（毕业设计全套）XK5040数控立式铣床主运动系统及进给系统及控制系统设计（打包下载）

垂直进给丝杠计算进给牵引力垂直导轨为矩形导轨，计算如下这里而移动部件的重量除工作台横向溜板外，还有升降台重量，取，则对于矩形导轨因此，.计算最大动载荷初选这里取.，则滚珠丝杠螺母副选型查表，可选用型外循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠副，.圈列，额定动载荷为，精度等级为级。

传动效率计算对型，因此，刚度验算垂直进给丝杠最大牵引力为滚珠丝杠受工作载荷引起的导程的变化量为丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略，所以导程总误差为显然此变形量小于定位精度，故刚度足够。

纵横向及垂直方向滚珠丝杠副的参数表见下表.表.及滚珠丝杠几何参数参数名称符号关系式螺纹滚道公称直径导程接触角钢珠直径.滚道面半径偏心距.螺纹升角螺杆外径.内径接触直径.螺母螺纹直径.内径.齿轮传动比计算为满足脉冲当量的设计要求和增大转矩，同时也为了是传动系统负载惯量尽可能小，传动链中采用齿轮传动。

已知脉冲当量脉冲，滚珠丝杠导程，并初选步进电机步距角后，可以根据下式计算齿轮传动比式中脉冲当量滚珠丝杠的基本导程步进电机的步距角计算出传动比后，再根据降速级数决定采用对或两对齿轮传动，再决定各对齿轮的齿数模数和各项技术参数，因为进给伺服系统传递功率不大，般取模数，数控车床铣床取，所以这里我们取。

纵向及横向进给齿轮传动比计算已确定纵向及横向进给脉冲当量.，滚珠丝杠导程，初选步金电机的步距角.。

可以计算出传动比为可以选定齿轮齿数为这里纵向取齿数为，横向取齿数为。

垂直进给齿轮传动比计算由于垂直方向的进给运动是有步进电机驱动，经圆锥齿轮带动滚珠丝杠传动。

这里我们取脉冲当量.初选步进电机步距角.，则可以选定齿轮齿数为这里我们确定齿数为。

垂直方向齿轮模数我们取。

步进电机的计算和选型纵向进给步进电机初选步进电机计算步进电机的负载转矩试中脉冲当量进给牵引力步距角，初选双拍制为.电机丝杠的传动效率，为齿轮轴承丝杠效率之积，分别为.，.，.和.。

估算步进电机的起动转矩计算最大静转矩查表取五相十拍，则计算步进电机运行频率和最高起动频率试中最大切削进给速度这里为.最大快移速度，这里为.脉冲当量，取.。

初选步进电机型号根据估算出的最大静转距查得最大静转距为，可以满足要求，考虑到此经济型数控铣床有可能使用较大的切削用量，应选稍大转距的步进电机，以便留有定的余量，另方面，与国内同类型机床类比，决定采用步进电机，查得步进电机最高空载起动频率和运行频率满足要求。

较核步进电机转距等效转动惯量计算传动系统折算到电机轴撒谎能够的总的转动惯量可以按下试计算试中步进电机转子转动惯量丝杠导程工作台及工件等移动部件的重量，齿轮的转动惯量滚珠丝杠转动惯量。

参考同类机床，初选反应式步进电机，其转子转动惯量为.对于轴轴承齿轮联轴节丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式为对于钢材，材料密度为代入上式，有式中圆柱体质量圆柱体直径圆柱体长度因此代入式考虑步进电机与传动系统惯性匹配问题基本满足惯性匹配的要求。

电机转距计算机床在不同的工作情况下，其所需要的转矩不同，下面分别按各阶段计算。

快速空载起动转距在快速空载起动阶段，加速转矩占的比例较大，具体计算公式如下式中快速空载起动转矩空载起动时折算到电机轴上的加速转矩折算到电机轴上的摩擦转矩由于丝杠预紧时折算到电机轴上附加摩擦转矩。

摩擦转矩式中导轨摩擦力垂直方向的切削力运动部件的总重量导轨摩擦系数，取齿轮降速比传动链总效率，般取。

空载起动时折算到电机轴上的加速转矩式中折算到电机轴上的总等效转动惯量，电机最大角加速度，电机最大转速，运动部件最大快进速度，脉冲当量，步进电机步距角，运动部件从停止起动到加速到最大快进速度所需要的时间，起动加速时间。

附加摩擦转矩式中滚珠丝杠预加负载，般取，为进给牵引力滚珠丝杠导程滚珠丝杠未预紧时的传动效率，般取。

上面三项合计为快速移动时所需的转矩最大切削负载时所需转矩式中折算到电机轴上的切削负载转矩，与前同。

折算到电机轴上的切削负载转矩式中进给方向的最大切削力其余符号同上。

从上面的计算可以看出和三种工作情况下，以快速空载起动转矩最大，即以此项作为较核步进电机转矩的依据。

查表知，当步进电机为五相十拍时则最大静转矩为而型步进电机最大转矩为，大于所需要的最大静转矩，可以满足此项要求。

较核步进电机的起动频率特性和运行矩频特性前面已经计算出此机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为，切削进给时所需的电机运行频率为。

从步进电机的技术数据中知，型步进电机允许的最高起动频率为，运行频率为，在从型步进电机的起动矩频特性和运行曲线如图所示看出，当步进电机起动时，时远远不能满足此机床所需要的空载动力矩，直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制用软件实现，将起动频率降到时，起动转矩可增高到，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可以将步进电机的输出转矩再扩大倍左右。

当快速运动和切削进给时，型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求，如下图.所示。

图.型步进电机矩频特性横向步进电机的选型横向及垂直方向步进电机的计算与较核方法和过程与纵向进给步进电机相同，此处略。

经计算和类比，决定横向采用型，垂直方向进给把进待年纪的选型初选步进电机的型号计算步进电机的负载转矩估算步进电机的起动转矩计算最大静转矩计算步进电机的运行频率和最高起动频率初选步进电机的型号根据估算出的最大静转距查得最大静转距为，可以满足要求，考虑到此经济型数控铣床有可能使用较大的切削用量，应选稍大转距的步进电机，以便留有定的余量，另方面，与国内同类型机床类比，决定采用步进电机，查得步进电机最高空载起动频率，不能满足的要求，此项指标可以暂时不，可以用软件升降速程序来解决。

较核步进电机的转矩等效转动惯量的计算计算简图见图传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量可由下试计算考同类机床，初选反应式步进电机，其转子转动惯量则电机转矩计算机床在不同的工况下，其所需要的转矩不同，下面分别计算。

快速空载起动转矩而上述三项合计为快速移动时所需的转矩最大切削负载时所需转矩从上面的计算可以看出和三种工作情况下，以快速空载起动转矩最大，即以此项作为较核步进电机转矩的依据。

查表知，当步进电机为五相十拍时则最大静转矩为而型步进电机最大转矩为.，大于所需要的最大静转矩，可以满足此项要求。

较核步进电机的起动频率特性和运行矩频特性前面已经计算出此机床最大快移时需步进电机的最高起动频率为，切削进给时所需的电机运行频率为。

从步进电机的技术数据中知，型步进电机允许的最高起动频率为，运行频率为，在从型步进电机的起动矩频特性和运行曲线如图所示看出，当步进电机起动时，时远远不能满足此机床所需要的空载动力矩，直接使用则会产生失步现象，所以必须采取升降速控制用软件实现，将起动频率降到时，起动转矩可增高到，然后在电路上采用高低压驱动电路，还可以将步进电机的输出转矩再扩大倍左右。

当快速运动和切削进给时，型步进电机运行矩频特性完全可以满足要求，如下图.所示。

图.型步进电机矩频特性进给伺服系统机械部分结构设计进给伺服系统即进给驱动装置，驱动装置是指步进电机的旋转运动边为工作台直线运动的整个传动链主要包括减速装置丝杠螺母副及导向元件等。

数控铣床对进给系统的要求主要有传动传动精度系统的稳定性和动态响应特性灵敏度等。

传动精度包括动态误差稳态误差和静态误差，即伺服系统的输入量与驱动装置的实际位移量的精确程度。

系统的稳定性是指系统在启动状态下或受外界干扰作用下，经过几次衰减振荡后，能迅速地稳定在爱新的或呀的平衡状态的能力。

动态响应是系统响应时间及驱动装置的加速能力。

为确保数控铣床进给伺服系统的传动精度，系统的稳定性和动态响应性，对驱动装置机械结构的要求是要消除间隙，减少摩擦，减少运动惯量，提高部件精度和刚度。

进给伺服系统传动齿轮间隙的消除数控铣床在加工过程中，经常变动移动方向。

当铣床进给方向改变时，由于齿侧存在间隙会造成指令脉冲丢失，并产生反向死区从而影响加工精度，因此，不许采取措施消除齿轮传动中的间隙。

纵向及横向进给系统传动齿轮间隙的消除纵向横向传动齿轮间隙的消除采用双片斜齿轮消除间隙机构，如下图.，厚齿轮同时与两个相同齿数的薄齿轮啮合，薄齿轮有平键与轴联接，互相不能相对转动。

两个薄齿轮的齿形拼装在起加工，并与键槽保持确定的位置。

调整螺母，即可以靠弹簧自动消除间隙图.双片斜齿轮消除间隙机构垂直进给系统传动齿轮间隙的消除由于垂直进给系统采用圆锥齿轮传动，因此可采用周向弹簧调整法如图.。

将大圆锥齿轮加工成和两部分，齿轮的外圈上带有三个周向圆弧槽，齿轮的内圈的端面带有三个凸爪套装在圆弧槽内，弹簧的两端分别顶在凸爪和襄块上，使内外圈锥齿错位，起到消除间隙的作用。

为了安装方便，用螺钉将内外圈相对固定，安装完毕后将螺钉卸去。

图.压力弹簧消除间隙机构升降台自动平衡装置工作原理及调整升降台自动平衡装置的结构如下图.所示，有摩擦离合器和单向超越离合器构成，其工作原理是当圆锥齿轮转动时，通过锥销带动单向超越离合器的星轮。

工作台上升时，星轮的转向是使滚子和超越离合器的外壳脱开的方向，外壳不转，摩擦片不起作用。

当工作台下降时，星轮的转向使滚子楔在星轮和超越离合器的外壳之间，外壳随着圆锥齿轮起转动。

经花键与外壳连在起的内摩擦片与固定的外摩擦片之间产生相对运动，由于内外摩擦片之间由弹簧压紧，有定的摩擦阻力，所以起到阻尼的作用，上升拥护下降的力量得以平衡。

图.阻尼力量大小即摩擦离合器的松紧，可由螺母调整，调整前应先送开螺母获得锁紧螺钉。

当垂直下降时必须克服这个额外叫是行的摩擦扭矩。

控制系统设计.绘制控制系统结构框图根据总体方案及机械结构的控制要求，立式铣床控制系统选用系列单片机组成，纵向横向及垂直方向均采用步进电机控制，三个坐标均采用硬件环形分配器，控制系统的功能包括向向给伺服运动键盘显示面板管理行程控制其他功能例如光隔离电路功率放大电路红绿灯显示硬件电路主要由以下几部分组成主控制器，即中央处理单元总线，包括数据总线地址总线和控制总线存储器，包括和接口，即输入输出接口电路外部设备，如键盘，显示器及光电输入等。

控制系统结构框图如图.所示图.控制系统框图选择中央处理单元的类型在微机控制系统中的选择主要考虑以下因素