小型立式铣床工作台升降和制动装置设计

1、内蒙古工业大学机电装备课程设计目 录摘 要3第一章 微机数控系统总体设计方案拟定31.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择31.2机械传动方式4第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算42.1 设计参数42.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型72.2.1 直线滚动导轨副的计算与选型62.2.2 计算牵引力72.2.3 计算最大动载荷72. 2. 4滚珠丝杠螺母副的选型82. 2. 5 传动效率计算.8 2. 2. 6 稳定性计算.92.3 步进电机的计算与选择92.3.1 计算步进电机转轴上的总转动惯量92.3.2 计算步进电机转轴上的等效负载转矩102. 3. 3 步进电机最大静转矩的选定.12

2、2. 3. 4 步进电动机的性能校核.122.4 增量式编码器的选用13第三章 微机数控系统硬件电路设计143.1 mcs-51单片机系统简介153. 1. 1 mcs-51系列指令系统简介153. 1. 2 定时器/计数器.163. 1. 3 中断系统.173-2 存储器扩展电路设计183.2.1 程序存储器的扩展183.2.2 数据存储器的扩展183.2.3 译码电路设计193.3 i/o接口电路机辅助电路设计213.3.1 8155通用可编程接口芯片213.3.2 8255通用可编程接口芯片233.3.3 键盘显示接口电路253.3.4 电机接口机驱动电路263.3.5 辅助电路26参考

3、文献.28摘 要【摘要】：小型立式铣床工作台升降和制动装置设计。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对小型立式铣床工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。本次课程设计，主要设计和研究小型立式铣床工作台及其电气原理图。确定小型立式铣床工作台的传动系统，选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。

4、【关键词】：小型立式铣床工作；滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；交流伺服电机；第一章 总体设计方案拟定1.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/点线系统和连续控制系统。任务书上规定的脉冲当量尚未达到0.0001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有600m/min。因此本设计不必采用高档次的伺服电动机，可以选用性能好一些的步进电动机，以降低成本，提高性价比。1.2机械传动方式为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加

5、负荷的结构。第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算2.1 设计参数1、工作台升降行程：200； 2、工作台尺寸：长宽400200； 3、工作台总重： 600n； 4、最高运行速度步进电机运行方式： 空载：0.6m/min; 切削：0.1m/min；交流伺服电机运行方式：空载：9m/min;切削：2m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式0.10mm；半闭环模式 0.01mm；7、切削负载：x向400n；y向600n；z向1000n2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型图2-1 丝杠螺母副设计框图2.2.1 直线滚

6、动导轨副的计算与选型 （1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 题目中的工作台水平布置，而导轨采用垂直布置，采用双导轨四滑块的形式。考虑最不利的情况，既垂直于导轨面得工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受到最大垂直方向载荷为： 查表3-41，根据，初选滚动导轨副的型号为kl系列的jsa-lg15型，其额定动载荷为,额定静载荷为，任务书规定加工升降行程为200mm,考虑工作行程留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨长度为460mm。（2）距离额定寿命的计算 由于kl系列的jsa-lg15型导轨副的滚到硬度为60hrc，工作温度不超过,每根导轨上配有两个滑块，精度为4级，工作速度较

7、低，载荷不大。查表3-363-40，分别取硬度系数，温度系数，接触系数，精度系数，载荷系数。代入公式：满足要求。 2.2.2 计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为综合导轨的计算公式。计算公式为：式中 -z向切削分力（n）； -移动工作台总重（n） -导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同； -考虑颠复力矩影响的实验系数；综合导轨的 , ，取，式中， ，g=600n。 2.2.3 计算最大动载荷选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定

8、轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载，用下式计算选择： 式中 -额定寿命，15000h -丝杠转速，用下式计算 -硬度系数，查表3-24，=1； -负载性质系数，查表326， =1.2 导程的计算： 我们所设计的立式铣床不需要齿轮传动，直接由电机驱动，传动比为i=1，选步距角，根据公式计算得=4由任务书可知最大切削力下的速度,代入公式可计算得 =25 代入上式得=5979n2.2.4 滚珠丝杠螺母副的选型根据以上算得的最大动负载在设计指导书中的表3-31中选用型号为g2504-3的滚珠丝杠，其名义

9、直径为,滚珠的排列为3圈1列，额定动载荷为，满足前面进给方向的要求。精度等级按机电装备设计课程设计指导书表3-39选为5级。2.2.5 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中 -丝杠螺旋升角；由算得 -摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。代入公式计算得 2.2.5 刚度的验算 在立式铣床工作时采用“双推自由”的方式，则可以不验算刚度。2.2.6 稳定性验算 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，产生失稳的临界负载用下式计算： 式中 -丝杠材料弹性模量，对钢; -截面惯性矩,丝杠截面惯性矩 ()；-丝杠两支承端距离

10、，取最大值440mm；-丝杠的支承方式系数，取0.25。k-压杆稳定的安全系数，k=2.5(垂直安装)；根据前面的相关数据可知上式中的截面惯性矩：算得 =3619n远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。2.3 步进电动机的计算与选择2.3.1.加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知滚珠丝杠公称直径，总长，导程,材料密度，由表4-1：（1）、滚珠丝杠转动惯量 (2)工作台折算到丝杠上的转动惯量其公式为：初选电动机型号为90byj2502,从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量则加在步进电动机轴上的总转动惯量为 2.3.2 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩

11、 分快速空载启动和承受最大工作负载两种情况计算 1） 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-8）可知包括三部分：一部分是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，根据试（4-12）可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有 =+ 根据式（4-9），考虑传动总效率，计算快速空载启动时折算到电动机轴上的最大加速转矩： 式中：对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； -步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。其中 = 式中 空载最快移动速度，任务

12、书只定为600 ； 步进电动机步距角，预选电动机为； 脉冲当量，任务书只定为 = 0.01 脉冲。将以上值代入式 = 中求得 = 150 。 设步进电动机由静止到加速至 转速所需时间 = 0.4，传动链总效率 0.7。则由式 = 求得： = 由式（4-10） 和 可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴的摩擦转矩为： （27）式中 导轨的摩擦因数，滚动导轨区取 0.005； 垂直方向压力，空载取0； 传动链总效率，取 0.7。则由式 得： 最后由式 ，求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩： 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由式 可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转

13、轴上的最大工作负载转矩 ；一部分是移动部件运动折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 ，相对应 和 很小，可以忽略不计。则有： 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 由式 计算。由前计算得滚珠丝杠轴线方向的最大进给载荷 再由式 计算垂直方向承受最大工作负载（）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： 最后由式 ，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： 由以上计算，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为： 2.3.3步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，

14、其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数k=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 上述初选的步进电动机型号为90byj2502，由机电一体化系统设计课程设计指导书表4-3查得该型号电动机的最大静转矩 。可见，满足要求。联轴器选用：型号为slk-2c150-1415；轴承选用：推力球轴承51205，d=25,d=47,b=12,t=15,c=27.8, 角接触球轴承7205c,d=25,d=52,b=15,c=12.8, 2.3.4步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度，

15、脉冲当量 ，由式 求出电动机对应的运行频率 .。从90byj2502电动机的运行矩频特性曲线 可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩 ，远远大于最大工作负载转矩 =0.0299 ，满足要求。2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度，仿照式 求出电动机对应的运行频率。从图二中查得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载启动时的负载转矩 ，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度对应的电动机运行频率为 。查机电一体化系统设计课程设计指导书表4-3可知90byj2502电动机的空载运行频率可达15000hz,可见没有超出上限。4）起动频率的

16、计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 ，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率（查表4-3）。则由式 可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：上式说明，要想保证步进电动机起步时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1213hz。实际上，在采用软件升降频时，起步频率选的更低，通常只有100hz（即100脉冲/s）。综上所述，本例中工作台的进给传动选用90byj2502步进电动机，完全满足设计要求。2.4增量式旋转编码器的选用设计所选步进电动机选用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨率与步进电动机的步距角相匹

17、配。由步进电动机的步距角。可知电动机转动一转时，需要控制系统发出个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的a、b相信号，可以送到四倍频电路进行电子细分，因此，编码器的分辨率可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机旋转一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。设计中选择编码器的型号为zlk-a-120-05vo-10-h：盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5v，每转输出120个a/b脉冲，信号为电压输出。第三章 微机数控硬件电路设计根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。1、数控系统由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系

18、统的基础，机床硬件电路由以下五部分组成：、主控制器，即中央控制单元cpu；、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；、存储器，包括程序存储器和数据存储器；、接口，即i/o输入/输出接口电路；、外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。见图31。2、选择中央处理单元cpu的类型考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，及经济价格比等经济性的要求。因此，在经济数控铣床中，推荐使用mcs51系列单片机作主控制器。3、存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器芯片时，要考虑cpu与eprom时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问

19、题。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。4 、i/o口即输入/输出接口电路设计包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路及其他辅助电路的设计。3.1 mcs51系列单片机简介3.1.1 mcs51系列指令系统简介mcs51系列指令系统共有111条基本指令，其中单字节指令有49条，双字节指令有45条，单字节指令有17条。1、mcs51系列指令系统的七种寻址方式简介：（1）、立即寻址 跟在操作码后的一个字节就是实际操作数。（2）、直接寻址 指令中直接给出参加运算或传送的数的地址。可以访问三种地址：特殊功能寄存器sfr、内部ram128字节个单元、221个地址空间。

20、 （3）、寄存器寻址 指定某一可寻址的寄存器的内容为操作数。寻址空间是r0r7、a、b、dptr。（4）、寄存器间接寻址 由指令指定某一寄存器的内容作为操作数地址，选定r0、r1、sp、dptr（16位）来存放地址，使用时前加。（5）、变址寻址 由争论指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和基址寄存器dptr或pc相加所得结果作为操作数地址。（6）、相对寻址 在指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元地址（即pc内容）相加，即得到真正有效的单元地址。（7）、位寻址 对内部ram的128位和sfr块内的93位进行位操作。2、mcs51系列指令系统主要指令简介：mcs51系列指令系统111条指令可分为五类

21、：（1）、数据传送类 29条 （2）、算术操作类 24条（3）、逻辑操作类 24条 （4）、控制程序转移类 17条（5）、布尔变量操作类 17条3.1.2 定时器/计数器mcs51系列单片机提供两个十六位可编程的定时器/计数器，即t0和t1。他们具有两种工作方式和四种模式。其工作原理如图3-2所示。定时器/计数器的核心是加一计数器，加一计数器脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，另一个是系统的时钟振荡器。有两个模拟开关，前一个开关就是特殊寄存器tmod的相应位，后一个模拟开关就是特殊寄存器tcon的相应位。tmod和tcon是专门用于定时器/计数器的控制寄存器。用户可以用图3-2 定时器/计数器的

22、结构框图指令对其各位进行写入或更改操作，从而选择不同的工作状态或启动时间，并可设置相应的控制条件。这两个控制寄存器各位的功能：1、tmod控制寄存器gate门控位或叫选通位。c/t计数器方式或定时器方式的选择位。m1和m0工作模式控制位。00 模式0：tlx中的低5位和thx的高8位构成13位计数器。01 模式1：tlx与thx构成16位计数器。10 模式2：可自动再装入的8位计数器。11 模式3：把定时器0分成两个8位计数器，关闭定时器1。2、tcon控制寄存器tf0、tf1定时器t0、t1溢出标志位，为1时申请中断。tr0、tr1定时器t0、t1运行控制位，有软件设定，来控制定时器/计数器

23、开启或关闭。ie0、ie1外部中断源的标志，为1时表示外部中断源向cpu申请中断。it0、it1外部中断源触发控制位。3.1.3 中断系统mcs51系列单片机提供五个中断源，配备两个中断优先级，int0、int1输入外部中断请求，两个片内定时器/计数器t0和t1溢出中断请求tf0和tf1，一个片内串行口中断请求ti和ri。各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下：中断源 人口地址 优先级int0 0003h 0t0 000bh 1int1 0013h 2t1 001bh 3串行口中断 0023h 43.2 存储器扩展电路设计3.2.1 程序存储器的扩展1、常用的rom芯片及引脚：（1

24、）常用的半导体rom芯片有：2716（2k*8）、2732a（4k*8）、2764、（8k*8）、27128（16k*8）、27256（32k*8）、27512（64k*8）。2764、27128、27256、27512芯片均有28脚双列直插式平封装芯片。引脚向下兼容。图3-3是2764引脚排列。（2）地址锁存器常用的地址锁存器芯片是74ls373。74ls373是带三态缓冲输出的8d触发器。其真值表见表3-1图3-3 2764引脚排列表3-1 真值表74ls373egdqlhhhlhllllxq03.2.2 数据存储器的扩展常用数据存储器及引脚常用的静态ram芯片有6116（2k*8）、62

25、64（8k*8）、62256（32k*8）等，6264、62256均采用cmos工艺、28脚双列直插式平封装。6264引脚及逻辑符号见图3-4。图3-4 6264引脚图3.2.3 译码电路设计1、mcs51系列单片机应用系统中的地址译码规则（1）程序存储器和数据存储器独立编址。程序存储器地址和数据存储器地址可以重叠使用。都是从0000hffffh。（2）外围i/o芯片与扩展数据存储器统一编址外围i/o芯片占用数据存储器地址单元，且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。（3）cpu在访问外部存储器时地址编码cpu的p2口提供高8位地址，p0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。2、地址译码方

26、法（1）线选法利用单片机地址总线高位中的一根线作为选择某一片存储器芯片的片选信号。此法用于规模较小的系统。其优点是不需要地址译码器，可节省硬件，降低成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，且地址空间不连续，不能充分利用。（2）全地址译码法对容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码法。常采用的译码器是74ls138。图3-5是其引脚图。表13是其逻辑功能表。图18是全地址译码图。表3-2是其地址译码表。表3-2 74ls138逻辑功能表g1 g2a g2bc b ay7 y6 y5 y4 y3 y2 y1 y01 0 01 0 01

27、0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0其 他 状 态0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1x x x1 1 1 1 1 1 1 01 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1图3-5 74ls138引脚图表3-3 74ls138地址译码表器 件地 址 选 择 线片内地址单元（字节）地 址 编 码2764000x xxxx xxxx xxxx8

28、k0000h1fffh6264001x xxxx xxxx xxxx8k2000h3fffh8155ram0101 1110 xxxx xxxx2565e00h5effhi/o0101 1111 1111 1xxx65ff8h5fffh82550111 1111 1111 11xx46ffch6fffh图3-6 数控铣床全地址译码图87c513.3 i/o接口电路及辅助电路设计常用外围接口芯片有：8155：可编程的ram/io扩展接口电路（256个ram、两个8位口、一个6位口、一个14位的定时器/计数器）8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口）8279：可编程的键盘、显示接口电路3.

29、3.1 8155 通用可编程接口芯片1、8155引脚及其功能8155 的结构框图及引脚排列见图3-7。8155 具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表3-4。 表3-4 8155引脚功能引脚含义引脚含义引脚含义ad0ad7pa0pa7pb0pb7pc0pc5timer in地址、数据线a口b口c口定时输入timer outio/malerdwr定时输出io/ram口选择地址锁存读写ceresetvssvcc片选复位地电源图3-7 可编程的ram/io扩展接口电路定义a口输入/输出方式定义b口输入/输出方式00：alt1 01：alt2 10：alt3 11alt400：空操作01：

30、停止定时器操作10：定时器减为一时停止计数11：置定时器方式后，开始计数0：禁止a口中断1：允许a口中断0：禁止b口中断1：允许b口中断图3-8命令寄存器格式及工作方式2、8155 的工作方式设定8155 命令寄存器格式及工作方式见图3-83、8155 初始化程序格式如下：mov dptr ， 控制口地址mov a ， 命令字movx dptr ，amov dptr ， 计数初值入口地址mov a， 计数初值 inc dptr mov a ， 计数初值高位movx dptr ，a 3.3.2 8255 通用可编程接口芯片1、8255 引脚及其功能 8255 引脚及内部结构见图3-9，其引脚功能

31、见3-5：2、8255 工作方式的设定 8255 有三种工作方式：方式0、方式1、方式2。方式0基本的输入输出方式方式1应答式输入输出方式方式2应答式双向输入输出方式引 脚含 义d0d7pa0pa7pb0pb7pc0pc7a0、a1rdwrceresetgndvcc数据线a口b口c口地址线读写片选复位地电源引 脚含 义d0d7pa0pa7pb0pb7pc0pc7a0、a1rdwrceresetgndvcc数据线a口b口c口地址线读写片选复位地电源图3-9 8255 引脚及内部结构8255 io的工作方式选择通过对其内部命令寄存器设定方式选择控制字来实现。其格式及工作方式见图3-10。c口置/复位控制字格式如图3-11所示。3、8255 初始化程序格式如下：mov al ， 控制字；定义工作方式out 控制口地址，alin al ， 初值out 输出口地址，al b组下c口：0输出 1输入b口： 0输出 1输入模式选择：0模式0 1模式1 a组上c口：0输出 1输入a口： 0输出 1输入模式选择：00模式0 01模式1 x1模式