三维数控工作台的设计与开发【含CAD高清图纸和文档】【GC系列】
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哈尔滨理工大学学士学位论文三维数控工作台的设计与开发摘要在当前生产中的许多机械设备中均需要精密定位，而其中的三维精密定位工作台作为关键部件将直接影响其整机的性能和精度。为保证机器性能，工作台要在X方向和Y方向实现快速准确的定位，并且要求在Z方向能够实现精确调整和定位，要实现快速和准确定位，必须对工作台进行改装，使用步进电机和控制卡。本文设计的工作台就是基于单片机控制的三维数控工作台。本次研究的课题的主要内容包括：充分利用实验室中废旧的二维工作台，通过对硬件诸如直线导轨，深沟球轴承，滚珠丝杠，步进电机等的选择并对零件的整体连接结构进行设计从而组装出一台可运转的三维工作台；利用三维建模软件对所选择的工作台的各部分零件进行建模，装配，并对装配好的三维工作台实现运动仿真；利用VB语言对插补程序进行软件设计；需要完成对三维工作台的控制系统的设计，主要包括对开闭环的选择，对80C51单片机功能的充分认识并编写控制程序，充分理解、学习插补技术在三维数控工作台中的应用。通过上述研究内容，我们可以的到一台经济，实用，精密度较高的三维数控工作台，通过与普通工作台的比较，我们可以从中得出插补技术对于数控工作台的影响。可以说将插补技术应用到现代数控加工已经是一个不可逆转的趋势，因此本课题具有很高的研究价值。关键词 数控系统；三维工作台；单片机；插补技术Design and development of 3D NC workbenchAbstractTo study the influence of the parameters of open NC servo feed systems and spatial geometry error on the precision and find methods to realize the high precision control of numerical control (NC) system, the development of the control system of a two-axis NC worktable ,consisting of ball screws and linear roller guides, was presented in this thesis. The system is based on an open architecture PMAC (Programmable multi-Axis controller) motion control card to realize real-time control. Some experiments concerning control test and error measurement and analysis can be carried out on the designed worktable. At first, the configuration of control system of the 3D NC worktable Was proposed ,and its software was developed. Modular software development concept featured the system design, which includes the following modules: machining position and speed sampled display module; file management module; parameters setting module; error diagnosis module; precision analysis module; manual debugging module; machine simulation module; help module.As one of focuses, the error measurement and precision analysis of the worktable were emphasized in the development of the system software. Series of experiments about system control and precision were made on the worktable. The precision characteristics of the half-loop and closed-loop position feedbacks were analyzed. Through comparing the theoretical analysis with the data collected from experiments ,a conclusion has been drawn that the smallest contour error will be got if the two axes have the same servo characteristics. The ball-bar ,which is considered to be more reliable than linearscales in measuring contour error, was used to measure the circular motion of the system. The experiment result showed that the contour error of the system was big .By analysis of the error source based on a mathematical model of the measuring system proposed in this thesis, it was found that it was the installation inclination of linear scales that caused so big error. By compensating the error with the measured result by the ball-bar ,the precision of the control system had been improved.Keywords Numerical Control System；three-dimensional NC workbench；SCM；Interpolation technique；III目录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1课题研究的意义11.2课题研究的现状11.3课题研究的主要内容2第2章 三维数控工作台的硬件选择及连接结构32.1三维数控工作台的工作原理介绍32.2三维数控工作台的基本结构32.3步进电机的选择42.4丝杠的选型与校核52.4.1滚珠丝杠的简单介绍52.4.2滚珠丝杠的选型72.4.3滚珠丝杠的校核82.5直线导轨的选型与计算92.5.1直线导轨的简单介绍92.5.2直线导轨的选型102.6联轴器的选型122.6.1联轴器的简介122.6.2联轴器的选型132.7轴承选型142.8本章小结16第3章 三维数控工作台的Pro/E三维建模173.1 Pro/E建模软件简介173.2 Pro/E界面介绍173.3零件三维建模实例介绍183.3.1新建文件183.3.2建立拉伸特征193.3.3建立螺旋特征203.3.4建立螺母副特征203.3.5进行颜色和外观设计213.4其余零件三维建模图展示223.5三维数控工作台装配233.6本章小结25第4章 三维工作台的软件及控制系统设计264.1逐点比较法直线插补的简介264.2逐点比较法直线插补的计算步骤264.3数控插补仿真软件的说明294.4开环系统控制原理304.5单片机设计304.6本章小结35结论36致谢37参考文献38附录一39附录二491第1章 绪论1.1课题研究的意义目前在多种机械设备中均需要精密定位，而其中的三维精密定位工作台作为关键部件将直接影响其整机的性能和精度。为保证机器性能，工作台要在X方向和Y方向实现快速准确的定位，并且要求在Z方向能够实现精确调整和定位，要实现快速和准确定位，必须对工作台进行改装，使用步进电机和控制卡。插补技术是数控技术中的核心技术，它的好坏直接影响着数控加工精度进而影响数控加工技术的优劣，是目前数控技术急需提高、完善的环节之一，而插补算法的选择直接影响到数控系统的加工精度和速度。而本实验充分利用实验室中废旧的二维工作台，并进行导轨，丝杠，电机，轴承等选型，在其基础之上搭建成三维工作台，实现对插补仿真技术的应用研究，这样既节约了成本实现了废物回收再利用，又兼顾了插补技术的研究，因此具有十分广泛而重要的现实意义1.2课题研究的现状国内数控技术发展，1996年，清华大学研制了PC-DSP主从式控制器，成功应用于光驱高速数字符伺服控制系统；南京四开电子公司与清华大学共同研制的基于32位CPU和通用计算机主从式SKY数控系统实现了完全国产化，通过江苏省科委组织的科技成果鉴定并认为己达到当时国际先进水平。1999年，武汉华中理工大学利用TMS320F243定点DSP芯片设计了一款PC-DSP主从式多轴运动控制器，该控制器可以通过CAN总线与CNC系统中的上位PC机及其它一些具有不同功能的硬件模块进行通讯，在2000年，又研制成功了一种基于TMS320C203的定点DSP的数值插补和通讯管理控制器。国际数控系统发展现状：在80年代初，随着计算机控制技术和先进制造技术的发展，基于PC的开放式数控系统就开始得以在世界范围内推广。NGC (Next Generation Controller)”研究计划，首先提出了开放体系结构控制器的概念。自1990年开始，美国的几个大的科研机构对N GC计划分别发表了相应的研究内容。其后由许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中较有影响的有美国的OMAC、欧洲的OSACa和日本的ONE计划。同时，发达国家将DSP运动控制技术融入了开放式数控机床的研究。1995年，Matsui, N在常规DSP速度和位置控制的研究中引入了自适应控制、系统参数在线辩识技术, Kolek, k提出了一种基于总线技术的浮点DSP控制器，该控制器增强了系统资料计算与处理的速度及控制的精度;1997年，Larsen, G/Cetinkunt在DSP控制器上提出并实现了一种基于小脑模型关节控制器的神经网络自学习伺服控制系统，以补偿钻石精整加工过程中由于机械轴摩擦力造成的影响:同年，Han, S. H提出一种用于机器人操纵器的实时补偿、自适应算法的DSP控制器系统; 1998年，Style, A. W. /Diana, G.开发了一种基于Mathworks Simulink/Realtimeworkshop的PC-DSP主从式系统，用于运动控制系统的设计、仿真及实时控制形成了DSP运动控制系统的雏形;1999年，Brandstatter. W.创立了一种基于DSP的用于步进电机控制系统的方法，该系统包含了对PI电流控制和控制策略补偿等特点，从而避免电机转速的波动; Moynihan.J. F.将DSP作为专门的运算处理单元，用于计算高精度的位置、速度传感器的信号，这是DSP在运动控制插补运算功能的典型应用。1.3课题研究的主要内容作者在实验期间参考各种资料，完成了对数控系统，伺服系统，单片机程序开发的研究主要有以下几个方面：（1）在原有的二维工作台的基础上通过对步进电机，滚珠丝杠，直 线导轨，深沟球轴承，十字滑块联轴器等的选型搭建一台在技术性、经济性和实用性都比较良好三维工作台。（2）对设计好的三维数控工作台进行proe建模及其运动仿真。（3）借助此三维工作台研究了插补仿真技术对数控工作台精密度的影响，进行伺服系统的选择，安装与调试，编写了插补仿真系统软件上下位机程序。第2章 三维数控工作台的硬件选择及连接结构三维数控工作台的整体设计包括对步进电机，滚珠丝杠，直线导轨，深沟球轴承，十字滑块联轴器的型号选取及其连接结构的确定。2.1三维数控工作台的工作原理介绍三维数控工作台的主要工作原理简述如下：（1）在X极方向由步进电机控制联轴器进而控制丝杠的转动，丝杠的转动带动了丝杠螺母座的移动从而也就带动了固定有Y极的连接板的运动。（2）在Y极方向由步进电机控制联轴器进而控制丝杠的转动，丝杠的转动带动了丝杠螺母座的移动从而也就带动了固定有Z极的连接板的运动。（3）在Z极方向上由步进电机控制联轴器进而控制丝杠的转动，丝杠的转动带动了螺母座的移动，也就带动了Z极上连接板的移动，进而完成了三维数控工作台的整体移动。2.2三维数控工作台的基本结构为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm的要求，以及考虑步进电机负载匹配，简化结构，联轴器将电机与丝杠直接连接。如图2-1所示为三维数控工作台的基本结构，根据所给出的要求所设计的三维工作台应该满足行程及精密度要求，同时在运行时还有具有一定的稳定性，尽可能的缩小误差大小，设计时X轴,Y轴,Z轴采用相同的运动装置，保证各接触面精度以保证装配精度。由于x、y、z各方向的配合面以及装配关系直接影响到整体运行的精度，故对各装配面以及运行部件的接触表面都要求保持相应的精度及定位精度。按上述结构进行组装就能设计制造出一台符合要求，经济实惠，精确度高的三维数控工作台。1-直线导轨；2-肋板；3-滚珠丝杠；4-连接板；5-十字滑块联轴器；6-步进电机图2-1 三维数控工作台基本结构2.3步进电机的选择根据三维数控工作台的工作特性、工作环境、工作载荷的大小和性质等条件，选择电动机的种类、类型、结构形式、功率和转速，确定出电动机的型号根据电源种类（直流或交流）、工作条件（环境、温度、空间位置等）及载荷性质和大小、起动特性和过载情况来选择。由于一般生产单位多采用三相交流电源，根据工作台台的工作特性,需选用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。主要有反应式、永磁式和混合式三大类。在选择的时候主要根据以下参数进行：步距角的选择：电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。电机的步距角应等于或小于此角度。市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度 （三相电机）等。静力矩的选择：步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的电流的选择：静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流。根据以上内容，结合本课题，作者选择北京时代超群有限公司生产的42HBS33BJ4-TR0型步进电机。具体参数如表2-1和图2-2所示：表2-1 北京时代超群有限公司42式步进电机型号参数表型号相数步距角静转距(Nm)电流(A)相电阻()相电感(mH)绕组出轴长(mm)重量42HBS33BJ4-TR028.532串长22200图2-2 步进电机参数图2.4丝杠的选型与校核2.4.1滚珠丝杠的简单介绍简介滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。 滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是艾克姆螺杆的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。类型常用的循环方式有两种：外循环和内循环。滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种。（1）外循环：外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。 常用外循环方式有：端盖式、插管式、螺旋槽式。端盖式，在螺母上加工一个纵向孔，作为滚珠的回程通道，螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口，滚珠由此进入回程管，形成循环。插管式，它用弯管作为返回管道，这种结构工艺性好，但是由于管道突出螺母体外，径向尺寸较大。螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单，使用广泛。其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。 （2 内循环：所示为内循环滚珠丝杠。内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。圆柱凸键反向器，它的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向。扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，用镶块的外轮廓定位。两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。特点（1）与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3： 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。在省电方面很有帮助。 （2）高精度的保证： 滚珠丝杠副是一般是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。 （3）微进给可能 滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。（4）无侧隙、刚性高 滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性。2.4.2滚珠丝杠的选型丝杠的选型过程中对于丝杠本身需要注意以下主要参数：1-公称直径。即丝杠的外径，常见规格有12,14,16,20,25,32,40,50,63，80,100,120.公称直径和负载成正比，公称直径越大，负载越大，而负载的大小直接影响滚珠丝杠的寿命，实际负荷与额定负荷比值越小，寿命越长。2-导程。也成螺距，即螺杆每旋转一周螺纹上一点所移动的直线距离，常见的导程有1,2,4,6,8,10,12,16,20,25,30。导程与丝杠的直线速度有直接关系，输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。3-长度。长度主要是只丝杠全长，设计师主要是根据工作长度及设计宽裕量而定的，一般厂家可以对所需丝杠进行切割，从而满足客户的要求。4-精度。滚珠丝杠按国家标准可以分为P类和T类，即传动类和定位类，精度等级有1，2，3，4。国外产品一律以C0-C10来表示，一般来说普通机械一般选择C7，高精度机械一般选择C5以上，C3以下，光学或检测机构一般选择C3以上，一般机械如本实验中的三位工作台，一般推荐为C7即可。根据以上内容初选滚珠丝杠型号为SFUO1204-4的滚珠丝杠，其具体参数如表2-2和图2-3所示：表2-2 滚珠丝杠型号参数表型号dIDaDABLWXHnCaCoaKSFUO1204-41242.524401040324.5304593112912图2-3 滚珠丝杠型号参数图初选X轴,Y轴,Z轴长度为337mm，其中工作长度为300mm。2.4.3滚珠丝杠的校核 丝杠的校核主要是工作载荷校核，刚度验算，传动效率的计算。传动效率计算滚珠丝杠计算步骤为： （2-1） 代入数值求得=0.9482符合要求丝杠最大载荷计算丝杠上的工作载荷为走刀抗力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。由于选择的导轨要求结构简单，间隙调整方便，摩损不做太多要求，有良好的可替换性且运动平稳，故选择直线滑动导轨配合小压板来替代有槽的滑动导轨，所以选择最简单的导轨块，直线平导轨的实验公式进行计算。 （2-2）， 将所得数据代入上式有 ：最大动负载C的计算及主要尺寸：丝杠最大动载荷： （2-3） 由机械设计手册可知 （2-4）刚度验算 根据公式 （2-5） 丝杠副刚度的验算 丝杠总变形量 变形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005 =0.0038YE，可用X方向走的总步数XE作为终点判别的依据，如动点X等于终点XE则停止。当XEYE，则用Y方向走的总步数YE作为终点判别的依据。如图4-1所示对直线上任意一点（x,y），则有直线方程 x/y = xe/ye （4-1）即 xey - xye =0 设P（x,y）为加工动点，则若P位于该加工直线上，有：xeyi - xiye- = 0若p位于该加工直线上方，有：xeyi - xiye 0若P位于该加工直线下方，有：xeyi - xiye 0由此定义偏差判别函数Fi为： Fi = xeyi - xiye当Fi = 0时，加工动点在直线上；当FI 0时，加工动点在直线上方；FI 0时，加工动点在直线下方。表1是在各个象限插补技术公式。直线插补器如图4-2所示。图4-1比较法直线插补示意图表4-1插补计算公式象限坐 标 进 给偏 差 计 算F0F0F0F0+x+yFi+1=Fi-yeFi+1=Fi+x-x+y-x-y+x-y图4-2直线插补器4.3数控插补仿真软件的说明计算机上位机人机交互界面如下图所示：图4-3上位机人机交互界面在进行插补实验时，操作步骤如下：1) 点选直线或圆弧。 2) 输入直线或圆弧参数。3) 清屏。4) 开始。即是画出实验所需曲线。5) 点选实验类型。界面的左边实时显示插补的路径，右边实时的更新插补器里的相关数据。4.4开环系统控制原理三维数控工作台伺服系统控制分两部分，一是：x-y部分控制，二是：z方向控制，首先通过STC12C5412型单片机控制X轴和Y轴的步进电机，然后通过89C51控制Z轴的单片机。STC12C5412型单片机有两个PWM波发出口，可同时发出两个脉冲来控制两个步进电机，发出的两个脉冲通过控制器放大信号来控制步进电机。89C51型单片机控制一个步进电机，通过控制器来放大信号达到驱动步进电机的目的。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、 停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机 则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。步进电机的运动特性与配套使用的驱动电源又密切的关系。驱动电源由脉冲分配器、功率放大器等组成。驱动电源是将变频信号源送来的脉冲信号及方向信号按要求的配电方式自动的循环供给电动机各项绕组，以驱动电动机转子正反转。变频信号源是可提供从几赫到几万赫的频率信号连续可调的脉冲信号发生器，只要控制输入电脉冲的数量及频率就可精确控制步进电机的转角及转速。如图4-4步进电机开环伺服原理图。图4-4步进电机开环伺服原理图 开环控制步骤如下所示： 输入程序单片机脉冲分配器功率放大步进电机丝杠丝杠螺母及小压板连接板4.5单片机设计 如图4-5，图4-6所示分别为51单片机硬件控制模块电路图和驱动模块电路图：图4-5 单片机控制模块电路图图4-6 单片机驱动模块电路图如图4-7所示为STC12C5412单片机控制步进电机的接线图。图4-7单片机控制步进电机接线图设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值XE，YE，动点坐标值X，Y，偏差FM。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始值X、Y向步进电机初态（控制字）。插补程序所用的内存单元如表4-2所示：表4-2 内存单元表28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM反转电机正反转控制字为：D7, D6,D5,D4,D3,D2,D1,D01D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。X-Y轴步进电机控制程序：ORG 2000HMAIN：MOV SP, #60HLP4: MOV 28H, #12CH; MOV 29H, #12CH; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2CH, #00H; MOV 70H, #0AHLP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH SUBB A, 29H INC 2AH AJMP LP2LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH ADD A, 28HLP2: MOV 2EH, A MOV A, 28H CJMP A, 2AH, LP3; RETZ轴步进电机控制程序（89C51）：#include#define uchar unsigned charsbit P2_0=P20;/脉冲发出口sbit P2_1=P21;/脉冲触发口uchar h0=0; /定时器定时变量 /*定时器0中断服务程序*/void timer0(void) interrupt 1 using 1 P2_0=!P2_0; /输出方波h0+; TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256; if(h0=100) ET0=0; TR0=0;h0=0;P2_1=0; void main(void)P2_1=0;TMOD=0x01; /定时器0方式1 / TR0=0;while(1)if(P2_1=1) EA=1; /CPU开中断 ET0=1; /C/T0开中断TR0=1; /启动定时器，开始计时 TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256; 4.6本章小结本章主要介绍了本章主要介绍了插补仿真在数控工作台中的主要应用与计算法则，并编写了一套基于VB语言开发的插补仿真系统的软件。重点研究了插补技术对于数控加工精度的影响及他们的运作步骤。进行了三维数控工作台伺服系统的设计，包括开闭环的选择，单片机的编程等项目，从而完成了三维数控工作台的整个设计过程。结论 本次毕业设计是对大学四年所学习的知识进行一次综合的回顾。在本次设计中作者通过查阅各种书籍完成了以下内容： （1）对三维数控工作台包括步进电机，滚珠丝杠，直线导轨，十字滑块联轴器，深沟球轴承等的选型设计，并对滚珠丝杠的刚度，传动效率，稳定性进行了验算，对深沟球轴承的使用寿命进行了验算； （2）对各部分零件进行了三维图形的绘制并且进行装配与仿真； （3）成功的利用VB语言编写了一套插补仿真的软件； （4）完成了对数控伺服系统的设计，通过查阅相关文献，资料比较了开环控制系统与闭环控制系统的差别，并综合实验的要求，考虑相关的实用因素，经济因素最终选定开环系统作为此工作台的控制系统，同时对起到控制步进电机作用的单片机进行了程序编写。通过本次设计，作者深入分析了插补技术对于数控加工精度的影响，在数控加工中，刀具的运动轨迹是折线形式，但在真正的实际加工中要求刀具不能按照圆弧轨迹行走，而利用插补技术就可以把整个圆弧进行微分采用无限逼近的方法在很大程度上提高了刀具的加工精度。本次设计主要应用的是插补技术中的逐点比较法直线插补，这种插补技术可以更简单，更直接的提高刀具运行的精度，成本较低。但是传统的逐点比较法直线插补由于其存在插补误差大，直线光滑性差等特点仍然存在很大的改进空间，直线插补计算方法的准确度方面仍然有待提高，这需要作者通过各种后继实验进行改进与完善。 由于本人水平有限设计中出现很多不足，如使用三维绘图软件不够熟练，编程过程中出现很多错误，机床设计精度有待于进一步提高，本次试验大部分采用的是直线插补，对圆弧插补涉猎较少，如文中有所不妥之处，请老师给予指出，本人深表感谢。致谢在四个月的毕业设计中,我们从刚开始的一无所知到现在圆满完成任务.经历了从查资料,到系统各部分设计,在完成这一切的时候我们知道就学到了许多东西，无论在理论学习上还是在实际工程设计中，都有了长足的进步，为四年的大学生涯画上了圆满的句号。这一切都与我的指导教师王宇老师的谆谆教导分不开。在整个毕业设计过程中，王宇老师始终以高标准严格要求我们，不仅在理论知识上给予我们悉心指导，而且教会我们如何发现问题、分析问题、解决问题，这对我们以后的学习工作都有了很大的帮助。王老师认真的工作态度、严谨的教学态度以及有秩序的工作方式也深深地影响着我，为即将踏上工作岗位的我树立了榜样。在此，我向王老师致以我深深的敬意和由衷的感谢!同时由衷感谢多年来在学习和生活上发给予我关心,帮助的所有老师和同学们!今后，我力争在新的工作中取得更大的进步，以回报导师，学校以及社会对我的培养和帮助。参考文献1 张建民.机电一体化系统设计（第二版）（M），高等教育出版社，2001 年8月2 濮良贵，纪名刚.机械设计（第七版）（M），高等教育出版社，2001 年7月3 汪木兰.数控原理与系统（M），机械工业出版社，2006年7月4 钟约先, 林亨.机械系统计算机控制（M），清华大学出版社， 2001年 4月5 董玉红. 数控机床（M）. 北京：高等教育出版社，20026 王文斌，李琦. 机械设计手册（M）. 北京：机械工业出版社，20087 陈桂友，柴远斌. 单片机技术及应用（M）.北京：机械工业出版社，20038 郑文纬，吴克坚.机械原理.高等教育出版社，1996：1531839 侯珍秀.机械系统设计.哈尔滨工业大学，2003：11510 施平.机械工程专业英语.电子工业出版社，2003：24530211 何立民.单片机应用系统设计第三版.北京航空航天大学出版社,1999.12 郑学坚，周斌.微机计算机原理.清华大学出版社，2003.13 周伟.汇编语言程序教程.清华大学出版社，2004.14 Wright, P. K., 21stCentury manufacturing, Prentice-Hall, 2001.15 Madsen, D.A., Shumaker, T.M., Turpin, J.L. and stark, C., Engineering Drawing and Design, Delmar Publishing, 1991.16 David J.Roth.Mechanistic Modeling of 3-axis,University of Waterloo, 2004. 附录一Mechanical Engineering in the Information AgeIn the early 1980s,engineers thought that massive research would be needed to speed up product development.As it turns out ,less research is actually needed because shortened product development cycles encourage engineers to use available technology.Developing a revolutionary technology for use in a new product is risky and prone to failure .Taking shot steps is a safer and usually more successful approach to product development.Shorter product development cyclys are also beneficial in an engineering world in which both captical and labor are global.People who can design and manufacture various products can be found anywhere in the world,but containing a new idea is hard.Geographic distance is no longer a barrier to others finging out about your development six months into the process.If you are got a short development cycle,the situation is not catastrophic-as long as you maintain your lead,But if you are in the midist of a six-year development process and a competitor gets wind of your work,the project could be in more serious trouble. In one respect, manufacturing could be said to be coming full circle. The first manufacturing was a cottage industry: the designer was also the manufacturing, conceiving and fabricating products one at a time. Eventually, the concept of the interchangeability of parts was developed, production was separated into separated into specialized functions, and identical parts were produced thousands at a time.Today, although the designer and manufacturing may not become one again, the functions are being drawn close in the movement toward an integrated manufacturing system.It is perhaps ironic that, at a time when the market demands a high degree of product diversification, the necessity for increasing productivity and reducing cost is driving manufacturing toward integration into a coherent system, a continuous process in which parts do not spend as much as 95% of production time being moved around or waiting to be worked on.The computer is the key to each of these twin requirements. It is the only tool that can provide the quick reflexes, the flexibility and speed, to meet a diversified market. And it is the only tool that enables the detailed analysis and the accessibility of accurate data necessary for the integration of the manufacturing system.Today, nearly every market is a niche market, because customers are selective. If you ignore the potential for tailoring your product to specific customers needs, you will lose the major part of your market share perhaps all of it. Since these niche markets are transient, your company needs to be in a position to respond to them quickly.The emergence of niche markets and design on demand has altered the way engineers conduct research. Today, research is commonly directed toward solving particular problems. Although this situation is probably temporary, much uncommitted technology, developed at government expense or written off by major corporations, is available today at very low cost. Following modest modifications, such technology can often be used directly in product development, which allows many organizations to avoid the expense of an extensive research effort. Once the technology is free of major obstacles, the research effort can focus on overcoming the barriers to commercialization rather than on pursuing new and interesting, but undefined, alternatives.When viewed in this perspective, engineering research must focus primarily on removing the barriers to rapid commercialization of known technologies. Much of this effort must address quality and reliability concerns, which are foremost in the minds of today consumers. Clearly, a reputation for poor quality is synonymous with bad business. Everything possibleincluding thorough inspection at the end of the manufacturing line and automatic replacement of defective productsmust be done to assure that the customer receives a properly functioning product.Research has to focus on the cost benefit of factors such as reliability. As reliability increase, manufacturing costs and the final cost of the system will decrease. Having 30 percent junk at the end of a production line not only costs a fortune but also creates an opportunity for a competitor to take your idea and sell it to your customers.Central to the process of improving reliability and lowering costs is the intensive and widespread use of design software, witch allows engineers to speed up every stage of the design process. Shortening each stage, however, may not sufficiently reduce the time required for the entire process. Therefore, attention must also be devoted to concurrent engineering software with shared databases that can be accessed by all members of the design team.As we move more fully into the information Age, success will require that the engineer process some unique knowledge of and experience in both the development and the management of technology. Success will require broad knowledge and skills as well as expertise in some key social and economic factors at work in the marketplace. Increasingly, in the future, routine problems will not justify heavy engineering expenditures, and engineers will be expected to work cooperatively in solving more challenging, more demanding problems in substantially less time. We have begun a new phase in the practice of engineering. It offers great promise and excitement as more and more problem-solving capability is placed in the hands of the computerized and unquenched thirst for better products and systems must be matched by the joy of creation that marks all great engineering endeavors. Mechanical engineering is a great profession, and it will become even greater as we make the most of the opportunities offered by the Information Age.It may well be that, in the future, the computer may be essential to a companys survival. Many of todays businesses will fade away to be replaced by more productive combinations. Such more-productive combinations are super quality, super productivity plants. The goal is to design and operate a plant that would produce 100% satisfactory parts with good productivity.A sophisticated, competitive world is requiring that manufacturing begin to settle for more, to become itself sophisticated. To meet competition, for example, a company will have to meet the somewhat conflicting demands for greater product diversification, higher quality, improved productivity, and low prices.The company that seeks to meet these demands will need a sophisticated tool, one that will allow it to respond quickly to customer needs while getting the most out of its manufacturing resources.The computer is that tool.Becoming a “super quality, super productivity” plant requires the integration of an extremely complex system. This can be accomplished only when all elements of manufacturing-design, fabrication and assembly，quality assurance, management, materials handlingare computer integrated.In product design, for example, interactive computer-aided-design (CAD) systems allow the drawing and analysis tasks to be performed in a fraction of the time previously required and with greater accuracy. And programs for prototype testing and evaluation further speed the design process.In manufacturing planning, computer-aided process planning permits the selection, from thousands of possible sequences and schedules, of the optimum process.On the shop floor, distributed intelligence in the form of microprocessors controlled machines, runs automated loading and unloading equipment, and collects data on current shop conditions.But such isolated revolutions are not enough. What is needed is a totally automated system, linked by common software from front door to back.The benefits range throughout the system. Essentially, computer integration provides widely and instantaneously available, accurate information, improving communication between departments, permitting tighter control, and generally enhancing the overall quality and efficiency of the entire system.Improved communication can mean, for example, designs that are more producible. The NC programmer and the tool designer have a chance to influence the product designer, and vice versa.Engineering changes, thus, can be reduced, and those that are required can be handled more efficiently. Not only dose the computer permit them to be specified more quickly, but it also alerts subsequent users of the data to the fact that a change has been made.The instantaneous updating of production-control data permits better planning and more effective scheduling. Expensive equipment, therefore, is used more productively, and parts move more efficiently through production, reducing work-in-process costs.Product quality, too, can be improved. Not only are more-accurate designs produced, for example, but the use of design data by the quality-assurance department helps eliminate errors due to misunderstandings.People are enabled to do their jobs better. By eliminating tedious calculations and paperworknot to mention time wasted searching for informationthe computer not only allows workers to be more productive but also frees then to do what only human beings can do: think creatively.Computer integration may also lure new people into manufacturing. People are attracted because they want to work in a modern, technologically sophisticated environment.In manufacturing engineering, CAD/CAM decreases tool design, NC-programming, and planning times while speeding the response rate, which will eventually permit in-house staff to perform work that is currently being contracted out.Computers have been used in nearly every manufacturing job. Computers improve the efficiency, accuracy, and productivity of many manufacturing processes. Just like the other tools and machines, computers extend human capabilities and make some jobs easier. Every department in manufacturing has found a use for computers.In the management department, supervisors and managers use computers to gather information about the progress of work in all the other departments. In marketing, researchers, advertisers, and sales people use computers to get data on potential buyers, to study market research, and to create advertisements.As we move more fully into the Information Age,success will require that the engineer possess some unique knowledge of and experience in both the development and the management of technology.Success will require broad knowledge and skills as well as expertise in some key technologies and disciplines;it will also require a keen awareness of the social and economica factors at work in the marketplace.Increasingly,in the future,routine problems will not justify heavy engineering expenditures,and engineers will be expected to work cooperatively in solving more challenging,more demanding problems in substantially less time.It offers great promise and excitement as more and more problem-solving capability is placed in the hands of the computerized and wired engineer.We have begun a new phase in the practice of engineering.Mechanical engineering is a great profession,ang it will become even greater as we make the most of the opportunities offered by the Information Age.信息时代的机械工程在80年代初工程师们曾经认为要加快产品的研制开发，必须进行大量的研究工作。结果是实际上只进行了较少的见就工作，这是因为产品开发周期的缩短，促使工程师们尽可能地利用现有的技术。研制开发一种创新行得技术并将其应用在新产品上，是有风险的，并且易于招致失败。在产品开发过程中采用较少的步骤是一种安全的和易于成功的方法。对于资金和人力都处于全球性环境中的工程界而言，缩短产品研制开发周期也是有益的。能够设计和制造各种产品的人可以在世界各地找到。但是，具有创新思想的人则比较难找。对于你已经进行了6个月的研制开发工作，地理上的距离已经不再是其他人发现他的障碍。如果你的研制周期较短，只要你仍然保持领先，这种情况并不会造成严重后果。但如果你正处于一个长达6年的研制开发过程的中期，一个竞争对手了解到你的研究工作的一些信息，这个项目将面临比较大的麻烦。从某一方面可以说，制造业正在完成一个循环。最初的制造业是家庭手工业：设计者本身也是制造者，产品的构思和加工由同一个人来完成。后来，形成了零件的互换性这个概念，生产被依照专业功能分割开来，可以成批地生产数以千计的相同零件。今天，尽管设计者与制造者不可能再是同一个人，但在向集成制造系统前进的途中，这两种功能已经越来越靠近了。可能具有讽刺意味的是，在市场需求高度多样化产品的时候，提高生产率和降低成本的必要性促使制造业朝着集成为单调关联系统方向变化。这是一个连续的过程，在其中零件不需要花费多达95%的生产时间用在运输和等待加工上。计算机是满足这两项要求中的任何一项的关键。它是能够提供快速反应能力、柔性和满足多样化市场的唯一工具。而且，它是实现制造系统集成所需要的、能够进行详细分析和利用精确数据的唯一工具。将来，计算机可能是一个企业生存的基本条件，许多现今的奖杯生产能力更高的企业组合所取代。这些生产能力更高的企业组合是一些具有非常高的质量、非常高的生产率的工厂。目标是的设计和运行一个能以高生产率的方式生产100%合格产品的工厂。一个采用先进技术的、竞争的世界正在促进制造业开始做更多的工作，使其本身采用先进的技术。为了适应竞争，一个公司会满足一些在某种程度上相互矛盾的要求，诸如产品多样化、提高质量、增加生产率、降低价格。在努力满足这些要求的过程中，公司需要一个采用先进技术的工具，一个能够对顾客的需求做出快速反应，而且从制造资源中获得最大收益的工具。计算机就是这个工具。成为一个具有“非常高的质量、非常高的生产率”的工厂，需要对一个非常复杂的系统进行集成。这只是通过采用计算机对机械制造的所有组成部分设计、加工、装配、质量保证、管理和材料装卸及输送进行集成才能完成。例如，在产品设计期间，交互式的计算机辅助设计系统使得完成绘图和和分析工作所需要的时间比原来减少，而且精确程度得到了很大的提高。此外，样机的实验与评价程序进一步加快了设计进程。 在制定制造计划时，计算机辅助编制工艺规程可以从数以千计的工序和加工过程中选择最好的加工方案。在车间里，分布式智能以微机处理器这种方式来控制机床、从总自动装卸设备和收集关于当前车间状态的信息。但是这些各自独立的改革还远远不够。我没所需要的是由一个通用软件从始端到终端进行控制的全部自动化的系统。整个系统都会从中受益。基本上，计算机集成可以提供广泛的、及时地和精确度的信息，可以改进各部门之间的交流与沟通，实施更严格的控制，而且通常能够增强整个系统的全面质量和效率。例如，改进交流和沟通意味着会使设计具有更好的可制造性。数控编程人员和工艺装配设计人员有机会向产品设计人员提出意见，反之亦然。因而可以减少技术方面的变更，而对于那些必要的变更，可以更有效地进行处理。计算机不仅能够更快地对变更之处做出详细的说明，而且还能够把变更之后的数据告诉随后的使用者。利用及时更新的生产控制数据可以制定更好的工艺规程和更有效率的生产进度。因而，可使昂贵的设备得到更好的利用，提高零件在生产过程中的运送效率，减少在制品的成本。产品质量也可得到改进。例如，不仅可以提高设计精度，还可以是质量保证部门利用设计数据，避免由于误解而产生错误。可使人们更好的完成他们的工作。通过避免冗长的计算和书写工作这还不算查找资料所浪费的时间计算机不仅使人们更有效的工作，而且还能把他们解放出来去做只有人类才能做的工作：创造性的思考计算机集成制造还会吸引新的人才进入制造业。人才被吸引过来的原因是他们希望到一个现代化的、技术先进的环境中工作。在制造工程中，CAD/CAM减少了工艺装备设计、数控编程和编制工艺规程所需要的时间。同时加快了响应速度，这最终将会使目前外围加工的工作由公司内部人员来完成。今天，因为顾客们有较大的选择余地，几乎所有市场都是特殊定向产品市场。如果你不能使你的产品满足某些特定客户的要求，你将失掉你的市场份额中的一大部分，或者失掉全部份额。由于这些定向产品市场是经常变化的，你的公司应该对市场的变化做出快速的反应。定向产品市场和根据客户要求进行设计这种现象的出现改变了工程师的研究工作的方式。今天，研究工作通常是针对解决特定问题进行的 。现在许多由政府资助或者由大公司出资开发的技术可以在非常低的成本下被自由使用，尽管这种情况可能是暂时的。在对这些技术进行适当改进后，他们通常能够被直接用于产品开发，这使得许多公司可以节省昂贵的研究经费。在主要的技术障碍被克服后，研究工作应该主要致力于产品的商品化方面，而不是开发新的、有趣的、不确定的替代产品。采用上述观点看问题，工程研究应该致力于消除将已知技术快速商品化的障碍。工作的重点是产品的可靠性，这些在当今顾客的头脑中是最重要的。很明显，一个质量差的声誉是一个不好企业的代名词。企业应该尽最大努力来保证顾客得到合格的产品，这个努力包括在生产线的终端对产品进行严格的检验和自动更换有缺陷的产品。研究工作应该着重考虑诸如可靠性等因素对成本带来的益处。当可靠性提高时，制造成本和系统的最终成本将会降低。如果在生产线的终端产生了30%的废品，这不仅会浪费金钱，也会给你的竞争对手创造一个利用你的想法制造产品，并将其销售给你的客户的良机。提高可靠性和降低成本这个过程的关键是深入、广泛地利用设计软件。设计软件可以使工程师们加快每一阶段的设计工作。然而，仅仅缩短每一阶段的设计时间，可能不会显著地缩短整个设计过程的时间。因而，必须致力于采用并行工程软件，这样可以使所有设计组的成员都能使用共今天，因为顾客们有较大的选择余地，几乎所有市场都是特殊定向产品市场。如果你不能使你的产品满足某些特定客户的要求，你将失掉你的市场份额中的一大部分，或者失掉全部份额。由于这些定向产品市场是经常变化的，你的公司应该对市场的变化做出快速的反应。根据工具与制造工程师手册，工艺设计就是系统地确定能够经济的和有竞争力的将产品制造出来的方法。它主要由选择、计算和建立工艺文件组成。对加工方法、机床、刀具、工序和顺序必须进行选择。对于一些参数如进给量、速度、公差、尺寸和成本等应该进行计算。最后，应该建立加工说明、带工序简图的工艺过程卡和加工路线等方面的工艺文件。工艺设计是产品设计和制造的中间环节。那么，它是如何将设计与制造连接起来的呢？大部分制造工程师都会同意这个看法，即如果10个不同的工艺人员进行同一个零件的工艺设计，他们很可能得出10种不同的方案。显然，所有这些方案都不能反映最适当的制造方法，而且，事实上也不能保证它们中的任何一个方案是由加工这个零件的最好的方法组成的。随着我们步入信息时代，要取得成功，工程师们在技术开发和技术管理方面都应该具有一些独特的知识和经验。成功的工程师们不但应该具有宽广的知识和技能，而且还应该是某些关键技术或学科的专家，他们还应该在社会因素和经济因素对市场影响方面有敏锐洞察能力。将来，花在解决日常工程问题上的费用将会减少，工程师们将会在一些更富有挑战行，更急需解决的问题上协同工作，大大缩短解决这些问题所需要的时间。计算机和网络使工程师们具有了越来越多的解决问题的能力，这也给他们的工作带来很大的希望和喜悦。我们已经开始了工程实践的新阶段。机械工程是一个伟大的行业，当我们充分利用了信息时代所提供的及预后，他将变得更加伟大。附录二插补软件的上下位机程序上位机程序#include#define uint unsigned int#define uchar unsigned charsbit led1=P10;sbit led2=P11;sbit led3=P12;sbit led4=P13;uchar recCnt = 0;uint flag,a;uchar RecData8;void delay(uint xms);uint convertFun(uchar* RecData,uint len);void init()TMOD=0x20;SCON = 0x50;TH1=0xfa;TL1=0xfa;PCON = 0x00;TR1=1;REN=1;SM0=0;SM1=1;EA=1;ES=1;void main()uint conData = 0;init();while(1) if(recCnt =4)conData = convertFun(RecData, recCnt);recCnt = 0;a=conData; if(a=1001) for(a=1000;a0;a-) led1=0; delay(2); led1=1; delay(2); if(a=1003) for(a=1000;a0;a-) led2=0; delay(2); led1=1; delay(2); led1=0; delay(2); if(a=1002)for(a=1000;a0;a-) led3=0; delay(2); led3=1; delay(2); if(a=1000) for(a=1000;a0;a-) led4=0; delay(2); led3=1; delay(2); led3=0; delay(2); if(a=5000) for(a=7000;a0;a-) led2=0; delay(2); led1=1; delay(2); led1=0; delay(2); for(a=3000;a0;a-) led3=0; delay(2); led3=1; delay(2); if(a=1111) for(a=1000;a0;a-) led4=0; d
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