中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！1中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！數(shù)控車床 XY 軸工作臺(tái)和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要我設(shè)計(jì)的是車床 XY 軸工作臺(tái)和控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺(tái)。首先確定設(shè)計(jì)的總體方案，然后對車床的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括工作臺(tái)、滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和選用，最后對數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床 XY 工作臺(tái) 控制系統(tǒng)中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！2中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！前 言一、當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀在我國對外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域。（一） 、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 ,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 ,他對國計(jì)民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面:(1) 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(2) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展(3) 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢（二） 、對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì)我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段：第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的制 ,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五” 、 “七五”期間以及“八五”的前期 ,即引進(jìn)技術(shù) ,消化吸收 ,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段 ,由于中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！3中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！改革開放和國家的重視 ,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善 ,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進(jìn)入市場競爭階段?？v觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別是經(jīng)過 4 個(gè) 5 年計(jì)劃的攻關(guān) ,總體來看取得的成績還是不小。（三） 、對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考(1) 戰(zhàn)略考慮。我國是制造大國 ,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 ,所以 ,我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題。首先從社會(huì)安全看 ,因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 ,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力 ,保障社會(huì)的穩(wěn)定;其次從國防安全看 ,西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對我國實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報(bào)告”就是最好的例證。(2)發(fā)展策略。從我國基本國情的角度出發(fā) ,以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo)向 ,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo) ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容 ,實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、曲型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī)、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)值低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當(dāng)然 ,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！4中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！一、畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的、意義《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》畢業(yè)設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜合運(yùn)用所學(xué)過的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是：能夠正確運(yùn)用《機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)》課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)（產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、比較、分析和計(jì)算，培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力；通過機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟；通過測試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；通過畢業(yè)設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊、標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說明書的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！5中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！二、畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容（一）畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用 XY 工作臺(tái)。已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊工作臺(tái)的有效行程為 40Lxm? 40YLm?快速進(jìn)給速度 max20/inv? max20/inyv?和工作載荷 2ZFN中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！6中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！三、數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。（一）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。（二）伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī).開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應(yīng)用。考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！7中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！動(dòng)。（三）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇采用 MCS-51 系列中的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51 單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。（四） X—Y 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(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)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。系統(tǒng)總體框圖如下:計(jì)算機(jī)光電隔離 功率放大步進(jìn)電機(jī)X 向工作臺(tái)光電隔離 功率放大步進(jìn)電機(jī) Y 向工作臺(tái)中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！8中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！圖 3-1四、機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。（一 ）確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量 δp 是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量，應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度，由中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！9中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！于定位精度為±0.01mm 因此選擇脈沖當(dāng)量為 0.01mm。（二）工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫出工作臺(tái)簡圖，估算 X 向和 Y 向工作臺(tái)承載重量 WX 和 WY。取 X 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?410mm,Y 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?400mm,設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡圖如下:圖 4-1X 向拖板(上拖板)尺寸為:長*寬*高=420*410*50重量:按重量=體積*材料比重估算為:xW= 324201507.816.58N?????Y 向拖板(下拖板)尺寸為: 4重量 = 32??上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為 239048205)7.810487.N??????夾具及工件重量:約 155N工作臺(tái)簡圖中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 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(kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命 Ln：中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！11中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！額定行程長度壽命: ()HTCaWffSFTK?（4-1）2045MF1,,.81,,oTWCHRdffffK??3 310.817502()5()4209.58HTCaWffSF km??導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命: 3102SoTHln??(4-2)3 310249.58104971506SoTln hTh?????導(dǎo)軌的工作壽命足夠.（四）滾珠絲杠計(jì)算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn 鋼，HRC58~60，導(dǎo)程：l0=5mm強(qiáng)度計(jì)算絲杠軸向力： )(,,maxyxzyxWFfKF??(N) (4-3)其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) f=0.003~0005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取 Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz 計(jì)算。取 f=0.004, 40ZF?則:maxX0.5.2161(67.58)104.6042YZNNF????中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！12中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 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21.5615.80.241.5.(/)3.40YFNlcmECMSRL????????絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差 Δ 為0 6 4110.56.22.102.[]lL um??????????E 級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。（五）齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)因步進(jìn)電機(jī)步距角 1.5ob??滾珠絲杠螺距 t=5mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量 0.1/pstep??,在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動(dòng).齒輪傳動(dòng)比： pli??360 ，步進(jìn)電機(jī)步距角：α= 1.5?/step。 (4-7)128.215.360Zilp????取小齒輪齒數(shù) 14 則大齒輪齒數(shù) 250Z?大小齒輪材料均為 45 鋼由于軟齒面齒輪工藝簡單、生產(chǎn)率高，故選擇軟齒面齒輪。因傳遞的扭距較小,取模數(shù) m=1mm 則:分度圓直徑: 124dmz?? 2150dmz??齒頂圓直徑: ()()16a?250z中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！16中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！齒根圓直徑: 1(2.5)(42.5)1.fdzmm????2.0.7.f齒寬: 14db?? 取 1b230 中心距: 20.5().5()am???分度圓壓力角: 0?大小齒輪均采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪小齒輪采用兩片薄齒輪錯(cuò)齒排列以消除間隙.雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下:1、2--薄齒輪, 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調(diào)節(jié)螺釘, 6、7—螺母雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖圖 4-3（六）步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：（1）等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！17中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 2 21013())()180pq bzJJJM??????(4-8)式中： qJ為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載； J為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 1J為齒輪１的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 2為齒輪２的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 3J為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ｍ為移動(dòng)部件的質(zhì)量。對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算： 340.781JDL????(4-9)式中 D為圓柱零件直徑， 為圓柱零件的長度。所以有： 34221234 2230.78256.710.03.4.J kgcm? ?? ??????電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有： 22 2224 0.16.4710()16.537.4)10()0.793.3458dJ kgcm? ?????????（七）步進(jìn)電機(jī)的選用(１）步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：TPs???式中 為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移， ?為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取 b???，則中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！18中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！Ｓ＝ p?，且 ()szPGP???。所以：36[()]2pszbT???(4-10)式中： sP為移動(dòng)部件負(fù)載（N） ，G 為移動(dòng)部件質(zhì)量（ N） ， zP為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N） ， ?為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， b?為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T 為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm） 。取 ?=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)） ， ?＝０.8， sP= H=279.23Ｎ。考慮到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有： 360.1[25.80.3(20180)]3.14.5.865.2.T ncm?????? ?考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩： 0.3~.5QT?(4-11)取系數(shù)為０.３，則： 65.2163.204qTncm?對于工作方式為三相６拍的步進(jìn)電機(jī)： max 163.20.86088.36.qTj nc??(２） 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 maxax1167600.pvf????為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率 maxf,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！19中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！夠大,查表選擇兩個(gè) 90BF001 型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下: 表 4-3主要技術(shù)參數(shù)型號相數(shù)步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉(zhuǎn)矩 maxjT(n.m)空載啟動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率分配方式90BF001 4 0.9 80 7 3.92 2000 8000 4 相 8 拍外形尺寸(mm)外直徑 長度 軸直徑重量kg轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Kg.m90 145 9 4.5 1764中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！20中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 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中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用８０３１芯片作為主控芯片。（三）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)（1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時(shí)序的匹配。８０３１所能讀取的時(shí)間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。于 8031 芯片的 oP口是分時(shí)傳送低 8 位地址線和數(shù)據(jù)線的，故 8031 擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是 742S373。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于 8031 芯片內(nèi)部 RAM 只有 128 字節(jié)供用戶使用，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM） 。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有 6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，這里我選用 6264(8Kx8)。（3）譯碼電路由于這里擴(kuò)展的容量較大，擴(kuò)展多個(gè)外圍芯片。因此，這里使用譯碼法來進(jìn)行編址。譯碼電路可使用現(xiàn)有的譯碼芯片，這里我們選用 3-8 譯碼器（74LS138） 。這種芯片，輸入端占用 3 根最高位地址線，剩余的 13 根低位地址線可作為片內(nèi)地址線，74LS138 譯碼器的8 根輸出線分別對應(yīng) 8 個(gè) 8K 字節(jié)的地址空間。（4）Ｉ／Ｏ擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(a).通用可編程接口芯片８１５５８０３１單片機(jī)共有４個(gè)８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用戶使用的只有Ｐ1 口及部分Ｐ3 口線。因此要進(jìn)行Ｉ／Ｏ口的擴(kuò)展。８１５５與微機(jī)接口較簡單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。（四）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！22中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)?。?）脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器 YB013。（2）光電隔離電路在步進(jìn)待年紀(jì)驅(qū)動(dòng)電路中，一般在接口電路與功率放大器之間家上光電隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電偶合器作為光電隔離電路。（3）功率放大器環(huán)型分配器的輸出脈沖很小，還遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，不許將它放大，以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這里采用的功率放大電路如下圖所示：圖 5-2 功率放大器（五）其它輔助電路設(shè)計(jì)（１）８０３１的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在 XTA 1L，XTA2L引腳上外接定時(shí)元件。如下圖所示中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！23中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！圖 5-3 時(shí)鐘電路（２）復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現(xiàn) 10ms 以上高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從 0000Ｈ單元開始執(zhí)行程序圖 5-4 復(fù)位電路中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！24中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！六、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)（一）系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實(shí)現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個(gè)部分：（1）系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。（2）零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部 I/O 設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。（3）插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。（4）伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！25中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！及方向。（5）診斷程序。包括移動(dòng)不見移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功能。（6）機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序。（7）鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。（二）系統(tǒng)控制功能分析數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)的控制功能包括：（1） 、系統(tǒng)初始化。如對 I/O 接口 8155，8255A 進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。（2） 、工作臺(tái)復(fù)位。開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。（3） 、輸入和顯示加工程序。（4） 、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。（5） 、工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。（6） 、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。（7） 、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。（8） 、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。（三）系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控 X-Y工作臺(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。（四）自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)（1）機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；（2）計(jì)算機(jī)在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！26中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！結(jié)束語《畢業(yè)設(shè)計(jì)》是我在大學(xué)里的最后一門課程。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我學(xué)會(huì)了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、如何通過改進(jìn)并加入自己的想法與觀點(diǎn)，使之成為自己的東西。并且結(jié)合生產(chǎn)知識(shí)，培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際以及分析和解決工程實(shí)際問題的才能，并中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！27中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！使大學(xué)三年所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展。在此，我對我的論文指導(dǎo)老師沈丁琦老師表示衷心的感謝，感謝他對我的嚴(yán)格要求，感謝他的監(jiān)督和指導(dǎo)。其次我要感謝這三年里給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識(shí)。最后還要感謝參考文獻(xiàn)中所列書籍、文章及資料的作者。參考資料中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！28中國機(jī)械加工網(wǎng) http://www.cnjijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)網(wǎng)站！中國機(jī)械加工社區(qū) http://www.51jijia.com ： 中國最專業(yè)的機(jī)械加工行業(yè)社區(qū)！1、 高鐘毓 《機(jī)電控制工程[M]》 清華大學(xué)出版社 2002．2、 劉助柏 《知識(shí)創(chuàng)新思維方法論[J]》機(jī)械工業(yè)出版社 19993、 宋云奪 宋云奪 《光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)的未來[J]》 《光機(jī)電信息》 2003 (12)4、 丁連紅 《機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀分析[J]》 《中國科技信息》 2007 (12)5、 張鵬萬 孫劍峰 李占平 《機(jī)電一體化中的接口技術(shù)[J]礦業(yè)工程》 2005 (06)6、 王寶敏 《談機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]》 《大眾科技》 2006 (05)7、 王維剛 《淺談機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]》 《黑龍江科技信息》 2007 (02)8、 楊春光 《我國機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢[J]》 《科技促進(jìn)發(fā)展》 2007 (03)9、 毅剛 《單片機(jī)原理與應(yīng)用[M]》高等教育出版社 200310、 張大明 彭旭昀 《尚靜基.單片微機(jī)控制應(yīng)用技術(shù)[M]》機(jī)械工業(yè)出版社 200611、 付家才 《單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù)[M]》化學(xué)工業(yè)出版社 200412、 陳小忠 黃寧 趙小俠 《單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)用子程序[M]》 人民郵電出版社 2005