X-Y工作台机械结构设计

本科毕业设计说明书（论文）I摘 要数控技术，简称“数控”，英文：Numerical Control（NC）。是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。数控技术是现代工业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础，是知识密集、资金密集的现代制造技术，也是国家重点发展的前沿技术。机电一体化技术是微电子技术、计算机技术、信息技术与机械技术相结合的综合性高新技术，是机械技术与微电子技术的有机结合。随着计算机技术的迅猛发展和广泛应用，机电一体化技术获得前所未有的发展，成为一门综合计算机与信息技术、自动控制技术、传感检测技术、伺服传动技术和机械技术等交叉的系统技术。X-Y数控工作台是数控技术一个重要组成部分，它充分利用了单片机的软硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大,加工精度得到了提高。数控技术运用于工作台有以下优势：1 保证了一定的精度，尺寸一致性好2 可靠性进一步得到提高。3 劳动强度低4 适应能力强，经济效益明显5 工作环境好本文设计的内容包括三方面：总体方案确定，包括机械与数控设计两个大方面：机械部分的设计包括：传动系统设计，减速器设计，运动系统设计等控制部分的设计包括： PLC 的选型与控制流程的设计。本题目是步进电机，数控技术，单片机汇编语言的综合应用。关键词： X-Y 数控工作台；机电系统；微型计算机；单片机本科毕业设计说明书（论文）IIAbstractNumerical control technology, referred to as NC. English: Numerical Control (NC). Refers to numbers, words and symbols the number of instructions to implement one or more mechanical equipment motor control technology. Usually its control position, angle, speed and other machinery and mechanical energy flow volume and the volume switch. NC data generation depends on the binary form of data carriers and the emergence of computing. CNC technology is the modern industrial automation, flexibility, integrated production is based on a knowledge-intensive, capital-intensive modern manufacturing technology, is the national focus on the development of cutting-edge technology. Mechatronics is the microelectronics, computer technology, information technology and mechanical technology combined with the integrated high technology, mechanical technology and combination of microelectronic technology. With the rapid development of computer technology and extensive application of mechatronics achieve great development and become an integrated computer and information technology, control technology, sensor detection, servo drive technology and mechanical technology, cross-system technology. CNC XY table is an important part of numerical control technology, which make full use of the PLC hardware and software features to achieve the machines control extended to the processing machine, machining accuracy is improved. CNC technology used in table has the following advantages: 1.to ensure a certain accuracy, size and good consistency 2.to further improve reliability. 3. low labor intensity 4.adaptable, economic benefit is obvious 5.good working environment This design includes three aspects: Determine the overall program, including mechanical and digital control design of two major areas: The design of mechanical parts, including: transmission system design, Reducer design, motion design, etc. Control part of the design include: PLC controlled process of selection and design. This topic is stepper motor, CNC technology, SCMcomprehensive application of assembly 本科毕业设计说明书（论文）IIIlanguage. Key words：CNC XY Table; mechanical and electrical systems; micro-computer; SCM本科毕业设计说明书（论文）IV目 录摘 要 .IAbstract .II1 绪 论 .11.1 X-Y数控工作台研究背景.11.2 X-Y工作台研究意义.11.3 X-Y 工作台的现状与发展.22 X-Y工作台整体方案设计 .52.1 设计方案分析.52.2 X-Y工作台的整体结构设计.72.3 主要设计参数及其依据.73 X-Y工作台机械结构设计 .83.1 工作台外形尺寸及重量估算.83.2 直线滚动导轨副的计算与选型.83.3 丝杠的计算.93.4 电机的确定.133.5 减速器的确定.164 数控系统硬件设计 .224.1 单片机简介.224.2 步进电机的简介.244.3 编码器简介.244.4行程开关简介.25结 论 .27致 谢 .28参考文献 .29附录一 英语论文 .30附录二 汉语翻译 .35本科毕业设计说明书（论文）11 绪 论1.1 X-Y数控工作台研究背景由于微电子技术、计算机技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，从而导致了工程领域的技术革命与进步。尤其是在机械工程领域，机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系都发生了巨大得变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。数控技术及装备是发展新型高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。随着科技领域日新月异的发展，特别是在航天航空、尖端军事、精密仪器等方面，对机械产品制造精度和复杂程度的要求越来越高，传统的加工技术已很难适应现代制造业的需求。譬如，用普通车床加工圆弧，普通铣床加工空间曲面，以及加工精度对产品质量的影响，加工效率对制造成本的影响等，这些都是一直困扰人们的难题。还有，当机械产品转型时，机床和工艺装备需要做大的调整，周期较长，成本高，也就是说传统的加工技术已很难满足市场对产品高精度、高效率的要求，因此，基于 X-Y数控工作台技术的机床应运而生。对 X-Y工作台的设计属于数控技术领域，数控技术的自动化水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术使用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。1.2 X-Y工作台研究意义X-Y数控精密工作台采用滚珠直线导轨副为导向支承，滚珠丝杠副为运动执行元件的结构，具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、磨擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。目前已广泛应用于测量、激光焊接、激光切割，涂胶、打孔，插件、小型数控机床、射线扫描、雕铣机及实用教学等场合。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的 X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、Y 方向的直线移动。本科毕业设计说明书（论文）2导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。1.3 X-Y 工作台的现状与发展在我国对外开放进一步深化的新环境下，发展数控技术及装备，提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力是新的重要要求，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水品和现代化程度，数控技术及装备是发展新型高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术使用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。（一）数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业，入 IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：（1） 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达 80m/min，甚至更高，空运行速度可达 100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合车床。在加工精度方面，近 10年来，普通数控机床的加工精度已由 10um，提高到 5um，精密级加工中心则从 35um，提高到 11.5um并且超精密加工精度一开始进入纳米级。为了实现高速、高精加工，与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。（2）5 轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切割，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。但过去因 5轴联动数控系统主机结构复杂等原因，其价格要比 3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了 5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现 5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5面加工机床的发展。（3）智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势本科毕业设计说明书（论文）321世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象数控功能，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技巧集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元，反映了数控机床加工向网络化发展的趋势（二）对我国数控技术机器厂业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958年，近 50年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958年到 1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国基础条件的制约，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五” 、 “七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50年的发展历程，特别是经过 4个 5年计划的攻关，总体来看取得的成绩还是不小。（三）对我国数控技术和产业化发展的战略思考（1）战略考虑。我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，所以，我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制， “东芝事件”和“考克斯报告”都是最好的例证。（2）发展策略。从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导 21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨越式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机如量大面广的数控车床、铣床、本科毕业设计说明书（论文）4高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模的问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。本科毕业设计说明书（论文）52 X-Y工作台整体方案设计2.1 设计方案分析图 2.1 X-Y 工作台整体方案2.1.1 机械方案设计伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到 0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有 2000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。导轨副的选用要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滑动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足 0.01mm脉冲当量和 mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到01.要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。本科毕业设计说明书（论文）6减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，选用无间隙齿轮传动减速箱。检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到 X、Y 两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y 两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。图 2.2 X-Y 工作台2.1.2 控制方案设计设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1） 接收键盘数据，控制 LED显示（2） 接受操作面板的开关与按钮信息；（3） 接受车床限位开关信号；（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；（5） 控制 X，Z 向步进电动机的驱动器；（6） 控制主轴的正转，反转与停止；本科毕业设计说明书（论文）7（7） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（8） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；（9） 控制切削液泵启动/停止；（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；（11）控制电动刀架的自动选刀；（12）与 PC机的串行通信。2.2 X-Y工作台的整体结构设计进给传动系统示意图如图所示。 伺 服 电 动 机 主 动齿 轮从 动齿 轮 滚 珠 丝 杠工 作 台图 2-3 进给传动系统示意图2.3 主要设计参数及其依据X、Y 方向的脉冲当量 =0.01mm;xyX方向的定位精度均为 mm;01.加工范围为 460420;工作荷载 F2zN工作寿命 15000h时间常数 T=30ms；快速进给速度 max20/inV本科毕业设计说明书（论文）83 X-Y工作台机械结构设计3.1 工作台外形尺寸及重量估算X向拖板（上拖板）尺寸：长 宽 高 60019050重量：按重量=体积材料比重估算 324201507.8160NY向拖板（下拖板）尺寸： 95重量：约 670N。上导轨座（连电机）重量： 23(9048203)7.81048N夹具及工件重量：约 155N 。X-Y工作台运动部分的总重量：约 1828N。3.2 直线滚动导轨副的计算与选型根据给定的工作荷载 和估算的 和 计算导轨的静安全系数FzxWy（3-1）/SLfCP0式中， 为导轨的基本静额定荷载 KN；C0工作荷载：（3-2）0.5()ZF(一般运行情况) （运动时受冲击、振动）1.03.SLf3.0.5SLf根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受到中等冲击，所以取 ；4.SLf（3-3）SLxyCfP0（3-4）.5()xyZPFW0.5().2067)135xZ N(yy本科毕业设计说明书（论文）95340XSLxCfPN0YY根据计算额定静荷载初选导轨：选择 SV2R系列滑动直线导轨，其型号为：SV2R28-460图 3-1 直线滑动导轨表 3-1 导轨规格额定载荷/N 静态力矩/N*M 滑座重量 导轨重量 导轨长度动载荷C0静载荷 ATBCTgK/gmL(mm)7200 12100 58 58 135 0.20 2.4 460表 3-2 导轨规格滑座个数 单向行程长度 每分钟往复次数MSLn2 0.6 4导轨的额定动载荷 720aCN3.3 丝杠的计算3.3.1 滚珠丝杠副导程的确定初选丝杠 HRC60,导程 05lm本科毕业设计说明书（论文）103.3.2 强度计算丝杠轴向力：（3-5）max()(xyzxyFKfFWN其中： ,滚动导轨摩擦系数 ， 是最大切削力下的进1.5K0.3.5sv给速度，可取最高速度的( )，在此我取 1/3;213:可取 计算：0.xZF0.6YZF取 ,则：4,f.510xzN62YZFmax1.50.4(7)6XF201390Y N寿命值， （3-6）6nTL其中丝杠转速（3-7）(/mi)sVrl150Th6.73.4(/in)snl6.12010L最大动载荷（3-8）3HQLfP式中： 为载荷系数，中等冲击时为 1.21.5； 为硬度系数， 时为f f 58HRC1.0。查表得中等冲击时 ， ，则：1.2f.0Hf3168xQN本科毕业设计说明书（论文）113120.1390827yQN根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，其根据最大动载荷的数值可选图 3-1 丝杠螺母副择滚珠丝杠的型号为：CM 系列滚珠丝杠，其型号为：CM2005-5。其基本参数如下：表 3-3 滚珠丝杠副尺寸参数公称直径基本导程丝杠外径丝杠底径循环圈数额定荷载 N 刚度 /m丝杠代号 0dhP1d3n动载荷 0C静载荷 0acK25CM20 5 19.5 16.76 5 14205 38244 730螺母安装尺寸 油杯孔DLB1D412hM60 48 12 40 53 68 10 6其额定动载荷为 足够用，滚珠循环方式为外循环螺旋槽式，预紧方14205YNQ式采用单螺母螺纹预紧形式。表 3-4 滚珠丝杠副的几何参数名称 结果公称直径 0d20mm螺距 t 5mm接触角 45钢球直径 b3.175mm螺纹滚道法向半径 R1.651mm本科毕业设计说明书（论文）12偏心距 e0.4489mm螺纹升角 r4.6螺杆外径 d19.365mm螺杆内径 l 16.788mm螺杆接触直径 z17.775mm螺母螺纹外径 D23.212mm螺母内径（外循环） 120.7mm3.3.3 传动效率计算（3-9）4.60.97()(2)tgt式中： 摩擦角； 丝杠螺纹升角。3.3.4 刚度验算滚珠丝杠受工作负载 P引起的导程 的变化量：0L（3-10）1FllESY向所受牵引力大，故应用 Y向参数计算：827()YFN0.5()Lcm620.1/)Ecm材 料 为 钢(3-11)22 2.7834.SRc所以 50160.59.10()2.12Fll mE丝杠因受扭矩而引起的导程变化量 很小，可以忽略。l所以导程总误差 510109.82/lL查表知 E级精度的丝杠允许误差 ，故刚度足够。m本科毕业设计说明书（论文）133.3.5稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。3.4 电机的确定3.4.1 步进电机折算转动惯量近似计算(3-12)2201()()MsLzGJJg式中 电机转子转动惯量（ ） ；2kcm、 齿轮 、 的转动惯量（ ） ；1J21z22 滚珠丝杠转动惯量s ()g参考同类机床，初选反应式步进电机 150BF，其转子转动惯量 210MJkgcm44 2110.780.78.20.6JdL2215314kgc4.5.9s kgcm:GN代入上式： 2201 22()()418.510.60.63.9()1.735MsLzGJJgkgcm考虑步进电机与传动系统惯量匹配问题。 /.70.MJ基本满足惯量匹配的要求。3.4.2 确定步进电机的选型机床在不同的工况下，其所需转矩不同，下面分别按各阶段计算：快速空载启动力矩 M起具体计算公式如下：(3-13)0aMxf起本科毕业设计说明书（论文）1422maxmax101066aMxnnJJtt(3-13)max03bpvn将前面数据代入式中： max021.58./in36.60bpvnr启动加速时间 0ats2 2max183.7107.366aMxnJ Ncmt 折算到电机轴上的摩擦力矩 ：f0021().(2180).529.02/.zfFLfGLci附加摩擦力矩 0M(3-14) 02 20021/3(1)()pmLFLiz/9.5.9.8421Nc上述三项合计：=0aMxf起 37.042136.0Ncm快速移动时所需力矩 快(3-15)029.413.f c快最大切削负载时所需力矩 切 0022.529.4118.9xftfFLMMiNcm切从上面计算可以看出，以快速空载起动所需力矩最大，以此项作为初选步进电机本科毕业设计说明书（论文）15的依据。当步进电机为五相十拍时(3-16)max/0.951qjM最大静力矩(3-17)max361.7.3j Nc按此最大静力矩，我们选择 150BF003型最大静力矩为 13.72 。大于所需最大m静力矩，可作为初选型号，但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运行矩频特性。计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 max10023.6.1kpvf Hz67.sepf为使电机不产生失步，空载启动频率要大于最高运行频率 ，查表，选择两个maxf150BF003型反应式步进电机：图 3-2 150BF003反应式步进电机表 3-5 150BF003反应式步进电动机型号 相数 步距角 电压V电流 A最大静转距Nm空载启动频率空载运行频率分配方式150BF003 5 0.5/1.5 110 13 18.5 2600 12000 五相十拍重量 kg转子转动惯量 2()kgc本科毕业设计说明书（论文）1616.5 103.5 减速器的确定3.5.1 传动比的确定因步进电机步距角 ，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量1.5b 5tm，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比0.1/pmstep（3-18）12360.1360.485pbZit1) 选择使用圆柱直齿轮2) 一般机器 ,速度不高,选用 7 级精度(GB10095-88)3) 材料选择 ,由机械设计中知选择:小齿轮材料为 40Cr(调质处理)硬度为 280HBS.大齿轮材料为 45 钢(调质处理)硬度为 240HBS,硬度差为 40HBS.4）由传动比可选择一级减速器3.5.2减速器整体方案的确定图 3-3 减速箱整体设计3.5.3 齿轮结构主要参数的确定选 ， 124Z250因传递的扭矩较小，选择模数 ;1m本科毕业设计说明书（论文）17表 3-6 齿轮尺寸z2450dm2a621.5f21.547.5db43012a分度圆压力角 大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮。0。3.5.4减速器参数的确定联轴器 1传动效率： 9.01L联轴器 2 传动效率： 2闭式齿轮传动效率： 7.G滚动轴承效率： 8B得 913.07.9.0.2高速轴参数： 15TNm.4KwP额 =3由公式（3-19）90n得高速轴转速 。738/minr由传动比 及效率 确定低速轴参数：i235.TN1PKw24./minnr3.5.5轴的设计计算齿轮轴的尺寸本科毕业设计说明书（论文）18图 3-4 齿轮轴尺寸高速轴的尺寸图 3-5 高速轴尺寸3.5.6联轴器的选择联轴器是将主动轴与从动轴连接起来并在传递转矩中一起旋转又不脱开的装置，用于连接同在一个轴线的两轴端部。由于两轴在制造、安装、机座的结构刚性、定位安装面存在误差等原因，两轴的旋转中心线可能出现径向、轴向和角度偏移，为了不使轴与轴实现连接的联轴器造成安装困难、并引起额外的荷载和震动，联轴器必须有补偿轴线偏移的功能，还应有消除或减少周线偏移引起的附加载荷和震动的功能。为适应联轴器不同功能的需要，我国已有不同品种、规格的标准系列联轴器。刚性联轴器分为凸缘联轴器和套筒联轴器两种，前者结构简单，制造容易，成本较低，工作可靠，刚性好，传递转矩大。但无补偿所联两轴相对偏移的功能，不能缓冲减震。当两轴对中精度较低时，将在轴和轴承中引起较大的附加荷载。适用于所联两轴对中精确、载荷平稳、高速或要求传动精度高的传动轴承。后者结构简单、制造本科毕业设计说明书（论文）19容易，径向尺寸小，成本低。装拆时需沿轴向移动较大距离，且只能连接两轴直径相同的圆柱形轴身。无补偿所联两轴相对偏移的能力，要求两轴精确对中。一般用于中小功率传动，其中花键连接套筒联轴器可以传递很大转矩。非金属弹性元件挠性联轴器结构简单，更换易损件方便，具有一定的缓冲减震和补偿所联两轴相对偏移的能力。径向尺寸较大，不宜用于高速和低速重载场所。金属弹性元件挠性联轴器分为金属膜片连轴器和十字轴式万向联轴器，前者具有机械强度高、承载能力大、重量和结构尺寸小、传动效率高、传动精度高、不需润滑、平衡精度高、装拆方便、无噪声等优点，但缓冲减震性能不及其他金属元件挠性联轴器。具有一定的补偿所联两轴相对偏移的能力。可部分取代鼓形齿式联轴器。还有耐高、低温，耐酸碱等，腐蚀介质的优点。高精度金属膜片连轴器可用于很高转速。联轴器的计算转矩 ，查表 14-1，考虑为输送机，转矩变化很小，故取3AcaTK1.7，所以 11.45CNm2260A在此，我选择金属弹性元件挠性联轴器中的高刚性模片式 两侧键槽型联轴器CPSHWK65-15-15。图 3-4 金属弹性元件挠性联轴器3.5.7 轴承的选择载荷是选择轴承最主要的依据，通常应根据载荷的大小、方向和性质选择轴承。载荷大小 一般情况下，滚子轴承由于是线接触，承载能力大，适于承受较大载荷；球轴承由于是点接触，承载能力小，适用于轻、中等载荷。各种轴承载荷能力一般以额定载荷比表示。载荷方向 纯径向力作用，宜选用深沟球轴承、圆柱滚子轴承或滚针轴承，也可考虑选用调心轴承。纯轴向载荷作用，选用推力球轴承或推力滚子轴承。径向载荷本科毕业设计说明书（论文）20和轴向载荷联合作用时，一般选用角接触球轴承或圆锥滚子轴承，这两种轴承随接触角。增大承受轴向载荷能力提高。若径向载荷较大而轴向载荷较小时，也可选用深沟球轴承和内、外圈都有挡边的圆柱滚子轴承。若轴向载荷较大而径向载荷较小时，可选用推力角接触球轴承、推力圆锥滚子轴承。 载荷性质 有冲击载荷时，宜选用滚子轴承。高速性能 一般摩擦力矩小、发热量小的轴承高速性能好。球轴承比滚子轴承有较高的极限转速，故高速时应优先考虑选用球轴承。径向载荷小时，选用深沟球轴承:径向载荷大时，选用圆柱滚子轴承。对联合载荷，载荷小时，选用角接触球轴承；载荷大时，选用圆锥滚子轴承或圆柱滚子轴承与角接触球轴承组合。在相同内径时，外径越小，滚动体越轻越小，运转时滚动体作用在外圈上的离心力也越小，因此更适于较高转速下工作。在一定条件下，工作转速较高时，宜选用直径系列为8，9，0，1 的轴承。保持架的材料与结构对轴承转速影响很大。实体保持架比冲压保持架允许的转速高。高速重载的轴承需验算其极限转速。轴向游动性能 一般机械工作时，因机械摩擦或工作介质的关系而使轴发热，从而有热胀冷缩产生。在选择轴承结构类型时，应使其轴有铀向游动的可能性。因此，常在轴的某一端选用一内圈或一外圈无挡边的圆柱滚子轴承或滚针轴承，以适应由于热胀冷缩而引起轴的伸长或缩短。调心性能 当轴两端轴承孔同轴性差（制造误差或安装误差所致）或轴的刚度小，变形较大，以及多支点轴，均要求轴承调心性好，这时应选用调心球轴承或调心滚子轴承。允许的空间 在机械设计中，一般都是先确定轴的尺寸，然后根据轴的尺寸来确定轴承的尺寸。小轴选用球轴承，大轴选用滚子轴承；在内径尺寸（即轴尺寸）已确定，若径向尺寸受限，可选用滚针轴承或直径系列为 8，9，0，回的轴承；若宽度尺寸受限，可选用宽度系列为 8，0 的轴承。安装与拆卸方便 对于轴承使用寿命一般都难以等同主机使用寿命，在实际使用中轴承作为易损件要经常装拆。因此，在选用轴承结构类型时应要求装拆方便。可分离型的接触球轴承、圆柱滚子轴承。圆锥滚子轴承、推力轴承和内圈为锥孔、带紧定套或退卸套的调心滚子轴承、调心球轴承等均具有装拆方便性能。本科毕业设计说明书（论文）21图 3-5 61903 深沟球轴承在此我选择内径 17，外径 30，厚度 7的深沟球轴承，型号 61903本科毕业设计说明书（论文）224 数控系统硬件设计4.1 单片机简介4.1.1 单片机的发展趋势为适应嵌入式应用的需求，单片微控制器应运而生，发展极其迅速。从 70年代至今，单片机发展成为一个品种齐全，功能丰富的庞大家庭。单片机是微型计算机的一个分支，是在一块芯片上集成了 CPU、RAM、ROM 存储器、I/O 接口等而构成的微型计算机。因为它主要应用于工业测控领域，因此单片机在出现时，intel 公司就给单片机取名为嵌入式微控制器。4.1.2 单片机的优点单片机是以工业测控对象、环境、接口特点出发向着增强控制功能，提高工业环境下的可靠性方向发展。主要特点如下：1.种类多，型号全。很多单片机厂家逐年扩大适应各种需要，有针对性地推出一系列型号产品，使系统开发工程师有很大的选择余地。大部分产品有较好的兼容性，保证了已开发产品能顺利移植，较容易地使产品进行升级换代。2. 提高性能，扩大容量，性能价格比高。集成度已经达到 300万个晶体管以上，总线速度达到数十微妙到几百纳秒，指令执行周期已经达到几微妙到数十纳秒，以往片外 XRAM现已在物理上存入片内，ROM 容量已经扩充达 32K，64K，128K 以致更大的空间。价格从几百到几元不等。3. 增加控制功能，向真正意义上的“单片”机发展。把原本是外围接口芯片的功能集成到一块芯片内，在一片芯片中构造了一个完整的功能强大的微处理应用系统。4.低功耗。现在新型单片机的功耗越来越小，供电电压从 5V降低到了 3.2V，甚至1V，工作电流从 mA降到 A级，gz2 频率从十几兆可编程到几十千赫兹。特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等。5. C语言开发环境，友好的人机互交环境。大多数单片机都提供基于 C语言开发平台，并提供大量的函数供使用，这使产品的开发周期、代码可读性、可移植性都大为提高。4.1.3 单片机的应用发展方向1.使用寿命长。这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展，MPU 更新换代的速度约来约快。可以预见，一些成功上市的相对年轻的 CPU核心，也会随着 I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的 CPU类型的加盟，使单片机队伍不断壮大，给用户带来了更多的选择余地。8 位、16 位、32 位单片机共同发展是当前单片机发展的另一个动向之一。长期以来，单片机技术的发展是以本科毕业设计说明书（论文）238位机为主的。随着移动通讯、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32 位单片机应用得到了长足的发展。以 Mororola68K为 CPU的 32位单片机 97年的销售量达到了 8千万枚。过去认为由于 8位单片机功能越来越强，32 位机越来越便宜，使 16位机单片机生存空间有限，而 16位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。2.速度越来越快。MUP 发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪音，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。改善单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了很多。3. 低噪声和高可靠性技术。在单片机应用中，可靠性是首要因素，位了扩大单片机的应用范围和领域，提高单片机自身的可靠性是一种有效的方法。今年来，单片机的生产厂家爱在单片机设计上采用了各种提高可靠性的新技术，这些新技术表现在如下几点：首先，EFT 技术。EFT 技术是一种抗干扰技术，它是指在振荡电路的正弦信号受到外界干扰时，其波形上会迭加各种毛刺信号，人使用施密特电路对其整形，则毛刺会成为触发信号干扰正常的时钟，在交替使用施密特电路和 RC滤波电路时，就可以消除这些毛刺另其作用失效，从而保证系统的时钟信号正常工作。这样，就提高了单片机工作的可靠性。其次，低噪声布线技术及驱动技术。在传统的单片机中，电源及地线是在集成电路外壳的对称引脚上，一般是在左上、右下或右上左下的两块对称称点上。这样，就使电源噪声穿过整块芯片，对单片机的内部电路造成干扰。现在，很多单片机都把地线和电源引脚安排在两条相邻的引脚上。这样，不仅降低了穿过整个芯片的电流，另外还在印制电路板上容易布置去耦电容，从而降低系统的噪声。4. OTP与掩膜。OTP 是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期，而 OTP型单片机价格不断下降，使得近年来直接使用 OTP完成最终产品制造更为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。近年来，OTP 型单片机需量大幅度上扬，为适应这种需求许多单片机都采用了在编程技术（In Sytem Programming） 。为编程的 OTP芯片可以采用裸片 Bonding技术或表面贴技术，先焊在印刷版上，然后通过单片机上引出的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程。解决了批量写 OTP芯片时容易出现的芯片写