长度尺寸测量装置设计【8张CAD图纸和说明书】
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长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 1 页第 1 章 绪论11 数控机床的产生与发展过程111 计算机促进了数控机床的发展20 世纪最伟大的发明之一计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加工工艺过程自动化的理想手段。当科技人员首次把计算机作为一种控制装置移植到古老机床中时，一种新的产品数控机床诞生了。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的变化。今天，数控机床综合应用了微电子技术、计算机、自动控制、自动检测以及精密机械等技术的最新成果而迅速发展，这种发展不仅表现为数量的迅速增长，而且在质量上与性能上也有显著提高。112 数控机床的产生与发展过程第一台数控机床是为了适应航空工业制造复杂工件的需要产生的。1952 年美国麻省理工学院和帕森斯公司合作研制成功了世界上第一台具有信息存储和处理功能的新型机床，既数控机床。之后，随着电子技术，特别是计算机技术的发展，数控机床不断更新换代。第一代数控机床：从 1952 年至 1959 年，采用电子管元件。第二代数控机床：从 1959 年开始，采用晶体管元件。第三代数控机床：从 1965 年开始，采用集成电路。第四代数控机床：从 1970 年开始，采用大规模集成电路及小型通用计算机。第五代数控机床：从 1974 年开始，采用微处理器或微型计算机。我国从 1958 年开始研制数控机床，1975 年又研制出第一台加工中心。改革开放以来，由于引进国外的数控系统与伺服系统，使我国的数控机床在品种，数量和 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 2 页质量方面都得到迅速发展。从 1986 年开始，我国数控机床开始进入国际市场。目前我国有几十家机床厂能够生产数控机床和加工中心。我国经济型数控机床的研究、生产和推广工作取得了很大进展，对机床技术改造起到了积极推动作用。12 数控机床的工作原理用数控机床加工工件时，首先应编制零件加工程序。这是数控机床的工作指令。将加工程序输入数控装置，在由数控装置控制机床主运动的变速、启动、停止、进给运动的方向、速度和位移量，以及刀具选择交换，工件装夹和冷却润滑的开关动作，使刀具与被加工零件以及其它辅助装置严格按照加工程序规定的顺序、运行轨迹和运行参数进行工作，从而达到加工出符合要求的零件的目的。数控程序数控系统机床本体伺服系统图 1.1 数控机床的组成13 数控机床的组成 根据数控机床的工作原理，数控机床主要由控制介质、数控装置、伺服系统、机床本体和测量装置等无部分组成。其组成框图如图 1.2 所示。图 1.2 数控机床的组成控制介质 数控装置 伺服系统 机床测量装置 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 3 页（1）控制介质 它是用于记载各种加工信息的载体，以控制机床的运动，实现零件的加工。（2）数控装置 数控装置是数控机床的核心。它由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成，它的功能是接受输入装置输入的加工信息，经过数控装置的系统软件对代码进行处理后，输出相应的指令脉冲，驱动伺服系统，来控制机床的各个运动部件按规定的要求实现各个动作。（3）伺服系统 伺服系统由伺服驱动电机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部分。其作用是把来自数控装置的各种指令，转换成机床移动部件的运动速度、运动方向和位移量。机床中每个运动的执行部件，都有各自的伺服系统。数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动系统有开环系统、闭环系统和半闭环系统之分。其驱动元件主要有功率步进电动机，电液脉冲马达和大惯量直流电动机等。（4）机床本体 与普通机床相比，数控机床应具有更好的刚性和抗振性，尤其是相对运动表面的摩擦系数要小、传动件之间的间隙要小外，还要具有自动变速、自动换刀和自动诊断故障的功能，以便于实现自动加工的需要。（5）测量装置 测量装置的作用是将机床的实际位置、速度等参数，转换成电信号，反馈回数控装置，以校核执行部件实际运动的速度、方向和位移量，并使之与加工指令相一致。开环数控系统无测量装置。14 经济型数控机床的特点以及主要功能经济型数控机床就是指价格低廉，操作使用方便，比较适合我国国情的，在普通机床上加装数控系统的高级自动化机床。141 经济型数控机床的特点（1）价格便宜，仅数控系统与国外同类型系统相比，前者只需 1-2 万元，而国外系统则需十几至几十万元。应此，它特别适合对国内企业现有普通机床进行改造。（2）解决复杂零件的加工精度控制，提高生产率。对经济型数控车床，一般可提高工效 37 倍。对复杂零件而言，难度越高，提高的工效则越多。 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 4 页（3）适合于多品种、中小批量产品的自动化加工，对产品的适应性强。对于不同零件的加工，可以通过变换不同的加工程序和更换不同的刀具来实现。（4）提高产品质量，降低废品率。尤其是加工的产品尺寸一致性好，合格率高。（5） 节约工装费用，降低成本。经济型数控机床可以不用工装或少用工装，尤其对于复杂零件、不用靠模或成型刀具。不仅节约了费用，而且还可缩短生产准备周期。（6）减轻工人的劳动强度。（7）提高工人素质，促进技术进步和科技成果的普及应用。为由“体力型”向“智能型”转变创造条件。142 经济型数控车床的主要功能（1）能控制刀具的位移方向、位移长度及走刀速度。加工程序的位移长度以十进制数输入。（2）可控制车削端面、内外圆柱面、任意锥面、球面及用圆弧逼近的任意曲面。（3）可控制加工右旋或左旋的各种内、外圆柱、圆锥螺纹及多头螺纹。（4）程序中可给出一定延时。在加工中执行到延时程序时，刀具在相应时间内停止运动。（5）有程序暂停功能。当程序执行到暂停时，刀具停止运动，再按下启动键，可继续执行程序。（6）接口可发出和接收多种信号，作为机械手动作，刀架转位、主轴变速等装置的控制信号，它与程序的自动循环功能相结合，可实现加工的全自动化。（7）为方便调试和校对原点，设有点动功能。（8）具有自诊断功能。当加工程序编制或操作有误时，程序停止运行，并显示相应的出错信息，以便修改。（9）加工过程中，为应付特殊情况，设有开关暂停、键急停和键回零功能。（10）具有自动循环加工功能，并可进行计数。（11）为简化加工程序，设有局部循环功能。（12）为提高加工精度，设有间隙补偿功能。 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 5 页第 2 章 开放式数控系统21 开放式数控系统概述从 1952 年世界上第一台数控机床诞生以来，数控技术经过几十年的发展已日趋完善，已由最初的硬件数控（NC） ，经过计算机数控（CNC） ，发展到今天以微型计算机为基础的数控（MNC） 、直接数控（DNC）和柔性制造系统（FMS）等，现在正朝着更高的水平发展。但随着市场全球化的发展，市场竞争空前激烈，对制造商所生产的产品不但要求价格低，质量好，而且要求交货时间短，售后服务好，还要满足用户特殊的需要，即要求产品具有个性化。而传统的数控系统是一种专用封闭式系统，它越来越不能满足市场发展的需要。传统数控系统的缺点如下：（1）与通用计算机不兼容，不同厂家的数控系统不兼容，甚至同一个厂家的不同系列的数控系统也不兼容；（2）各种数控系统的内部结构复杂，一旦数控系统发生故障，往往要找生产厂家来维修，很不方便，而且大大提高了维修费用；（3）难进行升级和进一步开发；（4）专用封闭式数控系统的发展一般滞后 5 年左右，在计算机技术迅猛发展的今天，这是一个相当长的时间。传统数控系统的上述特点严重制约着数控技术的发展，不能满足市场对数控技术新的要求。针对这种情况，人们在 80 年代就提出了开放式控制系统的概念。22 开放式数控系统的特征什么是开放式数控系统？目前尚为形成统一的定义，但一般认为开放式数控系统应具有下列特征：（1）采用分布式控制原则，采用系统、子系统和模块分级式的控制结构，其构造是可移植和透明的；（2）根据需要可方便的实现重构、编辑，以便实现一个系统多种用途；（3）开放式体系结构中各模块相互独立，系统厂、机床厂及最终用户都可以很容 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 6 页易的把一些专用功能和其它有个性的模块进行独立开发，为此要有方便的支撑工具，控制程序设计按系统子系统模块三级进行，各模块接口协议要明确；（4）要具有一种较好的通信和接口协议，以便各相对独立的功能模块通过通信实现信息交换满足实时控制要求。总之，所谓开放式数控系统应是一个模块化、可重构、可扩充的软硬件控制系统。23 我国开放式数控系统的发展概况我国在“八五”期间数控科技联合攻关，开发具有我国自主产权的数控系统，特别是提出开发中华 I 型和航天 I 型两个基本系统（平台）及系列产品，并利用基本系统发挥我国的软件优势，实施平台战略，发展我国的数控软件的指导思想。在此思想指导下，珠峰公司和华中理工大学，利用 IPC+数控卡构成硬件平台，开发了中华 I 型、华中 I 型数控系统；与此同时，航天数控集团公司（简称“航天数控” ）利用通用 PC 机的体系结构设计了与通用 PC 机兼容的微机加上数控通用/专用模板构成了单机数控系统，作为普及型推向市场，并以此为基础与通用 PC 机相互联合构成了典型前/后台结构的多机系统，完成了“八五”数控攻关任务 ，并为今后的发展奠定了基础；蓝天是在原 7500 系列的基础上，通过二次集成缩小化设计后与通用PC 互联构成 8500 系列多机系统。下面分别介绍五种开放式数控系统：中华 I 型、华中 I 型、航天 I 型、蓝天 I 型、10T CNC 系统的软硬件结构及性能特点。231 中华 I 型数控系统 中华 I 型数控系统是中国珠峰数控公司与北京航空航天大学等单位共同承担的国家攻关成果，中华 I 型采用工业 PC，达到了国外高档系统水平。它采用 32 位机多轴控制和多通道技术，可用于 14 通道，每个通道可控制 18 轴。可用于 24 轴车床、车削中心、双轴双刀架车床等；38 轴加工中心（包括五面加工中心） ；镗铣床等；多轴组合机床、 FMC、FMS 等；线切割机、冲床及其它专用机床。 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 7 页2311 主要技术特点 （1）32 位 CPU 可实现高速、高精度加工。这使得机床设计简化，刚性和传动效率大为提高；（2）355.6mm 彩色高分辨率显示器，显示中文和图形；（3）菜单和软件操作，简化了机床操作面板；（4）DOS 系统可进行各类文档、表格的管理，由于有技术平台的开放性，用户可以根据自己的需求设计、修改操作界面，使之更完美，更友好；（5）大容量电子盘提供了高速大容量的数据存储，使多工序加工、大程序量复杂加工得以实现；（6）会话型自动编程与扩展数控语言编程，能完成复杂型面的零件加工，编程的过程更直接、更简单；（7）多用户操作可同时控制 14 台机床，可以实现制造技术的自动化；（8）内装式 PLC 简化了机床强电控制；（9）可与国内外 AC、DC 伺服及主轴连接，实现多种精度等级的驱动能力；（10）开放式的总线、模块化结构、向上可扩展、向下可剪裁，横向可派生新的NC 机种；图 1-2 中华 I 型数控系统结构框图HDDDDVGA CRTCPUFDD MFUNSDSDSPMMSPPOSSD SD SDM M MDI/DOMT PS 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 8 页232 华中 I 型数控系统华中理工大学开发和生产的华中 I 型数控系统采用工业 PC 机配上控制卡（I/O板、位置板等）组成开放式结构的系统。这种系统模块化、层次化较好。其扩展性、伸缩性（可根据需要升级和简化）好。系统品种可减少，便于批量生产，提高可靠性，降低成本。 233 航天数控系统平台航天数控系统平台是具有我国自主版权的开放式数控系统。它是以 PC 机的体系结构为基础构成的开放式数控系统的平台，如图 1-3 所示。既可以依据此系统平台直接构成单机数控系统，如 CASNUC900 系列，也可以利用此系统平台为基础，与通用 PC 机互联构成多机（或分布式）数控系统，如 CASNUC910 系列，如图 1-4 所示。航天数控系统平台的研制成功，为我国发挥软件优势，实施平台战略发展数控技术奠定了基础。航天数控系统平台的基本特征是：（1）系统平台所用微机是：286 以上的通用 PC AT 机或与其兼容的微机；（2）系统平台所使用的总线：ISA I/O 总线，或 ISA 和 PCI 总线；（3）系统平台最大的存储器容量：1MB32MB；（4）系统平台可配置的通用外设：可配置不同规格的软/硬件磁盘；（5）系统平台可支持通用串/并行接口；（6）系统平台可用 flash 电子盘（DOC）代替硬磁盘；（7）系统平台以高速通信支持系统进线、联网功能。PCI PCI PCI 键盘CPU模板CRT 软/硬盘 串/并口FLASHRAMMM网卡位置控制模板多功能控制板I/O 控制模块 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 9 页图 1-3 单机数控系统平台PCIPCI PCIISA图 1-4 多机数控系统平台系统平台能支持的数控专用 I/O 模板数最大为 7 块：可依据具体系统要求灵活配置。最大的控制轴数为 16 根轴（共 4 块位置控制模板，每块模板可控制 4 根轴） ；最大的 I/O 点数为 240 入/136 出，共 376 个点（包括 1 块多功能板，80 入/16 出，5 块通用 I/O 板，每块 I/O 板 32 入/24 出） 。当用于加工中心，需要定位控制器模板（内含 1 根主轴） ，最多的 I/O 点数为 208 入/112 出，共 320 个点，此时可以控制17 根轴（外加了 1 根主轴） 。系统平台的可靠性指标：系统平台中的数控通用模板是在 CASNUC901 的基础上，经过 27 次集成缩小化设计后，严格按照 ISO9001 的设计程序设计生产制造出来的，有极高的可靠性，完全可以与国外进口的同类模板媲美，依据不同的配置和所选通用 PC 主板的不同（指 MTBF 指标） ，系统平台的 MTBF 值在 1000030000 之间。系统平台电磁兼容性（EMC）指标：抗快速瞬变脉冲群串荛能力：大于 4000V；键盘CPU 模板 CRT 软/硬盘 串/并口FLASHRAM 网卡高速通信板CPU模板MAB位置控制模块多功能控制板I/O 控制模块 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 10 页抗静电放电扰度能力：大于 15000V；抗电源电压暂降能力：大于 1 个周期。234 蓝天系列 CNC 系统1990 年 9 月，中国科学院沈阳计算技术研究所自行研制成功我国第一台高档数控系统 LT-7501，填补了国内高档数控系统的空白，达到国际 80 年代中后期先进水平，开始了我国自行研究、设计、生产高档数控系统的新阶段。2341 蓝天系列高档 CNC 硬件系统硬件系统（见图 1-5）采用面向总线的多 CPU 结构，系统和模板设计采用缩小化技术，面向驱动和机床采用国际标准或工业标准接口，面向系统外面采用国际标准的通信和网络。LT-Bus图 1-5 基于 LT总线的蓝天 CNC 多 CPU 系统结构多种 CPU 模板：SYS CPU 模板X86/X87 处理器；NC CPU 模板X86/X87或 RISCR3000/R3031 处理器；PMC 模板X86/X87 处理器；COM 模板80186 处理器缩小化设计：所有模板采用多种、多片大规模集成电路 ASIC（FPGA、EPLD）芯片，并采用插件式高密度硅盘。SYS CPUX86 X87轴 CPUX86 X87DEPROM+SRAM硬盘 FD64KHD512K网络适配器 80186反馈接口8088开关 I/O接口模拟 I/O接口操作员面板6848，9749，80314 编码器 旋变/同步感应器CRT 键盘 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 11 页标准接口：多路多种位置反馈模板（编码器反馈模板、分解器模板、同步感应器模板） ，多路多种 A/D、D/A 模板，多路多种 I/O 模板等。通信和网络接口：MINI DNC、RS232/RS422、ETHERNET 网卡。蓝天系列高档 CNC 还有基于开放式体系结构的硬件系统结构（见图 1-6） ，这种开放式结构既保留了长期积累的对轴运动、伺服和机床的可靠性，又采用了基于 PC的基本硬软件开放性结构。国内外的实践证明这种结构对于复杂的高档 CNC 系统而言是一种较成功的机构形式。3 2ISA 总线 LT 总线图 1-6 蓝天高档 CNC 开放式系统结构2342 蓝天系列高档 CNC 软件系统自行研制的蓝天系列高档 CNC 软件系统取得了我国第一个高档数控软件（MC/TCV2.0）自主版权。它严格按软件工程思想和方法，由 60 人设计的该软件系统，具有如下基本体系结构内容：实时多任务操作系统和生成系统：控制系统的功能设计：分布式多机控制（SYS、NC、PMC、COM） ；虚拟机械功能（多过程多插补器/多轴联动/多轴） ；分层控制（3 层控制：任务、控制和物理执行） ；模快化结构（3 层结构：系统、子系统/设施、模块） ；物理层标准操作（传感器等执行部件） ；多种工艺及其集成化；多过程、多轴联动、多轴控制、基本的和专用的插补算法；内装全可编程机床逻辑和刀具库自动控制和托盘库自动控制软件；SYS CPU80-486 DX 2/664MB总线数据通信NC/CPURISC3000/3031或 386DX 1网卡VGACRTRS-232RS-422操作员面板开关I/O编码器旋变同步感应器A/DD/A 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 12 页蓝天系列高档 CNC 软件系统体系结构关键特点是基于功能分布的多处理器机制和基于虚拟机械功能的多过程多插补器（多轴联动）多轴控制机制。这一特点使蓝天系列高档 CNC 进入了国际高档 CNC 的先进技术行列。图 1-8 中过程 i(i=1,2,6)第 i 个过程；插补器 j(j=1,2,9),第 j 个插补器；伺服驱动 k(k=1, ),第 k 个驱动；SYS+MMC 为系统+人机界面控制；NC 为轴运动控制；PMC 为可编程机床逻辑控制；COM 为通信网络。LAN标准 I/O 单元SYS+MMC COMT S，M，H P-P 轴NC PMC 图 1-8 蓝天系列高档 CNC 软件系统功能结构软件 键盘 CRT 操作员面板会话式软件生成CGS显示/程序编辑 监控 文件管理 诊断 实用程序数据 I/O以太网板NC 数据基多过程管理 PMC 数据过程 1 过程 i刀具管理机床控制插补器 1 插补器 j伺服驱动 1伺服驱动 kPML 可编程机床逻I/O 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 13 页第 3 章 伺服系统设计本课题的设计参数：简易测量装置是计算机数空（CNC）机床系统的配套设备。主要用于测量零件的外长度尺寸和内长度尺寸。 测量范围 0mm 。 测量误差不大于 0.01mm 。测量装置带数字显示。31 长度尺寸测量装置的伺服系统根据设计要求和控制方案分类结合开环控制的特点本设计选择开环伺服系统。开环伺服系统即没有位置反馈的系统。数控系统发出的指令脉冲信号驱动电路控制和功率放大后，使步进电机转动，通过变速齿轮和滚珠丝杠螺母驱动执行件（工作台）移动。其开环伺服系统简图如图：本系统的驱动元件是电液脉冲马达。该系统的特点是：只按照数控系统的指令脉冲进行工作，而对执行的结果，即移动部件的实际位移，不进行检测和反馈。3.2 确定伺服进给系统的数学模型输入为马达的转角 M，输出为工作台的位移 XLMLLLL KiSXdtftXJ 22GL(s)= = 有频率；)(sMLnsuiSn22 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 14 页,为机械系统的阻尼比LnKJf2S-丝杠导程， cmKL-折算到丝杠轴上的传动装置的总刚度，Ncm/radfL-折算到丝杠轴上的导轨粘性阻尼系数 JL-折算到丝杠轴上的总转动惯量，ncms 2-数控机床的机械进给传动装置是个振荡环节在建立整个伺服进给系统的数学模型时，一定还要考虑到各元件或环节之间的相互影响。例如负载对马达输出特性的影响。3.3 步进电机的选择一、步进电动机及其发展步进电动机又称脉冲电动机或者称为阶跃电动机，目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越糊：步进电动机的传统定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止：广义的定义为步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机。步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其源始模型起源于 1830 年至l860 年间。在 20 世纪 60 年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型的步进电动机应运而生，半导体的发展使得步进电机得_至 rJT 广泛的应用。我国的步进电机开始于 21 世纪 50 年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：第一阶段，从 50 年代后期到 60 年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机，以多段结构三相反应式步进电动机为主：第二阶段，70 年代初期反映在步进电机的生产和研究发展到了一个较水平：第三阶段，70 年代中期至 80 年代中后期新品种高性能电动机层出不穷，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用。二、步进电动机的特点步进电机有三大部分组成：步进电动机本体、步进电动机控制器及步进电动机驱动器。其特点如下：1)用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 15 页2)位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高时组成闭环控制系统。3)无刷，电动机本体部件少，可靠性高。4)抑郁起动正反传和变速停止，响应性好。5)平滑性好，步距角选择范围大，停止时可有自锁能力三、步进电动机的类型从广义上讲步进电机的类型可分为：机械式、电磁式和组合式三大类型。从结构特点可分为：旋转电动机包括反应式步进电动机(VR 型)、永磁式步进电动机(PM 型)、混合式步进电动机(HB 型)：直线电动机包括 VR 型、PM 型及 HB 型：下面分别介绍几种典型性的步进电机的结构：1HB 型步进电动机的结构HB 型步进电机有四部分组成：定子部件、转子部件、机壳和端盖。定子部件由铁心、绕组和绝缘体组成，一般的铁心由无方向性的硅钢片叠加而成定子铁心上开了许多大齿， 大齿上开许多小齿以增加电磁力和控制的准确性转子部件由转子铁心、永磁材料和轴组成。转子铁心通常也由硅钢片组成，采用冷冲压后叠压成型。转子铁心必须选用耐磨材料而且磁损耗较小：机盖的作用有三个：l)加强电机刚度2)保护电机 3)构成定子铁心的部分电路，机盖一般为圆筒形，表面一般作防秀处理。端盖起支撑转子保证气隙和通风散热的作用，对机械加工的同轴度、圆柱度要求较高。2vR 型步进电机的结构vR 型步进电机的结构与 HB 型的结构相似，其不同之处在于转子铁心为一个铁心，同时转子上不使用永磁材料。3PM 型步进电动机其转子由永磁材料和轴组成，转子上没有齿：永磁材料圆周方向充磁，材料一般使用氧化铁和铝镍钴居多。4PM 型直线步进电动机PM 型直线步进电动机由固定定子和可动转子两部分组成。其定子铁心形成主磁路，相当于旋转型的电动机的定子铁心在一维空间展开。 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 16 页3.3.1 步进电机概述一、步进电机的工作原理 ，步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成交位移活现位移的机电元件。通俗的讲，就是外加一个脉冲信号于这种电动机时，它就运行这一步。步进电动机大致可以分为：反应式、永磁式、混合式和直线式四大类 a 下面以三相反应式步进电机为例，简要说明步进电机的基本工作原理 a三相反应式步进电机由定子和转子组成。它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕有一相绕组，绕组通电时这两个磁极的极性相反：三相绕组接成星形。转子铁心和定子极靴上有小齿，定子和转子的齿距相等。当某一向绕组通电时电动机内部建立以该绕组为轴线的磁场。由于定子和转子上有齿和槽，所以当定子和转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同，定转子齿对齿处的极磁导为最大，定转子齿对槽处的每个极磁导为最小。转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导为最大的位置，所以通电时，齿对齿的位置为平衡位置。三相反应式步进电动机有 A，B，C 三相绕组，各相绕组的轴线夹角为 120。：当 A 相极下定转子齿对齿时：B 相磁极上定子齿的轴线，沿 ABC 方向超前转子齿的轴线 l3 齿距：C 相极下定子齿的轴线，沿 ABC 方向超前转子齿的轴线 23 齿距。在 A 相断电的同时，给 B 相通电，则磁场空间转过了 l20。 ，转子齿的轴线将力求与 B 相上的定子齿的轴线对齐以达到稳定平衡位置。由于 B 相轴线还没有与转子齿的轴线对齐所以将对转子产生一个逆时针方向的电磁力迫使转子转动以达到平衡位置：从而使电动机开始转动起来。如果对 A、B、C 三相绕组按照一定的规律分时的通电则转子可以连续的转动起来，从而实现电信号转化为机械信号即旋转运动。改变通电的顺序可以改变转子的转向，三相反应式步进电动机可以按照三相单三拍方式运行(ABCA)，每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过 l20。 ，转子转过 l3 齿距；也可以以三相双三拍方式(ABBccAAB)运行，每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过 l20。 ，转子转过 l6 齿距：也可采用三相六拍方式(AABBBCCCAA)运行，每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 17 页60。 ，转子转过 l6 齿距。从上面的分析可知：同一台电机可以有不同的通电方式和不同的运行拍数。若用 m 表示运行拍数，z 表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转过角度的平均值称为步距角，用 表示，则：=360mzK 通电方式，相同时为 1，不同时为 2从上是可以看出：转子齿数，运行拍数不同时其步距角也是不同的。设步进电机的转速为 n(rrain)，f 表示控制脉冲的频率，0 表示步距角则步进电机转速计算公式为n=f6 由上式可以看出：当转子的步距角一定时，步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比。二、步进电机的常用术语1步距角 指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。步距角0b=360mzk2齿距角 s相邻两齿中心线的夹角，通常转子和定子具有相同的齿距角。齿距角0s=360Zr3距角特性指不改变各相绕组通电状态，即一相或者几相绕组同时直流电时电磁转距与失调角的关系：即： T=f()5失调角指转子偏离零位时的角度。6零位或初始稳定平衡位置指不改变绕组的通电状态，转子在理想空载下的平衡位置7最大静转距距角特性上转距最大值 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 18 页3.3.2 步进电机的选择一、步进电机的主要特性参数1)步距角 每输入一个电脉冲信号，转子所转过的角度称为步距角。步进电动机的步距角可按下式计算：=360mkz式中 m-步进电机的相数：k-与通电方式有关的系数。当通电方式为单拍时，k=1：双拍时，k=2。z-步进电动机转子的齿数：2)静态步距角误差 空载时，以单脉冲输入，步进电动机的实际步距角与理论步距角的差值称为静态步距角误差。它与步进电动机的制造精度有关，精度越高，误差值越小。3)最大静转距 Tmax 当步进电动机不改变通电状态，转子不动时，在轴上加一负载转距定子与转子就有一个角位移，该角位移称为失调角。转子刚刚离开平衡位置的极限转距值称为最大静转距。静转距越大，步进电机承受的外加转距也越大，一般产品中给出的最大静转距是指在额定电流即规定的通电方式下的静转距。4)空载起动频率 fq 电动机在空载情况下，不失步所能允许的最高频率称为空载起动频率。在有负载的情况下，不失步所允许的最高频率将大大降低。为了缩短起动时间，可使加到电动机的电脉冲频率按一定频率逐渐增加。二、步进电动机的选择1)必须保证步进电动机的输出转距大于负载转距，使电动机的距频特性有一定裕量，以保证可靠运行，即在实际工作时，各种频率下的负载转距必须在距频特性曲线范围之内：2)要求计算的机械系统负载转动惯量与步进电动机转子的转动惯量相匹配，并有一定的裕量：3)是最高频率能满足产品快速移动的要求：4)使步进电动机的步距角与机械系统相匹配，区得到击穿的脉冲当量 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 19 页第 4 章 机械传动部分设计机械部分设计内容包括：传动元件的设计计算及选用，运动部件的惯性计算，步进电机的选择等。41 纵向进给系统的设计计算已知条件: 作台重量： W=80kgf=800N时间常数： T=25ms滚珠丝杠基本导程： L 0=8mm快速进给速度： V max=6m/min脉冲当量 =0.01mm/脉冲41 1 切削力计算 查机床设计手册 可知,切削功率：PC=PK式中 P电机功率,C620 型车床 P=7.5KW；主传动系统总效率,一般为 0.75-0.85,取 =0.8；K进给系统功率系数,取 K=0.96。 则 P C=6=5.76kw切削功率应按在各种加工情况下经常遇到的最大切削力（或扭矩）和最大切削速度（或转速）来计算，即：PC= kw6013vFz或 P C= kw 95Tn式中 F Z主切削力(N)；切削速度(m/min)vT切削转矩(N.min) 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 20 页n主轴转速(r/m)设按最大切削速度来计算，取 v=100m/min则 F Z= = =3456NvPc31060176.53查机床设计手册，在一般外圆车削时：Fx=(0.1-0.55)Fz Fy=(0.15-0.65)Fz取 F x=0.5Fz=0.5*3456N=1728NFy=0.6Fz=0.6*3456.4N=2073.6N 41 2 滚珠丝杠设计计算 滚珠丝杠副已经标准化，因此，滚珠丝杠副的设计归结为滚珠丝杠副型号的选择。（1）计算载荷 F cF =K K K FCHAm式中 K 载荷系数,查表取 K =1.3；K 硬度系数,查表取 K =1.0；HHK 精度系数,查表取 K =1.0；AAF 平均工作载荷；mF = K K K F =1.3*1.0*1.0*3456=4493NCHAm（2）计算额定动载荷计算值 Ca NLnhmCa 20167.150493167. 433（3）根据 选择滚珠丝杆副 假设选用 FC1D 型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷aC 等于或稍大于 的原则，查表选以下型号规格：aFYC1D-4005-5 C =21183Na 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 21 页FYC1D-5006-3 C =21379Na考虑各种因素选用 FYC1D-4005-5，由表的丝杠副数据：公称直径 D =40mmo导程 p=5mm螺旋角 =2 16o滚珠直径 d =3.175mm按表中尺寸公式计算：滚道半径 R=0.52 d =0.52 =1.651mmo175.03偏心距 e=0.07(R- )=0.07(1.651- )=4.4 mm2 2.310丝杠内径 d= D +2e-2R=40+2 -2 =36.71mmo 3104.65.（4）稳定性验算由于滚珠丝杠副支承形式为两端固定，丝杠一般不会受压，无压杆稳定问题。（5）刚度验算 滚珠丝杠在工作负载 F（N）和转矩 T（N m）共同作用下引起每个导程的变形量 (m)为：oL=ocGJpEA2A丝杠截面积J -丝杠的极惯性矩cG丝杠切变模量，对 G=83.3GPaT转矩T=F tan( )m2 Do-摩擦角，其正切函数值为摩擦系数 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 22 页F -平均工作载荷m本题取摩擦系数为 tan =0.0025,则得 =8 40T=3456 (2 16 +8 40 )=2.9N m3102tano 按最不利的情况取（其中 F=F ）m= =oLcGJFpEA2412164dTpE= +293067.0655m2492)5( 则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为pLlo 3.24105.3通常要求丝杠的导程误差 应小于其传动精度的 0.5，即m5.0该丝杠的 满足上式，所以刚度可满足要求。L（6）效率计算 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 为=tg式中 螺纹的螺旋升角,该丝杠为 612摩擦角 约等于01= =0.931)62(tg41 3 确定齿轮传动比 根据系统的脉冲当量，选步进电机的步距角 =1.2 0则 i=1.28/3600.01=2.67 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 23 页取 Z 1=24,Z2=64,m=2mm。齿轮的参数见表 4-1表 4-1 纵向进给系统齿轮参数计算公式 计算结果项目 代号小齿轮 大齿轮 小齿轮 大齿轮模数 m 2齿数 Z 24 64分度圆直径 d d1=mz1 d2=mz2 48 128齿顶高 ha ha=h*am ha=h*am 2 2齿根高 hf hf=(h*a+c*)m hf=(h*a+c*) 2.5 2.5齿高 h h= ha+ hf h= ha+ hf 4.5 4.5齿顶圆直径 da da1= d1+2 ha da2=d2+2 ha 52 132齿根圆直径 df df1= d1-2 hf df2=d2-2 hf 43 123中心距 a a=( d1+ d2)/2 88注：表中 h*a=1, c*=0.2541 4 电液脉冲液压马达的选择（1）负载转动惯量估算 折算到马达轴上的转动惯量可按下式估算JF=J1+ +23iJ22)180(giW式中 J F折算到电机轴上的转动惯量（kg.cm 2） ；J1，J 2分别为齿轮 Z1，Z 2的转动惯量（kg.cm 2） ；J3丝杠的转动惯量（kg.cm 2） 。对材料为钢的圆柱形零件，起转动惯量可按下式估算：J=7.810-4D4L（kg.cm 2 ）式中 D圆柱零件的直径(cm); 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 24 页L零件轴向长度(cm). 所以 J 1=7.810-44.841 kg.cm2=0.414 kg.cm2J2=7.8*10-412.841 kg.cm2=20.94 kg.cm2滚珠丝杠转动惯量：J = = =29 kg.cm2s324Ld32108.75024JI= kg.cm2=0.026 kg.cm2 ).18(.967.总惯量 J F=0.414+ kg.cm2 =7.44kg.cm206240）（2）负载转矩计算及最大静转矩选择 根据能量守恒原理,电机等效负载转矩TF= = N.m=1.77 N.miLp13067.29805.13若不考虑起动时运动部件惯性的影响,则起动转矩Tq= 5.03F取安全系数为 0.3,则 T q=1.77/0.3N.m=5.9N.m对于工作方式为三相六拍的步进电机Tjmax=Tq/0.886N.m=6.8N.m因数控车床对动态性能要求较高，确定电机最大静转矩时应满足快速空载起动时所需转矩 T 的要求T=Tamax+Tf+T0式中 T amax快速空载起动时产生最大加速度所需的转矩（N.m） ；Tf克服摩擦所需的转矩（N.m） ；T0由于丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加转矩（N.m） 。当工作台快速移动时，电机的转速nmax= min/205in/67.20max rrLiv由动力学知 T amax=JF式中 -角加速度， = 。30 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 25 页则 T amax=JF = mN.3086.025.314.74Tf= iLW.5.79.8210 T0= )1(2203iLF式中 0丝杠为预紧时的效率, 0=0.953;F0预加载荷,一般为最大轴向载荷的 1/3,Fp/3则 T 0= mN.041.67.298053.2)1(61则 T= T amax+ Tf+ T0=(6.308+0.065+0.041)N.m=6.414N.m（3）步进电机的最高工作频率fmax = HZv10.61max根据计算综合考虑,查表选用 DYM1-B25 型电液脉冲液压马达.4 2 横向进给系统的设计计算已知条件：工作台重量 W=30kgf=300N时间常数 T=25ms滚珠丝杠基本导程 L 0=6mm 左旋快速进给速度 v max=3m/min脉冲当量 =0.005mm/脉冲 4 21 切削力计算 横向进给量为纵向的 1/21/3，取 1/2，则切削力约为纵向的 1/2Fz= 3456=1728N21在切断工件时： 长度尺寸测量装置毕业设计(论文) 第 26 页Fy=0.5Fz=0.5 1728=864N4 22 滚珠丝杠设计计算 丝杠的材料为 CrWMn（1）计算载荷 F cF =K K K FCHAm式中 K 载荷系数,查表取 K =1.2；K 硬度系数,查表取 K =1.0；HHK 精度系数,查表取
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