【文章內容簡介】 0131926500~630711142129任意300 mm內行程變動量V681216232弧度內行程變動量V45678圖3—縱向進給系統計算簡圖計算如下：（1） 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm） F=N， L=8mm, 剛度驗算橫向進給滾珠絲杠支承方式如圖4所示，最大軸向力為2759N，支承間距L=550mm, 因絲杠長度較短，不需要預緊。圖4—橫向進給系統計算簡圖計算如下：(1) 絲杠的拉伸或壓縮變形量（mm）根據 N， D=25mm, EN/mm, R=, e=d( mm)A(mm) （mm）(2) 滾珠與螺紋滾道間接觸變形（mm）對滾珠絲杠副施加預緊力F為軸向負載的1/3。由 mm, kgf承載滾珠數量 ZZ = （mm）(3) 支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸形變（mm）這里采用有預緊時的推力球軸承則 查《機械設計手冊》中表6282，采用51104型推力球軸承，其d=20mm,滾動體直徑D= mm, 滾動體數量Z=14， （mm）則定位誤差 = (mm) 顯然變形量已大于規(guī)定的定位精度（），應該采取相應的措施修改，因橫向溜板空間限制，不宜加大滾珠絲杠直徑，故采用貼塑導軌來減少摩擦力，從而減少軸向力，采用貼塑導軌=~。重新計算如下： NQ（N）由此可知：滾珠絲杠螺母副和軸承的型號可不改變。此時的變形量為：（mm）= （mm） （mm）定位誤差 (mm) (規(guī)定定位精度)穩(wěn)定性校核臨界負載與工作負載 之比稱為穩(wěn)定性系數，如果，則壓桿穩(wěn)定，為許用穩(wěn)定性安全系數，一般=~4。計算臨界負載（N）： 式中 E：指絲杠材料彈性模量，對鋼E（N/mm）； J：指截面慣性矩（mm）,絲杠截面慣性矩J（為絲杠螺紋的底徑）； ：絲杠兩支承端距離（mm）；：絲杠支承方式系數，見表3，這里。表3—滾珠絲杠支承方式系數方式一端固定一端自由兩端簡支一端固定一端簡支兩端固定則 N 所以此絲杠不會產生失穩(wěn)。（三）縱向及橫向滾珠絲杠副幾何參數其幾何參數見表：表4—WL5008及WL2506滾珠絲杠幾何參數名稱符號WL5008WL2506螺 紋 滾 道公稱直徑5025導程86接觸角鋼球直徑滾道法面半徑偏心距螺紋升角螺 桿絲杠外徑24絲杠內徑螺桿接觸直徑螺 母螺母螺紋直徑螺母內徑四 齒輪進給齒輪箱傳動比計算縱向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比： 在閉式軟齒面齒輪傳動中，齒輪的彎曲強度總是足夠的，因此齒數可取多些，推薦取Z=24~40。所以可選定齒輪數為：橫向進給齒輪箱傳動比計算已確定縱向進給脈沖當量，滾珠絲杠導程，初選步進電機步距角，可計算出傳動比：可選定齒輪數為： 因進給運動齒輪受力不大，模數m取2。有關參數參照表5。表5—傳動齒輪幾何參數所處位置縱 向橫 向齒數24401845分度圓直徑48803690齒頂圓直徑52844094齒根圓直徑43753185齒寬（6~10）m16161616中心距6463五 步進電機的計算和選型（一） 縱向進給步進電機計算 等效轉動慣量計算傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量可由下式計算：式中 ：指步進電機轉子轉動慣量；、：指齒輪、的轉動慣量；：指滾珠絲杠轉動慣量；：指工件及工作臺重量（N）；：指絲杠導程（）；參考同類型機床，初選反應式步進電機150BF，其轉子轉動慣量。（分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示齒輪的分度圓直徑和齒寬） （分別表示縱向滾珠絲杠的公稱直徑和支承間距） 把這些數據代入上式： 電機力矩計算機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按個階段計算：（1）快速空載起動力矩 在快速空載起動階段，加速度所占的比例較大，具體計算公式如下：以上式中 ：指空載起動時折算到電機軸上的加速度力矩（）； ：指折算到電機軸上的摩擦力矩（）；：指絲杠預緊時折算到電機軸上的附加摩擦力矩（）；：指傳動系統折算到電機軸上的總的轉動慣量； ：指電機最大角加速度（）； ：指電機最大轉速（）；：指運動部件最大進給速度（）；：指脈沖當量（）；：指步進電機步距角（）；：指運動部件從停止起動到最大快進速度所需時間（s），這里是30ms；：指導程的摩擦力（N），；：指垂直方向的切削力（N）；：指工件及工作臺重量（N）；：指導軌摩擦系數，；：指運動部件的總重量（N）；：指齒輪降速比；按計算；：指傳動鏈總效率，一般可??；：指滾珠絲杠預加負載，一般取/3，為進給軸向力（N）；：指滾珠絲杠導程；：指滾珠絲杠未加預緊時的傳動效率，一般取。將以前計算所得數據代入： （） （）（）則 （）（2）快速移動時所需力矩 （）（3）最大切削負載時所需力矩 （）從上面計算可以看出，、和三種工況下，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據。由表6得：當步進電機為三相六拍時，則（N）。表6—步進電機起動轉距與最大靜轉距關系步進電機相 數三 相四 相五 相六 相拍 數3648510612按此最大靜轉距從表中查出，大于所需最大靜轉距，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運動矩頻特性。 計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率可查出150BF002型步進電機允許的最高空載啟動頻率為2800運行頻率為8000，再從圖5查出150BF002步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。從圖中看出，當步進電機起動時，遠遠不能滿足此機床所要求的空載起動力矩（），直接使用則會出現失步，所以必須采用升降速控制（用軟件實現），半起動頻率降到1000，然后在電路上再采用高低壓驅動電路，還可以將步進電機輸出力矩擴大一倍左右。當快速運動和切削進給時，150BF002型步進電機運行矩頻則完全可以滿足要求。圖5—150BF002型步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性（二） 橫向進給步進電機計算和選型與縱向進給步進電機計算的方法一樣，如果縱向的步進電機能滿足條件那橫向的就也可以滿足條件，則這選用與縱向相同的步進電機。第四章 微機數控系統的設計一 微機數控系統的設計綱要[一] 硬件電路設計硬件是組成系統的基礎，也是軟件編程的前提，數控系統硬件設計包括以下幾部分內容： 繪制系統電氣控制的結構框圖據總體方案及機械結構的控制要求，確定硬件電路的總體方案，繪制電氣控制結構圖。機床硬件電路由五部分組成：（1） 主控制器，即中央處理單元CPU；（2） 總線，包括數據總線、地址總線和控制總線；（3） 存儲器，包括程序存儲器和數據存儲器；（4） 接口，即輸入/輸出接口電路；（5） 外圍設備，如鍵盤、顯示器等。機床數控系統硬件框圖如圖6所示： 圖6—機床數控系統硬件框圖（開環(huán)系統） 選擇中央處理單元CPU的類型根據設計要求，CNC系統的主CPU采用8031單片機。 存儲器擴展電路設計存儲器擴展包括數據存儲器和程序存儲器擴展兩部分。選擇EPROM作程序存儲器時，應考慮：（1） 速度應與CPU時鐘匹配；（2） 容量適中。 I/O接口電路設計設計內容包括：據外部要求選用I/O接口芯片，步進電機伺服控制電路，鍵盤、顯示部分以及其他輔助電路設計（如復位、掉電保護等）。這部分設計要求考慮系統的驅動能力。驅動能力不足時，系統工作不可靠。在存儲器擴展和I/O接口電路中，均涉及到地址譯碼問題。[二] 軟件電路設計軟件是硬件的補充。確定硬件電路后，根據系統功能要求設計軟件。 軟件設計步驟軟件設計步驟分為以下幾步：（3） 據軟件要求實現的功能，制定出軟件技術要求；（4） 將整個軟件模塊化，確定個模塊的編制要求，包括個模塊功能，入口參數，出口參數；（5） 據硬件資源，合理分配好存儲單元；（6） 分別對個模塊編程，并調試；（7） 連接各模塊，進行統一調試及優(yōu)化；（8） 固化到程序存儲器中。 數控系統中常用的軟件模塊（1） 軟件實現環(huán)形分配器；（2） 插補運算模塊；（3） 自動升降速控制模塊等。二 8031單片機及其擴展[一] 8031單片機的簡介8031芯片引腳及片外總線結構（1）8031芯片引腳功能8031芯片有40個引腳，引腳配置見圖7： 圖7—8031芯片引腳（2）各引腳按功能可分為三部分：l I/O口線：P0，P1，P2，P3共4個8位口；l 控制口線：，ALE，RST； l 電源及時鐘：V、V；XTAL1，XTAL2。（3）應用特性：l I/O口線不能都用作用戶I/O口線；l I/O口的驅動能力，P0口可驅動8個TTL門電路，P1，P2，P3則只能驅動4個；l P3是雙重功能口。8031單片機片內結構8031單片機由7個部件組成，既微處理器（CPU）、數據存儲器（RAM）、特殊功能寄存器、I/O口、串行口、定時/計數器及中斷系統，它們都是通過片內單一總線連接而成的。[二] 8031單片機的系統擴展 8031單片機內無程序存儲器，如不擴展外部程序存儲器則不能工作，且片內僅有128字節(jié)數據存儲器，對于需要較多數據緩沖區(qū)的程序來說，片內RAM也不夠用，須擴展。8031片內四個I/O口中僅P1口可作為8位雙向的I/O接口用戶使用，也須擴展，有些情況還須擴展定時/計數器等。8031的片外總線結構所有的外部芯片都通過三組總線進行擴展：（1） 數據總線（DB）：由P0口提供，數據總線要連接到連接的所有外圍芯片上，但在同一時間只能夠有一個是有效的數據傳輸通道。（2） 地址總線（AB）：16位，可尋址范圍為64K字節(jié)，AB由P0口提供低8位地址，與數據分時傳送，傳送數據時將低8位地址鎖存。高8位地址由P2口提供。（3） 控制總線（CB）：系統擴展用控制總線有、ALE、。系統擴展能力據地址總線的寬度，在片外可擴展的存儲器最大容量為64K字節(jié)。片外數據存儲器與程序存儲器的操作使用不同的指令和控制信號。允許兩者的地址重復。故片外可擴展的數據存儲器與程序存儲器分別為64K。擴展的I/O口與片外數據存儲器統一編址，不再另外提供地址線。地址鎖存器8031擴展系統時，由P0口提供數據及低8位地址，分時傳送，故須地址鎖存。常用的地址鎖存器芯片是74LS373（帶三態(tài)緩沖輸出的8D觸發(fā)器），其引腳及連接見圖8。圖8—74LS373引腳及連接圖圖中：D~D：信號輸入端；Q~Q：信號輸出端；G：下降沿時，將D~D鎖存于內部；E：使能端，E=0時，三態(tài)門處于導通狀態(tài)，輸出端Q~Q與輸入端D~D連通，當E=1時，輸出三態(tài)門斷開，輸入數據鎖存。地址譯碼8031擴展電路中，都涉及到外部地址空間分配問題，即當8031數據總線分時與多個外圍芯片進行數據傳送時，首先要進行片選，然后再進行片內地址選擇。地址譯碼實現片選的方法可分為三種：線選法、全地址譯碼法和部分地址譯碼法。這里選用部分地址譯碼法。這種方法是線選與地址譯碼相結合。圖9為74LS138碼器的引腳圖。當G時，74LS138工作。C、B、A的輸出決定譯碼器的輸出引腳。圖9—74LS138引腳圖[三] 存儲器擴展存儲器常用芯片（1）EPROM芯片