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1、目錄 一、 前言 3 二、總體方案的確定 ....5 1、 設計參數(shù) .5 2、 初選步進電動機和絲杠 ..5 3、 選定工作臺尺寸 ..6 4、 系統(tǒng)組成框圖 ..7 三、機械部分的設計 ..8 1、 傳動系統(tǒng)等效轉動慣量的計算 .8 2、 工作載荷分析與計算 .8 3、 進給工作臺工作載荷計算 .9 4、 滾珠絲杠螺母副的選型與校核 .9 5、 導軌的選型和計算 13 6、 驅動電動機的選用 13 四、數(shù)控系統(tǒng)的設計 .17 1、 硬件設計 17 2、 步進電動機開環(huán)伺服原理 18 3、 步進電動機的控制框圖 19

2、4、 軟件程序設計 20 五、心得體會 ..23 六、參考書目 ..23 課程設計 III 任務書 要求：該工作臺可安裝在鉆、銑床上用于鉆孔或銑削加工。設計參數(shù)如下： Y 方 向的脈沖當量為：0.005 mm/STEP;最大鉆孔直徑10 mm,銃刀直徑的D=20; 齒數(shù)為 4；加工材料為碳鋼； 工作臺行程范圍是：500 mm X450mm,；最大快速移動速度為：3M/MIN, 具體任務： 1 、 確定總方案，繪制系統(tǒng)組成圖一張（ A3） 2 、 機械部分設計計算，選擇適當?shù)脑骷? 3 、 畫出 X-Y 工作臺外形圖和 Y 向機械部分裝配圖一張 （A0） 4 、

3、 設計控制系統(tǒng)硬件電路 , 畫出控制系統(tǒng)硬件電路圖一張（ A1） 5 、 編寫設計說明書 1 分， （不少于 8000） 24 、/4 — 刖百 設計目的 數(shù)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(shù)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(shù)控系統(tǒng)設計方案的擬定為主線，通過對數(shù)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

4、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(chǎn)過程中所遇 到的問題的能力 。 設計要求 課程設計是機床數(shù)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(xiàn)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(shù)控化電氣原理設 計等。 說明書的內容應包括：課

5、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(shù)據(jù)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(shù)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、

6、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(shù) Y方向脈沖當量為：6P =0.005mm/step,其它設計參數(shù)如下表。 設計分組 取大蔬刀直 徑中 最大鉆孔直 徑e 齒數(shù) Lo 加工材料 工作臺加工范圍 (mm) 最大移動速 度 2 20mm 10mm 4 碳鋼 X=500,y=450 3m/min 工作臺草圖 1.2 初選步進電動機和絲杠 當傳動比i=2時，由于本機構結構

7、簡單，可用聯(lián)軸器直接將電機與絲杠連接, 無需用減速裝置，這樣有利于簡化結構，提高精度。由 知公式2⑴叱 p 未找到引用源。 一為步進電機步距角Lo為滾珠絲杠導程、 6P為系統(tǒng)脈沖當量。 選電動機型號為55BF009,其步矩角4= 0.9 型號 相數(shù) 步距角 i() 電壓/V 電流/A 最大靜轉 矩/(N.M) 空載啟動 頻率/H Z 空在運行 頻率/H Z 轉動慣量 /(Kg. cm2) 55BF009 4 0.9/1.8 27 3 0.748 2500 24000 0.075 選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND) 其導程為4

8、mm,滾珠直徑為2.381,絲杠底徑：16.2, 絲杠外徑為19.3,循環(huán)列數(shù)為3*2,額定載荷Ca=5243, Ca = 11506. 由傳動比公式i=N13得i= 0.9父4 =2 360、d 360 0.005 p 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(chǎn)的 LK13系列剛性聯(lián)軸器。 1.3 初定工作臺尺寸 查《機電一體化設計手冊》，根據(jù)(GB/T 158-1996)選工作臺T型梢尺寸如下: 深度H=15mm 梢低寬度B=12mm 梢寬A =6mm C = 6mm 梢數(shù)=5,間隔=40mm 由工作臺加工范圍500*450選工作

9、臺尺寸 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 JD =0.0701kg cm2 2.1.2絲杠的轉動慣量由《指導書》公式 2-3 有Js =0.78MD4LM107g cm2得 _4__ _3 2 JS =0.78 24 340 10 = 0.424kg cm2 2.1.3 工作臺轉動慣量Jg 由于工作臺材料為碳鋼，故其質量為 m=：v=7.8 10, 45 500 2 = 35.1kg Jg =(-L-)2 m K 0.4 )2 35.1 =2

10、.235kg.cm2 2 二 2 3.14 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 Jl=Jd Js Jg =0.0701 0.424 2.235 =2.7301kg cm2 工 D S G 2.2工作載荷分析及計算 銃削運動的特征是主運動為銃刀繞自身軸線高速回轉 ，進給運動為工作臺 帶動工件在垂直于銃刀軸線方向緩慢進給(鍵梢銃刀可沿軸線進給).銃刀的類型 很多，但以圓柱銃刀和端銃刀為基本形式，此選用圓柱銃刀，銃刀材料選擇高速鋼. 查《金屬切削手冊》P398常用銃刀介紹表，選擇細齒錐柄立銃刀， 其尺寸參數(shù)如 下：D=20mm^數(shù) Z=4o 2.2.1

11、查《金屬切削手冊》鼻7細齒錐柄立銃刀切削用量表得銃削速度 v = 45m/min 查《銃工》表2 — 4,初選af = 0.03mm 因此可得 af Z 0.03 4 v 45 n = = = 375r / min 查《機械制造基礎課程設計指導書》表 4-15立式銃床主軸轉速表，選銃床型號 X51,查其轉速表并將轉速圓整為 n=380r/min k1了rd;匕、擊 rfr d ? n x d x n 3.14 20 父 380 o / . 頭際切削速度為 v = = =23.8m/min 1000 1000 故實際af 45 4 380 = 0.0296nm 2

12、.2.2 根據(jù)《指導書》表2-2得高速鋼銃刀銃削公式為 Fz =9.81Cfz a：86 af0.72 d。。86 a「z 查《指導書》表2-3得銃削力系數(shù)Cfz =68.2 有 Fz=9.81 68.2 50.86 0.02960.72 20^.86 2 5 =161.068N 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(shù) 比值 不對稱銃削 逆銃 順銃 Fl/Fz 1 . 2 0. 9 Fv/Fz 0. 3 0. 8 Fc/Fz 0. 4 0. 4  故有縱向進給方向 FLN =1.2 161.068 =193.281N

13、 FLS =0.9 161.068 =144.961N LS 工作臺垂直進給方向 Fvn =0.3 161.968 =48.320N FVS =0.8 161.068 =128.854N 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Fm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 Fm =kFL f (FV 2 F

14、C G) k =1.4 f =0.2 將所得數(shù)據(jù)代入公式有： Fm =1.4 193.281 0.2 (128.854 2 78.055 66.052) = 343.964N 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C =3 L fm Fm 由《指導書》中可知一卡 1000 v 1000 0.045 … . n = = = 11.25r / min Lo 4 60 11.25 15500 106 = 11.125 106r C -3 11.125 2 343.964-1561.54N

15、絲杠螺母副的傳動效率。為 tg九 杳得2 -2 55 tg( ■ ) q\io  （或可由,=更2更0算出） 二 Do tg 2 55 tg(2 55 10) = 0.946 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： ,?1二 Fm L E A 343.964 640 _ 4 2 20.6 10 3.14 17.5 /4 =0.00139mm 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量殳 由《指導書》式2-17得％ -0.0013 3 Dw Fm Fyj zJ 式中Dw為滾珠直

16、徑， Dw = 2.381mm Z工 為滾珠總數(shù)量2工=2父圈數(shù)M列數(shù)=23父3父1=69個 Z =( 二 dm )-3=( 3.14 20 2.381 )-3 : 23 Fyj 為預緊力=Fm/3 =343.964/3 =114.654N =0.0013 343.964/9.8 =0.096mm #.381父曙，692 滾珠絲杠副剛度的驗算 絲杠總變形量、=、1、2 =0.000139 0.0096= 0.001099mm 變形量要少于定位精度得一半，即 0.01/2=0.005 =0.001099<0.005 因此符合設計要求

17、 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 2 FK = fZ ： E I / L 絲杠截面慣量矩I ==204 /64 = 3190.29mm4 查《指導書》表2-11得fZ =2.0 Fk =2 3.14 20.6 104 3190.29/3002 = 49075N 穩(wěn)定性安全系數(shù) nK = Fk /Fm =49075/383.974 =131.9 兒4 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

18、導書》式 2-20 L = 50 (Ca f H fT fC) 3 F fW 每個滑塊的的工作載荷 Fh G F vs 6.749.8 156.11 95.993N 4 4 取硬度系數(shù)f H = 0.53、fT=1、 f。"81、fW=2 預設導軌壽命L=50KM則根據(jù)此壽命可算出 Ca= 5243kN 故選導軌型號GDA20SV符合要求，查《指導書》表 2—16可知其Qa=12.4KN 2.6 驅動電機的選用 根據(jù)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0.005m/step 由公式2-23 芷Lw 6P代入數(shù)據(jù)得 吧上=

19、0.005 =如 i 360 2 360 2.6.2 步進電機輸出轉矩的選擇 的關系有 查《指導書》表2-17得 步進電機啟動轉矩M k與最大靜轉矩M j MKq/Mjmax =0.707 2.6.2.1 加速度力矩 2 二 nmax 二60 t _2 10 nmax Vmax 入 、P 360 3000 0.9 =2055.5r / min 0.005 360 2 3.14 2055.5 / Mka =0.5214 10 =11.21N cm 60 0.1 2.6.2.2空載摩擦力矩(取傳動系統(tǒng)總效率 刈=0.8) - G f Lo (66.0

20、52 6.831) 0.005 0.4 .、 M kf = - = 0 = 0.0145N cm 2 ： ： ： ：i 2 3.14 0.8 2 G工作臺=66.052N , G絲杠= 0.697x9.8=6.831N 2.6.2.2附加摩擦力矩 Mo _ Fyj Lo 2：一 ：： 7 ：： i (1- 02); (32 =343.964/3) 0.4 2 3.14 0.8 2 2 (1 -0.92) =0.936N cm no為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率取%= 0.9 故電機空載啟動力矩 MKq =M kf Mka M 0 =0.0145 11.2

21、1 0.936 =12.308N cm M jmax1 = Mkq / 0.707 =12.308/0.707 =17.408N cm M jmax1 =0.17408N m 二 0.784 作用在工作臺的合力F的計算，逆銃的時候合力大 F = FLS2 FVS2 FCS" = 144.9612 128.8542 78.0552 =188.867N 作用在工作臺上的合力F’折算到電機上的轉矩 _,_ _____ _ - F L0 188.867 0.4 M ■ = 0 7.037 N cm F 2：「7 ：： i 2 3.14 0.8 2 運動部件正常工作時的總負載轉矩

22、MKq = Mkf Mka M 0 MF -21.026N cm 故運動部件正常運行時需的最大靜轉矩 MjmaX2 j max 2 Mjmax2 =Mfq/0.3~0.5 此處取 0.5 代入得 m 21.026 M jmax2 = = 42.052N cm 0.5 M imax2 =0.4205N.m :二 0.784 j max 2 按步進電機最大靜轉矩選擇要求 M jmax - Max *M j max 1, M j max 2 : 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

23、啟動力矩Mkq=0.3278N m時對應的允許啟動頻率fyq>8000Hz,而由表2-18查 l、q yq 得電機的啟動頻率fq =8000Hz q fq < fyq ，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 Mkj =Mkf +M。=0.029 + 1.876 = 1.905N cm 查《指導書》2-22得，允許快進頻率fykj > 8000Hz 由式2-33得電機最高快進頻率 1000 v 1000 3 fkj -max 5000Hz 60 p 60 0.01 < fykj ,故電機快速進給時不丟步。

24、 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 1000 vG J。。。0.544 . 907Hz 60 P 60 0.01 工進時步進電機運行所需力矩 Mgj 二Mo Mf Mt Mf Mt JWFLG/Lo/004"156.11 .6.748/0.4=0.071n 5工作負載力矩 2 ： 1： ：i 2 3.14 0.8 2 Ft Lo 188.867 0.4 = = =15.04 N cm 2, …"i 2 3.14 0.8 2 MGJ =0.936 0.071 15.04 =16.047N.cm 查《指導書》圖2-22得 允許工進運行力矩M

25、yGj =3.5N.m MyGJ MGJ滿足設計要求，故可選用此電機。 3. 數(shù)控系統(tǒng)的設計 3.1 硬件設計（硬件詳細接線圖見圖紙 3） 3.2 步進電機開環(huán)伺服原理 由于滾珠絲杠的定位精度為 0.01，脈沖當量為0.005<0.001 ,因此本設計不必采 用閉環(huán)或者半閉環(huán)控制。 3.3步進電動機的控制框圖 N 3.4軟件程序設計(逐點比較

26、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Fm >0或，F(xiàn) M < 0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(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿 +Y、-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(shù)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(shù)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(shù)Xe 作為終點判別的依據(jù)，如動點 X等于終點Xe則停止。當X<%,則用Y方向 走的

27、總步數(shù)Ye作為終點判別的依據(jù)。 由此，第一象限直線插補程序的算法如下： (1 )判別Fm是大于0還是小于0。 (2)若Fm R,則向+X方向輸出一進給脈沖，計算新偏差 Fm=Fm_Ye,并修改 動點坐標為X=X+1；若Fm <0,則向=丫方向輸出一進給脈沖，計算新偏 差Fm=Fm+Xe,并修改動點坐標為Y=Y+1 (3)終點判別：若X=X (Y=Y),則停止插補運算。否則轉入第一步，重復 上述步驟。 第一象限直線插補程序框圖如下圖: 3.4.2程序設計 設計程序時，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標值 Ye,動點坐標值Y,偏差 Fm。對8位機，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則

28、需用3字節(jié)或4字節(jié)才能 滿足長度和精度要求。止匕外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進行初始值、 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 29H 2BH 2CH 70H Ye 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 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,

29、 #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV LP3: MOV JB MOV SETB CLR MOV LCALL LCALL MOV SUBB INC AJMP LP1: MOV SETB CLR LCALL LCALL 70H, #0AH A, 2EH ACC.7, LP1 A, 70H ACC.0 ACC.2 70H, A MOTR DELAY A, 2EH A, 29H 2AH LP2 A, 70H ACC.2 ACC.0 MOTR DELAY MOV A, 2EH

30、ADD A, 28H MOV 2EH, A MOV A, 28H CJMP A, 2AH, RET LP3; LP2: 4. 心得體會 通過這次專業(yè)課程設計， 我對過去所學專業(yè)知識進行了一個全面的綜合的應 用。在設計的過程中我全面地溫習了以前所學過的知識，包括機械設計、機械原 理 、機械設計基礎和電子電工方面的基礎知識，經(jīng)過復習整理所學得專業(yè)知識 使得我的設計思路變得清晰系統(tǒng)化。 通過設計使我更加接近生產(chǎn)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

31、個機械設計者的精神。 在設計過程中既 要自己不斷思考、創(chuàng)新，又要注意借用現(xiàn)有的資料、課本；掌握了查閱和使用標 準、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關技術資料和文獻的基本技能以及計算、 CA膾圖、 數(shù)據(jù)處理等方面的能力。 在設計過程，我遇到了很多困難，但是我懷著補攻克難關不吃飯的決心，用 了足足快 6 周的時間，完成了這個浩大的工程。 通過對通用機械零件、機構造型，控制系統(tǒng)設計、常用機械傳動和簡單機械 的設計， 掌握了一般機械設計的程序和方法， 正確的樹立了正確的工程設計思想， 培養(yǎng)我獨立、全面、科學嚴謹?shù)臋C械設計能力。 學校能為我們提供這次機會，我感到很高興，最后，我想對在整個設計過程

32、 中對幫助過我的同學、我的導師和校領導表示衷心的感謝！ 5、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