工作台设计说明书

1、.专业课程设计设计指南设计主题：CNC X-Y工作台设计学生：洪艳凤学习编号：20061411208类别：机制1062导师：张健，李伟宏广东海洋大学工程系2010年2月28日目录序言.3摘要.4设计目的.4设计要求.4设计整体方案.5机械系统设计计算.61、脉冲当量的测定.62、传动比确定.63、滚珠丝杠螺母对的选择和检查.74、步进电动机的选择和计算.115、轨道选择和计算.136、检查启动瞬间频率特性.14控制系统设计.18第一部分控制系统硬件的基本配置.18双节步进电动机控制电路.18步进电动机控制程序设计.20其他电路辅助设计.24设计摘要.24参考文献.25序言据调查，我国拥有的40

2、0多万台机床大部分是多年累计生产的普通机床。这些机器自动化水平不高，加工精度低，无论是资金还是我国加工厂的生产力，都不能在短时间内用自动化水平高的设备进行批量更新。但是，尽快实现我国现有的部分普通机床的自动化和精密化是必须的。为此，如何变革已成为我国现有设备技术改造中亟待解决的重要课题。在过去的几十年中，金属切削机床的基本工作原理几乎没有变化，但是社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。为了反映在机器控制系统中，提高机器自动化，提高加工精度，一些企业已经在这方面做了有益的尝试。经证明，变形机床既能满足技术进步，又能满足高生产率的要求，随着产品精度的提高，类型加工范围增加，变形设备

3、的适应性也大得多。老年床改造数控技术的必要性和迫切性更加突出。新型机床价格昂贵，一时间有大投资，旧机器设备全部换成新型机床，国家耗费大量资金，更换的机床又闲置，造成浪费，采用改造技术现代化，可以节省50%以上的费用。根据我国的情况，经济型数控设备集只占全功能数控设备的1/3到1/5，一般用户可以负担。为资金困难的中小企业的技术发展开辟了新的道路，也给实力雄厚的大企业带来了巨大的经济诉求，通过较少的努力起到了加倍的积极作用。据国内数据显示，订购新数控机床的交货周期大体较长，常常不能满足生产需求。因此机床的数控变形成为满足市场需求的主要补充手段。在机械工业生产中，多种、中小、甚至单件生产作为现代机

4、械制造的基本特性，占相当大的比重。要执行这些生产任务，必须选择普通机床、专用机床或数控机床。其中，数控机床最适合这种生产需求。从以上分析可以不难看出，数控技术在机床改造中的应用是基于微电子现代技术与传统技术相结合的。将计算机数控系统引入机械设备具有以下优点：1)高可靠性；柔韧有力。#机电一体化易于实现；2)经济性相当。为此，在旧机床上执行NC改造可以提高机床的性能，降低生产成本，投资少，获得高机器性能和巨大的经济效益。摘要信息本课程设计的重点是开发机电一体化产品的设计能力，巩固和加强所学知识，改造铣床，为毕业设计和今后工作打下坚实的基础。本课程设计包括前言、设计要求、整体方案、进给系统设计、控

5、制系统设计及其组件的选择和决定以及主程序框图、数控电路原理。由于对本人经验不足和知识掌握程度的限制，设计过程中还存在某些方面的错误，请老师提出宝贵的意见。设计目的数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的重要实践环节。学生们学习技术基础课和专业课。特别是在应用“数控技术及应用”过程后应用。它是把学生理论与实践联系起来，培养解决实际问题的能力的重要步骤。本课程设计以机电一体化的代表性主题数控系统设计方案的制定为主线，通过数控系统设计的总体计划的制定、进料伺服系统机械部分的设计、计算和控制系统硬件电路的设计，综合应用学生所学的机械、电子和微机知识，进行机械和电气相结合的全方位培训，使学生具有初步设计

6、计算的能力，以及分析和处理生产过程中出现的问题的能力设计要求课程设计是机床数控系统课程中非常重要的实践之一。通过课程设计，您可以开始建立正确的设计理念，了解相关的产业政策，学习使用手册、标准、规格等信息。培养学生分析问题解决的实践能力，在教师的指导下系统地运用课程和选修课的知识，独立完成规定的设计任务。课程设计的内容是改造设备，实现接下来几部分的设计教育。精密的执行机构(或设备)设计、计算机I/O接口设计和驱动电路、数控电气原理设计等。手册内容应包括课程设计主题的整体方案确定、系统方块图的分析、电气执行组件的选择指南、机械传动装置设计计算以及机械和电气、环形配电装置等其他部分的说明。课程设计的

7、内容和方法可以概括为：1.使用微型计算机(包括单片机)处理、收集和控制数据。主要考虑计算机选择或单片机配置电路的选择、接口电路、软件准备等。2.选择驱动控制回路以控制执行器。主要是选择计算机或选择单片机配置电路，考虑电机选择和驱动力矩计算，控制电机电路设计。精密执行器设计。必须了解机构的主要功能(驱动运动、动力、位置装置、优化、精确定位或快速运行等)，并考虑CNC机床表驱动的设计问题，该表驱动可执行力矩、载荷动力、惯性(惯性矩)、速度控制和错误计算。学习使用手册和图表信息。整体方案设计一般铣床的CNC转换主要由两部分组成。一种是设计固定在铣床工作台的简单计算机数控X-Y工作台。二是消除控制铣刀

8、上下运动的手柄，相反，微机控制步进电机通过单级减速装置上下移动铣削头。此设计仅在X-Y工作台上设计。铣床步进电动机的脉冲当量选择为0.01mm/脉冲，步进电动机的步角为0.9。方案1.确定系统的行为方式数控系统可以按动作分为点控制系统、点直线系统、连续控制系统。如果刀具在移动过程中未切削工件，则可选取控制点的方法。Cnc铣床在工作台移动过程中不会将铣削头加工为铣削孔，因此，nc机床可以使用点控制方法。对点系统的要求是保证位置精度的快速定位。2.选取伺服系统伺服系统以三种控制方法实现位置伺服控制：开环、闭环、半闭环。开环控制伺服系统存在控制精度达不到高水平的基本问题，但步进电机对角度位移和输入脉

9、冲有严格的对应关系，因此步进误差不累积；旋转速度和输入脉冲频率有严格的对应关系，在负载容量范围内不取决于电流、电压、负载大小和环境条件的变化的特性。另外，步进电机控制的开环系统由于没有位置检测和反馈控制的问题，结构简单，控制系统的实现和调试容易。另外，随着电子技术和计算机控制技术的发展，步进电机控制性能的改善也有了可喜的发展。因此，在一定范围内，将步进电机作为驱动执行元件的这种开环伺服系统，可以满足精度要求不高的一般数控系统中使用的合适加工要求。闭环、半闭环控制是实现精确位置伺服控制的可行方法，但是在特定系统中添加了位置检测、反馈比较和伺服放大，除了安装调试的工作量和复杂性外，从控制理论的角度

10、来看，实现闭环系统良好的稳态和动态性能的难度大大增加。为此，在普通立式铣床上考虑转换时，精度要求不是很高，为了简化结构并降低成本，本设计采用步进电动机开环伺服系统。3.执行器传输方法的确定为了确保数控系统的传输精度和运行稳定性，在设计机构传输部件时，通常对低摩擦、低惯性、高刚度、无间隙高谐振和合适的阻尼比提出了要求。因此，在设计中必须考虑以下事项：1)尽量使用摩擦小的传动和导向部件。滚珠丝杠螺母驱动对、滚动导轨等。2)尽可能移除磁碟机间隔。步进电机的驱动齿轮采用偏心套止裂结构。3)缩短传动链。缩短驱动器链可以提高系统的驱动器刚度，减少驱动器链故障。使用预紧力可以提高系统的传递刚度。应用预载滚动

11、导轨和滚珠丝杠驱动器对时，螺钉支架设计为两端沿轴方向固定，并添加预拉伸结构以提高驱动器刚度。X-Y表驱动器使用滚珠丝杠螺母驱动对和滚动轨道。4.选择计算机系统计算机数控系统通常由计算机部分、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电动机驱动电路、检测电路等组成。在简单的数控系统中，大多数使用8位微处理器的小型计算机。采用Z80CPU或MCS-51单片机构成的计算机应用系统的方法。Z80CPU的芯片价格低廉，通用性强，维修方便。MCS-51单片机具有高密度、高可靠性、强大的功能、快速的速度和出色的性价比。通过比较，建议在简单CNC机床中使用MCS-51系列微控制器作为主控制器。5.实施保持原始机床主驱

12、动链，保持铣床表和控制表移动手柄，在原始工作台上安装一组计算机数控X-Y表。X-Y工作台使用预加载的球轨道，因为移动零件的重量和切削力较小。使用滚动轨道可以减少两个相对运动表面的动摩擦系数和静摩擦系数差异，从而提高运动稳定性，减少振动。考虑到电动机步进角度和螺钉引线只能作为标准选择，需要齿轮降速驱动器以满足0.01mm分辨率要求。综上所述，该转换的总体方案被确认为使用MCS-51单片机计算数据，I/O接口输出步进脉冲步进电机通过单级齿轮减速，然后转动螺丝，使工件纵向和横向移动，同时防止事故，保护计算机和其他设备，设置报警、紧急停止电路等。机械系统设计设计参数系统分割系数为0.01mm，其他设计

13、参数如下表所示。最大铣刀直径109mm最大铣削宽度AE最大铣削深AP加工材料工作台加工范围(毫米)最大移动速度20毫米8毫米6毫米碳钢X=200，y=1503m/min机械系统设计计算1.脉冲等效晶体根据机械精度要求，考虑机械传动系统的误差，确定脉冲当量。脉冲时间值必须小于位置精度值。此设计确定脉冲当量为0.01mm/步长。二.铣削力分析和计算铣削运动的特征是主运动使铣削刀具绕其轴高速旋转，进给运动使工件沿工作台垂直于铣削轴的方向缓慢进给(键槽刀具可沿轴进给)。铣削刀具的类型很多，但圆柱铣削和端铣刀是基本形状，此可选圆柱铣削刀具、铣削材料选择高铁。铣削力可以根据工件材料来确定。FZ=9.81

14、cf zae 0.86 af 0.72d 0-0.86 apz样式的参数为：CFz铣削力系数，CFz=68.2(表2-3)Ae-最大铣削宽度，此设计为8mmAp -设计为3毫米的背刀量Z 铣刀齿数，齿数3D0 -检查圆柱铣刀直径，d0=20mm(技术说明)Af-检查每个齿的进给量(mm/齿)，即铣削刀具每次旋转每个齿之间的角度时工件相对于铣削刀具的移动量af=0.10mm/齿(技术说明)因此：FZ=9 . 8168 . 280 . 860 . 100 . 7220-0 . 8633=547n2.齿轮传动比计算进料齿轮箱传动比计算已确认进给脉冲等效=0.01mm滚珠丝杠引线L=4mm，备用步进电

15、动机步进角度0.9。可以计算齿轮比I:I=0.94/3600.01=1由于传动比为1，直接将步进电机与导线连接，可以简化结构，提高准确度。滚珠丝杠螺母对的计算与选择(1)进给牵引力计算(n)滚珠丝杠的工作负载Fm(N)表示驱动表(driving table)中滚珠螺丝对的轴向力，也称为进给牵引力。直线滚动导轨的计算公式：Fm=kfl f，(f v fc g)K -考虑破坏力矩影响的实验系数，矩形轨道K=1.1-滚动轨道摩擦系数33600.0025至0.005；在这儿拿0.005G -移动部件的重力(n): g=600nFL工作台纵向进给方向载荷Fc表侧进给方向负载Fv表垂直进给方向负载表2-4中显示，FL/FZ=0.90，FL=0.9FZ=493 NFc /FZ=0.80，Fc=0.8FZ=438NFv /FZ=0