二坐标数控工作台设计【优秀机械课程毕业设计论文】
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文档包括:
说明书一份,12页,7200字左右.
PPT稿一份.
图纸共2张:
A0-二坐标数控工作台装配图.dwg
A2-二坐标数控工作台电气原理图.dwg
- 内容简介：
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机电专业课程设计 潘晓彬 2010、 03 二坐标数控工作台设计 宁波大学机械工程与力学学院 机电一体化设备设计的综合性训练目的： 巩固和加深专业课所学的理论知识； 数控技术 、 机电一体化产品设计 、 可编程与机电控制、微机原理与接口、 机械设计、工程图学等。 一、机电专业课程设计目的 一、机电专业课程设计目的 机电一体化设备设计的综合性训练目的： 培养理论联系实际 、 解决工程技术问题的动手能力； 掌握机电一体化系统的设计过程和方法 ， 包括： 参数的选择 、 传动设计 、 零件计算 、 结构设计 、 计算机控制等 。 机电一体化设备设计的综合性训练目的： 训练和提高机电产品设计的 基本技能 1)查阅文献资料； 2)分析与选择设计方案； 3)机械结构设计； 4)电气控制原理设计； 5)机电综合分析； 6)工程图绘制； 7)运动分析； 8)工程计算和精度计算； 9)撰写说明书； 10)贯彻设计标准 。 一、机电专业课程设计目的 二、 机电专业课程设计的任务和要求 按设计任务书给定的原始数据， 独立 完成二坐标数控工作台设计工作 设计具体要求： 数控工作台装配图（ 1： 1比例或 0#） 1张 数控系统电气原理图（ 2#图幅） 1张 设计说明书 （ 1520页 ） 1本 所有图样均采用计算机绘制并打印，设计说明书按规定撰写 。 三、时间及进度安排 发题 、 自学指导书 、 准备参考资料 方案设计及参数计算 2天 机械结构总体设计计算 2天 工作台装配图绘制 5天 电气控制原理设计及绘制 撰写设计说明书 1天 答辩 1天 主要内容： 具体设计参数： (1)台面尺寸： 250 200， 行程 X： 160， Y： 120 (2)定位精度： 间传动比 X： 1:Y：无 (3)典型工艺参数： 台面速度 X： Y： 进给抗力 X： 250N； Y： 250N； 工作物重 10 四、具体设计内容 四、具体设计内容 三大部分 （一）机械结构设计 （二）电气原理图设计 （三）设计说明书撰写 （一）机械结构设计 步进电机驱动系统原理图 步进电机 齿轮副 滚珠丝杠副 工作台 （一）机械结构设计 脉冲当量： 脉冲当量 /定位精度 脉冲频率： 工进 /快进速度矩频特性 驱动转距： 矩频特性、 载荷（ 进给抗力、工作物重 ） 电机型号： 驱动与控制 2. 滚珠丝杠副 精度等级 预紧方式 支承形式 验算 静载荷、寿命、极限转速、预紧转距、丝杠受压稳定性、临界转速等。 详细计算可参考： 选型 （ 类型 、 规格 、 安装 ） 接触应力验算 间隙调整 具体结构参数确定 整体协调 二坐标数控工作台设计 （二） 电气原理图设计 采用单片机控制 电气原理图采用 1、数控系统设计原则 机电结合 ：机械工作台、电气自动控制 软硬结合 ：系统硬件、控制软件 理论与实践结合 ：避免闭门造车 适当创新 ： 与众不同 2、数控系统任务要求 按照课程设计任务书的要求，分析控制系统的 基本功能 ： 1、定位精度； 2、工进 /快进速度； 3、步进电机； 4、数控装置 3、数控系统功能规划 结合任务要求，本数控系统应具备如下功能： 1、 X/ 2、行程控制； 3、键盘 /显示； 4、面板管理； 5、其他功能：光电隔离、功率放大、 报警、急停、复位、掉电保护等。 4、数控系统方案分析与比较 常见几种控制系统及实例 1、常见的数控系统 1） 4、数控系统方案分析与比较 常见几种控制系统及实例 1、常见的数控系统 2） 4、数控系统方案分析与比较 常见几种控制系统及实例 1、常见的数控系统 3）华中数控 4、数控系统方案分析与比较 常见几种控制系统及实例 1、常见的数控系统 4）广州数控 4、数控系统方案分析与比较 控制任务实现基本方式 1、 控制任务 1）插补功能 2）人机交互功能 3）电机驱动功能 4）故障报警功能 4、数控系统方案分析与比较 控制任务实现基本方式 2、实现的两种方式 1） 单片机实现 4、数控系统方案分析与比较 控制任务实现基本方式 2、实现的两种方式 2） 、数控系统方案分析与比较 数控系统方案设计 1、数控系统的基本组成 典型的计算机 专用的计算机 4、数控系统方案分析与比较 数控系统方案设计 2、操作面板规划 1）指导原则 可操作性 实用性 4、数控系统方案分析与比较 数控系统方案设计 2、操作面板规划 2）基本功能 N、 G、 X、 Z、 I、 M、 T、 O、 4、数控系统方案分析与比较 数控系统方案设计 2、操作面板规划 2）基本功能 显示功能 、数控系统方案分析与比较 、数控系统方案分析与比较 数控系统方案设计 2、操作面板规划 2）基本功能 动作方式 自动 /手动、 启动 /暂停 /急停 编辑 连续 /单段 /空运行 回零 4、数控系统方案分析与比较 数控系统方案设计 2、操作面板规划 2）基本功能 点动功能 +X X Z Z 4、数控系统方案分析与比较 数控系统方案设计 2、操作面板规划 2）基本功能 状态指示功能 电源状态指示 正常 /异常指示 X/数控系统方案设计操作面板实例 4、数控系统方案分析与比较 数控系统功能模块选择与分析 5、数控系统设计 数控系统结构组成 机床 I/O 电路和装置测量装置主轴驱动装置进给驱动装置主轴伺服单元进给伺服单元计算机数 控装 置操作面板P L 床辅助控制机构进给传动机构主运动机构键盘输入输出设备5、数控系统设计 电气原理图设计 1、绘图软件 、在掌握基本原理的前提下设计 3、 严禁简单的抄袭 气原理图设计举例 5、数控系统设计 数控系统工作原理说明 结合所设计的数控系统，分析其工作原理，设计思路。 包括芯片型号、规格、端口分配等。 5、数控系统设计 本数控系统设计总结特色之处 体现本人设计与众不同之处。 六、撰写要求 1、说明书正文 2、设计总结 3、参考资料 要求：格式规范、内容完整、资料齐全 1、设计题目与要求分析 2、总体方案确定 （ 1）总体方案选型 （ 2）绘制总体方案图 3、 伺服系统机械传动部件设计 （ 1）切削力计算 （ 2）滚动丝杠螺母副的计算与选型 （ 3）步进电机选型及传动设计计算 （ 4） 机械装配图设计与绘制 4、 控制系统硬件电路设计 （ 1）确定控制系统方案及绘制系统框图 （ 2）单片机的选用 （ 3）存储器的选用与扩展 （ 4）接口电路设计 （ 5）绘制控制系统硬件电路原理图 5、 附图汇总。 机电一体化课程设计说明书主要内容 提交资料包括： 1、 机械设计图 （ 纸质 ） 2、 电气原理设计图 （ 纸质 ） 3、 课程设计说明书 （ 纸质 ） ， 包括设计任务书 ， 装订在一起； 4、 设计 、 计算草稿 。 上述资料统一装在档案袋 。 标注学号 、 姓名 、 题目 、 内附资料名称及数量 。 上述资料的电子版，按学号建立文件夹。 七、指导与考核 指导方式：小组指导、分散答疑。 指导地点：机房、 315 指导教师： 潘晓彬、周嵘、崔玉国 胡利永、詹建明、郑堤 设计期间，请确保设计时间。 考核按平时、完成情况及答辩情况综合评定，一旦发现拷贝或代做等行为，按作弊相关规定执行（保留设计原始记录） 特别提示： 如果同学有兴趣，可选择下述内容作为课程设计： 1、单坐标轴结构设计（三维软件）； 2、两坐标数控工作台电气控制设计。 选择上述课题的同学，请和潘晓彬提出。 一分耕耘一分收获！ 3月 18号下午提交材料 紧急联系人：潘晓彬（ 697605） 祝设计愉快！ 第 1 页 宁 波 大 学 课程设计说明书 设计题目 ： 二坐标数控工作台设计 学院 ： 工学院 专业、班级 ： 机电一体化 032 班 指导教师 ： 潘晓彬 姓名 ： 学号 ： 时间： 2007 年 3 月 17 日 第 2 页 目录 一 （ 1） 二 （ 1） 三 方案及参数计算 （ 1） （ 1） 步进电机参数 确定及选择 （ 1） 圆柱斜齿轮传动设计 （ 3） 四 . X 轴机械结构总体设计计算 （ 5） 1. X 轴滚珠丝杠设计计算 （ 5） 2. X 轴滚动导轨设计计算 （ 7） 五 方案及参数计算 （ 7） 步进电机参数确定及选择 （ 7） 联轴器选择 （ 9） 六 . Y 轴机械结构总体设计计算 （ 9） 1. Y 轴滚珠丝杠设计计算 （ 9） 2. Y 轴滚动导轨设计计算 （ 10） 七 （ 11） 八 （ 11） 九 （ 13） 第 3 页 二坐标数控工作 台设计说明书 （一）机电专业课程设计目的 本课程设计是学生在完成专业课程学习后，所进行的机电一体化设备设计的综合性训练。通过该环节达到下列目的：（ 1）巩固和加深专业课所学的理论知识；（ 2）培养理论联系实际，解决工程技术问题的动手能力；（ 3）进行机电一体化设备设计的基本功训练，包括以下 10 方面基本功： 1）查阅文献资料； 2)分析与选择设计方案； 3）机械结构设计； 4）电气控制原理设计； 5）机电综合分析； 6）绘工程图； 7）运动计算和精度计算； 9）撰写设计说明书； 10）贯彻设计标准。 （二）机电专业课程设计的任务和要 求 在规定时间内，按设计任务书给定的原始数据，在教师指导下，独立完成二坐标数控工作台设计工作。原始数据包括 典型工况下，工作台速度、进给抗力及台面上工作物重量； 工作台定位精度、台面尺寸和行程。 设计具体要求完成以下工作： （ 1）数控工作台装配图（ 1： 1 比例或 0图幅） 1 张； （ 2）数控系统电气原理图（ 2图幅） 1 张； （ 3）设计说明书（ 10 20）页 1 本； 所有图样均采用 制打印，设计说明书按规定撰写。 （三） 方案及参数计算 1 方案拟定 方案拟定即确定工作台传动的形式和控制方式及主要部件或器件的类型。 （ 1）驱动控制方式 由给定的工作台精度要求较低，为简化结构，故采用单片机控制的步进电机驱动系统。主要由步进电机、单片机驱动控制电路、滚珠丝杠副组成。 （ 2）传动形式确定 工作台 X 方向和 Y 方向两个坐标分别采用步进电机单独驱动。 工作台 X 方向采用直接传动方式，电机通过刚性联轴器与滚珠丝杠联结。结构紧凑，传动效率高。丝杠转速与转矩输出完全与电机的输出特性一致。 工作台 Y 方向采 用一级齿轮传动方式，可以通过降速扩大转矩输出，匹配进给系统惯量，获得要求的输出机械特性，同时减小脉冲当量。 （四） X 轴方案及参数计算 1. X 轴步进电机参数确定及选择 Y 参数选定与计算 .0 m/s, 80 N, 4 页 1）脉冲当量选择 初选三相六拍电机，步矩角 =,初定脉冲当量 =p,丝杠导程 .5 间齿轮传动比 i 为 : i=( (360i)=4 (360 2)等效传动惯量计算 钢密度 =10-3 kg/选滚珠丝杠 得到 0 1cm,l=370 7珠丝杠转动惯量 32= (1)4 40 10 3210-4 =10-6 板及工作物重和导轨折算到电机轴上的转动惯量 ,拖板及工作物重和导轨重之和约为 25w=(w/g) (2 ) 2 /160/980) (2 ) 2 / 12 10-4 =10-4 此 ,折算到电机轴上的等效转动惯量 e= s =26 101024 109 1010-4 3)等效负载转矩计算 (以下为折算到电机轴的转矩 ) 由 3式 (2(2知 : ( (2 i)= (280+240) (2 )=f= (Ff (2 i)= ( W (2 i)=(160 (2 1)=述式中 丝杠预紧时的传动效率取 =0.8 ) ( /360 )=(2000/ (60)=833 r/起动加速时间 s 初 选 电 动 机 型 号 45矩 频 特 性 如 下 图 所 示m,转动惯量 10-6 500故 (2 i) (12)= 中 滚珠丝杠预加负荷 ,一般取 进给牵引力 (N) 第 5 页 0 滚珠丝杠未预紧时的传动效率 ,取 =( 10-4 10-6 10-4 =( 2 (60= 10 (2 833) (60 q= M m m 计算可知 , 作为初选电动机的依据 . fL fc=60 )=333/(60 555 临界转速 (A） 435 r/ 轴承选择校核 选择两个角接触球轴承代号 本额定动载荷本静载荷 承 1 r= 当动载荷 P=承 2 r=e 取 X= Y=7)滚动导轨副的防护 滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管 . 滚珠丝杠副的密封 滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示 这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力 . 滚珠丝杠副的润滑 润滑剂用锂基润滑剂 . 滚动导轨设计计算 导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动 ,并承受运动部件上的载荷 ,即起第 7 页 导向和承载作用 ,导轨副中 ,运动的一方称作运动导轨 ,与机械的运动部件联结 ,不动的一方称作支承导轨 ,与机械的支承 部件联结 使之按功能要求作正确的运动 . (1),1,(2)寿命按每年工作 300 天 ,每天两班 ,每班 8h,开机率 ,额定寿命为 : 0 300 2 8 8400 h ,每分钟往复次数 L=(2(103)=(2 4 60 38400)/ (103)=2840 算四滑块的载荷 ,工作台及其物重约为 2504=250 4=取 80N 计算需要的动载荷 ( ) (fh ft fc (L/50)1/3=520N 选直线滚动导轨副 3)滚动导轨间隙调整 预紧可以明显提高滚动导轨的刚度 ,预紧采用过盈配合 ,装配时 ,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量 . (4)润滑与防护 润滑 :采用脂润滑 ,使用方便 ,但应注意防尘 . 防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨 ,以提高导轨寿命 . 防护方式用盖板式 . （七） Y 轴步进电机参数确定及选择 y 参数选定与计算 s, 40 N, 0W 1）脉冲当量选择 初选电动机型号 45步矩角 =,初定脉冲当量 =p, 丝杠导程 .5 间齿轮传动比 i 为 : i=( (360i)=2 (360 1： 1=23,0,模数 m=1宽 mm,算见后 ) 2)等效传动惯量计算 (不计传动效率 ) 小齿轮传动惯量 32= 24 10 32 10-4 =10-6 中 钢密度 =10-3 kg/理 ,大齿轮转动惯量 10-6 由 3表 3得到 0 l=370 珠丝杠转动惯量 32= 14 37 10 32 10 8 页 =10-6 板及工作物重折算到电机轴上的转动惯量 ,拖板及工作物重之和约 为 20w=(w/g) (2 ) 2 / =25 (2 ) 2 /（ 1/ 2 10-4 =10-4 此 ,折算到电机轴上的等效转动惯量 e= s) / =1010(1010（ 1/2 =10-4 3)等效负载转矩计算 (以下为折算到电机轴的转矩 ) 由 3式 (2(2知 : ( (2 i)= (240+280) (2 f= (Ff (2 i)= ( W (2 i)=(20 (2 述式中 丝杠预紧时的传动效率取 = 为摩擦系数取 ) ( /360 )=(2500/ (60)=833 r/起动加速时间 s 电 动 机 型 号 45矩 频 特 性 如 下 图 所 示m,转动惯量 10-6 500故 (2 i) (12)= (1/3(2 i) (12) =30(2 1-(=中 滚珠丝杠预加负荷 ,一般取 进给牵引力 (N) 0 滚珠丝杠未预紧时的传动效率 ,取 =( 10-4 10-4 10-4 =(m)(2 (60t )=10 (2 833)/(60 0. 计算可知 , 大 ,作为初选电动机的依据 . fL fc=60 )=300/(60 500 临界转速 对于在高速下工作的长丝杠，须验算其临界转速，以防止丝杠第 11 页 共振 . 910(435 (7)滚动导轨副的防护 滚珠丝杠副的防护装置 ,采用专业生产的伸缩式螺旋弹簧钢套管 . 滚珠丝杠副的密封 滚珠丝杠副两端的密封圈如装配图所示 这种接触式密封须防止松动而产生附加阻力 . 滚珠丝杠副的润滑 润滑剂用锂基润滑剂 . 滚动导轨设计计算 导轨的功用是使运动部件沿一定的轨迹运动 ,并承受运动部件上的载荷 ,即起导向和承载作用 ,导轨副中 ,运动的一方称作运动导轨 ,与机械的运动部件联结 ,不动的一方称作支承导轨 ,与机械的支承部件联结 使之按功能要求作正确的运动 . (1),1,. (2)寿命按每年工作 300 天 ,每天两班 ,每班 8h,开机率 ,额定寿命为 : 0 300 2 8 8400 h ,每分钟往复次数 L=(2(103)=(2 4 60 38400)/ (103)=算四滑块的载荷 ,工作台及其物重约为 20算需要的动载荷 ( ) (fh ft fc (L/50)1/3=12用 (3)滚动导轨间隙调整 预紧可以明显提高滚动导轨的刚度 ,预紧 采用过盈配合 ,装配时 ,滚动体、滚道及导轨之间有一定的过盈量 . (4)润滑与防护 润滑 :采用脂润滑 ,使用方便 ,但应注意防尘 . 防护装置的功能主要是防止灰尘、切屑、冷却液进入导轨 ,以提高导轨寿命 . 防护方式用盖板式 . （七）绘制装配图 合与精度等级。包括特性尺寸、最大体形尺寸、安装尺寸和主要零件的配合尺寸。 6 检查装配图。 （八）电气原理图设计 典型数控工作台电气原理图的说明 第 12 页 单片机是 把微型计算机的主要部分都集成在一个芯片上的单芯片微型计算机 ,因而可以把它看成是一个不带外部设备的微型计算机。不同系列的单片机共同的特点是：控制功能强；体积小；功耗低；成本低。 由于上述优越性能，单片机已在工业、民用、军用等工业控制领域得到广泛应用，特别是随着数字技术的发展，它在很大程度上改变了传统的设计方法。在软件和扩展接口支持下，单片机可以代替以往由模拟和数字电路实现的系统。 如电气原理图所示的就是通过单片机及其外围接口实现的二坐标数控工作台电气原理图。它由 8031 型单片机、数据锁存器 74储 器址译码器 74行 I/O 接口 8255 等集成电路构成。下面分别说明它们在整个控制部分中的功能、用法及其选择原则。 （ 1）单片机的选择 设计单片机应用系统，首先要设计其核心的单片机系统。从一开始就有一个单片机芯片选型问题。面对不同字长，如 4 位、 8 位、 16 位，各具特色的单片机芯片如何进行选择呢？首先要满足所设计系统的功能和性能要求；其次要选择价格较低的芯片，不要盲目追求过多功能和过高性能；另外要选择那些在国内有成熟的开发系统和稳定的供货来源。如采用流行普遍使用的芯片，资料丰富，能有效地缩短开发周期。 本课程设计目的是设计一种经济型的二坐标数控工作台，其功能比较简单，成本低。因而这里选用 列的 8031 单片机作为 具有良好的性能价格比，且易扩展。 （ 2）外部程序存储器的扩展 程序存储器空间为 64K 字节。对于片内无 单片机（如8031），或当单片机内部程序存储器容量不够时，进行程序存储器的扩展是必不可缺的。半导体存储器 在原理上都可用作单片机的外部程序存储器。由于 格低廉，性能可靠，所以单片机外部扩展的程序存储器一般为 片（紫外线可擦除、电可编程的只读存储器），掉电后信息不会丢失。在选择外部程序存储器电路时，应注意电路的读取时间能否与 号匹配。其片选端接地。 由于本设计程序容量不大，因而选用 2764 作为外部程序存储器。 （ 3）外部数据存储器的扩展 对大多数控制性应用场合， 列单片机内部 能满足系统对数据存储的要求。对需要较大容量数据缓冲器的应用系统，就需要在单片机的外部扩展数据存储器。 在电气原理图中根据设计功能要求选用一片 6264 作为外部数据 存储器。图中其高 5 位地址线 8031 的 线提供，低 8 位地址线7 接地址锁存器 74出端。读、写控制信
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