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材料制備機(jī)械設(shè)計(jì)理論中的新趨勢(shì)和新問(wèn)題
王艾倫,段吉安,黃明輝,鐘 掘
(中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,湖南長(zhǎng)沙 410083)
摘 要: 在全面綜述材料制備機(jī)械技術(shù)及設(shè)備發(fā)展動(dòng)態(tài)的基礎(chǔ)上,提出了研究領(lǐng)域的幾個(gè)新問(wèn)題和發(fā)展方向,如通過(guò)集成和融合現(xiàn)代相關(guān)前沿科學(xué)和技術(shù)，生產(chǎn)具有超常和特殊性能的新概念材料等,并進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析和討論.
關(guān)鍵詞: 界面;超常物理場(chǎng);制備機(jī)械;功能材料
1．機(jī)械材料加工的時(shí)代背景
在人類(lèi)進(jìn)步的一段長(zhǎng)時(shí)間范圍內(nèi)，許多工具、機(jī)械和方法被提出來(lái)；不同的原料用不同的工具來(lái)加工。原料及其處理過(guò)程已經(jīng)變成了推動(dòng)人類(lèi)進(jìn)步不可缺的一部份。在當(dāng)前世界中日益激烈的競(jìng)爭(zhēng)和人們追求幸福生活的今天，物質(zhì)的功能已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了人類(lèi)現(xiàn)有的并不斷增長(zhǎng)的知識(shí)及想象。例如：神秘原料功能，半導(dǎo)體材料，原料能量有吸力的材料，在航空領(lǐng)域中占有70%份額的強(qiáng)力鋁合金4~5um的薄金屬片，用各向異性深沖壓金屬板在1%以下；電子鋁箔與強(qiáng)耐熱鋁合金已經(jīng)被應(yīng)用到航空、宇宙及深海領(lǐng)域中，等等；在原料加工加工領(lǐng)域中不同的時(shí)間段里，材料重要發(fā)展趨勢(shì)就這樣形成了：
（1）在特殊的物理領(lǐng)域里制造原料加工機(jī)械，是為了能有特殊的質(zhì)地結(jié)構(gòu)和輔助性的加工功能。例如：運(yùn)用熱能和機(jī)械能能夠突破科學(xué)技術(shù)的極限，將一些不常用的能量，例如：微波、化學(xué)能、生物能等等，一個(gè)接一個(gè)的被引入到材料加工中來(lái)，因此一些加工特殊能量原材料的加工設(shè)備就被制造出來(lái)了。
（2）突破傳統(tǒng)的物質(zhì)限制，將溶化、凝固、造型一體化，然后加熱得到具有特殊功能的原料，這樣就可以降低加工費(fèi)用。例如：材料加工整形技術(shù)，比如像快速翻滾，噴霧處理、塑膠成型、噴射造型法、高能量射束等等被應(yīng)用。
（3）原料加工處理正在向高速、重載和高精度在線(xiàn)控制方向上邁進(jìn)。例如：軋制速度達(dá)到130m/s，壓力變形已達(dá)到300MPa，尺寸精度達(dá)到了0.1um，成型精度已達(dá)到0.1i；濃度精度已達(dá)到0.1MPa。由于這些原因，原料加工機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)理論將科學(xué)與技術(shù)相關(guān)聯(lián)的領(lǐng)域有機(jī)的結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)生產(chǎn)一中新概念材料加工設(shè)備是可能的。
2．對(duì)于新概念材料加工設(shè)備的期望功能
（1）要有能力生產(chǎn)具有特殊物質(zhì)的領(lǐng)域；能傳送那些對(duì)于新概念材料加工在特定的物質(zhì)環(huán)境下是非常必要的特殊能流。例如：在高溫環(huán)境下能使那些高溫波或者脈沖以超過(guò)104~106K/s的速度冷卻下來(lái)；將外表面的凝固、變形合成一體，然后在將超強(qiáng)接觸面應(yīng)力重新組合成新的分界面；融化的大金屬薄片的湍流；隨機(jī)的低頻率磁場(chǎng)用于金屬末加熱的微波、用于大量凝固的超聲波等等都已經(jīng)被應(yīng)用了。
（2）有能力在臨界狀態(tài)下工作，因此高穩(wěn)定性和理想性能的處理設(shè)備是在加強(qiáng)技術(shù)條件和室外操作的保證。例如：禁止在潤(rùn)滑狀態(tài)下邊界上的搖晃；在特有的摩擦狀態(tài)下的抗震能力；有韌性的連接管的合力穩(wěn)定性和干擾穩(wěn)定性與軸相比更易驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
（3）有能力精確的控制原料加工而獲得低損耗、高功率、高性能的原料加工。例如：精確的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)產(chǎn)品成型；在線(xiàn)監(jiān)測(cè)和在線(xiàn)調(diào)整產(chǎn)品品質(zhì)和器具還有在線(xiàn)控制金屬、塑膠成型的程序。產(chǎn)品的精確度指數(shù)可以列舉如下：宏觀上精確度可達(dá)到0.1um，微觀上的晶狀體結(jié)構(gòu)非常均勻，濃度誤差在0.1MPa 。簡(jiǎn)而言之，擁有特別功能的新概念原料加工設(shè)備應(yīng)該被設(shè)計(jì)和生產(chǎn)出來(lái)。這樣的話(huà)，那些特別性能的原料就能被處理加工了。
3．在特殊的物理領(lǐng)域和環(huán)境下金屬材料加工設(shè)備的問(wèn)題和需要學(xué)習(xí)的內(nèi)容
由于這些原因和以上提到的背景，如下的一些新的研究主題應(yīng)該被改進(jìn)：
3.1 連接傳熱裝置和溫度應(yīng)力場(chǎng)的相界面
當(dāng)融化金屬處于液體和固體的臨界狀態(tài)時(shí)通過(guò)連續(xù)的變形和快速凝固，一種全新的微觀結(jié)構(gòu)可以被獲得。在這個(gè)非常時(shí)刻，高濃度的熱流和動(dòng)態(tài)的熱阻力在材料加工處理中成了主要事項(xiàng)。關(guān)于設(shè)計(jì)這個(gè)設(shè)備的基本理論問(wèn)題是要學(xué)習(xí)核心傳動(dòng)系統(tǒng)合能量轉(zhuǎn)化和建立數(shù)學(xué)模型。
3.2 材料加工設(shè)備表面粘流摩擦力的抑制
操作裝置和工件的連接是相當(dāng)復(fù)雜的因?yàn)檎沉髯钃趿思庸け砻娼缑鎽B(tài)由周轉(zhuǎn)速度、熱力學(xué)處理工作量、操作裝置的彈性、工件的可塑性、滑性界面的動(dòng)態(tài)行為、局部水力的潤(rùn)滑油等等來(lái)決定。它們影響著材料加工設(shè)備抗摩擦裝置的成型。因?yàn)樗鼈儠?huì)會(huì)強(qiáng)制其產(chǎn)生很大的非線(xiàn)性，這種強(qiáng)制會(huì)在瞬間被損壞或者是失諧，最后會(huì)導(dǎo)致動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定性。因此提出了以下的問(wèn)題：機(jī)械裝置的噪聲可能在晃動(dòng)的界面引起滑動(dòng)摩擦、不穩(wěn)定狀態(tài)；在高速、重載和邊界潤(rùn)滑狀態(tài)下在光滑表面和旋轉(zhuǎn)式噴灌器之間的裝置抑制。潤(rùn)滑油薄膜吸收裝置和不斷再生的表面的物理化學(xué)行為；流變學(xué)的特征和操作參數(shù)之間的關(guān)系。
3.3 在高壓場(chǎng)條件下非線(xiàn)性接觸式機(jī)械裝置
在大范圍內(nèi)組建一個(gè)超強(qiáng)力壓力場(chǎng)是材料加工設(shè)備的一個(gè)基本功能。當(dāng)然形成一個(gè)大結(jié)構(gòu)的元素也是可能的（例如太空船、大陸洲際間的交通工具、汽車(chē)、飛機(jī)）。組建一個(gè)超強(qiáng)壓力場(chǎng)是最重要的特征之一，也是保衛(wèi)國(guó)家獨(dú)立最基本的裝備。在強(qiáng)壓力場(chǎng)環(huán)境下，接觸式和非線(xiàn)性摩擦將會(huì)產(chǎn)生；因此將會(huì)導(dǎo)致局部的永久的變形和不好的因素。在強(qiáng)壓力場(chǎng)下設(shè)計(jì)過(guò)程中，將會(huì)涉及到設(shè)備的設(shè)計(jì)新理論，例如：非接觸式、非線(xiàn)性摩擦機(jī)構(gòu)。
3.4 負(fù)荷分配規(guī)律
關(guān)于超靜定結(jié)構(gòu)，抑制點(diǎn)的負(fù)荷分配規(guī)律由相容性條件決定。雖然，關(guān)于那些大尺寸的、不定的、靜止的結(jié)構(gòu)在真實(shí)空間中是自由變化的，但負(fù)荷分配規(guī)律是不能決定相容性條件。因此新的基礎(chǔ)理論由分析接觸行為和變形裝置獲得（例如：摩擦力、變形相容性條件，等等）。
3.5 耦合裝置和在材料加工系統(tǒng)中物理領(lǐng)域內(nèi)的穩(wěn)定性
隨著系統(tǒng)的功能越來(lái)越多元化；許多限制材料加工進(jìn)度的傳統(tǒng)技術(shù)正在不斷的被改善；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也逐漸變得越來(lái)越復(fù)雜，系統(tǒng)性能變得越來(lái)越好。例如：鋼扎廠的快速瞬間反轉(zhuǎn)受彈性形變、粘流、散熱處理、水動(dòng)力潤(rùn)滑處理的，物理化學(xué)分子狀態(tài)的影響。另外，機(jī)電的耦合在處理系統(tǒng)中已經(jīng)超出了傳統(tǒng)的概念；例如，一些奇特的現(xiàn)象（微小的變化可以引起很大的變化）已經(jīng)出現(xiàn)；因此，滾筒操作的不穩(wěn)定性可能會(huì)導(dǎo)致混亂。所以，這個(gè)主題將會(huì)在機(jī)械裝置的物理領(lǐng)域中，在處理系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響和加工助劑質(zhì)量上被提及和充分關(guān)注；
3.6 技術(shù)綜合和合并精準(zhǔn)的控制
在特定的物理?xiàng)l件下進(jìn)行操作的材料加工設(shè)備是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜系統(tǒng)，一些系統(tǒng)的參數(shù)在領(lǐng)域的邊界上也是可以改變的；因此在領(lǐng)域環(huán)境下精確的控制與調(diào)整，調(diào)和尺寸，能量轉(zhuǎn)換，信息傳遞，界面耦合等等是非常重要的。因?yàn)樵诳刂颇Ｐ椭卸喾N交互作用的存在，根據(jù)退耦控制模型而建立綜合框架是必要的；精確的控制基于綜合技術(shù)。
3.7 優(yōu)化的和創(chuàng)新的設(shè)計(jì)基于創(chuàng)新的知識(shí)
材料加工技術(shù)能促進(jìn)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量的提高。最優(yōu)化的材料加工技術(shù)和材料加工設(shè)備意味著實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)的仿真通過(guò)類(lèi)似的設(shè)計(jì)和一致的設(shè)計(jì)是我們學(xué)習(xí)的主題。
3.8 在特殊的領(lǐng)域里機(jī)械裝置的特殊功能和應(yīng)用
一些重要的元素和部分在材料加工設(shè)備中常常在強(qiáng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)和流場(chǎng)中工作，有建造特別物理界面的功能；雖然對(duì)那些普通單一的物質(zhì)象金屬、陶瓷等擁有單一的高指數(shù)和卓越的總質(zhì)量是很困難的。因此我們需要在重要部位采用具有新功能的原料；例如：尺度功能有傾向的材料是想當(dāng)可貴的。由于這些原因，學(xué)習(xí)基本法律和以上提到的具有這些功能的機(jī)械裝置；例如：強(qiáng)調(diào)分配功能、破壞機(jī)理和在特定領(lǐng)域中的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，靜態(tài)（動(dòng)態(tài)）的硬度和阻尼，模糊設(shè)計(jì)和明朗設(shè)計(jì)處理系統(tǒng)構(gòu)成了有斜度的材料，等等。
今天，材料加工科學(xué)和技術(shù)正在快速的向前發(fā)展；把學(xué)習(xí)的目標(biāo)瞄準(zhǔn)材料加工設(shè)備的技術(shù)問(wèn)題將會(huì)為21世紀(jì)的制造業(yè)提供技術(shù)支持。
畢業(yè)論文
題 目：Z3063搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計(jì)
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學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)老師：
摘 要
X-Y數(shù)控工作臺(tái)改裝設(shè)計(jì)是一個(gè)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。實(shí)現(xiàn)方便并且能夠保證一定的精度。
本文主要對(duì)Z3063工作臺(tái)的機(jī)械部分和控制部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)滾珠絲杠，滾動(dòng)導(dǎo)軌及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)做了設(shè)計(jì)計(jì)算及選用，并也對(duì)軸承座進(jìn)行了分析和選擇，另外也利用AutoCAD進(jìn)行了裝配圖的繪制，對(duì)其導(dǎo)軌座的設(shè)計(jì)及各零部件的安裝也作了比較詳細(xì)的說(shuō)明。針對(duì)滾珠絲杠的計(jì)算，通過(guò)對(duì)滾珠絲杠的動(dòng)載荷及靜載荷的計(jì)算，確定所要絲杠的動(dòng)靜載荷值，并選擇。針對(duì)滾動(dòng)導(dǎo)軌，分別計(jì)算滾動(dòng)導(dǎo)軌的動(dòng)載荷及其工作壽命來(lái)確定滾動(dòng)導(dǎo)軌的參數(shù)，并選取。針對(duì)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選取，我分別作了其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩的計(jì)算，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)作步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇。
關(guān)鍵詞：XY工作臺(tái) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī) 滾動(dòng)導(dǎo)軌 滾珠絲杠
ABSTRACT
The?XY?CNC?Workbench?the?design?modifications?and?is?an?open-the-loop?control?system,?its?structure?is?simple.?To?achieve?that?the?the?convenient?and?able?to?to?Guaranteed?the?certain?level?of?accuracy?as.
This?paper?mainly?carried?out?the?the?mechanical?part?of?for?Z3063?workbench?design,?on?the?the?ball?screw,?the?scroll?guide?rail,?and?the?stepping?motor?done?a?design?calculated?and?choosed,?and?also?on?the?bearings?seat?and?couplings?carried?out?analysis?and?selection,?In?addition?also?the?use?of?AutoCAD?for?a?the?the?drawing?of?of?the?assembly?FIG.,?of?its?the?the?installation?of?of?the?the?the?design?of?outlets?and?of?of?the?guide?seat?Parts?were?also?made?by?Compare?Detail?of?described.?For?the?the?calculation?of?of?the?ball?screw,?the?through?the?the?the?dynamic?load?of?of?Ball?Screw?by?with?the?calculation?of?and?static?load?of?the.,?To?determine?the?you?want?to?lead?screw?static?and?dynamic?load?value,?and?select?the.?Against?the?scroll?through?the?guide?rail,?respectively,?calculate?the?the?the?rolling?guide?the?dynamic?load?of?and?its?working?life?of?to?to?determine?the?the?scroll?through?the?the?parameters?of?of?the?guide?rail,?and?select?the.?Against?the?Select?the?of?the?stepper?the?electric?motor,?I,?respectively?have?have?a?made?an?rotation?thereof?the?the?calculation?of?of?the?the?inertia?Cover?and?the?rotating?torque?is,?according?to?the?resultant?Data?make?the?the?the?choice?of?of?the?stepper?motor.
Key?words:?XY?workbench?stepping?motor?rolling?guide?ball?screw
目 錄
第一章 緒論
1.1課題究的背景與意義…………………………………………… 1
1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀………………………………………… 1
1.2.1發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r………………………… 1
1.2.2國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀……………………………… 2
第二章 Z3063搖臂鉆床工作臺(tái)改造總體方案…………………………… 3
2.1 Z3063搖臂鉆床簡(jiǎn)介…………………………………………… 3
2.2機(jī)械改造方案…………………………………………………… 5
2.2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)……………………………… 5
2.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)……………………………………………… 6
2.2.3 X—Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式……………………………… 6
第三章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算………………………………………… 7
3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量……………………………………………… 7
3.2初步確定工作臺(tái)的尺寸及其重量……………………………… 7
3.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇…………………………………… 8
3.3.1求絲杠的靜載荷………………………………………… 9
3.3.2 確定動(dòng)載荷及其使用壽命……………………………… 9
3.3.3滾珠絲杠的選取………………………………………… 10
3.3.4 滾道半徑、偏心距……………………………………… 10
3.3.5 穩(wěn)定性計(jì)算……………………………………………… 10
3.3.6 剛度過(guò)驗(yàn)算……………………………………………… 11
3.4 滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇………………………………………… 11
3.4.1 導(dǎo)軌的型號(hào)……………………………………………… 12
3.4.2 導(dǎo)軌的受力分析………………………………………… 12
3.4.3計(jì)算導(dǎo)軌的壽命………………………………………… 12
3.5 電機(jī)的計(jì)算…………………………………………………… 14
3.5.1 負(fù)載慣量的計(jì)算………………………………………… 17
3.5.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算………………………………………… 17
3.5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇……………………………………… 18
3.6 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)……………………………………… …… 19
第四章 精度分析………………………………………………………… 20
4.1 開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)誤差來(lái)源………………………………………… 20
4.2 系統(tǒng)誤差的消除………………………………………………… 21
第五章 控制部分的設(shè)計(jì)………………………………………………… 22
5.1 硬件電路總體方案…………………………………………… 22
5.1.1主控制器CPU的選擇…………………………………… 22
5.1.2 I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)…………………………………… 23
5.1.3鍵盤(pán)、顯示接口電路…………………………………… 24
5.1.4步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路……………………………………… 25
5.1.5其它輔助電路設(shè)計(jì)……………………………………… 26
5.2控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)………………………………………… 27
5.2.1系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容……………………………… 27
5.2.2程序設(shè)計(jì)技術(shù)…………………………………………… 28
5.2.3步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì)…………………………… 28
結(jié)論……………………………………………………………………………30
致謝……………………………………………………………………………31
參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………31
09屆機(jī)械電子工程畢業(yè)設(shè)計(jì)
第一章 緒論
1.1課題研究的背景與意義
數(shù)控技術(shù)是利用數(shù)字化的信息對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)及加工過(guò)程進(jìn)行控制的一種方法。用數(shù)控技術(shù)實(shí)施加工控制的機(jī)床，或者說(shuō)裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床稱(chēng)為數(shù)控(Numerical?Control)機(jī)床。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動(dòng)器及進(jìn)給裝置等部分。
數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來(lái)了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對(duì)國(guó)計(jì)民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車(chē)、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來(lái)越重要的作用，因?yàn)檫@些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢(shì)。
1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀
1.2.1發(fā)達(dá)國(guó)家數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r
美、德、日三國(guó)是當(dāng)今世上在數(shù)控機(jī)床科研、設(shè)計(jì)、制造和使用上，技術(shù)最先進(jìn)、經(jīng)驗(yàn)最多的國(guó)家。因其社會(huì)條件不同，各有特點(diǎn)。
1.美國(guó)的數(shù)控發(fā)展史
美國(guó)政府重視機(jī)床工業(yè)，美國(guó)國(guó)防部等部門(mén)因其軍事方面的需求而不斷提出機(jī)床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費(fèi)，且網(wǎng)羅世界人才，特別講究“效率”和“創(chuàng)新”，注重基礎(chǔ)科研。因而在機(jī)床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國(guó)首先結(jié)合汽車(chē)、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動(dòng)化所需的自動(dòng)線(xiàn)，而且電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機(jī)床的主機(jī)設(shè)計(jì)、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實(shí)，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機(jī)床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國(guó)生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機(jī)床，其存在的教訓(xùn)是，偏重於基礎(chǔ)科研，忽視應(yīng)用技術(shù)，且在上世紀(jì)80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量增加緩慢，于1982年被后進(jìn)的日本超過(guò)，并大量進(jìn)口。從90年代起，糾正過(guò)去偏向，數(shù)控機(jī)床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。
2.德國(guó)的數(shù)控發(fā)展史
德國(guó)政府一貫重視機(jī)床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。，於1956年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，德國(guó)特別注重科學(xué)試驗(yàn)，理論與實(shí)際相結(jié)合，基礎(chǔ)科研與應(yīng)用技術(shù)科研并重。企業(yè)與大學(xué)科研部門(mén)緊密合作，對(duì)數(shù)控機(jī)床的共性和特性問(wèn)題進(jìn)行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國(guó)的數(shù)控機(jī)床質(zhì)量及性能良好、先進(jìn)實(shí)用、貨真價(jià)實(shí)，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機(jī)床。德國(guó)特別重視數(shù)控機(jī)床主機(jī)及配套件之先進(jìn)實(shí)用，其機(jī)、電、液、氣、光、刀具、測(cè)量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門(mén)子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競(jìng)相采用。
3.日本的數(shù)控發(fā)展史
日本政府對(duì)機(jī)床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過(guò)規(guī)劃、法規(guī)(如“機(jī)振法”、“機(jī)電法”、“機(jī)信法”等)引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機(jī)床元部件配套上學(xué)習(xí)德國(guó)，在質(zhì)量管理及數(shù)控機(jī)床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國(guó)，甚至青出于藍(lán)而勝于藍(lán)。自1958年研制出第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床后，1978年產(chǎn)量(7,342臺(tái))超過(guò)美國(guó)(5,688臺(tái))，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001年產(chǎn)量46,604臺(tái)，出口27,409臺(tái)，占59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機(jī)床，大量出口，占去世界廣大市場(chǎng)。在上世紀(jì)80年代開(kāi)始進(jìn)一步加強(qiáng)科研，向高性能數(shù)控機(jī)床發(fā)展。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對(duì)性地發(fā)展市場(chǎng)所需各種低中高檔數(shù)控系統(tǒng)，在技術(shù)上領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一。該公司現(xiàn)有職工3,674人，科研人員超過(guò)600人，月產(chǎn)能力7,000套，銷(xiāo)售額在世界市場(chǎng)上占50%，在國(guó)內(nèi)約占70%，對(duì)加速日本和世界數(shù)控機(jī)床的發(fā)展起了重大促進(jìn)作用。
1.2.2國(guó)內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國(guó)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀(jì)五十年代，通過(guò)“六五”期間引進(jìn)數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國(guó)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績(jī)。特別是最近幾年，我國(guó)數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量和消費(fèi)量的年平均增長(zhǎng)率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進(jìn)口機(jī)床的發(fā)展勢(shì)頭依然強(qiáng)勁，從2002年開(kāi)始，中國(guó)連續(xù)三年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國(guó)、機(jī)床進(jìn)口第一大國(guó)，2004年中國(guó)機(jī)床主機(jī)消費(fèi)高達(dá)94.6億美元，國(guó)內(nèi)數(shù)控機(jī)床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)方面與國(guó)外的差距更加明顯，70%以上的此類(lèi)設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴(lài)進(jìn)口。由此可以看出國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床特別是中高檔數(shù)控機(jī)床仍然缺乏市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，究其原因主要在于國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的研究開(kāi)發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識(shí)與能力欠缺、數(shù)控,系統(tǒng)生產(chǎn)應(yīng)用推廣不力及數(shù)控人才缺乏等。我們應(yīng)看清形勢(shì)，充分認(rèn)識(shí)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的不足，努力發(fā)展先進(jìn)技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達(dá)國(guó)家之問(wèn)的差距。
第二章 Z3063搖臂鉆床工作臺(tái)改造總體方案
根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)確定系統(tǒng)的總體機(jī)械和控制系統(tǒng)方案：進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類(lèi)型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。對(duì)普通機(jī)床進(jìn)行數(shù)控化改造與購(gòu)置新機(jī)床相比，一般可以節(jié)省60%至80%的費(fèi)用，改造費(fèi)用低，大大節(jié)省了成本，特別是大型、特殊機(jī)床尤其明顯。一般大型機(jī)床改造，只需要花費(fèi)新機(jī)床購(gòu)置費(fèi)用的1/3，產(chǎn)品交貨期短。機(jī)床經(jīng)改造后降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了勞動(dòng)力（一個(gè)人可看管多臺(tái)機(jī)床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對(duì)市場(chǎng)需求作出快速反應(yīng)。
2.1 Z3063搖臂鉆床簡(jiǎn)介
Z3063鉆床是機(jī)械制造中使用廣泛的一類(lèi)機(jī)床，作為孔加工機(jī)床，主要用來(lái)加工箱體、機(jī)架等外形較復(fù)雜、沒(méi)有對(duì)稱(chēng)回轉(zhuǎn)軸線(xiàn)的工件上的孔。鉆削加工時(shí)，工件不動(dòng)，刀具作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和軸向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。鉆床可完成鉆孔、鉸孔、锪平面、攻螺紋等工作，鉆床主要由底座、內(nèi)立柱、搖臂、主軸箱、工作臺(tái)等部分組成。由于搖臂鉆床運(yùn)動(dòng)部件較多，常采用多臺(tái)電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。Z3063搖臂鉆床共有4臺(tái)電動(dòng)機(jī)，一般采用籠型異步電動(dòng)機(jī)，其中M1為主電動(dòng)機(jī)，控制主軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，單向旋轉(zhuǎn)，用機(jī)械變換完成加工螺紋所需要的正反向運(yùn)動(dòng)。主軸的正反運(yùn)動(dòng)一般通過(guò)正反轉(zhuǎn)摩擦離合器來(lái)實(shí)現(xiàn)。M2為升降電動(dòng)機(jī)，控制搖臂升降運(yùn)動(dòng)，雙向旋轉(zhuǎn)。M3為液壓泵電動(dòng)機(jī)，M4為冷卻電動(dòng)機(jī)，對(duì)加工的道具進(jìn)行冷卻，手動(dòng)控制，單向旋轉(zhuǎn)。Z3063液壓搖臂床主要適用于在大、中型鑄件，鋼件上鉆孔，擴(kuò)孔、鉸孔及攻螺紋等加工。適合本機(jī)床工作的溫度要求在0到45攝氏度、大氣壓強(qiáng)86到106 Kpa空氣清潔度較好、粉塵濃度不得大于10mg/m3、不得含酸、堿腐蝕和有毒氣體：不得有爆炸危險(xiǎn)，不得有導(dǎo)電塵埃：廠房?jī)?nèi)不得有雨雪侵襲：地面平整、清潔、室內(nèi)光線(xiàn)充足。機(jī)床安裝在遠(yuǎn)離振源、熱源等地方。
2.2機(jī)械改造方案
2.2.1系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式與伺服系統(tǒng)
采用直角坐標(biāo)控制方式，在原機(jī)床的底座上設(shè)計(jì)一個(gè)獨(dú)立的十字?jǐn)?shù)控滑臺(tái)，即提供了獨(dú)立的X，Y坐標(biāo)。Z坐標(biāo)作為主軸的上下運(yùn)動(dòng)，通過(guò)機(jī)床手動(dòng)微進(jìn)給軸傳入。采用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。
2.2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)
采用ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。它。內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。
2.2.3 X—Y工作臺(tái)的傳動(dòng)方式
為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。
由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。
考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。
系統(tǒng)總體框圖
第三章 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)和計(jì)算
3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量是個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度。一般為0.01~0.005mm。
3.2初步確定工作臺(tái)的尺寸及其重量
初步設(shè)定能夠加工的最大面積為200×210mm，最大工件的重量為150kg。因此我初定工作臺(tái)的。工作臺(tái)的材料為號(hào)鋼，其密度為。（?。┮虼耍?
3.2.1 工作臺(tái)（X向托板）
3.2.2 取Y向托板=X向托板
3.2.3 上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量
初步取導(dǎo)軌座的長(zhǎng)，寬為，高為，但導(dǎo)軌座中間有一大空缺，空缺部分大約2807030mm3。因此
所以根據(jù)上面所求，得XY工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分的總重量為：
根據(jù)要求所知，其最大加工工件為，另外，還有絲杠、電機(jī)等，大約3kg，因此：m4=3kg
3.3滾珠絲杠的設(shè)計(jì)計(jì)算及選擇
X方向定位精度要求為0.01mm，工作臺(tái)快進(jìn)速度定為2m/min，加速時(shí)間為0.1s。
絲杠分為滑動(dòng)絲杠和滾珠絲杠。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機(jī)械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)或?qū)⒅本€(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，它是傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠的進(jìn)一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動(dòng)軸承對(duì)滑動(dòng)軸承所帶來(lái)得改變一樣。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運(yùn)用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器、精密數(shù)控機(jī)床。尤其是近年來(lái)，滾珠絲杠副作為數(shù)控機(jī)床直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)執(zhí)行單元，在機(jī)床行業(yè)得到廣泛運(yùn)用，極大的推動(dòng)了機(jī)床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展。這些都取決于其具有以下幾個(gè)方面的優(yōu)良特性：傳動(dòng)效率高、定位精度高、傳動(dòng)可逆性、使用壽命長(zhǎng)、同步性能好。由于滾珠絲杠副運(yùn)轉(zhuǎn)順滑、消除軸向間隙以及制造的一致性，采用多套滾珠絲杠副方案驅(qū)動(dòng)同一裝置或多個(gè)相同部件時(shí)，可獲得很好的同步工作。
滾珠絲杠與傳統(tǒng)滑動(dòng)絲杠相比，有以下優(yōu)點(diǎn)：一，與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3。由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)，所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過(guò)去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下，即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3，在省電方面很有幫助。
二，高精度的保證。三，微進(jìn)給可能。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng)，所以啟動(dòng)力矩極小，不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。四，無(wú)側(cè)隙，剛性高。滾珠絲杠副可以加預(yù)壓，由于預(yù)壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值，進(jìn)而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過(guò)給滾珠加預(yù)壓力，在實(shí)際用于機(jī)械裝置等時(shí)，由于滾珠的斥力可使絲杠螺母部的剛性增強(qiáng))。五，高速進(jìn)給可能。滾珠絲杠由于運(yùn)動(dòng)效率高，發(fā)熱小，所以可實(shí)現(xiàn)高速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。
因此，在設(shè)計(jì)X方向工作臺(tái)時(shí)，采用滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。滾珠絲杠負(fù)載有運(yùn)動(dòng)部件和導(dǎo)軌之間的摩擦阻力，鉆頭切削時(shí)的絲杠受的軸向力。由于工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)不進(jìn)行切削，而進(jìn)行切削時(shí)，絲杠受的軸向力很小，可以忽略不計(jì)，因此，絲杠的負(fù)載只按運(yùn)動(dòng)部件和導(dǎo)軌之間的摩擦阻力算。
3.3.1求絲杠的靜載荷
已知其計(jì)算公式：
式中的KF：載荷系數(shù)，取1.1
KH：硬度系數(shù)，取1.0
KL：精度系數(shù)，取1.0
FM：絲杠工作時(shí)的軸向阻力
根據(jù)：
其中為淬火鋼的摩擦因數(shù)(查《數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)》P182) 。
因此：
3.3.2 確定動(dòng)載荷及其使用壽命
根據(jù)絲杠動(dòng)載荷公式：
式中：：額定動(dòng)載荷
n：絲杠的最高轉(zhuǎn)速
：使用壽命
FC：靜載荷
根據(jù)：
式中的絲杠的最高轉(zhuǎn)速，因題目中所給其工作臺(tái)快進(jìn)的速度為，因此其計(jì)算為：
所以：
3.3.3滾珠絲杠的選取
安裝尺寸
根據(jù)動(dòng)載荷及動(dòng)載荷和公稱(chēng)導(dǎo)程值的核對(duì)，最后選取的滾珠絲杠為天津龍創(chuàng)日盛機(jī)電實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的FFB2005-2 ，其公稱(chēng)直徑為20mm，公稱(chēng)導(dǎo)程為5mm，動(dòng)靜載荷分別為6.4KN和12.2KN。
3.3.4 滾道半徑、偏心距
在上圖中查得，鋼球直徑為3.5mm，絲杠底徑為16.9mm。
滾道半徑
偏心距
3.3.5 穩(wěn)定性計(jì)算
因螺桿較長(zhǎng)，所以穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)以下式求臨界載荷：
式中：E：螺桿材料的彈性模量，查《材料力學(xué)》表2-2，取E=200GPa
Ia：螺桿危險(xiǎn)截面的軸慣性矩
μ：長(zhǎng)度系數(shù)，查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)》得μ=1
絲杠的有效長(zhǎng)度是240mm
>2.5~4 是安全的
3.3.6 剛度過(guò)驗(yàn)算
按最不利的情況考慮，螺紋螺距因受軸向力引起的彈性變形與受轉(zhuǎn)矩引起彈性變形方向是一致的，所以
式中：
查《材料力學(xué)》表2-2得，μ=0.25，
所以：
每米螺紋度上的螺紋距離彈性變形為
查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)》滾動(dòng)螺旋
3.4 滾動(dòng)導(dǎo)軌的計(jì)算與選擇
滾動(dòng)導(dǎo)軌副的介紹
一、滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副是由導(dǎo)軌、滑塊、鋼球、返向器、保持架、密封端蓋及擋板等組成，如圖：
當(dāng)導(dǎo)軌與滑塊作相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過(guò)淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動(dòng)，在滑塊端部鋼球又通過(guò)返向裝置（返向器）進(jìn)入返向孔后再進(jìn)入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進(jìn)行滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進(jìn)入滑塊內(nèi)部。二、特點(diǎn) 滾動(dòng)直線(xiàn)導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉颍够瑝K與導(dǎo)軌之間的滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)、靜摩擦力之差很小，隨動(dòng)性極好，即驅(qū)動(dòng)信號(hào)與機(jī)械動(dòng)作滯后的時(shí)間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。驅(qū)動(dòng)功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機(jī)械的十分之一。與V型十字交叉滾子導(dǎo)軌相比，摩擦阻力可下降約40倍。適應(yīng)高速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，其瞬時(shí)速度比滑動(dòng)導(dǎo)軌提高約10倍。能實(shí)現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。動(dòng)摩擦，大大降低二者之間的運(yùn)動(dòng)摩擦阻力，從而獲得：能實(shí)現(xiàn)無(wú)間隙運(yùn)動(dòng)，提高機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)剛度。 成對(duì)使用導(dǎo)軌副時(shí)，具有“誤差均化效應(yīng)”，從而降低基礎(chǔ)件（導(dǎo)軌安裝面）的加工精度要求，降低基礎(chǔ)件的機(jī)械制造成本與難度。 導(dǎo)軌副滾道截面采用合理比值的圓弧溝槽，接觸應(yīng)力小，承接能力及剛度比平面與鋼球點(diǎn)接觸時(shí)大大提高，滾動(dòng)摩擦力比雙圓弧滾道有明顯降低。 導(dǎo)軌采用表面硬化處理，使導(dǎo)軌具有良好的可校性；心部保持良好的機(jī)械性能。 簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造。
3.4.1 導(dǎo)軌的型號(hào)
查《機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)》1卷下冊(cè)6篇3章，選用GGB20BA型導(dǎo)軌；表6.3-11，選擇導(dǎo)軌精度等級(jí)為4級(jí)，每個(gè)托板有兩條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌有兩個(gè)滑塊。由于絲杠的直徑為20mm，跟根《機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)》所給的選用方法，選用導(dǎo)軌的規(guī)格為20。查《機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)》表6.3-12和表6.3-13選擇導(dǎo)軌的預(yù)加載荷為普通載荷P=287.5N。導(dǎo)軌是承受力的主要部件，除工件外、工作臺(tái)外，還有鉆床的切削力，鉆床的切削力約為100N。
3.4.2 導(dǎo)軌的受力分析
A=70，b=80。當(dāng)機(jī)床沒(méi)有切削時(shí)，
當(dāng)機(jī)床在切削時(shí)候，
當(dāng)量載荷：
查《機(jī)電一體化設(shè)計(jì)手冊(cè)》得GGB型號(hào)規(guī)格為20的導(dǎo)軌的動(dòng)載荷為11.6KN。
3.4.3計(jì)算導(dǎo)軌的壽命：
式中：ft：溫度系數(shù)。查《機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)》表6.3-3，取ft=1
fc：接觸系數(shù)。查《機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)》表6.3-4，fc=0.81
fw：載荷系數(shù)。查《機(jī)電一體化技術(shù)手冊(cè)》表6.3-5，fw=1.2
壽命
根據(jù)要求所知其壽命要在6年以上，一年300天，一天8小時(shí)；假設(shè)每分鐘走6個(gè)行程，則
所選用的導(dǎo)軌壽命比要求壽命要長(zhǎng)，所以合格。
我選定的導(dǎo)軌副的型號(hào)為GGB20BA，其尺寸見(jiàn)上圖。來(lái)自昆山春本自動(dòng)化設(shè)備有限公司。
3.5 電機(jī)的計(jì)算
數(shù)控機(jī)床上可以用步進(jìn)電機(jī)和伺服電機(jī)控制，這里先對(duì)兩者進(jìn)行一下性能比較，以便更好的選擇合適的電機(jī)。
步進(jìn)電機(jī)是一種離散運(yùn)動(dòng)的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國(guó)內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機(jī)也越來(lái)越多地應(yīng)用于數(shù)字控制系統(tǒng)中。為了適應(yīng)數(shù)字控制的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中大多采用步進(jìn)電機(jī)或全數(shù)字式交流伺服電機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號(hào)），但在使用性能和應(yīng)用場(chǎng)合上存在著較大的差異?，F(xiàn)就二者的使用性能作一比較。
第一，控制精度不同。兩相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為3.6°，1.8°，五相混合式步進(jìn)電機(jī)步距角一般為0.72°、0.36 °，也有一些高性能的步進(jìn)電機(jī)步距角更小，如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機(jī)床的步進(jìn)電機(jī)，其步距角為0.09 o；德國(guó)百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進(jìn)電機(jī)其步距角可通過(guò)撥碼開(kāi)關(guān)設(shè)置為1.8 °、0.9 °、0.72 °、0.36 °、0.18 °、0.09 °、0.072 °、0.036 °，兼容了兩相和五相混合式步進(jìn)電機(jī)的步距角。交流伺服電機(jī)的控制精度由電機(jī)軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機(jī)為例，對(duì)于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線(xiàn)編碼器的電機(jī)而言，由于驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360 °/10000=0.0036 °。對(duì)于帶17位編碼器的電機(jī)而言，驅(qū)動(dòng)器每接收131072個(gè)脈沖電機(jī)轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360 °/131072 ，是步距角為1.8°的步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量的1/655。
第二，低頻特性不同。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)易出現(xiàn)低頻振動(dòng)現(xiàn)象。振動(dòng)頻率與負(fù)載情況和驅(qū)動(dòng)器性能有關(guān)，一般認(rèn)為振動(dòng)頻率為電機(jī)空載起跳頻率的一半。這種由步進(jìn)電機(jī)的工作原理所決定的低頻振動(dòng)現(xiàn)象對(duì)于機(jī)器的正常運(yùn)轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)工作在低速時(shí)，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來(lái)克服低頻振動(dòng)現(xiàn)象，比如在電機(jī)上加阻尼器，或驅(qū)動(dòng)器上采用細(xì)分技術(shù)等。交流伺服電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機(jī)械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機(jī)能（FFT），可檢測(cè)出機(jī)械的共振點(diǎn)，便于系統(tǒng)調(diào)整。
第三，矩頻特性不同。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機(jī)為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以?xún)?nèi)，都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，在額定轉(zhuǎn)速以上為恒功率輸出。
第四，過(guò)載能力不同。步進(jìn)電機(jī)一般不具有過(guò)載能力。交流伺服電機(jī)具有較強(qiáng)的過(guò)載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過(guò)載和轉(zhuǎn)矩過(guò)載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負(fù)載在啟動(dòng)瞬間的慣性力矩。步進(jìn)電機(jī)因?yàn)闆](méi)有這種過(guò)載能力，在選型時(shí)為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機(jī)，而機(jī)器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費(fèi)的現(xiàn)象。
第五，運(yùn)行性能不同。步進(jìn)電機(jī)的控制為開(kāi)環(huán)控制，啟動(dòng)頻率過(guò)高或負(fù)載過(guò)大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時(shí)轉(zhuǎn)速過(guò)高易出現(xiàn)過(guò)沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問(wèn)題。交流伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動(dòng)器可直接對(duì)電機(jī)編碼器反饋信號(hào)進(jìn)行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會(huì)出現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)的丟步或過(guò)沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
第六，速度響應(yīng)性能不同。步進(jìn)電機(jī)從靜止加速到工作轉(zhuǎn)速（一般為每分鐘幾百轉(zhuǎn)）需要200～400毫秒。交流伺服系統(tǒng)的加速性能較好，以松下MSMA 400W交流伺服電機(jī)為例，從靜止加速到其額定轉(zhuǎn)速3000RPM僅需幾毫秒，可用于要求快速啟停的控制場(chǎng)合。
綜上所述，交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是純粹的數(shù)字控制電動(dòng)機(jī)，它將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，即給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)就轉(zhuǎn)一個(gè)角度，因此非常合適單片機(jī)控制，在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角，同時(shí)步進(jìn)電機(jī)只有周期性的無(wú)累積誤差，精度高。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)有如下特點(diǎn)：第一，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成正比。因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后，沒(méi)有累計(jì)誤差，具有良好的跟隨性；第二，由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)與驅(qū)動(dòng)電路組成的開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡(jiǎn)單、廉價(jià)，又非?？煽?，同時(shí)，它也可以與角度反饋環(huán)節(jié)組成高性能的閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)；第三，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，易于啟停、正反轉(zhuǎn)及變速；第四，速度可在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)平穩(wěn)調(diào)整，低速下仍能獲得較大轉(zhuǎn)距，因此一般可以不用減速器而直接驅(qū)動(dòng)負(fù)載。第五，步進(jìn)電機(jī)只能通過(guò)脈沖電源供電才能運(yùn)行，不能直接使用交流電源和直流電源。第六，步進(jìn)電機(jī)存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對(duì)控制系統(tǒng)和機(jī)械負(fù)載采取相應(yīng)措施。
步進(jìn)電機(jī)有兩種工作方式：整步方式和半步方式。以步進(jìn)角1.8°四相混合式步進(jìn)電機(jī)為例，在整步方式下，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)1.8°，旋轉(zhuǎn)一周，則需要200個(gè)脈沖，在半步方式下，步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖，旋轉(zhuǎn)0.9°，旋轉(zhuǎn)一周，則需要400個(gè)脈沖?？刂撇竭M(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)必須按一定時(shí)序?qū)Σ竭M(jìn)電機(jī)引線(xiàn)輸入脈沖。
步進(jìn)電機(jī)在低頻工作時(shí)，會(huì)有振動(dòng)大、噪聲大的缺點(diǎn)。如果使用細(xì)分方式，就能很好的解決這個(gè)問(wèn)題，步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分控制，從本質(zhì)上講是通過(guò)對(duì)步進(jìn)電機(jī)勵(lì)磁繞組中電流的控制，使步進(jìn)電機(jī)內(nèi)部的合成磁場(chǎng)為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)步距角的細(xì)分，一般情況下，合成磁場(chǎng)矢量的幅值決定了步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場(chǎng)矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小，步進(jìn)電機(jī)半步工作方式就蘊(yùn)涵了細(xì)分的工作原理。
通過(guò)以上信息，可知本次設(shè)計(jì)的工作臺(tái)控制精度要求不需要很高，考慮成本因素等等，選擇步進(jìn)電機(jī)控制。
下面對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行計(jì)算選型。
3.5.1 負(fù)載慣量的計(jì)算
絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
工作臺(tái)的轉(zhuǎn)去慣量
工件的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量
3.5.2 負(fù)載轉(zhuǎn)矩的計(jì)算
快速空程啟動(dòng)時(shí)電機(jī)所需力矩；最大切削負(fù)載時(shí)電機(jī)所需力矩；快給速進(jìn)時(shí)電機(jī)所需力矩
由于電機(jī)與絲杠間直接用齒輪連接，所以傳動(dòng)鏈效率η取0.9，滾球未加預(yù)緊力時(shí)的效率η0取0.93；鉆床在X、Y軸進(jìn)給方向是沒(méi)有切削力的，所以沒(méi)有切削力矩。
空載加速力矩
切削加速力矩
摩擦力矩
附加摩擦力矩
切削力矩
3.5.3 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
根據(jù)上述分析，最后我選定步距角為0.36度的型號(hào)為60BYG550A的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，其最大靜轉(zhuǎn)矩為0.6>我所需要的0.22 。
其外形結(jié)構(gòu)及尺寸如下圖所示：
3.6 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)
根據(jù)本部分的第一步所初選的電機(jī)步距角和脈沖當(dāng)量，又已知滾珠絲杠螺距t=5mm，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)。齒輪傳動(dòng)比：
若取Z1=60，則Z2=30。模數(shù)m=1mm
齒輪尺寸：
Z
60
30
60
30
62
32
57.5
29.5
45
第四章 精度分析
以步進(jìn)電機(jī)為執(zhí)行元件所構(gòu)成的開(kāi)環(huán)系統(tǒng)具有功能簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉等特點(diǎn)，在一些經(jīng)濟(jì)型普通數(shù)控機(jī)床上得到了廣泛的應(yīng)用。但是，這種系統(tǒng)普遍存在低速不平穩(wěn)、控制精度不高、拖動(dòng)能力較小等問(wèn)題，特別是控制精度問(wèn)題在實(shí)際中最引人關(guān)注。
4.1 開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)誤差來(lái)源
本設(shè)計(jì)中的開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，工作臺(tái)沒(méi)有檢測(cè)反饋裝置，控制系統(tǒng)發(fā)出的信號(hào)只是單向傳遞，由控制系統(tǒng)傳向移動(dòng)工作臺(tái)?？刂葡到y(tǒng)對(duì)工作臺(tái)的實(shí)際位置不作檢測(cè)。因此，加工精度主要取決于伺服系統(tǒng)的性能。而伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件為步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)將直接影響整個(gè)系統(tǒng)的精度。對(duì)于步進(jìn)電機(jī)，步距角對(duì)精度有顯著的影響，若步距角顯著減小，轉(zhuǎn)子達(dá)到新穩(wěn)定點(diǎn)時(shí)所具有的動(dòng)能變小，振動(dòng)也變小，精度得到提高，低速運(yùn)行時(shí)的平滑性也得到提高。反之，會(huì)使精度變差。
除了伺服系統(tǒng)的性能對(duì)工作臺(tái)的精度有影響，減速機(jī)構(gòu)傳動(dòng)鏈中的傳動(dòng)間隙，滾珠絲杠的傳動(dòng)間隙及其剛度，齒輪減速機(jī)構(gòu)，支撐軸承也會(huì)影響系統(tǒng)精度。。
滾珠絲杠副的傳動(dòng)精度主要有兩個(gè)影響因素。其一，傳動(dòng)間隙。由于絲杠、支承存在傳動(dòng)間隙，機(jī)械傳動(dòng)鏈在改變方向時(shí)，會(huì)引起步進(jìn)電機(jī)的空走，而工作臺(tái)并無(wú)實(shí)際移動(dòng)。這樣，最初的指令產(chǎn)生的脈沖只能起到消除間隙的作用，從而影響了工作臺(tái)的位置精度。其二，絲杠的傳動(dòng)剛度。滾珠絲杠副和支承絲杠的軸承在內(nèi)的傳動(dòng)系統(tǒng)的綜合拉壓剛度稱(chēng)為滾珠絲杠副的傳動(dòng)剛度。當(dāng)工作臺(tái)切削進(jìn)給時(shí)，承受切削力，絲杠會(huì)產(chǎn)生彈性變形，此彈性變形會(huì)影響系統(tǒng)的定位精度和傳動(dòng)精度。
4.2 系統(tǒng)誤差的消除
對(duì)于步進(jìn)電機(jī)來(lái)說(shuō)，提高步距角精度，改善步距角特性，會(huì)提高定位精度。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的步距角與步進(jìn)電機(jī)定子繞組相數(shù)、通電方式系數(shù)、步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，所以合理選擇步進(jìn)電機(jī)電磁參數(shù)能有效地改善步距角精度。其次就是減小步距角或采用細(xì)分電路。當(dāng)傳動(dòng)比一定時(shí)，隨著步距角的減小，脈沖當(dāng)量也減小 ，從而提高了加工精度。但是步距角的減小受到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子外形尺寸、相數(shù)以及拍數(shù)的限制，沒(méi)有辦法做得很小。因而，只能采取細(xì)分電路，使得步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組電流的切換按很小的階梯進(jìn)行。步進(jìn)電機(jī)在細(xì)分狀態(tài)下，步距角顯著減小，達(dá)到了提高精度的目的。本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)器自帶有細(xì)分的功能。也可以說(shuō)，在一定程度上提高了系統(tǒng)的精度。再次就是采用間隙和螺距補(bǔ)償電路，也稱(chēng)誤差較正電路。由于機(jī)械傳動(dòng)的間隙具有一定的穩(wěn)定性，很有可能是一個(gè)常數(shù)，這個(gè)常數(shù)隨磨損緩慢增加。可由實(shí)際調(diào)整和測(cè)量來(lái)決定?？梢栽诠ぷ髋_(tái)反向或移動(dòng)有間隙誤差的位置時(shí)，用補(bǔ)充一定脈沖量的方法來(lái)消除誤差，提高精度。對(duì)于提高絲杠副的傳動(dòng)精度，通常采用預(yù)緊的方法。這種方法相比于誤差較正電路的方法來(lái)說(shuō)，更為簡(jiǎn)便易行，在實(shí)際中更常用。本設(shè)計(jì)中，絲杠副采用的是墊片預(yù)緊的方法來(lái)消除間隙，提高精度。
為了提高傳動(dòng)精度和傳動(dòng)平穩(wěn)性，避免齒輪在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生沖擊和噪聲，對(duì)于30／60這一對(duì)齒輪還必須設(shè)計(jì)頂隙和側(cè)隙調(diào)整機(jī)構(gòu)。
主動(dòng)輪裝在步進(jìn)電機(jī)軸上，而步進(jìn)電機(jī)的端面用螺釘與偏心套聯(lián)接，偏心套裝在箱體上，轉(zhuǎn)動(dòng)偏心套(這時(shí)步進(jìn)電機(jī)連同齒輪一同轉(zhuǎn)動(dòng)) 從而可以調(diào)整主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的中心距，使齒輪頂隙得到調(diào)整。齒輪側(cè)隙的調(diào)整是利用圓柱薄片齒輪可調(diào)拉簧錯(cuò)齒調(diào)整法來(lái)實(shí)現(xiàn)的.
支撐軸承采用預(yù)緊的方法來(lái)消除間隙，提高精度。
第五章 控制部分的設(shè)計(jì)
5.1、確定硬件電路總體方案:
機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來(lái)由以下四部分組成：
（1）主控制器：就是中央處理單元CPU。
（2）總線(xiàn)：包括數(shù)據(jù)總線(xiàn)（DB）、地址總線(xiàn)（AB）、控制總線(xiàn)（CB）。
（3）存儲(chǔ)器：包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。
（4）接口：即I/O輸入/輸出接口電路。
數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如下：
控制系統(tǒng)硬件框圖
除此之外，還要根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的要求配備一些外圍設(shè)備和信號(hào)變換電路。其中信號(hào)變換電路是A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，是實(shí)現(xiàn)微機(jī)與控制對(duì)象之間的信號(hào)匹配與轉(zhuǎn)換的中間電路。它們可根據(jù)控制系統(tǒng)的要求選取。
5.1.1、主控制器CPU的選擇：
在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素：
（1） 時(shí)鐘頻率和字長(zhǎng)（控制數(shù)據(jù)處理的速度）；
（2） 可擴(kuò)展存儲(chǔ)器（ROM/RAM）的容量；
（3） 指令系統(tǒng)功能是否強(qiáng)；
（4） I/O口擴(kuò)展的能力；
（5） 開(kāi)發(fā)手段（包括支持開(kāi)發(fā)的軟件和硬件電路）。
隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的發(fā)展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比較多，如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)89C51，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。
從要設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來(lái)看，選用較老的8051單片機(jī)需要拓展程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，無(wú)疑提高了設(shè)計(jì)價(jià)格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過(guò)于浪費(fèi)。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機(jī)的廠家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生產(chǎn)領(lǐng)域ATMEL公司的工藝和封裝技術(shù)一直處于領(lǐng)先地位。ATMEL公司的AT89系列單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，在程序開(kāi)發(fā)過(guò)程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，同時(shí)掉電也不影響信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用靜態(tài)時(shí)鐘方式可以節(jié)省電能。
因此硬件CPU選用AT89S51，AT表示ATMEL公司的產(chǎn)品，9表示內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，S表示含有串行下載Flash存儲(chǔ)器。
AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲(chǔ)器容量為4KB、16位定時(shí)器2個(gè)、中斷源6個(gè)（看門(mén)狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時(shí)器0和定時(shí)器1中斷）、RAM為128B、14位的計(jì)數(shù)器WDT、I/O口共有32個(gè)。
5.1.2、I/O口擴(kuò)展電路設(shè)計(jì):
CPU接口部分包括傳感器部分、傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)部分、人機(jī)交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開(kāi)關(guān)）
前向通道
傳動(dòng)驅(qū)動(dòng)
（步進(jìn)電機(jī)）
人機(jī)界面
傳感器
AT89S51
（鍵盤(pán)、LED）
后向通道
圖5-1 CPU外部接口示意圖
AT89S51要完成的任務(wù)：
（1）將行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)讀入CPU，通過(guò)中斷進(jìn)行處理，它的優(yōu)先級(jí)別最高。
（2）通過(guò)程序?qū)崟r(shí)控制電機(jī)的運(yùn)行。
（3）接受鍵盤(pán)中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開(kāi)關(guān)狀態(tài)和鍵盤(pán)狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互作用。
由于AT89S51只有P1口和P3口是準(zhǔn)雙向口，但P3口主要以第二功能為主，并且在系統(tǒng)中要用到第二功能的中斷口，因此要進(jìn)行I/O擴(kuò)展。考慮到電路的簡(jiǎn)便性和可實(shí)現(xiàn)性，實(shí)際外擴(kuò)鎖存器的8255，所以AT89S51的I/O口線(xiàn)分配如下：
（1）P1.0-P1.5控制X-Y兩個(gè)方向步進(jìn)電機(jī)的A、B、C線(xiàn)圈通電，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正轉(zhuǎn)模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反轉(zhuǎn)模式。
（2）P1.6口輸出控制電磁鐵的吸合。
（3）P3.2和P3.3兩個(gè)中斷源中INT0優(yōu)先級(jí)最高，它讀入行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點(diǎn)動(dòng)、復(fù)位、圓弧插補(bǔ)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。
（4）P0.0-P0.7外部I/O擴(kuò)展的數(shù)據(jù)讀取。
（5）P2.7和P2.6決定8255的PA、PB、PC口的地址。
P1.0-P1.2
驅(qū)動(dòng)1
X步進(jìn)電機(jī)
驅(qū)動(dòng)2
Y步進(jìn)電機(jī)
P1.3-P1.5
P1.6
驅(qū)動(dòng)3
P3.2
外部中斷0
P3.3
外部中斷1
P0.0-P0.7
AD0~AD7
P2.7
CE
P2.6
IO/M
PB 口
PA口
PC口
AT89S51
鍵盤(pán)
電磁鐵
8255
圖5-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖
PB口接LED反映當(dāng)前運(yùn)行的8個(gè)狀態(tài)：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手動(dòng)X+運(yùn)行、手動(dòng)X-運(yùn)行、手動(dòng)Y+運(yùn)行、手動(dòng)Y-運(yùn)行。
PA口低四位反映觸發(fā)中斷1的4個(gè)行程開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。
PC口低6位反映了觸發(fā)中斷2的手動(dòng)X+運(yùn)行、手動(dòng)X-運(yùn)行、手動(dòng)Y+運(yùn)行、手動(dòng)Y-運(yùn)行、復(fù)位（RST）、圓弧插補(bǔ)6個(gè)開(kāi)關(guān)的狀態(tài)。
5.1.3、鍵盤(pán)、顯示接口電路:
鍵盤(pán)、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都用行列式鍵盤(pán)，即用I/O口線(xiàn)組成行、列接構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。
數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED（發(fā)光二極管顯示器）和LCD（液晶顯示器），為了方便顯示圖形，也有用CRT接口顯示方式的系統(tǒng)。
5.1.4、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路:
步進(jìn)電機(jī)是一種用脈沖信號(hào)控制的電動(dòng)機(jī)，在負(fù)載能力及動(dòng)態(tài)特性范圍內(nèi)，電動(dòng)機(jī)的角位移僅與控制脈沖數(shù)成正比，轉(zhuǎn)速僅與控制脈沖頻率成正比。在多數(shù)情況下，用步進(jìn)電機(jī)作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)中不需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換，可采用較為簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床最主要的一種的伺服驅(qū)動(dòng)單元。步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路由圖5所示四部分組成。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
步進(jìn)電機(jī)的速度控制比較容易實(shí)現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計(jì)時(shí)的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進(jìn)電機(jī)每走一步，工作臺(tái)直線(xiàn)行進(jìn)0.01mm。
步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中采用了光電偶合器，它具有較強(qiáng)的抗干擾性，而且具有保護(hù)CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時(shí)，不會(huì)將大的電壓加在CPU上使其燒壞。
圖4-3 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖
圖中僅為一相的驅(qū)動(dòng)電路，其余兩相與之相同。相繞組的通斷由開(kāi)關(guān)管VT1和VT2共同控制，VT2的發(fā)射極接一個(gè)采樣電阻R，該電阻上的壓降與相繞組電流i成正比。
當(dāng)控制脈沖ui為高電平時(shí)，VT1和VT2兩個(gè)開(kāi)關(guān)管均導(dǎo)通，直流電源向繞組供電。由于繞組電感的影響，采樣電阻R上的電壓逐漸升高，當(dāng)超過(guò)給定電壓ua的值時(shí)，比較器輸出低電平，使與門(mén)也輸出低電平，VT1被截止，直流電源被切斷，繞組電流i經(jīng)VT2、R、VD2續(xù)流而衰減，采樣電阻R上的電壓隨之下降。當(dāng)采樣電阻R上的電壓小于給定電壓ua時(shí)，比較器輸出高電平，與門(mén)也輸出高電平，VT1重新導(dǎo)通，直流電源又開(kāi)始向繞組供電。如此反復(fù)，相繞組的電流就穩(wěn)定在由給定電壓ua所決定的數(shù)值上。
由于步進(jìn)電機(jī)采用的是三相六拍的工作方式（三個(gè)線(xiàn)圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序?yàn)椋篈-AC-C-CB-B-BA-A。
步進(jìn)時(shí)鐘
A相波形
B相波形
C相波形
圖4-4 三相六拍工作方式時(shí)相電壓波形（正轉(zhuǎn)）
5.1.5、其它輔助電路設(shè)計(jì)
（1）AT89S51的時(shí)鐘電路
單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。
內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部振蕩電路，AT89S51內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，它的出入端為引腳XTAL1，輸出端為XTAL2。AT89S51常選擇振蕩頻率6MHz或12MHz的石英晶體。
（2）復(fù)位電路
????AT89S51單片機(jī)的第9腳（RST）為復(fù)位引腳，系統(tǒng)上電后，時(shí)鐘電路開(kāi)始工作，只要RST 引腳上出現(xiàn)大于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間的高電平即可引起單片機(jī)執(zhí)行復(fù)位操作。有兩種方法可以使AT89S51單片機(jī)復(fù)位，即在RST引腳加上大于兩個(gè)機(jī)器周期時(shí)間的高電平或WDT計(jì)數(shù)溢出。單片機(jī)復(fù)位后，PC=0000H，CPU從程序存儲(chǔ)器的0000H開(kāi)始取指執(zhí)行。
上電瞬間，由于電容兩端電壓不能突變，RST引腳電壓端為VR為VCC，隨著對(duì)電容的充電， RST引腳的電壓呈指數(shù)規(guī)律下降，到t1時(shí)刻，VR降為3.6V，隨著對(duì)電容充電的進(jìn)行，VR最后將接近0V。RST引腳的電壓變化如圖所示。為了確保單片機(jī)復(fù)位，t1必須大于兩個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間，機(jī)器周期取決于單片機(jī)系統(tǒng)采用的晶振頻率，圖中，R不能取得太小，典型值 8.2kΩ.
（3）越界報(bào)警電路
為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。如是兩坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的數(shù)控系統(tǒng)，則有4個(gè)方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，應(yīng)立即停止工作臺(tái)移動(dòng)，可通過(guò)光電耦合器的輸入隔離電路。行程開(kāi)關(guān)接到發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接到?AT89S51的I/O口P1.0。當(dāng)任何一個(gè)方向的行程開(kāi)關(guān)被壓下，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變?yōu)楦唠娖健?AT89S51可用軟件設(shè)計(jì)成查詢(xún)的方法隨時(shí)檢測(cè)有無(wú)越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接到?AT89S51的外部中斷引腳（INT0或INT1），采用中斷方式檢測(cè)越界信號(hào)。（為了報(bào)警，可以設(shè)置發(fā)光二極管，工作時(shí)不亮，有越界信號(hào)時(shí)，紅燈亮，指示工作臺(tái)越過(guò)極限位置。）
5.2、控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)
5.2.1、系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容
數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾部分內(nèi)容。
（1）系統(tǒng)管理程序
它是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其主要功能是：
①接收操作者的命令
②執(zhí)行命令
③從命令處理程序返回到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。
（2）零件加工源程序的輸入處理程序
該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。
（3）插補(bǔ)程序
插補(bǔ)程序根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，分配進(jìn)給脈沖。
（4）伺服控制程序
伺服控制程序根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度、轉(zhuǎn)角及方向。
（5）診斷程序
診斷程序包括移動(dòng)部件移動(dòng)越界處理、緊急停機(jī)處理、系統(tǒng)故障診斷、查錯(cuò)等功能。
（6）機(jī)床的自動(dòng)加工與手動(dòng)控制程序
在調(diào)整機(jī)床時(shí)往往需要機(jī)床的手動(dòng)控制。
（7）鍵盤(pán)操作和顯示處理程序
鍵盤(pán)操作和顯示處理程序的功能包括監(jiān)視鍵盤(pán)操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。
5.2.2、程序設(shè)計(jì)技術(shù)
系統(tǒng)控制軟件根據(jù)系統(tǒng)功能的要求而設(shè)計(jì)，應(yīng)可靠的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件時(shí)必須詳盡而細(xì)致地分析系統(tǒng)控制對(duì)象的特點(diǎn)及對(duì)控制功能的要求。在確定好控制方式、計(jì)算方法和控制順序后，將其處理順序用框圖描述出。系統(tǒng)控制軟件通常用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)。
程序設(shè)計(jì)的方法通常有：模塊化程序設(shè)計(jì)和自頂向下程序設(shè)計(jì)。
5.2.3、步進(jìn)電機(jī)控制子程序的設(shè)計(jì)
步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度、轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，所以步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行時(shí)應(yīng)有一個(gè)加、減速過(guò)程。
通過(guò)確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。
經(jīng)過(guò)計(jì)算知加、減速脈沖個(gè)數(shù)都為27個(gè)。
因?yàn)?，所?
計(jì)算時(shí)要根據(jù)脈沖時(shí)刻tn查時(shí)間常數(shù)表，得脈沖時(shí)間間隔T，
再由Te=T×10-3/（te×10-6）求出時(shí)間常數(shù)Te，
式中：T——脈沖時(shí)間間隔（ms）；te——單片機(jī)機(jī)器周期（μs），在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，te≈2μs。
在EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)間常數(shù)占兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。
在程序中，設(shè)置加速、恒速、減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0、N1、N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過(guò)程（加速、恒速或減速）是否結(jié)束的標(biāo)志。
復(fù)位程序流程
DIRX EQU 30H
DIRY EQU 31H
RST： CLR P1.6
RPA： MOV A，PA
MOV DPTR，A
MOVX A，@DPTR ；讀PA口內(nèi)容
JNB ACC.0，ACC2
MOV DIRX，#00H ；表X電機(jī)反轉(zhuǎn)
ACALL XMOTOR0 ；X電機(jī)反轉(zhuǎn)一步
ACC2： JNB ACC.2，LOOP0
MOV DIRY，#00H ；表Y電機(jī)反轉(zhuǎn)
ACALL YMOTOR0 ；Y電機(jī)反轉(zhuǎn)一步
AJMP RPA
LOOP0： AJMP LOOP1
結(jié)論
本次設(shè)計(jì)讓我學(xué)到了很多，通過(guò)查詢(xún)?cè)O(shè)計(jì)資料，對(duì)Z3063搖臂鉆床工作臺(tái)進(jìn)行了數(shù)控改造的機(jī)械結(jié)構(gòu)改造，本方案的改造從原機(jī)床的特點(diǎn)出發(fā)，保證了原機(jī)床的加工范圍，改造后機(jī)床結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，專(zhuān)用性強(qiáng)，易于維修，改造周期短，提高了機(jī)床的性