數(shù)控銑床工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì)--課程設(shè)計(jì)(已修改)
2025-06-23 01:36 本頁(yè)面
【正文】 1 機(jī)電一體化 課程設(shè)計(jì) 題 目 :數(shù)控銑床工作臺(tái) 三維運(yùn)動(dòng) 伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)生姓名 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào) 班 級(jí) 指導(dǎo)教師 成 績(jī) 2021 年 6 月 目 錄 2 一、設(shè)計(jì)任務(wù) ............................................................... 1 .............................................. 1 ................................... 1 二、系統(tǒng)總體方案框圖及分析說(shuō)明 .............................................. 1 設(shè)計(jì) ........................................................ 1 ...................................................... 2 三、機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算、各部件類型選擇說(shuō)明及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的示意圖與說(shuō)明 ......... 2 .................................................. 2 ...................................................... 2 ，選型，效核 ........................................ 4 ，選型，效核 ........................................ 5 .............................................. 8 ，選型，效核 .................................... 8 ........................................................ 9 ............................................. 10 四、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) ................................................... 13 ......................................................... 13 ................................................. 14 ....................................................... 17 ..................................................... 17 ..................................................... 18 ............................................... 18 五、傳感器的選擇與設(shè)計(jì)說(shuō)明 ................................................. 19 ......................................................... 19 ............................................. 22 六、課程設(shè)計(jì)總結(jié)與心得體會(huì) ................................................. 22 七、參考資料 .............................................................. 23 一、 設(shè)計(jì) 任務(wù) 3 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)題目 數(shù)控銑床工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)控銑床工作臺(tái)等相關(guān)部件的基本參數(shù) 能用鍵盤輸入命令控制工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)方向 ； 能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前運(yùn)動(dòng)位置 ； 具有越程指示報(bào)警及停止功能 ； 能有位置檢測(cè)裝置，能進(jìn)行調(diào)節(jié)并反饋給控制系統(tǒng)； 工作臺(tái)尺 寸 ： 700 800 50mm 工作臺(tái) T 型槽 ： 5 18mm 工作臺(tái)最大承重 ： 800kg X— Y— Z 軸行程 ： 600 800 350mm 電主軸輸出功率 ： 15kw 變頻主軸轉(zhuǎn)速 ： 15000r/min 最高位移速度 ： 15m/min 最大加工速度 ： 8m/min X— Y— Z 軸最小分辨率 （即脈沖當(dāng)量） ： 定位精度 ： 177。 重復(fù)定位精度 ： 二、 系統(tǒng)總體方案框圖及分析 說(shuō)明 總體方案設(shè)計(jì) （ 1）系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng) 為了使銑床的性能滿足基本要求，選 x、 z 軸坐標(biāo)快進(jìn)為 15m/min，水平 拖力 Fx=30kN， 則要求電動(dòng)機(jī)功率 P=Fv=（ 30 15/60） kW= kW，選用步進(jìn)電機(jī)則滿足不了要求，例如，200BF001 反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩為 ，最高空載運(yùn)行頻率為 11000 step/s，步距角為α =176。 /step，若取最高工作頻率下的工作轉(zhuǎn)矩為最大靜轉(zhuǎn)矩的 1/4，則高速運(yùn)行工作狀態(tài)下所需功率為 PH=1/4 11000 （ 2π /360） W=，如果選用步進(jìn)電機(jī)，則會(huì)降低快速性要求。 但交流電機(jī)的控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，技術(shù)難度高，而且價(jià)格 高，故選擇直流伺服電機(jī) 。選擇半閉環(huán)系統(tǒng)比閉環(huán)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，成本低，且能滿足機(jī)床精度和加工精度基本的要求。 綜上所述 采用 直流 伺服 電機(jī)開環(huán) 控制 系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) X— Y— Z 工作臺(tái)。 （ 2）計(jì)算機(jī) 控制 系統(tǒng) 本設(shè)計(jì)采用了與 MCS51 系列兼容的 AT89S51 單片機(jī)控制系統(tǒng)。它的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，有較高的性價(jià)比。 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤、 LED、 I/O 接口、光電 耦合 電路、步進(jìn)電機(jī)、電磁鐵功率放大器電路等組成。系統(tǒng)的加工程序和控制命令通過(guò)鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。 LED 顯示數(shù)控 銑床 工作臺(tái)的狀態(tài)。 （ 3） X— Y— Z 工作 臺(tái)的傳動(dòng)方式 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu)緊湊，所以選用 精密滾珠 絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用預(yù)加負(fù)荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙 V 形滾珠導(dǎo)軌。采用 精密 直線滾動(dòng)導(dǎo)軌 可減少兩個(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)。 4 考慮 直流電機(jī) 和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)。 繪制總體方案圖 開環(huán)控制系統(tǒng)框圖 圖 1 為本開環(huán)控制 數(shù)控銑床工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計(jì) 的總體方案圖。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)通 常采用單板機(jī)、單片機(jī)、驅(qū)動(dòng)電源、步進(jìn)電機(jī)及專用控制程序組成的開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。對(duì)機(jī)床的控制過(guò)程是由單片機(jī)或者單板機(jī)，按照輸入的加工程序進(jìn)行查補(bǔ)運(yùn)算，由軟件或硬件實(shí)現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖、經(jīng)功率放大驅(qū)動(dòng) X— Y— Z 三個(gè)坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)的步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。 三、 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算、各部件類型選擇說(shuō)明及進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的示意圖與說(shuō)明 移動(dòng)部件的重量估算 工作臺(tái)重量估算： 391 7. 8 10 70 0 80 0 50 10mV? ?? ? ? ? ? ? ?= kG≈ 220 kG 工作臺(tái)最大承載 m2=800kG， 總的重量 估算如下： M=m1+m2=1020kG G=Mg=10200N=。 負(fù)載的 分析 計(jì)算 （機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè) P498） 直流伺服電機(jī) 的負(fù)載有外力負(fù)載、摩擦負(fù)載和慣性負(fù)載，所選 直流伺服電機(jī) 必須克服這些負(fù)載才能作正常的進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。 這里我們以 Z 軸計(jì)算為主， X、 Y 軸的相關(guān)計(jì)算略。 （ 1）切削 負(fù)載 ： 根據(jù)切削原理近似公式計(jì)算，有 30XF kN? ， / 50X Z Z XF F F F k N? ? ? ?， 5 25YZF F kN??。 （ 2）摩擦阻力： 本 數(shù)控銑床工作臺(tái)三維運(yùn)動(dòng)伺服進(jìn)給系統(tǒng) 采用滾動(dòng)導(dǎo)軌副，滾動(dòng)導(dǎo)軌副的摩擦系數(shù)一般μ =~ 之間，這里我們?nèi)∑渲虚g值μ =， 摩擦阻力如下： ? ? ? ?0. 00 4 10 .2 50fZF G F k N?? ? ? ? ?= 注：這里取 g=10m/s2，其他的摩擦阻力這里沒(méi)有計(jì)算。 （ 3）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算： 222 11900 mn jk ie q i jijkknvJ m Jnn???? ? ? ???? ? ? ?? ? ? ??? 式子中 iv 采用最不利于
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