数控机床工作台设计

1、目录一、 前言 3二、总体方案的确定 .51、 设计参数.52、 初选步进电动机和丝杠.53、 选定工作台尺寸 .64、 系统组成框图.7三、机械部分的设计 .81、 传动系统等效转动惯量的计算 .82、 工作载荷分析与计算.83、 进给工作台工作载荷计算 .94、 滚珠丝杠螺母副的选型与校核 .95、 导轨的选型和计算 136、 驱动电动机的选用 13四、数控系统的设计 .171、 硬件设计 172、 步进电动机开环伺服原理 183、 步进电动机的控制框图 194、 软件程序设计 20五、心得体会 .23六、参考书目 .23课程设计 iii 任务书要求：该工作台可安装在钻、铣床上用于钻孔或铣

2、削加工。设计参数如下： y 方向的脉冲当量为：0.005 mm/step;最大钻孔直径10 mm,铳刀直径的d=20;齿数为4；加工材料为碳钢；工作台行程范围是：500 mm x450mm,；最大快速移动速度为：3m/min,具体任务：1 、确定总方案，绘制系统组成图一张（a3）2 、机械部分设计计算，选择适当的元器件；3 、 画出 x-y 工作台外形图和y 向机械部分装配图一张（a0）4 、 设计控制系统硬件电路, 画出控制系统硬件电路图一张（ a1）5 、 编写设计说明书 1 分， （不少于8000）24、/4 刖百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

3、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

4、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

5、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y方向脉冲当量为：6p =0.005mm/step,其它设计参数如下表。设计分组取大蔬刀直径中最大钻孔直 径e齿数lo加工材料工作台加工范围(mm)最大移动速 度220m

6、m10mm4碳钢x=500,y=4503m/min工作台草图1.2 初选步进电动机和丝杠当传动比i=2时，由于本机构结构简单，可用联轴器直接将电机与丝杠连接,无需用减速装置，这样有利于简化结构，提高精度。由知公式2叱 p未找到引用源。一为步进电机步距角lo为滚珠丝杠导程、6p为系统脉冲当量。选电动机型号为55bf009,其步矩角4= 0.9型号相数步距角i()电压/v电流/a最大静转矩/(n.m)空载启动频率/h z空在运行频率/h z转动惯量/(kg. cm2)55bf00940.9/1.82730.7482500240000.075选丝杠规格为2004-3(fynd) 其导程为4mm,滚珠

7、直径为2.381,丝杠底径：16.2, 丝杠外径为19.3,循环列数为3*2,额定载荷ca=5243, ca = 11506.由传动比公式i=n13得i= 0.9父4=2360、d360 0.005p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型梢尺寸如下:深度h=15mm梢低宽度b=12mm梢宽a =6mmc = 6mm梢数=5,间隔=40mm由工作台加工范围500*450选工作台尺寸1.4系统组成框图2.机械部分的设计2.1 传动系统等效转动惯量计算2

8、.1.1机转子转动惯量查指导书表面2-18 得 jd =0.0701kg cm22.1.2丝杠的转动惯量由指导书公式2-3 有js =0.78md4lm107g cm2得_4_32js =0.78 24 340 10 = 0.424kg cm22.1.3 工作台转动惯量jg由于工作台材料为碳钢，故其质量为m=：v=7.8 10, 45 500 2 = 35.1kgjg =(-l-)2 m k 0.4 )2 35.1 =2.235kg.cm2 2 二2 3.14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jl=jd js jg =0.0701 0.424 2.235 =2.730

9、1kg cm2 工 d s g2.2工作载荷分析及计算铳削运动的特征是主运动为铳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铳刀轴线方向缓慢进给(键梢铳刀可沿轴线进给).铳刀的类型 很多，但以圆柱铳刀和端铳刀为基本形式，此选用圆柱铳刀，铳刀材料选择高速钢. 查金属切削手册p398常用铳刀介绍表，选择细齿锥柄立铳刀，其尺寸参数如下：d=20mm数 z=4o2.2.1查金属切削手册鼻7细齿锥柄立铳刀切削用量表得铳削速度 v = 45m/min 查铳工表2 4,初选af = 0.03mm 因此可得af z 0.03 4v 45 n = = 375r / min查机械制造基础课程设计指导书表

10、 4-15立式铳床主轴转速表，选铳床型号x51,查其转速表并将转速圆整为 n=380r/mink1了rd;匕、击 rfr d n x d x n 3.14 20 父 380 o / .头际切削速度为 v =23.8m/min10001000故实际af454 380= 0.0296nm2.2.2根据指导书表2-2得高速钢铳刀铳削公式为fz =9.81cfz a：86 af0.72 d。86 az查指导书表2-3得铳削力系数cfz =68.2有 fz=9.81 68.2 50.86 0.02960.72 20.86 2 5 =161.068n2.3 进给工作台工作载荷计算查指导书表2-4 ,有如下

11、表格参数比值不对称铳削逆铳顺铳fl/fz1 . 20. 9fv/fz0. 30. 8fc/fz0. 40. 4故有纵向进给方向fln =1.2 161.068 =193.281nfls =0.9 161.068 =144.961nls工作台垂直进给方向fvn =0.3 161.968 =48.320nfvs =0.8 161.068 =128.854n2.4 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fm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。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

12、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 2-11fm =kfl f (fv 2 fc g) k =1.4f =0.2将所得数据代入公式有：fm =1.4 193.281 0.2 (128.854 2 78.055 66.052) = 343.964n2.4.2 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c =3 l fm fm由指导书中可知一卡1000 v 1000 0.045 .n = 11.25r / minlo460 11.25 15500106= 11.125 106rc -3 11.125 2 343.964-1561.

13、54n ca-7.747kn2.4.3 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率。为tg九 杳得2 -2 55 tg( )qio（或可由,=更2更0算出） 二 dotg 2 55tg(2 55 10)= 0.9462.4.4 刚度验算丝杠的拉压变形量的计算满载时拉压变形量：,1二fm le a343.964 640_4220.6 10 3.14 17.5 /4=0.00139mm滚珠与螺纹滚道间的接触变形量殳由指导书式2-17得-0.0013 3 dwfmfyjzj式中dw为滚珠直径，dw = 2.381mmz工 为滚珠总数量2工=2父圈数m列数=23父3父1=69个z =(二 dm)-3=(3.

14、14 202.381)-3 : 23fyj 为预紧力=fm/3 =343.964/3 =114.654n=0.0013343.964/9.8=0.096mm#.381父曙，692滚珠丝杠副刚度的验算丝杠总变形量、=、1、2 =0.000139 0.0096= 0.001099mm变形量要少于定位精度得一半，即 0.01/2=0.005=0.0010998000hz,而由表2-18查 l、qyq得电机的启动频率fq =8000hz qfq 8000hz由式2-33得电机最高快进频率1000 v1000 3fkj-max5000hz60 p60 0.01 fykj ,故电机快速进给时不丢步。2.6

15、.4 工进运行矩频特性校核工进时步进电机的运行频率为1000 vg j。0.544 . 907hz60 p 60 0.01工进时步进电机运行所需力矩mgj 二mo mf mtmfmtjwflg/lo/004156.11 .6.748/0.4=0.071n 5工作负载力矩2 ： 1： ：i2 3.14 0.8 2ft lo188.867 0.4=15.04 n cm2, i 2 3.14 0.8 2mgj =0.936 0.071 15.04 =16.047n.cm查指导书图2-22得 允许工进运行力矩mygj =3.5n.mmygj mgj满足设计要求，故可选用此电机。3. 数控系统的设计3.

16、1 硬件设计（硬件详细接线图见图纸3）3.2 步进电机开环伺服原理由于滚珠丝杠的定位精度为0.01，脉冲当量为0.0050或，f m ye,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x%,则用y方向 走的总步数ye作为终点判别的依据。由此，第一象限直线插补程序的算法如下：(1 )判别fm是大于0还是小于0。(2)若fm r,则向+x方向输出一进给脉冲，计算新偏差 fm=fm_ye,并修改 动点坐标为x=x+1；若fm 0,则向=丫方向输出一进给脉冲，计算新偏 差fm=fm+xe,并修改动点坐标为y=y+1(3)终点判别：若x=x (y=y),则停止插补运算。否

17、则转入第一步，重复 上述步骤。第一象限直线插补程序框图如下图: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 ye,动点坐标值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。止匕外，所有的数据区必须进行初始值、 y向步进电机 初态（控制字）。插补程序所用的内存单元如下29h2bh2ch70hyeyfm电机正反转控制字电机正反转控制字为:d7d6d5d4d3d2d1d0d3d2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, #60hl

18、p4: mov 28h, #0c8h;mov 29h, #0c8h;mov 2ah, #00h;mov 2bh, #00h;mov 2eh, #00h;movlp3: movjbmovsetbclrmovlcalllcallmovsubbincajmplp1: movsetbclrlcalllcall70h, #0aha, 2ehacc.7, lp1a, 70hacc.0acc.270h, amotrdelaya, 2eha, 29h2ahlp2a, 70hacc.2acc.0motrdelaymova,2ehadda,28hmov2eh,amova,28hcjmpa,2ah,retlp3;lp2:4. 心得体会通过这次专业课程设计， 我对过去所学专业知识进行了一个全面的综合的应用。在设计的过程中我全面地温习了以前所学过的知识，包括机械设计、机械原理 、机械设计基础和电子电工方面的基础知识，经过复习整理所学得专业知识使得我的设计思路变得清晰系统化。 通过设计使我更加接近生产实际， 锻炼了将理