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1、机械工程学院课程设计说明书 设计题目：数控工作台设计学 生： 贾 银 涛 班 级： 机 自 094 学 号： 时间：2012年11月19日2012年12月29日 课程设计 任务书题目：数控工作台设计时间：2012年11月19日2012年12月29日，共六周 要求：该工作台可安装在钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。设计参数如下：X方向的脉冲当量为：0.01/step；最大钻孔直径15，铣刀直径的d=32mm;齿数为4；加工材料为碳钢；工作台行程范围是：400X320,；最大快速移动速度为：3m/min,具体任务：1、 确定总体方案，绘制系统组成图一张（A3）2、 机械部分设计计算，选择适当的元器件；
2、3、 画出X-Y工作台外形图和X向机械部分装配图一张(A0)4、 设计控制系统硬件电路,画出控制系统硬件电路图一张（A1）5、 编写设计说明书1分，（不少于8000）班 级： 机 自 094 学 生： 贾 银 涛 指导老师： 黄 崇 莉2012年11月目录 1前言 4 2、课程设计的目的、意义及要求 5 3课程设计的内容 、 7 4数控系统总体方案的确定 8 5机械部分的设计 9 6滚珠丝杠螺母副的选型和校核 10 7导轨的选型和计算 12 8 驱动电机的选用 13 9 数控系统的设计 1610 心得体会 2411 参考书籍 26 设计目的数控技术是数字程序控制数控机械实现自动工作的技术。它广
3、泛用于机械制造和自动化领域，较好地解决多品种、小批量和复杂零件加工以及生产过程自动化问题。随着科技的迅猛发展，自动控制技术已广泛地应用于数控机床、机器人以及各类机电一体化设备上。同时，社会经济的飞速发展，对数控装置和数控机械要求在理论和应用方面有迅速的发展和提高。数控加工和编程毕业设计是数控专业教学体系中构成数控加工技术专业知识及专业技能的重要组成部分，我们学会了对相关学科中的基本理论、基本知识进行综合运用，同时使对本专业有较完整的、系统的认识，从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的，培养和提高了综合分析问题和解决问题的能力，以及培养了科学的研究和创造能力。 数控技术不断的发展，数控技术很快会
4、普极中国工业基地，成为工业发展的标志，数控技术的成熟也是当代科技发展的标志，所以数控技术也是国家经济的体现，中国经济正加快向新兴工业化道路发展，制造业已是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。这个课程设计是以机电一体化的典型课题-数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养自身具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能
5、力。设计要求课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在老师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。说明书的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。该课程设计的内容及方法，可以归纳如下：
6、1.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。3.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。一.总体方案的确定1.1设计参数其设计参数如下表： 最大铣刀直径最大钻孔直径加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速
7、度32mm15mm碳钢X=400,y=3203m/min工作台草图1.2初选步进电动机和丝杠可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由 ，b为步进电机步距角，Lo为滚珠丝杠导程，为系统脉冲当量； 选电动机型号为55BF009，其步矩角= 选丝杠规格为2005-3(FYND)其导程为4mm,由传动比公式得 故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。1.3初定工作台尺寸 查机电一体化设计手册，根据(GB/T 158-1996)选工作台T型槽尺寸如下：深度H=15mm 槽低宽度B12mm 槽宽A6mm C6mm槽数5，间隔40mm由工作台加工范围400*320选工作台尺寸 400
8、20 20 20320 20初定X向滚珠丝杠长度L460mm B B 5060 Lx+B+10203545二.机械部分的设计2.1传动系统X向等效转动惯量计算2.1.1机转子转动惯量 联轴器 D回转体直径， L回转体长度，g 重力加速度； 2.1.2丝杠的转动惯量 得 2.1.3工作台转动惯量由于工作台材料为碳钢，故其质量为由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计2.1.4总转动惯量计算2.2工作载荷分析及计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀,铣
9、刀材料选择高速钢.查金属切削手册常用铣刀介绍表，选择细齿锥柄立铣刀， 其尺寸参数如下：d=32mm,齿数Z=4。2.2.1查金属切削手册细锥柄立铣刀切削用量表得铣削速度查铣工表24，初选0.03mm因此可得 查机械制造基础课程设计指导书表4-15立式铣床主轴转速表，选铣床型号X51，查其转速表并将转速圆整为实际切削速度为 故实际2.2.2根据机电一体化系统设计课程设计指导书表3-7得高速钢铣刀铣削公式为 查机电一体化系统设计课程设计指导书表3-8得铣削力系数=118有2.3进给工作台工作载荷计算有如下表格参数比值不对称铣削逆铣顺铣120903080404故有纵向进给方向工作台垂直进给方向工作台
10、横向进给方向2.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核2.4.1最大工作载荷的计算滚珠丝杠上的工作载荷为走刀抗力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于选择的导轨要求结构紧凑，间隙调整方便，摩损小，有良好的精度保持性且运动平稳，故选择直线滚动导轨，在此设计中还要求导轨能承受一定的颠覆力矩，所以选择燕尾导轨的实验公式进行计算， 将所得数据代入公式有：2.4.2最大动负载C的计算及主要尺寸滚珠丝杠最大运载荷 2.4.3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为 查得（或可由算出）2.4.4刚度验算丝杠的拉压变形量的计算满载时拉压变形量： 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量有预紧时式中为滚珠直径，为滚
11、珠总数量滚珠丝杠副刚度的验算丝杠总变形量变形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005=0.004890.005因此符合设计要求2.4.5压杆稳定性验算 由机电一体化系统设计课程设计指导书式3-28 失稳时的临界载荷为 丝杠截面惯量矩 查表3-34，双推得 稳定性安全系数 故丝杠符合要求2.5导轨的选型和计算由于选择的导轨为直线滚动导轨由机电一体化系统设计课程设计指导书表3-36到表340L50（）每个滑块的工作载荷取硬度系数0.53、=1、0.81、2 预设导轨寿命L=50km 则根据此寿命可算出 32.67kN故选导轨型号GDA20SV符合要求，知其=12.4KN2.6驱动电机的选
12、用根据脉冲当量和最大静转矩初选择电机2.6.1步距角的选择已知脉冲当量由公式2.6.2步进电机输出转矩的选择查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-3得 步进电机启动转矩与最大静转矩的关系有2.6-2.1加速度力矩 2.6-2.2空载摩擦力矩（取传动系统总效率）,2.6.2.2附加摩擦力矩 为滚珠丝杠未预紧时的传动效率取故电机空载启动力矩作用在工作台的合力的计算，逆铣的时候合力大作用在工作台上的合力折算到电机上的转矩运动部件正常工作时的总负载转矩故运动部件正常运行时需的最大静转矩 此处取0.5代入得按步进电机最大静转矩选择要求所以， 查表2-18选择步进电机55BF009 具体参数如下品牌/型
13、号：YIMA/55BF009 额定功率：相数 4（kW）W 额定电压：27（V）V 额定转速：电流 3（rpm）r/min 外形尺寸：70（mm）mm 产品认证：ISO9001-2000-型号：55BF009相数：4步距角：0.9/1.8电压：27V电流：3A保持转矩：0.748（8）N.M2.6.3启动矩频特性校核步进电机启动矩频特性曲线如下：型号：55BF009当启动力矩时对应的允许启动频率，而由表4-3查得电机的启动频率，保证了电机快速启动时不丢步。运行矩频特性校核快速进给运行矩频特性校核：快进力矩查机电一体化系统设计课程设计指导书4-17得，允许快进频率由式4-3得电机最高快进频率，故
14、电机快速进给时不丢步。2.6.4工进运行矩频特性校核工进时步进电机的运行频率为工进时步进电机运行所需力矩 工作负载力矩查机电一体化系统设计课程设计指导书图4-7得 允许工进运行力矩 满足设计要求，故可选用此电机。3.数控系统的设计3.1硬件设计（硬件详细接线图见图纸3）3.2步进电机开环伺服原理控制系统的原理框图CPU选用8031扩展了一片EPROM芯片2764用作程序存储器，存放系统底层程序；扩展 了一片SRAM芯片6264用作数据存储器，存放用户程序；键盘与LED显示采用8155来管理；输入输出接口的扩展选用了并行接口8255芯片。（2）简介1）8031：包含一个8位CPU，128字节的R
15、AM，两个16位的定时器，四个8位并行口，一个全双功能串行口，可扩展的外部程序存储器和数据存储器的容量含64K字节，具有5个中断源并配有两个优先级，还有21个特殊功能寄存器。他是一个有40根引脚的双列直插式器件。复位电路芯片27646264键盘显示8155 CPU8031接口芯片8255限位开关隔离放大X向步进电动机操作面板开关控制系统原理框图V编程和正常操作的电源电压端，电压为+5V；V：地电平。P口：8位双向I/O口，既是数据线，又是低8位地址线，分时使用。P口：8位双向I/O口，可供用户使用的接口。P口：8位双向I/O口，系统外部存储器扩展时，作高8位地址线使用，系统扩展时，也可供用户使
16、用。P口：8位双向I/O口，是一个双功能口；第一个功能和P一样可以作为通用I/O口，工作于第二功能时，各端口定义如下：P-RXD，串行输入 ； P-TXD，串行输出；P-,外部中断输入； P-，外部中断输入；P-T，定时器O外输入端； P-T，定时器1外输入端；P-,写信号； P-,读信号；ALE/PROG:访问外部存储器时，用于锁定地址低8位字节的地址锁存允许输出。ALE提供一个定时信号，在与外部存储器存取数据时，把P口的低位地址字节锁存到外接的锁存器中。PSEN：程序存储器允许输出，是外部程序存储器的读选信号。/V:为高电平时，CPU执行程序内部程序存储器的指令。为低电平时CPU执行外部程
17、序存储器指令。使用8031单片机必须接地。XTAL1：振荡器的反相放大器输入，使用外部时必须接地；XTAL2：振荡器的反相放大器输出，使用外部振荡器时，接受外部震荡信号；R/VDP：复位控制，在震荡运行时，使RST引脚至少保持；两个机器周期为高电平时，可实现复位操作。VPD引脚是掉电电路输入口。2）2764：程序存储器 容量为8KBA-A：地址输入线，共13根；D-D: 数据输出线，共8根；：片选线，低电平有效；：数据输出选通线，低电平有效；:编程脉冲输入线；V：编程电源； 进行片内存储单元的选择，先把A-A引脚与地址锁存器8位地址对应连接，剩下的高位地址A-A与P口的P-P相连。这样2764
18、芯片内存储单元的选择问题就解决了。3）6234：数据存储器，容量为8K字节A-A:地址输入线，共13根；IO-IO:三态双向数据线，共8根 ；、:片选信号端，选通时是低电平，是高电平；:选通信号输入线，低电平有效；:写选通信号输入线，低电平有效；V：+5V电源；GND：地电平；（CS）：高电平有效，可用于掉电保护；4）74LS373：地址锁存器单片机规定P口提供低8位地址线。同时又要作为数据线，所以P是一个分时输出低8位地址和数据通道。为了把地址信息分离出来保存，提供外接存储器的低8位地址信息，Q-Q是输出端，CE是片选端，选通端G与8031单片机的地址锁存信号ALE连接， 当选通端G=1时，
19、74LS373的输出端与输入端相通，当G端从高电平返回低电平时，输入信息就被锁存入Q-Q中。5) 74SL138 3-8译码器即对三个输入信号进行译码，得到8个输出状态；G、和为使能端或译码允许端，当G=1时，=0时，该译码器可以译码，CBA为译码选择端，即译码信号输入。-为译码输出信号，低电平有效。输入端占用8031单片机的P-P三根高位地址线，剩余13根地址线用作数据存储器的内地址线。74LS138每一个输出端可接一个外部芯片的片选端实现分时片选控制，因此一个74LS138的8根输出端可以连接8个8K字节地址空间。6) 8255：是可编程通用并行接口芯片，具有40个引脚，双列直插封装，由+
20、5V供电，ABC三个口线共24根，与外设相连，而8位的数据线D- D与P口连接，是双向三态，在内部经数据总线缓冲电路后和各组控制寄存器及个端口数据寄存器连接。 为片选信号，由地址译码器产生，低电平有效。地址信号A、A由8255内部译码生成四个口地址分别对应A、B、C三个独立的数据端口及一个公共控制端口。两个低电平有效的信号和决定了CPU;当=0时，由CPU写入8255.RESET为复位信号，高电平有效。复位后，控制存储器的内容被撤除，A、B、C三个端口全置成输入方式且锁存器也全清零。方式选择开关通过接口芯片8255与8031单片机连接，选择开关动片接地，选择开关的固定片接到并行PA口，将PA口
21、设置成输入方式PA的8个接口经上拉电阻接+5V，故为高电平。若某个接口被选中，则被选中的接口经动片接地变为低电平。（3）应用1) 方式选择开关方式选择开关是一单刀6掷的波段开关，提供选择的方式有编辑、空运行、自动、手动、通信和单段，总共6种功能。方式选择开关通过接口芯片8255与8031单片机连接，如图3所示.选择开关动片接地,选择开关的动定片接到并行PC 口，将PC口设为输入方式。PC的6个接口经上位电阻接+5V，故为高电平。若控制面板方式选择开关控制电路某个接口被选中，则被选中的接口经动片接地，变为低电平。2）键盘接口设计键盘和显示器是数控系统经常用的人机对话的外围设备，键盘可以完成程序数
22、据的输入，显示器显示计算机运行时的状态数据。键盘和显示器接口电路使用8155接口芯片，键盘接口电路8155和8031可以直接连接。因电路中的8155只作为并行接口使用，不使用内部存储器，故IO/M引脚直接经电阻R接高电平。8155与键盘的连接如图4键盘排成5行8列矩阵，共40个键。PC0PC4是5根行线，PB0PB7是8根列线，在列线与行线的交叉点上安装有按键PB口的8根列线按一定时间隔轮流输出低电平。当扫描到莫一列线上时，若无按键按下，则行线都是高电平；若有一键按下时，交叉点上对应的行线变为低电平。这个低电平信号被计算机捕获后，根据此键对应的行线和列线的位置，计算机可以判断键值，完成一次输入
23、扫描工作。 键盘电路3）光电耦合电路如图所示，其输出端由+12V电源供电，输出端由+5V电源供电，且两端电源不共地，这样就达到了隔离的效果。图中的限位开关断开时，发光二极管无正向导通电流；不发光，输出端的晶体管截止，输出信号为高电平；限位开关闭合时，输出端构成回路，二极管有正向导通电流，开始发光，光敏晶体管的基极获得电流，集电极和发射极导通，输出信号被拉低，于是8255的PC0引脚变为低电平，CPU读取后判断限位信号有效。光电藕合电路4）辅助电路为了防止机床行程越界，所以在机床上装有行程控制开关。为了防止意外，装有急停按钮。由于这些开关都安装在机床上，距控制箱较近容易产生电气干扰，为了避免这种
24、情况的发生，在电路和接口之间实行光电隔离，为了报警，还设有报警电路。当绿色的发光二极管亮时表示工作正常，当红色的发光二极管亮时表示工作台已到极限位置。分配后的 脉冲信号DCBA脉冲信号源脉冲分配器YBO14功率放大脉冲信号放大后的 脉冲信号4.心得体会在这次专业课程设计中，我对过去所学专业知识的一个全面的综合的运用。在设计的过程中我不断地温习所学过的知识，包括机械专业课程和电路控制方面的基础知识，经过复习整理所学得专业知识和查阅资料以及在上网学习不懂的知识，设计了这个系统。通过设计使我更好的对过去所学知识进行了巩固，锻炼了自己的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了专业课机械设计方面的知识。在
25、设计过程中既要自己不断思考、创造，又要注意借用现有的资料，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、CAD绘图、数据处理等方面的能力。通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械的设计，掌握了一般机械设计的程序和方法，有助于树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的机械设计能力。经过紧张而有辛苦的六周的课程设计结束了当我快要完成任务的时候，我感觉自己学到了很多东西。课程设计是我们专业课程知识综合应用的实践训练，是我们迈向社会，从事职业工作前一个必不少的过程“千里之行始于足下”，通过这次课程设计，我深深体会到这句千古名言的真正含义我今天认真的进行课程设计，学会脚
26、踏实地迈开这一步，就是为明天能稳健地在社会大潮中奔跑打下坚实的基础课程设计真的有点累然而，当我看着自己的设计成果，漫漫回味这六周的心路历程，一种少有的成功喜悦即刻使倦意顿消虽然这还不是我走上社会的第一步，但这也是人生的一点小小的胜利，它令我感到自己成熟的许多，另外我有了一中“春眠不知晓”的感悟 通过这次课程设计，使我深深体会到，干任何事都必须耐心，细致课程设计过程中，许多计算有时不免令我感到有些心烦意乱：有2次因为不小心我计算出错，只能毫不情意地重来但一想起老师们平时对我们耐心的教导，想到今后自己应当承担的社会责任，想到世界上因为某些细小失误而出现的令世人无比震惊的事故，我不禁时刻提示自己，一
27、定要养成一种高度负责，认真对待的良好习惯这次课程设计使我在工作作风上得到了一次难得的磨练。不长不短时间的课程设计，让我发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，几年来的学习了那么多的课程，今天才知道自己并不会用想到这里，我真的有点心急，这说明课程设计确实使我你有收获了。 最后，我要感谢我的老师，我感谢老师您今天又为我上了大学所剩不多的一堂课，以后做事做人都要认真自习，不要干事的时候敷衍了事。无论做人还是做事，都要有个正确的态度。参考文献何立民. 单片机高级教程 北京：北京航空航天大学出版社 ，2000 尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书. 合肥工业大学：机械工业出版社，2007辛安. 机械制造装备设计. 北京：机械工业出版社 ，2006 何宁. 机械制造技术基础：高等教育出版社 ，2011 周开勤. 机械零件手册 第五版. 北京：高等教育出版社 ,2001周湛学. 铣工. 化学工业出版社 ，2005