数控铣床伺服进给系统设计
摘要：本设计主要有完成数控铣床的是铣床的进给系统设计，它主要是由X方向进给系统设计，在经过认真的分析后，确定了该方案，然后依据有关参数设计了X向的进给。控制系统的CPU采用凌阳单片机，显示器采用了液晶显示器，使用丝杠副实现X向的进给，通过进行经济分析后，产品设计合理。
关键词：数控铣床；丝杠；工作台
1课程内容的发展前景和意义
1.1课题内容的发展前景
市场的开放性和全球化，促使机床产品的竞争日趋激烈，而决定机床产品竞争力的指标是产品的开发时间（Time）、产品质量（Quality）、成本（Cost）、创新能力(Creation）和服务（Service）。用户在追求高质量产品的同时，会更多地追求低的价格和短的交货期。这就要求企业改变过去传统的设计、生产和管理模式，最大限度地利用虚拟设计手段，以提高产品的质量和性能，降低成本，并努力缩短交货期，同时还需要快速响应市场和用户的变化，利用有利时机快速抢占市场。美国制造业在50至60年代主要以扩大生产规模作为企业竞争力的第一要素，而在70年代竞争力的第一要素为降低生产成本，80年代为提高产品质量，90年代为市场响应速度。所以现代每个企业都期望通过提高自身的科技含量，采用先进的设计技术和手段，以加快设计速度，提高设计质量，增强竞争力。机床总体方案虚拟设计技术就是为适应这种形势的变化而提出来的。
我国世界上机床产量最多的国家，但在国际市场竞争中仍处于较低水平；即使国内市场也面临着严峻的形势，一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量的需求，而另一方面却有不少国产机床滞销积压，国外机床产品充斥市场。90年国外数控机床在我国市场的占有率仅达15%左右，而95年已达77%。严重影响我国数控机床自主发展的势头。
这种现象的出现，除了有经营上、产品制造质量上和促销手段上等原因外，一个主要的原因是我国生产的数控机床品种、性能和结构不够先进，新产品(包括基型、变型和专用机床)的开发周期长，从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品。
为解决这样的问题，必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术，发展优化和仿真技术，提高产品结构性能，并建立起基于并行工程(Concurrent Engineering)的使设计、工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境，使用相应的产品虚拟开发软件，这样才能有效地解决产品开发的落后局面，使企业取得良好的经济效益。同时还有，设计人员操作的和开放的CAD应用软件，这样的软件系统应采用特征建模技术、具有完备的图库结构、面向产品对象的数据管理系统并与企业的管理、工艺、制造等建立交换信息的接口；同时软件系统是一种开放环境，使设计人员可以根据自身产品设计的需要，对软件系统方便地进行修改和补充开发，建立起本企业的应用软件系统。对于机床的整体才用虚拟设计软件，整机的总体方案设计是保证产品布局合理、性能全局最优和成本合理的主要环节。但机床整机总体方案设计在传统上往往依赖于人的“智慧”，随意性很大，成为影响产品质量的关键因素，随着CAD技术、计算技术和设计方法学的发展，以及市场竞争的需要，必须发展既基于知识，又具有科学分析和预测功能的总体方案虚拟设计软件。在设计完成后对与整体的优化设计，主要从保证整机性能的角度来研究机床总体结构的优化。这里既有建模的算法问题，也有确定载荷和边界条件的问题，更有设计人员直接参与应用和分析的问题。发展仿真技术在该领域的应用，使性能评价更直观和全面，可以使设计人员的经验和科学计算分析完美地结合在一起，以推进结构设计的创新发展。
要解决长期困扰机械产品设计人员的方案设计完全依靠个别有经验人员和整机结构性能优化无从下手的问题，又要为广大设计人员提供一个经过二次开发的CAD应用软件的设计系统，还需做大量的研究开发工作。还需加大对并行工程、造型、可靠性、优化设计、报价体系、评价体系和软件一体化等方面的研究工作。
1.2课题内容的意义
当今机床行业的计算机数控化已成为技术进步的大趋势。数控机床是电子
信息技术和传统机械加工技术结合的产物，它集现代精密机械、计算机、通讯、液压气动、光电等多学科技术为一体，具有高效率、高精度、高自动化和高柔性的特点，是当代机械制造业的主流装备。数控机床大大提高了机械加工的性能（可以精确加工传统机床无法处理的复杂零件）。有效提高了加工质量和效率，实现了柔性自动化（相对于传统技术基础上的大批量生产的刚性自动化），并向智能化、集成化方向发展。
在数控机床发展过程中，值得一提的是数控加工中心的出现。这是一种具有自动换刀装置的数控机床，它能实现一次装夹并进行多工序加工。这种机床在刀库中装有钻头、丝锥、铰刀、镗刀等刀具，通过程序指令自动选择刀具，并利用机械手将刀具装在主轴上，这样可大大缩短零件装缷时间和换刀时间。数控加工中心现在已经成为数控机床中一个非常重要的品种，不仅有立式、卧式等镗铣类加工中心用于箱体类零件的加工，还有车削加工中心用于回转体零件加工以及磨削加工中心等。这些高性能、高精度、高自动化的数控机床就组成了完整的数控机床家族。
2设计的任务
2.1设计的任务
数控铣床伺服进给系统设计
3设计的参数于确定系统的总方案
方案设计主要是确定铣床工作台的X轴方向进给的结构，传动原理以及基本的运动动力参数。
3.1设计的参数
设计任务给出各项指标如下：
1 加工对象：45号钢传动
2 工作台行程：X —500
3 脉冲当量：0.001—0.002mm
另外：工作台质量为200kg ，工件和夹具的总质量为500kg 。 进给速度为1~8000mm/min ，快速移动速度为20000mm/min
3.2确定系统的总体方案
为了满足以上技术要求，采取以下技术方案：
（1）主切削力及其切削分力计算
（2）工作台工作面尺寸（宽度×长度）确定为550mm×550mm 。
（3）对滚珠丝杠螺母副采用预紧，并对滚珠丝杠进行拉伸预紧。
（4）采用伺服步进电动机驱动。
3.2.1 主切削力及其切削分力计算
3.2.1.1 根据已知条件，采用镶齿三面刃铣刀，查《切削手册》切削力计算公式为：
.950.801.109.8182.4z p f e a a d
a Z F -=? （2.1） 式中Z ——铣刀齿数；
p a ——背吃刀量（mm ）；
f a ——每齿进给量（mm/z ）；
e a ——侧吃刀量（mm ）。
所以当10Z =，80e a mm =，100d mm =，4p a mm =， 0.15f a mm = 时，
.950.801.109.8182.4z p f e a a d a Z F -=?=6420N
3.2.1.2 计算各切削分力
工作台的纵向切削力、横向切削力和垂向切削力分别为：
z 0.6F 0.664203852N
0.450.45642028890.550.5564203531c v z l z F F F N F F N
==?===?===?=
3.2.2 X 轴滚珠丝杠的选择
1确定滚珠丝杠的导程
根据已知条件取电动机的最高转速max n 2500r /min =,i=1得： max max v 20000mm 8mm in 12500
h p ===? 2滚珠丝杠螺母副的载荷及转速计算
丝杠最大载荷，为切削时的最大进给力加摩擦力；最载荷即摩擦力 。已知最大进给力为3852c F N =，工作台加工件与夹具的质量为700g k ，导轨的摩擦因数为0.0045，故丝杠的最小载荷
min =fG=0.004570010=31.5F ??N
丝杠最大载荷
max 385231.43883F =+=N
当负荷与载荷接近单调式变化时 max min
m max min
m 80001n n 88n 500/min 2
22F F 2388331.4F 259933
r N ++===+?+=== 3确定滚珠丝杠预期的额定动载荷am C
式中h L ——预期工作时间（小时）；
a f ——精度系数；
c f ——可靠性系数；
w f ——负荷系数。
查得载荷性质系数w f =1.3。已知初步选择的滚珠丝杠的精度等级为2级，查得精度系数a f =1,可靠性系数c f =1，则 m w 3am m h a c F f C =60n L 100f f 32599 1.360500200002849710011
N ?=???=?? （2）因对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按估算最大轴向载荷。取预加载荷系数e f =4.5，则
am e amax f 4.5388317474C F N N ==?=
（3）确定滚珠丝杠预期的额定动载荷am C
取以上两种结果的最大值，am C ＝28497N 。
4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2m d
（1）估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形m δ。
机床或机械装置的伺服系统精度大多在空载下检验。空载时作用在滚珠丝杠副上的最大轴向工作载荷是静摩擦力0F 。移动部件min K 处启动和返回时，由于0F 方向变化将产生误差因素，一般占重复定位精度的（1/2~1/3）。所以规定滚珠丝杠副允许的最大轴向变形m δ≤（1/3~1/4）重复定位精度。
已知重复定位精度为6m μ则
m δ()11~634
≤?=0.002~0.0015mm 影响定位精度最主要因素是滚珠丝杠副的精度，其次是滚珠丝杠本身的拉压弹性变形以及滚珠丝杠副摩擦力矩的变化等。一般估算m δ≤（1/4~1/5）定位精度。
m δ()11~0.0245
≤?=0.005~0.004mm 取上述计算结果的较小值m δ=0.0015mm
（2）估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2m d
本机床工作台（X 轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式
02m 0.039m F L
d δ≥ （3.2）
式中m δ——估算的滚珠丝杠最大允许轴向变形量（μm ）；
0F ——导轨静摩擦力（N ）；
L ——滚珠螺母至滚珠丝杠两个固定支承的距离。
滚珠丝杠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
≈（1.1~1.2）行程+（10~14）h P
L ＝1.1×行程+14×h P ≈（1.1×500+14×8）mm ＝662mm
又0F =31.5N ，得
mm mm d m 59.41000
0015.06625.31039
.02=??≥ 5初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号
根据计算所得的h p 、am C 、2m d ，初步选择FFZD 型内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠螺母副FFZD4008-5其公称直径0d 、基本导程h p 、额定动载荷a C 和丝杠底径2d 如下:0d =40mm,h p =8mm,a C =30700N ＞am C =28497N, 2d =34.9mm ＞2m d =4.59mm 。故满足式设计要求。
6确定滚珠丝杠螺母副的预紧力p F
p max 11F =F 33
=?3883N ＝1294N 7计算滚珠丝杠螺母副的目标行程补偿值与预紧拉力
1）计算目标行程补偿值t δ
103
8.11-??=L u t t δ （3.3）
式中：△t ——温度变化值。
已知温度变化值△t=2.5℃，滚珠丝杠螺母副的有效行程：
2u k n a L L L L =++≈行程+（8~14）h P =500+11×8=588mm t δ＝11.8△t u L ×-310＝11.8×2.5×588×-310mm=17.21mm
（2）计算滚珠丝杠的预拉伸力t F 。
2
2t 2F =1.95td 1.95 2.534.9N 5938N ?=??=
8确定滚珠丝杠螺母副支承用轴承的规格型号
（1）计算轴承所承受的最大轴向载荷Bmax F
max t max F 593838839821B F F N =+=+=
（2）轴承类型
两端固定支承方式。采用双向推力角接触球轴承。
（3）确定轴承内径d
为便于丝杠加工，轴承内径最好不大于滚珠丝杠大径。在选用内循环滚珠丝杠副时必须有一端轴承内径略小于丝杠底径2d 。其次轴承样本上规定的预紧力应大于轴承所承最大载荷max B F 计算轴承的的1/3。
d 略小于2d =34.9mm ，d=30mm
（4）轴承预紧力BP F
预加负荷≥BP F ，BP F =1/3max B F =1/3?9821=3274N
（5）按样本选轴承型号规格
ZKLN3062.2RS d=30mm ，预加负荷为5850N >BP F =3274N
9滚珠丝杠副工作图设计
（1）滚珠丝杠螺纹长度s L
余程e L =32mm
=588+1?32=620mm
（2）两端固定支承距离
1L =640mm ，丝杠全长L=662mm
（3）行程起点离定支承距离
0L =62mm
L L L e
u s +=L L L e u s +=
3.1丝杠的三维图
由以上数据可以看出，该钻铣床为小型机床，且为立式。主要加工对象为普通45号钢，加工并不困难，精度要求也不是非常高。所需要的功率也不大。因此，工作台的纵向和横向的移动通过丝杠来实现，按滚珠的循环方式可分为①弯管式②回球器式③端盖式。如图3.2.1
图3.2.1弯管式丝杠副
弯管式丝杠副与丝母之间设有滚珠转动沟道,滚珠对沟道产生轴向负载,滚珠在丝杠轴周围做滚动运动之后,进入镶在丝母内部的弯管口内,并沿弯管再次向负载区循环,从而进行无限滚动运动。这种产品（如图 3.2.2）是滚珠丝杠副中品种最丰富的普及型产品，可广泛用于各种用途。
图3.2.2螺母丝杠副
根据题目给出的要求，在工作台控制滑动的是才用的是WL 1型有衬套的丝杠结构。
3.2.3 步进电机驱动的选择
1. X 轴方向进给方向的步进电机的选则
(1)步进电机步距角的确定
根据 360360h h θδ
δθ=
?=
式中 θ——步进电机步距角（度）
δ——脉冲当量（mm ）
h ——滚珠丝杠螺距（mm ）
因为h =8 mm ，002.0≤δ（mm ） 所以。09.08
002.0360360=?==h δθ
由于要满足步进电机和工作台的步距要求,因此采用联轴器结构，来传递转动。
(2)电机最大静态扭矩的确定
负载的最大扭矩 ()39.8102Z F G h M μπη-+?=
式中 F ——进给方向的切削力（N ）；
G ——工件和工作台的质量（kg ）；
μ——导轨摩擦系数；
η——丝杠的传动效率；
h ——丝杠螺距（mm ）。
F C =3852N 并且由《专用机床设计与制造》[8]表7可知，当逆铣时
2.1~1=Z
H P P （取1.2），所以 P H =1.2 X F C =4630N （H P F = P Z =F C ）；G 取200 kg ；μ取0.8；η取0.95；h 取8 mm 。所以
()39.8102Z F G h M μπη-+?=
=8.31N.m
所以步进电机转矩取11Nm 。
选择110BYG 系列步进电机：
型号：110BYG5200C 相数：5相 保持转矩：11 N.m 。
（3）安装尺寸
步进电机的安装尺寸如图4.1
图4.1步进电动机安装尺寸
5数控系统的硬件设计
5.1数控系统的基本硬件组成
任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，其性能的好坏直接影响到整个系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效的运行。机床数控系统的硬件电路概括起来有以下几个部分组成：
（1）中央处理单元CPU。
（2）总线。包括数据总线（DB）、地址总线（AB）和控制总线（CB）。
（3）存贮器。包括可擦除存贮器（EEPROM）和随机存贮器（RAM）。
（4）I/O输入/输出接口电路。
其中CPU是数控系统的核心，作用是进行数据运算处理和控制各部分电路的协调工作。存贮器用于存放系统软件，应用中所需的各种数据。I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。总线则是CPU与存贮器、接口以及其它转换电路联接的纽带，是CPU与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。
由于MCS—51系列单片机在我国数控车床控制方面应用较普遍，其配套芯片价廉普及性通用性强，制造和维修也较方便，因此市场数据系统应用MCS—51较多。但是随着电子信息技术的飞跃发展，新型号的芯片的不断问世，各种各样的单片机也应声而生。u，n sp 单片机是由凌阳公司推出的16位单片机，它的数据处理较强，集成度较高，而且有较大的存贮器空间，较快的处理速度，片内较多的RAM和FLASHROM存贮器，有D/A、A/D接口和支持DSP（数字信号处理）的指令，因此在这里不过多地扩展存贮器监控程序和功能子程序的可擦除存贮器和调试程序用的随机存贮器。数控系统也可以直接购买国内外较好的数控系统系列产品做为数控装置,如德国的西门子系列。
5.2.1步进电机的工作原理
步进电机是将电能转化为机械能电磁元件。定子上安排了六个磁极，相对两个磁极上放置着同一相励磁绕组，而转子上没有，只有四个凸极，a、b、c、d 组成，当s1接通，s2，s3断开，A相建立磁场，转子力求以磁路最大来取向，转子齿与定子A相磁极对齐，即转子a、c齿的轴线与定子A相磁极轴线重合。当s1，s3断开，s2接通，转子b、d齿的轴线与定子B相磁极轴线重合。依次类推s1—s2—s3—s1循环接通，转子以一定的布距角旋转，改变输入电流方向，实现反转即s1—s3—s2—s。
5.2.2步进电机的控制
步进电机是受脉冲信号控制的，脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成，而信号的放大由放大电路来完成。由于强弱信号的原因，我们在放大电路前加上光电耦合电路，已防止电源串路。
5.3 译码法寻址
由于扩展的存贮器和其它外围芯片的数量较多，常常采用译码法寻址，由译码器组成译码电路对系统的高位地址进行译码，译码电路将地址空间划分若干块，其输出作为存贮器芯片的片选信号，分别选通各芯片。这样既充分利用了存贮器空间，又避免了空间分散的缺点，还可以减少I/O口线。
5.4 键盘显示器接口
键盘和显示器是数控系统常用的人机对话的外围设备，键盘可以完成程序数据的输入，显示器显示计算机运行时的状态数据。键盘接口电路，用8279作为并行接口使用。8279的地址，数据线和凌阳单片机的接口直接连接，由片选信号控制实现分时信息传递。
5.5 程序存储器（EEPROM）芯片
由于数控机床在加工的时候要进行加工程序的监控，所以数控系统需要有程序存储器，放置监控程序。本数控机床选用EEPROM （容量为8K）。其外形图如
图
图5.1 程序存储器（EEPROM）芯片
5.6 数据存储器（RAM）芯片
由于数控机床在加工的时候要进行加工程序的调试，所以数控系统需要有随机存储器，放置调试程序。本数控机床选用静态RAM6264（容量为8K）。其外形图如图5.2
图5.2 数据存储器（RAM）芯片
6控制系统软件设计
6.1程序流程图
驱动横向和纵向步进电机运转的程序流程图如图6.1