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立式
数控铣床
工作台
设计
- 资源描述：
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立式数控铣床工作台设计
说明书 23页4200字数+4张CAD图纸
轴套.dwg
齿轮.dwg
工作台.dwg
立式数控铣床工作台设计说明书.doc
装配图.dwg
目录
一、总体设计方案的确定2
1、工作台总体结构的确定2
2、传动方案的确定2
二、机械部分设计计算3
1、纵向进给系统设计计算3
(1)、切削力计算3
(2)、滚珠丝杆设计计算4
（3）、齿轮及转矩的有关计算5
2、横向进给系统设计计算8
（1）、切削力计算8
(2)、滚珠丝杆设计计算：8
(3)、齿轮及转矩的有关计算10
3、步进电机的选择12
(1)、纵向进给系统的电机的确定：12
(2)、横向进给系统步进电机的确定：12
4、滚动导轨的选择13
(1)、摩擦力计算：13
(2)、寿命计算：13
三、数控部分设计及编程14
四、参考文献：23
本次数控改造属于经济型的改造,为降低生产成本,在满足使用要求的前提下,对机床的改动要尽量的少.故确定总体设计方案如下:
采用MSC-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲驱动步进电机，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现数控平台的纵向、横向进给运动。
初步采用
（1）、步进电机2个（X、Y向分别控制）
（2）、滚珠丝杆2套，由于所受的力以及行程长短不一样，所以要分别选择计算
（3）、滚动导轨：双导轨、四滑块（分别为X、Y向，长短选择不同）
（4）、带有三条“”槽的工作台面
纵向进给系统设计计算
已知条件：
工作台重量： W=800N
时间常数： T=25ms
滚珠丝杆基本导程： L0=6mm
行程： S=320mm
脉冲当量：
步进角：
快速进给速度：
电机功率 ： N=1.5kw
横向进给系统设计计算
经济型数控改造的横向进给系统的设比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高伟动精度。
已知条件：
工作台重量： W=300N
时间常数： T=25ms
滚珠丝杆基本导程： L0=6mm
行程： S=200mm
脉冲当量：
步进角：
快速进给速度：
- 内容简介：
-
目录一、总体设计方案的确定21、工作台总体结构的确定22、传动方案的确定2二、机械部分设计计算31、纵向进给系统设计计算3(1)、切削力计算3(2)、滚珠丝杆设计计算4（3）、齿轮及转矩的有关计算52、横向进给系统设计计算8（1）、切削力计算8(2)、滚珠丝杆设计计算：8(3)、齿轮及转矩的有关计算103、步进电机的选择12(1)、纵向进给系统的电机的确定：12(2)、横向进给系统步进电机的确定：124、滚动导轨的选择13(1)、摩擦力计算：13(2)、寿命计算：13三、数控部分设计及编程14四、参考文献：23一、总体设计方案的确定本次数控改造属于经济型的改造,为降低生产成本,在满足使用要求的前提下,对机床的改动要尽量的少.故确定总体设计方案如下:采用MSC-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲驱动步进电机，经一级齿轮减速后，带动滚珠丝杠转动，从而实现数控平台的纵向、横向进给运动。方案如下：1、工作台总体结构的确定初步采用（1）、步进电机2个（X、Y向分别控制）（2）、滚珠丝杆2套，由于所受的力以及行程长短不一样，所以要分别选择计算（3）、滚动导轨：双导轨、四滑块（分别为X、Y向，长短选择不同）（4）、带有三条“”槽的工作台面2、传动方案的确定步进电机（是否需要齿轮减速装置？减速比取多少？）滚珠丝杆工作台X、Y方向满足：二、机械部分设计计算1、纵向进给系统设计计算已知条件：工作台重量： W=800N时间常数： T=25ms滚珠丝杆基本导程： L0=6mm行程： S=320mm脉冲当量： 步进角： 快速进给速度： 电机功率 ： N=1.5kw(1)、切削力计算 由机床设计手册可知，切削功率 查机床说明书，得电机功率N=1.5kw；系统总效率5；系统功率系数K=0.96。则 ；式中切削线速度V=100m/min 主切削： 由金属切削原理可知，主切削力： , 则可计算出FZ如下所示：mm111222mm0.10.20.30.10.20.3(N)33456276266811241524查表，可知当FZ=562.3N时，切削力深度mm，走刀量从机械设计手册中可知，在一般外团圆车削时； , 即： (2)、滚珠丝杆设计计算：对于矩形槽： K=1.15,摩擦系数f=0.161）、 强度计算：寿命值： ；取工件直径：D=80mm;查表T1=15000h 最大动负载： 查表： ； 根据Q选择滚珠丝杆型号： CMD25042.5E其额定动载荷Q=14462N，所以强度足够用。d1=22.5mm。螺母长度L=71mm,余程le=16mm,螺纹长度l=320+71+216=423mm.2 )、 效率计算：根据机械原理，丝杆螺母副的传动效率： 其中摩擦角，螺旋升角因此：3）、 刚度验算：受工作负载P引起导程变化量： L0=6mm=0.6cm, E=20.6106N/cm2 滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小，可忽略。即寻程变形总误差为：查表知E级精度丝杆允许的螺距误差（1m长）为故刚度足够。4）、 稳定性验算：由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不验算。4）、稳定性验算：由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不用验算。（3）、齿轮及转矩的有关计算 1）、有关齿轮计算： ,传动比：取第一级为：Z1=2.5取：Z1=18,Z2=45,m=2,b=20mm, mmmm取二级齿轮转动比： , Z3=18,Z4=45，m=2,b=20mm, 中心距：2)、 传动惯量计算： 工作台质量折算到电机轴上的传动惯量： 丝杠的转动惯量： 齿轮的转动惯量： 电机的转动惯量很小可以忽略。 3）、齿轮的转动惯量： 电机的转动惯量很小可以忽略。 4）、所需转动力矩计算： 、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩： 、 切削时折算到电机轴上的加速度力矩： 、 折算电机轴上的摩擦力矩： 当 , 时：、 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩： 当时，预加载荷,则： 、 折算到电机轴上的切削负载力矩： 所以，快速空载启动所需力矩 切削时进给所需力矩：快速 进给所需力矩： 由以上分析可知：所需最大力矩Mmax 发生在快速启动时： 2、横向进给系统设计计算经济型数控改造的横向进给系统的设比较简单，一般是步进电机经减速后驱动滚珠丝杠，使刀架横向运动。步进电机安装在大拖板上，用法兰盘将步进电机和机床大拖板连接起来，以保证其同轴度，提高伟动精度。已知条件：工作台重量： W=300N时间常数： T=25ms滚珠丝杆基本导程： L0=6mm行程： S=200mm脉冲当量： 步进角： 快速进给速度： （1）、切削力计算 横向进给为纵向的1/21/3,取1/2，则切削力为纵向的1/2 切断工件时： 取K=1.15, 滚动摩擦系数为则寿命值：(2)、滚珠丝杆设计计算：1）、 强度计算：对于矩形槽： K=1.15,摩擦系数f=0.16则 寿命值： ；取工件直径：D=80mm;查表T1=15000h 查表： ；最大动负载：根据Q选择滚珠丝杆型号： CMD20042.5E其额定动载荷Q=5862N，所以强度足够用。d1=17.5mm。螺母长度L=72mm,余程le=16mm,螺纹长度l=200+72+216=304mm.2)、 效率计算：根据机械原理，丝杆螺母副的传动效率： 其中摩擦角，螺旋升角因此：3）、 刚度验算：受工作负载P引起导程变化量： L0=6mm=0.6cm, E=20.6106N/cm2 滚珠丝杆受扭矩引起的导程变化很小，可忽略。即寻程变形总误差为：查表知E级精度丝杆允许的螺距误差（1m长）为故刚度足够。4）、 稳定性验算：由于选用滚珠丝杆的直径与原丝杆直径相同，而支承方式不存在问题，故不验算。(3)、齿轮及转矩的有关计算,m=2传动比：取第一级为：,Z1=18,Z2=45, d1=36,d2=90取二级：, Z1=18,Z2=45, d3=36,d4=902)、传动惯量计算： 工作台质量折算到电机轴上的传动惯量： 丝杠的转动惯量： 齿轮的转动惯量： 电机的转动惯量很小可以忽略。 3）、所需转动力矩计算： 、空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩： 、 切削时折算到电机轴上的加速度力矩： 、 折算电机轴上的摩擦力矩： 当 , 滚动摩擦系数时：、 由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩： 当时，预加载荷,则： 、 折算到电机轴上的切削负载力矩： 所以，快速空载启动所需力矩 切削时进给所需力矩：快速 进给所需力矩： 由以上分析可知：所需最大力矩Mmax 发生在快速启动时：3、步进电机的选择(1)、纵向进给系统的电机的确定：根据启动力矩的选择 ; 电机启动力矩；电机静负载力矩 则：为满足最小步角要求，电机选用三相六拍工作方式，查表知: 所以，步进电机最大静转距为： 步进电机最高工作频率： 综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机。 (2)、横向进给系统步进电机的确定： 则：为满足最小步角要求，电机选用三相六拍工作方式，查表知: 所以，步进电机最大静转距为： 步进电机最高工作频率： 综合考虑，查表选用 110BF003 型直流步进电机。4、滚动导轨的选择综合考虑机床的基本额定载荷及其它方面的因素，选取HTSDWAA(宽幅矩型滑块)的滚珠导轨。初步选用4滑块，工作台大小400300，工作台自重300N，外载荷700N。(1)、摩擦力计算：摩擦力计算公式 式中为滚动摩擦系数取,P为法向载荷纵向P=349.2,横向P=229.4，f为密封件阻力，取f=0.5N.纵向F=0.003349.2+0.5=1.55N横向F=0.003229.4+0.5=1.19N(2)、寿命计算： 纵向行程为0.32m目标寿命L=0.3225608300510-3=2304km选择HTSDLG20WAA型导轨，额定动载Ca为10.28W，根据计算可知，满足强度要求。横向行程为0.2m，目标寿命L=0.225608300510-3=1440km选择HTSDLG20WAA型导轨。额定动载Ca为4.51W.三、数控部分设计及编程设计步进电机工作台第一象限直线插补控制（逐点比较法）方案。原理：逐点比较法是一种代数算法，其特点是能逐点计算和判别运动偏差，并逐点纠正以逼迫理论轨迹。逐点比较法的理论误差是一个脉冲当量。在整个插补过程中走一步均需完成四个工作节拍是：1、偏差判别，2、进给控制，3、新偏差计算，4、终点判别。（一）、硬件控制示意图8255控制控制口地址为2BH，PA口地址为28H。CPU8255PA5 PA4 PA3 PA2 PA1 PA0功放 功放电路 电路Y Y Y X X X电 电 电 电 电 电机 机 机 机 机 机C B A C B A相 相 相 相 相 相（二）、主程序框图及内存分配开始设栈指针，8255初始化，A口、B口输出清内存，送控制电机代码进内存确定控制字初值 #0AH 70H，各坐标值及偏差送内存NYF 0 ？置控制字为03H，X分配 置控制字为0CH，Y分配调环分子程序沿+X走一步， 调环分子程序沿+Y走一步，调延时程序 调延时程序新偏差及新坐标计算 新偏差及新坐标计算F=F-ye x=x+1 F=F+xe y=y+1 终点判别Ny=ye x=xe Y结束图2-2-1 主程序框图表2-2-1 内存分配表内存单元地址存放内容28H终点坐标xe值29H终点坐标xe值2AH插补值X2BH插补值Y2EH偏差值F70H控制电机正、反转的控制字（三）、子程序框图表2-3-1 软环分表及X、Y电机带电状态码的内存分配表正转X电机电机状态Y电机反转内存地址状态内容内存地址状态内容10H00H20H00H11H01HA21H08H12H03HAB22H18H13H02HB23H10H14H06HBC24H30H15H04HC25H20H16H05HCA26H28H17H00H27H00H入口N （Y电机转）X电机转？ Y N（X正转）N（Y正转）X正转？ Y正转？ YYX状态码 X状态码 Y状态码 Y状态码 表地址+1 表地址-1 表地址+1 表地址-1表 取代码 表 取代码 表 取代码 表 取代码首 尾 首 尾地 地 地 地址 址 址 址YYYY 代码=0？ 代码=0？ 代码=0？ 代码=0？NNNN代码经8255 代码经8255 代码经8255 代码经8255数据口输 数据口输 数据口输 数据口输出到电机 出到电机 出到电机 出到电机调延时子程序 返回图2-3-1 子程序MOTR框图（四）、程序清单MAIN:MOV SP,#60H ;主程序开始 MOV R0,#2BH ;8255初始化 MOV A,#80H ;设置A口、B口输出 MOVX R0,A MOV R5,#10H MOV R6,#20H CLR A ;位清零使表头表尾为0 MOV 10H,A MOV 17H,A MOV 20H,A MOV 27H,A MOV R0,#11H ;装X电机状态码到内存 MOV R0,#01H INC R0 MOV R0,#03H INC R0 MOV R0,#02H INC R0 MOV R0,#06H INC R0 MOV R0,#04H INC R0MOV R0,#05H MOV R0,#21H ;装Y电机状态码到内存 MOV R0,#08H INC R0 MOV R0,#18H INC R0 MOV R0,#10H INC R0 MOV R0,#30H INC R0 MOV R0,#20H INC R0 MOV R0,#28HLOR4:MOV 28H,#0C8H ;Xe MOV 29H,#0C8H ;Ye MOV 2AH,#00H ;X MOV 2BH,#00H ;Y MOV 2EH,#00H ;F MOV 70H,#0AH ;电机初始状态LOP3:MOV A,2EH ;偏差送到A口 JB ACC.7,LOP1 ;F0跳到LOP1Y转 MOV A,70H SETB ACC.0 ;D0=1X转 CLR ACC.2 ;D2=0Y不转 MOV 70H,A ;送控制字 LCALL MOTR ;X方向走一步 MOV A,2EH ;偏差送到A SUBB A,29H ;F-Ye INC 2AH ;X+1 AJMP LOP2 ;跳转到LOP2进行偏差判断LOP1:MOV A,70H SETB ACC.2 ;D2=1Y转 CLR ACC.0 ;D0=0X不转 MOV 70H,A ;送控制字 LCALL MOTR ;Y方向走一步 MOV A,2EH ;偏差送到A ADD A,28H ;F+Xe INC 2BH ;Y+1LOP2:MOV 2EH,A ;将A的偏差送到2EH单元 MOV A,28H CJNE A,2AH,LOP3 ;Xe=X? MOV A,29H CJNE A,2BH,LOP3 ;Ye=Y? AJMP STMOTR:MOV A,70H ;MOTR子程序，查看控制字 JNB ACC.0,Y ;D0=!1,X不转,则执行Y(Y转) X:JNB ACC.1,XF ;D1=!1,X不转,则执行XF XZ:INC R5 ;X正转地址指针R5+1 MOV A,R5 ;从代码表中取R5指向的代码到A MOV R0,A MOV A,R0 CJNE A,#00H,LP1 ;判断是否到表底,不是则执行LP1 MOV R5,#11H ;到表底则重新指向表首 MOV A,R5 ;从代码表中取R5指向的代码到A MOV R0,A MOV A,R0 LP1:MOV R1,#28H ;代码输出两行 MOVX R1,A MOV R2,#10H LCALL YANS ;延时两行 RET XF:DEC R5 ;X正转地址指针R5-1 MOV A,R5 ;从代码表中取R5指向的代码到A MOV R0,A MOV A,R0 CJNE A,#00H,LP2 ;判断是否到表头,不是则执行LP2 MOV R5,#16H ;到表头则重新指向表底 MOV A,R5 ;从代码表中取R5指向的代码到A MOV R0,A MOV A,R0 LP2:MOV R1,#28H ;代码输出两行 MOVX R1,A MOV R2,#10H LCALL YANS ;延时两行 RETY: JNB ACC.3,YF ;D3=!1,X不转,则执行X(X转) YZ:INC R6 ;Y正转地址指针R6+1 MOV A,R6 ;从代码表中取R5指向的代码到A MOV R0,A MOV A,R0 CJNE A,#00H,LP3 ;判断是否到表底,不是则执行LP3 MOV R6,#21H ;到表底则重新指向表首 MOV A,R6 ;从代码表中取R5指
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