數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì)數(shù)控銑床X軸設(shè)計(jì)

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1、 課程名稱：數(shù)控技術(shù)課程設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)老師： 2011年1月5日 目 錄 1概述 4 1.1技術(shù)要求 5 1.2總體方案設(shè)計(jì) 6 2設(shè)計(jì)計(jì)算 6 2.1主切削力及其切削分力計(jì)算 6 2.2導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算 7 2.3計(jì)算滾珠絲桿

2、螺母副的軸向負(fù)載力 8 2.4滾珠絲桿的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算 8 2.5初步確定滾珠絲桿螺母副的規(guī)格型號(hào) 11 2.6由式確定滾珠絲桿螺母副的預(yù)緊力 12 2.7計(jì)算滾珠絲桿螺母副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值和預(yù)拉伸力 12 2.8確定滾珠絲桿螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào) 12 3工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì) 14 4滾珠絲桿螺母副的承載能力校驗(yàn) 15 4.1滾珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn) 15 4.2滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗(yàn) 15 4.3滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗(yàn) 15 5計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 16 5.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算 16 5.2滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算 17

3、 6驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算 18 6.1計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量 18 6.2計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩 18 6.3計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種所需的力矩 19 6.4選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào) 20 7機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 21 7.1計(jì)算絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 21 7.2計(jì)算扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 21 8計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析 22 8.1計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的方向死區(qū) 22 8.2計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 22 8.3計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 22 9確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào) 2

4、3 9.1確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí) 23 9.2確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) 23 10 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 23 10.1數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 23 10.2數(shù)控系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì) 28 11總結(jié)與體會(huì) 38 參考文獻(xiàn) 38 XK715D立式數(shù)控銑床工作臺(tái)（X軸）設(shè)計(jì) 1概述 數(shù)控銑床 定義:數(shù)控銑床是在一般銑床的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的,兩都的加工工藝基本相同,結(jié)構(gòu)也有些相似,但數(shù)控銑床是靠程序控制的自動(dòng)加工機(jī)床,所以其結(jié)構(gòu)也與普通銑床有很大區(qū)別. 如圖所示，數(shù)控銑床一般由數(shù)控系統(tǒng)、主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給伺服系統(tǒng)、冷卻潤滑系統(tǒng)等幾大部分組成： 1、主軸箱 包括

5、主軸箱體和主軸傳動(dòng)系統(tǒng)，用于裝夾刀具并帶動(dòng)刀具旋轉(zhuǎn)，主軸轉(zhuǎn)速范圍和輸出扭矩對(duì)加工有直接的影響。 2、 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 由進(jìn)給電機(jī)和進(jìn)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，按照程序設(shè)定的進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，包括直線進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。 3、控制系統(tǒng) 數(shù)控銑床運(yùn)動(dòng)控制的中心，執(zhí)行數(shù)控加工程序控制機(jī)床進(jìn)行加工。 4、 輔助裝置 如液壓、氣動(dòng)、潤滑、冷卻系統(tǒng)和排屑、防護(hù)等裝置。 5、 機(jī)床基礎(chǔ)件 通常是指底座、立柱、橫梁等，它是整個(gè)機(jī)床的基礎(chǔ)和框架 XK715D 立式數(shù)控銑床 特點(diǎn)與用途：XK 715D立式數(shù)控銑床主要用于中小型零件模具等多品種加工

6、，工件一次裝夾后，可自動(dòng)高效、高精度的連續(xù)完成銑、鉆、鏜、鉸等工序。該機(jī)床主要構(gòu)件剛度高，主軸轉(zhuǎn)速恒功率范圍寬，低轉(zhuǎn)速扭矩大，可進(jìn)行強(qiáng)力切削。主軸軸承采用進(jìn)口軸承，主軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)精度高、噪聲低、震動(dòng)小、熱變形小。 XK 715D立式數(shù)控銑床技術(shù)參數(shù) 項(xiàng)目 單位 參數(shù) 型號(hào) XK715D 工作臺(tái)面尺寸 mm 1200520 坐標(biāo)行程（X、Y、Z） mm 880500610 主軸最高轉(zhuǎn)速 rpu 8000 主電機(jī)功率 KW 11/15 主軸鏜孔 MAS403 BT40 工作臺(tái)最大承重 kg 1000 主軸端面至工作臺(tái)面距離

7、 mm 125～735 定位精度 mm X:0.020 Y:0.014 Z:0.016 重復(fù)定位精度 mm X:0.012 Y:0.008 Z:0.010 數(shù)控系統(tǒng) HNC-21M/22M華中“世紀(jì)星”數(shù)控系統(tǒng) 1.1技術(shù)要求 X向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=1200*520*50 重量:按重量=體積*材料比重估算為: = 上導(dǎo)軌重量為 電機(jī)重量 夾具及工件重量:約1588N X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為: 工作臺(tái)、工件和夾具的總重量=1000kg（所受的重力W=9800N

8、），其中，工作臺(tái)的質(zhì)量=600kg（所受的重力=5880N）；工作臺(tái)的最大行程=880mm；工作臺(tái)快速移動(dòng)速度=15000；工作臺(tái)采用貼塑導(dǎo)軌，導(dǎo)軌的動(dòng)摩擦系數(shù)=0.15,靜摩擦系數(shù)=0.2；工作臺(tái)的定位精度為20，重復(fù)定位精度為12；機(jī)床的工作壽命為20000h（即工作時(shí)間為10年） 機(jī)床采用主軸服電機(jī)，額定功率=11，機(jī)床采用端面銑刀進(jìn)行強(qiáng)力切削，銑刀直徑D=125mm，主軸轉(zhuǎn)速n=8000，切削狀況如表2-1所示 表2-1數(shù)控銑床的切削狀況 切削方式 進(jìn)給速度/ 時(shí)間比例/(%) 備注 強(qiáng)力切削 0.6 10 主電動(dòng)機(jī)滿功率條件下切削 一般切削 0.8 30

9、粗加工 精加工切削 1 50 精加工 快速進(jìn)給 15 10 空載條件下工作臺(tái)快速進(jìn)給 1.2總體方案設(shè)計(jì) 為了滿足以上技術(shù)要求，采取以下技術(shù)方案。 （1） 工作臺(tái)工作面尺寸（寬度長度）確定為520mm1200mm。 （2） 工作臺(tái)的導(dǎo)軌采用矩形導(dǎo)軌，在與之相配的動(dòng)導(dǎo)軌滑動(dòng)面上貼聚四氟乙烯（PT-FE）導(dǎo)軌板。同時(shí)采用斜鑲條消除導(dǎo)軌導(dǎo)向面的間隙，在背板上通過設(shè)計(jì)偏心輪結(jié)構(gòu)來消除導(dǎo)軌背面與背板的間隙，并在與工作臺(tái)導(dǎo)軌相接觸的斜鑲條接觸面上和背板接觸面上貼塑。 （3） 對(duì)滾珠絲桿螺母副采用預(yù)緊措施，并對(duì)滾珠絲桿進(jìn)行預(yù)拉伸。 （4） 采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 （5） 采用膜片彈

10、性聯(lián)軸器將伺服電動(dòng)機(jī)與滾珠絲桿直連。 2設(shè)計(jì)計(jì)算 2.1主切削力及其切削分力計(jì)算 （1）計(jì)算主切削力。 根據(jù)已知條件，采用端面銑刀在主軸計(jì)算轉(zhuǎn)速下進(jìn)行強(qiáng)力切削（銑刀直徑D=125mm）時(shí)，主軸具有最大扭矩，并能傳遞主電動(dòng)機(jī)的全部功率。此時(shí)，銑刀的切削速度為 若主傳動(dòng)鏈的機(jī)械效率，按式可計(jì)算主切削力； ---機(jī)床主軸的計(jì)算轉(zhuǎn)速（主軸轉(zhuǎn)速全部功率時(shí)的最低切削速度，； ---機(jī)床主傳動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)功率，一般取。 （2）計(jì)算各切削分力。 根據(jù)表2---2可得工作臺(tái)縱向切削力、橫向切削力和垂向切削力分別為 表2---2 工作臺(tái)工作載荷與切向銑削力的經(jīng)驗(yàn)比值 切

11、削條件 比值 對(duì)稱端銑 不對(duì)稱端銑 逆銑 順銑 端銑 圓柱銑、立銑、盤銑和成形銑 --- --- --- 2.2導(dǎo)軌摩擦力的計(jì)算 （1）按式(2-8a)計(jì)算在切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力。此時(shí)，動(dòng)摩擦系數(shù)， 、---主切削力的垂向切削分力（N）和橫向切削分力（N）； W---坐標(biāo)軸上移動(dòng)部件的全部重量（包括機(jī)床夾具和工件的重量，N）； ---摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式不同而不同，對(duì)于帖塑導(dǎo)軌，=0.15；對(duì)于滾動(dòng)直線導(dǎo)軌，=0.01； ---鑲條緊固力（N）,其推薦值可查表2---3

12、得鑲條緊固力=2500N，則 =0.15(9800+2500+159.75+92.49)N=1882.84N 表2---3 鑲條緊固力推薦值 導(dǎo)軌形式 主電動(dòng)機(jī)功率/kw 2.2 3.7 5.5 7.5 11 15 18 貼塑滑動(dòng)導(dǎo)軌 500 800 1500 2000 2500 3000 3500 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 25 40 75 100 125 150 175 (2) 按式,計(jì)算在吧切削狀態(tài)下的導(dǎo)軌摩擦力和導(dǎo)軌靜摩擦力。 =0.15（9800+25000）N=1845N =0.2(9800+2500)N=2460N 2.3計(jì)算

13、滾珠絲桿螺母副的軸向負(fù)載力 （1）按式， ---主切削力的縱向切削力 =（62.26+1882.84）N=1945.1N （2）按式N計(jì)算最小軸向負(fù)載力 =1845N 2.4滾珠絲桿的動(dòng)載荷計(jì)算與直徑估算 1）確定滾珠絲桿的導(dǎo)程 根據(jù)已知條件，取電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，則由式得： 2)計(jì)算滾珠絲桿螺母副得平均轉(zhuǎn)速和平均載荷 （1）估算在各種切削方式下滾珠絲桿的軸向載荷。 將強(qiáng)力切削時(shí)的軸向載荷定為最大軸向載荷，快速移動(dòng)和鉆鏜定位時(shí)的軸向載荷定為最小軸向載荷。一般切削(粗加工)和精細(xì)切削（精加工）時(shí)，滾珠絲桿螺母副的軸向載荷、分別可按下列公式計(jì)算： ，，并將計(jì)算

14、結(jié)果填入表2---4。 表2---4 數(shù)控銑床滾珠絲桿的計(jì)算 切削方式 軸向載荷/N 進(jìn)給速度/() 時(shí)間比例/(％) 備注 強(qiáng)力切削 1945.10 10 一般切削（粗加工） 2234.02 30 精細(xì)加工（精加工） 1942.26 50 快移和定鏜定位 1845 10 (2) 計(jì)算滾珠絲桿螺母副在各種切削方式下的轉(zhuǎn)速 （3）按式計(jì)算滾珠絲桿螺母副的平均轉(zhuǎn)速。 （4） 按式計(jì)算滾珠絲桿螺母副的平均載荷。 3)確定滾珠絲桿預(yù)期的額定動(dòng)載荷 （1）按預(yù)定工作時(shí)間估算。查表2---5得載荷性質(zhì)系

15、數(shù)。已知初步選擇的滾珠絲桿的精度等級(jí)為2級(jí)，查表2---6得精度系數(shù)。查表2---7得可靠性系數(shù)，額定壽命則由式得 表2---5 載荷性質(zhì)系數(shù) 載荷性質(zhì) 無沖擊（很平穩(wěn)） 輕微沖擊 伴有沖擊或振動(dòng) 1~1.2 1.2~1.5 1.5~2 表2---6精度系數(shù) 精度等級(jí) 1、2、3 4、5 7 10 1 0.9 0.8 0.7 表2---7可靠性系數(shù) 可靠性/(％) 90 95 96 97 98 99 1 0.62 0.53 0.44 0.33 0.21 (2) 因?qū)L

16、珠絲桿螺母副將實(shí)施預(yù)緊，所以可按式估算最大軸向載荷。查表2---8得欲加動(dòng)載荷系數(shù)，則 表2---8 欲加動(dòng)載荷系數(shù) 欲加載荷類型 輕預(yù)載 中預(yù)載 重預(yù)載 6.7 4.5 3.4 （3）確定滾珠絲桿預(yù)期的額定動(dòng)載荷。 取以上兩種結(jié)果的最大值，即=37117.37N。 4）按精度要求確定允許的滾珠絲桿的最小螺紋底經(jīng) （1）根據(jù)定位精度和重復(fù)定位精度的要求估算允許的滾珠絲桿的最大軸向變形。 已知工作臺(tái)的定位精度為20，重復(fù)定位精度為12，根據(jù)公式重復(fù)定位精度和定位精度以及定位精度和重復(fù)定位精度的要求，得， 取上述計(jì)算結(jié)果的較小值，即。 （2）估算允許的

17、滾珠絲桿的最小螺紋底經(jīng)。 本機(jī)床工作臺(tái)（X）軸滾珠絲桿螺母副的安裝方式擬采用兩端固定式。滾珠絲桿螺母副的兩個(gè)固定支承之間的距離為L=行程+安全行程+2余程+螺母長度+支承長度≈（1.2～1.4）行程+（25～30） 取L=1.4行程+30=（1.4880+3010）mm=1532mm, 又=2460N，由式得 2.5初步確定滾珠絲桿螺母副的規(guī)格型號(hào) 根據(jù)計(jì)算所得的、、，初步選擇FFZD型內(nèi)循環(huán)墊片預(yù)緊螺母式滾珠絲桿螺母副FFZD5010-5,其公稱直徑、基本導(dǎo)程、額定動(dòng)載荷和絲桿底徑如下：，，,，故滿足式，的要求。 2.6由式確定滾珠絲桿螺母副的預(yù)緊力 2.7計(jì)算滾珠絲桿螺母

18、副的目標(biāo)行程補(bǔ)償值和預(yù)拉伸力 （1） 按式計(jì)算目標(biāo)行程補(bǔ)償值 ---目標(biāo)行程補(bǔ)償值； ---溫度變化值（），一般情況下為2~3； ---絲桿的線膨脹系數(shù)（1/）,一般情況下為； ---滾珠絲桿副的有效行程。 已知溫度變化值，絲桿的線膨脹系數(shù)，滾珠絲桿副的有效行程 =工作臺(tái)行程+安全行程+2余程+螺母長度 =（880+100+220+146）mm=1166mm, 故 (2)按式計(jì)算滾珠絲桿的預(yù)拉伸力。 已知滾珠絲桿螺紋底徑,滾珠絲桿的溫度變化值，則 2.8確定滾珠絲桿螺母副支承用軸承的規(guī)格型號(hào) （1）按式計(jì)算軸承所承受的最大軸向載荷。 （2） 計(jì)算軸承的預(yù)

19、緊力 (3) 計(jì)算軸承的當(dāng)量軸向載荷 (4)按式計(jì)算軸承的基本額定動(dòng)載荷。 已知軸承的工作轉(zhuǎn)速,軸承所受的當(dāng)量軸向載荷,軸承的基本額定壽命。軸承的徑向載荷和軸向載荷分別為 因?yàn)?，所以查?---9得，徑向系數(shù)X=1.9，軸向系數(shù)Y=0.54，故 表2---9 載荷系數(shù) 組合列數(shù) 2列 3列 4列 承載列數(shù) 1列 2列 1列 2列 3列 1列 2列 3列 4列 組合形式 DF DT DFD DFD DTD DFT DFF DFT DTT X 1.9 --- 1.43 2.33 --- 1

20、.17 2.33 2.53 --- Y 0.54 --- 0.77 0.35 --- 0.89 0.35 0.26 --- X 0.92 0.92 0.92 0.02 0.02 0.92 0.92 0.92 0.92 Y 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 (5)確定軸承的規(guī)格型號(hào) 因?yàn)闈L珠絲桿螺母副擬采取預(yù)拉伸措施，所以選用角接觸球軸承組背對(duì)背安裝，以組成滾珠絲桿兩端固定的支承形式。由于滾珠絲桿的螺紋底徑為44.3mm，所以選擇軸承的內(nèi)徑為40mm，以滿足滾珠絲桿結(jié)構(gòu)的需要。 在滾

21、珠絲桿的兩個(gè)固定端均選擇國產(chǎn)角接觸球軸承兩件一組背對(duì)背安裝，組成滾珠絲桿的兩端固定支承方式。軸承的型號(hào)為760308TNI/P4DFB,尺寸（內(nèi)徑外徑寬度）為40mm90mm23mm，選擇脂潤滑。該軸承的預(yù)載荷能力為5600N，大于計(jì)算所得的軸承預(yù)緊力=2647.25N.并在脂潤滑狀態(tài)下的極限轉(zhuǎn)速為1500r/min,等于滾珠絲桿的最高轉(zhuǎn)速，故滿足要求。該軸承的額定動(dòng)載荷為=50000N，而該軸承在20000h工作壽命下的基本額定動(dòng)載荷=42720.89N,也滿足要求。 3工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì) 將以上計(jì)算結(jié)果用于工作臺(tái)部件的裝配圖設(shè)計(jì)（見本課程設(shè)計(jì)插頁圖1）。其計(jì)算簡圖如下圖所示，本課程

22、設(shè)計(jì)后插頁圖2為電機(jī)接線圖，插頁圖3為電機(jī)控制圖。 4滾珠絲桿螺母副的承載能力校驗(yàn) 4.1滾珠絲桿螺母副臨界壓縮載荷的校驗(yàn) 本工作臺(tái)的滾珠絲桿支承方式采用預(yù)拉伸結(jié)構(gòu)，絲桿始終受拉而不受壓，因此，不存在壓桿補(bǔ)穩(wěn)定問題。 4.2滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的校驗(yàn) 根據(jù)以上的計(jì)算可得滾珠絲桿螺母副臨界轉(zhuǎn)速的計(jì)算長度=1117.5mm。已知彈性模量，材料密度，重力加速度，安全系數(shù)。查參考文獻(xiàn)表2-44得。 滾珠絲桿的最小慣性矩為 滾珠絲桿的最小截面積為 故可由式得 本絲桿螺母副的最高轉(zhuǎn)速為1500，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其臨界轉(zhuǎn)速，故滿足要求。 4.3滾珠絲桿螺母副額定壽命的校驗(yàn) 滾珠絲桿螺母

23、副的壽命，主要是指疲勞壽命。它是指一批尺寸、規(guī)格、精度相同的滾珠絲桿在相同的條件下回轉(zhuǎn)時(shí)，其中90％不發(fā)生疲勞剝落的情況下運(yùn)轉(zhuǎn)的總轉(zhuǎn)速查參考文獻(xiàn)附錄A表A-3得滾珠絲桿的額定動(dòng)載荷，運(yùn)轉(zhuǎn)條件系數(shù)，滾珠絲桿的軸向載荷,滾珠絲桿 螺母副轉(zhuǎn)速,由式， 得， 一般來講，在設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床時(shí)，應(yīng)保證滾珠絲桿螺母副的總時(shí)間壽命故滿足要求 5計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度 5.1機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度計(jì)算 (1)計(jì)算滾珠絲桿的拉壓剛度。 本工作臺(tái)的絲桿支承方式為兩端固定，當(dāng)滾珠絲桿的螺母中心位于滾珠絲桿兩支承的中心位置時(shí)時(shí)，滾珠絲桿螺母副具有最小拉壓剛度，可按式計(jì)算： 當(dāng)或時(shí)（即滾珠

24、絲桿的螺母中心位于行程的兩端位置時(shí)），滾珠絲桿螺母副具有最大拉壓剛度，可按式計(jì)算： （2）計(jì)算滾珠絲桿螺母副支承軸承的剛度。 已知軸承接觸角，滾動(dòng)體直徑，滾動(dòng)體個(gè)數(shù)Z=17，軸承的最大軸向工作載荷,查參考文獻(xiàn)表2-45、2-46得 （3） 計(jì)算滾珠與滾道的接觸剛度 查參考文獻(xiàn)附錄A表A-3得滾珠與滾道的接觸剛度，額定載荷，滾珠絲杠上所承受的最大軸向載荷，故由式 得 （4） 計(jì)算進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度。 由式得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最大值為 故。 由式得進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度的最小值為 故。 5.2滾珠絲杠螺母副的扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算 由以上計(jì)算

25、可知，扭轉(zhuǎn)作用點(diǎn)之間的距離已知剪切模量，滾珠絲桿的底徑。由式得 6驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的選型與計(jì)算 6.1計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載慣量 （1）計(jì)算滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 已知滾珠絲杠的密度，由式得 （2）計(jì)算聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動(dòng)量。 （3）計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的移動(dòng)部件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 已知機(jī)床執(zhí)行部件（即工作臺(tái)、工件、夾具）的總質(zhì)量，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸上移動(dòng)的距離,則由式得 （4）由式計(jì)算加在電動(dòng)機(jī)軸上總的負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。 6.2計(jì)算折算到電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載力矩 （1）計(jì)算切削負(fù)載力矩。 已知在切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力，電動(dòng)機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，機(jī)床執(zhí)行部件在軸向

26、移動(dòng)的距離，進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)總效率，由式得 （2）計(jì)算摩擦負(fù)載力矩 已知在不切削狀態(tài)下坐標(biāo)軸的軸向負(fù)載力（即為空載時(shí)的導(dǎo)軌摩擦力），由式得 （3）計(jì)算由滾珠絲杠的預(yù)緊而產(chǎn)生的附加負(fù)載力矩。 已知滾珠絲杠螺母副的預(yù)緊力滾珠絲杠螺母副的基本導(dǎo)程，滾珠絲杠螺母副的效率，由式得 6.3計(jì)算坐標(biāo)軸折算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種所需的力矩 （1）計(jì)算線性加速力矩 已知機(jī)床執(zhí)行部件以最快速度運(yùn)動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，坐標(biāo)軸的負(fù)載慣量，進(jìn)給伺服系統(tǒng)的位置環(huán)增益，加速時(shí)間，由式得 （2）計(jì)算階躍加速力矩。 已知加速時(shí)間，由式得 （3）計(jì)算坐標(biāo)軸所需的折

27、算到電動(dòng)機(jī)軸上的各種力矩。 ①按式計(jì)算線性加速時(shí)空載啟動(dòng)力矩。 ②按式計(jì)算階躍加速時(shí)空載啟動(dòng)力矩。 ③按式計(jì)算快進(jìn)力矩。 ④按式計(jì)算工進(jìn)力矩。 6.4選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào) (1)選擇驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的型號(hào) 根據(jù)以上計(jì)算和查參考文獻(xiàn)表2--47，選擇日本FANUC公司生產(chǎn)的型交流伺服電動(dòng)機(jī)為驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。主要技術(shù)參數(shù)如下:額定功率3kw；最高轉(zhuǎn)速3000；額定力矩12；轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；質(zhì)量。 交流伺服電動(dòng)機(jī)的加速力矩一般為額定力矩的5-10倍。若按5倍計(jì)算，則該電動(dòng)機(jī)的加速力矩為60，均大于本機(jī)床工作臺(tái)的線性加速時(shí)所需 的空載啟動(dòng)力矩以及階躍加速時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，因此，不管采用

28、何種加速方式，本電動(dòng)機(jī)均滿足加速力矩要求。 該電動(dòng)機(jī)的額定力矩為12，均大于本機(jī)床工作臺(tái)快進(jìn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩以及工進(jìn)時(shí)所需的驅(qū)動(dòng)力矩，因此，不管是快進(jìn)還是工進(jìn)，本電動(dòng)機(jī)均滿足驅(qū)動(dòng)力矩要求。 （2）慣量匹配驗(yàn)算。 為了使機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的慣量達(dá)到較合理 的匹配，系統(tǒng)的負(fù)載慣量與伺服電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之比一般應(yīng)滿足式 而在本設(shè)計(jì)中，故滿足慣量匹配要求。 7機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析 7.1計(jì)算絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 已知滾珠絲杠螺母副的綜合拉壓剛度，而滾珠絲杠螺母副和機(jī)床執(zhí)行部件的等效質(zhì)量（其中、分別是機(jī)床執(zhí)行部件的質(zhì)量（）和滾珠絲杠螺母副的質(zhì)量（），則

29、7.2計(jì)算扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率 折算到滾珠絲杠軸上的系統(tǒng)總當(dāng)量轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 已知絲杠的扭轉(zhuǎn)剛度，則 由以上計(jì)算可知，絲杠-工作臺(tái)縱向振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)系統(tǒng)的最低固有頻率都比較高。一般按的要求來設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的剛度，故滿足要求。 8計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)的誤差計(jì)算與分析 8.1計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的方向死區(qū) 已知進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)的最小綜合拉壓剛度，導(dǎo)軌的靜摩擦力，則由式得 即故滿足要求。 8.2計(jì)算機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)由綜合拉壓剛度變化引起的定位誤差 由式得 即故滿足要求。 8.3計(jì)算滾珠絲杠因扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的誤差 （1）計(jì)算由快速進(jìn)給扭矩引起的滾珠絲杠螺母副的

30、變形量。 已知負(fù)載力矩，由以上計(jì)算得扭轉(zhuǎn)作用點(diǎn)之間的距離，絲杠底徑，由式得 由扭轉(zhuǎn)變形量引起的軸向移動(dòng)滯后量將影響工作臺(tái)的定位精度。由式得 9確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí)和規(guī)格型號(hào) 9.1確定滾珠絲杠螺母副的精度等級(jí) 本機(jī)床工作臺(tái)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，、應(yīng)滿足下列要求： 滾珠絲杠螺母副擬采用的精度等級(jí)為1級(jí)，查參考文獻(xiàn)表2-20得； 查參考文獻(xiàn)表2-21得，當(dāng)螺紋長度為850mm時(shí)，故滿足設(shè)計(jì)要求。 9.2確定滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào) 滾珠絲杠螺母副的規(guī)格型號(hào)為FFZD5010-3-P1/15191000,其具體參數(shù)如下。公稱直徑與導(dǎo)程

31、：50mm,10mm；螺紋長度：1000mm；絲杠長度：1519mm；類型與精度：P類，1級(jí)精度。 10 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 10.1數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 10.1.1 設(shè)計(jì)內(nèi)容 １.按照總統(tǒng)方案以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結(jié)構(gòu)框圖； ２.選擇計(jì)算機(jī)或中央處理單元的類型； ３.根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路； ４.根據(jù)控制對(duì)象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)擴(kuò)展Ｉ／Ｏ接口電路，檢測電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動(dòng)電路等； ５.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號(hào)； ６.繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標(biāo)明各器件的型號(hào)，管腳號(hào)及參數(shù)； ７

32、.說明書中對(duì)電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說明和方案論證。 10.1.2 設(shè)計(jì)步驟 １.確定硬件電路的總體方案。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成： 1． 主控制器。即中央處理單元CPU 2． 總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。 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。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示： 中央處理單元CPU 存儲(chǔ)器RAM ROM 外設(shè)： 鍵盤，顯示器，打印機(jī)，磁盤機(jī)，通訊接口等 輸入/輸出 I/O接口 信號(hào)變換

33、 控制對(duì)象 ２.主控制器ＣＰＵ的選擇 ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用８０３１芯片作為主控芯片。 ３.存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) (１）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號(hào)有： 2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時(shí)序的匹配。８０３１所能讀

34、取的時(shí)間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。 單片機(jī)規(guī)定Ｐ0口提供８為位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作為地址鎖存器，并由ＣＰＵ發(fā)出允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖如下所示

35、P1.7 ↓ P1.0 P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0 A12 ↓ A8 2764 A7 ↓ A0 D7 ↓ D0 譯碼電路 G 74LS372 擴(kuò)展2764電路框圖 (２）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 由于８０３１內(nèi)部ＲＡＭ只

36、有１２８字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用６２６４芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其擴(kuò)展電路如下所示： P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0 A12 ↓ A8 A7 ↓ 6264 A0 D7 ↓ D0 ↓ D0 譯碼電路 G 74LS372

37、 擴(kuò)展6264電路框圖 (３）譯碼電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜。可采用線選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對(duì)于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量較大

38、的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。 本設(shè)計(jì)采用全地址譯碼法的電路分別如下圖所示： （4）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。 該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路， 單片機(jī)外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如下： （5）Ｉ／Ｏ擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) (a).通用可編程接口芯片８１５５ ８０３１單片機(jī)共有４個(gè)８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用戶使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口線。因此要進(jìn)

39、行Ｉ／Ｏ口的擴(kuò)展。８１５５與微機(jī)接口較簡單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。8155Y與8031的連接方式如下圖所示 (b).鍵盤，顯示器接口電路 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)都采用行列式鍵盤，即用Ｉ／Ｏ口線組成行，列結(jié)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和ＬＣＤ。下圖所示為采用８１５５接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有４Ｘ８鍵和６位ＬＥＤ顯示器組成。為了簡化秒電路，鍵盤的列線及ＬＥＤ顯示器的字位控制共用一個(gè)口，即共用８１５５的PＡ口進(jìn)行控制，鍵盤的行線由８１５５Ｃ口擔(dān)任，顯示器的字形

40、控制由8155的PB口擔(dān)任。 鍵盤顯示器接口電路如下所示： 4．步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) (1）脈沖分配器 步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB013。采用YB013硬件環(huán)行分配器的步進(jìn)電機(jī)接口線路圖如下： （2）光電隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通

41、常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下： （3）功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。 5．其它輔助電路設(shè)計(jì) （１）８０３１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)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如下圖所示。晶體可以在１.２～１２之間任意選擇，耦合電容在５～３０pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將XTAL1直接接地，

42、XTAL2接外部時(shí)鐘源。 8031 XTAL1 XTAL2 時(shí)鐘電路 （２）復(fù)位電路 　　　單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現(xiàn) １０ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后ＣＰＵ便從００００Ｈ單元開始執(zhí)行程序。在實(shí)際運(yùn)用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與８０３１復(fù)位要求一致時(shí)，可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用６ＭＨz時(shí)，復(fù)位電路中Ｃ取２２Ｆ，Ｒ取２００，?。保埃埃啊?shí)用復(fù)位電路圖如下所示： （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)。利用光電耦

43、合電路，將行程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開關(guān)被壓下的時(shí)候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電平。８０３１可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至８０３１的外部中斷引腳（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１），采用中斷方式檢查越界信號(hào)。 10.2數(shù)控系統(tǒng)軟件電路設(shè)計(jì) 10.2.1 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個(gè)部分： 1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受

44、操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序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)備輸入零件加源程序的任務(wù)。 3、插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。 4、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)角以及方向。 5、診斷程序。包括移動(dòng)不見移動(dòng)超界處理，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)加工及手動(dòng)加工控制程序。 7、鍵盤操作和顯示處理程序。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。 10.2.2 軟件設(shè)計(jì) 1.系統(tǒng)控制功能分析

45、 數(shù)控X-Y工作臺(tái)的控制功能包括： （1）、系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。 （2）、工作臺(tái)復(fù)位。開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。 （3）、輸入和顯示加工程序。 （4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。 （5）、工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。 （6）、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。 （7）、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。 （8）、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。 2.系統(tǒng)管理程序控制 管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能

46、是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)管理程序流程圖如下所示： 開始 系統(tǒng)初始化 加工程序輸入鍵按下？ 機(jī)床復(fù)位 N 自動(dòng)加工 自動(dòng)加工鍵按下？ 加工數(shù)據(jù)輸入 Y N 手動(dòng)調(diào)整 Y 手動(dòng)加工鍵按下？ N

47、 管理程序流程 3.自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì) （1）機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置； （2）計(jì)算機(jī)在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工； （3）由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如下所示： 入口 零件坐標(biāo)地址指針 讀零件坐標(biāo) 調(diào)步進(jìn)電機(jī)子程序 工作臺(tái)移動(dòng)到位 刀具快進(jìn) 加工 快速退刀 零件坐標(biāo)地址指針加1 N 零件加工完成

48、 Y 返回 4.步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(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，所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)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。 （1）時(shí)間常數(shù)的確定 在步進(jìn)電機(jī)控制程序中，利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷，延時(shí)產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時(shí)間間隔。此間隔由送入定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)決定。時(shí)間常數(shù)由下式計(jì)算： 式中：T為脈沖時(shí)間間隔（ms）；為單片機(jī)機(jī)器周期（s），在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，=2s。 （2）步進(jìn)電機(jī)加，減速進(jìn)給脈沖及脈沖時(shí)間間隔的確定 設(shè)步進(jìn)電

49、機(jī)加，減速方式為直線加，減速。 要使步進(jìn)電機(jī)不失步，應(yīng)滿足： 式中：為步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩；為負(fù)載力矩；為慣性力矩。 由步進(jìn)電機(jī)=3.92N.m，取步進(jìn)電機(jī)的加速啟動(dòng)力矩 則使步進(jìn)電機(jī)不失不的慣性力矩 步進(jìn)電機(jī)角加速度 又 式中：為上升到步進(jìn)電機(jī)最高頻率所需時(shí)間，所以有： 加速脈沖個(gè)數(shù)： 確定加減脈沖個(gè)數(shù)都為54個(gè) 又因?yàn)椋? 所以脈沖時(shí)刻 結(jié)合可以算出對(duì)應(yīng)各脈沖時(shí)刻的計(jì)數(shù)器時(shí)間常數(shù)。 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)占據(jù)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

50、，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計(jì)數(shù)器N0，N1，N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖如下所示： 步進(jìn)電機(jī)控制子程序： 開始 中斷初始化 設(shè)時(shí)間常數(shù)地址指針 首地址指向1000H 加速 減速 脈沖計(jì)數(shù)器賦初值 恒速 送時(shí)間常數(shù)至計(jì)數(shù)器中 中斷 N 返 回 開中斷 啟動(dòng)定時(shí)器 Y

51、 步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序： 中斷服務(wù)程序入口 送時(shí)間常數(shù) 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)一步 N0=0？ 時(shí)間常數(shù)地址指針加1 N1=0？ N1←N1-1 N0←N0-1 N2=0？ 關(guān)中斷 時(shí)間常數(shù)地址指針加1 N2←N2-1 中斷返回 5.編語言程序設(shè)計(jì) （1）內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0地

52、址設(shè)為20H； 恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址位22H； 減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址位23H。 加速，減速，恒速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H； 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。 （2）程序清單 N0 EQU 20H ;加速 N1L EQU 21H ;恒速 N1H EQU 22H N2 EQU 23H ;減速 NL EQU 24H ;脈沖總數(shù)寄存器 NH EQU 25H DS E

53、QU 26H ；地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H 0E00 758160 START： MOV P，#60H 0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；設(shè)計(jì)數(shù)器工作方式為1，16位定時(shí)器 0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；設(shè)N0為320 0E09 75231B MOV N2， #1A4H 0E0C E520 MOV A ， N0 ；計(jì)算2

54、XN0 0E0E 23 RL A 0E0F F8 MOV R0， A 0E10 C3 CLR C ；計(jì)算N1=N-2N0 0E11 E524 MOV A， NL 0E13 98 SUBB A， R0 0E14 F521 MOV N1L， A 0E16 E525 MOV A， NH 0E18

55、 9400 SUBB A，#00H 0E1A F522 MOV N1H，A 0E1C 901000 MOV DPTR， #1000H ；設(shè)時(shí)間常數(shù)指針初值為1000H 0E1F 752600 MOV DS， #00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H 0E22 93 MOVC A, @A+DPTR ；從EPROM中讀時(shí)間常數(shù) 0E23 F58A MOV TL

56、0， A ；送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中 0E25 0526 INC DS 0E27 E526 MOV A，DS 0E2 93 MOVC A，@A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A 0E2C 0526 INC DS 0E2E D2AF SETB EA ；開中斷允許 0E30 D2A9

57、 SETB ET0 ；允許定時(shí)器0中斷 0E32 D28C SETB TR0 ；啟動(dòng)定時(shí)器0開始計(jì)算 0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回 0E37 22 RET 中斷服務(wù)程序： ORG 000BH 000B 02F00 LJMP 0F00H 0F00 93 MOVC A，@A+D

58、PTR 0F03 F58A MOV TL0， A 0F05 0526 INC DS 0F07 E526 MOV A，DS 0F09 93 MOVC A，@A+DPTR 0F0A F58C MOV TH0， A 0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指針 0F0E D180 ACALL FEED

59、 ；調(diào)FEED子程序 0F10 E520 MOV A， N0 ；判斷N0是否為0 0F12 B400 CJNE A， #00H， LOOP1 0F15 E52 MOV A， N1H ；判斷N1是否為0 0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP2 0F1A E522 MOV A，N1H 0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2 0F1F

60、 E523 MOV A，N2 判斷N2是否為0 0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3 0F24 C2AF CLR EA ；N2為0 ，減速結(jié)束，關(guān)中斷 0F26 32 RETI 0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0←N0-1 0F29 32 RETI 0F2A E521 LOOP2：M

61、OV A，N1L ；N1不為0，則N1←N1-1 0F2C C3 CLR C 0F2D 9401 SUBB A， #01H 0F2F F521 MOV N1L， A 0F31 E522 MOV A， N1H 0F33 9400 SUBB A，#00H 0F35 F522 MOV N1H，A 0F37 32 RETI 0F

62、38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2←N2-1 0F3A 32 RETI 5.5 進(jìn)給伺服系統(tǒng)概述 數(shù)控機(jī)床伺服系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖3.1所示： 圖3.1 數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)伺服 由于各種數(shù)控機(jī)床所完成的加工任務(wù)不同，它們對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的要求也不盡相同，但通常可概括為以下幾方面：可逆運(yùn)行；速度范圍寬；具有足夠的傳動(dòng)剛度和高的速度穩(wěn)定性；快速響應(yīng)并無超調(diào)；高精度；低速大轉(zhuǎn)矩。 伺服系統(tǒng)對(duì)伺服電機(jī)的要求： （1）從最低速到最高速電機(jī)都能平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)要小，尤其在低速如0.1r /mi

63、n或更低速時(shí)，仍有平穩(wěn)的速度而無爬行現(xiàn)象。 （2）電機(jī)應(yīng)具有大的較長時(shí)間的過載能力，以滿足低速大轉(zhuǎn)矩的要求。一般直流伺服電機(jī)要求在數(shù)分鐘內(nèi)過載4-6倍而不損壞。 （3）為了滿足快速響應(yīng)的要求，電機(jī)應(yīng)有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩，并具有盡可能小的時(shí)間常數(shù)和啟動(dòng)電壓。電機(jī)應(yīng)具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保證電機(jī)可在0.2s以內(nèi)從靜止啟動(dòng)到額定轉(zhuǎn)速。 （4）電機(jī)應(yīng)能隨頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。 隨著微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和伺服控制技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)已開始采用高速、高精度的全數(shù)字伺服系統(tǒng)。使伺服控制技術(shù)從模擬方式、混合方式走向全數(shù)字方式。由位置、速度和電流構(gòu)成

64、的三環(huán)反饋全部數(shù)字化、軟件處理數(shù)字PID，使用靈活，柔性好。數(shù)字伺服系統(tǒng)采用了許多新的控制技術(shù)和改進(jìn)伺服性能的措施，使控制精度和品質(zhì)大大提高。 數(shù)控車床的進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)一般均采用進(jìn)給伺服系統(tǒng)。這也是數(shù)控車床區(qū)別于普通車床的一個(gè)特殊部分。 數(shù)控車床的伺服系統(tǒng)一般由驅(qū)動(dòng)控制單元、驅(qū)動(dòng)元件、機(jī)械傳動(dòng)部件、執(zhí)行件和檢測反饋環(huán)節(jié)等組成。驅(qū)動(dòng)控制單元和驅(qū)動(dòng)元件組成伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。機(jī)械傳動(dòng)部件和執(zhí)行元件組成機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)。檢測元件與反饋電路組成檢測系統(tǒng)。 進(jìn)給伺服系統(tǒng)按其控制方式不同可分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)控制方式通常是具有位置反饋的伺服系統(tǒng)。根據(jù)位置檢測裝置所在位置的不同，閉環(huán)系統(tǒng)又分為半閉環(huán)系統(tǒng)和

65、全閉環(huán)系統(tǒng)。半閉環(huán)系統(tǒng)具有將位置檢測裝置裝在絲杠端頭和裝在電機(jī)軸端兩種類型。前者把絲杠包括在位置環(huán)內(nèi)，后者則完全置機(jī)械傳動(dòng)部件于位置環(huán)之外。全閉環(huán)系統(tǒng)的位置檢測裝置安裝在工作臺(tái)上，機(jī)械傳動(dòng)部件整個(gè)被包括在位置環(huán)之內(nèi)。 開環(huán)系統(tǒng)的定位精度比閉環(huán)系統(tǒng)低，但它結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠、造價(jià)低廉。由于影響定位精度的機(jī)械傳動(dòng)裝置的磨損、慣性及間隙的存在，故開環(huán)系統(tǒng)的精度和快速性較差。 全閉環(huán)系統(tǒng)控制精度高、快速性能好，但由于機(jī)械傳動(dòng)部件在控制環(huán)內(nèi)，所以系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能不僅取決于驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而且還與機(jī)械傳動(dòng)部件的剛度、阻尼特性、慣性、間隙和磨損等因素有很大關(guān)系，故必須對(duì)機(jī)電部件的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行綜合考

66、慮才能滿足系統(tǒng)的要求。因此全閉環(huán)系統(tǒng)對(duì)機(jī)床的要求比較高，且造價(jià)也較昂貴。閉環(huán)系統(tǒng)中采用的位置檢測裝置有：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、磁尺、光柵尺和激光干涉儀等。 數(shù)控車床的進(jìn)給伺服系統(tǒng)中常用的驅(qū)動(dòng)裝置是伺服電機(jī)。伺服電機(jī)有直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)之分。交流伺服電機(jī)由于具有可靠性高、基本上不需要維護(hù)和造價(jià)低等特點(diǎn)而被廣泛采用。 直流伺服電動(dòng)機(jī)引入了機(jī)械換向裝置。其成本高，故障多，維護(hù)困難，經(jīng)常因碳刷產(chǎn)生的火花而影響生產(chǎn)，并對(duì)其他設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾。同時(shí)機(jī)械換向器的換向能力，限制了電動(dòng)機(jī)的容量和速度。電動(dòng)機(jī)的電樞在轉(zhuǎn)子上，使得電動(dòng)機(jī)效率低，散熱差。為了改善換向能力，減小電樞的漏感，轉(zhuǎn)子變得短粗，影響了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 交流伺服已占據(jù)了機(jī)床進(jìn)給伺服的主導(dǎo)地位，并隨著新技術(shù)的發(fā)展而不斷完善，具體體現(xiàn)在三個(gè)方面。一是系統(tǒng)功率驅(qū)動(dòng)裝置中的電力電子器件不斷向高頻化方向發(fā)展，智能化功率模塊得到普及與應(yīng)用；二是基于微處理器嵌入式平臺(tái)技術(shù)的成熟，將促進(jìn)先進(jìn)控制算法的應(yīng)用；三是網(wǎng)絡(luò)化制造模式的推廣及現(xiàn)場總線技術(shù)的成熟，將使基于網(wǎng)