數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計說明書- X-Y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計

1、濱州學(xué)院自動化系數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計說明書設(shè)計題目： x-y數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計 班級： 08機(jī)械三班 姓名： 指導(dǎo)教師： 濱州學(xué)院自動化系 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)機(jī)械三班2011年 6月 目錄一、設(shè)計任務(wù)二、設(shè)計主要步驟 三、機(jī)械部分裝配圖的繪制四、控制系統(tǒng)的設(shè)計計五、參考文獻(xiàn)六、總結(jié)體會一、總體方案設(shè)計1.1 設(shè)計任務(wù)題目：xy數(shù)控工作臺的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一種供立式數(shù)控銑床使用的xy數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：1）工作臺面尺寸cbh245mm255mm39mm；2）底座外形尺寸c1b1h1445mm445mm295mm；3）工作臺加工范圍x=99mm，y=99mm；4） x、y方向的

2、脈沖當(dāng)量均為0.005mm、脈沖；x、y方向的定位精度均為0.01mm；5）負(fù)載重量g=295n；6）工作臺空載最快移動速度為3m/min；工作臺進(jìn)給最快移動速度為1m/min。7）立銑刀的最大直徑d=20mm；8）立銑刀齒數(shù)z=3；9）最大銑削寬度；10）最大背吃刀量。1.2 總體方案確定（1）機(jī)械傳動部件的選擇 導(dǎo)軌副的選擇 絲杠螺母副的選擇 減速裝置的選擇 伺服電動機(jī)的選擇 檢測裝置的選擇（2）控制系統(tǒng)的設(shè)計 圖1-1 系統(tǒng)總體框圖二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計2.1、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算重量：按重量=體積材料比重估算 （45鋼密度7.85g/立方厘米）工作臺面尺寸：245mm255mm39mm

3、；重量：16.88kg；上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：(100.21kg+1.1kg)x10n/kg=1013.1n；夾具及工件重量：315n； x-y工作臺運(yùn)動部分的總重量g：800n；2.2、銑削力的計算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。查表得立銑刀的銑削力計算公式為代入上式得：n；其中，每齒進(jìn)給量，銑刀轉(zhuǎn)速，可直接帶入計算。采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可查表得出，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：=2082. 3 n； =719.34n； =473.25n；現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力=719.34n，受到水平方向的銑削力

4、分別為縱向銑削力=2082.3n（絲杠軸線方向），徑向銑削力=473.2n。2.3、直線滾動導(dǎo)軌的參數(shù)確定、滑塊承受工作載荷的計算及導(dǎo)軌型號的選取本設(shè)計中的xy工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為=1088.23n。其中，移動部件重量為g，外加載荷根據(jù)計算出的工作載荷，初選符合要求的直線滾動導(dǎo)軌副的型號：jsalg20。根據(jù)任務(wù)規(guī)定工作臺面尺寸，加工范圍及工作臺整體尺寸的要求，選擇導(dǎo)軌的長度為445mm;、額定壽命的l的校核計算(略)2.4、滾珠絲杠的設(shè)計計算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動部

5、件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時的情況計算。1、 最大工作載荷的計算 在立銑時，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）為，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）為，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）為。已知移動部件的總重量g，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計算，查表，取傾覆力矩影響系數(shù)k=1.1，滾動導(dǎo)軌上的摩擦因數(shù)。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷為：=1.12082.3+0.005(719.34+473.25+1476.93) 2303.54n、最大動載荷的計算工作臺在承受最大銑削力時的最快進(jìn)給速度，初選絲杠導(dǎo)程，則此時絲杠轉(zhuǎn)速=220r/min;取滾珠絲杠的使用壽命t=15000h，代入，得絲杠壽命系：

6、 =180;查表，取載荷系數(shù)，滾道硬度為60hrc時，取硬度系數(shù)，代入式，求得最大動載荷=15607.54n.、初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查表，選擇濟(jì)寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的系列型，其額定動載，大于，滿足要求。表2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名 稱符 號計算公式和結(jié)果螺紋滾道公稱直徑32螺距5接觸角鋼球直徑3.175螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角螺桿螺桿外徑螺桿內(nèi)徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋外徑螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）、傳動效率計算式中：摩擦角；絲杠螺紋升角。2.5、步進(jìn)電機(jī)的選用、步進(jìn)電機(jī)的步距角根據(jù)系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖，滾珠絲杠的導(dǎo)程，初選步進(jìn)電機(jī)步距角、步進(jìn)電機(jī)快速空載

7、啟動時轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算=20.3n.mm其中是快速空載啟動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。=2.3n.mm=54.2x10-3 式中： 折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載（）； 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動慣量（）；齒輪1的轉(zhuǎn)動慣量（）；齒輪2的轉(zhuǎn)動慣量（）；滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（）；m移動部件質(zhì)量（）。對材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算式中：d圓柱零件直徑（cm）；l零件長度（cm）。所以 j1=8.087x10-4；j2=15.2x10-3；j3=3.9x10-3；電機(jī)軸轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略。=1.25103;設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至所需時間為

8、，傳動鏈總效率為=31.3n.mm;式中：導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滑動導(dǎo)軌取0.16； 垂直方向的工作負(fù)載，空載時取0； 傳動鏈總效率，取0.7； 傳動比，；步進(jìn)電機(jī)最大工作負(fù)載狀態(tài)下轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計算=（49.35+0.275）=49.6;是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。=49.35n.m;=0.275n.m;=49.6n.m；、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率=10000hz;查表選用兩個86byg350ah0201型的步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的有關(guān)參數(shù)見表2-2。型 號主要技術(shù)數(shù)據(jù)外形尺寸重量步距角最 大靜轉(zhuǎn)距最高空載啟動頻率()相數(shù)電壓電流外徑長度軸徑

9、86byg350ah02010.75250300032728585693kg表2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)2.5、確定齒輪傳動比因步進(jìn)電機(jī)步距角，滾珠絲杠的導(dǎo)程，要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比選 z1=12，z2=25。2.6、確定齒輪模數(shù)及有關(guān)尺寸因傳遞的扭距較小，取模數(shù)m=2mm，齒輪有關(guān)尺寸見表2-3。表2-3 齒輪尺寸 12252428 19 6 505445637四、控制系統(tǒng)的設(shè)計4.1根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的時主要考慮以下功能：（1） 接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息（人機(jī)界面）；（2） 回零點操作；（3） 控制步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器，并實現(xiàn)升降速；（4） 與

10、pc機(jī)的串行通信，并實現(xiàn)直線圓弧插補(bǔ)。4.2控制部分硬件選取4.2.1 cpu選用mcs-51系列的8位單片機(jī)at89s52，采用8279，和w27c512，6264芯片做為i/o和存儲器擴(kuò)展芯片。w27c512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴(kuò)展at89s52的ram存儲器存放調(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方向，led顯示器顯示當(dāng)前工作臺坐標(biāo)值；系統(tǒng)具有超程報警功能，并有越位開關(guān)和報警燈；其他輔助電路有復(fù)位電路，時鐘電路，越位報警指示電路（1）進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖（2）驅(qū)動電路流程設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路

11、。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺直線行進(jìn)給0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動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，不會將大的電壓加在cpu上使其燒壞。 圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路圖該電路中的功放電路是一個單電壓功率放大電路，當(dāng)a相得電時，電動機(jī)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，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(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，以免電動機(jī)發(fā)熱厲害被燒壞。由于步進(jìn)電機(jī)采用的是五相十拍的工作方式（五個線圈a、b、c、d、

12、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。 （3）、驅(qū)動電源的選用，及驅(qū)動電源與控制器的接線方式 設(shè)計中x、y向步進(jìn)電動機(jī)均為45bf005-型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬前楊電機(jī)電器有限公司。查步進(jìn)電動機(jī)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7所示 圖74.3人機(jī)界面操作面板功能介紹1.位移狀態(tài)選擇開關(guān)以手動或自動操作工作臺的移動時，可通過旋轉(zhuǎn)此開關(guān)來改變工作臺的移動狀態(tài)位移控制2啟動開關(guān)（

13、按下此開關(guān)機(jī)床啟動）3停車開關(guān)（按下此開關(guān)機(jī)床停車。）4進(jìn)給軸選擇按鈕開關(guān)按下欲運(yùn)動的軸的按鈕。被選擇的軸會以相應(yīng)的倍率進(jìn)行移動，松開按鈕則軸停止移動。 5回零位鍵（按下此鍵工作臺回零位）6顯示器 八位晶體管顯示器，顯示工作臺的位置，精確到0.001mm。 x向位置 y向位置7.x零位指示燈on表示x向工作臺回零位。off表示x向工作臺沒有回零位。8.x限位報警on表示x向工作臺到達(dá)極限位置，需要緊急停車。off表示x向工作臺沒有回零位 9.y零位指示燈on表示y向工作臺回零位。off表示y向工作臺沒有回零位。10.y限位報警on表示y向工作臺到達(dá)極限位置，需要緊急停車。off表示y向工作臺沒

14、有回零位11.正常運(yùn)行指示燈on表示機(jī)床正常運(yùn)行。off表示機(jī)床沒有正常運(yùn)行4.4接口程序初始化（回零點）4.41 8255a初始化程序。intt: mov dx, 8155a控制端口mov al, 86hout dx, almov al, 05hout dx, al4.4.2在零點處設(shè)置光電式碰撞開關(guān)，回到零點時，開關(guān)響應(yīng)。4.5步進(jìn)電機(jī)控制程序4.5.1步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動程序4.5.2電機(jī)的控制電路原理及控制字 節(jié)拍通電相控制字正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)二進(jìn)制十六進(jìn)制110a0000000000h29ab0000000101h38b0000001103h47bc0000001002h55c0000011006h6

15、5cd0000011107h74d0000010105h83de0000010004h92e000011000ch101ea0000011010dh設(shè)電機(jī)總的運(yùn)行步數(shù)放在r4，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位f1（d5）中，當(dāng)f1為0時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為1時則反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時p1端口的輸出控制字00h,01h,03h,02h,06h,07h,05h,04h,0ch,0dh存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲單元20h29h中，2ah中存放結(jié)束標(biāo)志00h，在2bh36h的存儲單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時p1端口的輸出控制字00h,0dh,0ch,04h,05h,07h,06h,02h,03h,01h,00h存放在37h單元內(nèi)存放結(jié)

16、束標(biāo)志00h。4.6直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計在機(jī)電設(shè)備中，執(zhí)行部件如要實現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運(yùn)動，必須通過兩個方向運(yùn)動的合成來完成。在數(shù)控機(jī)床中，這是由x、y兩個方向運(yùn)動的工作臺，按照插補(bǔ)控制原理實現(xiàn)的。4.6.1直線插補(bǔ)程序的設(shè)計4.6.1.1用逐點比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計算，每走一步，都需要以下四個步驟：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。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。偏差計算：進(jìn)給一步后，計算新的加工偏差。終點判別：進(jìn)給一步后，終點計算器減1.若為0，表示到達(dá)終點停止插補(bǔ)；不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點

17、計算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)，可用x方向走的總步數(shù)作為終點判別的依據(jù)，如動點x等于終點則停止。當(dāng)，則用y方向走的總步數(shù)作為終點判別的依據(jù)。由此，第一象限直線插補(bǔ)程序的算法如圖4.6.1.2程序設(shè)計設(shè)計程序時，在ram數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標(biāo)值、，動點坐標(biāo)值x,y，偏差。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)行初始化，如設(shè)置初始值、x、y向步進(jìn)電機(jī)初態(tài)（控制字）。插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下：28h29h2ah2bh2ch70hxy電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：d0d1d2d3d4d5d6

18、d7d1d0為x向電機(jī)控制位。d0=1運(yùn)行，d0=0停止；d1=1正轉(zhuǎn)，d1=0反轉(zhuǎn)。d2d3為y向電機(jī)控制位。d2=1運(yùn)行，d2=0停止；d3=1正轉(zhuǎn)，d3=0反轉(zhuǎn)。4.6.2 圓弧插補(bǔ)程序的設(shè)計4.6.2.1逐點比較法逐點比較法的圓弧的插補(bǔ)計算過程和直線插補(bǔ)過程基本相同，也分為偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計算和終點判別四個步驟。不同點在于：（1）偏差計算公式步進(jìn)與前一點偏差有關(guān)，還與前一點的坐標(biāo)有關(guān)，在計算偏差的同時要進(jìn)行坐標(biāo)計算。（2）終點的判別是以一個方向的坐標(biāo)值與終點坐標(biāo)值相比較判斷其是否相等為判據(jù)。若，則以x是否等于作為終點判據(jù)；若，則以y是否等于作為終點判據(jù)。第一象限逆圓弧插補(bǔ)程序算法如圖五、參考文獻(xiàn) 【1】、文懷興、夏田 .數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計 北京：北京化工出版社，2005. 【2】、韓榮第 .金屬切削原理與刀