小型立式铣床工作台升降

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1、学校代码： 10128学 号：机电装备课程设计设计说明书题 目：小型立式铣床工作台升降和制动装置 学生姓名：学 院：机械学院 专 业: 机械设计制造及其自动化班 级：机制08-2班指导教师：苗淑静二零一一年十二月摘 要【摘要】：小型立式铣床工作台升降和制动装置设计。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对小型立式铣床工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。本次课程设计，主要设计和研究小型立式铣床工作

2、台及其电气原理图。确定小型立式铣床工作台的传动系统，选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。【关键词】：小型立式铣床工作；滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进服电机；目 录第一章 总体设计方案拟定11.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择11.2机械传动方式11.3计算机系统选择12.1 设计参数22.2.2 计算进给牵引力32.2.2 计算最大动载荷32.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型42.2.4 传动效率计算42.2.5 刚度的验算52.2.6 稳定性验算62.2.7 滚珠丝杠副的几

3、何参数72.3 滚动导轨的计算与选择82.3.1 滚动导轨副的额定寿命82.3.2 直线导轨副的参数102.4 步进电机的计算与选择102.4.1 转动惯量的计算102.4.2 电机的力矩的计算12第三章 微机数控硬件电路设计153.1 计算机系统153.2 单片微机数控系统硬件电路设计内容153.2.1 绘制电气控制系统框图153.2.2 选择CPU的类型163.2.3 存储器扩展电路的设计163.2.4 I/O接口电路设计163.3 各类芯片简介163.3.1 8031芯片简介163.3.2 373芯片简介173.3.3 138芯片简介173.3.4 6264芯片简介173.3.5 276

4、4芯片简介183.3.6 8155芯片简介183.3.7 8255芯片简介193.4 存储器扩展电路设计203.4.1 程序存储器ROM的扩展203.4.2 数据存储器RAM的扩展203.4.3 译码电路的设计213.5 I/O接口电路的设计213.5.1 8155通用可编程接口芯片213.5.2 8255可编程接口芯片223.6 8031的时钟电路223.7 复位电路233.8 越界报警电路233.9 掉电保护电路233.10 控制系统的功能233.11 控制系统的工作原理23参考文献25 第一章 总体设计方案拟定1.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择数控系统按运动方式可分为点位控制系统、

5、点位/点线系统和连续控制系统。为了满足小型立式铣床工作台运动定位,暂停,急停等功能,故选择连续控制系统。伺服系统有开环、闭环和半闭环。考虑到工作台实际位移的检测，补偿系统的误差，故采用半闭环控制系统，利用步进电机进行驱动。1.2机械传动方式 为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。1.3计算机系统选择采用三菱PLC伺服系统1.4总体方案的确定微机伺服驱动器光码盘交流伺服电机G ML图11总体方案设计第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算2.1 设计参数1

6、、工作台尺寸：长*宽=600*3202、工作台升降行程：320 3、工作台总重：4、 最高运行速度：步进电机运行方式：空载：0.5m/mim：切削：0.1m/min；交流伺服电动机运行方式：空载：8m/mim：切削：2m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式0.10mm；半闭环模式 0.01mm；7、切削负载：X向800N；Y向1000N；Z向 1500N； 2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型图2-1 丝杠螺母副设计框图2.2.2 计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重

7、量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为综合导轨的计算公式。计算公式为：式中 -Z向切削分力（N）； -移动工作台总重（N） -导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同； -考虑颠复力矩影响的实验系数；综合导轨的 , ，取，式中， ，代入计算得 2.2.2 计算最大动载荷选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载，用下式计算选择： 式中 -滚珠丝杠副额定寿命，单位为1000000r。普通

8、机械取500010000h，数控机床一般取15000h。n为丝杠每分钟的转数。 -丝杠转速，用下式计算 -硬度系数（大于等于58HRC时取1.0；等于55HRC时取1.1；等于52.5HRC时取1.35；等于50HRC时取1.56；等于45HRC时取2.40） -载荷系数，查表330取=1.1初选导程=6，由任务书可知最大切削力下的速度，代入公式可计算得 =16.67 则C=7811N2.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型因为在初选滚珠丝杠副的规格时，应使其额定动载荷大于等于C，当滚珠丝杠在静态或低速状态下长时间承受工作载荷时还应该使其额定静载荷=（2-3）*才根据以上算得的最大动负载在设计指导书中

9、的附录表中选用型号为个2506的滚珠丝杠，其名义直径为,额定动载荷为12097N，满足前面进给方向的要求。精度等级按机电装备设计课程设计指导书表3-25选为4级。2.2.4 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中 -丝杠螺旋升角； -摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。由选用的刚的滚珠死杠的相关数据可知丝杠螺旋升角代入公式计算得 2.2.5 刚度的验算先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图,如图所示.丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负载的1/3. 图2-2 Z向进给系统计算简图 G ML滚珠丝杠副的轴向变行会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变

10、形的因素：1)、丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占的比重较大,可以用计算方法或查图表的方法决定，查图4-6，根据 =2879N 式中 啊-滚珠丝杠的左右支撑跨距.计算得 2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形因进行了预紧，因为加了预紧力且预紧力达轴向载荷的三分之一时变形可减少一半。根据以上计算本例中丝杠的有效行程为320mm，查表得精度等级为4级的丝杠行程偏差允许达到16mm可见基本合乎要求。也可选用5级精度的丝杠。2.2.6 稳定性验算 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，产生失稳的临界负载用下式计算： 式中 -丝杠材料弹性模量，对

11、钢; -截面惯性矩,丝杠截面惯性矩 (为丝杠螺纹的底径)；a-丝杠两支承端距离；-丝杠的支承方式系数。丝杠两支承端距离，我所选用滚珠丝杠的支承方式是一端固定一端自由,则查指导书中的表可知则代入数据算得 =16913.5N临界负载与最大工作负载之比称为稳定性安全系数 式中 -为许用稳定性安全系数; ，如果则丝杠不致失稳,在我所设计的方案中最大的，则满足设计要求2.2.7 滚珠丝杠副的几何参数表2-1滚珠丝杠的几何参数名称符号G2506-3螺纹公称直径25导程6滚珠直径 3.969丝杠底径20.2丝杠外径24.2循环列数G3螺母安装尺寸40D6653L52B11h6额定静载荷25340额定动载荷C