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山東大學 畢業(yè)設計（論文） 題 目： ECM-II型數控機床工作臺及數控系統(tǒng)設計 專 業(yè)： 機電一體化 學 生： 準考證號： 指導老師：_____________________ ___ 畢業(yè)設計（論文）時間： 年 月 日～ 年 月 日 山東大學畢業(yè)設計（論文） 摘 要 近年來，我國企業(yè)的數控機床占有率逐漸上升，而現有的大多數機床切削加工不能滿 足復雜型面得加工要求。電解加工機床以其加工速度快，可加工難切削的、表面復雜的零 件，具有工具陰極無損耗，加工質量好，生產效率高，加工范圍廣等優(yōu)點，在生產中起了 越來越重要的作用。 本次設計的內容就是五坐標數控點解加工機床的 X, Y, 向傳動機構和計算機數控WC 系統(tǒng)。X, Y, 向的傳動系統(tǒng)與數控銑床相似，參考了典型數控銑床的結構來設計，在WC 局部放入設計上綜合考慮了電解加工的特殊性。在考慮機床的工作性能放的同時也考慮了 機床的安全性能和環(huán)保性能。在材料的選用上選用了不易腐蝕放入不銹鋼等材質，在結構 設計上考慮電解液的密封性，從而達到生產的目的。 在參考典型機構的基礎上，結合電解加工機床的工作條件，設計完成的數控電解機床 可以加工幾何形狀比較復雜的零件，并能達到較好的精度要求。生產中可以節(jié)約更多的時 間，人力和物力。 關鍵詞： 電解加工；數控系統(tǒng)；數控機床 山東大學畢業(yè)設計（論文） ABSTRACT In recent years, the share of CNC machine tool in Chinese enterprises increased year by year, but most of the existing machine tool cutting processing can not meet the processing requirements of the complex surface. Electro-chemical machine tools play an increasingly important role in the production with the high processing speed, processing the parts of hard-to-cut and the complex surface, cathode without loss, good quality processing, high productivity, processing of wide range and other advantages. The design elements include the X, Y, CW transmission structure and the computer numerical control system of five coordinates electrolytic NC machine. Because X, Y, CW to the transmission system is similar to the NC milling machine, we can design it referring to the typical structure of the CNC milling machine with the design of partial consideration to the special nature of electrochemical machining for the necessary changes. In considering the machine performance of the machine we should also consider the safety performance and environmental-friendliness. In order to achieve the production goal, the stainless steel and other materials which are difficult to corrode can be chose easily in the selection of materials, and the sealing of electrolyte should be considered in the selection of structural design. NC electrochemical machine can process more complex geometry of parts, and can achieve better accuracy in the working conditions. The electrolytic processing machine tools are combined with the typical structure. Production can save more time, manpower and resources. Keywords: Electrochemical machining; Numerical control system; Numerical- control machine tool 目 錄 山東大學畢業(yè)設計（論文） 第一章 緒論 1 第二章 機床總體方案設 4 2.1 課題國內外發(fā)展現狀 4 2.2 機床總體結構形式 4 2.3 機床的傳動方案確定 6 2.3.1 X、Y 軸向傳動方案 6 2.3.2 WC軸傳動方案 7 2.3.3 導軌形式 8 2.3.4 齒輪副的選擇 8 第三章 X，Y， w向傳動機構及工作臺設計 9 3.1 X 軸向滾珠絲杠設計 9 3.1.1 強度計算 10 3.1.2 滾珠絲杠靜態(tài)設計 11 3.1.3 絲杠螺母的動態(tài)設計 15 3.2 Y 軸向滾珠絲杠設計 17 3.2.1 強度計算 18 3.2.2 滾珠絲杠靜態(tài)設計 19 3.2.3 絲杠螺母的動態(tài)設計 22 3.3 電動機選擇與齒輪傳動設計 24 3.3.1 電動機的選擇 24 3.3.2 齒輪傳動設計與選用 25 3.4 導軌的選擇 26 3.4.1 導軌類型的選擇 26 3.4.2 導軌的材料 27 3.4.3 滾動導軌的結構形式 28 3.4.4 滾動導軌的設計計算 28 山東大學畢業(yè)設計（論文） 3.4.5 確定導軌的參數 29 3.5 WC向傳動機構及回轉工作臺的設計 29 3.5.1 蝸輪蝸桿傳動的設計 30 第四章 數控系統(tǒng)硬件設計 34 4.1 數控系統(tǒng)設計方案 34 4.2 數控系統(tǒng)硬件結構設計 34 4.3 數控系統(tǒng)接口設計 35 第五章 數控系統(tǒng)控制軟件設計 38 5.1 CNC 系統(tǒng)軟件的構成 38 5.2 CNC 系統(tǒng)軟件的功能 38 5.3 CNC 系統(tǒng)軟件的實現 39 5.3.1 CNC 系統(tǒng)軟件開發(fā)工具 39 5.3.2 CNC 系統(tǒng)軟件界面設計和編程 40 5.3.3 CNC 系統(tǒng)軟件功能調試 49 第六章 結論 50 致 謝 52 參考文獻 53 附 錄 54山東大學畢業(yè)設計（論文） 1 第一章 緒論 數控機床的電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理將工件加工成形 的一種特種加工方法。加工時，工件接直流電源的正極，工具接負極，兩極之間保持電流， 從而形成電化學陽極溶解。隨著工具相對工件不斷進給，工件金屬不斷被電解，電解產物不 斷被電解液沖走，最終兩極間各處的間隙趨于一致，工件表面形成與工具工作面基本相似的 形狀。 電解加工對于難加工材料、形狀復雜或薄壁零件的加工具有顯著優(yōu)勢。目前，電解加工 已獲得廣泛應用，如炮管膛線，葉片，整體葉輪，模具，異型孔及異型零件，倒角和去毛刺 等加工。并且在許多零件的加工中，電解加工工藝已占有重要甚至不可替代的地位。 與其它加工方法相比，根據參考文獻3，電解加工具有如下特點，： a)加工范圍廣。電解加工幾乎可以加工所有的導電材料，并且不受材料的強度、硬度、 韌性等機械、物理性能的限制，加工后材料的金相組織基本上不發(fā)生變化。它常用于加工硬 質合金、高溫合金、淬火鋼、不銹鋼等難加工材料。 b)生產率高，且加工生產率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。電解加工能以簡單 的直線進給運動一次加工出復雜的型腔、型面和型孔，而且加工速度可以和電流密度成比例 地增加。據統(tǒng)計，電解加工的生產率約為電火花加工的 5 至 10 倍，在某些情況下，甚至可 以超過機械切削加工。 c)加工質量好。可獲得一定的加工精度和較低的表面粗糙度。 加工精度(mm)：型面和型腔為 0.050.20；型孔和套料為 0.030.05。 表面粗糙度(mm)：對于一般中、高碳鋼和合金鋼，可穩(wěn)定地達到 Ra1.60.4，有些合 金鋼可達到 Ra0.11。 d)可用于加工薄壁和易變形零件。電解加工過程中工具和工件不接觸，不存在機械切削 力，不產生殘余應力和變形，沒有飛邊毛刺。 e)工具陰極無損耗。在電解加工過程中工具陰極上僅僅析出氫氣，而不發(fā)生溶解反應， 所以沒有損耗。只有在產生火花、短路等異?，F象時才會導致陰極損傷。 但是，事物總是一分為二的。電解加工也具有一定的局限性，主要表現為： a)加工精度和加工穩(wěn)定性不高。電解加工的加工精度和穩(wěn)定性取決于陰極的精度和加工 山東大學畢業(yè)設計（論文） 2 間隙的控制。而陰極的設計、制造和修正都比較困難，陰極的精度難以保證。此外，影響電 解加工間隙的因素很多，且規(guī)律難以掌握，加工間隙的控制比較困難。 b)由于陰極和夾具的設計、制造及修正困難，周期較長，因而單件小批量生產的成本較 高。同時，電解加工所需的附屬設備較多，占地面積較大，且機床需要足夠的剛性和防腐蝕 性能，造價較高。因此，批量越小，單件附加成本越高。 根據參考文獻4和5，電解加工機床的分類： 包括各種規(guī)格尺寸的通用機床，以及用于葉片、整體葉輪加工、擴孔、去毛刺、拋光等 用途的專用機床。機床控制系統(tǒng)也分為繼電系統(tǒng)、簡易數控系統(tǒng)、微機控制系統(tǒng)和 PLC（可 編程控制器）控制系統(tǒng)四類。 數控機床性能指標一般有精度指標、坐標軸指標、運動性能指標及加工能力指標等幾種。 對普通數控機床來說，其自動化程度上還不夠完善，刀具的更換與零件的裝夾仍需人工來完 成，只能實施一個工序的數字控制。而高檔多軸數控機床的功能則得到空前提高。 多軸聯(lián)動的高性能數控機床，能同時控制四個以上坐標軸的聯(lián)動。通常三軸機床可以實 現二軸、二軸半、三軸加工；五軸機床也可以只用到三軸聯(lián)動加工，而其他兩軸不聯(lián)動。它 能將數控銑床、數控鏜床、數控鉆床等功能組合在一起，零件在一次裝夾后，可以將加工面 進行銑、鏜、鉆、擴、鉸及攻螺紋等多工序加工，能有效地避免由于多次安裝造成的定位誤 差，可加工形狀復雜，精度要求高的零件，如葉輪葉片等。 多軸聯(lián)動的高性能數控機床技術，對一個國家裝備工業(yè)的發(fā)展具有重要戰(zhàn)略意義。經過 多年自主研發(fā)，我國目前已經成功掌握這一關鍵技術，國產五軸聯(lián)動高性能數控機床已在國 內投產應用。 本課題來源于南京某高校特種加工技術研究所。設計合理的電解加工機床可以實現五坐 標的數控移動，運動過程要求平穩(wěn)，運動順利，進給速度可按要求調節(jié)。系統(tǒng)的進給由簡單 的數控系統(tǒng)控制。主要的設計工作包括五坐標數控電解加工機床的 X，Y， 向傳動結構和WC 計算機數控系統(tǒng)設計。 設計的原始數據是：橫向移動 180mm,縱向移動 130mm, 機床直線運動坐標軸的定位精度 0.02mm，重復定位精度 0.01mm；工件重量小于 100kg。技術要求有以下幾點： a)裝卸、調整方便； b)結構簡單，工作安全可靠； 山東大學畢業(yè)設計（論文） 3 c)設計合理，盡量使用標準件，以降低制造成本； d)用計算機控制的數控系統(tǒng)進行控制。 總體設計思路： 因為 X，Y， 向的傳動系統(tǒng)與數控銑床相似，所以可以參照典型數控銑床的結構來設WC 計，在局部的設計上要綜合考慮電解加工的特殊性作必要的修改。在考慮機床的工作性能的 同時也要考慮機床的安全性能和環(huán)保性。在材料的選用上可選用不易腐蝕的不銹鋼等材質， 在結構設計上考慮電解液的密封性，從而達到生產的目的。 本設計具有很大的實用價值。因為采用了很多新的結構，大大降低了制造和維護的費用， 減少了機器調整的次數，保證了生產的連續(xù)性。 山東大學畢業(yè)設計（論文） 4 第二章 機床總體方案設 2.1 課題國內外發(fā)展現狀 近年來我國企業(yè)的數控機床占有率逐年上升，在大中企業(yè)已有較多的使用，在中小企業(yè) 甚至個體企業(yè)中也普遍開始使用。根據參考文獻8，在這些數控機床中，除少量機床以FMS 模式集成使用外，大都處于單機運行狀態(tài)，并且相當部分處于使用效率不高，管理方式落后 的狀態(tài)。國內中高端數控系統(tǒng)被德、日壟斷，據了解，長期以來，國產數控機床始終處于低 檔迅速膨脹，中檔進展緩慢，高檔依靠進口的局面，特別是國家重點工程需要的關鍵設備主 要依靠進口，技術受制于人。國外數控機床趨向于網絡化。隨著計算機技術、網絡技術日益 普遍運用，數控機床走向網絡化、集成化已成為必然的趨勢和方向，互聯(lián)網進入制造工廠的 車間只是時間的問題。 在今后20年內，電解加工將在新工藝技術的開發(fā)研究，包括高頻、窄脈沖電流電解加工、 柔性電解加工、小間隙電解加工、復合加工等方面得到發(fā)展和應用；計算機控制技術將在電 解加工設備與過程、參數的控制中得到不斷的發(fā)展與擴大應用；在微精加工領域，電解加工 將展現新的應用前景。在發(fā)展電解加工技術的同時，必須重視并解決電解加工過程中的環(huán)境 保護問題，以達到“綠色制造”、持續(xù)發(fā)展的目的。按照系統(tǒng)工程的觀點，加大對待特種加 工的基本原理、加工機理、工藝規(guī)律、加工穩(wěn)定性等深入研究的力度。同時，充分融合以現 代電子技術、計算機技術、信息技術和精密制造技術為基礎的高新技術，使加工設備向自動 化、柔性化方向發(fā)展。從實際出發(fā)，大力開發(fā)特種加工領域中的新方法，包括微細加工和復 合加工，尤其是質量高、效率高、經濟型的復合加工，并與適宜的制造模式相匹配，以充分 發(fā)揮其特點。污染問題是影響和限制有些特種加工應用、發(fā)展的嚴重障礙，必須化大力氣利 用廢氣、費液、廢渣，向“綠色”加工的方向發(fā)展?？梢灶A見，隨著科學技術和現代工業(yè)的 發(fā)展，特種加工必將不斷完善和迅速發(fā)展，反過來又必將推動科學技術和現代工業(yè)的發(fā)展， 并發(fā)揮愈來愈重要的作用。 2.2 機床總體結構形式 數控電解機床是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理將工件加工成形的一種 特種加工方法。其主要特點在于能加工難加工材料、形狀復雜或薄壁零件，而且生產率高， 山東大學畢業(yè)設計（論文） 5 表面質量好。所以使用于特殊材質的零件和型腔較為負載的零件的加工。 五坐標數控電解加工機床主要由傳動系統(tǒng)，驅動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)所組成。根據參考文 獻7，對數控電解加工機床的基本要求是要滿足電解加工的要求，能夠進行五坐標聯(lián)動以 加工出復雜幾何形狀的零件，這就要求它們具有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠 的工作空間及在任意位置都能自動定位等特性。設計數控電解加工機床的原則是:充分分析 作業(yè)對象(工件)的作業(yè)技術要求，并滿足系統(tǒng)功能要求和環(huán)境條件；明確工件的結構形狀和 材料特性，定位精度要求等，從而進一步確定對傳動結構及運行控制的要求;盡量選用定型 的標準件，簡化設計制造過程，兼顧通用性和專用性，并能實現柔性轉換和編程控制。本次 設計的數控電解加工機床是特殊加工機床，是一種適合于小批生產的、可以變動操作程序的 生產場合。 機床的各方向的進給分別由各方向的步進電機控制，其中橫向移動由X向的電機控制， 縱向移動由Y向電機控制，工件的旋轉有回轉工作臺里的電機控制。機床總體設計方案如下 圖1-1所示。 Z 軸滑鞍 擺軸 Y 軸滑鞍 X 軸滑鞍 回轉工件臺 Y 圖 2-1 五坐標電解加工機床 Z CT CW X 山東大學畢業(yè)設計（論文） 6 2.3 機床的傳動方案確定 該系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電機。根據參考文獻2和9，這由數控系統(tǒng)送出的 進給指令脈沖，經驅動電路控制和功率放大后，使步進電機轉動，通過齒輪副與滾珠絲杠副 驅動執(zhí)行部件。只要控制指令脈沖的數量、頻率以及通電順序，便可控制執(zhí)行部件運動的位 移量、速度和運動方向。這種系統(tǒng)不需要將所測得的實際位置和速度反饋到輸入端，故稱之 為開環(huán)系統(tǒng)，該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電機的角位移精度，齒輪絲杠等傳動元件的 節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。 該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便，工作可靠，成本 低，易改裝成功。 2.3.1 X、Y軸向傳動方案 按照設計課題的要求，根據參考文獻6和7，工件的運動分為橫向和縱向的移動，為 達到有高精度、快速反應、一定的承載能力、足夠的工作空間及在任意位置都能自動定位等 特性。 絲杠傳動直接關系到傳動鏈精度。絲杠的選用主要取決于加工件的精度要求和拖動扭矩 要求滾珠絲杠摩擦損失小，效率高，其傳動效率可在 90%以上；精度高，壽命長；啟動力矩 和運動時力矩相接近，可以降低電機啟動力矩。因此可滿足較高精度零件加工要求。 本傳動系統(tǒng)選用滾珠絲杠來傳動，通過X向和Y向的兩根滾珠絲杠來實現X-Y平面的各種 移動。X向和Y向的滾珠絲杠傳動方案如圖1-2和圖1-3所示： 圖 2-2 X 向滾珠絲杠 山東大學畢業(yè)設計（論文） 7 圖 2-3 Y 向滾珠絲杠 由于本機床使用簡單的數控系統(tǒng)控制機床的運作，所以可以采用常用的步進電機作為驅 動。 2.3.2 軸傳動方案WC 按照設計課題的要求，根據參考文獻1，工件可以做平面的圓周轉動為達到任意位置 都可以準確定位和運行平穩(wěn)快速的要求，工作臺可以選擇由蝸輪蝸桿傳動的回轉工作臺。通 過蝸輪的轉動來帶動工件的轉動。 由于本機床使用簡單的數控系統(tǒng)控制機床的運作，所以可以采用常用的步進電機作為驅 動。 一臺新的數控機床，在設計上要達到：有高的靜動態(tài)剛度；運動副之間的摩擦系數小， 傳動無間隙；功率大；便于操作和維修。機床設計時應盡量達到上述要求。不能認為將數控 裝置與普通機床連接在一起就達到了數控機床的要求，還應對主要部件進行相應的改造使其 達到一定的設計要求，才能獲得預期的改造目的。 山東大學畢業(yè)設計（論文） 8 圖 2-4 回轉工作臺 2.3.3 導軌形式 與普通滑動導軌相比，根據參考文獻4和5，滾動導軌有下列優(yōu)點： a)運動靈敏度高。滾動導軌的摩擦因數為 0.00250.005，遠小于滑動導軌（靜摩擦因 數為 0.40.2，動摩擦因數為 0.20.1，一般滾動導軌在低速移動時，沒有爬行現象。 b)定位精度高。一般滾動導軌的重復定位誤差為 0.10.2 。普通滑動導軌一般為m 1020 。m c)牽引力小，移動輕便。 d)磨損小，精度保持性好。滾動體一般可以達到運行 的指標。5108 e)潤滑系統(tǒng)簡單，維修方便（只需要換滾動體） 。 滾動導軌的缺點是抗振性較差，對防護要求也較高。 2.3.4 齒輪副的選擇 一般機床的齒輪主要集中在主軸箱和變速箱中。為了保證動精度，數控機床上使用的齒 輪精度等級都比普通機床高。在結構上要能達到無間隙傳動，因而改造時，機床主要齒輪必 須滿足數控機床的要求，以保證機床加工精度。 山東大學畢業(yè)設計（論文） 9 第三章 X，Y， 向傳動機構及工作臺設計wC X，Y， 向運動部件是機床是一個主要組成部分，它實現機床的橫向、縱向以及回wC 轉方向上的進給運動，設計的原始數據為: a) X 軸向工作臺行程為 130mm，脈沖當量為 0.01mm/pulse； b) Y 軸向工作臺行程為 180mm，脈沖當量為 0.01mm/pulse； c) 向回轉工作臺要能實現連續(xù)運動，脈沖當量為 0.05 /pulse。wC 根據以上要求，傳動機構及工作臺設計需要考慮以下幾方面的問題： a) 需要確定絲杠螺母副的形式：最大負載力，工作壽命等問題； b) 進給系統(tǒng)中滾珠絲杠、軸承支架、步進電機等位置的擺放問題； c) 步進電機的選型；齒輪模數及直徑的確定； d) 導軌形式的選擇； e) 回轉工作臺的設計和計算； f) 機床潤滑方式的選擇。 3.1 X 軸向滾珠絲杠設計 a)切削力計算 由于電解加工過程中是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學陽極溶解的原理。所以刀具跟工 件之間無相應的切削力，也就是說 =0。oF b)X 向滾珠絲杠如圖 3-1 所示： 根據參考文獻14，工作臺縱向進給絲杠的軸向力 (3-1)aIHNFKfFG 式中, -考慮顛覆力矩影響的實驗系數取 =1.1IKI -縱向切削力 =0 NHFH 山東大學畢業(yè)設計（論文） 10 -導軌上磨擦系數 =0.08f f G-工作臺重量 G=80 9.8=784N -垂直切削分力 =0NNFNF 根據式(2-1)將以上數據代入得： =62.72NaF 圖 3-1 X 向滾珠絲杠 3.1.1 強度計算 滾珠絲杠的轉速，根據參考文獻14 n= (3-2)pVt 式中， 進給速度 =60mm/mintVt 滾珠絲杠的螺距 =8mmpp 則 n=7.5(r/min) 滾珠絲杠壽命值，根據參考文獻14 山東大學畢業(yè)設計（論文） 11 (3-3)610nTLI 式中，T壽命時間 一般取 T=900000min 滾珠絲杠旋轉 r610610 =7.5 900000/ =6.75IL610 取運轉系數 =1.2，硬度系數 =1wfHf 根據參考文獻14，滾珠絲杠實際承受最大負載為： (3-4) 336.75126.7142.IwHaQLfFN 3.1.2 滾珠絲杠靜態(tài)設計 a.確定動載荷 aC 根據參考文獻14，工作循環(huán)周期 T 由加速度時間 、加工時間表 組成如圖 3-2：atwt (3-5) atmax/Vv 式中， 工進速度 取 =0.1m/sv 工作臺最大加速度 取 =1.3m/max max2s =0.1/1.3=0.072(s) at (3-6)vwVSt/ 式中， 工作行程 取 =0.13mw =1.3(s)wt T=2 +4 =2.890(s) (3-7)a 在減速期間平均轉速 為：an 山東大學畢業(yè)設計（論文） 12 圖 3-2 工作循環(huán)周期 (3-8)anspvhV2/ 式中， 為導程 取 =10mmsphsph =300（r/min）an 工作進給時轉速 為：wn = =600(r/min) (3-9)wnspvhV/ a)當量轉速 mn (3-10)24wamntt 將上述數據代入上式求得當量轉速 =570（r/min）mn 根據參考文獻14，載荷系數由下表取 =1.2wf 山東大學畢業(yè)設計（論文） 13 表 3-1 不同運動條件下的 wf 使用條件 平穩(wěn)，無沖擊運動 1.0-1.2 一般運動 1.2-1.5 伴隨沖擊和振動的運動 1.5-2.0 b) 根據參考文獻14，當量載荷 為：mF (3-11)TttawR42 工作臺導軌摩擦力RF 加工受力取 =0NwwF = =62.72NRGf =68.97Nm 取滾珠絲杠壽命 =150000hhL c) 根據參考文獻14，滾珠絲杠的動載荷 aC N (3-12) 1 23 2600(57)68.971.2.amhwCnLFfN d) 確定靜載荷最大軸向力可近似取最大加工受力 =1000NwFmax 取靜態(tài)安全系數 =1df =1000NmaxfCdoa b. 根據參考文獻14，根據軸向壓力選取絲杠直徑： (3-13) 2aspFL L-軸承平均間距，根據縱向行程初選 130mm 由支承方法（雙推自由）：選 山東大學畢業(yè)設計（論文） 14 m=10.3,f=21.9。 代入式（13）得 12 mm 236.710spd 取 12mm。sp c.轉速限制： a)轉矩限制： (3-14)maxoAndax60fstpVh 快進速度，取 =0.17m/sfastVfastV 導程，由初選 =10mmsphsph A最大轉速常數 A=60000 代入上式得： =1020（r/min）maxn 58.8mm 即 58.8mmodspd b)臨界轉速限制： = (3-15)sp 2710cnLf (3-16)cmax d.選擇絲杠直徑，由上計算結果得： 62.5aCN10o8.spdm2s 山東大學畢業(yè)設計（論文） 15 選取直徑 =32mm。spd 3.1.3 絲杠螺母的動態(tài)設計 a.確定絲杠螺母傳動的總剛度 a) 根據參考文獻14，扭轉剛度： (3-17) 437.810spTspdKL =9134.3(N/ m) 432.9Tsp 工作臺（執(zhí)行件）直線剛度： (3-18) 22134.360.4(N/m)TspsKh 式中綱量： （N/ m） ； （N/ m） ； （mm） ；L（m）spTsph b) 根據參考文獻14，拉壓剛度： (3-19)321.65.58.67(N/)09spsdKL 式中綱量： （N/ m） ； ；L（m） s()sph c)總剛度：對于“雙推自由”支承絲杠螺母傳動裝置，該螺母位于絲杠中間，可得 。12spssK 系統(tǒng)的總剛度為： (3-20)11124genLsMTsMKK 軸承軸向剛度選 =800（N/ m） LK 絲杠螺母剛度選 =800（N/ m）MM 山東大學畢業(yè)設計（論文） 16 螺母支座剛度選 =1000（N/ m）TMKTMK11128045.678032.40gen 135（N/ m）gen b. 根據參考文獻14，確定機械諧振頻率，機械傳動部件的諧振頻率： 866（ /s） (3-21) 661035108genomechTKWrad c.確定具有滿意動態(tài)性能的絲杠直徑，電氣驅動部件的諧振頻率取下列值，則其動態(tài)性 能較好，即取 350rad/soA 采用常規(guī)的比例位置調節(jié)，為使機械傳動部件的動態(tài)性能不影響總的動態(tài)性能應當使： (3-22)(23)omechoAW: = 2.47oA8650 所以 符合要求。spd 選取滾珠絲杠型號 3208(GB/T9893-1999)即內循環(huán)，比螺母墊片調隙式，公稱直徑 32mm 導程 8mm，一圈二列，E 級精度，左旋，滾珠直徑為 4mm。 由于絲杠主要承受軸向力。大多數才用推力球軸承做支撐。在相同的尺寸條件下，推力 球軸承軸向剛度比向心推力球軸承及圓錐滾子軸承的軸向鋼度要大一倍以上；推力滾柱軸承 剛度又比推力球軸承大一倍左右。當軸向載荷較小時，可不用推力球軸承而用向心推力球軸 承，這樣可以減少軸承數量。 根據推力軸承的布置。根據參考文獻12和13，絲杠有以下四種支承方式，如下圖 第一種支承方式：“雙推-自由”式。這種方式適合短絲杠。 第二種支承方式：“雙推-支承”式。這種方式可避免絲杠因自重引起彎曲 ，以及高速 回轉時自由端的晃動。 第三種支承方式：“單推-單推”式或“雙推-單推”式。它的優(yōu)點是可對絲杠進行預拉 伸安裝。預拉伸的好處有：1、減少絲杠因自重引起的彎曲；2、在推力球軸承預緊力大于絲 山東大學畢業(yè)設計（論文） 17 杠最大軸向載荷 1/3 的條件下，絲杠拉壓強度可提高四倍； 3、絲杠不會因溫升而伸長，保 持了絲杠的精度。此外這種支承方式使絲杠只受拉力，不承受壓力，因此不存在壓桿穩(wěn)定性 問題。 第四種支承方式：“雙推-雙推”式。這種支承方式剛度最高。只要軸承無軸向間隙， 絲杠的拉壓剛度可提高四倍?？梢赃M行預拉伸安裝，克服熱膨脹。當溫升超過預計的溫升時， 不會像“單推- 單推”式那樣產生軸向間隙。這種支承方式的最大缺點是：實現預拉伸及其 調整方法較復雜 因為課題要求機床的行程較小、絲杠的轉速較低，故選擇“雙推-自由” 。 圖 3-3 絲杠支承方式 3.2 Y 軸向滾珠絲杠設計 根據參考文獻14，工作臺縱向進給絲杠的軸向力 (3-23)aIHNFKfFG 式中， -考慮顛覆力矩影響的實驗系數取 =1.1IKI 山東大學畢業(yè)設計（論文） 18 -縱向切削力 =0 NHFHF -導軌上磨擦系數 =0.08f f G-工作臺重量 G=100 9.8=980N -垂直切削分力 =0NNFNF 根據式 23 將以上數據代入 =78.4N。aF 圖 3-4 Y 向滾珠絲杠 3.2.1 強度計算 滾珠絲杠的轉，速根據參考文獻14 n= (3-24)pVt 式中， 進給速度 =60mm/mintVt 滾珠絲杠的螺距 =8mmpp n=7.5(r/min) 根據參考文獻14，滾珠絲杠壽命值 (3-25) 610nTLI 式中，T壽命時間 一般取 T=900000min 山東大學畢業(yè)設計（論文） 19 滾珠絲杠旋轉 r610610 =7.5 900000/ =6.75IL610 取運轉系數 =1.2，硬度系數 =1wfHf 根據參考文獻14，滾珠絲杠實際承受最大負載為： (3-26)336.75128.417.IwHaQLfFN 3.2.2 滾珠絲杠靜態(tài)設計 a確定動載荷 aC 工作循環(huán)周期 T 由加速度時間 、加工時間表 組成如下圖：atwt 圖 3-5 工作循環(huán)周期 (3-27)atmax/Vv 式中， 工進速度 取 =0.1m/svVv 山東大學畢業(yè)設計（論文） 20 工作臺最大加速度 取 =1.38m/max max2s =0.1/1.3=0.072(s)t (3-28)vwVS/ 式中， 工作行程 取 =0.18m wSwS =1.8(s)wt T=2 +4 =3.890(s)a 根據參考文獻14，在減速期間平均轉速 為：n (3-29)aspvhV2/ 式中， 為導程 取 =10mmsphsph =300（r/min）an 根據參考文獻14，工作進給時轉速 為：w = =600(r/min) (3-30)wspvhV/ a) 根據參考文獻14，當量轉速 mn (3-31)24watt 將上述數據代入式(2-31)求得當量轉速 =577.5（r/min）mn 根據參考文獻14，載荷系數由下表取 =1.2wf 表 3-2 不同運動條件下的 wf 使用條件 平穩(wěn)，無沖擊運動 1.0-1.2 一般運動 1.2-1.5 伴隨沖擊和振動的運動 1.5-2.0 山東大學畢業(yè)設計（論文） 21 b) 根據參考文獻14，當量載荷 為：mF (3-32)TFttawR42 工作臺導軌摩擦力RF 加工受力取 =0NwwF = =78.4NRGf =84.2NmF 取滾珠絲杠壽命 =150000hhL c) 根據參考文獻14，滾珠絲杠的動載荷 aC N (3-33) 1 23 2600(57.)84.18124amhwCnFfN d)確定靜載荷最大軸向力可近似取最大加工受力 =1000NwFmax 取靜態(tài)安全系數 =1df =1000NmaxfCdoa b. 根據參考文獻14，根據軸向壓力選取絲杠直徑： (3-34) 2aspFL L-軸承平均間距，根據縱向行程初選 130mm 由支承方法（雙推自由）：選 m=10.3,f=21.9 。 代入式(2-34)得 12.5 mm 2378.410spd 取 12.5mm。sp 山東大學畢業(yè)設計（論文） 22 c.轉速限制： a）根據參考文獻14，轉矩限制： (3-35)maxoAndax60fstpVh 快進速度，取 =0.17m/sfastVfastV 導程，由初選 =10mmsphsph B最大轉速常數 A=60000 代入式(2-35)得： =1020（r/min）maxn 58.8mm 即 58.8mmodspd b）臨界轉速限制： = (3-36)sp 2710cnLf (3-37) cmax d.選擇絲杠直徑，由上計算結果得： 812.4aCN0o5.spdm12s 選取直徑 =32mm。spd 3.2.3 絲杠螺母的動態(tài)設計 a.確定絲杠螺母傳動的總剛度 a) 根據參考文獻14，扭轉剛度： 山東大學畢業(yè)設計（論文） 23 (3-38) 437.810spTspdKL =9134.3(N/ m) 432.9Tsp 根據參考文獻14，工作臺（執(zhí)行件）直線剛度： (3-39) 22134.360.4(N/m)TspsKh 式中綱量： （N/ m） ； （N/ m） ； （mm） ；L（m）spTsph b)拉壓剛度： (3-40)321.65.58.67(N/)09spsdKL 式中綱量： （N/ m） ； ；L（m） s()sph c)總剛度：對于“雙推自由”支承絲杠螺母傳動裝置，該螺母位于絲杠中間，可得12spssK 根據參考文獻14，系統(tǒng)的總剛度為： (3-41)11124genLsMTsMKK 軸承軸向剛度選 =800（N/ m） LK 絲杠螺母剛度選 =800（N/ m）MM 螺母支座剛度選 =1000（N/ m）TTK11128045.678032.40gen 135（N/ m）gen b. 根據參考文獻14，確定機械諧振頻率，機械傳動部件的諧振頻率： (3-42) 661035108(rad/s)genomechTKW 山東大學畢業(yè)設計（論文） 24 c.確定具有滿意動態(tài)性能的絲杠直徑，電氣驅動部件的諧振頻率取下列值，則其動態(tài)性 能較好，即取 350rad/s。oAW 采用常規(guī)的比例位置調節(jié)，為使機械傳動部件的動態(tài)性能不影響總的動態(tài)性能應當使： (3-43)(23)omechoAW: = 2.47oA8650 所以 符合要求。spd 選取滾珠絲杠型號 3208(GB/T9893-1999)即內循環(huán)，比螺母墊片調隙式，公稱直徑 32mm 導程 8mm，一圈二列，E 級精度，左旋，滾珠直徑為 4mm。 3.3 電動機選擇與齒輪傳動設計 3.3.1 電動機的選擇 電動機的容量（功率）選得是否合適，對電動機的工作和經濟性都有影響。當容量小于 工作要求時，電動機不能保證工作裝置的正常工作，或電動機因長期過載而過早損壞；容量 過大則電動機的價格高，能量不能充分利用，且因經常不在滿載下運動，其效率和功率因數 都較低，造成浪費。根據課題設計的需要應選擇反應式步進電機。 根據參考文獻11，在選擇步進電機時，以保證精度為原則，常選用脈沖當量為 較為合適。步距角的選擇應保證加工位置精度，此處選擇：0.1/Pmstep （ 軸方向） WC0.1/Pmstep3/obste （橫向） ./Pste1.5/obstep （縱向） 0.1/Pmstep 山東大學畢業(yè)設計（論文） 25 1.5/obstep 步進電機轉軸上的起動力矩計算見式(3-44) (3-44)36()2pZqbPGFT 式中， 摩擦系數， ，取 0.14；0.1.8: 總機械效率，取 0.90。 （ 軸方向）WC36.40.1(340)9.829qTNcm: （橫向） .5.(52)3.43140q （縱向） 60.(81)7.6259qT Ncm: 步進電機最大的靜轉距 見參考文獻16，選用步進電機型號中合適的相數和拍數。jm 軸方向（三相三拍） WC/0.16jqNcm: 橫向（三相三拍） .578.jmT 縱向（三相三拍） /3jqc 確定步進電機最高工作效率 ，見式(3-45)。由于 軸向、橫向和縱向的脈沖當量maxf WC 均取 ，步進電機的最高工作效率 也相等。 p0.1/mstepmaxf (3-45)max()10/pfv快 式中， ，取 0.05()/0.2.67/pvs:快 /smax50fHz 根據以上參數，查表反應式步進電動機技術指標，選用 45BF003-型步進電動機為 軸方向進給，選用 75BF003 型步進電動機為橫向進給和縱向進給。WC 山東大學畢業(yè)設計（論文） 26 3.3.2 齒輪傳動設計與選用 a. 橫向 根據參考文獻16，選用步距角 ，滾珠絲杠螺距 ,要實現1.5/obstep8tm ，在系統(tǒng)中必須加一對齒輪傳動，其傳動比0.1/Pmstep12360.360.158PbZit 根據齒輪傳動的用途和精度取模數 m=2,材料選用 45 鋼，選齒數 ， 。124Z80 則 K880 運動控制卡輸入一個脈沖，則相對于橫向進給了一個距離 。0.Lm b. 縱向 根據參考文獻16，選用步距角 ，滾珠絲杠螺距 ,要實現1.5/obstep8t ，在系統(tǒng)中必須加一對齒輪傳動，其傳動比0.1/Pmstep12360.360.158PbZit 根據齒輪傳動的用途和精度取模數 m=2,材料選用 45 鋼，選齒數 ， 。124Z80 則 K880 運動控制卡輸入一個脈沖，則相對于縱向進給了一個距離 。0.Lm c. 軸方向WC 根據參考文獻16，根據齒輪傳動的用途和精度取模數 m=1,材料選用 45 鋼，選齒數 ， 。126Z30 則 K880 運動控制卡輸入一個脈沖，則相對于 軸方向旋轉了一個角度 ：WC305261. 3.4 導軌的選擇 山東大學畢業(yè)設計（論文） 27 3.4.1 導軌類型的選擇 工作臺導軌對數控機床的精度有很大的影響，導軌的制造誤差直接影響工作臺的幾何精 度。導軌的摩擦特性影響工作臺的定位精度和低速進給的均勻性。導軌的材料和熱處理影響 工作精度的保持性。按機床調節(jié)技術的要求，希望工作臺導軌要剛度大，摩擦小和阻尼性能 好。 根據參考文獻7，在數控機床中主要使用三種類型的導軌，滑動導軌，滾柱導軌和靜 壓導軌。下表概括介紹了各種類型導軌的性能： 表 3-3 各種導軌的性能 性能 滑動導軌 滾柱導軌 靜壓導軌 摩擦和磨損性能 不好，可改進 良好 很好 爬行的可能性 存在 不存在 不存在 對材料及邊面的要求 很高 高 低 達到高精度的措施 很貴 不太貴 不能用 剛度 通常很好 好 可變 阻尼 很高，但不是常數 小 大，可設計改變 其中滾動導軌具有運動靈敏度高，定位精度高，牽引力小，移動輕便，磨損小，精度保 持性好潤滑系統(tǒng)簡單，維修方便的優(yōu)點。而傳統(tǒng)滑動導軌摩擦阻力大，磨損快，動，靜摩擦 系數差別大，低速時易產生爬行現象。除簡易型數控機床外，在其他數控機床上已不采用。 它們具有良好的摩擦性能及使用壽命長的特點。 綜合上述優(yōu)點及本課題機床的特點選用滾動導軌。對滾動導軌的阻尼比有影響的因素有： 導軌表面正壓力的大小；所用潤滑的類型；總剛度的大小。 3.4.2 導軌的材料 滾動體有滾珠、滾柱和滾針三種。滾珠導軌多用于小載荷；滾柱導軌用于較大的載荷； 滾針導軌用于中等載荷和高度方向尺寸要求緊湊的地方。 滾動體材料一般用滾動軸承鋼，淬火后硬度可達 60 63HRC 以上。: 滾動導軌可用淬硬鋼或鑄鐵制造。鋼導軌具有承載能力大和耐磨性較高等優(yōu)點。常用的 材料有低碳合金鋼，如 20Cr 經滲碳淬火，硬度可達 60 63HRC；合金結構綱，如 40Cr，熱 處理硬度可達 45 50HRC，加工性能較好；合金工具鋼，淬火后低溫回火，材料硬度較高，: 山東大學畢業(yè)設計（論文） 28 性能穩(wěn)定，適合于變形小、耐磨性高的導軌。 鑄鐵導軌適用于中、小載荷，不需要預緊且不承受動載荷的導軌，常用材料為 HT200， 硬度為 200 220HB。: 根據材料的優(yōu)點和課題的需要，選擇滾珠導軌。 3.4.3 滾動導軌的結構形式 a) 直線滾動導軌副 直線滾動導軌副由長導軌和帶有滾珠的滑軌組成；在所有方向 都承受載荷；通過鋼球的過盈配合能實現不同的預載荷，使機床設計、制造方便。 b) 滾動導軌塊 采用循環(huán)式圓柱滾子，與機床床身導軌配合使用，不受行程長度的限 制，剛度高。 滾動導軌塊用滾子做滾動體，承載能力和剛度都比直線滾動導軌副高，但摩擦因數略大。 應用較多的滾動導軌塊有 HJG-K 和 6192 型兩種系列，由專業(yè)廠生產。支承導軌采用鑲鋼導 軌，淬硬至 58HRC 以上。 根據結構形式的優(yōu)點和課題的需要，選擇直線滾動導軌副。 3.4.4 滾動導軌的設計計算 滾動導軌的計算與滾動軸承的計算相似，以在一定的載荷下行走一定的距離，90%的支 承不發(fā)生點蝕為依據，這個載荷稱為動載荷，行走的距離稱為額定壽命。滾動導軌的預期壽 命除了與額定動載荷和導軌的實際工作載荷有關外，還與導軌的硬度、滑塊部分的工作溫度 和每根導軌上的滑塊數目有關。 根據參考文獻14，對于直線滾動導軌副： （3-46） 350()HTCWfLF 式中， 滾動導軌的預期壽命，km；L 額定動載荷，N，由樣本查得；C 導軌塊上的工作載荷，N；F 硬度系數，當導軌面硬度為58 64HRC時 =1.0，硬度為55HRC時 =0.8，Hf :Hf Hf 硬度為50HRC時 =0.53；Hf 山東大學畢業(yè)設計（論文） 29 溫度系數，工作溫度為 時 =1.0， 時 =0.92， 時Tf 10oCTf150oCTf20oC =0.73； 接觸系數，裝2個滾動導軌塊時 =0.81；裝3個時 =0.72，裝4個時Cf CfCf =0.66； 載荷系數，無沖擊振動， 時 =1 1.5， 時Wf 5/minvWf:60/minv: =1.5 2；有沖擊振動， 時 =2.0 3.5。f:60 3.4.5 確定導軌的參數 根據上面的過程，帶入各種參數設計出導軌的形狀如下圖所示： 圖 3-6 導軌示意圖 3.5 向傳動機構及回轉工作臺的設計WC 數控機床常用的工作臺有分度工作臺和數控回轉工作臺。分度工作臺的功用只是將工件 轉位換面。和自動換刀裝置配合使用，工件一次安裝能實現幾面加工。而數控回轉工作臺除 了分度和轉位的功能之外，還能實現圓周進給運動。 根據參考文獻15，考慮到本課題中的機床需要加工比較復雜的零件，所以選用數控回 轉工作臺。數控轉臺能實現進給運動，所以在結構上和機床的進給驅動機構有許多共同之處， 同樣分為開環(huán)和閉環(huán)兩種。由于課題中的機床只采用了簡單的數控控制系統(tǒng)。所以采用開環(huán) 結構。具體結構如下圖：步進電機經蝸桿，蝸輪帶動工作臺的回轉，工作臺的定位有蝸桿的 山東大學畢業(yè)設計（論文） 30 旋轉圈數決定。工作臺到位后必須處于鎖緊狀態(tài)。臺面的鎖緊用均布的四個小液壓缸來完成， 當控制系統(tǒng)發(fā)出夾緊指令是，液壓缸上腔進油，活塞下移，通過鋼球推動夾緊瓦，從而把蝸 輪夾緊。當工作臺回轉時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，液壓缸的上腔壓力油回到油箱，在彈簧的作 同下鋼球抬起，夾緊瓦松開，工作臺可實現分度轉位及回轉運動。 轉臺的中心回轉軸采用圓錐滾子軸承及雙列圓柱滾子軸承，并預緊消除起徑向和軸向間 隙，以提高回轉剛度和精度。工作臺支撐在鑲鋼滾柱導軌上，運行平穩(wěn)先耐磨。 圖3-7 回轉工作臺 3.5.1 蝸輪蝸桿傳動的設計 根據機床加工的需要初步估計蝸桿軸輸入功率P=1.5KW，轉速n=1450r/min,傳動比比較 大，要求使用10年，每年工作300天，每天工作16h，每小時載荷時間15min，每小時啟動次 數20 50次，根據參考文獻16: a. 選擇材料及加工精度 蝸桿選用20CrMnTi，芯部調質，表面滲碳淬火，45HRC； 蝸輪選用ZCuSn10Pb1,金屬模鑄造； 加工精度8級。 b初選幾何參數 參照參考文獻16分冊表13-4-4（以下圖表皆參照本書），選 =52， ， =52i1Z2 c計算蝸輪輸出轉矩T2 山東大學畢業(yè)設計（論文） 31 粗算傳動效率 ： (3-47) (103.5)%103.52)0.746i (3-48) 2174698.PT Nmn: d確定許用接觸應力 Hp 根據參考文獻16表13-4-13 當蝸輪材料為錫青銅時, HpbsNZ 由參考文獻16表13-4-14 查得 20/HbpNm 由參考文獻16圖13-4-10 查得滑動速度 8.35/svs 采用浸油潤滑，由參考文獻16圖13-4-2 求得 .6sZ 由參考文獻16圖13-4-4的注中公式求得 721450156032.0Nnt 根據 由由參考文獻16圖13-4-4的注中公式求得圖13-4-4 查得 1.2NZ 所以： 2.818.9/Hp Nm e.求載荷系數 K 由參考文獻16表13-4-13 知： 123456K 設 ，按表13-4-13取 ；23/vms1 查由參考文獻16圖13-4-4的注中公式求得表13-4-16，8級精度時， ；由于21K ，15%60JC 由參考文獻16圖13-4-4的注中公式求得圖13-4-5得 ；30.6 由參考文獻16表13-4-17查得 ；41.52K 由參考文獻16表13-4-18查得 ； 由參考文獻16圖13-4-6查得 。60.7 所以： 13521.60.873K 山東大學畢業(yè)設計（論文） 32 f.計算 和 值mq (3-49)Hp =8.79mm3mq2150.8734.06.9 查參考文獻16表13-4-3，取 =9,則m=5,所以q=5。3 g.主要幾何尺寸計算 = =142.5mm2a=0.5(q+Z X)0.5(+20) = =55=25mm1dqm =552=260mm2 h.蝸輪齒面接觸強度校核驗算 147830.84.6265H 208.22N/2m 因為 ，所以接觸強度夠了。Hp i.電機輸出脈沖 305261t=. j示意圖: 山東大學畢業(yè)設計（論文） 33 圖 3-8 蝸桿示意圖 山東大學畢業(yè)設計（論文） 34 圖 3-9 蝸輪示意圖 第四章 數控系統(tǒng)硬件設計 4.1 數控系統(tǒng)設計方案 數控系統(tǒng)是由輸入輸出裝置、計算機數字控制裝置（CNC單元） 、主軸控制單元和進給伺 服驅動系統(tǒng)。數控裝置是數控系統(tǒng)的控制核心，其硬件和軟件實現各種數控功能，它具有與 數控系統(tǒng)其他組成部分的接口；輸入/輸出裝置一般采用數控面板和其他常規(guī)輸入/輸出裝置， 用以輸入數控數據，監(jiān)控數控系統(tǒng)的運行。 數控系統(tǒng)主要有三種類型，設計時應根據具體情況進行選擇。 (1) 步進電動機拖動的開環(huán)系統(tǒng) 開環(huán)系統(tǒng)的伺服驅動裝置主要是步進電動機、功率步 進電動機、電液脈沖馬達等。該系統(tǒng)的位移精度主要決定于步進電動機的角位移精度，齒輪 絲杠等傳動元件的節(jié)距精度，所以系統(tǒng)的位移精度較低。該系統(tǒng)結構簡單，調試維修方便， 工作可靠，成本低，易改裝成功。 山東大學畢業(yè)設計（論文） 35 (2) 異步電動機或直流電動機拖動，光柵測量反饋的閉環(huán)數控系統(tǒng) 該系統(tǒng)與開環(huán)的區(qū) 別是：閉環(huán)進給系統(tǒng)在結構上比開環(huán)進給系統(tǒng)復雜，成本也高，對環(huán)境室溫要求嚴。其設計 和調試都比開環(huán)系統(tǒng)難，但是可以獲得比開環(huán)進給系統(tǒng)更高的精度，更快的速度及驅動功率 更大的特性指標。 (3) 交/直流伺服電動機拖動，編碼器反饋的半閉環(huán)數控系統(tǒng) 半閉環(huán)系統(tǒng)檢測元件安裝 在中間傳動件上間接測量執(zhí)行部件的位置。它的精度比閉環(huán)系統(tǒng)的精度低，但是它的結構與 調試都較閉環(huán)系統(tǒng)簡單。 當前生產數控系統(tǒng)的公司廠家比較多，國外著名公司的如SIEMENS公司、FANUC公司； 國內公司如中國珠峰公司、北京航天機床數控系統(tǒng)集團公司、華中數控公司和沈陽高檔數控 國家工程研究中心等。 ECM-II型數控電解加工機床的計算機數控系統(tǒng)，是經濟型數控機床，故數控系統(tǒng)采用 步進電動機拖動的開環(huán)系統(tǒng)。此次設計的是數控系統(tǒng)利用北京科日新電子有限公司生產的多 軸運動控制卡K880實現對機床五軸X、Y、Z、C W,、 CT的手動和自動控制。 4.2 數控系統(tǒng)硬件結構設計 根據參考文獻2和10，該數控系統(tǒng)由多軸運動控制卡K880 和步進電機驅動器MS535 相連，來實現步進電機的運動控制。數控系統(tǒng)接線圖，見后面附： K880 運動控制卡的特點如下： （1） 獨立4 軸驅動； （2） 輸出的驅動速度范圍是從 1PPS 到 4MPPS； （3） S-曲線加/減速驅動； （4） 固定線速度控制； （5） 2 軸/3 軸位模式插補； （6） 可實現連續(xù)插補，連續(xù)插補的最大驅動速度是 2MPPS； （7） 由外部信號驅動； 4.3 數控系統(tǒng)接口設計 在制造系統(tǒng)中，數控系統(tǒng)硬件部分之間的接口按功能可以分為三大類：a）數控裝置與 山東大學畢業(yè)設計（論文） 36 上位系統(tǒng)之間的接口；b）數控裝置與人機交互設備之間的接口；c）數控裝置與下位系統(tǒng)之 間的接口。多軸運動控制卡K880接口端子見下表4-1： 表4-1 37針D型插頭連線表 序 號 定 義 說 明 序 號 定 義 說 明 1 +24V 外接電源 20 +24V 外接電源 2 0V 外接電源地 21 0V 外接電源地 3 X_out1 X 軸通用數字 I/O 輸出點 22 X_out2 X 軸通用數字 I/O 輸出點 4 0V 外接電源地 23 XLMT+ X 軸正向限位輸入 5 XLMT- X 軸負向限位輸入 24 XCW/CP X 軸正脈沖輸出（或 X 軸脈沖輸出） 6 XCCW/DIR X 軸負方向脈沖（或 X 軸 DIR） 25 0V 外接電源地 7 Y_out1 Y 軸通用數字 I/O 輸出點 26 Y_OUT2 Y 軸通用數字 I/O 輸出點 8 0V 外接電源地 27 YLMT+ Y 軸正向限位輸入 9 YLMT- Y 軸負向限位輸入 28 YCW/CP Y 軸正脈沖輸出（或 Y 軸脈沖輸出） 10 YCCW/DIR Y 軸負方向脈沖（或 Y 軸 DIR） 29 0V 外接電源地 11 Z_out1 Z 軸通用數字 I/O 輸出點 30 Z_out2 Z 軸通用數字 I/O 輸出點 12 0V 外接電源地 31 ZLMT+ Z 軸正向限位輸入 13 ZLMT- Z 軸負向限位輸入 32 ZCW/CP Z 軸正脈沖輸出（或 Z 軸脈沖輸出） 14 ZCCW/DIR Z 軸負方向脈沖（或 Z 軸 DIR） 33 0V 外接電源地 15 U_out1 U 軸通用數字 I/O 輸出點 34 U_out2 U 軸通用數字 I/O 輸出點 16 0V 外接電源地 35 ULMT+ U 軸正向限位輸入 17 ULMT- U 軸負向限位輸入 36 UCW U 軸正脈沖輸出（或 U 軸脈沖輸出） 18 UCCW/DIR U 軸負方向脈沖（或 U 軸 DIR） 37 0V 外接電源地 19 EMG 緊急停車輸入 表 4-2 37 芯 D 型母插頭連線表 序 號 定 義 說 明 序 號 定 義 說 明 1 +24V 外接電源 20 +24V 外接電源 2 0V 外接電源地 21 0V 外接電源地 山東大學畢業(yè)設計（論文） 37 3 X_out3 X 軸通用數字 I/O 輸出點 22 X_out4 X 軸通用數字 I/O 輸出點 4 X_in1 X 軸通用數字 I/O 輸入點 23 X_in2 X 軸通用數字 I/O 輸入點 5 X_in3 X 軸通用數字 I/O 輸入點 24 Y_out3 Y 軸通用數字 I/O 輸出點 6 Y_out4 Y 軸通用數字 I/O 輸出點 25 Y_in1 Y 軸通用數字 I/O 輸入點 7 Y_in2 Y 軸通用數字 I/O 輸入點 26 Y_in3 Y 軸通用數字 I/O 輸入點 8 0V 外接電源地 27 Z_out3 Z 軸通用數字 I/O 輸出點 9 Z_out4 Z 軸通用數字 I/O 輸出點 28 Z_in1 Z 軸通用數字 I/O 輸入點 10 Z_in2 Z 軸通用數字 I/O 輸入點 29 Z_in3 Z 軸通用數字 I/O 輸入點 11 U_out3 U 軸通用數字 I/O 輸出點 30 U_out4 U 軸通用數字 I/O 輸出點 12 U_in1 U 軸通用數字 I/O 輸入點 31 U_in2 U 軸通用數字 I/O 輸入點 13 U_in3 U 軸通用數字 I/O 輸入點 32 0V 外接電源地 14 0V 外接電源地 33 XEXOP+ X 軸正方向點動 15 XEXOP- X 軸負方向點動 33 YEXOP+ Y 軸正方向點動 16 YEXOP- Y 軸負方向點動 35 ZEXOP+ Z 軸正方向點動 17 ZEXOP- Z 軸負方向點動 36 UEXOP+ U 軸正方向點動 18 UEXOP- U 軸負方向點動 37 0V 外接電源地 19 0V 外接電源地 通過軟件程序的設置，每個軸的驅動信號可設為兩種輸出方式之一： CW/CCW 方式：CW（正向脈沖）+ CCW（反向脈沖） CP/DIR 方式：CP （脈沖）+ DIR （方向控制信號） 當 CWCCW 方式時：CW 輸出正向脈沖，CCW 輸出負向脈沖； 當 CPDIR 方式時：CP 輸出脈沖，DIR 輸出電平；DIR 為 0 ：負方向；為 1：正方向 (1)各軸獨立的正反向極限限位輸入點用來起到極限保護作用，有效時相應軸驅動 脈沖會立即停止輸出。 (2)各軸獨立的開關量輸入點有效時，可由軟件事先設定好的減速度進行減速或停止。 表 4-3 脈沖輸出類型表 脈沖輸出方式 驅動方向 輸出脈沖波形 山東大學畢業(yè)設計（論文） 38 CW（正） CCW（負） CP（脈沖） DIR（方向） 正驅動方向 脈沖 電平CWCCW 方式 負驅動方向 電平 脈沖 正驅動方向 脈沖 高電平Pulse/DIR 方式 負驅動方向 脈沖 低電平 第五章 數控系統(tǒng)控制軟件設計 5.1 CNC 系統(tǒng)軟件的構成 在數控系統(tǒng)中，有許多形式的軟件程序存在。數控機床的加工過程是用數控加工程序編 寫并輸入數控系統(tǒng)的，它是將G，M等功能字組成的程序段按零件加工順序進行排列所形成的 程序。對輸入的數控加工程序信息的譯碼、預處理及插補等功能是在數控系統(tǒng)的數控功能程 序下實現的，數控功能程序要在系統(tǒng)管理軟件的控制和協(xié)調下實現，數控功能程序和系統(tǒng)管 理軟件一起組成了數控系統(tǒng)程序。 數控的主要功能體現在數控功能程序上，數控功能程序包括數控的核心程序，如：數控 山東大學畢業(yè)設計（論文） 39 加工程序的譯碼、預處理和插補處理，也包括數控加工程序編輯器、加工模擬器、刀具管理 和故障監(jiān)制與診斷這些可選功能。 5.2 CNC系統(tǒng)軟件的功能 該數控系統(tǒng)能夠實現多坐標軸聯(lián)動以加工特定形狀的曲面，對加工的曲面可以進行多軸 直線插補、兩軸圓弧插補和多軸聯(lián)動控制，并且可以運用控制卡的計算數器實現對位置進行 補償功能。根據參考文獻2和10，CNC系統(tǒng)軟件的功能包括數控加工程序的解釋、幾何數 據處理、管理程序、監(jiān)測和診斷等等。 1.數控加工程序的解釋功能 數控加工程序的解釋包括程序的輸入和程序的譯碼。 2幾何數據處理功能 幾何數據處理功能包括數控加工程序段的幾何變換、刀具補償計算、插補計算、速度預 計算以及輔助功能的處理等。 3管理程序功能 當一個程序段開始插補加工時，管理程序即準備下一個數據段的讀入、譯碼、處理，調 用各功能子程序，準備好下一段數據。 4監(jiān)測和診斷功能 為保證加工過程的正確進行，避免機床、工件和刀具的損壞，數控系統(tǒng)具備監(jiān)測和診斷 功能。 5.3 CNC 系統(tǒng)軟件的實現 5.3.1 CNC 系統(tǒng)軟件開發(fā)工具 本軟件是利用 VB 軟件來編制的，同時利用了運動控制卡實現對機床五軸 X、Y、Z、C W,、C T的手動和自動控制，運動控制卡通過串行總線接口與步進電機驅動器 HB202 和步進電機相連。該數控軟件能夠實現多坐標軸聯(lián)動以加工特定形狀的曲面，并且可 以運用控制卡的計算數器實現對位置進行補償功能。CNC 軟件采用模塊化設計，結構化編程， 便于維護與擴展。此軟件設計采用了傳統(tǒng)的軟件開發(fā)生命周期的方法，采用自定向下，逐步 求精的結構化的軟件設計方法。 ，主要實現了 ECM-II 型數控電解加工機床的直線插補、圓 弧插補和點動控制功能，以加工形狀復雜的零件。該系統(tǒng)利用了多軸運動控制卡 K880 來實 山東大學畢業(yè)設計（論文） 40 現各軸的運動控制。下表為多軸運動控制卡 K880 的函數： 表 5-1 K880 函數列表 函數名 函數功能 控制卡設置函數 Init88