机电一体化课程设计

1、随着科学技术的迅猛发展，数控机床已是衡量一个国家机械制造水平的重 要标志。采用经济型数控系统对普通机床数控改造，尤其适合我国机床拥有量 大、生产规模小的具体国情。 电气时代、机械工人、电气应用等多家杂 志为满足广大企业技术改造发展生产的需要，多次联合举办学习班，为企业提 供权威、经济、可行、实用的技术指导，改造费用为新购置费用的四分之一到 三分之一。鉴于此，对我们本科生来说，进行一次机电一体化课程设计尤为重要！该 课程设计的目的与容如下：一、课程设计的目的机电一体化系统设计课程设计是机电一体化系统课程的最后一个教学环 节，同时也是一次对学生进行全面的机电一体化设计训练，其基本目的是：（1）综合

2、运用机电一体化系统设计课程和其它有关先修课程的理论及生产实践 的知识去分析和解决机电一体化指纹设计问题，并使所学知识得到进一步巩固 和深化；（2）学习机电一体化系统设计的一般方法， 了解和掌握常用的机电一体化系统 中的机械设计及接口电路诉设计方法，培养正确的设计思想和分析问题、解决 问题的能力，特别使总体设计和零部件设计的能力；（3）通过计算和绘图， 学会运用标准、 规、手册、图册和查阅有关技术资料等， 培养机电一体化系统设计的基本技能。二、课程设计容（1）采用微机（包括单片机）进行数据采集、处理和控制，主要考虑计算机的 选择或单片机动性构成电路的选用，接口电路，软件编制。（2）选用驱动控制电

3、路， 对执行机构进行控制。 主要考虑电机的选拔馺驱动力 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的主要功能（如传递运动、动力、位置控制、微调、精密 定位或高速运转等） ，进行力（力矩）、负载功率、惯性（转动惯量） 、加（减） 速控制和误差计算，提出装配图和零件加工图，提出对电机驱动和计算机控制 要求。（4）采用传感器和计算机控制要求。（5）学会使用手册及图表资料。目录设计任务书 4数控改造的重要性 6系统总体方案的分析与拟订 8机床传动部分的改造 10电动机的选择计算 20系统微机部分改造设计 27微机控制系统

4、软件设计 37设计小结 4041参考文献第一章 设计任务书、设计任务将CA6140普通卧式车床改造成用AT89S51单片机控制的经济型数控车 床。要求该车床在纵向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率：纵向：0.01mm/puls横向：0.005mm/puls、给定参数最大加工直径：在床面上在床鞍上 工作行程：400mm210mm纵向横向1000 mm500mm导轨类型：纵向横向综合性导轨燕尾形导轨主轴转速围：正转（24 级）101400rpm反转（12 级）141580rpm溜板及刀架重力：纵向 横向800N600N刀架快速进给速度：纵向2.4m/min横向1.2m/min最大切削进给速度：纵向

5、0.6m/min横向0.3m/min主电机功率：7.5kw/1450rpm启动加速时间：30ms机床定位精度：0.015mm设计要求装后数控车床应具有的性数控代码制：能ISO脉冲分配方式：逐点比较法输入方式 :增量值、绝对值通用同时控制坐标轴数：2坐标轴（纵向 Z，脉冲当量值：纵向0.01/脉冲横向0.005/脉冲刀具补偿量：099.99mm进给传动链间隙补偿量：纵向0.15mm横向0.075mm自动升降速性能：装后数控车床的工艺围有装后数控车床的工艺围具有快速定位，直线插补，顺、逆圆插补，暂停，循环加工。三、1.横向）2.3. 采用步进电机开环控制4. 对微机数控系统的要求： 微机控制系统要

6、有可靠性好、功能强、 速度快、 抗干扰能力强，可在线编程、 具有很高的性能价格比等特点。1 ）单片机型号 AT89S51-24PU2）SRAM 型号： IDT7164S35P（8kx8）3 ） EEPRO型号：AT28C256-15PI（32kx8）4 ）采用全译码方式译码5 ）步进电机采用硬件环形分配，功放电路采用高低压功放6 ）控制系统的加工程序和控制命令可通过键盘操作实现7 ）采用数码显示加工数据及机床的状态等信息8 ）具有 ISP （在线编程）功能 四 . 设计工作量1. 进给系统机械装配图一（ A1）；2. 一数控系统硬件原理图（ A1）；3. 驱动电路原理图一（ A2）；4. 课程

7、设计说明书一份 包括一下容： 1）前言（数控改装的意义、用途及目的等） ； 2）改装方案的确定（包括系统总体方案的确定， 机械系统改装方案确定、控 制系统方案确定；3）机械部分改装设计计算：（1）滚珠丝杆螺母副型号确定；（2）齿轮传动比和齿数的确定；（3）轴承型号确定；（4）联轴器的选择；4 ）步进电机选型5 ）控制系统硬件电路设计（1）存储器扩展电路设计（2）通用接口芯片型号选择及接口电路设计（3）译码芯片型号选择及各芯片地址分配（4）数码管和键盘接口电路设计（5）环形分配器芯片型号选择及环形分配电路设计（6）步进电机功放电路设计（7）ISP（In-System Programming- 在

8、线系统编程及调试）接口设计（8）机床报警电路设计等6）总结及结束语第二章 数控改造的重要性随着科学技术的迅猛发展，数控机床已是衡量一个国家机械制造水平的重 要标志。采用经济型数控系统对普通机床数控改造，尤其适合我国机床拥有量 大、生产规模小的具体国情。(一) 、数控改造有两方面的必要性：1微观看改造的必要性 ： 从微观上看，数控机床比传统机床有以下突出的优越性，而且这些优越性 均来自数控系统所包含的计算机的威力。(1) 可以加工出传统机床加工不出来的曲线、曲面等复杂的零件。 由于计算机有高超的运算能力，可以瞬时准确地计算出每个坐标轴瞬时应该运动的运动量，因此可以复合成复杂的曲线或曲面。(2)

9、可以实现加工的自动化，而且是柔性自动化，从而效率可比传统机 床提高37倍。由于计算机有记忆和存储能力，可以将输入的程序记住和存储 下来，然后按程序规定的顺序自动去执行，从而实现自动化。数控机床只要更 换一个程序，就可实现另一工件加工的自动化，从而使单件和小批生产得以自 动化，故被称为实现了“柔性自动化” 。(3) 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使装配容易，不再需要“修配”(4) 可实现多工序的集中，减少零件在机床间的频繁搬运。(5) 拥有自动报警、自动监控、自动补偿等多种自律功能，因而可实现 长时间无人看管加工。(6) 由以上五条派生的好处。 如：降低了工人的劳动强度，节省了劳动力(一个人可

10、以看管多台机床)减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应 等等。此外，机床数控化还是推行FM(柔性制造单元)、FM(柔性制造系统) 以及CIMS（计算机集成制造系统）等企业信息化改造的基础。数控技术已经成 为制造业自动化的核心技术和基础技术。2 .宏观看改造的必要性从宏观上看，工业发达国家的军、 民机械工业， 在 70年代末、80年代初已 开始大规模应用数控机床。其本质是，采用信息技术对传统产业（包括军、民 机械工业）进行技术改造。除在制造过程中采用数控机床、FMC FMS外，还包括在产品开发中推行CAD CAE CAM虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS （管 理

11、信息系统）、CIMS等等。以及在其生产的产品中增加信息技术，包括人工智 能等的含量。由于采用信息技术对国外军、民机械工业进行深入改造（称之为 信息化），最终使得他们的产品在国际军品和民品的市场上竞争力大为增强。 而 我们在信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20年。如我国机床拥有量 中，数控机床的比重（数控化率）到 1995 年只有 1.9，而日本在 1994年已 达 20.8 ，因此每年都有大量机电产品进口。这也就从宏观上说明了机床数控 化改造的必要性。（二）、数控改造有多方面的优点：1 .减少投资额、交货期短同购置新机床相比，一般可以节省 60%80%的费用，改造费用低。特别是 大型

12、、特殊机床尤其明显，一般大型机床改造，只花新机床购置费用的 1/3 ， 交货期短。2. 机械性能稳定可靠 所用的床身、立柱等基础件都是重而坚固的铸造构件，而不是那种焊接构 件，改造后的机床性能高、质量好，可以作为新设备继续使用多年。3 .熟悉了解设备、便于操作维修购买新设备时，不了解新设备是否能满足其加工要求。改造则不然，可以 精确地计算出机床的加工能力；另外，由于多年使用，操作者对机床的特性早 已了解， 在操作使用和维修方面培训时间短， 见效快。 改造的机床一旦安装好， 就可以实现全负荷运转。4.可充分利用现有的条件可以充分利用现有地基，不必像购入新设备时那样需重新构筑地基。5 .可以采用最

13、新的控制技术可根据技术革新的发展速度，及时地提高生产设备的自动化水平和效率， 提高设备质量和档次，将旧机床改成当今水平的机床。（三）、数控发展的趋势：1. 继续向开放式、基于PC的第六代方向发展基于PC机所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点， 更多的数控系统生产厂家会走上这条道路，PC机所具有的友好人机界面，将 普及到所有的数控系统。远程通讯、远程诊断和维修将更加普遍。2 向高速化和高精度化发展 这是适应机床向高速和高精度方向发展的需要。3. 向智能化发展随着人工智能在计算机领域的不断渗透和发展，数控系统的智能化程度将不断第三章系统总体方案的分析与拟订目前，在机械加工工业中，

14、绝大多数是旧式机床，如果改用微机控制，实 现机电一体化的改造，会使机床适应小批量、多品种、复杂零件的加工，不但 提高加工精度和生产率，而且成本低、周期短，适合我国国情。利用微机实现 机床的机电一体化改造的方法有两种：一种是以微机为中心设计控制部件；另 一种是采用标准的步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需重新设计 控制系统，比较复杂；后者选用国标准化的微机数控系统，比较简单。这种标 准的微机数控系统通常采用单片机、驱动电源、步进电机及专用的控制程序组 成开环控制，如图3-1所示，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程大 多是由单片机按照输入的加工程序进行插补运算，产生进给，由软件或硬件实

15、 现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大、驱动刀架、纵横轴运动的步进电 机，实现刀具按规定的轮廓轨迹运动。微机进行插补运算的速度较快，可以让 单片机每完成一次插补、进给，就执行一次延时程序，由延时程序控制进给速 度。综合考虑以上因素，故选用标准的步进电动机数字控制系统作为数控车床 控制系统。（一）、功能与技术参数分析设计的最初环节必须理解和分析设计任务所提出的主要功能和技术指标。 设计任务提出了纵向走刀，横向走刀的定位精度、走刀速度、主轴变速等诸多 技术参数。并且，要求能够进行人机对话，编程及操作方便，诊断功能和纠错 功能强，具有显示和通信功能，缩短非生产准备时间，提高生产率。（二）、原理构思

16、和技术路线确定针对设计任务的主要功能和技术指标要求提出一些原理性的构思。车床传动部分改造比较简单，当数控系统出现故障时仍可使用原驱动系统进行手动加 工。改装时，只要在原来机床进给丝杠尾部加装减速箱和步进电机（如图中A和B）即可。对其纵向（Z向）进给运动，可将对开开合螺母合上，离合器 M 脱开，以使主运动与进给运动脱开，同时，将脱开蜗杆等横向自动进给机构调 整至空挡（脱开）位置。若手动转动刀架换为自动转位刀架，则可以由微机控 制自动转换刀具。如需加工螺纹，则要在主轴外端或其他适当位置安装一个脉 冲发生器C检测主轴转动位置，用它发出的脉冲来保证主轴旋转位置与纵向进 给运动的相互关系。为了保证加工精

17、度，还需根据实际情况对机床进行修检， 以能保证控制精度。原机床运动部件（包括导轨副、丝杠副等）安装质量的好 坏，直接影响阻力或阻转矩的大小，应尽量减小阻力（转矩），以提高步进电动 机驱动转矩的有效率。丝杠要提高其直线度，导轨压板及螺母的预紧力都要合 适。根据阻力（转矩）、切削用量的大小及机床型号的不同，应通过计算，选用 与之相匹配的步进电动机。还必须对执行元件进行匹配选择。对要求加工精度 较高得机床，其进给丝杠改换为滚珠丝杠。数控部分采用MCS-51系列的单片机， 控制外接存储及I/O扩展芯片才可成为一个简单的微机控制系统。I/O扩展芯 片的个数根据整个系统需要的I/O通道的个数来确定。涉及软

18、、硬件任务分配 的有：控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描 管理。（三）、拟订总体方案功能原理构思和技术路线确定后，对运动、布局、传动、结构、控制以及 软件等方面作出总体方案设计。通过第四章的设计计算，比较各部件的选择， 经过技术和经济评价后，选择其中一种较合理的作为最优方案加以采用。普通 车床的数控化改造方案应该在满足改造设计任务的前提下，尽可能对普通车床 作较少改动，这样可以降低改造成本。计算与说明主要 结果第四章、机床传动部分的改造伺服系统机械部分设计计算容包括：1. 确定系统的负载2. 确疋系统脉冲当量3. 运动部件惯量计算4. 穿戴起动及切削力矩计算5. 确

19、定伺服电机6传动及导向元件的设计、计算及选用一、系统负载的确定1、确疋系统脉冲当量脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。 经济型 数控车床米用的脉冲当量是 0.010.005mm脉冲，根据任务书的要 求机床定位精度为 0.015mm故改造的CA6140车床纵向脉冲当量取 0.01mm脉 冲。2、切削力计算用经验公式计算主切削力 对于车床的主切削力纵切：Fz =0.67Dm；x(N) 0.67 4001.5 5360(N)Dmax 车床床身上加工最大直径(mm按比例分别求出进给抗力Fx和切深抗力Fy :由 Fz : Fx : Fy,=1 : 0.25 : 0.4 计算得：Fx=0.2

20、5 5360=1340 ( N)，Fy =0.4 5360=2144 ( N)Fx-走刀方向的切削分力(N) Fy-垂直走刀方向的切削分力(N) 作用在进给拖板上的载荷可按下列式子求出：拖板上进给方向载荷：Fl = Fx =1340(N)拖板上垂直方向载荷：FV = Fz =5360( N)拖板上横向方向载荷：FC = Fy =2144(N)二、滚珠丝杠螺母副的设计、计算与选型1、计算进给牵引力Fm(最大工作载荷)根据设计任务要求，查机电一体化方向专业课程设计指导书 表3-4得知Fm = K Fx + f'(Fv +G)选综合型导轨,其中K=1.15,摩擦系数f'=0.150.

21、18,取f'=0.16，工作台重量 G=800( N),则:Fm=1.15 1340+0.16 (5360+800) =2526.6 (N)2、计算最大动载荷CFz =5360(N)Fx1340(N)2144(N)Fm =2526.6(N)C=3 L fW fH Fm其中：L寿命 L= 60n6- ； n-丝杠转速（r/min ） ,n= 1000Vs ； 106LoVs-最大切削力条件下的进给速度（m/min）,可取最高进给速度的 1/2 1/3，取 Vs=0.6/3=0.2（m/min）;Lo -丝杠的导程（mr）T-使用寿命（h）,对于数控机床T=15000hfw-运转系数，数控

22、车床为一般运转，查机电一体化专业课程设计指导书表35取fw =1.3 ;fH -硬度系数，查机电一体化专业课程设计指导书表3 6按经验公式取fH =1.35。考虑到丝杠对加工精度和经济性的影响，L0应优先取4、6、8（mr）i系列；（1）选基本导程L°=4mm则:丝杠转速n=1000VsL0=1000 0.2 =50 (r/min)4C1 =16371.2(N)寿命 L=60nT=60 50 15000=45106106最大动载荷：C1=3 L fW fH Fm = 3 451.31.35 2526.6=15772 (N)丝杠转速 n=1000Vs=1000L0°.2=10

23、0(r/min)63寿命L=6黑严100 150003106(2) 选基本导程L°=6mm则:最大动载荷：C2=3 L fW fH Fm = 3 30 1.3 1.35 2526.6=13778 (N)丝杠转速n=lOOOVsLo= 10000.2 =25 (r/min)8C2 =14301.5(N)(3) 选基本导程L0=8mm则:寿命詩铁60 25 J50。"最大动载荷：106Ca =12993.8(N)因Ca < C1基本导 程Lo 4mm的滚珠 丝杠不 符合使 用要求C3=3 匸 fw fH Fm =32251.3 1.35 2526.6=12518 (N)考

24、虑到工作要求，外循环插管式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副结构 简单，工艺性好，安装尺寸小，刚度高等优点可以满足车床改造要求， 故选汉江机床厂FC1型滚珠丝杠。查机电一体化技术手册表 7.2 14得相应的额定动载荷Ca滚珠丝杠副的尺寸规格和结构类型，选 用时应满足C<ca。查表，选择以下验算：当Lo=4mn!寸，表中额定动载荷显示Ca < C1，故基本导程Lo=4mm 的滚珠丝杠不符合使用要求。当L°=6mm寸，C2=13778(N)，符合。选用滚珠丝杠系列代号 40062.5，公称直径d°=40,螺旋角 =20 44'，滚珠直径dq =3.969，列数 圈数=

25、1 2.5，Ca=16083N当L°=8mm寸，Ca=12518 ( N)符合。滚珠丝杠系列代号 40082.5，公称直径d°=40,螺旋角 =30 38'，滚珠直径dq =4.763，列数圈数=12.5，Ca=20202M3 传动效率计算tgtg( )doL0 丝杠基本导程； d0 丝杠公称直径-摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于10'（约等于0.1670 ）;要求>0.9满足设计要求。IQ当 L0=6mm寸，皿说=嘶3 2.7350tg 2.735°tg(2.73500.167。)O.942"

26、;9 满足要求;当 L0=8mm寸,I8arctg+0=arctg3 3.6440tg 3.6440tg(3.644°0.1670)4 刚度检验当 L0=6mm寸，0.982>0.9满足要求;Lo 6mm时=0.942>0.9满足要 求；Lo 8mm时=0.982>0.9满足要 求；（1）丝杠的拉伸或压缩变形量1 (mmLFm L0EFL-在工作负载Fm作用下引起每一导程的变化量（mr）Fm-最大工作载荷（NL0-滚珠丝杠的导程（mr）E-材料弹性模数，对钢 E=20.6 104 （N/mn2 ）F-滚珠丝杠的截面积（mrh）d24di do 2e 2Rd。-丝杠的

27、公称直径,e-偏心距,R-螺纹滚道的半径R=0.52dq =0.52 3.969=2.064mme=( R-dq/2) sin=(2.064-3.969/2) sin 450 =0.0795 0.707=0.056mm故 d1=40+2 0.056-22.064=35.984mm2 2d1 =3.14 35.984=1016.456 mm2EF=0.0000724mm2526.6 6420.6 104 1016.456则滚珠丝杠总长度上拉伸或压缩变形量 1为:丄 l/000072 1185=0.0143mmL01 一0.0036 (mm)L-滚珠丝杠在支承间的受力长度L=1185mm若两端采用

28、角接触球轴承，且丝杠进行了预紧，预紧力为最大工 作载荷的1/3时，其拉伸刚度可比一端固定的丝杠提高 4 倍,其实际 变形量为：1 =0.0036mm4（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形2 （mm）（此项在总变形量中也占比较大的比重）Z: 圈的滚珠数（外循环）Z= d0 =3.14 40 =31.645，取 Z=32dq3.969Z :滚珠数总数Z =Z 1 2.5=80Fm :轴向工作载荷Fm =252.66 (Kgf) (1千克力=9.8N,约等于10N)1 1Fy :预紧力Fy= Fm=252.66 84.22 (Kgf)33有预紧时：0.0013 (mm)2 0 0013Fm=0 00132

29、52.66=0.0025mmdoFyZ23.969 84.22 802当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减少 一半，即：2 =0.0013mm(3)滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3 (mm)轴向接触变形3占的比重也比较大。计算轴向接触变形，不 同类型的轴承的接触变形量可用不同的公式计算，选：推力球轴承：3Fm-轴承所受轴向载荷(Kgf)；Z-轴承的滚动体数目；dQ-轴承滚动体直径(mr)查机械设计课程设计表12-4 :其径d=30,外径D=52,宽3_0.0083 (mm)T=16, dQ=T 8(mm)，Z= (dD)3=140.00240.002432=0.0083

30、( mm252.6628 142(4) 滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变形量 4 一般所占的比重比较小，忽略不计。(5) 螺母座及轴承支座的变形5L0 =6mm】时0.0132(mm 符合要 求常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难， 一般根据其精度要求，在结构上尽量增强刚度而不作计算。一般所占 的比重比较小，忽略不计。滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算 i， 2， 3之和不应大于 机床精度要求允许变形量的一半。由于预紧的作用，采用双螺母预紧， 可将原机床的刚度提高4倍。因此，只要满足i+ 2+ 3机床精度(0.015mm要求即可。即：i + 2 + 3=0.0036+0.001

31、3+0.0083=0.0132mm 0.015mm故Lg=6mn符合条件要求 当L°=8mm寸(以下计算各符号所代表意义与计算 L°=6mm寸相同)(1)丝杠的拉伸或压缩变形量 1 (mmR=0.52dq =0.52 4.763=2.477mm e= (R-dq/2 ) sin=(2.477-4.763/2)sin 45° =0.0795 0.707=0.0674mm故 d1=40+2 0.0674-22.477=35.181mm2= 3.14 35.181=971.586 mm2F m L0EF2526.6 820.6 104 971.586=0.000101m

32、mLLoL =0.00010111858=0.015mm1 -0.0037 (mm)1 =0.0037 (mm4(2)滚珠与螺纹滚道间接触变形2mmZ= d? = 34.7630 =26.554 取 Z=27Z =Z 1 2.5=67.5Fm 咚16 252.66 (Kgf)1011Fy= Fm=252.66 84.22 (Kgf)33Fm2 0.0013m=0.0013252.66*d°FyZ2%763=0.00269mm84.22 67.522 = ； OQOmm2 -0.00135 (mm)(3)滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形3 mm查机械设计课程设计表12-4 :d=30,外径

33、 D=52 宽 T=16, dQ = T 8(mm)，Z=C=12518<28000 8206,其径(d D) 3=14T30.0024=0.0024 X 32；8 142252.66 =0.0083( mm(4)滚珠丝杠的扭转变形引起的导程的变形量4般所占的比重比较小，忽略不计。(5)螺母座及轴承支座的变形5般所占的比重比较小，忽略不计。滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算3之和不应大于机床精度要求允许变形量的一半。由于预紧的作用，采用双螺母预紧,可将原机床的刚度提高4倍。因此，只要'1 + '2 + 3机床精度要求。即: + '2+ 3 =0.0037+0.001

34、35+0.0083=0.0134mm<0.015mm故L°=8mn符合条件。3_0.0083 (mm)L0 =8mm】时0.0134(mr)符合要 求KfZ 2EI 4 3.142 20.6 104 75159.2=434842.5 (N)Lo =6mmJ_° =8mm都满足要求。以基本导程最大的滚珠丝杠作为最终选择，即以L°=8mm勺作为计算依据5.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，应验算其没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。产生失稳的临界负载Fk可用下式计算：Z 2EIE-材料弹性模数，对钢 E=20.6 104 （N/mn2 ）I

35、-截面惯性矩（mm）dF1464435.181=75159.2 mm464l-滚珠丝杠两端的支承距离l=1185mm,查机电一体化专业课程设计指导书表 3.7，因丝杠两端固定，取丝杠支撑方式系数fZ=4;临界负载Fk最大工作负载Fm之比称为稳定性安全系数nk如果：nk = 氐，则丝杠不致失稳Fmnk入;故丝杠 不失稳nk，故丝杠不失稳山二 Fk = 434842.5 =172.1 Fm 2526.6nk -许用稳定性安全系数，一般取nk =2.54第五章、电动机的选择计算（一）减速比的确定减速比为：i二_丄360 p式中：p-脉冲当量（mm步）由系统的定位精度要求可确定系统的脉冲当里为：p=0

36、.01mm/plus ；Lo -滚珠丝杆的基本导程（mmb -步进电机的步距角初选三相异步电动机，根据经济性要求，米用三相六拍工作方式 的步进电机，步距角为 b =0.75 0。i =0.75 8 / （360 0.01）=1.67（二）齿轮传动的确定对于数控车床的齿轮传动，应采用设计、结构和工艺均较简单，而且易获得高精度的平行轴渐开线圆柱齿轮传动。z1 =30d1 =60mmd a1 =64(mr)i d f1 =55 (mm) b1 =10mmz2 =55d2 =102(mm) da2=106(mm) d f2 =97(mm) b2 =8mm a=81mm通常，齿轮传动链的传动级数少一些比

37、较好， 因为可以减少零部 件的数目，简化传动链的结构，并且可以提高传动精度，减少空程误 差，有利于提高传动效率。同时i=1.25较小，故在此选用圆柱直齿 轮单级传动。一般模数取m=A2,数控车床取m=2齿轮宽b=(36)m，为了 消除齿侧隙，宽度可加大到(610) m根据齿轮的计算规则，有以 下选择步骤：z1 17，取 z!=30，m=2 贝Ud1 = mzi=2 30=60(mm)da1 = d 1 +2m=60+2 2=64(mm)df1= d 1-1.25m 2=60-1.252 2=55(mm)b1 =(6 10) m,取 b1 =10mmz2 = z 1 i =30 1.67=50.

38、151d 2 =mz2 =2 51=102(mm)d a2= d 2 +2m=102+2 2=106(mm)df2= d 2 -1.25m 2=102-1.25 2 2=97(mm)b2 =(6 10)m,取 b2 =8mm中心距 a=d1 d260 10281(mm)2 2选小齿轮齿数 z1=30,小齿轮的齿宽度 b1=10mm大齿轮齿数z 2=51，大齿轮的齿宽度 b2=8mm对斜齿圆柱齿轮采用轴向垫片调 整法，修正或改变轴向调整垫片的厚度以减少侧隙，但不能自动补偿齿隙。(三)转动惯量的计算1、转动惯量的计算(1)齿轮、轴、丝杠等圆柱体惯量计算2J= MD =078D4L 103(的2)M

39、-圆柱体质量(kg)D-圆柱体直径(cm)L-圆柱体长度或圆度(cm)滚珠丝杠的转动惯量为Js = 0.78 44 130 10 326 kg.cm2)齿轮的转动惯量为Jzi 0.78 64 1 10 3 1(kg.cm2)z1Jz2 0.78 10.24 0.8 10 36.73(kg.cm2)查机电一体化系统设计表3.8，因为选用电机限定工作方式的是三相六拍，步距角为b=0.75 0，按转动惯量相近原则，故符合的是：110BF003和 110BF004电机的转动惯量分别为：5 2 2110BF003 Jm1 46.1 10 kg.m 4.61(kg.cm )5 2 2110BF004 J

40、m2 34.3 10 kg.m3.43( kg .cm )(2)工作台折算到丝杠的转动惯量2 2v G L0G 2、 (kg.cm )2 n g 2 g y工作台移动速度(cm/min) 丝杆转速(r/mi n)Jgv一n-G-工作台的质量(N)g-重力加速度(10m/s?)L0-丝杆导程(cm)0.8 2 800 2JG ()2 1.30(kg.cm2)G 2 3.1410(3)传动系统折算到电机轴上的转动惯量2 2L0G 1ni2一 -2Ji kg.cmj 1 2 g i i 1nkmJlJs =26kg.cm2J z121 kg .cmJ z26.73kg.cm2J G1.30kg.cm

41、2由于：iz2z1n1 n2, 0.828001230J l 16.73 26L 2 3.14101.7251Jl12.77kg.cm212.77他.詔)式中：i-系统总的减速比(i>1)J i-各转动体的转动惯量(kg.cm2)n i -各转动体的转速(r/min)n K -电机的转速(r/min)J m-电机的转动惯量(kg.cm2)J 117.382kg.cmJ 216.202kg.cm(4)系统总的转动惯量2J i J l Jmi( kg -cm )2J 2 JlJm2(kg.cm )J 1 12.77 4.61 17.38(kg.cm2)J 2 12.77 3.43 16.20

42、(kg.cm2)2、电机力矩的计算主要考虑快速空载起动时所需力矩M起和最大切削负载时所需力矩M切。M 起 M amax M f M。N.cmM 切 M f M 0 M t N .cm电机的启动负载Tq maxM起，M切(1)空载起动时折算到电机轴上的加速度力矩a maxa maxiM a max2n max60tan max60ta1010式中：J -传动系统折算到电机轴上的总等效转动惯量(kg.cm3 145002Mamax2 16.203 10 2282.6( N.cm)Vmax-运动部件最大快进速度(mm/min)Vmax 2.4(m/min) 2.4 1060 30 10 3(2)摩擦

43、力矩M fF0L0M f 0 0 (N.cm)2 iF°"(Fz G)式中：G-运动部件的总重量(N) G=800(N)f/-导轨摩擦系数f'0.16i-齿轮总减速比i=1.7(mm/ min)n max-电机最大转速(r/min)nmaxVmaxb3602.4 103 0.750.01360500(r / mi n)t a -运动部件从停止起动加速到最大进给速度所需时间M a max1303(N .cm)Ma max2282.6(N .cm)Mf96.2N.cm(s)， ta 30ms可以计算电机轴上的加速度力矩：2 3 14 5002M amax1 17.383

44、 10 2303(N.cm)60 30 10 3-传动链总效率，一般可取0.7 0.850.8F00.16 (5630 800)则有： -1028.8 0.8M f 2 3.14 0.8 1.7(3)附加摩擦力矩M。1028.8N96.2(N.cm)F po Lo2M 010 (N .cm)2 i式中：Fp0 -滚珠丝杆预加负载(N), 般取工作载荷的131 Fpo 3Fm 842.2NLo-滚珠丝杆导程(cm)Lo 0.8cm0-滚珠丝杆未预紧时的传动效率，一般取°0.9M015N .cm则有:M0842.2 0.82 3.14 0.8 1.721 0.9215(N.cm)(4)折

45、算到电机轴上的切削负载力矩MtMt125.5N .cmMtFt L02 iN.cm式中：Ft-进给方向最大切削力(N)Ft Fi 1340 NMt1340 0.82 3.14 0.8 1.7125.5(N.cm)(5)快速空载起动时所需力矩M 起 1Mamax1 M f M °(N.cm)M切236.7N .cm00.9M 起2 M amax2 M f M°(N.Cm)M 起303 96.2 15414.2( N.cm)M 起 2282.6 96.2 15393.8(N.cm)最大切削负载时所需力矩M 切 Mf M0 Mt 96.2 15 125.5 236.7(N.cm)

46、在M起、M切两种力矩中取大者为选择步进电机的依据。对于大多数数控机床来说，因为要保证一定的动态性能，系统时间常数较小， 而等效转动惯量又较大，故电机力矩主要是用来产生加速度的，而负M q1414.2 (N .cm)Mq2393.8 (N .cm)载力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空载起动力矩作为选择步进 电机的依据。3、步进电机的选择(1)首先根据最大静态转矩 M amax初选电机的型号步进电机的起动转矩 Mq max M起, M切由于M起M切，所以 Mq1 M 起 1414.2(N.cm)M q2 M起2393.8(N.cm)电机的起动力矩与最大静态转矩之间要满足以下关系，见机电一体化专业

47、课程设计指导书表 39： (因电机工作M j max方式为三相六拍，故取=0.866)查机电一体化系统设计表 3.11知110BF003 M jmax1 =784N.cm， 110BF004 M jmax2 490N.cmM q11 =M j max1414.20.530.866784M q1393.80.800.8662 =M j max1490(2)计算电机的工作效率最大空载起动频率fK 1000 Vmax60 p式中：Vmax-为运动部件最大快速进给速度（m/min）Vmax 2.4m/min故：fK1000 2.44000(Hz)60 0.01fKmax7000 Hz，满足要求切削时的

48、最大工作频率fe 7；S式中：Vs -最大切削进给速度（m/min）Vs 0.6m/ min1000 0.61000（ Hz）60 0.01由上述计算可知：系统要求的空载起动转矩频率要大于电机的 空载起动频率500Hz且很难找到空载起动频率满足要求的电机型 号，可以采用调压起动等方式起动电机使电机的空载起动频率满足 要求；而电机运行频率7000Hz可以满足系统要求。（3）校核步进电机1）校核步进电机转矩和惯量的匹配条件为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速度，通常推荐：故：fc0.5及 比 4M jmaxJm式中：Mjmax-步进电机的最大静态转矩（N.m ）查机电一体化系统设计表3-

49、11得:Mjmaxi 784N.cm(110BF003)M j max2 490N.cm(110BF 004)Ml-传动系统折算到电机轴上的负载转矩（N.m ）M l M 切 236.7N .cmJm-步进电机转子的转动惯量（kg.m2）,查机电一体化 系统设计表3-11得：2Jm1 4.61kg.cm （ 110BF0032J m2 3.43kg.cm （ 110BF004Jl-传动系统折算到步进电机转子上的等效转动惯量2 2(kg.m ) Jl =12.77( kg.m )MlM j max1236.77840.30 0.5MlM j max 2236.74900.48 0.5JlJm11

50、2.774.612.774最终选 用110BF00 3步进 电机 校核所 选电机 合格。JlJm212.773.433.724故110BF004也符合要求，但110BF003具有良好的起动能力及较快 的响应速度，满足要求。2）校核起动转矩频率特性和运行转矩频率特性根据计算出的最大空载起动频率和切削时最大工作频率分别查出在此频率下电机不失步时所允许的最大力矩Mdme和Mdmk，满足:M 起 M dmk，故选电机型号110BF003作为纵向驱动电机。采用AT89S51单片机第六章系统微机部分改造设计（一）单片机的选择采用74HC373地址锁 存器根据总体方案的鉴定，微机采用 AT89S51单片机，

51、AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS位单片机，片含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件 采用ATME公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51 指令系统及80C51引脚结构，芯片集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的AT89S51可用于经济型数控机床改造。采用AT28C25 6-15PI-H- UL心片(二) 扩展存储器设计1. 地址锁存由于AT89S51的P0 口是分时复用的地址数据总线，采用74HC373 作为地址锁存器时，锁存器端 G可直接与单片机的锁存控制信号端 ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。采用IDT7164S35PSRAM扩展2. 扩展ROMAT89S51单片机的程序存储器和数据存储器的空间是相互独立 的，程序存储器的寻址空间为 64KB( 0000HH FFFFH。因AT89S51有 4k Bytes Flash片程序存储器，但这是不够的，须采用外部ROMT展空间，采用AT28C256-15PI (32K 8) EEPRO型号的芯片，由于采用 电擦除，在应用系统中使用十分方便。ROM勺地址围为0000H-7FFFH 并且采用译码器