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热盘加工专用机床设计说明书.doc

热盘加工专用机床设计【机+电】【12张图纸】【优秀】

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热盘加工专用机床设计【机+电】【12张图纸】【优秀】.rar

轴肩挡圈A4.dwg---(点击预览)

轴用弹性挡圈A4.dwg---(点击预览)

轴承座支撑端A4.dwg---(点击预览)

轴承座固定端A4.dwg---(点击预览)

计划周记进度检查表.xls---(点击预览)

直线滚动导轨A3.dwg---(点击预览)

电机座A3.dwg---(点击预览)

电动机正反转控制电路A3.dwg---(点击预览)

热盘工件图A3.dwg---(点击预览)

热盘加工专用机床设计说明书.doc---(点击预览)

热盘加工专用机床设计开题报告.doc---(点击预览)

滚珠丝杠A3.dwg---(点击预览)

滚动导轨块A4.dwg---(点击预览)

步进电机A4.dwg---(点击预览)

横梁进给系统装配图A0.dwg---(点击预览)

机床电气图A3.dwg---(点击预览)

托板A3.dwg---(点击预览)

弹性联轴器A4.dwg---(点击预览)

工作台进给系统装配图A0.dwg---(点击预览)

工作台A3.dwg---(点击预览)

外文翻译--机床设计.doc---(点击预览)

冷却泵控制电路B4.dwg---(点击预览)

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8031单片机与步进电机接口B3.dwg---(点击预览)

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关键词：: 热盘加工专用机床设计图纸

资源描述：

热盘加工专用机床设计

47页 22000字数+说明书+任务书+开题报告+外文翻译+12张CAD图纸【详情如下】

8031单片机与步进电机接口B3.dwg

任务书.doc

冷却泵控制电路B4.dwg

外文翻译--机床设计.doc

工作台A3.dwg

工作台进给系统装配图A0.dwg

弹性联轴器A4.dwg

托板A3.dwg

机床电气图A3.dwg

横梁进给系统装配图A0.dwg

步进电机A4.dwg

滚动导轨块A4.dwg

滚珠丝杠A3.dwg

热盘加工专用机床设计开题报告.doc

热盘加工专用机床设计说明书.doc

热盘工件图A3.dwg

电动机正反转控制电路A3.dwg

电机座A3.dwg

直线滚动导轨A3.dwg

计划周记进度检查表.xls

轴承座固定端A4.dwg

轴承座支撑端A4.dwg

轴用弹性挡圈A4.dwg

轴肩挡圈A4.dwg

摘要

　鉴于我国目前资金短缺，工业生产规模小的特点，用较小资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度保证生产质量，减轻劳动程度提高经济效益。而实现这一任务有效的、基本的途径就是普及以及应用经济型数控机床。

　此次设计的热盘加工专用机床就是把普通机床和数控技术结合在一起。机床的设计参考了立式铣床和龙门镗铣床的床身和加工方式，同时附加了数控技术。可以实现加工的自动化，提高了加工的效率。

　在热盘加工专用机床的设计中，我主要负责进给系统和电控系统设计。进给系统是采用，步进电机，滚珠丝杠副和直线滚动导轨相结合的传递方式，利用步进电机转动，带动滚珠丝杠的旋转，从而实现工作台沿导轨方向运动。电控系统主要是采用8031芯片，构成开环系统，利用芯片控制步进电机的转速和方向，实现自动化加工。

　这次设计的机床虽然加工精度不是很高，但稳定性好，价格低廉，设备费用投入较少，满足企业发展初期的需要，适合我国目前国情。

关键词：数控化;步进电机;滚珠丝杠

摘要III

ABSTRACTIV

目录V

1 绪论1

　1.1概述1

　1.2 课题源公司的简介1

　1.3 本设计任务相关要求1

　1.4 热盘工件图样1

2 加工方法选择3

　2.1 工艺方案的制定3

　2.2 采用立式铣削加工的理由3

　2.3 数控机床4

　　2.3.1 数控机床工作原理4

　　2.3.2 数控机床的组成4

　　2.3.3 数控编程坐标系的选取5

3 机床总体设计方案的拟定6

4 进给系统的设计9

　4.1 工作台进给系统的设计9

　　4.1.1 传动部件的选择和分析9

　　4.1.2 导轨的选择与设计10

　　4.1.3 驱动电机的选择和分析12

　　4.1.4 轴承的选择16

　　4.1.5 工作台进给系统的结构18

　4.2 横梁进给系统设计19

　　4.2.1 横梁进给系统的结构19

　　4.2.2 横梁结构的分析20

　　4.2.3 横梁进给系统零部件选择20

5 进给系统机械部分设计21

　5.1工作台进给系统机械部分设计21

　　5.1.1 滚珠丝杠的机械特性计算21

　　5.1.2 导轨副的作用、计算与选择23

　　5.1.3 步进电机的选择23

　　5.1.4 联轴器的选择25

　　5.1.5 轴承的选择25

　5.2横梁进给系统机械部分设计25

6 电控系统部分设计26

　6.1 控制形式的选择和分析26

　　6.1.1 开环控制系统26

　　6.1.2 闭环控制系统26

　　6.1.3 半闭环控制系统26

　6.2 控制系统方案确定27

　　6.2.1 数控系统基本硬件组成27

　　6.2.2 总体组成27

　6.3 软、硬件任务合理分配27

　6.4 主控器28

　　6.4.1 主控芯片选择28

　　6.4.2 MCS---51系列单片机介绍28

　　6.4.3 三总线结构29

　　6.4.4 存储器结构29

　　6.4.5 时序29

　　6.4.6 中断功能31

　　6.4.7 MCS---51单片机常用系统扩展芯片31

　6.5 存储系统扩展设计31

　　6.5.1 芯片选择31

　　6.5.2 地址分配及译码32

　6.6 机床中部分电机控制电路34

　　6.6.1 电动机正反转控制电路34

　　6.6.2 冷却泵的控制电路35

7 结论与展望37

　7.1结论37

　7.2不足之处及未来展望37

致谢38

参考文献39

1 绪论

1.1概述

　　　毕业设计是对每个即将毕业的大学生在校四年学习情况的综合测评和考量，对每个要走向社会的我们具有非常重要的意义，是对学校和家长做出一次总结性的汇报，是对自我能力的一次展示，还是对自我不足的一种审查。更是非常有用的一次实践机会。

　　　本次毕业设计的题目是“橡胶轮胎硫化机热盘加工专用机床设计”专题是“进给系统设计，电控系统设计”课题来源于昌明橡胶机械制造有限公司的热盘加工专用机床设计，对于橡胶产业中所使用的热盘加工及机械产业中的零部件的加工均有一定的参考价值。

　　　本设计应达到的要求：

　　　1.对热盘加工工艺（经简化）方案的简要分析比较；

　　　2.完成本设计的机床总图及床身部件图；

　　　3.设计说明书一份，要求对机床的总体设计部分详细分析说明，并包括必要的计算，文字简洁通顺，重要公式数据应注明出处；

　　　4.对制造厂家调研，了解其对质量、成本要求，索设计的专机要结合厂方具体生产条件。

1.2 课题源公司的简介

　　　江阴昌明橡胶机械有限公司,位于风景秀丽的江苏省无锡市江阴祝塘镇文林社区，距无锡市五十公里,水陆交通十分便利。

　　　该公司专门从事橡胶机械的生产.其各项性能指标均已达到国外同类产品的水平，目前，该公司设计和生产的产品已为国内外几十家生产厂家配套。该公司除对现有产品精益求精外,还可根据用户需要专业设计,制造特殊的产品。

　　　公司秉承“创新理念、追求卓越、迅速改善、永续经营的经营理念”，并以“质量是第一工作”，“顾客的满意是我们的荣誉”作为我们永远不变的质量政策；以爱护环境、回报社会、关爱雇员等社会责任为己任；把“诚信、负责、创新、团队”作为公司不断的追求和目标，愿与广大朋友携手共创美好的明天！

1.3 本设计任务相关要求

　　　厂方要求尽量降低造价，力争造价在5万元以内。并且本设计于四月初定稿，五月开始试制，七月装配完成并放入生产。因为年产1000件并签订了两年的合同，但顾虑到今后如长期合同，则购入大型立式镗铣加工中心加工，但该机床售价160万左右，目前经济上不可能，如这两年合同完成，又有（三年以上）加工合同，则可以考虑购买立式加工中心。（现每只零件铣加工费用为800元到900元）2 加工方法选择

2.1 工艺方案的制定

　　　机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法的工艺文件。生产规模的大小，工艺水平的高低以及解决各种工艺问题的方法和手段都要通过机械加工工艺规程来体现。因此，机械加工工艺规程设计是一项重要而又严肃的工作。为能具体确切地说明工艺过程，一般将机械加工工艺过程分为工序、安装、工位、工步和走刀。

　　　这是设计组合机床最重要的一步。工艺方案制定得正确与否，将决定机床能否达到“体积小，重量轻，结构简单，使用方便，效率高，质量好”的要求。为了使工艺方案制定的合理，先进，必须从认真的分析被加工的零件（或同类零件）图纸开始，深入现场全面了解被加工零件的结构特点，加工部位，尺寸精度，表面粗糙度和技术要求，定位夹紧方式工艺方法和加工过程所采用的刀具，辅具，切屑用量情况及产生率要求高，分析其优缺点，总结设计，制造，使用单位和操作者的丰富的实践经验，以求理论紧密联系生产实际，从而确定零件在组合机床上完成的工艺（工序）内容及方法，决定刀具种类，结构型式，数量及切屑用量等。

　　　根据选定的工艺方案确定机床的配置型式，并定出影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。既要考虑能实现工艺方案，以确保零件的加工精度，技术要求及生产率；又要考虑机床的操作方便可靠，易于维修，且冷却，排屑情况良好。

　　　以上两个步骤是十分重要的。对于同一个零件的加工，可能会有各种不同的工艺方案和机床配置方案，在最后决定采取哪种方案时，决不能草率，要全面地看问题，综合分析各方面的情况，进行多种方案对比，从中选择最佳方案。

2.2 采用立式铣削加工的理由

　　　由于铣削具有工艺范围广、生产效率高、容易产生振动、刀齿散热条件好等特点，所以立式铣床的铣削加工时中小零件的加工中非常普遍。

　　　立式铣床铣削加工的特点：铣刀是典型的多刃刀具，加工过种有几个刀齿同时参加切削，点的切削宽度较大，铣削时的主运动是铣刀的旋转，有利于进行高速切削，故铣刀的生产率高于刨削加工。铣削加工范围广，可以加刨削无法加工或难以加工的表面。立式铣床铣削过程中，就每个刀齿而言是依次参加切削，刀齿在离开工件的一段时间内，可以得到一次冷却，因此，刀齿散热条件好，有利于减少铣刀的磨损，延长了使用寿命。由于是断续切削，刀齿在切入切出工件时产生冲击，而且每个刀齿的切削厚度也时刻在变化，这就引起切削面积和切削力的变化，因此铣削过程不平稳，容易产生振动，直接影响工件表面粗糙度。

立式铣床铣刀比刨床刨刀结构更复杂，铣刀的制造与刃磨比刨刀困难，所以铣削成本比刨削高。铣削与刨削的加工质量大致相同，经粗精加工后都可达到中等精度，但在加工大平面时，刨削后明显接刀痕，而且直径小于工件宽度的端铣刀加工时，各次走刀间有明显的接刀痕，影响表面质量，铣削加工用于单件小批量生产，也造用于大批量生产

QQ截图20131128211740.gif

热盘加工专用机床设计.gif

内容简介：: 编号无锡太湖学院毕业设计（论文）题目：热盘加工专用机床设计进给系统设计电控系统设计信机系机械工程及自动化专业学号：学生姓名：指导教师：（职称：高级工程师）（职称：）2013年5月25日XXXVI无锡太湖学院本科毕业设计（论文）诚信承诺书本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文）热盘加工专用机床设计是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。班级：机械95 学号：作者姓名： 2013 年 5 月 25 日摘要鉴于我国目前资金短缺，工业生产规模小的特点，用较小资金迅速改变机械工业落后的生产面貌，使之尽可能地提高自动化程度保证生产质量，减轻劳动程度提高经济效益。而实现这一任务有效的、基本的途径就是普及以及应用经济型数控机床。此次设计的热盘加工专用机床就是把普通机床和数控技术结合在一起。机床的设计参考了立式铣床和龙门镗铣床的床身和加工方式，同时附加了数控技术。可以实现加工的自动化，提高了加工的效率。在热盘加工专用机床的设计中，我主要负责进给系统和电控系统设计。进给系统是采用，步进电机，滚珠丝杠副和直线滚动导轨相结合的传递方式，利用步进电机转动，带动滚珠丝杠的旋转，从而实现工作台沿导轨方向运动。电控系统主要是采用8031芯片，构成开环系统，利用芯片控制步进电机的转速和方向，实现自动化加工。这次设计的机床虽然加工精度不是很高，但稳定性好，价格低廉，设备费用投入较少，满足企业发展初期的需要，适合我国目前国情。关键词：数控化;步进电机;滚珠丝杠IIIABSTRACT In view of the shortage of funds, and small-scale industrial production, smaller funds rapidly changing the face of Machinery Industry backward production, so as much as possible to improve the degree of automation to ensure production quality, reduce the degree of labor to improve economic efficiency. Effective to achieve this task, the basic way is universal and application of economical CNC. The design of the hot plate special machine is ordinary machine tools and CNC technologies together. The design of the machine reference bed and processing of vertical milling machine and gantry milling machine, and additional CNC technology. Can realize the automation of the processing, improve the processing efficiency. Hot plate special machine design, is mainly responsible for the feed system and electric control system design. The feed system is used, the stepper motor, ball screw and linear rolling guide rail combining the transfer mode, the use of stepper motor rotation, driven by the rotation of the ball screw, in order to achieve the direction of movement of the table along the guide rails. The electronic control system is using the 8031 chip, constitute the open-loop system, take advantage of the speed and direction of the chip stepper motor control, automated processing. The design of the machine is not very high machining accuracy, good stability, low prices, equipment costs less input, to meet the needs of the early development of enterprises, suited to Chinas national conditions.Key words: CNC ;stepper motor ;ball screwI目录摘要IIIABSTRACTIV目录V1 绪论11.1概述11.2 课题源公司的简介11.3 本设计任务相关要求11.4 热盘工件图样12 加工方法选择32.1 工艺方案的制定32.2 采用立式铣削加工的理由32.3 数控机床42.3.1 数控机床工作原理42.3.2 数控机床的组成42.3.3 数控编程坐标系的选取53 机床总体设计方案的拟定64 进给系统的设计94.1 工作台进给系统的设计94.1.1 传动部件的选择和分析94.1.2 导轨的选择与设计104.1.3 驱动电机的选择和分析124.1.4 轴承的选择164.1.5 工作台进给系统的结构184.2 横梁进给系统设计194.2.1 横梁进给系统的结构194.2.2 横梁结构的分析204.2.3 横梁进给系统零部件选择205 进给系统机械部分设计215.1工作台进给系统机械部分设计215.1.1 滚珠丝杠的机械特性计算215.1.2 导轨副的作用、计算与选择235.1.3 步进电机的选择235.1.4 联轴器的选择255.1.5 轴承的选择255.2横梁进给系统机械部分设计256 电控系统部分设计26V6.1 控制形式的选择和分析266.1.1 开环控制系统266.1.2 闭环控制系统266.1.3 半闭环控制系统266.2 控制系统方案确定276.2.1 数控系统基本硬件组成276.2.2 总体组成276.3 软、硬件任务合理分配276.4 主控器286.4.1 主控芯片选择286.4.2 MCS-51系列单片机介绍286.4.3 三总线结构296.4.4 存储器结构296.4.5 时序296.4.6 中断功能316.4.7 MCS-51单片机常用系统扩展芯片316.5 存储系统扩展设计316.5.1 芯片选择316.5.2 地址分配及译码326.6 机床中部分电机控制电路346.6.1 电动机正反转控制电路346.6.2 冷却泵的控制电路357 结论与展望377.1结论377.2不足之处及未来展望37致谢38参考文献39I 热盘加工专机设计进给系统设计电控系统设计 1 绪论1.1概述毕业设计是对每个即将毕业的大学生在校四年学习情况的综合测评和考量，对每个要走向社会的我们具有非常重要的意义，是对学校和家长做出一次总结性的汇报，是对自我能力的一次展示，还是对自我不足的一种审查。更是非常有用的一次实践机会。本次毕业设计的题目是“橡胶轮胎硫化机热盘加工专用机床设计”专题是“进给系统设计，电控系统设计”课题来源于昌明橡胶机械制造有限公司的热盘加工专用机床设计，对于橡胶产业中所使用的热盘加工及机械产业中的零部件的加工均有一定的参考价值。本设计应达到的要求：1.对热盘加工工艺（经简化）方案的简要分析比较；2.完成本设计的机床总图及床身部件图；3.设计说明书一份，要求对机床的总体设计部分详细分析说明，并包括必要的计算，文字简洁通顺，重要公式数据应注明出处；4.对制造厂家调研，了解其对质量、成本要求，索设计的专机要结合厂方具体生产条件。1.2 课题源公司的简介江阴昌明橡胶机械有限公司,位于风景秀丽的江苏省无锡市江阴祝塘镇文林社区，距无锡市五十公里,水陆交通十分便利。该公司专门从事橡胶机械的生产.其各项性能指标均已达到国外同类产品的水平，目前，该公司设计和生产的产品已为国内外几十家生产厂家配套。该公司除对现有产品精益求精外,还可根据用户需要专业设计,制造特殊的产品。公司秉承“创新理念、追求卓越、迅速改善、永续经营的经营理念”，并以“质量是第一工作”，“顾客的满意是我们的荣誉”作为我们永远不变的质量政策；以爱护环境、回报社会、关爱雇员等社会责任为己任；把“诚信、负责、创新、团队”作为公司不断的追求和目标，愿与广大朋友携手共创美好的明天！1.3 本设计任务相关要求厂方要求尽量降低造价，力争造价在5万元以内。并且本设计于四月初定稿，五月开始试制，七月装配完成并放入生产。因为年产1000件并签订了两年的合同，但顾虑到今后如长期合同，则购入大型立式镗铣加工中心加工，但该机床售价160万左右，目前经济上不可能，如这两年合同完成，又有（三年以上）加工合同，则可以考虑购买立式加工中心。（现每只零件铣加工费用为800元到900元）1.4 热盘工件图样图1.1 热盘工件图样2 加工方法选择2.1 工艺方案的制定机械加工工艺规程是规定产品或零部件机械加工工艺过程和操作方法的工艺文件。生产规模的大小，工艺水平的高低以及解决各种工艺问题的方法和手段都要通过机械加工工艺规程来体现。因此，机械加工工艺规程设计是一项重要而又严肃的工作。为能具体确切地说明工艺过程，一般将机械加工工艺过程分为工序、安装、工位、工步和走刀。这是设计组合机床最重要的一步。工艺方案制定得正确与否，将决定机床能否达到“体积小，重量轻，结构简单，使用方便，效率高，质量好”的要求。为了使工艺方案制定的合理，先进，必须从认真的分析被加工的零件（或同类零件）图纸开始，深入现场全面了解被加工零件的结构特点，加工部位，尺寸精度，表面粗糙度和技术要求，定位夹紧方式工艺方法和加工过程所采用的刀具，辅具，切屑用量情况及产生率要求高，分析其优缺点，总结设计，制造，使用单位和操作者的丰富的实践经验，以求理论紧密联系生产实际，从而确定零件在组合机床上完成的工艺（工序）内容及方法，决定刀具种类，结构型式，数量及切屑用量等。根据选定的工艺方案确定机床的配置型式，并定出影响机床总体布局和技术性能的主要部件的结构方案。既要考虑能实现工艺方案，以确保零件的加工精度，技术要求及生产率；又要考虑机床的操作方便可靠，易于维修，且冷却，排屑情况良好。以上两个步骤是十分重要的。对于同一个零件的加工，可能会有各种不同的工艺方案和机床配置方案，在最后决定采取哪种方案时，决不能草率，要全面地看问题，综合分析各方面的情况，进行多种方案对比，从中选择最佳方案。2.2 采用立式铣削加工的理由由于铣削具有工艺范围广、生产效率高、容易产生振动、刀齿散热条件好等特点，所以立式铣床的铣削加工时中小零件的加工中非常普遍。立式铣床铣削加工的特点：铣刀是典型的多刃刀具，加工过种有几个刀齿同时参加切削，点的切削宽度较大，铣削时的主运动是铣刀的旋转，有利于进行高速切削，故铣刀的生产率高于刨削加工。铣削加工范围广，可以加刨削无法加工或难以加工的表面。立式铣床铣削过程中，就每个刀齿而言是依次参加切削，刀齿在离开工件的一段时间内，可以得到一次冷却，因此，刀齿散热条件好，有利于减少铣刀的磨损，延长了使用寿命。由于是断续切削，刀齿在切入切出工件时产生冲击，而且每个刀齿的切削厚度也时刻在变化，这就引起切削面积和切削力的变化，因此铣削过程不平稳，容易产生振动，直接影响工件表面粗糙度。立式铣床铣刀比刨床刨刀结构更复杂，铣刀的制造与刃磨比刨刀困难，所以铣削成本比刨削高。铣削与刨削的加工质量大致相同，经粗精加工后都可达到中等精度，但在加工大平面时，刨削后明显接刀痕，而且直径小于工件宽度的端铣刀加工时，各次走刀间有明显的接刀痕，影响表面质量，铣削加工用于单件小批量生产，也造用于大批量生产。2.3 数控机床2.3.1 数控机床工作原理数控机床加工零件时，首先应编制零件的数控程序，这是数控机床的工作指令。将数控程序输入到数控装置，在由数控装置控制机床主运动的变速、启停、进给运动的方向、速度、位移大小以及其它诸如刀具选择交换、工件加紧松开和冷却液的启、停等工作，使刀具与工件及其它辅助装置严格按照数控程序规定的顺序、路程和参数进行工作，从而加工出形状、尺寸与精度复合要求的零件。2.3.2 数控机床的组成数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的机床上讲，一般由，控制介质、数控装置、进给伺服系统、检测反馈装置和机床本体五大部分及辅助设备组成。如图2.1图2.1 数控机床的组成2.3.2.1 控制介质控制介质是指将零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置的类型不同而不同，常有的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带和磁盘等。除了上述几种控制介质外，还有一部分数控机床采用数码盘、数码插销或利用键盘直接将程序及数据输入。另外，随着CAD/CAM技术的发展，有些数控设备利用CAD/CAM技术在其它计算机上编程，然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。2.3.2.2 数控装置数控装置时数控机床的控制中心，现在的数控装置通常由一台通用或专用微型计算机构成。它由输入装置、控制运算器和输出装置等构成。输入装置接受控制介质上的信息竞购识别和译码之后，送到运算控制器。这些信息将最为控制和运算的原始数据。控制运算器根据输入装置送来的信息进行运算，并将控制命令送往输出装置。输出装置将控制运算器发出的控制命令送到伺服系统，经功率放大，驱动机床完成相应的动作。2.3.2.3 伺服系统伺服系统是数控机床的执行机构，包括驱动和执行两大部分。伺服系统接受数控系统指令信息，并按照指令信息的要求带动机床的移动部件运动或畸形部分动作，一加工出复合要求的零件。指令信息是以脉冲信息体现的，每一个脉冲使机床移动部件产生的位移量叫脉冲当量（常用的脉冲当量为0.0010.01）。目前数控机床的伺服系统中，常用的位移执行机构是功率步进电机，直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两者都带有电光编码器等位置测量组件。2.3.2.4 机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于完成各种切削工作的机械部分，它是在原普通机床的基础上改进而得到的，具有以下优点：1. 数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。2.数控机床机械结构具有较高的刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形小。3.更多的采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。2.3.2.5 检测反馈装置检测反馈装置由检测元件和相应的测量电路组成。其作用是检测速度、位移或工件尺寸，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制。没有检测反馈装置的数控系统被称为开环系统；直接从工作台或工件获取反馈信息的数控系统被称为闭环系统；从伺服电机运转轴获取反馈信息的数控系统被称为半闭环系统（检测反馈装置包括在伺服系统中）。常用的检测元件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、电感应传感器、光栅和磁尺等。除上述五个部分外，数控机床还有一些辅助装置及附属设备，如电源、液压、气动系统与冷却、排屑、润滑、照明、储运等装置以及编程机、对刀仪等。2.3.3 数控编程坐标系的选取机床中使用顺时针方向的直角坐标系（右手笛卡尔直角坐标系），机床中的运动是指刀具和工件之间的相对运动，是道具相对于静止工件的运动。直角坐标系的编程程序更加适用于纵向工作台。纵向工作台由纵向丝杠带动在转台的导轨上作纵向移动，以带动台面上的工件作纵向进给。台面上的 T形槽用以安装夹具或工件。根据工件加工的需要，在机床上各运动坐标的数字控制可以是相互独立的，也可以是联动的。纵向工作台在精度，稳定和快速相应等方面十分配合系统，且纵向工作台价格较低，设计也相对简单，使用更加便捷。在数学中的极坐标系是由极点、极轴和极角组成，然而在数控车铣加工中心上的极坐标系的概念与数学中的极坐标系完全不同，在车铣加工中心上的极坐标系是在与机床Z轴垂直的平面内，由相互垂直的实轴（第一轴）X和虚轴（第二轴）C组成，极坐标系的坐标原点与程序原点重合，且虚轴C的单位不是度或弧度，而是与实轴X轴的单位一样，均为毫米。极坐标系编程适应分度回转工作台，分度回转工作台是机械加工中常用的机床附件，用于镗床，铣床，钻床等需要多面转位加工的工件。分度回转工作台操作不便，而且分度只限于某些规定的角度，难以满足一些特殊分度工件的加工要求，而且由于分度回转工作台设计繁琐，造价比较昂贵并且不便于大型工件装夹。综上所述，所以由于造价成本的需求，此次选用直角坐标系进行编程。3 机床总体设计方案的拟定由于此次要加工的零件为热盘，加工以铣削为主。因此，此次的机床设计参考铣床的样式。在日常生活中常用的铣床为立式铣床，卧式铣床和龙门铣床。立式铣床（见图3.1）与卧式铣床（见图3.2）相比较，主要区别是主轴垂直布置，除了主轴布置不同以外，工作台可以上下升降，立式铣床用的铣刀相对灵活一些，适用范围较广。可使用立铣刀、机夹刀盘、钻头等。可铣键槽、铣平面、镗孔等。卧式铣床也可使用上面各种刀具，但不如立铣方便，主要是可使用挂架增强刀具（主要是三面刃铣刀、片状铣刀等）强度。可铣槽、铣平面、切断等。卧式铣床一般都带立铣头，虽然这个立铣头功能和刚性不如立式铣床强大，但足以应付立铣加工。这使得卧式铣床总体功能比立式铣床强大。立式铣床没有此特点，不能加工适合卧铣的工件。生产率要比卧式铣床高。立式铣床是一种通用金属切削机床。本机床的主轴锥孔可直接或通过附件安装各种圆柱铣刀、成型铣刀、端面铣刀、角度铣刀等刀具。产品用途：适用于加工各种零部件的平面、斜面、沟槽、孔等，是机械制造、模具、仪器、仪表、汽车、摩托车等行业的理想加工设备。所以现在很多厂家，都选用卧式铣床加立铣头，节省设备投资。但是由于立铣的零活多，这种卧式铣床加立铣头的方式，实际上是天天挂着立铣头，当立铣用，反而不如立式铣床更适合。卧铣多用于齿轮,花键,开槽,切割等加工,立式铣床除多用于平面加工方面外,平面有高低曲直几何形状的工件,如模具类,立铣也可以发挥很大的作用。龙门铣床简称龙门铣（见图3.3），是具有门式框架和卧式长床身的铣床。龙门铣床上可以用多把铣刀同时加工表面，加工精度和生产效率都比较高，适用于在成批和大量生产中加工大型工件的平面和斜面。数控龙门铣床还可加工空间曲面和一些特型零件。龙门铣床的外形与龙门刨床相似，区别在于它的横梁和立柱上装的不是刨刀刀架而是带有主轴箱的铣刀架，并且龙门铣床的纵向工作台的往复运动不是主运动，而是进给运动，而铣刀的旋转运动是主运动。且龙门铣床具有足够的刚性，效率高，操作方便，结构简单，性能全面性等特点。另外，由于龙门铣床的特殊结构，十分便于大型工件的装夹。图3.1 立式铣床图3.2 卧式铣床图3.3 龙门铣床通过对于立式铣床与龙门铣床的性能分析，本次设计将龙门铣床与立式铣床相结合，工作台通过滚珠丝杠的带动进行Y轴方向的运动，动力头固定在横梁上通过滚珠丝杠的带动进行X轴方向的运动。图3.4 机床总体结构图如图3.4，图中1为工作台进给系统，2为横梁进给系统，在此次的设计中，我主要负责这两个进给系统的设计。4 进给系统的设计4.1 工作台进给系统的设计4.1.1 传动部件的选择和分析4.1.1.1 齿轮传动装置齿轮传动式应用非常广泛的一种机械传动，各种机床的传动装置中几乎都有齿轮传动。在数控机床伺服进给系统中采用齿轮传动装置的目的有两个。一时将高转速的转矩的伺服电机（如步进电机、直流和交流伺服电机等）的输出改变为低转速大转矩的执行件的输入；另一个是使滚珠丝杠和工作台的转动惯量在系统中专有较小的比重。此外，对于开环系统还可以保证所要求的运动精度。为了尽量减小齿侧间隙对数控机床加工精度的影响，经常在结构上采取措施，以减小或消除齿轮副的空程误差。如采用双片齿轮错齿法、利用偏心套调整齿轮副中心距或采用轴向垫片调整法消除齿轮侧隙。与采用同步齿形带相比，在数控机床进给传动链中采用齿轮减速装置，更容易产生低频振荡，因此减速机构中常配置阻尼器来改善动态性能。4.1.1.2 带传动带传动是一种应用很广泛的机械传动。带传动又主动轮，从动轮和适度张紧在两轮上的封闭环传动带组成，它是利用传动带作为中间的扰性件，依靠传动带与带轮之间的摩擦力来传递运动的。4.1.1.3 链传动链传动是由闭合的挠性环形两条和主，从动轮组成，链轮是特殊齿形的齿，依靠链轮轮齿的链节的啮合来传递运动和动力，链传动时属于带有中间挠性的啮合运动。4.1.1.4 蜗杆传动蜗杆传动是用来传递空间年交错轴之间的运动与动力，一般两咒夹角为90度。4.1.1.5 滚珠丝杠螺母副为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，必须降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差。因此形成不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副。滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的24倍。滚珠丝杠副的摩擦角小于1，因此不自锁。如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。滚珠丝杠的静、动摩擦系数实际上巨虎没有什么差别。它可以消除反向间隙并施加预载，有助于提高定位精度和刚度。滚珠丝杠由专门工厂制造。数控加工时，需将旋转运动转变成直线运动，故采用丝杠螺母传动机构。数控机床上一般采用滚珠丝杠，它可将滑动摩擦变为滚动摩擦，满足进给系统减少摩擦的基本要求。该传动副传动效率高，摩擦力小，并可消除间隙，无反向空行程；但制造成本高，不能自锁，尺寸亦不能太大，一般用于中小型数控机床的直线进给。滑动丝杠螺母副用于旧机床的数控改造、经济型数控机床等；滚珠丝杠螺母副用于中高档数控机床；静压丝杠螺母副用于高精度数控机床、重型机床。滚珠丝杠螺母副滚珠循环方式有两种：外循环与内循环。（a）外循环 (b) 内循环图4.1 滚珠丝杠副的结构及原理 1）内循环滚珠在循环过程中与丝杠始终保持接触的称为内循环。喂了保证承载能力，一个螺母中要保证有34圈滚珠工作。内循环滚珠的回路短，滚珠数目少，流畅性好，摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸紧凑，轴向刚度高。但此种循环方式不能用于多头螺纹传动，回珠槽形状复杂，需要用三坐标数控铣床加工。适用于各种高灵敏、高刚度的精密进给定位系统。重载荷、多头螺纹、大导程不宜采用。2）外循环滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触的称为外循环。根据滚珠循环回路结构形式的不同可分为螺旋槽式、插管式和盖板式等。螺旋槽式的结构在螺母体上的回珠螺旋槽与回珠孔不易准确平滑连接，拐弯处曲率变化较大，滚珠运动不平稳。挡珠机构刚性差，易磨损，适用于一般机床，在高刚度传动和高速运转的场合不宜采用。插管式滚珠螺母是利用插入螺母的管道作为回珠槽，分为凸出式插管型和内包式插管型。其结构简单，工艺性优良，适合成批生产。回珠管可设计制造成较理想的运动管道。适用于重载荷传动、高速驱动及精密定位系统。在大导程、小导程、多头螺纹中显示出独特优点，是目前应用最广泛的结构。此次的设计是依靠步进电机通过齿轮传动减速，带动滚珠丝杠的转动，从而使工作台移动，所以选择齿轮传动和滚珠丝杠传动部件。滚珠丝杠用内循环单螺母式1。4.1.2 导轨的选择与设计导轨的主要功能是导向和承载。导轨使运动部件沿一定的轨迹运动，从而保证各部件之间的相对位置精度。导轨主要由机床上两个相对运动部件的配合而组成一对导轨副，其中，不动的配合面成为支承导轨，运动的配合面称为运动导轨。机电一体化系统对导轨的基本要求是导向精度高、刚性好、运动轻便平稳、耐磨性好、温度变化小以及结构工艺性好等。按接触面的摩擦性质可分为：1）滑动导轨副：滑动导轨机构简单，阻尼系数大，刚度大；但易产生低速爬行现象，易磨损。滑动导轨是金属对金属型式，目前在数控机床上很少采用。摩擦系数较大，而且变化范围也大，对于精度高的工件加工心有余而力不足。承载能力中等。接触刚度高。滑动导轨一般仅用于普通精度的机床。数控机床已不采用。图4.2 滑动摩擦导轨结构2）滚动导轨副：直线滚动导轨由导轨和滑块两部分组成。导轨通常为两根，装在支撑件上，每根导轨上有2个滑块，固定在移动件导轨体上。直线滚动导轨副的工作原理就是滑块中装有四组滚珠，在导轨条的滑块的断点，就经合成树脂制造的端面挡板和滑块中的回珠孔回到另一端，经另一端端面挡板再进入循环。四组滚珠各有自己的回株孔，分别处于滑块的四角。四组滚珠和滚道相当于四个直线运动角接触滚珠轴承。接触角为45度时，四个方向具有相同的承载能力。图4.3 直线滚动导轨的外形和结构3）液体静压导轨：无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，阻尼系数大；但设计、制造、使用较复杂。图4.4 开式静压导轨4）气浮导轨：无磨损，无静摩擦，无低速爬行现象，无需回行管道，不产生污染；但刚度小，阻尼系数很小，容易引起振荡。通过综合比较，此次设计中选用直线滚动导轨副2。 4.1.3 驱动电机的选择和分析机床的伺服驱动一般是通过电机的驱动来实现的。控制电机一般是指用于自动控制、自动调节、远距离测量、随动系统以及计算机装置中的微特电机。它是构成开环控制、闭环控制、同步连接等系统的基础元件，根据它在自动控制系统中的职能可分为测量元件、放大元件、执行元件和校正元件四类。控制电机主要用来完成控制信号的传递和变换，要求它们技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高、体积小、重量轻、耗电少。控制电机的主要任务是转换和传动控制信号，能量的转换是次要的。控制电机的类型很多，常用的有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机3。 4.1.3.1 步进电机步进电机又称电脉冲马达，是伺服电机的一种。步进电机可按照输入的脉冲指令一步步的旋转，即可将输入的数字指令信号转换成相应的角位移。因此它实际上是一种数模转换装置。由于步进电机成本较低，易于控制，因而被广泛应用于开环控制的伺服系统中。步进电机按照产生转矩的方式可分为永磁式（PM）、可变磁阻式（VR）和混合式（HB）三种。永磁式步进电机的转子是用圆柱形永磁铁制作的，定子上有通电绕组。定子绕组通电励磁后，与转子永磁铁产生的磁场，根据同性相斥、异性相吸的原理驱动转子转动。永磁式步进电机的转矩小，步距角为7.59，广泛用于计算机外围设备和仪器仪表行业。可变磁阻式步进电机也叫反应式步进电机，其转子和定子由铁芯制作，定子上绕组有通电线圈。定子通电励磁与转子铁芯之间的吸引力驱动转子转动。转子在定子磁场中始终专项磁阻最小的位置。反应式步进电机没有永磁铁，因此在断电后没有保持力。混合式步进电机则综合了永磁式步进电机和反应式步进电机的优点，永磁铁转子和定子有轴向齿槽，转矩产生原理同永磁式步进电机。混合式步进电机产生的转矩大，断电时具有保持力，步距角为0.915。步进电机有如下特点。输出角与输入脉冲严格成比例，且在时间上同步。步进电机的步距角不受各种干扰因素，如电压的大小、电流的强弱、波形等的影响，转子的速度主要取决于脉冲信号的频率，总的位移量则取决于总脉冲的个数。转子惯量小，启、停时间短。输出转角的精度高，无累积误差。步进电机实际步距角与理论步距角总有一定的误差，且误差可以累加，但是当步进电机转过一周后，总的误差又回到零。易于计算机控制，维修方便，寿命长。步进电机本身就是一个数/模转换器，能够直接接受计算机输出的数字量。容易实现正、反转和启、停控制。能量效率低，存在失步现象。 4.1.3.2 直流伺服电机直流伺服电机具有响应迅速、精度和效率高、高速范围宽、负载能力大、控制特性优良等优点，被广泛应用在闭环或半闭环控制的伺服系统中。其缺点就是转子上安装了具有机械运动性质的电刷和换向器，需要定期维修和更换电刷，使用寿命短、噪声大，电机功率不能太大等。直流伺服电机按定子磁场产生方式可分为永磁式和他励式两类，它们的性能相近。由于永磁式直流伺服电机不需要外加励磁电源，因而在机电一体化伺服系统中应用较多。直流伺服电机按电枢的结构与形状可分为平滑电枢型、空心电枢型和有槽电枢型等。平滑电枢型的电枢无槽，其绕组用环氧树脂粘固在电枢铁芯上，因而转子形状细长，转动惯量小。空心电枢型的电枢无铁芯，且常做成杯形，其转子转动惯量小。有槽电枢型的电枢与普通直流电动机的电枢相同，因而，转子转动惯量较大。 4.1.3.3 交流伺服电机两相交流伺服电机的结构与普通异步电机的结构差不多，其定绕组则与单相电容式异步电机的结构相类似。定子用硅钢片叠成，在定子铁芯的内圆表面上嵌入相差90电角度的绕组，一个叫励磁绕组WF，另一个叫控制绕组WC。两相交流伺服电机转子一般分为笼式转子和杯形转子两种结构形式。区分步进电机与伺服电机的依据条件主要视具体应用情况而定，简单地说要确定：负载的性质（如水平还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速等要求，上位控制要求（如对端口界面和通讯方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式。供电电源是直流还是交流电源，亦或电池供电，电压范围。据此以确定电机和配用驱动器或控制器的型号。还可以按照下表区别选择步进系统还是伺服系统（步进电机的负荷及扭矩计算）:表4-1 步进电机与伺服电机的比较步进电机系统伺服电机系统力矩范围中小力矩（一般在20Nm以下）小、中、大，全范围速度范围低（一般在2000RPM以下，大力矩电机小于1000RPM）高（可达5000RPM）,直流伺服电机更可达12万转/分控制方式主要是位置控制多样化智能化的控制方式，位置/转速/转矩方式平滑性低速时有振动（但用细分型驱动器则可明显改善）好，运行平滑精度一般较低，细分型驱动时较高高矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬过载特性过载时会失步可310倍过载（短时）反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步闭环方式，编码器反馈编码器类型光电型旋转编码器（增量型/绝对值型）旋转变压器型旋转变压器型一般快温升运行温度高一般维护性基本可以免维护较好价格低较高所以考虑到这次设计的要求，为了在不影响工作精度条件下，我选择了步进电机。 4.1.3.4 步进电机的工作原理步进电机能将脉冲信号直接转换成角位移（或直线位移），这在计算机控制系统中特别方便，使用它可能省去数模转换接口。步进电机的角位移是一个步距一个步距（对应一个脉冲）移动的，所以称为步进电机。当步进电机的结构已确定，控制方式也选定后，步距角的大小是固定的，所以可以对它进行开环控制。步进电机的定子上有若干对极，极上有绕组，相对极上的绕组连在一起，作为一相。转子有几个凸出的齿，下图是步进电机的简化模型，图中定子上有三对极，三相绕组有一端均连在一起，另一端A、B、C引入控制信号，形成星形接法。转子上有四个齿。这种为三相步进电机3。图4.5为步进电机的简化模型图4.5 步进电机简化模型设启动时转子的1、3齿在A相绕组极的附近，当第一个脉冲通往A相，则磁通企图沿着磁阻最小的路径闭合，在此磁场力的作用下，转子的1、3齿要和A极对齐。下一个脉冲通入B相，则磁通要按磁阻最小的路径闭合，即2、4齿要和B极对齐，也即转子逆时针方向走了一个一步。在下一个脉冲通入C相，根据磁通沿磁阻最小的路径闭合原理，1、3齿要和C极对齐，也即转子又逆时针走了一步。依次不断地给A、B、C相以脉冲，则步进电机就一步一步地按逆时针方向旋转。若通电脉冲的次序为A、C、B、A不难推出，转子将以顺时针方向一步步旋转。这样，用不同的分配脉冲次序的方式就可以方便地实现控制步进电机的目的。 4.1.3.5 步进电机的控制与驱动步进电机的特性与配套使用的驱动电源（驱动器）有密切关系。驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成，如下图所示。驱动电源是将变频信号源（微机或数控装置等）送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动循环供给电机各相绕组，以驱动电机转子正反向旋转。变频信号源是可提供从几赫兹到几万赫兹的频率信号连续可调的脉冲信号发生器。因此，只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电机的转角及转速3。图4.6为步进电机的驱动电源组成图4.6 步进电机的驱动电源组成 4.1.3.6 步进电机的选型选择步进电机时，通常需要考虑的问题有：步进电机的种类、步距角、运行频率、转矩等。目前市场上提供了很多步进电机品种，但在我国最常用的步进电机有反应式步进电机（BC或BF系列）和混合式步进电机（BYG系列）两种。在电机体积相同的条件下，混合式步进电机的转矩比反应式步进电机大，同时混合式步进电机步距角可以做的较小。在外形尺寸上受到限制、又需要小步距角和大转矩的情况下，选择混合式步进电机。在需要快速移动大距离的条件下，应选择转动惯量惯量小、运行频率高、价格较低的反应式步进电机。另外，混合式步进电机在断电时有自定位转矩，而反应式步进电机在停止供电后，转子处在自由位置。通过比较，我们选用混合式步进电机1。4.1.4 轴承的选择轴承是机械行业中应用比较广泛的基础传动部件，其加工质量直接影响传动性能。它具有摩擦力小、升速迅速等特点，其制造水平影响主机性能。源于其特有的传动性能，从而广泛应用于国民经济的各个领域。轴承的种类主要分为以下几种：1.角接触球轴承角接触球轴承可同时承受径向负荷和轴向负荷。能在较高的转速下工作。接触角越大，轴向承载能力越高。高精度和高速轴承通常取15 度接触角。在轴向力作用下，接触角会增大。主要用于机床主轴、高频马达、燃汽轮机、离心分离机、小型汽车前轮、差速器小齿轮轴、油泵、空气压缩机、各类变速器、燃料喷射泵、印刷机械。2.深沟球轴承深沟球轴承是滚动轴承中最为普通的一种类型。基本型的深沟球轴承由一个外圈，一个内圈、一组钢球和一组保持架构成。深沟球轴承类型有单列和双列两种，单列深沟球轴承类型代号为6，双列深沟球轴承代号为4。其结构简单，使用方便，是生产最普遍，应用最广泛的一类轴承。主要用于汽车的后轮、变速器、电气装置、仪表以及各种产业机械。3.四点接触球轴承四点接触球轴承是一种分离型轴承，也可以说是一套轴承可承受双向轴向载荷的角接触球轴承。其内、外圈滚道是桃型的截面，当无载荷或是纯径向载荷作用时，钢球和套圈呈现为四点接触，这也是这个名称的由来。四点接触球轴承可以承受径向负荷、双向轴向负荷。4.调心球轴承由于外圈滚道面呈球面，具有调心性能，因此可自动调整因轴或外壳的挠曲或不同心引起的轴心不正，圆锥孔轴承通过使用紧固件可方便地安装在轴上。主要用于木工机械、纺织机械传动轴、立式带座调心轴承。5.圆柱滚子轴承圆柱滚子与滚道呈线接触，径向负荷能力大，即适用于承受重负荷与冲击负荷，也适用于高速旋转的机构，大多用于机床主轴。主要用于中型及大型电动机、发电机、内燃机、燃汽轮机、机床主轴、减速装置、装卸搬运机械、各类产业机械。6.实体型滚针轴承采用滚针，体积可以缩小，并可承受大径向负荷无内圈轴承要把具有合适精度和硬度的轴的安装面作为滚道面使用。主要用于汽车发动机、变速器、泵、挖土机履带轮、提升机、桥式起重机、压缩能限制两个方向的轴向位移，但比现规格的双列角接触球球轴承占用的轴向空间少。7.圆锥滚子轴承该类轴承装有圆台形滚子，滚子由内圈大挡边引导，外圈与内组件(内圈与滚子和保持架组件)可分离，便于装拆。主要用于汽车的前轮、后轮、变速器、机床主轴、建筑机械、大型农业机械、铁路车辆齿轮减速装置、轧钢机辊颈及减速装置。8.调心滚子轴承该类轴承在球面滚道外圈与双滚道内圈之间装有球面滚子，具有调心性能，因此可自动调整因轴或外壳的挠曲或不同心引起的轴心不正，可承受径向负荷与双向轴向负荷。特别是径向负荷能力大，适用于承受重负荷与冲击负荷，圆锥孔轴承通过使用紧固件或退卸套可便于轴上的装拆。主要用于造纸机械、减速装置、铁路车辆车轴、轧钢机齿轮箱座、轧钢机辊道子、破碎机、振动筛、印刷机械、木工机械、各类产业用减速机、立式带座调心轴承。9.推力球轴承由带滚道的垫圈形滚道圈与球和保持架组件构成，与轴配合的滚道圈称做轴圈，与外壳配合的滚道圈称做座圈。双向轴承则将中圈秘轴配合，单向轴承可承受单向轴向负荷，双向轴承可承受双向轴向负荷(二者均不能承受径向负荷)。主要用于汽车转向销、机床主轴。10.推力圆柱滚子轴承由垫圈形滚道圈(轴圈、座圈)与圆柱滚子和保持架组件构成。圆柱滚子采用凸面加工，因此滚子与滚道面之间的压力分布均匀，可承受单向轴向负荷，轴向负荷能力大，轴向刚性也强。主要用于石油钻机、制铁制钢机械。11.推力滚针轴承分离型轴承由滚道圈与滚针和保持架组件构成，非分离型轴承是由经精密冲压加工的滚道圈与滚针和保持架组件构成的整体型轴承，可承受单向轴向负荷，该类轴承占用空间小，有利于机械的紧凑设计。主要用于汽车、耕耘机、机床等的变速装置。12.推力调心滚子轴承该类轴承中球面滚子倾斜排列，由于座圈滚道面呈球面，具有调心性能，因此可允许轴有若干倾斜，轴向负荷能力非常大，在承受轴向负荷的同时还可承受若干径向负荷，使用时一般采用油润滑。主要用于水力发电机、立式电动机、船舶用螺旋桨轴、轧钢机轧制螺杆用减速机、塔吊、碾煤机、挤压机、成形机。在我们的设计中，轴承主要用于机床的主轴，所以我们选择角接触球轴承11。4.1.5 工作台进给系统的结构如图4.7所示，步进电机和滚珠丝杠通过联轴器相结合，工作台与滚珠丝杠通过托板相结合。工作台的进给运动是通过步进电机的转动，带动滚珠丝杠转动使滚珠丝杠上的托板进行运动，从而带动工作台的运动。图4.7 工作台进给系统示意图图4.8 工作台进给系统结构简图4.2 横梁进给系统设计4.2.1 横梁进给系统的结构图4.9 横梁进给系统示意图如图4.9所示，其实横梁的进给系统和工作台的进给系统几乎是一样的，只不过，工作台换成了滑板。滑板上连有连接板，连接板上安装了动力头。如果说工作台的进给系统为工件提供了Y轴方向的运动，那么横梁进给系统就是带动动力头做X轴方向运动，相对与工件做X轴方向运动，这样就满足了加工热盘所需的运动。图4.10 横梁进给系统结构简图4.2.2 横梁结构的分析由于这次的机床设计制造要求造价低廉且制造的周期越短越好，所以我们在设计这台机床横梁结构的时候决定省去动力头整体可上下移动的结构。把横梁直接给做死了，只是在机床的设计上存在了不合理性。由于横梁是固定的，不能上下移动，所以铣刀上下移动只能靠动力头主轴的移动来实现。动力头主轴移动的距离只有70mm，即前备量和后备量加起来只有70mm，这样如果刀具坏了，要拆卸的话很不方便，为了克服这个问题，我们决定在工作台的中心，开一个直径300mm深50mm的槽，这样动力头的损坏，刀具的拆卸就方便多了。在横梁进给系统的设计中，动力头靠连接板连在滑板的一侧，这样重量不平衡，在铣削的过程中可能会出现跑位，使加工出来的零件达不到预期的要求，所以要在滑板的另一端焊接一个平衡块以达到平衡的目的。4.2.3 横梁进给系统零部件选择由于横梁进给系统和工作台进给系统结构相似，运动传递方式相同，所以同样采用内循环单螺母式滚珠丝杆，角接触球轴承，滚动直线导轨和混合式步进电机。5 进给系统机械部分设计5.1工作台进给系统机械部分设计5.1.1 滚珠丝杠的机械特性计算5.1.1.1 轴向负荷F (5.1)式中：外力N，因为只需考虑台面、夹具的重量，所以=0 W工作台的总重量N；这里估算工作台重量约为8000N W=mg8000N 导轨上的摩擦系数，视导轨形式而定。我们这里采用滚动直线导轨，取0.05 F=0+0.05（0+8000）=400N5.1.1.2 最大动负荷C (5.2)丝杠转速：命值：载荷系数：=1.5 （一般运动）其中：T=15000h =6mm查实用数控机床技术手册表2-3-4得：丝杠直径=50mm，满足条件，所以选择型号50063内循环单螺母式滚珠丝杠。5.1.1.3 传动效率计算根据传动效率计算公式： (5.3)式中：=10，为摩擦角；丝杠螺旋升角，查实用数控机床技术手册表2-3-4得：50063型号滚珠丝杠螺旋升角为211。=92.9%90%所以滚珠丝杠的传递效率，我们取0.91。5.1.1.4 滚珠丝杠承受的扭矩（5.4）式中：滚珠丝杠的摩擦系数0.2 预压负荷（为丝杠的额定动载荷，查实用数控机床技术手册表2-3-4得： 50063型号滚珠丝杠的额定动载荷为194171） =1941N 滚珠丝杠传动传递效率0.9 滚珠丝杠导程6mm=836 Nmm5.1.1.5 极惯性矩计算（5.5）式中：D滚珠丝杠的直径为50mm=6135925.1.1.6 扭矩角计算（5.6）式中：L丝杠总长（推算），L1700mm E钢的弹性模量，5.1.1.7 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：（5.7）丝杠受工作负载引起的导程变化量很小，可忽略不计。就不在具体计算总长变形量、滚道接触变形量、轴承轴向变形量了。5.1.2 导轨副的作用、计算与选择因为此次设计中选用滚动导轨副，垂直载荷为=8000N，取计算导轨的静安全系数=4.0工作载荷P （5.8） =导轨的基本静额定载荷（5.9）引用公式（5.8）得：若选型号为DA85CL直线滚动导轨。查实用数控机床技术手册表2-1-6得： C=28200N依据速度和选定导轨的基本动额定载荷验算导轨的工作寿命（5.10） = =31530h15000h符合要求，所以我们选择型号为DA85CL的直线滚动导轨1。5.1.3 步进电机的选择 5.1.3.1 步进电机等效负载计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：（5.11）式中: 工作台的等效转动惯量丝杠等效转动惯量、齿轮的等效转动惯量式中: 减速器的传动比步距角丝杠导程脉冲当量（5.12） = （5.13）=齿轮的等效转动惯量很小基本可以忽略，即引用公式（5.11）得: 5.1.3.2 电机力距的计算电机总扭矩（5.14）外部载荷所产生的摩擦力矩（5.15）预紧力产生的摩擦力矩（5.16）加速度产生的负荷扭矩（5.17）加速时间引用公式（5.14）得: 5.1.3.3 步进电机的确定根据以上计算的参数，查实用数控机床技术手册表3-2-2得:选定130BYG350DH-SAKRMA-0601型号的三相混合式步进电机1。表5-1 130BYG350DH三相混合式步进电机基本参数相数步距角/()静态相电流/A相电阻/相电感/mH30.6/1.261.115保持转矩/Nm定位转矩Nm电压/VDC质量/kg转动惯量/gcm251.58035015333005.1.4 联轴器的选择根据滚珠丝杠的型号：50063内循环单螺母式滚珠丝杠步进电机的型号：130BYG350DH-SAKRMA-0601联轴器是连接步进电机和滚珠丝杠的，大小根据两端的直径来确定，查实用数控机床技术手册表2-3-4和表3-2-17可得:滚珠丝杠固定端直径35mm，步进电机直径19mm所以选择型号为BF5-3519-D80L76的弹性联轴器1。5.1.5 轴承的选择这次选的轴承为角接触球轴承。根据滚珠丝杠的型号：50063，与轴承相连的直径为40mm。所以选择型号为7208C的角接触球轴承。5.2横梁进给系统机械部分设计横梁进给系统是通过滚珠丝杠带动滑板移动，从而使安装在滑板上的动力头移动，从而使铣刀进行X轴方向的铣削运动。根据估算，滑板的重量，加上动力头的重量和铣削过程中产生的铣削力的总和基本和工作台的重力相同。为了方便外购，零部件的替换，横梁进给系统零部件都按工作台进给系统的零部件型号选购。6 电控系统部分设计6.1 控制形式的选择和分析6.1.1 开环控制系统开环控制系统是指不带反馈装置的控制系统。其执行机构通常采用功率步进电机或电业脉冲马达。数控装置发出的脉冲指令通过环形分配器和驱动电路，使步进电动机转过相应的步距角，再经过传动系统，带动工作台或刀架移动。移动部件的速度和位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数决定的，位移精度主要决定于该系统各有关零部件的制造精度。如图6.1图6.1开环控制系统开环控制系统具有结构简单、系统稳定、容易调试、成本低等优点。但是系统对移动部件的误差没有补偿和校正，所以精度低，一般适用于经济型数控机床和旧机床的数控化改造。6.1.2 闭环控制系统这种控制系统绝大多数采用伺服电机，在机床的运动部件上安装有位移测量装置。如图所示，测量元件安装在工作台上，测出工作台的实际位移值反馈给数控装置。位置比较电路将测量元件反馈的工作台实际位移值与指令的位移值相比较，用比较的误差值控制伺服电机工作，直到到达实际位置，误差值消除，此称之为闭环控制。如图6.2图6.2闭环控制系统从理论上讲，闭环控制系统的控制精度主要取决于检测装置的精度，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件带来的影响。所以这种控制系统可以得到很高的加工精度。闭环系统的设计和调整都有很大的难度，主要用于一些精度较高的数控镗床、数控铣床、超精车床和加工中心等。6.1.3 半闭环控制系统半闭环控制系统是在开环系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置，如圆光栅、光电编码器及旋转式感应同步器等。该系统不是直接测量工作台位移量，而是通过检测丝杠转角间接的测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置。这种控制系统实际控制的是丝杠的转动，而丝杠螺母副的传动误差无法测量，只能靠制造保证。因而半闭环控制系统的精度低于闭环控制系统，高于开环控制系统，调试比闭环控制系统容易设备的成本介于开环与闭环控制系统之间。如图6.3图6.3半闭环控制系统由于角位移检测装置比直线位移检测装置结构简单，安装调试方便，因此配有精密滚珠丝杠和齿轮的半闭环系统正在被广泛的使用。目前已逐步将角位移检测装置同伺服电动机设计成一个部件，使系统变得更加简单，安装调试都比较方便，中档数控机床广泛采用半闭环控制系统3。综合上述几种控制系统，由于此次加工的热盘精度要求不是很高，且为了节省成本，所以采用开环控制系统。6.2 控制系统方案确定6.2.1 数控系统基本硬件组成任何一个数控系统都有硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏，直接影响整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统的硬件电路由四部分组成：（1）中央处理单元CPU（2）总线。包括数据总线（DB）、地址总线（AD）、控制总线（CB）；（3）储存器。包括制度可编程储存器和随即读写储存器；（4）I/O输入/输出接口电路。6.2.2 总体组成主控器：单片机储存器：EPROM RAMI/O接口：键盘、显示及步进电机系统总体确定后，进行各部分设计6.3 软、硬件任务合理分配涉及软硬件任务分配的有：控制步进电机的脉冲发生与脉冲分配；数码显示的字符发生；键盘扫描管理。上述三个都可以用专用硬件芯片实现，也可以用软件编程实现。用硬件实现，编程时较简单，但同时增加了硬件成本及故障源。用软件实现，可节省芯片，降低成本，但增加了编程难度。在决定用何种何法实现时，应统筹兼顾，同时还应根据设计者的软、硬件方面的实际经验及能力。此处决定如下：控制步进电机用的脉冲发生器用硬件，采用国产YB104环形分配器实现。字符发生及键盘扫描均由软件实现1。6.4 主控器6.4.1 主控芯片选择近年来国外一些主要的半导体制造厂家相继生产了各种8位的单片微型计算机-单片机。主要有Inter公司的MCS48 系列，MCS-51系列等等，目前在国内用的较广，开发工具较齐的是MCS-51系列。这里选用MCS51系列中的80319。6.4.2 MCS-51系列单片机介绍下面介绍与硬件设计及软件编程关系密切的有关MCS51系列单片机的一些特性。1） MCS51系列单片机的基本特性单片机是集CPU、 I/O端口及部分RAM与一体的功能很强的控制器。现用得较广泛的是MCS51系列。该系列包括三个产品8031、8051、8751。三者的引脚完全兼容，仅在结构上有一些差异，主要是：8031是无ROM的8051，而8751则使用EPROM代替ROM的8051。通常所说的MCS51单片机是该系列的简称。用得较多的是该系列中的8031。 MCS51单片机的基本特性如下（以8051为例）（1）具有8位的中央处理器；（2）芯片内有时钟发生电路；（3）具有4KROM；（4）具有128字节RAM；（5）具有21个特殊功能的寄存器；（6）具有4个I/O 端口，32根I/O线；（7）可寻址64K外部数据存储器（8）可寻址64K字节外部程序存储器；（9）具有两个16位定时/计数器；（10）具有5个中断源，配备2个优先级；（11）具有一个双全功能串行接口；（12）具有位寻址能力，适于逻辑运算。从上述特性可以发现，一块8051芯片，功能几乎相当于由一块Z80CPU、一块2732EPROM、一块Z80CTC、一块RAM、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微机计算机系统。2）管脚功能及应用特性简介（1）引脚功能分类按引脚功能可分为三类，即I/O线：P0、P1、P2、P3共4个8位口。控制线：PSEN（片外取指令控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESET（复位控制）。电源及时钟：Vcc、Vss 、XTAL1、XTAL2 （2）应用特性I/O口线不能都用作用户线，除8051、8751外，真正可完全为用户使用的口线只有P1口，以及部分作为第一功能使用的P3口；I/O口的驱动能力为：口驱动8个TTL门电路，、口则只能驱动4个TTL门；口试双重功能；时钟频率：外接时钟频率可在1.2M12MHZ间选择。6.4.3 三总线结构单片机的三总线结构如下。（1）地址总线AB地址总线宽度为16位，故其外部存储器直接寻址范围达64字节，16位地址总线由口经地址锁存器提供低8位,高8位由口直接提供。（2）数据总线DB数据总线宽度为8位，由口直接提供。（3）控制总线CB 由口的第二功能状态和4根独立的控制线RESET、ALE、组成。6.4.4 存储器结构单片机存储器包括程序存储器（EPROM ROM）和数据存储器（RAM），可直接寻址的存储器结构如图6.4。其中外部程序存储器和数据存储器都需要扩展电路。6.4.5 时序由于单片机中程序存储器和数据存储器严格分开，因此，程序存储器的操作时序中分为两种情况：不执行MOVEX指令和执行MOVE指令。两种情况的操作时序如图6.5。对于存储器的扩展、芯片的选择极为重要。图6.4 MSC-51储存器结构图6.5 外部程序存储器的操作时序6.4.6 中断功能MCS-51单片机提供5个中断请求源。两个由、输入的外部中断请求，两个位片内的定时器/计数器溢出请求、，一个为片内的串行口中断请求或。这些中断源的引脚如图所示，为口的第二功能。对于每个中断请求源，都可编程为高级优先级或低级优先级，实现二级中断嵌套。当CPU 执行关中断指令后才有可能接受中断申请，每一个中断源可由软件编程为允许或禁止中断。6.4.7 MCS-51单片机常用系统扩展芯片在MCS-51单片机应用系统中，常用的系统扩展芯片有程序存储器、数据存储器、口以及其它功能芯片，如定时器/计数器、中断控制器等。现分述如下：程序存储器主要是紫外线擦抹得可编程只读存储器。通常采用标准芯片如2716、2736、2764、27128、27256和27512。数据存储器静态RAM。无需刷新，但功耗大，成本高。目前常用的静态RAM是6116和6264。动态RAM。功耗小，成本低，但须刷新。主要动态RAM有2164 和41464。一般控制系统多采用静态。I/O口扩展集成芯片I/O口扩展芯片可分为三种类型。专用I/O口扩展芯片，这类芯片专用于扩展I/O口用。主要有8255。I/O扩展复合芯片。这类芯片除了能扩展I/O口外，还能扩展其它外围功能电力路，主要有8155。电路芯片。这是一类广泛用作MCS-51单片机I/O口扩展芯片，主要有74LS373、273、374、244等。其它各种功能芯片MCS-51还可扩展下列具有各种专用功能的外围芯片。8259：可编程中断控制器8279：可编程键盘/显示控制器8253：可编程通用定时器。8251：可编程通信控制器6.5 存储系统扩展设计6.5.1 芯片选择1）选择MCS-51单片机应用系统中，使用最多的EPROM是典型系列芯片2716、2732、2764、27128、27256，各芯片的管脚及其兼容性能如图所示。各种型号的EPROM有不同的应用参数，主要由最大读出速度、工作温度及容量。在容量确定时，选择EPROM的型号，主要考虑因素是读取速度，这是决定系统能否正确工作的前提。根据CPU与EPROM时序匹配要求，应满足这样一个关系：即8031所能提供的读取时间大于EPROM所要求的读取时间。8031访问EPROM时，其所能提供的读取时间t与所选用的晶体时钟有关，约为3T，其中T为时钟周期。如选用晶体频率为12MHZ，则240ns，若晶体频率选用6MHZ，则480ns。本系统选用晶体频率为6MHZ。根据控制对象和任务的复杂程度，以及是否需大量计算来确定存储系统总容量，包括EPROM容量和RAM容量。在产品研制阶段，存储容量一般不易精确确定，设计者可以作粗步估算，或凭工作经验，或与其它相似控制系统类不确定。另外，对EPROM和RAM都应留有一定余量，以备系统功能扩充之用。在实际设计中，应考虑尽量使系统电路简化，在满足容量要求是尽可能选择大容量芯片，以减小芯片组合数量。目前大容量芯片价格日趋便宜，小容量芯片面临减产价格上升的局面，故采用较大容量芯片，从长远的经济效益也有好处。据此，选用一片2764，EPROM具体型号根据市场货源及价格选购7。2） RAM选择RAM分为静态RAM和动态RAM，静态RAM无需考虑保持数据而设置刷新电路，扩展电路简单。单片机的扩展RAM 多选用静态。在选RAM时，主要考虑因素同样是RAM 的读些速度与CPU所提供的读些时序的匹配要求。类似，也应满足这样一个关系：即8031所能提供的读些时间应大于RAM所要求的读些时间。常用RAM主要有6116和6264。典型读些时间为200ns左右。8031所能提供的对RAM的读些时间与所选时钟频率有关，其大致关系为 =4T，=5T。、 T分别为读时间、写时间及时钟周期。当选时钟频率为12MHZ时，331ns，400ns。由此可见，常用的RAM都能满足单片机时序要求。类似，这里选用大容量的RAM6264一片。6.5.2 地址分配及译码 1）地址分配与一般存储系统不同，8031单片机所支持的存储系统，其程序存储器与数据存储器独立编址。因此，EPROM和RAM的地址分配比较自由，不必考虑是否发生冲突。由于8031复位后从000H单元开始执行程序，故程序存储器地址应从000H开始，有多片组成的情况下，各片间地址可连续，也可不连续，只是后者浪费一些空间。这里只用了一片，故不存在此问题。因此8K的地址为0000H1FFFH。扩展RAM的地址与I/O口及外围设备实行统一编址，任何扩展的I/O口及外围设备均占用数据存储器的地址空间。对本系统，RAM容量及扩展I/O外围设备数量不是很多。64K 空间只需很小一部分，为便于RAM和I/O的统一编码，作如下安排：RAM占0000HFFFFH,I/O占2000H1FFFH，其余未作分配。8K的RAM可以分配在0000H1FFFH。2）地址译码及译码线路地址译码有线性译码法、译码器译码法等。一般译码时首先应根据地址分配，列出参加译码芯片的地址变化情况，然后便可画出其译码线路。由于EPROM RAM各只有一片，故可用线性译码法。据此很容易得到EPROM、RAM的译码线路图。如图6-63） EPROM、 RAM与8031的联接存储器与单片机的联接，主要是三总线的联接。应考虑单片机总线的驱动能力是否足够，若不够，应加适当的驱动，如加总线驱动器74244、74245等。根据前面介绍的单片机8031的驱动特性知，在此不必加驱动。下面给出 EPROM、 RAM与8031的具体联接。（1）地址总线将与EPROM的一一对应相连，与RAM的一一对应相连，其余地址线经译码器产生片选信号。（2）数据总线数据线的联接是将分别与存储器的一一对应相连。（3）控制总线单片机返访问EPROM 和RAM的控制信号主要有：外部EPROM 取指令信号。：即，外部RAM写信号。：即，外部RAM读信号。根据上述控制信号的功能，可将与EPROM的OE相连，、分别与RAM 的、相连即可。至此，完成了本系统存储器部分的设计3。图6.6 EPROM、 RAM译码线路6.6 机床中部分电机控制电路6.6.1 电动机正反转控制电路图6.7 电动机正反转控制电路如图6.7所示，电动机的正反转控制有两种控制方式，接触器联锁和双重联锁。接触器联锁正反转控制线路动作原理如下。合上开关Q。按下SB2KM1线圈得电KM1主触点闭合，KM1自锁触点闭合、联锁触点断开（切断反转控制电路）电动机正转启动。按压SB1KM1线圈得电KM2主触点断开，KM1自锁触点断开、联锁触点闭合（为接通反转控制电路做好准备）电动机停转。按压SB3KM2线圈得电KM2主触点闭合，KM2自锁触点闭合、联锁触点断开（切断正转控制电路，使KM1线圈不能得电）电动机反转启动。接触器联锁的优点是安全可靠。如果发生一个接触器主触点烧焊的故障，因它的联锁触点不能恢复闭合，另一个接触器不可能得电而动作，从而避免了电源短路的

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