X-Y工作臺(tái)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、目錄一、設(shè)計(jì)任務(wù) P1二、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 P1三、工作載荷分析及計(jì)算 P2四、滾珠絲杠螺母副的選型和校核 P3五、導(dǎo)軌的選型和計(jì)算 P5 六、電動(dòng)機(jī)的選型和校核 P7七、步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) P15八、參考文獻(xiàn) P19附加一張數(shù)控系統(tǒng)框圖和一張軟件框圖專(zhuān)業(yè)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一、設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控X-Y工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)。該工作臺(tái)可安裝在銑床上，用于銑削加工。1）設(shè)計(jì)要求1. 了解機(jī)電一體化化概念及機(jī)電一體化技術(shù)、機(jī)電一體化產(chǎn)品的含義。2. 領(lǐng)會(huì)機(jī)電綜合設(shè)計(jì)訓(xùn)練的意義。3. 了解機(jī)電綜合設(shè)計(jì)的幾大步驟。 2）設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 設(shè)計(jì)參數(shù)：系統(tǒng)分辨率為0.01mm，最大銑刀直徑=16mm，最大

2、銑削寬度ae=5mm,最大銑削深度ap=2mm,加工材料為碳鋼，工作臺(tái)加工范圍X=200mm,Y=150mm，最大移動(dòng)速度Vmax=3m/min. 3）方案的分析、比較、論證 本設(shè)計(jì)是一種經(jīng)濟(jì)型數(shù)控工作臺(tái)，采用開(kāi)環(huán)控制，主控裝置為單片機(jī)，軟件環(huán)形脈沖輸出，驅(qū)動(dòng)電路為高低壓驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電機(jī)為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，傳動(dòng)變換機(jī)構(gòu)采用滾珠絲杠副。二、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定 1）脈沖當(dāng)量的確定：本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，等每脈沖代表電機(jī)一定的轉(zhuǎn)角，這個(gè)轉(zhuǎn)角經(jīng)滾珠絲杠使工作臺(tái)移動(dòng)一定的距離。每個(gè)脈沖所對(duì)應(yīng)的工作臺(tái)的移距，稱為脈沖當(dāng)量或分辨率，記為p，單位為mm/脈沖。根據(jù)工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)所要求的精度來(lái)選定脈沖當(dāng)量。考慮

3、到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計(jì)給定脈沖當(dāng)量為0.01mm。2）傳動(dòng)比的計(jì)算：傳動(dòng)比的計(jì)算公式 其中，b為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角，Lo為滾珠絲杠導(dǎo)程，p為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，由公式可知，系統(tǒng)的傳動(dòng)比與b,p,Lo有關(guān)。因此，要計(jì)算系統(tǒng)傳動(dòng)比，必須先確定b,p和Lo，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)步距角的選用原則為：定位精度要求不高的控制系統(tǒng)選用步距角大、運(yùn)行頻率低的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；定位精度要求較高、運(yùn)行速度范圍較廣的控制系統(tǒng)，則應(yīng)選用步距角較小，運(yùn)行頻率較高的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。本設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、提高精度，采用聯(lián)軸器將電動(dòng)機(jī)和絲杠直接連接。所以i=1，則bLo=3.6，由于電動(dòng)機(jī)與絲杠直接聯(lián)接，為使所選

4、電機(jī)的扭矩要求不至過(guò)大，則絲杠導(dǎo)程應(yīng)選取較小值，經(jīng)查各公司產(chǎn)品目錄，初選南京華興電機(jī)制造有限公司出產(chǎn)的混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)86BYG4501,b=0.9，初選絲杠Lo=4mm，D=16mm。三、工作載荷分析及計(jì)算1 銑削力的分析與計(jì)算銑削運(yùn)動(dòng)的特征是主運(yùn)動(dòng)為銑刀繞自身軸線加速回轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶工件在垂直銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給。銑刀的類(lèi)型很多，一般以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。這里選擇圓柱形的立銑刀，它的每一個(gè)齒相當(dāng)于一把車(chē)刀。 通常假定銑削時(shí)銑刀受到的銑削力作用在刀尖的某點(diǎn)上。設(shè)刀齒上受到切削力的合力為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向進(jìn)行分解，則分別為軸向銑削力FX，徑向銑削力FY和切向銑削力F

5、Z。其中切向銑削力FZ是沿銑刀主運(yùn)動(dòng)方向的分力，它消耗銑床電機(jī)功率（即銑削功率）最多。銑削力FZ可按指導(dǎo)書(shū)上P10表2-2查得為： Fz=9.811CFZae0.86af0.72do-0.86apZ其中，公式中CF為銑削力系數(shù)，由按指導(dǎo)書(shū)上P10表2-3可查為CF=68.2，ae=5mm，do=16mm，ap=2mm，查參考文獻(xiàn)（1）P303查得：Z=4查參考文獻(xiàn)（1）P135表2.4-6可得： af=0.05mm/z 所以FZ=9.8168.250.860.050.7216-0.8624 =228N 銑刀轉(zhuǎn)速n=其中查參考文獻(xiàn)（1）P190表2.4-11可得：Cv=30mm/min,d為銑刀

6、直徑 所以n=600r/min2 進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷計(jì)算 作用在工作臺(tái)上的合力F就是設(shè)計(jì)和校核工作臺(tái)進(jìn)給系統(tǒng)時(shí)要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向分解為三個(gè)力：工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷FL，工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷Fc和工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷Fv。從而可按指導(dǎo)書(shū)上P11表2-4可查得： FL=1.2FZ=1.2228=274N FV=0.8Fz=0.8228=182.4N FC=0.4Fz=0.4228=91.2N 四、滾珠絲杠螺母副的選型和校核1、滾珠絲杠螺母副類(lèi)型選擇。這里初選深圳威遠(yuǎn)制造技術(shù)有限公司的內(nèi)循環(huán)式的滾珠絲杠螺母副BRH15A。為了消除間隙和提高滾珠絲杠螺母副的剛度，這里

7、對(duì)滾珠絲杠螺母副進(jìn)行預(yù)緊，可使預(yù)緊后的剛度提高到為無(wú)預(yù)緊時(shí)的2倍。這一般由制造廠調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲杠副的額定動(dòng)載荷有一定的比例。2、滾珠絲杠螺母副參數(shù)計(jì)算和校核1）最大工作載荷 滾珠絲杠螺母副的工作載荷Fm是指滾珠絲杠螺母副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠螺母副所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。這里選燕尾導(dǎo)軌，可按指導(dǎo)書(shū)上P14公式2-11可得： 其中G為移動(dòng)部件的重力G=20Kg9.8=192N,顛覆力矩影響實(shí)驗(yàn)系數(shù)K=1.4，導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)f=0.0025。所以Fm=1.4274+0.0025(182.4+91.2+209.8)=385N2)、最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及重要尺寸初選最大動(dòng)

8、載荷C=fmFm其中：L為為壽命，單位為106r，選fm=2.5 L=601000vt/106Lo而v為最大切削力時(shí)的進(jìn)給速度：v=afnz=0.056004=120mm/min所以L=6010000.1215004106=27所以C=2.5385=2887.5而所選的絲桿的最大動(dòng)載荷為4.35Nm,所以適合.3)傳動(dòng)效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： =其中：=arctan()=arctan(43.1416)=4.552o所以=tg4.552o/tg(4.552o+10)=0.9符合滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率。 4）剛度驗(yàn)算 滾珠絲桿副的軸向變形將引起絲桿導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響定位精度和運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)

9、性。滾珠絲桿副的軸向變形包括絲桿的拉壓變形、絲桿和螺母之間滾道的接觸變形、絲桿的扭轉(zhuǎn)變形和滾珠絲桿軸承的軸向接觸變形。滾珠絲桿的扭轉(zhuǎn)變形較小，對(duì)縱向變形的影響更小，可忽略不計(jì)。螺母座只要設(shè)計(jì)合理其變形量也可忽略不計(jì)。絲桿軸承的軸向接觸變形計(jì)算方法可參機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)?？晒L珠絲桿支承使用的滾動(dòng)軸承種類(lèi)很多，目前占優(yōu)勢(shì)的有：接觸角為60 的推力角接觸球軸承，可以背靠背或面對(duì)面組配，還可以三聯(lián)組配，四聯(lián)組配等，提高剛度和承載能力；滾針-推力圓柱滾子組合軸承，從雙向軸向支承絲桿，剛度高，多用于重載。因此，只要滾珠絲桿支承的剛度設(shè)計(jì)得好，軸承的軸向接觸變形在此可以不予考慮。1、 絲桿的拉壓變形量滾珠絲桿應(yīng)

10、計(jì)算滿載時(shí)拉壓變形量式中: 1為工作載荷,Fm作用下絲桿總長(zhǎng)度上拉伸或壓縮變形量(mm); Fm為絲桿的工作載荷(N)Fm=385N;L為滾珠絲桿在支承內(nèi)的受力長(zhǎng)度，按經(jīng)驗(yàn)公式.1200+104=260mm;E為材料彈性模量E=20.6104Mpa,;A為滾珠絲桿按內(nèi)徑確定的截面積A=151.7mm2；“+”號(hào)用于拉伸，“-” 號(hào)用于壓縮。2、滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量2該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠的總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲桿長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，可從工廠的產(chǎn)品樣品中查出，或用下式計(jì)算 無(wú)預(yù)緊時(shí) =0.0038 =0.0013工中:DW為滾珠直徑DW=2.381mm;Z為滾珠總數(shù)量Z=2223-3；

11、dm為滾珠絲桿的公稱直徑dm=16mm;）;Fm為滾珠絲桿工作載荷Fm=385N。3、滾珠絲桿副剛度的驗(yàn)算絲桿的總變形量=1+2應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半(即為0.005mm)?；蛘?，由絲桿精度等級(jí)查出規(guī)定長(zhǎng)度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長(zhǎng)度上的變形量應(yīng)該比它小，否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲桿副。而總的變形量0.0032+0.0013=0.0045運(yùn)行矩頻特性校核 要對(duì)快速進(jìn)給運(yùn)行和工作進(jìn)給運(yùn)行兩種工況分別校核，確快進(jìn)和工進(jìn)時(shí)均不丟步。1、快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)的最高快進(jìn)運(yùn)行頻率可按式（2-33）計(jì)算?？焖龠M(jìn)給時(shí)已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)，并且一

12、般快進(jìn)時(shí)處于空載狀態(tài)，故快進(jìn)力矩的計(jì)算公式只保留了式（2-24）中的后兩項(xiàng)，即=+=0.04+1.72=1.76Ncm式中： 為附加摩擦力矩（Ncm），見(jiàn)式（2-28）；為快進(jìn)時(shí)，拍片到電機(jī)軸上的摩擦力矩（Ncm），見(jiàn)式（2-27）。從圖2-22中可查到初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線。以已知快進(jìn)力矩值找出對(duì)應(yīng)允許快進(jìn)頻率。實(shí)際最高快進(jìn)頻率應(yīng)小于允許快進(jìn)頻率，。否則，快進(jìn)時(shí)要丟步?；蛘撸瑢?duì)應(yīng)查到的允許快進(jìn)運(yùn)行力矩值應(yīng)大于步進(jìn)電機(jī)快速進(jìn)給力矩,否則步進(jìn)電機(jī)快速進(jìn)給時(shí)會(huì)丟步。不滿足運(yùn)行矩頻特性要求時(shí)，要降低快速進(jìn)給速度或重選更大的步進(jìn)電機(jī)直到滿足運(yùn)行矩頻特性要求 。就注意，運(yùn)行矩頻特性曲線與啟動(dòng)矩頻

13、特性曲線是不同的。2、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= =200（Hz）式中： 為最大工作進(jìn)給速度（m/min）工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩可近下式計(jì)算 （Nm） (2-36)式中： 為附加摩擦力矩（Ncm），見(jiàn)式（2-27）；為摩擦力矩（Ncm），一般情況下， 工進(jìn)時(shí)有切削力的，工作臺(tái)上垂直進(jìn)給方向載荷不等于零；為折算到電機(jī)軸上的工作負(fù)載力矩，對(duì)于數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)則是切削力矩負(fù)載。NmNcm式中： 為沿進(jìn)給方向的切削負(fù)載，=；Fv為垂直方向作用于工作臺(tái)的載荷（N）。所以，1.720.067+79.4=21.187Ncm從圖2-22中查到初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線。對(duì)應(yīng)工進(jìn)頻

14、率查到的允許工進(jìn)運(yùn)行力矩=1.6Nm大于步進(jìn)電機(jī)工進(jìn)時(shí)所需力矩七、步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)1、控制系統(tǒng)硬件的組成步進(jìn)電機(jī)開(kāi)球伺服系統(tǒng)是由脈沖信號(hào)源、脈沖分配器、功率放大器和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)四部分所組成的。2、 控制系統(tǒng)軟件的組成及結(jié)構(gòu)控制系統(tǒng)軟件是為了完成機(jī)電設(shè)備的各項(xiàng)功能而編制的。由于各和機(jī)電設(shè)備所完成的功能和控制方法的不同，其軟件在結(jié)構(gòu)和規(guī)模上也不盡相同。以單片機(jī)為核心的數(shù)控微機(jī)控制系統(tǒng)軟件一般包括監(jiān)控模塊、插補(bǔ)計(jì)算模塊、步進(jìn)電機(jī)控制模塊、誤差補(bǔ)償模塊等。監(jiān)控程序一般包括系統(tǒng)初始化、命令處理循環(huán)、零件加工程序或作業(yè)程序輸入、編輯、指令分析執(zhí)行以及系統(tǒng)自檢等。常用的機(jī)電系統(tǒng)控制軟件結(jié)構(gòu)有：子程序結(jié)構(gòu)、

15、主程序加中斷程序結(jié)構(gòu)以及中斷程序結(jié)構(gòu)。XY工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)一般都由直線插補(bǔ)程序和圓弧插補(bǔ)程序來(lái)完成。每一象限逆圓弧插補(bǔ)程序如下： XL EQU 18H SH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H XeL EQU 1AH XeH EQU 1BH YeL EQU 2AHYeH EQU 2BHFL EQU 2CHFH EQU 2DHORG 2400HMAIN: MOV SP, #60H MOV 70H, #08H MOV XL,#80H;XLMOV XH, #0CH;XHMOV YeL,#80H;YeLMOV YeH,#0CH;YeHMOV XeL,#00H;XeLMOV XeH,

16、#00H;XeHMOV YL,#00H;YLMOV YH,#00H;YHMOV FL,#00H;FLMOV FH,#00JH;FHLP3: MOV A,FHJNB ACC.7,LP1MIV A,70HSETB ACC.2CLR ACC.0;LCALL MOTR;MOV R1,#28H;MOV R0,#1CH;MOV R7,#02H;LCALL MULT2;2*YADD: CLR CMOV A,FLADDC A,1CHMOV FL,AMOV A,FHADDC A,1DH;F+2YMOV FH,AVLR CMOV A,ULADD A,#01HMOV 28H,AMOV A,YHADDC A,#00H

17、MOV YH,ACLR C MOV A,FLADD A,#01HMOV FL,AMOV A,FHADDC A,#00HMOV FH,A; +2Y+1AJMP LP2LP1: MOV A,70HSETB ACC.0MOV 70H,A;LCALL MOTRMOV R1,#18H;XLMOV R0,#1CHMOV R7,#02HLCALL MULT2;0*XSUB: CLR CMOV A,FLSUBB A,1CHMOV FL,AMOV A,FHSUBB A,1DHMOV FH,A;F-2CLR C MOV A,XLSUVV A,#00HMOV XH,A;X-1CLR CMOV A,FLADD A,#01HMOV FH,A;F-2X+1Lp2: MOV A,YHCJNE A,YeH,LP3A;YH=YeH?MOV A,YLCJNE A,YeL,LP3A;YL=YeL?LP3: AJMP LP3ORG 2500HMULT2: PUSH PSW; PUS