【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 軸上的摩擦力矩 ∵ G＝980N ，(燕尾形導(dǎo)軌) ， 總效率 ， = ∴ ③附加摩擦力矩∵ 預(yù)緊力 , 為滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)傳動(dòng)效率，取 ∴ 則步進(jìn)電機(jī)快速空轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩： 對(duì)于工作方式未五相十拍的步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩為： ，大于所需最大靜轉(zhuǎn)矩，可作為初選型號(hào)。（2）、校核步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率 ∵ 步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率是 查相關(guān)資料知：130BF001型步進(jìn)電機(jī)允許的最高空載啟動(dòng)頻率為＝3000,因而必須分三個(gè)階梯啟動(dòng)，每個(gè)階梯啟動(dòng)頻率為,。取，則步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行頻率為： 而步進(jìn)電機(jī)允許的運(yùn)行頻率為16000，所以滿足設(shè)計(jì)要求。滾珠絲杠沒(méi)有自鎖能力，垂直坐標(biāo)不能鎖住，而主軸箱的重量相對(duì)來(lái)說(shuō)比較大所以必須采用平衡裝置，避免在工作時(shí)主軸箱的失控下降。(四)、滾珠絲桿副的預(yù)緊方式為了消除間隙和提高滾珠絲桿副的剛度，可以預(yù)加載荷，使它在過(guò)盈的條件下工作，常用的預(yù)緊方法有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊等。預(yù)緊后的剛度可提高到為無(wú)預(yù)緊時(shí)的2倍。但是，預(yù)緊載荷過(guò)大，將使壽命下降和摩擦力矩加大。通常，滾珠絲桿在出廠時(shí)，就已經(jīng)由制造廠調(diào)好預(yù)加載荷，并且預(yù)加載荷往往與絲桿副的額定動(dòng)載荷有一定的比例關(guān)系。雙螺母墊片式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整墊片厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)見(jiàn)到，裝卸方便，剛度高；丹調(diào)整不便，滾道有磨損時(shí)，不能隨時(shí)消除間隙和預(yù)緊，適用于高剛度重載傳動(dòng)。雙螺母螺紋式預(yù)緊：①調(diào)整方法：調(diào)整端部的圓螺母，使螺母產(chǎn)生軸向位移。②結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，調(diào)整方便，丹準(zhǔn)確性差，且易于松動(dòng)，適用于剛度要求不高或隨時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊的傳動(dòng)。雙螺母齒差式預(yù)緊：①調(diào)整方法：兩邊的下螺母的凸緣上有外齒，分別與緊固的螺母座兩端的內(nèi)齒圈，兩個(gè)螺母向相同方向旋轉(zhuǎn)，每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，調(diào)整軸向位移。②能夠精確地調(diào)整預(yù)緊力，但結(jié)構(gòu)尺寸較大，裝配調(diào)整比較復(fù)雜，宜用于高度精度的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。在垂直進(jìn)給運(yùn)動(dòng)中要求要不定時(shí)調(diào)節(jié)預(yù)緊力，因而宜用雙螺母螺紋式預(yù)緊。（五）、齒輪傳動(dòng)消隙齒輪傳動(dòng)的間隙也叫側(cè)隙，它是指一個(gè)齒輪固定不動(dòng)，另一個(gè)齒輪能夠作出的最大角位移。傳動(dòng)間隙是不可避免的，其產(chǎn)生的這樣原因有：由于制造及裝配誤差所產(chǎn)生的間隙；為使用熱膨脹而特意留出的間隙。為了提高定位精度和工作的平穩(wěn)性，要盡可能減小傳動(dòng)間隙。除了提高制造和裝配精度外，消隙的主要途徑有：設(shè)計(jì)可調(diào)整傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)；設(shè)置彈性補(bǔ)償元件。在這設(shè)計(jì)里我采用可調(diào)整齒輪傳動(dòng)間隙的機(jī)構(gòu)來(lái)消除間隙。二、橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算滾珠絲杠螺母副的選擇計(jì)算假定工作臺(tái)及零件的總的量： =200kgf=100=980N Z軸的行程為： 300mm 縱向脈沖當(dāng)量： 預(yù)選滾珠絲杠基本導(dǎo)程： =5mm 步距角： 快速進(jìn)給速度： = ㈠、脈沖當(dāng)量和傳動(dòng)比的確定⑴、傳動(dòng)比的選定⑵、計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量初選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)為130BF001則查表查出電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量＝為了機(jī)床的布局緊湊且方便可取i=。則滾珠絲桿轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算：工作臺(tái)質(zhì)量折算：傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算：++=（++）⑶、工作載荷分析及計(jì)算滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)是滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫作進(jìn)給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩檫力。據(jù)機(jī)床加工的特點(diǎn)，當(dāng)銑削槽時(shí)，工作載荷最大，由于銑削時(shí)，工作載荷既包括銑削時(shí)沿著絲杠軸的方向的力（即軸向力），也包括工作臺(tái)及工件的重量（即垂直絲杠軸方向的力），只要考慮銑削的情況，而銑削時(shí)的軸向力不大，所以在此不考慮銑削時(shí)產(chǎn)生的軸向力。取銑削刀具直徑為75mm，而機(jī)床的計(jì)算轉(zhuǎn)速為250r/min，則而，機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)效率則選端銑，對(duì)稱，其中端銑，時(shí)，則得： 則可得 則在燕尾導(dǎo)軌上滾珠絲桿的工作載荷Fm為：其中， =， G=1960N㈡、滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算1）計(jì)算作用在絲杠上的最大動(dòng)負(fù)荷 其中L=60nt/106因?yàn)橐话恪?，?則由查《機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)》，選擇絲杠的型號(hào)。選擇滾珠絲杠的直徑為32mm，型號(hào)為CDM32055P3,其額定動(dòng)載荷是19249N，強(qiáng)度足夠用。2） 效率計(jì)算 根據(jù)《機(jī)械原理》的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為∵ 螺紋升角 ∴ 因?yàn)楣ぷ髋_(tái)Y軸行程為300mm。則令l=450mm,滾珠絲桿螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)載荷的1/3。3） 剛度驗(yàn)算①.絲桿的拉壓變形量滾珠絲桿截面積按絲桿螺紋的底徑確定：工作負(fù)載引起的導(dǎo)程的變化量可用下式計(jì)算：則絲桿的拉伸或壓縮變形量由于兩端均采用推力軸承，且絲桿又進(jìn)行了預(yù)緊，故其拉壓剛度可比一端固定的絲桿提高4倍。②.滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲桿的長(zhǎng)度無(wú)關(guān)。當(dāng)絲桿在工作時(shí)有預(yù)緊時(shí)，其接觸變形量為：（其中為預(yù)緊力，而 ）∵ 絲桿加有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向最大負(fù)載的1/3時(shí)∴ 可減少一半。因此實(shí)際變形量為：③.支承滾珠絲桿的軸承的軸向接觸變形根據(jù)以上的計(jì)算，則總變形量為：三級(jí)精度絲桿允許的螺距誤差為15μm/m，故剛度足夠。因?yàn)闈L珠絲桿兩端都采用推力球軸承并預(yù)緊，因此不會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象，故不需做穩(wěn)定性校核。㈢、步進(jìn)電機(jī)的選擇（1）、負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 ∵ 又∵ ①則折算到電動(dòng)機(jī)軸上的總加速力矩為：②折算到電動(dòng)機(jī)軸上的摩擦力矩③附加摩擦力矩∵ 預(yù)緊力，滾珠絲桿未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率取則則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)快速空轉(zhuǎn)啟動(dòng)力矩：對(duì)于工作方式為五相十拍得步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩：，大于所需快速空載啟動(dòng)力矩，可作為初選型號(hào)。（2）、校核步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率 ∵ 步進(jìn)電機(jī)的空載啟動(dòng)頻率是而130BF001型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最高空載啟動(dòng)頻率為f=3000HZ,因而必須分三個(gè)階段啟動(dòng)，每個(gè)階段啟動(dòng)頻率為，取，則步進(jìn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行頻率為：而步進(jìn)電機(jī)允許的運(yùn)行頻率為16000HZ，因而滿足要求。第四部分 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一 、控制系統(tǒng)總體方案的擬定.,如車床、銑床、:通信接口軟件微機(jī) 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)機(jī)床開(kāi)關(guān)量控制電路主運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)電路主軸電動(dòng)機(jī)二、總控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)(1)MCS51系列單片機(jī)的設(shè)計(jì)MCS51系列單片機(jī)的所有產(chǎn)品都含有8051除程序存貯器外的基本硬件，都是在8051的基本上改變部分資源（程序存貯器、數(shù)據(jù)存貯器、I/O口、定時(shí)/計(jì)數(shù)器及一些其他特殊部件）。在控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，我們采用的是8031，8031可尋址64KB字節(jié)程序存貯器和64KB字節(jié)數(shù)據(jù)存貯器。內(nèi)部沒(méi)有程序存貯器，必須外接EPROM程序存貯器。8031采用40條引腳的雙列直插式封裝（DIP），引腳和功能分為三部分。此部分引腳包括電源引腳Vcc、Vss及時(shí)鐘引腳XTALXTAL2。電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。Vcc（40腳）：接+5V電源。Vss（20腳）：接地。時(shí)鐘引腳（119腳）：外接晶體時(shí)與片內(nèi)的反相放大器構(gòu)成一個(gè)振蕩器，它提供單片機(jī)的時(shí)鐘控制信號(hào)。時(shí)鐘引腳也可外接晶體振蕩器。XTAL1（19腳）：接外部晶體的一個(gè)引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個(gè)反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時(shí)，此引腳應(yīng)接地。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸出端。若采用外部振蕩器時(shí)，該引腳接受振蕩器的信號(hào)，即把信號(hào)直接接至內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。它包括RST、ALE、等。此類引腳提供控制信號(hào)，有些引腳具有復(fù)用功能。RST/VPD（9腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時(shí)，在此引腳加上兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后應(yīng)使此引腳電平為≤，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（VPD），以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)Vcc下降到低于規(guī)定值，而VPD在其規(guī)定的電壓范圍內(nèi)（（5177。）V）時(shí)，VPD就向內(nèi)部RAM提供備用電源。ALE/（30腳）：當(dāng)單片機(jī)訪問(wèn)外部存貯器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問(wèn)外部存貯器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，其頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，在兩個(gè)機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個(gè)ALE脈沖。ALE端可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。（29腳）：此輸出為單片機(jī)內(nèi)訪問(wèn)外部程序存貯器的讀選通信號(hào)。在從外部程序存貯器指令（或常數(shù)）期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在此期間，每當(dāng)訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存貯器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)不出現(xiàn)。同樣可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。/Vpp（31腳）：當(dāng)端保持高電平時(shí)，單片機(jī)訪問(wèn)的是內(nèi)部程序存貯器，但當(dāng)PC值超過(guò)某值時(shí)，將自動(dòng)轉(zhuǎn)向執(zhí)行外部程序存貯器內(nèi)的程序。當(dāng)端保持低電平時(shí)，則不管是否有內(nèi)部程序存貯器而只訪問(wèn)外部程序存貯器。對(duì)8031來(lái)說(shuō)，因其無(wú)內(nèi)部程序存貯器。所以該引腳必須接地，即此時(shí)只能訪問(wèn)外部程序存貯器。輸入/輸出（I/O）口引腳包括P0口、P1口、P2口和P3口。P0口（）：為雙向8為三態(tài)I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL負(fù)載。一般作為擴(kuò)展時(shí)地址/數(shù)據(jù)總線口使用。P1口（）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入口時(shí)，鎖存器必須置1），可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。P2口（）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，當(dāng)作為I/O口使用時(shí)，可直接連接外部I/O設(shè)備。它是與地址總線高8位復(fù)用，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載，一般作為擴(kuò)展時(shí)地址總線的高8位使用。P3口（）：為8位準(zhǔn)雙向I/O口，是雙功能復(fù)用口，可驅(qū)動(dòng)4個(gè)TTL負(fù)載。(2)MCS51單片機(jī)的時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路是計(jì)算機(jī)的心臟,XTALXTAL2引腳分別為該反相放大器的輸入端和輸出端,該反相放大器與片外晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成了一個(gè)自激振蕩器,大多單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式.最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式采用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路,不論是HMOS還是CHMOS型單片機(jī),:,、C2的取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、C2可在20pF100pF之間選擇,一般當(dāng)外接晶體時(shí)典型取值為30pF,外接陶瓷諧振器時(shí)典型取值為47pF,取60pF70pF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性.在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí),晶體或陶瓷諧振器和電容應(yīng)盡量靠近單片機(jī)XTALXTAL2引腳安裝,以減少寄生電容,應(yīng)采用NPO電容.(3)MCS51單片機(jī)的復(fù)位電路計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位,使中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài),并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作.單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的,MCS51單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳RST,當(dāng)振蕩器起振后,該引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期(即24個(gè)時(shí)鐘周期)以上的高電平,使器件復(fù)位,只要RST保持高電平, ,P0,P1,P2,退出復(fù)位狀態(tài),.,常常需要人工按鈕復(fù)位,如下圖所示:對(duì)于CMOS型單片機(jī)因RST引腳的內(nèi)部有一個(gè)拉低電阻,RC電路充電,RST引腳端出現(xiàn)正脈沖,只要RST端保持兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平(因?yàn)檎袷幤鲝钠鹫竦椒€(wěn)定大約要10ms),RC的典型值為C=10μF,R=,干擾信號(hào)易串入復(fù)位端,可能會(huì)引起內(nèi)部某些寄存錯(cuò)誤復(fù)位,這時(shí)可在RST引腳上接一去耦電容.上圖那上電按鈕復(fù)位電路只需將一個(gè)常開(kāi)按鈕開(kāi)關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路,按下開(kāi)關(guān)一定時(shí)間就能使RST引腳端為高電平,從而使單片機(jī)復(fù)位.在以8031單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)中必須擴(kuò)展程序存貯器，用以存放控制程序。同時(shí)，單片機(jī)內(nèi)部的存貯器容量較小，不能滿足實(shí)際需要，還要擴(kuò)展數(shù)據(jù)存貯器。這種擴(kuò)展就是配置外部存貯器（包括程序存貯器和數(shù)據(jù)存貯器）。另外，在單片機(jī)內(nèi)部雖然設(shè)置了若干并行I/O接口電路，用來(lái)與外圍設(shè)備連接。但當(dāng)外圍設(shè)備較多時(shí)，僅有幾個(gè)內(nèi)部I/O接口是不夠的，因此，單片機(jī)還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片。（1） 程序存貯器的擴(kuò)展 MCS51系列單片機(jī)的程序存貯器空間和數(shù)據(jù)存貯器空間是相互獨(dú)立的。程序存貯器尋址空間為64KB（0000H0FFFFH），8031片內(nèi)不帶ROM，所以要進(jìn)行程序存貯器的擴(kuò)展。用作程序存貯器的常用的器件是EPROM。 由于MCS51單片機(jī)的P0口是分別復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存貯器擴(kuò)展時(shí)，必須用地址鎖存器鎖存地址信號(hào)。通常地址鎖存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時(shí)，鎖存端G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號(hào)端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)對(duì)程序存貯器容量要求的不同，常采用的擴(kuò)展芯片擴(kuò)展EPROM2716（2KB8）、2732A（4KB8）、2764A（8KB8）、27128A（16KB8）、27256（32KB8）和27512（64KB8）等。以上6種EPROM均為單一+5V電源供電，維持電流為35mA40mA，工作電流為75mA100mA，讀出時(shí)間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0A15是地址線，不同的芯片可擴(kuò)展的存貯容量的大小不同，因而提供8位地址的P2端口線的數(shù)量各不相同，故2716為A0A10，27512為A0A15；D0D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；OE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源；PGM是編程脈沖輸入端。根據(jù)程序存貯器擴(kuò)展的原理，以EPROM2764A和鎖存器74LS373為例對(duì)8031單片機(jī)進(jìn)行程序存貯器