铣床的数控xy工作台设计大学毕设论文

西南科技大学本科生毕业论文 I铣床的数控X-Y工作台设计摘要：随着现代信息技术的发展，以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化和提高产品质量为主的精密化成为现代机械加工技术发展的两个主要方向。人们对数控机床、精密仪器和仪表以及各种精密机械设备提出了越来的精度要求，X-Y工作台是这些设备实现高精密加工的重要部件，对于提高产品的加工起着尤为重要的作用。本论文针对铣床工作台机构及其控制系统进行设计，主要包括伺服电动机的选型，滚珠丝杠的选型、强度校核及生产设计中应注意的问题,连接电机和滚珠丝杠副的联轴器的选型，导轨的设计。根据系统的功能要求，选择数控系统的CPU，同时还需要扩展程序存储器、数据存储器以及步进电机驱动器的选择。关键词：X-Y工作台； 滚珠丝杠； 步进电机西南科技大学本科生毕业论文 IIThedesignofCNCmillingmachinesystemXYworkbenchandcontrolsystemAbstract：Withthedevelopmentofmoderninformationtechniques,thehighautomationwiththemainpurposeofimprovingtheproductionefficiencyofproductprocessandtheaccuracywiththeaccuracywiththemainaimofimprovingthequalityofproducthavebeenbecomingthetwomajordirectionsofthemoderntechniqueofmechanicalprocess.PeopleontheCNCmachinetools,precisioninstrumentsandmetersandallkindsofsophisticatedmachineryandequipmentraisedhigherandhigherprecision,X-Yworkbenchisthatimportantcomponentsofthesehigh-precisionmachiningequipmenttoachievethecorecomponents,forimprovingthequalityofprocessedproductsplaytheparticularlyimportantrole.Theentiremechanicaltransmissionchainforthesystemdesign,servomotorrelatedtotheselection,theselectionofballscrews,checkingstrengthandproductiondesignshouldpayattentiontotheproblemofconnectingtheservomotorandtheballscrewoftheaxis.TheTelectionandVerification,bearingpiecesbearingthedesign,railandrackdesign.Accordingtothefunctionrequirementofsystem,theselectionoftheCNCsystemCPU.Itwouldalsoneedtoexpandtheprogrammemory、datamemoryandthechoiceofsteppermotordrivepower.Throughthetablemechanicaltransmissionchainsystemdesigntomeetthemachineintothesystemtothepositioningaccuracyandstaticanddynamicperformance,soastoensuretheaccuracyofprocessingmachine.Keywords:TheX-Yworkbench,Ballscrew,steppermotor.西南科技大学本科生毕业论文 II目录第1章绪论...................................................................................................................11.1X-Y工作台的研究背景..........................................................................................11.2X-Y工作台的研究意义..........................................................................................11.3国内外研究现状......................................................................................................2第2章设计任务及方案...................................................................................................32.1工作台设计任务......................................................................................................32.2机械传动部件的选择..............................................................................................32.2.1导轨的选用....................................................................................................32.2.2丝杠螺母的选择............................................................................................32.2.3电机的选用....................................................................................................32.3控制部分部件的设计..............................................................................................4第3章机械传动部分的设计计算...................................................................................53.1确定系统的脉冲当量.............................................................................................53.2工作台外形尺寸及重量初步估算.........................................................................53.3铣削力和工作载荷的计算.....................................................................................63.4滚动直线导轨的计算选择......................................................................................73.4.1导轨副的载荷计算........................................................................................73.4.2导轨副的选型和安装....................................................................................93.5滚珠丝杠副的计算选型........................................................................................113.5.1最大工作载荷的计算..................................................................................113.5.3滚珠丝杠副的选型......................................................................................123.5.4传动效率的计算..........................................................................................133.5.5稳定性的计算..............................................................................................143.5.6滚珠丝杠副刚度的计算..............................................................................143.5.7滚珠丝杠副临界转速的验算......................................................................163.6轴承和联轴器的选用............................................................................................163.6.1轴承的选用..................................................................................................163.6.2联轴器的选用..............................................................................................17西南科技大学本科生毕业论文I第4章电机的计算和选型.............................................................................................194.1步进电机的选择和计算.......................................................................................194.1.1计算转动惯量..............................................................................................194.1.2计算空载时在步进电机上的负载转矩......................................................204.1.3计算最大负载时在步进电机上的负载转矩..............................................214.1.4步进电机的校核..........................................................................................234.1.5步进电机的安装..........................................................................................244.2步进电机驱动器的选择.......................................................................................24第5章控制电路设计.......................................................................................................265.1控制部分总体方案................................................................................................265.1.1绘制系统电气控制的结构框图.................................................................265.1.2选择中央处理单元CPU的类型................................................................275.1.3存储器扩展电路设计..................................................................................275.1.4I/O即输入/输出接口电路设计...................................................................275.2MCS-51系列单片机简介.....................................................................................275.2.18031单片机的简介.....................................................................................275.2.28031单片机的基本特征..........................................................................285.2.38031芯片引脚及其功能.............................................................................285.3程序存储器扩展电路的设计...............................................................................305.3.12764芯片介绍.............................................................................................305.3.22764芯片和引脚.........................................................................................315.3.3地址锁存器..................................................................................................315.4数据存储器的扩展...............................................................................................335.4.1常用的数据存储器6264及其引脚............................................................335.4.26264数据存储器扩展图.............................................................................345.5I/O口的扩展..........................................................................................................355.6键盘显示器的电路设计.......................................................................................375.6.1显示接口电路设计......................................................................................375.6.2键盘接口电路设计......................................................................................385.7其他辅助电路.......................................................................................................39西南科技大学本科生毕业论文 V5.7.18031的时钟电路 395.7.2复位电路 395.7.3行程限位电路 40第6章控制软件设计 416.1.系统控制功能分析 416.2.步进电机自动进给程序 41总 结 43致 谢 44参考文献 45附录1 46西南科技大学本科生毕业论文第1章 绪 论1X-Y工作台的研究背景现在社会和科技的发展越来越快，人们对机械产品的数量和质量要求上日益变高，制造业也在追求在生产力和生产效率上得到巨大的突破。 而想要满足人们的要求，实现机械设备的自动化显得越来越重要。在航天、军工、食品加工机械等行业产品，单件小批量生产的零件占到了主导地位，基本占到了机械加工总量的 80%。面对着产品竞争十分激烈的现在， 要让产品改型和更新更快和有力， 采用自动机床、组合机床和专用机床为主体的自动生产线， 用多刀多工位加工的实现的高度自动化生产，显得尤其笨重，不仅不适合小批量生产，而且初期需要的投资巨大。而各类仿形加工虽然适应这种小批量生产，但是还是存在模误差和精度的问题。1.2X-Y工作台的研究意义在没有投资巨大的专业化很高的自动化设备生产情况下，实现机床的数控变得尤为重要。发展起来的数控铣床，和在其基础上的加工中心、柔性加工单元都实现了一定的数字控制，而且数控铣削工艺最复杂，需要解决问题也多，所以现在在研究和设计数控系统时，都以铣削加工为工作重点。而X-Y数控工作台也是数控装置的一种，它很有效的解决了为小批量，精密复杂零件的生产的困难的问题，所以X-Y数控工作台设计对很多行业的发展越来越重要。制造工业的科技水平和自动化程度影响着人们生活经济水平的发展，而数控设备又是很多尖端技术的最基本的装备，而由微机控制的数控机电一体化产品用于生产，也是必然发展的趋势。X-Y数控工作台，结构简单，实现方便可以保证一定精度，制造成本低，是微机控制的最简单的应用，而且 X-Y数控工作台可以用于很多场合，例如，钻数控铣床的 X-Y工作台，激光加工的工作台等。甚至对机械传动进行部分的改造，和研究关节臂机器人的基本原理相通。 而且现目前，随着经济和时代的发展，机械行业中的很多普通机床都被闲置和淘汰，而加上X-Y数控工作台，或者经过数控改造后，可以重新加入提高精度和生产率的现代生产中来，使它们更有效的发挥经济和设计效益。1西南科技大学本科生毕业论文1.3国内外研究现状现在国际的数控机床正朝着， 高速高精度、多功能和网络智能化、柔性化方面发展，而数控X-Y数控工作台也会得到巨大的发展。 21世纪也是我国经济与国际全面接轨的时期，制造业对数控机床的大量需求以及计算机技术和现代设计技术的飞速进步，数控机床的应用范围还在不断扩大， 并且不断发展以更适应生产加工的需要， 来高档机床市场巨大。目前，X-Y工作台发展很快，中国作为制造大国，还是依靠价格、资源和劳动力方面的优势，而在技术创新和自主开发上还存在很大差距， 我们应该朝着国际化的脚步，努力缩短差距，解决 X-Y数控工作台仍然存在的诸多问题，实现X-Y数控工作台产品从低端到高端的转变。1.4数控铣床系统XY工作台设计的目的使工作台实现数控：让数控机床完成普通机床难以完成的或根本无法加工的复杂零件的加工；提升机床的加工精度、柔性、生产率和操控，实现计算机控制，排除人为误差，使零件的加工一致性好，质量稳定可靠；提升机床自动化程度，降低操作人员劳动强度。能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论的有关知识， 学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法； 通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法； 通过毕业设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。2西南科技大学本科生毕业论文第2章 设计任务及方案1工作台设计任务主要技术指标：（1）铣床立铣刀最大直径 d=15mm,立铣刀齿数Z=3,最大铣削宽度ac 15mm，最大背刀量ap 8mm，加工材料为碳素钢。（2）工作台尺寸：（长×宽）350×300（mm×mm）（3）工作行程：横向：320mm 纵向：220mm4）工作台空载运动速度2000r/min;最快加工速度1000r/min。5）工作寿命：按工作6年，每年300天，每天8个小时计算14400h，按15000h进行计算。（6）定位精度： 0.01mm。2.2机械传动部件的选择2.2.1导轨的选用要设计的 X-Y工作台需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高。故可以选用直线滚动导轨，它有摩擦系数小运动灵活的特点， 动、静摩擦系数大致基本相同，同时启动的阻力小，不易爬行；刚度高，寿命长；可以达到较高精度，润滑比较方便，由专业厂生产，可外购。2.2.2丝杠螺母的选择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， 要满足0.01mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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。2.2.3电机的选用选择步进电动机，它具有快速的启停能力，精度高，可以直接接受数字量等优点。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量， 从而达到准确定的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度， 从而达到调速的目的。有较宽的调速范围，而且可以采用开环控制，电机结构简单，成本较低，可以提高性价比。而且步进电机可以选择配套的的驱动器可以选用，控制方便。3西南科技大学本科生毕业论文2.3控制部分部件的设计（1）控制芯片的选用数控X-Y工作台作为一个数控系统，就需要有控制系统，本设计采用单片机进行控制，考虑到计算机，体积庞大，对环境要求较高，且价格昂贵，这里不合适使用，单片机控制系统结构简单，使用方便，实现模块化；单片机可靠性高，处理功能强，速度快。低电压，低功耗，便于生产便携式产品控制功能强，环境适应能力强。单片机控制系统可以完成步进电机的控制要求，而且初选了步进电机的开环控制系统中，选用对于步进电动机的开环控制系统后， 选用单片机作为控制系统的控制器， 是比较合适选择。要组成完整的系统，单片机还需进行程序存储器，数据存储器，以及I/O口的扩展。（2）步进电机驱动器的选用采用步进电机控制丝杠螺母的水平移动，步进电机可以用步进电机的驱动器进行驱动，此处就不用设计步进电机的驱动电路。（3）硬件电路的设计硬件电路应该包括以下的几个功能，数控X-Y工作台需要一个输入设备，显示设备，和步进电机控制电路。外部晶振电路和时钟电路也要进行设计，工作台总体硬件结构如图所示：图2-1 工作台硬件整体方案4西南科技大学本科生毕业论文第3章 机械传动部分的设计计算3.1确定系统的脉冲当量脉冲当量是指是当控制器输出一个定位控制脉冲时， 所产生的定位控制移动的位移。对直线运动来说，是指移动的距离，对圆周运动来说，是指其转动的角度。应小于等于工作台的位置精度，故初步确定系统的精度为 0.01mm，系统脉冲当量0.01mm。3.2工作台外形尺寸及重量初步估算（1）工作台尺寸：（长×宽）350×300（mm×mm）（2）工作行程： 横向：320mm 纵向：220mm图3-1工作台机械部分外型考虑到刚度和强工作台上的T型槽，根据《机械零件切削加工工艺与技术标准实手》冯道版，根据机床工作台的T形槽和相应螺栓(GB/T158-1996)，由选取T型槽尺寸A=5mmB=10mmC=4mmH=10mm。图3-2 工作台机械部分外型5西南科技大学本科生毕业论文估计工作台的重量：长 宽 高 350 300 20由质量=体积*材料密度，可得为:Wx=350 300 20 103 7.8 102 163.8NX向拖板尺寸为: 720 25015向上拖板重量WY=720 250 15 103 7.8 102=210.6N上导轨(含电机)重量为夹具及工件重量约为 Wa=200NX-Y工作台上半部分运动部分总重量为：W总=WY+Wx+Wa=163.8+210.6+200≈600N3.3铣削力和工作载荷的计算以加工材料为碳素钢或其他有色金属及加工材料的具体参数， 选用立铣刀，铣刀参数如表3-1所示：表3-1 加工铣刀的主要参数最大铣刀直径 最大切削宽度 最大背吃刀量 铣刀齿数d 15mm ae 15mm aP 8mm Z 3设零件采用硬质合金铣刀，并以立式的方式加工，工件的材料是碳素钢，由《数控加工工艺与编程》杨建明版，可得 d 15mm的硬质合金立铣刀的切削参数如下：每齿进给量fz0.1mm，铣刀转速n300r/min，由《数控加工工艺与编程》可得铣削力的计算公式：Fc118ae0.85fz0.75d0.73ap1.0n0.10Z将数据代入上式，可得：Fc118150.850.10.75150.7381.03000.1031229N31立铣刀进行圆柱铣削，各铣削力之间的比值查《金属切削原理与刀具》韩荣第版可得，铣削力之间的比值范围如表 3-2所示：考虑到逆铣，受力最大的情况取为最大，分别取于Ff=1.2Fm=0.3Fe=0.4Fc Fc Fc6西南科技大学本科生毕业论文表3-2 逆铣时铣削力之间的比值范围Ff1.0~1.2FcFmFcFe

0.2~0.3Fc

0.35~0.4则这三个方向所受的铣削力分别为：Ff1.2Fc1.212291474.8NFm0.3Fc1.21229368.7NFe0.4Fc1.21229491.6N采用立铣加工，工作台受到的铣削力垂直方向为FZ，受到水平方向铣削力分别为Ff和Fm，将较大的水平方向的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力Fx等于Ff，径向铣削力FyFxFf1474.8NFyFm368.7NFzFe491.6N3.4滚动直线导轨的计算选择3.4.1导轨副的载荷计算影响寿命的重要因素是工作载荷，故对最大垂直方向所受最大载荷进行计算，本工作台用双导轨，四滑块支承，当一个滑块承担全部垂直台面的工作载荷时，此时对导轨副垂直方向有最大承载能力的要求：FmaxW32F4工作台上半部分移动部重量 ――W=600N外加载荷为垂直方向载荷 ―― F=491.6N则最大工作载荷：Fmax600491.6641.6N47西南科技大学本科生毕业论文预计工作作台满足寿命 6年，一年300天，每天8小时工作情况下，则工作台的小时的额定寿命为Lh 6 300 8 14400h考虑到特殊情况，取工作台的额定寿命为 15000个小时。计算距离的额定寿命由公式LhL1032ns3360可得：2ns60Lh34L310其中：Lh ——导轨按小时的额定工作寿命；——工作间每分钟移动往返次数（4~6），取5；——为移动件行程长度，工作台X向行程为320mm，Y向行程为220mm，考虑行程较大的方向进行计算，取为 320mm；代入上式，得：2ns60Lh21.510460320602880KML310310额定动载荷的计算，由滚珠型滚动直线导轨副计算寿命公式可得：fhftfcfaC3(km)35L50()fwFmax式中：ft ——温度系数；fa——精度系数；fw ——载荷系数；fc ——接触系数；fh——硬度系数；——导轨副的额定动载荷；——为额定动作寿命，之前计算得2880KM；Fmax——为滑块的工作载荷，由之前计算可得 Fmax 641.6N；8西南科技大学本科生毕业论文表3-3温度系数ft工作温度（C）100100~150150~200200~250ft1.000.900.730.60表3-4接触系数fc每根导轨的上的滑块数12345fc1.000.810.720.660.61表3-5精度系数fa精度等级12345fa1.01.01.00.90.9表3-6载荷系数fw工作条件无外部冲击或振动的低速运动场合，无明显冲或振动的中速运动场合，有外部冲击或振动的高速运动场合，

fwV15m/min1~1.515V60m/min1.5~2V60m/min2~3.5上面导轨硬度为60HRC，工作温度不超过100C，每跟导轨只有两个滑块，故精度与为4级根据上表得数据取温度系数ft1；接触系数fc0.81；精度系数fa1；载荷系数fw2；硬度系数fh可由下式算得:fh（滚道实际硬度的HRC)3.63658一般按产品技术规定，滚道硬度一般不能低于5HRC；故一般取fh=1带入上式，可得：288050(110.811C)3(km)2641.6经过计算可得:C 6130.39N。3.4.2导轨副的选型和安装初选陕西汉江机床厂生产的导轨 HJG-DA20C9西南科技大学本科生毕业论文图3-3直线滚动导轨导轨的安装的具体尺寸如下：图3-4导轨的安装尺寸图及承载力矩表3-7导轨的安装尺寸组件尺寸导轨尺寸HWW1H1dDhF3012201869.58.560滑块尺寸ABB1KCL1LNEM14432625365076512M56导轨的具体参数如表 3-18：可得导轨的额定动载荷为 12600N，大于6595N，故满足设计要求，且有充裕余量。装配与安装，由安装尺寸进行安装。10西南科技大学本科生毕业论文表3-8 工作台所需导轨长度尺寸额定载荷/N静态力矩/N*M滑座导轨导轨重量重量长度动载荷静载荷TATBTCKgKg/mCaCoL(mm)12600218001431432130.252.3横向580mm纵向480mm滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M（个）lS（m）n40.3243.5滚珠丝杠副的计算选型3.5.1最大工作载荷的计算立铣时，工作台的最大工作载荷由式：FmKFx(FZFyW)37进行计算。其中：W——工作台总重量，为 600N；K——取颠覆力矩影响系数，取为 1.1，——滚动导轨上的摩擦系数，由一般取为 0.005。FX ——进给方向工作载荷，为1474.8N；FY ——横向方向工作载荷，为368.7N；FZ ——垂直方向工作载荷，为491.6N，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm KFx (FZ Fy W) 1629.58N3.5.2最大动载荷的计算工作台的在最大负载时（及承受最大切削力时）快进速度为 V 1000mm/min，丝杠导X成l0 5mm，此时丝杠转速v 1000n 200r/min。l0 5给定丝杠使用寿命为 15000h，丝杠寿命系数由式计算得出11西南科技大学本科生毕业论文L60nLh38106式中：Lh ——导轨按小时的额定工作寿命；——工进时的转速；代入上式，可得L60nLh6020015000180(106r)39106100000最大动载荷的计算：由式3310QXLfwfhFm式中：QX——滚珠丝杠副的动载荷；L ——丝杠寿命系数；fw ——滚珠丝杠副的载荷系数；fh——滚珠丝杠副的硬度系数；Fm——滚珠丝杠副的最大工作载荷；取载荷系数为 1.2，硬度系数fh 1.0（滚道硬度大于 60HRC）。代入上式可得：QX 3 LfwfhFm 3180 1.2 1.0 1629.58 11041.1N3.5.3滚珠丝杠副的选型丝杠选取陕西汉江机床厂 HJG-S2005-5型号尺寸如下图3-5 丝杠螺母副的安装尺寸根据计算出的最大动载荷和丝杠导程， 选择汉江机床厂生产的 HJG-S2005-5的滚珠丝杠副，为外循环单螺母突出式。其公称直径为 20mm，导程为5mm。12西南科技大学本科生毕业论文表3-9丝杠的基本尺寸公称直径d0基本导程L0丝杠外径d滚珠直径db螺旋升角20519.53.175433'表3-10丝杠螺母安装尺寸循环螺母安装尺寸圈数Dg6D1D2BMd2d3dMh22.5366048114105.8M66表3-11 丝杠螺母计算尺寸名称 计算公式接触角 ――钢球直径db ――螺纹滚道法向R 0.52db半径Re (R db 2)sin偏心距et螺纹升角 arctgd0d d0 (0.2~0.25)db丝杠外径dd1 d0 2e 2R丝杠内径d1循环圈数动载荷额定载荷静载荷接触刚度3.5.4传动效率的计算丝杠螺母副的传动效率为：

结果4503.175mm1.6510.0449mm，3319.5mm16.79mm2 2.5 2 2.515789N36580N1185(N/ m)13西南科技大学本科生毕业论文tgtg433，0.07958311)tg(433，10，)0.965tg(0.0825其中，——为丝杠螺旋升角，为 244；——为摩擦角，为10，；3.5.5稳定性的计算丝杆直径d=16.79计算得截面惯性矩d43.1416.7943898.99mmI3126464fk2EI13.1422.11053898.99313Fkka23430229107.3N式中fk——为支承系数，取为 1；E——为钢的弹性模量 E=2.1105Mpa；K——为压杆稳定安全系数，取为 3；a——滚动螺母至轴向固定处的距离，最大值为 430mm；临界载荷Fk29107.3N。Fk29107.317.86，由于17.68远大于安全系数[nk]4，丝杆的稳定性nk1629.58Fm故丝杆的稳定性达到要求，不会失稳。3.5.6滚珠丝杠副刚度的计算（1）X-Y工作台采用单推的形式，左右支承的中心距约为430mm，刚的弹性模量E=2.1105Mpa，滚珠直径db3.175mm，丝杠的最小直径为。d=16.79mm丝杠的横截面积S=d23.1416.792221.29mm244滚珠丝杠在工作负载 F下和扭矩T的共同作用下，所引起的变形量为：FaTa141ES32IE14西南科技大学本科生毕业论文而丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计，使用故1Fa进行计算ES即可。Fa1629.5843012.11050.015mmES221.29式中F ——丝杆所受的最大载荷，为 1629.58N；——丝杆最小的横截面积，为221.29mm2；——刚的弹性模量，为2.1105Mpa；——中心距，为221.29mm2；（2）根据公式：d03315ZDW得单圈滚珠数为Z=17，改型号为丝杠为单螺母，滚珠圈数为2.52，代入公式Z总1722.585颗。丝杆有预紧力F预Fm568.1N，则有320.0013Fm0.00131629.580.0090mm3163DWF预Z总568.18521033.175式中DW——为滚珠丝杠副内滚珠直径，为3.175mm；F预——为滚珠丝杠副丝杆预紧力珠，算得568.1N；Z总——为滚珠总数，为85颗；Fm ——为丝杆承受最大载荷；求得滚珠与螺纹道间的接触变形量为 0.0090mm，实际丝杆有部分预紧力，且为轴向负载的三分之一，故实际形变量为二分之一，取为 0.045mm(3)总120.0150.00450.0195mm19.5m设计的X-Y工作台的X方向程为430mm，由图知3-6知15西南科技大学本科生毕业论文图3-6丝杠的精度等级5级精度滚珠丝杠有效行程在 400mm到500mm时，行程公差ep和行程变动差Vup允许达到27mm和26mm，可见丝杠刚度足够。3.5.7滚珠丝杠副临界转速的验算丝杠可能会存在共振的现象，需要验算临界转速。由公式nmaxf22d231799102Lc式中nmax——丝杆的临界转速；f2——丝杆支承为一端固定，一端游支，故取为3.927；d2——d2d01.2Dw201.23.17516.19mm；Lc——是临界转速的计算长度，取为16.2mm；代入上式得：f22转d2nmax991029428.3/minLc远远大于滚珠丝所需的转速，故丝杆不会发生共振。故选择的丝杠 HGJ-S2005-5的滚珠丝杠副完全满足设计要求， 螺母安装，可根据安装尺寸进行配合安装。3.6轴承和联轴器的选用3.6.1轴承的选用工作台主要承受轴向载荷较大，故输出端选用双向推力球轴承，但同时也有部分径向载荷，故两端选用和深沟球轴承。双推力球轴承可承受双向轴向负载，中间有紧圈，另外两圈为松圈，但是此轴承不能承受径向载荷，故一般和向心轴承配合，组合16西南科技大学本科生毕业论文成组合轴承一起使用。故选用主要径向载荷的深沟球轴承与双向推力球轴承配合。 两轴承型号分别为深沟球轴承 6302和推力球轴承51204。1）推力球轴承51204图3-7推力球轴承表3-12推力球轴承的尺寸及安装尺寸d D T r d1 Da1 D1 ra 额定动负 额定静负载载（N） （N）20 40 14 0.6 40 28 22 0.6 22200 37500（2）深沟球轴承6302图3-8 深沟球轴承尺寸及安装尺寸深沟球轴承的尺寸及安装尺寸如图所示，此处不再累述3.6.2联轴器的选用刚性凸缘联轴器制造容易，结构简单， 很少需要维护，耐腐蚀，承受负载时，无回转间隙，对安装底座刚性好、对中精度很高、冲击载荷小、对减振要求不高的场合。根据选出的步进电机和丝杠输出轴头的参数，选用 YL1型凸缘联轴器。输入端选用J1型孔，输出端选用 Y型孔，轴孔之间采用键连接的形式进行配合。凸缘联轴器样式如图3-9所示：17西南科技大学本科生毕业论文图3-9凸缘联轴器表3-13凸缘联轴器的尺寸型公称扭许用转速轴孔直轴孔长度DD1L0转动重号矩[n]r/min径dL惯量量Tn(Nm)（H7）（kg.mkg2）铁钢铁钢Y型J1型YJ1YL11081001300014143227715368580.00180.9418西南科技大学本科生毕业论文第4章电机的计算和选型1步进电机的选择和计算4.1.1计算转动惯量已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长L=450mm，导程Ph=5mm，移动部件总重力W=600N；滚珠丝杠的转动惯量：Js 0.78103 D4 L式中D——为丝杠的公称直径，为 20mm；——为丝杠的长度；丝杠的有效长度=行程+螺母长度+设计余量+两端支承长度+联轴器的长度（一半）；丝杠的长度：L=320+90+30+60=110=600mm。Js0.78103D4L0.7810324600.7488kgcm2；工作台折算到丝杠的惯量JT：JT(Ph)2mi412式中Ph——丝杠的导程，为5mm；m——工作台的质量，为60061.2kg；i9.8代入上式，可得：JT(Ph2mi(0.5)2600cm22)0.388kg6.289.8初选步进电动机的型号为86HE127-28V14-32,为五相混合式步进电动机，由美蓓亚斯生产，步距角为0.72°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=3kgcm2总的转动惯量：J总Jm(JTJS)42i219西南科技大学本科生毕业论文式中：Jm——电机的自身的转动惯量，为3kgcm2；JT——工作台折算到电机的转动惯量，为0.388kgcm2JS——为滚珠丝杠的转动惯量，为0.7kgcm2i——为传动比，因为此处没有减速器，故取为1(JTJS)(0.74880.388)2J总Jmi2Jm14.136kgcm惯量匹配的验算，电动机的轴向比例要控制在一定的范围以来， 为使系统达到合理的配合，一般控制比值在1至1之间，Jm30.725，故1Jm1，满足惯4J总4.1364J总量匹配的原则。4.1.2计算空载时在步进电机上的负载转矩快速空载启动情况下加在电动机轴上的最大加速转矩：T空载 Tamax Tf1工作台 Tf1滚珠丝杠Tamax——快速空载启动时电动机转轴上最大转矩；Tf——分别为空载时移动部件、滚珠丝杠运动时折算到电动机的摩擦转矩。根据初步选定工作台空载时的最快速度为 2000r/min，电动机步距角为 0.72度；脉冲当量为0.01mm/脉冲，可计算出步进电机对应空载时最快移动步进电动机的转速。Vmax20000.7243nm360400r/min3600.01由公式可知：Tamax2J总nm144J总60ta式中：ta——步进电机由静止加速至nm所需时间，设为0.5s；——传动链总效率，取为0.8；将上面计算的空载时最快的移动转速nm，和工作台总的转动惯量J总代入上式，可得：20西南科技大学本科生毕业论文23.144.136400104TamaxJ总60433Nm移动部件折算到电机的摩擦转矩：(FzW)Ph45Tf1工作台i2式中：——导轨的摩擦因素，滚动导轨取 0.005m；FZ——垂直方向的铣削力，空载时取 0N；——传动链效率，取 0.8；Ph——丝杠的导程，为 0.005m；i——为传动比，取为 1；(FzW)Ph0.0056000.005Tf1工作台i23.140.00119Nm20.82.5由于滚珠丝杠副传动效率高，故它折算到电机的力矩可以不用考虑，故取Tf滚珠丝杠 =0。所以步进电机空载时的力矩为：T空载TamaxTf工作台0.04330.001190.0445Nm4.1.3计算最大负载时在步进电机上的负载转矩最大负载工作情况下在电动机轴上的最大加速转矩：T最大负载 Ttmax Tf2工作台 Tf2滚珠丝杠其中Ttmax——快速空载启动时电动机转轴上最大转矩；Tf——分别为最大负载工作状态时移动部件、滚珠丝杠运动时折算到电动机的摩擦转矩。由公式可得Ttmax，如下式计算：FxPh46Ttmaxi2式中：Fx——为铣削时最大的工作载荷，为1474.8N；Ph——为丝杠导成，为0.005m；21西南科技大学本科生毕业论文——传动链效率，取0.8；i——为传动比，取为1；TtmaxFxPh1474.80.0052i23.141.468Nm0.81垂直方向上承受最大负载 F=491.6N时，得工作台的摩擦转矩：Tf2(FzW)Ph47工作台i2式中：——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005m；FZ——垂直方向的铣削力，工进时为491.6N；——传动链效率，取 0.8；Ph ——丝杠的导程，为 0.005m；——为传动比，取为1；代入上式：T(FzW)Ph491.6600)0.005工作台0.005(0.00643Nmf22i23.140.81滚珠丝杠副传动效率高，Tf2滚珠丝杠很小，可以忽略不计。T最大负载TtmaxTf2工作台1.4680.006431.474Nm所有在最大负载时的转矩大于空载时的电机轴上的转矩， 故以最大负载时时的转矩来进行最大静转矩的选定。考虑到步进电动机的使用环境，受干扰因素，当输入电压低时，会使转矩下降，出现很多问题，因此选择最大静转矩时考虑安全系数 K取4，则TMAX KT最大负载 41.441 5.324Nm步进电机为86HE127-28V14-32的最大静转矩为 6.3N m，大于5.324Nm，所以所选步进电机满足要求，电动机的具体参数如表 4-1：22西南科技大学本科生毕业论文表4-1电机的参数额定保持绕线绕线转子重量长度型号电流转矩电阻电感惯量ANmmHgcmKgmm86HE127-52.3830004.0126.528V14-324.1.4步进电机的校核步进电动矩频特性曲线如下图所示：图4-1电机的矩频特性曲线1）空载时最大移动速度电动机的输出转矩工作台最快的移动速度为3000mm/min，其对应fmax2000/600.013333由上图可知，当频率为3000至4000Hz时，步进电机的输出转矩为T6.5Nm,大于空载启动时的负载转矩 T空载 0.204N m，达到要求。（2）工进时最大移动速度电动机的输出转矩工作台最大负载时最快的移动速度为 1000mm/min，故其对应的工作频率为fmax 1000/60 0.01 1666.67Hz。由上图可知，当频率为 1666.67Hz时，步进电机的输出转矩为T 6.N m,大于空载启动时的负载转矩 T空载 1.441N m，达到要求。最快空载移动时电动机的运行频率。(3) 最快的空载移动速度为 2000mm/min，对应的电动机运行频率为 3333.33Hz。23西南科技大学本科生毕业论文由曲线可知，当输出转矩为 0时，电动机的空载运行频率为 30000Hz左右，可见没有超出上限。4.1.5步进电机的安装步进电机的安装，按照安装尺寸进行，需要设计一个电机底座，将电机进行安装在上下托板上，底座的尺寸在零件图中给出。图4-2步进电机的安装尺寸图步进电机的绕组采用五边形接法，其接线图如下：图4-3 步进电机接线图4.2步进电机驱动器的选择图4-4 步进电机驱动器根据所选步进电动机 86HE127-28V14-32五相混合式步进电机，有 MEA2230R五相数字式步进电机驱动器。信号电压仅支持 +5VDC，信号电高于+5VDC时需另接24西南科技大学本科生毕业论文限流电阻。MEA2230R采用高速运动控制 CPU芯片实现快速自适应控制算法和高频载波双极性恒流斩波正弦波细分驱动控制，具备高精度、大力矩、低噪声、宽调速等控制特性。支持全球通用的 AC85~256V交流电网直接供电，可省去中间变压器及电源，节省成本并提高可靠性；外置制动电阻驱动可应用于频繁制动的场合； 支持多种电流、细分、控制信号、控制电压及掉电位置记忆。步进电机驱动器信号电压支持 +5VDC，所以当信号电压是+5VDC时可直接与步进电机驱动器相连，如果信号电压高于 +5VDC时，需另接限流电阻。步进电机的控制原理如图 4-5所示：图4-5步进电机驱动原理图25西南科技大学本科生毕业论文第5章控制电路设计5.1控制部分总体方案5.1.1 绘制系统电气控制的结构框图根据工作台的总体方案，工作台的机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统硬件的电路图，如图5-1所示。控制系统是要硬件电路和软件组成的。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。数控工作台电路由以下五部分组成。1）主控制器，即中央处理单元CPU。2）总线，包括数据总线，地址总线和控制总线。3）存储器，包括程序存储器和数据存储器。4）接口电路，即I/O输入/输出接口电路。5）外围设备，工作台上有键盘，显示器。RAMROMI/O 步进电机CPU 接口 驱动器 步进电机外设键盘，显示器图5-1 控制系统原理图26西南科技大学本科生毕业论文5.1.2选择中央处理单元 CPU的类型在微机应用系统中，CPU的选型应考虑以下因素：1）时钟频率以及字长，这个指标将影响数据处理的速度。2）可以扩展的存储器（包括RAM和ROM）的容量。3）I/O扩展性能，即对键盘，显示器的控制能力。4）开发性能，包括支持被开发的硬件和软件。此外还要考虑到系统的应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。目前在经济型数控机床中，推荐使用 MCS-51系列单片微机作为主控制器。5.1.3存储器扩展电路设计存储器的扩展电路设计分别有程序存储器的扩展和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。5.1.4I/O 即输入/输出接口电路设计应包括接口芯片的选择，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如复位电路，掉电保护电路等）。此外，不同的数控系统还要求配备不同的外设，这些部分的电路设计也应包括在其中。5.2MCS-51系列单片机简介5.2.18031 单片机的简介MCS-51系列单片微机是美国Intel公司在MCS-48系列单片微机基础上推出的产品，于1980年问世，它的集成度很高，是集片内存储器、片内输入/输出部件和CPU于一体的优良的单片机系统，在我国已广泛地应用于经济型数控机床。MCS-51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、8051和8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8751具有片内EPROM,但价格是8051的10～15倍，所以适合于开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。8051的EPROM程序是Intel公司制作芯片时为用户置备的，因此在国内很难采用 8051型芯片。而8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。因此选用 8031芯片。27西南科技大学本科生毕业论文5.2.28031 单片机的基本特征8031单片机具有以下特点：（1）具有功能很强的 8位中央处理单元（CPU）。（2）片内有时钟发生器（6或12MHz）、每执行一条指令时间为 2或1s。3）片内具有128字节RAM。4）具有21个特殊寄存器。5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器。6）具有4个I/O口，32根I/O线。7）具有2个16位定时器/计数器。8）具有5个中断源，配备2个中断优先级。9）具有一个全双工串行接口。10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。这种芯片集成度高，功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。5.2.38031 芯片引脚及其功能8031芯片具有40根引脚，其引脚图如图 5-2所示根引脚按其功能可分为四类：（1）电源线2根Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接 +5V。Vss：地电平。（2）晶振：2根XTAL1：振荡器的反相放大器输入。使用外部震荡器是必须接地。XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入。 当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。I/O口共有p0、p1、p2、p3四个8位口，32根I/O线，其功能如表5-1：8031的P3口均有第二功能，且第二功能如表5-2所示：28西南科技大学本科生毕业论文图5-28031引脚接口表5-18031的I/O口功能P0.0～P0.7（AD0～AD7）是I/O端口O的引脚，端口O是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口。（在此时内部上拉电阻有效）P1.0～P1.7端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。P2.0～P2.7（A8～A15）端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8～A15P3.0～P3.7端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与操作与P1口完全相同表5-28031的P3口第二功能引脚口P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7第二功RXDTXD（串INT0INT1T0（定T1（定WR（外RD（外能（串行行输出（外部（外部时器0时器1部数据部数据输入口）口）中断）中断）外部输外部输存储器存储器入）入）写选通）读选通）29西南科技大学本科生毕业论文（4）控制线PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号， 低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。EA：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。 EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令。因 8031芯片没有内部程序存储器，故 EA必须接地。Vpp是在EPROM编程时需要+21V的编程电源输入端。ALE：ALE是地址锁存使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为 p0端口是分时传送数据和8位地址。故访问外部存储器时，ALE信号锁存低8位地址。即使在不访问外部存储器时，也以1/6振荡频率的固定频率产生ALE，因此可以用它作为外部的时钟信号。ALE主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取令时，把p0口的低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。RST是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使 RST行脚至少保持两个机器周期位高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从 0000H单元开始执行。在VCC关断前加上VPD（掉电保护）RAM的内容将不变。5.3程序存储器扩展电路的设计5.3.12764 芯片介绍MCS-51的程序存储器空间为 64K字节。对于片内无ROM的单片机的8031，或当单片机内部程序存储器容量不够时， 进行程序存储器的扩展是必不可缺的。 半导体存储器EPROM、EEPROM、ROM等在原理上都可用作单片机的外部程序存储器。由于EPROM价格低廉，性能可靠，所以单片机外部扩展的程序存储器一般为 EPROM芯片，掉电后信息不会丢失。在选择外部程序存储器电路时， 应注意电路的读取时间能否与MCS-51的PESN信号匹配。EPROM的一个重要优点是可以擦除重写，而且允许擦除的次数超过上万次。一片新的或擦除干净EPROM芯片，其每一个存储单元的内容都是FFH。要对一个使用过的EPROM进行编程，则首先应将其放到专门的擦除器上进行擦除操作。擦除器利用紫外线光照射EPROM的窗口，一般经过15—20min即可擦除干净。擦除完毕后可读一下EPROM的每个单元，若其内容均为FFH，就认为擦除干净了。由于本设计程序容量不大，因而选用 2764作为外部程序存储器。30西南科技大学本科生毕业论文图5-32764 引脚接口5.3.22764 芯片和引脚常用的半导体 ROM芯片有2764，芯片为28脚双列直插式扁平封装芯片。上图为所用的芯片：A0~A12是地址线；D0~D7是数据线；VPP是编程电压端；PGM是编程控制端；OE是输出使能端；CE是片选端，它们均为低电平有效。2764的第26引脚空，（NC）未用。下表5-3是EPROM的工作方式的选择，用1表示输入高电平，0表示输入低电平，芯片的数据引脚是三态的，当芯片未选中，它们处于高阻状态，不会影响其他芯片输出状态。而当CE和OE均为低电平时，芯片被选中，其存储内容从数据端输出，即处于数据输出状态。在编程时，从数据端输入要存储的信息，数据引脚处于数据数据输入状态。PGM为编程脉冲输入端，当对芯片编程时，由此端加入编程脉冲信号；读取数据时PGM的值为高电平。5.3.3地址锁存器由于单片机8031芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系统中一定要用到锁存器。常用的地址锁存器芯片74LS373。31西南科技大学本科生毕业论文图5-474LS373的引脚图D0～D7数据输入端；Q0～Q7输出端OE三态允许控制端（低电平有效）当三态允许控制端 OE为低电平时，Q0～Q7为正常逻辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE为高电平时，Q0～Q7呈高阻态，即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。表5-374LS373的工作方式DnLEOEQn11010100X00Q0XX1高阻0——低电平1——高电平——不稳定Q0——建立稳定前 Q的电平LE——输入端，与8031ALE连高电平：关门锁存OE——允许控制端，接地当LE=“1”时，74LS373输出端1Q~8Q与输入端1D~8D相同当LE为下降沿时，将输入数据锁存。加上74LS373与2764芯片的程序存储器的扩展接线图如下：8031芯片的PSEN（外部程序存储器读选通信号）与EPROM芯片的OE端相连；32西南科技大学本科生毕业论文8031芯片EA接地，CPU执行外部程序存储器的指令；8031芯片ALE（地址锁存允许信号）接主地锁存器 74LS373的LE引脚。接线图如图5-5所示图5-58031程序存储器扩展图5.4数据存储器的扩展5.4.1常用的数据存储器 6264及其引脚8031芯片内部RAM只有128字节，不能满足系统的需要，需要扩展片外数据存储器RAM。常用的静态RAM芯片是6264（8K8），6264采用CMOS工艺，由单—5供电，典型存取时间为150~200ns。它为28脚双列直插式扁平封装，A0-A12为地址线;CE是片选线;OE是读允许线;WE是写允许线。图5-66264的引脚图33西南科技大学本科生毕业论文表5-46264的I/O口说明A12～A0 地址线，可寻址 8KB的存储空间。D0~D7 数据线，双向，三态。OE 读出允许信号，输入，低电平有效。WE 写允许信号，输入，低电平有效。CE1 片选信号 1，输入，在读/写方式时为低电平。CE2 片选信号 2，输入，在读/写方式时为高电平。VCC +5V工作电压。GND 信号地。表5-56264的工作方式管脚CE1CE2OEWED0~D7操作方式未选中1任意任意任意高阻未选中任意0任意任意高阻读0101数据输出62640110写数据输入输出禁止0111高阻5.4.26264 数据存储器扩展图图5-7为8031单片机和74LS373与6264芯片对数据存储器的扩展电路图：图5-78031数据存储器扩展图34西南科技大学本科生毕业论文单片机CPU与数据存储器的连接方法和与程序存储器连接方法大致相同。唯有控制线的连接不同：RAM读输入信号OE与8031芯片的RD引脚相连；RAM的写输入信号WE与8031芯片WR相连。P2.7口与CE相连。5.5I/O口的扩展8031单片机共有四个 8位并行I/O口，但可共用户使用的只有 P1口和部分P3口，因此。在大部分系统中都需要扩展 I/O口芯片。下面介绍本电路中所用到的芯片：8255通用可编程接口芯片8255是一个40个引脚的双列直插式集成电路芯片，与 MCS-51单片机具有相同的总线结构，8255可作为单片机与多种外设连接时的中间接口电路。 8255的结构说明如下：口、B口、C口。口、B口、C口是3个8位的I/O接口。A口有一个8位数据输出锁存器/缓冲器和一个8位数据输入锁存器，外接引脚为PA0~PA7。可编程为8位并行输入、8位并行输出或双向输入/输出寄存器。B口有一个8位的输出锁存器