立式數(shù)控銑床x-y數(shù)控工作臺課程設計

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p>　　課程名稱： 數(shù)控技術課程設計 </p><p>　　學 院： 機械學院 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 </p><p>　　姓 名： 學 號：

2、 </p><p>　　年 級： 任課教師： </p><p>　　2012年 1 月 16 日</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p>　　課程設計（論文）任務書</p>&

3、lt;p>　　學生姓名： 指導教師： 任務書發(fā)出時間 2011年12月25日 </p><p>　　設計時間 2011年12月26日——2012年1月16日 </p><p>　　設計（論文）題目

4、 數(shù)控技術課程設計 </p><p><b>　　設計（論文）內(nèi)容</b></p><p>　　結合設計任務的要求擬定總體機械和電氣控制設計方案。</p><p>　　根據(jù)擬定的機械設計方案進行二坐標數(shù)控工作臺的機械結構設計計算和元件的選用。</p><p>　　根據(jù)擬定的電氣設計方案

5、進行數(shù)控系統(tǒng)控制電路的框圖設計及驅(qū)動控制電路的計算和元件選用。</p><p>　　根據(jù)指定要求進行有關軟件的流程圖設計。</p><p>　　對指定的軟件程序進行編寫。</p><p>　　進行機械結構的工程圖和電氣原理圖的繪制。</p><p><b>　　編寫設計說明書。</b></p><p&

6、gt;　　設計（論文）的要求（含說明書頁數(shù)、圖紙份量）</p><p><b>　　方案擬定正確。</b></p><p>　　設計計算根據(jù)來源可靠，計算數(shù)據(jù)準確無誤。</p><p>　　元氣件選用正確規(guī)范符合國家頒布標準。</p><p>　　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(zhì)量高。</p

7、><p>　　電氣部份圖紙要求符合國家標準，圖面布局合理、整潔、質(zhì)量高。</p><p>　　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(qū)動控制電路等電氣原理圖1～2張。</p><p>　　課程設計說明書應闡述整個設計內(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、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機械

8、傳動和驅(qū)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(nèi)容完整。說明書頁數(shù)不少于 20 頁</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘    要1</b></p><p><b&

9、gt;　　第一章 前言1</b></p><p>　　第二章 設計任務2</p><p>　　第三章 設計主要步驟2</p><p>　　3.1 確定設計總方案2</p><p>　　3.1.1 機械傳動部件的選擇2</p><p>　　3.1.2 控制系統(tǒng)的設計3</p>

10、<p>　　3.2 機械傳動部件的計算和選擇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 計算切削力5</p><p>　　3.2.3 滾動導軌的設計計算6</p><p>　　3.2.4 滾珠絲杠傳動設計計算及校驗8</p><p&

11、gt;　　3.2.5 步進電機的傳動計算及電動機的選用12</p><p>　　第四章 控制系統(tǒng)的設計19</p><p>　　4.1 進給控制系統(tǒng)原理框圖20</p><p>　　4.2 驅(qū)動電路流程設計20</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21</p><p&

12、gt;　　第五章 驅(qū)動電路設計22</p><p>　　5.1 驅(qū)動電路的時間常數(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>　　5.3.2 確定R2和R323</p>

13、<p>　　第六章 機械部分裝配圖的繪制24</p><p>　　第七章 結論24</p><p><b>　　參考文獻25</b></p><p><b>　　致 謝26</b></p><p><b>　　摘    要

14、</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。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(qū)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

15、。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機電一體化產(chǎn)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。</p><p>　　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 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　No

16、w the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect

17、. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information proces

18、sing part. The integration of machinery is the system tech</p><p>　　key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.第一章 前言</p><p>　　

19、當今世界數(shù)控技術及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)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(shù)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 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備的幾點看法?！　⊙b備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)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

20、。數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術 ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品 ,其技術范圍覆蓋很多領域。 </p><p>　　《數(shù)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：</p><p>　　1、通過設計，使學生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機床的

21、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(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</p><p>　　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(qū)動方式</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(tǒng)設計”的思想&l

22、t;/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 設計任務</p><p>　　設計一套供立式數(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=15mm，立銑刀齒數(shù)Z=3，最大銑削寬度=15mm</p><p>

23、　　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 = Vymax =1500mm/min，工作臺進給最快

24、移動速度:，加減速0.3s。</p><p>　　第三章 設計主要步驟</p><p>　　3.1 確定設計總方案</p><p><b>　　機械傳動部件的選擇</b></p><p><b>　　、絲杠螺母副的選擇</b></p><p>　　步進電動機的旋轉運動需要通

25、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(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。</p><p>　　同時選用內(nèi)循環(huán)

26、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(diào)隙方式是墊片調(diào)隙式，這種調(diào)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，即一端固定，一端游動的軸承配置形式。</p><p

27、><b>　　、導軌副的選用</b></p><p>　　要設計數(shù)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(shù)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><b>　　、伺服電機的選用</b></p><p>　　選用步進電動機作為伺服

28、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(wǎng)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。</p><p><b>　　、減速裝置的選用&

29、lt;/b></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>　　3.1.2 控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　、設計的X-Y工作臺準備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應該

30、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。</p><p>　　、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。</p><p>　　、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。</p>

31、<p>　　、選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。</p><p>　　3.2 機械傳動部件的計算和選擇</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。</p><p>　　XY工作臺如圖所示:</p><p&

32、gt;　　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向拖板(下拖板)尺寸為: </p><p><b>　　長*寬

33、*高=</b></p><p><b>　　重量=N=320N</b></p><p>　　上導軌(含電機)估算重量為：240N</p><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>　　270N+320N+240N+150N

34、=800N</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、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。</p><p>　　3.2.2 計算切削力</p><p>　　根據(jù)設計任務，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數(shù)：</p><p>　　立銑刀

35、 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>　　設零件的加工方式為立式加工，采用硬質(zhì)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(zhì)合金立銑刀最大的切

36、削參數(shù)如下：</p><p>　　每齒進給量fz=0.1mm</p><p>　　銑刀轉速n=300r/min</p><p>　　由【2】中P200,查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

37、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，為了安全考慮這種最危險的工況。由此可估算三個方向的銑削力分別為：<

38、;/p><p><b>　　（與絲杠軸線平行）</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力，受到水平方向的銑削力分別為和</p>&

39、lt;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>　　滾動導軌的設計計算</b></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工作臺多采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不

40、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=800N,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>　　預期工作臺的工作壽命為5年，一年365天，

41、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為移動件每分鐘往復次數(shù)（4—6）取5</p>

42、<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>　　、額定動載荷計算</b></p><p><b>　　由公式</b></p><p><b>　　從

43、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>　　代入數(shù)據(jù)得： =5120N</p><p><b>　　

44、、產(chǎn)品選型</b></p><p>　　根據(jù)額定動載荷，選擇滾動導軌，查滾動導軌生產(chǎn)廠家，選用南京工藝裝備制造有限公司的GGB16BA型，相關尺寸如下圖4所示， </p><p><b>　　圖4</b></p><p>　　可知其額定動載荷C=6.07KN，大于4580N，故可知滿足要求。</p><p>

45、<b>　　、安裝連接尺寸</b></p><p>　　對于導軌的安裝按照如圖4所示相關尺寸安裝。</p><p>　　3.2.4滾珠絲杠傳動設計計算及校驗</p><p>　　、最大工作載荷的計算</p><p>　　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(shù)K=1.1，滾動導

46、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><p>　　、最大計算動載荷的確定</p><p&

47、gt;　　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5年,每年算360天，每天工作8小時，由此得使用壽命為：</p><p>　　T=5×360×8=14400h，根據(jù)【1】中P110，公式5—4得：=</p><p>　

48、　其中 T——使用壽命 14400 h</p><p><b>　　N——循環(huán)次數(shù)</b></p><p>　　——滾珠絲杠的當量轉速 80r/min</p><p><b>　　求得：≈69（）</b></p><p>　　查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等沖擊載荷取值范圍

49、，現(xiàn)取，滾道硬度為60HRC時，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)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查網(wǎng)上生產(chǎn)該型號的生產(chǎn)廠家的資料，選擇濟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

50、副，為內(nèi)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，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=7971N，滿足要求。</p><p>　　滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù) （單位mm）</p><p><b>　　表一</b></

51、p><p><b>　　、傳動效率的計算</b></p><p>　　將公稱直徑d0=20mm,導程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%。</p><p><b>　　、剛度的驗算</b><

52、;/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算可以用接觸量來校核。</p><p>　　a、滾珠絲杠滾道間的接觸變形量δ，查【3】中相關公式，根據(jù)公式，求得單

53、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。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=498N。查【3】中相關公式，得，滾珠與螺紋滾道間接觸變形 式中 Pa==。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=0.0007mm。</p><p>　　絲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

54、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><p>　　中心距a=500mm</p><p&g

55、t;　　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><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3

56、15~400mm時，行程偏差允許達到25，可見絲杠剛度足夠。</p><p><b>　　、穩(wěn)定性的驗算</b></p><p>　　根據(jù)【3】中 式5.7-17 。</p><p><b>　　取支承系數(shù)=2；</b></p><p>　　由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩

57、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><p><b>　　、臨界轉速的驗算</b></p>

58、;<p>　　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>　　為臨界轉速計算長度</b></p><p>　　為絲杠支承方式系數(shù)=3.927（一端固定，一端游動

59、）</p><p>　　代入數(shù)據(jù)得：nc =9428r/min</p><p>　　臨界轉速遠大于絲杠所需轉速，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，</p><p>　　由表一

60、可知絲杠所需的安裝連接尺寸</p><p>　　3.2.5 步進電機的傳動計算及電動機的選用</p><p><b>　　、傳動計算</b></p><p>　　因為該銑床的加工精度為±0.04mm，脈沖當量為0.01mm/Hz，</p><p>　　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：<

61、;/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，采用電動機軸與絲杠通過聯(lián)軸器聯(lián)接的方式。</p><p>　　、步進電動機的計算和選型</p><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

62、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>　?、?、滾珠絲杠的轉動慣量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

63、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>　?、ⅰL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【1】中式5-29得：</p&

64、gt;<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>　?、！⒊踹x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</p><p>　

65、　所以=7.52×10+5.2×10+4×10=5.3×10 N·m</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(nèi)，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)慣量達到較合理的配合，一般比值控制在1/4——1之間， ==0.75</p><p>　　由此可見:,符合慣量匹配要求。</

66、p><p>　　、步進電機軸上的等效負載轉矩M的計算</p><p>　　a、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【1】中P132式5-25得：</p><p><b>　　其中 </b></p><p>　　其中: 為折算到電動機軸上的總慣量==4.9×10</p&

67、gt;<p>　　T系統(tǒng)時間常數(shù)，由任務書知為T=0.3S</p><p>　　切削時的轉速為300r/min</p><p>　　得： Mat =得： Mat =×300,9.6×0.3) =0.051 N·m </p><p>　　其中： 為導軌摩擦力</p><p>

68、　　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>　　代入數(shù)據(jù) 得： N·m</p><p>　　其中： 為最大軸向預緊力，F(xiàn)amax=Fz=498N</p><p>　　為滾珠絲杠未預緊

69、時的效率，=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：進給方向的最大切削力</p><p><b>　　其余參數(shù)同上。</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)得： N

70、·m</p><p>　　由此都得到等效負載轉矩 N·m </p><p>　　b、快速空載時電動機所需力矩M</p><p>　　由【1】中P132式5-24得：</p><p><b>　　加速力矩其中：</b></p><p><b>　　其余參數(shù)同上&l

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

72、　　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><p>　　所以可知快速空載時電機所需力矩：=0.093N·m</p

73、><p>　　比較和，取其較大者，就是最大等效負載，即：==1.44N.M</p><p><b>　　、步進電機的初選</b></p><p>　　考慮到步進電機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)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(shù)λ，取λ=3，則步進電機的最大靜轉矩應滿足：</p

74、><p><b>　　N·m</b></p><p>　　由所選的電機型號參數(shù)可知，最大轉矩 N·m，可知滿足要求。</p><p><b>　　、步進電機性能校核</b></p><p>　　a 、最快工進速度時電動機時輸出轉矩校核</p><p>　　任務

75、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，遠遠大于最大工作負載轉矩=1.44N·m，滿足要求。</p><p>　　b、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，

76、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=0.093N·m，滿足要求。</p><p>　　c、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。查圖3中相應表格，可知90B

77、YG5502電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。</p><p>　　、起動頻率的計算 </p><p>　　已知電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。由式可知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

78、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(tǒng)選用90BYG5502步進電動機，完全滿足設計要求。</p><p>　　、確定選型的步進電機的參數(shù)</p><p>　　所選電動機參數(shù)如下圖所示：</p><p><b>　　圖2</b></p>&

79、lt;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>　　參考網(wǎng)址 http://www.cz-baoma.com/product.asp?Action=Detail&ID=28</p><p>　　3.3 其余附件的選擇</p><p>&l

80、t;b>　　聯(lián)軸器的選擇</b></p><p>　　剛性聯(lián)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(chǎn)生負荷時，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>

81、;<p>　　參考網(wǎng)址 http://www.31992640.com/asp/cpzx-show.asp?productid=1753</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　第四章 控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　根據(jù)任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的時主要考慮以下功能：</p><p

82、>　　接受操作面板的開關與按鈕信息；</p><p><b>　　接受限位開關信號；</b></p><p>　　控制X，Y向步進電動機的驅(qū)動器；</p><p>　　與PC機的串行通信。</p><p>　　CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/

83、O和存儲器擴展芯片。W27C512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴展AT89S52的RAM存儲器存放調(diào)試和運行的加工程序；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顯示器顯示當前工作臺坐標值；系統(tǒng)具有超程報警功能，并有越位開關和報警燈；其他輔助電路有復位電路，時鐘電路，越位報警指示電路。</p><p>　　4.1 進給控制系統(tǒng)原理框圖</p><p&g

84、t;<b>　　圖6</b></p><p>　　4.2 驅(qū)動電路流程設計</p><p>　　步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，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(qū)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(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞

85、。</p><p>　　圖7 步進電機驅(qū)動電路圖</p><p>　　該電路中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(lián)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(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，以免電動機發(fā)熱厲害被燒壞。</p><

86、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：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A……….其反轉的通電順序為：A-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A………。</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>　　設計中X、Y向步進電動機均為90BYG5502型，

87、生產(chǎn)廠家為常州寶馬前楊電機電器有限公司。查步進電動機的資料，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>　　圖8</b></p><p>　　第五章 驅(qū)動電路設計</p><p>　　5.1 驅(qū)動電路的時間常數(shù)</

88、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時間內(nèi)相電流上升至額定電流的60%，即I=0.6In1.5A。</p><p>　　負載回路的時間常數(shù)為</p><p>　　τi=L/Rm=0.003/0.8=3.7 (ms)</p><p>　　因此

89、 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，其時間常數(shù)為</p><p>　　τi′=L/(Rm+R0)</p><p>　　則 R0=(L－τi

90、′Rm)/ τi′</p><p>　　其中 τi′=0.455 (ms)</p><p>　　所以 </p><p>　　需要串聯(lián)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(qū)動。</p><p>　　5.3 元器件的確定</

91、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選用達林管GO201.當標色綠點時其性能見表5-1</p><p><b>　　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.

92、5V，故UR3≈2.5V，而負載電流=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)。</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.&

93、lt;/p><p><b>　　從等效電路可得</b></p><p><b>　　IC1=I3＋IB</b></p><p>　　I3R3=UBE=2.5</p><p>　　IC1R2=En－UBE=27.5 (V)</p><p>　　選光耦合器輸入電流Ii=10mA(

94、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><p>　　R3≈1.25（kΩ） R2≈9.2(kΩ)</p><p><b>　　圖5-1</b></p>

95、<p>　　第六章 機械部分裝配圖的繪制</p><p>　　裝配圖見附件CAD A0圖紙</p><p>　　步進電機控制驅(qū)動流程圖見CAD A4圖紙</p><p><b>　　第七章 結論</b></p><p>　　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：200

96、5-3。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(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)制電路來實現(xiàn)伺服電機電壓的平均值，電路中采用了阻容滯后電路，來防止H型橋式功率放大器中兩對IGBT功率管同時導通造成短路現(xiàn)象，能夠有效的控制伺服電機單位正轉、反轉及轉速，同時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

97、，來檢測伺服電機的位置，通過單片機對光電編碼器反饋信號處理來達到預期的精度要求。在設計中我們兼顧經(jīng)濟性，考慮滿足精度的要求，因此對于設備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設計的成本較高。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　【1】、文懷興、夏田 .《數(shù)控機床系統(tǒng)設計》 北京：北京化工出版社，2005.</p><p&g

98、t;　　【2】、韓榮第 .《金屬切削原理與刀具》 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2007.</p><p>　　【3】、李洪 .《機床設計手冊》北京：遼寧科學技術出版社，1999.</p><p>　　【4】、陳家芳.《金屬切削工藝手冊》 上海：上海科學技術出版社, 2005.</p><p>　　【5】、楊建明. 《數(shù)控加工工藝與編程》北京：北京理工大學出版社，2

99、009.</p><p>　　【6】、張新義.《經(jīng)濟型數(shù)控機床系統(tǒng)設計》北京：機械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　【7】、尹志強.《機電一體化系統(tǒng)課程設計指導書》北京:機械工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　【8】王蘭美. 《機械制圖》高等教育出版社，2007</p><p>　　【9】濮良貴、紀名剛. 《機械設計》，200

100、9</p><p>　　【10】戴曙. 《金屬切削機床》機械工業(yè)出版社，2009</p><p>　　【11】孫恒、陳作模、葛文杰. 《機械原理》高等教育出版社，2009</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　我覺得這次《數(shù)控機床》課程設計是對過去所學專業(yè)知識的一個全面的綜合的運用。在設計的過

101、程中我全面地溫習了以前所學過的知識，包括機械設計基礎和機械制圖方面的基礎知識，還有剛學過的機電一體化這門課，經(jīng)過復習整理所學得專業(yè)知識使得設計思路清晰系統(tǒng)。通過設計使我更加接近生產(chǎn)實際，鍛煉了將理論運用于實際的分析和解決實際問題的能力，鞏固、加深了有關機械設計方面的知識。</p><p>　　還有很重要的一點是讓我體會到了一個設計者的精神。在設計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

102、用標準、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關技術資料的基本技能以及計算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。</p><p>　　通過對通用機械零件、常用機械傳動或簡單機械的設計，掌握了一般機械設計的程序和方法，借助于CAD軟件繪圖，不但使學生更加熟練地掌握CAD軟件的應用，而且有助于樹立正確的工程設計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學的機械設計能力。</p><p>　　最后對在整個設計過程中對老師認真、耐心輔導表