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前言 設(shè)計(jì)目的 數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課，特別是“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用”課程后應(yīng)用的，它是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決實(shí)際問(wèn)題能力的重要步驟。本課程設(shè)計(jì)是以機(jī)電一體化的典型課題---數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定為主線，通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的擬定、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)，計(jì)算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過(guò)的機(jī)械、電子和微機(jī)方面的知識(shí)，進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全方面訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計(jì)計(jì)算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過(guò)程中所遇到的問(wèn)題的能力。 設(shè)計(jì)要求 課程設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過(guò)課程設(shè)計(jì)可以初步樹(shù)立正確的設(shè)計(jì)思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題解決問(wèn)題的實(shí)際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運(yùn)用課程和選修課程的知識(shí)，獨(dú)立完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是改造設(shè)備，實(shí)現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或裝置）的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)I/O接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計(jì)等。 說(shuō)明書(shū)的內(nèi)容應(yīng)包括：課程設(shè)計(jì)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(shuō)明、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算以及機(jī)械和電氣及其他部分（如環(huán)形分配器等）的說(shuō)明。 該課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及方法，可以歸納如下： 1.采用微型計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。 2.選用驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用，考慮電機(jī)選擇及驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算，控制電機(jī)電路的設(shè)計(jì)。 3.精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)問(wèn)題：要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行元件的主要功能（傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運(yùn)轉(zhuǎn)等），進(jìn)行力矩、負(fù)載功率、慣性（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）、加（減）速控制和誤差計(jì)算。 4.學(xué)會(huì)使用手冊(cè)及圖表資料。 1.總體方案的確定 1.1設(shè)計(jì)參數(shù) 系統(tǒng)分辨率為0.01mm，其它設(shè)計(jì)參數(shù)如下表。 設(shè)計(jì)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(tái)加工范圍（mm） 最大移動(dòng)速度 4 16mm 5mm 2mm 碳鋼 X=200,y=150 3m/min 工作臺(tái)草圖 1.2初選步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和絲杠 當(dāng)傳動(dòng)比i=1時(shí)，可用聯(lián)軸器直接將電機(jī)與絲杠連接，這種結(jié)構(gòu)有利于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，提高精度。由 i=(公式2-1) ①，θb為步進(jìn)電機(jī)步距角Lo為滾珠絲杠導(dǎo)程、為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。 選電動(dòng)機(jī)型號(hào)為55BF009，其步矩角= 選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND)　其導(dǎo)程為4mm, 由傳動(dòng)比公式得 故可用聯(lián)軸器將電機(jī)與絲杠直接連接。 預(yù)選由廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LK13系列剛性聯(lián)軸器（www.gzlink.com）。 1.3初定工作臺(tái)尺寸　 查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)》，根據(jù)(GB/T 158-1996)選工作臺(tái)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(shù)＝5，間隔＝40mm ； 由工作臺(tái)加工范圍200*150選工作臺(tái)尺寸 240 20 20 20 200 20 初定滾珠絲杠長(zhǎng)度L＝340mm B B 50~60 Lx+B+10~20 35~45 1.4系統(tǒng)組成框圖 2.機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 2.1傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 2.1.1機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量查《指導(dǎo)書(shū)》表面2-18得 2.1.2絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量由《指導(dǎo)書(shū)》公式2-3有得 2.1.3工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 由于工作臺(tái)材料為碳鋼，故其質(zhì)量為 由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小故可忽略不計(jì) 2.1.4總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 2.2工作載荷分析及計(jì)算 銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn),進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給(鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給).銑刀的類(lèi)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(cè)》P398常用銑刀介紹表，選擇細(xì)齒錐柄立銑刀， 其尺寸參數(shù)如下：D=16mm,齒數(shù)Z=4。 2.2.1 查《金屬切削手冊(cè)》P417細(xì)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(jī)械制造基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū)》表4-15立式銑床主軸轉(zhuǎn)速表，選銑床型號(hào)X51，查其轉(zhuǎn)速表并將轉(zhuǎn)速圓整為 實(shí)際切削速度為 故實(shí)際 2.2.2 根據(jù)《指導(dǎo)書(shū)》表2-2得高速鋼銑刀銑削公式為 查《指導(dǎo)書(shū)》表2-3得銑削力系數(shù) 有 2.3進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算 查《指導(dǎo)書(shū)》表2-4，有如下表格參數(shù) 比值 不對(duì)稱(chēng)銑削 逆銑 順銑 1．2 0．9 0．3 0．8 0．4 0．4 故有縱向進(jìn)給方向 工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向 工作臺(tái)橫向進(jìn)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(jì)算 滾珠絲杠上的工作載荷為走刀抗力，移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。 由于選擇的導(dǎo)軌要求結(jié)構(gòu)緊湊，間隙調(diào)整方便，摩損小，有良好的精度保持性且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，故選擇直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，在此設(shè)計(jì)中還要求導(dǎo)軌能承受一定的顛覆力矩，所以選擇燕尾導(dǎo)軌的實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算，由式2-11 將所得數(shù)據(jù)代入公式有： 2.4.2最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選 滾珠絲杠最大運(yùn)載荷 由《指導(dǎo)書(shū)》中可知 2.4.3傳動(dòng)效率計(jì)算 滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 查得（或可由算出） 2.4.4剛度驗(yàn)算 絲杠的拉壓變形量的計(jì)算 滿載時(shí)拉壓變形量： 　滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 由《指導(dǎo)書(shū)》式2-17得 式中為滾珠直徑， 為滾珠總數(shù)量 滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)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(shè)計(jì)要求。 資料來(lái)源http://www.hjmtc.cn/cpzs_sg_cb.asp 2.4.5壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 由《指導(dǎo)書(shū)》式2-18 失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為 絲杠截面慣量矩 查《指導(dǎo)書(shū)》表2-11得 穩(wěn)定性安全系數(shù) 故絲杠符合要求 2.5導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 由于選擇的導(dǎo)軌為直線滾動(dòng)導(dǎo)軌由《指導(dǎo)書(shū)》式2-20 L＝50（） 每個(gè)滑塊的的工作載荷 取硬度系數(shù)＝0.53、=1、＝0.81、＝2 預(yù)設(shè)導(dǎo)軌壽命L=50KM 則根據(jù)此壽命可算出 ＝ 3267kN 故選導(dǎo)軌型號(hào)GDA20SV符合要求，查《指導(dǎo)書(shū)》表2－16可知其=12.4KN 資料來(lái)源http://www.hjmtc.cn/cpzs_dg_cs.asp 2.6驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選用 根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選擇電機(jī) 2.6.1步距角的選擇 已知脈沖當(dāng)量 由公式2-23 2.6.2步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的選擇 查《指導(dǎo)書(shū)》表2-17得 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系有 2.6.2.1加速度力矩 2.6.2.2空載摩擦力矩（取傳動(dòng)系統(tǒng)總效率） .、 , 2.6.2.2附加摩擦力矩 為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取 故電機(jī)空載啟動(dòng)力矩 作用在工作臺(tái)的合力的計(jì)算，逆銑的時(shí)候合力大 作用在工作臺(tái)上的合力折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩 運(yùn)動(dòng)部件正常工作時(shí)的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩 故運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)需的最大靜轉(zhuǎn)矩 此處取0.5代入得 按步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩選擇要求 所以， 查表2-18選擇步進(jìn)電機(jī)55BF009 2.6.3啟動(dòng)矩頻特性校核 查《指導(dǎo)書(shū)》圖2-21步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)矩頻特性曲線 當(dāng)啟動(dòng)力矩時(shí)對(duì)應(yīng)的允許啟動(dòng)頻率，而由表2-18查得電機(jī)的啟動(dòng)頻率 ，保證了電機(jī)快速啟動(dòng)時(shí)不丟步。 運(yùn)行矩頻特性校核 快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核： 由式2-34得，快進(jìn)力矩 查《指導(dǎo)書(shū)》2-22得，允許快進(jìn)頻率 由式2-33得電機(jī)最高快進(jìn)頻率 ，故電機(jī)快速進(jìn)給時(shí)不丟步。 2.6.4工進(jìn)運(yùn)行矩頻特性校核 工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率為 工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩 工作負(fù)載力矩 查《指導(dǎo)書(shū)》圖2-22得 允許工進(jìn)運(yùn)行力矩 滿足設(shè)計(jì)要求，故可選用此電機(jī)。 3.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1硬件設(shè)計(jì)（硬件詳細(xì)接線圖見(jiàn)圖紙3） 8031 ＋ 存儲(chǔ)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(kuò)展 接口 光耦 功放 X向電機(jī) 光耦 功放 Y向電機(jī) 3.2步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服原理 分配后的 脈沖信號(hào) D C B A 脈沖 信號(hào)源 脈沖分配器YBO14 功率 放大 脈沖信號(hào) 放大后的 脈沖信號(hào) 3.3步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的控制框圖 N Y 設(shè)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng) 轉(zhuǎn)向標(biāo)志為1 置正轉(zhuǎn)控制字指針 輸出控制字 是結(jié)束標(biāo)志 延時(shí)、控制字地址指針＋1 返回 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) 總步數(shù)為零 置反轉(zhuǎn)控制字 3.4軟件程序設(shè)計(jì)（逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)） 3.4.1 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)數(shù)器減1。若為零，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)；不為零，則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)判別可用兩個(gè)方向坐標(biāo)值來(lái)判斷，也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值來(lái)判斷。當(dāng)XE>YE，可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點(diǎn)判別的依據(jù)，如動(dòng)點(diǎn)X等于終點(diǎn)XE則停止。當(dāng)XE=0？ Y方向進(jìn)給 ＝＋X Y＝Y(jié)＋1 ＝—Y X＝X＋1 X＝？ Y＝？ 返 回 X方向進(jìn)給 3.4.2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XE，YE，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值X，Y，偏差FM。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(zhǎng)度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始值、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： 28H 29H 2AH 2BH 2CH 70H XE YE X Y FM 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D1D0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)。D3D2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)。 第一象限直線插補(bǔ)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(huì) 我覺(jué)得這次專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)是對(duì)過(guò)去所學(xué)專(zhuān)業(yè)知識(shí)的一個(gè)全面的綜合的運(yùn)用。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)過(guò)的知識(shí)，包括機(jī)械專(zhuān)業(yè)課程和電路控制方面的基礎(chǔ)知識(shí)，經(jīng)過(guò)復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專(zhuān)業(yè)知識(shí)使得設(shè)計(jì)思路清晰系統(tǒng)。通過(guò)設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際，鍛煉了將理論運(yùn)用于實(shí)際的分析和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，鞏固、加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識(shí)。 還有很重要的一點(diǎn)是讓我體會(huì)到了一個(gè)設(shè)計(jì)者的精神。在設(shè)計(jì)過(guò)程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊(cè)、圖冊(cè)、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。 通過(guò)對(duì)通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動(dòng)或簡(jiǎn)單機(jī)械的設(shè)計(jì)，掌握了一般機(jī)械設(shè)計(jì)的程序和方法，有助于樹(shù)立正確的工程設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)能力。 最后對(duì)在整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)我認(rèn)真、耐心輔導(dǎo)的張建、李偉洪等老師表示衷心的感謝！ [參考書(shū)目] 鄭堤 .唐可洪 主. 《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006 何立民. 《單片機(jī)高級(jí)教程》. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社 ，2000 上海市科學(xué)技術(shù)交流站. 《金屬切削手冊(cè)》.上海：上海人民出版社 ，1995 馮辛安. 《機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)》. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ，2006 鄒青. 《機(jī)械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教程》. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社 ，2005 周開(kāi)勤. 《機(jī)械零件手冊(cè)》第五版. 北京：高等教育出版社 ,2001 周湛學(xué). 《銑工》. 化學(xué)工業(yè)出版社 ，2005 17