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南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)
第一部分 機(jī)床總體布局設(shè)計(jì)
一、機(jī)床總體尺寸參數(shù)的選定
根據(jù)設(shè)計(jì)要求并參考實(shí)際情況，初步選定機(jī)床主要參數(shù)如下：
工作臺(tái)寬度×長度 400×1600 mm×mm
主軸錐孔 7∶24
工作臺(tái)最大縱向行程 900 mm
工作臺(tái)最大橫向行程 375 mm
主軸箱最大垂直行程 400 mm
主軸轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù) 16級(jí)
主軸轉(zhuǎn)速范圍 50～2000r/min
X、Y軸步進(jìn)電機(jī) 130BF001（反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）
Z軸步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 130BF001（反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）
主電動(dòng)機(jī)的功率 4.0 KW
主軸電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 1440 r/min
機(jī)床外形尺寸（長×寬×高） 2450×1200×2300 mm×mm×mm
機(jī)床凈重 500 Kg
二、機(jī)床主要部件及其運(yùn)動(dòng)方式的選定
1、主運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
因所設(shè)計(jì)的機(jī)床要求能進(jìn)行立式的銑和鏜，垂直方向的行程比較大,因而采用工作臺(tái)不動(dòng),而主軸箱各軸向擺放為立式的結(jié)構(gòu)布局；為了使主軸箱在數(shù)控的計(jì)算機(jī)控制上齒輪的傳動(dòng)更準(zhǔn)確、更平穩(wěn)，工作更可靠，主軸箱主要采用離合器變換齒輪的有級(jí)變速。
2、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)
本次所設(shè)計(jì)的機(jī)床進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字控制，因此在X、Y、Z三個(gè)方向上，進(jìn)給運(yùn)動(dòng)均采用滾珠絲杠螺母副，其動(dòng)力由步進(jìn)電機(jī)通過調(diào)隙齒輪傳遞。
3 、數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)
采用單片機(jī)控制，各個(gè)控制按扭均安裝在控制臺(tái)上，而控制臺(tái)擺放在易操作的位置，這一點(diǎn)須根據(jù)實(shí)際情況而定。
4、機(jī)床其它零部件的選擇
考慮到生產(chǎn)效率以及生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)性，機(jī)床附件如油管、行程開關(guān)等，以及標(biāo)準(zhǔn)件如滾珠絲杠、軸承等均選擇外購形式。
三、機(jī)床總體布局的確定
根據(jù)以上參數(shù)及主要部件及其運(yùn)動(dòng)方式，則可擬定機(jī)床的總體布局圖，詳細(xì)圖紙請(qǐng)參照1號(hào)A0圖紙。
第二部分 主傳動(dòng)的設(shè)計(jì)
一． 擬定轉(zhuǎn)速圖
㈠.確定結(jié)構(gòu)式和結(jié)構(gòu)網(wǎng)式：
1.主傳動(dòng)的確定，和公比的確定：
根據(jù)XK5040的使用說明書，初步確定本次設(shè)計(jì)的XTK7140數(shù)控立式銑鏜床的主軸轉(zhuǎn)速范圍為40～1600r／min，則＝=＝＝1.28。
由設(shè)計(jì)手冊(cè)取標(biāo)準(zhǔn)值得：Ф=1.26。
令，則
則取。
2.確定變速組和傳動(dòng)副數(shù)目：
為了滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和操縱方便的要求，主軸轉(zhuǎn)速為16級(jí)的變速系統(tǒng)，總共需要四個(gè)變速組。
3. 確定傳動(dòng)順序方案：
按著傳動(dòng)順序，各變速組排列方案只有一個(gè)：16＝2×2×2×2
也不存在符不符合“前多后少、前疏后密”的原則，本次設(shè)計(jì)即采用此方案。
4. 確定擴(kuò)大順序方案：
傳動(dòng)順序方案確定以后，還可列出若干不同擴(kuò)大順序方案。如無特殊要求，根據(jù)“前密后疏”的原則，應(yīng)使擴(kuò)大順序和傳動(dòng)順序一致，通常能得到最佳的結(jié)構(gòu)式方案，故選用16＝×××結(jié)構(gòu)式方案。
檢查最后擴(kuò)大組的變速范圍：
r=～10
故合符要求。
㈡. 擬定轉(zhuǎn)速圖：
根據(jù)已確定的結(jié)構(gòu)式或結(jié)構(gòu)網(wǎng)議定轉(zhuǎn)速圖時(shí)，應(yīng)注意解決定比傳動(dòng)和分配傳動(dòng)比，合理確定傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。
① 定比傳動(dòng)
在變速傳動(dòng)系統(tǒng)中采用定比傳動(dòng)，主要考慮傳動(dòng)、結(jié)構(gòu)和性能等方面的要求，以及滿足不同用戶的使用要求。在銑鏜床的設(shè)計(jì)中，總降速比為u=50/1440=1/30=0.035。若每一個(gè)變速組的最小降速比均取1/4。則三個(gè)變速組的總降速可達(dá)。故無需要增加降速傳動(dòng)，但為了使中間兩個(gè)變速組做到降速緩慢，以利于減小變速箱的徑向尺寸和有利于制動(dòng)方便，在Ⅰ－Ⅱ軸間增加一對(duì)降速傳動(dòng)齒輪（），同時(shí)，也有利于設(shè)計(jì)變型機(jī)床，因?yàn)橹灰淖冞@對(duì)降速齒輪傳動(dòng)比，在其他三個(gè)變速組不變的情況下，就可以將主軸的16種轉(zhuǎn)速同時(shí)提高或降低，以便滿足不同用戶的要求。
② 分配降速比
前面已確定，16＝2×2×2×2共需三個(gè)變速組，并在Ⅰ－Ⅱ軸間增加一對(duì)降速傳動(dòng)齒輪，要用到四個(gè)變速組，在主軸Ⅴ上標(biāo)出16級(jí)轉(zhuǎn)速：50～1600r/min,在第Ⅰ軸上用A點(diǎn)代表電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，最低轉(zhuǎn)速用E點(diǎn)標(biāo)出，因此A,E兩點(diǎn)相距約15格，即代表總降速傳動(dòng)比為。
③ 定出各變速組的最小傳動(dòng)比
根據(jù)降速前慢后快的原則，在Ⅳ－Ⅴ軸間變速組取，在Ⅲ－Ⅳ軸間變速組取，在Ⅱ－Ⅲ軸間變速組取，在I－Ⅱ軸間變速組取則：
根據(jù)結(jié)構(gòu)式可知：Ⅱ～Ⅴ軸間變速組的級(jí)比指數(shù)分別為：2，4，8。傳動(dòng)副為：2，2，2。則畫出上圖的轉(zhuǎn)速圖。
㈢. 確定各齒輪的齒數(shù)：
在確定齒輪齒數(shù)時(shí)應(yīng)注意：齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過大，以免加大兩軸之間的中心距，使機(jī)床的結(jié)構(gòu)龐大，而且增大齒數(shù)和還會(huì)提高齒輪的線速度而增大噪聲，所以在設(shè)計(jì)時(shí)要把齒數(shù)和控制在；為了控制每組嚙合齒輪不產(chǎn)生根切現(xiàn)象，使最小齒數(shù)，因而齒輪的齒數(shù)和不應(yīng)過小。
在Ⅳ－Ⅴ軸間：∵
則可查表1.58和3.98兩行
又∵而最小齒輪的齒數(shù)是在的齒輪副中，令
則等，∵在高速軸中盡量使齒輪的幾何尺寸小一點(diǎn)以減小主軸的尺寸，所以可取
∴ 可查出：，
，
同理：① 且查得….
取 則查得：，
，
② 查得：
取 則查得：，
，
③ 查得：
取 則查得：，
，
㈣. 傳動(dòng)系統(tǒng)圖的擬定：
根據(jù)以上分析及計(jì)算，擬定如下傳動(dòng)系統(tǒng)圖：
二．主傳動(dòng)主要零件的強(qiáng)度計(jì)算：
㈠．電動(dòng)機(jī)的選擇
1．電動(dòng)機(jī)的功率計(jì)算
查《機(jī)床主軸/變速箱設(shè)計(jì)指導(dǎo)》:
端銑：硬質(zhì)合金端銑刀D=120mm；銑刀材料是45號(hào)鋼；
半精銑=150m/min, 齒數(shù)Z=3～4，取Z=4；
,取=0.1mm/z；
，取=0.6D；
，取=3mm。
1) 主（切向）切削力
硬質(zhì)合金端面銑刀銑削碳鋼工件：N
2) 切削功率
根據(jù)上面兩個(gè)公式求得：＝1148.72 N
∴
2、電動(dòng)機(jī)參數(shù)的選擇
在選擇電動(dòng)機(jī)時(shí)，必須使得P≥P，根據(jù)這個(gè)原則，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取Y112M-4型電動(dòng)機(jī)，其基本參數(shù)如下（單位為mm）：
A=190 B=140 C=70 D=28 E=60 F=8
G=24 H=112 K=12 AB=245 AC=230
AD=190 HD=265 BB=180 L=400
㈡．齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
由于直齒圓柱齒輪具有加工和安裝方便、生產(chǎn)效率高、生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn)，而且直齒圓柱齒輪傳動(dòng)也能滿足設(shè)計(jì)要求，所以本次設(shè)計(jì)選用漸開線直齒圓柱齒輪傳動(dòng)；主軸箱中的齒輪用于傳遞動(dòng)力和運(yùn)動(dòng)，它的精度直接與工作的平穩(wěn)性、接觸誤差及噪聲有關(guān)。為了控制噪聲，機(jī)床上主傳動(dòng)齒輪都選用較高的精度，但考慮到制造成本，本次設(shè)計(jì)都選用7-6-6的精度。具體設(shè)計(jì)步驟如下：
1、模數(shù)的估算：
按接觸疲勞和彎曲疲勞計(jì)算齒輪模數(shù)比較復(fù)雜，而且有些系數(shù)只有在齒輪各參數(shù)都已知道后方可確定，所以只在草圖畫完之后校核用。在畫草圖之前，先估算，再選用標(biāo)準(zhǔn)齒輪模數(shù)。
齒輪彎曲疲勞的估算公式：
mm （式中即為齒輪所傳遞的功率）
齒面點(diǎn)蝕的估算公式：
mm （式中即為齒輪所傳遞的功率）
其中為大齒輪的計(jì)算轉(zhuǎn)速，為齒輪中心距。
由中心距及齒數(shù)求出模數(shù)：
mm
根據(jù)估算所得和中較大的值，選取相近的標(biāo)準(zhǔn)模數(shù)。
前面已求得各軸所傳遞的功率，各軸上齒輪模數(shù)估算如下：
第一對(duì)齒輪副 ∵
∴ mm
mm
mm
所以，第一對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm
第二對(duì)齒輪副 ∵
∴ mm
mm
mm
所以，第二對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm
第三對(duì)齒輪副 ∵
∴ mm
mm
mm
所以，第三對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm
第四對(duì)齒輪副 ∵
∴ mm
mm
mm
所以，第四對(duì)齒輪副傳動(dòng)的齒輪模數(shù)應(yīng)為mm
綜上所述，為了降低成本，機(jī)床中各齒輪模數(shù)值應(yīng)盡可能取相同，但因?yàn)棰踺S得轉(zhuǎn)速比較小，扭矩比較大，為了增加其強(qiáng)度和在主軸上能起到飛輪的作用，需增加Ⅴ軸齒輪的幾何尺寸。所以，本次設(shè)計(jì)中在Ⅰ～Ⅳ間各個(gè)齒輪模數(shù)均為=3mm，在Ⅴ軸上就取。
2、齒輪分度圓直徑的計(jì)算
根據(jù)漸開線標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪分度圓直徑計(jì)算公式可得各個(gè)傳動(dòng)副中齒輪的分度圓直徑為：?jiǎn)挝?mm)
3、齒輪寬度B的確定
齒寬影響齒的強(qiáng)度，但如果太寬，由于齒輪制造誤差和軸的變形，可能接觸不均勻，反兒容易引起振動(dòng)和噪聲。一般取B=（6～10）m。本次設(shè)計(jì)中，取主動(dòng)齒輪寬度B=8m=8×3=24mm(在最后一對(duì)齒輪嚙合取也取B=7m≈24)。
4、齒輪其他參數(shù)的計(jì)算
根據(jù)《機(jī)械原理》中關(guān)于漸開線圓柱齒輪參數(shù)的計(jì)算公式及相關(guān)參數(shù)的規(guī)定，齒輪的其它參數(shù)都可以由以上計(jì)算所得的參數(shù)計(jì)算出來，本次設(shè)計(jì)中，這些參數(shù)在此不在一一計(jì)算。
5、齒輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
不同精度等級(jí)的齒輪，要采用不同的加工方法，對(duì)結(jié)構(gòu)的要求也不同，7級(jí)精度的齒輪，用較高精度的滾齒機(jī)或插齒機(jī)可以達(dá)到。但淬火后，由于變形，精度將下降。因此，需要淬火的7級(jí)齒輪一般滾或插后要剃齒，使精度高于7級(jí)，或者淬火后再珩齒。6級(jí)精度的齒輪，用精密滾齒機(jī)可以達(dá)到。淬火齒輪，必須達(dá)到6級(jí)。機(jī)床主軸箱中的齒輪齒部一般都需要淬火。
6、齒輪的校核（接觸疲勞強(qiáng)度）：
∵ 計(jì)算齒輪強(qiáng)度用的載荷系數(shù)K，包括使用系數(shù),動(dòng)載荷系數(shù),齒間載荷分配系數(shù)及齒向載荷分布系數(shù)，即：
=1.25×1.07×1.1×1.12=1.65
查表得：=0.88 =2.5 =189.8
=
將數(shù)據(jù)代入得：1100mpa
齒輪接觸疲勞強(qiáng)度滿足，因此接觸的應(yīng)力小于許用的接觸應(yīng)力。其它齒輪也符合要求，故其余齒輪不在驗(yàn)算，在此略去。
㈢、軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
1、各傳動(dòng)軸軸徑的估算
滾動(dòng)軸承的型號(hào)是根據(jù)軸端直徑確定的，而且軸的設(shè)計(jì)是在初步計(jì)算軸徑的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，因此先要初算軸徑。軸的直徑可按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度法用下列公式進(jìn)行估算。
對(duì)于空心軸，則
式中，——軸傳遞的功率，kW；
——軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速，r/min；
——其經(jīng)驗(yàn)值見表15-3；
取β的值為0.5。
（1）、計(jì)算各傳動(dòng)軸傳遞的功率P
根據(jù)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算選擇可知，本次設(shè)計(jì)所選用的電動(dòng)機(jī)額定功率各傳動(dòng)軸傳遞的功率可按下式計(jì)算：
——電機(jī)到傳動(dòng)軸之間傳動(dòng)效率；
由傳動(dòng)系統(tǒng)圖可以看出，本次設(shè)計(jì)中采用了聯(lián)軸器和齒輪傳動(dòng)，則各軸傳遞的功率為：
=0.96， =0.93， =0.904 =0.877 所以，各傳動(dòng)軸傳遞的功率分別為：
3.509
(2) 估算各軸的最小直徑
本次設(shè)計(jì)中，考慮到主軸的強(qiáng)度與剛度以及制造成本的經(jīng)濟(jì)性，初步選擇主軸的材料為40Cr，其它各軸的材料均選擇45鋼，取A0值為115，各軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速由轉(zhuǎn)速圖得出：
n1j=1002r/min, n2j=631r/min, n3j=315r/min, n4j=250r/min, 所以各軸的最小直徑為：
在以上各軸中，每根軸都開有平鍵或花鍵，所以為了使鍵槽不影響軸的強(qiáng)度，應(yīng)將軸的最小直徑增大5%，將增大后的直徑圓整后分別取各軸的最小直徑為：
=18, =22, =28, =30
2、各軸段長度值的確定
各軸段的長度值，應(yīng)根據(jù)主軸箱的具體結(jié)構(gòu)而定，且必須滿足以下的原則：應(yīng)滿足軸承及齒輪的定位要求；
3、軸的剛度與強(qiáng)度校核
根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，需選擇除主軸外的一根軸進(jìn)行強(qiáng)度校核，而主軸必須進(jìn)行剛度校核。在此選擇第Ⅲ根軸進(jìn)行強(qiáng)度校核。
（1）、第Ⅲ根軸的強(qiáng)度校核
1)、軸的受力分析及受力簡(jiǎn)圖
由主軸箱的展開圖可知，該軸的動(dòng)力源由電動(dòng)機(jī)通過彈性聯(lián)軸器傳遞過來，而后通過齒輪將動(dòng)力傳遞到下一根軸。其兩端通過一對(duì)角接觸球軸承將力轉(zhuǎn)移到箱體上去。由于傳遞的齒輪采用的是直齒圓柱齒輪，因此其軸向力可以忽略不計(jì)。所以只要校核其在xz平面及yz平面的受力。軸所受載荷是從軸上零件傳來的，計(jì)算時(shí)常將軸上的分布載荷簡(jiǎn)化為集中力，其作用點(diǎn)取為載荷分布段的中點(diǎn)。作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。通常把軸當(dāng)作鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類型和布置方式有關(guān)。其受力簡(jiǎn)圖如下：
在xz平面內(nèi)：
在yz平面內(nèi)：
2）、作出軸的彎矩圖
根據(jù)上述簡(jiǎn)圖，分別按xz平面及yz平面計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)算結(jié)果分別作出兩個(gè)平面的上的彎矩圖。
在xz平面內(nèi)，根據(jù)力的平衡原理可得：
R1+R2+Ft2=Ft1
將各個(gè)力對(duì)R1取矩可得：
Ft1×a=Ft2×（l-b）+R2×l
∵ Ft1=2/d7
Ft2=2/d11
由以上兩式可解出：
R1=Ft1（l-a）/l-Ft2×b/l
R2=Ft1×a/l-F2xz+Ft2×b/l
由于有多個(gè)力的存在，彎矩?zé)o法用一個(gè)方程來表示，用x來表示所選截面距R1的距離，則每段的彎矩方程為：
在AB段： M=R1×x （a≥x≥0）
在BC段： M=R1×（a+x）-Ft1×x （l-b≥x≥a）
在CD段： M=R2（l-x） （l≥x≥l-b）
則該軸在xz平面內(nèi)的彎矩圖為：
同理可得在yz平面內(nèi)的彎矩圖為：
3)、作出軸的扭矩圖
由受力分析及受力簡(jiǎn)圖可知，該軸只在yz平面內(nèi)存在扭矩。其扭矩大小為：
T1=Ft1·r7 T2=Ft2·r11
則扭矩圖為：
4）、作出總的彎矩圖
由以上求得的在xz、yz平面的彎矩圖，根據(jù)M=可得總的彎矩圖為：
5）、作出計(jì)算彎矩圖
根據(jù)已作出的總彎矩圖和扭矩圖，則可由公式Mca=求出計(jì)算彎矩，其中α是考慮扭矩和彎矩的加載情況及產(chǎn)生應(yīng)力的循環(huán)特性差異的系數(shù)，因通常由彎矩產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力，而扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對(duì)稱循環(huán)的變應(yīng)力，故在求計(jì)算彎矩時(shí)，必須計(jì)及這種循環(huán)特性差異的影響。即當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，取α≈0.3；扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取α≈0.6；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力也為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取α=1。應(yīng)本次設(shè)計(jì)中扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力，所以取α≈0.3，則計(jì)算彎矩圖為：
6）、校核軸的強(qiáng)度
選擇軸的材料為45鋼，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)查得其許用彎曲應(yīng)力為60MP，由計(jì)算彎矩圖可知，該軸的危險(xiǎn)截面在B的作用點(diǎn)上，由于該作用點(diǎn)上開有花鍵，由機(jī)械設(shè)計(jì)可查得其截面的慣性矩為：
W= [πd4+（D-d）（D+d）2zb]/32D
其中z為花鍵的數(shù)目，在本次設(shè)計(jì)中，z=6，D=32mm，d=28mm， b=6mm
所以其截面的慣性矩為W=524.38mm3
根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)直齒圓柱齒輪受力計(jì)算公式可得圓周力與徑向力：
Ft=2T1/d1 Fr=Ft×tgα
其中T1為小齒輪傳遞的扭矩，N·mm；α為嚙合角，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)齒輪，取α=20；而Ft與Fr分別對(duì)應(yīng)與xz平面及yz平面的力。各段軸的長度可從2號(hào)A0圖中得出，則根據(jù)前面的公式可得出該軸危險(xiǎn)截面的計(jì)算彎矩為：Mca=25014.22N·m，則該軸危險(xiǎn)截面所受的彎曲應(yīng)力為：δca=25014.22/524.38≈47.7MP≤60MP，所以該軸的強(qiáng)度滿足要求。
（2）、主軸的剛度校核
1）、主軸材料的選擇
考慮到主軸的剛度幾強(qiáng)度，選擇主軸的材料為40Cr，并經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理；
2）、主軸結(jié)構(gòu)的確定
?、僦鬏S直徑的選擇
根據(jù)機(jī)床主電機(jī)功率來確定(參考《金屬切削機(jī)床》（下）的154頁)：
∵ P＝4KW，屬于中等以上轉(zhuǎn)速，中等以下載荷的機(jī)床
∴可取
②主軸內(nèi)孔直徑
∵
其中 ，----空心主軸的剛度和截面慣性矩
K, I ----實(shí)心主軸的剛度和截面慣性矩
當(dāng)則主軸的剛度急劇下降，故取<0.7
主軸的結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)主軸上應(yīng)安裝的組件以及在主軸箱里的具體布置來確定，主軸的具體結(jié)構(gòu)已在三維圖上表達(dá)清楚，其圖號(hào)為6，在此不在繪出。
其中： D=31.750
d＝18 L=73
3）、主軸的剛度驗(yàn)算
①軸的變形和允許值
軸上裝齒輪和軸承處的繞度和傾角（y和）應(yīng)該小于彎曲變形的許用值
即y
軸的類型
（mm）
變形部位
（rad）
一般傳動(dòng)軸
4.0003~0.0005l
裝向心軸承處
0.0025
剛度的要求較高
-0.0002l
裝齒輪處
0.001
安裝齒輪軸
（0.01~0.00）m
裝單列圓錐滾子軸承
0.006
其中：L表跨距，m表模數(shù)
①軸的變形計(jì)算公式
計(jì)算軸本身彎曲變形產(chǎn)生的繞度y及傾角時(shí)，一般常將軸簡(jiǎn)化為集中載荷下的簡(jiǎn)支梁。按材料力學(xué)相關(guān)公式計(jì)算，主軸的直徑相差不大且計(jì)算精度要求不高的時(shí)候，可把軸看作等徑軸，采用平均直d來計(jì)算，計(jì)算花鍵時(shí)同樣選擇用平均直徑
圓軸： d
慣性矩： I=
矩形花鍵軸： d1=
慣性矩：
①軸的分解和變形合成
對(duì)于復(fù)雜受力的變形，先將受力分解為三個(gè)垂直面上的分力，應(yīng)用彎曲變形公式求出所求截面的兩個(gè)垂直平面的和y。然后進(jìn)行疊加，在同一平面內(nèi)的可進(jìn)行代數(shù)疊加，在兩平面內(nèi)的按幾何公式，求出該截面的總繞度和總傾角
危險(xiǎn)工作面的判斷
驗(yàn)算剛度應(yīng)選擇在最危險(xiǎn)的工作條件情況下進(jìn)行，一般情況下，軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速低，傳動(dòng)齒輪的直徑小。且位于軸的中央時(shí)，軸受力將使總變形劇烈，如對(duì)：二、三種工作條件難以判斷那一種最危險(xiǎn)，就分別進(jìn)行計(jì)算，找到最大彎曲變形值和y。
① 提高軸剛度的一些措施
加大軸的直徑，適當(dāng)減少軸的跨度或增加第三支承，重新安排齒輪在軸上的位置改變軸的布置方位等。
② 軸的校核計(jì)算
軸的計(jì)算簡(jiǎn)圖在xz平面內(nèi)：
同理可得在yz平面內(nèi)的受力圖，在此不再畫出。
主軸的傳動(dòng)功率：
P主==3.513KW
主軸轉(zhuǎn)矩： T主==156900
支點(diǎn)上的力：
根據(jù)彎矩平衡：
求得：RHE=-84.9
根據(jù)力得平衡：
則彎矩圖為：
2）垂直平面得彎矩圖：
=951.71N
=761.4N
根據(jù)平面內(nèi)得彎矩平衡有：
再根據(jù)力得平衡： R
則可得B、C點(diǎn)得彎矩圖：
在B點(diǎn)和C 點(diǎn)為最危險(xiǎn)截面，要滿足要求，B、C點(diǎn)滿足即可，在B、C截面得彎矩為：
=803403.1N·㎜
=675702.3 N·㎜
扭矩圖為：
經(jīng)分析可知B所在得位置為最危險(xiǎn)截面，只要B滿足條件即可，則剛度滿足。
計(jì)算彎矩
=862517.2 N·㎜
軸得抗彎截面系數(shù)為：
53.96
故滿足第三強(qiáng)度理論
剛度驗(yàn)算：
在水平面內(nèi)，單獨(dú)作用時(shí)：
=
=-0.02598mm
其中I==2747500
在單獨(dú)作用下：
=
=-0.0182mm
在兩力得共同作用下：
在垂直面內(nèi)有(在單獨(dú)作用時(shí))
=
=-0.0072mm
其中I==2747500
在單獨(dú)作用下：
=
=-0.0182mm
在兩力得共同作用下：
故在共同作用下，x處為危險(xiǎn)截面，其最大繞度為
而一般的剛度
=0.21~0.35mm
故符合剛度要求，其轉(zhuǎn)角就不驗(yàn)算了。
B）下面校核由Ⅴ傳到主軸時(shí)的強(qiáng)度，剛度，校核，
主軸的傳動(dòng)功率：P主==5.9974KW
主軸轉(zhuǎn)矩：T主==143188Nmm
支點(diǎn)上的力：
根據(jù)彎矩平衡：
求得：RHE=-244.9N
根據(jù)力得平衡：
2）垂直平面得彎矩：
=868.6N
=501.1 N
根據(jù)平面內(nèi)得彎矩平衡有：
再根據(jù)力得平衡： R
則可得B、C點(diǎn)得彎矩圖：
在B點(diǎn)和C 點(diǎn)為最危險(xiǎn)截面，要滿足要求，B、C點(diǎn)滿足即可，在B、C截面得彎矩為：
=110489.6N·㎜
=708402.5 N·㎜
扭矩圖為：
經(jīng)分析可知B所在得位置為最危險(xiǎn)截面，只要B滿足條件即可，則剛度滿足。
計(jì)算彎矩
=942100 N·㎜
軸得抗彎截面系數(shù)為：
=58.94
故滿足第三強(qiáng)度理論
剛度驗(yàn)算：
在水平面內(nèi)，單獨(dú)作用時(shí)：
=
=-0.018147mm
其中I==2747500
在單獨(dú)作用下：
=
=-0.00551mm
在兩力得共同作用下：
在垂直面內(nèi)有(在單獨(dú)作用時(shí))
=
=-0.0066mm
其中I==2747500
在單獨(dú)作用下：
=
=-0.001515mm
在兩力得共同作用下：
故在共同作用下，x處為危險(xiǎn)截面，其最大繞度為
而一般的剛度=0.21~0.35mm
故符合剛度要求，其轉(zhuǎn)角就不驗(yàn)算了。
㈣、離合器的選用
離合器在機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)中可將傳動(dòng)系統(tǒng)隨時(shí)分離或接合，對(duì)離合器的要求有：接合平穩(wěn)，分離迅速徹底；調(diào)節(jié)和修理方便；外廓尺寸小；質(zhì)量??；耐磨性好和有足夠的散熱能力；操作方便省力。離合器的類型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我選用了無滑環(huán)多片摩擦電磁式離合器。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值；。
第三部分 進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
一、垂直進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
假定主軸箱的重量： =100kgf=100×9.8=980N
Z軸的行程為： 400mm
垂直脈沖當(dāng)量： 0.005mm
預(yù)選滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =10mm
步距角：
快速進(jìn)給速度： =2.0m/min
㈠、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定
⑴、傳動(dòng)比的選定
對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)脈沖當(dāng)量確定，并且滾珠絲桿導(dǎo)程和步進(jìn)電機(jī)步距角都已初步選定后，則可用下式來計(jì)算該軸伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)比：
⑵、計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
初選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為130BF001
則查表查出電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量＝40.06×
對(duì)于軸，軸承，齒輪，聯(lián)軸節(jié)，絲桿等圓柱體的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量公式為：
對(duì)于鋼材，材料密度為，則有
從資料定出齒輪副為：
m＝1.5 mm B=20mm
則： 齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
＝
＝
滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算：
＝
工作臺(tái)質(zhì)量折算：
＝
傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：
＝
＝＝6.16
㈡、滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇。
1）計(jì)算作用在絲杠上的最大動(dòng)負(fù)荷
首先根據(jù)切削力和運(yùn)動(dòng)部件的重量引起的進(jìn)給抗力，計(jì)算出絲杠的軸向載荷，再根據(jù)要求的壽命值計(jì)算出絲杠副應(yīng)能承受的最大動(dòng)載荷C：
=
式中——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，一般運(yùn)轉(zhuǎn)取1.2～1.5，有沖擊的運(yùn)轉(zhuǎn)取1.5～2.5；
——滾珠絲杠工作載荷（N）；
——工作壽命，單位為10r，可按下式計(jì)算
=
式中 ——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)速（r/min）；
——使用壽命時(shí)間（h），數(shù)控機(jī)床取15000h。
鉆鏜床主軸燕尾導(dǎo)軌滾珠絲桿副驅(qū)動(dòng)時(shí)滾珠絲桿的工作載荷：
式中 F——切削時(shí)的軸向切削抗力；
——軸套和軸架以及主軸鍵上的摩擦系數(shù)＝0.15；
M——主軸上的扭矩；
——主軸直徑；
則 =
其中為最大切削力條件下的進(jìn)給速度（），可取最高進(jìn)給速度的～；為絲杠基本導(dǎo)程（），計(jì)算時(shí)，可初選一數(shù)值，等剛度驗(yàn)算后再確定；
則
為額定使用壽命（），可?。?5000h;
則 ＝＝60.03萬轉(zhuǎn)
根據(jù)工作負(fù)載、壽命，計(jì)算出滾珠絲杠副承受的最大動(dòng)負(fù)載，?。?.2，則：
=＝＝37997.8N
由查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇絲杠的型號(hào)。選擇滾珠絲杠的直徑為40mm，型號(hào)為CDM4010-5-P4,其額定動(dòng)載荷是53411N，強(qiáng)度足夠用。
2） 效率計(jì)算 根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為
＝
式中 ——螺紋的螺旋升角，該絲杠為5°41′；
——摩擦角約等于10′。
則 ＝0.971
3） 剛度驗(yàn)算
①.絲桿的拉壓變形量
滾珠絲杠工作時(shí)受軸向力和扭矩的作用，它將引起導(dǎo)程發(fā)生變化，因滾珠絲杠受扭時(shí)引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)，故工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量
式中 ——彈性模數(shù)，對(duì)鋼，；
——滾珠絲杠截面積（）（按絲杠螺紋底徑確定）
＝×＝834.7
“＋”用于拉伸時(shí)，“－”用于壓縮時(shí)。
則
則絲桿的拉伸或壓縮變形量
②.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲桿的長度無關(guān)。當(dāng)絲桿在工作時(shí)有預(yù)緊時(shí)，其計(jì)算公式為：
式中 ——滾珠直徑；
——滾珠總數(shù)量＝Z×圈數(shù)×列數(shù)；
Z——一圈的滾珠數(shù)，Z=(外循環(huán))，，Z=（）－3（內(nèi)循環(huán)）；
——滾珠絲桿的公稱直徑；
——預(yù)緊力；
——滾珠絲桿工作載荷；
∵
Z==π×40/5.953＝21.11
則＝Z×圈數(shù)×列數(shù)＝21.11×2.5×2＝73.88
又∵滾珠絲桿的預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3，值可減小一半，因而。
③.支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
在垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中采用角接觸球軸承，其計(jì)算公式為：
式中 ——軸承所受軸向載荷；
——軸承的滾動(dòng)休數(shù)目；
——軸承滾動(dòng)體直徑；
∵ 工作載荷
滾珠絲桿的滾動(dòng)體數(shù)量，滾動(dòng)體直徑
則
因?yàn)橛蓄A(yù)緊力，故實(shí)際變形量
根據(jù)以上的計(jì)算，則總變形量為：
四級(jí)精度絲桿允許的螺距誤差為25μm，故剛度足夠。
4）、壓桿穩(wěn)定的校核
滾珠絲桿通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向力工作負(fù)荷過大，將使絲桿失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷為：
= 2 EI/L2(N)
式中： E為絲桿的彈性模量，對(duì)于鋼，E=20.6104，
I為截面慣性矩，I=d14/64，(d1為絲桿底徑),
L為絲桿最大工作長度，為絲桿支承方式系數(shù).
∵ I=×32.64/64=55442.2
對(duì)于一端固定一端自由的情況 =0.25
∴ =20.25×20.610455442.2/5802
=8.38104
臨界載荷與絲桿工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[]，則該滾珠絲桿不會(huì)失穩(wěn)。一般取[]=2.5-4。
=8.38104/8087＝10.4
∴ 壓桿穩(wěn)定
㈢、步進(jìn)電機(jī)的選擇
（1）、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
∵
又∵ t＝0.03s
①則折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總加速力矩為：
②折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩
∵ G＝980N ，(燕尾形導(dǎo)軌) ，
總效率 ， =4.17
∴
③附加摩擦力矩
∵ 預(yù)緊力 , 為滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)傳動(dòng)效率，取
∴
則步進(jìn)電機(jī)快速空轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩：
對(duì)于工作方式未五相十拍的步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為：
從相關(guān)資料查出130BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為9.31，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。
（2）、校核步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率
∵ 步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率是
查相關(guān)資料知：130BF001型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為＝3000,因而必須分三個(gè)階梯啟動(dòng)，每個(gè)階梯啟動(dòng)頻率為,在0.25s內(nèi)完成升速，0.05s過渡。取，則步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率為：
而步進(jìn)電機(jī)允許的運(yùn)行頻率為16000，所以滿足設(shè)計(jì)要求。
滾珠絲杠沒有自鎖能力，垂直坐標(biāo)不能鎖住，而主軸箱的重量相對(duì)來說比較大所以必須采用平衡裝置，避免在工作時(shí)主軸箱的失控下降。
(四)、滾珠絲桿副的預(yù)緊方式
為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，常用的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到為無預(yù)緊時(shí)的2倍。但是，預(yù)緊載荷過大，將使壽命下降和摩擦力矩加大。通常，滾珠絲桿在出廠時(shí)，就已經(jīng)由制造廠調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動(dòng)載荷有一定的比例關(guān)系。
雙螺母墊片式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)見到，裝卸方便，剛度高；丹調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動(dòng)。
雙螺母螺紋式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，丹準(zhǔn)確性差，且易于松動(dòng)，適用于剛度要求不高或隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動(dòng)。
雙螺母齒差式預(yù)緊：①調(diào)整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座兩端的內(nèi)齒圈，兩個(gè)螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，調(diào)整軸向位移。②能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，宜用于高度精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。
在垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中要求要不定時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊力，因而宜用雙螺母螺紋式預(yù)緊。
（五）、齒輪傳動(dòng)消隙
齒輪傳動(dòng)的間隙也叫側(cè)隙，它是指一個(gè)齒輪固定不動(dòng)，另一個(gè)齒輪能夠作出的最大角位移。傳動(dòng)間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙；為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩(wěn)性，要盡可能減小傳動(dòng)間隙。除了提高制造和裝配精度外，消隙的主要途徑有：設(shè)計(jì)可調(diào)整傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)；設(shè)置彈性補(bǔ)償元件。在這設(shè)計(jì)里我采用可調(diào)整齒輪傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)來消除間隙。
二、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
滾珠絲杠螺母副的選擇計(jì)算
假定工作臺(tái)及零件的總的量： =200kgf=100×9.8=980N
Z軸的行程為： 300mm
縱向脈沖當(dāng)量： 0.01mm
預(yù)選滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =5mm
步距角：
快速進(jìn)給速度： =2.0m/min
㈠、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定
⑴、傳動(dòng)比的選定
⑵、計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
初選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為130BF001
則查表查出電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量＝40.06×
為了機(jī)床的布局緊湊且方便可取i=1.0。
則滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算：
工作臺(tái)質(zhì)量折算：
傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：
++=（40.06+36.81+12.7）
⑶、工作載荷分析及計(jì)算
滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)是滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫作進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩檫力。據(jù)機(jī)床加工的特點(diǎn)，當(dāng)銑削槽時(shí)，工作載荷最大，由于銑削時(shí)，工作載荷既包括銑削時(shí)沿著絲杠軸的方向的力（即軸向力），也包括工作臺(tái)及工件的重量（即垂直絲杠軸方向的力），只要考慮銑削的情況，而銑削時(shí)的軸向力不大，所以在此不考慮銑削時(shí)產(chǎn)生的軸向力。
取銑削刀具直徑為75mm，而機(jī)床的計(jì)算轉(zhuǎn)速為250r/min，則
而，機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率
則
選端銑，對(duì)稱，其中端銑，時(shí)，
則得：
則可得
則在燕尾導(dǎo)軌上滾珠絲桿的工作載荷Fm為：
其中， =0.2， G=1960N
㈡、滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
1）計(jì)算作用在絲杠上的最大動(dòng)負(fù)荷
其中L=60nt/106
因?yàn)橐话恪?.5，取=1.2
則
由查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇絲杠的型號(hào)。選擇滾珠絲杠的直徑為32mm，型號(hào)為CDM3205-5-P3,其額定動(dòng)載荷是19249N，強(qiáng)度足夠用。
2） 效率計(jì)算 根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為
∵ 螺紋升角
∴
因?yàn)楣ぷ髋_(tái)Y軸行程為300mm。則令l=450mm,滾珠絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載荷的1/3。
3） 剛度驗(yàn)算
①.絲桿的拉壓變形量
滾珠絲桿截面積按絲桿螺紋的底徑確定：
工作負(fù)載引起的導(dǎo)程的變化量可用下式計(jì)算：
則絲桿的拉伸或壓縮變形量
由于兩端均采用推力軸承，且絲桿又進(jìn)行了預(yù)緊，故其拉壓剛度可比一端固定的絲桿提高4倍。
②.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲桿的長度無關(guān)。當(dāng)絲桿在工作時(shí)有預(yù)緊時(shí)，其接觸變形量為：
（其中為預(yù)緊力，，而 ）
∵ 絲桿加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的1/3時(shí)
∴ 可減少一半。因此實(shí)際變形量為：
③.支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形
根據(jù)以上的計(jì)算，則總變形量為：
三級(jí)精度絲桿允許的螺距誤差為15μm/m，故剛度足夠。因?yàn)闈L珠絲桿兩端都采用推力球軸承并預(yù)緊，因此不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需做穩(wěn)定性校核。
㈢、步進(jìn)電機(jī)的選擇
（1）、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇
∵
又∵
①則折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總加速力矩為：
②折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩
③附加摩擦力矩
∵ 預(yù)緊力，滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取
則
則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)快速空轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩：
對(duì)于工作方式為五相十拍得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩：
從相關(guān)資料查出130BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為9.31，大于所需快速空載啟動(dòng)力矩，可作為初選型號(hào)。
（2）、校核步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率
∵ 步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率是
而130BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高空載啟動(dòng)頻率為f=3000HZ,因而必須分三個(gè)階段啟動(dòng)，每個(gè)階段啟動(dòng)頻率為，在0.25s內(nèi)玩完成升速0.05s過渡，取，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為：
而步進(jìn)電機(jī)允許的運(yùn)行頻率為16000HZ，因而滿足要求。
第四部分 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
一 、控制系統(tǒng)總體方案的擬定.
機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成.控制系統(tǒng)的控制對(duì)象主要包括各種機(jī)床,如車床、銑床、磨床等等.控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示:
通信接口
軟件
微
機(jī)
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
步進(jìn)電機(jī)
機(jī)
床
開關(guān)量控制電路
主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路
主軸電動(dòng)機(jī)
二、總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)
1.單片機(jī)的設(shè)計(jì)
(1)MCS-51系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)
MCS-51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存貯器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存貯器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存貯器。內(nèi)部沒有程序存貯器，必須外接EPROM程序存貯器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三部分。
a.電源及時(shí)鐘引腳
此部分引腳包括電源引腳Vcc、Vss及時(shí)鐘引腳XTAL1、XTAL2。
電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。
Vcc（40腳）：接+5V電源。
Vss（20腳）：接地。
時(shí)鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時(shí)與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器。
XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。
XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接受振蕩器的信號(hào)，即把信號(hào)直接接至內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。
b.控制引腳
它包括RST、ALE、、等。此類引腳提供控制信號(hào)，有些引腳具有復(fù)用功能。
RST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為≤0.5V的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（（5±0.5）V）時(shí)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。
ALE/（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪問外部存貯器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，在兩個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。
（29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問外部程序存貯器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存貯器指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。
/Vpp（31腳）：當(dāng)端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問的是內(nèi)部程序存貯器，但當(dāng)PC值超過某值時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序。當(dāng)端保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問外部程序存貯器。對(duì)8031來說，因其無內(nèi)部程序存貯器。所以該引腳必須接地，即此時(shí)只能訪問外部程序存貯器。
c.輸入/輸出引腳
輸入/輸出（I/O）口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。
P0口（P0.0-P0.7）：為雙向8為三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址/數(shù)據(jù)總線口使用。
P1口（P1.0-P1.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入口時(shí)，鎖存器必須置1），可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。
P2口（P2.0-P2.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8位使用。
P3口（P3.0-P3.7）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。
(2)MCS-51單片機(jī)的時(shí)鐘電路
時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟,它控制著計(jì)算機(jī)的工作節(jié)奏.MCS-51片內(nèi)有一個(gè)反相放大器,XTAL1、XTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端,該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器,產(chǎn)生的時(shí)鐘送至單片機(jī)內(nèi)部的各個(gè)部件.單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式兩種,大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式.
最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路,不論是HMOS還是CHMOS型單片機(jī),其并聯(lián)諧振回路及參數(shù)相同.如下圖所示:
MCS-51單片機(jī)允許的振蕩晶體可在1.2MHz-24MHz之間可以選擇,一般取11.0592MHz.電容C1、C2的取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路起振速度有少許影響.C1、C2可在20pF-100pF之間選擇,一般當(dāng)外接晶體時(shí)典型取值為30pF,外接陶瓷諧振器時(shí)典型取值為47pF,取60pF-70pF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性.
在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí),晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)XTAL1、XTAL2引腳安裝,以減少寄生電容,更好地保證振蕩器穩(wěn)定和可靠的工作.為了提高溫度穩(wěn)定性,應(yīng)采用NPO電容.
(3)MCS-51單片機(jī)的復(fù)位電路
計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位,使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài),并從這個(gè)狀態(tài)開始工作.
單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的,MCS-51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST,高電平有效.它是施密特觸發(fā)輸入,當(dāng)振蕩器起振后,該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)時(shí)鐘周期)以上的高電平,使器件復(fù)位,只要RST保持高電平,MCS-51便保持復(fù)位狀態(tài).此時(shí)ALE ,,P0,P1,P2,P3口都輸出高電平.RST變位低電平后,退出復(fù)位狀態(tài),CPU從初始狀態(tài)開始工作.復(fù)位操作不影響片內(nèi)RAM的內(nèi)容.
MCS-51單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式.通常因?yàn)橄到y(tǒng)運(yùn)動(dòng)等的需要,常常需要人工按鈕復(fù)位,如下圖所示:
對(duì)于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻,故電阻R2可不接.單片機(jī)在上電瞬間,RC電路充電,RST引腳端出現(xiàn)正脈沖,只要RST端保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平(因?yàn)檎袷幤鲝钠鹫竦椒€(wěn)定大約要10ms),就能使單片機(jī)有效復(fù)位.當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHz時(shí),RC的典型值為C=10μF,R=8.2KΩ.簡(jiǎn)單復(fù)位電路中,干擾信號(hào)易串入復(fù)位端,可能會(huì)引起內(nèi)部某些寄存錯(cuò)誤復(fù)位,這時(shí)可在RST引腳上接一去耦電容.
上圖那上電按鈕復(fù)位電路只需將一個(gè)常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路,按下開關(guān)一定時(shí)間就能使RST引腳端為高電平,從而使單片機(jī)復(fù)位.
2.系統(tǒng)的擴(kuò)展
在以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展程序存貯器，用以存放控制程序。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的存貯器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存貯器。這種擴(kuò)展就是配置外部存貯器（包括程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器）。另外，在單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來與外圍設(shè)備連接。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時(shí)，僅有幾個(gè)內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片。
（1） 程序存貯器的擴(kuò)展
MCS-51系列單片機(jī)的程序存貯器空間和數(shù)據(jù)存貯器空間是相互獨(dú)立的。程序存貯器尋址空間為64KB（0000H-0FFFFH），8031片內(nèi)不帶ROM，所以要進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。用作程序存貯器的常用的器件是EPROM。
由于MCS-51單片機(jī)的P0口是分別復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存貯器擴(kuò)展時(shí)，必須用地址鎖存器鎖存地址信號(hào)。通常地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時(shí)，鎖存端G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。
根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)程序存貯器容量要求的不同，常采用的擴(kuò)展芯片擴(kuò)展EPROM2716（2KB×8）、2732A（4KB×8）、2764A（8KB×8）、27128A（16KB×8）、27256（32KB×8）和27512（64KB×8）等。以上6種EPROM均為單一+5V電源供電，維持電流為35mA-40mA，工作電流為75mA-100mA，讀出時(shí)間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0-A15是地址線，不同的芯片可擴(kuò)展的存貯容量的大小不同，因而提供8位地址的P2端口線的數(shù)量各不相同，故2716為A0-A10，27512為A0-A15；D0-D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；OE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源；PGM是編程脈沖輸入端。
根據(jù)程序存貯器擴(kuò)展的原理，以EPROM2764A和鎖存器74LS373為例對(duì)8031單片機(jī)進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。因?yàn)?764A是8KB容量的EPROM，故用到了13根地址線，A0-A12。如果只擴(kuò)展一片程序存貯器EPROM，故可將片選端CE直接接地。下圖為擴(kuò)展兩片EPROM的連接方法。同時(shí)，8031運(yùn)行所需的程序指令來自2764A，要把其EA端接地，否則，8031將不會(huì)運(yùn)行。
(2)數(shù)據(jù)存貯器的擴(kuò)展
8031單片機(jī)內(nèi)部有128個(gè)字節(jié)RAM存貯器。CPU對(duì)內(nèi)部的RAM具有豐富的的操作指令。但在用于數(shù)據(jù)采集和處理時(shí)，僅靠片內(nèi)提供的128個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)存貯器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。在這種情況下，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存貯器。
數(shù)據(jù)存貯器只使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因?yàn)槿绱?，?shù)據(jù)存貯器與程序存貯器可完全重疊，均為0000H-FFFFH，但數(shù)據(jù)存貯器與I/O口與外圍設(shè)備是統(tǒng)一遍址的，即任何擴(kuò)展的I/O口以及外圍設(shè)備均占用數(shù)據(jù)存貯器地址。8031的P0口為RAM的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，P2口用于對(duì)RAM進(jìn)行頁面尋址（根據(jù)其容量不同，所占的P2端口不同，在對(duì)外部RAM讀/寫期間，CPU產(chǎn)生RD/WR信號(hào)。
在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這種存貯器的設(shè)計(jì)無需考慮刷新問題，因而它與微處理器的接口很簡(jiǎn)單。最常用的靜態(tài)RAM芯片有6116（2KB×8）和6264（8KB×8）。單一+5V供電，額定功耗分別為160mW和200mW，典型存取時(shí)間均為200ns，均有雙列之插式封裝，管腳分別為24和28線。
下圖是6264與8031的連接圖。從圖中知：6264的片選接8031的P2.7，第二片選線CS2接高電平，保持一直有效狀態(tài)。因6264是8KB容量的RAM，故用到了3根地址線。6264的地址范圍為0000H-7FFFH
對(duì)于一個(gè)完