数控机床设计说明书_省心范文网
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数控机床设计说明书学 专 班 学院：＿＿＿＿＿＿＿＿ 业：＿ 级：＿＿＿＿机自＿＿ 号：＿＿＿＿ ＿ ＿＿＿＿学生姓名：＿＿指导教师：＿＿＿＿＿＿ ＿2011 年1月 5日1摘要当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领 域技术的发展起到了极大的推动作用。 一个较完善的机电一体化系统， 应包含以下几个基本 要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电 一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术 和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典 型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字：机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势前言一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、 提高我国制造业信 息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及 装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控 技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先 进制造技术和装备最核心的技术。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的 技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成 的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 （一） 、数控技术的发展趋势。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象征 , 而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 IT、汽车、 轻工、 医疗等的发展起着越来越重要的作用。 从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来 看 ,其主要研究热点有以下几个方面: (1)、 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产 品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看 ,高速加 工中心进给速度可达 80m/ min ,甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ min 左右。目前世界上许 多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代2组合机床。 在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床的加工精度已由 10μ m 提高到 5 μ m ,精密级加工中心则从 3～5μ m ,提 高到 1～1.5μ m 并且超精密加工精度已开始进入 纳米级 0.1μ m 。为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。 (2) 、5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度 高 ,而且效率也大幅度提高。 但过去因 5 轴联动数控系统、 主机结构复杂等原因 ,其价格要 比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当 前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和 成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和 复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展。 (3) 、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各 个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自 动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、 电机参数的自适应运算、 自 动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓 开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 , 通过改变、 增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技 诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个 性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控 系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年 国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制 造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础 单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 （二） 、对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段： 第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。 在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件 的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”“七五”期间以及“八五” 、 的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。 在此阶段 ,由于改革开放和国 家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的3国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 , 即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是 经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。 （三） 、对我国数控技术和产业化发展的战略思考 (1) 、 战略考虑。 我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 , 所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因 为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓 解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品 都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好 的例证。 (2)、发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求 为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能 够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、 配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以 数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型 数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部 件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问 题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当 然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。.数控机床基本概述随着社会生产和科学技术的飞速发展，机械制造技术发生了深刻的变化，机械产品日 趋精密复杂，且改型频繁，尤其是在宇航、军事、造船等领域所需的零件，精度要求高，形 状复杂，批量又小。传统的普通加工设备已难以适应市场对产品多样化的要求。为了满足上 述要求，以数字控制技术为核心的新型数字程序控制机床应运而生。 1948 年，美国帕森斯公司（Parsons Co）受美国空军委托与麻省理工学院伺服机构研究 所 （Servo Mechanismus Laboratory of the Massachusetts Institute of Technology） 合作进行数控 机床的研制工作。1952 年，第一台三坐标立式铣床试制成功，但第一台工业用数控机床直 到 1954 年 11 月才生产出来。4我国数控机床的研制是从 1958 年起步的，由清华大学研制出了最早的样机。 早期的数控机床控制系统采用电子管，其体积大，功耗高，只在军事部门应用，只有 在微处理机用于数控机床后，才真正使数控机床得到了普及。 何谓数控机床 数控（NC）是数字控制（Numerical Control）的简称，是 20 世纪中叶发展起来的一种 用数字化信息进行自动控制的一种方法。装备了数控技术的机床，称为数控机床，也简称为 NC 机床。 70 年代初，随着计算机技术的发展，使小型计算机的价格急剧下降，采用小型计算机 代替专用控制计算机的第四代数控系统， 不仅在经济上更为合算， 而且许多功能可用编制的 专用程序来实现，将它存储在小型计算机的存储器中，构成所谓控制软件，提高了系统的可 靠性和功能特色。这种数控系统又称为软接线（软线）数控，即计算机数控系统，简称 CNC （Computerized NC） 。 1976 年制成以微处理机为核心的数控系统，称为第五代微型机数控系统。简称 MNC （Microcomputerized NC） 。 国际信息联盟第五技术委员会对数控机床做了如下定义：数控机床是一个装有程序控制系统的机床。 该系统能够逻辑地处理， 具有使用号码或其他符 号编码指令规定程序。定义中的控制系统就是数控系统。数控机床的工作原理数控机床工作原理，首先根据被加工零件的图样，将工件的形状、尺寸及技术要求等， 采用手工或计算机按运动顺序和所用数控机床规定的指令代码及程序格式编成加工程序单， 并将这些程序代码存储在穿孔纸带、磁带、磁盘、由计算机用通信方式等信息载体上（或直 接用键盘输入） ，然后经输入装置， 读出信息并送入数字控制装置。数控装置就依照指令带 上的数码指令进行一系列地处理和运算，变成脉冲信号，并将其输入驱动装置，带动机床传 动机构，机床工作部件有次序地按要求的程序自动进行工作（如工件夹紧与放松、冷却液的 开闭、刀具的自动更换、各轴的进给等） ，加工出图样要求的零件。数控机床的组成组成一台完整的数控机床，主要由控制介质（穿孔带、磁带） 、数控装置、伺服系统和 机床四部分及辅助装置组成.51．控制介质 数控机床工作时，不需要人直接操纵机床，但机床又必须执行人的意图。这就需要在人 与机床之间建立某种联系的中间媒介物称为控制介质。 在控制介质上存储着加工零件所需要 的全部操作信息和刀具相对工件的位移信息。 因此， 控制介质就是指将零件加工信息传送到 数控装置去的信息载体。控制介质有多种形式，它随着数控装置类型的不同而不同，常用的 有穿孔带、穿孔卡、磁带、磁盘等。控制介质上记载的加工信息要经过输入装置传送给数控 装置，常用的输入装置有光电纸带输入机、磁带录音机和磁盘驱动器等。 除了上述几种控制介质以外， 还有一部分数控机床采用数码拨盘、 数码插销或利用键盘 直接将程序及数据输入。另外，随着 CAD/CAM 技术的发展，有些数控设备利用 CAD/CAM 软件在其它计算机上编程， 然后通过计算机与数控系统通信， 将程序和数据直接传送给数控 装置。 2．数控装置 数控装置是数控机床的控制中心，人们喻为“中枢系统” 。数控装置包括输入装置，控 制运算器(CPU)和输出装置等构成，如图 1-3 所示。图中虚线内包含部分为数控装置。数控装置的功能是接受控制介质上的各种信息， 经过识别与译码后， 送到运算控制器进 行计算处理再经过输出装置将运算控制器发出的控制命令送到伺服系统， 带动机床完成相应 的运动。 目前均采用微型计算机作为数控装置。微型计算机的中央处理单元（CPU）又称为微处 理器，是一种大规模集成电路，它将运算器、控制器集成在一块集成电路芯片中。在微型计 算机中，输入与输出电路也采用大规模集成电路，即所谓的 I/O 接口。微型计算机拥有较大 容量的寄存器，并采用高密度的存储介质，如半导体存储器和磁盘存储器等。 3．伺服系统 伺服系统是数控系统的执行机构，包括驱动、执行和反馈装置。伺服系统接受数控系统 的指令信息， 并按照指令信息的要求与位置、 速度反馈信号相比较后带动机床的移动部件或 执行部件动作，加工出符合图纸要求的零件。指令信息以脉冲信号表示，反映到机床移动部 件上的移动量称为脉冲当量，常用脉冲当量为 0.001~0.01mm，脉冲当量在设计数控机床时 即已规定。 伺服系统直接影响数控机床的速度、位置、加工精度、表面粗糙度等。 当前数控机床的伺服系统， 常用的位移执行机构有功率步进电动机、 直流伺服电动机和6交流伺服电动机。 后两者都带有光电编码器等位置测量元件， 可用来精确控制工作台的实际 位移量和移动速度。 4．机床本体 机床本体是数控机床的实体，是完成实际切削加工的机械部分，它包括床身、底座、工 作台、床鞍、主轴等。它与普通机床相比较有所改进，具有以下特点： （1）数控机床采用了高性能的主轴及伺服系统，机械传动结构简化，传动链较短。 （2）机械结构具有较高的刚度，阻尼精度及耐磨性，热变形小。 （3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副，直线滚动导轨等。 与普通机床相比，数控机床的外部造型、整体布局，传动系统与刀具系统的部件结构及 操作机构等方面都已发生了很大的变化。 这些变化的目的是为了满足数控机床的要求和充分 发挥数控机床的特点。因此，必须建立数控机床设计的新概念。 5．辅助装置 辅助装置主要包括换刀机构、 工件自动交换机构、 工件夹紧机构、 润滑装置、 冷却装置、 照明装置、排屑装置、液压汽动系统、过载保护与限位保护装置等。数控机床的分类数控机床的种类很多，一般可以按以下几种方式来划分，见表 1-1。 表 1-1 数控机床的分类方式分类方式 按运动轨迹分类包括内容 点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廊切削(连续轨迹)控制 数控机床按联动轴数分类2 轴联动数控机床、2.5 轴联数控机床、3 轴联动数控机床、多轴联 动数控机床按工艺类型分类金属切削类数控机床、金属成型类数控机床、特种加工、其它类型 数控机床按伺服类型分类 按数控装置功能水平 分类开环、闭环、和半闭环控制数控机床、混合环伺服系统数控机床 低档、中档、高档数控机床7一、按运动轨迹分类1． 点位控制数控机床 点位控制数控机床的特点是控制刀具或机床工作台等移动部件的终点位置， 即控制移动部件 由一个点准确地移动到另一个点， 而点与点之间的运动轨迹没有严格要求。 在移动和定位过 程中刀具不进行任何切削加工。 因此， 为了尽可能减少移动部件的运动时间和提高定位精度， 通常先以快速移动到接近终点坐标，然后进行 1~3 次减速，准确移动到定位点，以保证定位 精度，如图 1-4 所示。使用这类控制系统的数控机床有数控钻床、 数控坐标镗床、 数控冲床、 数控点焊机、数控折弯机和数控测量机等。2． 直线控制数控机床 直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动既要控制起点与终点之间的准确位 置外， 又要控制刀具在这两点之间运动的速度和轨迹。 刀具相对工件移动轨迹是平行于机床 某一坐标轴的直线方向，刀具在移动过程中进行切削，如图 1-5 所示。使用这类控制系统的 数控机床有数控车床、数控钻床、数控铣床和数控磨床等。3． 轮廊切削(连续轨迹)控制数控机床 大多数数控机床都具有轮廊切削控制功能， 其特点是这类数控机床能控制两个或两个以 上的轴，坐标方向同时严格地连续控制，不仅要控制每个坐标的行程移置，还要控制每个坐 标的运动速度，这样可以加工出任意的斜线、曲线或曲面组成的复杂零件，如图 1-6 所示。 使用这类控制系统的数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床和数控 加工中心等。二、按联动轴分类数控机床的计算机数控系统能够控制的坐标数目， 反映了计算机数控系统的运算处理能 力，它与计算机的内存容量、运算速度密切相关。目前世界上数控系统最高能控制几十轴。 联动是指各个坐标轴同时达到空间某一点。 1999 年 10 月举行的中国国际机床展览会上已 在 看到国产可控轴数为 30，24 或 16，联动轴数达 9 轴的数控系统，如华中数控公司展出的 5 轴联动加工中心（用于叶轮的加工） ；北京机电院和北京航空航天大学联合开发的 JT2010 型数控系统，可以用一个系统，控制总轴数多达 50 的多台机床组成的成套机群。 现代数控机床绝大多数都具有两坐标或两坐标以上联动的功能，不仅有刀具半径补偿、8刀具长度补偿、还有机床轴向运动误差补偿、丝杠、齿轮的间隙误差补偿等一系列功能。 按联动轴可分为以下几种 1．二轴联动数控机床 如数控车床，加工曲面回转体；某些数控铣床，二轴联动铣斜面。如图 1-7 a 所示 2．三轴联动数控机床 如数控铣床和数控加工中心，三轴联动加工曲面零件。如图 1-7 b 所示。 3．二轴半联动数控机床 是指有三个坐标控制轴(X、Y、Z)，其中任意两个轴联动，第三轴作周期性等距运动。 如某些数控铣钻床。如图 1-7 c 所示。 4． 多轴联动数控机床 是指能四轴或四轴以上联动的数控机床。 如多轴联动数控铣床和多轴联动数控加工中心 等。三、按工艺类型分类1．金属切削类数控机床 金属切削类数控机床发展最早，种类繁多，功能差异大。与传统的通用机床一样，这类 数控机床主要包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床、数控齿轮加工机 床及数控加工中心等。 数控加工中心也称为具有刀库或自动换刀装置的数控机床。 其特点是： 在一次装夹后，可以进行多种工序加工的数控机床。数控加工中心目前主要有两大类：一类 是以数控铣床、数控镗床为基础发展起来的，叫做铣削中心，另一类是在数控车床基础上发 展起来的，叫做车削中心，如图 1-8 所示。数控加工中心又称为多工序数控机床。在加工中 心上，可使零件一次装夹后，进行多种工艺、多道工序的集中连续加工，这就大大减少了机 床台数。由于减少了装卸工件、更换和调整刀具的辅助时间，从而提高了机床效率，同时由 于减少了多次安装造成的定位误差，从而提高了各加工面间的位置精度；因此，近年来加工 中心得以迅速发展。9图 1-8 a）车削中心金属切削类数控机床 b）铣削中心2．金属成型类数控机床 金属成型类数控机床主要包括数控弯管机、数控组合冲床、数控转头压力机等。这类机 床起步晚，但发展较快。 3．数控特种加工机床 数控特种加工机床主要包括数控线(电极)切割机床， 如图 1-9 所示的数控火焰切割机床， 如图 1-10 所示的数控火焰切割机、数控激光切割机。图 1-9数控火焰切割机床10图 1-10数控电火花加工机床4． 其它类型的数控机床 其它类型的数控机床主要有数控三坐标测量机等。四、按伺服类型分类1． 开环伺服系统数控机床 开环伺服系统数控机床构造简单， 它没有位置测量装置和反馈装置， 不能对移动工作台 实际移动距离进行位置测量并反馈回来与原指令值进行比较较正，如图 1-12 所示。这类系 统的数控机床一般采用步进电动机或电液脉冲马达， 按指令脉冲驱动各轴进给。 其移动部件 的速度与位移量由输入脉冲的频率和脉冲数决定， 位移精度主要决定于该系统各有关零件的 制造精度，如步进电动机的转动精度、减速装置和滚珠丝杠的精度等。图 1-12开环伺服系统112．闭环伺服系统数控机床 闭环伺服系统数控机床有位置测量装置和反馈装置，如图 1-13 所示。加工中将实际测 量的结果反馈到数控装置中， 与输入的指令进行比较及较正直至差值为零， 即实现移动部件 的最终精确定位。其特点是加工精度高，但结构复杂，设计和调试较困难，主要用于一些精 度较高的数控镗铣床，超精度数控车床和数控加工中心等。图 1-13闭环伺服系统数控机床3． 半闭环伺服系统数控机床 半闭环伺服系统数控机床不直接测量机床工作台的位移量， 而通过检测丝杠转角间接地 测量工作台的位移量，然后反馈给数控装置进行位移校正，如图 1-14 所示。其精度低于闭 环系统，但测量装置结构简单，安装调试方便，常用于中档数控机床，如数控车床、数控铣 床、数控磨床等。图 1-14半闭环伺服系统数控机床4． 混合环伺服系统数控机床12将以上三类控制系统的特点有选择地集中起来， 组成混合环控制系统， 特别适用于大型 数控机床，因为大型数控机床需要较高的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度，如果 只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制环中，因素十分复杂，难于调试得稳 定。 混合环伺服系统数控机床如图 1-15 所示，这实际是半闭环和闭环系统的混合形式，内 环是速度环， 控制进给速度， 外环是位置环， 主要对数控机床进给运动的坐标位置进行控制。 现在采用这类方式控制的数控机床越来越多。五．按数控装置功能水平分类按数控装置功能水平通常把数控机床分为低、中、高档三类。这种分类方式在我国用 得很多。低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准会有所不同。就目前的发展 水平看，可以见表 1-2 的一些功能及指标，将各种类型的数控产品分为低、中、高档三类。 其中高、 中档一般称为全功能数控或标准数控。 在八十年代及九十年代初我国还有经济型数 控的提法。 当时所谓经济型数控是指由单板机、 单片机和步进电机组成的数控系统和其功能 简单、价格低的数控系统。随着数控技术的发展，经济型数控也在不断进步，新一代的经济 型数控介于低档与中档数控之间。为此，经济型数控已被称作普及型或简易型数控。其目的 是根据实际机床的使用要求，合理简化系统，降低产品价格。 表 1-2 不同档次数控功能及指标表功能低档中档高档系统分辨率 进给速度 伺服进给类型10μ m 8~15m/min 开环及步进电动机系1μ m 15~24m/min 半闭环及直、交流伺服0.1μ m 24~100m/min 闭环及直、交流伺服 5 轴或 5 轴以上 RS-232C、DNC、MAP CRT：三维图形、自诊统 联动轴数 通信功能 显示功能 内装 PLC 主 CPU 2~3 轴 无 数码管显示 无 8 位 CPU 2~4 轴 RS-232C 或 DNC CRT：图形、人机对话 断 有 16 位、32 位 CPU 强功能内装 PLC 32 位、64 位 CPU13数控机床的特点及应用范围一、数控机床的特点 数控机床不同于普通机床，也不同于专用机床和一般程序控制的自动和半自动机床。 在数控机床上加工零件的整个过程全由数字指令控制。机床按数字指令信息进行加工段长 度、进给方向、进给量、切削速度、主轴的开停、冷却液的通断、刀具更换等方面的控制。 1．数控机床与普通机床的区别 （1）手动与自动。数控机床一般具有手动加工（用电手轮） 、机动加工和控制程序自 动加工功能，加工过程中一般不需要人工干预。普通机床只有手动加工和机动加工功能，加 工过程全部由人工控制。 （2） 数控机床一般具有 CRT 屏幕显示功能。 显示加工程序、 多种工艺参数、 加工时间、 刀具运动轨迹以及工件图形等。 数控机床一般还具有自动报警显示功能， 根据报警信号或报 警提示，可以迅速查找机器故障。而普通机床不具备上述功能。 （3）数控机床主传动和进给传动采用直流或交流无级调速伺服电动机。一般没有主轴 变速箱，传动链短。而普通机床主传动和进给传动一般采用三相交流异步电动机，由变速箱 实现多级变速以满足工艺要求，机床传动链长。 （4）数控机床一般具有工件测量系统。加工过程中一般不需要进行工件尺寸的人工测 量。而普通机床在加工过程中必须由人工不断地进行测量，以保证工件的加工精度。 数控机床与普通机床最显著的区别是当对象（工件）改变时，数控机床只需改变加工 程序（应用软件） ，不需要对机床作较大的调整，即能加工出各种不同的工件。 2．数控机床有以下特点 （1）加工精度高。数控机床是高度综合的机电一体化产品。它由精密机械和自动化控 制系统组成。所以数控机床的传动系统与机床结构都有较高的精度、刚度、热稳定性及动态 敏感度。 此外， 目前数控机床的刀具或工作台最小移动量 （脉冲当量） 普遍达到了 0.001mm， 而且在设计传动结构时采用了减少误差的措施（如位置和速度反馈部件等） ，并由数控装置 进行补偿，因此，数控机床能达到很高的加工精度。当前中、小型数控机床，定位精度普遍 可达 0.03mm，重复定位精度可达 0.01mm。 数控机床加工零件的质量有保证。数控机床的自动加工方式避免了人为操作误差的影 响，同批零件的尺寸一致性强，产品合格率高，加工质量稳定。 （2）生产效率高。加工零件所需时间包括机动时间和辅助时间两部分。数控机床能有14效地减少这两部分时间。因为数控机床具有良好刚性、机床功率大、主轴转速和进给速度范 围大等优点， 所以在加工时可采用强力切削和选用最合适的切削用量。 数控机床能自动连续 完成整个切削过程，这样就提高了数控机床的切削效率，减少了机动时间。数控机床的移动 部件在空行程时采用快速移动（一般在 15m/min 以上） 。在数控机床上加工零件时，对工夹 具的要求低且装夹时间短，对刀、换刀快，数控机床有较高的重复定位精度，更换被加工零 件时几乎不需要重新调整机床，这样大大地缩短了生产准备周期，减少测量和检测时间。在 数控加工中心上加工时，一台机床能实现多道工序的连续加工，生产效率的提高更加明显。 所以数控机床比普通机床的生产效率高得多，一般能提高 2~3 倍，甚至几十倍。 （3）减轻劳动强度、改善劳动条件和劳动环境。在数控机床上进行加工时，操作者要 做的是， 按图纸要求制定加工工艺及编制加工程序、 装卸零件、 装夹刀具及对刀、 键盘操作、 观察监视机床运行过程、抽测零件质量。除此之外，不需要进行繁重的重复性手工操作。因 此， 能大大减轻操作者的劳动强度与紧张程度。 数控机床一般都有安全罩， 实现封闭式生产， 这样即能减少安全事故的发生，又能改善劳动条件和劳动环境。 （4）良好的经济效益。在数控机床上改变加工零件时，只要重新修订加工程序，不需 制造更换工具、夹具和模具，更不需要更新机床，而且可以实现一机多用。这样可以缩短生 产准备周期、降低生产设备投资费用、节省厂房面积、节约建厂投资。数控机床加工精度稳 定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。因此，数控机床加工具有良好的经济效益。 （5）有利于生产管理的现代化。数控机床使用数字信号与标准代码作为输入信号，适 用于与计算机网络连接，通过计算机远程控制，为计算机辅助设计、制造及管理一体化奠定 了基础，实现生产管理的现代化。 但是，利用数控机床生产加工，初期设备投资大，维修费用高，对管理及操作人员的 专业技术素质要求较高。因此，应合理地选择及使用数控机床，提高企业的经济效益和竞争 力。 二、数控机床的应用范围 数控机床是一种高度自动化的机床，其独特的优点是一般机床不具备的，所以数控机 床的应用范围较广。但数控机床的技术含量要求高、生产成本高、使用维修都有一定难度， 若从性价比考虑，数控机床一般要考虑加工情况。 1．零件批量 在多品种、小批量零件的生产中优先考虑使用数控机床。 2．轮廓要求高15结构较复杂、精度要求较高或必须用数字方法决定的复杂曲线、曲面轮廓的零件加工 多以数控机床为主。 3．试制阶段 在产品需要频繁改型或试制阶段，数控机床可以随时适应产品的变化。 4．关键零件 价格昂贵，不允许报废的关键零件可以由数控来保证。 5．周期短 对于需要最小生产周期的急需零件，数控机床可以缩短加工时间。 6．多工序零件 需进行多工序联合加工的零件，如需要进行钻、扩、铰、攻丝及铣削等的箱体、壳体零件， 多以数控加工中心来完成。数控机床设计部分技术要求工作台、工件和夹具的总重量 M970kg（所受的重力 W=9500N） ，其中，工作台的质量m =540kg（所受的重力W00=5300N） ；工作台的最大行程Lp=600mm；工作台快速移动速度V0max=15000 mm min ；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数 u =0.15,静摩擦系数u=0.2；工作台的定位精度为 20 um ，重复定位精度为 12 um ；机床的工作寿命为 20000h（即工作时间为 10 年）机床采用株洲伺服电机，额定功率PE=11 kw ，机床采用端面铣刀进行强力切削，铣刀直径 D=125mm，主轴转速 n=8000 r min ，切削状况如表 2-1 所示16表 2-1 数控铣床的切削状况切削方式 强力切削 一般切削 精加工切削 快速进给进给速度/( m min ) 0.6 0.8 1 15时间比例/(%) 10 30 50 10备注 主电动机满功率条件下切削 粗加工 精加工 空载条件下工作台快速进给总体方案设计为了满足以上技术要求，采取以下技术方案。 （1） 工作台工作面尺寸（宽度*长度）确定为 400*1100。 （2） 工作台的导轨采用矩形导轨，在与之相配的动导轨滑动面上贴聚四氟乙烯 （PT-FE）导轨板。同时采用斜镶条消除导轨导向面的间隙，在背板上通过设计 偏心轮结构来消除导轨背面与背板的间隙，并在与工作台导轨相接触的斜镶条 接触面上和背板接触面上贴塑。 （3） 对滚珠丝杆螺母副采用预紧措施，并对滚珠丝杆进行预拉伸。 （4） 采用伺服电机驱动。 （5） 采用膜片弹性联轴器将伺服电动机与滚珠丝杆直连。设计计算部分 主切削力及其切削分力计算（1）计算主切削力Fz。根据已知条件，采用端面铣刀在主轴计算转速下进行强力切削（铣刀直径 D=125mm） 时，主轴具有最大扭矩，并能传递主电动机的全部功率。此时，铣刀的切削速度为v?? Dn60?3.14 ?125 ?10?3 ? 8000 ? 52.4 / s 6017若主传动链的机械效率?m=0.8，按式Fz??PmEV?10 可计算主切削力 F Z ；3Fz ??m PEv?103 ?0.8 ?11 ? 103 ? 167.93N 52.4（2）计算各切削分力。 根据表 2---2 可得工作台纵向切削力F1、横向切削力Fc和垂向切削力Fv分别为F1 ? 0.35Fz ? 0.35 ?167.93 ? 58.78NFC ? 0.9Fz ? 0.95 ?167.93 ? 159.53NFV ? 0.55FZ ? 0.55 ?167.93N ? 92.36N表 2---2工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值不对称端铣 切削条件 比值 对称端铣 逆铣 顺铣F F1Z0.30 ? 0.40 0.85 ? 0.95 0.50 ? 0.550.60 ? 0.90 0.45 ? 0.70 0.50 ? 0.55 1.00 ? 1.20 0.20 ? 0.300.15 ? 0.300.90 ? 1.00 0.50 ? 0.55端铣 （a e ? (0.4 ? 0.8)d , a f ? 0.1 ? 0.2)圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣 (F FCZF FVZF F1--Z0.80 ? 0.900.75 ? 0.800.35 ? 0.40ae? 0.05d 0, a f ? 0.1 ? 0.2 )F FV--ZF FC--Z0.35 ? 0.40导轨摩擦力的计算（1）按式( 《数控技术课程设计》2-8a )计算在切削状态下的导轨摩擦力 此时，动摩擦系数 ? ? 0.15 ，F? 。Fc---主切削力的垂向切削分力（N）18FV ----横向切削分力（N） ；W-----坐标轴上移动部件的全部重量（包括机床夹具和工件的重量，N） ；? ----摩擦系数，随导轨形式不同而不同，对于帖塑导轨， ? =0.15；对于滚动直线导轨， ? =0.01；fg---镶条紧固力（N）,其推荐值可查表 2---3 得镶条紧固力 +fg=2000N，则F ? = ? （W+ fgF ?FcV）=0.15×(14.7+925.65)N=1986.1N表 2---3镶条紧固力推荐值主电动机功率/kw 导轨形式 2.2 3.7 5.5 7.5 11 15 18贴塑滑动导轨50080015002000250030003500滚动直线导轨254075100125150175 和导轨（2）按式( 《数控技术课程设计》2-9a )，计算在不切削状态下的导轨摩擦力 静摩擦力Fu0F0F? 0 ? ?(W ? f g ) ? 0.15? (9500 ? 2500) ? 1800 NF =?00(W ?fg) =0.2×()N=2400N计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力? F1 ? ?（1）按式( 《数控技术课程设计》2-10a )计算最大轴向负载力 Fa max （W+Fa maxfg+F ?FcV）,F1 -----主切削力的纵向切削力Fa max? F 1 ? ? （W+fg+F ?FcV）19=58.78+0.15（9.53+92.36）N=1896.56N （2）按式( 《数控技术课程设计》2-11a )计算最小轴向负载 Fa minFa min? F ? 0 =1800N滚珠丝杆的动载荷计算与直径估算1）确定滚珠丝杆的导程 根据已知条件，取电动机的最高转速nmax? 1500 r min ，则由式 L 0 ? V max 得：inmaxL0? V max =inmax15000 mm =10mm 1? 15002)计算滚珠丝杆螺母副得平均转速和平均载荷 （1）估算在各种切削方式下滚珠丝杆的轴向载荷。 将强力切削时的轴向载荷定为最大轴向载荷 荷定为最小轴向载荷 副的轴向载荷Fa max，快速移动和钻镗定位时的轴向载F Fa min。一般切削(粗加工)和精细切削（精加工）时，滚珠丝杆螺母F2、3分别可按下列公式计算： ，F =F2a min+20％Fa maxF =F3a min+5％Fa max，并将计算结果填入表 2---4。 表 2---4 数控铣床滚珠丝杆的计算切削方式 强力切削 一般切削（粗轴向载荷/N 1896.56进给速度/( m min )时间比例/(％) 10备注VV1=0.6F1?Fa max2179.31 加工） 精细加工（精 1894.83 加工） 快移和定镗定 1800 位2=0.830F =F2 3a min+20％Fa maxV43=150F =Fa min+5％Fa maxV ?Vmax10F4? Fa min20F1 ? 1896.56N , F2 ? 2179.31N , F3 ? 1894.83N , F4 ? 1800 N(2)计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速nin? 1v L?1 0?0.6 10 X10?3r min ? 60 r min，v ? 1 r min ? 100 r min L 10 X10 0.8 v n 2 ? 2 ? 10 X ?3 r min ? 80 r min L0 10 ， n3 3 ?3 0n4?v L4 0?15 10 X10?3r min ? 1500 r min（3）按式( 《数控技术课程设计》2-17 )计算滚珠丝杆螺母副的平均转速nm。nm ?q q1 q q n1 ? 2 n2 ? 3 n3 ? 4 n4 100 100 100 100 10 30 50 10 ? ? 60 ? ? 80 ? ?100 ? ?1500 ? 230r / min 100 100 100 100（4）按式( 《数控技术课程设计》2-18 )计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷 Fm 。Fm?3F3 1n q ? n q ??? n q N F 100 F 100 n 100 n n1 1 3 2 n 3 n n 2 n m m mFm ? 3 F13n q n1 q1 n q ? F23 2 2 ????? Fn3 n n nm 100 nm 100 nm 100 60 10 80 30 100 50 1500 10 ? ?
? ? ? 18003 ? ? N 230 100 230 100 230 100 230 1003)? 3
? 1870.12 N21确定滚珠丝杆预期的额定动载荷 C am （1）按预定工作时间估算。查表 2---5 得载荷性质系数 f w ? 1.4 。已知初步选择的滚珠丝杆的精度等级为 2 级，查表 2---6 得精度系数fa? 1 。查表 2---7 得可靠性系数fc? ???? ，则由式( 《数控技术课程设计》2-19 )得Cam?3F f 60n L 100 f fm m h aw c=360 ? 230 ? 20000 ?.3 100 ?1? 0.44=35974.6N表 2---5 载荷性质载荷性质系数fw无冲击（很平稳） 1~1.2轻微冲击 1.2~1.5伴有冲击或振动 1.5~2fw表 2---6 精度系数 精度等级 1、2、3 1afa4、5 0.97 0.810 0.7f表 2---7 可靠性系数 可靠性 /(％) 90 95 96fc979899f1c0.620.530.440.330.21(2)因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可按式 C am 载荷。查表 2---8 得欲加动载荷系数f FemaxN 估算最大轴向fe? ??? ，则Cam?f Fea max=4.5×34.52N 表 2---8 欲加动载荷系数fe欲加载荷类型轻预载中预载重预载22f6.7e4.53.4（3）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷 C am 。取以上两种结果的最大值，即Cam=35974.6N。4）按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经 d 2m（1） 根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杆的最大轴向变形。 已知工作台的定位精度为 20 ? m ，重复定位精度为 12 ? m ，根据公式( 《数控技术课 程设计》2-23 )、( 《数控技术课程设计》2-24 )以及定位精度和重复定位精度的要求，得??取上述计算结果的较小值，即max1? (1 3～1 2) ?12?m ? （4～6）?mmax 2? ( 1 5 1 4 ) ?m ? ～ ? 2 0 （4～5）?mmax?? 4?m 。（2）估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经d2m。本机床工作台（X）轴滚珠丝杆螺母副的安装方式拟采用两端固定式。滚珠丝杆螺母副 的两个固定支承之间的距离为 L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承长度 ≈（1.2～1.4）行程+（25～30） 取 L=1.4×行程+30L0L0=（1.4×600+30×10）mm=1140mm, 又F0=2164N，由式( 《数控技术课程设计》2-26 )得d2m ? 0.039 ? 32.25mm 45）初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号 根据计算所得的L 、C0am、d2m，初步选择 FFZD 型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆螺母副 FFZD4010-5（见《数控技术课程设计》附录 A 表 A-3）,其公称直径 程d0、基本导L0、额定动载荷Ca和丝杆底径d2如下：23d Ca0? 40mm ， L0?10mm? 46500N ? C am ? 35974.6Nd2? 34.3mm ? d 2m ? 32.25mm故满足式( 《数控技术课程设计》2-27 )的要求。 6） 由式( 《数控技术课程设计》2-29 )确定滚珠丝杆螺母副的预紧力FPFP?1 1 F a max ? 3 ?1896.56 N ? 632.19 N 37） 计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力（1） 按式( 《数控技术课程设计》2-31 )计算目标行程补偿值?t?t---目标行程补偿值； ?t ---温度变化值（℃） ，一般情况下为 2~3℃； ? ---丝杆?6的线膨胀系数（1/℃）,一般情况下为 11×10 /℃; 知温度变化值 ?t =2℃，丝杆的线膨胀系数 ? = 11?Lu---滚珠丝杆副的有效行程(mm)。已? m /℃，滚珠丝杆副的有效行程10?6L故tu=工作台行程+安全行程+2×余程+螺母长度=（600+100+2 ×20+146）mm=886mm? ? 11?t L u ?10 ?6 =11×2×886×10?6mm=0.02mm(2) 按式( 《数控技术课程设计》2-32 )计算滚珠丝杆的预拉伸力Ft。已知滚珠丝杆螺纹底径 d2 =34.3mm,滚珠丝杆的温度变化值 ?t =2℃，则2 F t ? 1.81?t d 2 ? 1.81? 2 ? 34.3 N ? 4258.89 N 28)确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号（1）按式( 《数控技术课程设计》2-33 )计算轴承所承受的最大轴向载荷 FB max 。FB max? Ft?1 1 F a max ? (4258.89 ? 2 ? 3119.94) N ? 5818.86 N 2（2） 计算轴承的预紧力 FBp1 1 FBp ? FB max ? ? 5207.17 N ? 1735.72 N 3 324(3)计算轴承的当量轴向载荷 FBamFBam ? FBp ? Fm ? (1735.72 ? 1870.12) N ? 3605.84N(4)按式( 《数控技术课程设计》2-15 )计算轴承的基本额定动载荷 C。 已知轴承的工作转速 n ? nm ? 230r / min ,轴承所受的当量轴向载荷 FBam =3605.84N, 轴承的基本额定寿命 L=20000h。轴承的径向载荷 Fr 和轴向载荷 Fa 分别为Fr ? FBam cos60? =.5N=1802.92N Fa ? FBam sin 60? =.87N=3137.08N因为Fa 3137.08 ? ? 1.74 ? 2.17 ，所以查表 2---9 得，径向系数 X=1.9，轴向系数 Fr 1802.92Y=0.54，故 P= XFr ? YFa =(1.9×.54×3137.08)N=5119.57NC?P 3 60n L h 100 = 60 ? 230 ? 20000 N ? 3表 2---9载荷系数组合列数 承载列数 组合形式 1列 DF X Y 1.9 0.54 0.92 1.02列 2列 DT ----0.92 1.0 1列 DFD 1.43 0.77 0.92 1.03列 2列 DFD 2.33 0.35 0.02 1.0 0.02 1.0 3列 DTD 1列 DFT 1.17 0.89 0.92 1.0 2列 DFF 2.33 0.35 0.92 1.04列 3列 DFT 2.53 0.26 0.92 1.0 4列 DTT ----0.92 1.0F Fa r? 2.17F Fa r? 2.17X Y25(5)确定轴承的规格型号 因为滚珠丝杆螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用 60? 角接触球轴承组背对背安装，以 组成滚珠丝杆两端固定的支承形式。由于滚珠丝杆的螺纹底径 d2 为 34.3mm，所以选择轴承 的内径 d 为 30mm，以满足滚珠丝杆结构的需要。 在滚珠丝杆的两个固定端均选择国产 60? 角接触球轴承两件一组背对背安装， 组成滚珠 丝杆的两端固定支承方式。轴承的型号为 760360TNI/P4DFB,尺寸（内径×外径×宽度）为 30mm×72mm×19mm） ，选择脂润滑。该轴承的预载荷能力 FBP' 为 2900N，大于计算所得的轴 承预紧力 F Bp =1735.72N.并在脂润滑状态下的极限转速为 1900r/min,高于滚珠丝杆的最高 转速 nmax ? 1500r / min ，故满足要求。该轴承的额定动载荷为 C ' =34500N，而该轴承在 20000h 工作寿命下的今本额定动载荷 C=34395N,也满足要求。工作台部件的装配图设计将以上计算结果用于工作台部件的装配图设计（见《数控技术课程设计》插页图 2）《数控 。 技术课设程计》后插页图 3 为工作台零件图，插页图 4 为滑鞍零件图。滚珠丝杆螺母副的承载能力校验1 滚珠丝杆螺母副临界压缩载荷的校验本工作台的滚珠丝杆支承方式采用预拉伸结构，丝杆始终受拉而不受压，因此，不存在 压杆补稳定问题。2 滚珠丝杆螺母副临界转速 nc 的校验根据以上的计算可得滚珠丝杆螺母副临界转速的计算长度 L2 =837.5mm。已知弹性模量5 E= 2.1?10 MPa ， 材料密度 ? ?1 3 ? 7.8 ?10?5 N / mm3 ， 重力加速度 g ? 9.8 ?10 mm gs2，安全系数 K1 ? 0.8 。查《数控技术课设程计》表 2-44 得 ? ? 4.73 。26滚珠丝杆的最小惯性矩为I?滚珠丝杆的最小截面积为? 4 3.14 d2 ? ? 34.34 mm 4 ? 67909mm 4 64 64A?? 2 3.14 d2 ? ? 34.32 mm 2 ? 923.54mm 2 4 4故可由式( 《数控技术课程设计》2-36)得nc ? K1 ? 0.8 ?60? 2 2?L22EI ?A 2.1?105 ? 67909 ? 9.8 ? 103 r min 7.8 ?10-5 ? 923.5460 ? 4.732 2 ? 3.14 ? 837.52=10738.5 r min 本丝杆螺母副的最高转速为 1500 r min ，远远小于其临界转速，故满足要求。3 滚珠丝杆螺母副额定寿命的校验滚珠丝杆螺母副的寿命，主要是指疲劳寿命。它是指一批尺寸、规格、精度相同的滚珠 丝杆在相同的条件下回转时，其中 90％不发生疲劳剥落的情况下运转的总转速查《数控技 术课程设计》附录 A 表 A-3 得滚珠丝杆的额定动载荷 Ca =46500N，运转条件系数 f w ? 1.2 ， 滚珠丝杆的轴向载荷 Fa ? Fmax ? 1896.56N ,滚珠丝杆螺母副转速 n ? nmax ? 1500 r min , 由式( 《数控技术课程设计》2-37)、( 《数控技术课程设计》2-38)得L?(Ca 3 46500 ) ?106 ? ( )3 ?106 r ? 2.55 ?109 r ， Fa f w .2L 2.55 ?109 Lh ? ? h ? 2 ?1500一般来讲， 在设计数控机床时， 应保证滚珠丝杆螺母副的总时间寿命 Lh ? 20000h 故满 足要求。传动系统的刚度计算 1 传动系统的刚度计算27(1)计算滚珠丝杆的拉压刚度Ks。本工作台的丝杆支承方式为两端固定， 当滚珠丝杆的螺母中心位于滚珠丝杆两支承的中 心位置时( a ? L 2, L ? 1075mm )时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度 K s min ，可按式 ( 《数控技术课程设计》2-45a)计算：K s min2 d2 34.32 2 ? 6.6 ?10 ? 6.6 ?10 ? N ? m ? 722.31 N ? m L 1075 2当 a ? LY ? 837.5mm 或 a ? LJ ? 237.5mm 时（即滚珠丝杆的螺母中心位于行程的两 端位置时） 滚珠丝杆螺母副具有最大拉压刚度 K s max ， ， 可按式( 《数控技术课程设计》 2-45b) 计算：K s maxd 22 L ? 6.6 ?10 4 LJ ( L ? LJ )234.32 ? 1075 N ?m 4 ? 237.5 ? (1075 ? 237.5) ? 1049.14 N ? m ? 6.6 ?102 ?（2）计算滚珠丝杆螺母副支承轴承的刚度 Kb 。 已知轴承接触角 ? ? 60 ，滚动体直径 dQ ? 7.144mm ，滚动体个数 Z=17，轴承的最大?轴向工作载荷 FB max ? 5818.86N ,由表 2-45、2-46 得Kb = 4 ? 2.34 ? 3 dQ Z FB max sin25?? 4 ? 2.34 ? 3 7.144 ?172 ? 5207.17 ? sin 5 60? N ? m? 1687.42 N ? m（3） 计算滚珠与滚道的接触刚度 K c 查《数控技术课程设计》附录 A 表 A-3 得滚珠与滚道的接触刚度 K=1585 N? m ，额定载荷 Ca =46500N，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷 Fa max =3119.94N，故由式( 《数控技术 课程设计》2-46b)得1
F ) N / ? m ? 1175.44 N / ? m Kc ? K ( a max ) 3 ? 1585 ? ( 0.1? Ca128（4） 计算进给传动系统的综合拉压刚度 K。 由式( 《数控技术课程设计》2-47a)得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为1 1 1 1 1 1 1 ? ? ? ? ? ? ? 0.0024 K max K s max Kb Kc 7.42 1175.44故 Kmax ? 442.05N / ?m 。 由式( 《数控技术课程设计》2-47b)得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为轴承类型 角接触球轴 承（6000 型） 圆锥滚子轴 承（7000 型） 推力球轴 承（8000 型） 推力圆柱滚子 轴承（9000 型）未预紧 K B / N / ? m) （有预紧 K B 0 / N / ? m) （2.34 ? 3 dQ Z 2 Fa sin 5 ?2 ? 2.34 ? 3 dQ Z 2 Fa max sin 5 ?7.8sin1.9 ? L0.8 Z 0.9 Fa0.1 r1.95 ? 3 dQ Z 2 Fa2 ? 7.8sin1.9 ? L0.8 Z 0.9 Fa0.1 r max2 ?1.95 ? 3 dQ Z 2 Fa max7.8L0.8 Z 0.9 Fa0.1 r（1）2 ? 7.8L0.8 Z 0.9 Fa0.1 R max1 Fa max ； ②滚子 3表中公式的使用条件：①轴承的预紧力 FP ? 轴承的预紧力 FP ?1 Fa max ； 2备 注（2）表中公式个字母的意义：? ? ? ?轴承接触角（）；dQ ? ?滚动体直径（mm）；Fa ? ?轴向工作载荷（N）； Lr ? ?滚子的有效长度（mm）； Z ? ?滚动体个数； Fa max ? ?最大轴向工作载荷（N） ；1 1 1 1 1 1 1 ? ? ? ? ? ? ? 0.0028 K min K s min Kb Kc 722.31 5.4429故 Kmin? 371.27 N ? m 。2 滚珠丝杠螺母副的扭转刚度计算。 由以上计算可知，扭转作用点之间的距离 L2 ? 945.5mm 已知剪切模量G ? 8.1?104 MPa ，滚珠丝杆的底径 d2 ? 34.3?10?3 m。 由式( 《数控技术课程设计》2-48)得K? ?? d 24G32 L23.14 ? (34.3 ?10?3 )4 ? 8.1?104 ?106 ? N ? m rad ? 11635.35 N ? m rad 32 ? 945.5 ?10?3表 3---1一个未预紧的轴承 K B 或一对预紧轴承的组合刚度 K B 0 的计算公式 (来自《数控技术课程设计》表 2-45)表 3---2滚珠丝杠螺母副支承刚度Kb的计算公式(来自《数控技术课程设计》表 2-45) 滚珠丝杠螺母副支承方式 支承刚度 Kb 的计算公式一端固定，一端自由 一端固定，一端游动 两端支承 两端固定Kb ? Kb 0固定端预紧时： Kb ? Kb 0 预紧时： Kb ? Kb 0 ；未预紧时： Kb ? Kb 0 固定端预紧时： Kb ? Kb 030驱动电动机的选型与计算1 计算折算到电动机轴上的负载惯量（1）计算滚珠丝杠的转动惯量 J r 。 已知滚珠丝杠的密度 ? ? 7.8 ?10 kg / cm ，由式( 《数控技术课程设计》2-63)得?3 3Jr ???32? D4j L j ? 0.78 ?10?3 L j ? D4j L jj ?1 j ?1nn? 0.78 ?10?3 ? (2 ? 34 ? 8.9 ? 44 ?100.9 ? 2.54 ? 5.2)kg ? cm2? 21.43kg ? cm2（2）计算联轴器的转动量 J 0 。J0 ? 0.78?10?3 D4 L? 0.78 ?10?3 ? (6.64 ? 34 ) ? 8.2kg ? cm2 ? 11.62kg ? cm2（3）计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量 J L 。 已知机床执行部件（即工作台、工件、夹具）的总质量 m=918kg，电动机每转一圈，机 床执行部件在轴上移动的距离 L=1cm,则由式( 《数控技术课程设计》2-65)得J L ? m(L 2 1 ) ? 918 ? ( ) 2 kg ? cm 2 ? 23.28kg ? cm 2 2? 2 ? 3.14（4）由式( 《数控技术课程设计》2-66)计算加在电动机轴上总的负载转动惯量 J d 。J d ? J r ? J0 ? J L ? (21.43 ? 11.62 ? 23.28)kg ? cm2 ? 56.33kg ? cm22 计算折算到电动机轴上的负载力矩（1）计算切削负载力矩 Tc 。 已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力 Fa ? Fa max ? 1896.56 N ，电动机每转一圈，机 床执行部件在轴向移动的距离 L ? 10mm ? 0.01m, 进给传动系统的总效率? ? 0.90, 由式31( 《数控技术课程设计》2-54)得Tc ?Fa L 1896.56 ? 0.01 ? N ? m ? 3.36 N ? m 2?? 2 ? 3.14 ? 0.90（2）计算摩擦负载力矩 Tu 已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即为空载时的导轨摩擦力） Fu 0 ? 1575N ， 由式( 《数控技术课程设计》2-55) Tu 0 ?Fu 0 L 得 2??Tu 0 ?Fu 0 L 1800 ? 0.01 ? N ? m ? 3.18 N ? m 2?? 2 ? 3.14 ? 0.90（3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩Tf。已知滚珠丝杠螺母副的预紧力 FP ? 1039.98N , 滚珠丝杠螺母副的基本导程L0 ? 10mm ? 0.01m ， 滚珠丝杠螺母副的效率?0 ? 0.94 ， 由式( 《数控技术课程设计》 2-56)得Tf ?FP L0 1039.98 ? 0.01 2 (1 ? ?0 ) ? ? (1 ? 0.942 ) N ? m ? 0.21N ? m 2?? 2 ? 3.14 ? 0.903 计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩（1）计算线性加速力矩 Ta1 已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速 nmax ? 1500 r min ，电动机的 转动惯量 J m ? 62kg ? cm ，坐标轴的负载惯量 J d ? 56.33kg ? cm ，进给伺服系统的位置环2 2增益 ks ? 20H Z ，加速时间 ta ?3 3 ? s ? 0.15s ，由式( 《数控技术课程设计》2-58) 得 ks 20Ta1 ??2? nmax ( J m ? J d )(1 ? e? ksta ) 60 ? 980ta2 ? 3.14 ?1500 ? (62 ? 56.33)(1 ? e?20?0.15 )kgf ? cm 60 ? 980 ? 0.15? 120.06kgf ? cm ? 11.77N ? m32?1/ 5000i ? 2 / 5000i ? 4 / 4000i ? 8 / 3000i ?12 / 3000i ? 22 / 3000i ? 30 / 3000i ? 40 / 3000i额定功率/kw 额定力矩 / N ?m 最高转速0.50.751.41.63.04.07.06.01248122230385000 / r min 转动惯量 / kg ? m 0.00031250004000300030003000300030000.000530.00140.00260.00620.0120.0170.022质量/kg 外形型号 A C D E F G 外 形 尺 寸 /mm H I J K L3 Ⅰ 90 6648 Ⅱ121829 Ⅲ405190 66130 75130 75174 105174 105174 105174 105?10037 75 130?10037 111 166?14558 108 166?14558 164 222? 200102 141 202? 200102 215 276? 200102 289 350? 200102 363 424? 80? 6.6? 80? 6.6?110?9?110?9?114.3?114.3?114.3?114.3?13.5?13.5?13.532（锥形） 90 31?13.532（锥形） 90 3111（锥形） 11（锥形） 16（锥形） 16（锥形） 32（锥形） 32（锥形） 90 31 90 31 90 31 90 31M11915515521119126533941333（2）计算阶跃加速力矩。 已知加速时间 ta ?1 1 ? s ? 0.05s ，由式( 《数控技术课程设计》2-59)得 ks 20Tap ??2? nmax (Jm ? Jd ) 60 ? 980ta2 ? 3.14 ?1500 ? (62 ? 56.33)kgf ? cm 60 ? 980 ? 0.05? 379.14kgf ? cm ? 37.16 N ? m（3）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。 ①按式( 《数控技术课程设计》2-61)计算线性加速时空载启动力矩 TqTq ? Tap ? (T? ? Tf ) ? (11.77 ? 2.79 ? 0.21) N ? m ? 14.77 N ? m②按式( 《数控技术课程设计》2-59)计算阶跃加速时空载启动力矩 Tq 。'Tq' ? Tap ? (T? ? Tf ) ? (37.16 ? 2.79 ? 0.21) N ? m ? 40.16N ? m③按式( 《数控技术课程设计》2-59)计算快进力矩 TKJ 。TKJ ? T? ? Tf ? (2.79 ? 0.21) N ? m ? 3.0N ? m④按式( 《数控技术课程设计》2-59)计算工进力矩 TGJ 。TGJ ? Tc ? Tf ? (5.52 ? 0.21) N ? m ? 5.73N ? m4 选择驱动电动机的型号（1）选择驱动电动机的型号 根据以上计算和表 4---1，选择日本 FANUC 公司生产的 ?12 3000i 型交流伺服电动机 为驱动电动机。 主要技术参数如下:额定功率 3kw； 最高转速 3000 r min ； 额定力矩 12 N ? m ； 转动惯量 62 kg ? cm ；质量 18kg.2交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的 1 ? 5 倍。若按 5 倍计算，则该电动机的加速 力矩为 60 N ? m ， 均大于本机床工作台的线性加速时所需 的空载启动力矩 Tq ? 14.77 N ? m34以及阶跃加速时所需的驱动力矩 Tq ? 40.16N ? m ，因此，不管采用何种加速方式，本电动'机均满足加速力矩要求。 该电动机的额定力矩为 12 N ? m ，均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩TKJ ? 3.0 N ? m 以及工进时所需的驱动力矩 TGJ ? 5.73N ? m ，因此，不管是快进还是工进，本电动机均满足驱动力矩要求。 （2）惯量匹配验算。 为了使机械传动系统的惯量达到较合理 的匹配， 系统的负载惯量 J d 与伺服电动机的转 动惯量 J m 之比一般应满足式 0.25 ?Jd ?1 Jm在本设计重J d 56.33 ? ? 0.9 ? ?0.25,1? ，故满足惯量匹配要求。 Jm 62表 4---1FANUC ? i 系列交流伺服电动机的技术参数 (来自《数控技术课程设计》表 2-47)机械传动系统的动态分析 1 计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率?nc已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度 K0 ? Kmin ? 357.14 ?10 N m ， 而滚珠丝杠螺母6副和机床执行部件的等效质量 md ? m ? 和滚珠丝杠螺母副的质量（ kg ） ，则1 m ms （其中 m、 s 分别是机床执行部件的质量 kg ） （ 3m ? 970kgms ??4? 42 ?123.9 ? 7.8 ?10?3 kg ? 12.14kg1 1 md ? m ? ms ? (970 ? ? 12.14）kg ? 974.05kg 3 335?nc ?K0 357.14 ? 106 ? rad s ? 605.52 rad s md 974.052 计算扭转振动系统的最低固有频率 ?nt折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为J s ? J r ? J0 ? (21.43 ? 11.62)kg ? cm2 ? 33.05kg ? cm2 ? 0.0033kg ? m2已知丝杠的扭转刚度 KS ? K? ? 11062.07 N ? m rad ，则?nt ?Ks 11062.07 ? rad s ? 1831 rad s Js 0.0033由以上计算可知，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率 ?nc ? 635 rad s 、扭转 振动系统的最低固有频率 ?nt ? 1831rad s 都比较高。 一般按 ?n ? 300 rad s 的要求来设计 机械传动系统的刚度，故满足要求。计算传动系统的误差计算与分析 1 计算机械传动系统的方向死区△已知进给传动系统的最小综合拉压刚度 Kmin ? 357.14 ?106 N mm ，导轨的静摩擦力F0 ? 2400 N ，则由式( 《数控技术课程设计》2-52)得? ? 2? ? ? 2 F0 2 ?
? ?103 mm ? 0.013mm 6 K min 357.14 ?10即 ? ? 10? m ? 10? m, 故满足要求。2 计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差 ? K max由式( 《数控技术课程设计》2-53)得? K max ? F0 (1 1 ? ) ?103 K min K max36? 2400 ? (1 1 ? ) ?103 mm ? 0.0010mm 6 6 357.14 ?10 416.67 ?10即 ? K max ? 1?m ? 6?m, 故满足要求。3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差（1）计算由快速进给扭矩 TKJ 引起的滚珠丝杠螺母副的变形量 ? 。 已 知 负 载 力 矩 T ? TKJ ? 2990N ? mm ， 由 以 上 计 算 得 扭 转 作 用 点 之 间 的 距 离L2 ? 945.5mm ，丝杠底径 d2 ? 34.3mm ，由式( 《数控技术课程设计》2-49)得? ? 7.21?10?2TL2 2990 ? 945.5 ? 7.21?10?2 ? 0.15? 4 4 d2 34.3（2）由扭转变形量 ? 引起的轴向移动滞后量 ? 将影响工作台的定位精度。 ? ? L0?360得? ? L0?360? 10 ?0.15 mm ? 0.0042mm ? 4.2? m 360确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号1 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级本机床工作台采用半闭环控制系统， V300 p 、 ep 应满足下列要求：V300 p ? 0.8 ? (定位精度 ? ?Kmax ? ?） 0.8 ? ? （30-0.9-4.2）? m=19.9? m ep ? 0.8? (定位精度 ? ? K max ? ? ) ? 19.9?m滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为 2 级，查表 7---1 得 V300 p =8 ? m ＜ 19.9? m ；查表 2---14 得， 当螺纹长度为 850mm 时，ep ? 15?m ? 19.9?m 故满足设计要求 7.2 确定滚珠丝 杠螺母副的规格型号滚珠丝杠螺母副的规格型号为 FFZD/,其具体参数如下。公称直径与导 程：40mm,10mm；螺纹长度：850mm；丝杠长度：1239mm；类型与精度：P 类，2 级精度。 表 7---1 2 ? 弧度内行程变动量 V2? p 和任意 300mm 行程内行程变动量 V300 p （ ? m ）37精度等级1 4 62 5 83 6 124 7 165 8 23V2? pV300 p表 7---2 有效行程 /mm有效行程 Lu 内的目标行程公差 ep 和允许的行程变动量 Vup （单位： ? m ） 精度等级 1 2 3 4 5ep≤315 &315～400 &400～500 &500～630 &630～800 &800～ ～
7 8 9 10 11Vup6 6 7 7 8 9ep8 9 10 11 13 15Vup8 8 10 11 12 13ep12 12 15 16 18 21Vup12 12 13 14 16 17ep16 18 20 22 25 29Vup16 17 19 21 23 25ep23 25 27 30 35 40Vup23 25 26 29 31 33101814241934294639数控机床控制系统设计数控系统硬件电路设计 一 设计内容 １.按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控 制的结构框图； ２.选择计算机或中央处理单元的类型； ３.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路； ４.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展Ｉ／Ｏ接口电路，检测电路，转换电路以 及驱动电路等； ５.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；38６.绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数； ７.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。二设计步骤１.确定硬件电路的总体方案。 数控系统的硬件电路由以下几部分组成： 1． 主控制器。即中央处理单元 CPU 2． 总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。 3． 存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。 4． 接口。即 I/O 输入输出接口。 数控系统的硬件框图如下所示： 中央处理 单元 CPU存 储 器 RAM ROM 输入/输 出 I/O 接口 外设： 键盘， 显示器， 打印 机，磁盘机，通讯接口 等信号变换２.主控制器ＣＰＵ的选择控制对象ＭＣＳ－５１系列单片机是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等为一体的功能性很 强的控制器。 只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统， 并且开发手段齐 全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用８０３１芯片作为主控芯 片。39３.存储器扩展电路设计 (１）程序存储器的扩展 单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型号有： ，，27258，其容量分别为２k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要 考虑ＣＰＵ与ＥＰＲＯＭ时序的匹配。 ８０３１所能读取的时间必须大于ＥＰＲＯＭ所要求 的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容 量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择２７６ ４芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。 单片机规定Ｐ0 口提供８为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址 和数据的通道口， 为了把地址信息分离出来保存， 以便为外接存储器提高低８位的地址信息， 一般采用７４ＬＳ３７３芯片作为地址锁存器，并由ＣＰＵ发出允许锁存信号 ALE 的下降 沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。 由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示P1.7 ↓译码电路CEA12 ↓ A8P1.0P2.4 ↓G 74LS3722764 A7 ↓ A0P2.0OEALE D7 P0.7 ↓ ↓ D0扩展 2764 电路框图 (２）数据存储器的扩展 由于８０３１内部ＲＡＭ只有１２８字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数P0.0PSENEA40据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用
静态 RAM 数据存储器。 本次设计选用６２６４芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示：译码电路CE1P2.4 ↓ ↓ A8 A12P2.0G 74LS372A7 ↓ A0 6264ALEP0.7 ↓D7 ↓ D0P0.0WEOEEA扩展 6264 电路框图 (３）译码电路OE↓WR在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的D0RD 与各个外围芯片进行数据传送。 故要进行片选控制。 由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法 和全地址译码法。 线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上， 只要该地址线为低电 平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值 较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量较大的应 用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低 位地址作为片内地址， 而用译码器对高位地址线进行译码， 译码器输出的地址选择线用作片 选线。 本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示： （4）存储器扩展电路设计 8031 单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。41该设计选用程序存储器 2764 和数据存储器 6264 组成 8031 单片机的外存储器扩展电路， 单片机外存储器扩展电路如下： （5）Ｉ／Ｏ扩展电路设计 (a).通用可编程接口芯片８１５５ ８０３１单片机共有４个８位并行Ｉ／Ｏ接口， 但供用户使用的只有Ｐ1 口及部分Ｐ3 口 线。因此要进行Ｉ／Ｏ口的扩展。８１５５与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口 芯片。8155Y 与 8031 的连接方式如下图所示 (b).键盘，显示器接口电路 键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状 态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用Ｉ／Ｏ口线组成行，列结构， 按键设置在行列的交点上。 数控系统中使用的显示器主要有ＬＥＤ和ＬＣＤ。下图所示为采用８１５５接口管理的 键盘，显示器电路。它有４Ｘ８键和６位ＬＥＤ显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线 及ＬＥＤ显示器的字位控制共用一个口，即共用８１５５的 PＡ口进行控制，键盘的行线由 ８１５５Ｃ口担任，显示器的字形控制由 8155 的 PB 口担任。 键盘显示器接口电路如下所示： 4．步进电机驱动电路设计 (1）脉冲分配器 步进电机的控制方式由脉冲分配器实现， 其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按 一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使 用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器 YB013。采用 YB013 硬 件环行分配器的步进电机接口线路图如下： （2）光电隔离电路 在步进电机驱动电路中， 脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。 如 果将输出信号直接与功率放大器相连， 将会引起电气干扰。 因此在接口电路与功率放大器间 加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下： （3）功率放大器 脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要， ，必须将其输出信号放大产 生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机 容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。425．其它辅助电路设计 （１）８０３１的时钟电路 单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。 内部方式利用芯片的内部振荡电路，在 XTAL1,XTAL2 引脚上外接定时元件，如下 图所示。晶体可以在１.２～１２之间任意选择，耦合电容在５～３０pF 之间，对时钟有微 调作用。采用外部时钟方式时，可将 XTAL1 直接接地，XTAL2 接外部时钟源。8031 XTAL1XTAL2 时钟电路（２）复位电路 单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引脚上出 现 １０ms 以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后ＣＰＵ便从００００Ｈ单元开始执 行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与８０３１复位要求一致时，可以 直接相连。当晶振频率选用６ＭＨz 时，复位电路中Ｃ取２２ ? Ｆ，Ｒ取２００ ? ， RK 取 １０００ ? 。实用复位电路图如下所示： （３）越界报警电路 为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将 行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。当任 何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电 平。 ８０３１可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。 也可接成从光敏三极管 的集电极输出接至８０３１的外部中断引脚（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１） ，采用中断方式检查越 界信号。数控系统软件电路设计43一 系统控制软件的主要内容 数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控 制软件分为以下几个部分： 1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接 受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的 等待操作状态。 2、 零件加工源程序的输入处理程序。 该程序完成从外部 I/O 设备输入零件加源程序的任 务。 3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。 4、伺服控制程序。根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度，转角以及 方向。 5、诊断程序。 包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。 6、机床的自动加工及手动加工控制程序。 7、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作 命令等信息。 二 软件设计1.系统控制功能分析 数控 X-Y 工作台的控制功能包括： （1） 、系统初始化。如对 I/O 接口 A 进行必要的初始化工作，预置接口工作 方式控制字。 （2） 、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。 （3） 、输入和显示加工程序。 （4） 、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。 （5） 、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并 显示相应的指示字符。 （6） 、工作台的自动控制。 （7） 、工作台的手动控制。 （8） 、工作台的联动控制。 2.系统管理程序控制 管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作44者的命令。在设计管理程序时，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控 X-Y 工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操 作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如下所示： 开始系统初始化机床复位N加工程序 输 入 键 按 下？加工数据输 入 Y自动加 工 键 按 下？自动加 工N手动加 工 键 按 下？手动调整 YN管理程序流程 3.自动加工程序设计 （1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位→刀具快速进给→加工→退刀→工作45台运动到下一位置； （2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工； （3）由以上分析，设计自动加工程序框图如下所示： 入口零件坐标地址 指针读零件坐标调步进电机子程 序 工作台移动到位刀具快进加工快速退刀零件坐标地 址指针加 1 N零 件 加工完 成Y 返回464.步进电机控制子程序设计 步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负 载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。 通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。 （1）时间常数的确定 在步进电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此 间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算：T ?10?3 Te ? te ?10?6式中： 为脉冲时间间隔 T （ms） e 为单片机机器周期 ? s） 在时钟为 6MHz 时， e =2 ? s。 ； （ ， （2）步进电机加，减速进给脉冲及脉冲时间间隔的确定 设步进电机加，减速方式为直线加，减速。 要使步进电机不失步，应满足：ttTm ? Tg ? TI式中： Tm 为步进电机启动力矩； Tg 为负载力矩； TI 为惯性力矩。 EPROM 存储器中，时间常数依次安排在首地址为 1000H 的存储单元中，每个时间常数 占据两个字节，低位地址存放时间常数低 8 位，高位地址存放时间常数高 8 位。 在程序中，设置加速，恒速，减速脉冲计数器 N0，N1，N2。以计数器的值是否为 0 作为 相应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图如下所示：47步进电机控制子程序： 开始中断初始 化设时间常数地址指针 首地址指向 1000H加速 减速 值 恒速脉冲计数器赋初送时间常数至计数器中N 开中断 启动定时器 中断 Y 返 回48步进电机控制中断服务程序： 中断服务程序入口送时间常 数步进电机 进一步N0=0 ？N1=0 ？ N1 N1-1 ←时间常数 地 址 指针 加 1N2=0 ？N0 N0-1←时间常数 地 址 指针 加 1关中断N2 N2-1←中断返回495.编语言程序设计 （1）内存地址分配 加速脉冲数计数器 N0 地址设为 20H； 恒速脉冲数计数器 N1 低 8 位字节地址为 21H，高 8 位字节地址位 22H； 减速脉冲数计数器 N2 地址位 23H。 加速，减速，恒速脉冲总数寄存器 N 低位字节地址位 24H，高位字节地址位 25H； 步进电机进给控制子程序 FEED 首地址位 0E80H。每调用一次该程序，步进电机按规定 方向进给一步。 （2）程序清单 N0 N1L N1H N2 NL NH DS EQU 20H EQU 21H EQU 22H EQU 23H EQU 24H EQU 25H EQU 26H ；地址指针偏移量 ;减速 ;脉冲总数寄存器 ;加速 ;恒速FEED EQU 0E80H ORG 0E00 E03 758901 器 0E06 7 7C E520 0E0E 23 0E0F 0E10 0E11 0E13 0E14 F8 C3 E524 98 F521 MOV N0，#01A4H MOV N2， #1A4H MOV A ， N0 RL A ；计算 2XN0 ；设 N0 为 320 0E00HSTART： MOV P，#60H MOV TMOD，#01H ；设计数器工作方式为 1，16 位定时MOV R0， A CLR C ；计算 N1=N-2N0MOV A， NL SUBB A， R0 MOV N1L， A500E16 0E18 0E1A 0E1C 0E1F 0E22 0E23 0E25 0E27 0E2 0E2A 0E2C 0E2E 0E30 0E32 0E34 0E37E525
F58C 0526 D2AF D2A9 D28C 20AFFD 22MOV A， NH SUBB A，#00H MOV N1H，A MOV DPTR， #1000H MOV DS， #00H MOVC A, @A+DPTR MOV TL0， A INC DS MOV A，DS MOVC A，@A+DPTR MOV TH0，A INC DS SETB EA SETB SETB ET0 TR0 ；开中断允许 ；允许定时器 0 中断 ；启动定时器 0 开始计算 ；中断允许返回 ；设时间常数指针初值为 1000H ；设地址偏移量初值为 00H ；从 EPROM 中读时间常数 ；送时间常数至定时器 0 中WAIT：JB EA，WAIT RET ORG 000BH中断服务程序： 000B 0F00 0F03 0F05 0F07 0F09 0F0A 0F0C 0F0E 0F10 0F12 0F15 02F00 93 F58A
E520 B400 E52LJMP 0F00H MOVC A，@A+DPTR MOV TL0， A INC DSMOV A，DS MOVC A，@A+DPTR MOV TH0， A INC ACALL MOV A， DS FEED ；修改地址偏移量指针 ；调 FEED 子程序N0 ；判断 N0 是否为 0CJNE A， #00H， LOOP1 MOV A， N1H ；判断 N1 是否为 0510F17 0F1A 0F1C 0F1F 0F21 0F24 0F26 0F27 0F29 0F2A 0F2C 0F2D 0F2F 0F31 0F33 0F35 0F37 0F38 0F3AB4 B4000B E523 B40014 C2AF 32 1 C3
1523 32CJNE A，#00H， LOOP2 MOV A，N1H CJNE A，#00H，LOOP2 MOV A，N2 判断 N2 是否为 0CJNE A，#00H，LOOP3 CLR RETI LOOP1：DEC N0 RETI LOOP2：MOV A，N1L CLR C SUBB A， #01H MOV N1L， A MOV A， N1H SUBB A，#00H MOV N1H，A RETI LOOP3：DEC N2 RETI ；N2 不为 0，则 N2←N2-1 ；N1 不为 0，则 N1←N1-1 ；N0 不为 0，则 N0←N0-1 EA ；N2 为 0 ，减速结束，关中断5 进给伺服系统概述 数控机床伺服系统的一般结构如图 3.1 所示：52图 3.1 数控机床进给系统伺服 由于各种数控机床所完成的加工任务不同， 它们对进给伺服系统的要求也不尽相同， 但 通常可概括为以下几方面： 可逆运行； 速度范围宽； 具有足够的传动刚度和高的速度稳定性； 快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。 伺服系统对伺服电机的要求： （1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如 0.1r /min 或更低速时，仍有平稳的速度而无爬行现象。 （2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺 服电机要求在数分钟内过载 4-6 倍而不损坏。 （3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有 尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受 4000rad/s 以上的角加速度的能力， 才能保证电机可在 0.2s 以内从静止启动到额定转速。 （4）电机应能随频繁启动、制动和反转。 随着微电子技术、 计算机技术和伺服控制技术的发展， 数控机床的伺服系统已开始采用 高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。 由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理数字 PID，使用灵活，柔性好。 数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提 高。 数控车床的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。 这也是数控车床区别于普通车床的 一个特殊部分。 数控车床的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反 馈环节等组成。 驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。 机械传动部件和执行元件组成 机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。 闭环控制方式通常是具有 位置反馈的伺服系统。 根据位置检测装置所在位置的不同， 闭环系统又分为半闭环系统和全 闭环系统。 半闭环系统具有将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。 前者把 丝杠包括在位置环内， 后者则完全置机械传动部件于位置环之外。 全闭环系统的位置检测装 置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定 位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差。532全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动 态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数， 而且还与机械传动部件的刚度、 阻尼特性、 惯性、 间隙和磨损等因素有很大关系， 故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才能满足系统的 要求。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。闭环系统中采用的位置检测 装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。 数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。 伺服电机有直流伺服电机和交 流伺服电机之分。 交流伺服电机由于具有可靠性高、 基本上不需要维护和造价低等特点而被 广泛采用。 直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷产生 的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动 机的容量和速度。 电动机的电枢在转子上， 使得电动机效率低， 散热差。 为了改善换向能力， 减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。 交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位， 并随着新技术的发展而不断完善， 具体体现在 三个方面。 一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展， 智能化功率模 块得到普及与应用； 二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟， 将促进先进控制算法的应用； 三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。54设计总结通过这次课程设计，加强了我们动手、思考和解决问题的能力。在这次课程设计作业 的过程中由于在设计方面我们没有经验， 理论基础知识掌握得不牢固， 在设计中难免会出现 这样那样的问题，如：在选择计算的时候可能会出现误差，在查表和计算上精度不够准确； 其次：在确定设计方案，拖了好久，同学在这方面的知识比较缺乏，幸好得到了老师和同学 们的指点，找到了方法，把问题解决了；再次，在轴的转速选择方面也比较薄弱，在同学的 帮助下逐步解决了。 这些都暴露出了前期我在这些方面知识的欠缺和经验的不足。 对于我来 说，收获最大的是方法和能力；那些分析和解决问题的能力。在整个课程设计的过程中，我 发现我们学生在经验方面十分缺乏，空有理论知识，没有理性的知识；有些东西可能与实际 脱节。总体来说，我觉得像课程设计这种类型的作业对我们的帮助还是很大的，它需要我们 将学过的相关知识系统地联系起来，从中暴露出自身的不足，以待改进！本次的课程设计，培养了我综合应用机械设计课程及其他课程的理论知识和理论联系 实际， 应用生产实际知识解决工程实际问题的能力； 在设计的过程中还培养出了我们的团队 精神，同学们共同协作，解决了许多个人无法解决的问题；在今后的学习过程中我们会更加 努力和团结。但是由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。55}