机电一体化毕业设计

1、毕 业 设 计三坐标铣床数控化改造姓 名 :学 号 :系 部 :专 业 年 级 :指导教师 :目录摘要- 3 -前言- 4 -第一章 概论- 5 -1.1 数控机床的产生及发展- 5 -1.2 数控机床的组成及分类- 5 -1.2.1 数控机床的组成- 5 -1.2.2 数控机床的分类- 6 -1.3 数控机床的特点及应用范围- 7 -1.3.1 数控机床的特点- 7 -1.3.2 数控机床的应用范围- 7 -第二章 三坐标数控铣床主要设计参数- 7 -2.1 设计要求- 7 -2.2 设计原则- 7 -2.3 总结构设计- 8 -2.3.1 数控机床的结构设计要求- 8 -2.3.2 提高机

2、床的结构刚度- 8 -2.3.3 提高进给运动的平稳性和精度- 8 -第三章 三坐标数控铣床的设计和计算- 9 -3.1 主传动系统的设计- 9 -3.2 主轴V带传动设计计算- 10 -3.3 进给伺服系统的设计- 12 -3.3.1 基本要求- 12 -3.3.2 动态响应特性及伺服性能分析- 13 -3.4 进给传动的计算- 13 -3.4.1 X轴滚珠丝杠副- 13 -3.4.2 Y轴滚珠丝杠副- 17 -3.4.3 Z轴滚珠丝杠副- 20 -3.4.4 滚珠丝杠的安装与使用- 24 -第四章 微机控制系统的设计- 25 -4.1微机控制系统组成及特点- 25 -4.1.1 微机控制系

3、统的组成- 25 -4.1.2 微机控制系统的特点- 25 -4.2 微机控制系统设备介绍- 25 -4.2.1 主控制器CPU的选择- 25 -4.2.2 存储器电路的扩展- 26 -4.2.3 I/O口电路的扩展- 26 -4.2.4 步进电机驱动电路- 27 -4.2.5 其它辅助电路设计- 27 -结论- 28 -参考文献- 28 -摘要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。设计的三坐标数控铣床，X、Y、Z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。设计主要是对铣床的

4、机构部分进行设计，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：三坐标 铣床 数控 改造 前言随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数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

5、具补偿运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，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。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

6、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，其惯性的影响更大。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、造船、军事等领域所需的零件

7、，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、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、点加工等领域，数控加工

8、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，向着综合自动化方向变革。1.2 数控机床的组成及分类1.2.1 数控机床的组成 数控机床的种类繁多，但从组成一台完整的数控机

9、床上讲，它由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体以及辅助设备组成。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、控制装置和输出装置等组成。输入装置接收控制介质上的信息，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

10、，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。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0.001mm0.01mm)。4. 机床本体机床本体是数控机床的主体，是用于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

11、进而得到的，具有以下特点：（1）数控机床采用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 按刀具相对于工件移动的轨迹分类（1） 点位控制数控机床 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

12、何加工。（2）点位直线控制数控机床 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，特点是能同时控制两个以上的轴，具有插补功能。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。（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

13、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（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、

14、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（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 三坐标数控铣床主要设计参数2.1 设计要求（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300x500mm（5）脉冲当量0.01mm/步（6）重复定位精度 0.01mm2.2 设计原则根据设计要求和铣床的具体情

15、况，课题的基本设计方案如下： （1）机床采用连续控制系统，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，为了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

16、修正，数控指令的显示和使用等。2.3 总结构设计2.3.1 数控机床的结构设计要求（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：运动部件的自重、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；各支撑零件的弯曲和扭转变形，以及某些支撑件的局部变形

17、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.

18、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。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0.025mm。在闭环进给系统中，设定的脉冲当量（或称最小设定

19、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

20、；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。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）驱动电动机和主轴功率特性的匹配设计（3）高速主传动设计（4）采用部件标准、模块化结构设计（5）柔性化、复合化数控机床主传动装置应满足以下特点：（1）具有较大的调速范围，并实现无级调速（2）具有较高的精度和刚度，传动平稳，噪音低（3）良好的抗震性和热稳定性数控机床主传动无级变速设计原则：（1）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。（2）无级变速系统装置单独使

21、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主轴部件设计要求（1）旋转精度 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 主轴部件的刚度是综合刚度，它是主轴、轴承等刚度的综合反映。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 因为摩擦生热，切削生热等会使温度升高引起热

22、变形使主轴伸长，轴承间隙变化，降低加工精度；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。（5）精度保持性 数控机床的主轴部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 由主轴及其支承轴承、传动件、密封件及定位元件等组成。（2）主轴的传动件 本三坐标数控铣床采用带传动联接。（3）主轴轴承 选用角接触球轴承，这种轴承既可承受径向载荷，又可承受轴向载荷。但这种球轴承为点接触，刚度较低，为了提高刚度和承载能力，主轴轴承必须采用背靠背组配，且必须进行角接触球轴承的间隙调整

23、和预紧。3主轴部件的动态特性改善动态特性，可采取下列措施：（1） 主轴部件的固有频率避开激振力频率。（2）增大阻尼。（3）采用消振装置。4主轴轴承的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）。3.2 主轴V带传动设计计算 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、

24、结构尺寸；确定传动中心距及作用在轴上的力等（参考机械设计基础136页）。 (1) 确定计算功率P kW式中：K工况系数(工作情况系数)P电机额定功率 Kw (2) 选取V带型号 根据P、n值查图8.12选SPA型 窄V带。 (3) 确定带轮直径D、D 小带轮直径D应满足：DD，以免带的弯曲应力过大而导致其寿命降低。 查表8.6和图8.13取D,故选择D。 (4) 验算带速v 5<V< 故 D选择合格。 D (5) 确定中心距a和带长L 得 初选 带长 查表8.4，取 中心距 a的调整范围： (6) 验算小带轮包角 小带轮包角可按公式求得： 得 ， 即满足条件。 (7) 确定V带根数

25、z V带根数Z可按下式计算： 由表8.10查得 由表8.18查得 由表8.19查得 由图8.11查得 由表8.4 查得 代入求根公式，得 圆整取z=6根。 (8) 确定初拉力 单根V带合适的初拉力可按下式计算： 由表8.6查得 (9) 计算作用在轴上的压力 3.3 进给伺服系统的设计3.3.1 基本要求进给伺服系统不但是数控机床的一个重要组成部分，也是数控机床区别于一般机床的一个特殊部分。数控机床对进给伺服系统的性能指标可归纳为：定位精度高；跟踪指令信号的响应快；系统的稳定性好。在静态设计方面有：(1) 能够克服摩擦力和负载(2) 很小的进给位移量(3) 高的静态扭转刚度(4) 足够的调速范围

26、(5) 进给速度均匀，在速度很低时无爬行现象在动态设计方面有：(1) 具有足够的加速和制动转矩(2) 具有良好的动态传递性能，保证在加工中获得高的轨迹精度和满意的表面质量(3) 负载引起的轨迹误差尽可能小 3.3.2 动态响应特性及伺服性能分析1时间响应特性时间响应特性是用来描述系统对迅速变化的指令能否迅速跟踪的特性，它由瞬态响应和稳态响应两部分组成。2. 频率响应特性频率响应特性,就是系统对正弦输入信号的响应，即它通过研究系统对正弦输入信号的响应规律来获得启动态特性。3. 快速性分析快速性分析是指分析系统的快速响应性能，快速性反映了系统的瞬态质量。3.4 进给传动的计算3.4.1 X轴滚珠丝

27、杠副(1) 精度 要求：进给精度 快速进给精度(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700kg,则：1） 求计算载荷Fc 根据机电一体化设计基础 计算载荷 查表2-6取 查表2-8取 查表2-7取 查表2-4取4级精度则： 2） 计算额定动载荷计算值 取丝杠的工作寿命为, 3） 选用 FC1-4020-2.5型丝杠，由表2-9得丝杠副数据：公称直径 导程 滚珠直径 按表2-1种尺寸公式计算： 滚道半径 偏心距 丝杠内径 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

28、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。 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，并按下式计算 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）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。 安全系数 查表2-10，S=2.53.3 ,S>S,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。要求丝杠的最大转速。 临界转速按下式计算： 式中：为临界转速系数，见表2-

29、10，本题取， 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求 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()共同作用下引起每个导程的变形量(m)为： 式中:A丝杠截面积,；为丝杠的极惯性矩，；G为丝杠切变模量，对钢；T为转矩。 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作载荷 按最不利的情况取（其中） 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2，即 该丝杠的满足上式，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 要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。 经上

30、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 快速进给精度 （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 根据机电一体化设计基础 计算载荷 查表2-6取 查表2-8取 查表2-7取 查表2-4取4级精度则： 2）计算额定动载荷 取丝杠的工作寿命为, 3）选用 FC1-4020-2.5型丝杠，由表2-9得丝杠副数据：公称直径 导程 滚珠直径 按表2-1种尺寸公式计算： 滚道半径 偏心距 丝杠内径 4）稳定性验算丝杠一端轴向固定，采用深沟

31、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。 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,并按下式计算 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）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。 安全系数 查表2-10，S=2.53.3 ,S>S,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

32、转速。要求丝杠的最大转速。 临界转速按下式计算： 式中：为临界转速系数，见表2-10，本题取， 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求 5）刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T()共同作用下引起每个导程的变形量(m)为： 式中:A丝杠截面积,；为丝杠的极惯性矩，；G为丝杠切变模量，对钢；T为转矩。 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作载荷 按最不利的情况取（其中） 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2，即 该丝杠的满足上式，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

33、率为 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。3.4.3 Z轴滚珠丝杠副（1）精度要求：进给精度 快速进给精度（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 根据机电一体化设计基础 计算载荷 查表2-6取 查表2-8取 查表2-7取 查表2-4取4级精度则： 2）计算额定动载荷 取丝杠的工作寿命为, 3）选用 FC1-4020-2.5型丝杠，由表2-9得丝杠副数据：公称直径 导程 滚珠直径 按表2-1种尺寸公式计算： 滚道半径 偏心距 丝

34、杠内径 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。 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 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）；为丝杠危险截面的轴惯性矩（）；为长度系数，取。 安全系数 查表2-10，S=2.53.3 ,S>S,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

35、此需验算其不发生共振的最高转速临界转速。要求丝杠的最大转速。 临界转速按下式计算： 式中：为临界转速系数，见表2-10，本题取， 即：，所以丝杠工作时不会发生共振。 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求 5）刚度验算 滚珠丝杠在工作负载F(N)和转矩T()共同作用下引起每个导程的变形量(m)为： 式中:A丝杠截面积,；为丝杠的极惯性矩，；G为丝杠切变模量，对钢；T为转矩。 式中：为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作载荷 按最不利的情况取（其中） 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为： 通常要求丝杠的导程误差小于其传动精度的1/2，即 该丝杠的满足上市，所以其刚度可以满足要求。

36、 6）效率验算 滚珠丝杠副的传动效率为 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。3.4.4 滚珠丝杠的安装与使用1润滑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. 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 。3. 使用注意事项：（1）滚珠螺母应在有效

37、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  注意事项：(1)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。(2)安装螺母时，尽量靠近支撑轴承。 (3)安装支撑轴承时，尽量靠近螺母安装部位。  (4)滚珠丝杠副安装到机床时，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。第四章 微机控

38、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硬件组成（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系统软件（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 管理程序对数据输入、处理及切削加工过程服务的

39、各个程序进行调度，还可以对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。(5) 诊断程序 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 微机控制系统的特点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，

40、使数控机床电气部分成本大为下降，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256个字节，片外最多

41、可扩至64K字节。 （2） 程序存储器（ROM/EPROM）：8031无此部件；8051为4KROM；8751为4KEPROM。片外最多可外扩至64K字节。 （3） 中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。 （4） 定时器/计数器：2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。 （5） 串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。 （6） P1口、P2口、P3口、P0口：为四个并行8位I/O口。（7） 微处理器（CPU）：为8位的CPU，且内含一个1位CPU（位处理器），不仅可处理字节数据，还可以进行位变量处理。4.2.2 存储器电路的扩展1.程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存

42、储器芯片，即紫外线可编程的EPROM芯片，其型号分别为：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别位2k、4k、8k、16k、32k。在选择芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，即8031所能读取的时间必须大于EPROM所要求的读取时间。此外，还要考虑最大读出速度、工作温度计存储器的容量。在满足容量要求是应尽量选择大容量芯片、以减少芯片数量简化系统。在本系统中，我们拟采用2764作为扩展芯片。2. 数据存储器的扩展由于8031内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，须扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116和6264静态RA

43、M数据存储器，其选用的规则与EPROM程序存储器的要求相同。本系统拟采用6264芯片作为数据存储器的外扩芯片。4.2.3 I/O口电路的扩展 1. 并行口的扩展8031单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此在大部分应用系统中都不可避免地要进行I/O口的扩展。通用可编程接口芯片8155具有2k位的静态RAM、2个8位和一个6位的可编程并行I/O口、一个14位的计数器。由于8155与单片机的接口简单，是单片机系统广泛使用的芯片。8155与8031的联接可归结为三总线的连接。8155本身具有地址锁存信号控制线和地址锁存器，故可直接将地址、数据线AD0AD7直接

44、与8031口线对应的相连，8155的ALE与8031的ALE直接相连，高8位地址的P2.5P2.7经译码器74LS138提供8155的片选信号CE,IO/M控制端接P2.0口，其它读写信号WR、RD也都对应相连。8155的地址与8031统一编址。 2. 键盘、显示器接口电路键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，按键设置在行列的交点上。本系统中所设计的是由4×6键和6位LED显示器组成。为了简化电路，键盘的列线及LED显示器的段码共用一个口，即8155的PB口，键盘的行线由8155的PA口提供，LED的字位控制则由PC口经74154后提供。4.2.4 步进电机驱动电路 步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机。在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统不需要A/D或