機電一體化畢業(yè)設計最大加工直徑為500毫米普通車床的進給系統傳動系統設計

1、NANCHANGUNIVERSITY本科生畢業(yè)設計（論文）題 目最大加工直徑為500毫米普通車床的進給系統傳動系統設計學 校： 南昌大學 專 業(yè)： 機電一體化工程 班 級： 09機電本科（1）班 學 號：學生姓名： 劉云 指導教師： 李老師 起訖日期： 2011年9月2011年10月 目 錄摘要·························&#

2、183;··································2Abstract··············

3、;··········································3第一章：緒論4 1.1數控機床的概念、組成、特點 4數控機床的概念4數控機床的組成4數控機床

4、的特點5 1.2數控機床的發(fā)張趨勢與現狀5 1.3設計的內容與方法6第二章：數控機床進給傳動系統總體方案 7 2.1進給傳動系統的組成和原理7 2.2進給系統傳動部件8 2.3進給傳動伺服系統的選擇9 2.4系統設計要求·······························

5、3;·········10 2.5方案設計內容······································

6、3;··11第三章：機床橫向進給系統機械部分設計計算 14 3.1確定系統脈沖量14 3.2切削力計算15 3.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型···························15 3.4齒輪進給齒輪箱傳動比計算······

7、3;······················19 3.5縱向進給步進電機計算·························

8、········20 3.4步進電機的計算和選型21第四章:微機數控機床硬件系統的分析和設計 244.1微型計算機的選擇24 MCS-51的信號引腳24 4.1.2 8051單片機基本組成 264.2擴展存儲器的選擇27 4.3確定I/O及鍵盤接口28按鍵開關去抖動問題29 按鍵連接方式 30鍵盤掃描控制方式31結束語 33參考文獻 34摘     要：隨著科學技術和社會的不斷發(fā)展，社會對產品多樣化的要求日益提高，產品更新換代越來越快，多品種小批量生產比重加大，零件形狀越來越

9、復雜，精度越來越高，此外，激烈的市場競爭要求產品研制周期越來越短，傳統的加工設備和制造手段已經難于滿足這種變化，為了解決這些問題，數控機床就這樣應運而生。在本次設計中，就包括了關于數控技術的基礎知識，并且針對本次設計的課題，擬定了一系列的方案，進給系統的總體方案，數控車床進給傳動系統的機械部分，以及數控系統的硬件分析和設計。關鍵字：數控機床 單片機數控系統 伺服電機 傳動系統Abstract As science and technology and continuous development of society, society's demands for increa

10、sing product diversification, product upgrades faster and faster, and more varieties of small batch production increased in importance, more and more complex shape parts, increasing accuracy, In addition, the fierce market competition requires product development cycles are getting shorter, conventi

11、onal processing equipment and manufacturing methods have been difficult to meet such changes, in order to solve these problems, numerical control machine tools came into being this way.In this design, it includes information on the basics of digital technology and design for this project, developed

12、a series of solutions into the overall solution to the system, CNC lathe feed drive system of mechanical parts, and CNC system hardware analysis and design.Keywords: CNC machine CNC servo motor drive system microcontroller第一章：緒論1.1數控機床的概念，組成，特點 ：數控機床的概念：數控機床是數字控制機床的簡稱，是指用數字指令來控制機械執(zhí)行預圖1-1數控機床定的動作，通常由

13、硬件電路發(fā)出數字化信號，是一種裝有程序控制系統的自動化機床。該控制系統能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作數控折彎機并加工零件。數控機床較好地解決了復雜、精密、小批量、多品種的零件加工問題，是一種柔性的、高效能的自動化機床，代表了現代機床控制技術的發(fā)展方向，是一種典型的機電一體化產品。數控機床的組成：數控機床一般由控制介質、數控裝置、伺服系統和機床本體組成，其中實線部分表示開環(huán)系統。為提高加J精度，再加入測量裝置，由虛線構成反饋，稱為閉環(huán)系統。主機：他是數控機床的主體，包括機床身、立柱、主軸、進給機構等機械部件。他是用于完成各種切削加工的機械部件。數控

14、裝置：是數控機床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應的軟件，用于輸入數字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數據的變換、插補運算以及實現各種控制功能。驅動裝置：他是數控機床執(zhí)行機構的驅動部件，包括主軸驅動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。他在數控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統實現主軸和進給驅動。當幾個進給聯動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。輔助裝置：指數控機床的一些必要的配套部件，用以保證數控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數控轉臺和數控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。編

15、程及其他附屬設備：可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。數控機床的特點：數控機床較好地解決了復雜、精密、小批、多變的零件加工問題，是一種靈活的、高效能的自動化機床，尤其對于約占機械加工總量80%的單件、小批量零件的加工，更顯示出其特有的靈活性。概括起來，數控機床有以下幾方面的特點：u 加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質量；u 可進行多坐標的聯動，能加工形狀復雜的零件；u 加工零件改變時，一般只需要更改數控程序，可節(jié)省生產備時間；u 機床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產率高（一般為普通機床的35倍）；u 機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；對操作人員的素質要求較高，對維修人員的技術要

16、求更高 。1.2數控機床的發(fā)展趨勢與現狀：數控機床以其獨特卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異穩(wěn)定的精度、靈活敏捷多樣化的功能引起廣泛的關注，它開創(chuàng)了機械產品并向機電一體化發(fā)展的開始，成為先進制造技術當中的一門核心技術。數字控制系統技術的快速發(fā)展為數控機床的技術進步提供了條件。目前我國的數控機床的發(fā)展趨勢主要體現在，高速、精密、復合、智能和綠色等幾個方面。1、高速、高效，數控機床逐漸向高速化方向發(fā)展，它大大的提高加工效率、降低加工生產成本，并且還達到了提高零件的表面質量及其加工精度。高速化的加工技術對一些企業(yè)制造業(yè)提供了更高效，優(yōu)質，成本低生產比較廣泛適用性。目前在一些發(fā)達的國家數控機床的高速運行，其

17、高速主軸單元，電主軸轉速可達15000 100000r/min，快移速度在60120m/min范圍之內，切削進給速度高達60m/min、一系列高性能控制伺服系統以及數控工具系統都有新的突破，數控機床發(fā)展到了更高的水平。2、現在的數控機床比以前的普通車床加工的零件更加的精密，精密加工技術有了相當大的提高，加工精度已從原來的絲級(0.01mm)提升到目前的微米級(0.001mm)，甚至有些品種已達到0.05m左右。超精密數控機床的微細切削和磨削加工，精度可穩(wěn)定達到0.05m左右，形狀精度可達0.01m左右。通過機床結構設計優(yōu)化、機床零部件的超精加工和精密裝配、采用高精度的全閉環(huán)控制及溫度、振動等動

18、態(tài)誤差補償技術，提高機床加工的幾何精度，降低形位誤差、表面粗糙度等，從而進入亞微米、納米級超精加工時代3、智能化，數控機床的智能化現在又有了新的突破，在數控系統的性能上得到了充分的體現。比如說：自動調整干涉防碰撞功能、高精度加工零件智能化參數選用功能、加工過程自動消除機床震動等功能進入了實用化階段等等，數控機床的智能化提升了機床的功能及其品質。4、現代的數控機床在還有較高的可靠性，而且復合化，多軸化，網絡化等方面都得到了大大的提高。1.3設計的內容與方法：用微機數控技術改造加工零件時，數控改造必須首先擬定總體方案，繪制系統總統框圖，才能覺得各種設計參數和結構，然后選擇數控機床，數控機床的選擇，

19、其進給傳動系統的組成和原理，分析伺服系統的選擇，怎樣達到控制要求，合理的選擇機械傳動方式，數控機床坐標的進給伺服系統既可以采用步進電機驅動也可以用直流或交流伺服電機驅動。數控車床進給系統機械部分的計算，例如，脈沖當量，切削力和滾珠，絲桿削等等一些物理量的計算，還有應該對車床數控系統的硬件分析和設計，比如說：數控系統的總體設計及其一些擴展，存儲和通信的設計，比且還要加以計算，必要時要繪圖分析，數控機床的進給分為橫向進給和縱向進給，本次設計為橫向進給傳動系統設計。通過以上的一些內容完成本次設計課題用微機數控技術改造最大加工直徑為500mm普通車床的橫向進給傳動系統的設計！第二章：數控機床進給傳動系

20、統總體方案2.1進給傳動系統的組成和原理數控機床進給傳動系統的作用：數控機床的進給傳動系統是負責接受數控機床系統發(fā)出的脈沖指令，并經放大和轉換之后驅動機床運動執(zhí)行件來達到預期的運動。為保證數控機床加工精度，所以必須要求進給傳動系統有比較高的傳動精度、高的靈敏度，工作穩(wěn)定、有高的構件剛度及使用壽命、小的摩擦及運動慣量，并能清除傳動間隙。進給傳動系統一般有四種：1步進伺服電機伺服進給系統2直流伺服電機伺服進給系統 3交流伺服電機伺服進給系統4直線電機伺服進給系統伺服進給系統的主要組成部分當中就包括進給系統機械傳動結構，它主要由四大機構組成，傳動機構、運動變換機構、導向機構、執(zhí)行件組成，由于數控機床

21、的進給運動是由數字信號控制的直接對象，被加工的零件的一些參數都是由進給運動控制的！工作原理是數控裝置內的計算機對以數字和字符編碼方式所記錄的信息進行一系列處理后，向機床進給等執(zhí)行機構發(fā)出命令，執(zhí)行機構則按其命令對加工所需各種動作，如刀具相對于工件的運動軌跡、位移量和速度等實現自動控制，從而完成工件的加工。2.2進給系統傳動部件：對于數控機床加工零件，就必須要求其零部件有較好的性能，比如說部件的剛度，運動副之間的摩擦，傳動間隙，等等。一般的數控進給系統主要部件有：1、滾珠絲杠螺母副，圖2-1數控加工時，需將旋轉運動轉變成直線運動，故采用絲杠螺母傳動機構。2、回轉工作臺，每一臺數控機床都有其工藝范

22、圍，為了擴大數控機床的工藝范圍，數控機床除了沿X、Y、Z三個坐標軸作直線進給外,往往還需要有繞Y或Z軸的圓周進給運動。數控機床的圓周進給運動一般由回轉工作臺來實現，對于加工中心,回轉工作臺已成為一個不可缺少的部件。 數控機床中常用的回轉工作臺有分度工作臺和數控回轉工作臺。    （1）分度工作臺     分度工作臺只能完成分度運動,不能實現圓周進給，它是按照數控系統的指令，在需要分度時將工作臺連同工件回轉一定的角度。分度時也可以采用手動分度。分度工作臺一般只能回轉規(guī)定的角度(如90、60和45度等)。    （2）數控回轉工

23、作臺    數控回轉工作臺外觀上與分度工作臺相似，但內部結構和功用大不相同。數控回轉工作臺的主要作用是根據數控裝置發(fā)出的指令脈沖信號，完成圓周進給運動，進行各種圓弧加工或曲面加工，它也可以進行分度工作。  3、導軌，導軌是進給傳動系統的重要環(huán)節(jié)，是機床基本結構的要素之一，它在很大程度上決定數控機床的剛度、精度與精度保持性。目前，數控機床上的導軌形式主要有滑動導軌、滾動導軌和液體靜壓導軌等。安全防護，改造效果必須以安全為前提。在機床改造中要根據實際情況采取相應的措施，切不可忽視。滾珠絲杠副是精密元件，工作時要嚴防灰塵特別是切屑及硬砂粒進入滾道。在縱向絲杠上

24、也可加整體鐵板防護罩。大拖板與滑動導軌接觸的兩端面要密封好，絕對防止硬質顆粒狀的異物進入滑動面損傷導軌。2.3進給傳動伺服系統的選擇：一般數控機床的伺服系統可分為開環(huán)控制系統，半閉環(huán)控制系統。伺服系統的作用是將機械運動的驅動設備，電動機作為控制對象，將數控控制器為核心，利用電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構，在自動控制理論的指導下組成的電氣傳動自動控制系統。這類系統控制電動機的轉矩、轉速和轉角，將電能轉換為機械能，實現運動機械的運動要求。具體在數控機床中，伺服系統接收數控系統發(fā)出的位移、速度指令，經變換、放調與整大后，由電動機和機械傳動機構驅動機床坐標軸、主軸等，帶動工作臺及刀架，通過軸的聯動使刀

25、具相對工件產生各種復雜的機械運動，從而加工出用戶所要求的復雜形狀的工件。伺服系統可分為開環(huán)控制系統，半閉環(huán)控制系統。開環(huán)控制系統中，沒有檢測反饋裝置，數控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統的性能。開環(huán)伺服系統主要是由步進電機驅動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反映迅速，調試和維修比較簡單。目前經濟型數控機床普通采用開環(huán)伺服系統。半閉環(huán)控制系統中，對工作臺的實際位置不進行檢查測量，而是通過與伺服電機有聯系的測量元件，如測速發(fā)電機或光電編碼盤等間接測出伺服電機的轉角，推算出工作臺的實際位置量，用此

26、值與指令植進行比較，用差值來實現控制。這種控制方式介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調試卻比比環(huán)方便。閉環(huán)控制系統有機床移動部件上的檢測反饋裝置，在加工時刻檢測機床移動部件的位置，使之和數控裝置所要求的位置想符合，以期達到很高的加工精度。閉環(huán)系統多采用直流伺服電機或交流電機驅動。這類機床的優(yōu)點是精度高，速度快，但是調試個維修比較復雜，其關鍵是系統的穩(wěn)定性，所以在設計是必須對穩(wěn)定性給予足夠的重視。2.4系統設計要求：本次設計要求是設計最大加工直徑為500毫米普通車床橫向進給進給傳動系統。采用8051單片微機控制系統，步進電機驅動，開環(huán)控制。要求設計后的車床及數控系統具有以下功能：(1).縱、橫

27、向直線，圓弧插補；(2).螺紋切削(3).刀架自動回轉換刀(4).使用軟件自動變速驅動步進電機(5).實現現場輸入、修改程序數據(6).回零、連續(xù)、暫停運行方式設置(7).編輯、空運行、自動、手動、回零工作方式選擇(8).掉電保護、越位報警、急停、復位等輔助功能1.機床總體尺寸參數的選定根據設計要求并參考實際情況，初步選定機床主要參數如下：最大加工直徑(mm）： 在床身上：500 在床鞍上：260最大加工長度(mm)： 750-1000溜板及刀架重量(N)： 縱向：1100 橫向：550刀架快移速度(m/min)： 縱向：2 橫向：1最大進給速度(m/min)： 縱向：0.6 橫向：0.3最小

28、分辨率(mm): 縱向：0.01 橫向：0.005定位精度(mm)： 0.025主電機功率(KW)： 5.5起動加速時間(ms)： 30設計要求1) 坐標的進給伺服系統既可采用步進電機驅動也可用直流或交流伺服電機驅動。2) 所繪制的機械裝配圖要求正確、合理、圖面整潔、符合標準。3) 說明書應簡明扼要、計算準確、條理清楚、圖文并茂并全部用計算機打印后裝訂成冊。2.5方案設計內容：總體方案設計內容數控改造，必須首先擬定總體方案，繪制系統總統框圖，才能覺得各種設計參數和結構，然后再分別對機械部分和電氣部分進行計算。（一）系統運動方案的確定數控系統按運動方式可分為定位控制系統、點位直線控制系統和連續(xù)控

29、制系統。1控制方式選擇伺服系統可分為開環(huán)控制系統，半閉環(huán)控制系統。開環(huán)控制系統中，沒有檢測反饋裝置，數控裝置發(fā)出的信號的流程是單向的，也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不做檢測，所以機床加工精度要求不太高，其精度主要取決于伺服系統的性能。開環(huán)伺服系統主要是由步進電機驅動。這類機床工作比較穩(wěn)定，反映迅速，調試和維修比較簡單。目前經濟型數控機床普通采用開環(huán)伺服系統。半閉環(huán)控制系統中，對工作臺的實際位置不進行檢查測量，而是通過與伺服電機有聯系的測量元件，如測速發(fā)電機或光電編碼盤等間接測出伺服電機的轉角，推算出工作臺的實際位置量，用此值與指令植進行比較，用差值來實現控制。這種控制方式

30、介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調試卻比比環(huán)方便。閉環(huán)控制系統有機床移動部件上的檢測反饋裝置，在加工時刻檢測機床移動部件的位置，使之和數控裝置所要求的位置想符合，以期達到很高的加工精度。閉環(huán)系統多采用直流伺服電機或交流電機驅動。這類機床的優(yōu)點是精度高，速度快，但是調試個維修比較復雜，其關鍵是系統的穩(wěn)定性，所以在設計是必須對穩(wěn)定性給予足夠的重視。（二）總體方案的確定1系統運動方式與伺服系統的選擇由于改造后的經濟型數控車床具有定位、直線插補、順、逆圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統?？紤]屬于經濟型數控機床加工的精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機

31、開環(huán)控制系統。半閉環(huán)控制系統中，對工作臺的實際位置不進行檢查測量，而是通過與伺服電機有聯系的測量元件，如測速發(fā)電機或光電編碼盤等間接測出伺服電機的轉角，推算出工作臺的實際位置量，用此值與指令植進行比較，用差值來實現控制。這種控制方式介于開環(huán)與閉環(huán)之間，精度沒有閉環(huán)高，調試卻比比環(huán)方便。閉環(huán)控制系統有機床移動部件上的檢測反饋裝置，在加工時刻檢測機床移動部件的位置，使之和數控裝置所要求的位置想符合，以期達到很高的加工精度。閉環(huán)系統多采用直流伺服電機或交流電機驅動。這類機床的優(yōu)點是精度高，速度快，但是調試個維修比較復雜，其關鍵是系統的穩(wěn)定性，所以在設計是必須對穩(wěn)定性給予足夠的重視。（二）總體方案的確

32、定1系統運動方式與伺服系統的選擇：由于改造后的經濟型數控車床具有定位、直線插補、順、逆圓弧插補、暫停、循環(huán)加工、公英制螺紋加工等功能，故應選擇連續(xù)控制系統。考慮屬于經濟型數控機床加工的精度要求不高，為了簡化結構、降低成本，采用步進電機開環(huán)控制系統。2數控系統： 根據機床要求采用8為微機。由于MCS51系列單片機具有集成度高，可靠性好，功能強，速度快?？垢蓴_性強，具有很高的性能價格比等特點，決定采用MCS51系列的8031單片機擴展系統。 控制系統由微機部分、鍵盤和顯示器、I/O接口及發(fā)光隔離電路、步進電機功率放大電路組成，系統的加工程序和控制命令通過鍵盤操作實現，顯示器采用數碼管顯示加工數據及

33、機床狀態(tài)等信息。3機械傳動方式：為了實現 機床所要的分辨率，采用步進電機經齒輪減速傳動絲桿，為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，盡量減少摩擦力，選用滾珠絲桿螺母副。同時，為了提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加負荷的結構。齒輪傳動也要采用消除齒側間隙的結構。系統總體方案框圖見圖11。圖11經濟型數控車床總體方案框圖第三章：機床橫向進給系統機械部分設計計算3.1確定系統脈沖量：進給系統機械部分設計計算內容包括：確定系統負載、確定系統脈沖當量，運動部件慣量計算，空載啟動及切削力矩計算，確定伺服電機，傳動及導向元件的設計、計算及選用，繪制機械部分裝配圖及零件圖等?，F分別如下：主要參數：在床面上 500在床鞍

34、上 260最大加工長度 750-1000溜板及刀架重量 縱向 1100N 橫向 550N 刀架快進速度 縱向 3m/min 橫向 1.5 m/min最大進給速度 縱向 0.8 m/min 橫向 0.4 m/min主電機功率 7.5KW起動加速時間 30ms機床定位精度 0.025最小分辨率 縱向 0.01mm 橫向 0.005mm脈沖當量是衡量數控機床加工精度的一個技術參數。經濟型數控車床常采用的脈沖當量是0.010.005mm/step。已知條件：工作臺重（根據圖紙粗略計算） W=30kgf=300N時間常數 T=25ms滾珠絲杠基本導程 L=4mm左旋行程 S=230mm脈沖當量 =0.0

35、05mm/step步距角 =0.75 °/step快速進給速度 max=1mm/min3.2切削力計算：切削力，是指在切屑過程中產生的作用在工件和刀具上的大小相等、方向相反的切削力。通俗的講：在切削加工時，工件材料抵抗刀具切削時產生的阻力，切削力有三個垂直的分力：切削力， 背向力、進給力。1 Z坐標3473N 其中 V=90100，取V=95，（0.70.8）=（0.70.8）×3=2.12.55 KW, 取5.5 KW0.51736N0.62083N3.3滾珠絲桿螺母副的計算和選型 (一)縱（Z）向進給絲桿1 計算進給軸向力（N）2728.08 N其中，K=1.15（三角

36、形導軌），f=0.16，W=1100 N2 計算最大負載QQ17115.88NL= 90 n= 100 其中 壽命T=15000h，導程=8，=0.8，運轉系數=1.43 滾珠絲桿螺母副的選型 查表：可采用3508外循環(huán)螺紋調整預緊的雙螺母滾珠絲桿副，1列2.5圈，其額定動載荷為2000N，精度等級按表212選為1級。4 傳動效率計算 0.963其中，螺旋升角=，摩擦角5 剛度驗算先畫出縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖，最大軸向力為1524.2N。支承間距L=950，絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。如圖(1)絲杠的拉伸或壓縮變形量材料彈性模數E=20.610滾珠絲杠截面積A

37、758.283mm絲杠導程的可變化量 0.780610絲杠上的變形量，由于兩端均采用推力球軸承，則，=L2.31710mm(2)滾珠與螺紋滾道間接觸變形=0.001321.2410mm其中，承載滾珠數量 57.68有預緊時 50.8kgf5剛度驗算 橫向進給絲杠支承方式下圖 所示，最大軸向力為 829.5N，支承間距L=500 mm，因絲桿長度較短，不需要欲緊，螺母與軸承欲緊。計算如下：(1)絲桿的拉伸或壓縮變型量1（mm）5.75510mm其中 ，F=829.5N，do=20mm, A=223.88(2) 滾珠與螺紋滾道間接變形2 （mm）=0.0013 1.79110mm 其中，承載滾珠數

38、量 49.44有預緊時， 27.65kgf 所以：8.38410滿足精度要求6穩(wěn)定性校核計算臨界負載： 15828N 式中 E 材料彈性摸量， 鋼：E=20.6X10N/cmI截面慣性矩（cm）絲桿：為絲杠內徑16.888cm；L 絲杠兩支承距320（cm）;fz -絲杠支承方式系數，從表中查出 一端固定，一端簡支；fz =2.00=19.29 (一般=2.54)此絲杠不會產生失穩(wěn)。（三）縱向及橫向滾珠絲杠幾何參數W1L3508及W1L2506滾珠絲杠幾何參數名 稱符號W1L3508W1L2005螺紋滾道公稱直徑3520導程85接觸角鋼球直徑4.7633.175滾道法面半徑 R=0.522.4

39、771.601偏心距0.0680.045螺紋升角螺杠螺杠外徑3419.1螺杠內徑30.18216.788螺杠接觸直徑25.434617.0255螺母螺母螺紋直徑39.81818.221螺母內徑36213.4齒輪進給齒輪箱傳動比計算1縱向進給齒輪箱傳動比計算 傳動比 0.75其中，脈沖當量=0.01，滾珠絲杠導程=8mm，初選步距角=0.6可選定齒輪齒數為，模數取m=22橫向進給齒輪箱傳動比計算 傳動比 0.75其中，脈沖當量=0.005，滾珠絲杠導程=5mm，初選步距角=0.6采用兩級齒輪降速，可選定齒輪齒數為，模數取m=2。傳動齒輪幾何參數齒數273620253040分度圓547240506

40、080齒頂圓587644546484齒根圓496735455575齒寬（610）m2020中心距6345703.5縱向進給步進電機計算1等效轉動慣量計算傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量 9.856 式中 2.021 6.39 9.481 初選混合式步進電機BS86HB3L103-05，其轉子轉動慣量2電機力矩的計算（1）快速空載起動力矩在快速空載起動階段，加速例句所占的比例較大 333.33r/min，=25ms 137.5N cm折算到電機軸上的摩擦力矩35.40N cm附加摩擦力矩 13.18 N cm上述三項合計 184.68N cm(2) 快速移動時所需力矩 47.18N cm(3

41、) 最大切削載時所需力矩 119.5N cm從上面計算可以看出，在三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選電機的依據。查得，當步進電機為三相六拍時，=0.866 得到 最大靜力矩=184.68/0.866=213.26 N cm 按此最大靜轉矩從下表查出，BS86HB3L103-02 型最大靜轉矩大于2.545 N .m。大于所需最大靜轉矩，可作初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行起動矩頻。3計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率3.6步進電機的計算與選型：步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步

42、距角增量 步進電機是一種能將數字輸入脈沖轉換成旋轉或直線增量運動的電磁執(zhí)行元件。每輸入一個脈沖電機轉軸步進一個步距角增量。電機總的回轉角與輸入脈沖數成正比例，相應的轉速取決于輸入脈沖頻率。 步進電機是機電一體化產品中關鍵部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。步進電機慣量低、定位精度高、無累積誤差、控制簡單等特點。廣泛應用于機電一體化產品中，如：數控機床、包裝機械、計算機外圍設備、復印機、傳真機等。 選擇步進電機時，首先要保證步進電機的輸出功率大于負載所需的功率。而在選用功率步進電機時，首先要計算機械系統的負載轉矩，電機的矩頻特性能滿足機械負載并有一定的余量保證其運行可靠。在實際工作過程中，各

43、種頻率下的負載力矩必須在矩頻特性曲線的范圍內。一般地說最大靜力矩Mjmax大的電機，負載力矩大。 選擇步進電機時，應使步距角和機械系統匹配，這樣可以得到機床所需的脈沖當量。在機械傳動過程中為了使得有更小的脈沖當量，一是可以改變絲桿的導程，二是可以通過步進電機的細分驅動來完成。但細分只能改變其分辨率，不改變其精度。精度是由電機的固有特性所決定。 選擇功率步進電機時，應當估算機械負載的負載慣量和機床要求的啟動頻率，使之與步進電機的慣性頻率特性相匹配還有一定的余量，使之最高速連續(xù)工作頻率能滿足機床快速移動的需要。 選擇步進電機需要進行以下計算： （1）計算齒輪的減速比 根據所要求脈沖當量，齒輪減速比

44、i計算如下: i=(.S)/(360.) (1-1) 式中 -步進電機的步距角（o/脈沖） S -絲桿螺距（mm) -(mm/脈沖） （2）計算工作臺，絲桿以及齒輪折算至電機軸上的慣量Jt。 Jt=J1+（1/i2)(J2+Js）+W/g（S/2)2 （1-2） 式中Jt -折算至電機軸上的慣量(Kg.cm.s2) J1、J2 -齒輪慣量(Kg.cm.s2) Js -絲桿慣量(Kg.cm.s2) W-工作臺重量（N） S -絲桿螺距（cm） （3）計算電機輸出的總力矩M M=Ma+Mf+Mt （1-3） Ma=（Jm+Jt).n/T×1.02×102 （1-4） 式中Ma

45、-電機啟動加速力矩（N.m) Jm、Jt-電機自身慣量與負載慣量(Kg.cm.s2) n-電機所需達到的轉速（r/min） T-電機升速時間（s） Mf=(u.W.s)/(2i)×102 （1-5） Mf-導軌摩擦折算至電機的轉矩（N.m) u-摩擦系數 -傳遞效率 Mt=(Pt.s)/(2i)×102 （1-6） Mt-切削力折算至電機力矩（N.m) Pt-最大切削力（N） （4）負載起動頻率估算。數控系統控制電機的啟動頻率與負載轉矩和慣量有很大關系，其估算公式為 fq=fq0(1-(Mf+Mt)/Ml）÷(1+Jt/Jm) 1/2 （1-7） 式中fq-帶載起

46、動頻率（Hz） fq0-空載起動頻率 Ml-起動頻率下由矩頻特性決定的電機輸出力矩（N.m) 若負載參數無法精確確定,則可按fq=1/2fq0進行估算. （5）運行的最高頻率與升速時間的計算。由于電機的輸出力矩隨著頻率的升高而下降，因此在最高頻率 時，由矩頻特性的輸出力矩應能驅動負載，并留有足夠的余量。 （6）負載力矩和最大靜力矩Mmax。負載力矩可按式（1-5）和式（1-6）計算，電機在最大進給速度時，由矩頻特性決定的電機輸出力矩要大于Mf與Mt之和，并留有余量。一般來說，Mf與Mt之和應小于（0.2 0.4)Mmax. 第四章 微機數控機床硬件系統的分析和設計4.1微型計算機的選擇：確定微

47、機機型就是選擇CPU。單片機價格低、可靠性較高，適用于控制，選擇單片機做控制器比較合適。根據總體方案的確定，微機采用MCS-51系列單片機。51系列有三種型號：8031是無ROM的8051；8751是用EPROM代替ROM的8051。目前， 8051單片機成為當前8位單片機的典型代表。本設計就采用8051單片機作為數控系統的中央處理機。8051單片機是美國Intel公司的產品MCS51系列單片機的一個型號，是目前性能較高的8位單片微型計算機。MCS-51的信號引腳MCS-51是標準的40引腳雙列直插式集成電路芯片，引腳排列請見圖4-1。 1) 信號引腳介紹 P0.0 P0.7： P0口8位雙向

48、口線。 P1.0 P1.7 ：P1口8位雙向口線。 P2.0 P2.7 ：P2口8位雙向口線。 P3.0 P3.7 ：P3口8位雙向口線。圖4-1ALE：地址鎖存控制信號。在系統擴展時，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來，以實現低位地址和數據的隔離。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時鐘或外部定時脈沖使用。：外部程序存儲器讀選通信號。在讀外部ROM時，有效（低電平），以實現外部ROM單元的讀操作。：訪問程序存儲控制信號。當信號為低電平時，對ROM的讀操作限定在外部程序存儲器；當信號為高電平時，對ROM的讀操作是從內部程序存儲器開始，并可延至外部程

49、序存儲器。RST：復位信號。當輸入的復位信號延續(xù)兩個機器周期以上的高電平時即為有效，用以完成單片機的復位初始化操作。XTAL1和XTAL2：外接晶體引線端。當使用芯片內部時鐘時，此二引線端用于外接石英晶體和微調電容；當使用外部時鐘時，用于接外部時鐘脈沖信號。VSS：地線。VCC：+5 V電源。以上是MCS-51單片機芯片40條引腳的定義及簡單功能說明，讀者可以對照實訓電路找到相應引腳，在電路中查看每個引腳的連接使用。2) 信號引腳的第二功能由于工藝及標準化等原因，芯片的引腳數目是有限制的。例如，MCS-51系列把芯片引腳數目限定為40條，但單片機為實現其功能所需要的信號數目卻遠遠超過此數，因此

50、就出現了需要與可能的矛盾。如何解決這個矛盾？“兼職”是惟一可行的辦法，即給一些信號引腳賦以雙重功能。如果把前述的信號定義為引腳第一功能的話，則根據需要再定義的信號就是它的第二功能。下面介紹一些信號引腳的第二功能。(1) P3口線的第二功能。P3的8條口線都定義有第二功能，詳見下表。P3口引腳特殊功能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2（外部中斷0）P3.3（外部中斷1）P3.4T0（定時器0外部輸入）P3.5T1（定時器1外部輸入）圖4-2 P3口特殊功能 8051單片機的基本組成：8051單片機的基本組成請參見圖4-1.1。下面介紹各部分的基本情況。1) 中央處理

51、器（CPU）中央處理器是單片機的核心，完成運算和控制功能。MCS-51的CPU能處理8位二進制數或代碼。2) 內部數據存儲器（內部RAM）8051芯片中共有256個RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數據。因此通常所說的內部數據存儲器就是指前128單元，簡稱內部RAM。圖4-38051 單片機結構框圖3) 內部程序存儲器（內部ROM）8051共有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數據或表格，因此，稱之為程序存儲器，簡稱內部ROM。4) 定時/計數器 8051共有兩個16位的定時/計數器，以實現定時或計數功能，并以其定時或

52、計數結果對計算機進行控制。 5) 并行I/O口 MCS-51共有4個8位的I/O口（P0、P1、P2、P3），以實現數據的并行輸入/輸出。在實訓中我們已經使用了P1口，通過P1口連接8個發(fā)光二極管。6) 串行口MCS-51單片機有一個全雙工的串行口，以實現單片機和其它設備之間的串行數據傳送。該串行口功能較強，既可作為全雙工異步通信收發(fā)器使用，也可作為同步移位器使用。 7) 中斷控制系統 MCS-51單片機的中斷功能較強，以滿足控制應用的需要。8051共有5個中斷源，即外中斷兩個，定時/計數中斷兩個，串行中斷一個。全部中斷分為高級和低級共兩個優(yōu)先級別。 8) 時鐘電路 MCS-51芯片的內部有時

53、鐘電路，但石英晶體和微調電容需外接。時鐘電路為單片機產生時鐘脈沖序列。系統允許的晶振頻率一般為6 MHz和12 MHz。從上述內容可以看出，MCS-51雖然是一個單片機芯片，但作為計算機應該具有的基本部件它都包括，因此，實際上它已是一個簡單的微型計算機系統了。4.2 擴展存儲器的選擇：8051單片機內有256個RAM單元，但其中后128單元被專用寄存器占用，能作為寄存器供用戶使用的只是前128單元，用于存放可讀寫的數據。及有4 KB掩膜ROM，用于存放程序、原始數據或表格。機床數控系統需要的程序存儲器和數據存儲器的容量都較大，必須外接程序存儲器（EPROM）和數據存儲器（RAM）芯片。A程序存

54、儲器的擴展a選用27128芯片常用的EPROM存儲器有2716，2732，2764，27128，27256等，容量分別為2K、4K、8K、16K，32K。由于車床數控系統包括系統控制程序和加工程序，采用16KB×8的27128芯片，可與單片機所選的12MHz時鐘相匹配。27128EPROM芯片是一個有28根引腳的雙列直插式集成元件。該芯片共有14根地址線A0A13，8根數據線D0D7，其余的為控制線。27128低八位地址線和74LS373的輸出端連接,高六位地址線直接與8051的P2.0P2.5連接。它的八位數據線直接與8051的P0口連接。ROM的尋址范圍為0000H3FFFH，并且采用譯碼器，使地址范圍無重疊區(qū)。b地址鎖存器74LS373單片機規(guī)定P0口提供低8位地址線，同時又要作為數據線，所以P0是一個分時輸出低8位地址和數據的通道口。為了把地址信息分離出來保存，提供外接存儲器的低8位地址信息，通常采用74LS373作為地址鎖存器。除74LS373外，74LS273、8282、8212等芯片也可用作地址鎖存器，使用