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論 文(設(shè) 計(jì))任 務(wù) 書
課程編號
課程名稱
專業(yè)課課程設(shè)計(jì)(機(jī)電、數(shù)控)
周數(shù)
實(shí)施地點(diǎn)
班級
人數(shù)
起止時(shí)間
形式
√集中 □分散
指導(dǎo)教師
論文
(設(shè)計(jì))
進(jìn)度
安排
1.方案論證----------------------2天
2.機(jī)械部分設(shè)計(jì)------------------5天
3.電氣部分設(shè)計(jì)------------------3天
4.軟件設(shè)計(jì)----------------------2天
5.編寫說明書--------------------2天
6.準(zhǔn)備答辯及答辯----------------1天
論文
(設(shè)計(jì))
內(nèi)容
任務(wù)是:設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銑床上,用于銑削加工。具體參數(shù)如下:
系統(tǒng)分辨率為0.01mm,最大銑刀直徑Φ= 16 mm, 最大銑削寬度ae = 5 mm, 最大銑削深度ap,= 2 mm,加工材料為碳鋼,工作臺加工范圍 200 mm×150 mm,最大移動速度為3m/min,制系統(tǒng)為單片機(jī)控制系統(tǒng)。
設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括:
1.總體方案的確定
1)確定系統(tǒng)組成方案(組成框圖、功能、機(jī)械傳動系統(tǒng)簡圖、主要設(shè)計(jì)參數(shù),及方案分析、比較、說明)。
2.機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
1)確定脈沖當(dāng)量;2)機(jī)械部件的總體尺寸、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量的估算;3)傳動部件、導(dǎo)向部件的設(shè)計(jì)、計(jì)算和選用;4)步進(jìn)電動機(jī)計(jì)算、選用;5)繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖。
3.?dāng)?shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
1)確定數(shù)控裝置方案(組成框圖、功能、主要設(shè)計(jì)參數(shù),及方案分析、比較、說明)。2)電氣控制原理圖設(shè)計(jì)(CPU、存儲器、I/O接口電路及伺服驅(qū)動電路)。3)系統(tǒng)控制軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(控制流程圖)和部分功能控制軟件設(shè)計(jì)(匯編程序及流程圖)。
4.編寫設(shè)計(jì)說明書
要求
(包括紀(jì)律要求和報(bào)告書要求)
1.圖紙要求
1)機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖,A0圖紙一張。要求視圖基本完整、符合標(biāo)準(zhǔn)。其中至少有一個(gè)坐標(biāo)軸的完整剖視圖。
2)數(shù)控系統(tǒng)框圖(附在說明書上);
3)數(shù)控電器圖,A1圖紙一張;
4)軟件框圖(可附在說明書上)。
2.編寫設(shè)計(jì)說明書要求
說明書應(yīng)當(dāng)敘述整個(gè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容,包括總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、機(jī)械傳動設(shè)計(jì)計(jì)算、電氣部分的設(shè)計(jì)說明,選用元件及其具體參數(shù)的說明、軟件設(shè)計(jì)及其說明等,說明書的不少于8000字。
注:本表按自然班填寫。于動員時(shí)發(fā)給學(xué)生。不夠紙請另附頁。
前言
設(shè)計(jì)目的
數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的一個(gè)重要的實(shí)踐環(huán)節(jié),學(xué)生學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課,特別是“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用”課程后應(yīng)用的,它是培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、解決實(shí)際問題能力的重要步驟。本課程設(shè)計(jì)是以機(jī)電一體化的典型課題---數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定為主線,通過對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)總體方案的擬定、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計(jì),計(jì)算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì),使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過的機(jī)械、電子和微機(jī)方面的知識,進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全方面訓(xùn)練,從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計(jì)計(jì)算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過程中所遇到的問題的能力。
設(shè)計(jì)要求
課程設(shè)計(jì)是機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實(shí)踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設(shè)計(jì)可以初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想,了解有關(guān)的工業(yè)政策,學(xué)會運(yùn)用手冊、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料;培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實(shí)際能力,并在教師的指導(dǎo)下,系統(tǒng)地運(yùn)用課程和選修課程的知識,獨(dú)立完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)。
課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容是改造設(shè)備,實(shí)現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計(jì)訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)(或裝置)的設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)I/O接口設(shè)計(jì)和驅(qū)動電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計(jì)等。
說明書的內(nèi)容應(yīng)包括:課程設(shè)計(jì)題目總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機(jī)械傳動設(shè)計(jì)計(jì)算以及機(jī)械和電氣及其他部分(如環(huán)形分配器等)的說明。
該課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容及方法,可以歸納如下:
1.采用微型計(jì)算機(jī)(包括單片機(jī))進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。
2.選用驅(qū)動控制電路,對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。主要考慮計(jì)算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用,考慮電機(jī)選擇及驅(qū)動力矩的計(jì)算,控制電機(jī)電路的設(shè)計(jì)。
3.精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。主要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺傳動裝置的設(shè)計(jì)問題:要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行元件的主要功能(傳動運(yùn)動、動力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運(yùn)轉(zhuǎn)等),進(jìn)行力矩、負(fù)載功率、慣性(轉(zhuǎn)動慣量)、加(減)速控制和誤差計(jì)算。
4.學(xué)會使用手冊及圖表資料。
1.總體方案的確定
1.1設(shè)計(jì)參數(shù)
系統(tǒng)分辨率為0.01mm,其它設(shè)計(jì)參數(shù)如下表。
設(shè)計(jì)分組
最大銑刀直徑
最大銑削寬度ae
最大銑削深度ap
加工材料
工作臺加工范圍(mm)
最大移動速度
4
16mm
5mm
2mm
碳鋼
X=200,y=150
3m/min
工作臺草圖
1.2初選步進(jìn)電動機(jī)和絲杠
當(dāng)傳動比i=1時(shí),可用聯(lián)軸器直接將電機(jī)與絲杠連接,這種結(jié)構(gòu)有利于簡化結(jié)構(gòu),提高精度。由 i=(公式2-1) ①,θb為步進(jìn)電機(jī)步距角Lo為滾珠絲杠導(dǎo)程、為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。
選電動機(jī)型號為55BF009,其步矩角=
選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND) 其導(dǎo)程為4mm,
由傳動比公式得
故可用聯(lián)軸器將電機(jī)與絲杠直接連接。
預(yù)選由廣州菱科自動化設(shè)備有限公司生產(chǎn)的LK13系列剛性聯(lián)軸器(www.gzlink.com)。
1.3初定工作臺尺寸
查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊》,根據(jù)(GB/T 158-1996)選工作臺T型槽尺寸如下:
深度H=15mm
槽低寬度B=12mm
槽寬A=6mm
C=6mm
槽數(shù)=5,間隔=40mm
;
由工作臺加工范圍200*150選工作臺尺寸
240
20 20
20
200
20
初定滾珠絲杠長度L=340mm
B
B
50~60 Lx+B+10~20 35~45
1.4系統(tǒng)組成框圖
2.機(jī)械部分的設(shè)計(jì)
2.1傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算
2.1.1機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量查《指導(dǎo)書》表面2-18得
2.1.2絲杠的轉(zhuǎn)動慣量由《指導(dǎo)書》公式2-3有得
2.1.3工作臺轉(zhuǎn)動慣量
由于工作臺材料為碳鋼,故其質(zhì)量為
由于聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量小故可忽略不計(jì)
2.1.4總轉(zhuǎn)動慣量計(jì)算
2.2工作載荷分析及計(jì)算
銑削運(yùn)動的特征是主運(yùn)動為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn),進(jìn)給運(yùn)動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給(鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)給).銑刀的類型很多,但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.查《金屬切削手冊》P398常用銑刀介紹表,選擇細(xì)齒錐柄立銑刀, 其尺寸參數(shù)如下:D=16mm,齒數(shù)Z=4。
2.2.1
查《金屬切削手冊》P417細(xì)齒錐柄立銑刀切削用量表得銑削速度
查《銑工》表2-4,初選=0.03mm
因此可得
查《機(jī)械制造基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書》表4-15立式銑床主軸轉(zhuǎn)速表,選銑床型號X51,查其轉(zhuǎn)速表并將轉(zhuǎn)速圓整為
實(shí)際切削速度為
故實(shí)際
2.2.2
根據(jù)《指導(dǎo)書》表2-2得高速鋼銑刀銑削公式為
查《指導(dǎo)書》表2-3得銑削力系數(shù)
有
2.3進(jìn)給工作臺工作載荷計(jì)算
查《指導(dǎo)書》表2-4,有如下表格參數(shù)
比值
不對稱銑削
逆銑
順銑
1.2
0.9
0.3
0.8
0.4
0.4
故有縱向進(jìn)給方向
工作臺垂直進(jìn)給方向
工作臺橫向進(jìn)給方向
2.4滾珠絲杠螺母副的選型和校核
2.4.1最大工作載荷的計(jì)算
滾珠絲杠上的工作載荷為走刀抗力,移動體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。
由于選擇的導(dǎo)軌要求結(jié)構(gòu)緊湊,間隙調(diào)整方便,摩損小,有良好的精度保持性且運(yùn)動平穩(wěn),故選擇直線滾動導(dǎo)軌,在此設(shè)計(jì)中還要求導(dǎo)軌能承受一定的顛覆力矩,所以選擇燕尾導(dǎo)軌的實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算,由式2-11
將所得數(shù)據(jù)代入公式有:
2.4.2最大動負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸初選
滾珠絲杠最大運(yùn)載荷
由《指導(dǎo)書》中可知
2.4.3傳動效率計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的傳動效率為
查得(或可由算出)
2.4.4剛度驗(yàn)算
絲杠的拉壓變形量的計(jì)算
滿載時(shí)拉壓變形量:
滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
由《指導(dǎo)書》式2-17得
式中為滾珠直徑,
為滾珠總數(shù)量
滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算
絲杠總變形量
變形量要少于定位精度得一半,即0.01/2=0.005
=0.00369<0.005
因此符合設(shè)計(jì)要求。
2.4.5壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算
由《指導(dǎo)書》式2-18 失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為
絲杠截面慣量矩
查《指導(dǎo)書》表2-11得
穩(wěn)定性安全系數(shù)
故絲杠符合要求
2.5導(dǎo)軌的選型和計(jì)算
由于選擇的導(dǎo)軌為直線滾動導(dǎo)軌由《指導(dǎo)書》式2-20
L=50()
每個(gè)滑塊的的工作載荷
取硬度系數(shù)=0.53、=1、=0.81、=2
預(yù)設(shè)導(dǎo)軌壽命L=50KM 則根據(jù)此壽命可算出
= 3267kN
故選導(dǎo)軌型號GDA20SV符合要求,查《指導(dǎo)書》表2-16可知其=12.4KN
2.6驅(qū)動電機(jī)的選用
根據(jù)脈沖當(dāng)量和最大靜轉(zhuǎn)矩初選擇電機(jī)
2.6.1步距角的選擇
已知脈沖當(dāng)量
由公式2-23
2.6.2步進(jìn)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的選擇
查《指導(dǎo)書》表2-17得 步進(jìn)電機(jī)啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系有
2.6.2.1加速度力矩
2.6.2.2空載摩擦力矩(取傳動系統(tǒng)總效率)
.、
,
2.6.2.2附加摩擦力矩
為滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動效率取
故電機(jī)空載啟動力矩
作用在工作臺的合力的計(jì)算,逆銑的時(shí)候合力大
作用在工作臺上的合力折算到電機(jī)上的轉(zhuǎn)矩
運(yùn)動部件正常工作時(shí)的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩
故運(yùn)動部件正常運(yùn)行時(shí)需的最大靜轉(zhuǎn)矩
此處取0.5代入得
按步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩選擇要求
所以, 查表2-18選擇步進(jìn)電機(jī)55BF009
2.6.3啟動矩頻特性校核
查《指導(dǎo)書》圖2-21步進(jìn)電機(jī)啟動矩頻特性曲線
當(dāng)啟動力矩時(shí)對應(yīng)的允許啟動頻率,而由表2-18查得電機(jī)的啟動頻率
,保證了電機(jī)快速啟動時(shí)不丟步。
運(yùn)行矩頻特性校核
快速進(jìn)給運(yùn)行矩頻特性校核:
由式2-34得,快進(jìn)力矩
查《指導(dǎo)書》2-22得,允許快進(jìn)頻率
由式2-33得電機(jī)最高快進(jìn)頻率
,故電機(jī)快速進(jìn)給時(shí)不丟步。
2.6.4工進(jìn)運(yùn)行矩頻特性校核
工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率為
工進(jìn)時(shí)步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行所需力矩
工作負(fù)載力矩
查《指導(dǎo)書》圖2-22得 允許工進(jìn)運(yùn)行力矩
滿足設(shè)計(jì)要求,故可選用此電機(jī)。
3.數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
3.1硬件設(shè)計(jì)(硬件詳細(xì)接線圖見圖紙3)
8031
+
存儲器接口
輸入顯示 接口
MCX311
INT
限
位
X向編碼器控制
Y向編碼器控制
I/O
擴(kuò)展
接口
光耦
功放
X向電機(jī)
光耦
功放
Y向電機(jī)
3.2步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服原理
分配后的 脈沖信號
D
C
B
A
脈沖
信號源
脈沖分配器YBO14
功率
放大
脈沖信號
放大后的 脈沖信號
3.3步進(jìn)電動機(jī)的控制框圖
N
Y
設(shè)步長計(jì)數(shù)器
保護(hù)現(xiàn)場
轉(zhuǎn)向標(biāo)志為1
置正轉(zhuǎn)控制字指針
輸出控制字
是結(jié)束標(biāo)志
延時(shí)、控制字地址指針+1
返回
恢復(fù)現(xiàn)場
總步數(shù)為零
置反轉(zhuǎn)控制字
3.4軟件程序設(shè)計(jì)(逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ))
3.4.1
用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算,每走一步,都需要以下四個(gè)步驟:
偏差判別:判別偏差或,從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算公式。
坐標(biāo)進(jìn)給:根據(jù)直線所在象限及偏差符號,決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個(gè)方向進(jìn)給。
偏差計(jì)算:進(jìn)給一步后,計(jì)算新的加工偏差。
終點(diǎn)判別:進(jìn)給一步后,終點(diǎn)計(jì)數(shù)器減1。若為零,表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ);不為零,則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)判別可用兩個(gè)方向坐標(biāo)值來判斷,也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值來判斷。當(dāng)XE>YE,可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點(diǎn)判別的依據(jù),如動點(diǎn)X等于終點(diǎn)XE則停止。當(dāng)XE
=0?
Y方向進(jìn)給
=+X
Y=Y(jié)+1
=—Y
X=X+1
X=?
Y=?
返 回
X方向進(jìn)給
3.4.2程序設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)程序時(shí),在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值XE,YE,動點(diǎn)坐標(biāo)值X,Y,偏差FM。對8位機(jī),一般可用2字節(jié),而行程較大時(shí)則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外,所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始值、X、Y向步進(jìn)電機(jī)初態(tài)(控制字)。
插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下:
28H
29H
2AH
2BH
2CH
70H
XE
YE
X
Y
FM
電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字
電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為:
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
D1D0為X向電機(jī)控制位。D0=1運(yùn)行,D0=0停止;D1=1正轉(zhuǎn),D1=0反轉(zhuǎn)。D3D2為Y向電機(jī)控制位。D2=1運(yùn)行,D2=0停止;D3=1正轉(zhuǎn),D3=0反轉(zhuǎn)。
第一象限直線插補(bǔ)的程序:
ORG 2000H
MAIN:MOV SP, #60H
LP4: MOV 28H, #0C8H;
MOV 29H, #0C8H;
MOV 2AH, #00H;
MOV 2BH, #00H;
MOV 2EH, #00H;
MOV 70H, #0AH
LP3: MOV A, 2EH
JB ACC.7, LP1
MOV A, 70H
SETB ACC.0
CLR ACC.2
MOV 70H, A
LCALL MOTR
LCALL DELAY
MOV A, 2EH
SUBB A, 29H
INC 2AH
AJMP LP2
LP1: MOV A, 70H
SETB ACC.2
CLR ACC.0
LCALL MOTR
LCALL DELAY
MOV A, 2EH
ADD A, 28H
LP2: MOV 2EH, A
MOV A, 28H
CJMP A, 2AH, LP3;
RET
4.心得體會
我覺得這次專業(yè)課程設(shè)計(jì)是對過去所學(xué)專業(yè)知識的一個(gè)全面的綜合的運(yùn)用。在設(shè)計(jì)的過程中我全面地溫習(xí)了以前所學(xué)過的知識,包括機(jī)械專業(yè)課程和電路控制方面的基礎(chǔ)知識,經(jīng)過復(fù)習(xí)整理所學(xué)得專業(yè)知識使得設(shè)計(jì)思路清晰系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)使我更加接近生產(chǎn)實(shí)際,鍛煉了將理論運(yùn)用于實(shí)際的分析和解決實(shí)際問題的能力,鞏固、加深了有關(guān)機(jī)械設(shè)計(jì)方面的知識。
還有很重要的一點(diǎn)是讓我體會到了一個(gè)設(shè)計(jì)者的精神。在設(shè)計(jì)過程中既要自己不斷思考、創(chuàng)造,又要注意借用現(xiàn)有的資料,掌握了查閱和使用標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、手冊、圖冊、及相關(guān)技術(shù)資料的基本技能以及計(jì)算、繪圖、數(shù)據(jù)處理等方面的能力。
通過對通用機(jī)械零件、常用機(jī)械傳動或簡單機(jī)械的設(shè)計(jì),掌握了一般機(jī)械設(shè)計(jì)的程序和方法,有助于樹立正確的工程設(shè)計(jì)思想,培養(yǎng)獨(dú)立、全面、科學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)能力。
最后對在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中對我認(rèn)真、耐心輔導(dǎo)的等老師表示衷心的感謝!
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