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XXXX毕业设计第一章 引 言1.1 课题的背景我国机床的消费量在全世界仅次于美国和日本，居第三位。我国机床工业已基本形成门类较齐全的生产科研体系，数控机床是现代基础机械代表产品。机床是机床制造技术、微电子和计算机技术三者相结合的产物。机床的性能水平主要取决与系统的先进性。近年来，随着国外高档机床产品的进口和国外技术的引进，我国的机床生产取得了长足的进步。进入21世纪,我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机,也遭遇到加入后激烈的市场竞争的压力。从技术层面上来讲,加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、敏捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。在发达国家，数控机床已经大量普遍使用。我国制造业机床数控化率不到，而且，对现有的为数不多的数控机床也未能充分利用。原因是多方面的，数控人才的匮乏是其主要原因之一。尤其迫切需要大量的从研究开发到使用维修的各个层次的技术人才。我国经济快速发展。逐步成为世界制造中心 进入新的世纪以后，随着我国综合国力的进一步增强和加人世界贸易组织，我国经济全面与国际接轨，并正在成为全球制造业的中心，大批跨国企业抢滩登陆在国内高起点设厂、将生产加工向中国转移；国内制造企业更是背水一战。大举通过信息化、广泛应用现代制造技术积极参与国际竞争，我国制造业进入了一个空前蓬勃发展的新时期，这必然对掌握现代信息化制造技术的技术人才、特别是对大量的一线技术工人形成了巨大需求。近年来，由于受数控人才需求的拉动，各校均建有不同规模的数控实训基地，有的是规模大、设备种类多的实训中有的是设备种类和数量相对较少的实验室。有的学校实训基地以普通加工设备配进口数控系统为主有的学校以教学型数控设备为主。总的情况是，数控设备的台套种类，数量与学生规模反差较大。用于教学实验的设备更是落后，加之由于各种客观和主观的原因，全国大专院校机电类学生工程实践能力普遍较差，其学习和研究工作偏向计算机化、软件化，动手能力与理论更是难结合在一起。严重影响实训、培训效果。1.2 课题的意义通过对实验型两轴数控系统的设计，要求学生能够综合运用所学过的数控技术、微机原理与接口技术、软件程序设计、工艺等知识，掌握数控机床机械结构设计计算及控制系统的设计开发过程。重点掌握步进电机驱动、控制系统的设计开发过程，机床工作台及其相应的夹具及机床配件设计。为毕业后从事机械电子设备的研制和使用打下良好的基础。第二章 两轴实验型数控系统的总体设计2.1 数控系统总体方案的设计主要包括以下几个方面：（1）运动功能设计。包括确定机床所需运动的个数、形式（直线运动、回转运动）、功能（主运动、进给运动、其他运动）及排列顺序，最后画出机床的运动功能图。（2）基本参数设计。包括尺寸参数、运动参数和动力参数设计。（3）传动系统设计。包括传动方式、传动原理图及传动系统图设计。（4）总体结构布局设计。包括运动功能分配、总体布局机构形式及总体结构方案图设计。（5）控制系统设计。包括控制方式及控制原理、控制系统图设计。根据前面所提到的数控机床应满足的基本要求就可以进行总体设计。在各项基本要求中以工艺要求最为重要。由工艺要求决定机床所需要的运动。完成每个运动又有相应的功能部件。这就可以确定各部件的相对运动和相对位置关系。机床的总体布局也就可以大体确定下来。因此，总体方案设计是一项全局性的设计工作，直接影响机床产品的结构、性能、工艺和成本，关系到产品的技术水平和市场竞争能力。2.2 两轴实验型数控系统的方案拟定对教学试验型微型数控铣床的设计，一方面，要求其功能完善、结构开放，具有与一般生产型数控铣床一样的工作原理和工作性能；另一方面，要求其体积小、价格低，有利于此类铣床的普及推广。所以本课题的设计主要是两个方面：其一：机械结构的设计；其二：控制系统的设计。这里有两个方案：方案一、采用减速箱，并对滚珠丝杠进行两端支撑；减速箱采用圆注齿轮变速，这种方案可以通过增加减速箱，达到：1.增大转动扭矩；2.提高脉冲当量；3.匹配惯量。对滚珠丝杠进行两端支撑，可以尽量减少由于一端支撑，可能产生的弯曲，减少误差，提高精度。方案二、直接采用套筒式联轴器连接步进电动机和滚珠丝杠，对滚珠丝杠进行一端支撑。该设计结构简单。2. 方案的比较与选择方案一、由于切削石蜡、塑料等材料，根据计算切削力较小，选用步进电机，脉冲当量为2mm/min，采用减速向变速，传动比选用1.25，通过计算可以提高脉冲当量为1.02mm/min。对滚珠丝杠采用两端支撑，可以提高滚珠丝杠的刚度，提高滚珠丝杠寿命。方案二、直接采用套同式联轴器联接电动机轴和滚珠丝杠，精度不高，电机功率太小，直接带动滚珠丝杠在长时间工作时，对步进电机损耗较大。采用一端支撑，会导致滚珠丝杠产生挠度，影响滚珠丝杠的刚度，从而影响其寿命。根据实际工作要求，考虑其工作寿命，最终选择地一种方案：采用减速箱，并对滚珠丝杠采用两端支撑。2.4 两轴实验型数控系统的方案拟定教学试验型微型数控铣床的总体长为300mm，宽为180mm，高为400mm，工作台宽度180mm，长180mm。可以实现X轴、Y轴和Z轴三坐标联动。X轴、Y轴的进给是通过电机带动丝杠，丝杠又与螺母传动来实现。电机与丝杠的连接可以通过销钉来达到。在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做水平移动，从而带动工作台运动。Z轴的进给也是通过电机带动丝杠，丝杠又与Z轴螺母传动来实现。主轴套与Z轴螺母相连，在传动过程中电机带动丝杠做旋转运动，螺母沿导轨做上下移动，从而带动主轴做上下运动。控制系统部分：通过采用三菱公司的FX2N系列单片微机构成的控制系统来实现对步进电机的启停、正反转、两轴联动和变频调速的控制，从而实现加工过程的自动控制。其中重点是确定硬件电路的总体方案和软件设计，主要有：存储器扩展电路设计，输入输出接口电路设计，步进电机接口和驱动电路（光电隔离电路，功率放大电路），其他辅助电路（时钟电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等等），流程图的绘制和程序的书写。由此，可以大体画出整体结构的系统方案图图1：键盘输入传动机构MCS-51驱动电路接口电路工作台数据显示图1 总体框图第三章 第三章 机械部件的计算和选择3.1 切削力的计算该实验型数控实训设备，主要用来模拟加工，工件材料是石蜡或塑料，X、Y向形成均为200mm，根据查阅机床设计手册，因没有石蜡和塑料的铣削公式，所以在查阅手册时，以图表中最软的材料为依据进行参数的选择。 Z轴铣削工作时铣削力的计算：现以刀具材料为高速钢，工作材料为碳钢进行计算。1. 最大铣削直径 d=10mm.最小直径d=4mm由实用机床手册P=FV/60000F=642aaadZKK=KKK其中K=（/0.638）=0.982 d=400(10-4)X(1590-397)=2高速钢铣刀 r=15,前角系数K=0.92主偏角 k=75 K=1.0 a=8mm a=0.080.05mm/Z取a=0.05mm/Z a=4mm齿数Z=4 d=6mmF=64240.058640.903=2773NV=dn/1000=3.142400/1000=2.52pm= FV/60000=27732.512/60000=0.17KW选电动机时按铣削计算。3.选主电动机时：因为铣削最大的切削力为：F=64240.0581040.903=832.03NV=101590/1000=49.9m/sp= FV/60000=832.0349.9/60000=0.69KWp= p/0.88=0.69/0.88=0.79KW所以选电动机为p=1.1KW 型号：Y90S4型2. X、Y轴铣削工作时铣削力的计算其中主转动中主轴功率N=0.79KW.则=0.79/1.1=0.718电动机的额定功率N=1.1KW。铣削力同样遇刀具材料、被铣削工件的材料、切削量等因素有关，现以刀具材料为高速钢，共建材料为碳钢进行计算。主转动功率包括切削功率N，空载功率N，附加功率N三部分，即：N= N+ N+ N，一般轻载高速的中、小型机床中，N=0.5N/(2-)N，故总功率为：N= N+0.5 N+（1-）N，N=0.5N/(2-)，再进给传动中切削功率：N=K0.5N/(2-)，N=0.850.51.1/(2-0.718)=0.36KW切削时主轴上的扭短为：M=974000 N/n则主轴上最大扭矩为：M=9740000.36/397=883（NCM）铣刀的最大直径为：10mm。主切削力F=883/1=880N。铣削加工时主切削力F与铣削进给抗力F之间的值由机床设计手册查得F/ F=1.01.2，取F/ F=1.2。则F=1.2 F=1059.6N，垂直部分力F的币值为0.750.8，取F/ F=0.8，F=0.8 F=706.4N。3.2 机械构件的选择3.2.1电动机的选择应用中的注意点步进电机应用于低速场合-每分钟转速不超过1000转，（0.9度时6666PPS)，最好在1000-3000PPS(0.9度）间使用，可通过减速装置使其在此间工作，此时电机工作效率高，噪音低。步进电机最好不使用整步状态，整步状态时振动大。由于历史原因，只有标称为12V电压的电机使用12V外，其他电机的电压值不是驱动电压伏值 ，可根据驱动器选择驱动电压（建议：57BYG采用直流24V-36V，86BYG采用直流50V,110BYG采用高于直流80V），当然12伏的电压除12V恒压驱动外也可以采用其他驱动电源， 不过要考虑温升。转动惯量大的负载应选择大机座号电机。电机在较高速或大惯量负载时，一般不在工作速度起动，而采用逐渐升频提速，一电机不失步，二可以减少噪音同时可以提高停止的定位精度。高精度时，应通过机械减速、提高电机速度,或采用高细分数的驱动器来解决，也可以采用5相电机，不过其整个系统的价格较贵，生产厂家少。电机不应在振动区内工作，如若必须可通过改变电压、电流或加一些阻尼的解决。电机在600PPS（0.9度）以下工作，应采用小电流、大电感、低电压来驱动。 应遵循先选电机后选驱动的原则。（2）步进电机的选择步进电机有步距角（涉及到相数）、静转矩、及电流三大要素组成。一旦三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。步距角的选择电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。目前市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。选用1.5度。静力矩的选择步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的。直接起动时（一般由低速）时二种负载均要考虑，加速起动时主要考虑惯性负载，恒速运行进只要考虑摩擦负载。一般情况下，静力矩应为摩擦负载的2-3倍内好，静力矩一旦选定，电机的机座及长度便能确定下来。电流的选择静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流（参考驱动电源、及驱动电压）综上所述选择电机一般应遵循步骤如图2所示： 图2 选择电机的步骤力矩与功率换算步进电机一般在较大范围内调速使用、其功率是变化的，一般只用力矩来衡量，力矩与功率换算如下：P= M=2n/60P=2nM/60其中P为功率，单位为瓦；为每秒角速度，单位为弧度；n为每分钟转速；M为力矩，单位为牛顿米。P=2fM/400(半步工作)其中f为每秒脉冲数（简称PPS）。（3）混合式步进电机控制系统优缺点混合式步进电机控制系统的优点正是由混合式步进电机特殊的结构所带来的，简而言之它具有稳定可靠、性能好、运行平稳等优点，以和最具有可比性的反应式步进电机系统相比为例。首先，混合式步进电机系统可靠性和稳定性较高，由于驱动器是系统中可靠性最薄弱的一个部分，所以系统可靠性和稳定性主要是由驱动器的可靠性来决定的。混合式电机转子上有永磁体，部分磁场已由转子上的磁钢产生，所以混合式电机绕组电流可以设计得比较小，而反应式电机磁场完全由绕组电流产生，故欲和混合式电机产生相同的转矩，在电机体积相差不太大的情况下，反应式电机所需电流就要大得多。在当前电力电子器件水平限制下，混合式电机的驱动器就比反应式电机的驱动器要可靠得多，同时由于大的绕组电流，反应式电机本体的发热情况也要严重的多。实际上，为产生相同的转矩，反应式电机不仅线圈电流大，而且定子线圈匝数多，电机体积大，绕组电感也大。由于绕组电感大，反应式驱动器必须要以高压驱动才会有比较好的高频性能，但这样驱动器的可靠性会明显变差；如果反应式驱动器取和混合式驱动器一样的驱动电压时，电机的高频转矩明显要小，这也是反应式电机系统性能比混合式电机系统差的一个重要原因。混合式步进电机一般步距角较小，再加上混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，在控制步进电机升降频规律一致的情况下，运行要比反应式步进电机稳定。混合式步进电机系统的缺点在于混合式步进电机的制造比较复杂，电机的成本相对较高；其次是虽然混合式步进电机共振区不明显，振荡较小，但依然影响性能。脉冲当量应根据系统精度要求来确定，一般取为0.010.02mm。如取得太大，无法满足系统精度要求，如取得太小，或者机械系统难以实现，或者对其精度和动态性能提出过高要求，使经济性降低。所以根据数控钻铣床的精度要求，步进电动机脉冲当量：=0.02/Step，步角距=1.8/ Step。由于无减速装置，所以由=/360P可知，滚珠丝杠螺距，即基本导程P=4mm。一般来讲，反应式步进电机步距角较小，运行频率高，价格较低，但功耗较大，永磁式步进电机功耗较小，断电后仍有制动力矩，但步距角较大，启动和运行频率较低，混合式步进电机由上述两种电机的优点，但价格较高。考虑到该机床垂直进给方向需用自锁机构，所以选用具有自锁功能的混合式步进电机。（4） 计算选择1. 步进电机转轴上启动力矩的计算铣削时：F=26.1N, F=65.27NT=360.0126.1+0.03（300+65.27）/21.80.85=40.8 N.cm根据以上计算可知，铣削时启动力矩远大于钻削启动力矩，为满足钻铣要求，以铣削时所需要求为宜。由手册可知：T/T=0.866，步进电机最大静转矩T= T/0.866=40.8/0.866=47.1 N.cm2. 确定步进电机最高工作频率f=1000v/，v=0.025(m/s)f=10000.025/0.02=1250(HZ)根据以上参数，初选混合式步进电机。57BYGH6403采用两相四拍的通电方式。相数，3；步距角，1.8；电流，2.5A；静力矩,110Ncm；转动惯量，280gcm引线数，4。接线图 图33.2.2 丝杠的选择1.滚珠丝杠的特点滚珠丝杠螺母副（以下简称滚珠丝杠副）是一种新型的传动机构。具有螺旋槽的丝杠螺母间装有滚珠作为中间元件的传动机构为滚珠丝杠副。在数控机床的传动中，经常用于代替滑动丝杠，以提高传动精度。丝杠螺母副的特点：（1）用较小的扭矩转动丝杠（或螺母），可使螺母（或丝杠）获得较大的轴向牵引力。（2）可达到很大的降速比，使降速机构大为简化，传动链的以缩短。（3）能达到较高的传动精。用于进给机构时,还可兼作测量元件，通过刻度盘读出直线位移的尺寸，最小数值可达0.0001mm。（4）传动效率高，摩擦损失小。滚珠丝杠的传动效率=0.920.96,而一般的常规（滑动）丝杠螺母副的=0.200.40。所以滚珠丝杠的传动效率比常规丝杠的传动效率提高了34倍。因此功率消耗只相当于常规丝杠螺母副的。（5）给予适当的预紧，可消除丝杠和螺母螺纹间隙，这样反向时就可以没有空程死区，反向定位精度高。与常规丝杠螺母副比较有较高的轴向精度。（6）运动平稳，无爬行现象，传动精度高。滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，摩擦阻力小，摩擦阻力的大小几乎和运动速度完全无关，这样就可以保证运动的平稳性。由于滚珠丝杠基本上是滚动摩擦，与常规丝杠螺母副比较不宜出现爬行现象，故传动精度高。（7）有可逆性，由于滚珠丝杠副摩擦系数小，可以从旋转运动转换为直线运动，也可以由直线运动转换为旋转运动。丝杠和螺母都可以作为主动件，也可以作为从动件。（8）制造工艺复杂，滚珠丝杠和螺母等元件的加工精度要求较高，光洁度要求也高，故制造成本高。例如丝杠和螺母上的螺旋槽滚道，一般都要求磨削成型表面的。（9）不能自锁，特别是垂直丝杠，由于自重惯性力的关系，下降时当传动切断后，不能立刻停止运动，故常需要添加制动装置。在设计滚珠丝杠时，首先要确定其名义直径、螺距及滚珠直径等。确定滚珠丝杠的上述参数时，目前采用的方法是，在防止疲劳点蚀的基础上，即滚性丝杠在工作过程中受轴向负载时，在滚珠和滚道型面间使产生接触应力。在这种交变接触应力的作用下，经过一定的应力循环次数后，就要使滚珠或滚道型面产生疲劳剥伤，而使滚珠副丧失其工作性能，这是滚球丝杠副的主要破坏形式。在设计滚珠丝杠副时，必须保证在一定的轴向负载作用下，这种名义直径D和螺距t的滚珠丝杠在回转一百万转后，在他的滚道上由于受滚珠的压力而不致有点蚀现象，这个负载的最大值称为这种滚珠丝杠能承受的最大动负载。2. 滚珠丝杠的选择计算(1) 动载荷Cae的计算 Q= ffP 其中f载荷系数取为1.0，f硬度系数取为1.2，P最大的工作负载L使用寿命工作负载P是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，他的数据可用进给牵引力的实验公式计算：对于类似燕尾型寻轨的机床P=kP+f(P+2P+G)PX方向的切削力PY方向的切削力Pz方向的切削力G移动部件的重量f导轨上的摩擦系数k考虑颠复力矩影响的实验系数选用滚动导轨，在正常润滑情况下，对于类似燕尾型寻轨k=1.4 f=0.03由于铣削时所需切削力均大于钻削的切削力，故意下计算均按铣削设计。在铣削过程中，P=706.4N ，P=0， P=1059.6N ，G=300N P=1.40+0.03(706.4+21059.6+300)=93.7N而L=60nT/10式中n滚珠丝杠的转速（r/min）T使用寿命（小时）对于数控机床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，因为L=60125015000/10=1125Q=1.01.293.7=1169N查表初步选用的型号为N系列1604-3，3列Q=4612N较为合适，这是一种内循环垫片调隙单螺母的滚珠丝杠副，其主要参数如下：名义直径：D=20mm，基本导程t=5mm，刚求直径：D=3.725 mm ，丝杠内径d=17.96mm ，丝杠外径d =19.4mm ，循环列数3，额定动负载C=6367 N ，螺母外径D=72 mm，螺母内径 D=32 mm，螺母长度 L=40 mm。(2) 校核（1）效率计算 从机械原理中得知，滚珠丝杠螺母副的传动效率=tg/tg(+)式中：-螺纹的螺旋升角；=arctg=arctg=4.55-摩擦角；滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，其摩擦角约等于10(tg= f=0.0030.004)。=0.965(3) 刚度的验算数控机床的滚珠丝杠是一种精密的传动元件，它在工作负载P的作用下，将伸长或缩短，在扭矩M的作用下，将向一方或另一方扭转，这样，滚珠丝杠的螺距就要产生变化，从而影响其传动精度和定位精度，因此，滚珠丝杠应验算其满载时的变形量。从材料力学中得知，滚珠丝杠受工作负载（轴向力）P的作用而引起一个螺距t的变化量t,可按下式计算： t=其中：P-工作负载；t-滚珠丝杠螺距 ；E-弹性模数，对钢而言（E=20.110）；F-滚珠丝杠的横截面积（按内径而定）； t=0.1410cm滚珠丝杠受扭矩M作用而引起一个螺距t的变化量t，可以按下式计算：t=(cm) 其中-在扭矩M的作用下，滚珠丝杠每一螺距长度两截面上的相对扭转角；= 其中，M-扭矩（Ncm）,M=6.18NcmG扭转弹性对钢而言，G=84110N/cmJ滚珠丝杠载面积的极惯性矩J=/32d（cm）（其中d滚珠丝杠的内径，cm） J=3.14/3213.1=2889cm=Mt/ GJ=6.180.4/84102889=0.110t=t/2=0.40.110/23.14=0.610cm(可忽略不计)如果Y方向的滚珠丝杠的长度为100m,则整个工作长度上的螺距变形总误差： =100/0.40.1410=3.510cm/m查表得对E级丝杠，允许误差=15um/m ，故该滚珠丝杠满足要求。(4) 稳定性验算机床的进给丝杠通常是一种受轴向力的压杆，如果轴向力过大，可使丝杠失去稳定性而产生翘曲。机床上的进给丝杠一般均为长柱。长柱压杆失稳时的临界负载P，可用材料力学中的欧拉公式计算P=（N）E-丝杠材料的弹性模数，对钢而言E=2.110 N/cm；J-截面惯性矩，对实心圆杆而言，J=1445cm；l-丝杠的工作长度,l=28.6cm；u-丝杠的轴端系数，由支撑条件决定，本设计是两端向心轴承，u=1。 P=3.610N 临界负载P与工作负载P之比成为稳定性安全系数n。如果稳定性安全系数n大于许用稳定性安全系数 n，则该压杆安全不致失稳。n=3.810 n=4故此滚珠丝杠不致失稳。（5）由于钻、铣工作时，滚珠丝杠的转速比较低，滚珠丝杠传动时的振动就会非常小，所以临界转速就不用校核了。 3.2.3 轴承的选择机床传动轴的滚动轴承的失效形式，主要是在循环接触应力下的作用，滚动体和滚道表面上出现疲劳破环。即通常所说的疲劳剥落。而丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠和工作台的重量外，一般无外载荷，对丝杠轴承的要求主要是轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要小。所以选用60角接触球轴承，该轴承是与滚珠丝杠配合的专用轴承，其主要特点如下：（1）接触角大，钢球数多，承载能力高，刚度高。（2）既能承受轴向载荷，也能承受径向载荷，支撑结构可以简化。（3）轴承启动摩擦力矩小，降低丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。现选用7000C型号，基本尺寸为:d=10mm,外径D=26mm,宽度B=8mm,基本额定动负荷C=4.29KN,基本额定静载荷C=2.25KN，极限转速（油润滑）为28000。对轴承的疲劳寿命进行校核：由机械设计可知,轴承的基本额定寿命为：L=式中：P-当量动载荷； L-基本额定寿命； 寿命指数，球轴承=3；n轴承工作转速，n=1250；C基本额定动载荷，C=2250N；其中：P=f(X+YF) f冲击载荷系数，取1.1； F径向载荷；X、Y径向动载荷系数和轴向动载荷系数。X=0.44,Y=1；P=1.1(0.44305+415)=604NL=21000h15000h所以该轴承的选用也是合格的。3.2.4 导轨的选择导轨（Guideways）的功用是导向和承载。在导轨副（如工作台和床身导轨）中，运动的另一方（如工作台导轨）叫作动导轨，不动的另一方（如床身导轨）叫做支承导轨。按摩擦性质分为滑动导轨和滚动导轨。在滑动导轨中有静压导轨、静压导轨和普通滑动导轨。静压导轨的原理和静压滑动轴承相同，该导轨多用于进给运动导轨。动压倒轨，当导轨面间的相对滑动速度达到一定值后，液体的动压效应是导轨的油腔处出现压力油楔，把两导轨面分开，从而形成以液体摩擦，这种导轨只能用于高速的场合，故仅用作主运动导轨，例如立式铣床导轨。普通滑动导轨的摩擦状态有的为混合摩擦。按受力状态可分为开式导轨和闭式导轨。在部件自重和外载作用下，导轨面在导轨全长上可以始终贴合的称为开式导轨，如龙门铣床的工作台和床身导轨。部件的自重不能使主导轨面始终贴合，就必须增加压板，形成辅助导轨面，称为闭式导轨。导轨选择考虑的因素：1. 导向精度导轨在空载下运动和在切削条件下运动时，都应具有足够的导向精度。保证轴承运动的准确性，是保证导轨工作质量的前提。（1）几何精度直线运动导轨的几何精度一般包括：导轨在竖直平面内的直线度（简称A项精度）；导轨在水平平面内的直线度（简称B项精度）；两导轨面间的平行度，也叫作扭曲（简称C项精度）。在A、B两项精度中，都规定了导轨在每米长度上和导轨全长上，两导轨面间在横向每米长度上的扭曲值。（2）接触精度磨削和刮研的导轨表面，接触精度按的规定，采用着色法进行检查。用接触面所占的百分比或面积内接触点数衡量。精度保持性影响精度保持性的主要因素是磨损。提高耐磨性以保持精度，是提高机床质量的主要内容之一，也是科学研究的一大课题。常见的磨损形式有磨料（硬粒）磨损、粘着磨损（或咬焊）和接触疲劳。磨料磨损经常发生在边界摩擦和混合摩擦状态。磨粒夹在导轨面间随之相对运动，形成对导轨面的切削，使导轨面产生划伤。磨料的硬度越高，相对滑动速度越大，压强越大，对摩擦副的危害也越大。磨料磨损很难避免，是导轨防护的重点。粘着磨损也称为分子机械磨损。当两个摩擦表面相互接触时，在高压强下材料产生塑性变形，相对运动时的摩擦，又使表面层的氧化膜破坏，在新暴露出来的金属表面之间，就会产生分子间的相互吸引和渗透，使接触点粘结而发生咬焊。接触面的相对运动又要将咬焊点拉开，就造成撕裂性破坏。咬焊是不允许发生的。接触疲劳发生在滚动摩擦副中，也是无法避免的。低速运动平稳性当导轨作低速运动或微量位移时，应保证导轨运动的平稳性，即不出现滑移现象。低速运动平稳性与导轨的结构、材料和润滑，与动、静摩擦系数的差值，与传动导轨运动的传动链的刚度有关。结构简单平稳性好大多数机床的导轨都要淬硬，因此导轨的精加工，不能淬硬。设计时要注意使导轨的制造和维修方便，刮研量少。如果采用镶装导轨，则应尽量做到更换容易。导轨的润滑润滑的目的、要求与方式润滑的目的是为了降低摩擦力、减少磨损、降低温度和防止生锈。润滑要求供给导轨清洁的润滑油。油量可以调节。尽量采取自动和强制润滑。润滑元件要可靠。要有安全装。例如静压导轨在未形成油膜之前不能开车和润滑不正常有报警信号等。导轨的润滑方式有很多。可以人工定期向导轨面浇油。此法简单易行，但不能经常保证足够的润滑。也可在运动部件上装油杯，使油沿油孔流或滴向导轨面，也可在运动导轨面上装润滑电磁泵。或手动润滑油泵，定时拉动几下供油。为使润滑油在导轨面上较均匀的分布，保证润滑效果，需在导轨面上开出油沟。2. 润滑油的选择导轨常用的润滑剂有润滑油和润滑脂，滑动导轨用润滑油，滚动导轨两者都可用。导轨润滑油的粘度可根据导轨的工作条件和润滑方式选择。高速低载荷可用粘度较低的润滑油，反之，则用粘度较高的润滑油。低载荷，高、中速的中、小型机床进给导轨，可用导轨油；中载荷的中低速导轨，可采用导轨油；重型机床的低速导轨，可用或导轨油。三嗪的合成路线3.2.5 联轴器的选择联轴器是用来联接两进给机构的两根轴使之一起回转传递扭矩和运动的一种装置。目前联轴器的类型繁多，有液力式、电磁式和机械式。机械式联轴器的应用最为广泛。套筒联轴器构造简单，径向尺寸小，但装卸困难（轴需作轴向移动）。且要求两轴严格对中，不允许有径向或角度偏差，因此使用时受到一定限制。绕行联轴器采用锥形夹紧环传递载荷，可使动力传递没有方向间隙。凸缘式联轴器构造简单、成本的、可传递较大扭矩，常用于转速低、五种及、轴的刚性大及对中性好的场合。他的主要缺点是对两轴的对中性要求很高。若两轴间存在位移与倾斜，救在机件内引起附加载荷，使工作状况恶化。根据所设计的系统为模拟实验实训系统，需要的转距不是很大，精度不高，又因为轴径较小，所以选择了套同式联轴器3.2.6 传动装置的选择传动装置选用闭式标准直齿圆柱齿轮传动。齿轮传动的适用范围很广，传递功率可高达数万千瓦，圆周速度可达150m/s(最高可达300m/s)。和其他机械传动比较，齿轮传动的主要优点是工作可靠，使用寿命长；瞬时传动比为常数；传动效率高；结构紧凑；功率和速度适用范围很广等。齿轮的设计1）材料的选取因传动载荷小，生产批量少，故大齿轮选用45钢,硬度为229-286HB，平均取240HB；小齿轮选用45，调制处理，硬度为240-280HB，平均取250HB。2）尺寸计算初选两齿轮的模数m=1，大齿轮的齿数为,小齿轮的齿数为,根据公式，计算得齿轮的传动比=1.255，符合齿轮单级减速的条件。中心距小齿轮: 齿顶高齿根高齿顶圆直径齿根圆直径分度圆直径大齿轮: 齿顶高齿根高=1.25齿顶圆直径齿根圆直径分度圆直径据机械设计相关知识校核计算得知，齿轮的设计符合要求。3.3 Y轴进给系统设计实例1、步进电机的选择和脉冲当量的确定根据数控钻铣床的精度要求，步进电动机脉冲当量：=0.02/Step，步角距=1.8/ Step。由于无减速装置，所以由=/360P可知，滚珠丝杠螺距，即基本导程P=5mm。2、步进电动机转轴上启动力矩的计算T=36F+(G+F)/2（）其中：F水平方向的切削抗力 F=260N；摩擦系数 =0.03；F垂直方向的切削抗力 F=650N；G移动部件的总重量 G=50N；总机械效率 =0.85；代入得： =47Ncm；由手册可知：T/T=0.866，则步进电机最大静转矩T= T/0.866=60N.cm（3）确定步进电机最高工作频率f=1000v/，v=0.025(m/s)f=10000.025/0.02=1250(HZ)根据以上参数，初选混合式步进电机。57BYGH6403采用两相四拍的通电方式。相数，3；步距角，1.8；电流，2.5A；静力矩,110Ncm；转动惯量，280gcm引线数，4。3. 滚珠丝杠传动的设计计算（1）最大动负载Q的计算 Q= ffP 其中f载荷系数取为1.0，f硬度系数取为1.2，P最大的工作负载，L使用寿命。工作负载P是指数控机床工作时，实际作用在滚珠丝杠上的轴向压力，他的数据可用进给牵引力的实验公式计算：对于类似圆柱导轨的机床： P=kP+f(P+2P+G)PX方向的切削力，取260N；PY方向的切削力，由于Y方向不进行切削，所以为0N；Pz方向的切削力，取为650N。G移动部件的重量,取50N,f导轨上的摩擦系数,k考虑颠复力矩影响的实验系数选用滚动导轨，在正常润滑情况下，对于类似燕尾型寻轨:k=1.4 ,f=0.03。 代入公式得: P=1.4*260+0.03*(650+0+50)=285N。而L=60nT/10式中n滚珠丝杠的转速（r/min）T使用寿命（小时）对于数控机床，n一般取1250 r/min，T一般取15000h，因为L=60125015000/10=1125Q=1.01.2285=3358.9N查表初步选用的型号为N系列1604-3，3列Q=4612N较为合适，这是一种内循环垫片调隙单螺母的滚珠丝杠副，其主要参数如下：名义直径：D=20mm，基本导程t=4mm，钢球直径：D=3.725 mm ，丝杠内径d=17.1 mm ，丝杠外径d =19.3mm ，循环列数3，额定动负载C=6612 N ，螺母外径D=72 mm，螺母内径 D=28 mm，螺母长度 L=40 mm。 （2）效率计算 从机械原理中得知，滚珠丝杠螺母副的传动效率=tg/tg(+)式中：-螺纹的螺旋升角；-摩擦角；=arctg=arctg=4.55滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f=0.0030.004，其摩擦角约等于10(tg= f=0.0030.004)。=0.965 （3）刚度的验算 从材料力学中得知，滚珠丝杠受工作负载（轴向力）P的作用而引起一个螺距t的变化量t,可按下式计算： t=其中：P-工作负载；t-滚珠丝杠螺距 ；E-弹性模数，对钢而言（E=20.110）；F-滚珠丝杠的横截面积（按内径而定）；t=0.3110cm由于扭矩引起的螺距误差远远小于轴向力引起的螺距误差，所以可以忽略不计。如果Y方向的滚珠丝杠的长度为100m,则整个工作长度上的螺距变形总误差：=100/0.40.3110=7.110cm/m查表得对E级丝杠，允许误差=15um/m，故该滚珠丝杠满足要求。(4) 稳定性验算机床的进给丝杠通常是一种受轴向力的压杆，如果轴向力过大，可使丝杠失去稳定性而产生翘曲。机床上的进给丝杠一般均为长柱。长柱压杆失稳时的临界负载P，可用材料力学中的欧拉公式计算：P=（N）E-丝杠材料的弹性模数，对钢而言E=2.110 N/cm；J-截面惯性矩，对实心圆杆而言，J=1445cm；l-丝杠的工作长度,l=290cm；u-丝杠的轴端系数，由支撑条件决定，本设计是两端向心轴承，u=1。 P=3.510N 临界负载P与工作负载P之比成为稳定性安全系数n。如果稳定性安全系数n大于许用稳定性安全系数 n，则该压杆安全不致失稳。n=3.710 n=4所以该滚珠丝杠不会失稳。(5) 由于钻、铣工作时，滚珠丝杠的转速比较低，滚珠丝杠传动时的振动就会非常小，所以临界转速就不用校核了。5 滚动轴承的选用计算丝杠轴承的载荷主要是轴向载荷，径向除丝杠和工作台的重量外，一般无外载荷，对丝杠轴承的要求主要是轴向精度和刚度较高，摩擦力矩要小。所以选用60角接触球轴承，该轴承是与滚珠丝杠配合的专用轴承， 现选用7000C型号，基本尺寸为:d=10mm,外径D=26mm,宽度B=8mm,基本额定动负荷C=4.29KN,基本额定静载荷C=2.25KN，极限转速（油润滑）为28000。由于横向与纵向的切削力相差不大，所以横向的滚动轴承也能满足要求。就不进行滚动轴承寿命的校核了。6、滚动导轨的选用本设计选用的滑动导轨中的圆柱的导轨， 该滚动导轨内部套有铜套，提高了耐磨性，并且其导向精度能满足一般数控钻铣床的要求，同时，运动平稳，耐磨性和刚度都能符合要求。根据相关经验公式及选用原则，分别对其他两个方向的各个部件进行选择，为了提高互换性，并且在装配时统一，首先分别进行计算，然后选取性能更高的零部件，这样不但保证个各个性能要求。其余计算过程在此将不再一一赘述。第四章 第四章 虚拟样机的制作根据设计计算结果，首先进行了Solidworks的三维模拟，以下是其中部分零件及装配图的基本外观形状，其余各零件图及部件图见附光盘。4.1 微型数控铣床部分零件图4.1.1 减速箱齿轮图44.1.2 工作台图54.1.3 滚珠丝杠图64.1.4 套筒式联轴器图74.1.5 横梁图84.1.6 滚动轴承图94.1.7 轴图104.2 两轴实验型数控系统总装配图图11第五章 第五章 控制系统任何一个微机数控系统都是由硬件和软件两部分组成的，硬件是软件运行的基础，而只有配置了软件的硬件才是可以工作的控制系统。其核心是计算机数字控制装置。它通过系统控制软件配合系统硬件、合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。 随着电子技术的进步，微型计算机的发展突飞猛进。其发展之一就是将微处理器及其外围芯片，如程序存储器、数据存储器、并行、串行I/O口、定时器/计数器、中断控制器及其他控制部件集成在一个芯片之中，制成单片机（Single Chip Microcomputer）。单片机正朝着高性能和多品种方向发展，今后单片机的发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗、小体积、大容量、高性能、低价格和外围电路内装化等几个方面发展。5.1 步进电机驱动器的选择步进电机的运行特性与配套使用的驱动电源有密切联系。驱动电源由唤醒脉冲分配器、功率放大器组成如图12所示：图12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照要求的配电方式自动地循环供给电动机的各个绕组，以驱动电动机的转子正反向旋转。从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增加到几至几十毫安，从而驱动步进电机运转。因此，只要控制输入电脉冲的数量和频率就可精确地控制步进电机的转角和速度。环形分配器输出的电流很小（毫安级），不能直接驱动步进电机，需要功率器将脉冲电流放大到几安培甚至几十安培，才能驱动电动机。放大电路对步进电机的性能起着非常重要的作用。功率放大的类型很多，从放大元器件来分，可以用功率晶体管、可关断晶闸管、混合元件来组成放大电路；从工作原理来分，有单电压、高低电压切换、恒流斩波、调频调压、细分驱动电路等。从工作原理上讲，目前用的最多的是恒流斩波电路。斩波恒流功率放大电路如图所示。该电路的工作特点是：Vin端输入方波步进信号，当Vin为“0”电平时，由与门A2输出Vb为“0”电平，功率管（大林顿管）VT截止，绕组W上没有电流通过，采样电阻R3上没有反馈电压，A1放大器输出高电平；当Vin为高电平时，由与门A2输出的Vb也是高电平，功率管VT导通，绕组W上有电流，采样电阻R3上出现反馈电压Vf，由分压电阻R1、R2得到设定电压与反馈电压相减，来决定A1输出点评的高低，来决定Vin信号能否通过与门A2。若VrefVf时，Vin信号通过与门，形成Vb正脉冲，打开功管VT；反之，VrefVf时，Vin信号被截止，无Vb正脉冲，功率管VT截止。这样在一个Vin脉冲内，功率管VT会多次通断，使绕组电流在设定值上下波动。各点的波形图如图13所示：图13在这种控制方法中，绕组上的电流大小和外加电压大小+U无关，由于采用R3的反馈作用，使绕组上的电流可以稳定在额定的数值上，是一种恒流驱动方案，所以对电源的要求很低。驱动电路中绕组上的电流不随步进电机的转速而变化，从而保证很大的频率范围内，步进电机都输出恒定的转矩。这种驱动电路虽然复杂，但绕组的脉冲电流边沿陡，由于采样电阻R3的组织很小（一般小于1），所以主回路电阻较小，系统的时间常数较小，反应较快，功率消耗小，效率高。所以这种功率放大电路在实际应用中非常广泛。本次设计的数控系统装置采用了集成的斩波恒流功率放大元件SLA7026M，它构成了实用两相四拍步进电机的驱动电路。其中A、B、C、D是四线的控制信号的输入端，通过分压电阻R2、R3得到控制信号Vref，由芯片的REFA、REFB端输入；R5、R6是绕组电流采样点组（1），分别接在RSA、RSB端上，控制绕组电流；功率输出端OUTA、OUTB、分别接在步进电机的A、B、C、D的四个绕组上；VS为稳压管，用来防止输入电流超过额定值而损坏芯片和电机。另外，SLA7026M芯片内部设有光电隔离电路，间接起到了光电隔离的作用，所以不用在功率放大器前面再加光电隔离电路。CNC系统对步进电机驱动电源的要求是要能提供幅值足够、前沿较好的激磁电流，并且本身功耗小，效率高，运行可靠平稳。基于以上原则，作者采用了BQH-300型步进电机驱动器，该驱动器采用高压恒流斩波驱动方式，即在电机绕组回路中，串联一个电流检测回路，当绕组电流降低到某一下限值时，电流检测电路发出信号，该信号与来自PC机的脉冲信号经过与门综合后控制将高压电流接通，使绕组电流上升，当电流上升到上限值时，高压电源再自动断开，这样经过重复接通和断开使绕组电流的平均值增加。BQH-300型步进电机驱动器具有高频特性好、输出转矩大，功耗小，可靠性高和运行平稳的特点。驱动器内部具有过流保护线路，进一步提高了可靠性。驱动器由电源板和功放板两部分组成，具有体积小，结构紧凑，维修方便的特点。工作原理如图所示。图14 驱动器工作原理图信号输入光耦光耦相序分配专用芯 片整 形功 放步进电机用8255经光电隔离向三个方向的步进电机驱动器输出控制信号，进而控制三个方向步进电机的运动，如图4所示。其中， 8255的PA口的PA0、PA1作为脉冲信号和换向信号，连同GND、Vcc信号来控制X轴步进电机的运动； PA2、PA3作为脉冲信号和换向信号，连同GND、Vcc信号来控制Y轴步进电机的运动；PA4、PA5作为脉冲信号和换向信号，连同GND、Vcc信号来控制Z轴步进电机的运动。A1A0D7D0PA0PLC图15输出控制电路RESETPB口PC口PA1A2PA3PA4PA5GNDVccX轴步进电机驱动器Y轴步进电机驱动器Z轴步进电机驱动器光电隔离PA0、PA1、GNDPA2、PA3、GNDPA4、PA5、GND5.2 变频器的选择5.2.1 外部结构VFO超小型变频器的外部结构如图16所示。图16 VFO超小型变频器的外部结构它主要包括接线端子和操作面板两大部分。操作面板用来进行内部控制方式的各种操作和各种参数的设置。接线端子使变频器和电动机、外部控制信号连接。常用控制信号接线端子的功能如表1所示。表1 常用控制信号接线端子的功能端子号端 子 名 称端子功能相关参数的设定值1频率设定用电位器输入端电位器的固定端接端子1、3，中心引线接2。调节电位器，即可改变设定频率P09:应设为22频率设定模拟量输入端3公共端5运行/停止输入端5与3导通，变频器RUN，否则STOPP08：应设为46正转/反转输入端6与3导通，电动机正转，否则反转10开路式输出端根据P25的设定值的不同，10、11接通的意义不同。详细说明请参考使用说明书。11开路式输出端A继电器触头输出端A-C为常开触头、B-C为常闭触头，根据P26的设定值的不同，触头导通的意义不同。详细说明请参考使用说明书B继电器触头输出端C继电器触头输出端5.2.2 运行方式VFO超小型变频器有内部运行和外部运行两种运行模式。内部运行模式由操作面板上的各种控制键实现变频器频率的设定和运行、停止以及正、反转控制。外部运行模式用连接在1、2、3端子上的外部电位器设定变频器的频率以及用连接在5、6与3之间的开关的闭合、断开来控制变频器的运行、停止和正反转。5.3 定位模块的选择选用FX2N-20GM脉冲发生单元（后面称作“PGU”），通过给伺服电机驱动器或步进电机驱动器发脉冲，可实现两轴定位（可实现两轴联动控制）。作为PLC的一种特殊模块，可单独工作，也可与PLC连接使用。当与FX2N系列的PLC连接使用时，利用模块自带扁平电缆直接与PLC的扩展口或扩展模块扩展口连接；模块地址依与PLC连接的顺序从左往右分别为#0、#1、#2、；与PLC之间使用FROM和TO 指令传递数据与命令。5.4 其它辅助电路的选择5.4.1越程报警电路 为了防止机床行程越界，以至造成不必要的破环，所以在机床上设有行程控制开关。报警信号电路铲上的信号送至8031的中断口，当机床行程越界时，该越界信号就会传到中断口，从而使8031产生中断，即CPU会停下当前的任务，来执行中断操作。 5.4.2 掉电保护电路单片机在运行过程中，如果发生掉电将会丢失RAM和寄存器中的数据。为此设掉电保护电路。具体做法是当电源出现故障时，立即将有用的信息转到内部RAM中。信息转存通过中断服务程序完成。设置一个电压检测电路，当检测到电压下降时，通过或产生一个中断请求，单片机中断响应后，执行中断时服务程序便可把有用的信息送内部RAM中保护起来。单片机电源Vcc端接有滤波电容，掉电后，电容储存的电能尚能维持有效电压达几毫秒之久，足以完成掉电中断操作。信息转存立即接通备用设备维持内部RAM的供电，保护转存信息不被破坏。备用电源由单片机的Rst/Vpd引脚接入。为能及时接通备用电源，系统中接有自动切换电路。切换电路由二极管VD1、VD2组成，当电源电压高于Rst/Vpd引脚的备用电源电压时，VD1导通，VD2截止。内部RAM由Vcc供电。当V
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