1、目 录1.设计要求 .32.系统方案框图及分析说明 .33.机械系统各部件类型选择及设计计算 .43.1 初步确定工作台的尺寸及其重量 .43.2 传动系统设计 .53.3 滚珠丝杠的设计计算及选择 .53.4 滚动导轨的选择 .93.5 步进电机的计算及校核 .93.6 联轴器的选择 .104.控制系统工作原理框图和设计说明 .114.课程设计总结与心得体会 .135.参考资料 .13钻床改造成数控 XY 工作台设计黄婉西南大学工程技术学院 重庆1.设计要求1. 系统定位精度要求在 0.02mm 以内，步进电机选用三相六拍，其脉冲当量为0.01mm/pulse；2. 空载启动时间为 1s，最
2、大进给速度为 2m/min；3. 能用键盘输入命令，控制工作台的 x 向、y 向运动及实现其他功能，x 向的运动范围为 0180mm，y 向运动范围为 0200mm；4. 能实时显示工作台的当前运动位置；5. 具有越程指示报警及停止功能；6. 采用硬件进行环形分配，字符发生及键盘扫描均由软件实现。2.系统方案框图及分析说明图 1 开环伺服系统结构原理图采用微机对传统加工机床进行改造有两种方法，一种是以微机为中心设计控制系统，另一种是采用标准步进电机数字控制系统作为主要控制装置。前者需要重新设计控制系统，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板机、
3、单片机、驱动电源、步进电机及专用控制程序组成的开环控制，如图 1 所示。对机床而言，控制过程大多是由单板机或单片机，按照输入的加工程序进行插补运算，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲，经功率放大驱动纵、横轴的步进电机来实现的。1、微型机：选择单片机，必要时进行存储器扩展和 I/O 口扩展；2、接口电路：根据实际进给运动的需要设计；3、功放电路：将脉冲信号进行放大，以驱动步进电机运转；4、执行元件：通常采用步进电机；5、传动机构：将旋转运动转换为直线运动，选择丝杠螺母传动，步进电机和丝杠螺母间的运动通过联轴器或减速器传递；6、执行机构：伺服系统中多用塑料贴面滑动导轨和滚动导轨。3.机械系统
4、各部件类型选择及设计计算图 2 机械传动原理图3.1 初步确定工作台的尺寸及其重量根据设计要求，所取的能够加工的最大面积为 180mm200mm，最大工件的重量为 150kg。因此初定工作台的尺寸为 22022015mm3。工作台的材料为 45 钢，其密度为 7.85103kg/m3。 （取 g=9.8N/kg）因此：工作台（X 向托板）m1=220220157.85103=5.7kgG1= 2202201510-97.851039.8=55.85N 取 Y 向托板=X 向托板m2= m1=5.7kg G2=G1=55.85N上导轨座（连电机）重量初步取导轨座的长 400mm，宽为 150mm
5、，高为 30mm，但导轨座中间有一大空缺，空缺部分大约 2807030mm3。因此m3=(40015028070)3010 -97.8103=9.52kgG3=m3*g=9.529.8=93.24N所以根据上面所求，得 XY 工作台运动部分的总重量为：G=G1+G2+G3=55.852+93.24=204.94N根据要求所知，其最大加工工件为 150kg，另外，还有丝杠、电机、联轴器等，大约 3kg，因此：m 4=3kgG 总 =(150+3)9.8+204.94=1704.34N3.2 传动系统设计=0.01mm，初选步进电机型号 110BF003，步距角 =0.75o，取丝杠导程 Ph=5
6、mm,根据传动比公式 可得：hPio0.751.04236i由此可知，可直接选择联轴器而不用减速器。3.3 滚珠丝杠的设计计算及选择由于钻床切削时产生的轴向切削力很小并且工作台是点位系统，滚珠丝杠运动与静止时都不受由于切削而引起的轴向阻力，故切削力可忽略不计。因此滚珠丝杠的负荷只有运动部件的重量所引起的摩擦阻力。Fm=Fz=0.041704.34=68.1736N，其中 为淬火钢的摩擦因数。载荷系数 KF=1.2，无冲击平稳运转硬度系数 KH=1.0，45 钢 HRC58精度系数 KH=1.1，数控机床精度要求选用 3 级故 Fc=KFKHKHFm=1.21.01.168.1736=89.98
7、9N3.3.1 确定动载荷及其使用寿命根据丝杠动载荷公式： 3 41.670mhaCnLCF式中： C：额定动载荷 Lh：使用寿命FC：静载荷 ：丝杠的平均转速mn因工作台最大进给速度为 2m/min，丝杠导程为 5mm，可得最大转速为，取平均转速max1002n4/in5hVrP10/minnr取 L=15000h，则 33 410589.431.6767haCLCFN3.3.2 滚珠丝杠的选取 根据滚珠丝杠的基本导程及额定动载荷，查表 1，选取滚珠丝杠的型号为 FFB1605-4 ，其公称直径为 d=16mm，公称导程为 Ph=5mm，动、静载荷分别为 7.8KN 和 17.9KN。图 3
8、 滚珠丝杠结构形式表 1 滚珠丝杠型号参数表在表 1 中查得，钢球直径为 3.75aDm滚道半径 .0462dR丝杠底径为 ，为了制造方便，取63.175.82 12.8odm偏心距 3175()sin(.)sin40.56e3.3.3 稳定性计算及校核1) 因螺杆较长，所以稳定性验算应以下式求临界载荷：2()acrEIFl式中：E：螺杆材料的弹性模量，查材料力学 表，取 E=206GPaIa：螺杆危险截面的轴惯性矩 434 9403.12.801.7066dm：长度系数，双推简支式 =2/3丝杠的有效长度是 220mm22992061.370124.7()()acrEIF kNl，丝杠是安全
9、的，不会失稳。3124.70186.5368crmS?2) 高速运转时，需验算其是否会发生共振的最高转速，要求丝杠最高转速。临界转速按此公式计算maxcrn22340 23.971.80919.1/minccrfd rl，不会发生共振，满足要求。maxcrn3.3.4 刚度验算按最不利的情况考虑，螺纹螺距因爱轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向是一致的，所以每一导程的变形量为 2hFPTLEAI扭矩 ，式中01tan()2mdTF 68.51arctnarct0d1t.041rtn.42.9所以： 160tan()8.73ta(5.68.)20.760.mdTFNcm最小截面积为 22
10、 20.01.8644dAc222 69 59.768.1735 .4100.630hFPTL cmEI 每米螺纹度上的螺纹距离弹性变形为 ，满足精度63.41.8/hLcmP要求，刚度合格。3.3.5 效率验算1tantan5.680.71()(29)3.4 滚动导轨的选择根据机床要求，由于导轨副行程不是很长，可以选择相对来说成本低的滚动体不循环的滚针导轨副，材料选择灰铸铁 HT200，硬度 180200HB，采用脂润滑，可以保证一次装填，长期使用。3.5 步进电机的计算及校核3.5.1 负载惯量的计算由于试算出的传动比很接近 1，所以不要减速器，电动机轴直接通过联轴器和丝杠相连，负载的转动
11、惯量也无需等效换算。丝杠的转动惯量 24334541()0.167.850)2.01dJmRl kgm ?丝工作台的转动惯量 2 21234252()()(505.709. 1.0.h hPPJmmi ikgm?台工件的转动惯量 32252510()()9.10.4hPJmkgi?工 工 5552.0.m丝空 台 42.19.01.1.30JJkgm?工切 丝 台查表得转子转动惯量为 5246.kg?， ，惯量匹配。451.30.286mJ切 1mJ切3.5.2 负载转矩的计算等效负载转矩计算公式 3030/68.172/40.763.2meqckkTFvnT Nm?启动惯性阻力矩的计算这里以
12、最不利于启动的快进速度进行计算，启动加速度时间为 ，由1ts于电动机转速 ，取加速时间为等加速梯形曲线，22401.896mns故角加速度为 ，则1.89t-4-3=.30.=5610mTJ Nm?切惯步进电机输出轴上总负载转矩 3.26+0.543.268meq?惯当整体机械传动系统总效率 时，.7/3.268/0.749TNm?为避免计算误差和转矩突然增大引起步进电机丢步而引起加工误差，取安全系数 K=1.4,则步进电机的总负载转矩 。1.5K若采用预选的电动机 110BF003，其最大静转矩为 ，由表 3-max7.84jTN?7 可知， ，故电机能满足要求。max/0.87,.7846
13、.2qj qTTN?则3.6 联轴器的选择上述所选电机轴径为 11mm,而丝杠公称直径为 16mm，转矩不大，可选择公称转矩为 16 的 LT2 型联轴器。4.控制系统工作原理框图和设计说明1控 制 电 路 设 计由 于 MCS-51单 片 机 具 有 较 高 性 价 比 ， 因 此 用 8031作 为 系 统 控 制 器 ，采 用 8155和 2764、 6264芯 片 作 为 I/O和 存 储 器 扩 展 芯 片 。 2764用 作 程 序 存 储器 ， 存 放 监 控 程 序 ； 6264用 来 扩 展 8031的 RAM存 储 器 ， 存 放 调 试 和 运 行 的加 工 程 序 ； 8155用 作 键 盘 和 LED显 示 器 接 口 ； 键 盘 主 要 是 输 入 工 作 台 方向 ， 有 +x,-x,+y,-y四 个 方 向 ； LED显 示 器 显 示 当 前 工 作 台 坐 标 值 ;系 统 具 有超 程 报 警 功 能 ， 并 有 越 位 开 关 和 报 警 灯 ； 其 他 的 辅 助 电 路 有 复 位 电 路 、 时钟 电 路 、 越 位 报 警 指 示 电 路 。
