Z3063搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)【含5張CAD圖紙、說明書】【JC系列】

購(gòu)買設(shè)計(jì)請(qǐng)充值后下載，資源目錄下的文件所見即所得，都可以點(diǎn)開預(yù)覽，資料完整，充值下載可得到資源目錄里的所有文件?！咀ⅰ浚篸wg后綴為CAD圖紙，doc,docx為WORD文檔，原稿無水印，可編輯。帶三維備注的都有三維源文件，由于部分三維子文件較多，店主做了壓縮打包，都可以保證打開的，三維預(yù)覽圖都是店主用電腦打開后截圖的，具體請(qǐng)見文件預(yù)覽，有不明白之處，可咨詢QQ:1304139763=題目最后備注XX系列，只是店主整理分類，與內(nèi)容無關(guān)，請(qǐng)忽視 材料制備機(jī)械設(shè)計(jì)理論中的新趨勢(shì)和新問題王艾倫,段吉安,黃明輝,鐘 掘(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083)摘 要: 在全面綜述材料制備機(jī)械技術(shù)及設(shè)備發(fā)展動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上,提出了研究領(lǐng)域的幾個(gè)新問題和發(fā)展方向,如通過集成和融合現(xiàn)代相關(guān)前沿科學(xué)和技術(shù)，生產(chǎn)具有超常和特殊性能的新概念材料等,并進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和討論.關(guān)鍵詞: 界面;超常物理場(chǎng);制備機(jī)械;功能材料1機(jī)械材料加工的時(shí)代背景在人類進(jìn)步的一段長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)，許多工具、機(jī)械和方法被提出來；不同的原料用不同的工具來加工。原料及其處理過程已經(jīng)變成了推動(dòng)人類進(jìn)步不可缺的一部份。在當(dāng)前世界中日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)和人們追求幸福生活的今天，物質(zhì)的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類現(xiàn)有的并不斷增長(zhǎng)的知識(shí)及想象。例如：神秘原料功能，半導(dǎo)體材料，原料能量有吸力的材料，在航空領(lǐng)域中占有70%份額的強(qiáng)力鋁合金45um的薄金屬片，用各向異性深沖壓金屬板在1%以下；電子鋁箔與強(qiáng)耐熱鋁合金已經(jīng)被應(yīng)用到航空、宇宙及深海領(lǐng)域中，等等；在原料加工加工領(lǐng)域中不同的時(shí)間段里，材料重要發(fā)展趨勢(shì)就這樣形成了： （1）在特殊的物理領(lǐng)域里制造原料加工機(jī)械，是為了能有特殊的質(zhì)地結(jié)構(gòu)和輔助性的加工功能。例如：運(yùn)用熱能和機(jī)械能能夠突破科學(xué)技術(shù)的極限，將一些不常用的能量，例如：微波、化學(xué)能、生物能等等，一個(gè)接一個(gè)的被引入到材料加工中來，因此一些加工特殊能量原材料的加工設(shè)備就被制造出來了。 （2）突破傳統(tǒng)的物質(zhì)限制，將溶化、凝固、造型一體化，然后加熱得到具有特殊功能的原料，這樣就可以降低加工費(fèi)用。例如：材料加工整形技術(shù)，比如像快速翻滾，噴霧處理、塑膠成型、噴射造型法、高能量射束等等被應(yīng)用。 （3）原料加工處理正在向高速、重載和高精度在線控制方向上邁進(jìn)。例如：軋制速度達(dá)到130m/s，壓力變形已達(dá)到300MPa，尺寸精度達(dá)到了0.1um，成型精度已達(dá)到0.1i；濃度精度已達(dá)到0.1MPa。由于這些原因，原料加工機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)理論將科學(xué)與技術(shù)相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域有機(jī)的結(jié)合起來設(shè)計(jì)生產(chǎn)一中新概念材料加工設(shè)備是可能的。2對(duì)于新概念材料加工設(shè)備的期望功能 （1）要有能力生產(chǎn)具有特殊物質(zhì)的領(lǐng)域；能傳送那些對(duì)于新概念材料加工在特定的物質(zhì)環(huán)境下是非常必要的特殊能流。例如：在高溫環(huán)境下能使那些高溫波或者脈沖以超過104106K/s的速度冷卻下來；將外表面的凝固、變形合成一體，然后在將超強(qiáng)接觸面應(yīng)力重新組合成新的分界面；融化的大金屬薄片的湍流；隨機(jī)的低頻率磁場(chǎng)用于金屬末加熱的微波、用于大量凝固的超聲波等等都已經(jīng)被應(yīng)用了。 （2）有能力在臨界狀態(tài)下工作，因此高穩(wěn)定性和理想性能的處理設(shè)備是在加強(qiáng)技術(shù)條件和室外操作的保證。例如：禁止在潤(rùn)滑狀態(tài)下邊界上的搖晃；在特有的摩擦狀態(tài)下的抗震能力；有韌性的連接管的合力穩(wěn)定性和干擾穩(wěn)定性與軸相比更易驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 （3）有能力精確的控制原料加工而獲得低損耗、高功率、高性能的原料加工。例如：精確的在線監(jiān)測(cè)產(chǎn)品成型；在線監(jiān)測(cè)和在線調(diào)整產(chǎn)品品質(zhì)和器具還有在線控制金屬、塑膠成型的程序。產(chǎn)品的精確度指數(shù)可以列舉如下：宏觀上精確度可達(dá)到0.1um，微觀上的晶狀體結(jié)構(gòu)非常均勻，濃度誤差在0.1MPa 。簡(jiǎn)而言之，擁有特別功能的新概念原料加工設(shè)備應(yīng)該被設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出來。這樣的話，那些特別性能的原料就能被處理加工了。3在特殊的物理領(lǐng)域和環(huán)境下金屬材料加工設(shè)備的問題和需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容由于這些原因和以上提到的背景，如下的一些新的研究主題應(yīng)該被改進(jìn)：3.1 連接傳熱裝置和溫度應(yīng)力場(chǎng)的相界面當(dāng)融化金屬處于液體和固體的臨界狀態(tài)時(shí)通過連續(xù)的變形和快速凝固，一種全新的微觀結(jié)構(gòu)可以被獲得。在這個(gè)非常時(shí)刻，高濃度的熱流和動(dòng)態(tài)的熱阻力在材料加工處理中成了主要事項(xiàng)。關(guān)于設(shè)計(jì)這個(gè)設(shè)備的基本理論問題是要學(xué)習(xí)核心傳動(dòng)系統(tǒng)合能量轉(zhuǎn)化和建立數(shù)學(xué)模型。3.2 材料加工設(shè)備表面粘流摩擦力的抑制操作裝置和工件的連接是相當(dāng)復(fù)雜的因?yàn)檎沉髯钃趿思庸け砻娼缑鎽B(tài)由周轉(zhuǎn)速度、熱力學(xué)處理工作量、操作裝置的彈性、工件的可塑性、滑性界面的動(dòng)態(tài)行為、局部水力的潤(rùn)滑油等等來決定。它們影響著材料加工設(shè)備抗摩擦裝置的成型。因?yàn)樗鼈儠?huì)會(huì)強(qiáng)制其產(chǎn)生很大的非線性，這種強(qiáng)制會(huì)在瞬間被損壞或者是失諧，最后會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性。因此提出了以下的問題：機(jī)械裝置的噪聲可能在晃動(dòng)的界面引起滑動(dòng)摩擦、不穩(wěn)定狀態(tài)；在高速、重載和邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下在光滑表面和旋轉(zhuǎn)式噴灌器之間的裝置抑制。潤(rùn)滑油薄膜吸收裝置和不斷再生的表面的物理化學(xué)行為；流變學(xué)的特征和操作參數(shù)之間的關(guān)系。3.3 在高壓場(chǎng)條件下非線性接觸式機(jī)械裝置在大范圍內(nèi)組建一個(gè)超強(qiáng)力壓力場(chǎng)是材料加工設(shè)備的一個(gè)基本功能。當(dāng)然形成一個(gè)大結(jié)構(gòu)的元素也是可能的（例如太空船、大陸洲際間的交通工具、汽車、飛機(jī)）。組建一個(gè)超強(qiáng)壓力場(chǎng)是最重要的特征之一，也是保衛(wèi)國(guó)家獨(dú)立最基本的裝備。在強(qiáng)壓力場(chǎng)環(huán)境下，接觸式和非線性摩擦將會(huì)產(chǎn)生；因此將會(huì)導(dǎo)致局部的永久的變形和不好的因素。在強(qiáng)壓力場(chǎng)下設(shè)計(jì)過程中，將會(huì)涉及到設(shè)備的設(shè)計(jì)新理論，例如：非接觸式、非線性摩擦機(jī)構(gòu)。3.4 負(fù)荷分配規(guī)律關(guān)于超靜定結(jié)構(gòu)，抑制點(diǎn)的負(fù)荷分配規(guī)律由相容性條件決定。雖然，關(guān)于那些大尺寸的、不定的、靜止的結(jié)構(gòu)在真實(shí)空間中是自由變化的，但負(fù)荷分配規(guī)律是不能決定相容性條件。因此新的基礎(chǔ)理論由分析接觸行為和變形裝置獲得（例如：摩擦力、變形相容性條件，等等）。3.5 耦合裝置和在材料加工系統(tǒng)中物理領(lǐng)域內(nèi)的穩(wěn)定性隨著系統(tǒng)的功能越來越多元化；許多限制材料加工進(jìn)度的傳統(tǒng)技術(shù)正在不斷的被改善；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也逐漸變得越來越復(fù)雜，系統(tǒng)性能變得越來越好。例如：鋼扎廠的快速瞬間反轉(zhuǎn)受彈性形變、粘流、散熱處理、水動(dòng)力潤(rùn)滑處理的，物理化學(xué)分子狀態(tài)的影響。另外，機(jī)電的耦合在處理系統(tǒng)中已經(jīng)超出了傳統(tǒng)的概念；例如，一些奇特的現(xiàn)象（微小的變化可以引起很大的變化）已經(jīng)出現(xiàn)；因此，滾筒操作的不穩(wěn)定性可能會(huì)導(dǎo)致混亂。所以，這個(gè)主題將會(huì)在機(jī)械裝置的物理領(lǐng)域中，在處理系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響和加工助劑質(zhì)量上被提及和充分關(guān)注；3.6 技術(shù)綜合和合并精準(zhǔn)的控制在特定的物理?xiàng)l件下進(jìn)行操作的材料加工設(shè)備是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)，一些系統(tǒng)的參數(shù)在領(lǐng)域的邊界上也是可以改變的；因此在領(lǐng)域環(huán)境下精確的控制與調(diào)整，調(diào)和尺寸，能量轉(zhuǎn)換，信息傳遞，界面耦合等等是非常重要的。因?yàn)樵诳刂颇Ｐ椭卸喾N交互作用的存在，根據(jù)退耦控制模型而建立綜合框架是必要的；精確的控制基于綜合技術(shù)。3.7 優(yōu)化的和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)基于創(chuàng)新的知識(shí)材料加工技術(shù)能促進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。最優(yōu)化的材料加工技術(shù)和材料加工設(shè)備意味著實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)的仿真通過類似的設(shè)計(jì)和一致的設(shè)計(jì)是我們學(xué)習(xí)的主題。3.8 在特殊的領(lǐng)域里機(jī)械裝置的特殊功能和應(yīng)用一些重要的元素和部分在材料加工設(shè)備中常常在強(qiáng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)和流場(chǎng)中工作，有建造特別物理界面的功能；雖然對(duì)那些普通單一的物質(zhì)象金屬、陶瓷等擁有單一的高指數(shù)和卓越的總質(zhì)量是很困難的。因此我們需要在重要部位采用具有新功能的原料；例如：尺度功能有傾向的材料是想當(dāng)可貴的。由于這些原因，學(xué)習(xí)基本法律和以上提到的具有這些功能的機(jī)械裝置；例如：強(qiáng)調(diào)分配功能、破壞機(jī)理和在特定領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，靜態(tài)（動(dòng)態(tài)）的硬度和阻尼，模糊設(shè)計(jì)和明朗設(shè)計(jì)處理系統(tǒng)構(gòu)成了有斜度的材料，等等。今天，材料加工科學(xué)和技術(shù)正在快速的向前發(fā)展；把學(xué)習(xí)的目標(biāo)瞄準(zhǔn)材料加工設(shè)備的技術(shù)問題將會(huì)為21世紀(jì)的制造業(yè)提供技術(shù)支持。 畢業(yè)論文 題 目：Z3063搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì) 姓 名： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)老師： 摘 要X-Y數(shù)控工作臺(tái)改裝設(shè)計(jì)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。實(shí)現(xiàn)方便并且能夠保證一定的精度。本文主要對(duì)Z3063工作臺(tái)的機(jī)械部分和控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)滾珠絲杠，滾動(dòng)導(dǎo)軌及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)做了設(shè)計(jì)計(jì)算及選用，并也對(duì)軸承座進(jìn)行了分析和選擇，另外也利用AutoCAD進(jìn)行了裝配圖的繪制，對(duì)其導(dǎo)軌座的設(shè)計(jì)及各零部件的安裝也作了比較詳細(xì)的說明。針對(duì)滾珠絲杠的計(jì)算，通過對(duì)滾珠絲杠的動(dòng)載荷及靜載荷的計(jì)算，確定所要絲杠的動(dòng)靜載荷值，并選擇。針對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌，分別計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)載荷及其工作壽命來確定滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)，并選取。針對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選取，我分別作了其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)作步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇。關(guān)鍵詞：XY工作臺(tái) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 滾動(dòng)導(dǎo)軌 滾珠絲杠 ABSTRACTTheXYCNCWorkbenchthedesignmodificationsandisanopen-the-loopcontrolsystem,itsstructureissimple.ToachievethatthetheconvenientandabletotoGuaranteedthecertainlevelofaccuracyas.ThispapermainlycarriedoutthethemechanicalpartofforZ3063workbenchdesign,onthetheballscrew,thescrollguiderail,andthesteppingmotordoneadesigncalculatedandchoosed,andalsoonthebearingsseatandcouplingscarriedoutanalysisandselection,InadditionalsotheuseofAutoCADforathethedrawingofoftheassemblyFIG.,ofitsthetheinstallationofofthethethedesignofoutletsandofoftheguideseatPartswerealsomadebyCompareDetailofdescribed.Forthethecalculationofoftheballscrew,thethroughthethethedynamicloadofofBallScrewbywiththecalculationofandstaticloadofthe.,Todeterminetheyouwanttoleadscrewstaticanddynamicloadvalue,andselectthe.Againstthescrollthroughtheguiderail,respectively,calculatethethetherollingguidethedynamicloadofanditsworkinglifeoftotodeterminethethescrollthroughthetheparametersofoftheguiderail,andselectthe.AgainsttheSelecttheofthesteppertheelectricmotor,I,respectivelyhavehaveamadeanrotationthereofthethecalculationofofthetheinertiaCoverandtherotatingtorqueis,accordingtotheresultantDatamakethethethechoiceofofthesteppermotor.Keywords:XYworkbenchsteppingmotorrollingguideballscrew目 錄第一章 緒論1.1課題究的背景與意義 11.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀 11.2.1發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r 11.2.2國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 2第二章 Z3063搖臂鉆床工作臺(tái)改造總體方案 32.1 Z3063搖臂鉆床簡(jiǎn)介 32.2機(jī)械改造方案 52.2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng) 52.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 62.2.3 XY工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 6第三章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算 73.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 73.2初步確定工作臺(tái)的尺寸及其重量 73.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇 83.3.1求絲杠的靜載荷 93.3.2 確定動(dòng)載荷及其使用壽命 93.3.3滾珠絲杠的選取 103.3.4 滾道半徑、偏心距 103.3.5 穩(wěn)定性計(jì)算 103.3.6 剛度過驗(yàn)算 113.4 滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇 113.4.1 導(dǎo)軌的型號(hào) 123.4.2 導(dǎo)軌的受力分析 123.4.3計(jì)算導(dǎo)軌的壽命 123.5 電機(jī)的計(jì)算 143.5.1 負(fù)載慣量的計(jì)算 173.5.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算 173.5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇 183.6 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì) 19第四章 精度分析 204.1 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)誤差來源 204.2 系統(tǒng)誤差的消除 21第五章 控制部分的設(shè)計(jì) 225.1 硬件電路總體方案 225.1.1主控制器CPU的選擇 225.1.2 I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 235.1.3鍵盤、顯示接口電路 245.1.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 255.1.5其它輔助電路設(shè)計(jì) 265.2控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 275.2.1系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 275.2.2程序設(shè)計(jì)技術(shù) 285.2.3步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì) 28結(jié)論30致謝31參考文獻(xiàn)3109屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì)第一章 緒論1.1課題研究的背景與意義數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字化的信息對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。用數(shù)控技術(shù)實(shí)施加工控制的機(jī)床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱為數(shù)控(NumericalControl)機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動(dòng)器及進(jìn)給裝置等部分。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀1.2.1發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r美、德、日三國(guó)是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家。因其社會(huì)條件不同，各有特點(diǎn)。 1.美國(guó)的數(shù)控發(fā)展史 美國(guó)政府重視機(jī)床工業(yè)，美國(guó)國(guó)防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費(fèi)，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國(guó)首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化所需的自動(dòng)線，而且電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí)，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國(guó)生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，其存在的教訓(xùn)是，偏重於基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì)80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，于1982年被后進(jìn)的日本超過，并大量進(jìn)口。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。 2.德國(guó)的數(shù)控發(fā)展史 德國(guó)政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。，於1956年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，德國(guó)特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門緊密合作，對(duì)數(shù)控機(jī)床的共性和特性問題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國(guó)的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國(guó)特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競(jìng)相采用。 3.日本的數(shù)控發(fā)展史 日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)(如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等)引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國(guó)，在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國(guó)，甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。自1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，1978年產(chǎn)量(7,342臺(tái))超過美國(guó)(5,688臺(tái))，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001年產(chǎn)量46,604臺(tái)，出口27,409臺(tái)，占59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場(chǎng)。在上世紀(jì)80年代開始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3,674人，科研人員超過600人，月產(chǎn)能力7,000套，銷售額在世界市場(chǎng)上占50%，在國(guó)內(nèi)約占70%，對(duì)加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。1.2.2國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國(guó)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績(jī)。特別是最近幾年，我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，19982004年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長(zhǎng)率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁，從2002年開始，中國(guó)連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國(guó)、機(jī)床進(jìn)口第一大國(guó)，2004年中國(guó)機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá)94.6億美元，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)方面與國(guó)外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進(jìn)口。由此可以看出國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，究其原因主要在于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識(shí)與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢(shì)，充分認(rèn)識(shí)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家之問的差距。第二章 Z3063搖臂鉆床工作臺(tái)改造總體方案根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定系統(tǒng)的總體機(jī)械和控制系統(tǒng)方案：進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造與購(gòu)置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%至80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低，大大節(jié)省了成本，特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只需要花費(fèi)新機(jī)床購(gòu)置費(fèi)用的1/3，產(chǎn)品交貨期短。機(jī)床經(jīng)改造后降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)。2.1 Z3063搖臂鉆床簡(jiǎn)介Z3063鉆床是機(jī)械制造中使用廣泛的一類機(jī)床，作為孔加工機(jī)床，主要用來加工箱體、機(jī)架等外形較復(fù)雜、沒有對(duì)稱回轉(zhuǎn)軸線的工件上的孔。鉆削加工時(shí)，工件不動(dòng)，刀具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鉆床可完成鉆孔、鉸孔、锪平面、攻螺紋等工作，鉆床主要由底座、內(nèi)立柱、搖臂、主軸箱、工作臺(tái)等部分組成。由于搖臂鉆床運(yùn)動(dòng)部件較多，常采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。Z3063搖臂鉆床共有4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，一般采用籠型異步電動(dòng)機(jī)，其中M1為主電動(dòng)機(jī)，控制主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，單向旋轉(zhuǎn)，用機(jī)械變換完成加工螺紋所需要的正反向運(yùn)動(dòng)。主軸的正反運(yùn)動(dòng)一般通過正反轉(zhuǎn)摩擦離合器來實(shí)現(xiàn)。M2為升降電動(dòng)機(jī)，控制搖臂升降運(yùn)動(dòng)，雙向旋轉(zhuǎn)。M3為液壓泵電動(dòng)機(jī)，M4為冷卻電動(dòng)機(jī)，對(duì)加工的道具進(jìn)行冷卻，手動(dòng)控制，單向旋轉(zhuǎn)。Z3063液壓搖臂床主要適用于在大、中型鑄件，鋼件上鉆孔，擴(kuò)孔、鉸孔及攻螺紋等加工。適合本機(jī)床工作的溫度要求在0到45攝氏度、大氣壓強(qiáng)86到106 Kpa空氣清潔度較好、粉塵濃度不得大于10mg/m3、不得含酸、堿腐蝕和有毒氣體：不得有爆炸危險(xiǎn)，不得有導(dǎo)電塵埃：廠房?jī)?nèi)不得有雨雪侵襲：地面平整、清潔、室內(nèi)光線充足。機(jī)床安裝在遠(yuǎn)離振源、熱源等地方。2.2機(jī)械改造方案2.2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)采用直角坐標(biāo)控制方式，在原機(jī)床的底座上設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的十字?jǐn)?shù)控滑臺(tái)，即提供了獨(dú)立的X，Y坐標(biāo)。Z坐標(biāo)作為主軸的上下運(yùn)動(dòng)，通過機(jī)床手動(dòng)微進(jìn)給軸傳入。采用連續(xù)控制系統(tǒng)。考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。2.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。它。內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。2.2.3 XY工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性?？紤]電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。 系統(tǒng)總體框圖第三章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量是個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度。一般為0.010.005mm。3.2初步確定工作臺(tái)的尺寸及其重量初步設(shè)定能夠加工的最大面積為200210mm，最大工件的重量為150kg。因此我初定工作臺(tái)的。工作臺(tái)的材料為號(hào)鋼，其密度為。（取）因此：3.2.1 工作臺(tái)（X向托板）3.2.2 取Y向托板=X向托板 3.2.3 上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量 初步取導(dǎo)軌座的長(zhǎng)，寬為，高為，但導(dǎo)軌座中間有一大空缺，空缺部分大約2807030mm3。因此所以根據(jù)上面所求，得XY工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量為：根據(jù)要求所知，其最大加工工件為，另外，還有絲杠、電機(jī)等，大約3kg，因此：m4=3kg 3.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇X方向定位精度要求為0.01mm，工作臺(tái)快進(jìn)速度定為2m/min，加速時(shí)間為0.1s。絲杠分為滑動(dòng)絲杠和滾珠絲杠。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動(dòng)軸承對(duì)滑動(dòng)軸承所帶來得改變一樣。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運(yùn)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器、精密數(shù)控機(jī)床。尤其是近年來，滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床直線驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元，在機(jī)床行業(yè)得到廣泛運(yùn)用，極大的推動(dòng)了機(jī)床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展。這些都取決于其具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)良特性：傳動(dòng)效率高、定位精度高、傳動(dòng)可逆性、使用壽命長(zhǎng)、同步性能好。由于滾珠絲杠副運(yùn)轉(zhuǎn)順滑、消除軸向間隙以及制造的一致性，采用多套滾珠絲杠副方案驅(qū)動(dòng)同一裝置或多個(gè)相同部件時(shí)，可獲得很好的同步工作。滾珠絲杠與傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：一，與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下，即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3，在省電方面很有幫助。二，高精度的保證。三，微進(jìn)給可能。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng)，所以啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。四，無側(cè)隙，剛性高。滾珠絲杠副可以加預(yù)壓，由于預(yù)壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值，進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加預(yù)壓力，在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí)，由于滾珠的斥力可使絲杠螺母部的剛性增強(qiáng))。五，高速進(jìn)給可能。滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高，發(fā)熱小，所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)X方向工作臺(tái)時(shí)，采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。滾珠絲杠負(fù)載有運(yùn)動(dòng)部件和導(dǎo)軌之間的摩擦阻力，鉆頭切削時(shí)的絲杠受的軸向力。由于工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)不進(jìn)行切削，而進(jìn)行切削時(shí)，絲杠受的軸向力很小，可以忽略不計(jì)，因此，絲杠的負(fù)載只按運(yùn)動(dòng)部件和導(dǎo)軌之間的摩擦阻力算。3.3.1求絲杠的靜載荷已知其計(jì)算公式：式中的KF：載荷系數(shù)，取1.1 KH：硬度系數(shù)，取1.0 KL：精度系數(shù)，取1.0 FM：絲杠工作時(shí)的軸向阻力根據(jù)：其中為淬火鋼的摩擦因數(shù)(查數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)P182) 。因此：3.3.2 確定動(dòng)載荷及其使用壽命根據(jù)絲杠動(dòng)載荷公式：式中：額定動(dòng)載荷 n：絲杠的最高轉(zhuǎn)速 ：使用壽命 FC：靜載荷根據(jù)：式中的絲杠的最高轉(zhuǎn)速，因題目中所給其工作臺(tái)快進(jìn)的速度為，因此其計(jì)算為：所以：3.3.3滾珠絲杠的選取安裝尺寸根據(jù)動(dòng)載荷及動(dòng)載荷和公稱導(dǎo)程值的核對(duì)，最后選取的滾珠絲杠為天津龍創(chuàng)日盛機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的FFB2005-2 ，其公稱直徑為20mm，公稱導(dǎo)程為5mm，動(dòng)靜載荷分別為6.4KN和12.2KN。3.3.4 滾道半徑、偏心距在上圖中查得，鋼球直徑為3.5mm，絲杠底徑為16.9mm。滾道半徑偏心距3.3.5 穩(wěn)定性計(jì)算 因螺桿較長(zhǎng)，所以穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)以下式求臨界載荷： 式中：E：螺桿材料的彈性模量，查材料力學(xué)表2-2，取E=200GPa Ia：螺桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩 ：長(zhǎng)度系數(shù)，查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)得=1絲杠的有效長(zhǎng)度是240mm2.54 是安全的3.3.6 剛度過驗(yàn)算按最不利的情況考慮，螺紋螺距因受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向是一致的，所以 式中：查材料力學(xué)表2-2得，=0.25，所以：每米螺紋度上的螺紋距離彈性變形為 查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)滾動(dòng)螺旋3.4 滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的介紹一、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成，如圖：當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動(dòng)，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置（返向器）進(jìn)入返向孔后再進(jìn)入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。二、特點(diǎn) 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。驅(qū)動(dòng)功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機(jī)械的十分之一。與V型十字交叉滾子導(dǎo)軌相比，摩擦阻力可下降約40倍。適應(yīng)高速直線運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約10倍。能實(shí)現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。動(dòng)摩擦，大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，從而獲得：能實(shí)現(xiàn)無間隙運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度。 成對(duì)使用導(dǎo)軌副時(shí)，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)件的機(jī)械制造成本與難度。 導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應(yīng)力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點(diǎn)接觸時(shí)大大提高，滾動(dòng)摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。 導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性；心部保持良好的機(jī)械性能。 簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。3.4.1 導(dǎo)軌的型號(hào)查機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)1卷下冊(cè)6篇3章，選用GGB20BA型導(dǎo)軌；表6.3-11，選擇導(dǎo)軌精度等級(jí)為4級(jí)，每個(gè)托板有兩條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌有兩個(gè)滑塊。由于絲杠的直徑為20mm，跟根機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)所給的選用方法，選用導(dǎo)軌的規(guī)格為20。查機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)表6.3-12和表6.3-13選擇導(dǎo)軌的預(yù)加載荷為普通載荷P=287.5N。導(dǎo)軌是承受力的主要部件，除工件外、工作臺(tái)外，還有鉆床的切削力，鉆床的切削力約為100N。3.4.2 導(dǎo)軌的受力分析A=70，b=80。當(dāng)機(jī)床沒有切削時(shí)，當(dāng)機(jī)床在切削時(shí)候，當(dāng)量載荷：查機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)得GGB型號(hào)規(guī)格為20的導(dǎo)軌的動(dòng)載荷為11.6KN。3.4.3計(jì)算導(dǎo)軌的壽命：式中：ft：溫度系數(shù)。查機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)表6.3-3，取ft=1fc：接觸系數(shù)。查機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)表6.3-4，fc=0.81fw：載荷系數(shù)。查機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)表6.3-5，fw=1.2 壽命根據(jù)要求所知其壽命要在6年以上，一年300天，一天8小時(shí)；假設(shè)每分鐘走6個(gè)行程，則所選用的導(dǎo)軌壽命比要求壽命要長(zhǎng)，所以合格。我選定的導(dǎo)軌副的型號(hào)為GGB20BA，其尺寸見上圖。來自昆山春本自動(dòng)化設(shè)備有限公司。3.5 電機(jī)的計(jì)算數(shù)控機(jī)床上可以用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)控制，這里先對(duì)兩者進(jìn)行一下性能比較，以便更好的選擇合適的電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。第一，控制精度不同。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6，1.8，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72、0.36 ，也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小，如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09 ；德國(guó)百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過撥碼開關(guān)設(shè)置為1.8 、0.9 、0.72 、0.36 、0.18 、0.09 、0.072 、0.036 ，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360 /10000=0.0036 。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360 /131072 ，是步距角為1.8的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。 第二，低頻特性不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。第三，矩頻特性不同。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。 第四，過載能力不同。步進(jìn)電機(jī)一般不具有過載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆]有這種過載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。第五，運(yùn)行性能不同。步進(jìn)電機(jī)的控制為開環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過高或負(fù)載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。第六，速度響應(yīng)性能不同。步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。 綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，即給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個(gè)角度，因此非常合適單片機(jī)控制，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的無累積誤差，精度高。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：第一，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性；第二，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？煽?，同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；第三，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速；第四，速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整，低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。第五，步進(jìn)電機(jī)只能通過脈沖電源供電才能運(yùn)行，不能直接使用交流電源和直流電源。第六，步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)措施。步進(jìn)電機(jī)有兩種工作方式：整步方式和半步方式。以步進(jìn)角1.8四相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，在整步方式下，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)1.8，旋轉(zhuǎn)一周，則需要200個(gè)脈沖，在半步方式下，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)0.9，旋轉(zhuǎn)一周，則需要400個(gè)脈沖?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)必須按一定時(shí)序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)引線輸入脈沖。步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)，會(huì)有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)。如果使用細(xì)分方式，就能很好的解決這個(gè)問題，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分，一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小，步進(jìn)電機(jī)半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分的工作原理。通過以上信息，可知本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)控制精度要求不需要很高，考慮成本因素等等，選擇步進(jìn)電機(jī)控制。下面對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算選型。3.5.1 負(fù)載慣量的計(jì)算絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量工作臺(tái)的轉(zhuǎn)去慣量工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量3.5.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算快速空程啟動(dòng)時(shí)電機(jī)所需力矩；最大切削負(fù)載時(shí)電機(jī)所需力矩；快給速進(jìn)時(shí)電機(jī)所需力矩由于電機(jī)與絲杠間直接用齒輪連接，所以傳動(dòng)鏈效率取0.9，滾球未加預(yù)緊力時(shí)的效率0取0.93；鉆床在X、Y軸進(jìn)給方向是沒有切削力的，所以沒有切削力矩?？蛰d加速力矩切削加速力矩摩擦力矩附加摩擦力矩 切削力矩 3.5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇根據(jù)上述分析，最后我選定步距角為0.36度的型號(hào)為60BYG550A的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩為0.6我所需要的0.22 。其外形結(jié)構(gòu)及尺寸如下圖所示：3.6 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)根據(jù)本部分的第一步所初選的電機(jī)步距角和脈沖當(dāng)量，又已知滾珠絲杠螺距t=5mm，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)比： 若取Z1=60，則Z2=30。模數(shù)m=1mm 齒輪尺寸：Z60306030623257.529.545第四章 精度分析以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件所構(gòu)成的開環(huán)系統(tǒng)具有功能簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在一些經(jīng)濟(jì)型普通數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。但是，這種系統(tǒng)普遍存在低速不平穩(wěn)、控制精度不高、拖動(dòng)能力較小等問題，特別是控制精度問題在實(shí)際中最引人關(guān)注。4.1 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)誤差來源 本設(shè)計(jì)中的開環(huán)控制系統(tǒng)，工作臺(tái)沒有檢測(cè)反饋裝置，控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)只是單向傳遞，由控制系統(tǒng)傳向移動(dòng)工作臺(tái)?？刂葡到y(tǒng)對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置不作檢測(cè)。因此，加工精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。而伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，步距角對(duì)精度有顯著的影響，若步距角顯著減小，轉(zhuǎn)子達(dá)到新穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)所具有的動(dòng)能變小，振動(dòng)也變小，精度得到提高，低速運(yùn)行時(shí)的平滑性也得到提高。反之，會(huì)使精度變差。 除了伺服系統(tǒng)的性能對(duì)工作臺(tái)的精度有影響，減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)間隙，滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙及其剛度，齒輪減速機(jī)構(gòu)，支撐軸承也會(huì)影響系統(tǒng)精度。 滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度主要有兩個(gè)影響因素。其一，傳動(dòng)間隙。由于絲杠、支承存在傳動(dòng)間隙，機(jī)械傳動(dòng)鏈在改變方向時(shí)，會(huì)引起步進(jìn)電機(jī)的空走，而工作臺(tái)并無實(shí)際移動(dòng)。這樣，最初的指令產(chǎn)生的脈沖只能起到消除間隙的作用，從而影響了工作臺(tái)的位置精度。其二，絲杠的傳動(dòng)剛度。滾珠絲杠副和支承絲杠的軸承在內(nèi)的傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度稱為滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度。當(dāng)工作臺(tái)切削進(jìn)給時(shí)，承受切削力，絲杠會(huì)產(chǎn)生彈性變形，此彈性變形會(huì)影響系統(tǒng)的定位精度和傳動(dòng)精度。4.2 系統(tǒng)誤差的消除 對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來說，提高步距角精度，改善步距角特性，會(huì)提高定位精度。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的步距角與步進(jìn)電機(jī)定子繞組相數(shù)、通電方式系數(shù)、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，所以合理選擇步進(jìn)電機(jī)電磁參數(shù)能有效地改善步距角精度。其次就是減小步距角或采用細(xì)分電路。當(dāng)傳動(dòng)比一定時(shí)，隨著步距角的減小，脈沖當(dāng)量也減小 ，從而提高了加工精度。但是步距角的減小受到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外形尺寸、相數(shù)以及拍數(shù)的限制，沒有辦法做得很小。因而，只能采取細(xì)分電路，使得步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組電流的切換按很小的階梯進(jìn)行。步進(jìn)電機(jī)在細(xì)分狀態(tài)下，步距角顯著減小，達(dá)到了提高精度的目的。本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)器自帶有細(xì)分的功能。也可以說，在一定程度上提高了系統(tǒng)的精度。再次就是采用間隙和螺距補(bǔ)償電路，也稱誤差較正電路。由于機(jī)械傳動(dòng)的間隙具有一定的穩(wěn)定性，很有可能是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)隨磨損緩慢增加?？捎蓪?shí)際調(diào)整和測(cè)量來決定?？梢栽诠ぷ髋_(tái)反向或移動(dòng)有間隙誤差的位置時(shí)，用補(bǔ)充一定脈沖量的方法來消除誤差，提高精度。對(duì)于提高絲杠副的傳動(dòng)精度，通常采用預(yù)緊的方法。這種方法相比于誤差較正電路的方法來說，更為簡(jiǎn)便易行，在實(shí)際中更常用。本設(shè)計(jì)中，絲杠副采用的是墊片預(yù)緊的方法來消除間隙，提高精度。為了提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性，避免齒輪在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生沖擊和噪聲，對(duì)于3060這一對(duì)齒輪還必須設(shè)計(jì)頂隙和側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。主動(dòng)輪裝在步進(jìn)電機(jī)軸上，而步進(jìn)電機(jī)的端面用螺釘與偏心套聯(lián)接，偏心套裝在箱體上，轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套(這時(shí)步進(jìn)電機(jī)連同齒輪一同轉(zhuǎn)動(dòng)) 從而可以調(diào)整主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的中心距，使齒輪頂隙得到調(diào)整。齒輪側(cè)隙的調(diào)整是利用圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯(cuò)齒調(diào)整法來實(shí)現(xiàn)的.支撐軸承采用預(yù)緊的方法來消除間隙，提高精度。第五章 控制部分的設(shè)計(jì)5.1、確定硬件電路總體方案: 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成：（1）主控制器：就是中央處理單元CPU。（2）總線：包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）、控制總線（CB）。（3）存儲(chǔ)器：包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。（4）接口：即I/O輸入/輸出接口電路。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下： 控制系統(tǒng)硬件框圖除此之外，還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備和信號(hào)變換電路。其中信號(hào)變換電路是A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，是實(shí)現(xiàn)微機(jī)與控制對(duì)象之間的信號(hào)匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。它們可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選取。5.1.1、主控制器CPU的選擇： 在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素：（1） 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)（控制數(shù)據(jù)處理的速度）；（2） 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器（ROM/RAM）的容量；（3） 指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)；（4） I/O口擴(kuò)展的能力；（5） 開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機(jī)的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，S表示含有串行下載Flash存儲(chǔ)器。AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲(chǔ)器容量為4KB、16位定時(shí)器2個(gè)、中斷源6個(gè)（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器0和定時(shí)器1中斷）、RAM為128B、14位的計(jì)數(shù)器WDT、I/O口共有32個(gè)。5.1.2、I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì):CPU接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關(guān)）前向通道傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)（步進(jìn)電機(jī)）人機(jī)界面?zhèn)鞲衅鰽T89S51（鍵盤、LED）后向通道 圖5-1 CPU外部接口示意圖AT89S51要完成的任務(wù)：（1）將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入CPU，通過中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。（2）通過程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)的運(yùn)行。（3）接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是準(zhǔn)雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進(jìn)行I/O擴(kuò)展。考慮到電路的簡(jiǎn)便性和可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)際外擴(kuò)鎖存器的8255，所以AT89S51的I/O口線分配如下：（1）P1.0-P1.5控制X-Y兩個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)的A、B、C線圈通電，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正轉(zhuǎn)模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉(zhuǎn)模式。（2）P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。（3）P3.2和P3.3兩個(gè)中斷源中INT0優(yōu)先級(jí)最高，它讀入行程開關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位、圓弧插補(bǔ)開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。（4）P0.0-P0.7外部I/O擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取。（5）P2.7和P2.6決定8255的PA、PB、PC口的地址。P1.0-P1.2驅(qū)動(dòng)1X步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)2Y步進(jìn)電機(jī)P1.3-P1.5P1.6驅(qū)動(dòng)3P3.2外部中斷0P3.3外部中斷1P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51鍵盤電磁鐵8255 圖5-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖PB口接LED反映當(dāng)前運(yùn)行的8個(gè)狀態(tài)：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手動(dòng)X+運(yùn)行、手動(dòng)X-運(yùn)行、手動(dòng)Y+運(yùn)行、手動(dòng)Y-運(yùn)行。PA口低四位反映觸發(fā)中斷1的4個(gè)行程開關(guān)的狀態(tài)。PC口低6位反映了觸發(fā)中斷2的手動(dòng)X+運(yùn)行、手動(dòng)X-運(yùn)行、手動(dòng)Y+運(yùn)行、手動(dòng)Y-運(yùn)行、復(fù)位（RST）、圓弧插補(bǔ)6個(gè)開關(guān)的狀態(tài)。5.1.3、鍵盤、顯示接口電路:鍵盤、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行、列接構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器），為了方便顯示圖形，也有用CRT接口顯示方式的系統(tǒng)。5.1.4、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路:步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)，在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移僅與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速僅與控制脈沖頻率成正比。在多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)中不需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換，可采用較為簡(jiǎn)單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床最主要的一種的伺服驅(qū)動(dòng)單元。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由圖5所示四部分組成。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線行進(jìn)0.01mm。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)將大的電壓加在CPU上使其燒壞。圖4-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖圖中僅為一相的驅(qū)動(dòng)電路，其余兩相與之相同。相繞組的通斷由開關(guān)管VT1和VT2共同控制，VT2的發(fā)射極接一個(gè)采樣電阻R，該電阻上的壓降與相繞組電流i成正比。當(dāng)控制脈沖ui為高電平時(shí)，VT1和VT2兩個(gè)開關(guān)管均導(dǎo)通，直流電源向繞組供電。由于繞組電感的影響，采樣電阻R上的電壓逐漸升高，當(dāng)超過給定電壓ua的值時(shí)，比較器輸出低電平，使與門也輸出低電平，VT1被截止，直流電源被切斷，繞組電流i經(jīng)VT2、R、VD2續(xù)流而衰減，采樣電阻R上的電壓隨之下降。當(dāng)采樣電阻R上的電壓小于給定電壓ua時(shí)，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，VT1重新導(dǎo)通，直流電源又開始向繞組供電。如此反復(fù)，相繞組的電流就穩(wěn)定在由給定電壓ua所決定的數(shù)值上。由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個(gè)線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AC-C-CB-B-BA-A。步進(jìn)時(shí)鐘A相波形B相波形C相波形圖4-4 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)）5.1.5、其它輔助電路設(shè)計(jì)（1）AT89S51的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，AT89S51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，它的出入端為引腳XTAL1，輸出端為XTAL2。AT89S51常選擇振蕩頻率6MHz或12MHz的石英晶體。（2）復(fù)位電路AT89S51單片機(jī)的第9腳（RST）為復(fù)位引腳，系統(tǒng)上電后，時(shí)鐘電路開始工作，只要RST 引腳上出現(xiàn)大于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間的高電平即可引起單片機(jī)執(zhí)行復(fù)位操作。有兩種方法可以使AT89S51單片機(jī)復(fù)位，即在RST引腳加上大于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間的高電平或WDT計(jì)數(shù)溢出。單片機(jī)復(fù)位后，PC=0000H，CPU從程序存儲(chǔ)器的0000H開始取指執(zhí)行。上電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變，RST引腳電壓端為VR為VCC，隨著對(duì)電容的充電， RST引腳的電壓呈指數(shù)規(guī)律下降，到t1時(shí)刻，VR降為3.6V，隨著對(duì)電容充電的進(jìn)行，VR最后將接近0V。RST引腳的電壓變化如圖所示。為了確保單片機(jī)復(fù)位，t1必須大于兩個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間，機(jī)器周期取決于單片機(jī)系統(tǒng)采用的晶振頻率，圖中，R不能取得太小，典型值 8.2k.（3）越界報(bào)警電路為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。如是兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，則有4個(gè)方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，應(yīng)立即停止工作臺(tái)移動(dòng)，可通過光電耦合器的輸入隔離電路。行程開關(guān)接到發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接到AT89S51的I/O口P1.0。當(dāng)任何一個(gè)方向的行程開關(guān)被壓下，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變?yōu)楦唠娖?。AT89S51可用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢測(cè)有無越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接到AT89S51的外部中斷引腳（INT0或INT1），采用中斷方式檢測(cè)越界信號(hào)。（為了報(bào)警，可以設(shè)置發(fā)光二極管，工作時(shí)不亮，有越界信號(hào)時(shí)，紅燈亮，指示工作臺(tái)越過極限位置。）5.2、控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)5.2.1、系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾部分內(nèi)容。（1）系統(tǒng)管理程序它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其主要功能是：接收操作者的命令執(zhí)行命令從命令處理程序返回到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。（2）零件加工源程序的輸入處理程序該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。（3）插補(bǔ)程序插補(bǔ)程序根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，分配進(jìn)給脈沖。（4）伺服控制程序伺服控制程序根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)角及方向。（5）診斷程序診斷程序包括移動(dòng)部件移動(dòng)越界處理、緊急停機(jī)處理、系統(tǒng)故障診斷、查錯(cuò)等功能。（6）機(jī)床的自動(dòng)加工與手動(dòng)控制程序在調(diào)整機(jī)床時(shí)往往需要機(jī)床的手動(dòng)控制。（7）鍵盤操作和顯示處理程序鍵盤操作和顯示處理程序的功能包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。5.2.2、程序設(shè)計(jì)技術(shù)系統(tǒng)控制軟件根據(jù)系統(tǒng)功能的要求而設(shè)計(jì)，應(yīng)可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)必須詳盡而細(xì)致地分析系統(tǒng)控制對(duì)象的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的要求。在確定好控制方式、計(jì)算方法和控制順序后，將其處理順序用框圖描述出。系統(tǒng)控制軟件通常用匯編語言編寫。程序設(shè)計(jì)的方法通常有：模塊化程序設(shè)計(jì)和自頂向下程序設(shè)計(jì)。5.2.3、步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度、轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，所以步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)有一個(gè)加、減速過程。通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。經(jīng)過計(jì)算知加、減速脈沖個(gè)數(shù)都為27個(gè)。因?yàn)?，所以?jì)算時(shí)要根據(jù)脈沖時(shí)刻tn查時(shí)間常數(shù)表，得脈沖時(shí)間間隔T，再由Te=T10-3/（te10-6）求出時(shí)間常數(shù)Te，式中：T脈沖時(shí)間間隔（ms）；te單片機(jī)機(jī)器周期（s），在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，te2s。在EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)間常數(shù)占兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。在程序中，設(shè)置加速、恒速、減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0、N1、N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程（加速、恒速或減速）是否結(jié)束的標(biāo)志。復(fù)位程序流程DIRX EQU 30H DIRY EQU 31HRST： CLR P1.6RPA： MOV A，PA MOV DPTR，A MOVX A，DPTR ；讀PA口內(nèi)容 JNB ACC.0，ACC2 MOV DIRX，#00H ；表X電機(jī)反轉(zhuǎn) ACALL XMOTOR0 ；X電機(jī)反轉(zhuǎn)一步ACC2： JNB ACC.2，LOOP0 MOV DIRY，#00H ；表Y電機(jī)反轉(zhuǎn) ACALL YMOTOR0 ；Y電機(jī)反轉(zhuǎn)一步 AJMP RPALOOP0： AJMP LOOP1結(jié)論本次設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多，通過查詢?cè)O(shè)計(jì)資料，對(duì)Z3063搖臂鉆床工作臺(tái)進(jìn)行了數(shù)控改造的機(jī)械結(jié)構(gòu)改造，本方案的改造從原機(jī)床的特點(diǎn)出發(fā)，保證了原機(jī)床的加工范圍，改造后機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，專用性強(qiáng)，易于維修，改造周期短，提高了機(jī)床的性