数控车床总体设计及主轴箱设计

数控车床又称数字控制（Numbercalcontrol，简称NC）机床。它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。它是由主机，CNC，驱动装置，数控机床的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。本次设计课题是CK6140数控卧室车床，CK是数控车床，61是卧式车床，40是床身上最大工件回转直径为400mm。此次设计包括机床的总体布局设计，纵向进给设计，其中还包括齿轮模数计算及校核，主轴刚度的校核等。控制系统部分包括步进电机的选用及硬件电路设计和软件系统设计，说明了芯片的扩展，键盘显示接口的设计等等。车床适用于车削内外圆柱面，圆锥面及其他基准面，车削各种公制、英制、模数和径节螺纹，并能进行钻孔，铰孔和拉油槽等工作。设计主抽箱主要是从主传动系统的运动设计、主运动部件的结构设计和箱体这三方面进行设计。主传动系统的运动设计有:确定极限转速、确定公比、确定转速级数、确定结构网和结构式、绘制转速图、确定齿轮齿数和拟定传动系统图。主运动部件的结构设计有：带传动的设计、确定各种计算转速、确定齿轮模数、确定各轴最小直径和设计部分主轴主件。关键词：数控机床；开放式数控系统；电动机；纵向进给设计AbstractThenumericalcontrollathecalledthenumericalcontrol(Numbercalcontrol,iscalledNC)theenginebed.Itisbasedonthenumericalcontrol,hasusedthenumericalcontroltechnology,isloadedwiththeprocedurecontrolsystemtheenginebed.Itisbythemainengine,CNC,thedrive,thenumericalcontrolenginebedauxiliaryunit,theprogrammingmachineandothersomeappurtenancesiscomposed.ThisdesigntopicistheCK6140numericalcontrolbedroomlathe,CKisthenumericalcontrollathe,61isthehorizontallathe,40isonthelathebedthebiggestworkpiecerotationdiameteris400mm.Thisdesignincludingtheenginebedoveralllayoutdesign,longitudinalentersforthedesign,alsoincludesthegearmoduluscomputationandtheexamination,themainaxlerigidityexaminationandsoon.Thecontrolsystempartiallyincludingstep-by-stepstheelectricalmachinerytoselectandthehardwarecircuitdesignandthesoftwaresystemdesign,explainedthechipexpansion,keyboarddemonstrationconnectiondesignandsoon.Keyword：numerical；controltool；Open-architecture；motor目录摘要1Abstract2目录3序言4第一章总体方案5CK6140的现状和发展51.2CK6140数控卧式车床的总体方案论证与拟定51.2.1CK6140数控卧式车床的拟定5第二章主轴箱部分设计计算说明72.1主运动部分计算7参数的确定7传动设计8转速图的拟定10带轮直径和齿轮齿数的确定14第三章控制系统设计36绘制控制系统结构框图36选择中央处理单元（CPU）的类型373.4

I/O接口电路及辅助电路设计39小结43参考文献44序言

数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。

数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点：

1.适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。

2.加工精度高；

3.生产效率高；

4.减轻劳动强度，改善劳动条件；

5.良好的经济效益；

6.有利于生产管理的现代化。

可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计实例具有典型性和实用性。第一章总体方案1.1CK6140的现状和发展自第一台数控机床在美国问世至今的半个世纪内，机床数控技术的发展迅速，经历了六代两个阶段的发展过程。其中，第一个阶段为NC阶段；第二个阶段为CNC阶段，从1974年微处理器开始用于数控系统，即为第五代数空系统。在近20多年内，在生产中，实际使用的数控系统大多是这第五代数控系统，其性能和可靠性随着技术的发展得到了根本性的提高。从20世纪90年代开始，微电子技术和计算机技术的发展突飞猛进，PC微机的发展尤为突出，无论是软硬件还是外器件的进展日新月异，计算机所采用的芯片集成化越来越高，功能越来越强，而成本却越来越低，原来在大，中型机上才能实现的功能现在在微型机上就可以实现。在美国首先推出了基于PC微机的数控系统，即PCNC系统，它被划入为所谓的第六代数控系统。下面从数控系统的性能、功能和体系结构三方面讨论机床。数控技术的发展趋势：（1）.高速高精度高效（2）.柔性化（3）.工艺复合和轴化（4）.实时智能化（1）.用户界面图形化（2）.科学计算可视化（3）.插补和补偿方式多样化（4）.内置高性能PLC（5）.多媒体技术应用（1）.集成化（2）.模块化（3）.网络化（4）.开放式闭环控制模式1.2CK6140数控卧式车床的总体方案论证与拟定1.2.1CK6140数控卧式车床的拟定1.CK6140数控卧式车床具有定位，纵向和横向的直线插补功能，还能要求暂停，进行循环加工等，因此，数控系统选取连续控制系统。2.CK6140数控卧式车床属于经济型数控机床，在保证一定加工精度的前提下，应简化结构、降低成本，因此，进给伺服系统应采用步进电机开环控制系统。3.根据设计所给出的条件，主运动部分z=18级，即传动方案的选择采用有级变速最高转速是2000r/min，最低转速是40r/min，。4.根据系统的功能要求，微机控制系统中除了CPU外，还包括扩展程序存储器，扩展数据存储器，I/O接口电路，包括能输入加工程序和控制命令的键盘，能显示加工数据和机床状态信息的显示器，包括光电隔离电路和步进电机驱动电路。此外，系统中还应该包括脉冲发生电路和其他辅助电路。5.纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们由步进电机，齿轮副，丝杆螺母副组成，它的传动比应满足机床所要求的。6.为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小，传动效率的滚珠丝杆螺母副，并应有预紧机构，以提高传动刚度和消除间隙。齿轮副也应有消除齿侧间隙的机构。7.采用滚动导轨可以减少导轨间的摩擦阻力，便于工作台实现精确和微量移动，且润滑方法简单。（附注：伺服系统总体方案框图1.1）第二章主轴箱部分设计计算说明2.1主运动部分计算2.1.1参数的确定了解车床的基本情况和特点车床的规格系列和类型1.通用机床的规格和类型有系列型谱作为设计时应该遵照的基础。2.车床的主参数（规格尺寸）和基本参数（GB1582-79，JB/Z143-79）：最大的工件回转直径D（mm）是400；刀架上最大工件回转直径D1大于或等于200；主轴通孔直径d要大于或等于36；主轴头号（JB2521-79）是6；最大工件长度L是750～2000；主轴转速范围是：32～～～10。参数确定的步骤和方法极限切削速度umax﹑umin根据典型的和可能的工艺选取极限切削速度要考虑：工序种类﹑工艺要求刀具和工件材料等因素。允许的切速极限参考值如《机床主轴变速箱设计指导书》。然而，根据本次设计的需要选取的值如下：取umax=300m/min；umin=30m/min。主轴的极限转速～～0.5）D。由于D=400mm，则主轴极限转速应为：nmax=r/min………………=2000r/min；nmin=r/min……………=40r/min；主电机功率—动力参数的确定合理地确定电机功率N，使用的功率实际情况既能充分的发挥其使用性能，满足生产需要，又不致使电机经常轻载而降低功率因素。目前，确定机床电机功率的常用方法很多，而本次设计中采用的是：估算法，它是一种按典型加工条件（工艺种类、加工材料、刀具、切削用量）进行估算。根据此方法，中型车床典型重切削条件下的用量：根据设计书表中推荐的数值：2.1.2传动设计一.传动结构式、结构网的选择结构式、结构网对于分析和选择简单的串联式的传动不失为有用的方法，但对于分析复杂的传动并想由此导出实际的方案，就并非十分有效，可考虑到本次设计的需要可以参考一下这个方案。确定传动组及各传动组中传动副的数目级数为Z的传动系统有若干个顺序的传动组组成，各传动组分别有Z1、Z2、Z3…个传动副。即Z=Z1Z2Z3………………传动副数由于结构的限制以2或3为合适，即变速级数Z应为2和3的因子:Z=………………可以有几种方案，由于篇幅的原因就不一一列出了，在此只把已经选定了的和本次设计所须的正确的方案列出，具体的内容如下：传动齿轮数目2x（3+3+2）+2x2+1=21个轴向尺寸19b传动轴数目6根图2.1总的传动系统18级转速传动系统的传动组，可以安排成：3x3x2，2x3x3，或3x2x3选择传动组安排方式时，要考虑到机床主轴变速箱的具体结构、装置和性能。在Ⅰ轴上摩擦离合器时，应减小轴向尺寸，第一传动组的传动副不能多，以2为宜，本次设计中就是采用的2，一对是传向正传运动的，另一个是传向反向运动的。主轴对加工精度、表面粗糙度的影响大，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，或者用一个定比传动副。传动系统的扩大顺序的安排对于18级的传动可以有三种方案，准确的说应该不只有这三个方案，可为了使结构和其他方面不复杂，同时为了满足设计的需要，选择的设计方案是：18=3［1］3［3］2［9］传动方案的扩大顺序与传动顺序可以一致也可以不一致，在此设计中，扩大顺序和传动顺序就是一致的。这种扩大顺序和传动顺序一致，称为顺序扩大传动。传动组的变速范围的极限植齿轮传动副最小传动比umin≥，最大传动比umax≤2，决定了一个传动组的最大变速范围rmax=umax/nmin≤8因此，要按照参考书中所给出的表，淘汰传动组变速范围超过极限值的所有传动方案。极限传动比及指数x，值为：极限传动比指数x：umin==6值；umax==23（x+）值：umin==892.1.3转速图的拟定运动参数确定以后，主轴各级转速就已知，切削耗能确定了电机功率。在此基础上，选择电机型号，确定各中间传动轴的转速，这样就拟定主运动的转图，使主运动逐步具体化。主电机的选定中型机床上，一般都采用三相交流异步电机为动力源，可以在系列中选用。在选择电机型号时，应按以下步骤进行：电机功率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经标准化，因此，按要求应选取相近的标准值。异步电机的转速有：3000、1500、1000、750r/min在此处选择的是：nd=1500r/min这个选择是根据电机的转速与主轴最高转速nmax和Ⅰ轴的转速相近或相宜，以免采用过大的升速或过小的降速传动。根据本次设计机床的需要，所选用的是：双速电机根据电机不同的安装和使用的需要，有四种不同的外形结构，用的最多的有底座式和发兰式两种。本次设计的机床所需选用的是外行安装尺寸之一。具体的安装图可由手册查到。根据常用电机所提供的资料，选用：Y132S-4图2.2电动机Ⅰ轴从电机得到运动，经传动系统化成主轴各级转速。电机转速和主轴最高转速应相接近。显然，从传动件在高速运转下恒功率工作时所受扭矩最小来考虑，Ⅰ轴转速不宜将电机转速下降得太低。但如果Ⅰ轴上装有摩擦离合器一类部件时，高速下摩擦损耗、发热都将成为突出矛盾，因此，Ⅰ轴转速不宜太高。Ⅰ轴装有离合器的一些机床的电机、主轴、Ⅰ轴转速数据：参考这些数据，可见，车床Ⅰ轴转速一般取700～1000r/min。另外，也要注意到电机与Ⅰ轴间的传动方式，如用带传动时，降速比不宜太大，否则Ⅰ轴上带轮太大，和主轴尾端可能干涉。因此，本次设计选用：n1=960r/min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与噪音、震动等性能要求之间的矛盾。中间传动轴的转速较高时（如采用先升后降的传动），中间转动轴和齿轮承受扭矩小，可以使用轴径和齿轮模数小写：d∝、m∝，从而可以使用结构紧凑。但是，这将引起空载功率N空和噪音Lp（一般机床容许噪音应小于85dB）加大：N空=)KW…………式中：C系数，两支承滚动或滑动轴承C=8.5，三支承滚动轴承C=10；da所有中间轴轴颈的平均直径（mm）；d主—主轴前后轴颈的平均直径（mm）；∑n—主轴转速（r/min）。………………（mz）a—所有中间传动齿轮的分度圆直径的平均值mm；（mz）主—主轴上齿轮的分度圆的平均值mm；q传到主轴所经过的齿轮对数；β主轴齿轮螺旋角；C1、K系数，根据机床类型及制造水平选取。我国中型车床、铣床C1=3.5。车床K=54，铣床K=50.5。从上诉经验公式可知：主轴转速n主和中间传动轴的转速和∑n对机床噪音和发热的关系。确定中间传动轴的转速时，应结合实际情况作相应修正：1.功率教大的重切削机床，一般主轴转速较低，中间轴的转速适当取高一些，对减小结构尺寸的效果较明显。2.速轻载或精密车床，中间轴转速宜取低一些。∠8m/s（可用7级精度齿轮）。在此条件下，可适当选用较高的中间轴转速。机床主传动系统中，齿轮副的极限传动比：升速传动中，最大传动比umax≤2。过大，容易引起震动和噪音。2.降速传动中，最小传动比umin≥1/4。过小，则使主动齿轮与被动齿轮的直径相差太大，将导致结构庞大。图2.3主运动的转速图带轮直径和齿轮齿数的确定根据拟定的转速图上的各传动比，就可以确定带轮直径和齿轮的齿数。带轮直径确定的方法、步骤一般机床上的都采用三角带。根据电机转速和功率查图即可确定型号（详情见〈〈机床主轴变速箱设计指导〉〉4-1节）。但图中的解并非只有一种，应使传动带数为3～5根为宜。本次设计中所选的带轮型号和带轮的根数如下：B型带轮选取3根2.确定带轮的最小直径Dmin（D小）各种型号胶带推荐了最小带轮直径，直接查表即可确定。根据皮带的型号，从教科书〈〈机械设计基础教程〉〉查表可取：Dmin=140mm根据要求的传动比u和滑功率ε确定D大。当带轮为降速时：三角胶带的滑动率ε=2%。三角传动中，在保证最小包角大于120度的条件下，传动比可取1/7≤u≤3。对中型通用机床，一般取1～2.5为宜。因此，≤D大≤343mm经查表取：D大=212mm确定齿轮齿数用计算法或查表法确定齿轮齿数，后者更为简单。根据要求的传动比u和初步定出的传动齿轮副齿数和Sz，查表即可求出小齿轮齿数。在本次设计中采用的就是常用传动比的适用齿数（小齿轮）表就见教科书〈〈机床简明设计手册〉〉。不过在表中选取的时候应注意以下几个问题：不产生根切。一般去Zmin≥18～20。保证强度和防止热处理变形过大，齿轮齿根圆到键槽的壁厚δ≥2mm，一般取δ>5mm则zmin≥6.5+，具体的尺寸可参考图。同一传动组的各对齿轮副的中心距应该相等。若莫数相同时，则齿数和亦应相等。但由于传动比的要求，尤其是在传动中使用了公用齿轮后，常常满足比了上述要求。机床上可用修正齿轮，在一定范围内调整中心距使其相等。但修正量不能太大，一般齿数差不能超过3～4个齿。防止各种碰撞和干涉三联滑移齿轮的相邻的齿数差应大于4。应避免齿轮和轴之间相撞，出现以上的情况可以采用相应的措施来补救。在同时满足以上的条件下齿轮齿数的确定已经可以初步定出，具体的各个齿轮齿数可以见传动图上所标写的。确定轴间距：轴间距是由齿轮齿数和后面计算并且经验算而确定的模数m而确定的，具体的计算值如下（模数和齿轮的齿数而确定的轴间距必须满足以上的几个条件）：Ⅰ轴与Ⅱ轴之间的距离：取m=，由转速图而确定………齿轮1与2之间的中心距：………2.9Ⅱ轴与Ⅲ轴之间的距离：取m=2.5mm，由转速图而确定的传动比见图，…………齿轮3与4之间的中心距：………………2.11Ⅲ轴与Ⅳ轴之间的距离：取m=3.5mm，由转速图而确定的传动比………2.12齿轮9与10之间的中心距：……………Ⅳ轴Ⅴ轴之间的中心距离：取m=3.5mm，由转速图而确定的传动比……………主轴到脉冲轴的中心距：取m=，传动比…………………Ⅰ轴到反转轴Ⅵ轴的中心距：取m=，传动比……………2.18……………由齿顶高……………2.20齿顶高和齿跟高只与所取的模数m有关。可知取m=2.5mm时，取m=3.5mm时：主轴转速系列的验算主轴转速在使用上并不要十分准确，转速稍高或稍低并无太大影响。但标牌上标准数列的数值一般也不允许与实际转速相差太大。由确定的齿轮齿数所得的实际转速与传动设计理论值难以完全相符合，需要验算主轴各级转速，最大误差不得超过正负10（ψ-1）%。即％或按公式：Δn=-2%～+6%…………………如果超差，要根据误差的正负以及引起误差的主要环节，重新调整齿数，使转速数列得到改善。主运动传动链的传动路线表达式如下：图2.4主传动路线所有主轴的详细的校核如下：………………校核后，合格。三角带传动的计算三角带传动中，轴间距A可以较大。由于是摩擦传递，带与轮槽间会有打滑，亦可因而缓和冲击及隔离震动，使传动平稳。带传动结构简单，但尺寸，机床中多用于电机输出轴的定比传动。选择三角带的型号根据计算功率Nj（kw）和小带轮n1（r/min）查图选择带的型号。计算功率Nj=KWNdkW式中Nd—电机的额定功率，KW—工作情况系数。车床的起动载荷轻，工作载荷稳定，二班制工作时，取：KW带的型号是：B型号确定带轮的计算直径D1、D21）.小带轮计算直径D1皮带轮的直径越小，带的弯曲应力就越大。为提高带的使用寿命，小带轮直径D1不宜过小，要求大雨许用最小带轮直径Dmin，即D1≥Dmin。各型号带对应的最小带直径Dmin可查表。D1=140r/min2）.大带轮计算直径D2……2.59=212r/min式中:n1--小带轮转速r/min;n2--大带轮转速r/min;ε--带的滑动系数,一般取0.02.算后应将数字圆整为整数。3）.确定三角带速度u具体的计算过程如下：=…………………对于O、A、B、C型胶带，5m/s≤u≤25m/s。而u=5～10m/s时最为经济耐用。此速度完全符合B型皮带的转速。4）.初定中心距A0：带轮的中心距，通常根据机床总体布局初步选定，一般可以在下列范围内选取：A0=（～2）（D1+D2）mm………=352（～2）mm～704mm取A0=704mm距过小，将降低带的寿命；中心距过大时，会引起带振动。中型车床电机轴至变速箱带轮的中心距一般为750～850mm。5）.确定三角带的计算长度L0及内周长LN。三角带的计算长度是通过三角带截面重心的长度。…………=圆整到标准的计算长度L=2033mm经查表LN=2000mm修正值Y=336）.验算三角带的扰曲次数u≤40次/s（则合格）…………………式中：m--带轮个数。如u超限。可加大L（加大A）或降低u（减少D2、D1）来解决。代入数据得……………………=10.5次/s≤40次/s是合格的，不需作出任何修改。7）.确定实际中心距A…………=740mm8）.验算小带轮包角а1………………如果а1过小，应加大中心距或加张紧装置。代入数值如下：=180°°°≥120°经校核合格。9）.确定三角带根数z………………式中：N0--单根三角带在а1=180°、特定长度、平稳工作情况下传递的功率值。C1包角系数。参数的选择可以根据书中的表差取：N0C1带入数值得：所以，传动带根数选3根。此公式中所有的参数没有作特别说明的都是从〈〈机床主轴变速箱设计指导〉〉传动轴除了应满足强度要求外，还应满足刚度要求。强度要求保证轴在反复载荷和扭转载荷作用下不发生疲劳破坏。机床主传动系统精度要求较高，不允许有较大的变形。因此，疲劳强度不是主要矛盾。除了载荷很大的情况外，可以不必验算轴的强度。刚度要求保证轴在载荷下不致产生过大的变形。如果刚度不足，轴上的零件如齿轮、轴承等将由于轴的变形过大而不能正常工作，或者产生振动和噪声、发热、过早磨损而失效。因此，必须保证传动轴有足够的刚度。通常，先按扭转刚度估算轴的直径，画出草图之后，再根据受力情况、结构布置和有关尺寸，验算弯曲刚度。传动轴直径按扭矩刚度用下列公式估算传动轴直径：……其中：N—该传动轴的输入功率N=Ndηkw…………Nd—电机额定功率；η—从电机到该传动轴之间传动件的传动效率的乘积（不计该轴轴承上的效率）。nf—该传动轴的计算转速r/min。计算转速nf是传动件能传递全部功率的最低转速。各传动件的计算转速可以从转速图上，按主轴的计算转速和相应的传动关系而确定，而中型车床主轴的计算转速为：………[ψ]—每米长度上允许的扭转角（deg/m），可根据传动轴的要求选取。根据参考书中所给出的公式和本次设计所必须满足的条件，在传动过程中所有轴的直径的估算如下：nj（主）=nminψz/3-1………=125r/minⅤ主轴nj=n6=125r/min；Ⅳ轴nj=n7=160r/min；Ⅲ轴nj=n11=400r/min；Ⅱ轴nj=n14=800r/min；Ⅰ轴nj=960r/min；由：………则计算主轴Ⅴ和中间轴的直径d如下：Ⅴ主轴d5=64mm；Ⅳ轴d4=40mm；Ⅲ轴d3=40mm；Ⅱ轴d2=40mm；Ⅰ轴d1=30mm；传动轴刚度的验算：1）.轴的弯曲变形的条件和允许值机床主传动的弯曲刚度验算，主要验算轴上装齿轮和轴承处的桡度y和倾角θ。各类轴的桡度y和装齿轮和轴承处倾角θ，应小于弯曲刚度的许用值[Y]和[θ]值，即：y≤[Y]；…2.73θ≤[θ]…由于书写量比较大而篇幅不足的原因，所以在此就省了。2）.轴的弯曲变形计算公式计算轴本身变形产生的桡度y和倾角θ时，一般常将轴简化为集中载荷下的简支梁，按参考书中的表中的有关公式进行计算。当轴的直径相差不大且计算精度要求不高时，可把轴看作等径轴，采用平均直径来进行计算。计算花键轴的刚度时可采用直径或当量直径。由于本次设计的说明书的篇幅和时间的关系就不在此详细的列出了。但一般的计算公式为：…………………矩形花键轴：平均直径………………当量直径……………惯性距…………本次设计机床中长采用矩形花键轴的：`花键轴尺寸（GB1144-74）平均直径当量直径极惯性距惯性距2858976294882000581000291428706714353根据本次设计的情况，主轴的刚度要求必须进行校核，具体的刚度校核结果如下：a）.首先，把主轴上的轴承所能承受的载荷在《机械设计手册3》中查出，见下：深沟球轴承其基本额定载荷为：推力球轴承其基本额定载荷为：双列圆锥滚子轴承其基本额定载荷为：b）.计算轴上的载荷图2.5轴的结构图与弯矩扭矩图主轴上齿轮在高速转动时所产生的载荷：齿轮1：…………齿轮2：……………c）.校核倾角和桡度经查表得：安装圆锥滚子轴承处安装深沟球轴承处安装推力球轴承处计算主轴圆轴的平均直径和惯性矩：…………………倾角：对………………对…………………在点C处的倾角…………………在点B处的倾角………在点A处的倾角……………桡度：对………对………根据表选用…………由此可得在主轴上的刚度是完全合格的。三.齿轮模数的估算和计算按接触疲劳和弯曲强度计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮个参数都已知道后方可确定，所以只在草图画完之后校核用。在画草图之前，先估算，再选用标准齿轮模数。齿轮弯曲疲劳的计算：……………齿面点蚀的估算：其中nj为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心距。由中心距A及齿数z1、z2求出模数：……………2.106根据估算所得mj的值，由标准的模数表查取相近的标准模数。计算（验算）：结构确定后，齿轮的工作条件、空间安排、材料和精度等级等都已确定，才可能核验齿轮的接触疲劳和弯曲疲劳强度值是否满足要求。根据接触疲劳计算齿轮模数公式为：………根据弯曲疲劳计算齿轮模数公式为：………………式中：N计算齿轮传递的额定功率；计算齿轮（小齿轮）的计算转速r/min；齿宽系数=b/m，常取6～10；计算齿轮的齿数，一般取传动中最小齿轮的齿数；i大齿轮和小齿轮饿齿数比，“+”用于外啮合，“-”用于内啮合；寿命系数，；工作期限系数，；齿轮等传动件在接触和弯曲脚变载荷下的疲劳曲线指数m和基准循环次数C0；n齿轮的最低转速r/min；T预定的齿轮工作期限，中型机床推荐：T=15，000～20，000h；Kn转速变化系数；KN功率利用系数；Kq材料强化系数。幅值低的交变载荷可使金属材料的晶粒边界强化，起着阻止疲劳细缝扩展的作用；Ks（寿命系数）的及值Ksmax，Ksmin当时，则取K1工作情况系数。中等冲击的主运动：K1=1.2～1.6；K2动载荷系数；K3齿向载荷分布系数；Y齿形系数；许用弯曲、接触应力Mpa。本次设计中的模数计算与选取如下：1.Ⅰ轴传到Ⅱ轴的模数：齿轮接触疲劳的计算：……齿轮弯曲疲劳的计算：…………取A=72mm……………计算（验算）核验齿轮的接触疲劳和弯曲疲劳强度值是否满足要求。根据接触疲劳计算齿轮模数公式为：经查表取：…………取N=5.5KW，，代入公式得：………根据弯曲疲劳计算齿轮模数公式为：查表取代入公式得：……经校核和查表取m=2.5mm。2.Ⅱ轴传到Ⅲ轴的模数：齿轮接触疲劳的计算：……………经校核取m=2.5mm。齿轮弯曲疲劳的计算：……………取A=90mm………………经校核和查表取：取mj3.Ⅲ轴传到Ⅳ轴的模数：齿轮接触疲劳的计算：………………齿轮弯曲疲劳的计算：……………取A=122mm………………经校核和查表取：取mj4.Ⅳ轴传到Ⅴ轴的模数：齿轮接触疲劳的计算：…………齿轮弯曲疲劳的计算：…………取A=192mm……………以上所有的模数的选取都是根据参考书《机械原理》所提供的模数表中选取的标准值。摩擦电磁离合器目前在数控机床中应用十分广泛，因为它可以在运转中自动的接通或脱开，且具有结合平稳，没有冲击、构造紧凑的特点，部分零件已经标准化，多用于机床主传动。选用时应作必要的计算。根据初步的计算可从《离合器的选择与运用》一书中选取，所有的作图和计算尺寸都见书中的表。一般应使用和设计的离合器的额定静扭距Mj和额定扭距Md满足工作要求，由于普通车床是在空载下启动和反向的，故只需按离合器结合后的静负载扭距来选。即：………………对于需要在负载下启动和变速，或启动时间有特殊要求时，应按动扭距设计离合器。2.步骤：1）.决定外摩擦片的内径d。根据结构需要，如为轴装式时，摩擦片的内径d应比安装轴的轴径大2～6mm。2）.选择摩擦片尺寸：可以在参考书中选择，具体的型号见图纸。3）.计算摩擦面对数z……………式中：f-摩擦片间的摩擦系数（有表可选）；-许用压强MPa（有表可选）；D-摩擦片内片外径mm（有表可选）；d-摩擦片外片内径mm（有表可选）；Ku-速度修正系数（有表可选）；Kz-结合面数修正系数（有表可选）；Km-结合次数修正系数（有表可选）。代入数值得：取Z=9。第三章控制系统设计根据总体方案及机械结构的控制要求，控制系统选用MCS-51系列单片机组成，纵向、横向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１、X向、Y向伺服运动；２、键盘显示；３、面板管理４、行程控制５、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。图3.1控制系统结构框图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CPU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。一、程序存储器的扩展8031的程序存储器的寻址空间为64Ｋ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。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，其引脚与8031芯片的连接。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。3．8031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8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，2764是8KB需要13根地址线，低8位接74LS373的芯片的输出，接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74LS373译码器的和，系统复位后程序从0000H开始执行。(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火热数据都是由口读入，数位对应即可。(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，8031芯片的ALE（地址锁存允许信号）接地址锁存器74LS373的G引脚。二、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２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，地址可以重复使用，因此，２片6264的片选信号也分别接74LS373译码器的和

I/O接口电路及辅助电路设计一、

I/O接口电路设计8031单片机共有四个８位并行

I/O，但可供用户使用的只有口和部分口，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

接74LS138的端,8255芯片的片选信号接74LS138的。74LS138三——八译码器有三个输入A、B、C分别接8031，输出８个输出，低电平有效。对应输入A、B、C的000到111的８种组合，其中对应位000，对应位111。74LS138还有三个使能端，其中两个（和）为低电平使能，另一个为高电平使能。只有当使能端均处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。

I/O接口芯片与外部设备的连接是这样安排的，8155芯片的作为显示器段选信号输出，是显示器的为选信号输出，是键盘扫描输入。8155芯片的IO/M引脚接8031的因为使用8155的I/O，故为高电平。8255芯片接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出，为三个方向的点动及回零输入，为面板上的选择开关键输入，设有编辑、单步运行、自动、手动Ⅰ、手动Ⅱ等方式。系统个芯片都采用全地址译吗，个存储器及I/O接口芯片的地址编码见参考书。X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器采用YB015，３－２相通五相十拍方式工作，故，引脚接+5V，三个芯片的选同输出控制分别接8255的、、，清零接8255的，正反转控制端接8255的、、，时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以解决脉冲分配器输出脉冲的频率。为实