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長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 第49頁(yè)
第1章 緒論
1．1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程
1．1．1 計(jì)算機(jī)促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一——計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過(guò)程自動(dòng)化的理想手段。當(dāng)科技人員首次把計(jì)算機(jī)作為一種控制裝置移植到古老機(jī)床中時(shí)，一種新的產(chǎn)品——數(shù)控機(jī)床誕生了。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的變化。
今天，數(shù)控機(jī)床綜合應(yīng)用了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)以及精密機(jī)械等技術(shù)的最新成果而迅速發(fā)展，這種發(fā)展不僅表現(xiàn)為數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，而且在質(zhì)量上與性能上也有顯著提高。
1．1．2 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程
第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床是為了適應(yīng)航空工業(yè)制造復(fù)雜工件的需要產(chǎn)生的。1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院和帕森斯公司合作研制成功了世界上第一臺(tái)具有信息存儲(chǔ)和處理功能的新型機(jī)床，既數(shù)控機(jī)床。之后，隨著電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床不斷更新?lián)Q代。
第一代數(shù)控機(jī)床：從1952年至1959年，采用電子管元件。
第二代數(shù)控機(jī)床：從1959年開(kāi)始，采用晶體管元件。
第三代數(shù)控機(jī)床：從1965年開(kāi)始，采用集成電路。
第四代數(shù)控機(jī)床：從1970年開(kāi)始，采用大規(guī)模集成電路及小型通用計(jì)算機(jī)。
第五代數(shù)控機(jī)床：從1974年開(kāi)始，采用微處理器或微型計(jì)算機(jī)。
我國(guó)從1958年開(kāi)始研制數(shù)控機(jī)床，1975年又研制出第一臺(tái)加工中心。改革開(kāi)放以來(lái)，由于引進(jìn)國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)，使我國(guó)的數(shù)控機(jī)床在品種，數(shù)量和質(zhì)量方面都得到迅速發(fā)展。從1986年開(kāi)始，我國(guó)數(shù)控機(jī)床開(kāi)始進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。目前我國(guó)有幾十家機(jī)床廠能夠生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床和加工中心。我國(guó)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的研究、生產(chǎn)和推廣工作取得了很大進(jìn)展，對(duì)機(jī)床技術(shù)改造起到了積極推動(dòng)作用。
1．2 數(shù)控機(jī)床的工作原理
用數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，首先應(yīng)編制零件加工程序。這是數(shù)控機(jī)床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，在由數(shù)控裝置控制機(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速、啟動(dòng)、停止、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的方向、速度和位移量，以及刀具選擇交換，工件裝夾和冷卻潤(rùn)滑的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴(yán)格按照加工程序規(guī)定的順序、運(yùn)行軌跡和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行工作，從而達(dá)到加工出符合要求的零件的目的。
數(shù)控程序
數(shù)
控系統(tǒng)
機(jī)床本體
伺服系統(tǒng)
圖1.1 數(shù)控機(jī)床的組成
1．3 數(shù)控機(jī)床的組成
根據(jù)數(shù)控機(jī)床的工作原理，數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機(jī)床本體和測(cè)量裝置等無(wú)部分組成。其組成框圖如圖1.2所示。
控制介質(zhì)
機(jī)床
伺服系統(tǒng)
數(shù)控裝置
測(cè)量裝置
圖1.2 數(shù)控機(jī)床的組成
（1）控制介質(zhì) 它是用于記載各種加工信息的載體，以控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的加工。
（2）數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。它由輸入裝置、存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)算器和輸出裝置組成，它的功能是接受輸入裝置輸入的加工信息，經(jīng)過(guò)數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件對(duì)代碼進(jìn)行處理后，輸出相應(yīng)的指令脈沖，驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，來(lái)控制機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件按規(guī)定的要求實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作。
（3）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。其作用是把來(lái)自數(shù)控裝置的各種指令，轉(zhuǎn)換成機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和位移量。機(jī)床中每個(gè)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件，都有各自的伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，常用的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)有開(kāi)環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)之分。其驅(qū)動(dòng)元件主要有功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電液脈沖馬達(dá)和大慣量直流電動(dòng)機(jī)等。
（4）機(jī)床本體 與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有更好的剛性和抗振性，尤其是相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的摩擦系數(shù)要小、傳動(dòng)件之間的間隙要小外，還要具有自動(dòng)變速、自動(dòng)換刀和自動(dòng)診斷故障的功能，以便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工的需要。
（5）測(cè)量裝置 測(cè)量裝置的作用是將機(jī)床的實(shí)際位置、速度等參數(shù)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，反饋回?cái)?shù)控裝置，以校核執(zhí)行部件實(shí)際運(yùn)動(dòng)的速度、方向和位移量，并使之與加工指令相一致。開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)無(wú)測(cè)量裝置。
1．4 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)以及主要功能
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床就是指價(jià)格低廉，操作使用方便，比較適合我國(guó)國(guó)情的，在普通機(jī)床上加裝數(shù)控系統(tǒng)的高級(jí)自動(dòng)化機(jī)床。
1．4．1經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)
（1）價(jià)格便宜，僅數(shù)控系統(tǒng)與國(guó)外同類型系統(tǒng)相比，前者只需1-2萬(wàn)元，而國(guó)外系統(tǒng)則需十幾至幾十萬(wàn)元。應(yīng)此，它特別適合對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)有普通機(jī)床進(jìn)行改造。
（2）解決復(fù)雜零件的加工精度控制，提高生產(chǎn)率。對(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床，一般可提高工效3~7倍。對(duì)復(fù)雜零件而言，難度越高，提高的工效則越多。
（3）適合于多品種、中小批量產(chǎn)品的自動(dòng)化加工，對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)于不同零件的加工，可以通過(guò)變換不同的加工程序和更換不同的刀具來(lái)實(shí)現(xiàn)。
（4）提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率。尤其是加工的產(chǎn)品尺寸一致性好，合格率高。
（5） 節(jié)約工裝費(fèi)用，降低成本。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床可以不用工裝或少用工裝，尤其對(duì)于復(fù)雜零件、不用靠?；虺尚偷毒?。不僅節(jié)約了費(fèi)用，而且還可縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
（6）減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
（7）提高工人素質(zhì)，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步和科技成果的普及應(yīng)用。為由“體力型”向“智能型”轉(zhuǎn)變創(chuàng)造條件。
1．4．2經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床的主要功能
（1）能控制刀具的位移方向、位移長(zhǎng)度及走刀速度。加工程序的位移長(zhǎng)度以十進(jìn)制數(shù)輸入。
（2）可控制車(chē)削端面、內(nèi)外圓柱面、任意錐面、球面及用圓弧逼近的任意曲面。
（3）可控制加工右旋或左旋的各種內(nèi)、外圓柱、圓錐螺紋及多頭螺紋。
（4）程序中可給出一定延時(shí)。在加工中執(zhí)行到延時(shí)程序時(shí)，刀具在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)停止運(yùn)動(dòng)。
（5）有程序暫停功能。當(dāng)程序執(zhí)行到暫停時(shí)，刀具停止運(yùn)動(dòng)，再按下啟動(dòng)鍵，可繼續(xù)執(zhí)行程序。
（6）接口可發(fā)出和接收多種信號(hào)，作為機(jī)械手動(dòng)作，刀架轉(zhuǎn)位、主軸變速等裝置的控制信號(hào)，它與程序的自動(dòng)循環(huán)功能相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)加工的全自動(dòng)化。
（7）為方便調(diào)試和校對(duì)原點(diǎn)，設(shè)有點(diǎn)動(dòng)功能。
（8）具有自診斷功能。當(dāng)加工程序編制或操作有誤時(shí)，程序停止運(yùn)行，并顯示相應(yīng)的出錯(cuò)信息，以便修改。
（9）加工過(guò)程中，為應(yīng)付特殊情況，設(shè)有開(kāi)關(guān)暫停、鍵急停和鍵回零功能。
（10）具有自動(dòng)循環(huán)加工功能，并可進(jìn)行計(jì)數(shù)。
（11）為簡(jiǎn)化加工程序，設(shè)有局部循環(huán)功能。
（12）為提高加工精度，設(shè)有間隙補(bǔ)償功能。
第2章 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)
2．1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)概述
從1952年世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床誕生以來(lái)，數(shù)控技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已日趨完善，已由最初的硬件數(shù)控（NC），經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC），發(fā)展到今天以微型計(jì)算機(jī)為基礎(chǔ)的數(shù)控（MNC）、直接數(shù)控（DNC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS）等，現(xiàn)在正朝著更高的水平發(fā)展。但隨著市場(chǎng)全球化的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)空前激烈，對(duì)制造商所生產(chǎn)的產(chǎn)品不但要求價(jià)格低，質(zhì)量好，而且要求交貨時(shí)間短，售后服務(wù)好，還要滿足用戶特殊的需要，即要求產(chǎn)品具有個(gè)性化。而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種專用封閉式系統(tǒng)，它越來(lái)越不能滿足市場(chǎng)發(fā)展的需要。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：
（1）與通用計(jì)算機(jī)不兼容，不同廠家的數(shù)控系統(tǒng)不兼容，甚至同一個(gè)廠家的不同系列的數(shù)控系統(tǒng)也不兼容；
（2）各種數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，一旦數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障，往往要找生產(chǎn)廠家來(lái)維修，很不方便，而且大大提高了維修費(fèi)用；
（3）難進(jìn)行升級(jí)和進(jìn)一步開(kāi)發(fā)；
（4）專用封閉式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展一般滯后5年左右，在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，這是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的上述特點(diǎn)嚴(yán)重制約著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，不能滿足市場(chǎng)對(duì)數(shù)控技術(shù)新的要求。針對(duì)這種情況，人們?cè)?0年代就提出了開(kāi)放式控制系統(tǒng)的概念。
2．2 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征
什么是開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)？目前尚為形成統(tǒng)一的定義，但一般認(rèn)為開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)具有下列特征：
（1）采用分布式控制原則，采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級(jí)式的控制結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造是可移植和透明的；
（2）根據(jù)需要可方便的實(shí)現(xiàn)重構(gòu)、編輯，以便實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)多種用途；
（3）開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)中各模塊相互獨(dú)立，系統(tǒng)廠、機(jī)床廠及最終用戶都可以很容易的把一些專用功能和其它有個(gè)性的模塊進(jìn)行獨(dú)立開(kāi)發(fā)，為此要有方便的支撐工具，控制程序設(shè)計(jì)按系統(tǒng)——子系統(tǒng)——模塊三級(jí)進(jìn)行，各模塊接口協(xié)議要明確；
（4）要具有一種較好的通信和接口協(xié)議，以便各相對(duì)獨(dú)立的功能模塊通過(guò)通信實(shí)現(xiàn)信息交換滿足實(shí)時(shí)控制要求。
總之，所謂開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的軟硬件控制系統(tǒng)。
2．3 我國(guó)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況
我國(guó)在“八五”期間數(shù)控科技聯(lián)合攻關(guān)，開(kāi)發(fā)具有我國(guó)自主產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，特別是提出開(kāi)發(fā)中華I型和航天I型兩個(gè)基本系統(tǒng)（平臺(tái)）及系列產(chǎn)品，并利用基本系統(tǒng)發(fā)揮我國(guó)的軟件優(yōu)勢(shì)，實(shí)施平臺(tái)戰(zhàn)略，發(fā)展我國(guó)的數(shù)控軟件的指導(dǎo)思想。在此思想指導(dǎo)下，珠峰公司和華中理工大學(xué)，利用IPC+數(shù)控卡構(gòu)成硬件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)了中華I型、華中I型數(shù)控系統(tǒng)；與此同時(shí)，航天數(shù)控集團(tuán)公司（簡(jiǎn)稱“航天數(shù)控”）利用通用PC機(jī)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了與通用PC機(jī)兼容的微機(jī)加上數(shù)控通用/專用模板構(gòu)成了單機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，作為普及型推向市場(chǎng)，并以此為基礎(chǔ)與通用PC機(jī)相互聯(lián)合構(gòu)成了典型前/后臺(tái)結(jié)構(gòu)的多機(jī)系統(tǒng)，完成了“八五”數(shù)控攻關(guān)任務(wù) ，并為今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；藍(lán)天是在原7500系列的基礎(chǔ)上，通過(guò)二次集成縮小化設(shè)計(jì)后與通用PC互聯(lián)構(gòu)成8500系列多機(jī)系統(tǒng)。下面分別介紹五種開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)：中華I型、華中I型、航天I型、藍(lán)天I型、10T CNC系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)。
2．3．1 中華I型數(shù)控系統(tǒng)
中華I型數(shù)控系統(tǒng)是中國(guó)珠峰數(shù)控公司與北京航空航天大學(xué)等單位共同承擔(dān)的國(guó)家攻關(guān)成果，中華I型采用工業(yè)PC，達(dá)到了國(guó)外高檔系統(tǒng)水平。它采用32位機(jī)多軸控制和多通道技術(shù)，可用于1~4通道，每個(gè)通道可控制1~8軸?？捎糜?~4軸車(chē)床、車(chē)削中心、雙軸雙刀架車(chē)床等；3~8軸加工中心（包括五面加工中心）；鏜銑床等；多軸組合機(jī)床、 FMC、FMS等；線切割機(jī)、沖床及其它專用機(jī)床。
2．3．1．1主要技術(shù)特點(diǎn)
（1）32位CPU可實(shí)現(xiàn)高速、高精度加工。這使得機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，剛性和傳動(dòng)效率大為提高；
（2）355.6mm彩色高分辨率顯示器，顯示中文和圖形；
（3）菜單和軟件操作，簡(jiǎn)化了機(jī)床操作面板；
（4）DOS系統(tǒng)可進(jìn)行各類文檔、表格的管理，由于有技術(shù)平臺(tái)的開(kāi)放性，用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)、修改操作界面，使之更完美，更友好；
（5）大容量電子盤(pán)提供了高速大容量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，使多工序加工、大程序量復(fù)雜加工得以實(shí)現(xiàn)；
（6）會(huì)話型自動(dòng)編程與擴(kuò)展數(shù)控語(yǔ)言編程，能完成復(fù)雜型面的零件加工，編程的過(guò)程更直接、更簡(jiǎn)單；
（7）多用戶操作可同時(shí)控制1~4臺(tái)機(jī)床，可以實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)的自動(dòng)化；
（8）內(nèi)裝式PLC簡(jiǎn)化了機(jī)床強(qiáng)電控制；
（9）可與國(guó)內(nèi)外AC、DC伺服及主軸連接，實(shí)現(xiàn)多種精度等級(jí)的驅(qū)動(dòng)能力；
（10）開(kāi)放式的總線、模塊化結(jié)構(gòu)、向上可擴(kuò)展、向下可剪裁，橫向可派生新的NC機(jī)種；
M
SD
CRT
VGA
HDDDD
MT
DI/DO
M
M
M
SD
SD
SD
POS
SP
M
SP
SD
MFUN
FDD
CPU
P．S．
圖1-2 中華I型數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
2．3．2 華中I型數(shù)控系統(tǒng)
華中理工大學(xué)開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)的華中I型數(shù)控系統(tǒng)采用工業(yè)PC機(jī)配上控制卡（I/O板、位置板等）組成開(kāi)放式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)模塊化、層次化較好。其擴(kuò)展性、伸縮性（可根據(jù)需要升級(jí)和簡(jiǎn)化）好。系統(tǒng)品種可減少，便于批量生產(chǎn)，提高可靠性，降低成本。
2．3．3 航天數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)
航天數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)是具有我國(guó)自主版權(quán)的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)。它是以PC機(jī)的體系結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)構(gòu)成的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的平臺(tái)，如圖1-3所示。既可以依據(jù)此系統(tǒng)平臺(tái)直接構(gòu)成單機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，如CASNUC900系列，也可以利用此系統(tǒng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，與通用PC機(jī)互聯(lián)構(gòu)成多機(jī)（或分布式）數(shù)控系統(tǒng)，如CASNUC910系列，如圖1-4所示。
航天數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)的研制成功，為我國(guó)發(fā)揮軟件優(yōu)勢(shì)，實(shí)施平臺(tái)戰(zhàn)略發(fā)展數(shù)控技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。航天數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)的基本特征是：
（1）系統(tǒng)平臺(tái)所用微機(jī)是：286以上的通用PC AT機(jī)或與其兼容的微機(jī)；
（2）系統(tǒng)平臺(tái)所使用的總線：ISA I/O總線，或ISA和PCI總線；
（3）系統(tǒng)平臺(tái)最大的存儲(chǔ)器容量：1MB~32MB；
（4）系統(tǒng)平臺(tái)可配置的通用外設(shè)：可配置不同規(guī)格的軟/硬件磁盤(pán)；
（5）系統(tǒng)平臺(tái)可支持通用串/并行接口；
（6）系統(tǒng)平臺(tái)可用flash電子盤(pán)（DOC）代替硬磁盤(pán)；
（7）系統(tǒng)平臺(tái)以高速通信支持系統(tǒng)進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)功能。
I/O控制模塊
多功能控制板
位置控制模板
FLASHRAMMM
串/并口
軟/硬盤(pán)
CRT
CPU
模板
鍵盤(pán)
網(wǎng)卡
PCI PCI
PCI
圖1-3 單機(jī)數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)
串/并口
軟/硬盤(pán)
CRT
鍵盤(pán)
CPU
模板
高速通信板
網(wǎng)卡
FLASHRAM
CPU
模板
PCI
PCI PCI
I/O控制模塊
多功能控制板
位置控制模塊
ISA
MAB
圖1-4 多機(jī)數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)
系統(tǒng)平臺(tái)能支持的數(shù)控專用I/O模板數(shù)最大為7塊：可依據(jù)具體系統(tǒng)要求靈活配置。最大的控制軸數(shù)為16根軸（共4塊位置控制模板，每塊模板可控制4根軸）；最大的I/O點(diǎn)數(shù)為240入/136出，共376個(gè)點(diǎn)（包括1塊多功能板，80入/16出，5塊通用I/O板，每塊I/O板32入/24出）。當(dāng)用于加工中心，需要定位控制器模板（內(nèi)含1根主軸），最多的I/O點(diǎn)數(shù)為208入/112出，共320個(gè)點(diǎn)，此時(shí)可以控制17根軸（外加了1根主軸）。
系統(tǒng)平臺(tái)的可靠性指標(biāo)：系統(tǒng)平臺(tái)中的數(shù)控通用模板是在CASNUC901的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)27次集成縮小化設(shè)計(jì)后，嚴(yán)格按照ISO9001的設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造出來(lái)的，有極高的可靠性，完全可以與國(guó)外進(jìn)口的同類模板媲美，依據(jù)不同的配置和所選通用PC主板的不同（指MTBF指標(biāo)），系統(tǒng)平臺(tái)的MTBF值在10000~30000之間。
系統(tǒng)平臺(tái)電磁兼容性（EMC）指標(biāo)：
抗快速瞬變脈沖群串蕘能力：大于4000V；
抗靜電放電擾度能力：大于15000V；
抗電源電壓暫降能力：大于1個(gè)周期。
2．3．4 藍(lán)天系列CNC系統(tǒng)
1990年9月，中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)計(jì)算技術(shù)研究所自行研制成功我國(guó)第一臺(tái)高檔數(shù)控系統(tǒng)LT-7501，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高檔數(shù)控系統(tǒng)的空白，達(dá)到國(guó)際80年代中后期先進(jìn)水平，開(kāi)始了我國(guó)自行研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的新階段。
2．3．4．1 藍(lán)天系列高檔CNC硬件系統(tǒng)
硬件系統(tǒng)（見(jiàn)圖1-5）采用面向總線的多CPU結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)和模板設(shè)計(jì)采用縮小化技術(shù)，面向驅(qū)動(dòng)和機(jī)床采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，面向系統(tǒng)外面采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的通信和網(wǎng)絡(luò)。
網(wǎng)絡(luò)適配器80186
硬盤(pán)FD64K
HD512K
EPROM
+SRAM
軸CPU
X86 X87D
SYS CPU
X86 X87
LT-Bus
操作員面板
6848，9749，8031
模擬I/O
接口
開(kāi)關(guān)I/O
接口
反饋接口
8088
鍵盤(pán)
CRT
旋變/同步感應(yīng)器
4編碼器
圖1-5 基于LT—總線的藍(lán)天CNC多CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
多種CPU模板：①SYS CPU模板—X86/X87處理器；②NC CPU模板—X86/X87或RISCR3000/R3031處理器；③PMC模板—X86/X87處理器；④COM模板—80186處理器
縮小化設(shè)計(jì)：所有模板采用多種、多片大規(guī)模集成電路ASIC（FPGA、EPLD）芯片，并采用插件式高密度硅盤(pán)。
標(biāo)準(zhǔn)接口：多路多種位置反饋模板（編碼器反饋模板、分解器模板、同步感應(yīng)器模板），多路多種A/D、D/A模板，多路多種I/O模板等。
通信和網(wǎng)絡(luò)接口：MINI DNC、RS—232/RS—422、ETHERNET網(wǎng)卡。
藍(lán)天系列高檔CNC還有基于開(kāi)放式體系結(jié)構(gòu)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1-6），這種開(kāi)放式結(jié)構(gòu)既保留了長(zhǎng)期積累的對(duì)軸運(yùn)動(dòng)、伺服和機(jī)床的可靠性，又采用了基于PC的基本硬軟件開(kāi)放性結(jié)構(gòu)。國(guó)內(nèi)外的實(shí)踐證明這種結(jié)構(gòu)對(duì)于復(fù)雜的高檔CNC系統(tǒng)而言是一種較成功的機(jī)構(gòu)形式。
NC/CPU
RISC3000/3031
或 386DX 1
總線數(shù)據(jù)通信
SYS CPU
80-486 DX 2/66
4MB
3
2
A/D
D/A
同步感應(yīng)器
旋變
編碼器
開(kāi)關(guān)
I/O
操作員面板
RS-232
RS-422
CRT
VGA
網(wǎng)卡
ISA總線 LT總線
圖1-6 藍(lán)天高檔CNC開(kāi)放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2．3．4．2 藍(lán)天系列高檔CNC軟件系統(tǒng)
自行研制的藍(lán)天系列高檔CNC軟件系統(tǒng)取得了我國(guó)第一個(gè)高檔數(shù)控軟件（MC/TCV2.0）自主版權(quán)。它嚴(yán)格按軟件工程思想和方法，由60人設(shè)計(jì)的該軟件系統(tǒng)，具有如下基本體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容：實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)和生成系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)：分布式多機(jī)控制（SYS、NC、PMC、COM）；虛擬機(jī)械功能（多過(guò)程—多插補(bǔ)器/多軸聯(lián)動(dòng)/多軸）；分層控制（3層控制：任務(wù)、控制和物理執(zhí)行）；?？旎Y(jié)構(gòu)（3層結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)、子系統(tǒng)/設(shè)施、模塊）；物理層標(biāo)準(zhǔn)操作（傳感器等執(zhí)行部件）；多種工藝及其集成化；多過(guò)程、多軸聯(lián)動(dòng)、多軸控制、基本的和專用的插補(bǔ)算法；內(nèi)裝全可編程機(jī)床邏輯和刀具庫(kù)自動(dòng)控制和托盤(pán)庫(kù)自動(dòng)控制軟件；
藍(lán)天系列高檔CNC軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特點(diǎn)是基于功能分布的多處理器機(jī)制和基于虛擬機(jī)械功能的多過(guò)程—多插補(bǔ)器（多軸聯(lián)動(dòng)）—多軸控制機(jī)制。這一特點(diǎn)使藍(lán)天系列高檔CNC進(jìn)入了國(guó)際高檔CNC的先進(jìn)技術(shù)行列。圖1-8中過(guò)程 i(i=1,2,…6)第i個(gè)過(guò)程；插補(bǔ)器j(j=1,2,…9),第j個(gè)插補(bǔ)器；伺服驅(qū)動(dòng)k(k=1, …),第k個(gè)驅(qū)動(dòng)；SYS+MMC為系統(tǒng)+人機(jī)界面控制；NC為軸運(yùn)動(dòng)控制；PMC為可編程機(jī)床邏輯控制；COM為通信網(wǎng)絡(luò)。
操作員面板
CRT
鍵盤(pán)
軟件
LAN
以太網(wǎng)板
標(biāo)準(zhǔn)I/O
單元
I/O
PML可編
程機(jī)床邏
伺服驅(qū)動(dòng)k
伺服驅(qū)動(dòng)1
插補(bǔ)器j
插補(bǔ)器1
機(jī)床控制
刀具管理
過(guò)程i
過(guò)程1
PMC數(shù)據(jù)
多過(guò)程管理
NC數(shù)據(jù)基
數(shù)據(jù)I/O
? 監(jiān)控
? 文件管理
? 診斷
? 實(shí)用程序
顯示/
程序編輯
會(huì)話式軟件生成CGS
SYS+MMC COM
T…
…
S，M，
H …
P-P軸
…
NC PMC
圖1-8 藍(lán)天系列高檔CNC軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)
第3章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本課題的設(shè)計(jì)參數(shù)：簡(jiǎn)易測(cè)量裝置是計(jì)算機(jī)數(shù)空（CNC）機(jī)床系統(tǒng)的配套設(shè)備。主要用于測(cè)量零件的外長(zhǎng)度尺寸和內(nèi)長(zhǎng)度尺寸。 測(cè)量范圍0～１００mm 。 測(cè)量誤差不大于0.01mm 。測(cè)量裝置帶數(shù)字顯示。
3．1 長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置的伺服系統(tǒng)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求和控制方案分類結(jié)合開(kāi)環(huán)控制的特點(diǎn)本設(shè)計(jì)選擇開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)。
開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)即沒(méi)有位置反饋的系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)變速齒輪和滾珠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件（工作臺(tái)）移動(dòng)。其開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖：
本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件是電液脈沖馬達(dá)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：只按照數(shù)控系統(tǒng)的指令脈沖進(jìn)行工作，而對(duì)執(zhí)行的結(jié)果，即移動(dòng)部件的實(shí)際位移，不進(jìn)行檢測(cè)和反饋。
3.2 確定伺服進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
輸入為馬達(dá)的轉(zhuǎn)角θM，輸出為工作臺(tái)的位移XL
GL(s)== 有頻率；
,為機(jī)械系統(tǒng)的阻尼比
S----絲杠導(dǎo)程，cm
KL----折算到絲杠軸上的傳動(dòng)裝置的總剛度，N·cm/rad
fL-----折算到絲杠軸上的導(dǎo)軌粘性阻尼系數(shù)
JL-----折算到絲杠軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，n·cm·s2-
數(shù)控機(jī)床的機(jī)械進(jìn)給傳動(dòng)裝置是個(gè)振蕩環(huán)節(jié)
在建立整個(gè)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，一定還要考慮到各元件或環(huán)節(jié)之間的相互影響。例如負(fù)載對(duì)馬達(dá)輸出特性的影響。
3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇
一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其發(fā)展
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或者稱為階躍電動(dòng)機(jī)，目前，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電動(dòng)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(lái)越糊：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度，若不改變勵(lì)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(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無(wú)刷式直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)。
步進(jìn)電動(dòng)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l860年間。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(dòng)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rJT廣泛的應(yīng)用。我國(guó)的步進(jìn)電機(jī)開(kāi)始于21世紀(jì)50年代后期，其發(fā)展過(guò)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(kāi)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(dòng)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(dòng)機(jī)層出不窮，各種混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。
二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
步進(jìn)電機(jī)有三大部分組成：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其特點(diǎn)如下：
1)用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià)。
2)位移與輸入脈沖數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單又具有一定精度的開(kāi)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(wú)刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高。
4)抑郁起動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VR型)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM型)、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(HB型)：直線電動(dòng)機(jī)包括VR型、PM型及HB型：下面分別介紹幾種典型性的步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)：
1．HB型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)
HB型步進(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(wú)方向性的硅鋼片疊加而成定子鐵心上開(kāi)了許多大齒， 大齒上開(kāi)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小：機(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(duì)機(jī)械加工的同軸度、圓柱度要求較高。
2．vR型步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
vR型步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)與HB型的結(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．PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
其轉(zhuǎn)子由永磁材料和軸組成，轉(zhuǎn)子上沒(méi)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．PM型直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
PM型直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由固定定子和可動(dòng)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(dòng)機(jī)的定子鐵心在一維空間展開(kāi)。．
3.3.1 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(dòng)機(jī)是一種將電的脈沖信號(hào)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(hào)于這種電動(dòng)機(jī)時(shí)，它就運(yùn)行這一步。步進(jìn)電動(dòng)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(jiǎn)要說(shuō)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(duì)磁極，每一對(duì)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(dòng)機(jī)內(nèi)部建立以該繞組為軸線的磁場(chǎng)。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(duì)位置不同時(shí)，磁路的磁導(dǎo)也不同，定轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒處的極磁導(dǎo)為最大，定轉(zhuǎn)子齒對(duì)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(duì)齒的位置為平衡位置。
三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)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(duì)齒時(shí)：B相磁極上定子齒的軸線，沿ABC方向超前轉(zhuǎn)子齒的軸線l／3齒距：C相極下定子齒的軸線，沿ABC方向超前轉(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(chǎng)空間轉(zhuǎn)過(guò)了l20。，轉(zhuǎn)子齒的軸線將力求與B相上的定子齒的軸線對(duì)齊以達(dá)到穩(wěn)定平衡位置。由于B相軸線還沒(méi)有與轉(zhuǎn)子齒的軸線對(duì)齊所以將對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針?lè)较虻碾姶帕ζ仁罐D(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到平衡位置：從而使電動(dòng)機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)。如果對(duì)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(dòng)起來(lái)，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(dòng)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(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)軸線轉(zhuǎn)過(guò)l20。，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)l／3齒距；也可以以三相雙三拍方式(AB—Bc—cA—AB—)運(yùn)行，每改變一次通電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)軸線轉(zhuǎn)過(guò)l20。，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)l／6齒距：也可采用三相六拍方式(A～AB—B—BC—C—CA—A—)運(yùn)行，每改變一次通電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)軸線轉(zhuǎn)過(guò)60。，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)l／6齒距。
從上面的分析可知：同一臺(tái)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(guò)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／rain)，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(dòng)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(yǔ)
1．步距角Ф
指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子所應(yīng)轉(zhuǎn)過(guò)的角度的理論值。步距角
0b=360°／m×z×k
2．齒距角Фs
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°／Zr
3．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
3.3.2 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(hào)，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過(guò)的角度稱為步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可按下式計(jì)算：
Ф=360°／m×k×z
式中 m--步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)：
k--與通電方式有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)通電方式為單拍時(shí)，k=1：雙拍時(shí)，k=2。
z--步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)：
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(dòng)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(dòng)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Tmax 當(dāng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動(dòng)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(kāi)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(dòng)頻率fq 電動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)間，可使加到電動(dòng)機(jī)的電脈沖頻率按一定頻率逐漸增加。
二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
1)必須保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距大于負(fù)載轉(zhuǎn)距，使電動(dòng)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(dòng)慣量與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的要求：
4)使步進(jìn)電動(dòng)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
第4章 機(jī)械傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)
機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：傳動(dòng)元件的設(shè)計(jì)計(jì)算及選用，運(yùn)動(dòng)部件的慣性計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)的選擇等。
4．1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
已知條件: 作臺(tái)重量： W=80kgf=800N
時(shí)間常數(shù)： T=25ms
滾珠絲杠基本導(dǎo)程： L0=8mm
快速進(jìn)給速度： Vmax=6m/min
脈沖當(dāng)量 =0.01mm/脈沖
4．1． 1 切削力計(jì)算
查?機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)? 可知,切削功率：
PC=PηK
式中 P—電機(jī)功率,C620型車(chē)床P=7.5KW；
η—主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率,一般為0.75-0.85,取η=0.8；
K—進(jìn)給系統(tǒng)功率系數(shù),取K=0.96。
則 PC=7.5×0.8×0.96=5.76kw
切削功率應(yīng)按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力（或扭矩）和最大切削速度（或轉(zhuǎn)速）來(lái)計(jì)算，即：
PC= kw
或 PC= kw
式中 FZ—主切削力(N)；
—切削速度(m/min)
T—切削轉(zhuǎn)矩(N.min)
n—主軸轉(zhuǎn)速(r/m)
設(shè)按最大切削速度來(lái)計(jì)算，取v=100m/min
則 FZ= ==3456N
查?機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)?，在一般外圓車(chē)削時(shí)：
Fx=(0.1-0.55)Fz Fy=(0.15-0.65)Fz
取 Fx=0.5Fz=0.5*3456N=1728N
Fy=0.6Fz=0.6*3456.4N=2073.6N
4．1． 2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)計(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇。 （1）計(jì)算載荷F
F=KKKF
式中 K—載荷系數(shù),查表取K=1.3；
K—硬度系數(shù),查表取K=1.0；
K—精度系數(shù),查表取K=1.0；
F—平均工作載荷；
F= KKKF=1.3*1.0*1.0*3456=4493N
（2）計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值C
（3）根據(jù)選擇滾珠絲桿副 假設(shè)選用FC1D型號(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷C等于或稍大于的原則，查表選以下型號(hào)規(guī)格：
FYC1D-4005-5 C=21183N
FYC1D-5006-3 C=21379N
考慮各種因素選用FYC1D-4005-5，由表的絲杠副數(shù)據(jù)：
公稱直徑 D=40mm
導(dǎo)程 p=5mm
螺旋角 =216
滾珠直徑 d=3.175mm
按表中尺寸公式計(jì)算：
滾道半徑 R=0.52 d=0.52=1.651mm
偏心距 e=0.07(R-)=0.07(1.651-)=4.4mm
絲杠內(nèi)徑 d= D+2e-2R=40+2-2=36.71mm
（4）穩(wěn)定性驗(yàn)算
由于滾珠絲杠副支承形式為兩端固定，絲杠一般不會(huì)受壓，無(wú)壓桿穩(wěn)定問(wèn)題。
（5）剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠在工作負(fù)載F（N）和轉(zhuǎn)矩T（Nm）共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量(m)為：
=
A—絲杠截面積
J--絲杠的極慣性矩
G—絲杠切變模量，對(duì)G=83.3GP
T—轉(zhuǎn)矩
T=Ftan()
--摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)
F--平均工作載荷
本題取摩擦系數(shù)為tan=0.0025,則得=840
T=3456(216+840)=2.9Nm
按最不利的情況?。ㄆ渲蠪=F）
==
=+
則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)小于其傳動(dòng)精度的0.5，即
該絲杠的滿足上式，所以剛度可滿足要求。
（6）效率計(jì)算 根據(jù)?機(jī)械原理?的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)效率η為
=
式中 —螺紋的螺旋升角,該絲杠為
—摩擦角約等于
==0.931
4．1． 3確定齒輪傳動(dòng)比
根據(jù)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量，選步進(jìn)電機(jī)的步距角θ=1.20
則 i=1.2×8/360×0.01=2.67
取 Z1=24,Z2=64,m=2mm。齒輪的參數(shù)見(jiàn)表4-1
表4-1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)齒輪參數(shù)
項(xiàng)目
代號(hào)
計(jì)算公式
計(jì)算結(jié)果
小齒輪
大齒輪
小齒輪
大齒輪
模數(shù)
m
2
齒數(shù)
Z
24
64
分度圓直徑
d
d1=mz1
d2=mz2
48
128
齒頂高
ha
ha=h*am
ha=h*am
2
2
齒根高
hf
hf=(h*a+c*)m
hf=(h*a+c*)
2.5
2.5
齒高
h
h= ha+ hf
h= ha+ hf
4.5
4.5
齒頂圓直徑
da
da1= d1+2 ha
da2=d2+2 ha
52
132
齒根圓直徑
df
df1= d1-2 hf
df2=d2-2 hf
43
123
中心距
a
a=( d1+ d2)/2
88
注：表中h*a=1, c*=0.25
4．1． 4 電液脈沖液壓馬達(dá)的選擇
（1）負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算 折算到馬達(dá)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算
JF=J1+ +
式中 JF—折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm2）；
J1，J2—分別為齒輪Z1，Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm2）；
J3—絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm2）。
對(duì)材料為鋼的圓柱形零件，起轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算：
J=7.8×10-4D4L（kg.cm2 ）
式中 D—圓柱零件的直徑(cm);
L—零件軸向長(zhǎng)度(cm).
所以 J1=7.8×10-4×4.84×1 kg.cm2=0.414 kg.cm2
J2=7.8*×10-4×12.84×1 kg.cm2=20.94 kg.cm2
滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：
J= ==29 kg.cm2
JI= kg.cm2=0.026 kg.cm2
總慣量 JF=[0.414+] kg.cm2 =7.44kg.cm2
（2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 根據(jù)能量守恒原理,電機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩
TF==N.m=1.77 N.m
若不考慮起動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響,則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
Tq=
取安全系數(shù)為0.3,則 Tq=1.77/0.3N.m=5.9N.m
對(duì)于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機(jī)
Tjmax=Tq/0.886N.m=6.8N.m
因數(shù)控車(chē)床對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高，確定電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)應(yīng)滿足快速空載起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T的要求
T=Tamax+Tf+T0
式中 Tamax—快速空載起動(dòng)時(shí)產(chǎn)生最大加速度所需的轉(zhuǎn)矩（N.m）；
Tf—克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩（N.m）；
T0—由于絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)軸上的附加轉(zhuǎn)矩（N.m）。
當(dāng)工作臺(tái)快速移動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速
nmax=
由動(dòng)力學(xué)知 Tamax=JF
式中 --角加速度，=。
則 Tamax=JF=
Tf=
T0=
式中 η0—絲杠為預(yù)緊時(shí)的效率, η0=0.953;
F0—預(yù)加載荷,一般為最大軸向載荷的1/3,Fp/3
則 T0=
則 T= Tamax+ Tf+ T0=(6.308+0.065+0.041)N.m=6.414N.m
（3）步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率
fmax =
根據(jù)計(jì)算綜合考慮,查表選用DYM1-B25型電液脈沖液壓馬達(dá).
4． 2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
已知條件：
工作臺(tái)重量 W=30kgf=300N
時(shí)間常數(shù) T=25ms
滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L0=6mm 左旋
快速進(jìn)給速度 vmax=3m/min
脈沖當(dāng)量 =0.005mm/脈沖
4． 2．1切削力計(jì)算
橫向進(jìn)給量為縱向的1/2—1/3，取1/2，則切削力約為縱向的1/2
Fz=3456=1728N
在切斷工件時(shí)：
Fy=0.5Fz=0.51728=864N
4． 2．2滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
絲杠的材料為CrWMn
（1）計(jì)算載荷F
F=KKKF
式中 K—載荷系數(shù),查表取K=1.2；
K—硬度系數(shù),查表取K=1.0；
K—精度系數(shù),查表取K=1.0；
F—平均工作載荷；
F= KKKF=1.2*1.0*1.0*1728=2073.6N；
式中 Fz,Fx—切削分力；
W—移動(dòng)部件的重量；
k—考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，k=1.5；
—導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，=0.15-0.18 取=0.16。
則 Fp=[1.5*691.2+0.16(1382.4+300)]N=1385.984N
當(dāng)機(jī)床以v=100m/min,f=0.3mm/r的用量切削D=80mm的外圓時(shí)，絲杠的轉(zhuǎn)速
n= =r/min=19.9r/min
則 L=60nT/106=60*19.9*15000/106=17.91萬(wàn)轉(zhuǎn)
根據(jù)工作負(fù)載Fp,壽命L，計(jì)算出滾珠絲杠副承受的最大動(dòng)負(fù)荷，取fw=1.2,fH=1
FQ= fwfHFp=*1.2*1*1385.984=4350.9(N)
（2）計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值
=2073.6=8473.3
（3）根據(jù)C選擇滾珠絲杠副
假設(shè)選用F型號(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷等于或稍微大于C的原則查表選擇FC1-2506-2.5
公稱直徑：D=25MM，導(dǎo)程P=6MM，螺旋角r=4°22″，滾珠直徑d=3.175,
按表公式計(jì)算：
滾道半徑R=0.52*d=0.523.175=1.651
偏心距e=0.07(R-)=0.07=4.45mm
絲杠內(nèi)徑：d=D+2e-2R=21.78mm
（4）穩(wěn)定性驗(yàn)算
該絲杠的支撐方式為雙推-單推，在任何情況下，絲杠不承受壓力只承受拉力，因而沒(méi)有壓桿穩(wěn)定性的問(wèn)題。
高速時(shí)長(zhǎng)絲桿工作可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不會(huì)發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速-臨界轉(zhuǎn)速n,要求絲桿的最大轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速
臨界轉(zhuǎn)速n=
Fc--臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)取fc=4.73,μ=1
n=9910=10962.5r/min
n
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