銑床的數(shù)控x-y工作臺設計

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論 文（設 計）任 務 書 課程編號 課程名稱 專業(yè)課課程設計（機電、數(shù)控） 周數(shù) 實施地點 科技樓 班級 人數(shù) 起止時間 形式 √集中 □分散 指導教師 論文 （設計） 進度 安排 1．方案論證----------------------1天 2．機械部分設計------------------4天 3．電氣部分設計------------------2天 4．軟件設計----------------------1天 5．編寫說明書--------------------1天 6．準備答辯及答辯----------------1天 論文 （設計） 內(nèi)容 任務是：設計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工。具體參數(shù)如下： 系統(tǒng)分辨率為0.01mm，最大銑刀直徑Φ, 最大銑削寬度ae mm, 最大銑削深度ap,,加工材料為碳鋼, 工作臺加工范圍mm, 最大移動速度為3m/min,控制系統(tǒng)為單片機控制系統(tǒng) 設計的內(nèi)容包括： 1．總體方案的確定 1）確定系統(tǒng)組成方案（組成框圖、功能、機械傳動系統(tǒng)簡圖、主要設計參數(shù)，及方案分析、比較、說明）。 2．機械部分的設計 1）確定脈沖當量；2）機械部件的總體尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量的估算；3）傳動部件、導向部件的設計、計算和選用；4）步進電動機計算、選用；5）繪制機械結(jié)構裝配圖。 3．數(shù)控系統(tǒng)的設計 1）確定數(shù)控裝置方案（組成框圖、功能、主要設計參數(shù)，及方案分析、比較、說明）。2）電氣控制原理圖設計（CPU、存儲器、I/O接口電路及伺服驅(qū)動電路）。3）系統(tǒng)控制軟件的結(jié)構設計（控制流程圖）。和部分功能控制軟件設計（匯編程序及流程圖）。 4．編寫設計說明書 要求 (包括紀律要求和報告書要求) 1．圖紙要求 1）機械結(jié)構裝配圖，A0圖紙一張。要求視圖基本完整、符合標準。其中至少有一個坐標軸的完整剖視圖。 2）數(shù)控系統(tǒng)框圖（附在說明書上）； 3）數(shù)控電器圖，A1圖紙一張； 4）軟件框圖（可附在說明書上）。 2．編寫設計說明書要求 說明書應當敘述整個設計的內(nèi)容，包括總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、機械傳動設計計算、電器部分的設計說明，選用元件及其具體參數(shù)的說明、軟件設計及其說明等，說明書的不少于8000字。 注：本表按自然班填寫。于動員時發(fā)給學生。不夠紙請另附頁。 設計參數(shù): 系統(tǒng)分辨率為0.01mm，其它設計參數(shù)如下表。 設計分組 最大銑刀直徑 最大銑削寬度ae 最大銑削深度ap 加工材料 工作臺加工范圍（mm） 最大移動速度 4 16mm 5mm 2mm 碳鋼 X=200,y=150 3m/min 論 文（設 計）任 務 書 課程編號 課程名稱 專業(yè)課課程設計（機電、數(shù)控） 周數(shù) 實施地點 班級 人數(shù) 起止時間 形式 √集中 □分散 指導教師 論文 （設計） 進度 安排 1．方案論證----------------------2天 2．機械部分設計------------------5天 3．電氣部分設計------------------3天 4．軟件設計----------------------2天 5．編寫說明書--------------------2天 6．準備答辯及答辯----------------1天 論文 （設計） 內(nèi)容 任務是：設計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工。具體參數(shù)如下： 系統(tǒng)分辨率為0.01mm，最大銑刀直徑Φ= 16 mm, 最大銑削寬度ae = 5 mm, 最大銑削深度ap,= 2 mm，加工材料為碳鋼，工作臺加工范圍 200 mm×150 mm，最大移動速度為3m/min，制系統(tǒng)為單片機控制系統(tǒng)。 設計的內(nèi)容包括： 1．總體方案的確定 1）確定系統(tǒng)組成方案（組成框圖、功能、機械傳動系統(tǒng)簡圖、主要設計參數(shù)，及方案分析、比較、說明）。 2．機械部分的設計 1）確定脈沖當量；2）機械部件的總體尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量的估算；3）傳動部件、導向部件的設計、計算和選用；4）步進電動機計算、選用；5）繪制機械結(jié)構裝配圖。 3．數(shù)控系統(tǒng)的設計 1）確定數(shù)控裝置方案（組成框圖、功能、主要設計參數(shù)，及方案分析、比較、說明）。2）電氣控制原理圖設計（CPU、存儲器、I/O接口電路及伺服驅(qū)動電路）。3）系統(tǒng)控制軟件的結(jié)構設計（控制流程圖）和部分功能控制軟件設計（匯編程序及流程圖）。 4．編寫設計說明書 要求 (包括紀律要求和報告書要求) 1．圖紙要求 1）機械結(jié)構裝配圖，A0圖紙一張。要求視圖基本完整、符合標準。其中至少有一個坐標軸的完整剖視圖。 2）數(shù)控系統(tǒng)框圖（附在說明書上）； 3）數(shù)控電器圖，A1圖紙一張； 4）軟件框圖（可附在說明書上）。 2．編寫設計說明書要求 說明書應當敘述整個設計的內(nèi)容，包括總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、機械傳動設計計算、電氣部分的設計說明，選用元件及其具體參數(shù)的說明、軟件設計及其說明等，說明書的不少于8000字。 注：本表按自然班填寫。于動員時發(fā)給學生。不夠紙請另附頁。 前言 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、電子和微機方面的知識，進行一次機電結(jié)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(nèi)容是改造設備，實現(xiàn)以下幾部分內(nèi)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(qū)動電路以及數(shù)控化電氣原理設計等。 說明書的內(nèi)容應包括：課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(nèi)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(qū)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(qū)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、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運轉(zhuǎn)等），進行力矩、負載功率、慣性（轉(zhuǎn)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) 系統(tǒng)分辨率為0.01mm，其它設計參數(shù)如下表。 設計分組 最大銑刀直徑 最大銑削寬度ae 最大銑削深度ap 加工材料 工作臺加工范圍（mm） 最大移動速度 4 16mm 5mm 2mm 碳鋼 X=200,y=150 3m/min 工作臺草圖 1.2初選步進電動機和絲杠 當傳動比i=1時，可用聯(lián)軸器直接將電機與絲杠連接，這種結(jié)構有利于簡化結(jié)構，提高精度。由 i=(公式2-1) ①，θb為步進電機步距角Lo為滾珠絲杠導程、為系統(tǒng)脈沖當量。 選電動機型號為55BF009，其步矩角= 選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND)　其導程為4mm, 由傳動比公式得 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（www.gzlink.com）。 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型槽尺寸如下： 深度H=15mm 槽低寬度B＝12mm 槽寬A＝6mm C＝6mm 槽數(shù)＝5，間隔＝40mm ； 由工作臺加工范圍200*150選工作臺尺寸 240 20 20 20 200 20 初定滾珠絲杠長度L＝340mm B B 50~60 Lx+B+10~20 35~45 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(zhuǎn)動慣量計算 2.1.1機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量查《指導書》表面2-18得 2.1.2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量由《指導書》公式2-3有得 2.1.3工作臺轉(zhuǎn)動慣量 由于工作臺材料為碳鋼，故其質(zhì)量為 由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量小故可忽略不計 2.1.4總轉(zhuǎn)動慣量計算 2.2工作載荷分析及計算 銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn),進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給(鍵槽銑刀可沿軸線進給).銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.查《金屬切削手冊》P398常用銑刀介紹表，選擇細齒錐柄立銑刀， 其尺寸參數(shù)如下：D=16mm,齒數(shù)Z=4。 2.2.1 查《金屬切削手冊》P417細齒錐柄立銑刀切削用量表得銑削速度 查《銑工》表2－4，初選＝0.03mm 因此可得 查《機械制造基礎課程設計指導書》表4-15立式銑床主軸轉(zhuǎn)速表，選銑床型號X51，查其轉(zhuǎn)速表并將轉(zhuǎn)速圓整為 實際切削速度為 故實際 2.2.2 根據(jù)《指導書》表2-2得高速鋼銑刀銑削公式為 查《指導書》表2-3得銑削力系數(shù) 有 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 不對稱銑削 逆銑 順銑 1．2 0．9 0．3 0．8 0．4 0．4 故有縱向進給方向 工作臺垂直進給方向 工作臺橫向進給方向 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(jié)構緊湊，間隙調(diào)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 將所得數(shù)據(jù)代入公式有： 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 由《指導書》中可知 2.4.3傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 查得（或可由算出） 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： 　滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 由《指導書》式2-17得 式中為滾珠直徑， 為滾珠總數(shù)量 滾珠絲杠副剛度的驗算 絲杠總變形量 變形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005 =0.00369<0.005 因此符合設計要求。 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 絲杠截面慣量矩 查《指導書》表2-11得 穩(wěn)定性安全系數(shù) 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《指導書》式2-20 L＝50（） 每個滑塊的的工作載荷 取硬度系數(shù)＝0.53、=1、＝0.81、＝2 預設導軌壽命L=50KM 則根據(jù)此壽命可算出 ＝ 3267kN 故選導軌型號GDA20SV符合要求，查《指導書》表2－16可知其=12.4KN 2.6驅(qū)動電機的選用 根據(jù)脈沖當量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選擇電機 2.6.1步距角的選擇 已知脈沖當量 由公式2-23 2.6.2步進電機輸出轉(zhuǎn)矩的選擇 查《指導書》表2-17得 步進電機啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關系有 2.6.2.1加速度力矩 2.6.2.2空載摩擦力矩（取傳動系統(tǒng)總效率） .、 , 2.6.2.2附加摩擦力矩 為滾珠絲杠未預緊時的傳動效率取 故電機空載啟動力矩 作用在工作臺的合力的計算，逆銑的時候合力大 作用在工作臺上的合力折算到電機上的轉(zhuǎn)矩 運動部件正常工作時的總負載轉(zhuǎn)矩 故運動部件正常運行時需的最大靜轉(zhuǎn)矩 此處取0.5代入得 按步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩選擇要求 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 當啟動力矩時對應的允許啟動頻率，而由表2-18查得電機的啟動頻率 ，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 查《指導書》2-22得，允許快進頻率 由式2-33得電機最高快進頻率 ，故電機快速進給時不丟步。 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 工進時步進電機運行所需力矩 工作負載力矩 查《指導書》圖2-22得 允許工進運行力矩 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） 8031 ＋ 存儲器接口 輸入顯示 接口 MCX311 INT 限 位 X向編碼器控制 Y向編碼器控制 I/O 擴展 接口 光耦 功放 X向電機 光耦 功放 Y向電機 3.2步進電機開環(huán)伺服原理 分配后的 脈沖信號 D C B A 脈沖 信號源 脈沖分配器YBO14 功率 放大 脈沖信號 放大后的 脈沖信號 3.3步進電動機的控制框圖 N Y 設步長計數(shù)器 保護現(xiàn)場 轉(zhuǎn)向標志為1 置正轉(zhuǎn)控制字指針 輸出控制字 是結(jié)束標志 延時、控制字地址指針＋1 返回 恢復現(xiàn)場 總步數(shù)為零 置反轉(zhuǎn)控制字 3.4軟件程序設計（逐點比較法直線插補） 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：判別偏差或,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+X、+Y、-X、-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XE=0？ Y方向進給 ＝＋X Y＝Y(jié)＋1 ＝—Y X＝X＋1 X＝？ Y＝？ 返 回 X方向進給 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XE，YE，動點坐標值X，Y，偏差FM。對8位機，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進行初始值、X、Y向步進電機初態(tài)（控制字）。 插補程序所用的內(nèi)存單元如下： 28H 29H 2AH 2BH 2CH 70H XE YE X Y FM 電機正反轉(zhuǎn)控制字 電機正反轉(zhuǎn)控制字為： D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D1D0為X向電機控制位。D0=1運行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。D3D2為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。 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, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AH LP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH SUBB A, 29H INC 2AH AJMP LP2 LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH ADD A, 28H LP2: MOV 2EH, A MOV A, 28H CJMP A, 2AH, LP3; RET 4.心得體會 我覺得這次專業(yè)課程設計是對過去所學專業(yè)知識的一個全面的綜合的運用。在設計的過程中我全面地溫習了以前所學過的知識，包括機械專業(yè)課程和電路控制方面的基礎知識，經(jīng)過復習整理所學得專業(yè)知識使得設計思路清晰系統(tǒng)。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個設計者的精神。在設計過程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造，又要注意借用現(xiàn)有的資料，掌握了查閱和使用標準、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關技術資料的基本技能以及計算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。 通過對通用機械零件、常用機械傳動或簡單機械的設計，掌握了一般機械設計的程序和方法，有助于樹立正確的工程設計思想，培養(yǎng)獨立、全面、科學的機械設計能力。 最后對在整個設計過程中對我認真、耐心輔導的等老師表示衷心的感謝！ [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  23