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哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文
三維數(shù)控工作臺(tái)的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)
摘要
在當(dāng)前生產(chǎn)中的許多機(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。本文設(shè)計(jì)的工作臺(tái)就是基于單片機(jī)控制的三維數(shù)控工作臺(tái)。
本次研究的課題的主要內(nèi)容包括：充分利用實(shí)驗(yàn)室中廢舊的二維工作臺(tái)，通過(guò)對(duì)硬件諸如直線導(dǎo)軌，深溝球軸承，滾珠絲杠，步進(jìn)電機(jī)等的選擇并對(duì)零件的整體連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)從而組裝出一臺(tái)可運(yùn)轉(zhuǎn)的三維工作臺(tái)；利用三維建模軟件對(duì)所選擇的工作臺(tái)的各部分零件進(jìn)行建模，裝配，并對(duì)裝配好的三維工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)仿真；利用VB語(yǔ)言對(duì)插補(bǔ)程序進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)；需要完成對(duì)三維工作臺(tái)的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括對(duì)開(kāi)閉環(huán)的選擇，對(duì)80C51單片機(jī)功能的充分認(rèn)識(shí)并編寫(xiě)控制程序，充分理解、學(xué)習(xí)插補(bǔ)技術(shù)在三維數(shù)控工作臺(tái)中的應(yīng)用。
通過(guò)上述研究?jī)?nèi)容，我們可以的到一臺(tái)經(jīng)濟(jì)，實(shí)用，精密度較高的三維數(shù)控工作臺(tái)，通過(guò)與普通工作臺(tái)的比較，我們可以從中得出插補(bǔ)技術(shù)對(duì)于數(shù)控工作臺(tái)的影響。可以說(shuō)將插補(bǔ)技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代數(shù)控加工已經(jīng)是一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，因此本課題具有很高的研究?jī)r(jià)值。
關(guān)鍵詞 數(shù)控系統(tǒng)；三維工作臺(tái)；單片機(jī)；插補(bǔ)技術(shù)
Design and development of 3D NC workbench
Abstract
To study the influence of the parameters of open NC servo feed systems and spatial geometry error on the precision and find methods to realize the high precision control of numerical control (NC) system, the development of the control system of a two-axis NC worktable ,consisting of ball screws and linear roller guides, was presented in this thesis. 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 I
Abstract II
第1章 緒論 1
1.1課題研究的意義 1
1.2課題研究的現(xiàn)狀 1
1.3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) 3
2.1三維數(shù)控工作臺(tái)的工作原理介紹 3
2.2三維數(shù)控工作臺(tái)的基本結(jié)構(gòu) 3
2.3步進(jìn)電機(jī)的選擇 4
2.4絲杠的選型與校核 5
2.4.1滾珠絲杠的簡(jiǎn)單介紹 5
2.4.2滾珠絲杠的選型 7
2.4.3滾珠絲杠的校核 8
2.5直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算 9
2.5.1直線導(dǎo)軌的簡(jiǎn)單介紹 9
2.5.2直線導(dǎo)軌的選型 10
2.6聯(lián)軸器的選型 12
2.6.1聯(lián)軸器的簡(jiǎn)介 12
2.6.2聯(lián)軸器的選型 13
2.7軸承選型 14
2.8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 17
3.1 Pro/E建模軟件簡(jiǎn)介 17
3.2 Pro/E界面介紹 17
3.3零件三維建模實(shí)例介紹 18
3.3.1新建文件 18
3.3.2建立拉伸特征 19
3.3.3建立螺旋特征 20
3.3.4建立螺母副特征 20
3.3.5進(jìn)行顏色和外觀設(shè)計(jì) 21
3.4其余零件三維建模圖展示 22
3.5三維數(shù)控工作臺(tái)裝配 23
3.6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) 26
4.1逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)的簡(jiǎn)介 26
4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)的計(jì)算步驟 26
4.3數(shù)控插補(bǔ)仿真軟件的說(shuō)明 29
4.4開(kāi)環(huán)系統(tǒng)控制原理 30
4.5單片機(jī)設(shè)計(jì) 30
4.6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 49
2
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(guó)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(kāi)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(guó)產(chǎn)化，通過(guò)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(guó)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(guò)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(guó)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(kāi)放式數(shù)控系統(tǒng)就開(kāi)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(kāi)放體系結(jié)構(gòu)控制器的概念。自1990年開(kāi)始，美國(guó)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?jī)?nèi)容。其后由許多相關(guān)的研究計(jì)劃在世界各國(guó)相繼啟動(dòng)，其中較有影響的有美國(guó)的OMAC、歐洲的OSACa和日本的ONE計(jì)劃。同時(shí)，發(fā)達(dá)國(guó)家將DSP運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)融入了開(kāi)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(guò)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(kāi)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(mén)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(kāi)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(guò)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(xiě)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(jiǎn)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?jìng)鲃?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。考慮電機(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(jiǎn)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(guò)載情況來(lái)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(kāi)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^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)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(guò)控制脈沖頻率來(lái)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(chǎng)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
(Ω)
相電感
(mH)
繞組
出軸長(zhǎng)(mm)
重量
42HBS33BJ4-TR0
3
1.8°
0.21
0.4
28.5
32
串長(zhǎng)
22
200
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(jiǎn)單介紹
2.4.1.1簡(jiǎn)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(guò)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(guò)程結(jié)束后通過(guò)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(kāi)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(jiǎn)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(kāi)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(kāi)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(guò)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(lái)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(wú)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(guò)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(jiàn)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(zhǎng)。
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(jiàn)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(zhǎng)度。長(zhǎng)度主要是只絲杠全長(zhǎng)，設(shè)計(jì)師主要是根據(jù)工作長(zhǎng)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(guó)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(guó)外產(chǎn)品一律以C0-C10來(lái)表示，一般來(lái)說(shuō)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(cè)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)
d
I
Da
D
A
B
L
W
X
H
n
Ca
Coa
K
SFUO1204-4
12
4
2.5
24
40
10
40
32
4.5
30
4
593
1129
12
圖2-3 滾珠絲杠型號(hào)參數(shù)圖
初選X軸,Y軸,Z軸長(zhǎng)度為337mm，其中工作長(zhǎng)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η=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(jiǎn)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(lái)替代有槽的滑動(dòng)導(dǎo)軌，所以選擇最簡(jiǎn)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
=0.0038<0.005
因此符合設(shè)計(jì)要求。
2.5直線導(dǎo)軌的選型與計(jì)算
2.5.1直線導(dǎo)軌的簡(jiǎn)單介紹
直線導(dǎo)軌（ VAV linear slider）可分為：滾輪直線導(dǎo)軌，圓柱直線導(dǎo)軌，滾珠直線導(dǎo)軌，三種，是用來(lái)支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，按給定的方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。依按摩擦性質(zhì)而定，直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌可以分為滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等種類。
直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)的作用是用來(lái)支撐和引導(dǎo)運(yùn)動(dòng)部件，按給定的方向做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。依按摩擦性質(zhì)而定，直線運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌可以分為滑動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、滾動(dòng)摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等種類。 直線軸承主要用在自動(dòng)化機(jī)械上比較多,像德國(guó)進(jìn)口的機(jī)床,折彎?rùn)C(jī),激光焊接機(jī)等等,當(dāng)然直線軸承和直線軸是配套用的。像直線導(dǎo)軌主要是用在精度要求比較高的機(jī)械結(jié)構(gòu)上。
直線導(dǎo)軌具有自動(dòng)調(diào)心能力：來(lái)自圓弧溝槽的DF(45-°45)°組合，在安裝的時(shí)候，即由鋼珠的彈性變形及接觸點(diǎn)的轉(zhuǎn)移，即使安裝面多少有些偏差，也能被線軌滑塊內(nèi)部吸收，產(chǎn)生自動(dòng)調(diào)心能力之效果而而得到高精度穩(wěn)定的平滑運(yùn)動(dòng)。
直線導(dǎo)軌具有互換性：由于對(duì)生產(chǎn)制造精度嚴(yán)格管控，直線導(dǎo)軌尺寸能維持在一定的水準(zhǔn)內(nèi)，且滑塊有保持器的設(shè)計(jì)以防止鋼珠脫落，因此部份系列精度具可互換性，客戶可依需要訂購(gòu)導(dǎo)軌或滑塊，亦可分開(kāi)儲(chǔ)存導(dǎo)軌及滑塊，以減少儲(chǔ)存空間。
直線導(dǎo)軌主要應(yīng)用于精度要求比較高的機(jī)械結(jié)構(gòu)上,直線導(dǎo)軌的移動(dòng)元件和固定元件之間不用中間介質(zhì)，而用滾動(dòng)鋼球。因?yàn)闈L動(dòng)鋼球適應(yīng)于高速運(yùn)動(dòng)、摩擦系數(shù)小、靈敏度高，滿足運(yùn)動(dòng)部件的工作要求，如機(jī)床的刀架，拖板等。如果作用在鋼球上的作用力太大，鋼球經(jīng)受預(yù)加負(fù)荷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，導(dǎo)致支架運(yùn)動(dòng)阻力增大。
2.5.2直線導(dǎo)軌的選型
通常直線導(dǎo)軌的選用必須根據(jù)使用條件，負(fù)載能力，和預(yù)期壽命進(jìn)行選用。所謂使用條件是指應(yīng)用何種設(shè)備，精度要求，剛度要求，復(fù)核方式，行程，運(yùn)行速度，使用頻率，使用環(huán)境等因素。根據(jù)條件選擇合適的直線導(dǎo)軌。各個(gè)不同的廠家對(duì)導(dǎo)軌的系列劃分不同。
選型具體步驟如下圖所示：
圖2-4導(dǎo)軌選型步驟圖
在選用的過(guò)程中可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果隨時(shí)返回到前面的步驟重新進(jìn)行選擇和設(shè)定。計(jì)算滑塊最大負(fù)荷時(shí)要確認(rèn)選用的直線導(dǎo)軌靜安全系數(shù)應(yīng)該超過(guò)推薦表中所列數(shù)值。如果所選用的直線導(dǎo)軌副剛性不足，可以提高預(yù)壓力，加大選用尺寸或滑塊數(shù)量。
根據(jù)以上選型方法我們選擇上海機(jī)電設(shè)備有限公司生產(chǎn)的MGN9C型直線導(dǎo)軌具體參數(shù)如下所示：
表2-3直線導(dǎo)軌型號(hào)參數(shù)表
型號(hào)
H
N
W
B
Bt
C
L1
L
H2
Wr
HR
D
h
d
P
MGN9C
10
5.5
20
15
2.5
10
18.9
28.9
1.8
9
6.5
6
3.5
3.5
20
圖2-5直線導(dǎo)軌參數(shù)圖
根據(jù)研究要求我們選擇直線導(dǎo)軌長(zhǎng)度為300mm，共需要采購(gòu)6個(gè)直線導(dǎo)軌。
圖2-6直線導(dǎo)軌
2.6聯(lián)軸器的選型
2.6.1聯(lián)軸器的簡(jiǎn)介
用來(lái)聯(lián)接不同機(jī)構(gòu)中的兩根軸（主動(dòng)軸和從動(dòng)軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機(jī)械零件。在高速重載的動(dòng)力傳動(dòng)中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動(dòng)態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動(dòng)軸和從動(dòng)軸聯(lián)接。一般動(dòng)力機(jī)大都借助于聯(lián)軸器與工作機(jī)相聯(lián)接。
根據(jù)聯(lián)軸器內(nèi)部是否含有彈性元件可分為：
（1）剛性聯(lián)軸器：
固定式--對(duì)中性要求高
可移式--可以補(bǔ)償各種偏移
（2）彈性聯(lián)軸器：可以補(bǔ)償各種偏移，緩沖吸振。
2.6.1.1剛性聯(lián)軸器
1．固定式剛性聯(lián)軸器要求兩軸對(duì)中性好
(l)夾殼式聯(lián)軸器
由兩個(gè)半圓形的鑄鐵夾殼組成并用螺栓鎖緊，主要靠摩擦力傳遞扭矩，為傳動(dòng)可靠，可加一平鍵。特點(diǎn)：拆裝方便，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳遞力矩不大，一般用于d＜200mm的軸。
(2)凸緣聯(lián)軸器
由兩個(gè)帶有凸緣的半聯(lián)軸器用螺栓聯(lián)接而成，半聯(lián)軸器軸用鍵聯(lián)接。
對(duì)中形式：凸肩對(duì)中，對(duì)中性好；剖分環(huán)對(duì)中，裝拆方便。
螺栓聯(lián)接：精制螺栓聯(lián)接，間隙靠摩擦力；鉸制孔用螺栓，緊配合靠擠壓剪切。
常用材料：HT28-48或碳鋼，重載或 V＞30m/s時(shí)應(yīng)用鑄鋼或鍛鋼。
特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能傳遞較大的扭矩,應(yīng)用很廣,適用于軸的剛性大,對(duì)中性較好的場(chǎng)合。
2．可移式剛性聯(lián)軸器
具有可移性,可補(bǔ)償兩軸間的偏移。
（1）十字滑塊聯(lián)軸器
由兩個(gè)帶有凹槽的半聯(lián)軸器和一個(gè)兩端面均帶有相互垂直齒牙的圓盤(pán)組成。
常用材料：45號(hào)鋼，工作表面經(jīng)熱處理。
適用于轉(zhuǎn)速 n＜250rpm，軸的剛性大的場(chǎng)合。
（2） 滑塊聯(lián)軸器
將滑塊改為方塊，用尼龍或夾布膠木做成。適用于小功率、轉(zhuǎn)速、劇烈沖進(jìn)處。
（3） 萬(wàn)向聯(lián)軸器，適用于低速
由兩個(gè)叉形接頭和十字頭組成。單萬(wàn)向聯(lián)軸器當(dāng)主動(dòng)軸等速回轉(zhuǎn)時(shí)，從動(dòng)軸在做周期性變速回轉(zhuǎn)，為此改用雙萬(wàn)向聯(lián)軸器，能保證從動(dòng)軸與主動(dòng)軸等角速度回轉(zhuǎn)。
材料：合金鋼，熱處理提高耐磨性。
特點(diǎn)：允許兩軸有較大的夾角α可達(dá)35°～43°,而且機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)夾角變化并不影響傳動(dòng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單維修方便。適用于汽車、拖拉機(jī)，多頭鉆床，液力傳動(dòng)機(jī)車、發(fā)電機(jī)。
（4） 齒輪聯(lián)軸器
由兩個(gè)帶有內(nèi)齒及凸緣的外套簡(jiǎn)和兩個(gè)帶有外齒的內(nèi)套筒組成,靠?jī)?nèi)外齒嚙合傳遞扭矩。
外齒齒頂做成橢球面，齒頂齒側(cè)留有較大間隙。
材料：45號(hào)鋼或tG45 采用漸開(kāi)線齒形，α＝20°，t＝30～80
特點(diǎn)：能傳遞很大扭矩，安裝精度要求不高，零件有較大綜合位移。
在重型機(jī)械軋鋼機(jī)、蝸輪機(jī)、減速箱輸出軸、汽輪發(fā)電機(jī)中廣泛應(yīng)用，已標(biāo)準(zhǔn)化。
2.6.1.2彈性聯(lián)軸節(jié)
主要分為彈性圓柱銷聯(lián)軸器，尼龍柱銷聯(lián)軸器，輪胎聯(lián)軸器。
2.6.2聯(lián)軸器的選型
一般聯(lián)軸器的選用原則為：
（1）低速剛性大的短軸可選用固定式剛性聯(lián)軸器。
（2）低速剛性小的長(zhǎng)軸可選用可移式剛性聯(lián)軸器：
傳遞扭距較大時(shí)，選齒輪聯(lián)軸器。軸線交叉時(shí)，選用萬(wàn)向聯(lián)軸器。
（3）高速有振動(dòng)和經(jīng)常正反轉(zhuǎn)時(shí)選用彈性聯(lián)軸器。
根據(jù)以上選用原則，我們選擇名揚(yáng)公司生產(chǎn)的SXC-25型聯(lián)軸器。 如表2-4及圖2-7所示為十字滑塊聯(lián)軸器參數(shù)表及參數(shù)圖。
表2-4聯(lián)軸器參數(shù)表
型號(hào)
內(nèi)孔軸頸
D
L
L1
L2
H
M
鎖緊
扭矩
最小
最大
SXC-25
5
10
25
39
17
3.8
12
M3
1.5
圖2-7十字滑塊聯(lián)軸器參數(shù)圖
圖2-8十字滑塊聯(lián)軸器
2.7軸承選型
根據(jù)軸頸及研究需要我們選擇SKF公司生產(chǎn)的深溝球軸承，型號(hào)為SKF61800。軸承具體參數(shù)如下所示：
表2-5深溝球軸承軸承參數(shù)
型號(hào)
d
mm
D
mm
B
mm
C
kN
C0
kN
PU
額定
轉(zhuǎn)速
限制
轉(zhuǎn)速
61800
10
19
5
1.38
0.585
0.225
80000
48000
圖2-9深溝球軸承參數(shù)圖
圖2-10深溝球軸承
2.8本章小結(jié)
本章主要介紹了三維數(shù)控工作臺(tái)的導(dǎo)軌，電機(jī)，滾珠絲杠，聯(lián)軸器，軸承等硬件設(shè)計(jì)，并列舉出參數(shù)及實(shí)物圖片，對(duì)整個(gè)工作臺(tái)的運(yùn)行原理及連接基本結(jié)構(gòu)作出了詳細(xì)的說(shuō)明，為后續(xù)建模及對(duì)插補(bǔ)技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)。
第3章 三維數(shù)控工作臺(tái)的Pro/E三維建模
3.1 Pro/E建模軟件簡(jiǎn)介
Pro/Engineer 是美國(guó)PTC公司的產(chǎn)品，于1988年問(wèn)世。10多年來(lái)，經(jīng)歷20余次的改版，已成為全世界及中國(guó)地區(qū)最普及的3D CAD/CAM系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)軟件，廣泛應(yīng)用于電子、機(jī)械、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車、航天、家電、玩具等行業(yè)。 Pro/E是全方位的3D產(chǎn)品開(kāi)發(fā)軟件包，和相關(guān)軟件Pro/DESINGER（造型設(shè)計(jì)）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具開(kāi)發(fā)、加工制造、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)、逆向工程、自動(dòng)測(cè)量、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫(kù)管理等功能，從而使用戶縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間并簡(jiǎn)化了開(kāi)發(fā)的流程；國(guó)際上有27000多企業(yè)采用了PRO/ENGINEER軟件系統(tǒng)，作為企業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)軟件進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)。
Pro/Engineer主要的應(yīng)用有：
(1) 產(chǎn)品外觀造型
(2) 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)建模
(3) 動(dòng)態(tài)仿真
3.2 Pro/E界面介紹
如圖3-1所示為Pro/E用戶界面：
1.零件顯示區(qū)---為該軟件的主畫(huà)面，用來(lái)顯示零件的三維幾何形狀。
2.下拉式菜單---位于界面的最上方，含有多個(gè)種類命令如文件、編輯、視圖、插入、分析、信息、應(yīng)用程序、工具、窗口、幫助等。每個(gè)菜單含有多個(gè)子菜單，單擊時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)或多個(gè)對(duì)話框，這些對(duì)話框一般用來(lái)輸入?yún)?shù)，用來(lái)滿足用戶進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)的整體環(huán)境。
3.工具欄圖標(biāo)---位于下拉式菜單的下方，將下拉式菜單中常用的功能以圖標(biāo)顯示出來(lái)。
4.特征圖標(biāo)區(qū)---位于主畫(huà)面右側(cè)，方便用戶快速選擇所需的操作命令，以進(jìn)行特征創(chuàng)建。
5.動(dòng)作提示區(qū)---在進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)，在圖標(biāo)版上方會(huì)提示用戶正在進(jìn)行的工作或者要求用戶輸入必要的數(shù)據(jù)，并響應(yīng)命令執(zhí)行的情形。
6.過(guò)濾器---在進(jìn)行零件設(shè)計(jì)時(shí)主窗口的右上角有一個(gè)過(guò)濾器，用于指定要選取的幾何圖元為哪個(gè)。
工具欄圖標(biāo)
下拉式菜單
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圖3-1 Pro/E用戶界面
3.3零件三維建模實(shí)例介紹
首先打開(kāi)Pro/E界面如圖3-1所示。接下來(lái)我們以滾珠絲杠為例介紹零件的三維建模過(guò)程。
3.3.1新建文件
（1） 打開(kāi)操作界面，點(diǎn)擊下來(lái)菜單中的文件，點(diǎn)擊新建，在彈出的對(duì)話框中點(diǎn)擊零件選項(xiàng)，勾選掉使用缺省模板選項(xiàng)，輸入文件名稱“sigang”,在新出現(xiàn)的界面中選擇mmns_part_solid.prt之后進(jìn)入操作界面。
（2）在操作界面中選擇front界面作為主要草繪界面，選擇right界面作為參照界面。如圖3-2所示為新建文件夾界面。
圖3-2新建文件界面
3.3.2建立拉伸特征
（1）在建立完新的文件之后，我們開(kāi)始進(jìn)行草繪首先在特征圖標(biāo)區(qū)點(diǎn)擊圓，在草繪區(qū)畫(huà)一個(gè)圓，點(diǎn)擊滑鼠中鍵并設(shè)定圓的直徑為10mm.點(diǎn)擊確認(rèn)，結(jié)束草繪。
（2）在新出現(xiàn)的界面中點(diǎn)擊拉伸，并設(shè)置拉申長(zhǎng)度為337mm，點(diǎn)擊確認(rèn)，結(jié)束拉伸。如圖3-3所示為建立拉伸界面。
圖3-3建立拉伸特征
3.3.3建立螺旋特征
（1）點(diǎn)擊插入--螺旋掃描—伸出項(xiàng)，在彈出的對(duì)話框中選擇基準(zhǔn)面，點(diǎn)選right面作為基準(zhǔn)面，進(jìn)入草繪界面。
（2）在right面的中間部位畫(huà)一條中心線，在最左邊地方畫(huà)一條直線，直線長(zhǎng)度為290mm。在直線的兩端地方處分別各畫(huà)一條圓弧，并設(shè)置圓弧端點(diǎn)距離中心線的長(zhǎng)度為2mm。右鍵點(diǎn)擊下方圓弧端點(diǎn)在新出現(xiàn)的菜單中選擇作為起點(diǎn)。點(diǎn)擊確定完成軌跡的草繪。
（3）在接下來(lái)的步驟中輸入4作為螺距。點(diǎn)擊確定。
（4）再次進(jìn)入草繪界面開(kāi)始繪制螺紋的截面。以中心線為底繪制上底為0.8，下底為1.5，高為1的等腰梯形，點(diǎn)擊確認(rèn)。
（5）點(diǎn)擊預(yù)覽，查看效果，無(wú)誤后點(diǎn)擊確定完成對(duì)螺旋的三維建模。
圖3-4建立螺旋特征
3.3.4建立螺母副特征
（1）在離最左端圓柱面出建立新的基準(zhǔn)平面，以此新建平面為基準(zhǔn)面建立草繪平面。開(kāi)始草繪首先畫(huà)一個(gè)直徑為13mm的小圓，在畫(huà)一個(gè)直徑為24mm的大圓，點(diǎn)擊確定。完成草繪，點(diǎn)擊拉伸，設(shè)置拉伸深度為30mm點(diǎn)擊完成。
（2）在所完成的實(shí)體右端建立新的基準(zhǔn)平面開(kāi)始新的草繪。首先畫(huà)一個(gè)直徑為13的小圓，再畫(huà)一個(gè)直徑為40的大圓，對(duì)大圓進(jìn)行修剪與切割，使其形成一個(gè)大體類似于橢圓的形狀如圖所示，進(jìn)行拉伸。點(diǎn)擊完成，完成拉伸特征。
（3）點(diǎn)擊實(shí)體進(jìn)入草繪界面，點(diǎn)擊創(chuàng)建孔特征，草繪孔，點(diǎn)擊拉伸，拉伸特征設(shè)置為通孔，點(diǎn)擊結(jié)束。在左側(cè)模型樹(shù)中將上面的草繪與拉伸特征進(jìn)行和并。點(diǎn)擊陣列，設(shè)置角度為30度，點(diǎn)擊完成，完成左側(cè)陣列特征。全選特征進(jìn)行鏡像特征，完成鏡像，結(jié)束螺母副的繪制。
圖3-5建立絲杠螺母副
3.3.5進(jìn)行顏色和外觀設(shè)計(jì)
（1）單擊視圖下拉菜單，選擇顏色和外觀按鈕，彈出外觀編輯器工具欄
（2）根據(jù)所繪制工件顏色和材料特征選擇圖3-6中指示顏色方案，再調(diào)節(jié)其顏色、亮度等特性。
（3）點(diǎn)擊所要選擇涂色的位置，按鼠標(biāo)中鍵結(jié)束涂色。完成滾珠絲杠的總體繪制。如圖3-6所示為顏色設(shè)計(jì)界面。
圖3-6顏色設(shè)計(jì)界面
圖3-7滾珠絲杠三維建模圖
3.4其余零件三維建模圖展示
以下為直線導(dǎo)軌，軸承，聯(lián)軸器的三維建模圖和其爆炸圖：
圖3-8直線導(dǎo)軌三維建模圖
圖3-9十字滑塊聯(lián)軸器三維爆炸圖
3.5三維數(shù)控工作臺(tái)裝配
在繪制完所有零件圖之后我們需要對(duì)零件進(jìn)行裝配，從而形成完整的三維建模圖。以下為裝配步驟：
（1）新建文件點(diǎn)擊組件，輸入名稱“zhuangpeitu”，點(diǎn)擊確認(rèn)，開(kāi)始進(jìn)行零件組裝。
（2）在新出現(xiàn)的界面中點(diǎn)擊插入元件，首先插入工作臺(tái)面。繼續(xù)點(diǎn)擊插入元件，插入導(dǎo)軌1。分別對(duì)工作臺(tái)面和直線導(dǎo)軌運(yùn)用對(duì)齊和匹配命令使其裝配在一起。同樣再次點(diǎn)擊插入元件命令對(duì)直線導(dǎo)軌2進(jìn)行裝配，完成工作臺(tái)面與直線導(dǎo)軌的裝配。
（3）點(diǎn)擊插入元件，插入端蓋1，點(diǎn)擊匹配命令，輸入偏移量為7mm，點(diǎn)擊對(duì)齊命令，使工作臺(tái)面的端孔軸線與端蓋的端孔軸線對(duì)齊，點(diǎn)擊確認(rèn)。同樣原理插入端蓋2，使用匹配和對(duì)齊命令完成對(duì)兩個(gè)端蓋的裝配。
（4）點(diǎn)擊插入元件，插入軸承1，點(diǎn)擊匹配命令使軸承端面與端蓋面相匹配，點(diǎn)擊對(duì)齊命令使軸承軸線與端蓋軸線相對(duì)齊，點(diǎn)擊確認(rèn)，同樣原理插入軸承2，分別使用匹配和對(duì)齊命令完成深溝球軸承軸承的裝配。
（5）點(diǎn)擊插入元件，插入滾珠絲杠，點(diǎn)擊匹配，使絲杠一端與軸承1的內(nèi)圈相配合。再次點(diǎn)擊匹配，使絲杠另一端與軸承2相匹配。點(diǎn)擊添加約束，點(diǎn)擊對(duì)齊，將絲杠軸線與兩個(gè)軸承中心線相對(duì)齊，完成滾珠絲杠的裝配。
（6）點(diǎn)擊插入元件，插入絲杠螺母座，點(diǎn)擊對(duì)齊，使絲杠螺母副上左端螺孔與螺母座上左端螺孔相對(duì)齊。點(diǎn)擊匹配命令，使絲杠螺母副與螺母座相配合。點(diǎn)擊添加約束，再次點(diǎn)擊對(duì)齊，使絲杠軸線與螺母座軸線相對(duì)齊，點(diǎn)擊確認(rèn)完成對(duì)螺母座的裝配。
（7）點(diǎn)擊插入元件，插入工作板，點(diǎn)擊匹配命令使工作板底面與螺母座頂面相匹配。點(diǎn)擊對(duì)齊命令，使工作板上的螺栓孔與螺母座上的螺栓孔相對(duì)齊，點(diǎn)擊確定，完成了工作板的裝配。
（8）點(diǎn)擊插入元件，插入聯(lián)軸器，點(diǎn)擊匹配命令使絲杠軸端與聯(lián)軸器大徑端相匹配。點(diǎn)擊對(duì)齊命令使聯(lián)軸器軸線與絲杠軸線相匹配，點(diǎn)擊確認(rèn)，完成了聯(lián)軸器的裝配。
（9）點(diǎn)擊插入元件，插入連接板，點(diǎn)擊匹配命令使連接板端面與工作臺(tái)面相匹配，點(diǎn)擊對(duì)齊命令，使連接板上螺紋孔與工作臺(tái)面上螺紋孔軸線相對(duì)齊，點(diǎn)擊確認(rèn)，完成了對(duì)連接板的裝配。
（10）點(diǎn)擊插入元件，插入步進(jìn)電機(jī)，點(diǎn)擊匹配命令，使步進(jìn)電機(jī)出軸端與聯(lián)軸器小徑端相匹配，點(diǎn)擊對(duì)齊命令使電機(jī)出軸端軸線與聯(lián)軸器軸線相對(duì)齊，點(diǎn)擊確認(rèn)命令，完成步進(jìn)電機(jī)的裝配。
通過(guò)以上命令，我們已經(jīng)成功完成了X軸的裝配任務(wù)，運(yùn)用相同的原理我們將Y軸及Z軸裝配完成。并運(yùn)用對(duì)齊和匹配命令將三個(gè)軸裝配到一起，完成了整個(gè)三維數(shù)控工作臺(tái)的裝配，裝配圖如下所示：
圖3-10三維數(shù)控工作臺(tái)裝配圖
3.6本章小結(jié)
本章主要介紹了基于所設(shè)計(jì)的三維工作臺(tái)進(jìn)行的PRO/E建模。詳細(xì)介紹絲杠零件的實(shí)體建模過(guò)程，展示了導(dǎo)軌，軸承，聯(lián)軸器的建模圖片。詳細(xì)說(shuō)明了三維工作臺(tái)的裝配步驟，并展示了最終裝配圖片，為后續(xù)研究工作提供了建模依據(jù)。
第4章 三維工作臺(tái)的軟件及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
4.1逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)的簡(jiǎn)介
對(duì)于連續(xù)切削的CNC機(jī)床，不僅要求工作臺(tái)準(zhǔn)確定位，還必須控制刀具相對(duì)于工件以一定的進(jìn)給速度，沿一定的路徑運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行切削作業(yè)，并且要保證切削過(guò)程中每一點(diǎn)的精度及其粗糙度，這就取決于插補(bǔ)功能。當(dāng)數(shù)控機(jī)床要加工一段曲線時(shí)，應(yīng)用插補(bǔ)技術(shù)，用每一段小折線來(lái)近似代替圓弧線。插補(bǔ)的實(shí)質(zhì)就是通過(guò)給定的要加工直線的有限信息，計(jì)算出刀具的一系列要加工點(diǎn)，完成細(xì)化數(shù)據(jù)的工作，從而保證數(shù)控機(jī)床加工的精密度。
逐點(diǎn)比較法的基本思想是計(jì)算機(jī)在控制加工過(guò)程中，能逐點(diǎn)地計(jì)算和判別加工偏差，以控制坐標(biāo)進(jìn)給，按規(guī)定的徒刑加工出所需要的文件，用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)火電業(yè)脈沖馬達(dá)拖動(dòng)機(jī)床，其進(jìn)給方式使步進(jìn)的。插補(bǔ)器每走完一步要完成四個(gè)工作節(jié)拍：
偏差判別。判別加工店對(duì)規(guī)定徒刑的偏離位置，決定進(jìn)給方向。
坐標(biāo)進(jìn)給。控制工作臺(tái)沿某個(gè)坐標(biāo)進(jìn)給一步，縮小偏差，趨近規(guī)定圖形。
偏差計(jì)算。計(jì)算新的加工點(diǎn)對(duì)規(guī)定圖形的偏差，作為下一步判別的依據(jù)。
終點(diǎn)判別。判斷是否到達(dá)終點(diǎn)，若到達(dá)終點(diǎn)就停止插補(bǔ)，否則再回到第一拍重復(fù)上述循環(huán)行動(dòng)過(guò)程。
這種算法的特點(diǎn)是運(yùn)算直觀，插補(bǔ)誤差小于一個(gè)脈沖當(dāng)量，輸出脈沖均勻，且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便，因此在坐標(biāo)數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用較為普遍。逐點(diǎn)比較法可以做直線插補(bǔ)也可以做圓弧插補(bǔ)。
4.2逐點(diǎn)比較法直線插補(bǔ)的計(jì)算步驟
用逐點(diǎn)比較法進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算，每走一步，都需要以下四個(gè)步驟：
a.偏差判別：判別偏差或,從而決定哪個(gè)方向進(jìn)給和采用哪個(gè)偏差計(jì)算公式。
b.坐標(biāo)進(jìn)給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號(hào)，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個(gè)方向進(jìn)給。
c.偏差計(jì)算：進(jìn)給一步后，計(jì)算新的加工偏差。
d.終點(diǎn)判別：進(jìn)給一步后，終點(diǎn)計(jì)數(shù)器減1。若為零，表示到達(dá)終點(diǎn)停止插補(bǔ)；不為零，則返回到第一步繼續(xù)插補(bǔ)。終點(diǎn)計(jì)數(shù)判別可用兩個(gè)方向坐標(biāo)值來(lái)判斷，也可由一個(gè)方向的坐標(biāo)值來(lái)判斷。當(dāng)XE>YE，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)XE
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