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1、河北機電職業(yè)技術學院畢業(yè)設計 河北機電職業(yè)技術學院 學生畢業(yè)設計（論文） 題目：普通銑床數(shù)控化改造設計 學生姓名： 學 號： 系 部： 專業(yè)名稱： 班級名稱： 指導教師： 完成日期： 年 月 日 目 錄 摘要 2 第一章

2、 三坐標數(shù)控銑床的設計和計算 3 1.1主傳動系統(tǒng)的設計 13 1.2主軸系統(tǒng)計算 17 1.3進給伺服系統(tǒng)的設計 19 1.4進給傳動的計算 21 第二章 微機控制系統(tǒng)的設計 34 2.1微機控制系統(tǒng)組成及特點 34 2.2 微機控制系統(tǒng)設備介紹 35 2.3 程序部分 42 結論 46 參考文獻 47 致 謝 48 摘 要 我所設計的畢業(yè)課題為“普通銑床數(shù)控化改造設計”。對于機床的設計來說 ，我首先對所要設計的機床進行技術調查，查閱了國內外有關文獻資料，在此基礎上，對其用途范圍、性能指標、方案對比等進行論證分析。對于通

3、用機床我更是查閱了大量的國內外有關銑床的資料后，擬定了此機床的總體方案為立式銑床。然后根據(jù)總體方案的布局形式，規(guī)格參數(shù)，精度性能等要求，對此機床的進給傳動系統(tǒng)進行了專題設計。首先是對進給傳動的運動設計。此設計主要功能和主要參數(shù)以及各系統(tǒng)的基本工作原理及其數(shù)控化。數(shù)控化的銑床的定位精度和重復定位精度明顯提高，獲得了明顯的經(jīng)濟效益。 關鍵詞：數(shù)控化改造；定位精度；重復定位精度；無級變速；伺服傳動系統(tǒng)。 第一章 三坐標數(shù)控銑床的設計和計算 1.1 主傳動系統(tǒng)的設計 主傳動系統(tǒng)一般由動力源（如電動機）、變速裝置及執(zhí)

4、行元件（如主軸、刀架、工作臺），以及開停、換向和制動機構等部分組成。動力源為執(zhí)行元件提供動力，并使其得到一定的運動速度和方向,變速裝置傳遞動力以及變換運動速度，執(zhí)行元件執(zhí)行機床所需的運動，完成旋轉或直線運動。 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，如轉速高，調速范圍大，恒扭矩調速范圍達1：100～1：1000，恒功率調速范圍達1：10以上；更大的功率范圍達2.2～250kW，能在切削加工中自動變換速度；機床結構簡單，噪聲小，動態(tài)性能好，可靠性高等。數(shù)控機床主傳動設計應滿足的特點：主傳動采用直流或交流電動機無級調速；數(shù)控機床驅動電動機和主軸功率特性的匹配

5、設計；數(shù)控機床高速主傳動設計；數(shù)控機床采用部件標準、模塊化結構設計；數(shù)控機床的柔性化、復合化；虛擬軸機床設計。 為了適應數(shù)控機床加工范圍廣、工藝適應性強、加工精度高和自動化程度高等特點，要求主傳動裝置應具有以下特點： （1） 具有較大的調速范圍，并實現(xiàn)無級調速。無級變速傳動在一定的變速范圍內連續(xù)改變轉速，以便得到最有利的切削速度；能在運轉中變速，便于實現(xiàn)變速自動化；能在負載下變速，便于車削大端面時保持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和加工質量。 （2） 具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關。為此，應提高傳動件的精度與剛度，采用高精度軸承

6、及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。 （3） 良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機床一般既要進行粗加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻 運動部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至破壞刀具或零件，使加工無法進行。因此主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力—抗振性。抗振性 用動剛度或動柔度來衡量。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當量靜剛度 阻尼比及固有頻率等參數(shù)。 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

7、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)。 1 主傳動變速系統(tǒng) 普通機床一般采用機械有級變速調速傳動，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。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調速范圍內選用到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。 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

8、裝置。 無級變速主傳動系統(tǒng)設計原則： 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。如銑床主傳動系統(tǒng)要求恒功率傳動，就應該選擇恒功率無級變速裝置。 二為無級變速系統(tǒng)裝置單獨使用時，其調速范圍較小，尤其是恒功率調速范圍往往小于機床實際需要的恒功率變速范圍。為此，常把無級變速裝置與機械分級變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴大恒功率變速范圍和整個變速范圍。 （1） 主軸部件設計 主軸部件的性能要求 主軸部件是機床主要部件之一，它是機床的執(zhí)行元件。它的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉進行切削，承受切削力和驅動力等載荷，完成表面成型運動。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件

9、等組成。 主軸部件的工作性能對整機性能和加工質量以及機床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決定機床性能和技術經(jīng)濟指標的重要因素。因此，對主軸部件有如下要求： ① 軸的旋轉精度是指裝配后，在無載荷、低速轉動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的7：24錐孔）的徑向和軸向跳動。旋轉精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調整精度。工件轉速下的旋轉精度還取決于主軸的轉速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。 ② 剛度 主軸部件的剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性變形時，在位移方向上所施加的作用力來定義的。主軸

10、部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、滾動軸承的類型和數(shù)量、預緊和配置形式、傳動件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質量等都影響主軸部件的剛度。 ③ 溫升 因為相對運動處的摩擦生熱，切削取得切削熱等使主軸溫度升高將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，各類機床對溫升都有一定的限制。 ④ 可靠性 數(shù)控機床是高度自動化的機床，所以必須保證工作可靠性，可喜的是這方面的研究正在發(fā)展。 ⑤ 精度保持性 它指長期保持其原始制造精度的能力。對數(shù)控機床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。

11、（2） 主軸部件的組成和軸承選型 ① 主軸部件，它由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 ② 主軸的傳動件，可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化設計：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動聯(lián)接。本三坐標曲面數(shù)控銑床采用帶傳動聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向）。角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。推力支承應位于前支承內，原因是數(shù)控機床的坐標原點，常設定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標原點的位移，應盡量縮

12、短坐標原點支推力支承之間的距離。 ③ 主軸軸承，選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，常采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對背，面對面和同向組配，背靠背和面對面組配都能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。背對背比面對面安裝的軸承具有較高的抗顛覆力矩的能力。運轉時，軸承的外圈的散熱條件比內圈好，因此，內圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結果將使軸承的過盈加大。軸向膨脹對與背靠背組配將使過盈減少，于是，可以補償一部分徑向膨脹；而對于面對面組配，將使過盈進一步加大。基于上述分析，主軸受到彎距，又屬高速

13、運轉，因此主軸軸承必須采用背靠背組配。 ④ 角接觸角軸承的間隙調整和預緊 主軸軸承的內部間隙，必須能夠調整，多數(shù)軸承，還應在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和導軌之間有一定的預變形，這就是軸承的預緊。 軸承預緊后，內部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于提高運動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而在預緊前只有部分滾導體與滾道接觸。預緊后，滾導體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動體將增多，各滾動體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動，則由于各個方面都有滾動體支承，可以提高抗振性。但是，預緊后發(fā)熱較多，溫升較高；而且較大的預緊力將使壽

14、命下降，故預緊要適量。 角接觸角軸承在軸向力的作用下，使內外圈產(chǎn)生軸向錯位實現(xiàn)預緊，衡量預緊力大小的是軸向預緊力，簡稱預緊力Fa0，單位為N。多聯(lián)角接角球軸承是根據(jù)預緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預緊、中預緊和重預緊三級預緊。訂貨時可指定預緊級別。軸承廠在內圈（背靠背組配）或外圈（面對面組配）的端面根據(jù)預緊力磨去δ。裝配時擠緊，便可得到預定的預緊力。如果兩個軸承間需要隔開一定的距離，可在兩軸承之間加入厚度相同的內外隔套。在軸向載荷的作用下，不受力側軸承的滾動體與滾道不能脫離接觸。而滿足這個條件的最小預緊力，雙聯(lián)組配為最大軸向載荷的35%。 ⑤ 承載能力和壽命 主軸軸承通常載荷相對較輕。一些特

15、殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有問題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為P4級，經(jīng)使用磨損后跳動精度降為P5級,這個軸承就認為應該更換了。雖然還未達到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計。 (3) 主軸組件的動態(tài)特性 通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內裝式電動機高速主軸，電動機轉子是一個集中質量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施： ① 是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎上（軸承）的剛體振動的第一階（

16、平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動，則應提高主軸的剛度，如加粗直徑。 激振力可能來自主軸組件的不平衡，這時激振頻率等于主軸轉速乘以 π/30。也可能來自斷續(xù)切削，這時激振頻率還應乘以刀齒數(shù)Z。 ② 增大阻尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動。這時主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對主軸組件的抗振性影響很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動軸承適當預緊可以增大阻尼，但過大的預緊反而使阻尼減少，故選擇預緊時還因考慮阻尼因素。 ③ 采用消振裝置。 （4） 主軸軸承的潤滑 滾動軸承在接觸區(qū)的壓強很高，在這么高的壓強下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接

17、觸而不是一條線或一個點的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。 ① 脂潤滑 滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進入，壽命是很長的。一次充填可用到大修，不需補充，也不要加脂孔。 脂潤滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號（常用于球軸承）。 ② 油氣潤滑 如果dn值較大時，還需對軸承進行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油

18、的攪拌作用，溫升反而會增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑能達到這個目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油 用于潤滑，空氣用于冷卻。 1.2 主軸系統(tǒng)計算 1 V帶傳動的設計計算 三角帶的選用應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）。帶傳動設計計算的主要內容包括確定帶的型號、基準長度和根數(shù)；確定帶輪的材料、結構尺寸；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

19、 (2) 選擇三角帶型號 根據(jù)P、n由圖選SPA型 窄V帶 (3) 確定帶輪直徑D、D 小帶輪直徑D應滿足：DD，以免帶的彎曲應力過大而導致其壽命降低。 查表取D,故選擇D (4) 計算膠帶速度 故 D選擇合格 D (5) 確定中心距a和帶長L 得 初選 帶長 查表，取 中心距

20、 a的調整范圍： (6) 驗算小帶輪包角 小帶輪包角可按公式求得： 得 ， 即滿足條件。 (7) 確定V帶根數(shù)z V帶根數(shù)Z可按下式計算： 由表，查得 由表，查得 由表，查得 由表，查得 由表，查得 代入求根公式，得

21、 取z=6,符合表7-4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 1.3 進給伺服系統(tǒng)的設計 1 對

22、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)定性是指當作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復到原來的穩(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。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結構及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），，與外界的作用信號（包括指令信號或擾動信號）的性質或形式無關。 (2) 精度 伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復現(xiàn)輸

23、入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差：動態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標就行。 (3) 快速響應性 快速響應特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應速度及瞬態(tài)過程結束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機床的加工精度和生產(chǎn)率。2 進給伺服系統(tǒng)的設計要求 在靜態(tài)設計方面有： （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)扭轉剛度； （4） 足夠的調速范圍； （5） 進給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象； 在動態(tài)設計方面的要求有： (1) 具有足夠的加速和制動轉矩； (2) 具有

24、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量； (3) 負載引起的軌跡誤差盡可能小； 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) 傳動部件在拉壓剛度、 扭轉剛度、 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能 小的非線性。 3 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應特性及伺服性能分析 （1） 時間響應特性 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時間響應特性和頻率響應特性。 時間響應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)響應和穩(wěn)態(tài)響應兩部分組成。由于

25、系統(tǒng)包含一些儲能元件，所以當輸入量作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài)響應過程（或叫過渡過程）。穩(wěn)定響應是指當時間t趨向無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。若在穩(wěn)定時，輸出和輸入不能完全吻合，就認為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。 （2） 頻率響應特性 時間響應特性是從微分方程出發(fā)，研究系統(tǒng)響應隨時間的變化的規(guī)律，即在已知傳遞函數(shù)的前況下，從系統(tǒng)在階越輸入及斜坡輸入時間應速度及振蕩過程的狀態(tài)中來獲得動態(tài)特性參數(shù)。然而在很多情況下，傳遞函數(shù)不清楚，所以只能由試驗的方法來求取動態(tài)特性。因此出現(xiàn)頻率響應特性法。所謂頻率響應特性,就是系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應，即它通過研究系統(tǒng)對正弦輸

26、入信號的響應規(guī)律來獲得啟動態(tài)特性。 （3） 快速性分析 所謂快速性分析是指分析系統(tǒng)的快速響應性能，快速性反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)質量。 對于線性進給伺服系統(tǒng)，由于它包含各種電路、機電轉換裝置和機械傳動機構，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時間常數(shù)，對高頻信號來不及反應，只是一個地通漏波器。這種系統(tǒng)的通頻寬帶，對高頻信號響應速度快，所以從開環(huán)頻率特性圖看，提高系統(tǒng)的截止頻率，則可以提高閉環(huán)回路的響應速度。 1.4 進給傳動的計算 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,工作臺質量700kg,則：

27、① 求計算載荷Fc 根據(jù)《機電一體化設計基礎》 計算載荷 查表取 查表取 查表取 查表取D級精度 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，由表2-9得絲杠副數(shù)

28、據(jù)： 公稱直徑 導程 滾珠直徑 按表種尺寸公式計算： 滾道半徑 偏心距 絲杠內徑 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。 a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)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S,其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(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 式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于

29、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)。 b 高速長絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速——臨界轉速。要求絲杠的最大轉速。 臨界轉速按下式計算： 式中：為臨界轉速系數(shù)，見表2-10，本題取，

30、 即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 c 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求 所以該絲杠副工作穩(wěn)定 ⑤ 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉矩T()共同作用下引起每個導程的變形量(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為轉矩。 式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷 按最不利的情況?。ㄆ渲校?

31、 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為： 通常要求絲杠的導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，所以合格。 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

32、大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為1625N,工作臺質量900kg,則： ① 求計算載荷Fc 根據(jù)《機電一體化設計基礎》 計算載荷 查表取 查表取 查表取 查表取D級精度 則： ② 計算額定動載荷 取絲杠的工作壽命為,

33、 ③ 選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 導程 滾珠直徑 按表種尺寸公式計算： 滾道半徑 偏心距 絲杠內徑 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。 a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)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S,其值

34、應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(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 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)。 b高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速——臨界轉速。要求絲杠的最大轉速。 臨界轉速按下式計算：

35、 式中：為臨界轉速系數(shù)，見表2-10，本題取， 即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 c此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求 ⑤ 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉矩T()共同作用下引起每個導程的變形量(m)為： 式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，

36、；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉矩。 式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷 按最不利的情況?。ㄆ渲校? 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為： 通常要求絲杠的導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

37、 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 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

38、根據(jù)《機電一體化設計基礎》 計算載荷 查表取 查表取 查表取 查表取D級精度 則： 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，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 導程 滾珠直徑 按表種尺寸公式計算： 滾道半徑 偏心距 絲杠內徑 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

39、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。 a 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)，所以在設計時應驗算其安全系數(shù)S,其值應大于絲杠副傳動結構允許安全系數(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

40、安全的，不會失穩(wěn)。 b高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉速——臨界轉速。要求絲杠的最大轉速。 臨界轉速按下式計算： 式中：為臨界轉速系數(shù)，見表2-10，本題取， 即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 c 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求 ⑤ 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉矩T()共同作用下引起每個導程的變形量(m)為：

41、 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為轉矩。 式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷 按最不利的情況?。ㄆ渲校? 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為： 通常要求絲杠的導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

42、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。 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，潤滑方式主要有以下兩種 ① 潤滑脂 潤滑脂的給脂量一般是螺母內部空間容積的1/3，一般滾珠絲杠副在螺母內部已加注GB7324-94 2#鋰基潤滑脂； ② 潤滑油 潤滑油的給油量標準如表所示，但是隨行程、潤滑油的種類、使用條件（熱抑制量）等的不同而有所變化。請注意使用。 表 潤滑油的給油量標準（間隔3分鐘）

43、 表潤滑油的給油量標準 軸 頸 (mm) 給油量 (cc) 4～8 0.03 10～14 0.05 15～18 0.07 20～25 0.10 28～32 0.15 36～40 0.25 45～50 0.30 55～63 0.40 70～100 0.50 100～160 0.60 (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。因此，考慮有污物異物（切削碎削）進入時，必須采用防塵裝置（折皺保護罩、絲杠護套等），將絲杠軸完全保護起來。 另外，如沒有異物，但有浮塵時可在滾珠螺母兩端增加防塵圈，請用戶根

44、據(jù)需要按編號規(guī)則選定合適規(guī)格型號。 (3) 使用 滾珠絲杠副在使用時應注意以下事項： ① 滾珠螺母應在有效行程內運動，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珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應力等不良負荷，從而可能造成絲杠的永久性損壞。因此，滾珠絲杠副安裝

45、到機床時應注意： a 絲杠的軸線必須和與之配套導軌的軸線平行，機床的兩端軸承座與螺母座必須三點成一線。 b安裝螺母時，盡量靠近支撐軸承。 c 同樣安裝支撐軸承時，盡量靠近螺母安裝部位。 ? 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。螺母裝卸時應注意下列幾點： a 輔助套外徑應小于絲杠底徑0.1～0.2mm； b 輔助套在使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩； c 裝卸時，不可使過大力以免螺母損壞； d 裝入安裝孔時要避免撞擊和偏心。 第二章 微機控制系統(tǒng)的設計 2.1微機控制系統(tǒng)組成及

46、特點 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，有了硬件軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下部分組成。 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 它接受輸入的零件加工程序，用標準代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)整

47、理成便于解釋執(zhí)行的格式后存放。 ② 插補運算程序 它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補器的功能。 ③ 速度控制程序 它根據(jù)給定的速度代碼或每分毫米數(shù)控制插補運算的頻率，以保證預定速度進給。 ④ 管理程序和診斷程序 管理程序對數(shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過程服務的各個程序進行調度，還可以對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。診斷程序可以在運行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示故障類型。 2 微機數(shù)控系統(tǒng)的特點 （1） 可靠性高。由于采用大規(guī)模集成電路、軟件連接以及自診斷功能，所以大大提高了無故障運行時間，即使有極少的故障也能及時發(fā)現(xiàn)和排除。 （2）靈活性強。由于系統(tǒng)的硬件是通用、標準化

48、的，對于不同機床的控制要求只需更換可編程只讀存儲器中的系統(tǒng)程序就可實現(xiàn)。 （3）易于實現(xiàn)機電一體化。采用大規(guī)模集成電路時控制框尺寸大為縮小，采用可編程接口又可將M、S、T等順序控制部分邏輯電路與數(shù)控裝置結合一起，使結構更為緊湊。 （4）價格低。采用微機數(shù)控，使數(shù)控機床電氣部分成本大為下降，對功能較齊全的數(shù)控機床價格幅度下降更大。 （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。 2.2 微機控制系統(tǒng)設備介紹 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

49、及8098、8096等16位機的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。 （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。

50、 （5） 串行口：1個全雙工的串行口，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單片機的硬件結構， 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。 下圖為8031的引腳圖： MCS-51系列單片機中的8031采用40Pin封裝的雙列直插式封裝DIP結構，下圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根

51、，外置石英振蕩器的時鐘線兩根。4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復用。 8031引腳配置圖 2 存儲器電路的擴展 （1） 程序存儲器的擴展 單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片，即紫外線可編程的EPROM芯片，其型號分別為：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別位2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配，即8031所能讀取的時間必須大于EPROM所要求的讀取時間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計存儲器的容量。在滿足容量要求是應盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，是系統(tǒng)簡化。在本系統(tǒng)中，我

52、們擬采用2764作為擴展芯片。 2764與8031主要是三總線的聯(lián)接。2764中的低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031P0口相聯(lián)。當?shù)刂锋i存允許信號ALE為高電平，則P0口輸出地址有效。8位數(shù)據(jù)線直接與8031 P0口相連，高5位地址線分別與P2.0～P2.4相聯(lián)，OE引腳直接同8031PSEN引腳相聯(lián)，片選信號CE接地，以便總能選中。由于8031只能選通外部程序存儲器，因而其EA引腳接地。 EPROM2746引腳圖 （2） 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 由于8031內部RAM只有128字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采

53、用6116和6264靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲器，其選用的規(guī)則與EPROM程序存儲器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲器的外擴芯片。 6264低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031 P0口相接，高5位地址線分別與P2.0～P2.4相聯(lián)，8位數(shù)據(jù)線直接接至8031 P0口，讀寫控制引腳OE、WE與8031的讀寫控制引腳RD、WR直接相聯(lián)，片選端CE1通過譯碼電路與8031相聯(lián)。 R AM6264引腳圖 （3） 單片機鎖存器 74LS373是一片三態(tài)輸出8D觸發(fā)器（3S，鎖存允許輸入有回環(huán)特性）。373 的輸出端D0~D7 可直接與總線相連。當三態(tài)允許控制端OE

54、為低電平時，O0~O7 為正常邏輯狀態(tài)，可用來驅動負載或總線。當OE 為高電平時，O0~O7 呈高阻態(tài)，即不驅動總線，也不為總線的負載，但鎖存器內部的邏輯操作不受影響。當鎖存允許端LE 為高電平時，O 隨數(shù)據(jù)D 而變。當LE 為低電平時，O 被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當LE 端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV 。引出端符號： D0～D7：數(shù)據(jù)輸入端； OE：三態(tài)允許控制端（低電平有效）； LE：鎖存允許端； Q0-Q：輸出端； 鎖存器74LS373外部管腿 3 I/O口電路的擴展 （1） 并行口的擴展 8031單片機共有四個8位并

55、行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此在大部分應用系統(tǒng)中都不可避免地要進行I/O口的擴展。通用可編程接口芯片8155具有2k位的靜態(tài)RAM、2個8位和一個6位的可編程并行I/O口、一個14位的計數(shù)器。由于8155與單片機的接口簡單，是單片機系統(tǒng)廣泛使用的芯片。 8155與8031的聯(lián)接可歸結為三總線的連接。8155本身具有地址鎖存信號控制線和地址鎖存器，故可直接將地址、數(shù)據(jù)線AD0～AD7直接與8031口線對應的相連，8155的ALE與8031的ALE直接相連，高8位地址的P2.5～P2.7經(jīng)譯碼器74LS138提供8155的片選信號CE,IO/M控制端接P2.0口，其它

56、讀寫信號WR、RD也都對應相連。8155的地址與8031統(tǒng)一編址。 （2） 鍵盤、顯示器接口電路 鍵盤、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計算機狀態(tài)的動態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，按鍵設置在行列的交點上。 本系統(tǒng)中所設計的是由4×6鍵和6位LED顯示器組成。為了簡化電路，鍵盤的列線及LED顯示器的段碼共用一個口，即8155的PB口，鍵盤的行線由8155的PA口提供，LED的字位控制則由PC口經(jīng)74154后提供。 8155各引腳功能說明如下： RST：復位信號輸入端，高電平有效。復位后，3個端口均為輸入方式。 AD0～AD7：三態(tài)的地址/數(shù)據(jù)總

57、線。與單片機的低8位地址/數(shù)據(jù)總線（P0口）相連。單片機與8155之間的地址、數(shù)據(jù)、命令與狀態(tài)信息都是通過這個總線口傳送的。 ：讀選通信號，低電平有效。 ：寫選通信號，低電平有效。 ：片選信號線，低電平有效。 IO/：8155的RAM存儲器和I/O口選擇。當IO/＝0時，則選擇8155的片內RAM，AD0～AD7上地址為8155中RAM單元的地址（00H～FFH）；當IO/＝1時，選擇 8155的I/O口，定時/計數(shù)器，命令/狀態(tài)寄存器 ALE：地址鎖存信號。8155內部設有地址鎖存器，在ALE的下降沿將單片機P0口輸出的低8位地址信息及，IO/的狀態(tài)都鎖存到8155內部鎖存器

58、。因此，P0口輸出的低8位地址信號不需外接鎖存器。 PA0～PA7：8位通用I/O口，其輸入、輸出的流向可由程序控制。 PB0～PB7：8位通用I/O口，功能同A口。 PC0～PC5：有兩個作用，既可作為通用的I/O口，也可作為PA口和PB口的控制信號線，這些可通過程序控制。 TIMERIN：8155內部定時/計數(shù)器信號輸入端。 TIMEROUT：8155內部定時/計數(shù)器信號輸出端。 VCC：＋5V電源 8155集成芯片引腳圖 4 步進電機驅動電路 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，電動機的角位移僅與控制脈沖成正比。在多數(shù)情況下，用步進

59、電機作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)不需要A/D或D/A轉換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟性數(shù)控機床最主要的一種伺服驅動元件。 （1） 計算機接口 在控制系統(tǒng)中，步進電機的接口電路至關重要，沒有它將無法實現(xiàn)微機對步進電機的控制。如前所述，8031系列單片機含有4個并行輸入/輸出口，其中P1口可以提供給用戶使用，作為步進電機及其它控制對象的接口。也可采用8155或8255A等可編程并行輸入、輸出接口芯片設計擴展接口電路，來控制步進電機即其它外部設備。本系統(tǒng)即采用8155的PA口作為步進電機的控制端口。 （2） 脈沖分配器 脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅動步進電機必不可少的環(huán)節(jié)。步進電機

60、的控制方式由環(huán)形分配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列脈沖指令按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各項繞組，實現(xiàn)電機的正或反轉。在數(shù)控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。而在本系統(tǒng)中使用的是軟件脈沖分配，通過編程來達到脈沖分配的目的，從而控制步進電機的各項繞組。 （3） 隔離電路 在步進電機驅動電路中，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。由于步進電機需要的驅動電壓較高（幾十伏），電流也較大，如果將輸出信號直接與功率放大器相聯(lián)，將會引起強電器干擾，輕則影響計算機程序的正常進行，重則導致計算機和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電

61、路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。圖為光電耦合器與步進電機的接口電路。 2-2-2 光電隔離與步進電機接口電路圖 5 其它輔助電路設計 （1） 8031的時鐘電路 單片機的時鐘可以有兩種方式產(chǎn)生：內部方式和外部方式。 內部方式利用芯片內部振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時元件，如圖()所示。晶體可在1.2～12MHz之間任選，耦合電容在5～30Pf之間，對時鐘有微調作用。采用外部時鐘方式，可把XTAL1直接接地，XTAL2接外部時鐘源。 （2） 8031的復位電路 單片機的復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

62、保持10ms以上的高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復位，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位組合。 圖2-2-3時鐘電路和復位電路 2.3 程序部分 ORG 2000 KZCH: PUSH 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

63、 ；取控制碼 MOVC A, A+DPTR JZ LOOP0 ；控制碼為00H轉LOOP0 MOV P1, A ；輸出控制碼 CALL YANS ；調延時子程序 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 ；恢復現(xiàn)場 POP AF RET LOOP2: MOV A, R3 ；取反

64、向控制碼 ADD A, #7H MOV R3, A AJMP LOOP1 POINT: DB 01H ；正向轉動控制碼 DB 03H DB 02H DB 06H DB 04H DB 05H DB 00H DB 01H ；反向轉動控制碼 DB 05H DB 04H DB 06H DB 02H DB 03H DB 00H POINT:

65、 EQU 150H N0 EQU 20H NLL EQU 21H N1H EQU 22H N2 EQU 23H NL EQU 24H NH EQU 25H DS 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 ; 設計數(shù)器為工作方式1,16定時器

66、 MOV N0 , #1BH ; 設N0初值為27 MOV NZ , #1BH ; 設NZ初值為27 MOV A , N0 RL A MOV RO , A CLR C MOV A , NL SUBB A , N0 MOV NLL , A MOV A , NH SUBB A , #00H MOV NIH , A MOV DPTR , #1000H ; 設時間常數(shù)地址指針初值為1000H MOV DS , #00H ; 設地址偏移量初值為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 A , @A+DPTR MOV THO , A INC DS SETB EA