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含CAD图纸+文档 【086】6JCS-018立时加工中心主轴箱及[含CAD图纸+文档]

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南华大学机械工程学院毕业设计摘要:本次设计通过对现有加工中心的分析研究,提出一种新的设计方案,其自动化程度更高,结构也相对比较简单.这一点在论文会得以体现.本方案中,主轴箱采用交流调速电机实现无级变速,在X、Y、Z三个方向上的进给运动均采用滚珠丝杠,而动力则由步进电动机通过调隙齿轮来传递,并且采用单片机进行数字控制.控制系统采用MCS-51系列单片机,通过扩展程序存储器、数据存储器和I/O接口实现硬件电路的设计.论文中也对软件系统的设计做出了相关说明.关键词:交流调速电机 滚珠丝杠 步进电机 单片机系统扩展Abstract: This design tries a new method after the analyze and research of the exited machining center with the higher automatization degrees and the simpler configuration,which will be explained in the paper. In the method, AC adjustable-speed motor is used for the realization of the level shift in variable speed,and in the motion of, we all adopt ball bearing thread haulm for the X、Y、Z direction,The power of which is step by step electromotor transferred by gear that used for adjusting gaps.And more,we used singlechip for numerical control.The control system introduces MCS-51 series singlechip,and the realization of hardware circuit was accomplished by enlarging program memorizer、data memorizer and I/O meet meatus.Also,the paper explained the design for software system.Keywords: AC adjustable-speed motor、ball bearing thread haulm、the step by step electromotor、the enlarge for SCM system 目录前言11、机床总体方案设计11.1 机床总体尺寸参数的选定11.2 机床主要部件及运动方式的选定21.3 机床总体布局的确定32、主传动的设计计算82.1 电机的选择82.2 齿轮传动的设计计算92.3 轴的设计计算132.4 离合器的选用213、进给系统的设计计算223.1 概述223.2 设计计算223.3 工作台部件的装配图设计293.4 滚珠丝杠螺母副的承载能力的校验303.5 计算机械传动系统的刚度313.6 驱动电动机的选型与计算333.7 机械传动系统的动态分析363.8 机械传动系统的误差计算与分析373.9 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号383.10 滚珠丝杆副的预紧方式383.11 齿轮传动消隙394、控制系统的设计394.1 控制系统总体方案的拟订394.2 总控制系统硬件电路设计39参考文献56谢 辞57 科技译文58vi南华大学机械工程学院毕业设计 前 言加工中心集计算机技术、电子技术、自动化控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现在的CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在数控技术之上。目前数控技术已经广泛运用于制造业，数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。而加工中心的发展最为重要。随着科学技术的高速发展，市场上对数控的要求也有很大的改变，正要求数控系统朝着高速、高精度、高可靠性发展，为追求加工效率及更通用化迫使数控机床结构模块化、智能化、柔性化、用户界面图形化，科学计算可视化，内置高性能PLC，多媒体技术应用等方面发展。加工中心的优点有：1）提高加工质量；2）缩短加工准备时间；3）减少在制品；4）减少刀具费；5）最少的直接劳务费；6）最少的间接劳务费；7）设备利用率高。总的来说，加工中心的发展动向是高速、进一步提高精度和愈发完善的机能。本设计说明书以大量图例来说明加工中心的主轴箱设计及横向进给机构的设计的思路。设计中得到颜竟成教授的悉心指导，在此向他表示诚挚的的感谢。由于编者的水平和经验有限，加之设计时间较短、资料收集较困难，说明书中难免有缺点和错误，在此恳请读者谅解，并衷心希望广大读者提出批评意见，使本设计说明书能有所改进。 1、 机床总体方案设计1.1机床总体尺寸参数的选定根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：工作台宽度长度 4001600mmmm工作台最大纵向行程 650mm工作台最大横向行程 450mm工作台最大垂直行程 500mmX、Y轴步进电机 a12/3000iZ步进电机 a12/3000i主轴最大输出扭矩 70公斤力米主轴转速范围 452000r/min主电动机的功率 4kw主轴电动机转速 1500r/min机床外行尺寸（长宽高） 248812002710mmmmmm机床净重 500kg1.2机床主要部件及其运动方式的选定1、主运动的实现因所设计的卧式加工中心要求能进行车、铣和镗，横向方向的行程比较大，因而采用工作台不动，而主轴箱各轴向摆放为卧式的机构布局；采用交流无级调速电动机实现无级调速，并且串联有级变速箱来扩大变速范围。为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳、工作更可靠，主轴箱主要采用离合器交换齿轮的有级变速。2、给运动的实现本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在X、Y、Z三个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。3、数字控制的实现采用单片机控制，各个控制按钮均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。4、机床其他零部件的选择考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。1.3 机床总体布局的确定（一）确定主轴箱传动系统方案： 主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。 加工中心主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。 机床上常用的变速电动机有直流电动机和交流变频电动机，在额定的转速上为恒功率变速，通常变速范围仅为2-3；额定转速以下为恒转矩变速，调整范围很大，变速范围可大30甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联一个有级变速箱。 本机床采用交流调速电机变速，为了在变速范围内，满足一定恒功率和恒转矩的要求，为了进一步扩大变速范围，在后面串联机械有级变速装置。（二）确定主轴箱有级变速级数：取变速箱的公比为等于电动机的恒功率变速范围，即，功率特性图是连续的，无缺口和无重合。如变速箱级数为Z，则主轴的恒功率变速范围等于 变速箱的变速级数可得出： 主轴要求的恒功率变速范围 电动机的恒功率变速范围 取变速箱的公比 故变速箱的变速级数 故通过圆整取 Z=12。（三）确定各齿轮的齿数：在确定齿轮齿数时应注意：齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大，而且增大齿数和还会提高齿轮的线速度而增大躁声，所以在设计时要把齿数和控制在；为了控制每组啮合齿轮不产生根切现象，使最小齿数，因而齿轮的齿数和不应过小。受结构限制的个齿轮（尤其是最少齿轮），应能可靠地装到轴上或进行套装；齿轮的齿槽到孔壁或键槽（m为模数），以保证有足够强的强度，避免出现变形或断裂现象。应保证： 标准直齿圆柱齿轮，其最少齿根直径，代入上式可得： 式中：齿轮的最少齿数； 齿轮模数； 齿轮键槽顶面至轴心线的距离。由于此传动在同一变数组为同模数传动，各对齿轮的齿数的齿数之比，必须满足传动比；当各对齿轮的模数相同，且不采用变位齿轮时，则各对齿轮的齿数和必然相等，可列出： 式中：分别为J齿轮副的主动与从动齿轮的齿数； J齿轮副的传动比； 齿轮副的齿数和。由上述公式可得： 因此，选定了齿数和，便可以计算出各齿轮的齿数，或者由上式确定出齿轮副的任一齿轮后，用上式算出另一齿轮的齿数。 查表选择齿轮的齿数：其中a代表二轴，b代表三轴，c代表四轴，d代表主轴。（四）拟定主运动转速图 由上述计算得，12级转速各传动组中传动数的确定方案有：12=43 ，12=34 ，12=322，12=232， 12=223按照“前多后少”的原则，确定各传动组的传动副数为12=322。根据“前密后疏”的原则，确定基本组在前，后面依次扩大，因此得结构式为 ，第二扩大组的两个传动比连线之间，相距格数应为，变速范围是，在允许的范围内，所选定的结构式共有三个传动组。因此变速机构需要四轴，再加上电动机轴共五轴，故转速图有五条竖线。由于齿轮传动比受到的限制，现在传动组C的变速范围为。可知这个传动组中两个传动副的传动比必然是极限值，即 该传动组的升降速度传动比都达到了极限值，就确定了轴的六级转速只有一种可能，即为1801000r/min。轴-之间，两条传动比连线间应相距3格，取，因此，确定轴的转速为355710 r/min。对于轴，取 于是决定了轴的转速为1000 r/min，电动机轴与轴之间为齿轮传动，传动比为1000：1440。综合上述，主轴的调速范围：45，63，90，125，180，250，355，500，710，1000，1400，2000。转速图如下：图1.1 加工中心转速图2、 主运动的设计计算2.1 电动机的选择2.1.1电动机的功率的计算查机床主轴/变速箱设计指导：端铣：硬质合金端铣刀，铣刀材料是45号钢； 1） 主切削力公式中背吃刀量，每齿进给量，刀具直径，铣刀齿数z=4,选，铣刀转速 所以主切削力2）切削功率铣削过程中消耗的功率主要按圆周切削力和铣削速度进行计算 进给运动也消耗一些功率，一般情况下，所以总的切削力功率 ，由此可估算铣床主电动机的功率；，取， 2.1.2 电动机参数的选择在选择电动机时，必须使得，根据这个原则，查机械设计手册选取Y112M-4型电动机，功率为4kw。其基本参数如下(单位为mm): 满载转速为2.2 齿轮传动的设计计算由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮也能满足传动设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、接触误差及噪声有关。为了控制噪声，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，但考虑到制造成本，本次设计都选用7-6-6的精度。具体设计步骤如下：2.2.1 模数的估算按接触疲劳和弯曲疲劳计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知道后方可确定，所以只在草图画后校核用。在绘草图之前，先估算，再 标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳的估算公式： 齿面点蚀的估算公式：其中为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心距。由中心距A及齿数、求出模数： 根据估算所得和中较大的值，选取相近的标准模数。前面已求得各轴所传递的功率，各轴上齿轮模数估算如下：第一对齿轮副 所以，第一对齿轮副传动的齿轮模数应为第二对齿轮 所以，第二对齿轮副传动的齿轮模数应为第三对齿轮副 所以，第三对齿轮副传动的齿轮模数应为第四对齿轮副 所以，第三对齿轮副传动的齿轮模数应为综合上述，为了降低成本，机床中各齿轮模数值应尽可能取相同，但因为V轴的转速比较小，扭矩比较大，为了增加其强度和在主轴上能起到飞轮的作用，需增加V轴齿轮的几何尺寸。所以，本次设计中在对齿轮模数均为，在对齿轮上就取。2.2.2齿轮分度圆直径的计算根据渐开线标准直齿圆柱齿轮分度圆直径计算公式可得各个传动副中齿轮的分度圆直径为：单位（mm） 2.2.3 齿轮宽度B的确定齿轮影响齿的强度，但如果太宽，由于齿轮制造误差和轴的变形，可能接触不均匀，反而容易引起振动和噪音。一般取B=（610）m。本次设计中，取主动轮宽度B=9m=18mm(最后一对齿轮也取B=79m=18mm)。2.2.4 齿轮其他参数的计算根据机械原理中关于渐开线圆柱齿轮参数的计算公式及相关参数的规定，齿轮的其他参数都可以由以上计算所得的参数计算出来，本次设计中，这些参数在此不在一一计算。2.2.5齿轮结构的设计不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构的要求也不同，七级精度的齿轮，用较高精度的滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度将下降。因此，需要淬火的7级齿轮一般滚或插后要剃齿，使精度高于7级，或者淬火后再珩齿。6级精度的齿轮，用精密滚齿机可以达到。淬火齿轮，必须达到6级。机床主轴箱中的齿轮齿部一般都需要淬火。2.2.6齿轮的校核（接触疲劳强度）计算齿轮强度用的载荷系数，包括使用系数，动载荷系数，齿间载荷分配系数及齿向载荷分布系数，即： 齿轮接触疲劳强度满足，因此接触的应力小于许用的接触应力。其他齿轮也符合要求，故其余齿轮不需验算，在此略去。2.3 轴的设计计算2.3.1 各传动轴轴径的估算滚动轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的设计是在初步计算轴径的基础上进行的，因此先要初算轴径。轴的直径可按扭转强度法用下列公式进行估算。 对于空心轴，则 式中，P轴传递的功率，KW； n轴的计算转速，r/min; 其经验值见表取的值为1.5。(1)计算各传动轴传递的功率P根据电动机的计算选择可知，本次设计所用的电动机额定功率，各传动轴传递的功率可按下式计算： 由传动系统图可以看出，本次设计中采用了联轴器和齿轮传动，及轴承。则各轴传递的功率为： 所以，各传动轴传递的功率分别为： (2) 估算各轴的最小直径 本次设计中，考虑到主轴的强度与刚度以及制造成本的经济性，初步选择主轴的材料为40Cr，其他各轴的材料均选择45钢，取A0值为115，各轴的计算转速可推算出为： 所以各轴的最小直径为： 在以上各轴中，因有些轴上开有平键或花键，所以为了使键槽不影响轴的强度，应将轴的最小直径增大到5%，将增大后的直径圆整后分别取各轴的最小直径为： 对于主轴应该应用公式； 故主轴为考虑到轴上有花键，所以应将轴的最少直径增大5%，将增大的直径在圆整后取 2.3.2各轴段长度值的确定各轴段的长度值，应根据主轴箱的具体结构而定，且必须满足以下的原则；应满足轴承及齿轮的定位要求。2.3.3 轴的刚度与强度校核1）、轴的受力分析及受力简图由主轴箱的展开图可知，该轴的动力源由电动机通过弹性联轴器传递过来，而后通过齿轮将动力传递到下一根轴。其两端通过一对角接触轴承将力转移到箱体上去。由于传递的齿轮采用的是直齿圆柱齿轮，因此其轴向力可以忽略不计。所以，只要校核其在XZ平面和YZ平面的受力。轴所受载荷是从轴上零件传来的，计算时常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作铰链支座上的粮，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关。其受力简图如下：在XZ平面内：图2.1 XZ平面受力分析在YZ平面内：图2.2 YZ平面受力分析2）作出轴的弯矩图根据上述简图，分别按XZ平面及YZ平面计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出两个平面的上的弯矩图。则该轴在XZ平面内的弯矩图为：图2.3 XZ平面内的弯矩同理可得在YZ平面内的弯矩图为：图2.4 YZ平面内的弯矩3）作出轴的扭矩图由受力分析及受力简图可知，则扭矩图为：图2.5 扭矩图4）、作出总的弯矩图由以上求得的在XZ、YZ平面的弯矩图，根据可得总的弯矩图为： 图2.6 合成弯矩图5）、作出计算弯矩图 根据已作出的总弯矩图和扭矩图，则可由公式求出计算弯矩，其中是考虑扭矩和弯矩的加载情况及产生应力的循环特性差异的系数，因通常由弯矩产生的弯曲应力是对称循环的边应力，而扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称循环的变应力，故在求计算弯矩时，必须计及这种循环特性差异的影响。既当扭转切应力为静应力时，取a=0.3;扭转切应力为脉动循环变应力时，取a=0.6；若扭矩切应力也为对称循环变应力时，则取a=1。应本次设计中扭转切应力为静应力，所以取a=0.3，则计算弯矩图为：图2.7 计算弯矩图6） 校核轴的强度选择轴的材料为45钢，并经过调质处理。由机械设计手册查得其许用弯曲应力为60MP，由计算弯矩图可知，该轴的危险截面在B的作用点上，由于该作用点上开有花键，由机械设计可查得其截面的惯性矩：其中Z为花键的数目，在本次设计中，所以其截面的惯性矩为W=2984.2。根据标准直齿圆柱齿轮受力计算公式可得圆周力与径向力： 其中：为小齿轮传递的扭转，； 为啮合角，对标准齿轮，取；而与分别对应与XZ平面及平面YZ的力。各段轴的长度可从2号A0图中得出，则根据前面的公式可得出该轴危险截面的计算弯矩为：则该轴危险截面所受的弯曲应力为：所以该轴的强度满足要求。其余各轴的校核步骤跟轴一样，在此就不在校其余各轴。2.3.4 主轴的确定主轴的构造和形状主要决定与主轴上所安装的刀具、夹具、传动件、轴承等零件的类型、数量、位置和安装定位方法等。应能保证定位准确、安装可靠、连接牢固、装卸方便，并能传递足够的转矩。1） 主轴材料的选择考虑到主轴的刚度及强度，选择主轴的材料为40Cr，并经过调质处理。2） 主轴结构的确定主轴直径的选择根据机床主电动机功率来确定P=2.96KW，属于中等以上转速，中等以下载荷的机床可取=5070mm；主轴内孔直径 其中 ，-空心主轴的刚度和截面惯性矩 ，-实心主轴的刚度和截面惯性矩当则主轴的刚度急剧下降，故取主轴的结构应根据主轴上应安装的组件以及在主轴箱里的具体布置来确定，主轴的具体结构已在三维图上表达清楚。提高主轴的性能措施a、提高旋转精度 提高主轴组件的旋转精度，首先是要保证主轴和轴承具有一定的精度，此外还可以采取一些工艺措施。如选配法、装配后精加工。b、改善动态特性 主轴应有较高的动刚度和较大的阻尼，使得主轴组件在一定副值的周期性激振力作用下，受迫振动的振幅较小。通常，主轴组件的固有频率是而后内高的，远远高于主轴的最高转速，故不必考虑共振问题，按静态处理。c.控制主轴组件温升 主轴运转时滚动轴承的滚动体在滚道中磨擦、搅油，滑动轴承乘载油膜受到剪切内磨擦，均会产生热量，使轴承温度上升。故控制主轴组件温升和热变形，提高其热稳定性是十分必要的。主要有两项措施。(1)减少支承发热量。(2)采用散热装置。通常用热源隔离法、热源冷却法和热平衡法。主轴的主要尺寸是根据结构上确定的，一般的直径取值都大于初始值的好几倍，故主轴的刚度一般都能满足要求。在此就免于校核。2.4 离合器的选用离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合，对离合器的要求有：接合平稳，分离迅速彻底；调节和修理方便；外廓尺寸小；质量小；耐磨性好和有足够的散热能力；操作方便省力。；离合器的类型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。由主轴箱的结构尺寸限制，我选用了无滑环式多片摩擦式。由主轴箱的结构尺寸限制，我选用了无滑环湿式多片摩擦电磁式离合器，此类型的离合器防爆性能好，径向尺寸较小。选型号DLM9-25。其结构尺寸如下：3、进给系统的设计计算-立式加工中心工作台（X轴）设计3.1 概述（1）技术要求：工作台、工件和夹具的总质量m=918 kg（所受的重力W=9000N），其中，工作台的质量 (所受的重力W=5000N）;工作台最大行程；工作台快速移动速度;工作台采用滚动直线导轨，导轨的动、静摩檫系数均为0.01；工作台的定位精度为20，重复定位精度为8；机床的工作寿命为20000h（即工作时间为10年）。机床采用主轴伺服电动机，额定功率，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径，主轴转速，切削状况如下表所示： 加工中心切削状况切削方式进给速度/（m/min）时间比例/（%）备注 强力切削0.610主电动机满功率条件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削 150精加工快速进给2010空载条件下工作台快速进给（2） 总体方案设计为了满足以上技术要求，采取以下技术方案。（1）工作台工作面尺寸（宽度长度）确定为400mm1200mm。（2）工作台导轨采用滚动直线导轨。（3）对滚动丝杠螺母副进行预紧。（4）采用伺服电动机驱动。（5）采用锥环套筒联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。3.2 设计计算3.2.1 主切削力及其切削分力计算（1）计算主切削。根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径，主轴具有最大扭矩并能传递主电动机的全部功率，此时铣刀的切削速度为若机械效率，则由公式可以计算主切削力： （2）计算各切削分力根据经验可得工作台纵向切削力、横向切削力 和垂直切削力分别为3.2.2导轨摩檫力的计算由公式计算在切削状态下的导轨摩檫力，此时导轨摩檫系数，查表得导轨紧固力，则 又由公式计算在不在切削状态下的导轨摩檫力和导轨静摩檫力。 3.2.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力（1）由公式计算最大轴向负载力。 （2）由公式计算最小轴向负载力 3.2.4 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算（1）确定滚珠丝杠的导程根据已知条件，取电动机的最高转速，可得（2）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷，将估算结果填入下表 卧式加工中心滚珠丝杠的计算切削方式轴向载荷/N进给速度/（m/min）时间比例/（%）备注强力切削935.110一般切削（粗加工）277.4430精细切削（精加工）137.1650快移和钻镗定位90.410计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速。 由公式计算滚珠丝杠螺母副的平均转速。 其中代表时间比例系数由公式计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷由预期工作时间按公式计算。查表载荷性质系数载荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动11.21.21.51.52根据载荷性质，有轻微冲击，取载荷性质=1.3；查表 精度系数精度等级1、2、34、571010.90.80.7根据初步选择滚珠丝杠的精度等级为2级精度，取精度系数；查表 可靠性系数可靠性（%）90959697989910.620.530.440.330.21一般情况下可靠性应达到97%，故取可靠性系数。因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以还可以按公式估算最大轴向载荷。查表 预加载荷系数预加载荷类型轻预载中预载重预载6.74.53.4按中预载选取预加载荷系数则确定滚珠丝杠预期的额定动载荷，取上两种结果的最大值，即按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底经估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形已知工作台的定位精度为20，重复定位精度为8，根据公式计算以及定位精度和重复定位精度的要求得 取上述计算结果的最小值，即。估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径。本工作台（X轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用一端固定，一端游动的支承方式，滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为 又可得 3.2.5 初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号根据计算所得的、和结果的需要，初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副，型号为：FFZD4010-3，其公称直径、基本导程、额定动载荷和丝杠底径如下： 故满足要求。3.2.6 确定滚珠丝杠螺母副的预紧力 由式得3.2.7 确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号（1）由公式计算轴承所承受的最大轴向载荷 （2）计算轴承的预紧力 （3）计算轴承的当量轴向载荷 （4）由式计算轴承的基本额定动载荷。已知轴承的工作转速与滚珠丝杠的当量转速相同，取；轴承的基本额定载荷寿命，轴承所承受的轴向载荷。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为 因为所以查表得，径向系数X，轴向系数Y分别为，故 （5）确定轴承的规格型号。因为滚珠丝杠螺母副拟采用一端固定、一端游动的支承方式，所以将在固定端选用角接触球承组背对背安装，以承受两个方向的轴向力。由于滚珠丝杠螺母副的底径为，所以选择轴承的内径为，以满足滚珠丝杠结构的需要。 选择国产角接触球承两件一组背对背安装，型号为760206TNI/P4DFA，尺寸（内径外径宽度）为，选用油脂润滑。该轴承的预载荷能力为1450N，大于计算所得的轴承预紧力。在油脂润滑状态下的极限转速为，高于本机床滚珠丝杠的最高转速，故满足要求。该轴承的额定动载荷为 ，而该轴承在工作寿命下的基本额定动载荷，故也满足要求。3.3 工作台部件的装配图设计3.4 滚珠丝杠螺母副的承载能力的校验3.4.1 滚珠丝杠螺母副临界压缩载荷的校验根据图得滚珠丝杠螺母副的最长受压长度，丝杠水平安装时， 本工作台滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为远小于其临界压缩载荷的值，故满足要求。3.4.2 滚珠丝杠螺母副临界转速的校验由图可得滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度，其弹性模量，已知材料密度安全系数由表得与支承有关的系数。 滚珠丝杠的最小惯性矩为 滚珠丝杠的最小截面积为 由式得 本工作台滚珠丝杠螺母副的最高转速为2000r/min，远小于其临界转速，故 满足要求。3.4.3滚珠丝杠螺母副额定寿命的校验 查表得滚珠丝杠螺母的额定动载荷，轴向载荷，运转条件系数，滚珠丝杠的转速，由公式得 一般来讲，在设计数控机床时，应保证滚珠丝杠螺母副的总工作寿命故满足要求。3.5 计算机械传动系统的刚度3.5.1 机械传动系统的刚度计算（1）计算滚珠丝杠的拉压刚度。本机床工作台的丝杠支承方式为一端固定、一端游动。由图可知，滚珠丝杠螺母中心至固定端的距离时，滚珠丝杠具有最小拉压刚度，由式得当时，滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度，由公式得（2）计算滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度。已知轴承接触角，滚动体直径，滚动体个数轴承的最大轴向工作载荷，可得 （3）计算滚珠与滚道的接触刚度。查表得滚珠丝杠的刚度，额定动载荷，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷，又公式得（4）计算进给传动系统的综合拉压刚度。 由公式得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为 故。 由公式得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为 故。3.5.2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算由图可知，扭转作用点之间的距离，剪切模量，滚珠丝杠的底径故由公式得 3.6 驱动电动机的选型与计算3.6.1 计算折算到电动机轴上的负载惯量（1）计算滚珠丝杠的转动惯量。已知滚珠丝杠的密度，可得 （2）计算联轴器的转动惯量。（3）由公式计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量。已知机床执行部件（即工作台、工件和夹具）的总质量，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离则 （4）由式计算加在电动机轴上总的负载转动惯量 3.6.2 计算折算到电动机轴上的负载力矩（1）由式计算切削负载力矩。切削状态下坐标轴的轴向负载力，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离进给传动系统的总效率，则 （2）由式计算摩擦负载力矩。在不切削状态下坐标轴的轴向负载力故 （3）由式计算滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。滚珠丝杠螺母副的预紧力，滚珠丝杠螺母副的基本导程滚珠丝杠螺母副的效率，则 3.6.3 计算坐标轴折算到电动机轴上各种所需的力矩 （1）由公式计算线性加速力矩。 已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速 电动机的转动惯量，坐标轴的负载惯量。取进给伺服系统的位置环增益则加速时间，故 (2)计算阶跃加速力矩。加速时间故 计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。由公式计算线性加速时的空载启动力矩。由公式计算阶跃加速时的空载启动力矩。 由公式计算空载时的快进力矩力矩。 由公式计算切削时的工进力矩3.6.4 选择驱动电动机的型号（1）选择驱动电动机的型号。根据以上计算和表格，选择日本FANUC公司生产的a12/3000i型交流伺服电动机为驱动电动机。其主要技术参数如下：额定功率，3KW；最高转速，3000r/min;额定力矩，；转动惯量，；质量，18kg。交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的510倍，若按5倍计算，该电动机的加速力矩为，均大于本机床工作台线性加速时的空载启动力矩或阶跃加速时的空载启动力矩，所以，不管采用何种加速方式，本电动机均满足加速力矩要求。该电动机的额定力矩为，均大于本机床工作台的快进力矩或工进力矩。因此，不管是快进还是工进，本电动机均满足驱动力矩的要求。（2）惯性匹配验算为了使机械传动系统的惯量达到较合理的匹配，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足下式，即 在本设计中，故满足要求。3.7 机械传动系统的动态分析3.7.1 计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为，其中分别为机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量，已知则 3.7.2 计算扭转振动系统的最低固有频率折算到滚珠丝杠轴上的系统的总当量转动惯量为又丝杠的扭转刚度则 由以上计算可知，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率都比较高。一般按的要求来设计机械传动系统的刚度，故满足要求。3.8 机械传动系统的误差计算与分析3.8.1 计算机械传动系统的反向死区已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值，导轨的静摩擦力，由公式得即故满足要求。3.8.2计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差由公式得 即，故满足要求。3.8.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差（1）由公式计算由扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量。 负载力矩。由图得扭矩作用点之间的距离，丝杠底径，则 （2）由该扭转变形量引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度。由公式得 3.9 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号（1）确定滚珠丝杠螺母副的精度等级。本机床工作台采用半闭环控制系统，应满足下列要求滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查表得查表得，当螺纹长度为时，故满足设计要求。（2）确定滚珠丝杠螺母副的规格型号。滚珠丝杠螺母副的规格型号为FFZD4010-3-P2/1105850，其具体参数如下。公称直径与导程：40mm,10mm；螺纹长度：850mm；丝杠长度：1150mm；类型与精度：P类，2级精度。3.10 滚珠丝杆副的预紧方式为了消除间隙和提高滚珠丝杆副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，常用的预紧方式有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。预紧后的刚度可提高到无预紧时的2倍。但是，预紧载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大，通常，滚珠丝杆在出厂时，就已经由制造商调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系。双螺母垫片式预紧：调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。特点：结构见到，装卸方便，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧，适用于高刚度重载传动。双螺母螺纹式预紧：调整方法：调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。结构紧凑，工作可靠，调整方便，但准确性差，且易于松动，适用于刚度要求不高或随时调节预紧的传动。双螺母齿差式预紧：调整方法：两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的螺母座4的内齿圈，两个螺母向相同方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位移。能够精确地调整预紧力，但结构尺寸较大，装配调整比较复杂，适宜用于高度精度的传动结构。3.11 齿轮传动消隙齿轮传动的间隙也叫侧隙，它是指一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大角位移。传动间隙是不可避免的，其产生的这样原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙，为使用热膨胀而特意留出的间隙。为了提高定位精度和工作的平稳性，要尽可能减小传动间隙。除了提高制造和装配精度外，消隙的主要途径有：设计可调传动间隙的机构；设置弹性补偿元件。在这设计里我采用双片直齿轮错齿调整法来消除间隙。4、 控制系统的设计4.1 控制系统总体方案的拟订。机电一体化控制系统由硬件系统和软件系统两大部分组成。控制系统的控制对象主要包括各种机床，如车床、铣床、，磨床等等。控制系统的基本组成如下图所示：图4.1 控制系统总体方案 控制系统总体方案4.2 总控制系统硬件电路设计4.2.1 单片机的设计（1）MCS-51系列单片机的设计MCS-51系列单片机的所有产品都含有8051除程序存储器外的基本硬件，都是在8051的基本上改变部分资源（程序存储器、数据存储器、I/O、定时/计数器及一些其他特殊部件）。在控制系统设计中，我们采用的是8031，8031可寻址64KB字节程序存储器和64KB字节数据存储器。内部没有程序存储器，必须外接EPROM程序存储器。8031采用40条引脚的双列直插式封装（DIP），引脚和功能分为三个部分。a.电源及时钟引脚此部分引脚包括电源引脚。电源引脚接入单片机的工作电源。（40脚）：接+5V电源。（20脚）：接地。 时钟引脚（18、19脚）：外接晶体时与片内的反相放大器构成一个振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。（19）：接外部晶体的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端。当采用外接晶体振荡器时，此引脚应接地。（18）：接外部晶体的另一端，。在单片机内部接至反相放大器的输出端。若采用外部晶体振荡器时，该引脚接受振荡器的信号，即把信号直接接至内部时钟发生器的输入端。b.控制引脚 它包括RST、 ALE 、等。此类引脚提供控制信号，有些引脚具有复用功能。RST/VPD（9脚）：当振荡器运行时，在此引脚加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST）。复位后应使此引脚电平为的低电平，以保证单片机正常工作。掉电期间，此引脚可接备用电源（VPD），以保持内部RAM中的数据不丢失。当下降到低于规定值，而VPD在其规定的电压范围内时，VPD就向内部RAM提供备用能源。ALE/（30脚）：当单片机访问外部存贮器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲的下降沿用于锁存16位地址的低8位。即使不访问外部存贮器，ALE端仍有周期性正脉冲输出，其频率为振荡器频率的1/6。但是，每当访问外部数据存贮器时，在两个机器周期中ALE只出现一次，即丢失一个ALE脉冲。ALE端可以驱动8个TTL负载。（29脚）：此输出为单片机内访问外部程序存储器的读选通信号。在从外部程序存储器指令（或常数）期间，每个机器周期两次有效。但在此期间，每当访问外部数据存储器时，这两次有效的信号不出现。同样可以驱动8个TTL负载。（31脚）：当端保持高电平时，单片机访问的是内部程序存储器，但当PC值超过某值时，将自动转向执行外部程序存储器内的程序。当端保持低电平时，则不管是否有内部程序存贮器而只访问外部程序存储器。对8031来说，因其无内部程序存储器。所以该引脚必须接地，既此时只能访问外部程序存储器。c.输入/输出引脚输入/输出（I/O）接口引脚包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（P0.0-P0.7）：为双向8为三态I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是地址总线低8位及数据总线分时复用口，可驱动8个TTL负载。一般作为扩展时地址/数据总线口使用。P1（P1.0-P1.7）：为8位准双向I/O口，它的每一位都可以分别定义为输入线或输出线（作为输入口时，锁存器必须置1），可驱动4个TTL负载。P2（P2.0-P2.7）：为8位准双向I/O口，当作为I/O口使用时，可直接连接外部I/O设备。它是与地址总线高8位复用，可驱动4个TTL负载，一般作为扩展时地址总线的高8位使用。P3（P3.0-P3.7）：为8位准双向I/O口，是双功能复用口，可驱动4个TTL负载。（2）MCS-51单片机的时钟电路 时钟电路是计算机的心脏，它控制着计算机的工作节奏，MCS-51片内有一个反相放大器，引脚分别为该反相放大器的输入端和输出端，该反相放大器与片外晶体或陶瓷谐振器一起构成了一个自激振荡器，产生的时钟送至单片机内部的各个部件。单片机的时钟产生方式有内部时钟方式和外部时钟方式两种，大多单片机应用系统采用内部时钟方式。 最常用的内部时钟方式采用外接晶体和电容组成的并联谐振回路，不论是HMOS还是CHMOS型单片机，其并联谐振回路及参数相同。如下图所示： 图4.2 时钟电路MCS-51单片机允许的振荡晶体可在1.2MHZ-24MHZ之间可以选择，一般取11.0592MHZ。电容C1、C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路起振速度有少许影响。C1、C2可在20PF-100PF之间选择，一般当外接晶体时典型取值为30PF，外接陶瓷谐振器时典型取值为47PF，取60PF-70PF时振荡器有较高的频率稳定性。在设计印刷电路板时，晶体或陶瓷谐振器和电容应尽量靠近单片机引脚安装，以减少寄生电容，更好地保证振荡器稳定和可靠的工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。（3）MCS-51单片机的复位电路 计算机在启动运行时都需要复位，使中央处理器CPU和系统中的其他部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作，单片机的复位都是靠外部电路实现的，MCS-51单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。它是施密特触发输入，当振荡器起振后，该引脚上出现两个机器周期（即24个时钟周期）以上的高电平，使器件复位，只要RST保持高电平，MCS-51便保持复位状态。此时ALE，P0口、P1口、P2口和P3口都输出高电平。RST变位低电平后，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。复位操作不影响片内RAM的内容。MCS-51单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。通常因为系统运动等的需要，常常需要人工按钮复位，如下图所示： 图4.3 复位电路对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个拉低电阻，故电阻R2可不接。单片机在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持两个机器周期上的高电平（因为振荡器从起振到稳定大约要10ms），就能使单片机有效复位，当晶体振荡频率为12MHZ时，RC的典型值为。简单复位电路中，干扰信号易串入复位端，可能会引起内部某些寄存错误复位，这时可在RST引脚上接一去耦电容。上图那上电按钮复位电路只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。4.2.2 系统的扩展在以8031单片机为核心的控制系统中必须扩展 程序存储器，用以存放控制程序。同时，单片机内部的存储器容量较小，不能满足实际需要，还要扩展数据存储器。这种扩展就是配置外部存储器（包括程序存储器和数据存储器）。另外，在单片机内部虽然设置了若干并行I/O接口电路，用来与外围设备连接。但当外围设备较多时，仅有几个内部I/O接口是不够的，因此，单片机还需要扩展输入输出接口芯片。（1）程序存贮器的扩展MCS-51系列单片机的程序存贮器空间和数据存贮器空间是相互独立的。程序存储器寻址空间为64KB（0000H-0FFFH），8031片内不带ROM，所以要进行程序存贮器的扩展。用作程序存贮器的常用的器件是EPROM。由于MCS-51单片机的P0口是分别复用的地址/数据总线，因此，在进行程序存贮器扩展时，必须用地址锁存器锁存地址信号。通信地址锁存器可使用带三态缓冲输出的八D锁存器74LS373。当用74LS373作为地址锁存器时，锁存器G可直接与单片机的锁存控制信号端ALE相连，在ALE下降沿进行地址锁存。根据应用系统对程序存贮器容量要求的不同，常采用的扩展芯片扩展EPROM2716（2KB8）、2732A（4KB8）、2764A（8KB8）、27128A（16KB8）、27256A（32KB8）和27512（64KB8）等。以上6种EPROM均为单一+5V电源供电，维持电流为35mA40mA，工作电流为75 mA-100 mA，读出时间最大为250ns，均有双列直插式封装形式，A0-A15是地址线，不同的芯片可扩展的存贮容量的大小不同，因而提供8位地址的P2口线的数量个不相同，故2716为A0-A10，27512为A0-A15；D0-D7是数据线；CE是片选线，低电平有效；CE是数据输出选通线；Vpp是编程电源；Vcc是工作电源，PCM是编程脉冲输入端。根据程序存贮器扩展的原理，以EPROM和锁存器74L373为例对8031单片机进行程序存贮器的扩展。因为2764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址线，A0-A12。如果只扩展一片程序存贮器EPROM，故可将片选端CE直接接地。下图为扩展两片EPROM的连接方法。同时，8031运行所需的程序指令来自2764A，要把其EA端接地，否则，8031将不会运行。 图 4.4 2764的扩展电路（2）数据存贮器的扩展8031单片机内部有128个字节RAM存贮器。CPU对内部的RAM具有丰富的操作指令。但在用于数据采集和处理时，仅靠片内提供的128个字节的数据存贮器是远远不够的。在这种情况下，可利用MCS-51的扩展功能，扩展外部数据存贮器。数据存贮器只使用WR、RD控制线而不用PSEN。正因为如此，数据存贮器与程序存贮器可完全重叠，均为0000H-FFFFH，但数据存贮器与I/O口与外围设备是统一编址的，即任何扩展的I/O口以及外围设备均占用数据存贮器地址。8031的P0口为RAM的复用地址/数据线，P2口用于对RAM进行页面寻址（根据其容量不同，所占的P2端口不同，在对外部RAM读/写期间，CPU产生RD/WR信号。在8031单片机应用系统中，静态RAM是最常用的，由于这种存贮器的设计无须考虑刷新问题，因而它与微处理器的接口很简单。最常用的静态RAM芯片有6116（2KB8）和6264（4KB8）。单一+5V供电，额定功耗分别为160mW和200mW，典型存取时间均为200ns，均有双列之插式封装，管脚分别为24和20线。下图是6264与8031的连接图。从图可知：6264的片选接8031的P2.7，第二片选线接高电平，保持一直有效状态。因为6264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址线。6264的地址范围为0000H-7FFF。对于一个完整的应用系统，必须具备一定容量的程序存贮器和一定容量的数据存贮器。8031单片机外部扩展两片2764EPROM和两片6264静态RAM。程序存贮器2764的地址为：0000H-1FFFH。数据存贮器6264的地址为0000H-7FFFH。 图4.5 6264的扩展电路（1）I/O的扩展MCS-51系列单片机大多具有四个8位I/O口（即P0口、P1口、P2口和P3口）， 原理上这四个I/O口均可用作双向并行I/O接口。但在实际应用中，P0口常被用作为数据总线和低8位地址总线使用，P2口常被用作为高8位地址总线使用，P3口某些位又常用它的第二功能，特别是无ROM型的单片机因必须扩展外部程序存贮器，则更是如此。所以，若一个MCS-51应用系统需连接较多的并行输入/输出的外围设备（如打印机、键盘、显示器等），单片机本身所提供的输入输出口不能满足，就不可避免地要扩展并行I/O接口。常用的MCS-51并行I/O接口扩展方法主要有四种：采用可编程的并行接口电路，如8255A；采用可编程的RAM/IO扩展器，如8155；采用TTL或CMOS电路的三态门、锁存器，如74LS377、74LS373、74LS244；利用MCS-51的并行扩展并行I/O接口。a.8255A可编程外围并行I/O接口8255A可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，具有三种工作方式，可通过程序改变其功能，因而使用方便，通用性强，可作为单片机与多种外围设备连接时的中间接口电路。在单片机的I/O口扩展8255芯片，其接口相当简单，如下图所示: 图4.5 8255的扩展电路图图中8255的分别与MCS-51的相连；8255的D0-D7直接MCS-51的P0口。片选信号CS口及地址选择线A0、A1分别由8031的P0.0、P0.1、P0.2经地址锁存器后提供。故8255的A、B、C口及控制口地址分别为FF7CH、FF7DH、FF7EH、FF7FH。8255的复位端与8031的复位端相连，都接到8031的复位电路上。在实际的应用系统中，必须根据外围设备的类型选择8255的操作方式，并在初始化程序中把相应的控制字写入操作口。8522接口芯片在MCS-51单片机应用系统中广泛用于连接外部设备，如打印机、键盘，显示器以及作为控制信息的输入、输出口。b.8155可编程外围并行I/O接口8155/8156芯片内包含有256个字节RAM，2个8位和一个6位的可编程并行I/O口，一个14位定时器/计数器。8155/8156可直接与MCS-51单片机连接，不需要增加任何硬件逻辑。由于8031单片机外接一片8155后，就综合地扩展了数据RAM、I/O端口和定时器/计数器。因而是MCS-51单片机系统中最常用的外围接口芯片之一。在8155的控制逻辑部件中，设置一个控制命令寄存器和一个状态标志寄存器。8155的工作方式由CPU写入控制命令寄存器中的控制字来确定。控制命令寄存器只能写入不能读出，8位控制命令寄存器的低4位用来设置A口、B口、C口的工作方式。第4、5位用来确定A口、B口以选通输入输出方式工作时是否允许中断请求。第6、7位用来设置定时器/计数器的操作。8155的A口、B口可工作于基本I/O方式或选通方式，C口可作为输入输出口线，也可作为A口、B口选通方式工作的状态控制信号。其工作情况与8255方式0、方式1时大致相同，控制信号的含义也基本相同。另外，在8155中还设有一个状态标志、寄存器，用来存放A口和B口的状态标志。状态标志寄存器的地址与命令寄存器的地址相同，CPU只能读出，不能写入。8155中还设有一个14位的定时器/计数器，可用来定时或对外事件计数，CPU可通过程序选择计数长度和计数方式。计数长度和计数方式由输入计数寄存器的计数控制字来确定。MCS-51单片机可以和8155直接相连而不用任何外加逻辑, MCS-51单片机扩展一片8155可以为系统增加256字节外RAM,22根I/O接口及一个14位定时器.下图为8155与8031的一种接口逻辑,图中P2.7连片选信号CE,P2.0连IO/M,所以8155的RAM的地址为7E00H-7EFFH;I/O寄存器地址分别为:命令/状态字寄存器地址7F00H,PA口地址为7F02H,PB口地址为7F03H,定时器/计数器低字节寄存器地址为7F04H,定时器高字节寄存器地址为7F05H. 图4.6 8155的扩展电路图4.2.3 键盘、显示器接口设计(1)矩阵式键盘接口设计矩阵式键盘适用于按键较多的场合,它由行线和列线组成,按键位于行、列交叉点.如一个44的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘等等.在按键数量较多时,矩阵键盘比独立键盘节省了很多I/O口.按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端.行线通过上拉电阻接到+5V上.平时无按键动作时,行线处于高电平状态,而当有按键按下时,行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定.列线电平如果为低,则行线电平为低;列线电平为高,则行线电平亦为高.这一点是识别矩阵键盘是否按下的关键所在.由于矩阵键盘中行、列线为多键共用,各按键均影响该键所在的行和列电平.所以,必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理,才能确定闭合键的位置.对于矩阵式键盘,按键的位置由行号和列号唯一确定,所以分别对行号和列号进行二进制编码,然后将两值合成一个字节,高4位是行号,低4位是列号将是非常直观的.(2)显示器接口设计在单片机系统中,常用的显示器有:发光二极管显示器,简称LED.LED是显示块由发光二极管显示字段组成.,有七段和”米”字型之分,一片显示块显示一位字符.共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地,当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管亮,相应的段被显示.由于七段LED显示块有7段发光二极管,所以其字型码为一个字节;”米”字型LED 显示块有15段发光二极管,所以字型码为两个字节.由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器,共有n根位选线和8n根段选线,根据显示方式不同,位选线和段选线的连接也各不相同,段选线控制显示字符的字型,而位选线则控制显示位的亮、暗.LED显示器有静态显示器和动态显示器两种方式.在多位LED显示时,为了节省I/O口线,简化电路,降低成本,一般采用动态显示方式.动态显示方式是一位地分别轮流点亮各位显示器,对每位显示器来说,每隔一段时间轮流点亮一次.显示器的亮度既与导通电流有关,也与点亮和熄灭时间的比例有关.这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起,由一个8位I/O口控制,实现各位显示器的分时选通.下图是LED显示器采用共阴极方式,6个显示器的段码由8155的PB口提供,位选码由8155的PA口提供(PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线),行列式未编码键盘的行线由PC口提供.图中设置了36个键.如果继续增加PC口线,设全部PC口线(PC0-PC5)用作键盘的行线,全部PA口线(PA0-PA7)作键盘列线,则按键最多可达86个.下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平,即PB口经反相后仅有一位公共阴极为低电平,8155的PA口则输出相应位(PB口输出为高对应的位显示器)的显示数据,使该位显示与显示缓冲器相对应的字符,而其余各位均为熄灭,依次改变8155的PB口输出为高的位,PB口输出对应的显示缓冲器的数据. 图4.7 显示器接口电路4.2.4 步进电机控制电路设计(1)步进电机开环驱动原理每输入一个脉冲,步进电机就前进一步,因此,它也称作脉冲电动机.其种类很多,但主要分三大类:反应式步进电动机,永磁式步进电机,以及永磁感应式步进电机.反应式电动机结构最简单,是应用最广泛的一种.按控制绕组的相树分有三相、四相、五相和六相等等.无论哪种步进电动机,他们的工作原理都有相同之处:数字式脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组,按一定顺序依次通电,在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转.步进电动机主要用于开环系统,当然也可以闭环系统.下图是步进电动机开环伺服系统的原理图,它由以下几部分组成: 图4.87 步进电机开环伺服系统原理图脉冲信号源是一个脉冲发生器,通常脉冲频率连续可调,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制.因脉冲频率可调,也称为变频信号源.脉冲分配器脉冲 按一定的顺序送到功率放大器中进行放大,驱动步进电动机工作.用硬件进行脉冲顺序的分配,有时称为环行分配器,也简称环分.功率放大器将脉冲分配器送来的脉冲放大,是步进电动机获得必要的功率.步进电动机伺服系统的执行元件,它带动工作机构,如减速装置,丝杠,工作台.(2)脉冲分配对每一个五相步进电动机而言,其脉冲分配方式是五相十拍的,其五相分别用A、B、C、D、E表示.五相十拍的运行形式是AABBBCCCDDDEEEA顺序轮流通电,则转子便顺时针方向一步一步转动.要改变步进电动机的转动方向.只需改变通电的顺序即可.脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相,该分配可由硬件来实现.在微机控制中,脉冲的分配也可由软件来完成,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4五位分别输出时序脉冲,经光电隔离、驱动放大使步进电机运转,延时的长短决定了步进电动机运行一拍的时间,也就决定了步进电机的转速.(3)驱动电路由微机根据控制要求发出的脉冲,并依次将脉冲分配到各相绕组,因其功率很小,电压不足5V,电流为mA级,必须经过驱动器将信号放大到若干安培,才能驱动步进电动机.因此,步进电动机实际上是一个功率放大器,驱动器的质量直接影响步进电动机的性能,驱动器的负载是电机的绕组,是强电感应负载.对驱动器的主要要求是:失真要小,要有较好的前后沿和足够的幅度;效率要高;工作可靠;安装调试和维修方便.下图是一个La绕组的高低压驱动电路,脉冲变压器Tp组成高压控制电路. 图4.9 放大电路图无脉冲输入时,T1,T2,均截止,电机绕组La中无电流通过,电机不转.有脉冲输入时,T1饱和导通,在T2由截止到饱和期间,其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加,在变压器次级感应一个电压,使T3导通,80V高压经高压管T3加到绕组La上,使电流迅速上升,约经数百微妙,当T2进入稳压状态后,初级电流暂时恒定,次级的感应电压降到0;T3截止,这时12V低压电流经D2加到绕组La上,维持La中的电流为恒定值.输入脉冲结束后,T1,T2,T3,T4又截止,储存在La中的能量通过18的电阻的作用是减小放电回路的时间常数,改善波形后沿.由于采用高低压驱动,电流增长快,电机的力矩和运行频率都得到改善,但由于电机转动时产生的反电动势,使电流波形顶部下凹,使平均电流下降,转矩下降.4.2.5 光电隔离电路设计为了避免外部设备的电源干扰,防止被控对象电路的强电反窜,通常采用将微机的前后向通道与被连模块在电气上的隔离的方法.过去通常隔离变压器或中间继电器来实现,而目前已广泛被性能高、价格低的光电耦合器来代替.光电耦合器是把发光元件与受光元件封装在一起,以光作为媒体来传输信息的.其封装形式有管形,双列直插式、光导钎维连接等.发光器件一般为砷化镓红外发光二极管.光电耦合器具有以下特点:(1) 信号采取光电形式耦合,发光部分与受光部分无电气回路,绝缘电阻高达,绝缘电压为1000-5000V,因而具有极高的电气隔离性能,避免输出端和输入端之间可能产生的反馈和干扰.(2) 由于发光二极管是电流驱动器件,动态电阻很小,对系统内外的噪声干扰信号形成低阻抗旁路,因此抗干扰能力强,共模抑制比高,不受磁场的影响,特别是用于长线传输时作为终端负载,可以大大地提高信噪比.(3) 光电耦合器可以耦合零到数千赫的信号,且响应速度快(一般为几毫秒,甚至少于10ns),可以用于高速信号的传输.下图的光电耦合器是采用硅光电二极管作受光元件.其CTR为10%-100%,脉冲上升和下降时间小于5,输出电路饱和压降小(0.2V-0.3V),电路构件简单,是目前应用较多的一种,主要用于驱动TTL电路、传输线隔离、脉冲放大等.晶体管输出型的光电耦合器用于开关信号耦合时,发光二极管和光电晶体管平常都处于关断状态.在发光二极管通过电流脉冲时,光电晶体管在电流脉冲持续的时间内导通.下图是使用4N25光电耦合器的接口电路,这里4N25起到耦合脉冲信号和隔离单片机8031系统与输出设备电气回路的作用,使两部分的电流相互独立.输出部分的地线Vss接地壳或大地,而单片机的电源地线(GDP)浮空,这样可以避免输出部分电源变化对单片机电源的影响. 图4.9 光电隔离电路4.2.6 其他接口电路设计 面板操作键和功能选择开关:面板操作键与8255的PB口接口电路.图中SB1-SB2为手动操作进给键，分别完成人工操作的、的进给。运行时按下此键，可中断程序的运行。回零，使工具电极沿X轴、Y轴、Z轴回到机械零点。 功能选择开关SA为一个单刀7掷波段开关，它与系统的8255PA口相连。用于连续、单步、自动、手动、暂停、启动等功能的选择。参考文献 吉林工业大学主编，金属切削机床设计M，上海科学技术出版社； 顾维邦主编，金属切削机床概论设计M，机械工业出版社； 龚桂义主编，机械设计课程设计手册M，高等教育出版社； 哈尔滨工业大学主编，机床设计图册M，上海科学技术出版社； 康元国主编，加工中心设计与应用M，机械工业出版社； 何立民主编，单片机应用系统设计M，北京航天航空大学出版社； 濮良贵 纪名刚，机床设计M，高等教育出版； 吴振彪主编，机电综合设计指导M，中国人民大学出版社； 成大先主编，机床设计手册M，机械工业出版社； 成大先主编，机械设计手册M，化学工业出版社； 谢铁邦主编，互换性与技术测量M，华中科技大学出版社； 哈尔滨工业大学主编，理论力学M，高等教育出版社； 黄鹤汀主编，金属切削机床设计M，机械工业大学出版社； 朱张校主编，工程材料 M，清华大学出版社； 孙恒、陈作模主编，机械原理M，高等教育出版社； 范钦珊主编，材料力学M，高等教育出版社。谢辞毕业设计是高等院校人才培养计划的重要部分，是训练和培养专业人才的教学过程中最后的也是极为重要的实践教学环节，是人才培养质量的全面性、综合性、系统性理论联系实际的设计活动，我感到自己从中获益匪浅。通过本次毕业设计，培养了我科学的思维方式和正确的设计思想，综合运用和深化所学的理论知识和技能，增强分析和解决工程实际问题的能力，全面完成工程师的基本训练或者从事科研工作的初步训练，是我们毕业前全面素质教育的重要实践训练。此设计是关于工程钻车的设计，分析了方案的具体数据，设计选择最优的系统方案。在这次毕业设计中，我曾多次到图书馆查取资料，上网浏览相关课题，积极和老师沟通，请教问题。在不断的学习过程中积累了大量的相关知识，对过去学到的理论知识的认识得到了极大的升华，为即将走向工作岗位做好了准备。在本次设计中，本人得到了老师及多位同学的帮助，特别是颜竟成老师的精心指导，使我顺利完成本次毕业设计。在此本人谨表深深的感谢！特别是颜老师的敬业精神使我深深感动，让我发现自己身上存在的惰性，我相信在今后的工作中一定会不断完善自己。由于本水平有限，时间较仓促，错误疏漏或不完善之处可能较多存在，敬请给与批评指正。 致谢辞者：张书品 2009年5月于南华大学英文原文: SteelsSteel is one of the most valuable metals known to man; approximately 200 million tons can be produced in the United States annually. In 1900, US capacity was but 21 million tons. Although the process of steelmaking is familiar to most engineers, a review of this process would be appropriate at this time.Iron ore, limestone, and coal are the principal raw materials used in making iron and steel. Coke is produced by heating bituminous coal in special ovens. Skip cars go up the skip hoist with loads of iron ore, coke, and limestone and dump them into the top of the blast furnace. Hot air from the stove is blown into the furnace near the bottom. This causes the coke to burn at temperatures up to 3000F. The ore is changed into drops of molten iron that settle to the bottom of the blast furnace. The limestone that has been added joins with impurities to form a slag that floats on top of the pool of liquid iron. Periodically , the molten iron is drained into a ladle for transporting to either the Bessemer converter, electric furnace or open-hearth furnace. The slag is removed separately so as mot to contaminate the iron.The making of steel from iron involves a further removal of impurities. Regardless of which process is used for making steel-open-hearth, Bessemer-converter, or electric-furnace-steel scrap is added along with desired alloying elements and the impurities are burned out.Liquid steel removed from the furnace is poured into ingot molds. The ingots are then removed to “soaking pits” where they are brought to a uniform rolling temperature.At the rolling mill, the white-hot steel passes through rolls that form the plastic steel into the desired shape: blooms, slabs, or billets. These three semifinished shapes then go to the finishing mills where they are rolled into finished forms as structural steel, plates and sheets, rods, and pipes.Steel is the basic and most valuable material used in apparatus manufactured today. Its application is based on years of engineering experience, which serves as a guide in choosing a particular type of steel. Each variable, such as alloy, heat treatment, and processes of fabrication has its influence on the strength, ductility, machinability, and other mechanical properties, and affects the type of steel selected. The following basic concepts also assist in determining which steel should be used:1. The modulus of elasticity in tension falls within the range of 28106to 30106lb/in2, regardless of composition or form; therefore, sizes as determined by deflection remain the same regardless of the steel chosen.2. Carbon content determines the maximum hardness of steel regardless of alloy content. Therefore, the strength desired, which is proportional to hardness, can determine the carbon content.3. The ability of the steel to be uniformly hardened throughout its volume depends on the amount and kind of alloy. This is more complex, but does not necessarily change the calculation of the size of the part. 4.Ductility decreases as hardness increases.The preliminary choice of steel for a part as well as for other factors, such as notch sensitivity, shrinkage, blowholes, corrosion, and wear, is simplified when based on the above principles. The final selection is made by matching the material with the process of manufacture used in order to obtain the shape, surface, and physical requirements of the part. The selection may be made from among low-carbon steels, low-alloy steels, high-carbon steels, and high-alloy steels.Steel is one of the few common metals that has an endurance limit. You will recall that fatigue is the failure of a material due to repeated loading. Most metals become tired as they are subjected to stress over and over again. The stress a material can withstand under constant loading is much less than under static loading. As steel is continually loaded, it will reach a lower limit of strength. This property is quite pronounced in wire shapes. Common copper and aluminum wire can easily be broken by flexing the wire in a local spot. Normally after a few dozen flexes, the wire breaks. Steel wire, however, is very tough and flexing the wire simply cold works the material making the process futile for the unknowing person trying to break a steel wire. At some point steel will resist weakening due to repeated loading. This is known as an “endurance limit”. The endurance limit of steel is around 60% of its original strength.This property of having an endurance limit makes steel invaluable for use in structural applications like bridges, springs, struts, beams, etc. Of course, there are many factors that effect the endurance limit of a material. A primary factor is the surface quality of the material and/or the manufacturing process used to produce the specimen.Fatigue is attributable to the initial material mot being an ideal homogeneous solid. In each half cycle, irreversible minute strains are produced. Fatigue failure usually develops from:1.Repeated cyclic stresses that cause incremental slip and cold working locally in the material.2.Gradual reduction of ductility of the strain hardened areas that develop into cracks.3.A notching effect from submicroscopic cracks.The endurance limits of steels create some very desirable physical properties. These properties can be detrimental to the manufacturability of the material. For instance, in the cold rolling of steel the endurance limit creates a limitation on the amount of cold working that can be input to any part. After this limit has been reached the material must be heated above its critical temperature to permit further cold working.Plain carbon steels represent the major proportion of steel production. Carbon steels have a wide diversity of application, including castings, forgings, tubular products, plates, sheets and wire products, structural shapes, bars, and tools. Plain carbon steels, generally, are classified in accordance with their method of manufacture as basic open hearth, acid open hearth, or acid Bessemer steels, and by carbon content.The principal factors affecting the properties of the plain carbon steels are the carbon content and the microstructure. The microstructure is determined by the composition of the steel (carbon, manganese, silicon, phosphorus, and sulfur, which are always present, and residual elements including oxygen, hydrogen, and nitrogen) and by the final rolling, forging, or heat-treating operation. However, most of the plain carbon steels are used without a final heat treatment and , consequently, the rolling and forging operations influence the microstructure.Carbon steels are predonminantly pearlitic in the cast, rolled, or forged conditions. The constituents of the hypoeutectoid steels are therefore ferrite and pearlite, and of the hypereutectoid steels are cementite and pearlite.Alloy steel is an alloy of iron and carbon containing alloying elements, one or more of which exceeds the following: manganese, 1.65 percent; silicon, 0.60 percent; copper, 0.60 percent; and/or specified amounts of other alloying elements, including aluminum, boron , and chromium up 3.99 percent; cobalt, niobium, molybdenum, nickel, tungsten, vanadium, zirconium, or other elements added in sufficient quantity to give the desired properties of the steel.Since there are more elements , some expensive, to be kept within the specified ranges in alloy steel than are required in carbon steel , alloy steel requires more involved techniques of quality control and, consequently, is more expensive.Alloy steel can give better strength, ductility, and toughness properties than can be obtained in carbon steel. Consequently, the engineer should consider alloy steels I designs subject go high stresses and/or impact loading.Almost all alloy steels are produced with fine-grain structures. A steel is considered to be fine-grained if its grain size is rated 5, 6, 7, or 8. Number1 grain size shows 1 .5 grains/in. of steel area examined at 100diameters magnification. Fine-grain steels have less tendency to crack during heat treatment and have better toughness and shock-resistance properties. Coarse grained steels exhibit better machining properties and may be hardened more deeply than fine-grained steels.To select the alloy steel that is best suited for a given design, the effects of the principal alloying elements must be taken into account. They are as follows.1. Nickel provides toughness, corrosion resistance, and deep hardening.2. Chromium improves corrosion resistance, toughness, and hardenability.3. Manganese deoxidizes, contributes to strength and hardness, decreases the critical-cooling rate.4. silicon deoxidizes, promotes resistance to high-temperature oxidation, raises the critical temperature for heat treatment, increases the susceptivity of steel to decarburization and graphitization.5. Molybdenum promotes hardenability, increases tensile and creep strengths at high temperatures.6. vanadium deoxidizes, promotes fine-grained structure.7. Copper provides resistance to corrosion and acts as strengthening agent.8. Aluminum deoxidizes, promotes fine-grained structure, and aids nitriding.9. boron increases hardenability.The term “stainless steel” denotes a large family of steels containing at least 11.5percent chromium. They are not resistant to all corroding media.Stainless steel competes with nonferrous alloys of copper and nickel on a corrosion-resistance and cost basis and with light metals such as aluminum and magnesium on the basis of cost and strength-weight ratio. Stainless steel has a number of alloy compositions and there are many supplies. Information on its properties and fabrication can be obtained readily. Sound techniques have been evolved for casting, heat treating, forming, machining, welding, assembling, and finishing stainless steel. It will be found that this material usually work-hardens(which makes machining, forming, and piercing more difficult), and it must be welded under controlled conditions and under inert gas. It has desirable high strength, corrosion resistance, and decorative properties.A bright, clean surface is essential for best corrosion resistance. Traces of scale and foreign matter should be removed by machining, pickling, or polishing. Dipping in nitric acid will ensure the formation of a good oxide film on new pieces. Stainless steels may be electroplated and electropolished, anodically etched covered with porcelain enamel, or given colored coatings through the dying of surface oxides. Highly polished sheets may be purchased directly from stainless-steel producers. A coating of plastic may be used to protect the surface during fabrication.Stainless steel can be made very hard and its strength can be more than doubled by cooling to 300F and simultaneously rolling under high pressure, then heating to 750F for 24hours.Corrosion resistance is the most important single characteristic of the stainless steels. This quality is due to a thin transparent film of chromium oxide that forms on the sur