【正文】 器、微型計算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個基本要素：機(jī)械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。s CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. key words: Integration of machinery foundation basic ponent elements characteristic trend of development.目 錄第一章 前言 4第二章 課程設(shè)計的目的、意義及要求 6第一節(jié) 課程設(shè)計的目的、意義 6第二節(jié) 課程設(shè)計的要求 6第三章 課程設(shè)計的內(nèi)容 7第一節(jié) 課程設(shè)計的內(nèi)容 7第二節(jié) 課程設(shè)計的內(nèi)容 7第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 8第五章 機(jī)械部分設(shè)計 9第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 9第二節(jié) 工作臺外形尺寸及重量初步估算 9第三節(jié) 滾動導(dǎo)軌副的計算、選擇 9第四節(jié) 滾珠絲杠計算、選擇 11第五節(jié) 齒輪計算、設(shè)計 13第六節(jié) 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計算 14第七節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的計算選擇 15第六章 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 17第一節(jié) 設(shè)計內(nèi)容 17第二節(jié) 設(shè)計步驟 17第三節(jié) 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 21第七章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計 22第八章 結(jié)束語與致謝 29第九章 參考文獻(xiàn) 30第一章 前言一、當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀在我國對外開放進(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(shù)及裝備的幾點看法。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運動和工作過程進(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。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 ,他對國計民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率 ,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國的上海通用汽車公司 ,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。為了實現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。但過去因 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因 ,其價格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍 ,加之編程技術(shù)難度較大 ,制約了 5 軸聯(lián)動機(jī)床的發(fā)展。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床 含 5 面加工機(jī)床 的發(fā)展。為提高驅(qū)動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)運算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上 ,面向機(jī)床廠家和最終用戶 ,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會的一個新亮點。（二）、對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期 ,即引進(jìn)技術(shù) ,消化吸收 ,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進(jìn)入市場競爭階段。（三）、對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考(1) 、戰(zhàn)略考慮。首先從社會安全看 ,因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 ,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力 ,保障社會的穩(wěn)定。(2)、發(fā)展策略。強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、曲型數(shù)字化機(jī)械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品。當(dāng)然 ,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。其目的是：1. 能夠正確運用《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計》課程的基本理論和相關(guān)知識，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點和設(shè)計思想、設(shè)計方法，了解設(shè)計方案的擬定、比較、分析和計算，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)計的初步能力；2. 通過機(jī)械部分設(shè)計，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法和步驟；3. 通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計，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)計提高學(xué)生應(yīng)用手冊、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。設(shè)計說明書應(yīng)敘述清楚、表達(dá)正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù)語符合標(biāo)準(zhǔn)。已知條件：定位精度：177。 (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).傳動元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計，計算和選用；(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)等效慣量計算；(7).系統(tǒng)精度分析。 (1).機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖，A0圖紙1張。其中至少要有一個坐標(biāo)軸的完整剖視圖；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)計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。1. 系統(tǒng)運動方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標(biāo)軸的運動有精確的運動關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。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合得到廣泛應(yīng)用。3. 計算機(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)?？刂葡到y(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。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。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。 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。第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量δp是一個進(jìn)給指令時工作臺的位移量，應(yīng)小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為177。取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?10mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設(shè)計工作臺簡圖如下:工作臺簡圖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: = Y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量=上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為夾具及工件重量:約155NXY工作臺運動部分總重量為:第三節(jié) 滾動導(dǎo)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(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=~(一般運行狀況)，~（運動時受沖擊、振動）。取f=,則:壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)最大動載荷：式中：fW為載荷系數(shù)，~；fH為硬度系數(shù)，HRC≥。其基本參數(shù)如下:其額定動載荷為14205N ,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)的計算如下表名稱計算公式結(jié)果公稱直徑――20mm螺距――５mm接觸角――鋼球直徑――螺紋滾道法向半徑偏心距螺紋升角螺桿外徑螺桿內(nèi)徑螺桿接觸直徑螺母螺紋外徑螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）（2） 傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為：式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。（4） 剛度驗算滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm)Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計。第五節(jié) 齒輪計算、設(shè)計因步進(jìn)電機(jī)步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實現(xiàn)脈沖當(dāng)量,在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動.齒輪傳動比： ，初選步進(jìn)電機(jī)步距角：α= ?/step。對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。若取，則Ｓ＝，且。取=（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝，==。第二節(jié) 設(shè)計步驟。即中央處理單元CPU2． 總線。3． 存儲器。4． 接口。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：中央處理單元CPU存儲器RAMROM外設(shè)：鍵盤，顯示器，打