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第二章 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
第二章 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
2.1 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)
主要包括以下幾個(gè)方面：
（1） 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì)。包括確定機(jī)床所需運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式（直線運(yùn)動(dòng)、回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)）、功能（主運(yùn)動(dòng)、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)、其他運(yùn)動(dòng)）及排列順序，最后畫出機(jī)床的運(yùn)動(dòng)功能圖。
（2） 基本參數(shù)設(shè)計(jì)。包括尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)。
（3） 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括傳動(dòng)方式、傳動(dòng)原理圖及傳動(dòng)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。
（4） 總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。包括運(yùn)動(dòng)功能分配、總體布局機(jī)構(gòu)形式及總體結(jié)構(gòu)方案圖設(shè)計(jì)。
（5） 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。
根據(jù)前面所提到的數(shù)控機(jī)床應(yīng)滿足的基本要求就可以進(jìn)行總體設(shè)計(jì)。在各項(xiàng)基本要求中以工藝要求最為重要。由工藝要求決定機(jī)床所需要的運(yùn)動(dòng)。完成每個(gè)運(yùn)動(dòng)又有相應(yīng)的功能部件。這就可以確定各部件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)位置關(guān)系。機(jī)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(jì)是一項(xiàng)全局性的設(shè)計(jì)工作，直接影響機(jī)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。
2.2 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定
對(duì)教學(xué)試驗(yàn)型微型數(shù)控銑床的設(shè)計(jì)，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(jià)格低，有利于此類銑床的普及推廣。所以本課題的設(shè)計(jì)主要是兩個(gè)方面：其一：機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；其二：控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。這里有兩個(gè)方案：
方案一、采用減速箱，并對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行兩端支撐；
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(dá)到：1.增大轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩；2.提高脈沖當(dāng)量；3.匹配慣量。對(duì)滾珠絲杠進(jìn)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(jìn)電動(dòng)機(jī)和滾珠絲杠，對(duì)滾珠絲杠進(jìn)行一端支撐。
該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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(jì)算切削力較小，選用步進(jìn)電機(jī)，脈沖當(dāng)量為2mm/min，采用減速向變速，傳動(dòng)比選用1.25，通過計(jì)算可以提高脈沖當(dāng)量為1.02mm/min。對(duì)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(dòng)機(jī)軸和滾珠絲杠，精度不高，電機(jī)功率太小，直接帶動(dòng)滾珠絲杠在長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，對(duì)步進(jìn)電機(jī)損耗較大。采用一端支撐，會(huì)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(shí)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(duì)滾珠絲杠采用兩端支撐。
2.4 兩軸實(shí)驗(yàn)型數(shù)控系統(tǒng)的方案擬定
教學(xué)試驗(yàn)型微型數(shù)控銑床的總體長(zhǎng)為300mm，寬為180mm，高為400mm，工作臺(tái)寬度180mm，長(zhǎng)180mm?？梢詫?shí)現(xiàn)X軸、Y軸和Z軸三坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)。X軸、Y軸的進(jìn)給是通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠，絲杠又與螺母?jìng)鲃?dòng)來實(shí)現(xiàn)。電機(jī)與絲杠的連接可以通過銷釘來達(dá)到。在傳動(dòng)過程中電機(jī)帶動(dòng)絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母沿導(dǎo)軌做水平移動(dòng)，從而帶動(dòng)工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)。Z軸的進(jìn)給也是通過電機(jī)帶動(dòng)絲杠，絲杠又與Z軸螺母?jìng)鲃?dòng)來實(shí)現(xiàn)。主軸套與Z軸螺母相連，在傳動(dòng)過程中電機(jī)帶動(dòng)絲杠做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，螺母沿導(dǎo)軌做上下移動(dòng)，從而帶動(dòng)主軸做上下運(yùn)動(dòng)。
控制系統(tǒng)部分：通過采用三菱公司的FX2N系列單片微機(jī)構(gòu)成的控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的啟停、正反轉(zhuǎn)、兩軸聯(lián)動(dòng)和變頻調(diào)速的控制，從而實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)控制。其中重點(diǎn)是確定硬件電路的總體方案和軟件設(shè)計(jì)，主要有：存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)，輸入輸出接口電路設(shè)計(jì)，步進(jìn)電機(jī)接口和驅(qū)動(dòng)電路（光電隔離電路，功率放大電路），其他輔助電路（時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，越界報(bào)警電路，掉電保護(hù)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：
鍵盤輸入
傳動(dòng)機(jī)構(gòu)
MCS-51
驅(qū)動(dòng)電路
接口電路
工作臺(tái)
數(shù)據(jù)顯示
圖1 總體框圖
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