机械专业课程设计X6132型铣床的经济型数控化改造设计垂向.docx

200 届毕业设计（论文）

材 料

系 、 部： 机械系
学生姓名：
指导教师：
职 称： 教授
专 业： 机械制造与自动化
班 级：
学 号：

2009年 5 月

目 录

一、 设计任务书 ………………………………………… 2
二、 总体改造方案 ……………………………………… 5
三、 X6132型万能卧式升降台铣床传动系统 …………… 8
四、步进电机和滚珠丝杠副的选取计算 ………………… 8
五、关于滚珠丝杆副的性能分析 ………………………… 18
六、双片齿轮错齿法 ……………………………………… 20
七、部分控制软件的框图 ………………………………… 21
八、硬件部分电路的设计 ………………………………… 22
九、凸轮加工程序 ………………………………………… 25
拾、设计体会 ……………………………………………… 27
拾一、参考文献 ……………………………………………… 28

2009 届毕业设计（论文）课题任务书
系： 机械系 专业： 机械制造与自动化
指导教师

学生姓名

课题名称
X6132型铣床的经济型数控化改造设计（垂向）

内容及任务

通过毕业设计，学习了系统地综合运用所学的知识和技能解决实际工程问题的本领，巩固和加深时所学知识的理解，并且通过毕业设计的实践扩大和补充了知识，使认识提高到一个新的水平，通过毕业设计的实践，培养了调查研究的习惯和工作能力，练习查阅资料和有关标准，查阅工具书或参考书，合理选择设计计算公式，正确计算，并能以图纸和说明书表达设计的思想和结果，通过毕设计，不但提高了解决具体问题的独立工作能力，具体动脑动手能力，而且建立了正确的设计和科研思想，加强了科学性，牢固树立实事求是和严肃认真的工作态度。
拟达到的要求或技术指标

将铣床改造成MCS-51系列单片机控制的经济型数控铣床。要求具有直线插补功能，机械部分要求计算，硬件电路部分要求8031作CPU，控制系统中要求包括扩展程序存储器、扩展数据存储器，I/O接口芯片，译码电路及键盘，显示等外设，硬件电路要求包括3个坐标系统。
进度安排
起止日期
工作内容
备注
1.5周
2.5周
1周
1周
①方案论证及机械部分计算
②设计绘制机械总图及装配图
③设计绘制电路原理图
　 ④绘制加工程序及整理说明书

主要参考资料
（1）、《金属切削机床概论》；机械工业出版社；顾维邦主编。
（2）、《机床设计手册》；（1，2，3）
（3）、《机床数控制系统》；林其骏主编；中国科学技术出版社；1991.9;
（4）、《数控机床技术手册》；李福生主编；北京出版社；1996
（5）、《机床设计图册》；上海出版社；1979、6
（6）、《机床数控系统课程设计指导书》；林俊主编；中国科学技术出版社；1991.9;
（7）、《微机原理与接口技术》；赵长德主编；中国科学技术出版社1990.9
（8）、《离合器图册》；国防工业出版社；
（9）、《电机工程手册》；机械工业出版社；1982
(10)、《现在机床设备》；化学工业出版社，顾京主编

教研室
意见

年 月 日
系主管领导意见

年 月 日

湖南工学院200 届毕业设计（论文）指导教师评阅表
系： 机械系
学生姓名

学 号

班 级

专 业
机械制造与自动化
指导教师姓名

课题名称
X6132型铣床的经济型数控化改造设计（垂向）
评语：（包括以下方面，①学习态度、工作量完成情况、材料的完整性和规范性；②检索和利用文献能力、计算机应用能力；③学术水平或设计水平、综合运用知识能力和创新能力；）

是否同意参加答辩：
是□ 否□
指导教师评定成绩
分值：
指导教师签字： 年 月 日

湖南工学院200 届毕业设计（论文）答辩及最终成绩
评 定 表
系（公章）：
学生姓名

学号

班级

答辩
日期
2009.5
课题名称
X6132型铣床的经济型数控化改造设计（垂向）
指导
教师

成 绩 评 定
分值
评 定
小计
教师1
教师2
教师3
教师4
教师5
课题介绍
思路清晰，语言表达准确，概念清楚，论点正确，实验方法科学，分析归纳合理，结论严谨，设计（论文）有应用价值。
30

答辩
表现
思维敏捷,回答问题有理论根据，基本概念清楚，主要问题回答准确大、深入,知识面宽。
必
答
题
40

自
由
提
问
30

合 计
100

答 辩 评 分
分值：

答辩小组长签名：
答辩成绩a：
×40％＝
指导教师评分
分值：
指导教师评定成绩b：
×60％＝
最终评定成绩：

分数： 等级：

答辩委员会主任签名：
年 月 日

一、设计任务书

（1）、设计参数
①、机床数据：
工作台尺寸：320*1320mm
工作台行程：纵向：700mm 横向：255mm 垂向：350mm
工作台及夹具工件重力：2650+500kg
工作台快移速度：纵向：2300mm/min 横向：2300mm/min 垂向：770mm/min
工作台进给速度：纵向：23.5~1180mm/min 横向：23.5~1180mm/min 垂向：8~394mm/min
主电机功率：1.5kw
起动加速时间：30ms
定位精度：±0.01mm
代码制：ISO
输入方式：增量值，绝对值通用。
控制坐标数：3
最小指令值：0.01~0.005mm/脉冲
自动升降速性能：有
②工艺数据：
通用机床由于工艺范围广，在同一台机床上常用不同材料刀具对不同材料和尺寸的工件进行多种加工，故取具有代表性的典型加工条件为计算依据。通常以加工量最大的钢料或铸件为工件材料，硬质合金或高速钢为刀具材料，选取用该机床上用得最多的常用工序或极限加工工序及与此相应的切削用量。
结合本次改造，选取加工材料为HT200的平板凸轮的加工工艺。
刀具：
粗齿圆柱铣刀：孔径27mm，直径Ｄ为63mm　Ｌ取63　前角α。为15。，后角α。为12。，螺旋角β为45。，齿数Ｚ为6　
切削用量： 铣削铸铁铣前深度 t＝５～７mm 取t＝6mm。
进给量：粗齿圆柱铣刀，在加工铸铁装夹系统刚性一般，机床功率7.5kw的条件下，取每齿进给量fz＝0.01～0.15毫米／齿，取fz＝0.15毫米／齿
　　　　　　　　　　——《金属切削手册》(第二版，上海市金属切削技术协会编)
（2）、工作量：
①机床改造总图；
②进给伺服系统一个坐标轴纵向（或横向，垂向）的机械装配图；
　 ③单片机控制系统电路原理图
（3）、设计计算说明书。
①控制系统总体方案的分析论证及控制标准图
②机械部分设计计算及结构设计说明
③硬件电路部分设计说明
④加工程序控制及说明
⑤在此机床上加工一盘形凸轮的零件加工程序单。
（4）、答辩阶段
毕业设计完成后进行毕业答辩，通过答辩按优秀，良好，中等，及格，不及格五个等级来评定设计成绩。

二、总体改造方案

采用微机对数据进行计算处理，由I/O接口输出泳冲，经光电隔离电路，功率放大到步进电机，再齿轮减速，带动滚珠丝杠转动。从而实现X、Y、Z方向的进给运动。总体设计示意图如下所示：
结合实际工作量，本次数控改造只涉及进给系统的数控改造，对于主轴部分不予考虑。数改过程中，对于进给驱动系统，主要关心它的转矩大小，调节范围的大小和调节精度的高低，以及动态响应速度的快慢。滚珠丝杠作为当代数控机床进给的主要传动机构，以其寿命长、高刚度、高效率、高灵敏度、无间隙等显著特点而得以广泛应用，成为各类数控机床的重要配套部件，并已实现了标准化、通用化和商品化。为了满足数控机床高进给速度、高定位精度、高平稳性和快速响应的要求，必须合理选择滚珠丝杠副，并进行必要的校核计算。
1、伺服驱动：在我国设备数控改造的一段时间里，较多采用步进电机作为伺服驱动元件，步进电机是一种特殊结构的电机，它利用通电激磁绕组产生反应力矩：将脉冲电信号的能量转换为机械位移的机电执行元件。当激磁绕组每产生一定规律获得分配脉冲时，步进电机的转子就转动。转了转过的角度与输入的脉冲个数具有较严格的比例关系，而且转动与输入脉冲在时间上同步，因此可以利用这些特点控制运动的速度和位移量。
由于步进电机容易丢步，启动频率低，工作频率也不够高，低频时振动大，有时还自激振荡，且没有过载能力，当工作条件变动时，可能造成失误，因此步进电机多用于负载较小、负载变化不大或要求不太高的经济型简易型数控设备中。
开环伺服是由步进电机和机械传动装置组成的开环式控制系统。由于没有位置检测及反馈装置，就必须使其机械传动装置在任何时刻、任何情况下均能严格跟随步进电机的运动而运动。然而实际上，在机械传动装置的输入与输出之间总会有误差存在的。这误差的产生，除了有一部分是由传动链的传误差（如丝杠螺距累积误差）引起的之外，还有一部分是由于传动系统的动力参数（如传动刚度、移动件惯量、导轨摩擦力、间隙、速度阻尼等）产生的。这部分误差在设计开环伺服进给系统中必须予以注意。它包括三部分：
①、启动或反向时的死区误差：
②、由于传动刚度的变化引起的定位误差：
③、运动时的动态误差。
2、数控装置：
数控装置的选择也有多种方案，可以全部自行设计制作，可以来用单板机或ＳＴＤ模块改制等，工厂中一般多采用以下两种方法：
一种情况是所需的功能和要求有现成的数控装置可以满足，这时绝大多数都采取买现成产品的方案，因为自行设计制作不但费时间，投资也不一定能省，往往是投资更多，而且质量也不容易保证的，另一种情况是买不到现成产品来实现有些特殊功能，这时大多采取买性价比尽量高的性能接近的装置，然后自行补充或改造，至少也是买ＳＴＤ模块或工控机，单板机来制作，很少全部自行设计制作，对于我们所需的数控装置，除了直接能进行渐开线插补这一条功能外，其它没有特殊的功能要求，市场上可以有很多种型号的铣床数控装置供选择，因此直接选用市场上现成的装置切合实际，可以加快改造步伐，适合生产需要，但是作为毕业设计，也需对其结构、原理。控制方式等有新了解。能提出自己的处理办法，即设计方案。
根据所选方案确定选用国产的经济数控系统ＪＷＫ—２０Ｍ，控制轴数X、Ｙ、Ｚ，联动轴数任意二轴，生产厂家：南京微分电机厂江南机床数控工程公司。
经济型数控装置选用步进电机驱动的开环数控装置。

面板
3、其它电气装置
在经济型数控改造中，还需要结合数控装置和伺服驱动的特点配其它电气装置，包括强弱电信号的变换，传输或必要的处理，其中对输入输出接口部分还要考虑是否有隔离，屏蔽的要求 ，此外，还要配置所需要的电源，各种保护电路等辅助电路。步进电机性能参数和安装尺寸要符合GBn||3或JB/DQ3302的规定。连接方式：控制柜（箱）与机床，柜（箱）与电机之间的电气连接应采用插头插座或接线盒型，连接线应有金属软管保护，并应按符合GB5226—85，JB/GQ0580—85，JB/GQ0576—85有关章节规定和JB/DQ3002—80中1.3规定
4、机械部分：
在设备的数控化改造中，虽然中心工作是数控部分，涉及较多的是微机但如果忽视了机械方面的要求而只是按数控方面的要求来进行相应的改动，或者在改造设计中制造不合理的装运，结果会给数控化改造带来意想不到的不良后果，甚至是失败。
所以，机械设计部分也非常重要。

四、 X6132型万能卧式升降台铣床传动系统

四、步进电机和滚珠丝杠的选取计算

1．切削力的计算
Fz=f(ap　ae　af　z。d。n。)k
式中：ap — 切削深度（mm）
ae — 切削宽度（mm）
af — 每齿进给量　（mm/z）
z。— 刀齿数
d。— 刀具公称直径
n。— 刀具每分钟转数
k。— 与刀具材料，切速，工件材料，刀具几何参数，刀具磨损状态等有关的综合修正系数。
结合本次改造：
Fz=CＦc·ap·fz0.65. ·ae0.83·do-0.83·z·kFc
式中：CＦc — 铣削力系数　取282
ap —　铣削深度（即被加工表面的宽度，同时加工５个工件,每个工件厚度为10mm,故深度为50mm）
fz —　每齿进给量　取0.15mm/z
.ae —　铣削宽度（即被切削金属层的深度）　取6mm
do — 　铣刀公称直径　取63mm
z —　刀齿数　取６
kFc —　铣削力修正系数且：
kFc= kmFc· kγFc
kmFc —工件材料系数　取(HB/190)0.55
kγFc —　前角系数　取0.92
故Fz=282×50×0.150.65×200.83×63-0.83×6×(200/190)0.55×0.92故可求出: Fz=9000N
《金属切削刀具》表4—8 . 4—9 P69
2．滚珠丝杠副的计算
（1）垂向切削分力Fy:
按经验公式：Fy/Fz=0.80 Fy=7200N
故：Fy=0.8Fz
纵向切削分力Fx:
按经验公式：Fx/Fz=0.9 Fx=8100N
横向切削分力Fz： 按经验公式：Fz’/Fz=0.4
(2)丝杠工作时轴向压力F轴的计算：
铣削条件下： 在插补平面内合力Fr： Fr=(Fx+Fy)1/2
铣削一周平均铣削力Fav 取2Fr/3 ，铣削时丝杠轴向压力F轴 ：
F轴=βFav+μ’(mg +Fy)
式中： β— 考虑到颠覆力矩的影响系数 一般取1.1
μ’ — 导轨当量摩擦系数。取0.18
m — 移动部件的质量 估计为1000Kg
g — 重力加速度 取9.8m/s2 Fz’=3600N Fr=123.69N Fav=82.46N F轴=3151N
——《机床设计手册》第3 分册P177
——《机床与液压》2000年第5期—机床数控改造中进给系统滚珠丝杠副的选择
3、 滚珠丝杠副工作负荷的计算：
(1)丝杠的转速：
数控改造多半采用开环步进式伺服驱动系统，本次改造也采用步进电机驱动丝杠。
开环步进伺服进给系统的设计计算步骤：
A． 脉冲当量取0.01mm.初选步进电机的步距角φ为1.5º
B． 计算降速比。由于步进电机工作的特点是一个脉冲走一步，每一步均有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。为满足负载惯量尽可能小的要求 ，同时也为满足要求的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。传动比：
¡=φS/360Δ
式中：φ—步距角 S—丝杠螺距 初取12mm Δ—脉冲当量 各级传动比的确定：

首先确定传动级数为3。考虑到垂向进给机构中采用锥齿传动，在机床中的锥齿轮传动齿数
比通常在1～2.5之间，尤其是传动比为１的正交等比传动用得最多。结合本次改造选这级传动比也为１.
根据相关资料确定不同啮合对数时的最佳降速比：
ｉ１＝２ , ｉ２＝2.5 , ｉ３＝１
今选齿轮Z1=27, Z1’=54 ,Z2=24, Z2’=60,(机床上常用的锥齿轮齿数比为１时有Z1＝ Z2≥22)　取Z3 =Z3’=40　。模数m1=m2=2,m3=3.3
故正交等比传动直齿锥齿轮的主要尺寸：Ｚ＝40,
De=41.414×3.3,Ae=19.293×3.3,Le=28.284×3.3，φi=42º34¹
——《机床设计手册》3册Ｐ510图6.4—45
C.根据结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的转动惯量Jt，并计算电机力矩,再按步距角，电机力矩，允许的负载惯量等项要求来选取合适的步进电机。
　惯量计算：
Jt=J1+i1-2{J1’+J2+i2-2{J2’+J3+i3-2[(J3’+Js)
+G/g(S/2π)2]}}
式中：Js＝0.03715Kgf.cm.s2
——《机床设计手册》2册P301表5.5—15
力矩计算：
　快速空载启动时所需力矩：
Ｍ＝Ｍamax ＋Ｍf＋Ｍ0
　最大切削负载时所需力矩：
Ｍ＝Ｍat＋Ｍf＋Ｍ0＋Ｍt
　快速进给时所需力矩：
Ｍ＝Ｍf＋Ｍ0

　式中：Ｍamax —　空载启动时折算到马达轴上的加速力矩
　　　　 Ｍf —　折算到马达轴上的摩擦力矩
　　　　　Ｍ0 — 　由于丝杠预紧引起的折算到马达轴上的附加摩擦力矩
　　　　　Ｍat　—　切削时折算到马达轴上的加速力矩
Ｍt　—　折算到马达轴上的切削负载力矩丝杠传动时
Ｍa , Ｍf　,Ｍ0 ,　Ｍt计算公式：
Ｍa＝Ｊr／9.6Ｔ（Ｋgf.m）
式中：Ｊr—　　折算到马达轴上的总惯量
Ｔ—　　系统时间常数（系统时间常数表示线路在导通瞬间允许电流值上升的速率。时间常数越小，线路导通后电流上升越快，达到近似稳定值的时间越短；反之则越长）
　　　　n—　　电机转速
　当n=nmax时计算Ｍamax,n=nt时计算Ｍat
　nt—切削时的转速
摩擦力矩Ｍƒ=(FοS/2πηί)×10-3 (Nm)
　　　　　Fο—导轨摩擦力
　 （Fο＝）
S—丝杠螺距
ί—齿轮降速比
η—传动链总效率　一般取0.70～0.85　　　　取0.8
Fο=2106N Ｍƒ=1.00554Nm
附加摩擦力矩Ｍο：
Ｍο＝［ＰοＳ／2πηί（１－ηo2）］×10－３
式中：　　　Ｐο—滚珠丝杆预加载荷（kgf．m）
为使预紧后的双螺母机构在正向传动链受力运行时其反向传动链仍保证无间隙出现，要求预紧力的数值应大于最大轴向载前的1/3倍。
Ｐο≥1/3×F轴=1/3×3151=1050.3N 取Ｐο=1200N
　　　　　　Ｓ—丝杆螺距
　　　　　　η—传动链总效率
　　　　　 　ί—齿轮降速比
　　　　　　ηo—滚珠丝杆未预紧时的效率，一般取η≥0.9
Ｍο＝0.0363Nm
切削力矩Ｍt：
Ｍt＝ＰtＳ／2πηί×10３(N·ｍ)
式中： Ｐt－进给方向的最大切削力
　　　 S－丝机螺距（cm）
　　　 η—传动链总效率　η取0.8
ί —齿轮降速比
初选步进电机：130BF001 五相十拍分配方式
检验计算：Ma=[(Jt+Jm)×n]/9.6T×102
Jm－电机转动惯量　
Jt－系统转动惯量
式中：
T－系统时间常数(s) 加速时间Ｔ＝50ms
故Ｍamax= (Jt+Jm)nmax/9.6×0.05×102
＝[(0.01545+7×102)×1000]/9.6×0.05×102
Mamax=4.22Nm
M=Ｍamax+Mf+Mo M=5。26Nm
(M<9.31Nm)
由于采用步进电机驱动：
n=φf/60i (r/min)
式中：φ—步进电机步距角 1.5º
f —电机脉冲频率 16000Hz
i—电机与丝杠间的降速比 5
n=80
——《机床设计手册》2册表5.7—30 P476
由表查得选取步进电机
2.丝杠寿命系数L：
L=
式中：T — 丝杠预期寿命 取15000h
L=72 ——《机床设计手册》 2册表5.7—32 P476

3.丝杠工作动载荷C：
C=β1β2F轴
式中：β1 — 丝杠硬度系数 取1.5
β2 — 载荷性质系数 取1.4
C=27528.25N ——《机床设计手册》2册P500
根据C<Ca原则，考虑丝杠导程初选滚珠丝杠型号，使选取的滚珠丝杠的额定负载大于计算最大工作负载。
从相应表中选取滚珠丝杠的型号为：NL6012
Ca=37200N. D0=60mm S=12mm
滚珠丝杠副传动刚度验算：对于精密机床数控改造，应对选取的滚珠的丝杠副传动刚度进行校核，以保证机床的定位精度，传动精度，可靠性。
丝杠工作时，受轴向力及扭转力矩作用，其变形为轴向压缩变形和扭转变形。设丝杠副的轴向刚度为Kz，导轨刚度为并将扭转变形的扭转角转换为轴向变形，
则滚珠丝杠副KN传动时的轴向总变形量δz为：
δzz=+(Mt/KN2π)×103
=+(Fxt/KN2π)×103
式中： M—作用在丝杠上的扭矩（N·m）
t—丝杠导程 (mm)
由刚度定义可知，滚珠丝杠副传动刚度K与轴向刚度，扭转刚度有如下关系：

则滚珠丝杠副的传动刚度K为：
K=KnKz/[Kn+(t/2π)2×103Kz]
欲求K，则只要求Kz，Kn即可。
(1) 滚珠丝杠副轴向刚度Kz的计算：
滚珠丝珠副的轴向刚度取决于丝杠，螺母组件，支承轴承的轴向刚度。
A .丝杠的轴向刚度Ksz
丝杠的轴向刚度Ksz与其安装方式有关，本次改造设计中选取双推——双推式支承方式：

两端各两个推力轴承，此时，丝杠轴向最小刚度发生在载荷作用点处于支承端距离一半，即La/2 处
Ksz=(4SE/La)×10-3 (N/um)
式中： S — 丝杠小径截面积 (mm2)
E — 丝杠材料的弹性模量 (MPa) 钢料的E为2.1×106 (Kgf/cm2)
La — 载荷作用点距双推轴承
的最大长度 (mm)
Ksz=195N/um
B.螺母组件的轴向刚度Klz：
螺母组件的轴向刚度是指滚珠丝杠，螺母螺纹形成的滚道间的轴向刚度。据赫兹理论，滚珠与滚道之间在轴向载荷的作用下，弹性变形为：-
式中： s— 滚珠的接触角度 45˚
Zg—每圈承受载荷的滚珠个数
dg—滚珠的直径 7.144mm
Zg按下式计算：Zg=D/(dgcosλs) 9
D为螺母的公称直径， λs为丝杠螺纹螺旋升角 =23.76um
Klz= Klz=167.062N/um
C.支承轴承的轴向刚度Kcz：
支承轴承的轴向刚度也按赫兹理论接触弹性位移理论求解。轴承类别不同，刚度公式也不同。
采用双列止推滚珠轴承。选取38212
Kcz = Kcz= 454N/um
螺母座的轴向刚度一般在螺母组件刚度计算时乘以0.8计入，不再单独计算。
滚珠丝杠副的轴向刚度Kz：
Kz=46.7 N/um
由材料力学可知：
Kn=GJp/x
式中： G — 丝杠材料抗剪切弹性模量 （MPa）
钢材的剪切弹性模量为80GPa
Jp — 丝杠小径截面惯性矩 （mm4）
X = La（两支承端中心点距离115mm） Kn=392×103N/um

将求得的Kn ,Kz代入滚珠丝杠副传动刚度公式，便可求得K 。如果刚度不足，可改变丝杠支承方式或重选滚珠丝杠副型号。
K=32.56(N/um)
各类机床滚珠丝杠副的推荐精等级，本次改造垂向滚珠丝杠传动精度B级，取传动精度
故有如下关系式：<32.56=K
故：刚度满足要求。
《机床设计手册》2册第七章P461
（2）滚珠丝杠副临界转速的验算：
滚珠丝杠副的进给系统的进给速度是其导程和转速决定的。丝杠副在工作时，由于受到摩擦力矩等因素的影响，丝杠的导程受到限制，一般小于直径的两倍。如果要提高转速，必须提高丝杠副的转速，然而，滚珠丝杠副的转速超过某一临界值时将引起共振。这保证安全工作，应使转速低于临界转速。临界转速Nc用下式计算：

式中：λ — 丝杠支承方式系数（双推——双推方式λ=4.730）
ρ — 丝杠材料密度（Kg/mm3）
S — 丝杠小径截面积（mm2）
Nc=9.2×104r/min

由于Nc>>n故可靠性好，稳定性好。

五、 关于滚珠丝杠副的性能分析：

在升降台铣床的垂向运动中，普遍存在着工作台运动时摇动力过大的问题。因此，操作进刀不便，丝杠螺母副易磨损，电磁离合器易烧坏。解决这一问题的根本措施是将滑动丝杠改为滚珠丝杠副，提高机械传动效率，当采用滚珠丝杠副后，其矛盾就转化为滚珠丝杠副逆运转的自锁上。
垂向升降丝杠副的受力情况如下图所示：
图13及图2所示为升降滚珠丝杠受载示意图及传动系统图。采用滚珠丝杠后，因摩擦角小于螺旋升角而不能自锁，在自重作用下丝杠副产生逆转，升降台自动下降。为防止其逆转，必须满足自锁条件方程：
≥F
式中：F —— 向下分力，F= (kg·f);
Fm —— N·f =f (kg·f)。
ΔFm为防逆转所需的附加摩擦力，但在丝杠向上摇动时却又不应增加阻力。这就是垂向滚珠丝杠副防逆转机构设计的基本出发点。在机构中一般用超越离合器实现单向加载的目的。假若在丝杠传动系统中附加单向摩擦载荷ΔFm，此时，向上驱动力矩M上基本不变，而M下由下式确定：
M下
若使，则M下=0，摇臂的手摇力Q下=0。但在实际使用中总调整到>0使其在不同载荷的变化状态下，有较好的自锁可靠性，但值又不宜过大，否则造成向下摇动力Q下过大以及超越离合器易磨损等弊端。这是考核垂向升降滚珠丝杠副结构是否合理的重要指标。所以从自锁条件方程不分析，附加摩擦力ΔFm应满足上述方程并有足够的安全系数条件下取最小值。
此外，为使实际使用时能取得最佳效果和磨损后的补偿，ΔFm应能方便地进行调节和具有补偿机能。这是垂向升降丝杠副能否得到广泛应用的关键。本次改造中附加摩擦力可通过碟形弹簧调节，使之达到最佳自锁状态。碟形弹簧能自动补偿磨损，因此，确保了自锁性和摇动轻巧；同时，离合器通过1：2.5的传动减速比使离合器能以较小的阻尼去实现较大的控制力，从而延长使用寿命。
由以上的分析可知，改造成后的“可调阻尼式”垂向滚珠丝杠副传动机构，结构布局合理，具有摇动轻巧，自锁可靠，调节方便，寿命较长，及更新改装方便等多方面的优点。

六、 双片齿轮错齿法调隙机构：

为了提高齿轮传动精度，需要设计齿轮消隙装置，采用二片和三片齿轮错齿法。示意图如下所示：

该机构为自动补偿机构。相互啮合的一对齿轮中的一个做成两个薄片齿轮7和8，两薄片齿轮套在一起，彼此可作相对运动。两个齿轮的端面上，分别装有螺纹凸耳2和6，拉簧1的一端钩在凸耳6上，另一端钩在穿过凸耳2通孔的螺钉5上。在拉簧的拉力作用下， 两面三刀薄片齿轮的轮齿相互错位，分别贴紧在与之啮合的齿轮左、右齿廓面上，消除了它们之间的齿侧间隙。拉簧的拉力大小可由螺母3调节。不过这种结构传动刚度较差，能传递的转矩较小。

七、 部分数控系统控制软件的框图：

单板机控制的步进电机开环系统中，单板机负责插补运算并输出脉冲，步进电机为执行机构。控制中的核心，是由软件按加工要求对步进电机的运动方向，速度和转数实现控制。一是长控制，即把编程尺寸变为步进电机的步数；二是速度控制，一般用CTC定时器，使其每隔一定时间发出一次中断，进行插补；三是方向控制，即正反转控制。一般软件有两种结构。一种是中断方式，即把插补输出作为中断程序；另一种是流水线式结构，即按插补加工的顺序来安排软件。中断方式软件结构框图如下：

八 、硬件部分电路的设计

1.控制系统的功能
（1）X向、Y向、Z向的进给伺服运动；
（2）键盘显示；
（3）面板管理
（4）行程控制
（5）其他功能、例如光隔离电路、功率放大电路、红绿灯显示
2．CPU和存储器
CPU采用8031芯片，由于8031芯片内无程序存储器，需要有外部程序在存储器的支持，同时8031内部只有128B的数据存储器也远不能满足控制的要求。故扩展了16KB程序存储器由两片2764组成，又扩展了一片6264数据存储器。8031芯片的P和P用来传送外部低8位地址和数据，P口传送高8位地址，P口传送低8位地址和数据，故要采用74LS373地址锁存器的输入和输出透明，即输入的低8位存储器地址在输出端出现，此时不需锁存。当ALEN高电平弯低电平，出现下降沿时，低8位地址锁存入地址锁存器中，74LS373的输出不再随输入变化，这样P口就可用来传送读写的数据了。8031芯片的P口和74LS373送出的P口共组成16位地址，2764和6264芯片都是8KB，需要13根地址线。A~A低8位接74LS373芯片的输出，A~A接8031芯片的P~P。系统采用全地址译码，两片2764芯片片选信号分别接74LS138译码器的和系统复位以后程序从0000H开始执行。6264芯片的片选信号也接74LS138的，单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独立编址（即允许地址重叠），8031芯片控制信号接2764的引脚，读写控制信号和分别接6264芯片的和，以实现外部数据存储器的读写。由于8031芯片内部没有ROM故始终要选外部存储器，故其必须接地。
3.T/O接口电路
由于8031只有P口和P部分能提供用户作为I/O口使用，不能满足输入输出口的需要，因而系统必须扩展输入输出接口电路。从附录H图H-2可以看出，系统扩展了一片8155和一片8255可编程I/O接口芯片。8155的片选信号接74LS138的，8255芯片片选信号接到74LS138的端。74LS138译码器有三个输入A、B、C分别接到8031的P、P、P，输出~8个输出，低电平有效。Y~Y对应输入A、B、C的000至111的8种组合，其中对应A、B、C为000，Y对应A、B、C为111。74LS138还有三个使能端，其中2上（和）为低电平使能，另一个G为高电平使能，只有当使能端处于有效电平时，输出才能产生，否则输出处于高电平无效状态。
I/O接口芯片与外设的连接是这样安排的，8155芯片PA~PB是显示器的位选信号输出，PC~PC5要线是键盘扫描输入。8155芯片的IO/引脚接8031芯片的P，因为使用8155的I/O口，故P为高电平。
8255芯片PA~PA接X向、Y向和Z向步进电机硬件环形分配器，为输出PB~PB为三个方向的点动及回零输入，PC~PC为面板上的选择开关是输入，设有编辑单步运行，单段运行、自动、手动I、手动II等方式。
系统各芯片采用全地址译码，各存储器及I/O接口芯片的地址编码如下表：
芯片
接74LS138引脚
地址选择线
片内地址单元
地址编码
2764（1）

0 0 0 ×××××××××××××
8KB
0000H～1FFFH
2764（2）

0 0 1 ×××××××××××××
8KB
2000H～3FFFH
6264

0 0 1 ×××××××××××××
8KB
2000H～
3FFFH
8155
RAM

1 0 0 1 1 1 1 0 ××××××××
256B
9E00H～9EFFH
I/O

1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ××××
6B
9FF8H～5FFFH
8255

0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ×××
4B
5FFCH～5FFFH

X向、Y向步进电机硬件环形分配器采用YB015，3-2相通电五相十拍方式工作，故A、A引脚均接+5V，Z向步进电机硬件环形分配器采用YB014，是以2-3相通电四相八拍试工作。A、A接高电平。三个芯片的选通输出控制分别接8255的PA、PA、PA，清零接8255的PA，正反转8255的PA、PA、PA，时钟输入端CP接8155芯片的TIMROUT，用以决定脉冲分配器输出脉冲的频率。为实现插补时不同的进给速度，可给8155芯片定时/计数器中设置不同的时间常数。
4.其他辅助电路
此控制系统中设有越界报警和急停处理电路。±X、±Y、±Z方向的越界和急停信号经或门引入 8031的P中断源、，同时接到8031的P口，采用硬件申请中断和软件查询的方法，这样无论哪个方向，越界都会引起中断，在中断服务程序中通过软件查询的方法，便可确定是哪个方向越界，当±X、±Y、 ±Z等方向越界，则相应的红灯这报警，另外，还有上电和按钮，相结合的复位电路、光电隔离电路和功率放大电路等。

八、 凸轮加工程序

数控铣床铣削凸轮加工程序：
图示为传动系统的凸轮，凸轮曲线是两段圆弧与两段直线组成，凸轮的上下两面和中心孔已加工好，现要在数控铣床上铣削凸轮的轮廓曲线，并一次铣削加工成形。
以凸轮毛坯的中心孔O为定位孔，将凸轮毛坯装到通用夹具上。选凸轮上的O点为工件坐标系的坐标原点，凸轮曲线各段圆弧的切点坐标如图示。选用￠8mm的立铣刀铣削凸轮。铣刀相对工件坐标系原点的距离X、Y、Z分别为0、0、300mm。程序启动时，刀具停在机床参考点位