立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)1

畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)題 目： 立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué)院： 機(jī)械工程學(xué)院 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 學(xué)生姓名： 導(dǎo)師姓名： 完成日期： 2012年6月6號(hào) 2誠 信 聲 明本人聲明：1、本人所呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）是在老師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果；2、據(jù)查證，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中不包含其他人已經(jīng)公開發(fā)表過的研究成果，也不包含為獲得其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位而使用過的材料；3、我承諾，本人提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中的所有內(nèi)容均真實(shí)、可信。作者簽名： 日期： 年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 題目： 立 式 加 工 中 心 主 傳 動(dòng) 系 統(tǒng) 設(shè) 計(jì) 姓名 學(xué)院 專業(yè) 班級(jí) 學(xué)號(hào) 指導(dǎo)老師 職稱 教研室主任 一、基本任務(wù)及要求： 本課題以立式加工中心的主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為目標(biāo)，通過對(duì)其機(jī)械部分、電氣控制部分的設(shè)計(jì)，使之能夠適應(yīng)現(xiàn)代制造企業(yè)對(duì)加工設(shè)備的更高要求。通過設(shè)計(jì)使學(xué)生掌握加工中心數(shù)控機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制部分設(shè)計(jì)的基本方法、步驟、過程和原理，同時(shí)提高他們分析、解決問題的能力及綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)的能力。課題基本任務(wù)及要求： 1.熟悉數(shù)控機(jī)床（加工中心）本身的特點(diǎn)、明確設(shè)計(jì)要求； 2.擬定機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的總體方案（機(jī)械部分、控制部分）； 3.進(jìn)行加工中心機(jī)械部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 4.進(jìn)行主傳動(dòng)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)； 二、進(jìn)度安排及完成時(shí)間：1.明確設(shè)計(jì)任務(wù)、熟悉設(shè)計(jì)課題、搜集有關(guān)資料； 2月29日前完成2.在熟悉課題要求的前提下，進(jìn)入課題實(shí)施階段，進(jìn)行有關(guān)方面知識(shí)的準(zhǔn)備、撰寫開題報(bào)告； 3月20日前完成3.根據(jù)要求提出主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路、擬定其方案； 3月31日前完成4.進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（繪制主軸箱部裝圖及1-2個(gè)零件圖）； 4月20日前完成5.進(jìn)行系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性分析（如果時(shí)間緊這一步可省）； 5月10日前完成6.進(jìn)行主傳動(dòng)電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（繪制控制系統(tǒng)圖）； 5月20日前完成7.編寫畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書并打??； 5月28日前完成8.程序文件的整理、存儲(chǔ)介質(zhì)的制作、準(zhǔn)備答辯； 5月31日前完成9.畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯。 6月10日前完成1目 錄摘要Abstract第1章 緒 論11.1 引言11.2 研發(fā)背景及意義11.3 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r21.4 課題擬解決的關(guān)鍵問題2第2章 立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)42.1 加工中心主軸箱的組成42.2 機(jī)械系統(tǒng)方案的確定42.2.1 主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)42.2.2 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定42.3 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算52.3.1 銑削分力52.3.2 銑削圓周力的計(jì)算62.3.3 選用電機(jī)9第3章 傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)113.1 主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)113.1.1 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)113.1.2 齒輪傳動(dòng)的設(shè)計(jì)123.2 軸的設(shè)計(jì)173.2.1 軸的初步設(shè)計(jì)173.2.2 I軸的校核183.3 主軸的設(shè)計(jì)213.3.1 主軸的設(shè)計(jì)213.3.2 主軸受力分析243.3.3 主軸的強(qiáng)度校核283.3.4 主軸的剛度校核29第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)304.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)30374.2硬件設(shè)計(jì)314.3軟件設(shè)計(jì)324.3.1 步進(jìn)電機(jī)的控制原理334.3.2 變頻電機(jī)的相關(guān)控制344.3.3 譯碼法尋址344.3.4 鍵盤顯示器接口344.3.5 程序存儲(chǔ)器（EEPROM）芯片344.2.6 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）芯片34結(jié)論35致 謝36參考文獻(xiàn)37立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)國家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和綜合國力，關(guān)系到國家的戰(zhàn)略地位。立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)是用來實(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。本文通過對(duì)立式加工中心主傳動(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)；設(shè)計(jì)；立式加工中心Main drive system designed for vertical machining centersAbstract: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 national strength, relate the country the strategic position. Machining center 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 Machining center 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.Keywords:Main drive system; Design; Machining center 第1章 緒 論1.1 引言 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)（如：信息技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，生物技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，航空、航天等國防工業(yè)產(chǎn)業(yè)）的使能技術(shù)和最基本的裝備。制造技術(shù)和裝備是人類生產(chǎn)活動(dòng)的最基本的生產(chǎn)資料，而數(shù)控技術(shù)則是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。當(dāng)今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高制造能力和水平，提高對(duì)動(dòng)態(tài)多變市場(chǎng)的適應(yīng)能力和競(jìng)爭(zhēng)能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備方面對(duì)我國實(shí)行封鎖和限制政策。數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展自1953年美國研制出第一臺(tái)三坐標(biāo)方式升降臺(tái)數(shù)控銑床算起，至今已有53年歷史了。20世紀(jì)90年開始，計(jì)算機(jī)技術(shù)及相關(guān)的微電子基礎(chǔ)工業(yè)的高速發(fā)展，給數(shù)控機(jī)床的發(fā)展提供了一個(gè)良好的平臺(tái)，使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)得到了高速的發(fā)展。我國數(shù)控技術(shù)研究從1958年起步，國產(chǎn)的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是北京第一機(jī)床廠生產(chǎn)的三坐標(biāo)數(shù)控銑床。雖然從時(shí)間上看只比國外晚了幾年，但由于種種原因，數(shù)控機(jī)床技術(shù)在我國的發(fā)展卻一直落后于國際水平，到1980年我國的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量還不到700臺(tái)。到90年代，我國的數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展才得到了一個(gè)較大的提速。目前，與國外先進(jìn)水平相比仍存在著較大的差距?？傊?，大力發(fā)展以數(shù)控技術(shù)為核心的先進(jìn)制造技術(shù)已成為世界各發(fā)達(dá)國家加速經(jīng)濟(jì)發(fā)展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑。1.2 研發(fā)背景及意義本課題是以加工中心為研究目標(biāo)，從其主傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其電氣系統(tǒng)控制系統(tǒng)入手，對(duì)其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)組成分析、分級(jí)變速分析、傳動(dòng)件的計(jì)算分析和主傳動(dòng)電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的幾個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)研究。為優(yōu)化傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和改善傳動(dòng)系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定特性提供必要的理論依據(jù)通過本課題的研究，使加工中心結(jié)構(gòu)更加緊湊，性能更加優(yōu)越，生產(chǎn)加工更加精密。與普通數(shù)控機(jī)床的工藝裝備相比較，加工中心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)、液壓以及計(jì)算機(jī)控制，其自動(dòng)化程度更高。合理使用加工中心的工藝裝備，能提高零件的加工精度。各種類型加工中心所配置的數(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。1.3 加工中心的發(fā)展?fàn)顩r對(duì)于高速加工中心，國外機(jī)床在進(jìn)給驅(qū)動(dòng)上，滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)的加工中心快速進(jìn)給大多在以上，最高已達(dá)到。采用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心已實(shí)用化，進(jìn)給速度可提高到，其應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。國外高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般都在，由于某些機(jī)床采用磁浮軸承和空氣靜壓軸承，預(yù)計(jì)轉(zhuǎn)速上限可提高到。國外先進(jìn)的加工中心的刀具交換時(shí)間，目前普遍已在左右，高的已達(dá)，甚至更快。在結(jié)構(gòu)上，國外的加工中心都采用了適應(yīng)于高速加工要求的獨(dú)特箱中箱結(jié)構(gòu)或龍門式結(jié)構(gòu)。在加工精度上，國外臥式加工中心都裝有機(jī)床精度溫度補(bǔ)償系統(tǒng)，加工精度比較穩(wěn)定。國外加工中心定位精度基本上按德國標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)收，行程以下，定位精度可控制在之內(nèi)。此外，為適應(yīng)未來加工精度提高的要求，國外不少公司還都開發(fā)了坐標(biāo)鏜精度級(jí)的加工中心。相對(duì)而言，國內(nèi)生產(chǎn)的高速加工中心快速進(jìn)給大多在左右，個(gè)別達(dá)到。而直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的加工中心僅試制出樣品，還未進(jìn)入產(chǎn)量化，應(yīng)用范圍不廣。國內(nèi)高速加工中心主軸轉(zhuǎn)速一般在，定位精度控制在之內(nèi)，重復(fù)定位精度控制在之內(nèi)。在換刀速度方面，國內(nèi)機(jī)床多在，無法與國際水平相比。雖然國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在近幾年中取得了可喜的進(jìn)步，但與國外同類產(chǎn)品相比，仍存在著不少差距，造成國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的市場(chǎng)占有率逐年下降。國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國外產(chǎn)品相比，差距主要在機(jī)床的高速、高效和精密上。除此之外，在機(jī)床可靠性上也存在著明顯差距，國外機(jī)床的平均無故障時(shí)間（MTBF）都在小時(shí)以上，而國產(chǎn)機(jī)床大大低于這個(gè)數(shù)字，國產(chǎn)機(jī)床故障率較高是用戶反映最強(qiáng)烈的問題之一。1.4 課題擬解決的關(guān)鍵問題各類機(jī)床對(duì)其主軸組件和進(jìn)給組件的要求，主要是精度問題，就是要保證機(jī)床在一定的載荷與轉(zhuǎn)速下，組件能帶動(dòng)工件或刀具精確地、穩(wěn)定地繞其軸心旋轉(zhuǎn)，并長(zhǎng)期地保持這一性能。主軸組件和進(jìn)給組件的設(shè)計(jì)和制造，都是圍繞著解決這個(gè)基本問題出發(fā)的。為了達(dá)到相應(yīng)的精度要求，通常，主軸組件和進(jìn)給組件應(yīng)符合以下幾點(diǎn)設(shè)計(jì)要求：旋轉(zhuǎn)精度：旋轉(zhuǎn)精度是指機(jī)床在空載低速旋轉(zhuǎn)時(shí)，安裝工件或刀具部位的徑向和軸向跳動(dòng)值滿足要求，目的是保證加工零件的幾何精度和表面粗糙度。剛度：指主軸組件和進(jìn)給組件在外力的作用下，仍能保持一定工作精度的能力。剛度不足時(shí)，不僅影響加工精度和表面質(zhì)量，還容易引起振動(dòng)，惡化傳動(dòng)件和軸承的工作條件。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)在其它條件允許的條件下，盡量提高剛度值?？拐裥裕褐钢鬏S組件和進(jìn)給組件在切削過程中抵抗強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)保持平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)的能力?？拐裥灾苯佑绊懠庸け砻尜|(zhì)量和生產(chǎn)率，應(yīng)盡量提高。溫升和熱變形：溫升會(huì)引起機(jī)床部件熱變形，使主軸旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給的相對(duì)位置發(fā)生變化，影響加工精度。并且溫度過高會(huì)改變軸承等元件的間隙、破壞潤(rùn)滑條件，加速磨損。耐磨性：指長(zhǎng)期保持其原始精度的能力。主要影響因素是材料熱處理、軸承類型和潤(rùn)滑方式。第2章 立式加工中心主傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.1 加工中心主軸箱的組成主軸箱是由主軸、主軸支承、裝在主軸上的傳動(dòng)件和減速齒輪等組成的。主軸的啟動(dòng)、停止和變速等均由數(shù)控系統(tǒng)控制，并通過裝在主軸上的刀具參與切削運(yùn)動(dòng)，是切削加工的功率輸出部件。主軸是加工中心的關(guān)鍵部件，其結(jié)構(gòu)的好壞對(duì)加工中心的性能有很大的影響，它決定著加工中心的切削性能、動(dòng)態(tài)剛度、加工精度等。主軸內(nèi)部刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)是自動(dòng)刀具交換裝置的組成部分。2.2 機(jī)械系統(tǒng)方案的確定2.2.1 主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)對(duì)于現(xiàn)在的機(jī)床主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)來說，主要分為齒輪傳動(dòng)和同步帶傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)是機(jī)械傳動(dòng)中最重要的傳動(dòng)之一，應(yīng)用普遍，類型較多，適應(yīng)性廣。其傳遞的功率可達(dá)近十萬千瓦，圓周速度可達(dá)，效率可達(dá)。齒輪傳動(dòng)大多數(shù)為傳動(dòng)比固定的傳動(dòng)，少數(shù)為有級(jí)變速傳動(dòng)。但是齒輪傳動(dòng)的制造及安裝精度要求高，價(jià)格較貴，且不宜用于傳動(dòng)距離過大的場(chǎng)合。同步帶是嚙合傳動(dòng)中唯一一種不需要潤(rùn)滑的傳動(dòng)方式。在嚙合傳動(dòng)中，它的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，制造最容易，最經(jīng)濟(jì)，彈性緩沖的能力最強(qiáng)，重量輕，兩軸可以任意布置，噪聲低。它的帶由專業(yè)廠商生產(chǎn)，帶輪自行設(shè)計(jì)制造，它在遠(yuǎn)距離、多軸傳動(dòng)時(shí)比較經(jīng)濟(jì)。同步帶傳動(dòng)時(shí)的線速度可達(dá)（有時(shí)允許達(dá)），傳動(dòng)功率可達(dá)，傳動(dòng)比可達(dá)（有時(shí)允許達(dá)），傳動(dòng)效率可達(dá)。本課題的主軸傳動(dòng)方式中選擇齒輪傳動(dòng)。2.2.2 加工中心主軸組件總體設(shè)計(jì)方案的確定綜合2.2中的方案，本課題的總體設(shè)計(jì)方案現(xiàn)確定如下：由于采用齒輪傳動(dòng)，能保證固定的傳動(dòng)比，且傳動(dòng)效率高，傳遞功率大，允許的線速度較高，需安置在很良好的工作環(huán)境中，所以在主軸傳動(dòng)方式中選擇齒輪傳動(dòng)。在主軸的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中，采用滾珠絲杠。其耐磨性好、磨損小，低速運(yùn)行時(shí)無爬行、無振動(dòng)，能夠很好地確保Z軸的進(jìn)給精度。由于加工中心具備自動(dòng)換刀功能，所以在主軸組件中還應(yīng)有主軸準(zhǔn)停裝置、刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)以及切屑清除機(jī)構(gòu)。在本課題中，主軸準(zhǔn)停機(jī)構(gòu)采用磁力傳感器檢測(cè)定向，其不僅能夠使主軸停止在調(diào)整好的位置上，而且能夠檢測(cè)到主軸的轉(zhuǎn)速，并在加工中心的操控面板上顯示出來，方便機(jī)床操作者調(diào)整轉(zhuǎn)速。在換刀過程中，刀具自動(dòng)夾緊機(jī)構(gòu)也是不可獲缺的一部分。它控制著刀桿的松緊，使刀具在加工時(shí)能緊緊地固定在主軸上，在換刀時(shí)能輕松地卸載。本課題采用了液壓缸運(yùn)行的方式，通過活塞、拉桿、拉釘?shù)纫幌盗性倪\(yùn)動(dòng)來達(dá)到刀桿的松緊目的。同時(shí)，為了減少液壓推力對(duì)主軸支承的磨損，在主軸的內(nèi)部設(shè)置了一段碟形彈簧，使活塞對(duì)拉桿的作用起到一個(gè)緩沖的作用。同時(shí)，在換刀過程中，活塞及拉桿的內(nèi)部將被加工成中空狀。其間將通入一定的壓縮空氣來清除切屑。使刀桿和主軸始終具有很好的配合精度。在伺服系統(tǒng)中，本課題在進(jìn)給系統(tǒng)中選用直流伺服電動(dòng)機(jī)，而在主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中則選用交流伺服電動(dòng)機(jī)。由于交流伺服電動(dòng)機(jī)具有電刷和換向器，需要常常維修，故不適合于主運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中。2.3 運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力參數(shù)計(jì)算由主軸轉(zhuǎn)速1002500r/min,由此初步確定軸轉(zhuǎn)速及電機(jī)選用。1主軸轉(zhuǎn)速由變速箱加上PCL控速速，選取總傳動(dòng)比1：1.2，則電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍為120r/min3000r/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)矩來確定，因此需要計(jì)算切削用量。由專用機(jī)床設(shè)計(jì)與制造Pg680頁銑削力及銑削功率的計(jì)算如下：2.3.1 銑削分力 車銑削時(shí)的切削分力（見切削了力圖 圖2-5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2-5 切削力圖表2-1 銑削各分力與圓周力的比值銑削條件比值對(duì)稱銑削不對(duì)稱銑削逆銑順銑端 銑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平面銑、立銑、圓盤銑、成形銑t/D=0.5PH/PZ1-1.20.8-0.9=0.1-0.2mmPV/PZ0.2-0.30.75-0.8PO/PZ0.35-0.40.35-0.42.3.2 銑削圓周力的計(jì)算 公式如下： 1、刀具：高速鋼（粗加工，低速）加工材料：b=75公斤力/mm,中、高碳鋼1）端銑： B=0.40.8D=2652mm(取B=40mm) t=3.5mm Z=3 v=912m/min n=100r/min V=Dn=653.14*100/1000=20.42m/min 2)立銑： 由經(jīng)驗(yàn)值得D=30mm,B=30mm,t=5mm, mm ，z=2,n=1000r/min, V=Dn=303.14*1000/1000=9.42m/min2、刀具：硬質(zhì)合金鋼（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=0.51mm 取t=1mm銑削速度v=90150m/min V=Dn=453.14*1000/1000=141.4m/minB=0.40.8 D=1836mm(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, V=Dn=323.14*1000/1000=100.53m/min 銑削功率：N=2.3.3 選用電機(jī)選用變頻調(diào)速電機(jī)，頻率范圍2100HZ，4極，轉(zhuǎn)速范圍603000r/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。現(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/min2860r/min，滿足要求100r/min2500r/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2100Hz, 轉(zhuǎn)速范圍603000RPM，拐點(diǎn)轉(zhuǎn)速（50Hz）1430r/min，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-41P5BXB33-41.5100LM9203.6151.32.30.00716361.52.2CTB-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：額定電壓/頻率：380V/50Hz 極數(shù)：4極同步轉(zhuǎn)速1430轉(zhuǎn)/分圖2-6 B5法蘭安裝圖所以可以選用的電機(jī)為：電機(jī)：CTB44P0BXB33合理 第3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 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： 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b0.463.13mm =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。 傳動(dòng)系統(tǒng)圖如圖3-1：圖3.1 傳動(dòng)系統(tǒng)圖 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速最高和最低時(shí)候主軸箱各軸轉(zhuǎn)速圖如下：圖3-2 傳動(dòng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速圖3.2 軸的設(shè)計(jì)3.2.1 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)：所以最小可取30mm。當(dāng)軸截面上開有鍵槽時(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57%；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。3.2.2 I軸的校核通過軸的結(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3-3軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖圖3-3軸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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)與軸承的類型和布置方式有關(guān)，可按圖來確定。由以上的計(jì)算過程可得， 。根據(jù)3.1.1 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)的計(jì)算可知，帶輪作用到軸上的壓軸力FP=1017N，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： 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MH和垂直面上的彎矩MV，然后按下式計(jì)算總彎矩并作出M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)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)，?。划?dāng)扭轉(zhuǎn)去、切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力時(shí)，取；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，將和代入式中，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; 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=所以軸的設(shè)計(jì)合理。圖3-4 軸的載荷分析圖3.3 主軸的設(shè)計(jì)3.3.1 主軸的設(shè)計(jì)主軸的主要參數(shù)是指：主軸前軸頸直徑；主軸內(nèi)孔徑；主軸懸伸量和主軸支承跨距，見圖3.5。圖3.5主軸主要參數(shù)示意圖 （1） 主軸軸徑的確定主軸軸徑通常指主軸前軸頸的直徑，其對(duì)于主軸部件剛度影響較大。加大直徑，可減少主軸本身彎曲變形引起的主軸軸端位移和軸承彈性變形引起的軸端位移，從而提高主軸部件剛度。但加大直徑受到軸承值的限制，同時(shí)造成相配零件尺寸加大、制造困難、結(jié)構(gòu)龐大和重量增加等，因此在滿足剛度要求下應(yīng)取較小值。設(shè)計(jì)時(shí)主要用類比分析的方法來確定主軸前軸頸直徑。加工中心主軸前軸頸直徑按主電動(dòng)機(jī)功率來確定，由現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)查得。由于裝配需要，主軸的直徑總是由前軸頸向后緩慢地逐段減小的。在確定前軸徑后，可知前軸頸直徑和后軸頸直徑有如下關(guān)系：（2） 主軸內(nèi)孔直徑的確定主軸內(nèi)孔直徑與機(jī)床類型有關(guān)，主要用來通過棒料，通過拉桿、鏜桿或頂出頂尖等。確定孔徑的原則是，為減輕主軸重量，在滿足對(duì)空心主軸孔徑要求和最小壁厚要求以及不削弱主軸剛度的要求下，應(yīng)盡量取大值。由經(jīng)驗(yàn)得知，當(dāng)時(shí)（是主軸平均直徑），主軸剛度會(huì)急劇下降；而當(dāng)時(shí)，內(nèi)孔對(duì)主軸剛度幾乎無影響，可忽略不計(jì)，所以常取孔徑的極限值為：此時(shí)，剛度削弱小于。按照任務(wù)書的要求及綜合各軸段直徑的實(shí)際大小，確定內(nèi)孔直徑。（3） 主軸端部形狀的選擇機(jī)床主軸的軸端一般用于安裝刀具、夾持工件或夾具。在結(jié)構(gòu)上，應(yīng)能保證定位準(zhǔn)確、安裝可靠、連接牢固、裝卸方便，并能傳遞足夠的扭矩。目前，主軸端部的結(jié)構(gòu)形狀都已標(biāo)準(zhǔn)化。圖3.6所示為銑床主軸的軸端形式，其尺寸大小按照J(rèn)B2324-78進(jìn)行加工，選擇主軸序號(hào)為50的主軸端部尺寸。圖3.6 銑床主軸的軸端形式（4） 主軸懸伸量的確定主軸懸伸量是指主軸前端面到前支承徑向反力作用中點(diǎn)（一般即為前徑向支承中點(diǎn)）的距離。它主要取決于主軸端部結(jié)構(gòu)型式和尺寸、前支承的軸承配置和密封裝置等，有的還與機(jī)床其他結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān)，如工作臺(tái)的行程等，因此主要由結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)確定。懸伸量值對(duì)主軸部件的剛度和抗振性具有較大的影響。因此，確定懸伸量的原則，是在滿足結(jié)構(gòu)要求的前提下盡可能取小值，同時(shí)應(yīng)在設(shè)計(jì)時(shí)采取措施縮減值。（5） 主軸支承跨距的確定支承跨距是指主軸相鄰兩支承反力作用點(diǎn)之間的距離。跨距是決定主軸系統(tǒng)動(dòng)、靜剛度的重要影響因素。合理確定支承跨距，是獲得主軸部件最大靜剛度的重要條件之一。最優(yōu)跨距是指在切削力作用下，主軸前端的柔度值最小時(shí)的跨距。其推導(dǎo)公式是在靜態(tài)力作用下進(jìn)行的。實(shí)驗(yàn)證明，動(dòng)態(tài)作用下最優(yōu)跨距很接近于推得的最優(yōu)值。最優(yōu)跨距可按下列公式計(jì)算： （3.2）式中： （3.3） （3.4）式中： 主軸前端懸伸長(zhǎng)，單位為； 材料的彈性模量，單位為； 軸慣性矩，單位為； 前軸承剛度值，單位為； 后軸承剛度值，單位為。按上式計(jì)算最優(yōu)跨距，計(jì)算過程如下： （3.5）式中： 主軸跨距部分的平均直徑，單位為； 主軸跨距部分的平均孔頸，單位為。由式（3.5）得：；， ；由主軸材料為40Cr查得材料的彈性模量；由主軸的結(jié)構(gòu)形式確定主軸前端懸伸長(zhǎng)將上述參數(shù)值代入公式(3.3)(3.4)，得，將，值代入公式（3.2），得按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求，取。由于，故滿足設(shè)計(jì)要求。3.3.2 主軸受力分析軸所受的載荷是從軸上零件傳來的。計(jì)算時(shí)，常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)。而作用在軸上的扭矩，一般從傳動(dòng)件輪轂寬度的中點(diǎn)算起。(a)(b)(c)圖3.7 軸承受力圖主軸上的軸承采用一端固定，另一端游動(dòng)的支承形式。圖示3.7a為軸承在空間力系的總受力圖，它可分解為鉛垂面（圖3.7b）和水平面（圖3.7c）兩個(gè)平面力系。由公式（3.1）得出切向銑削力徑向負(fù)荷切向負(fù)荷 軸向負(fù)荷圖3.8 靜不定梁鉛垂面分解圖由于此主軸的受力屬于簡(jiǎn)單靜不定梁類型，所以要以靜不定梁的受力方法來解決問題。圖示3.8為靜不定梁的鉛垂面受力圖。為了使其變形與原靜不定梁相同，必須滿足變形協(xié)調(diào)條件，即要求。利用疊加法，得撓度為： （3.6）式中： 徑向（切向）負(fù)荷分力，單位為； 徑向（切向）負(fù)荷，單位為； 材料的彈性模量，； 軸慣性矩，。由公式（3.5）得。將，代入公式（3.6），則鉛垂面的撓度為：得得得將，代入公式（3.6），則水平面的撓度為：得得得(a)機(jī)構(gòu)草圖(b)受力簡(jiǎn)圖(c)水平面受力(d)水平面彎矩圖(e)垂直面受力(f)垂直面彎矩圖(g)合成彎矩圖(h)轉(zhuǎn)矩圖圖3.9 軸的結(jié)構(gòu)和載荷圖A-B段支承反力：水平面：垂直面：B-C段支承反力：水平面：垂直面：C-D段支承反力：水平面：垂直面：D-E段支承反力：水平面：垂直面：軸的受力簡(jiǎn)圖、水平面及垂直面受力簡(jiǎn)圖見圖3.9b、c、e。A-B段彎矩：水平面：垂直面：合成：B-C段彎矩：水平面：垂直面：合成：C-D段彎矩：水平面：垂直面：合成：D-E段彎矩：水平面：垂直面：合成：軸的水平面、垂直面及合成彎矩圖見圖3.9d、f、g。軸的轉(zhuǎn)矩圖見圖3.9h。3.3.3 主軸的強(qiáng)度校核從合成彎矩圖和轉(zhuǎn)矩圖上得知，主軸在截面C、D處承受了較大的彎矩，并且還受到帶輪傳動(dòng)所帶來的扭矩。因此，這兩個(gè)截面是危險(xiǎn)截面。在校核主軸的強(qiáng)度時(shí)應(yīng)按彎扭合成強(qiáng)度條件進(jìn)行計(jì)算。軸的彎扭合成強(qiáng)度條件為 （3.7）式中： 軸的計(jì)算應(yīng)力，； 軸的抗彎截面系數(shù)，； 折合系數(shù)； 軸的許用彎曲應(yīng)力，； 軸所受的扭矩，單位為； 軸所受的彎矩，單位為。軸的抗彎截面系數(shù)為式中： 軸頸處直徑，單位為； ，此處，為軸孔直徑。得根據(jù)主軸材料為，由工程力學(xué)查得許用彎曲應(yīng)力。按扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為脈動(dòng)循環(huán)變應(yīng)力，取折合系數(shù)。將上述參數(shù)代入公式（3.7），則軸的計(jì)算應(yīng)力為因?yàn)?，所以主軸的強(qiáng)度符合要求。3.3.4 主軸的剛度校核軸在載荷作用下，將產(chǎn)生彎曲或扭轉(zhuǎn)變形。若變形量超過允許的限度，就會(huì)影響軸上零件的正常工作，甚至?xí)适C(jī)器應(yīng)有的工作性能。對(duì)于本課題的主軸，應(yīng)該按軸的彎曲剛度校核。軸計(jì)算剛度經(jīng)驗(yàn)公式為 （3.8）式中： 軸的計(jì)算撓度，單位為； 軸慣性量，單位為； 軸所用材料的彈性模量，單位為； 支承跨度，單位為； 軸所受圓周力，單位為； 軸所受徑向力，單位為。 軸的允許撓度，單位為已知：，。由工程力學(xué)查得軸的允許撓度為將上述參數(shù)代入公式（3.8），則軸的計(jì)算剛度為由于，所以軸能夠滿足剛度要求。綜上所述，軸的強(qiáng)度，剛度均符合校核要求。 第4章 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床一般要求能夠正確無誤的驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)和運(yùn)用開關(guān)來實(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控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換當(dāng)?shù)墓δ堋？刂葡到y(tǒng)可以直接購買國內(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)就要求專業(yè)的自動(dòng)控制人員對(duì)其進(jìn)行專業(yè)的設(shè)計(jì)，而本方案只要求實(shí)現(xiàn)的是開控制系統(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)的調(diào)速以及鍵盤顯示和對(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)來說，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)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（DB）、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?？偩€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、顯示鍵盤子程序等組成。如圖4-3 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YNNN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？調(diào)動(dòng)處理子程序變速處理子程序停車處理及顯示Y圖4-3 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，脈沖信號(hào)的產(chǎn)生和分配由軟件編程來完成，而信號(hào)的放大由放大電路來完成。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4-2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，也就是通過單片機(jī)輸出的脈沖來控制變頻電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸的無極變速。單片機(jī)中，通過對(duì)整流電路、逆變器電路、PWM模塊、門極可關(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4-2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/O口線。本數(shù)控機(jī)床采用74LS138地址譯碼器如4.3.4 鍵盤顯示器接口鍵盤和顯示器是數(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）。結(jié)論 我國數(shù)控車床從20世紀(jì)70年代初進(jìn)入市場(chǎng)，至今通過各大機(jī)床廠家的不懈努力，通過采取與國外著名機(jī)床廠家的合作、合資、技術(shù)引進(jìn)、樣機(jī)消化吸收等措施，使得我國的機(jī)床制造水平有了很大的提高，其產(chǎn)量在金屬切削機(jī)床中占有較大的比例。目前，國產(chǎn)數(shù)控車床的品種、規(guī)格較為齊全，質(zhì)量基本穩(wěn)定可靠，已進(jìn)入實(shí)用和全面發(fā)展階段。但是在這些數(shù)控機(jī)床中，大都處于單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并且相當(dāng)一部分處于效率不高，加工不精密的狀態(tài)。 在本次設(shè)計(jì)中，在參考國內(nèi)外同類機(jī)床產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的下，完成了主傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，合理布置了各軸空間位置，并繪制了主軸箱主傳動(dòng)系統(tǒng)圖，而且主軸轉(zhuǎn)速由普通數(shù)控機(jī)床單一轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為兩級(jí)變速，使其滿足不同材料的表面對(duì)其加工的要求。本項(xiàng)目的研究，有利于改善加工中心的性能，使得產(chǎn)品的加工更加高效，更加精密。致 謝 本論文是在xxx老師的悉心指導(dǎo)下完成的。陳老師作為一名優(yōu)秀的、經(jīng)驗(yàn)豐富的教授，具有豐富的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，在整個(gè)論文實(shí)驗(yàn)和論文寫作過程中，對(duì)我進(jìn)行了耐心的指導(dǎo)和幫助，提出嚴(yán)格要求，引導(dǎo)我不斷開闊思路，為我答疑解惑，鼓勵(lì)我大膽創(chuàng)新，使我在這一段寶貴的時(shí)光中，既增長(zhǎng)了知識(shí)、開闊了視野、鍛煉了心態(tài)，又培養(yǎng)了良好的實(shí)驗(yàn)習(xí)慣和科研精神。在此，我向我的指導(dǎo)老師表示最誠摯的謝意！在論文即將完成之際，我的心情久久無法平靜，從開始選題到順利論文完成，有不知多少多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無數(shù)的幫助。感謝學(xué)校在過去的四年里為我提供的良好的學(xué)習(xí)環(huán)境和氛圍，感謝學(xué)校在我學(xué)習(xí)期間曾給予的各種資助和獎(jiǎng)勵(lì)，這些都為我能正常完成學(xué)業(yè)提供了莫大幫助；感謝曾給我授課的所有老師們，沒有他們的細(xì)心教導(dǎo)，我就不可能具備現(xiàn)在的專業(yè)素養(yǎng)和能力。感謝我的家人和與我四年相依相伴的同學(xué)們，他們的支持與情感，是我永遠(yuǎn)的財(cái)富。感謝文中所引用文獻(xiàn)的所有作者們、所有關(guān)心、支持和幫助過我的老師、同學(xué)和朋友們！正是由于你們的幫助和支持，我才能克服一個(gè)一個(gè)困難、解明疑惑，直至本文順利完成，在這里請(qǐng)接受我誠摯的謝意！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，1993.102 徐溥滋，張舒勃主編.專用機(jī)床設(shè)計(jì)與制造M.哈爾濱：黑龍江人民出版社，1979.12 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,2006.54 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