機(jī)械電子工程課程設(shè)計(jì)機(jī)電Z陸偉

1、JIANGSU TEACHERS UNIVERSITY OF TECHNOLOGY課程設(shè)計(jì)與綜合訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與數(shù)控圓弧直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)學(xué)院名稱：機(jī)械工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè)：機(jī)械電子工程 班 級(jí)：12機(jī)電1Z 姓 名：陸偉 指導(dǎo)老師姓名：朱巧榮 2016年1月課程設(shè)計(jì)與綜合訓(xùn)練任務(wù)書(shū)題目設(shè)計(jì)題目：伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)（順圓?。┎逖a(bǔ)程序設(shè)計(jì)（微機(jī)插卡）訓(xùn)練題目：連接電路和機(jī)床進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)第四象限順圓弧插補(bǔ)加工主要設(shè)計(jì)參數(shù)及要求主要設(shè)計(jì)參數(shù)： 走刀長(zhǎng)度：90mm X絲杠導(dǎo)程：8mm Z絲杠導(dǎo)程：10mm 脈沖當(dāng)量：5 步距角：0.6 最大進(jìn)給速度：40r/min 等效慣量：800 空啟動(dòng)時(shí)間：8

2、0ms X向拖板質(zhì)量：150NZ向拖板質(zhì)量：400N 主切削力Fz：1200N 吃刀抗力Fy：900N 走刀抗力Fx：400N設(shè)計(jì)要求： 選擇電機(jī)型號(hào)、繪出接口電路、編制程序。設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作量課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作量（三周）：（1）根據(jù)給定任務(wù)參數(shù)選擇傳動(dòng)比、步進(jìn)電機(jī)型號(hào)，設(shè)計(jì)并繪制伺服傳動(dòng)系統(tǒng)；（2）使用繪圖工具繪制微控制器接線圖一張；（3）編制插補(bǔ)程序。綜合訓(xùn)練內(nèi)容及工作量（三周）：（1）利用設(shè)備及元?dú)饧谱魑⒖刂破骷捌浣涌诳刂齐娐?；?）調(diào)試所編制插補(bǔ)程序；主要參考文獻(xiàn)1楊龍興編.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū). 校印版.2006.2鐘肇新，彭侃編.可編程控制器原理及應(yīng)用M. 廣州:華南理工大

3、學(xué)出版社,1999.3黃平、朱文堅(jiān)編.機(jī)械設(shè)計(jì)教程M. 北京: 清華大學(xué)出版社.課程設(shè)計(jì)題目:伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)與數(shù)控圓弧直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練題目:連接電路和機(jī)床進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)第四象限順圓弧插補(bǔ)加工摘要：通過(guò)對(duì)插卡的學(xué)習(xí)進(jìn)行了為期三周的課程設(shè)計(jì)，本次課程設(shè)計(jì)是以第四象順圓弧插補(bǔ)為例。插卡在工業(yè)控制應(yīng)用非常廣泛，主要是因?yàn)槠浞€(wěn)定可靠。本設(shè)計(jì)即根據(jù)自制的車(chē)數(shù)控平臺(tái)（雙軸平臺(tái)），通過(guò)插補(bǔ)運(yùn)算， 利用插卡發(fā)出脈沖，從而控制伺服電機(jī)的運(yùn)行，按照插補(bǔ)程序畫(huà)出軌跡。從而初步掌握伺服電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，仿真數(shù)控車(chē)加工平臺(tái)加工零件的加工軌跡。關(guān)鍵詞： AMPCI-9102；伺服電機(jī); 插補(bǔ);目 錄第一章

4、機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)題目 1 1.1 課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練對(duì)象及內(nèi)容1 1.2課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練任務(wù)書(shū)及要求2第2章 機(jī)械電子工程綜合訓(xùn)練題目 3 2.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案3 2.2伺服電機(jī)的選擇和齒輪傳動(dòng)比計(jì)算 3 2.2.1傳動(dòng)比計(jì)算機(jī)和伺服電機(jī)的選擇 32.3聯(lián)軸器的選擇 82.4軸承的選擇82.5鍵的選擇 92.6齒輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇 92.7絲杠的選擇與計(jì)算 92.7.1設(shè)計(jì)X方向的滾珠絲杠滾珠螺母機(jī)構(gòu) 92.7.2絲杠的計(jì)算及選擇 102.7.3設(shè)計(jì)Z方向的滾珠絲杠滾珠螺母機(jī)構(gòu) 122.7.4絲杠的選擇及計(jì)算 132.8開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)介紹說(shuō)明 142.9設(shè)計(jì)電路152.10 設(shè)計(jì)VB插補(bǔ)程序

5、152.11程序運(yùn)行 20參考文獻(xiàn) 21附錄 22第1章 機(jī)械電子工程課程設(shè)計(jì)題機(jī)械電子工程專(zhuān)業(yè)的課程設(shè)計(jì)，是對(duì)前階段機(jī)電課程教學(xué)的一次設(shè)計(jì)性的訓(xùn)練過(guò)程，其后二周的綜合訓(xùn)練則是將課程設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)成果進(jìn)行物化的過(guò)程。整個(gè)過(guò)程應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)對(duì)理論教學(xué)內(nèi)容的綜合應(yīng)用目的。所以，本次課程設(shè)計(jì)涉及了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電氣控制與插卡、數(shù)控機(jī)床與編程技術(shù)、機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)等多門(mén)機(jī)電課程知識(shí)，從機(jī)電系統(tǒng)及其電氣原理圖的設(shè)計(jì)與繪制，到動(dòng)手制作控制電路及調(diào)試，對(duì)這些課程的諸多知識(shí)點(diǎn)在機(jī)電系統(tǒng)中的綜合應(yīng)用進(jìn)行了簡(jiǎn)單的闡述。1.1 本次課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練對(duì)象及內(nèi)容本次設(shè)計(jì)任務(wù)是根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的模擬數(shù)控平臺(tái)，進(jìn)行伺服傳動(dòng)系統(tǒng)

6、設(shè)計(jì)及圖形繪制、微控制器（微機(jī)插卡）的接口電路設(shè)計(jì)、控制程序的編寫(xiě)、切削加工調(diào)試，初步掌握伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法（半閉環(huán)），完成數(shù)控車(chē)加工平臺(tái)伺服系統(tǒng)零件的加工。本次設(shè)計(jì)和訓(xùn)練的具體內(nèi)容如下：(1)根據(jù)指導(dǎo)老師給定的任務(wù)，使用AUTOCAD繪制數(shù)控系統(tǒng)傳動(dòng)圖形，選擇系統(tǒng)所用伺服電機(jī)、計(jì)算系統(tǒng)減速器傳動(dòng)比； (2)控制電路接線圖；(3)利用元?dú)饧谱魑⒖刂破骷捌浣涌诳刂齐娐罚?4)編制和調(diào)試程序；(5)編制說(shuō)明書(shū)。1.2 課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練任務(wù)書(shū)及要求 課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練任務(wù)書(shū)及其格式見(jiàn)附錄，其主要內(nèi)容有：設(shè)計(jì)訓(xùn)練題：分別給出課程設(shè)計(jì)和綜合訓(xùn)練的題目，如課程設(shè)計(jì)的題目為“步進(jìn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與數(shù)控直線插

7、補(bǔ)單片機(jī)程序設(shè)計(jì)”，綜合訓(xùn)練的題目為“連接自制電路和機(jī)床進(jìn)給電機(jī)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)第一象限直線插補(bǔ)加工”。主要設(shè)計(jì)參數(shù)及要求：可以給出具體的設(shè)計(jì)參數(shù)，如絲杠導(dǎo)程p、伺服電機(jī)步距角、加工線型及走刀長(zhǎng)度、脈沖當(dāng)量p、電機(jī)和折算到電機(jī)軸上等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（Jm+Je）、空載啟動(dòng)時(shí)間t、最大進(jìn)給速度Vmax、大小拖板質(zhì) Md、Mx）、主切削力Fz、吃刀抗力Fy、走刀抗力Fx等參數(shù)；要求如選擇電機(jī)型號(hào)、制作接口電路、編制程序，使其能進(jìn)行兩方向伺服驅(qū)動(dòng)加工出所需要的零件等。3、設(shè)計(jì)內(nèi)容及工作量：如課程設(shè)計(jì)內(nèi)容要求“根據(jù)給定的任務(wù)參數(shù)，計(jì)算齒輪箱傳動(dòng)比，選擇驅(qū)動(dòng)中使用的伺服電機(jī)，使用AUTOCAD繪制數(shù)控系統(tǒng)傳動(dòng)圖形；

8、使用AUTOCAD繪圖工具繪制微控制器接線圖。” ；綜合訓(xùn)練內(nèi)容要求“利用元?dú)饧谱魑⒖刂破骷捌浣涌诳刂齐娐罚痪幹坪驼{(diào)試程序，；編制課程設(shè)計(jì)和綜合訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)。”設(shè)計(jì)具體任務(wù)書(shū)由指導(dǎo)老師下達(dá)， 要求每個(gè)學(xué)生完成的內(nèi)容：(1)根據(jù)給定的脈沖當(dāng)量選擇傳動(dòng)比、電機(jī)后，設(shè)計(jì)并繪制伺服傳動(dòng)系統(tǒng)AutoCAD傳動(dòng)圖一張；（2）繪制微控制器電器接線圖一張；（3）利用自制數(shù)控加工平臺(tái)，編程和調(diào)試程序；（4）課程設(shè)計(jì)綜合訓(xùn)練說(shuō)明書(shū)1份：60008000字。第2章 機(jī)械電子工程綜合訓(xùn)練題2.1系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)在機(jī)電一體化產(chǎn)品中，典型的開(kāi)環(huán)控制位置伺服系統(tǒng)是簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床（本實(shí)驗(yàn)室自制數(shù)控平臺(tái)）及X-Y數(shù)控工作臺(tái)等，其結(jié)構(gòu)

9、原理如圖2-1所示。各種開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)原理上大同小異，其方案設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是在圖2-1的基礎(chǔ)上選擇和確定各構(gòu)成環(huán)節(jié)的具體實(shí)現(xiàn)方案。圖2-1電機(jī)主要參數(shù)2.2 伺服電機(jī)的選擇和齒輪傳動(dòng)比的計(jì)算系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)非常重要，是對(duì)一部機(jī)器的總體布局和全局的安排?？傮w設(shè)計(jì)是否合理將對(duì)后面幾步的設(shè)計(jì)產(chǎn)生重大影響，也將影響機(jī)器的尺寸大小、性能、功能和設(shè)計(jì)質(zhì)量。所以，在總體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)多花時(shí)間、考慮清楚，以減少返工現(xiàn)象。當(dāng)伺服系統(tǒng)的負(fù)載不大、精度要求不高時(shí)，可采用開(kāi)環(huán)控制。一般來(lái)講，開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性不成問(wèn)題，設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮精度方面的要求，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。2.2.1傳動(dòng)比計(jì)算機(jī)

10、和伺服電機(jī)的選擇1.選精度等級(jí)、材料及齒數(shù)1） 材料及熱處理；選擇小齒輪材料為40Cr（調(diào)質(zhì)），硬度為280HBS，大齒輪材料為45鋼（調(diào)質(zhì)），硬度為240HBS，二者材料硬度差為40HBS。2） 精度等級(jí)選用7級(jí)精度；3） 試選小齒輪齒數(shù)z120，大齒輪齒數(shù)z254的；傳動(dòng)比為2.7.2.按齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì)按公式計(jì)算，即 （2-1）（1）確定公式內(nèi)的各計(jì)算數(shù)值（2） 試選1.3（3）由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表107選取尺寬系數(shù)d1（3） 由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表106查得材料的彈性影響系數(shù)189.8Mpa（5）由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)圖1021d按齒面硬度查得小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限Hlim1600MPa；大齒輪的解除疲勞強(qiáng)

11、度極限Hlim2550MPa；（6）由公式計(jì)算應(yīng)力循環(huán)次數(shù)（6）由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)圖1019查得接觸疲勞壽命系數(shù)0.90；0.95（7）計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1，安全系數(shù)S1，由式（1012）得H10.90×600MPa540MPaH20.95×550MPa522.5MPa （2-2）（8）計(jì)算圓周速度（9）計(jì)算齒寬b及模數(shù)（10）計(jì)算載荷系數(shù)K已知載荷平穩(wěn)，所以取KA=1；根據(jù)v=0.51m/s,7級(jí)精度，由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)圖108查得動(dòng)載系數(shù)=0.9；直齒輪由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表103查得= =1.2；由機(jī)械設(shè)計(jì)書(shū)表104用插值法查得7級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支承非對(duì)稱布置時(shí)，=1.

12、310 由，=1.310查機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-13得。 故載荷系數(shù)按實(shí)際的載荷系數(shù)校正所得的分度圓直徑，由式（1010a）得（11）計(jì)算模數(shù)3. 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由式 （2-3）確定計(jì)算參數(shù)（1）計(jì)算載荷系數(shù)（2） 由機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-20c查得小齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限；大齒輪的彎曲強(qiáng)度極限（3） 由機(jī)械設(shè)計(jì)圖10-18取彎曲疲勞壽命系數(shù)，(4)計(jì)算彎曲疲勞許用應(yīng)力； 取彎曲疲勞安全系數(shù) S=1.4，有(5)查取齒型系數(shù)由表105查得Yfa1=2.80；Yfa2=2.30（6）查取應(yīng)力校正系數(shù)由表105查得Ysa1=1.55；Ysa2=1.71(7)計(jì)算大、小齒輪的并加以比較大齒輪的數(shù)值大。(8

13、)設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)比計(jì)算結(jié)果，有齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)m大于由齒根彎曲疲勞強(qiáng)度計(jì)算的模數(shù)，由于齒輪模數(shù)m的大小主要取決于彎曲強(qiáng)度所決定的承載能力，而齒面接觸疲勞強(qiáng)度所決定的承載能力，僅與齒輪直徑有關(guān)，可取由彎曲強(qiáng)度算得模數(shù)0.65并就近圓整為標(biāo)準(zhǔn)值m=0.8mm，按接觸強(qiáng)度算得的分度圓直徑d1=15.19mm，算出小齒輪齒數(shù):大齒輪齒數(shù) 4.幾何尺寸計(jì)算（1）計(jì)算中心距2）計(jì)算大、小齒輪的分度圓直徑（3）計(jì)算齒輪寬度2.3 聯(lián)軸器選擇根據(jù)電機(jī)尺寸選擇聯(lián)軸器為彈性套柱銷(xiāo)聯(lián)軸器TL2，聯(lián)軸器尺寸如下表所示：表2-1聯(lián)軸器型號(hào)額定轉(zhuǎn)矩Tn（N.m）許用轉(zhuǎn)速n（r/min）軸孔直徑d/mm軸孔長(zhǎng)度D/m

14、mD2*/mmML1L2ST27.41200016353018M41113 2.4軸承選擇假定軸承的壽命(1) X軸方向： （2-4）=2×5660tan20/20=884N試選擇角接觸球軸承7003C型軸承 d=20mm, D=47mm , B=14mmC=11.2KN ， 11.2KN 所以所選軸承符合要求 。Z 軸方向：同上選擇角接觸球軸承7003C型軸承2.5 鍵的選擇（1）X軸方向: 1）高速軸：連軸器處：半圓鍵GB/T1099-1979, bhL=47.5192）低速軸：齒輪連接處：圓頭平鍵A型GB1096-79, bhL=8728（2）Z軸方向：1）高速軸：連軸器處：半

15、圓鍵GB/T1099-1979, bhL=47.5192）低速軸：齒輪連接處：圓頭平鍵A型GB1096-79, bhL=87282.6 齒輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選擇X方向：d1160mm，所以小齒輪做成實(shí)心的。雖然d2160mm，但是大齒輪與絲杠連接，因此不能做成實(shí)心的，應(yīng)根據(jù)絲杠來(lái)定。Z方向：同理：d1160mm，所以小齒輪做成實(shí)心的雖然d2160mm，但是大齒輪與絲杠連接，因此不能做成實(shí)心的，應(yīng)根據(jù)絲杠來(lái)定。由前面計(jì)算得到的傳動(dòng)比確定減速箱的傳動(dòng)級(jí)數(shù)，一般在3，且總轉(zhuǎn)動(dòng)量與電機(jī)軸上的主動(dòng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比5時(shí)，考慮采用兩級(jí)傳動(dòng)減速箱，即,采用等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量最小原則,傳動(dòng)比應(yīng)該“前小后大”，也就是的布置方式

16、，最后確定各齒輪模數(shù)、齒數(shù)、厚度及電機(jī)軸和絲杠的連接。2.7絲杠的選擇及計(jì)算2.7.1設(shè)計(jì)X方向的滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)：1、X方向絲杠受力分析：X、Z方向的工作臺(tái)滑板及其組件重量（W1、W2）以及Z方向的軸向工作載荷主要由導(dǎo)軌承擔(dān)，而X方向絲杠主要承受X方向的軸向力F 。X方向絲杠所受的總軸向力F由兩部分組成：一是刀具所受的X方向軸向工作載荷；二是工作臺(tái)滑板及其組件重量（W1、W2）和Z方向的軸向載荷在導(dǎo)軌上產(chǎn)生的合成摩擦力兩部分組成：FF=u54 N式中 F絲杠所受的總軸向力 N ； 導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板之間的摩擦力 N ； X方向的軸向工作載荷 N ； Y方向軸向工作載荷 N ； 導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板

17、之間的摩擦系數(shù)，由于導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)（脂潤(rùn)滑或油潤(rùn)滑），可取0.050.2 ； W1X方向工作臺(tái)滑板及其組件重量 N； W2y方向工作臺(tái)滑板及組件重量 N ；將有關(guān)參數(shù)代入上述公式可得X方向絲杠所受的總軸向力F為：F=600+54=654N 2.7.2絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇一設(shè)計(jì)X方向的滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)：1、X方向絲杠受力分析：X、Z方向的工作臺(tái)滑板及其組件重量（W1、W2）以及Z方向的軸向工作載荷主要由導(dǎo)軌承擔(dān)，而X方向絲杠主要承受X方向的軸向力F 。X方向絲杠所受的總軸向力F由兩部分組成：一是刀具所受的X方向軸向工作載荷；二是工作臺(tái)滑板及其組件重量（W1、W2）和Z方向的軸向載

18、荷在導(dǎo)軌上產(chǎn)生的合成摩擦力兩部分組成：F式中 F絲杠所受的總軸向力 N ； 導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板之間的摩擦力 N ； X方向的軸向工作載荷 N ； Y方向軸向工作載荷 N ； 導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板之間的摩擦系數(shù)，由于導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)（脂潤(rùn)滑或油潤(rùn)滑），可取0.050.2 ； W1X方向工作臺(tái)滑板及其組件重量 N； W2y方向工作臺(tái)滑板及組件重量 N ；將有關(guān)參數(shù)代入上述公式可得X方向絲杠所受的總軸向力F為：當(dāng)滾珠絲杠副承受軸向載荷時(shí)，滾珠和滾道型面間便會(huì)產(chǎn)生接觸應(yīng)力。對(duì)滾道型面上某一點(diǎn)而言，其應(yīng)力狀態(tài)是交變應(yīng)力。這種交變接觸應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠和滾道型面產(chǎn)生

19、疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象，隨著麻點(diǎn)的擴(kuò)大滾珠絲杠副就會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)和噪音，而使它失效，這是滾珠絲杠副的主要破壞形式。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí)，必須保證在一定的軸向工作載荷下，在回轉(zhuǎn)一百萬(wàn)轉(zhuǎn)時(shí)，在它的滾道上由于受滾道的壓力而不至于出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，此時(shí)所能承受的軸向載荷，稱為這種滾珠絲杠副的最大（基本）額定動(dòng)載荷Ca。設(shè)計(jì)在較高速度下長(zhǎng)時(shí)間工作的滾珠絲杠副時(shí)，因疲勞點(diǎn)蝕是其主要的破壞形式， 故應(yīng)按疲勞壽命選用，并采用與滾動(dòng)軸承同樣的計(jì)算方法，首先從工作載荷F推算最大動(dòng)載荷Ca，由機(jī)械設(shè)計(jì)可知 （2-5）或 式中 Ca最大（基本）額定動(dòng)載荷（N），其值查附表5 計(jì)算額定動(dòng)載荷F絲杠所受總的軸向工作載荷（N）L10基本額定壽

20、命（以一百萬(wàn)轉(zhuǎn)為一個(gè)單位）L預(yù)期使用壽命（以一百萬(wàn)轉(zhuǎn)為一個(gè)單位）（1）、按額定靜載荷選擇：按F 的原則選擇絲杠：d016mm（2）、按疲勞壽命選擇 =60×n×T/100000060×888.9×15000/1000000=800（百萬(wàn)轉(zhuǎn)）(3) （硬度系數(shù)）由2表取1.0，（運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)）由表3取1.2，T 使用壽命由表4取為15000h由已知條件（1）、(2)、(3)，查滾珠絲杠副的表5，根據(jù)導(dǎo)程L04mm 和的原則，并參考同類(lèi)型設(shè)備的實(shí)際情況，得出設(shè)計(jì)選用：外循環(huán)滾珠絲杠，公稱直徑d016，2.5圈×1列，Ca=6300N，鋼球直徑Dw（d

21、b）=2.381mm,=4°33，精度等級(jí)為E，基本導(dǎo)程極限偏差為±6m，絲杠大徑表面粗糙度為Ra0.8 。由上述計(jì)算可知，應(yīng)選d016、基本導(dǎo)程L04mm、基本長(zhǎng)度為40cm的滾珠絲杠。2.7.3設(shè)計(jì)Z方向的滾珠絲杠螺母機(jī)構(gòu)：1、Z方向絲杠受力分析：X、Z方向的工作臺(tái)滑板及其組件重量（W1、W2）以及X方向的軸向工作載荷主要由導(dǎo)軌承擔(dān)，而Z方向絲杠主要承受Z方向的軸向力F 。Z方向絲杠所受的總軸向力F由兩部分組成：一是刀具所受的Z方向軸向工作載荷；二是工作臺(tái)滑板及其組件重量（W1、W2）和X方向的軸向載荷在導(dǎo)軌上產(chǎn)生的合成摩擦力兩部分組成：F式中 F絲杠所受的總軸向力 N

22、 ； 導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板之間的摩擦力 N ； X方向的軸向工作載荷 N ； Y方向軸向工作載荷 N ； 導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板之間的摩擦系數(shù)，由于導(dǎo)軌與工作臺(tái)滑板處于邊界潤(rùn)滑狀態(tài)（脂潤(rùn)滑或油潤(rùn)滑），可取0.050.2 ； W1X方向工作臺(tái)滑板及其組件重量 N； W2y方向工作臺(tái)滑板及組件重量 N ；將有關(guān)參數(shù)代入上述公式可得X方向絲杠所受的總軸向力F為：2.7.4絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇當(dāng)滾珠絲杠副承受軸向載荷時(shí)，滾珠和滾道型面間便會(huì)產(chǎn)生接觸應(yīng)力。對(duì)滾道型面上某一點(diǎn)而言，其應(yīng)力狀態(tài)是交變應(yīng)力。這種交變接觸應(yīng)力作用下，經(jīng)過(guò)一定的應(yīng)力循環(huán)次數(shù)后，就要使?jié)L珠和滾道型面產(chǎn)生疲勞點(diǎn)蝕現(xiàn)象，隨著麻點(diǎn)的擴(kuò)大滾珠絲杠副就會(huì)

23、出現(xiàn)振動(dòng)和噪音，而使它失效，這是滾珠絲杠副的主要破壞形式。在設(shè)計(jì)滾珠絲杠副時(shí)，必須保證在一定的軸向工作載荷下，在回轉(zhuǎn)一百萬(wàn)轉(zhuǎn)時(shí)，在它的滾道上由于受滾道的壓力而不至于出現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象，此時(shí)所能承受的軸向載荷，稱為這種滾珠絲杠副的最大（基本）額定動(dòng)載荷Ca。設(shè)計(jì)在較高速度下長(zhǎng)時(shí)間工作的滾珠絲杠副時(shí)，因疲勞點(diǎn)蝕是其主要的破壞形式， 故應(yīng)按疲勞壽命選用，并采用與滾動(dòng)軸承同樣的計(jì)算方法，首先從工作載荷F推算最大動(dòng)載荷Ca，由機(jī)械設(shè)計(jì)可知 或 式中 Ca最大（基本）額定動(dòng)載荷（N），其值查附表5 計(jì)算額定動(dòng)載荷F絲杠所受總的軸向工作載荷（N）L10基本額定壽命（以一百萬(wàn)轉(zhuǎn)為一個(gè)單位）L預(yù)期使用壽命（以一百萬(wàn)轉(zhuǎn)

24、為一個(gè)單位）（1）、按額定靜載荷選擇：按F 的原則選擇絲杠：d016mm（2）、按疲勞壽命選擇 =60×n×T/100000060×600×15000/1000000=540（百萬(wàn)轉(zhuǎn)）(3) （硬度系數(shù)）由2表取1.0，（運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)）由表3取1.2，T 使用壽命由表4取為15000h由已知條件（1）、(2)、(3)，查滾珠絲杠副的表5，根據(jù)導(dǎo)程L06mm 和的原則，并參考同類(lèi)型設(shè)備的實(shí)際情況，得出設(shè)計(jì)選用：外循環(huán)滾珠絲杠，公稱直徑d020，2.5圈×1列，Ca=13100N，鋼球直徑Dw（d b）=3.969mm,=5°24，精度等級(jí)為

25、E，基本導(dǎo)程極限偏差為±6m，絲杠大徑表面粗糙度為Ra0.8 。2.8開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)介紹說(shuō)明 半閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)中裝有角位移檢測(cè)裝置，通過(guò)檢測(cè)伺服機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠轉(zhuǎn)角，間接檢測(cè)移動(dòng)部件的位移，然后反饋到數(shù)控裝置的比較器中，與輸入原指令位移值進(jìn)行比較，用比較后的差值進(jìn)行控制，使移動(dòng)部件補(bǔ)充位移，直到差值消除為止的控制系統(tǒng)。由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)將移動(dòng)部件的傳動(dòng)絲杠螺母不包括在環(huán)內(nèi)，所以傳動(dòng)絲杠螺母機(jī)構(gòu)的誤差仍會(huì)影響移動(dòng)部件的位移精度，由于半閉環(huán)控制系統(tǒng)調(diào)試維修方便，穩(wěn)定性好，目前應(yīng)用比較廣泛。半閉環(huán)控制系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)所能達(dá)到的精度、速度和動(dòng)態(tài)特性優(yōu)于開(kāi)環(huán)伺服機(jī)構(gòu)，為大多數(shù)

26、中小型數(shù)控機(jī)床所采用。圖2-2半閉環(huán)系統(tǒng)圖2.9設(shè)計(jì)電路與單片機(jī)要求相同，本電路應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向伺服電機(jī)的插補(bǔ)進(jìn)給，和進(jìn)刀退刀的動(dòng)作，由于使用晶體管輸出使該快速發(fā)出脈沖的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)成為可能。電路接線如圖3-1所示，該驅(qū)動(dòng)裝置由 AMPCI-9102板、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)電源、伺服電機(jī)等組成。圖中所示是驅(qū)動(dòng)器中含有硬件環(huán)型分配器的驅(qū)動(dòng)方式，其中使用Y0(Y1)口線接PUL-，提供一定頻率的脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)按與給定頻率對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速運(yùn)行，改變脈沖信號(hào)的頻率便可以改變伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速；Y2(Y3)口線接DIR-，通過(guò)高低電平轉(zhuǎn)換改變伺服電機(jī)的運(yùn)行方向，如設(shè)Y2(Y3)高電平為正轉(zhuǎn)，則低電平為反轉(zhuǎn)；

27、PUL+、DIR+、ENA+、開(kāi)關(guān)電源+24v都連接在一起，其余接線如圖3-1所示。接通電源后，PLC上的LED指示伺服電機(jī)得電情況，兩個(gè)輸入按鈕分別控制兩個(gè)方向的反轉(zhuǎn)后退，點(diǎn)擊輸入按鈕使伺服電機(jī)反轉(zhuǎn)后退，若需要兩個(gè)方向都能反轉(zhuǎn)后退和前進(jìn)進(jìn)給，需再加上兩個(gè)向前按鈕。2.10 設(shè)計(jì)VB插補(bǔ)程序根據(jù)以前學(xué)過(guò)的知識(shí)可知，偏差計(jì)算是逐點(diǎn)比較法關(guān)鍵的一步，下面以第二象限圓弧為例導(dǎo)出偏差的計(jì)算公式。 如圖所示，假定順圓弧SR3的起點(diǎn)為S(XS,YS)，終點(diǎn)E的坐標(biāo)為（xe, ye）。當(dāng)動(dòng)點(diǎn)在圓弧上或在圓弧外側(cè)區(qū)域時(shí)， 應(yīng)+X方向進(jìn)給一步；當(dāng)動(dòng)點(diǎn)在圓弧內(nèi)側(cè)區(qū)域時(shí)，應(yīng)+Y方向進(jìn)給一步；當(dāng)時(shí)向（+y）軸進(jìn)給一部

28、，則新的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為：新動(dòng)點(diǎn)偏差函數(shù)為 當(dāng)時(shí)，向（-X）方向進(jìn)給一步，則新的動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)為新的動(dòng)點(diǎn)偏差函數(shù)為圖2-3四個(gè)象限圓弧插補(bǔ)偏差計(jì)算與進(jìn)給方向 （1）SR1 NR2 （X軸反向）； SR1 NR4 （Y軸反向）； SR1 SR3 （X軸、Y軸同時(shí)反向）； SR1、 NR2、 SR3和NR4這四種線型的偏差計(jì)算公式都相同。 NR1 SR2 （X軸反向）； SR1 SR4 （Y軸反向）； SR1 NR3 （X軸、Y軸同時(shí)反向）； NR1、 SR2、 NR3和SR4這四種線型的偏差計(jì)算公式也都相同。 （2） SR1 NR1 （ X、Y對(duì)調(diào)）； NR1 SR1 （ X、Y對(duì)調(diào)）； 可見(jiàn)，通過(guò)對(duì)調(diào)X、

29、Y信號(hào)和改變進(jìn)給方向，各個(gè)象限不同走向的圓弧插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)都可以通過(guò)進(jìn)行第一象限順圓弧的插補(bǔ)計(jì)算或第一象限逆圓弧的插補(bǔ)計(jì)算來(lái)完成。如圖所示，設(shè)要加工圓弧SE，圓弧的圓心在坐標(biāo)原點(diǎn)，圓弧的起點(diǎn)S（XS,YS）、終點(diǎn)E（XE,YE）,圓弧半徑為R。令瞬時(shí)加工點(diǎn)為i（xi,yi）,它與圓心的距離為Ri。比較Ri和R，可以比較他們的平方值。Ri2=Xi2+yi2R2=x02+y02因此可得圓弧偏差判別式如下： Fi=Ri2-R2=xi2+yi2-R2 （2-6）若Fi=0,表明加工點(diǎn)i在圓弧上；Fi>0, 表明加工點(diǎn)i在圓弧外；Fi<0,表明加工點(diǎn)i在圓弧內(nèi)。若Fi0,為逼近圓弧，下一步向+Y軸

30、向進(jìn)給一步，并算出新的偏差； Fi<0，為逼近圓弧，下一步向-X軸向進(jìn)給一步，并算出新的偏差.如此一步步計(jì)算和一步步進(jìn)給，在到達(dá)終點(diǎn)后停止運(yùn)算，就可插補(bǔ)出如圖所示第三象限順圓弧。 為簡(jiǎn)化計(jì)算，下面進(jìn)一步推導(dǎo)偏差計(jì)算的遞推公式。設(shè)加工點(diǎn)正處于i(xi,yi)點(diǎn)，其判別式為 Fi=xi2+yi2-R2 （2-7）若Fi0，應(yīng)沿+Y軸向進(jìn)給一步，到i+1點(diǎn)，其坐標(biāo)值為 Xi+1=Xi Yi+1=Yi+1 新加工點(diǎn)的偏差為： Fm=Xi+12+Yi+12-R2=xi2+(y-1)-R2=Fi-2Yi+1 (2-8)若Fi<0，應(yīng)沿-X軸向進(jìn)給一步，到i+1點(diǎn)，其坐標(biāo)值為Xi+1=Xi-1

31、Yi+1=Yi 新加工點(diǎn)的偏差為： Fi=Xi+12+Yi+12-R2=(x-1)+yi2-R2=Fi+2Xi+1 (2-9）根據(jù)式（3-1） 和（3-2）可以看出，只要知道前一點(diǎn)偏差和坐標(biāo)，就可以求出新的一點(diǎn)的偏差。公式中只有乘2運(yùn)算，計(jì)算大為簡(jiǎn)化了。由于加工是從圓弧的起點(diǎn)開(kāi)始的，起點(diǎn)的偏差為0，坐標(biāo)為（x0,y0），所以新的加工點(diǎn)的偏差完全可以用前一加工點(diǎn)的偏差遞推出來(lái)。綜上所述，逐點(diǎn)比較的逆圓弧插補(bǔ)過(guò)程為每走一步要進(jìn)行以下四個(gè)步驟，即判別、進(jìn)給、運(yùn)算、比較。（1）判別。根據(jù)偏差值確定刀具的位置是在直線的上方（或線上），還是在直線的下方。（2）進(jìn)給。根據(jù)判別的結(jié)果，決定控制哪個(gè)坐標(biāo)（x或y）移動(dòng)一步。（3）運(yùn)算。計(jì)算刀具移動(dòng)后的新偏差，提供給下一個(gè)判別依據(jù)。根據(jù)式 （3-1） 及式 （3-2）來(lái)算新加工點(diǎn)的偏差，使運(yùn)算大大簡(jiǎn)化，但是每一新加工點(diǎn)的偏差是由前一點(diǎn)偏差Fi,i推算出來(lái)的，并且一直推算下去，這樣就要知道開(kāi)始加工時(shí)的那一點(diǎn)的偏差是多少。當(dāng)開(kāi)始加工時(shí)，我們是以人工方式將刀具移到加工起點(diǎn)，既所謂的“對(duì)刀”，這一點(diǎn)當(dāng)然沒(méi)有偏差，所以開(kāi)始加工點(diǎn)的Fi,i=0。 （4）比較。在計(jì)算運(yùn)算偏差的同時(shí)，還要進(jìn)行一次終點(diǎn)比較，以確定是否到達(dá)終點(diǎn)。若已經(jīng)到達(dá)，就不要再進(jìn)行計(jì)算，并發(fā)出停機(jī)或