内蒙古工业大学专业综合设计

1、【摘要】：小型立式铣床工作台升降和制动装置设计。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对小型立式铣床工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。本次课程设计，主要设计和研究小型立式铣床工作台及其电气原理图。确定小型立式铣床工作台的传动系统，选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。【关键词】：小型

2、立式铣床工作；滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；目录一、 设计任务1二、 总体方案设计2三、 机械传动部件设计31、 直线滚动导轨的计算与选型32、 滚珠丝杠螺母副的计算与选择43、 步进电动机减速箱64、 步进电动机的计算65、 联轴器9四、 微机数控硬件电路的设计101、 选择中央处理单元CPU的类型102、 选择LCD显示器103、 控制案件114、 ULN2802115、 辅助电路12五、 步进电动机控制系统的软件设计121、 主程序设计132、 调速程序设计13六、参考目录15一、设计任务1、技术参数1、工作台升降行程：200；2、工作台尺寸：长×宽400×

3、;200； 3、工作台总重： 600N；4、最高运行速度：步进电机运行方式： 空载：0.6m/min; 切削：0.1m/min； 交流伺服电机运行方式：空载：9m/min;切削：2m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式±0.10mm；半闭环模式 ±0.01mm；7、切削负载：X向400N；Y向600N；Z向1000N2、设计要求1、实现垂直平稳升降，具有快速升降功能；2、用步进电机或交流伺服电机作驱动元件；3、工作时离合器脱开，主轴不工作时，离合器锁死，主轴箱停在任意位置；4、具有行程越位

4、报警功能；5、采用滚动导轨块作支承；6、具有断电锁紧功能。3、图纸量和工作量要求1）机械总装配图在CAXA环境下绘制主轴箱升降制动装置设计的结构图，并进行详细修改和设计，最后用A1号图纸打印输出。2）硬件电路图控制芯片可采用8031、80C31或基于PLC的运动控制技术，在Protel 99环境下，进行控制电路图的设计，电路图幅为A2A1为宜。3）设计说明书要严格按照内蒙古工业大学课程设计（论文）说明书书写规范认真撰写，说明书不少于6000字。二、总体方案的确定1、机械传动部件的选择（1）导轨副的选用由于工作台承受的载荷不大，脉冲当量小，定位精度高，所以选用直线滚动导轨副。他具有摩擦系数小，不

5、易爬行、传动效率高，结构紧凑、安装预紧方便等优点。（2）滚珠丝杠螺母副的选择伺服电机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量和±0.10mm的定位精度，滑动丝杠无能为力，只能选用滚珠丝杠螺母副才能达到。滚珠丝杠螺母副传动精度高，动态响应快，运转平稳，寿命长，效率高，预紧后可以消除反向间隙。（3）减速装置的选用选择步进电机和滚珠丝杠之后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消隙机构，故应该首先考虑采用无间隙齿轮传动减速箱。（4）伺服电动机选用由于任务书上规定的脉冲当量尚未达到0.000

6、1mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有600mm/min。因此本设计不必采用高档次的伺服电动机，可以选用性能好一些的步进电动机，以降低成本，提高性价比。（5）联轴器的选用由于步进电动机和滚珠丝杠螺母副直接联接，所以需要添加联轴器。2、微机数控硬件电路的设计利用微机实现对机械结构部件的升降和制动的控制。三、机械传动部件的计算和选型1、直线滚动导轨的计算与选型(1)滑块承受载荷的计算以及导轨型号的选择工作载荷是影响直线滚动导轨的使用寿命的重要因素，由于工作台垂直布置，故采用双导轨-四滑块的支承形式。其工作载荷计算方法如下：图2-1式子中的W是指总载荷，由于任务书中给出FZ=1000

7、N，G=600N,则W=FZ+G=1600N公式里其他的数据分别取L1=130mm，L2=150mm，l2=125mm，l3=100mm。 将以上数值带入公式可知：wl31600´100=615.38N2L12´130P1=P2=P3= wl1600´125P4t=2=769.23NP1t=P2t=P3t=2L12´130 P4=根据F=0.77KN，查表初选滚动导轨副的型号为KL系列的SBG15型，其额定动载荷为8.5kN,额定静载荷为13.7kN，任务书规定加工升降行程为200mm,考虑工作行程留有一定余量，按标准系列，查表选取导轨长度为460mm。

8、（2）距离额定寿命的计算由于SBG15型导轨副的滚到硬度为60HRC，工作温度不超过100°C,每根导轨上配有两个滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-363-40，分别取硬度系数fH=1.0，温度系数fT=1.00，接触系数fC=0.81，精度系数fR=0.9，载荷系数fW=1.5。代入公式：L=50(满足要求。 fhftfcfaC*)=2873.03km>50km fWPc2、滚珠丝杠螺母副的计算和选型（1）最大工作载荷FM的计算已知切削负载：X向400N；Y向600N；Z向1000N，工作台重600N,按照矩形导轨进行计算，查表可知，取颠覆力矩影响系数K=1.

9、1，滚动导轨的摩擦系数f=0.0030.005，取f=0.005。求得滚珠丝杠的最大工作载荷：FM=K(Fz+G)+f'(Fx+Fy)=1.1´(1000+600)+0.005´(400+600)=1765N（2）最大动载荷FQ的计算已知工作台在承受最大铣削力的最快进给速度v=0.1m/min,初选丝杠导程P=4mm,此时丝杠转速n=1000vs1000´0.1=25r/min 4L0取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，计算丝杠的寿命系数L0：L0=60´n´T60´25´15000=22.5 661010查表3-

10、30，取载荷系数求得最大动载荷：fw=1.2，滚道硬度未60HRC时，取硬度系数fh=1，F=wfhFm=5979.34N Q（3）初选型号根据以上算得的最大动负载FQ和导程P=4mm,选用型号为G2504-4的滚珠丝杠，其公称直径为25mm,滚珠的排列为4圈1列，额定动载荷为7674N>Fq，满足前面的要求。（4）传动效率h的计算根据以上计算可知公称直径25mm，导程4mm，计算螺旋升角=arctan(Lh/取摩擦角等于10分，计算传动效率： pd0)=338 o=tg=95.8 tg+j（5）刚度的验算滚珠丝杠在工作时会发热，为了补偿热膨胀，须将丝杠预拉伸。则上下两层滚珠丝杠副的支承

11、均采用“单推单推”的方式，丝杠两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配。两个轴承中心距a=500mm,钢的弹性模量E=2.1x105MPa,mm,丝杠底径d=22.1mm,丝杠截面积查表可知滚珠直径Dw=2.38122S=pd2/4=383.40mm2。d1在总变形量中占的比重较大，可按下式计算：FmaMa2d1=±± ES2pIE由于转矩M一般较小，式中第二项可忽略。Fad1=±m=0.0110mm ESZ=根据公式pd0Dw-3，求得单圈滚珠数Z=30；该型号丝杠为单螺母，滚珠圈数X列数为3X1,代入公式：Ze=Z×圈数×列数，的滚珠总数

12、量为90；丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm=588.33N。代入公式可以求得d2=0.0013´10´FmDwFYJZe2=0.0022mm 由于预紧力为达轴向工作载荷的1/3，d2减小一半，即d2=0.0011mm.mm=12mm，初取丝杠长度为300mm,查丝杠的总变形量d=d1+d2=0.0121表可估计丝杠的有效行程<315mm，则在标准公差等级为5级时，滚珠丝杠副允许的偏差为23mm。由于d=12mm<23mm，则丝杠刚度足够。(6)压杆稳定性校核对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，产

13、生失稳的临界负载Fk用下式计算：fZp2EIFk=k*a2，查表3-34，取支承系数fz=1,由丝杠直径22.1mm，求得界面惯3.14´22.14I=11703.6mm46464性矩;压杆稳定安全系数K取2.5；滚动螺pd24母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。计算得Fk=38771.9N，远大于工作载荷Fm=1765N，故不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠满足要求。3、步进电机减速箱的选用已知工作台的脉冲当量d=0.01mm，滚珠丝杠的导程为4mm，初选步进电动aPh0.9´4=1o机的步距角a=0.9。则减速比i=360d360´0.01，因此无需采用

14、减速箱。4、步进电动机的计算和选型（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知滚珠丝杠公称直径d0=25mm，总长l=500mm，导程Ph=4mm,材料密度r=7.85´10kg/cm，G=600N，计算滚珠丝杠的转动惯量 -33Js=mjd208cm2。工作台折算到丝杠上的转动惯量，其公式为：L0Jw=W()2=0.248kgcm2 初选步进电动机型号为3402HS45AB，步距角为0.9度，查得该型号的电动机转子的转动惯量为Jm=1.4kgcm2。则一对齿轮传动时，传动系统的折算到电动机轴上的总转动惯量：Jeq=Jm+Jz+Jm=2.612kgcm2（2）计算加在步进电动机转轴

15、上的等效负载转矩 快速空载起动时电动机转轴所受的负载转矩：Teq1=Tamax+Tf其中： Tamax快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 Tamax=2pJeqnm60tah其中，nm对应空载最快移动速度的步进电动机的最高转速，nm=vmaxa600´0.9=150r/min 360d360´0.01ta步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间，ta=0.4sh传动链总效率，h=0.7Tamax2´3.14´2.612´150´10-4=0.014N6.m 60´0.4´0.7Tf移动部件运动时，折算到

16、电动机轴上的摩擦转矩Tf=m(Fz+G)Ph2ph*i，空载时Fz=0，则Tf= 0.0027 N.mTeq1=Tamax+Tf代入公式计算快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩得： = 0.0173N.m 最大工作状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2=Tt+Tf+T0其中： Tt折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩TfTt=FzPh1000´0.004=»0.91N.m2phi2´3.14´0.7 移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 Tf=mFyPh0.005´800´0.004=»0.0036N.m2phi

17、2´3.14´0.7´1T0滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附件摩擦转矩，由于相对于另两项很小，可忽略不计。代入公式计算得：TeqTeq1Teq2=Tt+Tf+T0=0.9136N.m 经上述计算，得到加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 = max ，Teq2=0.9136N.m（3）步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压减小时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：Tjmax³4Teq

18、=4´0.9136=3.6544N.m。上述初选的步进电动机，可见满足型号为3402HS45AB，查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=4.5N.m上述要求。由于步距角是1.8度的，可以通过驱动器细分。（4）步进电动机的性能校核 最快工进速度时电动机输出转矩校核 电动机运行频率计算公式为：式中： vmaxffmaxf=vmaxf60d 最快工作进给速度，fmaxf=vmaxf=100mm/min 代入公式计算得： 100=166.67Hz60´0.01可查得对应的输出转矩Tmaxf»4.5N.mTeq2>因此满足要求。 最快空载移动时电动机输出转矩校核 此

19、时电动机对应的运行频率：fmax=vmax60d式中： vmax最快工作进给速度，vmax =600mm/minfmax=600=1000Hz60´0.01 代入公式计算得：查表查得对应的输出转矩约等于4.5N*M>Teq1因此满足要求。 最快空载移动时电动机运行频率校核与vmax =600mm/min对应的fmax=1000Hz，查表可知电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超出上限。 起动频率计算 fL=fq+JeqJm步进电动机克服惯性负载的起动频率：式中：=1800Hz fq电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率，查表4-5得fqfL=代入公式计算得： 180

20、0+2.6121.4=1063.30Hz上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小与1063.3Hz。在采用软件升降频时，起动频率选的更低，通常只有100Hz。综上所述，本例中工作台的进给传动选用3402HS45AB步进电动机，完全满足设计要求。5、联轴器的选择滚珠丝杠的轴头与滚珠丝杠螺母副用联轴器联接，由于传递的转矩小，因此选用小型的联轴器。根据滚珠丝杠的公称轴径效负载转矩Teqd0=25mm和步进电动机转轴上的等=0.9136N.m，故选择SRJ-55C型号可挠性联轴器。四、微机数控硬件电路的设计根据任务书要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能： 接受键盘

21、数据，控制LCD显示；接受操作面板的开关与按钮信号；接受车床限位开关信号；控制Z向步进电动机的驱动器；控制系统由微机部分，键盘、显示器、I/O接口及光电隔离电路，步进电机功率放大电路等几部分组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用LCD显示器。控制系统的原理框图如下：图4-11、选择中央处理单元CPU的类型考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，及经济价格比等经济性的要求。因此，在经济数控铣床中，推荐使用MCS51系列单片机作主控制器，故选取89C52单片机作为主控制器。它结合了CMOS的高速和高密度技术及CMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指

22、令系统，属于89C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。所以也不需要扩展存储器。2、选择LCD显示器LM016L 液晶模块采用H

23、D44780控制器。HD44780具有简单而功能较强的指令集，可以实现字符移动、闪烁等功能。LM016L 与单片机 MCU（Microcontroller Unit）通讯可采用 8 位或者 4 位并行传输两种方式。HD44780 控制器由两个 8 位寄存器、指令寄存器（IR）和数据寄存器（DR）、忙标志（BF）、显示数据 RAM（DDRAM）、字符发生器 ROM（CGROM）、字符发生器RAM（CGRAM）、地址计数器（AC）。IR 用于寄存指令码，只能写入不能读出；DR 用于寄存数据，数据由内部操作自动写入DDRAM 和 CGRAM，或者暂存从 DDRAM 和 CGRAM 读出的数据。BF

24、为 1 时，液晶模块处于内部处理模式，不响应外部操作指令和接受数据。DDRAM 用来存储显示的字符，能存储 80 个字符码。CGROM 由 8 位字符码生成 5*7 点阵字符 160 种和5*10 点阵字符 32 种，8 位字符编码和字符的对应关。CGRAM 是为用户编写特殊字符留用的，它的容量仅 64 字节。可以自定义 8 个 5*7 点阵字符或者 4 个5*10 点阵字符。AC 可以存储 DDRAM 和 CGRAM 的地址，如果地址码随指令写入 IR，则 IR 自动把地址码装入 AC，同时选择DDRAM 或者 CGRAM 单元。LM016L 液晶模块的引脚功能见下图。LCD 的 数 据 端

25、 连 接 到AT89C52 的 P010P017 口上。图4-23、控制按键采用独立式键盘 ,分别接到 A T89C52 的P2. 3P2. 7 口而实现。通常按键所用的开关为机械弹性开关 ,因此机械触点断开、闭合时均会有一系列的抖动。抖动时间长短由按键的机械特性决定 ,一般是 510 ms。为了确保 CPU 对键的一次闭合只做一次处理 ,必须去除键盘抖动。一般多采用软件消抖。软件消抖的方法是指 ,检测到有按键按下时 ,执行一个 10 ms左右(具体时间可以调整)的延时程序产生延时 ,等电压稳定后再读取按键的状态 ,从而消除抖动。4、ULN2802ULN2803 ULN2804A 8个NPN达

26、林顿晶体管，连接在阵列非常适合逻辑接口电平数字电路（例如TTL，CMOS或PMOS上/ NMOS）和较高的电流/电压，如电灯，电磁阀，继电器，打印锤或其他类似的负载，广泛的使用范围：计算机，工业和消费应用。所有设备功能由集电极输出和钳位二极管瞬态抑制。 该ULN2803是专为符合标准TTL，而制造ULN2804适合6至15V的高级别CMOS或PMOS上。该电路为反向输出型，即输入低电平电压，输出端才能导通工作。ULN2803达林顿管IC，一般都是 用来驱动功率稍微大一点的被动器件的，而驱动的被动器件里，有很大一部分是感性的，如继电器、马达、电磁阀等，这些感性器件在关断瞬间第14 / 18页会产

27、生很高的自感电动势（自感电压），低的10多伏，高的几十伏，甚至几百伏，这么高的电压很容易把ULN2803 达林顿管打坏，甚至打坏电路中的其它元器件，所以需要在感性器件上并联一个二极管，用来续流（就是把那个自感高压放掉），保护IC和其它器件不受破坏，此续流二极管正极接2803输出端(即电感器件的一端），负极接驱动电源（在2803上是10脚，也就是电感器件的另一端）。2803在内部设计了二极管以后，用户在使用的时候不需要外接二极管，在同时驱动多路器件的时候可以节省PCB空间，节约成本、方便走线。5、辅助电路1）87C51的时钟电路数控铣床单片机的时钟电路采用内部方式产生。2）复位电路单片机的复位都

28、靠外部电路实现。单片机通常采用上电复位和按键复位两种，本系统采用前者。3）越界报警电路为防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。图3-18为报警信号的产生和指示电路。4）掉电保护电路121为其工作原理。 图4-3图4-3第15 / 18页五、步进电动机控制系统的软件设计1、主程序设计系统软件采用模块化程序设计 ,系统主程序主要完成的内容有:系统参数初始化、打开中断、启动电机等。系统主程序流程图如图 3 所示。可以看出 ,主程序是一个死循环 ,在系统上电初始化完毕后 ,系统一直在不断的执行这个循环程序。在循环过程中 ,若产生中断 ,则程序就转去执行相应的中断服务程序。图5-1(1) 首先进入启动界面 ,本系统每次启动后将进入待机界面 ,同时步进电机进入待机状态 。(2) 当按下启动停止键后 ,此时系统将开始驱动电机 ,电机将以 0 级速度 3 r/ min 正转 ,如图 5 所示 ,LCD 的第一行显示的是系统的转速级别 ,第二行显示转速和转向。其中数字代表转速值 ,前面的正负号代表 转向。(3) 每按一次速度加后 ,电机的速度将提高一个级别 ,当连续按下 7 次后 ,电机将以 6 级速度30 r/ min正转 ,直到 9 级最高速 1