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机电一体化 课程设计

题 目:数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计

学生姓名

专 业 机械设计制造及其自动化 学 号 班 级 指导教师 成 绩

2010年6月

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目 录

一、设计任务 ................................................................. 1

1.1机电一体化课程设计题目 ............................................... 1 1.2数控铣床工作台等相关部件的基本参数 ................................... 1 二、系统总体方案框图及分析说明 ............................................... 1

2.1总体方案设计 ......................................................... 1 2.2绘制总体方案图 ....................................................... 2 三、机械系统设计计算、各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明 ......... 2

3.1移动部件的重量估算 ................................................... 2 3.2负载的分析计算 ....................................................... 2 3.3导轨副的分析计算，选型，效核 ......................................... 4 3.4丝杠螺母副的计算，选型，效核 ......................................... 5 3.5绘制进给传动系统示意图 ............................................... 8 3.6直流伺服电动机的计算，选型，效核 ..................................... 8 3.7减速器的选用 ......................................................... 9 3.8验算系统的等效转动惯量 .............................................. 10 四、控制系统硬件电路设计 .................................................... 13

4.1微机的选用 .......................................................... 13 4.2存储器的选用与扩展 .................................................. 14 4.3译码电路设计 ........................................................ 17 4.4接口电路设计等 ...................................................... 18 4.5驱动电路的设计 ...................................................... 19 4.6绘制控制系统原理框图 ................................................ 18 五、传感器的选择与设计说明 .................................................. 19

5.1选择传感器 .......................................................... 19 5.2传感器与微机的接口电路 .............................................. 22 六、课程设计总结与心得体会 .................................................. 23 七、参考资料 ................................................................ 24

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一、设计任务

1.1机电一体化课程设计题目

数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计

1.2数控铣床工作台等相关部件的基本参数

能用键盘输入命令控制工作台的运动方向； 能实时显示当前运动位置； 具有越程指示报警及停止功能；

能有位置检测装置，能进行调节并反馈给控制系统； 工作台尺寸：700×800×50mm 工作台T型槽：5×18mm 工作台最大承重：800kg

X—Y—Z轴行程：600×800×350mm 电主轴输出功率：15kw 变频主轴转速：15000r/min 最高位移速度：15m/min 最大加工速度：8m/min

X—Y—Z轴最小分辨率（即脉冲当量）：0.001mm 定位精度：±0.005/300mm 重复定位精度：0.005mm

二、系统总体方案框图及分析说明

2.1总体方案设计

（1）系统的运动方式与伺服系统

为了使铣床的性能满足基本要求，选x、z轴坐标快进为15m/min，水平拖力Fx=30kN， 则要求电动机功率P=Fv=（30×15/60）kW=7.5 kW，选用步进电机则满足不了要求，例如，200BF001反应式步进电机，其最大静转矩为14.7N.m，最高空载运行频率为11000 step/s，步距角为α=0.16°/step，若取最高工作频率下的工作转矩为最大静转矩的1/4，则高速运行工作状态下所需功率为PH=1/4×14.7×11000×0.16×（2π/360）W=0.1129kW，如果选用步进电机，则会降低快速性要求。但交流电机的控制结构较复杂，技术难度高，而且价格高，故选择直流伺服电机。选择半闭环系统比闭环系统简单，成本低，且能满足机床精度和加工精度基本的要求。

综上所述采用直流伺服电机开环控制系统驱动X—Y—Z工作台。 （2）计算机控制系统

本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电耦合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控铣床工作台的状态。

（3）X—Y—Z工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用精密滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

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由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用精密直线滚动导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

考虑直流电机和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。

2.2绘制总体方案图

开环控制系统框图

图1为本开环控制数控铣床工作台三维运动伺服进给系统设计的总体方案图。这种标准的微机数控系统通常采用单板机、单片机、驱动电源、步进电机及专用控制程序组成的开环控制系统，其结构简单、价格低廉。对机床的控制过程是由单片机或者单板机，按照输入的加工程序进行查补运算，由软件或硬件实现脉冲分配，输出一系列脉冲、经功率放大驱动X—Y—Z三个坐标轴运动的步进电机来实现。

三、机械系统设计计算、各部件类型选择说明及进给传动系统的示意图与说明

3.1移动部件的重量估算

工作台重量估算：

m1??V?7.8?103?700?800?50?10?9=218.4 kG≈220 kG

工作台最大承载m2=800kG， 总的重量估算如下：

M=m1+m2=1020kG G=Mg=10200N=10.2kN。

3.2负载的分析计算（机床设计手册P498）

直流伺服电机的负载有外力负载、摩擦负载和惯性负载，所选直流伺服电机必须克服这些负载才能作正常的进给驱动。这里我们以Z轴计算为主，X、Y轴的相关计算略。

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