1422-兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計

1422-兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計,實驗,試驗,數(shù)控系統(tǒng),設(shè)計 第一章 引 言- 1 -第一章 引 言1.1 課題的背景我 國 機 床 的 消 費 量 在 全 世 界 僅 次 于 美 國 和 日 本 ， 居 第 三 位 。 我 國 機NC床 工 業(yè) 已 基 本 形 成 門 類 較 齊 全 的 生 產(chǎn) 科 研 體 系 ， 數(shù) 控 機 床 是 現(xiàn) 代 基 礎(chǔ) 機 械 代表 產(chǎn) 品 。 機 床 是 機 床 制 造 技 術(shù) 、 微 電 子 和 計 算 機 技 術(shù) 三 者 相 結(jié) 合 的 產(chǎn) 物 。機 床 的 性 能 水 平 主 要 取 決 與 系 統(tǒng) 的 先 進 性 。 近 年 來 ， 隨 著 國 外 高 檔NC機 床 產(chǎn) 品 的 進 口 和 國 外 技 術(shù) 的 引 進 ， 我 國 的 機 床 生 產(chǎn) 取 得 了 長NC足 的 進 步 。進 入 21 世 紀 ,我 國 機 床 制 造 業(yè) 既 面 臨 著 提 升 機 械 制 造 業(yè) 水 平 的 需 求 而引 發(fā) 的 制 造 裝 備 發(fā) 展 的 良 機 ,也 遭 遇 到 加 入 后 激 烈 的 市 場 競 爭 的 壓 力 。WTO從 技 術(shù) 層 面 上 來 講 ,加 速 推 進 數(shù) 控 技 術(shù) 將 是 解 決 機 床 制 造 業(yè) 持 續(xù) 發(fā) 展 的 一 個關(guān) 鍵 。數(shù) 控 機 床 及 由 數(shù) 控 機 床 組 成 的 制 造 系 統(tǒng) 是 改 造 傳 統(tǒng) 產(chǎn) 業(yè) 、 構(gòu) 建 數(shù) 字 化 企業(yè) 的 重 要 基 礎(chǔ) 裝 備 ， 它 的 發(fā) 展 一 直 備 受 人 們 關(guān) 注 。 數(shù) 控 機 床 以 其 卓 越 的 柔 性自 動 化 的 性 能 、 優(yōu) 異 而 穩(wěn) 定 的 精 度 、 敏 捷 而 多 樣 化 的 功 能 引 起 世 人 矚 目 ，它 開 創(chuàng) 了 機 械 產(chǎn) 品 向 機 電 一 體 化 發(fā) 展 的 先 河 ， 因 此 數(shù) 控 技 術(shù) 成 為 先 進 制 造 技術(shù) 中 的 一 項 核 心 技 術(shù) 。 另 一 方 面 ， 通 過 持 續(xù) 的 研 究 ， 信 息 技 術(shù) 的 深 化 應(yīng) 用 促進 了 數(shù) 控 機 床 的 進 一 步 提 升 。在 發(fā) 達 國 家 ， 數(shù) 控 機 床 已 經(jīng) 大 量 普 遍 使 用 。 我 國 制 造 業(yè) 機 床 數(shù) 控 化 率 不到 ， 而 且 ， 對 現(xiàn) 有 的 為 數(shù) 不 多 的 數(shù) 控 機 床 也 未 能 充 分 利 用 。 原 因 是 多 方02面 的 ， 數(shù) 控 人 才 的 匱 乏 是 其 主 要 原 因 之 一 。 尤 其 迫 切 需 要 大 量 的 從 研 究 開 發(fā)到 使 用 維 修 的 各 個 層 次 的 技 術(shù) 人 才 。我 國 經(jīng) 濟 快 速 發(fā) 展 。 逐 步 成 為 世 界 制 造 中 心 進 入 新 的 世 紀 以 后 ， 隨著 我 國 綜 合 國 力 的 進 一 步 增 強 和 加 人 世 界 貿(mào) 易 組 織 ， 我 國 經(jīng) 濟 全 面??WTO與 國 際 接 軌 ， 并 正 在 成 為 全 球 制 造 業(yè) 的 中 心 ， 大 批 跨 國 企 業(yè) 搶 灘 登 陸 在 國 內(nèi)高 起 點 設(shè) 廠 、 將 生 產(chǎn) 加 工 向 中 國 轉(zhuǎn) 移 ； 國 內(nèi) 制 造 企 業(yè) 更 是 背 水 一 戰(zhàn) 。 大 舉 通過 信 息 化 、 廣 泛 應(yīng) 用 現(xiàn) 代 制 造 技 術(shù) 積 極 參 與 國 際 競 爭 ， 我 國 制 造 業(yè) 進 入 了 一第一章 引 言- 2 -個 空 前 蓬 勃 發(fā) 展 的 新 時 期 ， 這 必 然 對 掌 握 現(xiàn) 代 信 息 化 制 造 技 術(shù) 的 技 術(shù) 人 才 、特 別 是 對 大 量 的 一 線 技 術(shù) 工 人 形 成 了 巨 大 需 求 。近 年 來 ， 由 于 受 數(shù) 控 人 才 需 求 的 拉 動 ， 各 校 均 建 有 不 同 規(guī) 模 的 數(shù) 控 實 訓(xùn)基 地 ， 有 的 是 規(guī) 模 大 、 設(shè) 備 種 類 多 的 實 訓(xùn) 中 有 的 是 設(shè) 備 種 類 和 數(shù) 量 相 對 較 少的 實 驗 室 。 有 的 學(xué) 校 實 訓(xùn) 基 地 以 普 通 加 工 設(shè) 備 配 進 口 數(shù) 控 系 統(tǒng) 為 主 ． 有 的 學(xué)校 以 教 學(xué) 型 數(shù) 控 設(shè) 備 為 主 。 總 的 情 況 是 ， 數(shù) 控 設(shè) 備 的 臺 套 種 類 ， 數(shù) 量 與 學(xué) 生規(guī) 模 反 差 較 大 。 用 于 教 學(xué) 實 驗 的 設(shè) 備 更 是 落 后 ， 加 之 由 于 各 種 客 觀 和 主 觀的 原 因 ， 全 國 大 專 院 校 機 電 類 學(xué) 生 工 程 實 踐 能 力 普 遍 較 差 ， 其 學(xué) 習(xí) 和 研 究 工作 偏 向 計 算 機 化 、 軟 件 化 ， 動 手 能 力 與 理 論 更 是 難 結(jié) 合 在 一 起 。 嚴 重 影響 實 訓(xùn) 、 培 訓(xùn) 效 果 。1.2 課題的意義通 過 對 實 驗 型 兩 軸 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 ， 要 求 學(xué) 生 能 夠 綜 合 運 用 所 學(xué) 過 的 數(shù)控 技 術(shù) 、 微 機 原 理 與 接 口 技 術(shù) 、 軟 件 程 序 設(shè) 計 、 工 藝 等 知 識 ， 掌 握 數(shù) 控 機 床機 械 結(jié) 構(gòu) 設(shè) 計 計 算 及 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 開 發(fā) 過 程 。 重 點 掌 握 步 進 電 機 驅(qū) 動 、 控制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 開 發(fā) 過 程 ， 機 床 工 作 臺 及 其 相 應(yīng) 的 夾 具 及 機 床 配 件 設(shè) 計 。 為 畢業(yè) 后 從 事 機 械 電 子 設(shè) 備 的 研 制 和 使 用 打 下 良 好 的 基 礎(chǔ) 。第一章 引 言- 3 -第二章 兩軸實驗型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計2.1 數(shù)控系統(tǒng)總 體 方 案 的 設(shè) 計主要包括以下幾個方面：（ 1） 　 運動功能設(shè)計。 包 括 確 定 機 床 所 需 運 動 的 個 數(shù) 、 形 式 （ 直 線 運 動 、回 轉(zhuǎn) 運 動 ） 、 功 能 （ 主 運 動 、 進 給 運 動 、 其 他 運 動 ） 及 排 列 順 序 ， 最 后 畫 出機 床 的 運 動 功 能 圖 。（ 2） 　 基本參數(shù)設(shè)計。 包 括 尺 寸 參 數(shù) 、 運 動 參 數(shù) 和 動 力 參 數(shù) 設(shè) 計 。（ 3） 　 傳動系統(tǒng)設(shè)計。 包 括 傳 動 方 式 、 傳 動 原 理 圖 及 傳 動 系 統(tǒng) 圖 設(shè) 計 。（ 4） 　 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計。 包 括 運 動 功 能 分 配 、 總 體 布 局 機 構(gòu) 形 式 及 總體 結(jié) 構(gòu) 方 案 圖 設(shè) 計 。（ 5） 　 控制系統(tǒng)設(shè)計。 包 括 控 制 方 式 及 控 制 原 理 、 控 制 系 統(tǒng) 圖 設(shè) 計 。根據(jù)前面所提到的數(shù)控機床應(yīng)滿足的基本要求就可以進行總體設(shè)計。 在 各項 基 本 要 求 中 以 工 藝 要 求 最 為 重 要 。 由 工 藝 要 求 決 定 機 床 所 需 要 的 運 動 。 完成 每 個 運 動 又 有 相 應(yīng) 的 功 能 部 件 。 這 就 可 以 確 定 各 部 件 的 相 對 運 動 和 相 對 位置 關(guān) 系 。 機 床 的 總 體 布 局 也 就 可 以 大 體 確 定 下 來 。因 此 ， 總 體 方 案 設(shè) 計 是 一 項 全 局 性 的 設(shè) 計 工 作 ， 直 接 影 響 機 床 產(chǎn) 品 的 結(jié)構(gòu) 、 性 能 、 工 藝 和 成 本 ， 關(guān) 系 到 產(chǎn) 品 的 技 術(shù) 水 平 和 市 場 競 爭 能 力 。2.2 兩 軸 實 驗 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 方 案 擬 定對 教 學(xué) 試 驗 型 微 型 數(shù) 控 銑 床 的 設(shè) 計 ， 一 方 面 ， 要 求 其 功 能 完 善 、 結(jié) 構(gòu) 開放 ， 具 有 與 一 般 生 產(chǎn) 型 數(shù) 控 銑 床 一 樣 的 工 作 原 理 和 工 作 性 能 ； 另 一 方 面 ， 要求 其 體 積 小 、 價 格 低 ， 有 利 于 此 類 銑 床 的 普 及 推 廣 。 所 以 本 課 題 的 設(shè) 計 主 要是 兩 個 方 面 ： 其 一 ： 機 械 結(jié) 構(gòu) 的 設(shè) 計 ； 其 二 ： 控 制 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 。 這 里 有 兩個 方 案 ：方 案 一 、 采 用 減 速 箱 ， 并 對 滾 珠 絲 杠 進 行 兩 端 支 撐 ；第一章 引 言- 4 -減 速 箱 采 用 圓 注 齒 輪 變 速 ， 這 種 方 案 可 以 通 過 增 加 減 速 箱 ， 達 到 ： 1.增 大 轉(zhuǎn) 動 扭 矩 ； 2.提 高 脈 沖 當 量 ； 3.匹 配 慣 量 。 對 滾 珠 絲 杠 進 行 兩 端 支 撐 ，可 以 盡 量 減 少 由 于 一 端 支 撐 ， 可 能 產(chǎn) 生 的 彎 曲 ， 減 少 誤 差 ， 提 高 精 度 。方 案 二 、 直 接 采 用 套 筒 式 聯(lián) 軸 器 連 接 步 進 電 動 機 和 滾 珠 絲 杠 ， 對 滾 珠 絲杠 進 行 一 端 支 撐 。該 設(shè) 計 結(jié) 構(gòu) 簡 單 。2.３ 方 案 的 比 較 與 選 擇方 案 一 、 由 于 切 削 石 蠟 、 塑 料 等 材 料 ， 根 據(jù) 計 算 切 削 力 較 小 ， 選 用 步 進電 機 ， 脈 沖 當 量 為 2mm/min， 采 用 減 速 向 變 速 ， 傳 動 比 選 用 1.25， 通 過 計算 可 以 提 高 脈 沖 當 量 為 1.02mm/min。 對 滾 珠 絲 杠 采 用 兩 端 支 撐 ， 可 以 提 高滾 珠 絲 杠 的 剛 度 ， 提 高 滾 珠 絲 杠 壽 命 。方 案 二 、 直 接 采 用 套 同 式 聯(lián) 軸 器 聯(lián) 接 電 動 機 軸 和 滾 珠 絲 杠 ， 精 度 不 高 ，電 機 功 率 太 小 ， 直 接 帶 動 滾 珠 絲 杠 在 長 時 間 工 作 時 ， 對 步 進 電 機 損 耗 較 大 。采 用 一 端 支 撐 ， 會 導(dǎo) 致 滾 珠 絲 杠 產(chǎn) 生 撓 度 ， 影 響 滾 珠 絲 杠 的 剛 度 ， 從 而 影 響其 壽 命 。根 據(jù) 實 際 工 作 要 求 ， 考 慮 其 工 作 壽 命 ， 最 終 選 擇 地 一 種 方 案 ： 采 用 減 速箱 ， 并 對 滾 珠 絲 杠 采 用 兩 端 支 撐 。2.4 兩 軸 實 驗 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 方 案 擬 定教 學(xué) 試 驗 型 微 型 數(shù) 控 銑 床 的 總 體 長 為 300mm， 寬 為 180mm， 高 為400mm， 工 作 臺 寬 度 180mm， 長 180mm。 可 以 實 現(xiàn) X 軸 、 Y 軸 和 Z 軸 三 坐 標聯(lián) 動 。 X 軸 、 Y 軸 的 進 給 是 通 過 電 機 帶 動 絲 杠 ， 絲 杠 又 與 螺 母 傳 動 來 實 現(xiàn) 。電 機 與 絲 杠 的 連 接 可 以 通 過 銷 釘 來 達 到 。 在 傳 動 過 程 中 電 機 帶 動 絲 杠 做 旋 轉(zhuǎn)運 動 ， 螺 母 沿 導(dǎo) 軌 做 水 平 移 動 ， 從 而 帶 動 工 作 臺 運 動 。 Z 軸 的 進 給 也 是 通過 電 機 帶 動 絲 杠 ， 絲 杠 又 與 Z 軸 螺 母 傳 動 來 實 現(xiàn) 。 主 軸 套 與 Z 軸 螺 母 相 連 ，在 傳 動 過 程 中 電 機 帶 動 絲 杠 做 旋 轉(zhuǎn) 運 動 ， 螺 母 沿 導(dǎo) 軌 做 上 下 移 動 ， 從 而 帶 動主 軸 做 上 下 運 動 。控 制 系 統(tǒng) 部 分 ： 通 過 采 用 三 菱 公 司 的 FX2N系 列 單 片 微 機 構(gòu) 成 的 控 制 系第一章 引 言- 5 -統(tǒng) 來 實 現(xiàn) 對 步 進 電 機 的 啟 停 、 正 反 轉(zhuǎn) 、 兩 軸 聯(lián) 動 和 變 頻 調(diào) 速 的 控 制 ， 從 而 實現(xiàn) 加 工 過 程 的 自 動 控 制 。 其 中 重 點 是 確 定 硬 件 電 路 的 總 體 方 案 和 軟 件 設(shè) 計 ，主 要 有 ： 存 儲 器 擴 展 電 路 設(shè) 計 ， 輸 入 輸 出 接 口 電 路 設(shè) 計 ， 步 進 電 機 接 口 和 驅(qū)動 電 路 （ 光 電 隔 離 電 路 ， 功 率 放 大 電 路 ） ， 其 他 輔 助 電 路 （ 時 鐘 電 路 ， 復(fù) 位電 路 ， 越 界 報 警 電 路 ， 掉 電 保 護 電 路 等 等 ） ， 流 程 圖 的 繪 制 和 程 序 的 書 寫 。由 此 ， 可 以 大 體 畫 出 整 體 結(jié) 構(gòu) 的 系 統(tǒng) 方 案 圖 圖 1：圖 1 總體框圖MCS-51 接口電路驅(qū)動電路鍵盤輸入數(shù)據(jù)顯示傳動機構(gòu)工作臺第一章 引 言- 6 -第 六 章 總 結(jié)本 文 詳 細 地 分 析 了 兩 軸 實 驗 型 數(shù) 控 銑 床 的 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 與 發(fā) 展 趨 勢 ， 對 兩軸 數(shù) 控 銑 床 現(xiàn) 有 的 結(jié) 構(gòu) ， 及 其 完 成 的 各 項 功 能 進 行 了 綜 合 分 析 ， 并 以 華 中 科技 大 學(xué) HDJ-1 型 數(shù) 控 實 驗 系 統(tǒng) 為 例 ， 結(jié) 合 實 際 實 驗 設(shè) 備 要 求 ， 進 行 了 多 方 面的 改 進 。本 文 主 要 工 作 在 于 完 成 了 一 種 兩 軸 實 驗 型 數(shù) 控 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計 并 進 行 了 可 行性 分 析 論 證 。 根 據(jù) 相 關(guān) 技 術(shù) 要 求 ， 進 行 了 精 確 的 計 算 ， 查 閱 各 種 資 料 進 行 選擇 并 進 行 了 有 關(guān) 校 核 ， 本 著 性 價 比 高 的 原 則 ， 進 行 了 各 種 設(shè) 備 的 比 較 。 該 設(shè)備 具 有 成 本 低 、 性 能 完 善 、 具 有 普 遍 性 等 優(yōu) 點 ， 有 很 廣 闊 的 應(yīng) 用 前 景由 于 設(shè) 計 者 水 平 所 限 ， 加 上 設(shè) 計 時 間 倉 促 ， 整 體 設(shè) 計 盡 管 比 老 式 設(shè) 備的 性 能 有 了 大 大 的 提 高 ， 但 與 比 較 先 進 的 設(shè) 備 相 比 ， 還 是 有 其 不 足 之 處 ， 再者 設(shè) 計 中 也 難 免 有 欠 妥 之 處 ， 仍 需 進 一 步 改 進 。