三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計(jì)

山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 1 第章 緒論 隨著人工智能在計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入自適應(yīng)控制模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機(jī)理，不但具有自動(dòng)編程前饋控制模糊控制學(xué)習(xí)控制自適應(yīng)控制工藝參數(shù)自動(dòng)生成三維刀具補(bǔ)償運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)裙δ?，而且人機(jī)截面極為友好，并且有故障診斷專(zhuān)家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動(dòng)和智能化進(jìn)給伺服裝置，能自動(dòng)識(shí)別負(fù)載并自動(dòng)優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以使用化。 用數(shù)控銑床加工零件時(shí)，首先應(yīng)編制該零件的加工程序，這是數(shù)控銑床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，再 由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速啟動(dòng)停止進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向速度和位移量，以及工件裝夾和冷卻潤(rùn)滑的開(kāi)關(guān)等動(dòng)作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工工序規(guī)定的順序運(yùn)動(dòng)軌跡加工出符合要求的零件。 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)是數(shù)字控制的直接對(duì)象，不論點(diǎn)位控制還是連續(xù)控制，被加工工件的最后坐標(biāo)精度和輪廓精度都受到進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)精度靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，要注意以下三點(diǎn)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)要求： (1) 減少運(yùn)動(dòng)件的摩擦力。進(jìn)給系統(tǒng)雖有許多元件，但摩擦阻力主要來(lái)自絲杠和導(dǎo)軌。絲杠和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的滾動(dòng)化是減少摩擦的重要 措施之一。 (2) 提高傳動(dòng)精度和剛度。在進(jìn)給系統(tǒng)中滾珠絲杠和支承結(jié)構(gòu)是決定其傳動(dòng)精度和剛度的主要部件，因此，必須首先保證它們的加工精度。 (3) 減少運(yùn)動(dòng)慣量。進(jìn)給系統(tǒng)中每個(gè)元件的慣量對(duì)伺服機(jī)構(gòu)的啟動(dòng)和制動(dòng)特性都有直接的影響。尤其是處于高速運(yùn)轉(zhuǎn)的零件，其慣性的影響更大。 設(shè)計(jì)是在原有普通銑床的基礎(chǔ)上 ,對(duì)其進(jìn)行改造 ,成為三坐標(biāo)數(shù)控銑床。該機(jī)床能通過(guò)三軸聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)曲線(xiàn)直線(xiàn)等不同的加工路線(xiàn)。 所設(shè)計(jì)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，三個(gè)坐標(biāo)方向的移動(dòng)均由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)，主軸電機(jī)采用交流電機(jī)，所有電機(jī)均由單片機(jī)進(jìn)行控制。 此設(shè)計(jì)主 要對(duì)數(shù)控銑床的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，了解單片機(jī)的工作原理，主要有以下幾個(gè)方面： X、 Y、 要是滾珠絲杠的運(yùn)用；機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，了解優(yōu)缺點(diǎn)，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選取；單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步熟悉其應(yīng)用。 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 2 第 章 立式數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)和計(jì)算 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 主傳動(dòng)系統(tǒng)一般由動(dòng)力源（如電動(dòng)機(jī)）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架工作臺(tái)），以及開(kāi)停、換向和制動(dòng)機(jī)構(gòu)等部分組成。動(dòng)力源給執(zhí)行元件提供動(dòng)力，并使其得到一定的運(yùn)動(dòng)速度和方向 ,變速裝置傳遞 動(dòng)力以及變換運(yùn)動(dòng)速度，執(zhí)行元件執(zhí)機(jī)床所需的運(yùn)動(dòng)，完成旋轉(zhuǎn)或直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。 現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對(duì)機(jī)床的性能提出越來(lái)越高的要求，如轉(zhuǎn)速高，調(diào)速范圍大，恒扭矩調(diào)速范圍達(dá) 1： 100 1： 1000，恒功率調(diào)速范圍達(dá) 1： 10以上；更大的功率范圍達(dá) 250在切削加工中自動(dòng)變換速度；機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，噪聲小，動(dòng)態(tài)性能好，可靠性高等。 主傳動(dòng)變速系統(tǒng) 普通機(jī)床一般采用機(jī)械有級(jí)變速調(diào)速傳動(dòng)，而數(shù)控機(jī)床需要自動(dòng)變速；且在切削階梯軸的不同直徑，且削曲線(xiàn)旋轉(zhuǎn)面和斷面時(shí) ，需要隨切削的直徑的變化而自動(dòng)變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動(dòng)變速又是無(wú)級(jí)變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選用到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。 機(jī)床主傳動(dòng)中常采用得無(wú)級(jí)變速裝置有三大類(lèi)：變速電動(dòng)機(jī)、機(jī)械無(wú)級(jí)變速裝置和液壓無(wú)級(jí)變速裝置。 無(wú)級(jí)變速主傳動(dòng)系設(shè)計(jì)原則： 一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動(dòng)系要求的無(wú)級(jí)變速裝置。如銑床主傳動(dòng)系要求恒功率傳動(dòng)，就應(yīng)選擇恒功率無(wú)級(jí)變速裝置。二為無(wú)級(jí)變速系統(tǒng)裝置單獨(dú)使用時(shí)，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機(jī)床實(shí)際需要的恒功率 變速范圍。為此，常把無(wú)級(jí)變速裝置宇機(jī)械分級(jí)變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴(kuò)大恒功率變速范圍和整個(gè)變速范圍。 （ 1） 主軸部件設(shè)計(jì) 主軸部件的性能要求 主軸部件是機(jī)床主要部件之一，它是機(jī)床的執(zhí)行元件。他的功用是支承并帶動(dòng)工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動(dòng)力等載荷，完成表面成型運(yùn)動(dòng)。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動(dòng)件、密封件及定位元件等組成。 主軸部件的工作性能對(duì)整機(jī)性能和加工質(zhì)量以及機(jī)床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決定機(jī)床性能和技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要因素。因此，對(duì)主軸部件有如下要求： 1）軸的旋轉(zhuǎn)精度 是指裝配后，在無(wú)載荷、低速轉(zhuǎn)動(dòng)的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車(chē)床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的 7： 24 錐孔）的徑向和軸向跳動(dòng)。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤(rùn)滑劑和主軸組件的平衡。 2 ）剛度 主軸部件的剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性便形時(shí)，在位移方向上所施加的作用力來(lái)定義的。主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、滾 動(dòng)軸承的類(lèi)型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動(dòng)件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量等都影響主軸部件的剛度。 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 3 3）溫升 因個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)處的摩擦生熱，切削取得切削熱等使主軸溫度升高將引起熱變形使主軸伸長(zhǎng)，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會(huì)降低潤(rùn)滑劑的粘度，惡化潤(rùn)滑條件。因此，各類(lèi)機(jī)床對(duì)溫升都有一定的限制。 4）可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動(dòng)化的機(jī)床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展。 5）精度保持性 它指長(zhǎng)期保持其原始制造精度的能力。對(duì)數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長(zhǎng)期保持精度 。 （ 2）主軸部件的組成和軸承選型 1) 主軸部件，它由主軸及其支承軸承、傳動(dòng)件、密封件及定位元件等組成。 2) 主軸的傳動(dòng)件，可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動(dòng)件位于后懸伸端的越來(lái)越多。這樣做，可以實(shí)現(xiàn)分離傳動(dòng)和模塊化設(shè)計(jì)：主軸組件（稱(chēng)為主軸單元）和變速箱可以做成獨(dú)立的功能部件，又專(zhuān)門(mén)的工廠(chǎng)集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動(dòng)聯(lián)接。本三坐標(biāo)曲面數(shù)控銑床采用帶傳動(dòng)聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向）。角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。推力支承應(yīng)位于前支承內(nèi) ，原因是數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)原點(diǎn)，常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點(diǎn)的位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點(diǎn)支推力支承之間的距離。 3) 主軸軸承，選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點(diǎn)接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，長(zhǎng)采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對(duì)背，面對(duì)面和同向組配，背靠背和面對(duì)面組配都能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。主軸軸承必須采用背靠背組配。 4) 角接觸球軸承的間隙調(diào)整和預(yù)緊 主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承，還應(yīng) 在過(guò)盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動(dòng)體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。 軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無(wú)間隙，滾動(dòng)體從各個(gè)方向支承主軸，有利于提高運(yùn)動(dòng)精度。滾動(dòng)體的直徑不可能絕對(duì)相等，滾道也不可能絕對(duì)正圓，因而預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動(dòng)體將增多，各滾動(dòng)體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動(dòng)，則由于各個(gè)方面都有滾動(dòng)體支承，可以提高抗振性 。 角接觸球軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯(cuò)位實(shí)現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡(jiǎn)稱(chēng) 預(yù)緊力 位為 N。多聯(lián)角接觸球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。軸承廠(chǎng)規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊三級(jí)預(yù)緊。訂貨時(shí)可指定預(yù)緊級(jí)別。軸承廠(chǎng)在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對(duì)面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去。裝配時(shí)擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。如果兩個(gè)軸承間需要隔開(kāi)一定的距離，可在兩軸承之間加入厚度相同的內(nèi)外隔套。在軸向載荷的作用下，不受力側(cè)軸承的滾動(dòng)體與滾道不能脫離接觸。而滿(mǎn)足這個(gè)條件的最小預(yù)緊力，雙聯(lián)組配為最大軸向載荷的 35%。 5) 承載能力和壽命 主軸軸承通常載荷相對(duì)較輕。除上些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒(méi)有 問(wèn)題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點(diǎn)蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為 使用磨損后跳動(dòng)精度降為 這個(gè)軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。 （ 3） 主軸組件的動(dòng)態(tài)特性 通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動(dòng)機(jī)高速主軸，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子是一個(gè)集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動(dòng)態(tài)特性，可采取下列措施： 1) 是主軸組件的固有頻率避開(kāi)激振力頻率。 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 4 2） 增大比尼。 3） 采用消振裝置。 主軸系統(tǒng)計(jì)算 三角膠帶傳動(dòng)的計(jì)算和選定 三角帶的 選用應(yīng)保證有效地傳遞最大功率（不打滑）并有足夠的使用壽命（一定的疲勞強(qiáng)度）。 (1) 確定計(jì)算功率 中： 工況系數(shù) P 電機(jī)額定功率 2) 選擇三角帶型號(hào) 根據(jù) 圖 7帶 (3) 確定帶輪直徑 小帶輪直徑 滿(mǎn)足： D1 查表 7 ,故選擇 D (4) 計(jì)算膠帶速度 25/ 0 0 0 1250100100060 11 故 擇合格 D 0 01 0 0212 (5) 確定中心距 d)(1 )(2210 得 002100 初選 000 帶長(zhǎng) 0784)()(22 0212210 查表 7 000中心距 6 120 4 60 1 a x (6) 驗(yàn)算小帶倫包角 1 0 121 得 1201621 ， 即滿(mǎn)足條件。 (7) 確定 z z)( 00 由表 7 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 5 )11(10 由表 7 1199.11( 由表 7 K 代入求根公式，得 取 z=6,符合表 7(8) 確定出拉力0 0 0 d 由表 7 20 1 (9) 計(jì)算作用在軸上的壓力 Q 2216 2s 62 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 對(duì) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 進(jìn)給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機(jī)床的一個(gè)重要組成部分，也是數(shù)控機(jī)床區(qū)別于一般機(jī)床的一個(gè)特殊部分。數(shù)控機(jī)床對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的性能指標(biāo)可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。 (1) 穩(wěn)定性 伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當(dāng)作用在系統(tǒng)上的擾動(dòng)信號(hào)消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)下運(yùn)行 ,或者在輸入的指令信號(hào)作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），與外界的作用信號(hào)（包括指令信號(hào) 或擾動(dòng)信號(hào)）的性質(zhì)或形式無(wú)關(guān)。 (2) 精度 伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過(guò)程中通山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 6 常存在三種誤差：動(dòng)態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實(shí)際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿(mǎn)足精度指標(biāo)就行。 (3) 快速響應(yīng)性 快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對(duì)指令輸入信號(hào)的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過(guò)程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，傳動(dòng)裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 在靜態(tài)設(shè)計(jì)方面有： (1) 能夠克服摩擦力和負(fù)載 (2) 很小的進(jìn)給位移量 (3) 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度 (4) 足夠的調(diào)速范圍 (5) 進(jìn)給速度均勻，在速度很低時(shí)無(wú)爬行現(xiàn)象 在動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方面的要求有： (1) 具有足夠的加速和制動(dòng)轉(zhuǎn)矩 (2) 具有良好的動(dòng)態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿(mǎn)意的表面質(zhì)量 (3) 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小 對(duì)于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)部件則有以下要求 (1) 被加速的運(yùn)動(dòng)部件具有較小的慣量 (2) 高的剛度 (3) 良好的阻尼 (4) 傳動(dòng)部件在拉壓剛度 扭轉(zhuǎn)剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能 小的非線(xiàn)性 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 (1). 時(shí)間響應(yīng)特性 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時(shí)間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。 (2) 頻率響應(yīng)特性 (3) 快速性分析 進(jìn)給傳動(dòng)的計(jì)算 X 軸滾珠絲杠副 (1) 精度 要求：進(jìn)給精度 快速進(jìn)給精度 m (2) 疲勞強(qiáng)度 絲鋼的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力，最大進(jìn)給力為 1625N,工作臺(tái)質(zhì)量 700： 1） 摩擦力 3 i n 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 7 6 4 9241 6 2 5m a x 32 m a x m 3 2421649 根據(jù)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 計(jì)算 載荷查表 2K 查表 2 K 查表 2K 查表 2 則： 3 2 81 1 0 2） 計(jì)算額定動(dòng)載荷 為 0000 , 00 4 0000100 41328 3） 選用 表 2絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱(chēng)直徑 00 導(dǎo)程 0 滾珠直徑 按表 2 滾道半徑 偏心距 0 (絲杠內(nèi)徑 01 4） 穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證 絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動(dòng)端 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) S 絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱(chēng)為臨界載荷 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 8 式中， 于鋼 E=206m）；a 4m ）； 為長(zhǎng)度系數(shù)，取32。 4841 a NF 安全系數(shù) 36 查表 2S=S>S,絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨街轉(zhuǎn)速求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算： 212)(9910 式中：表 2題取 927.3222) 3 3 9 1 0 r m 001010 6 3m a x 即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。 此外滾珠絲杠副還受 常要求 m 07 40 m i n/107m i n/10410040 430 5） 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T( )共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量0L(m)為： 20 式中 : 2141 ；4132 ； 鋼 ； )ta n (2 0 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 34t a n (102401107 3按最不利 的情況?。ㄆ渲?山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 9 412221201642 49223293)010(16) m 則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 L 小于其傳動(dòng)精度的 1/2，即 該絲杠的 L 滿(mǎn)足上市，所以其剛度可以滿(mǎn)足要求。 6） 效率驗(yàn)算 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 為 9 4 34t a n ( )334t a n ()t a n (t a n 要求在 90% 95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算， 以合格。 （ 1） 精度 要求：進(jìn)給精度 快速進(jìn)給精度 m （ 2） 疲勞強(qiáng)度 絲鋼的最大載荷為最大進(jìn)給力加摩擦力，最大進(jìn)給力為 1625N,工作臺(tái)質(zhì)量 900： 1）摩擦力 3 0m i n 656311625m a x 32 m a x m 3 3121656 根據(jù)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 計(jì)算載荷查表 2K 查表 2 K 查表 2K 查表 2 則： 3 3 71 1 1 2）計(jì)算額定動(dòng)載荷 0000 , 00 4 計(jì)） 10 3 0000100 41337 3）選用 表 2 公稱(chēng)直徑 00 導(dǎo)程 0 滾珠直徑 按表 2 滾道半徑 偏心距 0 (絲杠內(nèi)徑 01 4）穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動(dòng)端 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè) 計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) S 絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱(chēng)為臨界載荷 式中， 于鋼 E=206m）；a 4m ）； 為長(zhǎng)度系數(shù) ，取32。 4841 a NF 6 安全系數(shù) 25 查表 2S=S>S,絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨街轉(zhuǎn)速求絲杠的 最大轉(zhuǎn)速 臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算： 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 11 212)(9910 式中：表 2題取 927.3222) 3 3 9 1 0 r m 001010 6 3m a x 即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。 此外滾珠絲杠副還受 常要求 m 07 40 m i n/107m i n/10410040 430 5）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T( )共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量0L(m)為： 20 式中 : 2141 ；4132 ； 鋼 ； )ta n (2 0 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 34t a n(102401114 3按最不利的情況?。ㄆ渲?412221201642 49223293)010(16) m 則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 L 小于其傳動(dòng)精度的 1/2，即 該絲杠的 L 滿(mǎn)足上 市，所以其剛度可以滿(mǎn)足要求。 6）效率驗(yàn)算 滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率 為 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 12 9 4 34t a n ( )334t a n ()t a n (t a n 要求在 90% 95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算， 以合格。 Z 軸滾珠絲杠副 （ 1）精度 要求：進(jìn)給精度 快速進(jìn)給精度 m （ 2）疲勞強(qiáng)度 絲鋼的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進(jìn)給力的垂直分力。主軸重量為 300： 1）摩擦力 3 0m i n 9 5 010m a x 3 871031 6 i n 32 m a x m 3 238722950 根據(jù)機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 計(jì)算載荷查表 2K 查表 2 K 查表 2K 查表 2 則： 3 1 42 7 6 2）計(jì)算額定動(dòng)載荷 0000 , 00 4 0000100 43314 3）選用 表 2絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱(chēng)直徑 00 導(dǎo)程 0 滾珠直徑 按表 2 滾道半徑 偏心距 0 (絲杠內(nèi)徑 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 13 01 4）穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負(fù)荷。另一端游動(dòng)，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動(dòng)端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動(dòng)端 由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于絲 杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) S 絲杠不會(huì)失穩(wěn)的最大載荷稱(chēng)為臨界載荷 式中， 于鋼 E=206m）；a 4m ）； 為長(zhǎng)度系數(shù)，取32。 4841 a NF 安全系數(shù) 25 查表 2S=S>S,絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。 高速絲杠工作時(shí)有可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨街轉(zhuǎn)速求絲杠的最大轉(zhuǎn)速 臨街轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算： 212)(9910 式中：表 2題取 927.3222) 3 3 9 1 0 r m 001010 6 3m a x 即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。 此外滾珠絲杠副還受 常要求 m 07 40 m i n/107m i n/10410040 430 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 14 5）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T( )共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量0L(m)為： 20 式中 : 2141 ；4132 ； 鋼 ； )ta n (2 0 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 34t a n (102402762 3按最不利的情況?。ㄆ渲?412221201642 49223293)010(16) m 則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 L 小于其傳動(dòng)精度的 1/2，即 該絲杠的 L 滿(mǎn)足上市，所以其剛度可以滿(mǎn)足要求。 6）效率驗(yàn)算 滾珠絲杠副 的傳動(dòng)效率 為 9 4 34t a n ( )334t a n ()t a n (t a n 要求在 90% 95%之間，所以該絲杠副合格。 經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算， 以合格。 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 15 第 章 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 微機(jī)控制系統(tǒng)主要由微型計(jì)算機(jī)和伺服系統(tǒng)兩大部份組成， 其中微機(jī)又包括硬件和軟件兩部分。 （ 1） 微機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件組成 硬件時(shí)組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件軟件才能有效地運(yùn)行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標(biāo)。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來(lái)由以下部分組成。 1）主控制器，即中央處理單元 ）存儲(chǔ)器，包括只讀可編程存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 3）接口 （ 2） 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件 軟件是指為實(shí)現(xiàn)微機(jī)控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能編制的專(zhuān)用程序，它一般由以下幾部分組成： 1）輸入數(shù)據(jù)處理程序 它接受輸入的零件加工程序，用標(biāo) 準(zhǔn)代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)整理成便于解釋執(zhí)行的格式后存放。 2）插補(bǔ)運(yùn)算程序 它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補(bǔ)器的功能。 3）速度控制程序 它根據(jù)給定的速度代碼或每分毫米數(shù)控制插補(bǔ)運(yùn)算的頻率，以保證預(yù)定速度進(jìn)給。 4）管理程序和診斷程序 管理程序?qū)?shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過(guò)程服務(wù)的各個(gè)程序進(jìn)行調(diào)度，還可以對(duì)面板命令、時(shí)鐘信號(hào)、故障信號(hào)等引起的中斷進(jìn)行處理。診斷程序可以在運(yùn)行中及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示故障類(lèi)型。 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 主控制器 選擇 （ 1） 控制數(shù)據(jù)處理的速度。 （ 2） （ 3） 指 令系統(tǒng)功能 的強(qiáng)弱 （即編程的靈活性）。 （ 4） I/對(duì)外設(shè)控制的能力）。 （ 5） 開(kāi)發(fā)手段（包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路）。 從性能價(jià)格比上，我們擬采用 031作為主控制器。 下面介紹 圖（ 4）。 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 16 下面對(duì)各功能部件作進(jìn)一步的說(shuō)明： （ 1） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ 片內(nèi)為 128個(gè)字節(jié)，片外最多可擴(kuò)至 64K 字節(jié)。 （ 2） 程序存儲(chǔ)器（ 8031無(wú)此部件； 8051為 48751 為 4外最多可外擴(kuò)至 64K 字節(jié)。 （ 3） 中斷系統(tǒng)：具有 5個(gè)中斷源， 2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 （ 4） 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器： 2個(gè) 16位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。 （ 5） 串行口： 1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。 （ 6） 四個(gè)并行 8位 I/ （ 7） 特殊功能寄存器（ 共有 21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。 （ 8） 微處理器（ 為 8 位 的 內(nèi)含一個(gè) 1 位 處理器），不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量處理。 存儲(chǔ)器電路的擴(kuò)展 （ 1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片，其型號(hào)分別為： 2716、 2732、 2764、27128、 27256 等，其容量分別位 2k、 4k、 8k、 16k、 32k。在選擇芯片時(shí)，要考慮 序的匹配。即 8031 所能讀取的時(shí)間必須大于 要求的讀取時(shí)間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計(jì)存儲(chǔ)器的容量。在滿(mǎn)足容量要求是應(yīng)盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，是系統(tǒng)簡(jiǎn)化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用 2764 作為擴(kuò)展芯片。 2764與 8031主要是三總線(xiàn)的聯(lián)接。 2764中的低 8位地址線(xiàn)通過(guò)地址鎖存器 74031地址鎖存允許信號(hào) 。 8位數(shù)據(jù)線(xiàn)直接與 8031 5位地址線(xiàn)分別與 031選信號(hào) 地，以便總能選中。由于 8031只能選通外部程序存儲(chǔ)器，因而其 （ 2） 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 由于 8031內(nèi)部 有 128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求，須擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存微處理器 （運(yùn)算部件） 控制部件 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 0 口 程序存 儲(chǔ)器 特殊功能寄存器 斷 系統(tǒng) 串行口 定時(shí) / 計(jì)數(shù)器 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 17 儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用 6116和 6264靜態(tài) 選用的規(guī)則與 序存儲(chǔ)器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用 6264 芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的外擴(kuò)芯片。 6264 低 8 位地址線(xiàn)通過(guò)地址鎖存器 74 8031 5 位地址線(xiàn)分別與 8位數(shù)據(jù)線(xiàn)直接接至 8031 寫(xiě)控制引腳 8031的讀寫(xiě)控制引腳 選端 031相聯(lián)。 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)。在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移僅與控制脈沖成正比。在多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)不需要 A/，可采用較為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)性數(shù) 控機(jī)床最主要的一種伺服驅(qū)動(dòng)元件。 （ 1）計(jì)算機(jī)接口 在控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的接口電路至關(guān)重要，沒(méi)有它將無(wú)法實(shí)現(xiàn)微機(jī)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制。如前所述， 8031 系列單片機(jī)含有 4個(gè)并行輸入 /輸出口，其中 為步進(jìn)電機(jī)及其它控制對(duì)象的接口。也可采用 8155或 8255A 等可編程并行輸入、輸出接口芯片設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口電路，來(lái)控制步進(jìn)電機(jī)即其它外部設(shè)備。本系統(tǒng)即采用 8155的 （ 2）脈沖分配器 脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)必不可少的環(huán)節(jié)。步進(jìn)電機(jī)的控制方式由環(huán)形分 配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列脈沖指令按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正傳或反轉(zhuǎn)。在數(shù)控系統(tǒng)中使用較多的是集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。而在本系統(tǒng)中使用的是軟件脈沖分配，通過(guò)編程來(lái)達(dá)到脈沖分配的目的，從而控制步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組。 （ 3）隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動(dòng)電壓較高（幾十伏），電流也較大，如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相聯(lián)，將會(huì)引起強(qiáng)電器干擾，輕則影響計(jì)算機(jī)程序的正常進(jìn)行，重 則導(dǎo)致計(jì)算機(jī)和接口電路的損壞。所以一般在接口電路與功率放大器之間都要加上隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用最多的是光電耦合器。圖為光電耦合器與步進(jìn)電機(jī)的接口電路。 光電隔離與步進(jìn)電機(jī)接口電路 圖 電隔離與步進(jìn)電機(jī)接口電路 其它輔助電路設(shè)計(jì) 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 18 （ 1） 8031的時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘可以有兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。 內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，在 腳上外接定時(shí)元件，如圖 ()所示。晶體可在 12間任選，耦合電容在 5 30間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式，可把 （ 2） 8031 的復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在 腳上保持 10片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后 000般數(shù)控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復(fù)位組合。 石英晶體（ A ） 時(shí) 鐘 電 路 （ B ） 復(fù) 位 電 路 圖 鐘電路和復(fù)位電路 程序部分 2000 ；保護(hù) ;現(xiàn)場(chǎng) ；送步數(shù)給 00H ；送控制碼指針 00H, A, ；取控制碼 A, A+Z ；控制碼為 00 A ；輸出控制碼 ；調(diào)延時(shí)子程序 ；指針指向下一個(gè)控制碼 ；步數(shù)未完，繼續(xù) ；恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng) A, ；取反向控制碼 A, #7H A 01H ；正向轉(zhuǎn)動(dòng)控制碼 03H 02H 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 19 06H 04H 05H 00H 01H ；反向轉(zhuǎn)動(dòng)控制碼 05H 04H 06H 02H 03H 00H 150H 20H 21H 22H 23H 24H 25H 26H ; 地址指針偏移量 0 0 #60H ; 程序開(kāi)始 #01H ; 設(shè)計(jì)數(shù)器為工作方式 1,16定時(shí)器 #1 ; 設(shè) 值為 27 #1 ; 設(shè) 值為 27 A , L A A C A , A , A A , A , #00H A #1000H ; 設(shè)時(shí)間常數(shù)地址指針初值為 1000H #00H ; 設(shè)地址偏移量初值為 00H A , A+ ; 從 A ; 送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器 0中 A , A , A+ A 東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 20 ; 開(kāi)中斷允許 ;允許定時(shí)器 0中斷 ; 啟動(dòng)定時(shí)器 0開(kāi)始算 ; 中斷允許范圍 000 ; 定時(shí)器 0中斷入口地址 0 0 A , ; 送時(shí)間常數(shù)到定時(shí)器 0中 A , A+ A A , A , A+ A ; 修改地址偏移量指針 ; 調(diào) 使電機(jī)進(jìn)給步 A , ; 判斷 ,為 0 則轉(zhuǎn)恒速 A , #00H , A , ; 判斷 ,為 0則轉(zhuǎn)入減速 A , #00H , A , A , #00H , A , ; 判斷 A , #00H , ; 0,減速結(jié)束 ,關(guān)中斷 ; 中斷返回 ; 為 0,則 A , ; 為 0,則 C A , #01H A A , A , #00H A 東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 21 結(jié)論 由于數(shù)控機(jī)床的精密要求，所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候不 得 不考慮它的剛度要求及抗振性要求，這使 得 在設(shè)計(jì)床身的時(shí)候就要考慮到它所承受的各種外力的情況，在這方面，我針對(duì)床身的材料、厚 度及其機(jī)構(gòu)幾方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)。在傳動(dòng)方面為適應(yīng)其加工范圍、工藝要求、加工精度及自動(dòng) 化 要求等方面，對(duì)主軸進(jìn)行了設(shè)計(jì)使其具有較高的熱穩(wěn)定性，并能保證配合精度，并且還對(duì) X、 Y、 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，因其要求定位精度高、跟蹤指令信號(hào)的響應(yīng)快、系統(tǒng)的穩(wěn)定好等，首先對(duì)其進(jìn)行了分析并根據(jù)其要求完成這方面的設(shè)計(jì)。 在設(shè)計(jì)微機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，在選取主控制器及存儲(chǔ)器時(shí)通過(guò)對(duì)本系統(tǒng)的考慮，在從性能價(jià)格比上選取了合適的硬件結(jié)構(gòu)，在電路設(shè)計(jì)方面以達(dá)到簡(jiǎn)潔明了實(shí)用為目的，做出了設(shè)計(jì)。在選取電機(jī)時(shí)，以絲杠的最大 負(fù)載及不影響電路的正常工作。最后根據(jù)所加工的工件形狀針對(duì)刀具及工作平臺(tái)設(shè)計(jì)了相應(yīng)的工作程序。 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 22 參考文獻(xiàn) 1 實(shí)用數(shù)控機(jī)床技術(shù)手冊(cè)，機(jī)械工業(yè)出版社 2 數(shù)控機(jī)床上海交通大學(xué)教研，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 3 金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)范云漲 陳兆年主編，機(jī)械工業(yè)出版社 4 機(jī)床改造的思路與使用技術(shù)劉庶民編著，機(jī)械工業(yè)出版社 5 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) 1 5徐灝主編，機(jī)械工業(yè)出版社 6 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)唐可洪主編，機(jī)械工業(yè)出 版社 7 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)張建民等編，北京理工出版社 8 機(jī)床計(jì)算機(jī)數(shù)控及應(yīng)用畢承思等編，機(jī)械工業(yè)出版社 9 機(jī)床設(shè)計(jì)圖冊(cè)，上?？茖W(xué)技術(shù)出版社 10金屬切削機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)手冊(cè) ,機(jī)械工業(yè)出版社 11機(jī)械制造裝備設(shè)計(jì)馮辛安編，機(jī)械工業(yè)出版社 12機(jī)電傳動(dòng)控制鄧星鐘編，華中理工大學(xué)出版社 13金屬切學(xué)原理陶乾編著，上海科學(xué)技術(shù)出版社 14畫(huà)法幾何及機(jī)械制圖 ,吉林科學(xué)技術(shù)出版社 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