《數(shù)控機(jī)床》課程設(shè)計(jì)說明書 xy數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、濱州學(xué)院自動(dòng)化系數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)說明書設(shè)計(jì)題目： X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì) 班級(jí)： 08機(jī)械三班 姓名： 指導(dǎo)教師： 濱州學(xué)院自動(dòng)化系 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專業(yè)機(jī)械三班2011年 6月 目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù)二、設(shè)計(jì)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(jì)計(jì)五、參考文獻(xiàn)六、總結(jié)體會(huì)一、總體方案設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)題目：XY數(shù)控工作臺(tái)的機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供立式數(shù)控銑床使用的XY數(shù)控工作臺(tái)，主要參數(shù)如下：1）工作臺(tái)面尺寸CBH245mm255mm39mm；2）底座外形尺寸C1B1H1445mm445mm295mm；3）工作臺(tái)加工范圍X=99mm，Y=99mm；4） X、Y方向的

2、脈沖當(dāng)量均為、脈沖；X、Y方向的定位精度均為；5）負(fù)載重量G=295N；6）工作臺(tái)空載最快移動(dòng)速度為3m/min；工作臺(tái)進(jìn)給最快移動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)的選擇 檢測裝置的選擇（2）控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 圖1-1 系統(tǒng)總體框圖二、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1、導(dǎo)軌上移動(dòng)部件的重量估算重量：按重量=體積材料比重估算 （45鋼密度/立方厘米）工作臺(tái)面尺寸：245mm255mm39mm ；重量：kg；上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量

3、：N；夾具及工件重量：315N； X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量G：800N；2.2、銑削力的計(jì)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(jì)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(jì)算。采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時(shí)，各銑削力之間的比值可查表得出，考慮逆銑時(shí)的情況，可估算三個(gè)方向的銑削力分別為：=2082. 3 N； ； N；現(xiàn)考慮立銑，則工作臺(tái)受到垂直方向的銑削力=719.34N，受到水平方向的銑削力分別為縱向銑削力（絲杠軸線方向），徑向銑削力=473.2N。2.3、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)確定、滑塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號(hào)的選取本設(shè)計(jì)

4、中的XY工作臺(tái)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(tái)面的工作載荷全部由一個(gè)滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為=N。其中，移動(dòng)部件重量為G，外加載荷根據(jù)計(jì)算出的工作載荷，初選符合要求的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌副的型號(hào)：JSALG20。根據(jù)任務(wù)規(guī)定工作臺(tái)面尺寸，加工范圍及工作臺(tái)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(jì)算(略)2.4、滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時(shí)的情況計(jì)算。1、 最大工作載荷的計(jì)算 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）為，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）為，

5、受到垂直方向的載荷（與工作臺(tái)面垂直）為。已知移動(dòng)部件的總重量G，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，查表，取傾覆力矩影響系數(shù)K=1.1，滾動(dòng)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：(719.34+473.25+1476.93) 、最大動(dòng)載荷的計(jì)算工作臺(tái)在承受最大銑削力時(shí)的最快進(jìn)給速度，初選絲杠導(dǎo)程，則此時(shí)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： =180;查表，取載荷系數(shù)，滾道硬度為60HRC時(shí)，取硬度系數(shù)，代入式，求得最大動(dòng)載荷=N.、初選型號(hào)根據(jù)計(jì)算出的最大動(dòng)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生產(chǎn)的系列型，其額定動(dòng)載，大于，滿足要求

6、。表2-1 滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)名 稱符 號(hào)計(jì)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(dòng)效率計(jì)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)快速空載啟動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算其中是快速空載啟動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。=-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(dòng)慣量（）；齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（

7、）；滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；M移動(dòng)部件質(zhì)量（）。對(duì)材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)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=-4；J2=-3；J3=-3；電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略。=103;設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止到加速至所需時(shí)間為，傳動(dòng)鏈總效率為=N.mm;式中：導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)，滑動(dòng)導(dǎo)軌取0.16； 垂直方向的工作負(fù)載，空載時(shí)取0； 傳動(dòng)鏈總效率，取0.7； 傳動(dòng)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(jì)算=（）=49.6;是折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；是移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)時(shí)折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩。=;=;=49.6N.m；、步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻

8、率=10000Hz;查表選用兩個(gè)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(hào)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(dòng)頻率()相數(shù)電壓電流外徑長度軸徑86BYG350AH0201250300032728585693kg表2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)2.5、確定齒輪傳動(dòng)比因步進(jìn)電機(jī)步距角，滾珠絲杠的導(dǎo)程，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)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(jì)

9、4.1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：（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(diǎn)操作；（3） 控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器，并實(shí)現(xiàn)升降速；（4） 與PC機(jī)的串行通信，并實(shí)現(xiàn)直線圓弧插補(bǔ)?？刂撇糠钟布x取 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(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

10、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（1）進(jìn)給控制系統(tǒng)原理框圖（2）驅(qū)動(dòng)電路流程設(shè)計(jì)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，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)給。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。 圖6 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖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

11、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。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。 （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 設(shè)計(jì)中X、Y向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)均為45BF005-型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬前楊電機(jī)電器。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50V AC，相電流為3A，分配方式為五相十拍。該驅(qū)動(dòng)電源與控制器的接線方式如圖7所示 圖74.

12、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(dòng)或自動(dòng)操作工作臺(tái)的移動(dòng)時(shí)，可通過旋轉(zhuǎn)此開關(guān)來改變工作臺(tái)的移動(dòng)狀態(tài)位移控制2啟動(dòng)開關(guān)（按下此開關(guān)機(jī)床啟動(dòng)）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(dòng)的軸的按鈕。被選擇的軸會(huì)以相應(yīng)的倍率進(jìn)行移動(dòng)，松開按鈕則軸停止移動(dòng)。 5回零位鍵（按下此鍵工作臺(tái)回零位）6顯示器 八位晶體管顯示器，顯示工作臺(tái)的位置，精確到。 X向位置 Y向位置7.X零位指示燈ON表示X向工作臺(tái)回零位。OFF表示X向工作臺(tái)沒有回零位。8.X限位報(bào)警ON表示X向工作臺(tái)到達(dá)極限位置，需要緊急停車。OFF表示X向工作臺(tái)沒有回零位 9.Y零位指示燈ON表示Y向工作臺(tái)回

13、零位。OFF表示Y向工作臺(tái)沒有回零位。10.Y限位報(bào)警ON表示Y向工作臺(tái)到達(dá)極限位置，需要緊急停車。OFF表示Y向工作臺(tái)沒有回零位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(diǎn)） 8255A初始化程序。INTT: MOV DX, 8155A控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL在零點(diǎn)處設(shè)置光電式碰撞開關(guān)，回到零點(diǎn)時(shí)，開關(guān)響應(yīng)。步進(jìn)電機(jī)控制程序步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序電機(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110A0000000000H29AB0000000101H38B00

14、00001103H47BC0000001002H55C0000011006H65CD0000011107H74D0000010105H83DE0000010004H92E000011000CH101EA0000011010DH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(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為1時(shí)則反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí)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(chǔ)單元20H29H中，2AH中存放結(jié)束標(biāo)志00H，在2BH36H的存儲(chǔ)單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時(shí)P1端口的輸出控制字00H,0DH,0CH,04H,

15、05H,07H,06H,02H,03H,01H,00H存放在37H單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志00H。4.6直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)在機(jī)電設(shè)備中，執(zhí)行部件如要實(shí)現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運(yùn)動(dòng)，必須通過兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的合成來完成。在數(shù)控機(jī)床中，這是由X、Y兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)，按照插補(bǔ)控制原理實(shí)現(xiàn)的。直線插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì).1用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算，每走一步，都需要以下四個(gè)步驟：偏差判別：判別偏差或，從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算公式。坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號(hào)，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個(gè)方向進(jìn)給。偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后，計(jì)算新的加工偏差。終點(diǎn)判別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)算器減1.若為0，

16、表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)；不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)算判別可用兩個(gè)方向坐標(biāo)值來判斷，也可由一個(gè)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(diǎn)判別的依據(jù)，如動(dòng)點(diǎn)X等于終點(diǎn)則停止。當(dāng)，則用Y方向走的總步數(shù)作為終點(diǎn)判別的依據(jù)。由此，第一象限直線插補(bǔ)程序的算法如圖.2程序設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)程序時(shí)，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值、，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值X,Y，偏差。對(duì)8位機(jī)，一般可用2字節(jié)，而行程較大時(shí)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

17、電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0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)。 圓弧插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì).1逐點(diǎn)比較法逐點(diǎn)比較法的圓弧的插補(bǔ)計(jì)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(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)步驟。不同點(diǎn)在于：（1）偏差計(jì)算公式步進(jìn)與前一點(diǎn)偏差有關(guān)，還與前一點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)，在計(jì)算偏差的同時(shí)要進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。（2）終點(diǎn)的判別是以一個(gè)方向的坐標(biāo)值與終點(diǎn)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(diǎn)判據(jù)；若，則以Y是否等于作為終點(diǎn)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(jì) 北京：北京化工出版社，2005. 【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