機(jī)電一體化專業(yè)課程設(shè)計(jì)

1、目錄銑床數(shù)控改裝任務(wù)書························2前言·······················

2、3;··············5第一章數(shù)控改造總體方案的設(shè)計(jì)··············6第二章機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分(縱向)的設(shè)計(jì)算···············&

3、#183;······················10第一節(jié) 工作載荷分析及計(jì)算························10第二

4、節(jié) 滾珠絲杠螺母副的選型和校核················12第三節(jié) 脈沖當(dāng)量和傳動比的確定····················23第三章 微機(jī)控制部分的設(shè)計(jì)······&

5、#183;·········39第一節(jié) 微機(jī)控制系統(tǒng)概述··························39第二節(jié) 系統(tǒng)介紹··········&

6、#183;·······················40第三節(jié) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制電路······················48第四節(jié) 其他輔

7、助電路的設(shè)計(jì)·························60第四章 微機(jī)控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)··············63設(shè)計(jì)小結(jié)······&#

8、183;··························66X502型立式銑床數(shù)控改裝任務(wù)書一、已知條件1、機(jī)床型號：x502型立式升降臺銑床2、主要參數(shù) 1）工作臺面積（長×寬）750×225（mm×mm） 2）工作臺及夾具總重量：G=800N 其中:橫、縱向絲桿負(fù)載分別為總重量的1/2 3）工作臺最大

9、行程 縱向： 500mm 橫向： 190mm 4）主軸中心（端面）至臺面距離：80×300mm 5）進(jìn)給量：縱向： 20540mm/min橫向： 14380mm/min 6）快速進(jìn)給速度：縱向： 2400mm/min橫向： 1600mm/min 7）立銑頭最大回轉(zhuǎn)角：45度 8）導(dǎo)軌類型：綜合性導(dǎo)軌 9）主軸轉(zhuǎn)速級數(shù)：8級 10）主軸轉(zhuǎn)速公比：1：41 11）主軸轉(zhuǎn)速：n=47.5，67，95，132，190，265，375，530r/min 12）主軸電機(jī)功率：N=2.2KW 13）主軸傳動功率：N=1.45KW 14）主軸孔徑：24mm 15）銑刀最大直徑：32mm3、工件材料

10、1）碳鋼，合金鋼 2）鑄鐵4刀具材料 1）硬質(zhì)合金 2）高速鋼二、設(shè)計(jì)內(nèi)容將一臺x502型立式升降臺銑床改裝成用MCS-51系列單片機(jī)控制的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床。該銑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。改裝的目的一方面要提高加工的精度，另一方面利用數(shù)控方法加工任意圓弧面或凸輪的曲面。三、設(shè)計(jì)要求 1、改裝后縱向橫向進(jìn)給精度可達(dá)：10m 2、改裝后增加原銑床的功能 3、改裝要方便，原銑床的改動應(yīng)盡可能少，如果數(shù)控部分發(fā)生故障時仍能手工半自動操作，如果不需數(shù)控時，能很快改回原狀。 4、控制部分要求運(yùn)行可靠，維修方便。 5、控制部分須防塵及抗干擾。 6、改造成本低。四、改

11、裝后應(yīng)具有基本功能及技術(shù)指標(biāo) 1、工藝范圍：保持原有的銑床的工藝范圍外，增加任意圓弧面或凸輪曲面的數(shù)控加工。 2、控制軸數(shù)：二坐標(biāo)（縱向X、橫向Y）。 3、同時控制縱、橫向進(jìn)給運(yùn)動進(jìn)行圓弧面或凸輪曲面的加工。 4、脈沖當(dāng)量：0.01mm/step 5、重復(fù)定位精度：0.01mm 6、定位精度：0.01mm 7、加工精度：2級五、設(shè)計(jì)工作量 1、一張縱向（或橫向）工作臺的結(jié)構(gòu)改裝圖（A1） 2、一張數(shù)控系統(tǒng)硬件原理圖（A1） 3、一份設(shè)計(jì)說明書 包括以下主要內(nèi)容： （1）前言（數(shù)控改裝的意義、用途及目的等）； （2）設(shè)計(jì)的主要思路：系統(tǒng)方案的確定、系統(tǒng)控制方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖等；（3）機(jī)械部分

12、改裝設(shè)計(jì)計(jì)算： 1）滾珠絲杠螺母副的確定； 2）傳動齒輪的傳動比和齒數(shù)的確定； 3）步進(jìn)電機(jī)的選型；（4）控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)計(jì)算和參數(shù)選擇；（5）步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)；（6）總結(jié)及結(jié)束語六、參考書目 1、數(shù)字控制機(jī)床 廖效果、朱啟逑主編，華中理工大學(xué)出版社 2、金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì) 戴曙主編，機(jī)械工業(yè)出版社 3、機(jī)床設(shè)計(jì)參考圖冊（車床部分） 上海紡織工學(xué)院機(jī)械制造專業(yè)教研室（學(xué)院資料室） 4、或【機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊，華東紡織工學(xué)院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、天津大學(xué)主編，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社】（學(xué)院資料室） 5、機(jī)電一體化機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 趙松年 張奇鵬主編 機(jī)械工業(yè)出版社，1999年6月 6、機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)

13、計(jì) 張建民 等編著 高等教育出版社 200年8月 7、機(jī)電一體化技術(shù)手冊（上、下冊）機(jī)電一體化技術(shù)手冊編委會編 機(jī)械工業(yè)出版社 8、單片機(jī)原理及其接口技術(shù) 胡漢才編著 清華大學(xué)出版社 9、MCS-51系列單片機(jī)系統(tǒng)及其應(yīng)用 蔡美琴等 高等教育出版社 10、有關(guān)的機(jī)床數(shù)控改裝的期刊資料前 言一、機(jī)床數(shù)控化改造的意義     一般說來，數(shù)控機(jī)床比傳統(tǒng)機(jī)床有以下突出的優(yōu)越性。     1. 可以加工出傳統(tǒng)機(jī)床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。     2. 可以實(shí)現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比

14、傳統(tǒng)機(jī)床提高37倍。     3. 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要工人“修配”。     4. 可實(shí)現(xiàn)多工序的集中，減少零件在機(jī)床間的頻繁搬運(yùn)。     5. 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補(bǔ)償?shù)榷喾N自律功能，因而可實(shí)現(xiàn)長時間無人看管加工。     6. 降低了工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 二、機(jī)床改造的優(yōu)缺點(diǎn)     減少投

15、資額、交貨期短，同購置新機(jī)床相比，改造費(fèi)用低。同購置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省6080的費(fèi)用，改造費(fèi)用低。特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只花新機(jī)床購置費(fèi)用的1/3，交貨期短。     機(jī)械性能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)受限。所利用的床身、立柱等基礎(chǔ)件都是重而堅(jiān)固的鑄造構(gòu)件，而不是那種焊接構(gòu)件，改造后的機(jī)床性能高、質(zhì)量好，可以作為新設(shè)備繼續(xù)使用多年。但是受到原來機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，不宜做突破性的改造。     用戶熟悉了解設(shè)備、便于操作維修，購買新設(shè)備時，不了解新設(shè)備是否能滿足其工藝要求。有的新設(shè)備由于種種原因，設(shè)備或生產(chǎn)線不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)

16、，甚至癱瘓，使企業(yè)的效益受到影響，新設(shè)備不僅不能創(chuàng)造新財(cái)富，反而消耗財(cái)富。改造則不然，可以精確地計(jì)算出機(jī)床的加工能力；另外，由于多年使用， 操作者對機(jī)床的特性早已了解，在操作使用和維修方面培訓(xùn)時間短，見效快。改造的機(jī)床一安裝好，就可以實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。     可以充分利用現(xiàn)有地基，不必像購入新設(shè)備時那樣需重新構(gòu)筑地基。     可以采用最新的控制技術(shù)。 可根據(jù)技術(shù)革新的發(fā)展速度，及時地提高生產(chǎn)設(shè)備的自動化水平和效率，提高設(shè)備質(zhì)量和檔次，將舊機(jī)床改成當(dāng)今水平的機(jī)床。第一章 數(shù)控改造總體方案的設(shè)計(jì)一、系統(tǒng)總體改造方案的確定目前，在機(jī)械加工

17、工業(yè)中，絕大多數(shù)是舊式機(jī)床，如果改用微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的改造，會使機(jī)床適應(yīng)小批量、多品種、復(fù)雜零件的加工，不但提高加工精度和生產(chǎn)率，而且成本低、周期短，適合我國國情。利用微機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床的機(jī)電一體化改造的方法有兩種：一種是以微機(jī)為中心設(shè)計(jì)控制部件；另一種是采用標(biāo)準(zhǔn)的步進(jìn)電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)作為主要控制裝置。前者需要新設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)，比較復(fù)雜；后者選用國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，比較簡單。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通常采用單片機(jī)、驅(qū)動電源、步進(jìn)電機(jī)及專用的控制程序組成開環(huán)控制，如下圖所示，其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。對機(jī)床的控制過程大多是由單片機(jī)按照輸入的加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，產(chǎn)生進(jìn)給，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配

18、，輸出一系列脈沖，經(jīng)功率放大、驅(qū)動刀架、縱橫軸運(yùn)動的步進(jìn)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具按規(guī)定的輪廓軌跡運(yùn)動。微機(jī)進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算的速度較快，可以讓單片機(jī)每完成一次插補(bǔ)、進(jìn)給，就執(zhí)行一次延時程序，由延時程序控制進(jìn)給速度。開環(huán)控制系統(tǒng)框圖1、功能與技術(shù)參數(shù)分析設(shè)計(jì)的最初環(huán)節(jié)必須理解和分析設(shè)計(jì)任務(wù)所提出的主要功能和技術(shù)指標(biāo)。比如，普通銑床的數(shù)控改造要求利用數(shù)控系統(tǒng)代替人工或機(jī)械凸輪、靠模來控制銑床的運(yùn)動，提高銑床的加工精度和自動化水平，滿足多品種小批量零件加工的功能要求。改裝的目的一方面要提高加工的精度，另一方面利用數(shù)控方法加工任意圓弧面或凸輪的曲面。設(shè)計(jì)任務(wù)提出了縱向走刀，橫向走刀的定位精度、走刀速度、主軸變速等諸多

19、技術(shù)參數(shù)。保持原有的銑床的工藝范圍外，增加任意圓弧面或凸輪曲面的數(shù)控加工。同時控制縱、橫向進(jìn)給運(yùn)動進(jìn)行圓弧面或凸輪曲面的加工。并且，要求能夠進(jìn)行人機(jī)對話，編程及操作方便，診斷功能和糾錯功能強(qiáng)，具有顯示和通信功能，縮短非生產(chǎn)準(zhǔn)備時間，提高生產(chǎn)率。2、傳動機(jī)構(gòu)的選擇針對設(shè)計(jì)任務(wù)的主要功能和技術(shù)指標(biāo)要求提出一些原理性的構(gòu)思。因?yàn)樗难b的銑床為普通銑床，精度要求并不是很高，在使用過程中不需要調(diào)整，并且加工過程中有輕微沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)上述實(shí)際條件，并考慮到經(jīng)濟(jì)成本問題，可以初步選用“外循環(huán)插管埋入式法蘭直筒組合雙螺母墊片預(yù)緊（CMD）”這種結(jié)構(gòu)類型的滾珠絲杠螺母副。它具有結(jié)構(gòu)簡單，工藝性優(yōu)良，承載能力較

20、高；剛度高，預(yù)緊可靠，不易松弛等優(yōu)點(diǎn)。之所以使用齒輪傳動是因?yàn)辇X輪傳動有以下特點(diǎn)：1.能保持瞬時傳動比恒定，平穩(wěn)性高，傳遞運(yùn)動準(zhǔn)確可靠；2.傳遞的功率和速度范圍較大；3.結(jié)構(gòu)緊湊、工作可靠，可實(shí)現(xiàn)較大傳動比；4、傳動效率高，使用壽命長；5、通過使用齒輪減速傳動的作用可以使得對電動機(jī)的要求沒有那么高。3、擬訂總體方案 通過對傳動方式的選擇之后，我們還要對運(yùn)動、布局、結(jié)構(gòu)、控制以及軟件等方面作出總體方案設(shè)計(jì)。方案可以同時作幾個，經(jīng)過技術(shù)和經(jīng)濟(jì)評價后，選擇其中一種較合理的作為最優(yōu)方案加以采用。比如，普通銑床的數(shù)控化改造方案應(yīng)該在滿足改造設(shè)計(jì)任務(wù)的前提下，盡可能對普通銑床作較少改動，這樣可以降低改造成

21、本。二、機(jī)械傳動系統(tǒng)的改造方案的確定 在熟悉原機(jī)床的操作過程及傳動系統(tǒng)后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定系統(tǒng)的機(jī)械傳動系統(tǒng)改造方案。包括電機(jī)型號的選擇，減速比的確定，齒數(shù)模數(shù)及齒數(shù)的確定，原有絲杠及導(dǎo)軌是否重新更換，改換成滾珠絲杠螺母副時絲杠螺母副的型號及安裝形式如何確定，導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)方法等。 X502型銑床的外形及傳動系統(tǒng)如圖7-16所示。工件裝在機(jī)床的工作臺上，銑刀裝在轉(zhuǎn)動的刀桿上，銑刀和工件相互間的位置可用縱向、橫向和升降進(jìn)給機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)實(shí)際要求可對機(jī)械部分進(jìn)行如下的改動：保留機(jī)床的原有主軸旋轉(zhuǎn)部分；保留原機(jī)床縱向進(jìn)給的機(jī)動部分，將離合器脫開，去掉手輪43，將手輪軸通過一對齒輪與步進(jìn)電機(jī)相連，用步

22、進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)控制縱向工作臺的移動；工作臺橫向運(yùn)動改為通過一對齒輪與步進(jìn)電機(jī)相連的數(shù)控系統(tǒng)控制，工作臺升降移動仍用手動。為了保證精度要求，橫向及縱向工作臺的絲杠為滾珠絲杠副傳動。三、微機(jī)控制系統(tǒng)方案的確定1.微型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：1）控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)計(jì)算和參數(shù)選擇；2）步進(jìn)電機(jī)接口及驅(qū)動電路設(shè)計(jì)。2、微機(jī)控制系統(tǒng)的總體組成數(shù)控部分采用AT89S51-24PU單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng).目前，數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用最多的是AT89S51-24PU單片機(jī)，他價格低，功能強(qiáng)，使用靈活等特點(diǎn)。 存儲芯片的選擇依據(jù)系統(tǒng)控制程序的大小及CPU的字長，I/0擴(kuò)展芯片的個數(shù)根據(jù)整個系統(tǒng)需要的I/0通道的個數(shù)來確

23、定。3、軟硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 涉及軟硬件任務(wù)分配的有：控制步進(jìn)電機(jī)的脈沖發(fā)生于脈沖分配；數(shù)碼顯示的字符發(fā)生；鍵盤掃描管理。硬件系統(tǒng) （1）基本組成（最小系統(tǒng)）（2）系統(tǒng)擴(kuò)展 1）程序存儲器擴(kuò)展2）數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展3）輸入輸出端口擴(kuò)展 4）綜合功能擴(kuò)展（3）接口技術(shù) 1）鍵盤接口技術(shù)2）顯示器接口（4）步進(jìn)電機(jī)控制硬件電路。上述三個任務(wù)都可以用專用硬件芯片實(shí)現(xiàn)，也可用軟件編程實(shí)現(xiàn)。用硬件實(shí)現(xiàn)，編程比較簡單，但同時硬件成本及故障。用軟件實(shí)現(xiàn)，可節(jié)省芯片，降低成本，但增加了編程難度。在決定用何種方法實(shí)現(xiàn)時，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，同時還應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)者的軟硬件方面的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)及能力。軟件系統(tǒng)包括：（1）軟件結(jié)構(gòu)與基本組成（

24、2）插補(bǔ)原理及軟件程序（3）步進(jìn)電機(jī)控制軟件。 計(jì)算與說明主要結(jié)果第二章機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分(縱向)的設(shè)計(jì)計(jì)算第一節(jié) 工作載荷分析及計(jì)算根據(jù)指導(dǎo)書的分析，對于數(shù)控銑床來說，可采取按切削用量計(jì)算切削力法和按主電機(jī)功率法計(jì)算切削力計(jì)算切削力法兩種。一般來說，對于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，可采用按主電機(jī)功率計(jì)算切削力法。一、銑削抗力分析通常都假定銑削時銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒的某一點(diǎn)上。設(shè)刀齒受到的切削抗力的合力為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向進(jìn)行分解，則分別為軸向銑削力Fx，徑向銑削力Fy和切向銑削力Fz。切向銑削力Fz是沿銑刀主運(yùn)動方向的分力，它消耗銑床主電機(jī)功率（即銑削功率）最多，因此，切向銑

25、削力Fz可按銑削功Pm（kw）或主電機(jī)功率Pe（kw）算出。對于現(xiàn)有的機(jī)床的改裝設(shè)計(jì)，可以從已知機(jī)床的電機(jī)的功率和主軸上的功率反推出工作臺進(jìn)給時的銑削力。若該機(jī)床的主傳動和進(jìn)給傳動均用一個電機(jī)，進(jìn)給傳動的功率較小，可在主傳動功率上乘以一個系數(shù)。由機(jī)床設(shè)計(jì)手冊查得銑床傳動系數(shù)k=0.85。 主傳動功率N包括切削功率Nc、空載功率Nmo、附加功率Nmc三部分，即：N=Nc + Nmo + Nmc。空載功率Nmo是當(dāng)機(jī)床無切削負(fù)載時主傳動系統(tǒng)空載所消耗的功率，對于一般輕載高速的中、小型機(jī)床，可達(dá)總功率的50%，現(xiàn)取Nmo = 0.5N，附加功率Nmc是指有了切削載荷后所增加的傳動件的摩擦功率，它直接

26、與載荷大小有關(guān)?？梢杂孟率接?jì)算，Nmc = (1)Nc，所以總功率為：N=Nc + 0.5N + (1)Nc (KW)計(jì)算與說明主要結(jié)果則：Nc= (KW)在進(jìn)給傳動中切削功率：Nct = kNc = (KW)上式中k-銑床的傳動系數(shù)，查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書P17公式38。得k=0.85為傳動效率，可由下式計(jì)算由題設(shè)給定的已知條件可知，主軸上的傳動功率N=1.45 KW，主電機(jī)的功率= 2.2 KW。則=0.6591所以：Nct = = 0.4596 (KW)切削時在主軸上的扭矩為：Mn = 955000= 9240.3789(N·cm)上式中n-主軸的最小轉(zhuǎn)速，由題設(shè)條

27、件知n = 47.5 (r/min)切向切削力Fz= (N)上式中d-銑刀的最大直徑(cm)，由題設(shè)條件知d = 3.2 cm二、計(jì)算進(jìn)給工作臺工作載荷、 切向銑削力= (N)計(jì)算與說明主要結(jié)果作用在進(jìn)給工作臺上的合力F與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合力F大小相同，方向相反。合力F就是設(shè)計(jì)和校核工作臺進(jìn)給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運(yùn)動方向分解為三個力：工作臺縱向進(jìn)給方向載荷,工作臺橫向進(jìn)給方向載荷Fc和工作臺垂直進(jìn)給方向載荷。根據(jù)專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書第三章表31“銑削加工主切削力與其它切削分力的比值”列表可計(jì)算出三組、 （取范圍的值計(jì)算最大值）。（1）組：端銑對稱銑削=0.4 Fz

28、=0.4×=1155.05 (N)=0.95 Fz=0.95×=2473.24(N)=0.55 Fz=0.55×=1588.19 (N)（2）組：端銑逆銑=0.9Fz=0.9×=2598.86 (N)=0.7 Fz=0.7×=2021.33 (N)=0.55 Fz=0.55×=1588.19 (N)（3）組：端銑順銑=0.3Fz=0.3×=866.29 (N)=1.0 Fz=1.0×=2887.62 (N)=0.55 Fz=0.55×=1588.19 (N) 由于銑床是兩軸聯(lián)動，所以只考慮端銑，無需考慮周

29、銑，則考慮采用第三組數(shù)據(jù)。計(jì)算與說明1、 指導(dǎo)書P16 表35主要結(jié)果第二節(jié) 滾珠絲杠螺母副的選型和校核一、滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型的選擇因?yàn)樗难b的銑床為普通銑床，精度要求并不是很高，在使用過程中不需要調(diào)整，并且加工過程中有輕微沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)上述實(shí)際條件，并考慮到經(jīng)濟(jì)成本問題，通過查第三章表32和表33，可以初步選用“外循環(huán)插管埋入式法蘭直筒組合雙螺母墊片預(yù)緊（CMD）”這種結(jié)構(gòu)類型的滾珠絲杠螺母副。它具有結(jié)構(gòu)簡單，工藝性優(yōu)良，承載能力較高；剛度高，預(yù)緊可靠，不易松弛等優(yōu)點(diǎn)。它主要適用于重載荷、高剛度、高速驅(qū)動及較精密的定位系統(tǒng)，是目前應(yīng)用得較廣泛的結(jié)構(gòu)。二、滾珠絲杠螺母副型號的選擇及校核步

30、驟1、計(jì)算最大工作載荷2、 由題設(shè)已知條件，銑床導(dǎo)軌的類型為綜合導(dǎo)軌。再查指導(dǎo)書 P38表3-29得最大工作載荷。該式中：K = 1.15；取 f = 0.16（f =0.150.18）（摩擦系數(shù)）；G為工作臺及夾具總重量的1/2。由題設(shè)已知條件可得G = 400 N。將以上數(shù)值及先前計(jì)算得到的三組、數(shù)據(jù)代入上式，可得到三組相應(yīng)的的最大值（1）組：Fm=1.15×1155.05+0.16× (1588.19+400)= 1646.42(N)（2）：Fm=1.15×2598.86+0.16× (1588.19+400)=3306.7794(N)（3）組：F

31、m=1.15×866.29+0.16× (1588.19+400)= 1314.34(N)由以上計(jì)算數(shù)據(jù)可知，第（2）組算得的值較大。故最大工作載荷為Fm=3306.7994(N)初選“外循環(huán)插管埋入式法蘭直筒組合雙螺母墊片預(yù)緊”這種結(jié)構(gòu)類型的滾珠絲杠螺母副最大工作載荷Fm=3306.7994(N)計(jì)算與說明主要結(jié)果2、計(jì)算最大動負(fù)載C最大動載荷C可由下式計(jì)算 (1)(1) 式中：各參數(shù)見專業(yè)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書-硬度系數(shù)，選1.1(HRC60) -運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，選1.0(有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)) L -壽命，由下式計(jì)算 (2)(2) 式中：T-使用壽命(h)，對于數(shù)控機(jī)床T=15000(h)

32、n-絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)，可由下式計(jì)算 (3)(3) 式中：-最大切削力條件下的縱向進(jìn)給速度 (m/min)，查指導(dǎo)書為540(mm/min)可取最高切削進(jìn)給速度的1/21/3，現(xiàn)取1/3，即 =×0.54(m/min)=0.18(m/min) -所選用絲杠的基本導(dǎo)程，考慮到傳動精度的要求，可選基本導(dǎo)程為4、5、6(mm)的絲杠?；緦?dǎo)程為4 mm時： =40.5 C1=12491.62(N)基本導(dǎo)程為5mm 時：=32.4 C2=11596.20(N)基本導(dǎo)程為6mm 時：=27 C3=10912.44(N)查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)表3-11（1）當(dāng)公稱直徑為d0=32mm時當(dāng)L0=

33、4時 Ca=6668N<C1，所以不合格當(dāng)L0=5時 Ca=12945N>C2，所以合格（圈數(shù)×列數(shù)=1.5×2）當(dāng)L0=6時 Ca=10689N<C3，所以不合格（2）當(dāng)公稱直徑為d0=40mm時當(dāng)L0=5時 Ca=21183N>C2，所以合格（圈數(shù)×列數(shù)=1.5×2）當(dāng)L0=6時 Ca=16083N>C3，所以合格（圈數(shù)×列數(shù)=2.5×1）所以 絲桿選擇L0為5mm或者6mm，d0=32mm或者40mm通過查金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡明手冊表4-143可知當(dāng)公稱直徑=32mm、基本導(dǎo)程為5mm的絲杠，查得它們

34、的承載能力Ca為12945N，螺旋升角為（2.85）、，圈數(shù)×列數(shù)分別為1.5×2，滾珠直徑為3.175mm，-接觸角()。計(jì) 算 與 說 明主 要 結(jié) 果公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為5mm的絲杠，查得它們的承載能力Ca為21183N，螺旋升角為（2.27）、，圈數(shù)×列數(shù)分別為1.5×2，滾珠直徑為3.175mm，-接觸角()。公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為6mm的絲杠，查得它們的承載能力Ca為16083N，螺旋升角為（2.73）、，圈數(shù)×列數(shù)分別為2.5×1，滾珠直徑為3.969mm，-接觸角()。3、計(jì)算傳動效率傳動效率可由下式

35、計(jì)算上式中：-絲杠螺旋升角 -摩擦角。滾珠絲杠副的摩擦角約當(dāng)公稱直徑=32mm、基本導(dǎo)程為5mm 時： =0.9446>0.9滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為5mm 時：=0.9314>0.9滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為6mm 時：=0.9423>0.9滿足設(shè)計(jì)要求。4、剛度驗(yàn)算(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量當(dāng)絲杠進(jìn)行了預(yù)緊，且預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3時，其實(shí)際變形量為（由指導(dǎo)書P39，公式324可知）： (拉伸為，壓縮為)上式中：E-材料彈性模數(shù)，對于鋼：L-滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)L= 工作長度+螺紋長度+軸承寬度+端蓋寬度70

36、0 mm F-滾珠絲杠的截面積()，可由下列幾式計(jì)算、-滾珠直徑(mm)，-接觸角()，R-滾道法面半徑(mm)，e-偏心距(mm)， -絲杠公稱直徑(mm)（1）當(dāng)公稱直徑=32mm、基本導(dǎo)程為5mm時：R=0.52×3.175=1.651 (mm)d=35+2×0.045-2×1.651=28.788(mm)計(jì) 算 與 說 明主 要 結(jié) 果 =650.8979(mm)=0.017263(mm)3、 =×0.017263=0.004316（mm）指導(dǎo)書P41公式3-25（2）當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為5mm時：R=0.52×3.175=

37、1.651 (mm)d=40+2×0.04490-2×1.651=36.7878(mm) =1062.9125(mm) =(mm)（3）當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為6mm時：R=0.52×3.969=2.06388 (mm)d=40+2×0.056130-2×2.06388=35.984(mm) =1016.971(mm) =(mm)(2)滾珠與螺紋滾道間的接觸變形當(dāng)絲杠進(jìn)行了預(yù)緊，且預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3時，其實(shí)際變形量為=0.0013上式中：-最大工作載荷(kgf)，F(xiàn)m=418.734 (kgf) -預(yù)緊力(kgf)，=139.

38、579 (kgf) -滾珠直徑(mm)，-滾珠數(shù)量，Z×圈數(shù)×列數(shù) Z -一圈的滾珠數(shù)， (外循環(huán))（1）當(dāng)公稱直徑=32mm、基本導(dǎo)程為5mm時 31.66×1.5×2=94.99=0.0013×=0.002930(mm)當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，的值可減少一半。即：= = 0.001465(mm)（2）當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為5mm時 31.66×1.5×2=118.7373=0.0013×=0.00255955(mm)4、 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3

39、時，的值可減少一半。指導(dǎo)書P42即：= = 0.00129777(mm)（3）當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為6mm時 31.66×2.5×1=79.15=0.0013×=0.003072(mm)當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，的值可減少一半。即：= = 0.001536(mm)(3)滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形（1） 當(dāng)公稱直徑=32mm、基本導(dǎo)程為5mm時選用型號為51206的軸承，其參數(shù)如下：型 號內(nèi)徑d (mm)外徑D (mm)厚度T (mm)額定動載荷(kN)5120630521628.0可由下式計(jì)算：上式中：當(dāng)公稱直徑=40mm、基

40、本導(dǎo)程為5mm時：=0.00269181(mm)當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為6mm時=0.002762(mm)-最大工作載荷(kgf)，F(xiàn)m=418.734 (kgf)-軸承滾動體直徑(mm)，(mm)Z-兩邊軸承總的滾動體數(shù)目由公式Z= Z=16 所以，可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為32。將以上數(shù)據(jù)代入可得：=0.0024× =0.005693 (mm)基本導(dǎo)程為5mm時：=0.004316+0.001465+0.005693=0.01147(mm) >0.01(mm)可見，當(dāng)公稱直徑=32mm、基本導(dǎo)程為5mm時不符合要求；（2） 當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為5mm時

41、選用型號為51207的軸承，其參數(shù)如下：型 號內(nèi)徑d (mm)外徑D (mm)厚度T (mm)額定動載荷(kN)5120735621839.2由 Z=Z=17 所以，可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為34。將以上數(shù)據(jù)代入可得：=0.0024× =0.005257 (mm)基本導(dǎo)程為5mm時：=0.001279+0.002259+0.005257=0.009095(mm) <0.01(mm)可見，當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為5mm時符合要求；（3） 當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為6mm時選用型號為51207的軸承，其參數(shù)如下：型 號內(nèi)徑d (mm)外徑D (mm)厚度T (mm)

42、額定動載荷(kN)5120735621839.2由 Z=Z=18 所以，可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為36。將以上數(shù)據(jù)代入可得：=0.0024× =0.005072 (mm)基本導(dǎo)程為6mm時：=0.009438(mm) <0.01(mm)可見，當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為6mm時符合要求；可見，公稱直徑為40，基本導(dǎo)程為5mm或?yàn)?mm時，穩(wěn)定性均符合要求。以基本導(dǎo)程最大的滾珠絲杠作為最終選擇，即以=6mm的作為計(jì)算依據(jù)。經(jīng)查表，選用型號為CMD40062的滾珠絲杠副。其參數(shù)如下：型 號公稱直徑 (mm)導(dǎo)程(mm)鋼球直徑(mm)滾珠的循環(huán)圈數(shù)×列數(shù)額定動載荷

43、(N)CMD4006-2 4063.9692.5×116083當(dāng)公稱直徑=32mm、基本導(dǎo)程為5mm時當(dāng)公稱直徑=0.001465當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為5mm時=0.0012525 當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為6mm時=0.001536當(dāng)公稱直徑=32mm、基本導(dǎo)程為5mm時選用型號為51206的軸承=0.005693 (mm)當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為5mm時選用型號為51207的軸承=0.005257 (mm)當(dāng)公稱直徑=40mm、基本導(dǎo)程為6mm時選用型號為51207的軸承=0.005072 (mm)計(jì) 算 與 說 明主 要 結(jié) 果第三節(jié) 脈沖當(dāng)量和傳動比的

44、確定方案一：一、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量由題設(shè)條件知脈沖當(dāng)量二、傳動比的選定設(shè)傳動副的傳動比為i，若為一對齒輪減速傳動，則，為主動齒輪的齒數(shù)，為從動齒輪的齒數(shù)。5、 對于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)脈沖當(dāng)量確定和初選定步進(jìn)電機(jī)的步距角后，可根據(jù)下式計(jì)算出該伺服傳動系統(tǒng)總的傳動比：公式可查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書P19 公式3-12 i=1.25上式中：-滾珠絲杠的基本導(dǎo)程6(mm)6、 -步進(jìn)電機(jī)的步距角，今初選步機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)書P59三、齒輪傳動的確定 對于數(shù)控機(jī)車的齒輪傳動，應(yīng)采用設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動。 通常，齒輪傳動鏈的傳動級數(shù)少一些比較好，因?yàn)榭梢詼p少零

45、部件的數(shù)目，簡化傳動鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳動精度，減少空程誤差，有利于提高傳動效率。同時i=1.67較小，故在此選用圓柱直齒輪單級傳動。7、 一般模數(shù)取m=12，數(shù)控銑削取m=2。 齒輪寬b=(36)m，為了消除齒側(cè)隙，寬度可加大到（610）m。齒頂/根圓半徑公式，機(jī)械原理P130，表4-3。z17，取z=39，m=2，則d= m z=239=78(mm)d= d+2 hm=78+212=82(mm)d= d-2h= d-2( h+c)md=d-2( 1+0.25)m=78-21.252=73(mm)經(jīng)校驗(yàn)，公稱直徑40mm基本導(dǎo)程為5mm或?yàn)?mm時，穩(wěn)定性均符合要求。經(jīng)過前面多方面的驗(yàn)算

46、和比較，最終確定選用型號為CMD40062的滾珠絲杠副傳動比i=1.25z=39d1=78mm計(jì) 算 與 說 明主 要 結(jié) 果b=(610) m，取b=9m=9×2=18(mm)z= zi=391.25=48.7549d=mz=249=98(mm)d= d+2 hm=98+212=102(mm) d= d-1.25m2=98-1.2522=93(mm) b=(610) m，取b=6m=62=12(mm)中心距a=88(mm) 選小齒輪齒數(shù)z=39，小齒輪的齒寬度b=18mm，大齒輪齒數(shù)z=49，大齒輪的齒寬度b=12mm。z=49d=98(mm)中心距88(mm)計(jì) 算 與 說 明主

47、 要 結(jié) 果進(jìn)給伺服系統(tǒng)傳動計(jì)算一、轉(zhuǎn)動慣量的計(jì)算1、齒輪、絲杠等圓柱體慣量的計(jì)算?？捎上率接?jì)算：式中：M-圓柱體質(zhì)量(kg)D-圓柱體直徑(cm)L-圓柱體長度或圓度(cm)對主動齒輪：對從動齒輪：對滾珠絲杠： J=0.78103.8383970=11.85192 (kg.cm)2、工作臺折算到絲桿的轉(zhuǎn)動慣量v-工作臺移動速度(cm/min)n-絲桿轉(zhuǎn)速(r/min)G-工作臺的重量(N)g-重力加速度(9.8m/s)L-絲桿導(dǎo)程(cm)J 0.37220(kg.cm)3、傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動慣量J =0.37220(kg.cm)J =0.3722×+J1+(J2+J3)（

48、） =0.237+5.19891+(8.6336+11.95193)（） =18.4123(kg.cm)式中：i-系統(tǒng)總的減速比(i>1)J-各轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動慣量(kg.cm)n-各轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)速(r/min)n-電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)J-電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量(kg.cm)4、電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量的確定查表3.8機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫x用電機(jī)工作方式的是三相六拍，步距角為=0.75，故符合的是：110BF003和110BF004。電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量分別為：110BF003：110BF004：5、系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量 J=- J +J=18.4123+4.61=23.022(kg.cm)J=- J +J=18

49、.4123+3.43=21.8423(kg.cm)二、步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選用1、電機(jī)力矩的計(jì)算 快速空載起動時所需力矩： 最大切削負(fù)載時所需力矩：電機(jī)的力矩主要是用來產(chǎn)生加速度，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。(1)空載起動時折算到電機(jī)軸上的加速力矩=401.809（N.cm）=381.220（N.cm）J =18.41223(kg.cm)J=23.022(kg.cm)J=21.8423(kg.cm)主 要 結(jié) 果 上式中：-滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載(N)，一般取最大工作載荷的1/3，1102.2664(N) -滾珠絲杠基本導(dǎo)程0.8(cm)- 滾珠絲杠未加預(yù)

50、緊時的傳動效率，一般取，今取0.95 。（4）折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力 上式中：-進(jìn)給方向最大切削力(N)，即前面計(jì)算進(jìn)給工作臺工作載荷、時所得到第（4）組數(shù)據(jù)的，所以2598.86(N) 綜合以上，可得 M=401.809+6.11115+11.7964=419.7169 M=381.22+6.11115+11.7964=399.1279 M=6.1115+11.7964+248.1728=266.0807 M=6.1115+11.7964+248.1728=266.08072、步進(jìn)電機(jī)的選擇與校核(1)根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號 步進(jìn)電機(jī)的起動：MM 對于三相六拍步進(jìn)電機(jī)，>0.

51、5<0.866前面計(jì)算時已初選型號為110BF003h和110BF004的步進(jìn)電機(jī)，其相關(guān)參數(shù)為：型 號相數(shù)步距角()最大靜轉(zhuǎn)矩()空載起動頻率(步/s)空載運(yùn)行頻率(步/s)分配方式轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量110BF00330.75784150070003相6拍4.61110BF00430.754901500-3相6拍3.43 及 上式中：-步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量()-傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)轉(zhuǎn)子的等效轉(zhuǎn)動慣量()-步進(jìn)電機(jī)的最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩() -傳動系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩() =18.4123×計(jì) 算 與 說 (2)計(jì)算電機(jī)工作頻率1)最大空載起動頻率： =4000.00(step/s)

52、f < f =7000(step/s) ，滿足要求。2)切削時最大工作頻率 =900.00(step/s)f < f =1500(step/s) ，滿足要求。=M=419.7169M=399.1279M=266.0807M=266.0807計(jì) 算 與 說 明主 要 結(jié) 果 上式中：-運(yùn)動部件最大快速進(jìn)給速度2.4(m/min)-最大切削進(jìn)給速度0.54(m/min) -脈沖當(dāng)量0.01(mm/step)由上述計(jì)算可知：系統(tǒng)要求的空載起動轉(zhuǎn)矩頻率要大于電機(jī)的空載起動頻率1500Hz,且空載起動頻率滿足要求的電機(jī)型號較少，可以采用調(diào)壓起動等方式起動電機(jī)使電機(jī)的空載起動頻率滿足要求；而電

53、機(jī)運(yùn)行頻率7000Hz可以滿足系統(tǒng)要求。(3)校核步進(jìn)電機(jī)1)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件校核 為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動能力及較快的響應(yīng)速度，通常推薦：=321.355()則：對于電機(jī)110BF003 =0.40989<0.5 <4.滿足要求。而對于110BF004的步進(jìn)電機(jī) =0.6558>0.5>4不滿足要求。最終選110BF003的步進(jìn)電機(jī)。計(jì) 算 與 說 明主 要 結(jié) 果方案二：一、確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量由題設(shè)條件知脈沖當(dāng)量二、傳動比的選定設(shè)傳動副的傳動比為i，若為一對齒輪減速傳動，則，為主動齒輪的齒數(shù)，為從動齒輪的齒數(shù)。對于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)脈沖當(dāng)量確定和初選定步

54、進(jìn)電機(jī)的步距角后，可根據(jù)下式計(jì)算出該伺服傳動系統(tǒng)總的傳動比： i=1.25上式中：-滾珠絲杠的基本導(dǎo)程6(mm) -步進(jìn)電機(jī)的步距角，今初選步三、齒輪傳動的確定 對于數(shù)控機(jī)車的齒輪傳動，應(yīng)采用設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)和工藝均較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動。 通常，齒輪傳動鏈的傳動級數(shù)少一些比較好，因?yàn)榭梢詼p少零部件的數(shù)目，簡化傳動鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳動精度，減少空程誤差，有利于提高傳動效率。同時i=1.25較小，故在此選用圓柱直齒輪單級傳動。 一般模數(shù)取m=12，數(shù)控銑削取m=2。 齒輪寬b=(36)m，為了消除齒側(cè)隙，寬度可加大到（610）m。z17，取z=45，m=2，則d= m z=245=90(mm)d= d+2 hm=90+212=94(mm)d= d-2h= d-2( h+c)md=d-2( 1+0.25)m=90-21.252=85(mm)傳動比i=1.04z=45d1=90mm計(jì) 算 與