長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置設(shè)計(jì)含8張CAD圖

長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置設(shè)計(jì)含8張CAD圖,長(zhǎng)度,尺寸,測(cè)量,丈量,裝置,設(shè)計(jì),cad 長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置畢業(yè)設(shè)計(jì)(XX) 第51頁(yè) 目錄 第1章 緒論 1 1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程…………………………………….1 1.1.1計(jì)算機(jī)促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 1 1.1.2數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過(guò)程 1 1.2數(shù)控機(jī)床的工作原理 2 1.3 數(shù)控機(jī)床的組成 2 1.4 經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)及主要功能 3 第2章 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng) 4 2.1 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)概述 4 2.2 開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的特征 4 2.3我國(guó)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概括 6 第3章 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 3.1長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置的伺服系統(tǒng) 13 3.2 確定伺服進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)字模型 13 3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 14 3.3.1 步進(jìn)電機(jī)概述 16 3.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 18 第4章 機(jī)械傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 19 4.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 19 4.1.1 切削力的計(jì)算 19 4.1.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 20 4.1.3 確定齒輪傳動(dòng)比 22 4.1.4 電液脈沖液壓馬達(dá)的選擇 23 4.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 25 4.2.1 切削力的計(jì)算 25 4.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 26 4.2.3 確定齒輪傳動(dòng)比 28 4.2.4 電液脈沖液壓馬達(dá)的選擇 29 第5章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 32 5.1 硬件控制電路硬件組成 32 5.1.1 硬件電路組成 32 5.1.2 電路圖信號(hào)流程分析 32 5.2 主要芯片功能介紹 33 5.2.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介 33 5.2.2 管腳功能及適用特征 34 第6章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 40 6.1軟件整體結(jié)構(gòu) 40 6.1.1 子程序結(jié)構(gòu) 40 6.1.2 中斷軟件結(jié)構(gòu) 40 6.2控制系統(tǒng)軟件插補(bǔ)原理 41 6.2.1 直線插補(bǔ)原理 41 6.2.2 圓弧插補(bǔ)原理 43 結(jié)論 34 致謝 35 參考文獻(xiàn) 36 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軸車床、車削中心、雙軸雙刀架車床等；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?。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(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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