三維數(shù)控工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與開發(fā)【含CAD高清圖紙和文檔】【GC系列】

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The system is based on an open architecture PMAC (Programmable multi-Axis controller) motion control card to realize real-time control. Some experiments concerning control test and error measurement and analysis can be carried out on the designed worktable. At first, the configuration of control system of the 3D NC worktable Was proposed ,and its software was developed. Modular software development concept featured the system design, which includes the following modules: machining position and speed sampled display module; file management module; parameters setting module; error diagnosis module; precision analysis module; manual debugging module; machine simulation module; help module.As one of focuses, the error measurement and precision analysis of the worktable were emphasized in the development of the system software. Series of experiments about system control and precision were made on the worktable. The precision characteristics of the half-loop and closed-loop position feedbacks were analyzed. Through comparing the theoretical analysis with the data collected from experiments ,a conclusion has been drawn that the smallest contour error will be got if the two axes have the same servo characteristics. The ball-bar ,which is considered to be more reliable than linearscales in measuring contour error, was used to measure the circular motion of the system. The experiment result showed that the contour error of the system was big .By analysis of the error source based on a mathematical model of the measuring system proposed in this thesis, it was found that it was the installation inclination of linear scales that caused so big error. By compensating the error with the measured result by the ball-bar ,the precision of the control system had been improved.Keywords Numerical Control System；three-dimensional NC workbench；SCM；Interpolation technique；III目錄摘要IAbstractII第1章 緒論11.1課題研究的意義11.2課題研究的現(xiàn)狀11.3課題研究的主要內(nèi)容2第2章 三維數(shù)控工作臺(tái)的硬件選擇及連接結(jié)構(gòu)32.1三維數(shù)控工作臺(tái)的工作原理介紹32.2三維數(shù)控工作臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)32.3步進(jìn)電機(jī)的選擇42.4絲杠的選型與校核52.4.1滾珠絲杠的簡單介紹52.4.2滾珠絲杠的選型72.4.3滾珠絲杠的校核82.5直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算92.5.1直線導(dǎo)軌的簡單介紹92.5.2直線導(dǎo)軌的選型102.6聯(lián)軸器的選型122.6.1聯(lián)軸器的簡介122.6.2聯(lián)軸器的選型132.7軸承選型142.8本章小結(jié)16第3章 三維數(shù)控工作臺(tái)的Pro/E三維建模173.1 Pro/E建模軟件簡介173.2 Pro/E界面介紹173.3零件三維建模實(shí)例介紹183.3.1新建文件183.3.2建立拉伸特征193.3.3建立螺旋特征203.3.4建立螺母副特征203.3.5進(jìn)行顏色和外觀設(shè)計(jì)213.4其余零件三維建模圖展示223.5三維數(shù)控工作臺(tái)裝配233.6本章小結(jié)25第4章 三維工作臺(tái)的軟件及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)264.1逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)的簡介264.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)的計(jì)算步驟264.3數(shù)控插補(bǔ)仿真軟件的說明294.4開環(huán)系統(tǒng)控制原理304.5單片機(jī)設(shè)計(jì)304.6本章小結(jié)35結(jié)論36致謝37參考文獻(xiàn)38附錄一39附錄二492第1章 緒論1.1課題研究的意義目前在多種機(jī)械設(shè)備中均需要精密定位，而其中的三維精密定位工作臺(tái)作為關(guān)鍵部件將直接影響其整機(jī)的性能和精度。為保證機(jī)器性能，工作臺(tái)要在X方向和Y方向?qū)崿F(xiàn)快速準(zhǔn)確的定位，并且要求在Z方向能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)整和定位，要實(shí)現(xiàn)快速和準(zhǔn)確定位，必須對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行改裝，使用步進(jìn)電機(jī)和控制卡。插補(bǔ)技術(shù)是數(shù)控技術(shù)中的核心技術(shù)，它的好壞直接影響著數(shù)控加工精度進(jìn)而影響數(shù)控加工技術(shù)的優(yōu)劣，是目前數(shù)控技術(shù)急需提高、完善的環(huán)節(jié)之一，而插補(bǔ)算法的選擇直接影響到數(shù)控系統(tǒng)的加工精度和速度。而本實(shí)驗(yàn)充分利用實(shí)驗(yàn)室中廢舊的二維工作臺(tái)，并進(jìn)行導(dǎo)軌，絲杠，電機(jī)，軸承等選型，在其基礎(chǔ)之上搭建成三維工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)插補(bǔ)仿真技術(shù)的應(yīng)用研究，這樣既節(jié)約了成本實(shí)現(xiàn)了廢物回收再利用，又兼顧了插補(bǔ)技術(shù)的研究，因此具有十分廣泛而重要的現(xiàn)實(shí)意義1.2課題研究的現(xiàn)狀國內(nèi)數(shù)控技術(shù)發(fā)展，1996年，清華大學(xué)研制了PC-DSP主從式控制器，成功應(yīng)用于光驅(qū)高速數(shù)字符伺服控制系統(tǒng)；南京四開電子公司與清華大學(xué)共同研制的基于32位CPU和通用計(jì)算機(jī)主從式SKY數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了完全國產(chǎn)化，通過江蘇省科委組織的科技成果鑒定并認(rèn)為己達(dá)到當(dāng)時(shí)國際先進(jìn)水平。1999年，武漢華中理工大學(xué)利用TMS320F243定點(diǎn)DSP芯片設(shè)計(jì)了一款PC-DSP主從式多軸運(yùn)動(dòng)控制器，該控制器可以通過CAN總線與CNC系統(tǒng)中的上位PC機(jī)及其它一些具有不同功能的硬件模塊進(jìn)行通訊，在2000年，又研制成功了一種基于TMS320C203的定點(diǎn)DSP的數(shù)值插補(bǔ)和通訊管理控制器。國際數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀：在80年代初，隨著計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)就開始得以在世界范圍內(nèi)推廣。NGC (Next Generation Controller)”研究計(jì)劃，首先提出了開放體系結(jié)構(gòu)控制器的概念。自1990年開始，美國的幾個(gè)大的科研機(jī)構(gòu)對(duì)N GC計(jì)劃分別發(fā)表了相應(yīng)的研究內(nèi)容。其后由許多相關(guān)的研究計(jì)劃在世界各國相繼啟動(dòng)，其中較有影響的有美國的OMAC、歐洲的OSACa和日本的ONE計(jì)劃。同時(shí)，發(fā)達(dá)國家將DSP運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)融入了開放式數(shù)控機(jī)床的研究。1995年，Matsui, N在常規(guī)DSP速度和位置控制的研究中引入了自適應(yīng)控制、系統(tǒng)參數(shù)在線辯識(shí)技術(shù), Kolek, k提出了一種基于總線技術(shù)的浮點(diǎn)DSP控制器，該控制器增強(qiáng)了系統(tǒng)資料計(jì)算與處理的速度及控制的精度;1997年，Larsen, G/Cetinkunt在DSP控制器上提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于小腦模型關(guān)節(jié)控制器的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自學(xué)習(xí)伺服控制系統(tǒng)，以補(bǔ)償鉆石精整加工過程中由于機(jī)械軸摩擦力造成的影響:同年，Han, S. H提出一種用于機(jī)器人操縱器的實(shí)時(shí)補(bǔ)償、自適應(yīng)算法的DSP控制器系統(tǒng); 1998年，Style, A. W. /Diana, G.開發(fā)了一種基于Mathworks Simulink/Realtimeworkshop的PC-DSP主從式系統(tǒng)，用于運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、仿真及實(shí)時(shí)控制形成了DSP運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的雛形;1999年，Brandstatter. W.創(chuàng)立了一種基于DSP的用于步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包含了對(duì)PI電流控制和控制策略補(bǔ)償?shù)忍攸c(diǎn)，從而避免電機(jī)轉(zhuǎn)速的波動(dòng); Moynihan.J. F.將DSP作為專門的運(yùn)算處理單元，用于計(jì)算高精度的位置、速度傳感器的信號(hào)，這是DSP在運(yùn)動(dòng)控制插補(bǔ)運(yùn)算功能的典型應(yīng)用。1.3課題研究的主要內(nèi)容作者在實(shí)驗(yàn)期間參考各種資料，完成了對(duì)數(shù)控系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，單片機(jī)程序開發(fā)的研究主要有以下幾個(gè)方面：（1）在原有的二維工作臺(tái)的基礎(chǔ)上通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)，滾珠絲杠，直 線導(dǎo)軌，深溝球軸承，十字滑塊聯(lián)軸器等的選型搭建一臺(tái)在技術(shù)性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性都比較良好三維工作臺(tái)。（2）對(duì)設(shè)計(jì)好的三維數(shù)控工作臺(tái)進(jìn)行proe建模及其運(yùn)動(dòng)仿真。（3）借助此三維工作臺(tái)研究了插補(bǔ)仿真技術(shù)對(duì)數(shù)控工作臺(tái)精密度的影響，進(jìn)行伺服系統(tǒng)的選擇，安裝與調(diào)試，編寫了插補(bǔ)仿真系統(tǒng)軟件上下位機(jī)程序。第2章 三維數(shù)控工作臺(tái)的硬件選擇及連接結(jié)構(gòu)三維數(shù)控工作臺(tái)的整體設(shè)計(jì)包括對(duì)步進(jìn)電機(jī)，滾珠絲杠，直線導(dǎo)軌，深溝球軸承，十字滑塊聯(lián)軸器的型號(hào)選取及其連接結(jié)構(gòu)的確定。2.1三維數(shù)控工作臺(tái)的工作原理介紹三維數(shù)控工作臺(tái)的主要工作原理簡述如下：（1）在X極方向由步進(jìn)電機(jī)控制聯(lián)軸器進(jìn)而控制絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)了絲杠螺母座的移動(dòng)從而也就帶動(dòng)了固定有Y極的連接板的運(yùn)動(dòng)。（2）在Y極方向由步進(jìn)電機(jī)控制聯(lián)軸器進(jìn)而控制絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)了絲杠螺母座的移動(dòng)從而也就帶動(dòng)了固定有Z極的連接板的運(yùn)動(dòng)。（3）在Z極方向上由步進(jìn)電機(jī)控制聯(lián)軸器進(jìn)而控制絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)了螺母座的移動(dòng)，也就帶動(dòng)了Z極上連接板的移動(dòng)，進(jìn)而完成了三維數(shù)控工作臺(tái)的整體移動(dòng)。2.2三維數(shù)控工作臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動(dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性?？紤]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的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，簡化結(jié)構(gòu)，聯(lián)軸器將電機(jī)與絲杠直接連接。如圖2-1所示為三維數(shù)控工作臺(tái)的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)所給出的要求所設(shè)計(jì)的三維工作臺(tái)應(yīng)該滿足行程及精密度要求，同時(shí)在運(yùn)行時(shí)還有具有一定的穩(wěn)定性，盡可能的縮小誤差大小，設(shè)計(jì)時(shí)X軸,Y軸,Z軸采用相同的運(yùn)動(dòng)裝置，保證各接觸面精度以保證裝配精度。由于x、y、z各方向的配合面以及裝配關(guān)系直接影響到整體運(yùn)行的精度，故對(duì)各裝配面以及運(yùn)行部件的接觸表面都要求保持相應(yīng)的精度及定位精度。按上述結(jié)構(gòu)進(jìn)行組裝就能設(shè)計(jì)制造出一臺(tái)符合要求，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，精確度高的三維數(shù)控工作臺(tái)。1-直線導(dǎo)軌；2-肋板；3-滾珠絲杠；4-連接板；5-十字滑塊聯(lián)軸器；6-步進(jìn)電機(jī)圖2-1 三維數(shù)控工作臺(tái)基本結(jié)構(gòu)2.3步進(jìn)電機(jī)的選擇根據(jù)三維數(shù)控工作臺(tái)的工作特性、工作環(huán)境、工作載荷的大小和性質(zhì)等條件，選擇電動(dòng)機(jī)的種類、類型、結(jié)構(gòu)形式、功率和轉(zhuǎn)速，確定出電動(dòng)機(jī)的型號(hào)根據(jù)電源種類（直流或交流）、工作條件（環(huán)境、溫度、空間位置等）及載荷性質(zhì)和大小、起動(dòng)特性和過載情況來選擇。由于一般生產(chǎn)單位多采用三相交流電源，根據(jù)工作臺(tái)臺(tái)的工作特性,需選用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個(gè)數(shù)來控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過控制脈沖頻率來控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的。主要有反應(yīng)式、永磁式和混合式三大類。在選擇的時(shí)候主要根據(jù)以下參數(shù)進(jìn)行：步距角的選擇：電機(jī)的步距角取決于負(fù)載精度的要求，將負(fù)載的最小分辨率（當(dāng)量）換算到電機(jī)軸上，每個(gè)當(dāng)量電機(jī)應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機(jī)的步距角應(yīng)等于或小于此角度。市場上步進(jìn)電機(jī)的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機(jī)）、0.9度/1.8度（二、四相電機(jī)）、1.5度/3度 （三相電機(jī)）等。靜力矩的選擇：步進(jìn)電機(jī)的動(dòng)態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機(jī)的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機(jī)工作的負(fù)載，而負(fù)載可分為慣性負(fù)載和摩擦負(fù)載二種。單一的慣性負(fù)載和單一的摩擦負(fù)載是不存在的電流的選擇：靜力矩一樣的電機(jī)，由于電流參數(shù)不同，其運(yùn)行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機(jī)的電流。根據(jù)以上內(nèi)容，結(jié)合本課題，作者選擇北京時(shí)代超群有限公司生產(chǎn)的42HBS33BJ4-TR0型步進(jìn)電機(jī)。具體參數(shù)如表2-1和圖2-2所示：表2-1 北京時(shí)代超群有限公司42式步進(jìn)電機(jī)型號(hào)參數(shù)表型號(hào)相數(shù)步距角靜轉(zhuǎn)距(Nm)電流(A)相電阻()相電感(mH)繞組出軸長(mm)重量42HBS33BJ4-TR031.80.210.428.532串長22200圖2-2 步進(jìn)電機(jī)參數(shù)圖2.4絲杠的選型與校核2.4.1滾珠絲杠的簡單介紹2.4.1.1簡介滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線運(yùn)動(dòng)，或?qū)⒅本€運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的理想的產(chǎn)品。 滾珠絲杠由螺桿、螺母、鋼球、預(yù)壓片、反向器、防塵器組成。它的功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成直線運(yùn)動(dòng)，這是艾克姆螺桿的進(jìn)一步延伸和發(fā)展，這項(xiàng)發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動(dòng)動(dòng)作變成滑動(dòng)動(dòng)作。由于具有很小的摩擦阻力，滾珠絲杠被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)設(shè)備和精密儀器。滾珠絲杠是工具機(jī)和精密機(jī)械上最常使用的傳動(dòng)元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成線性運(yùn)動(dòng)，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時(shí)兼具高精度、可逆性和高效率的特點(diǎn)。2.4.1.2類型常用的循環(huán)方式有兩種：外循環(huán)和內(nèi)循環(huán)。滾珠在循環(huán)過程中有時(shí)與絲杠脫離接觸的稱為外循環(huán)；始終與絲杠保持接觸的稱為內(nèi)循環(huán)。滾珠每一個(gè)循環(huán)閉路稱為列，每個(gè)滾珠循環(huán)閉路內(nèi)所含導(dǎo)程數(shù)稱為圈數(shù)。內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副的每個(gè)螺母有2列、3列、4列、5列等幾種，每列只有一圈；外循環(huán)每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等幾種。（1）外循環(huán)：外循環(huán)是滾珠在循環(huán)過程結(jié)束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進(jìn)入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時(shí)的返回方式主要有端蓋式、插管式和螺旋槽式。 常用外循環(huán)方式有：端蓋式、插管式、螺旋槽式。端蓋式，在螺母上加工一個(gè)縱向孔，作為滾珠的回程通道，螺母兩端的蓋板上開有滾珠的回程口，滾珠由此進(jìn)入回程管，形成循環(huán)。插管式，它用彎管作為返回管道，這種結(jié)構(gòu)工藝性好，但是由于管道突出螺母體外，徑向尺寸較大。螺旋槽式，它是在螺母外圓上銑出螺旋槽，槽的兩端鉆出通孔并與螺紋滾道相切，形成返回通道，這種結(jié)構(gòu)比插管式結(jié)構(gòu)徑向尺寸小，但制造較復(fù)雜。外循環(huán)滾珠絲杠外循環(huán)結(jié)構(gòu)和制造工藝簡單，使用廣泛。其缺點(diǎn)是滾道接縫處很難做得平滑，影響滾珠滾道的平穩(wěn)性。 （2 內(nèi)循環(huán)：所示為內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠。內(nèi)循環(huán)均采用反向器實(shí)現(xiàn)滾珠循環(huán)，反向器有兩種類型。圓柱凸鍵反向器，它的圓柱部分嵌入螺母內(nèi)，端部開有反向槽。反向槽靠圓柱外圓面及其上端的圓鍵定位，以保證對(duì)準(zhǔn)螺紋滾道方向。扁圓鑲塊反向器，反向器為一般圓頭平鍵鑲塊，鑲塊嵌入螺母的切槽中，其端部開有反向槽，用鑲塊的外輪廓定位。兩種反向器比較，后者尺寸較小，從而減小了螺母的徑向尺寸及縮短了軸向尺寸。但這種反向器的外輪廓和螺母上的切槽尺寸精度要求較高。2.4.1.3特點(diǎn)（1）與滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩為1/3： 由于滾珠絲杠副的絲杠軸與絲杠螺母之間有很多滾珠在做滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),所以能得到較高的運(yùn)動(dòng)效率。與過去的滑動(dòng)絲杠副相比驅(qū)動(dòng)力矩達(dá)到1/3以下,即達(dá)到同樣運(yùn)動(dòng)結(jié)果所需的動(dòng)力為使用滾動(dòng)絲杠副的1/3。在省電方面很有幫助。 （2）高精度的保證： 滾珠絲杠副是一般是用世界最高水平的機(jī)械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對(duì)溫度、濕度進(jìn)行了嚴(yán)格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。 （3）微進(jìn)給可能 滾珠絲杠副由于是利用滾珠運(yùn)動(dòng),所以啟動(dòng)力矩極小,不會(huì)出現(xiàn)滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實(shí)現(xiàn)精確的微進(jìn)給。（4）無側(cè)隙、剛性高 滾珠絲杠副可以加予壓,由于予壓力可使軸向間隙達(dá)到負(fù)值,進(jìn)而得到較高的剛性。2.4.2滾珠絲杠的選型絲杠的選型過程中對(duì)于絲杠本身需要注意以下主要參數(shù)：1-公稱直徑。即絲杠的外徑，常見規(guī)格有12,14,16,20,25,32,40,50,63，80,100,120.公稱直徑和負(fù)載成正比，公稱直徑越大，負(fù)載越大，而負(fù)載的大小直接影響滾珠絲杠的壽命，實(shí)際負(fù)荷與額定負(fù)荷比值越小，壽命越長。2-導(dǎo)程。也成螺距，即螺桿每旋轉(zhuǎn)一周螺紋上一點(diǎn)所移動(dòng)的直線距離，常見的導(dǎo)程有1,2,4,6,8,10,12,16,20,25,30。導(dǎo)程與絲杠的直線速度有直接關(guān)系，輸入轉(zhuǎn)速一定的情況下，導(dǎo)程越大速度越快。3-長度。長度主要是只絲杠全長，設(shè)計(jì)師主要是根據(jù)工作長度及設(shè)計(jì)寬裕量而定的，一般廠家可以對(duì)所需絲杠進(jìn)行切割，從而滿足客戶的要求。4-精度。滾珠絲杠按國家標(biāo)準(zhǔn)可以分為P類和T類，即傳動(dòng)類和定位類，精度等級(jí)有1，2，3，4。國外產(chǎn)品一律以C0-C10來表示，一般來說普通機(jī)械一般選擇C7，高精度機(jī)械一般選擇C5以上，C3以下，光學(xué)或檢測機(jī)構(gòu)一般選擇C3以上，一般機(jī)械如本實(shí)驗(yàn)中的三位工作臺(tái)，一般推薦為C7即可。根據(jù)以上內(nèi)容初選滾珠絲杠型號(hào)為SFUO1204-4的滾珠絲杠，其具體參數(shù)如表2-2和圖2-3所示：表2-2 滾珠絲杠型號(hào)參數(shù)表型號(hào)dIDaDABLWXHnCaCoaKSFUO1204-41242.524401040324.5304593112912圖2-3 滾珠絲杠型號(hào)參數(shù)圖初選X軸,Y軸,Z軸長度為337mm，其中工作長度為300mm。2.4.3滾珠絲杠的校核 絲杠的校核主要是工作載荷校核，剛度驗(yàn)算，傳動(dòng)效率的計(jì)算。2.4.3.1傳動(dòng)效率計(jì)算滾珠絲杠計(jì)算步驟為： （2-1） 代入數(shù)值求得=0.9482符合要求2.4.3.2絲杠最大載荷計(jì)算絲杠上的工作載荷為走刀抗力，移動(dòng)體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。由于選擇的導(dǎo)軌要求結(jié)構(gòu)簡單，間隙調(diào)整方便，摩損不做太多要求，有良好的可替換性且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，故選擇直線滑動(dòng)導(dǎo)軌配合小壓板來替代有槽的滑動(dòng)導(dǎo)軌，所以選擇最簡單的導(dǎo)軌塊，直線平導(dǎo)軌的實(shí)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。 （2-2）， 將所得數(shù)據(jù)代入上式有 ：最大動(dòng)負(fù)載C的計(jì)算及主要尺寸：絲杠最大動(dòng)載荷： （2-3） 由機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)可知 （2-4）2.4.3.3剛度驗(yàn)算 根據(jù)公式 （2-5） 絲杠副剛度的驗(yàn)算 絲杠總變形量 變形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005 =0.0038YE，可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點(diǎn)判別的依據(jù)，如動(dòng)點(diǎn)X等于終點(diǎn)XE則停止。當(dāng)XEYE，則用Y方向走的總步數(shù)YE作為終點(diǎn)判別的依據(jù)。如圖4-1所示對(duì)直線上任意一點(diǎn)（x,y），則有直線方程 x/y = xe/ye （4-1）即 xey - xye =0 設(shè)P（x,y）為加工動(dòng)點(diǎn)，則若P位于該加工直線上，有：xeyi - xiye- = 0若p位于該加工直線上方，有：xeyi - xiye 0若P位于該加工直線下方，有：xeyi - xiye 0由此定義偏差判別函數(shù)Fi為： Fi = xeyi - xiye當(dāng)Fi = 0時(shí)，加工動(dòng)點(diǎn)在直線上；當(dāng)FI 0時(shí)，加工動(dòng)點(diǎn)在直線上方；FI 0時(shí)，加工動(dòng)點(diǎn)在直線下方。表1是在各個(gè)象限插補(bǔ)技術(shù)公式。直線插補(bǔ)器如圖4-2所示。圖4-1比較法直線插補(bǔ)示意圖表4-1插補(bǔ)計(jì)算公式象限坐 標(biāo) 進(jìn) 給偏 差 計(jì) 算F0F0F0F0+x+yFi+1=Fi-yeFi+1=Fi+x-x+y-x-y+x-y圖4-2直線插補(bǔ)器4.3數(shù)控插補(bǔ)仿真軟件的說明計(jì)算機(jī)上位機(jī)人機(jī)交互界面如下圖所示：圖4-3上位機(jī)人機(jī)交互界面在進(jìn)行插補(bǔ)實(shí)驗(yàn)時(shí)，操作步驟如下：1) 點(diǎn)選直線或圓弧。 2) 輸入直線或圓弧參數(shù)。3) 清屏。4) 開始。即是畫出實(shí)驗(yàn)所需曲線。5) 點(diǎn)選實(shí)驗(yàn)類型。界面的左邊實(shí)時(shí)顯示插補(bǔ)的路徑，右邊實(shí)時(shí)的更新插補(bǔ)器里的相關(guān)數(shù)據(jù)。4.4開環(huán)系統(tǒng)控制原理三維數(shù)控工作臺(tái)伺服系統(tǒng)控制分兩部分，一是：x-y部分控制，二是：z方向控制，首先通過STC12C5412型單片機(jī)控制X軸和Y軸的步進(jìn)電機(jī)，然后通過89C51控制Z軸的單片機(jī)。STC12C5412型單片機(jī)有兩個(gè)PWM波發(fā)出口，可同時(shí)發(fā)出兩個(gè)脈沖來控制兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，發(fā)出的兩個(gè)脈沖通過控制器放大信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)。89C51型單片機(jī)控制一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，通過控制器來放大信號(hào)達(dá)到驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的目的。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、 停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī) 則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)特性與配套使用的驅(qū)動(dòng)電源又密切的關(guān)系。驅(qū)動(dòng)電源由脈沖分配器、功率放大器等組成。驅(qū)動(dòng)電源是將變頻信號(hào)源送來的脈沖信號(hào)及方向信號(hào)按要求的配電方式自動(dòng)的循環(huán)供給電動(dòng)機(jī)各項(xiàng)繞組，以驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子正反轉(zhuǎn)。變頻信號(hào)源是可提供從幾赫到幾萬赫的頻率信號(hào)連續(xù)可調(diào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器，只要控制輸入電脈沖的數(shù)量及頻率就可精確控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角及轉(zhuǎn)速。如圖4-4步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服原理圖。圖4-4步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服原理圖 開環(huán)控制步驟如下所示： 輸入程序單片機(jī)脈沖分配器功率放大步進(jìn)電機(jī)絲杠絲杠螺母及小壓板連接板4.5單片機(jī)設(shè)計(jì) 如圖4-5，圖4-6所示分別為51單片機(jī)硬件控制模塊電路圖和驅(qū)動(dòng)模塊電路圖：圖4-5 單片機(jī)控制模塊電路圖圖4-6 單片機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖如圖4-7所示為STC12C5412單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)的接線圖。圖4-7單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)接線圖設(shè)計(jì)程序時(shí)，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值XE，YE，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值X，Y，偏差FM。對(duì)8位機(jī)，一般可用2字節(jié)，而行程較大時(shí)則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進(jìn)行初始值X、Y向步進(jìn)電機(jī)初態(tài)（控制字）。插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如表4-2所示：表4-2 內(nèi)存單元表28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM反轉(zhuǎn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為：D7, D6,D5,D4,D3,D2,D1,D01D0為X向電機(jī)控制位。D0=1運(yùn)行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。D3D2為Y向電機(jī)控制位。D2=1運(yùn)行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。X-Y軸步進(jìn)電機(jī)控制程序：ORG 2000HMAIN：MOV SP, #60HLP4: MOV 28H, #12CH; MOV 29H, #12CH; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2CH, #00H; MOV 70H, #0AHLP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH