1、中國礦業大學畢業設計（論文） PAGE 101目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc30372#_Toc30372 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc12806#_Toc12806 第1章 緒 論 1第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.do

2、c l _Toc14180#_Toc14180 1.1節 引言1第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc19305#_Toc19305 1.2節 數控技術的發展歷史1第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc24947#_Toc24947 1.3節 數控技術的發展及趨勢3第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面

3、電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc24947#_Toc24947 1.4節 課題研究的目的和意義8第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc24947#_Toc24947 1.5節 工作臺課題研究主要內容9第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc24947#_Toc24947 1.6節 論文的主要內容 10 HYPERLINK file:/C:Documents%

4、20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc11703#_Toc11703 第2章 設計要求11第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 2.1節 設計任務11第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 2.2節 設計參數的確定11第 HYPERLINK file:/C

5、:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 2.3節 方案的分析、比較、論證11 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 2.3.1 數控XY工作臺的總體方案設計 11 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 2.3.

6、2 進給伺服系統總體方案方框圖12 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc32682#_Toc32682 第3章 脈沖當量和傳動比的確定13第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc28548#_Toc28548 3.1節 脈沖當量的確定13第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc

7、 l _Toc7238#_Toc7238 3.2 節 傳動比的確定13第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc28164#_Toc28164 3.3節 初選步進電機13 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc277#_Toc277 第4章 絲杠的選型及計算17第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃

8、海華的說明書.doc l _Toc30503#_Toc30503 4.1 節 計算絲杠承受的質量 17第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc1667#_Toc1667 4.2 節 進給工作臺工作載荷的計算17第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc32102#_Toc32102 4.3 節 滾珠絲杠螺母副的選型和校核18 HYPERLINK file:/C:Documen

9、ts%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc6588#_Toc6588 4.3.1 最大工作載荷的計算18 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc23556#_Toc23556 4.3.2 最大動載荷的計算和主要尺寸的初選19 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc19043#_Toc19043 4.3.3 傳動效率計算20

10、 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 4.3.4 剛度驗算20 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 4.3.5 壓桿穩定性驗算23 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 4.3.6

11、滾珠絲杠螺母副的選擇24 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 第5章 導軌的選型及計算25第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 5.1 節初選導軌型號及估算導軌長度25第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _To

12、c7571#_Toc7571 5.2 節計算滾動導軌副的距離額定壽命27 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 第6章 步進電機的驗算29第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 6.1節 傳動系統等效轉動慣量計算29 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電

13、移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 6.1.1 電機轉子轉動慣量的折算29 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 6.1.2 聯軸器轉動慣量的折算29 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 6.1.3 滾珠絲杠轉動慣量的折算29 HYPERLINK file:/C:Documents%2

14、0and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 6.1.4 工作臺質量的折算29第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 6.2 節 驗算矩頻特性30第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 6.3 節 啟動矩頻特性校核33第 HYPERLINK fil

15、e:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 6.4 節 運行矩頻特性校核33 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 第7章 工作臺與PC的接口設計35第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 7.1節 接口設計35 H

16、YPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 7.1.1 8255A與步進電機的連接35 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 7.1.2 ADC與微機的連接36 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc75

17、71 7.1.3 編寫接口的初始化程序36 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc7571#_Toc7571 7.1.4 步進電機驅動程序38 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 第8章 插補程序設計40第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l

18、 _Toc20399#_Toc20399 8.1節 插補理論簡介40第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 8.2節 逐點比較法的插補原理41第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 8.3節 直線的逐點比較法插補42第 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOw

19、ner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 8.4節 圓弧的逐點比較法插補49 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 結論57 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 致謝58 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwne

20、r桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 參考文獻59 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 附錄1 英文翻譯61 HYPERLINK file:/C:Documents%20and%20SettingsOwner桌面電移臺論文黃海華的說明書.doc l _Toc20399#_Toc20399 附錄2 英文原文76第1章 緒論第1.1節 引言數控技術是集機械制造、微電子、計算機、信息處理、自動檢測、液壓與氣動技術

21、于一體的現代制造技術。它已成為制造形狀復雜、高精度、高質量產品所必備的基礎設備，已成為當今先進制造技術的一個重要組成部分。數控技術和數控裝備的整體水平標志著一個國家工業現代化水平和綜合國力的強弱，關系到一個國家的經濟發展和戰略地位。因此，大力發展以數控技術為核心的先進制造技術，已經成為世界各發達國家加速經濟發展、提高綜合國力和國家地位的重要途徑之一。第1.2節 數控技術的發展歷史1952年美國麻省理工學院(MIT)與帕森斯公司合作，為解決復雜零件的自動化加工問題，研制出世界第一臺基于電子管和繼電器的機床數控裝置，并成功應用于三軸立式銑床的控制。這臺控制裝置大約由2000多個電子管組成，大小約為

22、一個普通實驗室那么大，到現在已走過五十多年的歷程。數控系統由當初的電子管式起步，經歷了以下幾個發展階段：分立式晶體管式小規模集成電路式大規模集成電路式小型計算機式超大規模集成電路基于PC的數控系統(CNC)。70年代末、80年代初，隨著超大規模集成電路、大容量存儲器和CRT的普及應用，CNC雖然仍以微處理器為基礎，但控制功能變得更為完善，具有多功能的技術特征，尤其在軟件技術方面的發展更加迅速，具有交互式對話編程、實時軟件精度補償、三維圖形顯示或效驗等功能。在系統體系結構上開始出現了模塊化、柔性化的處理器結構，數控系統產品也初步實現了標準化、系列化。總之，到20世紀80年代數控系統的總體發展趨勢

23、是：數控裝置由NC向CNC發展；廣泛采用32位CPU組成多微處理器系統；提高系統的集成度，模塊化結構，縮小體積，便于裁剪、擴展和功能升級，來滿足不同類型數控機床的需要；驅動裝置向交流、數字化方向發展；CNC裝置向人工智能化發展；增強通信功能；采用新型的自動編程系統；數控系統可靠性不斷得到了提高。一、數控(NC)階段(1952-1969) 早期的計算機由于運算速度低，因此數控系統的控制邏輯是由專用計算機中固定接線的硬件結構實現的。這就是硬線數控系統即NC系統。隨著電子元器件的發展，這個階段經歷了三個時代:第一代數控:1952-1959年采用了電子管元件構成的專用數控系統;第二代數控：從1959年

24、開始采用晶體管電路的數控系統；第三代數控：從1965年后開始采用小、中規模集成電路的數控系統。二、數控（CNC）階段（1970-現在）1970年，小型通用計算機已經出現并投入批量生產，人們將它移植過來作為數控系統的核心部件，從此以后進入CNC軟線數控系統階段。這個階段也經歷了三個時代：第四代數控：從1970年開始采用大規模集成電路的小型通用計算機控制的系統（CNC）；第五代數控：從1974年后開始采用了微型電子計算機控制的系統（MNC）；第六代數控：從1990年開始的基于PC的數控系統。第1.3節 數控技術的發展及趨勢目前，數控技術正在發生根本性變革，由專用型封閉式開環控制模式向通用型開放式實

25、時動態全閉環控制模式發展。在集成化基礎上，數控系統實現了超薄型、超小型化；在智能化基礎上，綜合了計算機、多媒體、模糊控制、神經網絡等多學科技術，數控系統實現了高速、高精、高效控制，加工過程中可以自動修正、調節與補償各項參數，實現了在線診斷和智能化故障處理；在網絡化基礎上，數控系統與CAD/CAM集成為一體，機床聯網，實現了中央集中控制的群控加工。一、性能發展方向(1)高速高精高效化速度、精度和效率是機械制造技術的關鍵性能指標。由于采用了高速CPU芯片、RISC芯片、多CPU控制系統以及帶高分辨率絕對式檢測元件的交流數字伺服系統，同時采取了改善機床動態、靜態特性等有效措施，機床的高速高精高效化已

26、大大提高。(2)柔性化包含兩方面：數控制控系統本身的柔性，數控系統采用模塊化設計，功能覆蓋面大，可裁剪性強，便于滿足不同用戶的需求；群控系統的柔性，同一群控系統能依據不同生產流程的要求，使物料流和信息流自動進行動態調整，從而最大限度地發揮群控系統的效能。(3)工藝復合性和多軸化以減少工序、輔助時間為主要目的的復合加工，正朝著多軸、多系列控制功能方向發展。數控機床的工藝復合化是指工件在一臺機床上一次裝夾后，通過自動換刀、旋轉主軸頭或轉臺等各種措施，完成多工序、多表面的復合加工。數控技術軸，西門子880系統控制軸數可達24軸。(4)實時智能化早期的實時系統通常針對相對簡單的理想環境，其作用是如何調

27、度任務，以確保任務在規定期限內完成。而人工智能則試圖用計算模型實現人類的各種智能行為。科學技術發展到今天，實時系統和人工智能相互結合，人工智能正向著更具有實時響應的、更現實的領域發展，而實時系統也朝著具有智能行為的、更加復雜的應用發展，由此產生了實時智能控制這一新的領域。在數控技術領域，實時智能控制的研究和應用正沿著幾個主要分支發展：自適應控制、模糊控制、神經網絡控制、專家控制、學習控制、前饋控制等。例如在數控系統中配備編程專家系統、故障診斷專家系統、參數自動設定和刀具自動管理及補償等自適應調節系統，在高速加工時的綜合運動控制中引入提前預測和預算功能、動態前饋功能，在壓力、溫度、位置、速度控制

28、等方面采用模糊控制，使數控系統的控制性能大大提高，從而達到最佳控制的目的。二、功能發展方向(1)用戶界面圖形化用戶界面是數控系統與使用者之間的對話接口。由于不同用戶對界面的要求不同，因而開發用戶界面的工作量極大，用戶界面成為計算機軟件研制中最困難的部分之一。當前INTERNET、虛擬現實、科學計算可視化及多媒體等技術也對用戶界面提出了更高要求。圖形用戶界面極大地方便了非專業用戶的使用，人們可以通過窗口和菜單進行操作，便于藍圖編程和快速編程、三維彩色立體動態圖形顯示、圖形模擬、圖形動態跟蹤和仿真、不同方向的視圖和局部顯示比例縮放功能的實現。(2)科學計算可視化科學計算可視化可用于高效處理數據和解

29、釋數據，使信息交流不再局限于用文字和語言表達，而可以直接使用圖形、圖像、動畫等可視信息。可視化技術與虛擬環境技術相互結合，進一步拓寬了應用領域，如無圖紙設計、虛擬樣機技術等，這對縮短產品設計周期、提高產品質量、降低產品成本具有重要意義。在數控技術領域，可視化技術可用于CAD/CAM，如自動編程設計、參數自動設定、刀具補償和刀具管理數據的動態處理和顯示以及加工過程的可視化仿真演示等。(3)插補和補償方式多樣化多種插補方式如直線插補、圓弧插補、空間橢圓曲面插補、圓柱插補、2D+2螺旋插補、NANO插補、NURBS插補(非均勻有理B樣條插補)、樣條插補(A、B、C樣條)、極坐標插補、螺紋插補、多項式

30、插補等。多種補償功能如間隙補償、垂直度補償、象限誤差補償、螺距和測量系統誤差補償、以及與速度相關的前饋補償、溫度補償、帶平滑接近和退出以及相反點計算的刀具半徑補償等。(4)內裝高性能PLC數控系統內裝高性能PLC控制模塊，可直接用梯形圖或高級語言編程，具有直觀的在線調試和在線幫助功能。編程工具中包含用于車床銑床的標準PLC用戶程序實例，用戶可在標準PLC用戶程序基礎上進行編輯修改，從而方便地建立自己的應用程序。(5)多媒體技術應用多媒體技術集計算機、聲像和通信技術于一體，使計算機具有綜合處理聲音、文字、圖像和視頻信息的能力。在數控技術領域，應用多媒體技術可以做到信息處理綜合化、智能化，在實時監

31、控系統和生產現場設備的故障診斷、生產過程參數監測等方面有著重大的應用價值。三、體系結構的發展(1)集成化采用高度集成化的CPU、RISC芯片和大規模可編程式集成電路FPGA、EPLD、CPLD以及專用集成電路ASIC芯片，可提高數控系統的集成度和軟硬件運行速度。應用FPD平板顯示技術，可提高顯示器性能。這種平板顯示器具有科技含量高、重量輕、體積小、功耗低、便于攜帶等優點，可實現超大尺寸顯示，成為和CRT抗衡的新興顯示技術，是21世紀顯示技術的主流。應用先進封裝和互連技術，將半導體和表面安裝技術融為一體。通過提高集成電路密度、減少互連長度和數量來降低產品價格，改進性能，減小組件尺寸，提高系統的可

32、靠性。(2)模塊化硬件模塊化易于實現數控系統的集成化和標準化。根據不同的功能需求，將基本模塊，如CPU、存儲器、位置伺服、PLC、輸入輸出接口、通訊等模塊，作成標準的系列化產品，通過積木方式進行功能裁剪和模塊數量的增減，構成不同檔次的數控系統。(3)網絡化機床聯網可進行遠程控制和無人化操作。通過機床聯網，可在任何一臺機床上對其它機床進行編程、設定、操作、運行，不同機床的畫面可同時顯示在每一臺機床的屏幕上。(4)通用型開放式閉環控制模式采用了通用計算機組成總線式、模塊化、開放式、嵌入式體系結構，便于裁剪、擴展和升級，可組成不同檔次、不同類型、不同集成程度的數控系統。閉環控制模式是針對于傳統的數控

33、系統僅有的專用型單機封閉式開環控制模式提出的。由于制造過程是一個具有多變量控制和加工工藝綜合作用的復雜過程，包含諸如加工尺寸、形狀、振動、噪聲、溫度和熱變形等各種變化因素，因此，要實現加工過程的多目標優化，必須采用多變量的閉環控制，在實時加工過程中動態調整加工過程變量。加工過程中采用開放式通用型實時動態全閉環控制模式，易于將計算機實時智能技術、網絡技術、多媒體技術、伺服控制、CAD/CAM、自適應控制、動態數據管理及動態刀具補償、動態仿真等高新技術融于一體，構成嚴密的制造過程閉環控制體系，從而實現集成化、智能化、網絡化。四、我國數控技術的現狀及發展我國的數控技術由50年代末期的開發階段，經過“

34、六五”、“七五”期間的發展、“八五”的前期，初步建立起國產化體系，到“八五”的后期和“九五”期間實施產業化階段，進入市場競爭階段。在此階段，我國國產數控裝備的產業化取得了實質性進步，現已基本掌握了現代數控技術，建立了數控開發、生產基地，并初步形成了自己的數控產業。不僅僅涉及到數控系統的開放型設計問題，而且越來越多的涉及到進線、聯網的互連協議問題。“九五”末期，國產數控機床的國內市場占有率達50%，配國產數控系統(普及型)也達到了10%。“十五”以來，我國在發展高級型數控機床方面有了很大的飛躍。國家科技部將數控機床列為制造業信息化工程的三大重點之一，在科技攻關計劃和863計劃中分別安排了“精密制

35、造與數控關鍵技術應用與示范”和“數控關鍵技術與裝備產業化支撐技術及應用”項目。經過兩年多的努力，現已取得重要的階段性成果，科技部先后安排了14臺高、精、尖數控設備的研制，都是技術難度較大、進口價格很高的大型設備。其中10臺為國際20世紀90年代中期的水平，4臺為20世紀90年代末期水平。到2003年9月，已經有7臺交付使用。“十一五”時期數控機床產業的發展重點是：大型、高速、高精密數控裝備和數控系統及功能部件，改變大型、高精度數控機床大部分依賴進口的現狀。雖然我國數控技術在技術水平、產品成熟度、創新能力及產業化水平等方面存在著不足，但是我國數控機床在高端產品的生產上取得了一定的突破。目前已經可

36、以供應集成化、網絡化和柔性化的數控產品，同時我國也進入了世界高速、高精度、高精密數控機床生產國行列。在21世紀，如何使我國數控領域沿著可持續發展的道路，從整體上全面邁入世紀先列，使我們在國際競爭中占有舉足輕重的地位，將是生產廠家和數控研發部門所面臨的重要任務。第1.4節 課題研究的目的和意義機械自動化廣泛應用于社會生產的各個方面，數控機床在自動化生產的重多環節發揮著重要的作用。因此，我們要立足國內實際，加速發展具有較強競爭能力的國產高精度數控機床系統。X-Y數控平臺是這些數控設備實現高精密加工的核心部件，對于提高自動化水平起著極其重要的作用。高速、高精加工和智能化技術是數控系統的發展趨勢，研究

37、X-Y數控平臺的模型辨識及智能力/位置控制是為了滿足實際工程的需要，可以預見該課題的研究具有重要的理論價值和廣泛的應用背景。進入21世紀以來，河北省的信息產業檔次得到了不斷的提高，經濟規模也不斷擴大，創造了新的經濟增長空間，成為推動國民經濟快速增長的引擎。依據世界信息產業的發展趨勢和市場的潛在需求和河北信息產業的現實基礎，其發展重點放在信息裝備制造業、信息服務業、軟件產業。本課題的研究將提高信息產業發展，從而解決一些關鍵技術問題，提高信息產業前沿應用領域的科研水平和實力。數控平臺系統是一個十分比較復雜的多輸入多輸出非線性系統，并具有時變性和非線性的動力學特征，其控制是較為復雜的。由于測量和辨識

38、的不精確性，再加上負載的變化以及外部擾動等的影響，實際上無法得到數控平臺的完整的、精確運動學模型，因此利用模糊模型去學習、逼近數控平臺的動力學模型，進而能更好的進行力/位置控制的研究。數控平臺系統的智能化，也決定了數控平臺力/位置控制出現的必然性。該項研究成果具有重要意義，在理論上，機器系統感覺和行動促進智能機器系統的研究；在技術上，可以實現曲面跟蹤、打磨毛刺、牽引運動和裝配依從運動控制。因此，數控平臺系統的力/位置控制研究具有十分廣泛的應用價值。由此可見本課題的立題是現代裝備制造業生產發展更高的必然結果，具有十分重大的實際意義。機電一體化畢業設計在機械工程與自動化專業教學中占有重要位置，它關

39、系到學生知識的綜合運用和學生動手能力的培養及機電產品開發的能力。因此設計內容選擇很重要。基于微型計算機控制的位移臺是典型的機電一體化系統，以此為設計內容有較強的教學研究意義。為此，我選擇了這個課題，用到我所學的知識設計一個電動的位移平臺，雖然可能會沒有市面上賣的位移平臺設計的合理精確，但是也是我所學知識的一個匯總。本設計是以PC平臺為基礎的數控X-Y工作臺實驗系統，它具有直線插補和圓弧插補等數控系統所使用的常用功能，結構簡單，操作方便，控制精度相對較高, 可靠性、穩定性和實用性都很好。第1.5節 工作臺課題研究主要內容X-Y數控工作臺機電系統設計是利用單片機,存儲器及芯片等硬件組成,在控制系統

40、的硬件上編寫一定的程序以實現一定的加工功能.其基本思想是:通過圓弧或者直線插補程序以實現對零件進行幾何加工,每進行一段加工都要產生一定的脈沖以驅動電機正反轉,同時通過8255A將相應的加工進刀信息送至刀架庫中以實現以之相應的走刀,電機和刀具的相對運動所以實現了刀具對工件的加工。 機械部分的內容就是裝置的整體裝配，以及各種零件的選型，驗算，實現能夠正常裝配，正常使用。經濟型數控機床驅動電機采用步進電機，多數采用開環控制，需要選擇和計算主要機械傳動部件，如滾珠絲杠，螺母副和步進電機等，繪制機床進給傳動機構裝配圖，繪制單片機控制系統的硬件線路圖。第1.6節 論文的主要內容X-Y數控平臺系統是一種典型

41、的數控系統，對其研究具有一定的典型性。因此本文從研究數控系統模型辨識和力/位置控制方向出發，針對X-Y數控平臺系統開展研究，其具體的工作如下：第一章通過先進的國際互聯網及各種先進的檢索工具，利用了圖書館資源，查閱了大量的關于本領域的文獻資料，及時跟蹤、了解國內外數控技術、系統辨識和力/位置控制的研究現狀及動向，并對此進行了總結、概括。第二章主要介紹了本次畢業設計的要求，任務，以及各種參數的確定與各種方案的比較。第三章確定了步進電機的傳動比，以及介紹了各種步進電機。第四章介紹的是絲杠的選型以及驗算。第五章介紹的導軌的各種型號，以及導軌的選型與計算。第六章講的是步進電機型號的演算。第七章講的主要是

42、電機控制以及單片機的編程，并介紹了插補原理，并對直線插補和圓弧插補進行了編程設計。論文的最后對全文進行了總結，并對后續的工作和發展進行了展望。第2章 設計要求第2.1節 設計任務2.1.1 機械結構裝配圖，A0圖紙一張。要求重要剖面表達完整，向視表達完整，視圖適合標準。2.1.1絲杠 以及各種零件圖總共圖紙為三張A0圖第2.2節 設計參數的確定系統分辨率 0.01mm由靜止到最大快進速度過度時間 0.1s0.3s 工作臺行程 縱向 350mm 橫向 300mm最大快進速度 縱向和橫向 5m/min第2.3節 方案的分析、比較、論證2.3.1 數控XY工作臺的總體方案設計應考慮以下幾點A工作臺應

43、具有沿縱向和橫向往復運動、暫停等功能，因此數控控制系統采用連續控制系統。B在保證一定加工性能的前提下，結構應簡單，以求降低成本。因此進給伺服統采用步進電機開環控制系統。C 縱向和橫向進給是兩套獨立的傳動鏈，它們各自由各的步進電動機、聯軸器、絲杠螺X向XX向X向D 為了保證進給伺服系統的傳動精度和平穩性，選用摩擦小、傳動效率高的滾珠絲杠螺母副，并應有預緊裝置，以提高傳動剛度和消除間隙。E 為減少導軌的摩擦阻力，選用矩形滾動直線導軌。2.3.2 進給伺服系統總體方案方框圖如下頁圖2-1所示：微機微機光電隔離光電隔離功率放大功率放大步進電 機步進電 機X向Y向聯軸器聯軸器圖2-1進給伺服系統總體方案

44、方框圖第3章 脈沖當量和傳動比的確定第3.1節 脈沖當量的確定脈沖當量即系統分辨率。本設計中，0.01mm第3.2節 傳動比的確定當1時，可使步進電機直接與絲杠聯接，有利于簡化結構，提高精度。因此本設計中取1。第3.3節 初選步進電機步進電動機又稱脈沖電動機或為階躍電動機，目前，隨著電子技術，控制技術以及電動機本體的發展和變化，傳統的電機分類的間界面越來越模糊；步進電動機的傳動定義為：根據輸入的脈沖信號，每改變一次勵磁狀態就前進一定角落，若不改變勵磁狀態則保持一定的狀態而靜止；廣義的定義為，步進電動機是一種受電脈沖信號控制的無刷式直流電動機，也可看作是在一定頻率范圍內轉速與控制脈沖頻率同步的電

45、動機。步進電動機的機理是基于最基本的電磁鐵作用，其原始模型起源于1830年至1860年間。在20世紀60年代后期，隨著永磁材料的發展，各種實用型的步進電動機應運而生，半導體的發展使得步進電動機得到了廣泛的應用。我國的步進電動機開始于21世紀50年代后期，其發展過程大致經歷了四個階段：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構開發并使用少量的步進電機，以多段結構三相反應式步進電動機為主；第二階段，70年代初期反映在步進電機的生產和研究發展到了一個水平；第三階段，70年代中期至80年代后期新產品種高性能電動機層出不窮，各種混合式步進電動機及驅動器作為產品得到廣泛應用。步進電動機的

46、特點 步進電機有三大部分組成：步進電動機本體，步進電動機控制器及步進電動機驅動器。其特點如下：用數字信號直接進行開環控制，整個系統簡單廉價。 位移與輸入脈沖數相對應，步距誤差不長期積累，可以組成結構簡單又具有一定精度的開環控制系統，也可在要求更高組成閉環控制系統。無刷，電動機本體部件少，可靠性高。抑郁啟動正反轉和變速停止，影響性好。5）平滑性好，步距角選擇范圍大，停止時可有自鎖能力一、感應子式步進電機的組成步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或者線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給步進電機加一個脈沖信號，電機則轉

47、過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域中用步進電機來控制變得非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機和交流電機那樣在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。目前,生產步進電機的廠家的確不少，但具有專業技術人員，能夠自行開發，研制的廠家卻非常少，大部分的廠家只一、二十人，連最基本的設備都沒有。僅僅處于一種盲目的仿制階段。這就給戶在產品選型、使用中造成許多麻煩。簽于上述情況，現以廣泛的感應子式

48、步進電機為例，敘述其基本工作原理，希望能在選型、使用、及整機改進時對有關人員有所幫助。步進電機的驅動方法步進電動機的運行特性，不僅與步進電動機本身的特性和負載有關，而且還與配套使用的驅動電源（即驅動電路）有著十分密切的關系。選擇性能優良的驅動電源對于充分發揮步進電動機的性能是十分重要的。步進電機的驅動方法是與驅動電源有關的。驅動電源按供電方式分類，有單電壓供電、雙電壓供電、調頻調壓供電；按功率驅動部分所用元件分類，有大功率晶體管驅動、快速晶閘管驅動、門極關斷晶閘管驅動、混合驅動。步進電動機的控制方法可歸納為兩點：第一，按預定的工作方式分配個各個繞組的通電脈沖；第二，控制步進電機的速度，使它始終

49、遵循加速-勻速-減速的運動規律工作。控制繞組是按一定的通電方式工作的；為了實現這種輪流通電，必須依靠環形分配器將控制脈沖按規定的通電方式分配到各相控制繞組上；環形分配可以用硬件電路來實現，也可以由微機通過軟件進行。經分配器輸出的脈沖，未經放大時，其驅動功率很小，而步進電機繞組需要相當大的功率，即需要較大的電流才能工作。所以由環形分配器輸出的脈沖還需進行功率放大才能驅動步進電機。根據公式 其中為傳動比，為電機步距角，為滾珠絲杠導程，為脈沖當量。因為1，0.01mm，現取4mm，可得0.9o。查機電綜合設計指導表2-11，初選步進電機型號為90BF001。第4章 絲杠的選型及計算第4.1節 計算絲

50、杠承受的質量工作臺的行程為X350mm，Y300mm。工作臺尺寸一般為工作臺行程的1.1倍。所以：X3501.1385mm, Y3001.1330mm。圓整，取X390mm,Y330mm。AHAHBCA14mm B24mmC10mmH25mm一取工作臺厚度為T型槽厚度的2倍，即22550mm。工作臺質量：0 7.810-33933550.193kg,即縱向絲杠所承受的質量。因工作臺有T型槽，故取046kg。(減去3個t型槽的重量得到的大概數值)橫向絲杠所要承受的質量為工作臺質量加上拖板質量，一般以工作臺質量的3.5倍計。即3.546161kg。第4.2節 進給工作臺工作載荷的計算根據機電綜合設

51、計指導書表2-1，可得：其中，為工作臺縱向進給方向載荷，為工作臺垂直進給方向載荷，為工作臺橫向進給方向載荷。所以，第4.3節 滾珠絲杠螺母副的選型和校核滾珠絲杠螺母副初步選型的主要依據是根據最大工作載荷和最大靜載荷。初步選型后，進行軸向剛度驗算和壓桿穩定性驗算。4.3.1 最大工作載荷的計算本設計中，選用矩形滾動直線導軌。見機電綜合設計指導P16，得滾珠絲杠上的工作載荷：其中，為工作臺縱向進給方向載荷，為工作臺垂直進給方向載荷，為工作臺橫向進給方向載荷，G為移動部件重力.和分別為考慮顛覆力矩影響的實驗系數和導軌上的摩擦系數，對于矩形滾動導軌取1.1，0.005。所以，縱向： 橫向： 4.3.2

52、 最大動載荷的計算和主要尺寸的初選滾珠絲杠最大動載荷可用下式計算： 見機電綜合設計指導式（2-19）P17式中：為工作壽命，； 為絲杠轉速，；為最大切削力條件下的進給速度，可取最高進給速度的1/21/3，現取1/3；為絲杠導程；為額定使用壽命，可取15000h；為運轉狀態系數，現1.5；為絲杠工作載荷；因為， 所以，縱向： 橫向：查機電綜合設計指導書P16, 本設計選外循環滾動螺旋副:MDT 2004-2.5-T3查袖珍機械設計師手冊表P1014表19-24，根據4mm，選絲杠公稱直徑，有：因為，所以初選的絲杠螺母副合格。4.3.3 傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率為 見機電綜合設計指導公

53、式（2-20）P17式中：為絲杠螺旋升角，為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數0.0030.004,其摩擦角約等于。所以， 4.3.4 剛度驗算滾珠絲杠副的軸向變形包括絲杠的拉壓變形、絲杠與螺母之間滾道的接觸變形、絲杠的扭轉變形引起的縱向變形以及螺母座的變形和滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形。滾珠絲杠的扭轉變形較小，對縱向變形的影響更小，可忽略不計。螺母座只要設計合理，其變形量也可忽略不計，只要滾珠絲杠支承的剛度設計得好，軸承的軸向接觸變形在此也可以不予考慮。A絲杠的拉壓變形量滾珠絲杠應計算滿載時拉壓變形量，其計算公式為 見機電綜合設計指導公式（2-21）P20式中：為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸

54、或壓縮變形量（mm）；為絲杠的工作載荷(N)；為滾珠絲杠在支承間的受力長度(mm)；E為材料彈性模量，對鋼E20.6B104MPa；A為滾珠絲杠按內徑確定的截面積（mm2）；“”號用于拉伸，“”號用于壓縮。根據滾珠直徑DW2.381mm， 公式見機電一體化設計基礎P25，其中， 為絲杠公稱直徑。為絲杠底徑。 取縱向進給的絲杠長度L500mm，橫向進給的絲杠長度L450mm。所以，縱向： 橫向：B滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量該變形量與滾珠列、圈數有關，即與滾珠總數量有關，與滾珠絲杠長度無關。其計算公式：有預緊時 見機電綜合設計指導公式（2-23）P20式中：為滾珠直徑（mm）；為滾珠總數量圈數列

55、數；Z為一圈的滾珠數，（外循環）；為滾珠絲杠的公稱直徑（mm）；為滾珠絲杠的工作載荷（kgf）；為預緊力（kgf，1kgf=9.8N），取工作載荷的1/3。因為，圈數列數272.5167.5縱向： 橫向：所以，縱向： 橫向：因為滾珠絲杠有預緊力，且預緊力為工作載荷的1/3時， 值可減少一半左右。所以縱向和橫向：。C滾珠絲杠副剛度的驗算絲杠的總的變形量應小于允許的變形量。一般不應大于機床進給系統規定的定位精度值的一半。因為，縱向：橫向：機床進給系統規定的精度值為0.01mm，其一半為0.005mm。所以，總的變形量和機床進給系統規定的定位精度值的一半相差不大，故縱向和橫向的滾珠絲杠可以滿足要求。

56、4.3.5 壓桿穩定性驗算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作載荷過大，將使絲杠失去穩定而產生縱向彎曲，即失穩。失穩時的臨界載荷為 見機電綜合設計指導公式（2-24）P21式中： I為截面慣性矩，對絲杠圓截面（d1為絲杠底徑）；L為絲杠最大工作長度（mm）；E為材料彈性模量，對鋼E20.6104MPa；為絲杠支承方式系數。本設計中，絲杠為短絲杠，故支承方式選用一端軸向固定一端自由，即0.25。所以，縱向： 橫向：臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩定性安全系數，如果大于許用穩定性安全系數，則滾珠絲杠不會失穩。因此，滾珠的絲杠的壓桿穩定條件為 見機電綜合設計指導公式（2-25）P21一般取2

57、.54，考慮到絲杠自重對水平滾珠的絲杠的影響可取4。又因為，縱向：橫向：所以，縱向和橫向的滾珠絲杠都不會失穩。4.3.6 滾珠絲杠螺母副的選擇 根據最大動載荷選用，其代號為：MDT 2004-2.5-T3由機電綜合設計指導表2-13查得MDT 2004-2.5-T3的安裝連接尺寸(mm):滾珠絲桿副規格公稱直徑基本道程dmL0DDDBDDh2004204406653115.5105.7第5章 導軌的選型及計算第5.1節 初選導軌型號及估算導軌長度導軌是數控機床的重要部件之一，它在很大程度上決定數控機床的剛度，精度與精度保持性。目前的數控機床采用導軌形式的主要有：滑動導軌，滾動導軌，靜壓導軌三類

58、。滑動導軌 滑動導軌主要有：金屬對金屬，金屬對塑料，后者較為常用。后者的化學穩定性好，摩擦系數抵，靜摩擦系數小，耐磨損，耐腐蝕，吸振性好，比重小，強度大，加工成型簡單，能在任何液體或者無潤滑條件下工作。其缺點是：耐熱性差，導熱率低，須注意散熱，剛性也比較差，吸濕性大易影響尺寸的穩定，應選用在水或者油中尺寸穩定且能耐酸和弱堿的塑料。滾動導軌 1滾動導軌的技術要求兩導軌面見的不平行度不小于3m導軌平面度不小于5m滾動體的直徑差一般機床全部滾動體為2m。每組滾動體為1m；精密機床全部滾動體為1m，每組滾動體為0，5m。滾柱的錐度：0，5-1m。表面粗糙度：普通機床，磨削不抵于0，40（m），精密機床

59、磨削不抵于0，20（m）滾動導軌的結構形式按滾動體種類分，可有以下幾種；滾珠導軌。這種導軌的承載能力小，剛度低。導軌面上容易出現凹坑，但對加工精度影響不大，其材料一般為淬火鋼。滾柱導軌。它的承載能力比上述的大，適合載荷較大的機床，但滾柱導軌對安裝的偏斜較為靈敏，易引起側移和側向滑動從而使導軌磨損加快或者降低精度。滾針導軌。這種導軌的特點是尺寸小，結構緊湊。合適導軌受限的機床。動導軌的支承 在數控機床上使用的滾動導軌有兩種形式；滾動滑塊式滾柱導軌和組裝式直線滾針導軌。靜壓導軌這樣導軌的優點是：工作表面完全處于純液體摩擦狀態下，所以其摩擦系數極低，能使驅動功率降低；導軌的運動不受負載和速度的限制，

60、且低速時運動均勻，不出現爬行現象。使用的壽命小。抗振性好；承載能力大；摩擦發熱小，導軌的溫升小。它的結構形式有開式和閉式兩種。導軌為直線滾動矩形導軌，本設計中共用4條導軌，每條導軌用2個滑塊，根據縱向最大動載荷C=3710.317N,橫向最大動載荷C3771.270N，通過查機電綜合設計指導表2-10P33，初選4條導軌的型號都為GDA20TW。其部分參數如下：根據工作臺的長度和工作臺的行程，從機電綜合設計指導表2-10中查得公式。式中為支座長度；為導軌兩孔之間的距離。可算得縱向導軌的12，橫向導軌的11。估算出導軌的長度為：縱向進給的導軌長度為800mm，橫向進給的導軌為700mm。滾動導軌