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1、 畢業(yè)設(shè)計（論文） 題目： 三坐標數(shù)控銑床設(shè)計 院 (系)： 機電學(xué)院 專 業(yè)： 機械制造與自動化 姓 名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 二〇一三 年九月二十三日 摘要 　　畢業(yè)設(shè)計是在原有普通銑床的基礎(chǔ)上,對其進行改造,成為三坐標數(shù)控銑床。該機床能通過三軸聯(lián)動，實現(xiàn)曲線直線等不同的加工路線。 　　所設(shè)計的三坐標數(shù)控銑床，三個坐標方向的移動均由步進電機帶動，主軸電機采用交流電

2、機，所有電機均由單片機進行控制。設(shè)計主要對數(shù)控銑床的機構(gòu)進行設(shè)計，了解單片機的工作原理，主要有以下幾個方面：X、Y,Z工作臺的傳動機構(gòu)設(shè)計，主要是滾珠絲杠的運用；機床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選?。粏纹瑱C控制系統(tǒng)的設(shè)計，進一步熟悉其應(yīng)用。 　　在數(shù)控機床系統(tǒng)中，加工精度和加工可靠性是伺服系統(tǒng)決定的，本文對普通銑床的數(shù)控化改造進行了分析和設(shè)計，通過對普通銑床的數(shù)控化改造，提高了普通銑床的加工能力和加工范圍，節(jié)省了直接購買機床的部分資金，具有很好的經(jīng)濟效益。 關(guān)鍵詞：銑床,數(shù)控,改造,三坐標 II 　　Abstract 　　Three Coordinate

3、 NC Milling Machine Design Basing on the common milling machine，this thesis reconstructs it and turns it to a NC milling with three coordinate.This reconstructed machine can realize cure line and straight line machining pathway by three axis linkage。 　　The reconstructed milling machine movements al

4、ong x，y，and Z are drove by step driver，the AC motor is used in principal axis.All above motors are controlled by single chip.This thesis focuses on designing the mechanism of the and mastering the single chip working principle.Which is including to the drive system design of X,Y,Z workbench,the whol

5、e machine construction design and the control system design of single chip. 　　In a NC machine tool system,the precision and reliability of the machine tool depend on the serve system.Through the reconstructing,analyzing and designing of a common milling machine serve system,the machining ability ca

6、n be improved,and a big sum money may be saved,the company will benefit from it. Keywords：Milling Machine NC Reconstruct Three Coordinate 　　目錄 　　第1章概論..................................................................2 　　1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展................................

7、............2 　　1.2數(shù)控機床的組成及分類............................................2 　　1.3數(shù)控機床的特點及應(yīng)用范圍........................................3 　　第2章設(shè)計主要參數(shù)及基本思想...,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,4 　　2.1課題要求........................................................4 　　2.2設(shè)計原則...........................

8、.............................4 　　2.3總結(jié)構(gòu)設(shè)計......................................................5 　　第3章立式數(shù)控銑床的設(shè)計和計算......................................5 　　3.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計................................................5 　　3.2主軸系統(tǒng)計算....................................................6 　　3.3進給伺服系統(tǒng)的設(shè)

9、計..............................................8 　　3.4進給傳動的計算.................................................10 　　第4章微機控制系統(tǒng)的設(shè)計...........................................17 　　4.1微機控制系統(tǒng)組成及特點.........................................17 　　4.2微機控制系統(tǒng)設(shè)備介紹...........................................18 　

10、　4.3程序部分.......................................................20 結(jié)論..............................................................24 　　致謝..............................................................25 　　參考文獻..........................................................26 IV 前言 　　隨著人工智能在

11、計算機領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入自適應(yīng)控制﹑模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機理，不但具有自動編程﹑前饋控制﹑模糊控制﹑學(xué)習(xí)控制﹑自適應(yīng)控制﹑工藝參數(shù)自動生成﹑三維刀具補償﹑運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ埽胰藱C截面極為友好，并且有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。直線電機驅(qū)動系統(tǒng)以使用化。 　　用數(shù)控銑床加工零件時，首先應(yīng)編制該零件的加工程序，這是數(shù)控銑床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再由數(shù)控裝置控制機床主運動的變速﹑啟動﹑停止﹑進給運動的方向﹑速度和位移量，以及工件裝夾和冷卻潤滑的開關(guān)等動作，使

12、刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴格按照加工工序規(guī)定的順序﹑運動軌跡加工出符合要求的零件。 　　三坐標數(shù)控銑床的進給運動是數(shù)字控制的直接對象，不論點位控制還是連續(xù)控制，被加工工件的最后坐標精度和輪廓精度都受到進給運動的傳動精度﹑靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，要注意以下三點進給運動要求： 　　(1)減少運動件的摩擦力。 　　(2)提高傳動精度和剛度。 　　(3)減少運動慣量。 　　此設(shè)計主要對數(shù)控銑床的機構(gòu)進行設(shè)計，了解單片機的工作原理，主要有以下幾個方面：X、Y、Z工作臺的傳動機構(gòu)設(shè)計，主要是滾珠絲杠的運用；機床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選取；單片機控制系統(tǒng)的設(shè)

13、計，進一步熟悉其應(yīng)用。 第1章概論 1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生及發(fā)展 　　最早進行數(shù)控機床研制的是美國人。1952年，美國麻省理工學(xué)院成功地研制出一套三坐標聯(lián)動，利用脈沖乘法器原理的數(shù)控機床。但這臺數(shù)控機床僅是一臺試驗性的機床，當(dāng)時用的電子元件是電子管。直到1954年11月，第一臺工業(yè)用的數(shù)控機床才生產(chǎn)出來。 　　早期的數(shù)控機床控制系統(tǒng)采用電子管，體積大、功耗高，只在軍事部門應(yīng)用。只有在微處理機用于數(shù)控機床后，才真正使數(shù)控機床得到了普及。目前數(shù)控技術(shù)的主要發(fā)展趨勢是：實現(xiàn)高速度，搞可靠性，高精度，大功率，多功能；采用微處理機和微型計算機，向著增強功

14、能、降低造價、方便使用的目標進展； 1.2數(shù)控機床的組成及分類 　　1.2.1數(shù)控機床的組成 伺服裝置 數(shù)控機床的種類繁多，但從組成一臺完整的數(shù)控機床上講，它由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)和機床本體絲大部分以及輔助設(shè)備組成。如圖（1）所示。 控制裝備 機床本體 控制介質(zhì) 輔助裝備 圖1.1 數(shù)控機床組成示意圖 （1）控制介質(zhì) 　　控制介質(zhì)是指零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體。 　　（2）數(shù)控裝備 　　數(shù)控裝置是數(shù)控機床的控制中心。它由輸入裝置、控制裝置和輸出裝置等組成。如圖（2）所示。 　　輸入裝置受控制介質(zhì)上的信息，經(jīng)過識別與譯碼

15、之后，送到控制運算器?！　】刂七\算器根據(jù)輸入裝置送來的信息進行運算，并將控制命令輸送往輸出裝置。 　　輸出裝置將控制器發(fā)出的控制命令送到伺服系統(tǒng)，經(jīng)功率放大，驅(qū)動機床完成相應(yīng)的動作。 輸入設(shè)備 伺服機構(gòu) 輸出設(shè)備 控制器 閱讀機 控制介質(zhì) 圖1.2 數(shù)控裝置組成示意圖 （3）伺服系統(tǒng) 　　伺服系統(tǒng)，亦稱隨動系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號進行動作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動控制系統(tǒng)。 比較元 件 調(diào) 節(jié) 元 件 執(zhí)行元 件 被控對 象 從自動控制理論的角度來分析，無論多么復(fù)雜的伺服系統(tǒng)，都是有一些功能元件組成的。如圖1.3。 輸入

16、 輸出量 指令 測量、反饋元件 　　 圖1.3 伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖 （4）機床本體 　　機床本體是數(shù)控機床的主體，是用于完成各種切削加工的機械部分，它是在原有的普通機床的基礎(chǔ)上改進而得到的。 　　除了上述四個主要部分外，數(shù)控機床還有一些輔助裝置和附屬設(shè)備，如電器，液壓，氣動系統(tǒng)與冷卻、排屑、照明、儲運等裝置以及編程機、對刀塊等。 　　1.2.2數(shù)控機床的分類 　?。?）按控制系統(tǒng)的特點分類 1）點位控制數(shù)控機床　　 2)直線控制數(shù)控

17、機床 　　3)廓控制數(shù)控機床 　　4)執(zhí)行機構(gòu)的控制方式分類 　?、匍_環(huán)控制系統(tǒng)　　②閉環(huán)控制系統(tǒng)　　③半閉環(huán)控制系統(tǒng)　　(2)按工藝要求 　?、俳饘偾邢黝悢?shù)控機床 　　②金屬成型類數(shù)控機床 　?、蹟?shù)控特種加工機床 　?、芷渌惖臄?shù)控機床 　　(3)按數(shù)控機床的性能分類 　?、贆n數(shù)控機床 　?、谥袡n數(shù)控機床 　?、鄹邫n數(shù)控機床 1.3數(shù)控機床的特點及應(yīng)用范圍 　　1.3.1數(shù)控機床的特點 　　數(shù)控機床是一個裝有程序控制系統(tǒng)的機床。它是一種高度機電一體化的產(chǎn)品。特點如下： 　　（1）加工精度高 　?。?）加工生產(chǎn)率高 　　（3）減輕勞動強度、改善勞動條件 　　

18、（4）良好的經(jīng)濟效益 　　（5）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化 　　1.3.2數(shù)控機床的應(yīng)用范圍 　　從最經(jīng)濟的方面出發(fā)，數(shù)控機床適用于加工： 　　（1）多品種小批量零件；（2）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精度要求較高的零件；（3）需要頻繁改型的零件；（4）價格昂貴，不容許報廢的關(guān)鍵零件；（5）需要小生產(chǎn)周期的急需零件。 　　第2章設(shè)計主要參數(shù)及基本思想 2.1課題要求 　　2.1.1題目名稱（包括主要技術(shù)參數(shù)）及技術(shù)要求 　　立式升降臺數(shù)控銑床 　?。?）Z軸的行程分別為300、300、250mm; 　?。?）進給精度0.01mm； 　?。?）X、Y、Z軸快速進給速度分別為6、6、3m/min

19、； 　?。?）工作臺面尺寸300x500mm; 　?。?）脈沖當(dāng)量0.01mm/步； 　?。?）重復(fù)定位精度0.01mm. 　　2.1.2課題內(nèi)容及工作量 　　(1)簡易數(shù)控銑床總圖A0一張 　　(2)X-Y工作臺部件圖A1一張 　　(3)部分零件圖折合A1一張 　　(4)軸部件圖A0一張 　　(5)控制原理圖設(shè)計A0一張 　　(6)設(shè)計說明書一份2萬字以上 　　(7)翻譯5000漢字 　　(8)上機編程100句以上 　　注：全部圖紙用計算機繪制，說明書由計算機輸出。 2.2設(shè)計原則 　　根據(jù)設(shè)計要求和銑床的具體情況，課題的基本設(shè)計方案如下： 　?。?）機床采用

20、連續(xù)控制系統(tǒng)，定位方式采用增量坐標控制。 　?。?）考慮到機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。 （3）進給傳動的設(shè)計是機床設(shè)計的重點，數(shù)控機床必須有精確的進給傳動系，才會有高的精度和表面質(zhì)量。 　?。?）為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求機構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。 　　（5）傳動系統(tǒng)要加上脈動裝置。 　　以上為基本的設(shè)計方案，除了這些，課題應(yīng)注意機床的幾何精度的修正，數(shù)控指令的顯示和使用等。 2.3總結(jié)構(gòu)設(shè)計 　　2.3.1數(shù)控機床的機構(gòu)設(shè)計要求 　　數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求主要有以下

21、方面: 　?。?）有良好的抗振性能和很大的額定切削功率、高的靜、動態(tài)剛度； 　?。?）有較高的熱穩(wěn)定性和較高的幾何精度、傳動精度、定位精度； 　?。?）有數(shù)控系統(tǒng)及其介質(zhì)。 　　下面我們詳述數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要要求 　　2.3.2提高機床的結(jié)構(gòu)剛度 　　機床的剛度是指切削力和其它力作用下,抵抗變形的能力。機床在切削過程當(dāng)中，要承受各種外力的作用，承受的靜態(tài)力有運動部件和被加工零件的自重；承受的動態(tài)力有：切削力、驅(qū)動力、加減速時引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機床的結(jié)構(gòu)部件在這種力作用下將產(chǎn)生變形。如固定連接表面或嚙合運動表面的接觸變形；各支撐零件不得彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，以及某些支撐件的

22、局部變形等，這些變形都會直接或間接的引起刀具和工件之間的相對位移，從而導(dǎo)致工件的加工誤差，或者影響機床切削過程的特性。 　　合理的結(jié)構(gòu)布局可以提高剛度，機床的工作頭部分由于重力作用將會使機床立柱產(chǎn)生彎曲變形，切削力將使立柱產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。這些變形將影響到加工精度。故本次設(shè)計中將采取通過在立柱上方安裝兩組定滑輪來平衡重力的方法，來減少立柱的變形，提高機床的剛度。 　　2.3.3提高進給運動的平穩(wěn)性和精度 　　數(shù)控機床各坐標軸進給運動的精度極大的影響零件的加工精度。在開環(huán)進給系統(tǒng)中運動精度取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)，特別是機械傳動部件的精度；在閉環(huán)和半閉環(huán)進給系統(tǒng)中，位置監(jiān)測裝置的分辨率對運動

23、精度有決定性的影響，但是機械傳動部件的特性對運動精度也有一定的影響。通常在開環(huán)進給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當(dāng)量為0.01mm時，實際的定位精度最好的情況也只能達到0.025。在閉環(huán)進給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當(dāng)量（或稱最小設(shè)定單位）一般為0.001mm，實際上定位精度只能達到0.003mm，當(dāng)指令進給系統(tǒng)做單步進給（即每次移動0.001mm）時，開始一兩個單步指令，進給部件并不動作，到第三個單步指令時才突跳一段距離，以后又如此重復(fù)。這些現(xiàn)象都是因為進給系統(tǒng)的低速爬行現(xiàn)象引起的，而低速爬行現(xiàn)象又決定于機械傳動部件的特性。 　　本設(shè)計采取的方案有：（1）減少靜、動摩擦系數(shù)之差（2）提高系統(tǒng)的傳動剛度。 　

24、　第三章 三坐標數(shù)控銑床的設(shè)計和計算 3.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 主傳動系統(tǒng)一般由動力源（如電動機）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工作臺），以及開停、換向和制動機構(gòu)等部分組成。 現(xiàn)代切削加工正向著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對機床的性能提出越來越高的要求，如轉(zhuǎn)速高，調(diào)速范圍大，能在切削加工中自動變換速度；機床結(jié)構(gòu)簡單，噪聲小，動態(tài)性能好，可靠性高等。數(shù)控機床主傳動設(shè)計應(yīng)滿足如下特點： （1）主傳動采用直流或交流電動機無級調(diào)速 （2）數(shù)控機床驅(qū)動電動機和主軸功率特性的匹配設(shè)計 （3）數(shù)控機床高速主傳動設(shè)計 （4）數(shù)控機床采用部件標準、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計 （5）數(shù)控機床的柔性化、復(fù)

25、合化 （6）虛擬軸機床設(shè)計 為了適應(yīng)數(shù)控機床加工范圍廣、工藝適應(yīng)性強、加工精度高和自動化程度高等特點，要求主傳動裝置應(yīng)具有以下特點： （1）具有較大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級調(diào)速。 （2）具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。 （3）良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。 機床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低傳動效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合精度，并進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。 3.1.1 主傳動變速系統(tǒng) 普通機床一般采用機械有級變

26、速調(diào)速傳動，而數(shù)控機床需要自動變速；且在切削階梯軸的不同直徑，切削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時，需要隨切削的直徑的變化而自動變速，以保持切削速度基本恒定。機床主傳動中常采用的無級變速裝置有三大類：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。 無級變速主傳動系統(tǒng)設(shè)計原則： 一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動系統(tǒng)要求的無級變速裝置。 二為無級變速系統(tǒng)裝置單獨使用時，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機床實際需要的恒功率變速范圍。 1．主軸部件設(shè)計 主軸部件的性能要求 2．主軸部件的組成和軸承選型 3．主軸組件的動態(tài)特性。 4．主軸軸承的潤滑 3.2 主軸系統(tǒng)計算 V

27、帶傳動的設(shè)計計算 三角帶的選用應(yīng)保證有效地傳遞最大功率（不打滑）并有足夠的使用壽命（一定的疲勞強度）。帶傳動設(shè)計計算的主要內(nèi)容包括確定帶的型號、基準長度和根數(shù)；確定帶輪的材料、結(jié)構(gòu)尺寸；確定傳動中心距及作用在軸上的力等。 (1) 確定計算功率P kW 式中：K—工況系數(shù)(工作情況系數(shù)) P—電機額定功率 Kw (2) 選擇三角帶型號 根據(jù)P、n查表得選SPA型 窄V帶 (3) 確定帶輪直徑D、D 小帶輪直徑D應(yīng)滿足：DD，以免帶的彎曲應(yīng)力過大而導(dǎo)致其壽命降低。 查表 取D,故選擇D (

28、4) 計算膠帶速度 5

29、 確定V帶根數(shù)z V帶根數(shù)Z可按下式計算： 取z=6,符合推薦的輪槽數(shù) (8) 確定初拉力 單根V帶合適的初拉力可按下式計算： 由表 得 (9) 計算作用在軸上的壓力

30、 3.3 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計 3.3.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求 進給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定性好。 (1) 穩(wěn)定性 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。 (2) 精度 伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。 (3) 快速響應(yīng)性 快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度

31、及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。 3.3.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 在靜態(tài)設(shè)計方面有： (1) 能夠克服摩擦力和負載； (2) 很小的進給位移量； (3) 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度； (4) 足夠的調(diào)速范圍； (5) 進給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象； 在動態(tài)設(shè)計方面的要求有： (1) 具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩； (2) 具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量； (3) 負載引起的軌跡誤差盡可能?。? 對于數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求 (1)被加速的運動部件具有較小的慣量； (2)具有較高的剛度； (3)良好的阻尼； (4)傳動部

32、件在拉壓剛度、 扭轉(zhuǎn)剛度、 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能 小的非線性； 3.3.3 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 1．時間響應(yīng)特性 時間響應(yīng)特性是用來描述系統(tǒng)對迅速變化的指令能否迅速跟蹤的特性，它由瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩部分組成。 2. 頻率響應(yīng)特性 3. 快速性分析 所謂快速性分析是指分析系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，快速性反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量。 3.4進給傳動的計算 3.4.1 X軸滾珠絲杠副 (1) 精度 要求：進給精度 快速進給精度 (2) 疲勞強度 絲杠的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為1625N,工作臺質(zhì)量70

33、0kg,則： 1） 求計算載荷Fc 計算載荷 則： 2） 計算額定動載荷計算值 取絲杠的工作壽命為, 3） 選用 FC1-4020-2.5型絲杠。 4） 穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可

34、分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S] 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷，并按下式計算 安全系數(shù) 查表，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 5） 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個導(dǎo)程的

35、變形量(m)為： 式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉(zhuǎn)矩。 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動精度的1/2，即 該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。 6） 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。

36、 經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。 3.4.2 Y軸滾珠絲杠副 （1） 精度 要求：進給精度 快速進給精度 （2） 疲勞強度 絲杠的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為1625N,工作臺質(zhì)量900kg,則： 1）求計算載荷Fc 計算載荷 則：

37、 2）計算額定動載荷 取絲杠的工作壽命為, 3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠。 4）穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S] 絲杠

38、不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷,并按下式計算 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。 安全系數(shù) 查表，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 5）剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量(m)為： 式中:A絲杠截面

39、積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉(zhuǎn)矩。 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動精度的1/2，即 該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。 6）效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所

40、以合格。 3.4.3 Z軸滾珠絲杠副 （1）精度 要求：進給精度 快速進給精度 （2）疲勞強度 絲杠的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進給力的垂直分力。主軸重量為300kg,則： 1）摩擦力 計算載荷 則： 2）計算額定動載荷 取絲杠的工作壽命為,

41、 3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠。 4）穩(wěn)定性驗算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S] 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 式中，E為絲

42、杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。 安全系數(shù) 查表，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 5）剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量(m)為： 式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉(zhuǎn)矩。

43、 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動精度的1/2，即 該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。 6）效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率為 要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。 3.4.4滾珠絲杠的安裝與使用 (1)潤滑 為使?jié)L珠絲杠副能充分發(fā)揮機能，在其工作狀態(tài)下，必須潤滑，

44、潤滑方式主要有潤滑脂，潤滑油。 (2)防塵 滾珠絲杠副與滾動軸承一樣，如果污物及異物進入就很快使它磨耗，成為破損的原因。 (3)使用 滾珠絲杠副在使用時應(yīng)注意以下事項： 1.滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運動，必要時要在行程兩端配置限位，以避免螺母越程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。 2.滾珠絲杠副由于傳動效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動時，如部件重量未加平衡，必須防止傳動停止或電機失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?。防逆?zhèn)鲃臃椒捎梦佪單仐U傳動、液壓式電器制動器及超越離合器等。 (4)安裝? 滾珠絲杠副在安裝時應(yīng)注意以下事項： 1. 滾珠絲杠副僅用于承受軸向負荷。徑向力、彎矩會使?jié)L珠

45、絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等不良負荷，從而可能造成絲杠的永久性損壞。? 2.滾珠絲杠副安裝到機床時，請不要把螺母從絲杠軸上卸下來。如必須卸下來時，要使用輔助套，否則裝卸時滾珠有可能脫落。 第四章 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計 4.1微機控制系統(tǒng)組成及特點 4.1.1 微機控制系統(tǒng)的組成 微機控制系統(tǒng)主要由微型計算機和伺服系統(tǒng)兩大部份組成，其中微機又包括硬件和軟件兩部分。 1．微機控制系統(tǒng)基本硬件組成 硬件是組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件軟件才能有效地運行。 （1）主控制器，即中央處理單元CPU。 （2）存儲器，包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。 （3）接口。 2．微機數(shù)控系

46、統(tǒng)軟件 軟件是指為實現(xiàn)微機控制系統(tǒng)各項功能編制的專用程序，它一般由以下幾部分組成： （1） 輸入數(shù)據(jù)處理程序 。 （2）插補運算程序。 （3）速度控制程序。 （4）管理程序和診斷程序。 4.1.2微機數(shù)控系統(tǒng)的特點 1.可靠性高。2.靈活性強。3.易于實現(xiàn)機電一體化。4.價格低5.由于微機的功能強，存儲量大，可實現(xiàn)多功能控制、多路運行控制及數(shù)據(jù)和圖形顯示等，給操作人員和監(jiān)視生產(chǎn)過程帶來方便。 4.2 微機控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 4.2.1 主控制器CPU的選擇 、目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以及8098、8096等16位機的

47、CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位機的CPU。但從性能價格比上，我們常采用MCS-51系列單片機中的8031作為主控制器。 下面對各功能部件作進一步的說明： （1） 數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：片內(nèi)為256個字節(jié)，片外最多可擴至64K字節(jié)。 （2） 程序存儲器（ROM/EPROM）：8031無此部件；8051為4KROM；8751為4KEPROM。片外最多可外擴至64K字節(jié)。 （3） 中斷系統(tǒng)：具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。 （4） 定時器/計數(shù)器：2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。 （5） 串行口：1個全雙工的串

48、行口，具有四種工作方式。 （6） P1口、P2口、P3口、P0口：為四個并行8位I/O口。 （7） 微處理器（CPU）：為8位的CPU，且內(nèi)含一個1位CPU（位處理器），不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進行位變量處理。MCS-51單片機的硬件結(jié)構(gòu)，如圖 數(shù)據(jù)存儲器 RAM 微處理器 （運算部件） 控制部件 ROM/EPROM P2口 P0口 程序存 儲器 特殊功能寄存器

49、 SFR 中斷 系統(tǒng) 定時/ 計數(shù)器 串行口 P3口 P1口 圖4.1 MCS-51單片機內(nèi)結(jié)構(gòu) 8031單片機包含中央處理器、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。 4.2.2 步進電機驅(qū)動電路 步進電機是一種用脈沖信號控制的電動機。在負載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)，電動機的角位移僅與控制脈沖成正比。。 1.計算機接口 在控制系統(tǒng)中，步進電機的接口電路至關(guān)重要，沒有它將無法實現(xiàn)微機對步進電機的控制。 2.脈沖分配器 脈沖分配器又叫做環(huán)形分

50、配器，是驅(qū)動步進電機必不可少的環(huán)節(jié)。 3．隔離電路 在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進電機的勵磁繞組。 4.2.3其它輔助電路設(shè)計 1. 8031的時鐘電路 單片機的時鐘可以有兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。 2．8031的復(fù)位電路 單片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在RESET引腳上保持10ms以上的高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0000H單元開始執(zhí)行程序。一般數(shù)控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復(fù)位組合。 圖4.1時鐘電路和復(fù)位電路 4.3 程序部分 ORG 2000 KZCH: PUSH

51、AH ；保護;現(xiàn)場 PUSH BC MOV R2,#NH ；送步數(shù)給R2 LOOP0: MOV R3,#00H MOV DPTR,#POINT ；送控制碼指針 JNB 00H,LOOP2 LOOP1: MOV A,R3 ；取控制碼 MOVC A, A+DPTR JZ LOOP0 ；控制碼為00H轉(zhuǎn)LOOP0 MOV P1, A ；輸出控制碼 CALL YANS

52、 ；調(diào)延時子程序 INC R3 ；指針指向下一個控制碼 JNZ R2,LOOP1 ；步數(shù)未完，繼續(xù) POP BC ；恢復(fù)現(xiàn)場 POP AF RET LOOP2: MOV A, R3 ；取反向控制碼 ADD A, #7H MOV R3, A AJMP LOOP1 POINT: DB 01H ；正向轉(zhuǎn)動控制碼 DB 03H DB 02H DB

53、 06H DB 04H DB 05H DB 00H DB 01H ；反向轉(zhuǎn)動控制碼 DB 05H DB 04H DB 06H DB 02H DB 03H DB 00H POINT: EQU 150H N0 EQU 20H NLL EQU 21H N1H EQU 22H N2 EQU 23H NL EQU 24H NH EQU 25H DS

54、 EQU 26H ; 地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H START: MOV SP , #60H ; 程序開始 MOV TMOD , #01H ; 設(shè)計數(shù)器為工作方式1,16定時器 MOV N0 , #1BH ; 設(shè)N0初值為27 MOV NZ , #1BH ; 設(shè)NZ初值為27 MOV A , N0 RL A MOV RO , A CLR C MO

55、V A , NL SUBB A , N0 MOV NLL , A MOV A , NH SUBB A , #00H MOV NIH , A MOV DPTR , #1000H ; 設(shè)時間常數(shù)地址指針初值為1000H MOV DS , #00H ; 設(shè)地址偏移量初值為00H MOV A , @A+DPTR ; 從EPROM中讀時間常數(shù) MOV TLO , A ; 送時間常數(shù)至定時器0中 INC DS MOV A , DS MOVC

56、 A , @A+DPTR MOV THO , A INC DS SETB EA ; 開中斷允許 SETB ETO ;允許定時器0中斷 SETB TRO ; 啟動定時器0開始算 WAIT: JB EA , WAIT ; 中斷允許范圍 RET ORG 000EH ; 定時器0中斷入口地址 JMP 0F00H ORG 0F00H INT:

57、 MOV A , DS ; 送時間常數(shù)到定時器0中 MOVC A , @A+DPTR MOV TLO , A INC DS MOV A , DS MOVC A , @A+DPTR MOV THO , A INC DS ; 修改地址偏移量指針 CALL FEED ; 調(diào)FEED子程序,使電機進給步 MOV A , N0 ; 判斷N0是否為0,為0則

58、轉(zhuǎn)恒速 JNE A , #00H , LOOP1 MOV A , N1 ; 判斷N1是否為0,為0則轉(zhuǎn)入減速 JNE A , #00H , LOOP2 MOV A , NIH JNE A , #00H , LOOP2 MOV A , N2 ; 判斷N2是否為0 JNE A , #00H , LOOP3 CLR EA ; N2為0,減速結(jié)束,關(guān)中斷 RET

59、 ; 中斷返回 LOOP1: DEC N0 ; N0不為0,則N0←N0-1 RET LOOP2: MOV A , NIL ; N1不為0,則N1←N1-1 CLR C SUBB A , #01H MOV NIL , A MOV A , NIH SUBB A , #00H MOV NIH , A RET LOOP3: DEC N2 RET

60、 結(jié)論 由于數(shù)控機床的精密要求，所以在設(shè)計的時候不得不考慮它的剛度要求及抗振性要求，這使得在設(shè)計床身的時候就要考慮到它所承受的各種外力的情況，在這方面，我針對床身的材料、厚度及其機構(gòu)幾方面進行了設(shè)計。在傳動方面為適應(yīng)其加工范圍、工藝要求、加工精度及自動化要求等方面，對主軸進行了設(shè)計使其具有較高的熱穩(wěn)定性，并能保證配合精度，并且還對X、Y、Z軸及其它相關(guān)零件進行了計算。在進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計中，因其要求定位精度高、跟蹤指令信號的響應(yīng)快、系統(tǒng)的穩(wěn)定好等，首先對其進行了分析并根據(jù)其要求完成這方面的設(shè)計。 在設(shè)計微機控制系統(tǒng)時，在選取主控制器及存儲器時通過

61、對本系統(tǒng)的考慮，在從性能價格比上選取了合適的硬件結(jié)構(gòu)，在電路設(shè)計方面以達到簡潔明了實用為目的，做出了設(shè)計。在選取電機時，以絲杠的最大負載及不影響電路的正常工作。最后根據(jù)所加工的工件形狀針對刀具及工作平臺設(shè)計了相應(yīng)的工作程序。 致謝 緊張的畢業(yè)設(shè)計就要結(jié)束了?；厥走@幾個月的畢業(yè)設(shè)計生活，雖然辛苦，但看到自 己能順利的完成畢業(yè)設(shè)計還時感到由衷的高興。要想自己的設(shè)計從頭至尾，每一個細節(jié)，每一步計算都明明白白，做到心中有數(shù)。并不是一件簡單的事情。不下一番苦功夫，不花大力氣是不可能做到這一點的。但只要你用心做了，成功總是伴隨你左右的。 通過這次設(shè)計，我不敢說獲得了豐富的知識，但起碼也小有收獲。

62、這使我在拿到一 個題目時不再擔(dān)心害怕，因為在我的腦中已形成了一種思考問題解決問題的思路。 當(dāng)然，今后我們工作在一個集體中做的只是一個工作中的某一部分，所以我們要學(xué)會配合，學(xué)會虛心聽取別人意見等。這都是在這次畢業(yè)設(shè)計中我所學(xué)到的。最后，我要感謝我的指導(dǎo)老師，在整個畢業(yè)設(shè)計過程中，不辭辛勞的為我找資料，為我細心的指導(dǎo)、講解各種問題。在此，我要再次衷心的感謝每一位幫助我的老師。 參考文獻 [1]明張霖.數(shù)控微細銑削機床系統(tǒng)構(gòu)建及性能研究 [M].:I:學(xué)博士學(xué)位論文.南京航空航大大學(xué).2007, 12. 5-12. [2]譚亞明.基于微小型銑床的微細銑削加工實驗研究[M].工學(xué)碩士學(xué)位論文

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