普通機床6140縱向數(shù)控化改造

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1、摘要 水平的不斷發(fā)展,使整個社會的生產(chǎn)力得到了空前的進(jìn)步,不斷催生而出的新的加工制造技術(shù)越來越多地運用于生產(chǎn)實踐之中,并對社會進(jìn)步發(fā)揮這巨大的推進(jìn)作用。當(dāng)前,機械制造業(yè)發(fā)展的一個明顯的趨勢是越來越廣泛的運用數(shù)控技術(shù)。普通機床逐漸被高效率、高精度的數(shù)控機械所代替。數(shù)控機床是數(shù)控機械的典型代表。 借于以上,本設(shè)計改變了普通車床被淘汰的命運,將其數(shù)控化改造。設(shè)計的題目是：車床C6140數(shù)控化的改造,其主要對機械傳動部分、CNC系統(tǒng)、檢測裝置的設(shè)計和對電動機的選擇。 本設(shè)計的數(shù)控車床主軸運動采用三相交流電動機,進(jìn)給運動采用了直流伺服電動機,它有低轉(zhuǎn)速大慣量、啟動力矩大、低速運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、輸出力矩大等

2、優(yōu)點。而PWM調(diào)速方式能實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速,大大簡化了傳統(tǒng)機床傳動部分的結(jié)構(gòu),拓寬了加工圍,提高了生產(chǎn)效率。機械進(jìn)給傳動為滾珠絲杠傳動,齒輪傳動；減小了傳動誤差,并且有光電編碼盤轉(zhuǎn)速信號的反饋,提高了零部件的加工精度。 本設(shè)計獲得成果：歸納了大學(xué)三年來所學(xué)的知識。了解了現(xiàn)代數(shù)控車床的部結(jié)構(gòu)和運行,提高了對機械部件以及整個機床的設(shè)計能力,理論聯(lián)系了實踐。 關(guān)鍵詞技術(shù)車床 電動機 精度 With the development of technology, the capacity of the whole society has greatly grown. So

3、 a lot of new technology comes out, and which will do huge function to the society in the production, At present, one of the clear standard to judge the development of the mechanism production industry is how the numerical widely used in the industry. The fact is that ordinary tool is gradually rep

4、laced by numerical one which is more efficient and high precision. So numerical is the representative of the numerical mechanism. Because of the above easy, here I designed to revolute its numerical to change the replacement fate of the ordinary. Subject is THE NUMERICAL REVOLUTION OF TOOL C6140, t

5、he main parts are engine drive, CNC system, and design of inspectsequipment and the electromotor selecting. Three-direction alternating current electromotor is used, and direct current electromotor is used, which has the advantage of low rotate speed big inertia, huge startup drive, stable low spee

6、d movement, and huge output moment. while PWM timing way can realize as well as positive and negative moving and timing, which greatly simplified the traditional constructure of tool, widen the production extension, improve its efficiency. Geardriving, decrease the drive error, what is more, ithas t

7、he signal feedback of the photo electricity, thus improve its precision. What to get after done this design: re-learn the knowledge of three years in school, mastered the inter-constructure of numerical tool, make my capacity of designing components and the whole tool, that is practice makes perfec

8、t. Key words technology tool electromotor precision 第一章 緒論 1．1 數(shù)控機床改造的目的及必要性 1.1.1 改造的目的 從現(xiàn)在的狀況看,與普通機床加工方法相比很有優(yōu)勢。數(shù)控機床的定位精度是最具數(shù)控機床特征的精度項目,其他精度項目〔包括幾何精度〕都與它有一定的對應(yīng)關(guān)系。定位精度和重復(fù)定位精度綜合反應(yīng)該軸各運動部件的綜合精度。尤其是重復(fù)定位精度,它反應(yīng)了機床在該控制軸行程任意定位點的定位穩(wěn)定性,這是衡量該控制軸能否穩(wěn)定可靠工作的基本指標(biāo),所以它不僅保證了加工精度加工質(zhì)量,而且大大的縮短了加工

9、周期,減少了勞動力的投入。當(dāng)然這一設(shè)計的出現(xiàn)將對除塵設(shè)備的性能和加工生產(chǎn)都帶來了生機。環(huán)保產(chǎn)業(yè)是當(dāng)今社會的重要產(chǎn)業(yè),這不僅是中國社會發(fā)展人類生存的需要,而且是整個世界的共同問題,這就需要整個世界和社會重視環(huán)保產(chǎn)業(yè),加強環(huán)保設(shè)備的開發(fā)和研究,當(dāng)然數(shù)控在環(huán)保產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和環(huán)保設(shè)備的創(chuàng)新和開發(fā)過程中起著至關(guān)重要的作用。 1．1．2 改造的必要性 1．微觀看改造的必要性 　 從微觀上看,數(shù)控機床比傳統(tǒng)機床有以下突出的優(yōu)越性,而且這些優(yōu)越性均來自數(shù)控系統(tǒng)所包含的計算機的威力 a．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

10、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。 b. 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"。 ?? c. 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"。 ??? d. 可實現(xiàn)多工序的集中,減少零件 在機床間的頻繁搬運。 ???e. 擁有自動報警、自動監(jiān)控、自動補償?shù)榷喾N自律功能,因而可

11、實現(xiàn)長時間無人看管加工。 ??? f. 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,可對市場需求作出快速反應(yīng)等等。 　　以上這些優(yōu)越性是前人想象不到的,是一個極為重大的突破。此外,機床數(shù)控化還是推行FMC〔柔性制造單元〕、FMS〔柔性制造系統(tǒng)〕以及CIMS〔計算機集成制造系統(tǒng)〕等企業(yè)信息化改造的基礎(chǔ)。數(shù)控技術(shù)已經(jīng)成為制造業(yè)自動化的核心技術(shù)和基礎(chǔ)技術(shù)。 2. 宏觀看改造的必要性 　　從宏觀上看,工業(yè)發(fā)達(dá)國家的軍、民機械工業(yè),在70年代末、80年代初已開始大規(guī)模應(yīng)用數(shù)控機床。其本質(zhì)是

12、,采用信息技術(shù)對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)〔包括軍、民機械工業(yè)〕進(jìn)行技術(shù)改造。除在制造過程中采用數(shù)控機床、FMC、FMS外,還包括在產(chǎn)品開發(fā)中推行CAD、CAE、CAM、虛擬制造以及在生產(chǎn)管理中推行MIS〔管理信息系統(tǒng)〕、CIMS等等。以及在其生產(chǎn)的產(chǎn)品中增加信息技術(shù),包括人工智能等的含量。由于采用信息技術(shù)對國外軍、民機械工業(yè)進(jìn)行深入改造〔稱之為信息化〕,最終使得他們的產(chǎn)品在國際軍品和民品的市場上競爭力大為增強。而我們在信息技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)方面比發(fā)達(dá)國家約落后20年。如我國機床擁有量中,數(shù)控機床的比重〔數(shù)控化率〕到1995年只有1.9％,而日本在1994年已達(dá)20.8％,因此每年都有大量機電產(chǎn)品進(jìn)口。這也就從宏

13、觀上說明了機床數(shù)控化改造的必要性。 1.2 數(shù)控機床的分類 1．2．1 以運動軌跡不同分 1. 點位控制系統(tǒng) 對于一些加工孔的數(shù)控機床,如數(shù)控鉆床、數(shù)控鏜床、數(shù)控沖床、三坐標(biāo)測量機、印刷電路板鉆床等。它們只要求獲得精確的孔系坐標(biāo)定位精度,而不管從一個孔到另一個孔是按照什么軌跡運動,在坐標(biāo)運動過程中,不進(jìn)行切削加工。具有這種運動控制的機床稱為點位控制數(shù)控機床。點位控制的數(shù)控機床加工的都是平面的孔系〔圖1.1〕,它控制平面的兩個坐標(biāo)軸帶動刀具與工件作相對運動,運動停止后,控制刀具進(jìn)行鉆、鏜切削加工；為了提高效率和確保精度的定位精度,首先系統(tǒng)控制進(jìn)給部件高速運行,接近目標(biāo)點時,采用分

14、級或連續(xù)降速,低速趨近目標(biāo)點,從而減少運動部件的慣性過沖和因此而引起的定位誤差。 圖1.1 點位加工 2． 直線控制系統(tǒng) 直線控制的數(shù)控機床是指控制機床工作臺或刀具〔刀架〕以要求的進(jìn)給速度,沿著平行于坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行直線移動和切削加工〔一般還包括45°的斜線〕的機床。如數(shù)控車床、某些數(shù)控鏜銑床和加工中心等,都具有直線控制功能。這一類數(shù)控機床不僅要求具有準(zhǔn)確的定位功能,而且還要控制位移的速度。由于在移動過程中進(jìn)行切削加工,所以對于不同的刀具和工件,需要選用不同的切削用量。一般情況下這些數(shù)控機床有兩個到三個可控制的軸

15、,但同時控制軸只有一個。為了能在刀具磨損或更換刀具后,仍可加工出合格的零件,這類機床是數(shù)控系統(tǒng)常常要求它具有半徑和刀具長度補償功能,以及主軸轉(zhuǎn)速的控制功能等。 現(xiàn)代組合機床采用數(shù)控技術(shù),驅(qū)動各種動力頭、多軸箱軸向進(jìn)給進(jìn)行鉆鏜銑等加工,也算是一種直線控制數(shù)控機床。直線控制也稱為單軸數(shù)控。 3. 輪廓控制的數(shù)控機床 可以加工斜線,曲線,曲面的數(shù)控機床,如數(shù)控車床,數(shù)控銑床,加工中心等。它們都是具有同時控制兩個,或兩個以上坐標(biāo)進(jìn)行聯(lián)動〔即進(jìn)行插補〕的數(shù)控車床。該類機床在加工過程中,每時每刻都對個坐標(biāo)的位移和速度進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷的控制, 故稱具有這種控制功能的機床為輪廓控制數(shù)控機床。現(xiàn)代數(shù)控機

16、床絕大部分都具有兩坐標(biāo)或兩坐標(biāo)以上聯(lián)動的功能、刀具半徑 補償、刀具長度補償、機床軸向誤差補償、絲杠螺距誤差補償、齒側(cè)間隙補償?shù)纫幌盗泄δ堋? 按照可聯(lián)動〔同時控制〕軸數(shù),可以分為兩坐標(biāo) 聯(lián)動控制,2.5坐標(biāo)聯(lián)動控制,三坐標(biāo)聯(lián)動控制,四坐標(biāo)聯(lián)動控制,五坐標(biāo)聯(lián)動控制等。 1.2.2 以控制方式不同分 1. 閉環(huán)控制系統(tǒng) 這類機床的位置檢測裝置安裝在進(jìn)給系統(tǒng)末段端的執(zhí)行部件上,該位置檢測裝置可實測進(jìn)給系統(tǒng)的位移量或位置。數(shù)控裝置將位移指令與工作臺端測得的實際位置反饋信號進(jìn)行比較,根據(jù)其差值不斷控制運動,使運動部件嚴(yán)格按照實際需要的位移量運動；還可利用測速元器件隨時測得驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速,將速度

17、反饋信號與速度指令信號相比較,對驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速隨時進(jìn)行修正。這類機床的運動精度主要取決于檢測裝置的精度,與機械傳動鏈的誤差無關(guān),因此可以消除由于傳動部件制造過程中存在的精度誤差給工件加工帶來的影響。圖1.2是閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖1.2 閉環(huán)控制的系統(tǒng)框 2. 半閉環(huán)控制系統(tǒng) 這類機床的檢測元件裝在驅(qū)動電機或傳動絲杠的端部,可間接測量執(zhí)行部件的實際位置或位移。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路不包括機械傳動環(huán)節(jié),控制系統(tǒng)的調(diào)試十分方便,因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性。由于采用高分辨率的測量元件,如脈沖編碼器,因此可以獲得比較滿意的精度與速度。半閉環(huán)數(shù)

18、控機床可以獲得比開環(huán)系統(tǒng)更高的精度,但由于機械傳動鏈的誤差無法得到消除或校正,因此它的位移精度比閉環(huán)系統(tǒng)的要低。大多數(shù)數(shù)控機床采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)。圖1.3是半閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖1.3 半閉環(huán)控制的系統(tǒng)框圖 11.開環(huán)控制系統(tǒng) 這類數(shù)控機床采用開環(huán)進(jìn)給伺服系統(tǒng)。其數(shù)控裝置發(fā)出的指令信號是單向的,沒有檢測反饋裝置對運動部件的實際位移量進(jìn)行檢測,不能進(jìn)行運動誤差的校正,因此步進(jìn)電機的步距角誤差、齒輪和絲杠組成的傳動鏈誤差都將直接影響加工零件的精度。 開環(huán)控制具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)穩(wěn)定、容易調(diào)試、成本低等優(yōu)點,但是系統(tǒng)對移動部件的誤差沒有補償和校正,所以精度低。一般適用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)

19、控機床和舊數(shù)控化改造。圖1.4是開環(huán)控制的系統(tǒng)框圖。 圖1.4開環(huán)控制的系統(tǒng)框圖 1.2.3 以伺服方式不同分 1. 主軸進(jìn)給伺服系統(tǒng) 進(jìn)給伺服系統(tǒng)是一般概念的位置伺服系統(tǒng),它包括速度控制環(huán)和位置控制環(huán)。進(jìn)給伺服系統(tǒng)控制機床各進(jìn)給坐標(biāo)軸的進(jìn)給運動,具有定位和輪廓跟蹤功能,是數(shù)控機床中要求最高的伺服控制。 2. 進(jìn)給伺服系統(tǒng) 一般的主軸伺服系統(tǒng)只是一個速度控制系統(tǒng)?？刂浦鬏S的旋轉(zhuǎn)運動,提供切削過程中的轉(zhuǎn)矩和功率,完成在轉(zhuǎn)速圍的無級變速和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。當(dāng)主軸伺服系統(tǒng)要求有位置控制功能時<如數(shù)控車床類機床>,稱為C軸功能。這時,主軸與進(jìn)給伺服系統(tǒng)一樣,為一般概念的位置伺服控制系統(tǒng)。

20、 1．3 數(shù)控機床的基本組成 1.3.1 硬件部分 數(shù)控機床作為一種典型的機電一體化設(shè)備,其組成主要包括微機控制系統(tǒng)和機床本體兩大部分。如果我們從機械的角度看待數(shù)控機床的區(qū)別,其實兩者的祖本布局具有很多相似之處,并不存在特別的差異。數(shù)控機床與普通機床最要的區(qū)別在于,數(shù)控機床具有功能強大的、智能化的電氣控制系統(tǒng),即微機控制系統(tǒng)。一般標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控機床的組成如圖1.5所示。 機床電 器控制 主軸 電機 進(jìn)給伺 服電機 位置 檢測 可編程控制 通信設(shè)備 輸出設(shè)備 輸入設(shè)備 進(jìn)給驅(qū)動裝置 主軸驅(qū)動裝置 微 機 系 統(tǒng) 數(shù)控系統(tǒng) 圖1.5 標(biāo)

21、準(zhǔn)型數(shù)控機床的組成 1. 微機控制系統(tǒng) <1> 輸入/輸出設(shè)備 這一部分是數(shù)控機床的信息輸入、輸出通道,加工零件的程序和各種參數(shù)、數(shù)據(jù)通過輸入設(shè)備送進(jìn)計算機系統(tǒng)〔數(shù)控裝置〕。早期的 輸入方式為穿孔紙帶、磁帶。目前較多采用磁盤；在生產(chǎn)現(xiàn)場,特別是一些簡單的零件程序都采用按鍵、配合顯示器〔CRT〕的手動數(shù)據(jù)輸入〔MDI〕方式；手搖脈沖發(fā)生器輸入多用于調(diào)整機床和對刀時使用；通過通訊接口,可由上位機輸入。 (2) 數(shù)控裝置 數(shù)控裝置是由中央處理單元〔CPU〕、存儲器、總線和相應(yīng)的軟件構(gòu)成的專用計算機,它接受到輸入信息后,經(jīng)過譯碼、軌跡計算、〔速度計算〕、插補運算和補償計算,再給各個坐標(biāo)的伺

22、服驅(qū)動系統(tǒng)分配速度、位移指令。這一部分是數(shù)控機床的核心。 (3) 伺服系統(tǒng) 伺服系統(tǒng)是數(shù)控機床的電氣驅(qū)動部分。它不但要接收計算機數(shù)控裝置發(fā)出的各種動作命令,還必須精確驅(qū)動機床進(jìn)給軸或主軸運動。伺服系統(tǒng)的性能是影響數(shù)控機床加工精度和生產(chǎn)效率的主要因素之一。 (4) 位置檢測裝置 位置檢測裝置在數(shù)控機床中有著相當(dāng)重要的作用。位置檢測裝置通過傳感器對機床的轉(zhuǎn)速及進(jìn)給實際位置進(jìn)行檢測,并將角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成信號,反饋到計算機數(shù)控裝置。 2. 機械傳動 機械傳動包括機床的主運動部件、進(jìn)給運動部件、執(zhí)行部件和基礎(chǔ)部件,如底座、立柱、滑鞍、工作臺〔刀架〕、導(dǎo)軌等。數(shù)控機床與普通機床不同,

23、它的主運動,各個坐標(biāo)軸的進(jìn)給運動都由單獨的伺服電機〔無級變速〕驅(qū)動,所以它的傳動鏈短、結(jié)構(gòu)比較簡單。普通機床上傳動鏈之間有復(fù)雜的齒輪聯(lián)系,在數(shù)控機床上改由計算機來協(xié)調(diào)控制各個坐標(biāo)軸之間的運動關(guān)系。為了保證數(shù)控機床的快速響應(yīng)特性,在數(shù)控機床上普遍采用精密滾珠絲杠和直線滾動導(dǎo)軌副。為了保證數(shù)控機床的高精度、高效率和高自動化加工,機床的機械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的動態(tài)特性、動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能。在加工中心上還具備有刀庫和自動換刀的機械手。同時還有一些良好的配套設(shè)施,如冷卻、自動排屑、防護(hù)、可靠的潤滑、程編機和對刀儀等,以利于充分發(fā)揮數(shù)控機床的功能。 1．3．2 軟件部分 1. 系

24、統(tǒng)程序 2. 應(yīng)用程序 第二章 械傳動部件的設(shè)計 2.1 技術(shù)指標(biāo) 將一臺CA6140普通車床改造成微機數(shù)控車床,采用MCS-96系列單片機控制系統(tǒng),步進(jìn)電機開環(huán)控制,具有直線和圓弧插補功能,具有升降速控制功能,其主要設(shè)計參數(shù)如下： 加工最大直徑：在床面上 φ400mm 在床鞍上 φ210mm 加工最大長度： 1000mm 溜板及刀架重力： 縱向 1000N 橫向 600

25、N 刀架快速速度： 縱向 2.4m/min 橫向 1.2m/min 最大進(jìn)給速度： 縱向 0.6m/min 橫向 0.3m/min 主電機功率 7.5kw 起動加速時間 30ms 機床定位精度： ±0.015mm2.2 設(shè)計計算 此機床進(jìn)給伺服系統(tǒng)運動及動力計算如下： 一、選擇脈沖當(dāng)量 根據(jù)機床精度要求確定脈沖當(dāng)量,縱向：0.01mm/步,橫向0.005m/步 二、計算切削力 1．縱車外圓 主切削力Fz按經(jīng)驗公式計算：

26、 Fz = 0.67D1.5max = 0.67X4001.5=5360 按切削力各分力比例： Fz : Fx : Fy = 1 : 0.25 : 0.4 Fx = 5360 X 0.25 =1340 Fy = 5360 X 0.4 =2144 2.橫切端面 主切削力F′z 可取縱切的1/2 F′Z=Fz/2 =2680 此時走刀抗力為F′y,,吃刀

27、抗力為F′x。仍按上述比例粗略計算： 三、滾珠絲杠螺母副的計算和選型 〔一〕 縱向進(jìn)給絲杠 1.計算進(jìn)給率引力Fm〔N〕 縱向進(jìn)給為綜合型導(dǎo)軌 Fm = KFx+f′〔Fz+G〕 = 1.15 X 1340 + 0.16〔5360 + 1000〕= 2558.6 式中 K — 滾珠絲杠導(dǎo)程,初選Lv=6mm f′— 滑動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)：0.15～0.18 G — 溜板及刀架重力：G = 1000N 2.計算最大動負(fù)載c C= fwFm L= 60×n×T/10

28、6 n=1000VS/L0 式中 L0— 滾珠絲杠導(dǎo)程,初選L0 = 6mm vS — 最大切削力下的進(jìn)給速度可取最高進(jìn)給速度的〔1/2～1/3〕 T — 使用壽命,按15000h ； fw — 運轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運轉(zhuǎn)取fw=1.2～1.5； L — 壽命、以106轉(zhuǎn)為1單位。 n =1000VS/L0=1000×0.6×0.5/6=50r/min L=60×n×T/106=60×50×15000/106=45 C= fw Fm=×1.2×2558.6=10921N 式中 L0---

29、-滾珠絲杠導(dǎo)程,初選L0=6mm, vs----最大切削力下的進(jìn)給速度,可取最高進(jìn)給速度的〔1/2--1/3〕,此處vs=0.6m/min; T----使用壽命,按15000h; fw---運轉(zhuǎn)系數(shù),按一般運轉(zhuǎn)取fw=1.2--1.5; L---壽命、以10６轉(zhuǎn)為1單位。 3.滾珠絲杠螺母副的選型 查表可采用W1L400b外循環(huán)螺紋調(diào)整預(yù)緊的雙螺母滾珠絲杠副,1列2.5圈,其額定動負(fù)載為16400N,精度等級按選為3級〔大致相當(dāng)于老標(biāo)準(zhǔn)E級〕。 4．傳動效率計算 η=tgγ/tg<γ+ψ> 式中 γ— 螺旋升角

30、,W1L400bγ = 2°44′ ψ— 摩擦角取10′滾動摩擦系數(shù)0.003～0.004 η= tgγ/tg<γ+ψ>= tg2026′/tg<2026′+10′>=0.936′ η要求在90%～95%之間,所以該絲杠副合格。 式中 γ----螺旋升角,W1L400bγ=2°44′ ψ----摩擦角取10′滾動摩擦系數(shù)0.003--0.004 5.剛度驗算 先畫出此縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式草圖如圖所有,最大牽引力為2558.6N。 先畫出次縱向進(jìn)給滾珠絲杠支承方式如圖4-20所示。最大牽引力為2530N,支承間距L=1500mm絲杠螺母及軸承均進(jìn)行預(yù)緊,預(yù)緊力為最大軸向負(fù)荷

31、的1/3。 〔1〕 絲杠的拉伸或壓縮變形量δ1 查圖4-6,根據(jù)Pm=2530,Do=40mm,查出δL/L=1.2x10-5,可算出: δ1=δL/Lx1500=1.2x10-5x1500=1.8x10-2 由于兩端均采用向心推力球軸承,且絲杠又進(jìn)行了預(yù)拉伸,故其拉壓剛度可以提高4倍.其實際變形量δ,1為; δ,1=1/4xδ1=0.45x10-2 <2>滾珠與螺紋滾道間接觸變形δ2 查圖4-7,W系列2.5圈滾珠和螺紋滾道接觸變形量δQ δQ=6.4μm 因進(jìn)行了預(yù)緊,δ2=1/2δQ=1/2x6.4=3.2μm <3>支承滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形δ3

32、 采用8107型推力球軸承,d1=35mm,滾動體直徑dQ=6.35,滾動體數(shù)量z δc=0.0024<省略> 注意,次公式中Fm單位應(yīng)為kgf 因施加預(yù)緊力,故 δ3=1/2δc=1/2x0.0075=0.0038mm 根據(jù)以上計算: δ=δ1+δ2+δ3=0.0045+0.0032+0.0038=0.0115mm < 定位精度 6、穩(wěn)定性校核 滾珠絲杠兩端推力軸承,不會產(chǎn)生失穩(wěn)現(xiàn)象不需作穩(wěn)定性校核。 2.3 齒輪傳動比 已知縱向進(jìn)給脈沖當(dāng)量δp=0.01,滾珠絲杠導(dǎo)程L0=6mm,初選步進(jìn)電機步矩角0.750,可計算出傳動比i i = 360δp/θb L0

33、 式中：δp——脈沖當(dāng)量〔mm/步〕 L0——滾珠絲杠的基本導(dǎo)程〔mm〕 θb——步進(jìn)電機的步矩角,初選0.750 i =360×0.01/1.5×6=0.8 可選定齒輪齒數(shù)為: Z1=32 , Z2=40, 或 Z3=20, Z4=25 因進(jìn)給運動受力不大,模數(shù)m=2。 有關(guān)參數(shù)請參照表2-1 齒數(shù) 32 40 24 40 20 25 分度圓 d=mz 64 80 48 80 40 50 齒頂圓 da=d+2m 68 84 52 84 44 54 齒根圓 df=d-2x1.25m 59 75

34、 43 75 35 45 齒寬 <6~10>m 20 20 20 20 20 20 中心距 A=/2 72 64 45 表2-1 傳動齒輪幾何參照 2.4 直流伺服電機計算和選型 本課題改造的是普通車床C6140,考慮到最大加工零件的尺寸大,切削力較大,要求的進(jìn)給力也大,所以初步選擇FANUC-BESK 系統(tǒng)的B11型直流電動機。其性能指標(biāo)如下： 輸出功率： 1.1　　　　　　 額定轉(zhuǎn)矩：11.8 最大轉(zhuǎn)矩： 94　　　　　　 最高轉(zhuǎn)速：1500 轉(zhuǎn)子慣量

35、 > : 10　　　　　 機械時間常數(shù)：19 重　　量： 27 2.4.1縱向電機計算 1.等效轉(zhuǎn)動慣量計算 計算簡圖見圖4-20.傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總的轉(zhuǎn)動慣量JΣ可由下式計算: JΣ=JM +J1+2+[J4+ JS+G/g]〔z1z3/Z2Z4〕2=57.762 Kg.cm2 式中 Jm----直流電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 J1、J2----齒輪z1、z2的轉(zhuǎn)動慣量 J3----滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量 參考同類

36、型機床,初選反應(yīng)式直流電機150BF,其轉(zhuǎn)子慣量JM=10kg.cm2 J1=0.78x10-3xd14xL1=0.78×6.44×2×10－3＝2.62kg.cm2 J2=0.78x10-3xd24xL2=0.78×84×2×10－3＝6.39kg?cm2 J3=0.78x10-3xd4x150=29.952kg?cm2 代入上式: JΣ=JM +J1+2+[J4+ JS+G/g]〔z1z3/Z2Z4〕2=57.762 Kg.cm2 考慮直流伺服電動機慣量匹配問題,JM/ JΣ=45/57.762=0.78 滿足慣量匹配問題〔

37、對于直流伺服電機,0.5≤JM/ JΣ≤0.8〕。 2.電機力矩計算 機床在不同的工況下,其所需轉(zhuǎn)矩不同,下面分別安各階段計算： （1） 快速空載起動力階段,加速力矩占的比例較大,具體計算公式如下： M起＝Mamax＋Mf＋M0 Mamax= JΣ?ε= JΣNmax/〔60/2π×Ta〕×10－2=JΣ×2π×10－2/〔60×Ta〕 Nmax＝Vmax×θb/δp/360o 將前面數(shù)據(jù)代入,式中各符號意義同前. Nmax＝Vmax×θb/δp/360o=2400×0.75/0.01/360=500r/min 起動加速時間Ta＝30ms Mamax＝ JΣ×2π.Nmax

38、/60/Ta=36.355×2π×500/<60×0.03>×10－2=634.5 N?cm 折算到電機軸上的摩擦力矩Mf Mf＝F0L0/2πηi＝?'×L0/<2πηZ2/Z1>=0.16<5360+800>×0.6/<2π×0.8×1.25>=94 N?cm 附加摩擦力矩M0 M0=1/3×FM×L0<1-η20>/ <2πηZ2/Z1> = 1/3×2558.6×0.8<1-0.92>/ <2×3.14×0.8×1.25>=206.4N?cm 上述三項合計： M起＝Mamax＋Mf＋M0=634.5+94+206.4=934.9 N?cm <2> 快速移

39、動時所需力矩M快 M快＝Mf＋M0=94+206.4=310.4N?cm <3>最大切削負(fù)載時所需力矩M切 M切＝Mf＋M0+Mt ＝Mf＋M0+FXL0/<2πηi> =310.4+2558.6×0.8/<2×3.14×0.8×1.25>=636.3N.cm 從上面計算可看出,M起、M快和M切三種工況下,以快速空載所需力矩最大,以此選作為初選直流電機的依據(jù)。 優(yōu)于94N.m＞93.49 N.m即該型號電動機的最大轉(zhuǎn)矩＞M起,由此可以確定初選的FANUC-BESK 3M系統(tǒng)配套的B11型直流伺服電動機滿足使用要求,即可采用。 第三章

40、 CNC控制系統(tǒng) 3．1 基本構(gòu)成 CNC系統(tǒng)由中心控制器、存、輸入輸出設(shè)備、外設(shè)等組成。 3.2 中心控制器的選用 中心控制器是CNC系統(tǒng)的核心部件,可采用單微機系統(tǒng)或多微機系統(tǒng),其主要職責(zé)是完成CNC的控制與計算。經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)常采用單片機為主控微機,單片機與微型計算機類似,具有三條線,可以進(jìn)行算術(shù)運算和邏輯運算,并通過控制邏輯由總線將運算結(jié)果輸出到存儲器和I/O設(shè)備等。但是,它與微型計算機在在表現(xiàn)和外在表現(xiàn)方面又有許多差別。概括起來,單片機具有面向工程控制領(lǐng)域、體積小、具有局限性、只能借助專門的開發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)、功耗低、價格低等特點,如 Intel公司的 8031、

41、8098等。就當(dāng)前情況來看,經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)選擇8098較為經(jīng)濟(jì)合理,它的部結(jié)構(gòu)與其它MCS-96系列單片機基本相同,執(zhí)行MCS-96系列單片機所有指令,部數(shù)據(jù)總線為16位。它們之間的區(qū)別是8098單片機外部數(shù)據(jù)總線為8位,因而8098單片機應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計和開發(fā)相對為簡單,性能價格比較高。其運算速度是8031的5～6倍。 3.2.1 8098芯片的基本結(jié)構(gòu) 1. 8098的引腳介紹8098采用48引腳雙列直插式封裝形式,見圖3.1 圖3.1 8098單片機管腳圖 XTAL1：部振蕩器中反相器和部時鐘發(fā)生器的輸入,與XTL2共同接外部晶體振蕩器； XTAL2：部振蕩器中的反

42、相器的輸出； RESET：復(fù)位信號輸入,兩個狀態(tài)周期低電平使芯片復(fù)位； EA：存儲器選擇輸入,當(dāng)EA為低電平,訪問片外存儲器,當(dāng)EA為高電平訪問片ROM,8098無片ROM,EA引腳有部下拉電阻,當(dāng)不接任何信號其保持為低電平； ALE/ADV：地址鎖存允許或地址輸出允許； RD：外部存儲器讀信號,輸出端,低電平有效； WR：外部存儲器寫信號,輸出端,低電平有效； READY:外部存儲器準(zhǔn)備就緒,輸入端,高電平有效。在與低存儲器聯(lián)接時,用來控制插入等待時鐘周期。READY引腳部有微弱的上拉電阻,當(dāng)無外部驅(qū)動時為高電平 HSI：高速輸入通道的信號輸入端,共有4個引腳,包括HSI.0

43、、HSI.1、HSI.2、HSI.3,其中HSI.2和HSI.3與HSO共用引腳； HSO：高速輸入通道的信號輸出端,共有6個引腳,包括HSO.0、HSO.1、HSO.2、HSO.3、HSO.4、HSO.5,其中HSO.4和HSO.5與高速輸入HSI共用引腳； P0口：4位高阻抗輸入口。可作數(shù)據(jù)信號輸入,也可以作為4路A/D轉(zhuǎn)換模擬信號輸入端； P2口：4位并行I/O口,具有雙重功能。除用作數(shù)據(jù)輸入/輸出端口外,還具有第二功能,如下： P2.0： 串行口數(shù)據(jù)發(fā)送端TXD,輸出端； P2.1： 串行口數(shù)據(jù)接收端RXD,輸入端； P2.2： 外部中斷

44、EXTINT輸入端； P2.3： PWM輸出； P3口與P4口：漏極開路8位并行I/O口,P3口用作地址/數(shù)據(jù)總線,P4口用作高8位地址輸出口,具有部強上拉電阻； Vcc：主電源電壓,+5V； Vss：數(shù)字電路地,有兩個Vss引腳,兩者必須同時接地； Vpd：部RAM備用電源, +5V,正常運行時Vpd必須與電源接通； Vref：A/D轉(zhuǎn)換器參考電源,+5V； ANGND：A/D轉(zhuǎn)換器的參考地,通常與Vss接通； Vpp：部EPROM型芯片的編程電源。 3.2.2 部結(jié)構(gòu)框圖<見圖3.2> 圖3.2 8098部結(jié)構(gòu)圖 主要性能概

45、括如下： <1> 片采用17位〔16位加符號擴(kuò)展位〕算術(shù)邏輯運算單元,可進(jìn)行8位或16位算術(shù)邏輯運算,片232字節(jié)存儲器均可用作累加器；<2> 外部8位數(shù)據(jù)總線,應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計較MSC-96系列單片機簡單；<3> 部時鐘采用A、B、C三相,指令的執(zhí)行效率提高；<4> 主PC與從PC并行工作；3 .3 存儲器的選用 部存儲器分為只讀存儲器〔ROM〕和隨機存儲器〔RAM〕在這里我們選用2片6264作為隨機存儲器,2片2764作為只讀存儲器。1、2764和6264的相同點和不同點 相同點：〔1〕都屬于計算機的部存儲器 〔2〕存儲空間都是8位x8K 〔3〕地址線都是13根

46、〔4〕數(shù)據(jù)線都是8根 〔5〕40個引腳,都是雙列直插式 不同點：〔1〕CPU對它們的操作方式不同,對6264可讀可寫,對2764只讀不 寫。<2> 部存放的信息容不同,用戶的程序和數(shù)據(jù)放在6264, 系統(tǒng)程 序放在2764。〔3〕信息的保存方式不同,2764不能受紫外線照射,6264不能掉電。 〔4〕 操作指令不同,CPU訪問2764用MOVE指令,訪問6264外擴(kuò)芯 片時用MOVX指令,訪問單片機用MOV指令。 〔5〕 硬件聯(lián)線不同,2764讀信號線OE與CPU的RD讀信號線連接, 6264讀信號線OE與CPU的RD讀信號線連接,寫信號線W

47、E與 CPU的寫信號線連接。 <6> 名稱不同,2764稱為系統(tǒng)存儲器〔只讀存儲器〕,6264稱為數(shù)據(jù) 存儲器,又可稱為隨機存儲器,可存放隨機數(shù),又可稱為讀寫存 儲器。 3.3.1 只讀存儲器<見圖3.3> 圖3.3 2764引腳圖 在2764引腳圖中Vpp是編程電壓端,ＰＧＷ是編程控制端,ＯＥ是輸出使能端,ＣＳ是片選端,它們均為低電平有效。2764的第26引腳空,〔ＮＣ〕未用。這是一塊８Ｋ×８ｂｉｔ的ＥＰＲＯＭ芯片,它的引線與ＳＲＡＭ芯片6264兼容的。這給使用者帶來很大的方便。因為在軟件調(diào)式過程中,程序經(jīng)常需要修改,此時可將程序先放大6264中,

48、讀寫修改都很方便,調(diào)式成功后,將程序固化在2764中,由于化于6264引腳兼容,所以可以把2764直接插在原6264的插座上。這樣,程序就不會由于斷電而丟失。 2764各引腳的含義： A0～A12：根地址輸入線。用于尋址片的８Ｋ個存儲單元。 D0～D7：8根雙向數(shù)據(jù)線,正常工作時為數(shù)據(jù)輸出線。編程時為數(shù)據(jù)輸入線。 CS：選片信號。低電平有效。當(dāng)CS＝０時表示選中此芯片。 OE：輸出允許信號。低電平有效。當(dāng)OE＝０時,芯片中的數(shù)據(jù)可由D0～D7端輸出。 PGM:編程脈沖輸入端。對ＥＰＲＯＭ編程時,在該端加上編程脈沖。讀操作時PGM＝１。 VPP：編程電壓輸入端。編程時應(yīng)在該端加上編

49、程高電壓,不同的芯片對VPP的值要求不一樣。 3.3.2 讀寫存儲器<見圖3.4> 圖3.4 6264引腳圖 外部擴(kuò)展RAM6264是一種8K X 8位的高集成度的隨機存取貯存器,有28個引腳,芯片引腳圖如圖3-3所示,A12-A0為13位地址信號線,尋址圍為8K。D7-D0為8位數(shù)據(jù)輸入/輸出線,可與單片機的數(shù)據(jù)總線連接。CE為片選信號,可由地址譯碼器產(chǎn)生。WE為寫允許信號線,可與單片機的寫命令信號WR聯(lián)接,用來控制存儲器的寫入操作。OE為讀允許信號線,與單片機的讀命令RD聯(lián)接,用來控制存儲器的讀出操作。在與單片機聯(lián)接時,主要要解決地址分配,數(shù)據(jù)線和控制信號線的連接。在進(jìn)行

50、存儲器讀/寫操作時,數(shù)據(jù)由P3口輸入/輸出。由于8098最大尋址圍為64K,因此6264最大使用8塊。 3.4 接口電路 3.4.1 接口的類型 所謂接口,就是微處理器與外部連接的部件,是CPU與外部設(shè)備進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站?？煞譃椴⑿薪涌诤痛薪涌凇Ｋ^串行接口,就是數(shù)據(jù)在一條傳輸線上一位一位地傳送的接口,在串行傳送下,外設(shè)通過串行接口與系統(tǒng)總線相連,如鍵盤、鼠標(biāo)、CRT顯示器、調(diào)制解調(diào)器等。所謂并行接口,就是同時在多條傳輸線上,數(shù)據(jù)以字節(jié)〔字〕為單位進(jìn)行傳送的接口。在并行傳送下,外設(shè)通過并行接口與系統(tǒng)總線相連接,如打印機等都通過并行接口與主機相連。 3.4.2 接口的作用

51、接口的作用,就是協(xié)調(diào)差異,使各部分協(xié)調(diào)配合,可靠有效地運行,以提高計算機系統(tǒng)的整體效率。3.4.3 可編程并行接口芯片的選擇 并行接口芯片的作用是讓CPU可以通過它們與外圍設(shè)備進(jìn)行交換信息,常用的并行接口芯片有8155和8255。本論文選用8155作為并行接口。1. 8155和8255的不同點和相同點 相同點：<1> 都屬于可編程的并行接口芯片。 〔2〕有A口、B口、C口和控制口。 <3> 都屬于信息交換的電路。 <4> 可通過編程訪問A口、B口、C口和控制口。不同點：<1〕 8255的C口的8位口,8155的C口是6位口。

52、 〔2〕 8155有256個ROM,8255中沒有ROM。 〔3〕 8255有2個地址線,8個數(shù)據(jù)線。8155的8個數(shù)據(jù)線和8個地址線公用。 <4> 8255只能作為I/O口用,沒有RAM。8155能數(shù)據(jù)寄存器來用,在這里是采用的是8155作為并行接口的芯片。 2. 8155的引腳功能如下,引腳圖見圖3.5所示： 圖3.5 8155引腳圖 AD0～AD7：三態(tài)地址/數(shù)據(jù)引出線； /M：選擇信號輸入線,高電平選擇IO口,低電平選擇RAM； ：片選信號輸入線,低電平有效； ALE：地址允許鎖存信號輸入線,高電平有效,其后沿將地址及片選信號鎖存到

53、器件中； ：讀選通信號輸入線,低電平有效； ：寫選通信號輸入線,低電平有效； TIMER IN：定時器/計數(shù)器的輸入線； ：定時器/計數(shù)器的輸出線； RESET：復(fù)位控制信號輸入線,高電平有效； PA0～PA7：8位并行I/O口線； PB0～PB7：8位并行I/O口線； PC0～PC7：6位并行I/O口線； Vcc：電源線,+5V； Vss：線路地 3. 8155的部結(jié)構(gòu) 8155的PA和PB口可以通過編程來決定是作為輸出口還是輸入口使用。PA口和PB口在選通方式下工作時,PC口用作PA口和PB口的狀態(tài)線和控制線,在其它情況下,也可以作為基本的輸入輸出線。 當(dāng)IO/M

54、為低電平時,AD0—AD7輸入的是RAM地址,尋址圍為00H—0FFH。當(dāng)IO/M為高電平時,AD0—AD7輸出的是I/O端口地址。 4. 8155的工作方式 8155部沒有一個命令寄存器和一個狀態(tài)寄存器,這兩個寄存器使用同一個地址號,當(dāng)對該地址寫入時,數(shù)據(jù)被寫入命令寄存器,讀出時,讀出的是狀態(tài)寄存器的容。 8155中沒有一個14位的減法計數(shù)器,同時TIN端輸入的脈沖進(jìn)行減法計數(shù),常用作定時器,分頻器或外部事件計數(shù)器。計數(shù)器的啟停操作由控制字的最高兩位確定,計數(shù)長度和計數(shù)方式存放在計數(shù)器的兩個8位寄存器中。 3.5 鍵盤顯示電路 鍵盤顯示可通過使用8155、8255、8

55、279三種芯片來實現(xiàn),在本次車床改造中我選用了8279芯片 3.5.1 可編程鍵盤/顯示器接口8279 8279包括4X8鍵盤和8位數(shù)碼管顯示器,鍵盤掃描線由8279的SL0-SL2輸出,經(jīng)3-8譯碼器聯(lián)接到8條列線上,4條行線聯(lián)接到RL0-RL3。如果選用8X8鍵盤,8條行線聯(lián)接到RL0-RL7即可。顯示器的顯示代碼由OUTA3-A0和OUTB3-B0輸出,經(jīng)反相驅(qū)動器7406聯(lián)接到所有數(shù)碼管的陰極,位代碼由SL0-SL2輸出,經(jīng)74LS138譯碼,再經(jīng)75452反相后聯(lián)接到各數(shù)碼管顯示器的陽極端。8279的CLK可直接與8098的ALE聯(lián)接,由8279設(shè)置適當(dāng)?shù)姆诸l系數(shù),譬如

56、分頻為100KHZ。中斷請求信號IRQ可與8098的某一HIS端聯(lián)接,通過HIS請求CPU處理。 1．引腳說明 8279的引腳功能如下,引腳圖見3.6所示： DB7～DB0:雙向數(shù)據(jù)輸入/輸出線,用來與系統(tǒng)總線聯(lián)接,傳送數(shù)據(jù)和控制命令； CLK:時鐘脈沖輸入端,用來輸入系統(tǒng)時鐘信號； RESET:復(fù)位信號輸入端,高電平有效,用來輸入復(fù)位信號； :片選信號輸入端,低電平有效； :讀信號,輸入,低電平有效,將緩沖器中的容讀出,送外部數(shù)據(jù)線； :寫信號,輸入,低電平有效,用來接受外部數(shù)據(jù)總線上的數(shù)據(jù)； IRQ:中斷請求,輸出,低電平有效。在鍵盤工作方式下,當(dāng)FIFO/傳感器RAM

57、中有數(shù)據(jù)時,IRQ再變?yōu)楦唠娖?在傳感器工作方式下,每當(dāng)探測到傳感器信號變化時,IRQ變?yōu)楦唠娖剑? SL3～SL0:掃描線,用來掃描按鍵開關(guān)或傳感器矩陣以及顯示器的 各位數(shù)字； RL7～RL0:回送線,通過按鍵或傳感器開關(guān)與掃描線聯(lián)接。這些輸入端部設(shè)有上拉電路,使之保持高電平。只有當(dāng)某一按鍵閉合時,其中一條變低。在選通輸入方式下這些輸入端也可以用作8條輸入線； SHIFT:換位,在鍵盤掃描方式中,按鍵一閉合,按鍵位置就和換位輸入狀態(tài)一起被存貯起來。SHIFT端部設(shè)置上來電路,使之保持為高電平,當(dāng)按鍵按下閉合變?yōu)榈碗娖剑? CNTL/STB:控制/選擇輸入,在鍵盤工作方式下,該輸入端用作控

58、制輸入,有鍵按下閉合時,輸入"狀態(tài)"被貯存。在選通輸入方式中,該輸入端作為將數(shù)據(jù)送入FIFO的選通線。該輸入設(shè)置上拉電路,使之保持高電平,當(dāng)按鍵按下閉合時變?yōu)榈碗娖剑? OUT A3～OUT A0,OUT B3～OUT B0:這兩個端口是16×4顯示器更新寄存器的輸出端。這兩個端口的數(shù)據(jù)與掃描線同步,以供多路轉(zhuǎn)換數(shù)字顯示器使用。這兩個端口可合并為一個8位端口使用； :空格顯示,輸出,低電平有效。用來在 數(shù)字切換過程中使顯示器熄滅,或者顯示熄滅命令使顯示器熄滅； Vcc:+5V 電源； Vss:接地。 圖 3

59、 3 3.6 8279的引腳圖 3.6 系統(tǒng)保護(hù)及報警電路 在此論文中,采用了行程開關(guān)來保護(hù)系統(tǒng)的安全,以免發(fā)生超程現(xiàn)象?！惨妶D3.7〕 圖3.7 行程開關(guān) 報警電路： 圖3.8 報警電路 如圖3.8所示,當(dāng)從8089的HSO3口輸出高電平時,此時下路不通,電流通過反相器變?yōu)榈碗娖?上路導(dǎo)通,紅燈亮,系統(tǒng)報警；反之亦然,紅燈不亮,系統(tǒng)不報警。 第四章 檢測 4

60、．1 概述 數(shù)控系統(tǒng)為反饋控制的隨動系統(tǒng),該系統(tǒng)的輸出量是機械位移、速度或加速度,利用這些量的反饋實現(xiàn)精確的位移、速度控制目的。數(shù)控系統(tǒng)的檢測裝置〔即傳感器〕起著測量和反饋兩個作用,它發(fā)出的信號傳送給數(shù)控裝置或?qū)Ｓ每刂破?構(gòu)成閉環(huán)控制。從一定意義上看,數(shù)控機床的加工精度主要取決檢測裝置的精度。傳感器能分辯出的最小測量值稱為分辯率。分辨率不僅取決于傳感器本身,也取決于測量線路。因此,研究和選用性能優(yōu)良的檢測裝置是非常重要的。 4．2 檢測元件的分類 4．2．1 以檢測物理量不同分 1．光柵位置檢測裝置 光柵是由許多等節(jié)距的透光縫隙和不透光的刻線均勻相間排列而構(gòu)成的光感器件。按工作

61、原理分,有物理光柵和計量光柵,前者的刻度不后者細(xì)蜜。物理光柵主要利用光的衍射現(xiàn)象,通常用于光譜分析和光波測定等方面；計量光柵主要利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象,廣泛應(yīng)用于位移的精密測量與控制中。 按應(yīng)用需要,計量光柵又有透射和反射之分。據(jù)用途不同,可制成用于測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵。 (1) 光柵位置檢測裝置的結(jié)構(gòu) 如圖4.1 所示,光柵檢測裝置主要由光源、透鏡、標(biāo)尺光柵〔長光柵〕、指示光柵〔短光柵〕和光敏元件等組成。 圖4.1 光柵位置檢測裝置 光柵是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上或金屬鏡面上均勻地刻上許多 與運動方向垂直的線條。線條之間的距離〔即柵距〕可以根據(jù)

62、測量精度確定。常用的光柵每毫米刻有50、100、或200條線。標(biāo)尺光柵裝在機床的移動部件上,指示光柵裝在機床的固定部件上。 (2) 光柵位置檢測裝置的工作原理 如圖4—2 所示,當(dāng)指示光柵上的線紋和標(biāo)尺光柵的線紋成個小角度θ兩個光柵尺上線紋相互交叉。在光源的照射下,交叉點附近的小區(qū)域黑線重疊,透明區(qū)域變大,擋光面積最小,擋光效應(yīng)最弱,透光的累積使這個區(qū)域出現(xiàn)亮帶。相反,距交叉點越遠(yuǎn)的區(qū)域,兩光柵不透明黑線的重疊部分越少,黑線占據(jù)的空間增大。因而擋光效應(yīng)增強,只有較少的光線透過光柵而使這個區(qū)域出現(xiàn)暗帶。這種明暗鄉(xiāng)間的條紋稱為"莫爾條紋"莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。 2．感應(yīng)同步

63、器 感應(yīng)同步器是利用電磁耦合原理,將位移或轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕臏y量裝置。實質(zhì)上,它是多極旋轉(zhuǎn)變壓器的展開形式。感應(yīng)同步器按其運動方式和結(jié)構(gòu)形式的不同,旋轉(zhuǎn)式〔或稱圓盤式〕和直線式兩種。前者用來檢測轉(zhuǎn)角位移,常用于精密轉(zhuǎn)臺、各種回轉(zhuǎn)伺服系統(tǒng),后者用來檢測直線位移,多用于大型和精密機床的自動定位、位移數(shù)字顯示和數(shù)控系統(tǒng)中。兩者工作原理相同。 感應(yīng)同步器一般由1000Hz~10000Hz,幾伏到幾十伏的交流電壓勵磁,輸出電壓一般不超過幾毫伏。 <1> 感應(yīng)同步器的工作原理 以直線式感應(yīng)同步器為例,感應(yīng)同步器由定尺和滑尺兩部分組成,如圖4.2所示。定尺與滑尺平行安裝,且保

64、持一定間隙。定尺表面制有連續(xù)平面繞組,滑尺上制有兩組分段繞組,分別稱為正弦繞組〔Sin繞組〕和余弦繞組〔Cos繞組〕,這兩段繞組相對于定尺繞組在空間錯開1/4的節(jié)距,節(jié)距用2τ表示。工作時,當(dāng)在滑尺兩個繞組中的任一繞組加上激勵電壓時,由于電磁感應(yīng),在定尺繞組中會感應(yīng)出相同頻率的感應(yīng)電壓,通過對感應(yīng)電壓的測量,可以精確地測量出位移量。 圖4.2 直線式感應(yīng)同步器的定尺和滑尺 3. 光電脈沖編碼器 4．2．2 以表示量的不同 1. 增量式測量 增量式測量是指測量到的位移以增量方式計數(shù)。其特點的結(jié)構(gòu)簡單,任何一個對中點都可以作為測量的起點?，F(xiàn)有的輪廓控制數(shù)控機床上大多采用

65、這種測量方式。增量式檢測系統(tǒng)中,移距是由測量信號計數(shù)讀出的,一旦計數(shù)有誤,以后的測量結(jié)果則完全錯誤。因此,在增量式檢測系統(tǒng)中,基點尤為重要。此外,一旦某種事故〔如停電、刀具損壞而停機等〕發(fā)生,當(dāng)事故排除后不能找到事故前執(zhí)行部件的正確位置,必須將執(zhí)行部件移至其始點從新計數(shù)才能找到事故前的正確位置。 2.絕對式測量 絕對式測量裝置對于被測量的任意一點位置均由固定的零點標(biāo)記,每個被測量點都有一個絕對的測量值。該裝置的結(jié)構(gòu)較增量式復(fù)雜,分辨精度要求越高,量程越大,結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。新出的輪廓控制數(shù)控機床上不少已采用這種測量方式。 4．2．3 以輸出量的形式不同 1. 模擬式測量

66、模擬式測量是將被測量用連續(xù)變量來表示,如電壓、相位變化等。數(shù)控機床所用的模擬測量主要用于小量程的測量。在大量程作精確的模擬式測量時,對技術(shù)要求較高。模擬式測量有以下幾個特點： (1) 被測的量無需變換。 (2) 量程實現(xiàn)較高精確的測量。 (3) 數(shù)字式測量 數(shù)字式測量是將被測量的量用數(shù)字的形式來表示。測量信號一般為電脈沖,可以直接把它送到數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行比較、處理。數(shù)字式測量裝置有以下特點： (1) 被測量轉(zhuǎn)換為脈沖個數(shù),便于顯示和處理。 (2) 測量精度主要取決于測量單位,與量程基本無關(guān)。 (3) 測量裝置相對簡單,脈沖信號的抗干擾能力強。 4.3 光電編碼盤光電編碼器,是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。這是目前應(yīng)用最多的傳感器, 光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸,電動機旋轉(zhuǎn)時,光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn),經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當(dāng)前電動機的轉(zhuǎn)速。此外,為判斷旋轉(zhuǎn)方向,碼