xy250數控工作臺設計課程設計

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p>　　課程名稱： 數控技術課程設計 </p><p>　　2013年1月12日</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　學生信息學號學院機械學院班級</p&

2、gt;<p>　姓名專業(yè)機械設計制造及其自動化機自094</p><p>　教師信息姓名職稱學歷碩士</p><p>　教師信息姓名職稱學歷碩士</p><p>　任務書發(fā)出時間2012年12月20日論文（設計）題目XY250數控工作臺設計</p><p>　論文（設計）起止時間2012年12月31日——2013年1月18日共需

3、周數3</p><p>　主要內容: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。</p><p>　主要要求:方案擬定正確。

4、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1～2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1～2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、系統框圖分析、電氣執(zhí)行元件的選

5、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</p><p>　預期目標:設計出合理的XY機床工作臺部分、電氣控制原理框圖、驅動控制電路及指定軟件設計，撰寫不低于2000字左右設計論文，并附錄相關資料及設計圖紙。</p><p>　計劃進程:</p><

6、p>　主要參考文獻:[1] 成大先. 機械設計手冊(單行本· 機械傳動)[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2004.1[2] 沈愛琴. 數控技術課程設計指導書[Z]. 貴陽：貴州工業(yè)大學機電教研室，1998.9[3] 張毅剛. 單片機原理及應用[M]. 北京：高等教育出版社，2004.1[4] 機電一體化技術手冊編委會. 機電一體化技術手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.9[5] 陸昆，奚大順，李之權等. 電子設

7、計技術[M]. 北京：電子科技大學出版社，1998.10</p><p>　　XY 數控工作臺設計數據說明</p><p><b>　　加工參數</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要III</b></p>

8、<p>　　第一章前 言3</p><p>　　第二章總體方案的擬定與論證3</p><p><b>　　3.1研究問題3</b></p><p>　　3.2總體方案的擬定與論證3</p><p>　　第三章工作臺傳動裝置的設計計算3</p><p>　　3.1

9、 基本參數的3</p><p>　　3.2 滾珠絲杠副的設計計算及其型號與直徑的選擇....................................................3</p><p>　　3.2.1 最大工作載荷的計算......................................................................

10、.....................3</p><p>　　3.2.2 最大計算動載荷的確定.......................................................................................3</p><p>　　3.2.3 滾珠絲杠副及其型號的選擇............................

11、...................................................3</p><p>　　3.3 滾珠絲杠副剛度的驗算............................................................................................3</p><p>　　3.3.1 滾珠絲杠螺母

12、幾何參數.......................................................................................3</p><p>　　3.3.2 剛度的驗算.............................................................................................

13、..............3 </p><p>　　3.4 絲杠的支承方式及軸承的選擇..............................................................................3</p><p>　　3.4.1 絲杠的支承方式...........................

14、........................................................................3</p><p>　　3.4.2 軸承的選擇...........................................................................................................3<

15、/p><p>　　3.5 滾珠絲杠副穩(wěn)定性運算..........................................................................................3</p><p>　　3.6 滾珠絲杠副預緊力Fp確定.....................................................

16、..............................3</p><p>　　3.7 滾珠絲杠軸預緊拉伸力Fp1的確定.....................................................................3</p><p>　　3.8 導軌的設計計算及參數的確定................................

17、.............................................3</p><p>　　3.9 計算電機軸上的慣量和轉矩，選取步進電機............................................................3</p><p>　　3.9.1 步進電機的傳動計算...........................

18、................................................................................3</p><p>　　3.9.2 步進電機軸上的等效負載轉矩M的計算..............................................................3</p><p>　　3.9.3 步

19、進電機的初選.....................................................................................................3</p><p>　　3.9.4 步進電機性能校核...........................................................................

20、......................3</p><p>　　3.10 設計中的其他問題..................................................................................................3</p><p>　　3.10.1機械傳動部件的防護......................

21、.....................................................................3</p><p>　　3.10.2機械傳動部件的潤滑...........................................................................................3</p><p>

22、;　　3.10.3聯軸器的選擇.......................................................................................................3</p><p>　　第四章工作臺電氣控制部分設計與計算3</p><p>　　4.1控制系統結構的確定3</p><p>

23、;　　4.2 步進電機驅動電路控制設計與計算........................................................................3</p><p>　　4.2.1 步進電機的驅動電路設計流程...............................................................................3&

24、lt;/p><p>　　4.2.2 驅動電路的設計.......................................................................................................3</p><p>　　4.2.3 驅動電源的選用，及驅動電源與控制器的接線方式..............................

25、.............3</p><p>　　4.3 相關軟件流程設計..................................................................................................3</p><p>　　4.4 零件加工程序清單...............................

26、...................................................................3</p><p>　　第五章機械部分裝配圖的繪制3</p><p><b>　　第六章總結3</b></p><p><b>　　參 考 文 獻3</b></p>

27、<p>　　XY250數控工作臺設計</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。數控技術是用數字程序控制數控機械實現自動工作的技術，本次設計的數控工作臺主要包含包含以下幾個基本要素：機械總體方案的確定、動力與驅動部分、

28、執(zhí)行機構、傳感測試部分、控制及信息處理部分。主要是結合了機電一體化是系統技術、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工程。新一代的CNC系統這類典型機電一體化產品正朝著高性能、智能化、系統化以及輕量、微型化方向發(fā)展。數控技術能夠較好的解決多品種、小批量和復雜零件的加工以及生產過程自動化等問題，能夠大大的減輕勞動力，縮短加工生產時間提高生產效率，數控技術已經廣泛應用

29、于數控機床及各類機電一體化產品上。</p><p>　　關鍵詞：數控技術， 控制驅動器， 滾珠絲杠 ，滾動導軌 ，步進電機 第一章 前 言</p><p>　　現代科學技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領域的技術革命與改造。在機械工程領域，由于微電子技術和計算機技術的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機

30、電一體化，使機械工業(yè)的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。</p><p>　　X-Y數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱—橫向進刀機構、數控銑床和數控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。模塊化的X-Y數控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電

31、動機等部件構成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可?？刂葡到y根據需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統。</p><p>　　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

32、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。 </p><p>　　《數控機床》課程設計是一個重要的而且很有必要的教學環(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

33、要目的：</p><p>　　1、通過設計，使學生全面地、系統地了解和掌握數控機床的基本組成及其想關知識，學習總體的方案擬定、分析與比較的方法；</p><p>　　2、通過對機械系統的設計，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；</p><p>　　3、通過對機械系統的設計，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；<

34、/p><p>　　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“系統設計”的思想；</p><p>　　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。</p><p>　　第二章 總體方案的擬定與論證</p><p><b>　　2.1研究問題</b></p><p>

35、　　總的方案的確定是設計過程中對于全篇論文的是很有必要的，主要包括傳動部件的選擇及設計，控制系統的設計和選擇。根據設計任務確定系統的總體機械和控制系統方案：進行系統運動方式的確定，執(zhí)行機構及傳動方案的確定，伺服電機類型及調速方案確定，計算機控制系統的選擇。進行方案的分析、比較和論證。</p><p>　　2.2總體方案的擬定與論證</p><p>　　2.2.1、絲杠螺母副的選擇</

36、p><p>　　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，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

37、。</p><p>　　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。</p><p>　　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。</p><p>　　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

38、定，一端游動的軸承配置形式。</p><p>　　2.2.2步進電機的選擇</p><p>　　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

39、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。</p><p>　　2.2.3、導軌副的選用</p><p>　　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。</p><p>　　2.2.4、減速裝置的選用<

40、;/p><p>　　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。</p><p>　　2.2.5 工作臺的結構簡圖</p><p><b>　　系統總體框圖</b></p>&l

41、t;p>　　第三章 工作臺傳動裝置的設計計算 </p><p>　　3.1 基本參數的預置</p><p>　　3.1.1設計一套供立式數控銑床使用的X-Y數控工作臺</p><p><b>　　主要參數如下：</b></p><p>　　1、立銑刀最大直徑的d=15mm，立銑刀齒數Z=3，最大銑削寬度=15m

42、m</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、工作臺空載進給最快移動速度： Vxmax = Vym

43、ax =1500mm/min，工作臺進給最快移動速度:，加減速0.3s。</p><p>　　3.1.2 工作臺的初步設計：</p><p>　　1、確定系統脈沖當量</p><p>　　脈沖當量是個進給指令時工作位移量，應小于等于工作臺的位置精度。一般為0.01~0.005mm。</p><p>　　2、工作臺外形尺寸及重量初步估算。<

44、;/p><p>　　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。取X向導軌支承鋼球的中心距為300mm ,Y向導軌支承鋼球的中心距為120mm，設計工作簡圖。</p><p><b>　　工作臺簡圖</b></p><p>　　工作臺的尺寸： 250*250；</p><p>　　重量：按重量=體積材料比重

45、估算： </p><p>　　X向拖板(上拖板)尺寸為:</p><p><b>　　長*寬*高=</b></p><p>　　重量：按重量=體積材料比重估算： </p><p>　　Y向拖板尺寸：長*寬*高= </p><p>　　上導軌(含電機)估算重量為：240N</p>&l

46、t;p>　　夾具及工件重量:150N</p><p>　　X-Y工作臺運動部分總重量為:</p><p>　　Wxy=288N+309N+240N+150N=987N</p><p>　　按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、滾珠絲杠副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為987N。</p><p&

47、gt;　　3.2 滾珠絲桿副設計計算及其型號與直徑選擇</p><p>　　初選絲桿材質鋼，查《材料成型基礎》有HRC 58~60導程</p><p>　　3.2.1 最大工作載荷的計算</p><p><b>　　1、計算切削力</b></p><p>　　根據設計任務，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數：</

48、p><p>　　立銑刀 最大直徑的d=15mm</p><p><b>　　立銑刀齒數Z=3</b></p><p>　　最大切削寬度=15mm</p><p>　　最大背吃刀量=8mm</p><p>　　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

49、】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：</p><p>　　每齒進給量fz=0.1mm</p><p>　　銑刀轉速n=300r/min</p><p>　　查【2】中P200表得立銑時切削力計算公式為：</p><p>　　代如上式得： </p><p>　　采用立銑刀進行

50、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：</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>　　考慮逆銑時的情況，因為逆銑的情況的受力最大的情況，為了安全考慮

51、這種最危險的工況。由此可估算三個方向的銑削力分別為：</p><p><b>　?。ㄅc絲杠軸線平行）</b></p><p><b>　?。ㄅc工作臺面垂直）</b></p><p><b>　?。ㄅc絲杠軸線垂直）</b></p><p>　　考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削

52、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>　　已知移動部件總重量G=987N，按滾動導軌計算，取顛覆力影響系數K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數查表可知u=0.0025—0.005,現取u=0.005，求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：</p><p>　　=1.1

53、15;1352+0.005×(307+468+987)=1496.01N</p><p>　　3.2.2最大計算動載荷的確定</p><p>　　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=v/P=80r/min。</p><p>　　預計滾珠絲杠的工作8年,每年算360天，每天工作8小時，由此得

54、使用壽命為：</p><p>　　T=8×360×8=23040h，根據公式：</p><p>　　其中 T——使用壽命 23040 h</p><p>　　——滾珠絲杠的當量轉速 80r/min</p><p>　　求得：110.58N</p><p>　　查表得，受中等沖擊載荷取值范

55、圍，現取，滾道硬度為60HRC時，硬度影響系數取值，由課本《機電一體化系統設計》中P34有式</p><p><b>　　代入數據得：</b></p><p>　　3.2.3滾珠絲杠副型號及其直徑的選擇</p><p><b>　　1、規(guī)格型號的初選</b></p><p>　　根據計算出的最大動載

56、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2505-3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25mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為4圈×2系列，精度等級取5級，螺母安裝尺寸L=90mm，額定動載荷為11921N，大于最大計算動載荷=9346.568N，滿足要求。滾珠絲杠的長度+加工余量</p><p>　　3.3

57、滾珠絲杠副剛度的驗算</p><p>　　3.3.1滾珠絲杠螺母幾何參數</p><p>　　滾珠絲杠螺母副幾何參數 （單位mm）</p><p>　　3.3.2剛度的驗算</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?？芍@種安裝適用于較高精度、中等載荷

58、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算可以用接觸量來校核。</p><p>　　1、滾珠絲杠滾道間的接觸變形量δ，查表得相關公式，根據公式，求得單圈滾珠數Z=25；該型號絲杠為雙螺母，滾珠的圈數列數為42，代入公式Z圈數列數，得滾珠總數量=200。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=499N。查相關公式，得，滾珠

59、與螺紋滾道間接觸變形 式中 Pa=1496N,=，因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.00417mm。</p><p>　　2、絲杠在工作載荷作用下的抗拉壓變形</p><p>　　查課本《機電一體化系統設計》P35有滾珠絲桿受工作負載F和扭矩共同作用引起的每一導程的變化是</p><p>　　Y向所受牽引力大，故應用Y向參

60、數計算。</p><p>　　Fy=307N </p><p>　?。ú牧蠟殇摚┙孛娣eS==352.81=3.53</p><p><b>　　所以： cm</b></p><p>　　絲桿因受扭矩所引起的導程變化量很小，可忽略，所以導程總誤差</p><p>　　查機《電一

61、體化系統設計》P29表2-4知E5級精度的絲桿允許誤差，故剛度足夠。</p><p>　　3.4絲杠的支承方式及軸承的選擇</p><p>　　3.4.1 絲杠的支承方式</p><p>　　由于采用的是內循環(huán)式的螺母，因為內循環(huán)方式在循環(huán)過程中始終與絲桿表面保持接觸，它的優(yōu)點是滾珠循環(huán)的回路短、流暢性好、效率高，螺母的徑向尺寸較小。由于精度要求不高，又要符合經濟型

62、，支承方式選為雙推--簡支式，一端安裝止推軸承與深溝球軸承的組合，另一端僅安裝深溝球軸承，其軸向剛度較低使用時應注意減少絲杠熱變形的影響，雙推可預拉伸安裝，預緊力小，軸承壽命較高，適用于中速、傳動精度較高的長絲杠傳動系統。對于高精度、高速旋轉的滾珠絲杠應該采用兩端固定安裝的方式，如下圖所示：</p><p>　　為了給絲杠施加預緊力，可采用兩端固定方式并可在絲杠一段安裝碟形彈簧和調整螺母，既能對絲杠施加預緊力，又

63、能讓彈簧來補償絲杠的熱變形，保持預緊力近乎不變。這種支承形式的剛度最高，只要軸承無間歇，絲杠的軸向剛度為一段的4倍。安裝時需保持螺母與兩端支承同軸，故結構復雜，工藝較難。</p><p>　　3.4.2、軸承的選擇</p><p>　　軸承的選擇最終要根據所設計的和所選的絲杠軸來確定的。在這里可以先選擇軸承的類型，初步確定為滾動軸承，因為滾動軸承可以減少摩擦，對軸和絲杠的損壞較小。軸承的選

64、擇，根據上面的計算滾珠絲杠的尺寸，查表選取軸承的型號為60002GHF軸承。因為選用兩端固定的支承方式，采用的角接觸球軸承，這種角接觸球軸承是一種向心推力球軸承，是絲杠的支承軸承，常采用滾珠絲杠專用軸承，其接觸角增大到60度，增加了滾珠數目，并減少了滾珠直徑，使軸向剛度增大到普通向心推力軸承的2倍。</p><p>　　3.5 滾珠絲杠副穩(wěn)定性運算</p><p>　　3.5.1穩(wěn)定性的驗

65、算</p><p>　　根據課本《機電一體化系統設計》中 P35式2-2有 </p><p>　　Fk——實際承受載荷的能力；</p><p>　　——絲杠穩(wěn)定的支承系數，由于采用的是雙推-簡支式，取=2</p><p><b>　　E——鋼的彈性模量</b></p><p>　　I——絲杠小

66、徑d2截面慣性矩，由絲杠底徑d2=21.2mm求得截面慣性矩；</p><p>　　K——壓桿穩(wěn)定安全系數，K取3（絲杠臥式水平安裝）；</p><p>　　查表《機電一體化系統設計》P29有=160mm。</p><p>　　代入公式，得F=125612N大于=9347N，故不會失穩(wěn)，滿足使用要求。</p><p>　　3.6 滾珠絲杠副預

67、緊力Fp確定</p><p>　　初步確定滾珠絲杠副的預緊方式為雙螺母螺紋預緊調整式。如下圖所示：</p><p>　　預緊后兩個螺母中的滾珠相向受力，從而消除軸向間歇。其特點是結構簡單剛性好，預緊可靠，使用中調整方便。預緊的目的在于增強連接的可靠性和緊密性，以防止受載后被連接件間出現縫隙或相對滑移。經驗表明，適當選用較大的預緊力對螺紋連接的可靠性以及連接件的疲勞強度是有利的。</p

68、><p>　　螺紋連接時絲杠預緊力的確定</p><p>　　采用滾珠絲杠最大預緊力計算，通常，預緊力的大小根據最大軸向載荷的1/3計算。 當主機伺服進給系統的軸向剛度要求較高，并且最大軸向載荷Fmax出現的頻率也高，或者有沖擊載荷，預緊力不應該小于按軸向載荷計算的的1/3，即Fp>Fmax/3；即 預緊力無法直接測量，而是根據預緊轉矩間接測量，有專門的滾珠絲杠副動態(tài)預

69、緊轉矩測量儀。一般在設計絲杠時，圖紙上的技術要求中都會給出預緊轉矩的范圍，用測量儀測出預緊轉矩后，預緊轉矩值除以力臂，即可得到預緊力，一般預緊力不是固定值，也是一個范圍。關于力臂的計算，還要根據絲杠螺母法蘭上的安裝孔的位置來確定，不同規(guī)格的螺母，力臂也不盡相同.</p><p>　　3.7 滾珠絲杠軸預緊拉伸力Fp1的確定</p><p>　　保證絲杠在最大軸向力作用下，在作用力方向上仍保

70、持拉伸狀態(tài)，預拉伸力應大于最大工作載荷的倍。即</p><p>　　由【13】中P312中的1.4-78式有絲杠預拉伸力</p><p>　　——絲杠與床身之間的溫差。對于恒溫車間取=2~3</p><p><b>　　d——絲杠螺紋底徑</b></p><p><b>　　得到絲杠的預拉伸力</b>

71、;</p><p>　　該絲杠的預拉伸力足夠大，滿足要求。</p><p>　　3.8 導軌的設計計算及參數確定</p><p>　　1、滾動導軌的計算及參數和型號確定</p><p><b>　　、工作載荷的計算</b></p><p>　　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

72、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：</p><p>　　其中，移動部件重量G=987N,外加載荷外加載荷</p><p><b>　　得最大工作載荷。</b></p><p>　　、小時額定工作壽命的計算</p><p>

73、　　預期工作臺的工作壽命為8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</p><p><b>　　、距離額定壽命計算</b></p><p><b>　　由公式，從而得到</b></p><p>　　式中：為小時額定工作壽命。</p><p>　　n為移動件每

74、分鐘往復次數（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><b>　　代入數據 得：</b></p><p><b>　　、額定動載荷計算</b></p><p><b>　　由公式</b>&

75、lt;/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4652km</p><p>　　F為滑塊的工作載荷，由上式可知為668N</p><p>　　代入數據得： =4213.

76、78N</p><p><b>　　、產品選型</b></p><p>　　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，相關尺寸如下圖所示， </p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　可知其額定動載荷C=6.07KN，大于4

77、213.78N，故可知滿足要求。</p><p>　　參考網址 http://www.cz-baoma.com/product.asp?Action=Detail&ID=28</p><p>　　3．9 計算電機軸上的慣量和轉矩，選取步進電機</p><p>　　4.9.1 步進電機的傳動計算</p><p>　　1、因為該立式銑床

78、的加工定位精度為±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i=1算的電機步距角：</p><p>　　α=360iδ/Ph=0.72°</p><p>　　由于傳動比為1，則不需要選用減速箱，采用電動機軸與絲杠通過聯軸器聯接的方式。</p><p>　　2、步進電動機的計算和選擇</p><

79、p>　　a、步進電動機轉軸上的總轉動慣量的計算。</p><p>　　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。</p><p>　　1）、滾珠絲杠的轉動慣量J</p><p>　　由【12】中P119式5-2得：</p><p>　　式中 D為絲杠公稱直徑D=25mm<

80、;/p><p>　　L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）=330+90+20+140+40=620</p><p>　　代入數據，得：J=0.77×25×620×10=1.86×kg.㎡</p><p>　　2）、

81、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</p><p>　　由【12】P119中式5-3得：</p><p>　　其中 M為工作臺的（包括工件）的質量M=</p><p>　　S為絲杠螺距S=5mm</p><p><b>　　代入數據，得：</b></p><p>　　3）、初選

82、常州寶馬前楊電機電器有限公司的90BYG5502型混合式步進電動機，可知其轉子的轉動慣量</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　驗算慣量匹配，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，即伺服系統的動態(tài)特性取決于負載特性。為使該系統慣量達到較合理的配合，一般比值控制在1/4——1之間，</p><p>

83、　　由此可見:,符合慣量匹配要求。</p><p>　　3.9.2 步進電機軸上的等效負載轉矩M的計算</p><p>　　1、承受的負載轉矩在不同工況下是不同的，考慮最大切削負載時電動機所需力矩由【12】中P121式5-10得：</p><p>　　其中 （見【12】P122中表5-5）</p><p>　　其中: 為折算到電動機軸上

84、的總慣量==7.85×10kg.</p><p>　　T系統時間常數，由任務書知為T=0.3S</p><p>　　切削時的轉速為300r/min</p><p>　　得： N.m </p><p><b>　　，</b></p><p>　　其中： 為導軌摩擦力<

85、;/p><p>　　S為絲杠螺距S=5mm</p><p>　　i為齒輪降速比，已計算出為1</p><p>　　η為傳動鏈總效率，η=0.7—0.8，取0.8</p><p><b>　　代入數據 得：</b></p><p>　　其中： 為最大軸向預緊力，Famax=Fz=468N<

86、;/p><p>　　為滾珠絲杠未預緊時的效率，=0.96≥0.9 </p><p><b>　　代入數據 得：</b></p><p>　　其中：進給方向的最大切削力，</p><p>　　代入數據得：N·m由此得等效負載轉矩： </p><p>　　2、快速空載時電動機所需力矩M&

87、lt;/p><p>　　由【12】中P121式5-9得：</p><p><b>　　加速力矩其中：</b></p><p><b>　　代入數據得：</b></p><p>　　力矩摩擦其中：u為導軌副的摩擦因數，滾動導軌取</p><p><b>　　u=0.005

88、</b></p><p><b>　　代入數據得：</b></p><p><b>　　附加摩擦力矩：</b></p><p><b>　　代入數據得：</b></p><p>　　所以可知快速空載時電機所需的負載：</p><p>　　比較

89、和，取其較大者，就是最大等效負載，即：==1.47N.m</p><p>　　3.9.3 步進電機的初選</p><p>　　考慮到步進電機的驅動電源受電網的影響較大，當輸入電壓降低時，其輸入轉矩也會下降，可能會造成丟步，甚至堵轉，因此按最大等效負載M考慮一定的安全系數λ，取λ=3，則步進電機的最大靜轉矩應滿足：</p><p>　　由所選的電機型號參數可知，最大靜

90、轉矩 N·m，可知滿足要求。</p><p>　　3.9.4 步進電機性能校核</p><p>　　1、最快工進速度時電動機時輸出轉矩校核</p><p>　　任務書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當量/脈沖，求出電動機對應的運行頻率。從90BYG5502電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩4N·m，遠遠

91、大于最大工作負載轉矩=2.21N·m，滿足要求。</p><p>　　2、最快空載移動時電動機輸出轉矩校核 </p><p>　　任務書給定工作臺最快空載移動速度=1500mm/min，求出其對應運行頻fmax=[1500/(60×0.01)]=2500Hz。由圖查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩=3.5N·m，大于快速空載起動時的負載轉矩=0.86N

92、83;m，滿足要求。</p><p>　　3、最快空載移動時電動機運行頻率校核 </p><p>　　與快速空載移動速度=1500mm/min對應的電動機運行頻率為。查矩頻特性曲線圖中相應表格，可知90BYG5502電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。</p><p>　　4、起動頻率的計算 </p><p>　　已知電

93、動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率。步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：</p><p>　　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。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有。</p><p>　　綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統選用90BYG5502步進電動機，完全滿足設計要求。</

94、p><p>　　5、確定選型的步進電機的參數</p><p>　　所選電動機參數如下圖所示：</p><p>　　所選步進電機的矩頻特性曲線圖如下：</p><p>　　參考網址 http://www.cz-baoma.com/product.asp?Action=Detail&ID=28</p><p>　　3

95、.10 設計中的其他問題</p><p>　　4.10.1 機械傳動部件的防護</p><p>　　滾珠絲杠副可用防塵密封圈或者防護套來防止灰塵及雜質進入滾珠絲杠副。使用潤滑劑來提高其耐磨性及傳動效率，從而維持其傳動精度、延長其使用壽命。</p><p>　　3.10.2 機械傳動部件的潤滑</p><p>　　常用的潤滑劑有潤滑油和潤滑脂兩

96、類，潤滑脂一般在裝配時放進滾珠螺母滾到內進行定期潤滑的作用，使用潤滑油時應注意經常通過注油孔進行住油。</p><p>　　3.10.3 聯軸器的選擇</p><p>　　剛性聯軸器結構比較簡單，制造容易， 免維護，超強抗油以及耐腐蝕，即使承受負載時也無任何回轉間隙，即便是有偏差產生負荷時，剛性聯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

97、功率軸系傳動。根據選出的電機和絲杠的參數，選用沈陽光宇科技有限公司的LK13-C32-1012型剛性聯軸器。</p><p>　　參考網址 http://www.31992640.com/asp/cpzx-show.asp?productid=1753</p><p>　　第四章 工作臺電氣控制部分設計與計算</p><p>　　4.1 控制系統結構的確定<

98、/p><p>　　設計的X-Y工作臺準備用在數控銑床上，其控制系統應該具有輪廓控制，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統設計成連續(xù)控制型。</p><p>　　對于步進電動機的開環(huán)控制系統，選用MCS-51系列的8位單片機ADT-9162作為控制系統的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。</p><p>　　要設計一臺完整的控制系統，在選擇CPU之后，還要

99、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。</p><p><b>　　步進電機驅動流程圖</b></p><p>　　1、機床數控系統的硬件電路設計包由以下四部分組成：</p><p>　　1）、主控制器：就是中央處理單元CPU。</p><p>　　2）、總線：包括數據總線（DB）、地址總線（A

100、B）、控制總線（CB）。</p><p>　　3）、存儲器：包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數據存儲器。</p><p>　　4）、接口：即I/O輸入/輸出接口電路。</p><p>　　數控系統的硬件結構框圖如下：</p><p><b>　　控制系統硬件框圖</b></p><p>　　除此之

101、外，還要根據數控系統的要求配備一些外圍設備和信號變換電路。其中信號變換電路是A/D轉換、D/A轉換、光電隔離、功率放大等，是實現微機與控制對象之間的信號匹配與轉換的中間電路。它們可根據控制系統的要求選取。</p><p>　　2、主控制器CPU的選擇：</p><p>　　在微機應用系統中，CPU的選擇應考慮以下要素：</p><p>　　1）、時鐘頻率和字長（控制

102、數據處理的速度）；</p><p>　　2）、可擴展存儲器（ROM/RAM）的容量；</p><p>　　3）、指令系統功能是否強；</p><p>　　4）、I/O口擴展的能力；</p><p>　　5）、開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。</p><p>　　3、存儲器擴展電路的設計:</p>

103、<p>　　1）、程序存儲器擴展</p><p>　　單片機應用系統中擴展用的程序存儲器芯片大多采用EPROM。其型號分別是2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別是2k、4k、8k、16k、32k。要注意8031所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的讀取時間。</p><p>　　2）、地址鎖存器74LS373</p><p&g

104、t;　　單片機規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時又要作數據線，所以是分時輸出低8位地址和數據的通道口。為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提供低8位地址信息，一般采用74LS373作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出地址允許鎖存信號ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。</p><p>　　3）、有關程序存儲器和地址鎖存器的接線圖參見控制部分的電氣原理圖。</p><p>　　4）

105、、數據存儲器的擴展</p><p>　　因為8031內部RAM只有128字節(jié)，遠遠不能滿足系統的要求，需擴展片外的數據存儲器。單片機應用系統數據存儲器擴展電路一般采用6116和6264靜態(tài)RAM數據存儲器，其選用的規(guī)則與EPROM程序存儲器的要求相同。有關它的接線圖也參見控制部分的電氣原理圖。</p><p><b>　　5）、譯碼電路</b></p>

106、<p>　　在單片機應用系統中，所有外圍芯片都通過總線與單片機連接。單片機數據總線分時地與各個外圍芯片進行數據傳送，故要進行片選控制。片內有多個字節(jié)單元時，還要進行片內地址選則。</p><p>　　由于外圍芯片與數據存儲器統一編址，因此，單片機的硬件設計中，數據存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼方法。</p><p>　　4、I/O口擴展電路設計:&l

107、t;/p><p>　　8031單片機共有四個8位并行I/O口，但可提供給用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此在大部分應用系統中都不可避免的要進行I/O口擴展。</p><p>　　其中通用可編程接口芯片8155與微機的接口較為簡單，是微機系統中廣泛使用的接口芯片。</p><p>　　5、鍵盤、顯示接口電路:</p><p>　　鍵盤、顯示器

108、是數控系統常用的人機交互的外部設備，可以完成數據的輸入和計算機狀態(tài)數據的動態(tài)顯示。通常，數控系統都用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行、列接構，按鍵設置在行列的交點上。</p><p>　　數控系統中使用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器），為了方便顯示圖形，也有用CRT接口顯示方式的系統。</p><p>　　6、步進電機驅動電路:</p><

109、p>　　步進電機是一種用脈沖信號控制的電動機，在負載能力及動態(tài)特性范圍內，電動機的角位移僅與控制脈沖數成正比，轉速僅與控制脈沖頻率成正比。在多數情況下，用步進電機作為執(zhí)行元件的數控系統中不需要A/D或D/A轉換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經濟型數控機床最主要的一種的伺服驅動單元。步進電機的驅動電路由圖5所示四部分組成。</p><p><b>　　步進電機驅動電路</b><

110、;/p><p><b>　　1）、計算機接口</b></p><p>　　在數控系統中，步進電機接口電路至關重要。沒有它將無法實現微機對步進電機的控制。如前所述，8031系列單片機含有4個并行輸入/輸出口，提供32根I/O線。其中P1口可供用戶使用，作為步進電機及其他控制對象的接口。也可以采用8155或8255（8255功能與8155相似，可參看有關資料）等可編程并行輸入

111、、輸出接口芯片設計擴展接口電路，來控制步進電機與其它外部設備。</p><p>　　2）、脈沖環(huán)形分配器</p><p>　　脈沖分配器又叫環(huán)形分配器，是驅動步進電機比不可少的環(huán)節(jié)。步進電機的控制方式由環(huán)形分配器實現，其作用是將數控裝置送來的一系列指令按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各相繞組，實現電機的正轉或反轉。在數控系統中通常使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。</

112、p><p><b>　　環(huán)形分配器</b></p><p>　　4.2 步進電機驅動電路設計控制與計算</p><p>　　4.2.1 步進電機的驅動電路設計流程</p><p>　　1、進給系統的控制原理如下圖</p><p>　　4.2.2 驅動電路的設計</p><p>

113、;　　步進電機的速度控制比較容易實現，而且不需要反饋電路。設計時的脈沖當量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進給0.01mm。步進電機驅動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當功放電路出現故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要，必須將其輸出的信號放大產生足夠大的功率，才能驅動步進電機的正常運轉。</p><p>

114、;　　功率放大器按其結構不同分為單電源型和雙電源型。前者電路設計為單電壓供電，僅在步進電機的繞組回路串聯一個小于10歐的電阻，以增大功率放大器負載回路的電阻，使步進電機繞組中電流上升的時間常數減小，提高上升沿的陡度。（τ=L/R）</p><p>　　雙電源型采用高低壓供電電路，在功率放大器導通初始時，加上比額定電壓高幾倍的電源供電，使電動機繞組電流從零很快增大，當電流升到接近額定值時切斷高電壓電源而由額定電壓為

115、繞組提供正常工作電流。</p><p>　　單電源功率放大器線路簡單，但效率不高，只適用小功率的步進電機。目前我國步進電機的功率放大器以由生產廠家生產出系列化產品，所以在設計數控機床控制電路時不必考慮其內部電路結構，只需要根據選用的步進電機容量選擇功率放大器。</p><p><b>　　步進電機驅動電路圖</b></p><p>　　該電路中

116、的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當A相得電時，電動機轉動一步。電路中與繞組并聯的二極管D起到續(xù)流作用，即在功放管截止是，使儲存在繞組中的能量通過二極管形成續(xù)流回路泄放，從而保護功放管。與繞組W串聯的電阻為限流電阻，限制通過繞組的電流不至超過額定值，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。</p><p>　　由于步進電機采用的是五相十拍的工作方式（五個線圈A、B、C、D、E），其正轉時通電順序為：AB-ABC-BC-BCD