《機電一體化專業(yè)》《綜合課程設(shè)計》指導(dǎo)書2023220日10第一章、第一節(jié)、綜合課程設(shè)計的目的綜合課程設(shè)計是機電一體化工程專業(yè)教學(xué)中的一個實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)。是在學(xué)生學(xué)完技術(shù)根底課和專業(yè)課，特別是《數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用》課程之后進展的。是培育工程技術(shù)人員理論聯(lián)系實際、解決生產(chǎn)實際問題能力的重要步驟，它起到畢業(yè)設(shè)計的作用。機電一體化專業(yè)綜合作業(yè)是以機電一體化的典型課題 數(shù)控機床的應(yīng)用和設(shè)計為主線通過對數(shù)控機路的設(shè)計，使學(xué)生綜合運用所學(xué)的機械、電子和微機的學(xué)問，進展一次機電結(jié)合的全面訓(xùn)練。從而培育學(xué)生具有加，編程力氣、初步設(shè)計計算的力氣以及分析和處理生產(chǎn)中所遇到的機、電方面技術(shù)問題的力氣。其次節(jié)、綜合作業(yè)的內(nèi)容及要求綜合作業(yè)要求學(xué)生在全面了解一臺數(shù)控設(shè)備的使用和設(shè)計過程的根底上，完成以下內(nèi)容：一、數(shù)控加工程序的編制零件工藝分析及確定工藝路線。選擇數(shù)控機床設(shè)備。確定裝夾方法及對刀點。選擇刀具。確定切削用量。編制加工程序。二、進給伺服系統(tǒng)機械局部設(shè)計計算確定脈沖當(dāng)量。滾珠絲杠螺母副的計算和選型。滾動導(dǎo)軌的計算和選型。進給伺服系統(tǒng)傳動計算。步進電機的計算和選用。設(shè)計繪制進給伺服系統(tǒng)一個坐標軸的機械裝配圖。三、單片微機把握系統(tǒng)的設(shè)計〔1〕把握系統(tǒng)方案確實定及框圖繪制?！?〕8031單片微機及擴展芯片的選用?！?〕1/O接口電路及譯碼電路的設(shè)計設(shè)計繪制一臺數(shù)控機床單片微機應(yīng)用系統(tǒng)電路原理圖。第三節(jié)、綜合作業(yè)的工作量一、圖紙局部進給伺服系統(tǒng)一個坐標軸的機械裝配圖(A0圖紙一張)。單片微機應(yīng)用系統(tǒng)電路原理圖一張(A1圖紙一張)。二、說明書局部 ·說明書是綜合作業(yè)整個設(shè)計計算過程的表達說明，應(yīng)包括以下內(nèi)容:加工程序的編制及說明。把握系統(tǒng)總體方案的分析及把握框圖。機械局部設(shè)計計算、構(gòu)造設(shè)計說明。硬件電路局部設(shè)計說明。8000字第四節(jié)、考核方法、考核內(nèi)容及成績評定一、考核內(nèi)容的狀況下生搬硬抄。二、考核方法學(xué)生在完成作業(yè)的每一項之后，必需由指導(dǎo)教師審核并簽字蓋章。三、考核評定學(xué)生完成全部作業(yè)后，統(tǒng)一由學(xué)校組織考核小組，對學(xué)生完成綜合作業(yè)的狀況，以及對下述考核內(nèi)容把握狀況評定成績。下面列出綜合作業(yè)各局部的考核點：l、進給伺服系統(tǒng)機械局部考核點 (1)滾珠絲杠螺母副如何預(yù)緊？怎樣保證滾珠絲杠螺母的螺母座與兩端支承同心?滾珠絲杠所受的輛向力如何通過支承件傳遞到床身上?滾珠絲杠上的向心推力球釉承如何預(yù)緊?齒輪傳動副如何消退齒側(cè)間隙?消隙齒輪裝配過程是怎樣的?步進電機在齒輪箱體上怎樣定位?滾動導(dǎo)軌怎樣預(yù)緊?貼塑導(dǎo)軌摩擦系數(shù)多少?應(yīng)當(dāng)貼在導(dǎo)軌的什么部位?各部件的協(xié)作外表應(yīng)當(dāng)承受什么性質(zhì)的協(xié)作及精度等級??〔12〕在什么狀況下需要對滾珠絲杠進展預(yù)拉伸?怎樣進展預(yù)拉伸?2、微機數(shù)控系統(tǒng)電路設(shè)計局部考核點〔1〕各芯片名稱及功能?！?〕80311/0口的功能。線選法地址譯碼方法。全地址譯碼方法及各芯片地址編碼。1/0口芯片口地址?！啊?〕815582551/0口輸入、輸出狀況及把握字。鍵盤及顯示接口電路工作原理。擴展數(shù)據(jù)存儲器及程序存儲器地址范圍？為什么必需允許地址重疊(即獨立編址)？步進電機環(huán)形安排器工作原理、硬件環(huán)配芯片備引腳的功能。光電隔離電路工作原理。凹凸壓驅(qū)動電路工作原理。其他關(guān)心電路，如越界報哲電路、復(fù)位電路、時鐘電路系工作原理。四、綜合作業(yè)評分標準綜合作業(yè)成績分優(yōu)秀、良好、中等、及格和不及格五級分制。各級評分標準如下：優(yōu)秀：綜合作業(yè)內(nèi)容完整。按期完成任務(wù)。加工程序編制正確，進給伺服系統(tǒng)設(shè)計方案正確可行、論證充分，選用數(shù)據(jù)正確合理，計算準確，圖面干凈，質(zhì)量高，把握系統(tǒng)硬件線路設(shè)計合理。設(shè)計計算說明書整齊通順、有條理?？己藭r對各局部考核點理解深透，能工確全面地答復(fù)以下問題。良好選用數(shù)據(jù)較合理、計算較準確，圖面干凈、質(zhì)量較高，硬件電路設(shè)計合理。說明書較通順、整齊。考核時對各局部考核點理解較好，答復(fù)以下問題比較正確全面。中等：綜合作業(yè)內(nèi)容完整，按期完成任務(wù)。加工程序編制根本正確，進給伺服系統(tǒng)設(shè)計方案根本正確，論證一般。選用數(shù)據(jù)根本正確圖面質(zhì)量較干凈、質(zhì)量尚好?？己藭r，對各局部考核點問題有確定的理解，經(jīng)提示后能正確答復(fù)以下問題。及格：根本完成綜合作業(yè)規(guī)定的內(nèi)容。方案選擇無原則性錯誤，說明書和圖面比較粗糙，質(zhì)量一般，存在一些錯誤，但主要局部根本符合要求，對考核點列出的問題理解不夠經(jīng)提示后只能答復(fù)局部主要問題。不及格點所列出的主要問題不能答復(fù)經(jīng)提示后答復(fù)仍不正確。假設(shè)覺察有別人代作綜合作業(yè)者，取消參與考核的資格。第五節(jié)、綜合作業(yè)的參考題目一、數(shù)控機床加工程序編制以下題目所選用的數(shù)控車床或數(shù)控銑床可以依據(jù)例題中的經(jīng)濟型數(shù)控機床的規(guī)格參數(shù)去編程自己生疏的數(shù)控機床去編程。如圖l-l所示零件，毛坯為φ5mm45鋼，HBS=235，尺寸及外表粗糙度見圖。試編出精加工程序單〔各外表留余量均為0.2m。圖1-l1-2所示零件，毛坯為φ65mm45鋼，HBS=235，其全部加工(粗加工、半精加工、精加工)在數(shù)控車床上完成，試安排加工工藝路線，繪制刀具布置圖，編制加工程序單。R10R10o ×4M20405×4290圖1-21-3所示零件，毛坯已按零件外形鑄成鑄件，材料為可鍛鑄鐵，HBS=220260。外表加工4mm。圖1-3如圖1-4所示凸輪，毛坯承受可鍛鑄鐵，鑄造成形，工件硬度HBS=230，凸輪兩端面及φ4mm孔3mm，須在數(shù)控銑床上加工，試編制其加工程序。1-4HBS=160—200，工件兩端面及φ20m孔已加工完畢，圓弧與直線組成的周邊輪廓加工余量為2mm需在數(shù)控銑床上加工，試編制加工程序。1-5如圖1-6所示板狀零件φ40mmA、B外表已加工好。零件材料為鋼HBS=150，現(xiàn)在XH7544一φ12mm孔試編制其加工程序。要求，零件四周余量l毫米，一次銑成，編加工程序時，利用刀具位置偏置；4一φ12孔加工程序時，利用固定循環(huán)。編制程序時的刀具T，主鈾轉(zhuǎn)速S，進給速度F可參考實例的程序的工藝規(guī)程卡來確定如圖l-7所示板狀零件φ40mmA、B外表已加工好?，F(xiàn)在XH754臥式加工中心上銑四周輪4一Ml6螺紋孔(鉆底孔、孔端倒角、攻螺紋)HBS=150，試編制其加工程序。要求：l)零件四周余量lmm，一次銑成編加工程序時，利用刀具半徑補償。2)4M16螺紋孔程序時，利用固定循環(huán)。l-7二、進給伺服系統(tǒng)機械局部設(shè)計題目將以下一般車床改造成用MCS一51系列單片機把握的經(jīng)濟型數(shù)控車床，承受步進電機開環(huán)把握，縱例和橫向均具有直線和圓弧插補功能。要求該車床有自動回轉(zhuǎn)刀架，具有切削螺紋的功能。設(shè)計參數(shù)如表1-1(l)、CA6140(或C6140、C620、C620-1等)一般車床微機數(shù)控化改裝設(shè)計。(2)、C6150一般車床微機數(shù)控化改裝設(shè)計。(3)、C6163(或C630)一般車床微機數(shù)控化改裝設(shè)計。(4)、C6132(或C616)一般車床微機數(shù)控化改裝設(shè)計。(5)、φ4OOmm經(jīng)濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)機械構(gòu)造設(shè)計。(6)、φ50Omm經(jīng)濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)機械構(gòu)造設(shè)計。(7)、φ630mm經(jīng)濟型數(shù)控車床進給伺服系統(tǒng)機械構(gòu)造設(shè)計。〔型號〕度〔mm〕〔型號〕度〔mm〕面上 鞍上 〔mm〕縱向 橫向 縱向 橫向 縱向 橫向 (KW)〔ms〕最大加工最大加留板及刀架刀架快移速最大進給速主電機啟動加規(guī)格定位精直徑〔mm〕工長度重力〔N〕度〔m/min〕度(m/min)功率速時間φ400mm40021075010006002.41.20.60.3±0.0157.530CA61401000C620)φ500mm50028075011007002.41.20.60.3±0.0155.530C61501000φ630mm630350140012008002.01.00.50.25±0.0151035C61632900CW6163φ320mm3201757008005002.41.20.80.4±0.014.525C6132C616以下經(jīng)濟型數(shù)控銑床的設(shè)計或改造設(shè)計要求,承受MCS一511-2，題目如下:(8)、X52K立式銑床(或X62W萬能銑床)微機數(shù)控化改裝設(shè)計。(9)、X53K立式銑床微機數(shù)控化改裝設(shè)計。(1O)、工作臺面寬度32Omm(或25Omm,2OOmm)經(jīng)濟型數(shù)控銑床進給伺服機構(gòu)設(shè)計。工作臺快移主電工作臺快移主電啟動工作臺尺寸 工作臺行工作臺及加具進給速度定位精速度機功加速〔長×寬程(mm)工件重力(mm)〔m/min〕度〔m/min〕率時間mm〕〔mm〕縱向橫向縱向橫向縱向橫向縱向橫向(KW)〔ms〕320×1250680240300050001.61.60.60.6±0.017.530(K52X)400×1600880300350055001.41.40.60.6±0.011030(X53X)以下題目為經(jīng)濟型數(shù)控臺鉆X-Y工作臺設(shè)計，此臺鉆用于加工印刷電路板之小孔，承受步進電機，點位把握，不要求具備插補功能，具體設(shè)計技術(shù)參數(shù)見表1-3，題目如下:(11)、數(shù)控臺鉆X-Y工作臺進給伺服系統(tǒng)設(shè)計。表1-3、數(shù)控臺鉆X-Y工作臺設(shè)計參數(shù)最大轉(zhuǎn)孔工作臺最大移動速度啟動加速直徑(mm)工作臺加工范圍〔mm〕X向 Y向〔m/min〕X向 Y向定位精度〔mm〕時間〔ms〕加工材料φ4200 1601.6 1.6±0.0125青銅φ5180 1401.4 1.4±0.0125青銅φ6160 1201.2 1.2±0.0125青銅三、單片微機把握系統(tǒng)硬件電路設(shè)計數(shù)控機床把握系統(tǒng)可以承受MCS-51CPU序存儲器、數(shù)據(jù)存儲器、I/O接口、鍵盤、顯示等外設(shè)。題目如下：I/O接口。、經(jīng)濟性數(shù)控銑床把握系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。、數(shù)控轉(zhuǎn)臺X-Y工作臺把握系統(tǒng)硬件電路設(shè)計。其次章 微機數(shù)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案的擬定第一節(jié)總體方案設(shè)計的內(nèi)容接到一個數(shù)控裝置的設(shè)計任務(wù)以后，必需首先擬定總體方案，繪制系統(tǒng)總體框圖，才能打算各種設(shè)計參數(shù)和構(gòu)造，然后再分機械局部和電氣局部進展設(shè)計計算?，F(xiàn)以機電一體化的典型產(chǎn)數(shù)控機床為例，分析總體方案擬定的內(nèi)容和應(yīng)當(dāng)考慮的問題。及傳動方式確實定，計算機系統(tǒng)的選擇等內(nèi)容。一般應(yīng)依據(jù)設(shè)計任務(wù)和要求提出數(shù)個總體方案，從經(jīng)濟性、環(huán)保、運動精度、牢靠性、操作便利等多個方面進展綜合分析、比較和論證，最終確定一個可行的總體方案。總體方案確實定沒有唯一的結(jié)論。總體方案設(shè)計的內(nèi)容包括：一、系統(tǒng)運動方式確實定：/過程中不進展切削，可選用點位把握方式。二、伺服系統(tǒng)的選擇：伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)把握系統(tǒng)、半閉環(huán)把握系統(tǒng)和閉環(huán)把握系統(tǒng)。三、執(zhí)行機構(gòu)傳動方式確實定：無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。在設(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點:、盡量承受低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如承受滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌、貼塑導(dǎo)軌等。、盡量消退傳動間隙。例如承受消退齒輪等。、提高系統(tǒng)剛度?？s短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？沙惺茴A(yù)緊的方法提高系統(tǒng)剛度。例如承受預(yù)加負載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠副等。四、計算機的選擇DSP、PC機都可以使用，對于性能要求較高的系統(tǒng)，還可以承受多CPU構(gòu)造；在總體方案設(shè)計時，就需要依據(jù)設(shè)備的要求，并考慮將來的改進，選定最適宜的計算機，并不是越先進越好。其次節(jié)總體方案設(shè)計舉例例1、將一般車床改造成經(jīng)濟型數(shù)控車床。1、設(shè)計任務(wù)將CA6140一般車床改造成用MCS-51有切削螺紋的功能。在縱向和橫向具有直線和圓弧插補功能。系統(tǒng)區(qū)分率：縱向：0.Olmm,橫向：O.0O5mm。設(shè)計參數(shù)如下，最大加工直徑:在床面上 40Omm在床鞍上 2lOmm最大加工長度: 10OOmm快進速度：縱向 2.4m/min橫向 1.2m/min最大切削進給速度:縱向 0.5m/min橫向 0.25了/min代碼制: ISO脈沖安排方式: 逐點比較法輸入方式: 增量值、確定值通用把握坐標數(shù): 2最小指令值:縱向 脈沖橫向 0.0O5mm/脈沖刀具補償量： 0–99.99mm進給傳動鏈間隙補償量:縱向 0.l5mm橫向 0.075mm自動升降速性能: 有2、總體方案確定、系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng)的選擇由于改造后的經(jīng)濟型數(shù)控車床應(yīng)具有定位、直線插補、順逆圓插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應(yīng)選擇連續(xù)把握系統(tǒng)?？紤]到屬于經(jīng)濟型數(shù)控機床加工精度要求不高，為了簡化構(gòu)造、降低成本，承受步進電機開環(huán)把握系統(tǒng)。、計算機系統(tǒng)依據(jù)機床要求，承受8位微機。由于MCS-51系列單片機具有集成度高，牢靠性好、功能強、速度快、抗干擾力氣強，具有很高的性能價格比等特點，打算承受MCS-51系列的8031單片機擴展系統(tǒng)。1/0接口及光電隔離電路、步進電機功率放大電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和把握命令通過鍵盤操作實現(xiàn)，顯示器承受兩排數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)及機床狀態(tài)等信息。、機械傳動方式為實現(xiàn)機床所要求的區(qū)分率盡量減小摩擦力，選用滾珠絲杠螺母副。同時，為提高傳動剛度和消退間隙，承受有預(yù)加負荷的構(gòu)造。齒輪傳動也要承受消退齒側(cè)間隙的構(gòu)造。系統(tǒng)總體方案框圖見圖3-1。圖1經(jīng)濟型數(shù)控車床總體方案框圖第四章機床進給伺服系統(tǒng)機械局部設(shè)計計算動及切削力矩計算，確定伺服電機，傳動及導(dǎo)向元件的設(shè)計、計算及選用，繪制機械局部裝配圖及零件工作圖等?，F(xiàn)分述如下:第一節(jié)、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量一個進給脈沖，使機床運動部件產(chǎn)生的位移量，稱為脈沖當(dāng)量，也稱為機床的最小設(shè)定單位。脈沖當(dāng)量0.01—0.005mm/脈沖，經(jīng)濟型數(shù)控磨床常常承受脈沖當(dāng)量為0.002—0.00lmm/脈沖。脈沖當(dāng)量有時也由設(shè)計任務(wù)書中直接給出。其次節(jié)、切削力計算在設(shè)計機床進給伺服系統(tǒng)時，計算傳動和導(dǎo)向元件，選用伺服電機等都需要用到切削力，常用的計算切削力的方法有：1、用閱歷公式計算主切削力：簡潔而有用。2、按切削用量計算切削力：較準確。3、依據(jù)機床主電機功率計算：果差異很大；這就需要依據(jù)進展數(shù)控改造設(shè)計的一般車床的主電機功率來計算切削力。第三節(jié)、滾珠絲杠螺母副的設(shè)計、計算和選型滾珠絲杠螺母副的設(shè)計首先要選擇構(gòu)造類型:確定滾珠循環(huán)方式，滾珠絲杠副的預(yù)緊方式。構(gòu)造類型確定之后，再計算和確定其他技術(shù)參數(shù)，包括:公稱直徑d。(或絲杠外徑d)、導(dǎo)程L、滾珠的工作圈數(shù)j、列數(shù)0K、精度等級等。滾珠絲杠副的計算步驟如下:一、計算進給率引力Fm:作用在滾珠絲杠上的進給率引力主要包括切削時的走刀抗力以及移動件的重量和切削分力作用在導(dǎo)軌上的摩擦力。因而其數(shù)值大小和導(dǎo)軌的型式有關(guān)。二、計算最大動負載C選用滾珠絲杠副的直徑d100萬轉(zhuǎn)后，在它的滾道上不產(chǎn)0C。三、計算最大靜負載C當(dāng)滾珠絲杠副在靜態(tài)或低速(n≤lOr/min)狀況下工作時，滾珠絲杠副的破壞形式主要是在滾珠接觸面滾珠直徑的萬分之一。產(chǎn)生這樣大的塑性變形量時的負載稱為允許的最大靜負載C。四、傳動效率計算五、剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形會影響進給系統(tǒng)的定位精度及運動的平穩(wěn)性。包括：1δ1在總的變形量中占的比重較大。2滾珠與螺紋滾道間接觸變形量δ2在總變形量中也占比較大的比重。3、支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形量δ 。34、滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起導(dǎo)程的變化量δ4。5、螺母座及軸承支座的變形。因此，滾珠絲杠副剛度的驗算，主要是驗算δ 、δ 和δ 之和應(yīng)不大于機床精度要求允許變形量的一半，1 2 3否則，應(yīng)考慮選用較大直徑的滾珠絲杠副。六、穩(wěn)定性驗算。對已選定尺寸的絲杠在給定的支承條件下，承受最大軸向負載時，應(yīng)驗算其有沒有產(chǎn)生向彎曲(失穩(wěn))的危急。七、滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)計算。八、滾珠絲杠副的精度等級。九、滾珠絲杠副的標注方法。滾珠絲杠副的種類、構(gòu)造、計算方法和參數(shù)，可在網(wǎng)上查到，國內(nèi)的生產(chǎn)廠家很多，常用的有：濟寧絲杠廠、南京工藝設(shè)備廠等。第四節(jié)、滾動導(dǎo)軌的計算和選型目前，滾動導(dǎo)軌在數(shù)控機床上的應(yīng)用格外廣泛，由于其摩擦系數(shù)小，f=0.0025-0.005;動、靜摩擦系數(shù)持性好,低速運動時不易消滅爬行現(xiàn)象，因而定位精度高。滾動導(dǎo)軌的設(shè)計包括選擇構(gòu)造形式，確定預(yù)緊方式，計算和確定幾何參數(shù)。一、選擇滾動導(dǎo)軌的構(gòu)造形式滾動導(dǎo)軌可分為滾動體不作循環(huán)運動的直線運動導(dǎo)軌和滾動體作循環(huán)運動的直線運動導(dǎo)軌兩大類。二、滾動導(dǎo)軌預(yù)緊方式確實定常用的預(yù)緊方法有兩種:承受過盈協(xié)作或承受調(diào)整元件，三、滾動導(dǎo)軌幾何參數(shù)確實定包括：1、滾動體尺寸和數(shù)目的選擇2、滾動導(dǎo)軌的長度四、滾動導(dǎo)軌承載力氣的計算(1)、計算最大載荷時所需原始數(shù)據(jù)Fx、Fy、Fz: X、Y、Z坐標方向的切削力(N);G： 運動部件(包括工件)重力(N);Xp、Yp、Zp: 在不利的工作條件下切削力作用點的坐標(cm);Xg、Yg: 運動部件(包括工件)重心的坐標(cm);、計算導(dǎo)軌所承受力矩：Mx、My、Mz、計算導(dǎo)軌反作用力A、B、C和滾動體的平均負載(4)、計算導(dǎo)軌端部滾動體的最大負載(5)、滾動體許用負載的計算五、滾動導(dǎo)軌的剛度驗算。滾動導(dǎo)軌應(yīng)驗算其接觸剛度，即驗算接觸變形δ的大小。第五節(jié)、進給伺服系統(tǒng)傳動計算負載慣量盡可能小的要求，同時也為滿足一走的脈沖當(dāng)量，常承受齒輪降速傳動。當(dāng)機床脈沖當(dāng)量滾珠絲杠導(dǎo)程L。確定以后，可以先初選步進電機的步距角，用下式計算進給伺服系統(tǒng)的傳動比i：

i=(360δ )/(θ L)p b0式中:δ : 脈沖當(dāng)量(mm/步);pL。: 滾珠絲杠的根本導(dǎo)程(mm);θ : 步進電機的步距角。b第六節(jié)、步進電機的計算和選用選用步進電機時，必需首先依據(jù)機械構(gòu)造草圖計算機械傳動裝置及負載折算到電機軸上的等效轉(zhuǎn)動慣進電機。包括：一、轉(zhuǎn)動慣量計算1、齒輪、軸、絲杠等圓柱體慣量計算。2、絲杠折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量。3、工作臺折算到絲杠軸上的轉(zhuǎn)動慣量。4、絲杠傳動時傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量。二、電機力矩的計算最大切削負載時所需力矩等幾局部。三、步進電機的選擇1、首先依據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩，初選電機型號。必需特別留意，這樣初選出來的步進電機型號并不愿定能滿足實際工作時的要求，也就是說，盡管最大靜運行矩頻特性兩條重要的性能曲線來檢查所選步進電機的型號是否能滿足要求。2、計算電機工作頻率可以分別計算快速進給時步進電機的最大空載起動頻率和切削時的最大工作頻率。3、校核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。漸升速，以保證不失步，升速到規(guī)定的運行頻率后，開頭恒速運行，在到達終點前，要逐步降速，降到起動頻率以下，以保證準確定位。升降速把握是由軟件實現(xiàn)。在承受升降速把握以后，假設(shè)步進電機起動力矩還不能滿足要求，還可承受凹凸壓驅(qū)動功放電路，將步進電機起動力矩再擴大一倍左右。國內(nèi)生產(chǎn)步進電機的廠家很多，可在網(wǎng)上查到相關(guān)資料。第七節(jié)、進給伺服系統(tǒng)機械局部的構(gòu)造設(shè)計參數(shù)之后，就可進展構(gòu)造設(shè)計。對于經(jīng)濟型數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)設(shè)計和一般車床微機數(shù)控化改造設(shè)計中，應(yīng)當(dāng)留意以下問題:一、盡量削減一般車床數(shù)控化改造設(shè)計時的改動量改動量。尤其是對機床上較大的部件，例如床身、床鞍、工作臺等，盡量利用原來的部件，作少量的加工改造。這樣可以大大的降低本錢，縮短制造周期。初步計算以后，再進展類比，使構(gòu)造尺寸比較緊湊合理。二、要求設(shè)計完整清楚的進給伺服機構(gòu)裝配圖要能清楚完整地表達出裝配圖中每-零件的幾何外形和尺寸，應(yīng)能拆出零件圖。圖中需標出必要的尺寸和配合，例如:電機止口和箱體協(xié)作處，軸承外圈和箱體內(nèi)孔之間，軸承內(nèi)孔和軸之間均應(yīng)標注尺寸和協(xié)作。三、設(shè)計時留意裝配的工藝性四、要求標注清楚裝配圖的技術(shù)條件0.O5mm0.Olm導(dǎo)軌平行度到達要求以后，再緊固螺釘并打上定位銷。五、消隙齒輪安裝調(diào)整要便利。第八節(jié)、經(jīng)濟型數(shù)控機床進給伺服系統(tǒng)設(shè)計計算實例將-臺CA6140MCS-51直線和圓弧插補功能，具有升降速把握功能。其主要設(shè)計參數(shù)如下:加工最大直徑: 在床面上φ4OOmm在床鞍上φ21Omm加工最大長度: 10OOmm溜板及刀架重力: 縱向800N橫向600N刀架快速速度: 縱向2.4m/min橫向1.2m/Min最大進給速度: 縱向0.6m/min橫向0.3m/min主電機功率: 7.5kW起動加速時間: 30ms機床定位精度: ±0.015mm此機床進給伺服系統(tǒng)運動及動力計算如下：一、進擇脈沖當(dāng)量依據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量，縱向:0.01mm/步，橫向:0.005mm/步(半徑)。二、計算切削力1、縱車外圓主切削力F(N)按閱歷公式估算:zF=0.67Dmax1.5z=0.67x4001.5=5360按切削力各分力比例:F:F:F=l:0.25:0.4z x yF=5360x0.25=1340xF=5360x0.4=2144y2、橫切端面主切削力F’(N)可取縱切的1/2:zF” 1F 2680z 2 z此時走刀抗力為F’y(N)，吃刀抗力為F’x(N)。仍按上述比例粗略計算:F’:F’:F’=1:0.25:0.4z y xF’=2680x0.25=670yF’=2680x0.4=1072x三、滾珠絲杠螺母副的計算和選型(-)、縱向進給絲杠1、計算進給率引力Fm(N)縱向進給為綜合型導(dǎo)軌：F KF f”(F G)m x z1.1513400.16(5360800)2530式中： K－－考慮顛復(fù)力矩影響的試驗系數(shù)，綜合導(dǎo)軌取K＝1.15;f” --滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.15--0.18;G----溜板及刀架重力:G=800N。2c:3Lc3Lw m60nTL1061000vn sL0式中:L——滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L=6mm;0 0v〔1/2～1/3〕，此處v＝0.6m/min；s sfw——運轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運轉(zhuǎn)取fw＝1.2～1.5；L——壽命、以106轉(zhuǎn)為1單位。v1000vn sL0

10000.60.550r/min6L60nT60501500045345106 3453LC 3Lw m

1.2253010798.7N3、滾珠絲杠螺母副的選型可承受外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副，1列2.5圈，其額定動負載為16400N，精度等級選3級。4、傳動效率計算 tg式中：γ——螺旋升角，WL4O0bγ=2044”1φ——摩擦角取10”滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004 tg tg2044”

0.94tg() tg(2044”10”)5、剛度驗算一般滾珠絲杠比較瘦長，它的剛度應(yīng)當(dāng)給與充分重視。先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖。最大牽引力為2530N。支承間距L=15OOmm絲杠螺母及軸承均進展預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負荷的1/3。量δ‘1

圖4-1、縱向進給系統(tǒng)計算簡圖、絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1依據(jù)Pm=2530N,Do=4Omm,查資料可查出δL/L=l.2﹡lO-5，可算出:δ =δL/L×1500=1.2×10-5×1500=1.8×10-2(mm)14倍。其實際變形(mm)為:1

14

0.45102、滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2查資料W系列1列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δQ 6.4mQ因進展了預(yù)緊，2

12 Q

16.43.2m2、支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3承受8107型推力球軸承，d=35mm，滾動體直徑d=6.35mm，滾動體數(shù)量z=18,1 Q3d 3d Z2QF2m 0.0024c

0.00243

6.35182

0.0075(mm)留意，此公式中Fm單位應(yīng)為kgf因施加預(yù)緊力，故3

12 C

10.00750.0038mm2依據(jù)以上計算： 0.00450.00320.00380.0115mm定位精度1 2 36、穩(wěn)定性校核滾珠絲杠兩端推力軸承，不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。(二)、橫向進給絲杠1、計算進給牽引力F‘:m橫向?qū)к墳檠辔残?，計算如?F”1.4F”f”(F 2F”G”)1.46700.2(268021072600)2023Nm y Z x2、計算最大動負載c1000vn L0

10000.30.5305L60nT60301500027327106 3273Lc f ”3Lw m

1.22.307283mm3、選擇滾珠絲杠螺母副查資料，W1L20231列2.58800N，可滿足要求，選定精度為3級。4、傳動效率計算

tg tg4033”

0.965tg() tg(4033”10”)5、剛度驗算2425N，支承間距L=45Omm，因絲杠長度較短，不需預(yù)緊，螺母及軸承預(yù)緊。計算如下:、絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1(mm)查圖4-6，依據(jù)F”m＝2023N，D。=2Omm，查出δL/L=5*lO-5，可算出 L

L4.21054501.89102mm1 L圖4-2、橫向進給系統(tǒng)計算簡圖、滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2查資料： 8.5mQ因進展了預(yù)緊δ =1/2δ =0.5*8.5=4.25μm2 Q、支承滾珠絲杠的軸承的軸向接觸變形δ3承受8102推力球軸承，d=4.763,z=12，d=l5mmQp”2 202.32 0.0024c

m3d 3Q

0.00243

4.763122

0.0094(mm)考慮到進展了預(yù)緊，故 13 2 c

10.00940.0047mm2綜合以上幾項變形量之和: 0.01890.00430.00470.0279mm1 2 3F” 1.4F”m y

f”(Fz

2Fx

G”)1.46700.04(268021072600)1155N從資料查出，當(dāng)Fm’=1155N時，δ /L=2.4*lO-5L L1 L

L2.41054500.0108δ2和δ3不變，則δ＝δ1＋δ2＋δ3＝0.0108＋0.0043＋0.0047＝0.0198mm定位精度為±0.lmm，故此1 4 1 2

10.01080.00430.00470.0117mm4從上面計算過程可以看出，設(shè)計的過程要經(jīng)過反復(fù)修改參數(shù)，反復(fù)計算才能到達滿足的結(jié)果。6、穩(wěn)定性校核計算臨界負載其F(N)K

F fK

2EIZL2式中：E——材料彈性模量，鋼:E＝20.6×1O6N/cm2I——截面慣性矩〔cm4〕IL——絲杠兩支承端距離(cm)；

d4，di為絲杠內(nèi)徑；64 1f4-13中查出，一端固定，一端簡支f=2.00Z ZId464 1

1.678840.3899cm464F K

2EI2220.61060.389978214NL2 452 n k 67.7 [n]k F”m

1155 k〔一般[n]=2.5～4〕k此滾珠絲杠不會產(chǎn)生失穩(wěn)。(三)、縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數(shù)。查相關(guān)資料。四、齒輪傳動比計算1、縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當(dāng)量δ ＝0.01滾珠絲杠導(dǎo)程L=6mm，初選步進電機步距0.750?？捎嬎愠鰝鲃颖萯p 0360piLp

3600.010.756

0.8b 0可選定齒輪齒數(shù)為，iiz2

322040 252、橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定橫向進給脈沖當(dāng)量δ ＝O.005，滾珠絲杠導(dǎo)程L＝5mm，初選步進電機步距角0.750可計算傳動比p 0i:320piLp

3600.0050.755

0.48b 0降速:

zi 1zz2

z3342420z 5 5 40 254因進給運動齒輪受力不大，模數(shù)m取2。五、步進電機的計算和選型(一)、縱向進給步進電機計算1、等效轉(zhuǎn)動慣量計算計算簡圖見圖1。傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量JΣ

(kg·cm2)可由下式計算:J J M

J (1)2[(Jz1 z 2z2

G LJ) ( 0)2}s g 2式中：J(kg·cm2)MJJ——齒輪z1,z2的轉(zhuǎn)動慣量(kg·cm2)1 2J(kg·cm2)。s參考同類型機床，初選反響式步進電機15OBF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)慣量J=lOkg·cm2MJ 0.78103d4L 0.781036.4422.62kgcm21 1 1J 0.78103d4L2 2

0.781034426.39kgcm2J 0.781034415029.952kgcm23G=800N代入上式:

J J

J (1)2[(Jz1 z 2z232

G Lg J) ( 0)2}g s 2800 0.6102.62( )2[(6.3929.952) (40

)2]36.355kgcm2考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。

9.8 2J/J=10/36.355=0.275m ∑根本滿足慣量匹配的要求。2、電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計算:、快速空載起動力矩M。起在快速空載起動階段，加速力矩占的比例較大，具體計算公式如下：M＝M+M+M起 amax f on 102M J

J

max 102J max amax v

60t2

60tanmax

p

b3600將前面數(shù)據(jù)代入，式中各符號意義同前。nmax

vpv

b 3600

24000.75500r/min0.01 360起動加速時間t=3omsan

2500M J max 10236.355 102634.5Ncmamax

60t2 a

600.03折算到電機軸上的摩擦力矩MfFL f”(PG)LM 0 0 z 0f 2i 2z /z2 1附加摩擦力矩M0

0.16(5360800)0.694Ncm20.81.25F L 1/3F L M p0

(12) m

(12) 0

0 2z /z2 2

0 上述三項合計:M起＝Mamax+Mf+Mo＝634.5＋94＋153＝881.5N·cm(2)、快速移動時所需力矩M快M快＝Mf+M0=94+153=247N·cmM起＝Mamax+Mf+Mo(3)、最大切削負載時所需力矩M切：MM

M M Mf 0 t

M xLF0f 0 2iF094153

13400.6 94153127.96375Ncm20.81.25從上面計算可以看出，M、M和M三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進起 快、 切電機的依據(jù)。查資料，當(dāng)步進電機為五相十拍時λ=M/M=0.951。q jmax最大靜力矩M=881.5/0.951=927N·cm。jmax按此最大靜轉(zhuǎn)距，150BF002型最大靜轉(zhuǎn)距為13.72NM。大于所需最大靜轉(zhuǎn)距，可以作為初選型號，但還需要進一步考核步進電機的起動頻率特性和運行矩頻特性。3、計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率1000vf

max

10002.44000Hzk 60p1000vsfe60sp

600.0110000.61000Hz600.01從資料中查出15OBFOO2型步進電機允許的最高空載起動頻率為280OHz，運行頻率800OHz動時，f=250OHz時，M=lOON·m，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩(881.5N·cm)直接使用則起會產(chǎn)生失步現(xiàn)象，所以必需實行升降速把握(用軟件實現(xiàn))，將起動頻率降到10OOHz時，起動力矩可增高到588.4N·cm，然后在電路上再承受凹凸壓驅(qū)動電路，還可將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。(二)、橫向進給步進電機計算和選型與縱向進給一樣，此處略。六、設(shè)計繪制進給伺服系統(tǒng)機械裝配圖在完成運動及動力計算之后，己經(jīng)確定了滾珠絲杠螺母副、步進電機規(guī)格型號，以及齒輪齒數(shù)、模數(shù)。軸承改裝設(shè)計局部。改裝包括：縱向進給局部拆去原機床的進給箱、溜板箱、滑動絲杠，光杠等，裝上步進電機、齒輪減速箱聯(lián)軸節(jié)裝光電脈沖發(fā)生器，作螺紋加工用。裝配時應(yīng)保證絲杠與導(dǎo)軌平行，為使?jié)L珠絲杠轉(zhuǎn)動靈敏、無阻滯齒輪側(cè)隙，承受雙薄片齒輪彈簧錯齒調(diào)整法。第五章 微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計第一節(jié)、單片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計內(nèi)容當(dāng)前，在經(jīng)濟型數(shù)控機床把握系統(tǒng)中廣泛承受美國Intel公同的MCS-51系列單片計算機，因此本章著重介紹用MCS-51系列單片微機構(gòu)成的把握系統(tǒng)的設(shè)計內(nèi)容、方法及步驟。單片微機數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包括以下幾局部內(nèi)容:一、繪制系統(tǒng)電氣把握的構(gòu)造框圖依據(jù)總體方案及機械構(gòu)造的把握要求，確定硬件電路的總體方案，繪制系統(tǒng)電氣把握的構(gòu)造框圖。數(shù)控系統(tǒng)是由硬件和軟件兩局部組成。硬件是組成系統(tǒng)的根底，有了硬件，軟件才能有效地運行。硬件電路的牢靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)性能指標。機床硬件電路由以下五局部組成。主把握器，即中心處理單元CPU?？偩€。包括數(shù)據(jù)總線、地址總線和把握總線。(3)存儲器。包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器。接口：即1/0輸入/輸出接口電路。外圍設(shè)備。如鍵盤、顯示器及光電輸入機等。RAM二、選擇中心處理單元CPU的類型?！痹谖C應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下因素:(1)、時鐘頻率和字長，這個指標將把握數(shù)據(jù)處理的速度。(2)、可擴展存儲器(包括ROM和RAM)的容量。、指令系統(tǒng)功能，影響編程靈敏性。、1/0口擴展的力氣，即對外設(shè)把握的力氣。(5)、開發(fā)手段，包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路。此外還要考慮到系統(tǒng)應(yīng)用場合、把握對象對各種參數(shù)的要求，以及經(jīng)濟價格比等經(jīng)濟性的要求。目前在經(jīng)濟型數(shù)控機床中，推舉承受MCS-51系列單片微機作為主把握器。三、存儲器擴展電路設(shè)計存儲器擴展電路設(shè)計應(yīng)當(dāng)包括程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的擴展。程序存儲器主要用于儲存數(shù)控系統(tǒng)程序，而數(shù)據(jù)存儲器用于存放用戶加工程序，為保護用戶加工程序，數(shù)據(jù)存儲器必需有掉電保護功能。在選擇存儲器芯片時，要考慮CPU與存儲器時序的匹配，還應(yīng)考慮最大讀出速度、工作溫度及存儲器的容量等問題。經(jīng)濟型數(shù)控機床的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量一般在64K左右。在存儲器擴展電路的設(shè)計中還應(yīng)包括地址鎖存器和譯碼電路的設(shè)計。四、輸入/輸出接口電路設(shè)計應(yīng)包括接口芯片的選用，步進電機把握電路，鍵盤顯示電路以及其他關(guān)心電路的設(shè)計，例如復(fù)位電路，越界報警電路，掉電保護電路等。此外，不同的數(shù)控系統(tǒng)還要求配備不同的外設(shè)，這些局部的電路設(shè)計也應(yīng)包括。其次節(jié)、專用接口設(shè)計CPU介紹：一、顯示功能設(shè)計LED(發(fā)光二極管顯示器)和LCDCRTLED顯示為主；LED顯示器通常它是由八個發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時，相應(yīng)的一個點或一個筆畫發(fā)亮。把握的稱為共陽極顯示器，陰極連在一起的稱有共陰極顯示器。在相關(guān)課程中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了LED顯示器的原理和接口電路；對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計來說，主要是依據(jù)需要顯示的內(nèi)容，確定LEDX,Y坐標符號、正負號，就必需選者米字型LED，顯示數(shù)字使用字符型LED；LED的個數(shù)確定與顯示內(nèi)容，特別是工作行程長度，最小單位等有關(guān)。二、鍵盤輸入功能設(shè)計在數(shù)控系統(tǒng)中，鍵盤的主要功能是輸入、編輯用戶的加工程序，一般應(yīng)包括：字母鍵、數(shù)字鍵和必要的編輯、運行鍵，如：X、Z、T、M、F、0--9、插入、冊除、啟動、停頓等。鍵的具體個數(shù)，需要依據(jù)數(shù)控系統(tǒng)要求來確定。三、步進電機接口及驅(qū)動電路功率，需要有足夠功率供給應(yīng)電動機，因此需要有功率放大環(huán)節(jié)。脈沖安排器及前面的微機及接口芯片，工作電平一般為5V們之間應(yīng)承受隔離電路。1、脈沖安排器I/O接口接線數(shù)少，且執(zhí)行速度較快，但需要專用的芯片。軟件環(huán)形安排是用程序?qū)崿F(xiàn)的。目前市場上供給的國產(chǎn)TTL集成脈沖安排器有硬件環(huán)形安排器三相、四相、五相和六相，其型號分別為YBOB、YBO14、YBOl5及YBO16，均為18個引腳的直插式封裝。各引腳功能說明如下:E0---選通輸出把握。把握脈沖安排器是否輸出確定挨次的脈沖。R 清零。在輸出確定挨次的脈沖前，對脈沖安排器進展清零，以便使其正常工作。A。、A 勵磁方式把握。確定通電方式，即選擇通電相數(shù)和拍數(shù)。1E、E 選通輸入把握端，打算把握指令起作用的時刻。1 2CP 時鐘輸入端，打算脈沖安排器輸出脈沖的頻率?！?--正轉(zhuǎn)(或反轉(zhuǎn))把握端，打算步進電機旋轉(zhuǎn)方向。S 出錯報警輸出。假設(shè)某個端口把握信號出錯或脈沖安排器運行錯誤時，該端口發(fā)出報警信號。圖5-1是承受YBO14個硬件環(huán)形安排器YBO14把握，工作方式設(shè)定在4相4拍，故AAEE0 1 1 2所需旋轉(zhuǎn)方向∧及輸出把握信號E8031的P、P、P和P供給;時鐘脈沖CP由8155的定時器供給;0 1。0 1.1 1.2 1.4清零端R接8031的P，以防亂相。1.5軟件環(huán)形安排器在電路上不需要環(huán)形安排專用芯片“1“，對應(yīng)繞組的通電狀態(tài);這一位為“0的方向轉(zhuǎn)動。在電路上，步進電機的每-繞組需和一個1/0口相連(經(jīng)光電隔離電路)，故占用的1/0口數(shù)量較多。圖5-1、步進電機硬件環(huán)形安排器接口2、光電隔離電路要W驅(qū)動電壓較高(幾十伏)，電流也較大(幾安到幾十安)，假設(shè)將1/0口輸出信號直接與功率放大器相聯(lián)，路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電藕合器。3、功率放大器脈沖安排器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的要求，必需將它放大以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。τ =L/Ri m式中L 步進電機一相繞組的平均電感量;mR 通電回路的電阻，它包括繞組電阻、功率放大器輸出級內(nèi)阻及串聯(lián)電阻。而斷電繞組電流是下降的，這時存儲于繞組中的勢能將以電流形式釋放出來，使電流按指數(shù)規(guī)律下降，其時間常數(shù)為：

τ =L/Rd m D式中R 放電回路電阻，它包括繞組電阻，續(xù)流二極管正向電阻等。D幾乎同時存在，所以步進電機負載力氣下降，嚴峻時會消滅失步。(1)、電阻法R可以使電流上升的時間常數(shù)減小，從而使電流上升沿變陡。在步進電機繞組回路串聯(lián)一個電阻R。。此時步進電機電流時間常數(shù)變?yōu)椋害?=L/〔R+R〕i m o這種方法的缺點是，在串聯(lián)電阻R。上消耗了一局部功率，降低了效率。故只適用于小功率步進電機。、雙電源法又稱凹凸壓驅(qū)動電路。其原理是:開頭時先接通高壓，以保證電動機繞組中有較大的沖。但步進電機額定相電壓是規(guī)定的，不