数控十字滑台设计【毕业论文答辩资料】

需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 摘 要 随着制造业的发展，人们深刻的感受到数控机床在生产中的地位是越来越重要。本文 结合机电一体化的需要，设计以单片机作为控制系统的 工作台（ X Y 工作台是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台）。 通过对 工作台机械结构设计和控制电路接口的设计，阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。这种工作台通常与整机设计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有着共同点。 关键词 ： 控十字滑台；机电一体化；单片机 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 s in is s a -Y as of -Y is . s of of in of of is a is a of in 要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 目 录 1 绪论 . 1 字控制技术的产生和发展 . 6 国数控机床的发展情况 . 7 控机床中十字滑台的设计 . 8 2 机床改造总体方案设计 . 9 3 确定机械传动改造方案 . 10 计原始参数 . 10 定切削用量 . 11 给运动的切削负载分析及计算方法 . 11 个方向的分力 . 11 擦阻力 . 11 效转动惯量计算 . 11 杠摩擦阻力矩的计算 . 12 效负载转矩 计算 . 12 动惯性阻力矩的计算 . 12 进电机输出轴总的负载转矩的计算 . 12 进电机的匹配选择 . 12 珠丝杠的选择与校核 . 13 作原理及结构 . 13 珠丝杠副的特点 . 13 载能力的校核 . 13 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 杆稳定性验算 . 14 度验算 . 14 轮的校核计算 . 15 承的选择与校核 . 18 轨的选择 . 18 4 控制系统的硬件及软件设计 . 19 定控制系统方案 . 19 片机控制系统硬件设计 . 19 片机控制系统的硬件构成 . 19 片机引脚及其功能 . 20 制线 . 21 片机的选择 . 22 储器的选用与扩展 . 22 储器的选用及连接 . 22 址锁存器 . 23 盘与显示电路及其程序 . 23 8155 工作方式设定 . 25 态查询 . 26 8155 定时功能 . 26 盘显示电路工作原理 . 28 进电机接口电路 . 36 5 总结 . 39 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 参考文献 . 40 致谢 . 41 买文档送全套图纸 扣扣 414951605 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 1 绪论 字控制技术的产生和发展 最早采用数字控制技术进行机械加工的思想，是在 20世纪 40年代提出的。当时美国北密执安的一个小型飞机叶片轮廓样板时，利用全数字电子计算 机对叶片轮廓的加工路径进行了处理，并考虑了刀具对加工路径的影响，使加工精度达到 当时的水平来看，是相当高的。 1952年，美国麻省理工学院研制出一套实验性数字控制系统，并把它装在一台数字立式铣床上，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上的第一台数控机床，是数控机床的第一代。但是这台机床毕竟是一台实验性机床，到了 1954年 11月，在帕尔森专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克公司生产出来的。 1959年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体 管和印刷电路版，从而使数控机床跨入了第二代。同年 3月，由美国克耐杜列克公司发明了需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。现在加工中心已成为数控机床中一种非常重要的品种，在工业发达的国家中占数控机床总量的 1/4左右。 1960年，研制出了小规模集成电路。由于它的体积小，功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。 以上三代，都是采用专用控制的硬件数控系统（ 1967年，英国首先把几台数控机床联成具有柔性的加工系统，这就是最初的 性制造系统。之后，美 、 欧 、 日等国也相继进行了开发和应用。 随着计算机技术的发展，小型计算机的价格和使用了微处理器。 1974年，美 、 日等国首先先研制出以微处理器为核心的数控机床。 30多年来，微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和应用，这是第五代数控。后来，人们将 20世纪 80年代初，国际上又出现了柔性制造单元 种单元投资少 、 见效快，既可单独长时间少人看管运行，也可集成制造系统中使用。所以近几十年来，得到快速发展和应用。 算机集成制造系统的必经阶段和基础。 国数控机床的发展情况 我国从 1958年开始研究数控技术，一直到 20世纪 60年代中期处于研制 、 开发时期。 1965年，国内开始研制晶体管数控系统。 20世纪 60年代末 70年代初研制成功 1 从 20世纪 70年代开始，数控技术在车 、 铣 、 钻 、 镗 、 磨 、 齿轮加工 、 电加工等领域全面开展，数控加工中心在上海 、 北京研制成功。但数控系统 的可靠性 、稳定性未得到解决。在这一时期，数控机床结构简单，使用方便。 20世纪 80年代，我国从国外引进部分系列的数控系统和直流主轴电机技术和一些新的技术，使我国的数控机床在性能上有了质的飞跃。 1995年以后，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。 现在我国已经建立了以中，低档数控机床为主的产业体系，未来几十年，我国将成为数控机床的生产，使用大国。 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 控机床中十字滑台的设计 随着制造业的发展，人们深刻的感受到数控机床在生产 中的地位是越来越重要，虽然近几年我国组合机床的技术在不断的发展，然而组合机床通用部件中的大型滑台，至今仍主要是单坐标的滑台。而有些国家的组合机床早在 70年代（或更早些）就有了双坐标的十字滑台。 机电一体化技术的数控机械如数控机床、绘图机、火焰切割机、电加工机床以及衣料开片机等都有一个在 种工作台通常与整机设计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有着共同点。该设计的数控 虑到 8031单片微机具有较高的性能价格比，具有强有力的指令系统，决定选用 位 8031单片机芯片作为本系统的微处理器。 X 向和 文通过对 X 制系统及接口电路的设计，阐述了机电一体化系统设计中的共性和关键的技术。 在超精密机床和超精密加工中，为使机床微位移的分辨率进一步提高；为进行机床和加工误差的在线补偿，以提高加工精度；为进行某些特殊的非轴对称表面的加工，都需要使用微量进给装置。高精度微量进给装置现在已成为超精度机床的一 个重要的关键装置。现在高精度微量进给装置已可达到 对实现超薄切削，实现高精度尺寸加工和实现在线误差补偿是十分有用的。 3 数控 控钻床等设备实际上是 2轴半的系统，即工作台的两个方向联动、垂直于工作台的刀具不必与工作台联动。在对一些 X 示为 作很不方便而且通用性不强。 为此，在此基础上设计了通用的 2轴半数控控制器。其基本思想是采用最新的微处理技术和集成电路技术，提高系统集成度，从而提高可靠性，降低成本，减小体积。它具有良好的人机交互界面，满足一般 2轴半数控系统的需要。 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 2 机 床 改 造 总 体 方 案 设 计 对数控十字滑台而言，主要是纵横方向两个坐标的传动，根据设计任务要求，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统，这样可以使控制系统简单，成本低，调试维修容易，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚珠滚 动导轨，为尽量消除齿侧间隙，计算机系统仍采用 6 14 ： 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 微机环形分配器光电隔离功率放大步进电机步进电机工作台执行元件环形分配器光电隔离功率放大图 2 1（结构总体框图） 3 确 定 机 械 传 动 改 造 方 案 计原始参数 (1)、工作滑台面长 250(2)、铣刀 20(3)、铣削深度 p=5(4)、铣刀齿数 Z=3 (5)、齿进给量 6)、被加工材料 50 (7)、工作台移动速度 x=2 、 y=2m/要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 定切削用量 根据加工方式不同，切削用量选择方式也不同。对铣削而言，主要是切削速度 V，切削深度削宽度齿进给量刀齿数 z,铣刀直径 D。切削用量主要根据刀具的类型，刀具的材料，被加工工件的材料等参数和有关手册及教科书确定。除 了工作进给速度而外，还有一个快进速度问题，一般情况下，推荐快进速度为 V0.2/4 这里要注意把机床的主运动与进给速度分开。 给运动的切削负载分析及计算方法 设计参数为：铣刀的直径 D=20数 Z=3，切削深度 5pa 每齿进给量 被加工材料 50。据实际工作情况可认为同时工作的齿数为 2齿，每 齿 切 削 层 面 积 为 S= 5=两齿为 2 1=2则圆周力 250=500000N 个方向的分力 沿进给方向的水平分力 000N 沿进给方向的垂直分力 500N 沿铣刀轴向分力 750N 擦阻力 铣床工作台与导轨间的相对运动为滑动摩擦，取摩擦系数 u=擦力等于正压力乘摩擦系数。正压力应包括主切削力工作台重量为100 可算出其摩擦阻力为： （ 100 10+2750） 75N 效转动惯量计算 00360 5 其中： i齿轮传动比， 步距角，0t螺距， 脉冲当量 i=6/360 0;5;m=数 );b=20宽 )；压力角为 20 0mm;3mm;若将齿轮看作近似的圆柱体，齿轮材料为 45钢，则齿轮的转动惯量分别为： 4 4 5 27 . 8 3 . 3 2 1 0 1 . 8 5 1 0 k g m 4 4 57 . 8 4 . 0 5 2 1 0 4 . 2 1 0 k g m 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 根据类比的方法，滚珠系直径选择为 2=m;材料为 45钢，则系杠的转动惯量可近似算出为 4 4 3 27 . 8 3 . 2 5 5 1 0 0 . 4 5 1 0 k g m 查手册预选电机为 110查得的 电机转子轴的转动惯量为 424 . 6 1 0mJ k g m,拆算到电动机轴上的总转动惯量为： 2 2 3 21 2 0( ) ( / 2 3 . 1 4 ) 0 . 8 5 1 0m z z J J J i m i t k g m 7 杠摩擦阻力矩的计算 由于床用的是滚珠丝杠，摩擦阻力矩很小，可以忽略不计。 效负载转矩 计算 纵 + n (2 (2000+375) 2/、起动惯性阻力矩 的计算 以最不利条件下的快速起动计算，设起动加速式制动减速的时间 t=于步进电机的角速度m=2 0=角加速度为：m= : Jm=103m) 进电机输出轴总的负载转矩的计算 惯 进电机的匹配选择 考虑到机械传动系统的效率为 n，安全系数取 K，此时的负载总转矩 ( 由预选的步进电机型号为三相六拍，步距角 最大静转矩 保证正常的起动与停止，步进电机的起动转矩 由下表可以查出 11 。 电机相数 3 4 5 6 运行拍数 3 6 4 8 5 10 6 可算出 m)，因为比 以选择合适 。 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 珠丝杠的选择与校核 作原理及结构 丝杠和螺母的螺纹滚道间置有滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生的滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的旋转槽两端设有回程引导装置。 珠丝杠副的特点 （ 1）刚度好 通过给螺母组件内施加预压来获得较高的 系统刚度，可满足各种机械传动要求，无爬行现象，始终保持传动高效率，效率高达 90%95%，耗费的能量仅为滑动丝杠的 1/3。 （ 2）传动具有可逆性 既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传递可保持运动的平稳性和灵敏性。 （ 3）传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制造精度，又由于摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，容易获得较高的传动精度。 （ 4）使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动，磨损极小，长期使用后仍能保持其精度，因而受命长，具有很高的可靠性。其 寿命一般比滑动丝杠要高 5 6倍。 （ 5）不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。 （ 6）制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。 滚珠丝杠的选择，一般是根据机床原来丝杠的大小，按类比法来选择直径，因此必须进行以下项目的校核。 载能力的校核 3 m a x 0 f f P C 9 式中 滚珠丝杠寿命系数 =60610 载荷系数，中等冲击 T使用寿命时间 15000 硬度系数 纵 +2000+375=2375N 则 Q= 63 6 0 3 3 3 . 3 1 5 0 0 0 / 1 0 1 . 0 1 . 2 2 3 7 5 4 9 3 6 1 N 查表可知道满足要求。 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 杆稳定性验算 223 . 1 4 / m a xP k F k E I R D P12 式中 实际承受载荷的能力 压杆稳定的支承系数 ,双推 ,单推 ,又推简支时为 2,双推自由式为 E刚的弹性模量 10 ( I丝杆稳定安全系数 ,一般取 直安装取小值 . 由上例，取 由上例 ,取 ,I=2*5 K=4,L=20杠长度 ) 4 则 10N 375N) 度验算 丝杠的刚度是要保证第一导程的 变形量在允许的范围内 ,起变形计算公式为 : L=00 2/ / 2 3 . 1 4 S M I E14 式中 系数符号同上 . 式中的正号用于拉伸 ,负号用于压缩 有如下计算结果 : 设 t=()2=I=P=375N 则 : L=2375 0) 808(2 810 ) =810 足使用要求 所以 ,我们的电机选择型号 :110杠选 6。 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 图 3 1(滚珠丝杠螺母副 ) 即螺纹调隙式的滚珠丝杠螺母副，其一个螺母的外端有凸缘而另一个螺母的外端没有凸缘而制 有螺纹，它伸出在套筒外，并用两个圆螺母固定着。旋转圆螺母时，即可消除间隙，并产生预紧拉力，调整好后再用另一个圆螺母把它锁紧。 这种结构的特点是结构紧凑，调整方便，虽轴向位移不太精确，但应用较广泛。 轮的校核计算 所选齿轮参数如下： 0;5;m=数 );b=20宽 )；压力角为 20 0mm;3mm;小齿轮用 40质处理，硬度为 241均为 260齿轮用 45钢，调质处理，硬度为 229均取 24015 16 12111 . 8 8 3 . 2 c o o s 0 1 . 5 9 22540 . 8 9 齿间载荷分布系数：2211 1 . 2 60 . 8 9 齿向载荷分布系数： 2 2331 201 0 1 . 1 7 0 . 1 6 0 . 6 1 1 0 2 0 1 . 2 530 B C 查表得： 1 . 5 , 1 . 2荷系数： 1 . 5 1 . 2 1 . 2 5 1 . 2 6 2 . 7A V H K K K 弹性 系数：接触最小安全系数：由表得 m 工作时间： 1 0 3 0 0 8 0 . 2 4 8 0 0 应力循环次数：查表可估计 791 0 1 0则指数 m=要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 8 . 7 81111m a x m a 8 7 8 . 8 7 8 . 8 7 76 0 6 06 0 1 4 1 6 . 6 7 4 8 0 0 1 0 . 2 0 . 5 0 . 2 0 . 3 2 . 3 9 1 0i h iV i n i tN n t y t 故原估计应力次数正确。 772 / 2 . 3 9 1 0 / 1 . 2 5 1 . 9 1 2 1 0 i 接触寿命系数查图得：121 . 2 2 1 . 2 4，由12,l i m 1 l i m 27 1 0 , 5 8 0M P a M P a许用接触应力 ： l i m 1 1m i nl i m 2 22m i 0 1 . 2 28251 . 0 55 8 0 1 . 2 46851 . 0 52 0 1 . 5 3 0 m 算接触应力： 1212 1 2 2 . 7 1 9 8 4 1 . 2 5 11 8 9 . 8 2 . 5 0 . 8 9 4 3 22 0 3 0 1 . 2 5 Z M P ab d u 2故选择合适 齿根弯曲疲劳强度验算 2 5 ： 重合度系数 ： 0 . 7 5 0 . 7 50 . 2 5 0 . 2 5 0 . 7 21 . 5 9 2Y 齿间载荷分配系数： 11 1 . 3 90 . 7 2 齿向载荷分布系数 1 . 5 1 0 . 2 5 1 . 5 3 . 3 7 5/ 2 0 / 2 0 / 3 . 3 7 5 5 . 9 2 6a f a ah h h h m h c mb h h 由查图可得： 载荷系数 K3 8 ： 1 . 5 1 . 2 1 . 3 9 1 . 2 3 . 0A V F K K K 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 齿形 系数 应力修正系数 弯曲疲劳极限 图得：l i m 1 l i m 26 0 0 , 4 5 0 a M P a弯曲最小安全系数6 1 03 1 0 1 0 4 9 . 9 1 指 数 4 9 . 9 1114 9 . 9 1 4 9 . 9 1 4 9 . 9 1 7606 0 1 4 1 6 . 6 7 4 8 0 0 1 0 . 2 0 . 5 0 . 5 0 . 2 0 . 3 2 . 4 1 0ni h ni n a x n l 原估计循环次数正确 7721 / 2 . 4 1 0 / 1 . 2 5 1 . 9 2 1 0 i 弯曲寿命系数20 . 9 6 , 0 . 9 7尺寸系数许用弯曲应力 F7 10 ： l i m 1m i nl i m 2 22m i 0 0 . 9 6 1 . 04 6 0 . 81 . 2 56 0 0 0 . 9 6 1 . 04 6 0 . 81 . 2 5F N 校核： 11 1 1111222111222 1 2 3 . 0 1 9 3 42 . 8 1 . 5 4 0 . 7 2 4 02 0 3 0 1 . 52 . 6 3 1 . 5 84 0 3 8 . 52 . 8 1 . 5 4F F a s a s a s Y M P ab d 需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 承的选择与校核 在轴承的选择上选用深沟球轴承和推力球轴承配合。深沟球轴承承受轴向力，推力球轴承承受轴向力。 预选轴承 2 4 9 ： 深沟球轴承 6205 d=25 D=52 B=18 24N7 N推力球轴承 51305 d=25 D=52 B=18 3 5 N6 1 N有轻微冲击，预期使用寿命为：5000h 采用脂润滑 223 . 1 4 / m a xP k F k E I R D P /a / 2 0 0 0 / 2 8 8 0 0 . 2 5 4a o E 查机械零件设计表 e= / 2 0 0 0 / 5 2 7 4 0 . 3 7 / e 故查表 ： X=1， Y=0 1 . 1 5 2 7 4 5 8 0 1f F ,3 3 3,4 1 6 . 6 7 5 0 0 05 0 8 1 2 2 7 0 8 . 71 6 6 7 0 1 . 2 5 1 6 6 7 024 N C 故所选轴承合格。 轨的选择 根据导轨的设计要求，选择滚动导轨。 滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠，滚针，滚柱等滚动体，使相配的两个导轨面只同滚动体接触而不直接接触导轨。 滚动导轨的特点是导轨面之间是滚动摩擦，而不是滑动摩擦。由于摩擦阻力小，故使工作部件移动起来很灵敏。滚动摩擦的摩擦系数小，并且它和运动速度快慢无关，低速时运动也均匀 ，工作部件的定位精度高，并且不易出现爬行现象。因为滚动摩擦阻力小，所以工作部件的启动和运行的功率小。滚动导轨的磨损小，它的精度持久性需要购买对应 纸 咨 询 14951605 买对应的 纸 14951605 或 1304139763 好。但滚动导轨对赃物比较敏感，故必须有良好的防护装置。 经比较，选用滚动导轨中的滚珠导轨。 4 控 制 系 统 的 硬 件 及 软 件 设 计 定控制系统方案 微机实现机电一体化方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要重新设计控制系统，比较复杂；后者选用单