502型立式銑床數(shù)控改裝(縱向)

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1、 第一章和最后的設計 總結(jié)自己寫吧， 還有我總結(jié)的這些內(nèi)容可能不完全正確 ，大家仔細看下，順便加上自己的部分文字。 第二章 機床進給伺服系統(tǒng) 機械部分 ( 縱向 ) 的設計計算 第一節(jié) 工作載荷分析及計算 根據(jù)指導書的分析，對于數(shù)控銑床來說，可采取按切削用量計算 切削力法和按主電機功率法計算切削力計算切削力法兩種。 一般來說，對于經(jīng)濟型數(shù)控銑床，可采用按主電機功率計算切削力法。 一、銑削抗力分析 通常都假定銑削時銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒的某一點 上。設刀齒受到的切削抗力的合力為 F，將 F 沿銑刀軸

2、線、徑向和切向進行分解，則分別為軸向銑削力 Fx，徑向銑削力 Fy 和切向銑削力Fz。切向銑削力 Fz 是沿銑刀主運動方向的分力，它消耗銑床主電機 功率（即銑削功率）最多，因此，切向銑削力 Fz 可按銑削功率 Pm（kw）或主電機功率 Pe（kw）算出。 對于現(xiàn)有的機床的改裝設計， 可以從已知機床的電機的功率和主軸上的功率反推出工作臺進給時的銑削力。 若該機床的主傳動和進給傳動均用一個電機， 進給傳動的功率較小， 可在主傳動功率上乘以一個系數(shù)。由機床設計手冊查得銑床傳動系數(shù) k=0.85 。 主傳動功率 N 包括切削功率 Nc、空載功率 Nmo、附加功率 Nmc 三部分，即：

3、N=Nc + Nmo + Nmc ?？蛰d功率 Nmo 是當機床無切削負載時主傳動系統(tǒng)空載所消耗的功率， 對于一般輕載高速的中、 小型機床，可達總功率的 50%，現(xiàn)取 Nmo = 0.5N，附加功率 Nmc 是指有了切削載荷后所增加的傳動件的摩擦功率， 它直接與載荷大小有關(guān)。 可以用下式計算， Nmc = (1–η)NC，所以總功率為： N=Nc + 0.5N + ( 1– η )Nc ( KW ) 則： Nc= 0.5N (KW) 2 － η 在進給傳動中切削功率 Nct = kNc = k 0.5N (KW) －

4、 2 η 上式中 k----銑床的傳動系數(shù)，查《機床設計手冊》得 k=0.85 η為傳動效率，可由下式計算 η＝主軸上的傳動功率 主電機的功率 由題設給定的已知條件可知，主軸上的傳動功率 N=1.45 KW ， 主電機的功率 N電機 = 2.2 KW。則 η=1.45=0.6591 2.2 所以： Nct = 0.85 0.5 2.2 = 0.6973 (

5、KW) 2 0.6591 切削時在主軸上的扭矩為： Mn = 955000 Nct = 955000 0.6973＝ 14019.4(Ncm) n 47.5 上式中 n----主軸的最小轉(zhuǎn)速，由題設條件知 n = 47.5 (r/min) 切向切削力 Fz= M n 14019.4 4381.0625 (N) d 3.2 上式中 d---- 銑刀的最大直徑 (cm)，由題設條件知 d = 3.

6、2 cm 二、計算進給工作臺工作載荷 FL 、 FV 、 FC 作用在進給工作臺上的合力 F’與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合力 F 大小相同，方向相反。合力 F’就是設計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考 慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺縱向載荷 FL ，橫向載荷 Fc 和 工作臺垂直進給方向載荷 FV 。 計算與說明 作用在進給工作臺上的合力 F’與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合 力 F 大小相同，方向相反。合力 F’就是設計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考 慮的工作載荷，它可以沿著銑床工

7、作臺運動方向分解為三 個力：工作臺 縱向進給方向載荷， 工作臺橫向進給方向載荷 Fc 和 工作臺垂直進給方向載荷 Fv。 根據(jù)《專業(yè)課程設計指導書》第三章表 3 — 1 “銑削加工主切 削力 與其它切削分力的比值”列表可計算出三組 FL、FV、 FC (取范 圍的值計算最大值 )。 (1) 組：端銑——對稱銑削 FL =0.4 FZ=0.4x2890.1=1156.04N FC =0.95 FZ =0.95 X 2890.1=2745.595N FV =0.55 FZ=0.55x 289

8、0.1=1589.555N (2) 組：端銑——逆銑 FL =0.9F=0.9X 2890.1=2601.09N FC =0.7 F=0.7X2890.1=2023.07N FV =0.55 F=0.55x 2890.1=1589.56N (3) 組：端銑——順銑 FL =0.3FZ=0.3X2890.1=867.03N FC=1.0FZ=1.0x2890.1=2887.62N FV =0.55FZ=0.55x2890.1=1589.56N 由于銑床是兩軸聯(lián)動，所以只考慮端銑，無需考慮周銑，則考慮 采用

9、第三組數(shù)據(jù)。 第二節(jié)滾珠絲杠螺母副的選型和校核 一、滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型的選擇 因為所要改裝的銑床為普通銑床， 精度要求并不是很高， 在使用 過 程中不需要調(diào)整，并且加工過程中有輕微沖擊運轉(zhuǎn)。根據(jù)上述實 際條件， 并考慮到經(jīng)濟成本問題， 通過查第三章表 3 — 2 和表 3 — 3，可以初步選用“外循環(huán)插管埋入式法蘭直筒組合雙螺母墊片預緊 （ CMD) ”這種結(jié)構(gòu) 類型的滾珠絲杠螺母副。 它具有結(jié)構(gòu)簡單， 工藝性優(yōu)良，承載能力較高 ; 剛度高，預緊可靠，不易松弛等優(yōu)點。它主要適用于重載荷、高剛度、 高速驅(qū)動

10、及較精密的定位系統(tǒng)，是目前應用得較廣泛的結(jié)構(gòu)。 二、滾珠絲杠螺母副型號的選擇及校核步驟 1、計算最大工作載荷 2、由題設已知條件，銑床導軌的類型為綜合導軌。再查指導書 P38 表 3-29 得最大工作載荷 Fm Fm=KF L +f， (FV +G) 該式中： K=1.15; 取 f ，= 0.18 (f，=0.15? 0.18)(摩擦系數(shù) )；G 為工作臺及夾具總重量 的 1/2。由題設已知條件可得 G = 400 N。 將以上數(shù)值及先前計算得到的三組 FL.FV 數(shù)據(jù)代入上式，可得到 三組

11、相應的 Fm 的最大值 (1) 組： Fm=1.15x1156.64+0.18x(1589.56+400)= 1687.57N (2) 組： Fm=1.15x2601.09+0.18x(1589.56+400)=3349.37N (3) 組： Fm=1.15x867.03+0.18x (1589.56+400)=1355.2N 由以上計算數(shù)據(jù)可知，第 (2)組算得的 Fm 值較大。故最大工作載 荷為 Fm=3349.37N 2、計算最大動負載 C

12、 最大動載荷 C 可由下式計算 C= fwf HFm (1) (1)式中：各參數(shù)見《專業(yè)課程設計指導書》 fH 為硬度系數(shù)，選 f H =1.0(HRC 60) fw 為運轉(zhuǎn)系數(shù)，選 f w =2.0(有沖擊運轉(zhuǎn)） L 為壽命，由下式計算 L=60nT/106 (2) (2)式中： T 為使用壽命 (h)，對于數(shù)控機床 T=15000(h) n 為絲杠轉(zhuǎn)速 (r/min) ， 可由下式計算： n=1000Vs/L o (3)式中：V s 為最大切削力條件下的縱向進給速

13、度 (m/min),查指導書為 540(mm/min) 可取最高切削進給速度的 1/2? 1/3，現(xiàn)取 1/3,即 Vs=0.54/3=0.18m/min L0 為所選用絲杠的基本導程 ,考慮到傳動精度的要求 ,可選基本 導程為 4、6、8(mm)的絲杠?；緦С虨?4mm 時: L=60nT/106=60T1000Vs/(106L 0) =60x15000x1000x0.18/(1000000x4)=40.5 Cl= x1.0x2.0x3349.37=23004.43 基本導程

14、為 6mm 時： L=60nT/106=60T1000Vs/(106L0) =60x15000x1000x0.18/(1000000x8)=20.25 C 3 20.25 1.0 2.0 3349.37 18258.63( N ) 查《機電一體化系統(tǒng)設計》表 3-11 當公稱直徑 do 32mm 時 Ca=15KN8258.63N 合格 Ca=21.85>C3 合格 當公稱直徑 do 40mm 時 當 L0 8 時 Ca=30.9KN>C2 合

15、格 當 L0 6 時 Ca=24.11KN>C3 合格 所以絲杠 L0 為 6mm 或 8mm d0 32mm或者 40mm 通過查《金屬切削機床設計簡明手冊》表 4-143 可知 當公稱直徑 do 32mm 時、基本導程為 6mm 的絲杠，查得他們的承載能力 Ca 為 21.85KN，螺旋升角 為 3.41 ，圈數(shù) 列數(shù)分別為 3.5 1，滾珠直徑 d q 為 4mm， -----接觸角（ 45 ）。 公稱直徑 do 40mm 、基本導程為 8mm 的絲杠，查得它們的承載能力 Ca 為 30.9KN，螺

16、旋升角 為 3.65 ，圈數(shù) 列數(shù)分別為 2.5 1，滾珠直徑 d q 為 5mm， -----接觸角（ 45 ）。 公稱直徑 do 40 mm 、基本導程為 6mm 的絲杠，查得它們 的承載能力 Ca 為 24.11KN，螺旋升角 為 2.73 ，圈數(shù) 列數(shù)分別為 3.5 ， 1 滾珠直徑 d q 為 4mm， ----- 接觸角（ 45 ）。 3、計算傳動效率 η 傳動效率可由下式計算 tg tg 上式中： ---- 絲杠螺旋升角 --

17、-- 摩擦角。滾珠絲杠副的摩擦角約 10 0.167 （ 1）當公稱直徑 d0 =32mm、基本導程為 6mm： tg tan 3.41 0.9 tg ( 0.953 ) tan(3.41 0.167) 故滿足設計要求。 （ 2）選公稱直徑 d0 =40mm 1）基本導程為 8mm： tan tan 2.73o 0.9 tan() tan(2.73o 0.9423 0.167o ) 故滿足設計要求。 4、剛度驗算 (1)絲杠的拉伸或壓縮變形量 1

18、 當絲杠進行了預緊，且預緊力為最大工作載荷的 1/3 時，其實際 變形量為（由指導書 P39，公式 3—24 可知）： （拉伸為 +，壓縮為—） 上式中： E——材料的彈性模數(shù) 對于鋼： E 20.6 10 4 ( N / mm2 ) L ——滾珠絲杠在支承間的受力長度（ mm） L= 工作長度 +螺紋長度 +軸承寬度 +端蓋寬度 700mm F——滾珠絲杠的截面積 ( mm2 ) ,可由下列幾式計算 2 F d1 、d1=D 0 2e - 2R 4 d q 0.52dq e

19、 (R)sin 、 R 2 dq ——滾阻直徑（ mm）， ——接觸角（ 45o ）， R——滾道法面半徑（ mm）， e——偏心距（ mm）， D 0 ——絲杠公稱直徑（ mm） （1）當公稱直徑 D 0 =32mm，基本導程為 6mm 時， R 0.52 4 2.08(mm) 4 o e=（ 2.08- ） sin45 =0.057 d1=32+2 0.057 2 2.08=27.954（mm） F d 2 = 27.954 =613.7306（ mm 2）

20、 1 4 4 = 3 3 4 9 . 3 7 7 0 0 （ ） 總 2 0 . 6 1 0 0 0 0 6 1 3 . 7 3 0 6 （2）當公稱直徑 d0 =40mm、基本導程為 8mm 時： R 0.52 5 2.6(mm) 5 o e=（ 2.6- ） sin 45 =0.071 d1 =40+2 0.071 2 2.6=34.942（mm） F d2 1 =

21、 34.9422 2 4 4 =958.9267（ mm ） 1 = 3349.37 700 （ mm ） 20.6 10000 =0.002967 4 958.9267 （3）當公稱直徑 d0 =40mm 、基本導程為 6mm 時： R=0.52 4=2.08（ mm ） （ 2.08- 4） sin 45o =0.057 e= 2

22、 d1=40+2 0.057 2 2.08=35.954（ mm ） F d2 1 35.954 2 2 4 = 4 =1015.276（ mm ） 1 3349.37 700 （ mm ） = 20.6 10000 =0.002802 4 1015.276 (2) 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 當絲杠進行了預緊， 且預緊力為最大工作載荷的 1/3 時，其實際變 變

23、 形量為 2 Fm 0.0013 3 do FyZ 2 /10 上式中： Fm ------ 最大工作載荷 (kgf) Fm=341.77(kgf) Fy ---- 預緊力 (kgf)， Fy =1 3 Fm =113.9(kgf) d 0 ---- 滾珠直徑 (mm)， Z ---- 滾珠數(shù)量， Z ＝ Z圈數(shù)列數(shù) Z ----一圈的滾珠數(shù)， Z D o do (內(nèi)循環(huán) ) (1)當公稱直徑 do 32mm 基本導程為 6mm 時： Z 32 25.13

24、 4 Z 25.13 3.5 1 87.955 2 0.0013 334. 937 0.00286 113.9 87.9552 4 當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的 1/3 時， 2 的值可減少一半。 即： 2 = 2 =0.00143 （ mm） 2 （ 2）當公稱直徑 do 40mm 基本導程為 8mm 時： 40 Z 25.13 5 Z ＝25.13 2.5 1=62

25、.825 0.0013 334.937 2 113.9 0.00332 mm 3 5 62.8252 4、 當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的 1/3 時， 2 的值可減少 一半。指導書 P42 即： 2 = 2 =0.00166 （ mm） 2 （ 3）當公稱直徑 do 40mm 基本導程為 6mm 時： Z 40 31.4159 4 Z ＝31.4159 3.5 1=1

26、09.96 0.0013 334.937 2 113.9 0.00247 4 109.962 當滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為軸向工作載荷的 1/3 時， 2 的值可減少 一半。即： 2 = 2 =0.00123 （ mm） 2 (3)滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 3 （ 1）當公稱直徑 do 32mm 基本導程為 6mm 時：選用型號為深溝球 206 的軸承，其參數(shù)如下： 額 定 動載 型 號 內(nèi)徑 d (mm) 外徑 D (mm) 厚度 T (mm) 荷 Ca (kN) 51206

27、30 52 16 28.0 3 可由下式計算： 2 Fm 3 0.0024 3 2 dQ Z 上式中： Fm ---- 最大工作載荷 (kgf)，F(xiàn)m=341.77(kgf) d Q ---- 軸承滾動體直徑 (mm)， dQ T 2 8 Z---- 兩邊軸承總的滾動體數(shù)目由公式 (d D ) Z T 可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為 32。 將以上數(shù)據(jù)代入可得： 3 0.0024 3 341.77 0.00582 8 322 基本導程為 6mm 時：

28、 1 2 3 =0.004636+0.00286+0.00582 =0.01332mm>0.01(mm) 可見，當公稱直徑 do 32mm 基本導程為 5mm 時不符合要求； （ 2）當公稱直徑 do 40mm 基本導程為 8mm 時：選用型號為 51207 的軸承，其參數(shù)如下： 額 定 動載 型 號 內(nèi)徑 d (mm) 外徑 D (mm) 厚度 T (mm) 荷 Ca (kN) 51207 35 62 18 39.2 40 Z 31.4159 4 可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為 34。 將以上數(shù)據(jù)代入可得

29、： 3 0.0024 3 341.77 0.005374 9 32 2 基本導程為 8mm 時： 1 2 3 =0.002967+0.00332+0.005374 =0.011661mm>0.01(mm) 可見，當公稱直徑 do 40mm 基本導程為 8mm 時不符合要求 （ 3）當公稱直徑 do 40mm 基本導程為 6mm 時：選用型號為深溝球 206 的軸承，其參數(shù)如下： 內(nèi)徑 d (mm) 外徑 D (mm) 額 定 動載 型 號 厚度 T (mm)

30、荷 Ca (kN) 51207 35 62 18 39.2 (d D ) Z T 可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為 32。 將以上數(shù)據(jù)代入可得： 3 0.0024 3 334.937 0.005374 9 34 2 基本導程為 6mm 時： 1 2 3 =0.002802+0.00123+0.005374 =0

31、.009406mm<0.01(mm) 可見，當公稱直徑 do 40mm 基本導程為 8mm 時符合要求 可見，公稱直徑為 40，基本導程為 6mm 時，以基本導程最大的滾珠絲杠作 為最終選擇， 即以 Lo =6mm 的作為計算依據(jù)。 經(jīng)查表，選用型號為 CMD4006---2 的滾珠絲杠副。其參數(shù)如下 滾珠的 額定動 公稱直徑 導程 鋼球直徑 循環(huán) 載荷 型 號 L0 (mm) dq (mm) 圈數(shù) C a d0 (mm) 列數(shù) (N) CMD400 6

32、 4 3.5 1 24100 40 N 6---2 第 三 節(jié) 脈 沖 當 量和 傳 動 比 的 確 定一、確 定 系 統(tǒng) 脈 沖 當 量 由題設條件知脈沖當量 p 0.01 / step mm 二、傳動比的選定 設傳動副的傳動比為 i ，若為一對齒輪減速傳動，則 i Z2 / Z1 ， Z1 為主動齒輪的齒數(shù)， Z2 為從動齒輪的齒數(shù)。 對于步進電機，當脈沖當量確定和初選定步進電機的步距角后，可根據(jù)下式計算出該

33、伺服傳動系統(tǒng)總的傳動比： 公式可查《機電一體化系統(tǒng)設計指導書》 P19公式 3-12 i b L0 0.75 6 360 p 360 1.25 0.01 上式中： L0 ---- 滾珠絲杠的基本導程 6(mm) b ---- 步進電機的步距角，今初選步 b 0.75 三、齒輪傳動的確定 對于數(shù)控機車的齒輪傳動， 應采用設計、 結(jié)構(gòu)和工藝均較簡單，而且易獲得高精度的平行軸漸開線圓柱齒輪傳動。 通常，齒輪傳動鏈的傳動級數(shù)少一些比較好， 因為可以減少零部件 的數(shù)目，簡化傳動鏈的結(jié)構(gòu)，并且可以提高傳

34、動精度，減少空程誤差，有利于提高傳動效率。同時 i=1.67 較小，故在此選用圓柱直齒輪單級傳動。 一般模數(shù)取 m 1 ~ 2 , 數(shù)控統(tǒng)削取 m 2 。齒 輪 寬 b=(3? 6)m，為 了 消除齒側(cè)隙，寬度可加大到（ 6? 10) m。齒頂 / 根圓半徑公式， 《機械原理》 P130,表 4-3 。 z1 20 ，取 z1 39 ， m 2 , 則 d1 mz1 2 39 78(mm) da 1 d1 2ha* m 78 2 1 2 82

35、(mm) d f 1 d1 2hf d1 （ * c *） m 2 ha d f 1 d1 2 (1 0.25)m 78 2 1.25 2 73(mm) b1 (6 ~ 10) m ，取 b1 9m 9 2 18(mm) z2 z1i 39 1.25 48.75 49 d2 mz2 2 49 98( mm) da 2 d2 2ha* m 98 2 1 2 102(mm) d f 2 d2 1.25m

36、2 98 1.25 2 2 93(mm) b2 (6 ~ 10) m ，取 b2 6m 6 2 12( mm) d1 d2 78 98 88 中心距 a 2 2 選小齒輪齒數(shù) z1 39 ，小齒輪的齒寬度 b1 18mm ，大齒輪齒數(shù) z2 49 ，大齒輪的齒寬度 b2 12mm 。 進 給伺 服 系 統(tǒng) 傳 動 計算一 、 轉(zhuǎn) 動 慣 量 的 計 算 1、齒輪、絲杠等圓柱體慣量的計算。 可由下式計算：

37、 2 J MD 0.78 10 3 D 4 L( kg cm2 ) 8 式中： M---- 圓柱體質(zhì)量 (kg) D---- 圓柱體直徑 (cm) L---- 圓柱體長度或圓度 (cm) 對主動齒輪： J1 0.78 10 3 (0.2 39) 4 1.8 5.19691(kg cm2 ) 對從動齒輪： J 2 0.78 10 3 (0.2 49) 4 1.2 5.61315(kg cm2 ) 對滾珠絲杠： J3 0.78 10 3 44 70 11.85192 (

38、kg cm2 ) 2、工作臺折算到絲桿的轉(zhuǎn)動慣量 JG ( )2 G ( L0 )2 G ( kg cm2 ) 2 n g 2 g v---- 工作臺移動速度 (cm/min) n---- 絲桿轉(zhuǎn)速 (r/min) G---- 工作臺的重量 (N) g---- 重力加速度 (9.8m/s 2) L0 ---- 絲桿導程 (cm) JG (0.6 )2 400 0.37220(kg cm2 ) 2 9.8 3、傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣

39、量 m L0 ) 2 G 1 n Ji ( ni )2 (kg cm2 ) JL ( j 1 2 g i 2 i 1 nk J L 0.3722 1 J1 ( J2 J3 )( Z1 ) 2 1.252 Z 2 0.237 5.19891 (5.61315 13.9776)( 39 )2 49 =17.846(kg.cm 2) 式中： i ---- 系統(tǒng)總的減速比 (i>1)

40、 Ji ---- 各轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動慣量 (kg cm2 ) ni ---- 各轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)速 (r/min) nk ---- 電機的轉(zhuǎn)速 (r/min) Jm ---- 2 電機的轉(zhuǎn)動慣量 (kg cm) 4、電機的轉(zhuǎn)動慣量的確定 查表 3—10《機電一體化指導書》，因為選用電機工作方式的是 三相六拍，步距角為 b 0.75 , 故符合的是： 110BF003和 110BF004。 電機的轉(zhuǎn)動慣量分別為： 110BF003： J m1 46.1 10 5 kg m2

41、 4.61(kg cm2 ) 110BF004： J m2 34.3 10 5 kg m2 3.43(kg cm2 ) 5、 系 統(tǒng) 總 的 轉(zhuǎn)動 慣 量 J J  1 JL Jm1 17.846 4.61 22.456(kg cm2 ) 2 JL Jm2 17.846 3.43 21.276(kg cm2 ) 二 、 步 進 電 機的 計 算 和 選 用 1、 電 機 力矩 的 計 算 速空載起動時所需力矩： M 起 M a max M f M 0 ( N cm)

42、 最大切削負載時所需力矩： M 切 M t M f M 0 (N cm) 電機的力矩主要是用來產(chǎn)生加速度， 而負載力矩往往小于加速力 矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進電機的依據(jù)。 (1)空載起動時折算到電機軸上的加速力矩 M a max M a max = J 1 2 n max 10-2 60ta = 22.456 2 3.1416 500 10-2 60 0.03 391.92(N cm) 式中： J ----系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量

43、 ta ---- 運動部件從停止起動加速到最大進給速度所需的時間 （s）約為 30 毫秒 nmax ----電機最大轉(zhuǎn)速 (r/min) n nmax = θb v max = 0.75 2400 =500( r/min) 360 δp 360 0.01 vmax ----運動部件最大快進速度 1600(mm/min) (2)摩擦力矩 M f M f f GL 0 800 0.165 0.6 2 i 2 12.6( N cm) 0.

44、8 1.25 上式中： G----運動部件的總重量 (N) f ----導軌摩擦系數(shù) 0.165 i ---- 齒輪總減速比 η ----傳動鏈總效率，一般取 η＝0.7～0.85，在此取 0.8 (3)附加摩擦力矩 M 0 M 0 F p 0 L0 2 1702.14 0.6 (1 0.95 2 ) 15.86 ( N cm) (1 0 ) 2 i 2 0.8 1.25 上式中：Fp0 ----滾珠絲杠預加負載 (N)，一般取最大工作載荷的 Fp0

45、 1/3， ＝5106.42/3=1702.14 (N) L0 ----滾珠絲杠基本導程 0.6(cm) 0 ---- 滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取 0 0.9， 今取 0.95 。 （4）折算到電機軸上的切削負載力 Mt FtL 0 2601.09 0.6 （ N cm） M t = = = 209.166 2 i 2 3.1416 0.95 1.25 上式中： F

46、t ----進給方向最大切削力 (N)，即前面計算進給工作臺 工作載荷 FL 、 FV 、 C C ， F 時所得到的數(shù)據(jù) F 所以 Ft ＝ FC ＝2601.09 (N) 綜合以上，可得： M 起 1 （ N cm） =391.92+6.11115+11.7964=409.8276 M 起 2 =373.07+6.11115+11.7694=390.9776（N cm） M 切1 =209.166+6.11115+11.7964=227.0739 c

47、m） （ N M 切 2 （ N cm） =209.166+6.11115+11.7964=227.0739 2、步進電機的選擇與校核 (1)根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩 M jmax 初選電機型號 步進電機的起動： M q1=max（ M起 1，M切 1）=M起1 =409.8276(N cm) M q2 =max （ M起2， M切2）=M起2 =390.9776(N cm) 對于三相六拍步進電機， 1 M q1 = 409.8276 =0.5227 0.5

48、 M j max 784 M q2 = 390.9776 0.866 2 M j max =0.7979 490 前面計算時已初選型號為 110BF003 的步進電機其相關(guān)參數(shù)為： (2)計算電機工作頻率 1)最大空載起動頻率：  M j max M q / 1000v fk= 60  max p  1000 2.4 （ H ） = 0.01 =4

49、000 z/s 60 f k < f max =7000(Hz/s) ，滿足要求。 2)切削時最大工作頻率 f = 1000v = 1000 0.54 =900（ Hz/s） 60 p 60 0.01 f e < f max =1500(Hz/s) ，滿足要求。 上式中： vmax ----運動部件橫向最大快速進給速度 2.4(m/min) vs ----橫向最大切削進給速度 0.54(m/min) p ----脈沖當量 0.01(mm/step) 由上述計算可

50、知：系統(tǒng)要求的空載起動轉(zhuǎn)矩頻率要大于電機的 空載起動頻率 1500Hz,且空載起動頻率滿足要求的電機型號較少，可 以采用調(diào)壓起動等方式起動電機使電機的空載起動頻率滿足要求； 而 電機運行頻率 7000Hz可以滿足系統(tǒng)要求。 (3)校核步進電機 （ 2）根據(jù)步進電機轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件校核 為了使步進電機具有良好的起動能力及較快的響應速度，通常推薦： ML =321.355 (N.cm) 且 M L 0.5 及 J L 4 M j max J m 則：對于電機 110BF003

51、 M L 321.355 M j max 784 JL 17.846  0.40989 0.5 3.871 4 Jm 4.61 滿足要求； 對于電機 110BF004 M L 321.355 0.0.6558 0.5 M j max 490 J 17.846 L 5.20 4 J 3.43 m 不滿足要求，故選擇 110BF003的步進電機。

52、 第三章 微機控制部分的設計 主要內(nèi)容： 以 MCS-51系列單片機為核心的控制系統(tǒng)。一、硬件系統(tǒng) （1）基本組成（最小系統(tǒng)） （2）系統(tǒng)擴展 1 ）程序存儲器擴展 2 ）數(shù)據(jù)存儲器擴展 3 ）輸入輸出端口擴展 4 ）綜合功能擴展 （3）接口技術(shù) 1 ）鍵盤接口技術(shù) 2 ）顯示器接口技術(shù) （4）步進電機控制硬件電路 二、軟件系統(tǒng) （1）軟件結(jié)構(gòu)與基本組成 （2）插補原理及軟件程序 （3）步進電機控制軟件 第一節(jié) 微機控制系統(tǒng)概述 一、微機控制系統(tǒng)的設計思路 1. 確定系

53、統(tǒng)狀態(tài)控制方案 1 ）從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是否采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制； 2 ）執(zhí)行元件采用何種方式； 3 ）考慮系統(tǒng)是否有特殊控制要求對于具有高可靠性、高精度和快速性要求 的系統(tǒng)應采取的措施是什么？ 4 ）考慮微機在整個控制系統(tǒng)中的作用，是設定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處 理，微機承擔哪些任務，為完成這些任務微機應具備哪些輸入 / 輸出通道、配備哪些外圍設備。 5 ）初步估算其成本，通過整體方案考慮，最后畫出系統(tǒng)組成的初步框圖，附加說明，以此作為設計的基礎和依據(jù)。 2. 確定控制算法 1 ）建立系統(tǒng)的數(shù)學模型， 確定其控制算法， 按照規(guī)定的控

54、制算法進行控制。2）控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個系統(tǒng)的成敗。 3 ）在選擇控制算法時，應考慮所選的算法是否能滿足控制速度、控制精度和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。 3. 選擇微型計算機 對于給定的任務， 選擇微機的方案不是唯一的， 從控制角度出發(fā)， 微機應能滿足具有較完善的中斷系統(tǒng)、足夠的存儲容量、完善的輸入 / 輸出通道和實時時鐘等要求。 1）較完善的中斷系統(tǒng) 2 ）足夠的存儲容量 3）完備的出入 / 輸出通道和實時時鐘。 二、微機控制系統(tǒng)基本硬件組成 任何一個微機控制系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成， 硬件是軟件的

55、基礎， 而配置了軟件的硬件才有控制功能， 數(shù)控系統(tǒng)通過與硬件軟件的密切配合實現(xiàn)各種功能。 控制系統(tǒng)硬件基本組成框圖 第二節(jié) 系統(tǒng)介紹 該微機控制系統(tǒng)由單片機、 存儲器、鍵盤和顯示器等接口電路、 步進電機驅(qū)動電路、 AT 標準下載接口電路、急停和限位報警等輔助控制電路組成。其電路原理圖如下圖 3-1 所示。 一、單片機的選擇 由于本設計只是對傳統(tǒng)機床的改造， 各方面的要求不是很高， 所以本設計采用以 AT89S51-24PU單片機為核心的控制系統(tǒng) . 目前，數(shù)控機床中應用最多的是AT

56、89S51-24PU單片機，他價格低，功能強，使用靈活等特點。 由于 AT89S51-24PU 內(nèi)部沒有程序存儲器， 必須擴展程序存儲器， 用以存放控制程序。 由于單片機內(nèi)部存儲器容量較小，不能滿足實際需要，所以還需要擴展 COM和數(shù)據(jù)存儲器 RAM）。另外，雖然 AT89S51-24PU本身有 4 個 I/O 接口電路，但尚不能滿足改造的需要，因此，還需要擴展輸入輸出接口芯片，以滿足使用要求。 圖 4-1 系統(tǒng)電路原理圖 圖 4-2 存儲器擴展電路 二、存儲器的擴展 如圖 3-

57、2  所示，為存儲器擴展電路，由鎖存器、譯碼器、靜態(tài)存儲器和  E2PROM  等芯 片連接而成。 1. 地址鎖存 由于 MCS-51 系列單片機的 P0 口試分時復用的地址 /數(shù)據(jù)總線， 因此， 在進行程序存儲 器擴展時，必須用地址鎖存器鎖住低 8 位的地址信號。 采用的地址 鎖存器為 74HC573。 D0 到 D7 為數(shù)據(jù)輸入， Q0 到 Q7 為輸出， 11 管腳為鎖存使能， 1 管腳 OE 為 輸出使能。 10 管腳 GND 接地， 20 管腳接高電平。 圖 4-3 鎖存器 74

58、HC573芯片連接電路 2. 程序存儲器的擴展 MCS-51系列單片機的程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間的相互獨立的。 AT89S51-24PU芯片片內(nèi) ROM不夠用時，需擴展外部程序存儲器。用作程序存儲 器的器件有 EPROM和 E2PROM，在本設計中程序存儲器選用一片 E2PROM,其型號為 AT28C256-15PI。 AT28C256-15PI 主要參數(shù)： 32K 8 位，為雙列直插式 28 腳封裝。采用單一正 5V 電源，可以與 MCS-51系列單片機直接接口。 ROM的地址范圍為 0000H— 7FFFH。 A0 —A14 為地

59、址線， CE 為芯片使能， OE 輸出使能， WE 寫入使能， I/O0 — I/O7 為數(shù)據(jù)輸入 /輸出， NC 、DC 為預留端口，不用連接。 GND 接地， Vcc 接高電平。 圖 4-4 程序存儲器 AT89S51-24PU芯片連接電路 3. 數(shù)據(jù)存儲器的擴展 AT89S51-24PU 單片機內(nèi)部有 256 字節(jié)的 RAM存儲器。 CPU提供對內(nèi)部的 RAM 具有豐富的操作指令。單在用于實時數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)提供的 256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器是遠遠不夠的，在這種情況下，可利用 MCS-51的擴展功能，擴展外部數(shù)據(jù)存儲器。外部數(shù)據(jù)存儲

60、器選用一片靜態(tài) RAM，其型號為 IDT7164S35P 。 數(shù)據(jù)存儲器 IDT7164S35P參數(shù)：容量為選用 8K 8 位，選用一片 SRAM6，單一電源供電， 雙列直插式 28 管角封裝， 可以與 MCS-51系列單片機直接接口。 其 地址范圍 0000H—1FFFH。 A0 — A12 為地址線， OE 輸出使能， WE 寫入使能， I/O0 —I/O7 為數(shù)據(jù)輸入 / 輸出， CS1 、 CS2 為片選端口， GND 接地， Vcc 接高電平。 圖 4-5 數(shù)據(jù)存儲器 IDT7164S35P芯片連接電路 4、74

61、HC138譯碼器接口電路 查《機電一體化系統(tǒng)設計》可知下表： 表 3-1 74HC138 功能表 C B A Y7 ， Y6 ， Y5 ， Y4 ， Y3 ， Y2 ， Y1 ， Y0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1

62、 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 在 74HC138中引腳 C、B、 A 分別接地、 P1.4 和 P2.7， 確定 Y0 ~Y7 中的選擇。從原理圖可知： 1、 當 BA 為 00 時，即 P2. 7 =0， P1.4 =0 時，選擇 Y0 腳輸出 0，此時選通芯片IDT7164S35P，該芯片有 13 條地址線，基本地址范圍 0000H～ 1FFFH。 2、 當 BA 為 01 時，即 P2.7 =0， P1.4 =

63、1 時， Y1腳為 0，而 Y1 腳接芯片 AT28C256-15PI，.此時選通該芯片，其有 15 條地址線，基本地址范圍 0000H～7FFFH。 3、 當 BA 為 10，即 P2.7 =1， P1.4 =0 時， Y 2 腳為 0，而 Y2 腳接 8155 的片選腳，此時選中 8155 芯片。 4、 當 BA 為 11，即 P2 .7 =1， P2. 6 =1 時， Y3腳為 0，而 Y3 腳接 8255 的片選 腳，因此此時選中 8255 芯片。 圖 4-6 譯碼器 74HC138 芯片連接電路 三、 I

64、/O 口的擴展 在 MCS-51應用系統(tǒng)中，單片機本身提供給用戶使用的輸出口線并不多，只有 P1 口和部分 P3 口線。應此，在大部分單片機應用系統(tǒng)設計中都不可避免的要在單 片機外部擴展 I/O 端口。單片機可以像訪問外部 RAM存儲器一樣訪問外部接口芯片，對其進行讀 / 寫操作。 由于接口較多，需采用一個 8155 芯片和一個 8255 芯片，才可以滿足要求。復合接口擴展芯片 8155 共有三個端口 PA、 PB、PC，即 PA0— PA7、PB0—PB7、 PC0— PC4共為 21 位輸入輸出。 AD0 -AD7 為數(shù)據(jù)總線， RD 讀入接口， WR寫入 接

65、口，RESET為復位接口， Vss 接地，Vcc 接高電平，ALE芯片使能、IO/ M 、TMRIN、 TMROUT、片選 CE。 圖 4-7 8155 芯片連接電路 專用接口擴展芯片 8255 有三個端口 PA、PB、PC，均為 8 位，即 PA0— PA7、PB0— PB7、 PC0—PC7 共 24 位輸入輸出口。 A0-A1 為地址線接口， D0-D7 為數(shù)據(jù)線接口， RD 讀入接 口， WR寫入接口， RESET 為復位接口， CS 為片選端口， GND 接地， Vcc 接高電平。 圖 4-8 8255A 芯片連接

66、電路 通過 8155 復合接口芯片實現(xiàn)對鍵盤和數(shù)碼管顯示接口的擴展，通過 8255 專用接口芯片實現(xiàn)對手動操作等按鍵功能和步進電機的控制脈沖輸出接口的擴展。 1、數(shù)碼顯示管位數(shù)確定 如下圖 3-9 所示所設計數(shù)碼顯示電路原理圖， 根據(jù)設計任務書要求及數(shù)據(jù)計 算，數(shù)控機床的脈沖當量 0.01mm/ step ，需要兩位數(shù)碼管顯示小數(shù)部分（右 邊兩個），銑床行程小于 1000mm，需要三位數(shù)碼管顯示整數(shù)部分（右起 3~5 個），需要一位顯示 x、y 的方向（左起第 3 個），一位顯示行程的正負（左起第 2 個）。還有一位（左起第 1 個）根據(jù)具體情況由用戶設定（比如狀態(tài)信息） 。 圖 4-9 數(shù)碼管顯示電路 2、鍵盤電路設計及鍵數(shù)確定 如下圖 3-10 所示，為所設計矩陣鍵盤電路原理圖。根據(jù)數(shù)控銑床加工特點及各方面性能要求，擬定如下按鍵： 圖 4-10 鍵盤電路設計 返回鍵、垂直菜單鍵、回車 / 輸入鍵、上檔鍵、光標向上鍵、光標向下鍵、 光標向左鍵、光標向右鍵、刪除鍵、