小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计说明书.docx

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小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计说明书

摘要

小型数控卧式镗铣床主轴箱沿着X轴升降。

数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的升降系统、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。

本文通过对小型数控卧式镗铣床主轴箱的机械系统、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。

本说明书简要明确的说明了小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置设计的过程及容，包括机械传动系统和电气控制系统的设计，其中机械传动系统部分包含了确定系统脉冲当量和切削力，滚珠丝杠螺母副的计算和选型，电机的计算和选型。

本次课程设计，主要设计和研究小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置及其电气原理图。

确定小型数控卧式镗铣床主轴箱升降的传动系统，并且选择了螺旋传动，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。

利用8031、6264、2764、373、8155、8255等MCS—51单片机设计其硬件电路图。

关键词：

滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；MCS—51单片机

摘要1

目录1

1.总体方案设计2

1.1机械传动方式2

1.2进给伺服系统的类型2

1.3电气控制系统方案设计2

2.主轴箱升降进给伺服系统设计计算3

2.1确定系统脉冲当量3

2.2确定系统切削力3

2.3滚动导轨副的计算和选型3

2.3.1滚动导轨副的额定寿命4

2.4滚珠丝杠螺母副的计算和选型5

2.4.1滚珠丝杠螺母副的计算5

2.5步进电机变速箱的选用9

2.6步进电机的计算与选型9

2.6.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量9

2.6.2初选步进电动机9

2.6.3步进电动机最大静转矩的选定12

2.6.4步进电动机的性能校核12

2.6.5起动频率的计算13

2.7联轴器的选型13

3.微机数控系统硬件电路设计15

3.1计算机系统15

3.2单片微机数控系统硬件电路设计容15

3.2.1绘制电气控制系统框图15

3.2.2选择CPU的类型16

3.2.3存储器扩展电路的设计16

3.2.4I/O接口电路设计16

3.3各类芯片简介17

3.3.189C51芯片简介17

3.3.2373芯片简介17

3.3.36264芯片简介17

3.3.428C64芯片简介18

3.3.582C55A芯片简介18

3.4存储器扩展电路设计18

3.4.1程序存储器ROM的扩展18

3.4.2数据存储器RAM的扩展19

3.4.3译码电路的设计19

3.5I/O接口电路的设计20

3.5.182C55A可编程接口芯片20

3.5.2键盘显示接口电路20

3.689C51的时钟电路21

3.7复位电路21

3.8越界报警电路21

3.9掉电保护电路22

3.10控制系统的功能22

3.11控制系统的工作原理22

1.总体方案设计

总体方案应考虑镗铣床系统的运动方式，进给伺服系统的类型，数控系统CPU的选择，以及进给传动方式和执行机构的选择等。

1.1机械传动方式

为了实现设计要求的分辨率，采用步进电机传动丝杠。

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，为提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。

1.2进给伺服系统的类型

小型卧式镗铣床应具有单坐标定位，两坐标直线插补，圆弧插补以及螺纹插补的功能，因此数控系统应设计成连续控制系统。

保证卧式镗铣床加工精度的前提下，应简化结构，降低成本。

因此，进给伺服系统采用步进电动机开环控制系统如下图1-1。

图1-1步进电机开环系统

1.3电气控制系统方案设计

单片机方案

根据设计要求，采用8位微机。

由于MCS—51系列单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强，高性价比等特点，故采用MCS—51系列的8031、80C31、8086、DSP、基于DSP的运动控制芯片，ARM嵌入式微处理器技术。

控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。

小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置电气控制系统单片机方案设计如图1-2所示。

图1-2小型数控卧式镗铣床主轴箱升降和制动装置电气控制系统单片机方案

2.主轴箱升降进给伺服系统设计计算

伺服系统机械部分设计计算容包括：

确定系统的脉冲当量、确定系统的负载、滚动导轨副的计算和选型，确定步进电动机，传动及导向元件的设计、计算及选用，绘制机械部分装配图等。

现分述如下：

2.1确定系统脉冲当量

一个进给脉冲，使运动部件产生的位移量，称为脉冲当量。

脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。

根据设计要求，二维运动平台采用的脉冲当量是0.01mm/step。

2.2确定系统切削力

根据设计要求，机床的切削负载为：

横向载荷Fx＝400N；进给方向载荷Fy＝600N；垂直载荷Fz＝1000N；主轴箱重G＝800N

2.3滚动导轨副的计算和选型

目前，滚动导轨在数控机床上的应用非常广泛，因为其摩擦系数小（0.0025～0.005）；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好，低速运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，故选滚动导轨。

滚动导轨的设计包括选择结构形式，确定预紧方式，计算和确定几何参数。

2.3.1滚动导轨副的额定寿命

1）作用于滚动直线导轨副工作载荷的计算

工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。

对于升降工作台，多采用双导轨、四滑块的支承结构。

常见的工作台滑块间距分布图及受力情况如图2-1所示。

图2-1导轨副滑块间距分布图及受力情况

采用双导轨，四滑块的支撑形式。

考虑最不利的情况，即垂直于工作台的最大垂直方向载荷为：

查表3-41，根据工作载荷

初选直线滚动导轨副的型号为KL系类的JSA-LG15型，其额定载荷Ca=7.94KN,额定静载荷Coa=9.5KN,选取导轨长度640mm。

2）滚动直线导轨副额定寿命L的计算

上述选取的KL系列TSA-LG15型导轨副的滚动导轨硬度60HRC,工作温度不超过600℃，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低载荷不大。

式中：

——硬度系数，

=1.0；

——温度系数，

=1.0；

——接触系数，

=0.81；

——精度系数，

=0.9；

——运转系数，按一般运转取

=1.2～1.5，计算取1.5；

带入数据得L=1047KM

远远大于期望值50KM，故距离额定寿命满足。

2.4滚珠丝杠螺母副的计算和选型

滚珠丝杠副已经标准化，因此滚珠丝杠螺母副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。

2.4.1滚珠丝杠螺母副的计算

1）计算进给牵引力

镗铣床受力分析如图2-2

图2-2镗铣床进给装置受力分析

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作用在导轨上的摩擦力，其数值大小和导轨的型式有关。

选用综合导轨，则进给牵引力：

式中：

K——颠覆力矩影响系数，查指导书表3-29综合导轨取K=1.15；

u——导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同。

滚动导轨u数值在0.003～0.005之间，取u=0.004；

——主轴箱总重。

——主轴箱配重，

。

代入数据得Fm=695.6N。

2）最大动负载FQ计算

选用滚珠丝杆副的直径时，必须保证在一定轴向负荷作用下，丝杠在回转15000h后，在它的滚道上不产生点蚀现象。

这个轴向负荷的最大值即为该滚珠丝杠能承受的最大动负荷FQ。

丝杆转速

=200/4=50（r/min）

丝杆寿命系数（以

转为1单位）

最大动负荷

式中：

——丝杠轴向当量负载；

——最大切削力下的进给速度200m/min

——滚珠丝杠导程，

=4mm；

——硬度系数，取1.0；

——载荷系数，按一般运转取

=1.2～1.5，计算取1.2；

——滚珠丝杆的使用寿命，取15000h；

所计算出来的最大动负荷

应小于滚珠丝杆的额定动载荷

。

验证所初步选择的滚珠丝杠螺母副是否符合要求。

（3）初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择博特精密丝杠制造生产的GD系列2004—3型滚珠丝杠副，为循环固定反向器双螺母式，其公称直径为20mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈X1列，精度等级取5级，螺母长度L＝72mm余程取16mm，额定动载荷为5243N，大于，满足要求。

（4）传动效率

滚珠丝杠螺母副的传动效率一般在0.8～0.9之间，由下式计算。

=95.5%

=arctan[/（）]=3.64°

式中：

公称直径=20mm，导程为4mm

——丝杠螺旋升角；

——摩擦角，滚珠丝杠螺母副的滚动摩擦系数

=0.003～0.004，其摩擦角约等于

。

（5）系统刚度验算

滚珠丝杆副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动平稳性。

因此，应考虑以下引起轴向变形的因素：

丝杠的拉伸或压缩变形量

、滚珠与螺纹滚道间接触变形

。

主轴箱升降进给滚珠丝杠副的支承方式草图如图2-2所示。

卧式镗铣床的主轴箱升降的滚珠丝杠副的支承采用“一端双推-端游动。

丝杠一端为双向推力球轴承一端深沟球轴承。

螺纹长度L1=400+72+2*16=504，取丝杠长螺纹500mm,上下两支中心距离L=600mm,丝杠全长为700mm。

丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的1/3，选择波形管防护装置。

图2-3主轴箱升降进给系统计算简图

式中：

E——丝杠的弹性惯量，钢取

；

——丝杠低径，查表3-31得17.1mm；

S——丝杠截面积，取

;

式中：

——丝杠预紧力，

——滚珠直径，查表3-31得2.381mm;

Z——单圈滚珠数，

由与该型号为单螺母，滚珠圈数×列数

为3×1所以滚珠总数为72。

根据以上计算得到滚珠丝杠的总体变形量：

在此次设计中,丝杠有效行程为400mm,由表3-27知，五级精度滚珠丝杠有效行程在315-400mm之间时，行成误差可达25μm，可见，丝杠刚度足够。

6）稳定性校核

滚珠丝杠属于受轴向力的细长杆，对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负荷时，应验算其是否产生弯曲失稳现象。

产生失稳的计算临界负载

=2013.6N≥

式中

——丝杠材料钢弹性模量，钢：

；

——截面惯性矩

，丝杠：

，

为丝杠螺纹的底径；

——丝杠两支承端距离

；

——丝杠支承方式系数，取

=0.25，由《机电一体化系统设计课程设计指导书》P42表3-34查取。

K——为压杆稳定安全系数，取K=3

故丝杠不失衡，是稳定的。

2.5步进电机变速箱的选用

根据式i=（）/（360）=1

——脉冲当量，取0.01mm/脉冲；

——滚珠丝杠的导程，取4mm；

——初选步进电机的补距角，取；

由于传动比为1，丝杠可与联轴器直接相连，不需减速箱。

2.6步进电机的计算与选型

2.6.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量

已知：

滚珠丝杠的公称直径=20mm，总长L=700mm，导程=4mm，材料密度=7.85XKg/；移动部件总重力G=800N，传动比i=1.

滚珠丝杠的传动惯量==0.863Kg·

主轴箱折算到丝杠的传动惯量==0.331Kg·

2.6.2初选步进电动机

初选步进电动机型号为90BYG2502，为两相混合式，由宝马集团公司生产，二相八拍驱动时步距角为，查的该型号电动机转子的转动惯量=4Kg·。

则加在不仅电动机转轴上的总转动惯量为：

=5.194Kg·

计算加在步进电动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负载两种情况进行计算。

1.快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：

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。

因为滚珠丝杠副传动效率很高，相对于和很小，可以忽略不计。

则有

考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转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，一般在0.3︿1s之间，取=0.4

其中：

式中——空载最快移动速度，任务书指定为600mm/min；

——步进电动机步距角，预选电动机为；

——脉冲当量，本例=0.01mm/脉冲。

将以上各值代入，算得150r/min

设步进电动机由静止到加速至转速所需要时间0.4s，传动链总效率

。

则：

×0.021N·m

移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

式中导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.004；

垂直方向的铣削力，空载时取0；

传动链总效率，取0.7。

得：

≈0.002N·m

最后，求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

0.023N·m

2.最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：

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时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还要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，相对于很小，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

0.94N·mFf=Fy+G=1400N

承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

0.005N·m

最后，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩应为：

0.945N·m

经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：

=0.945N·m

2.6.3步进电动机最大静转矩的选定

考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。

因此，根据来喧杂步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。

本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

≥4=3.78N·m

上述初选的步进电动机型号为90BYG2502，查的该型号电动机的最大静转矩。

可见，满足要求。

2.6.4步进电动机的性能校核

1最快工进速度时电动机输出转矩校核

任务书给定的最快工进速度。

200mm/min，脉冲当量，求出电动机对应的运行频率

从90BYG2502电动机的查指导书表4-7得在此频率下，电动机的输出转矩Tmax＞5.78N.M，远远大于最大工作负载转矩0.945N·m，满足要求

2最快空载移动时电动机输出转矩校核

任务书给定最快空载移动速度

，求出电动机对应的运行频率

。

查指导书表4-7得在此频率下，电动机的输出转矩

，大于快速空载起动时的负载转矩0.023N·m，满足要求。

3最快空载移动时电动机运行频率校核

最快空载移动速度

对应的电动机运行频率1000Hz，查表可知90GBY2502电动机的空载运行频率可达20000Hz，可见没有超

出上限。

2.6.5起动频率的计算

已知电动机转轴上的总转动惯量5.194Kg·，电动机转子的转动惯量电

动机步带任何负载时的空载起动频率。

则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：

上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1192Hz。

实际上，在采用软件升降频时，起动频率选更低，通常只有100Hz。

综上所述，本例中选用的90BYG2502步进电动机，完全满足设计要求。

2.7联轴器的选型

联轴器主要用来连接轴与轴，以传递运动和转矩，此外联轴器还具有补偿两轴的相对位移，缓冲和减震，以及安全防护等功能。

根据电动机的输出轴的直径14mm，丝杠直径20mm。

选挠性联轴器型号为：

SRJ.40CL=66,A=40

3.微机数控系统硬件电路设计

3.1计算机系统

微机数控系统由CPU，存储器扩展电路，I/O接口电路，驱动电机驱动电路，检测电路等几部分组成。

微机是数控系统的核心，其他装置都是在微机的指挥进行工作的。

系统的功能和系统中所用的微机直接相关。

数控系统对微机的要多方面的，但主要指标是字长和速度。

字长不仅影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工的精度和运算精度。

字长较长的计算机，价格显著上升，而字长较短的计算机，要进行双字长和三字长的运算，就会影响速度，根据机床要求，综合考虑采用8位微机。

由于MCS-51系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，具有很高的性价比特点，决定采用MCS-51系列的89C518031单片机扩展系统。

控制系统由微机部分，键盘、显示器、I/O接口及光电隔离电路，步进电机功率放大电路等几部分组成。

系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用LED显示器。

3.2单片微机数控系统硬件电路设计容

3.2.1绘制电气控制系统框图

数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础，有了硬件软件才能有效的运行。

驱动器

图3-1机床数控系统硬件框图（半闭环系统）

机床硬件电路图由以下几部分组成：

1.主控制器，即CPU

2.总线，包括数据，地址，控制总线

3.存储器ROM，RAM

4.接口，即I/O接口电路

5.外设，如键盘，显示器及光电输入机等。

3.2.2选择CPU的类型

目前在经济型数控机床中，推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器

3.2.3存储器扩展电路的设计

存储器扩展电路应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。

在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量问题

存储器扩展电路设计包括程序存储器和数据存储器的扩展。

3.2.4I/O接口电路设计

此次设计容包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘显示电路以及其他辅助电路的设计（例如离合器控制电路，越界报警电路，复位电路等）

3.3各类芯片简介

3.3.189C51芯片简介

Vss：

接地

VCC：

+5伏电压

XTAL1：

部振荡电路反向放大器输入端

XTAL2：

部振荡电路反向放大器输出端

RST/VPD：

复位/备用电源

ALE/PROG：

锁存/接收编程脉冲

PSEN：

外部程序存储器读选通信号输出端

EA/VPP：

EA为部程序存储器和外部程序存储起选择端，对于8031始终保持低电平；VPP为在EPROM编程期间加21伏编程电压

P0.0～P0.7：

在访问外存时，分时传送低8位地址和数据总线

P1.0～P1.7：

8位准双向I/O口，每一位都可作为可编程的输入或输出线

P2.0～P2.7：

8位准双向I/O口，访问外存时输出高8位地址

P3.0～P3.7：

8位准双向I/O口及第二功能口

3.3.2373芯片简介

D0～D7：

数据输入端

Q0～Q7：

数据输出端

LE：

锁存信号输入端

OE：

锁存信号输出端

3.3.36264芯片简介

A0～A12：

地址线

I/O0～I/O7：

双向数据线

CE1：

片选线1

CE2：

片选线2

WE：

写允许线

OE：

读允许线

3.3.428C64芯片简介

A0～A12：

地址线

I/O0～I/O7：

数据输出线

CE：

片选线

OE：

数据输出选通线

PGM：

编程脉冲

VPP：

编程电压

3.3.582C55A芯片简介

RESET：

由CPU提供复位信号

CS：

片选信号

RD：

为主机发来的读数脉冲输入端

WR：

为主机发来的读数脉冲输入端

A1、A0：

端口选择信号

3.4存储器扩展电路设计

MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑，对简单的应用场合MCS-51系列的最小系统用一片89C51外扩一片EPROM就能满足功能的要求。

对于复杂的应用场合，可利用MCS-51的扩展功能，构成功能强，规模大的系统。

3.4.1程序存储器ROM的扩展

MCS-51的程序存储器的寻址空间为64KB。

用作程序存储器的器件是EPROM。

（1）、16位地址总线的扩展

由于P0口分时传送低字节地址和数据，所以接入74LS373锁存器，89C51的ALE接373的LE，373的OE接地，使373常输出。

74LS373的输出口Q与P2口一起扩展出16位地址总线AB，其高三位A13、A14、A15分别与138的A、B、C引脚相连。

（2）、地址线的连接

根据设计要求，需要扩展两片28C64。

两片28C64的地址线分别与地址总线AB相连。

（3）、数据线的连接

两片存储器的8位数据线分别与数据总线DB按位依次相连。

（4）、控制线的连接

89C51PSEN与EPROM的OE相连；89C51的EA接地；28C64

（1）的OE与138Y1相连，28C64

（2）的OE与138Y2相连。

3.4.2数据存储器RAM的扩展

由于89C51芯片部RAM只有128字节，远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器RAM，选择6264芯片即可满足设计要求。

6264的连接和28C64大致相同，唯控制信号线的连接不同；6264的OE，WE与89C51的RD，WR相连，CE与138的Y0相连，CE2高电平有效。

3.4.3译码电路的设计

89C51单片机允许扩展64KROM和64KRAM（包括I/O借口芯片）

（1）、MCS-51单片机应用系统中的地址译码规则

第一：

ROM与RAM独立编址

ROM地址和RAM地址可以重叠使用，都从0000H～FFFFH。

地址的重复靠片选信号和控制信号区分。

第二：

外围I/O与RAM、ROM的统一编址

外围I/O不仅占用RAM的单元，而且使用RAM的读/写指令，本次课程设计采用统一编址。

（2）、地址译码法

常用地址的译码方法有线选法和全地址译码，在这里选择全地址译码。

对于容量较大的的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用全地址译码的方法。

通常采用3-8译码器（74F138）。

输入端占用3根最高地址线，剩余的13根低位地址线可作为片的地址线。

74F138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。

3.5I/O接口电路的设计

89C51单片机共有4个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口和部分P3口，因此在大部分应用系统中都需要扩展I/O口芯片，本扩展系统采用82C55A芯片。

3.5.182C55A可编程接口芯片

82C55A是INTER公司开发的可编程输入输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位和低4位，他们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式，82C55A可与89C51直接连接。

（1）、82C55A的三种工作方式

方式0：

基本输入输出方式

方式1：

应答式输入输出工作方式

方式2：

应答式双向输入输出工作方式（仅A0口可选此种方式，此时C口