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目錄
摘要及關(guān)鍵詞············································································3
正文·······························································································4
前言部分·······················································································4
本論部分·······················································································5
第1章 緒論····················································································5
1.1 機床機電一體化改造總體方案的設(shè)計··············································5
1.2 開環(huán)伺服進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計····················································5
第2章 機床機電一體化改造總體方案的設(shè)計·······························6
2.1 課程設(shè)計任務(wù)書············································································6
2.2 總體方案設(shè)計···············································································7
第3章 開環(huán)伺服進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計·······································9
3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量·········································································9
3.2 計算切削力···················································································9
3.3 滾珠絲杠螺母副的計算選型（縱向進給絲杠）·····································9
3.4 齒輪傳動比計算···········································································14
3.5 步進電動機的計算和選型······························································14
第4章 機械傳動機構(gòu)的調(diào)整和結(jié)構(gòu)的簡要說明··························19
4.1 絲杠進給速度的調(diào)節(jié)···································································19
4.2 軸向的預(yù)緊力的調(diào)整及定位··························································19
結(jié)論部分······················································································19
設(shè)計體會····················································································20
參考文獻····················································································21
摘要及關(guān)鍵詞
【摘要】
數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機床大國，擁有大量的普通機床。因此，對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的選擇。
【關(guān)鍵詞】
機電一體化 開環(huán)控制縱向進給系統(tǒng)設(shè)計 滾珠絲杠螺母副 步進電動機
正文
前言部分
計算機技術(shù)和先進制造技術(shù)的發(fā)展，推動了機械加工在各方面的變革和進步。典型的數(shù)控機床已成為現(xiàn)代加工器械的鮮明代表?？紤]到企業(yè)的生產(chǎn)效率和投入成本，普通車床的數(shù)控化改造將是一個極為有意義的課題。
普通車床數(shù)控改造的設(shè)計是機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計的主要內(nèi)容。作為機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的學生，這次設(shè)計是本人在學習完“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”、“數(shù)控機床”等專業(yè)課程之后進行的一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)。通過綜合運用所學的機械、電子、自動控制、微機等知識，進行一次機電結(jié)合的全面訓練，以培養(yǎng)獨立分析問題，解決問題和進行機電一體化系統(tǒng)初步設(shè)計的能力。此設(shè)計過程為期三個星期，在趙洪兵的指導下，本人將對普通車床進行開環(huán)控制縱向進給的改造。
由于學生水平有限，在設(shè)計乃至計算過程中難免會有一些錯誤，望各位老師及同學指點賜教。不勝感激。
學生鄭利江
2007年6月
計 算 及 說 明
結(jié)果
本論部分
第1章 緒論
1.1 機床機電一體化改造總體方案的設(shè)計
1.1.1 課程設(shè)計任務(wù)書
（1） 題目
（2） 原始數(shù)據(jù)
（3） 主要技術(shù)參數(shù)
（4） 課程設(shè)計的內(nèi)容及要求
1.1.2 總體方案設(shè)計
（1） 系統(tǒng)的運動方式的確定
（2） 伺服系統(tǒng)的選擇
（3） 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定
（4） 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
1.2 開環(huán)伺服進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計
1.2.1 確定系統(tǒng)脈沖當量
1.2.2 計算切削力
1.2.3 滾珠絲杠螺母副的計算選型（縱向進給絲杠）
（1） 計算進給牽引力
（2） 計算最大動負載
（3） 滾珠絲杠螺母副的選型
（4） 傳動效率計算
（5） 剛度計算
（6） 穩(wěn)定性校核
計 算 及 說 明
結(jié)果
1.2.4 齒輪傳動比計算
1.2.5 步進電動機的計算和選型
（1） 等效轉(zhuǎn)動慣量的計算
（2） 電機力矩計算
（3） 計算步進電動機空載起動頻率和切削時的工作頻率
1.2.6 設(shè)計繪制伺服進給系統(tǒng)機械裝配圖
第2章 機床機電一體化改造總體方案的設(shè)計
2.1 課程設(shè)計任務(wù)書
2.1.1 題目：
普通車床的機電一體化改造——開環(huán)控制縱向進給系統(tǒng)設(shè)計
2.1.2 原始數(shù)據(jù)：
最大共建回轉(zhuǎn)直徑：在床身上D=400毫米在床鞍上 D=210 毫米
最大工件長度 1000毫米
主電動機功率 7.5千瓦；轉(zhuǎn)速1450轉(zhuǎn)/分
2.1.3 主要技術(shù)參數(shù)（均為縱向）：
最大進給速度 1.0米/分
最大快移速度 4米/分
起動加速時間 30毫秒
移動部件重量 80公斤
機床定位精度 0.015毫米
2.1.4 課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：
對CA6140型普通車床縱向進給系統(tǒng)進行數(shù)控改造，主要設(shè)計內(nèi)容及要求如下：
（1）采用開環(huán)控制，選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)并確定伺服傳動系統(tǒng)方案；
（2）設(shè)計改造后數(shù)控車床縱向伺服進給系統(tǒng)原理框圖；
計 算 及 說 明
結(jié)果
（3）設(shè)計繪制改造后數(shù)控車床縱向伺服進給系統(tǒng)裝配圖（0號圖紙一張）；
（4）設(shè)計繪制主要零件圖一張（由指導老師制定）；
（5）撰寫設(shè)計計算說明書一份，正文字數(shù)不少于0.8萬字，設(shè)計說明書應(yīng)包含如下內(nèi)容：
設(shè)計任務(wù)書；目錄；摘要及關(guān)鍵詞；前言；正文：包括方案設(shè)計與比較論證、理論分析計算、主要機構(gòu)設(shè)計說明與簡圖等；小結(jié)；參考文獻。
設(shè)計說明書語言要流暢，書寫要工整，一律使用鋼筆書寫。
2.2 總體方案設(shè)計
?2.2.1 系統(tǒng)的運動方式的確定
由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)。
2.2.2 伺服系統(tǒng)的選擇
應(yīng)任務(wù)書的要求，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.3 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定
為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，若直接將電機與滾珠絲杠聯(lián)必會引起絲杠溫度過高即磨損加劇使其壽命降低。故在其兩者之間加一消隙齒輪箱，一使絲杠速度降低，二則消除系統(tǒng)傳動中的間隙，提高傳動精度，并有效減少反向運動死區(qū)現(xiàn)象，消隙齒輪箱與絲杠可采用聯(lián)軸器形式連接，這樣便確定了如下圖2-1所示的傳動方案。
電機
消隙齒輪箱
滾珠絲杠螺母副
工作臺
圖2-1 執(zhí)行機構(gòu)傳動方案
計 算 及 說 明
結(jié)果
2.2.4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
?根據(jù)機床要求，本著經(jīng)濟耐用的原則，確定采用8位機。MCS—51系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品：8031、8051和8751。由于MCS—51系列單片機的特點之一是硬件設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，故對于簡單的應(yīng)用場合，MCS—51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片EPROM就能滿足開環(huán)控制的要求。8031單片機內(nèi)含4kb EEPROM程序存儲器，具有功耗低、抗干擾能力強的特點，數(shù)據(jù)存儲器WM0016DRH是一種多功能非易失性SRAM，8031單片機高速高抗干擾自保持，不怕掉電，上下電百萬次數(shù)據(jù)無丟失，斷電保護10年有效，既可高速連續(xù)讀寫，也可任意地址單字節(jié)操作，無需拼湊頁面，隨機讀寫不需等待，立即有效，輸入輸出TTL/CMOS兼容，上電復(fù)位輸出，掉電保護，內(nèi)置看門狗，電源監(jiān)測，不用外加電路和電池，且引腳與標準SRAM兼容。8031單片機價格低，使用靈活，其特點具具體如下：
（1）具有功能很強的8位中央處理單元（CPU）；
（2）片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MH或12MH）；
（3）片內(nèi)具有128字節(jié)的RAM；
（4）具有21個特殊寄存器。
（5）可擴展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器；
（6）具有4個I/O口，32根I/O線；
（7）具有2個16位定時器/計數(shù)器；
（8）具有5個中斷源，配備2個中斷優(yōu)先級；
（9）具有一個全雙功串行接口；
（10）具有位尋址能力，適用邏輯運算。
從上述特性可看出這種8031芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機系統(tǒng)。故應(yīng)選用8031單片機。
選用8031單片機
計 算 及 說 明
結(jié)果
第3章 開環(huán)伺服進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計
3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量
根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.01mm/步，橫向0.005mm/步。
3.2 計算切削力
確定切削力（縱車外圓）：
主切削力按經(jīng)驗公式估算：
按切削力各分力比例：
?。?
3.3 滾珠絲杠螺母副的計算選型（縱向進給絲杠）
3.3.1 計算進給牽引力
縱向進給為綜合型導軌
式中——考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌??；
——滑動導軌摩擦系數(shù)：
——溜板及刀架重力：
3.3.2 計算最大動負載
計 算 及 說 明
結(jié)果
式中——滾珠絲杠導程，初選；
——最大切削力下的進給速度，可取最大進給速度的（），此處?。?
——使用壽命，按；
——運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)??；
——壽命，以轉(zhuǎn)為1單位。
3.3.3 滾珠絲杠螺母副的選型
查閱附錄A表A-2，可采用外循環(huán)螺紋調(diào)整浴巾的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動負載為164000N，進度等級按表4-6選為3級（大致相當于老標準E級）。
3.3.4 傳動效率計算
式中——螺旋升角，，
——摩擦角，取，滾動摩擦系數(shù)
計 算 及 說 明
結(jié)果
3.3.5 剛度計算
先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3-1所示。最大牽引力為2530N，支承間距，絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的。
圖3-1 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖
（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量
查《課程設(shè)計指導書》P17，圖4-2，根據(jù)
，查出，可算出
由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了 預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量為：
（2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形
查《課程設(shè)計指導書》P18圖4-3，W系列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量，因進行預(yù)緊，。
計 算 及 說 明
結(jié)果
（3）支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形
采用51107（舊代號為8107）型推力球軸承，，滾動體直徑，滾動體數(shù)量z=18。
注：此公式中的單位應(yīng)為kgf。
因施加預(yù)緊力，故
據(jù)以上計算：
3.3.6 穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要作穩(wěn)定性校核。
3.3.7 縱向滾珠絲杠副的幾何參數(shù)，如下表3-1。
表3-1 滾珠絲杠的幾何參數(shù)
名稱
符號
參 數(shù)
螺 紋 滾 道
公稱直徑
40
導 程
6
接觸角
鋼球直徑(mm)
3.969
滾道法面半徑
2.064
偏心距
0.056
螺紋升角
螺 桿
螺桿外徑
39
螺桿內(nèi)徑
35.984
螺桿接觸直徑
36.0355
螺 母
螺母螺紋直徑
44.016
螺母內(nèi)徑
40.7938
計 算 及 說 明
結(jié)果
3.4 齒輪傳動比計算
已取得縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電動機步距角。可計算出傳動比
可選定齒輪齒數(shù)為：
故，取，模數(shù)取2.5。有關(guān)參數(shù)表3-2。
表3-2 傳動齒輪的幾何參數(shù)
齒 輪 編 號
齒數(shù)
32
32
24
分度圓
80
80
60
齒頂圓
85
85
60
齒根圓
73.75
73.75
53.75
齒寬
20
20
15
中心距
80
70
3.5 步進電動機的計算和選型
3.5.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
計算簡圖見圖3-1，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算：
計 算 及 說 明
結(jié)果
式中——步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
、——齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量
——滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量。
參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電機，其轉(zhuǎn)子慣量
式中、——齒輪、的分度圓直徑；
、——齒輪、的齒寬。
代入上式：
考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。
基本滿足慣量匹配的要求。
計 算 及 說 明
結(jié)果
3.5.2 電機力矩計算
機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：
（1）快速空載起動力矩
在快速空載起動階段加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：
將前面的數(shù)據(jù)帶入，式中各符號意義同前。
。
起動加速時間
折算到電機軸上的摩擦力矩：
附加摩擦力矩：
計 算 及 說 明
結(jié)果
上述三項合計：
（2）快速移動時所需力矩
（3）最大切削負載時所需力矩
從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，此項作為初選步進電動機的依據(jù)。
從課程設(shè)計指導書P36表4-13查出，當步進電動機為三相六拍時，。
最大靜力矩。
按此最大靜轉(zhuǎn)矩從下表3-3（由網(wǎng)址http://www.weidianji.net/bujindianji/
和http://www.sihaidj.com/Production/StepMotion/350/110.asp）查出，110BYG3503型最大靜轉(zhuǎn)矩為。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步校核步進電動機起動矩頻特性和運行矩頻特性。
如下表3-3所示。
計 算 及 說 明
結(jié)果
3.5.3 計算步進電動機空載起動頻率和切削時的工作頻率
從上表3-3查出110BYG3503型步進電動機空載起動頻率為，圖3-2（http://hx-motor.com/docc/product2.htm）查出運行頻率為，且根據(jù)下圖3-2）藍色背景區(qū)所示可知其運行距頻特性。
表3-3 110BYG350系列電機的技術(shù)參數(shù)
型? 號
步距角
相數(shù)
電壓
線電流
靜轉(zhuǎn)矩
空載起動頻率
空載運行頻率
轉(zhuǎn)動慣量
機身長
單? 位
度
V
A
N.m
KHZ
KHZ
（kg.cm2)
（mm)
110BYG3501
0.6
3
110-220
5
12
1600
>=30
11
144
110BYG3502
0.6
3
110-220
5
16
1600
>=30
15
182
110BYG3503
0.6
3
110-220
5
20
1600
>=30
18
261
圖3-2 110BYG3503型步進電動機矩頻特性
計 算 及 說 明
結(jié)果
從圖3-2看出，當步進電動機起動時，若，則，能滿足此機床所要求的空載起動力矩可直接起動。
當快速運動和切削進給時，根據(jù)圖3-2，步進電動機運行矩頻特性知，時，左右，大于，完全可以滿足要求。
第4章 機械傳動機構(gòu)的調(diào)整和結(jié)構(gòu)的簡要說明
4.1 絲杠進給速度的調(diào)節(jié)
由于系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，故采用脈沖信號的變化來控制步進電機的轉(zhuǎn)速，進而通過齒輪箱到絲杠軸，對大托板的縱向進給速度進行控制。
4.2 軸向的預(yù)緊力的調(diào)整及定位
由裝配圖可知，在絲杠軸的兩端各裝有一對鎖緊螺母（預(yù)緊螺母），可有這對螺母對絲杠軸的軸向預(yù)緊進行調(diào)整，并起到定位作用。每組支承部件的另一端，即與鎖緊螺母對應(yīng)的那端采用端蓋定位。在絲杠副的一端也采用端蓋定位，另一端為鎖緊螺母，既預(yù)緊又定位。
結(jié)論部分
經(jīng)過計算、校核、設(shè)計，表明改造任務(wù)的初步設(shè)計合理，數(shù)據(jù)準確，現(xiàn)改造方案已設(shè)計成圖紙——見裝配圖（圖01）和零件圖（圖02）。
該改造設(shè)計相對普通車床來說，提高了自動化程度，加入了計算機控制，操作、結(jié)構(gòu)簡單化，既能降低能耗，又能提高了工作效率。但是設(shè)計者由于能力有限，經(jīng)驗寒酸，時間緊迫，設(shè)計及圖紙中難免有不妥甚至是重大錯誤，望老師和同學指正。
設(shè)計體會
課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。回顧起此次課程設(shè)計，我感慨頗多。
在整整三星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是總體來講，效果還是很好的，不僅鞏固了以前所學的知識，還學到了很多在書本上無法學到的知識。整個設(shè)計過程不能說是困難重重，難免會遇到過各種各樣的問題，和第一次課程設(shè)計相比，力不從心的感覺不再那么強烈，但在設(shè)計的過程中還是發(fā)現(xiàn)了自己許多不足之處，使自己認識到對以前所學知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說螺釘?shù)漠嫹ǜ緵]有掌握，全篇的螺釘沒有一個畫對，箱體壁厚取值太小，電機無法固定，并出現(xiàn)設(shè)計太隨意，尺寸隨意取，以至于設(shè)計方案難以加工。
通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合的重要性，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。通過這次課程設(shè)計之后，一定把以前所學過的知識重新溫故。
這次課程設(shè)計終于順利完成了，雖然很累，但看到趙老師每天都來給我們指導，并且還帶大四的畢業(yè)設(shè)計，又要忙評估的事情，就又感覺到累其實是充實。是她讓我學到了很多書本上無法學到的知識，在此，對她孜孜不倦的指導和和藹可親的態(tài)度表示崇高的敬意的真摯的感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W和其他指導老師表示忠心的感謝！
參考文獻
查閱的圖書如下：
《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》……趙洪兵主編，西安石油大學出版。
《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》……朱林主編，石油工業(yè)出版社出版。
《機械零件手冊》（第五版）……周開勤主編，高等教育出版社出版。
《機床設(shè)計手冊》……機械工業(yè)出版社出版。
《機床設(shè)計圖冊》……機械工業(yè)出版社出版。
《機械設(shè)計手冊》……機械工業(yè)出版社出版。
《機械制圖》（第五版）……高等教育出版社出版。
《機械設(shè)計》……濮良貴、紀名剛主編，高等教育出版社出版
《幾何量公差與檢測》……甘永立主編，上海科學技術(shù)出版社出版。
查閱的網(wǎng)站如下：
http://www.sihaidj.com/Production/StepMotion/350/110.asp
http://www.sihaidj.com/SetpMotion.asp
http://www.hx-motor.com/docc/product.htm
http://www.baolai-cn.com/products_8.htm
http://hx-motor.com/docc/product2.htm
機電一體化課程設(shè)計——開環(huán)控制縱向進給系統(tǒng)設(shè)計計算說明書
目錄
摘要及關(guān)鍵詞············································································3
正文·······························································································4
前言部分·······················································································4
本論部分·······················································································5
第1章 緒論····················································································5
1.1 機床機電一體化改造總體方案的設(shè)計··············································5
1.2 開環(huán)伺服進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計····················································5
第2章 機床機電一體化改造總體方案的設(shè)計·······························6
2.1 課程設(shè)計任務(wù)書············································································6
2.2 總體方案設(shè)計···············································································7
第3章 開環(huán)伺服進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計·······································9
3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量·········································································9
3.2 計算切削力···················································································9
3.3 滾珠絲杠螺母副的計算選型（縱向進給絲杠）·····································9
3.4 齒輪傳動比計算···········································································14
3.5 步進電動機的計算和選型······························································14
第4章 機械傳動機構(gòu)的調(diào)整和結(jié)構(gòu)的簡要說明··························19
4.1 絲杠進給速度的調(diào)節(jié)···································································19
4.2 軸向的預(yù)緊力的調(diào)整及定位··························································19
結(jié)論部分······················································································19
設(shè)計體會····················································································20
參考文獻····················································································21
摘要及關(guān)鍵詞
【摘要】
數(shù)控機床作為機電一體化的典型產(chǎn)品，在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大的作用，很好地解決了現(xiàn)代機械制造中結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精密、批量小、多變零件的加工問題，且能穩(wěn)定產(chǎn)品的加工質(zhì)量，大幅度地提高生產(chǎn)效率。但從目前企業(yè)面臨的情況看，因數(shù)控機床價格較貴，一次性投資較大使企業(yè)心有余而力不足。我國作為機床大國，擁有大量的普通機床。因此，對普通機床數(shù)控化改造不失為一種較好的選擇。
【關(guān)鍵詞】
機電一體化 開環(huán)控制縱向進給系統(tǒng)設(shè)計 滾珠絲杠螺母副 步進電動機
正文
前言部分
計算機技術(shù)和先進制造技術(shù)的發(fā)展，推動了機械加工在各方面的變革和進步。典型的數(shù)控機床已成為現(xiàn)代加工器械的鮮明代表?？紤]到企業(yè)的生產(chǎn)效率和投入成本，普通車床的數(shù)控化改造將是一個極為有意義的課題。
普通車床數(shù)控改造的設(shè)計是機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計的主要內(nèi)容。作為機械設(shè)計制造及其自動化專業(yè)的學生，這次設(shè)計是本人在學習完“機電一體化系統(tǒng)設(shè)計”、“數(shù)控機床”等專業(yè)課程之后進行的一個重要的實踐性教學環(huán)節(jié)。通過綜合運用所學的機械、電子、自動控制、微機等知識，進行一次機電結(jié)合的全面訓練，以培養(yǎng)獨立分析問題，解決問題和進行機電一體化系統(tǒng)初步設(shè)計的能力。此設(shè)計過程為期三個星期，在趙洪兵的指導下，本人將對普通車床進行開環(huán)控制縱向進給的改造。
由于學生水平有限，在設(shè)計乃至計算過程中難免會有一些錯誤，望各位老師及同學指點賜教。不勝感激。
計 算 及 說 明
結(jié)果
本論部分
第1章 緒論
1.1 機床機電一體化改造總體方案的設(shè)計
1.1.1 課程設(shè)計任務(wù)書
（1） 題目
（2） 原始數(shù)據(jù)
（3） 主要技術(shù)參數(shù)
（4） 課程設(shè)計的內(nèi)容及要求
1.1.2 總體方案設(shè)計
（1） 系統(tǒng)的運動方式的確定
（2） 伺服系統(tǒng)的選擇
（3） 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定
（4） 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
1.2 開環(huán)伺服進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計
1.2.1 確定系統(tǒng)脈沖當量
1.2.2 計算切削力
1.2.3 滾珠絲杠螺母副的計算選型（縱向進給絲杠）
（1） 計算進給牽引力
（2） 計算最大動負載
（3） 滾珠絲杠螺母副的選型
（4） 傳動效率計算
（5） 剛度計算
（6） 穩(wěn)定性校核
計 算 及 說 明
結(jié)果
1.2.4 齒輪傳動比計算
1.2.5 步進電動機的計算和選型
（1） 等效轉(zhuǎn)動慣量的計算
（2） 電機力矩計算
（3） 計算步進電動機空載起動頻率和切削時的工作頻率
1.2.6 設(shè)計繪制伺服進給系統(tǒng)機械裝配圖
第2章 機床機電一體化改造總體方案的設(shè)計
2.1 課程設(shè)計任務(wù)書
2.1.1 題目：
普通車床的機電一體化改造——開環(huán)控制縱向進給系統(tǒng)設(shè)計
2.1.2 原始數(shù)據(jù)：
最大共建回轉(zhuǎn)直徑：在床身上D=400毫米在床鞍上 D=210 毫米
最大工件長度 1000毫米
主電動機功率 7.5千瓦；轉(zhuǎn)速1450轉(zhuǎn)/分
2.1.3 主要技術(shù)參數(shù)（均為縱向）：
最大進給速度 1.0米/分
最大快移速度 4米/分
起動加速時間 30毫秒
移動部件重量 80公斤
機床定位精度 0.015毫米
2.1.4 課程設(shè)計的內(nèi)容及要求：
對CA6140型普通車床縱向進給系統(tǒng)進行數(shù)控改造，主要設(shè)計內(nèi)容及要求如下：
（1）采用開環(huán)控制，選擇合適的數(shù)控系統(tǒng)并確定伺服傳動系統(tǒng)方案；
（2）設(shè)計改造后數(shù)控車床縱向伺服進給系統(tǒng)原理框圖；
計 算 及 說 明
結(jié)果
（3）設(shè)計繪制改造后數(shù)控車床縱向伺服進給系統(tǒng)裝配圖（0號圖紙一張）；
（4）設(shè)計繪制主要零件圖一張（由指導老師制定）；
（5）撰寫設(shè)計計算說明書一份，正文字數(shù)不少于0.8萬字，設(shè)計說明書應(yīng)包含如下內(nèi)容：
設(shè)計任務(wù)書；目錄；摘要及關(guān)鍵詞；前言；正文：包括方案設(shè)計與比較論證、理論分析計算、主要機構(gòu)設(shè)計說明與簡圖等；小結(jié)；參考文獻。
設(shè)計說明書語言要流暢，書寫要工整，一律使用鋼筆書寫。
2.2 總體方案設(shè)計
?2.2.1 系統(tǒng)的運動方式的確定
由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床具有定位、直線插補、圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、螺紋加工等功能，所以應(yīng)該選用連續(xù)控制系統(tǒng)。
2.2.2 伺服系統(tǒng)的選擇
應(yīng)任務(wù)書的要求，采用步進電機開環(huán)控制系統(tǒng)。
2.2.3 執(zhí)行機構(gòu)傳動方式的確定
為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，若直接將電機與滾珠絲杠聯(lián)必會引起絲杠溫度過高即磨損加劇使其壽命降低。故在其兩者之間加一消隙齒輪箱，一使絲杠速度降低，二則消除系統(tǒng)傳動中的間隙，提高傳動精度，并有效減少反向運動死區(qū)現(xiàn)象，消隙齒輪箱與絲杠可采用聯(lián)軸器形式連接，這樣便確定了如下圖2-1所示的傳動方案。
電機
消隙齒輪箱
滾珠絲杠螺母副
工作臺
圖2-1 執(zhí)行機構(gòu)傳動方案
計 算 及 說 明
結(jié)果
2.2.4 數(shù)控系統(tǒng)的選擇
?根據(jù)機床要求，本著經(jīng)濟耐用的原則，確定采用8位機。MCS—51系列單片機主要有三種型號的產(chǎn)品：8031、8051和8751。由于MCS—51系列單片機的特點之一是硬件設(shè)計簡單，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，故對于簡單的應(yīng)用場合，MCS—51系統(tǒng)的最小系統(tǒng)用一片8031外擴一片EPROM就能滿足開環(huán)控制的要求。8031單片機內(nèi)含4kb EEPROM程序存儲器，具有功耗低、抗干擾能力強的特點，數(shù)據(jù)存儲器WM0016DRH是一種多功能非易失性SRAM，8031單片機高速高抗干擾自保持，不怕掉電，上下電百萬次數(shù)據(jù)無丟失，斷電保護10年有效，既可高速連續(xù)讀寫，也可任意地址單字節(jié)操作，無需拼湊頁面，隨機讀寫不需等待，立即有效，輸入輸出TTL/CMOS兼容，上電復(fù)位輸出，掉電保護，內(nèi)置看門狗，電源監(jiān)測，不用外加電路和電池，且引腳與標準SRAM兼容。8031單片機價格低，使用靈活，其特點具具體如下：
（1）具有功能很強的8位中央處理單元（CPU）；
（2）片內(nèi)有時鐘發(fā)生電路（6MH或12MH）；
（3）片內(nèi)具有128字節(jié)的RAM；
（4）具有21個特殊寄存器。
（5）可擴展64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲器和64K字節(jié)的外部程序存儲器；
（6）具有4個I/O口，32根I/O線；
（7）具有2個16位定時器/計數(shù)器；
（8）具有5個中斷源，配備2個中斷優(yōu)先級；
（9）具有一個全雙功串行接口；
（10）具有位尋址能力，適用邏輯運算。
從上述特性可看出這種8031芯片集成度高、功能強，只需增加少量外圍器件就可以構(gòu)成一個完整的微機系統(tǒng)。故應(yīng)選用8031單片機。
選用8031單片機
計 算 及 說 明
結(jié)果
第3章 開環(huán)伺服進給系統(tǒng)機械部分設(shè)計
3.1 確定系統(tǒng)脈沖當量
根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，縱向：0.01mm/步，橫向0.005mm/步。
3.2 計算切削力
確定切削力（縱車外圓）：
主切削力按經(jīng)驗公式估算：
按切削力各分力比例：
取：
3.3 滾珠絲杠螺母副的計算選型（縱向進給絲杠）
3.3.1 計算進給牽引力
縱向進給為綜合型導軌
式中——考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，綜合導軌??；
——滑動導軌摩擦系數(shù)：
——溜板及刀架重力：
3.3.2 計算最大動負載
計 算 及 說 明
結(jié)果
式中——滾珠絲杠導程，初選；
——最大切削力下的進給速度，可取最大進給速度的（），此處取；
——使用壽命，按；
——運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)?。?
——壽命，以轉(zhuǎn)為1單位。
3.3.3 滾珠絲杠螺母副的選型
查閱附錄A表A-2，可采用外循環(huán)螺紋調(diào)整浴巾的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動負載為164000N，進度等級按表4-6選為3級（大致相當于老標準E級）。
3.3.4 傳動效率計算
式中——螺旋升角，，
——摩擦角，取，滾動摩擦系數(shù)
計 算 及 說 明
結(jié)果
3.3.5 剛度計算
先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，如圖3-1所示。最大牽引力為2530N，支承間距，絲杠螺母及軸承均進行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的。
圖3-1 縱向進給系統(tǒng)計算簡圖
（1）絲杠的拉伸或壓縮變形量
查《課程設(shè)計指導書》P17，圖4-2，根據(jù)
，查出，可算出
由于兩端均采用向心推力球軸承，且絲杠又進行了 預(yù)拉伸，故其拉壓剛度可以提高4倍。其實際變形量為：
（2） 滾珠與螺紋滾道間接觸變形
查《課程設(shè)計指導書》P18圖4-3，W系列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量，因進行預(yù)緊，。
計 算 及 說 明
結(jié)果
（3）支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形
采用51107（舊代號為8107）型推力球軸承，，滾動體直徑，滾動體數(shù)量z=18。
注：此公式中的單位應(yīng)為kgf。
因施加預(yù)緊力，故
據(jù)以上計算：
3.3.6 穩(wěn)定性校核
滾珠絲杠兩端采用推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，不需要作穩(wěn)定性校核。
3.3.7 縱向滾珠絲杠副的幾何參數(shù)，如下表3-1。
表3-1 滾珠絲杠的幾何參數(shù)
名稱
符號
參 數(shù)
螺 紋 滾 道
公稱直徑
40
導 程
6
接觸角
鋼球直徑(mm)
3.969
滾道法面半徑
2.064
偏心距
0.056
螺紋升角
螺 桿
螺桿外徑
39
螺桿內(nèi)徑
35.984
螺桿接觸直徑
36.0355
螺 母
螺母螺紋直徑
44.016
螺母內(nèi)徑
40.7938
計 算 及 說 明
結(jié)果
3.4 齒輪傳動比計算
已取得縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電動機步距角?？捎嬎愠鰝鲃颖?
可選定齒輪齒數(shù)為：
故，取，模數(shù)取2.5。有關(guān)參數(shù)表3-2。
表3-2 傳動齒輪的幾何參數(shù)
齒 輪 編 號
齒數(shù)
32
32
24
分度圓
80
80
60
齒頂圓
85
85
60
齒根圓
73.75
73.75
53.75
齒寬
20
20
15
中心距
80
70
3.5 步進電動機的計算和選型
3.5.1 等效轉(zhuǎn)動慣量計算
計算簡圖見圖3-1，傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量可由下式計算：
計 算 及 說 明
結(jié)果
式中——步進電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
、——齒輪、的轉(zhuǎn)動慣量
——滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量。
參考同類型機床，初選反應(yīng)式步進電機，其轉(zhuǎn)子慣量
式中、——齒輪、的分度圓直徑；
、——齒輪、的齒寬。
代入上式：
考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。
基本滿足慣量匹配的要求。
計 算 及 說 明
結(jié)果
3.5.2 電機力矩計算
機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算：
（1）快速空載起動力矩
在快速空載起動階段加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：
將前面的數(shù)據(jù)帶入，式中各符號意義同前。
。
起動加速時間
折算到電機軸上的摩擦力矩：
附加摩擦力矩：
計 算 及 說 明
結(jié)果
上述三項合計：
（2）快速移動時所需力矩
（3）最大切削負載時所需力矩
從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，此項作為初選步進電動機的依據(jù)。
從課程設(shè)計指導書P36表4-13查出，當步進電動機為三相六拍時，。
最大靜力矩。
按此最大靜轉(zhuǎn)矩從下表3-3（由網(wǎng)址http://www.weidianji.net/bujindianji/
和http://www.sihaidj.com/Production/StepMotion/350/110.asp）查出，110BYG3503型最大靜轉(zhuǎn)矩為。大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號，但還必須進一步校核步進電動機起動矩頻特性和運行矩頻特性。
如下表3-3所示。
計 算 及 說 明
結(jié)果
3.5.3 計算步進電動機空載起動頻率和切削時的工作頻率
從上表3-3查出110BYG3503型步進電動機空載起動頻率為，圖3-2（http://hx-motor.com/docc/product2.htm）查出運行頻率為，且根據(jù)下圖3-2）藍色背景區(qū)所示可知其運行距頻特性。
表3-3 110BYG350系列電機的技術(shù)參數(shù)
型? 號
步距角
相數(shù)
電壓
線電流
靜轉(zhuǎn)矩
空載起動頻率
空載運行頻率
轉(zhuǎn)動慣量
機身長
單? 位
度
V
A
N.m
KHZ
KHZ
（kg.cm2)
（mm)
110BYG3501
0.6
3
110-220
5
12
1600
>=30
11
144
110BYG3502
0.6
3
110-220
5
16
1600
>=30
15
182
110BYG3503
0.6
3
110-220
5
20
1600
>=30
18
261
圖3-2 110BYG3503型步進電動機矩頻特性
計 算 及 說 明
結(jié)果
從圖3-2看出，當步進電動機起動時，若，則，能滿足此機床所要求的空載起動力矩可直接起動。
當快速運動和切削進給時，根據(jù)圖3-2，步進電動機運行矩頻特性知，時，左右，大于，完全可以滿足要求。
第4章 機械傳動機構(gòu)的調(diào)整和結(jié)構(gòu)的簡要說明
4.1 絲杠進給速度的調(diào)節(jié)
由于系統(tǒng)為開環(huán)系統(tǒng)，故采用脈沖信號的變化來控制步進電機的轉(zhuǎn)速，進而通過齒輪箱到絲杠軸，對大托板的縱向進給速度進行控制。
4.2 軸向的預(yù)緊力的調(diào)整及定位
由裝配圖可知，在絲杠軸的兩端各裝有一對鎖緊螺母（預(yù)緊螺母），可有這對螺母對絲杠軸的軸向預(yù)緊進行調(diào)整，并起到定位作用。每組支承部件的另一端，即與鎖緊螺母對應(yīng)的那端采用端蓋定位。在絲杠副的一端也采用端蓋定位，另一端為鎖緊螺母，既預(yù)緊又定位。
結(jié)論部分
經(jīng)過計算、校核、設(shè)計，表明改造任務(wù)的初步設(shè)計合理，數(shù)據(jù)準確，現(xiàn)改造方案已設(shè)計成圖紙——見裝配圖（圖01）和零件圖（圖02）。
該改造設(shè)計相對普通車床來說，提高了自動化程度，加入了計算機控制，操作、結(jié)構(gòu)簡單化，既能降低能耗，又能提高了工作效率。但是設(shè)計者由于能力有限，經(jīng)驗寒酸，時間緊迫，設(shè)計及圖紙中難免有不妥甚至是重大錯誤，望老師和同學指正。
設(shè)計體會
課程設(shè)計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識，發(fā)現(xiàn)、提出、分析和解決實際問題，鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié)，是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程?；仡櫰鸫舜握n程設(shè)計，我感慨頗多。
在整整三星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是總體來講，效果還是很好的，不僅鞏固了以前所學的知識，還學到了很多在書本上無法學到的知識。整個設(shè)計過程不能說是困難重重，難免會遇到過各種各樣的問題，和第一次課程設(shè)計相比，力不從心的感覺不再那么強烈，但在設(shè)計的過程中還是發(fā)現(xiàn)了自己許多不足之處，使自己認識到對以前所學知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說螺釘?shù)漠嫹ǜ緵]有掌握，全篇的螺釘沒有一個畫對，箱體壁厚取值太小，電機無法固定，并出現(xiàn)設(shè)計太隨意，尺寸隨意取，以至于設(shè)計方案難以加工。
通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合的重要性，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。通過這次課程設(shè)計之后，一定把以前所學過的知識重新溫故。
這次課程設(shè)計終于順利完成了，雖然很累，但看到趙老師每天都來給我們指導，并且還帶大四的畢業(yè)設(shè)計，又要忙評估的事情，就又感覺到累其實是充實。是她讓我學到了很多書本上無法學到的知識，在此，對她孜孜不倦的指導和和藹可親的態(tài)度表示崇高的敬意的真摯的感謝！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W和其他指導老師表示忠心的感謝！
參考文獻
查閱的圖書如下：
《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計課程設(shè)計指導書》……趙洪兵主編，西安石油大學出版。
《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》……朱林主編，石油工業(yè)出版社出版。
《機械零件手冊》（第五版）……周開勤主編，高等教育出版社出版。
《機床設(shè)計手冊》……機械工業(yè)出版社出版。
《機床設(shè)計圖冊》……機械工業(yè)出版社出版。
《機械設(shè)計手冊》……機械工業(yè)出版社出版。
《機械制圖》（第五版）……高等教育出版社出版。
《機械設(shè)計》……濮良貴、紀名剛主編，高等教育出版社出版
《幾何量公差與檢測》……甘永立主編，上?？茖W技術(shù)出版社出版。
查閱的網(wǎng)站如下：
http://www.sihaidj.com/Production/StepMotion/350/110.asp
http://www.sihaidj.com/SetpMotion.asp
http://www.hx-motor.com/docc/product.htm
http://www.baolai-cn.com/products_8.htm
http://hx-motor.com/docc/product2.htm
機電一體化課程設(shè)計——開環(huán)控制縱向進給系統(tǒng)設(shè)計計算說明書 - 23 -