小型數(shù)控X-Y工作臺設(shè)計(jì)【含CAD圖紙、三維模型和說明書開題報告】

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Achieve convenient and can guarantee a certain accuracy. Reduce costs, is the simplest application of computer control technology. It takes full advantage of the software and hardware features of the crisis in order to achieve the machines control; make the machining expand the scope, accuracy, and reliability is further improved. XY CNC table electromechanical systems design uses a stepper motor drives. The stepper motor is a transfer pulse signal into angular displacement DAC electromechanical devices. Its working principle is: each pulse will be generated for a certain amount of space rotating magnetic field in the stator circuit; due to the stepper motor through a different number of pulses and the time interval of three-phase AC input so, the length of the rotor rotation speed and rotation time is different. Because of the role of force when placed with them both energized conductor cutting magnetic rotor rotating magnetic field lines from the realization of the rotating magnetic field forces the rotor rotation corresponding rotation of the rotor, the rotor can be achieved only rack and pinion driven by a corresponding movement. This subject has been designed to help teachers and support teachers final approval by the Dong Yuhong, to express gratitude. The completion of this subject by the **** because I am limited, errors and deficiencies in the inevitable, deal with the problem also something wrong, please correct me related to teacher criticism. Keywords: XY table；CNC stepper motor；Rack and pinion 第 4 頁 共 37 頁 目錄 摘 要 ............................................................................................................................................................................2 第一章.緒論 ...................................................................................................................................................................6 1.1 引言 ......................................................................................................................................................................6 1.2 國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展與概述 ..............................................................................................................................6 1.3 單片機(jī)技術(shù)發(fā)展與概述 ......................................................................................................................................7 1.4 設(shè)計(jì)任務(wù) ..............................................................................................................................................................8 第二章.總體方案確定 ...................................................................................................................................................9 2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 ..............................................................................................................................................9 2.2 控制系統(tǒng)的選擇 ..................................................................................................................................................9 2.3 伺服系統(tǒng)的選擇 ..................................................................................................................................................9 2.4 機(jī)械傳動形式的選擇 ........................................................................................................................................10 2.4.1 導(dǎo)軌副的選用 .............................................................................................................................................11 2.4.2 齒輪齒條副的選用 .....................................................................................................................................11 2.4.3 電動機(jī)的選用 .............................................................................................................................................11 第三章.機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型 .........................................................................................................................12 3.1 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 ............................................................................................................................12 3.2 銑削力的計(jì)算 ....................................................................................................................................................12 3.3 直線滑動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 ........................................................................................................................12 3.3.1 滑塊承受工作載荷 的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取 ...............................................................................12maxF 3.3.2 距離額定壽命 L 的計(jì)算 ............................................................................................................................13 3.4 齒輪齒條副的計(jì)算與選型 ..............................................................................................................................13 3.4.1 最大工作載荷 的計(jì)算 ..........................................................................................................................13m 3.4.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 ............................................................................................................................14 3.5 步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用 ....................................................................................................................................16 3.6 伺服電機(jī)的計(jì)算與選型 ....................................................................................................................................16 3.6.1 計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ..................................................................................17eqT 3.6.2 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 ................................................................................................................19 3.6.3 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核 ............................................................................................................................19 第四章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) ......................................................................................................................................21 4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 ........................................................................................................................................21 4.2 硬件電路整體方案 ............................................................................................................................................21 4.3 MCS-51 系列單片機(jī) ..........................................................................................................................................22 4.4 8031 單片機(jī)的引腳及功能 ...............................................................................................................................23 4.5 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) ........................................................................................................................................25 4.6 I/O 口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) ..........................................................................................................................................28 4.7 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 ............................................................................................................................................30 第 5 頁 共 37 頁 4.8 其他輔助電路設(shè)計(jì) ............................................................................................................................................32 結(jié)束語 ..........................................................................................................................................................................34 致謝 ..............................................................................................................................................................................35 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................................................36 第 6 頁 共 37 頁 第一章.緒論 1.1 引言 現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域 的技術(shù)革命與改造。在機(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向 機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化，使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、 生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化” 邁入了“機(jī)電一體化”為 特征的發(fā)展階段。 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用， 對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以 下幾個基本要素：機(jī)械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息 處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感 技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新 一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微 型化方向發(fā)展。 X-Y 數(shù)控工作臺是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱橫向進(jìn)刀機(jī) 構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的 X-Y 工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè) 備等。 模塊化的 X-Y 數(shù)控工作臺，通常由導(dǎo)軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副（或齒輪 齒條副），以及伺服電動機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動機(jī)做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠 或齒輪，傳動件帶動滑塊和工作平臺在導(dǎo)軌上運(yùn)動，完成工作臺在 X、Y 方向的直線移動。 導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副（或齒輪齒條副）和伺服電動機(jī)等均以標(biāo)準(zhǔn)化，由專門廠家生 產(chǎn)，設(shè)計(jì)時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控 制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。 1.2 國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)發(fā)展與概述 數(shù)控技術(shù)，簡稱 NC( Numerical Control)，是指用數(shù)字信號對一臺或一臺以上機(jī)械設(shè) 備及加工過程進(jìn)行控制的一門自動化技術(shù)。它集傳統(tǒng)機(jī)械制造技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、成組 技術(shù)與現(xiàn)代控制技術(shù)、傳感檢測技術(shù)、信息處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)、液壓氣動技術(shù)、 光電技術(shù)于一體，是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)和核心數(shù)控技術(shù)的問世已 40 多年的歷史， 第 7 頁 共 37 頁 它經(jīng)歷了數(shù)控(NC)階段和計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)階段向著集成化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。 那些利用傳統(tǒng)方式不可能加工出來的復(fù)雜、精密零件在現(xiàn)代化的數(shù)控機(jī)床上可以很便捷 地制造出來，這極大的帶動了世界范圍內(nèi)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。 從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備的發(fā)展趨勢來看，其主要發(fā)展方向有以下幾個方面： （1）高速、高精加工技術(shù) 效率和質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高 產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭力。 (2) 多軸聯(lián)動和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，不僅光潔度高，而且效率也大度提高。當(dāng)前 電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸結(jié)構(gòu)大為簡化，制造難度和成本降低， 促進(jìn)了其快速發(fā)展。 （3）智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展主要趨勢 數(shù)控機(jī)床智能化主要體現(xiàn)在提高加工效率和加工質(zhì)量；開放式主要指面向機(jī)床廠家 和最終用戶，通過改變數(shù)控功能，形成系列化，并可方便的將用戶的特殊應(yīng)用集成到控 制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種，不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年 數(shù)控系統(tǒng)的一大亮點(diǎn)，它極大的滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求， 也是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化制造模式的技術(shù)基礎(chǔ)。 世界各國經(jīng)濟(jì)的競爭、主要體現(xiàn)為制造技術(shù)的競爭。而數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代化加工設(shè)備 的基礎(chǔ)，又是精密、高效、高可靠性加工技術(shù)的支撐，發(fā)展先進(jìn)制造技術(shù)，必須發(fā)展數(shù) 控技術(shù)。50 年代， 數(shù)控機(jī)床研制成功是制造技術(shù)發(fā)展過程中的一個重大突破，標(biāo)志著制 造領(lǐng)域中的一次革命。而現(xiàn)在一個國家數(shù)控機(jī)床的擁有量是衡量其工業(yè)水平的重要標(biāo)志。 就企業(yè)來說，面對日益激烈的國際競爭，在市場中占有一席之地，就必須采用先進(jìn)的數(shù) 控化設(shè)備，以提高技術(shù)水平。對于一個企業(yè)而言，提高數(shù)控化率有兩個途徑： 投入巨資購買新的數(shù)控機(jī)床； 對現(xiàn)有的普通化機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造。對擁有 300 多萬臺普通機(jī)床的我國來說， 普通機(jī)床的數(shù)控化改造無疑是一條簡單可行的途徑。因此，對普通機(jī)床的數(shù)控化改造也 成了人們近年來研究的課題。 1.3 單片機(jī)技術(shù)發(fā)展與概述 單片機(jī)通常把 CPU、ROM、RAM、I/O 接口和定時器 /計(jì)數(shù)器等集成在一個芯片上， 第 8 頁 共 37 頁 是微型計(jì)算機(jī)的一個很重要的分支，其性能價格比高，發(fā)展迅速。它是自動控制、儀表 儀器、通訊、家用電器等領(lǐng)域中應(yīng)用最廣、性能價格比最高的核心部件之一。由于 PC 機(jī) 使用的是高級語言，必須有編譯程序才能與計(jì)算機(jī)通信，而單片機(jī)使用的是匯編語言， 它能直接與計(jì)算機(jī)通信，可以減少內(nèi)存。因此，單片機(jī)在 PC 機(jī)日益發(fā)展的今天仍得到廣 泛應(yīng)用。 新型單片機(jī)采取寬系列、多品種，其字長有 8 位、16 位、32 位，還有一些專用的單 片機(jī)，迎合了現(xiàn)代眾多產(chǎn)品的要求。目前新型通用單片機(jī)主要有 PIC 系列單片機(jī)、EM78 系列單片機(jī)、ATMEL 公司的 FLSH 單片機(jī)89 系列和 90 系列。 單片機(jī)在目前的發(fā)展形勢下，表現(xiàn)出幾大趨勢：可靠性及應(yīng)用水平越來越高； 所集成的部件越來越多；功耗越來越低；與模擬電路結(jié)合越來越多。 總而言之，目前，X-Y 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、復(fù)合化、智 能化、開放化、并聯(lián)驅(qū)動化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化、綠色化以成為數(shù)控機(jī)床發(fā)展的趨勢和方 向。中國作為一個制作大國，主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的優(yōu)勢，而在產(chǎn) 品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很大。中國中國作為一個制作大國， 主要還是依靠勞動力、價格、資源等方面的優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面 與國外同行的差距還很大。中國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀，應(yīng)該抓住機(jī)會不斷發(fā)展，努 力縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀，應(yīng)該抓住機(jī)會不斷發(fā)展，努 力縮短與發(fā)達(dá)國家之間的差距。力爭早日實(shí)現(xiàn) X-Y 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品從低端到高端、從初級 產(chǎn)品到高精尖端產(chǎn)品制作的變化。 1.4 設(shè)計(jì)任務(wù) 題目：銑床的數(shù)控 X-Y 工作臺設(shè)計(jì) 任務(wù)：設(shè)計(jì)一種供應(yīng)式數(shù)控銑床使用的 X-Y 數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下： 1. 最大背吃刀量 ；2pam 2. 加工材料為碳素鋼或有色金屬； 3. X、Y 方向的脈沖當(dāng)量 ；0.5xym 4. X、Y 方向的定位精度均為 ；1 5. 加工范圍為 350300mm； 6. 工作速度為 800mm/min； 第 9 頁 共 37 頁 第二章.總體方案確定 2.1 總體方案設(shè)計(jì)內(nèi)容 一個完整的數(shù)控系統(tǒng)其總體方案的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動方式確定，伺服系統(tǒng)選 擇，執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動方式的確定，控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容，并根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì) 要求提出系統(tǒng)的總體方案，對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行分析、比較和論證，最終確定總體方案。 為了確定數(shù)控銑床工作臺的總體方案，必須明確本次設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)任務(wù)和設(shè)計(jì)參數(shù)。 本次設(shè)計(jì)的內(nèi)容是開發(fā)一套數(shù)控銑床工作臺仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中工作臺工作范圍 X=350mm， Y=300mm，最大移動速度為 0.8m/min，工作臺結(jié)構(gòu)材料可選用鋁材。開發(fā)這 套仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的主要目的是在我們強(qiáng)化機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同時，進(jìn)一步掌握數(shù)控機(jī)床控 制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路，并且掌握數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法，對數(shù)控機(jī)床 控制系統(tǒng)的研究和普通機(jī)床數(shù)控化改造提供了必要的參考依據(jù)，有一定的現(xiàn)實(shí)意義。 2.2 控制系統(tǒng)的選擇 控制系統(tǒng)是由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電隔離電路、步進(jìn)電機(jī)功率放 大電路等組成，系統(tǒng)的加工程序和控制程序通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)；顯示器采用數(shù)碼管來顯 示系統(tǒng)的各種狀態(tài)，方便用戶操作。 本次設(shè)計(jì)將采用 MCS51 系列單片機(jī)中的 8031 單片機(jī)作為主控制器。 MCS51 單 片機(jī)的性能為： 集成度高、功能強(qiáng)、速度快，有很好的性能價格比； 支持的芯片種類多； 性能好，適合于各種不同的場合。 數(shù)控系統(tǒng)的運(yùn)動方式分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、點(diǎn)位直線系統(tǒng)和連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件 相對于刀具移動過程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。對點(diǎn)位系統(tǒng)的要求是快速定 位，保證定位精度。如果工作臺或刀具沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動有精確的運(yùn)動關(guān)系，應(yīng)選用連 續(xù)控制方式，連續(xù)控制系統(tǒng)應(yīng)具有一個插補(bǔ)器進(jìn)行各坐標(biāo)軸進(jìn)給脈沖的分配。這種控制 系統(tǒng)要求伺服元件有很強(qiáng)的跟隨能力。 本課題開發(fā)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，要求能模擬數(shù)控銑床工作臺 X、Y 的兩軸運(yùn)動，采用 8031 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)，各坐標(biāo)軸的運(yùn)動有精確的運(yùn)動關(guān)系。因此，本次設(shè)計(jì)將采用 連續(xù)控制系統(tǒng)。 2.3 伺服系統(tǒng)的選擇 第 10 頁 共 37 頁 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)包括開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)控制 系統(tǒng)沒有檢測反饋元件，不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差，精度低；但其結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修 容易，應(yīng)用在速度和精度要求不高的場合。開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)荷不太大時多采用步進(jìn)電 機(jī)作為伺服電機(jī)。如下圖 2.1 所示： 圖 2.1 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖 閉環(huán)控制系統(tǒng)在機(jī)床移動部件上裝有反饋元件來檢測工作臺的實(shí)際位移量，補(bǔ)償系 統(tǒng)的傳動誤差，精度高；但該系統(tǒng)造價高，結(jié)構(gòu)和調(diào)試復(fù)雜，多用在精度要求高的場合。 閉環(huán)系統(tǒng)多采用直流伺服電機(jī)或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動元件。如圖 2.2 所示： 圖 2.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖 本次設(shè)計(jì)中考慮到實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)精度要求不高，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)來直接 驅(qū)動 XY 工作臺的運(yùn)動。 2.4 機(jī)械傳動形式的選擇 目前主流的直線傳動形式有絲杠螺母及齒輪齒條傳動。 齒輪齒條傳動將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動，但是，這樣的機(jī)構(gòu)可以反向驅(qū)動，也 就是齒條做直線運(yùn)動來帶動齒輪旋轉(zhuǎn)，適合大距離的傳遞，如機(jī)床導(dǎo)軌底下帶動托板箱 移動的就是齒輪齒條傳動。齒輪齒條傳動具有承載力大、傳動效率較高等特點(diǎn)，傳動精 度較高，可達(dá) 0.1mm，可無限長度對接延續(xù)，傳動速度可以很高，2m/s， 絲桿傳動也可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)變?yōu)橥鶑?fù)的直線運(yùn)動，直線運(yùn)動的速度由絲桿的導(dǎo) 程、以及絲桿轉(zhuǎn)速決定，適合做精密的傳動，如機(jī)床工作臺的移動。普通梯形絲杠可以 自鎖，這是最大優(yōu)點(diǎn)，但是傳動效率低下，比齒輪齒條形式低許多，所以不適合高速往 返傳動。缺點(diǎn)是時間久了傳動間隙大，回程精度差，用在垂直傳動較合適。 在長距離重負(fù)載直線運(yùn)動上，絲桿有可能強(qiáng)度不夠，就會導(dǎo)致機(jī)器出現(xiàn)震動、抖動 等情況，嚴(yán)重的，會導(dǎo)致絲桿彎曲、變形、甚至斷裂等等；而齒條就不會有這樣的情況， 齒條可以長距離無限接長并且高速運(yùn)轉(zhuǎn)而不影響齒條精度（當(dāng)然這個跟裝配、床身本身 驅(qū)動器 機(jī)床工作臺步進(jìn)電動機(jī) 第 11 頁 共 37 頁 精度都有關(guān)系） ，絲桿就做不到這一點(diǎn)，但在短距離直線運(yùn)動中，絲桿的精度明顯要比齒 條高得多。另外就是，齒條齒輪傳動對于絲杠螺母結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來講要相對簡單一些。 通過以上分析不難發(fā)現(xiàn)，兩種傳動方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，針對本課題的設(shè)計(jì)要求，決定 采用齒輪齒條形式作為本次設(shè)計(jì)的傳動類型。 2.4.1 導(dǎo)軌副的選用 要設(shè)計(jì)小型數(shù)控銑床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度不 是很高，因此選用直線滑動導(dǎo)軌副，它具有結(jié)構(gòu)簡單，制造、檢驗(yàn)和維修方便，導(dǎo)軌面 較寬，承載能力大，剛度高。 2.4.2 齒輪齒條副的選用 伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過齒輪齒條副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，需要滿足 脈0.5m 沖當(dāng)量和 的定位精度，承載力大，傳動精度較高，可無限長度對接延續(xù)，傳動0.1m 速度可以很高，2m/s，短距離傳動速度可以很高，噪音低。 2.4.3 電動機(jī)的選用 任務(wù)書規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到 0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級，故本設(shè)計(jì)不 必采用高檔次的伺服電動機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動機(jī)。以降低成本，提高性價 比。 第 12 頁 共 37 頁 第三章.機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型 3.1 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算 按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動 機(jī)、齒輪齒條副、導(dǎo)軌座等，估計(jì)重量約為 800N。 3.2 銑削力的計(jì)算 設(shè)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。則由表 3-7 查得立銑時的銑削力計(jì)算公式為： (3-11)0.85.70.31.1cezpFafdanZ 今選擇銑刀的直徑為 d=12mm，齒數(shù) Z=2，為了計(jì)算最大銑削力，在不對稱銑削情況 下，取最大銑削寬度為 ，背吃刀量 ，每齒進(jìn)給量 ，銑刀轉(zhuǎn)2em2pm0.1zfm 速 。則由式（3-11）求的最大銑削力：30/inr 0.85.70.731.0.131146cFN 采用立銑刀進(jìn)行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時的情況， 可估算三個方向的銑削力分別為： ， ，.56fcF.875ecF ?，F(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力 ，受到0.251mcFN 1zeFN 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的縱向，則ffn 縱向銑削力 ，徑向銑削力為 。506xfF15ymFN 3.3 直線滑動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 機(jī)床系統(tǒng)的導(dǎo)向元件一般都采用導(dǎo)軌。導(dǎo)軌的作用是使運(yùn)動部件沿一定軌跡運(yùn)動 （導(dǎo)向） ，并承受運(yùn)動部件及工作臺的重量和切削力（承載） 。選擇一個合適的導(dǎo)軌應(yīng)滿 足下列要求：精度高；壽命長；剛度及承載能力大；摩擦阻力小，運(yùn)動平穩(wěn)；結(jié)構(gòu)簡單。 便于加工、裝配、調(diào)整、維修；成本低。 3.3.1 滑塊承受工作載荷 的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取maxF 工作載荷是影響直線滑動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的 X-Y 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： 第 13 頁 共 37 頁 (3-12)max4GF 其中，移動部件重量 ，外加載荷 ，代入式（3-12 ） ，得最大工80N175eFN 作載荷 。max375.FK 查表根據(jù)工作載荷 ，初選直線滑動導(dǎo)軌副的型號為 SHS-20C 型，其max.375F 額定動載荷 ，額定靜載荷 。.94aCkN09.aCkN 任務(wù)書規(guī)定加工范圍為 350300mm，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表選取導(dǎo)軌 的長度為 640mm。 3.3.2 距離額定壽命 L 的計(jì)算 上述所取的 SHS-20C 系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過 C，每10 根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為 4 級，工作速度較低，載荷不大。分別取硬度系數(shù) ，溫度系數(shù) ，接觸系數(shù) ，精度系數(shù) ，載荷系數(shù) ，1.0Hf1.0Tf0.81cf0.9Rf.5wf 代入式（3-33） ，得距離壽命： 3max()562htcrwffCLKF 遠(yuǎn)大于一般工作臺的額定期望值 50km，故距離額定壽命滿足要求。 3.4 齒輪齒條副的計(jì)算與選型 齒輪傳動是機(jī)械傳動中最重要的傳動之一，形式很多，應(yīng)用廣泛，傳遞率可達(dá)到數(shù) 十萬千瓦，圓周速度可達(dá) 200m/s。以漸開線齒輪傳動較為常用。 齒輪傳動主要有以下特點(diǎn)：1）.效率高 2）.結(jié)構(gòu)緊湊 3）.工作可靠 4）.傳動比穩(wěn)定。 但是齒輪傳動的制造及安裝精度要求高，價格較貴，且不宜用于傳動距離過大的場合。 齒輪的失效形式有以下幾種：1.齒輪折斷。2.齒面磨損。3.齒面點(diǎn)蝕。4.齒面膠合。5. 塑性變形。除此之外，還可能出現(xiàn)過熱、侵蝕、電蝕和由于不同原因產(chǎn)生的多種腐蝕與 裂紋等等。根據(jù)上述失效形式可知，所設(shè)計(jì)的齒輪傳動在具體的工作情況下，必須有足 夠的、相應(yīng)的工作能力，以保證在整個工作壽命期間不致失效。因此，針對各種失效都 應(yīng)確立相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。通常只按保證齒根彎曲疲勞強(qiáng)度既保證齒面接觸疲勞強(qiáng)度兩準(zhǔn) 則進(jìn)行計(jì)算。 3.4.1 最大工作載荷 的計(jì)算mF 第 14 頁 共 37 頁 如前所述，在立銑時，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷 ，受到橫向載荷506xFN ，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直） 。15yFN 17z 已知移動部件總重量 ，取顛覆力矩影響系數(shù) K=1.1，滑動導(dǎo)軌上的摩擦系80GN 數(shù) =0.005。求得齒輪齒條副的最大工作載荷： 。1.56.015780562mxzyFKF N 3.4.2 齒輪齒條結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算 1.齒輪齒條材料選擇：齒條材料的種類很多，在選擇過程中應(yīng)考慮的因素也很多，主 要以以下幾點(diǎn)作為參考原則： a. 齒輪齒條的材料必須滿足工作條件的要求。 b. 應(yīng)考慮齒輪尺寸的大小、毛坯成形方法及熱處理和制造工藝。 c. 正火碳鋼，不論毛坯制作方法如何，只能用于制作載荷平穩(wěn)或輕度沖擊工 作下的齒輪，不能承受大的沖擊載荷；調(diào)制碳鋼可用于制作在中等沖擊載荷下工作的齒 輪。 d. 金屬制的軟齒面齒輪，配對兩輪齒面的硬度差應(yīng)保持為 3050HBS 或者更 多。 鋼材的韌性好，耐沖擊，還可通過熱處理或化學(xué)熱處理改善其力學(xué)性能及提高齒面 硬度，故適用于來制造齒輪。由于該齒輪承受載荷比較大，應(yīng)采用硬齒面（硬度 350HBS） ，故選取合金鋼，以滿足強(qiáng)度要求，進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。 2.各系數(shù)的確定： 計(jì)算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù) K，包括使用系數(shù) 、動載系數(shù) 、齒間載荷分配系數(shù)AKV 及齒向載荷分配系數(shù) ，即KAV 1）使用系數(shù) A 是考慮齒輪嚙合時外部因素引起的附加載荷影響的系數(shù)。該齒輪傳動的載荷狀態(tài)為 輕微沖擊，工作機(jī)器為機(jī)床工作臺，所以使用系數(shù) 取 1.35。AK 2）動載系數(shù) VK 齒輪傳動不可避免地會有制造及裝配誤差，輪齒受載后還要產(chǎn)生彈性變形，對于直 齒輪傳動，輪齒在嚙合過程中，不論是有雙對齒嚙合過渡到單對齒嚙合，或是有單對吃 第 15 頁 共 37 頁 嚙合過渡到雙對齒嚙合的期間，由于嚙合齒對的剛度變化，也要引起動載荷。為了計(jì)及 動載荷的影響，引入了動載系數(shù) ，由于速度 v 很小， 取 1.0。VKVK 3）齒間載荷分配系數(shù) 一對相互嚙合的斜齒（或直齒）圓柱齒輪，有兩對（或多對）齒同時工作時，則載 荷應(yīng)分配在這兩對（或多對）齒上。對于直齒輪及修形齒輪，取 。1HFK 4）齒輪載荷分布系數(shù) K 當(dāng)軸承相對于齒輪做不對稱配置時，受載前，軸無彎曲變形，齒輪嚙合正常，兩個 節(jié)圓柱恰好相切；受載后，軸產(chǎn)生彎曲變形，軸上的齒輪也就隨之偏斜，這就使作用在 齒面上的載荷沿接觸線分布不均勻。 計(jì)算齒輪強(qiáng)度時，為了計(jì)及齒面上載荷沿接觸線分布不均勻的現(xiàn)象，通常以系數(shù) 來表征齒面上載荷分布不均勻的程度對齒輪強(qiáng)度的影響。K 根據(jù)機(jī)械設(shè)計(jì)表 10-4 取 。1.37HK 綜上所述，最終確定齒輪系數(shù) =1.35 1 1 1.37=1.8AVK 3.齒輪傳動的設(shè)計(jì)計(jì)算： 我國對一般用途的齒輪傳動規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力角為 =20。為使齒輪免于根切，對于 =20的標(biāo)準(zhǔn)直齒輪，應(yīng)取 z17，這里取 z=20。由于齒輪做懸臂布置，取 =0.6。d 齒輪的設(shè)計(jì)計(jì)算公式： 32mFaSdKTY 開式齒輪磨損系數(shù)， （機(jī)械設(shè)計(jì)手冊（3 卷）14-134）mK1.5 將 1 式、2 式及各參數(shù)代入計(jì)算公式得： 3322.80.86571 解得： ；取 m=1 0.9 齒面接觸疲勞強(qiáng)度計(jì)算公式： 232. EdHZKTud（ ） 由于本傳動為齒輪齒條傳動，傳動比近似無窮大，所以 ， 為彈性影響系數(shù)，1E 第 16 頁 共 37 頁 單位 ，其數(shù)值查機(jī)械設(shè)計(jì)表，取 =189.8 。 12MPaEZ12MPa 計(jì)算，試求齒輪分度圓直徑： =231.EdHKTu（ ） 2331.850189.. 6.1674m 通過模數(shù)計(jì)算得：m=1， z=17 所以分度圓直徑 d=1 17=17mm 計(jì)算齒寬 =0.6 17=10mmdb 齒高 h=2.25m=2.25 1=2.25mm 最終確定齒輪數(shù)據(jù)： 模數(shù) m=1，齒數(shù) z=17，分度圓直徑 d=17mm，齒高 h=2.25mm，齒寬 b=10mm。 根據(jù)齒輪齒條進(jìn)給公式： ，則小齒輪轉(zhuǎn)速nzv8015/min3.47vnrmz 根據(jù) X/Y 軸行程分別為 350mm/300mm，由齒條齒數(shù) 可暫定 X/Y 軸得齒條齒LZ 數(shù)為 120/100。 3.5 步進(jìn)電機(jī)減速箱的選用 為了滿足脈沖當(dāng)量的的設(shè)計(jì)要求，增大步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使齒輪 和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機(jī)軸上盡可能的小，今在步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸上安裝一 套齒輪機(jī)減速，采用一級減速，步進(jìn)電動機(jī)的輸出軸與齒輪相連，進(jìn)給齒輪與大齒輪相 連。 已知工作臺的脈沖當(dāng)量 =0.005mm/脈沖，小齒輪轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的進(jìn)給距離 ，初選步進(jìn)電動機(jī)的步距角 =0.36。根據(jù)式（3-12） ，3.14753.8hPmzm 算得減速比： =（0.36 53.38）/（360 0.005）10()/60hiP 本設(shè)計(jì)選用深圳維科特電機(jī)有限公司生產(chǎn)的 57PG1440-010 型行星減速步進(jìn)電機(jī)。齒 數(shù)比為 1：10，轉(zhuǎn)矩 。TNm 3.6 伺服電機(jī)的計(jì)算與選型 數(shù)控系統(tǒng)對伺服電機(jī)的基本要求是： 8 9 調(diào)速范圍寬，為適應(yīng)不同的加工條件，要求伺服電機(jī)有很寬的調(diào)速范圍和優(yōu)異的 調(diào)速特性； 負(fù)載特性強(qiáng)，伺服電機(jī)在不同的負(fù)載情況下或切削條件發(fā)生變化時，應(yīng)使進(jìn)給速 第 17 頁 共 37 頁 度保持恒定，要求伺服電機(jī)具有優(yōu)良的靜態(tài)與動態(tài)負(fù)載特性； 動態(tài)響應(yīng)快，為了保證輪廓切削形狀精度與低的加工面表面粗糙度，要求伺服電 機(jī)具有良好的快速響應(yīng)特性。 在本次設(shè)計(jì)中驅(qū)動電機(jī)的功率小，系統(tǒng)要求的精度不高，并且是在空載狀態(tài)下模擬 數(shù)控銑床工作臺 X、Y 的兩軸運(yùn)動。因此選用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動電機(jī)。 合理地選用步進(jìn)電機(jī)是相當(dāng)重要的。首先，應(yīng)考慮系統(tǒng)的精度和速度要求。前面一 節(jié)根據(jù)本次設(shè)計(jì)已經(jīng)確定了脈沖當(dāng)量，接著可以以此為依據(jù)來選擇步進(jìn)電機(jī)的步距角和 傳動機(jī)構(gòu)的傳動比。 3.6.1 計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 eqT 分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。 1) 快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由式（3-8）可知， 包括三部1eq 1eqT 分；一部分是快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 ；一部分是移動max 部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ；還有一部分是齒輪齒條預(yù)緊后折算到電fT 動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 。因?yàn)辇X輪齒條副傳動效率較高，根據(jù)式（3-12 ）可知，0T 相對于 和 很小，可以忽略不計(jì)。則有：0Tmaxf = + （3-13）1eqmaxf 根據(jù)式（3-9 ） ，考慮傳動鏈的總效率 ，計(jì)算空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加 速轉(zhuǎn)矩： = (3-14)maxT2160eqmaJnt 其中： =400r/min (3-15)3v 式中 空載最快移動速度，暫定為 2000mm/min；maxV 步進(jìn)電動機(jī)步距角，預(yù)選電動機(jī)為 0.36 ； 脈沖當(dāng)量，本例 =0.005mm/脈沖。 設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至 所需時間 ，傳動鏈總效率 。則由式（3-mn0.4ats0.7 14）求得： 第 18 頁 共 37 頁 max0.26TN 由式（3-10 ）知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： = (3-16)f().5(80).5380.2271zhFGPNmi 式中 導(dǎo)軌的摩擦因素，滑動導(dǎo)軌取 0.005 垂直方向的銑削力，空載時取 0zF 傳動鏈效率，取 0.7 最后由式（3-13）求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： = + =0.265N m (3-17) 1eqTmaxf 2) 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 2eqT 由式（3-13 ）可知， 包括三部分：一部分是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載2eq 轉(zhuǎn)矩 ；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ；還有一部分是滾tT f 珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 ， 相對于 和 很小，可以忽略0TfTt 不計(jì)。則有： = + （3-18）2eqTtf 其中折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 由公式（3-14）計(jì)算。有：tT460.5380.6271fhtFPTNmi 再由式（3-10）計(jì)算垂直方向承受最大工作負(fù)載 情況下，移動部件運(yùn)動(5)zF 時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： ()0.5(1780).380.622.zhfFGPT Nmi 最后由式（3-18） ，求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： = + =0.566N.m （3-19）2eqtfT 最后求得在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： 第 19 頁 共 37 頁 12max,0.56eeqTTNm 3.6.2 步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn) 矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) 來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，eqT 需要考慮安全系數(shù)。取 K=4，則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足： （3-20）max40.562.3ieTNm 初選 57PG1440-010 型行星減速步進(jìn)電機(jī)，查得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩 =6N m。可見，滿足要求。axjT 3.6.3 步進(jìn)電動機(jī)的性能校核 1)最快工進(jìn)速度時電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進(jìn)速度 =800mm/min，脈沖當(dāng)量 0.005mm/脈沖，由前面齒輪齒條計(jì)算中已求出小齒輪轉(zhuǎn)速maxfV 。從 57PG1440-010 電動機(jī)的運(yùn)行轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速特性曲線圖可以看出在此頻率15/inr 下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 6N m，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩 =0.566N m，滿足要axfT 2eqT 求。 57PG1440-010 電動機(jī)的特性曲線 2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 當(dāng)給定工作臺最快空載移動速度 =2000mm/min，求出其對應(yīng)轉(zhuǎn)速 。在此轉(zhuǎn)速下，maxv max201537./min8vnr 電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩 ，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 ，滿足max6TN 10.265eqTN 要求。 第 20 頁 共 37 頁 3）起動頻率的計(jì)算 已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 ，電動機(jī)轉(zhuǎn)25.087eqJkgcm 子的轉(zhuǎn)動慣量 ，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載起動頻率 。24mJkgc 10qzfH 由式（3-17 ）可知步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為： 194.21/qL zemff HJ 說明：要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于 。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有 100 。194.2zH zH 綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺的進(jìn)給傳動系統(tǒng)選用 57PG1440-010 行星減速步進(jìn)電動 機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。 第 21 頁 共 37 頁 第四章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括以下幾個方面： 確定硬件電路整體方案及主電路設(shè)計(jì)，如主 CPU 的選擇； 存儲器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，如數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展和程序存儲器的擴(kuò)展； 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)，如隔離電路，功率放大電路以及步進(jìn)驅(qū)動電路； 其他輔助電路設(shè)計(jì)，如時鐘電路、復(fù)位電路。 4.2 硬件電路整體方案 數(shù)控銑床工作臺仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下幾部分組成： 主控制器 即中央處理單元 CPU； 總線 包括數(shù)據(jù)總線 DB、地址總線 AB 和控制總線 CB； 存儲器 包括只讀可編程存儲器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲器； 接口 即 I/O 輸入輸出接口。其中 CPU 是控制系統(tǒng)的核心，其作用是發(fā)布命令以 協(xié)調(diào)各部分電路的正常工作；存儲器用于存放系統(tǒng)軟件（即程序）以及運(yùn)行過程中的各 類數(shù)據(jù)；I/O 接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁；三線則