銑床的數控X-Y工作臺設計

銑床的數控X-Y工作臺設計,銑床,數控,工作臺,設計 工程學院 課程設計說明書 課程名稱：數控專業(yè)課課程設計 設計題目：X－Y數控工作臺設計 指導老師： 李偉洪 設計： 班級： 學號： 時間：2007年3月12日－2007年3月23日 論 文（設 計）任 務 書 課程編號 j1410031 課程名稱 專業(yè)課課程設計（機電、數控） 周數 3 實施地點 科技樓 班級 機制1031－1038班 人數 90 起止時間 07.3.12－07.3.30 形式 √集中 □分散 指導教師 李偉洪 論文 （設計） 進度 安排 1．方案論證----------------------2天 2．機械部分設計------------------5天 3．電氣部分設計------------------3天 4．軟件設計----------------------2天 5．編寫說明書--------------------2天 6．準備答辯及答辯----------------1天 論文 （設計） 內容 任務是：設計一個數控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工。具體參數如下： 系統(tǒng)分辨率為0.01mm，最大銑刀直徑Φ= 16 mm, 最大銑削寬度ae = 5 mm, 最大銑削深度ap,= 2 mm，加工材料為碳鋼，工作臺加工范圍 200 mm×150 mm，最大移動速度為3m/min，制系統(tǒng)為單片機控制系統(tǒng)。 設計的內容包括： 1．總體方案的確定 1）確定系統(tǒng)組成方案（組成框圖、功能、機械傳動系統(tǒng)簡圖、主要設計參數，及方案分析、比較、說明）。 2．機械部分的設計 1）確定脈沖當量；2）機械部件的總體尺寸、質量、轉動慣量的估算；3）傳動部件、導向部件的設計、計算和選用；4）步進電動機計算、選用；5）繪制機械結構裝配圖。 3．數控系統(tǒng)的設計 1）確定數控裝置方案（組成框圖、功能、主要設計參數，及方案分析、比較、說明）。2）電氣控制原理圖設計（CPU、存儲器、I/O接口電路及伺服驅動電路）。3）系統(tǒng)控制軟件的結構設計（控制流程圖）和部分功能控制軟件設計（匯編程序及流程圖）。 4．編寫設計說明書 要求 (包括紀律要求和報告書要求) 1．圖紙要求 1）機械結構裝配圖，A0圖紙一張。要求視圖基本完整、符合標準。其中至少有一個坐標軸的完整剖視圖。 2）數控系統(tǒng)框圖（附在說明書上）； 3）數控電器圖，A1圖紙一張； 4）軟件框圖（可附在說明書上）。 2．編寫設計說明書要求 說明書應當敘述整個設計的內容，包括總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、機械傳動設計計算、電氣部分的設計說明，選用元件及其具體參數的說明、軟件設計及其說明等，說明書的不少于8000字。 注：本表按自然班填寫。于動員時發(fā)給學生。不夠紙請另附頁。 前言 設計目的 數控機床課程設計是機電一體化專業(yè)教學中的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，學生學完技術基礎課和專業(yè)課，特別是“數控技術及應用”課程后應用的，它是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、解決實際問題能力的重要步驟。本課程設計是以機電一體化的典型課題---數控系統(tǒng)設計方案的擬定為主線，通過對數控系統(tǒng)設計總體方案的擬定、進給伺服系統(tǒng)機械部分設計，計算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設計，使學生能夠綜合應用所學過的機械、電子和微機方面的知識，進行一次機電結合的全方面訓練，從而培養(yǎng)學生具有初步設計計算的能力以及分析和處理生產過程中所遇到的問題的能力。 設計要求 課程設計是機床數控系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設計可以初步樹立正確的設計思想，了解有關的工業(yè)政策，學會運用手冊、標準、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設計任務。 課程設計的內容是改造設備，實現以下幾部分內容的設計訓練。如精密執(zhí)行機構（或裝置）的設計、計算機I/O接口設計和驅動電路以及數控化電氣原理設計等。 說明書的內容應包括：課程設計題目總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機械傳動設計計算以及機械和電氣及其他部分（如環(huán)形分配器等）的說明。 該課程設計的內容及方法，可以歸納如下： 1.采用微型計算機（包括單片機）進行數據處理、采集和控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構成電路的選用、接口電路、軟件編制等。 2.選用驅動控制電路，對執(zhí)行機構進行控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構成電路的選用，考慮電機選擇及驅動力矩的計算，控制電機電路的設計。 3.精密執(zhí)行機構的設計。主要是考慮數控機床工作臺傳動裝置的設計問題：要弄清機構或機械執(zhí)行元件的主要功能（傳動運動、動力、位置裝置、微調、精密定位或高速運轉等），進行力矩、負載功率、慣性（轉動慣量）、加（減）速控制和誤差計算。 4.學會使用手冊及圖表資料。 1.總體方案的確定 1.1設計參數 系統(tǒng)分辨率為0.01mm，其它設計參數如下表。 設計分組 最大銑刀直徑 最大銑削寬度ae 最大銑削深度ap 加工材料 工作臺加工范圍（mm） 最大移動速度 4 16mm 5mm 2mm 碳鋼 X=200,y=150 3m/min 工作臺草圖 1.2初選步進電動機和絲杠 當傳動比i=1時，可用聯(lián)軸器直接將電機與絲杠連接，這種結構有利于簡化結構，提高精度。由 i=(公式2-1) ①，θb為步進電機步距角Lo為滾珠絲杠導程、為系統(tǒng)脈沖當量。 選電動機型號為55BF009，其步矩角= 選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND)　其導程為4mm, 由傳動比公式得 故可用聯(lián)軸器將電機與絲杠直接連接。 預選由廣州菱科自動化設備有限公司生產的LK13系列剛性聯(lián)軸器（www.gzlink.com）。 1.3初定工作臺尺寸　 查《機電一體化設計手冊》，根據(GB/T 158-1996)選工作臺T型槽尺寸如下： 深度H=15mm 槽低寬度B＝12mm 槽寬A＝6mm C＝6mm 槽數＝5，間隔＝40mm ； 由工作臺加工范圍200*150選工作臺尺寸 240 20 20 20 200 20 初定滾珠絲杠長度L＝340mm B B 50~60 Lx+B+10~20 35~45 1.4系統(tǒng)組成框圖 2.機械部分的設計 2.1傳動系統(tǒng)等效轉動慣量計算 2.1.1機轉子轉動慣量查《指導書》表面2-18得 2.1.2絲杠的轉動慣量由《指導書》公式2-3有得 2.1.3工作臺轉動慣量 由于工作臺材料為碳鋼，故其質量為 由于聯(lián)軸器的轉動慣量小故可忽略不計 2.1.4總轉動慣量計算 2.2工作載荷分析及計算 銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉,進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給(鍵槽銑刀可沿軸線進給).銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.查《金屬切削手冊》P398常用銑刀介紹表，選擇細齒錐柄立銑刀， 其尺寸參數如下：D=16mm,齒數Z=4。 2.2.1 查《金屬切削手冊》P417細齒錐柄立銑刀切削用量表得銑削速度 查《銑工》表2－4，初選＝0.03mm 因此可得 查《機械制造基礎課程設計指導書》表4-15立式銑床主軸轉速表，選銑床型號X51，查其轉速表并將轉速圓整為 實際切削速度為 故實際 2.2.2 根據《指導書》表2-2得高速鋼銑刀銑削公式為 查《指導書》表2-3得銑削力系數 有 2.3進給工作臺工作載荷計算 查《指導書》表2-4，有如下表格參數 比值 不對稱銑削 逆銑 順銑 1．2 0．9 0．3 0．8 0．4 0．4 故有縱向進給方向 工作臺垂直進給方向 工作臺橫向進給方向 2.4滾珠絲杠螺母副的選型和校核 2.4.1最大工作載荷的計算 滾珠絲杠上的工作載荷為走刀抗力，移動體重力和作用在導軌上的其他切削分力相關的摩擦力。 由于選擇的導軌要求結構緊湊，間隙調整方便，摩損小，有良好的精度保持性且運動平穩(wěn)，故選擇直線滾動導軌，在此設計中還要求導軌能承受一定的顛覆力矩，所以選擇燕尾導軌的實驗公式進行計算，由式2-11 將所得數據代入公式有： 2.4.2最大動負載C的計算及主要尺寸初選 滾珠絲杠最大運載荷 由《指導書》中可知 2.4.3傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 查得（或可由算出） 2.4.4剛度驗算 絲杠的拉壓變形量的計算 滿載時拉壓變形量： 　滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 由《指導書》式2-17得 式中為滾珠直徑， 為滾珠總數量 滾珠絲杠副剛度的驗算 絲杠總變形量 變形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005 =0.00369<0.005 因此符合設計要求。 資料來源http://www.hjmtc.cn/cpzs_sg_cb.asp 2.4.5壓桿穩(wěn)定性驗算 由《指導書》式2-18 失穩(wěn)時的臨界載荷為 絲杠截面慣量矩 查《指導書》表2-11得 穩(wěn)定性安全系數 故絲杠符合要求 2.5導軌的選型和計算 由于選擇的導軌為直線滾動導軌由《指導書》式2-20 L＝50（） 每個滑塊的的工作載荷 取硬度系數＝0.53、=1、＝0.81、＝2 預設導軌壽命L=50KM 則根據此壽命可算出 ＝ 3267kN 故選導軌型號GDA20SV符合要求，查《指導書》表2－16可知其=12.4KN 資料來源http://www.hjmtc.cn/cpzs_dg_cs.asp 2.6驅動電機的選用 根據脈沖當量和最大靜轉矩初選擇電機 2.6.1步距角的選擇 已知脈沖當量 由公式2-23 2.6.2步進電機輸出轉矩的選擇 查《指導書》表2-17得 步進電機啟動轉矩與最大靜轉矩的關系有 2.6.2.1加速度力矩 2.6.2.2空載摩擦力矩（取傳動系統(tǒng)總效率） .、 , 2.6.2.2附加摩擦力矩 為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率取 故電機空載啟動力矩 作用在工作臺的合力的計算，逆銑的時候合力大 作用在工作臺上的合力折算到電機上的轉矩 運動部件正常工作時的總負載轉矩 故運動部件正常運行時需的最大靜轉矩 此處取0.5代入得 按步進電機最大靜轉矩選擇要求 所以， 查表2-18選擇步進電機55BF009 2.6.3啟動矩頻特性校核 查《指導書》圖2-21步進電機啟動矩頻特性曲線 當啟動力矩時對應的允許啟動頻率，而由表2-18查得電機的啟動頻率 ，保證了電機快速啟動時不丟步。 運行矩頻特性校核 快速進給運行矩頻特性校核： 由式2-34得，快進力矩 查《指導書》2-22得，允許快進頻率 由式2-33得電機最高快進頻率 ，故電機快速進給時不丟步。 2.6.4工進運行矩頻特性校核 工進時步進電機的運行頻率為 工進時步進電機運行所需力矩 工作負載力矩 查《指導書》圖2-22得 允許工進運行力矩 滿足設計要求，故可選用此電機。 3.數控系統(tǒng)的設計 3.1硬件設計（硬件詳細接線圖見圖紙3） 8031 ＋ 存儲器接口 輸入顯示 接口 MCX311 INT 限 位 X向編碼器控制 Y向編碼器控制 I/O 擴展 接口 光耦 功放 X向電機 光耦 功放 Y向電機 3.2步進電機開環(huán)伺服原理 分配后的 脈沖信號 D C B A 脈沖 信號源 脈沖分配器YBO14 功率 放大 脈沖信號 放大后的 脈沖信號 3.3步進電動機的控制框圖 N Y 設步長計數器 保護現場 轉向標志為1 置正轉控制字指針 輸出控制字 是結束標志 延時、控制字地址指針＋1 返回 恢復現場 總步數為零 置反轉控制字 3.4軟件程序設計（逐點比較法直線插補） 3.4.1 用逐點比較法進行直線插補計算，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給和采用哪個偏差計算公式。 坐標進給：根據直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。 偏差計算：進給一步后，計算新的加工偏差。 終點判別：進給一步后，終點計數器減1。若為零，表示到達終點停止插補；不為零，則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計數判別可用兩個方向坐標值來判斷，也可由一個方向的坐標值來判斷。當XE>YE，可用X方向走的總步數XE作為終點判別的依據，如動點X等于終點XE則停止。當XE=0？ Y方向進給 ＝＋X Y＝Y＋1 ＝—Y X＝X＋1 X＝？ Y＝？ 返 回 X方向進給 3.4.2程序設計 設計程序時，在RAM數據區(qū)分別存放終點坐標值XE，YE，動點坐標值X，Y，偏差FM。對8位機，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，所有的數據區(qū)必須進行初始值、X、Y向步進電機初態(tài)（控制字）。 插補程序所用的內存單元如下： 28H 29H 2AH 2BH 2CH 70H XE YE X Y FM 電機正反轉控制字 電機正反轉控制字為： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D1D0為X向電機控制位。D0=1運行，D0=0停止；D1=1正轉，D1=0反轉。D3D2為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉，D3=0反轉。 第一象限直線插補的程序： ORG 2000H MAIN：MOV SP, #60H LP4: MOV 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AH LP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH SUBB A, 29H INC 2AH AJMP LP2 LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH ADD A, 28H LP2: MOV 2EH, A MOV A, 28H CJMP A, 2AH, LP3; RET 4.心得體會 我覺得這次專業(yè)課程設計是對過去所學專業(yè)知識的一個全面的綜合的運用。在設計的過程中我全面地溫習了以前所學過的知識，包括機械專業(yè)課程和電路控制方面的基礎知識，經過復習整理所學得專業(yè)知識使得設計思路清晰系統(tǒng)。通過設計使我更加接近生產實際，鍛煉了將理論運用于實際的分析和解決實際問題的能力，鞏固、加深了有關機械設計方面的知識。 還有很重要的一點是讓我體會到了一個設計者的精神。在設計過程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現有的資料，掌握了查閱和使用標準、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關技術資料的基本技能以及計算、繪圖、數據處理等方面的能力。 通過對通用機械零件、常用機械傳動或簡單機械的設計，掌握了一般機械設計的程序和方法，有助于樹立正確的工程設計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學的機械設計能力。 最后對在整個設計過程中對我認真、耐心輔導的張建、李偉洪等老師表示衷心的感謝！ [參考書目] 鄭堤 .唐可洪 主. 《機電一體化設計基礎》. 北京：機械工業(yè)出版社，2006 何立民. 《單片機高級教程》. 北京：北京航空航天大學出版社 ，2000 上海市科學技術交流站. 《金屬切削手冊》.上海：上海人民出版社 ，1995 馮辛安. 《機械制造裝備設計》. 北京：機械工業(yè)出版社 ，2006 鄒青. 《機械制造技術基礎課程設計指導教程》. 北京：機械工業(yè)出版社 ，2005 周開勤. 《機械零件手冊》第五版. 北京：高等教育出版社 ,2001 周湛學. 《銑工》. 化學工業(yè)出版社 ，2005 19