数控测量机说明书Word文档下载推荐.docx
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主要涉及的参数包括导轨的选型、脉冲当量的确定、滚珠丝杠螺母副的选型、电机的选型确定等。
以下为这几个方面的确定方案：
一、导轨副的设计、计算和选择
直线滚动导轨具有摩擦因数小，不易爬行、便于安装和预紧、结构紧凑等优点，广泛应用于精密机床、数控机床和测量仪器等。
其缺点是抗震性较差、成本较高。
直线滚动导轨副由导轨和滑块两部分组成，一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块端部时，会经端面挡板和滑块中的返回轨道返回，在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。
如下图：
（1）工作载荷的计算
工作载荷是影响导轨副使用寿命的重要因素。
这里测量机属于小型设备，采用双导轨、两滑块的支撑形式。
任意滑块所受到的工作载荷可由以下公式进行计算：
F1=F2=G/2=50N
式中G为工作台重力，按100N计算。
（二）距离额定寿命的计算
直线滚动导轨副的寿命计算，是以在一定载荷下行走一定距离后，90%的支撑不发生点蚀为依据。
这个载荷称为额定动载荷Ca,该行走距离为距离额定寿命。
滚动体为球时，可按下式进行计算：
式中L——距离额定寿命，单位为Km;
Ca——额定动载荷，单位为kN,此处为30KN;
F——滑块上的工作载荷，单位为KN，这里是0.05KN;
fH——硬度系数，查表得0.8；
fT——温度系数，查表得为1.0；
fc——接触系数，查表得为1.0；
fR——精度系数，查表得为1.0；
fW——载荷系数，查表得1.5；
代入数据计算得到距离寿命L=1638400000Km
（3）小时额定寿命的计算
根据距离额定寿命，可以计算出导轨副的小时额定寿命，计算公式为：
式中Lh——寿命时间，单位是h;
L——距离额定寿命，单位为km;
S——移动件行程长度，单位为m,此处根据任务书上是0.35m;
n——移动件每分钟往返次数，此处由Z向最大移动速度4000mm/min,求得为11；
代入数据得到小时额定寿命Lh=3546320346h
（4）产品选型
我们这里选择日本THK公司的SHC-25C型直线滚珠导轨。
远远能满足距离寿命50km和小时寿命的要求。
二系统脉冲当量的确定
一个进给脉冲式机床运动部件产生的位移量称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。
脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。
任务书上的要求：
Z向的运动分辨率优于0.01㎜,为满足这个要求,考虑到步进电动机的误差的存在，可选择脉冲当量为0.005㎜。
三滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选择
数控机床进给系统的的机械传动机构是只将电动机的旋转运动变为工作台或刀架的运动直线运动的整个机械传动链，包括齿轮传动副、丝杠螺母副等以及它们的支撑部件（轴承座等）。
能实现这种功能的机构有很多种，比如齿轮齿条副、普通的梯形螺母副等，但这些机构都很难达到数控机床对机械部分高精度的性能要求，因此为了提高进给系统的灵敏度、定位精度和防止爬行，降低数控机床进给系统的摩擦并减少静、动摩擦系数之差，行程不太长的直线运动机构常用滚珠丝杠副，具体行程范围可参考国内外有关厂商的样本说明书和技术资料。
滚珠丝杠副的传动效率高达85%-98%，是普通滑动丝杠副的2-4倍。
滚珠丝杠副的摩擦角小于1°
，因此不自锁。
如果滚珠丝杠副驱动升降运动（如主轴箱或升降台的升降），则必须有制动装置。
我们这里的改造只是滚珠丝杆副驱动工作台作水平方向的运动，就不用考虑自锁的问题。
（一）滚珠丝杠副的工作原理
滚珠丝杠螺母副是数控机床中回转运动转换为直线运动常用的传动装置，主要由丝杆、螺母、滚珠和滚道（回珠器）、螺母座等组成。
其工作原理是：
在丝杆和螺母上加工有弧行螺旋槽，当它们套装在一起时便形成螺旋滚道，并在滚道内装满滚珠，而滚珠则沿滚道滚动，并经回珠管作周而复始的循环运动。
回珠管两端还起挡珠的作用，以防滚珠沿滚道掉出。
其示意图如下：
（二）滚珠丝杠副的预紧方法的选择
为了尽可能消除间隙对加工精度的影响，应当对滚珠丝杠副进行预紧，通过预紧可以消除滚珠丝杠副的轴向间隙和提高轴向刚度，其原理是通过改变两个螺母的相对位置，使两个螺母中的滚珠分别接触丝杠滚道的左右两个侧面来实现的。
预紧力的大小是最大轴向负载的
1\3较为适当。
常用的预紧方法有双螺母垫片式预紧、双螺母螺纹式预紧、双螺母齿差式预紧、单螺母变导程式预紧以及过盈滚珠预紧等几种。
各有各的特点和适用场合，例如齿差式的预紧方式能精确调整预紧量，但结构尺寸大，装配调整比较复杂，因此其多用于高精度的传动。
在这里我们选择双螺母垫片式调隙预紧方法，它通过通过改变垫片的厚度使螺母产生轴向位移，从而使两个螺母分别与丝杆的两侧面贴合，当工作台反向时，由于消除了侧隙，工作台会跟随CNC的运动指令反向而不会出现滞后。
这种调整方法具有结构简单、刚性好装卸方便等优点但它调整不便，很难在一次修磨中调整完毕，调整的精度也不如齿差调隙式好，尤其是滚道有磨损时，不能随时消除间隙和进行预紧。
但对与我们这里的要求精度不是很高的地方，已经可以满足要求，相比而言是经济的。
下图是双螺母垫片调隙的结构示意图：
（3）滚珠丝杠的参数计算
1、计算进给牵引力Fm
作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。
其大小数值跟导轨的形式有关。
我们这里的数控测量机在Z向不受外力，主要受力就是带动工作台时的摩擦阻力，由综合作业指导书上查得Fm=KFx+f'
（Fz+G）
式中Fx,Fz─—切削分力（N），此处都为0；
G——移动部件的重量（N），按100N计算；
f'
——导轨上的摩擦系数，随导轨形式而不同；
在正常情况下，我们的测量机是精密机械，导轨我们采用滚珠导轨，摩擦系数f'
取0.005此进给牵引力为：
Fm=KFx+f'
（Fz+G）=0＋0.005（0+100）=0.05N，可见是相当小的。
2、计算最大动负载C
最大动负载是选用滚珠丝杠的重要依据，在选用滚珠丝杠副的直径d0时，必须保证在一定轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的的滚道上不产生点蚀现象。
所谓点蚀是指在接触变应力的反复作用下，在节线附近的滚道面上会产生若干小裂纹，封闭在裂纹中的润滑油在压力的作用下，产生楔挤作用，使裂纹不断扩展，最后导致表层金属微粒脱落，而形成点蚀。
这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负业指导书得它的载C，查综合作得计算公式：
C=
fwFm
=
式中L——寿命以
为单位；
n—丝杠转速（r/min）；
Vs—为工作台的最大进给速度（m/min）,，任务书上要求的Z向最大移动速度为4000㎜/min；
L0——丝杠导程（mm）,我们初选导程为4mm;
导程L0应根据机床的脉冲指令要求和负载情况来选择。
当名义直径D0确定后，L0值大，可使螺纹的升角β变大，效率低，相应的转速会降低。
T——为使用寿命（h）,对于数控机床取15000h;
fw——运转系数，其中在无冲击运转的状态下fw取1.0~1.2，我们取1.2；
因此带入数据依次求得转速：
=
=1000r/min
寿命：
L=
=900
最大动载荷C=
fwFm=
=0.58N
我们初步选择北京工研精机股份有限公司的JCSGY-NFD系列精密滚珠丝杠副，这种系列的产品精度等级高，主要用于受力不大，作定位用的场合。
我们选择NFD2004-3这种型号的滚珠丝杠，其参数如下表：
公称直径20mm，基本导程4mm,动载荷5878N＞0.58N,初步符合要求，也符合生产厂商制造长度上的要求。
4、进给伺服系统传动计算
由于步进电机的工作特点是一个脉冲走一步，每一步都有一个加速过程，因而对负载惯量很敏感。
为满足负载惯量尽可能小的要求，同时也要满足一定的脉冲当量，常采用齿轮降速传动。
（一）初选步进电机步距角θb
对步进电机施加一个电脉冲信号时，步进电机就回转一个固定的角度，叫步距角。
电机的总回转角和输入脉冲数成正比，而电机的转速则正比与输入脉冲的频率。
步进电机的步距角越小，意味着它能达到的位置精度越高。
通常的步距角是3°
、1.5°
或0.75°
，步距角的大小与通电方式及转子齿数有关。
在步进电机技术数据中，θb是以分数形式给出两个数，其中分子所示的步距角是表示通电方式是双拍，分母示出的步距角表示通电方式是单拍。
这里初选步距角0.72°
。
（2）计算传动比i
已确定测量机的脉冲当量δp为0.005mm,滚珠丝杠导程L0=4mm，
步进电机步距角θb=0.72°
，可以计算进给伺服系统的传动比i。
i=
=1.6
（3）计算齿轮齿数及各项技术参数
可以确定齿轮齿数为：
=1.6Z2=32，Z1=20
因为测量机Z向进给运动只是带着传感器运动，负载较轻，系统伺服系统功率不大，因此取模数m=1。
齿轮几何参数如下表：
齿数
Z
32
20
分度圆
d=mz
齿顶圆
da=d+2m
34
22
齿根圆
df=d-2×
1.25m
29.5
19.5
齿宽
B=（6～10）m
10
中心距
A=（d1+d2）/2
26
5、步进电机的计算和选用
（1）步进电机启动转矩的计算
设步进电机等效负载转矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载做的功有如下关系：
式中
——电机转角；
——移动部件的相应位移；
——机械传动效率。
若取
，则
，
P=PH+μ（G+Pz）
所以
式中PH——走刀抗力（N），在此处为零；
G——移动部件重量（N），此处为滚动导轨的滑块质量和光幕传感器的质量,此处取100N；
Pz——与重力方向一致的切削力（N），此处为零；
——导轨摩擦系数，取0.005；
——步进电机步距角；
0.02N·
㎝
估算启动转矩Tq
Tq=T/（0.3～0.5）=0.02/0.3=0.07N·
对工作方式为五相五拍的步进电机，由下表得λ=0.809，可求出最大静转矩Tjmax如下：
步进电机启动转矩和最大静转矩的关系
步进电机
相数
三相
四相
五相
数拍
3
6
4
8
5
=Tq/Tjmax
0.5
0.866
0.707
0.809
0.951
Tjmax=Tq/0.809=0.09N·
cm
（2）步进电机最高启动频率fmax的计算
任务书上要求Z向最大移动速度4000㎜/min
所以fmax=
（3）初步确定电机型号
根据以上计算，我们选用电机型号为60BYG550A的五相混合式步进电机，其技术数据如下：
60BYG系列电机
技术参数
型号
相电流
步距角
保持转矩
空载起动频率
空载运行频率
转动惯量
重量
A
度
N.m
KPPS
Kg.cm^2
Kg
60BYG550A
0.36/0.72
0.7
60
0.24
0.7N·
m的保持转矩远大于最大静转矩，转矩符合要求。
但这种步进电机最高空载启动频率为4000Hz，不能满足
（13333Hz）的要求，此项指标可以采用软件升降速程序来解决。
（四）校核步进电机的转矩
1.等效转动惯量的计算
传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J∑（kg·
cm2）可由下式计算：
式中JM——步进电机转子转动惯量（kg·
cm2）；
J1、J2——齿轮Z1、Z2的转动惯量（kg·
Js——滚珠丝杠转动惯量（kg·
cm2）。
60BYG550A混合式步进电机，其转子转动惯量JM=0.24kg·
cm2
J1=
kg·
J2=
Js=
G=100N
代入上式：
cm2=0.47kg·
2.电机转矩的计算
电机的负载转矩在各种工况下是不同的，在测量机上主要考虑的是快速启动时克服转动惯量的电机转矩能否达到要求。
快速空载启动时所需转矩：
M=Mmax+Mf+M0
式中M——快速空载启动转矩（N·
cm）；
Mmax——空载启动时折算到电机轴上的加速转矩（N·
M0——由于丝杠预紧时折算到电机轴上的附加摩擦转矩（N·
Mf——折算到电机轴上的摩擦转矩（N·
cm）。
其中，Mmax=J∑
启动加速时间ta=0.1s代入上式得：
Mmax=
式中J∑——传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量（kg·
cm2）
——电机最大角加速度（rad/s2）；
nmax——电机最大转速（r/min）；
vmax——运动部件最大快进速度（mm/min）；
折算到电机轴上的摩擦转矩：
——导轨的摩擦力（N）；
——垂直方向的切削力（N）；
G——运动部件的总重量（N）；
——导轨摩擦系数；
i——齿轮降速比；
——传动链总效率，一般取0.7～0.85。
上述两项合计：
M=Mmax+Mf=7.8+0.007≈7.8N·
由前可知，此时在五相五拍时λ=0.809，则最大静转矩为：
Tjmax=7.8/0.809=9.64N·
cm，由上表可知，初选误差很大，校核以后所选电机的静转矩为7N·
M远远大于此处最大静转矩，所以电机确定选择为：
60BYG550A的五相混合式步进电机。
第三部分微机数控系统硬件电路设计
1、微机数控系统功能实现技术分析
数控系统是由硬件和软件两部分组成的。
硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效的运行，硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能的指标。
机床硬件电路由以下五部分组成：
（1）主控制器，即中央处理单元（CPU）;
cpu的作用，它是系统的核心，执行存储在存储器中的程序，完成所要求的计算，产生协调整个系统工作的各类控制信号；
（2）总线，包括数据总线，地址总线和控制总线；
（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器；
（4）接口，即I/O输入输出接口，是处理器与外界联系的通路，它提供物理的连续手段，完成必要的数据格式和信息形式的转换；
（5）外围设备，即键盘，显示器及光电输入接口。
任务书要求微机部分扩展16K程序存储器，这里我们选2片2764程序存储器，用于数控软件程序，其中包括系统总控程序、初始化、故障处理显示程序、z轴和c轴的运动伺服控制、系统自检、不同工作方式运动规律控制等子程序，用这些的目的是为了完善和发挥计算机的硬件功能，从而使该系统能完成各种运动规律的控制过程，以配合测量机检测处理数据部分的需要。
任务书还要求16K×
8位数据存储器，我们选2片6264数据存储器，用于数据的暂存、缓冲以及运算结果的存放，也可用于设定标志位。
外围设备中的输入接口行列式键盘和显示电路合在了一起，以节省IO口线。
LED显示器采用共阴极显示器，其中在进行键盘巡回扫描时，必须先关显示，有关键盘和显示器的工作必须经过软件的协调处理后才能达到预期的效果。
2个行程限位信号（来自Z向直线运动单元）、2个回零开关信号（分别来自Z向直线运动单元和C回转单元）及工作方式报警指示等开关量信号输入分别分配到单片机和IO扩展芯片8155和8255的IO口。
电机控制部分z向采用五相的步进电机，c向采用2相的步进电机，功率放大电路部分采用高低压驱动电路，采用软环分把驱动步进电机的脉冲按所需的顺序供给电机各相，优点控制灵活方便，缺点是所需要的IO接口接线数多。
在步进电机驱动电路中，利用软环分程序单片机输出的信号经过放大后，控制步进电机的励磁绕组，由于步进电机所需要的驱动电压较高（几十伏），电流也较大（几安到几十安），如果将IO口输出信号直接于功率放大器相连，将会引起强电干扰，轻则影响计算机程序的正常运行，重则导致计算机接口电路的损坏。
所以一般在接口电路与功率放大器之间都要加上隔离电路，实现电气隔离，通常使用最多的是光耦合器。
光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成，当输入信号加到输入端时，发光二极管导通发出红外光，光敏晶体管受光照射后，由于光敏效应产生光电流，通过输出端输出，从而实现了以光为媒介的电信号传输。
二、微机各部分控制电路的原理和特点
（一）8031单片机的特点
左边是其引脚图。
（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）;
（2）片内有时钟发生电路（6MHz或12MHz）、每执行一条指令时间为2μS或1μS
（3）片内具有128字节RAM;
（4）具有21个特殊寄存器；
（5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器；
（6）具有4个I\O口，32根I\O口线；
（7）具有2个16位定时器\计数器；
（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级；
（9）具有一个全双功串行接口；
（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。
从上述特性可知，一块8031的功能几乎相当于一个微机系统。
可以看出这种芯片集成度高、功能强，只需要增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。
（二）8031与存储器扩展电路的连接
MCS-51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。
对于简单的应用场合，MCS-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可利用MCS-51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。
ROM2764引脚图
8031单片机共有P0、P1、P2、P3四个8位口（如上图），32根I/O口线，其中P0.0～P0.7（AD0～AD7）是I\O端口0的引脚，端口0是一个8位漏极开路的双向I\O端口，在存取外部存储器时，该端口分时地用低8位地址线和8位双向的数据端口（在此时内部上拉电阻有效）。
P2.0～P2.7是端口2的引脚，端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I\O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8～A15。
因此，8031的程序存储器的寻址空间为64K（
）字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是扩展的EPROM，ROM空间是单片机用于存放代码和表格数据。
74LS373
74
1.外部程序存储器工作原理
CPU由外部程序存储器取指时，16位地址的低8位PCL由P0口输出，高8位PCH由P2口输出，指令由P0口输入，P0口作为分时复用的地址/数据总线。
在访问程序存储器时，P2口专用于输出高8位地址，P2口具有输出锁存功能，可直接接至外部
存储器的地址端，无需再加锁存。
P0口作为分时复用的双向总线，输出低8位的内容，输入指令。
在这种情况下，每一个机器周期中,允许地址锁存信号ALE两次有效，在ALE由高变低时，有效地址PCL出现在P0总线上，低8位地址锁存器（外扩的）应在此时将低位地址锁存起来，同时
也是每个机器周期两次有效，用于选通外部程序存储器，使指令送到P0总线上，由CPU取入。
其中ＡＬＥ是8031的控制线，是地址锁存使能信号，作为地址锁存允许时高电平有效，就是由于ＰＯ口是分时传送数据和低8位地址，故访问外不存储器时，ＡＬＥ信号锁存低８位地址，与地址锁存芯片７４ＬＳ３７３的引脚G相连，当G=“1”，74LS373输出端0Q～7Q与输入端0Ｄ～7D相同，当G为下降沿“┐”时，将输入数据锁存。
373的
引脚是使能端，接地即可。
控制线
为程序存储器的使能引脚，是外不程序存储器的读选通信号，低电平有效。
还有8031的
接地，表示CPU执行外部程序存储器的指令。
我们选的2764EPROM（如图）要工作在上述的方式下，接线必须正确，要把2764的
使能端于8031的
相接，还要把VPP编程电压端，PGM编程控制端接高电平，使2764的存储器内容从数据端输出，即处于Dout状态。
数据线在连接时，存储器2764的8位数据线D0～D7与8031芯片的P0口P0.0～P0.7直连，单片机规定的指令码和数据都是由P0口读入，以读出存储器中的内容。
2.数据存储器的扩展原理
根据任务书的要求需要扩展16K的数据存储器，我们选两片6264，每片8K。
它与8031的连接与2764的大致相同，需要13根地址线A0～A12，分别用到P0口的8位和P2口的低5位，依然要用到74LS373锁存地址，接法与上述相同。
数据线也是接到P0口。
不同的是控制线的接法，数据存储器能读能写，
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