三坐标铣床的数控化改造设计

1、摘要毕业设计是在原有普通铣床的基础上, 对其进行改造 , 成为三坐标数控铣床。该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线。所设计的三坐标数控铣床， 三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电机， 所有电机均由单片机进行控制。 设计主要对数控铣床的机构进行设计，了解单片机的工作原理，主要有以下几个方面：x、y,z 工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；机床整体结构的设计，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；单片机控制系统的设计，进一步熟悉其应用。在数控机床系统中， 加工精度和加工可靠性是伺服系统决定的，本文对普通铣床的数控化改造进行了分析和设计，通过对普通铣床的数控

2、化改造， 提高了普通铣床的加工能力和加工范围， 节省了直接购买机床的部分资金，具有很好的经济效益。关键词：铣床, 数控, 三坐标目录摘要 . . 1abstract . . 错误! 未定义书签。前言 . . 4第一章概论 . . 51.1数控机床的产生及发展. 51.2数控机床的组成及分类. 61.2.1 数控机床的组成. 61.2.2 数控机床的分类. 81.3 数控机床的特点及应用范围. 91.3.1 数控机床的特点. 91.3.2 数控机床的应用范围. 9第二章设计主要参数及基本思想. 102.1 课题要求 . 102.1.1 题目名称（包括主要技术参数）及技术要求 . 102.1.2

3、课题内容及工作量. 102.2设计原则 . 102.3总结构设计 . 112.3.1 数控机床的机构设计要求. 112.3.2 提高机床的结构刚度. 112.3.3 提高进给运动的平稳性和精度. 12第三章三坐标数控铣床的设计和计算. 133.1 主传动系统的设计 . 133.1.1 主传动变速系统. 143.2主轴系统计算 . 173.3.1 对进给伺服系统的基本要求. 203.3.2 进给伺服系统的设计要求. 203.3.3 进给伺服系统的动态响应特性及伺服性能分析 . 213.4 进给传动的计算 . 213.4.1 x轴滚珠丝杠副 . 223.4.2 y 轴滚珠丝杠副 . 253.4.3

4、 z轴滚珠丝杠副 . 293.4.4 滚珠丝杠的安装与使用. 33第四章微机控制系统的设计. 344.1 微机控制系统组成及特点. 344.1.1 微机控制系统的组成. 344.1.2 微机数控系统的特点. 354.2 微机控制系统设备介绍. 364.2.1 主控制器 cpu 的选择 . 364.2.2 存储器电路的扩展. 374.2.3 i/o口电路的扩展 . 394.2.4 步进电机驱动电路. 414.2.5 其它辅助电路设计. 424.3程序部分 . 43结论 . . 46参考文献 . . 错误! 未定义书签。致 谢. . 错误! 未定义书签。前言随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数

5、控系统引入自适应控制模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程前馈控制模糊控制学习控制自适应控制工艺参数自动生成三维刀具补偿运动参数动态补偿等功能，而且人机截面极为友好，并且有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统以使用化。用数控铣床加工零件时，首先应编制该零件的加工程序，这是数控铣床的工作指令。将加工程序输入数控装置，再由数控装置控制机床主运动的变速启动停止进给运动的方向速度和位移量，以及工件装夹和冷却润滑的开关等动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装置严格按照加工工序规定的顺序

6、运动轨迹加工出符合要求的零件。三坐标数控铣床的进给运动是数字控制的直接对象，不论点位控制还是连续控制，被加工工件的最后坐标精度和轮廓精度都受到进给运动的传动精度灵敏度和稳定性的影响。为此，要注意以下三点进给运动要求：(1) 减少运动件的摩擦力。进给系统虽有许多元件，但摩擦阻力主要来自丝杠和导轨。丝杠和导轨结构的滚动化是减少摩擦的重要措施之一。(2) 提高传动精度和刚度。在进给系统中滚珠丝杠和支承结构是决定其传动精度和刚度的主要部件，因此，必须首先保证它们的加工精度。(3) 减少运动惯量。 进给系统中每个元件的惯量对伺服机构的启动和制动特性都有直接的影响。尤其是处于高速运转的零件，其惯性的影响更

7、大。设计是在原有普通铣床的基础上, 对其进行改造 , 成为三坐标数控铣床。 该机床能通过三轴联动，实现曲线直线等不同的加工路线。所设计的三坐标数控铣床， 三个坐标方向的移动均由步进电机带动，主轴电机采用交流电机，所有电机均由单片机进行控制。此设计主要对数控铣床的机构进行设计，了解单片机的工作原理， 主要有以下几个方面： x、y、z 工作台的传动机构设计，主要是滚珠丝杠的运用；机床整体结构的设计，了解优缺点，充分考虑主要矛盾，择优选取；单片机控制系统的设计，进一步熟悉其应用。第一章概论1.1 数控机床的产生及发展随着社会生产和科学技术的发展，机械产品日趋精密复杂，且需频繁改型。特别是在宇航、 造

8、船、军事等领域所需的零件， 精度要求高， 形状复杂，批量小。普通机床已不能适应这些需求。 为了满足上述要求， 一种新型的机床数字程序控制机床（简称数控机床）应运而生。最早进行数控机床研制的是美国人。1952年，美国麻省理工学院成功地研制出一套三坐标联动， 利用脉冲乘法器原理的数控机床。但这台数控机床仅是一台试验性的机床， 当时用的电子元件是电子管。 直到 1954 年 11 月，第一台工业用的数控机床才生产出来。从此以后，世界上其他一些工业国家也多开始开发、生产及应用数控机床。我国数控机床的研制是从1958年起步的。1965年国内开始研制晶体管数控系统。从 70 年代开始，数控技术广泛应用于车

9、、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域，数控加工中心在上海、北京研制成功。在这一时期，数控线切割机床由于结构简单，使用方便、价格低廉，在模具加工中得到了推广。1985年，我国数控机床品种有了新的发展。早期的数控机床控制系统采用电子管，体积大、功耗高，只在军事部门应用。只有在微处理机用于数控机床后，才真正使数控机床得到了普及。 目前数控技术的主要发展趋势是：实现高速度，高可靠性，高精度，大功率，多功能；采用微处理机和微型计算机，向着增强功能、降低造价、方便使用的目标进展；积极应用计算技术、系统工程理论和控制技术的最新成果，像这综合自动化方向变革。1.2 数控机床的组成及分类1.2.1 数控机床

10、的组成数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机床上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体丝大部分以及辅助设备组成。如图（1）所示。、图 1.1 数控机床组成示意图1控制介质控制介质是指零件加工信息传送到数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置的类型不同而不同，常用的有穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘等。另外，随着 cad/cam 技术的发展， 有些数控设备利用 cad/cam 软件在其控制介质数控装备伺服装置机床本体辅助装备他计算机上编程， 然后通过计算机与数控系统通信，将程序和数据直接传送给数控装置。2. 数控装备数控装置是数控机床的控制中心。它由输入装置、 控制装置

11、和输出装置等组成。如图（ 2）所示，划线框内位数控装置。输入装置受控制介质上的信息，经过识别与译码之后， 送到控制运算器。 这些信息将作为控制与运算的原始依据。控制运算器根据输入装置送来的信息进行运算，并将控制命令输送往输出装置，输出装置将控制器发出的控制命令送到伺服系统，经功率放大， 驱动机床完成相应的动作。图 1.2 数控装置组成示意图3. 伺服系统伺服系统，亦称随动系统， 是一种能够跟踪输入的指令信号进行动作，从而获得精确的位置、 速度或力输出的自动控制系统。它是数控机床的执行机构， 包括驱动和执行两大部分。 伺服系统接受数控系统的指令信息，并按照指令信息的要求带动机床移动部件运动， 以

12、加工出符合要求的零件。 指令信息是以脉冲信息体现的，每一脉冲使机床移动部件产生的位移叫脉冲当量( 常用的脉冲当量为0.001mm 0.01mm)。从自动控制理论的角度来分析， 无论多么复杂的伺服系统， 都是有一些功能元件组成的。图（ 3）是由各功能元件组成的伺服系统基本结构方框图。输入输出量指令图 1.3 伺服系统基本结构方框图目前数控机床的伺服系统中， 常用的位移执行机构有功率步进电机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两者都带有光电编码器等位置测量元件。控制介质阅读机输入装备控制器输出装置伺服机构比较元件调节元件执行元件被控对象测量、反馈元件4. 机床本体机床本体是数控机床的主体， 是用于

13、完成各种切削加工的机械部分，它是在原有的普通机床的基础上改进而得到的，具有以下特点：（1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统传动系统，机械传动结构简化，传动链较短。（2）数控机床机械结构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。（3）更多地采用高效传动部件，如滚动丝杠副，直线滚动导轨等。除了上述四个主要部分外， 数控机床还有一些辅助装置和附属设备，如电器，液压，气动系统与冷却、排屑、照明、储运等装置以及编程机、对刀块等。1.2.2 数控机床的分类1 刀具相对于工件移动的轨迹分类（1） 点位控制数控机床点位控制机床的特点是只控制移动部件的终点位置，即控制移动部件由一个位置到另一个位置的精确定

14、位，而对它们运动过程中的轨迹没有严格的要求，在移动和定位过程中不进行任何加工。（2）点位直线控制数控机床直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动不仅要控制两点间的准确位置（距离），还要控制两点之间移动的速度和轨迹。（3）轮廓控制数控机床轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。其特点是能同时控制两个以上的轴，具有插补功能。（4） 执行机构的控制方式分类2 按驱动装置的特点分类（1）开环控制系统它是指不带反馈装置的控制系统。它是根据穿孔带上的数据指令经过控制运算发出脉冲信号输出到伺服驱动装置，使驱动伺服装置转过相应的角度，然后经过减速齿轮和丝杠螺母机构， 转换为移动部件的直线位移

15、。（2） 闭环控制系统它是指在机床的运动部件上安装位移测量装置，将加工中测量到的实际位置值反馈到数控装置中，与输入值的指令相比较， 用比较的差值控制移动部件，直到差值为零，即实现移动部件的精确定位。（3）半闭环控制系统它是在开环控制系统的丝杠上或进给电动机的轴上装有角位移检测装置。通过检测伺服机构的滚珠丝杠转角间接测移动部件的位移，然后将数据反馈给比较器进行比较，输出比较后的差值进行控制。3. 按加工方法分类（1） 金属切削类数控机床；（2） 金属成型类数控机床；（3）数控特种加工机床；（4） 其它类的数控机床4. 按数控机床的性能分类(1) 低档数控机床；(2) 中档数控机床；(3) 高档数

16、控机床；1.3 数控机床的特点及应用范围1.3.1 数控机床的特点数控机床是一个装有程序控制系统的机床。它是一种高度机电一体化的产品。特点如下：（1）适应性强，加工精度高，质量稳定（2）生产率高（3）减轻劳动强度、改善劳动条件（4）良好的经济效益（5）有利于生产管理的现代化1.3.2 数控机床的应用范围从最经济的方面出发，数控机床适用于加工：（1）多品种小批量零件；（2）结构较复杂，精度要求较高的零件；（3）需要频繁改型的零件；（4）价格昂贵，不容许报废的关键零件；（5）需要小生产周期的急需零件。第二章设计主要参数及基本思想2.1 课题要求2.1.1 题目名称（包括主要技术参数）及技术要求三坐

17、标数控铣床设计（1）x、y、z轴的行程分别为 300mm 、300mm 、250mm; （2）进给精度 0.01mm ；（3）x、y、z 轴 快速进给速度分别为6m/min、6m/min、3m/min；（4）工作台面尺寸 300 x500mm; （5）脉冲当量 0.01mm/步；（6）重复定位精度 0.01mm. 2.1.2 课题内容及工作量(1) 简易数控铣床总图 a0一张(2) 控制原理图设计 a0一张(3) 计说明书一份 1.2 万字以上(4) 翻译 500 汉字注：全部图纸用计算机绘制，说明书由计算机输出。2.2 设计原则根据设计要求和铣床的具体情况，课题的基本设计方案如下：（1）机床

18、采用连续控制系统，定位方式采用增量坐标控制。（2）考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动。（3）进给传动的设计是机床设计的重点，数控机床必须有精确的进给传动系， 才会有高的精度和表面质量。 考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选用，为达到分辨率 0.01mm的要求，需采用齿轮降速传动，利用电子控制系统消除误差。（4）为了保证一定的传动精度和平稳性，又要求机构紧凑，所以选用丝杠螺母副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。（5）传动系统要加上脉动装置。以上为基本的设计方案，除了这些，课题应注意机床的几何精度的修正，数控指令的显示和使用等。2.3

19、 总结构设计2.3.1 数控机床的机构设计要求数控机床的结构设计要求主要有以下方面: （1）有良好的抗振性能和较大的额定切削功率，高的静、动态刚度；（2）有较高的热稳定性和较高的几何精度、传动精度、定位精度；（3）有数控系统及其介质。下面我们详述数控机床结构设计的主要要求2.3.2 提高机床的结构刚度机床的刚度是指切削力和其它力作用下, 抵抗变形的能力。机床在切削过程当中，要承受各种外力的作用，承受的静态力有运动部件和被加工零件的自重；承受的动态力有：切削力、驱动力、加减速时引起的惯性力、摩擦阻力等。组成机床的结构部件在这种力作用下将产生变形。如固定连接表面或啮合运动表面的接触变形； 各支撑零

20、件的弯曲和扭转变形，以及某些支撑件的局部变形等，这些变形都会直接或间接的引起刀具和工件之间的相对位移，从而导致工件的加工误差，或者影响机床切削过程的特性。(1) 选择及布置隔板和筋条床身的静刚度是直接影响机床的加工精度和其生产率的主要因素之一。而静刚度及固有频率， 是影响动刚度的重要因素。 支承件的隔板和筋条的合理性，可提高构件的静、动刚度。(2) 结构刚度与普通机床相比，数控机床应有更高的静、动刚度，更好的抗振性。机床的导轨和支承件通常是局部刚度最弱的部分，在本次设计中，采用双臂联接形式，x、y轴导轨较窄。(3) 采用焊接结构的构件采用钢板和焊钢而不采用铸件的原因：1）钢的弹性模量约为铸铁的

21、两倍，因此采用钢板焊接结构床身有利于提高固有频率。在形状和轮廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件与铸件的刚度相同，则焊接件的臂厚只需铸件的一半。2）如果要求局部刚度相同，因局部刚度与臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需铸件的80% 左右。3）钢可以提高构件的谐振频率使共振不易发生。4）钢板焊接能将构件做成全封闭的箱形结构，提高刚度。焊接结构床身的突出优点是制造周期短， 一般比铸铁快 1.7-3.5倍。 省去了制作木模和铸造工序，不易出废品。焊接结构设计灵活，便于产品更新、改进结构。焊接件能达到与铸件相同，甚至更好的结构特性，可提高抗弯截面惯性矩，减少质量。合理的结构布局可以提高刚度， 机床的工

22、作头部分由于重力作用将会使机床立柱产生弯曲变形， 切削力将使立柱产生弯曲和扭转变形。这些变形将影响到加工精度。故本次设计中将采取通过在立柱上方安装两组定滑轮来平衡重力的方法，来减少立柱的变形，提高机床的刚度。2.3.3 提高进给运动的平稳性和精度数控机床各坐标轴进给运动的精度极大的影响零件的加工精度。在开环进给系统中运动精度取决于系统各组成环节，特别是机械传动部件的精度； 在闭环和半闭环进给系统中， 位置检测装置的分辨率对运动精度有决定性的影响，但是机械传动部件的特性对运动精度也有一定的影响。通常在开环进给系统中， 设定的脉冲当量为0.01mm时，实际的定位精度最好的情况也只能达到0.025m

23、m 。在闭环进给系统中，设定的脉冲当量（或称最小设定单位）一般为0.001mm ，实际上定位精度只能达到0.003mm ，当指令进给系统做单步进给（即每次移动0.001mm ）时，开始一两个单步指令，进给部件并不动作，到第三个单步指令时才突跳一段距离， 以后又如此重复。 这些现象都是因为进给系统的低速爬行现象引起的，而低速爬行现象又决定于机械传动部件的特性。本设计采取的方案有：（1）减少静、动摩擦系数之差（2）提高系统的传动刚度。第三章三坐标数控铣床的设计和计算3.1 主传动系统的设计主传动系统一般由动力源（如电动机） 、变速装置及执行元件（如主轴、刀架、工作台），以及开停、换向和制动机构等部

24、分组成。动力源为执行元件提供动力，并使其得到一定的运动速度和方向, 变速装置传递动力以及变换运动速度，执行元件执行机床所需的运动，完成旋转或直线运动。现代切削加工正向着高速、 高效和高精度方向发展， 对机床的性能提出越来越高的要求，如转速高，调速范围大，恒扭矩调速范围达1：1001：1000，恒功率调速范围达1：10 以上；更大的功率范围达2.2 250kw ，能在切削加工中自动变换速度；机床结构简单，噪声小，动态性能好，可靠性高等。数控机床主传动设计应满足如下特点：（1）主传动采用直流或交流电动机无级调速（2）数控机床驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计（3）数控机床高速主传动设计（4）数控机

25、床采用部件标准、模块化结构设计（5）数控机床的柔性化、复合化（6）虚拟轴机床设计为了适应数控机床加工范围广、 工艺适应性强、 加工精度高和自动化程度高等特点，要求主传动装置应具有以下特点：（1）具有较大的调速范围， 并实现无级调速。 无级变速传动在一定的变速范围内连续改变转速， 以便得到最有利的切削速度；能在运转中变速， 便于实现变速自动化； 能在负载下变速， 便于车削大端面时保持恒定的切削速度，以提高生产效率和加工质量。（2）具有较高的精度和刚度， 传动平稳，噪音低。数控机床加工精度的提高，与主传动系统的刚度密切相关。为此，应提高传动件的精度与刚度，采用高精度轴承及合理的支撑跨距等，以提高主

26、轴组件的刚性。（3） 良好的抗震性和热稳定性。 数控机床一般既要进行粗加工， 又要精加工；加工时可能由于断续切削、加工余量不均匀运动部件不平稳以及切削过程中的自激振动等原因引起的冲击力或交变力的干扰，使主轴产生振动， 影响加工精度和表面粗糙度， 严重时甚至破坏刀具或零件，使加工无法进行。 因此主传动系统中的各主要零部件不但要具有一定的刚度，而且要求具有足够的抑制各种干扰力引起振动的能力抗振性。抗振性用动刚度或动柔度来衡量。例如主轴组件的动刚度取决于主轴的当量静刚度阻尼比及固有频率等参数。机床在切削加工中主传动系统的发热使其中所有零部件产生变形，破坏了零部件之间的相对位置精度和运动精度造成的加工

27、误差，且热变形限制了切削用量的提高，降低传动效率， 影响到生产率。 为此，要求主轴部件有较高的热稳定性，通过保持合适的配合精度，并进行循环润滑保持热平衡等措施来实现。3.1.1 主传动变速系统普通机床一般采用机械有级变速调速传动，而数控机床需要自动变速； 且在切削阶梯轴的不同直径， 切削曲线旋转面和断面时， 需要随切削的直径的变化而自动变速， 以保持切削速度基本恒定。 这些自动变速又是无级变速，以利于在一定的调速范围内选用到理想的切削速度，这样既有利于提高加工精度， 又有利于提高切削效率。机床主传动中常采用的无级变速装置有三大类：变速电动机、 机械无级变速装置和液压无级变速装置。无级变速主传动

28、系统设计原则：一为尽量选择功率和扭矩特性符合传动系统要求的无级变速装置。如铣床主传动系统要求恒功率传动，就应该选择恒功率无级变速装置。二为无级变速系统装置单独使用时，其调速范围较小， 尤其是恒功率调速范围往往小于机床实际需要的恒功率变速范围。为此，常把无级变速装置与机械分级变速箱串联在一起使用，以扩大恒功率变速范围和整个变速范围。1主轴部件设计主轴部件的性能要求主轴部件是机床主要部件之一， 它是机床的执行元件。 它的功用是支承并带动工件或刀具旋转进行切削，承受切削力和驱动力等载荷，完成表面成型运动。主轴部件由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。主轴部件的工作性能对整机性能和加工质

29、量以及机床生产效率有着直接影响，是决定机床性能和技术经济指标的重要因素。因此，对主轴部件有如下要求：（1）轴的旋转精度是指装配后，在无载荷、低速转动的条件下，主轴安装工件或刀具部位的定心表面（如车床轴端的定心短锥、锥孔，铣床轴端的7：24锥孔）的径向和轴向跳动。旋转精度取决于的主要件如主轴、轴承、壳体孔等的制造、装配和调整精度。 工件转速下的旋转精度还取决于主轴的转速、轴承的性能，润滑剂和主轴组件的平衡。（2）刚度 主轴部件的刚度是指其在外载荷作用下抵抗变形的能力，通常以主轴前端产生单位位移的弹性变形时，在位移方向上所施加的作用力来定义的。主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反

30、映。因此，主轴的尺寸和形状、滚动轴承的类型和数量、预紧和配置形式、传动件的布置方式、主轴部件的制造和装配质量等都影响主轴部件的刚度。（3）温升 因为相对运动处的摩擦生热，切削取得切削热等使主轴温度升高将引起热变形使主轴伸长， 轴承间隙的变化， 降低了加工的精度； 温升也会降低润滑剂的粘度，恶化润滑条件。因此，各类机床对温升都有一定的限制。（4）可靠性数控机床是高度自动化的机床，所以必须保证工作可靠性，可喜的是这方面的研究正在发展。（5）精度保持性它指长期保持其原始制造精度的能力。对数控机床的主轴组件必须有足够的耐磨性，以便长期保持精度。2主轴部件的组成和轴承选型（1）主轴部件，它由主轴及其支承

31、轴承、 传动件、密封件及定位元件等组成。（2）主轴的传动件， 可以位于前后支承之间， 也可位于后支承之后的主轴后悬伸端。目前传动件位于后悬伸端的越来越多。这样做， 可以实现分离传动和模块化设计：主轴组件（称为主轴单元）和变速箱可以做成独立的功能部件，又专门的工厂集中生产，作为商品出售。变速箱和主轴间可用齿轮副或带传动联接。本三坐标曲面数控铣床采用带传动联接。主轴支承分径向和推力（轴向）。角接触球轴承兼起径向和推力支承的作用。推力支承应位于前支承内， 原因是数控机床的坐标原点， 常设定在主轴前端。 为了减少热膨胀造成的坐标原点的位移，应尽量缩短坐标原点支推力支承之间的距离。（3）主轴轴承，选用角

32、接触球轴承。这种轴承即可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。这种球轴承为点接触，刚度较低。为了提高刚度和承载能力，常采用多联组配的办法。有三种基本组配方式，分别为背对背，面对面和同向组配，背靠背和面对面组配都能受双向轴向载荷；同向组配只能承受单向轴向载荷。背对背比面对面安装的轴承具有较高的抗颠覆力矩的能力。运转时，轴承的外圈的散热条件比内圈好， 因此，内圈的温度将高于外圈， 径向膨胀的结果将使轴承的过盈加大。轴向膨胀对与背靠背组配将使过盈减少，于是，可以补偿一部分径向膨胀；而对于面对面组配，将使过盈进一步加大。基于上述分析，主轴受到弯距，又属高速运转，因此主轴轴承必须采用背靠背组配。（4）角接触角

33、轴承的间隙调整和预紧主轴轴承的内部间隙，必须能够调整，多数轴承，还应在过盈状态下工作，使滚动体和导轨之间有一定的预变形，这就是轴承的预紧。轴承预紧后， 内部无间隙， 滚动体从各个方向支承主轴，有利于提高运动精度。滚动体的直径不可能绝对相等，滚道也不可能绝对正圆， 因而在预紧前只有部分滚导体与滚道接触。 预紧后，滚导体和滚道都有了一定的变形，参加工作的滚动体将增多， 各滚动体的受力将更加均匀。这些都有利提高轴承的精度、刚度和寿命。如主轴产生振动，则由于各个方面都有滚动体支承，可以提高抗振性。但是，预紧后发热较多，温升较高；而且较大的预紧力将使寿命下降，故预紧要适量。角接触角轴承在轴向力的作用下，

34、使内外圈产生轴向错位实现预紧，衡量预紧力大小的是轴向预紧力，简称预紧力fa0，单位为 n 。多联角接角球轴承是根据预紧力组配的。 轴承厂规定了轻预紧、 中预紧和重预紧三级预紧。 订货时可指定预紧级别。轴承厂在内圈（背靠背组配）或外圈（面对面组配）的端面根据预紧力磨去。 装配时挤紧， 便可得到预定的预紧力。 如果两个轴承间需要隔开一定的距离， 可在两轴承之间加入厚度相同的内外隔套。在轴向载荷的作用下， 不受力侧轴承的滚动体与滚道不能脱离接触。而满足这个条件的最小预紧力， 双联组配为最大轴向载荷的35% 。（5） 承载能力和寿命主轴轴承通常载荷相对较轻。 一些特殊重载主轴外轴承的承载能力是没有问题

35、的。主轴轴承的寿命，主要不是取决于疲劳点蚀，而是由于磨损而降低精度。通常，如轴承精度为p4级，经使用磨损后跳动精度降为p5级, 这个轴承就认为应该更换了。虽然还未达到其疲劳寿命，但这种“精度寿命”目前还难以估计。3主轴组件的动态特性通常，主轴组件的固有频率很高，但是，高速主轴，特别是带内装式电动机高速主轴，电动机转子是一个集中质量，将使固有频率下降，有可能发生共振。改善动态特性，可采取下列措施：（1） 是主轴组件的固有频率避开激振力频率。通常使固有频率高于激振频率的 30% 以上。如果发生共振的那阶模态属于主轴在弹性基础上（轴承）的刚体振动的第一阶（平移）和第二阶（摇摆）模态，则应提高轴承的刚

36、度。如果属于主轴的弯曲振动，则应提高主轴的刚度，如加粗直径。激振力可能来自主轴组件的不平衡， 这时激振频率等于主轴转速乘以/30 。也可能来自断续切削，这时激振频率还应乘以刀齿数z。（2）增大阻尼。如前所述，降低模态，常是主轴的刚度振动。这时主轴轴承，特别是前轴承的阻尼对主轴组件的抗振性影响很大。如果要求得到很光的加工表面，滚动轴承适当预紧可以增大阻尼，但过大的预紧反而使阻尼减少，故选择预紧时还因考虑阻尼因素。（3）采用消振装置。4主轴轴承的润滑滚动轴承在接触区的压强很高，在这么高的压强下， 接触区产生变形， 是一块小面积的接触而不是一条线或一个点的接触；润滑剂在高压下被压缩， 粘度升高了。因

37、此，才能在滚动体与滚道的接触区， 形成一定厚度的油膜， 把两者隔开，滚道体与滚道的接触面积很小，所以，滚动轴承所需的润滑剂很少的。当然，也可用脂润滑，还有用油气润滑的。（1） 脂润滑滚动轴承能用脂润滑是它的突出优点之一。脂润滑不需要供油管路和系统，没有漏油问题。如果脂的选择合适、洁净、密封良好，不使灰尘、油、切削液等进入，寿命是很长的。一次充填可用到大修，不需补充，也不要加脂孔。脂润滑可选用锂基脂，如skflglt2 号（常用于球轴承）。（2） 油气润滑如果 dn 值较大时，还需对轴承进行冷却。如果用油兼作润滑和冷却，则由于油的搅拌作用，温升反而会增加。最好用油润滑，用空气冷却。油雾润滑能达到

38、这个目的， 但是易污染环境。 比较好的方法是油气润滑： 在吹向轴承的空气中定期地注入油，油并不雾化，用后可回收，不污染环境。油用于润滑，空气用于冷却。3.2 主轴系统计算 v 带传动的设计计算三角带的选用应保证有效地传递最大功率（不打滑）并有足够的使用寿命 （一定的疲劳强度）。带传动设计计算的主要内容包括确定带的型号、基准长度和根数；确定带轮的材料、结构尺寸；确定传动中心距及作用在轴上的力等。(1) 确定计算功率 pdpad4 .14122.1kw 式中： ka工况系数 ( 工作情况系数 ) p电机额定功率 kw (2) 选择三角带型号根据 pd、n1由图 7-8 选 spa型 窄 v带 (3

39、) 确定带轮直径 d1、d2小带轮直径d1应满足： d1dmin，以免带的弯曲应力过大而导致其寿命降低。 查表 7-4 取 dmm90min, 故选择 dmm1001 (4) 计算胶带速度smsmndv/25/5.660000125010010006011 5vs,丝杠是安全的，不会失稳。 高速长丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临界转速crn 。要求丝杠的最大转速crnnmax。临界转速按下式计算：212)(9910ldfnccr式中：cf 为临界转速系数，见表2-10，本题取927. 3cf，3222)4.032(03398.0927.39910crnmin/103

40、 .74rmin/600101063maxrn即：maxnncr，所以丝杠工作时不会发生共振。此 外 滚 珠 丝 杠 副 还 受nd0值 的 限 制 ， 通 常 要 求min/10740rmmndmin/107min/10410040430rmmrmmnd所以该丝杠副工作稳定 5） 刚度验算滚珠丝杠在工作负载f(n)和转矩 t(mn) 共同作用下引起每个导程的变形量0l (m)为：cgjtpeapfl220式中:a 丝杠截面积 ,2141da；cj 为丝杠的极惯性矩，4132djc；g为丝杠切变模量，对钢gpag3.83；t 为转矩。)tan(20dftm式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数

41、；mf 为平均工作载荷mnt84.1)2.0334tan(1024011073按最不利的情况取（其中mff）412221201642gdtpedpfgjtpeapflc49223293)03398.0(103.83)14.3(84. 1)1010(16)03398.0(1020614.3110710104m2102 .6则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为：mplll5.21010102.64.0320通常要求丝杠的导程误差l小于其传动精度的 1/2 ，即mmml5005.01.02121该丝杠的l满足上式，所以其刚度可以满足要求。 6） 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为947.0)2

42、.0334tan() 334tan()tan(tan要求在 90% 95% 之间，所以该丝杠副合格。经上述计算验算， fc1-4010-2.5 各项性能均符合题目要求，所以合格。3.4.2 y轴滚珠丝杠副（1） 精度要求：进给精度mm01.0快速进给精度min/6m（2） 疲劳强度丝杠的最大载荷为最大进给力加摩擦力，最大进给力为 1625n,工作台质量900kg, 则： 1）求计算载荷 fc nfff318 .90035.0900minnf1656311625max32minmaxfffm33121656n1114根据机电一体化设计基础计算载荷cfmahfcfkkkf查表 2-6 取2. 1f

43、k查表 2-8 取0 .1ak查表 2-7 取0. 1hk查表 2-4 取 d级精度则：nfc133711140.10.12 .12）计算额定动载荷ac取丝杠的工作寿命为hlh20000,min/100rnm31067.14hmlncafc31067. 12000010041337n65903）选用 fc1-4020-2.5型丝杠，由表 2-9 得丝杠副数据：公称直径mmd500导程mmp10滚珠直径mmd953.50按表 2-1 种尺寸公式计算：滚道半径mmdr096.3953. 552.052.00偏心距mmdre20104.8)2953.5096.3(707.0)2(707.0丝杠内径m

44、mredd98.33096.32104.824022201 4）稳定性验算丝杠一端轴向固定， 采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。螺母固定端游动端 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 s,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数s 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷crf , 并按下式计算22)( leifacr式中，e为丝杠材料的弹性模量， 对于钢 e=206gpa ； l 为丝杠工作长度（m ） ；ai 为丝杠危险截面的轴惯性矩（

45、4m） ；为长度系数，取32。48411054.664mdianfcr528921059.8)59.032(1054.610206安全系数25107.711141059. 8mcrffs查表 2-10，s=2.5 3.3 ,ss,丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振， 因此需验算其不发生共振的最高转速临界转速crn 。要求丝杠的最大转速crnnmax。临界转速按下式计算：212)(9910ldfnccr式中：cf 为临界转速系数，见表2-10，本题取927.3cf，3222)59.032(03398.0927.39910crnmin/1036.34rmin/600101063

46、maxrn即：maxnncr，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受nd0值的限制，通常要求min/10740rmmndmin/107min/10410040430rmmrmmnd 5）刚度验算滚珠丝杠在工作负载f(n)和转矩 t(mn) 共同作用下引起每个导程的变形量0l (m)为：cgjtpeapfl220式中:a 丝杠截面积 ,2141da；cj 为丝杠的极惯性矩，4132djc；g 为丝杠切变模量，对钢gpag3 .83；t 为转矩。)tan(20dftm式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；mf 为平均工作载荷mnt85.1)2 .0334tan(1024011143按最

47、不利的情况取（其中mff）412221201642gdtpedpfgjtpeapflc49223293)03398.0(103.83)14.3(85. 1)1010(16)03398.0(1020614.3111410104m2102 .6则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为：mplll7.31010102 .659. 0320通常要求丝杠的导程误差l小于其传动精度的1/2 ，即mmml5005.01.02121该丝杠的l满足上式，所以其刚度可以满足要求。 6）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为947.0)2 .0334tan() 334tan()tan(tan要求在 90% 95% 之

48、间，所以该丝杠副合格。经上述计算验算， fc1-4010-2.5 各项性能均符合题目要求，所以合格。3.4.3 z轴滚珠丝杠副（1）精度要求：进给精度mm01.0快速进给精度min/3m（2）疲劳强度丝杠的最大载荷为主轴重量加摩擦力，最小载荷为主轴重量减最大进给力的垂直分力。主轴重量为300kg, 则：1）摩擦力ffnfff108. 90035.0300minnf29508.930010maxnf238710316258 .9300min32minmaxfffm3238722950n2762根据机电一体化设计基础计算载荷cfmahfcfkkkf查表 2-6 取2 .1fk查表 2-8 取0 .

49、1ak查表 2-7 取0.1hk查表 2-4 取 d级精度则：nfc331427620. 10 .12. 12）计算额定动载荷ac取丝杠的工作寿命为hlh20000,min/100rnm31067.14hmlncafc31067. 12000010043314n163353）选用 fc1-4020-2.5 型丝杠，由表 2-9 得丝杠副数据：公称直径mmd500导程mmp10滚珠直径mmd953. 50按表 2-1 种尺寸公式计算：滚道半径mmdr096. 3953.552.052. 00偏心距mmdre20104 .8)2953.5096.3(707.0)2(707.0丝杠内径mmredd9

50、8.33096. 32104 .8240222014）稳定性验算丝杠一端轴向固定， 采用深沟球轴承和双向球轴承，可分别承受径向和轴向的负荷。另一端游动，需要径向约束，采用深沟球轴承，外圈不限位，以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩，如下图。螺母固定端游动端 由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数 s,其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数s 丝杠不会失稳的最大载荷称为临界载荷crf22)( leifacr式中， e 为丝杠材料的弹性模量，对于钢e=206gpa ；l 为丝杠工作长度（m ） ；ai 为丝杠危险截面的轴惯性矩（4m） ；为长度系数，取32。

51、48411054.664mdianfcr528921075.8)5 .032(1054.610206安全系数25102. 327621075.8mcrffs查表 2-10，s=2.5 3.3 ,ss,丝杠是安全的，不会失稳。 高速丝杠工作时有可能发生共振，因此需验算其不发生共振的最高转速临界转速crn 。要求丝杠的最大转速crnnmax。临界转速按下式计算：212)(9910ldfnccr式中：cf 为临界转速系数，见表2-10，本题取927. 3cf，3222)5.032(03398.0927.39910crnmin/1052.34rmin/600101063maxrn即：maxnncr，所

52、以丝杠工作时不会发生共振。此 外 滚 珠 丝 杠 副 还 受nd0值 的 限 制 ， 通 常 要 求min/10740rmmndmin/107min/10410040430rmmrmmnd 5）刚度验算滚珠丝杠在工作负载f(n)和转矩 t(mn) 共同作用下引起每个导程的变形量0l (m)为：cgjtpeapfl220式中:a 丝杠截面积 ,2141da；cj 为丝杠的极惯性矩，4132djc；g为丝杠切变模量，对钢gpag3.83；t 为转矩。)tan(20dftm式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；mf 为平均工作载荷mnt54.4)2.0334tan(1024027623按最不利的情

53、况取（其中mff）412221201642gdtpedpfgjtpeapflc49223293)03398.0(103.83)14. 3(54.4)1010(16)03398.0(1020614. 3276210104m2107. 9则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为：mplll85.41010107.95.0320通常要求丝杠的导程误差l小于其传动精度的 1/2 ，即mmml5005.01.02121该丝杠的l满足上市，所以其刚度可以满足要求。 6）效率验算滚珠丝杠副的传动效率为947.0)2.0334tan() 334tan()tan(tan要求在 90% 95% 之间，所以该

54、丝杠副合格。经上述计算验算， fc1-4010-2.5各项性能均符合题目要求，所以合格。3.4.4 滚珠丝杠的安装与使用( 1) 润滑为使滚珠丝杠副能充分发挥机能，在其工作状态下， 必须润滑， 润滑方式主要有以下两种1. 润滑脂润滑脂的给脂量一般是螺母内部空间容积的1/ 3，一般滚珠丝杠副在螺母内部已加注 gb7324- 94 2#锂基润滑脂；2. 润滑油润滑油的给油量标准如表16 所示，但是随行程、润滑油的种类、使用条件（热抑制量）等的不同而有所变化。请注意使用。表 16 润滑油的给油量标准（间隔3 分钟）表三润滑油的给油量标准轴 颈 ( mm) 给油量 ( cc) 480. 0310140

55、. 0515180. 0720250. 1028320. 1536400. 2545500. 3055630. 40701000. 501001600. 60( 2) 防尘滚珠丝杠副与滚动轴承一样， 如果污物及异物进入就很快使它磨耗，成为破损的原因。因此，考虑有污物异物（切削碎削）进入时，必须采用防尘装置（折皱保护罩、丝杠护套等），将丝杠轴完全保护起来。另外，如没有异物， 但有浮尘时可在滚珠螺母两端增加防尘圈，请用户根据需要按编号规则选定合适规格型号。( 3) 使用滚珠丝杠副在使用时应注意以下事项：1. 滚珠螺母应在有效行程内运动， 必要时要在行程两端配置限位， 以避免螺母越程脱离丝杠轴而使滚

56、珠脱落。2. 滚珠丝杠副由于传动效率高， 不能自锁， 在用于垂直方向传动时， 如部件重量未加平衡，必须防止传动停止或电机失电后，因部件自重而产生的逆传动。防逆传动方法可用蜗轮蜗杆传动、液压式电器制动器及超越离合器等。( 4) 安装滚珠丝杠副在安装时应注意以下事项：1. 滚珠丝杠副仅用于承受轴向负荷。径向力、弯矩会使滚珠丝杠副产生附加表面接触应力等不良负荷， 从而可能造成丝杠的永久性损坏。因此，滚珠丝杠副安装到机床时应注意：a 丝杠的轴线必须和与之配套导轨的轴线平行，机床的两端轴承座与螺母座必须三点成一线。b 安装螺母时，尽量靠近支撑轴承。c 同样安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。 2.滚珠

57、丝杠副安装到机床时，请不要把螺母从丝杠轴上卸下来。如必须卸下来时，要使用辅助套， 否则装卸时滚珠有可能脱落。螺母装卸时应注意下列几点：a 辅助套外径应小于丝杠底径0. 10. 2mm；b 辅助套在使用中必须靠紧丝杠螺纹轴肩；c 装卸时，不可使过大力以免螺母损坏；d 装入安装孔时要避免撞击和偏心。第四章微机控制系统的设计4.1 微机控制系统组成及特点4.1.1 微机控制系统的组成微机控制系统主要由微型计算机和伺服系统两大部份组成，其中微机又包括硬件和软件两部分。1微机控制系统基本硬件组成硬件是组成系统的基础， 有了硬件软件才能有效地运行。 硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。数控系统的

58、硬件电路概括起来由以下部分组成。（1）主控制器，即中央处理单元cpu 。（2）存储器，包括只读可编程存储器和随机读写数据存储器。（3）接口。2微机数控系统软件软件是指为实现微机控制系统各项功能编制的专用程序，它一般由以下几部分组成：（1）输入数据处理程序它接受输入的零件加工程序， 用标准代码表示的加工指令和数据整理成便于解释执行的格式后存放。（2）插补运算程序它完成普通数控系统中插补器的功能。（3） 速度控制程序它根据给定的速度代码或每分毫米数控制插补运算的频率，以保证预定速度进给。（4）管理程序和诊断程序管理程序对数据输入、 处理及切削加工过程服务的各个程序进行调度， 还可以对面板命令、 时

59、钟信号、 故障信号等引起的中断进行处理。诊断程序可以在运行中及时发现系统的故障，并指示故障类型。4.1.2 微机数控系统的特点1. 可靠性高。 由于采用大规模集成电路、 软件连接以及自诊断功能， 所以大大提高了无故障运行时间，即使有极少的故障也能及时发现和排除。2. 灵活性强。 由于系统的硬件是通用、 标准化的， 对于不同机床的控制要求只需更换可编程只读存储器中的系统程序就可实现。3. 易于实现机电一体化。 采用大规模集成电路时控制框尺寸大为缩小，采用可编程接口又可将m 、s、t 等顺序控制部分逻辑电路与数控装置结合一起，使结构更为紧凑。4. 价格低。采用微机数控， 使数控机床电气部分成本大为

60、下降，对功能较齐全的数控机床价格幅度下降更大。5. 由于微机的功能强， 存储量大， 可实现多功能控制、 多路运行控制及数据和图形显示等，给操作人员和监视生产过程带来方便。4.2 微机控制系统设备介绍4.2.1 主控制器 cpu 的选择、目前在数控系统中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以及 8098、8096等 16 位机的 cpu ，也有 8080、z80和 8051、8031、8751 等 8 位机的 cpu 。但从性能价格比上，我们常采用mcs-51系列单片机中的 8031 作为主控制器。下面对各功能部件作进一步的说明：（1） 数据存储器（ ram ） ：片内为 2