三维数控工作台的设计与开发.docx
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三维数控工作台的设计与开发
三维数控工作台的设计与开发
摘要
在当前生产中的许多机械设备中均需要精密定位，而其中的三维精密定位工作台作为关键部件将直接影响其整机的性能和精度。
为保证机器性能，工作台要在X方向和Y方向实现快速准确的定位，并且要求在Z方向能够实现精确调整和定位，要实现快速和准确定位，必须对工作台进行改装，使用步进电机和控制卡。
本文设计的工作台就是基于单片机控制的三维数控工作台。
本次研究的课题的主要内容包括：
充分利用实验室中废旧的二维工作台，通过对硬件诸如直线导轨，深沟球轴承，滚珠丝杠，步进电机等的选择并对零件的整体连接结构进行设计从而组装出一台可运转的三维工作台；利用三维建模软件对所选择的工作台的各部分零件进行建模，装配，并对装配好的三维工作台实现运动仿真；利用VB语言对插补程序进行软件设计；需要完成对三维工作台的控制系统的设计，主要包括对开闭环的选择，对80C51单片机功能的充分认识并编写控制程序，充分理解、学习插补技术在三维数控工作台中的应用。
通过上述研究内容，我们可以的到一台经济，实用，精密度较高的三维数控工作台，通过与普通工作台的比较，我们可以从中得出插补技术对于数控工作台的影响。
可以说将插补技术应用到现代数控加工已经是一个不可逆转的趋势，因此本课题具有很高的研究价值。
关键词数控系统；三维工作台；单片机；插补技术
Designanddevelopmentof3DNCworkbench
Abstract
TostudytheinfluenceoftheparametersofopenNCservofeedsystemsandspatialgeometryerrorontheprecisionandfindmethodstorealizethehighprecisioncontrolofnumericalcontrol（NC）system,thedevelopmentofthecontrolsystemofatwo-axisNCworktable,consistingofballscrewsandlinearrollerguides,waspresentedinthisthesis.ThesystemisbasedonanopenarchitecturePMAC（Programmablemulti-Axiscontroller）motioncontrolcardtorealizereal-timecontrol.Someexperimentsconcerningcontroltestanderrormeasurementandanalysiscanbecarriedoutonthedesignedworktable.Atfirst,theconfigurationofcontrolsystemofthe3DNCworktableWasproposed,anditssoftwarewasdeveloped.Modularsoftwaredevelopmentconceptfeaturedthesystemdesign,whichincludesthefollowingmodules:
machiningpositionandspeedsampleddisplaymodule;filemanagementmodule;parameterssettingmodule;errordiagnosismodule;precisionanalysismodule;manualdebuggingmodule;machinesimulationmodule;helpmodule.
Asoneoffocuses,theerrormeasurementandprecisionanalysisoftheworktablewereemphasizedinthedevelopmentofthesystemsoftware.Seriesofexperimentsaboutsystemcontrolandprecisionweremadeontheworktable.Theprecisioncharacteristicsofthehalf-loopandclosed-looppositionfeedbackswereanalyzed.Throughcomparingthetheoreticalanalysiswiththedatacollectedfromexperiments,aconclusionhasbeendrawnthatthesmallestcontourerrorwillbegotifthetwoaxeshavethesameservocharacteristics.Theball-bar,whichisconsideredtobemorereliablethanlinearscalesinmeasuringcontourerror,wasusedtomeasurethecircularmotionofthesystem.Theexperimentresultshowedthatthecontourerrorofthesystemwasbig.Byanalysisoftheerrorsourcebasedonamathematicalmodelofthemeasuringsystemproposedinthisthesis,itwasfoundthatitwastheinstallationinclinationoflinearscalesthatcausedsobigerror.Bycompensatingtheerrorwiththemeasuredresultbytheball-bar,theprecisionofthecontrolsystemhadbeenimproved.
KeywordsNumericalControlSystem；three-dimensionalNCworkbench；SCM；Interpolationtechnique；
第1章绪论
1.1课题研究的意义
目前在多种机械设备中均需要精密定位，而其中的三维精密定位工作台作为关键部件将直接影响其整机的性能和精度。
为保证机器性能，工作台要在X方向和Y方向实现快速准确的定位，并且要求在Z方向能够实现精确调整和定位，要实现快速和准确定位，必须对工作台进行改装，使用步进电机和控制卡。
插补技术是数控技术中的核心技术，它的好坏直接影响着数控加工精度进而影响数控加工技术的优劣，是目前数控技术急需提高、完善的环节之一，而插补算法的选择直接影响到数控系统的加工精度和速度。
而本实验充分利用实验室中废旧的二维工作台，并进行导轨，丝杠，电机，轴承等选型，在其基础之上搭建成三维工作台，实现对插补仿真技术的应用研究，这样既节约了成本实现了废物回收再利用，又兼顾了插补技术的研究，因此具有十分广泛而重要的现实意义
1.2课题研究的现状
国内数控技术发展，1996年，清华大学研制了PC-DSP主从式控制器，成功应用于光驱高速数字符伺服控制系统；南京四开电子公司与清华大学共同研制的基于32位CPU和通用计算机主从式SKY数控系统实现了完全国产化，通过江苏省科委组织的科技成果鉴定并认为己达到当时国际先进水平。
1999年，武汉华中理工大学利用TMS320F243定点DSP芯片设计了一款PC-DSP主从式多轴运动控制器，该控制器可以通过CAN总线与CNC系统中的上位PC机及其它一些具有不同功能的硬件模块进行通讯，在2000年，又研制成功了一种基于TMS320C203的定点DSP的数值插补和通讯管理控制器。
国际数控系统发展现状：
在80年代初，随着计算机控制技术和先进制造技术的发展，基于PC的开放式数控系统就开始得以在世界范围内推广。
"NGC（NextGenerationController）”研究计划，首先提出了开放体系结构控制器的概念。
自1990年开始，美国的几个大的科研机构对NGC计划分别发表了相应的研究内容。
其后由许多相关的研究计划在世界各国相继启动，其中较有影响的有美国的OMAC、欧洲的OSACa和日本的ONE计划。
同时，发达国家将DSP运动控制技术融入了开放式数控机床的研究。
1995年，Matsui,N在常规DSP速度和位置控制的研究中引入了自适应控制、系统参数在线辩识技术,Kolek,k提出了一种基于总线技术的浮点DSP控制器，该控制器增强了系统资料计算与处理的速度及控制的精度;1997年，Larsen,G/Cetinkunt在DSP控制器上提出并实现了一种基于小脑模型关节控制器的神经网络自学习伺服控制系统，以补偿钻石精整加工过程中由于机械轴摩擦力造成的影响:
同年，Han,S.H提出一种用于机器人操纵器的实时补偿、自适应算法的DSP控制器系统;1998年，Style,A.W./Diana,G.开发了一种基于MathworksSimulink/Realtimeworkshop的PC-DSP主从式系统，用于运动控制系统的设计、仿真及实时控制形成了DSP运动控制系统的雏形;1999年，Brandstatter.W.创立了一种基于DSP的用于步进电机控制系统的方法，该系统包含了对PI电流控制和控制策略补偿等特点，从而避免电机转速的波动;Moynihan.J.F.将DSP作为专门的运算处理单元，用于计算高精度的位置、速度传感器的信号，这是DSP在运动控制插补运算功能的典型应用。
1.3课题研究的主要内容
作者在实验期间参考各种资料，完成了对数控系统，伺服系统，单片机程序开发的研究主要有以下几个方面：
（1）在原有的二维工作台的基础上通过对步进电机，滚珠丝杠，直线导轨，深沟球轴承，十字滑块联轴器等的选型搭建一台在技术性、经济性和实用性都比较良好三维工作台。
（2）对设计好的三维数控工作台进行proe建模及其运动仿真。
（3）借助此三维工作台研究了插补仿真技术对数控工作台精密度的影响，进行伺服系统的选择，安装与调试，编写了插补仿真系统软件上下位机程序。
第2章三维数控工作台的硬件选择及连接结构
三维数控工作台的整体设计包括对步进电机，滚珠丝杠，直线导轨，深沟球轴承，十字滑块联轴器的型号选取及其连接结构的确定。
2.1三维数控工作台的工作原理介绍
三维数控工作台的主要工作原理简述如下：
（1）在X极方向由步进电机控制联轴器进而控制丝杠的转动，丝杠的转动带动了丝杠螺母座的移动从而也就带动了固定有Y极的连接板的运动。
（2）在Y极方向由步进电机控制联轴器进而控制丝杠的转动，丝杠的转动带动了丝杠螺母座的移动从而也就带动了固定有Z极的连接板的运动。
（3）在Z极方向上由步进电机控制联轴器进而控制丝杠的转动，丝杠的转动带动了螺母座的移动，也就带动了Z极上连接板的移动，进而完成了三维数控工作台的整体移动。
2.2三维数控工作台的基本结构
为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。
为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。
考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm的要求，以及考虑步进电机负载匹配，简化结构，联轴器将电机与丝杠直接连接。
如图2-1所示为三维数控工作台的基本结构，根据所给出的要求所设计的三维工作台应该满足行程及精密度要求，同时在运行时还有具有一定的稳定性，尽可能的缩小误差大小，设计时X轴,Y轴,Z轴采用相同的运动装置，保证各接触面精度以保证装配精度。
由于x、y、z各方向的配合面以及装配关系直接影响到整体运行的精度，故对各装配面以及运行部件的接触表面都要求保持相应的精度及定位精度。
按上述结构进行组装就能设计制造出一台符合要求，经济实惠，精确度高的三维数控工作台。
1-直线导轨；2-肋板；3-滚珠丝杠；4-连接板；5-十字滑块联轴器；6-步进电机
图2-1三维数控工作台基本结构
2.3步进电机的选择
根据三维数控工作台的工作特性、工作环境、工作载荷的大小和性质等条件，选择电动机的种类、类型、结构形式、功率和转速，确定出电动机的型号根据电源种类（直流或交流）、工作条件（环境、温度、空间位置等）及载荷性质和大小、起动特性和过载情况来选择。
由于一般生产单位多采用三相交流电源，根据工作台台的工作特性,需选用步进电机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
主要有反应式、永磁式和混合式三大类。
在选择的时候主要根据以下参数进行：
步距角的选择：
电机的步距角取决于负载精度的要求，将负载的最小分辨率（当量）换算到电机轴上，每个当量电机应走多少角度（包括减速）。
电机的步距角应等于或小于此角度。
市场上步进电机的步距角一般有0.36度/0.72度（五相电机）、0.9度/1.8度（二、四相电机）、1.5度/3度（三相电机）等。
静力矩的选择：
步进电机的动态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。
静力矩选择的依据是电机工作的负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载二种。
单一的惯性负载和单一的摩擦负载是不存在的
电流的选择：
静力矩一样的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大，可依据矩频特性曲线图，判断电机的电流。
根据以上内容，结合本课题，作者选择北京时代超群有限公司生产的42HBS33BJ4-TR0型步进电机。
具体参数如表2-1和图2-2所示：
表2-1北京时代超群有限公司42式步进电机型号参数表
型号
相数
步距角
静转距
（Nm）
电流
（A）
相电阻
（Ω）
相电感
（mH）
绕组
出轴长（mm）
重量
42HBS33BJ4-TR0
3
1.8°
0.21
0.4
28.5
32
串长
22
200
图2-2步进电机参数图
2.4丝杠的选型与校核
2.4.1滚珠丝杠的简单介绍
2.4.1.1简介
滚珠丝杠是将回转运动转化为直线运动，或将直线运动转化为回转运动的理想的产品。
滚珠丝杠由螺杆、螺母、钢球、预压片、反向器、防尘器组成。
它的功能是将旋转运动转化成直线运动，这是艾克姆螺杆的进一步延伸和发展，这项发展的重要意义就是将轴承从滚动动作变成滑动动作。
由于具有很小的摩擦阻力，滚珠丝杠被广泛应用于各种工业设备和精密仪器。
滚珠丝杠是工具机和精密机械上最常使用的传动元件，其主要功能是将旋转运动转换成线性运动，或将扭矩转换成轴向反覆作用力，同时兼具高精度、可逆性和高效率的特点。
2.4.1.2类型
常用的循环方式有两种：
外循环和内循环。
滚珠在循环过程中有时与丝杠脱离接触的称为外循环；始终与丝杠保持接触的称为内循环。
滚珠每一个循环闭路称为列，每个滚珠循环闭路内所含导程数称为圈数。
内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈；外循环每列有1.5圈、2.5圈和3.5圈等几种。
（1）外循环：
外循环是滚珠在循环过程结束后通过螺母外表面的螺旋槽或插管返回丝杠螺母间重新进入循环。
外循环滚珠丝杠螺母副按滚珠循环时的返回方式主要有端盖式、插管式和螺旋槽式。
常用外循环方式有：
端盖式、插管式、螺旋槽式。
端盖式，在螺母上加工一个纵向孔，作为滚珠的回程通道，螺母两端的盖板上开有滚珠的回程口，滚珠由此进入回程管，形成循环。
插管式，它用弯管作为返回管道，这种结构工艺性好，但是由于管道突出螺母体外，径向尺寸较大。
螺旋槽式，它是在螺母外圆上铣出螺旋槽，槽的两端钻出通孔并与螺纹滚道相切，形成返回通道，这种结构比插管式结构径向尺寸小，但制造较复杂。
外循环滚珠丝杠外循环结构和制造工艺简单，使用广泛。
其缺点是滚道接缝处很难做得平滑，影响滚珠滚道的平稳性。
（2内循环：
所示为内循环滚珠丝杠。
内循环均采用反向器实现滚珠循环，反向器有两种类型。
圆柱凸键反向器，它的圆柱部分嵌入螺母内，端部开有反向槽。
反向槽靠圆柱外圆面及其上端的圆键定位，以保证对准螺纹滚道方向。
扁圆镶块反向器，反向器为一般圆头平键镶块，镶块嵌入螺母的切槽中，其端部开有反向槽，用镶块的外轮廓定位。
两种反向器比较，后者尺寸较小，从而减小了螺母的径向尺寸及缩短了轴向尺寸。
但这种反向器的外轮廓和螺母上的切槽尺寸精度要求较高。
2.4.1.3特点
（1）与滑动丝杠副相比驱动力矩为1/3：
由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝杠螺母之间有很多滚珠在做滚动运动,所以能得到较高的运动效率。
与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到1/3以下,即达到同样运动结果所需的动力为使用滚动丝杠副的1/3。
在省电方面很有帮助。
（2）高精度的保证：
滚珠丝杠副是一般是用世界最高水平的机械设备连贯生产出来的，特别是在研削、组装、检查各工序的工厂环境方面,对温度、湿度进行了严格的控制，由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证。
（3）微进给可能
滚珠丝杠副由于是利用滚珠运动,所以启动力矩极小,不会出现滑动运动那样的爬行现象,能保证实现精确的微进给。
（4）无侧隙、刚性高
滚珠丝杠副可以加予压,由于予压力可使轴向间隙达到负值,进而得到较高的刚性。
2.4.2滚珠丝杠的选型
丝杠的选型过程中对于丝杠本身需要注意以下主要参数：
1---公称直径。
即丝杠的外径，常见规格有12,14,16,20,25,32,40,50,63，80,100,120.公称直径和负载成正比，公称直径越大，负载越大，而负载的大小直接影响滚珠丝杠的寿命，实际负荷与额定负荷比值越小，寿命越长。
2---导程。
也成螺距，即螺杆每旋转一周螺纹上一点所移动的直线距离，常见的导程有1,2,4,6,8,10,12,16,20,25,30。
导程与丝杠的直线速度有直接关系，输入转速一定的情况下，导程越大速度越快。
3---长度。
长度主要是只丝杠全长，设计师主要是根据工作长度及设计宽裕量而定的，一般厂家可以对所需丝杠进行切割，从而满足客户的要求。
4---精度。
滚珠丝杠按国家标准可以分为P类和T类，即传动类和定位类，精度等级有1，2，3，4……。
国外产品一律以C0-C10来表示，一般来说普通机械一般选择C7，高精度机械一般选择C5以上，C3以下，光学或检测机构一般选择C3以上，一般机械如本实验中的三位工作台，一般推荐为C7即可。
根据以上内容初选滚珠丝杠型号为SFUO1204-4的滚珠丝杠，其具体参数如表2-2和图2-3所示：
表2-2滚珠丝杠型号参数表
型号
d
I
Da
D
A
B
L
W
X
H
n
Ca
Coa
K
SFUO1204-4
12
4
2.5
24
40
10
40
32
4.5
30
4
593
1129
12
图2-3滚珠丝杠型号参数图
初选X轴,Y轴,Z轴长度为337mm，其中工作长度为300mm。
2.4.3滚珠丝杠的校核
丝杠的校核主要是工作载荷校核，刚度验算，传动效率的计算。
2.4.3.1传动效率计算
滚珠丝杠计算步骤为：
（2-1）
代入数值求得η=0.9482符合要求
2.4.3.2丝杠最大载荷计算
丝杠上的工作载荷
为走刀抗力，移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。
由于选择的导轨要求结构简单，间隙调整方便，摩损不做太多要求，有良好的可替换性且运动平稳，故选择直线滑动导轨配合小压板来替代有槽的滑动导轨，所以选择最简单的导轨块，直线平导轨的实验公式进行计算。
（2-2）
，
将所得数据代入上式有：
最大动负载C的计算及主要尺寸：
丝杠最大动载荷：
（2-3）
由《机械设计手册》可知
（2-4）
2.4.3.3刚度验算
根据公式
（2-5）
丝杠副刚度的验算
丝杠总变形量
变形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005
=0.0038<0.005
因此符合设计要求。
2.5直线导轨的选型与计算
2.5.1直线导轨的简单介绍
直线导轨（VAVlinearslider）可分为：
滚轮直线导轨，圆柱直线导轨，滚珠直线导轨，三种，是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。
依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。
直线导轨运动的作用是用来支撑和引导运动部件，按给定的方向做往复直线运动。
依按摩擦性质而定，直线运动导轨可以分为滑动摩擦导轨、滚动摩擦导轨、弹性摩擦导轨、流体摩擦导轨等种类。
直线轴承主要用在自动化机械上比较多,像德国进口的机床,折弯机,激光焊接机等等,当然直线轴承和直线轴是配套用的。
像直线导轨主要是用在精度要求比较高的机械结构上。
直线导轨具有自动调心能力：
来自圆弧沟槽的DF（45-°45）°组合，在安装的时候，即由钢珠的弹性变形及接触点的转移，即使安装面多少有些偏差，也能被线轨滑块内部吸收，产生自动调心能力之效果而而得到高精度稳定的平滑运动。
直线导轨具有互换性：
由于对生产制造精度严格管控，直线导轨尺寸能维持在一定的水准内，且滑块有保持器的设计以防止钢珠脱落，因此部份系列精度具可互换性，客户可依需要订购导轨或滑块，亦可分开储存导轨及滑块，以减少储存空间。
直线导轨主要应用于精度要求比较高的机械结构上,直线导轨的移动元件和固定元件之间不用中间介质，而用滚动钢球。
因为滚动钢球适应于高速运动、摩擦系数小、灵敏度高，满足运动部件的工作要求，如机床的刀架，拖板等。
如果作用在钢球上的作用力太大，钢球经受预加负荷时间过长，导致支架运动阻力增大。
2.5.2直线导轨的选型
通常直线导轨的选用必须根据使用条件，负载能力，和预期寿命进行选用。
所谓使用条件是指应用何种设备，精度要求，刚度要求，复核方式，行程，运行速度，使用频率，使用环境等因素。
根据条件选择合适的直线导轨。
各个不同的厂家对导轨的系列划分不同。
选型具体步骤如下图所示：
图2-4导轨选型步骤图
在选用的过程中可以根据计算结果随时返回到前面的步骤重新进行选择和设定。
计算滑块最大负荷时要确认选用的直线导轨静安全系数应该超过推荐表中所列数值。
如果所选用的直线导轨副刚性不足，可以提高预压力，加大选用尺寸或滑块数量。
根据以上选型方法我们选择上海机电设备有限公司生产的MGN9C型直线导轨具体参数如下所示：
表2-3直线导轨型号参数表
型号
H
N
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