1、學校代碼： 10128學 號：201020102。課程設計說明書題 目： 小型數控立式銑床工作臺升降和制動裝置設計學生姓名： 學 院： 機械學院班 級： 機電10-班指導教師： 。老師 2014年 1月 9 日摘要【摘要】：小型立式銑床工作臺升降和制動裝置設計。數控機床的加工系統、立體倉庫中堆垛機的平面移動系統、平面繪圖儀的繪圖系統等,盡管結構和功能各不相同,但基本原理相同。機電一體化系統是將機械系統與微電子系統結合而形成的一個有機整體。本文通過對小型立式銑床工作臺的機械系統、控制系統及接口電路的設計,闡述了機電一體化系統設計中共性和關鍵的技術。本次課程設計，主要設計和研究小型立式銑床工作臺及

2、其電氣原理圖。確定小型立式銑床工作臺的傳動系統，選擇了螺旋傳動，驗算了螺旋傳動的剛度、穩定性，壽命等參數；還設計了導軌，根據其用途和使用要求，選擇了直線滾動導軌副，確定了其類型、轉動力矩、轉動慣量。【關鍵詞】：小型立式銑床工作；滾珠絲杠螺母副；直線滾動導軌副；步進電機；目錄一、 設計任務1二、 總體方案設計2三、 機械傳動部件設計31、 直線滾動導軌的計算與選型32、 滾珠絲杠螺母副的計算與選擇43、 步進電動機減速箱64、 步進電動機的計算65、 聯軸器9四、 微機數控硬件電路的設計101、 選擇中央處理單元CPU的類型102、 選擇LCD顯示器103、 控制案件114、 ULN280211

3、5、 輔助電路12五、 步進電動機控制系統的軟件設計121、 主程序設計132、 調速程序設計13六、參考目錄15一、設計任務1、技術參數1、工作臺升降行程：200； 2、工作臺尺寸：長×寬400×200； 3、工作臺總重： 600N； 4、最高運行速度：步進電機運行方式： 空載：0.6m/min; 切削：0.1m/min；交流伺服電機運行方式：空載：9m/min;切削：2m/min；5、系統分辨率：開環模式0.01mm/step；半閉環模式 0.005mm/step；6、系統定位精度：開環模式±0.10mm；半閉環模式 ±0.01mm；7、切削負載：X

4、向400N；Y向600N；Z向1000N2、設計要求1、實現垂直平穩升降，具有快速升降功能；2、用步進電機或交流伺服電機作驅動元件；3、工作時離合器脫開，主軸不工作時，離合器鎖死，主軸箱停在任意位置；4、具有行程越位報警功能；5、采用滾動導軌塊作支承；6、具有斷電鎖緊功能。3、圖紙量和工作量要求1）機械總裝配圖在CAXA環境下繪制主軸箱升降制動裝置設計的結構圖，并進行詳細修改和設計，最后用A1號圖紙打印輸出。2）硬件電路圖控制芯片可采用8031、80C31或基于PLC的運動控制技術，在Protel 99環境下，進行控制電路圖的設計，電路圖幅為A2A1為宜。3）設計說明書要嚴格按照內蒙古工業大學

5、課程設計（論文）說明書書寫規范認真撰寫，說明書不少于6000字。二、總體方案的確定1、機械傳動部件的選擇（1）導軌副的選用由于工作臺承受的載荷不大，脈沖當量小，定位精度高，所以選用直線滾動導軌副。他具有摩擦系數小，不易爬行、傳動效率高，結構緊湊、安裝預緊方便等優點。（2）滾珠絲杠螺母副的選擇伺服電機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，要滿足0.01mm的脈沖當量和±0.10mm的定位精度，滑動絲杠無能為力，只能選用滾珠絲杠螺母副才能達到。滾珠絲杠螺母副傳動精度高，動態響應快，運轉平穩，壽命長，效率高，預緊后可以消除反向間隙。（3）減速裝置的選用選擇步進電機和滾珠絲杠之后，為了

6、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，且應有消隙機構，故應該首先考慮采用無間隙齒輪傳動減速箱。（4）伺服電動機選用由于任務書上規定的脈沖當量尚未達到0.0001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有600mm/min。因此本設計不必采用高檔次的伺服電動機，可以選用性能好一些的步進電動機，以降低成本，提高性價比。（5）聯軸器的選用由于步進電動機和滾珠絲杠螺母副直接聯接，所以需要添加聯軸器。2、微機數控硬件電路的設計利用微機實現對機械結構部件的升降和制動的控制。三、機械傳動部件的計算和選型1、直線滾動導軌的計算與選型(1)滑塊

7、承受載荷的計算以及導軌型號的選擇工作載荷是影響直線滾動導軌的使用壽命的重要因素，由于工作臺垂直布置，故采用雙導軌-四滑塊的支承形式。其工作載荷計算方法如下：圖2-1式子中的W是指總載荷，由于任務書中給出，G=600N,則W=+G=1600N公式里其他的數據分別取，。將以上數值帶入公式可知：根據F=0.77KN，查表初選滾動導軌副的型號為KL系列的SBG15型，其額定動載荷為8.5kN,額定靜載荷為13.7kN，任務書規定加工升降行程為200mm,考慮工作行程留有一定余量，按標準系列，查表選取導軌長度為460mm。（2）距離額定壽命的計算 由于SBG15型導軌副的滾到硬度為60HRC，工作溫度不

8、超過,每根導軌上配有兩個滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-363-40，分別取硬度系數，溫度系數，接觸系數，精度系數，載荷系數。代入公式：=2873.03km>50km滿足要求。2、滾珠絲杠螺母副的計算和選型（1）最大工作載荷的計算已知切削負載：X向400N；Y向600N；Z向1000N，工作臺重600N,按照矩形導軌進行計算，查表可知，取顛覆力矩影響系數K=1.1，滾動導軌的摩擦系數f=0.0030.005，取f=0.005。求得滾珠絲杠的最大工作載荷：（2）最大動載荷的計算已知工作臺在承受最大銑削力的最快進給速度v=0.1m/min,初選絲杠導程P=4mm,此時絲杠轉

9、速=25r/min取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，計算絲杠的壽命系數：查表3-30，取載荷系數=1.2，滾道硬度未60HRC時，取硬度系數=1，求得最大動載荷：=5979.34N（3）初選型號根據以上算得的最大動負載和導程P=4mm,選用型號為G2504-4的滾珠絲杠，其公稱直徑為25mm,滾珠的排列為4圈1列，額定動載荷為7674N>Fq，滿足前面的要求。（4）傳動效率的計算根據以上計算可知公稱直徑25mm，導程4mm，計算螺旋升角=取摩擦角等于10分，計算傳動效率：=95.8（5）剛度的驗算滾珠絲杠在工作時會發熱，為了補償熱膨脹，須將絲杠預拉伸。則上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用

10、“單推單推”的方式，絲杠兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配。兩個軸承中心距a=500mm,鋼的彈性模量E=2.1x105MPa,查表可知滾珠直徑,絲杠底徑d2=22.1mm,絲杠截面積。在總變形量中占的比重較大，可按下式計算：由于轉矩M一般較小，式中第二項可忽略。=0.0110mm根據公式，求得單圈滾珠數Z=30；該型號絲杠為單螺母，滾珠圈數X列數為3X1,代入公式：×圈數×列數，的滾珠總數量為90；絲杠預緊時，取軸向預緊力。代入公式可以求得由于預緊力為達軸向工作載荷的1/3，減小一半，即=0.0011mm.絲杠的總變形量，初取絲杠長度為300mm,查表可估計絲杠的

11、有效行程<315mm，則在標準公差等級為5級時，滾珠絲杠副允許的偏差為23。由于，則絲杠剛度足夠。(6)壓桿穩定性校核對已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負載時，應驗算其有沒有產生縱向彎曲（失穩）的危險，產生失穩的臨界負載用下式計算： ，查表3-34，取支承系數fz=1,由絲杠直徑22.1mm，求得界面慣性矩;壓桿穩定安全系數K取2.5；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。計算得Fk=38771.9N，遠大于工作載荷Fm=1765N，故不會失穩。綜上所述，初選的滾珠絲杠滿足要求。3、步進電機減速箱的選用已知工作臺的脈沖當量=0.01mm，滾珠絲杠的導程為4mm，

12、初選步進電動機的步距角。則減速比i=，因此無需采用減速箱。4、步進電動機的計算和選型（1）計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量已知滾珠絲杠公稱直徑d0=25mm，總長l=500mm，導程Ph=4mm,材料密度，計算滾珠絲杠的轉動慣量Js=mjd028=0.964kg*cm2。工作臺折算到絲杠上的轉動慣量，其公式為：Jw=W(L02)2=0.248kg*cm2初選步進電動機型號為3402HS45AB，步距角為0.9度，查得該型號的電動機轉子的轉動慣量為Jm=1.4kg*cm2。則一對齒輪傳動時，傳動系統的折算到電動機軸上的總轉動慣量：=2.612kg*cm2（2）計算加在步進電動機轉軸上的等效負

13、載轉矩 快速空載起動時電動機轉軸所受的負載轉矩：其中： 快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩 其中，對應空載最快移動速度的步進電動機的最高轉速，步進電動機由靜止到加速至轉速所需時間，=0.4s傳動鏈總效率，=0.7 移動部件運動時，折算到電動機軸上的摩擦轉矩 ，空載時，則= 0.0027 N.m代入公式計算快速空載啟動時電動機轉軸所承受的負載轉矩得： = 0.0173N.m 最大工作狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩 其中： 折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩 移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩 滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附件摩擦轉矩，由于相對于另兩項很小，可忽略不計

14、。代入公式計算得：=0.9136N.m經上述計算，得到加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩 = max ，=0.9136N.m（3）步進電動機最大靜轉矩的選定考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓減小時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此根據來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。本例中取安全系數K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：。上述初選的步進電動機型號為3402HS45AB，查得該型號電動機的最大靜轉矩，可見滿足上述要求。由于步距角是1.8度的，可以通過驅動器細分。（4）步進電動機的性能校核 最快工進速度時電動機輸出轉矩校核電動機運行頻率計算公式

15、為：式中： 最快工作進給速度，=100mm/min代入公式計算得： 可查得對應的輸出轉矩>因此滿足要求。 最快空載移動時電動機輸出轉矩校核此時電動機對應的運行頻率：式中： 最快工作進給速度， =600mm/min代入公式計算得： 查表查得對應的輸出轉矩約等于4.5N*M>因此滿足要求。 最快空載移動時電動機運行頻率校核與 =600mm/min對應的，查表可知電動機的空載運行頻率可達20000Hz，可見沒有超出上限。 起動頻率計算步進電動機克服慣性負載的起動頻率：式中： 電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率，查表4-5得=1800Hz代入公式計算得： 上式說明，要想保證步進電動機起

16、動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小與1063.3Hz。在采用軟件升降頻時，起動頻率選的更低，通常只有100Hz。綜上所述，本例中工作臺的進給傳動選用3402HS45AB步進電動機，完全滿足設計要求。5、聯軸器的選擇滾珠絲杠的軸頭與滾珠絲杠螺母副用聯軸器聯接，由于傳遞的轉矩小，因此選用小型的聯軸器。根據滾珠絲杠的公稱軸徑=25mm和步進電動機轉軸上的等效負載轉矩=0.9136N.m，故選擇SRJ-55C型號可撓性聯軸器。四、微機數控硬件電路的設計根據任務書要求，設計控制系統的硬件電路時主要考慮以下功能：接受鍵盤數據，控制LCD顯示；接受操作面板的開關與按鈕信號；接受車床限位開關信號；控制Z向

17、步進電動機的驅動器；控制系統由微機部分，鍵盤、顯示器、I/O接口及光電隔離電路，步進電機功率放大電路等幾部分組成。系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用LCD顯示器。控制系統的原理框圖如下：RAMROMCPUI/O接口外 設鍵盤、顯示器及其它驅動器步進電機圖4-11、選擇中央處理單元CPU的類型考慮到系統應用場合、控制對象對各種參數的要求，及經濟價格比等經濟性的要求。因此，在經濟數控銑床中，推薦使用MCS51系列單片機作主控制器，故選取89C52單片機作為主控制器。它結合了CMOS的高速和高密度技術及CMOS的低功耗特征，它基于標準的MCS-51單片機體系結構和指令系統，屬于89

18、C51增強型單片機版本，集成了時鐘輸出和向上或向下計數器等更多的功能，適合于類似馬達控制等應用場合。89C52內置8位中央處理單元、256字節內部數據存儲器RAM、8k片內程序存儲器（ROM）32個雙向輸入/輸出(I/O)口、3個16位定時/計數器和5個兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內時鐘振蕩電路。此外，89C52還可工作于低功耗模式，可通過兩種軟件選擇空閑和掉電模式。在空閑模式下凍結CPU而RAM定時器、串行口和中斷系統維持其功能。掉電模式下，保存RAM數據，時鐘振蕩停止，同時停止芯片內其它功能。所以也不需要擴展存儲器。2、選擇LCD顯示器LM016L 液晶模塊采用HD44780控制

19、器。HD44780具有簡單而功能較強的指令集，可以實現字符移動、閃爍等功能。LM016L 與單片機 MCU（Microcontroller Unit）通訊可采用 8 位或者 4 位并行傳輸兩種方式。HD44780 控制器由兩個 8 位寄存器、指令寄存器（IR）和數據寄存器（DR）、忙標志（BF）、顯示數據 RAM（DDRAM）、字符發生器 ROM（CGROM）、字符發生器RAM（CGRAM）、地址計數器（AC）。IR 用于寄存指令碼，只能寫入不能讀出；DR 用于寄存數據，數據由內部操作自動寫入DDRAM 和 CGRAM，或者暫存從 DDRAM 和 CGRAM 讀出的數據。BF 為 1 時，液晶

20、模塊處于內部處理模式，不響應外部操作指令和接受數據。DDRAM 用來存儲顯示的字符，能存儲 80 個字符碼。CGROM 由 8 位字符碼生成 5*7 點陣字符 160 種和5*10 點陣字符 32 種，8 位字符編碼和字符的對應關。CGRAM 是為用戶編寫特殊字符留用的，它的容量僅 64 字節。可以自定義 8 個 5*7 點陣字符或者 4 個5*10 點陣字符。AC 可以存儲 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址碼隨指令寫入 IR，則 IR 自動把地址碼裝入 AC，同時選擇DDRAM 或者 CGRAM 單元。LM016L 液晶模塊的引腳功能見下圖。LCD 的 數 據 端 連 接 到AT

21、89C52 的 P010P017 口上。圖4-23、控制按鍵采用獨立式鍵盤 ,分別接到 A T89C52 的P2. 3P2. 7 口而實現。通常按鍵所用的開關為機械彈性開關 ,因此機械觸點斷開、閉合時均會有一系列的抖動。抖動時間長短由按鍵的機械特性決定 ,一般是 510 ms。為了確保 CPU 對鍵的一次閉合只做一次處理 ,必須去除鍵盤抖動。一般多采用軟件消抖。軟件消抖的方法是指 ,檢測到有按鍵按下時 ,執行一個 10 ms左右(具體時間可以調整)的延時程序產生延時 ,等電壓穩定后再讀取按鍵的狀態 ,從而消除抖動。4、ULN2802 ULN2803 ULN2804A 8個NPN達林頓晶體管，連

22、接在陣列非常適合邏輯接口電平數字電路（例如TTL，CMOS或PMOS上/ NMOS）和較高的電流/電壓，如電燈，電磁閥，繼電器，打印錘或其他類似的負載，廣泛的使用范圍：計算機，工業和消費應用。所有設備功能由集電極輸出和鉗位二極管瞬態抑制。 該ULN2803是專為符合標準TTL，而制造ULN2804適合6至15V的高級別CMOS或PMOS上。該電路為反向輸出型，即輸入低電平電壓，輸出端才能導通工作。ULN2803達林頓管IC，一般都是 用來驅動功率稍微大一點的被動器件的，而驅動的被動器件里，有很大一部分是感性的，如繼電器、馬達、電磁閥等，這些感性器件在關斷瞬間會產生很高的自感電動勢（自感電壓），

23、低的10多伏，高的幾十伏，甚至幾百伏，這么高的電壓很容易把ULN2803 達林頓管打壞，甚至打壞電路中的其它元器件，所以需要在感性器件上并聯一個二極管，用來續流（就是把那個自感高壓放掉），保護IC和其它器件不受破壞，此續流二極管正極接2803輸出端(即電感器件的一端），負極接驅動電源（在2803上是10腳，也就是電感器件的另一端）。2803在內部設計了二極管以后，用戶在使用的時候不需要外接二極管，在同時驅動多路器件的時候可以節省PCB空間，節約成本、方便走線。5、輔助電路1）87C51的時鐘電路 數控銑床單片機的時鐘電路采用內部方式產生。2）復位電路 單片機的復位都靠外部電路實現。單片機通常采

24、用上電復位和按鍵復位兩種，本系統采用前者。3）越界報警電路為防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。圖3-18為報警信號的產生和指示電路。4）掉電保護電路 避免在掉電的情況下，RAM中的信息丟失，圖121為其工作原理。圖4-3掉電保護電路.圖4-3五、步進電動機控制系統的軟件設計1、主程序設計系統軟件采用模塊化程序設計 ,系統主程序主要完成的內容有:系統參數初始化、打開中斷、啟動電機等。系統主程序流程圖如圖 3 所示。可以看出 ,主程序是一個死循環 ,在系統上電初始化完畢后 ,系統一直在不斷的執行這個循環程序。在循環過程中 ,若產生中斷 ,則程序就轉去執行相應的中斷服務程序。圖5-1(1

25、) 首先進入啟動界面 ,本系統每次啟動后將進入待機界面 ,同時步進電機進入待機狀態 。(2) 當按下啟動停止鍵后 ,此時系統將開始驅動電機 ,電機將以 0 級速度 3 r/ min 正轉 ,如圖 5 所示 ,LCD 的第一行顯示的是系統的轉速級別 ,第二行顯示轉速和轉向。其中數字代表轉速值 ,前面的正負號代表轉向。(3) 每按一次速度加后 ,電機的速度將提高一個級別 ,當連續按下 7 次后 ,電機將以 6 級速度30 r/ min正轉 ,直到 9 級最高速 120 r/ min。每按一次K4/ 速度減后 ,電機的速度將降低一個級別 ,直到0 級最低速 3 r/ min。在電機運行的任何時刻可以按下正反鍵 ,使電機在正反轉動之間轉換。(4) 在電機運行的任何