Z3063摇臂钻床数控化改造的设计【含5张CAD图纸、说明书全稿】
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含5张CAD图纸、说明书全稿
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毕业论文 题 目：Z3063摇臂钻床数控化改造的设计 姓 名： 班 级： 学 号： 指导老师： 摘 要X-Y数控工作台改装设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现方便并且能够保证一定的精度。本文主要对Z3063工作台的机械部分和控制部分进行设计，对滚珠丝杠，滚动导轨及步进电动机做了设计计算及选用，并也对轴承座进行了分析和选择，另外也利用AutoCAD进行了装配图的绘制，对其导轨座的设计及各零部件的安装也作了比较详细的说明。针对滚珠丝杠的计算，通过对滚珠丝杠的动载荷及静载荷的计算，确定所要丝杠的动静载荷值，并选择。针对滚动导轨，分别计算滚动导轨的动载荷及其工作寿命来确定滚动导轨的参数，并选取。针对步进电动机的选取，我分别作了其转动惯量和转动力矩的计算，根据所得的数据作步进电动机的选择。关键词：XY工作台 步进电动机 滚动导轨 滚珠丝杠 ABSTRACTTheXYCNCWorkbenchthedesignmodificationsandisanopen-the-loopcontrolsystem,itsstructureissimple.ToachievethatthetheconvenientandabletotoGuaranteedthecertainlevelofaccuracyas.ThispapermainlycarriedoutthethemechanicalpartofforZ3063workbenchdesign,onthetheballscrew,thescrollguiderail,andthesteppingmotordoneadesigncalculatedandchoosed,andalsoonthebearingsseatandcouplingscarriedoutanalysisandselection,InadditionalsotheuseofAutoCADforathethedrawingofoftheassemblyFIG.,ofitsthetheinstallationofofthethethedesignofoutletsandofoftheguideseatPartswerealsomadebyCompareDetailofdescribed.Forthethecalculationofoftheballscrew,thethroughthethethedynamicloadofofBallScrewbywiththecalculationofandstaticloadofthe.,Todeterminetheyouwanttoleadscrewstaticanddynamicloadvalue,andselectthe.Againstthescrollthroughtheguiderail,respectively,calculatethethetherollingguidethedynamicloadofanditsworkinglifeoftotodeterminethethescrollthroughthetheparametersofoftheguiderail,andselectthe.AgainsttheSelecttheofthesteppertheelectricmotor,I,respectivelyhavehaveamadeanrotationthereofthethecalculationofofthetheinertiaCoverandtherotatingtorqueis,accordingtotheresultantDatamakethethethechoiceofofthesteppermotor.Keywords:XYworkbenchsteppingmotorrollingguideballscrew目 录第一章 绪论1.1课题究的背景与意义 11.2数控技术的发展与现状 11.2.1发达国家数控技术的发展状况 11.2.2国内数控技术的发展现状 2第二章 Z3063摇臂钻床工作台改造总体方案 32.1 Z3063摇臂钻床简介 32.2机械改造方案 52.2.1系统运动方式与伺服系统 52.2.2 计算机系统 62.2.3 XY工作台的传动方式 6第三章 机械部分的设计和计算 73.1确定系统脉冲当量 73.2初步确定工作台的尺寸及其重量 73.3滚珠丝杠的设计计算及选择 83.3.1求丝杠的静载荷 93.3.2 确定动载荷及其使用寿命 93.3.3滚珠丝杠的选取 103.3.4 滚道半径、偏心距 103.3.5 稳定性计算 103.3.6 刚度过验算 113.4 滚动导轨的计算与选择 113.4.1 导轨的型号 123.4.2 导轨的受力分析 123.4.3计算导轨的寿命 123.5 电机的计算 143.5.1 负载惯量的计算 173.5.2 负载转矩的计算 173.5.3 步进电动机的选择 183.6 齿轮计算、设计 19第四章 精度分析 204.1 开环数控系统误差来源 204.2 系统误差的消除 21第五章 控制部分的设计 225.1 硬件电路总体方案 225.1.1主控制器CPU的选择 225.1.2 I/O口扩展电路设计 235.1.3键盘、显示接口电路 245.1.4步进电机驱动电路 255.1.5其它辅助电路设计 265.2控制系统软件的设计 275.2.1系统控制软件的主要内容 275.2.2程序设计技术 285.2.3步进电机控制子程序的设计 28结论30致谢31参考文献3109届机械电子工程毕业设计第一章 绪论1.1课题研究的背景与意义数控技术是利用数字化的信息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。用数控技术实施加工控制的机床，或者说装备了数控系统的机床称为数控(NumericalControl)机床。数控系统包括：数控装置、可编程控制器、主轴驱动器及进给装置等部分。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业(IT、汽车、轻工、医疗等)的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。1.2数控技术的发展与现状1.2.1发达国家数控技术的发展状况美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。因其社会条件不同，各有特点。 1.美国的数控发展史 美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床的发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，且网罗世界人才，特别讲究“效率”和“创新”，注重基础科研。因而在机床技术上不断创新，如1952年研制出世界第一台数控机床、1958年创制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首创开放式数控系统等。由於美国首先结合汽车、轴承生产需求，充分发展了大量大批生产自动化所需的自动线，而且电子、计算机技术在世界上领先，因此其数控机床的主机设计、制造及数控系统基础扎实，且一贯重视科研和创新，故其高性能数控机床技术在世界也一直领先。当今美国生产宇航等使用的高性能数控机床，其存在的教训是，偏重於基础科研，忽视应用技术，且在上世纪80代政府一度放松了引导，致使数控机床产量增加缓慢，于1982年被后进的日本超过，并大量进口。从90年代起，纠正过去偏向，数控机床技术上转向实用，产量又逐渐上升。 2.德国的数控发展史 德国政府一贯重视机床工业的重要战略地位，在多方面大力扶植。，於1956年研制出第一台数控机床后，德国特别注重科学试验，理论与实际相结合，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究，在质量上精益求精。德国的数控机床质量及性能良好、先进实用、货真价实，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密数控机床。德国特别重视数控机床主机及配套件之先进实用，其机、电、液、气、光、刀具、测量、数控系统、各种功能部件，在质量、性能上居世界前列。如西门子公司之数控系统，均为世界闻名，竞相采用。 3.日本的数控发展史 日本政府对机床工业之发展异常重视，通过规划、法规(如“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。在重视人才及机床元部件配套上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国，甚至青出于蓝而胜于蓝。自1958年研制出第一台数控机床后，1978年产量(7,342台)超过美国(5,688台)，至今产量、出口量一直居世界首位(2001年产量46,604台，出口27,409台，占59%)。战略上先仿后创，先生产量大而广的中档数控机床，大量出口，占去世界广大市场。在上世纪80年代开始进一步加强科研，向高性能数控机床发展。日本FANUC公司战略正确，仿创结合，针对性地发展市场所需各种低中高档数控系统，在技术上领先，在产量上居世界第一。该公司现有职工3,674人，科研人员超过600人，月产能力7,000套，销售额在世界市场上占50%，在国内约占70%，对加速日本和世界数控机床的发展起了重大促进作用。1.2.2国内数控技术的发展现状我国数控技术的发展起步于二十世纪五十年代，通过“六五”期间引进数控技术，“七五”期间组织消化吸收“科技攻关”，我国数控技术和数控产业取得了相当大的成绩。特别是最近几年，我国数控产业发展迅速，19982004年国产数控机床产量和消费量的年平均增长率分别为39.3%和34.9%。尽管如此，进口机床的发展势头依然强劲，从2002年开始，中国连续三年成为世界机床消费第一大国、机床进口第一大国，2004年中国机床主机消费高达94.6亿美元，国内数控机床制造企业在中高档与大型数控机床的研究开发方面与国外的差距更加明显，70%以上的此类设备和绝大多数的功能部件均依赖进口。由此可以看出国产数控机床特别是中高档数控机床仍然缺乏市场竞争力，究其原因主要在于国产数控机床的研究开发深度不够、制造水平依然落后、服务意识与能力欠缺、数控,系统生产应用推广不力及数控人才缺乏等。我们应看清形势，充分认识国产数控机床的不足，努力发展先进技术，加大技术创新与培训服务力度，以缩短与发达国家之问的差距。第二章 Z3063摇臂钻床工作台改造总体方案根据设计任务确定系统的总体机械和控制系统方案：进行系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。对普通机床进行数控化改造与购置新机床相比，一般可以节省60%至80%的费用，改造费用低，大大节省了成本，特别是大型、特殊机床尤其明显。一般大型机床改造，只需要花费新机床购置费用的1/3，产品交货期短。机床经改造后降低了工人的劳动强度，节省了劳动力（一个人可看管多台机床），减少了工装，缩短了新产品试制周期和生产周期，可对市场需求作出快速反应。2.1 Z3063摇臂钻床简介Z3063钻床是机械制造中使用广泛的一类机床，作为孔加工机床，主要用来加工箱体、机架等外形较复杂、没有对称回转轴线的工件上的孔。钻削加工时，工件不动，刀具作旋转运动和轴向进给运动。钻床可完成钻孔、铰孔、锪平面、攻螺纹等工作，钻床主要由底座、内立柱、摇臂、主轴箱、工作台等部分组成。由于摇臂钻床运动部件较多，常采用多台电动机拖动。Z3063摇臂钻床共有4台电动机，一般采用笼型异步电动机，其中M1为主电动机，控制主轴旋转运动和进给运动，单向旋转，用机械变换完成加工螺纹所需要的正反向运动。主轴的正反运动一般通过正反转摩擦离合器来实现。M2为升降电动机，控制摇臂升降运动，双向旋转。M3为液压泵电动机，M4为冷却电动机，对加工的道具进行冷却，手动控制，单向旋转。Z3063液压摇臂床主要适用于在大、中型铸件，钢件上钻孔，扩孔、铰孔及攻螺纹等加工。适合本机床工作的温度要求在0到45摄氏度、大气压强86到106 Kpa空气清洁度较好、粉尘浓度不得大于10mg/m3、不得含酸、碱腐蚀和有毒气体：不得有爆炸危险，不得有导电尘埃：厂房内不得有雨雪侵袭：地面平整、清洁、室内光线充足。机床安装在远离振源、热源等地方。2.2机械改造方案2.2.1系统运动方式与伺服系统采用直角坐标控制方式，在原机床的底座上设计一个独立的十字数控滑台，即提供了独立的X，Y坐标。Z坐标作为主轴的上下运动，通过机床手动微进给轴传入。采用连续控制系统。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。2.2.2 计算机系统采用ATMEL公司的AT89系列单片机扩展控制系统。它。内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。2.2.3 XY工作台的传动方式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，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。 系统总体框图第三章 机械部分的设计和计算3.1确定系统脉冲当量脉冲当量是个进给指令时工作位移量，应小于等于工作台的位置精度。一般为0.010.005mm。3.2初步确定工作台的尺寸及其重量初步设定能够加工的最大面积为200210mm，最大工件的重量为150kg。因此我初定工作台的。工作台的材料为号钢，其密度为。（取）因此：3.2.1 工作台（X向托板）3.2.2 取Y向托板=X向托板 3.2.3 上导轨座（连电机）重量 初步取导轨座的长，宽为，高为，但导轨座中间有一大空缺，空缺部分大约2807030mm3。因此所以根据上面所求，得XY工作台运动部分的总重量为：根据要求所知，其最大加工工件为，另外，还有丝杠、电机等，大约3kg，因此：m4=3kg 3.3滚珠丝杠的设计计算及选择X方向定位精度要求为0.01mm，工作台快进速度定为2m/min，加速时间为0.1s。丝杠分为滑动丝杠和滚珠丝杠。滚珠丝杠副是由丝杠、螺母、滚珠等零件组成的机械元件，其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动，它是传统滑动丝杠的进一步延伸发展。这一发展的深刻意义如同滚动轴承对滑动轴承所带来得改变一样。滚珠丝杠副因优良的摩擦特性使其广泛的运用于各种工业设备、精密仪器、精密数控机床。尤其是近年来，滚珠丝杠副作为数控机床直线驱动执行单元，在机床行业得到广泛运用，极大的推动了机床行业的数控化发展。这些都取决于其具有以下几个方面的优良特性：传动效率高、定位精度高、传动可逆性、使用寿命长、同步性能好。由于滚珠丝杠副运转顺滑、消除轴向间隙以及制造的一致性，采用多套滚珠丝杠副方案驱动同一装置或多个相同部件时，可获得很好的同步工作。滚珠丝杠与传统滑动丝杠相比，有以下优点：一，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。二，高精度的保证。三，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。四，无侧隙，刚性高。滚珠丝杠副可以加预压，由于预压力可使轴向间隙达到负值，进而得到较高的刚性(滚珠丝杠内通过给滚珠加预压力，在实际用于机械装置等时，由于滚珠的斥力可使丝杠螺母部的刚性增强)。五，高速进给可能。滚珠丝杠由于运动效率高，发热小，所以可实现高速进给运动。因此，在设计X方向工作台时，采用滚珠丝杠驱动。滚珠丝杠负载有运动部件和导轨之间的摩擦阻力，钻头切削时的丝杠受的轴向力。由于工作台运动时不进行切削，而进行切削时，丝杠受的轴向力很小，可以忽略不计，因此，丝杠的负载只按运动部件和导轨之间的摩擦阻力算。3.3.1求丝杠的静载荷已知其计算公式：式中的KF：载荷系数，取1.1 KH：硬度系数，取1.0 KL：精度系数，取1.0 FM：丝杠工作时的轴向阻力根据：其中为淬火钢的摩擦因数(查数控机床系统设计P182) 。因此：3.3.2 确定动载荷及其使用寿命根据丝杠动载荷公式：式中：额定动载荷 n：丝杠的最高转速 ：使用寿命 FC：静载荷根据：式中的丝杠的最高转速，因题目中所给其工作台快进的速度为，因此其计算为：所以：3.3.3滚珠丝杠的选取安装尺寸根据动载荷及动载荷和公称导程值的核对，最后选取的滚珠丝杠为天津龙创日盛机电实业有限公司生产的FFB2005-2 ，其公称直径为20mm，公称导程为5mm，动静载荷分别为6.4KN和12.2KN。3.3.4 滚道半径、偏心距在上图中查得，钢球直径为3.5mm，丝杠底径为16.9mm。滚道半径偏心距3.3.5 稳定性计算 因螺杆较长，所以稳定性验算应以下式求临界载荷： 式中：E：螺杆材料的弹性模量，查材料力学表2-2，取E=200GPa Ia：螺杆危险截面的轴惯性矩 ：长度系数，查机电一体化设计手册得=1丝杠的有效长度是240mm2.54 是安全的3.3.6 刚度过验算按最不利的情况考虑，螺纹螺距因受轴向力引起的弹性变形与受转矩引起弹性变形方向是一致的，所以 式中：查材料力学表2-2得，=0.25，所以：每米螺纹度上的螺纹距离弹性变形为 查机电一体化设计手册滚动螺旋3.4 滚动导轨的计算与选择 滚动导轨副的介绍一、滚动直线导轨副是由导轨、滑块、钢球、返向器、保持架、密封端盖及挡板等组成，如图：当导轨与滑块作相对运动时，钢球就沿着导轨上的经过淬硬和精密磨削加工而成的四条滚道滚动，在滑块端部钢球又通过返向装置（返向器）进入返向孔后再进入滚道，钢球就这样周而复始地进行滚动运动。返向器两端装有防尘密封端盖，可有效地防止灰尘、屑末进入滑块内部。二、特点 滚动直线导轨副是在滑块与导轨之间放入适当的钢球，使滑块与导轨之间的滑动摩擦变为滚动、静摩擦力之差很小，随动性极好，即驱动信号与机械动作滞后的时间间隔极短，有益于提高数控系统的响应速度和灵敏度。驱动功率大幅度下降，只相当于普通机械的十分之一。与V型十字交叉滚子导轨相比，摩擦阻力可下降约40倍。适应高速直线运动，其瞬时速度比滑动导轨提高约10倍。能实现高定位精度和重复定位精度。动摩擦，大大降低二者之间的运动摩擦阻力，从而获得：能实现无间隙运动，提高机械系统的运动刚度。 成对使用导轨副时，具有“误差均化效应”，从而降低基础件（导轨安装面）的加工精度要求，降低基础件的机械制造成本与难度。 导轨副滚道截面采用合理比值的圆弧沟槽，接触应力小，承接能力及刚度比平面与钢球点接触时大大提高，滚动摩擦力比双圆弧滚道有明显降低。 导轨采用表面硬化处理，使导轨具有良好的可校性；心部保持良好的机械性能。 简化了机械结构的设计和制造。3.4.1 导轨的型号查机电一体化技术手册1卷下册6篇3章，选用GGB20BA型导轨；表6.3-11，选择导轨精度等级为4级，每个托板有两条导轨，每条导轨有两个滑块。由于丝杠的直径为20mm，跟根机电一体化技术手册所给的选用方法，选用导轨的规格为20。查机电一体化技术手册表6.3-12和表6.3-13选择导轨的预加载荷为普通载荷P=287.5N。导轨是承受力的主要部件，除工件外、工作台外，还有钻床的切削力，钻床的切削力约为100N。3.4.2 导轨的受力分析A=70，b=80。当机床没有切削时，当机床在切削时候，当量载荷：查机电一体化设计手册得GGB型号规格为20的导轨的动载荷为11.6KN。3.4.3计算导轨的寿命：式中：ft：温度系数。查机电一体化技术手册表6.3-3，取ft=1fc：接触系数。查机电一体化技术手册表6.3-4，fc=0.81fw：载荷系数。查机电一体化技术手册表6.3-5，fw=1.2 寿命根据要求所知其寿命要在6年以上，一年300天，一天8小时；假设每分钟走6个行程，则所选用的导轨寿命比要求寿命要长，所以合格。我选定的导轨副的型号为GGB20BA，其尺寸见上图。来自昆山春本自动化设备有限公司。3.5 电机的计算数控机床上可以用步进电机和伺服电机控制，这里先对两者进行一下性能比较，以便更好的选择合适的电机。 步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能作一比较。第一，控制精度不同。两相混合式步进电机步距角一般为3.6，1.8，五相混合式步进电机步距角一般为0.72、0.36 ，也有一些高性能的步进电机步距角更小，如四通公司生产的一种用于慢走丝机床的步进电机，其步距角为0.09 ；德国百格拉公司（BERGER LAHR）生产的三相混合式步进电机其步距角可通过拨码开关设置为1.8 、0.9 、0.72 、0.36 、0.18 、0.09 、0.072 、0.036 ，兼容了两相和五相混合式步进电机的步距角。交流伺服电机的控制精度由电机轴后端的旋转编码器保证。以松下全数字式交流伺服电机为例，对于带标准2500线编码器的电机而言，由于驱动器内部采用了四倍频技术，其脉冲当量为360 /10000=0.0036 。对于带17位编码器的电机而言，驱动器每接收131072个脉冲电机转一圈，即其脉冲当量为360 /131072 ，是步距角为1.8的步进电机的脉冲当量的1/655。 第二，低频特性不同。步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半。这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机工作在低速时，一般应采用阻尼技术来克服低频振动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低速时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。第三，矩频特性不同。步进电机的输出力矩随转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300600RPM。交流伺服电机为恒力矩输出，即在其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。 第四，过载能力不同。步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取较大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。第五，运行性能不同。步进电机的控制为开环控制，启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时转速过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服驱动系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环和速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。第六，速度响应性能不同。步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速启停的控制场合。 综上所述，交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。步进电动机是纯粹的数字控制电动机，它将电脉冲信号转变为角位移，即给一个脉冲，步进电机就转一个角度，因此非常合适单片机控制，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，电机则转过一个步距角，同时步进电机只有周期性的无累积误差，精度高。步进电动机有如下特点：第一，步进电动机的角位移与输入脉冲数严格成正比。因此，当它转一圈后，没有累计误差，具有良好的跟随性；第二，由步进电动机与驱动电路组成的开环数控系统，既简单、廉价，又非常可靠，同时，它也可以与角度反馈环节组成高性能的闭环数控系统；第三，步进电动机的动态响应快，易于启停、正反转及变速；第四，速度可在相当宽的范围内平稳调整，低速下仍能获得较大转距，因此一般可以不用减速器而直接驱动负载。第五，步进电机只能通过脉冲电源供电才能运行，不能直接使用交流电源和直流电源。第六，步进电机存在振荡和失步现象，必须对控制系统和机械负载采取相应措施。步进电机有两种工作方式：整步方式和半步方式。以步进角1.8四相混合式步进电机为例，在整步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转1.8，旋转一周，则需要200个脉冲，在半步方式下，步进电机每接收一个脉冲，旋转0.9，旋转一周，则需要400个脉冲。控制步进电机旋转必须按一定时序对步进电机引线输入脉冲。步进电机在低频工作时，会有振动大、噪声大的缺点。如果使用细分方式，就能很好的解决这个问题，步进电机的细分控制，从本质上讲是通过对步进电机励磁绕组中电流的控制，使步进电机内部的合成磁场为均匀的圆形旋转磁场，从而实现步进电机步距角的细分，一般情况下，合成磁场矢量的幅值决定了步进电机旋转力矩的大小，相邻两合成磁场矢量之间的夹角大小决定了步距角的大小，步进电机半步工作方式就蕴涵了细分的工作原理。通过以上信息，可知本次设计的工作台控制精度要求不需要很高，考虑成本因素等等，选择步进电机控制。下面对步进电机进行计算选型。3.5.1 负载惯量的计算丝杠的转动惯量工作台的转去惯量工件的转动惯量3.5.2 负载转矩的计算快速空程启动时电机所需力矩；最大切削负载时电机所需力矩；快给速进时电机所需力矩由于电机与丝杠间直接用齿轮连接，所以传动链效率取0.9，滚球未加预紧力时的效率0取0.93；钻床在X、Y轴进给方向是没有切削力的，所以没有切削力矩。空载加速力矩切削加速力矩摩擦力矩附加摩擦力矩 切削力矩 3.5.3 步进电动机的选择根据上述分析，最后我选定步距角为0.36度的型号为60BYG550A的步进电动机，其最大静转矩为0.6我所需要的0.22 。其外形结构及尺寸如下图所示：3.6 齿轮计算、设计根据本部分的第一步所初选的电机步距角和脉冲当量，又已知滚珠丝杠螺距t=5mm，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比： 若取Z1=60，则Z2=30。模数m=1mm 齿轮尺寸：Z60306030623257.529.545第四章 精度分析以步进电机为执行元件所构成的开环系统具有功能简单、价格低廉等特点，在一些经济型普通数控机床上得到了广泛的应用。但是，这种系统普遍存在低速不平稳、控制精度不高、拖动能力较小等问题，特别是控制精度问题在实际中最引人关注。4.1 开环数控系统误差来源 本设计中的开环控制系统，工作台没有检测反馈装置，控制系统发出的信号只是单向传递，由控制系统传向移动工作台。控制系统对工作台的实际位置不作检测。因此，加工精度主要取决于伺服系统的性能。而伺服系统的执行元件为步进电机，步进电机将直接影响整个系统的精度。对于步进电机，步距角对精度有显著的影响，若步距角显著减小，转子达到新稳定点时所具有的动能变小，振动也变小，精度得到提高，低速运行时的平滑性也得到提高。反之，会使精度变差。 除了伺服系统的性能对工作台的精度有影响，减速机构传动链中的传动间隙，滚珠丝杠的传动间隙及其刚度，齿轮减速机构，支撑轴承也会影响系统精度。 滚珠丝杠副的传动精度主要有两个影响因素。其一，传动间隙。由于丝杠、支承存在传动间隙，机械传动链在改变方向时，会引起步进电机的空走，而工作台并无实际移动。这样，最初的指令产生的脉冲只能起到消除间隙的作用，从而影响了工作台的位置精度。其二，丝杠的传动刚度。滚珠丝杠副和支承丝杠的轴承在内的传动系统的综合拉压刚度称为滚珠丝杠副的传动刚度。当工作台切削进给时，承受切削力，丝杠会产生弹性变形，此弹性变形会影响系统的定位精度和传动精度。4.2 系统误差的消除 对于步进电机来说，提高步距角精度，改善步距角特性，会提高定位精度。因为步进电机的步距角与步进电机定子绕组相数、通电方式系数、步进电机转子齿数有关，所以合理选择步进电机电磁参数能有效地改善步距角精度。其次就是减小步距角或采用细分电路。当传动比一定时，随着步距角的减小，脉冲当量也减小 ，从而提高了加工精度。但是步距角的减小受到电动机转子外形尺寸、相数以及拍数的限制，没有办法做得很小。因而，只能采取细分电路，使得步进电机的励磁绕组电流的切换按很小的阶梯进行。步进电机在细分状态下，步距角显著减小，达到了提高精度的目的。本设计中的驱动器自带有细分的功能。也可以说，在一定程度上提高了系统的精度。再次就是采用间隙和螺距补偿电路，也称误差较正电路。由于机械传动的间隙具有一定的稳定性，很有可能是一个常数，这个常数随磨损缓慢增加。可由实际调整和测量来决定。可以在工作台反向或移动有间隙误差的位置时，用补充一定脉冲量的方法来消除误差，提高精度。对于提高丝杠副的传动精度，通常采用预紧的方法。这种方法相比于误差较正电路的方法来说，更为简便易行，在实际中更常用。本设计中，丝杠副采用的是垫片预紧的方法来消除间隙，提高精度。为了提高传动精度和传动平稳性，避免齿轮在旋转中产生冲击和噪声，对于3060这一对齿轮还必须设计顶隙和侧隙调整机构。主动轮装在步进电机轴上，而步进电机的端面用螺钉与偏心套联接，偏心套装在箱体上，转动偏心套(这时步进电机连同齿轮一同转动) 从而可以调整主动轮与从动轮之间的中心距，使齿轮顶隙得到调整。齿轮侧隙的调整是利用圆柱薄片齿轮可调拉簧错齿调整法来实现的.支撑轴承采用预紧的方法来消除间隙，提高精度。第五章 控制部分的设计5.1、确定硬件电路总体方案: 机床数控系统的硬件电路概括起来由以下四部分组成：（1）主控制器：就是中央处理单元CPU。（2）总线：包括数据总线（DB）、地址总线（AB）、控制总线（CB）。（3）存储器：包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。（4）接口：即I/O输入/输出接口电路。 数控系统的硬件结构框图如下： 控制系统硬件框图除此之外，还要根据数控系统的要求配备一些外围设备和信号变换电路。其中信号变换电路是A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等，是实现微机与控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。它们可根据控制系统的要求选取。5.1.1、主控制器CPU的选择： 在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下要素：（1） 时钟频率和字长（控制数据处理的速度）；（2） 可扩展存储器（ROM/RAM）的容量；（3） 指令系统功能是否强；（4） I/O口扩展的能力；（5） 开发手段（包括支持开发的软件和硬件电路）。随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。5.1.2、I/O口扩展电路设计:CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：（行程开关）前向通道传动驱动（步进电机）人机界面传感器AT89S51（键盘、LED）后向通道 图5-1 CPU外部接口示意图AT89S51要完成的任务：（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。（2）通过程序实时控制电机的运行。（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。由于AT89S51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际外扩锁存器的8255，所以AT89S51的I/O口线分配如下：（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。（2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。（3）P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。（5）P2.7和P2.6决定8255的PA、PB、PC口的地址。P1.0-P1.2驱动1X步进电机驱动2Y步进电机P1.3-P1.5P1.6驱动3P3.2外部中断0P3.3外部中断1P0.0-P0.7AD0AD7P2.7CEP2.6IO/MPB 口PA口PC口AT89S51键盘电磁铁8255 图5-2 AT89S51控制系统图PB口接LED反映当前运行的8个状态：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行。PA口低四位反映触发中断1的4个行程开关的状态。PC口低6位反映了触发中断2的手动X+运行、手动X-运行、手动Y+运行、手动Y-运行、复位（RST）、圆弧插补6个开关的状态。5.1.3、键盘、显示接口电路:键盘、显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都用行列式键盘，即用I/O口线组成行、列接构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），为了方便显示图形，也有用CRT接口显示方式的系统。5.1.4、步进电机驱动电路:步进电机是一种用脉冲信号控制的电动机，在负载能力及动态特性范围内，电动机的角位移仅与控制脉冲数成正比，转速仅与控制脉冲频率成正比。在多数情况下，用步进电机作为执行元件的数控系统中不需要A/D或D/A转换，可采用较为简单的开环控制，因而成为经济型数控机床最主要的一种的伺服驱动单元。步进电机的驱动电路由图5所示四部分组成。步进电机驱动电路步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。图4-3 步进电机驱动电路图图中仅为一相的驱动电路，其余两相与之相同。相绕组的通断由开关管VT1和VT2共同控制，VT2的发射极接一个采样电阻R，该电阻上的压降与相绕组电流i成正比。当控制脉冲ui为高电平时，VT1和VT2两个开关管均导通，直流电源向绕组供电。由于绕组电感的影响，采样电阻R上的电压逐渐升高，当超过给定电压ua的值时，比较器输出低电平，使与门也输出低电平，VT1被截止，直流电源被切断，绕组电流i经VT2、R、VD2续流而衰减，采样电阻R上的电压随之下降。当采样电阻R上的电压小于给定电压ua时，比较器输出高电平，与门也输出高电平，VT1重新导通，直流电源又开始向绕组供电。如此反复，相绕组的电流就稳定在由给定电压ua所决定的数值上。由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A。步进时钟A相波形B相波形C相波形图4-4 三相六拍工作方式时相电压波形（正转）5.1.5、其它辅助电路设计（1）AT89S51的时钟电路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，AT89S51内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，它的出入端为引脚XTAL1，输出端为XTAL2。AT89S51常选择振荡频率6MHz或12MHz的石英晶体。（2）复位电路AT89S51单片机的第9脚（RST）为复位引脚，系统上电后，时钟电路开始工作，只要RST 引脚上出现大于两个机器周期时间的高电平即可引起单片机执行复位操作。有两种方法可以使AT89S51单片机复位，即在RST引脚加上大于两个机器周期时间的高电平或WDT计数溢出。单片机复位后，PC=0000H，CPU从程序存储器的0000H开始取指执行。上电瞬间，由于电容两端电压不能突变，RST引脚电压端为VR为VCC，随着对电容的充电， RST引脚的电压呈指数规律下降，到t1时刻，VR降为3.6V，随着对电容充电的进行，VR最后将接近0V。RST引脚的电压变化如图所示。为了确保单片机复位，t1必须大于两个机器周期的时间，机器周期取决于单片机系统采用的晶振频率，图中，R不能取得太小，典型值 8.2k.（3）越界报警电路为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。如是两坐标联动的数控系统，则有4个方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，应立即停止工作台移动，可通过光电耦合器的输入隔离电路。行程开关接到发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接到AT89S51的I/O口P1.0。当任何一个方向的行程开关被压下，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变为高电平。AT89S51可用软件设计成查询的方法随时检测有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接到AT89S51的外部中断引脚（INT0或INT1），采用中断方式检测越界信号。（为了报警，可以设置发光二极管，工作时不亮，有越界信号时，红灯亮，指示工作台越过极限位置。）5.2、控制系统软件的设计5.2.1、系统控制软件的主要内容数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几部分内容。（1）系统管理程序它是实现系统协调工作的主体软件。其主要功能是：接收操作者的命令执行命令从命令处理程序返回到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。（2）零件加工源程序的输入处理程序该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。（3）插补程序插补程序根据零件加工源程序进行插补运算，分配进给脉冲。（4）伺服控制程序伺服控制程序根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度、转角及方向。（5）诊断程序诊断程序包括移动部件移动越界处理、紧急停机处理、系统故障诊断、查错等功能。（6）机床的自动加工与手动控制程序在调整机床时往往需要机床的手动控制。（7）键盘操作和显示处理程序键盘操作和显示处理程序的功能包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。5.2.2、程序设计技术系统控制软件根据系统功能的要求而设计，应可靠的实现系统的各种功能。在设计系统软件时必须详尽而细致地分析系统控制对象的特点及对控制功能的要求。在确定好控制方式、计算方法和控制顺序后，将其处理顺序用框图描述出。系统控制软件通常用汇编语言编写。程序设计的方法通常有：模块化程序设计和自顶向下程序设计。5.2.3、步进电机控制子程序的设计步进电机的控制包括速度、转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以步进电机运行时应有一个加、减速过程。通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。经过计算知加、减速脉冲个数都为27个。因为，所以计算时要根据脉冲时刻tn查时间常数表，得脉冲时间间隔T
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