十字工作臺數(shù)控技術課程設計

1、<p><b>　　課程設計</b></p><p>　　課程名稱： 數(shù)控技術課程設計 </p><p>　　學 院： 機械工程 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化</p><p><b>　　課程設計任務書</b></p><p

2、>　學生信息學號學院機械學院班級</p><p>　姓名專業(yè)機械設計制造及其自動化機自113</p><p>　教師信息姓名職稱</p><p>　教師信息姓名職稱</p><p>　任務書發(fā)出時間2012年12月20日論文（設計）題目XY數(shù)控工作臺3設計</p><p>　論文（設計）起止時間2014年12月1

3、日——2014年12月30日共需周數(shù)4</p><p>　主要內(nèi)容:結合設計任務的要求擬定總體機械和電氣控制設計方案。根據(jù)擬定的機械設計方案進行二坐標數(shù)控工作臺的機械結構設計計算和元件的選用。根據(jù)擬定的電氣設計方案進行數(shù)控系統(tǒng)控制電路的框圖設計及驅動控制電路的計算和元件選用。根據(jù)指定要求進行有關軟件的流程圖設計。對指定的軟件程序進行編寫。進行機械結構的工程圖和電氣原理圖的繪制。</p><p&

4、gt;　主要要求:方案擬定正確。設計計算根據(jù)來源可靠，計算數(shù)據(jù)準確無誤。元氣件選用正確規(guī)范符合國家頒布標準。機械結構圖紙繪制視圖完整、符合最新國家標準，圖面整潔、質(zhì)量高。電氣部份圖紙要求符合國家標準，圖面布局合理、整潔、質(zhì)量高。機械和電氣部份圖紙總量為 1.5 張“0”號圖量，其中含機械裝配圖1～2張、電氣控制原理框圖及計算機I/O接口和驅動控制電路等電氣原理圖1～2張。課程設計說明書應闡述整個設計內(nèi)容：如課題來源現(xiàn)實意義、總體方案確定

5、、系統(tǒng)框圖分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機械傳動和驅動電路的設計計算以及機械和電氣的其它部分。說明書要突出重點和特色，圖文并茂、文字通暢、計算正確、字跡清晰、內(nèi)容完整。說明書頁數(shù)不少于 20 頁</p><p>　預期目標:設計出合理的XY機床工作臺部分、電氣控制原理框圖、驅動控制電路及指定軟件設計，撰寫不低于2000字左右設計論文，并附錄相關資料及設計圖紙。</p><p>　計劃進程:

6、</p><p>　主要參考文獻:[1] 成大先. 機械設計手冊(單行本· 機械傳動)[M]. 北京：化學工業(yè)出版社，2004.1[2] 沈愛琴. 數(shù)控技術課程設計指導書[Z]. 貴陽：貴州工業(yè)大學機電教研室，1998.9[3] 張毅剛. 單片機原理及應用[M]. 北京：高等教育出版社，2004.1[4] 機電一體化技術手冊編委會. 機電一體化技術手冊[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1999.9[5]

7、陸昆，奚大順，李之權等. 電子設計技術[M]. 北京：電子科技大學出版社，1998.10</p><p>　　XY 數(shù)控工作臺設計數(shù)據(jù)說明</p><p><b>　　加工參數(shù)</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要IV<

8、/b></p><p>　　第一章 前 言5</p><p>　　1.1控技術及數(shù)控機床概述5</p><p>　　第二章 總體方案的擬定與論證6</p><p>　　2.1主要設計參數(shù)6</p><p>　　2.2總體方案的擬定6</p><p>　　2.2.1機械傳動部件

9、的選擇6</p><p>　　2.2.2控制系統(tǒng)的設計7</p><p>　　第三章 工作臺傳動裝置的設計計算8</p><p>　　3.1導軌上移動部件的重量估算8</p><p>　　3.2銑削力的計算8</p><p>　　3.3導軌的設計及計算10</p><p>　　3.3

10、.1滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取10</p><p>　　3.3.2距離額定壽命和時間額定壽命的計算12</p><p>　　3.4滾珠絲杠副設計計算及其型號與直徑的選擇13</p><p>　　3.4.1滾珠絲杠螺母副的計算13</p><p>　　3.4.2初選型號14</p><p>　　3.

11、5滾珠絲杠副剛度的驗算15</p><p>　　3.5.1滾珠絲杠剛度校核15</p><p>　　3.5.2滾珠絲杠螺母副承載能力的校核16</p><p>　　3.6絲杠的支承方式及軸承的選擇18</p><p>　　3.6.1絲杠支承方式的選擇18</p><p>　　3.6.2軸承的選擇18<

12、/p><p>　　3.7滾珠絲杠副的預緊力的確定18</p><p>　　3.8滾珠絲杠軸預緊拉伸力的確定19</p><p>　　3.9機械傳動剛度的計算和校核19</p><p>　　3.9.1絲杠軸支承剛度的確定19</p><p>　　3.9.2滾珠絲杠拉壓剛度的確定20</p><p

13、>　　3.9.3滾珠與滾道的接觸剛度20</p><p>　　3.9.4機械傳動綜合抗壓剛度 ，的計算21</p><p>　　3.9.5機械傳動剛度變化引起的定位誤差的校驗21</p><p>　　3.9.6進給系統(tǒng)的死區(qū)誤差的校驗21</p><p>　　3.10計算電機軸上的慣量和轉矩，選取步進電機22</p>

14、;<p>　　3.10.2計算折算到電動機軸上的負載慣量22</p><p>　　3.10.3計算折算到電動機軸上的負載轉矩22</p><p>　　3.10.4步進電機的選擇23</p><p>　　第四章 工作臺電氣控制部分的設計與計算25</p><p>　　4.1工作臺電氣控制部分總體設計25</p>

15、;<p>　　4.2 控制器的選擇25</p><p>　　4.3步進電機驅動器的選擇26</p><p>　　4.4其他輔助電路設計28</p><p>　　4.4.18051的時鐘電路28</p><p>　　4.4.2復位電路28</p><p>　　4.4.3限位電路29</p&

16、gt;<p>　　4.5零件加工程序設計30</p><p><b>　　第五章 總結32</b></p><p>　　參 考 文 獻33</p><p>　　XY250數(shù)控工作臺</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　當今

17、世界科學技術發(fā)展迅速，微處理器、微型計算機在各技術領域得到了廣泛應用，對各領域技術的發(fā)展起到了極大的推動作用。</p><p>　　本次設計的XY數(shù)控十字工作臺主要應用于經(jīng)濟型數(shù)控銑床，精度不高。機械部分采用滾珠絲杠副，滑動導軌和步進電機。用步進電機直接連接滾珠絲杠，驅動工作臺進給，結構簡單、制造方便?？刂撇糠种饕捎?051單片機。采用開環(huán)控制系統(tǒng)對X、Y方向進行控制。</p><p>

18、　　關鍵詞：精度，滾珠絲杠，步進電機，控制。</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　1.1控技術及數(shù)控機床概述</p><p>　　從數(shù)控技術出現(xiàn)以來，數(shù)控機床給機械制造業(yè)帶來了革命性的變化。它具有普通機床無法比擬的優(yōu)點：加工柔性好，加工精度高，生產(chǎn)率高，自動化程度高，勞動力要求低，有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化以及經(jīng)濟效

19、益的提高。數(shù)控機床是一種高度機電一體化的產(chǎn)品，適用于加工多品種小批量零件、結構較復雜、精度要求較高的零件。一個國家工業(yè)化發(fā)展的程度，很大程度在于數(shù)控機床的應用上。我國是制造業(yè)大國，在世界物質(zhì)生產(chǎn)中占有很大比例，但是作為“世界工廠”數(shù)控機床的普及率確遠遠低于發(fā)達國家，傳統(tǒng)落后的普通機床加工已經(jīng)落后于時代，大力發(fā)展數(shù)控機床技術勢在必行。和發(fā)達國家相比，我國數(shù)控機床的應用主要存在以下問題：① 低端產(chǎn)品國產(chǎn)化，但競爭激烈，互相靠壓價促銷；② 高

20、技術水平、全功能產(chǎn)品主要依靠進口；③ 配套的高質(zhì)量功能部件、數(shù)控系統(tǒng)附件主要依靠進口；④ 應用技術水平較低，聯(lián)網(wǎng)技術沒有完全推廣使用；⑤ 自行開發(fā)能力較差，較高技術水平的產(chǎn)品主要靠引進圖紙、合資生產(chǎn)或進口件組裝。[1]</p><p>　　十字工作臺是許多機床上必不可少的部件，而數(shù)控十字工作臺已經(jīng)廣泛的應用于各種數(shù)控機床上，它在提高機床加工精度，減輕勞動強度，提高勞動生產(chǎn)率上發(fā)揮了很大作用。</p>

21、<p>　　總體方案的擬定與論證</p><p><b>　　2.1主要設計參數(shù)</b></p><p><b>　　型號：XY250</b></p><p><b>　　加速時間：0.3S</b></p><p>　　臺面以上最大重量：50Kg</p>

22、;<p>　　工作臺尺寸：250*250</p><p>　　X坐標行程：300mm</p><p>　　Y坐標行程：120mm</p><p>　　脈沖當量：0.01mm/pluse</p><p>　　定位精度：0.04mm</p><p>　　重復定位精度：0.02mm</p><

23、;p>　　工作臺空載最快移動速度：1500 mm/min</p><p>　　工作臺進給最快移動速度：400 mm/min</p><p>　　立銑刀最大直徑：D=15mm</p><p><b>　　立銑刀齒數(shù)：Z=3</b></p><p><b>　　最大銑削寬度：</b></p&

24、gt;<p><b>　　最大背吃刀量：</b></p><p>　　加工材料：碳素鋼或有色金屬</p><p>　　2.2總體方案的擬定</p><p>　　2.2.1機械傳動部件的選擇</p><p><b>　　1.導軌副的選用</b></p><p>　

25、　本次設計的十字工作臺所配合的是數(shù)控銑床，脈沖當量較小，要求定位精度較高而負責較小，因此考慮選用滾動直線導軌。與滑動導軌相比，它具有靈敏度高，運動平穩(wěn)，低速移動時不易出現(xiàn)爬行現(xiàn)象，定位精度高，摩擦阻力小，移動輕便，磨損小、精度保持性好的優(yōu)點，但滾動導軌的抗震性較差，對防護要求較高。</p><p>　　2.絲杠螺母機構的選用</p><p>　　本次設計給出條件脈沖當量為0.01mm/pl

26、use，定位精度為0.04mm，要求較高。且相對于滑動摩擦機構，滾動摩擦機構具有傳動效率高(達92%—98%)，靈敏度高（無顫動、無爬行，同步性好），定位精度高(可以實現(xiàn)無間隙傳動，剛度強，溫升小)，使用壽命長（是普通滑動絲杠的4倍以上，磨損小，精度保持期長）等優(yōu)點。雖然相對于滑動絲杠價位偏高，但是性價比較高，也更加符合設計所需滿足條件，因此還是選用滑動絲杠螺母機構。</p><p><b>　　3.伺

27、服電機的選用</b></p><p>　　任務書規(guī)定的精度對于步進電動機來說可以滿足，因此本設計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等。采用開環(huán)控制也能滿足精度要求，以降低成本，提高性價比。</p><p><b>　　4.減速裝置的選用</b></p><p>　　根據(jù)所選用的步進電動機和滾珠絲杠機構，計算

28、傳動比來確定是否需要安裝減速裝置。</p><p>　　2.2.2控制系統(tǒng)的設計</p><p>　　本次設計的XY數(shù)控工作臺用于數(shù)控銑床，其控制系統(tǒng)應該具有輪廓控制、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)應該設計成連續(xù)控制型。對于步進電動機的開環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務書給定的相關指標。設計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇

29、CPU之后，還需要擴展程序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等。最后，還要選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。</p><p>　　工作臺傳動裝置的設計計算</p><p>　　3.1導軌上移動部件的重量估算</p><p>　　工作臺面材料選擇鑄鋼，密度為。</p><p>　　工作臺面的

30、體積估算為：</p><p><b>　　工作臺重量估算為：</b></p><p>　　上導軌（含電機，絲杠）的重量估計為：300N</p><p>　　臺面以上重量帶夾具估計為：550N</p><p>　　所以運動部件的總重量為：</p><p>　　所以估算下導軌中絲杠承受重量G為：130

31、0N</p><p><b>　　3.2銑削力的計算</b></p><p>　　零件采用的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。查下表3-1可得立銑時的銑削力計算公式為：</p><p>　　表3-1硬質(zhì)合金銑刀銑削力的計算公式（單位N）</p><p>　　查《數(shù)控技術課程設計指導書》P13、14

32、頁，取銑刀每齒進給量=0.1；銑刀轉速=300r/min,其他參數(shù)設計已經(jīng)給出，數(shù)值如下：</p><p>　　立銑刀最大直徑：D=15mm</p><p><b>　　立銑刀齒數(shù)：Z=3</b></p><p><b>　　最大銑削寬度：</b></p><p><b>　　最大背吃刀量

33、：</b></p><p><b>　　所以最大銑削力：</b></p><p>　　采用立銑刀進行圓柱逆銑時，各銑削力之間的比值查《數(shù)控技術課程設計指導書》P13頁可得出：</p><p>　　=(1.0~1.2) </p><p>　　/=(0.2~0.3) </p><

34、p>　　/=（0.35~0.4） </p><p>　　分別計算出三個方向銑削力為：</p><p>　　由于是立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力,徑向銑削力。</p><p>　　3.3導軌的設計及計算</p><p>　

35、　3.3.1滑塊承受工作載荷的計算及導軌型號的選取</p><p>　　本設計中的XY工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，查《機械設計手冊 第二卷》P9—127頁得則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為， 其中，G工作臺移動部件重量。根據(jù)計算出的工作載荷初選符合要求的直線滾動導軌副的型號。 查《機械設計手冊 第二卷》P9—132頁到133頁，根據(jù)選

36、取原則，選擇南京工藝裝備制造廠的GGB20BA四方向等載荷窄型滾動直線導軌副。</p><p>　　其額定動載荷，額定靜載荷。工作臺尺寸為250mm250mm，加工范圍為300mm120mm，因此初選導軌長度為800mm。</p><p>　　3.3.2距離額定壽命和時間額定壽命的計算</p><p>　　1.距離額定壽命的計算</p><p&g

37、t;　　上述選取的GGB20BA 型導軌每根導軌上配有兩個滑塊，精度為4 級，工作速度較低，載荷不大，一般把直線.軌的距離.定壽命定為50km，查《數(shù)控技術課程設計指導書》P34頁，則有公式</p><p>　　其中為導軌額定動載荷；為硬度系數(shù)，取=1.0；為計算載荷；查《數(shù)控技術課程設計指導書》P35頁各表可得為溫度系數(shù)，=1，為接觸系數(shù)，取=0.66，為精度系數(shù)，取=0.9，為載荷系數(shù)，取=1.5，則<

38、/p><p>　　遠大于期望值50km，設計符合要求。</p><p><b>　　時間額定壽命的計算</b></p><p>　　預計導軌的工作五年，每天工作八小時，取導軌副的使用壽命為T=15000h，時間額定壽命可按下式進行計算</p><p>　　其中為行程長度，XY工作臺行程為300mm120mm，取350mm計算

39、；為每分鐘移動部件往返次數(shù)取5次，則</p><p><b>　　滿足設計要求。</b></p><p><b>　　滾動導軌副</b></p><p>　　3.4滾珠絲杠副設計計算及其型號與直徑的選擇</p><p>　　3.4.1滾珠絲杠螺母副的計算</p><p>　　

40、1.最大工作載荷的計算 </p><p>　　如前面所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷，受到橫向的載荷，受到垂直方向的載荷。</p><p>　　已知移動部件總重量G=1300，按矩形導軌進行計算，查《實用機床設計手冊》顛覆力影響系數(shù)K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數(shù)。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷為：</p><p><b>　　參考公式</b

41、></p><p>　　2.最大動載荷的計算 </p><p>　　本次設計工作臺最快進給速度，初選絲杠導程，則此時絲杠轉速。</p><p>　　取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入</p><p><b>　　得絲杠壽命系數(shù)()</b></p><p>　　查表，取載荷系數(shù)，軌

42、道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)，代入得</p><p><b>　　載荷系數(shù)</b></p><p><b>　　3.4.2初選型號</b></p><p>　　根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查《數(shù)控技術課程設計指導書》P219頁選FFZD3205-3型滾珠絲杠副，其公稱直徑為32mm，外徑為31.5mm,底徑

43、為28.9mm，導程為5mm，滾珠直徑為3.5mm，螺母的安裝尺寸L=85mm，精度等級取5級，基本額定動載荷為11.7KN，大于計算的絲杠最大動載荷，選擇適合。</p><p>　　確定滾珠絲杠副的螺紋長度：</p><p>　　上式中，為有效行程，=行程+螺母長度=300+85=385mm；為安全行程，=5=25mm；為余程，=2=10mm。則計算得：</p><p

44、>　　3.5滾珠絲杠副剛度的驗算</p><p>　　3.5.1滾珠絲杠剛度校核</p><p>　　滾珠絲杠在軸向力的作用下，將產(chǎn)生伸長或壓縮，在切向力的作用下將產(chǎn)生扭轉和彎曲會使絲杠導程發(fā)生變化，影響到傳動及定位精度，工作臺滾珠絲杠副安裝采用“兩端固定”的方式。這種安裝適合于高精度，高剛度的絲杠。查表3-4可知滾珠直徑，絲杠底徑。</p><p>　　絲杠

45、的拉伸或壓縮在總變形量中的比重較大，可按下式計算</p><p>　　式中為絲杠的最大工作載荷；為鋼的彈性模量，為2.1MPa；為絲杠的最小截面積，即絲杠底徑截面積；為絲杠兩端支承間的距離=行程+安全行程+2余程+螺母長度+支承長度≈1.4行程+30=1.4300+305=570mm，則</p><p>　　滾珠絲杠滾道間的接觸變形量在有預緊時的計算公式如下：</p><

46、;p>　　FFZD3205-3型滾珠絲杠螺母副單圈滾珠數(shù),；為滾珠總數(shù)，。絲桿預緊時，取軸向預緊力。</p><p><b>　　因此，</b></p><p>　　總變形量，當有效行程315mm到400mm時，5級精度的允許行程變量為0.021mm，總變形量滿足設計要求。</p><p>　　3.5.2滾珠絲杠螺母副承載能力的校核<

47、;/p><p>　　滾珠絲杠螺母副臨界壓縮載荷的校驗</p><p>　　查《數(shù)控技術課程設計指導》P61頁，按下列公式計算</p><p>　　上式中，為絲桿螺母副的螺紋底徑；為絲桿螺母副最大受壓長度為435mm，為安全系數(shù)，絲杠垂直安裝時=1/2，絲桿水品安裝取=1/3 。為安全系數(shù)，與支承方式有關。滾珠絲杠副支承方式選擇雙推-雙推式，這種方式適合于高剛度、高轉速、

48、高精度的絲杠傳動，與本次設計符合，則=4。</p><p>　　遠大于，因此絲杠穩(wěn)定性滿足設計要求。</p><p>　　與支承方式有關的系數(shù)</p><p>　　滾珠絲杠螺母副臨界轉速的校驗</p><p>　　滾珠絲杠螺母副轉動時不產(chǎn)生共振的最高轉速稱為臨界轉速。其計算公式《參考數(shù)控技術課程設計指導》P61頁：</p>&l

49、t;p>　　上式中，為臨界轉速的計算長度，取=435mm；為彈性模量，?。粸榻z杠密度，取，；為滾珠絲杠最小慣性矩；為滾珠絲杠的最小截面積，??；為安全系數(shù)，取=0.8；</p><p>　　為與支承方式有關的系數(shù)，可見上表，取=4.73。則帶入?yún)?shù)后上式計算得：</p><p>　　滾珠絲杠螺母副額定壽命的校驗</p><p>　　滾珠絲杠螺母副的壽命，主要是指

50、疲勞壽命。參照《數(shù)控技術課程設計指導》P62頁，滾珠絲杠螺母副的疲勞壽命和時間壽命按一下公式計算：</p><p>　　式中為額定動載荷，查表得11700N；為軸向載荷，前面計算為1609N；為滾珠絲杠螺母副的轉速；為運轉條件系數(shù)，無沖擊運轉取1.0—1.2.一般運轉取1.2—1.5，有沖擊運轉取1.5—3.0。則經(jīng)計算得</p><p>　　大于20000h，因此絲杠螺母副的壽命滿足要求

51、。</p><p>　　3.6絲杠的支承方式及軸承的選擇</p><p>　　3.6.1絲杠支承方式的選擇</p><p>　　由于本次設計的是數(shù)控銑床工作臺，設計精度較高，為了提高滾珠絲杠的拉壓剛度，因此選用兩端固定的“雙推-雙推式”支承，雖然其結構復雜，工藝困難，但絲杠的軸向剛度為一端固定的4倍，剛度和精度都很高，特別適用于數(shù)控機床。</p>&l

52、t;p><b>　　兩端固定支承</b></p><p>　　3.6.2軸承的選擇</p><p>　　實踐證明，絲杠的軸承組合及軸承座以及其他零件的連接剛性不足，將嚴重影響滾珠絲杠副的傳動精度和剛度，因此在設計安裝時應認真考慮。為了提高軸向剛度，因此本次設計采用以角接觸球軸承組合來支承絲杠。</p><p>　　因為滾珠絲杠螺母副擬采用

53、預拉伸措施，所以選用60°角接觸球軸承組背對背安裝，以組成滾珠絲杠兩端固定的支承形式。由于絲杠底徑=28.9mm，查《數(shù)控技術課程設計指導》P211頁，選用760205TNI型接觸角推力角接觸球軸承作為安裝軸承，其具體參數(shù)如下：</p><p><b>　　軸承參數(shù)</b></p><p>　　3.7滾珠絲杠副的預緊力的確定</p><p

54、>　　為了消除軸向間隙，增加絲杠副的剛性和定位精度，在絲杠螺母間加以預緊力。過大的值將引起滾珠絲杠壽命下降及磨擦力矩增大，而偏小，會產(chǎn)生軸向載荷作用下出現(xiàn)間隙影響定位精度。因此，一般情況下?。?lt;/p><p>　　上式中，為最大軸向工作載荷。</p><p>　　3.8滾珠絲杠軸預緊拉伸力的確定</p><p>　　為減小或消除絲杠自重而產(chǎn)生的彎曲變形，補償因

55、工作溫度和六螺角母溫度升高而引起的絲杠伸長，保證滋珠絲杠在正常使用時的定位精度和提高滾珠絲杠的系統(tǒng)剛性，對有快速驅動并有定位精度要求的滾珠絲杠副其絲杠副軸、需要進行預拉伸力，決定拉伸力時還應考慮到絲杠兩端支承軸承允許的預緊力的大小。根據(jù)《數(shù)控設計指導》P54頁得的計算公式：</p><p>　　上式中，為滾珠絲杠的溫度變化值，一般情況下為2-3℃，取=3；為絲杠底徑。所以經(jīng)計算得：</p><

56、p>　　3.9機械傳動剛度的計算和校核</p><p>　　3.9.1絲杠軸支承剛度的確定</p><p>　　滾珠絲杠支承剛度分兩步計算，首先由于本設計的軸承有預緊，因此查《數(shù)控指導》可知角接觸球軸承有預緊時的組合剛度公式。然后由于是兩端固定，因此查表可得。</p><p>　　上式中為滾動體直徑，已知=3.5mm；為軸承接觸角，軸承為60°角接觸

57、球軸承，所以=60°；為滾動體個數(shù)，前面已算出=25；最大軸向工作載荷=1779N。計算得：</p><p>　　3.9.2滾珠絲杠拉壓剛度的確定</p><p>　　當絲杠支承方式為兩端固定時，查《數(shù)控指導》得公式：</p><p>　　其中為絲杠固定端之間的距離，即軸承間的距離=570mm；為滾珠絲杠的螺母中心到固定端支承中心的距離。</p>

58、;<p>　　當絲杠螺母中心位于滾珠絲杠支承中心時，拉壓剛度最小：</p><p>　　當絲杠螺母中心距其中一個固定端最近時，拉壓剛度最大：</p><p>　　其中為螺母中心到最近的固定端的距離，=135mm。</p><p>　　3.9.3滾珠與滾道的接觸剛度</p><p>　　在滾珠絲杠有預緊時，有公式：</p&g

59、t;<p>　　上式中為滾珠絲杠剛度值，查前面數(shù)據(jù)得=826；為滾珠絲杠軸向工作載荷，=11700N。計算得：</p><p>　　3.9.4機械傳動綜合抗壓剛度 ，的計算</p><p>　　3.9.5機械傳動剛度變化引起的定位誤差的校驗</p><p>　　查《數(shù)控指導》P68頁，最大定位誤差計算公式如下：</p><p>

60、　　上式中為由機床執(zhí)行部件重量引起的靜摩擦力，；，分別為進給傳動系統(tǒng)在行程范圍內(nèi)的最大、最小綜合拉壓剛度。</p><p>　　應在定位誤差的1/5~1/4范圍內(nèi)，即0.01mm之內(nèi)，以上計算值滿足條件。</p><p>　　3.9.6進給系統(tǒng)的死區(qū)誤差的校驗</p><p>　　機床執(zhí)行部件反向時的最大反向死區(qū)誤差可按下式計算：</p><p&

61、gt;<b>　　=2= </b></p><p>　　上式中為由機床執(zhí)行部件重量引起的靜摩擦力。</p><p><b>　　=2= </b></p><p>　　已知脈沖當量為0.01mm，因此滿足條件。</p><p>　　3.10計算電機軸上的慣量和轉矩，選取步進電機</p>

62、<p>　　3.10.1傳動比及步矩角的確定 </p><p>　　本次設計擬采用步進電機直接連接絲杠的方式，因此傳動比為=1；脈沖當量為0.01mm/pluse；絲杠導程=5。則步矩角為：</p><p><b>　　0.72°</b></p><p>　　3.10.2計算折算到電動機軸上的負載慣量</p&

63、gt;<p><b>　　滾珠絲杠的轉動慣量</b></p><p>　　上式中為絲杠公稱直徑，=32mm； 為絲杠長度=有效行程+螺母長度+設計余量+兩端支撐長度（軸承寬度+鎖緊螺母寬度+裕量）+動力輸入連接長度（如果使用聯(lián)軸器則大致是聯(lián)軸器長度的一半+裕量）=710mm。則計算得:</p><p>　　滾珠絲杠上一級移動部件等折算到電動機軸上的轉動慣

64、量</p><p>　　沿直線軸移動物體的慣量為：</p><p>　　= （3-18）</p><p>　　上式中為絲杠導程；M為移動部件總質(zhì)量。數(shù)據(jù)都為已知，則計算得</p><p><b>　　=</b></p><p><b>　　總轉動慣

65、量</b></p><p><b>　　=+</b></p><p>　　3.10.3計算折算到電動機軸上的負載轉矩</p><p>　　1.計算切削負載力矩</p><p>　　上式中為絲杠導程=0.005m，進給系統(tǒng)的總效率=0.90，=1779N。計算得：</p><p><

66、;b>　　計算摩擦負載力矩</b></p><p>　　上式中為空載時導軌摩擦力，=5.2N，其它數(shù)據(jù)與上面相同。則計算得：</p><p>　　計算由滾珠絲杠副的預緊而產(chǎn)生的附加負載力矩</p><p>　　上式中為滾珠絲杠副的預緊力=593N；為絲杠基本導程=0.005m；為滾珠絲杠副效率=0.94。則計算得：</p><p

67、>　　各坐標軸折算到電機軸上的負載力矩的計算</p><p><b>　　空載時：</b></p><p><b>　　切削時：</b></p><p>　　3.10.4步進電機的選擇</p><p>　　根據(jù)以上計算，查步進電機數(shù)據(jù)，選擇北京和利時機電技術有限公司的110BYG550B-03

68、0混合式步進電機，其步距角為0.72。空載啟動頻率為2200步/s，最大靜轉矩為8N.m。具體參數(shù)如下：</p><p>　　110BYG550B-030混合式步進電機參數(shù)</p><p>　　該電動機的額定力矩為8Nm，大于空載及切削時電動機軸的負載力矩，因此本電動機滿足驅動要求。</p><p>　　為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量達到較合理的匹配，系統(tǒng)的負載總慣量與步

69、進電動機的轉動慣量之比一般應滿足：</p><p>　　上面已經(jīng)計算出=，因此，滿足匹配要求。</p><p>　　工作臺電氣控制部分的設計與計算</p><p>　　4.1工作臺電氣控制部分總體設計</p><p><b>　　控制系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　4.2 控制器的選擇<

70、;/p><p>　　MCS-51系列單片機中的基本型產(chǎn)品是8051,8031和8751，這三個產(chǎn)品只是片內(nèi)程序存儲器制造工藝不同。8051的片內(nèi)程序存儲器ROM為掩膜型的在制造芯片時已將應用程序固化進去，使它具有了某種專用功能；8031無ROM，使用時需外接ROM；8751的片內(nèi)ROM是EPROM型的，固化的應用程序可以方便改寫。MCS-51系列單片機具有系統(tǒng)結構緊湊，硬件設計簡單靈活，成本低且不需要特殊的開發(fā)手段等

71、優(yōu)點，在機電一體化系統(tǒng)中得到廣泛應用。本次設計選用MCS-51系列單片機中的8051。</p><p>　　8051單片機引腳圖</p><p>　　4.3步進電機驅動器的選擇</p><p>　　由于本次設計所選用的是北京和利時機電技術有限公司的五相十拍110BYG550B-030混合式步進電機，因此步進電機驅動器同樣選用該公司生產(chǎn)的與其相配套的SH-50806B

72、型步進電機驅動器，其特點有：1.數(shù)字化升頻升壓結合恒流控制技術；2.運行平穩(wěn)、低噪音、低振動3.最大輸出驅動電流 6.0A/相；4.輸入信號 TTL 兼容；5.輸入輸出信號光電隔離；6.過壓保護及過流保護功能；7.脫機保持功能；8.撥碼選擇適配多種型號電機；9.單/雙脈沖方式可選；10.整/半步運行模式可選；11.提供零位信號輸出；12.提供故障信號輸出；13.斷電記憶功能；14.自動半電流可選。</p><p>

73、;<b>　　其主要性能指標有：</b></p><p>　　其驅動器控制接線圖如下：</p><p><b>　　驅動器接線圖</b></p><p>　　4.4其他輔助電路設計</p><p>　　4.4.18051的時鐘電路</p><p>　　單片機的時鐘可以由兩種方

74、式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。</p><p>　　內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，如下圖所示。晶體可以在1.2～12之間任意選擇，耦合電容在5～30pF之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式時，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。</p><p><b>　　4.4.2復位電路</b></p>&

75、lt;p>　　單片機的復位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機就實現(xiàn)狀態(tài)復位，之后CPU便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實際運用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復位電平與8051復位要求一致時，可以直接相連。。實用復位電路圖如下所示：</p><p><b>　　復位電路</b></p><p><b>　

76、　4.4.3限位電路</b></p><p>　　為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。利用光電耦合電路，將行程開關接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8051的I/O口P1.0。當任何一個行程開關被壓下的時候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導通，由低電平變成高電平。8051可利用軟件設計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至8051的外部中斷引腳（I

77、NT0或INT1），采用中斷方式檢查越界信號。越界報警電路如下圖所示：</p><p>　　4.5零件加工程序設計</p><p>　　如圖所示工件，加工外輪廓。 </p><p>　　立銑刀直徑Φ20mm，程序如下： </p><p>　　O0001； 程序代號； </p><

78、;p>　　N01 G00 G90 X120.0 Y60 Z50； 絕對值輸入，快速進給到X120 Y60 Z50； </p><p>　　N02 X100 Y40 M13 S500； 快速進給到X100 Y40切削液開，主軸正轉，轉速 </p><p>　　500r/min； </p><p>　　N03 Z-11；

79、 快速向下進給到Z-11； </p><p>　　N04 G01 G41 X70 Y10 H012 F100； 直線插補到X70 Y10，刀具半徑左補償H012=10mm</p><p>　　進給速度100mm/s； </p><p>　　N05 Y-10； 直線插補到X70 Y-10 </p>

80、<p>　　N06 G02 X40 Y-40 R30； 順圓插補到X40 Y-40，半徑為30mm； </p><p>　　N07 G01 X-70； 直線插補到X-70 Y-40； </p><p>　　N08 Y40； 直線插補到X-70 Y40； </p>&l

81、t;p>　　N09 X40； 直線插補到X40 Y40； </p><p>　　N10 G03 X70 Y10 R30； 逆圓插補到X70 Y10，半徑為30mm； </p><p>　　N11 G01 X85； 直線插補到X85 Y10； </p><p>　

82、　N12 G00 G40 X100 Y40； 快速進給到X100 Y40，取消刀具半徑補償； </p><p>　　N13 X120 Y60 Z50； 快速進給到X120 Y60 Z50； </p><p>　　N14 M30； 程序結束，系統(tǒng)復位；</p><p><b&g

83、t;　　總結</b></p><p>　　本次設計雖然采用的是開環(huán)控制系統(tǒng)，但控制精度并不算低，在設計時，需要對導軌、絲杠、步進電機的選擇進行充分考慮。因此，對工作臺上各部分的受力分析進行了大量的計算和校核，以保證工作臺各部件在負載下能夠正常工作。在各個機械部件的選擇上，盡量以高標準選取，而控制系統(tǒng)設計，則盡量選用成熟且性價比較高的產(chǎn)品。在本次設計中，我翻閱了大量的書籍，經(jīng)過三周的日夜奮戰(zhàn)，終于在滿足

84、各項規(guī)定的設計參數(shù)的情況下完成了任務。</p><p>　　本次設計的XY數(shù)控十字工作臺主要應用于銑床上，采用GGB20BA四方向等載荷窄型滾動直線導軌副、FFZD3205-3型滾珠絲杠螺母副、110BYG550B-030混合式步進電機、SH-50806B型步進電機驅動器等設備，在普通機床的數(shù)控化改造上，具有一定意義。</p><p>　　本次設計對我們這幾年來所學的知識進行了一次回顧，不

85、管是機械還是電氣部分都有涉及，還有以前學過的畫圖軟件及電路仿真軟件也都得到了很好的復習，這為我們下學期開展的畢業(yè)設計打下了很好的基礎。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1]范超毅，趙天嬋等.數(shù)控技術課程設計[M].華中科技大學出版社, 2007.5</p><p>　　[2]王文斌.機械設計手冊[M].