數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 大學(xué)畢業(yè)論文 論文題目： 數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 年 級(jí)： 專(zhuān) 業(yè)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師：

2、 2011年6月10日 II 摘要 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的基礎(chǔ)，這個(gè)基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力，關(guān)系到國(guó)家的戰(zhàn)略地位。 數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的傳動(dòng)系統(tǒng)。包括電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和主軸部件。 本文通過(guò)對(duì)XK5025數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的各方面設(shè)計(jì)，以達(dá)到低制造成本、簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。采用變頻電機(jī)和一級(jí)機(jī)械調(diào)速達(dá)到調(diào)速和傳遞功率的要求；用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸上下運(yùn)動(dòng)達(dá)到Z行程的要求；數(shù)控裝置采用51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)更加精確的控制和實(shí)現(xiàn)機(jī)械調(diào)速的自動(dòng)控制。 關(guān)鍵詞 主傳動(dòng)

3、；設(shè)計(jì)；數(shù)控銑床 Abstract The numerical control technology and the numerical control equipment are the factory industry modernization foundations, does this foundation whether reliable immediate influence to a countrys economic development and the comprehensive nati

4、onal strength, relate the country the strategic position. The numerically-controlled machine tool master drive system is uses for to realize the engine bed main movement transmission system. Including electric motor, transmission system and spindle unit. This article through designs to XK5025 nu

5、merical control milling machine master drive systems various aspects, achieves the low production cost, the simplified organization, to realize the optimization. Uses the frequency conversion electrical machinery and the first-level machinery velocity modulation achieves the velocity modulation and

6、the transmission power request; With step-by-steps the motor-driven main axle vertical motion to achieve the Z traveling schedule the request; The numerical control installment uses 51 monolithic integrated circuits to realize to an electrical machinery more precise control and realizes the machiner

7、y velocity modulation automatic control. Keywords Main drive system; Design; Numerical control milling machine tool II 目 錄 摘要 I Abstract II 第一章 緒 論 1 1.1數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 1 1.2課題提出的意義和目的 2 第二章 總體方案的設(shè)計(jì) 4 2.1設(shè)計(jì)參數(shù) 4 2.2總體方案的確定 4 2.3主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 7 2.4運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 8 2.4.1銑削分力 8 2.4.2

8、銑削圓周力的計(jì)算 9 2.4.3選用電機(jī) 11 第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 3.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 14 3.1.1帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 14 3.1.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 15 3.1.3 Ⅰ軸的設(shè)計(jì) 19 3.1.4主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 24 3.2步進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 26 3.2.1齒型帶的設(shè)計(jì) 26 3.2.2 進(jìn)給絲杠的設(shè)計(jì) 29 第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 31 4.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 31 4.2硬件設(shè)計(jì) 32 4. 3軟件設(shè)計(jì) 33 4.3.1步進(jìn)電機(jī)的控制原理 35 4.3.2變頻電機(jī)的相關(guān)控制 35 4.3.3譯碼法尋址 35 4.3.4鍵盤(pán)顯示器接口 35

9、4.3.5程序存儲(chǔ)器（EEPROM）芯片 35 4.2.6數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）芯片 35 第五章 總結(jié) 36 參考文獻(xiàn) 37 附錄 一 38 附錄 二 39 44 數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 第一章 緒 論 1.1數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 數(shù)控技術(shù)和數(shù)控裝備是制造工業(yè)現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)。這個(gè)基礎(chǔ)是否牢固直接影響到一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國(guó)力，關(guān)系到一個(gè)國(guó)家的戰(zhàn)略地位。因此，世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家均采取重大措施來(lái)發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)。 近幾年我國(guó)數(shù)控產(chǎn)品發(fā)展很快，但真正在市場(chǎng)上站住腳的卻不多。就數(shù)控系統(tǒng)而言，國(guó)產(chǎn)貨仍未真正被廣大機(jī)床廠所接受，因此出現(xiàn)國(guó)

10、產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)用于舊機(jī)床改造的例子較多，而裝備新機(jī)床的卻很少，機(jī)床廠出產(chǎn)的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床大多數(shù)用的都是國(guó)外的系統(tǒng)。這當(dāng)然不是說(shuō)舊機(jī)床的數(shù)控化改造不重要，而是說(shuō)明從商品的角度看，我們的數(shù)控系統(tǒng)與國(guó)外相比還存在相當(dāng)大的差距。 影響數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床商品化的主要因素除技術(shù)性能和功能外，更重要的就是可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)用性。以往，一些數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)品的研究、開(kāi)發(fā)部門(mén)，所追求的往往是一些體現(xiàn)技術(shù)水平的指標(biāo)（如多少通道、多少軸聯(lián)動(dòng)、每分鐘多少米的進(jìn)給速度等等），而對(duì)影響實(shí)用性的一些指標(biāo)和一些小問(wèn)題卻不太重視，在產(chǎn)品的穩(wěn)定性、魯棒性、可靠性、實(shí)用性方面花的精力相對(duì)較少。從而出現(xiàn)某些產(chǎn)品鑒定時(shí)的水平都很高，甚

11、至也獲各種大獎(jiǎng)。但這些高指標(biāo)、高性能的產(chǎn)品到用戶哪兒卻由于一些小問(wèn)題而表現(xiàn)不盡人意，最后喪失了信譽(yù)，打不開(kāi)市場(chǎng)。這說(shuō)明，高指標(biāo)、高性能的樣機(jī)型的產(chǎn)品離用戶真正需要的實(shí)用、可靠的商品是有相當(dāng)大的距離的，將一個(gè)高指標(biāo)、高性能的產(chǎn)品變?yōu)橐粋€(gè)有市場(chǎng)的商品還需作出大量艱苦的努力。 另一方面，數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控機(jī)床不像家電類(lèi)產(chǎn)品那樣易于大批量生產(chǎn)，應(yīng)用環(huán)境也不那么簡(jiǎn)單。數(shù)控產(chǎn)品是在生產(chǎn)環(huán)境中使用，面臨的是五花八門(mén)的工藝問(wèn)題。如果開(kāi)發(fā)部門(mén)對(duì)這些問(wèn)題掌握得不透，就難以將產(chǎn)品設(shè)計(jì)得很完善。而且數(shù)控產(chǎn)品的某些問(wèn)題在開(kāi)發(fā)、試用，甚至鑒定時(shí)都難以發(fā)現(xiàn)。這就造成，同樣型號(hào)的數(shù)控機(jī)床在有的用戶那兒運(yùn)行得很好，而在別

12、的用戶那兒卻表現(xiàn)欠佳。或者同樣型號(hào)的數(shù)控機(jī)床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件時(shí)卻不盡人意。出現(xiàn)這種情況，有時(shí)是用戶操作人員的水平問(wèn)題，但有時(shí)就是數(shù)控產(chǎn)品本身潛在問(wèn)題的暴露。為解決這一問(wèn)題，國(guó)外一些公司設(shè)立了專(zhuān)門(mén)機(jī)構(gòu)來(lái)測(cè)試考驗(yàn)自己的產(chǎn)品，如為考驗(yàn)新開(kāi)發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)，廠家自己設(shè)計(jì)和從生產(chǎn)實(shí)際中收集了大量零件程序，讓數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行各種各樣的程序，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，即立即反饋給開(kāi)發(fā)部門(mén)予以解決。經(jīng)過(guò)這樣的測(cè)試考驗(yàn)過(guò)程后，數(shù)控系統(tǒng)的潛在問(wèn)題就大為減少。以往，我們的產(chǎn)品就很少進(jìn)行這樣嚴(yán)格的全面的自我測(cè)試考驗(yàn)。很多問(wèn)題都要等到用戶去給我們挑出來(lái)。這樣，即使一個(gè)小問(wèn)題也將嚴(yán)重影響國(guó)產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)品的聲譽(yù)。

13、1.2課題提出的意義和目的 與普通銑床的工藝裝備相比較，數(shù)控銑床工藝裝備的制造精度更高、靈活性好、適用性更強(qiáng)，一般采用電動(dòng)、氣動(dòng)、液壓甚至計(jì)算機(jī)控制，其自動(dòng)化程度更高。合理使用數(shù)控銑床的工藝裝備，能提高零件的加工精度。各種類(lèi)型數(shù)控銑床所配置的數(shù)控系統(tǒng)雖然各有不同，但各種數(shù)控系統(tǒng)的功能，除一些特殊功能不盡相同外，其主要功能基本相同。 其主要功能如下：點(diǎn)位控制功能：此功能可以實(shí)現(xiàn)對(duì)相互位置精度要求很高的孔系加工；連續(xù)輪廓控制功能：此功能可以實(shí)現(xiàn)直線、圓弧的插補(bǔ)功能及非圓曲線的加工；刀具半徑補(bǔ)償功能：此功能可以根據(jù)零件圖樣的標(biāo)注尺寸來(lái)編程，而不必考慮所用刀具的實(shí)際半徑尺寸，從而減少編程時(shí)的復(fù)雜數(shù)

14、值計(jì)算；刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償功能：此功能可以自動(dòng)補(bǔ)償?shù)毒叩拈L(zhǎng)短，以適應(yīng)加工中對(duì)刀具長(zhǎng)度尺寸調(diào)整的要求；比例及鏡像加工功能：比例功能可將編好的加工程序按指定比例改變坐標(biāo)值來(lái)執(zhí)行。鏡像加工又稱軸對(duì)稱加工，如果一個(gè)零件的形狀關(guān)于坐標(biāo)軸對(duì)稱，那么只要編出一個(gè)或兩個(gè)象限的程序，而其余象限的輪廓就可以通過(guò)鏡像加工來(lái)實(shí)現(xiàn)；旋轉(zhuǎn)功能：該功能可將編好的加工程序在加工平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)任意角度來(lái)執(zhí)行；子程序調(diào)用功能：有些零件需要在不同的位置上重復(fù)加工同樣的輪廓形狀，將這一輪廓形狀的加工程序作為子程序，在需要的位置上重復(fù)調(diào)用，就可以完成對(duì)該零件的加工；宏程序功能：該功能可用一個(gè)總指令代表實(shí)現(xiàn)某一功能的一系列指令，并能對(duì)變量進(jìn)行運(yùn)算

15、，使程序更具靈活性和方便性。 這就使我們更加有需要來(lái)研究數(shù)控銑床的各個(gè)方面，而本人則負(fù)責(zé)對(duì)XK5020數(shù)控立式升降臺(tái)銑床主傳動(dòng)部分加以分析和設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工經(jīng)濟(jì)合理的主傳動(dòng)系統(tǒng)，使純機(jī)械化的機(jī)床實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的數(shù)控機(jī)床，獲得大的機(jī)械效益。 因此，我們應(yīng)在商品化方面切實(shí)狠下工夫，將其作為數(shù)控產(chǎn)業(yè)的主干來(lái)抓，貫穿于技術(shù)研究、產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、試制、生產(chǎn)等的全過(guò)程中，從而將我們已有的技術(shù)水平較高的數(shù)控產(chǎn)品變成真正有市場(chǎng)的好商品。 第二章

16、 總體方案的設(shè)計(jì) 數(shù)控機(jī)床是典型機(jī)電一體化產(chǎn)品。以數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為題可以提高學(xué)生機(jī)械設(shè)計(jì)制造、自動(dòng)控制技術(shù)、力學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等方面的知識(shí)綜合運(yùn)用能力。培養(yǎng)和提高學(xué)生的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為從事機(jī)電一體化方面產(chǎn)品設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。方案設(shè)計(jì)主要是確定機(jī)床的總體結(jié)構(gòu)，傳動(dòng)原理以及基本的運(yùn)動(dòng)動(dòng)力參數(shù)。而本人的設(shè)計(jì)題目是XK5025升降臺(tái)數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。 2.1設(shè)計(jì)參數(shù) 設(shè)計(jì)任務(wù)給出技術(shù)要求如下： 主軸轉(zhuǎn)速范圍：100-2500rpm 調(diào)速方式：變頻調(diào)速與機(jī)械調(diào)速 Z軸行程：250mm 脈沖當(dāng)量：<0.002mm 控制方式：開(kāi)環(huán)控制 2.2總體方案的確定 XK502

17、5升降臺(tái)數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)的總體方案如下：第一種是采用普通電機(jī)加變頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速，由于主軸轉(zhuǎn)速范圍未達(dá)100-2500r/min，因此在此基礎(chǔ)上在進(jìn)行機(jī)械調(diào)速，一般為二級(jí)和三級(jí)即可實(shí)現(xiàn)。如若不行可進(jìn)行四級(jí)五級(jí)機(jī)械調(diào)速。主軸箱和立柱分開(kāi)，由整個(gè)主軸箱的上下移動(dòng)實(shí)現(xiàn)Z向的進(jìn)給，主軸在主軸箱中不能上下移動(dòng)，只能進(jìn)行軸向轉(zhuǎn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖2-1銑床的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖： 圖2-1 銑床的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 第二種方案是直接使用變頻電機(jī)調(diào)速加機(jī)械變速機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)范圍內(nèi)的調(diào)速。其中銑床總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖2-2如下： 圖2-2 銑床總體

18、結(jié)簡(jiǎn)圖 本方案由于要實(shí)現(xiàn)主軸的軸向進(jìn)給，因而主軸部分設(shè)計(jì)采用方案二的結(jié)構(gòu)形式。本方案主軸結(jié)構(gòu)采用了典型結(jié)構(gòu)也即：主軸箱固定不動(dòng)，主軸實(shí)現(xiàn)上下進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，由于主軸的軸向移動(dòng)行程短，還采用了升降臺(tái)來(lái)加大整臺(tái)機(jī)器的Z向進(jìn)給，在工作臺(tái)上實(shí)現(xiàn)X向和Y向的進(jìn)給，分別由步進(jìn)電機(jī)加以帶動(dòng)實(shí)現(xiàn)。因此整機(jī)結(jié)構(gòu)不是很復(fù)雜，且還可以使主軸箱和立柱結(jié)構(gòu)一體化，從而減少空間和簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)。由于主軸箱的不移動(dòng)，故可保證大行程下的加工精度。 現(xiàn)今由于變頻電機(jī)的普遍運(yùn)用，而且由變頻電機(jī)來(lái)帶動(dòng)可以很大程度上使整臺(tái)機(jī)器在外型、性能和精度上得到更大的提高，從而很大程度上使機(jī)電一體化得到大程度的體現(xiàn)，而且利于操作人員的操作。變頻電機(jī)

19、的調(diào)速范圍寬、能按負(fù)載的變化而調(diào)整的特點(diǎn)和節(jié)能與可自動(dòng)化控制的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在機(jī)床、冶金、起重、化工、輕工、紡織、火力發(fā)電等行業(yè)得到廣泛的應(yīng)用，并越來(lái)越多地取代傳統(tǒng)的普通機(jī)電產(chǎn)品。而且采用了變頻電機(jī)后，主軸箱只要一級(jí)機(jī)械調(diào)速就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速要求，大大的節(jié)約了材料和零件，而且對(duì)銑床更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，只采用一個(gè)撥叉和一個(gè)汽缸或油缸就可以實(shí)現(xiàn)，因而我設(shè)計(jì)的XK5025升降臺(tái)數(shù)控銑床主傳動(dòng)系統(tǒng)采用的是變頻電機(jī)加機(jī)械調(diào)速的方案。 其中參考的主軸結(jié)構(gòu)圖2-3如下： 1-端蓋 2-齒型帶 3-帶輪 4-步進(jìn)電機(jī) 5-螺栓 6-齒輪 7-主軸 8-齒輪9-機(jī)架 10-角接觸軸承 11-雙列圓錐滾字軸承

20、 12-螺釘 13-螺釘 14-雙列圓錐滾字軸承 15-帶輪 16-帶輪 17-螺釘 圖2-3 參考主軸結(jié)構(gòu)圖 2.3主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)首先應(yīng)該滿足設(shè)計(jì)任務(wù)中提出的技術(shù)要求和功能要求，在保證技術(shù)要求和功能的情況下盡可能的簡(jiǎn)化銑床結(jié)構(gòu)和優(yōu)化銑床的設(shè)計(jì)。本方案設(shè)計(jì)的技術(shù)要求是主軸的轉(zhuǎn)速范圍在100r/min~2500r/min，使用變頻電機(jī)只需一級(jí)機(jī)械調(diào)速就實(shí)現(xiàn)，使主軸箱和立柱盡可能緊湊和簡(jiǎn)潔，便于實(shí)現(xiàn)機(jī)器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)，而且，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，滿足各類(lèi)各種加工的速度要求。其中由于要求數(shù)控銑床的脈沖當(dāng)量滿足0.001~0.003m/min的范圍，故采用了較高級(jí)數(shù)的步

21、進(jìn)電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸的上下移動(dòng)，而其只要通過(guò)齒型帶帶動(dòng)絲杠，絲杠通過(guò)大螺母帶動(dòng)主軸就可以實(shí)現(xiàn)主軸的上下進(jìn)給了，而且由于采用齒型帶的緣故，使絲杠在上下移動(dòng)時(shí)工作平穩(wěn)不易振動(dòng)，使主軸的上下進(jìn)給更加穩(wěn)定和高精度，因而非常適合于加工高精度要求的工件。相對(duì)以前的設(shè)計(jì)方案本方案使用變頻電機(jī)是控制電路部分也簡(jiǎn)化了，便于實(shí)現(xiàn)控制和優(yōu)化，提高機(jī)器的工作效率和便于維護(hù)。 其中銑床的傳動(dòng)原理圖如圖2-3： 圖2-3 銑床的總體傳動(dòng)原理圖 2.4運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算 由主軸轉(zhuǎn)速100—2500r/min,由此初步確定軸轉(zhuǎn)速及電機(jī)選用。 1主軸轉(zhuǎn)速由設(shè)計(jì)任務(wù)給

22、出，帶輪處選取傳動(dòng)比1：1.2，則電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為120r/min—3000r/min. 2 確定主軸轉(zhuǎn)矩以及功率 電機(jī)轉(zhuǎn)矩由主軸正常工作時(shí)需要的轉(zhuǎn)矩來(lái)確定，因此需要計(jì)算切削用量。由《專(zhuān)用機(jī)床設(shè)計(jì)與制造》Pg680頁(yè)銑削力及銑削功率的計(jì)算如下： 2.4.1銑削分力 銑削時(shí)的切削分力（見(jiàn)切削了力圖 圖2-4和表2-1）有： 圓周力Pz，即主切削力；走刀力Ph，即水平分力；頸向力Py，即銑刀所受的頸向切學(xué)力；軸向力Po；壓軸力（垂直分力）Pv。 圖2-4 切削力圖 表2-1 銑削各分力與圓周力的比值 銑削條件 比 對(duì)稱銑削 不對(duì)稱銑削 逆銑 順銑 端 銑 PH

23、/PZ 0.3-0.4 0.9-0.6 0.3-0.15 B/D=0.4-0.8 =0.1-0.2mm PV/PZ PO/PZ 0.85-0.95 0.5-0.55 0.45-0.7 0.5-0.55 1-0.9 0.5-0.55 平面銑、立銑、圓盤(pán)銑、成形銑 t/D=0.5 PH/PZ 1-1.2 0.8-0.9 =0.1-0.2mm PV/PZ 0.2-0.3 0.75-0.8 PO/PZ 0.35-0.4 0.35-0.4 2.4.2銑削圓周力的計(jì)算 公式如下：

24、 1、刀具：高速鋼（粗加工，低速） 加工材料：бb=75公斤力/mm,中、高碳鋼 1）端銑： B=0.4～0.8D=26～52mm(取B=40mm) t=3.5mm Z=3 v=9～12m/min n=100r/min 2)立銑： 由經(jīng)驗(yàn)值得D=30mm,B=30mm,t=5mm, mm ，z=2,n=1000r/min, 2、刀具：硬質(zhì)合金鋼（

25、精加工、高速） 加工材料：=75公斤力/mm,中、高碳鋼 1）端銑： 精加工：銑削深度t=0.5～1mm 取t=1mm銑削速度v=90～150m/min B=0.4～0.8 D=18～36mm(取B=35mm) z=2 2）立銑 =12.5 =0.85 =0.75 =1.0 =0.73 =-0.13 經(jīng)驗(yàn)植：D=32mm,B=32mm,t=3mm,mm ，z=4,n=1000r/min, 2

26、.4.3選用電機(jī) 選用變頻調(diào)速電機(jī)，頻率范圍2~100HZ，4極，轉(zhuǎn)速范圍60~3000r/min。當(dāng)f<50Hz時(shí)為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；當(dāng)f>50Hz時(shí)為恒功率調(diào)速。故有，當(dāng)f=50Hz時(shí)電機(jī)有最大轉(zhuǎn)矩，若電機(jī)額定功率為4KW，則?，F(xiàn)選用帶傳動(dòng)比為1：1.2，齒輪傳動(dòng)比為1：1或1：3的二聯(lián)齒輪傳動(dòng)副。則主軸轉(zhuǎn)速范圍為57.2r/min~2860r/min，滿足要求100r/min~2500r/min。 由圖2-5電機(jī)特性曲線圖及表2-2、表2-3、表2-4和圖2-6確定電機(jī)： 變頻調(diào)速電機(jī) 4級(jí) 頻率范圍2~100Hz, 轉(zhuǎn)速范圍60~3000RPM，拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速（50Hz）1430r/min，

27、額定功率4KW，最大轉(zhuǎn)矩40 ▲轉(zhuǎn)矩與頻率的關(guān)系曲線 ▲功率與頻率的關(guān)系曲線 圖2-5 電機(jī)特性曲線圖 表2-2 電機(jī)參數(shù)表 型號(hào) 額定功率 （KW） 機(jī)座號(hào) 額定轉(zhuǎn)速 (r/min) 額定電流 (A) 額定轉(zhuǎn)矩 (N.m) 堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩 / 額定轉(zhuǎn)矩 最大轉(zhuǎn)矩 / 額定轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 （kg.） 重量 （Kg） 變頻器功率 （kw） A型 B型 CTB-41P5BXB33-4 1.5 100LM 920 3.6 15 1.3 2.3 0.00716 36 1.5 2.2 CTB-42P2BXB3

28、3-4 2.2 100L1 920 5.2 22 1.3 2.3 0.00975 38 2.2 3.7 CTB-43P0BXB33-4 3 100L2 920 6.8 31 1.3 2.3 0.0116 40 3.7 3.7 CTB-44P0BXB33-4 4 112M 940 8.7 40 1.3 2.3 0.0207 57 5.5 5.5 CTB-45P5BXB33-4 5.5 132S 950 11.5 55 1.3 2.3 0.0418 75 5.5 7.5 注：額定電壓/頻率：380V/5

29、0Hz 極數(shù)：4極　同步轉(zhuǎn)速1430轉(zhuǎn)/分 圖2-6 B5法蘭安裝圖 表2-3 電機(jī)外形尺寸1 機(jī)座號(hào) A AA AB AC AD AE AF B BB C D DH E ED F G 80 125 35 165 175 140 65 160 100 130 50 19 M6*16 40 25 6 15.5 90S 140 37 180 195 150 65 170 100 140 56 24 M8*19 50 40 8 20 90L 140 37 180

30、195 150 65 170 125 165 56 24 M8*19 50 40 8 20 100L 160 45 200 215 165 65 190 140 180 63 28 M10*22 60 45 8 24 112M 190 45 230 240 180 65 200 140 185 70 28 M10*22 60 45 8 24 132S 216 50 275 275 190 65 220 140 205 89 38 M12*28 80 60 10 33

31、 表2-4 電機(jī)外形尺寸2 機(jī)座號(hào) H HA HB HD K KK L LA LD M N P S T 80 80 10 180 215 10 M25 395 10 115 165 130 200 4*φ12 3.5 90S 90 13 200 235 10 M25 445 12 130 165 130 200 4*φ12 3.5 90L 90 13 200 235 10 M25 445 12 130 165 130 200 4*φ12 3.5 100L 100 14

32、 230 265 12 M32 500 12 145 215 180 250 4*φ15 4 112M 112 14 255 290 12 M32 505 12 150 215 180 250 4*φ15 4 132S 132 16 290 325 12 M32 575 13 180 265 230 300 4*φ15 4 所以可以選用的電機(jī)為：合理 第三章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 3.1.1帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 1 計(jì)算功率 帶輪傳動(dòng)的傳動(dòng)比 ：i=1.2 ，選取SPA型窄帶，且

33、 所以： 2 中心距的計(jì)算 取 則 3 計(jì)算包角 4 計(jì)算帶速 5 計(jì)算預(yù)緊力 式中 計(jì)算功率；帶速；材料的修正系數(shù)；帶數(shù) 6 計(jì)算作用到Ⅰ軸上的壓軸力 3.1.2齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì) 1 材料的選擇：小齒輪 40Cr調(diào) , ；大齒輪 45鋼 , 。初選小齒輪的齒數(shù) ，且其mm,則大齒輪的齒數(shù) 2 齒面接觸強(qiáng)度設(shè)計(jì) 1）確定公式中

34、個(gè)計(jì)算數(shù)值 試選載荷系數(shù) =1.3。 計(jì)算小齒輪傳遞的扭矩 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 表10-7圓柱齒輪的齒寬系數(shù) 選取齒寬系數(shù) =0.4。 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 表10-6彈性影響系數(shù)查得材料的彈性影響系數(shù) 。 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 圖10-21d齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 按齒面硬度查的小齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 ，大齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 。 計(jì)算疲勞壽命h。 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 圖10-19接觸疲勞壽命系數(shù) 查得接觸疲勞壽命系數(shù) ，。 計(jì)算接觸疲勞許用應(yīng)力 取失效概率為1﹪，安全系數(shù)為S=1,由此得：

35、 2）計(jì)算 試算小齒輪分度圓直徑，代人中較小的值 計(jì)算圓周速度v 計(jì)算齒寬b 0.463.13mm =25.2mm 計(jì)算齒寬和齒高之比b/h: 法向模數(shù) 齒高 b/h=19.82/6.75=3.73 計(jì)算載荷系數(shù) 根據(jù)v=3.94m/s,7級(jí)精度，由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 圖10-8動(dòng)載系數(shù)圖 查得動(dòng)載系數(shù) 直齒輪，假設(shè) ＜100N/mm。 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 表10-3查得 。 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 表10-2查得使用系數(shù) 。 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 表10-4查得7級(jí)精度，小齒輪相對(duì)支

36、撐非對(duì)稱布置時(shí)： 由b/h=3.73， ，查《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-13得 故載荷數(shù) 。 按實(shí)際載荷系數(shù)校正所算得分度圓直徑，由式《機(jī)械設(shè)計(jì)》（10-10a） 得： 計(jì)算模數(shù) 。 3 按齒根彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 式（10-5）的彎曲強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式 1）確定公式中的各計(jì)算數(shù)值 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》圖10-20C查得小齒輪的彎曲

37、疲勞強(qiáng)度是 大齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度是 。 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 圖10-18查得彎曲疲勞強(qiáng)度壽命系數(shù) ，。 計(jì)算彎曲許用應(yīng)力 取彎曲疲勞安全系數(shù)S=1.4，由式（10-1）得： 計(jì)算載荷系數(shù)K 查取齒形系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 表10-5可查得 ， 。 查取應(yīng)力校正系數(shù) 由《機(jī)械設(shè)計(jì)》 表10-5可查得 ， 。 計(jì)算大小齒輪的并加以比較： 比較可知大齒輪的數(shù)值比較大。 2)設(shè)計(jì)計(jì)算 對(duì)比計(jì)算結(jié)果，又因?yàn)辇X

38、輪模數(shù)m主要取決于彎曲強(qiáng)度，因而m=3mm，分度圓直徑=79.41mm,算出小齒輪齒數(shù)。 則大齒輪齒數(shù)，則。 4 幾何尺寸的計(jì)算 1）分度圓直徑d的計(jì)算 2）中心距a的計(jì)算 3）齒厚b的計(jì)算 5 驗(yàn)算 所以此齒輪設(shè)計(jì)合理。 6 的齒輪設(shè)計(jì) 齒輪的材料都為45鋼，調(diào)質(zhì)處理。由 i=1,a=168,且m=3, 則 ，取B=25mm。 3.1.3 Ⅰ軸的設(shè)計(jì) 1 Ⅰ軸的初步設(shè)計(jì) 材料的選擇:45鋼，調(diào)制處理到HB=220-250HBS,5級(jí)精度.因而可由以下公式進(jìn)行設(shè)計(jì)：

39、 所以最小可取30mm。 當(dāng)軸截面上開(kāi)有鍵槽時(shí)，應(yīng)增大軸徑以考慮鍵槽對(duì)軸的強(qiáng)度的削弱。對(duì)于直徑d>100mm的軸，當(dāng)軸截面上開(kāi)有一個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大3％；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大7％。對(duì)于直徑d<100mm的軸，有一個(gè)鍵槽時(shí)，軸徑增大5％~7%；有兩個(gè)鍵槽時(shí)，應(yīng)增大10%~15%。然后將軸徑圓整為標(biāo)準(zhǔn)直徑。 2 軸的校核 通過(guò)軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，軸的主要結(jié)構(gòu)尺寸，軸上零件的位置，以及外載荷和支反力的作用位置均已確定，軸上的載荷已可以求得，因而可按彎扭合成強(qiáng)度條件對(duì)軸進(jìn)行強(qiáng)度較核計(jì)算。其中軸的結(jié)構(gòu)如下圖3-1Ⅰ軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 圖3-1Ⅰ軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)

40、圖 軸上力的計(jì)算步驟如下： 1）軸上各個(gè)方向力的計(jì)算 軸所受的載荷是從軸上零件傳來(lái)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)作置于鉸鏈支座上的梁，支反力的作用點(diǎn)與軸承的類(lèi)型和布置方式有關(guān)，可按圖來(lái)確定。 由以上的計(jì)算過(guò)程可得， 。 根據(jù)3.1.1 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)的計(jì)算可知，帶輪作用到Ⅰ軸上的壓軸力 ，其力的方向如圖3-1軸的載荷分析圖，且可計(jì)算作用到齒輪上的圓周力和徑向力如下：

41、 現(xiàn)在從軸受力方向進(jìn)行力的計(jì)算，其中力的方向如圖3-1軸的載荷分析圖，而軸上的力的計(jì)算如下： 沿圓周方向： 在豎直截面方向： 2）根據(jù)力學(xué)圖，分別按在橫截面方向和在豎直截面方向計(jì)算各力產(chǎn)生的彎矩，并按計(jì)算結(jié)果分別作出水平面上的彎矩和垂直面上的彎矩，然后按下式計(jì)算總彎矩并作出圖； ；根據(jù)力學(xué)關(guān)系與受力性質(zhì)可知彎矩。 根據(jù)圖可得： ； ； ； 則。 3）作載荷分部圖如圖3-2軸的載荷分析圖 4）較核軸的強(qiáng)度 已知軸的彎矩和扭矩后，可針對(duì)某些危險(xiǎn)截面作彎扭合成強(qiáng)度較核計(jì)算。按第三強(qiáng)度理論，計(jì)

42、算應(yīng)力。通常由彎矩所產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力，而由扭矩所產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力則常常不是對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。為了考慮兩者循環(huán)特性不同的影響，引入折合系數(shù)，則計(jì)算應(yīng)力為—式中的彎曲應(yīng)力為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力。當(dāng)扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為靜應(yīng)力時(shí)，??；當(dāng)扭轉(zhuǎn)去、切應(yīng) 力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，??；若扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力亦為對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，則取。齒輪上的扭矩是脈動(dòng)的，所以去。對(duì)直徑為d的圓軸，彎曲應(yīng)力，扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力，將代入式中，則軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為 式中： 軸的計(jì)算應(yīng)力，單位為MPa; M軸所受的彎矩，單位為Nmm; T軸所受的扭矩，單位為Nmm;

43、 W軸的抗彎截面系數(shù)，單位為 對(duì)稱循環(huán)變應(yīng)力的軸的許用彎曲應(yīng)力。 上式中，所以； 查表得到= 所以Ⅰ軸的設(shè)計(jì)合理。 圖3-2 軸的載荷分析圖 3.1.4主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1 主軸的初步設(shè)計(jì)計(jì)算 材料的選擇:45鋼，調(diào)制處理到HB=220-250HBS,5級(jí)精度.由于主軸是空心軸，因而可由以下公式進(jìn)行設(shè)計(jì)： 參考下表3-1取前軸頸直徑為60mm。 表3-1 通用機(jī)床主軸前軸徑尺寸 /m

44、m 機(jī)床 主軸的驅(qū)動(dòng)功率/KW 1.5~2.8 2.8~4 4~5.5 5.5~7.5 7.5~10 10~14 14~17 車(chē)床 60~80 70~90 70~105 95~130 110~145 140~163 150~190 銑床 50~90 60~90 60~95 75~100 90~105 100~115 — 外圓磨床 — 50~60 55~70 70~80 75~90 75~100 90~100 后頸一般為前軸頸的0.7～0.85倍。參考表3-2，取軸后頸直徑為48。

45、 表3-2 花鍵軸尺寸與相應(yīng)滾刀直徑 /mm 花鍵軸尺寸 Z-Ddb 當(dāng)量直徑d1 滾刀直徑 D刀 花鍵軸尺寸 Z-Ddb 當(dāng)量直徑d1 滾刀直徑 D刀 6-25215 22.9 65 6-484212 45.3 90 6-28236 25.59 6-504512 47.8 6-30266 27.84 6-555014 52.7 100 6-32287 29.97 70 6-605414 57.04 6-353010 33.19 80

46、 6-655816 61.76 120 6-383310 35.93 6-706216 66.05 6-403510 37.78 6-756516 69.87 6-423610 39.26 85 6-807020 75.56 140 6-454012 42.9 6-908020 84.9 2 主軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 刀具上力作用在主軸上，主軸把力傳給軸承，再有軸承把力作用到箱體上，因而在此其中主軸承受很大的力，為主軸在加工生產(chǎn)時(shí)能保證加工零件的精度和要求，主軸一定不可以因?yàn)橥饬Χa(chǎn)生變形，而主軸的尺寸已經(jīng)可以抵抗外力使主軸折斷，但還沒(méi)有完全能保證

47、主軸在加工時(shí)發(fā)生很大的磨損，而令整臺(tái)機(jī)器的加工精度下降以至于加工的零件報(bào)廢，因而接下來(lái)對(duì)主軸進(jìn)行剛性校核，以保證在一定的時(shí)間內(nèi)能達(dá)到一定的精度要求。 主軸通過(guò)兩個(gè)圓錐滾子把主軸上的力左右到機(jī)架上，在這兩個(gè)圓錐滾子軸承中主軸通過(guò)花鍵連接一個(gè)帶平鍵槽的軸套，軸套外連接兩個(gè)齒輪，由此兩齒輪帶動(dòng)主軸旋轉(zhuǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)主軸的變速。主軸的Z向進(jìn)給是由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的。主軸通過(guò)一個(gè)大螺母與絲杠上的大螺母相連接，而主軸上的大螺母是由一對(duì)大的圓錐滾子軸承和一雙列圓柱滾子軸承實(shí)現(xiàn)定位和進(jìn)給的。 其中主軸結(jié)構(gòu)示意圖如下圖3-3主軸結(jié)構(gòu)示意圖 圖3-3 主軸結(jié)構(gòu)示意圖 3

48、.2步進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.2.1齒型帶的設(shè)計(jì) 1 步進(jìn)電機(jī)的選擇 根據(jù)2.4.2圓周力的計(jì)算處可得，當(dāng)時(shí)，電機(jī)的扭距達(dá)到最大，計(jì)算如下。 由以下表3-3步進(jìn)電機(jī)參數(shù)、表3-4電機(jī)接線方法和表3-5外型及安裝尺寸來(lái)初選電機(jī)。 表3-3步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 步距角 相數(shù) 電壓V 電流A 轉(zhuǎn)距N.M 電感MH 慣量kg/cm2 起動(dòng)頻率Hz 運(yùn)行頻率Hz 110BYG550A 0.36/0.72 5 30-300 3 8 8.5 9.8 2300 22000 110BYG550B 0.36/0.72 5

49、 30-300 3 10 10 11.2 2300 22000 110BYG550B 0.36/0.72 5 30-300 3 16 12 15.8 2300 22000 注：通用參數(shù)：步距角精度： 5% 溫度范圍：－20 ℃～ +50 ℃ 最高溫度： +80 ℃　 絕緣電阻： 100M Ω Min.500V DC　　 耐 壓： 500V AC 1 minute 表3-4 電機(jī)接線方法 相數(shù) A A＇ B B＇ C C＇ D D＇ E E＇ 接地 航插 5

50、1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12 12 芯 5 1 * 2 * 3 * 4 * 5 * 7 7 芯 表3-5外型及安裝尺寸 D B-B d L 1 b D 1 h L D 2 d 1 110BYG550A 110 112 16 36 5 56 3 160 126 9 110BYG550B 110 112 16 36 5 56 3 178 126 9 110BYG550C 110 112

51、 16 36 5 56 3 223 126 9 所選的參數(shù)如表3-46步進(jìn)電機(jī)參數(shù)選步進(jìn)電機(jī): 表3-46步進(jìn)電機(jī)參數(shù) 型號(hào) 步距角 相數(shù) 電壓V 電流A 轉(zhuǎn)距N.M 電感MH 慣量kg/cm2 起動(dòng)頻率Hz 運(yùn)行頻率Hz 110BYG550B 0.36/0.72 5 30-300 3 10 10 11.2 2300 22000 2 傳動(dòng)比的分配 3 齒型帶的設(shè)計(jì) 1）模數(shù)m的選擇 2）小帶輪的最小直徑 3）大小帶輪的幾何參數(shù)的

52、計(jì)算 4) 中心距的計(jì)算 計(jì)算帶長(zhǎng)L 齒數(shù)的計(jì)算 功率的計(jì)算 帶寬的計(jì)算 作用在軸上的力 3.2.2 進(jìn)給絲杠的設(shè)計(jì) 采用《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。該手冊(cè)中，對(duì)于絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算采用了大量的實(shí)際統(tǒng)計(jì)數(shù)值，這些數(shù)值在設(shè)計(jì)時(shí)未能獲得，故該類(lèi)數(shù)值均為估計(jì)值，且都選取大數(shù)值，偏于安全。在以后的校核中，若超出安全范圍很少時(shí)理應(yīng)視為安全。 1 等效果載荷 等效載荷為統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)綜合后的數(shù)值，此處以主軸箱質(zhì)量計(jì)，加上其他估計(jì)存在的力，向偏重方向估計(jì)約 2 等效轉(zhuǎn)速 當(dāng)最大進(jìn)給量為8時(shí)，若導(dǎo)程為6，則=1333；若導(dǎo)程為4，

53、則=2000,其參數(shù)如下表： 表3-7參數(shù)表 取典型數(shù)值 50 100 200 500 800 1333 1666 2000 對(duì)應(yīng)時(shí)間 2 2 2 20 20 20 10 10 則 = 84.4 3 計(jì)算載荷 4 計(jì)算必須的額定動(dòng)載荷 由此選擇型號(hào) 按 查《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》表17-31 選用CBM3205-7 =32 =5 =3.175 =31.5 =28.7 螺紋及導(dǎo)程角 第四章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 數(shù)控

54、機(jī)床一般要求能夠正確無(wú)誤的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和運(yùn)用開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)整臺(tái)機(jī)器的各種控制，譬如能實(shí)現(xiàn)機(jī)器的自動(dòng)起動(dòng)和自動(dòng)停止，自動(dòng)換當(dāng)以及能夠自動(dòng)的對(duì)軸的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)等等功能。而本數(shù)控升降臺(tái)銑床主要要求實(shí)現(xiàn)的功能是通過(guò)控制系統(tǒng)能很好的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，也就是能夠具體的實(shí)現(xiàn)步進(jìn)的隨時(shí)停和運(yùn)動(dòng)的功能，還有也就是能夠通過(guò)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換當(dāng)?shù)墓δ堋? 控制系統(tǒng)可以直接購(gòu)買(mǎi)國(guó)內(nèi)外較好的數(shù)控系統(tǒng)系列產(chǎn)品作為數(shù)控裝置，還可以由設(shè)計(jì)人員對(duì)其進(jìn)行配套的專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)。一般如果機(jī)器對(duì)于控制系統(tǒng)部分要求非常嚴(yán)格的話，這時(shí)就要求專(zhuān)業(yè)的自動(dòng)控制人員對(duì)其進(jìn)行專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)，而本方案只要求實(shí)現(xiàn)的是開(kāi)控制系統(tǒng)，只要求能夠驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)的

55、調(diào)速以及鍵盤(pán)顯示和對(duì)汽缸進(jìn)行簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)和停止控制即可，因而不是很復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)，可以套用典型電路控制，也可以進(jìn)行簡(jiǎn)單的各部分控制即可實(shí)現(xiàn)。 由于單片機(jī)具有體積小、可靠性高、控制功能強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，而本臺(tái)機(jī)器要求的存儲(chǔ)空間不是很大，控制也相當(dāng)?shù)暮?jiǎn)單明了，MCS-51單片機(jī)相對(duì)u，n sp 單片機(jī)來(lái)說(shuō)，其價(jià)格廉價(jià)，而且也能實(shí)現(xiàn)上述要求，電路結(jié)構(gòu)也不復(fù)雜，性能控制也非常優(yōu)秀，故本臺(tái)機(jī)器的的現(xiàn)場(chǎng)控制采用MCS-51單片機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。 4.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 單片幾控制系統(tǒng)是由軟件和硬件共同組成的。對(duì)于某些既可用用硬件實(shí)現(xiàn)、又可用軟件實(shí)現(xiàn)的功能，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)主要充分考慮硬件和軟件的特點(diǎn)，合理地分配與協(xié)

56、調(diào)起功能。 軟件可以減少硬件的數(shù)量，提高系統(tǒng)的可靠性，增加系統(tǒng)控制的靈活性。但是系統(tǒng)的工作速度要相應(yīng)降低，而且軟件初次研制成本較高，因此它適用于大批生產(chǎn)。硬件可以減輕軟件設(shè)計(jì)工作量，增加系統(tǒng)的快速性。但因連接點(diǎn)數(shù)增加而是故障點(diǎn)增多，不可靠因素也隨之增多，并且使單臺(tái)成本增加。如下圖系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總圖4-1： 圖4-1 控制系統(tǒng)機(jī)構(gòu)總框圖 4.2硬件設(shè)計(jì) 硬件是數(shù)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，其性能的好壞直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作性能。有了硬件，軟件才能有效的運(yùn)行。機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來(lái)有以下幾個(gè)部分組成：（1）中央處理單元CPU。（2）總線 包括數(shù)據(jù)總線（D

57、B）、地址總線（AB）和控制總線（CB）。（3）存貯器 包括可擦除存貯器（EEPROM）和隨機(jī)存貯器（RAM）。（4）I/O輸入/輸出接口電路。 其中CPU是數(shù)控系統(tǒng)的核心，作用是進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算處理和控制各部分電路的協(xié)調(diào)工作。存貯器用于存放系統(tǒng)軟件，應(yīng)用中所需的各種數(shù)據(jù)。I/O接口是系統(tǒng)與外界進(jìn)行信息交換的橋梁。總線則是CPU與存貯器、接口以及其它轉(zhuǎn)換電路聯(lián)接的紐帶，是CPU與部分電路進(jìn)行信息交換和通訊的必由之路。 其電路圖如下圖4-2控制電路圖： 圖4-2控制電路圖 4. 3軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)采用模塊化程序結(jié)構(gòu)，主要由主程序、控制算法子程序、系統(tǒng)初始化程序、升降頻控制程序、

58、顯示鍵盤(pán)子程序等組成。如圖5-2 主程序流程圖 主 程 序 顯示子程序 有鍵按下？ 系統(tǒng)初始化 主電路V、 I檢測(cè)正常 調(diào)動(dòng)處理子程序 啟動(dòng)鍵？ 調(diào)動(dòng)處理子程序 Y N N N 正常運(yùn)行 Y 轉(zhuǎn)速測(cè)量及PID調(diào)節(jié) 運(yùn)算處理子程序 變速運(yùn)行？ 停車(chē)？ 調(diào)動(dòng)處理子程序 變速處理 子程序 停車(chē)處理及顯示 Y 圖4-2 主程序流程圖 4.3.1步進(jìn)電機(jī)的控制原理 步進(jìn)電機(jī)是將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電磁元件。步進(jìn)電機(jī)是手脈沖信號(hào)控制的

59、，脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和分配由軟件編程來(lái)完成，而信號(hào)的放大由放大電路來(lái)完成。由于強(qiáng)弱信號(hào)的原因，我們?cè)诜糯箅娐非凹由瞎怆婑詈想娐?，已防止電源串路。具體控制電路如圖5-1控制電路圖所示。 4.3.2變頻電機(jī)的相關(guān)控制 對(duì)于變頻電機(jī)而言，主要是實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)速度的控制，也就是通過(guò)單片機(jī)輸出的脈沖來(lái)控制變頻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的無(wú)極變速。單片機(jī)中，通過(guò)對(duì)整流電路、逆變器電路、PWM模塊、門(mén)極可關(guān)斷可控硅（GTO）驅(qū)動(dòng)電路、檢測(cè)保護(hù)電路和轉(zhuǎn)速測(cè)量電路，對(duì)變頻電機(jī)加以變速控制和安全保護(hù)，從而能使變頻電機(jī)的正常工作。電路圖如圖5-1控制電路圖所示。 4.3.3譯碼法尋址 由于擴(kuò)展的存貯器和其它外圍芯

60、片的數(shù)量較多，常常采用譯碼法尋址，由譯碼器組成譯碼電路對(duì)系統(tǒng)的高位地址進(jìn)行譯碼，譯碼電路將地址空間劃分若干塊，其輸出作為存貯器芯片的片選信號(hào)，分別選通各芯片。這樣既充分利用了存貯器空間，又避免了空間分散的缺點(diǎn)，還可以減少I(mǎi)/O口線。本數(shù)控機(jī)床采用74LS138地址譯碼器如 4.3.4鍵盤(pán)顯示器接口 鍵盤(pán)和顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)對(duì)話的外圍設(shè)備，鍵盤(pán)可以完成程序數(shù)據(jù)的輸入，顯示器顯示計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)。鍵盤(pán)接口電路，用8255作為并行接口使用。8255的地址，數(shù)據(jù)線和凌陽(yáng)單片機(jī)的接口直接連接，由片選信號(hào)控制實(shí)現(xiàn)分時(shí)信息傳遞。 4.3.5程序存儲(chǔ)器（EEPROM）芯片 由于數(shù)控機(jī)床在

61、加工的時(shí)候要進(jìn)行加工程序的監(jiān)控，所以數(shù)控系統(tǒng)需要有程序存儲(chǔ)器，放置監(jiān)控程序。本數(shù)控機(jī)床選用EEPROM （容量為8K）。 4.2.6數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）芯片 由于數(shù)控機(jī)床在加工的時(shí)候要進(jìn)行加工程序的調(diào)試，所以數(shù)控系統(tǒng)需要有隨機(jī) 儲(chǔ)器，放置調(diào)試程序。本數(shù)控機(jī)床選用靜態(tài)RAM6264（容量為8K）。 第五章 總結(jié) 畢業(yè)設(shè)計(jì)是我們對(duì)大學(xué)四年中所有所學(xué)知識(shí)的一次大總結(jié)，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)讓我們把理論知識(shí)第一次系統(tǒng)的運(yùn)用到機(jī)械設(shè)計(jì)當(dāng)中，并且是自己第一次獨(dú)立的進(jìn)行專(zhuān)業(yè)設(shè)計(jì)，在指導(dǎo)老師的幫助，培養(yǎng)了自己獨(dú)立分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的能力，還培養(yǎng)了自己對(duì)一般機(jī)械設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)思想有了初步了解，同時(shí)鍛煉了設(shè)計(jì)、繪

62、圖、查閱資料和書(shū)寫(xiě)技術(shù)論文的能力。 特別是對(duì)機(jī)械設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)流程和作為一名設(shè)計(jì)師的基本要求也有了大體上的認(rèn)識(shí)，還有也就是這次設(shè)計(jì)讓我們更加深刻的認(rèn)識(shí)到了機(jī)電一體化這一大形式，并且從中也發(fā)現(xiàn)了自己在設(shè)計(jì)中的不足，能更好促使自己認(rèn)識(shí)到自己的真實(shí)能力，并能在將來(lái)的學(xué)習(xí)中能有側(cè)重點(diǎn)的對(duì)自己的能力進(jìn)行更一步的提高。 還有很值的一提的是對(duì)我們工作也起了很大的作用。畢業(yè)設(shè)計(jì)使我們認(rèn)識(shí)到我們自身的不足是一方面，還有就是為能讓我們成為一名真正的設(shè)計(jì)工程師起一個(gè)小小的開(kāi)頭，并且培養(yǎng)了我們一絲不茍、認(rèn)認(rèn)真真、腳踏實(shí)地的工作態(tài)度，培養(yǎng)了我們謙虛謹(jǐn)慎、吃苦耐勞、積極向上的工作作風(fēng)，為自己將來(lái)的工作態(tài)度也起了一個(gè)很好的

63、定位左右。 因此，我認(rèn)為這次畢業(yè)設(shè)計(jì)對(duì)我來(lái)說(shuō)收獲很大，特別是覺(jué)的自己也能從系統(tǒng)上來(lái)把握一些東西了，還有對(duì)專(zhuān)業(yè)認(rèn)識(shí)上也更進(jìn)一步了。 參考文獻(xiàn) [1] 張新義主編. 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1993.10：45~56 [2] 徐溥滋，張舒勃主編.專(zhuān)用機(jī)床設(shè)計(jì)與制造[M].哈爾濱：黑龍江人民出版社，1979.12：445~500 [3] 濮良貴,紀(jì)名剛主編.機(jī)械設(shè)計(jì)(第八版) [M].北京:高等教育出版社,2006.5：145~300 [4] 戴曙主編.金屬切削機(jī)床設(shè)計(jì)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，19

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65、工業(yè)出版社，2006.5：19~56 [11] 劉鴻文 主編. 材料力學(xué)（第四版）北京：高等教育出版社，2004.4：39~56 [12] 蔡春源主編. 機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)（上冊(cè)）[M]. 北京：冶金出版社，1996.4：200~650 [13] 蔡春源主編. 機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)（下冊(cè)）[M]. 北京：冶金出版社，1996.4：300~647 附錄 一 圓周力 扭矩 徑向力 彎矩 功率

66、 速度 傳動(dòng)比 傳動(dòng)比誤差 接觸疲勞極限 彎曲疲勞極限 許用接觸應(yīng)力 許用彎曲應(yīng)力 彎曲疲勞強(qiáng)度極限 使用系數(shù) 載荷系數(shù) 錐齒輪系數(shù) 潤(rùn)滑系數(shù) 尺寸系數(shù) 工作硬化系數(shù) 重合度系數(shù) 螺旋角系數(shù) 彈性系數(shù) MP1/2； 接觸壽命系數(shù) 接觸最小安全系數(shù) 彎曲最小安全系數(shù) 動(dòng)載系數(shù) 齒形系數(shù) 彎曲壽命系數(shù)