单臂三维测量工作台设计【含CAD图纸和说明书】
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装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸单臂三维测量工作台的设计摘要三维测量，又称为三坐标测量。三维测量可以定义为“一种可具有三个方向移动的探测器，可以在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触或非接触等方式传送讯号，三个轴的位移测量系统经数据处理器或计算机等计算出工件的各点坐标及各项功能的测量”。三维测量的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、集合精度及轮廓精度等。三维测量现已广泛应用于机械制造业、汽车、电子、航天航空、国防等工业部门。单臂三维测量工作台是一款具有较大测量范围的高精度测量设备，在设计时充分考虑了使用者对冲压件、仪表板件、塑料件、中型模具件的测量要求。它在测量时采用单臂实现三个方向的动作，为了简化结构，节约成本，采用步进电动机开环伺服驱动。CCD测量镜头运动由步进电动机通过驱动器的细分来控制，控制方式采用单片机控制。其中设计时还包括很多零部件的选择，如导轨、滚珠丝杠等等。机械系统部分由三个正交的直线运动构成。Y向导轨系统装在工作台上，移动桥架横梁是X向导轨系统，Z向导轨系统装在中央滑架内。三个方向轴上均装有光栅尺用以度量各轴位移值。人工驱动的手轮及机动、数控驱动的电机一般都在各轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在X轴端部。 关键字 三维测量 控制 机械系统 共 39 页 第 3 页Single arm of the workbench for three dimensional measurements Abstract Three-dimensional measurements, also known as trimetric measurements. Three-dimensional measurement can be defined as a kind of can have three direction of the probe, can be in three perpendicular guide rail, the detector to contact or non-contact way transmission signals, such as three axis displacement measurement system by data processors or calculation work pieces, such as computers, each point coordinates and functions of measurement. The measuring functions of three-dimensional measurement should include measurement accuracy, positioning accuracy, collection accuracy and contour accuracy. Three-dimensional measurements are now widely used in the industrial sectors of machinery manufacturing, automobiles, electronics, aerospace and defense. One-armed three-dimensional measurement workbench is a large measurement range and high precision measuring equipment, give full consideration to the user when the design of stamping parts, instrument panel, plastic parts, medium-sized mold parts measurement requirements. In order to simplify the structure and save the cost, it adopts the step motor drive the loop servo drive. The CCD measuring lens movement is controlled by the subdivision of the drive motor through the actuator, and the control method is controlled by the single chip. The design also includes the selection of many parts, such as the guideway, the ball screw and so on. The mechanical system consists of three orthogonal linear motions. The Y is mounted on the platform, and the moving bridge beam is the X to the guide system, and Z is mounted in the central slide frame. All three orientations are equipped with raster rulers to measure the displacement of each axis. Manually driven handwheel and motorized, numerically driven motors are generally located near each axis. The measuring head on the part of the test part is used to test the part of the Z axis.KeywordsThree-dimensional measurement Control Mechanical system0共 39 页 第 3 页目 录前言1第1章单臂三维测量工作台的概述21.1 三维测量工作台的产生21.2 三维测量工作台的组成及工作原理21.3 三维测量工作台的机械结构3 1.3.1 结构形式3 1.3.2 工作台31.4 三维测量工作台的测量系统4 1.4.1 标尺系统4 1.4.2 测头系统4 1.4.3 测头附件51.5 三维测量工作台的控制系统5 1.5.1 控制系统的功能5 1.5.2 控制系统的结构6 1.5.3 测量进给控制7 1.5.4 控制系统的通信7第2章 关键部件的选择计算82.1 导轨的选择8 2.1.1 导轨选择的基本理论9 2.1.2 导轨精度选择92.2 滚珠丝杠的选择与计算112.3 轴承的选择182.4 步进电机的单片机控制182.5 步进电机控制原理19 2.5.1 理论设计20 2.5.2 程序设计232.6 步进电机的设计计算24第3章 计算机控制系统设计283.1 主控制器CPU的选择283.2 存储器电路的扩展29 3.2.1 程序存储器的扩展29 3.2.2 数据存储器的扩展30第 0 页 共 40 页 3.3 I/O口电路的扩展30 3.3.1 并行口的扩展30 3.3.2 键盘、显示器接口电路31总 结32致 谢33参考文献34第 0 页 共 40 页前 言坐标测量机（CMM）是一种具有很强柔性的尺寸测量设备。CMM在工业界的应用开始于对棱柱类零件的快速、精确测量。但随着CMM各方面技术的发展（如回转工作台、触发式测头的产生），特别是计算机控制的CMM的出现，目前，CMM已广泛应用于对各类零件的自动检测。而作为CMM测量的重要部件工作台在最近也发生了巨大的变革。工作台主要是用来放置工件或附件，为了保证仪器的测量精度和工作的可靠性，它必须具有足够的刚性，台面和导轨面应耐磨且有一定的直线度和平面度。工作台必须具有手动或自动调整机构，手动调整机构简单但调整不便且精度不高，而自动调整即快又准。所以与测量仪器配套使用的工作台也由手动向自动方向发展，精度不断提高，性能更加完善。本次设计主要完成工作台总体结构设计，导轨的选择；滚珠丝杠的选择与计算；步进电机的选择计算；控制系统设计等。第 0 页 共 40 页共 39 页 第 3 页第1章单臂三维测量工作台的概述1.1 三维测量工作台的产生 三维测量工作台是20世纪60年代发展起来的一种新的高效率精密测量仪器。它的出现，一是因为自动机床、数控机床高效率加工以及更多复杂形状的零件加工要有更快速更可靠的测量设备与之配套；一是因为计算机技术、电子技术、数字控制技术和精密加工技术的完善替三维测量工作台的产生提供了技术条件。世界上第一台三坐标测量机在1960年被英国FERRANTI公司成功研制，到20世纪60年代末，全球已有约十个国家的三十多家公司能生产CMM，但这一时期的CMM还处在初级阶段。到20世纪80年代后，很多公司不停地推出新的产品，让CMM取得了快速的发展。现在CMM可以在计算机的控制下完成各种各样的复杂测量，也可以通过与数控机床互换信息，实现控制加工的目的，也还可根据测量的数据，实现反求工程。目前，CMM已广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门，成为现代工业检测和质量控制不可缺少的测量设备。 1.2 三维测量工作台的组成及工作原理 （1）三维测量工作台的组成 三维测量工作台属于机电一体化设备，它由电子系统和机械系统两部分组成。 1）机械系统：一般由三个正交的直线运动轴构成。Y向的导轨系统安装在工作台上，移动桥架横梁是X向的导轨系统，Z向的导轨系统安装在中央滑架内。三个方向的轴上都安装有光栅尺用以测量各轴位移值。人工驱动手轮及机动、数控驱动电机常常都在各个轴附近。用来触测被检测零件表面的测头装在Z轴端部。 2）电子系统：一般由光栅计数系统、测头信号接口和计算机等组成，用于获得被测坐标点数据，并对数据进行处理。 （2）三维测量工作台的工作原理三维测量工作台是基于坐标测量的通用化数字测量设备。它先将要测的几何元素的测量转化为对这些几何元素上一些点集坐标位置的测量，在测得这些点的坐标位置后，再根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出其尺寸和形位误差。1.3 三维测量工作台的机械结构 1.3.1 结构形式 按照结构形式，三维测量工作台可分为移动桥式、固定桥式、龙门式、悬臂式、单柱移动式、单柱固定式结构等。(1) 移动桥式结构，它是现在使用最广的一种结构形式，主要分为四部分组成：工作台是固定不动的，桥框可沿工作台上的高贵沿Y向运动，滑架可沿着横梁上的导轨沿X向运动，主轴可沿Z向运动。被测工件安放在工作台上，测头装在主轴X上。其结构简单、紧凑，刚性好，具有较开阔的空间。工件安装在固定的工作台上，承载能力较强，工件质量对测量机的动态性能没有影响。中小型测量机，无论是手动还是数控的，多数是采用这种结构形式的。 (2) 固定桥式结构，其桥框是固定不动的，直接与基座链接；而工作台可沿着基座的导轨移动。这种结构的主要优点是：X相反的标尺与驱动机构可以设置在工作台下方中部，Y向阿贝臂小；从中间驱动，绕Z轴偏摆小；整个测量几点结构刚性很好，容易保证较好的精度，但此结构的不足之处在于工作台要移动，所以工件质量不宜过大。精密性的三维测量工作台大多采用固定桥式的结构。(3) 龙门式结构，只有横梁是它的移动部分，这是它与移动桥式结构的主要区别。而且移动部分的质量小，整体结构的刚性好，三个方向的坐标测量范围比较大，可保证测量的精度，常用于大型机，但其限制了工件的装卸，只有一侧驱动时仍有较大阿贝误差，而双侧驱动的方式在技术上比较复杂，只有Y向跨距较大、对精度要求很高的大型测量机才用。 (4) 悬臂式结构，结构较为简单，具有较好的开阔性，但当滑架在悬臂上作Y向的运动时，悬臂的变形会产生不一样的变化，故其测量的精度不算高，测量的精度要求不高的小型测量机才会经常用它。 (5) 单柱移动式结构，也称为仪器台式结构，随着工具显微镜结构基础的发展而出现发展起来的。但是它的结构复杂，测量范围不大，其优点是测量的精度很高、操作简单，高精度小型数控机型常用它。 (6) 单柱固定式结构，随着坐标镗的基础上开发出来的。它的结构牢固、开阔性较好，但工件的质量会影响工作台的运动，而且二维平动的工作台的行程不会太大，因此它仅仅用在测量精度中等的中小型测量机上。 1.3.2 工作台 早期的三维测量的工作台一般是由铸铁或铸钢制成，但近年来，花岗岩已经被各厂家广泛采用来制造工作台，这是因为花岗岩变形小，稳定性也好，不仅耐磨损，也不易生锈，且价格适宜、加工容易。有些测量工作台装有可升降的装置，用来扩大Z轴的测量范围，还有些测量工作台备有旋转工作台，用来增大测量功能。 1.4 三维测量工作台的测量系统 标尺系统和测头系统共同组成了三测量工作台的测量系统，它们是三维测量工作台的关键组成部分，决定着测量精度的高低。 1.4.1 标尺系统 用来度量各轴的坐标数值的称为标尺系统，三维测量工作台上使用的标尺系统种类较多，它们与在各种机床和仪器上使用的标尺系统大致相同，按其性质可以分为机械式标尺系统、光学式标尺系统和电气式标尺系统。统计分析国内外生产使用的三维测量工作台的标尺系统可知，光栅使用得最多，感应同步器和光学编码器次之。而那些高精度三维测量工作台的标尺系统则采用了激光干涉仪。 1.4.2 测头系统 三维测量工作台是用测头来拾取信号的，因而测量精度和测量效率取决于测头的性能。在三维测量工作台上使用的测头，按结构原理可分为机械式、光学式和电气式等；按测量方法又可分为接触式和非接触式两类。 (1) 机械接触式测头机械接触式测头为刚性测头，看接触测量部位的测头的形状，可以分为V型块测头、半圆形测头、圆锥形测头、球形测头、点测头、圆柱形测头等。这类测头形状简易，制造容易。操作者用经验和技能的娴熟度控制测量力的大小，这样就会使其测量的精度较差、效率较低。现在除了少数的手动测量工作台还采用这种测头外，大多数的测量工作台都不再用这种测头。 （2）光学测头 常规状况下，光学测头和被测物体之间是没有机械接触的，这种非接触式测量具有的一些突出优点主要体现在：1）因为测量力不存在，因此比较适合于测量各种软的和薄的工件；2）因为是非接触测量，所以其可对工件表面进行快速扫描测量； 3）一般接触式测头的量程都比较小，但大多数的光学测头都具有较大的测量范围。4）机械测头在工件上难以探测到的部位都可以使用它。光学测头近年来快速发展，目前在测量工作台上应用的光学测头的种类多种多样，如光纤测头、体视式三维测头、三角法测头、激光聚集测头、接触式光栅测头等。 （3）电气接触式测头 电气接触式测头目前已为绝大部分坐标测量工作台所采用，按其工作原理可分为动态测头和静态测头。 1）动态测头 芯体上装着测杆的称为常用的动态测头，把三个钢球沿圆周120度分布安放形成三对接触点，则把芯体放接触点上面。芯体上上的钢球在测杆没有受到力的时候跟三对接触点都保持接触。而当X、Y、Z三个方向上的任何一个方向上的测杆端部的钢球与工件接触的时候，最少会使一个钢球和触点分开，从而让电路变成开路状态，产生阶跃的信号。采样电路将直接或者间接的被计算机控制，坐标数据会沿着X、Y、Z方向送至存储器，提供给数据处理用。可见，动态测头是可以在测头接触工件表面的动态运动过程中的接触瞬间进行采样的，因此它也称为触发式测头。由于其较低的成本和简单的结构，所以可用于高速的测量。但是也由于它的精度较差和不能长时间的在工件表面停留的缺点，因此它只能对工件的表面作分散的逐个点的测量，不能作一次性的扫描测量完成。目前，英国RENISHAW公司生产的触发式测头较为广泛使用于各大厂家。的2）静态测头 相当于一台超小型三坐标测量机的静态测头还具有触发式测头特有的 的触发采样的功能。X、Y、Z三个方向上在有三维几何量传感器的测头和工件的表面进行接触的时候都会有对应的位移距离输出，从而驱动的伺服系统会根据输出的位移量让测头停在既定的位置上。由于必须要测头接近静止状态下的时候才可以采集三维坐标数据，所以称为静态测头。同时，由于它可以始终接触着工件表面并且沿其移动来完成扫描测量，所以它也称为扫描测头。静态测头的主要特点是精度高，可作连续扫描，但制造技术难度大，采样较慢，价格昂贵，适用于高精度测量机使用。目前大多数厂家生产的静态测头均采用电感式位移传感器，从而我们也将静态测头称为三向电感测头。 1.4.3 测头附件 为了扩大测头功能、提高测量效率以及探测各种零件的不同部位，常需为测头也需要配置各种附件，例如测端、探针、连接器、测头回转附件等，用来扩大。 1.5 三维测量工作台的控制系统 1.5.1 控制系统的功能 三维测量工作台的关键组成部分之一控制系统。其主要功能是：一是读取空间坐标值，控制测量瞄准系统进行实时的响应和处理测头信号，二是机械系统在其控制下完成测量所需的动作，从而达到随时监控测量工作台的状态来保证系统的可靠性和安全性的目的。 1.5.2 控制系统的结构 按自动化的程度可以有手动型、机动型以及CNC型。以前的测量工作台的各点采样都是经过操作者直接手动或者间接经过操纵杆完成的，然后再把经过手动型与机动型为主采样的数据在计算机中进行换算处理。CNC型的控制系统随着数控技术和计算机技术的日益发展而愈发普遍，程序控制着测量工作台的数据采样和自动进给的运动，同时数据处理将在计算机中完成。(1) 手动型与机动型控制系统这种控制系统在车间有较广的应用，它不仅有简单的结构，而且它的操作简易，价格也便宜。这两种系统的标尺系统通常采用光栅，而测头通常采用触发式的测头。测头在接触工件的时候散出触发信号从而经过控制接口向CPU发出一个中断的信号，CPU在其指令下会执行对应的中断服务的称序。对应的读出在计数接口处的单元数值，采样坐标值X、Y和Z将会在其计算出对应的空间距离后形成，并且将形成的X、Y和Z送入数据采样的缓冲区，以方便后面的计算数据时用。(2) CNC型控制系统CNC型的控制系统通过计算机对测量进给进行控制。它能够通过程序对测量机的各轴运动和运行的状态进行控制和随时监测，达到自动测量的目的。另外，应用操纵杆，它也能够进行手工测量。其中，集中控制和分布控制是从CNC型控制系统中分出的两个小类。1）集中控制集中控制是利用一个主CPU就能够完成监测和采样坐标值，从而完成接收计算机命令，解释和执行，往回送和显示状态信息和数据，键盘输入控制命令和监测安全等等任务。一个相当于独立的计算机系统的相对独立的模块能够完成监测单轴的伺服控制以及三轴联动和运动状态监测的目的。在功能上，CPU的实时性和测量进给的速度的大小和CPU运算量的大小和运算速度的大小有关。2）分布式控制分布式控制系统中运用多个CPU协调工作并完成特定的控制并一起完成测量的任务，由于它的高效率从而提升了控制系统中的实时性。另外，它的单元式、多CPU并行处理的特点使其扩充和维修更加的简单。如在分布式控制的系统中增加一个由单轴控制的单元，再在总线上的地址和增加相应的软件就可以增加一个转台了。 1.5.3 测量进给控制 在对伺服电动机速度的控制方面，主要是通过操纵杆抑或CNC程序，这里是除手动型之外的测量工作台。通过这种办法来让控制测头相对于测量工作台按一定的轨迹运动，以此来完成测量工件的任务。测量工作台在测量进给方面相对于数控机床在进给加工方面差距不大吗，但是前者要求以更高的精度、更平稳的状态运动以及更快的响应速度。测量工作台分别有单轴控制和多轴联动控制两种运动控制方式。单轴的伺服控制相对比较简单，各自的的运动由其各轴上的单轴伺服控制器单独完成。三轴之间由一种特定的算法通过CPU控制来使得测头和工件在空间中按一定的轨迹作相对运动，这种运动需要单轴的伺服和插补器共同完成。在测量工作台控制系统中，CPU程序控制实现插补器插补。根据预定的轨迹，CPU连续地向三轴伺服控制系统发送坐标轴的位置命令，单轴伺服控制系统则连续跟随，从而使测头一步一步地从起始点运动到终点。 1.5.4 控制系统的通信 控制系统的通信有内通信与外通信两种。命令、参数、状态和数据等在控制系统和主计算机之间通过通信总线相互传送的方式称为内通信。当测量工作台作为FMS系统或CIMS系统中的组成部分时，控制系统和其它的设备之间的通信称为外通信。现在，串行RS232标准与并行IEEE488标准是测量工作台两种主要的通信。第2章 关键部件的选择计算2.1 导轨的选择此设计选用了SBC导轨，其优点如下：图2-1 SBC导轨（1） 价格低廉SBC直线导轨在各方面都具有很好的经济性,尤其是在简单的设计,高结构强度和产品本地化等方面特别突出。（2） 交货迅捷在中国大陆地区代理销售SBC产品,所有标准型号全部现货供应。（3） 精确的位置精度SBC导轨由于动、静摩擦之间的微小差异从而使摩擦系数降到百分之五十一,因此可以实现精确定位，响应微量位移。 （4） 节约生产成本和电力损耗由于SBC导轨摩擦系数小,可使驱动装置小型化,并可提供高速运动.因此采用SBC导轨可生产出高性能机械同时减小电力损耗。 （5） 长时间保持高精度减小了滚动摩擦,实现了长时间的、无损耗的、高精度的运转. （6） 安装简单SBC导轨只需通过螺栓安装就可保证较高的精度,并且使其在四个方向上承受等量负载. （7） 提高机械的可靠性通过往返的次数估算机械寿命,提高机械的可靠性 2.1.1 导轨选择的基本理论导轨和机体做成一体。如此同镶装式导轨相比，用同一种材料，工艺简单，刚度大，结构简单。聚四氟乙烯软带同导轨的联接采用粘结的方法。采用此方法有以下优点： （1） 比螺钉固定简单，而且克服了夹紧力不均匀的缺点。 （2） 粘结导轨对设备维修或改造都很方便。粘结时要求粘胶非常均匀。 （1） 依据测量工作台的使用要求，提出导轨要求达到的技术指标。 （2） 选择导轨的类型。 （3） 选择导轨的截面形状。 （4） 确定导轨的数量和尺寸。 （5） 选择导轨的材料，确定导轨与部件的关系(做成整体或镶装)。 （6） 计算。根据运动部件的重量和重心位置，外力作用的位置、方向以及大小，对导轨进行受力分析，分析导轨上受力的状态。 （7） 结构设计。主要有：间隙(或预加负荷)装置、镶装结构、润滑沟槽、卸裁装置、滚动组件选择、节流器等等。 （8） 其它方面的设计。包括选择润滑方法、润滑油、润滑装量、和设计防护装置等。 （9）确定技术条件。 对导轨的基本要求 2.1.2 导轨精度选择 （1） 接触精度采用精刨的方法来加工导轨。对导轨的接触精度用着色法检查。由表32222查得接触指标：全长上不少于70%，全宽上不少于50%。 （2） 表面粗糙度 表32242查得表面粗糙度值：支承导轨0.8，动导轨1.6。依据测量工作台的使用要求，提出导轨要求达到的技术指标。 （3） 导向精度运动部件沿着导轨运动的轨迹的准确性称为导向精度。影响导向精度的因素有1） 导轨的结构和截面形状。2） 导轨的加工质量(几何精度、和粗糙度)以及装配调整质量。3） 导轨和其支承件的刚度及热变形。4） 润滑状况。 （4） 精度的保持性要在规定的期限内保持导轨的初始精度。影响精度保持性的因素有：1) 耐磨性。耐磨性与导轨的材料、硬度和摩擦表面的情况有关，还与导轨副的材料匹配有关。2) 导轨的结构和截面形状（磨损后能否自动补偿且调整很方便)。3) 润滑状况好坏。4) 防护装置的好坏。 （5） 运动的平稳性和灵敏度要保证在低速运动时微量运动时不产生爬行，能实现要求的定位精度。影响运动平稳性和灵敏度的因素有：1) 导轨面的磨擦特性(与导轨的材料，类型及润滑状态有关)。2) 传动系统的刚度。3) 负载情况。 （6） 其它：1) 结构简单可靠。2) 工艺性好。3) 维修方便。4) 价格合理。CCD测量仪是是用于检测微小零件表面质量情况的，因此对工作台的移动距离没有非常严格的限制，即对导轨的导向精度及精度的保持性要求不是高。如此，对导轨的摩擦特性、润滑、表面加工质量的要求也随之降低。 （7） 跨距的确定跨距是指两条导轨之间的距离。适当加大跨距可以提高刚度。导轨跨距的可用范围是比较大的。一般应考虑其移动部件所采用传动件安装所须尺寸及导轨所受倾覆力矩等因素，再参考类似设备决定。本设计中，由于导轨横向结构都是对称结构，所以在延导轨横向倾覆力矩较小。则导轨跨距可按测量工作台的各传动部件安装尺寸来设计。 （8） 导轨截面尺寸的确定根据比压值来选定滑动导轨宽度。初选宽度15mm，后经过计算对其进行校核（计算过程见2.5.8）。如抗压能力不足够则将宽度值加大。其它尺寸由测量仪的结构尺寸而定。 （9） 导轨的长度导轨的长度主要决定于移动部件长度、要求移动的距离和对刚度及维护的要求。动导轨的长度一般做成和移动部件的长度一样。（支承导轨的长度根据不同情况而定）CCD测量仪承受的载荷不大，精度要求也不高，刚度可以低些，则支承导轨可做成移动导轨和移动距离之差的长度（式24）。此时导轨不会外露，防护好。 （10） 轨材料的选择导轨的常用材料有：铸铁、钢、有色金属、塑料、耐磨涂料等。导轨材料的选择过程：长导轨（动导轨）采用淬硬的HT200作基体，表面粘贴聚四氟乙烯软带；短导轨（支承导轨）采用淬硬的HT200。选用铸铁的原因： 铸铁(特别是灰铸铁)是一种成本很低的材料，因此各种机械设备及仪器都用它来制造支承件和运动部件(如机座、机架、工作台等)。 有良好的耐磨性，它所含的石墨细片能起润滑作用。有比钢还要好的抗振性，很适于做导轨。它易于铸造和切削加工。 将导轨和机座等做成一体，用同一材料，工艺简单。而淬硬的铸铁可以提高其耐磨性。选用塑料的原因： 耐磨性好，摩擦系数低，动静摩擦系数差小，能在液体或无润滑条件下工作。 有良好的对异物的嵌藏性，极细小的磨粒掉人能被埋人塑料内，可减小对金属面的磨损。 化学稳定性好，耐腐蚀。 吸振性好。 加工成型工艺性好。成本低。而聚四氟乙烯软带与铸铁相配时，动静摩擦系数差很小，低速时无爬行。这种软带用粘结剂固定在导轨上，很方便。已用于多种设备。2.2 滚珠丝杠的选择与计算滚珠丝杠是智能自动化设备的关键执行部件。随着制成产品的精度要求不断提高，大大推动了工作母机的发展,使愈来愈多的设备制造厂采用CNC技术，将传动方式由T型丝杠、皮带、链条等改由滚珠丝杠来实现。滚珠丝杠轴承为适应各种用途，提供了标准化种类繁多的产品，广泛应用于机床。循环导管式、循环器式、端盖式是滚珠丝杠主要的循环方式。根据一定的用途选择对应的预压方式，其中预压方式包括定位预压（双螺母方式、位预压方式）、定压预压。丝杠一共有两种，一种是精密滚珠丝杠（从CO-C7分为6个精度等级）由高精度研磨加工而成，一种是冷轧滚珠丝杠轴承（从C7-C10分为3个精度等级）由高精度的冷轧加工而成。另外，为应付用户急需交货的情况，还有已对轴端部进行了加工的成品，可自由对轴端部进行追加工的半成品及冷轧滚珠丝杠轴承。作为此轴承的周边零部件，在使用所必要的丝杠支撑单元、螺母支座、锁紧螺母等也已被标准化了，可供用户选择使用。滚珠丝杠轴承以多年来所累积制品技术为基础，从材料、热外理、制造、检查至出货，都是以严谨的品保制度来加以管理，因此具有高信赖性。本设计选用的是冷轧丝杠。采用冷加工工艺制作的称为冷轧丝杠（如图2-2所示为冷轧丝杠设备）。它具有耗材少，加工成本低，生产效率高，加工周期短，容易实现量产的特点。因此它比研磨的丝杠在价格方面更具有竞争力。尤其是丝杠的长径比系数超过五十分之一时，其优势更加明显。滚珠丝杠的精度指标有多项。其中同轴度与径向跳动是两个特别重要的参数。径向跳动主要体现在轴承安装的位置和螺母安装的位置。径跳公差越小，轴承座与螺母之间的同轴度就越小。另一方面，工作母机中使用滚珠丝杠时，保持由螺母预压（预紧力）产生的可重复往返运动转矩的容许误差。而这个误差只与滚道的圆柱度相关。螺母在运动中会因为过量的直径误差而或松或紧。丝杠的圆柱度和滚道直径的一致性共同决定着轧制丝杠的扭矩。但是过去的冷轧设备及工艺水准很难实现这个目标值。因为旧式的冷轧设备只采用了一套可移动的轧丝模和一套固定的轧丝模（见图A），在碾轧过程中，丝杠的中轴会随着轧丝模的移动而偏移，从而造成丝杠中轴线偏差。如果单想靠提高机械性能来克服这一点，是很难实现的。在冷轧丝杠的圆柱度和滚道的直径一致性问题上，欧洲在近十几年来利用研发 的一类新型的冷轧设备很好的解决了这个问题。它使一套可移动的扎丝模的旧式的冷轧设备时代已经过去，使两套扎丝模都可以移动从而提高了冷轧设备的机械性能，不仅如此，它还引入了CNC技术和传感技术（见图B），利用CNC控制着两套可移动的轧丝模。每只轧丝模被精度达到微米级的交流驱动器控制，为了决定每只轧丝模的位置，CNC又控制每一个驱动器。在碾轧过程中，适时调整每只轧丝模的进给位置只需要通过传感系统跟踪丝杠中轴变量，从而使轧机能始终保持丝杠的中轴线。 图2-2 冷轧丝杠设备经测试，精密碾轧制程可以使丝杠一致地保持在以下公差范围内：300mm内可容许行程误差介于0.008mm0.013mm。有效行程内的行程误差在4m有效行程的情况下是0.062mm。同轴度或是径向跳动在0.008mm。滚道圆柱度在0.003mm0.008mm。滚道圆度在0.003mm0.006mm。表2-1 滚珠丝杠的精度等级过去的人们认为，研磨的丝杠的精度是高于冷轧丝杠的。这样的说法并不稳妥。滚动部件行业在中国加入WTO后产品的标准逐步和国际ISO标准接轨后对判定滚珠丝杠精度等级的标准衡量这方面做的不错。即使国家标准已经有三四十年没有修订过，但是各个企业的标准差不多都采用ISO标准。因此，在选择滚珠丝杠的时侯，要精准地表达出使用的标准（精度等级）。值得注意的是，预压是滚珠丝杠中和丝杠精度、电机功率、寿命、载荷、噪音、运动速度等参数都有关系的一个重要的指标，而我们的的工作实践中，用户经常会在订货的时候忘记在图纸技术栏标注预压参数，对此我们有必要提醒用户。（1）预压（Fp）的计算公式： 1）当最大的轴向工作载荷Fmax确定时Fp= 1/3 Fmax 2）当最大的轴向工作载荷未能确定时 Fp=Ca （Ca表示额定动载荷，可在手册中检索）表2-2 值参数表 （2）基准扭矩的计算公式： Tp 基准扭矩 (N.mm) 螺旋角度 Fao 预压负荷 (N) 导程 (mm)其次是螺母与丝杠的间隙。过去的人们在处理间隙时，一般采用双螺母结构。它的优点是依靠调整两只螺母中间的垫片厚度将螺母推向两侧以消除间隙或螺母与丝杠配合的松紧度（见图2-3中的图A）。对于单螺母的调隙方法是：调整螺母体内钢球直径大小。这种换钢球调隙量是很微小的。最大调整量是在0.02mm。钢球的大小会影响球体与丝杠滚道圆弧的配合，如果一味的增大或者减小钢球直径将会导致运行不顺畅或运动不柔顺现象。除此之外，还可以采用变位导程的方法来进行消隙，变位导程消隙方式与双螺母预紧片方式相似（见图2-3中的图B）。另外还有多种消除间隙的方式，在此不一一列举。）图A 双螺母调隙 图B 变位导程消隙方式 图2-3 丝杠的预紧方式已知：平均工作载荷，丝杠工作长度L=200mm，平均转速，最大转速，使用寿命，左右丝杠材料CrWMn钢，滚道硬度为5862HRC，导程误差，全行程。 （1）求计算载荷根据已知条件，查表331取=1.0（无冲击平稳运行），查表341取，取2级精度，查表351取。由式331，得 （2）计算额定动载荷计算值由式341得（3）根据选择滚珠丝杠 选用南京工艺装配厂的产品，按滚珠丝杠副的额定动载荷等于或略大于的原则，选以下规格： 规格：SFK1604，=998N 同时得丝杠副数据如下： 公称直径；导程;滚珠直径；丝杠内径；计算螺旋角。（4）稳定性验算 1）本设计中丝杠的固定采用一端固定一端游动的方式。由于仅于一端固定的长丝杠在工作中可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠传动结构允许的安全系数S。 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷，并按下式计算 式中： 丝杠材料的拉弹性模量，对于钢，； 丝杠的工作长度（）； 丝杠危险截面的轴惯性矩，； 长度系数，见表5142。由已知1 取，则由5-552得安全系数。对于传导丝杠，所以丝杠不会失稳。2） 由于丝杠的转速不高，因此不必验算其临界转速。3） 此外滚珠丝杠副还受值的限制，通常要求。所以该丝杠副工作稳定。4） 刚度验算滚珠丝杠在工作负载和转矩共同作用下,所引起每一导程的变形量为 式中： “”用于拉伸时，“-”用于压缩时 丝杠的最小横截面积； 丝杠的底径的抗弯截面惯性矩； 钢的弹性模量； 转矩 式中： 摩擦角，其正切值为摩擦系数； 平均工作负载；本设计取摩擦系数为，则得。按最不利的情况取，则 丝杠在内的弹性变形所引起的导程误差为 在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为所以该丝杠的刚度满足要求。6） 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为要求在90%95%之间，所以该丝杠副合格。2.3 轴承的选择（1） 径向、轴向载荷均存在，但不大。其中轴向载荷为双向载荷。可选用圆锥滚子轴承和角接触球轴承。（2） 轴承的转速平均转速较低，最大转速为1000r/min，旋转精度较高。可选用球轴承。（3） 支撑限位要求一端固定，一端游动。固定端选用的轴承须能承受双向轴向载荷。游动端选用承受纯径向载荷的轴承。（4） 轴承的调心能力 工作台结构不需要有调心能力的轴承。（5） 轴承的安装和拆卸工作台的轴承一般情况不拆卸。不必选择内外圈可分离的轴承。（6） 轴承的经济性一般球轴承比滚子轴承的价格低，深沟球轴承价格最低。可选用球轴承。综上，选择深沟球轴承和角接触球轴承。其中固定端为一对面对面的角接触球轴承，用以承受双向轴向力和径向力；游动端为一深沟球轴承，用以承受径向力。且轴承及轴承座选择HSK公司生产的EK12（固定侧）及EF12（游动侧）丝杠支撑座。2.4 步进电机的单片机控制 （1） 电路的选择 方法一：使用多个功率放大器件驱动电机通过使用不同的参数器件和放大电路，就可以达到不同的放大要求，从而使得放大后能够得到较大的功率。由于使用的是三相的步进电机，所以就需要对三路信号进行分别放大。但是由于电路制作起来比较复杂，点击的功率较大时运行起来会不稳定，所以放大电路很难做到完全一致。方法二：高低压驱动电路图2-4是一个L0绕组的高低压驱动电路，脉冲变压器Tp组成高压控制电路。 无脉冲输入时，T1,T2,T3,T4均截止，电机绕组La中无电流通过，电机不转。 有脉冲输入时，T1,T2,T3,T4饱和导通，电机绕组T2由截止到饱和导通期间，其集电极电流也就是脉冲变压器的初级电流急速增加，在变压器次级感生一个电压，使T3导通，80V高电压经高压管T3加到绕组La上，使电流迅速上升，约经数百微秒，当T2进入稳压状态后。Tp初级电流暂时稳定，次级的感应电压降到0，T3截止，这时12V低压电流经D2加到绕组La上，维持La中的电流为恒定值。输入脉冲后，T1，T2，T3，T4又均截止，储存在La中的能量通过18欧的电阻和二极管泄放，18欧的电阻的作用是减小放电回路的时间常数，改善电流波形后沿。 图2-4 高低压驱动电路通过比较，使用高低压驱动电路能稳定地驱动步进电机，发挥其功能，而且价格适宜，故选用高低压驱动电路。 （2） 数码管显示电路的设计方案一：串行接法设计中要显示4位数字，用74LS164作为显示驱动，其中带锁存，使用串行接法可以节约IO口资源，但要使用SIO，发送数据时容易控制。 方案二：并行接法使用并行接法时要对每个数码管用IO口单独输入数据，占用资源较多。由于设计中用一块单片机进行控制，资源有限，选择了方案一。另外，使用锁存也起到节约资源的作用。2.5 步进电机控制原理因为步进电机是给多少脉冲信号步进电动机就转动多少角度的角位移的数字控制电机，所以它特别适用于单片机控制。步进电机又可以分为几类，有简称VR的反应式步进电机、简称PM的永磁式步进电机以及简称HB的混合式步进电机。步进电机是被输入的脉冲信号控制，这是它与别的控制电机最大的不同之处，简单解释就是电机的转过的总角度取决于输入的脉冲数，而电机转速的大小取决于脉冲信号的频率。步进电机中由单片机产生控制信号以此来驱动电路。它的基本原理作用如下：(1) 控制换相顺序脉冲分配是通电换相中的一过程。比如：三相步进电机的三拍工作方式，其各相通电顺序为A-B-C-A,通电控制脉冲需要照着A-B-C-A这样的各相的通电顺序来分开掌控A,B,C,A相的接通和断开。(2)控制步进电机的转向如果给定工作方式正序换相通电，步进电机正转，如果按反序通电换相，则电机就反转。(3)控制步进电机的速度如果发给步进电机一个控制脉冲，它就转一步，再发一个脉冲，它会再转一步。两个脉冲的间隔越短1，步进电机就转得越快。这样我们就可以通过调整单片机发出的脉冲频率，从而达到对步进电动机转速大小的改变。2.5.1 理论设计综和以上选取的方案，总的流程如图2-5所示。图2-5 控制电路流程图 （1）步进电机驱动电路通过L298N构成步进电机的驱动电路,电路图如图2-6所示。通过单片机SPCE061A的IOB8IOB13对L298N的IN1IN4口和ENA、ENB口发送方波脉冲信号，起止时序图如图2-7所示。图2-6 L298N芯片图2-7 时序图（2）数码管显示电路的设计如2-8所示为数码管的显示驱动使用74LS164，通过SPCE061A的IOB0和IOB1口对DATA和CLK发送数据。图2-8 数码管显示电路（3）4x4键盘电路在设计中，使用了标准的4x4键盘，其电路图如图2-9所示。单片机的A口低8位为键盘的接口。尽管设计要求中只需要4个键对步进电机的状态进行控制，但考虑到对控制功能的扩展，我们使用了4x4的键盘。图2-9 4x4键盘电路2.5.2 程序设计在进行程序设计的过程中，主要分为五个部分：双机通讯、语音报数、数字显示、步进电机驱动、键盘；其中双机通讯的实现和语音报时比较有特点，将其流程简要介绍如下，其他部分见附的程序。（1） 双机通讯我们在实现双机通讯的过程中使用了“三次握手”的方式，这是Intle网中已用的数据通讯确认协议，其流程图如图2-10所示图2-10 双机通讯示意图(2)语音报数程序设计中语音报数使用的是SACMA2000，考虑到程序比较简单，首先使用了自动报数方式，但发现不能进行连续报数，于是使用了非自动方式，流程图如图2-11所示。图2-11 语音报数流程图2.6 步进电机的设计计算初选电机75BF003三相反应式步进电机最大静转矩为0.882Nm，转子惯量为 ，步距角，采用六拍方式工作，丝杆直径为18，导程4，长度200，工作台质量：X向10，Y向5，Z向5，导轨摩擦系数为0.25，最大轴向负载100。要求：系统脉冲当量0.005/脉冲，空载启动时间不大于25，最大移动速度0.6。 （根据以上参数对系统进行设计并对电机负载能力进行校核）确定传动比：由式2694得式中:步进电动机的步距角（） 滚珠丝杠的基本导程（mm） 执行部件的脉冲当量（mm）（齿轮的齿数，及模数见齿轮设计计算）惯量匹配验算：由式2634计算齿轮及丝杆的转动惯量折算到电机轴上的当量负载惯量为 由2-674得 满足惯量匹配的要求。（）对于Y向： 则同样满足惯量匹配的要求。（）对于Z向： 则同样满足惯量匹配的要求（）。步进电机负载能力校核电机轴上的总的惯量为：X向：Y向：Z向：因为X，Y，Z向的步进电机型号相同，故取，,中最大者进行计算即可。取则 （为传动链总效率） （为预紧力，可取1/3最大轴向力；为丝杆预紧前的传动效率，可取0.9）则空载启动时 连续运行时 所以 可见，均满足所选步进电机最大静转矩的要求，选择的步进电机可以按要求工作。 第3章 计算机控制系统设计数控系统基本硬件组成：任何一个数控系统都由硬件与软件两部分组成。硬件电路的可靠性直接影响到数控系统的性能指标。概括一下数控系统硬件电路的组成，它是以下三部分组成：（1） CPU：中央处理单元。（2） 存储器：包含只读可编程存储器和随机读写数据存储器。、（3） 接口。CPU是该系统的核心。其作用是发布命令以协调各部分电路正常工作，存储器用于存放系统软件以及运行过程中的各种数据，I/O接口是系统与外界进行信息交换的桥梁。根据数控系统的要求配备一些外围设备，和信号变换电路。三总线则是CPU与存储器、接口以及其它各种转换电路联接的纽带，是CPU于各部分电路进行信息交换和通讯的必由之路。其余部分并非所有数控系统都具备。通常，CPU通过I/O接口可连接的人机交换外设是键盘、打印机、磁带纪录仪等通讯接口；信号变换是A/D转换、D/A转换、光电隔离、功率放大等，是实现微机和控制对象之间的信号匹配与转换的中间电路。这两部分可根据控制系统的要求选取。3.1 主控制器CPU的选择微机应用系统中，选取CPU时应考虑以下几个方面：（1） 时钟频率与字长（控制且影响着数据处理的快慢）。（2） 可扩展存储器（ROM/RAM）的容量。（3） 指令系统功能是否强（即编程灵活性）。（4） I/O口扩展的能力（即对外设的控制能力）。（5） 开发手段（包含开发软件的基础，即硬件电路）。除此之外，还应该依据系统的应用场合、控制对象及对各种参数要求选择CPU。16位机CPU芯片在目前的数控系统中我们常用的有8086、8088、80286、80386、以及8098、和8096等，8位机CPU芯片包含8080、Z80和8051、8051、8751等。但从性能价格比上，其中MCS-51系列单片机中的8051被我们初步采用作为主控制器。该系列产品是性价比很高的控制器，它把CPU、I/O端口和部分RAM等集中整体化。只需增加少量外围器件，就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强，变成灵活性大，硬件资料也很丰富。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少许差异。可以说8051是没有ROM的8051，而8751又是用EPROM代替ROM的8051。目前，工业控制中应用最多的是8051单片机。下面介绍8051单片机的基本性能。8051单片机的基本特性：（1） 具有8位中央处理单元（CPU）（2） 片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz），每执行一条指令时间为2s或1s。（3） 具有128字节RAM.（4） 具有21个特殊功能寄存器。（5） 可寻址64k字节的外部数据存储器和64k字节的外部程序存储器。（6） 具有4个I/O端口、32根I/O线。（7） 具有两个16位定时器/计数器。（8） 具有5个中断源，配备两个优先级。（9） 具有一个全双功串行接口。（10） 具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可知，一块8051的功能几乎相当于一块Z80CPU、一块RAM、一块Z80、两块Z80PIO和一块Z80SIO所组成的微型计算机系统。3.2 存储器电路的扩展 3.2.1 程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片，其型号分别为：2716、2764、2764、27128、27256等，其容量分别位2k、4k、8k、16k、32k。在选择芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配。即8051所能读取的时间必须大于EPROM多要求的读取时间。此外，还要考虑最大读出速度、工作温度计存储器的容量。在满足容量要求是应尽量选择大容量芯片、以减少芯片数量，是系统简化。在本系统中，我们拟采用2764作为扩展芯片。在选择芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配。即8051所能读取的时间必须大于EPROM所要求的时间。此外，还需考虑最大读出速度，工作温度及存储器的容量。在满足要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量，使系统简化。本控制电路中选用2764存储芯片。单片机规定口提供低8位地址线，同时又要做数据线，所以为分时输出低8位地址和数据的通道口。为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提供低8位地址信息，一般采用74LS373作为地址锁存器，并由CPU发出地址允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。 程序存储器的扩展电路见电气原理图。 2764中低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8051口相联。当地址锁存允许信号ALE为高电平，则口输出地址有效。8位数据线直接与8051口相联；高5位地址线分别与相联；引脚直接同8051引脚相联。片选信号则是8051通过译码电路与之相联，当为低电平时，选同2764。由于8051只能选通外部程序存储器，因而其引脚接地。2764与8051主要是三总线的联接。2764中的低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8051P0口相联。当地址锁存允许信号ALE位高电平，则P0口输出地址有效。8位数据线直接与8051 P0口相联；高5位地址线分别与P2.0P2.4相联，OE引脚直接同8051PSEN引脚相联，片选信号CE接地，以便总能选中。由于8051只能选通外部程序存储器，因而其EA引脚接地。 3.2.2 数据存储器的扩展由于8051内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的要求，须扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116和6264静态RAM数据存储器，其选用的规则与EPROM程序存储器的要求相同。本系统拟采用6264芯片作为数据存储器的外扩芯片。6264低8位地址线通过地址锁存器74LS373与8051 P0口相接，高5位地址线分别与P2.0P2.4相联，8位数据线直接接至8051 P0口，读写控制引脚OE、WE与8051的读写控制引脚RD、WR直接相联，片选端CE1通过译码电路与8051相联。3.3 I/O口电路的扩展3.3.1 并行口的扩展8051单片机共有四个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此在大部分应用系统中都不可避免地要进行I/O口的扩展。通用可编程接口芯片8155具有2k位的静态RAM、2个8位和一个6位的可编程并行I/O口、一个14位的计数器。由于8155与单片机的接口简单，是单片机系统广泛使用的芯片。8155与8051的联接可归结为三
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