(300X300)方台面数控回转工作台设计 毕业论文.doc
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1、 (300X300)方台面数控回转工作台设计 摘 要 当今世界电子技术迅速发展,微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用,对各领 域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统,应包含以下几个基本要素: 机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统 技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科 技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品正朝着高性 能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字:机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势 Ab
2、stract Now the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the followi
3、ng several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic
4、control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product t
5、oward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development. 目录 第一章 课程设计的内容和要求 3 第二章 系统的总体方案设计 4 第三章 机械部分设计
6、 5 3.1 脉冲当量和传动比的确定 5 3.2 工作台外形尺寸及重量初步估算 5 3.3 传动系统等效转矩惯量计算 6 3.4 工作载荷分析及计算 6 3.5 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 8 3.6 导轨的选型和计算 11 3.7 驱动电机的选择 11 第四章 数控系统设计 15 4.1 控制系统硬件的基本组成 15 4.2 接口程序初始化及步进电机控制程序 17 4.3 直线圆弧插补程序设计 19 参考文献 25 第一章 课程设计的内容和要求 1.1 课程设计的内容 任务是: 设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上,用于铣削加工。 具体参数如下: 要求:设计一台数
7、控回转工作台并开发其控制、驱动系统,工作台面300X300mm,分 辨率为 =5分/step,承受最大轴向载荷 Tmax=800Nm。设计内容包括: 1.1.1 数控装置总体方案的确定 (1) 确定系统组成方案(组成框图、功能、机械传动系统简图、主要的设计参数,及方案分析、 比较、说明) 。 1.1.2 机械部分的设计 (1) 确定脉冲当量; (2) 机械部件的总体尺寸及重量、转动惯量的初步估算; (3) 传动元件及导向元件的设计,计算和选用; (4) 伺服电机计算、选用; (5) 绘制机械结构装配图; 1.1.3 数控系统的设计 (1)确定数控系统装置方案(组成框图、功能、主要的设计参数,及
8、方案分析、比较、说明) 。 (2) 电气控制原理图设计(CPU、存储器、I/O 接口电路及伺服驱动电路) (3) 系统控制软件的结构设计(控制流程图)和部分功能控制软件设计(汇编程序及流程图) 。 1.2 课程设计的要求 1.2.1 图纸要求 (1)机械结构装配图,A0 图纸一张。要求视图基本完整、符合要求。其中至少有一个坐标轴的 完整剖视图。 (2)数控系统框图(附在说明书上) 。 (3)数控电器图,A1 图纸一张。 (4)软件框图(可附在说明书上) 。 1.2.2 编写设计说明书要求 说明书应当叙述整个设计的内容,包括总体方案的确定、系统框图的分析、机械传动设计计算、 电气部分的设计说明,
9、选用元件及其具体参数的说明、软件设计及其说明等,说明书不少于 8000 字 第二章 系统的总体方案确定 数控系统总体方案设计的内容包括:系统运动方式的确定,执行机构及传动方案的确定,伺服 电机类型及调速方案确定,计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。 2.1 系统运动方式的确定 该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。 2.2 伺服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反 馈部件,因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单,调整维修容易,在速度和精度要求 不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度
10、要求不高,为简化结构,降低成本,宜采用步进电机 开环伺服系统驱动。 2.3 计算机系统的选择 采用 MCS-51 系列中的 8031 单片机扩展控制系统。MCS-51 单片机的主要特点是集成度高,可 靠性好,功能强,速度快,性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O 接口及光电隔离 电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码 管显示加工数据和工作状态等信息。 2.4XY 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑,采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度 和消除间隙,采用有预加载荷的结构。 由于工作台的运动部件重量和工作载荷不
11、大,故选用滚动直线导轨副,从而减小工作台的摩擦 系数,提高运动平稳性。 为了减少了零件的数目和中间环节的影响,精度高,效率高,电动机通过联轴器直接与滚珠丝 杠相连。但此种连接对安装、加工的要求较高,选用挠性联轴器,如膜片联轴器,电动机的额定转 矩较大,等效转动惯量亦大,对系统的稳定性和快速性将产生不利影响。 系统总体框图如下:微型 机 光电隔离光电隔离 功率放大功率放大 步 进电 机步 进电 机 联 轴 器联 轴 器 X向 工 作 台Y向 工 作 台 第三章 机械部分设计 机械部分设计内容包括:确定系统脉冲当量,机械部件的总体尺寸、质量、运动部件惯性的计 算,选择步进电机,传动及导向元件的设计
12、、计算与选择,绘制机械部分装配图等。 3.1 脉冲当量和传动比的确定 脉冲当量 p是一个进给指令时工作台的位移量,应小于等于工作台的位置精度,由于定位精 度为0.01mm 因此选择脉冲当量为 0.01mm。 根据脉冲当量和系统总体方案,传动比为 1,直接用联轴器将电机和丝杠直接连接,有利于简 化结构,提高精度。初选导程 =5mm 滚珠丝杠,电动机步距角 =0.75。0Lb 传动比计算公式 1.36570pbi 暂选 130BF001 型的步进电动机。其具体参数如下: 型号 步距角 相数 电压 (V) 相电流(A) 最大 静转 矩 (N.M) 空载启 动频率( )ZH空载运行频率( )Z 转动
13、惯量 分配 方式 重量 (Kg) 130BF001 0.75/1.5 5 80/12 10 9.31 3000 16000 4.7 五相十拍 9.2 3.2 工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程,画出工作台简图,估算 X 向和 Y 向工作台承载重量 WX和 WY。 设计工作台简图如下: X 向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=300*300*40 重量:按重量=体积*材料比重估算为: = N=270NxW23108.7403 2cmKg Y 向拖板(下拖板)尺寸为: 403 重量 = N=320NYW23108.7 上导轨(含电机)估算重量为:260N 夹具及工件重量:150N
14、X-Y 工作台运动部分总重量为: 270N+320N+260N+150N=1000N 3.3 传动系统等效转矩惯量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载,选用电机时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件 并不都是与电机轴同轴线,还存在各转动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后,要计算整个传 动系统折算到电机轴上的总转动惯量,即传动系统等效转动惯量 对于轴、轴承、齿轮、联轴器、丝杆等圆柱体的转动惯量计算公式为 8 2DMJC 3.3.1 电机等效转动惯量 27.4cmkgJD 3.3.2 初选联轴器直径 ,长度cm3L3 联轴器等效转动惯量 )(1895.078.0178.0 23434 cmK
15、gJL 3.3.3 初选丝杠直径 ,初步估计丝杠长度 。cDcL5 滚珠丝杠等效转动惯量 )(213.0378.0178.0 2434 cgLJs 3.3.4 工作台等效转动惯量 )(6.8.9)25.()( 20 cmkgMJG 3.3.5 传动系统总的转动惯量 GSLDJJ 63.021.895.074 )(6cmkg 3.4 工作载荷分析及计算 3.4.1 铣削力的分析与计算 铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣 刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给) 。铣刀的类型很多,但以圆柱铣刀和端铣刀为基本 形式。圆柱铣刀和端铣刀的且学部分都可看做
16、车道到头的演变,铣刀的每一刀齿相当于一把车刀。 通常假定铣削时铣刀受到的铣削力是作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合理为 F, 将 F 沿铣刀轴线、径向和切向经行分解,则分别为轴向铣削力 ,径向铣削力 和切向铣削力 。其中切向铣削力 是沿铣刀主运动方向的分离,它消耗铣床电机功率(即铣削功率)最多。 根据机械制造技术基础课程设计指导教程选铣刀。根据最大铣刀直径 24mm,最大铣 削宽度 ,最大铣削深度 选择莫氏锥柄立铣刀,铣刀材料为硬质合金,工件材mae8map5 料为碳钢。 选取工进的最大速度为 =0.4mm/min ,选定铣刀转速 ,铣刀的齿数为 Z=5,fVax min/40r 则每
17、齿进给量 =v/(zn)=400/(5*400)mm=0.2mm。f 因此铣削力 为:zF 13.013.073.00.175.085.0 6.128.9 ndZaapfe = 422 =1958N 3.4.2 进给工作台工作载荷计算 作用在工作台上的合力 与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力 F 大小相同,方向相反,合力F 就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷,它可以沿着铣床工作台运动方向分解为F 三个力:工作台纵向进给力方向载荷 ,工作台横向进给方向载荷 和工作台垂直进给方向载荷L C 。V 工作台工作载荷 、 和 与铣刀的切向铣削力 之间有一定的经验比值。因此,求出LCVz 后,即可
18、计算出工作台的计算载荷 、 和 。z LFCVNFz164)90.8.(535zV78.7z zxFy 3.5 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 3.5.1 滚珠丝杠螺母副类型选择 G.GD 系列滚珠丝杠副 循环 列数 螺母安装连接尺寸 L 规格 代号 公称 直径 Do 公称 导程 Pho 丝 杠 外 径 d 滚 珠 直 径 Dw 螺旋 升角 丝 杠 底 径 d1 G GD D D D G GD B D D h i T 注油 孔 额定 动载 荷 Ca (KN) 额定 静载 荷 Coa (KN) 接 触 刚 度 KcN /um 2505-2 2 2+2 40 70 7 17 450 2505-3 3
19、3+3 46 80 10.5 22 328 2505-4 30 5 28.2 3 339 26.7 4 4+4 40 66 53 50 90 11 5.5 10 5.7 5 53 M6 14 34 650 选用内循环,垫片式预紧方式的滚珠丝杠螺母副。预选 G.GD 系列的 2005-3 丝杠。 3.5.2 滚珠丝杠螺母副的校核 3.5.2.1 最大工作载荷 滚珠丝杠上的工作载荷 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力,也 叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的 摩擦力。综合导轨的工作载荷 ,式中: , , 分别为工作台进给)(GFfK
20、VLmLFVC 方向载荷、垂直载荷和横向载荷(N ) ;G 为移动部件的重力( N) ;K 和 分别为考虑颠覆力矩影f 响的实验系数和导轨上的摩擦系数,随导轨形式的不同。 对于综合导轨 ,如果是滚动导轨时, ,现取15.K05.2.f 04.f 因此有, )(NF )(51.923)10478(0.6)NGFfKVLm 3.5.2.2 最大动负载 C 的计算及主要尺寸初选 滚动丝杠最大动载荷 C 可用下式计算: ,式中:L 为工作寿命,单位为 ,mFf3 r610 ;n 为丝杠转速 , ;v 为最大切削力条件下的进给速度610/tLmin)/(r0/1 , 为所预选的滚珠丝杠的导程,待刚度验算
21、后再确定;t 为额定使用寿命(h) ,可取mi)( t=15000h; 为运转状态系数,无冲击取 11.2,一般情况取 1.21.5,有冲击振动取 1.52.5;f 为滚珠丝杠工作载荷(N ) 。mF 初选滚珠丝杠副的尺寸规格,相应的个定动载荷 不得小于最大动载荷 C; 。aCa 其中: , ,0/1Lvnht15min/4.0v 那么, 其中, 1.mf 因为 ,所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。CKNa79 3.5.2.3 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 为%62.95)013()(tgt 3.5.2.4 刚度验算 滚珠丝杠计算满载时拉压形量 1 )10(8.376r542
22、6/ntL)(245.917N1.383FfLC mEALFm0471.652.9310.241 其中 L 取 300mm, ,Mpa406.2 22 65.93)()(d 滚珠与螺纹滚道间的接触变形 2 mZFDYJwm 05.68143.592013.013. 222 其中: , ,kgfN.5.9.wD ,kgfmYJ 712331 ,4.283)/04.()/( wdZ61(8列 数圈 数 滚珠丝杠副刚度验算: 丝杠的总变形量 应小于允许的变形量。一般 不应大于机床进给系统规定的定位21 精度值的一半。或者,由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差,则相应长度上的变形量应 该比它晓。
23、否则,应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。 机床的定位精度为 0.04mm, 。因此所选m01.2.05.0471.21 的滚珠丝杠副刚度符合要求。 3.5.2.5 压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆,若轴向工作负载过大,将使丝杠失去稳定而产生纵向屈 曲,即失去稳定。失稳时的载荷载荷 为KF 其中, (丝杠承载方式系数,选用一端固定,一端简支方式) ,I 为截面惯量距,0.2zf mmdI 53.280964/5.764/1 临界载荷 与丝杠工作载荷 之比称为稳定性安全系数 ,如果 大于需用稳定安全系数KFFknkN40324053.89162LEIfz ,则该滚珠丝杠就不会失稳。
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