简易三坐标数控机床设计说明书

江苏科技大学本科 毕 业 设 计（论文）学 院 机械工程学院专 业 机械设计制造及其自动化学生姓名 苏 啸班级学号 0940202224指导教师 李滨城二零一三年六月江苏科技大学本科毕业设计（论文）江苏科技大学本科毕业论文简易三坐标数控机床设计Design of the 3-AXIS CNC machine tools江苏科技大学本科毕业设计（论文）（理工类）： 江苏科技大学毕业论文（设计）任务书学 院： 机械工程学院 专业：机械设计制造及其自动化学 号： 0940202224 姓 名： 苏 啸指导教师： 李滨城 职称： 教授2013年 1 月 10 日江苏科技大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目：简易三坐标数控机床设计一、毕业设计（论文）内容及要求（包括原始数据、技术要求、达到的指标和应做的实验等）根据三坐标数控机床工作原理，选择开放式控制系统EMC2为控制系统，设计简易的三坐标数控机床，并对其切削加工过程进行仿真。1 提供条件：机床加工工况参数。2 设计内容与要求：(1) 调研收集分析有关资料，分析三坐标数控机床和开放式控制系统EMC2工作特点；(2) 确定简易三坐标数控机床总体方案；(3) 简易三坐标数控机床机械系统设计；(4) 简易三坐标数控机床控制系统设计；(5) 切削加工过程仿真。江苏科技大学本科毕业设计（论文）二、完成后应交的作业（包括各种说明书、图纸等）1. 毕业设计论文一份（不少于1.5万字）；2. 外文译文一篇（不少于5000英文单词）；3. 装配图一份。三、完成日期及进度自2013 年 1 月10 日起至 2013 年6 月 16 日止进度安排：1. 1.10-2.28，查阅资料、调研；2. 3.01-3.10，完成开题报告；3. 3.11-3.31，简易三坐标数控机床总体方案；4. 4.01-4.25，简易三坐标数控机床机械系统设计；5. 4.26-5.15，简易三坐标数控机床控制系统设计；6. 5.16-5.25，切削加工过程仿真；7. 5.26-6.16，总结整理、完成毕业设计论文、毕业答辩四、同组设计者（若无则留空）：江苏科技大学本科毕业设计（论文）五、主要参考资料（包括书刊名称、出版年月等）:1. 黄纯颖等. 机械创新设计M。北京：高等教育出版社，2000.72. 孙桓等. 机械原理M。北京：高等教育出版社， 2005.123. 张德丰等. MATLAB基础与工程应用M。北京：清华大学出版社， 2011.12。4. 赵武云等. ADAMS基础与应用实例教程M。北京：清华大学出版社，2012.35. 葛正浩等. ADAMS 2007虚拟样机技术M。北京：化学工业出版社，2010.16. 徐应.机械设计手册M。北京：机械工业出版社，20007. 赵海滨等. MATLAB应用大全 M。北京：清华大学出版社，2012.58. 李滨城等. 机械原理MATLAB辅助分析M。北京：化学工业出版社，2011.79. /10.樊军庆等. 数控技术M。北京：机械工业出版社，2012.8系(教研室)主任： （签章） 年 月 日学院主管领导： （签章） 年 月 日注：1、如页面不够可加附页2、以上一五项由指导教师填写江苏科技大学本科毕业设计（论文）I摘要数控机床是一种高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，现已成为现在制造领域内的最基本概念之一。对于机械相关学科的学生，数控加工技术等相关学科已成为高等教育阶段必修的课程。然而在实际教学中，由于现有的数控设备有着价格昂贵、维护成本高和安全隐患多等诸多不便，高校在进行数控加工技术相关学科教学时普遍存在着实践学时较少、学生缺乏实践经历等问题。基于此背景，本文设计了一种结构简单、制作方便、易上手且价格低廉的简易三坐标数控机床，同时利用个人计算机和开放式控制系统，降低设备成本，为数控加工技术相关学科的教学和学生的综合实训提供便利。本文首先进行了数控机床的机械系统设计，即先确定机床的总体方案，然后通过分析和计算分别对机床的执行机构、传动机构和主要零部件进行设计，并对重要零部件进行校核。随后，为了完善机械系统设计，本文在SolidWorks中对机床进行了三维建模，并运用SolidWorks的COSMOSMotion模块进行机床的运动仿真，同时在MATLAB中建立机床的运动模型，通过对比两组运动线图可验证机床运动仿真的正确性。为实现对数控机床的运动控制，本文选用了开放式控制软件EMC2进行数控机床的控制系统设计。EMC2前身是美国国家标准与技术研究院（NIST）为实现用PC机代替专用的CNC控制器而开发的EMC，后经过NIST多方改进，才形成了今天的EMC2。由于EMC2是完全开源的，因此可以在研究其源代码的基础上建立满足不同应用的专用控制系统。本文针对三坐标数控机床的数学模型对EMC2的源代码进行了修改，并对相关文件进行配置，完成了控制系统的设计。完成机床的机械系统和控制系统设计后，本文制作了三坐标数控机床实物，并通过在SolidCAM中构建加工模型进行了零件的加工仿真和数控加工代码生成。最后，通过加载获得的数控加工代码进行了数控机床的实物加工，得到了设计的加工零件，完成了对机床的调试。关键字三坐标；数控机床；EMC2开放式数控系统江苏科技大学本科毕业设计（论文）IIAbstractNumerical control machine is a kind of highly efficient automated machine tools,represents the development direction of modern machine tool control technology, hasbecome one of the most basic concepts of manufacturing field now. For students in themechanical or related disciplines, nc machining technology and related disciplines hasbecome a compulsory course of higher education stage. In actual teaching, however,because of the existing numerical control equipment is expensive, high maintenance costsand safety concerns much inconvenience, such as colleges and universities in the ncmachining technology there is a widespread practice related discipline teaching hours less,students lack of practical experience, and other issues. Based on this background, this papertries to design a simple structure, convenient production, easy-to-use, and low prices ofthree coordinates numerical control machine tool, using personal computer to providecontrol scheme at the same time, reduce the equipment cost, provide convenience for ncmachining technology related disciplines teaching.This article first has carried on the numerical control machine tool of the mechanicalsystem design, namely first determine the overall scheme of the machine tool, and thenthrough the analysis and calculation on the actuators of the machine tool, transmissionmechanism and main parts design, and to check important parts. Then, in order to improvethe mechanical system design, this article has carried on the three-dimensional modeling ofnc machine tools in SolidWorks, and using the SolidWorks COSMOSMotion module formachine tool motion simulation, machine movement model is established in MATLAB atthe same time, by comparing the two groups of movement chart to verify the correctness ofthe simulation of machine movement.In order to achieve motion control for CNC machine tools, this paper chooses theEMC2 open control software for nc machine tool control system design. EMC2 predecessoris the U.S. national institute of standards and technology (NIST) in order to implement thePC instead of a dedicated CNC controller and the development of EMC, NIST parties afterimprovement, formed the EMC2 today only. Due to EMC2 is completely open source, itmight be on the basis of study the code form to modify to meet different applications.Control system design includes two aspects of modify the source code and configurationdocuments.Completion of mechanical system and control system of machine tool design, this江苏科技大学本科毕业设计（论文）IIIarticle made a three coordinate numerical control machine tool, and through building inSolidCAM specified parts of the processing model of process simulation and nc codegeneration. Finally, this paper obtained by loading the object of nc code for numericalcontrol machine processing, the design of machining parts, finished the debugging ofmachine tool.Keywords：3-Axis； CNC machine tools； EMC2 open numerical control system江苏科技大学本科毕业设计（论文）IV目录摘 要. IAbstract.II第一章 绪论.11.1 选题背景与现实意义.11.1.1 选题背景.11.1.2 现实意义.21.2 本课题国内外研究现状和发展趋势.21.2.1 国内外研究现状.21.2.2 三坐标数控机床的发展趋势.41.3 本文的研究目的和研究内容.51.3.1 研究目的.51.3.2 研究内容.5第二章 简易数控机床的机械系统设计. 62.1 简易数控机床机械装置的总体设计.62.2 简易数控机床执行机构的分析与设计.72.3 简易数控机床传动机构的分析与设计.82.3.1 丝杠型号的选择和切削力的计算.82.3.2 步进系统的设计.92.3.3 光轴的设计和校核.102.3.4 其他传动零部件的设计.112.4 底座和支座的设计.122.5 本章小结.13第三章 简易数控机床的三维建模和运动仿真. 143.1 简易数控机床的三维建模.143.2 简易数控机床的运动仿真.173.2 本章小结.19第四章 简易数控机床的控制系统设计. 204.1 EMC2开放式控制系统构成. 20江苏科技大学本科毕业设计（论文）V4.1.1 EMC2开放式控制系统的软件结构. 204.1.2 EMC2开放式控制系统的硬件结构. 224.2 EMC2中相关代码的修改. 244.2.1 EMC2的安装和运行. 244.2.2 EMC2源代码的修改. 254.3 EMC2中相关文件的配置. 264.3.1 INI文件的配置. 274.3.2 HAL文件的配置. 304.3.3其他文件的配置.314.4 本章小结.31第五章 简易数控机床的加工仿真. 325.1 用于数控加工G代码的生成.325.1.1 数控程序的构成和编制.325.1.2 基于SolidCAM的自动编程. 325.2 简易数控机床的实物加工仿真.375.3 本章小结.38结 语.39参考文献.40本科期间发表的学术论文.41致 谢.42江苏科技大学本科毕业设计（论文）1第一章 绪论1.1 选题背景与现实意义1.1.1 选题背景数控机床是数字控制机床的简称，是采用数字化代码程序控制、能完成自动化加工的通用机床。数控机床的显著特点是通过加工程序实现对刀具和工件之间复杂的相对位移控制，因此改变加工程序便可实现不同零件的加工，具有很大的柔性。根据工艺用途、运动轨迹和控制方式三个方面，数控机床可分为以下几类：表1-1 数控机床的分类分类方式 工艺用途 运动轨迹 控制方式机床类型 普通数控机床 加工中心 点位控制系统 点位直线控制系统 连续控制系统 开环控制 半闭环控制 闭环控制数控机床具有以下特点：(1)加工精度高数控机床是采用数字化代码程序控制、能完成自动化加工的通用机床，因此在加工过程中可以减小一些人为误差。同时，数控机床还能通过误差反馈和补偿来减小误差，有效的提高机床的加工精度。(2)适应性强数控机床是按照数字化代码的指令进行加工的，因此当加工对象改变时，除调整工件装夹和改变刀具外，改变加工程序便可实现不同零件的加工，具有很大的柔性。(3)生产效率高数控机床对加工对象的装夹要求低，在加工过程中可大大缩短准备时间。同时，由于数控机床的加工精度较高，可极大的减少测量和重复加工的时间。对于一些特别外形复杂的零件如箱体等，采用加工中心进行加工可以一次装夹多面加工极大的提高生产效率。(4)可加工形状复杂的零件数控机床可以同时控制多个坐标联动，因此可以加工一般机床不能加工的复杂曲江苏科技大学本科毕业设计（论文）2面。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品，现已成为现在制造领域内的最基本概念之一。对于机械相关学科的学生，数控加工技术等相关学科已成为高等教育阶段必修的课程。然而，在实际教学中，现有的数控设备却有着诸多不便：(1)价格昂贵数控机床价格昂贵，很多学校买不起，即使是发达国家的高等院校也无法保有足够的数控机床以满足教学需要。(2)维护成本高数控机床对使用环境要求高，使用过程中的原材料、刀具、能源等消耗大，维护和修理费用高，对大部分学校都是一个不小的负担。(3)安全隐患多数控机床严格按照程序运行，一旦数控程序有误，其危害远大于普通机床。因此在教学过程中对教师和学生都有很高的要求，很大程度上限制了数控加工技术的教学。1.1.2 现实意义由于以上几种因素的限制，高校在进行数控加工技术相关学科教学时普遍存在着实践学时较少、学生缺乏实践经历。因此，研制出一种新型的数控设备以解决数控机床在数控加工技术相关学科教学中的不便，为学生提供更多更高质量的实践经历，提高学生的数控加工技能和实践动手能力成为一个现实需求。因此，本文试图设计一种结构简单、制作方便、易上手且价格低廉的简易三坐标数控机床，同时利用个人计算机提供控制方案，努力降低设备成本，为数控加工技术相关学科的教学提供便利。1.2 本课题国内外研究现状和发展趋势1.2.1 国内外研究现状三坐标数控机床是进行雕刻加工的自动化装备，兼具铣、钻、镗等多种机加工形式1。随着科学技术的进步和国民经济的发展，三坐标数控加工机床在广告业、工艺业、模具业、建筑业拥有广泛的应用，具有很好的发展前景。三坐标数控雕刻机床的应用范围十分广阔，就加工材料而言，有木工板、亚克力有机板、密度板、PVC板、玻璃、大江苏科技大学本科毕业设计（论文）3理石以及各类金属，应用领域而言，可广泛应用于以下领域：广告行业：如指示牌、桌牌以及各类大型标示牌等模具行业：各类小型模具的加工建筑业：房地产、城市规划等各类建筑模型礼品行业：各种个性化礼品制作、印章刻字工业应用：各类小型零件加工三坐标机床的发展历史十分久远，早在1938年，法国嘉宝公司就生产出世界第一台手动三坐标机床，到1950年，嘉宝又生产出世界第一台真正的可缩放比例的电动三坐标数控机床2。随后，美国、日本等国家也陆续着手研发。20世纪90年代，微电子技术的突飞猛进推动了微型计算机的快速发展，并直接带动了各个行业的飞速发展，也使三坐标数控机床技术得到了质的飞跃。如图1.1所示嘉宝三坐标数控机床，完成了从2D2.5D3D加工的变革。功能完善、性能稳定、造型美观、价钱合理成为机床设计的基本要求。图1-1 嘉宝三坐标数控机床针对不同的应用领域，对机床的性能要求以及机床结构也不相同。现在市面上三坐标数控机床主流结构主要有两种3，第一种如图1-2所示，工件通过夹具固定，刀具具有X轴、Y轴和Z轴方向的移动。这种机床的特点是结构简单、承载能力大，但是机床稳定性不好，加工精度不易保证。第二种则如图1-3所示，工作台只作X轴、Y轴方向移动，刀具沿Z轴方向移动。这种结构由于工件随工作台移动，因此不能加工太重工件且机床有尺寸限制，但稳定性较第一种好。江苏科技大学本科毕业设计（论文）4图1-2 三坐标数控机床类型一 图1-3 三坐标数控机床类型二三坐标数控机床的系统则主要有以下三类：(1)步进系统：步进系统是目前使用最多的驱动系统，尤其是是三相混合式步进电机，市场份额高达90%。步进系统由步进电机和步进电机驱动器组成，其优点是价格便宜且效果良好，但运行时容易产生共振和噪音，同时长时间运行时容易丢步、电机温升过高等。(2)混合伺服系统：混合伺服系统的应用并不广泛，主要是因为做混合伺服的厂家不多，同时混合伺服系统相对步进系统性能提升不多，而价格相对伺服系统又没有太大的优势。(3)伺服系统：伺服系统的使用同样比较少，主要原因是价格比较高，另外伺服系统的应用对于机床的机械结构、传动系统和控制系统都有一定的要求，因此一般只用于高端机型。伺服系统具有力矩大、转速高、回应快、发热少以及齐全的报警系统等优点，但系统的设计和调试对工程师的要求比较高。1.2.2 三坐标数控机床的发展趋势三坐标数控机床在国民生产领域的应用已非常广泛，目前，市场上云集了国内外多个著名品牌的产品，其设计及制造技术、加工质量都已相当稳定和成熟。国外的三坐标数控机床，如美国雕霸、法国嘉宝和日本御牧都是该行业佼佼者，其产品已非常成熟，但价格非常昂贵4。中国这几年也涌现出很多三坐标数控机床的优秀厂家，如北京精雕、上海啄木鸟等，但价格同样非常昂贵，普通机床价格都在上万元以上，让小型企业和个人用户望而止步，也在一定程度上阻碍了其推广。江苏科技大学本科毕业设计（论文）51.3 本文的研究目的和研究内容1.3.1 研究目的本论文的研究目的是研制出一种新型的数控设备以解决数控机床在数控加工技术相关学科教学中的不便，为学生提供更多更高质量的实践经历，提高学生的数控加工技能和实践动手能力成为一个现实需求。因此，本文试图设计一种结构简单、制作方便、易上手且价格低廉的简易三坐标数控机床，同时利用个人计算机提供控制方案，努力降低设备成本，为数控加工技术相关学科的教学提供便利。1.3.2 研究内容本论文研究的主要内容是简易数控机床的机械系统设计与控制系统设计。具体主要包括以下几个方面：(1)简易数控机床的机械系统设计：根据设计目的和原则确定简易数控机床的结构和运动方案，同时根据机床设计的总体方案完成机床执行机构和传动机构的分析与设计，通过计算选定原动机的类型和具体型号，并完成机床重要零件的尺寸设计和检核，为简易数控机床实物的加工与制作提供重要依据。(2)简易数控机床的三维建模和运动仿真：通过对简易数控机床的机械系统设计，确定了简易数控机床的结构和运动方案，并完成了大部分零部件的设计和校核。在此基础上，可以建立简易数控机床的三维模型，并通过运动仿真研究数控机床的运动可行性，及时修正不合理的零件尺寸和装配关系，完善对数控机床的机械系统设计。(3)简易数控机床的控制系统设计：基于EMC2开放式控制系统，通过修改其运动模块的代码和配置相关文件，完成数控机床的控制系统设计(4)简易数控机床的加工仿真：采用SolidCAM自动编程来生成数控程序，并在EMC2中加载获得的数控程序加工模型，实现简易数控机床的加工演示。江苏科技大学本科毕业设计（论文）6第二章 简易数控机床的机械系统设计简易数控机床的机械系统设计的任务是根据设计目的和原则确定简易数控机床的结构和运动方案，同时根据机床设计的总体方案完成机床执行机构和传动机构的分析与设计，通过计算选定原动机的类型和具体型号，并完成机床重要零件的尺寸设计和检核，为简易数控机床实物的加工与制作提供依据。2.1 简易数控机床机械装置的总体设计机械装置总体设计的设计原则：(1)功能优先原则：进行各类机械装置设计的最终目的是综合运用各种机构、零件的设计知识，并结合其他先修课程的知识，设计出能满足一定需求的机械装置。因此，在设计的过程中首先要坚持功能优先的原则，保证设计的机械装置能满足预期的设计目标。(2)安全可靠原则：机械设计的产品首先应保证产品自身和使用者的安全，避免在使用过程中损坏及其本身或危害使用者的生命安全。其次；机械产品应具有可靠的使用性能，能够稳定的实现其功能。(3)经济实用原则：除了机械产品的功能和可靠性之外，在机械设计的过程中还要考虑经济性问题，设计过程中应在满足功能优先和安全可靠两个原则的前提下尽可能降低产品的成本。(4)继承与创新相结合：进行机械装置的设计时，首先要继承前人的经验，学习优秀的设计经验，但同时还要发挥主观能动性，用于创新。创新性决定了产品的自有知识产权含量，是评价设计水平的重要依据之一，应努力按照创新思维方式进行独创新颖的设计。由于本文设计的简易三坐标数控机床要求机床机构简单、便于制造，同时希望机床的加工范围尽可能大，在对比第一章介绍的两种三坐标数控机床常用结构后选择第一种：工件通过夹具固定，刀具具有X轴、Y轴和Z轴方向的移动。结构上，机床由底座、立柱、龙门和机头等部分组成，机床的传动通过光轴、光轴滑块、丝杠和丝杠螺母实现并通过步进系统驱动。同时，在保证整个系统的机械钢性前提下，在设计的过程尽可能使用标准件和螺栓联接，以简化设计结构、缩短产品的设计和制造时间。机床传动装置方案如图2-1所示：江苏科技大学本科毕业设计（论文）7图2-1 机床传动方案简图2.2 简易数控机床执行机构的分析与设计简易数控机床的执行机构即机床主轴，包括提供原动力的电机、钻夹头和加工刀具等，本文选用的主轴电机是直流电机。直流电机是将直流电能转化为机械能的旋转机械装置，其结构虽然比三相异步电动机复杂、使用过程中不便维护，但它的起动转矩较大、调速性能好，因此仍广泛用于对起动转矩和调速要求高的机械装置中。如图2-2和2-3所示即为本文主轴选用的额定功率3.5W的双轴承直流电机ZYT50S-RA/CCW，以及与之配套的直流稳压 12V 电源，在直流稳压 12V 供电时直流电机的额定转速min/2000rn 。图2-2 双轴承直流电机ZYT50S-RA/CCW 图2-3 直流稳压12V电源双轴承直流电机ZYT50S-RA/CCW尺寸与性能参数见表2-1，由直流电机轴长与轴径，确定钻夹头型号为B10，见图2-4。江苏科技大学本科毕业设计（论文）8表2-1 直流电机ZYT50S-RA/CCW尺寸与性能参数电机尺寸 机身长度 机身直径 轴长 轴径 安装孔螺母参数 77.6 50.3 22.8 6 M4图2-4 钻夹头B102.3 简易数控机床传动机构的分析与设计简易数控机床的传动机构主要包括丝杠、光轴、步进系统以及一些其他传动零部件，传动机构的设计和分析主要包括：丝杠的选择、光轴的校核、步进系统的设计以及其他传动零部件的设计。2.3.1 丝杠型号的选择和切削力的计算在计算切削力和设计步进系统之前，首先要根据简易数控机床的工况条件和加工要求确定丝杠副型号。(1)种类的确定：由于本文对丝杠副的精度要求较高，同时无特别大的载荷要求，因此选用冷轧滚珠丝杠副，它具有价格低、效率高、精度可选范围广等特点。(2)精度级别的确定：滚珠丝杠副在用于纯滚动时，通常选T类；当用于精密定位传动时，则要选择P类。P1、P2类价格很高，一般用于非常精密的工作母机，P3、P4类在高精密机床中用的最多，本文选择P4类。(3)导程的确定：选择导程一般跟所需要的运动速度、系统有关，通常在4、5、6、8、10、12、20中选择。在速度满足的情况下，一般选择较小导程以利于控制精度。综合以上参数，本文选定滚珠丝杠副型号为SFU-1605。江苏科技大学本科毕业设计（论文）9铣削是三坐标机床加工的主要形式，也是切削力最大的加工形式，因此在计算切削力时只考虑铣削切削力即可。由上， min/2000rn ，并设定铣削深度 mmap 1 ，进给速度 min/1000mmVf ，根据经验公式： NnvaF fp 52.6362.075.0*76.42 (1)为保证机床运行平稳和加工精度，本文选用的是滚珠丝杠SFU-1605，其精度等级为4级。由静摩擦系数 2.0 ，得丝杠轴向负载： NmgFFa 52.123 (2)由丝杠型号查询相关手册， mI 005.0 ， 85.0 ，根据经验公式计算启动力矩：mNIFTaa 117.02 (3)2.3.2 步进系统的设计根据所需启动力矩，如图2-4和2-5所示即为本文选用的步进电机HY42DJ60及配套的直流稳压24V电源，扭矩 mNT 75.0 。图2-5 步进电机HY42DJ60 图2-6 直流稳压24V电源步进电机不能直接接到直流或交流电源上工作，而必须使用专用的步进电机驱动器。步进电机驱动器是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，步进电动机和步进电机驱动器构成步进系统。系统工作时，步进电机驱动器每接到一个脉冲信号，就驱动步进电机按设定的方向转动一个步距角，通过控制送给驱动器的脉冲个数即可达到控制角位江苏科技大学本科毕业设计（论文）10移的目的。同时，通过控制脉冲频率可以改变电机转动的速度和加速度，进而实现步进电机的调速。如图2-7所示为本文选用的三轴两相步进电机驱动器HYQD43-H5742，该驱动器可实现对步进电机的正反转控制，具有过热和过流保护功能，同时可以实现8档细分控制和6档电流控制。图2-7 三轴两相步进电机驱动器2.3.3 光轴的设计和校核根据机床加工范围 mm200300400 ，初选三段光轴的长度分别为 mm550 、 mm390和 mm190 ，半径为 16 ，材料为45#钢表面镀铬。由于 mm550 光轴的长度最长、负载最大，因此在结构上选择支承式光轴， mm390 和 mm190 光轴选择普通光轴。分析可知，机床运行时的危险截面在 mm390 光轴上，现对其进行校核。如图2-8所示为 mm390 光轴在空间中的受力图，其中 NF 100 ，由材料力学相关知识，光轴此时为弯扭组合变形。图2-8 光轴空间受力图将力F从点D移至B点，同时附加力偶 FaM ，将力学模型转化为图2-9所示，江苏科技大学本科毕业设计（论文）11此时只考虑AB段的强度问题。图2-9 光轴受力力学模型简图由图2-9作出AB段的弯矩图、扭矩图，知最大弯矩在截面光轴中截面。按照第三强度理论的弯扭组合强度公式，得： MPaW TM 6116016.0* 10*75.03975.0 3 2222 (4)图2-10 光轴受力内力图经查，所校核的光轴 MPaMP 355a61 ，满足工作条件。2.3.4 其他传动零部件的设计根据光轴、丝杠的尺寸，分别选定与其配合的开式光轴滑块SBR16UU、闭式光轴江苏科技大学本科毕业设计（论文）12滑块SCS16UU、立式光轴支撑SK16、卧式光轴支撑SHF16等，各零件的实物图和零件图如下所示： 图2-11 SBR16UU零件图和实物图图2-12 SCS16UU零件图和实物图图2-13 SK16零件图和实物图图2-14 SHF16零件图和实物图2.4 底座和支座的设计完成执行机构和传动机构的分析和设计后，还有一些机床的重要组成零部件，现将江苏科技大学本科毕业设计（论文）13底座和支座设计如下： 图2-15 底座零件图和模型图图2-16 支座零件图和模型图2.5 本章小结本章首先确定了简易数控机床的结构和运动方案，同时根据机床设计的总体方案完成机床执行机构和传动机构的分析与设计，通过计算选定原动机的类型和具体型号，并完成机床重要零件的尺寸设计和检核，为简易数控机床实物的加工与制作提供重要依据。江苏科技大学本科毕业设计（论文）14第三章 简易数控机床的三维建模和运动仿真通过对简易数控机床的机械系统设计，确定了简易数控机床的结构和运动方案，并完成了大部分零部件的设计和校核。在此基础上，可以建立简易数控机床的三维模型，并通过运动仿真研究数控机床的运动可行性，及时修正不合理的零件尺寸和装配关系，完善对数控机床的机械系统设计。3.1 简易数控机床的三维建模在三维CAD模型中，除用参数化约束所设计的零、部件的尺寸关系外，还通过参数化和变量化建立了各个零部件之间的特征形状和尺寸之间的关系，使得当某个零部件的形状和尺寸发生变化时，其他相关零部件的形状和尺寸也随之发生变化。这样既方便了对零部件间配合关系的检验，同时也便于设计的优化，提高了设计效率。本文选择SolidWorks进行三维建模，SolidWorks以参数化特征造型为基础，具有功能强大、易学易用等特点，极大的提高了机械设计的设计效率和设计质量，并成为主流三维CAD软件之一。首先，根据第二章中设计的图纸以及对部分实物的测绘，创建各零部件的三维模型。在SolidWorks中创建装配体，开始简易数控机床的装配。(1)装配数控机床的机头部分：首先利用卧式光轴支撑将光轴和丝杠固定在移动板上，卧式光轴支承的安装定位要准确，以保证光轴和丝杠的平行度，防止运动干涉。随后将闭式光轴滑块和光轴配合，将丝杠螺母和丝杠配合，并联接光轴滑块和电机固定架，装配效果如图3-1所示。图3-1 数控机床机头的装配江苏科技大学本科毕业设计（论文）15(2)装配数控机床的支座部分：首先利用卧式光轴支撑将光轴和丝杠固定在立柱上，卧式光轴支承的安装定位要准确，以保证光轴和丝杠的平行度，防止运动干涉，随后将闭式光轴滑块和光轴配合，将丝杠螺母和丝杠配合，装配效果如图3-2所示。图3-2 数控机床支座的装配(3)装配机床的移动部分：将机头的移动板固定在支座滑块上，使机头和支座联接组成机床的移动部分，装配效果如图3-3所示。图3-3 数控机床移动部分的装配(4)装配机床的底座部分：将支承式光轴固定在底座上，支承式光轴的安装定位要准确，以保证两光轴的平行度，防止运动干涉，随后将开式光轴滑块和光轴配合，装配效果如图3-4所示。江苏科技大学本科毕业设计（论文）16图3-4 数控机床底座的装配(5)机床主体的装配：将机床移动部分的支座固定在底座的滑块上，使机床的移动部分与底座联接组成机床主体，装配效果如图3-5所示。图3-5 数控机床主体的装配(6)丝杠、电机等零部件的安装：通过立式光轴支撑安装Z轴丝杠，利用联轴器将各轴丝杠与步进电机联接，并将主轴电机安装在电机固定架上，简易数控机床的最终装配效果如图3-6所示。江苏科技大学本科毕业设计（论文）17图3-6 数控机床三维建模效果图3.2 简易数控机床的运动仿真创建完数控机床的的装配体后，单击“Motion”选项进入COSMOSMotion环境，在该环境中将机床底座设置为静止零部件，其他设置为运动部件，如图3-7所示。图3-7 COSMOSMotion仿真界面为了验证机床运动的可行性和正确性，假设机床刀具在锲形斜面上走刀，轨迹为长轴 mm3 3200a ，短轴 mm100b 的椭圆形，走刀轨迹如图3-8所示。分别在MATLAB中计算和在COSMOSMotion环境中仿真，得到机床刀尖各轴的运动曲线，通过对比两组曲线，可验证机床运动的正确性。江苏科技大学本科毕业设计（论文）18图3-8 用于运动分析的加工轨迹首先在Matlab软件上编程实现上述走刀过程，走刀轨迹编程代码如下：x(t)=sqrt(3)/2*r*sin(n*hd)；y(t)=-r*cos(pi/2-n*hd)；z(t)=r*sin(n*hd)/2；求得走刀过程中各坐标轴运动曲线：图3-9 基于MATLAB的坐标变化曲线在COSMOSMotion环境中为样机添加马达驱动，马达类型为“线性”，运动确定方式为“表达式”，分别给定以下表达式：sqrt(3)*50*sin(time/20*pi)；-100*cos(pi/2-time/20*pi)；50*sin(time/20*pi)；在Motion浏览器中，右单击直线电机，在快捷菜单中选择“绘制曲线”、“质心位置”，分别绘出三个坐标轴的运动曲线如图3-10所示：江苏科技大学本科毕业设计（论文）19图3-10 基于COSMOSMotion的坐标变化曲线对比图3-9和图3-10，两者结果吻合，证明数控机床的三维模型是正确的。3.2 本章小结本章建立了简易数控机床的三维模型，然后通过SolidWorks中的COSMOSMotion模块对三维模型进行了运动仿真，并通过MATLAB进行了验证，确定了数控机床的运动可行性，及时修正不合理的零件尺寸和装配关系，完善了对数控机床的机械系统设计。江苏科技大学本科毕业设计（论文）20第四章 简易数控机床的控制系统设计完成简易数控机床的机械系统设计后，还需要解决机床的控制方案才能实现机床的正常运行。本文选用的是开放式控制软件EMC2，其前身是美国国家标准与技术研究院（NIST）为实现用PC机代替专用的CNC控制器而开发的EMC（Enhanced MachineController，增强型机器控制器），后经过NIST多方改进，才形成了今天的EMC26。由于EMC2是完全开源的，因此可以在研究其代码构成的基础上做出很多二次开发以满足不同的应用。4.1 EMC2开放式控制系统构成4.1.1 EMC2开放式控制系统的软件结构EMC2软件部分主要由4个部分组成：运动控制器、离散IO 控制器、图形用户界面和任务执行器，此外还有一个HAL硬件抽象层。有了HAL，无需重新编译EMC2 就可以按照实际需要直接配置EMC2的硬件。(1)运动控制器运动控制器的结构如图4-1所示，其工作过程包括四个部分，即控制坐标位置取样、运动轨迹计算、插补和电机输出量计算。对步进电动机系统而言，运动轨迹控制是开环系统。当执行器设定值和实际坐标值相差一个脉冲以上时，控制系统就发出驱动脉冲。EMC运动控制器的代码是用C语言编写的，并使用.ini文件配置轴的数量、轴的类型、计量单位、工作范围、最大速度和加速度等。江苏科技大学本科毕业设计（论文）21图4-1 运动控制器结构图(2)图形用户界面模块图形用户界面模块是人机交互的窗口，EMC2的图形用户界面主要有keystick、xemc、tkemc和mini四种。这些标准界面可以被移植到多种操作系统平台，同时，这些图形用户界面可以通过网络连接到运行在Linux平台上的EMC2系统，实现机床用户对数控机床的远程监控。(3)离散I/O控制器模块离散I/O控制器模块与具体的机器相关联，不能使用INI文件进行配置。在早期EMC系统中，离散I/O控制器是一个很重要的模块，它对所有与机床相关的硬件及其行为都提供了支持，因此机床用户可以根据自己的需要进行配置。后来，随着EMC2系统的不断完善，特别是HAL的出现，使离散I/O控制器的大部分功能被HAL取代7。然而，为了某些特殊需要，离散I/O控制器模块还是被保留了下来。(4)任务执行器模块任务执行器模块负责G代码和M代码的解释，它主要包括任务规划器和NC代码解释器两个部分。任务规划器负责整个数控系统的大部分功能，例如处理系统状态在手动、自动和MDI三种工作模式之间的切换以及直接处理诸多标准指令等；NC代码解释器只在自动和MDI两种工作模式下有效，主要用于将G代码和M代码调入标准指令等待队列。(5)硬件提取层 (HAL)江苏科技大学本科毕业设计（论文）22HAL实质上是一个框架，是软件和硬件系统的界面，它提供了相应的可运行的硬件平台，其设计理念与硬件电路相同。任一个由一系列相关连的部件组成的系统在设计时都要进行选择、组装和连接，在EMC2中，用户不需要知道HAL内部是如何工作的，只需要通过编写HAL配置文件来确定需要加载的组件和组件之间的连接方式7。工作时，首先由系统读入HAL配置文件，加载需要的组件，并按照HAL配置文件中定义的连接方式把这些组件连接在一起组建复杂的系统。HAL的每一个组件都是一个具有输入、输出和良好性能的软件。这些组件能运行许多函数，如频率发生器、PID补偿器、编码器、控制硬件驱动的实时模块、示波器、图形用户界面等。组件可以通过相连完成一定的功能，信号可以从一个组件传到另一个组件，进行信号的加、减、乘等。总之，一个综合的操作要根据实现的功能要求进行配置。因此，有了HAL，无需重新编译EMC2就可以按照实际需要直接配置EMC2的硬件。4.1.2 EMC2开放式控制系统的硬件结构本文研究的数控系统通过计算机并口输出控制信号，其高电平和低电平通常是5VDC和0VDC。一般情况下，并口的I/O可以直接与外部设备的I/O直接相连，但在工业场合，由于动力设备供电线路的电磁干扰、钢体摩擦产生的静电干扰及不良接地造成的共阻干扰等各类电、磁及共阻抗耦合干扰，外部设备的I/O和并口的I/O之间会产生电位差，这种电位差有时会损坏计算机设备，而这种损坏往往是由于连接过程中缺少相应的抗干扰措施而导致数据不准，采集的数据杂乱无章甚至影响计算机的正常工作为了避免由于在现场设备安装布线时没有相应的抗干拢措施、布线不合理和线路连接不正确等原因所引起的干扰和损坏，准确获取现场数据，采取必要的现场防干扰措施是非常必要的。如图4-2所示即为本文采用的光电隔离并口CNC接口板采用光耦器件隔离计算机并口与外部设备，适合直接用计算机控制外部设备以适用于工业场合，是解决现场开关量信号输入及数字控制信号输出的抗干扰功能的接口界面板卡。光电隔离并口CNC接口板支持 KCAM4、MACH、EMC等并口类CNC控制软件，最多支持6轴。江苏科技大学本科毕业设计（论文）23图4-2 光电隔离并口CNC接口板图4-3所示即为本文研究的数控系统硬件结构图，在这个控制系统中，搭载着Linux操作系统的PC机上运行着EMC2程序，EMC2将数控G代码进行分析和计算并生成控制信号，控制信号从计算机的并口通过并口界面板传送到电机驱动器上，电机驱动器根据控制信号驱动步进电机。同样，EMC2也可以通过伺服界面卡或使用与扩展并口相连的外部控制卡来控制伺服电机6。图4-3 EMC2硬件结构图江苏科技大学本科毕业设计（论文）244.2 EMC2中相关代码的修改4.2.1 EMC2的安装和运行EMC2官方网站提供了两种EMC2的安装方式：一种是从官方下载Live CD版本后通过刻录光盘或虚拟光驱安装；另一种是下载EMC2的源代码进行编译安装，但是由于EMC2必须运行在基于Linux的双核多任务实时操作系统环境下，因此在安装时必须给Linux 发行版的内核加入RTAI的实时补丁包。加入补丁必须重新编译内核，过程较为复杂。运行EMC2以后，根据机器类型和实际需要可以选择不同的配置界面。图4-4 EMC2配置选择界面在对EMC2的运动模块进行修改之前，我们先要了解EMC2的工作原理。当我们通过EMC2进行运动控制时，首先，任务执行器会将我们通过手动、自动和MDI三种工作模式提供给EMC2的运动指令解释成标准指令，并将获得的运动命令提供给运动控制器。随后，运动控制器中的轨迹规划器会将这些命令通过逆解函数求出各个关节的坐标，再将这些信息输入到步进电机中去。由此可见，在EMC2中控制不同机构的最大区别就在于逆解函数的不同，因此，只要我们对逆解函数适当修改并进行相应的编译和链接，就可以实现用EMC2控制我们希望控制的机构。而作为一款控制软件，EMC2的开源使得我们对运动模块的修改成为可能6。江苏科技大学本科毕业设计（论文）254.2.2 EMC2源代码的修改EMC2中的运动模块都是用C语言编写，并保存在源代码包中的src/emc/kinematics目录下。一旦确定了运动学逆解，就可对EMC2的运动模块进行修改。在kinematics文件夹中，我们可以看到很多系统内置的运动模块，本文选择其中的Sherline3Axis.c文件进行修改。打开Sherline3Axis.c，可看到包含以下内容：(1)int kinematicsForward 机床的运动学正解函数(2)extern int kinematicsInverse 机床的运动学逆解函数(3)extern KINEMATICS_TYPE kinematicsType 运动学类型标识符。(4)int kinematicsHome 机床归位函数(5)int rtapi_app_main (void)Linux 实时系统核心模块由以上分析可以看出，在运动学模块中，不同机床最大的区别在于运动学正逆解函数的不同，因此对源代码运动模块的修改主要是针对正逆解函数的修改。普通的基于直角坐标系的运动学逆解函数如下：joints0 = pos->tran.x；joints1 = pos->tran.y；joints2 = pos->tran.z；joints3 = pos->a；joints4 = pos->b；joints5 = pos->c；函数中，joints 是每个关节的坐标，结构体pos中包含的数据确定了机构的位姿，其中pos->tran.x，pos->tran.y和pos->tran.z确定了机构的位置，pos->a，pos->b和pos->c确定了机构的姿态。在前面的运动分析中，我们已经得到了joints 与pos->tran.x、pos->tran.y以及pos->tran.z的关系既正逆解模型，这里只要将joints0、joints1和joints2表示成pos->tran.x、pos->tran.y和pos->tran.z的关系式即可，至于其他的joints我们可以不用修改，这对我们的运动仿真和控制是没有影响的。修改后的正逆解模型如下：joints0 = pos->tran.x*ratio1；joints1 = pos->tran.y*ratio2；joints2 = pos->tran.z*ratio3；江苏科技大学本科毕业设计（论文）26joints3 = pos->a；joints4 = pos->b；joints5 = pos->c；完成对源代码的修改后还要将运动模块重新编译，在开始编译之前，需要先在Ubuntu系统中安装一些软件包，如gcc、g+和Qt等软件包，只有这样才能满足编译过程中的依赖关系。当只需对运动模块的.C文件进行编译时，调用“终端”，运用CD代码定位到源代码包的kinematics文件夹内，执行sudo comp -install Sherline3Axis.c命令进行编译，完成对EMC2运动模块的修改。如果对源代码的修改涉及到其他文件，则需要对整个代码包重新编译。步骤为：调用“终端”，运用CD代码定位到源代码包的src文件夹内，依次执行以下代码： /configure；make clean；Make；sudo make install；4.3 EMC2中相关文件的配置完成EMC2相关代码的修改后，还需要对一些文件进行修改和配置才能实现机床正常运行。EMC2源代码中有多种机床控制系统参数配置的模板，我们可以以这些模板为基础设计所需的配置文件，这样可以避免很多不必要的麻烦。这里同样以Sherline3Axis的配置文件为模板，由于这些配置文件是一种文本文件，因此可以使用Linux中的任意编辑器进行编辑。EMC2的配置文件位于系统HOME目录下的emc/configs文件夹中，主要包括以下集中类型：(1)INI文件：描述机床的基本性能(2)HAL文件：用于加载不同组件，构建硬件系统(3)NML文件：EMC2中不同通信通道的配置(4)VAR文件：解释器所用变量的定义(5)TBL文件：定义机床所用刀具信息江苏科技大学本科毕业设计（论文）274.3.1 INI文件的配置INI配置文件内部主要由三部分组成：(1)节：节将INI文件中的变量分成不同部分，方便对INI文件的修改。节通常置于方括号内以区别于变量，主要包括以下几方面：1)EMC：机床控制系统的一般信息2)DISPLAY：机床控制系统的图形用户界面设置3)TASK：任务控制器的参数信息4)RS274NGC：G代码解释器的参数信息5)EMCMOT：运动控制器的参数信息6)HAL：外部硬件系统的参数信息7)TRAJ：设置运动控制器的参数信息8)AXIS_n：各轴的参数信息9)EMCIO：输入输出控制器的参数信息(2)变量：变量是INI文件中的基本要素，由变量名、“=”和数值三部分组成。完成修改后，必须重新运行EMC2才会起作用。(3)注释：用来对一些变量和函数进行解释，以#或；开头。下面是针对本文的三坐标数控机床对INI文件进行的详细设置。(1) Section EMC1) VERSION = $ Revision: 2.4.7 $ 用来标示EMC2的版本信息，由系统自行读取，无需用户修改。2) MACHINE= my machine 用户界面上的机器名称。3) NML_FILE =emc.nml 读取NML文件的名称，由系统分配4) DEBUG=0 确定是否出现错误的调试信息。(2) Section DISPLAY1) DISPLAY = axis 选择图形用户界面，主要有keystick、xemc、tkemc和mini四种。2) CYCLE_TIME = 0.0100 刷新图形用户界面的时间。3) HELP_FILE = doc/ help.txt 下载规迹程序时的系统帮助文件。4) POSITION_OFFSET =MACHINE 确定控制系统的初始位置，此变量可以江苏科技大学本科毕业设计（论文）28是MACHINE (机器的位置)、RELATIVE(刀具的位置)或MACHINE（每个杆件的位置）。5) POSITION_FEEDBACK = ACTUAL 确定控制系统的当前位置，此变量可以是ACTUAL（机床当前位置）、COMMANDER（系统要求实现的理想位置）。6) MAX_FEED_OVERRIDE = 1.2 机床的最大进给速度百分比。7) MIN_SPINDLE_OVERRIDE =0.5 机床主轴的最小转速百分比。8) PROGRAM_PREFIX = /home/yangdan/emc2/nc_files 机床默认G代码的保存路径。9) INTRO_GRAPHIC = emc2.gif 启动EMC时的图形动画。10) INTRO_TIME = 3 荧幕上显示图片的时间。11) MAX_SPINDLE_OVERRIDE =1.5 机床主轴的最小转速百分比。12) MAX_LINEAR_VELOCITY =150 机床丝杆最大线速度。13) DEFAULT_LINEAR_VELOCITY =100 默认的线速度。(3) Section FILTERpng = image-to-gcodegif = image-to-gcodejpg = image-to-gcodepy = pythonEMC2 用于支持图像代码转换器(4) Section TASK1) TASK = milltask 默认加工任务的文件名。2) CYCLE_TIME = 0.010 仿真加工时刀轴运动的刷新频率。(5) Section RS274NGC1) PARAMETER_FILE = sim.var G代码解释器的配置。(6) Section EMCMOT1) EMCMOT = motmod 机床电机运动的核心模块。2) SHMEM_KEY = 111 仿真时使用的共享存储器。3) COMM_TIMEOUT = 1.0 从COMM到EMCMOT的通信超时设置。4) COMM_WAIT = 0.010 指令访问EMCMOT的间隔时间。5) BASE_PERIOD = 5000 基本进程周期。6) SERVO_PERIOD = 1000000 伺服进程周期。7) TRAJ_PERIOD = 10000000 轨迹规划进程周期。江苏科技大学本科毕业设计（论文）29(7) Section HAL1) HALFILE = custom.hal 配置机床所需要的HAL文件。如果同时有多个HAL类型的文件，则会根据其在INI文件中出现的顺序执行。(8) Section TRAJ1) AXES = 3 机床运动丝杆的个数。2) COORDINATE X Y Z 需要控制的坐标轴，与6个自由度相对应。只有在这里被定义的坐标轴的功能字才能被任务执行器识别。3) HOME = 0 0 0 0 0 0 规定每个坐标的起始位置。4) LINEAR_UNITS = mm 规定控制系统的基本单位，还可写成cm,、inch等。5) ANGULAR_UNITS = degree 规定控制系统的角度单位，还可写成rad。6) CYCLE_TIME = 0.010 规定控制系统在启动0.01秒后运行轨迹规划器。7) DEFAULT_VELOCITY = 50.0 规定机床动平台从初始点到安全平面的初始线性移动速度，单位是mm / s。8) MAX_VELOCITY =100.0 规定机床沿任意坐标轴的最大移动速度。9) DEFAULT_ACCELERATION =250 规定机床动平台在直角坐标系内的初始加速度。10) MAX_ACCELERATION =300.0 机床任意构件沿任意坐标轴的最大加速度。(9) Section AXIS_n本节列出了机床每个轴的基本参数，N代表第N个轴。1) TYPE = ANGLES 规定轴的类型，可以是LINEAR(线性)或 ANGLES(转动)。2) UNITS = degree 周运动的基本单位。3) MAX_VELOCITY = 100.0 轴的最大速度。4) MAX_ACCELERATION=400.0 轴的最大加速度。5) Backlash = 0000 规定补偿硬件驱动关节间隙的补偿值。6) OUTPUT_SCALE =1.07) OUTPUT_OFFSET = 0.0 以上两个值用来规定电机运动放大器输出值的影响因子。8) MIN_LIMIT = -1700.0 用来规定系统每个轴运动的最小坐标值。江苏科技大学本科毕业设计（论文）309) MAX_LIMIT =1700.0 用来规定系统每个轴运动的最大坐标值。10) FERROR = 0.050 用来规定系统允许的最大跟踪误差值。11) MIN_FERROR = 0.001 当轴以低速运动时，允许轴偏离要求值的误差。12) HOME_OFFSET =200.00 每个轴的零标志脉冲与零点开关的距离。13) HOME_SEARCH_VEL = 25.0 机床在归零过程中每个轴在到达零点开关前的运动速度。14) HOME_LATCH_VEL = 15.0 机床在归零过程中每个轴在到达零点开关后遇到零标志脉冲前的运动速度。15) HOME_USE_INDEX = YES 是否存在零标志脉冲。16) HOME_IGNORE_LIMITS = NO 是否忽略限位开关。17) HOME_SEQUENCE = 1 用于多轴归零顺序的定义。18) HOME_IS_SHARED = 1 用于规定所有轴可否一起归零。(10) Section EMCIO1) EMCIO = io IO控制器的名称。2) CYCLE_TIME = 0.100 EMC中I/O电路运行的周期。3) TOOL_TABLE = sim.tbl 读取TBL文件的名称，由系统分配，但可由用户修改。4) TOOL_CHANGE_POSITION = 0 0 2 换刀时的坐标系位置8。4.3.2 HAL文件的配置HAL实质上是一个框架，是软件和硬件系统的界面，它提供了相应的可运行的硬件平台，其设计理念与硬件电路相同。任一个由一系列相关连的部件组成的系统在设计时都要进行选择、组装和连接，在EMC2中，用户不需要知道HAL内部是如何工作的，只需要通过编写HAL配置文件来确定需要加载的组件和组件之间的连接方式。工作时，首先由系统读入HAL配置文件，加载需要的组件，并按照HAL配置文件中定义的连接方式把这些组件连接在一起组建复杂的系统。HAL的每一个组件都是一个具有输入、输出和良好性能的软件。这些组件能运行许多函数，如频率发生器、PID补偿器、编码器、控制硬件驱动的实时模块、示波器、图形用户界面等。组件可以通过相连完成一定的功能，信号可以从一个组件传到另一个组件，进行信号的加、减、乘等。总之，一个综合的操作要根据实现的功能要求进行配置。因此，有了HAL，无需重新编译EMC2 就江苏科技大学本科毕业设计（论文）31可以按照实际需要直接配置EMC2的硬件。对HAL文件的修改主要是对各引脚进行定义，同时在HAL文件中加载实时运动模块Sherline3Axis.c。4.3.3其他文件的配置除了INI文件和HAL文件外，还用到了其他的三个文件。前两个文件使用的是系统内部程序，由系统自动配置。第三个刀具文件需要用户定义。下面是本文中用到的刀具信息：POCKET FMS LENGTH DIAMETER COMMENT1 1 +40.0 1.5 first tool2 2 +40.0 2.03 3 +40.0 3.0 last tool在刀具TBL文件中，用户可根据需要定义多组刀具，刀具定义时的单位和INI文件中定义的机床基本单位一致9。4.4 本章小结本章对开放式控制软件EMC2的软件构成进行了简单的介绍，然后通过对EMC2源代码的运动模块进行修改，对相关文件进行了配置，完成了简易数控机床的控制系统设计。江苏科技大学本科毕业设计（论文）32第五章 简易数控机床的加工仿真数控程序代码是实现数控机床加工自动化的重要指令。对于一些编程工作量大、容易出错的复杂零件，通过自动编程可极大提高编程效率和正确率。本文采用SolidCAM自动编程来生成数控程序，并在EMC2中加载获得的数控程序加工模型，实现简易数控机床的加工演示。5.1 用于数控加工G代码的生成5.1.1 数控程序的构成和编制数控机床可以通过严格执行从外部输入的加工代码实现加工的自动化。为了与数控程序的内部代码（系统软件）进行区别，我们把外部输入的加工代码称为数控加工程序，简称数控程序，它是机床数控系统的应用软件。数控程序字按其功能可分为7个类型：(1)顺序号字：地址符是N，位于程序段之首，用于对程序的排序、检索和校对。(2)准备功能字：地址符是G，用于确定机床或控制系统的工作方式。(3)尺寸字：又叫尺寸指令，用于指令机床上刀具运动到达的坐标位置，也可用于表示暂停时间等指令。(4)进给功能字：地址符是F，用于指定切削的进给速度。(5)主轴转速功能字：地址符是S，用于指定主轴转速。(6)刀具功能字：地址符是T，用于指定加工时的刀具号。(7)辅助功能字：地址符是M，用来指定数控机床辅助装置的接通和断开，控制机床各种辅助动作和状态。数控程序的编制有两种方法，一种是人工编程，一种是自动编程。当加工零件几何形状不太复杂、工作量比较小时，人工编程既方便也经济。但对于一些复杂零件，编程时计算比较复杂且工作量大，编程时极易出错，手工编程难以胜任，这时就必须采用自动编程。5.1.2 基于SolidCAM的自动编程本文采用SolidCAM自动编程来生成数控程序。SolidCAM是SolidWorks集成的CAM模块，其设计和加工完全在SolidWorks环境中完成，具有很好的继承性和关联性，可高效的完成各类复杂零件的加工任务。SolidCAM支持多轴的的数控车削、铣削、线江苏科技大学本科毕业设计（论文）33切割、激光成型等加工方式，并支持主要的CAD/CAM/NC标准数据格式，应用于二维和三维的机械设