X－Y数控工作台设计

工程学院课程设计说明书课程名称：数控专业课课程设计设计题目：XY 数控工作台设计指导老师： 李伟洪 设计： 班级： 学号： 论 文（设 计）任 务 书课程编号 j1410031 课程名称 专业课课程设计（机电、数控） 周数 3实施地点 科技楼 班级 机制 10311038 班 人数 90起止时间 07.3.1207.3.30 形式 集中 分散 指导教师 李伟洪论文（设计）进度安排1方案论证-2 天2机械部分设计-5 天3电气部分设计-3 天4软件设计-2 天5编写说明书-2 天6准备答辩及答辩-1 天论文（设计）内容任务是：设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。具体参数如下：系统分辨率为 0.01mm，最大铣刀直径 = 16 mm, 最大铣削宽度 ae = 5 mm, 最大铣削深度 ap,= 2 mm，加工材料为碳钢，工作台加工范围 200 mm150 mm，最大移动速度为 3m/min，制系统为单片机控制系统。设计的内容包括：1总体方案的确定1）确定系统组成方案（组成框图、功能、机械传动系统简图、主要设计参数，及方案分析、比较、说明） 。2机械部分的设计1）确定脉冲当量；2）机械部件的总体尺寸、质量、转动惯量的估算；3）传动部件、导向部件的设计、计算和选用；4）步进电动机计算、选用；5）绘制机械结构装配图。3数控系统的设计1）确定数控装置方案（组成框图、功能、主要设计参数，及方案分析、比较、说明） 。2）电气控制原理图设计（CPU、存储器、I/O 接口电路及伺服驱动电路） 。3）系统控制软件的结构设计（控制流程图）和部分功能控制软件设计（汇编程序及流程图） 。4编写设计说明书要求(包括纪律要求和报告书要求)1图纸要求1）机械结构装配图，A0 图纸一张。要求视图基本完整、符合标准。其中至少有一个坐标轴的完整剖视图。2）数控系统框图（附在说明书上） ；3）数控电器图，A1 图纸一张；4）软件框图（可附在说明书上） 。2编写设计说明书要求说明书应当叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定、系统框图的分析、机械传动设计计算、电气部分的设计说明，选用元件及其具体参数的说明、软件设计及其说明等，说明书的不少于 8000 字。注：本表按自然班填写。于动员时发给学生。不够纸请另附页。前言设计目的数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题-数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。设计要求课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机 I/O 接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。说明书的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。该课程设计的内容及方法，可以归纳如下：1.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。3.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等） ，进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量） 、加（减）速控制和误差计算。4.学会使用手册及图表资料。1.总体方案的确定1.1 设计参数系统分辨率为 0.01mm，其它设计参数如下表。设计分组 最大铣刀直径 最大铣削宽度 ae最大铣削深度 ap加工材料 工作台加工范围（mm）最大移动速度4 16mm 5mm 2mm 碳钢 X=200,y=150 3m/min工作台草图1.2 初选步进电动机和丝杠当传动比 i=1 时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由 i=(公式 2-1) ， b 为步进电机步距角 Lo 为滚珠丝杠导程、 为系统脉冲当量。pbL360 p选电动机型号为 55BF009，其步矩角 =b9.0选丝杠规格为 2004-3(FYND)其导程为 4mm,由传动比公式 得 pbLi3601.364i故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。预选由广州菱科自动化设备有限公司生产的 LK13 系列刚性联轴器（） 。1.3 初定工作台尺寸查机电一体化设计手册 ，根据(GB/T 158-1996)选工作台 T 型槽尺寸如下：深度 H=15mm槽低宽度 B12mm槽宽 A6mmC6mm槽数5，间隔40mm 20 20 20；由工作台加工范围 200*150 选工作台尺寸240200 20初定滚珠丝杠长度 L340mmB 5060 Lx+B+1020 35451.4 系统组成框图B2.机械部分的设计2.1 传动系统等效转动惯量计算2.1.1 机转子转动惯量查指导书表面 2-18 得 2071.cmkgJD2.1.2 丝杠的转动惯量由指导书公式 2-3 有 得2348LS 2344.01278.0cmkgJS 2.1.3 工作台转动惯量 GJ由于工作台材料为碳钢，故其质量为 kgvm74.620418.73 2220 .03.)14.3()( cmLJG由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计2.1.4 总转动惯量计算 2514.0273.07. ckgJJGSD 2.2 工作载荷分析及计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给 ).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式 ,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.查金属切削手册P 398常用铣刀介绍表，选择细齿锥柄立铣刀， 其尺寸参数如下：D=16mm,齿数 Z=4。2.2.1查金属切削手册P 417细齿锥柄立铣刀切削用量表得铣削速度 min/20v查铣工表 24，初选 0.03mmfa因此可得min/3750.rZavnf 查机械制造基础课程设计指导书表 4-15 立式铣床主轴转速表，选铣床型号 X51，查其转速表并将转速圆整为 i/38r实际切削速度为 min/1.9103864.10ndv故实际 nZaf 29.38452.2.2根据指导书表 2-2 得高速钢铣刀铣削公式为zadaCFpfeFZZ 86.072.086.1.9查指导书表 2-3 得铣削力系数 2.FZC有 NZ 139.51609.52.68. 8.0 进给工作台工作载荷计算查指导书表 2-4，有如下表格参数不对称铣削比值逆铣 顺铣ZLF/12 09V/03 08ZC/04 04故有纵向进给方向 NFLSN625.1739.5.21工作台垂直进给方向 VS.8.048工作台横向进给方向 CN0571392.4 滚珠丝杠螺母副的选型和校核2.4.1 最大工作载荷的计算滚珠丝杠上的工作载荷 为走刀抗力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。mF由于选择的导轨要求结构紧凑，间隙调整方便，摩损小，有良好的精度保持性且运动平稳，故选择直线滚动导轨，在此设计中还要求导轨能承受一定的颠覆力矩，所以选择燕尾导轨的实验公式进行计算，由式 2-11 )2( GFfkFCVLm4.1k2.0f将所得数据代入公式有： N974.38)5.6.782.56(.017.34. 2.4.2 最大动负载 C 的计算及主要尺寸初选滚珠丝杠最大运载荷 mFfL3由指导书中可知 610tnKNCCrLvn a74.36.1974.38215.025.6in/.4.1036 2.4.3 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率 为 查得 （或可由 算出）)(tg105 0DrctgL946.)52(t2.4.4 刚度验算丝杠的拉压变形量的计算满载时拉压变形量： mAELFm 0269.4/5.17.306.298241 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2由指导书式 2-17 得 32201. ZFDYJWm式中 为滚珠直径，WDW8.为滚珠总数量Z 个列 数圈 数 69132Z3)81.204(3)( WmdNFYJ 91.27/为 预 紧 力m01.698.1273./401. 22 滚珠丝杠副刚度的验算丝杠总变形量 0369.0.21 变形量要少于定位精度得一半，即 0.01/2=0.005=0.00369YE，可用 X 方向走的总步数 XE作为终点判别的依据，如动点 X 等于终点 XE则停止。当 XE=0？FmY 方向进给 XmYY1 YmFXX1X ？eY ？返 回X 方向进给3.4.2 程序设计设计程序时，在 RAM 数据区分别存放终点坐标值 XE，Y E，动点坐标值 X，Y，偏差 FM。对 8 位机，一般可用 2 字节，而行程较大时则需用 3 字节或 4 字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始值、X、Y 向步进电机初态（控制字） 。插补程序所用的内存单元如下：28H 29H 2AH 2BH 2CH 70HXE YE X Y FM电机正反转控制字电机正反转控制字为：D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0D1D0 为 X 向电机控制位。D0=1 运行，D0=0 停止；D1=1 正转，D1=0 反转。D3D2 为 Y 向电机控制位。D2=1 运行， D2=0 停止；D3=1 正转，D3=0 反转。第一象限直线插补的程序：ORG 2000HMAIN：MOV SP, #60HLP4: MOV 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AHLP3: MOV A, 2EHJB ACC.7, LP1MOV A, 70HSETB ACC.0CLR ACC.2MOV 70H, ALCALL MOTRLCALL DELAYMOV A, 2EHSUBB A, 29HINC 2AHAJMP LP2LP1: MOV A, 70HSETB ACC.2CLR ACC.0LCALL MOTRLCALL DELAYMOV A, 2EH ADD A, 28HLP2: MOV 2EH, AMOV A, 28HCJMP A, 2AH, LP3; RET4.心得体会我觉得这次专业课程设计是对过去所学专业知识的一个全面的综合的运用。在设计的过程中我全面地温习了以前所学过的知识，包括机械专业课程和电路控制方面的基础知识，经过复习整理所学得专业知识使得设计思路清晰系统。通过设计使我更加接近生产实际，锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了有关机械设计方面的知识。还有很重要的一点是让我体会到了一个设计者的精神。在设计过程中既要自己不断思考、创造，又要注意借用现有的资料，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、绘图、数据处理等方面的能力。通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械的设计，掌握了一般机械设计的程序和方法，有助于树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的机械设计能力。最后对在整个设计过程中对我