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经济型 龙门 数控 雕铣机 机械设计

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经济型龙门四轴数控雕铣机机械设计,经济型,龙门,数控,雕铣机,机械设计

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40 10 8 500 20 29 10 9 375 8 10 42 33 10 9 19.40 226.40 10 8 13 10 摘要 本文研究了教学和雕铣机的发展以及国内雕铣机的发展,介绍了数控铣床的设计过程，包括机床的总体设计，主传动系统的设计和Z进给系统的机械结构设计。在主传动系统设计中，主轴分析主轴机构。进给驱动系统主要分析螺钉,导轨安装和支撑的安装。 计算有两个主要方面：滚珠丝杠和步进电机选择计算和验证。关键词:雕铣机; 滚珠丝杠; 直线滚动导轨AbstractThis study investigated the development of type teach engraving and milling machine engraving and milling machine and the development of the domestic status quo. CNC engraving and milling machine introduced the design process, including the overall machine design, the main transmission system design, and Z to the feed drive system of the mechanical structure design. In the main drive system design, the main analysis of the mechanical mounting spindle organization. Feed drive system in the main analysis of the screw, guide rail installation, and related fixed and supported. There are two main aspects of computing: the choice of ball screw and stepper motor calculation and verification. Keywords engraving and milling machine ball screw linear motion guide目 录摘要IAbstractII1绪论21.1龙门四轴数控雕铣机课题介绍21.2龙门四轴数控雕铣机的特点及现状21.2.1 国内数控雕铣机的发展和现状21.2.2 典型数控雕铣机的介绍31.3龙门四轴数控雕铣机的主要技术参数52龙门四轴数控雕铣机总体布局设计方案62.1机床总体布局设计62.2 设计方案分析63各轴系统的设计方案83.1 Z向主传动系统的方案设计83.2 进给系统方案设计83.2.1 滚珠丝杠副的选择83.2.2 滚珠丝杠的支承结构93.2.3 支承轴承的选择103.2.4 滚珠丝杠的制动装置103.2.5 步进电机与进给丝杠的联结结构103.2.6 导轨114主轴系统零部件的计算与校核124.1 主轴系统的重力计算124.2 主轴铣削力计算124.3 滚珠丝杠副的选择计算134.4 进给伺服电机功率的计算及选择205电气部分设计255.1 硬件部分电路设计255.2 80C51外部电路扩展255.3控制系统总体设计26结论28致谢29参考文献301绪论1.1教学式雕铣机项目介绍随着微电子技术的快速发展，直接推动微电脑的快速发展。微电子技术和微电脑技术推动了整个高科技集团的快速发展，使雕铣机的发展有了质的飞跃。这样就完成了从二维到三维加工技术的变革。随着生活水平的不断提高，人们对产品成本也越来越高，这对于雕铣机的发展要求更高。因此，功能，性能稳定，外形美观，价格合理的产品是我们不懈的追求。雕铣机进入教学领域，使教与学更生动有趣，学生更容易接受这些抽象的东西，轻松完善数控技术课程的教学。因此，本课题旨在设计一种低成本，全功能的雕铣机，用于教学演示。小型教学和雕刻与雕塑的特点和现状教学技术是用数控技术开发的，目前教学系统的性能和准确性等都提出了更高的要求。现在市场上的雕铣机具有以下主要特点：1.应用PC强大的计算功能，刀补，解码，插补，加减速控制在PC上解决。最后，PC上形成了各种步进电机控制脉冲。2.应用PC的并行端口输出每个步进电机的控制脉冲，以控制工作台的移动。3.步进电机驱动采用集成驱动芯片。4.通过限位开关和开关的方向移动，确保雕铣机的安全。教学雕铣机是一种模拟经济实用的高精度数控铣床设备，该设备主要是模拟雕铣机的运动，实现简单的教学和雕刻功能。1.2.1国内数控雕铣机的发展现状随着家具制造业，广告招牌行业，模具行业的发展，特别是模具行业提高表面加工要求，以及传统的EDM加工，近一两年的集成铣削和高速雕刻优势数控雕铣机在国内有较大的发展。2007年中国雕铣机行业产能已超过11000台/年，产值15亿多元。目前生产的雕铣机主要在广东，北京，浙江三大板主导。几个国内数控机床厂在这一领域有较好的效果。如北京雕刻，广东佳铁，南京四开，上海洛克等国内着名的数控雕铣机厂家。在雕刻CAD / CAM技术中，CNC数控技术，精密雕刻机设计技术等领域取得了重大突破，真正实现了先进技术向产业化的转化。1.2.2 典型数控雕铣机的介绍北京精雕-睿雕系列Carver600G_U北京精雕生产的睿雕Carver600G_U机械性能参数指标见表1-1。模型见图1-1。 表1-1 Carver600G_U机械性能参数指标主要性能指标项标准值工作台尺寸700650mmX、Y、Z轴工作行程600500300mm快速移动速度10m/min主轴转速2100-24000rpm最高切削进给速度6m/minX/Y/Z轴运动定位精度0.008/300mmX/Y/Z轴重复定位精度0.005mm机床外形尺寸204218902144mm图1-1 Carver600G_U模具雕刻机特点及应用： Carver600G_U在合理的工艺方法下，最大可以使用16的刀具进行加工。Carver600G_U使用精雕最新的JD45数控系统，各轴快速移动速度达10m/min,进给速度达6m/min；配备手轮，操作方便、控制平稳。Carver600G_U适合中小型注塑模具、紫铜电极、铝合金产品以及非金属材料等产品的加工。上海洛克MEII-4540模具雕刻机上海洛克生产的MEII-4540模具雕刻机技术参数见表1-2。模型见图1-2。表1-2 MEII-4540模具雕刻机技术参数表主要性能指标项标准值工作台尺寸510x500mm最大雕刻尺寸(X、Y、Z)450x400x145mm高雕刻速度4.0 m/min主轴电机2200 W主轴电机最高转速24000 r/min刀柄直径4、6、3.175 mm外型尺寸1310x1330x1700 mm 图1-2 MEII-4540模具雕刻机特点及应用： 2003年最新推出的新型模具雕刻机，机身采用双柱门架结构，夹紧进给非常方便。 采用原装德国滚珠丝杆，进口矩形导轨，精密细分驱动系统，满足模具加工要求的刚性和精度要求，2.2kw意大利变频主轴，使该模切机具有更大的切割速度。特别适用于注塑模具，冷模等钢模和滴模，烫金模，铜电极等铜的生产加工。通过上述两台同类型数控雕铣机性能的综合比较。目前，国内雕铣机的最大主轴转速一般都在24000r/min、主轴电机功率在2.2KW左右、最高切削速度在46m/min之间。1.3龙门四轴数控雕铣机的主要技术参数龙门四轴数控雕铣机的主要技术参数见表1-3 表1-3 龙门四轴数控雕铣机的主要技术参数名称参数工作台尺寸（X/Y）278270mm最大行程(X/Y/Z)15020050mm最大工件尺寸（X/Y/Z）160200120mm最大刀具直径（Er20）6mm最大进给速度5m/min主轴电机功率400KW主轴转速范围03000r/min分辨率0.001mm/脉冲定位精度0.1mm重复定位精度0.05mm外型尺寸（长/宽/高）600400500机器总功率1 KW机器轴联动数32龙门四轴数控雕铣机总体布局设计方案2.1机床总体布局设计数控模具雕铣机是一种高效，多功能的中小型数控加工设备。它将雕刻和铣削功能结合在一起，既保证了小型铣削所需的低速，大功率输出，又需要高速雕刻双重要求。数控雕铣机主要用于较小的铣削或软金属材料，加工工件。不仅要求高精度加工，而且要求高速切削，主轴转速可达3000r / min左右。其运动部件不仅要刚性，而且要尽可能轻，以确保其柔韧性。对于CNC系统，要求具有高速度和优异的伺服电机特性。对于CNC雕铣机，从机械角度看，结构应满足：非运动部件具有更好的刚性，运动部件在保证其刚性的前提下尽可能轻且灵活。为了满足轻量化和刚性的要求，关键在于机械结构的合理设计。在理论设计中，龙门四轴数控雕铣机的总体结构布局见图2-1所示。图2-1龙门四轴数控雕铣机的总体结构布局2.2 设计方案分析在本设计中，数控雕铣机采用垂直结构。 垂直结构的工作台在水平面上，工件安装调整更方便。 工作台由轨道支撑，刚性好，切割顺畅。 立式机床采用高精度加工。 一直是高速切割设备的首选结构。 本机整体布局采用立式铣床结构，为了克服扭矩不良的问题，尽可能拓宽X，Y，Z三向之间的两条直线滚动导轨之间的跨度，从整体 安排确保机器的刚性因铸铁具有良好的稳定性、吸振性而且耐冲击，可以使床身结构的强度和刚性有明显的提高，所以机床床身采用铸铁铸造。 它是箱形结构，内部肋条与米形条具有网格结构，以确保Y轴工作台和立柱刚性支撑，使机器的动态加工稳定性达到最佳。 由于机器的刚性主要用于克服高速运动部分在不运动部分的强冲击下，所以导轨和螺杆在设计时应尽量加厚以增强刚性。 由于采取了这些措施，数控铣床的设计最大的优点是加工相对较小，加工精度较高，软金属可以进行高速切削3各轴系统的设计方案3.1 Z向主传动系统的方案设计主要运动程序通常有两种：一是直接采用特殊雕刻刀头，二是采用直流电机驱动主轴机构。专用雕刻铣头的优点很多，但必须配备匹配的频率控制装置，价格比较贵。因此，从经济的角度来看，采用直流电机驱动主轴机构。直流电机具有以下特点：1.宽速度范围转子速度可以连续调整，并在宽范围内运行。2.性能是线性的，不管机械性能或调节特性都显示出良好的线性。也就是说，在整个调节范围内，具有扭矩变化的速度或具有控制电压变化的速度是线性的。3.快速响应在输入控制信号中，转子反应迅速，时间常数小。所以采用直流电机驱动主轴机构。直流电机通过弹性卡盘直接连接到工具。3.2进料系统设计在数控机床中，为了保证数控系统的传动精度和工作稳定性，在机械传动装置的设计中，通常需要满足低摩擦，低惯量，高精度，无间隙，高共振和适当的阻尼比要求。机床的精度很大程度上取决于进给丝杠的精度和机床导向器的精度。因此，雕铣机进给系统采用内循环浮动垫圈预紧滚珠丝杠，采用高精度直线导轨。3.2.1滚珠丝杠副选择螺杆工作台的设计由滚珠丝杠选择。滚珠丝杠由螺杆，螺母，球等部件组成，其作用是将运动转化为直线运动或线性运动转化为旋转运动，这是传统的滑动螺杆进一步发展的结果。滚珠螺杆摩擦系数小，传动效率高。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，因此螺杆轴承的轴向精度和刚度要求较高。当选择用于进给驱动器的滚珠丝杠时，主要考虑的是螺杆精度，刚性和螺杆转动惯量，这与机器定位精度兼容。在开环和半闭环数控机床中，滚珠丝杠的精度会直接影响机床的定位精度和跟踪精度。为了获得高精度，高刚度的进给系统，应采用高精度滚珠丝杠驱动。但是，随着螺丝提高其价格的精度也会大大提高。滚珠丝杠在机床进给方向上的精度为4级。4级精密螺丝通过使用一些间隙，螺距误差补偿等措施，可以完全满足机床的定位精度要求。螺杆的刚度直径与直径的大小直接相关，直径大，刚度好。为了使进给驱动系统具有足够的刚性，必须使用粗径螺钉。然而，随着直径增加，惯性矩大大增加。该机经设计计算后所选Z轴滚珠丝杠的公称直径为25mm，铅为4mm。 3.2.2 滚珠丝杠的支承结构滚珠丝杠的支承方式有三种，一种为一端固定，另一端自由放置，常用于短丝杠和竖直丝杠；一种为一端固定，一端简支承方式，常用于较长的卧式安装丝杠； 第三个为两端固定为长螺杆或高速，要求高抗拉刚度的场合。 因为机床在加工工件时会产生热量，导致螺杆发热产生热变形。 如果螺杆端部是固定预压，虽然螺杆提高了轴向刚度，但是螺杆不会有热变形的伸缩裕度，会导致螺杆变形，损失原来的直线度，影响机床精度。 雕铣机滚珠丝杠的轴承结构见图3-1所示。1. 步进电机2. 联轴器3. 角接触球轴承4. 滚珠丝杠 图3-1滚珠丝杠支承和联结结构3.2.3 支承轴承的选择为了获得高精度，高刚度的进给系统，不仅应该使用高精度和高刚性的滚珠丝杠，而且必须非常注意滚珠丝杠轴承的设计。滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷是从水平螺钉的重量，因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求很高。由于CNC雕铣机进给系统需要灵活运动，小位移（螺杆小角）响应应敏感，应采用高精度，高轴向刚度，小摩擦转矩小滚动轴承的运行。目前，最多使用的各种轴承是推力角接触球轴承。数控机床采用这种角接触球轴承，通常需要结合两个以上的轴承，并应用预负荷使用。背靠背组合（DB方式），面对面组合（DF模式），串联组合（DT模式）的组合。这是数控机床的选择轴承时，为了易于吸收滚珠螺在母和轴承之间的不同轴度，一般使用DF的方式。3.2.4滚珠丝杠制动装置由于滚珠丝杠反向旋转的高效率，反向驱动不能自锁，因此当放置在垂直位置时必须配备额外的制动装置，以防止伺服电机旋转，运动部件由于自行传动，还可防止因意外事故造成的事故。雕铣机使用拉伸弹簧和步进电机制动器作为滚珠丝杠制动装置。步进电机通过联轴器驱动丝杠以实现工作台的移动。防止工作台及其主轴部件由于其自身重量而反转的关键部件是Z到弹簧拉拔装置（包括弹簧拉伸器，拉伸弹簧，M8内六角螺钉等）和用于步进电机的制动器。当工作台升起时，拉簧没有反向作用，步进电机驱动滚珠丝杆向上移动工作台。当步进电机停止旋转（电机制动）时，工作台及其主轴组件由于自身重量而滑动。在这种情况下，Z向弹簧牵引装置对工作台及其主轴组件的反作用力，制动作用，妨碍其运动的下降，从而防止反向驱动。这种结构的结构很简单。3.2.5转向电机和进给螺杆连接结构在数控机床进给系统中，步进电机和滚珠丝杆确保传动间隙，从而精确执行脉冲命令，并且不会抛出由“失步”引起的脉冲，影响加工精度和传动准确性。在雕铣机中，Z轴采用直接耦合式，即非金属弹性元件耦合（属于具有扰动耦合的弹性元件）的步进电机和滚珠丝杠。除了补偿性能外，还具有缓冲和减震的作用，除了非金属弹性元件耦合，保证步进电机和螺丝同轴，即使步进电机和螺丝同轴度在安装时不是很精确，也可以通过非金属弹性联轴器调整。非金属弹性元件联轴器易于制造，易于获得各种结构形状，更重要的是，它具有高阻尼性能，高阻尼性能，而且还可以提高机器的抗冲击性。弹性联轴器的装卸也很方便。3.2.6轨道轨道应满足以下要求：高精度，良好的承载能力，刚性好，摩擦阻力小，运动平稳，精度高，使用寿命长，结构简单，工艺容易，易于加工，装配，调整和维护，铣床对于满足高速雕刻机要求的良好柔性要求，机床Z轴方向采用高精度线性导轨。直线滚动导轨通常成对使用，可以水平或垂直或水平安装。为了确保两个轨道平行，通常使用导轨作为参考轨道。安装单轨定位和双轨定位，数控雕铣机X，Y轴方向均采用双导轨定位，Z轴方向上采用导杆定位。4主轴系统零部件的计算与校核4.1 主轴系统的重力计算主轴系统主要由两部分组成：主轴安装座、活动支架。根据图纸分别计算主轴安装座、活动支架体积V及其重力G。取灰铸铁的密度HT250=7.0 103(kg/m3)。主轴安装座的体积V1及重力G1计算：V1=（402110-302110+706080）10-95.7810-4m3G1=m1g=HT250V1g=7.01035.7810-49.840N活动支架的体积V2及重力G2计算：V2=（6018070-22260-17260-20260）10-96.0610-4m3G2=m2g=HT250V2g=7.0 1036.0610-49.842N主轴系统的重力计算值见表4-1。 表4-1主轴系统的重力计算值 主轴安装座40N活动支架42N4.2 主轴铣削力计算雕铣机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力。主铣削力Fc计算：见式（4.1）雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为硬质合金钢，加工材料为钢材。 Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap 式（4.1）式（4.1）中，CF表示切削系数。取CF=669；KF表示修正系数。取CF=1.08；ae表示铣削宽度。取ae=1.5mm；af表示每齿进给量。取af =0.1mm；d0表示铣刀直径。取d0 =6mm；Z表示铣刀齿数。取Z =6；ap表示铣削深度。取ap=0.5mm。代入式（4.1）得：Fc=6691.081.50.860.10.726-0.8660.5125N垂直分力、横向分力，纵向分力计算：各铣削分力的比值可得：； ； 计算可得：=47.5N; =106.25N; =96.25N主轴铣削力相关计算值见表4-2。 表4-2 主轴铣削力相关计算值 主铣削力Fc125N垂直分力47.5N横向分力106.25N纵向分力96.25N4.3 滚珠丝杠副的选择计算1)确定滚珠丝杠副的导程Ph滚珠丝杠副导程Ph的计算见式（4.2）。 Ph = 式（4.2）式中 Ph表示滚珠丝杠副的导程mm；Vmax表示工作台最高移动速度m/min；nmax表示电机最高转速r/min；i表示传动比。因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比i=1。根据表1-3的技术参数可知，Vmax =5m/min 。根据电动机功率为200W, 查得nmax =3000r/min。代入式（4.2）得Ph = =1.67mm选择导程为4mm的滚珠丝杠副。2）确定当量转速与当量载荷当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算。当量转速的计算见式（4.3）。 nm = 式（4.3）式中nm表示当量转速r/min；nmax表示滚珠丝杠副的最高转速；nmin表示滚珠丝杠副的最低转速。nmin =0。因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副采用直联方式连接，传动比i=1。电动机所能达到的最高转速即为滚珠丝杠副的最高转速，所以nmax =3000r/min代入式（4.3）得nm =1500r/min当量载荷的计算见式（4.4）。 Fm = 式（4.4）式中Fm表示当量载荷N；Fmax表示机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力； Fmin表示机器空载时滚珠丝杠副的传动力。Fmax= G1+G2+G电主轴+=122+0.196.25=131.625N。因所计算的丝杠带动Z轴方向的运动。所以Fmin=G1+G2+G电主轴 =（42 +40+40）N=122N代入式（4.4）得Fm = 128.42N3）确定预期额定动载荷按滚珠丝杠副的预期工作时间Lh（小时）计算，确定预期额定动载荷见式（4.5）。 Cam = （N） 式（4.5）式中Cam表示确定预期额定动载荷N；Lh表示预期工作时间（小时）。取Lh=20000h； fa表示精度系数。根据初定的精度等级P4。取fa=0.9； fc表示可靠性系数。一般情况下为fc=1； fw表示负荷系数。根据负荷性质选择，取fw=1。代入式（4.5）得Cam= 1736N拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大载荷Fmax计算，见式（4.6） Cam =feFmax 式（4.6）式中fe表示预加负荷系数。取fe=4.5。代入式（4.6）得 Cam =4.5131.65=592N取以上2种结果的最大值，Cam =1736N。4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量mm （）重复定位精度；m （）定位精度；m：最大轴向变形量m。由表1-3可知，重复定位精度为0.05mm，定位精度为0.1mmm=12.5m；m=20m；取两种结果的小值m=12.5m。估算滚珠丝杠副的底径d2m。丝杠无预拉伸要求，取一端固定，一端游动的支承形式，计算滚珠丝杠的最小螺纹底径见式（4.7）。 d2m210=0.078 式（4.7）式中d2m表示最小螺纹底径mm；E表示杨氏弹性模量。E=2.1105N/mm2；m表示估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（m）已求得为m=12.5m； F0表示导轨静摩擦力（N）。F0 =0W（0为静摩擦系数）。取0=0.2W =G1+G2+G电主轴=122NF0 =0W =0.2122=24.4NL为滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支撑的最大距离（mm），L 行程 + 安全行程 + 两个余程 + 螺母长度+ 一个支承长度 （1.11.2）行程 + (1014) Ph由表1-3：Z向最大行程为50mm L 1.250 + 145 =130mm代入式（4.7）得d2m0.078 =1.24mm5）确定滚珠丝杠副的规格代号根据传动方式以及使用情况，选择法兰式双螺母内循环形式；由计算出的Ph、Cam、d2m，可选择相应规格的滚珠丝杠副：FFZD1604Ph =4Ca =2000NCam =1736Nd2 =16mmd2m =1.24mm6）确定滚珠丝杠副预紧力滚珠丝杠副的预紧力计算见式（4.8）。 Fp = Fmax 式（4.8）其中Fmax=131.65N Fp44N 7）行程补偿值与预拉伸力行程补偿值的计算见式（4.9） C =1.24tLu10-6 式（4.9）式中，C表示行程补偿值m； t表示温度变化值2-3,取t=2.5； Lu表示滚珠丝杠副的有效行程(mm)。Lu工作台行程+ 螺母长度 + 两个安全行程 行程 + (814)Ph = 50 + 145 = 120mm代入式（4.9）得C =1.242.512010310-6 0.4m预拉伸力的计算见式（4.10） Ft =1.95td22 式（4.10） =1.952.5162 1248N8）确定滚珠丝杠副支撑用的轴承型号规格轴承所承受的最大轴向载荷的计算见式（4.11）。 FBmax = Ft + Fmax 式 （4.11） = 1248 + 131.65 =1279.65N轴承类型：一端固定，一端游动的支承形式，选面对面（DF）角接触球轴承。轴承内径：d略小于d2=16 ，FBP = FBmax，取d =10mm，得FBP =1279.65 =426.55N轴承预紧力：预加负荷FBP =426.55N。选择轴承型号规格：当d =10mm,预加负荷FBP =426.55N。所以选择7000AC型轴承。9）滚珠丝杠副工作图丝杠螺纹长度的计算见式（4.12）。Ls= Lu + 2Le 式（4.12）取余程Le=10mm。代入式（4.12）得Ls= 120+210=140mm10）传动系统刚度丝杠最小抗压刚度的计算见式（4.13）。 Ksmin =1.65102 式（4.13）式中Ksmin表示最小抗压刚度； 表示丝杠底径； 表示固定支承距离。=200。代入式（4.13）得 Ksmin =1.65102=211.2N/m丝杠最大抗压刚度的计算见式（4.14） Ksmax=1.65102 式（4.14）式中Ksmax表示最大抗压刚度； L0表示行程起点离固定支承距离，取L075mm。 得： Ksmax=1.65102 =225.28N/m11）滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc的校验（验算压杆稳定性）丝杠所受最大轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力Ft滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc不用验算12）滚珠丝杠副的极限转速nc的校验滚珠丝杠副的极限转速nc的校验公式见式（4.15） nc =f107 式（4.15）式中nc表示临界转速； f表示与支撑形式有关的系数，取f=16。 Lc2表示临界转速计算长度（mm），Lc2= L1- L0=55mm。代入式（4.15）得nc =16107=846280nmax =3000合格。13）Dn值校验Dn值校验的公式见式（4.16）。 Dn =DPWnm70000 式（4.16）式中DPW表示滚珠丝杠副的节圆直径（mm），DPW d2 + DW； DW表示刚球直径，取DW=2.3mm。DPW 16+2.3=18.3代入式（4.16）得Dn =DPWnm =18.31500=2745070000 合格。14）基本轴向额定静载荷Coa验算基本轴向额定静载荷Coa验算的公式见式（4.17） fsFamax Coa 式（4.17） 式中Coa表示滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（N）。取Coa =2450N； fs表示静态安全系数。一般载荷fs=12，有冲击或振动fs=23； Famax表示轴向最大载荷（N）。得fsFamax=1.5131.65=197.4752450校验合格。15）强度验算强度验算公式见式（4.18）。 式（4.18）式中表示许用应力（N/mm2）。根据滚珠丝杠材料，取=390 MPa。代入式（4.18）得=30615N；Fmax =131.65N显然Famax强度满足。 滚珠丝杠副选择的主要计算值见表4-3。 表4-3 滚珠丝杠副选择的主要计算值 滚珠丝杠副的导程Ph=4mm当量转速nm=1500r/min当量载荷Fm=131.65N预期额定动载荷Cam=1736N最小螺纹直径D2m1.24mm滚珠丝杠副预紧力Fp=44N行程补偿值C=0.4m预拉伸力Ft=1248N丝杠长度L=140mm丝杠最小抗压刚度Ksmin=188N/m丝杠最大抗压刚度Ksmax=211.2N/m极限转速nc= 846280n/min基本轴向额定静载荷Coa =2450N4.4 进给伺服电机功率的计算及选择1）建立计算模型丝杠计算模型见图4-2。 图4-2 丝杠计算模型2）加减速时间计算速度变化曲线见图4-3。4-3 速度变化曲线进给速度：V=2m/min；进给时间：tm=4.6s；行程: l=150mm；加速时间：ta (s)；减速时间：td (s)；当ta= td时： 代入已知条件得：3）换算到电机轴负载惯量的计算滚珠丝杠的惯量的计算见式（4.19）。 式（4.19）式中MB表示滚珠丝杠重量。滚珠丝杠重量的计算见式（4.20）。 =V =L 式（4.20）式中L表示滚珠丝杠直径。由上面计算可知，L=0.14m；D表示滚珠丝杠直径。取D=10mm。代入式（4.20）得 =7.81030.50.3kg代入式（4.19）得 =2.410(KgM2)负载的惯量计算见式（4.21） 式（4.21）式中M表示负载质量。M=（3+3+8）kg=14kg； P表示滚珠丝杠导程。P=4mm。代入式（4.21）得=3.2910KgM2换算到电机轴负载惯量，见式（4.22） 式（4.22）式中i表示减速比。因无减速器，所以i=1； J1、J2表示中间机构的惯量。应没有采用减速机构，因此J1=J2=0。代入得4）负载转矩的计算对外力的转矩的计算见式（4.23）。 式（4.23）式中M表示外作用力。M=（3+3+8）kg=14kg； P表示滚珠丝杠导程。P=4mm。代入式（4.23）得换算到电机轴负载转矩，见式（4.24） 式（4.24）式中表示效率。电机与丝杠采用弹性联轴器连接，其=0.98。则 =5）旋转数的计算电机所需转速的计算见式（4.25）。 式（4.25）式中NM表示电机所需转速（r/min）； V表示进给速度（m/min）。已知V=2 m/min； P表示滚珠丝杠导程。P=4mm； i表示减速比。因无减速结构，所以i=1。代入得6）电机的初步选定 定电机的转子惯量为负载的以上的电机初步选台达ASMT L250，规格：低惯量 400W额定转速N：3000（r/min）额定转矩:1.27（Nm）瞬时转矩T：3.82（Nm）电动机惯量： 选定电机的额定转矩0.8比换算到电机轴负载转矩大的电机 ASMT L250的额定转矩TW=1.27TL=0.17）加减速转矩的计算加减速转矩的计算见式（4.26）。 式(4.26)8）瞬时最大转矩、有效力矩的计算必要的瞬时最大转矩为T1T1=TA+TL=（0.04+0.1）=0.14T2=TL=0.1T3=TL-TA=0.06有效转矩Trms有效转矩Trms的计算见式（4.27）。 式（4.27）9)校验负载惯量:适用的惯量比=30 条件满足有效转矩:=0.10.8条件满足瞬时最大转矩:T1=0.14T=3.820.8 条件满足最大转数:N=3000(r/min) 条件满足经校验,所选电机符合要求。伺服电机主要计算值见表4-4。表4-4伺服电机主要计算值 负载惯量JL=3.2910kgm2负载转矩TL=0.1NM有效转矩Trms=0.1NM瞬时最大转矩T1=0.14 NM最大转速NM=500r/min5电气部分设计5.1 硬件部分电路设计要设计硬件部分，有必要进行硬件开发，就是在计算机和外设之间建立一个桥梁，物理连接。要开发硬件，一般有两种方式：一种是开发自己的标准的计算机接口卡，另一种方式是在现有的计算机硬件设备上，基于一点点改进和使用现有的标准接口卡进行通信。在第一种方法中，需要设计自己的接口电路，劳动量，并在使用中占用一个PC扩展槽;如果使用第二种方法，不仅设计简单，风险小，而且节省了计算机插槽空间。所以PC的并行端口的设计用于下一次机组通信。这部分主要用于控制雕刻和铣床进给步进电机的工作。工作台的启动，停止和反向由安装在工作台两端的接近开关的信号控制。任何CNC系统由硬件和软件组件组成。硬件是整个系统的基础，其性能直接影响整个系统的性能。软件是系统的灵魂，只有软件系统各硬件部分才能协调工作，发挥作用。80C51单片机系列源于Intel公司的MCS-51系列，具有典型的单片机结构体系，其基本结构如图5-1所示。专门设计的CPU系统，典型的CPU外围功能单元和归一化的I/O端口。图 5-1 80C51基本结构图80C51单片机的CPU外围电路有片内程序存储器ROM（4K）、数据存储器（128B）、I/O端口和特殊功能寄存器SFR。5.2 80C51外部电路扩展80C51芯片有128字节的数据存储器RAM，内部地址为07H-07FH，用作工作寄存器，堆栈，软件标志和数据缓冲区，CPU对内部数据存储器有丰富的操作指令。但在数控系统中，单片机数据存储器往往不够，因此在设计外部6264芯片时扩展了80C51数据存储器。由于80C51内部只有4K程序存储器，因此在实践中，经常需要外部2764芯片来扩展程序存储器。ALE为地址锁存器允许，当低8位地址使用ALE时，则74LS373的OE端，高电平有效，当不发送数据ALE时无效。低电平有效，部分控制指令。当它有效时，外部EPROM存储器被选通，指令字节显示在EPROM的数据线（Q0-Q7）上。如果输入到P0口，CPU将读指令到指令寄存器XTAL1为片内内部振荡电路输入，XTAL2为振荡电路输出，系统采用内部时钟电路。在XTAL1，XTAL2引脚连接到晶振电路，使80C51内部自振荡。晶体振荡器电路一般使用石英晶体和电容器来形成并联谐振电路。晶体频率可以在1.2-12MHZ之间选择。设计选用晶振频率6MHZ，电容在5-30PF之间选择。电容CO1，CO2大小的晶体频率有轻微的影响，可以起到微调频率的作用。RST为复位控制，高电平有效。当RST端子输入高电平时，80C51初始化复位，只要输入保持高电平复位，在复位有效周期ALE，也输出高电平。当RST输入返回低电平时，CPU从0地址开始执行。 SCM通常使用上电复位和手动复位复位的组合，使得在紧急情况下可以使空系统快速复位，并且不会造成事故，具体的复位电路控制电路原理图。程序存储器和数据存储器扩展芯片简介。 2764是只读存储器（EPROM），只使用5V电源，65536位UV擦除，并用非5V电源编程。引脚功能如下：A0-A12位地址端;用于芯片选择;为输出允许; O0-O7为输出;用于编程侧; NC无内部连接; VPP编程电源; VCC电源;使用它来扩展8K的片外程序存储空间。 6264位8K数据存储器，高集成度。其引脚功能如下：A0-A12为13位地址线，输入地址和内部8KB存储单元对应; O0-O7用于8位数据线;对于片选信号线，低电平有效;对于读信