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1、铣床的数控X-Y工作台设计论 文（设 计）任 务 书课程编号课程名称周数实施地点班级人数起止时间形式集中 分散指导教师李伟洪论文（设计）进度安排1方案论证-2天2机械部分设计-5天3电气部分设计-3天4软件设计-2天5编写说明书-2天6准备答辩及答辩-1天论文（设计）内容任务是：设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。具体参数如下：系统分辨率为0.01mm，最大铣刀直径= 16 mm, 最大铣削宽度ae = 5 mm, 最大铣削深度ap,= 2 mm，加工材料为碳钢，工作台加工范围 200 mm150 mm，最大移动速度为3m/min，制系统为单片机控制系统
2、。设计的内容包括：1总体方案的确定1）确定系统组成方案（组成框图、功能、机械传动系统简图、主要设计参数，及方案分析、比较、说明）。2机械部分的设计1）确定脉冲当量；2）机械部件的总体尺寸、质量、转动惯量的估算；3）传动部件、导向部件的设计、计算和选用；4）步进电动机计算、选用；5）绘制机械结构装配图。3数控系统的设计1）确定数控装置方案（组成框图、功能、主要设计参数，及方案分析、比较、说明）。2）电气控制原理图设计（CPU、存储器、I/O接口电路及伺服驱动电路）。3）系统控制软件的结构设计（控制流程图）和部分功能控制软件设计（汇编程序及流程图）。4编写设计说明书要求(包括纪律要求和报告书要求)
3、1图纸要求1）机械结构装配图，A0图纸一张。要求视图基本完整、符合标准。其中至少有一个坐标轴的完整剖视图。2）数控系统框图（附在说明书上）；3）数控电器图，A1图纸一张；2编写设计说明书要求说明书应当叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定、系统框图的分析、机械传动设计计算、电气部分的设计说明，选用元件及其具体参数的说明、软件设计及其说明等，说明书的不少于8000字。目 录设计目的4设计要求41.总体方案的确定51.1设计参数51.2初选步进电动机和丝杠51.3初定工作台尺寸51.4系统组成框图62.机械部分的设计72.1传动系统等效转动惯量计算72.2工作载荷分析及计算72.3进给工作台工作载
4、荷计算82.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核82.4.1最大工作载荷的计算82.4.2最大动负载C的计算及主要尺寸初选92.4.3传动效率计算92.4.4刚度验算92.4.5压杆稳定性验算102.5导轨的选型和计算102.6驱动电机的选用102.6.1步距角的选择112.6.2步进电机输出转矩的选择112.6.3启动矩频特性校核122.6.4工进运行矩频特性校核123.数控系统的设计133.1硬件设计（硬件详细接线图见图纸3）133.2步进电机开环伺服原理143.3步进电动机的控制框图153.4软件程序设计（逐点比较法直线插补）153.4.1163.4.2程序设计174.心得体会19参考书目19设
5、计目的数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题-数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。设计要求课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思
6、想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。说明书的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。该课程设计的内容及方法，可以归纳如下：1.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选
7、用、接口电路、软件编制等。2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。3.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。4.学会使用手册及图表资料。1.总体方案的确定1.1设计参数系统分辨率为0.01mm，其它设计参数如下表。设计分组最大铣刀直径最大铣削宽度ae最大铣削深度ap加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度416mm5m
8、m2mm碳钢X=200,y=1503m/min工作台草图1.2初选步进电动机和丝杠当传动比i=1时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由 i=(公式2-1) 错误！未找到引用源。，b为步进电机步距角Lo为滚珠丝杠导程、为系统脉冲当量。 选电动机型号为55BF009，其步矩角= 选丝杠规格为2004-3(FYND)其导程为4mm,由传动比公式得 故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。预选由广州菱科自动化设备有限公司生产的LK13系列刚性联轴器（）。1.3初定工作台尺寸 查机电一体化设计手册，根据(GB/T 158-1996)选工作台T型槽尺寸如下：深度H=15mm槽低
9、宽度B12mm槽宽A6mmC6mm槽数5，间隔40mm；由工作台加工范围200*150选工作台尺寸 240 20 20 20200 20初定滚珠丝杠长度L340mm B B 5060 Lx+B+102035451.4系统组成框图2.机械部分的设计2.1传动系统等效转动惯量计算2.1.1机转子转动惯量查指导书表面2-18得2.1.2丝杠的转动惯量由指导书公式2-3有得2.1.3工作台转动惯量由于工作台材料为碳钢，故其质量为由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计2.1.4总转动惯量计算2.2工作载荷分析及计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓
10、慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.查金属切削手册P398常用铣刀介绍表，选择细齿锥柄立铣刀， 其尺寸参数如下：D=16mm,齿数Z=4。2.2.1查金属切削手册P417细齿锥柄立铣刀切削用量表得铣削速度查铣工表24，初选0.03mm因此可得 查机械制造基础课程设计指导书表4-15立式铣床主轴转速表，选铣床型号X51，查其转速表并将转速圆整为实际切削速度为 故实际2.2.2根据指导书表2-2得高速钢铣刀铣削公式为 查指导书表2-3得铣削力系数有2.3进给工作台工作载荷计算查指导书表2-4，有如下表格参数比值不对称铣
11、削逆铣顺铣120903080404故有纵向进给方向工作台垂直进给方向工作台横向进给方向2.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核2.4.1最大工作载荷的计算滚珠丝杠上的工作载荷为走刀抗力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于选择的导轨要求结构紧凑，间隙调整方便，摩损小，有良好的精度保持性且运动平稳，故选择直线滚动导轨，在此设计中还要求导轨能承受一定的颠覆力矩，所以选择燕尾导轨的实验公式进行计算，由式2-11 将所得数据代入公式有：2.4.2最大动负载C的计算及主要尺寸初选滚珠丝杠最大运载荷由指导书中可知 2.4.3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为 查得（或可由算出）2.4.4刚
12、度验算丝杠的拉压变形量的计算满载时拉压变形量： 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量由指导书式2-17得式中为滚珠直径，为滚珠总数量滚珠丝杠副刚度的验算丝杠总变形量变形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005=0.00369YE，可用X方向走的总步数XE作为终点判别的依据，如动点X等于终点XE则停止。当XE=0？Y方向进给XYY1YXX1X？Y？返 回X方向进给3.4.2程序设计设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值XE，YE，动点坐标值X，Y，偏差FM。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始值、X、Y向步进电机
13、初态（控制字）。插补程序所用的内存单元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM电机正反转控制字电机正反转控制字为：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。第一象限直线插补的程序： ORG 2000HMAIN：MOV SP, #60HLP4: MOV 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AHLP
14、3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH SUBB A, 29H INC 2AH AJMP LP2LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH ADD A, 28HLP2: MOV 2EH, A MOV A, 28H CJMP A, 2AH, LP3; RET4.心得体会我觉得这次专业课程设计是对过去所学专业知识的一个全面的综合的运用
15、。在设计的过程中我全面地温习了以前所学过的知识，包括机械专业课程和电路控制方面的基础知识，经过复习整理所学得专业知识使得设计思路清晰系统。通过设计使我更加接近生产实际，锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了有关机械设计方面的知识。还有很重要的一点是让我体会到了一个设计者的精神。在设计过程中既要自己不断思考、创造，又要注意借用现有的资料，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、绘图、数据处理等方面的能力。通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械的设计，掌握了一般机械设计的程序和方法，有助于树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的机
16、械设计能力。最后对在整个设计过程中对我认真、耐心辅导的张建、李伟洪等老师表示衷心的感谢！参考书目郑堤 .唐可洪 主. 机电一体化设计基础. 北京：机械工业出版社，2006 何立民. 单片机高级教程. 北京：北京航空航天大学出版社 ，2000 上海市科学技术交流站. 金属切削手册.上海：上海人民出版社 ，1995冯辛安. 机械制造装备设计. 北京：机械工业出版社 ，2006 邹青. 机械制造技术基础课程设计指导教程. 北京：机械工业出版社 ，2005 周开勤. 机械零件手册第五版. 北京：高等教育出版社 ,2001周湛学. 铣工. 化学工业出版社 ，2005 附件图纸装配图丝杠螺母支座零件图电气图谢谢朋友对我文章的赏识，充值后就可以下载说明书，我这里还有一个压缩包，里面有相应的word说明书和CAD图纸。下载后请留上你的邮箱号或QQ号或给我的QQ留言：1459919609。我可以将压缩包送给你。欢迎朋友下次光临！
