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哈爾濱理工大學學士學位論文
三維數(shù)控工作臺的設(shè)計與開發(fā)
摘要
在當前生產(chǎn)中的許多機械設(shè)備中均需要精密定位，而其中的三維精密定位工作臺作為關(guān)鍵部件將直接影響其整機的性能和精度。為保證機器性能，工作臺要在X方向和Y方向?qū)崿F(xiàn)快速準確的定位，并且要求在Z方向能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)整和定位，要實現(xiàn)快速和準確定位，必須對工作臺進行改裝，使用步進電機和控制卡。本文設(shè)計的工作臺就是基于單片機控制的三維數(shù)控工作臺。
本次研究的課題的主要內(nèi)容包括：充分利用實驗室中廢舊的二維工作臺，通過對硬件諸如直線導(dǎo)軌，深溝球軸承，滾珠絲杠，步進電機等的選擇并對零件的整體連接結(jié)構(gòu)進行設(shè)計從而組裝出一臺可運轉(zhuǎn)的三維工作臺；利用三維建模軟件對所選擇的工作臺的各部分零件進行建模，裝配，并對裝配好的三維工作臺實現(xiàn)運動仿真；利用VB語言對插補程序進行軟件設(shè)計；需要完成對三維工作臺的控制系統(tǒng)的設(shè)計，主要包括對開閉環(huán)的選擇，對80C51單片機功能的充分認識并編寫控制程序，充分理解、學習插補技術(shù)在三維數(shù)控工作臺中的應(yīng)用。
通過上述研究內(nèi)容，我們可以的到一臺經(jīng)濟，實用，精密度較高的三維數(shù)控工作臺，通過與普通工作臺的比較，我們可以從中得出插補技術(shù)對于數(shù)控工作臺的影響?？梢哉f將插補技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)代數(shù)控加工已經(jīng)是一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，因此本課題具有很高的研究價值。
關(guān)鍵詞 數(shù)控系統(tǒng)；三維工作臺；單片機；插補技術(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)控工作臺的硬件選擇及連接結(jié)構(gòu) 3
2.1三維數(shù)控工作臺的工作原理介紹 3
2.2三維數(shù)控工作臺的基本結(jié)構(gòu) 3
2.3步進電機的選擇 4
2.4絲杠的選型與校核 5
2.4.1滾珠絲杠的簡單介紹 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)軌的選型與計算 9
2.5.1直線導(dǎo)軌的簡單介紹 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)控工作臺的Pro/E三維建模 17
3.1 Pro/E建模軟件簡介 17
3.2 Pro/E界面介紹 17
3.3零件三維建模實例介紹 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進行顏色和外觀設(shè)計 21
3.4其余零件三維建模圖展示 22
3.5三維數(shù)控工作臺裝配 23
3.6本章小結(jié) 25
第4章 三維工作臺的軟件及控制系統(tǒng)設(shè)計 26
4.1逐點比較法直線插補的簡介 26
4.2逐點比較法直線插補的計算步驟 26
4.3數(shù)控插補仿真軟件的說明 29
4.4開環(huán)系統(tǒng)控制原理 30
4.5單片機設(shè)計 30
4.6本章小結(jié) 35
結(jié)論 36
致謝 37
參考文獻 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作為關(guān)鍵部件將直接影響其整機的性能和精度。為保證機器性能，工作臺要在X方向和Y方向?qū)崿F(xiàn)快速準確的定位，并且要求在Z方向能夠?qū)崿F(xiàn)精確調(diào)整和定位，要實現(xiàn)快速和準確定位，必須對工作臺進行改裝，使用步進電機和控制卡。插補技術(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。而本實驗充分利用實驗室中廢舊的二維工作臺，并進行導(dǎo)軌，絲杠，電機，軸承等選型，在其基礎(chǔ)之上搭建成三維工作臺，實現(xiàn)對插補仿真技術(shù)的應(yīng)用研究，這樣既節(jié)約了成本實現(xiàn)了廢物回收再利用，又兼顧了插補技術(shù)的研究，因此具有十分廣泛而重要的現(xiàn)實意義
1.2課題研究的現(xiàn)狀
國內(nèi)數(shù)控技術(shù)發(fā)展，1996年，清華大學研制了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)；南京四開電子公司與清華大學共同研制的基于32位CPU和通用計算機主從式SKY數(shù)控系統(tǒng)實現(xiàn)了完全國產(chǎn)化，通過江蘇省科委組織的科技成果鑒定并認為己達到當時國際先進水平。1999年，武漢華中理工大學利用TMS320F243定點DSP芯片設(shè)計了一款PC-DSP主從式多軸運動控制器，該控制器可以通過CAN總線與CNC系統(tǒng)中的上位PC機及其它一些具有不同功能的硬件模塊進行通訊，在2000年，又研制成功了一種基于TMS320C203的定點DSP的數(shù)值插補和通訊管理控制器。
國際數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀：在80年代初，隨著計算機控制技術(shù)和先進制造技術(shù)的發(fā)展，基于PC的開放式數(shù)控系統(tǒng)就開始得以在世界范圍內(nèi)推廣。"NGC (Next Generation Controller)”研究計劃，首先提出了開放體系結(jié)構(gòu)控制器的概念。自1990年開始，美國的幾個大的科研機構(gòu)對N GC計劃分別發(fā)表了相應(yīng)的研究內(nèi)容。其后由許多相關(guān)的研究計劃在世界各國相繼啟動，其中較有影響的有美國的OMAC、歐洲的OSACa和日本的ONE計劃。同時，發(fā)達國家將DSP運動控制技術(shù)融入了開放式數(shù)控機床的研究。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)在線辯識技術(shù), Kolek, k提出了一種基于總線技術(shù)的浮點DSP控制器，該控制器增強了系統(tǒng)資料計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)自學習伺服控制系統(tǒng)，以補償鉆石精整加工過程中由于機械軸摩擦力造成的影響:同年，Han, S. H提出一種用于機器人操縱器的實時補償、自適應(yīng)算法的DSP控制器系統(tǒng); 1998年，Style, A. W. /Diana, G.開發(fā)了一種基于Mathworks Simulink/Realtimeworkshop的PC-DSP主從式系統(tǒng)，用于運動控制系統(tǒng)的設(shè)計、仿真及實時控制形成了DSP運動控制系統(tǒng)的雛形;1999年，Brandstatter. W.創(chuàng)立了一種基于DSP的用于步進電機控制系統(tǒng)的方法，該系統(tǒng)包含了對PI電流控制和控制策略補償?shù)忍攸c，從而避免電機轉(zhuǎn)速的波動; Moynihan.J. F.將DSP作為專門的運算處理單元，用于計算高精度的位置、速度傳感器的信號，這是DSP在運動控制插補運算功能的典型應(yīng)用。
1.3課題研究的主要內(nèi)容
作者在實驗期間參考各種資料，完成了對數(shù)控系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)，單片機程序開發(fā)的研究主要有以下幾個方面：
（1）在原有的二維工作臺的基礎(chǔ)上通過對步進電機，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在技術(shù)性、經(jīng)濟性和實用性都比較良好三維工作臺。
（2）對設(shè)計好的三維數(shù)控工作臺進行proe建模及其運動仿真。
（3）借助此三維工作臺研究了插補仿真技術(shù)對數(shù)控工作臺精密度的影響，進行伺服系統(tǒng)的選擇，安裝與調(diào)試，編寫了插補仿真系統(tǒng)軟件上下位機程序。
第2章 三維數(shù)控工作臺的硬件選擇及連接結(jié)構(gòu)
三維數(shù)控工作臺的整體設(shè)計包括對步進電機，滾珠絲杠，直線導(dǎo)軌，深溝球軸承，十字滑塊聯(lián)軸器的型號選取及其連接結(jié)構(gòu)的確定。
2.1三維數(shù)控工作臺的工作原理介紹
三維數(shù)控工作臺的主要工作原理簡述如下：
（1）在X極方向由步進電機控制聯(lián)軸器進而控制絲杠的轉(zhuǎn)動，絲杠的轉(zhuǎn)動帶動了絲杠螺母座的移動從而也就帶動了固定有Y極的連接板的運動。
（2）在Y極方向由步進電機控制聯(lián)軸器進而控制絲杠的轉(zhuǎn)動，絲杠的轉(zhuǎn)動帶動了絲杠螺母座的移動從而也就帶動了固定有Z極的連接板的運動。
（3）在Z極方向上由步進電機控制聯(lián)軸器進而控制絲杠的轉(zhuǎn)動，絲杠的轉(zhuǎn)動帶動了螺母座的移動，也就帶動了Z極上連接板的移動，進而完成了三維數(shù)控工作臺的整體移動。
2.2三維數(shù)控工作臺的基本結(jié)構(gòu)
為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。考慮電機步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標準選取，為達到分辨率0.01mm的要求，以及考慮步進電機負載匹配，簡化結(jié)構(gòu)，聯(lián)軸器將電機與絲杠直接連接。如圖2-1所示為三維數(shù)控工作臺的基本結(jié)構(gòu)，根據(jù)所給出的要求所設(shè)計的三維工作臺應(yīng)該滿足行程及精密度要求，同時在運行時還有具有一定的穩(wěn)定性，盡可能的縮小誤差大小，設(shè)計時X軸,Y軸,Z軸采用相同的運動裝置，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行的精度，故對各裝配面以及運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)進行組裝就能設(shè)計制造出一臺符合要求，經(jīng)濟實惠，精確度高的三維數(shù)控工作臺。
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-步進電機
圖2-1 三維數(shù)控工作臺基本結(jié)構(gòu)
2.3步進電機的選擇
根據(jù)三維數(shù)控工作臺的工作特性、工作環(huán)境、工作載荷的大小和性質(zhì)等條件，選擇電動機的種類、類型、結(jié)構(gòu)形式、功率和轉(zhuǎn)速，確定出電動機的型號根據(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、起動特性和過載情況來選擇。
由于一般生產(chǎn)單位多采用三相交流電源，根據(jù)工作臺臺的工作特性,需選用步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元步進電機件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的。主要有反應(yīng)式、永磁式和混合式三大類。在選擇的時候主要根據(jù)以下參數(shù)進行：
步距角的選擇：電機的步距角取決于負載精度的要求，將負載的最小分辨率（當量）換算到電機軸上，每個當量電機應(yīng)走多少角度（包括減速）。電機的步距角應(yīng)等于或小于此角度。市場上步進電機的步距角一般有0.36度/0.72度（五相電機）、0.9度/1.8度（二、四相電機）、1.5度/3度 （三相電機）等。
靜力矩的選擇：步進電機的動態(tài)力矩一下子很難確定，我們往往先確定電機的靜力矩。靜力矩選擇的依據(jù)是電機工作的負載，而負載可分為慣性負載和摩擦負載二種。單一的慣性負載和單一的摩擦負載是不存在的
電流的選擇：靜力矩一樣的電機，由于電流參數(shù)不同，其運行特性差別很大，可依據(jù)矩頻特性曲線圖，判斷電機的電流。根據(jù)以上內(nèi)容，結(jié)合本課題，作者選擇北京時代超群有限公司生產(chǎn)的42HBS33BJ4-TR0型步進電機。具體參數(shù)如表2-1和圖2-2所示：
表2-1 北京時代超群有限公司42式步進電機型號參數(shù)表
型號
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(mm)
重量
42HBS33BJ4-TR0
3
1.8°
0.21
0.4
28.5
32
串長
22
200
圖2-2 步進電機參數(shù)圖
2.4絲杠的選型與校核
2.4.1滾珠絲杠的簡單介紹
2.4.1.1簡介
滾珠絲杠是將回轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線運動，或?qū)⒅本€運動轉(zhuǎn)化為回轉(zhuǎn)運動的理想的產(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)運動轉(zhuǎn)化成直線運動，這是艾克姆螺桿的進一步延伸和發(fā)展，這項發(fā)展的重要意義就是將軸承從滾動動作變成滑動動作。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。
滾珠絲杠是工具機和精密機械上最常使用的傳動元件，其主要功能是將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成線性運動，或?qū)⑴ぞ剞D(zhuǎn)換成軸向反覆作用力，同時兼具高精度、可逆性和高效率的特點。
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)過程中有時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)。滾珠每一個循環(huán)閉路稱為列，每個滾珠循環(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)過程結(jié)束后通過螺母外表面的螺旋槽或插管返回絲杠螺母間重新進入循環(huán)。外循環(huán)滾珠絲杠螺母副按滾珠循環(huán)時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，在螺母上加工一個縱向孔，作為滾珠的回程通道，螺母兩端的蓋板上開有滾珠的回程口，滾珠由此進入回程管，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)和制造工藝簡單，使用廣泛。其缺點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，以保證對準螺紋滾道方向。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
（1）與滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩為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運動,所以能得到較高的運動效率。與過去的滑動絲杠副相比驅(qū)動力矩達到1/3以下,即達到同樣運動結(jié)果所需的動力為使用滾動絲杠副的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械設(shè)備連貫生產(chǎn)出來的，特別是在研削、組裝、檢查各工序的工廠環(huán)境方面,對溫度、濕度進行了嚴格的控制，由于完善的品質(zhì)管理體制使精度得以充分保證。
（3）微進給可能
滾珠絲杠副由于是利用滾珠運動,所以啟動力矩極小,不會出現(xiàn)滑動運動那樣的爬行現(xiàn)象,能保證實現(xiàn)精確的微進給。
（4）無側(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到負值,進而得到較高的剛性。
2.4.2滾珠絲杠的選型
絲杠的選型過程中對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，常見規(guī)格有12,14,16,20,25,32,40,50,63，80,100,120.公稱直徑和負載成正比，公稱直徑越大，負載越大，而負載的大小直接影響滾珠絲杠的壽命，實際負荷與額定負荷比值越小，壽命越長。
2---導(dǎo)程。也成螺距，即螺桿每旋轉(zhuǎn)一周螺紋上一點所移動的直線距離，常見的導(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---長度。長度主要是只絲杠全長，設(shè)計師主要是根據(jù)工作長度及設(shè)計寬裕量而定的，一般廠家可以對所需絲杠進行切割，從而滿足客戶的要求。
4---精度。滾珠絲杠按國家標準可以分為P類和T類，即傳動類和定位類，精度等級有1，2，3，4……。國外產(chǎn)品一律以C0-C10來表示，一般來說普通機械一般選擇C7，高精度機械一般選擇C5以上，C3以下，光學或檢測機構(gòu)一般選擇C3以上，一般機械如本實驗中的三位工作臺，一般推薦為C7即可。
根據(jù)以上內(nèi)容初選滾珠絲杠型號為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 滾珠絲杠型號參數(shù)表
型號
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 滾珠絲杠型號參數(shù)圖
初選X軸,Y軸,Z軸長度為337mm，其中工作長度為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，剛度驗算，傳動效率的計算。
2.4.3.1傳動效率計算
滾珠絲杠計算步驟為：
（2-1）
代入數(shù)值求得η=0.9482符合要求
2.4.3.2絲杠最大載荷計算
絲杠上的工作載荷為走刀抗力，移動體重力和作用在導(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動平穩(wěn)，故選擇直線滑動導(dǎo)軌配合小壓板來替代有槽的滑動導(dǎo)軌，所以選擇最簡單的導(dǎo)軌塊，直線平導(dǎo)軌的實驗公式進行計算。
（2-2）
，
將所得數(shù)據(jù)代入上式有 ：
最大動負載C的計算及主要尺寸：
絲杠最大動載荷：
（2-3）
由《機械設(shè)計手冊》可知
（2-4）
2.4.3.3剛度驗算
根據(jù)公式
（2-5）
絲杠副剛度的驗算
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)計要求。
2.5直線導(dǎo)軌的選型與計算
2.5.1直線導(dǎo)軌的簡單介紹
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，是用來支撐和引導(dǎo)運動部件，按給定的方向做往復(fù)直線運動。依按摩擦性質(zhì)而定，直線運動導(dǎo)軌可以分為滑動摩擦導(dǎo)軌、滾動摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等種類。
直線導(dǎo)軌運動的作用是用來支撐和引導(dǎo)運動部件，按給定的方向做往復(fù)直線運動。依按摩擦性質(zhì)而定，直線運動導(dǎo)軌可以分為滑動摩擦導(dǎo)軌、滾動摩擦導(dǎo)軌、彈性摩擦導(dǎo)軌、流體摩擦導(dǎo)軌等種類?！≈本€軸承主要用在自動化機械上比較多,像德國進口的機床,折彎機,激光焊接機等等,當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械結(jié)構(gòu)上。
直線導(dǎo)軌具有自動調(diào)心能力：來自圓弧溝槽的DF(45-°45)°組合，在安裝的時候，即由鋼珠的彈性變形及接觸點的轉(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)生自動調(diào)心能力之效果而而得到高精度穩(wěn)定的平滑運動。
直線導(dǎo)軌具有互換性：由于對生產(chǎn)制造精度嚴格管控，直線導(dǎo)軌尺寸能維持在一定的水準內(nèi)，且滑塊有保持器的設(shè)計以防止鋼珠脫落，因此部份系列精度具可互換性，客戶可依需要訂購導(dǎo)軌或滑塊，亦可分開儲存導(dǎo)軌及滑塊，以減少儲存空間。
直線導(dǎo)軌主要應(yīng)用于精度要求比較高的機械結(jié)構(gòu)上,直線導(dǎo)軌的移動元件和固定元件之間不用中間介質(zhì)，而用滾動鋼球。因為滾動鋼球適應(yīng)于高速運動、摩擦系數(shù)小、靈敏度高，滿足運動部件的工作要求，如機床的刀架，拖板等。如果作用在鋼球上的作用力太大，鋼球經(jīng)受預(yù)加負荷時間過長，導(dǎo)致支架運動阻力增大。
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，負載能力，和預(yù)期壽命進行選用。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。各個不同的廠家對導(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
在選用的過程中可以根據(jù)計算結(jié)果隨時返回到前面的步驟重新進行選擇和設(shè)定。計算滑塊最大負荷時要確認選用的直線導(dǎo)軌靜安全系數(shù)應(yīng)該超過推薦表中所列數(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)軌型號參數(shù)表
型號
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)軌長度為300mm，共需要采購6個直線導(dǎo)軌。
圖2-6直線導(dǎo)軌
2.6聯(lián)軸器的選型
2.6.1聯(lián)軸器的簡介
用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(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--對中性要求高
可移式--可以補償各種偏移
（2）彈性聯(lián)軸器：可以補償各種偏移，緩沖吸振。
2.6.1.1剛性聯(lián)軸器
1．固定式剛性聯(lián)軸器要求兩軸對中性好
(l)夾殼式聯(lián)軸器
由兩個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，為傳動可靠，可加一平鍵。特點：拆裝方便，結(jié)構(gòu)簡單，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。
對中形式：凸肩對中，對中性好；剖分環(huán)對中，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時應(yīng)用鑄鋼或鍛鋼。
特點：結(jié)構(gòu)簡單,能傳遞較大的扭矩,應(yīng)用很廣,適用于軸的剛性大,對中性較好的場合。
2．可移式剛性聯(lián)軸器
具有可移性,可補償兩軸間的偏移。
（1）十字滑塊聯(lián)軸器
由兩個帶有凹槽的半聯(lián)軸器和一個兩端面均帶有相互垂直齒牙的圓盤組成。
常用材料：45號鋼，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、劇烈沖進處。
（3） 萬向聯(lián)軸器，適用于低速
由兩個叉形接頭和十字頭組成。單萬向聯(lián)軸器當主動軸等速回轉(zhuǎn)時，從動軸在做周期性變速回轉(zhuǎn)，為此改用雙萬向聯(lián)軸器，能保證從動軸與主動軸等角速度回轉(zhuǎn)。
材料：合金鋼，熱處理提高耐磨性。
特點：允許兩軸有較大的夾角α可達35°～43°,而且機器運轉(zhuǎn)時夾角變化并不影響傳動，結(jié)構(gòu)簡單維修方便。適用于汽車、拖拉機，多頭鉆床，液力傳動機車、發(fā)電機。
（4） 齒輪聯(lián)軸器
由兩個帶有內(nèi)齒及凸緣的外套簡和兩個帶有外齒的內(nèi)套筒組成,靠內(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號鋼或tG45 采用漸開線齒形，α＝20°，t＝30～80
特點：能傳遞很大扭矩，安裝精度要求不高，零件有較大綜合位移。
在重型機械軋鋼機、蝸輪機、減速箱輸出軸、汽輪發(fā)電機中廣泛應(yīng)用，已標準化。
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）低速剛性小的長軸可選用可移式剛性聯(lián)軸器：
傳遞扭距較大時，選齒輪聯(lián)軸器。軸線交叉時，選用萬向聯(lián)軸器。
（3）高速有振動和經(jīng)常正反轉(zhuǎn)時選用彈性聯(lián)軸器。
根據(jù)以上選用原則，我們選擇名揚公司生產(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
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
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)控工作臺的導(dǎo)軌，電機，滾珠絲杠，聯(lián)軸器，軸承等硬件設(shè)計，并列舉出參數(shù)及實物圖片，對整個工作臺的運行原理及連接基本結(jié)構(gòu)作出了詳細的說明，為后續(xù)建模及對插補技術(shù)的研究奠定基礎(chǔ)。
第3章 三維數(shù)控工作臺的Pro/E三維建模
3.1 Pro/E建模軟件簡介
Pro/Engineer 是美國PTC公司的產(chǎn)品，于1988年問世。10多年來，經(jīng)歷20余次的改版，已成為全世界及中國地區(qū)最普及的3D CAD/CAM系統(tǒng)的標準軟件，廣泛應(yīng)用于電子、機械、模具、工業(yè)設(shè)計、汽車、航天、家電、玩具等行業(yè)。 Pro/E是全方位的3D產(chǎn)品開發(fā)軟件包，和相關(guān)軟件Pro/DESINGER（造型設(shè)計）、Pro/MECHANICA（功能仿真），集合了零件設(shè)計、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、加工制造、鈑金件設(shè)計、鑄造件設(shè)計、工業(yè)設(shè)計、逆向工程、自動測量、機構(gòu)分析、有限元分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理等功能，從而使用戶縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間并簡化了開發(fā)的流程；國際上有27000多企業(yè)采用了PRO/ENGINEER軟件系統(tǒng)，作為企業(yè)的標準軟件進行產(chǎn)品設(shè)計。
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)---為該軟件的主畫面，用來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。每個菜單含有多個子菜單，單擊時會產(chǎn)生一個或多個對話框，這些對話框一般用來輸入?yún)?shù)，用來滿足用戶進行零件設(shè)計時的整體環(huán)境。
3.工具欄圖標---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顯示出來。
4.特征圖標區(qū)---位于主畫面右側(cè)，方便用戶快速選擇所需的操作命令，以進行特征創(chuàng)建。
5.動作提示區(qū)---在進行零件設(shè)計時，在圖標版上方會提示用戶正在進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.過濾器---在進行零件設(shè)計時主窗口的右上角有一個過濾器，用于指定要選取的幾何圖元為哪個。
工具欄圖標
下拉式菜單
特征圖標區(qū)
模型樹
過濾器
動作提示區(qū)
主窗口：零件顯示區(qū)
圖3-1 Pro/E用戶界面
3.3零件三維建模實例介紹
首先打開Pro/E界面如圖3-1所示。接下來我們以滾珠絲杠為例介紹零件的三維建模過程。
3.3.1新建文件
（1） 打開操作界面，點擊下來菜單中的文件，點擊新建，在彈出的對話框中點擊零件選項，勾選掉使用缺省模板選項，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，我們開始進行草繪首先在特征圖標區(qū)點擊圓，在草繪區(qū)畫一個圓，點擊滑鼠中鍵并設(shè)定圓的直徑為10mm.點擊確認，結(jié)束草繪。
（2）在新出現(xiàn)的界面中點擊拉伸，并設(shè)置拉申長度為337mm，點擊確認，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）點擊插入--螺旋掃描—伸出項，在彈出的對話框中選擇基準面，點選right面作為基準面，進入草繪界面。
（2）在right面的中間部位畫一條中心線，在最左邊地方畫一條直線，直線長度為290mm。在直線的兩端地方處分別各畫一條圓弧，并設(shè)置圓弧端點距離中心線的長度為2mm。右鍵點擊下方圓弧端點在新出現(xiàn)的菜單中選擇作為起點。點擊確定完成軌跡的草繪。
（3）在接下來的步驟中輸入4作為螺距。點擊確定。
（4）再次進入草繪界面開始繪制螺紋的截面。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，點擊確認。
（5）點擊預(yù)覽，查看效果，無誤后點擊確定完成對螺旋的三維建模。
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平面，以此新建平面為基準面建立草繪平面。開始草繪首先畫一個直徑為13mm的小圓，在畫一個直徑為24mm的大圓，點擊確定。完成草繪，點擊拉伸，設(shè)置拉伸深度為30mm點擊完成。
（2）在所完成的實體右端建立新的基準平面開始新的草繪。首先畫一個直徑為13的小圓，再畫一個直徑為40的大圓，對大圓進行修剪與切割，使其形成一個大體類似于橢圓的形狀如圖所示，進行拉伸。點擊完成，完成拉伸特征。
（3）點擊實體進入草繪界面，點擊創(chuàng)建孔特征，草繪孔，點擊拉伸，拉伸特征設(shè)置為通孔，點擊結(jié)束。在左側(cè)模型樹中將上面的草繪與拉伸特征進行和并。點擊陣列，設(shè)置角度為30度，點擊完成，完成左側(cè)陣列特征。全選特征進行鏡像特征，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進行顏色和外觀設(shè)計
（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）點擊所要選擇涂色的位置，按鼠標中鍵結(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)計界面。
圖3-6顏色設(shè)計界面
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)控工作臺裝配
在繪制完所有零件圖之后我們需要對零件進行裝配，從而形成完整的三維建模圖。以下為裝配步驟：
（1）新建文件點擊組件，輸入名稱“zhuangpeitu”，點擊確認，開始進行零件組裝。
（2）在新出現(xiàn)的界面中點擊插入元件，首先插入工作臺面。繼續(xù)點擊插入元件，插入導(dǎo)軌1。分別對工作臺面和直線導(dǎo)軌運用對齊和匹配命令使其裝配在一起。同樣再次點擊插入元件命令對直線導(dǎo)軌2進行裝配，完成工作臺面與直線導(dǎo)軌的裝配。
（3）點擊插入元件，插入端蓋1，點擊匹配命令，輸入偏移量為7mm，點擊對齊命令，使工作臺面的端孔軸線與端蓋的端孔軸線對齊，點擊確認。同樣原理插入端蓋2，使用匹配和對齊命令完成對兩個端蓋的裝配。
（4）點擊插入元件，插入軸承1，點擊匹配命令使軸承端面與端蓋面相匹配，點擊對齊命令使軸承軸線與端蓋軸線相對齊，點擊確認，同樣原理插入軸承2，分別使用匹配和對齊命令完成深溝球軸承軸承的裝配。
（5）點擊插入元件，插入滾珠絲杠，點擊匹配，使絲杠一端與軸承1的內(nèi)圈相配合。再次點擊匹配，使絲杠另一端與軸承2相匹配。點擊添加約束，點擊對齊，將絲杠軸線與兩個軸承中心線相對齊，完成滾珠絲杠的裝配。
（6）點擊插入元件，插入絲杠螺母座，點擊對齊，使絲杠螺母副上左端螺孔與螺母座上左端螺孔相對齊。點擊匹配命令，使絲杠螺母副與螺母座相配合。點擊添加約束，再次點擊對齊，使絲杠軸線與螺母座軸線相對齊，點擊確認完成對螺母座的裝配。
（7）點擊插入元件，插入工作板，點擊匹配命令使工作板底面與螺母座頂面相匹配。點擊對齊命令，使工作板上的螺栓孔與螺母座上的螺栓孔相對齊，點擊確定，完成了工作板的裝配。
（8）點擊插入元件，插入聯(lián)軸器，點擊匹配命令使絲杠軸端與聯(lián)軸器大徑端相匹配。點擊對齊命令使聯(lián)軸器軸線與絲杠軸線相匹配，點擊確認，完成了聯(lián)軸器的裝配。
（9）點擊插入元件，插入連接板，點擊匹配命令使連接板端面與工作臺面相匹配，點擊對齊命令，使連接板上螺紋孔與工作臺面上螺紋孔軸線相對齊，點擊確認，完成了對連接板的裝配。
（10）點擊插入元件，插入步進電機，點擊匹配命令，使步進電機出軸端與聯(lián)軸器小徑端相匹配，點擊對齊命令使電機出軸端軸線與聯(lián)軸器軸線相對齊，點擊確認命令，完成步進電機的裝配。
通過以上命令，我們已經(jīng)成功完成了X軸的裝配任務(wù)，運用相同的原理我們將Y軸及Z軸裝配完成。并運用對齊和匹配命令將三個軸裝配到一起，完成了整個三維數(shù)控工作臺的裝配，裝配圖如下所示：
圖3-10三維數(shù)控工作臺裝配圖
3.6本章小結(jié)
本章主要介紹了基于所設(shè)計的三維工作臺進行的PRO/E建模。詳細介紹絲杠零件的實體建模過程，展示了導(dǎo)軌，軸承，聯(lián)軸器的建模圖片。詳細說明了三維工作臺的裝配步驟，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 三維工作臺的軟件及控制系統(tǒng)設(shè)計
4.1逐點比較法直線插補的簡介
對于連續(xù)切削的CNC機床，不僅要求工作臺準確定位，還必須控制刀具相對于工件以一定的進給速度，沿一定的路徑運動，進行切削作業(yè)，并且要保證切削過程中每一點的精度及其粗糙度，這就取決于插補功能。當數(shù)控機床要加工一段曲線時，應(yīng)用插補技術(shù)，用每一段小折線來近似代替圓弧線。插補的實質(zhì)就是通過給定的要加工直線的有限信息，計算出刀具的一系列要加工點，完成細化數(shù)據(jù)的工作，從而保證數(shù)控機床加工的精密度。
逐點比較法的基本思想是計算機在控制加工過程中，能逐點地計算和判別加工偏差，以控制坐標進給，按規(guī)定的徒刑加工出所需要的文件，用步進電動機火電業(yè)脈沖馬達拖動機床，其進給方式使步進的。插補器每走完一步要完成四個工作節(jié)拍：
偏差判別。判別加工店對規(guī)定徒刑的偏離位置，決定進給方向。
坐標進給?？刂乒ぷ髋_沿某個坐標進給一步，縮小偏差，趨近規(guī)定圖形。
偏差計算。計算新的加工點對規(guī)定圖形的偏差，作為下一步判別的依據(jù)。
終點判別。判斷是否到達終點，若到達終點就停止插補，否則再回到第一拍重復(fù)上述循環(huán)行動過程。
這種算法的特點是運算直觀，插補誤差小于一個脈沖當量，輸出脈沖均勻，且輸出脈沖的速度變化小，調(diào)節(jié)方便，因此在坐標數(shù)控機床中應(yīng)用較為普遍。逐點比較法可以做直線插補也可以做圓弧插補。
4.2逐點比較法直線插補的計算步驟
用逐點比較法進行直線插補計算，每走一步，都需要以下四個步驟：
a.偏差判別：判別偏差或,從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算公式。
b.坐標進給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。
c.偏差計算：進給一步后，計算新的加工偏差。
d.終點判別：進給一步后，終點計數(shù)器減1。若為零，表示到達終點停止插補；不為零，則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計數(shù)判別可用兩個方向坐標值來判斷，也可由一個方向的坐標值來判斷。當XE>YE，可用X方向走的總步數(shù)XE作為終點判別的依據(jù)，如動點X等于終點XE則停止。當XE
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