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1、 数控台钻X-Y工作台进给伺服系统设计指导老师: 班 别: 姓 名: 学 号: 目录序言3摘要 4设计目的 4设计要求 5总体方案设计6机械系统设计计算 81、确定脉冲当量 82、确定传动比 83、 滚珠丝杠螺母副的选型和校核94、步进电动机的选型和计算135、导轨的选型和计算 166、启动矩频特性校核17控制系统设计 21第一节 控制系统硬件的基本组成22第二节 步进电机控制电路22步进电机控制程序设计27其它电路辅助设计30设计总结31参考文献31序言据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的
2、设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的
3、必要性和迫切性。由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机
4、械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；柔性强；#易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。摘要本课程设计是对钻床进行改造，目的在于培养对机电一体化产品的设计能力，重点是对所学知识的巩固和加强，为毕业设计及
5、将来的工作打下坚实的基础。本课程设计由序言、设计要求、总体方案、进给系统设计、控制系统设计，以及相应元件的选择与确定和主程序框图、数控化电路原理组成。由于本人经验不足，以及对知识掌握程度的限制，设计过程还存在某方面的错漏，敬请老师提出宝贵意见。设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
6、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
7、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
8、量）、加（减）速控制和误差计算。4.学会使用手册及图表资料。 总体方案设计一般来讲，普通钻床的数控改造主要有两部分，一是设计一套简易微机数控X-Y工作台，固定在钻床的工作台上。二是将控制钻头上、下运动的手柄拆去，改用微机控制步进电机通过一级减速装置使钻头上下运动。本设计只对X-Y工作台进行设计。取钻床步进电机的脉冲当量可选为0.01mm/脉冲，步进电机的步距角0.9。方案1系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。
9、对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。2伺服系统的选择伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺
10、服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在普通立式钻床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。3执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点：1）
11、尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。2）尽量消除传动间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消隙结构。3）缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。X-Y工作台传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。4计算机系统的选择计算机数控系统一般由微机部分、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。在简易数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。如何采用Z80CPU或MCS-51单片机
12、组成的微机应用系统。Z80CPU有芯片价廉，通用性强，维修方便等特点。MCS-51单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快和很高的性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。5实施保留原机床主传动链，保留钻床工作台和控制工作台移动手柄，在原工作台上安装一套微机数控的X-Y工作台。由于X-Y工作台的运动部件重量和切削力不大，因此选用有预加载荷的滚珠导轨。采用滚动导轨可减小两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm要求，需采用齿轮降速传动。综上所述，本文改造的总
13、体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等，机械系统设计计算设计参数系统分辩率为0.01mm,其它设计参数见下表：最大钻削刀直径最大钻削深度ae最大钻削深度ap加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度24mm8mm5mm碳钢x=300,y=2503m/min机械系统设计1.脉冲当量的确定根据机床精度要求确定脉冲当量，考虑到机械传动系统的误差存在。脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计确定脉冲当量为0.01mm/步.二.钻削力分析与计算钻削运动的特征是主运动为钻头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钻头轴线方向缓慢进给(键槽钻头可沿轴线进给).钻头的类型很多，但以圆柱钻头和端钻头为基本形式,此选用圆柱钻头,钻头材料选择高速钢.根据工件材料为碳钢可确定钻削力的计算公式：FZ=9.81CFzae0.86af0.72d0-0.86apZ式中各参数如下:CFz钻削力系数，CFz=68.2（表2
