數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計數(shù)控銑床X軸設(shè)計

1、 課程名稱：數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計 學(xué) 院： 班 級： 學(xué) 號： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 2011年1月5日目 錄1概述41.1技術(shù)要求51.2總體方案設(shè)計62設(shè)計計算62.1主切削力及其切削分力計算62.2導(dǎo)軌摩擦力的計算72.3計算滾珠絲桿螺母副的軸向負(fù)載力82.4滾珠絲桿的動載荷計算與直徑估算82.5初步確定滾珠絲桿螺母副的規(guī)格型號112.6由式確定滾珠絲桿螺母副的預(yù)緊力122.7計算滾珠絲桿螺母副的目標(biāo)行程補償值和預(yù)拉伸力122.8確定滾珠絲桿螺母副支承用軸承的規(guī)格型號123工作臺部件的裝配圖設(shè)計144滾珠絲桿螺母副的承載能力校驗154.1滾珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗154.2滾珠絲桿螺

2、母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗154.3滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗155計算機械傳動系統(tǒng)的剛度165.1機械傳動系統(tǒng)的剛度計算165.2滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計算176驅(qū)動電動機的選型與計算186.1計算折算到電動機軸上的負(fù)載慣量186.2計算折算到電動機軸上的負(fù)載力矩186.3計算坐標(biāo)軸折算到電動機軸上的各種所需的力矩196.4選擇驅(qū)動電動機的型號207機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析217.1計算絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率217.2計算扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率218計算傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析228.1計算機械傳動系統(tǒng)的方向死區(qū)228.2計算機械傳動系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差228.

3、3計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差229確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號239.1確定滾珠絲杠螺母副的精度等級239.2確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號2310 數(shù)控機床控制系統(tǒng)設(shè)計2310.1數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計2310.2數(shù)控系統(tǒng)軟件電路設(shè)計2811總結(jié)與體會38參考文獻(xiàn)38xk715d立式數(shù)控銑床工作臺（x軸）設(shè)計1概述 數(shù)控銑床 定義:數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,兩都的加工工藝基本相同,結(jié)構(gòu)也有些相似,但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動加工機床,所以其結(jié)構(gòu)也與普通銑床有很大區(qū)別. 如圖所示，數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、主傳動系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)等幾大部分組成： 1、主軸

4、箱 包括主軸箱體和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對加工有直接的影響。 2、 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電機和進(jìn)給執(zhí)行機構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運動，包括直線進(jìn)給運動和旋轉(zhuǎn)運動。 3、控制系統(tǒng) 數(shù)控銑床運動控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機床進(jìn)行加工。 4、 輔助裝置 如液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。 5、 機床基礎(chǔ)件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個機床的基礎(chǔ)和框架xk715d 立式數(shù)控銑床 特點與用途：xk 715d立式數(shù)控銑床主要用于中小型零件模具等多品種加工，工件一次裝夾后，可自動高效、高精度的連續(xù)完成銑、鉆、

5、鏜、鉸等工序。該機床主要構(gòu)件剛度高，主軸轉(zhuǎn)速恒功率范圍寬，低轉(zhuǎn)速扭矩大，可進(jìn)行強力切削。主軸軸承采用進(jìn)口軸承，主軸運轉(zhuǎn)時精度高、噪聲低、震動小、熱變形小。xk 715d立式數(shù)控銑床技術(shù)參數(shù)項目單位 參數(shù)型號 xk715d工作臺面尺寸mm 1200×520坐標(biāo)行程（x、y、z） mm 880×500×610主軸最高轉(zhuǎn)速 rpu 8000主電機功率 kw 11/15主軸鏜孔 mas403 bt40工作臺最大承重kg1000主軸端面至工作臺面距離 mm 125735定位精度 mmx:0.020 y:0.014 z:0.016重復(fù)定位精度 mmx:0.012 y:0.00

6、8 z:0.010數(shù)控系統(tǒng)hnc-21m/22m華中“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng)1.1技術(shù)要求 x向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=1200*520*50重量:按重量=體積*材料比重估算為: = 上導(dǎo)軌重量為電機重量夾具及工件重量:約1588nx-y工作臺運動部分總重量為:工作臺、工件和夾具的總重量=1000kg（所受的重力w=9800n），其中，工作臺的質(zhì)量=600kg（所受的重力=5880n）；工作臺的最大行程=880mm；工作臺快速移動速度=15000；工作臺采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動摩擦系數(shù)=0.15,靜摩擦系數(shù)=0.2；工作臺的定位精度為20，重復(fù)定位精度為12；機床的工作壽命為20000h（

7、即工作時間為10年）機床采用主軸服電機，額定功率=11，機床采用端面銑刀進(jìn)行強力切削，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/時間比例/(%)備注強力切削0.610主電動機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空載條件下工作臺快速進(jìn)給1.2總體方案設(shè)計為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案。（1） 工作臺工作面尺寸（寬度長度）確定為520mm1200mm。（2） 工作臺的導(dǎo)軌采用矩形導(dǎo)軌，在與之相配的動導(dǎo)軌滑動面上貼聚四氟乙烯（pt-fe）導(dǎo)軌板。同時采用斜鑲條消除導(dǎo)軌導(dǎo)向面的間隙，

8、在背板上通過設(shè)計偏心輪結(jié)構(gòu)來消除導(dǎo)軌背面與背板的間隙，并在與工作臺導(dǎo)軌相接觸的斜鑲條接觸面上和背板接觸面上貼塑。（3） 對滾珠絲桿螺母副采用預(yù)緊措施，并對滾珠絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。（4） 采用伺服電機驅(qū)動。（5） 采用膜片彈性聯(lián)軸器將伺服電動機與滾珠絲桿直連。2設(shè)計計算2.1主切削力及其切削分力計算（1）計算主切削力。根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強力切削（銑刀直徑d=125mm）時，主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動機的全部功率。此時，銑刀的切削速度為若主傳動鏈的機械效率，按式可計算主切削力；-機床主軸的計算轉(zhuǎn)速（主軸轉(zhuǎn)速全部功率時的最低切削速度，；-機床主傳動系統(tǒng)的傳動功率，一般取

9、。（2）計算各切削分力。根據(jù)表2-2可得工作臺縱向切削力、橫向切削力和垂向切削力分別為表2-2 工作臺工作載荷與切向銑削力的經(jīng)驗比值切削條件比值對稱端銑不對稱端銑逆銑順銑端銑圓柱銑、立銑、盤銑和成形銑-2.2導(dǎo)軌摩擦力的計算（1）按式(2-8a)計算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力。此時，動摩擦系數(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)軸上移動部件的全部重量（包括機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，對于帖塑導(dǎo)軌，=0.15；對于滾動直線導(dǎo)軌，=0.01；-鑲條緊固力（n）,其推薦值可查表2-3得鑲條緊固力=2500n，則=0.15×(980

10、0+2500+159.75+92.49)n=1882.84n表2-3 鑲條緊固力推薦值導(dǎo)軌形式主電動機功率/kw2.23.75.57.5111518貼塑滑動導(dǎo)軌50080015002000250030003500滾動直線導(dǎo)軌254075100125150175(2) 按式,計算在吧切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力和導(dǎo)軌靜摩擦力。=0.15×（9800+25000）n=1845n=0.2×(9800+2500)n=2460n2.3計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+1882.84）n=1945.1n（2）按式n計算最小軸向負(fù)載力 =184

11、5n2.4滾珠絲桿的動載荷計算與直徑估算1）確定滾珠絲桿的導(dǎo)程根據(jù)已知條件，取電動機的最高轉(zhuǎn)速，則由式得：2)計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。將強力切削時的軸向載荷定為最大軸向載荷，快速移動和鉆鏜定位時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，滾珠絲桿螺母副的軸向載荷、分別可按下列公式計算：，并將計算結(jié)果填入表2-4。表2-4 數(shù)控銑床滾珠絲桿的計算切削方式軸向載荷/n進(jìn)給速度/()時間比例/()備注強力切削1945.1010一般切削（粗加工）2234.0230精細(xì)加工（精加工）1942.2650快移和定鏜定位18

12、4510(2) 計算滾珠絲桿螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速（3）按式計算滾珠絲桿螺母副的平均轉(zhuǎn)速。（4） 按式計算滾珠絲桿螺母副的平均載荷。3)確定滾珠絲桿預(yù)期的額定動載荷（1）按預(yù)定工作時間估算。查表2-5得載荷性質(zhì)系數(shù)。已知初步選擇的滾珠絲桿的精度等級為2級，查表2-6得精度系數(shù)。查表2-7得可靠性系數(shù)，額定壽命則由式得表2-5 載荷性質(zhì)系數(shù)載荷性質(zhì)無沖擊（很平穩(wěn)）輕微沖擊伴有沖擊或振動11.21.21.51.52表2-6精度系數(shù)精度等級1、2、34、571010.90.80.7 表2-7可靠性系數(shù)可靠性/()90959697989910.620.530.440.330.21(2) 因?qū)L珠

13、絲桿螺母副將實施預(yù)緊，所以可按式估算最大軸向載荷。查表2-8得欲加動載荷系數(shù)，則表2-8 欲加動載荷系數(shù)欲加載荷類型輕預(yù)載中預(yù)載重預(yù)載6.74.53.4（3）確定滾珠絲桿預(yù)期的額定動載荷。取以上兩種結(jié)果的最大值，即=37117.37n。4）按精度要求確定允許的滾珠絲桿的最小螺紋底經(jīng)（1）根據(jù)定位精度和重復(fù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲桿的最大軸向變形。已知工作臺的定位精度為20，重復(fù)定位精度為12，根據(jù)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，取上述計算結(jié)果的較小值，即。（2）估算允許的滾珠絲桿的最小螺紋底經(jīng)。本機床工作臺（x）軸滾珠絲桿螺母副的安裝方式擬采用兩端固定式。

14、滾珠絲桿螺母副的兩個固定支承之間的距離為l=行程+安全行程+2×余程+螺母長度+支承長度（1.21.4）行程+（2530）取l=1.4×行程+30=（1.4×880+30×10）mm=1532mm,又=2460n，由式得2.5初步確定滾珠絲桿螺母副的規(guī)格型號根據(jù)計算所得的、，初步選擇ffzd型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲桿螺母副ffzd5010-5,其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動載荷和絲桿底徑如下：，,，故滿足式，的要求。2.6由式確定滾珠絲桿螺母副的預(yù)緊力2.7計算滾珠絲桿螺母副的目標(biāo)行程補償值和預(yù)拉伸力（1） 按式計算目標(biāo)行程補償值-目標(biāo)行程補償值；-溫

15、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=工作臺行程+安全行程+2×余程+螺母長度 =（880+100+2×20+146）mm=1166mm,故(2)按式計算滾珠絲桿的預(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2.8確定滾珠絲桿螺母副支承用軸承的規(guī)格型號（1）按式計算軸承所承受的最大軸向載荷。（2） 計算軸承的預(yù)緊力(3) 計算軸承的當(dāng)量軸向載荷(4)按式計算軸承的基本額定動載荷。已知軸承的工作轉(zhuǎn)速,軸承所受的當(dāng)量軸向載荷,軸承的基本額定壽命。軸承的

16、徑向載荷和軸向載荷分別為 因為，所以查表2-9得，徑向系數(shù)x=1.9，軸向系數(shù)y=0.54，故表2-9 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dfdtdfddfddtddftdffdftdttx1.9-1.432.33-1.172.332.53-y0.54-0.770.35-0.890.350.26-x0.920.920.920.020.020.920.920.920.92y1.01.01.01.01.01.01.01.01.0(5)確定軸承的規(guī)格型號因為滾珠絲桿螺母副擬采取預(yù)拉伸措施，所以選用角接觸球軸承組背對背安裝，以組成滾珠絲桿兩端固定的支承形式

17、。由于滾珠絲桿的螺紋底徑為44.3mm，所以選擇軸承的內(nèi)徑為40mm，以滿足滾珠絲桿結(jié)構(gòu)的需要。在滾珠絲桿的兩個固定端均選擇國產(chǎn)角接觸球軸承兩件一組背對背安裝，組成滾珠絲桿的兩端固定支承方式。軸承的型號為760308tni/p4dfb,尺寸（內(nèi)徑×外徑×寬度）為40mm×90mm×23mm，選擇脂潤滑。該軸承的預(yù)載荷能力為5600n，大于計算所得的軸承預(yù)緊力=2647.25n.并在脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為1500r/min,等于滾珠絲桿的最高轉(zhuǎn)速，故滿足要求。該軸承的額定動載荷為=50000n，而該軸承在20000h工作壽命下的基本額定動載荷=42720

18、.89n,也滿足要求。3工作臺部件的裝配圖設(shè)計將以上計算結(jié)果用于工作臺部件的裝配圖設(shè)計（見本課程設(shè)計插頁圖1）。其計算簡圖如下圖所示，本課程設(shè)計后插頁圖2為電機接線圖，插頁圖3為電機控制圖。4滾珠絲桿螺母副的承載能力校驗4.1滾珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗本工作臺的滾珠絲桿支承方式采用預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，絲桿始終受拉而不受壓，因此，不存在壓桿補穩(wěn)定問題。4.2滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗根據(jù)以上的計算可得滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計算長度=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)

19、速為1500，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。4.3滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗滾珠絲桿螺母副的壽命，主要是指疲勞壽命。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，其中90不發(fā)生疲勞剝落的情況下運轉(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載荷，運轉(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， 一般來講，在設(shè)計數(shù)控機床時，應(yīng)保證滾珠絲桿螺母副的總時間壽命故滿足要求5計算機械傳動系統(tǒng)的剛度5.1機械傳動系統(tǒng)的剛度計算(1)計算滾珠絲桿的拉壓剛度。本工作臺的絲桿支承方式為兩端固定，當(dāng)滾珠絲桿的螺母中心位于滾珠絲桿兩支承的中心位置時時，滾珠絲桿螺母副具有最小

20、拉壓剛度，可按式計算： 當(dāng)或時（即滾珠絲桿的螺母中心位于行程的兩端位置時），滾珠絲桿螺母副具有最大拉壓剛度，可按式計算：（2）計算滾珠絲桿螺母副支承軸承的剛度。已知軸承接觸角，滾動體直徑，滾動體個數(shù)z=17，軸承的最大軸向工作載荷,查參考文獻(xiàn)表2-45、2-46得（3） 計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（4） 計算進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度。由式得進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為故。由式得進(jìn)給傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為故。5.2滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計算由以上計算可知，扭轉(zhuǎn)作用點之間的距離已知

21、剪切模量，滾珠絲桿的底徑。由式得6驅(qū)動電動機的選型與計算6.1計算折算到電動機軸上的負(fù)載慣量（1）計算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量。已知滾珠絲杠的密度，由式得（2）計算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動量。（3）計算折算到電動機軸上的移動部件的轉(zhuǎn)動慣量。已知機床執(zhí)行部件（即工作臺、工件、夾具）的總質(zhì)量，電動機每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸上移動的距離,則由式得（4）由式計算加在電動機軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量。6.2計算折算到電動機軸上的負(fù)載力矩（1）計算切削負(fù)載力矩。已知在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，電動機每轉(zhuǎn)一圈，機床執(zhí)行部件在軸向移動的距離，進(jìn)給傳動系統(tǒng)總效率，由式得（2）計算摩擦負(fù)載力矩已知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力（

22、即為空載時的導(dǎo)軌摩擦力），由式得（3）計算由滾珠絲杠的預(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基本導(dǎo)程，滾珠絲杠螺母副的效率，由式得6.3計算坐標(biāo)軸折算到電動機軸上的各種所需的力矩（1）計算線性加速力矩已知機床執(zhí)行部件以最快速度運動時電動機的最高轉(zhuǎn)速，電動機的轉(zhuǎn)動慣量，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，加速時間，由式得 （2）計算階躍加速力矩。已知加速時間，由式得（3）計算坐標(biāo)軸所需的折算到電動機軸上的各種力矩。按式計算線性加速時空載啟動力矩。按式計算階躍加速時空載啟動力矩。按式計算快進(jìn)力矩。按式計算工進(jìn)力矩。6.4選擇驅(qū)動電動機的型號(1)選擇驅(qū)動電動機

23、的型號根據(jù)以上計算和查參考文獻(xiàn)表2-47，選擇日本fanuc公司生產(chǎn)的型交流伺服電動機為驅(qū)動電動機。主要技術(shù)參數(shù)如下:額定功率3kw；最高轉(zhuǎn)速3000；額定力矩12；轉(zhuǎn)動慣量；質(zhì)量。交流伺服電動機的加速力矩一般為額定力矩的5-10倍。若按5倍計算，則該電動機的加速力矩為60，均大于本機床工作臺的線性加速時所需 的空載啟動力矩以及階躍加速時所需的驅(qū)動力矩，因此，不管采用何種加速方式，本電動機均滿足加速力矩要求。該電動機的額定力矩為12，均大于本機床工作臺快進(jìn)時所需的驅(qū)動力矩以及工進(jìn)時所需的驅(qū)動力矩，因此，不管是快進(jìn)還是工進(jìn)，本電動機均滿足驅(qū)動力矩要求。（2）慣量匹配驗算。為了使機械傳動系統(tǒng)的慣量

24、達(dá)到較合理 的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動機的轉(zhuǎn)動慣量之比一般應(yīng)滿足式而在本設(shè)計中，故滿足慣量匹配要求。 7機械傳動系統(tǒng)的動態(tài)分析7.1計算絲杠-工作臺縱向振動系統(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床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量（其中、分別是機床執(zhí)行部件的質(zhì)量（）和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量（），則 7.2計算扭轉(zhuǎn)振動系統(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)動慣量為已知絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度，則由以上計算可知，絲杠-工作臺縱向振動系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設(shè)計機械傳動系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。8計算傳動系統(tǒng)的誤差計算與分析8.1計

25、算機械傳動系統(tǒng)的方向死區(qū)已知進(jìn)給傳動系統(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。8.2計算機械傳動系統(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。8.3計算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差（1）計算由快速進(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，由以上計算得扭轉(zhuǎn)作用點之間的距離，絲杠底徑，由式得由扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動滯后量將影響工作臺的定位精度。由式得9確定滾珠絲杠螺母副的精度等級和規(guī)格型號 9.1確定滾珠絲杠螺母副的精度等級本機床工作臺采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，、應(yīng)滿足下列要求： 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級為1級，查參考文獻(xiàn)表2-20得；查參考文獻(xiàn)表2-2

26、1得，當(dāng)螺紋長度為850mm時，故滿足設(shè)計要求。 9.2確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號為ffzd5010-3-p1/1519×1000,其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程：50mm,10mm；螺紋長度：1000mm；絲杠長度：1519mm；類型與精度：p類，1級精度。10 數(shù)控機床控制系統(tǒng)設(shè)計10.1數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計10.1.1 設(shè)計內(nèi)容.按照總統(tǒng)方案以及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖；.選擇計算機或中央處理單元的類型；.根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計存儲器擴展電路；.根據(jù)控制對象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計擴展接口電路，檢測電路，轉(zhuǎn)換

27、電路以及驅(qū)動電路等；.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號；.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，管腳號及參數(shù)；.說明書中對電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說明和方案論證。10.1.2 設(shè)計步驟.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：1 主控制器。即中央處理單元cpu2 總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。3 存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。4 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存儲器ramrom外設(shè)：鍵盤，顯示器，打印機，磁盤機，通訊接口等輸入/輸出i/o接口信號變換控制對象

28、.主控制器的選擇系列單片機是集中，端口及部分等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計選用芯片作為主控芯片。.存儲器擴展電路設(shè)計(）程序存儲器的擴展單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時要考慮與時序的匹配。所能讀取的時間必須大于所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量

29、以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇芯片作為本次設(shè)計的程序存儲器擴展用芯片。單片機規(guī)定0口提供為位地址線，同時又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提高低位的地址信息，一般采用芯片作為地址鎖存器，并由發(fā)出允許鎖存信號ale的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析，采用eprom芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下所示 p1.7 p1.0 p2.4 p2.0 ale p0.7 p0.0 a12 a8 2764a7a0 d7 d0譯碼電路g74ls372 擴展2764電路框圖 (）數(shù)據(jù)存儲器的擴展由于內(nèi)部只有字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。

30、需要擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用6116,6262靜態(tài)ram數(shù)據(jù)存儲器。本次設(shè)計選用芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示： p2.4 p2.0ale p0.7 p0.0 a12 a8a7 6264a0d7d0 d0譯碼電路g74ls372 擴展6264電路框圖 (）譯碼電路在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機相連。單片機數(shù)據(jù)總線分時的與各個外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲器采用統(tǒng)一編址，因此單片機的硬件設(shè)計中，數(shù)據(jù)存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨的地址線接到外

31、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)簡單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于和容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號多于可利用的地址線的時候，多采用全地址譯碼法。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)計采用全地址譯碼法的電路分別如下圖所示：（4）存儲器擴展電路設(shè)計8031單片機所支持的存儲系統(tǒng)起程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為獨立編址。該設(shè)計選用程序存儲器2764和數(shù)據(jù)存儲器6264組成8031單片機的外存儲器擴展電路，單片機外存儲器擴展電路如下：（

32、5）擴展電路設(shè)計(a).通用可編程接口芯片單片機共有個位并行接口，但供用戶使用的只有1口及部分3 口線。因此要進(jìn)行口的擴展。與微機接口較簡單，是微機系統(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)常用的人機交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計算機狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用口線組成行，列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有和。下圖所示為采用接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有鍵和位顯示器組成。為了簡化秒電路，鍵盤的列線及顯示器的字位控制共用一個口，即共用的p口進(jìn)行控制，鍵盤的行線由

33、口擔(dān)任，顯示器的字形控制由8155的pb口擔(dān)任。鍵盤顯示器接口電路如下所示：4步進(jìn)電機驅(qū)動電路設(shè)計(1）脈沖分配器步進(jìn)電機的控制方式由脈沖分配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來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)電機的各相繞組，實現(xiàn)電機正反轉(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)計采用集成脈沖分配器yb013。采用yb013硬件環(huán)行分配器的步進(jìn)電機接口線路圖如下：（2）光電隔離電路在步進(jìn)電機驅(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)電機的勵磁繞組。如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實現(xiàn)電氣隔離，通常使用

34、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很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機的需要，必須將其輸出信號放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動步進(jìn)電機正常運轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機容量選擇功率放大器。本設(shè)計選用功率放大器。5其它輔助電路設(shè)計（）的時鐘電路單片機的時鐘可以由兩種方式產(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引腳上外接定時元件，如下圖所示。晶體可以在.之間任意選擇，耦合電容在pf之間，對時鐘有微調(diào)作用。采用外部時鐘方式時，可將xtal1直接接地，xtal2接外部時鐘源。8031xtal1xtal2時鐘電路（）復(fù)位電路單

35、片機的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)。在時鐘工作后，只要在引腳上出現(xiàn)ms以上的高電平，單片機就實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后便從單元開始執(zhí)行程序。在實際運用中，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，可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用z時，復(fù)位電路中取，取，取。實用復(fù)位電路圖如下所示：（）越界報警電路為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開關(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)任何一個行程開關(guān)被壓下的時候，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)計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。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

36、（或），采用中斷方式檢查越界信號。10.2數(shù)控系統(tǒng)軟件電路設(shè)計10.2.1 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個部分：1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管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、插補程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補，分配進(jìn)給脈沖。4、伺服控制程序。根據(jù)插補運算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。5、診

37、斷程序。包括移動不見移動超界處理，緊急停機處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯等功能。6、機床的自動加工及手動加工控制程序。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、機床工作狀態(tài)、操作命令等信息。10.2.2 軟件設(shè)計1.系統(tǒng)控制功能分析數(shù)控x-y工作臺的控制功能包括：（1）、系統(tǒng)初始化。如對i/o接口8155，8255a進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。（2）、工作臺復(fù)位。開機后工作臺應(yīng)該自動復(fù)位，亦可手動復(fù)位。（3）、輸入和顯示加工程序。（4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。（5）、工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應(yīng)該立即停

38、止工作臺的運動，并顯示相應(yīng)的指示字符。（6）、工作臺的自動控制。（7）、工作臺的手動控制。（8）、工作臺的聯(lián)動控制。2.系統(tǒng)管理程序控制 管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計管理程序時，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工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機等。根據(jù)以上分析，設(shè)計管理程序流程圖如下所示： 開始系統(tǒng)初始化加工程序輸入鍵按下？機床復(fù)位 n自動加工自動加工鍵按下？加工數(shù)據(jù)輸入 y n手動調(diào)整y手動加工鍵按下？ n管理程序流程3.自動加工程序設(shè)計（1）機床在自動

39、加工時的動作順序：工作臺移動到位刀具快速進(jìn)給加工退刀工作臺運動到下一位置；（2）計算機在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機床完成加工；（3）由以上分析，設(shè)計自動加工程序框圖如下所示： 入口零件坐標(biāo)地址指針讀零件坐標(biāo)調(diào)步進(jìn)電機子程序工作臺移動到位刀具快進(jìn)加工快速退刀零件坐標(biāo)地址指針加1n零件加工完成 y 返回 4.步進(jìn)電機控制子程序設(shè)計步進(jìn)電機的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機在突然啟動或停止時，由于負(fù)載和慣性，會使電機失步，所以電機運行時有一個加，減速過程。通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時間間隔，即可實現(xiàn)步進(jìn)電機轉(zhuǎn)角與速度的控制。（1）時間常數(shù)的確定在步進(jìn)電機控制程序中，利用單片機的定時

40、器中斷，延時產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時間間隔。此間隔由送入定時器的時間常數(shù)決定。時間常數(shù)由下式計算：式中：t為脈沖時間間隔（ms）；為單片機機器周期（s），在時鐘為6mhz時，=2s。（2）步進(jìn)電機加，減速進(jìn)給脈沖及脈沖時間間隔的確定設(shè)步進(jìn)電機加，減速方式為直線加，減速。要使步進(jìn)電機不失步，應(yīng)滿足：式中：為步進(jìn)電機啟動力矩；為負(fù)載力矩；為慣性力矩。由步進(jìn)電機=3.92n.m，取步進(jìn)電機的加速啟動力矩則使步進(jìn)電機不失不的慣性力矩步進(jìn)電機角加速度又式中：為上升到步進(jìn)電機最高頻率所需時間，所以有：加速脈沖個數(shù)：確定加減脈沖個數(shù)都為54個又因為：所以脈沖時刻結(jié)合可以算出對應(yīng)各脈沖時刻的計數(shù)器時間常數(shù)。 epro

41、m存儲器中，時間常數(shù)依次安排在首地址為1000h的存儲單元中，每個時間常數(shù)占據(jù)兩個字節(jié)，低位地址存放時間常數(shù)低8位，高位地址存放時間常數(shù)高8位。在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計數(shù)器n0，n1，n2。以計數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機控制程序框圖如下所示：步進(jìn)電機控制子程序：開始中斷初始化設(shè)時間常數(shù)地址指針首地址指向1000h加速減速 脈沖計數(shù)器賦初值恒速送時間常數(shù)至計數(shù)器中中斷n返 回開中斷啟動定時器y 步進(jìn)電機控制中斷服務(wù)程序：中斷服務(wù)程序入口送時間常數(shù) 步進(jìn)電機進(jìn)一步n0=0？時間常數(shù)地址指針加1n1=0？n1n1-1n0n0-1n2=0？關(guān)中斷時間常數(shù)地址指針加

42、1n2n2-1中斷返回 5.編語言程序設(shè)計（1）內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計數(shù)器n0地址設(shè)為20h；恒速脈沖數(shù)計數(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)電機進(jìn)給控制子程序feed首地址位0e80h。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機按規(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

43、 equ 0e80horg 0e00h0e00 758160 start： mov p，#60h0e03 758901 mov tmod，#01h ；設(shè)計數(shù)器工作方式為1，16位定時器0e06 75201b mov n0，#01a4h ；設(shè)n0為3200e09 75231b mov n2， #1a4h0e0c e520 mov a ， n0 ；計算2xn00e0e 23 rl a0e0f f8 mov r0， a0e10 c3 clr c ；計算n1=n-2n00e11 e524 mov a， nl0e13 98 subb a， r00e14 f521 mov n1l， a0e16 e525

44、mov a， nh0e18 9400 subb a，#00h0e1a f522 mov n1h，a0e1c 901000 mov dptr， #1000h ；設(shè)時間常數(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 ；從eprom中讀時間常數(shù)0e23 f58a mov tl0， a ；送時間常數(shù)至定時器0中0e25 0526 inc ds0e27 e526 mov a，ds0e2 93 movc a，a+dptr 0e2a f58c mov th0，a0e2c 0526 inc ds0e2e d2af

45、 setb ea ；開中斷允許0e30 d2a9 setb et0 ；允許定時器0中斷0e32 d28c setb tr0 ；啟動定時器0開始計算0e34 20affd wait：jb ea，wait ；中斷允許返回0e37 22 ret中斷服務(wù)程序： org 000bh000b 02f00 ljmp 0f00h0f00 93 movc a，a+dptr0f03 f58a mov tl0， a0f05 0526 inc ds0f07 e526 mov a，ds0f09 93 movc a，a+dptr0f0a f58c mov th0， a0f0c 0526 inc ds ；修改地址偏移量指針

46、0f0e d180 acall feed ；調(diào)feed子程序0f10 e520 mov a， n0 ；判斷n0是否為00f12 b400 cjne a， #00h， loop10f15 e52 mov a， n1h ；判斷n1是否為0 0f17 b40010 cjne a，#00h， loop20f1a e522 mov a，n1h0f1c b4000b cjne a，#00h，loop20f1f e523 mov a，n2 判斷n2是否為0 0f21 b40014 cjne a，#00h，loop30f24 c2af clr ea ；n2為0 ，減速結(jié)束，關(guān)中斷0f26 32 reti0f2

47、7 1520 loop1：dec n0 ；n0不為0，則n0n0-10f29 32 reti0f2a e521 loop2：mov a，n1l ；n1不為0，則n1n1-10f2c c3 clr c0f2d 9401 subb a， #01h0f2f f521 mov n1l， a0f31 e522 mov a， n1h0f33 9400 subb a，#00h0f35 f522 mov n1h，a0f37 32 reti0f38 1523 loop3：dec n2 ；n2不為0，則n2n2-10f3a 32 reti5.5 進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述數(shù)控機床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：圖3.1 數(shù)控機床進(jìn)給系統(tǒng)伺服由于各種數(shù)控機床所完成的加工任務(wù)不同，它們