车削中心主传动及进给传动结构及控制系统设计[机电-单片机][含CAD高清图纸和文档]
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机电-单片机
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数控车床主传动及进给传动系统设计 2上海电机学院毕业设计（论文）开题报告课题名称 车削中心主传动及进给传动系统设计 学 院 机械学院 专 业 机械电子工程 班 级 BJ0908 学 号 BJ090806 姓 名 孙自强 指导教师 周俊妩 定稿日期： 2013 年3 月 1日2数控车床主传动及进给传动系统设计1 选题目的及意义数控机床是一种高科技的机电一体化产品,是综合应用计算机技术、精密测量及现在机械制造技术等各种先进技术相结合的产物。数控机床作为实现柔性制造系统、计算机集成制造系统和未来工厂自动化的基础已成为现在制造技术中不可缺少的生产手段,是机电一体化技术的重要组成部分。随着科学技术的迅速发展,数控技术的应用范围日益扩大。数控机床已成为现在机械制造业中的主要技术装备。机床是工业之母，它的技术含量的高低直接影响着产品质量的高低。随着产品质量的精密化、个性化，产品品种的多样化，这对机床设备的要求越来越高！当前我国正在大力发展先进制造和振兴装备制造业，我们看到当前在越来越多的企业采用数控设备，在此可见此题的时代意义！同时它涉及多门机械课程，可以说此次设计是对过去四年学习的检验和提高！通过此次设计能够提高个人的专业素质和培养同学们的团体协作精神！此次结合实际分工做主传动系统设计，我们知道此部分在整个系统中有着重要的作用，它的精确性、可靠性直接决定着数控车床的精确性、可靠性；同时此部分在设计过程中要求作者有着良好的专业功底和求实精神；总之此选题具有一定实际可操作性和实际意义！2 （文献综述）国内外研究现状与发展趋势20世纪50年代初第一台数控机床的出现，使制造技术的发展出现了日新月异的局面。特别是近20年来，随着计算机技术、信息技术和微电子技术等高新技术的发展，制造业也发生了革命性的变化。数控技术正在朝着高精度、高速度、高柔性、高可靠性以及复合化的方向发展。当前数控技术在德国和日本发展相当顺利，无论在理论还是实践应用都处于领先水平，然而我国比他们有相当大的差距，国内数控设备在很大程度上依赖国外进口！不过经过几十年的努力我们已取得了一定的发展，据最新报道华中数控的技术在许多方面已与国外的差距缩小很多，可以预见只要我们坚持自主创新、勇攀高峰的精神，我们一定能够在此领域有一席之地的！近年来，随着数控技术的不断发展，数控机床的主传动系统也呈现出一些新的发展趋势、如主轴转速的高速化、功能结构的复合化和肉性化。在高速化的方面，采用了电主轴，又称内置式电动机主轴单元，就是将高速电动机置于机床主轴部件内部，通过交流变频控制系统，使主轴获得所需要的工作转速和转矩，实现电动机、主轴一体化功能；另外，在复合化和肉性化方面，主传动系统设计发生了很大的变化，数控车床由单主轴发展为双主轴，在此基础上增设附加控制轴C轴，成为车削中心，并可配备刀库和其他辅助功能。在车削中心基础上增加自动装卸工件的机械手和更换卡盘装置等，则成为适合于中小批量加工自动化的车削肉性制造单元。由此可见，现代数控加工完全打破了传统工艺规程规定，由机床单一化走向多元化、复合化。3 研究内容1.课题主要任务2.总体设计方案拟定3车削中心主传动及进给传动系统设计3.1 主传动系统设计交流伺服电机带传动主轴（同轴安装脉冲编码器，安装在主轴后面）3.1.1交流伺服电机的计算与选型3.1.2 同步带的计算与选型3.1.3主轴的主要尺寸计算3.1.4主轴滚动轴承的计算与选型3.1.5主轴键的设计计算3.1.6润滑与密封3.1.7脉冲编码器的选择3.2 进给传动系统设计步进电机带传动丝杠传动螺母位移工作台位移3.2.1 X轴进给系统设计1）滚珠丝杠螺母副的计算与选型2）直线滚动导轨副的计算与选型3）同步带的计算与选型4）步进电机的计算与选型3.2.2 Y轴进给系统设计1）滚珠丝杠螺母副的计算与选型2）直线滚动导轨副的计算与选型3）同步带的计算与选型4）步进电机的计算与选型3.3 控制系统的设计3.3.1 总体方案设计3.3.2 微机硬件系统设计步进电动机、驱动电源和控制器构成了步进电机驱动系统。3.3.3 微机软件系统设计 控制器控制驱动器使步进电机转动，带动工作台工作。4 研究方案4.1 主传动4.1.1 控制系统单片机的选型控制系统在此采用单片机。因为单片机具有以下优点：1.它的体积小、质量轻便于携带；2.USB接口通讯及供电，通讯速度快，无需外接电源；3.有电源状态指示灯，可直观了解编程器当前状态；4.可靠性好，在制造芯片时将已开发好的程序写入ROM, 用户本身无法改变；5.易于扩展，芯片外部有许多供扩展用的三总线以及并行、串行I/0管脚，很容易构成各种规模的计算机应用系统；6.价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件4.1.2 驱动系统交流伺服电机的选型驱动系统在此采用交流伺服电机。交流伺服电动机的结构主要可分为两部分，即定子部分和转子部分。其中定子的结构与旋转变压器的定子基本相同，在定子铁心中也安放着空间互成90度电角度的两相绕组。其中一组为激磁绕组，另一组为控制绕组，交流伺服电动机一种两相的交流电动机。 交流伺服电动机使用时，激磁绕组两端施加恒定的激磁电压Uf，控制绕组两端施加控制电压Uk。当定子绕组加上电压后，伺服电动机很快就会转动起来。 通入励磁绕组及控制绕组的电流在电机内产生一个旋转磁场，旋转磁场的转向决定了电机的转向，当任意一个绕组上所加的电压反相时，旋转磁场的方向就发生改变，电机的方向也发生改变。同时交流伺服电机具有以下优点：1.无电刷和换向器，因此工作可靠，对维护和保养要求低。2.定子绕组散热比较方便。3.惯量小，易于提高系统的快速性。4.同功率下有较小的体积和重量。5.适应于高速大力矩工作状态。4.1.3 传动系统同步带的选型传动系统在此采用同步带。4.2 进给传动X轴进给运动4.2.1 控制系统单片机的选型控制系统同主传动，采用单片机4.2.2 驱动系统步进电机的选型驱动系统同主传动，采用步进电机驱动控制程序通过控制步进电机正反转实现往复运动。步进电动机具有快速启停、高精度、能够直接接受数字信号和不需要位移传感器就可达到较精确定位等特点，因而在需要精确定位的场合得到广泛的应用。步进电机相对普通电机来说，他可以实现开环控制，即通过驱动器信号输入端输入的脉冲数量和频率实现步进电机的角度和速度控制，无需反馈信号。4.2.3 传动系统同步带、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副的选型同步带传动是由一根内周表面设有等间距齿形的环行带及具有相应吻合的轮所组成。它综合了带传动、链传动和齿轮传动各自的优点。转动时，通过带齿与轮的齿槽相啮合来传递动力。 传输用同步带传动具有准确的传动比，无滑差，可获得恒定的速比，传动平稳，能吸振，噪音小，传动比范围大，一般可达1:10。允许线速度可达50M/S，传递功率从几瓦到百千瓦。传动效率高，一般可达98%，结构紧凑，适宜于多轴传动，不需润滑，无污染，因此可在不允许有污染和工作环境较为恶劣的场所下正常工作。其作用：传动比准确,传动效率高，节能效果好。滚珠丝杠螺母副由丝杠、螺母、滚珠和反向器（滚珠循环反向装置）四部分组成。当丝杠转动时，带动滚珠沿螺纹轨道滚动，为防止滚珠从滚珠道端面掉出，在螺母的螺旋槽两端设有滚珠回程引导装置构成滚珠的循环返回通道，从而形成滚珠流动的闭合通道。其所起作用：将直线运动和旋转运动进行相互转化。直线滚动导轨摩擦系数小，运动灵活；动、静摩擦系数基本相同，因而启动阻力小，而不易产生爬行；可预紧，刚度高；寿命长；精度高；润滑方便，可采用脂润滑，一次填装，长期使用；有专业长生产，可以直接外购选用。其所起作用：起导向的作用。传动系统采用同步带、滚珠丝杠螺母副和直线滚动导轨副。因为滚珠丝杠螺母副和线滚动导轨副具有以下特点：滚珠丝杠螺母副特点：1）传动具有可逆性。2）运动平稳，摩擦力小，灵敏度高。3）轴向刚度高、反向定位精度高。4）摩擦损失小，传动效率高，同步性好。直线滚动导轨副具有以下特点：1）摩擦系数小2）易爬行3）动效率高4）构紧凑，安装预紧方便4.3 Y轴进给传动4.3.1 控制系统单片机的选型控制系统同主传动，采用单片机4.3.2 驱动系统步进电机的选型驱动系统同主传动，采用步进电机驱动4.3.3 传动系统同步带、滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副的选型传动系统同X轴进给传动，采用同步带、滚珠丝杠螺母副和直线滚动导轨副4.4 控制部分4.41总体方案设计4.4.2控制系统硬件设计步进电动机、驱动电源和控制器构成了步进电机驱动系统。 单片机驱动器步进电机 步进电机控制系统框图4.4.3控制系统软件设计 进给系统流程图5 计划进度安排2012年12月10日-12月17日 收集、研究资料；2012年12月18日-12月31日 开题，拟定总体设计方案；2013年1月1日-1月31日 修改、完善开题报告；完成文献翻译；2013年2月1日-3月31日 系统有关设计计算，绘制总装配图；2013年4月1日-4月15日 绘制主要零件的零件图；2013年4月16日-4月30日 控制系统设计，绘制微机控制接线图；2013年5月1日-5月20日 撰写设计计算说明书；2013年5月21日-5月25日 修改及准备答辩；6 参考文献1 张海英，刘胜明.基于PLC的自动上下料机械手的设计J.制造装备技术2010,(09).2 陈红.气动机械手系统设计.长春理工大学，2010.3 邓康一.气动机械手的结构设计及伺服控制研究.西安建筑科技大学，2008.4 李超.气动通用上下料机械手的研究与开发.山西科技大学，2003.5 张毅刚.单片机原理及应用M.北京：高等教育出版社，2003.12.6 张占立，康春花，郭士军，符克理，基于单片机的步进电机控制系统，电机与控制运用，2011,38（3). 7 濮良贵.机械设计M.北京:高等教育出版社,2006.8 李超.气动通用上下料机械手的研究与开发，山西科技大学，2003.9 王知行.机械原理M.北京:高等教育出版社,2006.10 王雄耀. 近代气动机器人(气动机械手)的发展及应用J. 液压气动与密封1999,(05) . 11 林梓九. 四自由度气动机械手及其控制系统的设计J. 职业, 2009,(17).12 郭洪武. 浅析机械手的应用与发展趋势J. 中国西部科技, 2012,(10) . 13 李庭贵.气动机械手搬运物料精确定位控制系统设计J.液压与气动，2012，（01）.14 齐进凯.气动机械手的结构设计、分析及控制的研究O.东华大学，2006.15 黄海机.基于单片机的物料搬运机械手的控制系统研究J.机电工程技术，2007，（11）.16 于传浩,章涤峰.一种气动机械手夹持机构的设计J.液压气动与密封，2003（05）.17 黄伟玲.基于PLC的气动搬运机械手设计J.煤矿机械，2009,(10).18 敬岚,朱海君,张硕成,乔卫民,梁义海.步进电机控制系统的设计及其应用.核技术.2005,28（6）19 成大先.主编 化学工业出版社.机械设计图册.1997.20 孟少农编著.北京机械工业出版.机械加工工艺手册. 21 J. M. Corbett a Prospective work design of a human-centred CNC lathea Control Systems Centre, UMIST, PO Box 88, Manchester, M60 1QO, EnglandVersion of record first published: 31 Jan 2007.22 P. T. Kidd aThe social shaping of technology: the case of a CNCLathea Department of Control Engineering, University of Sheffield, Mappin Street, Sheffield, SI, 3JD, UK Version of record first published: 01 Feb 2007.指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日
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