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数控机床设计说明书学 院：机械学院专 业：机械设计制造及其自动化 班 级：机自071 学 号：072003110123 学生姓名： 张海明指导教师：赵先锋 2011年 1 月 5 日目 录摘 要2第1章 前言2第2章 数控车床设计概述6第3章课程设计的目的8第4章 横向进给系统的设计计算84.1主切削力及其切削分力计算94.2导轨摩擦力的计算104.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力114.4确定进给传动链的传动比i和传动级数114.5滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算124.6滚珠丝杠螺母副承载能力校核174.7计算机械传动的刚度194.8驱动电机的选型与计算224.9机械传动系统的动态分析264.10机械传动系统的误差计算与分析274.11确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号28第5章 数控机床控制系统设计315.1硬件电路设计内容315.2设计步骤315.3软件电路设计主要内容315.4软件设计375.5进给伺服系统概述47总结与体会50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 发展趋势第一章 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 10m提高到 5m ,精密级加工中心则从 35m ,提 高到 11.5m并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m 。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。第二章 数控车床设计概述用数控机床加工零件时，首先应加工零件的几何信息和工艺信息变成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理和运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换和放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具和工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序和参数有条不紊地运作，从而加工出零件的全部轮廓。 数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计加床，致使生产准备时间过长。经济型数控车床，对于保证和提高被加工零件的精度，主要依靠两方面来实现：一是系统的控制精度；二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统，由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。所以，数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为：（1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副，以减小摩擦力。（2)选用最佳的降速比，为达到数控机床所要求的脉冲当量，使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。（3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。（4)尽量消除传动间隙，以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。（5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。 从应用的方面考虑，结合目前国内大多数的情况，可采用更换滚珠丝杠来代替原机床上的T型丝杠。也可对原车床上T型丝杠加以修复，但此时必须相应修配与与此相配合的螺母，尽量减小其间隙，提高配合精度。般说来如原车床的工作性能良好精度尚未降低，则应尽量保留机床的传动系统。使改造后的数控车床同时具有微机控制和原机床操作的双重功能。如原车床使用时间较长运动部件磨损严重除了对导轨精度进行修复外还应将传动部件拆除或更换，以确保改造后车床的传动精度。 数控机床一般由控制介质 数控装置 伺服系统和机床组成如图2.1图2.1数控机床的组成电动机的选择 (1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求，选择电动机类型。(2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求，考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩，选择电动机功率，并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量，负荷率一般取0.80.9。(3)根据使用场所的环境条件，如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施，选择电动机的结构型式。(4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求，确定电动机的电压等级和类型。(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求，以及机械减速机构的复杂程度，选择电动机额定转速。此外，还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。电动机类型和结构型式的选择由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度，输出功率，动态刚度，振动抑制等)，因此，主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说，选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。表1.1 理想主轴驱动系统性能项目内容高性能低速区要有足够的转矩宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩高旋转精度高动态响应高加减速,起制动能力具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化高效率,低噪声低价格低购买价格,低维护价格,低服务价格通用要求耐用性,可维护性,安全可靠性感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流，其功率范围从零几个kW到上百kW，广泛地应用于各种数控机床上。 第三章 课程设计的目的数控机床课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：1、 通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。2、 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式3、 通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式4、 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想5、 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力第四章 X轴设计计算4.11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X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=410*400*50重量:按重量=体积*材料比重估算为: = Y向拖板(下拖板)尺寸为: 重量=上导轨(含电机)重量为夹具及工件重量:约200NX-Y工作台运动部分总重量为:立式数控铣床工作台（X轴）设计1概述1.1技术要求工作台、工件和夹具的总重量=865kg（所受的重力W=8000N），其中，工作台的质量=327kg（所受的重力=5000N）；工作台的最大行程=880mm；工作台快速移动速度=15000；工作台采用贴塑导轨，导轨的动摩擦系数=0.15,静摩擦系数=0.2；工作台的定位精度为20，重复定位精度为12；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=11，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，切削状况如表2-1所示表2-1数控铣床的切削状况切削方式进给速度/时间比例/(%)备注强力切削0.610主电动机满功率条件下切削一般切削0.830粗加工精加工切削150精加工快速进给1510空载条件下工作台快速进给1.2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520mm1200mm。（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。2设计计算2.1主切削力及其切削分力计算（1）计算主切削力。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，铣刀的切削速度为若主传动链的机械效率，按式可计算主切削力；-机床主轴的计算转速（主轴转速全部功率时的最低切削速度，；-机床主传动系统的传动功率，一般取。（2）计算各切削分力。根据表2-2可得工作台纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为表2-2 工作台工作载荷与切向铣削力的经验比值切削条件比值对称端铣不对称端铣逆铣顺铣端铣圆柱铣、立铣、盘铣和成形铣-2.2导轨摩擦力的计算（1）按式计算在切削状态下的导轨摩擦力。此时，动摩擦系数，、-主切削力的垂向切削分力（N）和横向切削分力（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；-镶条紧固力（N）,其推荐值可查表2-3得镶条紧固力=2500N，则=0.15(8000+2500+159.75+92.49)N=1612.8N表2-3 镶条紧固力推荐值导轨形式主电动机功率/kw2.23.75.57.5111518贴塑滑动导轨50080015002000250030003500滚动直线导轨254075100125150175(2) 按式,计算在吧切削状态下的导轨摩擦力和导轨静摩擦力。=0.15（8000+2500）N=1575N=0.2(8000+2500)N=2100N2.3计算滚珠丝杆螺母副的轴向负载力（1）按式， -主切削力的纵向切削力=（62.26+1612.8）N=1675.1N（2）按式N计算最小轴向负载力=1612.8N2.2.4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，则由式得：2)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，快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷。一般切削(粗加工)和精细切削（精加工）时，滚珠丝杆螺母副的轴向载荷、分别可按下列公式计算：，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轴向载荷/N进给速度/()时间比例/()备注强力切削1675.110一般切削（粗加工）2082.1230精细加工（精加工）1821.8650快移和定镗定位1612.810(2) 计算滚珠丝杆螺母副在各种切削方式下的转速（3）按式计算滚珠丝杆螺母副的平均转速。（4） 按式计算滚珠丝杆螺母副的平均载荷。3)确定滚珠丝杆预期的额定动载荷（1）按预定工作时间估算。查表2-5得在和性质系数。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。查表2-7得可靠性系数，额定寿命则由式得表2-5 载荷性质系数载荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动11.21.21.51.52表2-6精度系数精度等级1、2、34、571010.90.80.7 表2-7可靠性系数可靠性/()90959697989910.620.530.440.330.21(2) 因对滚珠丝杆螺母副将实施预紧，所以可按式估算最大轴向载荷。查表2-8得欲加动载荷系数，则表2-8 欲加动载荷系数欲加载荷类型轻预载中预载重预载6.74.53.4（3）确定滚珠丝杆预期的额定动载荷。取以上两种结果的最大值，即=7087.54）按精度要求确定允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经（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，重复定位精度为12，根据公式重复定位精度和定位精度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。（2）估算允许的滚珠丝杆的最小螺纹底经。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（1.21.4）行程+（2530）取L=1.4行程+30=（1.4880+3010）mm=1532mm,又=2180N，由式得（5）初步确定滚珠丝杆螺母副的规格型号根据计算所得的、，初步选择FFZD型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆螺母副FFZD5010-3,其公称直径、基本导程、额定动载荷和丝杆底径如下：，,，故满足式，的要求。6） 由式确定滚珠丝杆螺母副的预紧力7） 计算滚珠丝杆螺母副的目标行程补偿值和预拉伸力（1） 按式计算目标行程补偿值-目标行程补偿值；-温度变化值（），一般情况下为23；-丝杆的线膨胀系数（1/）,一般情况下为；-滚珠丝杆副的有效行程。已知温度变化值，丝杆的线膨胀系数，滚珠丝杆副的有效行程=工作台行程+安全行程+2余程+螺母长度 =（880+100+220+147）mm=1227mm,故(2)按式计算滚珠丝杆的预拉伸力。已知滚珠丝杆螺纹底径,滚珠丝杆的温度变化值，则8)确定滚珠丝杆螺母副支承用轴承的规格型号（1）按式计算轴承所承受的最大轴向载荷。（2） 计算轴承的预紧力(3) 计算轴承的当量轴向载荷(4)按式计算轴承的基本额定动载荷。已知轴承的工作转速,轴承所受的当量轴向载荷,轴承的基本额定寿命。轴承的径向载荷和轴向载荷分别为 因为，所以查表2-9得，径向系数X=1.9，轴向系数Y=0.54，故表2-9 载荷系数组合列数2列3列4列承载列数1列2列1列2列3列1列2列3列4列组合形式DFDTDFDDFDDTDDFTDFFDFTDTTX1.9-1.432.33-1.172.332.53-Y0.54-0.770.35-0.890.350.26-X0.920.920.920.020.020.920.920.920.92Y1.01.01.01.01.01.01.01.01.0(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为44.3mm，所以选择轴承的内径为40mm，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760308TNI/P4DFB,尺寸（内径外径宽度）为40mm90mm23mm，选择脂润滑。该轴承的预载荷能力为5600N，大于计算所得的轴承预紧力=2647.25N.并在脂润滑状态下的极限转速为1500r/min,等于滚珠丝杆的最高转速，故满足要求。该轴承的额定动载荷为=50000N，而该轴承在20000h工作寿命下的基本额定动载荷=39597.89N,也满足要求。2.3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（见本课程设计插页图1）。本课程设计后插页图2为工作台零件图，插页图3为滑鞍零件图。滚珠丝杆螺母副的承载能力校验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。滚珠丝杆螺母副临界转速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=1117.5mm。已知弹性模量，材料密度，重力加速度，安全系数。查参考文献表2-44得。滚珠丝杆的最小惯性矩为滚珠丝杆的最小截面积为故可由式得 本丝杆螺母副的最高转速为1500，远远小于其临界转速，故满足要求。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参考文献附录A表A-3得滚珠丝杆的额定动载荷，运转条件系数，滚珠丝杆的轴向载荷,滚珠丝杆螺母副转速,由式，得， 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故满足要求。 传动系统的刚度计算传动系统的刚度计算(1)计算滚珠丝杆的拉压刚度。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时，滚珠丝杆螺母副具有最小拉压刚度，可按式计算： 当或时（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，可按式计算：（2）计算滚珠丝杆螺母副支承轴承的刚度。已知轴承接触角，滚动体直径，滚动体个数Z=16，轴承的最大轴向工作载荷,查参考文献表2-45、2-46得（3） 计算滚珠与滚道的接触刚度查参考文献附录A表A-3得滚珠与滚道的接触刚度，额定载荷，滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷，故由式得（4） 计算进给传动系统的综合拉压刚度。由式得进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为故。由式得进给传动系统的综合拉压刚度的最小值为故。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已知剪切模量，滚珠丝杆的底径。由式得 驱动电动机的选型与计算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。已知滚珠丝杠的密度，由式得（2）计算联轴器的转动量。（3）计算折算到电动机轴上的移动部件的转动惯量。已知机床执行部件（即工作台、工件、夹具）的总质量，电动机每转一圈，机床执行部件在轴上移动的距离,则由式得（4）由式计算加在电动机轴上总的负载转动惯量。计算折算到电动机轴上的负载力矩（1）计算切削负载力矩。已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力，电动机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离，进给传动系统总效率，由式得（2）计算摩擦负载力矩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），由式得（3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩。已知滚珠丝杠螺母副的预紧力滚珠丝杠螺母副的基本导程，滚珠丝杠螺母副的效率，由式得计算坐标轴折算到电动机轴上的各种所需的力矩（1）计算线性加速力矩已知机床执行部件以最快速度运动时电动机的最高转速，电动机的转动惯量，坐标轴的负载惯量，进给伺服系统的位置环增益，加速时间，由式得 （2）计算阶跃加速力矩。已知加速时间，由式得（3）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。按式计算线性加速时空载启动力矩。按式计算阶跃加速时空载启动力矩。按式计算快进力矩。按式计算工进力矩。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查参考文献表2-47，选择日本FANUC公司生产的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；额定力矩12；转动惯量；质量。交流伺服电动机的加速力矩一般为额定力矩的5-10倍。若按5倍计算，则该电动机的加速力矩为60，均大于本机床工作台的线性加速时所需 的空载启动力矩以及阶跃加速时所需的驱动力矩，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，均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩以及工进时所需的驱动力矩，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，系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足式而在本设计中，故满足惯量匹配要求。 机械传动系统的动态分析计算丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率已知滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度，而滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量（其中、分别是机床执行部件的质量（）和滚珠丝杠螺母副的质量（），则计算扭转振动系统的最低固有频率折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为已知丝杠的扭转刚度，则由以上计算可知，丝杠-工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率都比较高。一般按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，导轨的静摩擦力，则由式得即故满足要求。计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差由式得 即故满足要求。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引起的滚珠丝杠螺母副的变形量。已知负载力矩，由以上计算得扭转作用点之间的距离，丝杠底径，由式得（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。由式得 确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号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，、应满足下列要求： 滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查参考文献表2-20得；查参考文献表2-21得，当螺纹长度为850mm时，故满足设计要求。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FFZD5010-3-P2/15191000,其具体参数如下。公称直径与导程：50mm,10mm；螺纹长度：1000mm；丝杠长度：1519mm；类型与精度：P类，2级精度。表7-1 2弧度内行程变动量和任意300mm行程内行程变动量（）精度等级123454567868121623表7-2 有效行程内的目标行程公差和允许的行程变动量（单位：）有效行程/mm精度等级12345315668812121616232331540076981212181725254005008710101513201927265006309711111614222130296308001081312181625233531800100011915132117292540331000125013101814241934294639第五章 数控机床控制系统设计数控系统硬件电路设计5.1 设计内容.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；.选择计算机或中央处理单元的类型；.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；.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；.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。5.2 设计步骤.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CPU2 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RAMROM外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等输入/输出I/O接口信号变换控制对象.主控制器的选择系列单片机是集中，端口及部分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。本次设计选用芯片作为主控芯片。.存储器扩展电路设计(）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芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考虑与时序的匹配。所能读取的时间必须大于所要求的读取时间。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，选择芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定0口提供为位地址线，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位的地址信息，一般采用芯片作为地址锁存器，并由发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。 P1.7 P1.0 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 由以上分析，采用EPROM芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示 A12 A8 2764A7A0 D7 D0译码电路G74LS372扩展2764电路框图 (）数据存储器的扩展由于内部只有字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示： P2.4 P2.0ALE P0.7 P0.0 A12 A8A7 6264A0D7D0 D0译码电路G74LS372扩展6264电路框图 (）译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通