JCS-018立时加工中心主轴箱及进给系统设计

前 言

加工中心集计算机技术、电子技术、自动化控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品，它的发展和运用，开创了制造业的新时代，改变了制造业的生产方式、产业结构、管理方式，使世界制造业的格局发生了巨大变化。现在的CAD/CAM、FMS、CIMS，都是建立在数控技术之上。目前数控技术已经广泛运用于制造业，数控技术水平的高低已成为衡量一个国家制造业现代化程度的核心标志。而加工中心的发展最为重要。

随着科学技术的高速发展，市场上对数控的要求也有很大的改变，正要求数控系统朝着高速、高精度、高可靠性发展，为追求加工效率及更通用化迫使数控机床结构模块化、智能化、柔性化、用户界面图形化，科学计算可视化，内置高性能PLC，多媒体技术应用等方面发展。

加工中心的优点有：1）提高加工质量；2）缩短加工准备时间；3）减少在制品；4）减少刀具费；5）最少的直接劳务费；6）最少的间接劳务费；7）设备利用率高。总的来说，加工中心的发展动向是高速、进一步提高精度和愈发完善的机能。

本设计说明书以大量图例来说明加工中心的主轴箱设计及横向进给机构的设计的思路。设计中得到颜竟成教授的悉心指导，在此向他表示诚挚的的感谢。由于编者的水平和经验有限，加之设计时间较短、资料收集较困难，说明书中难免有缺点和错误，在此恳请读者谅解，并衷心希望广大读者提出批评意见，使本设计说明书能有所改进。

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1、 机床总体方案设计

1.1机床总体尺寸参数的选定

根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下： 工作台宽度×长度 400×1600mm×mm 工作台最大纵向行程 650mm 工作台最大横向行程 450mm 工作台最大垂直行程 500mm X、Y轴步进电机 a12/3000i Z步进电机 a12/3000i 主轴最大输出扭矩 70公斤力×米 主轴转速范围 45～2000r/min 主电动机的功率 4kw 主轴电动机转速 1500r/min

机床外行尺寸（长×宽×高） 2488×1200×2710mm×mm×mm 机床净重 500kg

1.2机床主要部件及其运动方式的选定

1、主运动的实现

因所设计的卧式加工中心要求能进行车、铣和镗，横向方向的行程比较大，因而采用工作台不动，而主轴箱各轴向摆放为卧式的机构布局；采用交流无级调速电动机实现无级调速，并且串联有级变速箱来扩大变速范围。为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳、工作更可靠，主轴箱主要采用离合器交换齿轮的有级变速。

2、给运动的实现

本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在X、Y、Z三个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。

3、数字控制的实现

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采用单片机控制，各个控制按钮均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。

4、机床其他零部件的选择

考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。

1.3 机床总体布局的确定

（一）确定主轴箱传动系统方案：

主传动系统是用来实现机床主运动的传动系统，它应具有一定的转速（速度）和一定的变速范围，以便采用不同材料的刀具，加工不同材料、不同尺寸、不同要求的工件，并能方便地实现运动的开停、变速、换向和制动等。

加工中心主传动系统主要包括电动机、传动系统和主轴部件，它与普通机床的主传动系统相比在结构上比较简单，这是因为变速功能全部或大部分由主轴电动机的无级调速来承担。

机床上常用的变速电动机有直流电动机和交流变频电动机，在额定的转速上为恒功率变速，通常变速范围仅为2-3；额定转速以下为恒转矩变速，调整范围很大，变速范围可大30甚至更大。上述功率和转矩特性一般不能满足机床的使用要求。为了扩大恒功率调速范围，在变速电动机和主轴之间串联一个有级变速箱。

本机床采用交流调速电机变速，为了在变速范围内，满足一定恒功率和恒转矩的要求，为了进一步扩大变速范围，在后面串联机械有级变速装置。

（二）确定主轴箱有级变速级数：

取变速箱的公比为?等于电动机的恒功率变速范围Rdp，即??Rdp，功

ff率特性图是连续的，无缺口和无重合。如变速箱级数为Z，则主轴的恒功率变速范围RNP等于

RNP??z?1fRdp??

fz变速箱的变速级数可得出：

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Z?lgRnplg?f

主轴要求的恒功率变速范围 RNP?2000/45?44.4 电动机的恒功率变速范围 Rdp?2000/1500?1.34 取变速箱的公比 ??Rdp?1.41

f故变速箱的变速级数 Z?lgRnplg?f?lg44.5?11.15

lg1.41故通过圆整取 Z=12。

（三）确定各齿轮的齿数：

在确定齿轮齿数时应注意：齿轮的齿数和不应过大，以免加大两轴之间的中心距，使机床的结构庞大，而且增大齿数和还会提高齿轮的线速度而增大躁声，所以在设计时要把齿数和控制在Sz?100～120；为了控制每组啮合齿轮不产生根切现象，使最小齿数Zmin?18～20，因而齿轮的齿数和不应过小。

受结构限制的个齿轮（尤其是最少齿轮），应能可靠地装到轴上或进行套装；齿轮的齿槽到孔壁或键槽a?2m（m为模数），以保证有足够强的强度，避免出现变形或断裂现象。应保证：

1?T?2m Dmin2标准直齿圆柱齿轮，其最少齿根直径Dmin?m(zmin?2.5)，代入上式可得： Zmin?6.5?2T m 式中：Zmin——齿轮的最少齿数； m——齿轮模数；

T——齿轮键槽顶面至轴心线的距离。

由于此传动在同一变数组为同模数传动，各对齿轮的齿数的齿数之比，必须满足传动比；当各对齿轮的模数相同，且不采用变位齿轮时，则各对齿轮的齿数和必然相等，可列出：

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z?u zz?z?sj1jj2j1j2

z式中：zj1.zj2——分别为J齿轮副的主动与从动齿轮的齿数； uj——J齿轮副的传动比； sz ——齿轮副的齿数和。 由上述公式可得：

z

j1??u?1?usjjzzj21?sz1?uj

因此，选定了齿数和sz，便可以计算出各齿轮的齿数，或者由上式确定出齿轮副的任一齿轮后，用上式算出另一齿轮的齿数。

查表选择齿轮的齿数：

zzza1zzz?34b14753.za2.zb2.zc2zzz?27b25560.za3z?21b360

b1?37c1?30c2c1?24d196?80d240其中a代表二轴，b代表三轴，c代表四轴，d代表主轴。

（四）拟定主运动转速图

由上述计算得，12级转速各传动组中传动数的确定方案有： 12=4×3 ，12=3×4 ，12=3×2×2， 12=2×3×2， 12=2×2×3

按照“前多后少”的原则，确定各传动组的传动副数为12=3×2×2。根据

“前密后疏”的原则，确定基本组在前，后面依次扩大，因此得结构式为

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12?3?2?21366，

第二扩大组的两个传动比连线之间，相距格数应为Zn?Zb?3?2?6，变速范围是??1.41?8，在允许的范围内，所选定的结构式共有三个传动组。

6因此变速机构需要四轴，再加上电动机轴共五轴，故转速图有五条竖线。由

61?U?2于齿轮传动比受到的限制，现在传动组C的变速范围为??8。可知4这个传动组中两个传动副的传动比必然是极限值，即

uc?1211?4,uc?2??

24?该传动组的升降速度传动比都达到了极限值，就确定了轴Ⅲ的六级转速只有一种可能，即为180～1000r/min。

轴Ⅱ-Ⅲ之间，两条传动比连线间应相距3格，取

ub1?11?2,ub?1.41??，因此，确定轴Ⅱ的转速为355～710 r/min。

22?对于轴Ⅰ，取

ua?1111111?3,ua?2?,ua??

232.8?41.41?2于是决定了轴Ⅰ的转速为1000 r/min，电动机轴与轴Ⅰ之间为齿轮传动，传动比为1000：1440。

综合上述，主轴的调速范围：45，63，90，125，180，250，355，500，710，1000，1400，2000。转速图如下：

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电ⅠⅡⅢⅣ1000：31：440630：4242：3024：1498：5324：4818：72图1.1 加工中心转速图

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200014001000710500355250180125906345

14402、 主运动的设计计算

2.1 电动机的选择

2.1.1电动机的功率的计算

查《机床主轴/变速箱设计指导》：

端铣：硬质合金端铣刀，铣刀材料是45号钢； 1） 主切削力

Fc?118ae公式中

0.85fdz0.75?0.73anzp1.00.13

背吃刀量a?3?4,取a?4mm,

侧吃刀量ae??0.4?0.8?d取0.8d?160mm，

每齿进给量

fz?0.1?0.2?mm/z?,取f?0.2?mm/z?，

z刀具直径d?200mm， 铣刀齿数z=4,选vc?100m/s， 铣刀转速

0.85.00.13Fc?118?ae?fz0.75?d?0.73?a1?n?Z p ?118?1600.85?0.20.75?200?0.75?4?1600.13?4

?1706.3N

所以主切削力

fdanz?118?160?0.2?200?4?160Fc?118ae0.85?0.731.0p0.13z0.850.75?0.750.750.13

?4?1706.3N2）切削功率 铣削过程中消耗的功率

p?c主要按圆周切削力Fc和铣削速度vc进行计算

pc?Fvcc1000?601706.3?100kw?2.84kw

??60进给运动也消耗一些功率

pf，一般情况下

pf?0.15p，所以总的切削力

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功率

pm?p?p?1.15p ，由此可估算铣床主电动机的功率；

fccpE?pm，取??=0.85?，

??式中??铣床传动效率?1.15P0?1.15?2.84kw?3.84kw

0.85 ?PE??2.1.2 电动机参数的选择

在选择电动机时，必须使得P额定?P总，根据这个原则，查《机械设计手册》选取Y112M-4型电动机，功率为4kw。其基本参数如下(单位为mm):

满载转速为nmax

?1440r/min

2.2 齿轮传动的设计计算

由于直齿圆柱齿轮具有加工和安装方便、生产成本低等优点，而且直齿圆柱齿轮也能满足传动设计要求，所以本次设计选用渐开线直齿圆柱齿轮传动；主轴箱中的齿轮用于传递动力和运动，它的精度直接与工作的平稳性、接触误差及噪声有关。为了控制噪声，机床上主传动齿轮都选用较高的精度，但考虑到制造成本，本次设计都选用7-6-6的精度。具体设计步骤如下：

2.2.1 模数的估算

按接触疲劳和弯曲疲劳计算齿轮模数比较复杂，而且有些系数只有在齿轮各参数都已知道后方可确定，所以只在草图画后校核用。在绘草图之前，先估算，再 标准齿轮模数。

齿轮弯曲疲劳的估算公式：

mw?323NNmm式中(即为齿轮所传递的功率）N Znj齿面点蚀的估算公式：

A?323nmm(式中N即为齿轮所传递的功率）

j其中nj为大齿轮的计算转速，A为齿轮中心距。

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由中心距A及齿数Z1、Z2求出模数：

mj?2Amm ?Z1Z2根据估算所得mw和mj中较大的值，选取相近的标准模数。 前面已求得各轴所传递的功率，各轴上齿轮模数估算如下：

?nj?1440r/min?mw?323N4mm?323mm?1.39mmZnj34?1440第一对齿轮副

4A?323mm?32mm?4.49mm1440nj3N

mj?2A2?4.49mm?mm?0.11mm?34?47Z1Z2所以，第一对齿轮副传动的齿轮模数应为m?mw?1.39mm

?nj?1000r/min?mw?323N4mm?323mm?1.69mmZnj27?1000第二对齿轮

4A?323mm?323mm?5.02mm1000njN

mj?2A2?5.02mm?mm?0.13mm?27?53Z1Z2所以，第二对齿轮副传动的齿轮模数应为m?mw?1.69mm

?nj?355r/min?mw?323N2.4mm?323mm?1.82mmZnj37?355第三对齿轮副

2.4A?323mm?323mm?6.05mm355njN

mj?2A2?6.05mm?mm?0.134mm37?53Z1?Z2所以，第三对齿轮副传动的齿轮模数应为m?mw?1.82mm

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?nj?125r/min?mw?323N2.4mm?323mm?2.45mmZnj40?125第四对齿轮副

2.4A?323mm?323mm?8.56mm125njN

mj?2A2?8.56mm?mm?0.14mm40?80Z1?Z2所以，第三对齿轮副传动的齿轮模数应为m?mw?2.45mm

综合上述，为了降低成本，机床中各齿轮模数值应尽可能取相同，但因为V轴的转速比较小，扭矩比较大，为了增加其强度和在主轴上能起到飞轮的作用，需增加V轴齿轮的几何尺寸。所以，本次设计中在Ⅰ→Ⅱ对齿轮模数均为

m?2.5mm，在Ⅱ→Ⅳ对齿轮上就取m12?3mm。

2.2.2齿轮分度圆直径的计算

根据渐开线标准直齿圆柱齿轮分度圆直径计算公式可得各个传动副中齿轮的分度圆直径为：单位（mm）

ddddddda1?19?2.5?47.5mm ?24?2.5?60mm ?30?2.5?75mm ?24?3?72mm ?42?3?126mm ?18?3?54mm ?60?3?180mm

d?a1?53?2.?513mm2. 5a2d?d?a2?48?2.?5?60?2.?51mm20 1mm50

a3a3b1d?d?b1?48?3?7mm4 ?90?3?9mm0

b2d?d?b2c1c1?72?3?21mm6 ?30?3?9mm0

c2c22.2.3 齿轮宽度B的确定

齿轮影响齿的强度，但如果太宽，由于齿轮制造误差和轴的变形，可能接触不均匀，反而容易引起振动和噪音。一般取B=（6～10）m。本次设计中，取主动轮宽度B=9m=18mm(最后一对齿轮也取B=79m=18mm)。

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2.2.4 齿轮其他参数的计算

根据《机械原理》中关于渐开线圆柱齿轮参数的计算公式及相关参数的规定，齿轮的其他参数都可以由以上计算所得的参数计算出来，本次设计中，这些参数在此不在一一计算。

2.2.5齿轮结构的设计

不同精度等级的齿轮，要采用不同的加工方法，对结构的要求也不同，七级精度的齿轮，用较高精度的滚齿机或插齿机可以达到。但淬火后，由于变形，精度将下降。因此，需要淬火的7级齿轮一般滚或插后要剃齿，使精度高于7级，或者淬火后再珩齿。6级精度的齿轮，用精密滚齿机可以达到。淬火齿轮，必须达到6级。机床主轴箱中的齿轮齿部一般都需要淬火。

2.2.6齿轮的校核（接触疲劳强度）

计算齿轮强度用的载荷系数K，包括使用系数KA，动载荷系数KV，齿间载荷分配系数K?及齿向载荷分布系数K?，即：

K?KKK?K?AV?1.25?1.07?1.1?1.12?1.65 查表得：Z??0.88，ZH?2.5，ZE?189.8

?H?Z?ZHZE2K??u?1?bd1uH2将数据代入得；??1100mpa齿轮接触疲劳强度满足，因此接触的应力小于许用的接触应力。其他齿轮也符合要求，故其余齿轮不需验算，在此略去。

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2.3 轴的设计计算

2.3.1 各传动轴轴径的估算

滚动轴承的型号是根据轴端直径确定的，而且轴的设计是在初步计算轴径的基础上进行的，因此先要初算轴径。轴的直径可按扭转强度法用下列公式进行估算。

d?对于空心轴，则 d?A03Pmm nA03n1???P4?mm

式中，P——轴传递的功率，KW； n——轴的计算转速，r/min; A0——其经验值见表 取?的值为1.5。

(1)计算各传动轴传递的功率P

根据电动机的计算选择可知，本次设计所用的电动机额定功率Nd?4kw，各传动轴传递的功率可按下式计算：

p?Nd??

???电机到传动轴之间传动效率；

由传动系统图可以看出，本次设计中采用了联轴器和齿轮传动，及轴承。则各轴传递的功率为：

?1?0.94,?2?0.94,?3?0.93,?4?0.91

所以，各传动轴传递的功率分别为：

p1?p??11?4?0.94?3.76kw ?3.76?0.94?3.53kw

p2?p??2第13页 共54页

p3?p2??3?3.53?0.94?3.29kw

4p4?p??3?3.29?0.91?2.96kw

(2) 估算各轴的最小直径

d1?115?3p n本次设计中，考虑到主轴的强度与刚度以及制造成本的经济性，初步选择主轴的材料为40Cr，其他各轴的材料均选择45钢，取A0值为115，各轴的计算转速可推算出为：

n1?1440r/min,n2?1000r/min,n3?355r/min,n4?125r/min 所以各轴的最小直径为：

d1?115?3d3?115?343.76?6.06mm d2?115?3?17.89mm 144010003.532.96?24.73mm d4?115?3?33.02mm 355125在以上各轴中，因有些轴上开有平键或花键，所以为了使键槽不影响轴的强度，应将轴的最小直径增大到5%，将增大后的直径圆整后分别取各轴的最小直径为：

d2min?20mm,d3min?25mm,d4min?30mm 对于主轴应该应用公式； d?A0?3故主轴为d?115?3P 4n?1???4?37.4mm 4125?1?0.5?考虑到轴上有花键，所以应将轴的最少直径增大5%，将增大的直径在圆整后取 d4?60mm

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2.3.2各轴段长度值的确定

各轴段的长度值，应根据主轴箱的具体结构而定，且必须满足以下的原则；应满足轴承及齿轮的定位要求。

2.3.3 轴的刚度与强度校核

1）、轴的受力分析及受力简图

由主轴箱的展开图可知，该轴的动力源由电动机通过弹性联轴器传递过来，而后通过齿轮将动力传递到下一根轴。其两端通过一对角接触轴承将力转移到箱体上去。由于传递的齿轮采用的是直齿圆柱齿轮，因此其轴向力可以忽略不计。所以，只要校核其在XZ平面和YZ平面的受力。轴所受载荷是从轴上零件传来的，计算时常将轴上的分布载荷简化为集中力，其作用点取为载荷分布段的中点。作用在轴上的扭矩，一般从传动件轮毂宽度的中点算起。通常把轴当作铰链支座上的粮，支反力的作用点与轴承的类型和布置方式有关。其受力简图如下：

在XZ平面内：

图2.1 XZ平面受力分析

在YZ平面内：

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(2)采用散热装置。通常用热源隔离法、热源冷却法和热平衡法。 主轴的主要尺寸是根据结构上确定的，一般的直径取值都大于初始值的好几倍，

故主轴的刚度一般都能满足要求。在此就免于校核。

2.4 离合器的选用

离合器在机器运转中可将传动系统随时分离或接合，对离合器的要求有：接合平稳，分离迅速彻底；调节和修理方便；外廓尺寸小；质量小；耐磨性好和有足够的散热能力；操作方便省力。；离合器的类型很多，常用的可分牙嵌式和摩擦式。由主轴箱的结构尺寸限制，我选用了无滑环式多片摩擦式。由主轴箱的结构尺寸限制，我选用了无滑环湿式多片摩擦电磁式离合器，此类型的离合器防爆性能好，径向尺寸较小。选型号DLM9-25。其结构尺寸如下：

D1?162,D2?135,D3?65,D4?95?50,e?16,L?82?

D

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3、进给系统的设计计算--立式加工中心工作台（X轴）设计

3.1 概述

（1）技术要求：

工作台、工件和夹具的总质量m=918 kg（所受的重力W=9000N），其中，工作台的质量m0?510kg (所受的重力W=5000N）;工作台最大行程LP?600mm；工作台快速移动速度vmax?20000mm/min;工作台采用滚动直线导轨，导轨的动、静摩檫系数均为0.01；工作台的定位精度为20?m，重复定位精度为8?m；机床的工作寿命为20000h（即工作时间为10年）。

机床采用主轴伺服电动机，额定功率

pE?4kw，机床采用端面铣刀进行强力

切削，铣刀直径D?200mm，主轴转速n?160r/min，切削状况如下表所示： 加工中心切削状况

切削方式 强力切削 一般切削 精加工切削 快速进给 进给速度/（m/min） 时间比例/（%） 0.6 0.8 1 20 10 30 50 10 备注 主电动机满功率条件下切削 粗加工 精加工 空载条件下工作台快速进给

（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400mm×1200mm。 （2）工作台导轨采用滚动直线导轨。 （3）对滚动丝杠螺母副进行预紧。 （4）采用伺服电动机驱动。

（5）采用锥环套筒联轴器将伺服电动机与滚珠丝杠直连。

3.2 设计计算

3.2.1 主切削力及其切削分力计算

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（1）计算主切削

FZ。

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?200mm，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

3.14?200?10?3?160?m/s?1.67m/s 速度为v?6060?Dn

静摩擦力F0?90.4N，由公式得

??2???K2F0min?103?2?90.4?103mm?1.37?10?3mm 6135?10即??1.37?m?2.67?m,故满足要求。

3.8.2计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差?kmax

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由公式得

?11????103???kmaxF0?kk?max??min

11???90.4????103mm?0.27?103mm66?217?10??131.6?10即

?kmax?0.27?m?4?m，故满足要求。

3.8.3 计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差

（1）由公式计算由扭矩引起的滚珠丝杠螺母副的变形量?。

负载力矩T?Tkj?225N?MM。由图得扭矩作用点之间的距离

L2?1048mm，丝杠底径d2?34.3mm，则 ??7.21?10?2TL2d42?7.21?10?2?225?1048?34.3?4?0.0120

（2）由该扭转变形量?引起的轴向移动滞后量?将影响工作台的定位精度。由公式得

??L0

?360?10?0.012mm?0.0003mm?0.3?m 3603.9 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。

本机床工作台采用半闭环控制系统，V300P、ep应满足下列要求

Ve?0.8??定位精度??kmax????15.5?mp300P?0.8??定位精度??kmax????0.8??20?0.28?0.3??m?15.5?m

滚珠丝杠螺母副拟采用的精度等级为2级，查表得V300P?8?m?15.5?m;查表得，当螺纹长度为850mm时，ep?15?m?15.5?m,故满足设计要求。

（2）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FFZD4010-3-P2/1105×850，其具体参数如下。公称直径与导程：40mm,10mm；螺纹长度：850mm；丝杠长度：1150mm；类型与精度：P类，2级精度。

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3.10 滚珠丝杆副的预紧方式

为了消除间隙和提高滚珠丝杆副的刚度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，常用的预紧方式有：双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧等。预紧后的刚度可提高到无预紧时的2倍。但是，预紧载荷过大，将使寿命下降和摩擦力矩加大，通常，滚珠丝杆在出厂时，就已经由制造商调好预加载荷，并且预加载荷往往与丝杆副的额定动载荷有一定的比例关系。

双螺母垫片式预紧：①调整方法：调整垫片厚度，使螺母产生轴向位移。②特点：结构见到，装卸方便，刚度高；但调整不便，滚道有磨损时，不能随时消除间隙和预紧，适用于高刚度重载传动。

双螺母螺纹式预紧：①调整方法：调整端部的圆螺母，使螺母产生轴向位移。②结构紧凑，工作可靠，调整方便，但准确性差，且易于松动，适用于刚度要求不高或随时调节预紧的传动。

双螺母齿差式预紧：①调整方法：两边的下螺母的凸缘上有外齿，分别与紧固的螺母座4的内齿圈，两个螺母向相同方向旋转，每转过一个齿，调整轴向位移。②能够精确地调整预紧力，但结构尺寸较大，装配调整比较复杂，适宜用于高度精度的传动结构。

3.11 齿轮传动消隙

齿轮传动的间隙也叫侧隙，它是指一个齿轮固定不动，另一个齿轮能够作出的最大角位移。传动间隙是不可避免的，其产生的这样原因有：由于制造及装配误差所产生的间隙，为使用热膨胀而特意留出的间隙。为了提高定位精度和工作的平稳性，要尽可能减小传动间隙。除了提高制造和装配精度外，消隙的主要途径有：设计可调传动间隙的机构；设置弹性补偿元件。在这设计里我采用双片直齿轮错齿调整法来消除间隙。

4、 控制系统的设计

4.1 控制系统总体方案的拟订。

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器地址7F00H,PA口地址为7F02H,PB口地址为7F03H,定时器/计数器低字节寄存器地址为7F04H,定时器高字节寄存器地址为7F05H.

图4.6 8155的扩展电路图

4.2.3 键盘、显示器接口设计

(1)矩阵式键盘接口设计

矩阵式键盘适用于按键较多的场合,它由行线和列线组成,按键位于行、列交叉点.如一个4×4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘等等.在按键数量较多时,矩阵键盘比独立键盘节省了很多I/O口.

按键设置在行、列线分别连接到按键开关两端..行线通过上拉电阻接到+5V上.平时无按键动作时,行线处于高电平状态,而当有按键按下时,行线电平状态将由此行线相连的列线电平决定.列线电平如果为低,则行线电平为低;列线电平为高,则行线电平亦为高.这一点是识别矩阵键盘是否按下的关键所在.由于矩阵键盘中行、列线为多键共用,各按键均影响该键所在的行和列电平.所以,必须将行、列线信号配合起来并作适当的处理,才能确定闭合键的位置.对于矩阵式键盘,按键的位置由行号和列号唯一确定,所以分别对行号和列号进行二进制编码,然后将两值合成一个字节,高4位是行号,低4位是列号将是非常直观的.

(2)显示器接口设计

在单片机系统中,常用的显示器有:发光二极管显示器,简称LED.LED是显示

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块由发光二极管显示字段组成.,有七段和”米”字型之分,一片显示块显示一位字符.共阴极LED显示块的发光二极管的阴极连接在一起,通常此公共阴极接地,当某个发光二极管的阳极为高电平时,发光二极管亮,相应的段被显示.

由于七段LED显示块有7段发光二极管,所以其字型码为一个字节;”米”字型LED 显示块有15段发光二极管,所以字型码为两个字节.由n片LED显示块可拼接成n位LED显示器,共有n根位选线和8×n根段选线,根据显示方式不同,位选线和段选线的连接也各不相同,段选线控制显示字符的字型,而位选线则控制显示位的亮、暗.

LED显示器有静态显示器和动态显示器两种方式.在多位LED显示时,为了节省I/O口线,简化电路,降低成本,一般采用动态显示方式.动态显示方式是一位地分别轮流点亮各位显示器,对每位显示器来说,每隔一段时间轮流点亮一次.显示器的亮度既与导通电流有关,也与点亮和熄灭时间的比例有关.这种显示方式将七段LED显示器的所有段选位并联在一起,由一个8位I/O口控制,实现各位显示器的分时选通.

下图是LED显示器采用共阴极方式,6个显示器的段码由8155的PB口提供,位选码由8155的PA口提供(PA口同时也提供行列式未编码键盘的列线),行列式未编码键盘的行线由PC口提供.图中设置了36个键.如果继续增加PC口线,设全部PC口线(PC0-PC5)用作键盘的行线,全部PA口线(PA0-PA7)作键盘列线,则按键最多可达8×6个.

下图中8155的PB口扫描输出总是只有一位为高电平,即PB口经反相后仅有一位公共阴极为低电平,8155的PA口则输出相应位(PB口输出为高对应的位显示器)的显示数据,使该位显示与显示缓冲器相对应的字符,而其余各位均为熄灭,依次改变8155的PB口输出为高的位,PB口输出对应的显示缓冲器的数据.

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图4.7 显示器接口电路

4.2.4 步进电机控制电路设计

(1)步进电机开环驱动原理

每输入一个脉冲,步进电机就前进一步,因此,它也称作脉冲电动机.其种类很多,但主要分三大类:反应式步进电动机,永磁式步进电机,以及永磁感应式步进电机.反应式电动机结构最简单,是应用最广泛的一种.按控制绕组的相树分有三相、四相、五相和六相等等.无论哪种步进电动机,他们的工作原理都有相同之处:数字式脉冲信号控制定子磁极上的控制绕组,按一定顺序依次通电,在顶子和转子的气隙间形成步进式的磁极轴旋转.

步进电动机主要用于开环系统,当然也可以闭环系统.

下图是步进电动机开环伺服系统的原理图,它由以下几部分组成:

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图4.87 步进电机开环伺服系统原理图

脉冲信号源—是一个脉冲发生器,通常脉冲频率连续可调,送到脉冲分配器的脉冲个数和脉冲频率由控制信号控制.因脉冲频率可调,也称为变频信号源.

脉冲分配器—脉冲 按一定的顺序送到功率放大器中进行放大,驱动步进电动机工作.用硬件进行脉冲顺序的分配,有时称为环行分配器,也简称环分.

功率放大器—将脉冲分配器送来的脉冲放大,是步进电动机获得必要的功率.

步进电动机—伺服系统的执行元件,它带动工作机构,如减速装置,丝杠,工作台.

(2)脉冲分配

对每一个五相步进电动机而言,其脉冲分配方式是五相十拍的,其五相分别用

A、B、C、D、E

表示.五相十拍的运行形式是

A—AB—B—BC—C—CD—D—DE—E—EA顺序轮流通电,则转子便顺时针方向一步一步转动.要改变步进电动机的转动方向.只需改变通电的顺序即可.

脉冲分配器是将脉冲电源按规定的通电方式分配到各相,该分配可由硬件来实现.在微机控制中,脉冲的分配也可由软件来完成,P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,P1.4五位分别输出时序脉冲,经光电隔离、驱动放大使步进电机运转,延时的长短决定了步进电动机运行一拍的时间,也就决定了步进电机的转速.

(3)驱动电路

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由微机根据控制要求发出的脉冲,并依次将脉冲分配到各相绕组,因其功率很小,电压不足5V,电流为mA级,必须经过驱动器将信号放大到若干安培,才能驱动步进电动机.因此,步进电动机实际上是一个功率放大器,驱动器的质量直接影响步进电动机的性能,驱动器的负载是电机的绕组,是强电感应负载.对驱动器的主要要求是:失真要小,要有较好的前后沿和足够的幅度;效率要高;工作可靠;安装调试和维修方便.

下图是一个La绕组的高低压驱动电路,脉冲变压器Tp组成高压控制电路

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图4.9 放大电路图

无脉冲输入时,T1,T2,均截止,电机绕组La中无电流通过,电机不转.有脉冲输入时,T1饱和导通,在T2由截止到饱和期间,其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加,在变压器次级感应一个电压,使T3导通,80V高压经高压管T3加到绕组La上,使电流迅速上升,约经数百微妙,当T2进入稳压状态后,初级电流暂时恒定,次级的感应电压降到0;T3截止,这时12V低压电流经D2加到绕组

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