三坐标数控铣床设计

山东大学毕业论文（设计） 1 山东大学毕业论文（设计） 1 第章 绪论 随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入自适应控制模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程前馈控制模糊控制学习控制自适应控制工艺参数自动生成三维刀具补偿运动参数动态补偿等功能，而且人机截面极为友好，并且有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统以使用化。 用数控铣床加工零件时，首先应编制该零件的加工程序，这是数控铣床的工作指令。将加工程序输入数控装置，再 由数控装置控制机床主运动的变速启动停止进给运动的方向速度和位移量，以及工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装置严格按照加工工序规定的顺序运动轨迹加工出符合要求的零件。 三坐标数控铣床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位控制还是连续控制，被加工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度灵敏度和稳定性的影响。为此，要注意以下三点进给运动要求： (1) 减少运动件的摩擦力。进给系统虽有许多元件，但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨。丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要 措施之一。 (2) 提高传动精度和刚度。在进给系统中滚珠丝杠和支承结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，因此，必须首先保证它们的加工精度。 (3) 减少运动惯量。进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。尤其是处于高速运转的零件，其惯性的影响更大。 设计是在原有普通铣床的基础上 ,对其进行改造 ,成为三坐标数控铣床。该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线。 所设计的三坐标数控铣床，三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电机，所有电机均由单片机进行控制。 此设计主 要对数控铣床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要有以下几个方面： X、 Y、 Z工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；机床整体结构的设计，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；单片机控制系统的设计，进一步熟悉其应用。 山东大学毕业论文（设计） 2 第 章 立式数控铣床的设计和计算 .1 主传动系统的设计 主传动系统一般由动力源（如电动机）、变速装置及执行元件（如主轴、刀架工作台），以及开停、换向和制动机构等部分组成。动力源给执行元件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向 ,变速装置传递 动力以及变换运动速度，执行元件执机床所需的运动，完成旋转或直线运动。 现代切削加工正朝着高速、高效和高精度方向发展，对机床的性能提出越来越高的要求，如转速高，调速范围大，恒扭矩调速范围达 1： 100 1： 1000，恒功率调速范围达 1： 10以上；更大的功率范围达 2.2 250kW，能在切削加工中自动变换速度；机床结构简单，噪声小，动态性能好，可靠性高等。 .1.1 主传动变速系统 普通机床一般采用机械有级变速调速传动，而数控机床需要自动变速；且在切削阶梯轴的不同直径，且削曲线旋转面和断面时 ，需要随切削的直径的变化而自动变速，以保持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选用到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。 机床主传动中常采用得无级变速装置有三大类：变速电动机、机械无级变速装置和液压无级变速装置。 无级变速主传动系设计原则： 一为尽量选择功率和扭矩特性符合传动系要求的无级变速装置。如铣床主传动系要求恒功率传动，就应选择恒功率无级变速装置。二为无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小，尤其是恒功率调速范围往往小于机床实际需要的恒功率 变速范围。为此，常把无级变速装置宇机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。 （ 1） 主轴部件设计 主轴部件的性能要求 主轴部件是机床主要部件之一，它是机床的执行元件。他的功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成型运动。主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。 主轴部件的工作性能对整机性能和加工质量以及机床生产效率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴部件有如下要求： 1）轴的旋转精度 是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面（如车床轴端的定心短锥、锥孔，铣床轴端的 7： 24 锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。 2 ）刚度 主轴部件的刚度是指其在外载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性便形时，在位移方向上所施加的作用力来定义的。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。因此，主轴的尺寸和形状、滚 动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度。 山东大学毕业论文（设计） 3 3）温升 因个相对运动处的摩擦生热，切削取得切削热等使主轴温度升高将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，各类机床对温升都有一定的限制。 4）可靠性 数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜的地方是这方面的研究正在发展。 5）精度保持性 它指长期保持其原始制造精度的能力。对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度 。 （ 2）主轴部件的组成和轴承选型 1) 主轴部件，它由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。 2) 主轴的传动件，可以位于前后支承之间，也可位于后支承之后的主轴后悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做，可以实现分离传动和模块化设计：主轴组件（称为主轴单元）和变速箱可以做成独立的功能部件，又专门的工厂集中生产，作为商品出售。变速箱和主轴间可用齿轮副或带传动联接。本三坐标曲面数控铣床采用带传动联接。主轴支承分径向和推力（轴向）。角接触球轴承兼起径向和推力支承的作用。推力支承应位于前支承内 ，原因是数控机床的坐标原点，常设定在主轴前端。为了减少热膨胀造成的坐标原点的位移，应尽量缩短坐标原点支推力支承之间的距离。 3) 主轴轴承，选用角接触球轴承。这种轴承即可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，长采用多联组配的办法。有三种基本组配方式，分别为背对背，面对面和同向组配，背靠背和面对面组配都能受双向轴向载荷；同向组配只能承受单向轴向载荷。主轴轴承必须采用背靠背组配。 4) 角接触球轴承的间隙调整和预紧 主轴轴承的内部间隙，必须能够调整，多数轴承，还应 在过盈状态下工作，使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。 轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚导体与滚道接触。预紧后，滚导体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将增多，各滚动体的受力将更加均匀。这些都有利提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提高抗振性 。 角接触球轴承在轴向力的作用下，使内外圈产生轴向错位实现预紧，衡量预紧力大小的是轴向预紧力，简称 预紧力 Fa0，单位为 N。多联角接触球轴承是根据预紧力组配的。轴承厂规定了轻预紧、中预紧和重预紧三级预紧。订货时可指定预紧级别。轴承厂在内圈（背靠背组配）或外圈（面对面组配）的端面根据预紧力磨去。装配时挤紧，便可得到预定的预紧力。如果两个轴承间需要隔开一定的距离，可在两轴承之间加入厚度相同的内外隔套。在轴向载荷的作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。而满足这个条件的最小预紧力，双联组配为最大轴向载荷的 35%。 5) 承载能力和寿命 主轴轴承通常载荷相对较轻。除上些特殊重载主轴外轴承的承载能力是没有 问题的。主轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损而降低精度。通常，如轴承精度为 P4级，经使用磨损后跳动精度降为 P5级 ,这个轴承就认为应该更换了。 （ 3） 主轴组件的动态特性 通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措施： 1) 是主轴组件的固有频率避开激振力频率。 山东大学毕业论文（设计） 4 2） 增大比尼。 3） 采用消振装置。 .2 主轴系统计算 三角胶带传动的计算和选定 三角带的 选用应保证有效地传递最大功率（不打滑）并有足够的使用寿命（一定的疲劳强度）。 (1) 确定计算功率 Pd PAd 4.14122.1 kW 式中： KA 工况系数 P 电机额定功率 Kw (2) 选择三角带型号 根据 Pd、 n1 由图 7-8选 SPA型窄 V带 (3) 确定带轮直径 D1 、 D2 小带轮直径 D1 应满足： D1 Dmin 查表 7-4取 D mm90min ,故选择 D mm1001 (4) 计算胶带速度 smsmnDv /25/5.660000 1250100100060 11 故 D1 选择合格 D mmiD 200100212 (5) 确定中心距 a和带长 Ld )(7.0 21 DD )(2210 DDa 得 mmamm 6002100 初选 mma 3000 带长 mmaDDDDaLd 10784)()(22 0212210 查表 7-3，取 mmLd 1000 中心距 mmLLaa dd 2 6 120 a的调整范围： mmLaad 246015.0m in mmLaad 29103.0m a x (6) 验算小带伦包角 1 3.57180 121 aDD 得 1201621 ， 即满足条件。 (7) 确定 V带根数 z Ld KKPP Pz)( 00 由表 7-6a查得 kW27.20 山东大学毕业论文（设计） 5 )11(10 ib KnK 由表 7-10查得 3107862.2 bK 由表 7-11查得 1199.1iK )1199.1 11(1250107862.2 3 iP kW38.0 由表 7-9查得 96.0K 由表 7-3查得 89.0LK 代入求根公式，得 96.089.0)38.027.2( 4.14 z 02.6 取 z=6,符合表 7-4推荐的轮槽数 (8) 确定出拉力0F 20 )15.2(5 0 0 qvKzvPF d 由表 7-5得 mkgq /12.0 20 5.612.0)11 5.2(5.66 4.14500 F N282 (9) 计算作用在轴上的压力 Q 2sin2 1zQ 2162s in28262 N3383 .3 进给伺服系统的设计 .3.1 对 进给伺服系统的基本要求 进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度高；跟踪指令信号的响应快；系统的稳定好。 (1) 稳定性 伺服系统的稳定性是指当作用在系统上的扰动信号消失后，系统能够恢复到原来的稳定状态下运行 ,或者在输入的指令信号作用下，系统能够达到新的稳定运行状态的能力。伺服系统的稳定性是系统本身的一种特性，取决于系统的结构及组成元件的参数（如惯性、刚度、阻尼、增益等），与外界的作用信号（包括指令信号 或扰动信号）的性质或形式无关。 (2) 精度 伺服系统的精度是指系统的输出量复现输入量的精确程度。伺服系统工作过程中通山东大学毕业论文（设计） 6 常存在三种误差：动态误差、稳定性误差和静态误差。实际中只要保证系统的误差满足精度指标就行。 (3) 快速响应性 快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。 .3.2 进给伺服系统的设计要求 在静态设计方面有： (1) 能够克服摩擦力和负载 (2) 很小的进给位移量 (3) 高的静态扭转刚度 (4) 足够的调速范围 (5) 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象 在动态设计方面的要求有： (1) 具有足够的加速和制动转矩 (2) 具有良好的动态传递性能，以保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量 (3) 负载引起的轨迹误差尽可能小 对于数控机床机械传动部件则有以下要求 (1) 被加速的运动部件具有较小的惯量 (2) 高的刚度 (3) 良好的阻尼 (4) 传动部件在拉压刚度 扭转刚度 摩擦阻尼特性和间隙等方面尽可能 小的非线性 .3.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 (1). 时间响应特性 进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率响应特性。 (2) 频率响应特性 (3) 快速性分析 .4 进给传动的计算 .4.1 X 轴滚珠丝杠副 (1) 精度 要求：进给精度 mm01.0 快速进给精度 min/6m (2) 疲劳强度 丝钢的最大载荷为最大进给力加摩擦力，最大进给力为 1625N,工作台质量 700kg,则： 1） 摩擦力fF NFFf 248.90 0 3 5.0700m i n 山东大学毕业论文（设计） 7 NF 1649241625m a x 32 m inm ax FFF m 3 2421649 N1107 根据机电一体化设计基础 计算 载荷cF MAHFc FKKKF 查表 2-6取 2.1FK 查表 2-8 取 0.1AK 查表 2-7取 0.1HK 查表 2-4 取 D级精度 则： NFc 132811070.10.12.1 2） 计算额定动载荷 aC 取丝杠的工作寿 命为 hLh 20000 , min/100 rnm 31067.1 4 hm Lnca FC 3 1067.1 20000100 41328 N6546 3） 选用 FC1-4020-2.5型丝杠，由表 2-9 得丝杠副数据： 公称直径 mmD 500 导程 mmp 10 滚珠直径 mmd 953.50 按表 2-1种尺寸公式计算： 滚道半径 mmdR 096.3953.552.052.00 偏心距 mmdRe 20 104.8)2953.5096.3(707.0)2(707.0 丝杠内径 mmReDd 98.33096.32104.824022 201 4） 稳定性验算 丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证 丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。 螺母固定端 游动端 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数 S 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷crF 22)( lEIF acr 山东大学毕业论文（设计） 8 式中， E为丝杠材料的弹性模量，对于钢 E=206Gpa； l为丝杠工作长度（ m）；a I为丝杠危险截面的轴惯性矩（ 4m ）； 为长度系数，取32。 4841 1054.664 mdI a NF cr 628921087.1)4.032(105.610206 安全系数 36 1059.111071087.1 mcrFFS 查表 2-10， S=2.5 3.3 ,SS,丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速 临街转速crn。要求丝杠的最大转速crnn max。 临街转速按下式计算： 212)(9910 ldfn ccr 式中：cf为临界转速系数，见表 2-10，本题取 927.3cf，32 22)4.032(0 3 3 9 8.0927.39 9 1 0crn min/103.7 4 r m in/6001010 6 3m ax rn 即：maxnncr ，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受 nD0值的限制，通常要求 m in/107 40 rmmnD m i n/107m i n/10410040 430 rmmrmmnD 5） 刚度验算 滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T( mN )共同作用下引起每个导程的变形量0L(m)为： cGJTpEApFL220 式中 :A丝杠截面积 , 2141 dA ；cJ为丝杠的极惯性矩， 4132 dJc ； G为丝杠切变模量，对钢 GPaG 3.83 ； T为转矩。 )tan (2 0 DFT m 式中： 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；mF卫平均工作载荷 mNT 84.1)2.0334t a n (102401 1 0 7 3 按最不利 的情况取（其中mFF） 山东大学毕业论文（设计） 9 412221201642 GdTpEdpFGJTpEApFLc 49223293)03398.0(103.83)14.3(84.1)1010(16)03398.0(1020614.3110710104 m2102.6 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： mpLlL 5.21010102.64.0320 通常要求丝杠的导程误差 L 小于其传动精度的 1/2，即 mmmL 5005.01.02121 该丝杠的 L 满足上市，所以其刚度可以满足要求。 6） 效率验算 滚珠丝杠副的传动效率 为 947.0)2.0334t a n ( )334t a n ()t a n ( t a n 要求在 90% 95%之间，所以该丝杠副合格。 经上述计算验算， FC1-4010-2.5各项性能均符合题目要求，所以合格。 .4.2 Y轴滚珠丝杠副 （ 1） 精度 要求：进给精度 mm01.0 快速进给精度 min/6m （ 2） 疲劳强度 丝钢的最大载荷为最大进给力加摩擦力，最大进给力为 1625N,工作台质量 900kg,则： 1）摩擦力fF NFFf 318.90035.0900m i n NF 1656311625m a x 32 m inm ax FFF m 3 3121656 N1114 根据机电一体化设计基础 计算载荷cF MAHFc FKKKF 查表 2-6取 2.1FK 查表 2-8 取 0.1AK 查表 2-7取 0.1HK 查表 2-4 取 D级精度 则： NFc 133711140.10.12.1 2）计算额定动载荷 aC 取丝杠的工作寿命为 hLh 20000 , min/100 rnm 31067.1 4 hm Lnca FC 山东大学毕业论文（设计） 10 3 1067.1 20000100 41337 N6590 3）选用 FC1-4020-2.5型丝杠，由表 2-9得丝杠副数据： 公称直径 mmD 500 导程 mmp 10 滚珠直径 mmd 953.50 按表 2-1种尺寸公式计算： 滚道半径 mmdR 096.3953.552.052.00 偏心距 mmdRe 20 104.8)2953.5096.3(707.0)2(707.0 丝杠内径 mmReDd 98.33096.32104.824022 201 4）稳定性验算 丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。 螺母固定端 游动端 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设 计时应验算其安全系数 S,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数 S 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷crF 22)( lEIF acr 式中， E为丝杠材料的弹性模量，对于钢 E=206Gpa； l为丝杠工作长度（ m）；a I为丝杠危险截面的轴惯性矩（ 4m ）； 为长度系数 ，取32。 4841 1054.664 mdI a NF cr 528921059.8)59.032(1054.610206 安全系数 25 107.711141059.8 mcrFFS 查表 2-10， S=2.5 3.3 ,SS,丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速 临街转速crn。要求丝杠的 最大转速crnn max。 临街转速按下式计算： 山东大学毕业论文（设计） 11 212)(9910 ldfn ccr 式中：cf为临界转速系数，见表 2-10，本题取 927.3cf，32 22)59.032(0 3 3 9 8.0927.39 9 1 0crn m in/1036.3 4 r m in/6001010 6 3m ax rn 即：maxnncr ，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受 nD0值的限制，通常要求 m in/107 40 rmmnD m i n/107m i n/10410040 430 rmmrmmnD 5）刚度验算 滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T( mN )共同作用下引起每个导程的变形量0L(m)为： cGJTpEApFL220 式中 :A丝杠截面积 , 2141 dA ；cJ为丝杠的极惯性矩， 4132 dJc ； G为丝杠切变模量，对钢 GPaG 3.83 ； T为转矩。 )tan (2 0 DFT m 式中： 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；mF卫平均工作载荷 mNT 85.1)2.0334t a n (102401114 3 按最不利的情况取（其中mFF） 412221201642 GdTpEdpFGJTpEApFLc 49223293)03398.0(103.83)14.3(85.1)1010(16)03398.0(1020614.3111410104 m2102.6 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： mpLlL 7.31010102.659.0320 通常要求丝杠的导程误差 L 小于其传动精度的 1/2，即 mmmL 5005.01.02121 该丝杠的 L 满足上 市，所以其刚度可以满足要求。 6）效率验算 滚珠丝杠副的传动效率 为 山东大学毕业论文（设计） 12 947.0)2.0334t a n ( )334t a n ()t a n ( t a n 要求在 90% 95%之间，所以该丝杠副合格。 经上述计算验算， FC1-4010-2.5各项性能均符合题目要求，所以合格。 .4.3 Z 轴滚珠丝杠副 （ 1）精度 要求：进给精度 mm01.0 快速进给精度 min/3m （ 2）疲劳强度 丝钢的最大载荷为主轴重量加摩擦力，最小载荷为主轴重量减最大进给力的垂直分力。主轴重量为 300kg,则： 1）摩擦力fF NFFf 108.90035.0300m i n NF 2 9 5 08.930010max NF 2 3 8 71031 6 2 58.9300m i n 32 m inm ax FFF m 3 238722950 N2762 根据机电一体化设计基础 计算载荷cF MAHFc FKKKF 查表 2-6取 2.1FK 查表 2-8 取 0.1AK 查表 2-7取 0.1HK 查表 2-4 取 D级精度 则： NFc 331427620.10.12.1 2）计算额定动载荷 aC 取丝杠的工作寿命为 hLh 20000 , min/100 rnm 31067.1 4 hm Lnca FC 3 1067.1 20000100 43314 N16335 3）选用 FC1-4020-2.5型丝杠，由表 2-9 得丝杠副数据： 公称直径 mmD 500 导程 mmp 10 滚珠直径 mmd 953.50 按表 2-1种尺寸公式计算： 滚道半径 mmdR 096.3953.552.052.00 偏心距 mmdRe 20 104.8)2953.5096.3(707.0)2(707.0 丝杠内径 山东大学毕业论文（设计） 13 mmReDd 98.33096.32104.824022 201 4）稳定性验算 丝杠一端轴向固定，采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。 螺母固定端 游动端 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 S,其值应大于丝 杠副传动结构允许安全系数 S 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷crF 22)( lEIF acr 式中， E为丝杠材料的弹性模量，对于钢 E=206Gpa； l为丝杠工作长度（ m）；a I为丝杠危险截面的轴惯性矩（ 4m ）； 为长度系数，取32。 4841 1054.664 mdI a NF cr 528921075.8)5.032(1054.610206 安全系数 25 102.327621075.8 mcrFFS 查表 2-10， S=2.5 3.3 ,SS,丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速 临街转速crn。要求丝杠的最大转速crnn max。 临街转速按下式计算： 212)(9910 ldfn ccr 式中：cf为临界转速系数，见表 2-10，本题取 927.3cf，32 22)5.032(0 3 3 9 8.0927.39 9 1 0crn m in/1052.3 4 r m in/6001010 6 3m ax rn 即：maxnncr ，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受 nD0值的限制，通常要求 m in/107 40 rmmnD m i n/107m i n/10410040 430 rmmrmmnD 山东大学毕业论文（设计） 14 5）刚度验算 滚珠丝杠在工作负载 F(N)和转矩 T( mN )共同作用下引起每个导程的变形量0L(m)为： cGJTpEApFL220 式中 :A丝杠截面积 , 2141 dA ；cJ为丝杠的极惯性矩， 4132 dJc ； G为丝杠切变模量，对钢 GPaG 3.83 ； T为转矩。 )tan (2 0 DFT m 式中： 为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；mF卫平均工作载荷 mNT 54.4)2.0334t a n (102402762 3 按最不利的情况取（其中mFF） 412221201642 GdTpEdpFGJTpEApFLc 49223293)03398.0(103.83)14.3(54.4)1010(16)03398.0(1020614.3276210104 m2107.9 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： mpLlL 85.41010107.95.0320 通常要求丝杠的导程误差 L 小于其传动精度的 1/2，即 mmmL 5005.01.02121 该丝杠的 L 满足上市，所以其刚度可以满足要求。 6）效率验算 滚珠丝杠副 的传动效率 为 947.0)2.0334t a n ( )334t a n ()t a n ( t a n 要求在 90% 95%之间，所以该丝杠副合格。 经上述计算验算， FC1-4010-2.5各项性能均符合题目要求，所以合格。 山东大学毕业论文（设计） 15 第 章 微机控制系统的设计 .1 微机控制系统组成及特点 .1.1 微机控制系统的组成 微机控制系统主要由微型计算机和伺服系统两大部份组成， 其中微机又包括硬件和软件两部分。 （ 1） 微机控制系统基本硬件组成 硬件时组成系统的基础，有了硬件软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。数控系统的硬件电路概括起来由以下部分组成。 1）主控制器，即中央处理单元 CPU 2）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写数据存储器 3）接口 （ 2） 微机数控系统软件 软件是指为实现微机控制系统各项功能编制的专用程序，它一般由以下几部分组成： 1）输入数据处理程序 它接受输入的零件加工程序，用标 准代码表示的加工指令和数据整理成便于解释执行的格式后存放。 2）插补运算程序 它完成普通数控系统中插补器的功能。 3）速度控制程序 它根据给定的速度代码或每分毫米数控制插补运算的频率，以保证预定速度进给。 4）管理程序和诊断程序 管理程序对数据输入、处理及切削加工过程服务的各个程序进行调度，还可以对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障，并指示故障类型。 .2 微机控制系统设备介绍 .2.1 主控制器 CPU 的选择 CPU的选择应考虑以下要素： （ 1） 控制数据处理的速度。 （ 2） ROM/RAM的容量。 （ 3） 指 令系统功能 的强弱 （即编程的灵活性）。 （ 4） I/O口扩展的能力（即对外设控制的能力）。 （ 5） 开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。 从性能价格比上，我们拟采用 MCS-51系列单片机中的 8031作为主控制器。 下面介绍 MCS-51单片机的硬件结构，如图（ 4）。 山东大学毕业论文（设计） 16 下面对各功能部件作进一步的说明： （ 1） 数据存储器（ RAM）：片内为 128个字节，片外最多可扩至 64K 字节。 （ 2） 程序存储器（ ROM/EPROM）： 8031无此部件； 8051为 4KROM； 8751 为 4KEPROM。片外最多可外扩至 64K 字节。 （ 3） 中断系统：具有 5个中断源， 2级中断优先权。 （ 4） 定时器 /计数器： 2个 16位的定时器 /计数器，具有四种工作方式。 （ 5） 串行口： 1个全双工的串行口，具有四种工作方式。 （ 6） P1口、 P2口、 P3口、 P0口：为四个并行 8位 I/O口。 （ 7） 特殊功能寄存器（ SFR）：共有 21个，用于对片内各功能模块进行管理、控制、监视。 （ 8） 微处理器（ CPU）：为 8 位 的 CPU，且内含一个 1 位 CPU（位处理器），不仅可处理字节数据，还可以进行位变量处理。 ROM/EPROM 图 4.1 MCS-51单片机内结构 .2.2 存储器电路的扩展 （ 1）程序存储器的扩展 单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片，其型号分别为： 2716、 2732、 2764、27128、 27256 等，其容量分别位 2k、 4k、 8k、 16k、 32k。在选择芯片时，要考虑 CPU与 EPROM 时序的匹配。即 8031 所能读取的时间必须大于 EPROM 多要求的读取时间。此外，还要考虑最大读出速度、工作温度计存储器的容量。在满足容量要求是应尽量选择大容量芯片、以减少芯片数量，是系统简化。在本系统中，我们拟采用 2764 作为扩展芯片。 2764与 8031主要是三总线的联接。 2764中的低 8位地址线通过地址锁存器 74LS373与 8031P0口相联。当地址锁存允许信号 ALE位搞点评，则 P0口输出地址有 效。 8位数据线直接与 8031 P0口相联；高 5位地址线分别与 P2.0 P2.4相联， OE引脚直接同 8031PSEN引脚相联，片选信号 CE 接地，以便总能选中。由于 8031只能选通外部程序存储器，因而其 EA引脚接地。 （ 2） 数据存储器的扩展 由于 8031内部 RAM 只有 128字节，远远不能满足系统的要求，须扩展片外的数据存 微处理器 （运算部件） 控制部件 数据存储器 RAM P0 口 P2 口 程序存 储器 特殊功能寄存器 SFR 中断 系统 P3 口 串行口 定时 / 计数器 P1 口 山东大学毕业论文（设计） 17 储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用 6116和 6264静态 RAM数据存储器，其选用的规则与 EPROM 程序存储器的要求相同。本系统拟采用 6264 芯片作为数据存储器的外扩芯片。 6264 低 8 位地址线通过地址锁存器 74LS373 与 8031 P0口相接，高 5 位地址线分别与 P2.0 P2.4相联， 8位数据线直接接至 8031 P0口，读写控制引脚 OE、 WE 与 8031的读写控制引脚 RD、 WR直接相联，片选端 CE1通过译码电路与 8031相联。 .2.4 步进电机驱动电路 步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机。在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统不需要 A/D或 D/A转换，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济性数 控机床最主要的一种伺服驱动元件。 （ 1）计算机接口 在控制系统中，步进电机的接口电路至关重要，没有它将无法实现微机对步进电机的控制。如前所述， 8031 系列单片机含有 4个并行输入 /输出口，其中 P1口可以提供给用户使用，作为步进电机及其它控制对象的接口。也可采用 8155或 8255A 等可编程并行输入、输出接口芯片设计扩展接口电路，来控制步进电机即其它外部设备。本系统即采用 8155的 PA口作为步进电机的控制端口。 （ 2）脉冲分配器 脉冲分配器又叫做环形分配器，是驱动步进电机必不可少的环节。步进电机的控制方式由环形分 配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列脉冲指令按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各项绕组，实现电机的正传或反转。在数控系统中使用较多的是集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。而在本系统中使用的是软件脉冲分配，通过编程来达到脉冲分配的目的，从而控制步进电机的各项绕组。 （ 3）隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大，如果将输出信号直接与功率放大器相联，将会引起强电器干扰，轻则影响计算机程序的正常进行，重 则导致计算机和接口电路的损坏。所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光电耦合器。图为光电耦合器与步进电机的接口电路。 光电隔离与步进电机接口电路 图 4.2 光电隔离与步进电机接口电路 .2.5 其它辅助电路设计 山东大学毕业论文（设计） 18 （ 1） 8031的时钟电路 单片机的时钟可以有两种方式产生：内部方式和外部方式。 内部方式利用芯片内部振荡电路，在 XTAL1、 XTAL2 引脚上外接定时元件，如图 ()所示。晶体可在 1.2 12MHz 之间任选，耦合电容在 5 30Pf 之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式，可把 XTAL1直接接地， XTAL2接外部时钟源。 （ 2） 8031 的复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在 RESET 引脚上保持 10ms以上的高电平，单片机便实现状态复位，之后 CPU便从 0000H单元开始执行程序。一般数控系统都采用上电与按钮复位组合。 石英晶体（ A ） 时 钟 电 路 （ B ） 复 位 电 路 图 4.3 时钟电路和复位电路 .3 程序部分 ORG 2000 KZCH: PUSH AH ；保护 ；现场 PUSH BC MOV R2,#NH ；送步数给 R2 LOOP0: MOV R3,#00H MOV DPTR,#POINT ；送控制码指针 JNB 00H,LOOP2 LOOP1: MOV A,R3 ；取控制码 MOVC A, A+DPTR JZ LOOP0 ；控制码为 00H转 LOOP0 MOV P1, A ；输出控制码 CALL YANS ；调延时子程序 INC R3 ；指针指向下一个控制码 JNZ R2,LOOP1 ；步数未完，继续 POP BC ；恢复现场 POP AF RET LOOP2: MOV A, R3 ；取反向控制码 ADD A, #7H MOV R3, A AJMP LOOP1 POINT: DB 01H ；正向转动控制码 DB 03H DB 02H 山东大学毕业论文（设计） 19 DB 06H DB 04H DB 05H DB 00H DB 01H ；反向转动控制码 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 EQU 26H ； 地址指针偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H START: MOV SP , #60H ； 程序开始 MOV TMOD , #01H ； 设计数器为工作方式 1,16定时器 MOV N0 , #1BH ； 设 N0 初值为 27 MOV NZ , #1BH ； 设 NZ 初值为 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 ； 设时间常数地址指针初值为 1000H MOV DS , #00H ； 设地址偏移量初值为 00H MOV A , A+DPTR ； 从 EPROM中读时间常数 MOV TLO , A ； 送时间常数至定时器 0中 INC DS MOV A , DS MOVC A , A+DPTR MOV THO , A INC DS 山东大学毕业论文（设计） 20 SETB EA ； 开中断允许 SETB ETO ；允许定时器 0中断 SETB TRO ； 启动定时器 0开始算 WAIT: JB EA , WAIT ； 中断允许范围 RET ORG 000EH ； 定时器 0中断入口地址 JMP 0F00H ORG 0F00H INT: MOV A , DS ； 送时间常数到定时器 0中 MOVC A , A+DPTR MOV TLO , A INC DS