数控车床X-Z轴工作台机械结构设计及控制电路设计

1、精选优质文档-倾情为你奉上精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业专心-专注-专业精选优质文档-倾情为你奉上专心-专注-专业第一章 滚珠丝杠副的选择1.1 滚珠丝杠副的特点1.传动效率高 效率高达90%95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。 2.运动具有可逆性 即可将回转运动变为直线运动,又可将直线运动变为回转运动,且逆传动效率几乎与正传动效率相同。3.系统刚度好 通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度,可满足各种机械传动要求,无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。4.传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,丝杆副工作时温升和热变形

2、小,容易获得较高的传动精度。5.使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,长期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高56倍。6.不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。7.制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价,因而已成为数控机床,精密机械,各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。1.2 滚珠丝杠副的设计计算最大快速进给速度6m/min,最大加工速度2.5m/min。设导程p=5，则 摩擦当量，则假设机

3、床加工工件时间占用使用时间的90%，快速进给占用10%则根据得在式中为温度系数，查表1-1得1；为硬度系数，查表1-2得 1.0；为精度系数，查表1-3得1.0（丝杠精度为13级）；为负荷性质系数，查表1-4得1.3；为可靠性系数，查表1-5得0.53（可靠性为90%）。表1-1温度系数工作温度175表1-2 硬度系数硬度（HRC）5552.55047.54540动负荷硬度影响系数1.01.111.351.561.922.43.85静负荷硬度影响系数1.01.111.401.672.12.654.5表1-3精度系数精度等级1、2、34、57101.00.90.80.7表1-4 负荷性质系数负荷

4、性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运动11.21.21.51.52.5表1-5 可靠性系数可靠度(%)9095969798991.000.620.53.44.330.21根据选择滚珠丝杠副 假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca 等于或稍大于的原则,查表2-9选以下型号规格FC1-6308-3 Ca=29715公称直径 导程P=8mm 螺旋角 滚珠直径按FC1-6308-3的相关尺寸计算滚道半径 R=0.52=0.523.175=1.651mm偏心距丝杠内径稳定性验算（1）由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动结构允许

5、安全系数。丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷其中 E=206Gpa L=0.3m 取 则安全系数查表2-10 S=2.5-3.3 SS 丝杠是安全的，不会失稳。（2）高速长丝杠工作时可能发生共振，因此需验算其不会发生共振的最高转速-临界转速,要求丝杠的最大转速 所以丝杠不会发生共振。（3）此外滚珠丝杠副还受值的限制,通常要求刚度验算滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T(Nm)共同作用下引起每个导程的变形量为式中,A为丝杠截面积,A=为丝杠的极惯性矩, G为丝杠切变模量,对钢G=83.3GP a;T(Nm)为转矩。式中, 为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数； 为平均工作载荷.取摩擦系数为,则得按

6、最不利的情况取(F=)则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2，即该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求。效率验算要求在90%-95%之间,所以该丝杠副合格。经上述计算验证,FC1-6308-3各项性能均符合题目要求,可选用。第二章 导向机构的设计2.1 导轨的功用机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承，并能准确的完成其特定方向的运动。这个任务就由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是导轨，其作用是支承和导向。2.2 滚动直线导轨的选择程序在设计选用滚动直线导轨时，除应对其使用条件，包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程

7、、预期工作寿命进行研究外，还须对其刚度、摩擦特性及误差平均、阻尼特性等综合考虑，从而达到正确合理的选用，以满足主机技术性能的要求。2.3 直线运动滚动支承系统负荷的计算直线运动支承系统的负荷与导轨配置形式(水平、竖直、倾斜等),移动件的重心和力作用点的位置,导轨上移动件牵引力作用点的位置,启动及停止时的惯性力以及切削力等有关。本设计的直线运动导轨安装形式为水平,采用卧式导轨、滑块座移动。 图2.1 导轨导轨的选择 由机床设计要求可知对该导轨设计的基本要求为:作用在滑座上的载荷F=2800N，滑座个数，有效行程500 x300每分钟往复次数为4，用于轻型机床的工作台。 导轨的额定工作时间寿命=4

8、0000小时表2-1 硬度系数滚道表面硬度HRC6058555350451.00.980.900.710.540.38表2-2 温度系数工作温度/1001.001001500.901502000.732002500.61表2-3 接触系数每根导轨上的滑块数11.0020.8130.7240.6650.61表2-4负荷系数工作条件无外部冲击或震动的低速运动场合。速度小于15m/min11.5无明显冲击或震动的中速运动场合。速度小于60m/min1.52无外部冲击或震动的高速运动场合。速度大于60m/min22.5计算额定动载荷滑座的运动速度最大为5m/min15m/min，工作温度在100以下，

9、导轨滚道硬度为60HRC，无明显冲击和振动，每根导轨上滑块配置数为2。由 得：因滑块座M=4,所以每根导轨上2个，由表2-12-4确定， , , 则由式得 其中 选用的是汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨,查其产品手册知, HJG-D型号的导轨的Ca值为17500N,能满足40000h的使用要求,所以可选用.第三章 步进电机的选择3.1步进电机的工作原理三相反应式步进电机的工作原理如图3.1所示，其中步进电机的定子上有6个齿，其上分别缠有、三相绕组,构成三对磁极,转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流供电。当、三相绕组轮流通电时，通过电磁力吸引步进电动机转子一步一步地旋转。图3.13

10、.2步进电机的选型、步进电机的步距角取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系式中： 电机转角； 移动部件的相应位移； 机械传动效率。若取 ，则，且，所以式中： 移动部件负载（N）；G移动部件重量（N）； 与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N）； 导轨摩擦系数；步进电机步距角，（rad）；T电机轴负载力矩（）本例中，取（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），为丝杠牵引力，。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取，所以若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩取安全系数为0.3，则 对

11、于工作方式为三相六拍的三相步进电机 、步进电机的最高工作频率查表选用两个45BF005-型步进电机。电机的有关参数见表3-1。表3-1 步进电机参数型 号主要技术数据外形尺寸重量步距角最 大静转距最高空载启动频率()相数电压电流外径长度轴径45BF005-1519.630003272.545584113.2.1、确定齿轮传动比因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比选 ， 。3.2.2、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数，齿轮有关尺寸见表3-2。3.2.3、步进电机惯性负载的计算表3-2 齿轮尺寸 1728171914.55 2

12、83025.5517.5根据等效转动惯量的计算公式，得式中： 折算到电机轴上的惯性负载（）； 步进电机转轴的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；齿轮 的转动惯量（）；滚珠丝杠的转动惯量（）；M移动部件质量（）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算式中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以电机轴转动惯量很小，可以忽略，则因为，所以惯性匹配比较符合要求。第四章 数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的

13、运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。伺服系统的选择开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。.考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。计算机系统的选择采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。

14、显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。XZ工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。 考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下:计算机光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Z向工作台第五章 数控系统硬件电路设计5.1确定硬件电路的总体方案。数控系统的硬件电路由以下几部分组成：主控制器。即中央处理单

15、元CPU总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。接口。即I/O输入输出接口。数控系统的硬件框图如下所示：中央处理单元CPU存储器RAMROM外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等输入/输出I/O接口信号变换控制对象5.2主控制器的选择系列单片机是集中，端口及部分等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用芯片作为主控芯片。5.3存储器扩展电路设计(）程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用芯片。其型号有

16、：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考虑与时序的匹配。所能读取的时间必须大于所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定0口提供为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低位的地址信息，一般采用芯片作为地址锁存器，并由发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。

17、由以上分析，采用EPROM芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示： A12 A8 2764A7A0 D7 D0 P1.7 P1.0 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 译码电路G74LS372扩展2764电路框(）数据存储器的扩展由于内部只有字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示： P2.4 P2.0ALE P0.7 P0.0 A12 A8A7 6264A0D7D0 D0译码电路G74LS372扩展6264电路框图(）译码电路在单

18、片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于和容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输

19、出的地址选择线用作片选线。本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示：（4）存储器扩展电路设计8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路，单片机外存储器扩展电路如下：（5）扩展电路设计(a).通用可编程接口芯片单片机共有个位并行接口，但供用户使用的只有1口及部分3 口线。因此要进行口的扩展。与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。8155Y与8031的连接方式如下图所示(b).键盘，显示器接口电路键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的

20、动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有和。下图所示为采用接口管理的键盘，显示器电路。它有键和位显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及显示器的字位控制共用一个口，即共用的P口进行控制，键盘的行线由口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。键盘显示器接口电路如下所示：5.4步进电机驱动电路设计（1）脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲

21、分配器YB013。采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：（2）光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：（3）功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。5.5其它辅助电路设计（）的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方

22、式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在.之间任意选择，耦合电容在pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。8031XTAL1XTAL2时钟电路（）复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在引脚上出现ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后便从单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用z时，复位电路中取，取，取。实用复位电路图如下所示：（）越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位

23、置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至的口1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至的外部中断引脚（或），采用中断方式检查越界信号。越界报警电路如下图所示5.6机床数控系统硬件电路设计该系统选用系列的作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为，数据存储器扩展为。的片选控制端直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的

24、片选端由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000。系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H80FFH。8155的A口为控制工作抬X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0PB3为键盘的行线。8031

25、的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。总 结本次课程设计是以毕业设计之前的准备，是为了更好的完成毕业设计打好一个坚实的基础，是我

26、们对数控冲车床有了进一步的认识，对我们以后的学习工作有很好的帮助。历程4周的课题设计,在老师和自己共同努力下,完成了预期的工作。在这个过程中遇到很多困难，但是通过查阅资料，最终解决了问题，提高了我们解决问题的能力。在查阅相关的数控机床资料，类比同类机床的进给系统结构，以及汉江机床厂提供的相关零部件资料的基础上，用UG进行零件的绘制整体的装配，用AutoCAD进行总装图的优化设计。通过要求完成了毕业论文书写内容。对机床设计过程有了深刻的了解和认识。通过此次毕业设计,使我们的综合运用能力进一步加强,把大学四年来所学的专业理论知识与实践很好的结合起来，从方案确定到选型、校核、画图等一系列都在很大程度上开发了我们的设计思维和应用能力。当然这次毕业设计中我们也认识到自身的不足之处。虽然在设计中能够认真独立地思考、分析问题。但知识面不够广泛以及实际经验欠缺等诸多因素,造成设计中很多疏漏的地方以及大多方案都停留在已有基础上,创新很少。而且在优化设计方面做得很少，可以说整个设计很粗糙，当然我会在以后的工作学习生产不断积累经验，争取做得更好，敬请原谅本次设计中的不足之处。参考资料1 高钟毓机电控制工程北京：清华大学出版社，20022 刘助柏知识创新