【文章內(nèi)容簡介】 在我國對(duì)外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競(jìng)爭能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。 21 世紀(jì)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(gè)方面 :為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過程的自適應(yīng)控制 ,工藝參數(shù)自動(dòng)生成 。為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求 ,也是實(shí)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(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢(shì)。 課 程設(shè)計(jì)的目的和意義 課程設(shè)計(jì)是 培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所學(xué)過的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是： 1. 能夠正確運(yùn)用《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、比較、分析和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力； 2. 通過機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟； 3. 通過測(cè)試及控制系統(tǒng)方案 設(shè)計(jì)，掌握機(jī)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(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說明書的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。 西安工程大學(xué)課程設(shè)計(jì)（報(bào)告） 2 第二章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)題目 ： 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用 XY 工作臺(tái)。 已知條件： 定位精度： 177。， ，負(fù)載 G=150N，加工范圍 500mm*50mm,最快移動(dòng)速度 1m/min 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 裝置總體方案的確定 (1).數(shù)控裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定； (2).方案 的分析，比較，論證。 (1).確定脈沖當(dāng)量； (2).機(jī)械部件的總體尺寸及重量的初步估算； (3).傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算和選用； (4).確定伺服電機(jī)； (5).繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖； (6).系統(tǒng)等效慣量計(jì)算； (7).系統(tǒng)精度分析。 (1).微機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)； (2).I/O 接口電路及伺服控制電路的設(shè)計(jì)和選用； (3).系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 西安工程大學(xué)課程設(shè)計(jì)（報(bào)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(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系 統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)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(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī) .開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用。 .考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán) 伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇 采用 MCS51 系列中的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。 MCS51 單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高。控制系統(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、 I/O 接口及光電隔離電路、步進(jìn)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(shí)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(tái)的傳動(dòng)方式 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量 和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。 考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。系統(tǒng)總體框圖如下 : 圖 31 系統(tǒng)總體框圖 西安工程大學(xué)課程設(shè)計(jì)（報(bào)告） 4 第五章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量 δp 是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由于定位精度為 177。 因此選擇脈沖當(dāng)量為 。 工作臺(tái)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(tái)簡圖，估算 X 向和 Y 向工作臺(tái)承載重量WX和 WY。 取 X 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?410mm,Y 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設(shè)計(jì)工作臺(tái)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(tái)簡圖 西安工程大學(xué)課程設(shè)計(jì)（報(bào)告） 5 c. 上導(dǎo)軌 (含電機(jī) )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(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為 : 155 20xxWN? ? ? ? ? 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇 根據(jù)給定的工作載荷 Fz和估算的 Wx和 Wy 計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù) fSL=C0/P，式中： C0為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷， kN；工作載荷 P=(Fz+W)； fSL=~(一般運(yùn)行狀況 )， ~（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)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(jì)算額定靜載荷初選 導(dǎo)軌 : 選擇漢機(jī)江機(jī)床廠 HJGD 系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 ,其型號(hào)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(dǎo)軌重量 導(dǎo)軌長度 動(dòng)載荷 aC 靜載荷 oC AT BT CT gK /gKm L (mm) 17500 26000 198 198 288 760 滑座個(gè)數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復(fù)次數(shù) M Sl n 4 4 導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷 17500aC ? N 依據(jù)使用速度 v（ m/min）和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 aC (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命 Ln： 額定行程長度壽命 : 西安工程大學(xué)課程設(shè)計(jì)（報(bào)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(dǎo)軌的額定工作時(shí)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(dǎo)軌的工作壽命足夠 . 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 初選絲杠材質(zhì)： CrWMn 鋼， HRC58~60，導(dǎo)程： l0=5mm （ 1） 強(qiáng)度計(jì)算 絲杠軸向力： )( ,m a x yxzyx WFfKFF ??? (N) 其中： K=，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) f=~0005；在車床車削外圓時(shí) ： 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(zhuǎn)速0maxlvn? (r/min) m a x061500020xx 40 0 / m i n560 40 0 15 00 0 36010ThvnrlL?? ? ????? 最大動(dòng)載荷： FffLQ WH3? 式中： fW 為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為 ~； fH為硬度系數(shù)， HRC≥58 時(shí)為 。 西安工程大學(xué)課程設(shè)計(jì)（報(bào)告） 7 查表得中等沖擊時(shí) , 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(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為 : CM 系列滾珠絲桿副 ，其型號(hào)為： CM20xx5。 其基本參數(shù)如下 : 其額定動(dòng)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(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式 . 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表 名稱 計(jì)算公式 結(jié)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 ?? ?