【文章內(nèi)容簡介】 在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備的幾點看法。 裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和最基本的裝備 ,又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術 ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產(chǎn)品 ,其技術范圍覆蓋很多領域。 21 世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面 :為追求加工效率和加工質量方面的智能化 ,如加工過程的自適應控制 ,工藝參數(shù)自動生成 。為提高驅動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求 ,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元 ,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。 課 程設計的目的和意義 課程設計是 培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐性教學環(huán)節(jié)之一，是綜合運用所學過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設計訓練。其目的是： 1. 能夠正確運用《機電一體化系統(tǒng)設計》課程的基本理論和相關知識，掌握機電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構成、特點和設計思想、設計方法，了解設計方案的擬定、比較、分析和計算，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，使學生具有機電一體化系統(tǒng)設計的初步能力； 2. 通過機械部分設計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結構設計方法和步驟； 3. 通過測試及控制系統(tǒng)方案 設計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想； 4. 通過課程設計提高學生應用手冊、標準及編寫技術說明書的能力，促進學生在科學態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質的提高。 西安工程大學課程設計（報告） 2 第二章 課程設計的內(nèi)容 第一節(jié) 課程設計題目 ： 單片機控制步進電機驅動的多用 XY 工作臺。 已知條件： 定位精度： 177。， ，負載 G=150N，加工范圍 500mm*50mm,最快移動速度 1m/min 第二節(jié) 課程設計的內(nèi)容 裝置總體方案的確定 (1).數(shù)控裝置設計參數(shù)的確定； (2).方案 的分析，比較，論證。 (1).確定脈沖當量； (2).機械部件的總體尺寸及重量的初步估算； (3).傳動元件及導向元件的設計，計算和選用； (4).確定伺服電機； (5).繪制機械結構裝配圖； (6).系統(tǒng)等效慣量計算； (7).系統(tǒng)精度分析。 (1).微機及擴展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設計； (2).I/O 接口電路及伺服控制電路的設計和選用； (3).系統(tǒng)控制軟件的設計 西安工程大學課程設計（報告） 3 第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設計的內(nèi)容包括：系 統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構及傳動方案的確定，伺服電機類型及調(diào)速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較和論證。 系統(tǒng)運動方式的確定 該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標軸的運動有精確的運動關系因此采用連續(xù)控制方式。 伺服系統(tǒng)的選擇 開環(huán)伺服系統(tǒng)在負載不大時多采用功率步進電機作為伺服電機 .開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結構簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應用。 .考慮到運動精度要求不高，為簡化結構，降低成本，宜采用步進電機開環(huán) 伺服系統(tǒng)驅動。 計算機系統(tǒng)的選擇 采用 MCS51 系列中的 8031 單片機擴展控制系統(tǒng)。 MCS51 單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、 I/O 接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。 X— Y 工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。 由于工作臺的運動部件重量 和工作載荷不大，故選用滾動直線導軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。 考慮電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下 : 圖 31 系統(tǒng)總體框圖 西安工程大學課程設計（報告） 4 第五章 機械部分設計 機械部分設計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機，傳動及導向元件的設計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。 確定系統(tǒng)脈沖當量 脈沖當量 δp 是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為 177。 因此選擇脈沖當量為 。 工作臺外形尺寸及重量初步估算 根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺簡圖，估算 X 向和 Y 向工作臺承載重量WX和 WY。 取 X 向導軌支撐鋼球的中心距為 410mm,Y 向導軌支撐鋼球的中心距為400mm,設計工作臺簡圖如下 : a. X 向拖板 (上拖板 )尺寸為 : 長 *寬 *高 =420*410*50 重量 :按重量 =體積 *材料比重估算為 : xW = 32420 410 50 10 10 N??? ? ? ? ? ? b. Y 向拖板 (下拖板 )尺寸為 : 420 400 50?? 重量 YW = 32420 400 50 10 10 N??? ? ? ? ? ? 工作臺簡圖 西安工程大學課程設計（報告） 5 c. 上導軌 (含電機 )重量為 23( 900 480 8 2 800 35 50) 10 10 487 .97 N??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 夾具及工件重量 :約 155N XY 工作臺運動部分總重量為 : 155 20xxWN? ? ? ? ? 滾動導軌副的計算、選擇 根據(jù)給定的工作載荷 Fz和估算的 Wx和 Wy 計算導軌的靜安全系數(shù) fSL=C0/P，式中： C0為導軌的基本靜額定載荷， kN；工作載荷 P=(Fz+W)； fSL=~(一般運行狀況 )， ~（運動時受沖擊、振動）。根據(jù)計算結果查有關資料初選導軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊 ,因此取 ? ,0 .5 ( )O S L X YX Y Z X YC f PP F W??? x Z XY Z YO X S L XO Y S L YP = ( F +W ) = ( 20 00 +67 8)=133 9NP = ( F +W ) = ( 20 00 +65 ) =13 27 .6NC =f P =4 13 35 .79 =53 43 .16 NC =f P =4 13 27 .6=5 31 N?? 根據(jù)計算額定靜載荷初選 導軌 : 選擇漢機江機床廠 HJGD 系列滾動直線導軌 ,其型號為 :HJGD25 基本參數(shù)如下 : 額定載荷 /N 靜態(tài)力矩 /N*M 滑座重量 導軌重量 導軌長度 動載荷 aC 靜載荷 oC AT BT CT gK /gKm L (mm) 17500 26000 198 198 288 760 滑座個數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復次數(shù) M Sl n 4 4 導軌的額定動載荷 17500aC ? N 依據(jù)使用速度 v（ m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 aC (kN)驗算導軌的工作壽命 Ln： 額定行程長度壽命 : 西安工程大學課程設計（報告） 6 ()H T C aWf f f CS fFTK? 20xx4 500MFMF ? ? ? 1 , 2 , 0 . 8 1 , 1 ,50oT W C HRdf f f fK? ? ? ??? 33 1 1 0 . 8 1 1 7 5 0 02 5 0 0( ) 5 0 ( ) 1 4 2 4 0 9 .5 8H T C aWf f f CS fFT K k m??? ? ?導軌的額定工作時間壽命 : 3102S oTH lnT ?? 3 31021 4 2 4 0 9 . 5 8 1 0 4 9 4 4 7 7 1 5 0 0 02 0 . 6 4 6 0SoTH lnT h T h? ?? ? ? ? ?? ? ? 導軌的工作壽命足夠 . 滾珠絲杠計算、選擇 初選絲杠材質： CrWMn 鋼， HRC58~60，導程： l0=5mm （ 1） 強度計算 絲杠軸向力： )( ,m a x yxzyx WFfKFF ??? (N) 其中： K=，滾動導軌摩擦系數(shù) f=~0005；在車床車削外圓時 ： Fx=(~)Fz，F(xiàn)y=(~)Fz，可取 Fx=， Fy=。 取 f=, 400ZF ? 則 : m a xm a xXF 200 0 100 0 200 0 120 0 100 0 ( 200 0 671 .58 ) 104 120 0 ( 200 0 655 .2) 125 ZYZXYFNF F NFN? ? ? ?? ? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? 壽命值：61060nTL?，其中絲杠轉速0maxlvn? (r/min) m a x061500020xx 40 0 / m i n560 40 0 15 00 0 36010ThvnrlL?? ? ????? 最大動載荷： FffLQ WH3? 式中： fW 為載荷系數(shù)，中等沖擊時為 ~； fH為硬度系數(shù)， HRC≥58 時為 。 西安工程大學課程設計（報告） 7 查表得中等沖擊時 , 1WHff??則 : 333 6 0 1 . 2 1 1 0 4 5 . 6 8 6 7 0 7 9 . 5 83 6 0 1 . 2 1 1 2 5 2 . 6 2 1 1 0 6 8 6 . 5 4XYQN? ? ? ? ?? ? ? ? ? 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號為 : CM 系列滾珠絲桿副 ，其型號為： CM20xx5。 其基本參數(shù)如下 : 其額定動載荷為 14205N yQ 足夠用 .滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式 ,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式 . 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表 名稱 計算公式 結果 公稱直徑 0d ―― 20mm 螺距 t ―― ５ mm 接觸角 ? ―― 045 鋼球直徑 bd ―― 螺紋滾道法向半徑 R ? 偏心距 e ( 2) si nbe R d ?? ?