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畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)
1．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題的目的和要求：
設(shè)計(jì)目的：在教師的指導(dǎo)下，獨(dú)立完成設(shè)計(jì)任務(wù)，培養(yǎng)較強(qiáng)的創(chuàng)新意識(shí)和學(xué)習(xí)能力，獲得機(jī)械工程師的基本訓(xùn)練。使整個(gè)設(shè)計(jì)在技術(shù)上是先進(jìn)的，在經(jīng)濟(jì)上是合理的，再生產(chǎn)上是可行的。設(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足加工質(zhì)量、生產(chǎn)率、經(jīng)濟(jì)性要求，有一定的特色和見(jiàn)解。
要求：計(jì)算步驟清晰，計(jì)算結(jié)果正確；使用計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、計(jì)算和繪圖；說(shuō)明書(shū)要求文字通順、語(yǔ)言簡(jiǎn)練、圖示清晰。
必須以負(fù)責(zé)的態(tài)度對(duì)待自己所做的技術(shù)決定、數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果。
本設(shè)計(jì)的任務(wù)是：
1）機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
2）電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算
3）繪制X-Y工作臺(tái)裝配圖和主要零部件圖
2．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題的技術(shù)要求與數(shù)據(jù)（或論文主要內(nèi)容）：
設(shè)計(jì)參數(shù)：
X、Y方向的脈沖當(dāng)量=0.01mm;
X方向的定位精度均為mm;
加工范圍為460×420㎜;
工作荷載
工作壽命 15000h
時(shí)間常數(shù)T=30ms；
快速進(jìn)給速度
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)
3．對(duì)本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題成果的要求〔包括圖紙、論文、圖表、實(shí)物等〕：
① 論文字?jǐn)?shù)： 論文不少于2萬(wàn)字 。
② 圖紙幅面和張數(shù)： 圖紙折合總量不少于3張A0。
③ 外文翻譯字?jǐn)?shù)： 英文單詞3000以上 。
④ 參考文獻(xiàn)篇數(shù)： 不少于15篇。
4．主要參考文獻(xiàn)資料：
[1] 鄭學(xué)堅(jiān),周斌.微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用.清華大學(xué)出版社,2003
[2] 李廣弟,朱月秀，王秀山.單片機(jī)基礎(chǔ).北京航空航天大學(xué)出版社,2001
[3] 房小翠.單片微型計(jì)算機(jī)與機(jī)電接口技術(shù).國(guó)防工業(yè)出版社,2002
[4] 王小明. 電動(dòng)機(jī)的單片機(jī)控制. 北京航空航天大學(xué)出版社,2002
[5] 李建勇.機(jī)電一體化技術(shù).科學(xué)出版社.2004
[6] 王愛(ài)玲，白恩遠(yuǎn)，趙學(xué)良.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床.國(guó)防工業(yè)出版社,2001
[7] 徐灝.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)（3）.機(jī)械工業(yè)出版社,2003
[8] 張建民.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京理工出版社,2004
[9] 徐灝等.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000
[10] 濮良貴 ,記名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)[M].北京:高等教育出版社,2003
[11] 吳振彪.機(jī)電綜合設(shè)計(jì)指導(dǎo)[M].湛江:湛江海洋大學(xué),1999
[12].楊入清.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)—系統(tǒng)與結(jié)構(gòu)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻(xiàn)出版社,2000
[13].張立勛,孟慶鑫,張今瑜.機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)出版社,2000
[14].高鐘毓，機(jī)電控制工程．北京：清華大學(xué)出版社,2002 ．
[15].劉助柏，知識(shí)創(chuàng)新思維方法論．北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 1999
畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）任 務(wù) 書(shū)
5．本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題工作進(jìn)度計(jì)劃：
起 迄 日 期
工 作 內(nèi) 容
2008.3.2～ 2008.3.15 布置、講解設(shè)計(jì)題目，熟悉理解設(shè)計(jì)內(nèi)容，借閱圖書(shū)資料；
畢業(yè)實(shí)習(xí) / 調(diào)研，收集、整理、消化、翻譯有關(guān)資料。
2008.3.16～ 2008.4.15 X-Y數(shù)控工作臺(tái)任務(wù)分析、方案設(shè)計(jì)及標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備及通用設(shè)備的選型。
2008.4.16～ 2008.5.23 X-Y數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)計(jì)算及總裝圖設(shè)計(jì)。
2008.5.24～ 2008.6.3 X-Y數(shù)控工作臺(tái)零部件設(shè)計(jì)。
2008.5.4～ 2008.6.10 編寫(xiě)畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)。
2008.6.11～ 2008.6.20 畢業(yè)設(shè)計(jì)審閱、修改，準(zhǔn)備及答辯。
教研室審查意見(jiàn)：
負(fù)責(zé)人：
年 月 日
系部意見(jiàn)：
系主任：
年 月 日
……本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）
摘 要
數(shù)控技術(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)“數(shù)控”，英文：Numerical Control（NC）。是指用數(shù)字、文字和符號(hào)組成的數(shù)字指令來(lái)實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的技術(shù)。它所控制的通常是位置、角度、速度等機(jī)械量和與機(jī)械能量流向有關(guān)的開(kāi)關(guān)量。數(shù)控的產(chǎn)生依賴(lài)于數(shù)據(jù)載體和二進(jìn)制形式數(shù)據(jù)運(yùn)算的出現(xiàn)。數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，是知識(shí)密集、資金密集的現(xiàn)代制造技術(shù)，也是國(guó)家重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)?！?
機(jī)電一體化技術(shù)是微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)與機(jī)械技術(shù)相結(jié)合的綜合性高新技術(shù)，是機(jī)械技術(shù)與微電子技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，機(jī)電一體化技術(shù)獲得前所未有的發(fā)展，成為一門(mén)綜合計(jì)算機(jī)與信息技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感檢測(cè)技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等交叉的系統(tǒng)技術(shù)。
X-Y數(shù)控工作臺(tái)是數(shù)控技術(shù)一個(gè)重要組成部分，它充分利用了單片機(jī)的軟硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制，使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大,加工精度得到了提高。
數(shù)控技術(shù)運(yùn)用于工作臺(tái)有以下優(yōu)勢(shì)：
1 保證了一定的精度，尺寸一致性好
2 可靠性進(jìn)一步得到提高。
3 勞動(dòng)強(qiáng)度低
4 適應(yīng)能力強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益明顯
5 工作環(huán)境好
本文設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括三方面：
總體方案確定，包括機(jī)械與數(shù)控設(shè)計(jì)兩個(gè)大方面：
機(jī)械部分的設(shè)計(jì)包括：傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，減速器設(shè)計(jì)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等
控制部分的設(shè)計(jì)包括： PLC的選型與控制流程的設(shè)計(jì)。
本題目是步進(jìn)電機(jī)，數(shù)控技術(shù)，單片機(jī)匯編語(yǔ)言的綜合應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： X-Y數(shù)控工作臺(tái)；機(jī)電系統(tǒng)；微型計(jì)算機(jī)；單片機(jī)
Abstract
Numerical control technology, referred to as "NC." English: Numerical Control (NC). Refers to numbers, words and symbols the number of instructions to implement one or more mechanical equipment motor control technology. Usually its control position, angle, speed and other machinery and mechanical energy flow volume and the volume switch. NC data generation depends on the binary form of data carriers and the emergence of computing. CNC technology is the modern industrial automation, flexibility, integrated production is based on a knowledge-intensive, capital-intensive modern manufacturing technology, is the national focus on the development of cutting-edge technology.
Mechatronics is the microelectronics, computer technology, information technology and mechanical technology combined with the integrated high technology, mechanical technology and combination of microelectronic technology. With the rapid development of computer technology and extensive application of mechatronics achieve great development and become an integrated computer and information technology, control technology, sensor detection, servo drive technology and mechanical technology, cross-system technology.
CNC XY table is an important part of numerical control technology, which make full use of the PLC hardware and software features to achieve the machine's control extended to the processing machine, machining accuracy is improved.
CNC technology used in table has the following advantages:
1.to ensure a certain accuracy, size and good consistency
2.to further improve reliability.
3. low labor intensity
4.adaptable, economic benefit is obvious
5.good working environment
This design includes three aspects:
Determine the overall program, including mechanical and digital control design of two major areas:
The design of mechanical parts, including: transmission system design, Reducer design, motion design, etc.
Control part of the design include: PLC controlled process of selection and design.
This topic is stepper motor, CNC technology, SCMcomprehensive application of assembly language.
Key words：CNC XY Table; mechanical and electrical systems; micro-computer; SCM
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒 論 1
1.1 X-Y數(shù)控工作臺(tái)研究背景 1
1.2 X-Y工作臺(tái)研究意義 1
1.3 X-Y 工作臺(tái)的現(xiàn)狀與發(fā)展 2
2 X-Y工作臺(tái)整體方案設(shè)計(jì) 5
2.1 設(shè)計(jì)方案分析 5
2.2 X-Y工作臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 7
2.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及其依據(jù) 7
3 X-Y工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.1 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算 8
3.2 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型 8
3.3 絲杠的計(jì)算 9
3.4 電機(jī)的確定 13
3.5 減速器的確定 16
4 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 22
4.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介 22
4.2 步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介 24
4.3 編碼器簡(jiǎn)介 24
4.4行程開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介 25
結(jié) 論 27
致 謝 28
參考文獻(xiàn) 29
附錄一 英語(yǔ)論文 30
附錄二 漢語(yǔ)翻譯 35
38
1 緒 論
1.1 X-Y數(shù)控工作臺(tái)研究背景
由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透，從而導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與進(jìn)步。尤其是在機(jī)械工程領(lǐng)域，機(jī)械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機(jī)構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系都發(fā)生了巨大得變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機(jī)械電氣化”邁入了“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。
數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備，又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。
隨著科技領(lǐng)域日新月異的發(fā)展，特別是在航天航空、尖端軍事、精密儀器等方面，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品制造精度和復(fù)雜程度的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的加工技術(shù)已很難適應(yīng)現(xiàn)代制造業(yè)的需求。譬如，用普通車(chē)床加工圓弧，普通銑床加工空間曲面，以及加工精度對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響，加工效率對(duì)制造成本的影響等，這些都是一直困擾人們的難題。還有，當(dāng)機(jī)械產(chǎn)品轉(zhuǎn)型時(shí)，機(jī)床和工藝裝備需要做大的調(diào)整，周期較長(zhǎng)，成本高，也就是說(shuō)傳統(tǒng)的加工技術(shù)已很難滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品高精度、高效率的要求，因此，基于X-Y數(shù)控工作臺(tái)技術(shù)的機(jī)床應(yīng)運(yùn)而生。
對(duì)X-Y工作臺(tái)的設(shè)計(jì)屬于數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域，數(shù)控技術(shù)的自動(dòng)化水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)使用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。
1.2 X-Y工作臺(tái)研究意義
X-Y數(shù)控精密工作臺(tái)采用滾珠直線(xiàn)導(dǎo)軌副為導(dǎo)向支承，滾珠絲杠副為運(yùn)動(dòng)執(zhí)行元件的結(jié)構(gòu)，具有精度高、效率高、壽命長(zhǎng)、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結(jié)構(gòu)緊湊、通用性強(qiáng)等特點(diǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于測(cè)量、激光焊接、激光切割，涂膠、打孔，插件、小型數(shù)控機(jī)床、射線(xiàn)掃描、雕銑機(jī)及實(shí)用教學(xué)等場(chǎng)合。
X-Y數(shù)控工作臺(tái)是許多機(jī)電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車(chē)床的縱—橫向進(jìn)刀機(jī)構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺(tái)、激光加工設(shè)備的工作臺(tái)、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的X-Y數(shù)控工作臺(tái)，通常由導(dǎo)軌座、移動(dòng)滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動(dòng)機(jī)等部件構(gòu)成。其中伺服電動(dòng)機(jī)做執(zhí)行元件用來(lái)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動(dòng)滑塊和工作平臺(tái)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)，完成工作臺(tái)在X、Y方向的直線(xiàn)移動(dòng)。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動(dòng)機(jī)等均已標(biāo)準(zhǔn)化，由專(zhuān)門(mén)廠(chǎng)家生產(chǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)只需根據(jù)工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專(zhuān)用的微機(jī)控制系統(tǒng)。
1.3 X-Y 工作臺(tái)的現(xiàn)狀與發(fā)展
在我國(guó)對(duì)外開(kāi)放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展數(shù)控技術(shù)及裝備，提高我國(guó)制造業(yè)信息化水平和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力是新的重要要求，并從戰(zhàn)略和策略?xún)蓚€(gè)層面提出了發(fā)展我國(guó)數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。
裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的水品和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新型高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備，又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)使用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過(guò)程進(jìn)行控制的技術(shù)，而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。
（一） 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)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，它對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)，入IT、汽車(chē)、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢(shì)來(lái)看，其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：
（1） 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì)
效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。從EMO2001展會(huì)情況來(lái)看，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min，甚至更高，空運(yùn)行速度可達(dá)100m/min左右。目前世界上許多汽車(chē)廠(chǎng)，包括我國(guó)的上海通用汽車(chē)公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線(xiàn)部分替代組合車(chē)床。在加工精度方面，近10年來(lái)，普通數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10um，提高到5um，精密級(jí)加工中心則從3~5um，提高到1~1.5um并且超精密加工精度一開(kāi)始進(jìn)入納米級(jí)。為了實(shí)現(xiàn)高速、高精加工，與這配套的功能部件如電主軸、直線(xiàn)電機(jī)得到了快速的發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。
（2）5軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切割，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。但過(guò)去因5軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因，其價(jià)格要比3軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床的發(fā)展。當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實(shí)現(xiàn)5軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類(lèi)型 5軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床 含5面加工機(jī)床的發(fā)展。
（3）智能化、開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì)
21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個(gè)方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過(guò)程的自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動(dòng)生成；為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運(yùn)算、自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開(kāi)放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來(lái)之路。所謂開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上，面向機(jī)床廠(chǎng)家和最終用戶(hù)，通過(guò)改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象數(shù)控功能，形成系列化，并可方便地將用戶(hù)的特殊應(yīng)用和技巧集成到控制系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)不同品種、不同檔次的開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品。目前開(kāi)放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運(yùn)行平臺(tái)、數(shù)控系統(tǒng)功能庫(kù)以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開(kāi)發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國(guó)際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn)。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿(mǎn)足生產(chǎn)線(xiàn)、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求，也是實(shí)現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元，反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的趨勢(shì)
（二）對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)機(jī)器廠(chǎng)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì)
我國(guó)數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國(guó)外的技術(shù)封鎖和我國(guó)基礎(chǔ)條件的制約，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國(guó)家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進(jìn)技術(shù)，消化吸收，初步建立起國(guó)產(chǎn)化體系階段。在此階段，由于改革開(kāi)放和國(guó)家的重視，以及研究開(kāi)發(fā)環(huán)境和國(guó)際環(huán)境的改善，我國(guó)數(shù)控技術(shù)的研究、開(kāi)發(fā)以及在產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化方面都取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。第三階段是在國(guó)家的“八五”的后期和“九五”期間，即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究，進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段。縱觀我國(guó)數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過(guò)4個(gè)5年計(jì)劃的攻關(guān)，總體來(lái)看取得的成績(jī)還是不小。
（三）對(duì)我國(guó)數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
（1）戰(zhàn)略考慮。我國(guó)是制造大國(guó)，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移，所以，我們應(yīng)站在國(guó)家安全戰(zhàn)略的高度來(lái)重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問(wèn)題。首先從社會(huì)安全看，因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國(guó)就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國(guó)就業(yè)的壓力，保障社會(huì)的穩(wěn)定；其次從國(guó)防安全看，西方發(fā)達(dá)國(guó)家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國(guó)家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制，“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”都是最好的例證。
（2）發(fā)展策略。從我國(guó)基本國(guó)情的角度出發(fā)，以國(guó)家的戰(zhàn)略需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，以提高我國(guó)制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo)，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國(guó)制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開(kāi)發(fā)的內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨越式發(fā)展。強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主，以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車(chē)床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、曲型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模的問(wèn)題。沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品；沒(méi)有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)值低廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品；當(dāng)然，沒(méi)有規(guī)模中國(guó)的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。
2 X-Y工作臺(tái)整體方案設(shè)計(jì)
2.1 設(shè)計(jì)方案分析
圖2.1 X-Y工作臺(tái)整體方案
2.1.1 機(jī)械方案設(shè)計(jì)
①伺服電動(dòng)機(jī)的選用
任務(wù)書(shū)規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有2000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性?xún)r(jià)比。
②導(dǎo)軌副的選用
要設(shè)計(jì)數(shù)控車(chē)床工作臺(tái)，需要承受的載荷不大，而且脈沖當(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線(xiàn)滑動(dòng)導(dǎo)軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動(dòng)效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便等優(yōu)點(diǎn)。
③絲杠螺母副的選用
伺服電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)需要通過(guò)絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，需要滿(mǎn)足0.01mm脈沖當(dāng)量和mm的定位精度，滑動(dòng)絲杠副無(wú)能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達(dá)到要求，滾珠絲桿副的傳動(dòng)精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長(zhǎng)、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。
④減速裝置的選用
選擇了步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)量，放大電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運(yùn)動(dòng)部件折算到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，可能需要減速裝置，選用無(wú)間隙齒輪傳動(dòng)減速箱。
⑤檢測(cè)裝置的選用
選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)作為伺服電動(dòng)機(jī)后，可選開(kāi)環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書(shū)所給的精度對(duì)于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是偏高，為了確保電動(dòng)機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不受切削負(fù)載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動(dòng)機(jī)的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角相匹配。
考慮到X、Y兩個(gè)方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計(jì)工作量，X、Y兩個(gè)坐標(biāo)的導(dǎo)軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動(dòng)機(jī)以及檢測(cè)裝置擬采用相同的型號(hào)與規(guī)格。
圖 2.2 X-Y工作臺(tái)
2.1.2 控制方案設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時(shí)主要考慮以下功能：
（1） 接收鍵盤(pán)數(shù)據(jù)，控制LED顯示
（2） 接受操作面板的開(kāi)關(guān)與按鈕信息；
（3） 接受車(chē)床限位開(kāi)關(guān)信號(hào)；
（4） 接受電動(dòng)卡盤(pán)夾緊信號(hào)與電動(dòng)刀架刀位信號(hào)；
（5） 控制X，Z向步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)器；
（6） 控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；
（7） 控制多速電動(dòng)機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級(jí)變速；
（8） 控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無(wú)級(jí)變速；
（9） 控制切削液泵啟動(dòng)/停止；
（10） 控制電動(dòng)卡盤(pán)的夾緊與松開(kāi)；
（11） 控制電動(dòng)刀架的自動(dòng)選刀；
（12） 與PC機(jī)的串行通信。
2.2 X-Y工作臺(tái)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖如圖所示。
圖 2-3 進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)示意圖
2.3 主要設(shè)計(jì)參數(shù)及其依據(jù)
X、Y方向的脈沖當(dāng)量=0.01mm;
X方向的定位精度均為mm;
加工范圍為460×420㎜;
工作荷載
工作壽命 15000h
時(shí)間常數(shù)T=30ms；
快速進(jìn)給速度
3 X-Y工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算
X向拖板（上拖板）尺寸：
長(zhǎng)寬高 600×190×50
重量：按重量=體積×材料比重估算
Y向拖板（下拖板）尺寸：
重量：約670N。
上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：
夾具及工件重量：約155N 。
X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量：約1828N。
3.2 直線(xiàn)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型
根據(jù)給定的工作荷載和估算的和計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)
（3-1）
式中， 為導(dǎo)軌的基本靜額定荷載 KN；
工作荷載：
（3-2）
(一般運(yùn)行情況)（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）
根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌：
因系統(tǒng)受到中等沖擊，所以??；
（3-3）
（3-4）
根據(jù)計(jì)算額定靜荷載初選導(dǎo)軌：
選擇SV2R系列滑動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌，其型號(hào)為：SV2R28-460
圖 3-1 直線(xiàn)滑動(dòng)導(dǎo)軌
表3-1 導(dǎo)軌規(guī)格
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑座重量
導(dǎo)軌重量
導(dǎo)軌長(zhǎng)度
動(dòng)載荷
靜載荷
L(mm)
7200
12100
58
58
135
0.20
2.4
460
表 3-2 導(dǎo)軌規(guī)格
滑座個(gè)數(shù)
單向行程長(zhǎng)度
每分鐘往復(fù)次數(shù)
2
0.6
4
導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷
3.3 絲杠的計(jì)算
3.3.1 滾珠絲杠副導(dǎo)程的確定
初選絲杠HRC60,導(dǎo)程
3.3.2 強(qiáng)度計(jì)算
絲杠軸向力：
（3-5）
其中：,滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，是最大切削力下的進(jìn)給速度，可取最高速度的()，在此我取1/3;
可取 計(jì)算：
取 ,則：
壽命值
， （3-6）
其中絲杠轉(zhuǎn)速
（3-7）
最大動(dòng)載荷
（3-8）
式中：為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；為硬度系數(shù)，時(shí)為1.0。
查表得中等沖擊時(shí)，，則：
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，其根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選
圖 3-1 絲杠螺母副
擇滾珠絲杠的型號(hào)為：CM系列滾珠絲杠，其型號(hào)為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下：
表 3-3 滾珠絲杠副尺寸參數(shù)
絲杠代號(hào)
公稱(chēng)直徑
基本導(dǎo)程
絲杠外徑
絲杠底徑
循環(huán)圈數(shù)
額定荷載N
剛度
動(dòng)載荷
靜載荷
20
5
19.5
16.76
5
14205
38244
730
螺母安裝尺寸
油杯孔
60
48
12
40
53
68
10
6
其額定動(dòng)載荷為足夠用，滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式，預(yù)緊方式采用單螺母螺紋預(yù)緊形式。
表3-4 滾珠絲杠副的幾何參數(shù)
名稱(chēng)
結(jié)果
公稱(chēng)直徑
20mm
螺距t
5mm
接觸角
45
鋼球直徑
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.4489mm
螺紋升角
4.6
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內(nèi)徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.775mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）
20.7mm
3.3.3 傳動(dòng)效率計(jì)算
（3-9）
式中：——摩擦角；——絲杠螺紋升角。
3.3.4 剛度驗(yàn)算
滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量：
（3-10）
Y向所受牽引力大，故應(yīng)用Y向參數(shù)計(jì)算：
(3-11)
所以
絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。
所以導(dǎo)程總誤差
查表知E級(jí)精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。
3.3.5穩(wěn)定性驗(yàn)算
由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算。
3.4 電機(jī)的確定
3.4.1 步進(jìn)電機(jī)折算轉(zhuǎn)動(dòng)慣量近似計(jì)算
(3-12)
式中 ——電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；
、 —— 齒輪、的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（）；
—— 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
參考同類(lèi)機(jī)床，初選反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)150BF，其轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
代入上式：
考慮步進(jìn)電機(jī)與傳動(dòng)系統(tǒng)慣量匹配問(wèn)題。
基本滿(mǎn)足慣量匹配的要求。
3.4.2 確定步進(jìn)電機(jī)的選型
機(jī)床在不同的工況下，其所需轉(zhuǎn)矩不同，下面分別按各階段計(jì)算：
①快速空載啟動(dòng)力矩
具體計(jì)算公式如下：
(3-13)
(3-13)
將前面數(shù)據(jù)代入式中：
啟動(dòng)加速時(shí)間
折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩：
附加摩擦力矩
(3-14)
上述三項(xiàng)合計(jì)：
=
②快速移動(dòng)時(shí)所需力矩
(3-15)
③最大切削負(fù)載時(shí)所需力矩
從上面計(jì)算可以看出，以快速空載起動(dòng)所需力矩最大，以此項(xiàng)作為初選步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。
當(dāng)步進(jìn)電機(jī)為五相十拍時(shí)
(3-16)
最大靜力矩
(3-17)
按此最大靜力矩，我們選擇150BF003型最大靜力矩為13.72。大于所需最大靜力矩，可作為初選型號(hào)，但還必須進(jìn)一步考核步進(jìn)電機(jī)起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性。
④計(jì)算步進(jìn)電機(jī)空載起動(dòng)頻率和切削時(shí)的工作頻率
為使電機(jī)不產(chǎn)生失步，空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率，查表，選擇兩個(gè)150BF003型反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)：
圖3-2 150BF003反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)
表3-5 150BF003反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
型號(hào)
相數(shù)
步距角
電壓
電流
最大靜轉(zhuǎn)距
空載啟動(dòng)頻率
空載運(yùn)行頻率
分配方式
150BF003
5
0.5/1.5
110
13
18.5
2600
12000
五相十拍
重量
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
16.5
10
3.5 減速器的確定
3.5.1 傳動(dòng)比的確定
因步進(jìn)電機(jī)步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量，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
（3-18）
1) 選擇使用圓柱直齒輪
2) 一般機(jī)器,速度不高,選用7級(jí)精度(GB10095-88)
3) 材料選擇,由《機(jī)械設(shè)計(jì)》中知選擇:
小齒輪材料為40Cr(調(diào)質(zhì)處理)硬度為280HBS.
大齒輪材料為45鋼(調(diào)質(zhì)處理)硬度為240HBS,
硬度差為40HBS.
4）由傳動(dòng)比可選擇一級(jí)減速器
3.5.2減速器整體方案的確定
圖3-3 減速箱整體設(shè)計(jì)
3.5.3 齒輪結(jié)構(gòu)主要參數(shù)的確定
選 ，
因傳遞的扭矩較小，選擇模數(shù);
表 3-6 齒輪尺寸
分度圓壓力角大小齒輪均采用漸開(kāi)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪。
3.5.4減速器參數(shù)的確定
聯(lián)軸器1傳動(dòng)效率：
聯(lián)軸器2傳動(dòng)效率：
閉式齒輪傳動(dòng)效率：
滾動(dòng)軸承效率：
得
高速軸參數(shù)：
由公式
（3-19）
得高速軸轉(zhuǎn)速。
由傳動(dòng)比及效率確定低速軸參數(shù)：
3.5.5軸的設(shè)計(jì)計(jì)算
齒輪軸的尺寸
圖 3-4 齒輪軸尺寸
高速軸的尺寸
圖 3-5 高速軸尺寸
3.5.6聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是將主動(dòng)軸與從動(dòng)軸連接起來(lái)并在傳遞轉(zhuǎn)矩中一起旋轉(zhuǎn)又不脫開(kāi)的裝置，用于連接同在一個(gè)軸線(xiàn)的兩軸端部。由于兩軸在制造、安裝、機(jī)座的結(jié)構(gòu)剛性、定位安裝面存在誤差等原因，兩軸的旋轉(zhuǎn)中心線(xiàn)可能出現(xiàn)徑向、軸向和角度偏移，為了不使軸與軸實(shí)現(xiàn)連接的聯(lián)軸器造成安裝困難、并引起額外的荷載和震動(dòng)，聯(lián)軸器必須有補(bǔ)償軸線(xiàn)偏移的功能，還應(yīng)有消除或減少周線(xiàn)偏移引起的附加載荷和震動(dòng)的功能。為適應(yīng)聯(lián)軸器不同功能的需要，我國(guó)已有不同品種、規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)系列聯(lián)軸器。
剛性聯(lián)軸器分為凸緣聯(lián)軸器和套筒聯(lián)軸器兩種，前者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造容易，成本較低，工作可靠，剛性好，傳遞轉(zhuǎn)矩大。但無(wú)補(bǔ)償所聯(lián)兩軸相對(duì)偏移的功能，不能緩沖減震。當(dāng)兩軸對(duì)中精度較低時(shí)，將在軸和軸承中引起較大的附加荷載。適用于所聯(lián)兩軸對(duì)中精確、載荷平穩(wěn)、高速或要求傳動(dòng)精度高的傳動(dòng)軸承。后者結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易，徑向尺寸小，成本低。裝拆時(shí)需沿軸向移動(dòng)較大距離，且只能連接兩軸直徑相同的圓柱形軸身。無(wú)補(bǔ)償所聯(lián)兩軸相對(duì)偏移的能力，要求兩軸精確對(duì)中。一般用于中小功率傳動(dòng)，其中花鍵連接套筒聯(lián)軸器可以傳遞很大轉(zhuǎn)矩。
非金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，更換易損件方便，具有一定的緩沖減震和補(bǔ)償所聯(lián)兩軸相對(duì)偏移的能力。徑向尺寸較大，不宜用于高速和低速重載場(chǎng)所。
金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器分為金屬膜片連軸器和十字軸式萬(wàn)向聯(lián)軸器，前者具有機(jī)械強(qiáng)度高、承載能力大、重量和結(jié)構(gòu)尺寸小、傳動(dòng)效率高、傳動(dòng)精度高、不需潤(rùn)滑、平衡精度高、裝拆方便、無(wú)噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但緩沖減震性能不及其他金屬元件撓性聯(lián)軸器。具有一定的補(bǔ)償所聯(lián)兩軸相對(duì)偏移的能力。可部分取代鼓形齒式聯(lián)軸器。還有耐高、低溫，耐酸堿等，腐蝕介質(zhì)的優(yōu)點(diǎn)。高精度金屬膜片連軸器可用于很高轉(zhuǎn)速。
聯(lián)軸器的計(jì)算轉(zhuǎn)矩，查表14-1，考慮為輸送機(jī)，轉(zhuǎn)矩變化很小，故取1.7，所以
在此，我選擇金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器中的高剛性模片式 兩側(cè)鍵槽型聯(lián)軸器CPSHWK65-15-15。
圖3-4 金屬?gòu)椥栽闲月?lián)軸器
3.5.7 軸承的選擇
①載荷是選擇軸承最主要的依據(jù)，通常應(yīng)根據(jù)載荷的大小、方向和性質(zhì)選擇軸承。
⑴載荷大小?一般情況下，滾子軸承由于是線(xiàn)接觸，承載能力大，適于承受較大載荷；球軸承由于是點(diǎn)接觸，承載能力小，適用于輕、中等載荷。各種軸承載荷能力一般以額定載荷比表示。
⑵載荷方向?純徑向力作用，宜選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承，也可考慮選用調(diào)心軸承。純軸向載荷作用，選用推力球軸承或推力滾子軸承。徑向載荷和軸向載荷聯(lián)合作用時(shí)，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，這兩種軸承隨接觸角。增大承受軸向載荷能力提高。若徑向載荷較大而軸向載荷較小時(shí)，也可選用深溝球軸承和內(nèi)、外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承。若軸向載荷較大而徑向載荷較小時(shí)，可選用推力角接觸球軸承、推力圓錐滾子軸承。
⑶載荷性質(zhì)?有沖擊載荷時(shí)，宜選用滾子軸承。
②高速性能 一般摩擦力矩小、發(fā)熱量小的軸承高速性能好。球軸承比滾子軸承有較高的極限轉(zhuǎn)速，故高速時(shí)應(yīng)優(yōu)先考慮選用球軸承。徑向載荷小時(shí)，選用深溝球軸承:徑向載荷大時(shí)，選用圓柱滾子軸承。對(duì)聯(lián)合載荷，載荷小時(shí)，選用角接觸球軸承；載荷大時(shí)，選用圓錐滾子軸承或圓柱滾子軸承與角接觸球軸承組合。在相同內(nèi)徑時(shí)，外徑越小，滾動(dòng)體越輕越小，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)滾動(dòng)體作用在外圈上的離心力也越小，因此更適于較高轉(zhuǎn)速下工作。在一定條件下，工作轉(zhuǎn)速較高時(shí)，宜選用直徑系列為8，9，0，1的軸承。保持架的材料與結(jié)構(gòu)對(duì)軸承轉(zhuǎn)速影響很大。實(shí)體保持架比沖壓保持架允許的轉(zhuǎn)速高。高速重載的軸承需驗(yàn)算其極限轉(zhuǎn)速。
③軸向游動(dòng)性能 一般機(jī)械工作時(shí)，因機(jī)械摩擦或工作介質(zhì)的關(guān)系而使軸發(fā)熱，從而有熱脹冷縮產(chǎn)生。在選擇軸承結(jié)構(gòu)類(lèi)型時(shí)，應(yīng)使其軸有鈾向游動(dòng)的可能性。因此，常在軸的某一端選用一內(nèi)圈或一外圈無(wú)擋邊的圓柱滾子軸承或滾針軸承，以適應(yīng)由于熱脹冷縮而引起軸的伸長(zhǎng)或縮短。
④調(diào)心性能 當(dāng)軸兩端軸承孔同軸性差（制造誤差或安裝誤差所致）或軸的剛度小，變形較大，以及多支點(diǎn)軸，均要求軸承調(diào)心性好，這時(shí)應(yīng)選用調(diào)心球軸承或調(diào)心滾子軸承。
⑤允許的空間 在機(jī)械設(shè)計(jì)中，一般都是先確定軸的尺寸，然后根據(jù)軸的尺寸來(lái)確定軸承的尺寸。小軸選用球軸承，大軸選用滾子軸承；在內(nèi)徑尺寸（即軸尺寸）已確定，若徑向尺寸受限，可選用滾針軸承或直徑系列為8，9，0，回的軸承；若寬度尺寸受限，可選用寬度系列為8，0的軸承。
⑥安裝與拆卸方便 對(duì)于軸承使用壽命一般都難以等同主機(jī)使用壽命，在實(shí)際使用中軸承作為易損件要經(jīng)常裝拆。因此，在選用軸承結(jié)構(gòu)類(lèi)型時(shí)應(yīng)要求裝拆方便?？煞蛛x型的接觸球軸承、圓柱滾子軸承。圓錐滾子軸承、推力軸承和內(nèi)圈為錐孔、帶緊定套或退卸套的調(diào)心滾子軸承、調(diào)心球軸承等均具有裝拆方便性能。
圖 3-5 61903深溝球軸承
在此我選擇內(nèi)徑17，外徑30，厚度7的深溝球軸承，型號(hào)61903
4 數(shù)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
4.1 單片機(jī)簡(jiǎn)介
4.1.1 單片機(jī)的發(fā)展趨勢(shì)
為適應(yīng)嵌入式應(yīng)用的需求，單片微控制器應(yīng)運(yùn)而生，發(fā)展極其迅速。從70年代至今，單片機(jī)發(fā)展成為一個(gè)品種齊全，功能豐富的龐大家庭。單片機(jī)是微型計(jì)算機(jī)的一個(gè)分支，是在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM存儲(chǔ)器、I/O接口等而構(gòu)成的微型計(jì)算機(jī)。因?yàn)樗饕獞?yīng)用于工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域，因此單片機(jī)在出現(xiàn)時(shí)，intel公司就給單片機(jī)取名為嵌入式微控制器。
4.1.2 單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)
單片機(jī)是以工業(yè)測(cè)控對(duì)象、環(huán)境、接口特點(diǎn)出發(fā)向著增強(qiáng)控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性方向發(fā)展。主要特點(diǎn)如下：
1.種類(lèi)多，型號(hào)全。很多單片機(jī)廠(chǎng)家逐年擴(kuò)大適應(yīng)各種需要，有針對(duì)性地推出一系列型號(hào)產(chǎn)品，使系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工程師有很大的選擇余地。大部分產(chǎn)品有較好的兼容性，保證了已開(kāi)發(fā)產(chǎn)品能順利移植，較容易地使產(chǎn)品進(jìn)行升級(jí)換代。
2. 提高性能，擴(kuò)大容量，性能價(jià)格比高。集成度已經(jīng)達(dá)到300萬(wàn)個(gè)晶體管以上，總線(xiàn)速度達(dá)到數(shù)十微妙到幾百納秒，指令執(zhí)行周期已經(jīng)達(dá)到幾微妙到數(shù)十納秒，以往片外XRAM現(xiàn)已在物理上存入片內(nèi)，ROM容量已經(jīng)擴(kuò)充達(dá)32K，64K，128K以致更大的空間。價(jià)格從幾百到幾元不等。
3. 增加控制功能，向真正意義上的“單片”機(jī)發(fā)展。把原本是外圍接口芯片的功能集成到一塊芯片內(nèi)，在一片芯片中構(gòu)造了一個(gè)完整的功能強(qiáng)大的微處理應(yīng)用系統(tǒng)。
4.低功耗?，F(xiàn)在新型單片機(jī)的功耗越來(lái)越小，供電電壓從5V降低到了3.2V，甚至1V，工作電流從mA降到μA級(jí)，gz2頻率從十幾兆可編程到幾十千赫茲。特別是很多單片機(jī)都設(shè)置了多種工作方式，這些工作方式包括等待，暫停，睡眠，空閑，節(jié)電等。
5. C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)環(huán)境，友好的人機(jī)互交環(huán)境。大多數(shù)單片機(jī)都提供基于C語(yǔ)言開(kāi)發(fā)平臺(tái)，并提供大量的函數(shù)供使用，這使產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期、代碼可讀性、可移植性都大為提高。
4.1.3 單片機(jī)的應(yīng)用發(fā)展方向
1.使用壽命長(zhǎng)。這里所說(shuō)的長(zhǎng)壽命，一方面指用單片機(jī)開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品可以穩(wěn)定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指與微處理器相比的長(zhǎng)壽命。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，MPU更新?lián)Q代的速度約來(lái)約快。可以預(yù)見(jiàn)，一些成功上市的相對(duì)年輕的CPU核心，也會(huì)隨著I/O功能模塊的不斷豐富，有著相當(dāng)長(zhǎng)的生存周期。新的CPU類(lèi)型的加盟，使單片機(jī)隊(duì)伍不斷壯大，給用戶(hù)帶來(lái)了更多的選擇余地。8位、16位、32位單片機(jī)共同發(fā)展是當(dāng)前單片機(jī)發(fā)展的另一個(gè)動(dòng)向之一。長(zhǎng)期以來(lái)，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展是以8位機(jī)為主的。隨著移動(dòng)通訊、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)等高科技產(chǎn)品進(jìn)入家庭，32位單片機(jī)應(yīng)用得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。以Mororola68K為CPU的32位單片機(jī)97年的銷(xiāo)售量達(dá)到了8千萬(wàn)枚。過(guò)去認(rèn)為由于8位單片機(jī)功能越來(lái)越強(qiáng)，32位機(jī)越來(lái)越便宜，使16位機(jī)單片機(jī)生存空間有限，而16位單片機(jī)的發(fā)展無(wú)論從品種和產(chǎn)量方面，近年來(lái)都有較大幅度的增長(zhǎng)。
2.速度越來(lái)越快。MUP發(fā)展中表現(xiàn)出來(lái)的速度越來(lái)越快是以時(shí)鐘頻率越來(lái)越高為標(biāo)志的。而單片機(jī)則有所不同，為提高單片機(jī)抗干擾能力，降低噪音，降低時(shí)鐘頻率而不犧牲運(yùn)算速度是單片機(jī)技術(shù)發(fā)展之追求。改善單片機(jī)的內(nèi)部時(shí)序，在不提高時(shí)鐘頻率的條件下，使運(yùn)算速度提高了很多。
3. 低噪聲和高可靠性技術(shù)。在單片機(jī)應(yīng)用中，可靠性是首要因素，位了擴(kuò)大單片機(jī)的應(yīng)用范圍和領(lǐng)域，提高單片機(jī)自身的可靠性是一種有效的方法。今年來(lái)，單片機(jī)的生產(chǎn)廠(chǎng)家愛(ài)在單片機(jī)設(shè)計(jì)上采用了各種提高可靠性的新技術(shù)，這些新技術(shù)表現(xiàn)在如下幾點(diǎn)：首先，EFT技術(shù)。EFT技術(shù)是一種抗干擾技術(shù)，它是指在振蕩電路的正弦信號(hào)受到外界干擾時(shí)，其波形上會(huì)迭加各種毛刺信號(hào)，人使用施密特電路對(duì)其整形，則毛刺會(huì)成為觸發(fā)信號(hào)干擾正常的時(shí)鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時(shí)，就可以消除這些毛刺另其作用失效，從而保證系統(tǒng)的時(shí)鐘信號(hào)正常工作。這樣，就提高了單片機(jī)工作的可靠性。其次，低噪聲布線(xiàn)技術(shù)及驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在傳統(tǒng)的單片機(jī)中，電源及地線(xiàn)是在集成電路外殼的對(duì)稱(chēng)引腳上，一般是在左上、右下或右上左下的兩塊對(duì)稱(chēng)稱(chēng)點(diǎn)上。這樣，就使電源噪聲穿過(guò)整塊芯片，對(duì)單片機(jī)的內(nèi)部電路造成干擾?，F(xiàn)在，很多單片機(jī)都把地線(xiàn)和電源引腳安排在兩條相鄰的引腳上。這樣，不僅降低了穿過(guò)整個(gè)芯片的電流，另外還在印制電路板上容易布置去耦電容，從而降低系統(tǒng)的噪聲。
4. OTP與掩膜。OTP是一次性寫(xiě)入的單片機(jī)。過(guò)去認(rèn)為一個(gè)單片機(jī)產(chǎn)品的成熟是以投產(chǎn)掩膜型單片機(jī)為標(biāo)志的。由于掩膜需要一定的生產(chǎn)周期，而OTP型單片機(jī)價(jià)格不斷下降，使得近年來(lái)直接使用OTP完成最終產(chǎn)品制造更為流行。它較之掩膜具有生產(chǎn)周期短、風(fēng)險(xiǎn)小的特點(diǎn)。近年來(lái)，OTP型單片機(jī)需量大幅度上揚(yáng)，為適應(yīng)這種需求許多單片機(jī)都采用了在編程技術(shù)（In Sytem Programming）。為編程的OTP芯片可以采用裸片Bonding技術(shù)或表面貼技術(shù)，先焊在印刷版上，然后通過(guò)單片機(jī)上引出的編程線(xiàn)、串行數(shù)據(jù)、時(shí)鐘線(xiàn)等對(duì)單片機(jī)編程。解決了批量寫(xiě)OTP芯片時(shí)容易出現(xiàn)的芯片寫(xiě)入器接觸不好的問(wèn)題，使得OTP的裸片得以廣泛使用，降低了產(chǎn)品的成本。編程線(xiàn)與I/O線(xiàn)共用，不增加單片機(jī)的額外引腳。
4.2 步進(jìn)電機(jī)的簡(jiǎn)介
圖4-1 步進(jìn)電機(jī)
步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€(xiàn)位移的開(kāi)環(huán)控制元件。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，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。由于脈沖信號(hào)數(shù)與步距角的線(xiàn)性關(guān)系，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。
步進(jìn)電機(jī)是一種感應(yīng)電機(jī)，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制電流，用這種電流為步進(jìn)電機(jī)供電，步進(jìn)電機(jī)才能正常工作，驅(qū)動(dòng)器就是為步進(jìn)電機(jī)分時(shí)供電的，多相時(shí)序控制器
雖然步進(jìn)電機(jī)已被廣泛地應(yīng)用，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進(jìn)電機(jī)卻非易事，它涉及到機(jī)械、電機(jī)、電子及計(jì)算機(jī)等許多專(zhuān)業(yè)知識(shí)。
步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件，是機(jī)電一體化的關(guān)鍵產(chǎn)品之一, 廣泛應(yīng)用在各種自動(dòng)化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)的需求量與日俱增，在各個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域都有應(yīng)用。
4.3 編碼器簡(jiǎn)介
編碼器（encoder）是將信號(hào)（如比特流）或數(shù)據(jù)進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用以通訊、傳輸和存儲(chǔ)的信號(hào)形式的設(shè)備。
編碼器把角位移或直線(xiàn)位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，前者成為碼盤(pán)，后者稱(chēng)碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導(dǎo)電區(qū)或絕緣區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時(shí)以透光區(qū)和不透光區(qū)來(lái)表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”，通過(guò)“１”和“０”的二進(jìn)制編碼來(lái)將采集來(lái)的物理信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)器碼可讀取的電信號(hào)用以通訊、傳輸和儲(chǔ)存。
按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類(lèi)。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。
圖 4-2 編碼器
4.4行程開(kāi)關(guān)簡(jiǎn)介
圖 4-3 行程開(kāi)關(guān)
行程開(kāi)關(guān)就是一種由物體的位移來(lái)決定電路通斷的開(kāi)關(guān)。
行程開(kāi)關(guān)又稱(chēng)限位開(kāi)關(guān),可以安裝在相對(duì)靜止的物體(如固定架、門(mén)框等，簡(jiǎn)稱(chēng)靜物)上或者運(yùn)動(dòng)的物體（如行車(chē)、門(mén)等，簡(jiǎn)稱(chēng)動(dòng)物）上。當(dāng)動(dòng)物接近靜物時(shí)，開(kāi)關(guān)的連桿驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)的接點(diǎn)引起閉合的接點(diǎn)分?jǐn)嗷蛘邤嚅_(kāi)的接點(diǎn)閉合，由開(kāi)關(guān)接點(diǎn)開(kāi)、合狀態(tài)的改變?nèi)タ刂齐娐泛蜋C(jī)構(gòu)的動(dòng)作。
行程開(kāi)關(guān)的應(yīng)用方面很多，很多電器里面都有它的身影，它主要是起連鎖保護(hù)的作用。
結(jié) 論
通過(guò)兩個(gè)月對(duì)X-Y數(shù)控工作臺(tái)的學(xué)習(xí)研究，盡管花費(fèi)了許多的時(shí)間，走了許多的彎路，但是我認(rèn)為這都是值得的。
剛拿到這個(gè)題目時(shí)，我非常迷惘，因?yàn)橐郧皬膩?lái)沒(méi)有接觸過(guò)數(shù)控工作臺(tái)的這個(gè)高深的領(lǐng)域，數(shù)控工作臺(tái)是數(shù)控技術(shù)的一個(gè)縮影，作為我們機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，做好這門(mén)設(shè)計(jì)是非常重要的，于是我毅然決定臥薪嘗膽，努力攻破這一頑石。
X-Y數(shù)控工作臺(tái)分為機(jī)械和電氣控制兩個(gè)部分，首先，機(jī)械部分的難點(diǎn)是系統(tǒng)的傳動(dòng)及連接，在我查閱了一些資料還有老師的熱心指導(dǎo)之后，我漸漸對(duì)其有了清晰的認(rèn)識(shí)：通過(guò)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)及滾珠絲杠的作用，把機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)變?yōu)榱薠或者Y進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，在兩軸的聯(lián)動(dòng)作用下完成了工作臺(tái)在一定范圍的全方位運(yùn)動(dòng)。
其間，我完成的工作有：
1）整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選擇，這是我認(rèn)為最困難的一步，是0向1邁進(jìn)的重大轉(zhuǎn)折。
2）原動(dòng)件選擇與設(shè)計(jì)，在電動(dòng)機(jī)的選擇上我走了不少?gòu)澛?，就像前面說(shuō)的那樣，任務(wù)書(shū)規(guī)定的脈沖當(dāng)量尚未達(dá)到0.001mm，定位精度也未達(dá)到微米級(jí)，空載最快移動(dòng)速度也只有2000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動(dòng)機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以降低成本，提高性?xún)r(jià)比。
3）導(dǎo)軌的設(shè)計(jì)與選擇，在滾動(dòng)和滑動(dòng)導(dǎo)軌的選擇上，我選擇了滑動(dòng)導(dǎo)軌，主要由于其預(yù)緊方便，價(jià)格便宜，對(duì)這個(gè)要求不是非常高的工作臺(tái)來(lái)說(shuō)比較適用。
4）絲杠螺母副的設(shè)計(jì)是整個(gè)工作臺(tái)設(shè)計(jì)的核心，幾經(jīng)周折之后，我選擇了滾珠絲杠副，由于其預(yù)緊方便，精度較高。
5）連接部分的設(shè)計(jì)，如何連接兩個(gè)工作臺(tái)也是設(shè)計(jì)內(nèi)容之一，最后我選擇了燕尾槽滑臺(tái)，因?yàn)樗艹惺芏嘞蛄?，一般多有帶塞鐵，可調(diào)間隙，完全能打到我這個(gè)系統(tǒng)的要求。
6）減速箱的設(shè)計(jì)，由于大三曾經(jīng)設(shè)計(jì)過(guò)減速箱，所以這個(gè)對(duì)我們來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)于這種熟悉簡(jiǎn)單的系統(tǒng)我們更不應(yīng)該掉以輕心。
7）電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這個(gè)對(duì)我們不算陌生但是又比較遙遠(yuǎn)，這方面主要是我同組的孫在富同學(xué)完成的，我參與了電氣系統(tǒng)硬件的選型
總的來(lái)說(shuō)，通過(guò)X-Y數(shù)控工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，使我大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)得到了洗禮與深化，也讓我們明白了自己的不足，幾年所學(xué)的知識(shí)是很渺小的，需要我們以后更不懈的努力。
致 謝
《畢業(yè)設(shè)計(jì)》是我在大學(xué)里的最后一門(mén)課程。通過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、如何通過(guò)改進(jìn)并加入自己的想法與觀點(diǎn)，使之成為自己的東西。并且結(jié)合生產(chǎn)知識(shí)，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際以及分析和解決工程實(shí)際問(wèn)題的才能， 并使大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展。在此，我對(duì)我的論文指導(dǎo)老師……老師表示衷心的感謝，感謝他對(duì)我的嚴(yán)格要求，感謝他的監(jiān)督和指導(dǎo)。其次我要感謝這四年里給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識(shí)。最后還要感謝參考文獻(xiàn)中所列書(shū)籍、文章及資料的作者。
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附錄一 英語(yǔ)論文
High Precision Finish Cutting by Dry WEDM
Abstract
This paper describes the development of a new dry wire electrical discharge machining (dry-WEDM) method, which is conducted in a gas atmosphere without using dielectric liquid to improve the accuracy of finish cutting. In dry-WEDM, the vibration of the wire electrode is minute due to the negligibly small process reaction force. In addition, as the gap distance is narrower than that in conventional WEDM using dielectric liquid, and there is no corrosion of the workpiece, high accuracy in finish cutting can be realized in dry-WEDM. However, some drawbacks of dry-WEDM include lower material removal rate compared to conventional WEDM and streaks are more likely to be generated over the finished surface. Increasing the wire winding speed and decreasing the actual depth of cut are effective to resolve these drawbacks.
Keywords: WEDM, dielectric, Finish cutting, Dry process
1 INTRODUCTION
Dry-electrical di