數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計

大學畢業(yè)論文論文題目： 數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計 學 院： 年 級： 專 業(yè)： 姓 名： 學 號： 指導教師： 2011年6月10日II摘要數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，這個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到國家的戰(zhàn)略地位。數(shù)控機床主傳動系統(tǒng)是用來實現(xiàn)機床主運動的傳動系統(tǒng)。包括電動機、傳動系統(tǒng)和主軸部件。本文通過對XK5025數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的各方面設(shè)計，以達到低制造成本、簡化機構(gòu)、實現(xiàn)優(yōu)化。采用變頻電機和一級機械調(diào)速達到調(diào)速和傳遞功率的要求；用步進電機驅(qū)動主軸上下運動達到Z行程的要求；數(shù)控裝置采用51單片機來實現(xiàn)對電機更加精確的控制和實現(xiàn)機械調(diào)速的自動控制。關(guān)鍵詞主傳動；設(shè)計；數(shù)控銑床AbstractThe numerical control technology and the numerical control equipment are the factory industry modernization foundations, does this foundation whether reliable immediate influence to a countrys economic development and the comprehensive national strength, relate the country the strategic position. The numerically-controlled machine tool master drive system is uses for to realize the engine bed main movement transmission system. Including electric motor, transmission system and spindle unit. This article through designs to XK5025 numerical control milling machine master drive systems various aspects, achieves the low production cost, the simplified organization, to realize the optimization. Uses the frequency conversion electrical machinery and the first-level machinery velocity modulation achieves the velocity modulation and the transmission power request; With step-by-steps the motor-driven main axle vertical motion to achieve the Z traveling schedule the request; The numerical control installment uses 51 monolithic integrated circuits to realize to an electrical machinery more precise control and realizes the machinery velocity modulation automatic control.KeywordsMain drive system; Design; Numerical control milling machine toolII目 錄摘要IAbstractII第一章 緒 論11.1數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床國內(nèi)現(xiàn)狀11.2課題提出的意義和目的2第二章 總體方案的設(shè)計42.1設(shè)計參數(shù)42.2總體方案的確定42.3主傳動系統(tǒng)的設(shè)計原理72.4運動及動力參數(shù)計算82.4.1銑削分力82.4.2銑削圓周力的計算92.4.3選用電機11第三章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計143.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計143.1.1帶傳動的設(shè)計143.1.2齒輪傳動的設(shè)計153.1.3 軸的設(shè)計193.1.4主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計243.2步進傳動系統(tǒng)設(shè)計263.2.1齒型帶的設(shè)計263.2.2 進給絲杠的設(shè)計29第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計314.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計314.2硬件設(shè)計324. 3軟件設(shè)計334.3.1步進電機的控制原理354.3.2變頻電機的相關(guān)控制354.3.3譯碼法尋址354.3.4鍵盤顯示器接口354.3.5程序存儲器（EEPROM）芯片354.2.6數(shù)據(jù)存儲器（RAM）芯片35第五章 總結(jié)36參考文獻37附錄 一38附錄 二3944數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計第一章 緒 論1.1數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床國內(nèi)現(xiàn)狀數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個國家的經(jīng)濟發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到一個國家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達國家均采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。 近幾年我國數(shù)控產(chǎn)品發(fā)展很快，但真正在市場上站住腳的卻不多。就數(shù)控系統(tǒng)而言，國產(chǎn)貨仍未真正被廣大機床廠所接受，因此出現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)用于舊機床改造的例子較多，而裝備新機床的卻很少，機床廠出產(chǎn)的國產(chǎn)數(shù)控機床大多數(shù)用的都是國外的系統(tǒng)。這當然不是說舊機床的數(shù)控化改造不重要，而是說明從商品的角度看，我們的數(shù)控系統(tǒng)與國外相比還存在相當大的差距。 影響數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床商品化的主要因素除技術(shù)性能和功能外，更重要的就是可靠性、穩(wěn)定性和實用性。以往，一些數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)品的研究、開發(fā)部門，所追求的往往是一些體現(xiàn)技術(shù)水平的指標（如多少通道、多少軸聯(lián)動、每分鐘多少米的進給速度等等），而對影響實用性的一些指標和一些小問題卻不太重視，在產(chǎn)品的穩(wěn)定性、魯棒性、可靠性、實用性方面花的精力相對較少。從而出現(xiàn)某些產(chǎn)品鑒定時的水平都很高，甚至也獲各種大獎。但這些高指標、高性能的產(chǎn)品到用戶哪兒卻由于一些小問題而表現(xiàn)不盡人意，最后喪失了信譽，打不開市場。這說明，高指標、高性能的樣機型的產(chǎn)品離用戶真正需要的實用、可靠的商品是有相當大的距離的，將一個高指標、高性能的產(chǎn)品變?yōu)橐粋€有市場的商品還需作出大量艱苦的努力。 另一方面，數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機床不像家電類產(chǎn)品那樣易于大批量生產(chǎn)，應(yīng)用環(huán)境也不那么簡單。數(shù)控產(chǎn)品是在生產(chǎn)環(huán)境中使用，面臨的是五花八門的工藝問題。如果開發(fā)部門對這些問題掌握得不透，就難以將產(chǎn)品設(shè)計得很完善。而且數(shù)控產(chǎn)品的某些問題在開發(fā)、試用，甚至鑒定時都難以發(fā)現(xiàn)。這就造成，同樣型號的數(shù)控機床在有的用戶那兒運行得很好，而在別的用戶那兒卻表現(xiàn)欠佳?；蛘咄瑯有吞柕臄?shù)控機床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件時卻不盡人意。出現(xiàn)這種情況，有時是用戶操作人員的水平問題，但有時就是數(shù)控產(chǎn)品本身潛在問題的暴露。為解決這一問題，國外一些公司設(shè)立了專門機構(gòu)來測試考驗自己的產(chǎn)品，如為考驗新開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，廠家自己設(shè)計和從生產(chǎn)實際中收集了大量零件程序，讓數(shù)控系統(tǒng)運行各種各樣的程序，一旦發(fā)現(xiàn)問題，即立即反饋給開發(fā)部門予以解決。經(jīng)過這樣的測試考驗過程后，數(shù)控系統(tǒng)的潛在問題就大為減少。以往，我們的產(chǎn)品就很少進行這樣嚴格的全面的自我測試考驗。很多問題都要等到用戶去給我們挑出來。這樣，即使一個小問題也將嚴重影響國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品的聲譽。1.2課題提出的意義和目的與普通銑床的工藝裝備相比較，數(shù)控銑床工藝裝備的制造精度更高、靈活性好、適用性更強，一般采用電動、氣動、液壓甚至計算機控制，其自動化程度更高。合理使用數(shù)控銑床的工藝裝備，能提高零件的加工精度。各種類型數(shù)控銑床所配置的數(shù)控系統(tǒng)雖然各有不同，但各種數(shù)控系統(tǒng)的功能，除一些特殊功能不盡相同外，其主要功能基本相同。其主要功能如下：點位控制功能：此功能可以實現(xiàn)對相互位置精度要求很高的孔系加工；連續(xù)輪廓控制功能：此功能可以實現(xiàn)直線、圓弧的插補功能及非圓曲線的加工；刀具半徑補償功能：此功能可以根據(jù)零件圖樣的標注尺寸來編程，而不必考慮所用刀具的實際半徑尺寸，從而減少編程時的復雜數(shù)值計算；刀具長度補償功能：此功能可以自動補償?shù)毒叩拈L短，以適應(yīng)加工中對刀具長度尺寸調(diào)整的要求；比例及鏡像加工功能：比例功能可將編好的加工程序按指定比例改變坐標值來執(zhí)行。鏡像加工又稱軸對稱加工，如果一個零件的形狀關(guān)于坐標軸對稱，那么只要編出一個或兩個象限的程序，而其余象限的輪廓就可以通過鏡像加工來實現(xiàn)；旋轉(zhuǎn)功能：該功能可將編好的加工程序在加工平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)任意角度來執(zhí)行；子程序調(diào)用功能：有些零件需要在不同的位置上重復加工同樣的輪廓形狀，將這一輪廓形狀的加工程序作為子程序，在需要的位置上重復調(diào)用，就可以完成對該零件的加工；宏程序功能：該功能可用一個總指令代表實現(xiàn)某一功能的一系列指令，并能對變量進行運算，使程序更具靈活性和方便性。這就使我們更加有需要來研究數(shù)控銑床的各個方面，而本人則負責對XK5020數(shù)控立式升降臺銑床主傳動部分加以分析和設(shè)計，設(shè)計出可以實現(xiàn)數(shù)控加工經(jīng)濟合理的主傳動系統(tǒng)，使純機械化的機床實現(xiàn)機電一體化的數(shù)控機床，獲得大的機械效益。因此，我們應(yīng)在商品化方面切實狠下工夫，將其作為數(shù)控產(chǎn)業(yè)的主干來抓，貫穿于技術(shù)研究、產(chǎn)品開發(fā)、試制、生產(chǎn)等的全過程中，從而將我們已有的技術(shù)水平較高的數(shù)控產(chǎn)品變成真正有市場的好商品。第二章 總體方案的設(shè)計數(shù)控機床是典型機電一體化產(chǎn)品。以數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)設(shè)計為題可以提高學生機械設(shè)計制造、自動控制技術(shù)、力學、計算機技術(shù)等方面的知識綜合運用能力。培養(yǎng)和提高學生的結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計，為從事機電一體化方面產(chǎn)品設(shè)計打下基礎(chǔ)。方案設(shè)計主要是確定機床的總體結(jié)構(gòu)，傳動原理以及基本的運動動力參數(shù)。而本人的設(shè)計題目是XK5025升降臺數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)的設(shè)計。2.1設(shè)計參數(shù)設(shè)計任務(wù)給出技術(shù)要求如下：主軸轉(zhuǎn)速范圍：100-2500rpm調(diào)速方式：變頻調(diào)速與機械調(diào)速Z軸行程：250mm脈沖當量：<0.002mm控制方式：開環(huán)控制2.2總體方案的確定XK5025升降臺數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)運動設(shè)計的總體方案如下：第一種是采用普通電機加變頻器來實現(xiàn)變頻調(diào)速，由于主軸轉(zhuǎn)速范圍未達100-2500r/min，因此在此基礎(chǔ)上在進行機械調(diào)速，一般為二級和三級即可實現(xiàn)。如若不行可進行四級五級機械調(diào)速。主軸箱和立柱分開，由整個主軸箱的上下移動實現(xiàn)Z向的進給，主軸在主軸箱中不能上下移動，只能進行軸向轉(zhuǎn)動。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖2-1銑床的結(jié)構(gòu)簡圖：圖2-1 銑床的結(jié)構(gòu)簡圖第二種方案是直接使用變頻電機調(diào)速加機械變速機構(gòu)來實現(xiàn)范圍內(nèi)的調(diào)速。其中銑床總體結(jié)構(gòu)簡圖2-2如下：圖2-2 銑床總體結(jié)簡圖本方案由于要實現(xiàn)主軸的軸向進給，因而主軸部分設(shè)計采用方案二的結(jié)構(gòu)形式。本方案主軸結(jié)構(gòu)采用了典型結(jié)構(gòu)也即：主軸箱固定不動，主軸實現(xiàn)上下進給運動，由于主軸的軸向移動行程短，還采用了升降臺來加大整臺機器的Z向進給，在工作臺上實現(xiàn)X向和Y向的進給，分別由步進電機加以帶動實現(xiàn)。因此整機結(jié)構(gòu)不是很復雜，且還可以使主軸箱和立柱結(jié)構(gòu)一體化，從而減少空間和簡化機構(gòu)。由于主軸箱的不移動，故可保證大行程下的加工精度?，F(xiàn)今由于變頻電機的普遍運用，而且由變頻電機來帶動可以很大程度上使整臺機器在外型、性能和精度上得到更大的提高，從而很大程度上使機電一體化得到大程度的體現(xiàn)，而且利于操作人員的操作。變頻電機的調(diào)速范圍寬、能按負載的變化而調(diào)整的特點和節(jié)能與可自動化控制的優(yōu)勢，已經(jīng)在機床、冶金、起重、化工、輕工、紡織、火力發(fā)電等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，并越來越多地取代傳統(tǒng)的普通機電產(chǎn)品。而且采用了變頻電機后，主軸箱只要一級機械調(diào)速就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速要求，大大的節(jié)約了材料和零件，而且對銑床更容易實現(xiàn)數(shù)字控制，只采用一個撥叉和一個汽缸或油缸就可以實現(xiàn)，因而我設(shè)計的XK5025升降臺數(shù)控銑床主傳動系統(tǒng)采用的是變頻電機加機械調(diào)速的方案。其中參考的主軸結(jié)構(gòu)圖2-3如下：1-端蓋 2-齒型帶 3-帶輪 4-步進電機 5-螺栓 6-齒輪 7-主軸 8-齒輪9-機架 10-角接觸軸承 11-雙列圓錐滾字軸承 12-螺釘 13-螺釘 14-雙列圓錐滾字軸承 15-帶輪 16-帶輪 17-螺釘圖2-3 參考主軸結(jié)構(gòu)圖2.3主傳動系統(tǒng)的設(shè)計原理主傳動系統(tǒng)的設(shè)計首先應(yīng)該滿足設(shè)計任務(wù)中提出的技術(shù)要求和功能要求，在保證技術(shù)要求和功能的情況下盡可能的簡化銑床結(jié)構(gòu)和優(yōu)化銑床的設(shè)計。本方案設(shè)計的技術(shù)要求是主軸的轉(zhuǎn)速范圍在100r/min2500r/min，使用變頻電機只需一級機械調(diào)速就實現(xiàn)，使主軸箱和立柱盡可能緊湊和簡潔，便于實現(xiàn)機器設(shè)計的簡化和優(yōu)化設(shè)計，而且，可以實現(xiàn)無極調(diào)速，滿足各類各種加工的速度要求。其中由于要求數(shù)控銑床的脈沖當量滿足0.0010.003m/min的范圍，故采用了較高級數(shù)的步進電機來驅(qū)動主軸的上下移動，而其只要通過齒型帶帶動絲杠，絲杠通過大螺母帶動主軸就可以實現(xiàn)主軸的上下進給了，而且由于采用齒型帶的緣故，使絲杠在上下移動時工作平穩(wěn)不易振動，使主軸的上下進給更加穩(wěn)定和高精度，因而非常適合于加工高精度要求的工件。相對以前的設(shè)計方案本方案使用變頻電機是控制電路部分也簡化了，便于實現(xiàn)控制和優(yōu)化，提高機器的工作效率和便于維護。其中銑床的傳動原理圖如圖2-3：圖2-3 銑床的總體傳動原理圖2.4運動及動力參數(shù)計算由主軸轉(zhuǎn)速1002500r/min,由此初步確定軸轉(zhuǎn)速及電機選用。1主軸轉(zhuǎn)速由設(shè)計任務(wù)給出，帶輪處選取傳動比1：1.2，則電機轉(zhuǎn)速范圍為120r/min3000r/min.2 確定主軸轉(zhuǎn)矩以及功率電機轉(zhuǎn)矩由主軸正常工作時需要的轉(zhuǎn)矩來確定，因此需要計算切削用量。由專用機床設(shè)計與制造Pg680頁銑削力及銑削功率的計算如下：2.4.1銑削分力銑削時的切削分力（見切削了力圖 圖2-4和表2-1）有：圓周力Pz，即主切削力；走刀力Ph，即水平分力；頸向力Py，即銑刀所受的頸向切學力；軸向力Po；壓軸力（垂直分力）Pv。圖2-4 切削力圖表2-1 銑削各分力與圓周力的比值銑削條件比對稱銑削不對稱銑削逆銑順銑端 銑PH/PZ0.3-0.40.9-0.60.3-0.15B/D=0.4-0.8=0.1-0.2mmPV/PZPO/PZ0.85-0.950.5-0.550.45-0.70.5-0.551-0.90.5-0.55平面銑、立銑、圓盤銑、成形銑t/D=0.5PH/PZ1-1.20.8-0.9=0.1-0.2mmPV/PZ0.2-0.30.75-0.8PO/PZ0.35-0.40.35-0.42.4.2銑削圓周力的計算 公式如下： 1、刀具：高速鋼（粗加工，低速）加工材料：b=75公斤力/mm,中、高碳鋼1）端銑： B=0.40.8D=2652mm(取B=40mm) t=3.5mm Z=3 v=912m/min n=100r/min 2)立銑： 由經(jīng)驗值得D=30mm,B=30mm,t=5mm, mm ，z=2,n=1000r/min, 2、刀具：硬質(zhì)合金鋼（精加工、高速）加工材料：=75公斤力/mm,中、高碳鋼1）端銑： 精加工：銑削深度t=0.51mm 取t=1mm銑削速度v=90150m/min B=0.40.8 D=1836mm(取B=35mm) z=2 2）立銑 =12.5 =0.85 =0.75 =1.0 =0.73 =-0.13 經(jīng)驗植：D=32mm,B=32mm,t=3mm,mm ，z=4,n=1000r/min, 2.4.3選用電機選用變頻調(diào)速電機，頻率范圍2100HZ，4極，轉(zhuǎn)速范圍603000r/min。當f<50Hz時為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；當f>50Hz時為恒功率調(diào)速。故有，當f=50Hz時電機有最大轉(zhuǎn)矩，若電機額定功率為4KW，則?，F(xiàn)選用帶傳動比為1：1.2，齒輪傳動比為1：1或1：3的二聯(lián)齒輪傳動副。則主軸轉(zhuǎn)速范圍為57.2r/min2860r/min，滿足要求100r/min2500r/min。由圖2-5電機特性曲線圖及表2-2、表2-3、表2-4和圖2-6確定電機：變頻調(diào)速電機 4級 頻率范圍2100Hz, 轉(zhuǎn)速范圍603000RPM，拐點轉(zhuǎn)速（50Hz）1430r/min，額定功率4KW，最大轉(zhuǎn)矩40轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系曲線功率與頻率的關(guān)系曲線圖2-5 電機特性曲線圖表2-2 電機參數(shù)表型號額定功率（KW）機座號額定轉(zhuǎn)速(r/min)額定電流(A)額定轉(zhuǎn)矩(N.m)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩最大轉(zhuǎn)矩/額定轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量（kg.）重量（Kg）變頻器功率（kw）A型B型CTB-41P5BXB33-41.5100LM9203.6151.32.30.00716361.52.2CTB-42P2BXB33-42.2100L19205.2221.32.30.00975382.23.7CTB-43P0BXB33-43100L29206.8311.32.30.0116403.73.7CTB-44P0BXB33-44112M9408.7401.32.30.0207575.55.5CTB-45P5BXB33-45.5132S95011.5551.32.30.0418755.57.5注：額定電壓/頻率：380V/50Hz 極數(shù)：4極同步轉(zhuǎn)速1430轉(zhuǎn)/分圖2-6 B5法蘭安裝圖表2-3 電機外形尺寸1機座號AAAABACADAEAFBBBCDDHEEDFG8012535165175140651601001305019M6*164025615.590S14037180195150651701001405624M8*19504082090L14037180195150651701251655624M8*195040820100L16045200215165651901401806328M10*226045824112M19045230240180652001401857028M10*226045824132S21650275275190652201402058938M12*2880601033表2-4 電機外形尺寸2機座號HHAHBHDKKKLLALDMNPST80801018021510M25395101151651302004*123.590S901320023510M25445121301651302004*123.590L901320023510M25445121301651302004*123.5100L1001423026512M32500121452151802504*154112M1121425529012M32505121502151802504*154132S1321629032512M32575131802652303004*154所以可以選用的電機為：合理第三章 傳動系統(tǒng)的設(shè)計3.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計3.1.1帶傳動的設(shè)計1 計算功率帶輪傳動的傳動比 ：i=1.2 ，選取SPA型窄帶，且 所以：2 中心距的計算取 則3 計算包角4 計算帶速 5 計算預緊力 式中 計算功率；帶速；材料的修正系數(shù)；帶數(shù)6 計算作用到軸上的壓軸力3.1.2齒輪傳動的設(shè)計 1 材料的選擇：小齒輪 40Cr調(diào) , ；大齒輪 45鋼 , 。初選小齒輪的齒數(shù) ，且其mm,則大齒輪的齒數(shù)2 齒面接觸強度設(shè)計1）確定公式中個計算數(shù)值試選載荷系數(shù) =1.3。計算小齒輪傳遞的扭矩 由機械設(shè)計 表10-7圓柱齒輪的齒寬系數(shù) 選取齒寬系數(shù) =0.4。由機械設(shè)計 表10-6彈性影響系數(shù)查得材料的彈性影響系數(shù)。 由機械設(shè)計 圖10-21d齒輪的接觸疲勞強度極限 按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強度極限 ，大齒輪的接觸疲勞強度極限。 計算疲勞壽命h。由機械設(shè)計 圖10-19接觸疲勞壽命系數(shù) 查得接觸疲勞壽命系數(shù) ，。 計算接觸疲勞許用應(yīng)力取失效概率為1，安全系數(shù)為S=1,由此得： 2）計算試算小齒輪分度圓直徑，代人中較小的值計算圓周速度v計算齒寬b0.463.13mm =25.2mm計算齒寬和齒高之比b/h:法向模數(shù) 齒高 b/h=19.82/6.75=3.73計算載荷系數(shù)根據(jù)v=3.94m/s,7級精度，由機械設(shè)計 圖10-8動載系數(shù)圖 查得動載系數(shù) 直齒輪，假設(shè) 100N/mm。由機械設(shè)計 表10-3查得 。由機械設(shè)計 表10-2查得使用系數(shù) 。 由機械設(shè)計 表10-4查得7級精度，小齒輪相對支撐非對稱布置時：由b/h=3.73， ，查機械設(shè)計圖10-13得 故載荷數(shù) 。按實際載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，由式機械設(shè)計（10-10a）得： 計算模數(shù) 。3 按齒根彎曲強度設(shè)計由機械設(shè)計 式（10-5）的彎曲強度設(shè)計公式1）確定公式中的各計算數(shù)值由機械設(shè)計圖10-20C查得小齒輪的彎曲疲勞強度是 大齒輪的彎曲疲勞強度是 。由機械設(shè)計 圖10-18查得彎曲疲勞強度壽命系數(shù) ，。計算彎曲許用應(yīng)力取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-1）得： 計算載荷系數(shù)K查取齒形系數(shù)由機械設(shè)計 表10-5可查得 ， 。查取應(yīng)力校正系數(shù)由機械設(shè)計 表10-5可查得 ， 。計算大小齒輪的并加以比較：比較可知大齒輪的數(shù)值比較大。2)設(shè)計計算對比計算結(jié)果，又因為齒輪模數(shù)m主要取決于彎曲強度，因而m=3mm，分度圓直徑=79.41mm,算出小齒輪齒數(shù)。則大齒輪齒數(shù)，則。4 幾何尺寸的計算1）分度圓直徑d的計算2）中心距a的計算3）齒厚b的計算5 驗算所以此齒輪設(shè)計合理。6 的齒輪設(shè)計齒輪的材料都為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由 i=1,a=168,且m=3, 則 ，取B=25mm。3.1.3 軸的設(shè)計1 軸的初步設(shè)計 材料的選擇:45鋼，調(diào)制處理到HB=220-250HBS,5級精度.因而可由以下公式進行設(shè)計：所以最小可取30mm。當軸截面上開有鍵槽時，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對軸的強度的削弱。對于直徑d>100mm的軸，當軸截面上開有一個鍵槽時，應(yīng)增大3；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大7。對于直徑d<100mm的軸，有一個鍵槽時，軸徑增大57%；有兩個鍵槽時，應(yīng)增大10%15%。然后將軸徑圓整為標準直徑。2 軸的校核通過軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷已可以求得，因而可按彎扭合成強度條件對軸進行強度較核計算。其中軸的結(jié)構(gòu)如下圖3-1軸結(jié)構(gòu)簡圖圖3-1軸結(jié)構(gòu)簡圖軸上力的計算步驟如下：1）軸上各個方向力的計算軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計算時，常將軸上的分布載荷簡化為集中力，其作用點取為載荷分布的中點。作用在軸上的扭矩，一般從傳動件輪轂寬度的中點算起。通常把軸當作置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點與軸承的類型和布置方式有關(guān)，可按圖來確定。由以上的計算過程可得， 。根據(jù)3.1.1 帶傳動的設(shè)計的計算可知，帶輪作用到軸上的壓軸力 ，其力的方向如圖3-1軸的載荷分析圖，且可計算作用到齒輪上的圓周力和徑向力如下： 現(xiàn)在從軸受力方向進行力的計算，其中力的方向如圖3-1軸的載荷分析圖，而軸上的力的計算如下：沿圓周方向： 在豎直截面方向：2）根據(jù)力學圖，分別按在橫截面方向和在豎直截面方向計算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計算結(jié)果分別作出水平面上的彎矩和垂直面上的彎矩，然后按下式計算總彎矩并作出圖； ；根據(jù)力學關(guān)系與受力性質(zhì)可知彎矩。根據(jù)圖可得： ；則。3）作載荷分部圖如圖3-2軸的載荷分析圖4）較核軸的強度已知軸的彎矩和扭矩后，可針對某些危險截面作彎扭合成強度較核計算。按第三強度理論，計算應(yīng)力。通常由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對稱循環(huán)變應(yīng)力，而由扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對稱循環(huán)變應(yīng)力。為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數(shù)，則計算應(yīng)力為式中的彎曲應(yīng)力為對稱循環(huán)變應(yīng)力。當扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時，?。划斉まD(zhuǎn)去、切應(yīng)力為脈動循環(huán)變應(yīng)力時，取；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力亦為對稱循環(huán)變應(yīng)力時，則取。齒輪上的扭矩是脈動的，所以去。對直徑為d的圓軸，彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，將代入式中，則軸的彎扭合成強度條件為式中： 軸的計算應(yīng)力，單位為MPa; M軸所受的彎矩，單位為Nmm; T軸所受的扭矩，單位為Nmm; W軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 對稱循環(huán)變應(yīng)力的軸的許用彎曲應(yīng)力。上式中，所以；查表得到=所以軸的設(shè)計合理。圖3-2 軸的載荷分析圖3.1.4主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計1 主軸的初步設(shè)計計算材料的選擇:45鋼，調(diào)制處理到HB=220-250HBS,5級精度.由于主軸是空心軸，因而可由以下公式進行設(shè)計：參考下表3-1取前軸頸直徑為60mm。 表3-1 通用機床主軸前軸徑尺寸 /mm機床主軸的驅(qū)動功率/KW1.52.82.8445.55.57.57.51010141417車床608070907010595130110145140163150190銑床5090609060957510090105100115外圓磨床50605570708075907510090100 后頸一般為前軸頸的0.70.85倍。參考表3-2，取軸后頸直徑為48。 表3-2 花鍵軸尺寸與相應(yīng)滾刀直徑 /mm花鍵軸尺寸Z-Ddb當量直徑d1滾刀直徑D刀花鍵軸尺寸Z-Ddb當量直徑d1滾刀直徑D刀6-2521522.9656-48421245.3906-2823625.596-50451247.86-3026627.846-55501452.71006-3228729.97706-60541457.046-35301033.19806-65581661.761206-38331035.936-70621666.056-40351037.786-75651669.876-42361039.26856-80702075.561406-45401242.96-90802084.92 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計刀具上力作用在主軸上，主軸把力傳給軸承，再有軸承把力作用到箱體上，因而在此其中主軸承受很大的力，為主軸在加工生產(chǎn)時能保證加工零件的精度和要求，主軸一定不可以因為外力而產(chǎn)生變形，而主軸的尺寸已經(jīng)可以抵抗外力使主軸折斷，但還沒有完全能保證主軸在加工時發(fā)生很大的磨損，而令整臺機器的加工精度下降以至于加工的零件報廢，因而接下來對主軸進行剛性校核，以保證在一定的時間內(nèi)能達到一定的精度要求。主軸通過兩個圓錐滾子把主軸上的力左右到機架上，在這兩個圓錐滾子軸承中主軸通過花鍵連接一個帶平鍵槽的軸套，軸套外連接兩個齒輪，由此兩齒輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)，并且可以實現(xiàn)主軸的變速。主軸的Z向進給是由步進電機驅(qū)動的。主軸通過一個大螺母與絲杠上的大螺母相連接，而主軸上的大螺母是由一對大的圓錐滾子軸承和一雙列圓柱滾子軸承實現(xiàn)定位和進給的。其中主軸結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3-3主軸結(jié)構(gòu)示意圖圖3-3 主軸結(jié)構(gòu)示意圖3.2步進傳動系統(tǒng)設(shè)計3.2.1齒型帶的設(shè)計1 步進電機的選擇根據(jù)2.4.2圓周力的計算處可得，當時，電機的扭距達到最大，計算如下。由以下表3-3步進電機參數(shù)、表3-4電機接線方法和表3-5外型及安裝尺寸來初選電機。表3-3步進電機參數(shù)型號 步距角 相數(shù) 電壓V 電流A 轉(zhuǎn)距N.M 電感MH 慣量kg/cm2起動頻率Hz 運行頻率Hz 110BYG550A 0.36/0.72 5 30-300 3 8 8.5 9.82300 22000 110BYG550B 0.36/0.72 5 30-300 3 10 10 11.2 2300 22000 110BYG550B 0.36/0.72 5 30-300 3 16 1215.8 2300 22000 注：通用參數(shù)：步距角精度： 5% 溫度范圍：20 +50 最高溫度： +80 絕緣電阻： 100M Min.500V DC 耐 壓： 500V AC 1 minute表3-4 電機接線方法相數(shù)AABBCCDDEE接地航插5123456789101212 芯51*2*3*4*5*77 芯表3-5外型及安裝尺寸D B-B d L 1 b D 1 h L D 2 d 1 110BYG550A 110 112 16 36 5 56 3 160 126 9 110BYG550B 110 112 16 36 5 56 3 178 126 9 110BYG550C 110 112 16 36 5 56 3 223 126 9 所選的參數(shù)如表3-46步進電機參數(shù)選步進電機:表3-46步進電機參數(shù)型號 步距角 相數(shù) 電壓V 電流A 轉(zhuǎn)距N.M 電感MH 慣量kg/cm2起動頻率Hz 運行頻率Hz 110BYG550B 0.36/0.72 5 30-300 3 10 10 11.2 2300 22000 2 傳動比的分配3 齒型帶的設(shè)計1）模數(shù)m的選擇2）小帶輪的最小直徑3）大小帶輪的幾何參數(shù)的計算4) 中心距的計算計算帶長L齒數(shù)的計算功率的計算 帶寬的計算 作用在軸上的力 3.2.2 進給絲杠的設(shè)計采用機械零件設(shè)計手冊計算方法進行計算。該手冊中，對于絲杠的設(shè)計計算采用了大量的實際統(tǒng)計數(shù)值，這些數(shù)值在設(shè)計時未能獲得，故該類數(shù)值均為估計值，且都選取大數(shù)值，偏于安全。在以后的校核中，若超出安全范圍很少時理應(yīng)視為安全。1 等效果載荷等效載荷為統(tǒng)計數(shù)據(jù)綜合后的數(shù)值，此處以主軸箱質(zhì)量計，加上其他估計存在的力，向偏重方向估計約2 等效轉(zhuǎn)速 當最大進給量為8時，若導程為6，則=1333；若導程為4，則=2000,其參數(shù)如下表：表3-7參數(shù)表取典型數(shù)值 50 100 200 500 800 1333 1666 2000對應(yīng)時間 2 2 2 20 20 20 10 10則 = 84.43 計算載荷 4 計算必須的額定動載荷 由此選擇型號按 查機械零件設(shè)計手冊表17-31 選用CBM3205-7=32 =5 =3.175 =31.5 =28.7螺紋及導程角第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計數(shù)控機床一般要求能夠正確無誤的驅(qū)動步進電機和運用開關(guān)來實現(xiàn)整臺機器的各種控制，譬如能實現(xiàn)機器的自動起動和自動停止，自動換當以及能夠自動的對軸的運動狀態(tài)進行檢測等等功能。而本數(shù)控升降臺銑床主要要求實現(xiàn)的功能是通過控制系統(tǒng)能很好的驅(qū)動步進電機，也就是能夠具體的實現(xiàn)步進的隨時停和運動的功能，還有也就是能夠通過控制系統(tǒng)實現(xiàn)自動換當?shù)墓δ?。控制系統(tǒng)可以直接購買國內(nèi)外較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品作為數(shù)控裝置，還可以由設(shè)計人員對其進行配套的專業(yè)設(shè)計。一般如果機器對于控制系統(tǒng)部分要求非常嚴格的話，這時就要求專業(yè)的自動控制人員對其進行專業(yè)的設(shè)計，而本方案只要求實現(xiàn)的是開控制系統(tǒng)，只要求能夠驅(qū)動步進電機和實現(xiàn)變頻電機的調(diào)速以及鍵盤顯示和對汽缸進行簡單的運動和停止控制即可，因而不是很復雜的電路設(shè)計，可以套用典型電路控制，也可以進行簡單的各部分控制即可實現(xiàn)。由于單片機具有體積小、可靠性高、控制功能強的優(yōu)點，而本臺機器要求的存儲空間不是很大，控制也相當?shù)暮唵蚊髁?，MCS-51單片機相對u，n sp 單片機來說，其價格廉價，而且也能實現(xiàn)上述要求，電路結(jié)構(gòu)也不復雜，性能控制也非常優(yōu)秀，故本臺機器的的現(xiàn)場控制采用MCS-51單片機來實現(xiàn)控制。4.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計 單片幾控制系統(tǒng)是由軟件和硬件共同組成的。對于某些既可用用硬件實現(xiàn)、又可用軟件實現(xiàn)的功能，在進行設(shè)計時主要充分考慮硬件和軟件的特點，合理地分配與協(xié)調(diào)起功能。軟件可以減少硬件的數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性，增加系統(tǒng)控制的靈活性。但是系統(tǒng)的工作速度要相應(yīng)降低，而且軟件初次研制成本較高，因此它適用于大批生產(chǎn)。硬件可以減輕軟件設(shè)計工作量，增加系統(tǒng)的快速性。但因連接點數(shù)增加而是故障點增多，不可靠因素也隨之增多，并且使單臺成本增加。如下圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖4-1：圖4-1 控制系統(tǒng)機構(gòu)總框圖4.2硬件設(shè)計硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響到整個系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運行。機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來有以下幾個部分組成：（1）中央處理單元CPU。（2）總線 包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。（3）存貯器 包括可擦除存貯器（EEPROM）和隨機存貯器（RAM）。（4）I/O輸入/輸出接口電路。其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路的協(xié)調(diào)工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用中所需的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁?？偩€則是CPU與存貯器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進行信息交換和通訊的必由之路。其電路圖如下圖4-2控制電路圖：圖4-2控制電路圖4. 3軟件設(shè)計軟件設(shè)計采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，主要由主程序、控制算法子程序、系統(tǒng)初始化程序、升降頻控制程序、顯示鍵盤子程序等組成。如圖5-2 主程序流程圖主 程 序顯示子程序有鍵按下？系統(tǒng)初始化主電路V、I檢測正常調(diào)動處理子程序啟動鍵？調(diào)動處理子程序YNNN正常運行Y轉(zhuǎn)速測量及PID調(diào)節(jié)運算處理子程序變速運行？停車？調(diào)動處理子程序變速處理子程序停車處理及顯示Y圖4-2 主程序流程圖4.3.1步進電機的控制原理步進電機是將電能轉(zhuǎn)化為機械能的電磁元件。步進電機是手脈沖信號控制的，脈沖信號的產(chǎn)生和分配由軟件編程來完成，而信號的放大由放大電路來完成。由于強弱信號的原因，我們在放大電路前加上光電耦合電路，已防止電源串路。具體控制電路如圖5-1控制電路圖所示。4.3.2變頻電機的相關(guān)控制對于變頻電機而言，主要是實現(xiàn)其相應(yīng)速度的控制，也就是通過單片機輸出的脈沖來控制變頻電機的輸出轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)機床主軸的無極變速。單片機中，通過對整流電路、逆變器電路、PWM模塊、門極可關(guān)斷可控硅（GTO）驅(qū)動電路、檢測保護電路和轉(zhuǎn)速測量電路，對變頻電機加以變速控制和安全保護，從而能使變頻電機的正常工作。電路圖如圖5-1控制電路圖所示。4.3.3譯碼法尋址由于擴展的存貯器和其它外圍芯片的數(shù)量較多，常常采用譯碼法尋址，由譯碼器組成譯碼電路對系統(tǒng)的高位地址進行譯碼，譯碼電路將地址空間劃分若干塊，其輸出作為存貯器芯片的片選信號，分別選通各芯片。這樣既充分利用了存貯器空間，又避免了空間分散的缺點，還可以減少I/O口線。本數(shù)控機床采用74LS138地址譯碼器如4.3.4鍵盤顯示器接口鍵盤和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機對話的外圍設(shè)備，鍵盤可以完成程序數(shù)據(jù)的輸入，顯示器顯示計算機運行時的狀態(tài)數(shù)據(jù)。鍵盤接口電路，用8255作為并行接口使用。8255的地址，數(shù)據(jù)線和凌陽單片機的接口直接連接，由片選信號控制實現(xiàn)分時信息傳遞。4.3.5程序存儲器（EEPROM）芯片由于數(shù)控機床在加工的時候要進行加工程序的監(jiān)控，所以數(shù)控系統(tǒng)需要有程序存儲器，放置監(jiān)控程序。本數(shù)控機床選用EEPROM （容量為8K）。4.2.6數(shù)據(jù)存儲器（RAM）芯片由于數(shù)控機床在加工的時候要進行加工程序的調(diào)試，所以數(shù)控系統(tǒng)需要有隨機 儲器，放置調(diào)試程序。本數(shù)控機床選用靜態(tài)RAM6264（容量為8K）。第五章 總結(jié)畢業(yè)設(shè)計是我們對大學四年中所有所學知識的一次大總結(jié)，這次畢業(yè)設(shè)計讓我們把理論知識第一次系統(tǒng)的運用到機械設(shè)計當中，并且是自己第一次獨立的進行專業(yè)設(shè)計，在指導老師的幫助，培養(yǎng)了自己獨立分析問題，解決問題的能力，還培養(yǎng)了自己對一般機械設(shè)計步驟，設(shè)計思想有了初步了解，同時鍛煉了設(shè)計、繪圖、查閱資料和書寫技術(shù)論文的能力。特別是對機械設(shè)計的設(shè)計流程和作為一名設(shè)計師的基本要求也有了大體上的認識，還有也就是這次設(shè)計讓我們更加深刻的認識到了機電一體化這一大形式，并且從中也發(fā)現(xiàn)了自己在設(shè)計中的不足，能更好促使自己認識到自己的真實能力，并能在將來的學習中能有側(cè)重點的對自己的能力進行更一步的提高。還有很值的一提的是對我們工作也起了很大的作用。畢業(yè)設(shè)計使我們認識到我們自身的不足是一方面，還有就是為能讓我們成為一名真正的設(shè)計工程師起一個小小的開頭，并且培養(yǎng)了我們一絲不茍、認認真真、腳踏實地的工作態(tài)度，培養(yǎng)了我們謙虛謹慎、吃苦耐勞、積極向上的工作作風，為自己將來的工作態(tài)度也起了一個很好的定位左右。因此，我認為這次畢業(yè)設(shè)計對我來說收獲很大，特別是覺的自己也能從系統(tǒng)上來把握一些東西了，還有對專業(yè)認識上也更進一步了。參考文獻1 張新義主編. 經(jīng)濟型數(shù)控機床M. 北京：機械工業(yè)出版社，1993.10：45562 徐溥滋，張舒勃主編.專用機床設(shè)計與制造M.哈爾濱：黑龍江人民出版社，1979.12：4455003 濮良貴,紀名剛主編.機械設(shè)計(第八版) M.北京:高等教育出版社,2006.5：1453004 戴曙主編.金屬切削機床設(shè)計M.北京：機械工業(yè)出版社，1983.4：2143055 北京航空學院機械加工教研室編.數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)與傳動M.北京；國防工業(yè)出版社.1977.9：65706 吳祖育等編著. 數(shù)控機床M. 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