龙门式高速数控雕铣机设计

任 务 书一、题目及专题：、 题目 龙门式高速数控雕铣机设计 、专题 二、课题来源及选题依据 本课题是应无锡市阿尔法数控设备有限公司要求设计ADX5060型龙门式高速数控雕铣机，数控雕铣机是通过控制细小刀具的XYZ轴的运动方向和速度实现三维空间对被加工件的铣削，可以雕刻木制品、有机玻璃、金属板、玻璃、石材、水晶、可丽耐、纸张、双色板、氧化铝、皮革、树脂、喷塑金属等多种材料，有广阔的发展前景 三、本设计（论文或其他）应达到的要求：(1) 完成ADX5060型龙门式高速数控雕铣机整机设计；(2) 完成床身、进给系统、电主轴等关键部件设计；(3) 绘制相应的二维总装图及主要零部件图纸；(4) 设计工作量要求：至少完成A0图纸4张和一份30页以上的毕业论文；(5) 查阅相关外文资料并完成不少于8000字符的外文资料翻译；(6) 完成一份毕业设计实习报告 四、接受任务学生： XXX 班 姓名 XXX 五、开始及完成日期：自XX年 2月 1 日 至 XXX 年 5 月 25 日六、设计（论文）指导（或顾问）：指导教师签名： 系主任或教研室主任签名： 摘 要本文调查研究了龙门式高速雕铣机的发展和国内雕铣机的发展现状。介绍数控雕铣机床的设计过程，包括机床总体方案设计、主传动系统设计和Z向进给传动系统的机械结构设计。在主传动系统设计中，主要分析了主轴安装座的机械机构。进给传动系统中主要分析了丝杠、导轨的安装，以及相关固定和支承。计算主要有两个方面：对滚珠丝杠和步进电机的选择计算和校核。关键词：雕铣机床；滚珠丝杠；直线滚动导轨ABSTRACTAbstractThis study investigated the development of gantry type engraving and milling machine engraving and milling machine and the development of the domestic status quo. CNC engraving and milling machine introduced the design process, including the overall machine design, the main transmission system design, and Z to the feed drive system of the mechanical structure design. In the main drive system design, the main analysis of the mechanical mounting spindle organization. Feed drive system in the main analysis of the screw, guide rail installation, and related fixed and supported. There are two main aspects of computing: the choice of ball screw and stepper motor calculation and verification. Key words: engraving and milling machine；ball screw；linear motion guideV目 录摘 要IIIABSTRACTV第1章 绪论11.1龙门式高速雕铣机的研究内容和意义11.2龙门式高速雕铣机国内外的发展概况11.3 龙门式高速数控雕铣机应达到的要求11.3.1龙门式高速雕铣机的主要技术参数1第2章 龙门式高速雕铣机总体布局设计方案32.1机床总体布局设计32.2 设计方案分析3第3章 各轴系统的设计方案53.1 Z向主传动系统的方案设计53.2 进给系统方案设计53.2.1 滚珠丝杠副的选择53.2.2 滚珠丝杠的支承结构53.2.3 支承轴承的选择63.2.4 滚珠丝杠的制动装置73.2.5 步进电机与进给丝杠的联结结构73.2.6 导轨7第4章 主轴系统零部件的计算与校核94.1 主轴系统的重力计算94.2 主轴铣削力计算94.3 滚珠丝杠副的选择计算104.4 进给伺服电机功率的计算及选择16第5章 电气部分设计215.1 硬件部分电路设计215.2 80C51外部电路扩展225.3控制系统总体设计22结论23致谢24参考文献2533Error! No text of specified style in document.Error! No text of specified style in document.第1章 绪论1.1龙门式高速雕铣机的研究内容和意义随着微电子技术的突飞猛进，直接推动微型计算机的急剧发展。微电子技术和微型计算机技术带动整个高科技群体飞速发展，从而使雕铣机的发展有了质的飞跃。使其完成了从二维到三维加工技术的变革。随着生活水平的不断提高， 人们对产品的性价比也越来越高，这就对雕铣机的研制提出了更苛刻的要求。因此，功能完善，性能稳定，造型美观并且价格合理的产品是我们不懈的追求。雕铣机引入教学领域，使教与学更生动、有趣，学生更容易接受那些抽象的东西， 便于提高数控技术课程的教学效果。因此，本课题拟设计一款价格低廉，功能完善的雕铣机用于教学演示。1.2龙门式高速雕铣机国内外的发展概况随着家具制造业、广告招牌业、模具业的发展，尤其是模具业对表面加工要求的提高，以及传统电火花加工的不足，最近的一两年综合铣削与高速雕刻优点的CNC雕铣机在国内有了较大的发展。2007年我国的雕铣机产业产能已经超过11000台/年,产值超过15亿RMB。目前雕铣机的生产主要以广东、北京、浙江三大板块主导。国内几家著名的数控机床厂在这个领域里面都有较好的成绩。比如北京精雕、广东佳铁、南京四开、上海洛克等都是国内著名的数控雕铣机厂家。在雕刻CAD/CAM技术、CNC数控技术、精密雕刻机设计技术工艺等领域取得了重大的突破，并真正实现了先进技术向产业化的转化。1.3 龙门式高速数控雕铣机应达到的要求高速雕铣技术是随着数控技术发展起来的，目前，对雕铣系统的性能及精度等方面都提出了较高要求。现在市面上的雕铣机主要有以下几特点：1.应用PC机的强大计算功能，将刀补、译码、插补、加减速控制等放在PC上解决。最后PC上形成的是各种步进电机的控制脉冲。2.应用PC机的并口直接输出各向步进电机的控制脉冲，以控制工作台的移动。3.步进电机的驱动采用集成的驱动芯片。4.通过限位开关以及各运动方向的开关来保证雕铣机的安全工作。龙门式高速雕铣机是一款模拟经济实用的高精密数控雕铣设备，该款设备主要模拟雕铣机的运动，实现简单的雕铣功能。1.3.1龙门式高速雕铣机的主要技术参数龙门式高速雕铣机的主要技术参数见表1-1 表1-1 龙门式高速雕铣机的主要技术参数名称参数工作台尺寸（X/Y）278270mm最大行程(X/Y/Z)15020050mm最大工件尺寸（X/Y/Z）160200120mm最大刀具直径（Er20）6mm最大进给速度5m/min主轴电机功率400KW主轴转速范围03000r/min分辨率0.001mm/脉冲定位精度0.1mm重复定位精度0.05mm外型尺寸（长/宽/高）600400500机器总功率1 KW机器轴联动数3参考文献第2章 龙门式高速雕铣机总体布局设计方案2.1机床总体布局设计数控模具雕铣机是一种高效率、多功能的中小型经济型数控加工设备。它集雕刻与铣削功能为一体，既保证了铣削小型工件所需要的低转速、大功率输出、又具备了雕刻所需要高转速的双重要求。数控雕铣机主要用于较小铣削量或软金属材料的工件的加工。不但要求加工精度较高，而且要求实现高速切削，其主轴转速高达3000rmin左右。其移动部件不但要刚性好，而且要尽可能轻巧，以保证其灵活性。对数控系统，要求其具有高的速度和极好的伺服电机特性。对于数控雕铣机，从机械的角度分析，其结构应满足：非移动部件刚性要好，移动部件在保证其具有良好刚性的前提下，尽可能轻巧，灵活性要好。要从机械上满足既轻巧又刚性好的要求，关键在于机械结构的合理设计上。理论设计上，龙门式高速雕铣机的总体结构布局见图2-1所示。图2-1龙门式高速雕铣机的总体结构布局2.2 设计方案分析本设计中，数控雕铣机选用立式结构。立式结构工作台在水平面内，工件的安装调整比较方便。工作台由导轨支撑，刚性好，切削平稳。立式机床床的加工精度高。一直是高速切削设备的首选结构。本机床总体布局采用立式铣床结构，为克服不良力矩的问题，尽量加宽了X、Y、Z三向的两根直线滚动导轨之间的跨距，从整体布置上有效保证了机床的刚性。因铸铁具有良好的稳定性、吸振性和耐冲击性，可使床身的结构强度和刚性有显著提高，故本机床整体式床身底座采用铸铁铸造而成。它为箱形结构，内部筋板采用米字型筋配合的网状结构，确保了对Y轴工作台和立柱的刚性支承，使机床动态加工的稳定性可达最好。因机床的刚性主要用于克服移动部分在高速移动时对非移动部分的强大冲击，所以导轨和丝杆在设计时应尽量要求粗一些，以加强刚性。由于采取了这些措施，所设计的数控雕铣机的最大优点是能进行比较细小的加工，加工精度比较高，对软金属可进行高速切削。第3章 各轴系统的设计方案3.1 Z向主传动系统的方案设计主运动方案通常有两种:一是直接采用专用的雕铣刀头,二是采用直流电机带动的主轴机构。专用的雕铣头的优点虽很多，但是必须配 以与之配套的变频调速装置，价格相对昂贵。因此，从经济性的角度出发，采用直流电机带动主轴机构。直流电机具有以下特点:1.调速范围宽 其转子转速可在宽广的范围内连续调节并稳定运行。2.特性呈线性 不论机械特性还是调节特性都呈现良好的线性度。即在整个调节范围内，转速随转矩的变化关系或是转速随控制电压的变化关系都是线性的。3.快速反应 在输入控制信号的作用下，转子能迅速地反应动作，时间常数小。故选用直流电机带动主轴机构的方案。直流电机通过弹性夹头直接与刀具连接。3.2 进给系统方案设计在数控机床中，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常需满足低摩擦、低惯量、高精度、无间隙，高谐振以及有适宜阻尼比的要求。机床的精度很大程度取决于进给丝杠的精度和机床导轨的精度，因此，雕铣机进给系统采用内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副，采用高精度直线导轨。3.2.1 滚珠丝杠副的选择本设计中工作台的丝杆选用的是滚珠丝杆副。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。滚珠丝杠的摩擦系数小，传动效率高。滚珠丝杠主要承受轴向载荷，因此对丝杠轴承的轴向精度和刚度要求较高。选定进给传动用滚珠丝杠副时，主要考虑的内容是：与机床定位精度要求相适应的丝杠精度、丝杠的刚性与转动惯量。在开环和半闭环数控机床中，滚珠丝杠的精度将直接影响机床的定位精度和随动精度。为了获得高精度、高刚度的进给系统，应选用精度高的滚珠丝杠传动副。但是，随着丝杠精度的提高，其价格也将大大上升。本机床进给方向的滚珠丝杠副的精度等级为4级。4级精度的丝杠经采用一些如消隙、螺距误差补偿等措施，完全能满足机床的定位精度要求。丝杠的刚度与直径的大小直接相关，直径大、刚度就好。要想使进给驱动系统有足够的刚性，就要选用直径粗大的丝杠。但是，随着直径的增大，其转动惯量也大大增大。本机床经设计计算后选定Z轴滚珠丝杠的公称直径为25mm，导程为4mm。 3.2.2 滚珠丝杠的支承结构滚珠丝杠的支承方式有三种，一种为一端固定，另一端自由放置，常用于短丝杠和竖直丝杠；一种为一端固定，一端简支承方式，常用于较长的卧式安装丝杠；第三种为两端固定，用于长丝杠或高转速，要求高拉压刚度的场合。因为机床在加工工件时会产生热量，引起丝杠发热产生热变形。如果丝杠两端都进行固定预紧，虽然提高了丝杠的轴向刚度，但丝杠就没有了热变形的伸缩余量，会导致丝杠的扭曲变形，失去原本的直线度，影响机床的精度。雕铣机的滚珠丝杠副的支承结构见图3-1所示。1. 步进电机2. 联轴器3. 角接触球轴承4. 滚珠丝杠 图3-1滚珠丝杠支承和联结结构3.2.3 支承轴承的选择为了获得高精度、高刚度的进给系统，不仅应选用高精度高刚度的滚珠丝杠副，而且必须十分重视滚珠丝杠支承的设计。因滚珠丝杠的主要载荷是轴向载荷，径向载荷来自于卧式丝杠的自重，因此，滚珠丝杠的轴向精度和刚度要求很高。因数控雕铣机的进给系统要求运动灵活，对微小位移(丝杠微小转角)响应要灵敏，因此应选用运转精度高、轴向刚度高、摩擦力矩小的滚动轴承。目前，各类轴承中用得最多的是推力角接触球轴承。数控机床选用这种角接触球轴承，通常需要把2个以上的轴承组合起来，且施加预紧力来使用。其组合形式有背靠背组配(DB方式)、面对面组配(DF方式)、串联组配(DT方式)。在数控机床上选用此种轴承时，为了易于吸收滚珠螺母与轴承之间的不同轴度，一般采用DF组配方式。3.2.4 滚珠丝杠的制动装置由于滚珠丝杠副的逆传动效率很高，逆向传动不能自锁，因此当它处于垂直安置时必须另外设有制动装置，以防止伺服电机在停止转动时，运动部件由于自重而产生的逆传动，也可以防止因偶然因素造成的事故。雕铣机采用拉伸弹簧和步进电机的制动来作为滚珠丝杠副的制动装置。步进电机经连轴器带动丝杠，实现工作台的移动。防止工作台及其主轴组件由于自重而产生逆传动的关键部件是Z向弹簧拉板装置(由弹簧拉板、拉伸弹簧、M8内六角圆柱头螺钉等组成)和步进电机的制动器。当工作台上升时，拉伸弹簧无逆止作用，步进电机带动滚珠丝杠转动从而带动工作台向上运动。当步进电机停止转动时(电机带制动)，工作台及其主轴组件由于自重而要下滑，这时，Z向弹簧拉板装置对工作台及其主轴组件自重的反作用力和伺服电机的制动作用，阻碍其下滑的运动，从而防止了逆传动。这种结构的特点结构简单。3.2.5 步进电机与进给丝杠的联结结构在数控机床进给系统中，步进电机与滚珠丝杠联结要保证传动无间隙，这样才能准确执行脉冲指令，而不会丢掉脉冲造成“失步”，影响机床的加工精度和传动精度。在雕铣机床中，Z轴采用直联式，即通过非金属弹性元件联轴器（属于带弹性元件扰性联轴器）把步进电机和滚珠丝杠联结起来。带弹性元件扰性联轴器除有补偿性能外，还具有缓冲和减震作用，此外非金属弹性元件联轴器能保证步进电机与丝杠的同轴度，即使步进电机与丝杠安装时的同轴度不是很精确，也可通过非金属弹性元件连轴器来调节。非金属弹性元件联轴器制造方便，易获得各种结构形状，更重要的是，它具有较高的阻尼性能，而高的阻尼性能，又可以提高机床的抗震性。弹性联轴器的装卸也非常方便。3.2.6 导轨导轨应满足如下要求：精度高、承载能力大、刚度好、摩擦阻力小、运动平稳、精度保持性好、寿命长、结构简单、工艺性好、便于加工、装配、调整和维修、成本低等。因数控雕铣机床要求有良好的灵活性以满足机床的高速雕刻要求，本机床Z轴方向上采用高精度直线导轨。直线滚动导轨通常两条成对使用，可以水平安装，也可以垂直或倾斜安装。为保证两条导轨平行，通常把一条导轨作为基准导轨。其安装形式有单导轨定位和双导轨定位，数控雕铣机床X、Y轴方向上均采用双导轨定位，Z轴方向上采用导杆定位。第4章 主轴系统零部件的计算与校核4.1 主轴系统的重力计算主轴系统主要由两部分组成：主轴安装座、活动支架。根据图纸分别计算主轴安装座、活动支架体积V及其重力G。取灰铸铁的密度HT250=7.0 103(kg/m3)。主轴安装座的体积V1及重力G1计算：V1=（402110-302110+706080）10-95.7810-4m3G1=m1g=HT250V1g=7.01035.7810-49.840N活动支架的体积V2及重力G2计算：V2=（6018070-22260-17260-20260）10-96.0610-4m3G2=m2g=HT250V2g=7.0 1036.0610-49.842N主轴系统的重力计算值见表4-1。 表4-1主轴系统的重力计算值 主轴安装座40N活动支架42N4.2 主轴铣削力计算雕铣机加工方式与数控铣床相似，因此按计算铣床的铣削公式计算其铣削力。主铣削力Fc计算：见式（4.1）雕铣机属于立铣加工，刀具选用材料为硬质合金钢，加工材料为钢材。 Fc=CFKFae0.86af0.72d0-0.86Zap 式（4.1）式（4.1）中，CF表示切削系数。取CF=669；KF表示修正系数。取CF=1.08；ae表示铣削宽度。取ae=1.5mm；af表示每齿进给量。取af =0.1mm；d0表示铣刀直径。取d0 =6mm；Z表示铣刀齿数。取Z =6；ap表示铣削深度。取ap=0.5mm。代入式（4.1）得：Fc=6691.081.50.860.10.726-0.8660.5125N垂直分力、横向分力，纵向分力计算：各铣削分力的比值可得：； ； 计算可得：=47.5N; =106.25N; =96.25N主轴铣削力相关计算值见表4-2。 表4-2 主轴铣削力相关计算值 主铣削力Fc125N垂直分力47.5N横向分力106.25N纵向分力96.25N4.3 滚珠丝杠副的选择计算1)确定滚珠丝杠副的导程Ph滚珠丝杠副导程Ph的计算见式（4.2）。 Ph = 式（4.2）式中 Ph表示滚珠丝杠副的导程mm；Vmax表示工作台最高移动速度m/min；nmax表示电机最高转速r/min；i表示传动比。因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副通过联轴器直接传递力矩，因此传动比i=1。根据表1-3的技术参数可知，Vmax =5m/min 。根据电动机功率为200W, 查得nmax =3000r/min。代入式（4.2）得Ph = =1.67mm选择导程为4mm的滚珠丝杠副。2）确定当量转速与当量载荷当负荷与转速接近正比变化时，各种转速使用机会均等时，可采用下列公式计算。当量转速的计算见式（4.3）。 nm = 式（4.3）式中nm表示当量转速r/min；nmax表示滚珠丝杠副的最高转速；nmin表示滚珠丝杠副的最低转速。nmin =0。因雕铣机伺服电机与滚珠丝杠副采用直联方式连接，传动比i=1。电动机所能达到的最高转速即为滚珠丝杠副的最高转速，所以nmax =3000r/min代入式（4.3）得nm =1500r/min当量载荷的计算见式（4.4）。 Fm = 式（4.4）式中Fm表示当量载荷N；Fmax表示机器承受最大负荷时滚珠丝杠副的传动力； Fmin表示机器空载时滚珠丝杠副的传动力。Fmax= G1+G2+G电主轴+=122+0.196.25=131.625N。因所计算的丝杠带动Z轴方向的运动。所以Fmin=G1+G2+G电主轴 =（42 +40+40）N=122N代入式（4.4）得Fm = 128.42N3）确定预期额定动载荷按滚珠丝杠副的预期工作时间Lh（小时）计算，确定预期额定动载荷见式（4.5）。 Cam = （N） 式（4.5）式中Cam表示确定预期额定动载荷N；Lh表示预期工作时间（小时）。取Lh=20000h； fa表示精度系数。根据初定的精度等级P4。取fa=0.9； fc表示可靠性系数。一般情况下为fc=1； fw表示负荷系数。根据负荷性质选择，取fw=1。代入式（4.5）得Cam= 1736N拟采用预紧滚珠丝杠副，按最大载荷Fmax计算，见式（4.6） Cam =feFmax 式（4.6）式中fe表示预加负荷系数。取fe=4.5。代入式（4.6）得 Cam =4.5131.65=592N取以上2种结果的最大值，Cam =1736N。4）按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m估算滚珠丝杠的最大允许轴向变形量mm （）重复定位精度；m （）定位精度；m：最大轴向变形量m。由表1-3可知，重复定位精度为0.05mm，定位精度为0.1mmm=12.5m；m=20m；取两种结果的小值m=12.5m。估算滚珠丝杠副的底径d2m。丝杠无预拉伸要求，取一端固定，一端游动的支承形式，计算滚珠丝杠的最小螺纹底径见式（4.7）。 d2m210=0.078 式（4.7）式中d2m表示最小螺纹底径mm；E表示杨氏弹性模量。E=2.1105N/mm2；m表示估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（m）已求得为m=12.5m； F0表示导轨静摩擦力（N）。F0 =0W（0为静摩擦系数）。取0=0.2W =G1+G2+G电主轴=122NF0 =0W =0.2122=24.4NL为滚珠螺母至滚珠丝杠固定端支撑的最大距离（mm），L 行程 + 安全行程 + 两个余程 + 螺母长度+ 一个支承长度 （1.11.2）行程 + (1014) Ph由表1-3：Z向最大行程为50mm L 1.250 + 145 =130mm代入式（4.7）得d2m0.078 =1.24mm5）确定滚珠丝杠副的规格代号根据传动方式以及使用情况，选择法兰式双螺母内循环形式；由计算出的Ph、Cam、d2m，可选择相应规格的滚珠丝杠副：FFZD1604Ph =4Ca =2000NCam =1736Nd2 =16mmd2m =1.24mm6）确定滚珠丝杠副预紧力滚珠丝杠副的预紧力计算见式（4.8）。 Fp = Fmax 式（4.8）其中Fmax=131.65N Fp44N 7）行程补偿值与预拉伸力行程补偿值的计算见式（4.9） C =1.24tLu10-6 式（4.9）式中，C表示行程补偿值m； t表示温度变化值2-3,取t=2.5； Lu表示滚珠丝杠副的有效行程(mm)。Lu工作台行程+ 螺母长度 + 两个安全行程 行程 + (814)Ph = 50 + 145 = 120mm代入式（4.9）得C =1.242.512010310-6 0.4m预拉伸力的计算见式（4.10） Ft =1.95td22 式（4.10） =1.952.5162 1248N8）确定滚珠丝杠副支撑用的轴承型号规格轴承所承受的最大轴向载荷的计算见式（4.11）。 FBmax = Ft + Fmax 式 （4.11） = 1248 + 131.65 =1279.65N轴承类型：一端固定，一端游动的支承形式，选面对面（DF）角接触球轴承。轴承内径：d略小于d2=16 ，FBP = FBmax，取d =10mm，得FBP =1279.65 =426.55N轴承预紧力：预加负荷FBP =426.55N。选择轴承型号规格：当d =10mm,预加负荷FBP =426.55N。所以选择7000AC型轴承。9）滚珠丝杠副工作图丝杠螺纹长度的计算见式（4.12）。Ls= Lu + 2Le 式（4.12）取余程Le=10mm。代入式（4.12）得Ls= 120+210=140mm10）传动系统刚度丝杠最小抗压刚度的计算见式（4.13）。 Ksmin =1.65102 式（4.13）式中Ksmin表示最小抗压刚度； 表示丝杠底径； 表示固定支承距离。=200。代入式（4.13）得 Ksmin =1.65102=211.2N/m丝杠最大抗压刚度的计算见式（4.14） Ksmax=1.65102 式（4.14）式中Ksmax表示最大抗压刚度； L0表示行程起点离固定支承距离，取L075mm。 得： Ksmax=1.65102 =225.28N/m11）滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc的校验（验算压杆稳定性）丝杠所受最大轴向载荷Fmax小于丝杠预拉伸力Ft滚珠丝杠副临界压缩载荷Fc不用验算12）滚珠丝杠副的极限转速nc的校验滚珠丝杠副的极限转速nc的校验公式见式（4.15） nc =f107 式（4.15）式中nc表示临界转速； f表示与支撑形式有关的系数，取f=16。 Lc2表示临界转速计算长度（mm），Lc2= L1- L0=55mm。代入式（4.15）得nc =16107=846280nmax =3000合格。13）Dn值校验Dn值校验的公式见式（4.16）。 Dn =DPWnm70000 式（4.16）式中DPW表示滚珠丝杠副的节圆直径（mm），DPW d2 + DW； DW表示刚球直径，取DW=2.3mm。DPW 16+2.3=18.3代入式（4.16）得Dn =DPWnm =18.31500=2745070000 合格。14）基本轴向额定静载荷Coa验算基本轴向额定静载荷Coa验算的公式见式（4.17） fsFamax Coa 式（4.17） 式中Coa表示滚珠丝杠副的基本轴向额定静载荷（N）。取Coa =2450N； fs表示静态安全系数。一般载荷fs=12，有冲击或振动fs=23； Famax表示轴向最大载荷（N）。得fsFamax=1.5131.65=197.4752450校验合格。15）强度验算强度验算公式见式（4.18）。 式（4.18）式中表示许用应力（N/mm2）。根据滚珠丝杠材料，取=390 MPa。代入式（4.18）得=30615N；Fmax =131.65N显然Famax强度满足。 滚珠丝杠副选择的主要计算值见表4-3。 表4-3 滚珠丝杠副选择的主要计算值 滚珠丝杠副的导程Ph=4mm当量转速nm=1500r/min当量载荷Fm=131.65N预期额定动载荷Cam=1736N最小螺纹直径D2m1.24mm滚珠丝杠副预紧力Fp=44N行程补偿值C=0.4m预拉伸力Ft=1248N丝杠长度L=140mm丝杠最小抗压刚度Ksmin=188N/m丝杠最大抗压刚度Ksmax=211.2N/m极限转速nc= 846280n/min基本轴向额定静载荷Coa =2450N4.4 进给伺服电机功率的计算及选择1）建立计算模型丝杠计算模型见图4-2。 图4-2 丝杠计算模型2）加减速时间计算速度变化曲线见图4-3。4-3 速度变化曲线进给速度：V=2m/min；进给时间：tm=4.6s；行程: l=150mm；加速时间：ta (s)；减速时间：td (s)；当ta= td时： 代入已知条件得：3）换算到电机轴负载惯量的计算滚珠丝杠的惯量的计算见式（4.19）。 式（4.19）式中MB表示滚珠丝杠重量。滚珠丝杠重量的计算见式（4.20）。 =V =L 式（4.20）式中L表示滚珠丝杠直径。由上面计算可知，L=0.14m；D表示滚珠丝杠直径。取D=10mm。代入式（4.20）得 =7.81030.50.3kg代入式（4.19）得 =2.410(KgM2)负载的惯量计算见式（4.21） 式（4.21）式中M表示负载质量。M=（3+3+8）kg=14kg； P表示滚珠丝杠导程。P=4mm。代入式（4.21）得=3.2910KgM2换算到电机轴负载惯量，见式（4.22） 式（4.22）式中i表示减速比。因无减速器，所以i=1； J1、J2表示中间机构的惯量。应没有采用减速机构，因此J1=J2=0。代入得4）负载转矩的计算对外力的转矩的计算见式（4.23）。 式（4.23）式中M表示外作用力。M=（3+3+8）kg=14kg； P表示滚珠丝杠导程。P=4mm。代入式（4.23）得换算到电机轴负载转矩，见式（4.24） 式（4.24）式中表示效率。电机与丝杠采用弹性联轴器连接，其=0.98。则 =5）旋转数的计算电机所需转速的计算见式（4.25）。 式（4.25）式中NM表示电机所需转速（r/min）； V表示进给速度（m/min）。已知V=2 m/min； P表示滚珠丝杠导程。P=4mm； i表示减速比。因无减速结构，所以i=1。代入得6）电机的初步选定 定电机的转子惯量为负载的以上的电机初步选台达ASMT L250，规格：低惯量 400W额定转速N：3000（r/min）额定转矩:1.27（Nm）瞬时转矩T：3.82（Nm）电动机惯量： 选定电机的额定转矩0.8比换算到电机轴负载转矩大的电机 ASMT L250的额定转矩TW=1.27TL=0.17）加减速转矩的计算加减速转矩的计算见式（4.26）。 式(4.26)8）瞬时最大转矩、有效力矩的计算必要的瞬时最大转矩为T1T1=TA+TL=（0.04+0.1）=0.14T2=TL=0.1T3=TL-TA=0.06有效转矩Trms有效转矩Trms的计算见式（4.27）。 式（4.27）9)校验负载惯量:适用的惯量比=30 条件满足有效转矩:=0.10.8条件满足瞬时最大转矩:T1=0.14T=3.820.8 条件满足最大转数:N=3000(r/min) 条件满足经校验,所选电机符合要求。伺服电机主要计算值见表4-4。表4-4伺服电机主要计算值 负载惯量JL=3.2910kgm2负载转矩TL=0.1NM有效转矩Trms=0.1NM瞬时最大转矩T1=0.14 NM最大转速NM=500r/min第5章 电气部分设计5.1 硬件部分电路设计要设计硬件部分，就要进行硬件的开发，就是要在计算机与外设之间架设一座桥，进行物理连接。要开发硬件，总的说来有两种途径：一条是自己动手开发标准的计算机接口卡，另一条途径是在现有的计算机硬件设备的基础上，稍加改进而利用已有的标准接口卡进行通讯。在第一种方法中，需要自己设计接口电路，劳动量大，且在使用时要占用PC机的一个扩展槽；若使用第二种方法，不但设计简单、危险性小，而且节省计算机插槽空间。因此本设计采用PC机的并口进行上下位机的通讯。本部分主要用于控制雕铣机工作台进给步进电机的工作。通过工作台两端安装的接近开关发出的信号控制工作台的启、停以及反向。任何一个数控系统都由硬件和软件两部分构成。硬件是整个系统的基础，其性能的好坏直接影响着整个系统的性能。而软件则是系统的灵魂，只有有了软件系统各硬件部分才能协调工作，发挥作用。80C51单片机系列源于Intel公司的MCS-51系列，具有典型的单片机结构体系，其基本结构如图5-1所示。专门设计的CPU系统，典型的CPU外围功能单元和归一化的I/O端口。图 5-1 80C51基本结构图80C51单片机的CPU外围电路有片内程序存储器ROM（4K）、数据存储器（128B）、I/O端口和特殊功能寄存器SFR。5.2 80C51外部电路扩展80C51芯片内部有128字节的数据存储器RAM，内部地址为07H-07FH，用作工作寄存器、堆栈、软件标志和数据缓冲器，CPU对内部数据存储器有着丰富的操作指令。但是在数控系统中单用片内数据存储器往往是不够的，因此在本设计中外接6264芯片来扩展80C51的数据存储器。由于80C51内部只有4K程序存储器，所以在实际应用中常外接一片2764芯片来扩展程序存储器。ALE为地址锁存允许，当送低8位地址时使用ALE，接74LS373的OE端，高电平有效，当不传送数据时ALE无效。 低电平有效，偏外取指令控制。当其有效时选通外部EPROM存储器，向应的指令字节出现在EPROM的数据线（Q0-Q7）上，同是输入到P0口，CPU将读取向应的指令到指令寄存器XTAL1为芯片内部振荡电路输入端，XTAL2为振荡电路输出端，系统采用内部时钟电路。在XTAL1、XTAL2引脚上接上晶振电路，使80C51内部产生自激振荡。晶振电路一般采用石英晶体和电容组成并联谐振电路。晶振频率可以在1.2-12MHZ之间选择。本设计选取晶振频率为6MHZ，电容在5-30PF之间选择。电容CO1、CO2的大小对晶振频率有微小影响，因此可以起到频率微调作用。RST为复位控制，高电平有效。当RST端输入高电平时，80C51初始化复位，只要输入端保持高电平则循环复位,在复位有效期间ALE、 也输出高电平。当RST输入返回低电平后，CPU从0地址开始执行程序。单片机通常采用上电复位和手动复位相结合的复位方式，以便在出现紧急情况时能使空置系统迅速复位，不至于造成事故，具体复位电路间控制电路原理图。程序存储器和数据存储器扩展芯片简介。2764是一种只用5V电源，65536位紫外线擦除，用非5V电源编程的只读存储器（EPROM）。引脚功能如下：A0-A12位地址端； 为片选端； 为输出允许；O0-O7为输出端； 为编程端；NC没有内部连接；VPP为编程电源；VCC为电源；GND为地。用它可以扩展8K片外程序存储空间。6264位8K数据存储器，集成度很高。它的引脚功能如下：A0-A12为13位地址线，输入地址与内部8KB存储单元相对应；O0-O7为8位数据线； 为片选信号线，低电平有效； 为读信号线，低电平有效； 为写信号线，也是低电平有效。5.3控制系统总体设计为保证该系统能够精确定时和实时处理内外信号，在硬件方面采用硕华PCL-839步进电机控制卡、输入、输出卡构成数控系统。系统硬件采用PC 总线和模块化结构设计，PCL-839控制卡插在PC总线扩展槽上。PCL-839卡主要是步进电机位移及速度控制、限位开关响应、刀具半径补偿、外部信号输入和控制信号输出、插补运算等功能，总体结构设计如图5-2 图5-2 总体结构图该系统采用了NC嵌入PC式结构，所用硬件少，成本低，并利用PCL-839强大的软件功能与执行机构相结合，大大降低了软件开发的难度，极大地提高了控制系统的开放性，顺应了数控技术的发展。结论Z向作为主传动系统是实现主运动的系统，是数控机床的关键部件之一。为实现其加工时的高速铣削采用铣削主轴，主轴系统主要由两部分组成：主轴安装座、活动支架。Z向进给主要通过、电机的旋转运动通过联轴器传递给滚珠丝杠来实现其直线往复的运动，实现Z向的进给运动。本次设计的机械部分中的执行机构的设计是接受放大后的控制信号，实现雕铣机动作的机构，考虑到既要实现功能，又要尽可能地小巧轻便。设计中控制部分，是连接PC机输出和机械执行机构的必要通道，它的主要作用是放大PC机产生的控制信号，使其能驱动机械执行机构实现雕铣动作，这对能否将控制信号及时、准确地放大并发送至步进电机至关重要。这次设计能为机械设备提供一种价格低廉、性能适中的雕铣机。它能满足教学的大部分功能要求，如：体积小，轻便，易搬运和维护，安装简单，精度在0.1以内等功能。便于提高数控技术的发展。致谢在本次的毕业设计过程中得到了李老师的悉心指导，正是由于老师不辞辛苦的耐心讲解、检查，帮我改正设计中的错误与不妥之处，我的此次设计才能顺利完成。在这里表示衷心的感谢！参考文献1蔡春源,机械设计手册.辽宁科技技术出版社.1993.2刘文信,机床数控技术.机械工业出版社.1994.10.3赵依军,胡戎主编,单片微型计算机接口技术.湖北省计算机协会.1988.5.4机床设计手册，机械工业出版社.1998.5王华坤，范元勋,机械设计基础.兵器工业出版社.2000.6邱宣怀,机械设计,第四版.高等教育出版社.1997.7黄筱调,机电一体化技术基础及应用. 机械工业出版社.1998.8余永权,单片机应用系统的功率接口技术 .北京航空航天大学 .1992.9.9胡汉才,单片机原理及系统设计.清华大学出版社.2002.1.10吴玉厚电主轴单元技术M北京:工业出版社，200611陈锡渠金属切削原理与刀具M北京：北京大学出版社 中国林业出版社，200612 吴宗泽机械零件设计手册M北京：化学工业出版社，20031113 THK 精密滚珠丝杠副产品目录J NO200614 成大先机械设计手册第四版（第2卷）M北京：化学工业出版社，2003915 成大先机械设计手册第四版（第5卷）M北京：化学工业出版社，2003916 杨叔子机械加工工艺师手册M北京：机械工业出版社， 2001 17 Paula G, Liner Motors Take Center Stage, Mechanical Engineering, 199818 John E.Neely, Richard R.Kibbe, Modern Materials and Manufacturing Processes, 1987