激光焊接(切割)数控工作台及控制系统

激 光 焊 接 （ 切 割 ） 数 控 工 作 台 及 控 制 系 统 的 设 计摘 要当代世界电子技术的快速发展，使得微处理器、微型计算机在各技术领域得到了最为广泛的应用，这对各种相关技术领域的发展起到极大的促进作用。同时，数控激光焊接、切割技术和数控机床在我国制造业中发挥的作用愈来愈大，它具有普通机床难以比拟的精度和可靠性。本文设计了一台以 8031 单片机作为控制系统硬件的激光切割（焊接）数控工作台，主要完成了以下几个部分的设计：机床工作台整体的结构设计、X 方向和 Y 方向的结构尺寸设计、滚珠丝杠和直线滚动导轨的选型和强度验算；驱动系统和传动机构的分析设计；以 8031 单片机为控制芯片的控制系统硬件电路的设计。关键词：电子技术；单片机；数控工作台；控制系统ABSTRACTNowadays, with the rapid development of electronic technology, the microprocessor and the microcomputer are widely used in the word. And the related areas get promoted greatly. At the same time, the technology of laser welding and the machine of numerical control have played an important role in the manufacturing business of our country. They have the advantage of high accuracy and high reliabilityThis paper describes the design of a SCM-controlled CNC laser cutting (welding) machine tools with the 8031 single-chip microcomputer. More attention were paid on overall machine design , the design of structural size of X direction and Y direction, the selection and strength calculation of ball screw and linear rolling guide model; The design of driving system and transmission mechanism; the 8031 single-chip microcomputer was used in the control system of hardware circuit.Keywords: electronic technology; single-chip microcomputer; NC workbench; the control system目 录第 1章 绪论 .11.1 数控装备技术 的现状及发展趋势 .11.1.1 数控技术的发展趋势 .11.1.2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计 .11.1.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考 .21.2 激光焊接（切割）的发展及其应用现状 .41.3 数控工作台的发展及应用前景 .61.4 本设计的意义及目的 .7第 2章 系统总 体方案设计 .82.1 系统的运动方式与伺服系统 .82.2 计算机控制系统 .92.3 系统工作台的传动方式 .92.4 系统其他零部件的选择 .10第 3章 机械系统设计 .113.1 工作台的设计 .113.1.1 X 方向工作台尺寸确定 .113.1.2 Y 方向工作台尺寸确定 .113.1.3 工作台重量 估算 .123.2 滚动导轨的选用 .123.2.1 导轨形式及尺寸确定 .123.2.2 导轨许用负荷校核 .133.2.3 导轨额定寿命计算 .133.3 滚珠丝杠副的选用 .143.3.1 最大工作载荷的计算 .143.3.2 最大动载荷的计算 .153.3.3 滚珠丝杆副的预紧方式 .163.3.3 传动效率计算 .173.3.4 丝杠变形量及刚度验算 .173.4 齿轮设计 .183.4.1 丝杠传动比的确定 .183.4.2 传动齿轮参数确定 .183.4.3 齿轮传动消隙 .193.5 步进电机的选用 .193.5.1 步进电机转动轴上的总转动惯量的计算 .193.5.2 步进电机转动轴上的等效负载转矩的计算 .203.5.3 步进电机的初选和参数校核 .21第 4章 控制系统的设计 .234.1 控制系统总体方案的拟订 .234.2 总控制系统硬件电路设计 .234.2.1 MCS-51 系列单片机的设计 .234.2.2 MCS-51 单片机的时钟电路 .264.2.3 MCS-51 单片机的复位电路 .264.3 系统的扩展 .274.3.1 程序存贮器的扩展 .274.3.2 数据存贮器的扩展 .294.3.3 I/O 的扩展 .314.3.4 状态查询 .344.4 键盘、显示器接口设计 .354.4.1 矩阵式键盘接口设计 .354.4.2 显示器接口设计 .364.5 步进电机控制电路设计 .384.5.1 步进电机开环驱动原理 .384.5.2 步进电机脉冲分配 .394.5.3 步进电机驱动电路 .394.6 光电隔离电路设计 .414.7 其他接口电路设计 .42结 论 .1参考文献 .1致 谢 .1第 1 章 绪论1.1 数控装备技术的现状及发展趋势数控技术，简称数控（Numerical Control ）即采用数字控制的方法对某一工作过程实现自动控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。科学技术和社会生产的不断发展，使机械制造技术发生了深刻的变化，我们越来越要求机械产品结构的合理性，追求高性能、高精度和高自动化。我们现代的机械产品的关键零部件，往往都精密复杂，加工批量小，这种不适合在普通的专业机床和组合机床上加工，影响产品的加工精度和加工效率。为了解决上面的一些问题，数字程序控制机床应运而生，它有效地解决好上面的一些问题，为单件、小批量生产，特别适用于为复杂型面零件提供给了自动化加工的手段1。1.1.1 数控技术的发展趋势数控技术的发展应用可以说是人类进入现代化以后的一次产业化革命。它的发展促进了现代工业化的发展，使得生产产品的规模得到不断扩大以及产品的质量得到不断提高。当前数控技术的发展趋势有以下几个方面：(1) 性能发展方向。高的产品生产效率、高精度、高规模、高速度。(2) 多轴化和工艺复合加工机床的快速发展。我们所强调的复合加工，正是向着多种控制系类和多轴方式的方向发展。我们强调的工艺复合加工使工件在机床上进行一次装夹后，通过主轴的旋转和刀具的自动换刀来完成多种工序以及多个表面的复合加工。(3) 实时智能化、网络化、开放式。机器人的出现和应用对于数控领域的发展起了重要的作用。人工智能化能够用计算机来模拟出人类大部分的生产活动。人工智能和数控技术的结合是今后的一大趋势。1.1.2 对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控机床的研制起步于 1958 年 ，我们可以将 50 多年的发展历程大致可分为几个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术、消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术 50 多年的发展历程，特别是经过 4 个 5 年计划的攻关，总体来看取得的成绩还是不小。1.1.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考我国数控技术产业经过了 50 多年的发展历程，已经度过了艰难的起步阶段，并且逐步发展起来了。（一）奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术从技术水平上来比较，国产普及型数控系统的性能和国外相比差不多，并且价格和服务方面的优势明显，可靠性方面我们和国外系统的差别正在不断的缩小。（二）形成了一批数控系统骨干企业目前国产数控系统生产企业 5060 家，其中能够开发普及型数控系统的企业近10 家。这些企业的发展，使得我国的数控技术有了全面的普及，使我国具备了与国外企业竞争的实力。（三）形成了数控系统理论研究的产业化队伍（四）一些数控系统企业走出了国门近年来，我国一些数控系统企业在海外建立起了人员培训、技术服务中心，开拓了海外市场，取得了非常好的成绩。与其同时我国国产数控系统同样具有一定的优势：（一）价格优势我国国产的数控系统和数控机床比国外便宜了很多。 （二）功能和配置优势但是，对于我们来说推广国产数控系统还存在一些主要障碍：近年来，国产数控系统的性能、功能和可靠性已大幅提高，与国外的差距也在不断缩小。目前，普及型数控系统外国品牌仍然占据了我国 80%的市场份额。高档数控系统外国品牌占据我国 95%以上市场份额。究其原因，主要存在以下几方面的问题：（一）技术问题多年来，由于我国数控软硬件研究开发的基础薄弱，技术积累少，研发队伍的实力较弱，研发的投入力度不够，国产数控系统在质量与稳定性上与国外的差距较大。国产系统的可靠性指标与国外有较大差距，也无统一的可靠性测评标准。（二）产业化问题由于以往历次的攻关主要是从技术的角度关注数控产业的问题，而不是从系统工程的角度去综合考虑影响数控产业化的诸多个因素，导致数控技术的研究、开发、生产等环节脱节；数控系统生产厂与主机生产厂脱节。加之我们在某些技术质量方面的问题没有完全解决，导致数控系统企业规模上不来，产品批量上不去。（三）品牌管理与营销问题国产品牌管理与营销策略较之国外的一些知名品牌也有差距。我国数控系统市场早已被德国西门子和日本 FANUC 两大国际名牌所垄断，这两家还分别占有世界市场份额的 50%和 25%，垄断世界市场长达 30 余年，垄断我国市场也已 20 年，他们拥有很高的信誉和知名度。还有一个特殊的原因，应用进口高端数控系统的企业，可有机会出国培训，销售“西门子系”的企业技术人员待遇高还有销售提成。而应用国产中高端数控系统，企业经营者要担负稳定性、可靠性、精度差等风险。（四）标准问题近年来，外国公司试图将其生产的数控系统变成国际标准，将其技术标准应用在占领市场份额上。 （五）用户的信任度问题由于用户对国产品牌市场的认同度比较低，我国中高档数控系统市场一直为FANUC、西门子等国外品牌所垄断。针对以上的一些问题，我们逐渐开始探索出了开拓国产数控系统市场的途径：（一）国产数控系统企业主动与整机厂合作结盟。第一步是鼓励试用，建立信心；第二步是在主机厂建立展示点，用使用实效说服最终用户；第三步是数控系统企业和主机企业建立合作股份关系。 （二）以增大国产数控系统市场占有份额为目的，由数控企业开发机床或成立主机厂。（三）建立数控技术培训与服务中心。为数控机床生产和使用的广大企业，大量培训操作使用、工艺编程、维护维修人员。数控系统企业建设面向最终用户的销售服务网络，为用户提供应用国产数控系统的全方位的解决方案，建立用户对国产数控系统的信心。发展国产数控系统的政策建议：发展数控系统这种关键功能部件，光靠企业自身很难解决，必须有国家政策扶持或保护，并采取多方面的措施，支持我国数控系统自主化建设。（一）政府主导，从政策层面支持国产数控系统加速占领市场1.在“高档数控机床与基础制造装备”国家重大科技专项中，尽快启动中、高档数控系统及关键功能部件可靠性应用示范工程，在军工、汽车、发电设备、造船、机床制造等行业，建立国产数控系统及关键功能部件应用示范基地。通过应用示范，增强用户选用国产品牌的信心。2.国家有关部门尽快组织制订自主创新的国产数控系统及关键功能部件采购目录。3.在贯彻实施装备制造业调整与振兴规划中，对能够提升国产中高档数控系统核心竞争力和产业规模的技改项目给予重点支持和投入。（二）从技改、税收和金融政策方面给予扶持，增强数控系统企业综合实力1.比照国家对软件企业的税收扶持政策，制定对数控系统企业的税收扶持政策。2.建议国家对外国企业在中国总装生产数控系统的进口组件，按数控系统同等税率征收进口关税。同时对国内数控系统企业进口关键电子元件实行零关税。3.调配多种资源，扶优扶强，支持骨干数控系统企业进行技术改造。4.解决数控系统企业的中长期贷款难的问题。（三）国家加大科技投入力度，加强数控技术研发和人才建设以高档数控机床与基础制造装备重大专项为平台，利用重大专项资金，重点支持高档数控系统的关键技术、基础共性技术，以及高档数控系统标准化技术研究。根据数控产业发展的特点，有计划、多渠道、多层次地共同培养创新型人才。充分发挥高等院校的作用，选择若干个重点院校，加强数控系统学科的建设。1.2激光焊接（切割）的发展及其应用现状激光具有强的亮度，很高的方向性以及单色性和很好的相干性，这些性能是平常的普通光源无法比拟的。激光技术的产生让很多的行业得到了迅猛的发展，其应用的领域也越来越广，在机械加工方面的重要性越来越得到人们的广泛认可。而激光加工技术广泛的应用在了机械制造、航天航空、仪器仪表、电子信息、武器装备及核能工业等国家重要经济部门。它对于国民经济的发展，产品的规模化、产业化、科技化、智能化、高效率和环保化起到了重要的作用，这是材料加工领域的一次革命性的进步。激光切割是把激光凝聚成一条细的具有高能量密度的光束射到加工工件上，通过金属和激光的作用，将工件按照一定形状给融化掉。激光切割设备的价格非常的贵。但是，它降低了后续工艺处理的成本，所以，在大生产中采用这种设备还是可行的。由于这种加工没有加工时刀具损失部分的成本费用，所以激光切割设备可以应用于生产小批量的原本不适宜加工的尺寸的部件。 激光切割技术在我们的生产活动中的应用越来越广泛, 这个技术的应用虽然现在还不是很广，但随着国家经济的发展，我们可以预见今后很多重工业都需要着们技术。随着科技水平的不断提高，国外在这方面的探索正在不断的展开和深化，他们在不断的提高切割装置的切割速度以及能够切割钢板的厚度值，所以国内对这方面的探索和研究室非常有必要的。激光焊接是以高功率聚焦激光束为热源，熔化材料形成焊接接头的高效率、高精度的焊接方法。激光焊接的应用开始于 1964 年，但早期仅限于用小功率脉冲固体激光器来进行薄小零件的焊接。而 70 年代以来，随着千瓦级大功率 CO2 激光器的出现，激光深熔焊得到了迅猛的发展。激光焊接的厚度已从零点几毫米提高到 50mm，已应用于汽车、电气电子、航空、原子能、钢铁等重要工 l 部门。目前在世界各国激光加工的应用领域中，激光焊接的应用仅次于激光切割，约占 20.9。激光焊接是这些年发展起来的一种高能量的焊接方法，由于用的是激光，所以它具有通透性，即能够通过一定的介质。这样，我们在透明介质容器外对里面进行用除了激光以外的方法难以做到的焊接。另外，我们考虑把这种方法利用到医学治疗里面，将其应用于视网膜脱落上。视网膜是处在我们眼球的后面，而视网膜脱落以后眼睛会失明。我们可以使用激光，将其透过眼球来焊接眼球和它后面的视网膜。这种方法非常奇特。这种类型的应用也非常的广泛了。 在工业发达国家，激光焊接已在许多工业部门得到应用，而汽车是其中最重要的部门，最典型的例子是车身覆盖件剪裁激光拼焊。用激光将不同厚度，不同材质，不同性能的多块小坯料拼焊起来，再冲压成形。在这里只有依靠激光焊接技术才能保证拼焊后表面光整，无变形和翘曲。材料利用率可以由 4060提升到7080，而且减轻了重量，提高了综合性能。大型的汽车公司都会采用了这种方法来批量化生产。 我国激光焊接技术经过了十余年的研究，已开始应用于电机中的定子转子、食品罐头盒罐身热轧硅钢片、多联齿轮、显像管阴极、金刚石锯片等。例如采用激光焊接技术焊接装核燃料棒的核供热堆锆元件盒，外形尺寸为166.5mm166.5mm2384mm，采用 2mm 厚高活性锆合金板焊接而成，最后在锆盒全长范围内，各面及相互间的平面度、平行度、垂直度和尺寸公差均达到在0.20.3mm 范围内，正反面焊缝表面不平度小于 0.15mm。这充分体现了激光焊接的先进性。 所以，我们可以认识到激光焊接（切割）是激光材料加工技术应用的一个重要方面。它与其它焊接技术相比而来主要优点是：1、变形小、深度大、速度快。2、能够在满足室温和其他特殊条件的情况下进行加工，焊接的装置设备较简单。3、可焊接高熔点、难熔金屑或两种不同金屑材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达 5：1，最高可达 10：1。5、可进行微型焊接，无机械应力和机械形变。6、可以焊接一些难以接近的部位，灵活性较大。7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。8、激光焊接装置容易与计算机联机，能精确定位但是，激光焊接也存在着一定的局限性：1、要求焊件具有较高的精度。这是因为激光聚焦后光斑尺寸小，焊缝比较窄，为加填充金属材料。若工件装配的精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺陷。2、激光器及其相关系统的成本较高1。1.3 数控工作台的发展及应用前景模块化的 X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。随着科学技术的发展，机械产品的形状和结构不断得到改进，这对零件加工质量的要求也越来越高。随着社会对产品多样化需求的增强，产品跟新换代加快，这使得数控加工在生产中得到了广泛的应用，并不断的发展。尤其是随着 FMS 和 CIMS 的兴起和不断成熟，对机床数控系统提出了更高的要求，现代数控加工正在向高速化、高精度化、高可靠性、高柔性化、网络化、智能化等方向发展。高速化：通过高速运算技术、快速插补运算技术、超高速通讯技术等技术来实现。高精度化：这是数控技术一直所追求的目标，也是它最为主要的方面和本质属性。高可靠性：这个指标非常的关键。现在很多的企业都在对这个方面进行研究设计，希望在以后能将其提高到一个更新的水平上来。高柔性化：我们说的柔性指的是机床来适应加工产品变化的能力。通过高的柔性化设计，使得我们的机床越来越具有变化能力和成本的节约性，应用得更加的广泛。高一体化：机床主机设计和数控系统的一体化设计。网络化： 现在的计算机系统的网络化能够让我们更加的节约成本。能够方便快捷的获得信息联系和产品。智能化：如今工业机器人的愈发普及让我们机床的系统控制和工作台的结构设计更加的人性化，更加的智能和节省人力成本3。1.4 本设计的意义及目的机电一体化的设计是体现我们大学生大学里学习能力和实践能力的一次很好的综合检验。我们能够运用到我们这几年所学到的机械原理、机械设计、材料力学、自动化控制、计算机原理等课程来设计完成工作台和控制系统。这有利于掌握各种理论知识，直观而深刻的理解理论的具体含义和重大意义。掌握好机械一体化这门专业必要的文化水平和平时操作中注意的事项和要注意的问题和错误。这能够使我们融会贯通好理论水平和操作技能。通过机械部分的设计，我们掌握好各种零件的结构分析和特点，通过方案的比较得出较为合理的完整方案，按照各种原理、准则和计算公式，给定好尺寸，校正好强度等指标，完成好设计的步骤流程，体现出我们的设计能力水平。这为以后我们在机电一化行业的发展起到很好的基础作用。第 2 章 系统总体方案设计X-Y 数控工作台是很多机电一体化设备的基本部件，比如数控铣床、数控车床的纵横向进刀机构和激光加工设备的工作台、数控钻床的 X-Y 工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的 X-Y 数控工作台，通常由移动滑块、导轨座、滚珠丝杠螺母副、伺服电动机以及等部件构成。伺服电动机是用来做执行元件来驱动滚珠丝杠，而滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，使得工作台能够在 X、Y 方向直线移动。并且导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统4。2.1 系统的运动方式与伺服系统我们所设计的这个数控工作台要能够广泛应用与各种复杂形状的工件的焊接（切割）加工，并且喷嘴的运动形式受到了一些限制。该系统要求工作台沿着各个坐标轴都有准确的运动关系，因此采用的控制方式是连续控制。而我们有如下的伺服系统控制方式：图 2.1 数控机床开环控制框图 图 2.2 数控机床闭环控制框图开环伺服系统在不大的载荷情况下一般采用的伺服电机是功率步进电机，它并不能纠正系统的传动误差。但是对于这种加工精度不高的，要求运动的平稳性和均衡性不是那么高的场合，同时为了减少成本，以及简化机械的结构，我们可以在这里采用步进电机开环控制系统来驱动 X-Y 工作台。2.2 计算机控制系统本设计选用 MCS-51 系列中的 8031 单片机扩展控制系统。MCS-51 单片机系列的主要特点是可靠性好、运算速度快、功能强、集成度高、具有很高的性能价格比。而控制系统由键盘及显示器、步进电机功率放大器、I/O 接口及光电隔离电路、微机部分等组成、系统的控制指令和加工程序则通过键盘来操作实现，显示器采用数码管显示监控数据及机床状态信息。2.3 系统工作台的传动方式为保证工作台具有一定的传动精度和平稳性，又要求其结构紧凑，所以采用滚珠丝杠螺旋副传动机构，同时为提高传动机构的刚度和消除间隙，采用有预加负荷的结构。由于系统工作台的运动部件重量不大，因此选用由预加载荷的双 V 形直线滚珠导轨副。采用滚动导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动的平稳性，减少振动。考虑到本次设计所采用的步进电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到定位精度为 0.01mm 的要求，所以采用齿轮降速传动，并通过齿轮消隙的方式来降低传动误差。2.4 系统其他零部件的选择考虑到生产效率以及生产的经济性，工作台采用直线滚动导轨副且其间隙可根据实际需求，按规定的间隙进行调整和预紧。而且整个工作台材料采用铸造件进行加工以及工作台上所用的标准件，如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。综上所诉，系统的总体框图如图 2.3 所示图 2.3 系统总体框图第 3 章 机械系统设计3.1 工作台的设计3.1.1 X 方向工作台尺寸确定根据设计要求，我们取 X 方向导轨支承钢球的中心距为 180mm，Y 方向导轨支承钢球的中心距为 230mm，设计工作台简图如图 3.1：图 3.1 工作台简图托板尺寸：长宽高 666mm320mm25mm上导轨（X 方向）取动导轨长度 =230mmpl动导轨行程 =250mm支承导轨长度 L= + =230+250=480mmpl保持器长度 = + /2=355mma3.1.2 Y 方向工作台尺寸确定托板尺寸：长宽高 666mm320mm25mm下导轨（Y 方向）取动导轨长度 =320pl动导轨行程 =250mml支承导轨长度 L= + =320+250=570p保持器长度 = + /2=445mmall3.1.3 工作台重量估算上托板重量： (1)321620517.80415.8WN下托板重量： (2)2X 方向导轨重量： (3)23(348).0Y 方向导轨重量： (4)92焊接工件重量暂取： 160N (5)X 工作台运动部分重量： (1)3/2(5)41.8.304/2160GNX-Y 工作台运动部分总重量： ()()4(5)18XG3.2 滚动导轨的选用3.2.1 导轨形式及尺寸确定首先根据上述系统总体方案要求，选用的是双 V 形滚珠导轨。根据系统工作台的使用情况，初选滚珠直径 d=6mm，数目由 决定2。9.5GZd上导轨： 60XN25.789.5.GZdX 方向导轨长度取 =230mm，取 =20,两滚珠之间的间距 t=11.5mmplX下导轨 1085YGN46.29.ZdY 方向导轨长度取用 =320mm，取 ，两滚珠之间的间距 t=10.7mmpl30XZ3.2.2 导轨许用负荷校核平均每个滚珠上的最大负荷: 而：max/GPZ12()ZHP式中 -导轨的预加负荷，按最大负荷的 1/2 计算。HP激光焊接时滚珠所受的负荷只有其工件的重力，因此较小可以按最大受力情况验算，如下： 12()ZGHPPX 方向导轨的最大负荷： 21.067.maxXY 方向导轨的最大负荷： 5.38.axYP许用负荷 2pkd查表得 ，考虑到制造精度，且导轨短，k 可提高 50%，即 k 取 ，260/kNcm 290/Ncm查表得： 32.4pNmaxXPaxYp故导轨满足设计要求。3.2.3 导轨额定寿命计算直线滚动导轨副的寿命计算，是以在一定载荷下行走一定距离时，90%的支承不会发生点蚀为依据。滚珠的距离额定寿命计算公式如下：3()50HTCRaWffLF其中查表得：、 、 、 、1.0Hf.Tf1.0Cf.Rf1.f=7.6 F=1.085aC337.6()50()5091.218HTCRaWffL kmF小时额定寿命的计算，可以通过公式： 3026hLnS其中 为移动件行程长度，单位为 m，n 为移动件每分钟往复次数。代入数据的：S331059.1097.2626hLS通常导轨的距离额定寿命在 50KM 以上就满足要求。通过以上导轨的距离额定寿命和额定小时寿命的校核，该导轨完全满足设计的要求。3.3 滚珠丝杠副的选用3.3.1 最大工作载荷的计算最大工作载荷 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠承受的轴向力，由于mF本次设计的工作台主要适用于激光焊接（切割）加工，所以其工作台主要承受工件的重力作用，且导轨形式为矩形导轨，则计算公式如下： ()mLVCKFfG其中 、 、 分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N） ； 为LFVC G移动部件的重力； 和 分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦因数。Kf对于本次的丝杠传动系统，计算如下； 1.025180.25163.84mLYfGff N由于是滑动导轨则有 0.253.3.2 最大动载荷的计算最大动载荷 的计算公式如下：QK30QWHmFLf式中的 为滚珠丝杠副的寿命，单位为 ， 其中 T=15000h，n0L61r60/1nT为丝杠每分钟转数代入数据计算如下： 6 660/1045/45nTr363 1.03.891.0QWHmFLfr初选滚珠丝杠副的规格时，应使其额定动载荷 。aQCF同时由于滚珠丝杠副在静态低速长时间承受工作载荷，应使额定静载荷。根据以上条件初选滚珠丝杠的规格代号为 CLM25045 系列，其(23)oamC额定动载荷为 10140N 足够用。滚珠循环方式为内循环螺旋槽式 9。aC表 3.1 滚珠丝杠螺母副的几何参数名称 计算公式 结果公称直径 0d 25mm螺距 t 4mm接触角 45钢球直径 bd 2.381mm螺纹滚道法向半径 R0.52bd1.23812mm偏心距 e()sine0.03367mm螺纹升角 0tarcgd2.917螺杆外径 d0(.25)bd24.5mm螺杆内径 11eR22.1mm螺杆接触直径 220cosb23.32mm螺母螺纹外径 D02deR27.4089mm螺母内径（外循环） 1(.5)bd25.4762mm3.3.3 滚珠丝杆副的预紧方式为了消除间隙和提高滚珠丝杆副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，常用的预紧方式有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。预紧后的刚度可提高到无预紧时的 2 倍。但是，预紧载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大，通常，滚珠丝杆在出厂时，就已经由制造商调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系。双螺母垫片式预紧：特点：简单可靠，装卸方便，刚性好，刚度高；在双螺母间加垫片的形式可有专业生产厂根据用户要求事先调整好预紧力，使用时装卸非常方便但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧，适用于高刚度重载传动。调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。双螺母螺纹式预紧：调整方法：利用一个螺母上的外螺纹，通过圆螺母调整两个螺母的相对轴向位置实现预紧。调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。结构紧凑，工作可靠，调整方便，但准确性差，且易于松动，适用于刚度要求不高或随时调节预紧的传动。双螺母齿差式预紧：调整方法：在两个螺母的凸缘上分别切出齿数差为 1 的齿轮，两个齿轮分别与两端相应的内齿两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的螺母座 4 的内齿圈，两个螺母向相同方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位移。能够精确地调整预紧力，但结构尺寸较大，装配调整比较复杂，适宜用于高度精度的传动结构。单螺母变导程自预紧：将螺母的内螺纹滚道在中部的一圈上产生一个导程突变，从而使左右端的滚珠在装配后产生轴向错位实现预紧11。3.3.3 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为： )(tg10式中： ，为摩擦角； 为丝杠螺旋升角。102910.7()()tgt3.3.4 丝杠变形量及刚度验算(1)丝杠的变形量主要指丝杠在运动时所受的拉伸和压缩变形量，这部分在变形量中占的比重较大，并按以下公式计算： 21mFaMESIL其中 a 为丝杠两端支承之间的距离，单位 mm；E 为丝杠材料的弹性模量钢的 E=MPa，S 为丝杠底径确定的截面惯性矩（ ） ，单位为 ，而公式52.10 42/6Id4m中的第二项由于转矩较小，故可忽略不计。所以计算如下： 6153.80.13721mFaES2.4dm(2)滚珠与螺纹滚道间的接触变形量，且在有预紧的情况下，计算公式: 2230.1/10mWYJFDZ式中 滚珠直径，单位 mm，滚珠总数量 ， WD0(/)3dZ圈 数 列 数预紧力YJF 62 32 23 .840.10.13.410m/21059/mWYJFZ 0()(.4/.)dD圈 数 列 数 =所以丝杠的总变形量为： 66620.1437.4103.587410.51滚珠丝杠的刚度一般要求其总变形量小于定位精度的一半，通过以上验算，此丝杠刚度符合要求。3.4 齿轮设计3.4.1 丝杠传动比的确定因步进电机步距角 滚珠丝杠螺距 t=4mm,要实现脉冲当量1.5ob,在传动系统中应加一对齿轮降速传动.0.5/pmstep齿轮传动比： ，初选步进电机步距角：= 1.5/step。036bPLi001.543.36bPLi21Zi考虑到传动比为 3.3，比较大，影响传动精度，故本次传动采用两级传动。为便于计算取传动比 。12.83i3.4.2 传动齿轮参数确定（1）一级传动齿轮参数确定：取小齿轮齿数 则大齿轮齿数135Z264Z因传递的扭距较小，取模数 m=1mm 则：分度圆直径: 1dmz21dmz齿顶圆直径: (2)()137a264齿根圆直径: 1.5.5.fz2()(2)6d齿宽: 取 13bm12,b中心距: 20.0.49.am分度圆压力角: 大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮.（2）由于二级与一级传动比相同，我们采用同样的齿轮参数设计，故此处省略其计算过程。3.4.3 齿轮传动消隙齿轮传动的间隙也叫侧隙，它是指一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大角位移。传动间隙是不可避免的，其产生的这样原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙，为使用热膨胀而特意留出的间隙。为了提高定位精度和工作的平稳性，要尽可能减小传动间隙。除了提高制造和装配精度外，消隙的主要途径有：设计可调传动间隙的机构；设置弹性补偿元件。在这设计里我采用双片直齿轮错齿调整法来消除间隙12。如图 3.2：1、2-薄齿轮, 3弹簧, 4、8凸耳, 5调节螺钉, 6、7螺母图 3.2 双片齿轮错齿消隙结构图3.5 步进电机的选用3.5.1 步进电机转动轴上的总转动惯量的计算总传动惯量 主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杠以及移动qJ部件等折算到电动机转轴上的转动惯量。由于本设计采用的是二级传动，则有等效转动惯量的计算如下：折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为： 2 21311 2342 24()()()()heqmz zzzsiPZZJJJJm式中： 分别为为齿轮的转动惯量； 为滚珠丝杠的转动惯量； 为移动部件ZJsJim的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算： 340.781JDL式中 为圆柱零件直径， 为圆柱零件的长度。DL所以有： 3434 20.7810.7812.56.2.06sJDkgcm 13. .0.71.34zz L3434 2240.781.7816.2.68zzJ kgc 电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有： 2 213134 24()()()()heqmzzzzsiPZZJJm2235 0.350.4().6804).68215()(.8064eqJ kgcm3.5.2 步进电机转动轴上的等效负载转矩的计算步进电机转动轴上的等效负载转矩在不同工况下是不同的。本设计主要计算快速空载时起动以及承受最大工作载荷时的情况。（1）快速空载起动时电动机转轴承受的负载转矩： 1eqT1max0eqfT为快速空载起动时在电动机转轴上折算后的最大加速转矩，计算公式如下：maxTmax260eqmeqaJnTt式中 为电机转轴的角速度，单位 ， 电动机的转速，单位 r/min； 为 2/rds at电动机加速所用时间，单位 s，一般取 0.31 之间，此处取 0.5s。代入数据计算如下：max23.1402580.23154Nm606.eqmeqaJnTt为移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：有公式如下：f h2fFPTi摩式中 为导轨的摩擦力，单位为 N；计算公式 。 为传动效率，F摩 cFG摩 （ +） hP一般区 0.8，带入数据计算如下：h3.750.4.091Nm2183fFPTi摩 X(G+)=.(6+5)=.7摩为滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，且由于滚珠丝杠副的0T传动效率很高， 的值与 和 比起来，很小，此处忽略不计。所以有：0fTamxeq10.231540.9.23Nmf（2）最大工作负载下电机转轴承受的负载转矩： eqTeqt0fT2、 在第一的设计中已经计算过，仅用算以 ，其公式为fT0 t t2fhFPi代入数据计算如下： t 160.40.38623fhFPTNmieqt.8.91.5fNm3.5.3 步进电机的初选和参数校核选择步进电机最重要的参数是最大静转矩要满足使用要求，同时考虑安全系数K，对于开环控制，一般选 0.54 之间，此处取 2 且步进电机的最大静转矩的选取应符合 所以初选步进电机型号为：55BF003 其最大静转矩eq12maxeqTT、， 符合设计要求。10.6.3=0.4表 3.2 步进电机参数表主要技术参数型号相数 步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩 (N.m)空载起动频率空载运行频率分配方式55BF003 3 1.5/3 27 3 0.666 1800 180003相 8拍外形尺寸(mm)外直径 长度 轴直径重量(kg)转子转动惯量( )2kgcm55 90 6 4.5 0.060步进电机性能校核包括最快工作进给速度时电动机输出转矩校核、最快空载移动时电动机输出转矩校核和起动频率的校核等。最快工作进给速度时电动机输出转矩校核如下：符合设计要求，同时查表得：maxa103.1806.5ffv，符合设计要求。axNT起动频率的校核： 符合设计要18027.8101/2.45/.6qLemffJ求。第 4 章 控制系统的设计4.1 控制系统总体方案的拟订机电一体化控制系统由软件系统和硬件系统两大部分组成。控制系统的控制对象主要是各种机床。控制系统的基本组成如图 4.1 所示：图 4.1 控制系统总体方案4.2 总控制系统硬件电路设计4.2.1 MC