長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置設(shè)計(jì)含8張CAD圖,長(zhǎng)度,尺寸,測(cè)量,丈量,裝置,設(shè)計(jì),cad
畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書
題目： 長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置設(shè)計(jì)
基本任務(wù)及要求：
簡(jiǎn)易測(cè)量裝置是計(jì)算機(jī)數(shù)空（CNC）機(jī)床系統(tǒng)的配套設(shè)備。主要用于測(cè)量零件的外長(zhǎng)度尺寸和內(nèi)長(zhǎng)度尺寸。 測(cè)量范圍0～１００mm 。 測(cè)量誤差不大于0.01mm 。 測(cè)量裝置帶數(shù)字顯示。
基本任務(wù)：
1 總體方案設(shè)計(jì)：明確設(shè)計(jì)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(jì)：驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)計(jì)算，電機(jī)選擇。
3 機(jī)械傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)：繪制總裝圖，零件校核計(jì)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(jì)：主要軟件設(shè)計(jì)。機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析
XXXX
畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)開題報(bào)告
題 目： 長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置設(shè)計(jì)
學(xué) 院：
專 業(yè)：
學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：
指導(dǎo)老師：
20XX年 03 月 14 日
XX設(shè) 計(jì)（XX）開 題 報(bào) 告
1．文獻(xiàn)綜述：結(jié)合畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）課題情況，根據(jù)所查閱的文獻(xiàn)資料，每人撰寫2500字以上的文獻(xiàn)綜述，文后應(yīng)列出所查閱的文獻(xiàn)資料。
1 機(jī)電一體化
現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)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(jī)械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及其向機(jī)械工業(yè)的滲透所形成的機(jī)電一體化使機(jī)械工業(yè)的技術(shù)改造，產(chǎn)品機(jī)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(jī)械電氣化”邁入“機(jī)電一體化”為特征的發(fā)展階段。
1.1機(jī)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(jī)械產(chǎn)品的性能后，刺激了機(jī)械產(chǎn)品與電子技術(shù)的結(jié)合，再后來計(jì)算機(jī)技術(shù)，控制技術(shù)，通信技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)電一體化的發(fā)展更進(jìn)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(jī)電一體化技術(shù)和產(chǎn)品得到了極大發(fā)展，各國(guó)均開始對(duì)機(jī)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(jī)電一體化技術(shù)向智能化方向邁向的新階段機(jī)電一體化進(jìn)入深入發(fā)展時(shí)期。一方面，光學(xué)通信技術(shù)等進(jìn)入了機(jī)電一體化，微細(xì)加工技術(shù)也在機(jī)電一體化中嶄露頭腳，出現(xiàn)了光機(jī)電一體化和微機(jī)電一體化等新分支，另一方面對(duì)機(jī)電一體化系統(tǒng)的建模設(shè)計(jì)，分析和集成方法，機(jī)電一體化的科學(xué)體系和發(fā)展趨勢(shì)都進(jìn)行深入研究。
我國(guó)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(jī)構(gòu)及一些大中形企業(yè)對(duì)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(jìn)國(guó)家相比仍有相當(dāng)大差距。機(jī)電一體化是集機(jī)械，電子，光學(xué)，控制，計(jì)算機(jī)，信息等多學(xué)科的交叉綜合。它的發(fā)展和進(jìn)步依賴并促進(jìn)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步。
機(jī)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(jī)電一體化的內(nèi)容
1） 機(jī)電一體化技術(shù)是從系統(tǒng)工程觀點(diǎn)出發(fā)，應(yīng)用機(jī)械，電子等有關(guān)技術(shù)，使機(jī)械，電子有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)或產(chǎn)品整體最優(yōu)的綜合性技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)主要包括技術(shù)原理和使用機(jī)電一體化產(chǎn)品（或系統(tǒng)）得以實(shí)現(xiàn)使用和發(fā)展的技術(shù)。機(jī)電一體化技術(shù)是一個(gè)技術(shù)群的總稱。
2） 機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）由若干具有特定功能的機(jī)械和電子要素組成的有機(jī)整體，具有滿足人的使用功能，機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）主要是指機(jī)械系統(tǒng)（或部件）與微電子系統(tǒng)（或部件）相互置換和有機(jī)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(jī)協(xié)作關(guān)系。一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)主要有機(jī)械裝置，執(zhí)行裝置，動(dòng)力源，傳感器，計(jì)算機(jī)5個(gè)要素構(gòu)成。
3） 機(jī)電一體化工程是機(jī)械工程和電子工程的綜合集成，即給定機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）“目的功能”與“規(guī)格”后，機(jī)電一體化技術(shù)人員利用機(jī)電一體化技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造的過程體系。機(jī)電一體化工程是系統(tǒng)工程在機(jī)電一體化系統(tǒng)（或產(chǎn)品）中的具體應(yīng)用。
4） 機(jī)電一體化思想體現(xiàn)了“系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理”和“綜合集成技巧”。系統(tǒng)工程，控制論和信息論是機(jī)電一體化技術(shù)的方法論。從某種意義上講，機(jī)電一體化思想相當(dāng)于“一體化”思想。它帶來了諸如光電機(jī)一體化，機(jī)電液一體化，科工貿(mào)一體化，人機(jī)一體化等技術(shù)及其產(chǎn)品。
1.3 機(jī)電一體化的優(yōu)點(diǎn)
機(jī)電一體化是指機(jī)構(gòu)的主要功能，動(dòng)力功能，信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù)，將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)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(gè)方面，是基于上述群體技術(shù)有機(jī)融合的一種綜合技術(shù)，而不是機(jī)械技術(shù)，微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡(jiǎn)單組合，拼湊，這是機(jī)電一體化與機(jī)械+電氣形成的機(jī)械電氣化在概念上的根本區(qū)別，機(jī)械工程技術(shù)由純機(jī)械發(fā)展到機(jī)械電氣化，仍屬傳統(tǒng)機(jī)械，其主要功能依然是代替和放大的能力，但是發(fā)展到機(jī)電一體化后，其中的微電子裝置除可取代某些機(jī)械部件的原有功能外，還能賦予許多新的功能，如自動(dòng)檢測(cè)，自動(dòng)處理信息，自動(dòng)顯示記錄，自動(dòng)調(diào)節(jié)與控制，自動(dòng)診斷與保護(hù)等，即機(jī)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(jī)電一體化與機(jī)械電氣化在功能上的本質(zhì)區(qū)別是智能化，機(jī)電一體化產(chǎn)品的典型例子有，數(shù)控加工中心，機(jī)器人以及具有檢測(cè)控制性能的數(shù)碼相機(jī)等?？傊?，一個(gè)機(jī)電一體化的系統(tǒng)主要由機(jī)械裝置，執(zhí)行裝置，動(dòng)力源，傳感器，計(jì)算機(jī)這五個(gè)要素構(gòu)成。歸納如下：
1） 具有記憶，運(yùn)籌，控制，信息處理等功能，從而達(dá)到產(chǎn)品的高性能，多功能和智能化；
2） 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。使產(chǎn)品向著輕 薄 細(xì) 巧的方向迅速發(fā)展，易采用標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，制造；
3） 可以根據(jù)負(fù)荷及運(yùn)行情況進(jìn)行調(diào)整與控制，具有節(jié)能的特點(diǎn)；
4） 具有自動(dòng)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(jī)床
數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡(jiǎn)稱，是一種裝有程序控制系統(tǒng)的自動(dòng)化機(jī)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(hào)指令規(guī)定的程序，并將其譯碼，從而使機(jī)床動(dòng)作并加工零件。數(shù)控機(jī)床的控制單元：數(shù)控機(jī)床的操作和監(jiān)控全部在這個(gè)數(shù)控單元中完成，它是數(shù)控機(jī)床的大腦。
2.1 與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床有如下特點(diǎn)：
●加工精度高，具有穩(wěn)定的加工質(zhì)量；
●可進(jìn)行多坐標(biāo)的聯(lián)動(dòng)，能加工形狀復(fù)雜的零件；
●加工零件改變時(shí)，一般只需要更改數(shù)控程序，可節(jié)省生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間；
●機(jī)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(jī)床的3~5倍）；
●機(jī)床自動(dòng)化程度高，可以減輕勞動(dòng)強(qiáng)度；
●對(duì)操作人員的素質(zhì)要求較高，對(duì)維修人員的技術(shù)要求更高。
2.2 數(shù)控機(jī)床一般由下列幾個(gè)部分組成：
●主機(jī)，他是數(shù)控機(jī)床的主題，包括機(jī)床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件。他是用于完成各種切削加工的機(jī)械部件。
●數(shù)控裝置，是數(shù)控機(jī)床的核心，包括硬件（印刷電路板、CRT顯示器、鍵盒、紙帶閱讀機(jī)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(chǔ)、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能。
●驅(qū)動(dòng)裝置，他是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件，包括主軸驅(qū)動(dòng)單元、進(jìn)給單元、主軸電機(jī)及進(jìn)給電機(jī)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(shí)現(xiàn)主軸和進(jìn)給驅(qū)動(dòng)。當(dāng)幾個(gè)進(jìn)給聯(lián)動(dòng)時(shí)，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(jī)床的一些必要的配套部件，用以保證數(shù)控機(jī)床的運(yùn)行，如冷卻、排屑、潤(rùn)滑、照明、監(jiān)測(cè)等。它包括液壓和氣動(dòng)裝置、排屑裝置、交換工作臺(tái)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測(cè)裝置等。
●編程及其他附屬設(shè)備，可用來在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制、存儲(chǔ)等。
自從1952年美國(guó)麻省理工學(xué)院研制出世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床以來，數(shù)控機(jī)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(gè)過程的反饋控制系統(tǒng)。又稱隨動(dòng)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(jī)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(jī)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(dòng)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(dòng)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(dá)到下面幾個(gè)目的：①以小功率指令信號(hào)去控制大功率負(fù)載。火炮控制和船舵控制就是典型的例子。②在沒有機(jī)械連接的情況下，由輸入軸控制位于遠(yuǎn)處的輸出軸，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距同步傳動(dòng)。③使輸出機(jī)械位移精確地跟蹤電信號(hào)，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(jiǎn)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(duì)象和執(zhí)行機(jī)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(jī)及高靈敏度測(cè)速機(jī)，使伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了直接驅(qū)動(dòng)，革除或減小了齒隙和彈性變形等非線性因素，使帶寬達(dá)到50赫，并成功應(yīng)用在遠(yuǎn)程導(dǎo)彈、人造衛(wèi)星、精密指揮儀等場(chǎng)所。伺服系統(tǒng)的精度主要決定于所用的測(cè)量元件的精度。因此，在伺服系統(tǒng)中必須采用高精度的測(cè)量元件，如精密電位器、自整角機(jī)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(cè)量元件（如自整角機(jī)）的測(cè)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(duì)測(cè)量精度。采用這種方案的伺服系統(tǒng)稱為精測(cè)粗測(cè)系統(tǒng)或雙通道系統(tǒng)。通過減速器與轉(zhuǎn)軸嚙合的測(cè)角線路稱精讀數(shù)通道，直接取自轉(zhuǎn)軸的測(cè)角線路稱粗讀數(shù)通道。
伺服控制系統(tǒng)按所用驅(qū)動(dòng)元件的類型可分為機(jī)電伺服系統(tǒng)、液壓伺服系統(tǒng)和氣動(dòng)伺服系統(tǒng)。
3.2 伺服控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成
機(jī)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(dòng)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(duì)象,執(zhí)行環(huán)節(jié),檢測(cè)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(hào)與系統(tǒng)的反饋信號(hào)進(jìn)行比較,以獲得輸出與輸入間的偏差信號(hào)的環(huán)節(jié),通常由專門的電路或計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn).
2）控制器;
控制器通常是計(jì)算機(jī)或PID控制電路,其主要任務(wù)是對(duì)比較元件輸出的偏差信號(hào)進(jìn)行變換處理,以控制執(zhí)行元件按要求動(dòng)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(hào)的要求,將輸入的各種形式的能量轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,驅(qū)動(dòng)被控對(duì)象工作.機(jī)電一體化系統(tǒng)中的執(zhí)行元件一般指各種電機(jī)或液壓,氣動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)等.
4）被控對(duì)象;機(jī)械參數(shù)量包括位移，速度，加速度，力，和力矩為被控對(duì)象。
5）檢測(cè)環(huán)節(jié);
檢測(cè)環(huán)節(jié)是指能夠?qū)敵鲞M(jìn)行測(cè)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(dòng)元件的類型分類.
3)按控制原理分類.
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XX 設(shè) 計(jì)（XX）開 題 報(bào) 告
２．開題報(bào)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(bào) 告
一、課題發(fā)展現(xiàn)狀和前景展望
機(jī)電一體化的概念機(jī)電一體化是指在機(jī)構(gòu)的主功能、動(dòng)力功能、信息處理功能和控制功能上引進(jìn)電子技術(shù),將機(jī)械裝置與電子化設(shè)計(jì)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(gè)方面。只是機(jī)電一體化技術(shù)是基于機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測(cè)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(jī)融合的一種綜合技術(shù),而不是機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)以及其它新技術(shù)的簡(jiǎn)單組合、拼湊,這是機(jī)電一體化與機(jī)械、電氣形成的機(jī)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(jì)：明確設(shè)計(jì)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(jì)：驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)計(jì)算，電機(jī)選擇。
3）機(jī)械傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)：繪制總裝圖。零件校核計(jì)算及主要零件圖。
4）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)：硬件電路原理圖（帶數(shù)顯）。
5）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：主要軟件設(shè)計(jì)。機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析。
6）編寫設(shè)計(jì)說明書。
2、要求：
簡(jiǎn)易測(cè)量裝置是計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）機(jī)床系統(tǒng)的配套設(shè)備。主要用于測(cè)量零件的外長(zhǎng)度尺寸和內(nèi)長(zhǎng)度尺寸。
1）測(cè)量范圍0～100mm。
2）測(cè)量誤差不大于0.01mm。
3）測(cè)量裝置帶數(shù)字顯示。
XX設(shè)計(jì)（XX）
開 題 報(bào) 告
（20XX 屆）
題 目
指導(dǎo)教師
院 系
班 級(jí)
學(xué) 號(hào)
姓 名
二〇XX 年 月 日
一、 選題的意義
在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，任何一項(xiàng)新技術(shù)的產(chǎn)生都是各種技術(shù)互相滲透的結(jié)果。機(jī)電一體化是一種復(fù)合化技術(shù)，它是機(jī)械技術(shù)和微電子技術(shù)、信息技術(shù)相互滲透的產(chǎn)物，是機(jī)電工業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)。
機(jī)電一體化的實(shí)體部分是機(jī)械技術(shù)及電子技術(shù)，又通過信息技術(shù)把兩者有機(jī)的結(jié)合在一起，從而構(gòu)成功能更為先進(jìn)的產(chǎn)品，按照系統(tǒng)分析的觀點(diǎn)，機(jī)電一體化就是把機(jī)械部分和電子部分各作為一個(gè)環(huán)節(jié)統(tǒng)一在一個(gè)“系統(tǒng)”之中。為了使系統(tǒng)運(yùn)行達(dá)最優(yōu)化，應(yīng)該是構(gòu)成系統(tǒng)的所有硬件采取最佳組合方式，為了強(qiáng)化機(jī)電一體化產(chǎn)品的功能從系統(tǒng)觀點(diǎn)出發(fā)把機(jī)械部分和電子部分融合在一起進(jìn)行通盤考慮，決定那些采用機(jī)械技術(shù)，那些采用電子技術(shù)，并通過信息傳輸與處理把兩者有機(jī)組合。因此，從某種意義上來說，機(jī)電一體化技術(shù)是系統(tǒng)工程學(xué)在機(jī)械、電子領(lǐng)域的應(yīng)用，而機(jī)電一體化則顯示出它的應(yīng)用效果。
數(shù)控機(jī)床長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置是數(shù)控機(jī)床比較常用的一種裝置，因此要求其具有較高的測(cè)量精度。目前我國(guó)檢測(cè)常采用兩種方法，一種是采用國(guó)產(chǎn)氣動(dòng)測(cè)量?jī)x檢測(cè)兩段尺寸，另一種采用進(jìn)口氣動(dòng)量?jī)x直接檢測(cè)5～6個(gè)參數(shù)。要求其簡(jiǎn)單輕便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)量精度高，且測(cè)量過程要求自動(dòng)化，是機(jī)電一體化方面上的設(shè)計(jì)題目。
二、基本任務(wù)及要求：
簡(jiǎn)易測(cè)量裝置是計(jì)算機(jī)數(shù)空（CNC）機(jī)床系統(tǒng)的配套設(shè)備。主要用于測(cè)量零件的外長(zhǎng)度尺寸和內(nèi)長(zhǎng)度尺寸。 測(cè)量范圍0～１００mm 。 測(cè)量誤差不大于0.01mm 。 測(cè)量裝置帶數(shù)字顯示。
三、畢業(yè)論文基本任務(wù)
1 總體方案設(shè)計(jì)：明確設(shè)計(jì)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(jì)：驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)計(jì)算，電機(jī)選擇。
3 機(jī)械傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)：繪制總裝圖，零件校核計(jì)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(jì)：主要軟件設(shè)計(jì)。機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析
四、主要參考文獻(xiàn)
1、吳祖育，秦鵬飛.數(shù)控機(jī)床.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社.1994:242-245
2、朱大先.金屬切削手冊(cè).上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社.2001
3、李洪.實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè).遼寧:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社.1999
4、龔仲華.數(shù)控技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2003:32-47
5、成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第四版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社.2002
6、張永康.金屬切削原理與刀具.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.2001:25-44
7、嚴(yán)愛珍.機(jī)床數(shù)控原理與系統(tǒng).北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1999:48-95
8、王勇章.機(jī)床的數(shù)字控制技術(shù).哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社.1995:92-103
9、何德原.機(jī)床故障與維修.北京:機(jī)械工業(yè)出版社.1996:102-119
10、上海交通大學(xué).金屬斷口分析.國(guó)防出版社，1979
11、劉寶深.實(shí)驗(yàn)斷裂和損傷力學(xué)測(cè)試技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社，1994
12、劉鴻文.材料力學(xué).高等教育出版社，1990
13、 宋正元.康明斯B系列連桿工藝設(shè)計(jì)的研究與實(shí)踐.組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，1999 (7)
14、王先透.機(jī)械制造工藝學(xué).機(jī)械工業(yè)出版社，1999.10
15、貴州工學(xué)院.機(jī)床夾具結(jié)構(gòu)圖冊(cè).貴州人民出版社，1983
指導(dǎo)教師意見：
簽名：
年 月 日
系畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作指導(dǎo)小組意見：
簽名：
年 月 日
學(xué)院(直屬系)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）工作領(lǐng)導(dǎo)小組意見：
簽名：
年 月 日
5
目錄
第1章 緒論 1
1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過程…………………………………….1
1.1.1計(jì)算機(jī)促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 1
1.1.2數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過程 1
1.2數(shù)控機(jī)床的工作原理 2
1.3 數(shù)控機(jī)床的組成 2
1.4 經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)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(guó)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(jì) 13
3.1長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置的伺服系統(tǒng) 13
3.2 確定伺服進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)字模型 13
3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 14
3.3.1 步進(jìn)電機(jī)概述 16
3.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 18
第4章 機(jī)械傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 19
4.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
4.1.1 切削力的計(jì)算 19
4.1.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.1.3 確定齒輪傳動(dòng)比 22
4.1.4 電液脈沖液壓馬達(dá)的選擇 23
4.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 25
4.2.1 切削力的計(jì)算 25
4.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 26
4.2.3 確定齒輪傳動(dòng)比 28
4.2.4 電液脈沖液壓馬達(dá)的選擇 29
第5章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(hào)流程分析 32
5.2 主要芯片功能介紹 33
5.2.1 單片機(jī)簡(jiǎn)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(jì) 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(bǔ)原理 41
6.2.1 直線插補(bǔ)原理 41
6.2.2 圓弧插補(bǔ)原理 43
結(jié)論 34
致謝 35
參考文獻(xiàn) 36
長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置畢業(yè)設(shè)計(jì)(XX) 第51頁
目錄
第1章 緒論 1
1.1數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過程…………………………………….1
1.1.1計(jì)算機(jī)促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 1
1.1.2數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過程 1
1.2數(shù)控機(jī)床的工作原理 2
1.3 數(shù)控機(jī)床的組成 2
1.4 經(jīng)濟(jì)數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)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(guó)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(jì) 13
3.1長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置的伺服系統(tǒng) 13
3.2 確定伺服進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)字模型 13
3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇 14
3.3.1 步進(jìn)電機(jī)概述 16
3.3.2 步進(jìn)電機(jī)的選擇 18
第4章 機(jī)械傳動(dòng)部分設(shè)計(jì) 19
4.1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 19
4.1.1 切削力的計(jì)算 19
4.1.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 20
4.1.3 確定齒輪傳動(dòng)比 22
4.1.4 電液脈沖液壓馬達(dá)的選擇 23
4.2 橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算 25
4.2.1 切削力的計(jì)算 25
4.2.2 滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算 26
4.2.3 確定齒輪傳動(dòng)比 28
4.2.4 電液脈沖液壓馬達(dá)的選擇 29
第5章 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 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(hào)流程分析 32
5.2 主要芯片功能介紹 33
5.2.1 單片機(jī)簡(jiǎn)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(jì) 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(bǔ)原理 41
6.2.1 直線插補(bǔ)原理 41
6.2.2 圓弧插補(bǔ)原理 43
結(jié)論 34
致謝 35
參考文獻(xiàn) 36
第1章 緒論
1．1 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過程
1．1．1 計(jì)算機(jī)促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展
20世紀(jì)最偉大的發(fā)明之一——計(jì)算機(jī)的出現(xiàn)和應(yīng)用，為人類提供了實(shí)現(xiàn)機(jī)械加工工藝過程自動(dòng)化的理想手段。當(dāng)科技人員首次把計(jì)算機(jī)作為一種控制裝置移植到古老機(jī)床中時(shí)，一種新的產(chǎn)品——數(shù)控機(jī)床誕生了。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床也得到迅速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用，同時(shí)使人們對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)床傳動(dòng)及結(jié)構(gòu)的概念發(fā)生了根本的變化。
今天，數(shù)控機(jī)床綜合應(yīng)用了微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、自動(dòng)檢測(cè)以及精密機(jī)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(zhǎng)，而且在質(zhì)量上與性能上也有顯著提高。
1．1．2 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展過程
第一臺(tái)數(shù)控機(jī)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(guó)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(tái)具有信息存儲(chǔ)和處理功能的新型機(jī)床，既數(shù)控機(jī)床。之后，隨著電子技術(shù)，特別是計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控機(jī)床不斷更新?lián)Q代。
第一代數(shù)控機(jī)床：從1952年至1959年，采用電子管元件。
第二代數(shù)控機(jī)床：從1959年開始，采用晶體管元件。
第三代數(shù)控機(jī)床：從1965年開始，采用集成電路。
第四代數(shù)控機(jī)床：從1970年開始，采用大規(guī)模集成電路及小型通用計(jì)算機(jī)。
第五代數(shù)控機(jī)床：從1974年開始，采用微處理器或微型計(jì)算機(jī)。
我國(guó)從1958年開始研制數(shù)控機(jī)床，1975年又研制出第一臺(tái)加工中心。改革開放以來，由于引進(jìn)國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)，使我國(guó)的數(shù)控機(jī)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(guó)數(shù)控機(jī)床開始進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。目前我國(guó)有幾十家機(jī)床廠能夠生產(chǎn)數(shù)控機(jī)床和加工中心。我國(guó)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的研究、生產(chǎn)和推廣工作取得了很大進(jìn)展，對(duì)機(jī)床技術(shù)改造起到了積極推動(dòng)作用。
1．2 數(shù)控機(jī)床的工作原理
用數(shù)控機(jī)床加工工件時(shí)，首先應(yīng)編制零件加工程序。這是數(shù)控機(jī)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(jī)床主運(yùn)動(dòng)的變速、啟動(dòng)、停止、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)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(rùn)滑的開關(guān)動(dòng)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(yùn)行軌跡和運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行工作，從而達(dá)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(jī)床本體
伺服系統(tǒng)
圖1.1 數(shù)控機(jī)床的組成
1．3 數(shù)控機(jī)床的組成
根據(jù)數(shù)控機(jī)床的工作原理，數(shù)控機(jī)床主要由控制介質(zhì)、數(shù)控裝置、伺服系統(tǒng)、機(jī)床本體和測(cè)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(jī)床
伺服系統(tǒng)
數(shù)控裝置
測(cè)量裝置
圖1.2 數(shù)控機(jī)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(jī)床的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的加工。
（2）數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是數(shù)控機(jī)床的核心。它由輸入裝置、存儲(chǔ)器、控制器、運(yùn)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(duì)代碼進(jìn)行處理后，輸出相應(yīng)的指令脈沖，驅(qū)動(dòng)伺服系統(tǒng)，來控制機(jī)床的各個(gè)運(yùn)動(dòng)部件按規(guī)定的要求實(shí)現(xiàn)各個(gè)動(dòng)作。
（3）伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)由伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)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(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)速度、運(yùn)動(dòng)方向和位移量。機(jī)床中每個(gè)運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行部件，都有各自的伺服系統(tǒng)。數(shù)控機(jī)床的伺服系統(tǒng)中，常用的伺服驅(qū)動(dòng)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(dòng)元件主要有功率步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電液脈沖馬達(dá)和大慣量直流電動(dòng)機(jī)等。
（4）機(jī)床本體 與普通機(jī)床相比，數(shù)控機(jī)床應(yīng)具有更好的剛性和抗振性，尤其是相對(duì)運(yùn)動(dòng)表面的摩擦系數(shù)要小、傳動(dòng)件之間的間隙要小外，還要具有自動(dòng)變速、自動(dòng)換刀和自動(dòng)診斷故障的功能，以便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加工的需要。
（5）測(cè)量裝置 測(cè)量裝置的作用是將機(jī)床的實(shí)際位置、速度等參數(shù)，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，反饋回?cái)?shù)控裝置，以校核執(zhí)行部件實(shí)際運(yùn)動(dòng)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(cè)量裝置。
1．4 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)以及主要功能
經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床就是指價(jià)格低廉，操作使用方便，比較適合我國(guó)國(guó)情的，在普通機(jī)床上加裝數(shù)控系統(tǒng)的高級(jí)自動(dòng)化機(jī)床。
1．4．1經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)
（1）價(jià)格便宜，僅數(shù)控系統(tǒng)與國(guó)外同類型系統(tǒng)相比，前者只需1-2萬元，而國(guó)外系統(tǒng)則需十幾至幾十萬元。應(yīng)此，它特別適合對(duì)國(guó)內(nèi)企業(yè)現(xiàn)有普通機(jī)床進(jìn)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(duì)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車床，一般可提高工效3~7倍。對(duì)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(dòng)化加工，對(duì)產(chǎn)品的適應(yīng)性強(qiáng)。對(duì)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(shí)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(fèi)用，降低成本。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床可以不用工裝或少用工裝，尤其對(duì)于復(fù)雜零件、不用靠?；虺尚偷毒?。不僅節(jié)約了費(fèi)用，而且還可縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期。
（6）減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。
（7）提高工人素質(zhì)，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)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(jì)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(zhǎng)度及走刀速度。加工程序的位移長(zhǎng)度以十進(jìn)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(shí)。在加工中執(zhí)行到延時(shí)程序時(shí)，刀具在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)停止運(yùn)動(dòng)。
（5）有程序暫停功能。當(dāng)程序執(zhí)行到暫停時(shí)，刀具停止運(yùn)動(dòng)，再按下啟動(dòng)鍵，可繼續(xù)執(zhí)行程序。
（6）接口可發(fā)出和接收多種信號(hào)，作為機(jī)械手動(dòng)作，刀架轉(zhuǎn)位、主軸變速等裝置的控制信號(hào)，它與程序的自動(dòng)循環(huán)功能相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)加工的全自動(dòng)化。
（7）為方便調(diào)試和校對(duì)原點(diǎn)，設(shè)有點(diǎn)動(dòng)功能。
（8）具有自診斷功能。當(dāng)加工程序編制或操作有誤時(shí)，程序停止運(yùn)行，并顯示相應(yīng)的出錯(cuò)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(dòng)循環(huán)加工功能，并可進(jìn)行計(jì)數(shù)。
（11）為簡(jiǎn)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(bǔ)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(tái)數(shù)控機(jī)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(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC），發(fā)展到今天以微型計(jì)算機(jī)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(chǎng)全球化的發(fā)展，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)空前激烈，對(duì)制造商所生產(chǎn)的產(chǎn)品不但要求價(jià)格低，質(zhì)量好，而且要求交貨時(shí)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(gè)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(chǎng)發(fā)展的需要。傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的缺點(diǎn)如下：
（1）與通用計(jì)算機(jī)不兼容，不同廠家的數(shù)控系統(tǒng)不兼容，甚至同一個(gè)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(fèi)用；
（3）難進(jìn)行升級(jí)和進(jìn)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(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，這是一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。
傳統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)的上述特點(diǎn)嚴(yán)重制約著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，不能滿足市場(chǎng)對(duì)數(shù)控技術(shù)新的要求。針對(duì)這種情況，人們?cè)?0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(jí)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(shí)現(xiàn)重構(gòu)、編輯，以便實(shí)現(xiàn)一個(gè)系統(tǒng)多種用途；
（3）開放式體系結(jié)構(gòu)中各模塊相互獨(dú)立，系統(tǒng)廠、機(jī)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(gè)性的模塊進(jìn)行獨(dú)立開發(fā)，為此要有方便的支撐工具，控制程序設(shè)計(jì)按系統(tǒng)——子系統(tǒng)——模塊三級(jí)進(jìn)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(duì)獨(dú)立的功能模塊通過通信實(shí)現(xiàn)信息交換滿足實(shí)時(shí)控制要求。
總之，所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)應(yīng)是一個(gè)模塊化、可重構(gòu)、可擴(kuò)充的軟硬件控制系統(tǒng)。
2．3 我國(guó)開放式數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展概況
我國(guó)在“八五”期間數(shù)控科技聯(lián)合攻關(guān)，開發(fā)具有我國(guó)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(gè)基本系統(tǒng)（平臺(tái)）及系列產(chǎn)品，并利用基本系統(tǒng)發(fā)揮我國(guó)的軟件優(yōu)勢(shì)，實(shí)施平臺(tái)戰(zhàn)略，發(fā)展我國(guó)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(tái)，開發(fā)了中華I型、華中I型數(shù)控系統(tǒng)；與此同時(shí)，航天數(shù)控集團(tuán)公司（簡(jiǎn)稱“航天數(shù)控”）利用通用PC機(jī)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了與通用PC機(jī)兼容的微機(jī)加上數(shù)控通用/專用模板構(gòu)成了單機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，作為普及型推向市場(chǎng)，并以此為基礎(chǔ)與通用PC機(jī)相互聯(lián)合構(gòu)成了典型前/后臺(tái)結(jié)構(gòu)的多機(jī)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(lán)天是在原7500系列的基礎(chǔ)上，通過二次集成縮小化設(shè)計(jì)后與通用PC互聯(lián)構(gòu)成8500系列多機(jī)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(lán)天I型、10T CNC系統(tǒng)的軟硬件結(jié)構(gòu)及性能特點(diǎn)。
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(guó)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(guó)家攻關(guān)成果，中華I型采用工業(yè)PC，達(dá)到了國(guó)外高檔系統(tǒng)水平。它采用32位機(jī)多軸控制和多通道技術(shù)，可用于1~4通道，每個(gè)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(jī)床、 FMC、FMS等；線切割機(jī)、沖床及其它專用機(jī)床。
2．3．1．1主要技術(shù)特點(diǎn)
（1）32位CPU可實(shí)現(xiàn)高速、高精度加工。這使得機(jī)床設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化，剛性和傳動(dòng)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(jiǎn)化了機(jī)床操作面板；
（4）DOS系統(tǒng)可進(jìn)行各類文檔、表格的管理，由于有技術(shù)平臺(tái)的開放性，用戶可以根據(jù)自己的需求設(shè)計(jì)、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(chǔ)，使多工序加工、大程序量復(fù)雜加工得以實(shí)現(xiàn)；
（6）會(huì)話型自動(dòng)編程與擴(kuò)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(jiǎn)單；
（7）多用戶操作可同時(shí)控制1~4臺(tái)機(jī)床，可以實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)的自動(dòng)化；
（8）內(nèi)裝式PLC簡(jiǎn)化了機(jī)床強(qiáng)電控制；
（9）可與國(guó)內(nèi)外AC、DC伺服及主軸連接，實(shí)現(xiàn)多種精度等級(jí)的驅(qū)動(dòng)能力；
（10）開放式的總線、模塊化結(jié)構(gòu)、向上可擴(kuò)展、向下可剪裁，橫向可派生新的NC機(jī)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(jī)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(kuò)展性、伸縮性（可根據(jù)需要升級(jí)和簡(jiǎn)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(tái)
航天數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)是具有我國(guó)自主版權(quán)的開放式數(shù)控系統(tǒng)。它是以PC機(jī)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(tái)，如圖1-3所示。既可以依據(jù)此系統(tǒng)平臺(tái)直接構(gòu)成單機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，如CASNUC900系列，也可以利用此系統(tǒng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，與通用PC機(jī)互聯(lián)構(gòu)成多機(jī)（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(tái)的研制成功，為我國(guó)發(fā)揮軟件優(yōu)勢(shì)，實(shí)施平臺(tái)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(tái)的基本特征是：
（1）系統(tǒng)平臺(tái)所用微機(jī)是：286以上的通用PC AT機(jī)或與其兼容的微機(jī)；
（2）系統(tǒng)平臺(tái)所使用的總線：ISA I/O總線，或ISA和PCI總線；
（3）系統(tǒng)平臺(tái)最大的存儲(chǔ)器容量：1MB~32MB；
（4）系統(tǒng)平臺(tái)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(tái)可支持通用串/并行接口；
（6）系統(tǒng)平臺(tái)可用flash電子盤（DOC）代替硬磁盤；
（7）系統(tǒng)平臺(tái)以高速通信支持系統(tǒng)進(jìn)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)
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(jī)數(shù)控系統(tǒng)平臺(tái)
系統(tǒng)平臺(tái)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(diǎn)數(shù)為240入/136出，共376個(gè)點(diǎn)（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(diǎn)數(shù)為208入/112出，共320個(gè)點(diǎn)，此時(shí)可以控制17根軸（外加了1根主軸）。
系統(tǒng)平臺(tái)的可靠性指標(biāo)：系統(tǒng)平臺(tái)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(jì)后，嚴(yán)格按照ISO9001的設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)生產(chǎn)制造出來的，有極高的可靠性，完全可以與國(guó)外進(jìn)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(tái)的MTBF值在10000~30000之間。
系統(tǒng)平臺(tái)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(gè)周期。
2．3．4 藍(lán)天系列CNC系統(tǒng)
1990年9月，中國(guó)科學(xué)院沈陽計(jì)算技術(shù)研究所自行研制成功我國(guó)第一臺(tái)高檔數(shù)控系統(tǒng)LT-7501，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)高檔數(shù)控系統(tǒng)的空白，達(dá)到國(guó)際80年代中后期先進(jìn)水平，開始了我國(guó)自行研究、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)的新階段。
2．3．4．1 藍(lán)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(jì)采用縮小化技術(shù)，面向驅(qū)動(dòng)和機(jī)床采用國(guó)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(guó)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(lán)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(jì)：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(lán)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(zhǎng)期積累的對(duì)軸運(yùn)動(dòng)、伺服和機(jī)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(guó)內(nèi)外的實(shí)踐證明這種結(jié)構(gòu)對(duì)于復(fù)雜的高檔CNC系統(tǒng)而言是一種較成功的機(jī)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(lán)天高檔CNC開放式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
2．3．4．2 藍(lán)天系列高檔CNC軟件系統(tǒng)
自行研制的藍(lán)天系列高檔CNC軟件系統(tǒng)取得了我國(guó)第一個(gè)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(jì)的該軟件系統(tǒng)，具有如下基本體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容：實(shí)時(shí)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(jì)：分布式多機(jī)控制（SYS、NC、PMC、COM）；虛擬機(jī)械功能（多過程—多插補(bǔ)器/多軸聯(lián)動(dòng)/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(dòng)、多軸控制、基本的和專用的插補(bǔ)算法；內(nèi)裝全可編程機(jī)床邏輯和刀具庫自動(dòng)控制和托盤庫自動(dòng)控制軟件；
藍(lán)天系列高檔CNC軟件系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)關(guān)鍵特點(diǎn)是基于功能分布的多處理器機(jī)制和基于虛擬機(jī)械功能的多過程—多插補(bǔ)器（多軸聯(lián)動(dòng)）—多軸控制機(jī)制。這一特點(diǎn)使藍(lán)天系列高檔CNC進(jìn)入了國(guó)際高檔CNC的先進(jìn)技術(shù)行列。圖1-8中過程 i(i=1,2,…6)第i個(gè)過程；插補(bǔ)器j(j=1,2,…9),第j個(gè)插補(bǔ)器；伺服驅(qū)動(dòng)k(k=1, …),第k個(gè)驅(qū)動(dòng)；SYS+MMC為系統(tǒng)+人機(jī)界面控制；NC為軸運(yùn)動(dòng)控制；PMC為可編程機(jī)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(jī)床邏
伺服驅(qū)動(dòng)k
伺服驅(qū)動(dòng)1
插補(bǔ)器j
插補(bǔ)器1
機(jī)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(shí)用程序
顯示/
程序編輯
會(huì)話式軟件生成CGS
SYS+MMC COM
T…
…
S，M，
H …
P-P軸
…
NC PMC
圖1-8 藍(lán)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(jì)
本課題的設(shè)計(jì)參數(shù)：簡(jiǎn)易測(cè)量裝置是計(jì)算機(jī)數(shù)空（CNC）機(jī)床系統(tǒng)的配套設(shè)備。主要用于測(cè)量零件的外長(zhǎng)度尺寸和內(nèi)長(zhǎng)度尺寸。 測(cè)量范圍0～１００mm 。 測(cè)量誤差不大于0.01mm 。測(cè)量裝置帶數(shù)字顯示。
3．1 長(zhǎng)度尺寸測(cè)量裝置的伺服系統(tǒng)
根據(jù)設(shè)計(jì)要求和控制方案分類結(jié)合開環(huán)控制的特點(diǎn)本設(shè)計(jì)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(hào)驅(qū)動(dòng)電路控制和功率放大后，使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過變速齒輪和滾珠絲杠螺母驅(qū)動(dòng)執(zhí)行件（工作臺(tái)）移動(dòng)。其開環(huán)伺服系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖：
本系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)元件是電液脈沖馬達(dá)。該系統(tǒng)的特點(diǎn)是：只按照數(shù)控系統(tǒng)的指令脈沖進(jìn)行工作，而對(duì)執(zhí)行的結(jié)果，即移動(dòng)部件的實(shí)際位移，不進(jìn)行檢測(cè)和反饋。
3.2 確定伺服進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
輸入為馬達(dá)的轉(zhuǎn)角θM，輸出為工作臺(tái)的位移XL
GL(s)== 有頻率；
,為機(jī)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(dòng)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(dòng)慣量，n·cm·s2-
數(shù)控機(jī)床的機(jī)械進(jìn)給傳動(dòng)裝置是個(gè)振蕩環(huán)節(jié)
在建立整個(gè)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型時(shí)，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(duì)馬達(dá)輸出特性的影響。
3.3 步進(jìn)電機(jī)的選擇
一、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及其發(fā)展
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)又稱脈沖電動(dòng)機(jī)或者稱為階躍電動(dòng)機(jī)，目前，隨著電子技術(shù)、控制技術(shù)以及電動(dòng)機(jī)本體的發(fā)展和變化，傳統(tǒng)的電機(jī)分類的間界面越來越糊：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的傳統(tǒng)定義為，根據(jù)輸入的脈沖信號(hào)，每改變一次勵(lì)磁狀態(tài)就前進(jìn)一定角度，若不改變勵(lì)磁狀態(tài)則保持一定的狀態(tài)而靜止：廣義的定義為步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種受電脈沖信號(hào)控制的無刷式直流電動(dòng)機(jī)，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(dòng)機(jī)。
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的機(jī)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(shí)用型的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，半導(dǎo)體的發(fā)展使得步進(jìn)電機(jī)得_至rJT廣泛的應(yīng)用。我國(guó)的步進(jìn)電機(jī)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(gè)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(jī)構(gòu)開發(fā)并使用少量的步進(jìn)電機(jī)，以多段結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為主：第二階段，70年代初期反映在步進(jìn)電機(jī)的生產(chǎn)和研究發(fā)展到了一個(gè)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(dòng)機(jī)層出不窮，各種混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器作為產(chǎn)品得到廣泛應(yīng)用。
二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)
步進(jìn)電機(jī)有三大部分組成：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)本體、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)控制器及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器。其特點(diǎn)如下：
1)用數(shù)字信號(hào)直接進(jìn)行開環(huán)控制，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單廉價(jià)。
2)位移與輸入脈沖數(shù)相對(duì)應(yīng)，步距誤差不長(zhǎng)期積累，可以組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(shí)組成閉環(huán)控制系統(tǒng)。
3)無刷，電動(dòng)機(jī)本體部件少，可靠性高。
4)抑郁起動(dòng)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(shí)可有自鎖能力
三、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的類型
從廣義上講步進(jìn)電機(jī)的類型可分為：機(jī)械式、電磁式和組合式三大類型。從結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為：旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)包括反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(VR型)、永磁式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(PM型)、混合式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)(HB型)：直線電動(dòng)機(jī)包括VR型、PM型及HB型：下面分別介紹幾種典型性的步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)：
1．HB型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)
HB型步進(jìn)電機(jī)有四部分組成：定子部件、轉(zhuǎn)子部件、機(jī)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?。簷C(jī)蓋的作用有三個(gè)：l)加強(qiáng)電機(jī)剛度2)保護(hù)電機(jī)3)構(gòu)成定子鐵心的部分電路，機(jī)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(duì)機(jī)械加工的同軸度、圓柱度要求較高。
2．vR型步進(jìn)電機(jī)的結(jié)構(gòu)
vR型步進(jìn)電機(jī)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(gè)鐵心，同時(shí)轉(zhuǎn)子上不使用永磁材料。
3．PM型步進(jìn)電動(dòng)機(jī)
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(jìn)電動(dòng)機(jī)
PM型直線步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由固定定子和可動(dòng)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(dòng)機(jī)的定子鐵心在一維空間展開。．
3.3.1 步進(jìn)電機(jī)概述
一、步進(jìn)電機(jī)的工作原理 ，
步進(jìn)電動(dòng)機(jī)是一種將電的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成交位移活現(xiàn)位移的機(jī)電元件。通俗的講，就是外加一個(gè)脈沖信號(hào)于這種電動(dòng)機(jī)時(shí)，它就運(yùn)行這一步。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電機(jī)為例，簡(jiǎn)要說明步進(jìn)電機(jī)的基本工作原理a
三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子組成。它的定子上有三對(duì)磁極，每一對(duì)磁極上繞有一相繞組，繞組通電時(shí)這兩個(gè)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(shí)電動(dòng)機(jī)內(nèi)部建立以該繞組為軸線的磁場(chǎng)。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(duì)位置不同時(shí)，磁路的磁導(dǎo)也不同，定轉(zhuǎn)子齒對(duì)齒處的極磁導(dǎo)為最大，定轉(zhuǎn)子齒對(duì)槽處的每個(gè)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(shí)，齒對(duì)齒的位置為平衡位置。
三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)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(duì)齒時(shí)：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(shí)，給B相通電，則磁場(chǎng)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(duì)齊以達(dá)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(duì)齊所以將對(duì)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針方向的電磁力迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)以達(dá)到平衡位置：從而使電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)起來。如果對(duì)A、B、C三相繞組按照一定的規(guī)律分時(shí)的通電則轉(zhuǎn)子可以連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng)起來，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為機(jī)械信號(hào)即旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。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(jìn)電動(dòng)機(jī)可以按照三相單三拍方式運(yùn)行(A—B—C—A—)，每改變一次通電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)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(yùn)行，每改變一次通電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)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(yùn)行，每改變一次通電狀態(tài)電動(dòng)機(jī)內(nèi)磁場(chǎng)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(tái)電機(jī)可以有不同的通電方式和不同的運(yùn)行拍數(shù)。若用m表示運(yùn)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(shí)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(shí)為1，不同時(shí)為2
從上是可以看出：轉(zhuǎn)子齒數(shù)，運(yùn)行拍數(shù)不同時(shí)其步距角也是不同的。設(shè)步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速計(jì)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(shí)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率成正比。
二、步進(jìn)電機(jī)的常用術(shù)語
1．步距角Ф
指每給一個(gè)電脈沖信號(hào)電動(dòng)機(jī)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(shí)直流電時(shí)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(shí)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(jìn)電機(jī)的選擇
一、步進(jìn)電機(jī)的主要特性參數(shù)
1)步距角Ф每輸入一個(gè)電脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)子所轉(zhuǎn)過的角度稱為步距角。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角可按下式計(jì)算：
Ф=360°／m×k×z
式中 m--步進(jìn)電機(jī)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(shí)，k=1：雙拍時(shí)，k=2。
z--步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的齒數(shù)：
2)靜態(tài)步距角誤差△Ф空載時(shí)，以單脈沖輸入，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的實(shí)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(jìn)電動(dòng)機(jī)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(jìn)電動(dòng)機(jī)不改變通電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子不動(dòng)時(shí)，在軸上加一負(fù)載轉(zhuǎn)距定子與轉(zhuǎn)子就有一個(gè)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(jìn)電機(jī)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(dòng)頻率fq 電動(dòng)機(jī)在空載情況下，不失步所能允許的最高頻率稱為空載起動(dòng)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(dòng)時(shí)間，可使加到電動(dòng)機(jī)的電脈沖頻率按一定頻率逐漸增加。
二、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的選擇
1)必須保證步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)距大于負(fù)載轉(zhuǎn)距，使電動(dòng)機(jī)的距——頻特性有一定裕量，以保證可靠運(yùn)行，即在實(shí)際工作時(shí)，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(jì)算的機(jī)械系統(tǒng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)的要求：
4)使步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步距角與機(jī)械系統(tǒng)相匹配，區(qū)得到擊穿的脈沖當(dāng)量
第4章 機(jī)械傳動(dòng)部分設(shè)計(jì)
機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：傳動(dòng)元件的設(shè)計(jì)計(jì)算及選用，運(yùn)動(dòng)部件的慣性計(jì)算，步進(jìn)電機(jī)的選擇等。
4．1 縱向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
已知條件: 作臺(tái)重量： W=80kgf=800N
時(shí)間常數(shù)： T=25ms
滾珠絲杠基本導(dǎo)程： L0=8mm
快速進(jìn)給速度： Vmax=6m/min
脈沖當(dāng)量 =0.01mm/脈沖
4．1． 1 切削力計(jì)算
查?機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)? 可知,切削功率：
PC=PηK
式中 P—電機(jī)功率,C620型車床P=7.5KW；
η—主傳動(dòng)系統(tǒng)總效率,一般為0.75-0.85,取η=0.8；
K—進(jìn)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(jì)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(jì)算，取v=100m/min
則 FZ= ==3456N
查?機(jī)床設(shè)計(jì)手冊(cè)?，在一般外圓車削時(shí)：
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(jì)計(jì)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(jì)歸結(jié)為滾珠絲杠副型號(hào)的選擇。 （1）計(jì)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(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)算值C
（3）根據(jù)選擇滾珠絲桿副 假設(shè)選用FC1D型號(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷C等于或稍大于的原則，查表選以下型號(hào)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(jì)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(yàn)算
由于滾珠絲杠副支承形式為兩端固定，絲杠一般不會(huì)受壓，無壓桿穩(wěn)定問題。
（5）剛度驗(yàn)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(gè)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(duì)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?。ㄆ渲蠪=F）
==
=+
則絲杠在工作長(zhǎng)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(dòng)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(jì)算 根據(jù)?機(jī)械原理?的公式，絲杠螺母副的傳動(dòng)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(dòng)比
根據(jù)系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量，選步進(jìn)電機(jī)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(jìn)給系統(tǒng)齒輪參數(shù)
項(xiàng)目
代號(hào)
計(jì)算公式
計(jì)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(dá)的選擇
（1）負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量估算 折算到馬達(dá)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算
JF=J1+ +
式中 JF—折算到電機(jī)軸上的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm2）；
J1，J2—分別為齒輪Z1，Z2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm2）；
J3—絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量（kg.cm2）。
對(duì)材料為鋼的圓柱形零件，起轉(zhuǎn)動(dòng)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(zhǎng)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(dòng)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(jì)算及最大靜轉(zhuǎn)矩選擇 根據(jù)能量守恒原理,電機(jī)等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩
TF==N.m=1.77 N.m
若不考慮起動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響,則起動(dòng)轉(zhuǎn)矩
Tq=
取安全系數(shù)為0.3,則 Tq=1.77/0.3N.m=5.9N.m
對(duì)于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機(jī)
Tjmax=Tq/0.886N.m=6.8N.m
因數(shù)控車床對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求較高，確定電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩時(shí)應(yīng)滿足快速空載起動(dòng)時(shí)所需轉(zhuǎn)矩T的要求
T=Tamax+Tf+T0
式中 Tamax—快速空載起動(dòng)時(shí)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(jī)軸上的附加轉(zhuǎn)矩（N.m）。
當(dāng)工作臺(tái)快速移動(dòng)時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速
nmax=
由動(dòng)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(shí)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(jìn)電機(jī)的最高工作頻率
fmax =
根據(jù)計(jì)算綜合考慮,查表選用DYM1-B25型電液脈沖液壓馬達(dá).
4． 2橫向進(jìn)給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算
已知條件：
工作臺(tái)重量 W=30kgf=300N
時(shí)間常數(shù) T=25ms
滾珠絲杠基本導(dǎo)程 L0=6mm 左旋
快速進(jìn)給速度 vmax=3m/min
脈沖當(dāng)量 =0.005mm/脈沖
4． 2．1切削力計(jì)算
橫向進(jìn)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(shí)：
Fy=0.5Fz=0.51728=864N
4． 2．2滾珠絲杠設(shè)計(jì)計(jì)算
絲杠的材料為CrWMn
（1）計(jì)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(dòng)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(jī)床以v=100m/min,f=0.3mm/r的用量切削D=80mm的外圓時(shí)，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(jì)算出滾珠絲杠副承受的最大動(dòng)負(fù)荷，取fw=1.2,fH=1
FQ= fwfHFp=*1.2*1*1385.984=4350.9(N)
（2）計(jì)算額定動(dòng)載荷計(jì)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(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)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(jì)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(yàn)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(shí)長(zhǎng)絲桿工作可能發(fā)生共振，因此需驗(yàn)算其不會(huì)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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