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山東大學
畢業(yè)設(shè)計（論文）
題目：立式升降臺數(shù)控銑床設(shè)計計算及編程
專 業(yè)： 機電一體化工程
學 生：
準考證號：
指導(dǎo)老師：_____________________ ____
畢業(yè)設(shè)計（論文）時間： 年 月 日～ 年 月 日
山東大學畢業(yè)設(shè)計（論文）
摘要
隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入自適應(yīng)控制﹑模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機理，不但具有自動編程﹑前饋控制﹑模糊控制﹑學習控制﹑自適應(yīng)控制﹑工藝參數(shù)自動生成﹑三維刀具補償﹑運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ?，而且人機截面極為友好，并且有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動和智能化進給伺服裝置，能自動識別負載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。直線電機驅(qū)動系統(tǒng)以使用化。
三坐標數(shù)控銑床的進給運動是數(shù)字控制的直接對象，不論點位控制還是連續(xù)控制，被加工工件的最后坐標精度和輪廓精度都受到進給運動的傳動精度﹑靈敏度和穩(wěn)定性的影響。為此，要注意以下三點進給運動要求：
(1) 減少運動件的摩擦力。進給系統(tǒng)雖有許多元件，但摩擦阻力主要來自絲杠和導(dǎo)軌,絲杠和導(dǎo)軌結(jié)構(gòu)的滾動化是減少摩擦的重要措施之一。
(2) 提高傳動精度和剛度。在進給系統(tǒng)中滾珠絲杠和支承結(jié)構(gòu)是決定其傳動精度和剛度的主要部件，因此，必須首先保證它們的加工精度。
(3) 減少運動慣量。進給系統(tǒng)中每個元件的慣量對伺服機構(gòu)的啟動和制動特性都有直接的影響,尤其是處于高速運轉(zhuǎn)的零件，其慣性的影響更大。
設(shè)計是在原有普通銑床的基礎(chǔ)上,對其進行改造,成為三坐標數(shù)控銑床。該機床能通過三軸聯(lián)動，實現(xiàn)曲線直線等不同的加工路線。
所設(shè)計的三坐標數(shù)控銑床，三個坐標方向的移動均由步進電機帶動，主軸電機采用交流電機，所有電機均由單片機進行控制。
此設(shè)計主要對數(shù)控銑床的機構(gòu)進行設(shè)計，了解單片機的工作原理，主要有以下幾個方面：X、Y、Z工作臺的傳動機構(gòu)設(shè)計，主要是滾珠絲杠的運用；機床整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，了解優(yōu)缺點，充分考慮主要矛盾，擇優(yōu)選??；單片機控制系統(tǒng)的設(shè)計，進一步熟悉其應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 三坐標銑床， 設(shè)計計算， 控制系統(tǒng)， 編程
ABSTRACT
As the field of artificial intelligence in computer penetration and development, the introduction of Adaptive Control, CNC fuzzy systems and neural network control mechanism, not only has the automatic feedforward control programming ,Learning Control, Fuzzy Control, Adaptive Control, Parameter Automatic generated three-dimensional tool compensation,features such as motion parameters of dynamic compensation, and human-machine section is extremely friendly, and there is fault diagnosis expert system enables self-diagnosis and fault monitoring functions even better. AC spindle servo system of intelligent servo drive and intelligence into the device can automatically identify the load and automatically adjust the parameters optimized.
Linear motor drive system to use the technology.
D NC milling machine is digitally controlled feed motion of the direct object, regardless of position control or continuous control, the final coordinates of the workpiece to be machined precision and contour accuracy are subject to the movement of the drive into the accuracy of the sensitivity and stability. To this end, we should note the following three feed motion requirements:
(1) Reduce the moving parts of the friction. Although many components into a system, but mainly from the screw and guide rail friction, screw and rolling guide structure is the one of the important measures to reduce friction.
(2) To improve transmission accuracy and rigidity. In the ball screw feed system and the supporting structure is the driving accuracy and rigidity of its major components, therefore, must first ensure their accuracy.
(3) Reduce the movement of inertia. Feed system inertia of each component of the servo start-up and braking characteristics have a direct impact, especially in high-speed operation of the parts, the inertia of more.
General milling machine in the original design is based on the conduct of its transformation into coordinate CNC milling machine. The three-axis machine tool through the linkage, and curve lines, such as different processing routes.
CNC milling machine designed to coordinate the three coordinate directions of movement by the step motor to drive the spindle motor AC motor, all motor control by the microcontroller.
The design of the main body of the CNC milling machine design, understanding of microcontroller works, mainly in the following areas: X, Y, Z table of the driving mechanism, mainly the use of ball screws; machine tool structural design, understanding of strengths and weaknesses, take full account of the principal contradiction, merit selection; microcomputer control system, become more familiar with their application.
Key words: coordinate milling machine, design and calculation, control systems, programming
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 數(shù)控銑床的分類 1
1.2 數(shù)控銑床的組成及特征 2
1.3 數(shù)控銑床的主要功能及應(yīng)用 5
第2章 設(shè)計主要參數(shù)及基本思想 6
2.1 課題要求 6
2.2 設(shè)計原則 7
2.3 總結(jié)構(gòu)設(shè)計 7
第3章 立式數(shù)控銑床的設(shè)計和計算 9
3.1 主傳動系統(tǒng)的設(shè)計 9
3.2 主軸系統(tǒng)計算 14
3.3 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計 16
3.4 進給傳動的計算 18
第4章 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計 30
4.1 微機控制系統(tǒng)組成及特點 30
4.2 微機控制系統(tǒng)設(shè)備介紹 31
4.3 程序部分 36
結(jié)論 40
參考文獻 41
致謝 42
山東大學畢業(yè)設(shè)計（論文）
第1章 概論
數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,兩者的加工工藝基本相同,結(jié)構(gòu)也有些相似,但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動加工機床。
1.1數(shù)控銑床的分類
1.1.1按主軸布置形式分類
（1）立式數(shù)控銑床
????立式數(shù)控銑床的主軸軸線與工作臺面垂直，是數(shù)控銑床中最常見的一種布局形式。立式數(shù)控銑床一般為三坐標 （ X 、 Y 、 Z ）聯(lián)動 , 其各坐標的控制方式主要有以下兩種：
1 ）工作臺縱、橫向移動并升降，主軸只完成主運動。目前小型數(shù)控銑床一般采用這種方式 。
2 ） 工作臺縱、橫向移動，主軸升降。這種方式一般運用在中型數(shù)控銑床中 。立式數(shù)控銑床結(jié)構(gòu)簡單，工件安裝方便，加工時便于觀察，但不便于排屑。
（2）臥式數(shù)控銑床
臥式數(shù)控銑床的主軸軸線與工作臺面平行，主要用來加工箱體類零件。一般配有數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺以實現(xiàn)四軸或五軸加工，從而擴大功能和加工范圍。臥式數(shù)控銑床相比立式數(shù)控銑床，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在加工時不便觀察，但排屑順暢。
（3）立臥兩用數(shù)控銑床
立臥兩用數(shù)控銑床的主軸軸線可以變換，使一臺銑床具備立式數(shù)控銑床和臥式數(shù)控銑床的功能。這類機床適應(yīng)性更強，應(yīng)用范圍更廣，尤其適合于多品種、小批量又需立臥兩種方式加工的的情況，但其主軸部分結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。
1.1.2按數(shù)控系統(tǒng)的功能分類
（1）經(jīng)濟型數(shù)控銑床
經(jīng)濟型數(shù)控銑床一般是在普通立式銑床或臥式銑床的基礎(chǔ)上改造而來的，采用經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)，成本低，機床功能較少，主軸轉(zhuǎn)速和進給速度不高，主要用于精度要求不高的簡單平面或曲面零件加工。
（2）全功能數(shù)控銑床
????全功能數(shù)控銑床一般采用半閉環(huán)或閉環(huán)控制，控制系統(tǒng)功能較強，數(shù)控系統(tǒng)功能豐富，一般可實現(xiàn)四坐標或以上的聯(lián)動，加工適應(yīng)性強，應(yīng)用最為廣泛 。
（3）高速銑削數(shù)控銑床
???? 我們一般把主軸轉(zhuǎn)速在 8000 ～ 40000 r/min 的數(shù)控銑床稱為高速銑削數(shù)控銑床，其進給速度可達 10 ～ 30 m/min，這種數(shù)控銑床采用全新的機床結(jié)構(gòu)（主體結(jié)構(gòu)及材料變化）、功能部件（電主軸、直線電機驅(qū)動進給）和功能強大的數(shù)控系統(tǒng)，并配以加工性能優(yōu)越的刀具系統(tǒng)，可對大面積的曲面進行高效率、高質(zhì)量的加工。高速銑削是數(shù)控加工的一個發(fā)展方向，目前，其技術(shù)正日趨成熟，并逐漸得到廣泛應(yīng)用，但機床價格昂貴，使用成本較高。
1.2數(shù)控銑床的組成及特征
1.2.1數(shù)控銑床的組成
數(shù)控銑床的組成及結(jié)構(gòu)如圖1.1所示。
圖1.1
1-X向?qū)к壏雷o 2-Y軸伺服驅(qū)動 3-Z向?qū)к壏雷o 4-立柱 5-冷卻水箱 6-底座 7-Y向?qū)к壏雷o????? 8-工作臺 9-十字滑臺 10-X軸伺服驅(qū)動 11-操縱臺 12-主軸箱 13-主軸總成 14-Z軸伺服驅(qū)動
（1）輔助裝置 如液壓、氣動、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護等裝置。
（2）主軸箱 包括主軸箱體和主軸傳動系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對加工有直接的影響。
（3）控制系統(tǒng) 數(shù)控銑床運動控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機床進行加工。
（4）機床基礎(chǔ)件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個機床的基礎(chǔ)和框架。
（5）進給伺服系統(tǒng) 由進給電機和進給執(zhí)行機構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進給速度實現(xiàn)刀具和工件之間的相對運動，包括直線進給運動和旋轉(zhuǎn)運動
1.2.2數(shù)控銑床的結(jié)構(gòu)特征
⑴控制機床運動的坐標特征 為了要把工件上各種復(fù)雜的形狀輪廓連續(xù)加工出來，必須控制刀具沿設(shè)定的直線、圓弧或空間的直線、圓弧軌跡運動，這就要求數(shù)控銑床的伺服拖動系動能在多坐標方向同時協(xié)調(diào)動作，并保持預(yù)定的相互關(guān)系，也就是要求機床應(yīng)能實現(xiàn)多坐標聯(lián)動。數(shù)控銑床要控制的坐標數(shù)起碼是三坐標中任意兩坐標聯(lián)動，要實現(xiàn)連續(xù)加工直線變斜角工件，起碼要實現(xiàn)四坐標聯(lián)動，而若要加工曲線變斜角工件，則要求實現(xiàn)5坐標聯(lián)動。因此，數(shù)控銑床所配置的數(shù)控系統(tǒng)在檔次上一般都比其他數(shù)控機床相應(yīng)更高一些。?
⑵數(shù)控銑床的主軸特征 現(xiàn)代數(shù)控銑床的主軸開啟與停止，主軸正反轉(zhuǎn)與主軸變速等都可以按程序介質(zhì)上編入的程序自動執(zhí)行。不同的機床其變速功能與范圍也不同。有的采用變頻機組(目前已很少采用)，固定幾種轉(zhuǎn)速，可任選一種編入程序，但不能在運轉(zhuǎn)時改變；有的采用變頻器調(diào)速，將轉(zhuǎn)速分為幾檔，程編時可任選一檔，在運轉(zhuǎn)中可通過控制面板上的旋鈕在本檔范圍內(nèi)自由調(diào)節(jié)；有的則不分檔，程編可在整個調(diào)速范圍內(nèi)任選一值，在主軸運轉(zhuǎn)中可以在全速范圍內(nèi)進行無級調(diào)整，但從安全角度考慮，每次只能調(diào)高或調(diào)低在允許的范圍內(nèi)，不能有大起大落的突變。在數(shù)控銑床的主軸套筒內(nèi)一般都設(shè)有自動拉、退刀裝置，能在數(shù)秒種內(nèi)完成裝刀與卸刀，使換刀顯得較方便。此外，多坐標數(shù)控銑床的主軸可以繞X、Y或Z軸作數(shù)控擺動，也有的數(shù)控銑床帶有萬能主軸頭，擴大了主軸自身的運動范圍，但主軸結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。
數(shù)控銑削加工除了具有普通銑床加工的特點外，還有如下特點：
1）零件加工的適應(yīng)性強、靈活性好，能加工輪廓形狀特別復(fù)雜或難以控制尺寸的零件，如模具類零件、殼體類零件等。
2）能加工普通機床無法加工或很難加工的零件，如用數(shù)學模型描述的復(fù)雜曲線零件以及三維空間曲面類零件。
3）能加工一次裝夾定位后，需進行多道工序加工的零件。
4）加工精度高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠。
5）生產(chǎn)自動化程序高，可以減輕操作者的勞動強度。有利于生產(chǎn)管理自動化。
6）生產(chǎn)效率高。
7）從切削原理上講，無論是端銑或是周銑都屬于斷續(xù)切削方式，而不像車削那樣連續(xù)切削，因此對刀具的要求較高，具有良好的抗沖擊性、韌性和耐磨性。
1.3數(shù)控銑床的主要功能及應(yīng)用
1.3.1數(shù)控銑床的主要功能
各種類型數(shù)控銑床所配置的數(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）點位控制功能
此功能可以實現(xiàn)對相互位置精度要求很高的孔系加工。
（2）連續(xù)輪廓控制功能
此功能可以實現(xiàn)直線、圓弧的插補功能及非圓曲線的加工。
（3）刀具半徑補償功能
此功能可以根據(jù)零件圖樣的標注尺寸來編程，而不必考慮所用刀具的實際半徑尺寸，從而減少編程時的復(fù)雜數(shù)值計算。
（4）刀具長度補償功能
此功能可以自動補償?shù)毒叩拈L短，以適應(yīng)加工中對刀具長度尺寸調(diào)整的要求。
（5）比例及鏡像加工功能
比例功能可將編好的加工程序按指定比例改變坐標值來執(zhí)行。鏡像加工又稱軸對稱加工，如果一個零件的形狀關(guān)于坐標軸對稱，那么只要編出一個或兩個象限的程序，而其余象限的輪廓就可以通過鏡像加工來實現(xiàn)。
（6）旋轉(zhuǎn)功能
該功能可將編好的加工程序在加工平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)任意角度來執(zhí)行。
（7）子程序調(diào)用功能
有些零件需要在不同的位置上重復(fù)加工同樣的輪廓形狀，將這一輪廓形狀的加工程序作為子程序，在需要的位置上重復(fù)調(diào)用，就可以完成對該零件的加工。
（8）宏程序功能
該功能可用一個總指令代表實現(xiàn)某一功能的一系列指令，并能對變量進行運算，使程序更具靈活性和方便性。
1.3.2數(shù)控銑床的應(yīng)用
與數(shù)控車削相比，數(shù)控銑床有著更為廣泛的應(yīng)用范圍，能夠銑削加工各種平面、斜面輪廓和立體輪廓零件，還能夠進行外形輪廓銑削、曲面型腔銑削及三維復(fù)雜型面的銑削，如各種凸輪、模具等，若再添加圓工作臺等附件（此時變?yōu)樗淖鴺耍?，則應(yīng)用范圍將更廣，可用于加工螺旋槳、葉片等空間曲面零件。配上相應(yīng)的刀具還可進行鉆、擴、鉸、锪、鏜孔和攻螺紋等。此外，隨著高速銑削技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控銑床可以加工形狀更為復(fù)雜的零件，精度也更高 。
第2章 設(shè)計主要參數(shù)及基本思想
2.1 課題要求
2.1.1 題目名稱（包括主要技術(shù)參數(shù)）及技術(shù)要求
立式升降臺數(shù)控銑床
（1）Z軸的行程分別為 300、300、250mm;
（2）進給精度 0.01mm；
（3）X、Y、Z軸快速進給速度分別為 6、6、3m/min；
（4）工作臺面尺寸 300x500mm;
（5）脈沖當量 0.01mm/步；
（6）重復(fù)定位精度 0.01mm.
2.1.2 課題內(nèi)容及工作量
(1)簡易數(shù)控銑床總圖A0一張
(2) 電氣控制原理圖A0一張
(3) 主軸裝配圖A0一張
(4) 計說明書一份18000字左右
(5) 上機編程100句以上
注：全部圖紙用計算機繪制，說明書由計算機輸出。
2.2 設(shè)計原則
根據(jù)設(shè)計要求和銑床的具體情況，課題的基本設(shè)計方案如下：
（1）機床采用連續(xù)控制系統(tǒng)，定位方式采用增量坐標控制。
（2）考慮到機床加工精度要求不高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。
（3）進給傳動的設(shè)計是機床設(shè)計的重點，數(shù)控機床必須有精確的進給傳動系，才會有高的精度和表面質(zhì)量?？紤]到電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標準選用，為達到分辨率0.01mm的要求，需采用齒輪降速傳動，利用電子控制系統(tǒng)消除誤差。
（4）為了保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性，又要求機構(gòu)緊湊，所以選用絲杠螺母副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。
（5）傳動系統(tǒng)要加上脈動裝置。
以上為基本的設(shè)計方案，除了這些，課題應(yīng)注意機床的幾何精度的修正，數(shù)控指令的顯示和使用等。
2.3 總結(jié)構(gòu)設(shè)計
2.3.1 數(shù)控機床的機構(gòu)設(shè)計要求
數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計要求主要有以下方面:
（1）有良好的抗振性能和很大的額定切削功率、高的靜、動態(tài)剛度；
（2）有較高的熱穩(wěn)定性和較高的幾何精度、傳動精度、定位精度；
（3）有數(shù)控系統(tǒng)及其介質(zhì)。
2.3.2 提高機床的結(jié)構(gòu)剛度
機床的剛度是指切削力和其它力作用下,抵抗變形的能力。機床在切削過程當中，要承受各種外力的作用，承受的靜態(tài)力有運動部件和被加工零件的自重；承受的動態(tài)力有：切削力、驅(qū)動力、加減速時引起的慣性力、摩擦阻力等。組成機床的結(jié)構(gòu)部件在這種力作用下將產(chǎn)生變形。如固定連接表面或嚙合運動表面的接觸變形；各支撐零件不得彎曲和扭轉(zhuǎn)變形，以及某些支撐件的局部變形等，這些變形都會直接或間接的引起刀具和工件之間的相對位移，從而導(dǎo)致工件的加工誤差，或者影響機床切削過程的特性。
(1)選擇及布置隔板和筋條
床身的靜剛度是直接影響機床的加工精度和其生產(chǎn)率的主要因素之一。而靜剛度及固有頻率，是影響動剛度的重要因素。支承件的隔板和筋條的合理性，可提高構(gòu)件的靜、動剛度。
(2)結(jié)構(gòu)剛度
與普通機床相比，數(shù)控機床應(yīng)有更高的靜、動剛度，更好的抗振性。機床的導(dǎo)軌和支承件往往是局部剛度最弱的部分，在本次設(shè)計中，采用雙臂聯(lián)接形式，X、Y軸導(dǎo)軌較窄。
(3)采用焊接結(jié)構(gòu)的構(gòu)件
采用鋼板和型鋼而不采用鑄件的原因：
1）鋼的彈性模量約為鑄鐵的兩倍，因此采用鋼板焊接結(jié)構(gòu)床身有利于提高固有頻率。在形狀和輪廓尺寸相同的前提下，如要求焊接件與鑄件的剛度相同，則焊接件的臂厚只需鑄件的一半。
2）如果要求局部剛度相同，因局部剛度與臂厚的三次方成正比，所以焊接件的臂厚只需鑄件的80%左右。
3）鋼可以提高構(gòu)件的諧振頻率使共振不易發(fā)生。
4）鋼板焊接能將構(gòu)件做成全封閉的箱形結(jié)構(gòu)，提高剛度。焊接結(jié)構(gòu)床身的突出優(yōu)點是制造周期短，一般比鑄鐵快1.7-3.5倍。省去了制作木模和鑄造工序，不易出廢品。焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計靈活，便于產(chǎn)品更新、改進結(jié)構(gòu)。焊接件能達到與鑄件相同，甚至更好的結(jié)構(gòu)特性，可提高抗彎截面慣性矩，減少質(zhì)量。
合理的結(jié)構(gòu)布局可以提高剛度，機床的工作頭部分由于重力作用將會使機床立柱產(chǎn)生彎曲變形，切削力將使立柱產(chǎn)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。這些變形將影響到加工精度。故本次設(shè)計中將采取通過在立柱上方安裝兩組定滑輪來平衡重力的方法，來減少立柱的變形，提高機床的剛度。
2.3.3 提高進給運動的平穩(wěn)性和精度
數(shù)控機床各坐標軸進給運動的精度極大的影響零件的加工精度。在開環(huán)進給系統(tǒng)中運動精度取決于系統(tǒng)各組成環(huán)節(jié)，特別是機械傳動部件的精度；在閉環(huán)和半閉環(huán)進給系統(tǒng)中，位置監(jiān)測裝置的分辨率對運動精度有決定性的影響，但是機械傳動部件的特性對運動精度也有一定的影響。通常在開環(huán)進給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當量為0.01mm時，實際的定位精度最好的情況也只能達到0.025。在閉環(huán)進給系統(tǒng)中，設(shè)定的脈沖當量（或稱最小設(shè)定單位）一般為0.001mm，實際上定位精度只能達到0.003mm，當指令進給系統(tǒng)做單步進給（即每次移動0.001mm）時，開始一兩個單步指令，進給部件并不動作，到第三個單步指令時才突跳一段距離，以后又如此重復(fù)。這些現(xiàn)象都是因為進給系統(tǒng)的低速爬行現(xiàn)象引起的，而低速爬行現(xiàn)象又決定于機械傳動部件的特性。
本設(shè)計采取的方案有：（1）減少靜、動摩擦系數(shù)之差（2）提高系統(tǒng)的傳動剛度。
第3章 立式數(shù)控銑床的設(shè)計和計算
3.1主傳動系統(tǒng)的設(shè)計
主傳動系統(tǒng)一般由動力源（如電動機）、變速裝置及執(zhí)行元件（如主軸、刀架、工作臺），以及開停、換向和制動機構(gòu)等部分組成。動力源給執(zhí)行元件提供動力，并使其得到一定的運動速度和方向,變速裝置傳遞動力以及變換運動速度，執(zhí)行元件執(zhí)行機床所需的運動，完成旋轉(zhuǎn)或直線運動。
現(xiàn)代切削加工正朝著高速、高效和高精度方向發(fā)展，對機床的性能提出越來越高的要求，如轉(zhuǎn)速高，調(diào)速范圍大，恒扭矩調(diào)速范圍達1：100～1：1000，恒功率調(diào)速范圍達1：10以上；更大的功率范圍達2.2～250kW，能在切削加工中自動變換速度；機床結(jié)構(gòu)簡單，噪聲小，動態(tài)性能好，可靠性高等。數(shù)控機床主傳動設(shè)計應(yīng)滿足如下特點：
（1）動采用直流或交流電動機無級調(diào)速
（2）數(shù)控機床驅(qū)動電動機和主軸功率特性的匹配設(shè)計
（3）數(shù)控機床高速主傳動設(shè)計
（4）數(shù)控機床采用部件標準、模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計
（5）數(shù)控機床的柔性化、復(fù)合化
（6）虛擬軸機床設(shè)計
為了適應(yīng)數(shù)控機床加工范圍廣、工藝適應(yīng)性強、加工精度高和自動化程度高等特點，要求主傳動裝置應(yīng)具有以下特點：
（1）具有較大的調(diào)速范圍，并實現(xiàn)無級調(diào)速。無機變速傳動在一定的變速范圍內(nèi)連續(xù)改變轉(zhuǎn)速，以便得到最有利的切削速度；能在運轉(zhuǎn)中變速，便于實現(xiàn)變速自動化；能在負載下變速，便于車削大端面時保持恒定的切削速度，以提高生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。
（2）具有較高的精度和剛度，傳動平穩(wěn)，噪音低。數(shù)控機床加工精度的提高，與主傳動系統(tǒng)的剛度密切相關(guān)。為此，應(yīng)提高傳動件的精度與剛度，采用高精度軸承及合理的支撐跨距等，以提高主軸組件的剛性。
（3）良好的抗振興和熱穩(wěn)定性。數(shù)控機床一般既要進行粗加工，又要精加工；加工時可能由于斷續(xù)切削、加工余量不均勻 運動部件不平穩(wěn)以及切削過程中的自激振動等原因引起的沖擊力或交變力的干擾，使主軸產(chǎn)生振動，影響加工精度和表面粗糙度，嚴重時甚至破壞刀具或零件，使加工無法進行。因此主傳動系統(tǒng)中的各主要零部件不但要具有一定的剛度，而且要求具有足夠的抑制各種干擾力引起振動的能力—抗振性。抗振性用動剛度或動柔度來衡量。例如主軸組件的動剛度取決于主軸的當量靜剛度 阻尼比及固有頻率等參數(shù)。
機床在切削加工中主傳動系統(tǒng)的發(fā)熱使其中所有零部件產(chǎn)生變形，破壞了零部件之間的相對位置精度和運動精度造成的加工誤差，且熱變形限制了切削用量的提高，降低傳動效率，影響到生產(chǎn)率。為此，要求主軸部件有較高的熱穩(wěn)定性，通過保持合適的配合精度，并進行循環(huán)潤滑保持熱平衡等措施來實現(xiàn)。
3.1.1 主傳動變速系統(tǒng)
普通機床一般采用機械有級變速調(diào)速傳動，而數(shù)控機床需要自動變速；且在切削階梯軸的不同直徑，且削曲線旋轉(zhuǎn)面和斷面時，需要隨切削的直徑的變化而自動變速，以保持切削速度基本恒定。這些自動變速又是無級變速，以利于在一定的調(diào)速范圍內(nèi)選用到理想的切削速度，這樣既有利于提高加工精度，又有利于提高切削效率。
機床主傳動中常采用得無級變速裝置有三大類：變速電動機、機械無級變速裝置和液壓無級變速裝置。
無級變速主傳動系設(shè)計原則：
一為盡量選擇功率和扭矩特性符合傳動系要求的無級變速裝置。如銑床主傳動系要求恒功率傳動，就應(yīng)選擇恒功率無級變速裝置。二為無級變速系統(tǒng)裝置單獨使用時，其調(diào)速范圍較小，尤其是恒功率調(diào)速范圍往往小于機床實際需要的恒功率變速范圍。為此，常把無級變速裝置宇機械分級變速箱串聯(lián)在一起使用，以擴大恒功率變速范圍和整個變速范圍。
（1）主軸部件設(shè)計
主軸部件的性能要求
主軸部件是機床主要部件之一，它是機床的執(zhí)行元件。他的功用是支承并帶動工件或刀具旋轉(zhuǎn)進行切削，承受切削力和驅(qū)動力等載荷，完成表面成型運動。主軸部件由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。
主軸部件的工作性能對整機性能和加工質(zhì)量以及機床生產(chǎn)效率有著直接影響，是決定機床性能和技術(shù)經(jīng)濟指標的重要因素。因此，對主軸部件有如下要求：
1）軸的旋轉(zhuǎn)精度是指裝配后，在無載荷、低速轉(zhuǎn)動的條件下，主軸安裝工件或刀具部位的定心表面（如車床軸端的定心短錐、錐孔，銑床軸端的7：24錐孔）的徑向和軸向跳動。旋轉(zhuǎn)精度取決于的主要件如主軸、軸承、殼體孔等的制造、裝配和調(diào)整精度。工件轉(zhuǎn)速下的旋轉(zhuǎn)精度還取決于主軸的轉(zhuǎn)速、軸承的性能，潤滑劑和主軸組件的平衡。
2 ）剛度 主軸部件的剛度是指其在外載荷作用下抵抗變形的能力，通常以主軸前端產(chǎn)生單位位移的彈性便形時，在位移方向上所施加的作用力來定義的。主軸部件的剛度是綜合剛度，它是主軸、軸承等剛度的綜合反映。因此，主軸的尺寸和形狀、滾動軸承的類型和數(shù)量、預(yù)緊和配置形式、傳動件的布置方式、主軸部件的制造和裝配質(zhì)量等都影響主軸部件的剛度。
3）溫升 因個相對運動處的摩擦生熱，切削取得切削熱等使主軸溫度升高將引起熱變形使主軸伸長，軸承間隙的變化，降低了加工的精度；溫升也會降低潤滑劑的粘度，惡化潤滑條件。因此，各類機床對溫升都有一定的限制。
4）可靠性 數(shù)控機床是高度自動化的機床，所以必須保證工作可靠性，可喜的地方是這方面的研究正在發(fā)展。
5）精度保持性 它指長期保持其原始制造精度的能力。對數(shù)控機床的主軸組件必須有足夠的耐磨性，以便長期保持精度。
（2）主軸部件的組成和軸承選型
1) 主軸部件，它由主軸及其支承軸承、傳動件、密封件及定位元件等組成。
2) 主軸的傳動件，可以位于前后支承之間，也可位于后支承之后的主軸后懸伸端。目前傳動件位于后懸伸端的越來越多。這樣做，可以實現(xiàn)分離傳動和模塊化設(shè)計：主軸組件（稱為主軸單元）和變速箱可以做成獨立的功能部件，又專門的工廠集中生產(chǎn)，作為商品出售。變速箱和主軸間可用齒輪副或帶傳動聯(lián)接。本三坐標曲面數(shù)控銑床采用帶傳動聯(lián)接。主軸支承分徑向和推力（軸向）。角接觸球軸承兼起徑向和推力支承的作用。推力支承應(yīng)位于前支承內(nèi)，原因是數(shù)控機床的坐標原點，常設(shè)定在主軸前端。為了減少熱膨脹造成的坐標原點的位移，應(yīng)盡量縮短坐標原點支推力支承之間的距離。
3) 主軸軸承，選用角接觸球軸承。這種軸承即可承受徑向載荷，又可承受軸向載荷。這種球軸承為點接觸，剛度較低。為了提高剛度和承載能力，長采用多聯(lián)組配的辦法。有三種基本組配方式，分別為背對背，面對面和同向組配，背靠背和面對面組配都能受雙向軸向載荷；同向組配只能承受單向軸向載荷。背對背比面對面安裝的軸承具有較高的抗顛覆力矩的能力。運轉(zhuǎn)時，軸承的外圈的散熱條件比內(nèi)圈好，因此，內(nèi)圈的溫度將高于外圈，徑向膨脹的結(jié)果將使軸承的過盈加大。軸向膨脹對背靠背組配將使過盈減少，于是，可以補償一部分徑向膨脹；而對于面對面組配，將使過盈進一步加大。基于上述分析，主軸受到彎距，又屬高速運轉(zhuǎn)，因此主軸軸承必須采用背靠背組配。
4)角接觸球軸承的間隙調(diào)整和預(yù)緊
主軸軸承的內(nèi)部間隙，必須能夠調(diào)整，多數(shù)軸承，還應(yīng)在過盈狀態(tài)下工作，使?jié)L動體和導(dǎo)軌之間有一定的預(yù)變形，這就是軸承的預(yù)緊。
軸承預(yù)緊后，內(nèi)部無間隙，滾動體從各個方向支承主軸，有利于提高運動精度。滾動體的直徑不可能絕對相等，滾道也不可能絕對正圓，因而預(yù)緊前只有部分滾導(dǎo)體與滾道接觸。預(yù)緊后，滾導(dǎo)體和滾道都有了一定的變形，參加工作的滾動體將增多，各滾動體的受力將更加均勻。這些都有利提高軸承的精度、剛度和壽命。如主軸產(chǎn)生振動，則由于各個方面都有滾動體支承，可以提高抗振性。但是，預(yù)緊后發(fā)熱較多，溫升較高；且較大的預(yù)緊將使壽命下降，故預(yù)緊要適量。
角接觸球軸承在軸向力的作用下，使內(nèi)外圈產(chǎn)生軸向錯位實現(xiàn)預(yù)緊，衡量預(yù)緊力大小的是軸向預(yù)緊力，簡稱預(yù)緊力Fa0，單位為N。多聯(lián)角接觸球軸承是根據(jù)預(yù)緊力組配的。軸承廠規(guī)定了輕預(yù)緊、中預(yù)緊和重預(yù)緊三級預(yù)緊。訂貨時可指定預(yù)緊級別。軸承廠在內(nèi)圈（背靠背組配）或外圈（面對面組配）的端面根據(jù)預(yù)緊力磨去δ。裝配時擠緊，便可得到預(yù)定的預(yù)緊力。如果兩個軸承間需要隔開一定的距離，可在兩軸承之間加入厚度相同的內(nèi)外隔套。在軸向載荷的作用下，不受力側(cè)軸承的滾動體與滾道不能脫離接觸。而滿足這個條件的最小預(yù)緊力，雙聯(lián)組配為最大軸向載荷的35%。
5)承載能力和壽命
主軸軸承通常載荷相對較輕。除上些特殊重載主軸外軸承的承載能力是沒有問題的。主軸軸承的壽命，主要不是取決于疲勞點蝕，而是由于磨損而降低精度。通常，如軸承精度為P4級，經(jīng)使用磨損后跳動精度降為P5級,這個軸承就認為應(yīng)該更換了。雖然還未達到其疲勞壽命，但這種“精度壽命”目前還難以估計。
（3）主軸組件的動態(tài)特性
通常，主軸組件的固有頻率很高，但是，高速主軸，特別是帶內(nèi)裝式電動機高速主軸，電動機轉(zhuǎn)子是一個集中質(zhì)量，將使固有頻率下降，有可能發(fā)生共振。改善動態(tài)特性，可采取下列措施：
1)是主軸組件的固有頻率避開激振力頻率。通常使固有頻率高于激振頻率的30%以上。如果發(fā)生共振的那階模態(tài)屬于主軸在彈性基礎(chǔ)上（軸承）的剛體振動的第一階（平移）和第二階（搖擺）模態(tài)，則應(yīng)提高軸承的剛度。如果屬于主軸的彎曲振動，則應(yīng)提高主軸的剛度，如加粗直徑。
激振力可能來自主軸組件的不平衡，這時激振頻率等于主軸轉(zhuǎn)速乘以 π/30。也可能來自斷續(xù)切削，這時激振頻率還應(yīng)乘以刀齒數(shù)Z。
2）增大比尼。如前所述，降低模態(tài)，常是主軸的剛度振動。這時主軸軸承，特別是前軸承的阻尼對主軸組件的抗振性影響很大。如果要求得到很光的加工表面，滾動軸承適當預(yù)緊可以增大阻尼，但過大的預(yù)緊反而使阻尼減少，故選擇預(yù)緊時還因考慮阻尼因素。
3）采用消振裝置。
4）主軸軸承的潤滑
滾動軸承在接觸區(qū)的壓強很高，在這么高的壓強下，接觸區(qū)產(chǎn)生變形，是一塊小面積的接觸而不是一條線或一個點的接觸；潤滑劑在高壓下被壓縮，粘度升高了。因此，才能在滾動體與滾道的接觸區(qū)，形成一定厚度的油膜，把兩者隔開，滾道體與滾道的接觸面積很小，所以，滾動軸承所需的潤滑劑很少的。當然，也可用脂潤滑，還有用油氣潤滑的。
(1)脂潤滑
滾動軸承能用脂潤滑是它的突出優(yōu)點之一。脂潤滑不需要供油管路和系統(tǒng)，沒有漏油問題。如果脂的選擇合適、潔凈、密封良好，不使灰塵、油、切削液等進入，壽命是很長的。一次充填可用到大修，不需補充，也不要加脂孔。
脂潤滑可選用鋰基脂，如SKFLGLT2號（常用于球軸承）。
(2) 油氣潤滑
如果dn值較大時，還需對軸承進行冷卻。如果用油兼作潤滑和冷卻，則由于油的攪拌作用，溫升反而會增加。最好用油潤滑，用空氣冷卻。油霧潤滑需能達到這個目的，但是易污染環(huán)境。比較好的方法是油氣潤滑：在吹向軸承的空氣中定期地注入油，油并不霧化，用后可回收，不污染環(huán)境。油用于潤滑，空氣用于冷卻。
3.2 主軸系統(tǒng)計算
三角膠帶傳動的計算和選定
三角帶的選用應(yīng)保證有效地傳遞最大功率（不打滑）并有足夠的使用壽命（一定的疲勞強度）。
(1)確定計算功率P
kW
式中：K—工況系數(shù)
P—電機額定功率 Kw
(2)選擇三角帶型號
根據(jù)P、n由圖7-8選SPA型窄V帶
(3)確定帶輪直徑D、D
小帶輪直徑D應(yīng)滿足：DD 查表7-4取D,故選擇D
(4)計算膠帶速度
故 D選擇合格
D
(5)確定中心距a和帶長L
得
初選
帶長
查表7-3，取
中心距
a的調(diào)整范圍：
(6)驗算小帶倫包角
得 ， 即滿足條件。
(7)確定V帶根數(shù)z
由表7-6a查得
由表7-10查得
由表7-11查得
由表7-9查得
由表7-3查得
代入求根公式，得
取z=6,符合表7-4推薦的輪槽數(shù)
(8)確定出拉力
由表7-5得
(9)計算作用在軸上的壓力
3.3 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計
3.3.1 對進給伺服系統(tǒng)的基本要求
進給伺服系統(tǒng)不但是數(shù)控機床的一個重要組成部分，也是數(shù)控機床區(qū)別于一般機床的一個特殊部分。數(shù)控機床對進給伺服系統(tǒng)的性能指標可歸納為：定位精度高；跟蹤指令信號的響應(yīng)快；系統(tǒng)的穩(wěn)定好。
(1)穩(wěn)定性
伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是指當作用在系統(tǒng)上的擾動信號消失后，系統(tǒng)能夠恢復(fù)到原來的穩(wěn)定狀態(tài)下運行,或者在輸入的指令信號作用下，系統(tǒng)能夠達到新的穩(wěn)定運行狀態(tài)的能力。伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性是系統(tǒng)本身的一種特性，取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及組成元件的參數(shù)（如慣性、剛度、阻尼、增益等），，與外界的作用信號（包括指令信號或擾動信號）的性質(zhì)或形式無關(guān)。
(2)精度
伺服系統(tǒng)的精度是指系統(tǒng)的輸出量復(fù)現(xiàn)輸入量的精確程度。伺服系統(tǒng)工作過程中通常存在三種誤差：動態(tài)誤差、穩(wěn)定性誤差和靜態(tài)誤差。實際中只要保證系統(tǒng)的誤差滿足精度指標就行。
(3) 快速響應(yīng)性
快速響應(yīng)特性是指系統(tǒng)對指令輸入信號的響應(yīng)速度及瞬態(tài)過程結(jié)束的迅速程度。它包含系統(tǒng)的響應(yīng)時間，傳動裝置的加速能力。它直接影響機床的加工精度和生產(chǎn)率。
3.3.2 進給伺服系統(tǒng)的設(shè)計要求
在靜態(tài)設(shè)計方面有：
(1) 能夠克服摩擦力和負載
(2) 很小的進給位移量
(3) 高的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度
(4) 足夠的調(diào)速范圍
(5) 進給速度均勻，在速度很低時無爬行現(xiàn)象
在動態(tài)設(shè)計方面的要求有：
(1) 具有足夠的加速和制動轉(zhuǎn)矩
(2) 具有良好的動態(tài)傳遞性能，以保證在加工中獲得高的軌跡精度和滿意的表面質(zhì)量
(3) 負載引起的軌跡誤差盡可能小
對于數(shù)控機床機械傳動部件則有以下要求
(1) 被加速的運動部件具有較小的慣量
(2) 高的剛度
(3) 良好的阻尼
(4) 傳動部件在拉壓剛度 扭轉(zhuǎn)剛度 摩擦阻尼特性和間隙等方面盡可能
小的非線性
3.3.3 進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性及伺服性能分析
(1) 時間響應(yīng)特性
進給伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性，按其描述方法的不同，分為時間響應(yīng)特性和頻率響應(yīng)特性。
時間響應(yīng)特性是用來描述系統(tǒng)對迅速變化的指令能否迅速跟蹤的特性，它由瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)響應(yīng)兩部分組成。由于系統(tǒng)包含一些儲能元件，所以當輸入量作用于系統(tǒng)時，系統(tǒng)輸出不能立刻跟隨輸入量變化，而是在系統(tǒng)達到穩(wěn)定之前表現(xiàn)為瞬態(tài)響應(yīng)過程（或叫過渡過程）。穩(wěn)定響應(yīng)是指當時間t趨向無窮大時系統(tǒng)的輸出狀態(tài)。若在穩(wěn)定時，輸出和輸入不能完全吻合，就認為系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差。
(2) 頻率響應(yīng)特性
時間響應(yīng)特性是從微分方程出發(fā)，研究系統(tǒng)響應(yīng)隨時間的變化的規(guī)律，即在已知傳遞函數(shù)的前況下，從系統(tǒng)在階越輸入及斜坡輸入時間應(yīng)速度及振蕩過程的狀態(tài)中來獲得動態(tài)特性參數(shù)。然而在很多情況下，傳遞函數(shù)不清楚，所以只能由試驗的方法來求取動態(tài)特性。因此出現(xiàn)頻率響應(yīng)特性法。所謂頻率響應(yīng)特性,就是系統(tǒng)對正眩輸入信號的響應(yīng)，即它通過研究系統(tǒng)對正眩輸入信號的響應(yīng)規(guī)律來獲得啟動態(tài)特性。
(3) 快速性分析
所謂快速性分析是指分析系統(tǒng)的快速響應(yīng)性能，快速性反映了系統(tǒng)的瞬態(tài)質(zhì)量。
對于線性進給伺服系統(tǒng)，由于它包含各種電路、機電轉(zhuǎn)換裝置和機械傳動機構(gòu)，系統(tǒng)各環(huán)節(jié)都有時間常數(shù)，對高頻信號來不及反應(yīng)，只是一個地通漏波器。這種系統(tǒng)的通頻寬帶，對高頻信號響應(yīng)速度快，所以從開環(huán)頻率特性圖看，提高系統(tǒng)的截止頻率，則可以提高閉環(huán)回路的響應(yīng)速度。
3.4 進給傳動的計算
3.4.1 X軸滾珠絲杠副
(1) 精度
要求：進給精度
快速進給精度
(2) 疲勞強度
絲鋼的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為1625N,工作臺質(zhì)量700kg,則：
1） 摩擦力
根據(jù)《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》
計算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級精度
則：
2） 計算額定動載荷
取絲杠的工作壽命為,
3） 選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4） 穩(wěn)定性驗算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮。
固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5） 剛度驗算
滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況取（其中）
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為：
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動精度的1/2，即
該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。
6） 效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。
3.4.2 Y軸滾珠絲杠副
（1） 精度
要求：進給精度
快速進給精度
（2） 疲勞強度
絲鋼的最大載荷為最大進給力加摩擦力，最大進給力為1625N,工作臺質(zhì)量900kg,則：
1）摩擦力
根據(jù)《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》
計算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級精度
則：
2）計算額定動載荷
取絲杠的工作壽命為,
3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4）穩(wěn)定性驗算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5）剛度驗算
滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況?。ㄆ渲校?
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為：
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動精度的1/2，即
該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。
6）效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。
3.4.3 Z軸滾珠絲杠副
（1）精度
要求：進給精度
快速進給精度
（2）疲勞強度
絲鋼的最大載荷為主軸重量加摩擦力，最小載荷為主軸重量減最大進給力的垂直分力。主軸重量為300kg,則：
1）摩擦力
根據(jù)《機電一體化設(shè)計基礎(chǔ)》
計算載荷
查表2-6取 查表2-8取
查表2-7取 查表2-4取D級精度
則：
2）計算額定動載荷
取絲杠的工作壽命為,
3）選用 FC1-4020-2.5型絲杠，由表2-9得絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑
導(dǎo)程
滾珠直徑
按表2-1種尺寸公式計算：
滾道半徑
偏心距
絲杠內(nèi)徑
4）穩(wěn)定性驗算
絲杠一端軸向固定，采用深溝球軸承和雙向球軸承，可分別承受徑向和軸向的負荷。另一端游動，需要徑向約束，采用深溝球軸承，外圈不限位，以保證絲杠在受熱變形后可在游動端自由伸縮，如下圖。
① 由于一端軸向固定的長絲杠在工作時可能會發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計時應(yīng)驗算其安全系數(shù)S,其值應(yīng)大于絲杠副傳動結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)[S]
絲杠不會失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷
式中，E為絲杠材料的彈性模量，對于鋼E=206Gpa；l為絲杠工作長度（m）；為絲杠危險截面的軸慣性矩（）；為長度系數(shù)，取。
安全系數(shù)
查表2-10，[S]=2.5～3.3 ,S>[S],絲杠是安全的，不會失穩(wěn)。
② 高速絲杠工作時有可能發(fā)生共振，因此需驗算其不發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速——臨街轉(zhuǎn)速。要求絲杠的最大轉(zhuǎn)速。
臨街轉(zhuǎn)速按下式計算：
式中：為臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)，見表2-10，本題取，
即：，所以絲杠工作時不會發(fā)生共振。
③ 此外滾珠絲杠副還受值的限制，通常要求
5）剛度驗算
滾珠絲杠在工作負載F(N)和轉(zhuǎn)矩T()共同作用下引起每個導(dǎo)程的變形量(m)為：
式中:A絲杠截面積,；為絲杠的極慣性矩，；G為絲杠切變模量，對鋼；T為轉(zhuǎn)矩。
式中：為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)；衛(wèi)平均工作載荷
按最不利的情況取（其中）
則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為：
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差小于其傳動精度的1/2，即
該絲杠的滿足上市，所以其剛度可以滿足要求。
6）效率驗算
滾珠絲杠副的傳動效率為
要求在90%～95%之間，所以該絲杠副合格。
經(jīng)上述計算驗算，F(xiàn)C1-4010-2.5各項性能均符合題目要求，所以合格。
第4章 微機控制系統(tǒng)的設(shè)計
4.1 微機控制系統(tǒng)組成及特點
4.1.1 微機控制系統(tǒng)的組成
微機控制系統(tǒng)主要由微型計算機和伺服系統(tǒng)兩大部份組成，其中微機又包括硬件和軟件兩部分。
（1） 微機控制系統(tǒng)基本硬件組成
硬件時組成系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件軟件才能有效地運行。硬件電路的可靠性直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的性能指標。數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下部分組成。
1）主控制器，即中央處理單元CPU
2）存儲器，包括只讀可編程存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器
3）接口
（2） 微機數(shù)控系統(tǒng)軟件
軟件是指為實現(xiàn)微機控制系統(tǒng)各項功能編制的專用程序，它一般由以下幾部分組成：
1）輸入數(shù)據(jù)處理程序 它接受輸入的零件加工程序，用標準代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)整理成便于解釋執(zhí)行的格式后存放。
2）插補運算程序 它完成普通數(shù)控系統(tǒng)中插補器的功能。
3）速度控制程序 它根據(jù)給定的速度代碼或每分毫米數(shù)控制插補運算的頻率，以保證預(yù)定速度進給。
4）管理程序和診斷程序 管理程序?qū)?shù)據(jù)輸入、處理及切削加工過程服務(wù)的各個程序進行調(diào)度，還可以對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。診斷程序可以在運行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指示故障類型。
4.1.2微機數(shù)控系統(tǒng)的特點
（1） 可靠性高。由于采用大規(guī)模集成電路、軟件連接以及資診斷功能，所以大大提高了無故障運行時間，即使又極少的故障也能及時發(fā)現(xiàn)和排除。
（2） 靈活性強。由于系統(tǒng)的硬件是通用、標準化的，對于不同機床的控制要求只需更換可編程只讀存儲器中的系統(tǒng)程序就可實現(xiàn)。
（3） 易于實現(xiàn)機電一體化。采用大規(guī)模集成電路時控制框尺寸大為縮小，采用可編程接口又可將M、S、T等順序控制部分邏輯電路與數(shù)控裝置結(jié)合一起，使結(jié)構(gòu)更為緊湊。
（4） 價格低。采用微機數(shù)控，使數(shù)控機床電氣部分成本大為下降，對功比較齊全的數(shù)控機床價格幅度下降更大。
（5） 由于微機的功能強，存儲量大，可實現(xiàn)多功能控制、多路運行控制及數(shù)據(jù)和圖形顯示等，給操作人員和監(jiān)視生產(chǎn)過程帶來方便。
4.2 微機控制系統(tǒng)設(shè)備介紹
4.2.1 主控制器CPU的選擇
CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素：
（1） 控制數(shù)據(jù)處理的速度。
（2） ROM/RAM的容量。
（3） 指令系統(tǒng)功能的強弱（即編程的靈活性）。
（4） I/O口擴展的能力（即對外設(shè)控制的能力）。
（5） 開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。
目前在數(shù)控系統(tǒng)中常用的芯片由8086、8088、80286、80386、以及8098、8096等16位機的CPU，也有8080、Z80和8051、8031、8751等8位機的CPU。但從性能價格比上，我們擬采用MCS-51系列單片機中的8031作為主控制器。
下面介紹MCS-51單片機的硬件結(jié)構(gòu)，如圖（4）。
下面對各功能部件作進一步的說明：
（1） 數(shù)據(jù)存儲器（RAM）：片內(nèi)為128個字節(jié)，片外最多可擴至64K字節(jié)。
（2） 程序存儲器（ROM/EPROM）：8031無此部件；8051為4KROM；8751為4KEPROM。片外最多可外擴至64K字節(jié)。
（3） 中斷系統(tǒng)：具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先權(quán)。
（4） 定時器/計數(shù)器：2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。
（5） 串行口：1個全雙工的串行口，具有四種工作方式。
（6） P1口、P2口、P3口、P0口：為四個并行8位I/O口。
（7） 特殊功能寄存器（SFR）：共有21個，用于對片內(nèi)各功能模塊進行管理、控制、監(jiān)視。
（8） 微處理器（CPU）：為8位的CPU，且內(nèi)含一個1位CPU（位處理器），不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進行位變量處理。
微處理器
（運算部件）
控制部件
數(shù)據(jù)存儲器
RAM
ROM/EPROM
P2口
程序存
儲器
P0口
特殊功能寄存器
SFR
串行口
中斷
系統(tǒng)
定時/
計數(shù)器
P3口
P1口
圖4.1 MCS-51單片機內(nèi)結(jié)構(gòu)
4.2.2 存儲器電路的擴展
（1）程序存儲器的擴展
單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片，其型號分別為：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分別位2k、4k、8k、16k、32k。在選擇芯片時，要考慮CPU與EPROM時序的匹配。即8031所能讀取的時間必須大于EPROM多要求的讀取時間。此外，還要考慮最大讀出速度、工作溫度計存儲器的容量。在滿足容量要求是應(yīng)盡量選擇大容量芯片、以減少芯片數(shù)量，是系統(tǒng)簡化。在本系統(tǒng)中，我們擬采用2764作為擴展芯片。
2764與8031主要是三總線的聯(lián)接。2764中的低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031P0口相聯(lián)。當?shù)刂锋i存允許信號ALE位搞點評，則P0口輸出地址有效。8位數(shù)據(jù)線直接與8031 P0口相聯(lián)；高5位地址線分別與P2.0～P2.4相聯(lián)，OE引腳直接同8031PSEN引腳相聯(lián)，片選信號CE接地，以便總能選中。由于8031只能選通外部程序存儲器，因而其EA引腳接地。
（2） 數(shù)據(jù)存儲器的擴展
由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠遠不能滿足系統(tǒng)的要求，須擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器。單片機應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用6116和6264靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲器，其選用的規(guī)則與EPROM程序存儲器的要求相同。本系統(tǒng)擬采用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲器的外擴芯片。
6264低8位地址線通過地址鎖存器74LS373與8031 P0口相接，高5位地址線分別與P2.0～P2.4相聯(lián)，8位數(shù)據(jù)線直接接至8031 P0口，讀寫控制引腳OE、WE與8031的讀寫控制引腳RD、WR直接相聯(lián)，片選端CE1通過譯碼電路與8031相聯(lián)。
4.2.3 I/O口電路的擴展
（1） 并行口的擴展
8031單片機共有四個8位并行I/O口，但可供用戶使用的只有P1口及部分P3口線。因此在大部分應(yīng)用系統(tǒng)中都不可避免地要進行I/O口的擴展。通用可編程接口芯片8155具有2k位的靜態(tài)RAM、2個8位和一個6位的可編程并行I/O口、一個14位的計數(shù)器。由于8155與單片機的接口簡單，是單片機系統(tǒng)廣泛使用的芯片。
8155與8031的聯(lián)接可歸結(jié)為三總線的聯(lián)接。8155本身具有地址鎖存信號控制線和地址鎖存器，