数控铣床进给系统结构设计

数控铣床进给系统结构设计【摘要】在国际贸易中，很多发达国家把数控机床视为具有高技术附加值、高利润主要电机出口产品。世界贸易强国在进行国内机电产品贸易的同时，把高技术的机电产品出口打入国际市场，作为发展出口经济的重要战略措施，数控机床的技术水平高低及其在金属切削加工机床产量和总拥有量的百分比是衡量一个国家国民经济发展和工业制造整体水平的重要标志之一。数控铣床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置。【关键词】数控机床；发展趋势；智能化；柔性化ABSTRACTIninternationaltrade,manycenturiesviewdigitallathesareashi-techvalue-addsandprofitableexports.Digitallathesareexpensivemechanicalandelectricalproducts.Thepowerfultradenationsexporthi-texhmechanicalsndelectricalproductstotheworldmarketwhiledoingsuchbusinessathome,Whichisnowanimportantstrategyofdevelop-ingtheirexporteconomy.Keywordsdigitallathe;developmenttendency;intelligence;tenderness目录1主运动系统设计.31.1传动系统设计.41.1.1参数的拟定：.41.1.2传动结构或结构网的选择.41.1.3转速图拟定.51.1.4齿轮齿数的确定及传动系统图的绘制.81.2传动件的估算与验算.111.2.1、传动轴的估算和验算.111.2.2、齿轮模数的估算与验算.131.3展开图设计.171.3.1、结构实际的内容及技术要求.171.3.2、齿轮块的设计.181.3.3、传动轴设计.201.3.4主轴组件设计.221.制动器设计.262进给系统的设计与计算.262.1设计方案的确定.262.2机械部分设计与计算.262.2.1纵向进给系统的设计与计算.262.2.2横向进给系统的设计与计算.332.2.3垂直方向进给系统的设计与计算.393控制系统设计.463.1绘制控制系统结构框图.463.2.选择中央处理单元（CPU）的类型.463.3存储器扩展电路设计.473.3.1.程序存储器的扩展.473.3.2、数据存储器的扩展.483.I/O接口电路及辅助电路设计.483.4.1.I/O接口电路设计.483.4.2.步进电机接口及驱动电路.483.4.3.其他辅助电路.49参考文献.50致谢.51附录.52引言装备制造业是国民经济的基础支柱产业，而机械装备制造业又是其中的基础，其为制造工具提供了来源，因此改善生产效率，提高产品的质量就要从基础根源抓起，其中铣刀在其中就扮演重要的角色，因此研究铣刀就是一个重要环节。在机械加工中，金属铣削刀具的几何参数的合理选择及搞质量的刃磨，直接影响到机械加工的质量，数控铣床通常对进给系统的要求有三点，即传动精度，系统的稳定性和动态响应特性(灵敏度)。传动精度包括动态误差，稳态误差和静态误差，即伺服系统的输入量与驱动装置实际位移量的精确程度。系统的稳定性是指系统在启动状态或外界干扰作用下，经过几次衰减震荡后，能迅速地在新的或原来的平衡状态的能力。动态响应特性是指系统的响应及驱动装置的加速能力。为确保数控铣床进给系统的传动精度，系统的稳定性和动态响应性，对进给驱动装置机械结构的总要求是消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高部件精度和刚度，为了达到上述要求，本次毕业设计就是为改善上述性能，对数控铣床的进给系统的传动结构设计，为了提高生产效率，掌握数控铣床进给系统和传动系统，同时掌握之后再对系统传动结构进行设计，我国机床工业已经取得了很大的成就，但与世界先进水平相比，还有较大的差距。主要表现在：大部分高精度和超精密机床的性能还不能满足要求，精度保持性也较差，特别是高效自动化和数控化机床的产量、技术水平和质量等方面都明显落后。而我国目前只能做到5-6轴联动，分辨率为1。国内产品的质量与可靠性也不够稳定，特别是先进数控系统的开发和研制还需要作进一步的努力。机床基础理论和应用技术的研究明显落后。人员技术素质还跟不上现代机床技术飞速发展的需要。因此，我国机床工业面临着光荣而艰巨的任务，必须奋发图强，努力工作，不断扩大技术队伍和提高人员的技术素质，学习和引进国外的先进技术，大力开展科学研究，以便早日赶上世界先进水平。1主运动系统设计1.1传动系统设计1.1.1参数的拟定：选定公比，确定各级传送机床常用的公比为1.26或1.41，考虑适当减少相对速度损失，这里取公比为=1.26，根据给出的条件：主运动部分Z=18级，根据标准数列表，确定各级转速为：（30，37.5，47.5，60，75，95，118，150，190，235，300，375，475，600，750，950，1180，1500R/min）.1.1.2传动结构或结构网的选择1，确定变数组数目和各变数组中传动副的数目该机床的变数范围较大，必须经过较长的传动链减速才能把电机的转速降到主轴所需的转速。级数为Z的传动系统由若干个传动副组成，各传动组分别有.1z2.个传动副，即Z=。传动副数由于结构的限制，通常采用3z123zP=2或3，即变速Z应为2或3的因子：Z=xa2b因此，这里18=3x3x2，共需三个变速组。2，传动组传动顺序的安排18级转速传动系统的传动组，可以排成：3x3x2，或3x2x3。选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速率的具体结构，装置和性能。I轴如果安置制动的电磁离和器时，为减少轴向尺寸。第一传动组的传动副数不能多，以2为宜，有时甚至用一个定比传动副；主轴对加工精度，表面粗糙度的影响很大，因此主轴上齿轮少些为好，最后一个传动组的传动副选用2，或一个定比传动副。这里，根据前多后少的原则，选择18=3x3x2方案。3，传动系统的扩大顺序安排对于18=3x3x2的传动，有3！=6种可能安排，亦即有6种机构副和对应的结构网，传动方案中，扩大顺序与传动顺序可以一致，结构式18=xx的传动中，扩大顺1392序与传动顺序一致，称为顺序扩大传动，而，18=xx的传动顺序不一致，根据39“前密后疏”的原则，选择18=xx的结构式。13924验算变速组的变速范围齿轮的最小传动1/4，最大传动比2，决定了一个传动组的最大变速范minUmaxU围=/maxYin因此，可按下表，确定传动方案：根据传动比及指数x,的值x公比极限值传动比指数1.26x值:=1/=1/4minUx6值:=2ax3（x+）值：=8minrx9因此，可选择18=xx的传动方案。13925、最后扩大传动组的选择：正常连续顺序扩大传动（串联式）的传动式为：Z=*1z21z32最后扩大传动组的变速范围为：r=123()z(/2)z按原则，导出系统的最大收效Z和变速范围为：8r3z231.26Z=18R=50Z=12R=12.7因此，传动方案18=3*3*2符合上述条件，其结构网如下图2.1：图1.1结构网图1.1.3转速图拟定运动参数确定后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定电机功率。在此基础上，选择电机的型号，分配个变速组的最小传动比；拟定转速图，确定各中间轴的转速。1，主电机的选择中型机床上，一般都采用交流异步电动机为动力源，可在下列中选用，在选择电机型号时，应注意：（1）电机的N：根据机床切削能力的要求确定电机功率，但电机产品的功率已标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。（2）电机的转速dn异步电动机的转速有：3000，1500，1000，750，r/min,这取决于电动机的极对数P=60f/p=60x50/p(r/min)d机床中最常用的是1500r/min和3000r/min两种，选用是要使电机转速与主轴最高速度和工轴转速相近为宜，以免采用过大或过小的降速传动。maxn根据以上要求，我们选择功率为7.5KW，转速为1500r/min的电机，查表，其型号为Y132M-4，其主要性能如下表电机型号额定功率KW荷载转速r/min同步转速r/minY132M-47.5KW144015002、分配最小传动比，拟定转速图（1）轴的转速：轴从电机得到运动，经传动系统转化为主轴各级转速，电机转速和主轴最小转速应相近，显然，从动件在高速运转下功率工作时所受扭矩最小来考虑，轴转速不宜将电机转速降得太低。弱轴上装有离合器等零件时，高速下摩檫损耗，发热都将成为突出矛盾，因此，轴转速也不宜也太高，轴转速一般取7001000r/min左右较合适。因此，使中间变速组降速缓慢。以减少结构的径向尺寸，在电机轴I到主传动系统前端轴增加一对26/54的降速齿轮副，这样，也有利于变型机床的设计，改变降速齿轮传动副的传动比，就可以将主轴18级转速一起提高或降低。（2）中间轴的转速对于中间传动轴的转速的考虑原则是：妥善解决结构尺寸大小和噪音，振动等性能要求之间的矛盾。中间传动轴转速较高时，中间传动轴和齿轮承受扭矩小，可以使轴径和齿轮模数小些：d,m从而可使结构紧凑。但这样引起空载功率和噪音加大：4M3pL=1/(3.5+cn)KWN空610nda主式中：C系数，两支承滚动轴承和滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；所有中间轴轴径的平均值；da主轴前后轴径的平均值主中间传动轴的转速之和nn主轴转速（r/min）=20lg-KpL610lg()4.5(1tan)(ancmzqmz主主式中：（所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm;()amz主轴上齿轮分度圆直径的平均值mm;主q传到主轴上所经过的齿轮对数主轴齿轮螺旋角,K系数，根据机床类型及制造水平选取，我国中型车床，铣床=3.5，1c1c铣床K=50.5从上述经验公式可知，主轴n和中间传动轴的转速和对机床噪音和发热的关系，确定中间轴转速时，应结合实际情况做相应的修正。a，对高速轻载或精密机床，中间轴转速宜取低些b,控制齿轮圆周速度v取=90mm,后轴颈1mD852平均轴颈取d=27mm.58721mD2),主轴内孔直径d的确定主轴内孔主要用于通过棒料夹紧刀具或工件的控杆,冷却管等,大型,重型机床的空心主轴还可以减轻重量.确定孔径d的原则是在满足对空心主轴孔径的要求和最小壁厚要求以及不削弱主轴刚度的要求下尽量去大些。由材料力学知,轴刚度K与抗弯截面惯性矩I成正比,与直径之间有下列关系:41()KIdD空空实实由上式可知,当时,空心主轴的刚度与实心主轴的刚度相差甚小,/0.56dDK空K实即内孔对主轴刚度降低的影响很小,当时,刚度降低约25%.因此,为了不至/0.7d于过分地削弱主轴刚度,一般应使另外,还应考虑主轴的颈外壁厚是否足够./推荐:铣床,d=拉杆直径+(5-10)mm.根据铣床XK5040的主参数,取d=29mm.则22。满足要求./27/903d3),主轴悬伸量a的确定主轴悬伸量a是指主轴前端大炮前支承径向反力作用中点(一般为前径向支承中点)的距离,它主要取决于主轴端部结构型式和尺寸(大多都有轴端标准),前支承的轴承配置和密封装置等.有的还与机床其它结构参数有关,如工作台的行程等.因此主要由结构设计确定。参考同类机床和,取则悬伸量a=63mm。1/0.7,aD4),主轴跨距的确定l根据,计算前支承刚度.1.41.45707092/AKDNm计算综合变量=3AEIKa此处取弹性横量.(钢的)5210EMPa5210MP主轴的截面惯性距4464()(97)3.9166IDdm则有：563210.2.59.由主轴跨距计算线图,得:，所以.0/48la04l合理跨距范围为:，(.75.)6.ll0合理之间为提高刚度,应尽量缩短主轴外延伸长度a,选择适当的跨距,一般推荐l取/a=3-5。跨距小时,轴承变形对轴端变形影响大,所以轴承刚度小时,/a取大值,lll轴承刚性差时,则取小值。这里取=4a=463=252(mm).l7.主轴部件的密封根据主轴转速,主轴轴承的润滑方式,工作温度,工作状况和轴端结构特点来选择密封装置的型式立式铣床的主轴是垂直安装的.属立式主轴,可选用曲路密封(迷宫式密封),这装置密封,垫圈和曲路相结合的密封.垫圈甩开油液使其集中于端盖中引回,曲路密封还可以防止外界杂质侵入.1.制动器设计对制动器的要求是:制动迅速,平稳,结构简单,紧凑,维修调整方便等.制动方式有两类:电机制动和机械制动。在数控铣床上，通常根据刀具与工艺要求需进行主轴转速的变换及制动，这制动装置常用离合器来实现，而电磁离合器是应用电磁效应接通或切断运动的元件。由于它便于实现自动操作，并有现成的系列产品可供选择，因而它已成为自动装置中常用的元件。这里我们采用机械制动,采用电磁离合器制动。按照要求，根据电磁离合器所能传递的静扭矩和动扭矩选择各类电磁离合jMd器的规格，型号，从而确定其尺寸。2进给系统的设计与计算2.1设计方案的确定利用微机对纵横垂直进给系统进行半闭环控制，脉冲当量都为0.01mm/脉冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝杠副。采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲，经一级齿轮减速滚珠丝杠转动，从而实现纵向、横向、垂直进给运动。2.2机械部分设计与计算2.2.1纵向进给系统的设计与计算1纵向进给系统的设计采用半闭环机床进给系统，步进电机经一级减速齿轮传动副，滚珠丝杆拖动工作台。传感器与电机轴相联，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置，传感器采用脉冲编码器。2纵向进给系统的设计计算工作台重量：W=499.2Kgf=4992N(根据图纸粗略计算)时间常数：T=25ms滚珠丝杠基本导程：Lo=6mm行程：S=900mm步距角：/step075.快速进给速度：500mm/min1maxV（1）切削力计算由机床设计手册可知，切削功率2.1KNC式中：N-电机功率，查机床说明书，N=7.5KW；-主传动系统总效率，一般为0.70.85取=0.7；K-进给系统功率系数，取为K=0.96。则有：Nc=7.50.70.96=5.04kw切向铣削力：F=10N2.2ZVNc3式中：V-主轴传递全部功率时的最底切削速度（m/s）则有：V=D95/60000=1.7m/s=102m/min2.3F=2964（N）Z10264.5进给工作台工作载荷计算从数控铣床中表2-1可得知，在一般立式铣削时，工作台纵向进给方向载荷：F=1.0Fz=5294N2.4L工作台横向进给方向载荷：F=0.4Fz=0.42964=1185N2.5C工作台横向进给方向载荷：F=0.2Fz=0.22964=592N2.6V（2)滚珠丝杠设计计算：由数控技术可知，采用燕尾导轨，导轨铣床丝杠的轴向力：采用燕尾导轨2.7)2(GFfKFCVLm式中K=1.4=0.2f则有：NFm5739)4218259(.02964.11）强度计算：寿命值：2.8610LnT2.90vn-为丝杆转速（r/min）v-为最大切削力下的进给速度（m/min）,取最高进给速度的1/3T-额定寿命，查表得T=15000h-滚珠丝杆导程，取=6mm0L0L则有：v=min/5.013r/min836nL7.410最大动负载C查表得：运转状态系数则5.mfC2.10NFfLm284739.433根据最大动负荷C的值，可选则滚珠丝杠的型号。查表2-5得，选取滚珠丝杠直径为50mm，型号为ND5006，其额定载荷为29350N，所以强度足够。2）效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为：2.11)(tg式中：-为丝杆螺旋升角，查得：253-为摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于10则有：953.0)123(tg3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载F引起的导程的变化量m丝杆的拉压变形量12.12EAL0式中：mm=0.6cm;60LE-为材料弹性模量，对钢aMP4106.2A-为滚珠丝杠截面积=6.152.1314.3)280.()(2dA则有：cm6261109.74.3)801.(.20579滚珠与螺纹滚道间的接触变形量有预紧：2.14)(013.22mZFDYJW式中：-为滚珠直径，查表得=3.969mmWWZ圈数列数E2513=75-为预紧力YJF2.15Nm193573则有:3.2cm3275196.0.610则丝杆的总变形量11cm216查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15um/m故刚度足够。4)稳定性验算失稳时的临界载荷kF2.162LEIfFzK式中:E-为丝杆材料弹性模量,对钢aMPE4106.2I-为截面惯性矩,对丝杆圆截面2.17)(641mdI-为丝杆底径,=48mm1d则有：260444648IL-为丝杆最大工作长度,取L=900mm-为丝杆支承方式系数,参考图2-13和表2-7,取=2.0zfzf则有:NFK130628902416.2稳定安全系数：kn2272.1857391628mK所选丝杆稳定安全系数，查表得：kn4k则有，故稳定性不存在问题。kn（3）齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算传动比2.1925.10.3670PLi故取Z1=40Z2=50m=2mmB=20mm0则有2.20mzd80421zd1522.21haa*1ha04*22.22mda9021812)转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量2.232220.549)1.36()(ckgMLJG丝杠的转动惯量2244.81.180.38.78.7cmNckgDJ丝齿轮的转动惯量24.762.10.1JZ93872c电动机转动惯量很少，可以忽略因此，总的转动惯量2.2412)(12ZZGJJiJ丝67.239.85.4.=14.85382.cmNckg所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩2.250Mkfakq式中-空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；aM-折算到电机轴上的摩擦力矩；kf-由于丝杠预金所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；02.26).(10622maxNtnJEka式中：-为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（EJ).2cmkg-为电机最大角加速度（）2srd-为运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（）maxninrt-为运动部件从静止启动加速到最大快进进给速度所需时间（s）,取t=0.025s则有：2.27min31260.51360maxaxriVnbcNMka.394.84空载摩擦力矩：2.28).(20cmNiLGfkf式中：G-运动部件总重力（N）-为导轨摩擦系数，取0.2fi-齿轮传动降速比，i=1.25-传动系统总效率，取=0.8-基本导程，取=0.6cm0L0L则有：).(38952.184.3269cmNMkf附加摩擦力矩：2.29)(2200iLFYG式中：-为滚珠丝杆预加载荷，取的1/3YJmF-为滚珠丝杆预紧是的传动效率，取=0.900则有：NFYJ193573=0Mc.74).0(2.14.2692=194.3+95.38+34.7=324.38N.0kfakq(4)步进电机的选择步进电机的名义启动转矩2.30cmNMkqm.958104.32.0为满足最小步距要求，电机选用五相十拍工作方式，查表知2.31.maxjq所以，步进电机最大静转矩：cmNMmqj.7385291.05.ax步进电机最高工作频率：2.32HzVfb201.60max综合考虑，查表选用130BF001型直流步进电机，能满足使用要求。2.2.2横向进给系统的设计与计算1横向进给系统的设计采用半闭环机床进给系统，步进电机经一级减速齿轮传动副，滚珠丝杆拖动工作台。传感器与电机轴相联，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置，传感器采用脉冲编码器。2横向进给系统的设计计算工作台重量：W=889.2Kgf=8892N(根据图纸粗略计算)时间常数：T=25ms滚珠丝杠基本导程：Lo=6mm行程：S=375mm步距角：/step075.快速进给速度：500mm/min1maxV（1）切削力计算由机床设计手册可知，切削功率KNC式中：N-电机功率，查机床说明书，N=7.5KW；-主传动系统总效率，一般为0.70.85取=0.7；K-进给系统功率系数，取为K=0.96。则有：Nc=7.50.70.96=5.04kw切向铣削力：F=10NZVc3式中：V-主轴传递全部功率时的最底切削速度（m/s）则有：V=D95/60000=1.7m/s=102m/minF=2964（N）Z10264.5进给工作台工作载荷计算从数控铣床中表2-1可得知，在一般立式铣削时，工作台纵向进给方向载荷：F=1.0Fz=5294NL工作台横向进给方向载荷：F=0.4Fz=0.42964=1185NC工作台横向进给方向载荷：F=0.2Fz=0.22964=592NV（2)滚珠丝杠设计计算：由数控技术可知，采用燕尾导轨，导轨铣床丝杠的轴向力：采用矩型导轨)(GFfKFCVLm式中K=1.1=0.15f则有：Nm4860)9218592(5.029641.1）强度计算：寿命值：610LnT0vn-为丝杆转速（r/min）v-为最大切削力下的进给速度（m/min）,取最高进给速度的1/3T-额定寿命，查表得T=15000h-滚珠丝杆导程，取=6mm0L0L则有：v=min/5.013r/min836nL7.41058366最大动负载C查表得：运转状态系数则.mfCNFL24930865.7433根据最大动负荷C的值，可选则滚珠丝杠的型号。查表2-5得，选取滚珠丝杠直径为50mm，型号为ND5006，其额定载荷为29350N，所以强度足够。3）效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为：)(tg式中：-为丝杆螺旋升角，查得：12-为摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于10则有：953.0)12(tg3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载F引起的导程的变化量m丝杆的拉压变形量1EAL01式中：mm=0.6cm;60LE-为材料弹性模量，对钢aMP46.2A-为滚珠丝杠截面积=6.1514.3)280.()(2dA则有：cm6261109.74.3)801.(.204滚珠与螺纹滚道间的接触变形量有预紧：)(013.22mZFDYJW式中：-为滚珠直径，查表得=3.969mmWDZ圈数列数E2513=75-为预紧力YJFNFmYJ193486031则有:2.3mm3275196.01.60则丝杆的总变形量9um21查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15um/m故刚度足够。4)稳定性验算失稳时的临界载荷kF2LEIfzK式中:E-为丝杆材料弹性模量,对钢aMP4106.I-为截面惯性矩,对丝杆圆截面)(1mdI-为丝杆底径,=48mm1d1d则有：260444648IL-为丝杆最大工作长度,取L=375mm-为丝杆支承方式系数,参考图2-13和表2-7,取=2.0zfzf则有:NFK7523943756041.2稳定安全系数：kn1548486029mKk所选丝杆稳定安全系数，查表得：kn4k则有，故稳定性不存在问题。kn（3）齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算传动比25.10.3670PLi故取Z1=40Z2=50m=2mmB=20mm0则有mzd842115haa*1d0422m9812)转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量2220.189)14.36()(ckgMLJG丝杠的转动惯量2244.643.360.8.7218.72cmNckDJ丝齿轮的转动惯量24.172.610.1mNJZ93872c电动机转动惯量很少，可以忽略因此，总的转动惯量12)(12ZZGJJiJ丝7.2639.4.85.=14.68742.cmNckg所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩0Mkfakq式中-空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；kaM-折算到电机轴上的摩擦力矩；f-由于丝杠预金所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；0).(10622maxNtnJEka式中：-为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（EJ).2cmkg-为电机最大角加速度（）2srd-为运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（）maxninrt-为运动部件从静止启动加速到最大快进进给速度所需时间（s）,取t=0.025s则有：min31260.51360maxaxriVnbcNMka.9.4287.14空载摩擦力矩：).(20miLGfkf式中：G-运动部件总重力（N）-为导轨摩擦系数，取0.2fi-齿轮传动降速比，i=1.25-传动系统总效率，取=0.8-基本导程，取=0.6cm0L0L则有：).(431275.814.3269cmNMkf附加摩擦力矩：)(2200iLFYG式中：-为滚珠丝杆预加载荷，取的1/3YJmF-为滚珠丝杆预紧是的传动效率，取=0.900则有：NFYJ1624803=0Mcm.39).(5.91.26=192.2+127.43+29.3=348.93N.0kfakq(4)步进电机的选择步进电机的名义启动转矩cmNMkqm.38724.093.为满足最小步距要求，电机选用五相十拍工作方式，查表知51.maxjq所以，步进电机最大静转矩：cNMmqj.27915.038791.ax步进电机最高工作频率：HzVfb201.60max综合考虑，查表选用130BF001型直流步进电机，能满足使用要求。2.2.3垂直方向进给系统的设计与计算1垂直进给系统的设计采用半闭环机床进给系统，步进电机经一级减速齿轮传动副，滚珠丝杆拖动工作台。传感器与电机轴相联，用来检测电机转角和转速，并把它们转换为电信号反馈给数控装置，传感器采用脉冲编码器。2垂直进给系统的设计计算工作台重量：W=889.2Kgf=8892N(根据图纸粗略计算)时间常数：T=25ms滚珠丝杠基本导程：Lo=12mm行程：S=400mm步距角：/step075.快速进给速度：mm/min60maxV（1）切削力计算由机床设计手册可知，切削功率KNC式中：N-电机功率，查机床说明书，N=7.5KW；-主传动系统总效率，一般为0.70.85取=0.7；K-进给系统功率系数，取为K=0.96。则有：Nc=7.50.70.96=5.04kw切向铣削力：F=10NZVc3式中：V-主轴传递全部功率时的最底切削速度（m/s）则有：V=D95/60000=1.7m/s=102m/minF=2964（N）Z10264.5进给工作台工作载荷计算从数控铣床中表2-1可得知，在一般立式铣削时，工作台纵向进给方向载荷：F=1.0Fz=5294NL工作台横向进给方向载荷：F=0.4Fz=0.42964=1185NC工作台横向进给方向载荷：F=0.2Fz=0.22964=592NV（2)滚珠丝杠设计计算：由数控技术可知，采用燕尾导轨，导轨铣床丝杠的轴向力：采用矩型导轨)()(CLvmFfGKF式中K=1.1=0.15f则有：Nm1054)82964(15.0948.11）强度计算：寿命值：610LnT0vn-为丝杆转速（r/min）v-为最大切削力下的进给速度（m/min）,取最高进给速度的1/3T-额定寿命，查表得T=15000h-滚珠丝杆导程，取=10mm0L0L则有：v=min/2.0631r/minnL18056最大动负载C查表得：运转状态系数则.1mfCNFL5.4315.833根据最大动负荷C的值，可选则滚珠丝杠的型号。查表2-5得，选取滚珠丝杠直径为50mm，型号为ND5012，其额定载荷为50700N，所以强度足够。4）效率计算：根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率为：)(tg式中：-为丝杆螺旋升角，查得：253-为摩擦角，滚珠丝杆副的滚动摩擦系数f=0.0030.004,其摩擦角约等于10则有：953.0)123(tg3）刚度验算：滚珠丝杠受工作负载F引起的导程的变化量m丝杆的拉压变形量1EAL01式中：mm=1cm;10LE-为材料弹性模量，对钢aMPE4106.2A-为滚珠丝杠截面积=6.1514.3)280.()(2dA则有：cm6261109.74.3)801.(.20579滚珠与螺纹滚道间的接触变形量有预紧：)(013.22mZFDYJW式中：-为滚珠直径，查表得=3.969mmWDZ圈数列数E2513=75-为预紧力YJFNFmYJ36841053则有:32756849.01.5.6mm610则丝杆的总变形量12um21查表知E级精度丝杠允许的螺距误差（1m长）为15um/m故刚度足够。4)稳定性验算失稳时的临界载荷kF2LEIfzK式中:E-为丝杆材料弹性模量,对钢aMP4106.I-为截面惯性矩,对丝杆圆截面)(641mdI-为丝杆底径,=48mm1d1d则有：260444648IL-为丝杆最大工作长度,取L=400mm-为丝杆支承方式系数,参考图2-13和表2-7,取=2.0zfzf则有:NFK612402416.2稳定安全系数：kn59810462mKk所选丝杆稳定安全系数，查表得：knk则有，故稳定性不存在问题。kn（3）齿轮及转矩的有关计算1）有关齿轮计算传动比1.501.362750PLi故取Z1=22Z2=55m=2mmB=20mm02则有mzd841152haa*1d0422)转动惯量计算：工作台质量折算到电机轴上的转动惯量2220.589)14.3()(cmkgMLJG丝杠的转动惯量2244.81.180518.7108.7cmNckgLDJ丝齿轮的转动惯量24.762.1JZ938072c电动机转动惯量很少，可以忽略因此，总的转动惯量12)(12ZZGJJiJ丝67.239.85.4.=14.85382.cmNckg所需转动力矩计算快速空载启动时所需力矩0Mkfakq式中-空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩；kaM-折算到电机轴上的摩擦力矩；f-由于丝杠预金所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩；0).(10622maxNtnJEka式中：-为传动系统各部件惯量折算到电机轴上的总等效转动惯量（EJ).2cmkg-为电机最大角加速度（）2srd-为运动部件最大快进速度对应的电机最大转速（）maxninrt-为运动部件从静止启动加速到最大快进进给速度所需时间（s）,取t=0.025s则有：cmNMka.3194025.6385.14空载摩擦力矩：).(20cmNiLGfkf式中：G-运动部件总重力（N）-为导轨摩擦系数，取0.2fi-齿轮传动降速比，i=1.25-传动系统总效率，取=0.8-基本导程，取=1cm0L0L则有：).(431278.143259cmNMkf附加摩擦力矩：)(2200iLFYG式中：-为滚珠丝杆预加载荷，取的1/3YJmF-为滚珠丝杆预紧是的传动效率，取=0.900则有：NFYJ3684105=0Mc.)9.(.24.32682=76.88+127.43+66.8=271.11N.cm0kfakq(4)步进电机的选择步进电机的名义启动转矩cmNMkqm.7864.012.为满足最小步距要求，电机选用三相六拍工作方式，查表知95.maxjq所以，步进电机最大静转矩：cNMmqj.6578291.065.ax步进电机最高工作频率：HzVfb10.60axmax综合考虑，查表选用110BF003型直流步进电机，能满足使用要求。3控制系统设计3.1绘制控制系统结构框图根据总体方案及机械结构的控制要求，XK5040立式铣床控制系统选用MCS-51系列单片机组成，纵向、横向及垂直方向均采用步进电机控制，三个坐标均采用硬件环形分配器，控制系统的功能包括、X向、Y向、Z给伺服运动；、键盘显示；、面板管理、行程控制、其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示硬件电路主要由以下几部分组成：、主控制器，即中央处理单元（CPU）;、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；、存储器，包括RAM和ROM；、接口，即I/O输入输出接口电路；、外部设备，如键盘，显示器及光电输入等。控制系统结构框图如图3.1所示3.2.选择中央处理单元（CPU）的类型在微机控制系统中CPU的选择主要考虑以下因素：(1)、时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度；(2)、可扩展存储器的容量；(3)、指令系统功能，影响编程的灵活性；(4)、I/O口扩展能力，即对外部设备控制的能力；(5)、开发手段，包括支持开发的软件和硬件；此外，还应考虑到系统的应用场合，控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济性的要求。综合考虑以上因素，这里我们选用8031芯片作为CPU3.3存储器扩展电路设计由于8031芯片内部无程序存储器，需要扩展外部程序存储器支持，同时8031内部只有128B的数据存储器供用户使用，也不能满足控制系统的要求，故需要扩展程序存储器和数据存储器。3.3.1.程序存储器的扩展8031的程序存储器的寻址空间为64字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。根据控制系的要求，这里，我们扩展2片2764程序存储器。1地址锁存器由于8031芯片的口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8031扩展系统中oP一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是742S373，742S373是带三态缓冲输出的8D触发器。2译码电路设计由于这里扩展的容量较大，扩展多个外围芯片。因此，这里使用译码法来进行编址。译码电路可使用现有的译码芯片，这里我们选用3-8译码器（74LS138）这种芯片，输入端占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。38031与2764芯片的连接(1)、地址线的连接8031芯片的和用来传送地址和数据。口传送高8位地址，口传送低8oP22PPo位地址和数据，因此采用74LS373锁存器，锁存低8位地址，以实现口地址和数据的分时传送ALE作为74LS373的选用信号，当ALE为高电平时，锁存器的输入和输出透明，此时不需锁存。当ALE从高电平变为低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373的输出不再随输入变化，这样口就用来传送数据，6031芯片的口和74LS373的送出口工组成16位地址线，oP2PoP2764是8KB需要13根地址线，低8位接74LS373的芯片的输出，接07A:812A:8031芯片的。系统采用全地址译码，两片2764芯片的片选信号分别接2.0.4P:CE74LS373译码器的和，系统复位后程序从0000H开始执行。Y1（2）、数据线的连接2764芯片的8位数据线与8031口直接连接单片机规定指令码07D:oP0.7:火热数据都是由口读入，数位对应即可。oP（3）、控制线的连接8031芯片的（外部程序存储器的读选通信号）与2764芯片的端相连，SENOE8031芯片的ALE（地址锁存允许信号）接地址锁存器74LS373的G引脚。3.3.2、数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，这里我们选用6264(8Kx8)，扩展片6264，8031与6264的连接方式与6031和2764的连接大致相同，不同的是，RAM读输信号与8031芯片的引脚连接，RAM写输OERD信号与8031的相连。由于程序存储器与数据存储器独立编址，地址可以重复WDR使用，因此，片6264的片选信号也分别接74LS373译码器的和C0Y13.I/O接口电路及辅助电路设计3.4.1.I/O接口电路设计8031单片机共有四个位并行I/O，但可供用户使用的只有口和部分口，1P3不能满足输入输出口的需要，因此系统必须扩展输入输出接口电路。这里根据系统功能及需要,扩展一片8155和一片8255可编程接I/O口芯片.8155的片选信号接CE74LS138的端,8255芯片的片选信号接74LS138的。74LS138三八译码器2YCS3Y有三个输入A、B、C分别接8031，输出个输出，低电平有效。2.5.62.7,P07:对应输入A、B、C的000到111的种组合，其中对应位000，对应位07:7Y111。74LS138还有三个使能端，其中两个（和）为低电平