数控回转工作台毕业设计

图书分类号：

密级：

毕业设计(论文)

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用或参考的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标注。

本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。

论文作者签名：日期：年月日

本人完全了解徐州工程学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：本校学生在学习期间所完成的学位论文的知识产权归徐州工程学院所拥有。徐州工程学院有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的纸本复印件和电子文档拷贝，允许论文被查阅和借阅。徐州工程学院可以公布学位论文的全部或部分内容，可以将本学位论文的全部或部分内容提交至各类数据库进行发布和检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。

论文作者签名：导师签名：

日期：年月日日期：年月日

摘要

数字控制机床，简称数控机床（NC，Numerical Control），数控磨床是数控机床的主要品种之一，它在数控机床中占有非常重要的位置，几十年来一直受到世界各国的普遍重视，并得到了迅速的发展。由于机械电子技术的飞速发展，数控机床作为一种高精度、高效率、稳定性强的自动化加工装备，已成为机械行业必不可少的现代化装置。经济型数控机床是用单板机或单片机与步进电机组成的功能较简单、价格较低的系统。提高经济型数控机床的加工精度能够提高材料的使用率，减少资源浪费，提高经济效益。本文通过插补技术、半闭环控制等一些方面的研究对原有磨床回转工作台的数控改造和设计，从而提高其加工的精度。

关键词：数控磨床；回转工作台；加工精度

CNC milling machine rotary table design Digital control machine tool, the abbreviation machine tool of numerical control ( NC and Numerical Control ), the milling machine of numerical control is one of major kinds of the machine tool of numerical control, it possesses very important location in the machine tool of numerical control , comes in tens of years to always get world the universal attention of various countries, have gotten quick development. Rotary rotary table is the indispensable important attachment of the machine tools of numerical control such as the milling machine of numerical control, the boring machine of numerical control and machining center( or parts). Its role is to make rotary calibration or continuously rotary feed sport according to instruction or the signal of control equipment, in order to make the machine tool of numerical control complete designated processing process. General rotary rotary table has calibration rotary table and the rotary rotary table of numerical control.

Keywords:The milling machine of numerical control Rotary rotary table

目录

摘要 (1)

第一章：数控回转工作台的原理与应用 (2)

1.1 数控回转工作的原理 (3)

1.2 设计准则 (4)

1.3 主要技术参数 (4)

1.4 本章小结 (4)

第二章：数控回转工作台的结构设计 (5)

2.1 传动方案的确定 (5)

2.2齿轮传动的设计 (6)

2.3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 (9)

2.4 直流伺服电动机的选择及运动参数的计算 (11)

2.5 轴承的选用 (12)

2.6 加紧机构的计算 (13)

2.7 本章小结 (14)

第三章控制系统硬件设计 (16)

3.1 CPU板 (16)

3.2 驱动系统 (17)

3.3 传感器和人机界面 (17)

3.4 本章小结 (17)

第四章控制系统软件设计 (18)

4.1 总体方案 (18)

4.2 键盘扫描的程序 (18)

4.3 数码管显示程序 (19)

4.4 智能化新一代PCNC数控系统 (19)

第五章数控技术发展趋势 (20)

5.1 性能发展方向 (20)

5.2 功能发展方向 (20)

5.3 体系结构的发展 (21)

5.4 智能化新一代PCNC数控系统 (21)

5.5 维护与保养 (23)

总结 (24)

参考文献 (25)

第一章数控回转工作台的原理与应用

数控机床的圆周进给由回转工作台完成，称为数控机床的第四轴：回转工作台可以与X、Y、Z三个坐标轴联动，从而加工出各种球、圆弧曲线等。回转工作台可以实现精确的自动分度，扩大了数控机床加工范围。

1.1数控回转工作台

数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床，其外形和通用工作台几乎一样，但它的驱动是伺服系统的驱动方式。它可以与其他伺服进给轴联动。

1-电机；2-小齿轮；3-偏心套；4-大齿轮；5-柱销；6、7、8、11-轴承盖、套筒；9-蜗杆；10-蜗轮；12、13-加紧瓦；14-油缸；15-活塞；16-弹簧；17-钢球；18-光栅；

.

图1-1 闭环数控转台的结构图

如图所示为闭环数控转台的结构图，该数控转台用直流伺服电机1通过减速齿轮2和4带动蜗杆9，通过蜗轮10使工作台回转。为了尽量消除反向间隙和传动间隙，通过调整偏心环3来消除齿轮2和4啮合侧隙。齿轮4与蜗杆9是靠楔形拉紧圆柱销5（A一A剖面）来连接。这种连接方式能消除轴与套的配合间隙。工作台的转角位置用光栅18测量，测量结果发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较，若有偏差经放大后控制伺服电机朝消除偏差的方向转动，使工作台精确定位，，台面的锁紧用均布的8个小油缸14来完成，需要加紧时油缸上腔进压力油，活塞15下移，通过钢球17，推开夹紧块12及13，将蜗轮夹紧。当工作台需要回转时，数控系统发出指令，夹紧液压缸14上腔的油流回油箱，钢球17在弹簧16的作用下向上抬起，夹紧块12和13松开蜗轮，这时蜗轮和回转工作台可按照控制系统的指令作回转运动。

回转工作台的导轨面由大型滚柱轴承支承，并由圆锥滚子轴承及圆锥孔双列圆柱滚子轴承保持准确的回转中心。工作台支撑在镶钢滚柱导轨上，运动平稳且耐磨。

1.2设计准则

我们的设计过程中，本着以下几条设计准则：

1）创造性的利用所需要的物理性能；

2）分析原理和性能；

3）判别功能载荷及其意义；

4）预测意外载荷；

5）创造有利的载荷条件；

6）提高合理的应力分布和刚度；

7）重量要适宜；

8）应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸；

9）根据性能组合选择材料；

10）零件与整体零件之间精度的进行选择；

11）功能设计应适应制造工艺和降低成本的要求。

1.3主要技术参数

（1）工作台直径：200 mm；

（2）分辨率：5分/step；

（3）回转速度：0.48转/分钟。

（4）直流伺服电机最高转速2000rpm；

（5）总传动比：20；

（6）轴向最大载荷：60N·M

1.4 本章小结

主要简单介绍课程设计题目（数控回转工作台）和其发展概况，设计背景、工作原设计参数也作了进一步的说明。

第二章：数控回转工作台的结构设计

2.1传动方案的确定

如图，采用电机带减速动齿轮传动，带动涡轮蜗杆转动，从而使工作台转动

2.1.1伺服电动机的原理

伺服电动机（servomotor）

用作自动控制装置中执行元件的微特电机。又称执行电动机。其功能是将电信号转换成转轴的角位移或角速度。

伺服电动机分交、直流两类。交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同。在定子上有两个相空间位移90°电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf接一恒定交流电压，利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化，达到控制电动机运行的目的。交流伺服电动机具有运行稳定、可控性好、响应快速、灵敏度高以及机械特性和调节特性的非线性度指标严格（要求分别小于10％～15％和小于15％～25％）等特点。直流伺服电动机的工作原理与一般直流电动机相同。电动机转速n为

n＝E／K1j＝（Ua－IaRa）／K1j

式中E为电枢反电动势；K为常数；j为每极磁通；Ua，Ia为电枢电压和电枢电流；Ra 为电枢电阻。改变Ua或改变φ，均可控制直流伺服电动机的转速，但一般采用控制电枢电压的方法。在永磁式直流伺服电动机中，励磁绕组被永久磁铁所取代，磁通φ恒定。

直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应。

2.1.2.传动方案传动时应满足的要求

数控回转工作台一般由原动机、传动装置和工作台组成，传动装置在原动机和工

作台之间传递运动和动力，并可实现分度运动。在本课题中，原动机采用直流伺服电机，工作台为T形槽工作台，传动装置由齿轮传动和涡轮蜗杆传动组成。

合理的传动方案主要满足以下要求：

（1）机械的功能要求：应满足工作台的功率、转速和运动形式的要求。

（2）工作条件的要求：例如工作环境、场地、工作制度等。

（3）工作性能要求：保证工作可靠、传动效率高等。

（4）结构工艺性要求；如结构简单、尺寸紧凑、使用维护便利、工艺性和经济合

理等。

2.1.

3.传动方案及其分析

数控回转工作台传动方案为：直流伺服电机——齿轮传动——蜗杆传动——工

作

该传动方案分析如下：

齿轮传动承受载能力较高，传递运动准确、平稳，传递功率和圆周速度范围很大，传动效率高，结构紧凑。

蜗杆传动有以下特点：

1．传动比大 在分度机构中可达1000以上。与其他传动形式相比，传动比相同时，机构尺寸小，因而结构紧凑。

2．传动平稳 蜗杆齿是连续的螺旋齿，与蜗轮的啮合是连续的，因此，传动平稳，噪声低。

3．可以自锁 当蜗杆的导程角小于齿轮间的当量摩擦角时，若蜗杆为主动件，机构将自锁。这种蜗杆传动常用于起重装置中。

4．效率低、制造成本较高 蜗杆传动是，齿面上具有较大的滑动速度，摩擦磨损大，故效率约为0.7-0.8，具有自锁的蜗杆传动效率仅为0.4左右。为了提高减摩擦性和耐磨性，蜗轮通常采用价格较贵的有色金属制造。

由以上分析可得：将齿轮传动放在传动系统的高速级，蜗杆传动放在传动系统的低速级，传动方案较合理。

同时，对于数控回转工作台，结构简单，它有两种型式：开环回转工作台、闭环回转工作台。

两种型式各有特点：

开环回转工作台 开环回转工作台和开环直线进给机构一样，都可以用步进电机来驱动。

闭环回转工作台 闭环回转工作台和开环回转工作台大致相同，其区别在于：闭环回转工作台有转动角度的测量元件（圆光栅）。所测量的结果经反馈与指令值进行比较，按闭环原理进行工作，使转台分度定位精度更高。

2.2 齿轮的设计

1、选用传动比：先选为2 1）选用直齿圆柱齿轮传动；

2）数控机床速度高，要求精度高，故选6级精度；

3) 材料选择，小齿轮材料选35CRALA(调质后氮化)，硬度为65HRC,大齿轮材料18CRMNTI(渗碳后淬火)硬度为60HRC ；

4) 选小齿轮齿数Z 1=20，大齿轮齿数为40。 2、按齿面接触强度设计

d 1t ≥2.3232

2

])

([))(1(1H dU ZE U KT σΦ± (1)确定公式内的各计算数值 1）试选载荷系数Kt1=1.2； 2) 计算小齿轮传递的转矩

T 1=21max n in T =98

.099.01860000??=3.37N.m

3）选取齿宽系数，小齿轮做悬臂布置，d Φ=0.4； 4）材料的弹性影响系数Z E =189.8Mpa 2

1；

5）按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=1200Mpa,大齿轮的接触疲劳强度极限σHlim1=800Mpa ；

6）接触疲劳寿命系数K HN1=1,K HN2=1； 7） 计算接触疲劳许用应力

取失效概率为1%,安全系数为S=1

[σH ]1=1200Mpa, [σH ]2=800Mpa.

(2)计算

1）算小齿轮分度圆直径d 1t ,代入[σH ]中较小的值 代入各数值的

d 1t ≥2.3232

2

])

([))(1(1H dU ZE U KT σΦ±=22mm 2）计算圆周速度V

V=

1000

6011?tn d π=1.382m/s

3)计算齿宽b

b=d Φ.d 1t =0.4?22=8.8mm

4)计算齿宽与齿高之比

h b . 模数 m t ==20

22

1.1mm 齿高 h=

2.25m t =2.25×1.1=2.475mm

h b =475

.28

.8=3.5

5）计算载荷系数

根据V=1.382m/s ，6级精度，查的动载系数Kv=1.02. 直齿轮 K H α=K F α=1.0. 查表的使用系数K A =1；

用插值法查得6级精度，小齿轮相对支撑悬臂布置时 K H β=1.139.

由h

b

=3.556 K H β=1.139得K F β=1.09. 故载荷系数 K=K A ×K V ×K H α×K H β=1×1.05×1×1.139=1.197 6）按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径

d 1=d 1t 3

3

2

.1197

.122=Kt K =21.98mm 7)计算模数m

m=

1

1z d =2098.21=1.099mm 3按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为

M ≥3

2]

[112F dZ YFaYSa

KT σΦ

（1） 确定公式内的各计算数值

1） 查表得小齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE1=800Mpa;大齿轮的弯曲疲劳强度极限σFE2=700Mpa ；

2） 查得弯曲疲劳寿命系数K FN1=0.9, K FN2=0.95; 3） 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数。S=1.8.

[σF ]1=8

.1800

9.011?=

S FE KFN σMpa=400Mpa [σF ]2=8

.1700

95.022?=

S FE KFN σMpa=369.44Mpa 4)计算载荷系数K

K= K A ×K V ×K F α×K F β=1×1.05×1×1.09=1.146 5)查取齿形系数

查表的 Y Fa1=2.80 Y Fa2=2.40 6)应力校正系数

Y sa1=1.55 Y sa2=1.67 7）计算大、小齿轮的

]

[F YFaYSa

σ并加以比较 1][11F YSa YFa σ=400

55

.18.2?=0.01085

2][22F YSa YFa σ=44

.36967

.140.2?=0.01085

（2） 设计计算 m=3

2

204.001085

.0100037.3146.12?????mm=0.806mm

对比计算结果，齿面接触疲劳强度计算模数m 大于齿根弯曲疲劳强度计算模数，齿轮模数m 大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力，可取弯曲强度算得的模数0.806并就近圆整为标准值m=1，按接触强度算得的分度圆直径d1=22mm ，算出小齿轮齿数

Z 1=m

d 1

=22

大齿轮齿数 Z 2=22×2=44 4几何尺寸计算

（1） 计算分度圆直径

d 1=Z 1×m=22×1=22mm d 2=Z 2×m=44×1=44mm (2)计算中心距

a=2

44

22221+=+d d =33mm

（2） 计算齿轮宽度

（3） b=d Φ×d1=0.4×22=8.8mm 取B 1=15mm B 2=10mm

2．3蜗杆传动

1选择蜗杆传动类型

采用渐开线蜗杆 2选择材料

考虑到蜗杆传动速度中等，蜗杆用45钢，并淬火，硬度为45～55HRC,蜗轮用铸锡磷青铜ZCUSn10P1，金属模铸造，为了节约贵重有色金属，仅齿圈用青铜制造，而轮芯用灰铸铁HT100制造。 3 按齿面接触疲劳强度进行设计

根据闭式齿轮传动的设计准则，先按齿面接触疲劳强度进行设计，再校核齿根弯曲疲劳强度。传动中心距

a ≥32

)]

[(2H ZEZP KT σ (1)确定在蜗轮上的转矩T 2 按Z 1=4，取消率为η=0.9

T 2=60000N.mm

(2)确定载荷系数K

因工作载荷较稳定，故取载荷分布不均系数K β=1,由表选取使用系数K A =1.15，由于转速不高，冲击不大，可取动载系数Kv=1.05；则

K=K A ×K F β×Kv=1.15×1×1.05=1.21

(3)确定弹性影响系数ZE

因选用的是铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配，故Z E =160 Mpa 2

1

(4)确定接触系数Zp

先假设蜗杆分度圆直径d1和传动中心距a 的比值

a

d 1

=0.4，可查图得Zp=2.75. (5)确定许用接触应力[σH ]

根据蜗轮材料为铸锡磷青铜ZCUSn10P1。金属模铸造，蜗杆螺旋齿面硬度＞45HRC.可从表中查的蜗轮的基本许用应力 [σH ]′=268Mpa. N=60jn2Lh=60×1×100×15000=1.05×108

寿命系数

K HN =8

8

7

10

05.110

?=0.7453

则 [σH ]=K HN ·[σH ]′=0.7453×268Mpa=200Mpa （6）计算中心距

a ≥32

)200

75

.2160(

6000021.1??=70.56mm

取其中心距a=80mm.因i=102,故从表中去模数m=3.15mm,蜗杆分度圆直径d1=35.5mm,

这时a

d 1=805.35=0.44，从图中可查的接触系数Zp ′=2.65,因为Zp ′＜Zp ，因此以上

计算可用。

4、蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 （1）蜗杆

轴向齿距Pa=πm=9.891mm;直径系数q=11.27;齿顶圆直径d a1=d 1+2h a1=35.5+2×1×3.15=41.8mm.齿根圆直径d f1=d 1-2(ha *m+c)=35.5-2(3.15+0.2×3.15)=27.94mm ，分度圆导程角r=19.45°，蜗杆轴向齿厚Sa=0.5πm=0.5×3.14×3.15=4.9455mm. （2）蜗轮

蜗轮齿数Z 2=39;变位系数X 2=+0.2619;

验算传动比i=

43912=z z =9.75,这时传动比误差为10

1075.9-=2.5﹪，是允许的。 蜗轮分度圆直径 d 2=mZ 2=3.15×39=123mm.

蜗轮喉圆直径 d a2=d 2+2h a2=123+2×3.15(1+0.2619)=130.95mm; 蜗轮齿根圆直径d f2=d 2-2h f2=123-2×3.15(1-0.2619+0.2)=117.09mm; 蜗轮咽喉母圆半径 r a2=a-0.5d a2=80-0.5×130.95=14.525mm. 5校核齿根弯曲疲劳强度

σF =][2212

53.1F Y YFa m d d kT σβ≤

当量齿数 Z v2=57

.19cos 39

cos 23

3=r Z =41.38 根据X 2=+0.2619, Z v2=41.38.查的齿形系数Y Fa2=2.24.

螺旋角系数Y β=1-?140r =1-?

?

14054.19=0.8604

许用弯曲应力 [σF ]= [σF ]‵K FN

查的ZCUSn10P1制造的蜗轮基本许用弯曲应力[σF ]‵=56Mpa.

寿命系数K FN =98

61805.110

?=0.596

[σF ]=56×0.596=33.376

σF =

?????15.31235.3560000

21.153.1 2.24×0.8604Mpa=15.56Mpa 6验算效率η

η=（0.95～0.96）

)

tan(tan v r r

?+

已知r=19.45°v ?=arctanfv;fv 与相对滑动速度Vs 有关。 Vs=

?

????=

?54.19cos 1000601400

5.35cos 1000601

1ππr

n d =2.76m/s

从表中用插值法查的f v =0.0238; v ?=1.759°,代入式中得

η=0.89～0.90间，不用重算。

2.4 直流伺服电机的选择及运动参数的计算

许多机械加工需要微量进给。要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可作为驱动元件。对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。在闭环系统中，广泛采用直流伺服电机作为执行单元。这是因为它具有以下优点：

●响应特性高，响应速度快;

●转动惯量小，启动、停止方便； ●高功率密度（体积小、重量轻）； ●可实现高精度数字控制； ●停电制动； ●调速范围较宽；

采用直流伺服电机为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、涡轮蜗杆。通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如0.01mm ，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用直流伺服电机的闭环反馈控制。

1）选择直流伺服电机的额定功率

电机的额定转矩应等于或稍大于工作要求的转矩。额定功率小于工作要求，则不能保证工作机器正常工作，或使马达长期过载、发热大而过早损坏；额定功率过大，则马达价格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪费。

折算到电机轴上的转矩为：M N M

N i T T d ?=??==

475

.02060max η 则选择电机的额定转矩应该大于4M N ?

2）电机与工作台的惯量匹配计算 回转体的惯量：)(3224m kg L D g

r

J ??=

π

则各回转部件的转动惯量为:

271

411095.132m kg g

B d J Z ??==

-πρ

2621039.4m kg J Z ??=-

25m kg 1018.9??=-蜗杆J 241001.5m kg J ??=-蜗轮

20150m kg J ?=。工作台 折算到电机轴上的转矩为

()

()22

21

21m kg 00025.01

1?=++++=i J J i J J J J Z Z L 工作台蜗轮蜗杆 电机转子惯量为20018.0m kg J M ?=

125.0<<

M

L

J J 满足惯量匹配要求

3）定位加速时的最大转矩计算

L L M a

m

M J J t n M ++=

)(602π 取时间常数ms t a 200=

计算得到定位最大转矩为M=3.37NM

1.44max =<

综上，选择电机为法纳克5L 直流伺服电机。

2.5 轴承的选用

滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。验算轴承的承载能力。以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。 2. 5. 1 轴承的类型

考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差，因此选用调心性能比较好的圆锥滚子轴承。此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷，外圈可分离，安装时可调整轴承的游隙。其机构代码为3000，然后根据安装尺寸和使用寿命选出轴承的型号为：30208。

2. 5. 2 轴承的游隙及轴上零件的调配

轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。 2. 5. 3 滚动轴承的配合

滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。 2.5.4 滚动轴承的润滑

考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，温度也很高。故采用油润滑，转速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高的。 2. 5. 5 滚动轴承的密封装置

轴承的密封装置是为了阻止灰尘，水，酸气和其他杂物进入轴承，并阻止润滑剂流失而设置的。密封装置可分为接触式及非接触式两大类。此处，采用接触式密封，唇形密封圈。

唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的紧扣作用而套紧在轴上，以便起密封作用。唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位。即如果是为了油封，密封唇应朝内；如果主要是为了防止外物浸入，蜜蜂唇应朝外。

2.6 加紧机构的计算

采用液压缸作为工作台的夹紧装置，液压缸又称为油缸，它是液压系统中的一种执行元件，其功能就是将液压能转变成直线往复式，或摆动式机械运动。液压具有很多优点：1、工作比较平稳，反应快，冲击小，能高速启动；2、液压缸的的体积小、重量轻，惯性小，结构紧凑，能输出较大的力；3、控制调节方便，易于实现自动化；4、由于功率损失所产生的热量可由流动的油带走，所以可避免在系统某些局部位置所产生的过度温升，等等。

单个油缸的主要尺寸设计计算： 1、活塞：

钢筒、活塞的材料为45钢，查《机械设计手册》得抗拉强度为600Mpa,取安全系数为1.5，得许用应力为：600/1.5=400Mpa ；活塞直径D 为：28mm 。 2、缸筒直径：

按《机械设计手册》选取液压缸钢筒内径D=28mm 。 3、活塞行程： 确定活塞行程为： 7mm 。

4、活塞及杆重计算：

G=π/4×(228×29)×910 ×7.8×3

10×9.8=1.36N

5、弹簧选择计算：

按《机械设计手册》选取弹簧截面直径0.8mm ，弹簧中径D2=5mm,有效圈数为4，单圈弹簧刚度为32.4n/mm ，则整根弹簧的刚度K=32.4/4=8.1n/mm 。

6、夹紧力的计算：

弹簧预压缩量为：S=G/K=1.36/8.1=0.17mm

确定活塞的行程L 为5mm,则弹簧力为：

t F =K(S+L)=8.1×(5+0.17)=42N

查表得液压缸的系统压力P=6MPa,效率系数η=0.9。 则液压缸的夹紧力为：

F=(π/4（2

D -2

d ）P ×η-t F )2

30cos

F=(π/4×228×6×0.9-42)2

30cos =2461N

其中，取夹紧块蜗轮的摩擦系数μ为0.4。 则摩擦力为：

f=μ×F=0.4×2461=984.4N

此工作台采用八个液压缸进行加紧，八个液压缸的总夹紧力：

总

F =984.4×8=7875.2N

7、制动力矩的演算： M=FL

由初始条件确定回转工作台所承受的负载转矩为：145.89n.m

由结构知：L=204mm,得M=7875.2×204×310 =1606.54n.m

M=1606.54n.m>145.89n.m

2.7 本章小结

对数控回转工作台的主要零件及传动系统的零件进行设计 选型 零件校核，按照机

械设计一书进行设计，完成机械部分。

第三章 控制系统硬件设计

数控回转工作台控制系统硬件主要包括CPU 、传动驱动、传感器、人机交互界面。 硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。

3.1 CPU 板

3.1.1 CPU 的选择

随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。

在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于

伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。

从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel 、ATMEL 、Simens ，其中在CMOS 器件生产领域ATMEL 公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL 公司的AT89系列单片机内含Flash 存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。

因此硬件CPU 选用AT89C51，AT 表示ATMEL 公司的产品，9表示内含Flash 存储器，C 表示支持C 语言编程。

AT89C51的性能参数为：Flash 存储器容量为4KB 、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM 为128B 、14位的计数器WDT 、I/O 口共有32个。

3.1.2 CPU 接口设计

CPU 接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：

CPU 接口部分图

AT89C51要完成的任务：

（1）将行程开关的状态读入CPU ，通过中断进行处理，它的优先级别最高。 （2）通过程序实时控制电机和电磁阀的运行。

（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED 上。实现人机交互作用。

所以AT89C51的I/O 口线分配如下：

（1）P0口通过锁存器74ls373控制七段数码管的段； （2）P1口通过扫描矩阵键盘获取外部指令； （3）P2口控制七段数码管的位的选通； （4）P3口用于反馈回路的信号输入（光栅）、电磁阀驱动、急停信号等；

3.2 驱动系统

传动驱动部分包括直流伺服电机的驱动和电磁阀的驱动，直流伺服电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的

（行程开关）

前向通道

传动驱动

（电磁阀）

（伺服电机） 人机界面

传感器

AT89C51

（键盘、LED ）

后向通道

速度运行。在定位和退刀时夹紧机构放松。

3.3传感器和人机界面

由于步进电机不需要反馈电路，但是要注意工作台不能超过最大行程。因此，必须加上行程开关。

人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力，一般要求操作简便，界面简洁明了。此系统中共有八个数码管，其中前四个可以显示键盘输入的数据等指令，后四个可以工作台下显示光栅反馈给单片机的位置信号，并将角度位移实时显示出来。有4×4的矩阵键盘，用于输入外部指令及数据信息。

3.4本章小节

本章着重介绍了数控工作台控制系统的硬件设计。CPU板介绍了CPU的选择及其外围的接口设计和控制流程；此外还叙述了人机界面各个按扭和LED的意义

第四章、控制系统软件设计

4.1总体方案

对于AT89C51的程序设计，采用C语言的形式。编译器采用Keil 7.02b。该编译器是

51系列单片机程序设计的常用工具，既可用汇编，也支持C语言编译。同时具有完善的调

试功能。

4.2 键盘扫描的程序

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

void dlms(void);

uchar kbscan(void);

void main(void){

uchar key;

while(1){

key=kbscan();

dlms();

}

}

V oid dlms(void){

uchar i;

for(i=200;i>0;i--){}

}

uchar kbscan(void){ /*键扫描函数*/ Uchar sccode,recode;

P1=0xf0; /*发全0行扫描码，列线输入*/ if((P1&0xf0)!= 0xf0){ /*若有健按下*/

dlms(); /*延时去抖动*/

if((P1&0xf0)!= 0xf0){

Sccode=0xfe; /*逐行扫描初值*/

While((sccode&0x10)!=0){

P1=sccode; /*输出行扫描码*/

If((P1&0xf0)!=0xf0){ /*本行有键按下*/

Recode=(P1&0xf0)|0x0f;

Return((~sccode)+(~recode)); /*返回特征字节码*/

}

Else

Sccode=(sccode<<1)|0x01; /*行扫描码左移一位*/

}

}

}

Return(0); /*无健按下，返回值为0*/

}

4.3数码管显示程序

#include

#include

#define uchar unsigned char

#define COM XBYTE[0xfff0]

#define PA XBYTE[0xfff1]

#define PB XBYTE[0xfff2]

#define PC XBYTE[0xfff3]

Uchar idata dis_buf[6]={2,4,6,8,10,12};

Uchar code table[18]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,

0x7f,0x6f,0x77,0x7c,0x39,0x5e,0x79,0x71,0x40,0x00};

V oid dl_ms(uchar d);

V oid display(uchar idata*P){

Uchar sel,i;

COM=0x07; /*送命令字*/

Sel=0x01; /*选最右边的LED*/

For(i=0;i<6;i++){

PB=table[*P]; /*送段码*/

PA=sel; /*送位选码*/

dl_ms(1);

p--; /*缓冲区下移1位*/

sel=sel<<1; /* 左移一位*/ }

}

V oid main(void){

display(dis_buf+5);

}

第五章数控技术发展趋势

5.1性能发展方向

(1)高速高精高效化速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由

于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。

(2)柔性化包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。

(3)工艺复合性和多轴化以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。数控技术轴，西门子880系统控制轴数可达24轴。

(4)实时智能化早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。科学技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的应用发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、学习控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。

5.2功能发展方向

(1)用户界面图形化用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中最困难的部分之一。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和