Y工作台课程设计说明书.docx

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1、名目一、设计任务P1二、脉冲当量和传动比确实定P1三、工作载荷分析及计算P2四、滚珠丝杠螺母副的选型和校核P3五、导轨的选型和计算P5六、电动机的选型和校核P720七、步进电机把握电路设计八、参考文献附加一张数控系统框图和一张软件框图P15 P19专业课程设计说明书一、设计任务设计一个数控 X-Y 工作台及其把握系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。1） 设计要求1. 了解机电一体化化概念及机电一体化技术、机电一体化产品的含义。2. 领悟机电综合设计训练的意义。3. 了解机电综合设计的几大步骤。2） 设计参数确实定设计参数：系统区分率为 0.01mm，最大铣刀直径 =16mm，最大铣削宽

2、度ae=5mm,最大铣削深度 ap=2mm,加工材料为碳钢，工作台加工范围 X=200mm,Y=150mm， 最大移动速度 Vmax=3m/min.3） 方案的分析、比较、论证本设计是一种经济型数控工作台，承受开环把握，主控装置为单片机，软件环形脉冲输出，驱动电路为凹凸压驱动电路，驱动电机为步进电动机，传动变换机构承受滚珠丝杠副。二、脉冲当量和传动比确实定1） 脉冲当量确实定：本设计承受步进电动机，等每脉冲代表电机确定的转角，这个转角经滚珠丝杠使工作台移动确定的距离。每个脉冲所对应的工作台的移距，称为脉冲当量或区分率，记为 p，单位为 mm/脉冲。依据工作台进给系统所要求的精度来选定脉冲当量。

3、考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必需小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量为 0.01mm。2） 传动比的计算：传动比的计算公式 i = qb L o3 6 0dp其中， b 为步进电动机的步距角，Lo 为滚珠丝杠导程， p 为系统脉冲当量，由公式可知，系统的传动比与 b, p,Lo 有关。因此，要计算系统传动比，必需先确定 b, p 和 Lo，步进电动机步距角的选用原则为：定位精度要求不高的把握系统选用步距角大、运行频率低的步进电动机；定位精度要求较高、运行速度范围较广的把握系统，则应选用步距角较小，运行频率较高的步进电动机。本设计为简化构造、提高精度，承受联轴器将电动机和丝杠直接连接

4、。所以i=1，则 bLo=3.6，由于电动机与丝杠直接联接，为使所选电机的扭矩要求不至过大，则丝杠导程应选取较小值，经查各公司产品名目，初选南京华兴电机制造出产的混合式步进电动机 86BYG4501, b=0.9，初选丝杠 Lo=4mm， D=16mm。三、工作载荷分析及计算1. 铣削力的分析与计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线加速回转，进给运动为工作台带工件在垂直铣刀轴线方向缓慢进给。铣刀的类型很多，一般以圆柱铣刀和端铣刀为根本形式。这里选择圆柱形的立铣刀，它的每一个齿相当于一把车刀。XZZ通常假定铣削时铣刀受到的铣削力作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合力为 F，将F 沿铣刀

5、轴线、径向和切向进展分解，则分别为轴向铣削力F ， 径向铣削力FY 和切向铣削力F 。其中切向铣削力F 是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床电机功率即铣削功率最多。铣削力 FZ 可按指导书上 P10 表 2-2查得为：Fz=9.811Ca 0.86a 0.72d -0.86a ZFZefopop其中，公式中 CF 为铣削力系数，由按指导书上 P10 表 2-3 可查为 CF=68.2， ae=5mm，d =16mm，a =2mm，查参考文献1P303 查得：Z=4查参考文献1P135 表 2.4-6 可得：af=0.05mm/z所以 FZ=9.8168.250.860.050.7216-0.8

6、624=228NCv铣刀转速 n= d其中查参考文献1P190 表 2.4-11 可得：Cv=30mm/min,d 为铣刀直径所以 n=600r/min2. 进给工作台工作载荷计算作用在工作台上的合力 F就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷F ，工作台横向进给方向载荷 Fc 和工作台垂直进给方向载荷 Fv。L从而可按指导书上 P11 表 2-4 可查得： FL=1.2FZ=1.2228=274NF =0.8Fz=0.8228=182.4NVF =0.4Fz=0.4228=91.2NC四、滚珠丝杠螺母副的选型和校核1、滚

7、珠丝杠螺母副类型选择。这里初选深圳威远制造 技术的内循 环式的滚珠丝杠螺母副BRH15A。为了消退间隙和提高滚珠丝杠螺母副的刚度，这里对滚珠丝杠螺母副进展预紧，可使预紧后的刚度提高到为无预紧时的 2 倍。这一般由制造厂调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杠副的额定动载荷有确定的比例。2、滚珠丝杠螺母副参数计算和校核1最大工作载荷滚珠丝杠螺母副的工作载荷 Fm 是指滚珠丝杠螺母副在驱开工作台时滚珠丝杠螺母副所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。这里选燕尾导轨，可按指导书上P14 公式 2-11 可得：Fm = KFL + f(Fv + 2Fc + G)其中 G 为移动部件的重力 G=20Kg9.8=1

8、92N,颠覆力矩影响试验系数 K=1.4， 导轨上的摩擦系数 f=0.0025。所以 Fm=1.4274+0.0025(182.4+91.2+209.8)=385N2)、最大动负载 C 的计算及重要尺寸初选3 L最大动载荷 C=fmFm其中：L 为为寿命，单位为 106r，选 fm=2.5 L=601000vt/106Lo而 v 为最大切削力时的进给速度：v=afnz=0.056004=120mm/min所以 L=6010000.1215004106=273 27所以 C=2.5385=2887.5而所选的丝杆的最大动载荷为 4.35Nm,所以适合. 3)传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率

9、为：tgl = tg(l + j)P其中： =arctan(p Do)=arctan(43.1416)=4.552o所以 =tg4.552o/tg(4.552o+10)=0.9符合滚珠丝杠副的传动效率。4刚度验算滚珠丝杆副的轴向变形将引起丝杆导程发生变化，从而影响定位精度和运动平稳性。滚珠丝杆副的轴向变形包括丝杆的拉压变形、丝杆和螺母之间滚道的接触变形、丝杆的扭转变形和滚珠丝杆轴承的轴向接触变形。滚珠丝杆的扭转变形较小，对纵向变形的影响更小，可无视不计。螺母座只要设计合理其变形量也可无视不计。丝杆轴承的轴向接触变形计算方法可参机械设计手册。可供滚珠丝杆支承使用的滚动轴承种类很多，目前占优势的有

10、：接触角为60 的推力角接触球轴承，可以背靠背或面对面组配，还可以三联组配，四联组配等，提高刚度和承载力气；滚针-推力圆柱滚子组合轴承，从双向轴向支承丝杆，刚度高，多用于重载。因此，只要滚珠丝杆支承的刚度设计得好，轴承的轴向接触变形在此可以不予考虑。1、丝杆的拉压变形量滚珠丝杆应计算满载时拉压变形量FLd=m1EA式中: 为工作载荷,F 作用下丝杆总长度上拉伸或压缩变形量(mm);1mF 为丝杆的工作载荷(N)Fm=385N;L 为滚珠丝杆在支承内的受力长度，按经m验公式.1200+104=260mm;E 为材料弹性模量 E=20.6104Mpa,;A为滚珠丝杆按内径确定的截面积 A= p4(

11、13.9)2=151.7mm2；“+”号用于拉伸，“-” 号用于压缩。2、滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠的总数量有关，与滚珠丝杆长度无关，可从工厂的产品样品中查出，或用下式计算31DWFZ2m无预紧时d=0 . 003821 22.381 129 9.8 385=0.0038=0.0013工中:D为滚珠直径 D =2.381mm;Z 为滚珠总数量 Z =2223-3； d 为滚WWmmmm珠丝杆的公称直径 d =16mm;F为滚珠丝杆工作载荷 F =385N。3、滚珠丝杆副刚度的验算丝杆的总变形量 = +应小于允许的变形量。一般 不应大于机床进给12系统规定

12、的定位精度值的一半(即为 0.005mm)。或者，由丝杆精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应当比它小，否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杆副。而总的变形量 0.0032+0.0013=0.0045 f max运行矩频特性校核要对快速进给运行和工作进给运行两种工况分别校核，确快进和工进时均不丢步。1、快速进给运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率 fKJ可按式2-33计算。快速进给时已经不存在加速力矩项Ma，并且一般快进时处于空载状态，故快进力矩MKJ的计算公式只保存了式2-24中的后两项，即M KJ = M kf + M 0 =0.04+1.72=1.76Ncm式

13、中： M为附加摩擦力矩Ncm，见式2-28； M为快进时，拍片到0kf电机轴上的摩擦力矩Ncm，见式2-27。从图 2-22 中可查到初选步进电机的运行矩频特性曲线。以快进力矩MKJ值找出对应允许快进频率 fyKJ。实际最高快进频率 fKJ应小于允许快进频率，fKJ fyKJ。否则，快进时要丢步。或者，对应fKJ查到的允许快进运行力矩M值yKJ应大于步进电机快速进给力矩MKJ,否则步进电机快速进给时会丢步。不满足运行矩频特性要求时，要降低快速进给速度v或重选更大的步进电机直到满足运max行矩频特性要求 。就留意，运行矩频特性曲线与启动矩频特性曲线是不同的。2、工进运行矩频特性校核工进时步进电机

14、的运行频率为 fGJ1000vf=GGJ60dP= 1000 0.12=200Hz60 0.01式中： vG为最大工作进给速度m/min工进时步进电机运行所需力矩MJG可近下式计算M= M+ M+ MNm(2-36)GJ0ft式中： M为附加摩擦力矩Ncm，见式2-27；M为摩擦力矩Ncm，0f一般状况下， 工进时有切削力的，工作台上垂直进给方向载荷 FV不等于零；Mt为折算到电机轴上的工作负载力矩，对于数控机床进给系统则是切削力矩负载M 。tf ” (F+ G)L0.0025(182.4 + 20 9.8) 0.4NmMv0 = 0.067f2ph i2 p 0.9 1=F LMt0=274

15、 0.4= 19.4Ncmt2phi2p 0.9 1式中： Ft载荷N。为沿进给方向的切削负载， Ft= FL；Fv为垂直方向作用于工作台的所以， MGJ1.720.067+79.4=21.187Ncm从图 2-22 中查到初选步进电机的运行矩频特性曲线。对应工进频率 fGJ查到的允许工进运行力矩M=1.6Nm 大于步进电机工进时所需力矩MyKJGJ七、步进电机把握电路设计1、把握系统硬件的组成步进电机开球伺服系统是由脉冲信号源、脉冲安排器、功率放大器和步进电动机四局部所组成的。2、把握系统软件的组成及构造把握系统软件是为了完成机电设备的各项功能而编制的。由于各和机电设备所完成的功能和把握方法

16、的不同，其软件在构造和规模上也不尽一样。以单片机为核心的数控微机把握系统软件一般包括监控模块、插补计算模块、步进电机把握模块、误差补偿模块等。监控程序一般包括系统初始化、命令处理循环、零件加工程序或作业程序输入、编辑、指令分析执行以及系统自检等。常用的机电系统把握软件构造有：子程序构造、主程序加中断程序构造以及中断程序构造。XY 工作台的运动一般都由直线插补程序和圆弧插补程序来完成。每一象限逆圆弧插补程序如下：XLEQU18HSHEQU19H YLEQU28H YHEQU29H XeLEQU1AH XeHEQU1BH YeLEQU2AH YeHEQU2BH FLEQU2CH FHEQU2DH

17、ORG2400HMAIN:MOVSP, #60HMOV70H, #08HMOVXL,#80H;XLMOVXH, #0CH;XHMOVYeL,#80H;YeLMOVYeH,#0CH;YeHMOVXeL,#00H;XeLMOVXeH,#00H;XeHMOVYL,#00H;YLMOVYH,#00H;YHMOVFL,#00H;FLMOVFH,#00JH;FHLP3:MOVA,FHJNBACC.7,LP1MIVA,70HSETBACC.2CLRACC.0;LCALLMOTR;MOVR1,#28H;MOVR0,#1CH;MOVR7,#02H;LCALLMULT2;2*YADD:CLRC MOVA,FL A

18、DDC A,1CH MOVFL,A MOVA,FHADDCA,1DH;F+2Y MOVFH,AVLRC MOVA,ULADDA,#01H MOV28H,A MOVA,YH ADDCA,#00H MOVYH,A CLRCMOVA,FL ADDA,#01H MOVFL,A MOVA,FH ADDCA,#00HMOVFH,A; +2Y+1 AJMPLP2LP1:MOVA,70H SETBACC.0 MOV70H,A; LCALLMOTR MOVR1,#18H;XL MOVR0,#1CH MOVR7,#02HLCALLMULT2;0*XSUB:CLRC MOVA,FLSUBBA,1CH MOVFL,A

19、 MOVA,FH SUBBA,1DH MOVFH,A;F-2 CLRCMOVA,XL SUVVA,#00H MOVXH,A;X-1 CLRCMOVA,FL ADDA,#01HMOVFH,A;F-2X+1Lp2:MOVA,YHCJNEA,YeH,LP3A;YH=YeH? MOVA,YLCJNEA,YeL,LP3A;YL=YeL?LP3:AJMPLP3 ORG2500HMULT2:PUSHPSW;PUSHAPUSHB CLRCMOVR2,#00H SH1:MOVA,R1MOVB,#02H MULAB POPPSW ADDCA,R2 MOVR0,A INCR0INCR1DJNZR7,SH1 POPBPOPPSW RET参考文献、吴国梁主编，铣工有用技术手册；江苏科学技术出版社。 、周开勤主编，机械零件手册；高等教育出版社。 、濮良贵 纪名刚主编，机械设计；高等教育出版社。、王太辰主编，中国机械设计大典；江西科学技术出版社。 、周灏主编，机械设计手册；机械工业出版社。 、何立民主编，单片机高级教程；北京航空航天大学出版社。