數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)范本

1、78/78數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)講明書(shū)學(xué) 院：機(jī)械學(xué)院專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班 級(jí)：機(jī)自071 學(xué) 號(hào)：072003110123 學(xué)生姓名： 張海明指導(dǎo)教師：趙先鋒 2011年 1 月 5 日目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc201203067摘 要 PAGEREF _Toc201203067 h 2第HYPERLINK l _Toc2012030681章 前言 PAGEREF _Toc201203068 h 2第HYPERLINK l _Toc2012030692章 數(shù)控車床設(shè)計(jì)概述6第HYPERLINK l _Toc2012030703章課程設(shè)計(jì)的目的

2、8第HYPERLINK l _Toc2012030714章 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 PAGEREF _Toc201203071 h 8HYPERLINK l _Toc2012030724.1主切削力及其切削分力計(jì)算9HYPERLINK l _Toc2012030734.2導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算10HYPERLINK l _Toc2012030744.3計(jì)算滾珠絲杠螺母副的軸向負(fù)載力11HYPERLINK l _Toc2012030754.4確定進(jìn)給傳動(dòng)鏈的傳動(dòng)比i和傳動(dòng)級(jí)數(shù)11HYPERLINK l _Toc2012030764.5滾珠絲杠的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算12HYPERLINK l _Toc2

3、012030774.6滾珠絲杠螺母副承載能力校核17HYPERLINK l _Toc2012030784.7計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)的剛度19HYPERLINK l _Toc2012030794.8驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選型與計(jì)算22HYPERLINK l _Toc2012030804.9機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 PAGEREF _Toc201203080 h 26HYPERLINK l _Toc2012030814.10機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析 PAGEREF _Toc201203081 h 27HYPERLINK l _Toc2012030824.11確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào) PAGEREF _T

4、oc201203082 h 28第HYPERLINK l _Toc2012030835章 數(shù)控機(jī)床操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)31HYPERLINK l _Toc2012030845.1硬件電路設(shè)計(jì)內(nèi)容31HYPERLINK l _Toc2012030855.2設(shè)計(jì)步驟31HYPERLINK l _Toc2012030865.3軟件電路設(shè)計(jì)要緊內(nèi)容 PAGEREF _Toc201203086 h 31HYPERLINK l _Toc2012030875.4軟件設(shè)計(jì)37HYPERLINK l _Toc2012030885.5進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述47HYPERLINK l _Toc201203090總結(jié)與體會(huì)50摘

5、要當(dāng)今世界HYPERLINK ./dianzijixie/電子技術(shù)迅速HYPERLINK ./fazhan/進(jìn)展，微處理器、微型HYPERLINK ./pc/計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛HYPERLINK .應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個(gè)差不多要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、操縱及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)操縱技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)HYPERLINK ./科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能

6、化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向進(jìn)展。關(guān)鍵字：機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 差不多組成要素 特點(diǎn) 進(jìn)展趨勢(shì)第一章 前言一、當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備進(jìn)展的趨勢(shì)及我國(guó)數(shù)控裝備技術(shù)進(jìn)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀在我國(guó)對(duì)外開(kāi)放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,進(jìn)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國(guó)制造業(yè)信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了進(jìn)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是進(jìn)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最差不多的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行操縱的技術(shù) ,而數(shù)控

7、裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋專門多領(lǐng)域。（一）、數(shù)控技術(shù)的進(jìn)展趨勢(shì)。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷進(jìn)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 ,他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的進(jìn)展起著越來(lái)越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備進(jìn)展的趨勢(shì)來(lái)看 ,其要緊研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:(1)、 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率 ,提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。從 EMO

8、2001 展會(huì)情況來(lái)看 ,高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m/ min ,甚至更高 ,空運(yùn)行速度可達(dá) 100m/ min左右。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國(guó)的上海通用汽車公司 ,差不多采納以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床。在加工精度方面 ,近 10 年來(lái) ,一般級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已由 10m提高到 5m ,周密級(jí)加工中心則從 35m ,提 高到 11.5m同時(shí)超周密加工精度已開(kāi)始進(jìn)入納米級(jí) 0.1m 。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機(jī)得到了快速的進(jìn)展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。(2) 、5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速進(jìn)展采納 5 軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加

9、工 ,可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削 ,不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。但過(guò)去因 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等緣故 ,其價(jià)格要比 3 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍 ,加之編程技術(shù)難度較大 ,制約了 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的進(jìn)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn) ,使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化 ,其制造難度和成本大幅度降低 ,數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床 含 5 面加工機(jī)床 的進(jìn)展。(3) 、智能化、開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)展的要緊趨勢(shì)21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面:為追求加工效率

10、和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過(guò)程的自適應(yīng)操縱 ,工藝參數(shù)自動(dòng)生成;為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋操縱、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)不負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化差不多成為數(shù)控系統(tǒng)的以后之路。所謂開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)確實(shí)是數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)能夠在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上 ,面向機(jī)床廠家和最終用戶 ,通過(guò)改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的專門應(yīng)用和技訣竅集成到操縱系統(tǒng)中 ,快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮亮個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫(kù)以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開(kāi)發(fā)工

11、具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際聞名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求 ,也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向進(jìn)展的趨勢(shì)。（二）、對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)進(jìn)展的差不多可能我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的進(jìn)展歷程大致可分為三個(gè)時(shí)期：第一時(shí)期從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式進(jìn)展時(shí)期。在現(xiàn)在期 ,由于國(guó)外的技術(shù)封鎖和我國(guó)的基礎(chǔ)條件的制 ,數(shù)控技術(shù)的進(jìn)展較為緩慢。第二時(shí)期是在國(guó)家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期 ,即引進(jìn)技術(shù) ,消化

12、汲取 ,初步建立起國(guó)產(chǎn)化體系時(shí)期。在現(xiàn)在期 ,由于改革開(kāi)放和國(guó)家的重視 ,以及研究開(kāi)發(fā)環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的改善 ,我國(guó)數(shù)控技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)以及在產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。第三時(shí)期是在國(guó)家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期?？v觀我國(guó)數(shù)控技術(shù)近 50 年的進(jìn)展歷程 ,特不是通過(guò) 4 個(gè) 5 年打算的攻關(guān) ,總體來(lái)看取得的成績(jī)依舊不小。（三）、對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展的戰(zhàn)略考慮(1) 、戰(zhàn)略考慮。我國(guó)是制造大國(guó) ,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量同意前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 ,因此 ,我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來(lái)重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。首先從社會(huì)安全看 ,因?yàn)橹圃鞓I(yè)

13、是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)進(jìn)展不僅可提高人民的生活水平 ,而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力 ,保障社會(huì)的穩(wěn)定;其次從國(guó)防安全看 ,西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”確實(shí)是最好的例證。(2)、進(jìn)展策略。從我國(guó)差不多國(guó)情的角度動(dòng)身 ,以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向 ,以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo) ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)進(jìn)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容 ,實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式進(jìn)展。強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向 ,即以數(shù)控終端

14、產(chǎn)品為主 ,以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、曲型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的進(jìn)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問(wèn)題。沒(méi)有規(guī)模就可不能有高可靠性的產(chǎn)品;沒(méi)有規(guī)模就可不能有價(jià)值低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品;因此 ,沒(méi)有規(guī)模中國(guó)的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。第二章 數(shù)控車床設(shè)計(jì)概述用數(shù)控機(jī)床加工零件時(shí)，首先應(yīng)加工零件的幾何信息和工藝信息變成加工程序，由輸入部分送入數(shù)控裝置，通過(guò)數(shù)控裝置的處理和運(yùn)算，按各坐標(biāo)軸的重量送到各軸的驅(qū)動(dòng)電路，通過(guò)轉(zhuǎn)換和放大進(jìn)行伺服電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)，帶動(dòng)各軸運(yùn)動(dòng)，并進(jìn)

15、行反饋操縱，使刀具和工件及其他輔助裝置嚴(yán)格地按照加工程序規(guī)定的順序和參數(shù)有條不紊地運(yùn)作，從而加工出零件的全部輪廓。 數(shù)控機(jī)床具有專門好的柔性，當(dāng)加工對(duì)象變換時(shí)，只需重新編制加工程序即可，原來(lái)的程序可存儲(chǔ)備用，不必像組合機(jī)床那樣需要針對(duì)新加工零件重新設(shè)計(jì)加床，致使生產(chǎn)預(yù)備時(shí)刻過(guò)長(zhǎng)。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，關(guān)于保證和提高被加工零件的精度，要緊依靠?jī)煞矫鎭?lái)實(shí)現(xiàn)：一是系統(tǒng)的操縱精度；二是機(jī)床本身的機(jī)械傳動(dòng)精度。數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)，由于必須對(duì)進(jìn)給位移的位置和速度同時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)操縱。因此，數(shù)控車床與一般臥式車床相比應(yīng)具有有更好的精度以確保機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性。數(shù)控改造對(duì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的要求為：（1)

16、盡量采納低摩擦的傳動(dòng)副。如滾動(dòng)導(dǎo)軌和滾珠絲杠螺母副，以減小摩擦力。（2)選用最佳的降速比，為達(dá)到數(shù)控機(jī)床所要求的脈沖當(dāng)量，使運(yùn)動(dòng)位移盡可能加速達(dá)到跟蹤指今。（3)盡量縮短傳動(dòng)鏈以及用預(yù)緊的方法提高傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度。（4)盡量消除傳動(dòng)間隙，以減小反向行程誤差。如采納消除間隙的聯(lián)軸節(jié)和消除傳動(dòng)齒輪間隙的機(jī)構(gòu)等。（5)盡景滿足低振動(dòng)和高可靠性方面的要求。為此應(yīng)選擇間隙小、傳動(dòng)精度高高、運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)、效率高以及傳遞扭矩大的傳動(dòng)元件。 從應(yīng)用的方面考慮，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)大多數(shù)的情況，可采納更換滾珠絲杠來(lái)代替原機(jī)床上的T型絲杠。也可對(duì)原車床上T型絲杠加以修復(fù)，但現(xiàn)在必須相應(yīng)修配與與此相配合的螺母，盡量減小其間隙，提

17、高配合精度。般講來(lái)如原車床的工作性能良好精度尚未降低，則應(yīng)盡量保留機(jī)床的傳動(dòng)系統(tǒng)。使改造后的數(shù)控車床同時(shí)具有微機(jī)操縱和原機(jī)床操作的雙重功能。如原車床使用時(shí)刻較長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)部件磨損嚴(yán)峻除了對(duì)導(dǎo)軌精度進(jìn)行修復(fù)外還應(yīng)將傳動(dòng)部件拆除或更換，以確保改造后車床的傳動(dòng)精度。 數(shù)控機(jī)床一般由操縱介質(zhì) 數(shù)控裝置 伺服系統(tǒng)和機(jī)床組成如圖2.1圖2.1數(shù)控機(jī)床的組成電動(dòng)機(jī)的選擇 (1)依照機(jī)械的負(fù)載特性和生產(chǎn)工藝對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速等要求，選擇電動(dòng)機(jī)類型。(2)依照負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速變化范圍和啟動(dòng)頻繁程度等要求，考慮電動(dòng)機(jī)的溫升限制、過(guò)載能力額啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，選擇電動(dòng)機(jī)功率，并確定冷卻通風(fēng)方式。所選電動(dòng)機(jī)功率應(yīng)留有余量

18、，負(fù)荷率一般取0.80.9。(3)依照使用場(chǎng)所的環(huán)境條件，如溫度、濕度、灰塵、雨水、瓦斯以及腐蝕和易燃易爆氣體等考慮必要的愛(ài)護(hù)措施，選擇電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)型式。(4)依照企業(yè)的電網(wǎng)電壓標(biāo)準(zhǔn)和對(duì)功率因素的要求，確定電動(dòng)機(jī)的電壓等級(jí)和類型。(5)依照生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速和對(duì)電力傳動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的過(guò)渡過(guò)程的要求，以及機(jī)械減速機(jī)構(gòu)的復(fù)雜程度，選擇電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速。此外，還要考慮節(jié)能、可靠性、供貨情況、價(jià)格、維護(hù)等等因素。電動(dòng)機(jī)類型和結(jié)構(gòu)型式的選擇由于不同的機(jī)床要求不同的主軸輸出性能(旋轉(zhuǎn)速度，輸出功率，動(dòng)態(tài)剛度，振動(dòng)抑制等)，因此，主軸選用標(biāo)準(zhǔn)與實(shí)際使用需要是緊密相關(guān)的?？偟膩?lái)講，選擇主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將在價(jià)格與性能之間

19、找出一種理想的折衷。表1簡(jiǎn)要給出了用戶所期望的主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能。下面將對(duì)各種交流主軸系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比、分析。表1.1 理想主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能項(xiàng)目?jī)?nèi)容高性能低速區(qū)要有足夠的轉(zhuǎn)矩寬恒功率范圍,并在高速范圍內(nèi)保持一定轉(zhuǎn)矩高旋轉(zhuǎn)精度高動(dòng)態(tài)響應(yīng)高加減速,起制動(dòng)能力具有強(qiáng)魯棒性,能適應(yīng)環(huán)境條件和參數(shù)變化高效率,低噪聲低價(jià)格低購(gòu)買價(jià)格,低維護(hù)價(jià)格,低服務(wù)價(jià)格通用要求耐用性,可維護(hù)性,安全可靠性感應(yīng)電機(jī)交流主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是當(dāng)前商用主軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主流，其功率范圍從零幾個(gè)kW到上百kW，廣泛地應(yīng)用于各種數(shù)控機(jī)床上。 第三章 課程設(shè)計(jì)的目的數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是一個(gè)重要的時(shí)刻性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合的運(yùn)用所學(xué)的理論知識(shí)，獨(dú)立

20、進(jìn)行的設(shè)計(jì)訓(xùn)練，要緊目的：通過(guò)設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地、系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床的差不多組成及其想怪知識(shí)，學(xué)習(xí)總體的方案擬定、分析與比較的方法。通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動(dòng)元件與導(dǎo)向元件的工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算及選用的方式通過(guò)對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)的工作原理、計(jì)算操縱方法與操縱驅(qū)動(dòng)方式培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力，學(xué)習(xí)并樹(shù)立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)和標(biāo)準(zhǔn)、查閱文獻(xiàn)資料及撰寫(xiě)科技論文的能力第四章 X軸設(shè)計(jì)計(jì)算4.11確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào)1.確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)X向拖板(上拖板)尺寸為: 長(zhǎng)*寬*高=410*400*50重量:按重量=體積

21、*材料比重估算為: = Y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量=上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為夾具及工件重量:約200NX-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為:立式數(shù)控銑床工作臺(tái)（X軸）設(shè)計(jì)1概述1.1技術(shù)要求工作臺(tái)、工件和夾具的總重量=865kg（所受的重力W=8000N），其中，工作臺(tái)的質(zhì)量=327kg（所受的重力=5000N）；工作臺(tái)的最大行程=880mm；工作臺(tái)快速移動(dòng)速度=15000；工作臺(tái)采納貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦系數(shù)=0.15,靜摩擦系數(shù)=0.2；工作臺(tái)的定位精度為20，重復(fù)定位精度為12；機(jī)床的工作壽命為20000h（即工作時(shí)刻為10年）機(jī)床采納株洲伺服電機(jī)，額定功率=11，機(jī)床采納端面銑刀進(jìn)行強(qiáng)力切

22、削，銑刀直徑D=125mm，主軸轉(zhuǎn)速n=8000，切削狀況如表2-1所示表2-1數(shù)控銑床的切削狀況切削方式進(jìn)給速度/時(shí)刻比例/(%)備注強(qiáng)力切削0.610主電動(dòng)機(jī)滿功率條件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速進(jìn)給1510空載條件下工作臺(tái)快速進(jìn)給1.2總體方案設(shè)計(jì)為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案。工作臺(tái)工作面尺寸（寬度長(zhǎng)度）確定為520mm1200mm。工作臺(tái)的導(dǎo)軌采納矩形導(dǎo)軌，在與之相配的動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)面上貼聚四氟乙烯（PT-FE）導(dǎo)軌板。同時(shí)采納斜鑲條消除導(dǎo)軌導(dǎo)向面的間隙，在背板上通過(guò)設(shè)計(jì)偏心輪結(jié)構(gòu)來(lái)消除導(dǎo)軌背面與背板的間隙，并在與工作臺(tái)導(dǎo)軌相接觸的斜鑲條接觸面上和背板

23、接觸面上貼塑。對(duì)滾珠絲桿螺母副采納預(yù)緊措施，并對(duì)滾珠絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。采納伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。采納膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿直連。2設(shè)計(jì)計(jì)算2.1主切削力及其切削分力計(jì)算（1）計(jì)算主切削力。依照已知條件，采納端面銑刀在主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削（銑刀直徑D=125mm）時(shí)，主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動(dòng)機(jī)的全部功率?，F(xiàn)在，銑刀的切削速度為若主傳動(dòng)鏈的機(jī)械效率，按式可計(jì)算主切削力；機(jī)床主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速（主軸轉(zhuǎn)速全部功率時(shí)的最低切削速度，；機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)功率，一般取。（2）計(jì)算各切削分力。依照表22可得工作臺(tái)縱向切削力、橫向切削力和垂向切削力分不為表22 工作臺(tái)工作載荷與切向銑削力的經(jīng)驗(yàn)比

24、值切削條件比值對(duì)稱端銑不對(duì)稱端銑逆銑順銑端銑圓柱銑、立銑、盤銑和成形銑2.2導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算（1）按式計(jì)算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力。現(xiàn)在，動(dòng)摩擦系數(shù)，、主切削力的垂向切削分力（N）和橫向切削分力（N）；W坐標(biāo)軸上移動(dòng)部件的全部重量（包括機(jī)床夾具和工件的重量，N）；摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式不同而不同，關(guān)于帖塑導(dǎo)軌，=0.15；關(guān)于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，=0.01；鑲條緊固力（N）,其推舉值可查表23得鑲條緊固力=2500N，則=0.15(8000+2500+159.75+92.49)N=1612.8N表23 鑲條緊固力推舉值導(dǎo)軌形式主電動(dòng)機(jī)功率/kw7.5111518貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌50080015002000

25、250030003500滾動(dòng)直線導(dǎo)軌254075100125150175按式,計(jì)算在吧切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力和導(dǎo)軌靜摩擦力。=0.15（8000+2500）N=1575N=0.2(8000+2500)N=2100N2.3計(jì)算滾珠絲桿螺母副的軸向負(fù)載力（1）按式， 主切削力的縱向切削力=（62.26+1612.8）N=1675.1N（2）按式N計(jì)算最小軸向負(fù)載力=1612.8N2.2.4滾珠絲桿的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算1）確定滾珠絲桿的導(dǎo)程依照已知條件，取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則由式得：2)計(jì)算滾珠絲桿螺母副得平均轉(zhuǎn)速和平均載荷（1）估算在各種切削方式下滾珠絲桿的軸向載荷。將強(qiáng)力切削時(shí)的軸向載荷定為最

26、大軸向載荷，快速移動(dòng)和鉆鏜定位時(shí)的軸向載荷定為最小軸向載荷。一般切削(粗加工)和精細(xì)切削（精加工）時(shí)，滾珠絲桿螺母副的軸向載荷、分不可按下列公式計(jì)算：，并將計(jì)算結(jié)果填入表24。表24 數(shù)控銑床滾珠絲桿的計(jì)算切削方式軸向載荷/N進(jìn)給速度/()時(shí)刻比例/()備注強(qiáng)力切削1675.110一般切削（粗加工）2082.1230精細(xì)加工（精加工）1821.8650快移和定鏜定位1612.810計(jì)算滾珠絲桿螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速（3）按式計(jì)算滾珠絲桿螺母副的平均轉(zhuǎn)速。按式計(jì)算滾珠絲桿螺母副的平均載荷。3)確定滾珠絲桿預(yù)期的額定動(dòng)載荷（1）按預(yù)定工作時(shí)刻估算。查表25得在和性質(zhì)系數(shù)。已知初步選擇的滾珠絲

27、桿的精度等級(jí)為2級(jí)，查表26得精度系數(shù)。查表27得可靠性系數(shù)，額定壽命則由式得表25 載荷性質(zhì)系數(shù)載荷性質(zhì)無(wú)沖擊（專門平穩(wěn)）輕微沖擊伴有沖擊或振動(dòng)11.21.21.51.52表26精度系數(shù)精度等級(jí)1、2、34、5710 表27可靠性系數(shù)可靠性/()90959697989910.620.530.440.330.21因?qū)L珠絲桿螺母副將實(shí)施預(yù)緊，因此可按式估算最大軸向載荷。查表28得欲加動(dòng)載荷系數(shù)，則表28 欲加動(dòng)載荷系數(shù)欲加載荷類型輕預(yù)載中預(yù)載重預(yù)載（3）確定滾珠絲桿預(yù)期的額定動(dòng)載荷。取以上兩種結(jié)果的最大值，即=7087.54）按精度要求確定同意的滾珠絲桿的最小螺紋底經(jīng)（1）依照定位精度和重復(fù)定

28、位精度的要求估算同意的滾珠絲桿的最大軸向變形。已知工作臺(tái)的定位精度為20，重復(fù)定位精度為12，依照公式重復(fù)定位精度和定位精度以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求，得，取上述計(jì)算結(jié)果的較小值，即。（2）估算同意的滾珠絲桿的最小螺紋底經(jīng)。本機(jī)床工作臺(tái)（X）軸滾珠絲桿螺母副的安裝方式擬采納兩端固定式。滾珠絲桿螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為L(zhǎng)=行程+安全行程+2余程+螺母長(zhǎng)度+支承長(zhǎng)度（1.21.4）行程+（2530）取L=1.4行程+30=（1.4880+3010）mm=1532mm,又=2180N，由式得（5）初步確定滾珠絲桿螺母副的規(guī)格型號(hào)依照計(jì)算所得的、，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾

29、珠絲桿螺母副FFZD5010-3,其公稱直徑、差不多導(dǎo)程、額定動(dòng)載荷和絲桿底徑如下：，,，故滿足式，的要求。由式確定滾珠絲桿螺母副的預(yù)緊力計(jì)算滾珠絲桿螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值和預(yù)拉伸力按式計(jì)算目標(biāo)行程補(bǔ)償值目標(biāo)行程補(bǔ)償值；溫度變化值（），一般情況下為23；絲桿的線膨脹系數(shù)（1/）,一般情況下為；滾珠絲桿副的有效行程。已知溫度變化值，絲桿的線膨脹系數(shù)，滾珠絲桿副的有效行程=工作臺(tái)行程+安全行程+2余程+螺母長(zhǎng)度 =（880+100+220+147）mm=1227mm,故(2)按式計(jì)算滾珠絲桿的預(yù)拉伸力。已知滾珠絲桿螺紋底徑,滾珠絲桿的溫度變化值，則8)確定滾珠絲桿螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào)（1）按

30、式計(jì)算軸承所承受的最大軸向載荷。計(jì)算軸承的預(yù)緊力計(jì)算軸承的當(dāng)量軸向載荷(4)按式計(jì)算軸承的差不多額定動(dòng)載荷。已知軸承的工作轉(zhuǎn)速,軸承所受的當(dāng)量軸向載荷,軸承的差不多額定壽命。軸承的徑向載荷和軸向載荷分不為 因?yàn)?，因此查?9得，徑向系數(shù)X=1.9，軸向系數(shù)Y=0.54，故表29 載荷系數(shù)組合列數(shù)2列3列4列承載列數(shù)1列2列1列2列3列1列2列3列4列組合形式DFDTDFDDFDDTDDFTDFFDFTDTTX1.91.432.331.172.332.53Y0.540.770.350.890.350.26X0.920.920.920.020.020.920.920.920.92Y1.01.01.

31、01.01.01.01.01.01.0(5)確定軸承的規(guī)格型號(hào)因?yàn)闈L珠絲桿螺母副擬采取預(yù)拉伸措施，因此選用角接觸球軸承組背對(duì)背安裝，以組成滾珠絲桿兩端固定的支承形式。由于滾珠絲桿的螺紋底徑為44.3mm，因此選擇軸承的內(nèi)徑為40mm，以滿足滾珠絲桿結(jié)構(gòu)的需要。在滾珠絲桿的兩個(gè)固定端均選擇國(guó)產(chǎn)角接觸球軸承兩件一組背對(duì)背安裝，組成滾珠絲桿的兩端固定支承方式。軸承的型號(hào)為760308TNI/P4DFB,尺寸（內(nèi)徑外徑寬度）為40mm90mm23mm，選擇脂潤(rùn)滑。該軸承的預(yù)載荷能力為5600N，大于計(jì)算所得的軸承預(yù)緊力=2647.25N.并在脂潤(rùn)滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為1500r/min,等于滾珠絲桿的最

32、高轉(zhuǎn)速，故滿足要求。該軸承的額定動(dòng)載荷為=50000N，而該軸承在20000h工作壽命下的差不多額定動(dòng)載荷=39597.89N,也滿足要求。2.3工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì)將以上計(jì)算結(jié)果用于工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì)（見(jiàn)本課程設(shè)計(jì)插頁(yè)圖1）。本課程設(shè)計(jì)后插頁(yè)圖2為工作臺(tái)零件圖，插頁(yè)圖3為滑鞍零件圖。滾珠絲桿螺母副的承載能力校驗(yàn)滾珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn)本工作臺(tái)的滾珠絲桿支承方式采納預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，絲桿始終受拉而不受壓，因此，不存在壓桿補(bǔ)穩(wěn)定問(wèn)題。滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗(yàn)依照以上的計(jì)算可得滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長(zhǎng)度=1117.5mm。已知彈性模量，材料密度，重力加速度，安全系數(shù)。查參考文獻(xiàn)表

33、2-44得。滾珠絲桿的最小慣性矩為滾珠絲桿的最小截面積為故可由式得 本絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速為1500，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗(yàn)滾珠絲桿螺母副的壽命，要緊是指疲勞壽命。它是指一批尺寸、規(guī)格、精度相同的滾珠絲桿在相同的條件下回轉(zhuǎn)時(shí)，其中90不發(fā)生疲勞剝落的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)速查參考文獻(xiàn)附錄A表A-3得滾珠絲桿的額定動(dòng)載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，滾珠絲桿的軸向載荷,滾珠絲桿螺母副轉(zhuǎn)速,由式，得， 一般來(lái)講，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)，應(yīng)保證滾珠絲桿螺母副的總時(shí)刻壽命故滿足要求。 傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算(1)計(jì)算滾珠絲桿的拉壓剛度。本工作臺(tái)的絲桿支承方式為兩端固定，當(dāng)滾珠

34、絲桿的螺母中心位于滾珠絲桿兩支承的中心位置時(shí)時(shí)，滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度，可按式計(jì)算： 當(dāng)或時(shí)（即滾珠絲桿的螺母中心位于行程的兩端位置時(shí)），滾珠絲桿螺母副具有最大拉壓剛度，可按式計(jì)算：（2）計(jì)算滾珠絲桿螺母副支承軸承的剛度。已知軸承接觸角，滾動(dòng)體直徑，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=16，軸承的最大軸向工作載荷,查參考文獻(xiàn)表2-45、2-46得計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度查參考文獻(xiàn)附錄A表A-3得滾珠與滾道的接觸剛度，額定載荷，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷，故由式得計(jì)算進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度。由式得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故。由式得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為故。滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)

35、剛度計(jì)算由以上計(jì)算可知，扭轉(zhuǎn)作用點(diǎn)之間的距離已知剪切模量，滾珠絲桿的底徑。由式得 驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量（1）計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。已知滾珠絲杠的密度，由式得（2）計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)量。（3）計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。已知機(jī)床執(zhí)行部件（即工作臺(tái)、工件、夾具）的總質(zhì)量，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸上移動(dòng)的距離,則由式得（4）由式計(jì)算加在電動(dòng)機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩（1）計(jì)算切削負(fù)載力矩。已知在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向移動(dòng)的距離，進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，由式得（2）計(jì)算摩擦負(fù)載力矩已

36、知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力（即為空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力），由式得（3）計(jì)算由滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩。已知滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力滾珠絲杠螺母副的差不多導(dǎo)程，滾珠絲杠螺母副的效率，由式得計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種所需的力矩（1）計(jì)算線性加速力矩已知機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，坐標(biāo)軸的負(fù)載慣量，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益，加速時(shí)刻，由式得 （2）計(jì)算階躍加速力矩。已知加速時(shí)刻，由式得（3）計(jì)算坐標(biāo)軸所需的折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種力矩。按式計(jì)算線性加速時(shí)空載啟動(dòng)力矩。按式計(jì)算階躍加速時(shí)空載啟動(dòng)力矩。按式計(jì)算快進(jìn)力矩。按式計(jì)算工進(jìn)力矩。選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)

37、的型號(hào)選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào)依照以上計(jì)算和查參考文獻(xiàn)表2-47，選擇日本FANUC公司生產(chǎn)的型交流伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。要緊技術(shù)參數(shù)如下:額定功率3kw；最高轉(zhuǎn)速3000；額定力矩12；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；質(zhì)量。交流伺服電動(dòng)機(jī)的加速力矩一般為額定力矩的5-10倍。若按5倍計(jì)算，則該電動(dòng)機(jī)的加速力矩為60，均大于本機(jī)床工作臺(tái)的線性加速時(shí)所需 的空載啟動(dòng)力矩以及階躍加速時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，因此，不管采納何種加速方式，本電動(dòng)機(jī)均滿足加速力矩要求。該電動(dòng)機(jī)的額定力矩為12，均大于本機(jī)床工作臺(tái)快進(jìn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩以及工進(jìn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，因此，不管是快進(jìn)依舊工進(jìn)，本電動(dòng)機(jī)均滿足驅(qū)動(dòng)力矩要求。（2）慣量匹配驗(yàn)算。為了

38、使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理 的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比一般應(yīng)滿足式而在本設(shè)計(jì)中，故滿足慣量匹配要求。 機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析計(jì)算絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，而滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量（其中、分不是機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量（）和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量（），則計(jì)算扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為已知絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度，則由以上計(jì)算可知，絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來(lái)設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析計(jì)算機(jī)

39、械傳動(dòng)系統(tǒng)的方向死區(qū)已知進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的最小綜合拉壓剛度，導(dǎo)軌的靜摩擦力，則由式得即故滿足要求。計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差由式得 即故滿足要求。計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差（1）計(jì)算由快速進(jìn)給扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的變形量。已知負(fù)載力矩，由以上計(jì)算得扭轉(zhuǎn)作用點(diǎn)之間的距離，絲杠底徑，由式得由扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動(dòng)滯后量將阻礙工作臺(tái)的定位精度。由式得 確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào)確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)本機(jī)床工作臺(tái)采納半閉環(huán)操縱系統(tǒng)，、應(yīng)滿足下列要求： 滾珠絲杠螺母副擬采納的精度等級(jí)為2級(jí)，查參考文獻(xiàn)表2-20得；查參考文獻(xiàn)表2-21得，當(dāng)螺紋長(zhǎng)度為850

40、mm時(shí)，故滿足設(shè)計(jì)要求。確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)為FFZD5010-3-P2/15191000,其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程：50mm,10mm；螺紋長(zhǎng)度：1000mm；絲杠長(zhǎng)度：1519mm；類型與精度：P類，2級(jí)精度。表71 2弧度內(nèi)行程變動(dòng)量和任意300mm行程內(nèi)行程變動(dòng)量（）精度等級(jí)123454567868121623表72 有效行程內(nèi)的目標(biāo)行程公差和同意的行程變動(dòng)量（單位：）有效行程/mm精度等級(jí)12345315668812121616232331540076981212181725254005008710101513201927265006309711

41、111614222130296308001081312181625233531800100011915132117292540331000125013101814241934294639第五章 數(shù)控機(jī)床操縱系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)5.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容.按照總統(tǒng)方案以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的操縱要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣操縱的結(jié)構(gòu)框圖；.選擇計(jì)算機(jī)或中央處理單元的類型；.依照操縱系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路；.依照操縱對(duì)象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)擴(kuò)展接口電路，檢測(cè)電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動(dòng)電路等；.選擇操縱電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號(hào)；.繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標(biāo)明各器件的型號(hào)

42、，管腳號(hào)及參數(shù)；.講明書(shū)中對(duì)電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理講明和方案論證。5.2 設(shè)計(jì)步驟.確定硬件電路的總體方案。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：主操縱器。即中央處理單元CPU總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，操縱總線。存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。接口。即I/O輸入輸出接口。數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：中央處理單元CPU中央處理單元CPU存儲(chǔ)器RAM存儲(chǔ)器RAMROM外設(shè)：外設(shè)：鍵盤，顯示器，打印機(jī)，磁盤機(jī)，通訊接口等輸入/輸出I/O接口輸入/輸出I/O接口信號(hào)變換信號(hào)變換操縱對(duì)象操縱對(duì)象.主操縱器的選擇系列單片機(jī)是集中，端口及部分等為一體的功能性專門強(qiáng)的操縱

43、器。只需增加少量外圍元件就能夠構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)操縱系統(tǒng)，同時(shí)開(kāi)發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用芯片作為主控芯片。.存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(）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)器芯片大多采納芯片。其型號(hào)有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分不為k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮與時(shí)序的匹配。所能讀取的時(shí)刻必須大于所要求的讀取時(shí)刻。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。

44、單片機(jī)規(guī)定0口提供為位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，因此為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來(lái)保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低位的地址信息，一般采納芯片作為地址鎖存器，并由發(fā)出同意鎖存信號(hào)ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 P1.7 P1.7 P1.0 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 A12 A8 2764A7A0 D7 D0譯碼電路譯碼電路GG74LS372擴(kuò)展2764電路框圖 (）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于內(nèi)部只有字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴(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)展電路一般采納6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)

45、選用芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其擴(kuò)展電路如下所示： P2.4 P2.0ALE P0.7 P0.0 A12 A8A7 6264 A12 A8A7 6264A0D7D0 D0譯碼電路GG74LS372擴(kuò)展6264電路框圖 (）譯碼電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過(guò)總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選操縱。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采納統(tǒng)一編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹杉{線選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它所用片

46、選線差不多上高位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒(méi)有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。關(guān)于和容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)候，多采納全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。本設(shè)計(jì)采納全地址譯碼法的電路分不如下圖所示：（4）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，單片機(jī)外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如下：（5）擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(a).通用可編程接口芯片單片機(jī)共有個(gè)位并行接口，但供用戶使用的只

47、有1口及部分3 口線。因此要進(jìn)行口的擴(kuò)展。與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。8155Y與8031的連接方式如下圖所示(b).鍵盤，顯示器接口電路鍵盤，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，能夠完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采納行列式鍵盤，即用口線組成行，列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器要緊有和。下圖所示為采納接口治理的鍵盤，顯示器電路。它有鍵和位顯示器組成。為了簡(jiǎn)化秒電路，鍵盤的列線及顯示器的字位操縱共用一個(gè)口，即共用的P口進(jìn)行操縱，鍵盤的行線由口擔(dān)任，顯示器的字形操縱由8155的PB口擔(dān)任。鍵盤顯示器接口電路如下所示：4步進(jìn)

48、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)(1）脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的操縱方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采納集成脈沖分配器YB013。采納YB013硬件環(huán)行分配器的步進(jìn)電機(jī)接口線路圖如下：（2）光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后操縱步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。假如將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下：（3）功率放大器脈沖分配器的輸出功率專門小，遠(yuǎn)不

49、能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需依照步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。5其它輔助電路設(shè)計(jì)（）的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘能夠由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如下圖所示。晶體能夠在.之間任意選擇，耦合電容在pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采納外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。80318031XTAL1XTAL2時(shí)鐘電路（）復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位差不多上靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘工作后，只要在引腳上出現(xiàn)ms以上

50、的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后便從單元開(kāi)始執(zhí)行程序。在實(shí)際運(yùn)用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與復(fù)位要求一致時(shí)，能夠直接相連。當(dāng)晶振頻率選用z時(shí)，復(fù)位電路中取，取，取。有用復(fù)位電路圖如下所示：（）越界報(bào)警電路為了防止工作臺(tái)越界，可分不在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開(kāi)關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至的口1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開(kāi)關(guān)被壓下的時(shí)候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電平?？衫密浖O(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無(wú)越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至的外部中斷引腳（或），采納中斷方式檢查越界信號(hào)。數(shù)控系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì)5.3 系統(tǒng)操

51、縱軟件的要緊內(nèi)容數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的操縱程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種操縱功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的操縱軟件分為以下幾個(gè)部分：1、系統(tǒng)治理程序：它是操縱系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能要緊是同意操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到治理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。2、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加源程序的任務(wù)。3、插補(bǔ)程序。依照零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。4、伺服操縱程序。依照插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令操縱伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。5、診斷程序。包括移動(dòng)不見(jiàn)移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功能。6、機(jī)床

52、的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工操縱程序。7、鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。5.4 軟件設(shè)計(jì)1.系統(tǒng)操縱功能分析數(shù)控X-Y工作臺(tái)的操縱功能包括：（1）、系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式操縱字。（2）、工作臺(tái)復(fù)位。開(kāi)機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。（3）、輸入和顯示加工程序。（4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開(kāi)關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開(kāi)關(guān)，鍵盤掃描等功能。（5）、工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過(guò)規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。（6）、工作臺(tái)的自動(dòng)操縱。（7）、工作臺(tái)的手動(dòng)操縱

53、。（8）、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)操縱。2.系統(tǒng)治理程序操縱 治理稱許是系統(tǒng)的主程序，開(kāi)機(jī)后即進(jìn)入治理程序。其要緊功能是同意和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)治理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的差不多操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位操縱，工作臺(tái)位置操縱，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。依照以上分析，設(shè)計(jì)治理程序流程圖如下所示：開(kāi)始系統(tǒng)初始化系統(tǒng)初始化加工程序輸入鍵按下？加工程序輸入鍵按下？機(jī)床復(fù)位 機(jī)床復(fù)位 N自動(dòng)加工自動(dòng)加工鍵按下？加工數(shù)據(jù)輸入 Y 自動(dòng)加工自動(dòng)加工鍵按下？加工數(shù)據(jù)輸入 N手動(dòng)加工鍵按下？手動(dòng)加工鍵按下？手動(dòng)調(diào)整Y手動(dòng)調(diào)整 N治理程序流程3.自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)（

54、1）機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位刀具快速進(jìn)給加工退刀工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；（2）計(jì)算機(jī)在加工過(guò)程中的操作：讀取刀具軌跡，操縱機(jī)床完成加工；（3）由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如下所示： 入口零件坐標(biāo)地址指針零件坐標(biāo)地址指針讀零件坐標(biāo)讀零件坐標(biāo)調(diào)步進(jìn)電機(jī)子程序調(diào)步進(jìn)電機(jī)子程序工作臺(tái)移動(dòng)到位刀具快進(jìn)刀具快進(jìn)加工加工快速退刀快速退刀零件坐標(biāo)地址指針加1零件坐標(biāo)地址指針加1N零件加工完成 零件加工完成Y 返回 4.步進(jìn)電機(jī)操縱子程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的操縱包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的操縱。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，因此電機(jī)運(yùn)行時(shí)有一個(gè)加，減速過(guò)程。通過(guò)確定進(jìn)給脈沖數(shù)

55、和脈沖時(shí)刻間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的操縱。（1）時(shí)刻常數(shù)的確定在步進(jìn)電機(jī)操縱程序中，利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷，延時(shí)產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時(shí)刻間隔。此間隔由送入定時(shí)器的時(shí)刻常數(shù)決定。時(shí)刻常數(shù)由下式計(jì)算：式中：T為脈沖時(shí)刻間隔（ms）；為單片機(jī)機(jī)器周期（s），在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，=2s。（2）步進(jìn)電機(jī)加，減速進(jìn)給脈沖及脈沖時(shí)刻間隔的確定設(shè)步進(jìn)電機(jī)加，減速方式為直線加，減速。要使步進(jìn)電機(jī)不失步，應(yīng)滿足：式中：為步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩；為負(fù)載力矩；為慣性力矩。由步進(jìn)電機(jī)=3.92N.m，取步進(jìn)電機(jī)的加速啟動(dòng)力矩則使步進(jìn)電機(jī)不失不的慣性力矩步進(jìn)電機(jī)角加速度又式中：為上升到步進(jìn)電機(jī)最高頻率所需時(shí)刻，因此有：加速脈

56、沖個(gè)數(shù)：確定加減脈沖個(gè)數(shù)都為54個(gè)又因?yàn)椋阂虼嗣}沖時(shí)刻結(jié)合能夠算出對(duì)應(yīng)各脈沖時(shí)刻的計(jì)數(shù)器時(shí)刻常數(shù)。 EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)刻常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)刻常數(shù)占據(jù)兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)刻常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)刻常數(shù)高8位。在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計(jì)數(shù)器N0，N1，N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過(guò)程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機(jī)操縱程序框圖如下所示：步進(jìn)電機(jī)操縱子程序：開(kāi)始開(kāi)始中斷初始化中斷初始化設(shè)時(shí)刻常數(shù)地址指針設(shè)時(shí)刻常數(shù)地址指針首地址指向1000H加速加速減速 脈沖計(jì)數(shù)器賦初值恒速送時(shí)刻常數(shù)至計(jì)數(shù)器中送時(shí)刻常數(shù)至計(jì)數(shù)器中中斷N中斷返 回開(kāi)中斷啟動(dòng)定時(shí)器Y

57、返 回開(kāi)中斷啟動(dòng)定時(shí)器 步進(jìn)電機(jī)操縱中斷服務(wù)程序：中斷服務(wù)程序入口送時(shí)刻常數(shù)送時(shí)刻常數(shù) 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)一步步進(jìn)電機(jī)進(jìn)一步N0=0？N0=0？時(shí)刻常數(shù)地址指針加1N1=0？時(shí)刻常數(shù)地址指針加1N1=0？N1N1N1-1N0N0N0-1N2=0？關(guān)中斷時(shí)刻常數(shù)地址指針加1關(guān)中斷時(shí)刻常數(shù)地址指針加1N2N2N2-1中斷返回 5.編語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)（1）內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0地址設(shè)為20H；恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址位22H；減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址位23H。加速，減速，恒速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H；步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給操縱子程序FEED首

58、地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。（2）程序清單N0 EQU 20H ;加速N1L EQU 21H ;恒速N1H EQU 22H N2 EQU 23H ;減速NL EQU 24H ;脈沖總數(shù)寄存器NH EQU 25HDS EQU 26H ；地址指針偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 758160 START： MOV P，#60H0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；設(shè)計(jì)數(shù)器工作方式為1，16位定時(shí)器0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；設(shè)N0為3200E09 75231B MOV N2， #1A4H0E0

59、C E520 MOV A ， N0 ；計(jì)算2XN00E0E 23 RL A0E0F F8 MOV R0， A0E10 C3 CLR C ；計(jì)算N1=N-2N00E11 E524 MOV A， NL0E13 98 SUBB A， R00E14 F521 MOV N1L， A0E16 E525 MOV A， NH0E18 9400 SUBB A，#00H0E1A F522 MOV N1H，A0E1C 901000 MOV DPTR， #1000H ；設(shè)時(shí)刻常數(shù)指針初值為1000H0E1F 752600 MOV DS， #00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H0E22 93 MOVC A, A+DPTR

60、 ；從EPROM中讀時(shí)刻常數(shù)0E23 F58A0E25 0526 INC DS0E27 E526 MOV A，DS0E2 93 MOVC A，A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A0E2C 0526 INC DS0E2E D2AF SETB EA ；開(kāi)中斷同意0E30 D2A9 SETB ET0 ；同意定時(shí)器0中斷0E32 D28C SETB TR0 ；啟動(dòng)定時(shí)器0開(kāi)始計(jì)算0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷同意返回0E37 22 RET中斷服務(wù)程序： ORG 000BH000B 02F00 LJMP 0F00H0F00 93 MOVC A，A+DPTR