工作臺(tái)設(shè)計(jì)手冊(cè)詳解

專業(yè)課課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)闡明書

設(shè)計(jì)題目：數(shù)控X?Y工作臺(tái)設(shè)計(jì)

學(xué)生：洪炎豐

學(xué)號(hào)：

班級(jí)：機(jī)制1062

指導(dǎo)教師：張健、李偉洪

廣東海洋大學(xué)工程學(xué)院機(jī)械系

2010年2月28日

目錄

序言...............................................3

摘要........................................................4

設(shè)計(jì)目的...................................................4

設(shè)計(jì)規(guī)定...................................................4

總體方案設(shè)計(jì)...............................................5

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算...........................................6

1、確定脈沖當(dāng)量.....................................................6

2、確定傳動(dòng)比.......................................................6

3、滾珠絲杠螺母副的選型和校核.......................................7

4、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選型和計(jì)算..........................................11

5、導(dǎo)軌的I選型和計(jì)算.............................................13

6、啟動(dòng)矩頻特性校核.................................................14

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)...............................................18

第一節(jié)控制系統(tǒng)硬件日勺基本構(gòu)成.............................18

第二節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制電路....................................18

步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計(jì).......................................20

其他電路輔助設(shè)計(jì)..........................................24

設(shè)計(jì)總結(jié)..................................................24

參照文獻(xiàn)25

序言

據(jù)資料簡(jiǎn)介，我國(guó)擁有400多萬(wàn)臺(tái)機(jī)床，絕大部分都是數(shù)年累積生產(chǎn)的一般機(jī)床。這些

機(jī)床自動(dòng)化程度不高，加工精度低，要想在短時(shí)期內(nèi)用自動(dòng)化程度高的設(shè)備大量更新，替代

既有時(shí)機(jī)床，無(wú)論從資金還是從我國(guó)機(jī)床制造廠日勺生產(chǎn)能力都是不可行H勺。但盡快將我國(guó)既

有的部分一般機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和精密化改造又勢(shì)在必行。為此，怎樣改造就成了我國(guó)既有設(shè)

備技術(shù)改造迫切規(guī)定處理的重要課題。

在過(guò)去及1幾十年里，金屬切削機(jī)床的基本動(dòng)作原理變化不大，但社會(huì)生產(chǎn)力尤其是微電

子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。反應(yīng)到機(jī)床控制系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)床的自動(dòng)化程

度，乂能提高加工日勺精度，現(xiàn)已經(jīng)有某些企業(yè)在這方面做了有益的嘗試。實(shí)踐證明，改造后

的機(jī)床既滿足了技術(shù)進(jìn)步和較高生產(chǎn)率的規(guī)定，又由于產(chǎn)品精度提高，型面加工范圍增多也

使改造后的設(shè)備適應(yīng)能力加大了許多。這愈加突出了在舊機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控技術(shù)改造的必要性

和迫切性。

由于新型機(jī)床價(jià)格昂貴，一次性投資巨大，假如把舊機(jī)床設(shè)備所有以新型機(jī)床替代，國(guó)

家要花費(fèi)大量日勺資金，而替代卜.的I機(jī)床又會(huì)閑置起來(lái)導(dǎo)致?lián)]霍，若采用改造技術(shù)加以現(xiàn)代化，

則可以節(jié)省50%以上的資金。從我國(guó)的詳細(xì)狀況來(lái)訓(xùn):，一套經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置的價(jià)格僅為全功

能數(shù)控裝置於11/3到1/5,一般顧客都承擔(dān)得起。這為資金緊張口勺中小型企業(yè)的技術(shù)發(fā)展開(kāi)創(chuàng)

了新路，也對(duì)實(shí)力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)吸引力，起到了事半功倍的積極作用。

據(jù)國(guó)內(nèi)資料記錄訂購(gòu)新的數(shù)控機(jī)床的I交貨周期一般較長(zhǎng)，往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此

機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿足市場(chǎng)需求口勺重要補(bǔ)充手段。

在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中，多品和I、中小批量甚至單件生產(chǎn)是現(xiàn)代機(jī)械制造日勺基本特性，占有

相稱大的比重。要完畢這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中數(shù)

控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要H勺。

從上述分析中不難看出數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與老式技術(shù)相

結(jié)合的基礎(chǔ)之上。通過(guò)理論上口勺推導(dǎo)和實(shí)踐使用H勺證明，把微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)引入機(jī)床H勺改造有

如下幾方面的長(zhǎng)處：1）可靠性高；”柔性強(qiáng)；#易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化；2）經(jīng)濟(jì)性可觀。為此

在舊的機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能，減少生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而

得到較高的機(jī)床性能和較大的經(jīng)濟(jì)效益。

摘要

本課程設(shè)計(jì)是對(duì)銃床.進(jìn)行改造，目的在于培養(yǎng)對(duì)機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計(jì)能力，重點(diǎn)是

對(duì)所學(xué)知識(shí)的鞏固和加強(qiáng)，為畢業(yè)設(shè)計(jì)及未來(lái)的工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

本課程設(shè)計(jì)由序言、設(shè)計(jì)規(guī)定、總體方案、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以及對(duì)應(yīng)元

件的選擇與確定和主程序框圖、數(shù)控化電路原理構(gòu)成。由于本人經(jīng)驗(yàn)局限性，以及對(duì)知識(shí)掌

握程度的限制，設(shè)計(jì)過(guò)程還存在某方面的錯(cuò)漏，敬請(qǐng)老師提出寶貴意見(jiàn)。

設(shè)計(jì)目的

數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的一種重要的實(shí)踐環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)完技術(shù)基

礎(chǔ)課和專業(yè)課，尤其是“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用”課程后應(yīng)用口勺，它是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)絡(luò)實(shí)際、

處理實(shí)際問(wèn)題能力的重要環(huán)節(jié)。本課程設(shè)計(jì)是以機(jī)電一體化H勺經(jīng)典課題一-數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方

案的確定為主線，通過(guò)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的確定'進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì)，計(jì)

算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)，使學(xué)生可以綜合應(yīng)用所學(xué)過(guò)的機(jī)械、電子和微機(jī)方面的

知識(shí)，進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全面訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計(jì)計(jì)算H勺能力以及分析和

處理生產(chǎn)過(guò)程中所碰到的問(wèn)題的能力。

設(shè)計(jì)規(guī)定

課程設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程口勺卜分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過(guò)課程設(shè)計(jì)可以初步樹立對(duì)

的的設(shè)計(jì)思想，理解有關(guān)H勺工業(yè)政策，學(xué)會(huì)運(yùn)用手冊(cè)、原則、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)

題處理問(wèn)題H勺實(shí)際能力，并在教師的指導(dǎo)下，系統(tǒng)地運(yùn)用課程和選修課程的知識(shí)，獨(dú)立完畢

規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。

課程設(shè)計(jì)口勺內(nèi)容是改造設(shè)備，實(shí)現(xiàn)如下幾部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或裝

置）的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)I/O接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動(dòng)電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計(jì)等。

闡明書H勺內(nèi)容應(yīng)包括：課程設(shè)計(jì)題目總體方案確實(shí)定、系統(tǒng)框圖日勺分析、電氣執(zhí)行

元件的I選用闡明、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算以及機(jī)械和電氣及其他部分（如環(huán)形分派器等）的

闡明。

該課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及措施，可以歸納如下：

1.采用微型計(jì)算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。重要考慮計(jì)算機(jī)的選擇

或單片機(jī)構(gòu)成電路口勺選用、接口電路、軟件編制等。

2.選用驅(qū)動(dòng)控制電路，對(duì)執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。重要考慮計(jì)算機(jī)H勺選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路

的選用，考慮電機(jī)選擇及驅(qū)動(dòng)力矩的計(jì)算，控制電機(jī)電路的設(shè)計(jì)。

3.精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。重要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)傳動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)問(wèn)題：要弄清機(jī)構(gòu)

或機(jī)械執(zhí)行元件U勺重要功能（傳動(dòng)運(yùn)動(dòng)、動(dòng)力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運(yùn)轉(zhuǎn)等）,

進(jìn)行力矩、負(fù)載功率、慣性（轉(zhuǎn)動(dòng)慣量）、加（減）速控制和誤差計(jì)算。

4.學(xué)會(huì)使用手冊(cè)及圖表資料

總體方案設(shè)計(jì)

一般來(lái)講，一般銃床的數(shù)控改造重要有兩部分，一是設(shè)計(jì)一套簡(jiǎn)易微機(jī)數(shù)控X-Y工作臺(tái),

固定在銃床小JT作臺(tái)上。二是將控制銃刀上、下運(yùn)動(dòng)口勺手柄拆去，改用微機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)通

過(guò)一級(jí)減速裝置使銃頭上下運(yùn)動(dòng)。本設(shè)計(jì)只對(duì)X-YT作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。取錦床步進(jìn)電機(jī)日勺脈沖

當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖，步進(jìn)電機(jī)口勺步距角0.9°。

方案

1.系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式確實(shí)定

數(shù)控系統(tǒng)按運(yùn)動(dòng)方式可分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)，點(diǎn)位直線系統(tǒng)，持續(xù)控制系統(tǒng)。假如工件相

對(duì)于刀具移動(dòng)過(guò)程中不進(jìn)行切削，可選用點(diǎn)位控制方式。數(shù)控銃床在工作臺(tái)移動(dòng)過(guò)程中銃頭

并不進(jìn)行銃孔加工，因此數(shù)控裝置可采用點(diǎn)位控制方式。對(duì)點(diǎn)位系統(tǒng)的規(guī)定是迅速定位，保

證定位精度。

2.伺服系統(tǒng)H勺選擇

伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)位置伺服控制有開(kāi)環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開(kāi)環(huán)控制H勺伺服系統(tǒng)

存在著控制精度不能到達(dá)較窗水平H勺基本問(wèn)題，不過(guò)步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格

對(duì)應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會(huì)積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并且在負(fù)載能力范

圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動(dòng)而變化的特點(diǎn)。并且步進(jìn)電機(jī)控制的開(kāi)環(huán)

系統(tǒng)由于不存在位置檢測(cè)與反饋控制的問(wèn)題，構(gòu)造比較簡(jiǎn)樸，易于控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與調(diào)試。

并且伴隨電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)日勺發(fā)展，在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也獲得了可喜的

發(fā)展。因此，在一定范闈內(nèi)，這種采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)執(zhí)行元件H勺開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足

加工規(guī)定，合適于在精度規(guī)定不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實(shí)現(xiàn)

高精度的位置伺服控制提供了也許，然而由于在詳細(xì)的系統(tǒng)中，增長(zhǎng)了位置檢測(cè)、反饋比較

及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了在安裝調(diào)試增長(zhǎng)工作量和復(fù)雜性外，從控制理論口勺角度看，要實(shí)現(xiàn)

閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在一般立式銃床上進(jìn)

行改造，精度規(guī)定不是很高，為了簡(jiǎn)化構(gòu)造，減少成本，本設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。

3.執(zhí)行機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式確實(shí)定

為保證數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，在設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)傳動(dòng)裝配時(shí)，一般提出低摩擦、

低慣量、高剛度、無(wú)間隙、高諧振以及有合適阻尼比的規(guī)定。故在設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮如下幾點(diǎn)：

1）盡量采用低摩擦的傳動(dòng)和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副、滾動(dòng)導(dǎo)軌等。

2）盡量消除傳動(dòng)間隙。如步進(jìn)電機(jī)上的傳動(dòng)齒輪采用偏心軸套式消隙構(gòu)造。

3）縮短傳動(dòng)鏈?？s短傳匆鏈可以提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度，減小傳動(dòng)鏈誤差?？刹捎妙A(yù)緊以提

高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動(dòng)副，絲杠支承設(shè)計(jì)成兩端軸

向固定，并加預(yù)拉伸的構(gòu)造等提高傳動(dòng)剛度。X-Y工作臺(tái)傳動(dòng)采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副和滾

動(dòng)導(dǎo)軌。

4.計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇

計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般由微機(jī)部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、

檢測(cè)電路等幾部分所構(gòu)成，在簡(jiǎn)易數(shù)控系統(tǒng)中，大多采用8位微處理器的微型計(jì)算機(jī)。怎樣

采用Z80CPU或MCS-51單片機(jī)構(gòu)成U勺微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。

Z80CPU有芯片價(jià)廉，通用性強(qiáng)，維修以便等特點(diǎn)。MCS-51單片機(jī)具有集成度高、可靠

性好、功能強(qiáng)、速度快和很高日勺性能價(jià)格比等特點(diǎn)。通過(guò)比較，對(duì)于簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床推薦采用

MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。

5.實(shí)行

保留原機(jī)床主傳動(dòng)鏈，保留銃床工作臺(tái)和控制工作臺(tái)移動(dòng)手柄，在原工作臺(tái)上安裝一套

微機(jī)數(shù)控的X-Y工作臺(tái)。由于X-Y工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和切削力不大，因此選用有預(yù)加載

荷的滾珠導(dǎo)軌。采用滾動(dòng)導(dǎo)軌可減小兩個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)面的動(dòng)、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運(yùn)動(dòng)

平穩(wěn)性，減小振動(dòng)?？紤]到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按原則選用，為到達(dá)辨別率0.01mm

規(guī)定，需采用齒輪降速傳動(dòng)。

綜上所述，本文改造的總體方案確定為：采用MCS-51單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理，由

I/O接口輸出步進(jìn)脈沖步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級(jí)齒輪減速后，帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)工件H勺縱向、

橫向運(yùn)動(dòng)，同步為了防止意外事故，保護(hù)微機(jī)及其他設(shè)冬，還設(shè)置報(bào)瞥，急停電路等,

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)參數(shù)

系統(tǒng)分辯率為0.01mm,其他設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)下表:

最大銃刀直最大銃削最大銃削加工材料工作臺(tái)加工最大移動(dòng)

徑①mm寬度3c深度ap范圍（mm）速度

20mm8mm6mm碳鋼x=2OO,y=I5O3m/min

機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算

1.脈沖當(dāng)量確實(shí)定

根據(jù)機(jī)床精度規(guī)定確定脈沖當(dāng)量，考慮到機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)H勺誤差存在。脈沖當(dāng)

量值必須不不小于定位精度值。本次設(shè)計(jì)確定脈沖當(dāng)量為0.01mm/步.

二.銃削力分析與計(jì)算

銃削運(yùn)動(dòng)的特性是主運(yùn)動(dòng)為銃刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為工作臺(tái)帶動(dòng)工

件在垂直于銃刀軸線方向緩慢進(jìn)給（鍵槽銃刀可沿軸線進(jìn)給）.銃刀的類型諸多，但

以圓柱銃刀和端銃刀為基本形式，此選用圓柱銃刀，銃刀材料選擇高速鋼.根據(jù)工

件材料為碳鋼可確定銃削力日勺計(jì)算公式：

072

FZ=9.81CFZ-?a,'?dj"，?ap?Z

式中各參數(shù)如下：

CFZ-----銃削力系數(shù)，CFZ=68.2（表2-3）

a..-----最大銃削寬度，本設(shè)計(jì)為8mm

背吃刀量，本設(shè)計(jì)為3mm

Z------銃刀齒數(shù)，齒數(shù)取3

do------圓柱銃刀直經(jīng)，查得d°=20mm（技術(shù)指導(dǎo)）

a,------每齒進(jìn)給量（mm/齒），即銃刀每轉(zhuǎn)一種齒間角時(shí)，工件與銃刀BU相對(duì)

移動(dòng)量，查得aK）.10mm/齒（技術(shù)指導(dǎo)）

故：

Fz=9.81X68.2X80,86X0.10072X20^86X3X3=547N

2.齒輪傳動(dòng)比計(jì)算

進(jìn)給齒輪箱傳動(dòng)比計(jì)算

已確定進(jìn)給脈沖當(dāng)量5尸0.01mm滾珠絲杠導(dǎo)程L「4mni,初選步進(jìn)電機(jī)步距

角0.9。。

可計(jì)算出傳動(dòng)比i：

i二&'=0.9X4/360X0.01=1

360篇

因傳動(dòng)比為1,這時(shí)可以使步進(jìn)電機(jī)直接與絲桿聯(lián)接，有助于簡(jiǎn)化構(gòu)造，提

高精度。

3.滾珠絲桿螺母副的計(jì)算和選型

（1）計(jì)算進(jìn)給牽引力（N）

滾珠絲杠上的工作載荷Fm（N）是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)時(shí)滾珠絲杠所承

受H勺軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。直線滾動(dòng)導(dǎo)軌H勺計(jì)算公式：

Fm=KF,.+f(Fv+Fc+G)

式中K考慮顛覆力矩影響的試驗(yàn)系數(shù)，矩形導(dǎo)軌K=l.l

『-----滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù):0.0025-0.005；這里取0.005

G------移動(dòng)部件口勺重力(N)：G=600N

FL-----工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷

Fc---工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷

Fv---工作臺(tái)垂直進(jìn)給方向載荷

由表2-4查得，F(xiàn)l./Fz=0.90,F,=0.9Fz=493N

F.-/Fz=0.80,F,=0.8Fz=438N

F/Fz=0.40,F、,=0.4Fz=219N

Fm=l.1X493+0.005X(438+219+600)=548N

(2)計(jì)算最大動(dòng)負(fù)載C

滾珠絲杠最大動(dòng)載荷可用卜.式計(jì)算

6=^fnFm

60/7/

1000v

,

v=atZn

式中：L一工作壽命、以10,轉(zhuǎn)為單位。

fm—運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，按一般運(yùn)轉(zhuǎn)取fm=1.2?1.5;這里取fm=1.5。

心…滾珠絲杠工作載荷（N）

t一使用壽命，按15000h；

n-----絲杠日勺轉(zhuǎn)速

U-滾珠絲杠導(dǎo)程，初選U=4mm：

v—最大切削力下歐|進(jìn)給速度

a—每齒進(jìn)給量（mm/齒）aK）.06mm/齒

Z——銃刀齒數(shù)，Z=5

n1-一銃刀轉(zhuǎn)速,區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)速n,n-取為1000r/min

v=0.06X5X1000=0.3m/min

n=1000r=（］（jo。x0.3）/4=75r/min

%

L=〈0*':’二（60義75X15000）/100=67.5r

106

C二VLfmF=4.1X1.2X858.17=3.35kN

（3）螺母副日勺選型

根據(jù)最大動(dòng)載荷和公稱直徑選外循環(huán)滾動(dòng)螺母副，選用中國(guó)-南京工藝裝備

制造有限企業(yè)生產(chǎn)區(qū)IFFZL型內(nèi)循環(huán)螺紋預(yù)緊螺母式滾珠絲杠副,規(guī)格代號(hào)為

FI7L2023-3,公稱直徑:20mm,滾珠直徑為Dw=3mm,圈數(shù)X列數(shù)=3X1,螺距為4mm,

螺旋升角為4=3°38'。

(4)傳動(dòng)效率計(jì)算

7/二上一

吆(4+。)

式中2——絲杠螺旋升角，2=3°38'

(P一一摩擦角，取10'

〃二一—二0.064/0.0664=0.9638=96.4%

吆(4+9)

(5)剛度驗(yàn)算

先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖4-20所示，最大牽引力為

548N,支承間距L-500皿絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷日勺

1/30

Jm

Z1J1

圖4?20縱向進(jìn)給系統(tǒng)計(jì)算簡(jiǎn)圖

[1]絲杠日勺拉伸或壓縮變形量。

2土等

L一絲杠的工作載荷（N）；

L一滾珠絲杠在支承間H勺受力長(zhǎng)度（mm）：I=500mm

E一材料的彈性模量，對(duì)鋼E=20.6Xl()4Mpa;

2

A一滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積(rnm)0

A=3.14Xd2/4=3.14X16.974=224.3mm2

故：①二±(548X500/20.6X104X224.3)=±0.0059(mm)

[2]滾珠與螺紋滾道間接觸變形久

有預(yù)緊：

&'=0.0013X/T7~~~~~2(mm)=0.0014mm

D1,一為滾珠直徑(mm),D=3mm；

Z2一為滾珠總數(shù)量：ZE=ZX圈數(shù)X列數(shù)

Z一為一圈的滾珠數(shù)，外循環(huán)Z二班二3.14X20/3=21；

故：ZE=21X3X1=63；

4”一為滾珠絲杠的I公稱直徑（nmi）,dm=20mm

&一為預(yù)緊力，此處單位為kgf,為軸向工作載荷的1/3時(shí),

FYJ=FL/3=493/3=164N=16.8kgf

耳〃一為滾珠絲杠工作載荷，單位為kgf。Fn=548/9.8=55.9kgf

有預(yù)緊：

B、'=0.0013X3房~~~72(mm)

3it二1/2L&'=0.0014mm

[3]滾珠絲杠副剛度區(qū))驗(yàn)算

絲杠的總變形量6=偽+&應(yīng)不不小于容許的變形量。一般S不應(yīng)不小于機(jī)

床進(jìn)給系統(tǒng)日勺定位精度的二分之一：

6=及+-2=。-0059+0.0014=0.0073<0.025/2min=0.0125mm(定位精度的二分

之一)。

(6)壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算

驗(yàn)算滾珠絲杠尺寸和支承方式后，應(yīng)驗(yàn)算絲松在承受最大軸向載荷時(shí)與否會(huì)

產(chǎn)生縱向彎曲。滾珠絲杠一般屬于受軸向力的細(xì)長(zhǎng)桿，若軸向工作負(fù)載過(guò)大，將

使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷R(N)為

二fz^EI

k~L2

E一為材料的彈性模量，對(duì)鋼E=20.6X10'Mpa;

I一為截面慣性矩，對(duì)絲杠圓截面：

I=nd,4/64=3.14X16.9764=4002.2mm4

L一絲杠最大工作長(zhǎng)度(mm)；L=500mm

fz一為絲杠支承方式系數(shù)，這里滾珠絲杠的支承方式采用一端固定一端簡(jiǎn)支

的方式,因此式=2

22

FK=fz7TEI11}=2X3.14X20.6X1O'X4OO2.2/5002.0731X10^

nk=Fk/Fm=2.0731X107548=37.8>[nk]=4

因此，該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn)。

Enk]一許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，[m]=2.5?4

4.縱向步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選型

一、初選步進(jìn)電機(jī)57BYG4504,步距角。尸0.9°

懸42,滿足規(guī)定?

，360

二、矩頻特性：

等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算

1.滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

432

Js=0.78DLX10(kf?cm)

L-—絲杠長(zhǎng)度，設(shè)定為500mm=50cm

D—絲杠公稱直徑，D=20mm=2cm

2

Js=0.78X2,X50X103=o.624kg?cm

2.工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣最

Jc=(L/2n)2M

Lo------絲杠導(dǎo)程,L產(chǎn)4mm=0.4cm

M一--工作臺(tái)質(zhì)量,M=62kg

Jc=(O.4/2X3.04)2X62=0.248kg?cm2

3.聯(lián)軸器轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

根據(jù)鋼日勺直徑為(20,22)選用定位螺絲固定平行式聯(lián)軸器，型號(hào)為

SLK2-100-0608(廣州菱科自動(dòng)化設(shè)備有限企業(yè))，查得：

Ji=0.068kg?cm'

4.步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

根據(jù)初選電機(jī)型號(hào),查得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

Jz=0.46kg?cm2

故：JE=JS+JG+L+JZ=0.634+0.248+0.068+0.46=1.462kg-cm2

三、步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)日勺計(jì)算M輔

町=吸+%+%

Mka——空載啟動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的加速度力矩(N?cm)；

M,z一一為空載時(shí)折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩(N?cm)；

一一電絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩。

(1)加速度力矩

Mka=JEX2XnXnmaxX10V60t(N?cm)

nmux=vmax0b/3608p

t——運(yùn)動(dòng)部件從靜止啟動(dòng)加速到最大迅速所需口勺時(shí)間，t=0.3s

v-x—運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度(mm/min),min=3000mm/min

Ob——初選步距角，0尸0.9°

nmax--與運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度對(duì)應(yīng)日勺電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min)

故：nmax=3000X0.9/(360X0.01)=750r/min

Mka=l.462X2X3.14X750X10760X0.3=3.83N-cm

(2)空載摩擦力矩My

MkWL/2nqi(N?cm)

G——運(yùn)動(dòng)部件的總重量(N),G=600N

/'一導(dǎo)軌上H勺摩擦系數(shù)，/'=0.005;

q--傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，一般取q=0.7—0.85,這里取n=0.85

心一滾珠絲杠基本導(dǎo)程，L,二0.4cm.

空載摩擦力矩：

陳kG/'Lo/2nni=600X0.005X0.4/(2X3.14X0.85X1)=0.225N?cm

(3)附加摩擦力矩也

MO=FYJLO(1-n2)/2nni

n一絲杠未預(yù)緊時(shí)日勺傳動(dòng)效率，一般取%23.9,這里取九二0.96；

Fyj一預(yù)加載荷，一般為最大軸向載荷的%，即F”=%F/183N

Mo=183XO,4X(1-0.960/(2X3.14X0.96X1)=0.950N?cm

上述三項(xiàng)合計(jì)：

步進(jìn)電機(jī)空載啟動(dòng)力矩：^kg=Mka+Mkf^Mo

=3.83+0.225+0.950

=5.005(N?cm)

步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)力矩：

從產(chǎn)品系列及性能參數(shù)根據(jù)電機(jī)型號(hào)查出步進(jìn)電機(jī)為四相八拍；

從表2T7根據(jù)電機(jī)拍數(shù)查出啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩扎q與最大靜轉(zhuǎn)矩日勺關(guān)系為

Mkq/MjBaxl=O.707

故:Mjmaxi=Mkq/0.707=4.58/0.707=6.471N?cm

運(yùn)動(dòng)部件正常工作(數(shù)控機(jī)床為工作臺(tái)開(kāi)始工進(jìn))時(shí)，電動(dòng)機(jī)H勺啟動(dòng)為帶負(fù)

載啟動(dòng)，其總負(fù)載轉(zhuǎn)矩兒可按下式計(jì)算

Mfq=Mka+Mkf+Mo+Mf-

M”F'L/2nni(N-cm)

b一-作用在工作臺(tái)日勺合力，

222

F'=(FL+FV+FC)"2=694.4N

Mr--合力片折算到電機(jī)上日勺轉(zhuǎn)矩

故：=694.4X0.4/(2X3.14X0.85X1)=52.01N?cm

Mfq=5.005+52.01=57.015N?cm

運(yùn)動(dòng)部件正常運(yùn)行時(shí)所需的最大靜轉(zhuǎn)矩

Mjmax2-Mlq/0.5=57/0.5=114N?cm

根據(jù)電機(jī)型號(hào)查得步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩:4N-m二140N-cm

因此Mjmax>Mjmax2>Mgxl

初選電機(jī)型號(hào)時(shí)應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動(dòng)力矩不不小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動(dòng)

力矩，即此w'max力…因此初選電機(jī)57BYG4504能滿足規(guī)定。

5.導(dǎo)軌日勺選用與校核

初選滾動(dòng)導(dǎo)軌

選用中國(guó)?南京工藝裝備制造有限企業(yè)依JGGBAA-AAL四方向等載荷型滾動(dòng)直線導(dǎo)

軌副，其額定載荷C°a為6.8KN,Ca為6.07KN,參數(shù)如下：?jiǎn)挝籱m

導(dǎo)軌副額定額定

滑塊尺寸油林尺寸導(dǎo)軌尺寸額定力矩

尺寸整M

型號(hào)里根

CCo町啊■c

HWB-4%KTT：如L：LjGMdXDXhF最大

000(KN)(N.m)(N.m)(N.n)

長(zhǎng)度Lmay

45X7.5X

2415.5474538「94711H55840.52.5341615605006076.8555555888

5.3

2)對(duì)導(dǎo)軌進(jìn)行按下式進(jìn)行校核:

7_C°jHfife

I"w

式中：L為滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命(km)本設(shè)計(jì)L定為50km；

Q為額定載荷，查表Q=6.07kN；

F為每個(gè)滑塊上H勺工作載荷(N)F本設(shè)計(jì)設(shè)定為588N；

/〃為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面H勺硬度為58-64HRC時(shí)/〃=1.0；

分為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過(guò)100°C時(shí)，fT=\；

人.為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)4.=031;

fw為載荷/速度系數(shù)，無(wú)明顯沖擊振動(dòng)或v<60nVmin時(shí)，fw=1.5-2這里選擇工丫二2。

Ca=Fx\[LJ5dxfw^fHfTfc)

=588XV50T50X24-(1X0.81X1)

=1361N<[Cj=6.07kN

因此所選導(dǎo)軌滿足規(guī)定。

1）滾動(dòng)導(dǎo)軌的潤(rùn)滑與防護(hù)

滾動(dòng)導(dǎo)軌采用潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑。常用牌號(hào)為ZL-2鋰基潤(rùn)滑脂（GB/7324-87,2號(hào)）。它的

長(zhǎng)處是不會(huì)泄漏，不需常常加油；缺陷是塵屑進(jìn)入后輕易磨損導(dǎo)軌，因此防護(hù)規(guī)定較

高。易被污染又難防護(hù)H勺地方，可用潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。

本設(shè)計(jì)的防護(hù)裝置采用伸縮式。

6、啟動(dòng)矩頻特性校核

部件電機(jī)有三種工況：?jiǎn)?dòng)、迅速進(jìn)給運(yùn)行、工進(jìn)運(yùn)行。

前面提出歐JM&,僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩與否滿足規(guī)

定，不過(guò)不能保證電機(jī)在迅速啟動(dòng)時(shí)不丟步。因此，還要為啟動(dòng)矩頻特性進(jìn)行校核。后來(lái)還

要對(duì)快進(jìn)、工進(jìn)時(shí)的運(yùn)行矩頻特性作校核。

圖1步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)有突跳啟動(dòng)和升速啟動(dòng)，一般突跳啟動(dòng)很少使用。在升速啟動(dòng)中，步進(jìn)

電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始逐漸升速，（如圖1所示）在零時(shí)刻（tl=O）,啟動(dòng)頻率f10。在一段時(shí)

間△口內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，步進(jìn)電機(jī)到達(dá)了最高運(yùn)行速度，即九力…

在整個(gè)升速、均勻運(yùn)行、降速過(guò)程中，步進(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)當(dāng)完畢的輸入指令脈沖總數(shù)

相等。升速時(shí)間Atl足夠長(zhǎng)，啟動(dòng)過(guò)程緩慢，空載啟動(dòng)力矩AL中的加速力矩項(xiàng)應(yīng),不會(huì)很

大，一般不會(huì)出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，不過(guò)減少了工作效率。升速時(shí)間Atl過(guò)短，則步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)

力矩中口勺加速力矩項(xiàng)M就會(huì)很大，因此需要校核啟動(dòng)矩頻特性。

圖2

由圖2初選步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)矩頻特性曲線中，可知空載啟動(dòng)力矩M=0.05N-M值所對(duì)應(yīng)

時(shí)容許啟動(dòng)頻率fyq=11000Hz>fq=1200Hz,步進(jìn)電機(jī)會(huì)不丟步。

（2）電機(jī)迅速進(jìn)給矩頻特性較核

最高運(yùn)行頻率fa

1000曦X

60%

式中：vIIlilx——運(yùn)動(dòng)部件最大快進(jìn)速度

1000k1000x3

=5000Hz

60^,-60x0.01

快進(jìn)時(shí)已經(jīng)不存在加速力矩項(xiàng)Ma,并且一般處在空載狀態(tài)，故迅速進(jìn)給力矩

MJK=M&/+Ma

其中：Mo為附加摩伯力矩(N-cm),卜品為快進(jìn)時(shí)的折算到電機(jī)的摩榛力矩(N-cm)o

因此：MJK=(N?cm)

由圖2可懂得快進(jìn)力矩對(duì)應(yīng)容許快進(jìn)頻率F、K近似為20230Hz,E.Zi(FVK.

因此電機(jī)不會(huì)丟步。

(3)、工進(jìn)運(yùn)行距頻特性校核

工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)R勺運(yùn)行頻率4；八

_1000匕；

tcJ=60.,'

式中：％一一最大工作進(jìn)給速度

工進(jìn)時(shí)，步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩Mkj可按下式計(jì)算:

MGJ="0+MMf+（式2-39）

式中:

M?！郊幽Σ亮?

M,——摩擦力矩

Mf——折算到電機(jī)軸上日勺工作負(fù)載力矩

M產(chǎn)安滬創(chuàng)6）

(式2-40)

%=衛(wèi)L（N.cm）（式2-41）

27nli

式中：

Fv一一垂直方向作用F工作臺(tái)日勺工作載荷

Ft一一沿進(jìn)給方向H勺切削負(fù)載，F(xiàn)t=FL

"i"=0005x(438+600)x0.4加

Mf==

2m7，2x^-x0.85x1

FJQ_493x0.4

M,==36.893N-。”

27nli2x/rx0.85x1

Mcl=M0+Mf+Mt=0.950+0.389+36.893=38.232N?cm

在圖2初選步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行矩頻率特性曲線中，對(duì)應(yīng)工進(jìn)頻率端查到時(shí)容許工進(jìn)運(yùn)行力

矩MYJ=1.08N-m>MGJ=O.382N?m,滿足工進(jìn)時(shí)運(yùn)行距頻特性的規(guī)定。

（4）步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸

步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸/mm

型號(hào)/尺寸Bd(h7)L1bD.QiT)L

57BYG3501,450145

57BYG3502,450255

576.352138.11.65.566.65

57BYG3503,450367

57BYG3504,450478

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

第一節(jié)控制系統(tǒng)硬件的基本構(gòu)成

控

制

》驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)”對(duì)

象

鍵

設(shè)

盤

備

顯輔助控制，

示

檢

t

測(cè)

七

_

MCS-51系列8031芯片

第二節(jié)步進(jìn)電機(jī)控制電路

一、開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖

分配后的脈沖放大后的脈沖

功

率

脈沖分配器“放

脈沖信號(hào)源”Eni

大

七

二.脈沖分派

由表（2-18）⑴查得脈沖分派方式為四相八拍

三.驅(qū)動(dòng)電路

④控制系統(tǒng)軟件日勺構(gòu)成和構(gòu)造

監(jiān)控系統(tǒng)的作用是進(jìn)行人和機(jī)對(duì)話和檢測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)一般包括系統(tǒng)初始化，命

令處理循環(huán)，零件加工程序和作業(yè)程序輸入，編輯，指令分析機(jī)構(gòu)，以及系統(tǒng)自

測(cè)等。

1系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電式復(fù)位后，系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化處理。包括設(shè)置CPU的

狀態(tài)，可編程I/O芯片的工作狀態(tài)，中斷方式

2命令處理：系統(tǒng)初始化后系統(tǒng)即進(jìn)入命令處理程序，對(duì)于一般單片機(jī)構(gòu)成日勺系

統(tǒng)一般采用循環(huán)處理程序作為系統(tǒng)的）主程序

3：零件加工程序或作業(yè)程序歐I輸入和編程：零件加工程序可以鍵盤輸入，也可

通過(guò)串行口通信輸入。輸入程序的功能就是讀入源程序，并經(jīng)數(shù)據(jù)處理，按規(guī)定

H勺格式將其存入規(guī)定H勺數(shù)據(jù)區(qū)內(nèi)。

4指令分析執(zhí)行：微機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)輸入H勺指令進(jìn)行分析，并根據(jù)分析的成果執(zhí)行

對(duì)應(yīng)的操作。

5診斷程序：診斷程序用于檢測(cè)系統(tǒng)硬軟件功能的對(duì)口勺性，找出系統(tǒng)故障的位置,

并指出故障類型。

機(jī)電系統(tǒng)控制軟件的機(jī)構(gòu)

主程序加中斷程序構(gòu)造

逐點(diǎn)比較法④

用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算，每走一步都需要如下四個(gè)環(huán)節(jié):

1鑒別偏差：F.20或F“VO,從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算方向

進(jìn)給。

2偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后計(jì)算新的加工偏差。

3終點(diǎn)鑒別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器，若為零，表達(dá)抵達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)，不為

零則返回第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)鑒別可用方向坐標(biāo)值判斷，也可由一種方向

H勺坐標(biāo)值判斷。當(dāng)X.>YE

逐點(diǎn)比較法框圖

程序設(shè)計(jì)

插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下:

28H29H2AH2BH2CH70H

XEYEXYR電機(jī)正反

轉(zhuǎn)控制字

電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為:

D7D6D5D4D3D2D1DO

D1D0為X向電機(jī)控制。DO運(yùn)行，D0=0停止，D0=l正轉(zhuǎn)。Dl=0反轉(zhuǎn)

D3D2為Y向電機(jī)控制位。D2:l運(yùn)行,D2=0停止，D3=l正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。

第一象限制直線插補(bǔ)程序如下:

ORG2023H

MAIN：MOVSP,#60H；

LP4：MOV28H,#08CH；X,

MOV29H,#0C8H;Y,

MOV2A11,#0011;X

MOV2BH,#00H;Y

MOV2CH,#00H;R

MOV70H,OAH

LP3:MOVA,2CH

JBACC.7,LP1

MOVA,70H

SETBACC.0

CLRACC.2

MOV7011,A;置電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為OB,+X方向進(jìn)給

LCALLMOTR；調(diào)步進(jìn)電機(jī)日勺控制子程序，+X方向進(jìn)給一步

LCALLDELAY

MOVA,2CH

SUBBA,29H；F-YE

INC2AH:X+l

AJMPLP2

LP1MOVA,70H

SETBACC.2置電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為0E,+Y方向進(jìn)給

CLRACC.0調(diào)步進(jìn)電機(jī)的1控制子程序，+Y方向進(jìn)給一步

LCALLDELAY

MOVA,2CH

ADDA,28H；F+XE

LP2MOV2CH,A

MOVA,28H

CJNZA,2AH,LP3;XE=X?

RET