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黃河科技學院畢業(yè)設計（文獻翻譯） 第10 頁 單位代碼 0 2 學 號 080105655 分 類 號 TH6 密 級 秘密 畢業(yè)設計 文獻翻譯 院（系）名稱 工學院機械系 專業(yè)名稱 機械設計制造及其自動化 學生姓名 金賀 指導教師 薛東彬 2012年 3 月 10 日  針對不同的數(shù)控機床一個基于互聯(lián)網(wǎng)的機床檢查計劃 Dong-ttoon Kim 情報和精密機械部門，韓國機械和材料研究所,大田305 - 343,韓國 Sun-Ho Kim 機電工程專業(yè)本科工程,東義大學，Busan 614 - 714釜山、韓國 Kwang-SIK KOH 電氣工程和計算機科學學院，慶北國立大學，大邱廣域市702-701，韓國 摘要 本文提出了一個基于互聯(lián)網(wǎng)的機床檢查與數(shù)字控制機床(CNC)技術。根據(jù)其體系結構的不同，數(shù)控機床分為兩種類型：一種是封閉式控制結構（CAC），它是傳統(tǒng)的數(shù)控機床；一種是開放式控制結構（OAC），這是最近推出的PC-based控制器。由于CAC有一個封閉的架構，所以它依賴于數(shù)控機床供應商制定的規(guī)格。而因為這一點，它的應用程序很難在數(shù)控領域為用戶所實現(xiàn)。近日，傳統(tǒng)的數(shù)控機床已被基于PC的開放式數(shù)控機床所取代。然而，現(xiàn)在還有很多傳統(tǒng)的數(shù)控機床在OAC配備不足的車間工作。對于CAC和OAC數(shù)控機床基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查，一個合適的系統(tǒng)環(huán)境是必要的。通過這項研究，對包括CAC和OAC在內的各種CNC在專業(yè)化生產系統(tǒng)進行全球化管理，對各種CNC基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查設計一個合適的環(huán)境，并對CAC和OAC檢查方法作比較。這項研究成果可作為一個數(shù)控機床集成制造系統(tǒng)的全球監(jiān)測和遠程控制的基本模型。在本研究中定義的檢查點分為兩類：結構性點和操作點。前者包括軸承的振動，主軸單元的溫度，和其他期刊管理點，而后者則包括油檢查，夾具鎖/開鎖，加工開/關狀態(tài)。 關鍵詞：基于Internet的檢查方法，變式數(shù)控，CAC，0AC 1導言 電腦和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，導致一個基于Internet的數(shù)控機床的控制和監(jiān)測的全球化管理在專業(yè)化生產系統(tǒng)的需求不斷增加。在過去，利用可編程邏輯控制器（PLC）的接觸點，監(jiān)測做為數(shù)控機床和制造系統(tǒng)外圍設備的I / O信號。 但是，這個程序已經被限制到CNC內部信息的監(jiān)測。它很難執(zhí)行用戶在數(shù)控領域定義的程序，這個程序包括檢查有關CNC的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，外圍設備和其他外部單位（Rober and Shin, 1995；Lee et.al.,2004）。而所需的用戶自定義程序是數(shù)控機床監(jiān)測與遠程站點的通信應用程序模塊。近日，基于PC的開放式結構數(shù)控機床取代了傳統(tǒng)的數(shù)控機床，從而提供了一個方便的環(huán)境來實現(xiàn)用戶定義的用于遠程監(jiān)視和控制的數(shù)控程序（Rober and Shin, 1995；Kwon et.al.,2000；Hong et.al.,2003）。然而，很多傳統(tǒng)的數(shù)控機床在OAC配備不足的車間工作。為了做到對這種變式數(shù)控機床遠程檢查，應對每個CAC和OAC構建合適的環(huán)境。 現(xiàn)在，我們簡要的概述下相關的研究。關于機床的開放式數(shù)控制造系統(tǒng)管理的研究，已經快速的實現(xiàn)了在柔性制造系統(tǒng)和自動配置（Wright，1995）和動態(tài)重新配置（Oldknow and Yellowley，2001）的研究。一個開關函數(shù)發(fā)生器的研究解決了在開放式結構機床的維修機制（Kim et al.，2002）。 機床的遠程控制和監(jiān)測客戶端 - 服務器環(huán)境也一直被研究（Oldknow and Yellowley，2003）。這種關于遠程服務的代表性例子是由CNC供應商開發(fā)的工廠窗口和遠程系統(tǒng)（Kim et al.，2000;Kang and Kang，1999）。然而，這些系統(tǒng)的特點是當?shù)氐挠颦h(huán)境提高基本的技術支持。此外，這些研究還包括基于互聯(lián)網(wǎng)的機床管理，CNC故障診斷的實現(xiàn)和基本的遠程服務（Kim et al.，2003）。在柔性制造系統(tǒng)中基于Web的監(jiān)控也進行了研究（Jung et al.，2001）。此外，還研究了維護數(shù)控機床的公共交換電信電話網(wǎng)（PSTN）和數(shù)字I / O模塊（Hyun et al.，1998）。 然而，這些研究都集中在CAC機除外的OAC機上，而研究的大多數(shù)的服務功能是通過電話線或外部網(wǎng)絡（如Internet）傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)。盡管是基于互聯(lián)的應用程序，仍要安裝一個開發(fā)商依賴的特殊的客戶端，因為大多數(shù)情況下是基于客戶-服務器的配置。在某些特殊情況下，一個額外的內核是必需的。此外，優(yōu)越的數(shù)控廠商，如西門子的第三方支持通過互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡服務。然而，在這情況下，非常困難的是服務的功能往往不適合車間修改功能。在國內，甚至有部分數(shù)控廠商無法服務一般商用的基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查服務，如通過lnternet的監(jiān)測。出現(xiàn)這種情況是因為大部分的運營商和數(shù)控廠商都集中在國內數(shù)控市場的穩(wěn)定性和原創(chuàng)能力上面。也就是說，大部分的數(shù)控廠商都害怕數(shù)控機床因過載而崩潰或因故障造成額外軟件安裝或升級，所以他們支持遠程服務功能?？傊?，雖然對OAC有一些研究，但是少有滿意的設計，而對CAC的研究更是非常缺乏。尤其是，基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查與CAC和OAC的變種數(shù)控機床沒有得到充分的研究報告，由于不便開發(fā)環(huán)境和較差的軟件可移植性。 本文調查申請的方法是基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查技術，對OAC和CAC兩個變式數(shù)控機床進行比較。通過這項研究建議通過基于Internet檢查變式數(shù)控機床的有效計劃。首先，遠程檢查和控制與CAC的機床和零部件相關的數(shù)字信號，通過使用I / O的嵌入式模塊介紹網(wǎng)頁；其次，本文認為模擬和數(shù)字遠程檢查OAC的機器通過實施相關的信號用戶定義的應用程序能夠接口與外部服務器的數(shù)控域，并通過數(shù)據(jù)采集單元（DAU），能夠獲得與連接的數(shù)據(jù)機及周邊設備的聯(lián)系點。 CAC有一個封閉的架構，它是依賴數(shù)控協(xié)力廠商規(guī)范。由于這一點，就已經很困難，為用戶實施在數(shù)控應用程序。因此，一個特殊的，額外的模塊需要基于互聯(lián)網(wǎng)的應用程序（塞納科技，2002年）。對于這一點，一個網(wǎng)絡的I / O嵌入式模塊適用于本研究基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查。模塊直接連接到TCP/ IP網(wǎng)絡與遠程通信網(wǎng)站。為了獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)控機床，模塊的I / O信號在數(shù)控被分配到PLC的I / O信號。另一方面，OAC有一個基于PC的開放式架構，運作獨立于數(shù)控供應商的規(guī)范并沒有額外的模塊是必要的，用于連接遠程站點。正因為如此，一個簡單的DAU，這是不直接連接到OAC的主要電路板，而不是直接影響到數(shù)控穩(wěn)定，用于信號傳感和數(shù)據(jù)通過RS232/422行收購無需額外通信設備模塊?；贗nternet的遠程機器檢查與OAC，用戶定義的守護進程的工具通信和應用程序Web服務的形式實現(xiàn)OAC和內部功能內外部服務器?；ヂ?lián)網(wǎng)通信之間進行數(shù)控領域的守護程序外部服務器和網(wǎng)絡腳本程序。 2基于Internet檢查OAC的方法 在OAC的情況，不需要網(wǎng)絡支持附加設備模塊，OAC有一個方便的結構，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡應用程序。檢查和獲得機床I / O信號的數(shù)據(jù)，只需要信號處理板或外部的DAU數(shù)據(jù)采集。由于大多數(shù)OAC是基于單板計算機上的DAU一個緊湊的結構，比板型（Advantech，2002）更有效可以簡單地連接I / O信號。試圖通過監(jiān)測加工狀態(tài)，應用程序通過DAU零部件溫度和振動的檢查方法，可以通知檢查時間和零部件的更換時間。通過這個應用，數(shù)控機床及周邊設備的模擬和數(shù)字接觸點監(jiān)測使用的DAU。在實驗中，使用外部的I / O的DAU模塊，以減少硬件設備的大小，并盡量減少負荷?；贗nternet的檢查OAC機床配置使用的DAU如圖1RS485通訊內部通過RS232/485轉換規(guī)范。0V至1.5V的范圍內分配一個采樣周期為每秒10次，以獲取模擬傳輸值。為獲取軸承的振動和主軸溫度的實驗，傳輸?shù)哪M值在OAC和DAU之間的通信協(xié)議實時監(jiān)控，如圖2所示Subsequently，也進行檢查開/關狀態(tài)的石油和鉗的基本實驗，如圖3所示功能的應用程序代碼，實現(xiàn)在OAC數(shù)控域的內部功能。 基于Internet的檢查應用，通訊發(fā)達的守護程序在數(shù)控領域實施，在外部服務器由Web服務的Web scr.ipt方案實施，使用vbscrip，JavaScript和活動服務器頁面（ASP），如圖4守護程序之間的網(wǎng)絡通信可以在數(shù)控域和外部Web腳本程序。因此，多個客戶端可以監(jiān)控檢查的數(shù)據(jù)和機器的狀態(tài)，通過收購數(shù)字和模擬數(shù)據(jù)傳輸從外部數(shù)據(jù)庫的OAC。數(shù)控通信服務程序采用標準的開放式數(shù)據(jù)庫連接（ODBC）和數(shù)據(jù)處理，利用結構化查詢語言（SQL）查詢。通過這個過程，檢查數(shù)據(jù)傳輸相關的表中的信息構建在數(shù)據(jù)庫表中。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的遠程檢查，實現(xiàn)了通過設計的應用程序，如圖5所示結果表明，這種檢查方法是有利的，在其方便的開發(fā)環(huán)境在軟件方面，可以很容易地實現(xiàn)用戶定義的應用程序。 圖1基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查OAC的機器配置使用的DAU 圖2通信協(xié)議之間的OAC的DAU模 圖3模擬輸入（0-1.5V的范圍）的收購和數(shù)字輸入（8位直接投資） 圖4 OAC和應用程序之間的接口網(wǎng)站SEVER 圖5 檢查OAC的機器所使用的DAU和應用程序  3基于Internet的檢查計劃和變式數(shù)控機床的例子 基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查的計劃變型數(shù)控機床的建議圖6CAC機區(qū)旨在檢查通過下載腳本代碼的數(shù)字數(shù)據(jù)和嵌入式設備服務器的I / O接口機制。在OAC機區(qū)檢查所使用的DAU和應用程序，如數(shù)據(jù)采集模塊，通信守護進程模塊，和一個web腳本模塊的模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字數(shù)據(jù)?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的變種數(shù)控機床的遠程檢查，通過擬議的計劃表見圖7 在CAC的機床的情況下，一個Java applet被編碼和下載，以檢查機床的I / O數(shù)據(jù)和通過網(wǎng)絡瀏覽器向客戶提供檢查結果。在I / O地址的Java applet代碼和真正的I / O點的機床之間分配，監(jiān)視和控制遠程站點。展示的內容是對監(jiān)測結果 I / O的接觸點與當前加工/關狀態(tài)。 CAC的機床運作周期的啟動按鈕正在網(wǎng)頁瀏覽器上。 在OAC機床的情況下，收購的DAU監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到在遠程站點，外部服務器和通信守護進程服務。它通過網(wǎng)絡瀏覽器激活油傳感器，主軸溫度是0.0007（這是從0至1.5 V范圍內的模擬值）。 結果表明，在前一種情況下，CAC是有利的，它可以很容易地利用網(wǎng)絡功能的嵌入式設備，在硬件實現(xiàn)基于lnternet的檢查系統(tǒng)。然而，用戶定義的應用程序和下載數(shù)據(jù)的最大尺寸被限制在512字節(jié)；后者的情況下，在其方便的開發(fā)環(huán)境，可以方便地實現(xiàn)在數(shù)控領域的許多不同的應用程序，無需額外設備的優(yōu)點。然而，用戶定義的應用程序編程工作需要比在前者的情況下實施通信和網(wǎng)絡服務。 圖6基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查環(huán)境變異數(shù)控機床 圖7 例如基于互聯(lián)網(wǎng)的遠程檢查變種數(shù)控機床  4結論 本文提出了一種新的研究基于Internet檢查傳統(tǒng)的CAC和最近推廣的OAC兩種變式數(shù)控機床。為了實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)高效的檢查CAC機，，使用信號檢測方法，通過網(wǎng)絡I / O嵌入式設備模塊，可以支持互聯(lián)網(wǎng)應用環(huán)境，因為在CAC的環(huán)境執(zhí)行用戶定義的應用程序，是依賴于數(shù)控廠商規(guī)范了的數(shù)控領域。 為了實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)檢查OAC機床，數(shù)字和模擬信號的檢查方法，它不需要額外的網(wǎng)絡I / O的互聯(lián)網(wǎng)應用的嵌入式設備，有人建議，因為數(shù)控域執(zhí)行用戶定義的應用程序很容易因方便OAC的環(huán)境。這種方法只需利用的DAU取得的I / O硬件方面的數(shù)據(jù)和采集到的數(shù)據(jù)傳送到外部服務器通過在遠程站點上的網(wǎng)頁瀏覽器的遠程檢查。 隨后，對CAC和OAC機的檢查方法進行了比較。通過這項研究，為數(shù)控機床與數(shù)控變種的CAC和OAC在制造系統(tǒng)，基于互聯(lián)網(wǎng)的變型數(shù)控機床的檢查，被設計為一體的綜合經營的一個合適的環(huán)境，如建筑的全球管理。這項研究的結果可能是一個全球監(jiān)測和遠程控制在變種數(shù)控機床集成制造系統(tǒng)的基本模型。 在今后的工作中應解決以下問題：首先，研究人員應該調查優(yōu)越的遠程檢查環(huán)境的設計和實現(xiàn)，可以在嵌入式設備利用足夠的上下載的代碼；其次，還需要進一步研究，可以更簡單地對集成和經營變式數(shù)控機床的標準化和優(yōu)化應用程序進行開發(fā)。 感謝 感謝工業(yè)改造技術項目（商務部，工業(yè)和能源）提供的財政支持。 專業(yè)課課程設計設計說明書 設計題目：數(shù)控X-Y工作臺設計 學 生： 學 號： 班 級： 指導教師： (200X200)方臺面數(shù)控回轉工作臺設計 目錄 序言……………………………………………………………………………………………3 摘要…………………………………………………………………………………………… 4 設計目的…………………………………………………………………………………… 4 設計要求…………………………………………………………………………………… 4 總體方案設計………………………………………………………………………………5 機械系統(tǒng)設計計算……………………………………………………………………… 6 1、確定脈沖當量…………………………………………………………………………… 6 2、確定傳動比……………………………………………………………………………… 6 3、滾珠絲杠螺母副的選型和校核……………………………………………………… 7 4、步進電動機的選型和計算…………………………………………………………… 11 5、導軌的選型和計算 ……………………………………………………………… 13 6、啟動矩頻特性校核…………………………………………………………………… 14 控制系統(tǒng)設計…………………………………………………………………………… 18 第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成……………………………………………… 18 第二節(jié) 步進電機控制電路………………………………………………………… 18 步進電機控制程序設計……………………………………………………………… 20 其它電路輔助設計………………………………………………………………………24 設計總結……………………………………………………………………………………24 參考文獻……………………………………………………………………………………25 序言 據(jù)資料介紹，我國擁有400多萬臺機床，絕大部分都是多年累積生產的普通機床。這些機床自動化程度不高，加工精度低，要想在短時期內用自動化程度高的設備大量更新，替代現(xiàn)有的機床，無論從資金還是從我國機床制造廠的生產能力都是不可行的。但盡快將我國現(xiàn)有的部分普通機床實現(xiàn)自動化和精密化改造又勢在必行。為此，如何改造就成了我國現(xiàn)有設備技術改造迫切要求解決的重要課題。 在過去的幾十年里，金屬切削機床的基本動作原理變化不大，但社會生產力特別是微電子技術、計算機技術的應用發(fā)展很快。反映到機床控制系統(tǒng)上，它既能提高機床的自動化程度，又能提高加工的精度，現(xiàn)已有一些企業(yè)在這方面做了有益的嘗試。實踐證明，改造后的機床既滿足了技術進步和較高生產率的要求，又由于產品精度提高，型面加工范圍增多也使改造后的設備適應能力加大了許多。這更加突出了在舊機床上進行數(shù)控技術改造的必要性和迫切性。 由于新型機床價格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機床設備全部以新型機床替換，國家要花費大量的資金，而替換下的機床又會閑置起來造成浪費，若采用改造技術加以現(xiàn)代化，則可以節(jié)省50%以上的資金。從我國的具體情況來講，一套經濟型數(shù)控裝置的價格僅為全功能數(shù)控裝置的1/3到1/5，一般用戶都承擔得起。這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術發(fā)展開創(chuàng)了新路，也對實力雄厚的大型企業(yè)產生了極大的經濟吸引力，起到了事半功倍的積極作用。 據(jù)國內資料統(tǒng)計訂購新的數(shù)控機床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產需要。因此機床的數(shù)控改造就成為滿足市場需求的主要補充手段。 在機械工業(yè)生產中，多品種、中小批量甚至單件生產是現(xiàn)代機械制造的基本特征，占有相當大的比重。要完成這些生產任務，不外乎選擇通用機床、專用機床或數(shù)控機床，其中數(shù)控機床是最能適應這種生產需要的。 從上述分析中不難看出數(shù)控技術用于機床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術與傳統(tǒng)技術相結合的基礎之上。通過理論上的推導和實踐使用的證明，把微機數(shù)控系統(tǒng)引入機床的改造有以下幾方面的優(yōu)點：1）可靠性高；"柔性強；#易于實現(xiàn)機電一體化；2）經濟性可觀。為此在舊的機床上進行數(shù)控改造可以提高機床的使用性能，降低生產成本，用較少的資金投入而得到較高的機床性能和較大的經濟效益。 摘要 本課程設計是對銑床進行改造，目的在于培養(yǎng)對機電一體化產品的設計能力，重點是對所學知識的鞏固和加強，為畢業(yè)設計及將來的工作打下堅實的基礎。 本課程設計由序言、設計要求、總體方案、進給系統(tǒng)設計、控制系統(tǒng)設計，以及相應元件的選擇與確定和主程序框圖、數(shù)控化電路原理組成。由于本人經驗不足，以及對知識掌握程度的限制，設計過程還存在某方面的錯漏，敬請老師提出寶貴意見。 設計目的 數(shù)控機床課程設計是機電一體化專業(yè)教學中的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，學生學完技術基礎課和專業(yè)課，特別是“數(shù)控技術及應用”課程后應用的，它是培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、解決實際問題能力的重要步驟。本課程設計是以機電一體化的典型課題---數(shù)控系統(tǒng)設計方案的擬定為主線，通過對數(shù)控系統(tǒng)設計總體方案的擬定、進給伺服系統(tǒng)機械部分設計，計算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設計，使學生能夠綜合應用所學過的機械、電子和微機方面的知識，進行一次機電結合的全方面訓練，從而培養(yǎng)學生具有初步設計計算的能力以及分析和處理生產過程中所遇到的問題的能力。 設計要求 課程設計是機床數(shù)控系統(tǒng)課程的十分重要實踐環(huán)節(jié)之一。通過課程設計可以初步樹立正確的設計思想，了解有關的工業(yè)政策，學會運用手冊、標準、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導下，系統(tǒng)地運用課程和選修課程的知識，獨立完成規(guī)定的設計任務。 課程設計的內容是改造設備，實現(xiàn)以下幾部分內容的設計訓練。如精密執(zhí)行機構（或裝置）的設計、計算機I/O接口設計和驅動電路以及數(shù)控化電氣原理設計等。 說明書的內容應包括：課程設計題目總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、電氣執(zhí)行元件的選用說明、機械傳動設計計算以及機械和電氣及其他部分（如環(huán)形分配器等）的說明。 該課程設計的內容及方法，可以歸納如下： 1.采用微型計算機（包括單片機）進行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構成電路的選用、接口電路、軟件編制等。 2.選用驅動控制電路，對執(zhí)行機構進行控制。主要考慮計算機的選擇或單片機構成電路的選用，考慮電機選擇及驅動力矩的計算，控制電機電路的設計。 3.精密執(zhí)行機構的設計。主要是考慮數(shù)控機床工作臺傳動裝置的設計問題：要弄清機構或機械執(zhí)行元件的主要功能（傳動運動、動力、位置裝置、微調、精密定位或高速運轉等），進行力矩、負載功率、慣性（轉動慣量）、加（減）速控制和誤差計算。 4.學會使用手冊及圖表資料。 總體方案設計 一般來講，普通銑床的數(shù)控改造主要有兩部分，一是設計一套簡易微機數(shù)控X-Y工作臺，固定在銑床的工作臺上。二是將控制銑刀上、下運動的手柄拆去，改用微機控制步進電機通過一級減速裝置使銑頭上下運動。本設計只對X-Y工作臺進行設計。取銑床步進電機的脈沖當量可選為0.01mm/脈沖，步進電機的步距角0.9°。 方案 1．系統(tǒng)運動方式的確定 數(shù)控系統(tǒng)按運動方式可分為點位控制系統(tǒng)，點位直線系統(tǒng)，連續(xù)控制系統(tǒng)。如果工件相對于刀具移動過程中不進行切削，可選用點位控制方式。數(shù)控銑床在工作臺移動過程中銑頭并不進行銑孔加工，因此數(shù)控裝置可采用點位控制方式。對點位系統(tǒng)的要求是快速定位，保證定位精度。 2．伺服系統(tǒng)的選擇 伺服系統(tǒng)實現(xiàn)位置伺服控制有開環(huán)、閉環(huán)、半閉環(huán)3種控制方式。開環(huán)控制的伺服系統(tǒng)存在著控制精度不能達到較高水平的基本問題，但是步進電機具有角位移與輸入脈沖的嚴格對應關系，使步距誤差不會積累；轉速和輸入脈沖頻率嚴格的對應關系，而且在負載能力范圍內不受電流、電壓、負載大小、環(huán)境條件的波動而變化的特點。并且步進電機控制的開環(huán)系統(tǒng)由于不存在位置檢測與反饋控制的問題，結構比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調試。并且隨著電子技術和計算機控制技術的發(fā)展，在改善步進電機控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此，在一定范圍內，這種采用步進電機作為驅動執(zhí)行元件的開環(huán)伺服系統(tǒng)可以滿足加工要求，適宜于在精度要求不很高的一般數(shù)控系統(tǒng)中應用。雖然閉環(huán)、半閉環(huán)控制為實現(xiàn)高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具體的系統(tǒng)中，增加了位置檢測、反饋比較及伺服放大等環(huán)節(jié)，除了在安裝調試增加工作量和復雜性外，從控制理論的角度看，要實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的良好穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能，其難度也將大為提高。為此，考慮到在普通立式銑床上進行改造，精度要求不是很高，為了簡化結構，降低成本，本設計采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)。 3．執(zhí)行機構傳動方式的確定 為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動精度和工作平穩(wěn)性，在設計機構傳動裝配時，通常提出低摩擦、低慣量、高剛度、無間隙、高諧振以及有適宜阻尼比的要求。故在設計中應考慮以下幾點： 1）盡量采用低摩擦的傳動和導向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導軌等。 2）盡量消除傳動間隙。如步進電機上的傳動齒輪采用偏心軸套式消隙結構。 3）縮短傳動鏈。縮短傳動鏈可以提高系統(tǒng)的傳動剛度，減小傳動鏈誤差?？刹捎妙A緊以提高系統(tǒng)的傳動剛度。如應用預加負載的滾動導軌和滾珠絲杠傳動副，絲杠支承設計成兩端軸向固定，并加預拉伸的結構等提高傳動剛度。X-Y工作臺傳動采用滾珠絲杠螺母傳動副和滾動導軌。 4．計算機系統(tǒng)的選擇 計算機數(shù)控系統(tǒng)一般由微機部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機驅動電路、檢測電路等幾部分所組成。在簡易數(shù)控系統(tǒng)中，大多采用8位微處理器的微型計算機。如何采用Z80CPU或MCS-51單片機組成的微機應用系統(tǒng)。 Z80CPU有芯片價廉，通用性強，維修方便等特點。MCS-51單片機具有集成度高、可靠性好、功能強、速度快和很高的性能價格比等特點。通過比較，對于簡易數(shù)控機床推薦采用MCS-51系列單片機作為主控制器。 5．實施 保留原機床主傳動鏈，保留銑床工作臺和控制工作臺移動手柄，在原工作臺上安裝一套微機數(shù)控的X-Y工作臺。由于X-Y工作臺的運動部件重量和切削力不大，因此選用有預加載荷的滾珠導軌。采用滾動導軌可減小兩個相對運動面的動、靜摩擦系數(shù)之差，從而提高運動平穩(wěn)性，減小振動。考慮到電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率0.01mm要求，需采用齒輪降速傳動。 綜上所述，本文改造的總體方案確定為：采用MCS-51單片機對數(shù)據(jù)進行計算處理，由I/O接口輸出步進脈沖步進電機經一級齒輪減速后，帶動絲杠轉動，從而實現(xiàn)工件的縱向、橫向運動，同時為了防止意外事故，保護微機及其它設備，還設置報警，急停電路等， 機械系統(tǒng)設計 設計參數(shù) 系統(tǒng)分辯率為0.01mm,其它設計參數(shù)見下表： 要求：設計一臺數(shù)控回轉工作臺并開發(fā)其控制、驅動系統(tǒng)，工作臺面200X200mm，分辨率為=5分/step，承受最大軸向載荷Tmax=800Nm。 機械系統(tǒng)設計計算 1.脈沖當量的確定 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當量，考慮到機械傳動系統(tǒng)的誤差存在。脈沖當量值必須小于定位精度值。本次設計確定脈沖當量為0.01mm/步. 二.銑削力分析與計算 銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉,進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給(鍵槽銑刀可沿軸線進給).銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式,此選用圓柱銑刀,銑刀材料選擇高速鋼.根據(jù)工件材料為碳鋼可確定銑削力的計算公式： FZ=9.81CFz·ae0.86·af0.72·d0-0.86·ap·Z 式中各參數(shù)如下: CFz———銑削力系數(shù)，CFz=68.2（表2-3） ae ———最大銑削寬度，本設計為8mm ap ———背吃刀量，本設計為3mm Z ———銑刀齒數(shù)，齒數(shù)取3 d0 ———圓柱銑刀直徑，查得d0= 20mm(技術指導) af ———每齒進給量（mm/齒），即銑刀每轉一個齒間角時，工件與銑刀的相對移動量，查得af=0.10mm/齒（技術指導） 故 ： FZ=9.81×68.2×80.86×0.100.72×20-0.86×3×3=547 N 2.齒輪傳動比計算 進給齒輪箱傳動比計算 已確定進給脈沖當量=0.01mm滾珠絲杠導程L=4mm，初選步進電機步距角0.9。 可計算出傳動比i： i==0.9×4/360×0.01=1 因傳動比為1，這時可以使步進電機直接與絲桿聯(lián)接，有利于簡化結構，提高精度。 3.滾珠絲桿螺母副的計算和選型 （1） 計算進給牽引力（N） 滾珠絲杠上的工作載荷Fm(N)是指滾珠絲杠副在驅動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進給牽引力。直線滾動導軌的計算公式： Fm=KFL＋f，(Fv＋Fc＋G) 式中K———考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)，矩形導軌K=1.1 ———滾動導軌摩擦系數(shù):0.0025～0.005；這里取0.005 G———移動部件的重力（N）：G=600N FL———工作臺縱向進給方向載荷 Fc———工作臺橫向進給方向載荷 Fv———工作臺垂直進給方向載荷 由表2-4查得，F(xiàn)L/ FZ=0.90， FL= 0.9FZ=493 N Fc /FZ=0.80， Fc =0.8FZ=438N Fv /FZ=0.40， Fv =0.4FZ=219 N 故： Fm=1.1×493＋0.005×（438＋219＋600）=548N （2）計算最大動負載C 滾珠絲杠最大動載荷可用下式計算 C=fmFm L= n= v=afZn， 式中：L—工作壽命、以106轉為單位。 fm－運轉系數(shù),按一般運轉取fm =1.2～1.5;這里取fm =1.5。 Fm----滾珠絲杠工作載荷（N） t—使用壽命，按15000h； n----絲杠的轉速 L0— 滾珠絲杠導程，初選L0=4mm； v－最大切削力下的進給速度 a---每齒進給量（mm/齒）af=0.06mm/齒 Z----銑刀齒數(shù)，Z=5 n，---銑刀轉速，區(qū)別與以上絲杠轉速n，n，，取為1000r/min v=0.06×5×1000=0.3 m/min n==(1000×0.3)/4=75 L==(60×75×15000)/106=67.5 r C=fmFm=4.1×1.2×858.17=3.35kN (3)螺母副的選型 根據(jù)最大動載荷和公稱直徑選外循環(huán)滾動螺母副，選用中國·南京工藝裝備制造有限公司生產的FFZL型 內循環(huán)螺紋預緊螺母式滾珠絲杠副,規(guī)格代號為FFZL2004-3，公稱直徑=20mm,滾珠直徑為Dw=3mm,圈數(shù)×列數(shù)=3×1,螺距為4mm,螺旋升角為=3°38′。 (4)傳動效率計算 = 式中——絲杠螺旋升角, =3°38′ ——摩擦角，取10′ ==0.064/0.0664=0.9638=96.4% (5)剛度驗算 先畫出此縱向進給滾珠絲杠支承方式草圖如圖4-20所示，最大牽引力為548N，支承間距L=500mm絲杠螺母及軸承均進行預緊，預緊力為最大軸向負荷的1/3。 [1]絲杠的拉伸或壓縮變形量 =± Fm—絲杠的工作載荷（N）； L—滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm）；L=500mm E—材料的彈性模量，對鋼E=20.6×Mpa; A—滾珠絲杠按內徑確定的截面積（mm2）。 A=3.14×d2/4=3.14×16.92/4=224.3 mm2 故： =±(548×500/20.6××224.3)= ±0.0059(mm） [2]滾珠與螺紋滾道間接觸變形 有預緊： ′=0.0013× (mm) =0.0014mm Dw－為滾珠直徑（mm）,D=3mm； －為滾珠總數(shù)量：＝Z×圈數(shù)×列數(shù) Z－為一圈的滾珠數(shù)，外循環(huán)Z==3.14×20/3=21； 故：＝21×3×1=63； --為滾珠絲杠的公稱直徑（mm）,=20mm —為預緊力，此處單位為kgf，為軸向工作載荷的1/3時， = FL /3=493/3=164N=16.8kgf —為滾珠絲杠工作載荷，單位為kgf。=548/9.8=55.9kgf 有預緊： ′=0.0013× (mm) =1/2′=0.0014mm [3]滾珠絲杠副剛度的驗算 絲杠的總變形量應小于允許的變形量。一般不應大于機床進給系統(tǒng)的定位精度的一半： =0.0059+0.0014=0.00730.025/2mm=0.0125mm(定位精度的一半)。 (6)壓桿穩(wěn)定性驗算 驗算滾珠絲杠尺寸和支承方式后，應驗算絲杠在承受最大軸向載荷時是否會產生縱向彎曲。滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷FK(N) 為 E—為材料的彈性模量，對鋼E=20.6×104Mpa; I－為截面慣性矩，對絲杠圓截面： I=∏d14/64=3.14×16.94/64=4002.2mm L－絲杠最大工作長度（mm）；L=500 mm fZ－為絲杠支承方式系數(shù)，這里滾珠絲杠的支承方式采用一端固定一端簡支的方式，所以fZ＝2 2×3.142×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104N nk=Fk/Fm=2.0731×104/548=37.8﹥［nk］=4 所以，該滾珠絲杠不會失穩(wěn)。 ［nk］－許用穩(wěn)定性安全系數(shù)，［nk］=2.5～4 4. 縱向步進電機的計算和選型 一、初選步進電機57BYG4504,步距角θb=0.9° ,滿足要求. 二、矩頻特性: 等效轉動慣量計算 1.滾珠絲杠轉動慣量 JS=0.78D4L×10-3(kf·cm2) L---絲杠長度,設定為500mm=50cm D---絲杠公稱直徑,D=20mm=2cm JS=0.78×24×50×10-3=0.624㎏·cm2 2.工作臺轉動慣量 JG=(L0/2∏)2M L0----絲杠導程,L0=4mm=0.4cm M----工作臺質量,M=62kg JG=(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm2 3.聯(lián)軸器轉動慣量 根據(jù)鋼的直徑為(20,22)選用定位螺絲固定平行式聯(lián)軸器，型號為SLK2-100-0608 (廣州菱科自動化設備有限公司)，查得： JL=0.068㎏·cm2 4. 步進電機轉子轉動慣量 根據(jù)初選電機型號,查得轉子轉動慣量為: JZ=0.46㎏·cm2 故：J∑=JS＋JG＋JL＋JZ=0.634＋0.248＋0.068＋0.46=1.462㎏·cm2 三、步進電機所需空載啟動的計算 ——空載啟動時折算到電機軸上的加速度力矩（N·cm）； M——為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩（N·cm）； M——電絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 (1) 加速度力矩 Mka= J∑×2×∏×nmax×10-2/60t(N·cm) nmax=vmaxθb/360δp t-----運動部件從靜止啟動加速到最大快速所需的時間,t=0.3s vmax---運動部件最大快進速度（mm/min）, vmax=3m/min=3000mm/min θb--------初選步距角，θb=0.9° nmax---與運動部件最大快進速度對應的電機最大轉速(r/min) 故：nmax=3000×0.9/（360×0.01） =750 r/min Mka=1.462×2×3.14×750×10-2/60×0.3=3.83N·cm (2)空載摩擦力矩 Mkf=G’L0/2∏ηi(N·cm) G----運動部件的總重量（N），G=600N －導軌上的摩擦系數(shù)，=0.005; η---傳動系統(tǒng)總效率，一般取η=0.7—0.85,這里取η=0.85 L－滾珠絲杠基本導程，L=0.4 cm. 空載摩擦力矩： Mkf=G’L0/2∏ηi=600×0.005×0.4／（2×3.14×0.85×1）=0.225 N·cm (3)附加摩擦力矩M M0=FYJL0（1-η2）/2 ∏ηi η--絲杠未預緊時的傳動效率，一般取≥0.9，這里取=0.96； F－預加載荷，一般為最大軸向載荷的,即F=F=183N M0=183×0.4×(1-0.962)/(2×3.14×0.96×1)=0.950N·cm 上述三項合計： 步進電機空載啟動力矩：M = 3.83＋0.225＋0.950 = 5.005（N·cm） 步進電機名義啟動力矩： 從產品系列及性能參數(shù)根據(jù)電機型號查出步進電機為四相八拍； 從表2-17根據(jù)電機拍數(shù)查出啟動轉矩最大靜轉矩Mkq與最大靜轉矩的關系為Mkq/Mjmax1=0.707 故：Mjmax1=Mkq/0.707=4.58/0.707=6.471N·cm 運動部件正常工作（數(shù)控機床為工作臺開始工進）時，電動機的啟動為帶負載啟動，其總負載轉矩Mfq可按下式計算 Mfq=Mka＋Mkf＋M0＋Mf’ Mf’=F’L/2∏ηi(N·cm) F’---作用在工作臺的合力， F＇=（FL2＋FV2＋FC2）1/2=694.4N Mf’--- 合力F’折算到電機上的轉矩 故:Mf’=694.4×0.4/（2×3.14×0.85×1）=52.01 N·cm Mfq=5.005＋52.01=57.015 N·cm 運動部件正常運行時所需的最大靜轉矩 Mjmax2=Mfq/0.5=57/0.5=114 N·cm 根據(jù)電機型號查得步進電機最大靜轉矩:Mjmax=1.4N·m=140N·cm 所以Mjmax﹥Mjmax2﹥Mjmax1 初選電機型號時應滿足步進電機所需空載啟動力矩小于步進電機名義啟動力矩，即Mjmax≥max｛Mjmax1，Mjmax2｝所以初選電機57BYG4504能滿足要求。 5．導軌的選用與校核 初選滾動導軌 選取中國·南京工藝裝備制造有限公司的GGB AA-AAL 四方向等載荷型滾動直線導軌副, 其額定載荷Coa為6.8KN，Ca 為6.07KN，參數(shù)如下：單位㎜ 2)對導軌進行按下式進行校核： 式中:L為滾動導軌副的距離額定壽命（km）本設計L定為50km； 為額定載荷，查表=6.07kN； F為每個滑塊上的工作載荷（N）F本設計設定為588N； 為硬度系數(shù)，導軌面的硬度為58-64HRC時=1.0； 為溫度系數(shù)，當工作溫度不超過100°C時，=1； 為接觸系數(shù)，每根導軌條上裝二個滑塊時=0.81； 為載荷/速度系數(shù)，無明顯沖擊振動或v≤60m/min時，=1.5-2這里選擇=2。 =588××2÷（1×0.81×1） =1361N<[]=6.07kN 因此所選導軌滿足要求。 1） 滾動導軌的潤滑與防護 滾動導軌采用潤滑脂潤滑。常用牌號為ZL-2鋰基潤滑脂（GB/7324—87，2號）。它的優(yōu)點是不會泄漏，不需經常加油；缺點是塵屑進入后容易磨損導軌，因此防護要求較 高。易被污染又難防護的地方，可用潤滑油潤滑。 本設計的防護裝置采用伸縮式。 6、啟動矩頻特性校核 部件電機有三種工況：啟動、快速進給運行、工進運行。 前面提出的，僅僅是指初選電機后檢查電機最大靜轉矩是否滿足要求，但是不能保證電機在快速啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。以后還要對快進、工進時的運行矩頻特性作校核。 f fmax 0 t1 ta tb t222 Δt1 Δt2 t 圖1 步進電機啟動 步進電機啟動有突跳啟動和升速啟動，一般突跳啟動很少使用。在升速啟動中，步進電機從靜止狀態(tài)開始逐漸升速，（如圖1所示）在零時刻（t1=0），啟動頻率fq=0。在一段時間Δt1內，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結束時，步進電機達到了最高運行速度，即fq=fmax。在整個升速、均勻運行、降速過程中，步進電機所走的步數(shù)與應該完成的輸入指令脈沖總數(shù)相等。升速時間Δt1足夠長，啟動過程緩慢，空載啟動力矩Mkq中的加速力矩項Mka不會很大，一般不會出現(xiàn)丟步現(xiàn)象，但是降低了工作效率。升速時間Δt1過短，則步進電機啟動力矩中的加速力矩項M就會很大，所以需要校核啟動矩頻特性。 圖2 由圖2初選步進電機的啟動矩頻特性曲線中，可知空載啟動力矩M=0.05N·M值所對應 的允許啟動頻率fyq=11000Hz>fq=1200 Hz,步進電機會不丟步。 （2）電機快速進給矩頻特性較核 最高運行頻率fmax 式中：Vmax——運動部件最大快進速度 快進時已經不存在加速力矩項Ma,并且一般處于空載狀態(tài)，故快速進給力矩 MJK= 其中：M0為附加摩檫力矩（N·cm），MKF為快進時的折算到電機的摩檫力矩（N·cm）。 所以 ：MJK= =1.175（N·cm） 由圖2可知道快進力矩對應允許快進頻率FYK近似為20000Hz，F(xiàn)mzx〈FYK， 所以電機不會丟步。 （3）、工進運行距頻特性校核 工進步進電機的運行頻率： 式中： ——最大工作進給速度 工進時，步進電機運行所需力矩Mkj可按下式計算： （式2-39） 式中： ——附加摩擦力矩， ——摩擦力矩 ——折算到電機軸上的工作負載力矩 (式2-40) (式2-41) 式中： Fv——垂直方向作用于工作臺的工作載荷 Ft——沿進給方向的切削負載，F(xiàn)t=FL 在圖2初選步進電機的運行矩頻率特性曲線中，對應工進頻率fGJ查到的允許工進運行力矩MYJ=1.08N·m >MGJ=0.382N·m，滿足工進時運行距頻特性的要求。 （4）步進電機的安裝尺寸 步進電機安裝尺寸/㎜ 控制系統(tǒng)設計 第一節(jié) 控制系統(tǒng)硬件的基本組成 MCS-51系列 8031芯片 第二節(jié) 步進電機控制電路 一、開環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖 二．脈沖分配 由表（2-18）①查得脈沖分配方式為四相八拍 三．驅動電路 +80V ④控制系統(tǒng)軟件的組成和結構 監(jiān)控系統(tǒng)的作用是進行人和機對話和檢測系統(tǒng)運行狀態(tài)一般包括系統(tǒng)初始化，命令處理循環(huán)，零件加工程序和作業(yè)程序輸入，編輯，指令分析機構，以及系統(tǒng)自測等。 1系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電式復位后，系統(tǒng)軟件進行初始化處理。包括設置CPU的狀態(tài)，可編程I/O芯片的工作狀態(tài)，中斷方式 2命令處理：系統(tǒng)初始化后系統(tǒng)即進入命令處理程序，對于一般單片機構成的系統(tǒng)通常采用循環(huán)處理程序作為系統(tǒng)的主程序 3：零件加工程序或作業(yè)程序的輸入和編程：零件加工程序可以鍵盤輸入，也可通過串行口通信輸入。輸入程序的功能就是讀入源程序，并經數(shù)據(jù)處理，按規(guī)定的格式將其存入規(guī)定的數(shù)據(jù)區(qū)內。 4 指令分析執(zhí)行：微機控制系統(tǒng)對輸入的指令進行分析，并根據(jù)分析的結果執(zhí)行相應的操作。 5診斷程序：診斷程序用于檢測系統(tǒng)硬軟件功能的正確性，找出系統(tǒng)故障的位置，并指出故障類型。 機電系統(tǒng)控制軟件的機構 一般機電控制系統(tǒng)中常用的軟件結構有：子程序，主程序加中斷程序結構子程序3 子程序1 子程序2 條件2 條件3 條件1 主程序 逐點比較法④ 用逐點比較法進行直線插補計算，每走一步都需要以下四個步驟： 1判別偏差：Fm≥0或FM＜O ，從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算方向進給。 2偏差計算：進給一步后計算新的加工偏差。 3終點判別：進給一步后，終點計數(shù)器，若為零，表示到達終點停止插補，不為零則返回第一步繼續(xù)插補。終點計數(shù)判別可用方向坐標值判斷，也可由一個方向的坐標值判斷。當Xe＞YE 逐點比較法框圖YES NO NO Y方向進給 X方向進給 X=XM ? Y=YM ? FM=FM+XE Y=Y+1 FM=FM-YE X=X+1 FM≥0 ? 初始化 YES 返回 步進電機控制程序設計 光電耦合器 步進電機控制程序的任務是：判斷旋轉方向，依次送出控制字，運行速度實現(xiàn)一定的延時，判斷是否結束。 驅動電路 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 8031 節(jié)拍： 正轉 反轉 通電阻 控制字 1 8 A 0000 0001 01H 2 7 AB 0000 0011 03H 3 6 B 0000 0010 02H 4 5 BC 0000 0110 06H 5 4 C 0000 0100 04H 6 3 CD 0000 1100 0CH 7 2 D 0000 1000 8H 8 1 DA 0000 1001 9H 其它電路輔助設計 設計總結 近年來，我國機床數(shù)控化改造工作，已從初步摸索進入比較成熟的階段。我們運用成熟可靠、性能先進的國內外數(shù)控產品，為已進入頻繁故障期、維修代價昂貴的第一代數(shù)控機床實現(xiàn)升級換代作了大量的工作。通過這次對銑床X-Y工作臺的數(shù)控化改裝設計，使我們進一步的了解了普通機床與數(shù)控機床的差異。也使我們更加深刻的認識到，利用數(shù)控系統(tǒng)改造機床是提高產品質量、提高生產效率，提高舊設備利用率，推廣機電一體化技術的重要手段。 通過這次課程設計，讓我們進一步熟悉了數(shù)控技術的應用和設計原理，讓我們深刻的把電和機結合起來，達到自動化控制的要求。 同時也深刻的體會到設計的嚴謹性，數(shù)據(jù)的處理技巧，以及各種參數(shù)的取舍，對我們日后出來從事這方面的工作有很大的幫助。 在這里，感謝我們的指導老師，在他們的指導下我們解決了各種疑難，順利地完成設計！ 參考文獻 [1]李洪主編.實用機床設計手冊.沈陽：遼寧科學技術出版社，1999 [2]鄭堤主編.數(shù)控機床與編程.北京：機械工業(yè)出版社， [3]機械加工技術手冊編寫組.機械加工技術手冊.北京：北京出版社，1993 [4]何立民.單片機應用系統(tǒng)設計【M】北京：北京航空航天大學出版社，1990 [5]周開勤主編.機械零件手冊.北京：高等教育出版社，1999 [6]馮辛安主編.機械制造裝備設計.北京：機械工業(yè)出版社，1999 [7]吳振彪.機電綜合設計指導.北京：機械工業(yè)出版社，1997 [8]李洪.機械加工工藝手冊.北京：北京出版社，1990 24