课程设计-数控测量机设计（全套含CAD图纸）
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1 外文翻译 at he is in as is in as 5%, 0% 0% be 00 at of 0 %; to 0 by in ; 0 %; T 0 , to 0 of to is in . S. . S. 00 . S. by 5% to 005 50% 995. by in in 5% to 005 50% 995. by at 002 ( 996 , 4% , 5% 003. 003 5 a to 36,800,000 U. S. up in of of . S. 00 . S. mu 000 kN ; mm At to a a a in at 0% of a to a in a to a on 2 in in .1 1) be to 2 2) a 3) 4) 2.2 to ) 2) 50%, a by DM a 3) is is , 4) DM 0%; 5) an AM is is to an 3 to a n in as a be in to as as of to is is to to be a s a up at a of 0% of a to a in 80% is a MB to At 0%, 5%. to a 000 40000 s to 1 to to 5000 20000 0000 no to 00 m/2 of a ) is is 2) is 3) of to to a 3 AM n of . S. to be to to 3 s in of to be to 500 4500 its 000 10000 in to of is an to of a in of no be to on to to gs to be is on in 58 00 m/ 80 m/to of (, as as to in 00 800 m/to s .8 mm to 0000 0.1 mm 0 m/1 if an is 2 3 at to to a to a to in 4in of to a DM 0% , a 0%. to 4 is is an by is to of if in be is in to us to to to a of on is to is an a to of a of a ) ) 2) ) ) ) in ) SC 1) a to 2) s to of Or a or to 3) 4) in AM in in ) is ) ) ） a 2） 3） is in at in to 5 1) to be to a is 2） to a as a 3） of is is 4) 1) is to to is is to a of 2) to in 3 ) Be of 2） up a to is 3) Be of or is at 4) to of 4 Be of 5 Be of a of AM he to be to to is is by in in go to a be to a , 2001. 2, 2001. 3,o , 2000 , (2) 4,he 2000 , (6) 5,e to of 2000 , (11) 6 高速加工和现代模具制造 一、概述 1目前模具制造的发展现状和趋势 模具作为重要的工艺装备，在消费品、电器电子、汽车、飞机制造等工业部门中，占有举足轻重的地位。工业产品零件粗加工的 75%，精加工的 50%及塑料零件的 90%将由模具完成。目前中国模具市场需求已达 500 亿元之规模。汽车模具、特别是覆盖件模具年增长速度将超过 20 %；建材模具也迅速发展，各种异型材模具、墙面和地面模具成为模具的新增长点，今后几年塑料门窗和塑料排水管增长将超过 30 %；家电模具年增长速度将超 过 10 %； 业年均增长速度超过 20 % ，对模具的需求占模具市场的 20 %。 2004 年中国机床工具工业产值将继续增长。我国模具制造市场潜力巨大。根据资料统计，近年来，我国模具的年总产值达到 30亿美元，进口超过 10亿美元，出口超过 1亿美元。增长从 1995年的25% 增加到 2005年的 50%。国外专家预言：亚洲在全球模具制造中占据的份额，将从 1995年的 25%增加至 2005年的 50%。 中国模具工业发展迅速，形成了华东和华南两大基地，并且逐渐扩大到其他省份。 (山东 ,安徽 ,四川 ) 1996 年 2002 年，模具制造业产值年平均增长 14%， 2003 年增长 25%。 2003 年我国模具产值为 450 亿人民币。总产量位居世界第 3，出口模具 上年增长 但是，我国技术含量低的模具已供过于求，精密、复杂的高档模具很大部分依靠进口。每年进口模具超过 10亿美元。出口超过 1亿美元 精密模具精度要求在 2 3 m,大型模具需要满足 8000模力注塑机的要求 ;小型模具需满足直径 1前，采用高速切削生产模具已经成为模具制造的大趋势，在国外一些模具生产厂 家，高速机床大面积取代电火花机床，高速切削大大提高了模具生产效率。机床企业瞄准模具生产企业，有的加工中心生产厂机床的 60%以上卖给模具加工企业。高速切削逐渐取代电火花精加工模具在国外的模具制造企业已经普遍采用，高速切削生产模具已经成为逐渐模具制造的大趋势，大大提高了模具生产效率和质量。采用高速切削替代电火花生产模具，可以明显提高效率、提高模具精度、使用寿命长。 2高速加工在模具制造中的应用 2 1高速切削的优点： 1） 刀具的高转速和机床的高进给以及高加速度，大大提高金属切除率； 2） 高速切削减小切削力； 3） 高速切削热大部分由切屑带走，工件发热少； 4） 高速切削减少振动，提高加工质量； 2 2高速加工应用于模具加工的效益 1） 快速粗加工和半精加工，提高加工效率； 2） 高速高精度精加工硬切削代替光整加工，表明质量高，形状精度提高，比 0%，减少手工修磨； 3） 硬切削加工最后成型表面，提高表面质量、形状精度， (不仅是表面粗糙度低，而且表面光亮度高 )，用于复杂表面的加工更具优势； 4） 避免 高模具寿命 20%； 5） 结合 别是形状复杂、薄壁类电极。 3 采用高速切削加工模具需要解决的问题 在国内，由于资金、技术等方面的原因，应用高速切削生产模具还处于初期阶段。 还存在机床、刀具、工艺以及其他方面的一些问题需要逐步解决。 缺点是加工成本高，对刀具的使用有较高的要求，不能使用过大的刀具，要有复杂的计算机编程技术做支持，设备运行成本高。 二、加工模具的高速加工机床 模具精加工和硬切削加 工需要数控高速机床外文翻译 新工具使新机器设计最优 当加工铝时，我们主要关心的是：铝粘住加工切削边缘的倾向；保证有好的碎片排屑形成切削边缘；和保证工具有足够的中心强度来承受切削力而不被破坏。 技术发展，比如： 列，已经使工具商重新考虑任何工艺水平的机器技术。用正确的加工和编程思路是很重要的。 材料，涂料和几何形状是与减小我们所关注问题相关系的工具设计的三个因素。如果这些因素不能一起很好的配合，成功的调整磨削是不可能的。为了成功进行高速铝加工，理解这三个因素是很必要的。 使组合边缘最小化 当加工铝时 ，一个失败的切削工具模式是，被加工的材料粘住工具切削边缘。这种情况会很快削弱工具的切削能力。由粘着的铝形成的组合边缘会导致工具变钝，以至不能切削材料。工具材料选择和工具涂料选择是被工具设计者用来减小组合边缘出现的主要工艺。 亚微米微粒碳化物材料要求很高的钴浓度来获得良好的微粒结构和材料强度属性。随着温度的升高，钴与铝发生反应，钴使铝与暴露的工具材料碳化物相粘合。一旦铝开始粘住工具，铝会在快速的在工具上形成组合边缘，使工具不可用。 在切削的进程中，减小铝粘合着的工具的暴露碳化物的秘诀就是找到正确的碳化物的平衡 来提供足够的材料强度。在加工铝时，为了减小粘附，使用能提供足够硬度的 纹理粗糙的碳化物来获得平衡，来使变钝变慢。 工具涂料 当尝试减小组合边缘时，第二个应该考虑的工具设计因素是工具涂料。工具涂料的选择包括： 氮化物，锆氮化物，钻石和钻石般的涂料（ 拥有这么多的选择，航空航天磨削商店需要知道在铝的高速加工应用中哪一种工作最有效。 和 具的 装应用进程使这些选项不合适铝的应用。 装进程建立了两个使铝粘住工具的模 式 程形成了一个表面，这表面是比底层材料更粗糙的。由这个进程形成的表面“凹凸”使工具中的铝在凹处快速集结。由于涂料有金属晶体和铁晶体特征， 料是可以和铝发生化学反应的。一种 料通常是包含铝的，这铝很容易和相同材料的切削表面粘合。表面粗糙度和化学反应特性将会导致工具和工作片体粘在一起，以致形成组合表面。 ap 导的试验中，人们发现在高速加工铝时，一个没有涂染过纹理粗糙的碳化物的工具的表面优于用 或者 染过的工具。这个试验不意味着所有工具涂料将减小工具的表现。钻石和 切削铝材料时，这些涂料很认为是能非常有效的提高工具的寿命。 钻石涂料被认为是表现最佳的涂料，但这种涂料要一个很可观的成本。对于表现价值， 料提供最佳成本，增加大约 20%总工具成本，而寿命相对于未涂染过纹理粗糙的碳化物的工具来是，是增长得很明显的。 几何形状 高速铝加工工具设计的拇指定律就是使微粒排屑空间最大化。这是因为铝是一种非 常柔软的材料。 常是可以增长的，它生成更多更大的微粒。 空航天磨削机器，比如 求额外关注工具几何休和工具强度。拥有强大的 80心轴的 器将折断工具如果他们不是用足够的中心强度设计的。 总的来说，锋利的切削边缘一直都可以用来避免铝的延伸。一个锋利的切削边缘将形成高剪切和高表面清洁，形成一个更好的表面和使表面振动最小化。结果是用优良的纹理碳化物材料比纹理粗糙的碳化物材料更有可能获得一个锋利的切削边缘。但由于 铝能粘住纹理好的材料，长久保持这各边缘是不太可能的。 粗略的折衷方案 纹理粗糙的材料是最好的折衷。那是一种很强大的材料，它能拥有一个可观的切削边缘。试验结果表明；在获得长的工具寿命的同时拥有好的表面的可以的。通过工具来进行油雾冷却是可以改进切削边缘的保持的。雾化逐渐使工具冷却，消除温度急增的问题。 螺旋角度是一个额外的工具几何考虑因素。传统上来说，当加工铝时，带有高螺旋角度的工具已经被运用。高螺旋角度可以使微粒更快地从部分脱离，但却增加力和热，这是由切削运动导致的。一个高螺旋角被用在工具上 ，并且很大数量的凹槽可以使微粒排泄。 当以非常高的速度加工铝时，由增加的力形成的热量可能会引起微粒与工具焊接在一起。此外，一个有很高螺旋角的切削表面将比低角度的更快产生微粒。仅仅利用两个凹槽工具设计使低螺旋角和足够微粒排泄区域成为可能。由导的延伸性试验中，当发展新工具流水线时，这被证明是最成功的方法。 he of to to is of is to as It is to in to If do is It is to of in to be in of of of to of is by so it no by to of a to s at to to of to to it a on it is to of to in is a of so as to he be to is so to in an an VD to to VD in is to it is by to in on In VD is to to A a of to In ap it at of an to of LC in a to to be is a to of LC 0%to as to an he of is to is is a is as an 0if In be to A a or is it is to a to to it is to he to be It is a a it is to a of is an is an a a A as of A is on a a of to at by to to In a a a a A a is to be in SG L. 外文资料翻译译文 新工具使新机器设计最优 当加工铝时，我们主要关心的是：铝粘住加工切削边缘的倾向；保证有好的碎片排屑形成切削边缘；和保证工具有足够的中心强度来承受切削力而不被破坏。 技术发展，比如： 列，已经使工具商重新考虑任何工艺水平的机器技术。用正确的加工和编程思路是很重要的。 材料，涂料和几何形状是与减小我们所关注问题相关系的工具设计的三个因素。如果这些因素不能一起很好的配合，成功的调整磨削是不可能的。为了成功进行高速铝加工，理解这三个因素是很必要的。 使组合边缘最小化 当 加工铝时，一个失败的切削工具模式是，被加工的材料粘住工具切削边缘。这种情况会很快削弱工具的切削能力。由粘着的铝形成的组合边缘会导致工具变钝，以至不能切削材料。工具材料选择和工具涂料选择是被工具设计者用来减小组合边缘出现的主要工艺。 亚微米微粒碳化物材料要求很高的钴浓度来获得良好的微粒结构和材料强度属性。随着温度的升高，钴与铝发生反应，钴使铝与暴露的工具材料碳化物相粘合。一旦铝开始粘住工具，铝会在快速的在工具上形成组合边缘，使工具不可用。 在切削的进程中，减小铝粘合着的工具的暴露碳化物的秘诀就是找到正确的碳化 物的平衡来提供足够的材料强度。在加工铝时，为了减小粘附，使用能提供足够硬度的 纹理粗糙的碳化物来获得平衡，来使变钝变慢。 工具涂料 当尝试减小组合边缘时，第二个应该考虑的工具设计因素是工具涂料。工具涂料的选择包括： 氮化物，锆氮化物，钻石和钻石般的涂料（ 拥有这么多的选择，航空航天磨削商店需要知道在铝的高速加工应用中哪一种工作最有效。 和 具的 装应用进程使这些选项不合适铝的应用。 装进程建立了两个使铝粘住 工具的模式 程形成了一个表面，这表面是比底层材料更粗糙的。由这个进程形成的表面“凹凸”使工具中的铝在凹处快速集结。由于涂料有金属晶体和铁晶体特征， 料是可以和铝发生化学反应的。一种 铝很容易和相同材料的切削表面粘合。表面粗糙度和化学反应特性将会导致工具和工作片体粘在一起，以致形成组合表面。 ap 导的试验中，人们发现在高速加工铝时，一个没有涂染过纹理粗糙的碳化物的工具的表面优于用 或者 染过的工具。这个试验不意味着所有工具涂料将减小工具的表现。钻石和 料可生成一个非常光滑的化学惰性的表面。在切削铝材料时，这些涂料很认为是能非常有效的提高工具的寿命。 钻石涂料被认为是表现最佳的涂料，但这种涂料要一个很可观的成本。对于表现价值， 料提供最佳成本，增加大约 20%总工具成本，而寿命相对于未涂染过纹理粗糙的碳化物的工具来是，是增长得很明显的。 几何形状 高速铝加工工具设计的拇指定律就是使微粒排屑空间最大化。这是因为铝 是一种非常柔软的材料。 常是可以增长的，它生成更多更大的微粒。 空航天磨削机器，比如 求额外关注工具几何休和工具强度。拥有强大的 80心轴的 器将折断工具如果他们不是用足够的中心强度设计的。 总的来说，锋利的切削边缘一直都可以用来避免铝的延伸。一个锋利的切削边缘将形成高剪切和高表面清洁，形成一个更好的表面和使表面振动最小化。结果是用优良的纹理碳化物材料比纹理粗糙的碳化物材料更有可能获得一个锋利的切削边缘 。但由于铝能粘住纹理好的材料，长久保持这各边缘是不太可能的。 粗略的折衷方案 纹理粗糙的材料是最好的折衷。那是一种很强大的材料，它能拥有一个可观的切削边缘。试验结果表明；在获得长的工具寿命的同时拥有好的表面的可以的。通过工具来进行油雾冷却是可以改进切削边缘的保持的。雾化逐渐使工具冷却，消除温度急增的问题。 螺旋角度是一个额外的工具几何考虑因素。传统上来说，当加工铝时，带有高螺旋角度的工具已经被运用。高螺旋角度可以使微粒更快地从部分脱离，但却增加力和热，这是由切削运动导致的。一个高螺旋角被用 在工具上，并且很大数量的凹槽可以使微粒排泄。 当以非常高的速度加工铝时，由增加的力形成的热量可能会引起微粒与工具焊接在一起。此外，一个有很高螺旋角的切削表面将比低角度的更快产生微粒。仅仅利用两个凹槽工具设计使低螺旋角和足够微粒排泄区域成为可能。由 导的延伸性试验中，当发展新工具流水线时，这被证明是最成功的方法。 he of to to is of is to as It is to in to If do is It is to of in to be in of of of to of is by so it no by to of a to s at to to of to to it a on it is to of to in is a of so as to he be to is so to in an an VD to to VD in is to it is by to in on In VD is to to A a of to In ap it at of an to of LC in a to to be is a to of LC 0%to as to an he of is to is is a is as an 0if In be to A a or is it is to a to to it is to he to be It is a a it is to a of is an is an a a A as of A is on a a of to at by to to In a a a a A a is to be in SG L. 第一章 总体方案的拟定 第一节 概述 数控技术是一种自动控制技术，它能够对机器的运动和动作进行控制。采用数控技术的控制系统称为数控系统。装备了数控系统的机床称为数控机床。数控机床由程序载体、输入装置、 置、伺服系统和机床的机械部件构成。以数控技术为基础，促进了机械制造业向着更高层次发展，使机械制造水平得到很大的提高。对我们的现代的经济建设有很大的推动作用。 第二节 总体方案的确定 对任务书进行分析，数控测量机需有两个运动单元，一个是 一个是 能 ：实现对工件轴剖面和径剖面的测量。设计思路：螺母带动托板在滚动导轨上直线移动，丝杠直径取 D=20而带动工件转动。 一、机械传送部件的选择 要设计的数控测量机 Z 轴直线运动单元需要承载的载荷不大，但运动分辨率高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足 Z 向运动分辨率优于 动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠螺母副才能达到。滚珠丝杠螺母副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。 任务书要求的 Z 轴的运动分辨率优于 未达到 位精度也未达到微米级，空载最快移动速度为5000mm/此， Z 轴不必采用高档次的伺服电动机，可以选用步进电动机。C 轴运动分辨率优于 ，最大旋转速度为 100r/选用步进电机。 Z 轴选择了电 动机和滚珠丝杠螺母副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构。为此，本设计决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 C 轴决定选用谐波减速器，谐波减速器具有以下优点： (1)结构简单，体积小，重量轻，传动效率高。 (2)传动范围大。 (3)同时啮合的齿数多，运动精度高，承载能力大。(4)运动平稳，无冲击，噪声小。 (5)齿侧间隙可以调整。 选用步进电机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动 机来说还是偏高了，为了确保电动机在运转过程中不受电网和其他外部因素的影响而失步，决定采用全闭环控制，而且测量机上用光栅尺来测量工件的轴向尺寸，若再用光栅尺作为闭环用的检查装置，更能起到一举两用的效果，使有效资源得到充分的利用。光栅的分辨率应与测量的分辨率相匹配。 本次设计的测量机用来实现对工件的轴剖面和径剖面的测量，分别采用直线光栅和光幕式传感器。 二、控制系统的设计 控制系统应具有定位和速度控制的基本功能，但无需有插补。所以点位 /直线控制系统即可。 2对于步进 电机的闭环控制，选用 列的 8 位单片机 80为控制系统的 该能够满足任务书给定的相关指标。 列单片机具有集成度高。可靠性好、功能强、速度快、抗干扰能力强、性价比高等特点。 选择 后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘及显示器、 I/O 接口及光电隔离电路、步进电机功率放大电路等。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。 第二章 机械传动系统设计 一、导轨上移动部件的重量估计 导 轨上承载的部件包括连接板和光幕式传感器、螺母座，重量约为 20N。 二、直线滚动导轨副的计算与选型 1. 滑块承受的工作载荷 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的连接板水平布置，采用双导轨、两滑块的支承形式。由于垂直方向承载的载荷为： F=G/2 其中，移动部件重量 G=20N,得 F=10N,选取直线滚动导轨副的型号为 能远远满足要求。由于设计的在、 50连接板的尺寸为 6540标准系列，选取导轨的长度为 460 2距离额定寿命 上述选取的 0作温度不超过 100，每根导轨上配有 1个滑块，精度为 4级，工作速度较低，载荷不大。硬度系数 =度系数 =触系数 =1、精度系数 =荷系数 =距离寿命： L=504740940800大于期望值 50距离额定寿命满足要求。 三、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 1从静止加速到最大移动速度承受的载荷的计算 本设计的最大移动速度为 5000mm/选电机加速时间 为 300加速为匀加速。由此可计算出加速度： a= 丝杠所带动的移动部件包括滑块、连接板和光幕式传感器、螺母座、螺母、滚珠的重量总和约为 30N。 =ma=3动导轨上的摩擦因数 =移动克服的摩擦力为： =30+1N 2初选型号 根据计算出的加速载荷，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为 20程为 5环滚珠为 3圈 1列 ，精度等级取 2级，额定动负载为 9309N，远大于 ,满足要求。 3传动效率 的计算 将公称直径 =20程 =5入 =( ) ，得丝杠螺旋升角 =4 33。将摩擦角 =10，代入 = + ),得传动效率 = 4刚度的验算 （ 1）丝杠的支承采用“单推 方式，丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为 450的弹性模量 E= 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 3滚珠直径 =杠底径 =杠截面积 S= /4= 丝杠在加速载荷作用下产生的拉 /压变形量 =a/( （ 2）根据公式 Z= /得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数 列数为 31，代入公式： =Z圈数 列数，得滚珠总数量 =60。丝杠预紧时，取轴向预紧力 =/3=由式 = （ 3）将以上算出的和代入 =+，求得丝杠总变形量 本设计中丝杠的有效行程 为 350 机电一体化系统设计课程设计指导书表 32级精度滚珠丝杠有效行程在 315程偏差允许达到 25 m，丝杠刚度远远满足。 6压杆稳定性校核 由于丝杠受到的轴向力很小，这里无需校核。 四、确定齿轮减速箱 已选定 Z 轴脉冲当量为 =冲，滚珠丝杠的导程 =5选步进电动机的步距角 =传动比 i=（ ） /(360)= （ 5） /(36025/12 在传动系统中应加一级齿轮降速传动，选 =24,=50 因传递的扭矩较小，取模数 m=1了消除齿轮侧隙，这里采用双片齿轮，这样齿宽b 应为 （ 6 10） m，选小齿轮为 8m，大齿轮为双片弹簧齿轮，都为 4m。齿轮的有关尺寸如右表。 C 轴要求 运动分辨率优于 ，最大旋转速度为 400r/于分辨率较高，所以决定采用谐波减速器。 所需谐波减速器应输出的力矩为： ,为谐波减速器总输出惯量， 为谐波减速器输出 的最大角加速度， 工件的最大转动惯量为 =5= 卡盘的最大转动惯量为 =39 法兰的最大转动惯量为 =7.8 =+= = =m 由于 C 轴起动用的是恒转矩起动，选择谐波减速器的原则是按照最高转速选用机型。输出轴最大转速要求为 100r/以决定采用北京谐波传动技术研究所生产的谐波减速器 0机型，减速比用 48的。与之相关参 数请查看去上述研究所网站。 关系式 Z（个） 24 50 d=4 50 =d+2m 26 52 =7.5 b=(6 10)m 8 8 a= 37 机 型 d1 2 L 3 6 H 出 轴 下 L 出 轴 上 L 电 机 联 0 15 0 50 66 123 22 38 62 1 (65) (65) 5 按电机型号确定 机型 减 速 比 u 输入转速 3000 入转速 1500 入转速 1000 出 力矩 出 转速 n2 定输 入功率 p 出 力矩 出 转速 n2 定输 入功率 p 出 力矩 出 转速 n2 定输 入功率 p 0 48 65 80 100 0 12 15 63 46 38 30 0 12 17 31 23 19 15 0 12 17 21 15 13 10 五、 步进电动机的计算与选型 1 先确定 Z 轴有用步进电动机。 （ 1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径 =20长 450程 =5料密度 =移动部件总重力 G=30N；小齿轮宽度 =8径 =24齿轮宽度 =8型 空载静态启动力矩 (gf 飞轮矩 转动惯量 I (kg 0 200 0 0 直径 =50动比 i=25/12。 滚珠丝杠的转 动惯量为： 查综合作业指导书表 3 = 移动部件折算到丝杠上的转动惯量为： =可查综合作业指导书表 3= 、 齿轮、的转动惯量 () 对于钢材 J= 式中 D 圆柱体直径 L 圆柱体长度 = = = = = = 初选步进电动机型号为 55三相反应式，由常州宝马集团公司生产，三相六拍驱动时步距角为 从 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 4。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： =+(+)+=(+ （ 2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩为： =+ 为启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 为移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转 矩 为由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩（可以忽略） = = = = 式中 电机最大角加速度（ ； 电机最大转速（ r/； 运动部件从停止起动加速到最大快进速度所需时间（ s） 。令起动加速时间 =300他符号和前面意义相同，代入数据 = = = N =G 式中 导轨的摩擦力（ N） ； G 运动部件的总重量（ N） ； 导轨摩擦系数；取 i 齿轮降速比； 传动链总效率，在此取 =G=30=+=9N 3）步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系 数 K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足： 4=4 述初选的步进电动机型号为 55 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 466 N 见，满足要求。 （ 4）步进电动机的性能校核 任务书给定最大移动速度 v=5000mm/冲当量 =冲，电机对应的运行频率为 =5000/(60 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 4 45558000见没有超过这个界限。在此频率下，电动机的输出转矩 9 N 于快速起动时的负载转矩，满足要求。 已知电动机转轴上的总转动惯量 =电动机转子自身的转动惯量 =，查 机电一体化系统设计课程设计指导书 表 41800由式（ 4以求出步进电动机克服惯性负载的启动频率为： =777式说明，要想保证步进电动机起动时 不失步，任何时候的起动频率都必须小于 777际上，在采用软件升降频时，起动频率选得很低，通常只有 100 综上所述， 55进电动机，可以满足设计要求。 技术参数： 型号 相数 步距角 ( 电压 (V) 电流 (A) 保持转矩 空载启动频率(运行频率 (接线图 备注 55 3 27 3 ) 1800 1 可供双轴伸 外形安装尺寸： 型号 D D1 h d E L S 备 注 555 32 0 0 40 4 为了节省成本，配件应尽量选择一样，因此 5见综合作业指导书表 3用三相双三拍驱动，步距角为 3 ,由于谐波减速器的减速比为 48，所以输出轴的分辨率为 优于 满足要求。 00r/以所需电机电机的运行频率为 (100360)/(60 9600于 55足要求。 由所选的谐波减速器的相关参数可看出即使步进电机直接由最高转速起动，谐波减速器输出的转矩也能满足要求。但为了避免有冲击，还是采用低速起动高速运行的方法。 五、直线光栅尺的选用 本设计所选 在导轨上固定标尺光栅，导轨块上固定光栅读数头，用以检测光幕式传感器的行程和移动速度。光栅尺的分辨力应与 =冲和需要测量的行程为 350虑到光栅输出的 A、 以送到四倍频电路进行电子四 细分，和为了降低成本。因此，光栅的栅距选 样控制系统每发一个步进脉冲，丝杠每产生一个脉冲当量，光栅对应输出一个脉冲信号。 本设计选择长春光机数显技术有限责任公司生产的 5025 型号直线光栅：电压 5V、方波输出、有效行程 350距 25线 /度为 10 用 芯插头。 六、光幕式传感器的选用 由于需要检查的工件最大直径为 50以选择的光幕式传感器的发射器和接收器的距离应大于 50考虑到工件装载方便，需留出余量，所以使发射器和接收器的 距离为 100据已知条件，决定采用沃尔士环控系统工程（深圳）有限公司出售的由德国生产的 德国 幕式红外光传感器 细信息： 详细介绍： 尺寸：各种供选（ 3800 发射器和接收器的最大距离： 300光器 : 冷光反射器 工作电压： +1232工作温度： . +60C 在 可调整的参数：开关指示 (亮 /暗 )调整 、激光功率调整、开关延时调整、信号平均值、公差值范围设置、参考值范围设置 输出： 模拟 量 : 0 . +10V 数字量 :关频率： 1关指示：橙色 料：铝 (电镀蓝色 ) 保护等级： 此可知满足本设计要求。 第三章 微机数控系统硬件电路设计 第一节 单片机数控系统硬件电路设计内容 一、 绘制系统电气控制的结构框图 根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。 （ 1）数控系统的组成 数控系统是由硬件和软件两部分组成，硬件是组成系统的基础 ，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标 。 （ 2）机床的硬件电路有以下五部分组成 : 1、 主控制器 即中央处理单元（ 2、 总线 包括数据总线 (地址总线 (控制总线 ( 3、 存储器 包括程序存储器和数据存储器； 4、 接口 即 I/输出接口电路； 5、 外围设备 如键盘、显示器及光电输入机等。 绘制机床数控系统硬件框图 图 4床数控系统硬件框图（开环系统） 目前在经济型数控机床中，推荐采用 于其具有 集成度高、可靠性好、功能强、抗干扰能力强、性能价格比高等特点，经过分析本次任务要求，决定采用 031单片机扩展系统。由于 8031内部无程序存储器，且只有地址为 00728个单元作为片内 于本次任务要求： 微机部分扩展 16k 8位程序存储器， 16k 8位数据存储器；人机交互部分的输入接口采用 4行 8列的行列式键盘，输出接口采用 8位 8段 2个行程限位信号（ 工作方式（手动、自动、编辑等）及报警指示等采用开关量信号输入；电机控制部分采用软环分和 高低压驱动，控制机床的两个运动单元，所以， I/ 决定扩展两片 2764、两片 6264、一片 8279、一片 8255。 1、 不同型号的 作速度有差别，一般为 200450择时应注意是否系统的时序要求。即 8031 所提供的读取时间应大于 工作时间。 8031访问 ，其所能提供的读取时间 t 与所选的晶体时钟有关，大约为 3T，其中的 次设计系统选用晶体频率为 6 t 480凡工作速度小于 480片在时序上均满足要求，所以 2764满足要求。 2、 常用的静态 片有 6116、 6264、 62256 等， 6264 采用 艺，有 +5V 供电，典型存取时间为 150200以 6264 满足要求，采用 28 引脚双列直插式扁平封装。 由于单片机 8031 芯片的 位地址线和数据线， 传送高8 位地址，所以采用 7473 地址锁存器，锁存低 8 位地址。单片机的 于 不必外加地址锁存器。 2764和 6264芯片均具有 8要 13根地址线。 8位相 应接 7473的输出 1Q8Q， 应接 8031芯片的 由于扩展了 两片 2764、两片 6264、一片 8279、一片 8255，所以 系统采用全地址译码，两片 2764 芯片片选信号 应接 74和 1。 两片 6264 芯片的片选信号 应接 74 2和 3，单片机扩展系统允许程序存储器和数据存储器独 立编址（即允许地址重叠）， 8031芯片控制信号 2764 的 脚，读写控制信号 别接 6264 芯片的 由于 8031芯片内部没有 能用外部程序存储器，所以 须接地。 二、 I/O 接口芯片地址分配 器件 地址选择线 片内地址单元 /字节 地址编辑 2764（ 1） 000x K 0000H1764（ 2） 001x K 2000H3264（ 1） 010x K 4000H5264（ 2） 011x K 6000H7279 1001 1111 1111 111x 2 9255 1011 1111 1111 11 、软环分 课程设计任务书要求采用软环分，又因为两运动单元都选用了 55进电动机，并且 以选用了 8255 的 轴步进电动机的 A、 B、 C 三相绕组，确 定 轴步进电机的 A、 B、 并确定 第二节 I/一、 I/O 接口电路的扩展 由于 8031只有 和 ，不能满足输入输出口的要求，因此系统扩展了一片 8279和一片 8255可编程 I/8279的片选信 号 74 4端。 8255 的片选信号 74 5端。74、 B、 031的 出0Y7电平有效。 8279 与键盘、显示器的连接：键盘的行线接 8279 的 本次设计8279 采用外部译码方式， 741）译码器输出0Y7Y，作为按键盘的列线， 由 74)译码器输出 0Y 7Y，经驱动后输出到显示器各位的共阴极，输出线 、 作为 8位段数据输出口， 制 74)的译码，当位切换时， 出低电平，使 74)输出全为高电平，当键盘上出现有效的闭合健时，键输入数据自动的进入 8279的 向 8031请求中断， 8031响应中断，读取 的输入键值更新显示器输出，仅需改变 8279种显示缓冲器 8255的 向 ,据任务书要求采用软环分，于是 第三节 所用芯片接线引脚介绍 一、 8031 单片机芯片的介绍 8031芯片具有 40 根引脚按其功能分为四类 根 （ 根 振荡器的反相放大器输入，使用外部振荡器时必须接地。 当使用外部振荡器时用于输入外部振荡信号 口 共用 1 ,32根地址线，其功能如下： （ 1） 时用作低 8位地址线和 8位数据线。 （ 2） 用户使用。 （ 3） 作为高 8位地址线 （ 4） 口的每一 位均可独立的定义为第一 I/，口结构与操作与 完全相同。 第二功能如下所示： 外部数据存储器读选通 外部数据存储器写选通 1 :定时器 0， 1外部输入 01外部中断 行输入口 行输出口 （ 1） 程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的读选通信号； （ 2） 高电平时， 低电平时， 8031 的 口必须接地； （ 3） 地址锁存器的使能信号， 位地址 （ 4） 复位 /备用电源端 二、 2764 片的介绍 2764芯片为 28 脚双列直插式扁平封装芯片，其管脚的功能介绍如下： 片选端； 输出使能端 ； 地址端接口； 据端接口； 编程控制端； 编程电源端； 源端； 地。 三、 6264 片的介绍 6264芯片 也为 28脚双列直插式扁平封装芯片，其管脚功能介绍： 源端； 地。 1片选端 1; 选端 2; 读输入选通端 ; 写输入选通端 ; 地址线 ; I/I/I/O 口。 四、地址锁存器 74地址译码器 74引脚图 五、专用键盘显示器接口芯片 8279 8279是通用可编程键盘和显示器 I/用 8279，可实现对键盘 /显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合健的键号，不仅可以大大节省 键盘显示 器的操作时间，从而减轻 且显示稳定。程序简单，不会出现误动作，由于这些优点， 8279芯片被日益广泛地应用， 其引脚功能如下： （ 1） I/利用 D 、 号去控制各种内部寄存器读写， ，表示传送的是命令或状态信息， 时数据信息。 片选信号， 低电平时， 279 进行读写。 （ 2） 电平有效。 （ 3） 反馈输 入线，作为键输入线由内部拉高电阻拉成高电平，也可由按键拉成低电平。 （ 4） 控制键输入线，由内部拉高电阻拉成高电平。 （ 5） 扫描输出线，用于对键盘显示器扫描。 （ 6） 0 ,0 为显示段数据输出线。 （ 7） 消隐输出线，低电平有效，当显示器切换时，或使用显示消隐命令时，将显示消隐。 （ 8） 电平有效。 六、 8255 可编程接口芯片： 8255 具有 3 个 8 位的并行 I/O 口，分别为 、 和 ，它们都可以通过软件编程来改变 I/功能如下： 片选端； 0 ,地址线； 读信号； 写信号； 据线 位信号； 。 第四节 辅助电路的设计 一、 辅助电路的介绍 微机数控系统除了各种主要功能芯片外，还必须包括一些其他必要的辅助电路。这些辅助电路有：键盘显示器电路，步进电机控制电路，时钟电路，复位电路，越界报警电路，掉电保护电路等。各种电路介绍如下： 数控系统中使用的显示器主要有： 示器， 示器。本设计采用 常它是由八个发光二极管组成的，具有共阴极和共阳极两种结构，本次设计采用共阴极结构具体结构如图所示： 键盘是 由若干按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片机输入设备，其工作原理如图所示： 步进电机控制电路如下列框图所示： 步进电机控制电路框图 现分别介绍如下： （ 1）脉冲分配器（环形分配器） 环形分配器有硬件和软件两种，硬件环形分配器需要的 I/执行速度快，但需要专有的芯片。软环形分配器实用程序实现的。本设计中要求使用软环分配器。其具体程序内容见下部分。 （ 2）光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后，控制步进电机的励磁 绕组。由于步进电机需要的驱动电压较高，电流也较大。如果将 I/O 口输出信号直接与功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机的程序正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。所以一般要在接口电路与功率放大器间加上隔离电路，实现电气隔离。电路图如图所示： 光电隔离电路图 该图为同向输出电路，控制信号经 74电极开路门反相后驱动光耦合器的输入发光二极管。当控制信号为低电平时， 74吸收电路，发光二极管不导通，从而输出的光敏晶体管截至，输入电压为零电平。反之输出电压为高电平。 （ 3）功率放大 电路 脉冲分配器的输出功率很小，远不满足步进电机的要求，必须将它放大，已产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，本次设计所选用的是一种高低压供电电路。其具体电路图如图所示。 高低压驱动电路图 其工作原理： 电路中各晶体管均处在开关状态，当控制脉冲到来时， 时脉冲变压器的二次侧产生一定宽度的脉冲电流，使 二极管处于负偏置而截止，将电动机绕组 n 断开，高压电源通过 步进电机绕组 其电流上升沿变陡，通过 b 时间后，脉冲电流消失，使 于截至状态，切断高压电源 电动机绕组 回路，供电动机所需的额定电流。 单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。内部方式利用芯片内部振荡电路，本次设计采用内部方式，如图所示。晶体可在 12间任选，耦合电容在 5 30时钟有微调作用。 时钟电路图 单片机的复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在 脚上出现 10上的高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从 0000H 单元开始执行程序。单片机通常采用上电自动复位和按钮复位两种。下图中为上电与按钮复位组合。在上电瞬间， 路充电， 脚端出现正脉冲，只要0能使单片机有效复位。 复位电路图 为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。本次设计采用中断方式，利用 8031的外部中断0要有任一个行程开关闭合，即 工作台在某一个方向越界，均能产生中断信号0了报警，设置红绿灯指示，正常工作时绿灯亮，当越界报警是红灯亮。两灯均由一个 I/ （ a）为报警信号的产生。 (b)为报警指示。 掉电保护电路，保护一些重要的现场参数，如几何尺寸，工艺参数，再掉电后仍能妥善保存，恢复供电后又能马上运行。 掉电保护电路图 图中 a 源端，正常通电时，二极管 压由 时 对电池充电。断电后， 时 第四章 微机控制软件 第一节 概述 机床数控系统是由硬件和软件两大部分组成，只有软件和硬件相结合时才能实现数控机床控制系统的功能。本章主要是对控制软件做一下简要介绍，其次按设计要求完成一项环形分配器流程框图的绘制以及其源程序的编写。 第二节 控制软件 组成及功能 一、典型的计算机数控系统控制软件的组成形式如下图中所示： 二、数控系统控制软件的功能介绍如下： （一）系统总控程序 这是计算机数控系统的主循环程序，系统上电后便进入这部分程序运行，它主要完成以下工作： 1:系统的初始化； 2：命令处理循环 （二）零件加工程序的输入和输出管理 零件加工程序的输入有两种方法： 1：通过光电阅读机输入。 2：从键盘输入。零件程序存储器一般容量较大，可以存放多个零件加工程序。数控系统采用的零件加工方式是存储器工
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