CK6163縱向進給系統(tǒng)設(shè)計【含3張CAD圖紙】
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附錄 外文文獻翻譯
外文原文
中文翻譯
IPMC致動器驅(qū)動的無閥微型泵設(shè)計及其在低雷諾數(shù)下的流量估計
Sangki Lee and Kwang J Kim
活性材料和加工實驗室，機械工程學(xué)院，內(nèi)華達大學(xué)
摘要
本文介紹了由IPMC （離子高分子金屬復(fù)合材料）驅(qū)動器驅(qū)動的無閥微型泵的設(shè)計和流量估計。應(yīng)當(dāng)指出的是，對于微型泵應(yīng)用來說，IPMC是一種非常有前途的材料，因為它可以用低輸入電壓控制并產(chǎn)生較大的存儲容量，同時可以對流速進行控制。使用IPMC的微型泵制造工藝簡單；可以預(yù)計IPMC微型泵的制造成本與其他技術(shù)相比是非常有競爭力的。為了有效地設(shè)計一個作為微型泵的驅(qū)動馬達的IPMC隔膜，利用有限元分析（FEA）對IPMC隔膜的電極形狀進行優(yōu)化并且對他的存儲容量進行估計。此外，利用數(shù)值研究泵室壓力對存儲容量產(chǎn)生的影響。同時也研究無閥微型泵的適當(dāng)?shù)倪M出口，噴嘴/擴散元件。以選定幾何形狀的噴嘴/擴散元件和IPMC隔膜的估計存儲容量為基礎(chǔ)，在50左右的低雷諾系數(shù)下對微型泵的流量進行估計。
1. 介紹
微型泵是非常有吸引力的設(shè)備，因為它們可以被用來作為配藥治療器具，冷卻微電子系統(tǒng)，發(fā)展微小全分析系統(tǒng)，推進微型航天器等[1-3]。 對于這樣的各種各樣的應(yīng)用，許多類型的微型泵已經(jīng)開發(fā)，但一般分為兩類：機械微型泵（即壓電式，靜電式，熱氣動式，磁式等）和非機械微型泵（即電滲式，電泳式，電流體動力式，磁流體動力式等）。與此同時，基于進出口機構(gòu)不同，各類微型泵也分為閥式微型泵和無閥微型泵[1,2,4]。無閥微型泵，使用噴嘴/擴散元件，很容易制成小體積且可避免磨損和疲勞的移動部件。
為了使機械種類的微型泵產(chǎn)生存儲空間，隔膜被廣泛應(yīng)用[1,2]。壓電驅(qū)動隔膜通常產(chǎn)生高驅(qū)動力和快速的機械響應(yīng)，但是他們需要高的輸入電壓。隔膜產(chǎn)生的存儲空間相對較小。熱氣動式驅(qū)動隔膜[7]需要低輸入電壓，產(chǎn)生高泵率，而且結(jié)構(gòu)可以非常接湊，但是高功率消耗和較長的熱時間常數(shù)是其主要缺點。靜電驅(qū)動隔膜[8]有快速響應(yīng)時間，微電機械系統(tǒng)（MEMS）兼容性好和低功率消耗的優(yōu)點，但是小的驅(qū)動器行程，較差的降解性能和高輸入電壓是使用這一隔膜的主要阻礙。電磁驅(qū)動隔膜[9]有較快速的相應(yīng)時間，但他們沒有得到很好的與MEMS兼容并且需要高能耗。
IPMC[10-15]是一種新型的，非常有前途的材料用于微型泵的驅(qū)動隔膜。機電驅(qū)動的IPMC在低輸入電壓下（～2V）有能力產(chǎn)生更大的彎曲變形（超過1%的彎曲應(yīng)變），并不僅可以在液體中操作，而且可以在空氣當(dāng)中[16]。此外，使用IPMC的微型泵制造工藝簡單。預(yù)計使用IPMC的微型泵制造成本與上文所述其他技術(shù)相比有非常強大的競爭力。
在這項研究中，介紹了IPMC致動器驅(qū)動的無閥微型泵系統(tǒng)設(shè)計方法。IPMC加上Nafion膜被認(rèn)為是最好的驅(qū)動隔膜材料。為了估計圓形IPMC隔膜的變形形狀，應(yīng)用有限元法（FEM），利用雙晶片梁模型[17]相當(dāng)于IPMC致動器。使用這種模型，對多個參數(shù)進行研究，來確定IPMC隔膜的最佳電極形狀并研究壓力對存儲容量的影響。此外，對最佳的IPMC隔膜進行普通的模態(tài)分析來評估共振對存儲容量的影響。對無閥進出口部分，基于流動阻力系數(shù)方程，使用錐形的噴嘴/擴散元件[18-20]?？紤]選定幾何形狀的噴嘴/擴散元件和最佳IPMC隔膜存儲容量的影響，對無閥式微型泵的流量進行估計。
2. 設(shè)計一個有效的IPMC隔膜
2.1．等效雙晶片梁模型
對IPMC隔膜進行數(shù)值模擬并分析在輸入電壓下產(chǎn)生的變形。進行數(shù)值分析，商業(yè)有限元分析（FEA）程序-MSC/NASTRAN [21]，配合使用于等效雙晶片梁模型。等效雙晶片梁模型的建立方便了IPMC致動器的建模與行為分析[17]。在這里，我們簡要介紹其關(guān)鍵概念。當(dāng)電壓在厚度方向通過IPMC，IPMC中的水合反離子（或陽離子）從陽極一側(cè)遷移到陰極一側(cè)。這意味著移動的水合離子擴大了陰極側(cè)，同時它使陽極一側(cè)收縮從而使IPMC向陽極一側(cè)彎曲[13]?；谏衔拿枋鲵?qū)動機制，等效雙晶片梁模型，如圖1所示，假定一個IPMC有兩個同等厚度的虛擬層。利用穿過IPMC的電場影響，使IPMC的上層和下層擴張或收縮，彼此相反，使IPMC產(chǎn)生彎曲運動。等效機電耦合系數(shù)d31和等效彈性模量E的確定如下[17]：
圖1一種典型形狀的雙晶片梁
式中： s是測量的末端位移；V是輸入電壓；Fbl是測量的阻力；Ez為懸臂IPMC的電場強度；下標(biāo)1和3分別代表X方向和Z方向。
因為MSC/NASTRAN [21]不支持機電耦合分析，所以在有限元模型中利用熱類比技術(shù)[22]執(zhí)行機電耦合效應(yīng)。在熱類比技術(shù)中，機電耦合系數(shù)d31轉(zhuǎn)化為熱膨脹系數(shù)α1，如下：
式中：t是一個電勢穿越一層的厚度。然后，溫差ΔT取代電勢ΔV。關(guān)于更多關(guān)于熱類比技術(shù)的細(xì)節(jié)和事實可以在[22]中找到。
2.2. IPMC隔膜
通過參數(shù)研究來找到一個圓圈形IPMC隔膜（半徑：10mm）的最佳的電極形狀。為了估計IPMC隔膜的變形量和存儲容量，利用有限元分析的方法分析等效雙晶片梁模型。基于實驗數(shù)據(jù)，等效雙晶片梁模型為我們提供了IPMC致動器的等效性能[17]。因此，通過等效雙晶片梁模型得出的等效機電耦合系數(shù)d31和等效彈性模量E使用于各種形狀的IPMC致動器，如圓形的IPMC隔膜。對于目前的工作，得到了IPMC以Li+形式負(fù)載過重白金（~6%Pt）的等效性能。
圖2顯示了使用圓形電極的隔膜1/4大小的有限元模型。總元件數(shù)（4次方[21]）為400。對稱性邊界情況適用于縱向和橫向線，固定邊界情況使用于隔膜的外部邊緣。如圖2所示，IPMC隔膜由一部分IPMC和一部分Nafion組成。由于這種組合，當(dāng)電壓施加在IPMC部分上時，IPMC和Nafion的
圖2 IPMC隔膜（1/4 FEA模型）
縱向接觸更加容易，因為Nafion具有較低的彈性模量，隔膜產(chǎn)生大彎曲變形。根據(jù)使用2V的輸入，可以計算隔膜的中心位移和電極半徑的變化。
用于計算的材料特性和厚度列于表1。IPMC以Li+形式的等效機電耦合系數(shù)d31和等效彈性模量E通過等效雙晶片梁模型得出[17]。Nafion以Li+形式的彈性模量和泊松比分別來自文獻[23,24]。
表1 IPMC隔膜材料性能和厚度
IPMC負(fù)載過重白金（~6%Pt）。鉑的載入是獨特的設(shè)計技術(shù)，以提高濕度
控制IPMC[25]。
計算結(jié)果列于圖3。對IPMC隔膜，最大的中心位移是0.966mm，其電極半徑為8.5mm。該參數(shù)研究表明，最大撓度對應(yīng)一個最佳的電極半徑。同時，由圖4所示的變形形狀，在最佳電極情況下（半徑：8.5mm），可計算出一半的存儲容量（也是后文圖8一半存儲容量的
定義）ΔVh = 130.6 μl。
圖3 IPMC隔膜的中心位移
圖4 IPMC隔膜變形形狀（電極半徑=8.5mm）
2.3. 普通模式分析
采用普通模式分析最優(yōu)的IPMC隔膜（電極半徑：8.5mm）以探討其動態(tài)特性。用于計算，以Li+形式的Nafion密度為2.078 × 103 kg m?3，來源于參考文獻[15]。以Li+形式的IPMC密度加定位2.5 × 103 kg m?3。圖5顯示的第一第二模態(tài)形狀的隔膜。計算的一階（即基本）和二階固有頻率分別為430Hz和1659Hz。如果我們考慮驅(qū)動IPMC隔膜的頻率范圍不到40Hz[16]，計算的固有頻率遠(yuǎn)大于驅(qū)動頻率范圍。因此，在這個驅(qū)動頻率范圍，共振將不會影響存儲容量。此外，該結(jié)果意味著，我們可以在低驅(qū)動頻率下（~40Hz），線性的控制IPMC驅(qū)動的微型泵流速，因為在低頻率驅(qū)動范圍，微型泵流速線性的隨著驅(qū)動頻率的增大而增加[26]。
圖5 在最佳IPMC隔膜下的普通模式分析結(jié)果（電極半徑=8.5mm）
2.4. 存儲容量的壓力影響
研究壓力對最佳IPMC隔膜的影響。主要由流體的拖拽和背壓產(chǎn)生的壓力可以看做為微型泵的腔室壓力。為了數(shù)值計算在壓力下的存儲空間，統(tǒng)一的壓力作用于電極半徑為8.5mm的最優(yōu)化的IPMC隔膜有限元模型上（如圖6）。圖7顯示在有壓力和2V輸入的情況下，估計的最佳圓形隔膜的存儲容量。在圖7中，“相反的方向”說明了隔膜的彎曲和壓力在相反的方向時，一半的存儲容量，“相同的反響”說明了隔膜的彎曲和壓力在相同的方向時，一半的存儲容量。根據(jù)結(jié)果顯示，在“相反的方向”條件下，IPMC隔膜可以產(chǎn)生一般的存儲容量直到2300Pa左右的壓力
圖6 統(tǒng)一壓力下的隔膜（1/4FEA模型）
圖7 IPMC隔膜的一半存儲容量
3. 噴嘴/擴散器設(shè)計和流量估計
在這一章節(jié)中，介紹IPMC致動器驅(qū)動的微型泵的合適的噴嘴/擴散器的設(shè)計。在非常低的雷諾系數(shù)（~50）和考慮錐形噴嘴/擴散器的的情況下，對微型泵的流量進行估計。我們用最優(yōu)的IPMC隔膜（即隔膜半徑10mm，電極半徑8.5mm）作為抽水的微型泵的驅(qū)動隔膜，并且它的驅(qū)動頻率為0.1Hz。圖8為使用錐形噴嘴/擴散器IPMC隔膜驅(qū)動的微型泵的示意圖。如圖8所示，隔膜在出水時向上彎曲，在進水時向下彎曲。在出水時實體的大小箭頭分別表示液體流經(jīng)出口和進口部件，同時在進水時虛線的大小箭頭分別表示液體流經(jīng)進口和出口部件。
Pi：進口壓力
Po：出口壓力
Pc：腔室壓力
ΔVh_us：上半部存儲空間
ΔVh_ds：下半部存儲空間
ΔV = ΔVh_us + ΔVh_ds：存儲空間
t0 , t1 , t2：時間
實體箭頭：出水流向
虛線箭頭：進水流向
圖8 使用噴嘴/擴散元件的IPMC驅(qū)動的微型泵的一種示意圖
3.1. 錐形噴嘴/擴散器的流體阻力系數(shù)
圖9所示錐形噴嘴/擴散元件。其中D為直徑，v為流速，α為圓錐角，L為長度，Re為雷諾系數(shù)，μ為運動粘度。下標(biāo)0和1分別表明小直徑部分和大直徑部分。下標(biāo)n和d分別代表噴嘴和擴散器。如圖9所示，同樣的元件按照流動方向的不同可以被看做是一個噴嘴或一個擴散器。
圖9 錐形噴嘴和擴散器結(jié)構(gòu)
在低雷諾系數(shù)（1 < Re < 50）和小圓錐角（α< 40°）情況下，擴散器的流動阻力系數(shù)可以寫成如下[18,20]：
對于噴嘴在低雷諾系數(shù)（1 < Re < 50）和小圓錐角（α< 40°）情況下，流動阻力系數(shù)可以描述為[18,20]：
利用方程（4）和（5），錐形噴嘴/擴散元件流動系數(shù)阻力η可以寫成如下：
同時，流動阻力系數(shù)與穿過擴散器和噴嘴的壓力差有關(guān)[19]：
式中：ΔPd和ΔPn分別為穿過擴散器和噴嘴的壓力差；ρ為液體密度。
將方程（4）和（5）代入方程（7）和（8）。在低雷諾系數(shù)下的壓力差可以寫成：
如果相對于腔室壓力Pc進口和出口壓力Pi Po都被忽略（見圖8中的壓力），壓力差ΔPd=ΔPn=Pc[19]，并且由公式（9）和（10），可推導(dǎo)出下面的公式：
因為噴嘴和擴散器的雷諾系數(shù)比為Ren/Red = (v0)n/(v0)d（見圖9中方程），方程（11）可以寫成如下：
或者
由方程（6）和（12）得，流動阻力系數(shù)比值可以寫成如下：
或
根據(jù)方程（4）（5）和（13a），在低雷諾系數(shù)和確定幾何形狀的噴嘴/擴散器元件條件下，比值η為定值。此外，方程（13b）可以直接由方程（7）和（8）得到。
圖10（a）和（b）表明了由錐形噴嘴/擴散元件的直徑D0，圓錐角α，長度L計算得出的流動阻力系數(shù)比值η。系數(shù)比η隨著直徑D0的變大而減?。涣硪环矫?，隨著噴嘴/擴散元件的圓錐角α和長度L的變大而增加。如果我們僅考慮噴嘴/擴散元件的效率，在低雷諾系數(shù)下，越小的直徑D0，越大的圓錐角α，越長的長度L更有利于液體流動。注意在圖（10b）中，在D0 = 2 mm, α = 40?,和 L = 9 mm條件下，直徑D1為8.55mm。
圖10 噴嘴對擴散器的流動阻力系數(shù)比
3.2. 微型泵的平均輸出流量
如果我們考慮通過噴嘴/擴散元件的平均流動速度，在進水或出水過程中的存儲容量（見圖8中存儲空間定義）與液體流動速度相關(guān)，如下：
或
式中：(ΔVout)outlet and (ΔVout)inlet分別表示出水過程中流經(jīng)出口和進口的流出液體量，(ΔVin)outlet and (ΔVin)inlet分別表示在進水過程中流經(jīng)出口和進口的流入液體量。F0是噴嘴/擴散器在小直徑D0處的面積，T為周期。
無論在進水還是出水時，我們可以將方程（14a）和（14b）重寫成如下：
應(yīng)當(dāng)注意到，在出水時出口流速(v0)d應(yīng)該等于進水時進口流速(v0)d，并且出水時進口流速(v0)n應(yīng)該等于進水時出口流速(v0)n。
在一個周期T時間內(nèi)，流經(jīng)出口的液體凈輸出量ΔVnet如下定義：
定義平均輸出流量Q為ΔVnet/T，我們可以重新得到方程（16）如下：
將方程（13）和（15）代入方程（17），在一個周期T時間內(nèi)，平均輸出流量Q可以預(yù)計如下[19,20]：
式中ΔVh為一半的存儲容量（ΔV/2）。
由于方程（4）和（5）只有在低雷諾系數(shù)(1 < Re < 50)下有效，我們在對平均輸出流量進行有效預(yù)測時需要知道在噴嘴/擴散元件處的雷諾系數(shù)。在低雷諾系數(shù)下，通過噴嘴的液體流速也低于通過擴散器的液體流速。因此，在本研究中預(yù)測雷諾系數(shù)時只對通過擴散器的液體流速進行計算。
由方程（12）和（15）知，流經(jīng)擴散器的液體平均流速用如下公式進行計算：
使用方程（18）中的液體流速，流經(jīng)擴散器的雷諾系數(shù)可由如下公式計算：
圖11 （a）和（b）顯示由IPMC致動器驅(qū)動的微型泵的平均輸出流量估計。為了對流量進行計算，我們使用在章節(jié)2.2中提到的最優(yōu)化的IPMC隔膜，選擇IPMC隔膜的驅(qū)動頻率f = 0.1 Hz，使用一半存儲容量，ΔVh = 130.6 μl。使用在20?C時水的運動粘度系數(shù)μ=1.0×10-6 m2s-1。因為流量估計僅僅在低雷諾系數(shù)范圍(1 < Re < 50)內(nèi)有效，我們在每幅圖中標(biāo)記有效估計極限為Re=50。如圖11(a)和(b)所示，平均輸出流量Q隨著直徑D0的變大而減小，并且隨著噴嘴/擴散元件的圓錐角α和長度L的變大而增加。在圖11（b）中，我們給定噴嘴/擴散元件的圓錐角α=40°，長度L=9mm，直徑和雷諾系數(shù)分別為0.95mm和50，估計平均輸出流量為8.2 μl s?1。
圖11 在低雷諾系數(shù)下IPMC致動器驅(qū)動的微型泵平均輸出流量估計
事實上，IPMC致動器驅(qū)動的微型泵有許多設(shè)計參數(shù)，包括幾何形狀，輸入電壓，IPMC隔膜驅(qū)動頻率，和噴嘴/擴散元件的一些方程等。應(yīng)該調(diào)整和優(yōu)化所有的設(shè)計參數(shù)使IPMC致動器驅(qū)動的微型泵使用于不同的特定場合。
4. 結(jié)束語
在本文中，介紹了IPMC驅(qū)動的無閥式微型泵的詳盡的設(shè)計方法。為了準(zhǔn)確的估計IPMC隔膜的變形形狀，在有限元方法中使用了非常方便的IPMC致動器的等效雙晶片梁模型。通過使用數(shù)值方法對參數(shù)進行研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，為了產(chǎn)生最大的中心位移，應(yīng)該使用圓形的IPMC隔膜，其中電極半徑為8.5mm，IPMC隔膜半徑為10mm為最優(yōu)值。對最優(yōu)的圓形IPMC隔膜進行普通模式分析表明，由于計算出的系統(tǒng)固有頻率（430Hz）遠(yuǎn)大于驅(qū)動頻率范圍（<40Hz），共振不會對存儲容量產(chǎn)生影響?；谶x定幾何形狀的錐形噴嘴/擴散元件，在較低的雷諾系數(shù)下（Re=50），使用流體阻力系數(shù)方程對IPMC致動器驅(qū)動的無閥式微型泵進行平均輸出流量進行估計。目前，我們正在制造定型的IPMC微型泵來證明本文中提出的設(shè)計概念，并將在不久的將來把這項研究的結(jié)果報告出來。
致謝
非常感謝美國國家科學(xué)基金會獎次項目通過RCV計劃，并給予一定得財政支持。本文第一作者得到了韓國研究基金會部分支持（KRF-2005-214-D00025）。此外，KJK非常感謝Medipacs公司和美國陸軍對IPMC隔膜的支持。
畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書畢業(yè)設(shè)計（論文）題目：
CK6163縱向進給系統(tǒng)設(shè)計
設(shè)計(論文)的基本內(nèi)容：
（1）滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)設(shè)計（A1×1）
（2）減速箱結(jié)構(gòu)設(shè)計（A1×1）
（3）控制系統(tǒng)硬件電路原理設(shè)計（A0×1）
（4）縱向進給系統(tǒng)總裝配圖設(shè)計（A0×1）
（5）編寫設(shè)計說明書一份
（6）外文科技文獻翻譯
畢業(yè)設(shè)計（論文）專題部分：
題目：
設(shè)計或論文專題的基本內(nèi)容：
學(xué)生接受畢業(yè)設(shè)計（論文）題目日期
第 1 周
指導(dǎo)教師簽字：
年 4月*日
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CK6163縱向進給系統(tǒng)設(shè)計
作 者 姓 名：
指 導(dǎo) 教 師：
單 位 名 稱： 機械設(shè)計制造及自動化
專 業(yè) 名 稱： 機械設(shè)計制造及自動化
年4月
Design of CK6163 vertical feed system
by
Author:
Advisor:
April 2015
CK6163縱向進給系統(tǒng)設(shè)計
摘 要
數(shù)控技術(shù)是制造業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產(chǎn)的基礎(chǔ)，現(xiàn)代的CAD/CAM、柔性制造系統(tǒng)、計算機集成制造系統(tǒng)等，都是建立在數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)上的。同時，數(shù)控技術(shù)也關(guān)系到國家戰(zhàn)略地位，是體現(xiàn)國家綜合國力水平的重要基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)核心因素之一，其水平高低是衡量一個國家制造業(yè)現(xiàn)代化程度的核心標(biāo)志。實現(xiàn)加工機床及生產(chǎn)過程數(shù)控化，已成為當(dāng)今制造業(yè)的發(fā)展方向。推廣和應(yīng)用數(shù)控技術(shù)是我國機械制造行業(yè)的一項重要的戰(zhàn)略任務(wù)。數(shù)控機床的生產(chǎn)準(zhǔn)備時間短，所制成的零件重復(fù)精度高，對改變零件設(shè)計的適用性強，夾具成本低，加工形狀復(fù)雜的零件時準(zhǔn)確可靠。因此，數(shù)控機床在現(xiàn)階段以及以后的一段時間將占據(jù)重要地位。
本題目是數(shù)控車床CK6163的縱向進給系統(tǒng)設(shè)計。首先根據(jù)典型工藝數(shù)據(jù)，結(jié)合擬定參數(shù)，確定傳動方案。對傳動系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，包括選擇滾珠絲杠螺母副和減速箱體的機構(gòu)設(shè)計，從而完成整個進給系統(tǒng)機械結(jié)構(gòu)設(shè)計。然后，通過計算選擇步進電機，驅(qū)動滾珠絲杠運動，從而帶動工作臺運動。基于AT89C51對步進電機的控制系統(tǒng)設(shè)計，使電機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，快速正反轉(zhuǎn)功能，保證對傳動系統(tǒng)的控制要求，從而完成整個進給系統(tǒng)的設(shè)計。
關(guān)鍵詞：數(shù)控機床，滾珠絲杠，步進電機，單片機
Design of CK6163 vertical feed system
Abstract
Numerical control technique is the basic of automation, flexible, integrated, production in manufacturing, modern CAD/CAM, flexible manufacturing systems, computer integrated manufacturing systems are all built on the basic of numerical control technology. At the same time, numerical control technique is related to the strategic importance of a country and it is one of the important foundation industries to reflect the overall national strength of a country, the level of which is the core signs of measuring the modernization of a country’s manufacturing. The realization of the processing of CNC machine tools and production processes has become the development direction of the manufacturing. Popularizing and using numerical control technology is a strategic task in our mechanical manufacturing industry. NC machine tools, which can produce parts with high repeated precision and manufacture complex shape parts with reliability, need no more time to prepare, have more flexibility to alteration of parts, and clamping apparatuses of NC machine tools are very simple. Consequently, NC machine tools will play an important position in mechanical manufacturing at now and a period of time in the future.
The topic is the design of CK6163 vertical feed system. First of all, the solution of transmission will be determined according to the typical technological data and combined with the formulation parameters. Design the main structure of the transmission system, including choice the ball screw and design the structure of the slowdown box, so as to complete the design of mechanical structure of the whole system. Then, choice the stepping motor by calculating, drive the ball screw, which led campaign table. In order to complete the design of feeding system, design the control system of stepping motor based on AT89C51, so that the motor to achieve positive or negative rotating, rapid positive or negative rotating, ensure the control of the transmission system.
Key words: CNC machine tools, ball screw, stepping motor, single-chip
目 錄
任務(wù)書 i
中文摘要 ii
Abstract iii
第1章 緒論 1
1.1 數(shù)控機床的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀 1
1.2 發(fā)展數(shù)控機床的必要性 2
1.3 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)與特點 3
1.4 數(shù)控機床的發(fā)展方向 5
第2章 設(shè)計任務(wù)與方案確定 7
2.1 設(shè)計任務(wù) 7
2.2 設(shè)計技術(shù)參數(shù) 7
2.3 總體方案的確定 7
第3章 機械傳動設(shè)計計算 9
3.1 計算內(nèi)容及步驟 9
3.2 滾珠絲杠設(shè)計計算 9
3.2.1 切削力的計算 9
3.2.2 滾珠絲杠螺母副的計算和選型 10
3.2.3 滾珠絲杠螺母副的驗算 11
3.3 步進電機的計算與選型 13
3.3.1 步進電機選型 14
3.3.2 傳動比的確定 14
3.3.3 轉(zhuǎn)動慣量的計算 15
3.3.4 步進電機轉(zhuǎn)矩校核 16
3.3.5 步進電機性能校核 17
3.4 滾珠絲杠的預(yù)緊和消隙 18
第4章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 20
4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件基本組成 20
4.2 硬件設(shè)計方案確定 21
4.3 AT89C51單片機介紹 22
4.3.1 簡介 22
4.3.2 AT89C51單片機的引腳介紹 23
4.4 可編程I/O接口芯片擴展 25
4.5 8279介紹 26
4.5.1 8279的結(jié)構(gòu) 26
4.5.2 8279的命令字 27
4.6 環(huán)形分配器CH250介紹 31
4.7 程序設(shè)計 34
4.7.1 程序流程圖 34
4.7.2 程序 36
第5章 環(huán)保性與經(jīng)濟性分析 41
5.1 經(jīng)濟性分析 41
5.2 環(huán)保性分析 41
第6章 結(jié)論 43
參考文獻 44
結(jié)束語 46
附錄 外文文獻翻譯 47
外文原文 47
中文翻譯 54
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第1章 緒論
1.1 數(shù)控機床的發(fā)展歷史與現(xiàn)狀
數(shù)字控制機床是用數(shù)字代碼形式的信息(程序指令)，控制刀具按給定的工作程序、運動速度和軌跡進行自動加工的機床，簡稱數(shù)控機床[1]。
數(shù)控機床具有廣泛的適應(yīng)性，加工對象改變時只需要改變輸入的程序指令；加工性能比一般自動機床高，可以精確加工復(fù)雜型面，因而適合于加工中小批量、改型頻繁、精度要求高、形狀又較復(fù)雜的工件，并能獲得良好的經(jīng)濟效果。
隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，采用數(shù)控系統(tǒng)的機床品種日益增多，有車床、銑床、鏜床、鉆床、磨床、齒輪加工機床和電火花加工機床等。此外還有能自動換刀、一次裝卡進行多工序加工的加工中心、車削中心等。
1948年，美國帕森斯公司接受美國空軍委托，研制飛機螺旋槳葉片輪廓樣板的加工設(shè)備。由于樣板形狀復(fù)雜多樣，精度要求高，一般加工設(shè)備難以適應(yīng)，于是提出計算機控制機床的設(shè)想。1949年，該公司在美國麻省理工學(xué)院伺服機構(gòu)研究室的協(xié)助下，開始數(shù)控機床研究，并于1952年試制成功第一臺由大型立式仿形銑床改裝而成的三坐標(biāo)數(shù)控銑床，不久即開始正式生產(chǎn)。
當(dāng)時的數(shù)控裝置采用電子管元件，體積龐大，價格昂貴，只在航空工業(yè)等少數(shù)有特殊需要的部門用來加工復(fù)雜型面零件；1959年，制成了晶體管元件和印刷電路板，使數(shù)控裝置進入了第二代，體積縮小，成本有所下降；1960年以后，較為簡單和經(jīng)濟的點位控制數(shù)控鉆床，和直線控制數(shù)控銑床得到較快發(fā)展，使數(shù)控機床在機械制造業(yè)各部門逐步獲得推廣。
1965年，出現(xiàn)了第三代的集成電路數(shù)控裝置，不僅體積小，功率消耗少，且可靠性提高，價格進一步下降，促進了數(shù)控機床品種和產(chǎn)量的發(fā)展。60年代末，先后出現(xiàn)了由一臺計算機直接控制多臺機床的直接數(shù)控系統(tǒng)(簡稱DNC)，又稱群控系統(tǒng)；采用小型計算機控制的計算機數(shù)控系統(tǒng)(簡稱CNC),使數(shù)控裝置進入了以小型計算機化為特征的第四代。
1974年，研制成功使用微處理器和半導(dǎo)體存貯器的微型計算機數(shù)控裝置(簡稱MNC)，這是第五代數(shù)控系統(tǒng)。第五代與第三代相比，數(shù)控裝置的功能擴大了一倍，而體積則縮小為原來的1/20，價格降低了3/4，可靠性也得到極大的提高。
80年代初，隨著計算機軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了能進行人機對話式自動編制程序的數(shù)控裝置；數(shù)控裝置愈趨小型化，可以直接安裝在機床上；數(shù)控機床的自動化程度進一步提高，具有自動監(jiān)控刀具破損和自動檢測工件等功能。隨著微電子技術(shù)、計算機技術(shù)和軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)控機床的控制系統(tǒng)日益趨向于小型化和多功能化，具備完善的自診斷功能；可靠性也大大提高；數(shù)控系統(tǒng)本身將普遍實現(xiàn)自動編程[1]。
1.2 發(fā)展數(shù)控機床的必要性
在機械加工過程中，經(jīng)常要用到加工批量不大、改型頻繁、精度要求高、形狀復(fù)雜的一類零件。據(jù)統(tǒng)計，單件和中、小批量零件的加工約占機械加工總量的80%以上。如何解決這類產(chǎn)品的自動化加工呢？顯然，一般自動化機床已不適應(yīng)這類加工，因為一般自動化機床往往用凸輪或其他專門機構(gòu)來控制機床進行加工。當(dāng)零件尺寸改變時，必須重新更換凸輪或靠模，調(diào)整尺寸，才能重新加工。重新調(diào)整的工作量非常大，同時也不經(jīng)濟。另外，對于那些形狀十分復(fù)雜的零件，通常的自動化加床也無能為力。針對這些問題，數(shù)控機床的迅速發(fā)展，為解決這類零件加工提供了良好的途徑，為機械工業(yè)的發(fā)展做出了卓越的貢獻。相比較于普通機床，數(shù)控機床有著如下優(yōu)點：
1）可以加工出傳統(tǒng)機床加工不出來的曲線、曲面等復(fù)雜的零件。
由于計算機有高超的運算能力，可以瞬時準(zhǔn)確地計算出每個坐標(biāo)軸瞬時應(yīng)該運動的運動量，因此可以復(fù)合成復(fù)雜的曲線或曲面。
2） 可以實現(xiàn)加工的自動化，而且是柔性自動化，從而效率可比傳統(tǒng)機床提高3～7倍。
由于計算機有記憶和存儲能力，可以將輸入的程序記住和存儲下來，然后按程序規(guī)定的順序自動去執(zhí)行，從而實現(xiàn)自動化。數(shù)控機床只要更換一個程序，就可實現(xiàn)另一工件加工的自動化，從而使單件和小批生產(chǎn)得以自動化，故被稱為實現(xiàn)了"柔性自動化"。
3） 加工零件的精度高，尺寸分散度小，使裝配容易，不再需要"修配"。
4） 可實現(xiàn)多工序的集中，減少零件 在機床間的頻繁搬運。
5） 由以上五條派生的好處。如：降低了工人的勞動強度，節(jié)省了勞動力（一個人可以看管多臺機床），減少了工裝，縮短了新產(chǎn)品試制周期和生產(chǎn)周期，可對市場需求做出快速反應(yīng)等等。
1.3 數(shù)控機床的結(jié)構(gòu)與特點
數(shù)字程序控制機床（數(shù)控機床）是近20年來綜合應(yīng)用了計算技術(shù)、自動控制、精密測量和機床結(jié)構(gòu)設(shè)計等各個技術(shù)領(lǐng)域里的最新技術(shù)成就而發(fā)展起來的一種既具有廣泛的通用性，又具有很高的自動化程度的完全新型的機床。
數(shù)控機床主要由數(shù)控裝置、伺服機構(gòu)和機床主體組成。輸入數(shù)控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數(shù)控裝置的鍵盤直接手動輸入。
數(shù)控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運算部分、控制部分和輸出部分等。數(shù)控裝置按所能實現(xiàn)的控制功能分為點位控制、直線控制、連續(xù)軌跡控制三類。
點位控制是只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準(zhǔn)確定位，然后進行定點加工，而點與點之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床和數(shù)控坐標(biāo)鏜床等。
直線控制是除控制直線軌跡的起點和終點的準(zhǔn)確定位外，還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削。采用這類控制的有平面銑削用的數(shù)控銑床，以及階梯軸車削和磨削用的數(shù)控車床和數(shù)控磨床等。
連續(xù)軌跡控制(或稱輪廓控制)能夠連續(xù)控制兩個或兩個以上坐標(biāo)方向的聯(lián)合運動。為了使刀具按規(guī)定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數(shù)控裝置具有插補運算的功能，使刀具的運動軌跡以最小的誤差逼近規(guī)定的輪廓曲線，并協(xié)調(diào)各坐標(biāo)方向的運動速度，以便在切削過程中始終保持規(guī)定的進給速度。采用這類控制的有能加工曲面用的數(shù)控銑床、數(shù)控車床、數(shù)控磨床和加工中心等。
伺服機構(gòu)分為開環(huán)、半閉環(huán)和閉環(huán)三種類型。開環(huán)伺服機構(gòu)是由步進電機驅(qū)動線路，和步進電機組成。每一脈沖信號使步進電機轉(zhuǎn)動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。這種伺服機構(gòu)比較簡單，工作穩(wěn)定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。
半閉環(huán)伺服機構(gòu)是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達、速度檢測器和位置檢測器組成。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達的端部，利用絲杠的回轉(zhuǎn)角度間接測出工作臺的位置。常用的伺服馬達有寬調(diào)速直流電動機、寬調(diào)速交流電動機和電液伺服馬達。位置檢測器有旋轉(zhuǎn)變壓器、光電式脈沖發(fā)生器和圓光柵等。這種伺服機構(gòu)所能達到的精度、速度和動態(tài)特性優(yōu)于開環(huán)伺服機構(gòu)，為大多數(shù)中小型數(shù)控機床所采用。
閉環(huán)伺服機構(gòu)的工作原理和組成與半閉環(huán)伺服機構(gòu)相同，只是位置檢測器安裝在工作臺上，可直接測出工作臺的實際位置，故反饋精度高于半閉環(huán)控制，但掌握調(diào)試的難度較大，常用于高精度和大型數(shù)控機床。閉環(huán)伺服機構(gòu)所用伺服馬達與半閉環(huán)相同，位置檢測器則用長光柵、長感應(yīng)同步器或長磁柵。
為了保證機床具有很大的工藝適應(yīng)性能和連續(xù)穩(wěn)定工作的能力，數(shù)控機床結(jié)構(gòu)設(shè)計的特點是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性。進給系統(tǒng)的機械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。機床采用塑料減摩導(dǎo)軌、滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，以提高運動的平穩(wěn)性并使低速運動時不出現(xiàn)爬行現(xiàn)象。
由于采用了寬調(diào)速的進給伺服電動機和寬調(diào)速的主軸電動機，可以不用或少用齒輪傳動和齒輪變速，這就簡化了機床的傳動機構(gòu)。機床布局便于排屑和工件裝卸，部分?jǐn)?shù)控機床帶有自動排屑器和自動工件交換裝置。大部分?jǐn)?shù)控機床采用具有微處理器的可編程序控制器，以代替強電柜中大量的繼電器，提高了機床強電控制的可靠性和靈活性[4]。
數(shù)控機床加工時，既能控制機床的動作次序，又能控制機床運動部件的移動量，其工作過程如下圖1.1所示：
圖1.1 數(shù)控機床加工過程
目前，在市場上已見不到普通的數(shù)控機床（NC），取而代之的是計算機數(shù)控機床（CNC），CNC是NC的發(fā)展。計算機數(shù)控是將通用的小型或微型計算機裝入數(shù)控機床的控制柜，再適當(dāng)增加借口電路及輸入、輸出裝置（如熒光屏等），用以替代數(shù)控機床系統(tǒng)控制柜中的專用電子計算裝置。計算機數(shù)控系統(tǒng)不僅比原來的數(shù)控系統(tǒng)使用范圍廣、功能全，而且還有相當(dāng)大的通用性，改善了對機床操作的控制。計算機數(shù)控系統(tǒng)大致有以下一些特點：
1）用存儲的軟件實行控制，代替普通數(shù)控的硬件控制；
2）有存儲零件程序和修改零件程序的功能?？梢栽贑NC系統(tǒng)存儲器中劃出一部分可讀可寫的存儲器存放零件程序，而且還可以通過利用CNC系統(tǒng)軟件的編輯功能來修改零件程序；
3）有診斷故障功能。CNC系統(tǒng)具備了用軟件查找故障的功能；
4）可以用軟件取代機床的繼電器控制。可使機床的全部動作全由軟件加以控制和監(jiān)視，提高了速度，可靠性和可變適應(yīng)性；
5）可以提高編程效率；
6）有保護零件的能力，可以實現(xiàn)輸入數(shù)據(jù)的正確性，監(jiān)視數(shù)據(jù)在機床上的執(zhí)行情況。
1.4 數(shù)控機床的發(fā)展方向
目前，數(shù)控機床正在以下幾個方面得到發(fā)展：
（1） 使數(shù)控機床標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，以進一步提高數(shù)控裝置的可靠性，降低其生產(chǎn)時間和生產(chǎn)成本；
（2） 發(fā)展簡易數(shù)控裝置。雖然簡易數(shù)控裝置機能較少，但一般由于其使用簡單、維護方便、價格低廉，在普通零件的中、大批量生產(chǎn)中也可以采用；
（3） 自適應(yīng)控制數(shù)控機床。它能在加工過程中，隨切削加工的參數(shù)變動，自動的調(diào)整進給量、切削量等，使機床和刀具都在較佳狀態(tài)下工作，工作效率大大提高，并能保證零件得到更好的精度和光潔度；
（4） 分布式控制（DNC）：用一臺計算機直接控制多臺數(shù)控機床，或控制整個零件的加工生產(chǎn)過程；
（5） 自動編制程序。為了減輕人工編程的勞動強度，提高程序編制的效率與減少錯誤，出現(xiàn)了用電子計算機自動編制程序。
計算機數(shù)控機床（CNC）已有20多年歷史，最初階段，主要是采用通用機床進行改裝的方法，例如把普通車床、銑床、鉆床及鏜床改造成數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床及數(shù)控鏜床等。但隨著技術(shù)的發(fā)展，由通用機床改為數(shù)控機床存在著一些嚴(yán)重的弱點，例如機床剛度不足，滑動面的摩擦阻力太大，傳動元件中存在間隙等問題越來越突出地暴露出來。由于在數(shù)控機床上進行加工不能象在普通機床上加工那樣，可以用人工的手工操作來彌補上述因素對加工零件的精度影響，故對于數(shù)控機床幾乎在任何方面都要求比通用機床設(shè)計得更完善，制造得更精密。因此數(shù)控機床已由改裝通用機床逐步發(fā)展到專門為滿足數(shù)控要求而設(shè)計的新的數(shù)控機床。在這過程中，對機床的結(jié)構(gòu)設(shè)計起了很大的推動作用，從通用機床的基礎(chǔ)上逐漸發(fā)展了不少完全新穎的結(jié)構(gòu)和原件，這些變動，大致體現(xiàn)在下列幾個方面：
1）采用了剛度和抗震性較好的機床新結(jié)構(gòu)；
2）采用了無間隙的齒輪傳動副，以消除傳動裝置反向時的空程死區(qū)；
3）采用了傳動效率很高的精密滾珠絲杠——螺母副等傳動元件；
4）采用了摩擦系數(shù)很低的滾動導(dǎo)軌或靜壓導(dǎo)軌，提高機床運動靈敏性；
5）采用了增大功率的電機和先進刀具，以提高切削用量；
6）采用了多主軸、多刀架結(jié)構(gòu)，以提高單位時間內(nèi)的切削效率；
7）采用了自動換刀和自動更換工件的裝置，以減少停機時間；
8）采用了自動排屑，自動潤滑裝置。
沈陽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 第2章 設(shè)計任務(wù)與方案確定
第2章 設(shè)計任務(wù)與方案確定
2.1 設(shè)計任務(wù)
本設(shè)計任務(wù)是進行CK6163縱向進給系統(tǒng)設(shè)計。利用微型計算機（單片機）對縱向進給系統(tǒng)進行開環(huán)控制，對縱向進給系統(tǒng)進行數(shù)控化設(shè)計。驅(qū)動系統(tǒng)采用BYG系列步進電機，傳動系統(tǒng)采用滾珠絲杠。
2.2 設(shè)計技術(shù)參數(shù)
最大加工直徑 在床面上 630mm
在床鞍上 350mm
最大加工長度 2900mm
快進速度 縱向 2.0m/min
最大切削進給速度 縱向 0.5m/min
滑板及刀架重力 縱向 1200N
最小指令值（脈沖當(dāng)量） 縱向 0.01mm/脈沖
機床定位精度
2.3 總體方案的確定
參照數(shù)控車床進給系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)驗及有關(guān)資料確定總體方案是：由微型計算機（單片機）進行數(shù)據(jù)計算、程序運行，然后經(jīng)I/O借口輸出步進脈沖，經(jīng)過硬件環(huán)分器、驅(qū)動芯片，驅(qū)動步進電機動作，通過聯(lián)軸器直聯(lián)驅(qū)動滾珠絲杠，從而帶動工作臺實現(xiàn)縱向進給。如圖2.1所示。
圖2.1 總體設(shè)計方案
沈陽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 第3章 機械傳動設(shè)計計算
第3章 機械傳動設(shè)計計算
3.1 計算內(nèi)容及步驟
本節(jié)只對縱向進給系統(tǒng)的滾珠絲杠，步進電機進行計算與選擇。采用由系統(tǒng)左端相系統(tǒng)右端步驟進行計算與選擇。見圖3.1。
圖3.1 設(shè)計計算內(nèi)容
3.2 滾珠絲杠設(shè)計計算
3.2.1 切削力的計算
車床主切削力FZ（見文獻[6]）
（3-1）
式中：Dmax為在車床床面上加工的最大直徑（mm），已知Dmax=630mm。
代入公式（3-1）中，得
走刀方向切削分力Fx和垂直走刀方向的切削分力Fy可按以下比例求出：
Fz:Fx:Fy=1:0.25:0.4
則Fx=2649N, Fy=4238N
3.2.2 滾珠絲杠螺母副的計算和選型
（1）計算進給牽引力Fm（見文獻[6]）
（3-2）
式中：Fx為走刀方向切削分力（N）；
FZ為主切削力（N）；
G為移動部件重力（N）；
K和f’為分別為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，取 K=1.15，f’=0.15。
代入公式（3-2）中，得
（2）計算最大動載荷C（見文獻[6]）
（3-3）
式中：L為工作壽命，；
n為絲杠轉(zhuǎn)速（r/min），；
v為最大切削力條件下的進給速度，可取最高進給速度的1/2~1/3， ，取v=0.25m/min；
L0為絲杠基本導(dǎo)程，初取L0=6mm；
t為額定使用壽命，取t=15000h；
fm為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，取fm=1.2；
Fm為滾珠絲杠工作載荷
h
將上面結(jié)果代入公式（3-3）中，得
（3）計算最大靜載荷C0（見文獻[6]）
（3-4）
式中：fd為靜態(tài)安全系數(shù)，取fd =1.5；
Fm為絲杠工作載荷（N）。
代入公式（3-4）中，得
初選CDM5006滾珠絲杠螺母副 L0=6mm 公稱直徑d=50mm，絲杠取5級精度
該型號的絲杠為外循環(huán)插管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式的滾珠絲杠副。
該型號滾珠絲杠額定動載荷：
額定靜載荷：
（4）滾珠絲杠傳動效率（見文獻[6]）
（3-5）
式中：為絲杠螺旋升角，由絲杠型號查出，；
為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004，其摩擦角約等于 。
代入公式（3-5）計算，得
3.2.3 滾珠絲杠螺母副的驗算
（1）剛度驗算
1）絲杠的拉壓變形量（見文獻[6]）
（3-6）
式中：為在工作載荷Fm作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量（mm）；
Fm為絲杠工作載荷（N）；
L為滾珠絲杠在支承間的受力長度（mm），滾珠絲杠工作長度為2900mm， 考慮兩端安裝軸承，左右支撐的中心距離約為3150mm；
E為材料彈性模量，對剛E=20.6×104MPa；
A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的橫截面積(mm2)。
代入式（3-6）中計算
2）滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量（見文獻[6]）
（3-7）
式中：Dw為滾珠直徑，Dw=3.969mm；
為滾珠總數(shù)量=Z×圓數(shù)×列數(shù)；
Z為一圈滾珠數(shù)，；
dm為滾珠絲杠的公稱直徑(mm)；
FYJ為預(yù)緊力(N)；
Fm為滾珠絲杠工作載荷(N)。
= Z×圓數(shù)×列數(shù)=39.5×2×2.5×1=198
將上面各結(jié)果代入式（3-7）中進行計算
滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3，值可減少一半左右
3）絲杠副剛度的驗算
絲杠的總變形量
絲杠有效行程為2900mm，5級精度滾珠絲杠有效行程在2500~3150mm時，行程偏差允許達到69，絲杠剛度足夠。
（2）壓桿穩(wěn)定性驗算
滾珠絲杠是一種受軸向力的長柱壓桿（見文獻[6]）
（3-8）
式中：E為絲杠材料彈性模量，對剛E=20.6×104MPa；
I為截面慣性矩(mm4)，對絲杠圓截面（d1為絲杠底徑）；
L為絲杠最大工作長度(mm)；fz為絲杠支承方式系數(shù)，取fz=2.0。
代入式（3-8）中，可得
故滾珠絲杠不會失穩(wěn)。
3.3 步進電機的計算與選型
3.3.1 步進電機選型
初選130BYG3502 步進電機，該型號步進電動機技術(shù)數(shù)據(jù)如下（見文獻[2]）：
表3.1 130BYG3502步進電機技術(shù)參數(shù)
相數(shù)
步距角
/()
電壓
/V
電流
/A
最大
靜轉(zhuǎn)矩
/()
空載起
動頻率
/Hz
空載運
行頻率
/Hz
轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)
動慣量
/
3
0.6
80~325
6
37
1500
15000
48
步進電機的運行矩頻特性如下：
表3.2 步進電動機的運行矩頻特性（對應(yīng)表3.1）
電動機型號
運行頻率/(Hz)
100
500
1000
2000
4000
6000
8000
10000
運行步距角/()
不同頻率下的輸出轉(zhuǎn)矩/()
130BYG3502
0.6°
35.20
35.00
31.50
26.80
22.20
18.50
15.00
11.00
所選用BYG系列步進電機工作特點如下：
（1）輸出轉(zhuǎn)矩大，矩頻特性硬；
（2）驅(qū)動電源電流小，功耗低；
（3）動態(tài)性能好，輸出角位移與輸入脈沖數(shù)嚴(yán)格成比例，而且在時間上同步，因此 調(diào)節(jié)輸入脈沖的數(shù)量、頻率、相序即可控制電機相應(yīng)的角位移、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向獲 得所需要的運動特性，而不需中間轉(zhuǎn)換裝置；
（4）起動制動時間短，在制動狀態(tài)下，電機轉(zhuǎn)子可以鎖住定位；
（5）輸出角位移的定位精度高而且積累誤差不隨轉(zhuǎn)數(shù)而疊加；
（6）電機軸伸采用鍵聯(lián)接。
3.3.2 傳動比的確定
傳動比i計算如下（見文獻[2]）：
（3-9）
式中：θ為電動機步距角，θ=0.6°；
L0為絲杠基本導(dǎo)程，L0=6mm；
δ為脈沖當(dāng)量，δ=0.01mm/脈沖
代入式（3-9）中，計算得
3.3.3 轉(zhuǎn)動慣量的計算
絲杠轉(zhuǎn)動慣量（見文獻[6]）
（3-10）
對于鋼材，材料密度為7.8×10-3（kg/cm3），代入式（3-10），有
式中： D為絲杠直徑（cm）；
L為絲杠長度（cm）；
Mc為圓柱體質(zhì)量（kg）。
電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量
工作臺轉(zhuǎn)動慣量
（3-11）
式中：L0為絲杠導(dǎo)程（mm）；
M為工作臺質(zhì)量（kg）。
代入式（3-11）計算得
轉(zhuǎn)動慣量
3.3.4 步進電機轉(zhuǎn)矩校核
計算加在步進電機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq分快速空載起動和承受最大工作負(fù)載兩種情況進行計算。
1） 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq1（見文獻[2]）
考慮縱向傳動鏈的總效率η，計算快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩（見文獻[2]）：
（3-12）
式中：nm——對應(yīng)縱向空載最快移動速度的步進電動機最高轉(zhuǎn)速，單位為r/min；
ta ——步進電動機由靜止到加速至nm轉(zhuǎn)速所需要的時間，單位為s。
其中
（3-13）
式中：vmax——縱向空載最快移動速度，vmax=2000mm/min
θ ——縱向步進電機步距角，為0.6°
δ ——縱向脈沖當(dāng)量，δ=0.01mm/脈沖
代入式（3-13）計算，得
設(shè)步進電機由靜止加速到nm所需要時間ta=0.4s，縱向傳動鏈總效率η=0.7，代入式（3-12）計算，得
移動部件運動時，折算到電機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為（見文獻[2]）：
（3-14）
式中： μ——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，滑動導(dǎo)軌取0.15
Fz——垂直方向工作負(fù)載，空載取0
η——縱向傳動鏈總效率，η=0.7
代入式（3-14）計算，得
2） 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq2（見文獻[2]）
前面對滾珠絲杠進行計算的時候，已知進給方向的最大工作載荷Fx=2649N
最大工作負(fù)載Fz=10595N，摩擦轉(zhuǎn)矩
取安全系數(shù)K=4
選用的130BYG3502步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩 符合要求。
3.3.5 步進電機性能校核
1）最快工進速度時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核
最快工進速度
脈沖當(dāng)量
求出電動機對應(yīng)運行頻率
由130BYG3502的運行矩頻特性（表3.2）可知，在此頻率下，電動機轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于，滿足要求。
2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核
最快空載移動速度
電動機對應(yīng)運行頻率
由130BYG3502的運行矩頻特性（表3.2）可知，在此頻率下，電動機轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于，滿足要求
3）最快空載移動時電動機運行頻率校核
最快空載移動時，電動機對應(yīng)運行頻率
查表3.1，130BYG3502步進電機運行極限頻率為15000Hz，沒有超出上限，符合要求。
3.4 滾珠絲杠的預(yù)緊和消隙
對于滾絲杠副來說，除單一方向的進給傳動精度有一定要求外，其軸向間隙也應(yīng)該有嚴(yán)格的要求，以保證反向精度的要求。
軸向間隙一般是指絲杠固定不動，螺母在限制其回轉(zhuǎn)狀態(tài)下所出現(xiàn)的軸向位移。滾珠絲杠副的軸向間隙是受負(fù)載時，在滾珠與滾道面接觸點的彈性變形所引起的螺母位移量和螺母原有間隙的總和，要將軸向間隙完全清除是相當(dāng)困難的。
通常采用雙螺母預(yù)緊的方式，將彈性變形控制在最小的限度內(nèi)，如果滾珠絲桿與配合公差選擇得適當(dāng)，就可以獲得相當(dāng)高的定位精度。目前國內(nèi)生產(chǎn)的滾珠絲杠，外循環(huán)單螺母徑向間隙達0.05mm，而雙螺母經(jīng)加預(yù)緊力調(diào)整后能基本消除間隙。
本人所設(shè)計選取的滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷方式為墊片預(yù)加負(fù)荷式。用螺釘聯(lián)接兩螺母套，在兩螺釘間加墊片，通過調(diào)整墊片的厚度，使螺母產(chǎn)生軸向位移，以達到消除間隙和產(chǎn)生預(yù)緊力的目的，預(yù)緊力增大了絲杠的剛度。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好，剛度高，裝拆方便，但調(diào)整費時，滾道有磨損時，不能隨時消除間隙和進行預(yù)緊，運用于一般精度的機構(gòu)中。同時，在采用預(yù)緊力消隙時應(yīng)注意：
（1）通過預(yù)緊力產(chǎn)生預(yù)拉變形，減少了彈性變形引起的位移，但不能使預(yù)緊力過大，否則加大驅(qū)動力矩，會降低效率，縮短使用壽命；
（2）特別注意絲杠安裝部分和驅(qū)動部分的間隙，盡可能使之減小。
沈陽工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 第4章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
第4章 控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計
4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件基本組成
硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構(gòu)成了整個控制系統(tǒng)。其中硬件系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的基礎(chǔ)，有了硬件，軟件部分才能有效的發(fā)揮作用，其性能的好壞直接影響到整個數(shù)控系統(tǒng)的功能發(fā)揮。
概述起來，硬件系統(tǒng)包括以下幾個部分[23]：
1) 基本功能類
基本功能類硬件包括：CPU(用于運算、控制)、RAM(用于數(shù)據(jù)存儲)、ROM(用于程序存儲)、I/O設(shè)備(實現(xiàn)串行、并行輸入/輸出接口)及時鐘電路(建立工作時序)。在微型計算機中，上述部件被分成若干塊芯片，安裝在一塊稱之為主板的印刷線路板上，在程序的指揮下完成計算機的基本運算操作功能。但是在單片機中，除了時鐘電路之外，其余部分一般均被集成到一塊半導(dǎo)體芯片上，所以被稱為單片機，即單芯片微型計算機。
2) 控制功能類
控制功能類硬件包括：定時器/計數(shù)器(用于時間設(shè)定/事件記錄)和中斷裝置(實現(xiàn)實時處理)。使用這類硬件是為了實現(xiàn)單片機的控制功能，即定時控制、順序控制和實時控制等基本控制功能。作為面向嵌入式控制的特色，這類部件通常也集成在單片機芯片內(nèi)部。
3) 輔助功能類
輔助功能類硬件包括：A/D(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)和D/A(數(shù)/模轉(zhuǎn)換，通常采用PWM形式)等部件。這類部件根據(jù)芯片的配置不同不一定集成在單片機芯片上，需要用戶根據(jù)使用要求選擇。
其中CPU是控制系統(tǒng)的核心，進行數(shù)據(jù)運算處理和控制各部分電路協(xié)調(diào)工作；存儲器用于存入系統(tǒng)文件、數(shù)據(jù)和各種應(yīng)用程序；I/O接口是系統(tǒng)與外界進行信息交換的橋梁；CPU與存儲器、I/O接口以及其他轉(zhuǎn)換電路通過總線進行連接。如圖4.1所示：
CPU
I/O
外設(shè)
RAM
ROM
信號
變換
控制
對象
圖4.1 數(shù)控系統(tǒng)硬件基本組成
4.2 硬件設(shè)計方案確定
控制系統(tǒng)最終實現(xiàn)目標(biāo)位控制步進電機轉(zhuǎn)動，通過按鈕控制來實現(xiàn)步進電機的正反轉(zhuǎn)及加減速控制。
CPU采用AT89C51單片機，該型號單片機在數(shù)控車床上普遍應(yīng)用，與其配套的芯片價格低，比較普及，本次設(shè)計也是對簡易數(shù)控車床CK6163，AT89C51性能完全滿足要求。
由于本次設(shè)計僅控制一臺步進電機轉(zhuǎn)動，不需要進行數(shù)據(jù)和程序存儲器擴展。
I/O接口擴展使用8279對鍵盤（按鈕）及顯示器進行控制。
步進電機環(huán)形分配器采用CH250。
4.3 AT89C51單片機介紹
4.3.1 簡介
AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案[23]。引腳排列如圖4.2所示。
圖4.2 AT89C51單片機的引腳
4.3.2 AT89C51單片機的引腳介紹
P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口,每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時,被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器,它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時,P0 口作為原碼輸入口,當(dāng)FIASH進行校驗時,P0輸出原碼,此時P0外部必須被拉高。
??? P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口,P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后,被內(nèi)部上拉為高,可用作輸入,P1口被外部下拉為低電平時,將輸出電流,這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時,P1口作為第八位地址接收。
P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口,P2口緩沖器可接收,輸出4個TTL門電流,當(dāng)P2口被寫“1”時,其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高,且作為輸入。并因此作為輸入時,P2口的管腳被外部拉低,將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時,P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時,它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢,當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時,P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。
P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口,可接收輸出4個TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后,它們被內(nèi)部上拉為高電平,并用作輸入。作為輸入,由于外部下拉為低電平,P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。
P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口,如下表4.1所示：
表4.1 P3口引腳功能
端口管腳
備選功能
P3.0
RXD（串行輸入口）
P3.1
TXD（串行輸出口）
P3.2
INT0（外部中斷0）
P3.3
INT1（外部中斷1）
P3.4
T0（記時器0外部輸入）
P3.5
T1（記時器1外部輸入）
P3.6
WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）
P3.7
RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）
P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。
RESET：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時,要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。
ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時,地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間,此引腳用于輸入編程脈沖。在平時,ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號,此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時,將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時, ALE只有在執(zhí)行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。另外,該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止,置位無效。
EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時,則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH）,不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時,/EA將內(nèi)部鎖定為RESET;當(dāng)/EA端保持高電平時,此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間,此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。
XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。
XTAL2：來自反向振蕩器的輸出[23]。
4.4 可編程I/O接口芯片擴展
在實際工作過程中，鍵盤掃描和顯示器掃描程序往往要占用CPU時間，在實際應(yīng)用中，往往不允許花許多時間來執(zhí)行這些人機接口電路的掃描程序，在這種情況下，可以使用8279來處理解決這一問題。
8279是一種通用的可編程的鍵盤/顯示器接口芯片，它實際上是將鍵盤掃描和數(shù)碼管掃描電路集成在一起，自動完成鍵盤矩陣掃描輸入和數(shù)碼管顯示器掃描輸出的工作，CPU在需要讀入鍵盤狀態(tài)或輸出顯示內(nèi)容時，只需訪問8279的內(nèi)部寄存器即可，從而減輕了CPU的運行負(fù)擔(dān)。
8279與CPU的典型連接如圖4.3所示[20]：
圖4.3 8279與CPU的典型連接
4.5 8279介紹
4.5.1 8279的結(jié)構(gòu)
圖4.4 8279的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和邏輯符號
（a）8279的內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（b）8279的邏輯符號
圖中，D0~D7為三態(tài)雙向數(shù)據(jù)線，與單片機數(shù)據(jù)總線相連，用于單片機與8279之間的命令或數(shù)據(jù)的傳遞。為低電平有效的片選信號線。A0為片內(nèi)選址信號，當(dāng)A0=1時，向8279寫入得是命令字，從8279讀出的是狀態(tài)字；當(dāng)A0=0時，寫入和讀出的是命令字所指定的數(shù)據(jù)寄存器的內(nèi)容。和為低電平有效的讀寫信號線。CLK為時鐘輸入信號線，用于產(chǎn)生工作時序。RESET為高電平有效的復(fù)位信號。IRQ為高電平有效的中斷請求信號，當(dāng)FIFO中存有數(shù)據(jù)時，該線就變?yōu)楦唠娖剑珻PU每從FIFO讀出一次，IRQ就變低，如果其中還有未讀出的數(shù)據(jù)，該線將再次變高。SL0~SL3為掃描信號輸出線，具有編碼輸出和譯碼輸出兩種方式。RL0~RL7為外部回送信號輸入線，具有內(nèi)部上拉電阻。SHIFT為換擋輸入線，其狀態(tài)信息在鍵盤輸入時，與鍵盤編碼一起存入FIFO。在傳感器方式時，該引腳失效。CNTL/STB為控制/選通輸入線，在鍵盤方式時，其狀態(tài)隨按鍵的編碼一起存入FIFO。在傳感器方式下，該信號無效；在選通輸入方式下，該信號的上升沿將來自RL0~RL7的數(shù)據(jù)存入FIFO中。
OUTA0~OUTA3和OUTB0~OUTB3這兩組信號線均是顯示段碼輸出線，他們與顯示掃描線SL0~SL3同步。BD為顯示器的消隱信號線，該引腳為低電平時，表示正處于掃描周期中兩個數(shù)碼管的切換階段，這時，8279送出的是空格段碼[19]。
4.5.2 8279的命令字
8279的操作方式是通過CPU對8279送入命令時來實現(xiàn)編程的。當(dāng)數(shù)據(jù)選擇端A0置1時，CPU對8279寫入數(shù)據(jù)為命令字，讀出的數(shù)據(jù)為狀態(tài)字。
???? 8279共有八條命令。其功能及命令字定義分述如下。
1)鍵盤/顯示方式設(shè)置命令字
命令格式：
?????D7 ? D6 ? D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ? D0
0
0
0
D
K
其中：
??? D7、D6、D5=000方式設(shè)置命令特征位。
??? D? D（D4、D3）：來設(shè)定顯示方式，其定義如下：
????????????????? 00：8個字符顯示，左入口
????????????????? 00：16個字符顯示，左入口
????????????????? 00：8個字符顯示，右入口
????????????????? 00：16個字符顯示，右入口
所謂左入口，即顯示位置從最左一位（最高位）開始，以后逐次輸入的顯示字符逐個向右順序排列； 所謂右入口，即顯示位置從最右一位（最低位）開始，以后逐次輸入的顯示字符時，已有的顯示字符逐個向左順序移動。
??? K（D2、 D1、 D0）：用來設(shè)定七種鍵盤、顯示工作方式：
?????????????????? 000? 編碼掃描鍵盤，雙鍵鎖定?
?????????????????? 001? 譯碼掃描鍵盤，雙鍵鎖定?
?????????????????? 010? 編碼掃描鍵盤，N鍵輪回
?????????????????? 011? 譯碼掃描鍵盤，N鍵輪回
?????????????????? 100? 編碼掃描傳感器矩陣
?????????????????? 101? 譯碼掃描傳感器矩陣
?????????????????? 110? 選通輸入，編碼顯示掃描
?????????????????? 111? 選通輸入，譯碼顯示掃描
雙鍵鎖定與N鍵輪回是多鍵按下時的兩種不同的保護方式。雙鍵鎖定為兩鍵同時按下提供的保護方法。再消顫周期里，如果有兩鍵同時按下，則只有其中一個鍵彈起，而另一個鍵保持在按下位置時，才被認(rèn)可。N鍵輪回為N鍵同時按下的保護方法。當(dāng)有若干鍵按下時，鍵盤掃描能夠根據(jù)發(fā)現(xiàn)他們的順序，依次將它們的狀態(tài)送入FIFO RAM中。
2)程序時鐘命令
??? 命令格式：
D7 ? D6 ? D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ? D0
0
0
1
N
其中：
??? D7、D6、D5=001為時鐘命令特征位。
??? N（? D4、D3、D2、D1、D0）用來設(shè)定外部輸入CLK端的時鐘進行分頻的分頻數(shù)N。N取值為2~31。例如外部時鐘頻率為2MHZ，N被置為10100（N=20），則對輸入的外部時鐘20分頻，以獲得8279內(nèi)部要求的100KMZ的基本頻率。
3)讀FIFO/傳感器RAM命令
??? 命令格式：
D7 ? D6 ? D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ? D0
0
1
0
AI
X
A
其中：
D7D6D5 =010為讀FIFO/傳感器RAM命令特征位。該命令字只在傳感器方式時使用。在CPU讀傳感器RAM之前，必須使用這條命令來設(shè)定傳感器RAM中的8個地址（每個地址一個字節(jié)）。
??? A（D2、D1、D0）為傳感器RAM中的八個字節(jié)地址。
AI（D4）為自動增量特征位。當(dāng)AI=1時，每次讀出傳感器RAM后地址自動加1使地址指針指向下一個存儲單元。這樣，下一個數(shù)據(jù)便從下一個地址讀出，而不必重新設(shè)置讀FIFO/傳感器RAM命令。
??? 在鍵盤工作方式中，由于讀出操做嚴(yán)格按照先入先出順序，因此，不需使用此命令。
4)讀顯示RAM命令
??? 命令格式：
D7 ? D6 ? D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ? D0
0
1
1
AI
X
其中：
D7D6D5 =011為讀顯示RAM命令字的特征位。該命令用來設(shè)定將要讀出的顯示RAM地址。
X（D3、D2、D1、D0）用來尋址顯示RAM命令字的特征位。由位顯示RAM中有16個字節(jié)單元故需要4位尋址。
??? AI（D4）為自動增量特征位。當(dāng)AI=1時，每次讀出后地址自動加1指向下一地址。
5)寫顯示RAM命令
??? 命令格式：
D7 ? D6 ? D5 ? D4 ? D3 ? D2 ? D1 ? D0
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