數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)說明書

1、<p>　　數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)說明書</p><p><b>　　一、設(shè)計(jì)的目的</b></p><p>　　《數(shù)控機(jī)床》課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的時(shí)間性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，獨(dú)立進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的：</p><p>　　通過設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的基本組成及其想怪知識(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分

2、析與比較的方法。</p><p>　　通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方式</p><p>　　通過對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)的工作原理、計(jì)算控制方法與控制驅(qū)動(dòng)方式</p><p>　　培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并樹立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想</p><p>　　鍛煉提高學(xué)生應(yīng)

3、用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫科技論文的能力</p><p><b>　　二、設(shè)計(jì)任務(wù)</b></p><p>　　設(shè)計(jì)一套供立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：</p><p>　　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>　　最大背吃刀量=8mm，加工材料

4、為碳素鋼或有色金屬。</p><p>　　2、X、Z方向的定位精度均為±0.02mm。</p><p>　　3、工作臺(tái)面尺寸為，加工范圍為;</p><p>　　4、工作臺(tái)空載進(jìn)給最快移動(dòng)速度：，工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)速度:，加減速0.4s</p><p><b>　　三、設(shè)計(jì)主要步驟</b></p>

5、<p><b>　　1、確定設(shè)計(jì)總方案</b></p><p>　　⑴、機(jī)械傳動(dòng)部件的選擇</p><p>　?、?、絲杠螺母副的選擇</p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求,此立式數(shù)控銑床工作臺(tái)為小型工作臺(tái),要求X、Y方向的定位精度均為，電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)，需要滿足初選0.01mm脈沖當(dāng)量，因?yàn)槎ㄎ痪?

6、#177;0.02mm，對(duì)于機(jī)械傳動(dòng)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±0.01mm和±0.02mm的定位精度，精度要求較高，現(xiàn)選用滾珠絲桿副。滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的結(jié)構(gòu)：根據(jù)條件要求,選用內(nèi)循環(huán)的形式，內(nèi)循環(huán)的回路短,滾珠數(shù)目少,流暢性好,摩擦損失小，傳動(dòng)效

7、率高，且徑向尺寸結(jié)構(gòu)緊湊，軸向剛度高,適用于各種高靈敏、高剛度的精密進(jìn)給定位系統(tǒng)。</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊：由于次立式工作臺(tái)有一定的定位精度要求，載荷不大，故選擇的調(diào)隙方式是墊片調(diào)隙式，這種調(diào)隙方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸緊湊，但調(diào)整不方便。</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的支撐及軸端形式：由于絲杠為臥式安裝，工作臺(tái)行程不長(zhǎng)，其最快的移動(dòng)速度為，所需的轉(zhuǎn)速不高，且有一定的精度要

8、求，故可以采用一端固定，一端游動(dòng)的支承形式。</p><p><b>　?、?、導(dǎo)軌副的選用</b></p><p>　　要設(shè)計(jì)X-Y數(shù)控車床工作臺(tái)用來配套立式數(shù)控銑床，需要承受的載荷不大，行程短，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度適中，因此選用直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有運(yùn)動(dòng)靈敏度高，牽引力小，移動(dòng)輕便；定位精度高，磨損小，無爬行現(xiàn)象，精度保持性好，潤(rùn)滑系統(tǒng)簡(jiǎn)單，維修方便，。<

9、/p><p><b>　?、?、伺服電機(jī)的選用</b></p><p>　　設(shè)計(jì)要求工作臺(tái)的X、Y方向的定位精度均為，精度要求較高，現(xiàn)初選混合式步進(jìn)電機(jī)作為伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，成本低，性價(jià)比高，可以滿足設(shè)計(jì)任務(wù)書的傳動(dòng)要求。選用步進(jìn)電機(jī)以后，可以選開環(huán)控制，也可選半閉環(huán)和閉環(huán)控制。由于開環(huán)控制系統(tǒng)可以達(dá)到的精度，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、使用維修方便及成本

10、低等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足任務(wù)書精度要求，且開環(huán)控制能夠確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步。</p><p><b>　　④、減速裝置的選用</b></p><p>　　選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機(jī)構(gòu)，如果要選用減速裝置，則應(yīng)選用無間隙齒輪

11、傳動(dòng)減速箱。</p><p><b>　　⑵、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</b></p><p>　　①、設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)準(zhǔn)備用在數(shù)控銑床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有輪廓控制，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。</p><p>　?、?、對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的開環(huán)控制系統(tǒng)，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52作為控制系統(tǒng)的CP

12、U，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。</p><p>　?、?、要設(shè)計(jì)一臺(tái)完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。</p><p>　　④、選擇合適的驅(qū)動(dòng)電源，與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)配套使用。</p><p>　　2、機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算和選擇</p><p>　　⑴、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算&l

13、t;/p><p>　　按照下導(dǎo)軌上面移動(dòng)部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺(tái)、上層電動(dòng)機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為800N。</p><p><b>　?、啤⒂?jì)算切削力</b></p><p>　　根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)，加工材料為碳素鋼或有色金屬及如下參數(shù)：</p><p><b&g

14、t;　　立銑刀 ： </b></p><p>　　零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由由<金屬切削原理與刀具>中P166頁查得立銑切削力計(jì)算公式為：</p><p><b>　　（1）</b></p><p>　　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)

15、如下：</p><p>　　每齒進(jìn)給量fz=0.12mm</p><p><b>　　則銑刀轉(zhuǎn)速n=</b></p><p>　　則由（1）式求的最大銑削力：</p><p><b>　　銑削功率</b></p><p>　　采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可由《

16、金屬切削原理與刀具》表10-1查得，各銑削力之間的比值范圍如下：</p><p>　　考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：</p><p><b>　　進(jìn)給力：；</b></p><p><b>　　背向力：；</b></p><p><b>　　垂直進(jìn)給力：。</b&g

17、t;</p><p>　　考慮立銑，工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺(tái)的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。</p><p>　?、?、滾珠絲杠傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算及校驗(yàn)</p><p>　　滾珠絲杠的選擇包括其精度選擇、尺寸規(guī)格、支承方式等幾個(gè)方面的內(nèi)容。滾珠絲杠副的承載能力用額定動(dòng)載荷和額定靜載荷來表示，在設(shè)計(jì)中一

18、般按額定動(dòng)載荷來確定它的尺寸規(guī)格。</p><p>　?、佟⒆畲蠊ぷ鬏d荷的計(jì)算</p><p>　　如前所述，在立銑時(shí)，工作臺(tái)受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1736N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=395N，受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）Fz=584N。</p><p>　　已知移動(dòng)部件總重量G=800N，絲杠承受按滾動(dòng)導(dǎo)軌計(jì)算，由《數(shù)控機(jī)床

19、設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P114頁，取動(dòng)載荷系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)查《畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典》中P34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>　　=1.1×1736+0.005×(395+584+800) =1918.5N</p><p>　?、凇⒆畲笥?jì)算動(dòng)載荷的確定</p><p>　　

20、工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程P=5mm,則此時(shí)絲杠轉(zhuǎn)速=v/P=80r/min。</p><p>　　預(yù)計(jì)滾珠絲杠的工作五年,每天工作八小時(shí)，由此得使用壽命為T=5×360</p><p>　　×8=14400h，根據(jù)《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P114，公式4—13得：</p><p><b&g

21、t;　　=</b></p><p>　　其中： T——使用壽命14400 h ；N——循環(huán)次數(shù)；——滾珠絲杠的當(dāng)量轉(zhuǎn)速 80r/min</p><p><b>　　求得：（）</b></p><p>　　查《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P114，表4-14、4-15得，受中等沖擊載荷取值范圍，現(xiàn)取，滾道硬度為60HRC時(shí)，硬度影響系數(shù)

22、取值，由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P114，式4-12 </p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p><b>　　③、規(guī)格型號(hào)的初選</b></p><p>　　根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》P150頁的表F-8，初選絲杠為內(nèi)循環(huán)、浮動(dòng)反相器、螺母墊片預(yù)緊。型號(hào)為S

23、FI2505-4的滾珠絲杠。其具體參數(shù)如下：</p><p>　　額定動(dòng)載荷為1280kgf=12.8KN，大于最大計(jì)算動(dòng)載荷=9.5KN，小于額定動(dòng)載荷，滿足要求。</p><p>　　絲杠長(zhǎng)度:絲杠螺紋部分長(zhǎng)度 等于工作臺(tái)最大行程（250mm）加螺母長(zhǎng)度（43mm）加兩端余程（28.5mm），即</p><p>　　精度等級(jí)的選擇：根據(jù)開環(huán)系統(tǒng)中使用的滾珠絲杠，

24、任意300mm行程變動(dòng)量V300p應(yīng)小于目標(biāo)設(shè)計(jì)定位精度的1/3-1/2，由于設(shè)計(jì)要求定位精度為±0.02mm，查手冊(cè)《數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)》P40頁表選擇精度等級(jí)為4級(jí)的精度。</p><p><b>　?、?、傳動(dòng)效率的計(jì)算</b></p><p>　　將公稱直徑,導(dǎo)程,代入，得絲杠螺旋升角。將摩擦角，代入,得傳動(dòng)效率。</p><p>

25、;<b>　?、荨偠鹊尿?yàn)算</b></p><p>　　絲杠拉壓剛度：它與絲杠螺母機(jī)構(gòu)的安裝形式有關(guān)。由于X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“一端固定，一端游動(dòng)”的軸承配置形式。由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)指南》P116找到： </p><p>　　式中：E——彈性模量（MPa），一般取E=2.1105MPa</p><p&

26、gt;　　d2——滾珠絲杠的底徑（mm）</p><p>　　a——滾珠絲杠的螺母中心到固定端支撐中心的距離（mm）</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的軸向接觸剛度KN：由滾珠絲杠螺母副接觸變形可以計(jì)算出軸向接觸剛度。由于選用了標(biāo)準(zhǔn)的滾珠絲杠，其值為 </p><p>　　軸承的接觸剛度：角接觸球軸承的軸向剛度按下式計(jì)算</p><p&g

27、t;　　式中：z——滾動(dòng)體個(gè)數(shù)，這里Z=15；a——接觸角，這里為60度</p><p>　　Db ——滾動(dòng)體直徑，這里為9.25mm；FB ——軸向預(yù)緊力，這里為584N</p><p><b>　　故 </b></p><p>　　系統(tǒng)總剛度K： ， 得</p><p>　　X-Y工作臺(tái)上下兩層滾珠絲杠副的支承

28、均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用-對(duì)推力角接觸球軸承，面對(duì)面組配，左、右支承的中心距約為；鋼的彈性模量；查表得滾珠直徑Dw=3mm，絲杠底徑d2=21.9mm,絲杠截面積。查《機(jī)床實(shí)用設(shè)計(jì)手冊(cè)》算得絲杠在工作載荷作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量</p><p>　　根據(jù)公式，求得單圈滾珠數(shù)Z=19；該型號(hào)絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)列數(shù)為，代入公式Z圈數(shù)列數(shù)，得滾珠總數(shù)量=114。絲杠預(yù)緊時(shí)，取軸向預(yù)緊力/3=6

29、39.5N。由下式求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 </p><p>　　因?yàn)榻z杠有預(yù)緊力，且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可以減少一半，取=0.00425mm。</p><p>　　將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對(duì)應(yīng)跨度500mm）=0.01395mm=13.95。</p><p>　　本例中絲杠的有效行程為400mm，查表知4級(jí)精度滾珠絲杠有效

30、行程在400~800mm時(shí)，行程偏差允許達(dá)到40，可見絲杠剛度足夠。</p><p><b>　?、蕖⒎€(wěn)定性的驗(yàn)算</b></p><p>　　根據(jù)《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)指南》中式4-18 ： 。</p><p>　　式中： ； ——絲杠公稱直徑；——滾珠直徑； ——絲杠最大受壓長(zhǎng)度</p><p>　　——絲杠支承方式

31、系數(shù)，在此由于為一端固定，一端游動(dòng)，取=2.0</p><p><b>　　故</b></p><p>　　此計(jì)算值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)載荷，故可用。</p><p>　　由絲杠底徑d2=16.2mm求得截面慣性矩3380.88；</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

32、>　　滾動(dòng)螺母至軸向固定處的距離L=a取最大值400mm。</p><p>　　代入公式，得P=14896kg.f=14896N大于=7533N，故不會(huì)失穩(wěn)，滿足使用要求。</p><p><b>　?、?、臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算</b></p><p>　　對(duì)于絲杠有可能發(fā)生共振，需驗(yàn)算其臨界轉(zhuǎn)速，不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速為臨界轉(zhuǎn)速，由《數(shù)控機(jī)床設(shè)

33、計(jì)實(shí)踐指南》中P115式4-19得：</p><p>　　其中 24-1.2×3.175=20.8mm</p><p><b>　　為臨界轉(zhuǎn)速計(jì)算長(zhǎng)度</b></p><p>　　為絲杠支承方式系數(shù)=3.927（一端固定，一端游動(dòng)）</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b>&l

34、t;/p><p>　　臨界轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)大于絲杠所需轉(zhuǎn)速，故不會(huì)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>　　絲杠長(zhǎng)度:絲杠螺紋部分長(zhǎng)度 等于工作臺(tái)最大行程（250mm）加螺母長(zhǎng)度（43mm）加兩端余程（28.5mm），即</p><p>　　支撐跨距L1：略大于，取L1=400</p><

35、;p>　?、?、步進(jìn)電機(jī)的傳動(dòng)計(jì)算及電動(dòng)機(jī)的選用</p><p><b>　　①、傳動(dòng)計(jì)算</b></p><p>　　因?yàn)樵撱姶驳募庸ぞ葹?#177;0.02mm，考慮到機(jī)械傳動(dòng)部分造成的精度損失，故選用銑床的脈沖當(dāng)量為0.01mm/Hz，</p><p>　　初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角α=0.72°。由【1】中P121式5-18

36、得：</p><p>　?、?、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算和選型</p><p>　?、?、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。</p><p>　　總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J主要包括電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、滾珠絲杠上一級(jí)移動(dòng)部件等折算到電動(dòng)機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。</p><p>　?、?、滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J</p><p>　　由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指

37、南》中P119式5-2得：</p><p>　　式中： D為絲杠公稱直徑D=25mm ；L為絲杠長(zhǎng)度L=350mm ；</p><p>　　代入數(shù)據(jù)，得：J=0.77×20×560×10=1.05×10-4kg.㎡</p><p>　　ii、工作臺(tái)拆算到絲杠上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量</p><p>　　由【《數(shù)控機(jī)

38、床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》中P119式5-3得：</p><p>　　其中： M為工作臺(tái)的（包括工件）的質(zhì)量M==81.6kg：P為絲杠螺距P=5mm</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)，得：</b></p><p>　　iii、絲杠拆算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：根據(jù)《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》P120表5-2，根據(jù)絲杠的選擇類型，可知其轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

39、</p><p><b>　　所以</b></p><p>　　驗(yàn)算慣量匹配，電動(dòng)機(jī)軸向慣量比值應(yīng)控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大也不應(yīng)太小，即伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性取決于負(fù)載特性。為使該系統(tǒng)慣量達(dá)到較合理的配合，一般比值控制在1/4——1之間，</p><p>　　由此可見:,符合慣量匹配要求。</p><p>　　②、步進(jìn)

40、電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩M的計(jì)算</p><p>　　a、承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩在不同工況下是不同的，考慮最大切削負(fù)載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩，由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)指南》中P121式5-10得：</p><p><b>　　加速力矩 </b></p><p>　　其中: 為折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總慣量</p><p>　　T系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)，由任務(wù)書

41、知為T=0.4S ；切削時(shí)的轉(zhuǎn)速為300r/min</p><p><b>　　得： N·m</b></p><p><b>　　摩擦力矩</b></p><p>　　其中： 為導(dǎo)軌摩擦力 ；；</p><p>　　S為絲杠螺距S=5mm ；i為齒輪降速比，已計(jì)算出為1；</p>

42、;<p>　　η為傳動(dòng)鏈總效率，η=0.7—0.85，取0.8</p><p>　　代入數(shù)據(jù) 得： N·m</p><p><b>　　附加摩擦力矩 </b></p><p>　　其中 ：為最大軸向載荷，；</p><p>　　為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的效率，=0.958≥0.9 ； 其余數(shù)據(jù)同上&

43、lt;/p><p>　　代入數(shù)據(jù) 得： N·m</p><p><b>　　切削力矩</b></p><p>　　其中：進(jìn)給方向的最大切削力，其余參數(shù)同上。</p><p>　　代入數(shù)據(jù)得： N·m</p><p>　　由此都得到等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 N·m </

44、p><p>　　b、快速空載時(shí)電動(dòng)機(jī)所需力矩M</p><p>　　由《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)指南》中P121式5-9得：</p><p>　　加速力矩其中： 其余參數(shù)同上</p><p><b>　　帶入數(shù)據(jù)得：</b></p><p><b>　　力矩摩擦</b></p>

45、<p>　　其中：u為導(dǎo)軌副的摩擦因數(shù)，滾動(dòng)導(dǎo)軌取 u=0.005， </p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：N·m</b></p><p>　　附加摩擦力矩：；參數(shù)同上</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得： </b></p><p>　　所以可知快速空載時(shí)點(diǎn)擊所需力

46、矩：</p><p>　　=0.0588+0.0668+0.044=0.1696 N·m</p><p>　　比較和，取其較大者，就是最大等效負(fù)載，即：==1.584N.M</p><p><b>　?、?、步進(jìn)電機(jī)的初選</b></p><p>　　考慮到步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源受電網(wǎng)的影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時(shí)，其

47、輸入轉(zhuǎn)矩也會(huì)下降，可能會(huì)造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)，因此按最大等效負(fù)載M考慮一定的安全系數(shù)λ，取λ=3，則步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： </p><p>　　由網(wǎng)上http://www.syn-tron.com/download/cataloge/stepmotor/90-5.pdf選的電機(jī)型號(hào)為90BYG550C，具體參數(shù)如下： </p><p>　　最大轉(zhuǎn)矩 可知滿足要求。實(shí)體圖如下：<

48、/p><p>　?、?、步進(jìn)電機(jī)性能校核</p><p>　　a 、最快工進(jìn)速度時(shí)電動(dòng)機(jī)時(shí)輸出轉(zhuǎn)矩校核</p><p>　　任務(wù)書給定工作臺(tái)最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量/脈沖，求出電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)的運(yùn)行頻率。從90BYG550C電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩4N·m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=1.584N·m，滿

49、足要求。</p><p>　　b、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 </p><p>　　任務(wù)書給定工作臺(tái)最快空載移動(dòng)速度=3000mm/min，求出其對(duì)應(yīng)運(yùn)行頻。由圖查得，在此頻率下，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=3.5N·m，大于快速空載起動(dòng)時(shí)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.1696N·m，滿足要求。</p><p>　　c、最快空載移動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率校核 <

50、;/p><p>　　與快速空載移動(dòng)速度=3000mm/min對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為。查圖3中相應(yīng)表格，可知90BYG550C電動(dòng)機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)50000，可見沒有超出上限。</p><p>　　d、起動(dòng)頻率的計(jì)算 </p><p>　　已知電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時(shí)的空載起動(dòng)頻率。由式可知步進(jìn)電動(dòng)機(jī)克服慣性負(fù)載的起動(dòng)

51、頻率為：</p><p>　　說明：要想保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)不失步，任何時(shí)候的起動(dòng)頻率都必須小于。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時(shí)，起動(dòng)頻率選得更低，通常只有。</p><p>　　綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺(tái)的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)選用90BYG550C步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。它的結(jié)構(gòu)尺寸如下圖：</p><p>　　3、滾動(dòng)導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)計(jì)算</p><p&

52、gt;<b>　?、佟⒐ぷ鬏d荷的計(jì)算</b></p><p>　　工作載荷是影響導(dǎo)軌副壽命的重要因素，對(duì)于水平布置的十字工作臺(tái)多采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所承受的最大垂直方向載荷為： </p><p>　　其中，移動(dòng)部件重量G=800N,外加載荷F==584N</p><

53、p><b>　　代入上式，得：</b></p><p>　　②、小時(shí)額定工作壽命的計(jì)算</p><p>　　預(yù)期工作臺(tái)的工作壽命為5年，一年365天，取工作時(shí)間為360天，每天工作8小時(shí)，因此得到小時(shí)額定工作壽命</p><p>　　③、距離額定壽命計(jì)算</p><p><b>　　由公式，從而得到<

54、;/b></p><p>　　式中：為小時(shí)額定工作壽命；n為移動(dòng)件每分鐘往復(fù)次數(shù)（4—6）取5</p><p>　　S為移動(dòng)件行程長(zhǎng)度，由加工范圍為250mm×250mm取520mm</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù) 得：</b></p><p><b>　　④、額定動(dòng)載荷計(jì)算</b

55、></p><p>　　由公式 ，從而得到：</p><p>　　式中：為額定動(dòng)載荷；L為距離工作壽命，由上式可知為4493km</p><p>　　F為滑塊的工作載荷，由上式可知為784N</p><p><b>　　代入數(shù)據(jù)得：</b></p><p><b>　　⑤、產(chǎn)品選型

56、</b></p><p>　　根據(jù)額定動(dòng)載荷，選擇滾動(dòng)導(dǎo)軌，查滾動(dòng)導(dǎo)軌生產(chǎn)廠家，選用南京工藝裝備制造有限公司的GGB B A四方向等載荷窄型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副型號(hào)為GGB16BA，相關(guān)尺寸如下圖4所示，（參考網(wǎng)址：http://www.njyigong.cn/UploadFiles/2010826155325974.pdf）</p><p>　　可知其額定動(dòng)載荷C=8.51KN，大

57、于7.023KN，故可知滿足要求。</p><p><b>　　4、其余附件的選擇</b></p><p><b>　　⑴、聯(lián)軸器的選擇</b></p><p>　　剛性聯(lián)軸器結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制造容易， 免維護(hù)，超強(qiáng)抗油以及耐腐蝕，即使承受負(fù)載時(shí)也無任何回轉(zhuǎn)間隙，即便是有偏差產(chǎn)生負(fù)荷時(shí)，剛性聯(lián)軸器還是剛性傳遞扭矩。適用于安裝

58、底座剛性好、對(duì)中精度較高、沖擊載荷不大、對(duì)減振要求不高的中小功率軸系傳動(dòng)。根據(jù)選出的電機(jī)和絲杠的參數(shù)，選用沈陽光宇科技有限公司的韓國(guó)YHB剛性聯(lián)軸器,型號(hào)為P-58-20-20。（參考網(wǎng)址 http://www.31992640.com/asp/cpzx-show.asp?productid=2189）</p><p><b>　　四、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</b></p><p

59、>　　根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的時(shí)主要考慮以下功能：</p><p>　　接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；</p><p><b>　　接受限位開關(guān)信號(hào)；</b></p><p>　　控制X，Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；</p><p>　　與PC機(jī)的串行通信。</p><p>　　CPU選

60、用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲(chǔ)器擴(kuò)展芯片。W27C512用做程序存儲(chǔ)器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴(kuò)展AT89S52的RAM存儲(chǔ)器存放調(diào)試和運(yùn)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(tái)方向，LED顯示器顯示當(dāng)前工作臺(tái)坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報(bào)警功能，并有越位開關(guān)和報(bào)警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時(shí)鐘電路，越位報(bào)警指示電路。</p&g

61、t;<p>　　1、進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖</p><p>　　2、驅(qū)動(dòng)電路流程設(shè)計(jì)</p><p>　　步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)給0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)將大的電壓加在CPU上使其燒壞。

62、</p><p><b>　　步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖</b></p><p>　　該電路中的功放電路是一個(gè)單電壓功率放大電路，當(dāng)A相得電時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(chǔ)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(hù)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(dòng)機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。<

63、;/p><p>　　由于步進(jìn)電機(jī)采用的是五相十拍的工作方式（五個(gè)線圈A、B、C、D、E），其正轉(zhuǎn)時(shí)通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A……….其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A………。</p><p>　　3、驅(qū)動(dòng)電源的選用，及驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式</p><p>　　設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為9

64、0BYG550C型。查步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的資料，選擇與之匹配的驅(qū)動(dòng)電源為BD28Nb型，輸入電壓為80V AC，相電流為6A，分配方式為五相十拍。該驅(qū)動(dòng)電機(jī)接線圖如下：</p><p><b>　　：</b></p><p><b>　　五、參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　【1】、文懷興、夏田 .《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》 北京：

65、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(xué)出版社，2007.</p><p>　　【3】、李洪 .《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》北京：遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，1999.</p><p>　　【4】、陳家芳.《金屬切削工藝手冊(cè)》 上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社, 2005.</p><p>　　【5

66、】、楊建明. 《數(shù)控加工工藝與編程》北京：北京理工大學(xué)出版社，2009.</p><p>　　【6】、張新義.《經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000</p><p>　　【7】、尹志強(qiáng).《機(jī)電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　【8】.孫波.《畢業(yè)設(shè)計(jì)寶典》.西安電子科技大學(xué)出版社 </p&g

67、t;<p>　　【9】.文懷興.《數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)實(shí)踐指南》.化學(xué)工業(yè)出版社.第一版</p><p>　　【10】.王愛玲.《現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床伺服及檢測(cè)技術(shù)》.國(guó)防工業(yè)出版社第三版</p><p><b>　　六、總結(jié)體會(huì)</b></p><p>　　通過本次對(duì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由設(shè)計(jì)任務(wù)給定的工作尺寸，設(shè)計(jì)一種供應(yīng)式數(shù)控銑

68、床的X-Y數(shù)控工作臺(tái)。這是一個(gè)比較具有實(shí)際意義的設(shè)計(jì)演練，不光是針對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)前的一次預(yù)演，更是進(jìn)入社會(huì)前的一次實(shí)際生產(chǎn)設(shè)計(jì)。</p><p>　　在本次設(shè)計(jì)中讓我進(jìn)一步的理解到機(jī)械與電子聯(lián)系的緊密性，初步掌握了機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程。就本次機(jī)電一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)來談?wù)勗O(shè)計(jì)思路：</p><p>　　首先，確定總體設(shè)計(jì)方案：其中主要對(duì)導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、檢測(cè)裝置的選用及控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行初步分

69、析，再繪制總體方案圖。</p><p>　　其次，進(jìn)行機(jī)械傳動(dòng)部件的計(jì)算與選擇：主要進(jìn)行導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算，銑削力的計(jì)算，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型，滾珠絲杠螺母副的計(jì)算與選型，步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算與選型。本部分作為此設(shè)計(jì)重點(diǎn)，進(jìn)行了大量的分析、計(jì)算及驗(yàn)算，最后得到了滿足任務(wù)規(guī)定尺寸的工作要求。</p><p>　　再次，選用檢測(cè)裝置。本設(shè)計(jì)中選用了增量式旋轉(zhuǎn)編碼器

70、，確定電路為觀電隔離電路，以此來對(duì)工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)，從而在反饋后對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整。</p><p>　　最后，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。此處主要通過進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)來對(duì)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并繪制控制系統(tǒng)原理框圖；然后分析選用了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源。</p><p>　　在老師的指導(dǎo)下和與同學(xué)的討論中，最后通過自己的努力終于完成了本次設(shè)計(jì)任務(wù)，盡管在本次設(shè)計(jì)中間遇到了不少問題，如滾珠絲杠螺母副的