數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計-x-y數(shù)控工作臺設(shè)計（完整圖紙）

1、<p><b>　　工程學(xué)院</b></p><p><b>　　課程設(shè)計說明書</b></p><p>　　課程名稱：數(shù)控專業(yè)課課程設(shè)計</p><p>　　設(shè)計題目：X－Y數(shù)控工作臺設(shè)計</p><p>　　指導(dǎo)老師： </p><p>

2、<b>　　\</b></p><p>　　設(shè)計： </p><p>　　班級： </p><p>　　學(xué)號： </p><p>　　時間：2007年3月12日－2007年3月23日</p><p>　　論 文（設(shè) 計）任 務(wù) 書</p>

3、<p>　　注：本表按自然班填寫。于動員時發(fā)給學(xué)生。不夠紙請另附頁。</p><p><b>　　前言</b></p><p><b>　　設(shè)計目的</b></p><p>　　數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計是機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)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)

4、生理論聯(lián)系實際、解決實際問題能力的重要步驟。本課程設(shè)計是以機(jī)電一體化的典型課題---數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定為主線，通過對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計總體方案的擬定、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計，計算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，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，進(jìn)行一次機(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)計計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。</p><p><b>　　設(shè)計要求

5、</b></p><p>　　課程設(shè)計是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計可以初步樹立正確的設(shè)計思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會運用手冊、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設(shè)計任務(wù)。</p><p>　　課程設(shè)計的內(nèi)容是改造設(shè)備，實現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或裝

6、置）的設(shè)計、計算機(jī)I/O接口設(shè)計和驅(qū)動電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計等。</p><p>　　說明書的內(nèi)容應(yīng)包括：課程設(shè)計題目總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機(jī)械傳動設(shè)計計算以及機(jī)械和電氣及其他部分（如環(huán)形分配器等）的說明。</p><p>　　該課程設(shè)計的內(nèi)容及方法，可以歸納如下：</p><p>　　1.采用微型計算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處

7、理、采集和控制。主要考慮計算機(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。</p><p>　　2.選用驅(qū)動控制電路，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。主要考慮計算機(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)動力矩的計算，控制電機(jī)電路的設(shè)計。</p><p>　　3.精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計。主要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺傳動裝置的設(shè)計問題：要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行元件的主要功能（傳動運動、動力、位置裝置、

8、微調(diào)、精密定位或高速運轉(zhuǎn)等），進(jìn)行力矩、負(fù)載功率、慣性（轉(zhuǎn)動慣量）、加（減）速控制和誤差計算。</p><p>　　4.學(xué)會使用手冊及圖表資料。</p><p><b>　　1.總體方案的確定</b></p><p><b>　　1.1設(shè)計參數(shù)</b></p><p>　　系統(tǒng)分辨率為0.01mm，

9、其它設(shè)計參數(shù)如下表。</p><p><b>　　工作臺草圖</b></p><p>　　1.2初選步進(jìn)電動機(jī)和絲杠</p><p>　　當(dāng)傳動比i=1時，可用聯(lián)軸器直接將電機(jī)與絲杠連接，這種結(jié)構(gòu)有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。由 i=(公式2-1) 錯誤!未找到引用源。，θb為步進(jìn)電機(jī)步距角Lo為滾珠絲杠導(dǎo)程、為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。</p>

10、<p>　　選電動機(jī)型號為55BF009，其步矩角=</p><p>　　選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND)　其導(dǎo)程為4mm,</p><p><b>　　由傳動比公式得 </b></p><p>　　故可用聯(lián)軸器將電機(jī)與絲杠直接連接。</p><p>　　預(yù)選由廣州菱科自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LK13系列

11、剛性聯(lián)軸器（www.gzlink.com）。</p><p>　　1.3初定工作臺尺寸　</p><p>　　查《機(jī)電一體化設(shè)計手冊》，根據(jù)(GB/T 158-1996)選工作臺T型槽尺寸如下：</p><p><b>　　深度H=15mm</b></p><p>　　槽低寬度B＝12mm</p><

12、p><b>　　槽寬A＝6mm</b></p><p><b>　　C＝6mm</b></p><p>　　槽數(shù)＝5，間隔＝40mm</p><p><b>　??；</b></p><p>　　由工作臺加工范圍200*150選工作臺尺寸</p><p&

13、gt;<b>　　240</b></p><p><b>　　200 </b></p><p><b>　　20</b></p><p>　　初定滾珠絲杠長度L＝340mm</p><p><b>　　B </b></p><

14、p>　　50~60 Lx+B+10~2035~45</p><p><b>　　1.4系統(tǒng)組成框圖</b></p><p><b>　　2.機(jī)械部分的設(shè)計</b></p><p>　　2.1傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算</p><p>　　2.1.1機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量查《指導(dǎo)書》表面2-1

15、8得</p><p>　　2.1.2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量由《指導(dǎo)書》公式2-3有得</p><p>　　2.1.3工作臺轉(zhuǎn)動慣量</p><p>　　由于工作臺材料為碳鋼，故其質(zhì)量為</p><p>　　由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量小故可忽略不計</p><p>　　2.1.4總轉(zhuǎn)動慣量計算</p><p>

16、　　2.2工作載荷分析及計算</p><p>　　銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn),進(jìn)給運動為工作臺帶動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基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.查《金屬切削手冊》P398常用銑刀介紹表，選擇細(xì)齒錐柄立銑刀， 其尺寸參數(shù)如下：D=16mm,齒數(shù)Z=4。</p><p><

17、b>　　2.2.1</b></p><p>　　查《金屬切削手冊》P417細(xì)齒錐柄立銑刀切削用量表得銑削速度</p><p>　　查《銑工》表2－4，初選＝0.03mm</p><p><b>　　因此可得</b></p><p>　　查《機(jī)械制造基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)書》表4-15立式銑床主軸轉(zhuǎn)速表，選銑床

18、型號X51，查其轉(zhuǎn)速表并將轉(zhuǎn)速圓整為</p><p><b>　　實際切削速度為</b></p><p><b>　　故實際</b></p><p><b>　　2.2.2</b></p><p>　　根據(jù)《指導(dǎo)書》表2-2得高速鋼銑刀銑削公式為</p><

19、p>　　查《指導(dǎo)書》表2-3得銑削力系數(shù)</p><p><b>　　有</b></p><p>　　2.3進(jìn)給工作臺工作載荷計算</p><p>　　查《指導(dǎo)書》表2-4，有如下表格參數(shù)</p><p><b>　　故有縱向進(jìn)給方向</b></p><p><b

20、>　　工作臺垂直進(jìn)給方向</b></p><p><b>　　工作臺橫向進(jìn)給方向</b></p><p>　　2.4滾珠絲杠螺母副的選型和校核</p><p>　　2.4.1最大工作載荷的計算</p><p>　　滾珠絲杠上的工作載荷為走刀抗力，移動體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。<

21、;/p><p>　　由于選擇的導(dǎo)軌要求結(jié)構(gòu)緊湊，間隙調(diào)整方便，摩損小，有良好的精度保持性且運動平穩(wěn)，故選擇直線滾動導(dǎo)軌，在此設(shè)計中還要求導(dǎo)軌能承受一定的顛覆力矩，所以選擇燕尾導(dǎo)軌的實驗公式進(jìn)行計算，由式2-11</p><p>　　將所得數(shù)據(jù)代入公式有：</p><p>　　2.4.2最大動負(fù)載C的計算及主要尺寸初選</p><p><b&

22、gt;　　滾珠絲杠最大運載荷</b></p><p><b>　　由《指導(dǎo)書》中可知</b></p><p>　　2.4.3傳動效率計算</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 </p><p><b>　　查得（或可由算出）</b></p><p>&l

23、t;b>　　2.4.4剛度驗算</b></p><p>　　絲杠的拉壓變形量的計算</p><p><b>　　滿載時拉壓變形量：</b></p><p>　　滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量</p><p>　　由《指導(dǎo)書》式2-17得</p><p><b>　　式中為

24、滾珠直徑，</b></p><p><b>　　為滾珠總數(shù)量</b></p><p>　　滾珠絲杠副剛度的驗算</p><p><b>　　絲杠總變形量</b></p><p>　　變形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005</p><p>　　=0.

25、00369<0.005</p><p><b>　　因此符合設(shè)計要求。</b></p><p>　　資料來源http://www.hjmtc.cn/cpzs_sg_cb.asp</p><p>　　2.4.5壓桿穩(wěn)定性驗算</p><p>　　由《指導(dǎo)書》式2-18 失穩(wěn)時的臨界載荷為</p><

26、;p><b>　　絲杠截面慣量矩</b></p><p>　　查《指導(dǎo)書》表2-11得</p><p><b>　　穩(wěn)定性安全系數(shù)</b></p><p><b>　　故絲杠符合要求</b></p><p>　　2.5導(dǎo)軌的選型和計算</p><p&g

27、t;　　由于選擇的導(dǎo)軌為直線滾動導(dǎo)軌由《指導(dǎo)書》式2-20</p><p><b>　　L＝50（）</b></p><p>　　每個滑塊的的工作載荷</p><p>　　取硬度系數(shù)＝0.53、=1、＝0.81、＝2</p><p>　　預(yù)設(shè)導(dǎo)軌壽命L=50KM 則根據(jù)此壽命可算出</p><p>

28、;<b>　?。?3267kN</b></p><p>　　故選導(dǎo)軌型號GDA20SV符合要求，查《指導(dǎo)書》表2－16可知其=12.4KN</p><p>　　資料來源http://www.hjmtc.cn/cpzs_dg_cs.asp</p><p>　　2.6驅(qū)動電機(jī)的選用</p><p>　　根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)

29、矩初選擇電機(jī)</p><p>　　2.6.1步距角的選擇</p><p><b>　　已知脈沖當(dāng)量</b></p><p><b>　　由公式2-23 </b></p><p>　　2.6.2步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的選擇</p><p>　　查《指導(dǎo)書》表2-17得 步進(jìn)電機(jī)啟動

30、轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系有</p><p>　　2.6.2.1加速度力矩 </p><p>　　2.6.2.2空載摩擦力矩（取傳動系統(tǒng)總效率）</p><p><b>　　.、</b></p><p><b>　　,</b></p><p>　　2.6.2.2附加摩擦力矩<

31、;/p><p>　　為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率取</p><p><b>　　故電機(jī)空載啟動力矩</b></p><p>　　作用在工作臺的合力的計算，逆銑的時候合力大</p><p>　　作用在工作臺上的合力折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩</p><p>　　運動部件正常工作時的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩</p>

32、<p>　　故運動部件正常運行時需的最大靜轉(zhuǎn)矩</p><p><b>　　此處取0.5代入得</b></p><p>　　按步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩選擇要求</p><p>　　所以， 查表2-18選擇步進(jìn)電機(jī)55BF009</p><p>　　2.6.3啟動矩頻特性校核</p><p>

33、;　　查《指導(dǎo)書》圖2-21步進(jìn)電機(jī)啟動矩頻特性曲線</p><p>　　當(dāng)啟動力矩時對應(yīng)的允許啟動頻率，而由表2-18查得電機(jī)的啟動頻率</p><p>　　，保證了電機(jī)快速啟動時不丟步。</p><p><b>　　運行矩頻特性校核</b></p><p>　　快速進(jìn)給運行矩頻特性校核：</p><

34、;p>　　由式2-34得，快進(jìn)力矩</p><p>　　查《指導(dǎo)書》2-22得，允許快進(jìn)頻率</p><p>　　由式2-33得電機(jī)最高快進(jìn)頻率</p><p>　　，故電機(jī)快速進(jìn)給時不丟步。</p><p>　　2.6.4工進(jìn)運行矩頻特性校核</p><p>　　工進(jìn)時步進(jìn)電機(jī)的運行頻率為</p>

35、<p>　　工進(jìn)時步進(jìn)電機(jī)運行所需力矩</p><p><b>　　工作負(fù)載力矩</b></p><p>　　查《指導(dǎo)書》圖2-22得 允許工進(jìn)運行力矩</p><p>　　滿足設(shè)計要求，故可選用此電機(jī)。</p><p><b>　　3.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計</b></p>&l

36、t;p>　　3.1硬件設(shè)計（硬件詳細(xì)接線圖見圖紙3）</p><p>　　3.2步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服原理</p><p>　　3.3步進(jìn)電動機(jī)的控制框圖</p><p>　　3.4軟件程序設(shè)計（逐點比較法直線插補(bǔ)）</p><p><b>　　3.4.1</b></p><p>　　用逐點比較法

37、進(jìn)行直線插補(bǔ)計算，每走一步，都需要以下四個步驟：</p><p>　　偏差判別：判別偏差或,從而決定哪個方向進(jìn)給和采用哪個偏差計算公式。</p><p>　　坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進(jìn)給。</p><p>　　偏差計算：進(jìn)給一步后，計算新的加工偏差。</p><p>　　終點判別：進(jìn)給一步后

38、，終點計數(shù)器減1。若為零，表示到達(dá)終點停止插補(bǔ)；不為零，則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點計數(shù)判別可用兩個方向坐標(biāo)值來判斷，也可由一個方向的坐標(biāo)值來判斷。當(dāng)XE>YE，可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點判別的依據(jù)，如動點X等于終點XE則停止。當(dāng)XE<YE，則用Y方向走的總步數(shù)YE作為終點判別的依據(jù)。</p><p>　　由此，第一象限直線插補(bǔ)程序的算法如下：</p><p>　　判別F

39、M是大于0還是小于0。</p><p>　　若，則向+X方向輸出一進(jìn)給脈沖，計算新偏差FM=FM-YE，并修改動點坐標(biāo)為X=X+1；若,則向=Y方向輸出一進(jìn)給脈沖，計算新偏差FM=FM+XE，并修改動點坐標(biāo)為Y=Y+1。</p><p>　　終點判別：若X=XE（Y=YE），則停止插補(bǔ)運算。否則轉(zhuǎn)入第一步，重復(fù)上述步驟。</p><p>　　第一象限直線插補(bǔ)程序框圖

40、如下圖：</p><p><b>　　3.4.2程序設(shè)計</b></p><p>　　設(shè)計程序時，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標(biāo)值XE，YE，動點坐標(biāo)值X，Y，偏差FM。對8位機(jī)，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始值、X、Y向步進(jìn)電機(jī)初態(tài)（控制字）。</p><p>　　插補(bǔ)程

41、序所用的內(nèi)存單元如下：</p><p>　　電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：</p><p>　　D1D0為X向電機(jī)控制位。D0=1運行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。D3D2為Y向電機(jī)控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。</p><p>　　第一象限直線插補(bǔ)的程序：</p><p>　　ORG 2000H&

42、lt;/p><p>　　MAIN：MOV SP, #60H</p><p>　　LP4: MOV 28H, #0C8H; </p><p>　　MOV 29H, #0C8H; </p><p>　　MOV 2AH, #00H; </p><p>　　MOV 2BH, #00H; </p

43、><p>　　MOV 2EH, #00H; </p><p>　　MOV 70H, #0AH</p><p>　　LP3: MOV A, 2EH</p><p>　　JB ACC.7, LP1</p><p>　　MOV A, 70H</p><p>　

44、　SETB ACC.0</p><p>　　CLR ACC.2</p><p>　　MOV 70H, A</p><p>　　LCALL MOTR</p><p>　　LCALL DELAY</p><p>　　MOV A, 2EH</p><p>

45、;　　SUBB A, 29H</p><p>　　INC 2AH</p><p>　　AJMP LP2</p><p>　　LP1: MOV A, 70H</p><p>　　SETB ACC.2</p><p>　　CLR ACC.0</p>&l

46、t;p>　　LCALL MOTR</p><p>　　LCALL DELAY</p><p>　　MOV A, 2EH </p><p>　　ADD A, 28H</p><p>　　LP2: MOV 2EH, A</p><p>　　MOV A,

47、 28H</p><p>　　CJMP A, 2AH, LP3;</p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　4.心得體會</b></p><p>　　我覺得這次專業(yè)課程設(shè)計是對過去所學(xué)專業(yè)知識的一個全面的綜合的運用。在設(shè)計的過程中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)

48、過的知識，包括機(jī)械專業(yè)課程和電路控制方面的基礎(chǔ)知識，經(jīng)過復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專業(yè)知識使得設(shè)計思路清晰系統(tǒng)。通過設(shè)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(guān)機(jī)械設(shè)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(shè)計者的精神。在設(shè)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(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計

49、算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。</p><p>　　通過對通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動或簡單機(jī)械的設(shè)計，掌握了一般機(jī)械設(shè)計的程序和方法，有助于樹立正確的工程設(shè)計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學(xué)的機(jī)械設(shè)計能力。</p><p>　　最后對在整個設(shè)計過程中對我認(rèn)真、耐心輔導(dǎo)的張建、李偉洪等老師表示衷心的感謝！</p><p><b>　　[參考書目]</b&g

50、t;</p><p>　　鄭堤 .唐可洪 主. 《機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 </p><p>　　何立民. 《單片機(jī)高級教程》. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 ，2000 </p><p>　　上海市科學(xué)技術(shù)交流站. 《金屬切削手冊》.上海：上海人民出版社 ，1995</p><p>　　馮辛安. 《機(jī)械制造裝