度保持期長）等優(yōu)點。雖然相對于滑動絲杠價位偏高，但是性價比較高，也更加符合設(shè)計所需滿足條件，因此還是選用滑動絲杠螺母機構(gòu)。3.伺服電機的選用任務(wù)書規(guī)定的精度對于步進電動機來說可以滿足，因此本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等。采用開環(huán)控制也能滿足精度

14、要求，以降低成本，提高性價比。4.減速裝置的選用根據(jù)所選用的步進電動機和滾珠絲杠機構(gòu)，計算傳動比來確定是否需要安裝減速裝置?？刂葡到y(tǒng)的設(shè)計本次設(shè)計的XY數(shù)控工作臺用于數(shù)控銑床，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制、兩坐標(biāo)直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應(yīng)該設(shè)計成連續(xù)控制型。對于步進電動機的開環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機8051作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還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(zhuǎn)換電路、串行接口電路等。最后，還要選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。第三章 工作臺傳

15、動裝置的設(shè)計計算3.1導(dǎo)軌上移動部件的重量估算根據(jù)任務(wù)書，向以上質(zhì)量為60Kg估算，包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計總重量G約為680N。3.2銑削力的計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可得立銑時的銑削力計算公式為：表3-1硬質(zhì)合金銑刀銑削力的計算公式（單位N）銑刀類型工件材料銑削力計算公式面銑刀碳素鋼灰鑄鐵可鍛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)計指導(dǎo)書P13、14頁，取銑刀每齒進給量=0.1；銑刀轉(zhuǎn)速=500r/min,其他參數(shù)設(shè)計已經(jīng)給出，數(shù)值如下

16、：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采用立銑刀進行圓柱逆銑時，各銑削力之間的比值查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書P13頁可得出：=(1.01.2) /=(0.20.3) /=（0.350.4） 分別計算出三個方向銑削力為：F=1.1F=1719NF=0.25F=390NF=0.38F=594N由于是立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力F=F=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的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力,徑向銑削力。3.3導(dǎo)軌的設(shè)計及計算滑塊承受工作載荷的計算

17、及導(dǎo)軌型號的選取本設(shè)計中的XY工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，查機械設(shè)計手冊 第二卷P9127頁得則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為， 其中，G工作臺移動部件重量。根據(jù)計算出的工作載荷初選符合要求的直線滾動導(dǎo)軌副的型號。 查機械設(shè)計手冊 第二卷P9132頁到133頁，根據(jù)選取原則，選擇南京工藝裝備制造廠的GGB20BA四方向等載荷窄型滾動直線導(dǎo)軌副。其額定動載荷，額定靜載荷。工作臺尺寸為220mm150mm，加工范圍為200mm120mm，因此初選導(dǎo)軌長度為800mm。距離額定壽命和時間額定壽命的計算1.距離額定壽命的計

18、算上述選取的GGB20BA 型導(dǎo)軌每根導(dǎo)軌上配有兩個滑塊，精度為4 級，工作速度較低，載荷不大，一般把直線.軌的距離.定壽命定為50km，查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書P34頁，則有公式其中為導(dǎo)軌額定動載荷；為硬度系數(shù)，取=1.0；為計算載荷；查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書P35頁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 遠大于期望值50km，設(shè)計符合要求。2. 時間額定壽命的計算預(yù)計導(dǎo)軌的工作10年，年均工作280天每天工作8小時，取導(dǎo)軌副的使用壽命為T=22400h，時間額定壽命可按下式進行計算其中為行程長度，XY工作臺行程為200mm12

19、0mm，取250mm計算；為每分鐘移動部件往返次數(shù)取5次，則滿足設(shè)計要求。滾動導(dǎo)軌副3.4滾珠絲杠副設(shè)計計算及其型號與直徑的選擇滾珠絲杠螺母副的計算1.最大工作載荷的計算 如前面所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷，受到橫向的載荷，受到垂直方向的載荷。已知移動部件總重量G=680，按矩形導(dǎo)軌進行計算，查實用機床設(shè)計手冊顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷為：參考公式2.最大動載荷的計算 本次設(shè)計工作臺最快進給速度，初選絲杠導(dǎo)程，則此時絲杠轉(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，取硬度系數(shù)

20、，代入得載荷系數(shù)如下表：初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)書P219頁選FFZD3205-3型滾珠絲杠副，其公稱直徑為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，精度等級取5級，基本額定動載荷為11.7KN，大于計算的絲杠最大動載荷，選擇適合。確定滾珠絲杠副的螺紋長度：上式中，為有效行程，=行程+螺母長度=200+85=285mm；為安全行程，=5=25mm；為余程，=2=10mm。則計算得：3.5滾珠絲杠副剛度的驗算滾珠絲杠剛度校核滾珠絲杠在軸向力的作用下，將產(chǎn)生伸長或壓縮，在切向力的作

21、用下將產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)和彎曲會使絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，影響到傳動及定位精度，工作臺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余程+螺母長度+支承長度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)緊時的計算公式如下：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，取軸向預(yù)緊力。因此，總變形

22、量，當(dāng)有效行程215mm到300mm時，5級精度的允許行程變量為0.021mm，總變形量滿足設(shè)計要求。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查數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)P61頁，按下列公式計算上式中，為絲桿螺母副的螺紋底徑；為絲桿螺母副最大受壓長度為435mm，為安全系數(shù)，絲杠垂直安裝時K=1/2，絲桿水平安裝取K=1/3 。為安全系數(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，與本次設(shè)計符合，則=4。遠大于，因此絲杠穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求。與支承方式有關(guān)的系數(shù)2. 滾珠絲杠螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗滾珠絲杠螺母副轉(zhuǎn)動時不產(chǎn)

23、生共振的最高轉(zhuǎn)速稱為臨界轉(zhuǎn)速。其計算公式參考數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)P61頁：上式中，為臨界轉(zhuǎn)速的計算長度，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)，可見上表，取=4.73。則帶入?yún)?shù)后上式計算得：3. 滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗滾珠絲杠螺母副的壽命，主要是指疲勞壽命。參照數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計指導(dǎo)P62頁，滾珠絲杠螺母副的疲勞壽命和時間壽命按一下公式計算：式中為額定動載荷，查表得11700N；為軸向載荷，前面計算為1719N；為滾珠絲杠螺母副的轉(zhuǎn)速；為運轉(zhuǎn)條件系數(shù)，無沖擊運轉(zhuǎn)取1.01.2.一般

24、運轉(zhuǎn)取1.21.5，有沖擊運轉(zhuǎn)取1.53.0。則經(jīng)計算得大于22400h，因此絲杠螺母副的壽命滿足要求。3.6絲杠的支承方式及軸承的選擇絲杠支承方式的選擇由于本次設(shè)計的是數(shù)控銑床工作臺，設(shè)計精度較高，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，特別適用于數(shù)控機床。兩端固定支承軸承的選擇實踐證明，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精度和剛度，因此在設(shè)計安裝時應(yīng)認真考慮。為了提高軸向剛度，因此本次設(shè)計采用以角接觸球軸承組合來支承絲杠。因為滾珠絲杠螺母副擬采

25、用預(yù)拉伸措施，所以選用60°角接觸球軸承組背對背安裝，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)計指導(dǎo)P211頁，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)軸承名稱軸承型號內(nèi)徑d外徑D寬度B安裝尺寸安裝尺寸額定動載荷角接觸球軸承760205TNI25mm52mm15mm32mm45mm1.35KN3.7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

26、：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，補償因工作溫度和六螺角母溫度升高而引起的絲杠伸長，保證滋珠絲杠在正常使用時的定位精度和提高滾珠絲杠的系統(tǒng)剛性，對有快速驅(qū)動并有定位精度要求的滾珠絲杠副其絲杠副軸、需要進行預(yù)拉伸力，決定拉伸力時還應(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)計指導(dǎo)P54頁得的計算公式： 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)計算得：3.9機械傳動剛度的計算和校核絲杠軸支承剛度的確定滾珠絲杠支承剛度分兩步計算，首先由于本設(shè)計的軸承有預(yù)緊，因此查數(shù)控指導(dǎo)可知角接觸球軸承

27、有預(yù)緊時的組合剛度公式。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°；為滾動體個數(shù)，前面已算出=25；最大軸向工作載荷=1899N。計算得：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，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=570mm；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，拉壓剛度最?。寒?dāng)絲杠螺母中心距其中一個固定端最近時，拉壓剛度最大：其中為螺母中心到最近的固定端的距離，=135mm。滾珠與滾道的接觸剛度在滾珠絲杠有預(yù)緊時

28、，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。計算得：機械傳動綜合抗壓剛度 ，的計算機械傳動剛度變化引起的定位誤差的校驗查數(shù)控指導(dǎo)P68頁，最大定位誤差計算公式如下：上式中為由機床執(zhí)行部件重量引起的靜摩擦力，；，分別為進給傳動系統(tǒng)在行程范圍內(nèi)的最大、最小綜合拉壓剛度。應(yīng)在定位誤差的1/51/4范圍內(nèi)，即0.01mm之內(nèi)，以上計算值滿足條件。進給系統(tǒng)的死區(qū)誤差的校驗機床執(zhí)行部件反向時的最大反向死區(qū)誤差可按下式計算：=2=上式中為由機床執(zhí)行部件重量引起的靜摩擦力。=2=已知脈沖當(dāng)量為0.01mm，因此滿足條件。3.10計算電機軸上的慣量和轉(zhuǎn)矩，選取

29、步進電機傳動比及步矩角的確定 本次設(shè)計擬采用步進電機直接連接絲杠的方式，因此傳動比為=1；脈沖當(dāng)量為0.01mm/pluse；絲杠導(dǎo)程=5。則步矩角為：0.72°計算折算到電動機軸上的負載慣量1、 滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量上式中為絲杠公稱直徑，=32mm；為絲杠長度=有效行程+螺母長度+設(shè)計余量+兩端支撐長度（軸承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量）+動力輸入連接長度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長度的一半+裕量）=710mm。則計算得:2、 滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉(zhuǎn)動慣量沿直線軸移動物體的慣量為：= （3-18）上式中為絲杠導(dǎo)程；M為移動部件總質(zhì)量。數(shù)據(jù)都為已知，則計算得=3、

30、 總轉(zhuǎn)動慣量=+計算折算到電動機軸上的負載轉(zhuǎn)矩 1.計算切削負載力矩上式中為絲杠導(dǎo)程=0.005m，進給系統(tǒng)的總效率=0.90，=1897N。計算得：2. 計算摩擦負載力矩上式中為空載時導(dǎo)軌摩擦力，=4N，其它數(shù)據(jù)與上面相同。則計算得：3. 計算由滾珠絲杠副的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負載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。則計算得：4. 各坐標(biāo)軸折算到電機軸上的負載力矩的計算空載時：切削時：步進電機的選擇 1、根據(jù)以上計算，查步進電機數(shù)據(jù)，選擇北京和利時機電技術(shù)有限公司的110BYG550B-030混合式步進電機，其步距角為0.72?？蛰d

31、啟動頻率為2200步/s，最大靜轉(zhuǎn)矩為8N.m。具體參數(shù)如下：110BYG550B-030混合式步進電機參數(shù)型號步矩角相數(shù)驅(qū)動電壓相電流額定轉(zhuǎn)矩空載運行頻率轉(zhuǎn)動慣量110BYG550B-0300.72°580V3A8N.m2200該電動機的額定力矩為8Nm，大于空載及切削時電動機軸的負載力矩，因此本電動機滿足驅(qū)動要求。為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，系統(tǒng)的負載總慣量與步進電動機的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應(yīng)滿足：上面已經(jīng)計算出=，因此，滿足匹配要求。2、 步進電動機的性能校核1）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺最快工進速度vmaxf=500mm/min，脈沖當(dāng)量=0.

32、01mm/脈沖求出電動機對應(yīng)的運行頻率fmaxf =500/(60×0.01)Hz 833Hz。從110BYG550B-030電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Tmaxf8N·m，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩Tmaxf=Tt+Tf=1.6835N·m，滿足要求。圖3-10電動機的運行矩頻特性曲線圖2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度vmax=1500mm/min，求出電動機對應(yīng)的運行頻率fmax =1500/（60×0.01）Hz =2500Hz。從圖查得，在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩Tmax =

33、6.5 N·m，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩Teq1 = 0.275N·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vmax =1500mm/min對應(yīng)的電動機運行頻率fmax=2500Hz。查表4-5可知110BYG550B-030電動機的極限運行頻率為20000Hz，可見沒有超出上限。4）起動頻率的計算已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量J總=7.68 kg·c m2電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm =9.7 kg·c m2，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的最高起動頻率fq=2200Hz.則可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率：=1643Hz上式說

34、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1388Hz。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100Hz（即100脈沖/s）。綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用110BYG550B-030步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。3.11聯(lián)軸器的選擇根據(jù)選出的電機和絲杠的參數(shù)，選擇薄片彈性聯(lián)軸器，不僅可以簡化結(jié)構(gòu)，減少噪聲，而且對減少傳動鏈的間隙、提高傳動剛度也大有好處。因為滾珠絲杠的公稱直徑為32mm，所以選擇04號內(nèi)徑為32的膜片彈性聯(lián)軸器。第四章 工作臺電氣控制部分的設(shè)計與計算4.1工作臺電氣控制部分總體設(shè)計控制系統(tǒng)框圖4.2 控制器的選擇MCS-51系列單片

35、機中的基本型產(chǎn)品是8051,8031和8751，這三個產(chǎn)品只是片內(nèi)程序存儲器制造工藝不同。8051的片內(nèi)程序存儲器ROM為掩膜型的在制造芯片時已將應(yīng)用程序固化進去，使它具有了某種專用功能；8031無ROM，使用時需外接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。MCS-51系列單片機具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，硬件設(shè)計簡單靈活，成本低且不需要特殊的開發(fā)手段等優(yōu)點，在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。本次設(shè)計選用MCS-51系列單片機中的8051。8051單片機引腳圖4.3步進電機驅(qū)動器的選擇由于本次設(shè)計所選用的是北京和利時機電技術(shù)有限公司的五相十拍110BYG550B-030混

36、合式步進電機，因此步進電機驅(qū)動器同樣選用該公司生產(chǎn)的與其相配套的SH-50806B型步進電機驅(qū)動器，其特點有：1.數(shù)字化升頻升壓結(jié)合恒流控制技術(shù)；2.運行平穩(wěn)、低噪音、低振動3.最大輸出驅(qū)動電流 6.0A/相；4.輸入信號 TTL 兼容；5.輸入輸出信號光電隔離；6.過壓保護及過流保護功能；7.脫機保持功能；8.撥碼選擇適配多種型號電機；9.單/雙脈沖方式可選；10.整/半步運行模式可選；11.提供零位信號輸出；12.提供故障信號輸出；13.斷電記憶功能；14.自動半電流可選。其主要性能指標(biāo)有：其驅(qū)動器控制接線圖如下：驅(qū)動器接線圖4.4其他輔助電路設(shè)計4.4.1 8051的時鐘電路單片機的時鐘

37、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，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式時，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。時鐘電路復(fù)位電路單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機就實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實際運用中，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，可以直接相連。實用復(fù)位電路圖如下所示： 復(fù)位電路限位電路為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開關(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)任何一個行程開關(guān)被壓下的時候，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)計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至8051的外部中斷