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畢業(yè)論文
題 目：Z3063搖臂鉆床數(shù)控化改造的設(shè)計
姓 名：
班 級：
學(xué) 號：
指導(dǎo)老師：
摘 要
X-Y數(shù)控工作臺改裝設(shè)計是一個開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡單。實現(xiàn)方便并且能夠保證一定的精度。
本文主要對Z3063工作臺的機械部分和控制部分進行設(shè)計，對滾珠絲杠，滾動導(dǎo)軌及步進電動機做了設(shè)計計算及選用，并也對軸承座進行了分析和選擇，另外也利用AutoCAD進行了裝配圖的繪制，對其導(dǎo)軌座的設(shè)計及各零部件的安裝也作了比較詳細的說明。針對滾珠絲杠的計算，通過對滾珠絲杠的動載荷及靜載荷的計算，確定所要絲杠的動靜載荷值，并選擇。針對滾動導(dǎo)軌，分別計算滾動導(dǎo)軌的動載荷及其工作壽命來確定滾動導(dǎo)軌的參數(shù)，并選取。針對步進電動機的選取，我分別作了其轉(zhuǎn)動慣量和轉(zhuǎn)動力矩的計算，根據(jù)所得的數(shù)據(jù)作步進電動機的選擇。
關(guān)鍵詞：XY工作臺 步進電動機 滾動導(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)達國家數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r………………………… 1
1.2.2國內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀……………………………… 2
第二章 Z3063搖臂鉆床工作臺改造總體方案…………………………… 3
2.1 Z3063搖臂鉆床簡介…………………………………………… 3
2.2機械改造方案…………………………………………………… 5
2.2.1系統(tǒng)運動方式與伺服系統(tǒng)……………………………… 5
2.2.2 計算機系統(tǒng)……………………………………………… 6
2.2.3 X—Y工作臺的傳動方式……………………………… 6
第三章 機械部分的設(shè)計和計算………………………………………… 7
3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量……………………………………………… 7
3.2初步確定工作臺的尺寸及其重量……………………………… 7
3.3滾珠絲杠的設(shè)計計算及選擇…………………………………… 8
3.3.1求絲杠的靜載荷………………………………………… 9
3.3.2 確定動載荷及其使用壽命……………………………… 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)定性計算……………………………………………… 10
3.3.6 剛度過驗算……………………………………………… 11
3.4 滾動導(dǎo)軌的計算與選擇………………………………………… 11
3.4.1 導(dǎo)軌的型號……………………………………………… 12
3.4.2 導(dǎo)軌的受力分析………………………………………… 12
3.4.3計算導(dǎo)軌的壽命………………………………………… 12
3.5 電機的計算…………………………………………………… 14
3.5.1 負載慣量的計算………………………………………… 17
3.5.2 負載轉(zhuǎn)矩的計算………………………………………… 17
3.5.3 步進電動機的選擇……………………………………… 18
3.6 齒輪計算、設(shè)計……………………………………… …… 19
第四章 精度分析………………………………………………………… 20
4.1 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)誤差來源………………………………………… 20
4.2 系統(tǒng)誤差的消除………………………………………………… 21
第五章 控制部分的設(shè)計………………………………………………… 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口擴展電路設(shè)計…………………………………… 23
5.1.3鍵盤、顯示接口電路…………………………………… 24
5.1.4步進電機驅(qū)動電路……………………………………… 25
5.1.5其它輔助電路設(shè)計……………………………………… 26
5.2控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計………………………………………… 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)計技術(shù)…………………………………………… 28
5.2.3步進電機控制子程序的設(shè)計…………………………… 28
結(jié)論……………………………………………………………………………30
致謝……………………………………………………………………………31
參考文獻………………………………………………………………………31
09屆機械電子工程畢業(yè)設(shè)計
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)字化的信息對機床運動及加工過程進行控制的一種方法。用數(shù)控技術(shù)實施加工控制的機床，或者說裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床稱為數(shù)控(Numerical?Control)機床。數(shù)控系統(tǒng)包括：數(shù)控裝置、可編程控制器、主軸驅(qū)動器及進給裝置等部分。
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)域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)(IT、汽車、輕工、醫(yī)療等)的發(fā)展起著越來越重要的作用，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢。
1.2數(shù)控技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀
1.2.1發(fā)達國家數(shù)控技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r
美、德、日三國是當(dāng)今世上在數(shù)控機床科研、設(shè)計、制造和使用上，技術(shù)最先進、經(jīng)驗最多的國家。因其社會條件不同，各有特點。
1.美國的數(shù)控發(fā)展史
美國政府重視機床工業(yè)，美國國防部等部門因其軍事方面的需求而不斷提出機床的發(fā)展方向、科研任務(wù),并且提供充足的經(jīng)費，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。因而在機床技術(shù)上不斷創(chuàng)新，如1952年研制出世界第一臺數(shù)控機床、1958年創(chuàng)制出加工中心、70年代初研制成FMS、1987年首創(chuàng)開放式數(shù)控系統(tǒng)等。由於美國首先結(jié)合汽車、軸承生產(chǎn)需求，充分發(fā)展了大量大批生產(chǎn)自動化所需的自動線，而且電子、計算機技術(shù)在世界上領(lǐng)先，因此其數(shù)控機床的主機設(shè)計、制造及數(shù)控系統(tǒng)基礎(chǔ)扎實，且一貫重視科研和創(chuàng)新，故其高性能數(shù)控機床技術(shù)在世界也一直領(lǐng)先。當(dāng)今美國生產(chǎn)宇航等使用的高性能數(shù)控機床，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80代政府一度放松了引導(dǎo)，致使數(shù)控機床產(chǎn)量增加緩慢，于1982年被后進的日本超過，并大量進口。從90年代起，糾正過去偏向，數(shù)控機床技術(shù)上轉(zhuǎn)向?qū)嵱?，產(chǎn)量又逐漸上升。
2.德國的數(shù)控發(fā)展史
德國政府一貫重視機床工業(yè)的重要戰(zhàn)略地位，在多方面大力扶植。，於1956年研制出第一臺數(shù)控機床后，德國特別注重科學(xué)試驗，理論與實際相結(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)科研部門緊密合作，對數(shù)控機床的共性和特性問題進行深入的研究，在質(zhì)量上精益求精。德國的數(shù)控機床質(zhì)量及性能良好、先進實用、貨真價實，出口遍及世界。尤其是大型、重型、精密數(shù)控機床。德國特別重視數(shù)控機床主機及配套件之先進實用，其機、電、液、氣、光、刀具、測量、數(shù)控系統(tǒng)、各種功能部件，在質(zhì)量、性能上居世界前列。如西門子公司之?dāng)?shù)控系統(tǒng)，均為世界聞名，競相采用。
3.日本的數(shù)控發(fā)展史
日本政府對機床工業(yè)之發(fā)展異常重視，通過規(guī)劃、法規(guī)(如“機振法”、“機電法”、“機信法”等)引導(dǎo)發(fā)展。在重視人才及機床元部件配套上學(xué)習(xí)德國，在質(zhì)量管理及數(shù)控機床技術(shù)上學(xué)習(xí)美國，甚至青出于藍而勝于藍。自1958年研制出第一臺數(shù)控機床后，1978年產(chǎn)量(7,342臺)超過美國(5,688臺)，至今產(chǎn)量、出口量一直居世界首位(2001年產(chǎn)量46,604臺，出口27,409臺，占59%)。戰(zhàn)略上先仿后創(chuàng)，先生產(chǎn)量大而廣的中檔數(shù)控機床，大量出口，占去世界廣大市場。在上世紀80年代開始進一步加強科研，向高性能數(shù)控機床發(fā)展。日本FANUC公司戰(zhàn)略正確，仿創(chuàng)結(jié)合，針對性地發(fā)展市場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600人，月產(chǎn)能力7,000套，銷售額在世界市場上占50%，在國內(nèi)約占70%，對加速日本和世界數(shù)控機床的發(fā)展起了重大促進作用。
1.2.2國內(nèi)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀
我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展起步于二十世紀五十年代，通過“六五”期間引進數(shù)控技術(shù)，“七五”期間組織消化吸收“科技攻關(guān)”，我國數(shù)控技術(shù)和數(shù)控產(chǎn)業(yè)取得了相當(dāng)大的成績。特別是最近幾年，我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，1998～2004年國產(chǎn)數(shù)控機床產(chǎn)量和消費量的年平均增長率分別為39.3%和34.9%。盡管如此，進口機床的發(fā)展勢頭依然強勁，從2002年開始，中國連續(xù)三年成為世界機床消費第一大國、機床進口第一大國，2004年中國機床主機消費高達94.6億美元，國內(nèi)數(shù)控機床制造企業(yè)在中高檔與大型數(shù)控機床的研究開發(fā)方面與國外的差距更加明顯，70%以上的此類設(shè)備和絕大多數(shù)的功能部件均依賴進口。由此可以看出國產(chǎn)數(shù)控機床特別是中高檔數(shù)控機床仍然缺乏市場競爭力，究其原因主要在于國產(chǎn)數(shù)控機床的研究開發(fā)深度不夠、制造水平依然落后、服務(wù)意識與能力欠缺、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，充分認識國產(chǎn)數(shù)控機床的不足，努力發(fā)展先進技術(shù)，加大技術(shù)創(chuàng)新與培訓(xùn)服務(wù)力度，以縮短與發(fā)達國家之問的差距。
第二章 Z3063搖臂鉆床工作臺改造總體方案
根據(jù)設(shè)計任務(wù)確定系統(tǒng)的總體機械和控制系統(tǒng)方案：進行系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構(gòu)及傳動方案的確定，伺服電機類型及調(diào)速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較和論證。對普通機床進行數(shù)控化改造與購置新機床相比，一般可以節(jié)省60%至80%的費用，改造費用低，大大節(jié)省了成本，特別是大型、特殊機床尤其明顯。一般大型機床改造，只需要花費新機床購置費用的1/3，產(chǎn)品交貨期短。機床經(jīng)改造后降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求作出快速反應(yīng)。
2.1 Z3063搖臂鉆床簡介
Z3063鉆床是機械制造中使用廣泛的一類機床，作為孔加工機床，主要用來加工箱體、機架等外形較復(fù)雜、沒有對稱回轉(zhuǎn)軸線的工件上的孔。鉆削加工時，工件不動，刀具作旋轉(zhuǎn)運動和軸向進給運動。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、工作臺等部分組成。由于搖臂鉆床運動部件較多，常采用多臺電動機拖動。Z3063搖臂鉆床共有4臺電動機，一般采用籠型異步電動機，其中M1為主電動機，控制主軸旋轉(zhuǎn)運動和進給運動，單向旋轉(zhuǎn)，用機械變換完成加工螺紋所需要的正反向運動。主軸的正反運動一般通過正反轉(zhuǎn)摩擦離合器來實現(xiàn)。M2為升降電動機，控制搖臂升降運動，雙向旋轉(zhuǎn)。M3為液壓泵電動機，M4為冷卻電動機，對加工的道具進行冷卻，手動控制，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，擴孔、鉸孔及攻螺紋等加工。適合本機床工作的溫度要求在0到45攝氏度、大氣壓強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，不得有導(dǎo)電塵埃：廠房內(nèi)不得有雨雪侵襲：地面平整、清潔、室內(nèi)光線充足。機床安裝在遠離振源、熱源等地方。
2.2機械改造方案
2.2.1系統(tǒng)運動方式與伺服系統(tǒng)
采用直角坐標(biāo)控制方式，在原機床的底座上設(shè)計一個獨立的十字數(shù)控滑臺，即提供了獨立的X，Y坐標(biāo)。Z坐標(biāo)作為主軸的上下運動，通過機床手動微進給軸傳入。采用連續(xù)控制系統(tǒng)?？紤]到運動精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。
2.2.2 計算機系統(tǒng)
采用ATMEL公司的AT89系列單片機擴展控制系統(tǒng)。它。內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改，同時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)時鐘方式可以節(jié)省電能。
2.2.3 X—Y工作臺的傳動方式
為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。
由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。
考慮電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達到分辨率的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。
系統(tǒng)總體框圖
第三章 機械部分的設(shè)計和計算
3.1確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量
脈沖當(dāng)量是個進給指令時工作位移量，應(yīng)小于等于工作臺的位置精度。一般為0.01~0.005mm。
3.2初步確定工作臺的尺寸及其重量
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。因此我初定工作臺的。工作臺的材料為號鋼，其密度為。（取）因此：
3.2.1 工作臺（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）重量
初步取導(dǎo)軌座的長，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工作臺運動部分的總重量為：
根據(jù)要求所知，其最大加工工件為，另外，還有絲杠、電機等，大約3kg，因此：m4=3kg
3.3滾珠絲杠的設(shè)計計算及選擇
X方向定位精度要求為0.01mm，工作臺快進速度定為2m/min，加速時間為0.1s。
絲杠分為滑動絲杠和滾珠絲杠。滾珠絲杠副是由絲杠、螺母、滾珠等零件組成的機械元件，其作用是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運動或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動，它是傳統(tǒng)滑動絲杠的進一步延伸發(fā)展。這一發(fā)展的深刻意義如同滾動軸承對滑動軸承所帶來得改變一樣。滾珠絲杠副因優(yōu)良的摩擦特性使其廣泛的運用于各種工業(yè)設(shè)備、精密儀器、精密數(shù)控機床。尤其是近年來，滾珠絲杠副作為數(shù)控機床直線驅(qū)動執(zhí)行單元，在機床行業(yè)得到廣泛運用，極大的推動了機床行業(yè)的數(shù)控化發(fā)展。這些都取決于其具有以下幾個方面的優(yōu)良特性：傳動效率高、定位精度高、傳動可逆性、使用壽命長、同步性能好。由于滾珠絲杠副運轉(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)動同一裝置或多個相同部件時，可獲得很好的同步工作。
滾珠絲杠與傳統(tǒng)滑動絲杠相比，有以下優(yōu)點：一，與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為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運動，所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下，即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的1/3，在省電方面很有幫助。
二，高精度的保證。三，微進給可能。滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動，所以啟動力矩極小，不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象，能保證實現(xiàn)精確的微進給。四，無側(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到負值，進而得到較高的剛性(滾珠絲杠內(nèi)通過給滾珠加預(yù)壓力，在實際用于機械裝置等時，由于滾珠的斥力可使絲杠螺母部的剛性增強)。五，高速進給可能。滾珠絲杠由于運動效率高，發(fā)熱小，所以可實現(xiàn)高速進給運動。
因此，在設(shè)計X方向工作臺時，采用滾珠絲杠驅(qū)動。滾珠絲杠負載有運動部件和導(dǎo)軌之間的摩擦阻力，鉆頭切削時的絲杠受的軸向力。由于工作臺運動時不進行切削，而進行切削時，絲杠受的軸向力很小，可以忽略不計，因此，絲杠的負載只按運動部件和導(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)控機床系統(tǒng)設(shè)計》P182) 。
因此：
3.3.2 確定動載荷及其使用壽命
根據(jù)絲杠動載荷公式：
式中：：額定動載荷
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快進的速度為，因此其計算為：
所以：
3.3.3滾珠絲杠的選取
安裝尺寸
根據(jù)動載荷及動載荷和公稱導(dǎo)程值的核對，最后選取的滾珠絲杠為天津龍創(chuàng)日盛機電實業(yè)有限公司生產(chǎn)的FFB2005-2 ，其公稱直徑為20mm，公稱導(dǎo)程為5mm，動靜載荷分別為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)定性計算
因螺桿較長，所以穩(wěn)定性驗算應(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：螺桿危險截面的軸慣性矩
μ：長度系數(shù)，查《機電一體化設(shè)計手冊》得μ=1
絲杠的有效長度是240mm
>2.5~4 是安全的
3.3.6 剛度過驗算
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《機電一體化設(shè)計手冊》滾動螺旋
3.4 滾動導(dǎo)軌的計算與選擇
滾動導(dǎo)軌副的介紹
一、滾動直線導(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)軌與滑塊作相對運動時，鋼球就沿著導(dǎo)軌上的經(jīng)過淬硬和精密磨削加工而成的四條滾道滾動，在滑塊端部鋼球又通過返向裝置（返向器）進入返向孔后再進入滾道，鋼球就這樣周而復(fù)始地進行滾動運動。返向器兩端裝有防塵密封端蓋，可有效地防止灰塵、屑末進入滑塊內(nèi)部。二、特點 滾動直線導(dǎo)軌副是在滑塊與導(dǎo)軌之間放入適當(dāng)?shù)匿撉?，使滑塊與導(dǎo)軌之間的滑動摩擦變?yōu)闈L動、靜摩擦力之差很小，隨動性極好，即驅(qū)動信號與機械動作滯后的時間間隔極短，有益于提高數(shù)控系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度。驅(qū)動功率大幅度下降，只相當(dāng)于普通機械的十分之一。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)高速直線運動，其瞬時速度比滑動導(dǎo)軌提高約10倍。能實現(xiàn)高定位精度和重復(fù)定位精度。動摩擦，大大降低二者之間的運動摩擦阻力，從而獲得：能實現(xiàn)無間隙運動，提高機械系統(tǒng)的運動剛度。 成對使用導(dǎo)軌副時，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接觸時大大提高，滾動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；心部保持良好的機械性能。 簡化了機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制造。
3.4.1 導(dǎo)軌的型號
查《機電一體化技術(shù)手冊》1卷下冊6篇3章，選用GGB20BA型導(dǎo)軌；表6.3-11，選擇導(dǎo)軌精度等級為4級，每個托板有兩條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌有兩個滑塊。由于絲杠的直徑為20mm，跟根《機電一體化技術(shù)手冊》所給的選用方法，選用導(dǎo)軌的規(guī)格為20。查《機電一體化技術(shù)手冊》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)機床沒有切削時，
當(dāng)機床在切削時候，
當(dāng)量載荷：
查《機電一體化設(shè)計手冊》得GGB型號規(guī)格為20的導(dǎo)軌的動載荷為11.6KN。
3.4.3計算導(dǎo)軌的壽命：
式中：ft：溫度系數(shù)。查《機電一體化技術(shù)手冊》表6.3-3，取ft=1
fc：接觸系數(shù)。查《機電一體化技術(shù)手冊》表6.3-4，fc=0.81
fw：載荷系數(shù)。查《機電一體化技術(shù)手冊》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；假設(shè)每分鐘走6個行程，則
所選用的導(dǎo)軌壽命比要求壽命要長，所以合格。
我選定的導(dǎo)軌副的型號為GGB20BA，其尺寸見上圖。來自昆山春本自動化設(shè)備有限公司。
3.5 電機的計算
數(shù)控機床上可以用步進電機和伺服電機控制，這里先對兩者進行一下性能比較，以便更好的選擇合適的電機。
步進電機是一種離散運動的裝置，它和現(xiàn)代數(shù)字控制技術(shù)有著本質(zhì)的聯(lián)系。在目前國內(nèi)的數(shù)字控制系統(tǒng)中，步進電機的應(yīng)用十分廣泛。隨著全數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)的出現(xiàn)，交流伺服電機也越來越多地應(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，運動控制系統(tǒng)中大多采用步進電機或全數(shù)字式交流伺服電機作為執(zhí)行電動機。雖然兩者在控制方式上相似（脈沖串和方向信號），但在使用性能和應(yīng)用場合上存在著較大的差異。現(xiàn)就二者的使用性能作一比較。
第一，控制精度不同。兩相混合式步進電機步距角一般為3.6°，1.8°，五相混合式步進電機步距角一般為0.72°、0.36 °，也有一些高性能的步進電機步距角更小，如四通公司生產(chǎn)的一種用于慢走絲機床的步進電機，其步距角為0.09 o；德國百格拉公司（BERGER LAHR）生產(chǎn)的三相混合式步進電機其步距角可通過撥碼開關(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電機的步距角。交流伺服電機的控制精度由電機軸后端的旋轉(zhuǎn)編碼器保證。以松下全數(shù)字式交流伺服電機為例，對于帶標(biāo)準(zhǔn)2500線編碼器的電機而言，由于驅(qū)動器內(nèi)部采用了四倍頻技術(shù)，其脈沖當(dāng)量為360 °/10000=0.0036 °。對于帶17位編碼器的電機而言，驅(qū)動器每接收131072個脈沖電機轉(zhuǎn)一圈，即其脈沖當(dāng)量為360 °/131072 ，是步距角為1.8°的步進電機的脈沖當(dāng)量的1/655。
第二，低頻特性不同。步進電機在低速時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象。振動頻率與負載情況和驅(qū)動器性能有關(guān)，一般認為振動頻率為電機空載起跳頻率的一半。這種由步進電機的工作原理所決定的低頻振動現(xiàn)象對于機器的正常運轉(zhuǎn)非常不利。當(dāng)步進電機工作在低速時，一般應(yīng)采用阻尼技術(shù)來克服低頻振動現(xiàn)象，比如在電機上加阻尼器，或驅(qū)動器上采用細分技術(shù)等。交流伺服電機運轉(zhuǎn)非常平穩(wěn)，即使在低速時也不會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。交流伺服系統(tǒng)具有共振抑制功能，可涵蓋機械的剛性不足，并且系統(tǒng)內(nèi)部具有頻率解析機能（FFT），可檢測出機械的共振點，便于系統(tǒng)調(diào)整。
第三，矩頻特性不同。步進電機的輸出力矩隨轉(zhuǎn)速升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，所以其最高工作轉(zhuǎn)速一般在300～600RPM。交流伺服電機為恒力矩輸出，即在其額定轉(zhuǎn)速（一般為2000RPM或3000RPM）以內(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，過載能力不同。步進電機一般不具有過載能力。交流伺服電機具有較強的過載能力。以松下交流伺服系統(tǒng)為例，它具有速度過載和轉(zhuǎn)矩過載能力。其最大轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的三倍，可用于克服慣性負載在啟動瞬間的慣性力矩。步進電機因為沒有這種過載能力，在選型時為了克服這種慣性力矩，往往需要選取較大轉(zhuǎn)矩的電機，而機器在正常工作期間又不需要那么大的轉(zhuǎn)矩，便出現(xiàn)了力矩浪費的現(xiàn)象。
第五，運行性能不同。步進電機的控制為開環(huán)控制，啟動頻率過高或負載過大易出現(xiàn)丟步或堵轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，停止時轉(zhuǎn)速過高易出現(xiàn)過沖的現(xiàn)象，所以為保證其控制精度，應(yīng)處理好升、降速問題。交流伺服驅(qū)動系統(tǒng)為閉環(huán)控制，驅(qū)動器可直接對電機編碼器反饋信號進行采樣，內(nèi)部構(gòu)成位置環(huán)和速度環(huán)，一般不會出現(xiàn)步進電機的丟步或過沖的現(xiàn)象，控制性能更為可靠。
第六，速度響應(yīng)性能不同。步進電機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)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過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。
步進電動機是純粹的數(shù)字控制電動機，它將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰?，即給一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)一個角度，因此非常合適單片機控制，在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角，同時步進電機只有周期性的無累積誤差，精度高。
步進電動機有如下特點：第一，步進電動機的角位移與輸入脈沖數(shù)嚴格成正比。因此，當(dāng)它轉(zhuǎn)一圈后，沒有累計誤差，具有良好的跟隨性；第二，由步進電動機與驅(qū)動電路組成的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，既簡單、廉價，又非?？煽浚瑫r，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，步進電動機的動態(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)動負載。第五，步進電機只能通過脈沖電源供電才能運行，不能直接使用交流電源和直流電源。第六，步進電機存在振蕩和失步現(xiàn)象，必須對控制系統(tǒng)和機械負載采取相應(yīng)措施。
步進電機有兩種工作方式：整步方式和半步方式。以步進角1.8°四相混合式步進電機為例，在整步方式下，步進電機每接收一個脈沖，旋轉(zhuǎn)1.8°，旋轉(zhuǎn)一周，則需要200個脈沖，在半步方式下，步進電機每接收一個脈沖，旋轉(zhuǎn)0.9°，旋轉(zhuǎn)一周，則需要400個脈沖?？刂撇竭M電機旋轉(zhuǎn)必須按一定時序?qū)Σ竭M電機引線輸入脈沖。
步進電機在低頻工作時，會有振動大、噪聲大的缺點。如果使用細分方式，就能很好的解決這個問題，步進電機的細分控制，從本質(zhì)上講是通過對步進電機勵磁繞組中電流的控制，使步進電機內(nèi)部的合成磁場為均勻的圓形旋轉(zhuǎn)磁場，從而實現(xiàn)步進電機步距角的細分，一般情況下，合成磁場矢量的幅值決定了步進電機旋轉(zhuǎn)力矩的大小，相鄰兩合成磁場矢量之間的夾角大小決定了步距角的大小，步進電機半步工作方式就蘊涵了細分的工作原理。
通過以上信息，可知本次設(shè)計的工作臺控制精度要求不需要很高，考慮成本因素等等，選擇步進電機控制。
下面對步進電機進行計算選型。
3.5.1 負載慣量的計算
絲杠的轉(zhuǎn)動慣量
工作臺的轉(zhuǎn)去慣量
工件的轉(zhuǎn)動慣量
3.5.2 負載轉(zhuǎn)矩的計算
快速空程啟動時電機所需力矩；最大切削負載時電機所需力矩；快給速進時電機所需力矩
由于電機與絲杠間直接用齒輪連接，所以傳動鏈效率η取0.9，滾球未加預(yù)緊力時的效率η0取0.93；鉆床在X、Y軸進給方向是沒有切削力的，所以沒有切削力矩。
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 步進電動機的選擇
根據(jù)上述分析，最后我選定步距角為0.36度的型號為60BYG550A的步進電動機，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 齒輪計算、設(shè)計
根據(jù)本部分的第一步所初選的電機步距角和脈沖當(dāng)量，又已知滾珠絲杠螺距t=5mm，在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比：
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
以步進電機為執(zhí)行元件所構(gòu)成的開環(huán)系統(tǒng)具有功能簡單、價格低廉等特點，在一些經(jīng)濟型普通數(shù)控機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、拖動能力較小等問題，特別是控制精度問題在實際中最引人關(guān)注。
4.1 開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)誤差來源
本設(shè)計中的開環(huán)控制系統(tǒng)，工作臺沒有檢測反饋裝置，控制系統(tǒng)發(fā)出的信號只是單向傳遞，由控制系統(tǒng)傳向移動工作臺?？刂葡到y(tǒng)對工作臺的實際位置不作檢測。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)行元件為步進電機，步進電機將直接影響整個系統(tǒng)的精度。對于步進電機，步距角對精度有顯著的影響，若步距角顯著減小，轉(zhuǎn)子達到新穩(wěn)定點時所具有的動能變小，振動也變小，精度得到提高，低速運行時的平滑性也得到提高。反之，會使精度變差。
除了伺服系統(tǒng)的性能對工作臺的精度有影響，減速機構(gòu)傳動鏈中的傳動間隙，滾珠絲杠的傳動間隙及其剛度，齒輪減速機構(gòu)，支撐軸承也會影響系統(tǒng)精度。。
滾珠絲杠副的傳動精度主要有兩個影響因素。其一，傳動間隙。由于絲杠、支承存在傳動間隙，機械傳動鏈在改變方向時，會引起步進電機的空走，而工作臺并無實際移動。這樣，最初的指令產(chǎn)生的脈沖只能起到消除間隙的作用，從而影響了工作臺的位置精度。其二，絲杠的傳動剛度。滾珠絲杠副和支承絲杠的軸承在內(nèi)的傳動系統(tǒng)的綜合拉壓剛度稱為滾珠絲杠副的傳動剛度。當(dāng)工作臺切削進給時，承受切削力，絲杠會產(chǎn)生彈性變形，此彈性變形會影響系統(tǒng)的定位精度和傳動精度。
4.2 系統(tǒng)誤差的消除
對于步進電機來說，提高步距角精度，改善步距角特性，會提高定位精度。因為步進電機的步距角與步進電機定子繞組相數(shù)、通電方式系數(shù)、步進電機轉(zhuǎn)子齒數(shù)有關(guān)，所以合理選擇步進電機電磁參數(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分電路。當(dāng)傳動比一定時，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機轉(zhuǎn)子外形尺寸、相數(shù)以及拍數(shù)的限制，沒有辦法做得很小。因而，只能采取細分電路，使得步進電機的勵磁繞組電流的切換按很小的階梯進行。步進電機在細分狀態(tài)下，步距角顯著減小，達到了提高精度的目的。本設(shè)計中的驅(qū)動器自帶有細分的功能。也可以說，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償電路，也稱誤差較正電路。由于機械傳動的間隙具有一定的穩(wěn)定性，很有可能是一個常數(shù)，這個常數(shù)隨磨損緩慢增加。可由實際調(diào)整和測量來決定。可以在工作臺反向或移動有間隙誤差的位置時，用補充一定脈沖量的方法來消除誤差，提高精度。對于提高絲杠副的傳動精度，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說，更為簡便易行，在實際中更常用。本設(shè)計中，絲杠副采用的是墊片預(yù)緊的方法來消除間隙，提高精度。
為了提高傳動精度和傳動平穩(wěn)性，避免齒輪在旋轉(zhuǎn)中產(chǎn)生沖擊和噪聲，對于30／60這一對齒輪還必須設(shè)計頂隙和側(cè)隙調(diào)整機構(gòu)。
主動輪裝在步進電機軸上，而步進電機的端面用螺釘與偏心套聯(lián)接，偏心套裝在箱體上，轉(zhuǎn)動偏心套(這時步進電機連同齒輪一同轉(zhuǎn)動) 從而可以調(diào)整主動輪與從動輪之間的中心距，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)拉簧錯齒調(diào)整法來實現(xiàn)的.
支撐軸承采用預(yù)緊的方法來消除間隙，提高精度。
第五章 控制部分的設(shè)計
5.1、確定硬件電路總體方案:
機床數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路概括起來由以下四部分組成：
（1）主控制器：就是中央處理單元CPU。
（2）總線：包括數(shù)據(jù)總線（DB）、地址總線（AB）、控制總線（CB）。
（3）存儲器：包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。
（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)備和信號變換電路。其中信號變換電路是A/D轉(zhuǎn)換、D/A轉(zhuǎn)換、光電隔離、功率放大等，是實現(xiàn)微機與控制對象之間的信號匹配與轉(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：
在微機應(yīng)用系統(tǒng)中，CPU的選擇應(yīng)考慮以下要素：
（1） 時鐘頻率和字長（控制數(shù)據(jù)處理的速度）；
（2） 可擴展存儲器（ROM/RAM）的容量；
（3） 指令系統(tǒng)功能是否強；
（4） I/O口擴展的能力；
（5） 開發(fā)手段（包括支持開發(fā)的軟件和硬件電路）。
隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計算機有了飛躍的發(fā)展。單片機的型號很多，而目前市場上應(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89C51，價格低廉，而性能優(yōu)良，功能強大。
從要設(shè)計的系統(tǒng)來看，選用較老的8051單片機需要拓展程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器，無疑提高了設(shè)計價格，而選用高性能的16位MCS-96又顯得過于浪費。生產(chǎn)基于51為內(nèi)核的單片機的廠家有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系列單片機內(nèi)含F(xiàn)lash存儲器，在程序開發(fā)過程中可以十分容易的進行程序修改，同時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存儲器，S表示含有串行下載Flash存儲器。
AT89S51的性能參數(shù)為：Flash存儲器容量為4KB、16位定時器2個、中斷源6個（看門狗中斷、接收發(fā)送中斷、外部中斷0、外部中斷1、定時器0和定時器1中斷）、RAM為128B、14位的計數(shù)器WDT、I/O口共有32個。
5.1.2、I/O口擴展電路設(shè)計:
CPU接口部分包括傳感器部分、傳動驅(qū)動部分、人機交互界面三部分。示意圖如下所示：（行程開關(guān)）
前向通道
傳動驅(qū)動
（步進電機）
人機界面
傳感器
AT89S51
（鍵盤、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）將行程開關(guān)的狀態(tài)讀入CPU，通過中斷進行處理，它的優(yōu)先級別最高。
（2）通過程序?qū)崟r控制電機的運行。
（3）接受鍵盤中斷指令，并響應(yīng)指令，將當(dāng)前行程開關(guān)狀態(tài)和鍵盤狀態(tài)反應(yīng)到LED上，實現(xiàn)人機交互作用。
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，因此要進行I/O擴展?？紤]到電路的簡便性和可實現(xiàn)性，實際外擴鎖存器的8255，所以AT89S51的I/O口線分配如下：
（1）P1.0-P1.5控制X-Y兩個方向步進電機的A、B、C線圈通電，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P3.3兩個中斷源中INT0優(yōu)先級最高，它讀入行程開關(guān)的狀態(tài)并觸發(fā)中斷；INT1讀入點動、復(fù)位、圓弧插補開關(guān)的狀態(tài)而觸發(fā)中斷。
（4）P0.0-P0.7外部I/O擴展的數(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1
X步進電機
驅(qū)動2
Y步進電機
P1.3-P1.5
P1.6
驅(qū)動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
電磁鐵
8255
圖5-2 AT89S51控制系統(tǒng)圖
PB口接LED反映當(dāng)前運行的8個狀態(tài)：X+禁止、X-禁止、Y+禁止、Y-禁止、手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行。
PA口低四位反映觸發(fā)中斷1的4個行程開關(guān)的狀態(tài)。
PC口低6位反映了觸發(fā)中斷2的手動X+運行、手動X-運行、手動Y+運行、手動Y-運行、復(fù)位（RST）、圓弧插補6個開關(guān)的狀態(tài)。
5.1.3、鍵盤、顯示接口電路:
鍵盤、顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計算機狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行、列接構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。
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、步進電機驅(qū)動電路:
步進電機是一種用脈沖信號控制的電動機，在負載能力及動態(tài)特性范圍內(nèi)，電動機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，用步進電機作為執(zhí)行元件的數(shù)控系統(tǒng)中不需要A/D或D/A轉(zhuǎn)換，可采用較為簡單的開環(huán)控制，因而成為經(jīng)濟型數(shù)控機床最主要的一種的伺服驅(qū)動單元。步進電機的驅(qū)動電路由圖5所示四部分組成。
步進電機驅(qū)動電路
步進電機的速度控制比較容易實現(xiàn)，而且不需要反饋電路。設(shè)計時的脈沖當(dāng)量為0.01mm，步進電機每走一步，工作臺直線行進0.01mm。
步進電機驅(qū)動電路中采用了光電偶合器，它具有較強的抗干擾性，而且具有保護CPU的作用，當(dāng)功放電路出現(xiàn)故障時，不會將大的電壓加在CPU上使其燒壞。
圖4-3 步進電機驅(qū)動電路圖
圖中僅為一相的驅(qū)動電路，其余兩相與之相同。相繞組的通斷由開關(guān)管VT1和VT2共同控制，VT2的發(fā)射極接一個采樣電阻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，VT1和VT2兩個開關(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)超過給定電壓ua的值時，比較器輸出低電平，使與門也輸出低電平，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，比較器輸出高電平，與門也輸出高電平，VT1重新導(dǎo)通，直流電源又開始向繞組供電。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。
由于步進電機采用的是三相六拍的工作方式（三個線圈A、B、C），其正轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AB-B-BC-C-CA-A，其反轉(zhuǎn)的通電順序為：A-AC-C-CB-B-BA-A。
步進時鐘
A相波形
B相波形
C相波形
圖4-4 三相六拍工作方式時相電壓波形（正轉(zhuǎn)）
5.1.5、其它輔助電路設(shè)計
（1）AT89S51的時鐘電路
單片機的時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單片機的第9腳（RST）為復(fù)位引腳，系統(tǒng)上電后，時鐘電路開始工作，只要RST 引腳上出現(xiàn)大于兩個機器周期時間的高電平即可引起單片機執(zhí)行復(fù)位操作。有兩種方法可以使AT89S51單片機復(fù)位，即在RST引腳加上大于兩個機器周期時間的高電平或WDT計數(shù)溢出。單片機復(fù)位后，PC=0000H，CPU從程序存儲器的0000H開始取指執(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，隨著對電容的充電， RST引腳的電壓呈指數(shù)規(guī)律下降，到t1時刻，VR降為3.6V，隨著對電容充電的進行，VR最后將接近0V。RST引腳的電壓變化如圖所示。為了確保單片機復(fù)位，t1必須大于兩個機器周期的時間，機器周期取決于單片機系統(tǒng)采用的晶振頻率，圖中，R不能取得太小，典型值 8.2kΩ.
（3）越界報警電路
為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。如是兩坐標(biāo)聯(lián)動的數(shù)控系統(tǒng)，則有4個方向可能越界，即+X、-X、+Y、-Y。一旦某一方向越界，應(yīng)立即停止工作臺移動，可通過光電耦合器的輸入隔離電路。行程開關(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)任何一個方向的行程開關(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)計成查詢的方法隨時檢測有無越界信號。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），采用中斷方式檢測越界信號。（為了報警，可以設(shè)置發(fā)光二極管，工作時不亮，有越界信號時，紅燈亮，指示工作臺越過極限位置。）
5.2、控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計
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實現(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）插補程序
插補程序根據(jù)零件加工源程序進行插補運算，分配進給脈沖。
（4）伺服控制程序
伺服控制程序根據(jù)插補運算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機的速度、轉(zhuǎn)角及方向。
（5）診斷程序
診斷程序包括移動部件移動越界處理、緊急停機處理、系統(tǒng)故障診斷、查錯等功能。
（6）機床的自動加工與手動控制程序
在調(diào)整機床時往往需要機床的手動控制。
（7）鍵盤操作和顯示處理程序
鍵盤操作和顯示處理程序的功能包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機床工作狀態(tài)、操作命令等信息。
5.2.2、程序設(shè)計技術(shù)
系統(tǒng)控制軟件根據(jù)系統(tǒng)功能的要求而設(shè)計，應(yīng)可靠的實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。在設(shè)計系統(tǒng)軟件時必須詳盡而細致地分析系統(tǒng)控制對象的特點及對控制功能的要求。在確定好控制方式、計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言編寫。
程序設(shè)計的方法通常有：模塊化程序設(shè)計和自頂向下程序設(shè)計。
5.2.3、步進電機控制子程序的設(shè)計
步進電機的控制包括速度、轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進電機在突然啟動或停止時，由于負載和慣性，會使電機失步，所以步進電機運行時應(yīng)有一個加、減速過程。
通過確定進給脈沖數(shù)和脈沖時間間隔，即可實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)角與速度的控制。
經(jīng)過計算知加、減速脈沖個數(shù)都為27個。
因為，所以
計算時要根據(jù)脈沖時刻tn查時間常數(shù)表，得脈沖時間間隔T，
再由Te=T×10-3/（te×10-6）求出時間常數(shù)Te，
式中：T——脈沖時間間隔（ms）；te——單片機機器周期（μs），在時鐘為6MHz時，te≈2μs。
在EPROM存儲器中，時間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲單元中，每個時間常數(shù)占兩個字節(jié)，低位地址存放時間常數(shù)低8位，高位地址存放時間常數(shù)高8位。
在程序中，設(shè)置加速、恒速、減速脈沖數(shù)計數(shù)器N0、N1、N2。以計數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程（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電機反轉(zhuǎn)
ACALL XMOTOR0 ；X電機反轉(zhuǎn)一步
ACC2： JNB ACC.2，LOOP0
MOV DIRY，#00H ；表Y電機反轉(zhuǎn)
ACALL YMOTOR0 ；Y電機反轉(zhuǎn)一步
AJMP RPA
LOOP0： AJMP LOOP1
結(jié)論
本次設(shè)計讓我學(xué)到了很多，通過查詢設(shè)計資料，對Z3063搖臂鉆床工作臺進行了數(shù)控改造的機械結(jié)構(gòu)改造，本方案的改造從原機床的特點出發(fā)，保證了原機床的加工范圍，改造后機床結(jié)構(gòu)簡單，專用性強，易于維修，改造周期短，提高了機床的性