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黃河科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（文獻(xiàn)翻譯） 第10 頁
單位代碼 0 2
學(xué) 號 080105655
分 類 號 TH6
密 級 秘密
畢業(yè)設(shè)計
文獻(xiàn)翻譯
院（系）名稱
工學(xué)院機(jī)械系
專業(yè)名稱
機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
學(xué)生姓名
金賀
指導(dǎo)教師
薛東彬
2012年 3 月 10 日
針對不同的數(shù)控機(jī)床一個基于互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)床檢查計劃
Dong-ttoon Kim
情報和精密機(jī)械部門，韓國機(jī)械和材料研究所,大田305 - 343,韓國
Sun-Ho Kim
機(jī)電工程專業(yè)本科工程,東義大學(xué)，Busan 614 - 714釜山、韓國
Kwang-SIK KOH
電氣工程和計算機(jī)科學(xué)學(xué)院，慶北國立大學(xué)，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(jī)床檢查與數(shù)字控制機(jī)床(CNC)技術(shù)。根據(jù)其體系結(jié)構(gòu)的不同，數(shù)控機(jī)床分為兩種類型：一種是封閉式控制結(jié)構(gòu)（CAC），它是傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床；一種是開放式控制結(jié)構(gòu)（OAC），這是最近推出的PC-based控制器。由于CAC有一個封閉的架構(gòu)，所以它依賴于數(shù)控機(jī)床供應(yīng)商制定的規(guī)格。而因為這一點，它的應(yīng)用程序很難在數(shù)控領(lǐng)域為用戶所實現(xiàn)。近日，傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床已被基于PC的開放式數(shù)控機(jī)床所取代。然而，現(xiàn)在還有很多傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床在OAC配備不足的車間工作。對于CAC和OAC數(shù)控機(jī)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(nèi)的各種CNC在專業(yè)化生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行全球化管理，對各種CNC基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查設(shè)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(jī)床集成制造系統(tǒng)的全球監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制的基本模型。在本研究中定義的檢查點分為兩類：結(jié)構(gòu)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(guān)狀態(tài)。
關(guān)鍵詞：基于Internet的檢查方法，變式數(shù)控，CAC，0AC
1導(dǎo)言
電腦和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛使用，導(dǎo)致一個基于Internet的數(shù)控機(jī)床的控制和監(jiān)測的全球化管理在專業(yè)化生產(chǎn)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(jī)床和制造系統(tǒng)外圍設(shè)備的I / O信號。
但是，這個程序已經(jīng)被限制到CNC內(nèi)部信息的監(jiān)測。它很難執(zhí)行用戶在數(shù)控領(lǐng)域定義的程序，這個程序包括檢查有關(guān)CNC的各種監(jiān)測數(shù)據(jù)，外圍設(shè)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(jī)床監(jiān)測與遠(yuǎn)程站點的通信應(yīng)用程序模塊。近日，基于PC的開放式結(jié)構(gòu)數(shù)控機(jī)床取代了傳統(tǒng)的數(shù)控機(jī)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(yuǎn)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(jī)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(jī)床遠(yuǎn)程檢查，應(yīng)對每個CAC和OAC構(gòu)建合適的環(huán)境。
現(xiàn)在，我們簡要的概述下相關(guān)的研究。關(guān)于機(jī)床的開放式數(shù)控制造系統(tǒng)管理的研究，已經(jīng)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(guān)函數(shù)發(fā)生器的研究解決了在開放式結(jié)構(gòu)機(jī)床的維修機(jī)制（Kim et al.，2002）。
機(jī)床的遠(yuǎn)程控制和監(jiān)測客戶端 - 服務(wù)器環(huán)境也一直被研究（Oldknow and Yellowley，2003）。這種關(guān)于遠(yuǎn)程服務(wù)的代表性例子是由CNC供應(yīng)商開發(fā)的工廠窗口和遠(yuǎn)程系統(tǒng)（Kim et al.，2000;Kang and Kang，1999）。然而，這些系統(tǒng)的特點是當(dāng)?shù)氐挠颦h(huán)境提高基本的技術(shù)支持。此外，這些研究還包括基于互聯(lián)網(wǎng)的機(jī)床管理，CNC故障診斷的實現(xiàn)和基本的遠(yuǎn)程服務(wù)（Kim et al.，2003）。在柔性制造系統(tǒng)中基于Web的監(jiān)控也進(jìn)行了研究（Jung et al.，2001）。此外，還研究了維護(hù)數(shù)控機(jī)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(jī)除外的OAC機(jī)上，而研究的大多數(shù)的服務(wù)功能是通過電話線或外部網(wǎng)絡(luò)（如Internet）傳輸?shù)谋O(jiān)測數(shù)據(jù)。盡管是基于互聯(lián)的應(yīng)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(wù)器的配置。在某些特殊情況下，一個額外的內(nèi)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(luò)服務(wù)。然而，在這情況下，非常困難的是服務(wù)的功能往往不適合車間修改功能。在國內(nèi)，甚至有部分?jǐn)?shù)控廠商無法服務(wù)一般商用的基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查服務(wù)，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(nèi)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(jī)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(yuǎn)程服務(wù)功能。總之，雖然對OAC有一些研究，但是少有滿意的設(shè)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(jī)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(diào)查申請的方法是基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查技術(shù)，對OAC和CAC兩個變式數(shù)控機(jī)床進(jìn)行比較。通過這項研究建議通過基于Internet檢查變式數(shù)控機(jī)床的有效計劃。首先，遠(yuǎn)程檢查和控制與CAC的機(jī)床和零部件相關(guān)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(rèn)為模擬和數(shù)字遠(yuǎn)程檢查OAC的機(jī)器通過實施相關(guān)的信號用戶定義的應(yīng)用程序能夠接口與外部服務(wù)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(jī)及周邊設(shè)備的聯(lián)系點。
CAC有一個封閉的架構(gòu)，它是依賴數(shù)控協(xié)力廠商規(guī)范。由于這一點，就已經(jīng)很困難，為用戶實施在數(shù)控應(yīng)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(yīng)用程序（塞納科技，2002年）。對于這一點，一個網(wǎng)絡(luò)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(luò)與遠(yuǎn)程通信網(wǎng)站。為了獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)控機(jī)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(gòu)，運作獨立于數(shù)控供應(yīng)商的規(guī)范并沒有額外的模塊是必要的，用于連接遠(yuǎn)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(shè)備模塊?；贗nternet的遠(yuǎn)程機(jī)器檢查與OAC，用戶定義的守護(hù)進(jìn)程的工具通信和應(yīng)用程序Web服務(wù)的形式實現(xiàn)OAC和內(nèi)部功能內(nèi)外部服務(wù)器?；ヂ?lián)網(wǎng)通信之間進(jìn)行數(shù)控領(lǐng)域的守護(hù)程序外部服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)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(luò)支持附加設(shè)備模塊，OAC有一個方便的結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序。檢查和獲得機(jī)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(jī)上的DAU一個緊湊的結(jié)構(gòu)，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(yīng)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(yīng)用，數(shù)控機(jī)床及周邊設(shè)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(shè)備的大小，并盡量減少負(fù)荷?；贗nternet的檢查OAC機(jī)床配置使用的DAU如圖1RS485通訊內(nèi)部通過RS232/485轉(zhuǎn)換規(guī)范。0V至1.5V的范圍內(nèi)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(jìn)行檢查開/關(guān)狀態(tài)的石油和鉗的基本實驗，如圖3所示功能的應(yīng)用程序代碼，實現(xiàn)在OAC數(shù)控域的內(nèi)部功能。
基于Internet的檢查應(yīng)用，通訊發(fā)達(dá)的守護(hù)程序在數(shù)控領(lǐng)域?qū)嵤?，在外部服?wù)器由Web服務(wù)的Web scr.ipt方案實施，使用vbscrip，JavaScript和活動服務(wù)器頁面（ASP），如圖4守護(hù)程序之間的網(wǎng)絡(luò)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(jī)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(wù)程序采用標(biāo)準(zhǔn)的開放式數(shù)據(jù)庫連接（ODBC）和數(shù)據(jù)處理，利用結(jié)構(gòu)化查詢語言（SQL）查詢。通過這個過程，檢查數(shù)據(jù)傳輸相關(guān)的表中的信息構(gòu)建在數(shù)據(jù)庫表中。在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的遠(yuǎn)程檢查，實現(xiàn)了通過設(shè)計的應(yīng)用程序，如圖5所示結(jié)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(yīng)用程序。
圖1基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查OAC的機(jī)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(yīng)用程序之間的接口網(wǎng)站SEVER
圖5 檢查OAC的機(jī)器所使用的DAU和應(yīng)用程序
3基于Internet的檢查計劃和變式數(shù)控機(jī)床的例子
基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查的計劃變型數(shù)控機(jī)床的建議圖6CAC機(jī)區(qū)旨在檢查通過下載腳本代碼的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)和嵌入式設(shè)備服務(wù)器的I / O接口機(jī)制。在OAC機(jī)區(qū)檢查所使用的DAU和應(yīng)用程序，如數(shù)據(jù)采集模塊，通信守護(hù)進(jìn)程模塊，和一個web腳本模塊的模擬數(shù)據(jù)和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。基于互聯(lián)網(wǎng)的變種數(shù)控機(jī)床的遠(yuǎn)程檢查，通過擬議的計劃表見圖7
在CAC的機(jī)床的情況下，一個Java applet被編碼和下載，以檢查機(jī)床的I / O數(shù)據(jù)和通過網(wǎng)絡(luò)瀏覽器向客戶提供檢查結(jié)果。在I / O地址的Java applet代碼和真正的I / O點的機(jī)床之間分配，監(jiān)視和控制遠(yuǎn)程站點。展示的內(nèi)容是對監(jiān)測結(jié)果 I / O的接觸點與當(dāng)前加工/關(guān)狀態(tài)。 CAC的機(jī)床運作周期的啟動按鈕正在網(wǎng)頁瀏覽器上。
在OAC機(jī)床的情況下，收購的DAU監(jiān)測數(shù)據(jù)傳送到在遠(yuǎn)程站點，外部服務(wù)器和通信守護(hù)進(jìn)程服務(wù)。它通過網(wǎng)絡(luò)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(nèi)的模擬值）。
結(jié)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(luò)功能的嵌入式設(shè)備，在硬件實現(xiàn)基于lnternet的檢查系統(tǒng)。然而，用戶定義的應(yīng)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(lǐng)域的許多不同的應(yīng)用程序，無需額外設(shè)備的優(yōu)點。然而，用戶定義的應(yīng)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(luò)服務(wù)。
圖6基于互聯(lián)網(wǎng)的檢查環(huán)境變異數(shù)控機(jī)床
圖7 例如基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程檢查變種數(shù)控機(jī)床
4結(jié)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(jī)床。為了實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)高效的檢查CAC機(jī)，，使用信號檢測方法，通過網(wǎng)絡(luò)I / O嵌入式設(shè)備模塊，可以支持互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用環(huán)境，因為在CAC的環(huán)境執(zhí)行用戶定義的應(yīng)用程序，是依賴于數(shù)控廠商規(guī)范了的數(shù)控領(lǐng)域。
為了實現(xiàn)基于互聯(lián)網(wǎng)檢查OAC機(jī)床，數(shù)字和模擬信號的檢查方法，它不需要額外的網(wǎng)絡(luò)I / O的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嵌入式設(shè)備，有人建議，因為數(shù)控域執(zhí)行用戶定義的應(yīng)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(wù)器通過在遠(yuǎn)程站點上的網(wǎng)頁瀏覽器的遠(yuǎn)程檢查。
隨后，對CAC和OAC機(jī)的檢查方法進(jìn)行了比較。通過這項研究，為數(shù)控機(jī)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(jī)床的檢查，被設(shè)計為一體的綜合經(jīng)營的一個合適的環(huán)境，如建筑的全球管理。這項研究的結(jié)果可能是一個全球監(jiān)測和遠(yuǎn)程控制在變種數(shù)控機(jī)床集成制造系統(tǒng)的基本模型。
在今后的工作中應(yīng)解決以下問題：首先，研究人員應(yīng)該調(diào)查優(yōu)越的遠(yuǎn)程檢查環(huán)境的設(shè)計和實現(xiàn)，可以在嵌入式設(shè)備利用足夠的上下載的代碼；其次，還需要進(jìn)一步研究，可以更簡單地對集成和經(jīng)營變式數(shù)控機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化應(yīng)用程序進(jìn)行開發(fā)。
感謝
感謝工業(yè)改造技術(shù)項目（商務(wù)部，工業(yè)和能源）提供的財政支持。
專業(yè)課課程設(shè)計設(shè)計說明書
設(shè)計題目：數(shù)控X-Y工作臺設(shè)計
學(xué) 生：
學(xué) 號：
班 級：
指導(dǎo)教師：
(200X200)方臺面數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺設(shè)計
目錄
序言……………………………………………………………………………………………3
摘要…………………………………………………………………………………………… 4
設(shè)計目的…………………………………………………………………………………… 4
設(shè)計要求…………………………………………………………………………………… 4
總體方案設(shè)計………………………………………………………………………………5
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計計算……………………………………………………………………… 6
1、確定脈沖當(dāng)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(jìn)電動機(jī)的選型和計算…………………………………………………………… 11
5、導(dǎo)軌的選型和計算 ……………………………………………………………… 13
6、啟動矩頻特性校核…………………………………………………………………… 14
控制系統(tǒng)設(shè)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(jìn)電機(jī)控制電路………………………………………………………… 18
步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計……………………………………………………………… 20
其它電路輔助設(shè)計………………………………………………………………………24
設(shè)計總結(jié)……………………………………………………………………………………24
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………………25
序言
據(jù)資料介紹，我國擁有400多萬臺機(jī)床，絕大部分都是多年累積生產(chǎn)的普通機(jī)床。這些機(jī)床自動化程度不高，加工精度低，要想在短時期內(nèi)用自動化程度高的設(shè)備大量更新，替代現(xiàn)有的機(jī)床，無論從資金還是從我國機(jī)床制造廠的生產(chǎn)能力都是不可行的。但盡快將我國現(xiàn)有的部分普通機(jī)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(shè)備技術(shù)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(jī)床的基本動作原理變化不大，但社會生產(chǎn)力特別是微電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展很快。反映到機(jī)床控制系統(tǒng)上，它既能提高機(jī)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(jī)床既滿足了技術(shù)進(jìn)步和較高生產(chǎn)率的要求，又由于產(chǎn)品精度提高，型面加工范圍增多也使改造后的設(shè)備適應(yīng)能力加大了許多。這更加突出了在舊機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控技術(shù)改造的必要性和迫切性。
由于新型機(jī)床價格昂貴，一次性投資巨大，如果把舊機(jī)床設(shè)備全部以新型機(jī)床替換，國家要花費大量的資金，而替換下的機(jī)床又會閑置起來造成浪費，若采用改造技術(shù)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(jīng)濟(jì)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(dān)得起。這為資金緊張的中小型企業(yè)的技術(shù)發(fā)展開創(chuàng)了新路，也對實力雄厚的大型企業(yè)產(chǎn)生了極大的經(jīng)濟(jì)吸引力，起到了事半功倍的積極作用。
據(jù)國內(nèi)資料統(tǒng)計訂購新的數(shù)控機(jī)床的交貨周期一般較長，往往不能滿足生產(chǎn)需要。因此機(jī)床的數(shù)控改造就成為滿足市場需求的主要補(bǔ)充手段。
在機(jī)械工業(yè)生產(chǎn)中，多品種、中小批量甚至單件生產(chǎn)是現(xiàn)代機(jī)械制造的基本特征，占有相當(dāng)大的比重。要完成這些生產(chǎn)任務(wù)，不外乎選擇通用機(jī)床、專用機(jī)床或數(shù)控機(jī)床，其中數(shù)控機(jī)床是最能適應(yīng)這種生產(chǎn)需要的。
從上述分析中不難看出數(shù)控技術(shù)用于機(jī)床改造是建立在微電子現(xiàn)代技術(shù)與傳統(tǒng)技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)之上。通過理論上的推導(dǎo)和實踐使用的證明，把微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)引入機(jī)床的改造有以下幾方面的優(yōu)點：1）可靠性高；"柔性強(qiáng)；#易于實現(xiàn)機(jī)電一體化；2）經(jīng)濟(jì)性可觀。為此在舊的機(jī)床上進(jìn)行數(shù)控改造可以提高機(jī)床的使用性能，降低生產(chǎn)成本，用較少的資金投入而得到較高的機(jī)床性能和較大的經(jīng)濟(jì)效益。
摘要
本課程設(shè)計是對銑床進(jìn)行改造，目的在于培養(yǎng)對機(jī)電一體化產(chǎn)品的設(shè)計能力，重點是對所學(xué)知識的鞏固和加強(qiáng)，為畢業(yè)設(shè)計及將來的工作打下堅實的基礎(chǔ)。
本課程設(shè)計由序言、設(shè)計要求、總體方案、進(jìn)給系統(tǒng)設(shè)計、控制系統(tǒng)設(shè)計，以及相應(yīng)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(jīng)驗不足，以及對知識掌握程度的限制，設(shè)計過程還存在某方面的錯漏，敬請老師提出寶貴意見。
設(shè)計目的
數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計是機(jī)電一體化專業(yè)教學(xué)中的一個重要的實踐環(huán)節(jié)，學(xué)生學(xué)完技術(shù)基礎(chǔ)課和專業(yè)課，特別是“數(shù)控技術(shù)及應(yīng)用”課程后應(yīng)用的，它是培養(yǎng)學(xué)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(shè)計是以機(jī)電一體化的典型課題---數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計方案的擬定為主線，通過對數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計總體方案的擬定、進(jìn)給伺服系統(tǒng)機(jī)械部分設(shè)計，計算以及控制系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計，使學(xué)生能夠綜合應(yīng)用所學(xué)過的機(jī)械、電子和微機(jī)方面的知識，進(jìn)行一次機(jī)電結(jié)合的全方面訓(xùn)練，從而培養(yǎng)學(xué)生具有初步設(shè)計計算的能力以及分析和處理生產(chǎn)過程中所遇到的問題的能力。
設(shè)計要求
課程設(shè)計是機(jī)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(shè)計可以初步樹立正確的設(shè)計思想，了解有關(guān)的工業(yè)政策，學(xué)會運用手冊、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等資料；培養(yǎng)學(xué)生分析問題解決問題的實際能力，并在教師的指導(dǎo)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(shè)計任務(wù)。
課程設(shè)計的內(nèi)容是改造設(shè)備，實現(xiàn)以下幾部分內(nèi)容的設(shè)計訓(xùn)練。如精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)（或裝置）的設(shè)計、計算機(jī)I/O接口設(shè)計和驅(qū)動電路以及數(shù)控化電氣原理設(shè)計等。
說明書的內(nèi)容應(yīng)包括：課程設(shè)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(jī)械傳動設(shè)計計算以及機(jī)械和電氣及其他部分（如環(huán)形分配器等）的說明。
該課程設(shè)計的內(nèi)容及方法，可以歸納如下：
1.采用微型計算機(jī)（包括單片機(jī)）進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、采集和控制。主要考慮計算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用、接口電路、軟件編制等。
2.選用驅(qū)動控制電路，對執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制。主要考慮計算機(jī)的選擇或單片機(jī)構(gòu)成電路的選用，考慮電機(jī)選擇及驅(qū)動力矩的計算，控制電機(jī)電路的設(shè)計。
3.精密執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計。主要是考慮數(shù)控機(jī)床工作臺傳動裝置的設(shè)計問題：要弄清機(jī)構(gòu)或機(jī)械執(zhí)行元件的主要功能（傳動運動、動力、位置裝置、微調(diào)、精密定位或高速運轉(zhuǎn)等），進(jìn)行力矩、負(fù)載功率、慣性（轉(zhuǎn)動慣量）、加（減）速控制和誤差計算。
4.學(xué)會使用手冊及圖表資料。
總體方案設(shè)計
一般來講，普通銑床的數(shù)控改造主要有兩部分，一是設(shè)計一套簡易微機(jī)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(jī)控制步進(jìn)電機(jī)通過一級減速裝置使銑頭上下運動。本設(shè)計只對X-Y工作臺進(jìn)行設(shè)計。取銑床步進(jìn)電機(jī)的脈沖當(dāng)量可選為0.01mm/脈沖，步進(jìn)電機(jī)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(jìn)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(jìn)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(dá)到較高水平的基本問題，但是步進(jìn)電機(jī)具有角位移與輸入脈沖的嚴(yán)格對應(yīng)關(guān)系，使步距誤差不會積累；轉(zhuǎn)速和輸入脈沖頻率嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，而且在負(fù)載能力范圍內(nèi)不受電流、電壓、負(fù)載大小、環(huán)境條件的波動而變化的特點。并且步進(jìn)電機(jī)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(jié)構(gòu)比較簡單，易于控制系統(tǒng)的實現(xiàn)與調(diào)試。并且隨著電子技術(shù)和計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，在改善步進(jìn)電機(jī)控制性能方面也取得了可喜的發(fā)展。因此，在一定范圍內(nèi)，這種采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)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(yīng)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(diào)試增加工作量和復(fù)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(jìn)行改造，精度要求不是很高，為了簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，本設(shè)計采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)。
3．執(zhí)行機(jī)構(gòu)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(shè)計機(jī)構(gòu)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(shè)計中應(yīng)考慮以下幾點：
1）盡量采用低摩擦的傳動和導(dǎo)向元件。如采用滾珠絲杠螺母傳動副、滾動導(dǎo)軌等。
2）盡量消除傳動間隙。如步進(jìn)電機(jī)上的傳動齒輪采用偏心軸套式消隙結(jié)構(gòu)。
3）縮短傳動鏈?？s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(yù)緊以提高系統(tǒng)的傳動剛度。如應(yīng)用預(yù)加負(fù)載的滾動導(dǎo)軌和滾珠絲杠傳動副，絲杠支承設(shè)計成兩端軸向固定，并加預(yù)拉伸的結(jié)構(gòu)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(dǎo)軌。
4．計算機(jī)系統(tǒng)的選擇
計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般由微機(jī)部分、I/O接口電路、光電隔離電路、伺服電機(jī)驅(qū)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(jī)。如何采用Z80CPU或MCS-51單片機(jī)組成的微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。
Z80CPU有芯片價廉，通用性強(qiáng)，維修方便等特點。MCS-51單片機(jī)具有集成度高、可靠性好、功能強(qiáng)、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(jī)床推薦采用MCS-51系列單片機(jī)作為主控制器。
5．實施
保留原機(jī)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(jī)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(yù)加載荷的滾珠導(dǎo)軌。采用滾動導(dǎo)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?？紤]到電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為達(dá)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(jī)對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算處理，由I/O接口輸出步進(jìn)脈沖步進(jìn)電機(jī)經(jīng)一級齒輪減速后，帶動絲杠轉(zhuǎn)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(hù)微機(jī)及其它設(shè)備，還設(shè)置報警，急停電路等，
機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計
設(shè)計參數(shù)
系統(tǒng)分辯率為0.01mm,其它設(shè)計參數(shù)見下表：
要求：設(shè)計一臺數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺并開發(fā)其控制、驅(qū)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(jī)械系統(tǒng)設(shè)計計算
1.脈沖當(dāng)量的確定
根據(jù)機(jī)床精度要求確定脈沖當(dāng)量，考慮到機(jī)械傳動系統(tǒng)的誤差存在。脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計確定脈沖當(dāng)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(zhuǎn),進(jìn)給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進(jìn)給(鍵槽銑刀可沿軸線進(jìn)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(shè)計為8mm
ap ———背吃刀量，本設(shè)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(shù)指導(dǎo))
af ———每齒進(jìn)給量（mm/齒），即銑刀每轉(zhuǎn)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(shù)指導(dǎo)）
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(jìn)給齒輪箱傳動比計算
已確定進(jìn)給脈沖當(dāng)量=0.01mm滾珠絲杠導(dǎo)程L=4mm，初選步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)直接與絲桿聯(lián)接，有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。
3.滾珠絲桿螺母副的計算和選型
（1） 計算進(jìn)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(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫做進(jìn)給牽引力。直線滾動導(dǎo)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(dǎo)軌K=1.1
———滾動導(dǎo)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(jìn)給方向載荷
Fc———工作臺橫向進(jìn)給方向載荷
Fv———工作臺垂直進(jìn)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(fù)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(zhuǎn)為單位。
fm－運轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速
L0— 滾珠絲杠導(dǎo)程，初選L0=4mm；
v－最大切削力下的進(jìn)給速度
a---每齒進(jìn)給量（mm/齒）af=0.06mm/齒
Z----銑刀齒數(shù)，Z=5
n，---銑刀轉(zhuǎn)速，區(qū)別與以上絲杠轉(zhuǎn)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(chǎn)的FFZL型 內(nèi)循環(huán)螺紋預(yù)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(jìn)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(jìn)行預(yù)緊，預(yù)緊力為最大軸向負(fù)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(nèi)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(yù)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(yù)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(yù)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(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機(jī)床進(jìn)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(yīng)驗算絲杠在承受最大軸向載荷時是否會產(chǎn)生縱向彎曲。滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)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(jìn)電機(jī)的計算和選型
一、初選步進(jìn)電機(jī)57BYG4504,步距角θb=0.9°
,滿足要求.
二、矩頻特性:
等效轉(zhuǎn)動慣量計算
1.滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量
JS=0.78D4L×10-3(kf·cm2)
L---絲杠長度,設(shè)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(zhuǎn)動慣量
JG=(L0/2∏)2M
L0----絲杠導(dǎo)程,L0=4mm=0.4cm
M----工作臺質(zhì)量,M=62kg
JG=(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm2
3.聯(lián)軸器轉(zhuǎn)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(shè)備有限公司)，查得：
JL=0.068㎏·cm2
4. 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
根據(jù)初選電機(jī)型號,查得轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(jìn)電機(jī)所需空載啟動的計算
——空載啟動時折算到電機(jī)軸上的加速度力矩（N·cm）；
M——為空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩（N·cm）；
M——電絲杠預(yù)緊所引起，折算到電機(jī)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(jìn)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(jìn)速度對應(yīng)的電機(jī)最大轉(zhuǎn)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(dǎo)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(dǎo)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(yù)緊時的傳動效率，一般取≥0.9，這里取=0.96；
F－預(yù)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(jìn)電機(jī)空載啟動力矩：M
= 3.83＋0.225＋0.950
= 5.005（N·cm）
步進(jìn)電機(jī)名義啟動力矩：
從產(chǎn)品系列及性能參數(shù)根據(jù)電機(jī)型號查出步進(jìn)電機(jī)為四相八拍；
從表2-17根據(jù)電機(jī)拍數(shù)查出啟動轉(zhuǎn)矩最大靜轉(zhuǎn)矩Mkq與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)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(jī)床為工作臺開始工進(jìn)）時，電動機(jī)的啟動為帶負(fù)載啟動，其總負(fù)載轉(zhuǎn)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(jī)上的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩
Mjmax2=Mfq/0.5=57/0.5=114 N·cm
根據(jù)電機(jī)型號查得步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩:Mjmax=1.4N·m=140N·cm
所以Mjmax﹥Mjmax2﹥Mjmax1
初選電機(jī)型號時應(yīng)滿足步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電機(jī)名義啟動力矩，即Mjmax≥max｛Mjmax1，Mjmax2｝所以初選電機(jī)57BYG4504能滿足要求。
5．導(dǎo)軌的選用與校核
初選滾動導(dǎo)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(dǎo)軌副, 其額定載荷C oa為6.8KN，Ca 為6.07KN，參數(shù)如下：單位㎜
2)對導(dǎo)軌進(jìn)行按下式進(jìn)行校核：
式中:L為滾動導(dǎo)軌副的距離額定壽命（km）本設(shè)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(shè)計設(shè)定為588N；
為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為58-64HRC時=1.0；
為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過100°C時，=1；
為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)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(dǎo)軌滿足要求。
1） 滾動導(dǎo)軌的潤滑與防護(hù)
滾動導(dǎo)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(jīng)常加油；缺點是塵屑進(jìn)入后容易磨損導(dǎo)軌，因此防護(hù)要求較
高。易被污染又難防護(hù)的地方，可用潤滑油潤滑。
本設(shè)計的防護(hù)裝置采用伸縮式。
6、啟動矩頻特性校核
部件電機(jī)有三種工況：啟動、快速進(jìn)給運行、工進(jìn)運行。
前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)在快速啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進(jìn)行校核。以后還要對快進(jìn)、工進(jìn)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(jìn)電機(jī)啟動
步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)從靜止?fàn)顟B(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(nèi)，按一定的升速規(guī)律升速。啟動結(jié)束時，步進(jìn)電機(jī)達(dá)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(jìn)電機(jī)所走的步數(shù)與應(yīng)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(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)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(yīng)
的允許啟動頻率fyq=11000Hz>fq=1200 Hz,步進(jìn)電機(jī)會不丟步。
（2）電機(jī)快速進(jìn)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(jìn)速度
快進(jìn)時已經(jīng)不存在加速力矩項Ma,并且一般處于空載狀態(tài)，故快速進(jìn)給力矩
MJK=
其中：M0為附加摩檫力矩（N·cm），MKF為快進(jìn)時的折算到電機(jī)的摩檫力矩（N·cm）。
所以 ：MJK= =1.175（N·cm）
由圖2可知道快進(jìn)力矩對應(yīng)允許快進(jìn)頻率FYK近似為20000Hz，F(xiàn)mzx〈FYK，
所以電機(jī)不會丟步。
（3）、工進(jìn)運行距頻特性校核
工進(jìn)步進(jìn)電機(jī)的運行頻率：
式中： ——最大工作進(jìn)給速度
工進(jìn)時，步進(jìn)電機(jī)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(jī)軸上的工作負(fù)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(jìn)給方向的切削負(fù)載，F(xiàn)t=FL
在圖2初選步進(jìn)電機(jī)的運行矩頻率特性曲線中，對應(yīng)工進(jìn)頻率fGJ查到的允許工進(jìn)運行力矩MYJ=1.08N·m >MGJ=0.382N·m，滿足工進(jìn)時運行距頻特性的要求。
（4）步進(jìn)電機(jī)的安裝尺寸
步進(jìn)電機(jī)安裝尺寸/㎜
控制系統(tǒng)設(shè)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(jìn)電機(jī)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(qū)動電路
+80V
④控制系統(tǒng)軟件的組成和結(jié)構(gòu)
監(jiān)控系統(tǒng)的作用是進(jìn)行人和機(jī)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(jī)構(gòu)，以及系統(tǒng)自測等。
1系統(tǒng)初始化：系統(tǒng)上電式復(fù)位后，系統(tǒng)軟件進(jìn)行初始化處理。包括設(shè)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(jìn)入命令處理程序，對于一般單片機(jī)構(gòu)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(jīng)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(nèi)。
4 指令分析執(zhí)行：微機(jī)控制系統(tǒng)對輸入的指令進(jìn)行分析，并根據(jù)分析的結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)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(jī)電系統(tǒng)控制軟件的機(jī)構(gòu)
一般機(jī)電控制系統(tǒng)中常用的軟件結(jié)構(gòu)有：子程序，主程序加中斷程序結(jié)構(gòu)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(jìn)行直線插補(bǔ)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(jìn)給和采用哪個偏差計算方向進(jìn)給。
2偏差計算：進(jìn)給一步后計算新的加工偏差。
3終點判別：進(jìn)給一步后，終點計數(shù)器，若為零，表示到達(dá)終點停止插補(bǔ)，不為零則返回第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點計數(shù)判別可用方向坐標(biāo)值判斷，也可由一個方向的坐標(biāo)值判斷。當(dāng)Xe＞YE
逐點比較法框圖YES
NO
NO
Y方向進(jìn)給
X方向進(jìn)給
X=XM ?
Y=YM ?
F M=FM+XE
Y=Y+1
F M=FM-YE
X=X+1
FM≥0 ?
初始化
YES
返回
步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計
光電耦合器
步進(jìn)電機(jī)控制程序的任務(wù)是：判斷旋轉(zhuǎn)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(jié)束。
驅(qū)動電路
P1.0
P1.1
P1.2
P1.3
8031
節(jié)拍：
正轉(zhuǎn)
反轉(zhuǎn)
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(shè)計
設(shè)計總結(jié)
近年來，我國機(jī)床數(shù)控化改造工作，已從初步摸索進(jìn)入比較成熟的階段。我們運用成熟可靠、性能先進(jìn)的國內(nèi)外數(shù)控產(chǎn)品，為已進(jìn)入頻繁故障期、維修代價昂貴的第一代數(shù)控機(jī)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(shè)計，使我們進(jìn)一步的了解了普通機(jī)床與數(shù)控機(jī)床的差異。也使我們更加深刻的認(rèn)識到，利用數(shù)控系統(tǒng)改造機(jī)床是提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高生產(chǎn)效率，提高舊設(shè)備利用率，推廣機(jī)電一體化技術(shù)的重要手段。
通過這次課程設(shè)計，讓我們進(jìn)一步熟悉了數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用和設(shè)計原理，讓我們深刻的把電和機(jī)結(jié)合起來，達(dá)到自動化控制的要求。
同時也深刻的體會到設(shè)計的嚴(yán)謹(jǐn)性，數(shù)據(jù)的處理技巧，以及各種參數(shù)的取舍，對我們?nèi)蘸蟪鰜韽氖逻@方面的工作有很大的幫助。
在這里，感謝我們的指導(dǎo)老師，在他們的指導(dǎo)下我們解決了各種疑難，順利地完成設(shè)計！
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