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三维数控工作台的设计与开发【4张CAD图纸+毕业论文】

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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 workbench

Abstract

To 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；


目录

摘要 I

Abstract II

第1章  绪论 1

1.1课题研究的意义 1

1.2课题研究的现状 1

1.3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 3

2.1三维数控工作台的工作原理介绍 3

2.2三维数控工作台的基本结构 3

2.3步进电机的选择 4

2.4丝杠的选型与校核 5

2.4.1滚珠丝杠的简单介绍 5

2.4.2滚珠丝杠的选型 7

2.4.3滚珠丝杠的校核 8

2.5直线导轨的选型与计算 9

2.5.1直线导轨的简单介绍 9

2.5.2直线导轨的选型 10

2.6联轴器的选型 12

2.6.1联轴器的简介 12

2.6.2联轴器的选型 13

2.7轴承选型 14

2.8本章小结 16

第3章 三维数控工作台的Pro/E三维建模 17

3.1 Pro/E建模软件简介 17

3.2 Pro/E界面介绍 17

3.3零件三维建模实例介绍 18

3.3.1新建文件 18

3.3.2建立拉伸特征 19

3.3.3建立螺旋特征 20

3.3.4建立螺母副特征 20

3.3.5进行颜色和外观设计 21

3.4其余零件三维建模图展示 22

3.5三维数控工作台装配 23

3.6本章小结 25

第4章 三维工作台的软件及控制系统设计 26

4.1逐点比较法直线插补的简介 26

4.2逐点比较法直线插补的计算步骤 26

4.3数控插补仿真软件的说明 29

4.4开环系统控制原理 30

4.5单片机设计 30

4.6本章小结 35

结论 36

致谢 37

参考文献 38

附录一 39

附录二 49




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。


内容简介：
哈尔滨理工大学学士学位论文I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；插补技术哈尔滨理工大学学士学位论文IIDESIGNANDDEVELOPMENTOF3DNCWORKBENCHABSTRACTTOSTUDYTHEINFLUENCEOFTHEPARAMETERSOFOPENNCSERVOFEEDSYSTEMSANDSPATIALGEOMETRYERRORONTHEPRECISIONANDFINDMETHODSTOREALIZETHEHIGHPRECISIONCONTROLOFNUMERICALCONTROLNCSYSTEM,THEDEVELOPMENTOFTHECONTROLSYSTEMOFATWOAXISNCWORKTABLE,CONSISTINGOFBALLSCREWSANDLINEARROLLERGUIDES,WASPRESENTEDINTHISTHESISTHESYSTEMISBASEDONANOPENARCHITECTUREPMACPROGRAMMABLEMULTIAXISCONTROLLERMOTIONCONTROLCARDTOREALIZEREALTIMECONTROLSOMEEXPERIMENTSCONCERNINGCONTROLTESTANDERRORMEASUREMENTANDANALYSISCANBECARRIEDOUTONTHEDESIGNEDWORKTABLEATFIRST,THECONFIGURATIONOFCONTROLSYSTEMOFTHE3DNCWORKTABLEWASPROPOSED,ANDITSSOFTWAREWASDEVELOPEDMODULARSOFTWAREDEVELOPMENTCONCEPTFEATUREDTHESYSTEMDESIGN,WHICHINCLUDESTHEFOLLOWINGMODULESMACHININGPOSITIONANDSPEEDSAMPLEDDISPLAYMODULEFILEMANAGEMENTMODULEPARAMETERSSETTINGMODULEERRORDIAGNOSISMODULEPRECISIONANALYSISMODULEMANUALDEBUGGINGMODULEMACHINESIMULATIONMODULEHELPMODULEASONEOFFOCUSES,THEERRORMEASUREMENTANDPRECISIONANALYSISOFTHEWORKTABLEWEREEMPHASIZEDINTHEDEVELOPMENTOFTHESYSTEMSOFTWARESERIESOFEXPERIMENTSABOUTSYSTEMCONTROLANDPRECISIONWEREMADEONTHEWORKTABLETHEPRECISIONCHARACTERISTICSOFTHEHALFLOOPANDCLOSEDLOOPPOSITIONFEEDBACKSWEREANALYZEDTHROUGHCOMPARINGTHETHEORETICALANALYSISWITHTHEDATACOLLECTEDFROMEXPERIMENTS,ACONCLUSIONHASBEENDRAWNTHATTHESMALLESTCONTOURERRORWILLBEGOTIFTHETWOAXESHAVETHESAMESERVOCHARACTERISTICSTHEBALLBAR,WHICHISCONSIDEREDTOBEMORERELIABLETHANLINEARSCALESINMEASURINGCONTOURERROR,WASUSEDTOMEASURETHECIRCULARMOTIONOFTHESYSTEMTHE哈尔滨理工大学学士学位论文IIIEXPERIMENTRESULTSHOWEDTHATTHECONTOURERROROFTHESYSTEMWASBIGBYANALYSISOFTHEERRORSOURCEBASEDONAMATHEMATICALMODELOFTHEMEASURINGSYSTEMPROPOSEDINTHISTHESIS,ITWASFOUNDTHATITWASTHEINSTALLATIONINCLINATIONOFLINEARSCALESTHATCAUSEDSOBIGERRORBYCOMPENSATINGTHEERRORWITHTHEMEASUREDRESULTBYTHEBALLBAR,THEPRECISIONOFTHECONTROLSYSTEMHADBEENIMPROVEDKEYWORDSNUMERICALCONTROLSYSTEM；THREEDIMENSIONALNCWORKBENCH；SCM；INTERPOLATIONTECHNIQUE；哈尔滨理工大学学士学位论文0目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题研究的意义112课题研究的现状113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321三维数控工作台的工作原理介绍322三维数控工作台的基本结构323步进电机的选择424丝杠的选型与校核5241滚珠丝杠的简单介绍5242滚珠丝杠的选型7243滚珠丝杠的校核825直线导轨的选型与计算9251直线导轨的简单介绍9252直线导轨的选型1026联轴器的选型12261联轴器的简介12262联轴器的选型1327轴承选型1428本章小结16第3章三维数控工作台的PRO/E三维建模1731PRO/E建模软件简介1732PRO/E界面介绍1733零件三维建模实例介绍18331新建文件18332建立拉伸特征19333建立螺旋特征20334建立螺母副特征20335进行颜色和外观设计2134其余零件三维建模图展示2235三维数控工作台装配23哈尔滨理工大学学士学位论文136本章小结25第4章三维工作台的软件及控制系统设计2641逐点比较法直线插补的简介2642逐点比较法直线插补的计算步骤2643数控插补仿真软件的说明2944开环系统控制原理3045单片机设计3046本章小结35结论36致谢37参考文献38附录一39附录二49哈尔滨理工大学学士学位论文0第1章绪论11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12课题研究的现状国内数控技术发展，1996年，清华大学研制了PCDSP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PCDSP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。“NGCNEXTGENERATIONCONTROLLER”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NGC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哈尔滨理工大学学士学位论文1DSP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,SH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,AW/DIANA,G开发了一种基于MATHWORKSSIMULINK/REALTIMEWORKSHOP的PCDSP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，BRANDSTATTERW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MOYNIHANJF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。13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。哈尔滨理工大学学士学位论文2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。21三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。22三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001MM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21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。哈尔滨理工大学学士学位论文31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21三维数控工作台基本结构23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哈尔滨理工大学学士学位论文4036度/072度（五相电机）、09度/18度（二、四相电机）、15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42HBS33BJ4TR0型步进电机。具体参数如表21和图22所示表21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42HBS33BJ4TR03180210428532串长22200图22步进电机参数图24丝杠的选型与校核241滚珠丝杠的简单介绍2411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，哈尔滨理工大学学士学位论文5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。2412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15圈、25圈和35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。2413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。哈尔滨理工大学学士学位论文6（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。242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C0C10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SFUO12044的滚珠丝杠，其具体参数如表22和图23所示表22滚珠丝杠型号参数表型号DIDADABLWXHNCACOAKSFUO1204412425244010403245304593112912哈尔滨理工大学学士学位论文7图23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。243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。2431传动效率计算滚珠丝杠计算步骤为（21）T109G代入数值求得09482符合要求2432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MF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。（22）2GFFKFCVLM，410将所得数据代入上式有NFM26135856201734最大动负载C的计算及主要尺寸哈尔滨理工大学学士学位论文8丝杠最大动载荷（23）MFFLC3由机械设计手册可知（24）610TNNCCRLVNA746315265130IN/5412433刚度验算根据公式（25）MAELFM0384/51730626241丝杠副刚度的验算丝杠总变形量821变形量要少于定位精度得一半，即001/2000500038YE，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XEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARSBITP2_0P20/脉冲发出口SBITP2_1P21/脉冲触发口UCHARH00/定时器定时变量/定时器0中断服务程序/VOIDTIMER0VOIDINTERRUPT1USING1P2_0P2_0/输出方波H0TH0655361000/256TL0655361000256IFH0100ET00TR00H00P2_10VOIDMAINVOIDP2_10TMOD0X01/定时器0方式1/TR00WHILE1IFP2_11EA1/CPU开中断ET01/C/T0开中断TR01/启动定时器，开始计时TH0655361000/256TL0655361000256哈尔滨理工大学学士学位论文3546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。哈尔滨理工大学学士学位论文36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。哈尔滨理工大学学士学位论文37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。哈尔滨理工大学学士学位论文38参考文献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，19961531839侯珍秀机械系统设计哈尔滨工业大学，200311510施平机械工程专业英语电子工业出版社，200324530211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,199912郑学坚，周斌微机计算机原理清华大学出版社，200313周伟汇编语言程序教程清华大学出版社，200414WRIGHT,PK,21STCENTURYMANUFACTURING,PRENTICEHALL,200115MADSEN,DA,SHUMAKER,TM,TURPIN,JLANDSTARK,C,ENGINEERINGDRAWINGANDDESIGN,DELMARPUBLISHING,199116DAVIDJROTHMECHANISTICMODELINGOF3AXIS,UNIVERSITYOFWATERLOO,2004哈尔滨理工大学学士学位论文39附录一MECHANICALENGINEERINGINTHEINFORMATIONAGEINTHEEARLY1980S,ENGINEERSTHOUGHTTHATMASSIVERESEARCHWOULDBENEEDEDTOSPEEDUPPRODUCTDEVELOPMENTASITTURNSOUT,LESSRESEARCHISACTUALLYNEEDEDBECAUSESHORTENEDPRODUCTDEVELOPMENTCYCLESENCOURAGEENGINEERSTOUSEAVAILABLETECHNOLOGYDEVELOPINGAREVOLUTIONARYTECHNOLOGYFORUSEINANEWPRODUCTISRISKYANDPRONETOFAILURETAKINGSHOTSTEPSISASAFERANDUSUALLYMORESUCCESSFULAPPROACHTOPRODUCTDEVELOPMENTSHORTERPRODUCTDEVELOPMENTCYCLYSAREALSOBENEFICIALINANENGINEERINGWORLDINWHICHBOTHCAPTICALANDLABORAREGLOBALPEOPLEWHOCANDESIGNANDMANUFACTUREVARIOUSPRODUCTSCANBEFOUNDANYWHEREINTHEWORLD,BUTCONTAININGANEWIDEAISHARDGEOGRAPHICDISTANCEISNOLONGERABARRIERTOOTHERSFINGINGOUTABOUTYOURDEVELOPMENTSIXMONTHSINTOTHEPROCESSIFYOUAREGOTASHORTDEVELOPMENTCYCLE,THESITUATIONISNOTCATASTROPHICASLONGASYOUMAINTAINYOURLEAD,BUTIFYOUAREINTHEMIDISTOFASIXYEARDEVELOPMENTPROCESSANDACOMPETITORGETSWINDOFYOURWORK,THEPROJECTCOULDBEINMORESERIOUSTROUBLEINONERESPECT,MANUFACTURINGCOULDBESAIDTOBECOMINGFULLCIRCLETHEFIRSTMANUFACTURINGWASACOTTAGEINDUSTRYTHEDESIGNERWASALSOTHEMANUFACTURING,CONCEIVINGANDFABRICATINGPRODUCTSONEATATIMEEVENTUALLY,THECONCEPTOFTHEINTERCHANGEABILITYOFPARTSWASDEVELOPED,PRODUCTIONWASSEPARATEDINTOSEPARATEDINTOSPECIALIZEDFUNCTIONS,ANDIDENTICALPARTSWEREPRODUCEDTHOUSANDSATATIMETODAY,ALTHOUGHTHEDESIGNERANDMANUFACTURING哈尔滨理工大学学士学位论文40MAYNOTBECOMEONEAGAIN,THEFUNCTIONSAREBEINGDRAWNCLOSEINTHEMOVEMENTTOWARDANINTEGRATEDMANUFACTURINGSYSTEMITISPERHAPSIRONICTHAT,ATATIMEWHENTHEMARKETDEMANDSAHIGHDEGREEOFPRODUCTDIVERSIFICATION,THENECESSITYFORINCREASINGPRODUCTIVITYANDREDUCINGCOSTISDRIVINGMANUFACTURINGTOWARDINTEGRATIONINTOACOHERENTSYSTEM,ACONTINUOUSPROCESSINWHICHPARTSDONOTSPENDASMUCHAS95OFPRODUCTIONTIMEBEINGMOVEDAROUNDORWAITINGTOBEWORKEDONTHECOMPUTERISTHEKEYTOEACHOFTHESETWINREQUIREMENTSITISTHEONLYTOOLTHATCANPROVIDETHEQUICKREFLEXES,THEFLEXIBILITYANDSPEED,TOMEETADIVERSIFIEDMARKETANDITISTHEONLYTOOLTHATENABLESTHEDETAILEDANALYSISANDTHEACCESSIBILITYOFACCURATEDATANECESSARYFORTHEINTEGRATIONOFTHEMANUFACTURINGSYSTEMTODAY,NEARLYEVERYMARKETISANICHEMARKET,BECAUSECUSTOMERSARESELECTIVEIFYOUIGNORETHEPOTENTIALFORTAILORINGYOURPRODUCTTOSPECIFICCUSTOMERSNEEDS,YOUWILLLOSETHEMAJORPARTOFYOURMARKETSHAREPERHAPSALLOFITSINCETHESENICHEMARKETSARETRANSIENT,YOURCOMPANYNEEDSTOBEINAPOSITIONTORESPONDTOTHEMQUICKLYTHEEMERGENCEOFNICHEMARKETSANDDESIGNONDEMANDHASALTEREDTHEWAYENGINEERSCONDUCTRESEARCHTODAY,RESEARCHISCOMMONLYDIRECTEDTOWARDSOLVINGPARTICULARPROBLEMSALTHOUGHTHISSITUATIONISPROBABLYTEMPORARY,MUCHUNCOMMITTEDTECHNOLOGY,DEVELOPEDATGOVERNMENTEXPENSEORWRITTENOFFBYMAJORCORPORATIONS,ISAVAILABLETODAYATVERYLOWCOSTFOLLOWINGMODESTMODIFICATIONS,SUCHTECHNOLOGYCANOFTENBEUSEDDIRECTLYINPRODUCTDEVELOPMENT,WHICHALLOWSMANYORGANIZATIONSTOAVOIDTHEEXPENSEOFANEXTENSIVERESEARCHEFFORTONCETHETECHNOLOGYISFREEOFMAJOROBSTACLES,THERESEARCHEFFORTCANFOCUSONOVERCOMINGTHEBARRIERSTOCOMMERCIALIZATIONRATHERTHANONPURSUINGNEWANDINTERESTING,BUTUNDEFINED,ALTERNATIVESWHENVIEWEDINTHISPERSPECTIVE,ENGINEERINGRESEARCHMUSTFOCUSPRIMARILYONREMOVINGTHEBARRIERSTORAPIDCOMMERCIALIZATIONOFKNOWN哈尔滨理工大学学士学位论文41TECHNOLOGIESMUCHOFTHISEFFORTMUSTADDRESSQUALITYANDRELIABILITYCONCERNS,WHICHAREFOREMOSTINTHEMINDSOFTODAYCONSUMERSCLEARLY,AREPUTATIONFORPOORQUALITYISSYNONYMOUSWITHBADBUSINESSEVERYTHINGPOSSIBLEINCLUDINGTHOROUGHINSPECTIONATTHEENDOFTHEMANUFACTURINGLINEANDAUTOMATICREPLACEMENTOFDEFECTIVEPRODUCTSMUSTBEDONETOASSURETHATTHECUSTOMERRECEIVESAPROPERLYFUNCTIONINGPRODUCTRESEARCHHASTOFOCUSONTHECOSTBENEFITOFFACTORSSUCHASRELIABILITYASRELIABILITYINCREASE,MANUFACTURINGCOSTSANDTHEFINALCOSTOFTHESYSTEMWILLDECREASEHAVING30PERCENTJUNKATTHEENDOFAPRODUCTIONLINENOTONLYCOSTSAFORTUNEBUTALSOCREATESANOPPORTUNITYFORACOMPETITORTOTAKEYOURIDEAANDSELLITTOYOURCUSTOMERSCENTRALTOTHEPROCESSOFIMPROVINGRELIABILITYANDLOWERINGCOSTSISTHEINTENSIVEANDWIDESPREADUSEOFDESIGNSOFTWARE,WITCHALLOWSENGINEERSTOSPEEDUPEVERYSTAGEOFTHEDESIGNPROCESSSHORTENINGEACHSTAGE,HOWEVER,MAYNOTSUFFICIENTLYREDUCETHETIMEREQUIREDFORTHEENTIREPROCESSTHEREFORE,ATTENTIONMUSTALSOBEDEVOTEDTOCONCURRENTENGINEERINGSOFTWAREWITHSHAREDDATABASESTHATCANBEACCESSEDBYALLMEMBERSOFTHEDESIGNTEAMASWEMOVEMOREFULLYINTOTHEINFORMATIONAGE,SUCCESSWILLREQUIRETHATTHEENGINEERPROCESSSOMEUNIQUEKNOWLEDGEOFANDEXPERIENCEINBOTHTHEDEVELOPMENTANDTHEMANAGEMENTOFTECHNOLOGYSUCCESSWILLREQUIREBROADKNOWLEDGEANDSKILLSASWELLASEXPERTISEINSOMEKEYSOCIALANDECONOMICFACTORSATWORKINTHEMARKETPLACEINCREASINGLY,INTHEFUTURE,ROUTINEPROBLEMSWILLNOTJUSTIFYHEAVYENGINEERINGEXPENDITURES,ANDENGINEERSWILLBEEXPECTEDTOWORKCOOPERATIVELYINSOLVINGMORECHALLENGING,MOREDEMANDINGPROBLEMSINSUBSTANTIALLYLESSTIMEWEHAVEBEGUNANEWPHASEINTHEPRACTICEOFENGINEERINGITOFFERSGREATPROMISEANDEXCITEMENTASMOREANDMOREPROBLEMSOLVINGCAPABILITYISPLACEDINTHEHANDSOFTHECOMPUTERIZEDANDUNQUENCHEDTHIRSTFORBETTERPRODUCTSANDSYSTEMSMUSTBEMATCHEDBYTHEJOYOFCREATIONTHATMARKSALLGREATENGINEERINGENDEAVORSMECHANICALENGINEERINGISAGREAT哈尔滨理工大学学士学位论文42PROFESSION,ANDITWILLBECOMEEVENGREATERASWEMAKETHEMOSTOFTHEOPPORTUNITIESOFFEREDBYTHEINFORMATIONAGEITMAYWELLBETHAT,INTHEFUTURE,THECOMPUTERMAYBEESSENTIALTOACOMPANYSSURVIVALMANYOFTODAYSBUSINESSESWILLFADEAWAYTOBEREPLACEDBYMOREPRODUCTIVECOMBINATIONSSUCHMOREPRODUCTIVECOMBINATIONSARESUPERQUALITY,SUPERPRODUCTIVITYPLANTSTHEGOALISTODESIGNANDOPERATEAPLANTTHATWOULDPRODUCE100SATISFACTORYPARTSWITHGOODPRODUCTIVITYASOPHISTICATED,COMPETITIVEWORLDISREQUIRINGTHATMANUFACTURINGBEGINTOSETTLEFORMORE,TOBECOMEITSELFSOPHISTICATEDTOMEETCOMPETITION,FOREXAMPLE,ACOMPANYWILLHAVETOMEETTHESOMEWHATCONFLICTINGDEMANDSFORGREATERPRODUCTDIVERSIFICATION,HIGHERQUALITY,IMPROVEDPRODUCTIVITY,ANDLOWPRICESTHECOMPANYTHATSEEKSTOMEETTHESEDEMANDSWILLNEEDASOPHISTICATEDTOOL,ONETHATWILLALLOWITTORESPONDQUICKLYTOCUSTOMERNEEDSWHILEGETTINGTHEMOSTOUTOFITSMANUFACTURINGRESOURCESTHECOMPUTERISTHATTOOLBECOMINGA“SUPERQUALITY,SUPERPRODUCTIVITY”PLANTREQUIRESTHEINTEGRATIONOFANEXTREMELYCOMPLEXSYSTEMTHISCANBEACCOMPLISHEDONLYWHENALLELEMENTSOFMANUFACTURINGDESIGN,FABRICATIONANDASSEMBLY，QUALITYASSURANCE,MANAGEMENT,MATERIALSHANDLINGARECOMPUTERINTEGRATEDINPRODUCTDESIGN,FOREXAMPLE,INTERACTIVECOMPUTERAIDEDDESIGNCADSYSTEMSALLOWTHEDRAWINGANDANALYSISTASKSTOBEPERFORMEDINAFRACTIONOFTHETIMEPREVIOUSLYREQUIREDANDWITHGREATERACCURACYANDPROGRAMSFORPROTOTYPETESTINGANDEVALUATIONFURTHERSPEEDTHEDESIGNPROCESSINMANUFACTURINGPLANNING,COMPUTERAIDEDPROCESSPLANNINGPERMITSTHESELECTION,FROMTHOUSANDSOFPOSSIBLESEQUENCESANDSCHEDULES,OFTHEOPTIMUMPROCESSONTHESHOPFLOOR,DISTRIBUTEDINTELLIGENCEINTHEFORMOFMICROPROCESSORSCONTROLLEDMACHINES,RUNSAUTOMATEDLOADINGANDUNLOADINGEQUIPMENT,ANDCOLLECTSDATAONCURRENTSHOPCONDITIONS哈尔滨理工大学学士学位论文43BUTSUCHISOLATEDREVOLUTIONSARENOTENOUGHWHATISNEEDEDISATOTALLYAUTOMATEDSYSTEM,LINKEDBYCOMMONSOFTWAREFROMFRONTDOORTOBACKTHEBENEFITSRANGETHROUGHOUTTHESYSTEMESSENTIALLY,COMPUTERINTEGRATIONPROVIDESWIDELYANDINSTANTANEOUSLYAVAILABLE,ACCURATEINFORMATION,IMPROVINGCOMMUNICATIONBETWEENDEPARTMENTS,PERMITTINGTIGHTERCONTROL,ANDGENERALLYENHANCINGTHEOVERALLQUALITYANDEFFICIENCYOFTHEENTIRESYSTEMIMPROVEDCOMMUNICATIONCANMEAN,FOREXAMPLE,DESIGNSTHATARE
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