立式數(shù)控銑床x-y數(shù)控工作臺課程設計

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

2、p>　　學 生 </p><p>　　指導老師 </p><p>　　2013 年 1 月 1 日</p><p>　　數(shù)控方向課程設計任務書</p><p>　　茲發(fā)給 機械 班學生 設計任務書，內(nèi)容如下：</p>

3、<p>　　設計題目： </p><p><b>　　應完成的項目：</b></p><p>　?。?） 確定設計總方案

4、 </p><p>　?。?） 機械傳動部件的計算與選擇 </p><p>　?。?） 控制系統(tǒng)的設計 </p><p&

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

6、 </p><p><b>　　參考資料以及說明：</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>　?。?）楊建明. 《數(shù)控加工工藝與編程》北京：北京理工大學出版社，2009.

7、 </p><p>　　本設計任務書于2012年 11 月 14日發(fā)出，應于2012年 12月21日前完成，然后進行答辯。</p><p>　　指導教師 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&

9、gt;　　3.1.2 控制系統(tǒng)的設計3</p><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

10、絲杠傳動設計計算及校驗8</p><p>　　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

11、源與控制器的接線方式21</p><p>　　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&

12、gt;　　5.3.2 確定R2和R323</p><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&

13、gt;　　第一章 前言</b></p><p>　　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

14、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。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：<

15、/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>&l

16、t;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</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=

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、臺空載進給最快移動速度： Vxmax = Vymax =1500mm/min，工作臺進給最快移動速度:，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

19、</b></p><p>　　步進電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)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(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長

20、、效率高、預緊后可消除反向間隙。</p><p>　　同時選用內(nèi)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(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(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

22、選用</b></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(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

23、高性價比。</p><p><b>　　、減速裝置的選用</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(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)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<

24、/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，

25、還要擴展程序存儲器，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。</

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

28、重量為:</p><p>　　270N+320N+240N+150N=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

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,查得立銑時切削力計算公式為：</p><p>　　代如上式得： </p>&

31、lt;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

32、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：</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

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>　　滾動導軌的設計計算</b></p><p><b>　　、工作載荷的計算</b></p><p>　　工作載荷

34、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：</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

35、計算</p><p>　　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</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

36、><p>　　n為移動件每分鐘往復次數(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

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

40、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(zhuǎn)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=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，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

44、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）<

45、;/p><p><b>　　表一</b></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%。</

46、p><p><b>　　、剛度的驗算</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?？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。</p><p>　　絲杠螺母的剛度的驗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

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，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&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)速的驗算</b></p><p>　　對于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗算其臨界轉(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&

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(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動

56、慣量的計算。</p><p>　　總轉(zhuǎn)動慣量J主要包括電動機轉(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軸上的轉(zhuǎn)動慣量。</p><p>　?、　L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）=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電器有限公司的90YG

59、5502型混合式步進電動機，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

60、.75</p><p>　　由此可見:,符合慣量匹配要求。</p><p>　　、步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩M的計算</p><p>　　a、承受的負載轉(zhuǎn)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

61、>　　其中: 為折算到電動機軸上的總慣量==4.9×10</p><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(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

63、力，F(xiàn)amax=Fz=498N</p><p>　　為滾珠絲杠未預緊時的效率，=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

64、參數(shù)同上。</b></p><p>　　代入數(shù)據(jù)得： N·m</p><p>　　由此都得到等效負載轉(zhuǎn)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：<

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為導軌副的摩擦因數(shù)，滾動導軌取</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電機所需力矩：=0.093N·m</p><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(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(zhuǎn)矩應滿足：</p><p><b>　　N·m</b></p><p>　　由所選的電機型號參數(shù)可知，最大轉(zhuǎn)矩 N·m，可知滿足要求。</p><p><b>　　、步進電機性能校核</b></p><p>　

69、　a 、最快工進速度時電動機時輸出轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩4N·m，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩=1.44N·m，滿足要求。</p><p>　　b、最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 </

70、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(zhuǎn)矩=3.5N·m，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)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>　　

71、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90BYG5502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(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，電動機轉(zhuǎn)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

72、>　　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(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>

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(zhuǎn)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><p><b>　　圖5</b></p&

75、gt;<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>　　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><

76、;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/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，

77、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><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，

78、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。</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(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><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(zhuǎn)時通電順序為：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A……….其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-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>　　設計中X、Y向步進電動機均為90BYG5502型，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&

81、gt;　　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)</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

82、路的時間常數(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選用達林管GO201.當標色綠點時其性能見表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＋IB</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&

89、gt;<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：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(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

90、容滯后電路，來防止H型橋式功率放大器中兩對IGBT功率管同時導通造成短路現(xiàn)象，能夠有效的控制伺服電機單位正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)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，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

91、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>　　【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>　　【

92、4】、陳家芳.《金屬切削工藝手冊》 上海：上?？茖W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，2009.</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.

93、</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》，2009</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

94、><b>　　致 謝</b></p><p>　　我覺得這次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

95、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C