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長度尺寸測量裝置畢業(yè)設計(論文) 第49頁 第1章 緒論 1．1 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展過程 1．1．1 計算機促進了數(shù)控機床的發(fā)展 20世紀最偉大的發(fā)明之一——計算機的出現(xiàn)和應用，為人類提供了實現(xiàn)機械加工工藝過程自動化的理想手段。當科技人員首次把計算機作為一種控制裝置移植到古老機床中時，一種新的產(chǎn)品——數(shù)控機床誕生了。隨著計算機的發(fā)展，數(shù)控機床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應用，同時使人們對傳統(tǒng)的機床傳動及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的變化。 今天，數(shù)控機床綜合應用了微電子技術(shù)、計算機、自動控制、自動檢測以及精密機械等技術(shù)的最新成果而迅速發(fā)展，這種發(fā)展不僅表現(xiàn)為數(shù)量的迅速增長，而且在質(zhì)量上與性能上也有顯著提高。 1．1．2 數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展過程 第一臺數(shù)控機床是為了適應航空工業(yè)制造復雜工件的需要產(chǎn)生的。1952年美國麻省理工學院和帕森斯公司合作研制成功了世界上第一臺具有信息存儲和處理功能的新型機床，既數(shù)控機床。之后，隨著電子技術(shù)，特別是計算機技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機床不斷更新?lián)Q代。 第一代數(shù)控機床：從1952年至1959年，采用電子管元件。 第二代數(shù)控機床：從1959年開始，采用晶體管元件。 第三代數(shù)控機床：從1965年開始，采用集成電路。 第四代數(shù)控機床：從1970年開始，采用大規(guī)模集成電路及小型通用計算機。 第五代數(shù)控機床：從1974年開始，采用微處理器或微型計算機。 我國從1958年開始研制數(shù)控機床，1975年又研制出第一臺加工中心。改革開放以來，由于引進國外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)，使我國的數(shù)控機床在品種，數(shù)量和質(zhì)量方面都得到迅速發(fā)展。從1986年開始，我國數(shù)控機床開始進入國際市場。目前我國有幾十家機床廠能夠生產(chǎn)數(shù)控機床和加工中心。我國經(jīng)濟型數(shù)控機床的研究、生產(chǎn)和推廣工作取得了很大進展，對機床技術(shù)改造起到了積極推動作用。 1．2 數(shù)控機床的工作原理 用數(shù)控機床加工工件時，首先應編制零件加工程序。這是數(shù)控機床的工作指令。將加工程序輸入數(shù)控裝置，在由數(shù)控裝置控制機床主運動的變速、啟動、停止、進給運動的方向、速度和位移量，以及刀具選擇交換，工件裝夾和冷卻潤滑的開關(guān)動作，使刀具與被加工零件以及其它輔助裝置嚴格按照加工程序規(guī)定的順序、運行軌跡和運行參數(shù)進行工作，從而達到加工出符合要求的零件的目的。 數(shù)控程序 數(shù) 控系統(tǒng) 機床本體 伺服系統(tǒng) 圖1.1 數(shù)控機床的組成 1．3 數(shù)控機床的組成 根據(jù)數(shù)控機床的工作原理，數(shù)控機床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機床本體和測量裝置等無部分組成。其組成框圖如圖1.2所示。 控制介質(zhì) 機床 伺服系統(tǒng) 數(shù)控裝置 測量裝置 圖1.2 數(shù)控機床的組成 （1）控制介質(zhì) 它是用于記載各種加工信息的載體，以控制機床的運動，實現(xiàn)零件的加工。 （2）數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心。它由輸入裝置、存儲器、控制器、運算器和輸出裝置組成，它的功能是接受輸入裝置輸入的加工信息，經(jīng)過數(shù)控裝置的系統(tǒng)軟件對代碼進行處理后，輸出相應的指令脈沖，驅(qū)動伺服系統(tǒng)，來控制機床的各個運動部件按規(guī)定的要求實現(xiàn)各個動作。 （3）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動電機和伺服驅(qū)動裝置組成，它是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分。其作用是把來自數(shù)控裝置的各種指令，轉(zhuǎn)換成機床移動部件的運動速度、運動方向和位移量。機床中每個運動的執(zhí)行部件，都有各自的伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床的伺服系統(tǒng)中，常用的伺服驅(qū)動系統(tǒng)有開環(huán)系統(tǒng)、閉環(huán)系統(tǒng)和半閉環(huán)系統(tǒng)之分。其驅(qū)動元件主要有功率步進電動機，電液脈沖馬達和大慣量直流電動機等。 （4）機床本體 與普通機床相比，數(shù)控機床應具有更好的剛性和抗振性，尤其是相對運動表面的摩擦系數(shù)要小、傳動件之間的間隙要小外，還要具有自動變速、自動換刀和自動診斷故障的功能，以便于實現(xiàn)自動加工的需要。 （5）測量裝置 測量裝置的作用是將機床的實際位置、速度等參數(shù)，轉(zhuǎn)換成電信號，反饋回數(shù)控裝置，以校核執(zhí)行部件實際運動的速度、方向和位移量，并使之與加工指令相一致。開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)無測量裝置。 1．4 經(jīng)濟型數(shù)控機床的特點以及主要功能 經(jīng)濟型數(shù)控機床就是指價格低廉，操作使用方便，比較適合我國國情的，在普通機床上加裝數(shù)控系統(tǒng)的高級自動化機床。 1．4．1經(jīng)濟型數(shù)控機床的特點 （1）價格便宜，僅數(shù)控系統(tǒng)與國外同類型系統(tǒng)相比，前者只需1-2萬元，而國外系統(tǒng)則需十幾至幾十萬元。應此，它特別適合對國內(nèi)企業(yè)現(xiàn)有普通機床進行改造。 （2）解決復雜零件的加工精度控制，提高生產(chǎn)率。對經(jīng)濟型數(shù)控車床，一般可提高工效3~7倍。對復雜零件而言，難度越高，提高的工效則越多。 （3）適合于多品種、中小批量產(chǎn)品的自動化加工，對產(chǎn)品的適應性強。對于不同零件的加工，可以通過變換不同的加工程序和更換不同的刀具來實現(xiàn)。 （4）提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低廢品率。尤其是加工的產(chǎn)品尺寸一致性好，合格率高。 （5） 節(jié)約工裝費用，降低成本。經(jīng)濟型數(shù)控機床可以不用工裝或少用工裝，尤其對于復雜零件、不用靠?；虺尚偷毒?。不僅節(jié)約了費用，而且還可縮短生產(chǎn)準備周期。 （6）減輕工人的勞動強度。 （7）提高工人素質(zhì)，促進技術(shù)進步和科技成果的普及應用。為由“體力型”向“智能型”轉(zhuǎn)變創(chuàng)造條件。 1．4．2經(jīng)濟型數(shù)控車床的主要功能 （1）能控制刀具的位移方向、位移長度及走刀速度。加工程序的位移長度以十進制數(shù)輸入。 （2）可控制車削端面、內(nèi)外圓柱面、任意錐面、球面及用圓弧逼近的任意曲面。 （3）可控制加工右旋或左旋的各種內(nèi)、外圓柱、圓錐螺紋及多頭螺紋。 （4）程序中可給出一定延時。在加工中執(zhí)行到延時程序時，刀具在相應時間內(nèi)停止運動。 （5）有程序暫停功能。當程序執(zhí)行到暫停時，刀具停止運動，再按下啟動鍵，可繼續(xù)執(zhí)行程序。 （6）接口可發(fā)出和接收多種信號，作為機械手動作，刀架轉(zhuǎn)位、主軸變速等裝置的控制信號，它與程序的自動循環(huán)功能相結(jié)合，可實現(xiàn)加工的全自動化。 （7）為方便調(diào)試和校對原點，設有點動功能。 （8）具有自診斷功能。當加工程序編制或操作有誤時，程序停止運行，并顯示相應的出錯信息，以便修改。 （9）加工過程中，為應付特殊情況，設有開關(guān)暫停、鍵急停和鍵回零功能。 （10）具有自動循環(huán)加工功能，并可進行計數(shù)。 （11）為簡化加工程序，設有局部循環(huán)功能。 （12）為提高加工精度，設有間隙補償功能。 第2章 開放式數(shù)控系統(tǒng) 2．1 開放式數(shù)控系統(tǒng)概述 從1952年世界上第一臺數(shù)控機床誕生以來，數(shù)控技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展已日趨完善，已由最初的硬件數(shù)控（NC），經(jīng)過計算機數(shù)控（CNC），發(fā)展到今天以微型計算機為基礎的數(shù)控（MNC）、直接數(shù)控（DNC）和柔性制造系統(tǒng)（FMS）等，現(xiàn)在正朝著更高的水平發(fā)展。但隨著市場全球化的發(fā)展，市場競爭空前激烈，對制造商所生產(chǎn)的產(chǎn)品不但要求價格低，質(zhì)量好，而且要求交貨時間短，售后服務好，還要滿足用戶特殊的需要，即要求產(chǎn)品具有個性化。而傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)是一種專用封閉式系統(tǒng)，它越來越不能滿足市場發(fā)展的需要。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的缺點如下： （1）與通用計算機不兼容，不同廠家的數(shù)控系統(tǒng)不兼容，甚至同一個廠家的不同系列的數(shù)控系統(tǒng)也不兼容； （2）各種數(shù)控系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，一旦數(shù)控系統(tǒng)發(fā)生故障，往往要找生產(chǎn)廠家來維修，很不方便，而且大大提高了維修費用； （3）難進行升級和進一步開發(fā)； （4）專用封閉式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展一般滯后5年左右，在計算機技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，這是一個相當長的時間。 傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的上述特點嚴重制約著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，不能滿足市場對數(shù)控技術(shù)新的要求。針對這種情況，人們在80年代就提出了開放式控制系統(tǒng)的概念。 2．2 開放式數(shù)控系統(tǒng)的特征 什么是開放式數(shù)控系統(tǒng)？目前尚為形成統(tǒng)一的定義，但一般認為開放式數(shù)控系統(tǒng)應具有下列特征： （1）采用分布式控制原則，采用系統(tǒng)、子系統(tǒng)和模塊分級式的控制結(jié)構(gòu)，其構(gòu)造是可移植和透明的； （2）根據(jù)需要可方便的實現(xiàn)重構(gòu)、編輯，以便實現(xiàn)一個系統(tǒng)多種用途； （3）開放式體系結(jié)構(gòu)中各模塊相互獨立，系統(tǒng)廠、機床廠及最終用戶都可以很容易的把一些專用功能和其它有個性的模塊進行獨立開發(fā)，為此要有方便的支撐工具，控制程序設計按系統(tǒng)——子系統(tǒng)——模塊三級進行，各模塊接口協(xié)議要明確； （4）要具有一種較好的通信和接口協(xié)議，以便各相對獨立的功能模塊通過通信實現(xiàn)信息交換滿足實時控制要求。 總之，所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)應是一個模塊化、可重構(gòu)、可擴充的軟硬件控制系統(tǒng)。 2．3 我國開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況 我國在“八五”期間數(shù)控科技聯(lián)合攻關(guān)，開發(fā)具有我國自主產(chǎn)權(quán)的數(shù)控系統(tǒng)，特別是提出開發(fā)中華I型和航天I型兩個基本系統(tǒng)（平臺）及系列產(chǎn)品，并利用基本系統(tǒng)發(fā)揮我國的軟件優(yōu)勢，實施平臺戰(zhàn)略，發(fā)展我國的數(shù)控軟件的指導思想。在此思想指導下，珠峰公司和華中理工大學，利用IPC+數(shù)控卡構(gòu)成硬件平臺，開發(fā)了中華I型、華中I型數(shù)控系統(tǒng)；與此同時，航天數(shù)控集團公司（簡稱“航天數(shù)控”）利用通用PC機的體系結(jié)構(gòu)設計了與通用PC機兼容的微機加上數(shù)控通用/專用模板構(gòu)成了單機數(shù)控系統(tǒng)，作為普及型推向市場，并以此為基礎與通用PC機相互聯(lián)合構(gòu)成了典型前/后臺結(jié)構(gòu)的多機系統(tǒng)，完成了“八五”數(shù)控攻關(guān)任務 ，并為今后的發(fā)展奠定了基礎；藍天是在原7500系列的基礎上，通過二次集成縮小化設計后與通用PC互聯(lián)構(gòu)成8500系列多機系統(tǒng)。下面分別介紹五種開放式數(shù)控系統(tǒng)：中華I型、華中I型、航天I型、藍天I型、10T CNC系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)及性能特點。 2．3．1 中華I型數(shù)控系統(tǒng) 中華I型數(shù)控系統(tǒng)是中國珠峰數(shù)控公司與北京航空航天大學等單位共同承擔的國家攻關(guān)成果，中華I型采用工業(yè)PC，達到了國外高檔系統(tǒng)水平。它采用32位機多軸控制和多通道技術(shù)，可用于1~4通道，每個通道可控制1~8軸?？捎糜?~4軸車床、車削中心、雙軸雙刀架車床等；3~8軸加工中心（包括五面加工中心）；鏜銑床等；多軸組合機床、 FMC、FMS等；線切割機、沖床及其它專用機床。 2．3．1．1主要技術(shù)特點 （1）32位CPU可實現(xiàn)高速、高精度加工。這使得機床設計簡化，剛性和傳動效率大為提高； （2）355.6mm彩色高分辨率顯示器，顯示中文和圖形； （3）菜單和軟件操作，簡化了機床操作面板； （4）DOS系統(tǒng)可進行各類文檔、表格的管理，由于有技術(shù)平臺的開放性，用戶可以根據(jù)自己的需求設計、修改操作界面，使之更完美，更友好； （5）大容量電子盤提供了高速大容量的數(shù)據(jù)存儲，使多工序加工、大程序量復雜加工得以實現(xiàn)； （6）會話型自動編程與擴展數(shù)控語言編程，能完成復雜型面的零件加工，編程的過程更直接、更簡單； （7）多用戶操作可同時控制1~4臺機床，可以實現(xiàn)制造技術(shù)的自動化； （8）內(nèi)裝式PLC簡化了機床強電控制； （9）可與國內(nèi)外AC、DC伺服及主軸連接，實現(xiàn)多種精度等級的驅(qū)動能力； （10）開放式的總線、模塊化結(jié)構(gòu)、向上可擴展、向下可剪裁，橫向可派生新的NC機種； M SD CRT VGA HDDDD MT DI/DO M M M SD SD SD POS SP M SP SD MFUN FDD CPU P．S． 圖1-2 中華I型數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2．3．2 華中I型數(shù)控系統(tǒng) 華中理工大學開發(fā)和生產(chǎn)的華中I型數(shù)控系統(tǒng)采用工業(yè)PC機配上控制卡（I/O板、位置板等）組成開放式結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)模塊化、層次化較好。其擴展性、伸縮性（可根據(jù)需要升級和簡化）好。系統(tǒng)品種可減少，便于批量生產(chǎn)，提高可靠性，降低成本。 2．3．3 航天數(shù)控系統(tǒng)平臺 航天數(shù)控系統(tǒng)平臺是具有我國自主版權(quán)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。它是以PC機的體系結(jié)構(gòu)為基礎構(gòu)成的開放式數(shù)控系統(tǒng)的平臺，如圖1-3所示。既可以依據(jù)此系統(tǒng)平臺直接構(gòu)成單機數(shù)控系統(tǒng)，如CASNUC900系列，也可以利用此系統(tǒng)平臺為基礎，與通用PC機互聯(lián)構(gòu)成多機（或分布式）數(shù)控系統(tǒng)，如CASNUC910系列，如圖1-4所示。 航天數(shù)控系統(tǒng)平臺的研制成功，為我國發(fā)揮軟件優(yōu)勢，實施平臺戰(zhàn)略發(fā)展數(shù)控技術(shù)奠定了基礎。航天數(shù)控系統(tǒng)平臺的基本特征是： （1）系統(tǒng)平臺所用微機是：286以上的通用PC AT機或與其兼容的微機； （2）系統(tǒng)平臺所使用的總線：ISA I/O總線，或ISA和PCI總線； （3）系統(tǒng)平臺最大的存儲器容量：1MB~32MB； （4）系統(tǒng)平臺可配置的通用外設：可配置不同規(guī)格的軟/硬件磁盤； （5）系統(tǒng)平臺可支持通用串/并行接口； （6）系統(tǒng)平臺可用flash電子盤（DOC）代替硬磁盤； （7）系統(tǒng)平臺以高速通信支持系統(tǒng)進線、聯(lián)網(wǎng)功能。 I/O控制模塊 多功能控制板 位置控制模板 FLASHRAMMM 串/并口 軟/硬盤 CRT CPU 模板 鍵盤 網(wǎng)卡 PCI PCI PCI 圖1-3 單機數(shù)控系統(tǒng)平臺 串/并口 軟/硬盤 CRT 鍵盤 CPU 模板 高速通信板 網(wǎng)卡 FLASHRAM CPU 模板 PCI PCI PCI I/O控制模塊 多功能控制板 位置控制模塊 ISA MAB 圖1-4 多機數(shù)控系統(tǒng)平臺 系統(tǒng)平臺能支持的數(shù)控專用I/O模板數(shù)最大為7塊：可依據(jù)具體系統(tǒng)要求靈活配置。最大的控制軸數(shù)為16根軸（共4塊位置控制模板，每塊模板可控制4根軸）；最大的I/O點數(shù)為240入/136出，共376個點（包括1塊多功能板，80入/16出，5塊通用I/O板，每塊I/O板32入/24出）。當用于加工中心，需要定位控制器模板（內(nèi)含1根主軸），最多的I/O點數(shù)為208入/112出，共320個點，此時可以控制17根軸（外加了1根主軸）。 系統(tǒng)平臺的可靠性指標：系統(tǒng)平臺中的數(shù)控通用模板是在CASNUC901的基礎上，經(jīng)過27次集成縮小化設計后，嚴格按照ISO9001的設計程序設計生產(chǎn)制造出來的，有極高的可靠性，完全可以與國外進口的同類模板媲美，依據(jù)不同的配置和所選通用PC主板的不同（指MTBF指標），系統(tǒng)平臺的MTBF值在10000~30000之間。 系統(tǒng)平臺電磁兼容性（EMC）指標： 抗快速瞬變脈沖群串蕘能力：大于4000V； 抗靜電放電擾度能力：大于15000V； 抗電源電壓暫降能力：大于1個周期。 2．3．4 藍天系列CNC系統(tǒng) 1990年9月，中國科學院沈陽計算技術(shù)研究所自行研制成功我國第一臺高檔數(shù)控系統(tǒng)LT-7501，填補了國內(nèi)高檔數(shù)控系統(tǒng)的空白，達到國際80年代中后期先進水平，開始了我國自行研究、設計、生產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的新階段。 2．3．4．1 藍天系列高檔CNC硬件系統(tǒng) 硬件系統(tǒng)（見圖1-5）采用面向總線的多CPU結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)和模板設計采用縮小化技術(shù)，面向驅(qū)動和機床采用國際標準或工業(yè)標準接口，面向系統(tǒng)外面采用國際標準的通信和網(wǎng)絡。 網(wǎng)絡適配器80186 硬盤FD64K HD512K EPROM +SRAM 軸CPU X86 X87D SYS CPU X86 X87 LT-Bus 操作員面板 6848，9749，8031 模擬I/O 接口 開關(guān)I/O 接口 反饋接口 8088 鍵盤 CRT 旋變/同步感應器 4編碼器 圖1-5 基于LT—總線的藍天CNC多CPU系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 多種CPU模板：①SYS CPU模板—X86/X87處理器；②NC CPU模板—X86/X87或RISCR3000/R3031處理器；③PMC模板—X86/X87處理器；④COM模板—80186處理器 縮小化設計：所有模板采用多種、多片大規(guī)模集成電路ASIC（FPGA、EPLD）芯片，并采用插件式高密度硅盤。 標準接口：多路多種位置反饋模板（編碼器反饋模板、分解器模板、同步感應器模板），多路多種A/D、D/A模板，多路多種I/O模板等。 通信和網(wǎng)絡接口：MINI DNC、RS—232/RS—422、ETHERNET網(wǎng)卡。 藍天系列高檔CNC還有基于開放式體系結(jié)構(gòu)的硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1-6），這種開放式結(jié)構(gòu)既保留了長期積累的對軸運動、伺服和機床的可靠性，又采用了基于PC的基本硬軟件開放性結(jié)構(gòu)。國內(nèi)外的實踐證明這種結(jié)構(gòu)對于復雜的高檔CNC系統(tǒng)而言是一種較成功的機構(gòu)形式。 NC/CPU RISC3000/3031 或 386DX 1 總線數(shù)據(jù)通信 SYS CPU 80-486 DX 2/66 4MB 3 2 A/D D/A 同步感應器 旋變 編碼器 開關(guān) I/O 操作員面板 RS-232 RS-422 CRT VGA 網(wǎng)卡 ISA總線 LT總線 圖1-6 藍天高檔CNC開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 2．3．4．2 藍天系列高檔CNC軟件系統(tǒng) 自行研制的藍天系列高檔CNC軟件系統(tǒng)取得了我國第一個高檔數(shù)控軟件（MC/TCV2.0）自主版權(quán)。它嚴格按軟件工程思想和方法，由60人設計的該軟件系統(tǒng)，具有如下基本體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容：實時多任務操作系統(tǒng)和生成系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的功能設計：分布式多機控制（SYS、NC、PMC、COM）；虛擬機械功能（多過程—多插補器/多軸聯(lián)動/多軸）；分層控制（3層控制：任務、控制和物理執(zhí)行）；?？旎Y(jié)構(gòu)（3層結(jié)構(gòu)：系統(tǒng)、子系統(tǒng)/設施、模塊）；物理層標準操作（傳感器等執(zhí)行部件）；多種工藝及其集成化；多過程、多軸聯(lián)動、多軸控制、基本的和專用的插補算法；內(nèi)裝全可編程機床邏輯和刀具庫自動控制和托盤庫自動控制軟件； 藍天系列高檔CNC軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特點是基于功能分布的多處理器機制和基于虛擬機械功能的多過程—多插補器（多軸聯(lián)動）—多軸控制機制。這一特點使藍天系列高檔CNC進入了國際高檔CNC的先進技術(shù)行列。圖1-8中過程 i(i=1,2,…6)第i個過程；插補器j(j=1,2,…9),第j個插補器；伺服驅(qū)動k(k=1, …),第k個驅(qū)動；SYS+MMC為系統(tǒng)+人機界面控制；NC為軸運動控制；PMC為可編程機床邏輯控制；COM為通信網(wǎng)絡。 操作員面板 CRT 鍵盤 軟件 LAN 以太網(wǎng)板 標準I/O 單元 I/O PML可編 程機床邏 伺服驅(qū)動k 伺服驅(qū)動1 插補器j 插補器1 機床控制 刀具管理 過程i 過程1 PMC數(shù)據(jù) 多過程管理 NC數(shù)據(jù)基 數(shù)據(jù)I/O ? 監(jiān)控 ? 文件管理 ? 診斷 ? 實用程序 顯示/ 程序編輯 會話式軟件生成CGS SYS+MMC COM T… … S，M， H … P-P軸 … NC PMC 圖1-8 藍天系列高檔CNC軟件系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu) 第3章 伺服系統(tǒng)設計 本課題的設計參數(shù)：簡易測量裝置是計算機數(shù)空（CNC）機床系統(tǒng)的配套設備。主要用于測量零件的外長度尺寸和內(nèi)長度尺寸。 測量范圍0～１００mm 。 測量誤差不大于0.01mm 。測量裝置帶數(shù)字顯示。 3．1 長度尺寸測量裝置的伺服系統(tǒng) 根據(jù)設計要求和控制方案分類結(jié)合開環(huán)控制的特點本設計選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)。 開環(huán)伺服系統(tǒng)即沒有位置反饋的系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出的指令脈沖信號驅(qū)動電路控制和功率放大后，使步進電機轉(zhuǎn)動，通過變速齒輪和滾珠絲杠螺母驅(qū)動執(zhí)行件（工作臺）移動。其開環(huán)伺服系統(tǒng)簡圖如圖： 本系統(tǒng)的驅(qū)動元件是電液脈沖馬達。該系統(tǒng)的特點是：只按照數(shù)控系統(tǒng)的指令脈沖進行工作，而對執(zhí)行的結(jié)果，即移動部件的實際位移，不進行檢測和反饋。 3.2 確定伺服進給系統(tǒng)的數(shù)學模型 輸入為馬達的轉(zhuǎn)角θM，輸出為工作臺的位移XL GL(s)== 有頻率； ,為機械系統(tǒng)的阻尼比 S----絲杠導程，cm KL----折算到絲杠軸上的傳動裝置的總剛度，N·cm/rad fL-----折算到絲杠軸上的導軌粘性阻尼系數(shù) JL-----折算到絲杠軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，n·cm·s2- 數(shù)控機床的機械進給傳動裝置是個振蕩環(huán)節(jié) 在建立整個伺服進給系統(tǒng)的數(shù)學模型時，一定還要考慮到各元件或環(huán)節(jié)之間的相互影響。例如負載對馬達輸出特性的影響。 3.3 步進電機的選擇 一、步進電動機及其發(fā)展 步進電動機又稱脈沖電動機或者稱為階躍電動機，目前，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電動機本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)的電機分類的間界面越來越糊：步進電動機的傳統(tǒng)定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態(tài)就前進一定角度，若不改變勵磁狀態(tài)則保持一定的狀態(tài)而靜止：廣義的定義為步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機，也可看作是在一定頻率范圍內(nèi)轉(zhuǎn)速與控制脈沖頻率同步的電動機。 步進電動機的機理是基于最基本的電磁鐵作用，其源始模型起源于1830年至l860年間。在20世紀60年代后期，隨著永磁材料的發(fā)展，各種實用型的步進電動機應運而生，半導體的發(fā)展使得步進電機得_至rJT廣泛的應用。我國的步進電機開始于21世紀50年代后期，其發(fā)展過程大致經(jīng)歷了四個階段：第一階段，從50年代后期到60年代后期主要是高等院校和科研機構(gòu)開發(fā)并使用少量的步進電機，以多段結(jié)構(gòu)三相反應式步進電動機為主：第二階段，70年代初期反映在步進電機的生產(chǎn)和研究發(fā)展到了一個較水平：第三階段，70年代中期至80年代中后期新品種高性能電動機層出不窮，各種混合式步進電動機及驅(qū)動器作為產(chǎn)品得到廣泛應用。 二、步進電動機的特點 步進電機有三大部分組成：步進電動機本體、步進電動機控制器及步進電動機驅(qū)動器。其特點如下： 1)用數(shù)字信號直接進行開環(huán)控制，整個系統(tǒng)簡單廉價。 2)位移與輸入脈沖數(shù)相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結(jié)構(gòu)簡單又具有一定精度的開環(huán)控制系統(tǒng)，也可在要求更高時組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。 3)無刷，電動機本體部件少，可靠性高。 4)抑郁起動正反傳和變速停止，響應性好。 5)平滑性好，步距角選擇范圍大，停止時可有自鎖能力 三、步進電動機的類型 從廣義上講步進電機的類型可分為：機械式、電磁式和組合式三大類型。從結(jié)構(gòu)特點可分為：旋轉(zhuǎn)電動機包括反應式步進電動機(VR型)、永磁式步進電動機(PM型)、混合式步進電動機(HB型)：直線電動機包括VR型、PM型及HB型：下面分別介紹幾種典型性的步進電機的結(jié)構(gòu)： 1．HB型步進電動機的結(jié)構(gòu) HB型步進電機有四部分組成：定子部件、轉(zhuǎn)子部件、機殼和端蓋。定子部件由鐵心、繞組和絕緣體組成，一般的鐵心由無方向性的硅鋼片疊加而成定子鐵心上開了許多大齒， 大齒上開許多小齒以增加電磁力和控制的準確性．轉(zhuǎn)子部件由轉(zhuǎn)子鐵心、永磁材料和軸組成。轉(zhuǎn)子鐵心通常也由硅鋼片組成，采用冷沖壓后疊壓成型。轉(zhuǎn)子鐵心必須選用耐磨材料而且磁損耗較?。簷C蓋的作用有三個：l)加強電機剛度2)保護電機3)構(gòu)成定子鐵心的部分電路，機蓋一般為圓筒形，表面一般作防秀處理。端蓋起支撐轉(zhuǎn)子保證氣隙和通風散熱的作用，對機械加工的同軸度、圓柱度要求較高。 2．vR型步進電機的結(jié)構(gòu) vR型步進電機的結(jié)構(gòu)與HB型的結(jié)構(gòu)相似，其不同之處在于轉(zhuǎn)子鐵心為一個鐵心，同時轉(zhuǎn)子上不使用永磁材料。 3．PM型步進電動機 其轉(zhuǎn)子由永磁材料和軸組成，轉(zhuǎn)子上沒有齒：永磁材料圓周方向充磁，材料一般使用氧化鐵和鋁鎳鈷居多。 4．PM型直線步進電動機 PM型直線步進電動機由固定定子和可動轉(zhuǎn)子兩部分組成。其定子鐵心形成主磁路，相當于旋轉(zhuǎn)型的電動機的定子鐵心在一維空間展開。． 3.3.1 步進電機概述 一、步進電機的工作原理 ， 步進電動機是一種將電的脈沖信號轉(zhuǎn)換成交位移活現(xiàn)位移的機電元件。通俗的講，就是外加一個脈沖信號于這種電動機時，它就運行這一步。步進電動機大致可以分為：反應式、永磁式、混合式和直線式四大類a下面以三相反應式步進電機為例，簡要說明步進電機的基本工作原理a 三相反應式步進電機由定子和轉(zhuǎn)子組成。它的定子上有三對磁極，每一對磁極上繞有一相繞組，繞組通電時這兩個磁極的極性相反：三相繞組接成星形。轉(zhuǎn)子鐵心和定子極靴上有小齒，定子和轉(zhuǎn)子的齒距相等。 當某一向繞組通電時電動機內(nèi)部建立以該繞組為軸線的磁場。由于定子和轉(zhuǎn)子上有齒和槽，所以當定子和轉(zhuǎn)子齒的相對位置不同時，磁路的磁導也不同，定轉(zhuǎn)子齒對齒處的極磁導為最大，定轉(zhuǎn)子齒對槽處的每個極磁導為最小。轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置是使通電相磁路的磁導為最大的位置，所以通電時，齒對齒的位置為平衡位置。 三相反應式步進電動機有A，B，C三相繞組，各相繞組的軸線夾角為120。：當A相極下定轉(zhuǎn)子齒對齒時：B相磁極上定子齒的軸線，沿ABC方向超前轉(zhuǎn)子齒的軸線l／3齒距：C相極下定子齒的軸線，沿ABC方向超前轉(zhuǎn)子齒的軸線2／3齒距。 在A相斷電的同時，給B相通電，則磁場空間轉(zhuǎn)過了l20。，轉(zhuǎn)子齒的軸線將力求與B相上的定子齒的軸線對齊以達到穩(wěn)定平衡位置。由于B相軸線還沒有與轉(zhuǎn)子齒的軸線對齊所以將對轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個逆時針方向的電磁力迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動以達到平衡位置：從而使電動機開始轉(zhuǎn)動起來。如果對A、B、C三相繞組按照一定的規(guī)律分時的通電則轉(zhuǎn)子可以連續(xù)的轉(zhuǎn)動起來，從而實現(xiàn)電信號轉(zhuǎn)化為機械信號即旋轉(zhuǎn)運動。改變通電的順序可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)向，三相反應式步進電動機可以按照三相單三拍方式運行(A—B—C—A—)，每改變一次通電狀態(tài)電動機內(nèi)磁場軸線轉(zhuǎn)過l20。，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過l／3齒距；也可以以三相雙三拍方式(AB—Bc—cA—AB—)運行，每改變一次通電狀態(tài)電動機內(nèi)磁場軸線轉(zhuǎn)過l20。，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過l／6齒距：也可采用三相六拍方式(A～AB—B—BC—C—CA—A—)運行，每改變一次通電狀態(tài)電動機內(nèi)磁場軸線轉(zhuǎn)過60。，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過l／6齒距。 從上面的分析可知：同一臺電機可以有不同的通電方式和不同的運行拍數(shù)。若用m表示運行拍數(shù)，z表示轉(zhuǎn)子齒數(shù)，則每改變一次通電狀態(tài)時轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 過角度的平均值稱為步距角，用Ф表示，則： Ф=360°／m×z×K 通電方式，相同時為1，不同時為2 從上是可以看出：轉(zhuǎn)子齒數(shù)，運行拍數(shù)不同時其步距角也是不同的。設步進電機的轉(zhuǎn)速為n(r／rain)，f表示控制脈沖的頻率，0表示步距角則步進電機轉(zhuǎn)速計算公式為 n=Ф×f／6 由上式可以看出：當轉(zhuǎn)子的步距角一定時，步進電動機的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。 二、步進電機的常用術(shù)語 1．步距角Ф 指每給一個電脈沖信號電動機轉(zhuǎn)子所應轉(zhuǎn)過的角度的理論值。步距角 0b=360°／m×z×k 2．齒距角Фs 相鄰兩齒中心線的夾角，通常轉(zhuǎn)子和定子具有相同的齒距角。齒距角 0s=360°／Zr 3．距角特性 指不改變各相繞組通電狀態(tài)，即一相或者幾相繞組同時直流電時電磁轉(zhuǎn) 距與失調(diào)角的關(guān)系：即： T=f(Ф) 5．失調(diào)角 指轉(zhuǎn)子偏離零位時的角度。 6．零位或初始穩(wěn)定平衡位置 指不改變繞組的通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子在理想空載下的平衡位置 7．最大靜轉(zhuǎn)距 距角特性上轉(zhuǎn)距最大值 3.3.2 步進電機的選擇 一、步進電機的主要特性參數(shù) 1)步距角Ф每輸入一個電脈沖信號，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。步進電動機的步距角可按下式計算： Ф=360°／m×k×z 式中 m--步進電機的相數(shù)： k--與通電方式有關(guān)的系數(shù)。當通電方式為單拍時，k=1：雙拍時，k=2。 z--步進電動機轉(zhuǎn)子的齒數(shù)： 2)靜態(tài)步距角誤差△Ф空載時，以單脈沖輸入，步進電動機的實際步距角與理論步距角的差值稱為靜態(tài)步距角誤差。它與步進電動機的制造精度有關(guān)，精度越高，誤差值越小。 3)最大靜轉(zhuǎn)距Tmax 當步進電動機不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動時，在軸上加一負載轉(zhuǎn)距定子與轉(zhuǎn)子就有一個角位移，該角位移稱為失調(diào)角。轉(zhuǎn)子剛剛離開平衡位置的極限轉(zhuǎn)距值稱為最大靜轉(zhuǎn)距。靜轉(zhuǎn)距越大，步進電機承受的外加轉(zhuǎn)距也越大，一般產(chǎn)品中給出的最大靜轉(zhuǎn)距是指在額定電流即規(guī)定的通電方式下的靜轉(zhuǎn)距。 4)空載起動頻率fq 電動機在空載情況下，不失步所能允許的最高頻率稱為空載起動頻率。在有負載的情況下，不失步所允許的最高頻率將大大降低。為了縮短起動時間，可使加到電動機的電脈沖頻率按一定頻率逐漸增加。 二、步進電動機的選擇 1)必須保證步進電動機的輸出轉(zhuǎn)距大于負載轉(zhuǎn)距，使電動機的距——頻特性有一定裕量，以保證可靠運行，即在實際工作時，各種頻率下的負載轉(zhuǎn)距必須在距——頻特性曲線范圍之內(nèi)： 2)要求計算的機械系統(tǒng)負載轉(zhuǎn)動慣量與步進電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量相匹配，并有一定的裕量： 3)是最高頻率能滿足產(chǎn)品快速移動的要求： 4)使步進電動機的步距角與機械系統(tǒng)相匹配，區(qū)得到擊穿的脈沖當量 第4章 機械傳動部分設計 機械部分設計內(nèi)容包括：傳動元件的設計計算及選用，運動部件的慣性計算，步進電機的選擇等。 4．1 縱向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件: 作臺重量： W=80kgf=800N 時間常數(shù)： T=25ms 滾珠絲杠基本導程： L0=8mm 快速進給速度： Vmax=6m/min 脈沖當量 =0.01mm/脈沖 4．1． 1 切削力計算 查?機床設計手冊? 可知,切削功率： PC=PηK 式中 P—電機功率,C620型車床P=7.5KW； η—主傳動系統(tǒng)總效率,一般為0.75-0.85,取η=0.8； K—進給系統(tǒng)功率系數(shù),取K=0.96。 則 PC=7.5×0.8×0.96=5.76kw 切削功率應按在各種加工情況下經(jīng)常遇到的最大切削力（或扭矩）和最大切削速度（或轉(zhuǎn)速）來計算，即： PC= kw 或 PC= kw 式中 FZ—主切削力(N)； —切削速度(m/min) T—切削轉(zhuǎn)矩(N.min) n—主軸轉(zhuǎn)速(r/m) 設按最大切削速度來計算，取v=100m/min 則 FZ= ==3456N 查?機床設計手冊?，在一般外圓車削時： Fx=(0.1-0.55)Fz Fy=(0.15-0.65)Fz 取 Fx=0.5Fz=0.5*3456N=1728N Fy=0.6Fz=0.6*3456.4N=2073.6N 4．1． 2 滾珠絲杠設計計算 滾珠絲杠副已經(jīng)標準化，因此，滾珠絲杠副的設計歸結(jié)為滾珠絲杠副型號的選擇。 （1）計算載荷F F=KKKF 式中 K—載荷系數(shù),查表取K=1.3； K—硬度系數(shù),查表取K=1.0； K—精度系數(shù),查表取K=1.0； F—平均工作載荷； F= KKKF=1.3*1.0*1.0*3456=4493N （2）計算額定動載荷計算值C （3）根據(jù)選擇滾珠絲桿副 假設選用FC1D型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷C等于或稍大于的原則，查表選以下型號規(guī)格： FYC1D-4005-5 C=21183N FYC1D-5006-3 C=21379N 考慮各種因素選用FYC1D-4005-5，由表的絲杠副數(shù)據(jù)： 公稱直徑 D=40mm 導程 p=5mm 螺旋角 =216 滾珠直徑 d=3.175mm 按表中尺寸公式計算： 滾道半徑 R=0.52 d=0.52=1.651mm 偏心距 e=0.07(R-)=0.07(1.651-)=4.4mm 絲杠內(nèi)徑 d= D+2e-2R=40+2-2=36.71mm （4）穩(wěn)定性驗算 由于滾珠絲杠副支承形式為兩端固定，絲杠一般不會受壓，無壓桿穩(wěn)定問題。 （5）剛度驗算 滾珠絲杠在工作負載F（N）和轉(zhuǎn)矩T（Nm）共同作用下引起每個導程的變形量(m)為： = A—絲杠截面積 J--絲杠的極慣性矩 G—絲杠切變模量，對G=83.3GP T—轉(zhuǎn)矩 T=Ftan() --摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù) F--平均工作載荷 本題取摩擦系數(shù)為tan=0.0025,則得=840 T=3456(216+840)=2.9Nm 按最不利的情況取（其中F=F） == =+ 則絲杠在工作長度上的彈性變形所引起的導程誤差為 通常要求絲杠的導程誤差應小于其傳動精度的0.5，即 該絲杠的滿足上式，所以剛度可滿足要求。 （6）效率計算 根據(jù)?機械原理?的公式，絲杠螺母副的傳動效率η為 = 式中 —螺紋的螺旋升角,該絲杠為 —摩擦角約等于 ==0.931 4．1． 3確定齒輪傳動比 根據(jù)系統(tǒng)的脈沖當量，選步進電機的步距角θ=1.20 則 i=1.2×8/360×0.01=2.67 取 Z1=24,Z2=64,m=2mm。齒輪的參數(shù)見表4-1 表4-1 縱向進給系統(tǒng)齒輪參數(shù) 項目 代號 計算公式 計算結(jié)果 小齒輪 大齒輪 小齒輪 大齒輪 模數(shù) m 2 齒數(shù) Z 24 64 分度圓直徑 d d1=mz1 d2=mz2 48 128 齒頂高 ha ha=h*am ha=h*am 2 2 齒根高 hf hf=(h*a+c*)m hf=(h*a+c*) 2.5 2.5 齒高 h h= ha+ hf h= ha+ hf 4.5 4.5 齒頂圓直徑 da da1= d1+2 ha da2=d2+2 ha 52 132 齒根圓直徑 df df1= d1-2 hf df2=d2-2 hf 43 123 中心距 a a=( d1+ d2)/2 88 注：表中h*a=1, c*=0.25 4．1． 4 電液脈沖液壓馬達的選擇 （1）負載轉(zhuǎn)動慣量估算 折算到馬達軸上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算 JF=J1+ + 式中 JF—折算到電機軸上的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm2）； J1，J2—分別為齒輪Z1，Z2的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm2）； J3—絲杠的轉(zhuǎn)動慣量（kg.cm2）。 對材料為鋼的圓柱形零件，起轉(zhuǎn)動慣量可按下式估算： J=7.8×10-4D4L（kg.cm2 ） 式中 D—圓柱零件的直徑(cm); L—零件軸向長度(cm). 所以 J1=7.8×10-4×4.84×1 kg.cm2=0.414 kg.cm2 J2=7.8*×10-4×12.84×1 kg.cm2=20.94 kg.cm2 滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量： J= ==29 kg.cm2 JI= kg.cm2=0.026 kg.cm2 總慣量 JF=[0.414+] kg.cm2 =7.44kg.cm2 （2）負載轉(zhuǎn)矩計算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 根據(jù)能量守恒原理,電機等效負載轉(zhuǎn)矩 TF==N.m=1.77 N.m 若不考慮起動時運動部件慣性的影響,則起動轉(zhuǎn)矩 Tq= 取安全系數(shù)為0.3,則 Tq=1.77/0.3N.m=5.9N.m 對于工作方式為三相六拍的步進電機 Tjmax=Tq/0.886N.m=6.8N.m 因數(shù)控車床對動態(tài)性能要求較高，確定電機最大靜轉(zhuǎn)矩時應滿足快速空載起動時所需轉(zhuǎn)矩T的要求 T=Tamax+Tf+T0 式中 Tamax—快速空載起動時產(chǎn)生最大加速度所需的轉(zhuǎn)矩（N.m）； Tf—克服摩擦所需的轉(zhuǎn)矩（N.m）； T0—由于絲杠預緊所引起，折算到電機軸上的附加轉(zhuǎn)矩（N.m）。 當工作臺快速移動時，電機的轉(zhuǎn)速 nmax= 由動力學知 Tamax=JF 式中 --角加速度，=。 則 Tamax=JF= Tf= T0= 式中 η0—絲杠為預緊時的效率, η0=0.953; F0—預加載荷,一般為最大軸向載荷的1/3,Fp/3 則 T0= 則 T= Tamax+ Tf+ T0=(6.308+0.065+0.041)N.m=6.414N.m （3）步進電機的最高工作頻率 fmax = 根據(jù)計算綜合考慮,查表選用DYM1-B25型電液脈沖液壓馬達. 4． 2橫向進給系統(tǒng)的設計計算 已知條件： 工作臺重量 W=30kgf=300N 時間常數(shù) T=25ms 滾珠絲杠基本導程 L0=6mm 左旋 快速進給速度 vmax=3m/min 脈沖當量 =0.005mm/脈沖 4． 2．1切削力計算 橫向進給量為縱向的1/2—1/3，取1/2，則切削力約為縱向的1/2 Fz=3456=1728N 在切斷工件時： Fy=0.5Fz=0.51728=864N 4． 2．2滾珠絲杠設計計算 絲杠的材料為CrWMn （1）計算載荷F F=KKKF 式中 K—載荷系數(shù),查表取K=1.2； K—硬度系數(shù),查表取K=1.0； K—精度系數(shù),查表取K=1.0； F—平均工作載荷； F= KKKF=1.2*1.0*1.0*1728=2073.6N； 式中 Fz,Fx—切削分力； W—移動部件的重量； k—考慮顛覆力矩影響的系數(shù)，k=1.5； —導軌上的摩擦系數(shù)，=0.15-0.18 取=0.16。 則 Fp=[1.5*691.2+0.16(1382.4+300)]N=1385.984N 當機床以v=100m/min,f=0.3mm/r的用量切削D=80mm的外圓時，絲杠的轉(zhuǎn)速 n= =r/min=19.9r/min 則 L=60nT/106=60*19.9*15000/106=17.91萬轉(zhuǎn) 根據(jù)工作負載Fp,壽命L，計算出滾珠絲杠副承受的最大動負荷，取fw=1.2,fH=1 FQ= fwfHFp=*1.2*1*1385.984=4350.9(N) （2）計算額定動載荷計算值 =2073.6=8473.3 （3）根據(jù)C選擇滾珠絲杠副 假設選用F型號，按滾珠絲杠副的額定動載荷等于或稍微大于C的原則查表選擇FC1-2506-2.5 公稱直徑：D=25MM，導程P=6MM，螺旋角r=4°22″，滾珠直徑d=3.175, 按表公式計算： 滾道半徑R=0.52*d=0.523.175=1.651 偏心距e=0.07(R-)=0.07=4.45mm 絲杠內(nèi)徑：d=D+2e-2R=21.78mm （4）穩(wěn)定性驗算 該絲杠的支撐方式為雙推-單推，在任何情況下，絲杠不承受壓力只承受拉力，因而沒有壓桿穩(wěn)定性的問題。 高速時長絲桿工作可能發(fā)生共振，因此需驗算其不會發(fā)生共振的最高轉(zhuǎn)速-臨界轉(zhuǎn)速n,要求絲桿的最大轉(zhuǎn)速小于臨界轉(zhuǎn)速 臨界轉(zhuǎn)速n= Fc--臨界轉(zhuǎn)速系數(shù)取fc=4.73,μ=1 n=9910=10962.5r/min n

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