数控铣床主传动系统设计

大学毕业论文论文题目： 数控铣床主传动系统设计 学 院： 年 级： 专 业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 2011年6月10日II摘要数控技术和数控装备是制造工业现代化的基础，这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到国家的战略地位。数控机床主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统。包括电动机、传动系统和主轴部件。本文通过对XK5025数控铣床主传动系统的各方面设计，以达到低制造成本、简化机构、实现优化。采用变频电机和一级机械调速达到调速和传递功率的要求；用步进电机驱动主轴上下运动达到Z行程的要求；数控装置采用51单片机来实现对电机更加精确的控制和实现机械调速的自动控制。关键词主传动；设计；数控铣床AbstractThe 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 national 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 numerical 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 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 machinery velocity modulation automatic control.KeywordsMain drive system; Design; Numerical control milling machine toolII目 录摘要IAbstractII第一章 绪 论11.1数控技术和数控机床国内现状11.2课题提出的意义和目的2第二章 总体方案的设计42.1设计参数42.2总体方案的确定42.3主传动系统的设计原理72.4运动及动力参数计算82.4.1铣削分力82.4.2铣削圆周力的计算92.4.3选用电机11第三章 传动系统的设计143.1主传动系统的设计143.1.1带传动的设计143.1.2齿轮传动的设计153.1.3 轴的设计193.1.4主轴的结构设计243.2步进传动系统设计263.2.1齿型带的设计263.2.2 进给丝杠的设计29第四章 控制系统设计314.1控制系统总体设计314.2硬件设计324. 3软件设计334.3.1步进电机的控制原理354.3.2变频电机的相关控制354.3.3译码法寻址354.3.4键盘显示器接口354.3.5程序存储器（EEPROM）芯片354.2.6数据存储器（RAM）芯片35第五章 总结36参考文献37附录 一38附录 二3944数控铣床主传动系统设计第一章 绪 论1.1数控技术和数控机床国内现状数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。 近几年我国数控产品发展很快，但真正在市场上站住脚的却不多。就数控系统而言，国产货仍未真正被广大机床厂所接受，因此出现国产数控系统用于旧机床改造的例子较多，而装备新机床的却很少，机床厂出产的国产数控机床大多数用的都是国外的系统。这当然不是说旧机床的数控化改造不重要，而是说明从商品的角度看，我们的数控系统与国外相比还存在相当大的差距。 影响数控系统和数控机床商品化的主要因素除技术性能和功能外，更重要的就是可靠性、稳定性和实用性。以往，一些数控技术和产品的研究、开发部门，所追求的往往是一些体现技术水平的指标（如多少通道、多少轴联动、每分钟多少米的进给速度等等），而对影响实用性的一些指标和一些小问题却不太重视，在产品的稳定性、鲁棒性、可靠性、实用性方面花的精力相对较少。从而出现某些产品鉴定时的水平都很高，甚至也获各种大奖。但这些高指标、高性能的产品到用户哪儿却由于一些小问题而表现不尽人意，最后丧失了信誉，打不开市场。这说明，高指标、高性能的样机型的产品离用户真正需要的实用、可靠的商品是有相当大的距离的，将一个高指标、高性能的产品变为一个有市场的商品还需作出大量艰苦的努力。 另一方面，数控系统和数控机床不像家电类产品那样易于大批量生产，应用环境也不那么简单。数控产品是在生产环境中使用，面临的是五花八门的工艺问题。如果开发部门对这些问题掌握得不透，就难以将产品设计得很完善。而且数控产品的某些问题在开发、试用，甚至鉴定时都难以发现。这就造成，同样型号的数控机床在有的用户那儿运行得很好，而在别的用户那儿却表现欠佳。或者同样型号的数控机床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件时却不尽人意。出现这种情况，有时是用户操作人员的水平问题，但有时就是数控产品本身潜在问题的暴露。为解决这一问题，国外一些公司设立了专门机构来测试考验自己的产品，如为考验新开发的数控系统，厂家自己设计和从生产实际中收集了大量零件程序，让数控系统运行各种各样的程序，一旦发现问题，即立即反馈给开发部门予以解决。经过这样的测试考验过程后，数控系统的潜在问题就大为减少。以往，我们的产品就很少进行这样严格的全面的自我测试考验。很多问题都要等到用户去给我们挑出来。这样，即使一个小问题也将严重影响国产数控产品的声誉。1.2课题提出的意义和目的与普通铣床的工艺装备相比较，数控铣床工艺装备的制造精度更高、灵活性好、适用性更强，一般采用电动、气动、液压甚至计算机控制，其自动化程度更高。合理使用数控铣床的工艺装备，能提高零件的加工精度。各种类型数控铣床所配置的数控系统虽然各有不同，但各种数控系统的功能，除一些特殊功能不尽相同外，其主要功能基本相同。其主要功能如下：点位控制功能：此功能可以实现对相互位置精度要求很高的孔系加工；连续轮廓控制功能：此功能可以实现直线、圆弧的插补功能及非圆曲线的加工；刀具半径补偿功能：此功能可以根据零件图样的标注尺寸来编程，而不必考虑所用刀具的实际半径尺寸，从而减少编程时的复杂数值计算；刀具长度补偿功能：此功能可以自动补偿刀具的长短，以适应加工中对刀具长度尺寸调整的要求；比例及镜像加工功能：比例功能可将编好的加工程序按指定比例改变坐标值来执行。镜像加工又称轴对称加工，如果一个零件的形状关于坐标轴对称，那么只要编出一个或两个象限的程序，而其余象限的轮廓就可以通过镜像加工来实现；旋转功能：该功能可将编好的加工程序在加工平面内旋转任意角度来执行；子程序调用功能：有些零件需要在不同的位置上重复加工同样的轮廓形状，将这一轮廓形状的加工程序作为子程序，在需要的位置上重复调用，就可以完成对该零件的加工；宏程序功能：该功能可用一个总指令代表实现某一功能的一系列指令，并能对变量进行运算，使程序更具灵活性和方便性。这就使我们更加有需要来研究数控铣床的各个方面，而本人则负责对XK5020数控立式升降台铣床主传动部分加以分析和设计，设计出可以实现数控加工经济合理的主传动系统，使纯机械化的机床实现机电一体化的数控机床，获得大的机械效益。因此，我们应在商品化方面切实狠下工夫，将其作为数控产业的主干来抓，贯穿于技术研究、产品开发、试制、生产等的全过程中，从而将我们已有的技术水平较高的数控产品变成真正有市场的好商品。第二章 总体方案的设计数控机床是典型机电一体化产品。以数控铣床主传动系统设计为题可以提高学生机械设计制造、自动控制技术、力学、计算机技术等方面的知识综合运用能力。培养和提高学生的结构设计、控制系统设计，为从事机电一体化方面产品设计打下基础。方案设计主要是确定机床的总体结构，传动原理以及基本的运动动力参数。而本人的设计题目是XK5025升降台数控铣床主传动系统的设计。2.1设计参数设计任务给出技术要求如下：主轴转速范围：100-2500rpm调速方式：变频调速与机械调速Z轴行程：250mm脉冲当量：0.002mm控制方式：开环控制2.2总体方案的确定XK5025升降台数控铣床主传动系统运动设计的总体方案如下：第一种是采用普通电机加变频器来实现变频调速，由于主轴转速范围未达100-2500r/min，因此在此基础上在进行机械调速，一般为二级和三级即可实现。如若不行可进行四级五级机械调速。主轴箱和立柱分开，由整个主轴箱的上下移动实现Z向的进给，主轴在主轴箱中不能上下移动，只能进行轴向转动。其结构简图如图2-1铣床的结构简图：图2-1 铣床的结构简图第二种方案是直接使用变频电机调速加机械变速机构来实现范围内的调速。其中铣床总体结构简图2-2如下：图2-2 铣床总体结简图本方案由于要实现主轴的轴向进给，因而主轴部分设计采用方案二的结构形式。本方案主轴结构采用了典型结构也即：主轴箱固定不动，主轴实现上下进给运动，由于主轴的轴向移动行程短，还采用了升降台来加大整台机器的Z向进给，在工作台上实现X向和Y向的进给，分别由步进电机加以带动实现。因此整机结构不是很复杂，且还可以使主轴箱和立柱结构一体化，从而减少空间和简化机构。由于主轴箱的不移动，故可保证大行程下的加工精度。现今由于变频电机的普遍运用，而且由变频电机来带动可以很大程度上使整台机器在外型、性能和精度上得到更大的提高，从而很大程度上使机电一体化得到大程度的体现，而且利于操作人员的操作。变频电机的调速范围宽、能按负载的变化而调整的特点和节能与可自动化控制的优势，已经在机床、冶金、起重、化工、轻工、纺织、火力发电等行业得到广泛的应用，并越来越多地取代传统的普通机电产品。而且采用了变频电机后，主轴箱只要一级机械调速就可以实现转速要求，大大的节约了材料和零件，而且对铣床更容易实现数字控制，只采用一个拨叉和一个汽缸或油缸就可以实现，因而我设计的XK5025升降台数控铣床主传动系统采用的是变频电机加机械调速的方案。其中参考的主轴结构图2-3如下：1-端盖 2-齿型带 3-带轮 4-步进电机 5-螺栓 6-齿轮 7-主轴 8-齿轮9-机架 10-角接触轴承 11-双列圆锥滚字轴承 12-螺钉 13-螺钉 14-双列圆锥滚字轴承 15-带轮 16-带轮 17-螺钉图2-3 参考主轴结构图2.3主传动系统的设计原理主传动系统的设计首先应该满足设计任务中提出的技术要求和功能要求，在保证技术要求和功能的情况下尽可能的简化铣床结构和优化铣床的设计。本方案设计的技术要求是主轴的转速范围在100r/min2500r/min，使用变频电机只需一级机械调速就实现，使主轴箱和立柱尽可能紧凑和简洁，便于实现机器设计的简化和优化设计，而且，可以实现无极调速，满足各类各种加工的速度要求。其中由于要求数控铣床的脉冲当量满足0.0010.003m/min的范围，故采用了较高级数的步进电机来驱动主轴的上下移动，而其只要通过齿型带带动丝杠，丝杠通过大螺母带动主轴就可以实现主轴的上下进给了，而且由于采用齿型带的缘故，使丝杠在上下移动时工作平稳不易振动，使主轴的上下进给更加稳定和高精度，因而非常适合于加工高精度要求的工件。相对以前的设计方案本方案使用变频电机是控制电路部分也简化了，便于实现控制和优化，提高机器的工作效率和便于维护。其中铣床的传动原理图如图2-3：图2-3 铣床的总体传动原理图2.4运动及动力参数计算由主轴转速1002500r/min,由此初步确定轴转速及电机选用。1主轴转速由设计任务给出，带轮处选取传动比1：1.2，则电机转速范围为120r/min3000r/min.2 确定主轴转矩以及功率电机转矩由主轴正常工作时需要的转矩来确定，因此需要计算切削用量。由专用机床设计与制造Pg680页铣削力及铣削功率的计算如下：2.4.1铣削分力铣削时的切削分力（见切削了力图 图2-4和表2-1）有：圆周力Pz，即主切削力；走刀力Ph，即水平分力；颈向力Py，即铣刀所受的颈向切学力；轴向力Po；压轴力（垂直分力）Pv。图2-4 切削力图表2-1 铣削各分力与圆周力的比值铣削条件比对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端 铣PH/PZ0.3-0.40.9-0.60.3-0.15B/D=0.4-0.8=0.1-0.2mmPV/PZPO/PZ0.85-0.950.5-0.550.45-0.70.5-0.551-0.90.5-0.55平面铣、立铣、圆盘铣、成形铣t/D=0.5PH/PZ1-1.20.8-0.9=0.1-0.2mmPV/PZ0.2-0.30.75-0.8PO/PZ0.35-0.40.35-0.42.4.2铣削圆周力的计算 公式如下： 1、刀具：高速钢（粗加工，低速）加工材料：b=75公斤力/mm,中、高碳钢1）端铣： B=0.40.8D=2652mm(取B=40mm) t=3.5mm Z=3 v=912m/min n=100r/min 2)立铣： 由经验值得D=30mm,B=30mm,t=5mm, mm ，z=2,n=1000r/min, 2、刀具：硬质合金钢（精加工、高速）加工材料：=75公斤力/mm,中、高碳钢1）端铣： 精加工：铣削深度t=0.51mm 取t=1mm铣削速度v=90150m/min B=0.40.8 D=1836mm(取B=35mm) z=2 2）立铣 =12.5 =0.85 =0.75 =1.0 =0.73 =-0.13 经验植：D=32mm,B=32mm,t=3mm,mm ，z=4,n=1000r/min, 2.4.3选用电机选用变频调速电机，频率范围2100HZ，4极，转速范围603000r/min。当f50Hz时为恒功率调速。故有，当f=50Hz时电机有最大转矩，若电机额定功率为4KW，则。现选用带传动比为1：1.2，齿轮传动比为1：1或1：3的二联齿轮传动副。则主轴转速范围为57.2r/min2860r/min，满足要求100r/min2500r/min。由图2-5电机特性曲线图及表2-2、表2-3、表2-4和图2-6确定电机：变频调速电机 4级 频率范围2100Hz, 转速范围603000RPM，拐点转速（50Hz）1430r/min，额定功率4KW，最大转矩40转矩与频率的关系曲线功率与频率的关系曲线图2-5 电机特性曲线图表2-2 电机参数表型号额定功率（KW）机座号额定转速(r/min)额定电流(A)额定转矩(N.m)堵转转矩/额定转矩最大转矩/额定转矩转动惯量（kg.）重量（Kg）变频器功率（kw）A型B型CTB-41P5BXB33-41.5100LM9203.6151.32.30.00716361.52.2CTB-42P2BXB33-42.2100L19205.2221.32.30.00975382.23.7CTB-43P0BXB33-43100L29206.8311.32.30.0116403.73.7CTB-44P0BXB33-44112M9408.7401.32.30.0207575.55.5CTB-45P5BXB33-45.5132S95011.5551.32.30.0418755.57.5注：额定电压/频率：380V/50Hz 极数：4极同步转速1430转/分图2-6 B5法兰安装图表2-3 电机外形尺寸1机座号AAAABACADAEAFBBBCDDHEEDFG8012535165175140651601001305019M6*164025615.590S14037180195150651701001405624M8*19504082090L14037180195150651701251655624M8*195040820100L16045200215165651901401806328M10*226045824112M19045230240180652001401857028M10*226045824132S21650275275190652201402058938M12*2880601033表2-4 电机外形尺寸2机座号HHAHBHDKKKLLALDMNPST80801018021510M25395101151651302004*123.590S901320023510M25445121301651302004*123.590L901320023510M25445121301651302004*123.5100L1001423026512M32500121452151802504*154112M1121425529012M32505121502151802504*154132S1321629032512M32575131802652303004*154所以可以选用的电机为：合理第三章 传动系统的设计3.1主传动系统的设计3.1.1带传动的设计1 计算功率带轮传动的传动比 ：i=1.2 ，选取SPA型窄带，且 所以：2 中心距的计算取 则3 计算包角4 计算带速 5 计算预紧力 式中 计算功率；带速；材料的修正系数；带数6 计算作用到轴上的压轴力3.1.2齿轮传动的设计 1 材料的选择：小齿轮 40Cr调 , ；大齿轮 45钢 , 。初选小齿轮的齿数 ，且其mm,则大齿轮的齿数2 齿面接触强度设计1）确定公式中个计算数值试选载荷系数 =1.3。计算小齿轮传递的扭矩 由机械设计 表10-7圆柱齿轮的齿宽系数 选取齿宽系数 =0.4。由机械设计 表10-6弹性影响系数查得材料的弹性影响系数。 由机械设计 图10-21d齿轮的接触疲劳强度极限 按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限 ，大齿轮的接触疲劳强度极限。 计算疲劳寿命h。由机械设计 图10-19接触疲劳寿命系数 查得接触疲劳寿命系数 ，。 计算接触疲劳许用应力取失效概率为1，安全系数为S=1,由此得： 2）计算试算小齿轮分度圆直径，代人中较小的值计算圆周速度v计算齿宽b0.463.13mm =25.2mm计算齿宽和齿高之比b/h:法向模数 齿高 b/h=19.82/6.75=3.73计算载荷系数根据v=3.94m/s,7级精度，由机械设计 图10-8动载系数图 查得动载系数 直齿轮，假设 100N/mm。由机械设计 表10-3查得 。由机械设计 表10-2查得使用系数 。 由机械设计 表10-4查得7级精度，小齿轮相对支撑非对称布置时：由b/h=3.73， ，查机械设计图10-13得 故载荷数 。按实际载荷系数校正所算得分度圆直径，由式机械设计（10-10a）得： 计算模数 。3 按齿根弯曲强度设计由机械设计 式（10-5）的弯曲强度设计公式1）确定公式中的各计算数值由机械设计图10-20C查得小齿轮的弯曲疲劳强度是 大齿轮的弯曲疲劳强度是 。由机械设计 图10-18查得弯曲疲劳强度寿命系数 ，。计算弯曲许用应力取弯曲疲劳安全系数S=1.4，由式（10-1）得： 计算载荷系数K查取齿形系数由机械设计 表10-5可查得 ， 。查取应力校正系数由机械设计 表10-5可查得 ， 。计算大小齿轮的并加以比较：比较可知大齿轮的数值比较大。2)设计计算对比计算结果，又因为齿轮模数m主要取决于弯曲强度，因而m=3mm，分度圆直径=79.41mm,算出小齿轮齿数。则大齿轮齿数，则。4 几何尺寸的计算1）分度圆直径d的计算2）中心距a的计算3）齿厚b的计算5 验算所以此齿轮设计合理。6 的齿轮设计齿轮的材料都为45钢，调质处理。由 i=1,a=168,且m=3, 则 ，取B=25mm。3.1.3 轴的设计1 轴的初步设计 材料的选择:45钢，调制处理到HB=220-250HBS,5级精度.因而可由以下公式进行设计：所以最小可取30mm。当轴截面上开有键槽时，应增大轴径以考虑键槽对轴的强度的削弱。对于直径d100mm的轴，当轴截面上开有一个键槽时，应增大3；有两个键槽时，应增大7。对于直径d100mm的轴，有一个键槽时，轴径增大57%；有两个键槽时，应增大10%15%。然后将轴径圆整为标准直径。2 轴的校核通过轴的结构设计，轴的主要结构尺寸，轴上零件的位置，以及外载荷和支反力的作用位置均已确定，轴上的载荷已可以求得，因而可按弯扭合成强度条件对轴进行强度较核计算。其中轴的结构如下图3-1轴结构简图图3-1轴结构简图轴上力的计算步骤如下：1）轴上各个方向力的计算轴所受的载荷是从轴上零件传来的。计算时，常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作置于铰链支座上的梁，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关，可按图来确定。由以上的计算过程可得， 。根据3.1.1 带传动的设计的计算可知，带轮作用到轴上的压轴力 ，其力的方向如图3-1轴的载荷分析图，且可计算作用到齿轮上的圆周力和径向力如下： 现在从轴受力方向进行力的计算，其中力的方向如图3-1轴的载荷分析图，而轴上的力的计算如下：沿圆周方向： 在竖直截面方向：2）根据力学图，分别按在横截面方向和在竖直截面方向计算各力产生的弯矩，并按计算结果分别作出水平面上的弯矩和垂直面上的弯矩，然后按下式计算总弯矩并作出图； ；根据力学关系与受力性质可知弯矩。根据图可得： ；则。3）作载荷分部图如图3-2轴的载荷分析图4）较核轴的强度已知轴的弯矩和扭矩后，可针对某些危险截面作弯扭合成强度较核计算。按第三强度理论，计算应力。通常由弯矩所产生的弯曲应力是对称循环变应力，而由扭矩所产生的扭转切应力则常常不是对称循环变应力。为了考虑两者循环特性不同的影响，引入折合系数，则计算应力为式中的弯曲应力为对称循环变应力。当扭转切应力为静应力时，取；当扭转去、切应力为脉动循环变应力时，取；若扭转切应力亦为对称循环变应力时，则取。齿轮上的扭矩是脉动的，所以去。对直径为d的圆轴，弯曲应力，扭转切应力，将代入式中，则轴的弯扭合成强度条件为式中： 轴的计算应力，单位为MPa; M轴所受的弯矩，单位为Nmm; T轴所受的扭矩，单位为Nmm; W轴的抗弯截面系数，单位为 对称循环变应力的轴的许用弯曲应力。上式中，所以；查表得到=所以轴的设计合理。图3-2 轴的载荷分析图3.1.4主轴的结构设计1 主轴的初步设计计算材料的选择:45钢，调制处理到HB=220-250HBS,5级精度.由于主轴是空心轴，因而可由以下公式进行设计：参考下表3-1取前轴颈直径为60mm。 表3-1 通用机床主轴前轴径尺寸 /mm机床主轴的驱动功率/KW1.52.82.8445.55.57.57.51010141417车床608070907010595130110145140163150190铣床5090609060957510090105100115外圆磨床50605570708075907510090100 后颈一般为前轴颈的0.70.85倍。参考表3-2，取轴后颈直径为48。 表3-2 花键轴尺寸与相应滚刀直径 /mm花键轴尺寸Z-Ddb当量直径d1滚刀直径D刀花键轴尺寸Z-Ddb当量直径d1滚刀直径D刀6-2521522.9656-48421245.3906-2823625.596-50451247.86-3026627.846-55501452.71006-3228729.97706-60541457.046-35301033.19806-65581661.761206-38331035.936-70621666.056-40351037.786-75651669.876-42361039.26856-80702075.561406-45401242.96-90802084.92 主轴的结构设计刀具上力作用在主轴上，主轴把力传给轴承，再有轴承把力作用到箱体上，因而在此其中主轴承受很大的力，为主轴在加工生产时能保证加工零件的精度和要求，主轴一定不可以因为外力而产生变形，而主轴的尺寸已经可以抵抗外力使主轴折断，但还没有完全能保证主轴在加工时发生很大的磨损，而令整台机器的加工精度下降以至于加工的零件报废，因而接下来对主轴进行刚性校核，以保证在一定的时间内能达到一定的精度要求。主轴通过两个圆锥滚子把主轴上的力左右到机架上，在这两个圆锥滚子轴承中主轴通过花键连接一个带平键槽的轴套，轴套外连接两个齿轮，由此两齿轮带动主轴旋转，并且可以实现主轴的变速。主轴的Z向进给是由步进电机驱动的。主轴通过一个大螺母与丝杠上的大螺母相连接，而主轴上的大螺母是由一对大的圆锥滚子轴承和一双列圆柱滚子轴承实现定位和进给的。其中主轴结构示意图如下图3-3主轴结构示意图图3-3 主轴结构示意图3.2步进传动系统设计3.2.1齿型带的设计1 步进电机的选择根据2.4.2圆周力的计算处可得，当时，电机的扭距达到最大，计算如下。由以下表3-3步进电机参数、表3-4电机接线方法和表3-5外型及安装尺寸来初选电机。表3-3步进电机参数型号 步距角 相数 电压V 电流A 转距N.M 电感MH 惯量kg/cm2起动频率Hz 运行频率Hz 110BYG550A 0.36/0.72 5 30-300 3 8 8.5 9.82300 22000 110BYG550B 0.36/0.72 5 30-300 3 10 10 11.2 2300 22000 110BYG550B 0.36/0.72 5 30-300 3 16 1215.8 2300 22000 注：通用参数：步距角精度： 5% 温度范围：20 +50 最高温度： +80 绝缘电阻： 100M Min.500V DC 耐 压： 500V AC 1 minute表3-4 电机接线方法相数AABBCCDDEE接地航插5123456789101212 芯51*2*3*4*5*77 芯表3-5外型及安装尺寸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 16 36 5 56 3 223 126 9 所选的参数如表3-46步进电机参数选步进电机:表3-46步进电机参数型号 步距角 相数 电压V 电流A 转距N.M 电感MH 惯量kg/cm2起动频率Hz 运行频率Hz 110BYG550B 0.36/0.72 5 30-300 3 10 10 11.2 2300 22000 2 传动比的分配3 齿型带的设计1）模数m的选择2）小带轮的最小直径3）大小带轮的几何参数的计算4) 中心距的计算计算带长L齿数的计算功率的计算 带宽的计算 作用在轴上的力 3.2.2 进给丝杠的设计采用机械零件设计手册计算方法进行计算。该手册中，对于丝杠的设计计算采用了大量的实际统计数值，这些数值在设计时未能获得，故该类数值均为估计值，且都选取大数值，偏于安全。在以后的校核中，若超出安全范围很少时理应视为安全。1 等效果载荷等效载荷为统计数据综合后的数值，此处以主轴箱质量计，加上其他估计存在的力，向偏重方向估计约2 等效转速 当最大进给量为8时，若导程为6，则=1333；若导程为4，则=2000,其参数如下表：表3-7参数表取典型数值 50 100 200 500 800 1333 1666 2000对应时间 2 2 2 20 20 20 10 10则 = 84.43 计算载荷 4 计算必须的额定动载荷 由此选择型号按 查机械零件设计手册表17-31 选用CBM3205-7=32 =5 =3.175 =31.5 =28.7螺纹及导程角第四章 控制系统设计数控机床一般要求能够正确无误的驱动步进电机和运用开关来实现整台机器的各种控制，譬如能实现机器的自动起动和自动停止，自动换当以及能够自动的对轴的运动状态进行检测等等功能。而本数控升降台铣床主要要求实现的功能是通过控制系统能很好的驱动步进电机，也就是能够具体的实现步进的随时停和运动的功能，还有也就是能够通过控制系统实现自动换当的功能。控制系统可以直接购买国内外较好的数控系统系列产品作为数控装置，还可以由设计人员对其进行配套的专业设计。一般如果机器对于控制系统部分要求非常严格的话，这时就要求专业的自动控制人员对其进行专业的设计，而本方案只要求实现的是开控制系统，只要求能够驱动步进电机和实现变频电机的调速以及键盘显示和对汽缸进行简单的运动和停止控制即可，因而不是很复杂的电路设计，可以套用典型电路控制，也可以进行简单的各部分控制即可实现。由于单片机具有体积小、可靠性高、控制功能强的优点，而本台机器要求的存储空间不是很大，控制也相当的简单明了，MCS-51单片机相对u，n sp 单片机来说，其价格廉价，而且也能实现上述要求，电路结构也不复杂，性能控制也非常优秀，故本台机器的的现场控制采用MCS-51单片机来实现控制。4.1控制系统总体设计 单片几控制系统是由软件和硬件共同组成的。对于某些既可用用硬件实现、又可用软件实现的功能，在进行设计时主要充分考虑硬件和软件的特点，合理地分配与协调起功能。软件可以减少硬件的数量，提高系统的可靠性，增加系统控制的灵活性。但是系统的工作速度要相应降低，而且软件初次研制成本较高，因此它适用于大批生产。硬件可以减轻软件设计工作量，增加系统的快速性。但因连接点数增加而是故障点增多，不可靠因素也随之增多，并且使单台成本增加。如下图系统结构总图4-1：图4-1 控制系统机构总框图4.2硬件设计硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影响到整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统的硬件电路概括起来有以下几个部分组成：（1）中央处理单元CPU。（2）总线 包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。（3）存贮器 包括可擦除存贮器（EEPROM）和随机存贮器（RAM）。（4）I/O输入/输出接口电路。其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路的协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用中所需的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。其电路图如下图4-2控制电路图：图4-2控制电路图4. 3软件设计软件设计采用模块化程序结构，主要由主程序、控制算法子程序、系统初始化程序、升降频控制程序、显示键盘子程序等组成。如图5-2 主程序流程图主 程 序显示子程序有键按下？系统初始化主电路V、I检测正常调动处理子程序启动键？调动处理子程序YNNN正常运行Y转速测量及PID调节运算处理子程序变速运行？停车？调动处理子程序变速处理子程序停车处理及显示Y图4-2 主程序流程图4.3.1步进电机的控制原理步进电机是将电能转化为机械能的电磁元件。步进电机是手脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，已防止电源串路。具体控制电路如图5-1控制电路图所示。4.3.2变频电机的相关控制对于变频电机而言，主要是实现其相应速度的控制，也就是通过单片机输出的脉冲来控制变频电机的输出转速，实现机床主轴的无极变速。单片机中，通过对整流电路、逆变器电路、PWM模块、门极可关断可控硅（GTO）驱动电路、检测保护电路和转速测量电路，对变频电机加以变速控制和安全保护，从而能使变频电机的正常工作。电路图如图5-1控制电路图所示。4.3.3译码法寻址由于扩展的存贮器和其它外围芯片的数量较多，常常采用译码法寻址，由译码器组成译码电路对系统的高位地址进行译码，译码电路将地址空间划分若干块，其输出作为存贮器芯片的片选信号，分别选通各芯片。这样既充分利用了存贮器空间，又避免了空间分散的缺点，还可以减少I/O口线。本数控机床采用74LS138地址译码器如4.3.4键盘显示器接口键盘和显示器是数控系统常用的人机对话的外围设备，键盘可以完成程序数据的输入，显示器显示计算机运行时的状态数据。键盘接口电路，用8255作为并行接口使用。8255的地址，数据线和凌阳单片机的接口直接连接，由片选信号控制实现分时信息传递。4.3.5程序存储器（EEPROM）芯片由于数控机床在加工的时候要进行加工程序的监控，所以数控系统需要有程序存储器，放置监控程序。本数控机床选用EEPROM （容量为8K）。4.2.6数据存储器（RAM）芯片由于数控机床在加工的时候要进行加工程序的调试，所以数控系统需要有随机 储器，放置调试程序。本数控机床选用静态RAM6264（容量为8K）。第五章 总结毕业设计是我们对大学四年中所有所学知识的一次大总结，这次毕业设计让我们把理论知识第一次系统的运用到机械设计当中，并且是自己第一次独立的进行专业设计，在指导老师的帮助，培养了自己独立分析问题，解决问题的能力，还培养了自己对一般机械设计步骤，设计思想有了初步了解，同时锻炼了设计、绘图、查阅资料和书写技术论文的能力。特别是对机械设计的设计流程和作为一名设计师的基本要求也有了大体上的认识，还有也就是这次设计让我们更加深刻的认识到了机电一体化这一大形式，并且从中也发现了自己在设计中的不足，能更好促使自己认识到自己的真实能力，并能在将来的学习中能有侧重点的对自己的能力进行更一步的提高。还有很值的一提的是对我们工作也起了很大的作用。毕业设计使我们认识到我们自身的不足是一方面，还有就是为能让我们成为一名真正的设计工程师起一个小小的开头，并且培养了我们一丝不苟、认认真真、脚踏实地的工作态度，培养了我们谦虚谨慎、吃苦耐劳、积极向上的工作作风，为自己将来的工作态度也起了一个很好的定位左右。因此，我认为这次毕业设计对我来说收获很大，特别是觉的自己也能从系统上来把握一些东西了，还有对专业认识上也更进一步了。参考文献1 张新义主编. 经济型数控机床M. 北京：机械工业出版社，1993.10：45562 徐溥滋，张舒勃主编.专用机床设计与制造M.哈尔滨：黑龙江人民出版社，1979.12：4455003 濮良贵,纪名刚主编.机械设计(第八版) M.北京:高等教育出版社,2006.5：1453004 戴曙主编.金属切削机床设计M.北京：机械工业出版社，1983.4：2143055 北京航空学院机械加工教研室编.数控机床的结构与传动M.北京；国防工业出版社.1977.9：65706 吴祖育等编著. 数控机床M. 上海：上海科学技术出版社，1989.5：58637 张新义主编.经济型数控机床系统设计M.北京：机械工业出版社.2003.4：20268 文怀兴、夏田著.数控机床设计实践指南M 北京：化学工业出版社2008.1：22909 文怀兴、夏田主编. 数控机床系统设计M北京：化学工业出版社，2006.5：307610 文怀兴、夏田主编. 数控铣床设计M北京：化学工业出版社，2006.5：195611 刘鸿文 主编. 材料力学（第四版）北京：高等教育出版社，2004.4：395612 蔡春源主编. 机械零件设计手册（上册）M. 北京：冶金出版社，1996.4：20065013 蔡春源主编. 机械零件设计手册（下册）M. 北京：冶金出版社，1996.4：300647附录 一 圆周力 扭矩 径向力 弯矩 功率 速度 传动比 传动比误差 接触疲劳极限 弯曲疲劳极限 许用接触应力 许用弯曲应力 弯曲疲劳强度极限 使用系数 载荷系数 锥齿轮系数 润滑系数 尺寸系数 工作硬化系数 重合度系数 螺旋角系数 弹性系数 MP1/2； 接触寿命系数 接触最小安全系数 弯曲最小安全系数 动载系数 齿形系数 弯曲寿命系数