立式數控銑床X-Y數控工作臺[非常完美,高分課程設計]

1、課程名稱：學 院：姓 名：年 級：課程設計 數控技術課程設計 機械學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 號： 機電083 任課教師：2012年 1 月 16 日貴州大學課程設計（論文）任務書學生姓名： 指導教師： 任務書發(fā)出時間 2011年12月25日 設計時間 2011年12月26日2012年1月16日 設計（論文）題目 數控技術課程設計 設計（論文）內容 結合設計任務的要求擬定總體機械和電氣控制設計方案。 根據擬定的機械設計方案進行二坐標數控工作臺的機械結構設計計算和元件的選用。 根據擬定的電氣設計方案進行數控系統(tǒng)控制電路的框圖設計及驅動控制電路的計算和元件選用。 根據指定要求進行有關軟件

2、的流程圖設計。 對指定的軟件程序進行編寫。 進行機械結構的工程圖和電氣原理圖的繪制。 編寫設計說明書。設計（論文）的要求（含說明書頁數、圖紙份量） 方案擬定正確。 設計計算根據來源可靠，計算數據準確無誤。 元氣件選用正確規(guī)范符合國家頒布標準。 機械結構圖紙繪制視圖完整、符合最新國家標準，圖面整潔、質量高。 電氣部份圖紙要求符合國家標準，圖面布局合理、整潔、質量高。 機械和電氣部份圖紙總量為 1.5 張“0”號圖量，其中含機械裝配圖12張、電氣控制原理框圖及計算機I/O接口和驅動控制電路等電氣原理圖12張。 課程設計說明書應闡述整個設計內容：如課題來源現實意義、總體方案確定、系統(tǒng)框圖分析、電氣執(zhí)

3、行元件的選用說明、機械傳動和驅動電路的設計計算以及機械和電氣的其它部分。說明書要突出重點和特色，圖文并茂、文字通暢、計算正確、字跡清晰、內容完整。說明書頁數不少于 20 頁目 錄摘 要 . 1第一章 前言 . 1第二章 設計任務 . 2第三章 設計主要步驟 . 23.1 確定設計總方案 . 23.1.1 機械傳動部件的選擇 . 23.1.2 控制系統(tǒng)的設計 . 33.2 機械傳動部件的計算和選擇 . 43.2.1 工作臺外形尺寸及重量初步估算 . 43.2.2 計算切削力 . 53.2.3 滾動導軌的設計計算 . 63.2.4 滾珠絲杠傳動設計計算及校驗 . 83.2.5 步進電機的傳動計算及

4、電動機的選用 . 12第四章 控制系統(tǒng)的設計 . 194.1 進給控制系統(tǒng)原理框圖 . 204.2 驅動電路流程設計 . 204.3 驅動電源的選用，及驅動電源與控制器的接線方式 . 21第五章 驅動電路設計 . 225.1 驅動電路的時間常數 . 225.2 電源電路的確定 . 225.3 元器件的確定 . 235.3.1 確定三極管 . 235.3.2 確定R2和R3 . 23第六章 機械部分裝配圖的繪制 . 24第七章 結論 . 24參考文獻 . 25致 謝 . 26貴州大學本科課程設計論文 機電摘 要當今世界電子技術迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術領域得到了廣泛應用，對各領域技術

5、的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機電一體化產品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關鍵字：機電一體化的基礎 基本組成要素 發(fā)展趨勢 滾珠絲杠 滾動導軌 步進電機AbstractNow the world electronic technology rapidly expand, the micro

6、processor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, i

7、mplementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo dr

8、ive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematiza

9、tion as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.1貴州大學本科課程設計論文 機電083第一章 前言當今世界數控技術及裝備發(fā)展的趨勢及我國數控裝備技術發(fā)展和產業(yè)化的現狀 在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數控技術及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,

10、并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數控技術及裝備的幾點看法。裝備工業(yè)的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度 ,數控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和最基本的裝備 ,又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術 ,而數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品 ,其技術范圍覆蓋很多領域。數控機床課程設計是一個重要的時間性教學環(huán)節(jié)，要求學生綜合的運用所學的理論知識，獨立進行的設計訓練，主要目的：1、通過設計，使學生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數控機床的基本組成及其想關知

11、識，學習總體的方案擬定、分析與比較的方法。2、通過對機械系統(tǒng)的設計，掌握幾種典型傳動元件與導向元件的工作原理、設計計算及選用的方式3、通過對機械系統(tǒng)的設計，掌握常用伺服電機的工作原理、計算控制方法與控制驅動方式4、培養(yǎng)學生獨立分析問題和解決問題的能力，學習并樹立“系統(tǒng)設計”的思想5、鍛煉提高學生應用手冊和標準、查閱文獻資料及撰寫科技論文的能力1貴州大學本科課程設計論文 機電083第二章 設計任務設計一套供立式數控銑床使用的X-Y數控工作臺，主要參數如下：1、立銑刀最大直徑的d=15mm，立銑刀齒數Z=3，最大銑削寬度ac=15mm最大背吃刀量ap=8mm，加工材料為碳素鋼或有色金屬。2、X、Z

12、方向的定位精度均為0.04mm。3、工作臺面尺寸為250mm250mm，加工范圍為300mm120mm4、工作臺空載進給最快移動速度： Vxmax = Vymax =1500mm/min，工作臺進給最快移動速度:Vxmaxf=Vymaxf=400mm/min，加減速0.3s。第三章 設計主要步驟3.1 確定設計總方案3.1.1 機械傳動部件的選擇1、絲杠螺母副的選擇步進電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足初選0.01mm脈沖當量，因為定位精度0.04mm，對于機械傳動要有一定的精度損失，大約是1/3-1/2的定位精度，現取為1/2，即是0.02mm和0.04mm的定位精度

13、，滑動絲杠副無法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、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。同時選用內循環(huán)的形式，因為這樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結構緊湊，軸向剛度高。由于定位精度不高，故選擇的調隙方式是墊片調隙式，這種調隙方式結構簡單，剛性好，裝卸方便。2貴州大學本科課程設計論文 機電083由于工作臺最快的移動速度Vxmax = Vymax =1500mm/min，所需的轉速不高，故可以采用一般的安裝方法，即一端固定，一端游動的軸承配置形式。2、導軌副的選用要設計數控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直

14、線滾動導軌副，它具有摩擦系數小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。3、伺服電機的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏低，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務書初選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1500mm/min,故本設計不必采用高檔次的伺服電機，因此可以選用混合式步進電機，以降低成本，提高性價比。4、減速裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，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

15、軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構，如果要選用減速裝置，則應選用無間隙齒輪傳動減速箱。3.1.2 控制系統(tǒng)的設計1、設計的X-Y工作臺準備用在數控銑床上，其控制系統(tǒng)應該具有輪廓控制，兩坐 標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型。2、對于步進電動機的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。3、要設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器，I/O接口電路，D/A轉換電路，串行接口電路等。4、選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。 3貴州大學本科課程設計論文 機電083

16、3.2 機械傳動部件的計算和選擇3.2.1工作臺外形尺寸及重量初步估算根據給定的有效行程,估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。 XY工作臺如圖所示:X向拖板(上拖板)尺寸為:長*寬*高=320*270*40重量:按重量=體積*材料比重估算為:Wx= 3202704010-37.810-2N=270N Y向拖板(下拖板)尺寸為:長*寬*高=32032040重量WY=3203204010-37.810-2N=320N上導軌(含電機)估算重量為：240N夾具及工件重量:150NX-Y工作臺運動部分總重量為:270N+320N+240N+150N=800N按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包

17、括工件、夾具、工作平臺、上4貴州大學本科課程設計論文 機電083層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為800N。3.2.2 計算切削力根據設計任務，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數：立銑刀 最大直徑的d=15mm立銑刀齒數Z=3最大切削寬度ae=15mm最大背吃刀量ap=8mm設零件的加工方式為立式加工，采用硬質合金銑刀，工件材料為碳素鋼。由【5】中P13頁的表中，可知d=15mm的硬質合金立銑刀最大的切削參數如下：每齒進給量fz=0.1mm銑刀轉速n=300r/min由【2】中P200,查得立銑時切削力計算公式為：0.850.75-0.731.00.10Fc

18、=118aefzdapnZ代如上式得： Fc=118150.850.10.7515-0.7381.03000.103N1229N采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由【2】中查得，各銑削力之間的比值范圍如下：Ff/Fc=(1.01.2) 取1.1Ffn/Fc=(0.20.3) 取0.25Fe/Fc=（0.350.4） 取0.38考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險的工況。由此可估算三個方向的銑削力分別為：Ff=1.1Fc1352N（與絲杠軸線平行） Fe=0.38Fc468N（與工作臺面垂直） Ffn=0.25Fc307N（與絲杠軸線垂直）5貴州大

19、學本科課程設計論文 機電083考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力Fz，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn 今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力Fx，徑向銑削力為Fy。Fx=Ff=1352N Fy=Ffn=307N Fz=Fe=468N3.2.3 滾動導軌的設計計算1、工作載荷的計算 工作載荷是影響導軌副壽命的重要因素，對于水平布置的十字工作臺多采用雙導軌、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，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： Fmax=G+F 4其中，移動部件重量G=800N,外加載荷外加載荷F=Fe=468N得最大工作載

20、荷Fmax=668N=0.668kN。2、小時額定工作壽命的計算 預期工作臺的工作壽命為5年，一年365天，取工作時間為360天，每天工作8小時，因此得到小時額定工作壽命Lh=14400h3、距離額定壽命計算 L10-32LnS60由公式Lh=，從而得到L=h3 2nS6010式中：Lh為小時額定工作壽命。n為移動件每分鐘往復次數（46）取5 S為移動件行程長度，由加工范圍為300mm120mm取330mm代入數據 得：L=2851km .4、額定動載荷計算 6貴州大學本科課程設計論文 機電083由公式L=6.25(Ca/F)3從而得到：Ca=F式中：Ca為額定動載荷L為距離工作壽命，由上式可

21、知為2851kmF為滑塊的工作載荷，由上式可知為668N代入數據得： Ca=5120N5、產品選型 根據額定動載荷，選擇滾動導軌，查滾動導軌生產廠家，選用南京工藝裝備制造有限公司的GGB16BA型，相關尺寸如下圖4所示，圖47貴州大學本科課程設計論文 機電083可知其額定動載荷C=6.07KN，大于4580N，故可知滿足要求。6、安裝連接尺寸 對于導軌的安裝按照如圖4所示相關尺寸安裝。 3.2.4滾珠絲杠傳動設計計算及校驗1、最大工作載荷的計算 已知移動部件總重量G=800N，按滾動導軌計算，由【3】中P389，取顛覆力影響系數K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數查【1】中P194可知u=0.00

22、250.005,現取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：Feq=kFx+u(Fy+FZ+G)=1.11352+0.005(307+468+800)=1495N2、最大計算動載荷的確定 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=400mm/min，初選絲杠導程P=5mm,則此時絲杠轉速neq=v/P=80r/min。預計滾珠絲杠的工作5年,每年算360天，每天工作8小時，由此得使用壽命為： T=53608=14400h，根據【1】中P110，公式54得：T=其中 T使用壽命 14400 hN循環(huán)次數neq滾珠絲杠的當量轉速 80r/min60801440069（106r） 61060

23、neqT106=10-6N求得：T=查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等沖擊載荷取值范圍fd=1.21.5，現取fd=1.3，滾道硬度為60HRC時，硬度影響系數取值fh=1.0，由【1】中P109，式5-3 Cc=3dfhFeq代入數據得：Cc=31.31.014957971N3、規(guī)格型號的初選 8貴州大學本科課程設計論文 機電083根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查網上生產該型號的生產廠家的資料，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的GDM系列2005-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，

24、精度等級取5級，螺母安裝尺寸L=80mm，額定動載荷為9309N，大于最大計算動載荷Cc=7971N，滿足要求。9貴州大學本科課程設計論文 機電083滾珠絲杠螺母副幾何參數 （單位mm）表一4、傳動效率的計算 將公稱直徑d0=20mm,導程P=5mm,代入=arctanP/(d0)，得絲杠螺旋升角=433。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得傳動效率=96.4%。5、剛度的驗算 X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“一端固定-一端游動”的軸承配置形式?？芍@種安裝適用于較高精度、中等載荷的絲杠，一端采用深溝球軸承，一端采用一對背對背角接觸球軸承,這樣能承受集中力偶。 絲杠螺母的

25、剛度的驗算可以用接觸量來校核。a、滾珠絲杠滾道間的接觸變形量，查【3】中相關公式，根據公式Z=d0/dW，求得單圈滾珠數Z=20；該型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數列數為32，代入公式Z=Z圈數列數，得滾珠總數量Z=120。絲杠預緊時，取軸向預緊力Fy=Feq/3=498N。查【3】中相關公式，得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形 1=0.0013Pa/Pa=1=0.0013Pa/33式中 30.00131495/=0.0014。=因為絲杠有預10貴州大學本科課程設計論文 機電083緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取1=0.0007mm。b、 絲杠在工作載荷Fmax作用下的抗拉壓變

26、形2絲杠采用的是一端采用深溝球軸承，一端采用一對背對背角接觸球軸承的配置形式，軸承的中心距a=500mm,鋼的彈性模量E=2.1105MPa,由表一中可知，滾珠直徑dw=3.175mm,2絲杠底徑d2=16.2mm，則絲杠的截面積S=d22/4=206.12mm,由【7】中，式3-352=Feqa/ES其中， 最大工作載荷Feq=1495N中心距a=500mm彈性模量E=2.1105MPa2截面積S=d22/4=206.12mm代入以上數據，得 2=0.0172mm則總=1+2=0.0007+0.0172=0.0179mm=17.9m本例中，絲杠的有效行程取330mm，由【3】中知，5級精度滾

27、珠絲杠有效行程在315400mm時，行程偏差允許達到25m，可見絲杠剛度足夠。11貴州大學本科課程設計論文 機電0836、穩(wěn)定性的驗算 fk2EI根據【3】中 式5.7-17 Pa=2。 LK取支承系數fk=2；4由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩I=d2/643380 mm；壓桿穩(wěn)定安全系數K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離L取最大值415mm。代入公式，得Pa=27089N=F大于Cc=7533N，故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。 7、臨界轉速的驗算 對于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗算其臨界轉速，不會發(fā)生共振的最高轉速為臨界轉f22d2速nc，由【1】中P111式5-10

28、得：nc=99102 Lc其中 d2=d0-1.2Dw=20-1.23.175=16.19mm Lc為臨界轉速計算長度Lc=d2=16.2 f2為絲杠支承方式系數f2=3.927（一端固定，一端游動） 代入數據得：nc =9428r/min 臨界轉速遠大于絲杠所需轉速，故不會發(fā)生共振。 8、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定 由以上驗算可知，選用GDM2005型的絲杠，完全符合滿足所需要求，故確定選用該型號，由表一可知絲杠所需的安裝連接尺寸3.2.5 步進電機的傳動計算及電動機的選用1、傳動計算 因為該銑床的加工精度為0.04mm，脈沖當量為0.01mm/Hz，考慮到最初決定不用減速箱取減速比

29、i=1算的電機步距角：12貴州大學本科課程設計論文 機電083=360i/Pb=0.72由于傳動比為1，則不需要選用減速箱，采用電動機軸與絲杠通過聯軸器聯接的方式。2、步進電動機的計算和選型 a、步進電動機轉軸上的總轉動慣量的計算。總轉動慣量J主要包括電動機轉子的轉動慣量、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉動慣量。、滾珠絲杠的轉動慣量J由【1】中P134式5-28得：J=0.77D4L10-12式中 D為絲杠公稱直徑D=20mmL為絲杠長度=有效行程+螺母長度+設計余量+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（如果使用聯軸器則大致是聯軸器長度的一半+裕量）=3

30、30+80+20+140+40=610代入數據，得：J=0.7720461010-12=7.5210-5kg.、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉動慣量由【1】中式5-29得：J2=(s2)M10-6 2其中 M為工作臺的（包括工件）的質量M= S為絲杠螺距S=5mm G800=81.6kg g9.8代入數據，得：J2=(52)81.610-6=5.210-5kg.m2 2 、初選常州寶馬前楊電機電器有限公司的90YG5502型混合式步進電動機，可知其轉子的轉動慣量J3=410-4kg.所以Jd=J1+J2+J3=7.5210-5+5.210-5+410-4=5.310-4 Nm驗算

31、慣量匹配，電動機軸向慣量比值應控制在一定的范圍內，既不應太大也不應太小，即伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性取決于負載特性。為使該系統(tǒng)慣量達到較合理J410-4的配合，一般比值控制在1/41之間， 錯誤！未指定書Jd5.31013貴州大學本科課程設計論文 機電083簽。由此可見:1J31/fy=0.455 (ms)5.2 電源電路的確定若選用線路簡單的串聯電阻法改善電流上升沿，其時間常數為22貴州大學本科課程設計論文 機電083i=L/(Rm+R0)則 R0=(LiRm)/ i 其中 i=0.455 (ms)所以需要串聯如此一個電阻，在該電阻上損失功率為52.2W，顯然不合理，所以采用低壓電源直接驅動。5.3

32、 元器件的確定5.3.1確定三極管表5-15.3.2 確定R2和R3從T1和T2性能數據知UBE2.5V，故UR32.5V，而負載電流=3A，取IL=3A，T1基極電流IB為IB=IL/hFE=3/3000=1 (mA) 式中：hFE電流放大倍數。因此T1等效輸入電阻為RT1=UBE/IB=2.5k。光耦合器光敏三極管的輸入等效電路見圖5-1. 從等效電路可得IC1=I3IB I3R3=UBE=2.5IC1R2=EnUBE=27.5 (V)選光耦合器輸入電流Ii=10mA(最大電流50mA)，電流傳輸比CTR=30%，所以有IC1=IiCTR=3 (mA)解上述方程組得：R31.25（k） R29.2(k)圖5-123貴州大學本科課程設計論文 機電083第六章 機械部分裝配圖的繪制裝配圖見附件CAD A0圖紙步進電機控制驅動流程圖見CAD A4圖紙第七章 結論整個系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，進給系統(tǒng)采用了GDM系列滾珠絲杠副，其型號為：2005-3。以提高整個系統(tǒng)的進給要求。伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機通過彈性聯軸器直接與滾珠絲杠連接驅動絲杠