月日攀枝花学院教务处制攀枝花学院本科学生课程设计任务书题目普通铣床的数字控制改造课程设计的目的专业课程综合训练目的是本使学生通过对所学主要专业课的综合应用，基本掌握般机电控制系统的设计方法及步骤。综合运用所学的基础知识和技能，进步提高学生的设计能力，培养学生创新意识和创新能力，提高控制系统分析设计的总体意识和工程实践能力。课程设计的内容和要求包括原始数据技术要求工作要求等设计内容要求对普通铣床进行数控改造，使之成为半自动化加工车床。设计内容包括总体方案设计机械传动改造方案设计控制系统硬件设计控制系统软件设计。最后将上述内容整理成设计说明书及图纸。设计结束后提交．字左右的课程设计论文.有机械设计的完成设计分析计算.系统硬件原理图及说明。.软件框图及其说明。主要参考文献张建民等，机电体化系统设计，北京高等教育出版社，年赵先仲，机电系统设计，北京机械工业出版社，年吴圣庄，金属切削机床概论，北京机械工业出版社，杨有君，数控技术，北京机械工业出版社，课程设计工作进度计划内容学时总体方案设计机械传动方案的分析与计算系统硬件设计系统软件设计系统性能验算绘制所需的各类图及编制技术文件合计周指导教师签字日期年月日教研室意见年月日学生签字接受任务时间年月日注任务书由指导教师填写。目录.引言.设计任务.总体方案的确定导轨副的选用丝杠螺母副的选用减速装置的选用伺服电动机的选用检测装置的选用.控制系统的设计.绘制总体方案图.机械传动部件的计算与选型.导轨上移动部件的重量估算.铣削力的计算.直线滚动导轨副的计算与选型纵向块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取距离额定寿命的计算.滚珠丝杠螺母副的计算与选型最大工作载荷的计算最大动工作载荷的计算初选型号传动效率η的计算刚度的验算压杆稳定性校核.步进电动机减速箱的选用.步进电动机的计算与选型计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩步进电动机最大静转矩的选定步进电动机的性能校核.增量式旋转编码器的选用.绘制进给传动系统示意图．工作台控制系统的设计．步进电动机的驱动电源选用.选择单片机的控制系统计控制软件设计致谢.参考文献.引言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电体化，使机械工业的技术结构产品机构功能与构成生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电体化”为特征的发展阶段。数控工作台是许多机电体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构数控铣床和数控钻床的工作台激光加工设备的工作台电子元件表面贴装设备等。模块化的数控工作台，通常由导轨座移动滑块工作滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在方向的直线移动。导轨副滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。.设计任务题目数控工作台设计任务设计种供应式数控铣床使用的数控工作台，主要参数如下.立铣刀最大直径的.立铣刀齿数.最大铣削宽度.最大背吃刀量.每齿进给量加工材料为碳素钢活有色金属。.方向的脉冲当量方向的定位精度均为.加工范围为.工作台空载进给最快移动速度.工作台进给最快移动速度.总体方案的确定.机械传动部件的选择导轨副的选用腰设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足.冲当量和的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高动态响应快运转平稳寿命长效率高预紧后可消除反向间隙。减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到.，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，两个坐标的导轨副丝杠螺母副减速装置伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。.控制系统的设计设计的工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。对于步进电动机的半闭环控制，选用系列的位单片机作为控制系统的，能够满足任务书给定的相关指标。要设计台完整的控制系统，在选择之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，接口电路，转换电路，串行接口电路等。选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。.绘制总体方案图总体方案图如图所示。总体方案图.机械传动部件的计算与选型.导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件夹具工作台上层电动机减速箱滚珠丝杠副导轨座等,估计重量约为.铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表查得立铣时的铣削力计算公式为今选择铣刀的直径为，齿数,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为，背吃刀量，每齿进给量，铣刀转速。则由式求的最大铣削力主切削力，总切削力在铣刀主运动方向上的分力，即沿铣刀外圆切线方向上的分力，是主要消耗功率的力进给力,总切削力在纵向进给方向上的分力横向进给力,总切削力在横向进给方向上的分力垂直进给力，总切削力在垂直进给方向上的分力采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为。图为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为.直线滚动导轨副的计算与选型纵向块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的工作台为水平布置，采用双导轨四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为其中，移动部件重量，外加载荷，代入式，得最大工作载荷.。查表根据工作载荷.，初选直线滚动导轨副的型号为系列的型，其额定动载荷，额定静载荷。任务书规定加工范围为，考虑工作行程应留有定余量，查表选取导轨的长度为。距离额定寿命的计算上述所取的系列系列导轨副的滚道硬度为，工作温度不超过，每根导轨上配有两只滑块，精度为级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数.，温度系数.，接触系数.，精度系数.，载荷系数.，代入式，得距离寿命远大于期望值，故距离额定寿命满足要求。.滚珠丝杠螺母副的计算与选型最大工作载荷的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷与丝杠轴线平行,受到横向载荷与丝杠轴线垂直，受到垂直方向的载荷与工作台面垂直.已知移动部件总重量，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数.，滚动导轨上的摩擦系数.。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷最大动工作载荷的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度，初选丝杠导程,则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命,代入,得丝杠寿命系数单位为。查表，取载荷系数.,滚道硬度为时，取硬度系数.,代入式，求得最大动载荷初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的系列型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为，导程为，循环滚珠为圈系列，精度等级取级，额定动载荷为，大于，满足要求。传动效率η的计算将公称直径,导程,代入∏，得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入η,得传动效率η。刚度的验算工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推单推”的方式。丝杠的两端各采用对推力角接触球轴承，面对面组配，左右支承的中心距约为钢的弹性模量.х查表得滚珠直径.，丝杠底径.,丝杠截面积.。忽略式中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉压变形量。根据公式，求得单圈滚珠数该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为，代入公式圈数列数，得滚珠总数量。丝杠预紧时，取轴向预紧力。则由式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的，所以实际变形量可以减少半，取.。将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量对应跨度本例中，丝杠的有效行程为，由表知，级精度滚珠丝杠有效行程在时，行程偏差允许达到，可见丝杠刚度足够。压杆稳定性校核根据公式计算失稳时的临界载荷。取支承系数由丝杠底径.求得截面惯性矩.压杆稳定安全系数取丝杠卧式水平安装滚动螺母至轴向固定处的距离取最大值。代入式，得临界载荷，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。.步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装套齿轮机减速，采用级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。已知工作台的脉冲当量.脉冲，滚珠丝杠的的导程，初选步进电动机的步距角.。根据式，算得减速比本设计选用常州市新月电机有限公司生产的型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为，齿数比为，材料为调质钢，齿表面淬硬后达到。减速箱中心距为,小齿轮厚度为，双片大齿轮厚度均为。.步进电动机的计算与选型计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量已知滚珠丝杠的公称直径，总长，导程，材料密度.移动部件总重力小齿轮齿宽.，直径，大小齿轮齿宽，直径传动比。如表所示，算得各个零部件的转动惯量如下滚珠丝杠的转动惯量.•拖板折算到丝杠上的转动惯量.•小齿轮的转动惯量.•大齿轮的转动惯量.•。初选步进电动机的型号为,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为.，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量•。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为.•计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由式可知，包括三部分部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩还有部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有根据式，考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩