长度尺寸测量装置

1、目录第1章绪论1.111第2章开放式数控系统42.1开放式数控系统概述42.2开放式数控系统的特征42.3我国开放式数控系统的开展概括第3章伺服系统设计1313133.2确定伺服进给系统的数字模型3.3步进电机的选择14步进电机概述1618第4章机械传动局部设计19切削力的计算19 20222325421切削力的计算25262829第5章控制系统硬件设计3232硬件电路组成323233单片机简介3334第6章控制系统软件设计4040子程序结构404041直线插补原理41结论34致谢35参考文献36第1章绪论1 . 1数控机床的产生与开展过程1. 1. 1计算机促进了数控机床的开展20世纪最伟大

2、的发明之一一一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。 随着计算机的开展，数控机床也得到迅速的开展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动与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、自动检测以与精细机械等技术的最新成果而迅速开展，这种开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。1. 1. 2数控机床的产生与开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

3、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开展，数控机床不断更新换代。第一代数控机床:1952年至1959年，采用电子管元件。第二代数控机床:1959年开始,采用晶体管元件。第三代数控机床:1965年开始,采用集成电路。第四代数控机床:1970年开始,采用大规模集成电路与小型通用计算机。第五代数控机床: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数量和质量目前我国以来，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, 方面都得到迅速开展。从198

4、6年开始，我国数控机床开始进入国际市场。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。1 . 2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，以与刀具选择交换，工件装夹和冷却润滑的开关动作， 使刀具与被加工零件以与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展工作，从而达到加工出符合要求的零件的目的。数 控 程 序数 控-系 统伺服系统机 床 本 体

5、图1.1 数控机床的组成1 . 3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局部组成。其组成框图如图1.2所示控制介质数控装置伺服系统机床1111111111 _ _测量装置11_-J图1.2 数控机床的组成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，它的功能是承受输入装置输入的加工信息， 经过数控装置的系统 软件对代码进展处理后，输出相应的指令脉冲，驱动伺服系统，来控制机床的各个运 动部件按规定的要某某现各个动

6、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 局部。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 运动外表的摩擦系数要小、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

7、际位置、速度等参数，转换成电信号，反响回数控装置，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。1 . 4经济型数控机床的特点以与主要功能经济型数控机床就是指价格低廉， 操作使用方便，比拟适合我国国情的，在普通 机床上加装数控系统的高级自动化机床。1. 4. 1经济型数控机床的特点1价格廉价，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 统如此需十几至几十万元。应此，它特别适合对国内企业现有普通机床进展改造。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，提高的工效如

8、此越多。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，降低本钱。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与应用。为由“体力型向“智 能型转变创造条件。1. 4. 2经济型数控车床的主要功能1能控制刀具的位移方向、位移长度与走刀速度。加工程序的位移长度以十进制 数输入。2可控制车削端面

9、、内外圆柱面、任意锥面、球面与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、圆锥螺纹与多头螺纹。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

10、能10具有自动循环加工功能，并可进展计数。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。第2章开放式数控系统2. 1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开展已日趋 完善，已由最初的硬件数控NC，经过计算机数控C，开展到今天以微型计算机 为根底的数控MNC、直接数控DNC和柔性制造系统FMS等，现在正朝着更高 的水平开展。但随着市场全球化的开展，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

11、，它越来越不能满足市场开展的需要。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难进展升级和进一步开发；4专用封闭式数控系统的开展一般滞后 5年左右，在计算机技术迅猛开展的今 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开展，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。2. 2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

12、， 但一般认为开放式数控系统 应具有如下特征：1采用分布式控制原如此，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、机床厂与最终用户都可以很容 易的把一些专用功能和其它有个性的模块进展独立开发，为此要有方便的支撑工具， 控制程序设计按系统一一子系统一一模块三级进展，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、可扩大的软硬件控制系统。2. 3我国开放式数

13、控系统的开展概况我国在“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型两个根本系统平台与系列产品，并利用根本系 统发挥我国的软件优势，实施平台战略，开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，作为普与型推向市场，并以此为根底与通用 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

14、今后的开展奠定了根 底；蓝天是在原7500系列的根底上，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 C系统的软硬件结构与性能特点。2. 3. 1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航空航天大学等单位共同承当的国家攻关成果，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

15、、冲床与其它专用机床。2. 3. 1. 1主要技术特点132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；4DOS系统可进展各类文档、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

16、控制；9可与国内外AC DC伺服与主轴连接，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2. 3. 2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， 降低本钱。2. 3. 3航天数控系统平台航天数控系统平台是具有我国自主的开放式数控系统。它是以PC机的体系结构为根底构成的开放式数控系统的平台，如图1-3所示。既可

17、以依据此系统平台直接构 成单机数控系统，如CASNUC90系列，也可以利用此系统平台为根底，与通用PC机互联构成多机或分布式数控系统，如 CASNUC91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，实施平台战略开展数控技 术奠定了根底。航天数控系统平台的根本特征是：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：1MB32MB4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

18、替硬磁盘；7系统平台以高速通信支持系统进线、联网功能。图1-3单机数控系统平台图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CASNUC90的根底上

19、，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;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。2. 3. 4蓝天系列C系统1990年9月，中国科学院某某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

20、高档数控系统的新阶段。2. 3. 4. 1蓝天系列高档C硬件系统硬件系统见图1-5丨采用面向总线的多CPU吉构，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-Bus4编码器旋变/同步感应CRT键盘反响接口开关I/O模拟I/O操作员面板8088接口接口6848， 9749， 8031图1-5 基于LT总线的蓝天C多CPU系统结构多种CPU模板：SYS CPI模板一X86/X87处理器；NC CPI模板一X86/X87或RISCR3000/R3031处理器；PM（模板一X86/X87处理器；模板一80186处理器缩小化设计：所有模

21、板采用多种、多片大规模集成电路ASICFPGA EPLD芯片，并采用插件式高密度硅盘。标准接口：多路多种位置反响模板编码器反响模板、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 RS-232/RS 422、ETHERNE网卡。蓝天系列高档C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存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的根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 C系统而言是一 种较成功的机构形式。SYS CPU80-486 DX 2/664MB3NC/CPU

22、RISC3000/3031或 386DX1总线数 据通信同 步 感 应 器.总线A/DD/A2图1-6 蓝天高档C开放式系统结构2. 3. 4. 2蓝天系列高档C软件系统自行研制的蓝天系列高档C软件系统取得了我国第一个高档数控软件MC/TCV2.0自主。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 有如下根本体系结构内容：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；虚拟机械功能多过程一多插补器 /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

23、工艺与其集 成化；多过程、多轴联动、多轴控制、根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；蓝天系列高档C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一多插补器多轴联动一多轴控制机制。这一特点使蓝 天系列高档C进入了国际高档C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+MM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；为 通信网络。软件键盘AN1CRT操作员面板标准I/OItifllA IM

24、I HI MI IIIKLUII III INI IIU Hill IdllKail 11H 11K I Ml >11 M I I MI J I Bl I lllaBIII IMI I I MI d I 11I M H I IM H11 Mil I 0 d MH 111,I I HI i IM1 Jll IBJI III J-llllllli IBIIIfiail.llIBMIlS, MHP-P轴1 1b 11IINC1r PMCF图1-8蓝天系列高档C软件系统功能结构第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c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

25、寸。测量X围010 0 mm。测量误差不大于。测量装置带数字显示3. 1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响的系统。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：冲进展工作，而对执行的结果，即移动部件的实际位移，不进展检测和反响。3.2确定伺服进给系统的数学模型输入为马达的转角B M,输出为工作台的位移XlJ d2XLJL 丁f dXL f L dtKlXlGL(s)= Xl SSM(s)27 S222 un n

26、Sn有频率;'L,为机械系统的阻尼比2、JlKlS丝杠导程，cm fL-折算到丝杠轴上的导轨粘性阻尼系数kl-折算到丝杠轴上的传动装置的总刚度,N -cm/radJl折算到丝杠轴上的总转动惯量，n cms2-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、步进电动机与其开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、控制技术以与电动机本体的开展和变化，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

27、磁状态就前进一定角度， 假如不改变励 磁状态如此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x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根本的电磁铁作用，其源始模型起源于1830年至I860年间。在20世纪60年代后期，随着永磁材料的开展，各种实用型的步进电动 机应运而生，半导体的开展使得步进电机得 _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，其开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 结构三相反响式步进电动机

28、为主：第二阶段，70年代初期反映在步进电机的生产和研究开展到了一个较水平：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与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局部组成：步进电动机本体、步进电动机控制器与步进电动机驱动 器。其特点如下：1）用数字信号直接进展开环控制，整个系统简单廉价。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X围大，停止时可

29、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：旋转电动机包括反响式步进电动机 （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型与HB型：下面分别介绍几 种典型性的步进电机的结构：1 . HB型步进电动机的结构HB型步进电机有四局部组成：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

30、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：I）加强电机刚度2）保护电机3）构成定子铁心的局部电路，机盖一般为圆筒形，外表一般作防秀处理。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。2 . vR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。3 . PM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 用氧化铁和铝镍钻居多。4 . PM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局部组成。其定子铁心形成主磁路， 相当

31、于旋转型的电动机的定子铁心在一维空间展开。.3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：反响式、永磁式、混合式和直线式四大类a下面以三相反响式步进电机为例，简要说 明步进电机的根本工作原理 a三相反响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

32、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。三相反响式步进电动机有 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I /3齿距：C相极下定子齿的轴线，沿 ABC方向超前转子齿的轴线2/3齿距。在A相断电的同时，给B相通电，如此磁场空间转过了 I20。，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

33、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 通电如此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，三相反响式步进电动机可以按照三相单三拍方式 运行(A B C A)，每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过 I20。，转子转过I /3齿距；也可以以三相双三拍方式(AB Bc cA AB-)运行，每改变一次通电状态 电动机内磁场轴线转过 I20。，转子转过I /6齿距：也可采用三相六拍方式 (A AB B BC C CAA

34、)运行，每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过60。，转子转过I /6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。假如用m表示运行拍数，z表示转子齿数，如此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，如此：=360°/fri>Z *通电方式，一样时为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(r /rain)，f表示控制脉冲的频率，0表示步距角如此步进电机转速计算 公式为门二> / 6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

35、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=360 ° Amz *2 .齿距角s相邻两齿中心线的夹角，通常转子和定子具有一样的齿距角。齿距角0s=360 ° /Zr3 .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3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

36、角可按下式计算：=360°/mmk &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）静态步距角误差厶空载时，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

37、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咼频率称为空载 起动频率。在有负载的情况下，不失步所允许的最咼频率将大大降低。 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一一频特 性曲线X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-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

38、当量第4章机械传动局部设计机械局部设计内容包括：传动元件的设计计算与选用，运动部件的惯性计算，步 进电机的选择等。4. 1纵向进给系统的设计计算条件：作台重量：W=80kgf=800N时间常数：T=25ms滚珠丝杠根本导程：L 0=8mm快速进给速度： V max=6m/mi n脉冲当量=/脉冲4. 1. 1切削力计算查?机床设计手册？可知,切削功率：PC=Pn K式中P电机功率,C620型车床P=7.5KWn主传动系统总效率,一般为0.75-0.85,取n =0.8 ;K 进给系统功率系数,取K=0.96。如此PcXX此处省略NNNNNNNNNNNNNNNN3步进电机的最高工作频率lOOOV

39、maxmax =601000 660 0.005NNNNN字20000 HZ根据计算综合考虑,查表选用DYM1-B1C型电液脉冲液压马达第5章控制系统硬件设计5.1 硬件控制电路的组成从1974年微处理机问世以后，微处理机为根底的微型计算机数控(MNC取代了小型计算机数控。现在所说的(MNC即C装置，其主要分为两种形式：一种是单个CPU组成的控制系统，另一种是由两个或两个以上的 CPI组成的多微处理器系统。长度尺 寸测量装置机床大多数采用一个 CPU完成机床的控制。5. 硬件电路的组成长度尺寸测量装置机床由一个 8031单片机、一个74LS373地址锁存器、一个74LSI38 地址译码器两个2

40、764EPRO存储器、两个8155接口芯片、光电各电路、功率放大电 路、Z向电机和x向电机等组成。5.电路图信号流程分析长度尺寸测量装置机床依靠输入的程序指令来实现对零件进展各种形状的加工，各种指令在计算机中是以信号的形式存在的；下面就简要分析一下长度尺寸测量装置 机床的电路图的信号流程：一、信号的采集本电路的信号采集有两个地方：l)BCD拨码盘。此拨码盘与8031(1)的PA口和PB 口 相连，在此拨码盘上输入每条指令对应的二进制代码后，即可完成信息的采集。2)计算机键盘，在键盘上分别输入各条指令的助记符， 计算机会根据键盘上输入的字符 扑做相应的二进制代码信息，然后进展传送、处理等操作。二

41、、信号的输入当信息被输入后，就要进展信号的传输了。信号的传输通过地址线和数据线进展传输， 控制线控制相应信号的各种动作。本电路图通过8031的Pl 口和8255(2)的PC口相连的局部；信号以低电平的形式被采集，以高电平的形式被传输；因为当某一路的信 息被采集后如此相应的线路就被导通，这时，8031的Pl 口的相应位变为高电平，信 号就被传输到了 8031的Pl 口。三、信号的处理当指令信号被输入到8031后，接着就要进展信号的算术逻辑运算处理了，计算机通 过Ax进展算术逻辑运算，在控制器的控制下进展，将处理过的信号变成各种相应指 令控制计算机完成该指令的功能。同时对外界做出相应的反响，使数据

42、存储器和程序 存储器与之保持相应的协调一致。四、信号的输出。信号被处理后便可以输出了；信号的输出有两个方向：I)信号直接输入到8255(2)接口以控制x电机和Z电机做出相应的动作，从而达到加工出相应零件的目的。2)信号也可以在地址锁存允许信号 ALE的控制之下，被输入到相应的数据存储器或者数 据存储器中，以便下次调用或者程序的备份。五、单片机数控系统的电路图的特点长度尺寸测量装置机床控制系统电路图与普通机床相比拟有如下特点：1. 提高了生产效率用该系统加工零件可以降低对工件加具的要求，又免去了划线工作，可是加工镇 被时间大大减少。在加工过程中，又有较高的重复精度，节省了对零件的检验时间； 在零

43、件的改型时只需更换指令程序即可，节省了准备和调整时间。2. 采用开环控制系统采用开环控制系统可以实现对零件的准确控制，减轻劳动强度，改善劳动条件， 简化了工人的操作从而降低了对工人的加工技术水平的要求。3. 有利于产品的更新换代在产品的更新换代时只需更换相应的加工程序即可，无需制造、更换夹具和模具，更不需用直接调整机床了。5.2 主要芯片功能介绍单片机简介8031单片机8031单片机的根本特征：8031单片机是美国INTEL公司的产品MCS 一 51单片机的一个型号，是目前性能较高的 8位单片微型计算机。8031单片机内部 包含一个8位PROG128字节的RAM两个16位定时器，4个8位并行接

44、口，一个全 双功能串行口，可扩展的外围程序存储器和俄数据存储器的容量各64K字节，具有5个中断源并配有两个优先级，还有 21个特殊功能存放器。管脚功能与使用特性8031单片机是一个有40根引脚的双列直插式器件，引脚图如图 3-1，其引脚功 能说明如下：WOolsl-4i5-.L- T t FlplplHEH円Fl商Hp.3pcps.plftFflpnKR 詡 SJF2P2II图3-1 8031单片机示意图VCC :编程和正常操作的电源电压端，电压为 +5VP0 口： 8位双向I/O 口，既是数据线，又是8位地址线，分时使用。P1 口： 8位双向I/O 口，专供用户使用，此处为技术人员进展数据输

45、入 端口与结果的输出端口P2 口： 8位双向I /O 口，系统外围存储器扩展时，律高 8位地址线使用, 系统不需要扩展时，也可以供用户使用。P3 口： 8位双向I /O口，是一个双功能口，第一功能和 Pl 口一样可以 作为通用i /o 口，工作于第二共猛士，各端口的定义如下：P3 . O-RXD，串行输入；P3 . 1-TXD，串行输出；P3 . 2-INT0，外围中断输入；P3 . 3-INTI ，外围中断输入；P3 . 4-T0，定时器0外围输入端；P3 . 5-TI ，定时器I外围输入端；P3 . 6-WR，写信号;P3 . 7-RD，读信号；ALE /PROG访问外围存储器时，用于锁存

46、地址低 8位字节地址锁存允许输出。ALE提供一个定时信号，在外为存储器存取数据时把P0 口的低位地址字节锁存到外界的锁存器中。这个引脚也是 EPRO编程时的编程脉冲输入端(PROG。PSEN :程序锁存允许输出，是外围程序存储器的读选通信号。EA /VPP EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平时CPU 执行外部承袭存储器的指令。使用 8031单片机时，EA必须接地。XTALl :振荡器的反向放大器输入，使用外部振荡器时必须接地；XTAL2 :振荡器的反向放大器输出，使用外围振荡器时，接收外围振荡信号；RESET /VPD复位控制信号，在振荡器运行时，使RESE脚至少保持

47、两个机器周 期为高电平时，可实现复位操作。在电源关断之前加上掉电保护电路，RAM勺内容将不会丢失。2、存储器扩展电路8031单片机没治师28字节的RAM没有ROM机床数控系统需要的程序存储器和数 据存储器的容量较大，必须外接程序存储器 (EPROM和数据存储器(RAM芯片。(1) 程序存储器的扩展常用的EPROI存储器有：2716、2732、2764、27128、27256等，其容量分别为： 2K、“、8 K、16K、32K。该系统使用的芯片是 2764。(I) 2764 芯片介绍2764芯片是一种位容量为 8kbX8的EPROM它有13条地址 线(A12至AO), 8条数据引脚(D7至DO)

48、, 2个电压输入端Vpp和Vce,除此之外，还 有I个芯片允许端CE和编程脉冲控制端PGM(II) 地址锁存器74L8373如图3-2 , 74L8373是一个带三态门的8D锁存器，他作为8031外部的一个扩展 输出口；其工作原理：当8031把数据准备好后，便通过 ALE发出一个控制信号加到 373的G端，即锁存控制端，使数据锁存在 373中。1D2DJ 4 7 fiD DJDiDD D 31451斜7 剧 3 57 d1. I图3-2地址锁存器74L8373示意图单片机规定P0 口提供地8位地址线，同时又要作数据线，所以P0是一个分时输 出地8位地址和数据的通道口。为了把地址信息别离出来保存

49、，提供外界存储器的低 8位地址信息，通常采用74L8373作为地址锁存器。74L8373的引脚见图纸。1D至8D 输入端，IQ至8Q是输出端，CE是片选端选通端G与8031单片机的地址琐存信号ALE 连接。当选通端G=1时，74L8373的输出端与输入端一样，当 G端从高电平返回低电 平时，输入的地址信息就被锁入IQ至8Q中。2764EPROM程序存储器、74L8373锁存器和8031连接见图纸，2764的容量是8K 字节，故需用I3根地址线，低8位地址线和74LS373的输出端连接，高5位地址直 接与单片机8031的P2. 0至P2. 4端口直接连接。8031的地址锁存允许信号 ALE和 7

50、4LS373的选通端G连接，当ALE=1时，如此P0口输出地址有效，当 ALE=0时，P0 口可作数据通道；当ALE有高电平返回低平时，低8位地址信息被锁存到输出端lQ 至8Q存储器2764得出位数据线直接与8031的P0 口连接，2764的输出允许端直接 与8031的程序存储器允许输出端 PSEN当PSEN=0是允许取址。由于8031单片机只 能选通外围程序存储器，所以队引脚必须接地。(2) 数据存储器扩展由于单片机8031内部RAM只有128字节，不能满足系统的要求，故要扩展外围数据存储器。常用的数据存储器有6116和6264静态RAM数据存储器，其容量分别为 2K和8K字节。此长度尺寸测

51、量装置机床所用的是6264静态RAM芯片。a)6264 静态RAM芯片介绍6264引脚图见图纸，各引脚功能如下：A0 至AI2- 地址线，共13根；D1 至D8-数据线，共8根；CEI、CE2-片选信号端，选通时CEI是低电平，CE2是高电平；OE-输出允许(读)信号;WE- 写信号；VCC-+5V电源：GND-地电平.b)74LSI38 地址译码器与译码电路在单片机应用系统中， 所有外围芯片都通过总 线与单片机连接。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进展数据传送，故要进展片 选控制。假如芯片内有多个地址单元时，还要进展片内地址选择。8031单片机应用系统的地址译码规定，外围扩展芯片与数据存储

52、器统一编址， 所以外围芯片不仅占用 数据存储器一定数量的地址单元，而且要使用读/写信号与读/写指令。本数控硬件结构中采用全地址译码方式。所谓全地址译码是：低位地址作为片内地址，高位地址选通用译码器译码，译码器输出的地址选字信号作为片选线连至每个外 围芯片的片选端。译码器常用74LSl38译码器，其中G1、G2A和 G28是赋能端，A、B C是选择端，Y0至Y7是输出端，74LSl38的输入端占用了 8031单片机的P2. 5、P2. 6、P2. 7 三根高位地址线，剩余13根地址线用作数据存储器的内地址线。138译码器每一个 输出端可接8 一个外围芯片的片选端实现分时片选控制，因此，一个 13

53、8译码器的8 根输出端可以连接8个8K字节地址空问。本电路中GA GB GND接地，只要P2. 5、 P2. 6、P2. 7产生信号是就会有相应的输出片选信号。(3) 数据存储器扩展电路6264总共13根地址线，其中地8位地址线通过地址锁存器 74LS373与8031单片机的P0 口连接，高5位直接与8031的P2. 0、P2. 1、P2. 2、P2. 3、P2. 4端连接， 低8位直接与74LS373输出端连接。读写控制引脚 0E、WE与 8031的读写控制引脚RD wR直接连接，74L838的输入端C、B、A分别与8031的P2. 5P2. 7连接，而 6264的片选端CE连在138译码器

54、的Y2端，所以6264的空间地址为2000H2FFFH3 、面板操作在面板上有启/停、数/字、采集、圆/直等按钮。启/停按钮启动和停止加工程序。数/字按钮用于输入加工所需的加工程序。采集按钮用于采集模拟信息，将模拟量转化为计算机能够识别的数字量。圆/直按钮用于选择圆弧加工或者直线加工的程序。4 、与强电接口对机床的强电控制主要包括主轴电机的启动、停止、调速以与了冷却泵、液压泵等电机的起、停和刀架转位换刀操作。通常在在高压大电流条件下工作，很容易对计算机造成干扰。所以这类接口电路 有两个特征：1) 计算机输出的信号须经功率放大后才能使用。2) 为防止强电干扰，要进展严格的隔离；须加光电隔离电路。本电路采用8255(2)接口电路的PA 口并将其设置成输出方式，由80331单片机的RD WRALE控制8255(2)的电机运动，译码器138