【正文】 1 機電一體化 課程設(shè)計 題 目 :數(shù)控銑床工作臺 三維運動 伺服進給系統(tǒng)設(shè)計 學(xué)生姓名 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 學(xué) 號 班 級 指導(dǎo)教師 成 績 2022 年 6 月 目 錄 2 一、設(shè)計任務(wù) ................................................................. 1 機電一體化課程設(shè)計題目 ............................................... 1 數(shù)控銑床工作臺等相關(guān)部件的基本參數(shù) ................................... 1 二、系統(tǒng)總體方案框圖及分析說明 ............................................... 1 總體方案設(shè)計 ......................................................... 1 繪制總體方案圖 ....................................................... 2 三、機械系統(tǒng)設(shè)計計算、各部件類型選擇說明及進給傳動系統(tǒng)的示意圖與說明 ......... 2 移動部件的重量估算 ................................................... 2 負載的分析計算 ....................................................... 2 導(dǎo)軌副的分析計算，選 型，效核 ......................................... 4 絲杠螺母副的計算，選型，效核 ......................................... 5 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖 ............................................... 8 直流伺服電動機的計算，選型，效核 ..................................... 8 減速器的選用 ......................................................... 9 驗算系統(tǒng)的等效轉(zhuǎn)動慣 量 .............................................. 10 四、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 .................................................... 13 微機的選用 .......................................................... 13 存儲器的選用與擴展 .................................................. 14 譯碼電路設(shè)計 ........................................................ 17 接口電路設(shè)計等 ...................................................... 17 驅(qū)動電路的設(shè)計 ...................................................... 18 繪制控制系統(tǒng)原理 框圖 ................................................ 18 五、傳感器的選擇與設(shè)計說明 .................................................. 19 選擇傳感器 .......................................................... 19 傳感器與微機的接口電路 .............................................. 22 六、課程設(shè)計總結(jié)與心得體會 .................................................. 22 七、參考資料 ................................................................ 23 一、 設(shè)計 任務(wù) 3 機電一體化課程設(shè)計題目 數(shù)控銑床工作臺三維運動伺服進給系統(tǒng)設(shè)計 數(shù)控銑床工作臺等相關(guān)部件的基本參數(shù) 能用鍵盤輸入命令控制工作臺的運動方向 ； 能實時顯示當(dāng)前運動位置 ； 具有越程指示報警及停止功能 ； 能有位置檢測裝置，能進行調(diào)節(jié)并反饋給控制系統(tǒng)； 工作臺尺 寸 ： 700 800 50mm 工作臺 T 型槽 ： 5 18mm 工作臺最大承 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 說明 總體方案設(shè)計 （ 1）系統(tǒng)的運動方式與伺服系統(tǒng) 為了使銑床的性能滿足基本要求，選 x、 z 軸坐標(biāo)快進為 15m/min，水平拖力 Fx=30kN， 則要求電動機功率 P=Fv=（ 30 15/60） kW= kW，選用步進電機則滿足不了要求，例如，200BF001 反應(yīng)式步進電機，其最大靜轉(zhuǎn)矩為 ，最高空載運行頻率為 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=，如果選用步進電機，則會降低快速性要求。 但交流電機的控制結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，技術(shù)難度高，而且價格高，故選擇直流伺服電機 。選擇半閉環(huán)系統(tǒng)比閉環(huán)系統(tǒng)簡單， 成本低，且能滿足機床精度和加工精度基本的要求。 綜上所述 采用 直流 伺服 電機開環(huán) 控制 系統(tǒng)驅(qū)動 X— Y— Z 工作臺。 （ 2）計算機 控制 系統(tǒng) 本設(shè)計采用了與 MCS51 系列兼容的 AT89S51 單片機控制系統(tǒng)。它的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，有較高的性價比。 控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤、 LED、 I/O 接口、光電 耦合 電路、步進電機、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鍵盤操作實現(xiàn)。 LED 顯示數(shù)控 銑床 工作臺的狀態(tài)。 （ 3） X— Y— Z 工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求結(jié)構(gòu) 緊湊，所以選用 精密滾珠 絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用預(yù)加負荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺的運動載荷不大，因此采用有預(yù)加載荷的雙 V 形滾珠導(dǎo)軌。采用 精密 直線滾動導(dǎo)軌 可減少兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動。 4 考慮 直流電機 和絲桿導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達到分辨率的要求，需采用齒輪降速傳動。 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)控銑床工作臺三維運動伺服進給系統(tǒng)設(shè)計 的總體方案圖。這種標(biāo)準(zhǔn)的微機數(shù)控系統(tǒng)通常采用單板機、單片機、驅(qū)動電源、步進電機及專用控制程序 組成的開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉。對機床的控制過程是由單片機或者單板機，按照輸入的加工程序進行查補運算，由軟件或硬件實現(xiàn)脈沖分配，輸出一系列脈沖、經(jīng)功率放大驅(qū)動 X— Y— Z 三個坐標(biāo)軸運動的步進電機來實現(xiàn)。 三、 機械系統(tǒng)設(shè)計計算、各部件類型選擇說明及進給傳動系統(tǒng)的示意圖與說明 移動部件的重量估算 工作臺重量估算： 391 7. 8 10 70 0 80 0 50 10mV? ?? ? ? ? ? ? ?= kG≈ 220 kG 工作臺最大承載 m2=800kG， 總的重量估算如下： M=m1+m2=1020kG G=Mg=10200N=。 負載的 分析 計算 （機床設(shè)計手冊 P498） 直流伺服電機 的負載有外力負載、摩擦負載和慣性負載，所選 直流伺服電機 必須克服這些負載才能作正常的進給驅(qū)動。 這里我們以 Z 軸計算為主， X、 Y 軸的相關(guān)計算略。 （ 1）切削 負載 ： 根據(jù)切削原理近似公式計算，有 30XF kN? ， / 50X Z Z XF F F F k N? ? ? ?， 5 25YZF F kN??。 （ 2）摩擦阻力： 本 數(shù)控銑床工作臺三維運動伺服進給系統(tǒng) 采用滾動導(dǎo)軌副，滾動導(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