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1、数控机床课程设计说明书设计题目： XY数控工作台机电系统设计班级： 姓名： 指导教师： 机电一体化教研室2010年 6 月目 录一、设计目的3二、设计任务4三总体方案的确定41、机械传动部件的选择.4(1)丝杠螺母副的选用5(2)导轨副的选用5(3)伺服电动机的选用52、控制系统的设计53、绘制总体方案图6四、机械传动部件的计算与选型61、 导轨上移动部件的重量估算62、铣削力的计算6五、步进电动机的计算与选型101、传动计算102、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq103、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq114、步进电动机最大静转矩的选定13六、直线滚动导轨副的计算与选型
2、151、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取152、距离额定寿命L的计算15七、 绘制进给传动系统示意图16八、控制系统硬件电路设计16九、步进电动机的驱动电源选用19结 束 语19参考文献.20一、设计目的数控机床课程设计是一个很重要的实践性教学环节，要求学生综合运用所学的理论知识，独立进行设计训练，主要目的：1） 通过本设计，使学生全面地，系统地了解和掌握数控机床得基本组成及其相关基本知识，学习总体方案拟定、分析与比较的方法。2） 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件得工作原理、设计计算方法及选用原则。3） 通过伺服系统得设计，掌握常用伺服电机得工作原理、计算选择方法与控制
3、驱动方式。4） 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步树立“系统设计”的思想。5） 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。二、设计任务任务：设计一种立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：1. 立铣刀最大直径的d=15mm；2. 立铣刀齿数Z=3;3. 最大铣削宽度=15mm;4. 最大背吃刀量=8mm;5. 加工材料为碳素钢活有色金属。6. X、Y方向的定位精度均为0.02mm;7. 工作台尺寸 230mm230，加工范围为250mm250mm8. 工作台空载进给最快移动速度：Vxmax =Vymax =3000mm/min;9. 工作台进给最快
4、移动速度: Vxmax =Vymax =400mm/min;10. 加减速0.4s三总体方案的确定1、机械传动部件的选择(1)丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足mm的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求，因此选用滚珠丝杆副，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。轴向间隙的调整和预紧方式：选用垫片调隙式，这种方法结构简单、刚性好、装卸方便，适用于一般精度的机构滚珠丝杠的安装：采用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳定性和临界转速较高(2)导轨副的选用要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，因此
5、选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便好且精度保持性等优点。选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。(3)伺服电动机的选用任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。2、控制系统的设计1）设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的
6、8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。3、绘制总体方案图总体方案图如图3.1所示。图3.1 总体方案图四、机械传动部件的计算与选型1、导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等,估计重量约为800N。2、铣削力的计算采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢，根据金属切屑原理与刀具20
7、0页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式 FC=118e0.85fz0.75d-0.73 ap1.0 n0.1其中铣刀的直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=15mm，背吃刀量ap=8mm，查切削用量简明手册可得，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=300/min。则由上公式求得最大铣削力：FC=118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.1 x1 =1233 N考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff=1Fc=1356N，Fe=0.38 Fc=308 N，Ffm=469 N则工作台受到垂
8、直方向的铣削力Fz=Fe=308N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力Fx=Ff=1356N，径向铣削力Fy=Ffn=469N。3杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷Fm的计算 在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1356N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy =308N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz =469N。已知移动部件总质量G=800N，按矩形导轨进行计算，由金属切屑机床126页公式17-5得：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.11356+0.005(469+308+
9、500)N1498N取摩擦系数=0.005。取颠覆力矩影响系数K=1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： （2）最大动载荷FQ的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=72 (单位为：106r)。查课本110页表5-1,5-2，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0，求得最大动载荷： FQ7478 N（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查现代实用机床设计手册（
10、上册）967页，选择南京工艺装备制造有限公司生产的FF2005-3型滚珠丝杠副，为内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠总圈数为3圈，精度等级取5级，额定动载荷为9100N，大于FQ满足要求。（4）传动效率的计算 将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=433。将摩擦角=10，代入=tan/tan(+)，得传动效率=96.4%。（5）刚度的验算1）X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支撑的中心距离约为a=500
11、mm；钢的弹性模量E=2.1105MPa；查现代实用机床设计手册（上册）967页，得滚珠直径DW=3.5mm，丝杠底径d2=16.9mm，丝杠截面积S= d22/4=224.2mm2。则丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量：1=Fma/(ES)= 1498500/(2.1105224.2)0.0159mm。2）根据公式Z=(d0/DW)-3，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式：Z= Z圈数列数，得滚珠总数量Z=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ =Fm/3=631。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形20.0027。因为丝杠加有预紧力,且为轴向负载的
12、1/3，所以实际变形量可减少一半，取2=0.0013mm。17.23)将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变形量(对应跨度500mm)总=0.0172mm=17.2m。本例中，丝杠的有效行程为350mm，由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25m，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核 根据公式计算失稳时的临界载荷。查现代实用机床设计手册（上册）944、953页，知当滚珠丝杠的安装方式为一端固定，一端游动时，取压杆稳定安全系数f1=0.25（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式：得临界载荷=4.324 KN
13、 Fm，故丝杠不会失稳。（7）临界转速的验算：查表得临界转速公式为：式中f2丝杠支撑方式系数，一端固定一端游动时f2=1.875 Lc=500mm=0.5m d2=d0-1.2Dw=15.8查机床设计手册图5.7-93，当支撑方式为GT时长度L=500mm时交点在D=20的左侧，所以临界转速验算合格.（8）滚珠丝杠的选型以及安装尺寸的确定丝杠工作长度L，应满足控制中的行程要求。L应为丝杠工作长度：L=（1.051.1）行程+（1014）Ph 所以丝杠： L=1.1250+14+5=350 mm安装方式为一端固定，一端游动。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。故滚珠丝杠的型号为FF2005-
14、3型滚珠丝杠副内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副。五、步进电动机的计算与选型1、传动计算为了满足加工精度在0.01-0.02范围内时，数控铣床、钻床车床的脉冲当量可取0.005-0.01mm/Hz,因此取脉冲当量=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角=0.72越高。因为步距角越小，数控机床的控制精度。根据数控机床系统设计式（5-18），算得减速比：=（0.725）/（3600.01）=1由此可见本机构不必要选减速箱。2、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 由数控机床系统设计134页得：由于负载转矩情况不同，负载惯量只能由已计算精确地得到。由电动
15、机驱动的所有运动部件，无论是旋转运动还是直线运动部件，都成为电动机的负载惯量，总的惯量以通过计算各个被驱动部件的惯量，并以一定规律将其加起来即可。滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=500mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移动部件总重力G=800N； 圆柱体惯量，当圆柱体围绕其中心轴线旋转时，其惯量可由下述公式计算： 对于钢材： 代入数据得： J1=0.4312 沿直线轴移动物体的惯量： 初选步进电动机的型号为90BYG5502,由常州市德利来电器有限公司生产，五相混合式步进电动机，驱动时的步距角为0.72，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=4kgcm2。
16、 总的转动惯量为： J = J1 + J2 + J0 。其中J0为初选电动机的转子转动惯量，为4 kgcm2。 代入数据得： J=9.48 kgcm23、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-8）可知，包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，则有：=+T0 （6-13）根据式（4-9），考虑传动链的总
17、效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= (6-14)其中： =600r/min (6-15)式中空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为0.72；脉冲当量，本例=0.01mm/脉冲。设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。则由式求得：=由式知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：=式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005垂直方向的铣削力，空载时取0传动链效率，取0.7由式知，由于丝杠预紧引起的折算到电动机轴上的附加摩擦力矩为： 最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： =+=0.1765Nm
18、(6-17) 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （6-18）其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式（4-14）计算。有：Nm再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：=最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=+=1.887Nm （6-19）最后求得在步
19、进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：=1.887 Nm4、步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=3, 则步进电动机的最大静转矩应满足：=31.887=5.661 N.m初选步进电动机的型号为110BYG550B，由表查得该型号电动机的最大静转矩=6.8Nm。可见，满足要求。5、步进电动机的性能校核1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量=0.01mm/脉冲，电动机对应的运行频率为
20、。从90BYG5002电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩4.5Nm，远远大于最大工作负载转矩=1.887Nm，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频率5000Hz。由矩频特性曲线图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=6.0Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.1765Nm，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为5000Hz。由矩频特性曲线图查得90BYG5002电动机的空载运行频率可达10000，可见没有超出上限
21、。4）启动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量J=9.48 kgcm2，电动机转子的转动惯量=4Nm，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率（查表4-5）。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1000Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG550B步进电动机，完全满足设计要求。六、直线滚动导轨副的计算与选型1、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置
22、，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量800N，外加载荷F=Fz=469，代入上式，得最大工作载荷=669N=0.669kN。根据工作载荷=0.669kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的LG15型，其额定动载荷为7.94KN，额定静载荷9.5 KN。任务书规定工作台面尺寸为，加工范围为，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。2、距离额定寿命L的计算上述所取的KL系列LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过C，每根导轨上配有两只滑块，精度
23、为4级，工作速度较低，载荷不大。查机电一体化系统设计手册表2.9-132.9-16，分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数fa=0.9，载荷系数f=1.5，代入式（3-33），得距离寿命：L=远大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。七、 绘制进给传动系统示意图进给传动系统示意图如图5.1所示。伺服电动机工作台滚珠丝杠图5.1 进给传动系统示意图八、控制系统硬件电路设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1） 接收键盘数据，控制LED显示（2） 接受操作面板的开关与按钮信息；（3） 接受车床限位开关信号；（4） 接受电动卡盘
24、夹紧信号与电动刀架刀位信号；（5） 控制X，Z向步进电动机的驱动器；（6） 控制主轴的正转，反转与停止；（7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；（9） 控制切削液泵启动/停止；（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；（11）控制电动刀架的自动选刀；（12）与PC机的串行通信。X-Y数控工作台的控制系统设计，控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。本设计CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52，由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一
25、片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了XY方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC机的串行通信经过MAX233，可以采用PC机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向转角和转速。对于含有硬件环形分
26、配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频
27、率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率 （为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用 起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在 频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率 下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率 ，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制，加入了增量式编码器作为反馈信号，但是在编程过程中仍需设计升降频的部分，以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要，可编写出驱动步进电动机的程
28、序。AT89S52指令与80C51指令完全兼容。控制系统原理框图如图6.1所示。 图6.1 控制系统原理框图图7.1 BD28Nb型驱动电源接线图九、步进电动机的驱动电源选用设计中X、Y向步进电动机均为110BYG550B型，生产厂家为常州宝马集团公司。查表4-14，选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为1000VAC，相电流为4A，分配方式为五相混合电机。该驱动电源与控制器的接线方式如图7.1所示。结 束 语经过两周充实的时间，我们终于完成了这次的课程设计。在本次的课程设计中，我首次完成从计算分析到绘制成图的全过程，在这过程中，是我们把所学的由理论知识转变到实践的一个过程。通过本
29、次设计，进一步提高了我对计算机辅助设计的认识，加强了我对各个软件特点的掌握。课程设计中，我们充分利用各个软件的优势进行设计，提高了设计速度，同时达到了我们的设计目的。此次课程设计中主要采用UG NX7.0进行建模，利用CAD进行绘图。充分感受设计前沿软件的设计思想。课程设计的完成也提高了我自学软件的能力，通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。在整个设计的过程中，得到了老师和同学们的热心的帮助。在此，向他们致以衷心的感谢，特别感谢陈其兵老师和罗海萍老师的指导，也感谢同组同学在设计过程中给予的帮助。由于时间的伧俗，加上自己经验的不足和知识的匮乏，设计中难免会出现一些错误和不足之处，希望能得到老师和同学的批评与指正。参考文献1 文怀兴等编著.数控机床系统设计.化工工业出版社. 2机电一体化技术设计.机械工业出版社3 毛昕等主编，画法几何及机械制图.高等教育出版社4机械设计手册（2）.机械工业出版社5 艾兴 肖诗纲编.切削用量简明手册机械工业出版社6互换性与技术测量 中国计量出版社7 韩荣第 编 金属切削原理与刀具 哈尔滨工业大学出版社8PDF版