長度尺寸測量裝置設(shè)計含8張CAD圖,長度,尺寸,測量,丈量,裝置,設(shè)計,cad
畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書
題目： 長度尺寸測量裝置設(shè)計
基本任務(wù)及要求：
簡易測量裝置是計算機數(shù)空（CNC）機床系統(tǒng)的配套設(shè)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。
基本任務(wù)：
1 總體方案設(shè)計：明確設(shè)計任務(wù)，確定總體結(jié)構(gòu)方案。畫出系統(tǒng)框圖。
2 伺服系統(tǒng)設(shè)計：驅(qū)動電路設(shè)計計算，電機選擇。
3 機械傳動部分設(shè)計：繪制總裝圖，零件校核計算及主要零件圖
4 控制系統(tǒng)硬件系統(tǒng)：硬件電路原理圖（帶數(shù)顯）
5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計：主要軟件設(shè)計。機電傳動系統(tǒng)可靠性分析
XXXX
畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告
題 目： 長度尺寸測量裝置設(shè)計
學(xué) 院：
專 業(yè)：
學(xué)生姓名： 學(xué) 號：
指導(dǎo)老師：
20XX年 03 月 14 日
XX設(shè) 計（XX）開 題 報 告
1．文獻綜述：結(jié)合畢業(yè)設(shè)計（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻資料，每人撰寫2500字以上的文獻綜述，文后應(yīng)列出所查閱的文獻資料。
1 機電一體化
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉和滲透，導(dǎo)致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化使機械工業(yè)的技術(shù)改造，產(chǎn)品機構(gòu)，功能與構(gòu)成，生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化。使工業(yè)生產(chǎn)有“機械電氣化”邁入“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。
1.1機電一體化的發(fā)展史
20世紀(jì)60年代以來，人們自覺不自覺地利用電子技術(shù)的初步成果，來完善機械產(chǎn)品的性能后，刺激了機械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，再后來計算機技術(shù)，控制技術(shù)，通信技術(shù)的發(fā)展，為機電一體化的發(fā)展更進一步奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，大約到20世紀(jì)80年代末期世界范圍內(nèi)得到比較廣泛的承認(rèn)：機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展，各國均開始對機電一體化技術(shù)和產(chǎn)品給予很大的關(guān)注和支持，20世紀(jì)90年代后期開始了機電一體化技術(shù)向智能化方向邁向的新階段機電一體化進入深入發(fā)展時期。一方面，光學(xué)通信技術(shù)等進入了機電一體化，微細加工技術(shù)也在機電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機電一體化和微機電一體化等新分支，另一方面對機電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計，分析和集成方法，機電一體化的科學(xué)體系和發(fā)展趨勢都進行深入研究。
我國是從20世紀(jì)80年代初才開始在這方面研究和應(yīng)用。許多大專院校，研究機構(gòu)及一些大中形企業(yè)對這一技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用做了大量的工作，取得了一定成果，但與歐美，日本等先進國家相比仍有相當(dāng)大差距。機電一體化是集機械，電子，光學(xué)，控制，計算機，信息等多學(xué)科的交叉綜合。它的發(fā)展和進步依賴并促進相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進步。
機電一體化發(fā)展至今也成為一門有著自身體系的新型學(xué)科，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，還將被賦予新的內(nèi)容。
1.2 機電一體化的內(nèi)容
1） 機電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點出發(fā)，應(yīng)用機械，電子等有關(guān)技術(shù)，使機械，電子有機結(jié)合，實現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。機電一體化技術(shù)主要包括技術(shù)原理和使用機電一體化產(chǎn)品（或系統(tǒng)）得以實現(xiàn)使用和發(fā)展的技術(shù)。機電一體化技術(shù)是一個技術(shù)群的總稱。
2） 機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）由若干具有特定功能的機械和電子要素組成的有機整體，具有滿足人的使用功能，機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）主要是指機械系統(tǒng)（或部件）與微電子系統(tǒng)（或部件）相互置換和有機結(jié)合，從而賦予新的功能和性能的新一代產(chǎn)品，有良好的人機協(xié)作關(guān)系。一個機電一體化的系統(tǒng)主要有機械裝置，執(zhí)行裝置，動力源，傳感器，計算機5個要素構(gòu)成。
3） 機電一體化工程是機械工程和電子工程的綜合集成，即給定機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）“目的功能”與“規(guī)格”后，機電一體化技術(shù)人員利用機電一體化技術(shù)進行設(shè)計，制造的過程體系。機電一體化工程是系統(tǒng)工程在機電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）中的具體應(yīng)用。
4） 機電一體化思想體現(xiàn)了“系統(tǒng)設(shè)計原理”和“綜合集成技巧”。系統(tǒng)工程，控制論和信息論是機電一體化技術(shù)的方法論。從某種意義上講，機電一體化思想相當(dāng)于“一體化”思想。它帶來了諸如光電機一體化，機電液一體化，科工貿(mào)一體化，人機一體化等技術(shù)及其產(chǎn)品。
1.3 機電一體化的優(yōu)點
機電一體化是指機構(gòu)的主要功能，動力功能，信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù)，將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總稱，其涵蓋“技術(shù)”和“產(chǎn)品”兩個方面，是基于上述群體技術(shù)有機融合的一種綜合技術(shù)，而不是機械技術(shù)，微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合，拼湊，這是機電一體化與機械+電氣形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別，機械工程技術(shù)由純機械發(fā)展到機械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機械，其主要功能依然是代替和放大的能力，但是發(fā)展到機電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動檢測，自動處理信息，自動顯示記錄，自動調(diào)節(jié)與控制，自動診斷與保護等，即機電一體化產(chǎn)品不僅是人的手與肢體的延伸，還是人的感官與頭腦的延伸。機電一體化與機械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別是智能化，機電一體化產(chǎn)品的典型例子有，數(shù)控加工中心，機器人以及具有檢測控制性能的數(shù)碼相機等?？傊?，一個機電一體化的系統(tǒng)主要由機械裝置，執(zhí)行裝置，動力源，傳感器，計算機這五個要素構(gòu)成。歸納如下：
1） 具有記憶，運籌，控制，信息處理等功能，從而達到產(chǎn)品的高性能，多功能和智能化；
2） 結(jié)構(gòu)簡化。使產(chǎn)品向著輕 薄 細 巧的方向迅速發(fā)展，易采用標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化的方法進行設(shè)計，制造；
3） 可以根據(jù)負(fù)荷及運行情況進行調(diào)整與控制，具有節(jié)能的特點；
4） 具有自動監(jiān)視，診斷功能及其某些智能使安全可靠性大幅度提高。
2 數(shù)控機床
數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動化機床。該控制系統(tǒng)能夠邏輯地處理具有控制編碼或其他符號指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機床動作并加工零件。數(shù)控機床的控制單元：數(shù)控機床的操作和監(jiān)控全部在這個數(shù)控單元中完成，它是數(shù)控機床的大腦。
2.1 與普通機床相比，數(shù)控機床有如下特點：
●加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；
●可進行多坐標(biāo)的聯(lián)動，能加工形狀復(fù)雜的零件；
●加工零件改變時，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時間；
●機床本身的精度高、剛性大,可選擇有利的加工用量，生產(chǎn)率高 （一般為普通機床的3~5倍）；
●機床自動化程度高，可以減輕勞動強度；
●對操作人員的素質(zhì)要求較高，對維修人員的技術(shù)要求更高。
2.2 數(shù)控機床一般由下列幾個部分組成：
●主機，他是數(shù)控機床的主題，包括機床身、立柱、主軸、進給機構(gòu)等機械部件。他是用于完成各種切削加工的機械部件。
●數(shù)控裝置，是數(shù)控機床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機等）以及相應(yīng)的軟件，用于輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲、數(shù)據(jù)的變換、插補運算以及實現(xiàn)各種控制功能。
●驅(qū)動裝置，他是數(shù)控機床執(zhí)行機構(gòu)的驅(qū)動部件，包括主軸驅(qū)動單元、進給單元、主軸電機及進給電機等。他在數(shù)控裝置的控制下通過電氣或電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)主軸和進給驅(qū)動。當(dāng)幾個進給聯(lián)動時，可以完成定位、直線、平面曲線和空間曲線的加工。
●輔助裝置，指數(shù)控機床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機床的運行，如冷卻、排屑、潤滑、照明、監(jiān)測等。它包括液壓和氣動裝置、排屑裝置、交換工作臺、數(shù)控轉(zhuǎn)臺和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測裝置等。
●編程及其他附屬設(shè)備，可用來在機外進行零件的程序編制、存儲等。
自從1952年美國麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺數(shù)控機床以來，數(shù)控機床在制造工業(yè)，特別是在汽車、航空航天、以及軍事工業(yè)中被廣泛地應(yīng)用，數(shù)控技術(shù)無論在硬件和軟件方面，都有飛速發(fā)展。
3 伺服控制系統(tǒng)
3.1 概述
用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某個過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動系統(tǒng)。在很多情況下，伺服系統(tǒng)專指被控制量（系統(tǒng)的輸出量）是機械位移或位移速度、加速度的反饋控制系統(tǒng)，其作用是使輸出的機械位移（或轉(zhuǎn)角）準(zhǔn)確地跟蹤輸入的位移（或轉(zhuǎn)角）。伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和其他形式的反饋控制系統(tǒng)沒有原則上的區(qū)別。
伺服控制系統(tǒng)最初用于船舶的自動駕駛、火炮控制和指揮儀中，后來逐漸推廣到很多領(lǐng)域，特別是自動車床、天線位置控制、導(dǎo)彈和飛船的制導(dǎo)等。采用伺服系統(tǒng)主要是為了達到下面幾個目的：①以小功率指令信號去控制大功率負(fù)載?；鹋诳刂坪痛婵刂凭褪堑湫偷睦?。②在沒有機械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠處的輸出軸，實現(xiàn)遠距同步傳動。③使輸出機械位移精確地跟蹤電信號，如記錄和指示儀表等。
衡量伺服控制系統(tǒng)性能的主要指標(biāo)有頻帶寬度和精度。頻帶寬度簡稱帶寬，由系統(tǒng)頻率響應(yīng)特性來規(guī)定，反映伺服系統(tǒng)的跟蹤的快速性。帶寬越大，快速性越好。伺服系統(tǒng)的帶寬主要受控制對象和執(zhí)行機構(gòu)的慣性的限制。慣性越大，帶寬越窄。一般伺服系統(tǒng)的帶寬小于15赫，大型設(shè)備伺服系統(tǒng)的帶寬則在1～2赫以下。自20世紀(jì)70年代以來，由于發(fā)展了力矩電機及高靈敏度測速機，使伺服系統(tǒng)實現(xiàn)了直接驅(qū)動，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，使帶寬達到50赫，并成功應(yīng)用在遠程導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、精密指揮儀等場所。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測量元件的精度。因此，在伺服系統(tǒng)中必須采用高精度的測量元件，如精密電位器、自整角機和旋轉(zhuǎn)變壓器等。此外，也可采取附加措施來提高系統(tǒng)的精度，例如將測量元件（如自整角機）的測量軸通過減速器與轉(zhuǎn)軸相連，使轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)角得到放大，來提高相對測量精度。采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測粗測系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。通過減速器與轉(zhuǎn)軸嚙合的測角線路稱精讀數(shù)通道，直接取自轉(zhuǎn)軸的測角線路稱粗讀數(shù)通道。
伺服控制系統(tǒng)按所用驅(qū)動元件的類型可分為機電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動伺服系統(tǒng)。
3.2 伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
機電一體化的伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),類型繁多,但從自動控制理論的角度來分析,伺服控制系統(tǒng)一般包括控制器,被控對象,執(zhí)行環(huán)節(jié),檢測環(huán)節(jié),比較環(huán)節(jié)等五部分
1）比較環(huán)節(jié);
比較環(huán)節(jié)是將輸入的指令信號與系統(tǒng)的反饋信號進行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號的環(huán)節(jié),通常由專門的電路或計算機來實現(xiàn).
2）控制器;
控制器通常是計算機或PID控制電路,其主要任務(wù)是對比較元件輸出的偏差信號進行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動作.
3）執(zhí)行環(huán)節(jié);
執(zhí)行環(huán)節(jié)的作用是按控制信號的要求,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機械能,驅(qū)動被控對象工作.機電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機或液壓,氣動伺服機構(gòu)等.
4）被控對象;機械參數(shù)量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對象。
5）檢測環(huán)節(jié);
檢測環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M行測量并轉(zhuǎn)換成比較環(huán)節(jié)所需要的量綱的裝置,一般包括傳感器和轉(zhuǎn)換電路.
3.3 伺服控制系統(tǒng)的分
伺服系統(tǒng)的分類方法很多,常見的分類方法有以下三種.
1)按被控量參數(shù)特性分類.
2)按驅(qū)動元件的類型分類.
3)按控制原理分類.
參考文獻
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XX 設(shè) 計（XX）開 題 報 告
２．開題報告：一、課題的目的與意義；二、課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望；三、課題主要內(nèi)容和要求；四、研究方法、步驟和措施
開 題 報 告
一、課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望
機電一體化的概念機電一體化是指在機構(gòu)的主功能、動力功能、信息處理功能和控制功能上引進電子技術(shù),將機械裝置與電子化設(shè)計及軟件結(jié)合起來所構(gòu)成的系統(tǒng)的總和。它涵蓋了“技術(shù)”“產(chǎn)品”兩個方面。只是機電一體化技術(shù)是基于機械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計算機技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測控技術(shù)、電子電力技術(shù)、接口技術(shù)、信息變換技術(shù)等有機融合的一種綜合技術(shù),而不是機械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡單組合、拼湊,這是機電一體化與機械、電氣形成的機械電氣化在概念上的根本區(qū)別。
二、課題主要內(nèi)容和要求
1、主要內(nèi)容：
1）總體方案設(shè)計：明確設(shè)計任務(wù)，確定總體結(jié)構(gòu)方案。畫出系統(tǒng)框圖。
2）伺服系統(tǒng)設(shè)計：驅(qū)動電路設(shè)計計算，電機選擇。
3）機械傳動部分設(shè)計：繪制總裝圖。零件校核計算及主要零件圖。
4）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計：硬件電路原理圖（帶數(shù)顯）。
5）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計：主要軟件設(shè)計。機電傳動系統(tǒng)可靠性分析。
6）編寫設(shè)計說明書。
2、要求：
簡易測量裝置是計算機數(shù)控（CNC）機床系統(tǒng)的配套設(shè)備。主要用于測量零件的外長度尺寸和內(nèi)長度尺寸。
1）測量范圍0～100mm。
2）測量誤差不大于0.01mm。
3）測量裝置帶數(shù)字顯示。
長度尺寸測量裝置畢業(yè)設(shè)計(XX) 第51頁
目錄
第1章 緒論 1
1.1數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展過程…………………………………….1
1.1.1計算機促進了數(shù)控機床的發(fā)展 1
1.1.2數(shù)控機床的產(chǎn)生與發(fā)展過程 1
1.2數(shù)控機床的工作原理 2
1.3 數(shù)控機床的組成 2
1.4 經(jīng)濟數(shù)控機床的特點及主要功能 3
第2章 開放式數(shù)控系統(tǒng) 4
2.1 開放式數(shù)控系統(tǒng)概述 4
2.2 開放式數(shù)控系統(tǒng)的特征 4
2.3我國開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概括 6
第3章 伺服系統(tǒng)設(shè)計 13
3.1長度尺寸測量裝置的伺服系統(tǒng) 13
3.2 確定伺服進給系統(tǒng)的數(shù)字模型 13
3.3 步進電機的選擇 14
3.3.1 步進電機概述 16
3.3.2 步進電機的選擇 18
第4章 機械傳動部分設(shè)計 19
4.1 縱向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 19
4.1.1 切削力的計算 19
4.1.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 20
4.1.3 確定齒輪傳動比 22
4.1.4 電液脈沖液壓馬達的選擇 23
4.2 橫向進給系統(tǒng)的設(shè)計計算 25
4.2.1 切削力的計算 25
4.2.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 26
4.2.3 確定齒輪傳動比 28
4.2.4 電液脈沖液壓馬達的選擇 29
第5章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計 32
5.1 硬件控制電路硬件組成 32
5.1.1 硬件電路組成 32
5.1.2 電路圖信號流程分析 32
5.2 主要芯片功能介紹 33
5.2.1 單片機簡介 33
5.2.2 管腳功能及適用特征 34
第6章 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 40
6.1軟件整體結(jié)構(gòu) 40
6.1.1 子程序結(jié)構(gòu) 40
6.1.2 中斷軟件結(jié)構(gòu) 40
6.2控制系統(tǒng)軟件插補原理 41
6.2.1 直線插補原理 41
6.2.2 圓弧插補原理 43
結(jié)論 34
致謝 35
參考文獻 36
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(jì)最偉大的發(fā)明之一——計算機的出現(xiàn)和應(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)航空工業(yè)制造復(fù)雜工件的需要產(chǎn)生的。1952年美國麻省理工學(xué)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(yīng)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(yán)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(fù)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(fù)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(yīng)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(fù)雜零件、不用靠?；虺尚偷毒摺２粌H節(jié)約了費用，而且還可縮短生產(chǎn)準(zhǔn)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(yīng)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(yīng)時間內(nèi)停止運動。
（5）有程序暫停功能。當(dāng)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(shè)有點動功能。
（8）具有自診斷功能。當(dāng)加工程序編制或操作有誤時，程序停止運行，并顯示相應(yīng)的出錯信息，以便修改。
（9）加工過程中，為應(yīng)付特殊情況，設(shè)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(shè)有局部循環(huán)功能。
（12）為提高加工精度，設(shè)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(chǔ)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(wù)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(fù)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(dāng)長的時間。
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的上述特點嚴(yán)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(rèn)為開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)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(shè)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(yīng)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(dǎo)思想。在此思想指導(dǎo)下，珠峰公司和華中理工大學(xué)，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(shè)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(chǔ)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(wù) ，并為今后的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)；藍天是在原7500系列的基礎(chǔ)上，通過二次集成縮小化設(shè)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(xué)等單位共同承擔(dān)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(shè)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(shè)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(fù)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(fù)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(xué)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(chǔ)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(chǔ)，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(chǔ)。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(shè)：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(dāng)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(biāo)：系統(tǒng)平臺中的數(shù)控通用模板是在CASNUC901的基礎(chǔ)上，經(jīng)過27次集成縮小化設(shè)計后，嚴(yán)格按照ISO9001的設(shè)計程序設(shè)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(biāo)），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(biāo)：
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(xué)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(shè)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(shè)計采用縮小化技術(shù)，面向驅(qū)動和機床采用國際標(biāo)準(zhǔn)或工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，面向系統(tǒng)外面采用國際標(biāo)準(zhǔn)的通信和網(wǎng)絡(luò)。
網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(shè)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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(luò)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(fù)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(yīng)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(yán)格按軟件工程思想和方法，由60人設(shè)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(wù)操作系統(tǒng)和生成系統(tǒng)：控制系統(tǒng)的功能設(shè)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(wù)、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(shè)施、模塊）；物理層標(biāo)準(zhǔn)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(luò)。
操作員面板
CRT
鍵盤
軟件
LAN
以太網(wǎng)板
標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計
本課題的設(shè)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(shè)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(shè)計要求和控制方案分類結(jié)合開環(huán)控制的特點本設(shè)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(xué)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(fù)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(jì)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(yīng)運而生，半導(dǎo)體的發(fā)展使得步進電機得_至rJT廣泛的應(yīng)用。我國的步進電機開始于21世紀(jì)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(yīng)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(yīng)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(yīng)，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(yīng)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(yīng)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(zhǔn)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小：機蓋的作用有三個：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(fēng)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(dāng)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(yīng)式、永磁式、混合式和直線式四大類a下面以三相反應(yīng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)定子和轉(zhuǎn)子齒的相對位置不同時，磁路的磁導(dǎo)也不同，定轉(zhuǎn)子齒對齒處的極磁導(dǎo)為最大，定轉(zhuǎn)子齒對槽處的每個極磁導(dǎo)為最小。轉(zhuǎn)子的穩(wěn)定平衡位置是使通電相磁路的磁導(dǎo)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(shè)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(dāng)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(yīng)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(dāng)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(dāng)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(dāng)量
第4章 機械傳動部分設(shè)計
機械部分設(shè)計內(nèi)容包括：傳動元件的設(shè)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(shè)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(dǎo)程： L0=8mm
快速進給速度： Vmax=6m/min
脈沖當(dāng)量 =0.01mm/脈沖
4．1． 1 切削力計算
查?機床設(shè)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(yīng)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(shè)按最大切削速度來計算，取v=100m/min
則 FZ= ==3456N
查?機床設(shè)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(shè)計計算
滾珠絲杠副已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，因此，滾珠絲杠副的設(shè)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(shè)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(dǎo)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(fù)載F（N）和轉(zhuǎn)矩T（Nm）共同作用下引起每個導(dǎo)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(dǎo)程誤差為
通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差應(yīng)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(dāng)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(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)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(yù)緊所引起，折算到電機軸上的附加轉(zhuǎn)矩（N.m）。
當(dāng)工作臺快速移動時，電機的轉(zhuǎn)速
nmax=
由動力學(xué)知 Tamax=JF
式中 --角加速度，=。
則 Tamax=JF=
Tf=
T0=
式中 η0—絲杠為預(yù)緊時的效率, η0=0.953;
F0—預(yù)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(shè)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(dǎo)程 L0=6mm 左旋
快速進給速度 vmax=3m/min
脈沖當(dāng)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(shè)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(dǎo)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(dāng)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(fù)載Fp,壽命L，計算出滾珠絲杠副承受的最大動負(fù)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(shè)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(dǎo)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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