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機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 目錄 摘要及關鍵 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 計 5 1 2 開環(huán)伺服進給系統機械部分設 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 計 5 第 2 章 機床機電一體化改造總體方案的設 計 6 2 1 課程設計任務 書 6 2 2 總體方案設 計 7 第 3 章 開環(huán)伺服進給系統機械部分設 計 9 3 1 確定系統脈沖當 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 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 14 第 4 章 機械傳動機構的調整和結構的簡要說 明 19 4 1 絲杠進給速度的調 節(jié) 19 4 2 軸向的預緊力的調整及定 位 19 結論部 分 19 設計體 會 20 參考文 獻 21 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 摘要及關鍵詞 摘要 數控機床作為機電一體化的典型產品 在機械制造業(yè)中發(fā)揮著巨大 的作用 很好地解決了現代機械制造中結構復雜 精密 批量小 多變 零件的加工問題 且能穩(wěn)定產品的加工質量 大幅度地提高生產效率 但從目前企業(yè)面臨的情況看 因數控機床價格較貴 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 對普通機床數控化改造不失為一種較好的選擇 關鍵詞 機電一體化 開環(huán)控制縱向進給系統設計 滾珠絲杠螺母副 步進電動機 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 正文 前言部分 計算機技術和先進制造技術的發(fā)展 推動了機械加工在各方面的變革和進步 典型的數控機床已成為現代加工器械的鮮明代表 考慮到企業(yè)的生產效率和投入成 本 普通車床的數控化改造將是一個極為有意義的課題 普通車床數控改造的設計是機電一體化系統課程設計的主要內容 作為機械設 計制造及其自動化專業(yè)的學生 這次設計是本人在學習完 機電一體化系統設計 數控機床 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初步設計的能力 此設計過程為期 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 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 計 算 及 說 明 結果 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計 1 1 1 課程設計任務書 1 題目 2 原始數據 3 主要技術參數 4 課程設計的內容及要求 1 1 2 總體方案設計 1 系統的運動方式的確定 2 伺服系統的選擇 3 執(zhí)行機構傳動方式的確定 4 數控系統的選擇 1 2 開環(huán)伺服進給系統機械部分設計 1 2 1 確定系統脈沖當量 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 m FN 2 計算最大動負載 C 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 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 計 算 及 說 明 結果 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 設計繪制伺服進給系統機械裝配圖 第 2 章 機床機電一體化改造總體方案的設計 2 1 課程設計任務書 2 1 1 題目 普通車床的機電一體化改造 開環(huán)控制縱向進給系統設計 2 1 2 原始數據 最大共建回轉直徑 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 轉速 1450 轉 分 2 1 3 主要技術參數 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 課程設計的內容及要求 對 CA6140 型普通車床縱向進給系統進行數控改造 主要設計內 容及要求如下 1 采用開環(huán)控制 選擇合適的數控系統并確定伺服傳動系統方案 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 2 設計改造后數控車床縱向伺服進給系統原理框圖 計 算 及 說 明 結果 3 設計繪制改造后數控車床縱向伺服進給系統裝配圖 0 號圖紙 一張 4 設計繪制主要零件圖一張 由指導老師制定 5 撰寫設計計算說明書一份 正文字數不少于 0 8 萬字 設計說 明書應包含如下內容 設計任務書 目錄 摘要及關鍵詞 前言 正文 包括方案設計 與比較論證 理論分析計算 主要機構設計說明與簡圖等 小結 參 考文獻 設計說明書語言要流暢 書寫要工整 一律使用鋼筆書寫 2 2 總體方案設計 2 2 1 系統的運動方式的確定 由于改造后的經濟型數控車床具有定位 直線插補 圓弧插補 暫停 循環(huán)加工 螺紋加工等功能 所以應該選用連續(xù)控制系統 2 2 2 伺服系統的選擇 應任務書的要求 采用步進電機開環(huán)控制系統 2 2 3 執(zhí)行機構傳動方式的確定 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)現象 消隙齒輪箱與絲杠可采用聯軸器形式連接 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 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 圖 2 1 執(zhí)行機構傳動方案 計 算 及 說 明 結果 2 2 4 數控系統的選擇 根據機床要求 本著經濟耐用的原則 確定采用 8 位機 MCS 51 系列單片機主要有三種型號的產品 8031 8051 和 8751 由于 MCS 51 系列單片機的特點之一是硬件設計簡單 系統結構緊 湊 故對于簡單的應用場合 MCS 51 系統的最小系統用一片 8031 外擴一片 EPROM 就能滿足開環(huán)控制的要求 8031 單片機內含 4kb EEPROM 程序存儲器 具有功耗低 抗干擾能力強的特點 數據存 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 上下電百萬次數據無丟失 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 上電復位輸出 掉電保護 內置看門狗 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 片內有時鐘發(fā)生電路 6MH 或 12MH 3 片內具有 128 字節(jié)的 RAM 4 具有 21 個特殊寄存器 5 可擴展 64K 字節(jié)的外部數據存儲器和 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 選用 8031 單片機 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 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成一個完整的微機系統 故應選用 8031 單片 機 計 算 及 說 明 結果 第 3 章 開環(huán)伺服進給系統機械部分設計 3 1 確定系統脈沖當量 根據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 按經驗公式估算 ZFN 1 51 5max0674036DN 按切削力各分力比例 zy 2F 取 3x y560 41 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 m FN 縱向進給為綜合型導軌 xzKfFG 1 5340 16 5308 2530N 式中 考慮顛覆力矩影響的實驗系數 綜合導軌取 K 1 K 滑動導軌摩擦系數 f 8 5360ZFN 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 溜板及刀架重力 Gg80180NkgGm 3 3 2 計算最大動負載 C3 wmLfF 計 算 及 說 明 結果601nT 0svL 式中 滾珠絲杠導程 初選 0L6m 最大切削力下的進給速度 可取最大進給速度的 sv 此處取 123 1 0in 50insvrr 使用壽命 按 Th 運轉系數 按一般運轉取 wf 1 25wf 壽命 以 轉為 1 單位 L600 83 min6svnrL 66 1507 1T 337 2381 6wmCLfFN 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)螺紋調整浴巾的雙1W406 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 1280 6CN 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 tan 式中 螺旋升角 1W406L24 摩擦角 取 滾動摩擦系數 0 3 4 計 算 及 說 明 結果tantan2 9 410 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緊 150Lm 預緊力為最大軸向負荷的 3 圖 3 1 縱向進給系統計算簡圖 1 絲杠的拉伸或壓縮變形量 1 查 課程設計指導書 P17 圖 4 2 根據 查出 2530 4mFNDm 501 2L 可算出 52101 8L m 由于兩端均采用向心推力球軸承 且絲杠又進行了 預拉伸 故其 拉壓剛度可以提高 4 倍 其實際變形量 為 1 m 0 94 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 211 0 45 2 滾珠與螺紋滾道間接觸變形 2 查 課程設計指導書 P18 圖 4 3 W 系列 2 5 圈滾珠和螺紋滾道接觸 變形量 因進行預緊 2 6 4m 21 6 432m 計 算 及 說 明 結果 3 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 3 采用 51107 舊代號為 8107 型推力球軸承 滾動135dm 體直徑 滾動體數量 z 18 6 35Qdm 332 230 40 46 518mQFdZ 75 注 此公式中的 單位應為 kgf mF 因施加預緊力 故 31 0 75 382m 據以上計算 123 0 45 1 定 位 精 度 3 3 6 穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端采用推力軸承 不會產生失穩(wěn)現象 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 如下表 3 1 0 15m 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 表 3 1 滾珠絲杠的幾何參數1W406L 名稱 符號 參 數 公稱直徑 0d40 導 程 L6 接觸角 24 鋼球直徑 mm qd3 969 滾道法面半徑 R0 52qd 2 064 偏心距 esin 0 056 螺 紋 滾 道 螺紋升角 0taLc 24 螺桿外徑 d0 25 qd 39 螺桿內徑 11eR 35 984 螺 桿 螺桿接觸直徑 z0coszqd 36 0355 螺 母 螺母螺紋直徑 D2e 44 016 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 螺母內徑 1D0 25 qdd 40 7938 計 算 及 說 明 結果 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 0 1p 06Lm 初選步進電動機步距角 可計算出傳動比 6 i 可選定齒輪齒數為 1236zi 故 取 模數 取 2 5 有關參數表 3 2 1236zm 表 3 2 傳動齒輪的幾何參數 齒 輪 編 號 1z23z 齒數 32 32 24 分度圓 dmz 80 80 60 齒頂圓 2a 85 85 60 齒根圓 1 5f 73 75 73 75 53 75 齒寬 60 20 20 15 中心距 12Ad 80 70 1i 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 3 5 步進電動機的計算和選型 3 5 1 等效轉動慣量計算 計算簡圖見圖 3 1 傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量 可由下式計算 2 Jkgcm 2201 MSLZGJJg 計 算 及 說 明 結果 式中 步進電機轉子轉動慣量J 2 kgcm 齒輪 的轉動慣量121Z2 滾珠絲杠轉動慣量 S 2 參考同類型機床 初選反應式步進電機 其轉子慣量1035BYG218MJkgcm 34341210 78 782JdL 26 39kgcm 342509 S kgcm 80GN 式中 齒輪 的分度圓直徑 1d21Z2 齒輪 的齒寬 L 代入上式 2201 MSLZGJJg 2 238 686 90 6 9 5 9 2 415MJ 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 261 47kgcm 考慮步進電機與傳動系統慣量匹配問題 243 7MJkgc 158 基本滿足慣量匹配的要求 計 算 及 說 明 結果 3 5 2 電機力矩計算 機床在不同的工況下 其所需轉矩不同 下面分別按各階段計算 1 快速空載起動力矩 M起 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 0f a mx起 22maxmax10166nnJJtt 將前面的數據帶入 式中各符號意義同前 max40 6 7in36 13bpvnr 起動加速時間 0ats2 2max06 710 463nMJt mx 149 8Nc 折算到電機軸上的摩擦力矩 f 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 0021 2ZffFGLLMiz 16538 67 Ncm 附加摩擦力矩 0 10220302pomFLFLMiz 1356 92 8 計 算 及 說 明 結果0 519 3Nm 上述三項合計 0fM a mx起 1429 87 15362 98c 2 快速移動時所需力矩 快 0 f Nm 快 3 最大切削負載時所需力矩 切 002xftfFLMMi 切 134 617 528 0 9 Ncm 從上面計算可以看出 和 三種工況下 以快速空起 快 切 載起動所需力矩最大 此項作為初選步進電動機的依據 從課程設計指導書 P36 表 4 13 查出 當步進電動機為三相六拍 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 時 max0 86qjM 最大靜力矩 152 961804 j Ncm 按此最大靜轉矩從下表 3 3 由網址 和 110BYG3503 型最大靜轉矩為 大于所需最大靜轉矩 可作為20N 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 max1004 6 716061kpvf Hz sepf 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 uct2 htm 查出運行頻160Hz 率為 且根據下圖 3 2 藍色背景區(qū)所示可知其運行距頻特5 性 表 3 3 110BYG350 系列電機的技術參數 型 號 步 距 角 相 數 電壓 線 電 流 靜轉 矩 空載 起動 頻率 空載運 行頻率 轉動慣量 機身長 單 位 度 V A N m KHZ KHZ kg cm2 mm 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 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 結果 從圖 3 2 看出 當步進電動機起動時 若 則160fHz 起 能滿足此機床所要求的空載起動力矩 可18MNm 52 98Ncm 直接起動 當快速運動和切削進給時 根據圖 3 2 步進電動機運行矩頻特性知 時 左右 大于 完6 7efHz18 3Nm max1804 jMc 全可以滿足要求 第 4 章 機械傳動機構的調整和結構的簡要說明 4 1 絲杠進給速度的調節(jié) 由于系統為開環(huán)系統 故采用脈沖信號的變化來控制步進電機的 轉速 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 軸向的預緊力的調整及定位 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 由裝配圖可知 在絲杠軸的兩端各裝有一對鎖緊螺母 預緊螺母 可有這對螺母對絲杠軸的軸向預緊進行調整 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 既預緊又定位 結論部分 經過計算 校核 設計 表明改造任務的初步設計合理 數據準 確 現改造方案已設計成圖紙 見裝配圖 圖 01 和零件圖 圖 02 該改造設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 結構簡單化 既能降低能耗 又能提高了工作效率 但 是設計者由于能力有限 經驗寒酸 時間緊迫 設計及圖紙中難免有 不妥甚至是重大錯誤 望老師和同學指正 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 設計體會 課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識 發(fā)現 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 計過程不能說是困難重重 難免會遇到過各種各樣的問題 和第一次課程設計相比 力不從心的感覺不再那么強烈 但在設計的過程中還是發(fā)現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 比如說螺釘的畫 法根本沒有掌握 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 并出現設計太隨意 尺寸隨意取 以至于設計方案難以加工 通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結合的重要性 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合起來 從理論中得出結論 才能真 正為社會服務 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 計之后 一定把以前所學過的知識重新溫故 這次課程設計終于順利完成了 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 機電一體化課程設計 開環(huán)控制縱向進給系統設計計算說明書 參考文獻 查閱的圖書如下 機電一體化系統設計課程設計指導書 趙洪兵主編 西安石油大學出版 機電一體化系統設計 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 機床設計手冊 機械工業(yè)出版社出版 機床設計圖冊 機械工業(yè)出版社出版 機械設計手冊 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 上海科學技術出版社出版 查閱的網站如下 http www hx http www baolai http hx