七五”期间以及“八五”的前期 即引进技术 消化吸收 初步建立起国产化体系阶段。
在此阶段 由于改革开放和国家的重视 以及研究开发环境和国际环境的改善 我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。
第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 即实施产业化的研究 进入市场竞争阶段。
纵观我国数控技术近50年的发展历程 特别是经过4个5年计划的攻关 总体来看取得的成绩还是不小。
1.2.3 对我国数控技术和产业化发展的战略思考 1 战略考虑。
我国是制造大国 在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 所以 我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。
首先从社会安全看 因为制造业是我国就业人口最多的行业 制造业发展不仅可提高人民的生活水平 而且还可缓解我国就业的压力 保障社会的稳定其次从国防安全看 西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 对我国实现禁运和限制 “东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。
2 发展策略。
从我国基本国情的角度出发 以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 用系统的方法 选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 实现制造装备业的跨跃式发展。
强调市场需求为导向 即以数控终端产品为主 以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。
重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。
没有规模就不会有高可靠性的产品没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品当然 没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。
2 方案原理的设计2.1 总体方案的选择和说明 设计一台微机控制 X-Y 两坐标工作台,采用 MCS-51 单片机控制,控制方式采用步进电机开环控制,其他参数如下: 表 1 设计参数 Table1 Design parameters脉冲当量mm/step 定位精度mm 最大移动速度m/min 工作台尺寸mm 进给抗力N 0.005 0.04 1 100150 500负载最大质量 m60Kg;台面尺寸 C×B×H=150mm×100mm×15mm;工作台最大快移速度为 1m/min;工作台行程,在 X 轴方向为 320mm,Y 轴方向为 225mm。
(1)人机接口 ① 采用键盘或 BCD 码盘作为输入。
② 采用 LED 作为电源等指示标志。
③ 采用蜂鸣器或扬声器作为报警装置。
④ 采用数码管作为显示器。
(2)机电接口 采用光电偶合器作为微型机和步进电动机驱动电路的接口,实现电气隔离。
(3) 伺服系统设计 本次设计的系统精度要求不高,载荷不大,因此采用开环控制。
(4) 控制系统设计: 微型机----微型机----功放----执行元件----机械传动----执行机构 控制部分方案的选择: 控制方案不外乎三种:开环控制,半闭环控制,闭环控制。
上面位最简单的“开环控制”,若在“机械传动”机构中引出反馈给控制部分,再经过比较放大的则为“半闭环控制”。
若是在“机械执行机构中引出反馈则为闭环控制”。
采用步进电机来实现驱动,一般情况下多采用开环控制。
因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲频率成正比。
因此通常在精度要求不是很高时,采用步进电机是比较合理的。
当然由于步进电机具有高频易失步,负载能力不强的缺点。
(1)系统的运动方式与伺服系统 由于工件在移动的过程中没有进行切削,故应用点位控制系统。
定位方式采用增量坐标控制。
考虑到定位精度要求不高,为了简化结构,降低成本,采用步进电机开环伺服系统驱动 X-Y 工作台。
(2)计算机系统 本设计采用了与 MCS-51 系列兼容的 AT89S51 单片机控制系统。
它的主要特点是集成度高,可靠性好,功能强,速度快,有较高的性价比。
控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。
系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。
LED 显示数控工作台的状态。
(3)X-Y 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性,又要求结构紧凑,所以选用丝杠螺母传动副。
为提高传动刚度和消除间隙,采用预加负荷的结构。
由于工作台的运动载荷不大,因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。
采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差,从而提高运动平稳性,减小振动。
考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取,为达到分辨率的要求,需采用齿轮降速传动。
2.2 总体方案实现的系统组成框图 图 1 总体方案设计 Fig1 The overall scheme design3 零件设计3.1步进电机的设计3.1.1 步进电机的组成及工作原理 步进电机又称脉冲电动机,它是将电脉冲信号转换成机械角位移的执行元件。
其特点是输入一个电脉冲就转动一步。
即每当电动机绕组接受一个电脉冲,转子就转过一个相应的步矩角。
转子角位移的大小及转速分别与输入的电脉冲及其频率成正比,并在时间上与输入脉冲同步,只要控制输入电脉冲的数量,频率以及电动机绕组通电相序即可获得所需的转角,转速及转向。
步进电动机具有以下特点: 已删除 Th 8 × 6 × 300 14400h 丝杠的转速: n2 250r / min 丝杠的工作载荷:F500N 根据工作条件查得: f t 1 f a 1 f w 1.2 f h 1 f k 0.62 F fw 500 × 1.2 60 × 14400 × 250 3 1 1 60 Lh n 3 C oe × 5806 N f t f h f a f k 10 6 1 × 1 × 1 × 0.62 10 6 23 初选丝杠,选外插管埋入式双螺母垫片预紧滚珠丝杠副。
型号:CMD3210-2.5 C a 5862 N C oa 14361W K c 608 N / um 螺母长度 72mm Ph 4mm , 余程为 10mm X 方向螺纹长度 L0 320 100 2 × 10 440mm 取支撑跨矩 l1 460mm 丝杠全长最大为 480mm F—F 支撑方式的丝杠不受压缩力作用,不较核压杆稳定性丝杠弯曲振动临界转速: 2 30 f 2 EI 2 dncr K 2 9910 f 2 22 πLc 2 eA Lc 24查表 f 2 4.73 , d 2 d 0 1.2 Dw 20 1.2 × 2.381 17.14mm 100 480 440LC 320 10 2 2 400mm0.4m 0.01714 ncr 9910 × 4.73 2 × 23784r / min gtgt 250r / min 0.4 2 o预拉深量:取温升 3.5 c螺纹深长量: δ tu a t lu 2.55 ×106 × 3.5 × 0.44 3.88um丝杠的全长深长量: δ tu 2.55 × 10 6 × 3.5 × 0.48 4.27um取预拉伸量: δ 4.5um 预拉伸力: π 4.5 × 10 6 × 0.01714 2 × 2.1 × 1011 δ A E 4 500 Ft 506.25 N gt N L0 0.44 3所选丝杠预拉伸力满足要求 3 。
系统刚度刚度计算:求得丝杠最大,最小拉,压刚度分别为: π d 2E K L max 4l min π d 2E K L min 死区误差计算: 4l max 25可得丝杠最大,最小拉压刚度: π × 0.01852 × 2.1×1011 π d 2E K L max 9.4 × 108 N / m 4l min 4 × 0.06 π d E π × 0.0185 × 2.1×1011 2 K L min 1.5 ×108 N / m 4l max 4 × 0.38假定丝杠轴向支承轴承经过预紧并忽略轴承座和螺母刚度的 影响。
由公式 1 1 1 1 K o min 2 K B K L min K N 1 1 1 1 K o max 2 K B K L max K N 26 得丝杠螺母机构的 综合拉压刚度: 1 1 1 1 1 1 1 1.02 ×108 N .m K o min 2 K B K L min K N 2 ×1.96 ×10 1.5 ×10 1.02 ×10 8 8 9 K o min 9.8 ×107 N .m 1 1 1 1 1 1 1 0.373 × 108 N .m K o max 2 K B K L max K N 2 ×1.96 ×10 9.4 ×10 1.02 ×10 8 8 9 K o 2.68 ×108 N .m max 设齿轮传动和丝杠螺母机构分别采取了消隙和预紧措施,则可求得由摩擦力引起 2mg 2 × 60 × 9.8 × 0.2 f max ×10 3 ×10 0.0024mm 3的最大反向死区误差为 K o min 9.8 ×10 7 27 0.005mm 满足单脉冲进给。
7 由系统刚度引起的定位误差计算 1 1 1 1 δ K max F ×103 × mg ×103 由公式 Ko min K o max Ko min K o max 求得由丝杠螺母机构综合拉压刚度的变化引起的最大定位误差 1 1 δ K max 60 × 9.8 × 0.2 × ×103 0.00076mm 9.8 ×10 2.68 ×10 .
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