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1、目 录摘 要3第一章 微机数控系统总体设计方案拟定31.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择31.2机械传动方式4第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算42.1 设计参数42.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型72.2.1 直线滚动导轨副的计算与选型62.2.2 计算牵引力72.2.3 计算最大动载荷72. 2. 4滚珠丝杠螺母副的选型82. 2. 5 传动效率计算.8 2. 2. 6 稳定性计算.92.3 步进电机的计算与选择92.3.1 计算步进电机转轴上的总转动惯量92.3.2 计算步进电机转轴上的等效负载转矩102. 3. 3 步进电机最大静转矩的选定.122. 3. 4 步进电动机的性
2、能校核.122.4 增量式编码器的选用13第三章 微机数控系统硬件电路设计143.1 MCS-51单片机系统简介153. 1. 1 MCS-51系列指令系统简介153. 1. 2 定时器/计数器.163. 1. 3 中断系统.173-2 存储器扩展电路设计183.2.1 程序存储器的扩展183.2.2 数据存储器的扩展183.2.3 译码电路设计193.3 I/O接口电路机辅助电路设计213.3.1 8155通用可编程接口芯片213.3.2 8255通用可编程接口芯片233.3.3 键盘显示接口电路253.3.4 电机接口机驱动电路263.3.5 辅助电路26参考文献.28摘 要【摘要】：小型
3、立式铣床工作台升降和制动装置设计。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对小型立式铣床工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。本次课程设计，主要设计和研究小型立式铣床工作台及其电气原理图。确定小型立式铣床工作台的传动系统，选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。【关键词】：小型立式铣床工作；
4、滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；交流伺服电机；第一章 总体设计方案拟定1.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/点线系统和连续控制系统。任务书上规定的脉冲当量尚未达到0.0001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有600m/min。因此本设计不必采用高档次的伺服电动机，可以选用性能好一些的步进电动机，以降低成本，提高性价比。1.2机械传动方式为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机转动丝杠。为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。第二章 机床进给伺
5、服系统机械部分设计计算2.1 设计参数1、工作台升降行程：200； 2、工作台尺寸：长宽400200； 3、工作台总重： 600N； 4、最高运行速度步进电机运行方式： 空载：0.6m/min; 切削：0.1m/min；交流伺服电机运行方式：空载：9m/min;切削：2m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式0.10mm；半闭环模式 0.01mm；7、切削负载：X向400N；Y向600N；Z向1000N2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型图2-1 丝杠螺母副设计框图2.2.1 直线滚动导轨副的计算与选型 （1）滑
6、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 题目中的工作台水平布置，而导轨采用垂直布置，采用双导轨四滑块的形式。考虑最不利的情况，既垂直于导轨面得工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受到最大垂直方向载荷为： 查表3-41，根据，初选滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷为,额定静载荷为，任务书规定加工升降行程为200mm,考虑工作行程留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨长度为460mm。（2）距离额定寿命的计算 由于KL系列的JSA-LG15型导轨副的滚到硬度为60HRC，工作温度不超过,每根导轨上配有两个滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-363-
7、40，分别取硬度系数，温度系数，接触系数，精度系数，载荷系数。代入公式：满足要求。 2.2.2 计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为综合导轨的计算公式。计算公式为：式中 -Z向切削分力（N）； -移动工作台总重（N） -导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同； -考虑颠复力矩影响的实验系数；综合导轨的 , ，取，式中， ，G=600N。 2.2.3 计算最大动载荷选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转10
8、0万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载，用下式计算选择： 式中 -额定寿命，15000h -丝杠转速，用下式计算 -硬度系数，查表3-24，=1； -负载性质系数，查表326， =1.2 导程的计算： 我们所设计的立式铣床不需要齿轮传动，直接由电机驱动，传动比为i=1，选步距角，根据公式计算得=4由任务书可知最大切削力下的速度,代入公式可计算得 =25 代入上式得=5979N2.2.4 滚珠丝杠螺母副的选型根据以上算得的最大动负载在设计指导书中的表3-31中选用型号为G2504-3的滚珠丝杠，其名义直径为,滚珠的排列为3圈1列，
9、额定动载荷为，满足前面进给方向的要求。精度等级按机电装备设计课程设计指导书表3-39选为5级。2.2.5 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中 -丝杠螺旋升角；由算得 -摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。代入公式计算得 2.2.5 刚度的验算 在立式铣床工作时采用“双推自由”的方式，则可以不验算刚度。2.2.6 稳定性验算 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，产生失稳的临界负载用下式计算： 式中 -丝杠材料弹性模量，对钢; -截面惯性矩,丝杠截面惯性矩 ()；-丝杠两支承端距离，取最大值440mm；-丝杠的
10、支承方式系数，取0.25。K-压杆稳定的安全系数，K=2.5(垂直安装)；根据前面的相关数据可知上式中的截面惯性矩：算得 =3619N远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。2.3 步进电动机的计算与选择2.3.1.加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知滚珠丝杠公称直径，总长，导程,材料密度，由表4-1：（1）、滚珠丝杠转动惯量 (2)工作台折算到丝杠上的转动惯量其公式为：初选电动机型号为90BYJ2502,从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量则加在步进电动机轴上的总转动惯量为 2.3.2 计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩 分快速空载启动和承受最大工作
11、负载两种情况计算 1） 快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-8）可知包括三部分：一部分是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，根据试（4-12）可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有 =+ 根据式（4-9），考虑传动总效率，计算快速空载启动时折算到电动机轴上的最大加速转矩： 式中：对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min； -步进电动机由静止到加速至转速所需的时间，单位为s。其中 = 式中 空载最快移动速度，任务书只定为600 ； 步进电动机
12、步距角，预选电动机为； 脉冲当量，任务书只定为 = 0.01 脉冲。将以上值代入式 = 中求得 = 150 。 设步进电动机由静止到加速至 转速所需时间 = 0.4，传动链总效率 0.7。则由式 = 求得： = 由式（4-10） 和 可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴的摩擦转矩为： （27）式中 导轨的摩擦因数，滚动导轨区取 0.005； 垂直方向压力，空载取0； 传动链总效率，取 0.7。则由式 得： 最后由式 ，求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩： 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由式 可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 ；一部分是移动部件运动折算到电动机转轴上的摩擦转矩 ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 ，相对应 和 很小，可以忽略不计。则有： 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 由式 计算。由前计算得滚珠丝杠轴线方向的最大进给载荷 再
