车床横向进给系统设计.doc

机械工程及自动化专业

机电一体化系统设计课程设计

车床横向刀架（X轴）伺服进给系统
的机电一体化设计
姓名：杨玉良
学号：20051531
院 （系）：机械与车辆工程学院
专业：机械工程及其自动化
指导教师：周世圆

二〇〇八年十二月

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　目录
课程设计任务书 3
绪论　　 5
　第一章　总体方案的设计　 6
　第二章　机械系统的改造设计方案　 7
　　　　一、进给系统的改造与设计方案　 7
　　　　 二、进给传动部件的选型与计算　 7
第三章 控制系统方案的设计 24
一、控制系统硬件电路的设计 24
二、控制电路部分软件的设计 25
第四章 总结 31
结语 32

课程设计任务书
1 题目
车床横向刀架伺服进给系统的机电一体化设计
2 设计要求
A 根据机械部分给定参数，分析应采用的恶机电一体化改造方案，确定微机控制系统设计方案。
B 进行机械系统的设计计算，绘制所改造部分的机械系统装配图（A0）。
C 绘制微机控制系统工作原理图（A1）。
D 绘制微机控制程序框图，并编写部分汇编语言程序。
E 撰写设计说明书一份。
3 机械部分给定参数
A 横向运动部件的总质量：100KG
B 进给速度：
快进：2100mm/min
工进：３５ｍｍ／ｍｉｎ
　　Ｃ横向进给切削力：１１５０Ｎ
　　Ｄ垂直切削力：１７５０Ｎ
　　Ｅ步进电机的步进脉冲当量：０．０１ｍｍ／脉冲
　　Ｆ工作台导轨的滑动摩擦系数：查手册
4 控制系统给定参数
A CPU：8086
B RAM全译码地址范围：0000H-1FFFH
C ROM全译码地址范围：２０００Ｈ－３ＦＦＦＨ
Ｄ　步进电机驱动的脉冲环形分配方式：硬环分
Ｅ　键盘显示器接口方式：8279芯片

绪论
机电一体化系统课程设计是一个重要的实践性教学环节。要求学生综合运用所学过的机械、电子、计算机和自动控制方面的知识，独立进行一次机电结合的设计训练，主要目的是：
（1） 学习机电一体化系统总体设计方案拟定、分析与比较的方法。
（2）通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算方法与选用原则。如齿轮/同步带减速装置、滚珠丝杠螺母副、滑动导轨副等。
（3）通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式。
（4）通过对控制系统的设计，掌握一些典型硬件电路的设计方法和控制软件的设计思路；如控制系统选用原则、CPU选择、存储器扩展、I/O接口扩展、键盘与显示电路设计等，以及控制系统的管理软件、伺服电动机的控制软件等。
（5）培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并初步建立“系统设计”的思想。
（6）锻炼学生应用标准和手册、查阅文献资料以及撰写科技论文的能力。

第一章 总体方案的设计
总体方案的设计应考虑车床数控系统的运动方式、进给伺服系统的类型、数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。根据设计任务书的总体方案设计如下：
　　　（１）车床经数控化改造后属于经济型数控车床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。因此，进给伺服系统采用步进电机的开环控制系统。
　　　（２）根据技术指标中的最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，选用８０８６ＣＰＵ。
　　　（３）根据系统的功能要求，需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、Ｉ／Ｏ接口电路，还要选择步进电机的驱动电源及环形脉冲分配器。
　　　（４）为了达到技术指标中的速度和精度要求，横向进给传动应选用摩擦力小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副；为了消除传动间隙、提高传动刚度，滚珠丝杠的螺母应有预紧机构等。
　　　（５）计算选择步进电机，为了圆整脉冲当量，需要齿轮减速副，且应有消间隙机构。

第二章　　机械系统的改造设计方案
一、　进给系统的改造与设计方案
　　（１）拆除挂轮架所有齿轮。
　　（２）将横向步进电机通过法兰座安装到中滑板后部的床鞍上，并与滚珠丝杠的轴头相联。
　　（３）拆去三杠，更换丝杠的右支承。
二、进给传动部件的选型与计算
1、脉冲当量的确定
根据设计任务的要求，X方向的脉冲当量=0.01mm/脉冲
2、切削力计算
根据设计任务的要求，
垂直切削力 =1750 N
横向进给切削力 =1150 N
3、滚珠丝杠螺母副的计算和选型
（1） 工作载荷的计算
横向运动部件的总质量m=100kg，则重力 G=980N。
根据，
选用三角形组合滑动导轨，根据参考文献[1]，查表3-29，取K=1.15，=0.16。

（2） 最大动载荷 的计算
本车床X向在承受最大切削力条件下最快进给速度
=35mm/min = 0.035m/min
初选丝杠基本导程 =5mm， 则丝杠此时的转速为
=7r/min
取滚珠丝杠的使用寿命 T=15000h
代入丝杠寿命系数 （单位：）
根据参考文献[1]，查表3-30，取载荷系数 =1.2，硬度系数 =1，
代入，求得最大动载荷
（3） 初选型号
根据计算出的最大动载荷，根据参考文献[1]，查表3-32，选用CM系列2505-5型滚珠丝杠副。其公称直径=25mm，基本导程=5mm，循环滚珠为4圈×2列精度等级取4级，额定动载荷=11921 N，大于最大动载荷=6789N，满足要求。
（4）传动效率的计算
将公称直径mm,导程mm代入
得螺旋升角
将摩擦角代入
得传动效率 =96.03%
（5） 刚度的验算
1）滚珠丝杠副的支撑采用“双推—简支”式。丝杠一端采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，一端简支支撑，左、右支承的中心距离约为a=450mm,钢的弹性模量E=2.1MPa；滚珠直径=3.175 mm，丝杠底径=21.825mm。则丝杠截面积。
丝杠在工作载荷的作用下产生的拉/压变形量
mm
2）根据公式，求得单圈滚珠数目Z=22；该型号丝杠为单螺母，滚珠总圈数为 4x2=8，则滚珠总数量 圈数列数=228=176 。
丝杠预紧时，取轴向预紧力=/3=586 N。则滚珠与螺纹滚道的接触变形量
=
0.00128mm。
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.00064mm。
3）丝杠总变形量 =+=0.01+0.00064=0.01064mm=10.64m。
丝杠的有效行程为330mm 。
查表3-27知，4级精度滚珠丝杠有效行程在315～400mm时，行程偏差允许达到18m，可见滚珠丝杠的刚度足够。
（6）压杆稳定性校核
根据参考文献[1]，查表3-34，取支撑系数=2，压杆稳定安全系数K=3；由丝杠底径=21.825mm，求得截面惯性矩I= =11131.8 ；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值450mm。
代入，得失稳时的临界载荷=75880N≥1759.3N
临界载荷=75880N远大于工作载荷=1759.3N，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。
　　4、步进电机的计算与选型
为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能小，在步进电机的输出轴上安装一套齿轮减速器。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。
已知，步进电机的步进脉冲当量=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的导程=5mm，步进电动机的步距角
减速比=25/24
（1）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=25mm，总长=450mm,导程=5mm,材料密度；移动部件总重力G=980N；小齿轮宽=40mm，直径=78.49mm；大齿轮宽=32mm，直径=81.51mm；传动比=25/24。
各零部件的转动惯量：
滚珠丝杠的转动惯量
小齿轮的转动惯量

大齿轮的转动惯量

预选步进电动机型号110BF003，为三相六拍，步距角，转子转动惯量
快速进给速度=2100mm/min=2.1m/min。=437.5r/min；直线运动部件质量m=100kg；
（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩
分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。
①快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩
包括三部分：快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、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，很小，则
=+
横向传动链传动总效率
快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩
——对应横向空载最快移动速度的步进电机最高转速

——步进电机由静止加速到转速所需的时间
设步进电机由静止加速到转速所需的时间=0.4s

移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩

求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩为

②最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩
包括三部分：折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩、移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩、滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。很小，则=+
折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩

移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩

加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩
（3）步进电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电机采用的是开环控制，当电网电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。安全系数取K=4，所选步进电动机的最大静转矩，则步进电动机的最大静转矩应满足
可见，电动机最大静转矩满足要求。
（4）步进电动机的性能校核
①最快工进速度时电动机输出转矩校核
最快工进速度=35mm/min，脉冲当量=0.01mm/脉冲，电动机对应的运行频率
根据参考文献[4]图5.5-12（n ）,在此运行频率下，电动机的输出转矩 满足要求
②最快空载移动时电动机输出转矩校核
横向快速移动速度=2100mm/min，电动机对应的运行频率 。在此频率下，电动机的输出转矩
满足要求
③最快空载移动时电动机运行频率校核
最快空载移动速度=2100mm/min，对应的电动机运行频率。根据参考文献[1]表4-3，110BF003的极限运行频率为，没有超出上限。
④起动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子自身的转动惯量，电动机不带任何负载时的最高空载启动频率。步进电动机克服惯性负载的起动频率为
这说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。综上所述，选择110BF003步进电动机，完全满足设计要求。

　　５．齿轮传动设计
初选步进电机110BF003，三相六拍，最大静转矩为7.84 N∙M，步距角α=0.75°
（1）传动比的确定
已知：α=0.75°，δ=0.01mm/脉冲，Ph=5mm,
i=
（2）主动齿轮最高转速n1
快进时，
n1=rpm
(3)确定齿轮设计功率Pd
预选电机在转速为437.5 rpm时，对应步进电机脉冲频率为

f=HZ
根据参考文献[1]，查表4-7得，当脉冲当量为3500HZ时，电机输出转矩为3.4NM，对应输出功率为P

取P=0.156KW，根据参考文献[2]查表9-5，9-6中取工作情况系数

由

（4）选择齿轮材料和热处理方法
根据参考文献[2]，查表9-1得，
小齿轮材料：40Cr 调质，硬度 270HBS
大齿轮材料：45钢 正火，硬度 195HBS
由参考文献[2]图9-19，9-25得，

（5）按齿面接触疲劳强度设计主要尺寸
简化设计公式

1）小齿轮转矩

2）齿数比i=25/24
3）齿宽系数

4）载荷系数取K=1.6
5）许用应力
取

由于中心矩较小，综合考虑后选a=80mm
6)选取模数
经验公式

综合考虑取模数为1。
7）计算主要主要几何参数
初选

精确计算螺旋角

8）计算齿宽

9）计算当量齿数

10）计算重合度

11）计算圆周速度

（6）校核齿面接触疲劳强度
1）齿面接触疲劳许用应力
应力循环次数

根据参考文献[2]图9-21查得，

根据参考文献[2]表9-3，9-4选齿轮精度为：8-7-7 GB10095-1988
选择润滑油运动黏度

根据参考文献[2]图9-21，9-23查得，

因小齿轮齿面未硬化，取

由参考文献[2]表9-8，失效概率小于1%时，

许用应力

2）齿面接触疲劳应力
切应力

根据参考文献[2]，查表9-5，

查图9-6，9-7得

按对称布置，查参考文献[2]图9-8，并减小5%，

根据参考文献[2]，查表9-7查图9-12、9-13得

齿面接触应力

3）强度校核

满足齿面接触疲劳强度要求
（7）校核齿根弯曲疲劳强度
1）齿根弯曲疲劳许用应力
取

根据参考文献[2]，图9-26，表9-9分别得，

选择齿面粗糙度

由参考文献[2]图9-27得，

选择失效概率小于1/1000，由参考文献[2]表9-8得，

许用应力

2）齿根弯曲疲劳应力
根据参考文献[2]图9-28，9-18得

3）强度校核

满足齿根弯曲疲劳强度要求。
综上，设计的齿轮满足要求。

　　６．齿轮传递功率的校核
（1）快速空载起动
电机由静止加速到，齿轮传递的负载转矩
传递功率为
（2）最大工作负载、最快工进速度
齿轮要传递最大工作负载转矩
最快工进
对应电机转速
传递功率
综上，两种情况下齿轮传递负载转矩均小于额定功率0.156KW
故选择的齿轮功率合格。

　　７．联轴器的选择
（1）电机输出轴的联轴器选择
电机输出轴直径为，电机的输出转矩不大，运行平稳，可选择刚性套筒式联轴器中的凸缘联轴器。根据参考文献[3]表17-2得，可选YL1 型直径的联轴器，钢制，联轴器的额定转矩，许用转速[n]=13000rpm
满足电机输出转矩的要求。
（2）减速箱输出轴与丝杠的联轴器
所选丝杠直径为，根据参考文献[3]查表17-2，选用YL4 型联轴器，钢制，轴孔直径，额定转矩，许用转速[n]=9500rpm
满足要求。

　　８．轴的设计
轴的设计可参照参考文献[2]P244页的例子进行设计，小齿轮轴的最小直径为14mm,大齿轮轴的最小直径为25mm,具体过程省略。
　　９．轴承的选用
考虑受力状况，小、大齿轮轴两端的轴承均选用角接触球轴承，
根据参考文献[3]表13-16，小齿轮轴用轴承为7202C，大齿轮轴用轴承为7205C，丝杠选用轴承为7005C。

第三章　控制系统的方案设计
　　　一、控制系统硬件电路的设计
根据任务书要求，设计控制系统的硬件电路时主要根据以下功能：
（１）接收键盘数据，控制ＬＥＤ显示；
（２）接收操作面板的开关与按钮信号；
（３）控制Ｘ、Ｚ向步进电机的驱动器；
（４）接收车床限位开关信号；
控制系统原理框图如下：

８０８６
ＣＰＵ
复位电路
Ｘ向步
进电机
隔离放大

并行接口芯片８２５５

隔离放大
Ｚ向步进电机
晶振电路

ＥＰＲＯＭ芯片
２７６４

限位开关信号
隔离放大

ＳＲＡＭ芯片
６２６４

键盘与显示接口芯片８２７９

操作面板开关／按钮信号

　二、控制电路部分软件的设计
1 存储器与I/O芯片地址分配
主机板中存储器与I/O芯片地址分配：
器件名称
地址选择线（A15-A0）
片内地址单元数
地址编码
6264（RAM）
000X，XXXX，XXXX，XXXX

8K
0000H-1FFFH
2764（ROM）
000X，XXXX，XXXX，XXXX

8K
2000H-3FFFH
8255
0011，1111，1111，11XX
2
5FFEH-5FFFH
8279
0111，1111，1111，1111
1

7FFFH
2 控制系统的监控管理程序
系统设有五档功能可以相互切换，分别是“编辑”、“空刀”、“自动”、“手动”、“回零”，选中某一功能时，对应的指示灯点亮，进入相应的功能处理。控制系统的监控管理程序流程图如下：

系统上电复位

CPU、8255、8279等初始化

工作状态选择

回零？
手动？
编辑？
自动？
空刀？
N N N N N

Y Y Y Y Y
回零处理
手动处理
自动处理
空刀处理
编辑处理

3. 8255芯片初始化程序
B255: MOV DPTR, #3FFFH ;指向8255的控制口地址
MOV A, #10001001B ;PA口输出，PB口输出，PC口输入，
均为方式0
MOVX @DPTR,A ;控制字被写入
MOV DPTR, #3FFCH ;指向PA口
MOV A, #0FFH ;预置PA口全“1”
MOVX @DPTR, A ;输出全“1”到PA口
MOV DPTR, #3FFDH ;指向PB口
MOV A, #0FFH ;预置PB口全“１”
MOVX @DPTR, A ;输出全“１”到ＰＢ口
RET
４．８２７９芯片初始化程序
Ｂ２７９：ＭＯＶ　　ＤＰＴＲ，＃５ＦＦＦＨ；指向８２７的控　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　制端口　　　　　　　
　　　ＭＯＶ　　Ａ，＃０ＣＦＨ　　　　；清除ＦＩＦＯ与　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　显示ＲＡＭ命令

　　　ＭＯＶＸ　＠ＤＰＴＲ，Ａ　　　　；命令字被写入
ＷＡＩＴ：ＭＯＶＸ　Ａ，＠ＤＰＴＲ　　　　；从８２７９的控制　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　；口读取８２７９的
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　状态字
　　　ＪＢ　　　ＡＣＣ．７，ＷＡＩＴ　；测试显示ＲＡＭ有
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　没有被清除完毕，　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　只有状态字的
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　Ｄ７＝０时，清除
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　才结束
　　　ＭＯＶ　　Ａ，＃０８Ｈ　　　　　　；编码扫描，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　左入口，１６位
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　字符显示，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　双键互锁
　　　　　ＭＯＶＸ　＠ＤＰＴＲ，Ａ　　　　；
　　　　　ＭＯＶ　　Ａ，＃３４Ｈ　　　　　；分频系数取
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　２０
　　　　　ＭＯＶＸ　＠ＤＰＴＲ，Ａ　　　　；　
　　　　　ＲＥＴ　
５．　步进电动机的运动控制程序
升降频的控制：
当步进电机运行频率小与它本身的起动频率时，步进电机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零速，无需升降频控制。当步进电机的运行频率大于步进电机的有载起动频率时，若直接用运行频率起动，由于频率太高，步进电机会丢步，甚至停转。同样在运行频率下突然停止，步进电机会超程。因此步进电机在运行频率下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电机从起动频率开始，逐渐加升到运行频率，然后进入匀速运行，而停止前的降频可以看作是升频的逆过程。步进电动机的升降频软件流程如下：

带有完整升降频的子程序

电动机剩余脉冲数N ←电动机要转动的总步数
存储单元M清零；给定目标频率fb
查表指针指向升降频表格第一行

查表取出本行数值；频率fi,步长△Li

fi≥fb?
Y N
电动机一步

电动机一步

延时1/fi
延时1/fb

N←N-1

N←N-1
N=M?
N
N←M+1
开始降频查表指针上移一行
Y(达到降频位置)
△Li←△Li-1

查表取出本行数值
频率fi,步长△Li

△Li=0?
继续降频
指针上移一行
N
继续升频
查表指针指向表格的下一行
电动机一步

延时1/fi

N←N-1

△Li=0?
△Li←△Li-1
N
N=0?
N Y
结束
Y
6.主程序框图

第四章 总结
《机电一体化系统设计》是一门综合性课程，它是一门机械技术与微电子技术的交叉学科。随着机械技术、微电子技术的飞速发展，机械技术与微电子技术的相互渗透越来越快。机床的数控化改造则是机电一体化技术在实际生产中的应用。经过不到两周短暂而又漫长的课程设计，我初步感受了机电一体化系统设计在实际应用中的设计过程，对专业课上所学的知识有了更深的理解，初步掌握了极电一体化系统设计过程中伺服电机的、典型元件如：丝杠等的计算选用，常用控制电路元器件的功能和选用，以及机电产品控制系统的模块化设计的集成。
同时，也存在以下问题：
　　（１）对于控制系统电路的设计不够熟练，尚未掌握系统设计的思想精髓。
（２）对于电机、丝杠选用有了初步经验，但尚未能做出经济性最好的选择，存在一定的浪费。
（３）对于ＥＤＡ技术不熟悉。
问题的存在并不影响我对自身能力要求的提高，相信凭着认真的态度，严谨的作风，在接下来的学习生活中必将向一名优秀的机械工程师迈进。

　　　　　　　　　　　　　结语
　　　不到两周的时间，是短暂的，又是漫长的。在这段时间里，曾经因为某几个参数的错误而重新计算了三遍，有辛酸，也有快乐，最重要的是我坚持下来了，在自己的努力下独立地完成了这一课程。在此，我要感谢我的指导教师周世圆老师，导师严谨的学术作风严格要求着我，并鼓励着我完成了这一课程设计，同时我也要感谢０５级机械专业的兄弟们的真诚的帮助，感谢我的父母、我的家人，感谢曾经支持帮助过我的人！
　　　谢谢！　

参考文献：
[1] 机电一体化系统设计课程设计指导书 尹志强 机械工业出版社
[2] 机械设计 孔凌嘉、王晓力 北京理工大学出版社
[3] 机械基础综合课程设计 孔凌嘉、张春林 北京理工大学出版社
[4] 机电一体化技术手册（第二版） 机电一体化技术委员会 机械工业出版社
[5] 机械原理 张春林 高等教育出版社
[6] 机械设计手册（第四版） 成大先 化学工业出版社
[7] 机电一体化系统设计 张建民 高等教育出版社
[8] 微型计算机原理与接口技术 冯博琴 清华大学出版社

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