...wd......wd......wd...專業(yè)課課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目：數(shù)控X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì)學(xué)生：洪炎豐學(xué)號(hào)：200611411208班級(jí)：機(jī)制1062指導(dǎo)教師：張健、李偉洪廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械系2010年2月目錄序言……………3摘要……………4設(shè)計(jì)目的……………………4設(shè)計(jì)要求……………………4總體方案設(shè)計(jì)………………5機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算………………………61、確定脈沖當(dāng)量……………62、確定傳動(dòng)比………………63、滾珠絲杠螺母副的選型和校核………74、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算……………115、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算………………136、啟動(dòng)矩頻特性校核……………………14控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………18第一節(jié)控制系統(tǒng)硬件的根本組成………………18第二節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制電路…………18步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)………………20其它電路輔助設(shè)計(jì)………………………24設(shè)計(jì)總結(jié)……………………24參考文獻(xiàn)……………………25序言據(jù)資料介紹，我國(guó)擁有400多萬臺(tái)機(jī)床，絕大局部都是多年累積生產(chǎn)的普通機(jī)床。這些機(jī)床自動(dòng)化程度不高，加工精度低，要想在短時(shí)期內(nèi)用自動(dòng)化程度高的設(shè)備大量更新，替代現(xiàn)有的機(jī)床，無論從資金還是從我國(guó)機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國(guó)現(xiàn)有的局部普通機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精細(xì)化改造又勢(shì)在必行。為此，如何改造就成了我國(guó)現(xiàn)有設(shè)備技術(shù)改造迫切要求解決的重要課題。在過去的幾十年里，金屬切削機(jī)床的根本動(dòng)作原理變化不大，但社會(huì)生產(chǎn)力特別是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用開展很快。反映到機(jī)床控制系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程度，又能提高加工的精度，現(xiàn)已有一些企業(yè)在這方面做了有益的嘗試。實(shí)踐證明，改造后的機(jī)床既滿足了技術(shù)進(jìn)步和較高生產(chǎn)率的要求，又由于產(chǎn)品精度提高，型面加工范圍增多也使改造后的設(shè)備適應(yīng)能力加大了許多。這更加突出了在舊機(jī)床上進(jìn)展數(shù)控技術(shù)改造的必要性和迫切性。由于新型機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換，國(guó)家要花費(fèi)大量的資金，而替換下的機(jī)床又會(huì)閑置起來造成浪費(fèi)，假設(shè)采用改造技術(shù)加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)省50%以上的資金。從我國(guó)的具體情況來講，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3到1/5，一般用戶都承當(dāng)?shù)闷稹＿@為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)開展開創(chuàng)了新路，也對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)吸引力，起到了事半功倍的積極作用。據(jù)國(guó)內(nèi)資料統(tǒng)計(jì)訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿足市場(chǎng)需求的主要補(bǔ)充手段。在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)是現(xiàn)代機(jī)械制造的根本特征，占有相當(dāng)大的比重。要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。從上述分析中不難看出數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建設(shè)在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的根基之上。通過理論上的推導(dǎo)和實(shí)踐使用的證明，把微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)引入機(jī)床的改造有以下幾方面的優(yōu)點(diǎn)：1〕可靠性高；"柔性強(qiáng)；#易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；2〕經(jīng)濟(jì)性可觀。為此在舊的機(jī)床上進(jìn)展數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能，降低生產(chǎn)本錢，用較少的資金投入而得到較高的機(jī)床性能和較大的經(jīng)濟(jì)效益。摘要本課程設(shè)計(jì)是對(duì)銑床進(jìn)展改造，目的在于培養(yǎng)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力，重點(diǎn)是對(duì)所學(xué)知識(shí)的穩(wěn)固和加強(qiáng)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)及將來的工作打下堅(jiān)實(shí)的根基。本課程設(shè)計(jì)由序言、設(shè)計(jì)要求、總體方案、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)元件的選擇與確定和主程序框圖、數(shù)控化電路原理組成。由于本人經(jīng)歷缺乏，以及對(duì)知識(shí)掌握程度的限制，設(shè)計(jì)過程還存在某方面的錯(cuò)漏，敬請(qǐng)教師提出珍貴意見。設(shè)計(jì)目的數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)完技術(shù)根基課和專業(yè)課，特別是“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用〞課程后應(yīng)用的，它是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決實(shí)際問題能力的重要步驟。本課程設(shè)計(jì)是以機(jī)電一體化的典型課題---數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定為主線，通過對(duì)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的擬定、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械局部設(shè)計(jì)，計(jì)算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過的機(jī)械、電子和微機(jī)方面的知識(shí)，進(jìn)展一次機(jī)電結(jié)合的全方面訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計(jì)計(jì)算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過程中所遇到的問題的能力。設(shè)計(jì)要求課程設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計(jì)可以初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實(shí)際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運(yùn)用課程和選修課程的知識(shí)，獨(dú)立完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是改造設(shè)備，實(shí)現(xiàn)以下幾局部?jī)?nèi)容的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。如精細(xì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)〔或裝置〕的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)I/O接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計(jì)等。說明書的內(nèi)容應(yīng)包括：課程設(shè)計(jì)題目總體方案確實(shí)定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算以及機(jī)械和電氣及其他局部〔如環(huán)形分配器等〕的說明。該課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及方法，可以歸納如下：1.采用微型計(jì)算機(jī)〔包括單片機(jī)〕進(jìn)展數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。2.選用驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)展控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用，考慮電機(jī)選擇及驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算，控制電機(jī)電路的設(shè)計(jì)。3.精細(xì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)問題：要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行元件的主要功能〔傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、位置裝置、微調(diào)、精細(xì)定位或高速運(yùn)轉(zhuǎn)等〕，進(jìn)展力矩、負(fù)載功率、慣性〔轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〕、加〔減〕速控制和誤差計(jì)算。4.學(xué)會(huì)使用手冊(cè)及圖表資料。總體方案設(shè)計(jì)一般來講，普通銑床的數(shù)控改造主要有兩局部，一是設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易微機(jī)數(shù)控X-Y工作臺(tái)，固定在銑床的工作臺(tái)上。二是將控制銑刀上、下運(yùn)動(dòng)的手柄拆去，改用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)通過一級(jí)減速裝置使銑頭上下運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)只對(duì)X-Y工作臺(tái)進(jìn)展設(shè)計(jì)。取銑床步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖，步進(jìn)電機(jī)的步距角0.9°。方案1．系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式確實(shí)定數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)，點(diǎn)位直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對(duì)于刀具移動(dòng)過程中不進(jìn)展切削，可選用點(diǎn)位控制方式。數(shù)控銑床在工作臺(tái)移動(dòng)過程中銑頭并不進(jìn)展銑孔加工，因此數(shù)控裝置可采用點(diǎn)位控制方式。對(duì)點(diǎn)位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。2．伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能到達(dá)較高水平的根本問題，但是步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對(duì)應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會(huì)積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化的特點(diǎn)。并且步進(jìn)電機(jī)控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測(cè)與反響控制的問題，構(gòu)造比擬簡(jiǎn)單，易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的開展，在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的開展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實(shí)現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具體的系統(tǒng)中，增加了位置檢測(cè)、反響比擬及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了在安裝調(diào)試增加工作量和復(fù)雜性外，從控制理論的角度看，要實(shí)現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在普通立式銑床上進(jìn)展改造，精度要求不是很高，為了簡(jiǎn)化構(gòu)造，降低本錢，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。3．執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式確實(shí)定為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝配時(shí)，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：1〕盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌等。2〕盡量消除傳動(dòng)間隙。如步進(jìn)電機(jī)上的傳動(dòng)齒輪采用偏心軸套式消隙構(gòu)造。3〕縮短傳動(dòng)鏈。縮短傳動(dòng)鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差。可采用預(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動(dòng)副，絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的構(gòu)造等提高傳動(dòng)剛度。X-Y工作臺(tái)傳動(dòng)采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副和滾動(dòng)導(dǎo)軌。4．計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般由微機(jī)局部、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)電路等幾局部所組成。在簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)中，大多采用8位微處理器的微型計(jì)算機(jī)。如何采用Z80CPU或MCS-51單片機(jī)組成的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。Z80CPU有芯片價(jià)廉，通用性強(qiáng)，維修方便等特點(diǎn)。MCS-51單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、速度快和很高的性能價(jià)格比等特點(diǎn)。通過比擬，對(duì)于簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。5．實(shí)施保存原機(jī)床主傳動(dòng)鏈，保存銑床工作臺(tái)和控制工作臺(tái)移動(dòng)手柄，在原工作臺(tái)上安裝一套微機(jī)數(shù)控的X-Y工作臺(tái)。由于X-Y工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和切削力不大，因此選用有預(yù)加載荷的滾珠導(dǎo)軌。采用滾動(dòng)導(dǎo)軌可減小兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，減小振動(dòng)。考慮到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為到達(dá)分辨率0.01mm要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。綜上所述，本文改造的總體方案確定為：采用MCS-51單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)展計(jì)算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件的縱向、橫向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)為了防止意外事故，保護(hù)微機(jī)及其它設(shè)備，還設(shè)置報(bào)警，急停電路等，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)參數(shù)系統(tǒng)分辯率為0.01mm,其它設(shè)計(jì)參數(shù)見下表：最大銑刀直徑Фmm最大銑削寬度ae最大銑削深度ap加工材料工作臺(tái)加工范圍〔mm〕最大移動(dòng)速度208mm6碳鋼x=200,y=1503m/min機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算1.脈沖當(dāng)量確實(shí)定根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，考慮到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在。脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計(jì)確定脈沖當(dāng)量為0.01mm/步.二.銑削力分析與計(jì)算銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn),進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶開工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給(鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給).銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為根本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.根據(jù)工件材料為碳鋼可確定銑削力的計(jì)算公式：FZ=9.81CFz·ae0.86·af0.72·d0-0.86·ap·Z式中各參數(shù)如下:CFz———銑削力系數(shù)，CFz=68.2〔表2-3〕ae———最大銑削寬度，本設(shè)計(jì)為8mmap———背吃刀量，本設(shè)計(jì)為3Z———銑刀齒數(shù)，齒數(shù)取3d0———圓柱銑刀直徑，查得d0=20af———每齒進(jìn)給量〔mm/齒〕，即銑刀每轉(zhuǎn)一個(gè)齒間角時(shí)，工件與銑刀的相對(duì)移動(dòng)量，查得af=0.10故：FZ=9.81×68.2×80.86×0.100.72×20-0.86×3×3=547N2.齒輪傳動(dòng)比計(jì)算進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算已確定進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01mm滾珠絲杠導(dǎo)程L=4mm，初選步進(jìn)電機(jī)步距角0.9。可計(jì)算出傳動(dòng)比i：i==0.9×4/360×0.01=1因傳動(dòng)比為1，這時(shí)可以使步進(jìn)電機(jī)直接與絲桿聯(lián)接，有利于簡(jiǎn)化構(gòu)造，提高精度。3.滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型計(jì)算進(jìn)給牽引力〔N〕滾珠絲杠上的工作載荷Fm(N)是指滾珠絲杠副在驅(qū)開工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算公式：Fm=KFL＋f，(Fv＋Fc＋G)式中K———考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)，矩形導(dǎo)軌K=1.1———滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.0025～0.005；這里取0.005G———移動(dòng)部件的重力〔N〕：G=600NFL———工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷Fc———工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷Fv———工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷由表2-4查得，F(xiàn)L/FZ=0.90，F(xiàn)L=0.9FZ=493NFc/FZ=0.80，F(xiàn)c=0.8FZ=438NFv/FZ=0.40，F(xiàn)v=0.4FZ=219N故：Fm=1.1×493＋0.005×〔438＋219＋600〕=548N〔2〕計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C滾珠絲杠最大動(dòng)載荷可用下式計(jì)算C=fmFmL=n=v=afZn，式中：L—工作壽命、以106轉(zhuǎn)為單位。fm－運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fm=1.2～1.5;這里取fm=1.5。Fm----滾珠絲杠工作載荷〔N〕t—使用壽命，按15000h；n----絲杠的轉(zhuǎn)速L0—滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L0=4mm；v－最大切削力下的進(jìn)給速度a---每齒進(jìn)給量〔mm/齒〕af=0.06mm/齒Z----銑刀齒數(shù)，Z=5n，---銑刀轉(zhuǎn)速，區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)速n，n，，取為1000r/minv=0.06×5×1000=0.3mn==(1000×0.3)/4=75L==(60×75×15000)/106=67.5rC=fmFm=4.1×1.2×858.17=3.35kN(3)螺母副的選型根據(jù)最大動(dòng)載荷和公稱直徑選外循環(huán)滾動(dòng)螺母副，選用中國(guó)·南京工藝裝備制造生產(chǎn)的FFZL型內(nèi)循環(huán)螺紋預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副,規(guī)格代號(hào)為FFZL2004-3，公稱直徑=20mm,滾珠直徑為Dw=3mm,圈數(shù)×列數(shù)=3×1,螺距為4mm,螺旋升角為=3°38′。(4)傳動(dòng)效率計(jì)算=式中——絲杠螺旋升角,=3°38′——摩擦角，取10′==0.064/0.0664=0.9638=96.4%(5)剛度驗(yàn)算先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖4-20所示，最大牽引力為548N，支承間距L=500mm絲杠螺母及軸承均進(jìn)展預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷的1/3。[1]絲杠的拉伸或壓縮變形量=±Fm—絲杠的工作載荷〔N〕；L—滾珠絲杠在支承間的受力長(zhǎng)度〔mm〕；L=500E—材料的彈性模量，對(duì)鋼E=20.6×Mpa;A—滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積〔mm2〕。A=3.14×d2/4=3.14×16.92/4=224.3mm故：=±(548×500/20.6××224.3)=±0.0059(mm〕[2]滾珠與螺紋滾道間接觸變形有預(yù)緊：′=0.0013×(mm)=0.0014mmDw－為滾珠直徑〔mm〕,D=3mm－為滾珠總數(shù)量：＝Z×圈數(shù)×列數(shù)Z－為一圈的滾珠數(shù)，外循環(huán)Z==3.14×20/3=21；故：＝21×3×1=63；--為滾珠絲杠的公稱直徑〔mm〕,=20mm—為預(yù)緊力，此處單位為kgf，為軸向工作載荷的1/3時(shí)，=FL/3=493/3=164N=16.8kgf—為滾珠絲杠工作載荷，單位為kgf。=548/9.8=55.9kgf有預(yù)緊：′=0.0013×(mm)=1/2′=0.0014mm[3]滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的定位精度的一半：=0.0059+0.0014=0.00730.025/2mm=0.0125mm(定位精度的一半)。(6)壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算驗(yàn)算滾珠絲杠尺寸和支承方式后，應(yīng)驗(yàn)算絲杠在承受最大軸向載荷時(shí)是否會(huì)產(chǎn)生縱向彎曲。滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，假設(shè)軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷FK(N)為E—為材料的彈性模量，對(duì)鋼E=20.6×104Mpa;I－為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面：I=∏d14/64=3.14×16.94/64=4002.2mmL－絲杠最大工作長(zhǎng)度〔mm〕；L=500fZ－為絲杠支承方式系數(shù)，這里滾珠絲杠的支承方式采用一端固定一端簡(jiǎn)支的方式，所以fZ＝22×3.142×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104Nnk=Fk/Fm=2.0731×104/548=37.8﹥［nk］=4所以，該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。［nk］－許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，［nk］=2.5～44.縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型一、初選步進(jìn)電機(jī)57BYG4504,步距角θb=0.9°,滿足要求.二、矩頻特性:等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算1.滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JS=0.78D4L×10-3(kf·cm2L---絲杠長(zhǎng)度,設(shè)定為500mm=D---絲杠公稱直徑,D=20mm=2JS=0.78×24×50×10-3=0.624㎏·cm22.工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量JG=(L0/2∏)2L0----絲杠導(dǎo)程,L0=4mm=0.4cmM----工作臺(tái)質(zhì)量,M=62JG=(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm23.聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)鋼的直徑為(20,22)選用定位螺絲固定平行式聯(lián)軸器，型號(hào)為SLK2-100-0608(廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備)，查得：JL=0.068㎏·cm24.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量根據(jù)初選電機(jī)型號(hào),查得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為:JZ=0.46㎏·cm2故：J∑=JS＋JG＋JL＋JZ=0.634＋0.248＋0.068＋0.46=1.462㎏·cm2三、步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)的計(jì)算——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩〔N·cm〕；M——為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩〔N·cm〕；M——電絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。加速度力矩Mka=J∑×2×∏×nmax×10-2/60t(N·cm)nmax=vmaxθb/360δpt-----運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大快速所需的時(shí)間,t=0.3svmax---運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度〔mm/min〕,vmax=3m/min=3000mm/minθb--------初選步距角，θb=0.9°nmax---與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min)故：nmax=3000×0.9/〔360×0.01〕=750r/minMka=1.462×2×3.14×750×10-2/60×0.3=3.83N·cm(2)空載摩擦力矩Mkf=G’L0/2∏ηi(N·cm)G----運(yùn)動(dòng)部件的總重量〔N〕，G=600N－導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，=0.005;η---傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般取η=0.7—0.85,這里取η=0.85L－滾珠絲杠根本導(dǎo)程，L=0.4cm.空載摩擦力矩：Mkf=G’L0/2∏ηi=600×0.005×0.4／〔2×3.14×0.85×1〕=0.225N·cm(3)附加摩擦力矩MM0=FYJL0〔1-η2〕/2∏ηiη--絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，一般取≥0.9，這里取=0.96；F－預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的,即F=F=183NM0=183×0.4×(1-0.962)/(2×3.14×0.96×1)=0.950N·cm上述三項(xiàng)合計(jì)：步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)力矩：M=3.83＋0.225＋0.950=5.005〔N·cm〕步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)力矩：從產(chǎn)品系列及性能參數(shù)根據(jù)電機(jī)型號(hào)查出步進(jìn)電機(jī)為四相八拍；從表2-17根據(jù)電機(jī)拍數(shù)查出啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩Mkq與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為Mkq/Mjmax1=0.707故：Mjmax1=Mkq/0.707=4.58/0.707=6.471N·cm運(yùn)動(dòng)部件正常工作〔數(shù)控機(jī)床為工作臺(tái)開場(chǎng)工進(jìn)〕時(shí)，電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)為帶負(fù)載啟動(dòng)，其總負(fù)載轉(zhuǎn)矩Mfq可按下式計(jì)算Mfq=Mka＋Mkf＋M0＋Mf’Mf’=F’L/2∏ηi(N·cm)F’---作用在工作臺(tái)的合力，F(xiàn)＇=〔FL2＋FV2＋FC2〕1/2=694.4NMf’---合力F’折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩故:Mf’=694.4×0.4/〔2×3.14×0.85×1〕=52.01N·cmMfq=5.005＋52.01=57.015N·cm運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax2=Mfq/0.5=57/0.5=114N·cm根據(jù)電機(jī)型號(hào)查得步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩:Mjmax=1.4N·m=140N·cm所以Mjmax﹥Mjmax2﹥Mjmax1初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)力矩，即Mjmax≥max｛Mjmax1，Mjmax2｝所以初選電機(jī)57BYG4504能滿足要求。5．導(dǎo)軌的選用與校核初選滾動(dòng)導(dǎo)軌選取中國(guó)·南京工藝裝備制造的GGBAA-AAL四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副,其額定載荷Coa為6.8KN，Ca為6.07KN，參數(shù)如下：?jiǎn)挝哗L2)對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)展按下式進(jìn)展校核：式中:L為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命〔km〕本設(shè)計(jì)L定為50km；為額定載荷，查表=6.07kN；F為每個(gè)滑塊上的工作載荷〔N〕F本設(shè)計(jì)設(shè)定為588N；為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為58-64HRC時(shí)=1.0；為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過100°C時(shí)，=1；為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)=0.81；為載荷/速度系數(shù)，無明顯沖擊振動(dòng)或v≤60m/min時(shí)，=1.5-2這里選擇=2。=588××2÷〔1×0.81×1〕=1361N<[]=6.07kN因此所選導(dǎo)軌滿足要求。滾動(dòng)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù)滾動(dòng)導(dǎo)軌采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。常用牌號(hào)為ZL-2鋰基潤(rùn)滑脂〔GB/7324—87，2號(hào)〕。它的優(yōu)點(diǎn)是不會(huì)泄漏，不需經(jīng)常加油；缺點(diǎn)是塵屑進(jìn)入后容易磨損導(dǎo)軌，因此防護(hù)要求較高。易被污染又難防護(hù)的地方，可用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。本設(shè)計(jì)的防護(hù)裝置采用伸縮式。6、啟動(dòng)矩頻特性校核部件電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)、快速進(jìn)給運(yùn)行、工進(jìn)運(yùn)行。前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)在快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要對(duì)啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)展校核。以后還要對(duì)快進(jìn)、工進(jìn)時(shí)的運(yùn)行矩頻特性作校核。fffmax0t1tatbt222Δt1Δt2t圖1步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)，一般突跳啟動(dòng)很少使用。在升速啟動(dòng)中，步進(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開場(chǎng)逐漸升速，〔如圖1所示〕在零時(shí)刻〔t1=0〕，啟動(dòng)頻率fq=0。在一段時(shí)間Δt1內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)完畢時(shí)，步進(jìn)電機(jī)到達(dá)了最高運(yùn)行速度，即fq=fmax。在整個(gè)升速、均勻運(yùn)行、降速過程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時(shí)間Δt1足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過程緩慢，空載啟動(dòng)力矩Mkq中的加速力矩項(xiàng)Mka不會(huì)很大，一般不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時(shí)間Δt1過短，則步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩中的加速力矩項(xiàng)M就會(huì)很大，所以需要校核啟動(dòng)矩頻特性。圖2由圖2初選步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線中，可知空載啟動(dòng)力矩M=0.05N·M值所對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率fyq=11000Hz>fq=1200Hz,步進(jìn)電時(shí)機(jī)不丟步。〔2〕電機(jī)快速進(jìn)給矩頻特性較核最高運(yùn)行頻率fmax式中：Vmax——運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度快進(jìn)時(shí)已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)Ma,并且一般處于空載狀態(tài)，故快速進(jìn)給力矩MJK=其中：M0為附加摩檫力矩〔N·cm〕，MKF為快進(jìn)時(shí)的折算到電機(jī)的摩檫力矩〔N·cm〕。所以：MJK==1.175〔N·cm〕由圖2可知道快進(jìn)力矩對(duì)應(yīng)允許快進(jìn)頻率FYK近似為20000Hz，F(xiàn)mzx〈FYK，所以電機(jī)不會(huì)丟步。〔3〕、工進(jìn)運(yùn)行距頻特性校核工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率：式中：——最大工作進(jìn)給速度工進(jìn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩Mkj可按下式計(jì)算：〔式2-39〕式中：——附加摩擦力矩，——摩擦力矩——折算到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩(式2-40)(式2-41)式中：Fv——垂直方向作用于工作臺(tái)的工作載荷Ft——沿進(jìn)給方向的切削負(fù)載，F(xiàn)t=FL在圖2初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻率特性曲線中，對(duì)應(yīng)工進(jìn)頻率fGJ查到的允許工進(jìn)運(yùn)行力矩MYJ=1.08N·m>MGJ=0.382N·m，滿足工進(jìn)時(shí)運(yùn)行距頻特性的要求。〔4〕步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸/㎜控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)第一節(jié)控制系統(tǒng)硬件的根本組成MCS-51系列8031芯片第二節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制電路一、開環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖二．脈沖分配由表〔2-18〕①查得脈沖分配方式為四相八拍三．驅(qū)動(dòng)電路+80V+80V④控制系統(tǒng)軟件的組成和構(gòu)造監(jiān)控系統(tǒng)的作用是進(jìn)展人和機(jī)對(duì)話和檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)一般包括系統(tǒng)初始化，命令處理循環(huán)，零件加工程序和作業(yè)程序輸入，編輯，指令分析機(jī)構(gòu)，以及系統(tǒng)自測(cè)等。1系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電式復(fù)位后，系統(tǒng)軟件進(jìn)展初始化處理。包括設(shè)置CPU的狀態(tài)，可編程I/O芯片的工作狀態(tài)，中斷方式2命令處理：系統(tǒng)初始化后系統(tǒng)即進(jìn)入命令處理程序，對(duì)于一般單片機(jī)構(gòu)成的系統(tǒng)通常采用循環(huán)處理程序作為系統(tǒng)的主程序3：零件加工程序或作業(yè)程序的輸入和編程：零件加工程序可以鍵盤輸入，也可通過串行口通信輸入。輸入程序的功能就是讀入源程序，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理，按規(guī)定的格式將其存入規(guī)定的數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。4指令分析執(zhí)行：微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)輸入的指令進(jìn)展分析，并根據(jù)分析的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的操作。5診斷程序：診斷程序用于檢測(cè)系統(tǒng)硬軟件功能的正確性，找出系統(tǒng)故障的位置，并指出故障類型。機(jī)電系統(tǒng)控制軟件的機(jī)構(gòu)一般機(jī)電控制系統(tǒng)中常用的軟件構(gòu)造有：子程序，主程序加中斷程序構(gòu)造子程序3子程序1子程序2條件2條件3條件1主程序子程序3子程序1子程序2條件2條件3條件1主程序逐點(diǎn)比擬法④用逐點(diǎn)比擬法進(jìn)展直線插補(bǔ)計(jì)算，每走一步都需要以下四個(gè)步驟：1判別偏差：Fm≥0或FM＜O，從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算方向進(jìn)給。2偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后計(jì)算新的加工偏差。3終點(diǎn)判別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，假設(shè)為零，表示到達(dá)終點(diǎn)停頓插補(bǔ)，不為零則返回第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)判別可用方向坐標(biāo)值判斷，也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值判斷。當(dāng)Xe＞YE逐點(diǎn)比擬法框圖YESNONOY方向進(jìn)給X方向進(jìn)給X=XM?Y=YM?FM=FM+XEY=Y+1FM=FM-YEYESNONOY方向進(jìn)給X方向進(jìn)給X=XM?Y=YM?FM=FM+XEY=Y+1FM=FM-YEX=X+1FM≥0?初始化YESYES返回返回程序設(shè)計(jì)插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0為X向電機(jī)控制。DO運(yùn)行，D0=O停頓，D0=1正轉(zhuǎn)。D1=0反轉(zhuǎn)D3D2為Y向電機(jī)控制位。D2=1運(yùn)行，D2=0停頓，D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。第一象限制直線插補(bǔ)程序如下：ORG2000HMAIN：MOVSP，#60H；LP4：MOV28H，#08CH；XEMOV29H,#0C8H;YEMOV2AH,#00H;XMOV2BH,#00H;YMOV2CH,#00H;FMMOV70H,0AHLP3:MOVA,2CHJBACC.7,LP1MOVA,70HSETBACC.0CLRACC.2MOV70H,A;置電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為0B，+X方向進(jìn)給LCALLMOTR；調(diào)步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+X方向進(jìn)給一步LCALLDELAYMOVA，2CHSUBBA，29H；F-YEINC2AH;X+1AJMPLP2LP1MOVA,70HSETBACC.2置電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為0E，+Y方向進(jìn)給CLRACC.0調(diào)步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+Y方向進(jìn)給一步LCALLDELAYMOVA，2CHADDA，28H；F+XELP2MOV2CH,AMOVA,28HCJNZA,2