设计数控车床轴工作台和控制系统设计摘要我设计的是车床轴工作台和控制系统，采用单片机控制步进电动机驱动工作台。首先确定设计的总体方案，然后对车床的机械部分进行设计，其中包括工作台滚动导轨滚珠丝杠步进电动机的设计和选用，最后对数控系统硬件和软件设计。新代的系统这类典型机电体化产品正朝着高性能智能化系统化以及轻量微型化方向发展。关键词数控车床工作台控制系统前言当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进步深化的新环境下,发展我国数控技术及装备提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电体化产品,其技术范围覆盖很多领域。数控技术的发展趋势。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化,使制造业成为工业化的象征,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大,他对国计民生的些重要行业汽车轻工医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看,其主要研究热点有以下几个方面高速高精加工技术及装备的新趋势轴联动加工和复合加工机床快速发展智能化开放式网络化成为当代数控系统发展的主要趋势二对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于年,近年的发展历程大致可分为三个阶段第阶段从年到年,即封闭式发展阶段。在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”“七五”期间以及“八五”的前期,即引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段,由于改革开放和国家的重视,以及研究开发环境和国际环境的改善,我国数控技术的研究开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间,即实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近年的发展历程,特别是经过个年计划的攻关,总体来看取得的成绩还是不小。三对我国数控技术和产业化发展的战略思考战略考虑。我国是制造大国,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移,所以,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看,因为制造业是我国就业人口最多的行业,制造业发展不仅可提高人民的生活水平,而且还可缓解我国就业的压力,保障社会的稳定其次从国防安全看,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质,对我国实现禁运和限制,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。发展策略。从我国基本国情的角度出发,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标,用系统的方法,选择能够主导世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术配套技术作为研究开发的内容,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向,即以数控终端产品为主,以整机如量大面广的数控车床铣床高速高精高性能数控机床曲型数字化机械重点行业关键设备等带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件数字化伺服系统与电机高速电主轴系统和新型装备的附件等的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品当然,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。毕业设计的目的意义机电体化系统设计毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之，是综合运用所学过的机械电子自动控制计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是能够正确运用机电体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电体化系统产品的功能构成特点和设计思想设计方法，了解设计方案的拟定比较分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电体化系统设计的初步能力通过机械部分设计，掌握机电体化系统典型机械零部件和执行元件的计算选型和结构设计方法和步骤通过测试及控制系统方案设计，掌握机电体化系统控制系统的硬件组成工作原理，和软件编程思想通过毕业设计提高学生应用手册标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度创新精神专业技能等方面综合素质的提高。二毕业设计的内容毕业设计题目单片机控制步进电机驱动的多用工作台。已知条件定位精度.，滚珠丝杠及导轨使用寿命，中等冲击工作台的有效行程为快速进给速度和工作载荷三数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析比较和论证。系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。二伺服系统的选择开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。三计算机系统的选择采用系列中的单片机扩展控制系统。单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分键盘及显示器接口及光电隔离电路步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。四工作台的传动方式为保证定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下图四机械部分设计机械部分设计内容包括确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计计算与选择，绘制机械部分装配图等。确定系统脉冲当量脉冲当量是个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为.因此选择脉冲当量为.。二工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算向和向工作台承载重量和。取向导轨支撑钢球的中心距为,向导轨支撑钢球的中心距为,设计工作台简图如下图向拖板上拖板尺寸为长宽高重量按重量体积材料比重估算为向拖板下拖板尺寸为重量上导轨含电机重量为夹具及工件重量约工作台运动部分总重量为三滚动导轨副的计算选择根据给定的工作载荷和估算的和计算导轨的静安全系数，式中为导轨的基本静额定载荷，工作载荷.般运行状况，运动时受冲击振动。根据计算结果查有关资料初选导轨因系统受中等冲击,因此取根据计算额定静载荷初选导轨选择汉机江机床厂系列滚动直线导轨,其型号为基本参数如下表额定载荷静态力矩滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷滑座个数单向行程长度每分钟往复次数.导轨的额定动载荷依据使用速度和初选导轨的基本动额定载荷验算导轨的工作寿命额定行程长度寿命导轨的额定工作时间寿命导轨的工作寿命足够.四滚珠丝杠计算选择初选丝杠材质钢导程强度计算丝杠轴向力其中.，滚动导轨摩擦系数.在车床车削外圆时，，可取.，.计算。取.,则寿命值，其中丝杠转速最大动载荷式中为载荷系数，中等冲击时为为硬度系数，时为.。查表得中等冲击时则根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为系列滚珠丝杆副，其型号为。其基本参数如下图其额定动载荷为足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表表名称计算公式结果公称直径螺距接触角钢球直径.螺纹滚道法向半径.偏心距.螺纹升角螺杆外径.螺杆内径.螺杆接触直径.螺母螺纹外径.螺母内径外循环.传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为式中，为摩擦角为丝杠螺旋升角。稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为向所受牵引力大,故用向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为级精度丝杠允许的螺距误差。五齿轮计算设计因步进电机步距角滚珠丝杠螺距,要实现脉冲当量,在传动系统中应加对齿轮降速传动.齿轮传动比，步进电机步距角.˚。取小齿轮齿数则大齿轮齿数大小齿轮材料均为钢由于软齿面齿轮工艺简单生产率高，故选择软齿面齿轮。因传递的扭距较小,取模数则分度圆直径齿顶圆直径齿根圆直径齿宽取中心距分度圆压力角大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙.双片齿轮错齿消隙结构图如下薄齿轮,弹簧,凸耳,调节螺钉,螺母双片齿轮错齿消隙结构图图六步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，有等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为式中为折算到电机轴上的惯性负载为步进电机轴的转动惯量为齿轮的转动惯量为齿轮的转动惯量为滚珠丝杠的转动惯量为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有七步进电机的选用步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取，则，且。所以式中为移动部件负载，为移动部件质量，为与重力方向致的作用在移动部件上的负载力，为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角,为电机轴负载力矩.。取.淬火钢滚珠导轨的摩擦系数，.，.。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此，所以有考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩取系数为.，则对于工作方式为三相拍的步进电机步进电机的最高工作频率为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个型三相反应式步进电机.电机有关参数如下表型号主要技术参数相数步距角电压相电流最大静转矩.空载启动频率空载运行频率分配方式相拍外形尺寸重量转子转动惯量.外直径长度轴直径.五数控系统硬件电路设计数控系统的硬件电路由以下几部分组成主控制器。即中央处理单元总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。接口。即输入输出接口。数控系统的硬件框图如下所示图二主控制器的选择系列单片机是集中，端口及部分等为体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用芯片作为主控芯片。三存储器扩展电路设计程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用芯片。其型号有，其容量分别为,。在选择芯片时要考虑与时序的匹配。所能读取的时间必须大于所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因