數(shù)控火焰切割機的設(shè)計【龍門式】【含14張CAD圖紙】

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The major of sliding screw and rolling ball screws strength and transmission efficiency is calculated respectively.And problems existing in the connect of parts, in the design of structure of the beam ,are also improved. Flame cutting in the head is based on transmission device using screw speed control movement, with single-chip microcomputer control motor speed to achieve results. I also make a system explanation of the control of circuit design, involved mainly to make the selection and applications of the keyboard, display, main chip. Keywords flame cutting machine electrical control the design of the beam microcontroller I徐州工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(論文)目 錄摘要IAbstractII1 緒論11.1 課題的意義、目的、研究范圍及要達到的技術(shù)要求11.1.1 課題的意義和目的11.1.2 研究范圍和技術(shù)要求11.2 龍門式火焰切割機的簡介和特點11.2.1 簡介11.2.2 特點21.3國內(nèi)外的現(xiàn)狀21.4 發(fā)展前景32 總體方案設(shè)計52.1 總體方案的設(shè)計52.1.1 功能與技術(shù)參數(shù)的分析52.1.2 橫梁機構(gòu)設(shè)計簡介52.1.3雙切割頭橫向移動電氣控制設(shè)計簡介52.2 立柱的設(shè)計52.2.1 機架的設(shè)計準(zhǔn)則及要求52.2.2 立柱結(jié)構(gòu)63 橫梁機械機構(gòu)設(shè)計93.1 龍門式橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計93.1.1 確定龍門式火焰切割機橫梁結(jié)構(gòu)93.1.2 傳動裝置類型的選用93.1.3 傳動方案的選取103.2 機床零部件的設(shè)計103.2.1 絲杠副的選取113.2.2導(dǎo)軌的選型及計算153.2.3聯(lián)軸器的選取163.2.4 軸承的選取183.2.5立柱底座橫向進給的滾動絲杠的計算193.2.6 步進電機的選取214 電氣控制設(shè)計254.1擬定機床控制系統(tǒng)方案254.2組成元件的介紹254.2.1主要芯片的選取254.2.2 鍵盤接口原理254.3 控制電路設(shè)計264.3.1 使用多片EPROM的擴展電路264.3.2 89C51主要管腳功能274.3.3 靜態(tài)RAM芯片的選用274.3.4 8155工作方式查詢284.3.5 89C51的存儲器及I/O的擴展294.3.6 8155狀態(tài)查詢304.3.7 8155內(nèi)部定時電路304.3.8 89C51地址分配314.3.9 8155擴展I/O端口的初始化程序設(shè)計324.4 鍵盤電路設(shè)計334.4.1鍵盤功能334.4.2 鍵盤程序設(shè)計334.5閃光報警電路364.6 顯示器設(shè)計364.6.1顯示器顯示方式的選取364.6.2顯示器接口電路364.7光電隔離電路選用36結(jié)論38致謝39參考文獻40391 緒論1.1 課題的意義、目的、研究范圍及要達到的技術(shù)要求1.1.1 課題的意義和目的火焰切割機是工程中金屬板材切割的常用設(shè)備，可以根據(jù)要求在板材上切割出不同形狀。采用數(shù)控技術(shù)的多點火焰切割機可以同時進行多種切割加工。龍門式火焰切割機是一種針對大型板材的火焰切割設(shè)備。本課題要求對龍門式火焰切割機的橫梁機械機構(gòu)進行設(shè)計，并設(shè)計切割頭的橫移控制系統(tǒng)。1.1.2 研究范圍和技術(shù)要求本次設(shè)計任務(wù)是設(shè)計一臺單片機（89C51主控芯片）控制火焰切割機床，主要設(shè)計對象是橫梁及89C51單片機控制切割頭的原理圖。單片機對縱、橫向進給脈沖當(dāng)量0.001mm/ pluse。工作臺部件主要構(gòu)件為滾珠絲杠副、滑動絲杠副、滾動直線導(dǎo)軌副、步進電機等。設(shè)計時應(yīng)兼顧兩方向的安裝尺寸和裝配工藝。要求切割頭橫向移動距離2.5米，其橫向最大移動速度0.3米秒，且雙切割頭可以同時做相同或相反移動。1.2 龍門式火焰切割機的簡介和特點1.2.1 簡介在機械加工過程中，板材切割常用的方式有手工切割、半自動切割機切割及數(shù)控切割機切割。手工切割較為靈活方便，但手工切割的質(zhì)量差、尺寸誤差大、材料浪費大、后續(xù)加工的工作量又大，同時勞動條件非常惡劣，生產(chǎn)效率很低。半自動切割機中的仿形切割機，切割工件的質(zhì)量比較好，由于其使用切割模具，不適合于單件、小批量和大工件的切割。其它類型半自動切割機雖然降低了工人的勞動強度，但其功能比較簡單，只適合一些較為規(guī)則形狀的零件切割。數(shù)控切割相對手動和半自動切割方式來說，可以有效地提高板材切割地效率、切割質(zhì)量，而且能減輕操作者的勞動強度。目前在我國的一些中小企業(yè)甚至在一些大型企業(yè)中使用手工切割和半自動切割方式還是較為普遍的。龍門式數(shù)控火焰/等離子切割機采用雙邊驅(qū)動，即雙切割頭，運行穩(wěn)定，配置好，工作效率很高，可以用于各種異形碳鋼、錳鋼、不銹鋼等金屬材料的大、中、小型鋼板下料。還可根據(jù)用戶的要求配置多把割炬。見下圖1-1圖1-1龍門式數(shù)控火焰/等離子切割機1.2.2 特點1.橫梁：采用方管對焊的結(jié)構(gòu)，具有剛性好，精度高，自重輕，慣量小的特點。所有的焊接件均采用振動時效去應(yīng)力處理，有效的防止了結(jié)構(gòu)變形；2.縱、橫向驅(qū)動：橫向?qū)к墑t采用了臺灣進口的直線式導(dǎo)軌，縱向?qū)к壥怯删芗庸さ奶刭|(zhì)鋼軌制成的，保證了切割機的運行平穩(wěn)，精度高，且經(jīng)久耐用，清潔美觀；3縱向驅(qū)動架（端架）：兩端裝有水平的導(dǎo)向輪，可調(diào)整其驅(qū)動架底部偏心輪對導(dǎo)軌的壓緊程度，使整機在運動中能夠保持穩(wěn)定的導(dǎo)向；4驅(qū)動系統(tǒng)選用步進電機和驅(qū)動技術(shù)，使整機運行平穩(wěn)，速度變速范圍寬，加速時間短；5簡單易用的自動編程系統(tǒng)，使編程不再那么的復(fù)雜，輕而易舉；6電氣系統(tǒng)具有優(yōu)良穩(wěn)定性和超強抗干擾；1.3國內(nèi)外的現(xiàn)狀目前來說切割機應(yīng)用在金屬及非金屬行業(yè)上，一般來說，非金屬行業(yè)分得比較細致，比如有切割石材的石材切割機、水切割機、鋸齒切割機，切割布料、塑料及化纖制品用的激光切割機、刀片式切割機，切割金屬材料的則有火焰切割機（火焰切割機又分數(shù)控火焰切割機和手動火焰切割機。而手動的又有小跑車、半自動、純手動的；數(shù)控的有龍門式數(shù)控切割機、懸臂式數(shù)控切割機、臺式數(shù)控切割機、相貫線數(shù)控切割機等等）、等離子切割機。切割成本方面來說，激光切割機是最昂貴的，也是精度和效率最高的一種切割設(shè)備，水刀切割機次之，然后就是火焰切割機，等離子切割機是最便宜的。（見下圖1-2）圖1-2激光切割機經(jīng)過了幾十年的發(fā)展，數(shù)控切割機在切割能源和數(shù)控控制系統(tǒng)兩方面均取得了長足的發(fā)展，譬如切割能源已經(jīng)由單一的火焰能源切割發(fā)展為目前的多種能源(火焰、等離子、激光、高壓水射流等等)切割方式；數(shù)控切割機控制系統(tǒng)已由當(dāng)初的簡單功能、復(fù)雜編程和輸入方式及自動化程度不高已經(jīng)發(fā)展到具有功能完善的、智能化的、圖形化的、網(wǎng)絡(luò)化的控制方式； 驅(qū)動系統(tǒng)也從的步進驅(qū)動、模擬伺服驅(qū)動到今天的全數(shù)字式的伺服驅(qū)動。1.4 發(fā)展前景隨著現(xiàn)代化的機械加工業(yè)的發(fā)展，人們對切割的質(zhì)量、精度要求的不斷提高，并對生產(chǎn)效率的提高、生產(chǎn)成本的降低、高智能化地自動切割的功能要求也在不斷的提升。數(shù)控切割機必須要去適應(yīng)現(xiàn)代化機械加工發(fā)展的要求。1.數(shù)控切割機的發(fā)展從現(xiàn)在幾種通用的數(shù)控切割及應(yīng)用情況來看，數(shù)控火焰切割機的功能及性能已經(jīng)比較完善了，但是對切割材料有局限性（只能切割碳鋼板），其切割速度也慢，生產(chǎn)效率低，適用范圍逐漸在縮小，市場不可能有大的增加。等離子切割機具有切割范圍廣（可以切割所有的金屬材料），切割速度快，工作效率高等特點，未來的發(fā)展方向在于等離子的電源技術(shù)的提高、數(shù)控系統(tǒng)與離子切割配合的問題，比如電源功率的提升就能切割更厚的板材；完善和提高精細等離子技術(shù)也能提高切割速度、切面質(zhì)量和切割精度；通過完善和提高數(shù)控系統(tǒng)來實現(xiàn)對等離子切割效率和切割質(zhì)量的提升。激光切割機的切割速度快，精度和切割質(zhì)量好等特點。在國家指定的長期發(fā)展規(guī)劃時，又是將激光切割列入了關(guān)鍵支撐技術(shù)。因其涉及國家安全、國防建設(shè)及高新技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化和科技前沿的發(fā)展，所以要對激光切割有很高的重視程度，這就將激光切割機的制造和升級帶來很大的商機。隨著用戶對激光切割技術(shù)特點的逐步了解和采用的示范性地深入，這就帶動了國內(nèi)企業(yè)開發(fā)、生產(chǎn)激光切割機。2.專用數(shù)控切割機的發(fā)展數(shù)控管材切割機適用于各種管材上的切割，如切割圓柱正交、斜交、偏心交等相貫線孔、方孔、橢圓孔，并能在管子的端部切割與之相交的相貫線。這種類型的設(shè)備已經(jīng)廣泛運用在金屬結(jié)構(gòu)件的生產(chǎn)，電力設(shè)備、鍋爐業(yè)、石油業(yè)、化工等部門。它是行業(yè)內(nèi)比較高端的產(chǎn)品之一，此類的設(shè)備切割功能可以滿足焊接工藝眾不同的板材開不同角度的坡口要求。隨著造船業(yè)地發(fā)展，船廠在國內(nèi)率先引進和使用數(shù)控等離子切割機。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前國內(nèi)外的船廠紛紛配備了具有回轉(zhuǎn)坡口功能的等離子切割機，為了滿足其高技術(shù)、高附加值船的建造要求。2 總體方案設(shè)計2.1 總體方案的設(shè)計2.1.1 功能與技術(shù)參數(shù)的分析為了提高工作的效率，所以采取雙切割頭同時工作，來縮短工作的時間。頭的支承取用龍門式，這樣可以有利于調(diào)整龍門的大小來實現(xiàn)加工不同尺寸鋼的要求。龍門式的機床不但具有使用壽命長，工作的穩(wěn)定性高的特點，而且能最大限度地滿足加工不同型號鋼的要求，其缺點就是只能在固定的地點加工，使用起來不夠靈活簡便。由于要切割曲線割縫，割頭由十字滑臺帶動，這樣既能簡化其結(jié)構(gòu)，又能滿足其運動要求。2.1.2 橫梁機構(gòu)設(shè)計簡介因為切割速度要滿足板厚和火焰對其的要求，所以要以無級調(diào)速。傳動方式采用絲杠旋轉(zhuǎn)，絲杠螺母帶動工作臺直線運動，利用調(diào)節(jié)絲杠的轉(zhuǎn)速來控制割頭的速度。而且要求的加工精度為14mm,所以絲杠能很好地保證傳動精度和平穩(wěn)性。電機與絲杠用聯(lián)軸器直接連接就可以使傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量減小，而且減少對電機的負擔(dān)，實現(xiàn)無級調(diào)速。絲杠的傳動采用步進電機來帶動其運動。2.1.3雙切割頭橫向移動電氣控制設(shè)計簡介切割頭采用電氣控制方式，首先確定電動機，然后對其電流估算。對電氣控制的電器元件進行選擇。本設(shè)計采用MCS-51系列的8031單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，具有很高的性能價格比?？刂葡到y(tǒng)由微機部份，鍵盤，顯示器及I/O接口等組成，由微機控制步進電機的輸入頻率，來控制電機的輸出轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)割槍的無級調(diào)速。2.2 立柱的設(shè)計2.2.1 機架的設(shè)計準(zhǔn)則及要求1. 機架的設(shè)計準(zhǔn)則機架的設(shè)計主要應(yīng)保證剛度，強度及穩(wěn)定性。2. 機架的設(shè)計要求(1)在滿足其剛度和強度的前提下，機架的重量應(yīng)達到輕、成本低的要求；(2)抗振性好、噪聲小；(3)溫度場分布合理，熱變形對精度的影響??；(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計合理且工藝性良好，便于鑄造、焊接和機械加工；(5)結(jié)構(gòu)力求方便安裝和調(diào)整，同事也便于修理和更換零部件；(6)有導(dǎo)軌的機架要求其導(dǎo)軌面受力合理，耐磨性好；(7)造型好看，即經(jīng)濟適用，且美觀大方。機架一般分為鑄造機架和焊接機架兩類，焊接結(jié)構(gòu)與鑄造結(jié)構(gòu)相比之下，焊接結(jié)構(gòu)具有高強度和剛度，重量輕，生產(chǎn)周期短及施工簡便等優(yōu)點。表2-1 鑄造機架和焊接機架的對比鑄造機架焊接機架重量較重鋼板焊件比鑄件輕30%強度，剛度，抗振性剛度強度較低，阻尼大強度剛度大，抗振性差價格便宜價格較貴生產(chǎn)周期周期長，資金周轉(zhuǎn)慢生產(chǎn)周期短設(shè)計條件鑄件壁厚不能相差過大，只能用開口的結(jié)構(gòu)設(shè)計比較靈活，壁厚可以相差較大用途大批量的生產(chǎn)單件小批量生產(chǎn)在比較上述參數(shù)和結(jié)合本次設(shè)計的具體事況，最后選用焊接機架。從可焊性上考慮，一般選取碳含量0.25%的碳鋼。2.2.2 立柱結(jié)構(gòu)焊接柱按外形分為實腹柱和格構(gòu)柱。1實腹柱 實腹柱又分為型鋼實腹柱和鋼板實腹柱，前者焊縫小應(yīng)該優(yōu)先地選用，后者適應(yīng)性強，可按使用要求設(shè)計成各種大小的尺寸。當(dāng)腹板的計算高度為h，與腹板厚度b之比大于80時，應(yīng)有橫向隔板來加強，間距不得大于3h，柱肢外伸自由寬度b0不宜超過15噸。2. 格構(gòu)柱 格構(gòu)柱分綴板式和綴條式兩種。最后設(shè)計選擇型鋼實腹柱。如圖22 圖22 實腹柱1.立柱截面形狀 由于零件的抗彎，抗扭強度和剛度除與其截面的面積有關(guān)外，還取決于截面的形狀，合理改變截面的形狀，增大其慣性矩和截面系數(shù)，可提高機架零件的強度和剛度，從而使其充分發(fā)揮材料的作用。從機械零件手冊里查得取用矩形面，其抗彎與抗扭慣性矩相對值較大。綜合上述條件，立柱則采用型鋼實腹柱，截面形狀為方形，選取結(jié)構(gòu)用冷彎形空心型鋼，這樣可以減小焊縫和避免焊縫受到集中應(yīng)力的影響。2.結(jié)構(gòu)用冷彎形空心型鋼國標(biāo)為：GB/T 67281986（1）一般鋼號為Q235-A，20或Mn等，其力學(xué)性能與化學(xué)成分應(yīng)符合：GB/T 700，GB/T 699和GB/T 1591的規(guī)定。（2）彎曲部分的內(nèi)弧半徑235, t4.0時, r1.4t, 4.0t8.0時，r1.8t .選取的型號：71，邊長, 壁厚, 理論重量： , 截面面積： 慣性矩： 回轉(zhuǎn)半徑： 截面模數(shù)： 圖23冷彎形空心型鋼結(jié)構(gòu)圖3.立柱熱處理為保持尺寸穩(wěn)定，為消除內(nèi)應(yīng)力，焊后應(yīng)進行熱處理，第一次熱處理安排在焊接后，第二次熱處理安排在粗加工后進行。圖24第一次熱處理圖25第二次熱處理圖初步選定機架的主要尺寸：兩邊的立柱高度為：3130mm.橫梁長為：3100mm.滑臺1的尺寸為：長=1100mm, 寬=220mm, 高=30mm.滑臺2的尺寸為：長=320mm, 寬=100mm, 高=30mm.3 橫梁機械機構(gòu)設(shè)計3.1 龍門式橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1.1 確定龍門式火焰切割機橫梁結(jié)構(gòu)采用箱式橫梁，這樣承載力好，整體回火可以消除焊接應(yīng)力，而且性能穩(wěn)定可靠。3.1.2 傳動裝置類型的選用機械傳支裝置的選用是比較復(fù)雜的工作，它需要考慮從動力機到工作機多方面的因素，經(jīng)細致分析對比后才能作出合理的選擇。通常，以下幾方面是選擇機械傳動裝置類型的基本依據(jù)：（1）工作機的工況的性能參數(shù)；（2）動力機的性能及與動力機匹配對傳動裝置機械特性上的要求；（3）綜合分析不同類型傳動裝置的初始費用，運轉(zhuǎn)費用和維修費用，使所選的傳動裝置具有良好的經(jīng)濟性；（4）能符合運轉(zhuǎn)安全和環(huán)境保護方面的要求；（5）使用的控制方便，可靠。在現(xiàn)代的機器設(shè)計中，為了優(yōu)化機器的設(shè)計方案，傳動方案的確定都是同動力機的選擇，工作機構(gòu)的選定通盤考慮的。也就是考慮動力機，傳動裝置秘工作機的匹配問題。傳動裝置的選用，通常并沒有一成不變的程序可行，而要根據(jù)不同機器的具體條件和復(fù)雜程度，經(jīng)多方案的分析比較才能選定。以下幾方面是在選定傳動裝置類型時要具體分析考慮的：(1)機械特性；(2)功率范圍；(3)速度； (4)傳動比范圍；(5)傳動效率；(6)壽命；(7)外廓尺寸；(8)重量；(9)變速要求；(10)價格本次設(shè)計主要解決的問題是變速方式無級變速：無極變速能夠選用最合理的運動速度，可在運轉(zhuǎn)中變帶，操縱控制方便，箭筒化機械結(jié)構(gòu)等，是目前發(fā)展的主要方向。無極變速在數(shù)控機床上得到廣泛的運用，主要利用直流和交流調(diào)速主軸電動機。利用直流調(diào)速電動機進行機床主軸無級變速發(fā)展比較早，應(yīng)用較廣。但直流調(diào)速電動機恒功率調(diào)速范圍很小，一般為12，很少為34，且有換向限制?，F(xiàn)在國際上新生產(chǎn)的數(shù)控機床已有85采用交流變頻主軸驅(qū)動系統(tǒng)；交流變頻調(diào)速電機恒功率調(diào)速范圍8 30，有的直接驅(qū)動主軸。內(nèi)裝主軸就是主軸與電機轉(zhuǎn)子合為一體，其優(yōu)點是主軸部件結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、慣量小，可提高起動，停止的響應(yīng)特性，并有利于控制振動和噪聲，其缺點是運轉(zhuǎn)中產(chǎn)生的熱量容易使主軸產(chǎn)生熱變形。因此控制溫升和冷卻是使用內(nèi)裝主軸電動機的關(guān)鍵。內(nèi)裝主軸電動機轉(zhuǎn)速可達1500r/min。設(shè)計無級變速系統(tǒng)時，應(yīng)注意電動機的機械特性應(yīng)符合傳動鏈的要求。若不滿足要求，還應(yīng)串聯(lián)有級變速箱，一般變速級數(shù)為24級。3.1.3 傳動方案的選取由于工作臺只作直線運動，以下為直線傳動的常用方案：方案1. 電機 聯(lián)軸器 變速箱 齒輪 齒條方案2. 伺服電機 一級齒輪 絲杠 絲杠螺母方案3. 步進電機 聯(lián)軸器 絲杠 絲杠螺母由于要實現(xiàn)工作臺的無級調(diào)速，方案1只能實現(xiàn)有限級調(diào)速，所以不能使用，動力機使用步進電機就可以實現(xiàn)無級調(diào)速，方案2，3都適用，另外工作臺要求的運行精度在14mm，精度要求不高，如果傳動系統(tǒng)用一級齒輪傳動會加大傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，同時加大電機的負擔(dān)，如果電機與絲桿用聯(lián)軸器直接連接就可以使傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量減小，所以選取方案3傳動系統(tǒng)。3.2 機床零部件的設(shè)計（1）電機與滑動絲杠的聯(lián)接是通過過盈套筒聯(lián)軸器、緊定螺釘M4X6、套筒聯(lián)軸器、平鍵6X6、軸套和推力球軸承。（圖3 -1）其優(yōu)點在于：傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量減小，減小電機的負載圖3 -1電機與滑動絲杠的聯(lián)接（2）電機與滾動絲杠的聯(lián)接是由變徑聯(lián)軸器、軸承端蓋、圓錐滾子軸承和軸承座。（見圖3 -2）圖3 -2電機與滾動絲杠的聯(lián)接3.2.1 絲杠副的選取一般絲杠副分為滑動絲杠副和滾動絲杠副。滾動絲杠副的特點：1.傳動效率高；2.運動具有可逆性；3.系統(tǒng)剛度好；4.傳動精度高；5.使用壽命長；6.不能自鎖；7.制造工藝復(fù)雜?；瑒咏z杠特點：滑動絲杠摩擦力較大，傳動效率較低，一般為30%-40% ，磨損快，低速和微調(diào)傳容易出現(xiàn)爬行，容易自鎖，定位精度和軸向剛度較差，但結(jié)構(gòu)簡單，加工方便定位精度和軸向剛度較差，但結(jié)構(gòu)簡單，加工方便。由于工作臺要實現(xiàn)橫向及縱向運動，所以需要橫向和縱向絲杠傳動。橫向絲杠沒有工作載荷，而且不需要考慮自鎖功能，伺服電機取用步進電機就滿足自鎖要求，所以橫向絲杠副取用滾動絲杠副?？v向絲杠要支承工作臺的重力，必須要有很好的自鎖功能，所以縱向絲桿取用滑動絲杠副。1.滑動絲杠的計算與校核立柱上支承工作臺的縱向滑動絲桿計算：(參考自機械設(shè)計手冊第4版第3卷)最大軸向力為1.5 Kg，最大升降行程為1600mm,采用單頭梯型開螺紋，螺旋應(yīng)有自鎖性。(1)選擇材料和許用應(yīng)力螺桿材料選用45號鋼，調(diào)質(zhì)處理， 5=360/35=12072 現(xiàn)取 螺母材料選用ZcuAl10Fe3, 現(xiàn)取 由于工作臺快進的速度為0.3m/s許強 取8 (2)按耐磨性計算螺紋中徑滑動絲杠螺母的主要失效形式是磨損，因此應(yīng)以耐磨性計算來決定絲杠中徑，或由類比，結(jié)構(gòu)決定中徑后，進行耐磨性校核，對于細長且受壓的絲杠，還應(yīng)校核壓桿穩(wěn)定性，強度一般不用校核。見式（3.1） 式（3.1） 整體式螺母取1.22.5,現(xiàn)取軸向載荷螺紋副許用壓強由GB5796.31986 可選的梯形螺紋，中等精度，螺旋副標(biāo)記為 。螺母高度見式（3.2） 式（3.2） 取則螺紋圈數(shù)圈（1）自鎖性驗算由于系單頭螺紋，導(dǎo)程S=P=5mm,故螺紡升角為 摩擦因數(shù)f由于是鋼對青銅 f=0.080.1, 取f=0.09。梯形螺蚊的夾角由于,故自鎖可靠。（2）螺桿強度驗算螺紋摩擦力矩見式（3.3） 式（3.3） (5)螺母螺紋強度驗算因螺母材料強度低于螺桿，故只驗算螺母螺紋強度即可，牙根寬度= 基本牙型高 =1.8p(6)螺桿的穩(wěn)定性驗算螺桿的總長 按一端固定一端自由，得臨界載荷 故穩(wěn)定性條件滿足。(7)效率計算 由于底部用滾動推力球軸承，其效率為0.982.橫向進給的滾動絲桿的計算（參考于機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)）(1)絲桿所受的最大軸向力計算滑臺2的重量計算： 體積 重量 重力因為滑臺在進給時沒有受工作載荷，只受重力的作用，即 (滾動導(dǎo)軌的摩擦系f=0.00250.005,取0.005) 絲桿所受的軸向力很少，為了計算方便和其它因素影響，現(xiàn)取最大動負載C的計算及主要尺寸初選L工作壽命： n絲桿轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取11.2, 取1.2選取絲桿圈數(shù)列數(shù)由于絲桿沒有受工作載荷，而且要求的行程精度不高，所以不用進行剛性校核，只校核絲桿的穩(wěn)定性。（2）滾動絲杠穩(wěn)定性驗算滾道半徑 偏心距 絲杠內(nèi)徑 臨界載荷，如式（3.4） 式（3.4）Ia絲桿危險截面的軸慣性矩: E絲杠材料的彈性模量，對于鋼，;絲桿工作長度；長度系數(shù)，一端固定一端簡支， 所以絲桿安全不會失穩(wěn)。3.2.2導(dǎo)軌的選型及計算1.的設(shè)計要求：(1)幾何精度就是通常所說的導(dǎo)向精度，即運動的直線度或回轉(zhuǎn)精度；(2)運動精度包括兩方面內(nèi)容：一是運動的平穩(wěn)性，二是定位精確；(3)具有足夠的承載能力和剛度，使用壽命長；(4)結(jié)構(gòu)簡單，工藝性好，便于調(diào)整和維修；(5)具有良好的潤滑和防護裝置。導(dǎo)軌的功用是導(dǎo)向和承載，一般分有滾動導(dǎo)軌和滑動導(dǎo)軌兩種。滾動導(dǎo)軌在兩導(dǎo)軌面間裝有球，滾子或滾針等滾動元件，具有滾動摩擦性質(zhì)，廣泛地用于進給運動導(dǎo)軌。滾珠導(dǎo)軌的特點是摩擦阻力小，剛度低，承載能力差，不能承受大的顛覆力矩和水平力。直線滾動導(dǎo)軌副的計算與滾動軸承相仿，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支承不發(fā)生點蝕為依據(jù)。這個載荷稱為滾動導(dǎo)軌的額定動載荷Ca,可從產(chǎn)品樣本中查到。見式（3.5）滾動體為球時 式（3.5）L滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命；Ca額定動載荷，初選滾動導(dǎo)軌型號后，可從樣本中查出；F每個滑塊上的工作載荷；硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為5864HRC時, =1.0；硬度為55HRC時=0.8；為50HRC時=0.53; fT為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過100C時，fT=1；fC為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個滑塊時=0.81,裝三個時=0.72；fw為載荷速度系數(shù)，無沖擊振動或v15m/min時fw=11.5.現(xiàn)初選導(dǎo)軌型號為：GDA20S，額定動載荷Ca為12.4KN現(xiàn)在計算立柱底座的導(dǎo)軌，底座下每根導(dǎo)軌條安裝三個滑塊，所以=0.72，現(xiàn)把數(shù)據(jù)代入上式，有 一般球?qū)к壍木嚯x期望壽命為50km，所以此滾動導(dǎo)軌滿足要求。由于其它方向的導(dǎo)軌所受的載荷都很少，且其他參數(shù)同底座的都相同，所以為了使用方便，把其它導(dǎo)軌統(tǒng)一選擇該型號。導(dǎo)軌參數(shù)（單位mm）：滑座參數(shù)（單位mm）:如圖3-1導(dǎo)軌圖所示：圖33導(dǎo)軌3.2.3聯(lián)軸器的選取聯(lián)軌器一般分為剛性聯(lián)軸器和彈性聯(lián)軸器。剛性聯(lián)軸器的特點：制造容易，徑向尺寸小，裝拆時需移動軸，用于要求兩軸對中性好，工作平穩(wěn)，無沖擊，經(jīng)常正反轉(zhuǎn)。在剛性聯(lián)軸器中，又有聯(lián)軸套和變徑聯(lián)軸套等，變徑聯(lián)軸套適用于低速，輕載，小尺寸軸的聯(lián)接。現(xiàn)在滑動絲杠24與電機75BF003的連接采用平鍵聯(lián)軸套，其主要尺寸如下：平鍵由于電機的主軸只有8mm,所以在電機軸上再套一個過盈配合套筒聯(lián)軸器。對過盈配合聯(lián)接，應(yīng)根據(jù)聯(lián)軸器傳遞轉(zhuǎn)矩的大小和軸套不發(fā)生滑動條件，確定配合面的壓強p，如式（3.6） 式（3.6）配合表面的摩擦系數(shù)（取=0.12）；L套筒與主動軸伸接觸部分長度（ =14）；Tc扭矩（Tc=0.835Nm）。所以 產(chǎn)生壓強p所需的過盈量 E為套筒材料的彈性模量，外套筒與內(nèi)套筒相對軸向推進量e與過盈量關(guān)系為（見圖3-4） 圖34鍵聯(lián)軸套3.2.4 軸承的選取1.深溝球軸承（如圖3 -5）（GB/T2761994） 型號：6005圖35溝球軸承2.推力球軸承（如圖3 -6）（GB/T3011995）軸承代號：51205圖36推力軸承3.2.5立柱底座橫向進給的滾動絲杠的計算1.絲桿所受的最大軸向力計算滑臺2的重力=75N滑動1的重力（1）滑臺1上的導(dǎo)軌，絲杠，電機的重力導(dǎo)軌座面積：導(dǎo)軌面積：合面積：重力：查得電機 55BF003的重量為0.83Kg,再加上聯(lián)軸器，軸承座約為3Kg.重力為30N。滾動絲桿20的重力 (2）.立柱上的導(dǎo)軌和絲杠重滑動絲杠20的重力 滑動絲杠24的重力 (3)立柱底滑座重力滑座尺寸：體積重力（4）.立柱重力 立柱高2800mm,結(jié)構(gòu)用冷彎方形空心型鋼的理論重量為86.8Kg/m所以 立柱重力（5）總重力在考慮到其他的重力 因為滑臺在進給時沒有受工作載荷，只受重力的作用，即 (滾動導(dǎo)軌的摩擦系f=0.00250.005,取0.005) 絲桿所受的軸向力很少，為了計算方便和其它因素影響，現(xiàn)取Fm=40N最大動負載C的計算及主要尺寸初選，式（3.7） 式（3.7）L工作壽命（ ）； n絲桿轉(zhuǎn)速（ ）；fm運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)（無沖擊取11.2, 取1.2）。 選取絲桿 圈數(shù)列數(shù), .由于絲桿沒有受工作載荷，而且要求的行程精度不高，所以不用進行剛性校核，只校核絲桿的穩(wěn)定性。2.滾動絲桿穩(wěn)定性驗算滾道半徑 偏心距 絲桿內(nèi)徑 臨界載荷，式(3.8) 式(3.8)絲桿危險截面的軸慣性矩（ ）E絲杠材料的彈性模量，對于鋼，E=206G;l絲桿工作長度；長度系數(shù)(一端固定一端簡支，=2/3 )。 所以絲桿安全不會失穩(wěn)。3.2.6 步進電機的選取1.步進電機的特點（1）一般步進電機的精度為步進角的3-5%，且不累積。（2）步進電機外表允許的溫度高。步進電機溫度過高首先會使電機的磁性材料退磁，從而導(dǎo)致力矩下降乃至于失步，因此電機外表允許的最高溫度應(yīng)取決于不同電機磁性材料的退磁點；一般來講，磁性材料的退磁點都在攝氏130度以上，有的甚至高達攝氏200度以上，所以步進電機外表溫度在攝氏80-90度完全正常。（3）步進電機的力矩會隨轉(zhuǎn)速的升高而下降。當(dāng)步進電機轉(zhuǎn)動時，電機各相繞組的電感將形成一個反向電動勢；頻率越高，反向電動勢越大。在它的作用下，電機隨頻率（或速度）的增大而相電流減小，從而導(dǎo)致力矩下降。（4）步進電機低速時可以正常運轉(zhuǎn),但若高于一定速度就無法啟動,并伴有嘯叫聲。步進電機有一個技術(shù)參數(shù)：空載啟動頻率，即步進電機在空載情況下能夠正常啟動的脈沖頻率，如果脈沖頻率高于該值，電機不能正常啟動，可能發(fā)生丟步或堵轉(zhuǎn)。在有負載的情況下，啟動頻率應(yīng)更低。如果要使電機達到高速轉(zhuǎn)動，脈沖頻率應(yīng)該有加速過程，即啟動頻率較低，然后按一定加速度升到所希望的高頻（電機轉(zhuǎn)速從低速升到高速）。2.步進電機的選型(1)轉(zhuǎn)動慣量計算：如式(3.9)絲桿： 式(3.9)D絲桿的公稱直徑 L絲桿的長度 工作臺： P絲桿導(dǎo)程G工作臺的重量總轉(zhuǎn)動慣量：(2)最大靜轉(zhuǎn)矩計算加速力矩，如式( 3 .10 ) 式( 3.10) Vmax快進的速度步距角脈沖當(dāng)量 所以 (3)空載摩擦力矩,式(3 .11) 式(3 .11) f導(dǎo)軌摩擦系數(shù)G運動部件的總重力Lo絲桿導(dǎo)程(4)附加摩擦力矩,如式（3.12） 式（3.12) 絲桿預(yù)緊力( =Fm/3)傳動效率選取電機55BF003，其最大靜轉(zhuǎn)距為68.6Ncm， 所以該電機可選用3.驅(qū)動滾動絲杠的電機的選取(1)轉(zhuǎn)動慣量計算：絲桿： (D絲桿的公稱直徑 L絲桿的長度)工作臺： (P絲桿導(dǎo)程 G工作臺的重量)總轉(zhuǎn)動慣量： (2)最大靜轉(zhuǎn)矩計算加速力矩 (=0.042)所以 (3)空載摩擦力矩 (4)附加摩擦力矩 選取電機75BF001，其最大靜轉(zhuǎn)距為39.2Ncm， 所以該電機可選用 (5)啟動矩頻特性校核步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，工進運行。前面提出的,僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機在快速啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。以后還要對快進，工進時的運行矩頻特性作校核。步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動。突跳啟動：在零時刻，步進電機的啟動頻率從零突跳為最大運行頻率,即瞬間=.事實上，突跳是不可能瞬間完成。但突跳過程極短，則加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此，突跳啟動是很少使用的。升速啟動：步進電機從靜止?fàn)顟B(tài)開始漸升速，在零時刻，啟動頻率=0,在一段時間內(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)速時，步進電機達到了最高運行速度，此時相應(yīng)的運行頻率為,因此，當(dāng)=，啟動過程結(jié)束，啟動頻率已與最高運行頻率相等，即=,在整個升速，勻速運行，降速過程中，步進電機所走的步數(shù)與應(yīng)該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩中的加速力矩項不會很大，一般不會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時間過短，則步進電機啟動力矩中的加速力矩項就會很大，所以需要校核啟動矩頻特性。從電機75BF001的啟動矩頻特性曲線圖可得，電機在最大靜轉(zhuǎn)距時，對應(yīng)的啟動頻率為1240Hz，而該電機最高空載啟動頻率為1750Hz，實際啟動頻率小于允許啟動頻率，所以能保證電機不丟步。（如圖3-7） 圖3-7啟動矩頻特性曲線4 電氣控制設(shè)計4.1擬定機床控制系統(tǒng)方案控制系統(tǒng)是通過絲杠的轉(zhuǎn)動帶動切割頭的轉(zhuǎn)動?？刂葡到y(tǒng)有微機的、有PLC的、也有單片機的，這里采用開環(huán)控制系統(tǒng)，可以選擇一個經(jīng)濟型的單片機控制系統(tǒng)。另外，控制得有輸入和輸出設(shè)備才能對相應(yīng)的運動進行控制。其控制系統(tǒng)框圖如圖4-1所示：圖41控制系統(tǒng)框圖4.2組成元件的介紹4.2.1主要芯片的選取MCS是Intel公司生產(chǎn)的單片機的序列符號，例如Intel公司的MCS-48、MCS-51、MCS-96系列單片機。MCS-51系列單片機既包括三個基本型8031、8051、8751，也包括對應(yīng)低功耗型的80C3、180C51、87C51，因而MCS-51系列特指Intel公司的這幾種型號的單片機。20世紀(jì)80年代中期以后吧，Intel公司以專利轉(zhuǎn)讓的形式把8051內(nèi)核心技術(shù)轉(zhuǎn)讓給了半導(dǎo)體芯片生產(chǎn)廠家，如ATMEL、PHILIPS、ANALOG DEVICES、DALLAS公司等。這些廠家生產(chǎn)的芯片是MCS-51系列的兼容產(chǎn)品，準(zhǔn)確地說是與MCS-51指令兼容的單片機。這些兼容機與MCS-51的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（主要指令系統(tǒng)）相同，采用CMOS工藝，因而常用80C51系統(tǒng)來稱呼所有具有8051指令系統(tǒng)的單片機。它們對8051一般都作了一些擴展，更有特點，其功能和市場競爭力更強，不應(yīng)該把它們直接稱為MCS-51系列單片機，因為MCS只是Intel公司專用的單片機系列符號。MCS-51單片機是把那些操作控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個尺寸有限的集成芯片上。如按功能劃分，它由如下功能的部件組成：微處理器、數(shù)據(jù)處理器、程序處理器（8031沒有）、4個8位并行I/O口、1個串行口、2個16位定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)、特殊功能寄存器。由于89C51芯片在性價比上比同類單片機高，加上8031、8051市場上已經(jīng)停產(chǎn)，所以選擇89C51作為主芯片。4.2.2 鍵盤接口原理鍵盤在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中能實現(xiàn)想單片機輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機的主要手段。下面介紹鍵盤的工作原理，鍵盤按鍵的識別過程及識別方法，鍵盤與單片機的接口技術(shù)和編程。1.在按鍵數(shù)較多的場合，行列式鍵盤與獨立式鍵盤相比，要節(jié)省很多的I/O口線。按鍵設(shè)置在行、列線交點上，行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端。行線通過上拉電阻5V上。無按鍵按下時，行線處于高壓電平狀態(tài)，而當(dāng)有按鍵按下時，行線電平狀態(tài)將由與此行線相連的列線的電平?jīng)Q定。列線的電平如果為低，則行線電平為低；列線的電平如果為高，則行線的電平亦為高。這一點是識別行列式鍵盤按鍵是否按下的關(guān)鍵所在。由于行列式鍵盤中行、列線為多鍵共用，各按鍵均影響該鍵所在行和列的電平，所以必須少將行、列線信號配合起來并作適當(dāng)?shù)奶幚恚拍艽_定閉合鍵的位置。2.掃描法:第一步，識別鍵盤有無鍵被按下；第二步，如有鍵被按下，識別出具體的按鍵。首先把所有的列線均設(shè)置為低電平，檢查各行線的電瓶是否變化，如有變化，則說明有鍵被按下，如果沒有變化，則說明無鍵被按下。上述識別具體按鍵方法，即先把某一列置低電平，其余各列置為高電平，檢查各行線電平的變化，如果某行線電平為低電平，則可確定此行此列交叉點處地按鍵被按下。4.3 控制電路設(shè)計4.3.1 使用多片EPROM的擴展電路為簡化電路，此處選用2764EPROM (8K*8位)。本設(shè)計采用二片2764EPROM，分別存放監(jiān)控程序,各功能模塊程序,常用零件加工程序。以便于更換各功能模塊程序和零件加工程序時，只需更換各自芯片即可，方便升級。2764芯片主要引腳功能:A0A12 13位地址線D0D7 數(shù)據(jù)輸出線 數(shù)據(jù)輸出允許信號 編程控制信號，用于引入編程脈沖 片選信號2764主要工作方式:讀方式及為低電平，Vpp5V時處于讀出方式寫方式為低電平, 亦為低電平，VPP21V, 為高電平時，2764芯片處于禁止?fàn)顟B(tài)。將數(shù)據(jù)線上數(shù)據(jù)固化到指定地址單元。編程禁止方式一此為向多片2764寫入不同程序而設(shè)置的，當(dāng)VPP=+21V時，為高電平時，2764芯片處于編程禁止?fàn)顟B(tài)。4.3.2 89C51主要管腳功能89C51是40腳雙列直插式芯片。主要管腳功能:控制線片外存儲器選擇端，雖然89C51內(nèi)有4K的FLASH，但為了方便接線和各程序的存放，故不使用內(nèi)部程序存儲器，這樣接地，從外部程序存儲器讀取指令。外部程序存儲器選通端,以區(qū)別讀外部數(shù)據(jù)存儲器。ALE地址鎖存控制端,系統(tǒng)擴展時，ALE控制P0口輸出的低八位地址送鎖存器儲存，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)和地址隔離。此外ALE以l/6晶振的固定頻率輸出正脈沖,可作為外部時鐘或定時脈沖。RESET復(fù)位端,當(dāng)輸入的復(fù)位信號延續(xù)二個周期以上高電平，完成復(fù)位初始化操作。89C51中I/O口的介紹:P0口外接存儲器時，此口為擴展電路低八位地址和數(shù)據(jù)總線復(fù)用口；Pl口用戶使用的I/O口；P2口外接存儲器時,作擴展電路高八位的地址總線；P3口雙重功能口；P0P3口均為八位雙向口。P0口可驅(qū)動8個TTL門電路，PlP3口只能驅(qū)動四個TTL門電路。時鐘XTAL1和XTAL2，使用內(nèi)部時鐘時，二端接石英和微調(diào)電路；使用外部時鐘時，接外部時鐘脈沖信號。89C51三總線結(jié)構(gòu)：地址總線AB地址總線為16位，外部存儲器直接尋址范圍為64KB，地址總線由P0口經(jīng)地址鎖存器，提供八位A0-A7，高八位A8A15由P2口直接提供。數(shù)據(jù)總線DB數(shù)據(jù)總線為8位，自P0口直接提供。,控制總線CB由P3口第二功能控制線、ALE、RESET組成。4.3.3 靜態(tài)RAM芯片的選用數(shù)據(jù)存儲器RAM通常采用MOS型，MOS型RAM分靜態(tài)、動態(tài)兩種。動態(tài)RAM集成度高，功耗小，成本低，但控制邏輯復(fù)雜，需要定期刷新,尤其是容易受到干擾，對環(huán)境、結(jié)構(gòu)、電摞等都有較高的要求。對實時控制系統(tǒng)而言,可靠是第一位的,此處選用大容量靜態(tài)RAM6264(8K*8位)一片。6264主要引腳功能：A0A12 13位地址線IO1IO7 數(shù)據(jù)輸入輸出線 數(shù)據(jù)輸出允許信號 寫選通信號 片選信號6264主要工作方式:讀方式及為低電平，為高電平時，6264將數(shù)據(jù)輸出到指定地址。寫方式為低電平，亦為低電平時,允許數(shù)據(jù)輸入。封鎖方式為高電平時，該芯片沒被選通，不工作。4.3.4 8155工作方式查詢8155I/O工作方式選擇通過對8155內(nèi)部命令寄存器（命令口）設(shè)定命令控制字實現(xiàn)。命令寄存器格式及對應(yīng)的工作方式見下圖4-3。 8155I/O有四種工作方式，即ALT1，ALT2，ALT3，ALT4。其中各符號說明如下：AINTR：A口中斷，請求輸入信號，高電平有效。BINTR：B口中斷，請求輸入信號，高電平有效。ABF（BBF）：A口（B口）緩沖器滿狀態(tài)標(biāo)志輸出線，（緩沖器有數(shù)據(jù)時BF為高電平）。ASTB（BSTB）：A口（B口）設(shè)備選通信號輸入線，低電平有效。在ALT1ALT4的不同方式下，A口、B口及C口的各位工作方式如下：ALT1：A口，B口為基本輸入/輸出，C口為輸入方式。ALT2：A口，B口為基本輸入/輸出，C口為輸出方式。ALT3：A口為選通輸入/輸出，B口為基本輸入/輸出。PC0為AINTR，PC1為ABF，PC2為，PC3PC5為輸出。ALT4：A口、B口為選通輸入/輸出。PC0為AINTR，PC1為ABF，PC2為，PC3為BINTR，PC4為BBF，PC5為。圖4-3 命令寄存器格式4.3.5 89C51的存儲器及I/O的擴展可編程接口芯片是指其工作方式可由與之對應(yīng)的軟件命令來加以改變的接口芯片。這類芯片一般具有多種功能，使用靈活方便，使用前必須由CPU對其編程設(shè)定工作方式，然后按設(shè)定的方式進行操作。8155可編程并行I/O接口具有功能強，價格便宜，且具有與MCS-51單片機配置簡單、方便等優(yōu)點