三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計

山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 1 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 1 第章 緒論 隨著人工智能在計算機(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)自動生成三維刀具補(bǔ)償運動參數(shù)動態(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)動和智能化進(jìn)給伺服裝置，能自動識別負(fù)載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。直線電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)以使用化。 用數(shù)控銑床加工零件時，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)床主運動的變速啟動停止進(jìn)給運動的方向速度和位移量，以及工件裝夾和冷卻潤滑的開關(guān)等動作，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)定的順序運動軌跡加工出符合要求的零件。 三坐標(biāo)數(shù)控銑床的進(jìn)給運動是數(shù)字控制的直接對象，不論點位控制還是連續(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)給運動的傳動精度靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，要注意以下三點進(jìn)給運動要求： (1) 減少運動件的摩擦力。進(jìn)給系統(tǒng)雖有許多元件，但摩擦阻力主要來自絲杠和導(dǎo)軌。絲杠和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的滾動化是減少摩擦的重要 措施之一。 (2) 提高傳動精度和剛度。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) 減少運動慣量。進(jìn)給系統(tǒng)中每個元件的慣量對伺服機(jī)構(gòu)的啟動和制動特性都有直接的影響。尤其是處于高速運轉(zhuǎn)的零件，其慣性的影響更大。 設(shè)計是在原有普通銑床的基礎(chǔ)上 ,對其進(jìn)行改造 ,成為三坐標(biāo)數(shù)控銑床。該機(jī)床能通過三軸聯(lián)動，實現(xiàn)曲線直線等不同的加工路線。 所設(shè)計的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，三個坐標(biāo)方向的移動均由步進(jìn)電機(jī)帶動，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)計主 要對數(shù)控銑床的機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，了解單片機(jī)的工作原理，主要有以下幾個方面： X、 Y、 Z工作臺的傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計，主要是滾珠絲杠的運用；機(jī)床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選??；單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計，進(jìn)一步熟悉其應(yīng)用。 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 2 第 章 立式數(shù)控銑床的設(shè)計和計算 .1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 主傳動系統(tǒng)一般由動力源（如電動機(jī)）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架工作臺），以及開停、換向和制動機(jī)構(gòu)等部分組成。動力源給執(zhí)行元件提供動力，并使其得到一定的運動速度和方向 ,變速裝置傳遞 動力以及變換運動速度，執(zhí)行元件執(zhí)機(jī)床所需的運動，完成旋轉(zhuǎn)或直線運動。 現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對機(jī)床的性能提出越來越高的要求，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) 2.2 250kW，能在切削加工中自動變換速度；機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，噪聲小，動態(tài)性能好，可靠性高等。 .1.1 主傳動變速系統(tǒng) 普通機(jī)床一般采用機(jī)械有級變速調(diào)速傳動，而數(shù)控機(jī)床需要自動變速；且在切削階梯軸的不同直徑，且削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時 ，需要隨切削的直徑的變化而自動變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，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)床主傳動中常采用得無級變速裝置有三大類：變速電動機(jī)、機(jī)械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。 無級變速主傳動系設(shè)計原則： 一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動系要求的無級變速裝置。如銑床主傳動系要求恒功率傳動，就應(yīng)選擇恒功率無級變速裝置。二為無級變速系統(tǒng)裝置單獨使用時，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)床實際需要的恒功率 變速范圍。為此，常把無級變速裝置宇機(jī)械分級變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴(kuò)大恒功率變速范圍和整個變速范圍。 （ 1） 主軸部件設(shè)計 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工件或刀具旋轉(zhuǎn)進(jìn)行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成型運動。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。 主軸部件的工作性能對整機(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，對主軸部件有如下要求： 1）軸的旋轉(zhuǎn)精度 是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的 7： 24 錐孔）的徑向和軸向跳動。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，在位移方向上所施加的作用力來定義的。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 動軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件的布置方式、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） 3 3）溫升 因個相對運動處的摩擦生熱，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，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，各類機(jī)床對溫升都有一定的限制。 4）可靠性 數(shù)控機(jī)床是高度自動化的機(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 它指長期保持其原始制造精度的能力。對數(shù)控機(jī)床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度 。 （ 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、傳動件、密封件及定位元件等組成。 2) 主軸的傳動件，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。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化設(shè)計：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動聯(lián)接。本三坐標(biāo)曲面數(shù)控銑床采用帶傳動聯(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，常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標(biāo)原點的位移，應(yīng)盡量縮短坐標(biāo)原點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。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，長采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對背，面對面和同向組配，背靠背和面對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) 在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和導(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)部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于提高運動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，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，參加工作的滾動體將增多，各滾動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，則由于各個方面都有滾動體支承，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)生軸向錯位實現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡稱 預(yù)緊力 Fa0，單位為 N。多聯(lián)角接觸球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊三級預(yù)緊。訂貨時可指定預(yù)緊級別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去。裝配時擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。如果兩個軸承間需要隔開一定的距離，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)軸承的滾動體與滾道不能脫離接觸。而滿足這個條件的最小預(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較輕。除上些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有 問題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為 P4級，經(jīng)使用磨損后跳動精度降為 P5級 ,這個軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。 （ 3） 主軸組件的動態(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)裝式電動機(jī)高速主軸，電動機(jī)轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施： 1) 是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 4 2） 增大比尼。 3） 采用消振裝置。 .2 主軸系統(tǒng)計算 三角膠帶傳動的計算和選定 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) 確定計算功率 Pd PAd 4.14122.1 kW 式中： KA 工況系數(shù) P 電機(jī)額定功率 Kw (2) 選擇三角帶型號 根據(jù) Pd、 n1 由圖 7-8選 SPA型窄 V帶 (3) 確定帶輪直徑 D1 、 D2 小帶輪直徑 D1 應(yīng)滿足： D1 Dmin 查表 7-4取 D mm90min ,故選擇 D mm1001 (4) 計算膠帶速度 smsmnDv /25/5.660000 1250100100060 11 故 D1 選擇合格 D mmiD 200100212 (5) 確定中心距 a和帶長 Ld )(7.0 21 DD )(2210 DDa 得 mmamm 6002100 初選 mma 3000 帶長 mmaDDDDaLd 10784)()(22 0212210 查表 7-3，取 mmLd 1000 中心距 mmLLaa dd 2 6 120 a的調(diào)整范圍： mmLaad 246015.0m in mmLaad 29103.0m a x (6) 驗算小帶倫包角 1 3.57180 121 aDD 得 1201621 ， 即滿足條件。 (7) 確定 V帶根數(shù) z Ld KKPP Pz)( 00 由表 7-6a查得 kW27.20 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 5 )11(10 ib KnK 由表 7-10查得 3107862.2 bK 由表 7-11查得 1199.1iK )1199.1 11(1250107862.2 3 iP kW38.0 由表 7-9查得 96.0K 由表 7-3查得 89.0LK 代入求根公式，得 96.089.0)38.027.2( 4.14 z 02.6 取 z=6,符合表 7-4推薦的輪槽數(shù) (8) 確定出拉力0F 20 )15.2(5 0 0 qvKzvPF d 由表 7-5得 mkgq /12.0 20 5.612.0)11 5.2(5.66 4.14500 F N282 (9) 計算作用在軸上的壓力 Q 2sin2 1zQ 2162s in28262 N3383 .3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計 .3.1 對 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)床的一個特殊部分。數(shù)控機(jī)床對進(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)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行 ,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達(dá)到新的穩(wěn)定運行狀態(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（包括指令信號 或擾動信號）的性質(zhì)或形式無關(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)工作過程中通山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 6 常存在三種誤差：動態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標(biāo)就行。 (3) 快速響應(yīng)性 快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機(jī)床的加工精度和生產(chǎn)率。 .3.2 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求 在靜態(tài)設(shè)計方面有： (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，在速度很低時無爬行現(xiàn)象 在動態(tài)設(shè)計方面的要求有： (1) 具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩 (2) 具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量 (3) 負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能小 對于數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動部件則有以下要求 (1) 被加速的運動部件具有較小的慣量 (2) 高的剛度 (3) 良好的阻尼 (4) 傳動部件在拉壓剛度 扭轉(zhuǎn)剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能 小的非線性 .3.3 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析 (1). 時間響應(yīng)特性 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時間響應(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 .4 進(jìn)給傳動的計算 .4.1 X 軸滾珠絲杠副 (1) 精度 要求：進(jìn)給精度 mm01.0 快速進(jìn)給精度 min/6m (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,工作臺質(zhì)量 700kg,則： 1） 摩擦力fF NFFf 248.90 0 3 5.0700m i n 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 7 NF 1649241625m a x 32 m inm ax FFF m 3 2421649 N1107 根據(jù)機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 計算 載荷cF MAHFc FKKKF 查表 2-6取 2.1FK 查表 2-8 取 0.1AK 查表 2-7取 0.1HK 查表 2-4 取 D級精度 則： NFc 132811070.10.12.1 2） 計算額定動載荷 aC 取絲杠的工作壽 命為 hLh 20000 , min/100 rnm 31067.1 4 hm Lnca FC 3 1067.1 20000100 41328 N6546 3） 選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表 2-9 得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 mmD 500 導(dǎo)程 mmp 10 滾珠直徑 mmd 953.50 按表 2-1種尺寸公式計算： 滾道半徑 mmdR 096.3953.552.052.00 偏心距 mmdRe 20 104.8)2953.5096.3(707.0)2(707.0 絲杠內(nèi)徑 mmReDd 98.33096.32104.824022 201 4） 穩(wěn)定性驗算 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，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端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動端 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷crF 22)( lEIF acr 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 8 式中， E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼 E=206Gpa； l為絲杠工作長度（ m）；a I為絲杠危險截面的軸慣性矩（ 4m ）； 為長度系數(shù)，取32。 4841 1054.664 mdI a NF cr 628921087.1)4.032(105.610206 安全系數(shù) 36 1059.111071087.1 mcrFFS 查表 2-10， S=2.5 3.3 ,SS,絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨街轉(zhuǎn)速crn。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速crnn max。 臨街轉(zhuǎn)速按下式計算： 212)(9910 ldfn ccr 式中：cf為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表 2-10，本題取 927.3cf，32 22)4.032(0 3 3 9 8.0927.39 9 1 0crn min/103.7 4 r m in/6001010 6 3m ax rn 即：maxnncr ，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 此外滾珠絲杠副還受 nD0值的限制，通常要求 m in/107 40 rmmnD m i n/107m i n/10410040 430 rmmrmmnD 5） 剛度驗算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T( mN )共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量0L(m)為： cGJTpEApFL220 式中 :A絲杠截面積 , 2141 dA ；cJ為絲杠的極慣性矩， 4132 dJc ； G為絲杠切變模量，對鋼 GPaG 3.83 ； T為轉(zhuǎn)矩。 )tan (2 0 DFT m 式中： 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；mF衛(wèi)平均工作載荷 mNT 84.1)2.0334t a n (102401 1 0 7 3 按最不利 的情況?。ㄆ渲衜FF） 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 9 412221201642 GdTpEdpFGJTpEApFLc 49223293)03398.0(103.83)14.3(84.1)1010(16)03398.0(1020614.3110710104 m2102.6 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： mpLlL 5.21010102.64.0320 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 L 小于其傳動精度的 1/2，即 mmmL 5005.01.02121 該絲杠的 L 滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。 6） 效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率 為 947.0)2.0334t 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)上述計算驗算， FC1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。 .4.2 Y軸滾珠絲杠副 （ 1） 精度 要求：進(jìn)給精度 mm01.0 快速進(jìn)給精度 min/6m （ 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,工作臺質(zhì)量 900kg,則： 1）摩擦力fF NFFf 318.90035.0900m i n NF 1656311625m a x 32 m inm ax FFF m 3 3121656 N1114 根據(jù)機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 計算載荷cF MAHFc FKKKF 查表 2-6取 2.1FK 查表 2-8 取 0.1AK 查表 2-7取 0.1HK 查表 2-4 取 D級精度 則： NFc 133711140.10.12.1 2）計算額定動載荷 aC 取絲杠的工作壽命為 hLh 20000 , min/100 rnm 31067.1 4 hm Lnca FC 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 10 3 1067.1 20000100 41337 N6590 3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表 2-9得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 mmD 500 導(dǎo)程 mmp 10 滾珠直徑 mmd 953.50 按表 2-1種尺寸公式計算： 滾道半徑 mmdR 096.3953.552.052.00 偏心距 mmdRe 20 104.8)2953.5096.3(707.0)2(707.0 絲杠內(nèi)徑 mmReDd 98.33096.32104.824022 201 4）穩(wěn)定性驗算 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，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端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動端 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè) 計時應(yīng)驗算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷crF 22)( lEIF acr 式中， E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼 E=206Gpa； l為絲杠工作長度（ m）；a I為絲杠危險截面的軸慣性矩（ 4m ）； 為長度系數(shù) ，取32。 4841 1054.664 mdI a NF cr 528921059.8)59.032(1054.610206 安全系數(shù) 25 107.711141059.8 mcrFFS 查表 2-10， S=2.5 3.3 ,SS,絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨街轉(zhuǎn)速crn。要求絲杠的 最大轉(zhuǎn)速crnn max。 臨街轉(zhuǎn)速按下式計算： 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 11 212)(9910 ldfn ccr 式中：cf為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表 2-10，本題取 927.3cf，32 22)59.032(0 3 3 9 8.0927.39 9 1 0crn m in/1036.3 4 r m in/6001010 6 3m ax rn 即：maxnncr ，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 此外滾珠絲杠副還受 nD0值的限制，通常要求 m in/107 40 rmmnD m i n/107m i n/10410040 430 rmmrmmnD 5）剛度驗算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T( mN )共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量0L(m)為： cGJTpEApFL220 式中 :A絲杠截面積 , 2141 dA ；cJ為絲杠的極慣性矩， 4132 dJc ； G為絲杠切變模量，對鋼 GPaG 3.83 ； T為轉(zhuǎn)矩。 )tan (2 0 DFT m 式中： 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；mF衛(wèi)平均工作載荷 mNT 85.1)2.0334t a n (102401114 3 按最不利的情況取（其中mFF） 412221201642 GdTpEdpFGJTpEApFLc 49223293)03398.0(103.83)14.3(85.1)1010(16)03398.0(1020614.3111410104 m2102.6 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： mpLlL 7.31010102.659.0320 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 L 小于其傳動精度的 1/2，即 mmmL 5005.01.02121 該絲杠的 L 滿足上 市，所以其剛度可以滿足要求。 6）效率驗算 滾珠絲杠副的傳動效率 為 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 12 947.0)2.0334t 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)上述計算驗算， FC1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。 .4.3 Z 軸滾珠絲杠副 （ 1）精度 要求：進(jìn)給精度 mm01.0 快速進(jìn)給精度 min/3m （ 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 300kg,則： 1）摩擦力fF NFFf 108.90035.0300m i n NF 2 9 5 08.930010max NF 2 3 8 71031 6 2 58.9300m i n 32 m inm ax FFF m 3 238722950 N2762 根據(jù)機(jī)電一體化設(shè)計基礎(chǔ) 計算載荷cF MAHFc FKKKF 查表 2-6取 2.1FK 查表 2-8 取 0.1AK 查表 2-7取 0.1HK 查表 2-4 取 D級精度 則： NFc 331427620.10.12.1 2）計算額定動載荷 aC 取絲杠的工作壽命為 hLh 20000 , min/100 rnm 31067.1 4 hm Lnca FC 3 1067.1 20000100 43314 N16335 3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表 2-9 得絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 mmD 500 導(dǎo)程 mmp 10 滾珠直徑 mmd 953.50 按表 2-1種尺寸公式計算： 滾道半徑 mmdR 096.3953.552.052.00 偏心距 mmdRe 20 104.8)2953.5096.3(707.0)2(707.0 絲杠內(nèi)徑 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 13 mmReDd 98.33096.32104.824022 201 4）穩(wěn)定性驗算 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，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端自由伸縮，如下圖。 螺母固定端 游動端 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù) S,其值應(yīng)大于絲 杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù) S 絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷crF 22)( lEIF acr 式中， E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼 E=206Gpa； l為絲杠工作長度（ m）；a I為絲杠危險截面的軸慣性矩（ 4m ）； 為長度系數(shù)，取32。 4841 1054.664 mdI a NF cr 528921075.8)5.032(1054.610206 安全系數(shù) 25 102.327621075.8 mcrFFS 查表 2-10， S=2.5 3.3 ,SS,絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速 臨街轉(zhuǎn)速crn。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速crnn max。 臨街轉(zhuǎn)速按下式計算： 212)(9910 ldfn ccr 式中：cf為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表 2-10，本題取 927.3cf，32 22)5.032(0 3 3 9 8.0927.39 9 1 0crn m in/1052.3 4 r m in/6001010 6 3m ax rn 即：maxnncr ，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。 此外滾珠絲杠副還受 nD0值的限制，通常要求 m in/107 40 rmmnD m i n/107m i n/10410040 430 rmmrmmnD 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 14 5）剛度驗算 滾珠絲杠在工作負(fù)載 F(N)和轉(zhuǎn)矩 T( mN )共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量0L(m)為： cGJTpEApFL220 式中 :A絲杠截面積 , 2141 dA ；cJ為絲杠的極慣性矩， 4132 dJc ； G為絲杠切變模量，對鋼 GPaG 3.83 ； T為轉(zhuǎn)矩。 )tan (2 0 DFT m 式中： 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；mF衛(wèi)平均工作載荷 mNT 54.4)2.0334t a n (102402762 3 按最不利的情況?。ㄆ渲衜FF） 412221201642 GdTpEdpFGJTpEApFLc 49223293)03398.0(103.83)14.3(54.4)1010(16)03398.0(1020614.3276210104 m2107.9 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為： mpLlL 85.41010107.95.0320 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差 L 小于其傳動精度的 1/2，即 mmmL 5005.01.02121 該絲杠的 L 滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。 6）效率驗算 滾珠絲杠副 的傳動效率 為 947.0)2.0334t 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)上述計算驗算， FC1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 15 第 章 微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計 .1 微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點 .1.1 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 硬件時組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件軟件才能有效地運行。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由以下部分組成。 1）主控制器，即中央處理單元 CPU 2）存儲器，包括只讀可編程存儲器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲器 3）接口 （ 2） 微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)軟件 軟件是指為實現(xiàn)微機(jī)控制系統(tǒng)各項功能編制的專用程序，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、處理及切削加工過程服務(wù)的各個程序進(jìn)行調(diào)度，還可以對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進(jìn)行處理。診斷程序可以在運行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示故障類型。 .2 微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 .2.1 主控制器 CPU 的選擇 CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素： （ 1） 控制數(shù)據(jù)處理的速度。 （ 2） ROM/RAM的容量。 （ 3） 指 令系統(tǒng)功能 的強(qiáng)弱 （即編程的靈活性）。 （ 4） I/O口擴(kuò)展的能力（即對外設(shè)控制的能力）。 （ 5） 開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。 從性能價格比上，我們擬采用 MCS-51系列單片機(jī)中的 8031作為主控制器。 下面介紹 MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖（ 4）。 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 16 下面對各功能部件作進(jìn)一步的說明： （ 1） 數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）：片內(nèi)為 128個字節(jié)，片外最多可擴(kuò)至 64K 字節(jié)。 （ 2） 程序存儲器（ ROM/EPROM）： 8031無此部件； 8051為 4KROM； 8751 為 4KEPROM。片外最多可外擴(kuò)至 64K 字節(jié)。 （ 3） 中斷系統(tǒng)：具有 5個中斷源， 2級中斷優(yōu)先權(quán)。 （ 4） 定時器 /計數(shù)器： 2個 16位的定時器 /計數(shù)器，具有四種工作方式。 （ 5） 串行口： 1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。 （ 6） P1口、 P2口、 P3口、 P0口：為四個并行 8位 I/O口。 （ 7） 特殊功能寄存器（ SFR）：共有 21個，用于對片內(nèi)各功能模塊進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。 （ 8） 微處理器（ CPU）：為 8 位 的 CPU，且內(nèi)含一個 1 位 CPU（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。 ROM/EPROM 圖 4.1 MCS-51單片機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu) .2.2 存儲器電路的擴(kuò)展 （ 1）程序存儲器的擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲器芯片，其型號分別為： 2716、 2732、 2764、27128、 27256 等，其容量分別位 2k、 4k、 8k、 16k、 32k。在選擇芯片時，要考慮 CPU與 EPROM 時序的匹配。即 8031 所能讀取的時間必須大于 EPROM 多要求的讀取時間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計存儲器的容量。在滿足容量要求是應(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主要是三總線的聯(lián)接。 2764中的低 8位地址線通過地址鎖存器 74LS373與 8031P0口相聯(lián)。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號 ALE位搞點評，則 P0口輸出地址有 效。 8位數(shù)據(jù)線直接與 8031 P0口相聯(lián)；高 5位地址線分別與 P2.0 P2.4相聯(lián)， OE引腳直接同 8031PSEN引腳相聯(lián)，片選信號 CE 接地，以便總能選中。由于 8031只能選通外部程序存儲器，因而其 EA引腳接地。 （ 2） 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 由于 8031內(nèi)部 RAM 只有 128字節(jié)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存 微處理器 （運算部件） 控制部件 數(shù)據(jù)存儲器 RAM P0 口 P2 口 程序存 儲器 特殊功能寄存器 SFR 中斷 系統(tǒng) P3 口 串行口 定時 / 計數(shù)器 P1 口 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 17 儲器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展電路一般采用 6116和 6264靜態(tài) RAM數(shù)據(jù)存儲器，其選用的規(guī)則與 EPROM 程序存儲器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用 6264 芯片作為數(shù)據(jù)存儲器的外擴(kuò)芯片。 6264 低 8 位地址線通過地址鎖存器 74LS373 與 8031 P0口相接，高 5 位地址線分別與 P2.0 P2.4相聯(lián)， 8位數(shù)據(jù)線直接接至 8031 P0口，讀寫控制引腳 OE、 WE 與 8031的讀寫控制引腳 RD、 WR直接相聯(lián)，片選端 CE1通過譯碼電路與 8031相聯(lián)。 .2.4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路 步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號控制的電動機(jī)。在負(fù)載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)，電動機(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/D或 D/A轉(zhuǎn)換，可采用較為簡單的開環(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)動元件。 （ 1）計算機(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，沒有它將無法實現(xiàn)微機(jī)對步進(jìn)電機(jī)的控制。如前所述， 8031 系列單片機(jī)含有 4個并行輸入 /輸出口，其中 P1口可以提供給用戶使用，作為步進(jìn)電機(jī)及其它控制對象的接口。也可采用 8155或 8255A 等可編程并行輸入、輸出接口芯片設(shè)計擴(kuò)展接口電路，來控制步進(jìn)電機(jī)即其它外部設(shè)備。本系統(tǒng)即采用 8155的 PA口作為步進(jìn)電機(jī)的控制端口。 （ 2）脈沖分配器 脈沖分配器又叫做環(huán)形分配器，是驅(qū)動步進(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 配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來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)的各項繞組，實現(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，通過編程來達(dá)到脈沖分配的目的，從而控制步進(jìn)電機(jī)的各項繞組。 （ 3）隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵磁繞組。由于步進(jìn)電機(jī)需要的驅(qū)動電壓較高（幾十伏），電流也較大，如果將輸出信號直接與功率放大器相聯(lián)，將會引起強(qiáng)電器干擾，輕則影響計算機(jī)程序的正常進(jìn)行，重 則導(dǎo)致計算機(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 4.2 光電隔離與步進(jìn)電機(jī)接口電路 .2.5 其它輔助電路設(shè)計 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 18 （ 1） 8031的時鐘電路 單片機(jī)的時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 XTAL1、 XTAL2 引腳上外接定時元件，如圖 ()所示。晶體可在 1.2 12MHz 之間任選，耦合電容在 5 30Pf 之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式，可把 XTAL1直接接地， XTAL2接外部時鐘源。 （ 2） 8031 的復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在 RESET 引腳上保持 10ms以上的高電平，單片機(jī)便實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后 CPU便從 0000H單元開始執(zhí)行程序。一般數(shù)控系統(tǒng)都采用上電與按鈕復(fù)位組合。 石英晶體（ A ） 時 鐘 電 路 （ B ） 復(fù) 位 電 路 圖 4.3 時鐘電路和復(fù)位電路 .3 程序部分 ORG 2000 KZCH: PUSH AH ；保護(hù) ；現(xiàn)場 PUSH BC MOV R2,#NH ；送步數(shù)給 R2 LOOP0: MOV R3,#00H MOV DPTR,#POINT ；送控制碼指針 JNB 00H,LOOP2 LOOP1: MOV A,R3 ；取控制碼 MOVC A, A+DPTR JZ LOOP0 ；控制碼為 00H轉(zhuǎn) LOOP0 MOV P1, A ；輸出控制碼 CALL YANS ；調(diào)延時子程序 INC R3 ；指針指向下一個控制碼 JNZ R2,LOOP1 ；步數(shù)未完，繼續(xù) POP BC ；恢復(fù)現(xiàn)場 POP AF RET LOOP2: MOV A, R3 ；取反向控制碼 ADD A, #7H MOV R3, A AJMP LOOP1 POINT: DB 01H ；正向轉(zhuǎn)動控制碼 DB 03H DB 02H 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 19 DB 06H DB 04H DB 05H DB 00H DB 01H ；反向轉(zhuǎn)動控制碼 DB 05H DB 04H DB 06H DB 02H DB 03H DB 00H POINT: EQU 150H N0 EQU 20H NLL EQU 21H N1H EQU 22H N2 EQU 23H NL EQU 24H NH EQU 25H DS EQU 26H ； 地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H START: MOV SP , #60H ； 程序開始 MOV TMOD , #01H ； 設(shè)計數(shù)器為工作方式 1,16定時器 MOV N0 , #1BH ； 設(shè) N0 初值為 27 MOV NZ , #1BH ； 設(shè) NZ 初值為 27 MOV A , N0 RL A MOV RO , A CLR C MOV A , NL SUBB A , N0 MOV NLL , A MOV A , NH SUBB A , #00H MOV NIH , A MOV DPTR , #1000H ； 設(shè)時間常數(shù)地址指針初值為 1000H MOV DS , #00H ； 設(shè)地址偏移量初值為 00H MOV A , A+DPTR ； 從 EPROM中讀時間常數(shù) MOV TLO , A ； 送時間常數(shù)至定時器 0中 INC DS MOV A , DS MOVC A , A+DPTR MOV THO , A INC DS 山東大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計） 20 SETB EA ； 開中斷允許 SETB ETO ；允許定時器 0中斷 SETB TRO ； 啟動定時器 0開始算 WAIT: JB EA , WAIT ； 中斷允許范圍 RET ORG 000EH ； 定時器 0中斷入口地址 JMP 0F00H ORG 0F00H INT: MOV A , DS ； 送時間常數(shù)到定時器 0中 MOVC A , A+DPTR MOV TLO , A INC DS