數(shù)控移動工作臺的設(shè)計(jì)獨(dú)家優(yōu)秀】

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Ⅰ 摘 要 數(shù)控車床又稱數(shù)字控制（ 稱 床。它是基于數(shù)字控制的，采用了數(shù)控技術(shù)，是一個(gè)裝有程序控制系統(tǒng)的機(jī)床。它是由主機(jī)， 動裝置， 數(shù)控移動工作臺 的輔助裝置，編程機(jī)及其他一些附屬設(shè)備所組成。 此次設(shè)計(jì)包括 移動工作臺 的進(jìn)給設(shè)計(jì)?？刂葡到y(tǒng)部分包括步進(jìn)電機(jī)的選用及硬件電路設(shè)計(jì)和工作臺 系統(tǒng)設(shè)計(jì)，說明了的擴(kuò)展，鍵盤顯示接口的設(shè)計(jì)等等。該控制系統(tǒng)采用 工作臺 中斷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)，因?yàn)樽映绦蚪Y(jié)構(gòu)簡單、條件明確在數(shù)控系統(tǒng)中應(yīng)用比較多。中斷結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@種 結(jié)構(gòu)便于修改和擴(kuò)充，編制較為方便，便于向多處理機(jī)方向發(fā)展。 本文以普通 數(shù)控移動工作臺 為研究對象，介紹 數(shù)控移動工作臺 主 設(shè)計(jì)采用 為上位機(jī)， 8051 為核心的單片機(jī)系統(tǒng)作下位機(jī)，以打印口作為兩者間的通訊接口，構(gòu)成主 —從式控制系統(tǒng)。該類型機(jī)床可以利用微型計(jì)算機(jī)豐富的軟硬件資源，可以編制出具有友好的人機(jī)界面的系統(tǒng)控制 工作臺 ；可以利用單片機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單、工作可靠、價(jià)格便宜的特點(diǎn)，并借助 C 語言、匯編語言等編制出執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置控制軟，可以使原 數(shù)控移動工作臺的擴(kuò)充性及開放性更強(qiáng)，使數(shù)控 編程更加方便、高效，也為將來 數(shù)控移動工作臺 的網(wǎng)絡(luò)控制打下基礎(chǔ)。本文著重闡述 數(shù)控移動工作臺 及及主 位機(jī)與下位機(jī)間通訊接口及通訊模式的選擇；下位機(jī)硬件設(shè)計(jì)；步進(jìn)電動機(jī)控制程序。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控移動工作臺 ；開放式數(shù)控系統(tǒng)；電動機(jī) Ⅰ he is C) It is on is It is by is so to so as of a In to PC to of is to in to of at NC to of of NC C t a in of in NC of 目 錄 摘 要 .................................................................................................................................................... I ................................................................................................................................................ 1 章 緒論 ....................................................................................................................................... 3 兩坐標(biāo)數(shù)控 移動工作臺 的課題研究意義 ........................................................................... 3 兩坐標(biāo)數(shù)控 移動工作臺 的課題研究主要內(nèi)容 ................................................................... 3 第 2 章數(shù)控 移動工作臺 機(jī)械結(jié)構(gòu) ........................................................................................................ 3 進(jìn)給系統(tǒng)組成 ....................................................................................................................... 3 齒形帶傳動設(shè)計(jì) ................................................................................................................... 4 帶和帶傳動 ................................................................................................................ 4 形帶的選擇 .............................................................................................................. 6 步進(jìn)電機(jī)的選擇 ................................................................................................................. 7 步進(jìn)電機(jī)概述 ............................................................................................................ 8 步進(jìn)電機(jī)的選擇 ...................................................................................................... 10 絲杠螺母設(shè)計(jì) ..................................................................................................................... 11 滾珠絲杠螺母副類型選擇 ...................................................................................... 11 滾珠絲杠螺母副型號及其校核 .............................................................................. 12 第 3 章 數(shù)控 移動工作臺 工作臺控制系統(tǒng) ........................................................................................ 13 工作臺控制系統(tǒng)的組成 ..................................................................................................... 13 工作臺控制的組成 .................................................................................................. 14 信號流程分析 .......................................................................................................... 14 主要功能介紹 ..................................................................................................................... 15 第 4 章 工作臺基本結(jié)構(gòu) .................................................................................................................... 19 工作臺整體結(jié)構(gòu) ................................................................................................................. 19 運(yùn)動結(jié)構(gòu) .................................................................................................................. 19 中斷工作臺結(jié)構(gòu) ...................................................................................................... 20 工作臺基座的結(jié)構(gòu) ............................................................................................................. 20 滑座的結(jié)構(gòu) ......................................................................................................................... 22 第五章 控制系統(tǒng)工作臺部分 ............................................................................................................ 25 械加工主體運(yùn)行程序 ....................................................................................................... 25 一 象限到 四象限直線插補(bǔ)主體加工子程序 ................................................................... 26 結(jié) 論 ................................................................................................................................................. 29 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................. 30 致 謝 ................................................................................................................................................. 31 第 1 章 緒論 兩坐標(biāo) 數(shù)控移動工作臺 的課題研究意義 數(shù)控移動工作臺 具有經(jīng)濟(jì)實(shí)用，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，價(jià)格低廉的特點(diǎn) ，它的特控制系統(tǒng)通常采用單片機(jī)（ 8 位、 16 位、 32 位 ） 作控制器，驅(qū)動電機(jī)采用步進(jìn)電動機(jī)，多數(shù)采用開環(huán)控制，由于數(shù)控系統(tǒng)具有較高的性能價(jià)格比，因而廣泛地應(yīng)用于機(jī)床產(chǎn)品的升級換代和普通普通機(jī)床的技術(shù)改造上。近年來，我國在經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)的研究開發(fā)和生產(chǎn)上投入了大量人力和物力，在 數(shù)控移動工作臺 領(lǐng)域里經(jīng)歷了幾個(gè)五年計(jì)劃之后已經(jīng)取得了可喜成果， 數(shù)控移動工作臺 在我國機(jī)床市場上占有較大比重，成為我國制造業(yè)不可或缺的一部分。 兩坐標(biāo) 數(shù)控移動工作臺 的課題研究主要內(nèi)容 數(shù)控移動工作臺 控制系統(tǒng)采用 列單片機(jī) 8031 作為控制系統(tǒng) 要擴(kuò)展程序存儲器，數(shù)據(jù)存儲器，鍵盤與顯示電路， I/O 接口電路， D/A 轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。 數(shù)控移動工作臺 驅(qū)動電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)，多數(shù)采用開環(huán)控制，需要選擇和計(jì)算主要機(jī)械傳動部件，如滾珠絲杠，螺母副和步進(jìn)電機(jī)等，繪制機(jī)床進(jìn)給傳動機(jī)構(gòu)裝配圖，繪制單片機(jī)控制系統(tǒng)的硬件線路圖。 第 2 章 數(shù)控移動工作臺 機(jī)械結(jié)構(gòu) 進(jìn)給系統(tǒng)組成 數(shù)控移動工作臺 是一種利用數(shù)控技術(shù)，準(zhǔn)確地按照事先安排的工藝流程，實(shí)現(xiàn) 規(guī)定加工動作的金屬切削機(jī)床，它主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服機(jī)構(gòu)、機(jī)床、測量裝置。 各部分的 工作原理簡述如下： 1、控制介質(zhì) 進(jìn)行 數(shù)控移動工作臺 加工時(shí)，需在任何機(jī)床之間建立某種聯(lián)系，以便機(jī)床正確 的執(zhí)行認(rèn)的意圖，這種進(jìn)行聯(lián)系的中間介質(zhì)機(jī)控制介質(zhì)又稱為信息載體。信息以代碼的形式存儲在介質(zhì)上， 常用的控制節(jié)有：穿孔帶、穿孔卡、磁盤和磁帶；最常用的十八單位標(biāo)準(zhǔn)黑色穿孔紙帶。每行共9 個(gè)孔，大孔為 信息孔，其中 1。 33 毫米；小孔為同步孔，其中 1。 17 毫米。國際上通用 的代碼為 碼和 碼。 2、計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置 計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置是數(shù)控裝置的核心，其絕大部分采用微型計(jì)算機(jī)控制； 它 有輸入設(shè)備、輸出設(shè)備、運(yùn)算器、控制器和存儲器組成。 輸入設(shè)備即把控制介質(zhì)上的信息翻譯成計(jì)算機(jī)能夠識別的信息代碼 并送到指定的存儲器中以便進(jìn)行運(yùn)算處理。 輸出設(shè)備即將經(jīng)計(jì)算機(jī)處理過的信息代碼經(jīng)過翻譯之后轉(zhuǎn)變成機(jī)床能 夠執(zhí)行的指令和人能夠識別的信息符號。 運(yùn)算器是對計(jì)算機(jī)中的信息進(jìn)行算術(shù)或邏輯運(yùn)算的器件。存儲器是用 來存儲計(jì)算機(jī)所需的各種信息代碼的器件。控制器是用來控制計(jì)算機(jī)內(nèi)部的運(yùn)算并按照一定的順序使各個(gè)部件協(xié)調(diào)工作的部件。 3、伺服機(jī)構(gòu) 伺服構(gòu)的作用是把數(shù)控裝蠱的運(yùn)動指令轉(zhuǎn) 變成機(jī)床移動部件的運(yùn)動，使 工作臺按照預(yù)先規(guī)定的軌跡運(yùn)動，以便使加工出符合圖紙要求的工件。伺服機(jī)構(gòu)由伺服控制電路、功率放大電路和伺服電機(jī)組成。常用的伺服電機(jī)有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。 4、機(jī)床 數(shù)控移動工作臺 是高精度和高生產(chǎn)率的自動化加工機(jī)床，它具有更好的抗震性 和剛度，相對運(yùn)動面的摩擦系數(shù)小，進(jìn)給傳動部份的間隙小的特點(diǎn)。 5、測量裝置 測量裝置江機(jī)床移動的實(shí)際位置、速度檢測出來轉(zhuǎn)變成電信號，并反饋 至計(jì)算機(jī)中使計(jì)算機(jī)能隨時(shí)判斷機(jī)床的實(shí)際位置、速度與指令要求是否一致 ，并發(fā)出相應(yīng)指令糾正所產(chǎn)生的誤差。 齒形帶傳動設(shè)計(jì) 帶傳動是利用張緊在帶論上的帶傳遞運(yùn)動和動力；通常是靠帶和帶輪之 間的摩擦力來傳遞動力的，也有靠帶和帶輪上的齒的嚙合來傳遞動力的例如：同步齒形帶。帶的形式有：三角形帶、平帶、同步齒形帶等。帶的傳動形式有：開口傳動、交叉?zhèn)鲃印虢徊鎮(zhèn)鲃?、張錦綸傳動。 帶和帶傳動 一、 帶 的種類 1)V 帶。 v 帶有普通 v 帶、窄 v 帶和寬 V 帶等類型。一般多使用普通的 v 帶。 v 帶的結(jié)構(gòu)為：頂膠、承載層、底膠、包布組成。 窄 v 帶采用合成纖維繩或者鋼絲繩作為承載層 ，它傳遞的功率比普通 的 v 帶大，允許速度和曲撓次數(shù)高，傳動的中心距較小。 普通 v 帶有 Y、 Z、 A、 B、 C、 D、 E 七種型號。普通的 V 帶的承載層由 膠簾布或者膠繩芯承擔(dān)；適合高速傳動。 2)平帶。膠帆布平帶強(qiáng)度高、價(jià)廉，在平帶中應(yīng)用最多。此外，也有用 麻、絲或者棉輪等材料貶值而成的編織帶，承載層為滌綸繩，表面服役耐磨油膠布或者聚氨脂的高速膠帶，也有以棉輪片作為承載層的。 帶輪通常由三部分組成：輪緣、輪轂、輪輻。在結(jié)構(gòu)上代輪應(yīng)易于制造， 能避免由于鑄造而產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力，重量應(yīng)輕。高速帶還要進(jìn)行動平衡。帶輪 通常按照此公式計(jì)算：輪寬的計(jì)算公式： B=( e+2× f； +2× h。： ， h。 二 、 帶傳動 帶傳動的主要幾何參數(shù)有：中心距 a：帶長 L；帶輪直徑 D。；包角 帶傳動的力分析：帶傳動中呈環(huán)形，并以一定的拉力套在一對帶輪上， 使帶和帶輪互相壓緊。當(dāng)帶輪不工作時(shí)兩邊的拉力相等。工作時(shí)，由于帶和帶輪之間的摩擦力使得帶輪一邊的拉力加大，而另外一邊的拉力減小，兩者之差為帶輪的有效拉力，它 等于沿著帶輪上的接觸戶的摩擦力之和。，在一定條件下，若阻力大于極限值，帶就會出現(xiàn)打滑現(xiàn)象。 有效力的計(jì)算如下： F=000p／ v 帶的應(yīng)力計(jì)算： 1)緊變得應(yīng)力計(jì)算： б 1=A 2)松邊的應(yīng)力的計(jì)算： б 2=A 式中： 緊邊拉力； 松邊拉力； A 為帶的橫截面。 松邊與緊邊的應(yīng)力差б ： б =б 1—б 2=F／ A 由于帶輪是彈性體受力不同時(shí)，帶的伸長量是不等的，從而使帶發(fā)生打 滑現(xiàn)象。打滑時(shí)，帶的速度落后與帶輪的速度。 有如下措施可以提高帶 傳動的工作能力： 增大摩擦系數(shù)； 2)增大包角； 3)盡量使傳 動在最佳速度下工作； 4)采用新型帶傳動； 5)采用高強(qiáng)度帶材料。 形帶的選擇 下表 2齒形帶的計(jì)算校核方法公式表 表 2算項(xiàng)目 符號 設(shè)計(jì)公式 計(jì)算功率 = 為同步齒形帶的工作系數(shù) ) 選擇帶型和節(jié)距 p 查相關(guān)的圖標(biāo)進(jìn)行選取 傳動比 i I=n1/10 齒數(shù) 1≥ Z 2=I× Z 2(Z 小帶輪的最小齒數(shù)， I 為傳動比 ) 齒輪節(jié)園直徑 2 D 1 =Z 1×P/π D 2=Z×P/π速 v V=πD1×0×1000≤m/s 初定中心距 a 1a≤2×(2) 帶長及其齒數(shù) L A a 1 D m L=π×(D+D)/2+r (D 2)/2+2r/2)≈π D m+2a+Δ2/a A=()/4+(() 21/2/4 a 1 =180 0-((D 2)/a)×60 0 上式中： D m=(D 2+D 1)/2, Δ=(D 2 /2 R(D 2)/a r/2) 1-(r/2) 2/2 實(shí)際中心距 A A=(m)/4×((32) 1/2 /4 小帶輪嚙合齒數(shù) 1／ 2一 20a (圓整成整數(shù) ) 基本額定功率 o=(×v／ 1000 b。所能傳遞的功率 b。同步帶的許用拉力 b。的同步帶質(zhì) 量 帶寬 b B=b。 ×(()) 。 剪切應(yīng)力計(jì)算 τ τ τ=(b×zM u)×103≤[τ] 比壓驗(yàn)算 p p P=103≤[P] [P]軸上載荷 F α F α=1000P υ／ υ N 步進(jìn)電機(jī)的選擇 一 、 步進(jìn)電動機(jī)及其發(fā)展 步進(jìn)電動機(jī)又稱脈沖電動機(jī)或者稱為階躍電動機(jī)，目前，隨著電子技術(shù)、 控制技術(shù)以及電動機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)的電機(jī)分類的間 界面越來越糊：步進(jìn)電動機(jī)的傳統(tǒng)定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定的狀態(tài)而靜止：廣義的定義為步進(jìn)電動機(jī)是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機(jī)，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的電動機(jī)。 步進(jìn)電動機(jī)的機(jī)理是基于最基本的電磁鐵作用，其源始模型起源于 1830 年至 間。在 20 世紀(jì) 60 年代后期，隨著永磁材料的發(fā)展，各種實(shí)用型的 步進(jìn)電動機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，半導(dǎo)體的發(fā)展使得步進(jìn)電機(jī)得 _至 泛的應(yīng)用。我國的 步進(jìn)電機(jī)開始于 21 世紀(jì) 50 年代后期 ，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了四個(gè)階段：第一 階段，從 50 年代后期到 60 年代后期主要是高等院校和科研機(jī)構(gòu)開發(fā)并使用少 量的步進(jìn)電機(jī)，以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)為主：第二階段， 70 年代初 期反映在步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究發(fā)展到了一個(gè)較水平：第三階段， 70 年代中 期至 80 年代中后期新品種高性能電動機(jī)層出不窮，各種混合式步進(jìn)電動機(jī)及 驅(qū)動器作為產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。 二 、 步進(jìn)電動機(jī)的特點(diǎn) 步進(jìn)電機(jī)有三大部分組成：步進(jìn)電動機(jī)本體、步進(jìn)電動機(jī)控制器及步進(jìn)電 動機(jī)驅(qū)動器。其特點(diǎn)如下： 1)用數(shù)字信號直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡單廉價(jià)。 2)位移與輸入脈 沖數(shù)相對應(yīng)，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)簡單又 具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高時(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3)無刷，電動機(jī)本體部件少，可靠性高。 4)抑郁起動正反傳和變速停止，響應(yīng)性好。 5)平滑性好，步距角選擇范圍大，停止時(shí)可有自鎖能力 三 、 步進(jìn)電動機(jī)的類型 從廣義上講步進(jìn)電機(jī)的類型可分為：機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。 從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：旋轉(zhuǎn)電動機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī) ( )、永磁式步進(jìn) 電動機(jī) ( )、混合式步進(jìn)電動機(jī)( )：直線電動機(jī)包括 、 及 ：下面分別介紹幾種典型性的步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)： 1． 步進(jìn)電動機(jī)的結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)有四部分組成：定子部件、轉(zhuǎn)子部件、機(jī)殼和端蓋。定子部 件由鐵心、繞組和絕緣體組成，一般的鐵心由無方向性的硅鋼片疊加而成定子鐵心上開了許多大齒， 大齒上開許多小齒以增加電磁力和控制的準(zhǔn)確性． 轉(zhuǎn)子部件由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁材料和軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心通常也由硅鋼片組成，采用冷沖壓后疊壓成型。轉(zhuǎn)子鐵心必須選用耐磨材料而且磁損耗較?。簷C(jī)蓋的作用有三個(gè)： l)加強(qiáng)電機(jī)剛度 2)保護(hù)電機(jī) 3)構(gòu)成定子鐵心的部分電路，機(jī)蓋 一般為圓筒形 ，表面一般作防秀處理。端蓋起支撐轉(zhuǎn)子保證氣隙和通風(fēng)散熱的作用，對機(jī)械加工的同軸度、圓柱度要求較高。 2． 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu) 步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與 的結(jié)構(gòu)相似，其不同之處在于轉(zhuǎn)子鐵心為一 個(gè)鐵心，同時(shí)轉(zhuǎn)子上不使用永磁材料。 3． 步進(jìn)電動機(jī) 其轉(zhuǎn)子由永磁材料和軸組成，轉(zhuǎn)子上沒有齒：永磁材料圓周方向充磁，材 料一般使用氧化鐵和鋁鎳鈷居多。 4． 直線步進(jìn)電動機(jī) 直線步進(jìn)電動機(jī)由固定定子和可動轉(zhuǎn)子兩部分組成。其定子鐵心形 成主磁路，相當(dāng)于旋轉(zhuǎn)型的電動機(jī)的定子鐵心在一維空 間展開。． 步進(jìn)電機(jī)概述 一 、 步進(jìn)電機(jī)的工作原理 ， 步進(jìn)電動機(jī)是一種將電的脈沖信號轉(zhuǎn)換成交位移活現(xiàn)位移的機(jī)電元件。 通俗的講，就是外加一個(gè)脈沖信號于這種電動機(jī)時(shí)，它就運(yùn)行這一步。步進(jìn)電動機(jī)大致可以分為：反應(yīng)式、永磁式、混合式和直線式四大類 a 下面以三相反 應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)為例，簡要說明步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理 a 三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成。它的定子上有三對磁極，每一對 磁極上繞有一相繞組，繞組通電時(shí)這兩個(gè)磁極的極性相反：三相繞組接成星形。轉(zhuǎn)子鐵心和定子極靴上有小齒，定子和轉(zhuǎn)子 的齒距相等。 當(dāng)某一向 繞組通電時(shí)電動機(jī)內(nèi)部建立以該繞組為軸線的磁場。由于定子和轉(zhuǎn)子上有齒和 槽，所以當(dāng)定子和轉(zhuǎn)子齒的相對位置不同時(shí)，磁路的磁導(dǎo)也不同，定轉(zhuǎn)子齒對齒處的極磁導(dǎo)為最大，定轉(zhuǎn)子齒對槽處的每個(gè)極磁導(dǎo)為最小。轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置是使通電相磁路的磁導(dǎo)為最大的位置，所以通電時(shí)，齒對齒的位置為平衡位置。 三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)有 A， B， C 三相繞組，各相繞組的軸線夾角為 120。： 當(dāng) A 相極下定轉(zhuǎn)子齒對齒時(shí)： B 相磁極上定子齒的軸線，沿 向超前轉(zhuǎn)子 齒的軸線 l／ 3 齒距： C 相極下定子齒的軸線，沿 向超前轉(zhuǎn)子齒的軸 線 2／ 3 齒距。 在 A 相斷電的同時(shí)，給 B 相通電，則磁場空間轉(zhuǎn)過了 轉(zhuǎn)子齒的軸線 將力求與 于 B 相軸線還 沒有與轉(zhuǎn)子齒的軸線對齊所以將對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針方向的電磁力迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動以達(dá)到平衡位置：從而使電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動起來。如果對 A、 B、 C 三相繞 組按照一定的規(guī)律分時(shí)的通電則轉(zhuǎn)子可以連續(xù)的轉(zhuǎn)動起來，從而實(shí)現(xiàn)電信號轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。改變通電的順序可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向，三相反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)可以按照三相單三拍方式運(yùn)行 (A—B—C—A—)，每改變一 次通電狀態(tài)電動機(jī)內(nèi)磁場軸線轉(zhuǎn)過 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 l／ 3 齒距；也可以以三相雙 三拍方式 (c—B—)運(yùn)行，每改變一次通電狀態(tài)電動機(jī)內(nèi)磁場軸線 轉(zhuǎn)過 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 l／ 6 齒距：也可采用三相六拍方式 (A～———)運(yùn)行，每改變一次通電狀態(tài)電動機(jī)內(nèi)磁場軸線 轉(zhuǎn)過 60。，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過 l／ 6 齒距。 從上面的分析可知：同一臺電機(jī)可以有不同的通電方式和不同的運(yùn)行拍 數(shù)。若用 m 表示運(yùn)行拍數(shù)， z 表示轉(zhuǎn)子齒數(shù)，則每改變一次通電狀態(tài)時(shí)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 過角度的平均值稱為步距角，用Ф 表示，則： Ф =360° ／ m× z× K 通電方式，相同時(shí)為 1，不同時(shí)為 2 從上是可以看出：轉(zhuǎn)子齒數(shù)，運(yùn)行拍數(shù)不同時(shí)其步距角也是不同的。設(shè)步 進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n(r／ f 表示控制脈沖的頻率， 0 表示步距角則步進(jìn)電機(jī) 轉(zhuǎn)速計(jì)算公式為 n=Ф× f／ 6 由上式可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)子的步距角一定時(shí)，步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖 頻率成正比。 二 、 步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語 1．步 距角Ф 指每給一個(gè)電脈沖信號電動機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過的角度的理論值。步距角 0b=360° ／ m× z× k 2．齒距角 Ф s 相鄰兩齒中心線的夾角，通常轉(zhuǎn)子和定子具有相同的齒距角。齒距角 0s=360° ／ ．距角特性 指不改變各相繞組通電狀態(tài)，即一相或者幾相繞組同時(shí)直流電時(shí)電磁轉(zhuǎn) 距與失調(diào)角的關(guān)系：即： T=f(Ф ) 5．失調(diào)角 指轉(zhuǎn)子偏離零位時(shí)的角度。 6．零位或初始穩(wěn)定平衡位置 指不改變繞組的通電狀態(tài)， 轉(zhuǎn)子在理想空載下的平衡位置 7．最大靜轉(zhuǎn)距 距角特性上轉(zhuǎn)距最大值 步進(jìn)電機(jī)的選擇 一 、 步進(jìn)電機(jī)的主要特性參數(shù) 1)步距角 Ф 每輸入一個(gè)電脈沖信號，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。步 進(jìn)電動機(jī)的步距角可按下式計(jì)算： Ф =360° ／ m× k× z 式中 通電方式為單拍時(shí)， k=1：雙拍時(shí)， k=2。 2)靜態(tài)步距角誤差 △Ф 空載時(shí)，以單脈沖輸入，步進(jìn)電動機(jī)的實(shí)際步距 角與理論步距角的差值稱為靜態(tài)步距角誤差。它與步進(jìn)電動機(jī)的制造精度有關(guān)，精度越高，誤差值越小。 3)最大靜轉(zhuǎn)距 當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動時(shí)， 在軸 上加一負(fù)載轉(zhuǎn)距定子與轉(zhuǎn)子就有一個(gè)角位移，該角位移稱為失調(diào)角。轉(zhuǎn)子剛剛離開平衡位置的極限轉(zhuǎn)距值稱為最大靜轉(zhuǎn)距。靜轉(zhuǎn)距越大，步進(jìn)電機(jī)承受的外加轉(zhuǎn)距也越大，一般產(chǎn)品中給出的最大靜轉(zhuǎn)距是指在額定電流即規(guī)定的通電方式下的靜轉(zhuǎn)距。 4)空載起動頻率 電動機(jī)在空載情況下，不失步所能允許的最高頻 率稱為空載起動頻率。在有負(fù)載的情況下，不失步所允許的最高頻率將大大降低。為了縮短起動時(shí)間，可使加到電動機(jī)的電脈沖頻率按一定頻率逐漸增加。 5)連續(xù)運(yùn)行的最高頻率 (即距頻特性 )步進(jìn)電動機(jī)起動后，電動機(jī)速度能 跟隨控制脈 沖頻率連續(xù)上升而不失步運(yùn)行的頻率稱為連續(xù)運(yùn)行頻率：其值也隨所形成的負(fù)載轉(zhuǎn)距的轉(zhuǎn)距的增加而逐漸下降。在不同頻率下產(chǎn)生的轉(zhuǎn)距稱為動態(tài)轉(zhuǎn)距。在產(chǎn)品樣本中也標(biāo)有連續(xù)運(yùn)行頻率值，作為選擇電動機(jī)的依據(jù)之一。 二 、 步進(jìn)電動機(jī)的選擇 1)必須保證步進(jìn)電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距大于負(fù)載轉(zhuǎn)距，使電動機(jī)的距 ——頻 特性有一定裕量，以保證可靠運(yùn)行，即在實(shí)際工作時(shí)，各種頻率下的負(fù)載轉(zhuǎn)距必須在距 —— 頻特性曲線范圍之內(nèi)： 2)要求計(jì)算的機(jī)械系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)動慣量與步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量相匹 配，并有一定的裕量： 3)是最高頻率能滿足產(chǎn)品快 速移動的要求： 4)使步進(jìn)電動機(jī)的步距角與機(jī)械系 統(tǒng)相匹配，區(qū)得到擊穿的脈沖當(dāng)量 絲杠螺母設(shè)計(jì) 滾珠絲杠螺母副由專門的工廠制造，當(dāng)類別、型號選定和校核后，可以 外購。滾珠絲杠螺母副按其工作方式可以分為：鋼球循環(huán)方式、循環(huán)列數(shù)與圈數(shù)、預(yù)緊方式；鋼球循環(huán)方式又可以分為：內(nèi)循環(huán)反向器式和外循環(huán)插管式；預(yù)緊方式也可以分為：單螺母和雙螺母滾珠絲杠。按絲杠的旋向也可以分為右旋和左旋絲杠；按其螺母副的類型可以分為：定位滾珠絲杠螺母副和傳動滾珠絲杠螺母副。滾珠絲杠的精度等級有： 1， 2， 3， 4， 5， 7， 個(gè) 精度等級 鋼珠在絲杠和螺母之間的滾動是一個(gè)循環(huán)閉路。鋼珠的每一個(gè)循環(huán)閉路 稱為列，每個(gè)鋼珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個(gè)螺母有 2 列、 3 列、 4 列、 5 列等幾種，每列只有一圈。 為了消除間隙和提高滾珠絲杠副的剛度，可以加預(yù)緊力，使它在過盈的 條件下工作，這種工作方式稱為預(yù)緊。常用的預(yù)緊方式有：雙螺母墊片式預(yù)緊、雙螺母螺紋式預(yù)緊、雙螺母齒差式預(yù)緊，預(yù)緊后的剛度可以提高兩倍。但是預(yù)緊力過大，絲杠的壽命 滾珠絲杠螺母副類型選擇 主要的參數(shù)及代號 1．滾珠絲杠副 的主要參數(shù) (1)公稱直徑 稱直徑即絲杠螺母副的名義直徑， 大，承載能 力和剛度越大。數(shù)控移動工作臺 上常用的進(jìn)給絲杠的直徑為：Φ 30 Φ80 (2)基本導(dǎo)程 杠相對于螺母旋轉(zhuǎn) 2，螺母的軸向位移。 基本的導(dǎo)程稱為螺距。它按程載力選取，并與進(jìn)給的脈沖當(dāng)量有關(guān)。 (3)精度等級。滾珠絲杠可以分為 7 個(gè)精度等級 ，即 I、 2、 3、 4、 5、 7、 10 七個(gè)精度等級， 1 級最高，其次遞減。一般選用 4 級～ 7 級， 數(shù)控移動工作臺 及 精密機(jī)械可選用 2 級～ 3 級。滾珠絲杠副的精度直接影響 定位精度、承載能 力、接觸剛度，因此它絲滾珠絲杠副的重要質(zhì)量指標(biāo)。 2．滾珠絲杠副代號的標(biāo)注 滾珠絲杠副的標(biāo)注順序?yàn)椋貉h(huán)方式、預(yù)緊方式、結(jié)構(gòu)特征、公稱直徑、 公稱導(dǎo)程、螺紋旋向、負(fù)載鋼球圈數(shù)、類型、精度等級。例如： 3 一 其中 c 表示外循環(huán)方式，D 表示雙螺母墊片預(yù)緊方式， M 表示導(dǎo)珠管埋入式， 50 表示公稱直徑， 3 表示負(fù) 載鋼球圈數(shù)， 3 表示 精度等級為 3 級。 滾珠絲杠螺母副型號及其校核 一、最大工作載荷計(jì)算 絲杠上的工作載荷 指滾珠絲 鋼負(fù)載驅(qū)動工作臺時(shí)滾珠絲鋼所承受 的軸向力，也叫進(jìn)給牽引力。它包括三個(gè)力：滾珠絲鋼的走刀抗力、工件的重力、作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。矩形導(dǎo)軌的工作載荷 計(jì)算公式為： FL+f ｀ (C+G) 其中： 工作臺的進(jìn)給方向的載荷； 垂直方向的載荷； 橫 向的工作載荷。對不同的導(dǎo)軌，工作載荷的計(jì)算公式是不同的，實(shí)驗(yàn)系數(shù) K 和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù) f｀ 也是不同的。 二 、 最大動載荷的計(jì)算及主要尺寸的初選 滾珠絲杠的最大載荷 c 可用下列公式計(jì)算： C=√L 中： L 為工作壽命，單位 106r， L=60n 為絲杠轉(zhuǎn)速 (r／ n=v 為最大切削力條件下的進(jìn)給速度 (m／ 可取最高進(jìn)給速度的 l／ 2～ 1／ 3： 絲杠基本導(dǎo)程(m)： t 為額定使用壽命 (h)，可取 t=15000h： 運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，無沖擊時(shí) l～ 1． 2，一般情況下取 1． 2～1． 5 有沖擊振動時(shí)取 l． 5～ 2． 5： 珠絲杠工作載荷 (N)。選尺寸時(shí)，額定動載荷需大于最大動載荷。 三 、 傳動效率的計(jì)算 用查表法 選型號查出； 0 為摩擦角；滾珠絲杠副的傳動效率較高，一般在 0． 8～ O． 9之間。 四 、 剛度的驗(yàn)算 滾珠絲杠副的軸向變形將引起絲杠導(dǎo)程發(fā)生變化，從而影響定位精度和運(yùn)動平穩(wěn)性。滾珠絲杠副的軸向變形包括：絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉(zhuǎn)變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形 滾珠絲杠的扭轉(zhuǎn)變形較小可以忽略不計(jì)，螺母座的只要設(shè)計(jì)合理，器變形量也可以忽略不計(jì)。對于軸承的軸向接觸變形，只要滾珠絲杠支承的剛度設(shè)計(jì)的好，軸向接觸變形也可以忽略不計(jì)。 1．絲杠的拉壓變形量的計(jì)算 б 1 б 1=± EA(式 中： б 為在工作載荷 下 絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量 (絲杠的工作載荷 (N)： l 為滾珠絲杠在支承間的受力長度 ( E 為材料彈性模量， E=20． 6×104A 為按內(nèi)徑確定的橫截面積 ()“+”號用于拉伸； “一 ”用于壓縮。 2．滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 б 2 無預(yù)緊時(shí) б 2=0． 0038((Z∑ ) 2／ D， ) 1/3。 (有預(yù)緊時(shí) б 2=0． () 1/3(式中： 滾珠直徑 ( Z∑ ：滾珠 總數(shù)量 Z∑ =z×圓數(shù) ×列數(shù)； Z 為滾珠一圈的滾珠數(shù)， z=π 循環(huán) )， z=(π 3(內(nèi)循環(huán) )； 滾珠絲杠的公稱直徑 ( 預(yù)緊力； 滾珠絲杠工作載荷。 3．滾珠絲杠副剛度的驗(yàn)算 絲杠的總變形量 б =б 1+б 2 應(yīng)小于允許的變形量 [б ]。 五壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向力過大時(shí)，使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向彎曲即失穩(wěn)。失穩(wěn)時(shí)的臨界載荷 ： Fk=2N) 式中： E 為杠材料彈性模量，對于 鋼 E=20． 6×104I 為截面慣性距，對絲杠圓截面I=π 64(絲杠底徑 )； L 為絲杠最大工作長度 (mm)絲杠支承方式系數(shù)。 臨界載荷 F。與絲杠工作載荷 比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù) n。：若 n。大于許用安全系數(shù) [n。 ]，則滾珠絲杠穩(wěn)定即 k／ 否則失穩(wěn)。 六 、 一滾珠絲杠副安裝時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn) 。 1．絲杠不能外露； 2．螺母在有效行程內(nèi)配置限位裝置以避免滾珠流失； 3．滾珠絲杠必須潤滑，常用鋰樹脂。 第 3 章 數(shù)控移動工作臺工作臺 控制系統(tǒng) 工作臺控制系統(tǒng) 的組成 從 1974 年微處理機(jī)問世以后，微處理機(jī)為基礎(chǔ)的微型計(jì)算機(jī)數(shù)控 (代了小型計(jì)算機(jī)數(shù)控。現(xiàn)在所說的 ( 置，其主要分為兩種形 式：一種是單個(gè) 成的控制系統(tǒng)，另一種是由兩個(gè)或兩個(gè)以上的 數(shù)控移動工作臺 大多數(shù)采用一個(gè) 完成機(jī)床的 控制。 工作臺控制 的組成 數(shù)控移動工作臺 由一個(gè) 8031 單片機(jī)、一個(gè) 74址鎖存器、一個(gè) 74址譯碼器 兩個(gè) 2764儲器、兩個(gè) 8155 接口、光電各 電路、功率放大電路、 Z 向電機(jī)和 x 向電機(jī)等組成。 信號流程分析 數(shù)控移動工作臺 依靠輸入的程序指令來實(shí)現(xiàn)對零件進(jìn)行各種形狀的 加工，各種指令在計(jì)算機(jī)中是以信號的形式存在的；下面就簡要分析一下 數(shù)控移動工作臺 的的信號流程： 一 、 信號的采集 本電路的信號采集有兩個(gè)地方： l)碼盤。此撥碼盤與 8031(1)的 和 相連，在此撥碼盤上輸入每條指令對應(yīng)的二進(jìn)制代碼后，即 可完成信息的采集。 2)計(jì)算機(jī)鍵盤，在鍵盤上分別輸入各條指令的助記符， 計(jì)算機(jī)會根據(jù)鍵盤上輸入的字符撲做相應(yīng)的二進(jìn)制代 碼信息，然后進(jìn)行傳送、處理等操作。 二 、 信號的輸入 當(dāng)信息被輸入后，就要進(jìn)行信號的傳輸了。信號的傳輸通過地址線和數(shù) 據(jù)線進(jìn)行傳輸，控制線控制相應(yīng)信號的各種動作。本通過 8031 的 和 8255(2)的 相連的部分；信號以低電平的形式被采集，以高電平 的形式被傳輸；因?yàn)楫?dāng)某一路的信息被采集后則相應(yīng)的線路就被導(dǎo)通，這時(shí)， 8031 的 的相應(yīng)位變?yōu)楦唠娖?，信號就被傳輸?shù)搅?8031 的 。 三 、 信號的處理 當(dāng)指令信號被輸入到 8031 后，接著就要進(jìn)行信號的算術(shù)邏輯運(yùn)算處理 了，計(jì)算機(jī) 通過行算術(shù)邏輯運(yùn)算，在控制器的控制下進(jìn)行，將處理過的 信號變成各種相應(yīng)指令控制計(jì)算機(jī)完成該指令的功能。同時(shí)對外界做出相應(yīng)的反應(yīng)，使數(shù)據(jù)存儲器和程序存儲器與之保持相應(yīng)的協(xié)調(diào)一致。 四 、 信號的輸出 。 信號被處理后便可以輸出了；信號的輸出有兩個(gè)方向： l)信號直接輸入 到 8255(2)接口以控制 x 電機(jī)和 Z 電機(jī)做出相應(yīng)的動作，從而達(dá)到 加工出相應(yīng)零件的目的。 2)信號也可以在地址鎖存允許信號 控制之下，被輸 入到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器或者數(shù)據(jù)存儲器中，以便下次調(diào)用或者程序的備份。 五 、 單片機(jī)數(shù)控系 統(tǒng)的的特點(diǎn) 數(shù)控移動工作臺 控制系統(tǒng)與普通機(jī)床相比較有如下特點(diǎn)： 用該系統(tǒng)加工零件可以降低對工件加具的要求，又免去了劃線工作，可 是加工鎮(zhèn)被時(shí)間大大減少。在加工過程中，又有較高的重復(fù)精度，節(jié)省了對零件的檢驗(yàn)時(shí)間；在零件的改型時(shí)只需更換指令程序即可，節(jié)省了準(zhǔn)備和調(diào)整時(shí)間。 采用開環(huán)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對零件的精確控制，減輕勞動強(qiáng)度，改善勞 動條件，簡化了工人的操作從而降低了對工人的加工技術(shù)水平的要求。 在產(chǎn)品的更新?lián)Q代時(shí)只需更換相應(yīng)的加工程序即可，無需制造、更換夾 具和模具，更不需用直接調(diào)整機(jī)床了。 主要功能介紹 8031 單片機(jī) 8031 單片機(jī)的基本特征： 8031 單片機(jī)是美國 司的產(chǎn)品 51 單片機(jī)的一個(gè)型號，是目前性能較高的 8 位單片微型計(jì)算機(jī)。 8031 單片機(jī) 內(nèi)部包含一個(gè) 8 位 28 字節(jié)的 個(gè) 16 位定時(shí)器， 4 個(gè) 8 位并行 接口，一個(gè)全雙功能串行口，可擴(kuò)展的外圍程序存儲器和俄數(shù)據(jù)存儲器的容量各 64K 字節(jié)，具有 5 個(gè)中斷源并配有兩個(gè)優(yōu)先級，還有 21 個(gè)特殊功能 寄存器。 8031 單片機(jī)是一個(gè)有 40 根引腳的雙列直插式器件，引腳圖如 圖 3引 腳功能說明如下： 圖 3031 單片機(jī)示意圖 編程和正常操作的電源電壓端，電壓為 +5V ： 8 位雙向 I/O 口，既是數(shù)據(jù)線，又是 8 位 地址 線，分時(shí)使用。 ： 8 位雙向 I/O 口，專供用戶使用，此處為技術(shù)人員進(jìn)行數(shù)據(jù)輸入 端口及結(jié)果的輸出端口 ： 8 位 雙向 I／ O 口，系統(tǒng)外圍存儲器擴(kuò)展時(shí)，律高 8 位地址線使用， 系統(tǒng)不需要擴(kuò)展時(shí)，也可以供用戶使用。 ： 8 位 雙向 I／ O 口，是一 個(gè)雙功能口，第一功能和 一樣可以 作為通用 i／ o 口，工作于第二共猛士，各端口的定義如下： 0行輸入； 1行輸出； 2圍中斷輸入； 3圍中斷輸入； 4時(shí)器 0 外圍輸入端； 5時(shí)器 l 外圍輸入端； 6信號； 7信號； 問外圍存儲器時(shí)，用 于鎖存地址低 8 位字節(jié)地址鎖存允許 輸出。 外為存儲器存取數(shù)據(jù)時(shí)把 的低位地 址字節(jié)鎖存到外界的鎖存器中。這個(gè)引腳也是 程時(shí)的編程脈沖輸 入端 ( 序鎖存允許輸出，是外圍程序存儲器的讀選通信號。 高電平時(shí)， 行內(nèi)部程序存儲器的指令。 低電 平時(shí) 行外部承襲存儲器的指令。使用 8031 單片機(jī)時(shí)， 須接地。 蕩器的反向放大器輸入，使用外部振蕩器時(shí)必須接地； 蕩器的反 向放大器輸出，使用外圍振蕩器時(shí)，接收外圍振蕩 信號； 位控制信號，在振蕩器運(yùn)行時(shí)，使 至少保持兩個(gè) 機(jī)器周期為高電平時(shí)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)位操作。在電源關(guān)斷之前加上掉電保護(hù)電路， 內(nèi)容將不會丟失。 2、 存儲器擴(kuò)展電路 8031 單片機(jī)沒治師 28 字節(jié)的 有 床數(shù)控系統(tǒng)需要的程序 存儲器和數(shù)據(jù)存儲器的容量較大，必須外接程序存儲器 (數(shù)據(jù)存 儲器 ( (1)程序存儲器的擴(kuò)展 常用的 儲器有： 2716、 2732、 2764、 27128、 27256 等，其容 量分別為： 2K、“、 8 K、 16K、 32K。該系統(tǒng)使用的是 2764。 (I) 2764 介紹 2764 是一種位容量為 8 它有 地址線 ( 8 條數(shù)據(jù)引腳 ( 2 個(gè)電壓輸入端 此之外，還有 l 個(gè)允許端 編程脈沖控制端 (址鎖存器 74圖 374一個(gè)帶三態(tài)門的 8D 鎖存器，他作為 8031 外部的一個(gè)擴(kuò)展輸出口；其工作原理：當(dāng) 8031 把數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好后，便 通過 出一個(gè)控制信號加 到 37