小型數(shù)控鉆床旋轉(zhuǎn)平移工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)--畢業(yè)論文

1、學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：小型數(shù)控鉆床旋轉(zhuǎn)平移工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要在機(jī)械加工行業(yè)中，旋轉(zhuǎn)平移鉆床工作臺(tái)使用量很大，為了提高加工效率，保證加工精度，必須對(duì)鉆床工作臺(tái)進(jìn)行數(shù)控化改進(jìn)。本文對(duì)傳統(tǒng)鉆床工作臺(tái)存在的不能很好的在圓周方向上鉆孔問題，設(shè)計(jì)了一款立式鉆床旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)。本文確定數(shù)控鉆床工作臺(tái)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，對(duì)機(jī)械部分對(duì)圓周方向上旋轉(zhuǎn)，x、y方向上平移做了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。對(duì)控制系統(tǒng)部分，本文闡述了用單片機(jī)控制交流伺服電機(jī)以實(shí)現(xiàn)鉆床工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)、平移過程。闡述了整個(gè)系統(tǒng)的控制原理。 本課題所設(shè)計(jì)的工作臺(tái)，其加工過程是將所需加工孔的數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備輸入到控制系統(tǒng)，然后系統(tǒng)根據(jù)工件上所需加工孔

2、的坐標(biāo)，是工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到孔的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的全自動(dòng)鉆孔，并且系統(tǒng)在加工過程中實(shí)時(shí)顯示加工數(shù)據(jù)。關(guān)鍵詞：傳動(dòng)系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)abstractin the mechanical processing industries,rotary drilling machine working table used in large quantities,in order to improve the processing efficiency,ensuring the processing precision,to table of the drilling machine nc improve

3、ment.based on traditional drilling machine working table problem,design a vertical drilling machine rotary table.based on the domestic and intermational current situation and development trend undertook an anakysis,in determining the overall scheme,elaborated with scm control acservo motor to achiev

4、e drilling machine worktable rotation,translation process.the first running process of the cnc drilling designed by the subject,is to input the processing data about the hole into the control system by the entering equipment,then find the location of location of the hole by moving the table accordin

5、g to coordinate of the hole,and the procedding data of the system displayed in real-time.key words: drive system；control system；stepping motor目 錄1緒論.61.1 現(xiàn)狀61.2 發(fā)展前景62.1工作原理及總體框圖72.2流程圖73 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)93.1旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)93.1.1工作臺(tái)箱體設(shè)計(jì)93.1.2傳動(dòng)比及參數(shù)確定103.1.3步進(jìn)電機(jī)的選擇113.1.4 軸的設(shè)計(jì)133.1.5軸承的選擇153.1.6聯(lián)軸器的選擇153.2工作臺(tái)x-y機(jī)械

6、部分設(shè)計(jì)163.2.1 確定工作臺(tái)的尺寸極其重量163.2.2滾珠絲杠參數(shù)計(jì)算與選型173.2.3 滾動(dòng)導(dǎo)程參數(shù)計(jì)算與選型183.2.4步進(jìn)電機(jī)參數(shù)計(jì)算與選型193.2.5 支撐座參數(shù)設(shè)計(jì)203.2.6 聯(lián)軸器的選擇214 工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)224.1控制系統(tǒng)元器件的選擇224.1.1 單片機(jī)的選擇224.1.2最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)224.1.3i/o接口芯片選擇234.1.4譯碼器的選擇244.1.5 地址分配254.2控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)264.2.1主控電路設(shè)計(jì)264.2.2 i/o接口電路設(shè)計(jì)264.3輔助電力路的設(shè)計(jì)274.3.1鍵盤顯示接口電路274.3.2步進(jìn)電機(jī)控制電路284.3.3脈沖

7、分配294.3.4 驅(qū)動(dòng)電路304.3.5光隔離電路304.3.6功率放大器和時(shí)鐘電路314.3.7復(fù)位電路314.3.8越界報(bào)警電路324.3.9掉電保護(hù)電路335致謝-346參考文獻(xiàn)-357附錄-36351緒論1.1 現(xiàn)狀中國(guó)分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展存在很多問題，如在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)規(guī)劃布局上不合理，勞動(dòng)力密集型產(chǎn)品在生產(chǎn)上占據(jù)了主要部分；技術(shù)類密集型產(chǎn)品在生產(chǎn)上只占據(jù)了很少的一部分，并且與西方發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家相比有很大的差距；生產(chǎn)要素至關(guān)重要的影響正在逐步削弱。 從中國(guó)數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展報(bào)告可以大致了解世界數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程，該報(bào)告有力的說明了中國(guó)的數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)業(yè)發(fā)

8、展現(xiàn)狀也指出了和西方發(fā)達(dá)工業(yè)國(guó)家在此方面的差距，并且提出了“新型數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)業(yè)”概念，這是之前沒有出現(xiàn)過得，此份研究報(bào)告從“以人為本”、 環(huán)境友好、科技創(chuàng)新和面向未來四個(gè)方面闡述了“新型數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)業(yè)”內(nèi)涵，對(duì)中國(guó)的行政和四大都市圈的數(shù)控分度回轉(zhuǎn)工作臺(tái)產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)行了全賣弄的研究。1.2 發(fā)展前景近幾十年以來，各個(gè)跨國(guó)公司推動(dòng)的產(chǎn)品全球化發(fā)展使得國(guó)際分工和國(guó)際貿(mào)易格局發(fā)生額改變，加工貿(mào)易成為全球化產(chǎn)業(yè)發(fā)展的要求。有跨國(guó)公司推動(dòng)的加工貿(mào)易的全球化發(fā)展，因此可以為發(fā)展中國(guó)家快速進(jìn)入全球高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈條提供條件，從而可能讓發(fā)展中國(guó)家實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)升級(jí)上提供便捷途徑。其中分度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的運(yùn)用得

9、到了廣泛推廣，各種新型工作臺(tái)不斷被引進(jìn)，同時(shí)我國(guó)也自主研制和開發(fā)了一批使用、高效行得分度宣戰(zhàn)工作臺(tái)、本次設(shè)計(jì)的意義是設(shè)計(jì)出一套結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、精度系數(shù)比較高的自動(dòng)分度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，并能滿足生產(chǎn)加工的需求。分度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)作為數(shù)控機(jī)床中的幾個(gè)非常大的部分，研究其設(shè)計(jì)、制造過程是非常有實(shí)際要的工程應(yīng)用價(jià)值。數(shù)控工作臺(tái)的應(yīng)用非常多，而數(shù)控工作臺(tái)像自動(dòng)分度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的研究必然有著其實(shí)際的意義。2 工作臺(tái)方案的設(shè)計(jì)2.1工作原理及總體框圖 工作臺(tái)工作原理采用單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)工作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)和平移，通過鍵盤和顯示屏幕發(fā)送指令給單片機(jī)，控制脈沖分配器向步進(jìn)電機(jī)發(fā)送脈沖，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)蝸輪蝸桿傳動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工

10、作臺(tái)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)總體框圖見圖2.1654312圖2.1工作臺(tái)總體框圖1-步進(jìn)電機(jī) 2-燕尾導(dǎo)軌槽 3-固定端軸承座 4-蝸桿 5-旋轉(zhuǎn)工作臺(tái) 6-絲杠 2.2流程圖通過鍵盤輸入信息到控制系統(tǒng)，單片機(jī)控制器向伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)動(dòng)器發(fā)出控制信號(hào)，通過驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)電機(jī)按要求工作以完成動(dòng)作。i/o接口電路單片機(jī)驅(qū)動(dòng)器電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)x向平移y向平移旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)鍵盤顯示器 圖2.2 工作臺(tái)流程圖3 旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1旋轉(zhuǎn)部分設(shè)計(jì)3.1.1工作臺(tái)箱體設(shè)計(jì)自動(dòng)分度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)箱體起著支撐并包容各種傳動(dòng)零件，如齒輪、軸、蝸桿、渦輪、軸承等零件，使它們能夠正常運(yùn)動(dòng)情況下可以達(dá)到相關(guān)的運(yùn)動(dòng)精度。箱體還可以通過

11、潤(rùn)滑劑來實(shí)現(xiàn)各種零件的潤(rùn)滑、安全保護(hù)和密封作用，既可以很好的讓操作員的人生安全得到保障，又能夠使箱體內(nèi)的零件盡可能的少受外界環(huán)境的影響，并有一定隔振、隔熱作用。分度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)是機(jī)械加工中常用的機(jī)床附件，因此尺寸不易過大，必須能配合機(jī)床的使用。自動(dòng)分度旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)尺寸：長(zhǎng)*寬*高 550*500*160 工作臺(tái)右端蓋部分尺寸：長(zhǎng)*寬*高 240*50*160蝸桿箱體及鉆臺(tái)如下圖所示：工作臺(tái)蝸桿渦輪步進(jìn)電機(jī)圖2.2旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)箱體圖圖2.2旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)3.1.2傳動(dòng)比及參數(shù)確定（1）傳動(dòng)比設(shè)定系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的參數(shù)：工作臺(tái)旋轉(zhuǎn)速度最大為20度/秒，工作臺(tái)分度精度0.25.總傳動(dòng)比i為各級(jí)傳動(dòng)比i1,i2乘積，

12、即i=i1*i2 （3.1）在設(shè)計(jì)中分配總傳動(dòng)比是重要問題，傳動(dòng)比若分配得不合理，將不能有效的實(shí)現(xiàn)降低成本和結(jié)構(gòu)緊湊的目的；也不能使傳動(dòng)零件獲得較低的圓周速度從而影響到動(dòng)載荷或?qū)鲃?dòng)精度等級(jí)造成影響；但是如果要達(dá)到所有要求相對(duì)比較困難，因此應(yīng)按設(shè)計(jì)要求考慮傳動(dòng)比分配方案，以滿足要求。 為了保證工作臺(tái)分度精度，傳動(dòng)比需要很大，同時(shí)為了保證結(jié)構(gòu)尺寸，蝸桿傳動(dòng)比設(shè)定在120，齒輪傳動(dòng)比可以設(shè)定為3，那么傳動(dòng)系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為120*30=360.（2）最大旋轉(zhuǎn)速度 工作臺(tái)的最大旋轉(zhuǎn)速度為20度/秒；即渦輪工作臺(tái)=20rad/s （3.2）n渦輪=渦輪/360。=20/360=1/18r/s （3.3）

13、 根據(jù)系統(tǒng)總傳動(dòng)比為360，可得n電機(jī)=n渦輪*360=(1/18)*360=20r/s （3.4）（3）分度精度工作臺(tái)的分度精度是通過步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)地總傳動(dòng)比來確定，工作臺(tái)分度精度為0.25度，即渦輪最小的轉(zhuǎn)動(dòng)單位為0.25度，系統(tǒng)的總傳動(dòng)比為360，即可得步進(jìn)電機(jī)的最小分度精度為90度，即步進(jìn)電機(jī)的每次旋轉(zhuǎn)的度數(shù)為90度的倍數(shù)。3.1.3步進(jìn)電機(jī)的選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇包括結(jié)構(gòu)、步距角、型號(hào)、功率和轉(zhuǎn)速的選取，并要準(zhǔn)確的查出所需要的尺寸和型號(hào)。 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器及0步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器組成。選擇步進(jìn)電動(dòng)機(jī)時(shí)候，要想讓工作臺(tái)所需的脈沖當(dāng)量得到保障，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出

14、功率大于負(fù)載所需要的功率這一點(diǎn)是前提條件，這一點(diǎn)必須得到保證。要計(jì)算機(jī)械系統(tǒng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩可以確保電機(jī)的矩頻特性能滿足機(jī)械負(fù)載并有可以有余量。在一般正常工作中，在矩頻特性曲線范圍內(nèi)是各種頻率下的負(fù)載必須遵循的，這樣就保證步矩角和機(jī)械系統(tǒng)匹配。（1） 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩計(jì)算步進(jìn)電機(jī)選用三相步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，初選不進(jìn)電動(dòng)機(jī)步矩角 b=3度。設(shè)步進(jìn)電機(jī)等效負(fù)載力矩為t,負(fù)載力為p，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)做的功與負(fù)載力做的功關(guān)系如下：t  =ps （3.5）式中 電機(jī)轉(zhuǎn)角； s 轉(zhuǎn)動(dòng)部件的相應(yīng)位移； 機(jī)械傳動(dòng)效率。 若取= b,則s=b，且p=pz+(g+w2),所以t=p

15、z+(g+w) （3.6）式中 g轉(zhuǎn)動(dòng)部件負(fù)載，n; w轉(zhuǎn)動(dòng)部件重量，n; pz與中立方向一致的作用在轉(zhuǎn)動(dòng)部件上的負(fù)載力，n; 摩擦系數(shù)； b步進(jìn)電機(jī)步矩角，rad; t電機(jī)軸負(fù)載力矩，ncm. 取=0.03，=0.96，pz=500n。 w=r2×30×10-3×7.8×10-2=325n （3.7） g=r2×70×10-3×7.8×10-2=1075n （3.8）可求得 t=(500+42) ×=4963.81n.cm5n.m （3.9） 不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件的慣性影響，啟動(dòng)力矩為 tm=t/(0.

16、3 0.5)=10n.m(取安全系數(shù)0.5) （3.10）步進(jìn)電機(jī)為三相六拍的電機(jī) tmax=11.6n.m （3.11）（2） 步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速根據(jù)工作臺(tái)的最大轉(zhuǎn)速n工作臺(tái)=r/s與系統(tǒng)總傳動(dòng)比i=360,可得 n電機(jī)=20r/s=1200r/min （3.12）所以，不進(jìn)電機(jī)的現(xiàn)在最大轉(zhuǎn)速 nmax電機(jī)n電機(jī)=1200r/min （3.13）（3） 步進(jìn)電機(jī)最大頻率 根據(jù)不進(jìn)電機(jī)的步矩角b=3°與步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速n電機(jī)=20r/s,可得 f電機(jī)=20×120=2400step/s （3.14）所以步進(jìn)電機(jī)選擇最高的頻率 fmax電機(jī)f電機(jī)=2400step/s （3.1

17、5）（4） 步進(jìn)電機(jī)型號(hào) 由于步進(jìn)電機(jī)步矩角b=3°，步進(jìn)電機(jī)最高轉(zhuǎn)速nmax電機(jī)1200r/min，步進(jìn)電機(jī)最高頻率fmax電機(jī)2400step/s，步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩tmax=11.6n.m,選擇的步進(jìn)電機(jī)型號(hào)參數(shù)如下表3-1所示。 表1步進(jìn)電機(jī)參數(shù)型號(hào) 主要技術(shù)參數(shù)外形尺寸/mm重量/(kn)步矩角/(°)保持轉(zhuǎn)矩相數(shù)電壓/v電流/a外徑長(zhǎng)度軸徑130bc3100312327310016822103.1.4 軸的設(shè)計(jì)在機(jī)械設(shè)計(jì)中，軸是一種非常重要的機(jī)械零件，傳遞運(yùn)動(dòng)、扭矩或彎矩主要依賴于軸和支撐轉(zhuǎn)動(dòng)零件一起通過回轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)。軸各段有直徑不同，依據(jù)軸線形狀的不同，軸可以分為

18、曲軸和直軸兩類。軸的強(qiáng)度和剛度決定其工作能力，在快速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)取決于其振動(dòng)穩(wěn)定性。載荷的大小、方向、性質(zhì)及其分布狀態(tài)，軸上零件的數(shù)量及安裝位置、定位方法等都是軸結(jié)構(gòu)形狀的影響因素（1）蝸桿軸的設(shè)計(jì) 軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要確定軸的外形和結(jié)構(gòu)尺寸。設(shè)計(jì)時(shí)要滿足節(jié)約材料、易于定位減少應(yīng)力集中、和便于加工等條件。 本次設(shè)計(jì)的軸用于傳遞扭矩，通過齒輪副到蝸輪蝸桿，不需要承受外距，所以用到的為傳動(dòng)軸。從經(jīng)濟(jì)實(shí)用方面考慮，碳素鋼使用廣泛，并且對(duì)應(yīng)力集中的敏感性較小， 45碳素鋼是廣泛被應(yīng)用并且比較經(jīng)濟(jì)的類型；故軸設(shè)計(jì)選用的材料為經(jīng)過正火處理的45鋼。30354032fr1fr2 圖3.1 軸的受力圖（2）蝸桿軸的計(jì)算

19、蝸桿上的承受力： 軸向力fa1=ft2=2t2/d2=2×5×360×103/420=8572.4n（3.16） 徑向力fr1=ft2tant=3120.1n （3.17） 圓周力ft1=ft2tan =714.3n （3.18） 大齒輪上軸受力： 圓周力ft2=2t2/d2=333.3n （3.19） 徑向力fr2=ft2tant=121.3n （3.20）根據(jù)結(jié)構(gòu)上的考慮及軸上零件的布置給出支撐間跨距l(xiāng)=181mm,蝸桿中央在面至左支承的距離l1=110mm,大齒輪中央截面距離右支撐的距離l2=90mm, 如上圖3.1由圖可知，fa1產(chǎn)生的力矩為：

20、mx1=fa.d1/2=150017n.mm （3.21） 根據(jù)給定條件作軸在xoy平面的受力圖，分別對(duì)支撐點(diǎn)1及2取矩可求得xoy平面的支反力 fr1=fr1=(l-l1-l2)+fr2l2+mx1/l=1576.4n （3.22） fr2=fr1l1+fr2l+mx1/l=1765.3n （3.23） mr1=fr1=173404n.mm （3.24） mmr2=fr2l2=158877n.mm （3.25） mx=mr1-mx1=23387n.mm （3.26）可以求得d26所以蝸桿軸最小直徑d1=30mmd=25mm蝸桿圖如下：圖3.2蝸桿3.1.5軸承的選擇依靠主要元件的滾動(dòng)接觸支撐

21、轉(zhuǎn)動(dòng)零件滾動(dòng)軸承在機(jī)械設(shè)計(jì)中是一種重要的應(yīng)用部件之一。滾動(dòng)軸承與滑動(dòng)軸承相比，滾動(dòng)軸承摩擦力小，功率消耗少，啟動(dòng)容易等優(yōu)點(diǎn)。在此選型后要考慮驗(yàn)算軸承的承載能力以及與軸承的安裝、調(diào)整、潤(rùn)滑、密封等有關(guān)的“軸承裝置設(shè)計(jì)”問題。（1）軸承的類型本次設(shè)計(jì)中要采用的是滾動(dòng)軸承。滾動(dòng)軸承是標(biāo)準(zhǔn)件，應(yīng)用廣泛，安裝、維修方便，并且價(jià)格相對(duì)來說比較便宜。外圈、內(nèi)圈、滾動(dòng)體和保持架是滾動(dòng)軸承主要組成部分，內(nèi)圈分別與軸頸及軸承座孔裝配在一起。本次設(shè)計(jì)中齒輪傳動(dòng)采用的是直齒圓柱齒輪傳動(dòng)，無軸向力存在，所以軸承選用主要考慮的是蝸桿傳動(dòng)。考慮到電動(dòng)刀架工作時(shí)轉(zhuǎn)速很高，并且是不間斷工作，穩(wěn)定也高。故采用油潤(rùn)滑，轉(zhuǎn)速越高，應(yīng)

22、采用粘度越低的潤(rùn)滑油；載荷越大，應(yīng)選用粘度越高的。3.1.6聯(lián)軸器的選擇我們將用來聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件稱之為聯(lián)軸器。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中要求聯(lián)軸器有緩沖、減震和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。 選擇聯(lián)軸器時(shí)，應(yīng)根據(jù)工作要求選定合適的類型，根據(jù)軸的直徑計(jì)算轉(zhuǎn)速和扭矩，再?gòu)挠嘘P(guān)手冊(cè)中查出使用的型號(hào)，最后對(duì)某些關(guān)鍵零件做必要的驗(yàn)算。（1）聯(lián)軸器的類型 聯(lián)軸器總類繁多，一般有固定式聯(lián)軸器和可移式聯(lián)軸器，這是根據(jù)在小齒輪所在的軸與練級(jí)的聯(lián)接按照被鏈接的兩周的相對(duì)位置和位置的變動(dòng)情況來劃分的，考慮到兩軸能嚴(yán)格對(duì)中并在工作中不發(fā)生相對(duì)位移，聯(lián)軸器可選用剛性聯(lián)軸器中的有凸緣聯(lián)軸器。

23、（2）聯(lián)軸器的尺寸聯(lián)軸器的類型為有對(duì)中環(huán)凸緣聯(lián)軸器gyh。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速n電機(jī)=1200r/min,電機(jī)的最大轉(zhuǎn)矩tmax=11.6n.m，而小齒輪所在的軸d=22mm,電機(jī)軸徑d電機(jī)=22mm,根據(jù)凸緣聯(lián)軸器參數(shù)表選得對(duì)中環(huán)凸緣聯(lián)軸器型號(hào)為gyh2 52×38/22×22。3.2工作臺(tái)x-y機(jī)械部分設(shè)計(jì) 機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，選擇步進(jìn)電機(jī)，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇等。3.2.1 確定工作臺(tái)的尺寸極其重量圖3.3x向托板圖3.4y向托板 根據(jù)設(shè)計(jì)要求初選旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)尺寸為550×500×160,。考慮到加工時(shí)工作

24、臺(tái)受到?jīng)_擊和振動(dòng)，所以選工作臺(tái)材料是密度為7.2×103kg/m3的灰鑄鐵ht150，(取g=10n/kg)。旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)的質(zhì)量： m1=0.55×0.5×0.16×7.2×103=316kg （3.27）x向拖板與y向拖板所謂材料為ht150，尺寸為： 長(zhǎng)×寬×高=500mm×500mm×80mm, （3.28）上、下拖板總質(zhì)量為： m2=2×0.5×0.5×0.08×7.2×103=288kg （3.29）初步取導(dǎo)軌座尺寸為： 長(zhǎng)×寬×

25、;高=800mm×500mm×120mm （3.30）則其質(zhì)量為： m3=0.8×0.5×0.12×7.2×103=345kg （3.31）旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)右端蓋質(zhì)量： m4=0.24×0.05×0.16×7.2×103=13.8kg （3.32）工作臺(tái)總質(zhì)量為： m=m1+m2+m3+m4=963kg （3.33）考慮到夾具、電動(dòng)機(jī)等其他因素，取m總=1000kg。附圖如下：3.2.2滾珠絲杠參數(shù)計(jì)算與選型圖3.5絲杠 初選絲杠材質(zhì)：crmnti鋼，hrc5662，導(dǎo)程：p=5mm(1)求出螺旋傳動(dòng)

26、的計(jì)算載荷fcfc=fekhklfm其中，ke為載荷系數(shù)，取1.5； kh為硬度系數(shù)，取1.0； kl為精度系數(shù)，取1.0； fm為絲杠工作時(shí)的軸向壓力，fm=m總g=40n。 fc=1.51.0×1.0×40=60n； （3.34）（2）確定動(dòng)載荷及壽命計(jì)算 初步確定滾珠絲杠的規(guī)格型號(hào)，選擇的滾珠絲杠桿副的額定動(dòng)載荷ca必須大于其計(jì)算值： caca= （3.35）其中：ca額定動(dòng)載荷（n）；nm螺桿的平均轉(zhuǎn)速，取100r/min lh運(yùn)轉(zhuǎn)壽命（h）;f螺旋傳動(dòng)的計(jì)算載荷（n）。假設(shè)滾動(dòng)絲杠能工作6年，每年365天，每天工作8小時(shí)，則 lh=6×365×

27、8=17520h （3.36） 代入數(shù)據(jù)得： ca=1123n查滾珠絲杠型號(hào)表可知：選sfu2005-4，其公稱直徑為25mm,導(dǎo)程為5mm，動(dòng)載荷分別問1130n和2380n。3.2.3 滾動(dòng)導(dǎo)程參數(shù)計(jì)算與選型（1）計(jì)算導(dǎo)軌的工作壽命th,要求壽命不低于5年； 設(shè)一天工作8小時(shí)，一年365天，工作6年，則 th=6×365×8=17520h （3.37）（2）計(jì)算導(dǎo)軌行程長(zhǎng)度壽命ts=2thlsn/1000 其中，ls=單程行程（取0.5m），n為每分鐘往復(fù)次數(shù)（取6次/分鐘） ts=2×17520×0.5×6×60/1000=63

28、07km （3.38）（3）計(jì)算導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷cn（n） 因鉆床的切削力f鉆大概是工作臺(tái)重的1-1.2倍，所以 f鉆=1.2m1g=1.2×316×10=3792n （3.39） 設(shè)每根導(dǎo)軌上游2塊滑塊，每個(gè)滑座承受的工作載荷為f，則 f=3356n （3.40） 可由此求得： ts=6.25ca=33560n33.6kn （3.41） (4)根據(jù)額定動(dòng)載荷ca確定滾動(dòng)導(dǎo)軌的型號(hào)及結(jié)構(gòu)尺寸 根據(jù)caca原則，查型號(hào)表可選導(dǎo)軌型號(hào)為lg20kl.3.2.4步進(jìn)電機(jī)參數(shù)計(jì)算與選型 由機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量及步矩角：=360/p。脈沖當(dāng)量是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于

29、等于工作臺(tái)的定位精度，由于定位精度為±0.02mm，因此選擇脈沖當(dāng)量為0.01mm，則步矩角為： =360/p=0.72 （3.42）（1） 電機(jī)軸上的總當(dāng)量負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 j總j1+j2+j轉(zhuǎn) （3.43） 絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 j1=（kgm2） （3.44） 其中，為絲杠密度取7.8×103m3,，d為絲杠的等效直徑（m），l為絲杠長(zhǎng)度（m）。 d=16×103mm l=0.6m （3.45）可得： j1=0.30×10-4（kgm2） （3.46）工作臺(tái)、工件、夾具、支撐坐等折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量： j2=()2m總×10-6=2.22

30、×10-4（kgm2） （3.47）其中，m總為總質(zhì)量（kg），p為絲杠導(dǎo)程（mm）電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小得場(chǎng)合，可忽略不計(jì)。 所以， j總= j1 +j2=2.52×10-4（kgm2） （3.48）（2） 電機(jī)軸轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 空載啟動(dòng)時(shí)，電機(jī)軸上的慣性轉(zhuǎn)矩： tj=j總 （3.49） 其中，t為電機(jī)加速時(shí)間（s）,p為絲杠導(dǎo)程（m）,vmax為工作臺(tái)快進(jìn)速度（m/s），為傳動(dòng)比 t=0.1s，p=0.05m ，vmax=3.6m/s =1 則，tj= j總=0.19(nm) （3.50） 電機(jī)軸上的當(dāng)量摩擦轉(zhuǎn)矩（工作臺(tái)及工件重量引起） t=fm （3.51）為伺服傳動(dòng)鏈的總

31、效率，可取0.8，則 t=0.014（nm） （3.52） 因絲杠副預(yù)緊力引起的電機(jī)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 設(shè)預(yù)緊力為最大軸向載荷的1/3，則 t0=（1-02） （3.53） 0為滾珠絲杠螺母副未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率（取0.9），則 t0=8.82×10-4（nm） （3.54） 空載啟動(dòng)時(shí)電機(jī)軸上的最大靜轉(zhuǎn)矩：tq=tj+t+t0=0.19+0.014+8.824×10-4=0.20（nm） 所選取的步進(jìn)電機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩ts需滿足ts0.23 （3.55） 步進(jìn)電機(jī)選型時(shí)，必須同時(shí)滿足轉(zhuǎn)動(dòng)慣量及靜轉(zhuǎn)矩的要求，即應(yīng)進(jìn)行慣量匹配驗(yàn)算： 1（jm為鎖選電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量） （3.56）

32、1 （3.57） 最大靜轉(zhuǎn)矩：tq=0.233.0nm （3.58） 步進(jìn)電機(jī)的最大運(yùn)行頻率ff= （3.59）f=6000hz=6khz20khz （3.60） 所以，所選的型號(hào)為90byg5520的步進(jìn)電機(jī)合適。3.2.5 支撐座參數(shù)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)滾珠絲杠的支撐的安裝采用固定-支撐式的一端裝深溝球軸承。 根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑為16mm，因此我選擇固定端的軸承內(nèi)徑為12mm,支持端的軸承內(nèi)徑為12mm。考慮到防塵問題，所以選用兩面帶防塵蓋型的軸承。因此，固定端支撐座與軸承裝配的尺寸為32mm，支撐端支撐座與軸承的搭配尺寸為32mm。 固定端軸承座外形如下圖4.1：圖3.6固定端軸承3.2.6

33、聯(lián)軸器的選擇 因?yàn)槊坊?lián)軸器具有高扭轉(zhuǎn)剛性和卓越靈敏度，可吸收偏角、偏心、軸向偏差和振動(dòng)，所以伺服電機(jī)與絲杠之間的聯(lián)接選用梅花聯(lián)軸器聯(lián)接。圖3.7梅花聯(lián)軸器根據(jù)步進(jìn)電機(jī)的主軸直徑為14mm,滾珠絲杠前端直徑為10mm，聯(lián)軸器可選的型號(hào)為：g6-60t,其外徑為30mm，兩端孔徑分別為14mm，10mm。4 工作臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1控制系統(tǒng)元器件的選擇4.1.1 單片機(jī)的選擇圖4.1 at89s52單片機(jī)本設(shè)計(jì)選用at89s51單片機(jī)。 51單片機(jī)的哈弗結(jié)構(gòu)。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器跟程序存儲(chǔ)器分開，大大減少了成本， 特有的帶有位處理功能的八位微處理器。 內(nèi)部有8kb rom存儲(chǔ)器， 內(nèi)部rom足夠不用外擴(kuò)程

34、序存儲(chǔ)器， 而且ram有256b（特殊功能寄存器除外）可用不用外擴(kuò)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 4組帶所存的端口共32個(gè)i/o口， 三個(gè)定時(shí)器中斷， 可用于定時(shí)顯示刷新等。兩個(gè)外部中斷可用于限位開關(guān)報(bào)警， 還有串行口中斷，擁有豐富的指令系統(tǒng)， 而且價(jià)格便宜， 十分經(jīng)濟(jì)。4.1.2最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖3.2 最小系統(tǒng)單片機(jī)最小系統(tǒng)是單片機(jī)正常工作的基礎(chǔ)，單片機(jī)的最小系統(tǒng)包括晶振電路跟復(fù)位電路，晶振電路是整個(gè)系統(tǒng)的心臟，晶振產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率供單片機(jī)正常工作， 晶振電路外接一個(gè)12mhz的晶振，復(fù)位電路則是對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，在不改變內(nèi)存值的情況下進(jìn)行程序指針的復(fù)位， 復(fù)位電路采取兩上電復(fù)位跟手動(dòng)復(fù)位。上電復(fù)位：當(dāng)給單片上電

35、時(shí)自動(dòng)復(fù)位，完成單片機(jī)初始化工作， 是單片機(jī)正常運(yùn)行的必備準(zhǔn)備工作， 手都復(fù)位：可以在任何時(shí)候按下對(duì)單片機(jī)復(fù)位，單片機(jī)內(nèi)存值不會(huì)改變。4.1.3i/o接口芯片選擇 本次設(shè)計(jì)所需功能考慮，選用是intle8279可編程i/o接口芯片。8279可用作單片機(jī)的可編程通用鍵盤和顯示器接口，可以為64鍵額接觸式按鍵陣列提供掃描接口，也可以用刀諸如霍爾效應(yīng)或鐵氧體變形體的傳感器陣列或一個(gè)選通的接口鍵盤。鍵的按鍵可以使而鍵閉鎖也可以是n鍵巡回，可以自動(dòng)取消按鍵抖動(dòng)，按鍵輸入編碼被選通送入8字符的fifo先進(jìn)先出緩沖器中。若送入的字符多余8個(gè)，將越限制標(biāo)志置“1”，按鍵輸入時(shí)間cpu發(fā)出中斷信號(hào)。顯示部分能為

36、發(fā)光二極管，白熾燈，七段顯示器，液晶顯示器等提供掃描顯示接口。intle8279芯片引腳如下圖1 402 393 384 375 366 357 348 339 8279 3210 3111 3012 2913 2814 2715 2616 2517 2418 2319 2220 21rl2rl3clkirqrl4rl5rl6rl7reserdwrdb0db1db2db3db4db5db6db7vssvccrl1rl0cntlshifsl3sl2sl1sl0outb.1outb1outb2outb3outa0outa1outa2outa3bdcsa0圖 4.3 intel8279芯片引腳4.1

37、.4譯碼器的選擇 組合邏輯電路的一個(gè)總要的器件譯碼器可以分為：變量譯碼和顯示譯碼。本次控制電路用到的譯碼器有兩處，一處為at89c55單片機(jī)與外擴(kuò)ram6264之間的譯碼器，還有一處為intel8279i/o控制芯片和鍵盤顯示器之間的譯碼器。譯碼器型號(hào)先用為74ls138譯碼器。其工作原理如下：當(dāng)一個(gè)選通端（e3）為高電平，另兩個(gè)宣統(tǒng)段（e1）和（e2）為低電平時(shí)，可將地址端（a0、a1、a2）的二進(jìn)制碼在一個(gè)對(duì)應(yīng)的輸出端以低電平譯出。74ls138譯碼器引腳如下圖1 162 153 144 135 126 117 108 09a0a1a2e1e2e3y7gndvccy0y1y2y3y4y5y

38、6圖4.4 74ls138譯碼器引腳4.1.5 地址分配圖4.5 程序存儲(chǔ)器選擇電路51單片機(jī)采用的結(jié)構(gòu)是哈弗結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器跟程序存儲(chǔ)器分開，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器是通過指令的區(qū)別來選擇的所以不需要在硬件結(jié)構(gòu)中做任何處理， 由于程序存儲(chǔ)器選擇內(nèi)部存儲(chǔ)器，所以引腳必須接高電平。4.2控制系統(tǒng)電路的設(shè)計(jì)4.2.1主控電路設(shè)計(jì) 本次主控電路元件有單片機(jī)at89c55，地址鎖存器74ls373，譯碼器74ls373和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成。單片機(jī)主控電路揭發(fā)如下圖， p0.0-p0.7p2.0-p2.4p2.5-p2.7at89c55rdwr aled0-d7 q0-q7gnd oeabcg1g2 y2g3a0

39、-a7 q0-q7a8-a12weoe 6264cs1鎖存器數(shù)據(jù)儲(chǔ)存器時(shí)鐘電路譯碼器圖4.6 單片機(jī)主控制電路圖 其中，at89c55的p0.0-p0.7和74ls373的d0-d7還有6264的q0-q7相連，p2.5-p2.7接74ls373的abc，p1.0-p1.4分別和2個(gè)脈沖分配器的e0，wr相連，周期輸出信號(hào)ale與74ls373的gnd相連，wr，rd分別和6264的we,de相連；74ls373的q0-q7與6264的a0-a7相連，y2與cs16264相連；時(shí)鐘電路與at89c55的xtal1、xtal2相連。4.2.2 i/o接口電路設(shè)計(jì) i/o接口擴(kuò)展電路由at89c5

40、5單片機(jī)，inrel8579i/o接口芯片，74ls138譯碼器，75451位驅(qū)動(dòng)，鍵盤和6位8段led元器件組成。i/o接口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)接法如下圖：p0.0-p0.7p2.6p2.7alewrrdresetint1d0-d7cs rl0-rl7a0clkwr sl0-sl2rdresetirq outa0-outa3 outb0-outb316行列式鍵盤6位8段led顯示器at89c5582795.1kx8vccvcc5.1kx274ls13875451x4譯碼器位驅(qū)動(dòng) 圖4.7 i/o接口擴(kuò)展電路圖其中，at89c55的p0.1-p0.7接8279的d0-d7，8279的cs接 p2.6，

41、8279的時(shí)鐘端clk連接到周期輸出信號(hào)ale,intl接8279的中端請(qǐng)求線irq,wr,rd分別和8279的wr,rd相連，p2.7與8279的a0相連。8279外接28鍵盤和6位8段led，8279的回程輸入線接鍵盤列線選用外部譯碼方式，掃描線sl0-sl2為3位計(jì)數(shù)器輸出信號(hào)，由74ls138譯碼器譯出8位選擇線y0-y7，接上4個(gè)75451位驅(qū)動(dòng)，再接上鍵盤的行線，和led的公共極。outb0-outb3，outa0-outa3相當(dāng)于8段數(shù)據(jù)輸出口。4.3輔助電力路的設(shè)計(jì)微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)除了各種主要功能芯片外，還必須包括一些必要的輔助電路。這輔助電路包括：鍵盤顯示電路，步進(jìn)電機(jī)控制電路，

42、復(fù)位電路，越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)電路等。下列介紹各輔助電路：4.3.1鍵盤顯示接口電路 常用的顯示器有：led顯示器，lcd顯示器和crt顯示器三種?？紤]到經(jīng)濟(jì)成本此設(shè)計(jì)采用lcd1602顯示器，。如下圖：圖4.8鍵盤顯示接口電路4.3.2步進(jìn)電機(jī)控制電路 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)由脈沖信號(hào)源，脈沖分配器，功率放大器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)組成。其輪廓如下圖：脈沖信號(hào)源 脈沖分配器yb013脈沖信號(hào) 功率放大分配后的脈沖信號(hào)abc 圖5.8 步進(jìn)電機(jī)控制電路總圖4.3.3脈沖分配將控制脈沖按規(guī)定通電方式分配到各相是脈沖分配器主要功能，該分配控制數(shù)據(jù)表如下圖： 表1 四相八拍脈沖分配控制數(shù)據(jù)表節(jié)拍序號(hào)y向電動(dòng)

43、機(jī)x向電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向電動(dòng)機(jī)通電相控制數(shù)據(jù)旋轉(zhuǎn)方向p1.7p1.6p1.5p1.4p1.3p1.2p1.1p1.0p0.3p0.2p0.1p0.0dcbadcbadcba1111011101110aeeh正反向2110011001100abcch3110111011101bddh4100110011001bc99h5101110111011cbbh6001100110010cd33h7001100110010d77h8011001100110da66h4.3.4 驅(qū)動(dòng)電路 由微機(jī)根據(jù)控制要求發(fā)出的脈沖，并依次將脈沖分配給各相繞組，其功率較小，電壓幅度一般低于5v，電流為ma級(jí)，必須經(jīng)過驅(qū)動(dòng)器將信

44、號(hào)電流放大到若干安培，才能驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 本設(shè)計(jì)選用的是高低壓驅(qū)動(dòng)電路，其電路圖如下： 圖4.8驅(qū)動(dòng)電路 其中，無脈沖時(shí)，t1,t2和t3,t4均截止，電機(jī)繞組la中無電流通過，電機(jī)不轉(zhuǎn)。有脈沖時(shí)，t1，t2，t4飽和導(dǎo)通，在t2由截止到飽和期間，其集電極電流急速增加，在變壓器次級(jí)感生一個(gè)電壓，使t3導(dǎo)通，80v高壓經(jīng)高壓管t3加入la上，使電流速度上升，t2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)，tp初級(jí)電流暫時(shí)恒定，次級(jí)的感應(yīng)電壓降到0，t3截止，12v低壓電流經(jīng)d2加到繞組la上，維持la中的電流為恒定值，輸入脈沖結(jié)束后，t1,t2，t3，t4又均截止，存儲(chǔ)在la中的能量通過18 的電阻和二極管泄放。4.3.5光隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后，控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高，電流也較大。如果i/o口輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起強(qiáng)電干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)的程序正常運(yùn)行，重則導(dǎo)致極端及接口電路的損壞。所以一般要在接口電路與功率放大器間加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。本次設(shè)計(jì)所選用的光隔離輸出電路如下：輸入74ls05輸出5v12v 圖4.9 光隔離輸出電路上圖為同向輸出電路，控制信號(hào)經(jīng)74ls05集電極開路門反向后驅(qū)動(dòng)光耦合器的輸入發(fā)光二極管。當(dāng)控制信號(hào)為低電平時(shí)，74ls05不吸收電路，發(fā)光二極管不導(dǎo)