广西大学机电一体化专业课程设计

经典word整理文档，仅参考，双击此处可删除页眉页脚。本资料属于网络整理，如有侵权，请联系删除，谢谢！X502型立式铣床数控改装任务书一、已知条件1、机床型号：x502型立式升降台铣床2、主要参数1）工作台面积（长×宽）750×225（mm×mm）2）工作台及夹具总重量：G=800N其中:横、纵向丝杆负载分别为总重量的1/23）工作台最大行程纵向：500mm横向：200mm4）主轴中心（端面）至台面距离：80×300mm5）进给量：纵向：横向：20～540mm/min14～380mm/min6）快速进给速度：纵向：2400mm/min1600mm/min横向：7）立铣头最大回转角：45度8）导轨类型：综合性导轨9）主轴转速级数：8级10）主轴转速公比：1：4111）主轴转速：n=47.5，67，95，132，190，265，375，530r/min12）主轴电机功率：N=2.2KW13）主轴传动功率：N=1.45KW14）主轴孔径：24mm15）铣刀最大直径：32mm3、工件材料1）碳钢，合金钢2）铸铁4刀具材料1）硬质合金12）高速钢二、设计内容将一台x502型立式升降台铣床改装成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣床。该铣床用于加工中型或小型零件的平面或成型表面，也可加工具有一定斜度的平面。改装的目的一方面要提高加工的精度，另一方面利用数控方法加工任意圆弧面或凸轮的曲面。三、设计要求1、改装后纵向横向进给精度可达：10μm2、改装后增加原铣床的功能3、改装要方便，原铣床的改动应尽可能少，如果数控部分发生故障时仍能手工半自动操作，如果不需数控时，能很快改回原状。4、控制部分要求运行可靠，维修方便。5、控制部分须防尘及抗干扰。6、改造成本低。四、改装后应具有基本功能及技术指标1、工艺范围：保持原有的铣床的工艺范围外，增加任意圆弧面或凸轮曲面的数控加工。2、控制轴数：二坐标（纵向X、横向Y3、同时控制纵、横向进给运动进行圆弧面或凸轮曲面的加工。4、脉冲当量：0.01mm/step5、重复定位精度：0.01mm6、定位精度：0.01mm7、加工精度：2级五、设计工作量1、一张纵向（或横向）工作台的结构改装图（A1）2、一张数控系统硬件原理图（A1）3、一份设计说明书包括以下主要内容：（1（2）设计的主要思路：系统方案的确定、系统控制方案设计、系统设计框图等；（3）机械部分改装设计计算：21）滚珠丝杠螺母副的确定；2）传动齿轮的传动比和齿数的确定；3）步进电机的选型；（4）控制系统硬件电路设计计算和参数选择；（5）步进电机接口及驱动电路设计；（6）总结及结束语六、参考书目1、数字控制机床廖效果、朱启逑主编，华中理工大学出版社2、金属切削机床设计戴曙主编，机械工业出版社3、机床设计参考图册（车床部分）上海纺织工学院机械制造专业教研室（学院资料室）4、或【机床设计图册，华东纺织工学院、哈尔滨工业大学、天津大学主5、机电一体化机械系统设计赵松年张奇鹏主编机械工业出版社，1999年6月6、机电一体化系统设计张建民等编著高等教育出版社200年8月7、机电一体化技术手册（上、下册）机电一体化技术手册编委会编机械工业出版社8、单片机原理及其接口技术胡汉才编著清华大学出版社9、MCS-51系列单片机系统及其应用蔡美琴等高等教育出版社10、有关的机床数控改装的期刊资料3前言一、机床数控化改造的意义一般说来，数控机床比传统机床有以下突出的优越性。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。2.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3～7倍。3.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.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。二、机床改造的优缺点特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只花新机床购置费用的1/3，交货期短。机械性能稳定可靠，结构受限。所利用的床身、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。但是受到原来机械结构的限制，不宜做突破性的改造。用户熟悉了解设备、便于操作维修，购买新设备时，不了解新设备是否由于多年使用，操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。改造的机床一安装好，就可以实现全负荷运转。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。可以采用最新的控制技术。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。4第一章数控改造总体方案的设计一、系统总体改造方案的确定目前，在机械加工工业中，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。前者需要新设计控制系统，比较复杂；后者选用国内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，如下图所示，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。微机进行插补运由延时程序控制进给速度。开环控制系统框图1、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。比如，普通铣床的数控改造要求利用数控系统代替人工或机械凸轮、靠模来控制铣床的运动，提高铣床的加工精度和自动化水平，满足多品种小批量零件加工的功能要求。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。52、原理构思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。比如，普通车床车削螺纹时为了防止乱扣，进给与主轴旋转之间用挂轮来实现严格的机械传动关系，改变螺纹的螺距就需要改变挂轮。数控改造后，省掉了挂轮，要提出合理的、先进的方法来解决进给与主轴旋转相配合的问题。要做到：主轴转一转，车刀精确移动一个螺距；螺纹加工不能一次切削完成时，每次进刀的位置必须相同。有了原理性构思，还要提出实现该功能原理的技术途径。没有合理的可行的技术途径来保障，好的原理性构思就成为空想。3、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。方案可以同时作几个，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。比如，普通铣床的数改动，这样可以降低改造成本。二、机械传动系统的改造方案的确定传动系统改造方案。包括电机型号的选择，减速比的确定，齿数模数及齿数的确定，原有丝杠及导轨是否重新更换，改换成滚珠丝杠螺母副时丝杠螺母副的型号及安装形式如何确定，导轨的设计方法等。X502型铣床的外形及传动系统如图7-16所示。工件装在机床的工作台上，铣刀装在转动的刀杆上，铣刀和工件相互间的位置可用纵向、横向和升降进给机构进行调整。根据实际要求可对机械部分进行如下的改动：保留机床的原有主轴旋转部43，将手轮动；工作台横向运动改为通过一对齿轮与步进电机相连的数控系统控制，工作台升降移动仍用手动。为了保证精度要求，横向及纵向工作台的丝杠为滚珠丝杠副传动。三、微机控制系统方案的确定1、微机控制系统的总体组成数控部分采用MCS-51系列的单片机控制，其典型代表有8031、68051、8075等，其中8031的价格低，功能强，使用灵活等特点，比较适用于一般机床的数控改造，但由于其无内存，必须外接存储及I/O扩展芯片才可成为一个较简单的微机控制系统。存储芯片的选择依据系统控制程序的大小及CPU的字长，I/0扩展芯片的个数根据整个系统需要的I/0通道的个数来确定。2、软硬件任务合理分配涉及软硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生于脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。上述三个都可以用专用硬件芯片实现，也可用软件编程实现。用硬件实现，编程比较简单，但同时硬件成本及故障。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种方法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软硬件方面的实际经验及能力。7第二章机床进给伺服系统机械部分(横向)的设计计算算，Nmc=(1–η)Nc，所以总功率为：N=Nc+0.5N+(1–η)Nc(KW)8(KW)在进给传动中切削功率Nct=Nc=kN=1.45KW，主电机的功率N=2.2KW。则=0.6591切削时在主轴上的扭矩为：Mn=955000=n切向铣削力2887.4889(N)d3.2Z2887.4889(N)cmFFFV二、计算进给工作台工作载荷、、CL9F,台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷LF主切削力与其它切削分力的比值”列表可计算出四组、L、=L0.95Fz=0.95×2887.48892473.11(N)==VF0.55Fz=0.55×2887.48891588.12(N)==C（2）组：端铣—逆铣=L==VF==C（3）组：端铣—顺铣F=LF==VF==C（4）组：周铣—逆铣=L==VF==C（5）组：周铣—顺铣=L==V0.4Fz=0.4×2887.48891155.00(N)==10插管埋入式第三章表3－2和表－3，可以初步选用“外循环插管埋入法兰直筒组合双螺母垫珠丝杠螺母副。它具有结构简单，工艺性优良，承载能力较结构类型的滚珠丝杠螺1、计算最大工作载荷m'mLV、LVm最大工作m载荷Fm=4187.34(N)最大工作载荷为Fm=4187.34(N)11最大动载荷C可由下式计算3wHm(1)式中：各参数见《专业课程设计指导书》HHff运转系数，选＝1.6(有冲击运转)wwL寿命系数，由下式计算L6(2)式中：T使用寿命(h)，对于数控机床T=15000(h)n丝杠转速(r/min)，可由下式计算nsL0V(3)式中：----最大切削力条件下的横向进给速度s1Vs基本导程为4mm时：L----所选用丝杠的基本导程，考虑到传动0精度的要求，可选基本导程为4、6、8(mm)C=23426.29的丝杠。(N)600.194TV==LSL60C=31=23426.29(N)基本导程为6mm时：TV600.196L==S6L6012主要结果基本导程为6mm时：3C=20464.48600.198TV(N)===21.375S6基本导程为8mm时：L0C=1.614187.34=18593.46(N)3C=18593.46当基本导程直径d=50mm、基本导程为6mm或8mm的丝杠，查得它为4mm时，0不满足条件。C<Ca初选公称直径o0o''0d=50mm、q0基本导程为6mm或8mm的丝杠接触角(。453、计算传动效率η传动效率可由下式计算'=00基本导程为8mm时：13主要结果公称直径tg0==0.9458d=50mm、000基本导程为6mm或8mm的丝杠的传动效率η均大于0.9可见，两者的传动效率均大于0.9，满足设计要求。4、刚度验算1L拉伸为＋，压缩为－)4L10上式中：E材料弹性模数，对于钢：N/42L滚珠丝杠在支承间的受力长度(mm)L=工作长度螺纹长度轴承宽度端盖宽度滚珠丝杠的截面积(mm2，可由下列几式计算F、dD2e2R410、qR2qqD丝杠公称直径(mm)3.9692sin450.056d=50+2×0.056-2×2.064=45.984(mm)114主要结果=22144基本导程为6mm时1R(mm)1e2.477Fπd1=222基本导程为8mm时44==0.001458(mm)=0.001458420.6100001603.322111(mm)滚珠与螺纹滚道间的接触变形2m232yFmyymd滚珠直径(mm)，0Z滚珠数量，Z＝×圈数×列数ZZ----外循环)0Zd0基本导程为6mm时：Z15主要结果×23当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3基本导程为222(mm)=22×(mm)23当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3基本导程为8mm时时，的值可减少一半。即：222(mm)(mm)===22滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3因所选丝杠的公称直径为50mm，故选用型号为51209选用型号为的轴承，其参数如下：51209的轴承a51209732036.83F0.002433Q16主要结果Fmd轴承滚动体直径(mm)，T(mm)Qd2Q两边轴承总的滚动体数目由公式πd）Z=T可估算两边总得滚动体的数目为34。将以上数据代入可得：=0.0024×3=0.00594133=0.001408+0.001550+0.005941123=0.008899(mm)(mm)基本导程为8mm时：=0.001458++0.005941123=0.009047(mm)(mm)6mm或为8mm5、稳定性验算导程为6mm或为8mm时，刚度均符合kFzlk2上式中：E----丝杠材料弹性模量，对钢N2E4d4----丝杠两端支承距离(mm)l方式采用两端固定，故f4z17主要结果kmkk则丝杠不致失稳。Fkk，mn许用稳定性安全系数，一般取2.5～4k4I424）K=kkm4I4420.6204461.4724导程为6mm或为8mm时，稳定性均符合要求。F=）Kn==kkm6mm或为8mmL=8mm经过前面多CMD5008—2.5的滚方面的验算o确定选用型额定动载荷滚珠的循环圈数×列数dLdC(N)a的00滚珠丝杠副225565084.76318主要结果二、传动比的选定设传动副的传动比为i，若为一对齿轮减速传动，则iZZ，为主动齿轮的齿数，为从动齿轮的齿数。Z210L=传动比i=1.67bo0p0b11d=mz=231=62(mm)111d1=62mm*1ad=d-2h=d-2(h+c)m*1f1d=d-2(1+0.25)m=62-21.252=57(mm)f1119主要结果b=(6~10)，取b=9m=9×2=18(mm)1121222d=104(mm)2d=d+2hm=104+212=108(mm)a22d=d-1.25m2=104-1.2522=99(mm)f22b=(6~10)，取b=6m=62=12(mm)22122选小齿轮齿数z=31，小齿轮的齿宽度b=18mm，11大齿轮齿数z=52，大齿轮的齿宽度b=12mm。2220计算与说明第四节进给伺服系统传动计算主要结果可由下式计算：2JDL428式中：圆柱体质量(kg)圆柱体直径(cm)对主动齿轮：J0.21对从动齿轮：4323322J=0.78104.746=17.51(kg.cm)4232、工作台折算到丝杆的转动惯量v2202202GG2L2G1n2mnJ0i22ginLi2j1i1k21主要结果1+J+(J+J（123LJ=L=0.237+2.075+(10.950+17.51)（）212.43(kg.cm2)22in-----各转动体的转速(r/min)in-----电机的转速(r/min)K2m=0.750110BF003b22：Jkgmkg)225、系统总的转动惯量J=-J+J=12.43+4.61=17.04(kg.cm)J=17.042L11J=-J+J=12.43+3.43=15.86(kg.cm)22L21、电机力矩的计算MMMMN主要结果起最大切削负载时所需力矩：f022切tf空载起动时折算到电机轴上的加速力矩MaπnMJ221amaxM=）（N.cm）（选J来计算）kg21tan电机最大转速(r/min)bnmaxδpf‘M0fMf'导轨摩擦系数0.16；i齿轮总减速比）fηη＝0.7～0.850.8M=00）10.95）（）23主要结果F----F滚珠丝杠基本导程0.8(cm)L0----00tM=7Ncm）t7N）FtFLVCFLFFLt综合以上，可得M=198.26+6.10+12.97=217.33（.）起M=6.10+12.97+110.07=129.14（.）根据最大静态转矩MMmax（M，MM217.33（.）Ncmq起切起对于三相六拍步进电机，MM0.866。qJ其相关参数为：分配方式2(N)()3相6拍110BF00330.75/1.57841400150004.61初选型号为110BF003的步进电机满足要求。Mq）jmax24主要结果1.6=2666.67(step/s)60(step/s)，满足要求。f<fk0.38=633.33(step/s)600.01(step/s)，满足要求。evmaxvsp转矩和惯量的匹配条件校核，合格校核步进电机为了使步进电机具有良好的起动能力及较快的响应速最大空载起动频率校核，合格M度，通常推荐：LLMmJ为110BF003的步进电机符合要求。2m传动系统折算到电机转子的等效转动惯量()J2LMM传动系统折算到电机轴上的负载转矩(Ncm)L2=12.43×1026025主要结果==2.20<4满足要求。而对于110BF004的步进电机=17.30/3.43=4.57>4校核起动转矩频率特性和运行转矩频率特性机不失步是所允许的最大力矩M和M，应满足：起M=209.42（N）起M=129.14（N）切M≈3.8N.m=380（Ncm）起M=129.14（N<M=380（N切满足要求，不满足要求，必须用升降速的措施。110BF003电机满足要求。26第三章微机控制部分的设计（2）插补原理及软件程序第一节微机控制系统概述计算与说明主要结果27AT89S51选很高，所以本设计采用以AT89S51单片机为核心的控制系单片机统.目前，数控机床中应用最多的是AT89S51单片机，他价AT89S51内部没有程序存储器，必须扩展程序存储器，用以存放控制程序。由于单片机内部存储器容量较小，不能满足实际需要，所以还需要扩展数据存储器。这种扩展就是配置外部存储器（包括程序存储器COM和数据存储器RAMAT89S51本身有4个I/O接口28主要结果1、地址锁存AT28C256-15PIIDT7164S35P数据存储器IDT7164S35P参数：容量为选用8K×8位，选用一片静态IDT7164S35P28管角封装，可以与MCS-51系列单片机直接接口。其地址范围0000H—1FFFH。29主要结果由于接口较多，需采用两个8255A芯片，才可以满足要求。选v丝杆的转速为：n===47.5(r/min)L80113.23(r/min)f2、确定其运行频率y步进电机采用三相六拍方式的控制脉冲。f=905.81（Hz）f905.81θyyb时间电流上升至额定电流的n为：30主要结果im1/f=1.1msiy式中：L步进电机一相绕组的平均电感量mm则：RLτR)/τ，m00imii所以，R)/1.1)0需要串联如此大的电阻，在该电阻上损失的功率为：串联电阻法不符合要求。220显然很不合理，所以采用双电源电路。31主要结果t=0.74（ms）bH173.29（）t=2/（3f）2/（3×905.81）=0.74（ms）by高电压电源电压：0.74=173.29（）e95.9IU32UHI81RR2、确定和56从T和T性能数据知，基极电流为：12II/H6/2BLL因此，效输入电阻为：BEB光敏三极管的输入等效电路见上图：等效电路可得：32主要结果IR=U（V）6IR=E-U=82（）C5n选择耦合器输入电流：I=10mA最大的电流为50mA),电流传输比C；iI=C=1030%=3mAc解上述方程组得：R8K66R27.3KR527.3K3、确定R和R12前面已选定耦合器输入电流I=10mA，可得到光耦合i12iR34c2负载的平均阻抗：ZnNI（E-2U-U）/Z(2)Hn（173.29-22-80）/13.36.71AT2基极电流应为：I=I/hB2(2)33主要结果=2.24mAii因此：（3）求U（0点电位）I=I-I=1.06mA40b0H至E—E，计算时取平均值：HnU=[（E—2）（E—E）]/20HHnR=U/I=8/（2.24）K=3.57K81.063R=7.55K4R（U-U-U/I（/3.310330H35、确定R7R为提供给单稳和驱动门足够的输入电流，所以：7R=500R776、选择D1，D2选用2CZ13A硅整流二极管。选择D1，D2选用2CZ13A硅整流二极管。57、单稳态多谐振荡器74221翻转时间的确定34TX即：t=RCLn2bTX=0.107FCX=t/（Ln2R）CXbT33=0.107F计算与说明主要结果35一、超程保护电路查《机电一体化系统设计》可知下表：表4-674LS138功能表YYYYYYYY，CBA，765432101101111111确定Y~Y中的选择。071、芯片27128有140000H～3FFFH。可知BA为00，选择Y脚且为0，Y又接002、当BA为01，即P，P=0时，Y1脚为0，Y1脚接3.当BA为10P，P=1时，Y2脚为0Y2脚接U5的8255的片选脚，选中U5的8255芯片。4、当BA为，即P=1，P=1时，Y3脚为0，Y3脚接U6的8255的片选脚，选中U6的8255芯片。36一、模块组成本程序主要由如下模块组成：主模块，用于系统初始化和监控。子程序模块。越界报警、急停处理模块。实时修改显示缓冲区数据模块。键盘、显示定时扫描管理模块。其中除主模块和子程序模块外，其余均为中断执行方式模块。二、缓冲区设置应设置两个缓冲区：键盘缓冲区和显示缓冲区。1、键盘缓冲区主要用于存放由键盘输入的命令，长度为4字节，地址为AT89C51内部RAM区20H~23H20H=00H，20H=01H，缓冲区内未处理完的命令个数，显然（20H=30H时即为满。其余3个字节内存放具体的命令码。为防止误操作，可以进一步规定：命令码若为00H，为无效命令。从本系统的施加情况及后面的软件框图可以看出，键盘缓冲区很少出现两个或两个以上未处理的命令码，一般情况只要一个命令码，马上会得到处理。2、显示缓冲区5个字节，地址为AT89C51内部RAM25H~29H，分别对应百位、十位、个位（包括小数10E-1位和10E-2位。除以上缓冲区外，根据需要，可以设立一些标志位，视具体情况而定。三、中断优先级所处理时间为紧急的则其中断级别为最高，根据本题实际情况，中断模块的优先级如下：模块名级别37越界报警、急停处理模块实时修改显示缓冲区数据模块键盘、显示定时扫描管理模块0高12低四、各模块说明及流程图1、主模块主模块功能为：初始化、监控。其中初始化包括8255初始化、缓冲区清零、定时/计数常数的设置、开中断等处理；监控主要判断是否有命令按下，并根据命令调用相应的子程序模块。主模块流程图如下；8031串行口工作方式设定（方式）1AT89C518155初始化28251及3、NY功能功能功能……各个命令及“暂停”命令处理模块。这里设定一标志，其作用是反映XY工作台的当前运动方向。标志位为内部RAM区的2BH，其定义如下：2BH单元值（2B）=01H（2B）=02H（2B）=03H当前运动方向→←↑+X-X+Z38（2B）=04H（2B）=00H↓-Z初始时为00H2、暂停键“STOP”子模块暂停键功能是暂时使XY即可。3、中断模块（1）报警、急停处理中断模块本模块的主要功能是当XY一切正常工作，由复位重新使系统处于正常工作状态。报警用红灯亮指示。（2）键盘、显示定时扫描管理模块根据键盘的接口电路，可以用编程扫描方式和定时扫描方式。这里选择后一种，用定时中断模块同时完成键盘和显示的扫描。对于键盘扫描，应该解决去抖动问题，一般调用延时10ms左右来实现，而对于显示扫描，为50Hz3ms，即哪隔3ms中断3ms遍共需5×3=15ms，扫描频率约64Hz，高于50Hz。键盘采用每隔3×3=9ms扫描一次，其目的是消除键盘抖动。设置一