三坐標(biāo)銑床的數(shù)控化改造設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

82/82摘要畢業(yè)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)曲線直線等不同的加工路線。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。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,Z工作臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是滾珠絲杠的運(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??；單片機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步熟悉其應(yīng)用。在數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)中，加工精度和加工可靠性是伺服系統(tǒng)決定的，本文對(duì)普通銑床的數(shù)控化改造進(jìn)行了分析和設(shè)計(jì)，通過(guò)對(duì)普通銑床的數(shù)控化改造，提高了普通銑床的加工能力和加工范圍，節(jié)省了直接購(gòu)買(mǎi)機(jī)床的部分資金，具有很好的經(jīng)濟(jì)效益。關(guān)鍵詞：銑床,數(shù)控,三坐標(biāo)目錄摘要 1Abstract 2前言 5第一章概論 61.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展 61.2數(shù)控機(jī)床的組成及分類(lèi) 61.2.1數(shù)控機(jī)床的組成 61.2.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi) 81.3數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍 91.3.1數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn) 91.3.2數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍 9第二章設(shè)計(jì)主要參數(shù)及基本思想 102.1課題要求 102.1.1題目名稱(chēng)（包括主要技術(shù)參數(shù)）及技術(shù)要求 102.1.2課題內(nèi)容及工作量 102.2設(shè)計(jì)原則 102.3總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 112.3.1數(shù)控機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 112.3.2提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度 112.3.3提高進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度 12第三章三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)和計(jì)算 133.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 133.1.1主傳動(dòng)變速系統(tǒng) 143.2主軸系統(tǒng)計(jì)算 173.3.1對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的基本要求 193.3.2進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求 203.3.3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 203.4進(jìn)給傳動(dòng)的計(jì)算 213.4.1X軸滾珠絲杠副 213.4.2Y軸滾珠絲杠副 243.4.3Z軸滾珠絲杠副 283.4.4滾珠絲杠的安裝與使用 31第四章微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 344.1微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn) 344.1.1微機(jī)控制系統(tǒng)的組成 344.1.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn) 344.2微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 354.2.1主控制器CPU的選擇 354.2.2存儲(chǔ)器電路的擴(kuò)展 364.2.3I/O口電路的擴(kuò)展 384.2.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 404.2.5其它輔助電路設(shè)計(jì) 414.3程序部分 42結(jié)論 46參考文獻(xiàn) 47致謝 48前言隨著人工智能在計(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)曲線直線等不同的加工路線。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、Z工作臺(tái)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要是滾珠絲杠的運(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?。粏纹瑱C(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步熟悉其應(yīng)用。第一章概論1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生及發(fā)展隨著社會(huì)生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械產(chǎn)品日趨精密復(fù)雜，且需頻繁改型。特別是在宇航、造船、軍事等領(lǐng)域所需的零件，精度要求高，形狀復(fù)雜，批量小。普通機(jī)床已不能適應(yīng)這些需求。為了滿足上述要求，一種新型的機(jī)床——數(shù)字程序控制機(jī)床（簡(jiǎn)稱(chēng)數(shù)控機(jī)床）應(yīng)運(yùn)而生。最早進(jìn)行數(shù)控機(jī)床研制的是美國(guó)人。1952年，美國(guó)麻省理工學(xué)院成功地研制出一套三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)，利用脈沖乘法器原理的數(shù)控機(jī)床。但這臺(tái)數(shù)控機(jī)床僅是一臺(tái)試驗(yàn)性的機(jī)床，當(dāng)時(shí)用的電子元件是電子管。直到1954年11月，第一臺(tái)工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床才生產(chǎn)出來(lái)。從此以后，世界上其他一些工業(yè)國(guó)家也多開(kāi)始開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)及應(yīng)用數(shù)控機(jī)床。我國(guó)數(shù)控機(jī)床的研制是從1958年起步的。1965年國(guó)內(nèi)開(kāi)始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。從70年代開(kāi)始，數(shù)控技術(shù)廣泛應(yīng)用于車(chē)、銑、鉆、鏜、磨、齒輪加工、點(diǎn)加工等領(lǐng)域，數(shù)控加工中心在上海、北京研制成功。在這一時(shí)期，數(shù)控線切割機(jī)床由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、價(jià)格低廉，在模具加工中得到了推廣。1985年，我國(guó)數(shù)控機(jī)床品種有了新的發(fā)展。早期的數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)采用電子管，體積大、功耗高，只在軍事部門(mén)應(yīng)用。只有在微處理機(jī)用于數(shù)控機(jī)床后，才真正使數(shù)控機(jī)床得到了普及。目前數(shù)控技術(shù)的主要發(fā)展趨勢(shì)是：實(shí)現(xiàn)高速度，高可靠性，高精度，大功率，多功能；采用微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)，向著增強(qiáng)功能、降低造價(jià)、方便使用的目標(biāo)進(jìn)展；積極應(yīng)用計(jì)算技術(shù)、系統(tǒng)工程理論和控制技術(shù)的最新成果，像這綜合自動(dòng)化方向變革。1.2數(shù)控機(jī)床的組成及分類(lèi)1.2.1數(shù)控機(jī)床的組成控制介質(zhì)數(shù)控裝備控制介質(zhì)數(shù)控裝備伺服裝置機(jī)床本體輔助裝備、圖1.1數(shù)控機(jī)床組成示意圖1．控制介質(zhì)控制介質(zhì)是指零件加工信息傳送到數(shù)控裝置去的信息載體。控制介質(zhì)有多種形式，它隨著數(shù)控裝置的類(lèi)型不同而不同，常用的有穿孔紙帶、穿孔卡、磁帶、磁盤(pán)等。另外，隨著CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展，有些數(shù)控設(shè)備利用CAD/CAM軟件在其他計(jì)算機(jī)上編程，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)與數(shù)控系統(tǒng)通信，將程序和數(shù)據(jù)直接傳送給數(shù)控裝置。2.數(shù)控裝備數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的控制中心。它由輸入裝置、控制裝置和輸出裝置等組成。如圖（2）所示，劃線框內(nèi)位數(shù)控裝置。輸入裝置受控制介質(zhì)上的信息，經(jīng)過(guò)識(shí)別與譯碼之后，送到控制運(yùn)算器。這些信息將作為控制與運(yùn)算的原始依據(jù)。控制運(yùn)算器根據(jù)輸入裝置送來(lái)的信息進(jìn)行運(yùn)算，并將控制命令輸送往輸出裝置，輸出裝置將控制器發(fā)出的控制命令送到伺服系統(tǒng)，經(jīng)功率放大，驅(qū)動(dòng)機(jī)床完成相應(yīng)的動(dòng)作?？刂平橘|(zhì)控制介質(zhì)閱讀機(jī)輸入裝備控制器輸出裝置伺服機(jī)構(gòu)圖1.2數(shù)控裝置組成示意圖3.伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)，亦稱(chēng)隨動(dòng)系統(tǒng)，是一種能夠跟蹤輸入的指令信號(hào)進(jìn)行動(dòng)作，從而獲得精確的位置、速度或力輸出的自動(dòng)控制系統(tǒng)。它是數(shù)控機(jī)床的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，包括驅(qū)動(dòng)和執(zhí)行兩大部分。伺服系統(tǒng)接受數(shù)控系統(tǒng)的指令信息，并按照指令信息的要求帶動(dòng)機(jī)床移動(dòng)部件運(yùn)動(dòng)，以加工出符合要求的零件。指令信息是以脈沖信息體現(xiàn)的，每一脈沖使機(jī)床移動(dòng)部件產(chǎn)生的位移叫脈沖當(dāng)量(常用的脈沖當(dāng)量為0.001mm～0.01mm)。從自動(dòng)控制理論的角度來(lái)分析，無(wú)論多么復(fù)雜的伺服系統(tǒng)，都是有一些功能元件組成的。圖（3）是由各功能元件組成的伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖。調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件調(diào)節(jié)元件執(zhí)行元件被控對(duì)象比較元件輸入輸出量指令測(cè)量、反饋元件測(cè)量、反饋元件圖1.3伺服系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)方框圖目前數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，常用的位移執(zhí)行機(jī)構(gòu)有功率步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電動(dòng)機(jī)和交流伺服電動(dòng)機(jī)，后兩者都帶有光電編碼器等位置測(cè)量元件。4.機(jī)床本體機(jī)床本體是數(shù)控機(jī)床的主體，是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分，它是在原有的普通機(jī)床的基礎(chǔ)上改進(jìn)而得到的，具有以下特點(diǎn)：（1）數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸及伺服系統(tǒng)傳動(dòng)系統(tǒng)，機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短。（2）數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形小。（3）更多地采用高效傳動(dòng)部件，如滾動(dòng)絲杠副，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等。除了上述四個(gè)主要部分外，數(shù)控機(jī)床還有一些輔助裝置和附屬設(shè)備，如電器，液壓，氣動(dòng)系統(tǒng)與冷卻、排屑、照明、儲(chǔ)運(yùn)等裝置以及編程機(jī)、對(duì)刀塊等。1.2.2數(shù)控機(jī)床的分類(lèi)1．刀具相對(duì)于工件移動(dòng)的軌跡分類(lèi)（1）點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床點(diǎn)位控制機(jī)床的特點(diǎn)是只控制移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，即控制移動(dòng)部件由一個(gè)位置到另一個(gè)位置的精確定位，而對(duì)它們運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的軌跡沒(méi)有嚴(yán)格的要求，在移動(dòng)和定位過(guò)程中不進(jìn)行任何加工。（2）點(diǎn)位直線控制數(shù)控機(jī)床直線控制數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)是刀具相對(duì)于工件的運(yùn)動(dòng)不僅要控制兩點(diǎn)間的準(zhǔn)確位置（距離），還要控制兩點(diǎn)之間移動(dòng)的速度和軌跡。（3）輪廓控制數(shù)控機(jī)床輪廓控制又稱(chēng)連續(xù)控制，大多數(shù)數(shù)控機(jī)床具有輪廓控制功能。其特點(diǎn)是能同時(shí)控制兩個(gè)以上的軸，具有插補(bǔ)功能。（4）執(zhí)行機(jī)構(gòu)的控制方式分類(lèi)2．按驅(qū)動(dòng)裝置的特點(diǎn)分類(lèi)（1）開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)它是指不帶反饋裝置的控制系統(tǒng)。它是根據(jù)穿孔帶上的數(shù)據(jù)指令經(jīng)過(guò)控制運(yùn)算發(fā)出脈沖信號(hào)輸出到伺服驅(qū)動(dòng)裝置，使驅(qū)動(dòng)伺服裝置轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度，然后經(jīng)過(guò)減速齒輪和絲杠螺母機(jī)構(gòu)，轉(zhuǎn)換為移動(dòng)部件的直線位移。（2）閉環(huán)控制系統(tǒng)它是指在機(jī)床的運(yùn)動(dòng)部件上安裝位移測(cè)量裝置，將加工中測(cè)量到的實(shí)際位置值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入值的指令相比較，用比較的差值控制移動(dòng)部件，直到差值為零，即實(shí)現(xiàn)移動(dòng)部件的精確定位。（3）半閉環(huán)控制系統(tǒng)它是在開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的絲杠上或進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的軸上裝有角位移檢測(cè)裝置。通過(guò)檢測(cè)伺服機(jī)構(gòu)的滾珠絲杠轉(zhuǎn)角間接測(cè)移動(dòng)部件的位移，然后將數(shù)據(jù)反饋給比較器進(jìn)行比較，輸出比較后的差值進(jìn)行控制。3.按加工方法分類(lèi)（1）金屬切削類(lèi)數(shù)控機(jī)床；（2）金屬成型類(lèi)數(shù)控機(jī)床；（3）數(shù)控特種加工機(jī)床；（4）其它類(lèi)的數(shù)控機(jī)床4.按數(shù)控機(jī)床的性能分類(lèi)(1)低檔數(shù)控機(jī)床；(2)中檔數(shù)控機(jī)床；(3)高檔數(shù)控機(jī)床；1.3數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及應(yīng)用范圍1.3.1數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。它是一種高度機(jī)電一體化的產(chǎn)品。特點(diǎn)如下：（1）適應(yīng)性強(qiáng)，加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定（2）生產(chǎn)率高（3）減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、改善勞動(dòng)條件（4）良好的經(jīng)濟(jì)效益（5）有利于生產(chǎn)管理的現(xiàn)代化1.3.2數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用范圍從最經(jīng)濟(jì)的方面出發(fā)，數(shù)控機(jī)床適用于加工：（1）多品種小批量零件；（2）結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，精度要求較高的零件；（3）需要頻繁改型的零件；（4）價(jià)格昂貴，不容許報(bào)廢的關(guān)鍵零件；（5）需要小生產(chǎn)周期的急需零件。第二章設(shè)計(jì)主要參數(shù)及基本思想2.1課題要求2.1.1題目名稱(chēng)（包括主要技術(shù)參數(shù)）及技術(shù)要求三坐標(biāo)數(shù)控銑床設(shè)計(jì)（1）X、Y、Z軸的行程分別為300mm、300mm、250mm;（2）進(jìn)給精度0.01mm；（3）X、Y、Z軸快速進(jìn)給速度分別為6m/min、6m/min、3m/min；（4）工作臺(tái)面尺寸300x500mm;（5）脈沖當(dāng)量0.01mm/步；（6）重復(fù)定位精度0.01mm.2.1.2課題內(nèi)容及工作量(1)簡(jiǎn)易數(shù)控銑床總圖A0一張(2)控制原理圖設(shè)計(jì)A0一張(3)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份1.2萬(wàn)字以上(4)翻譯500漢字注：全部圖紙用計(jì)算機(jī)繪制，說(shuō)明書(shū)由計(jì)算機(jī)輸出。2.2設(shè)計(jì)原則根據(jù)設(shè)計(jì)要求和銑床的具體情況，課題的基本設(shè)計(jì)方案如下：（1）機(jī)床采用連續(xù)控制系統(tǒng)，定位方式采用增量坐標(biāo)控制。（2）考慮到機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。（3）進(jìn)給傳動(dòng)的設(shè)計(jì)是機(jī)床設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，數(shù)控機(jī)床必須有精確的進(jìn)給傳動(dòng)系，才會(huì)有高的精度和表面質(zhì)量。考慮到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選用，為達(dá)到分辨率0.01mm的要求，需采用齒輪降速傳動(dòng)，利用電子控制系統(tǒng)消除誤差。（4）為了保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，又要求機(jī)構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。（5）傳動(dòng)系統(tǒng)要加上脈動(dòng)裝置。以上為基本的設(shè)計(jì)方案，除了這些，課題應(yīng)注意機(jī)床的幾何精度的修正，數(shù)控指令的顯示和使用等。2.3總結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.3.1數(shù)控機(jī)床的機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)要求數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求主要有以下方面:（1）有良好的抗振性能和較大的額定切削功率，高的靜、動(dòng)態(tài)剛度；（2）有較高的熱穩(wěn)定性和較高的幾何精度、傳動(dòng)精度、定位精度；（3）有數(shù)控系統(tǒng)及其介質(zhì)。下面我們?cè)斒鰯?shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要要求2.3.2提高機(jī)床的結(jié)構(gòu)剛度機(jī)床的剛度是指切削力和其它力作用下,抵抗變形的能力。機(jī)床在切削過(guò)程當(dāng)中，要承受各種外力的作用，承受的靜態(tài)力有運(yùn)動(dòng)部件和被加工零件的自重；承受的動(dòng)態(tài)力有：切削力、驅(qū)動(dòng)力、加減速時(shí)引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機(jī)床的結(jié)構(gòu)部件在這種力作用下將產(chǎn)生變形。如固定連接表面或嚙合運(yùn)動(dòng)表面的接觸變形；各支撐零件的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，以及某些支撐件的局部變形等，這些變形都會(huì)直接或間接的引起刀具和工件之間的相對(duì)位移，從而導(dǎo)致工件的加工誤差，或者影響機(jī)床切削過(guò)程的特性。(1)選擇及布置隔板和筋條床身的靜剛度是直接影響機(jī)床的加工精度和其生產(chǎn)率的主要因素之一。而靜剛度及固有頻率，是影響動(dòng)剛度的重要因素。支承件的隔板和筋條的合理性，可提高構(gòu)件的靜、動(dòng)剛度。(2)結(jié)構(gòu)剛度與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床應(yīng)有更高的靜、動(dòng)剛度，更好的抗振性。機(jī)床的導(dǎo)軌和支承件通常是局部剛度最弱的部分，在本次設(shè)計(jì)中，采用雙臂聯(lián)接形式，X、Y軸導(dǎo)軌較窄。(3)采用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件采用鋼板和焊鋼而不采用鑄件的原因：1）鋼的彈性模量約為鑄鐵的兩倍，因此采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)床身有利于提高固有頻率。在形狀和輪廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件與鑄件的剛度相同，則焊接件的臂厚只需鑄件的一半。2）如果要求局部剛度相同，因局部剛度與臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需鑄件的80%左右。3）鋼可以提高構(gòu)件的諧振頻率使共振不易發(fā)生。4）鋼板焊接能將構(gòu)件做成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)，提高剛度。焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu)點(diǎn)是制造周期短，一般比鑄鐵快1.7-3.5倍。省去了制作木模和鑄造工序，不易出廢品。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈活，便于產(chǎn)品更新、改進(jìn)結(jié)構(gòu)。焊接件能達(dá)到與鑄件相同，甚至更好的結(jié)構(gòu)特性，可提高抗彎截面慣性矩，減少質(zhì)量。合理的結(jié)構(gòu)布局可以提高剛度，機(jī)床的工作頭部分由于重力作用將會(huì)使機(jī)床立柱產(chǎn)生彎曲變形，切削力將使立柱產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。這些變形將影響到加工精度。故本次設(shè)計(jì)中將采取通過(guò)在立柱上方安裝兩組定滑輪來(lái)平衡重力的方法，來(lái)減少立柱的變形，提高機(jī)床的剛度。2.3.3提高進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性和精度數(shù)控機(jī)床各坐標(biāo)軸進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的精度極大的影響零件的加工精度。在開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)精度取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)，特別是機(jī)械傳動(dòng)部件的精度；在閉環(huán)和半閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，位置檢測(cè)裝置的分辨率對(duì)運(yùn)動(dòng)精度有決定性的影響，但是機(jī)械傳動(dòng)部件的特性對(duì)運(yùn)動(dòng)精度也有一定的影響。通常在開(kāi)環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當(dāng)量為0.01mm時(shí)，實(shí)際的定位精度最好的情況也只能達(dá)到0.025mm。在閉環(huán)進(jìn)給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當(dāng)量（或稱(chēng)最小設(shè)定單位）一般為0.001mm，實(shí)際上定位精度只能達(dá)到0.003mm，當(dāng)指令進(jìn)給系統(tǒng)做單步進(jìn)給（即每次移動(dòng)0.001mm）時(shí)，開(kāi)始一兩個(gè)單步指令，進(jìn)給部件并不動(dòng)作，到第三個(gè)單步指令時(shí)才突跳一段距離，以后又如此重復(fù)。這些現(xiàn)象都是因?yàn)檫M(jìn)給系統(tǒng)的低速爬行現(xiàn)象引起的，而低速爬行現(xiàn)象又決定于機(jī)械傳動(dòng)部件的特性。本設(shè)計(jì)采取的方案有：（1）減少靜、動(dòng)摩擦系數(shù)之差（2）提高系統(tǒng)的傳動(dòng)剛度。第三章三坐標(biāo)數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1主傳動(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)力源為執(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)行機(jī)床所需的運(yùn)動(dòng)，完成旋轉(zhuǎn)或直線運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)代切削加工正向著高速、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)2.2～250kW，能在切削加工中自動(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。數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足如下特點(diǎn)：（1）主傳動(dòng)采用直流或交流電動(dòng)機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速（2）數(shù)控機(jī)床驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和主軸功率特性的匹配設(shè)計(jì)（3）數(shù)控機(jī)床高速主傳動(dòng)設(shè)計(jì)（4）數(shù)控機(jī)床采用部件標(biāo)準(zhǔn)、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（5）數(shù)控機(jī)床的柔性化、復(fù)合化（6）虛擬軸機(jī)床設(shè)計(jì)為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床加工范圍廣、工藝適應(yīng)性強(qiáng)、加工精度高和自動(dòng)化程度高等特點(diǎn)，要求主傳動(dòng)裝置應(yīng)具有以下特點(diǎn)：（1）具有較大的調(diào)速范圍，并實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。無(wú)級(jí)變速傳動(dòng)在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到最有利的切削速度；能在運(yùn)轉(zhuǎn)中變速，便于實(shí)現(xiàn)變速自動(dòng)化；能在負(fù)載下變速，便于車(chē)削大端面時(shí)保持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。（2）具有較高的精度和剛度，傳動(dòng)平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機(jī)床加工精度的提高，與主傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動(dòng)件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。（3）良好的抗震性和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機(jī)床一般既要進(jìn)行粗加工，又要精加工；加工時(shí)可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻運(yùn)動(dòng)部件不平穩(wěn)以及切削過(guò)程中的自激振動(dòng)等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動(dòng)，影響加工精度和表面粗糙度，嚴(yán)重時(shí)甚至破壞刀具或零件，使加工無(wú)法進(jìn)行。因此主傳動(dòng)系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動(dòng)的能力—抗振性。抗振性用動(dòng)剛度或動(dòng)柔度來(lái)衡量。例如主軸組件的動(dòng)剛度取決于主軸的當(dāng)量靜剛度阻尼比及固有頻率等參數(shù)。機(jī)床在切削加工中主傳動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對(duì)位置精度和運(yùn)動(dòng)精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低傳動(dòng)效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過(guò)保持合適的配合精度，并進(jìn)行循環(huán)潤(rùn)滑保持熱平衡等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)。3.1.1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，切削曲線旋轉(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)中常采用的無(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)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則：一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動(dòng)系統(tǒng)要求的無(wú)級(jí)變速裝置。如銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)要求恒功率傳動(dòng)，就應(yīng)該選擇恒功率無(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)變速裝置與機(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。它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)生單位位移的彈性變形時(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。（3）溫升因?yàn)橄鄬?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，常采用多聯(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。背對(duì)背比面對(duì)面安裝的軸承具有較高的抗顛覆力矩的能力。運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，軸承的外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過(guò)盈加大。軸向膨脹對(duì)與背靠背組配將使過(guò)盈減少，于是，可以補(bǔ)償一部分徑向膨脹；而對(duì)于面對(duì)面組配，將使過(guò)盈進(jìn)一步加大。基于上述分析，主軸受到彎距，又屬高速運(yùn)轉(zhuǎn)，因此主軸軸承必須采用背靠背組配。（4）角接觸角軸承的間隙調(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，因而在預(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。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；而且較大的預(yù)緊力將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。角接觸角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Fa0，單位為N。多聯(lián)角接角球軸承是根據(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(jí)預(yù)緊。訂貨時(shí)可指定預(yù)緊級(jí)別。軸承廠在內(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δ。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。一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P4級(jí)，經(jīng)使用磨損后跳動(dòng)精度降為P5級(jí),這個(gè)軸承就認(rèn)為應(yīng)該更換了。雖然還未達(dá)到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計(jì)。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。通常使固有頻率高于激振頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動(dòng)的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動(dòng)，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。激振力可能來(lái)自主軸組件的不平衡，這時(shí)激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以π/30。也可能來(lái)自斷續(xù)切削，這時(shí)激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù)Z。（2）增大阻尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動(dòng)。這時(shí)主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對(duì)主軸組件的抗振性影響很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動(dòng)軸承適當(dāng)預(yù)緊可以增大阻尼，但過(guò)大的預(yù)緊反而使阻尼減少，故選擇預(yù)緊時(shí)還因考慮阻尼因素。（3）采用消振裝置。4．主軸軸承的潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承在接觸區(qū)的壓強(qiáng)很高，在這么高的壓強(qiáng)下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個(gè)點(diǎn)的接觸；潤(rùn)滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動(dòng)體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開(kāi)，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動(dòng)軸承所需的潤(rùn)滑劑很少的。當(dāng)然，也可用脂潤(rùn)滑，還有用油氣潤(rùn)滑的。（1）脂潤(rùn)滑滾動(dòng)軸承能用脂潤(rùn)滑是它的突出優(yōu)點(diǎn)之一。脂潤(rùn)滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒(méi)有漏油問(wèn)題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進(jìn)入，壽命是很長(zhǎng)的。一次充填可用到大修，不需補(bǔ)充，也不要加脂孔。脂潤(rùn)滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號(hào)（常用于球軸承）。（2）油氣潤(rùn)滑如果dn值較大時(shí)，還需對(duì)軸承進(jìn)行冷卻。如果用油兼作潤(rùn)滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會(huì)增加。最好用油潤(rùn)滑，用空氣冷卻。油霧潤(rùn)滑能達(dá)到這個(gè)目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤(rùn)滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油用于潤(rùn)滑，空氣用于冷卻。3.2主軸系統(tǒng)計(jì)算V帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算三角帶的選用應(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）。帶傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算的主要內(nèi)容包括確定帶的型號(hào)、基準(zhǔn)長(zhǎng)度和根數(shù)；確定帶輪的材料、結(jié)構(gòu)尺寸；確定傳動(dòng)中心距及作用在軸上的力等。(1)確定計(jì)算功率PkW式中：K—工況系數(shù)(工作情況系數(shù))P—電機(jī)額定功率Kw(2)選擇三角帶型號(hào)根據(jù)P、n由圖7-8選SPA型窄V帶(3)確定帶輪直徑D、D小帶輪直徑D應(yīng)滿足：DD，以免帶的彎曲應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致其壽命降低。查表7-4取D,故選擇D(4)計(jì)算膠帶速度5<V<故D選擇合格D(5)確定中心距a和帶長(zhǎng)L得初選帶長(zhǎng)查表7-3，取中心距a的調(diào)整范圍：(6)驗(yàn)算小帶輪包角小帶輪包角可按公式求得：得，即滿足條件。(7)確定V帶根數(shù)zV帶根數(shù)Z可按下式計(jì)算：由表7-6a查得由表7-10查得由表7-11查得由表7-9查得由表7-3查得代入求根公式，得取z=6,符合表7-4推薦的輪槽數(shù)(8)確定初拉力單根V帶合適的初拉力可按下式計(jì)算：由表7-5得(9)計(jì)算作用在軸上的壓力3.3進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.3.1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)定性好。(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。3.3.2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：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意的表面質(zhì)量；(3)負(fù)載引起的軌跡誤差盡可能?。粚?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)具有較高的剛度；(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性；3.3.3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。時(shí)間響應(yīng)特性是用來(lái)描述系統(tǒng)對(duì)迅速變化的指令能否迅速跟蹤的特性，它由瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩部分組成。由于系統(tǒng)包含一些儲(chǔ)能元件，所以當(dāng)輸入量作用于系統(tǒng)時(shí)，系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài)響應(yīng)過(guò)程（或叫過(guò)渡過(guò)程）。穩(wěn)定響應(yīng)是指當(dāng)時(shí)間t趨向無(wú)窮大時(shí)系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。若在穩(wěn)定時(shí)，輸出和輸入不能完全吻合，就認(rèn)為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。2.頻率響應(yīng)特性時(shí)間響應(yīng)特性是從微分方程出發(fā)，研究系統(tǒng)響應(yīng)隨時(shí)間的變化的規(guī)律，即在已知傳遞函數(shù)的前況下，從系統(tǒng)在階越輸入及斜坡輸入時(shí)間應(yīng)速度及振蕩過(guò)程的狀態(tài)中來(lái)獲得動(dòng)態(tài)特性參數(shù)。然而在很多情況下，傳遞函數(shù)不清楚，所以只能由試驗(yàn)的方法來(lái)求取動(dòng)態(tài)特性。因此出現(xiàn)頻率響應(yīng)特性法。所謂頻率響應(yīng)特性,就是系統(tǒng)對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)，即它通過(guò)研究系統(tǒng)對(duì)正弦輸入信號(hào)的響應(yīng)規(guī)律來(lái)獲得啟動(dòng)態(tài)特性。3.快速性分析所謂快速性分析是指分析系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，快速性反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量。對(duì)于線性進(jìn)給伺服系統(tǒng)，由于它包含各種電路、機(jī)電轉(zhuǎn)換裝置和機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時(shí)間常數(shù)，對(duì)高頻信號(hào)來(lái)不及反應(yīng)，只是一個(gè)地通漏波器。這種系統(tǒng)的通頻寬帶，對(duì)高頻信號(hào)響應(yīng)速度快，所以從開(kāi)環(huán)頻率特性圖看，提高系統(tǒng)的截止頻率，則可以提高閉環(huán)回路的響應(yīng)速度。3.4進(jìn)給傳動(dòng)的計(jì)算3.4.1X軸滾珠絲杠副(1)精度要求：進(jìn)給精度快速進(jìn)給精度(2)疲勞強(qiáng)度絲杠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700kg,則：1）求計(jì)算載荷Fc根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》計(jì)算載荷查表2-6取查表2-8取查表2-7取查表2-4取D級(jí)精度則：2）計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值取絲杠的工作壽命為,3）選用FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：公稱(chēng)直徑導(dǎo)程滾珠直徑按表2-1種尺寸公式計(jì)算：滾道半徑偏心距絲杠內(nèi)徑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。①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，并按下式計(jì)算式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼,E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。安全系數(shù)查表2-10，[S]=2.5～3.3,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。②高速長(zhǎng)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——臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見(jiàn)表2-10，本題取，即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。③此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求所以該絲杠副工作穩(wěn)定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(m)為：式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷按最不利的情況?。ㄆ渲校﹦t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)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。6）效率驗(yàn)算滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。3.4.2Y軸滾珠絲杠副（1）精度要求：進(jìn)給精度快速進(jìn)給精度（2）疲勞強(qiáng)度絲杠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900kg,則：1）求計(jì)算載荷Fc根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》計(jì)算載荷查表2-6取查表2-8取查表2-7取查表2-4取D級(jí)精度則：2）計(jì)算額定動(dòng)載荷取絲杠的工作壽命為,3）選用FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：公稱(chēng)直徑導(dǎo)程滾珠直徑按表2-1種尺寸公式計(jì)算：滾道半徑偏心距絲杠內(nèi)徑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。①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,并按下式計(jì)算式中，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。安全系數(shù)查表2-10，[S]=2.5～3.3,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。②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——臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見(jiàn)表2-10，本題取，即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。③此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求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(m)為：式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷按最不利的情況取（其中）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)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即該絲杠的滿足上式，所以其剛度可以滿足要求。6）效率驗(yàn)算滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。3.4.3Z軸滾珠絲杠副（1）精度要求：進(jìn)給精度快速進(jìn)給精度（2）疲勞強(qiáng)度絲杠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）摩擦力根據(jù)《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》計(jì)算載荷查表2-6取查表2-8取查表2-7取查表2-4取D級(jí)精度則：2）計(jì)算額定動(dòng)載荷取絲杠的工作壽命為,3）選用FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：公稱(chēng)直徑導(dǎo)程滾珠直徑按表2-1種尺寸公式計(jì)算：滾道半徑偏心距絲杠內(nèi)徑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。①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，E為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長(zhǎng)度（m）；為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（）；為長(zhǎng)度系數(shù)，取。安全系數(shù)查表2-10，[S]=2.5～3.3,S>[S],絲杠是安全的，不會(huì)失穩(wěn)。②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——臨界轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。臨界轉(zhuǎn)速按下式計(jì)算：式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見(jiàn)表2-10，本題取，即：，所以絲杠工作時(shí)不會(huì)發(fā)生共振。③此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求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(m)為：式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對(duì)鋼；T為轉(zhuǎn)矩。式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；為平均工作載荷按最不利的情況取（其中）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)程誤差小于其傳動(dòng)精度的1/2，即該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。6）效率驗(yàn)算滾珠絲杠副的傳動(dòng)效率為要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。經(jīng)上述計(jì)算驗(yàn)算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項(xiàng)性能均符合題目要求，所以合格。3.4.4滾珠絲杠的安裝與使用(1)潤(rùn)滑為使?jié)L珠絲杠副能充分發(fā)揮機(jī)能，在其工作狀態(tài)下，必須潤(rùn)滑，潤(rùn)滑方式主要有以下兩種1.潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑脂的給脂量一般是螺母內(nèi)部空間容積的1/3，一般滾珠絲杠副在螺母內(nèi)部已加注GB7324-942#鋰基潤(rùn)滑脂；2.潤(rùn)滑油潤(rùn)滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)如表16所示，但是隨行程、潤(rùn)滑油的種類(lèi)、使用條件（熱抑制量）等的不同而有所變化。請(qǐng)注意使用。

表16潤(rùn)滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)（間隔3分鐘）表三潤(rùn)滑油的給油量標(biāo)準(zhǔn)軸頸(mm)給油量(cc)4～80.0310～140.0515～180.0720～250.1028～320.1536～400.2545～500.3055～630.4070～1000.50100～1600.60(2)防塵滾珠絲杠副與滾動(dòng)軸承一樣，如果污物及異物進(jìn)入就很快使它磨耗，成為破損的原因。因此，考慮有污物異物（切削碎削）進(jìn)入時(shí)，必須采用防塵裝置（折皺保護(hù)罩、絲杠護(hù)套等），將絲杠軸完全保護(hù)起來(lái)。另外，如沒(méi)有異物，但有浮塵時(shí)可在滾珠螺母兩端增加防塵圈，請(qǐng)用戶根據(jù)需要按編號(hào)規(guī)則選定合適規(guī)格型號(hào)。(3)使用滾珠絲杠副在使用時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1.滾珠螺母應(yīng)在有效行程內(nèi)運(yùn)動(dòng)，必要時(shí)要在行程兩端配置限位，以避免螺母越程脫離絲杠軸而使?jié)L珠脫落。2.滾珠絲杠副由于傳動(dòng)效率高，不能自鎖，在用于垂直方向傳動(dòng)時(shí)，如部件重量未加平衡，必須防止傳動(dòng)停止或電機(jī)失電后，因部件自重而產(chǎn)生的逆?zhèn)鲃?dòng)。防逆?zhèn)鲃?dòng)方法可用蝸輪蝸桿傳動(dòng)、液壓式電器制動(dòng)器及超越離合器等。(4)安裝

滾珠絲杠副在安裝時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng)：1.滾珠絲杠副僅用于承受軸向負(fù)荷。徑向力、彎矩會(huì)使?jié)L珠絲杠副產(chǎn)生附加表面接觸應(yīng)力等不良負(fù)荷，從而可能造成絲杠的永久性損壞。因此，滾珠絲杠副安裝到機(jī)床時(shí)應(yīng)注意：A絲杠的軸線必須和與之配套導(dǎo)軌的軸線平行，機(jī)床的兩端軸承座與螺母座必須三點(diǎn)成一線。B安裝螺母時(shí)，盡量靠近支撐軸承。C同樣安裝支撐軸承時(shí)，盡量靠近螺母安裝部位。

2.滾珠絲杠副安裝到機(jī)床時(shí)，請(qǐng)不要把螺母從絲杠軸上卸下來(lái)。如必須卸下來(lái)時(shí)，要使用輔助套，否則裝卸時(shí)滾珠有可能脫落。螺母裝卸時(shí)應(yīng)注意下列幾點(diǎn)：A輔助套外徑應(yīng)小于絲杠底徑0.1～0.2mm；B輔助套在使用中必須靠緊絲杠螺紋軸肩；C裝卸時(shí)，不可使過(guò)大力以免螺母損壞；D裝入安裝孔時(shí)要避免撞擊和偏心。第四章微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)4.1微機(jī)控制系統(tǒng)組成及特點(diǎn)4.1.1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(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)基本硬件組成硬件是組成系統(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CPU。（2）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。4.1.2微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)1.可靠性高。由于采用大規(guī)模集成電路、軟件連接以及自診斷功能，所以大大提高了無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間，即使有極少的故障也能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和排除。2.靈活性強(qiáng)。由于系統(tǒng)的硬件是通用、標(biāo)準(zhǔn)化的，對(duì)于不同機(jī)床的控制要求只需更換可編程只讀存儲(chǔ)器中的系統(tǒng)程序就可實(shí)現(xiàn)。3.易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化。采用大規(guī)模集成電路時(shí)控制框尺寸大為縮小，采用可編程接口又可將M、S、T等順序控制部分邏輯電路與數(shù)控裝置結(jié)合一起，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。4.價(jià)格低。采用微機(jī)數(shù)控，使數(shù)控機(jī)床電氣部分成本大為下降，對(duì)功能較齊全的數(shù)控機(jī)床價(jià)格幅度下降更大。5.由于微機(jī)的功能強(qiáng)，存儲(chǔ)量大，可實(shí)現(xiàn)多功能控制、多路運(yùn)行控制及數(shù)據(jù)和圖形顯示等，給操作人員和監(jiān)視生產(chǎn)過(guò)程帶來(lái)方便。4.2微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)備介紹4.2.1主控制器CPU的選擇、目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以及8098、8096等16位機(jī)的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位機(jī)的CPU。但從性能價(jià)格比上，我們常采用MCS-51系列單片機(jī)中的8031作為主控制器。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（RAM）：片內(nèi)為256個(gè)字節(jié)，片外最多可擴(kuò)至64K字節(jié)。（2）程序存儲(chǔ)器（ROM/EPROM）：8031無(wú)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(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）P1口、P2口、P3口、P0口：為四個(gè)并行8位I/O口。（7）微處理器（CPU）：為8位的CPU，且內(nèi)含一個(gè)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。MCS-51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)，如圖數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM微處理器（運(yùn)算部件）控制部件P2口P0口程序存P2口P0口程序存儲(chǔ)器特殊功能寄存器SFR中斷系統(tǒng)定時(shí)/中斷系統(tǒng)定時(shí)/計(jì)數(shù)器串行口P3口P1口P3口P1口圖4.1MCS-51單片機(jī)內(nèi)結(jié)構(gòu)8031單片機(jī)包含中央處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線。下圖為8031的引腳圖：MCS-51系列單片機(jī)中的8031采用40Pin封裝的雙列直插式封裝DIP結(jié)構(gòu)，下圖是它們的引腳配置，40個(gè)引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時(shí)鐘線兩根。4組8位共32個(gè)I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用。8031引腳配置圖4.2.2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，即紫外線可編程的EPROM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CPU與EPROM時(shí)序的匹配，即8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要求的讀取時(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主要是三總線的聯(lián)接。2764中的低8位地址線通過(guò)地址鎖存器74LS373與8031P0口相聯(lián)。當(dāng)?shù)刂锋i存允許信號(hào)ALE為高電平，則P0口輸出地址有效。8位數(shù)據(jù)線直接與8031P0口相連，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(hào)CE接地，以便總能選中。由于8031只能選通外部程序存儲(chǔ)器，因而其EA引腳接地。EPROM2746引腳圖2.數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其選用的規(guī)則與EPROM程序存儲(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位地址線通過(guò)地址鎖存器74LS373與8031P0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8031P0口，讀寫(xiě)控制引腳OE、WE與8031的讀寫(xiě)控制引腳RD、WR直接相聯(lián)，片選端CE1通過(guò)譯碼電路與8031相聯(lián)。RAM6264引腳圖3.單片機(jī)鎖存器74LS373是一片三態(tài)輸出8D觸發(fā)器（3S，鎖存允許輸入有回環(huán)特性）。373的輸出端D0~D7可直接與總線相連。當(dāng)三態(tài)允許控制端OE為低電平時(shí)，O0~O7為正常邏輯狀態(tài)，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載或總線。當(dāng)OE為高電平時(shí)，O0~O7呈高阻態(tài)，即不驅(qū)動(dòng)總線，也不為總線的負(fù)載，但鎖存器內(nèi)部的邏輯操作不受影響。當(dāng)鎖存允許端LE為高電平時(shí)，O隨數(shù)據(jù)D而變。當(dāng)LE為低電平時(shí)，O被鎖存在已建立的數(shù)據(jù)電平。當(dāng)LE端施密特觸發(fā)器的輸入滯后作用，使交流和直流噪聲抗擾度被改善400mV。引出端符號(hào)：D0～D7：數(shù)據(jù)輸入端；OE：三態(tài)允許控制端（低電平有效）；LE：鎖存允許端；Q0-Q：輸出端；鎖存器74LS373外部管腿4.2.3I/O口電路的擴(kuò)展1.并行口的擴(kuò)展8031單片機(jī)共有四個(gè)8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免地要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。通用可編程接口芯片8155具有2k位的靜態(tài)RAM、2個(gè)8位和一個(gè)6位的可編程并行I/O口、一個(gè)14位的計(jì)數(shù)器。由于8155與單片機(jī)的接口簡(jiǎn)單，是單片機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的芯片。8155與8031的聯(lián)接可歸結(jié)為三總線的連接。8155本身具有地址鎖存信號(hào)控制線和地址鎖存器，故可直接將地址、數(shù)據(jù)線AD0～AD7直接與8031口線對(duì)應(yīng)的相連，8155的ALE與8031的ALE直接相連，高8位地址的P2.5～P2.7經(jīng)譯碼器74LS138提供8155的片選信號(hào)CE,IO/M控制端接P2.0口，其它讀寫(xiě)信號(hào)WR、RD也都對(duì)應(yīng)相連。8155的地址與8031統(tǒng)一編址。2.鍵盤(pán)、顯示器接口電路鍵盤(pán)、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤(pán)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。本系統(tǒng)中所設(shè)計(jì)的是由4×6鍵和6位LED顯示器組成。為了簡(jiǎn)化電路，鍵盤(pán)的列線及LED顯示器的段碼共用一個(gè)口，即8155的PB口，鍵盤(pán)的行線由8155的PA口提供，LED的字位控制則由PC口經(jīng)74154后提供。8155各引腳功能說(shuō)明如下：RST：復(fù)位信號(hào)輸入端，高電平有效。復(fù)位后，3個(gè)端口均為輸入方式。AD0～AD7：三態(tài)的地址/數(shù)據(jù)總線。與單片機(jī)的低8位地址/數(shù)據(jù)總線（P0口）相連。單片機(jī)與8155之間的地址、數(shù)據(jù)、命令與狀態(tài)信息都是通過(guò)這個(gè)總線口傳送的。：讀選通信號(hào)，低電平有效。：寫(xiě)選通信號(hào)，低電平有效。：片選信號(hào)線，低電平有效。IO/：8155的RAM存儲(chǔ)器和I/O口選擇。當(dāng)IO/＝0時(shí)，則選擇8155的片內(nèi)RAM，AD0～AD7上地址為8155中RAM單元的地址（00H～FFH）；當(dāng)IO/＝1時(shí)，選擇8155的I/O口，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，命令/狀態(tài)寄存器ALE：地址鎖存信號(hào)。8155內(nèi)部設(shè)有地址鎖存器，在ALE的下降沿將單片機(jī)P0口輸出的低8位地址信息及，IO/的狀態(tài)都鎖存到8155內(nèi)部鎖存器。因此，P0口輸出的低8位地址信號(hào)不需外接鎖存器。PA0～PA7：8位通用I/O口，其輸入、輸出的流向可由程序控制。PB0～PB7：8位通用I/O口，功能同A口。PC0～PC5：有兩個(gè)作用，既可作為通用的I/O口，也可作為PA口和PB口的控制信號(hào)線，這些可通過(guò)程序控制。TIMERIN：8155內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器信號(hào)輸入端。TIMEROUT：8155內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器信號(hào)輸出端。VCC：＋5V電源8155集成芯片引腳圖4.2.4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/D或D/A轉(zhuǎn)換，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(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(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。圖4.2光電隔離與步進(jìn)電機(jī)接口電路4.2.5其它輔助電路設(shè)計(jì)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XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)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(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式，可把XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)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(shí)現(xiàn)，在時(shí)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(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0000H單元