机械设计说明书-三坐标数控磨床设计

●立柱立柱用于实现主轴箱的垂直移动和支撑。固定在立柱上端的电机直接传动丝杠，可使主轴箱垂直移动。4机床的传动系统1.主传动图及说明主传动图参看传动系统图。主运动由主运动电机，经一级高速带传到主轴，并通过调节电机的控制电压获得各级转速，主轴转速为（3980～14920）r/min。实现无级调速。2.进给传动图及说明进给传动图参看传动系统图。X、Y、Z三个轴各有一套基本相同的进给伺服系统。电压调速交流伺服电机直接带动滚珠丝杠，功率都为1.4kw，无级调速。三个轴的进给速度均为1～400mm/min。快移速度都为10m/min。三个伺服电机分别由数控指令通过计算机控制，任意两个轴都可联动。传动系统图第二章总体结构设计该磨床的总体设计包括:系统设计(包含数控装置的功能设计、元件和部件设计,程序段格式设计及系统的总体设计);逻辑设计(包含运算器设计、控制器设计及电路设计);机床主机的结构设计.本次设计主要对总体结构进行设计.数控机床的功能设计和普通机床有着很大的差别.对数控机床的结构设计要求可归纳为如下几个方面:具有很大的饿切削功率、高的静、动态刚度和良好的抗振性能；具有较高大的几何精度、传动精度、定位精度和热稳定性；具有实现辅助操作自动化的结构部件。2.1提高机床的结构刚度的设计机床的刚度是指切削力和其它力作用下,抵抗变形的能力.该磨床要求具有高的静刚度和动刚度。机床在切削过程当中，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有砌学力、驱动力、加减速器时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这些力作用下将产生变形，从而导致工件的加工误差。为了使机床达到高大结构刚度，获得符合要求的工件，进行如下结构设计：构件的结构形式的选择选择截面的形状和尺寸由于形状相同的截面，当保持相同的截面积时，应减小臂厚，加大截面的轮廓尺寸，所以该机床的立柱、床身等支撑件做成型腔。圆形截面的抗扭刚度比方形截面的大，抗弯刚度比方形截面小，所以立柱、床身等承受弯曲载荷的部件做成方形，而象主轴等承受扭转载荷的零件做成圆形。由于封闭式截面的刚度比不封闭式截面的刚度大很多，因此该磨床采用封闭式床身。由于臂上开孔将使刚度下降，所开孔部部件对刚度要求又很高，就在孔的周边加上凸缘，以使抗弯刚度得到恢复。隔板和筋条的布置合理布置支承件的隔板和筋条，可提高构件的静、动刚度，磨床采用叉筋板的支承件，立柱内部就是布置了交叉的筋条。构件的局部刚度磨床的导轨和支承件的连接部件，往往是局部刚度最弱的部分，但是联接方式对局部刚度影响很大。在本次设计中，由于Z轴导轨较宽，故采用双臂联接形式；X、Y轴导轨较窄，采用单臂联接，但在单臂上增加垂直筋条以提高局部刚度。采用焊接结构的构件机床的床身、立柱等支承件，采用钢板和型钢焊接而成，具有减小质量，提高刚度的显著特点。采用钢板和型钢而不采用铸件的原因：①钢的弹性模量约为铸铁的两倍，在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的臂厚只需铸件的一半。②如果要求局部刚度相同，因局部刚度与臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需铸件的80%左右。③钢可以提高构件的谐振频率使共振不易发生。④钢板焊接能将构件做成全封闭的箱形结构，提高刚度。2、结构布局的设计三坐标数控磨床设计的主轴中心位于立柱的对称面内，主轴箱的自重不再引起立柱的变形，相同的切削力所引起的立柱的弯曲变形和扭转变形均大为减小，这相当于提高了机床的刚度。另在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力，以减小立柱的变形。2.2提高机床的抗振性的措施机床在加工时可能产生两种形态的振动：强迫振动和自激振动。机床的抗振性就是抵抗这两种振动的能力。改善和提高抗振性应从以下几个方面着手：减少机床的内部振源机床高速旋转主轴、带轮均应进行平衡；装配在一起的旋转部件，应该保证同轴，并且消除传动间隙，采用平衡装置和降低往复运动件的重量，以减小可能的激振力，装在机床上的电机需隔振安装。提高静态刚度提高静态刚度可以提高构件或系统的谐振频率，从而避免发生共振。但为了提高情态刚度而引起的构件质量的增加，会使共振频率发生骗移，这是不利的。因此，在结构设计时应强调提高单位质量的个刚度。（3）增加构件和结构的阻尼该磨床对滚动轴承适当预紧以增大阻尼，将型砂或混凝土等阻尼材料填充在支承件的零部件臂中，可以提高阻尼性。以减少振动。2.3提高机床灵敏度该三坐标数控磨床通过数字信息来控制刀具与工件的相对运动，它要求在相当大的进给速度范围内都能达到较高的精度，因而运动部件应具有较高的灵敏度。导轨部分采用贴塑滑动导轨，以减少摩擦力使其在低速时无爬行现象。工作台、刀架等部件的移动采用支流伺服电机驱动，经滚珠丝杠传动，减少了进给系统所需要的驱动扭矩，提高了运动精度和运动平稳性。第三章进给伺服系统结构设计3.1进给伺服系统的作用伺服系统接受数控装置发出的进给脉冲或进给位移量，并把它变换成模拟量(如转角、电压、相位等)，经功率放大后去驱动工作台，使工作台进行精确的定位或按照规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合于精度要求的零件。因此，伺服系统的性能也是决定数控机床的加工精度、加工表面质量、生产率和机床的可靠性的关键之一。3.2进给伺服系统的设计要求3.2.1对进给伺服系统的基本要求带有数字调节的进给驱动系统都属于伺服系统。进给伺服系统不仅是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别与一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给系统的性能指标可归纳为：定位精度要高；跟踪指令信号的响应要快；系统的稳定性要好。稳定性所谓的稳定的系统，即系统在输入量的改变、启动状态或外界干扰作用下，其输出量经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在新的或原有的平衡状态下。它是伺服系统能够进行正常工作的基本条件。它包含绝对稳定性和相对稳定性。进给伺服系统的稳定性和系统的惯性、刚度、阻尼以及系统增益都有关系。适当选择系统的机械参数（主要有阻尼、刚度、谐振频率和失动量等）和电气参数，并使它们达到最佳区配，是进给伺服系统的设计的目标之一。精度所谓进给伺服系统的精度是指系统的输出量复线输入量的精确程度，即准确性。它包含动态误差，即瞬态过程出现的偏差；稳态误差，即瞬态过程结束后，系统存在的偏差；静态误差，即元件误差及干扰误差。常用的精度指标有定位精度、重复定位精度和轮廓跟随精度。精度用误差来表示，定位误差是工作台由一点到另一点时，指令值与实际移动距离的最大差值。重复定位误差是指工作台进行一次循环动作之后，回到初始位置的偏差值。轮廓跟随误差是指多坐标连动时，实际运动轨迹与给定运动轨迹之间的最大偏差值。影响精度的参数很多，关系也很复杂，采用数字调节技术可以提高伺服驱动系统的精度。快速响应特性所谓的快速响应特性是指系统对指令输入信号的响应速度及瞬态过程结束的迅速程度。它包含系统的响应时间，传动装置的加速能力。它直接影响机床的加工精度和生产率。系统的响应速度越快，则加工效率越高，轨迹跟随精度越高。但响应速度过快会造成系统的超调，甚至会引起系统的不稳定。因此，应适当选择快速响应特性。该三坐标数控磨床是轮廓控制的机床，除了要求高的定位精度外，还要求良好的快速性及形成轮廓的各运动坐标伺服系统动态性能的一致性。该三坐标数控磨床采用的是是闭环控制型式，对于闭环系统主要是稳定性问题。3.2.2进给伺服系统的设计要求机床的位置调节对进给伺服系统提出很高的要求。其中在静态设计方面有：1.能够克服摩擦力和负载：（1）很小的进给位移量；（2）高的静态扭转刚度；（3）足够的调速范围；2.进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象；3.在动态设计方面的要求有：（1）具有足够的加速和制动转矩，以便完成启动制动过程；（2）具有良好的动态传递性能以保证在获得高的轨迹精度和满意的表面质量；（3）负载引起的轨迹误差尽可能的小；4.机械传动部件的设计要求有：(1)被加速的运动部件具有小的惯量；(2)高的刚度；(3)良好的阻尼；(4)传动部件在拉压刚度、扭转刚度、摩擦阻尼特性和间隙方面尽可能小的非线性；3.3进给伺服系统的组成3.4进给伺服系统的分类按控制方式不同分为开环系统、半闭环系统和闭环系统.该次设计的数控磨床采用闭环系统。采用闭环系统的原因：1.闭环系统的检测装置安装在工作台上，由于闭环系统能对整个系统误差进行自动补偿，故控制精度高(0.001mm～0.003mm)快速性好,只是成本较高,而该数控磨床要求进给精度为0.001mm，为了满足设计要求，采用闭环系统。2.开环系统虽然结构简单、工作可靠、造价低廉，但是没有位置反馈环节这样的机械传动装置的摩擦、惯量、间隙所引起的定位误差不能调整，且其控制精度（0.01mm～0.02mm）和快速性较差。不能满足该数控磨床的设计要求,故不采用开环系统.3.半闭环系统的检测装置安装在滚珠丝杠轴端或电机轴端。由于检测元件检测的反馈信号不包含从丝杠轴到工作台间传动链的误差，因此这部分误差得不到自动补偿，精度比闭环系统的要低，也不满足该数控磨床的要求，故不采用半闭环系统。闭环系统的组成原理机床数控装置中发生的指令信号与工作台末端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，进行误差修正，直至差值在误差允许的范围之内为止。采用闭环系统控制可以消除由于运动部件制造中存在的精度误差给工件带来的影响，从而得到很高的加工精度。个部分的关系如下图所示：

3.5给伺服系统的数学模型。3.5.1数控机床的位置调节系统数控机床的位置调节技术保证被加工零件的尺寸精度和轮廓精度。其位置调节系统如图所示：输入参数的产生和位置调节器的功能可用计算机完成,从而构成一个数字位置调节系统。进给驱动部件可以是电气的或是液压的,分别称为电气驱动部件和液压驱动部件。该三坐标数控磨床采用电气驱动，它包括从给定值的输入到电机的输出。从电机的输出经过机械传动到执行件（工作台）称为机械传动部件。3.5.2进给伺服系统的数字模型在位置环的调节上有模拟式和数字式，或者说有连续控制方式和离散控制方式。机床的数字调节系统是由计算机作为调节器，按采样方式工作的，因而属于离散控制方式。这类系统精度高，动态性能好，可充分利用计算机的快速运算功能和存储功能，使进给伺服系统始终处于最佳工作状态。另外，由于计算机作为调节器，因而调节系统具有很大柔性。3.6进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析3.6.1时间响应性进给伺服系统的动态特性，按其描述方法的不同，分为时间响应特性和频率响应特性。时间响应特性是用来描述系统对迅速变化的指令能否迅速跟踪的特性，它由瞬态响应和稳态响应两部分组成。由于系统包含一些储能元件，所以当输入量作用于系统时，系统输出不能立刻跟随输入量变化，而是在系统达到稳定之前表现为瞬态响应过程（或叫过度过程）。稳定响应是指当时间t趋向无穷大时系统的输出状态。若在稳态时，输出与输入不能完全吻合，就认为系统有稳态误差。系统的时间响应特性不仅决定于系统结构、性能（如一阶系统和二阶系统就不同），而且也决定于输入信号的类型，且随加工对象的不同以及切削用量的不同而改变。尤其考虑到启动、停车、正反方向等控制情况，各坐标轴速度信号的变化极为复杂。3.6.2频率响应特性时间响应特性是从微分方程出发，研究系统响应随时间的变化规律，即在已知传递函数的情况下，从系统在节跃输入及斜坡输入时间响应速度及振荡过程的状态中来获得动态特性参数。然而在很多情况下，传递函数不清楚，所以只能由实验方法求取动态特性的。因此出现频率响应特性法。所谓频率响应特性，就是系统对正弦输入信号的响应，即它是通过研究系统对正弦输入信号的响应规律来获得其动态特性。由于频率特性与传递函数密切相关，因此在工程中的应用越来越多。可由频率响应数据拟合成传递函数而建立系统的数学模型。3.6.3稳定性分析对控制系统的基本要求是工作的稳定性。只有工作稳定才能进一步讨论其他性能指标。系统的稳定受多种因素的影响，其中包括机械传动部件的惯性、阻尼、刚性和传动比。为考察机械传动部件的参数对系统稳定性的影响，根据稳定判断式编制计算程序。3.6.4快速性分析所谓快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态质量。分析系统快速性的方法很多，有直接求解法、间接评价法和计算机模拟法等。直接求解法比较麻烦，且不易得到系统结构和参数对瞬态质量影响的一般规律；计算机模拟法十分简便，而且还用于复杂系统结构、多变量系统、非线性系统以及某些难于得出数学模型的系统，单它需要一套软件和上机条件。间接评价法，方法简单，又能明显地看出系统结构和参数对瞬态质量的影响，故在系统分析和设计中被广泛地采用。对于线性进给伺服系统，由于它包括各种电路、机电转换装置和机械传动机构，系统各环节都有时间常数，对高频信号来不及反应，只是一个低通滤波器。这种系统的通频带宽，对高频信号响应速度快，所以从开环频率特性图看，提高闭环回路的响应速度。为使进给伺服系统获得良好的伺服性能（稳定性、快速性），国外文献对机械传动部件提出很高的谐振频率，但对这些数据并没有进行理论分析。有的文献认为：在电气伺服系统中，可控硅电源以及支流马达特性引起的谐振是对伺服系统性能起限制作用的因素。但实际上机械传动部件不是刚性，往往达不到很高的谐振频率，且阻尼又低，可能成为提高伺服性能的限制因素。3.6.5伺服精度伺服精度的高低用误差的大小来平衡，所谓伺服误差就是伺服系统在稳态时指令位置和实际位置之差，它反映了系统的稳态质量。理想的伺服系统是在任意时刻输出和输入都同步，没有误差，但这是不可能的。造成不同步的原因很多，系统本身动态特性，外加负载和内部扰动等都会造成实际位置偏离指令位置。欲求出伺服误差，必须先分别求出系统在输入信号和外加负载等信号的作用下产生的输出响应，然后根据线性系统的叠加原理将这些响应叠加起来求出实际位置，再用指令位置减去实际位置便得到伺服误差。要求出进给驱动系统伺服误差的解析表达式。应讨论以下几个重要概念：（1）速度误差由斜坡信号输入产生的伺服误差成为速度误差。它实际上表示在一定的进给速度下，系统指令位置与实际位置的偏差。（2）伺服静刚度伺服静刚度是指在恒定外负载作用下，进给驱动系统抵抗位置偏差的能力，也就是伺服马达为消除位置偏差而产生的转矩（或力）与位置偏差之比。3.7驱动元件的设计X、Y、Z三个方向的驱动装置均选用交流伺服电动机。3.7.1.选用伺服电动机伺服电机最大的特点是可控。在有控制信号输入时，伺服电机就转动；没有信号输入时，则停止转动；改变控制电压的大小和相位，就可以改变伺服电机的转速和转向。服电机与普通的电机相比具有以下特点：（1）调速范围广。服电机的转速随着控制电压改变，能在宽广的范围内连续调节。（2）转子的惯性小。即能实现迅速启动、停转。（3）控制功率小，过载能力强，可靠性好。传动生产用的传动电机主要用来完成能量的变换,具有较高的力能指标(如效率和功率因数率),而控制电机则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。这这是该数控磨床的要求，因此，选用伺服电机。3.7.2选用交流伺服电机交流伺服电机可靠性很高,基本上不用维护,造价低,且机电时间常数小。而该次设计的数控磨床的进给伺服系统是随动系统，要求电动机的时间常数小，启动和反转频率高。交流伺服电机满足要求。直流伺服电机结构复杂，电刷和换向器需经常维护；由于电刷与换向器间的接触产生火花，造成无线电干扰；由于磁滞回线的影响增加了系统的不稳定性。因此选用交流伺服电机。1.电机转速=10000/10=1000r/min取电机转速为=1500r/min2.静态转矩=（1）摩擦力矩①导轨摩擦=0.06[(200+400)×9.8+1476]=441.4N—摩擦系数0.06;—工件质量;—工作台质量;g—重力加速度;—垂直于导轨的切削力。折算到滚珠丝杠上的摩擦力矩为：==702.8N②丝杠螺母传动摩擦丝杠螺母传动的摩擦耗损可通过传动效率来表示，=0.94—滚珠丝杠直径32mm—滚珠丝杠导程10mm将以上各种摩擦力矩综合起来，得到折算到电机轴上的摩擦力矩，对于丝杠螺母传动：==702.8/0.94=747.7N（2）切削力矩对于丝杠螺母传动=（3）重力矩因为工作台水平，不会引起转矩，故不需要计算通过以上计算可知==747.7+2500.=3247.7N·mm有转速和计算出的静力矩，可以利用伺服电机的转速图来选择电机。结果如下：型号：70SL5A2励磁电压：220v控制电压：220v额定转速：1500r/min最小启动转炬：≥1800g·cm空载转速：≥2700r/min时间常数：≤0.015S重量：2000g3.8机械传动部件的设计一台机床所具有的加工精度、工件表面粗糙度和生产率取决于电气驱动部件和机械传动部件的优良设计。机械传动部件的设计好坏对进给伺服系统的伺服性能影响很大。此外，还要求伺服电机速度环的动特性与机械部分动特性相协调。借助于调节技术可以帮助这两部分实现良好的匹配。对于闭环系统的设计主要是稳定性的问题。滚珠丝杠主要承受轴向载荷,除丝杠自重外,一般无径向载荷,因此,滚珠丝杠副要求轴向精度和刚度较高。进给系统要求运动灵活，对微小位移响应要灵敏，因此，轴承的摩擦力矩尽量小。滚珠丝杠转速不高，且高速运转时间短，因而，发热不是主要问题。轴承采用60接触角推力角接触球轴承,其特点如下：①接触角大，保持架用增强尼龙注塑成型。臂薄，可容下较多的钢球，因此轴向承载能力大，刚度大。②能承受轴向和径向载荷，可以简化轴承支座结构。③根据载荷情况可以进行组合。④启动摩擦力矩小，可以降低滚珠丝杠副的驱动功率，提高进给系统的灵敏度。该数控磨床的机械传动部件设计方案，采用交流伺服电机与滚珠丝杠直接相联的装置。如下图所示:1交流伺服电机2.十字滑块联轴器3滚珠丝杠4螺母及螺母座滚珠丝杠的设计计算:已知数据:工作台重量:m1=400Kg工件最大重量:m2=200Kg工作台最大行程:L=300mm工作台滑动导轨摩擦系数:=0.06丝杠副寿命:Lh=10a工作可靠性:96%切削方式及定位精度:磨削(轮廓控制),定位精度±0.01/300mm丝杠两端为固定支承,每个支座安装两个60接触角推力角接触球轴承,背靠背安装,进行预拉伸。磨削方式纵向切削力Fa/N速度V/m.min时间比例q%强力磨削20000.615一般磨削10000.830精密磨削500150快速移动0105设计计算步骤:1.丝杠载荷:导轨摩擦力Fu=(m1+m2)g=0.06(400+200)X9.8=0.06(400+200)X9.8=353N强力磨削时载荷Famax=2000+353=2353N一般磨削是载荷Fa=1000+353=1353N精密磨削时载荷Fa=500+353=853N快速移动时载荷Fa=0+353=353N2.电机转速(最大)nmax=1500N丝杠最大转速nm=1000r/min强力磨削n1=60r/min一般磨削n2=80r/min精密磨削n3=100r/min3.丝杠导程Ph工作台最大速度:Vmax=10m/min=10·1000=10000mm/minPh===10mm4.当量转速nmnm=n1q1/100+n2q2/100+………=60·15/100+80·30/100+100·50/100+2000·5/100=183r/min5.当量负荷Fm==706N6.初选滚珠丝杠(1)计算动负荷Caj=KhFm/Knf∑=3.9·706/0.56·0.385=12770N(2)要求寿命Lh寿命Lh=300(日)×16(h)×0.6(开机率)×10（年）=28800h由寿命系数Kh=转速系数Kn=(3)综合系数影响滚珠丝杠副寿命的综合系数:f∑=(4)滚珠丝杠副的型号CMD3210-2.5额定动负荷Ca=25909N>Caj=12770N预紧力Fo=0.25Ca=6477N>1/3Fmax=2353/3=784N可见初选的滚珠丝杠符合设计要求。7.丝杠螺纹部分长度LuLu=工作台最大行程(300)+螺母长度(129)+两端余程(25)=300+129+25×2=479mm8.支承距离L支承距离L>Lu=479因此取L=700mm9.临界转速校核(1)丝杠底径d2=d0-1.2Dw=32-1.2×6.35=24.4mm=0.0244m取25mm(2)支承方式系数查表f2=4.73(两端固定)

(3)临界转速计算长度Lc=129/2+300+40+(700-479)/2=500mm=0.5m临界转速nc=9900× 9900× =21617r/min可见nc>nma所以符合要求10.压杆稳定校核两端固定支承,丝杠不受压缩,因而不必校核稳定性。11.预拉伸计算设温升为3.5C(1)温升引起的伸长量==11×10×3.5×0.59=22um(2)丝杠全长伸长量=11×10×3.5×0.7=27um(3)预紧力Ft= = ×2.1×10=459N12.轴承选择(1)轴端结构采用E型和F型(并排)轴端(2)轴承型号主要尺寸和参数轴承型号为7602020TVP查表得:d=20mmD=47mmB=14mmZ=15Dw=5.953Ca=19600N(3)预紧力确定预紧力Fo=2300N轴承的最大轴向载荷为Fmax=Ft+Fmax/2=459+2353/2=1636N由于Fo>Fmax/3=1636/3=545N所以,符合要求.(4)疲劳寿命计算由轴承动负荷计算公式校核C= =2549N进给方向是可变的，负荷可能是（Ft+Fm/2）或（Ft-Fm/2），两者机会相等，取平均值F=459NKn=0.56取Lh=1500h则Kh=3.11 初选7602020TVP参数如下：d=20mmD=47mmB=14mmDw=5.953Ca=19600NFo=2300N可见额定动负荷Ca=19600>计算动负荷C=2549所以，轴承满足寿命要求。13.定位精度校核(1)丝杠在拉压载荷下的最大弹性位移 =×==0.0033F 快速移动时F=353N,=1.2um强力,磨削时F=2353N,=7.8um精密磨削时F=853N,=2.8um(2)丝杠与螺母间的接触变形=查表得CMD3210-2.5滚珠丝杠到螺母的接触刚度Kc=955N/um所以得:快速移动时=353/955=0.37um强力,磨削时=2353/955=2.5um精密磨削时=853/955=0.89um(3)轴承的接触变形角接触轴承的轴向刚度KB=23.6[Zsin]Fo=23.6[13]=246N/um快速移动时=353/246=1.4um强力,磨削时=2353/246=9.1um精密磨削时=853/246=3.5um(4)丝杠系统的总位移=++快速移动时=1.2+0.37+1.4=2.97um强力,磨削时=7.8+2.5+9.6=19.9um精密磨削时=2.8+0.89+3.5=7.19um(5)定位精度发生在螺母处于丝杠中部处,和与螺母的位置无关。所以以上求得的位移均为/650mm。查表得丝杠精度等级为1级，任意300mm的行程公差为6um。加上快移时的总位移2.97um。可以满足轮廓控制定位精度0.01/300mm的要求。同理分析，能满足精密磨削的定位精度±0.02/300mm的要求。强力磨削时，可以满足粗加工要求。通过以上的分析计算，可知该滚珠丝杠符合定位精度要求。计算结果:Y向滚珠丝杠副型号：CMD32×10-2.5-1/760×479X向滚珠丝杠副型号：CMD32×10-2.5-1/690×479CMD型外插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副:公称直径32mm,基本导程10mm,循环圈数(圈数×列数)2.5×1X、Y两端支承均为E、F型轴承型号均为7602020TVP60度接触角推力角接触球轴承3.9检测元件该磨床的闭环系统中选用的检测元件是光栅传感器。光栅传感器在精密直线位移和转角位移测量中应用甚广，直线测量精度可达0.5um，转角位移测量精度可达±1（1/3600度）第四章床身与导轨4.1床身设计4.1.1床身结构的基本要求机床的床身是整个机床的基础支承件,一般用来放置导轨等重要部件。为了满足数控机床高速度、高精度、高生产率、高可靠性和高自动化的要求，与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。数控机床床身主要在下面四个方面提出了更高的要求。1.很高的精度和精度保持性在床身上有很多安装部件的加工面和运动部件的导轨面,这些面本身的精度和相互位置精度要求都很高,而且要能长时间保持.另外,机床在切削加工时,所有动、静载荷最后往往都传到床身上，所以，床身上的受力很复杂。为此，为保证零部件之间的相互位置或相对运动精度，处满足几何尺寸位置等精度要求外，还要满足静、动刚度、抗振性、热稳定性和工艺等方面的技术要求。2.应具有足够的静、动刚度静刚度包括：床身的自身结构刚度、局部刚度和接触刚度，都应该采取相应的措施，最后达到有较高的刚度—质量比。动刚度直接反映机床的运动特性，为了保证机床在交变载荷作用下具有较高的抵抗变形的能力和抵抗受迫振动及自激振动的能力，可以通过适当增加阻尼，提高固有频率等措施避免共振及因薄臂振动而产身的噪声。3.较好的热稳定性控机床来说，尤其是高精度数控机床，热稳定性已成为一个突出的问题，必须在设计上要作到使整机的热变形较小，或使热变形对加工精度的影响较小。4.高的强度和耐磨性通常床身在抵抗外负载荷而不超过允许的变形情况下，都具有足够的强度。但是，对于外负载荷比较大而变形要求不大的部位，仍有注意其强度的情况。至于床身与运动部件相接触的部位，即导轨处，要求有良好的耐磨性。4.1.2床身的结构该次设计的数控磨床的Z向运动是垂直与工作台的上下运动.这种结构的床身有固定立柱和移动立柱两种方式由于后者加工制造不方便,加上本次设计的数控磨床属于中型机床,故采用固定立柱式。4.1.3床身的截面形状为了在较小质量下获得高的静刚度和适当的固有频率，该机床的床身采用带有对角筋的箱体结构。对角筋截面可明显床身的扭转刚度，并且便于设计成全封闭的箱形结构。4.1.4钢板焊接结构该机床的床身采用钢板直接焊接而成。焊接结构床身的突出优点是制造周期短。一般比铸铁快1.7～3.5倍。省去了制作木摸和铸造工序，不易出废品。焊接结构设计灵活，便于产品更新、改进结构。焊接件能达到与铸件相同，甚至更好的结构特性，可提高抗弯截面惯性矩，减小质量。采用钢板焊接结构能够按刚度要求布置筋板的形式，充分发挥臂板和筋板的承载和抗变形作用。另外，焊接床身采用钢板，其弹性摸量E为MPa，而铸铁的弹性摸量E为MPa，两者几乎相差一倍。因此采用钢板焊接结构床身有利于提高固有频率。4.1.5箱体封沙结构床身封沙结构是利用筋板隔成封闭箱体结构。对于焊接结构的床身，在床身内腔填充泥芯和混凝土等阻尼材料，当振动时，利用相当摩擦来耗散振动能量。利用沙粒良好的吸振性能，可以提高机构件的阻尼比。提高床身结构的静刚度，有刚度和质量关系式K=(为系统无阻尼振动时的固有频率)可以看出增加质m可以提高静刚度.封沙结构降低了床身的重心,有利于床身机构的稳定性,可提高床身的抗弯和抗扭刚度。4.2导轨设计4.2.1对导轨的要求对导轨的要求,纳起来有下列几点:1.要有一定的导向精度2.要有良好的耐磨性3.要有足够的刚度4.要减少热变形影响5.要使运动轻便平稳6.要有一定的工艺性4.2.2滑动导轨导轨按照接触面的摩擦情况而言.可分为:滑动导轨、滚动导轨、静压导轨等三大类型。该次设计的数控磨床采用滑动导轨。滑动导轨结构简单制造方便，承载面积大，接触刚度好，抗振性能好等一系列优点。滑动导轨一般用于定位精度要求不高的开环系统中，本次设计的伺服系统是闭环系统，因为有了反馈系统，导轨的定位精度，由于误差进行补偿而不受影响，故采用滑动导轨。4.2.3贴塑滑动导轨滑动导轨具有结构简单，制造方便，接触刚度大的优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。因此，采用带有耐磨粘贴带覆盖层的新型塑料滑动导轨。本次设计采用的塑料导轨是聚四氟乙烯导轨软带。1.聚四氟乙烯导轨软带的特点摩擦性好:铸铁淬火导轨副的静摩擦系数与动摩擦系数相差较大,几乎是相差一倍.而金属聚四氟乙烯导轨软带的静、动摩擦系数基本不变。这种良好的摩擦性能可防止低速爬行，是运动平稳并获得较高的定位精度。耐磨性好：处摩擦系数低外，聚四氟乙烯导轨软带材质中含有青二硫化钼和石墨，因此，本身即具有润滑作用，对润滑油的供油量要求不高，采用间歇式供油即可。此外，塑料质地较软，即便是嵌入金属碎屑、灰尘等，也不至损伤金属导轨面和软带本身，可延长导轨副的使用寿命。减振性好：塑料有很好的阻尼性，其减振消声的性能对提高摩擦副的相对运动速度有很大的意义。工艺性好：可降低对粘贴塑料的金属导轨基体的硬度和表面质量要求，而且塑料易于加工，使导轨副接触面获得优良的表面质量。此外，还有化学稳定性好，维修方便，经济性好等优点。2.导轨软带使用工艺首先将导轨粘贴面加工至表面粗糙度Ra3.2～1.6，有时为了起定位作用，导轨粘贴面加工成0.5mm到1mm深的凹槽.用汽油或金属清洗或丙酮清洗导轨粘贴面后,用胶粘剂粘合导轨软带,加压初固化1～2h后再合拢到配对的固定导轨上施加一定的压力,并在室温固化24h,取下清除余胶,即可开油槽和进行精加工,由于这类导轨用粘贴方法,习惯上称为“贴塑导轨”。4.2.4导轨结构该机床的X方向和Z方向导轨均采用矩形导轨，以为这种导轨制造维修方便，承载能力大，新导轨导向精度高，使用一段时间后可通过镶条调节，以满足导向精度。Y方向采用V形导轨，这种导轨导向精度高，导轨磨损后靠自重下沉自动补偿。下导轨采用凹型的，可以便于存油，顶角采用90。4.2.5导轨设计该磨床作用在运动件上的推力平行与运动件的轴线。为了运动件不被卡死，且保证运动灵活，矩形导轨需h/L<2,V形导轨需h/L<1.其中h和L分别为推力F到轴线的距离和导轨的宽度。该次设计中，矩形导轨，h=75mm，L=470mm，h/L=0.16＜2满足要求。V形导轨，h=115mm，L=440mm，h/L=0.26＜1，满足要求。4.2.6导轨的材料塑料导轨用在导轨副的动导轨上,与其相配的导轨采用铸铁,组成铸铁－塑料导轨副.铸铁采用耐磨铸铁,牌号是HT3054,表面淬火硬度为HRC45～55,淬火层深度规定经摩削后保留1.0～1.5mm.第五章主传动系统结构设计5.1主传动系统的设计要求数控机床的主传动系统除应满足普通机床的主传动要求外,还提出如下要求:1.具有更大的调速范围,并实现无级调速。数控机床就要为了保证加工时能选用合理的切削用量，充分发挥刀具的切削性能，从而获得最高的生产率、加工精度和表面质量，必须具有更高的转速和更大的调速范围。对于自动换刀的数控机床，工序集中工件一次装夹，可完成许多工序，所以，为了适应各种工序和各种加工材质的要求，主运动的调速范围还应进一步扩大。2.具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪声低。数控机床加工精度的提高与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主轴组件的刚性。3.良好的抗震性和热稳定性。数控机床一般即要进行粗加工，又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀、运动部件不平稳以及切削过程中的自振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动，影响加工精度和表面粗糙度，严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗震性。抗震性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度，阻尼比及固有频率等参数。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率，影响到生产率。为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。5.2主传动变速系统的设计该三坐标数控磨床需要自动变速，且在切削阶梯轴的不同直径，切削曲线旋转面和端面时，需随切削直径的变化而自动变速，以维持切削速度基本恒定。这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选择到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度，又利于提高切削效率。无级调速有机械、液压和电气等多种形式，该次设计的数控磨床采用交流调速电机作为驱动源的电气无级调速。电机通过一级高速带带动主轴旋转，完成切削运动。动。5.3主轴组件设计5.3.1对主轴组件的性能要求主轴组件是机床主要部件之一。它的性能对整机的性能有很大的影响。主轴直接承受切削力，转速范围又很大，所以对主轴组件的主要性能特提出如下要求：1、旋转精度主轴的旋转精度是指装配后，在无载荷低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部件的定心表面（如该次设计的数控磨床主轴轴端的定心短锥采用7：24锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体、孔等的制造，装配和调整精度。工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。2、刚度主要反映机床或部件抵抗外载荷的能力。影响刚度的因素很多，如主轴的尺寸和形状，滚动轴承的型号、数量、预紧和配置形式，前后支撑的跨距和主轴的前悬伸，传动件的布置方式等。数控机床即要完成粗加工，又要完成精加工，因此对其主轴组件的刚度应提出更高的要求。3、温升将引起热变形使主轴伸长，轴承间隙的变化，降低了加工的精度；温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，对高精度机床应研究如何减少主轴组件的发热，如何控温等。4、可靠性数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜的地方是这方面的研究正在发展。5、精度保持性对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。以上这些要求，有的还是矛盾的。例如高刚度与高速，高速与低升温，高速与高精度等。这就要具体问题具体分析，例如设计高效数控机床的主轴组件时，主轴应满足高速和高刚度的要求；设计高精度机床时，主轴应满足高刚度低温升的要求。5.3.2主轴组件的组成和轴承选型1、主轴组件，包括主轴、轴承、传动件和相应的紧固件。主轴组件的构造，主要是支撑部分的构造。主轴端部是标准的；传动件如齿轮、带轮等与一般机械零件相同。因此，研究主轴组件，主要是研究主轴的支撑部分。2、主轴的传动件，可以位于前后支撑之间，也可位于后支撑之后的主轴后悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做，可以实现分离传动和模块化设计。主轴组件（称为主轴单元）和变速箱还可以作成独立的功能部件，又有专门的工厂集中生产，作为商品出售。变速箱和主轴可用齿轮副或带传动联结。本三坐标磨床采用带传动连接。主轴支撑分径向和推力（轴向）。角接触球轴承兼起径向和推力支撑的作用。推力支撑应位于前支撑内，原因是数控机床的坐标原点，带设定在主轴前端。为了减少热膨胀造成的坐标原点的位移，应尽量缩短坐标原点支推力支撑之间的距离。3、主轴轴承选用角接触球轴承。这种轴承即可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常采用多联组配的办法。有三种基本组配方式，分别为背对背，面对面和同向组配，背靠背和面对面都能受双向轴向载荷；同向组配只能承受单向轴向载荷。背对背与面对面相比，支撑点（接触线的交点）间距离前者比后者大，因而能产生一个较大的抗弯力矩，即支撑刚度较大。运转时，轴承的外圈的散热条件比内圈好，因此，内圈的温度将高于外圈，径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对背靠背组配将使过盈减少，于是，可以补偿一部分径向膨胀；而对于面对面组配，将使过盈进一步加大。基于上述分析，主轴受到弯矩，又属高速运转，因此主轴轴承必须采用背靠背组配。本机床前支撑采用3个46000轴承，后支撑采用2个46000轴承。4、角接触球轴承的间隙调整和预紧主轴轴承的内部间隙，必须能够调整，多数轴承还应在过盈状态下工作，使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。轴承预紧后，内部无间隙，滚动体从各个方向支撑主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆，因而预紧前只有部分滚导体与滚道接触。预紧后，滚导体和滚道都有一定的变形，参加工作的滚动体将增多，各滚动体的受力将更加均匀。这些都有利提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支撑，可以提高抗震性。但是，预紧后发热较多，温升较高；且较大的预紧将使寿命下降，故预紧要适量。角接触球轴承在轴向力的作用下，使内外圈产生轴向错位实现预紧，衡量预紧力大小的是轴向预紧力，简称预紧力，单位为。多联角接触球轴承是根据预紧力组配的。轴承厂规定了轻预紧、中预紧和重预紧三级预紧。定货时可指定预紧级别。轴承厂在内圈（背靠背组配）或外圈（面对面组配）的端面根据预紧力磨取。装配时挤紧，便可得到预定的预紧。如果两个轴承间需要割开一定的距离，可在两轴承之间加入厚度相同的内外割套。在轴向载荷的作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。而满足这个条件的最小预紧力，双联组配为最大轴向载荷的35%。5、对角接触球轴承的预紧的要求（1）点接触球轴承，刚度与载荷的1/3幂成正比。所以预紧对提高刚度有一定的效果，这是与线接触的滚子轴承是不同的。点接触的球轴承，应在温升允许的情况下，尽量用较高的预紧力。（2）在轴向力的作用下，不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。可以证明，满足这个条件的最小预紧力，双联组配为最大轴向载荷的35%（近似可取1/3）。（3）速度因子dmn接近表4-4,4-5所列的高速轴承，可取轻预紧；定货时，必须向轴承厂说明预紧级别或预紧力。轴承厂可按要求组配，成组供货。6、承载能力和寿命主轴轴承通常载荷相对较轻。除了这些特殊重载主轴外轴承的承载能力是没有问题的。主轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损而降低精度。通常，如轴承精度为级，经使用磨损后跳动精度降为级，这个轴承就认为应该更换了。虽然还未达到其疲劳寿命，但这种“精度寿命”目前还难以估计。5.3.3主轴组件的技术要求主轴和箱体与轴承相配合的技术要求直径公差和形位公差。为了得到主轴组件高的回转精度，除保证主轴及其相关零件高的加工精度及采用精密主轴轴承外，还应进行定向装配。5.3.4主轴组件的动态特性1、平移主轴作为一个刚体（实际上略有弯曲），在弹性支撑上作平移振动，主轴各点的振动方向一致。2、摇摆主轴在弹性支座上摇摆，左右振动方向相反。3、弯曲主轴本身作弯曲振动，主轴中间与两端的振动方向相反，有两个节点。这两个节点位于支撑点附近。每个振型都有其固有频率。每个振型固有频率排列的次序，称为阶。上述三个振型的固有频率，以平移振型为最低，弯曲振型为最高，三个振型分别为第一、二、三振型，振型和固有频率合成为模态。可以看出，第一、二阶模态的弹性环节主要是轴承；第三阶则主要是轴承。当轴的刚度提高时，第一、二阶模态的固有频率也随之提高，但第三阶模态提高不多。主轴是一个连续体，又无穷个模态。例如还有主轴的扭矩振动、纵向振动等。但是，这些模态的固有频率较高，工作是不可能发生共振，所以，只需研究最低几阶模态，可用有限元法或传递矩阵法，借助计算机计算。通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措施。（1）使主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率的30%以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体振动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。（2）增大比尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗震性影响很大。如果要求得到很大。如果要求得到很光的加工表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减小，故选择预紧时还因考虑阻尼因素。（3）采用消振装置。5.3.5主轴轴承的润滑滚动轴承在接触区的压强很高，在这么高的压强下，接触区产生变形，是一块小面积的接触而不是一条线或一个点的接触：润滑剂在高压下被压缩，粘度升高了。因此，才能在滚动体与滚道的接触区，形成一个厚度的油膜，把两者隔开，滚道体与滚道的接触面积很小，所以，滚动轴承所需的润滑剂很少的。当然，也可用脂润滑，还有用油气润滑的。1、脂润滑滚动轴承能用脂润滑是它的突出优点之一。脂润滑不需要供油管路和系统，没有漏油问题。如果脂的选择合适、清洁、密封良好，不是灰尘、油、切削液等进入，寿命是很长的。一次冲填可用到大修，不许补充，也不要加脂孔。脂润滑可选用锂基脂，如SKFLGLT2号（常用于球轴承）。2、油气润滑如果dmn值较大时，还需对轴承进行冷却。如果用油兼作润滑和冷却，则由于油的搅拌作用，温升反而会增加。最好用油润滑，用空气冷却。油雾润滑需能达到这个目的，但是易污染环境。比较好的方法是油气润滑。在吹向轴承的空气中定期地注入油，油并不雾化，用后可回收，不污染环境。油用于润滑，空气勇于冷却5.4选择主轴电机1.主轴转速范围该数控磨床的磨头选择为圆头锥磨头和碟形磨头。当选用碟形磨头时，切削速度v=（25～30）m/s刀具直径D=（75～120）mm主轴转速：n1===3980r/minn2===8913r/min当选用圆头锥磨头时，切削速度v=（10～12.5）m/s刀具直径D=（16～35）mm主轴转速：n1===5457r/minn1===14920r/min所以主轴转速范围n=（3980～14920）r/min2.传动比i主轴与电动机通过一级高速带传动,传动比i=0.53.电机转速no=in=(1990～7460)r/min所以选电机的转速no=2000r/min4.切削功率pc工作台单行程的磨削深度进给量S===0.08mm/行程v—工件的运动速度v=5m/minK=1.0(尺寸精度为0.03mm,加工余量h=0.35mm)K=1.0(工件材料为淬火钢,磨头直径D≤500mm)==120mm—工件磨削表面的实际总面积(36000mm)L—工作台的行程长度(300mm)根据上述数据,查《金属机械加工工艺人员手册》可得:切削功率pc=6.15kw5.主传动功率===7.2kw—主传动系统的总效率(0.75～0.85)6.电机额定功率P=/K=7.2/1.1=6.5kwK—工况系数取1.1查表得额定功率P=7.0kw7.结果：交流主轴电机型号连续负载P/kw间隙负载(60%)/kw短时负载(30min)/kw额定转速r/min最大转速r/min额定转矩MN.m惯性矩JKg/m晶体管PWM变频器型号1HP6103-4CG47.08.68.820009000330.0176SC6503-4AA021HP6系列交流主轴电机是四笼型感应电动机,这类电动机与SIMODRIVE6500晶体管PWM变频器配套开发,电动机的损耗和噪音都明显减低。主轴电机有安装在非驱动端的风扇电独冷却，由于单独冷却的结果，电动机即使在静止时。也能提供全转矩，标准型的电动机的冷却空气是从驱动端流向非驱动端。由SIMODRIBVE6500晶体管PWM变频器与1HP6交流主轴电机组成的交流主轴驱动系统，提供一个适合与不受限制的四象限操作，带有反馈制动的驱动系统。5.5高速带的设计计算主轴电机与主轴之间采用高速带直接联接。1.选择带型由于要求传动可靠,运转平稳,并有一定的寿命,所以都采用重量轻、厚度薄而均匀、曲挠性好的环形平带作为高速带。根据和n选择A型带(3槽)。2.小带轮直径+2=75+2×4=83mm取标准,=90mm3.带速==71.8m/s==19.2m/s4.大带轮直径==180mm5.中心距得189≤a≤540取a=26.带长L===932mm7.小带轮包角==>合格8.挠曲次数==１５０＜２００合格所以选高速带的种类为薄型绵纶片复合平带。９．带厚～＝（2.25～3）取标准，带厚为3mm１０．带宽b传递功率Ｐ＝７.０kw工况系数拉力计算系包角修正系数传动布置系数传动比系数带的质量带的许用拉应力带的离心拉应力＝所以＝取b＝26mm１１．作用在轴上的力带的预紧力推荐值为＝带的截面积Ａ＝b＝４０×２．５＝９０＝第六章控制系统设计6.1确定硬件电路的总体方案数控系统基本组成：任何一个数控系统都是有硬件和软件两部分组成。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数控系统的性能指标。数控系统的硬件电路概括起来有以下四部分组成：主控制器即中央处理单元CPU；总线包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）；存储器包括可编程存储器和随机可读存储器；接口即I/O输入/输出接口电路。其中CPU是系统的核心，其作用是发布命令以及协调各部分电路。存储器用于存放系统软件以及运行过程中的各种数据。I/O接口电路是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是连接CPU、存储器和I/O接口电路的纽带，是各部分进行通信的线路。除此以外，还需要根据系统的要求配备一些外围设备和信号变换器。上图所示的数控系统硬件结构框图。信号交换电路包括A/D交换、D/A转换等。6.2主控制器CPU的选择在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下三要素：时钟频率和字长（控制数据处理速度）；可扩展存储器（ROM/RAM）的容量；指令系统功能是否强（即变成的灵活性）。I/O扩展的能力：开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。除此以外，还应根据系统应用场合，选择对象以及对各种参数要求选择CPU。在一般数控系统中，最常用MCS-51系统单片机作为主控制器。本次设计将选用8031单片机。从上述特性可知，一块8031的功能几乎相当于一块Z80CPU、一块RAM、一块Z80CTC、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微型机算计系统。6.3存储器扩展电路设计1、程序存储器扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片采用EPROM芯片。其型号分别为2716、2732、2764、2756等，其容量分别为2K、4K、16K、32K。在选择芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配。即8031所能读取的时间必须大于EPROM所要求的时间。此外，还需考虑最大读出速度，工作温度及存储器的容量。在满足要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量，使系统简化。本控制电路中选用2732存储芯片，74LS373地址锁存器。2、数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，需扩展片外的数据存储器。本控制电路选用6264静态数据存储器。3、译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相联。单片机数据总线分时地与各个外围芯片进行数据传送，故需进行片选控制，选用74LS138译码器。6.4I/O口扩展电路设计8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只是一部分。因此，不可避免的要进行I/O口的扩展。本电路扩展了两个可变成并行接口芯片8255A。8255A是一个适用于诸多微机系列的可编程通用8位输入/输出接口芯片。可通过编程来改变它的工作方式。通用性强、灵活多变、便于和各种外设连接。键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。数据系统采用行列式键盘，即I/O口的线组成行列结构。按键设置在行列的交点上。显示器为LED。键盘和显示器共用8255A的PA口进行控制。在进行键盘巡回扫描时，必须先关显示。当然有关键盘和显示器的工作必须经过软件协调才能达到预期的效果。6.5交流伺服电机驱动电路单片机发出的驱动信号通过8255A转向定时器8253，用来改变其输出的脉冲宽度。8253发出的信号由电平转换电路变换成双级性脉宽调制信号，再由有源滤波电路平滑成连续的电压信号，这个环节的作用类似于D/A转换，然后将此电压信号送到速度调节器，而后再由电流调节器送出电流指令值到内含PWM调制电路的PWM功率接口。其中电流反馈和速度反馈均采用模拟电路。6.6主轴电机驱动电路主轴电机采用交流电机，并采用单片机控