立式數(shù)控銑床x-y數(shù)控工作臺課程設(shè)計(jì)

1、<p>　　數(shù)控方向課程設(shè)計(jì)說明書</p><p>　　數(shù)控銑床X-Y數(shù)控工作臺的設(shè)計(jì) </p><p>　　院 （系） 機(jī)械工程學(xué)院 </p><p>　　專 業(yè) 機(jī)械工程及自動化 </p><p>　　班 級 </p><

2、p>　　學(xué) 生 </p><p>　　指導(dǎo)老師 </p><p>　　2013 年 1 月 1 日</p><p>　　數(shù)控方向課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</p><p>　　茲發(fā)給 機(jī)械 班學(xué)生 設(shè)計(jì)任務(wù)書，內(nèi)容如下：</p>

3、<p>　　設(shè)計(jì)題目： </p><p><b>　　應(yīng)完成的項(xiàng)目：</b></p><p>　?。?） 確定設(shè)計(jì)總方案

4、 </p><p>　　（2） 機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選擇 </p><p>　?。?） 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p&

5、gt;　?。?） 驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) </p><p>　?。?） 機(jī)械部分裝備圖的繪制 </p><p>　　（6） 編寫20頁左右的詳細(xì)說明書

6、 </p><p><b>　　參考資料以及說明：</b></p><p>　?。?）文懷興、夏田 .《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 北京：北京化工出版社，2005. </p><p>　　（2）楊建明. 《數(shù)控加工工藝與編程》北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.

7、 </p><p>　　本設(shè)計(jì)任務(wù)書于2012年 11 月 14日發(fā)出，應(yīng)于2012年 12月21日前完成，然后進(jìn)行答辯。</p><p>　　指導(dǎo)教師 簽發(fā) 年 月 日</p><p><b>　　目 錄</b

8、></p><p><b>　　第一章 前言1</b></p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)2</p><p>　　第三章 設(shè)計(jì)主要步驟2</p><p>　　3.1 確定設(shè)計(jì)總方案2</p><p>　　3.1.1 機(jī)械傳動部件的選擇2</p><p&

9、gt;　　3.1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3</p><p>　　3.2 機(jī)械傳動部件的計(jì)算和選擇4</p><p>　　3.2.1 工作臺外形尺寸及重量初步估算4</p><p>　　3.2.2 計(jì)算切削力5</p><p>　　3.2.3 滾動導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算6</p><p>　　3.2.4 滾珠

10、絲杠傳動設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)8</p><p>　　3.2.5 步進(jìn)電機(jī)的傳動計(jì)算及電動機(jī)的選用12</p><p>　　第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)19</p><p>　　4.1 進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖20</p><p>　　4.2 驅(qū)動電路流程設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.3 驅(qū)動電源的選用，及驅(qū)動電

11、源與控制器的接線方式21</p><p>　　第五章 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)22</p><p>　　5.1 驅(qū)動電路的時(shí)間常數(shù)22</p><p>　　5.2 電源電路的確定22</p><p>　　5.3 元器件的確定23</p><p>　　5.3.1 確定三極管23</p><p&

12、gt;　　5.3.2 確定R2和R323</p><p>　　第六章 機(jī)械部分裝配圖的繪制24</p><p>　　第七章 結(jié)論24</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)25</b></p><p><b>　　致 謝26</b></p><p><b&

13、gt;　　第一章 前言</b></p><p>　　當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀 在我國對外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)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 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法?！　⊙b備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展

14、新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 </p><p>　　《數(shù)控機(jī)床》課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的時(shí)間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運(yùn)用所學(xué)的理論知識，獨(dú)立進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的：<

15、/p><p>　　1、通過設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其想關(guān)知識，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。</p><p>　　2、通過對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方式</p><p>　　3、通過對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)的工作原理、計(jì)算控制方法與控制驅(qū)動方式</p>&l

16、t;p>　　4、培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想</p><p>　　5、鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力</p><p>　　第二章 設(shè)計(jì)任務(wù)</p><p>　　設(shè)計(jì)一套供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：</p><p>　　1、立銑刀最大直徑的d=

17、15mm，立銑刀齒數(shù)Z=3，最大銑削寬度=15mm</p><p>　　最大背吃刀量=8mm，加工材料為碳素鋼或有色金屬。</p><p>　　2、X、Z方向的定位精度均為±0.04mm。</p><p>　　3、工作臺面尺寸為250mm×250mm，加工范圍為300mm×120mm</p><p>　　4、工作

18、臺空載進(jìn)給最快移動速度： Vxmax = Vymax =1500mm/min，工作臺進(jìn)給最快移動速度:，加減速0.3s。</p><p>　　第三章 設(shè)計(jì)主要步驟</p><p>　　3.1 確定設(shè)計(jì)總方案</p><p><b>　　機(jī)械傳動部件的選擇</b></p><p><b>　　、絲杠螺母副的選擇

19、</b></p><p>　　步進(jìn)電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，需要滿足初選0.01mm脈沖當(dāng)量，因?yàn)槎ㄎ痪?#177;0.04mm，對于機(jī)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(xiàn)取為1/2，即是±0.02mm和±0.04mm的定位精度，滑動絲杠副無法做到，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長

20、、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。</p><p>　　同時(shí)選用內(nèi)循環(huán)的形式，因?yàn)檫@樣摩擦損失小，傳動效率高，且徑向尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，軸向剛度高。</p><p>　　由于定位精度不高，故選擇的調(diào)隙方式是墊片調(diào)隙式，這種調(diào)隙方式結(jié)構(gòu)簡單，剛性好，裝卸方便。</p><p>　　由于工作臺最快的移動速度Vxmax = Vymax =1500mm/min，所需的轉(zhuǎn)速不高，故可

21、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。</p><p><b>　　、導(dǎo)軌副的選用</b></p><p>　　要設(shè)計(jì)數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。</p><p><b>　　、伺服電機(jī)的

22、選用</b></p><p>　　選用步進(jìn)電動機(jī)作為伺服電動機(jī)后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進(jìn)電動機(jī)來說還是偏低，為了確保電動機(jī)在運(yùn)動過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用開環(huán)控制，任務(wù)書初選的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有1500mm/min,故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電機(jī)，以降低成本，提

23、高性價(jià)比。</p><p><b>　　、減速裝置的選用</b></p><p>　　選擇了步進(jìn)電動機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動部件折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)，如果要選用減速裝置，則應(yīng)選用無間隙齒輪傳動減速箱。</p><p>　　3.1.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)<

24、/p><p>　　、設(shè)計(jì)的X-Y工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。</p><p>　　、對于步進(jìn)電動機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52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)。</p><p>　　、要設(shè)計(jì)一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，

25、還要擴(kuò)展程序存儲器，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。</p><p>　　、選擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用。</p><p>　　3.2 機(jī)械傳動部件的計(jì)算和選擇</p><p>　　3.2.1工作臺外形尺寸及重量初步估算</p><p>　　根據(jù)給定的有效行程,估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。</

26、p><p>　　XY工作臺如圖所示:</p><p>　　X向拖板(上拖板)尺寸為:</p><p>　　長*寬*高=320*270*40</p><p>　　重量:按重量=體積*材料比重估算為:</p><p><b>　　= N=270N</b></p><p>　　Y向拖

27、板(下拖板)尺寸為: </p><p><b>　　長*寬*高=</b></p><p><b>　　重量=N=320N</b></p><p>　　上導(dǎo)軌(含電機(jī))估算重量為：240N</p><p>　　夾具及工件重量:150N</p><p>　　X-Y工作臺運(yùn)動部分總

28、重量為:</p><p>　　270N+320N+240N+150N=800N</p><p>　　按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為800N。</p><p>　　3.2.2 計(jì)算切削力</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，加工材料為碳素鋼

29、或有色金屬及如下參數(shù)：</p><p>　　立銑刀 最大直徑的d=15mm</p><p><b>　　立銑刀齒數(shù)Z=3</b></p><p>　　最大切削寬度=15mm</p><p>　　最大背吃刀量=8mm</p><p>　　設(shè)零件的加工方式為立式加工，采用硬質(zhì)合

30、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(zhì)合金立銑刀最大的切削參數(shù)如下：</p><p>　　每齒進(jìn)給量fz=0.1mm</p><p>　　銑刀轉(zhuǎn)速n=300r/min</p><p>　　由【2】中P200,查得立銑時(shí)切削力計(jì)算公式為：</p><p>　　代如上式得： </p>&

31、lt;p>　　采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，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：</p><p>　　=(1.0~1.2) 取1.1</p><p>　　/=(0.2~0.3) 取0.25</p><p>　　/=（0.35~0.4） 取0.38</p><p>　　考慮逆銑時(shí)的情況，因?yàn)槟驺姷?/p>

32、情況的受力最大的情況，為了安全考慮這種最危險(xiǎn)的工況。由此可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：</p><p><b>　?。ㄅc絲杠軸線平行）</b></p><p><b>　　（與工作臺面垂直）</b></p><p><b>　?。ㄅc絲杠軸線垂直）</b></p><p>　　考

33、慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和</p><p>　　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，徑向銑削力為。</p><p><b>　　滾動導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算</b></p><p><b>　　、工作載荷的計(jì)算</b></p><p>　　工作載荷

34、是影響導(dǎo)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(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為：</p><p>　　其中，移動部件重量G=800N,外加載荷外加載荷</p><p><b>　　得最大工作載荷。</b></p><p>　　、小時(shí)額定工作壽命的

35、計(jì)算</p><p>　　預(yù)期工作臺的工作壽命為5年，一年365天，取工作時(shí)間為360天，每天工作8小時(shí)，因此得到小時(shí)額定工作壽命</p><p><b>　　、距離額定壽命計(jì)算</b></p><p><b>　　由公式，從而得到</b></p><p>　　式中：為小時(shí)額定工作壽命。</p

36、><p>　　n為移動件每分鐘往復(fù)次數(shù)（4—6）取5</p><p>　　S為移動件行程長度，由加工范圍為300mm×120mm取330mm</p><p>　　代入數(shù)據(jù) 得：L=2851km .</p><p><b>　　、額定動載荷計(jì)算</b></p><p><b>　　

37、由公式</b></p><p><b>　　從而得到：</b></p><p><b>　　式中：為額定動載荷</b></p><p>　　L為距離工作壽命，由上式可知為2851km</p><p>　　F為滑塊的工作載荷，由上式可知為668N</p><p>　

38、　代入數(shù)據(jù)得： =5120N</p><p><b>　　、產(chǎn)品選型</b></p><p>　　根據(jù)額定動載荷，選擇滾動導(dǎo)軌，查滾動導(dǎo)軌生產(chǎn)廠家，選用南京工藝裝備制造有限公司的GGB16BA型，相關(guān)尺寸如下圖4所示， </p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　可知其額定動載荷

39、C=6.07KN，大于4580N，故可知滿足要求。</p><p><b>　　、安裝連接尺寸</b></p><p>　　對于導(dǎo)軌的安裝按照如圖4所示相關(guān)尺寸安裝。</p><p>　　3.2.4滾珠絲杠傳動設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)</p><p>　　、最大工作載荷的計(jì)算</p><p>　　已知移動部

40、件總重量G=800N，按滾動導(dǎo)軌計(jì)算，由【3】中P389，取顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查【1】中P194可知u=0.0025—0.005,現(xiàn)取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：</p><p>　　=1.1×1352+0.005×(307+468+800)</p><p><b>　　=1495N</b></p

41、><p>　　、最大計(jì)算動載荷的確定</p><p>　　設(shè)工作臺在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程P=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速=v/P=80r/min。</p><p>　　預(yù)計(jì)滾珠絲杠的工作5年,每年算360天，每天工作8小時(shí)，由此得使用壽命為：</p><p>　　T=5×360×8=14

42、400h，根據(jù)【1】中P110，公式5—4得：=</p><p>　　其中 T——使用壽命 14400 h</p><p><b>　　N——循環(huán)次數(shù)</b></p><p>　　——滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 80r/min</p><p><b>　　求得：≈69（）</b></p&g

43、t;<p>　　查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等沖擊載荷取值范圍，現(xiàn)取，滾道硬度為60HRC時(shí)，硬度影響系數(shù)取值，由【1】中P109，式5-3 </p><p>　　代入數(shù)據(jù)得：≈7971N</p><p><b>　　、規(guī)格型號的初選</b></p><p>　　根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查網(wǎng)上生產(chǎn)該

44、型號的生產(chǎn)廠家的資料，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的GDM系列2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器雙螺母墊片預(yù)緊式滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈×2系列，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(jì)算動載荷=7971N，滿足要求。</p><p>　　滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) （單位mm）<

45、;/p><p><b>　　表一</b></p><p><b>　　、傳動效率的計(jì)算</b></p><p>　　將公稱直徑d0=20mm,導(dǎo)程P=5mm,代入λ=arctan[P/(d0)]，得絲杠螺旋升角λ=4°33′。將摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率η=96.4%。</

46、p><p><b>　　、剛度的驗(yàn)算</b></p><p>　　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。可知這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。</p><p>　　絲杠螺母的剛度的驗(yàn)算可以用接觸量來校核。</p>

47、<p>　　a、滾珠絲杠滾道間的接觸變形量δ，查【3】中相關(guān)公式，根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為32，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=120。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力/3=498N。查【3】中相關(guān)公式，得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形 式中 Pa==。因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取=0.0007mm。</p><p>　　絲

48、杠在工作載荷作用下的抗拉壓變形</p><p>　　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=2.110MPa,由表一中可知，滾珠直徑=3.175mm,絲杠底徑=16.2mm，則絲杠的截面積S==206.12,由【7】中，式3-35</p><p>　　其中， 最大工作載荷=1495N</p

49、><p>　　中心距a=500mm</p><p>　　彈性模量E=2.110MPa</p><p>　　截面積S==206.12</p><p>　　代入以上數(shù)據(jù)，得 =0.0172mm</p><p>　　則δ總=δ1+δ2=0.0007+0.0172=0.0179mm=17.9</p><

50、p>　　本例中，絲杠的有效行程取330mm，由【3】中知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到25，可見絲杠剛度足夠。</p><p><b>　　、穩(wěn)定性的驗(yàn)算</b></p><p>　　根據(jù)【3】中 式5.7-17 。</p><p><b>　　取支承系數(shù)=2；</b&g

51、t;</p><p>　　由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380 mm；</p><p>　　壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)K取3（絲杠臥式水平安裝）；</p><p>　　滾動螺母至軸向固定處的距離L取最大值415mm。</p><p>　　代入公式，得P=27089N=F大于=7533N，故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。</p>&

52、lt;p><b>　　、臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算</b></p><p>　　對于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速，由【1】中P111式5-10得：</p><p>　　其中 20-1.2×3.175=16.19mm</p><p><b>　　為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長度</b>&l

53、t;/p><p>　　為絲杠支承方式系數(shù)=3.927（一端固定，一端游動）</p><p>　　代入數(shù)據(jù)得：nc =9428r/min</p><p>　　臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會發(fā)生共振。</p><p>　　、滾珠絲杠的選型及安裝連接尺寸的確定</p><p>　　由以上驗(yàn)算可知，選用GDM2005型的絲杠，

54、完全符合滿足所需要求，故確定選用該型號，</p><p>　　由表一可知絲杠所需的安裝連接尺寸</p><p>　　3.2.5 步進(jìn)電機(jī)的傳動計(jì)算及電動機(jī)的選用</p><p><b>　　、傳動計(jì)算</b></p><p>　　因?yàn)樵撱姶驳募庸ぞ葹?#177;0.04mm，脈沖當(dāng)量為0.01mm/Hz，</p&

55、gt;<p>　　考慮到最初決定不用減速箱取減速比i=1算的電機(jī)步距角：</p><p>　　α=360iδ/Pb=0.72°</p><p>　　由于傳動比為1，則不需要選用減速箱，采用電動機(jī)軸與絲杠通過聯(lián)軸器聯(lián)接的方式。</p><p>　　、步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算和選型</p><p>　　a、步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動

56、慣量的計(jì)算。</p><p>　　總轉(zhuǎn)動慣量J主要包括電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量。</p><p>　?、?、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量J</p><p>　　由【1】中P134式5-28得：</p><p>　　式中 D為絲杠公稱直徑D=20mm</p><p>　　L為

57、絲杠長度=有效行程+螺母長度+設(shè)計(jì)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）=330+80+20+140+40=610</p><p>　　代入數(shù)據(jù)，得：J=0.77×20×610×10=7.52×10kg.㎡</p><p>　?、?、滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機(jī)軸上的

58、轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　由【1】中式5-29得：</p><p>　　其中 M為工作臺的（包括工件）的質(zhì)量M==81.6kg</p><p>　　S為絲杠螺距S=5mm</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)，得：</b></p><p>　　ⅲ、初選常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司的90YG

59、5502型混合式步進(jìn)電動機(jī)，可知其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　所以=7.52×10+5.2×10+4×10=5.3×10 N·m</p><p>　　驗(yàn)算慣量匹配，電動機(jī)軸向慣量比值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大也不應(yīng)太小，即伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性取決于負(fù)載特性。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的配合，一般比值控制在1/4——1之間， ==0

60、.75</p><p>　　由此可見:,符合慣量匹配要求。</p><p>　　、步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩M的計(jì)算</p><p>　　a、承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同工況下是不同的，考慮最大切削負(fù)載時(shí)電動機(jī)所需力矩，由【1】中P132式5-25得：</p><p><b>　　其中 </b></p><p

61、>　　其中: 為折算到電動機(jī)軸上的總慣量==4.9×10</p><p>　　T系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，由任務(wù)書知為T=0.3S</p><p>　　切削時(shí)的轉(zhuǎn)速為300r/min</p><p>　　得： Mat =得： Mat =×300,9.6×0.3) =0.051 N·m </p>

62、<p>　　其中： 為導(dǎo)軌摩擦力</p><p>　　S為絲杠螺距S=5mm</p><p>　　i為齒輪降速比，已計(jì)算出為1</p><p>　　η為傳動鏈總效率，η=0.7—0.8，取0.8</p><p>　　代入數(shù)據(jù) 得： N·m</p><p>　　其中： 為最大軸向預(yù)緊

63、力，F(xiàn)amax=Fz=498N</p><p>　　為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，=0.96≥0.9 </p><p><b>　　其余數(shù)據(jù)同上</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù) 得： N·m</p><p>　　其中：進(jìn)給方向的最大切削力</p><p><b>　　其余

64、參數(shù)同上。</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)得： N·m</p><p>　　由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N·m </p><p>　　b、快速空載時(shí)電動機(jī)所需力矩M</p><p>　　由【1】中P132式5-24得：</p><p><b>　　加速力矩其中：<

65、/b></p><p><b>　　其余參數(shù)同上</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)得： N·m</p><p>　　力矩摩擦其中：u為導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)，滾動導(dǎo)軌取</p><p><b>　　u=0.005</b></p><p><b>　　其

66、余參數(shù)同上。</b></p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：N·m</b></p><p><b>　　附加摩擦力矩：</b></p><p><b>　　其余參數(shù)同上</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)得： N·m</p>&

67、lt;p>　　所以可知快速空載時(shí)電機(jī)所需力矩：=0.093N·m</p><p>　　比較和，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即：==1.44N.M</p><p><b>　　、步進(jìn)電機(jī)的初選</b></p><p>　　考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)的影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其輸入轉(zhuǎn)矩也會下降，可能會造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)，因

68、此按最大等效負(fù)載M考慮一定的安全系數(shù)λ，取λ=3，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：</p><p><b>　　N·m</b></p><p>　　由所選的電機(jī)型號參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩 N·m，可知滿足要求。</p><p><b>　　、步進(jìn)電機(jī)性能校核</b></p><p>　

69、　a 、最快工進(jìn)速度時(shí)電動機(jī)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩校核</p><p>　　任務(wù)書給定工作臺最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，求出電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG5502電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩4N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.44N·m，滿足要求。</p><p>　　b、最快空載移動時(shí)電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 </

70、p><p>　　任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度=1500mm/min，求出其對應(yīng)運(yùn)行頻fmax=[1500/(60×0.01)]=2500Hz。由圖查得，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=3.5N·m，大于快速空載起動時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.093N·m，滿足要求。</p><p>　　c、最快空載移動時(shí)電動機(jī)運(yùn)行頻率校核 </p><p>　　

71、與快速空載移動速度=1500mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率為。查圖3中相應(yīng)表格，可知90BYG5502電動機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)20000，可見沒有超出上限。</p><p>　　、起動頻率的計(jì)算 </p><p>　　已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動頻率。由式可知步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為：</p><p

72、>　　說明：要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動頻率都必須小于。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動頻率選得更低，通常只有。</p><p>　　綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺的進(jìn)給傳動系統(tǒng)選用90BYG5502步進(jìn)電動機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。</p><p>　　、確定選型的步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)</p><p>　　所選電動機(jī)參數(shù)如下圖所示：</p>

73、<p><b>　　圖2</b></p><p>　　外形尺寸安裝接線圖和和矩頻特性如圖3所示</p><p><b>　　圖3</b></p><p>　　3.3 其余附件的選擇</p><p><b>　　聯(lián)軸器的選擇</b></p><p

74、>　　剛性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)比較簡單，制造容易， 免維護(hù)，超強(qiáng)抗油以及耐腐蝕，即使承受負(fù)載時(shí)也無任何回轉(zhuǎn)間隙，即便是有偏差產(chǎn)生負(fù)荷時(shí)，剛性聯(lián)軸器還是剛性傳遞扭矩。適用于安裝底座剛性好、對中精度較高、沖擊載荷不大、對減振要求不高的中小功率軸系傳動。根據(jù)選出的電機(jī)和絲杠的參數(shù)，選用沈陽光宇科技有限公司的LK13-C32-1012型剛性聯(lián)軸器。</p><p><b>　　圖5</b></p&

75、gt;<p>　　第四章 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)主要考慮以下功能：</p><p>　　接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；</p><p><b>　　接受限位開關(guān)信號；</b></p><p>　　控制X，Y向步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器；</p><

76、;p>　　與PC機(jī)的串行通信。</p><p>　　CPU選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲器擴(kuò)展芯片。W27C512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴(kuò)展AT89S52的RAM存儲器存放調(diào)試和運(yùn)行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，

77、并有越位開關(guān)和報(bào)警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，越位報(bào)警指示電路。</p><p>　　4.1 進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　4.2 驅(qū)動電路流程設(shè)計(jì)</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，

78、步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺直線行進(jìn)給0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。</p><p>　　圖7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖</p><p>　　該電路中的功放電路是一個(gè)單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時(shí)，電動機(jī)轉(zhuǎn)動一步。電路中與繞組并聯(lián)的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是

79、，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護(hù)功放管。與繞組W串聯(lián)的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。</p><p>　　由于步進(jìn)電機(jī)采用的是五相十拍的工作方式（五個(gè)線圈A、B、C、D、E），其正轉(zhuǎn)時(shí)通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A……….其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A………。<

80、/p><p>　　4.3 驅(qū)動電源的選用，及驅(qū)動電源與控制器的接線方式</p><p>　　設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電動機(jī)均為90BYG5502型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司。查步進(jìn)電動機(jī)的資料，選擇與之匹配的驅(qū)動電源為BD28Nb型，輸入電壓為50V AC，相電流為3A，分配方式為五相十拍。該驅(qū)動電源與控制器的接線方式如圖8所示：</p><p><b&

81、gt;　　圖8</b></p><p>　　第五章 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 驅(qū)動電路的時(shí)間常數(shù)</p><p>　　五相十拍工作方式的控制脈沖，每相工作五拍改變一次通電狀態(tài)，為使每一拍都能正常工作，每拍脈沖寬度的2/3時(shí)間內(nèi)相電流上升至額定電流的60%，即I=0.6In1.5A。</p><p>　　負(fù)載回

82、路的時(shí)間常數(shù)為</p><p>　　τi=L/Rm=0.003/0.8=3.7 (ms)</p><p>　　因此 τi>1/fy=0.455 (ms)</p><p>　　5.2 電源電路的確定</p><p>　　若選用線路簡單的串聯(lián)電阻法改善電流上升沿，其時(shí)間常

83、數(shù)為</p><p>　　τi′=L/(Rm+R0)</p><p>　　則 R0=(L－τi′Rm)/ τi′</p><p>　　其中 τi′=0.455 (ms)</p><p>　　所以 </p>&l

84、t;p>　　需要串聯(lián)如此一個(gè)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(qū)動。</p><p>　　5.3 元器件的確定</p><p>　　5.3.1確定三極管</p><p>　　為了使電路簡單、緊湊，功率放大級的T1和T2選用達(dá)林管GO201.當(dāng)標(biāo)色綠點(diǎn)時(shí)其性能見表5-1</p><p><b&g

85、t;　　表5-1</b></p><p>　　5.3.2 確定R2和R3</p><p>　　從T1和T2性能數(shù)據(jù)知UBE≤2.5V，故UR3≈2.5V，而負(fù)載電流=3A，取IL=3A，T1基極電流IB為</p><p>　　IB=IL/hFE=3/3000=1 (mA)</p><p>　　式中：hFE——電流放大倍數(shù)。<

86、;/p><p>　　因此T1等效輸入電阻為RT1=UBE/IB=2.5kΩ。</p><p>　　光耦合器光敏三極管的輸入等效電路見圖5-1.</p><p><b>　　從等效電路可得</b></p><p><b>　　IC1=I3＋I(xiàn)B</b></p><p>　　I3R3

87、=UBE=2.5</p><p>　　IC1R2=En－UBE=27.5 (V)</p><p>　　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</p><p>　　IC1=IiCTR=3 (mA)</p><p><b>　　解上述方程組得：</b></p&g

88、t;<p>　　R3≈1.25（kΩ） R2≈9.2(kΩ)</p><p><b>　　圖5-1</b></p><p>　　第六章 機(jī)械部分裝配圖的繪制</p><p>　　裝配圖見附件CAD A0圖紙</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動流程圖見CAD A4圖紙</p><p&

89、gt;<b>　　第七章 結(jié)論</b></p><p>　　整個(gè)系統(tǒng)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，進(jìn)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(gè)系統(tǒng)的進(jìn)給要求。伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動絲杠傳動。而且軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動，采用一個(gè)深溝球軸承來保證其徑向的圓跳動。用PWM脈寬調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)電壓的平均值，電路中采用了阻

90、容滯后電路，來防止H型橋式功率放大器中兩對IGBT功率管同時(shí)導(dǎo)通造成短路現(xiàn)象，能夠有效的控制伺服電機(jī)單位正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，同時(shí)為了保證一定的精度的要求，系統(tǒng)又采用了光電編碼器作為位置檢測器，來檢測伺服電機(jī)的位置，通過單片機(jī)對光電編碼器反饋信號處理來達(dá)到預(yù)期的精度要求。在設(shè)計(jì)中我們兼顧經(jīng)濟(jì)性，考慮滿足精度的要求，因此對于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設(shè)計(jì)的成本較高。</p><p><b>　　參

91、考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】、文懷興、夏田 .《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 北京：北京化工出版社，2005.</p><p>　　【2】、韓榮第 .《金屬切削原理與刀具》 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2007.</p><p>　　【3】、李洪 .《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊》北京：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.</p><p>　　【

92、4】、陳家芳.《金屬切削工藝手冊》 上海：上海科學(xué)技術(shù)出版社, 2005.</p><p>　　【5】、楊建明. 《數(shù)控加工工藝與編程》北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.</p><p>　　【6】、張新義.《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　【7】、尹志強(qiáng).《機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

93、</p><p>　　【8】王蘭美. 《機(jī)械制圖》高等教育出版社，2007</p><p>　　【9】濮良貴、紀(jì)名剛. 《機(jī)械設(shè)計(jì)》，2009</p><p>　　【10】戴曙. 《金屬切削機(jī)床》機(jī)械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　【11】孫恒、陳作模、葛文杰. 《機(jī)械原理》高等教育出版社，2009</p><p

94、><b>　　致 謝</b></p><p>　　我覺得這次課程設(shè)計(jì)是對過去所學(xué)專業(yè)知識的一個(gè)全面的綜合的運(yùn)用。在設(shè)計(jì)的過程中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)過的知識，包括機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)和機(jī)械制圖方面的基礎(chǔ)知識，還有剛學(xué)過的機(jī)電一體化這門課，經(jīng)過復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專業(yè)知識使得設(shè)計(jì)思路清晰系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際，鍛煉了將理論運(yùn)用于實(shí)際的分析和解決實(shí)際問題的能力，鞏固、加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面

95、的知識。</p><p>　　還有很重要的一點(diǎn)是讓我體會到了一個(gè)設(shè)計(jì)者的精神。在設(shè)計(jì)過程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。</p><p>　　通過對通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動或簡單機(jī)械的設(shè)計(jì)，掌握了一般機(jī)械設(shè)計(jì)的程序和方法，借助于CAD軟件繪圖，不但使學(xué)生更加熟練地掌握C