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1、控车床工作台二维运动伺服进给系统设计目录1. 设计题目和要求 (2)1.1设计题目 (2)1.2设计要求 (2)1.3设计参量 (2)2. 系统总体方案框图及分析说明 (2) 2.1总体方案设计 (2) 2.2绘制总体方案图 (3)3. 机械体系设计 (3)3.1传动机构的具体结构及参数设计 (3)3.1.1脉冲当量的确定 (3)3.1.2切削力的计算 (3) 3.1.3滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (4) 3.2执行元件参数及规格的确定 (7) 3.2.1步进电动机的计算与选型 (7) 3.3进给传动系统示意图 (9)4. 控制系统工作原理框图与设计说明 (9) 4.1控制系统硬件电路设计 (
2、9) 4.2控制系统原理框图 (10) 4.3电动机控制原理 (10) 4.4键盘、显示器接口电路分析 (11)5. 课程设计总结与心得体会 (11) 参考文献 (11)1. 设计题目和要求1.1设计题目数字控制车床工作台二维运动伺服进给体系设计 1.2设计要求1. 能用键盘输入命令控制工作台的运动方向2. 能实时显示当前运动位置3. 具有越程指示报警及停止功能 1.3设计参量1）床身上最大加工直径400mm 2）最大加工长度1000mm;3） X方向的脉冲当量二x 50.005mm/脉冲,Z方向为二z 50.01mm/脉冲；4） X 方向最快移动速度二max x v 3000mm/min ,
3、 Z方向为二max z v 6000mm/mi n; 5） X方向最快工进速度二f max x v 400mm/min，乙方向为二f max z v 800mm/min ; 6） X方向定位精 度0.01mm , Z方向0.02mm ; 7）可以车削柱面、平面、锥面与 球面等； 8）纵、横向安装限位开关；2. 系统总体方案框图及分析说明2.1总体方案设计1）数控车床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下， 应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统常采用步进电动机的开环控制系 统2）根据技术指标中的最大加工尺寸。最高控制速度，以及数控系 统的经济性要求，决定选用MCS-51系列的8位单片
4、机作为数控系统的CPU。MCS-51 系列 8 位机具有功能多、速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点3）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路等.4）为了达到技术指标中的速度和精度要求，纵、横向的进给传动 应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺丝副；为了消除传动间隙、提高传动刚 度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。5）计算选择步进电动机，为了圆整脉冲当量，可能需要减速轮副， 且应有消间隙机构。2.2绘制总体方案图3.1传动机构的具体结构及参数设计3.1.1脉冲当量的确定根据设计任务的要求，X方向的脉冲当量为二60.005mm/脉冲，Z方向为x60.01mm/脉 冲
5、。z3.1.2切削力的计算设工件材料为碳素结构钢,=h o650MPa ；选用刀具材料为硬质 合金YT15 ；刀具几何参数为：主偏角二r k 60,前角=o y 10,刃倾角 =s入5-;切削用量为：背吃刀量二p a 3mm，进给量二f 0.6mm/r , 切削速度二c v 105m/min。查表得：二Fc C 2795 , 1.0, = Fc x , =Fc y 0.75 , =Fc n -0.15, Fc k r k=0.94。由经验公式Fc nFccyFcxFc FC c K v fa C F p =Fp nFpyFpxFpFp p K v fa C F pf fffpf f F nF
6、cyF xF F K v fa C F =算得主切削力二c F 2673.4N。由经验公式c F :f F :P F =1:0.35:04 算得进给切削力f F =935.69N，背向力P F =1069.36N o 3.1.3滚 珠丝杠螺母副的计算和选型（纵向）1.进给系统的工作载荷m F的计 算选用矩形-三角形组合滑动导轨，已知移动部件总重xG =1300 N川=0.16 ；查表，取K=1.15 , 代入公式m F =）（x G F KF Z + +得工作载荷m F “712 N。2.滚珠丝杠螺母副最大动载荷计算设本车床 Z 向在承受最大切削力条件下最快的进给速度 v=0.8m/min ，
7、初选丝杠基本导程 h P =6mm ，则此时丝杠转速 n=133r/mino取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入6o 10/60nT L二，得丝 杠寿命系数o L 119.7（单位为：r 106）o查表，取载荷系数w f =1.15，再取硬度系数H f =1,代入公式Q F f f L F H w Q =，求得最大动载荷二Q F 9703N。3.滚珠丝杠副规格型号初选根据计算出的最大动载荷，查表，选择启东润泽机床附件有限公 司生产的FL4006型滚珠丝杠副。其公称直径为40mm,基本导程为 6mm ，双螺母滚珠总圈数为 6 圈，精度等级取 4 级，额定动载荷为 13200N，满足要求。4
8、.所选滚珠丝杠副的传动效率计算将公称直径Od =40mm，基本导程h P =6mm，代入）/（arctan Oh d P n入二，得丝杠螺旋升角二入442。将摩擦角10二？，代入）（/tan tan ?入入n +二，得传动效率二口94.2%。5.刚度的验算a） 丝杠的拉伸或者压缩变型量 滚珠丝杠副的支承采取一端轴向固定，一端简支的方式，固定端 采取一对推力角接触球轴承，面对面组配。丝杠加上两端接杆后，左、 右支承的中心距离约为1497mm ;钢的弹性模量E=2.1a 5MP 10?; 查表，得滚珠直径二W D 3.9688mm ,算得丝杠底径2d =36.0312mm，则丝杠截面积S=4/22
9、d n=1019.64mm。所以丝杠 在工作载荷m F作用下产生的拉/压变形量15=m F a /（ES用0.01197mm。b）滚珠与螺纹滚道间的接触变型根据公式Z=（w D d /0n）-3，求得单圈滚珠数目Z=29 ;该型号丝 杠为双螺母，滚珠总圈数为6,则滚珠总数量2Z =174。滚珠丝杠预紧 时，取轴向预紧力YJF 二二m F /3571O 则由式25=0.00133210/10IFYJZD F w m，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量25u0.000117mm。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减 小一半，取26=0.000585mm。c） 刚度验算将以上算
10、出的15和25代入总5=15+25,求得丝杠总变形量总 5=12.555um。已知，4级精度滚珠丝杠任意300mm轴向行程内行 程的变动量允许 16um ，而对于跨度为 1497mm 的滚珠丝杠，总的 变形量总5只有12.555m u，可见丝杠刚度足够。6.稳定性的验算根据公式m K K F KaEl f F =22n,计算失稳时的临界载荷二K F。查表，取支承系数=K f 2;由丝杆底径=2d 36.0312，求得截面惯性矩1=64/42d n-82734.154mm ;压杆稳定安全系数k取3;滚动螺母至轴向固定处得距离a取最大 值 1497mm.代入 m K K F KaEI f F =2
11、2n,得临界载荷二K F 51012N，远大于工作载荷二m F 1712N , 故丝杠不会失稳。7. 滚珠丝杠螺丝帽副型号终极确定综上所述，初选的启东润泽机床附件有限公司生产的F L4006型滚 珠丝杠副满足使用要求。横向滚珠丝杆螺母副的计算和选型步骤同纵向类似,经计算（计 算过程略）,可选与横轴一样型号的滚珠丝杆螺母副。3.2执行元件参数及规格的确定 3.2.1步进电动机的计算与选型 在开环控制的中小型伺服系统中,可以采用步进电机。 减速器传动比计算O8i (CNZ 6| LIDCN66.T rcCNZHZ UJO CNS6.0H rczL E 0SSDA80H尼伺曲热书垠恐(t OImss
12、 画凌旺味辭B-KO.EEOCNHq 腿bwujcnhuj縊擲o寸h zcnocnh占只詔0縊辭伺地如垠 rc上H d09mJzodQE 1 1 lCNl U09Li rlli ii e u-C+J2I D d- o-、s伺皿侖KH(寸HfD+eh -8isn (m Z 6乂 UJ3E.W + +11)0( petCNed f amax eq1+=2.17.02006.0)13000(16.07.017.04.06012001055.5724+?+-nn=2.82N m5) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 oiP G F iP F hc h nnunnn2)(12T T T f
13、f t ed2+=+=2.17.02006.0)13004.2673(16.02.17.02006.069.935?+?+nn=1.786) 步进电动机转轴上的最大等效负载转矩：,max 21ed ed ed T T T=2.82 N m2.步进电动机最大静转矩的选定eqj T T 4max = 11.28 N m对于预选的 130BYG5501 型步进电动机，查表可知，其最大静转 矩max j T =20 N m ,可见完全满足要求。3.步进电动机的性能校 核1) 最块工作速度时电动机输出转矩校核由已知条件可求出560/f max f max v f = = 1333Hz ,从 130BYG
14、5501 的运行矩频特性图可以看出，在此频率下，电动机的输 出转矩umax T 17,远远大于最大工作负载转矩2ed T =1.78 N m , 满足要求。2) 最快空载移动时电动机输出转矩校核由已知条件可求出560/max max v f = = 10000Hz.查图得，在此 频率下，电动机的输出转矩max T =3.8 Nm,大于快速空载起动时的 负载转矩1ed T =2.82 N m，满足要求3) 最快空载移动时电动机运行频率校核由已知条件可知，=max f 10000H乙查表可知130BYG5501的极 限运行频率为20000Hz,可见没有超出上限。综上所述，本例中进给系统选用130BYG5501步进电动机，可以 满足设计要求。3.3进给传动系统示意图图 2+j4. 控制系统工作原理框图与设计说明4.1 控制系统硬件电路设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑一下功7）接收键盘数据，控制 LED 显示；8）接收车床限位开关信号；9）接收操作面板的开关与按钮信号；10）控制 X、Y 向步进电动机的驱动器；4.2 控制系统原理框图CPU8053KPROM 芯片槿厲峙圧 丁：播口芯 片竝E定时胖f 片8255二隔高故丸 =1狀态指示灯和卿grfr口片55*擦芯罷=11.故尢 氏=1限位霜号CPU
