畢業(yè)設(shè)計（論文）-數(shù)控電火花線切割機(jī)的設(shè)計

數(shù)控電火花線切割機(jī)的設(shè)計PAGEII畢業(yè)（設(shè)計）論文數(shù)控電火花線切割機(jī)的設(shè)計摘要數(shù)控電火花線切割機(jī)主要用于對各類模具、電極、精密零部件制造，硬質(zhì)合金、淬火鋼、石墨、鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、鈦合金、金剛石等各種導(dǎo)電體的復(fù)雜型腔和曲面形體加工。本文講述了數(shù)控電火花線切割機(jī)的設(shè)計。首先，通過對數(shù)控電火花線切割機(jī)原理及現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，在此基礎(chǔ)上提出了本數(shù)控電火花線切割機(jī)方案；接著，設(shè)計計算了各主要構(gòu)成件的結(jié)構(gòu)尺寸；然后，對電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計；最后，通過AutoCAD制圖軟件繪制了本數(shù)控電火花線切割機(jī)裝配圖、主要零件圖及電氣原理圖。通過本次設(shè)計，鞏固了大學(xué)所學(xué)專業(yè)知識，如：機(jī)械原理、機(jī)械設(shè)計、材料力學(xué)、公差與互換性理論、機(jī)械制圖等；掌握了起重機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計方法并能夠熟練使用AutoCAD制圖軟件，對今后的工作于生活具有極大意義。關(guān)鍵詞：數(shù)控，電火花線切割，滾珠絲杠；步進(jìn)電機(jī)全套圖紙加V信153893706或扣3346389411AbstractCNCEDMwirecuttingmachineismainlyusedforthemanufactureofallkindsofmold,electrode,precisionparts,hardalloy,hardenedsteel,graphite,aluminumalloy,structuralsteel,stainlesssteel,titaniumalloyanddiamondconductivebodycomplexcavityandsurfaceshapeprocessing.ThispaperdescribesthedesignofCNCEDMwirecuttingmachine.Firstly,throughforNCelectricsparklinecuttingmachineprincipleandpresentstatusareanalyzed,basedonproposedtheCNCEDMwirecuttingmachineprogram;then,designandcalculationofthesizeofthestructureofthemajorcomponents;then,theelectricalcontrolsystemdesign.Finally,throughtheAutoCADdrawingsoftwaredrawntheCNCEDMwirecuttingmachineassemblydrawing,partdrawingsandelectricalschematics.Throughthedesign,theconsolidationoftheUniversityoftheprofessionalknowledge,suchas:mechanicalprinciples,mechanicaldesign,mechanicsofmaterials,toleranceandinterchangeabilitytheories,mechanicaldrawing;masterthedesignmethodofhoistingmachineryproductsandbeabletoskillfullyuseAutoCADdrawingsoftware,forthefutureworkinlifeisofgreatsignificance.Keywords:CNC,EDMwirecutting,Ballscrew;Steppermotor目錄TOC\o"1-3"\h\u摘要 IIAbstract III第一章緒論 11.1研究背景及意義 11.2電火花線切割加工的特點(diǎn)及適用范圍 11.3研究現(xiàn)狀 2第二章總體方案設(shè)計 32.1設(shè)計要求 32.2結(jié)構(gòu)及原理分析 32.3方案設(shè)計 42.3.1功能設(shè)計 42.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計 52.3.3性能設(shè)計 5第三章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計 73.1工作平臺設(shè)計 73.2導(dǎo)軌的選用 83.3步進(jìn)電機(jī)的選用 93.3.1初選電機(jī)型號 92.3.2步距角 102.3.3矩頻特性 103.4滾珠絲桿螺母副的選擇與校核 113.4.1類型選擇 123.4.2選擇與校核計算 133.4.3傳動效率的計算 153.4.4壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算 153.5支承裝置設(shè)計 163.5.1絲桿的支承形式 173.5.2螺桿的支承方式 17第四章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計 184.1線切割機(jī)床脈沖電源原理 184.2總體方按的擬定 184.3硬件的電路設(shè)計 194.3.1單片機(jī)設(shè)計 194.3.2系統(tǒng)擴(kuò)展 204.3.3步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計 254.3.4光電隔離電路設(shè)計 284.4部分程序設(shè)計 29結(jié)論 34致謝 35參考文獻(xiàn) 36江蘇科技大學(xué)畢業(yè)論文第一章緒論1.1研究背景及意義數(shù)控電火花線切割機(jī)主要用于對各類模具、電極、精密零部件制造，硬質(zhì)合金、淬火鋼、石墨、鋁合金、結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、鈦合金、金剛石等各種導(dǎo)電體的復(fù)雜型腔和曲面形體加工。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展和經(jīng)濟(jì)競爭的日趨激烈，產(chǎn)品的更新速度越來越快，復(fù)雜形狀的零件越來越多，精度要求越來越高，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加。激烈的市場競爭使產(chǎn)品研制生產(chǎn)周期越來越短。傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已經(jīng)難于適應(yīng)這種多樣化、柔性化與復(fù)雜形狀零件的高效高質(zhì)量加工要求。電火花線切割機(jī)是我國獨(dú)創(chuàng)的電加工設(shè)備，它結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，使用成本低，是我國產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣泛的機(jī)床種類之一。具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以加工難以用金屬切削方法加工的零件,不受材料硬度影響。（2）由于工具電極與工件電極不直接接觸,沒有機(jī)械切削力。所以在制作工具電極時不必考慮其受力特性,工具電極可以做的十分微細(xì),能進(jìn)行微細(xì)加工和復(fù)雜型面加工。（3）電火花加工是通過脈沖放電來蝕除金屬材料的,而脈沖電源的參數(shù)隨時可調(diào),因此在同一情況下,只需調(diào)整電參數(shù)即可切換粗、半精、精、超精加工。1.2電火花線切割加工的特點(diǎn)及適用范圍（1）適合與于難切削材料的加工。由于加工中材料的去除是靠放電時的電熱作用實(shí)現(xiàn)的，材料的可加工性主要取決于材料的導(dǎo)電性及其熱學(xué)特性，如熔點(diǎn)、沸點(diǎn)（氣化點(diǎn)）、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、電阻率等，而幾乎與其力學(xué)性能（硬度、強(qiáng)度等）無關(guān)。這樣可以突破傳統(tǒng)切削加工對刀具的限制，可以實(shí)現(xiàn)用軟的工具加工硬韌的工件，甚至可以加工像聚晶金剛石、立方氮化硼一類的超硬材料。目前電極材料多采用紫銅或石墨，因此工具電極較容易加工。（2）可以加工特殊及復(fù)雜形狀的零件。由于加工中工具電極和工件不直接接觸，沒有機(jī)械加工的切削力，因此適宜加工低剛度工件及微細(xì)加工。由于可以簡單地將工具電極的形狀復(fù)制到工件上，因此特別適用于復(fù)雜表面形狀工件的加工，如復(fù)雜型腔模具加工等。數(shù)控技術(shù)的采用使得用簡單的電極加工復(fù)雜形狀零件也成為可能。（3）易于實(shí)現(xiàn)加工過程自動化。由于是直接利用電能加工，而電能、電參數(shù)較機(jī)械量易于數(shù)字控制、適應(yīng)控制、智能化控制和無人化操作等。（4）可以改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，改善結(jié)構(gòu)的工藝性。例如可以將拼鑲結(jié)構(gòu)的硬質(zhì)合金沖模，改為用電火花加工的整體結(jié)構(gòu)，減少了加工工時和裝配工時，延長了使用壽命。又如噴氣發(fā)動機(jī)中的葉輪，采用電火花加工后可以拼鑲、焊接結(jié)構(gòu)改為整體葉輪，既大大提高了工作可靠度，又大大減少了體積和質(zhì)量。1.3研究現(xiàn)狀具有我國特色的數(shù)控電火花線切割加工技術(shù)自60年代末研制成功以來，經(jīng)過30年的不斷完善和發(fā)展，現(xiàn)已成為制造業(yè)中不可缺少的加工手段。目前，電火花線切割機(jī)的切割速度已由過去的20～40mm2/min普遍提高到100mm2/min以上，有的可達(dá)到260mm2/min，機(jī)床的加工精度為±0.01mm，工件的表面粗糙度為Ra1.25～2.5μm,因而可滿足一般模具加工和其他復(fù)雜零件制造的要求。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對各類產(chǎn)品的制造要求越來越高，對線切割加工技術(shù)也提出了更高的要求。國外(歐美、日本等)研究發(fā)展的數(shù)控低速走絲電火花線切割機(jī)為適應(yīng)對制造加工技術(shù)的要求，采用閉環(huán)數(shù)字交(直)流伺服控制系統(tǒng)，確保優(yōu)良的動態(tài)性能和高定位精度，加工精度可控制在若干微米以內(nèi)。同時機(jī)床具有數(shù)字自適應(yīng)控制電源、自動穿絲、自動卸除廢料、短路自動回退等自動化技術(shù)，此外對電極絲張力和工作液壓力也可進(jìn)行控制。由于使用了新技術(shù)并注重計算機(jī)軟件技術(shù)的更新和發(fā)展，低速走絲線切割機(jī)的工藝指標(biāo)已達(dá)到了相當(dāng)高的水平。即使對形狀復(fù)雜零件的加工，最高切割速度也可超過300mm2/min；尺寸精度可達(dá)到±2～5μm；表面粗糙度可達(dá)到Ra0.1～0.2μm(多次切割)。機(jī)床的自動化程度高，加工穩(wěn)定性好，已向無人化加工發(fā)展。第二章總體方案設(shè)計2.1設(shè)計要求原始數(shù)據(jù)：（1）工作臺行程：橫向,250mm，縱向200mm；（2）工作臺最大尺寸（寬度×長度）：320×500mm；（3）最大切削錐度：±9°；（4）工件最大重量：80kg；（5）加工精度：快走絲±0.02-0.005um，慢走絲±0.005-0.002um；（6）加工的表面粗糙度：0.2-3.0um；（7）切割速度：40-250mm/min；（8）放電間隔：0.02-0.15秒。2.2結(jié)構(gòu)及原理分析線切割機(jī)床主要由機(jī)械系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、潤滑系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)和微機(jī)控制系統(tǒng)組成。其主體結(jié)構(gòu)由床身、坐標(biāo)工作臺、線架、運(yùn)絲裝置、工作液箱、機(jī)床電器、夾具、保護(hù)罩及機(jī)床附件等部分組成。下圖是電火花線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)圖：1-立柱2-上導(dǎo)絲器3-下導(dǎo)絲器4-XY工作臺5-夾具6-床身7-工作液槽8-走絲系統(tǒng)9-UV坐標(biāo)軸10-Z軸11-工作也系統(tǒng)12-電器控制箱13-自動穿絲機(jī)構(gòu)圖2-1電火花線切割機(jī)床結(jié)構(gòu)圖電火花加工的原理是基于工具和工件（正、負(fù)電極）之間脈沖性火花放電時的電腐蝕現(xiàn)象來蝕除多余的金屬，以達(dá)到對零件的尺寸、形狀及表面質(zhì)量預(yù)定的加工要求。下圖是電火花線切割機(jī)床加工的工作原理示意圖：圖2-2電火花線切割機(jī)工作原理示意圖線切割機(jī)床采用鉬絲作為電極，被切割的工件為一電極，電極絲為工具電極。脈沖電源發(fā)出連續(xù)的高頻脈沖電壓，加到工件電極和工具電極上。在電極絲與工件之間加有具有一定絕緣性能足夠多的工作液。當(dāng)鉬絲與工件間距離小到一定的程度，工作液介質(zhì)被擊穿，鉬絲與工件之間形成瞬時火花放電，瞬時間產(chǎn)生高溫，生成大量的熱，使工件金屬局部熔化，甚至汽化；加上工作液體的沖洗，使金屬被蝕除下來。這就是線切割機(jī)床的加工原理。2.3方案設(shè)計總體方案設(shè)計包含功能設(shè)計、結(jié)構(gòu)設(shè)計和性能設(shè)計三部分。2.3.1功能設(shè)計此次設(shè)計我采用了類比設(shè)計，在外觀設(shè)計上我參考了我們機(jī)械樓里的D7140電火花加工機(jī)床，對其大體有個了解：電火花加工機(jī)床加工時工件固定在工作臺上，由滾珠絲桿帶動的電極頭緩慢的向下移動，且移動精度要求較高。其主軸動力系統(tǒng)為交流伺服電機(jī)，通過齒輪變速后連接滾珠絲桿帶動主軸頭移動，且有光柵尺檢測其位置；縱向、橫向進(jìn)給系統(tǒng)也采用滾珠絲桿傳動，直接用手柄驅(qū)動，而沒有采用電機(jī)驅(qū)動，導(dǎo)軌則采用了滑動導(dǎo)軌。加工特點(diǎn)有：適合與于難切削材料的加工；可以加工特殊及復(fù)雜形狀的零件；易于實(shí)現(xiàn)加工過程自動化；可以改進(jìn)結(jié)構(gòu)設(shè)計，改善結(jié)構(gòu)的工藝性。只能用于加工金屬等導(dǎo)體材料；加工速度一般較慢；存在電極損耗；最小角部半徑有限制。2.3.2結(jié)構(gòu)設(shè)計主機(jī)主要包括床身、滑座、工作臺、主軸箱、底座等部分組成。（1）床身結(jié)構(gòu)機(jī)床采用立柱式結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)具有較好的剛性和較大的承載能力，并且加工精度高，穩(wěn)定性能好，工作液箱大，加工效率高。機(jī)床的X、Y、Z三個坐標(biāo)采用步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動滾珠絲桿的形式。三個坐標(biāo)導(dǎo)軌采用滑動導(dǎo)軌。（2）主軸箱結(jié)構(gòu)主軸箱包括主軸伺服系統(tǒng)和主軸平衡結(jié)構(gòu)。步進(jìn)電動機(jī)通過同步帶與滾珠絲桿連接?；逡苿硬捎镁苤本€導(dǎo)軌副。主軸箱還裝有剎車裝置，防止主軸頭自動滑下。當(dāng)強(qiáng)電接通時，剎車器放松，電機(jī)可帶滾珠絲桿旋轉(zhuǎn)，使滑板帶動主軸箱上下移動。當(dāng)強(qiáng)電關(guān)閉時，剎車器鎖住絲桿，防止主軸箱因自重掉下來。（3）工作臺工作臺采用電動機(jī)直接與滾珠絲桿副相連，移動采用精密直線滑動導(dǎo)軌副。（4）工作液槽結(jié)構(gòu)工作液槽安裝在工作臺上，工作液槽采用單開門的結(jié)構(gòu)形式，門外密封采用O形密封結(jié)構(gòu)。通過調(diào)節(jié)進(jìn)油開關(guān)及沖吸油壓力調(diào)節(jié)閥來改變油壓壓力。2.3.3性能設(shè)計由于伺服驅(qū)動部件是數(shù)控系統(tǒng)中與機(jī)械直接有關(guān)的部分，它們的性能決定了機(jī)床各進(jìn)給軸、主軸和其他伺服軸的基本控制特性，它們的價格也占整個數(shù)控系統(tǒng)的大部分，所以正確、合理地選擇可靠(因?yàn)閺哪壳扒闆r來看，伺服故障占電氣故障的比例較大)的伺服驅(qū)動部件對提高產(chǎn)品的功能/價格比起著決定性的作用。(1)進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇輸出轉(zhuǎn)矩是進(jìn)給電機(jī)負(fù)載能力的指標(biāo)。在連續(xù)操作狀態(tài)下，輸出轉(zhuǎn)矩是隨轉(zhuǎn)速的升高而減小的，電機(jī)的性能越好，這種減小值就越小。為進(jìn)給軸配置電機(jī)時應(yīng)滿足最高切削速度時的輸出轉(zhuǎn)矩。雖然在快速進(jìn)給時不作切削，負(fù)載較小，但也應(yīng)考慮最高快速進(jìn)給速度下的起動轉(zhuǎn)矩。高速時的輸出轉(zhuǎn)矩下降過多也會影響進(jìn)給軸的控制特性。(2)主軸伺服電機(jī)的選擇輸出功率是主軸電機(jī)負(fù)載能力的指標(biāo)。主軸電機(jī)的額定功率是指在恒功率區(qū)(速率n1到n2)內(nèi)運(yùn)行時的輸出功率，低于基本速度n1時是達(dá)不到額定功率的，速度越低，輸出功率就越小。主軸電機(jī)的功率特性為了滿足主軸低速時的功率要求，一般采用齒輪箱變速，使主軸低速時的電機(jī)速度也在基本速度n1以上，此時機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本也相應(yīng)增加。第三章機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計3.1工作平臺設(shè)計根據(jù)查閱相關(guān)資料參數(shù)：工作臺行程為250mm×200mm；工作臺工作面尺寸為：320mm×500mm。取X向?qū)к壷С袖撉虻闹行木啵?50mm；Y向?qū)к壷С袖撉蛑行木酁?00mm：。設(shè)計工作臺簡圖見下圖：圖3-1機(jī)床工作臺簡圖X向拖板（上拖板尺寸）：長×寬×高320×500×55重量：320×500×55××7.8×≈686NY向拖板（下拖板尺寸）：長×寬×高320×500×65重量：320×500×65××7.8×≈811N上導(dǎo)軌座（連電機(jī)）重量：（811×320×10＋2×560×50×55）××7.8×≈443N夾具及工件重量：約1000NX－Y工作臺運(yùn)動部分的總重量：約2500N。3.2導(dǎo)軌的選用導(dǎo)軌是用來導(dǎo)向和承載的，選用滾動導(dǎo)軌，其最大優(yōu)點(diǎn)是摩擦系數(shù)小，動、摩擦發(fā)熱少，磨損小，精度保持性高，低速運(yùn)動平穩(wěn)性好，移動精度和定位精度都教高。滾動導(dǎo)軌還具有潤滑簡單，高速運(yùn)動時不會象滑動導(dǎo)軌那樣因動壓效應(yīng)而使動導(dǎo)軌浮起等優(yōu)點(diǎn)。導(dǎo)軌的材料：滾動導(dǎo)軌最常用的材料是硬度為HRC60-60的淬硬鋼，以及硬度為HB200-220的鑄鐵，如HT20-40。鑄鐵導(dǎo)軌適用于中、小載荷又無動栽，不需預(yù)緊，等情況。導(dǎo)軌的預(yù)緊：導(dǎo)軌的技術(shù)要求：導(dǎo)軌面和滾動體的制造誤差，直接影響機(jī)床的加工今年剛度和各滾動體上載荷的分布。有預(yù)緊的滾動導(dǎo)軌，制造無擦?xí)趯?dǎo)軌移動時使預(yù)緊力發(fā)生變化，影響導(dǎo)軌移動的均勻性。因此，滾動導(dǎo)軌的制造精度是很高的。滾動導(dǎo)軌的精度根據(jù)機(jī)床的精度等級而定。除導(dǎo)軌的不直度和不平行度要求與滑動導(dǎo)軌相同外，還有對滾動體的精度要求，如下表表3.1不同導(dǎo)軌的精度的不同誤差導(dǎo)軌的不直度導(dǎo)軌不平行度滾動體直徑滾柱的錐度普通精度10-15ｕm3ｕm1-2ｕm<0.5-1ｕm精密<3ｕm3ｕm<1ｕm<0.5-1ｕm滾動體的尺寸與數(shù)目：通常，每個導(dǎo)軌上每排滾子數(shù)最少為12-16個。實(shí)驗(yàn)指出，對于滾柱導(dǎo)軌一個滾柱擔(dān)負(fù)的重量為N時，載荷的分布是比較均勻的。因此可用下式確定每一導(dǎo)軌上滾動體數(shù)目的最大值。式中和——滾柱和滾珠的數(shù)目；G——每一導(dǎo)軌上所分擔(dān)的運(yùn)動部件的重量（N）；d——滾珠直徑。滾珠導(dǎo)軌預(yù)緊力的計算：式中Z——一個導(dǎo)軌面上滾動體數(shù)目；——動導(dǎo)軌重心的坐標(biāo)；l——導(dǎo)軌的中心距。而一個滾柱導(dǎo)軌的許用載荷P按下式計算：式中d——滾珠直徑（mm）；——導(dǎo)軌材料的硬度系數(shù)，按下表選取；K——滾動體截面上的當(dāng)量許用應(yīng)力，對于精密級機(jī)床去0.6；高精度機(jī)床去0.5；普通級機(jī)床取0.4。表3.2兩種導(dǎo)軌的數(shù)據(jù)圖鑄鐵導(dǎo)軌硬度HB170-180200-2102300.7511.2淬火鋼導(dǎo)軌硬度HRC505557600.520.700.801.0這里取鑄鐵導(dǎo)軌HB170，即為0.75時，可得，即導(dǎo)軌符合要求。滾動導(dǎo)軌采用潤滑脂潤滑。它的優(yōu)點(diǎn)是不會泄露，不需經(jīng)常加油；缺點(diǎn)是進(jìn)塵屑后易磨損導(dǎo)軌。3.3步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電動機(jī)又稱為脈沖電動機(jī)，是一種把電脈沖信號轉(zhuǎn)換成與脈沖數(shù)成正比的角位移或直線位移的執(zhí)行元件。具有以下四個特點(diǎn)：①轉(zhuǎn)速（或線速度）與脈沖頻率成正比；②在負(fù)載能力允許的范圍內(nèi)，不因電源電壓、負(fù)載、環(huán)境條件的波動而變化；③速度可調(diào)，能夠快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；④定位精度高、同步運(yùn)行特性好。3.3.1初選電機(jī)型號數(shù)控電火花成型機(jī)的動力系統(tǒng)要求電動機(jī)定位精度高，速度調(diào)節(jié)方便快速，受環(huán)境影響小，且頜定功率小，并且可用于開環(huán)系統(tǒng)。而BF系列步進(jìn)電動機(jī)為反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，具備以上的所有條件，我們選用的型號90BF004的電動機(jī)作為主運(yùn)動的動力源。2.3.2步距角初選步進(jìn)電機(jī)型號，并從手冊中查到步距角，由于綜合考慮，我初選了可滿足上式的要求。2.3.3矩頻特性步進(jìn)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是指電機(jī)的定位轉(zhuǎn)矩。步進(jìn)電機(jī)的名義啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩的關(guān)系是；步進(jìn)電機(jī)空載啟動是指電機(jī)在沒有外加工作負(fù)載下的啟動。步進(jìn)電機(jī)所需空載啟動力矩按下式計算：式中：——空載啟動力矩；——空載啟動時運(yùn)動部件由靜止升速到最大快進(jìn)速度折算到電機(jī)軸上的加速力矩；——空載時折算到電機(jī)軸上的摩擦力矩；——由于絲桿預(yù)緊折算到電機(jī)軸上的附加摩擦力矩；而且初選電機(jī)型號時，應(yīng)滿足步進(jìn)電動機(jī)所需空載啟動力矩小于步進(jìn)電動機(jī)名義啟動轉(zhuǎn)矩，即：計算的各項(xiàng)力矩如下：加速力矩==1.8×10==0.519N/m空載摩擦力矩=0.6附加摩擦力矩===0.519+0.6+1.222=2.341=0.951×25=23.775啟動矩頻特性校核步進(jìn)電機(jī)有三種工況：啟動、快速進(jìn)給運(yùn)動、工進(jìn)運(yùn)行。前面提出的，僅僅是指初選電機(jī)后檢查電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機(jī)啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進(jìn)行校核。突跳啟動時加速力矩很大，啟動時丟步是不可避免的。因此很少見。而升速啟動過程中只要升速時間足夠長，啟動過程緩慢，空載力矩中的加速力矩不會很大。一般不會發(fā)生丟步現(xiàn)象。3.4滾珠絲桿螺母副的選擇與校核滾珠絲杠螺母副是直線運(yùn)動與回轉(zhuǎn)運(yùn)動相互轉(zhuǎn)換的新型傳動裝置，在絲杠和螺母上有半圓弧形螺旋槽，當(dāng)套裝在一起便形成了滾珠的螺旋滾道。螺母上有滾珠的回路滾道，將幾圈螺旋滾道的兩端連接起來構(gòu)成封閉的螺旋滾道，并在滾道內(nèi)裝滿滾珠，當(dāng)絲杠旋轉(zhuǎn)時，滾珠在滾道內(nèi)既自傳又沿滾道循環(huán)轉(zhuǎn)動，因而迫使螺母軸向移動。滾珠絲杠螺母副具有以下特點(diǎn)：傳動的效率高，摩擦損失小。滾珠絲杠螺母副的傳動效率為0.92-0.96，比普通的絲杠高3-4倍。因此，功率消耗只相當(dāng)于普通絲杠的-。若給于適當(dāng)?shù)念A(yù)緊，可以消除絲杠和螺母之間的螺紋間隙，反向時還可以消除空載死區(qū)，從而使絲杠的定位精度高，剛度好。運(yùn)動平穩(wěn)，無爬行現(xiàn)象，而且傳動精度高。具有可逆性，既可以從螺旋運(yùn)動轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，還可以從直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。也就是說，絲杠和螺母可以作為主運(yùn)動。磨損小，壽命長。但是制造工藝復(fù)雜，滾珠絲杠、螺母等元件加工精度要求高，表面粗糙度也要求高，所以制造成本高。不能自鎖，由于其自重的慣性力的不同，下降時傳動切斷，不能馬上停止運(yùn)動，所以還需要增加制動裝置。3.4.1類型選擇最大工作載荷計算：滾珠絲桿上的工作載荷是指滾珠絲桿副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲桿所承受軸向力。它包括滾珠絲桿的走刀反作用力及與移動體中立在道軌上的其它切削分力相關(guān)的摩擦力，用下列公式計算。對于道軌式中：——工作臺進(jìn)給方向的載荷——工作臺垂直的載荷——工作臺橫向的載荷G——移動部件的重力K——考慮顛覆力矩影響的實(shí)驗(yàn)系數(shù)F——考慮顛覆力矩影響的摩擦系數(shù)對于滾動導(dǎo)軌；f=0.0025～0.005由于電火花線切割是電極絲放電進(jìn)行加工，可以認(rèn)為近似為零所以；取Kg（估算）=fG=10000.005=5最大動載荷C的計算及主要尺寸初選：滾珠絲桿應(yīng)根據(jù)斷定動載荷選用，最大動載荷計算原理與滾動軸承相同。滾珠絲桿的最大動載荷應(yīng)用下式計算：式中：L——工作壽命，單位10n——絲桿轉(zhuǎn)速，單位r/minv——最大切削力條件下進(jìn)給速度，單位m/min——絲桿基本導(dǎo)程，單位mmt——頜定使用壽命，單位h，可取t=15000h——運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1～1.2，一般情況1.2～1.5所以==11.96n=1000v/=1000×100×0.001/5=20r/minL=60nt/==105.12（）C===33根據(jù)以上計算選取CBM3205—5（《機(jī)械設(shè)計師手冊》上）3.4.2選擇與校核計算滾珠絲桿已由專門工廠制造，因此，不用我們自己設(shè)計制造，只要根據(jù)使用工況選擇某種類型的結(jié)構(gòu)，在根據(jù)載荷、轉(zhuǎn)速等條件選定合適的尺寸型號并向有關(guān)廠家訂購。此次設(shè)計中，滾珠絲桿被三次選用，故在這里只選取其中最重要的主軸傳動中德望滾珠絲桿加以設(shè)計和校核。其步驟如下：首先對于一些參數(shù)說明如下：軸向變載荷（N），其中表示第個工作載荷，=1、2、3、4…n；第個載荷對應(yīng)的轉(zhuǎn)速（r/min）第個載荷對應(yīng)的工作時間（h）；絲桿副最大移動速度；絲桿預(yù)期壽命；型號選擇：1）根據(jù)使用和結(jié)構(gòu)要求選擇滾道截面形狀，查得螺母的循環(huán)方式和預(yù)緊方式；2）計算滾珠絲桿副的主要參數(shù)①根據(jù)使用工作條件，查得載荷系數(shù)=1.0，系數(shù)=1.5；②計算當(dāng)量轉(zhuǎn)速==2000③計算當(dāng)量載荷=2333N④初步確定導(dǎo)程==2.5mm取⑤計算絲桿預(yù)期工作轉(zhuǎn)速=120000⑥計算絲桿所需的頜定載荷=1×2333×10=1151N3）選擇絲桿型號①根據(jù)初選的和計算的，選取導(dǎo)程為5mm，頜定載荷大于的絲桿。所選絲桿型號為CDM2004-2.5。其為外循環(huán)雙管式、雙螺母墊片預(yù)緊、導(dǎo)珠管埋入式系列滾珠絲桿。②臨界轉(zhuǎn)速校核=12×=12×=5970r/min而最大工作轉(zhuǎn)速=4000<0.8=4776校核合格。③滾珠絲桿的預(yù)緊預(yù)緊力（）一般取當(dāng)量載荷的三分之一或頜定動載荷的十分之一。即：=778N其相應(yīng)的預(yù)緊轉(zhuǎn)矩==0.16N3.4.3傳動效率的計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率ηη=tgλ/tg(λ+φ)式中：λ為絲杠的螺旋生角，可根據(jù)初選型號查出為以上值；φ為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)f=0.003~0.004,其摩擦角傳動效率較高約等于10。滾珠絲杠副的傳動效率較高一般為0.8~0.9之間。由給定值η=tgλ/tg(λ+φ)=tg251‘/tg(2。51‘、+10、)=0.04/0.047=0.85所以其傳動效率符合給定的標(biāo)準(zhǔn)值。3.4.4壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細(xì)長桿，若軸向工作負(fù)載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失穩(wěn)。失穩(wěn)時的臨界載荷Fk為Fk=fzπ2EI/L2(N)式中E為絲杠材料彈性模量，對鋼E=20.6×104Mp;I為截面慣性矩，對絲杠圓截面I=πd14/64(mm4)(d1為絲杠底徑)；L為絲杠最大工作長度（mm）；fz為絲杠支撐方式系數(shù)，參考下圖與下表圖3-4滾珠絲杠常用的支撐方式表3.5滾珠絲杠的支撐方式系數(shù)表圖中第一個為一端軸向固定一端自由，常用于短絲杠和樹直安裝的絲杠。圖中第二個為一端固定一端簡支，常常用于較長的臥式絲杠。圖中第三個為兩端固定常用于長絲杠或高轉(zhuǎn)速、高精度、高強(qiáng)度的地方。臨界載荷Fk與絲杠工作載荷Fm之比稱為穩(wěn)定安全系數(shù)nk,如果nk大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)[nk]，則該滾珠絲杠不會失穩(wěn)。因此，滾珠的絲杠的壓竿穩(wěn)定條件為nk=Fk/Fm≥[nk]一般取[nk]=22.5~4,考慮到絲杠自重對水平滾珠絲杠的影響可取[nk]≥4由Fk=fzπ2EI/L2(N)其中fz取4.0E=2.0x104MpI=πd14/64=3.14×304/60=42390L=490mm固Fk=4.0×9.8596×20.6×104×42390/240100=1434358.675N所以nk＝Fk/Fm=1434358.675/900＞[nk]所以滾珠絲杠副的壓桿穩(wěn)定性符合要求。3.5支承裝置設(shè)計3.5.1絲桿的支承形式滾珠絲桿的支承和支承方式將影響絲桿副的剛度，因此，對運(yùn)動精度要求高時應(yīng)審慎的加以選擇。常見的支承形式有以下幾種：（1）絲桿一端安裝兩個深溝球軸承或者角接觸軸承或者圓錐滾子軸承的稱為固定支承；螺母相當(dāng)于固定支承。（2）安裝一個深溝球軸承或者角接觸球軸承或者圓錐滾子軸承的鉸支承；因此絲桿支承方式有兩端固定；一端固定，一端鉸支；一端固定，一端自由等幾種；本設(shè)計采用的是兩端固定的支承。3.5.2螺桿的支承方式螺桿的支承方式有以下四種：（1）雙推自由支承：將兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承裝在一端，另一端自由。特點(diǎn)：適用于短螺桿。（2）雙推支承將兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承裝在一端，另一端裝一個或兩個深溝球軸承。特點(diǎn)：螺桿水平安裝時，可減少或避免因自重產(chǎn)生的彎曲或高速運(yùn)轉(zhuǎn)時，自由端的晃動。適用于長螺桿。（3）單推單推或雙推單推兩端各安裝一個方向相反的推力球軸承和一個深溝球軸承或一端裝兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承，另一端裝一個推力球軸承。特點(diǎn)：可預(yù)拉伸螺桿，以減少或消除螺桿水平安裝時，因自重產(chǎn)生的彎曲，當(dāng)軸承預(yù)緊力大于螺桿載荷的1/3時，螺桿拉壓剛度可提高四倍，且不會承受壓力，無失穩(wěn)現(xiàn)象。（4）雙推雙推兩端各安裝兩個方向相反的推力球軸承和兩個深溝球軸承。特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)與單推式相同，當(dāng)超過預(yù)計溫度，不會因螺桿伸長使軸承產(chǎn)生間隙。缺點(diǎn)：調(diào)整較復(fù)雜。第四章電氣控制系統(tǒng)設(shè)計電氣系統(tǒng)主要由高頻脈沖電源、直流電源和電氣控制系統(tǒng)組成。高頻脈沖電源是進(jìn)行線電極切割的能源。直流電源主要是24v直流源驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)用。電氣控制系統(tǒng)主要是控制工作液泵電機(jī)和儲絲筒電機(jī)等用。4.1線切割機(jī)床脈沖電源原理高頻脈沖電源又稱脈沖電源，其作用是把工頻50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成幾百赫茲的高頻的單向脈沖電源，為高速旋轉(zhuǎn)的線切割機(jī)提供一系列不同脈寬的矩形脈沖。該電源主要是由整流電路、主振電路和功放電路組成。整流電路由變壓器將三相380v電壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿?2v和三相7v電壓，通過二極管進(jìn)行整流。電路形式是三相全波整流電路，為脈沖電源提供100v直流電壓和10v直流電壓，功給功放電路和工作電路電源。4.2總體方按的擬定機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成?？刂葡到y(tǒng)的控制對象主要包括各種機(jī)床，如車床、銑床等等。控制系統(tǒng)的基本組成如下圖所示：微機(jī)通信接口步進(jìn)電機(jī)機(jī)床通信接口步進(jìn)電機(jī)機(jī)床步進(jìn)電機(jī)開關(guān)量控制電路步進(jìn)電機(jī)開關(guān)量控制電路主軸電動機(jī)主軸電動機(jī)主運(yùn)動驅(qū)動電路軟件主運(yùn)動驅(qū)動電路軟件圖4.1控制系統(tǒng)框圖具體微機(jī)控制系統(tǒng)是一MCS-51系列高檔八位單片機(jī)為核心，采用8032cpu芯片。存儲器也采用了較大的容量的存儲器，用來存放控制程序及擴(kuò)展程序的EPEOM采用了256k容量27256芯片，用來存放輸入加工圖形程序的RAM采用了256k容量的62256芯片，以增強(qiáng)微機(jī)的功能。接口電路使用了可編程并行接口電路芯片8255，顯示部分采用了數(shù)碼管來顯示參數(shù)，鍵盤輸入和輸出顯示由鍵盤/顯示接口電路芯片8279來控制。具體系統(tǒng)組成圖如下：圖4.2線切割機(jī)微機(jī)控制系統(tǒng)組成4.3硬件的電路設(shè)計4.3.1單片機(jī)設(shè)計（1）電源及時鐘引腳此部分引腳包括電源引腳Vcc、Vss及時鐘引腳XTAL1、XTAL2。電源引腳接入單片機(jī)的工作電源。Vcc（40腳）：接+5v電源。Vss（20腳）：接地。時鐘引腳（18、19腳）：外接晶體時與片內(nèi)的反相器構(gòu)成一個振蕩器，它提供單片機(jī)的時鐘控制信號。時鐘引腳也可外接晶體振蕩器。XTAL1（19腳）：接外不晶體的一個引腳。在單片機(jī)內(nèi)部，它是一個反相放大器的輸入端。當(dāng)采用外接晶體振蕩器時，此引腳應(yīng)接地。XTAL2（18腳）：接外部晶體的另一端，在單片機(jī)內(nèi)部接至反相放大器的輸入端。若采用外部振蕩器時，該引腳受振蕩器的信號，即把信號直接接至內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。（2）控制引腳它包括RST、ALE、PSEN、EA等。此內(nèi)引腳提供控制信號，有些引RST/VPD（9引腳）：當(dāng)振蕩器運(yùn)行時，在此引腳加上兩個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位（RST）。復(fù)位后使此引腳電平為≤０。５v的低電平，以保證單片機(jī)正常工作。掉電期間，此引腳可接備用電源（vpd）以保持內(nèi)部RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。當(dāng)Vcc于規(guī)定值，而VPD定的電壓范圍內(nèi)((5±０。５))時，ＶＰＤ就向內(nèi)部提供電源。（3）輸入/輸出管腳P0.0~0.7(32~39腳)p0是個8位漏極開路型雙向I/O口。在訪問外部存儲器時，它是分時多路轉(zhuǎn)換的地址和數(shù)據(jù)總線，在訪問期間激活了內(nèi)部的上拉電阻。在EPROM編程時，它接收指令字節(jié)，而在驗(yàn)證程序時，則輸出指令字節(jié)。驗(yàn)證時，要求外接上拉電阻。Po能以吸收電流的方式驅(qū)動8個LSTTL輸入。P1.0~p1.7(1~8腳)p1是個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O接口。對EPROM編程2的證時，它接收低8位地址。P1能驅(qū)動4個LSTTL輸入。在8032/8052中，p1.0還相當(dāng)于專用功能端T2，即定時器記數(shù)觸發(fā)輸入端。P1.1還相當(dāng)于專用功能端T2EX，即定時器T2的外部控制端。P2.0~p2.7（21~28腳）p2是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O接口。在訪問外部存儲器時，它送出高8位地址。在對EPROM編程和程序驗(yàn)證期間，它接受高位地址。P2可以驅(qū)動4個LSTTL輸入。P3.0~p3.7（10~17腳）p3是一個帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O接口。在MCS-51中，這8個管腳還用于專門功能，p3能驅(qū)動4個LSTTL輸入。4.3.2系統(tǒng)擴(kuò)展系統(tǒng)擴(kuò)展包括存儲器的擴(kuò)展、輸入輸出接口芯片的擴(kuò)展。其中存儲器的擴(kuò)展包括數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展和程序存儲器的擴(kuò)展。（1）程序存儲器的擴(kuò)展MCS-51系列單片機(jī)的程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間是相互獨(dú)立的。程序存儲器尋址空間為64kb（000H~0FFFFH）,其中8051、8751片內(nèi)有4kbROM或EPROM，8031片內(nèi)不帶ROM.當(dāng)片內(nèi)ROM不夠或采用8031芯片時，需擴(kuò)展程序存儲器。用作程序存儲器的器件是EPROM和EEPROM,常采用EPROM。MCS-51單片機(jī)擴(kuò)展外部程序存儲器的硬件電路。如下圖4.3MCS-51單片機(jī)程序存儲器的擴(kuò)展原理圖由于MCS-51單片機(jī)的p0口是分時復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存儲器擴(kuò)展時，必須用地址瑣存器瑣存地址信號。通常地址瑣存器可使用帶三態(tài)緩沖輸出的八D鎖存器74LS373或8282，也可用帶清除端的八D鎖存器74LS273，常用74LS373。當(dāng)用74LS373作為地址鎖存器時，鎖存端G可直接與單片機(jī)的鎖存控制信號端ALE相連，在ALE下降沿進(jìn)行地址鎖存。根據(jù)應(yīng)用系統(tǒng)存儲器容量要求的不同，常用的擴(kuò)展芯片包括EPROM2716、2732A。等。以上均為單一+5v供電，維持電流為35A~40mA，工作電流為75mA~100mA，讀出時間最大為250ns，均有雙列直插式封裝形式，A0~A15是地址線，不同的芯片可擴(kuò)展的存儲器容量的大小不同，因此提供高八位地址的p2端口線的數(shù)量各不同，故2716為A0~A10，D0~D7是數(shù)據(jù)線；CE是片選線，低電平有效；OE是數(shù)據(jù)輸出選通線；Vpp是編程電源；Vcc是工作電源；PGM是編程脈沖輸入端。根據(jù)程序存儲器擴(kuò)展的原理，以EPROM2764A和鎖存器74LS373對8031單片機(jī)進(jìn)行程序存儲器擴(kuò)展，其連接圖見下頁；圖4.48031擴(kuò)展EPROM2764A的連接圖因?yàn)?764A是8kb容量的EPROM，故選用到了13根地址線，A0~A12。由于系統(tǒng)中只擴(kuò)展一片程序存儲器EPROM，故可將片選端CE接地。同時，8031運(yùn)行所需要的程序指令來自2764A，要把其EA端接地。否則，8031將不會運(yùn)行。電擦除可編程只讀存儲器EEPROM是新推出來的產(chǎn)品。其主要的特點(diǎn)是能在計算機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行在線修改，并且在斷電的情況下保持修改結(jié)果。因此，自從EEPROM出現(xiàn)來，它得到了廣泛的應(yīng)用。（2）數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展8031單片機(jī)內(nèi)部有128字節(jié)RAM存儲器。CPU對內(nèi)部具有豐富的操作指令。但在用于實(shí)時數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)提供的128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，在這種情況下，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能，擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器。下圖是單片機(jī)擴(kuò)展外部RAM的電路原理圖圖4.5單片機(jī)擴(kuò)展外部RAM的電路原理數(shù)據(jù)存儲器只使用WR、RD控制線而不用PSEN。正因?yàn)槿绱?，?shù)據(jù)存儲器與程序存儲器地址可完全重疊，均為0000H-FFFFH，但數(shù)據(jù)存儲器與I/O口及外圍設(shè)備是統(tǒng)一編址的，即任何擴(kuò)展的I/O口以及外圍均占用數(shù)據(jù)存儲器地址。上圖中p0口為RAM的復(fù)用地址/數(shù)據(jù)線，p2口用于對RAM進(jìn)行頁面尋址，在對外部RAM讀/寫期間，CPU產(chǎn)生RD/WR信號。在8031單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，靜態(tài)RAM是最常用的，由于這種存儲器的設(shè)計無需考慮刷新的問題，因而它與微處理器的借口很簡單。最常用的靜態(tài)RAM芯片有6116和6264。單一+5v供電，額定功耗分別為160mW和200mW，典型存取時間均為200ns，均有雙列直插式封裝，管腳分別為24和28線。下頁插圖為6264與8031的硬件的連接圖。圖4.68031擴(kuò)展6264的連接圖由圖中可知6264的片選CSI接8031的P2.7，第二片選線CS2接高電平，保持一直有效狀態(tài)。因6264是8kb容量的RAM，故到了13根地址線。8031在訪問6264時，可以用以下指令；movx@dptr,a;A中內(nèi)容傳至外部RAM或movxa,@dptr;外部RAM內(nèi)容讀至A中對于下頁的線路，6264的地址范圍為6000H-7FFFH，共8Kb。（3）I/O口的擴(kuò)展在MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)本身提供給用戶使用的輸入，輸出口線并不多，只有p1口和部分p3口線。因此，在大部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中都不可避免的要在單片機(jī)外部擴(kuò)展I/O端口。由于MCS-51的外部數(shù)據(jù)存儲器RAM和I/O口的是統(tǒng)一編址的，因此用戶可以把外部64kb的數(shù)據(jù)存儲器空間的一部分接口作為擴(kuò)展外圍I/O的地址空間。這樣單片機(jī)就可以像訪問外部RAM存儲器一樣訪問外部接口芯片，對其進(jìn)行讀/寫操作。4.3.3步進(jìn)電機(jī)控制電路設(shè)計步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動方式采用高低壓驅(qū)動，即在電機(jī)移步時，加額定或超過額定值的電壓，以便在較大的電流驅(qū)動下，使電機(jī)快速移動；而在鎖步時，則加低于額定值的電壓，只讓電機(jī)繞組流過鎖步所需的電流值。這樣，既可減少限流電阻的功率消耗，又可以提高電機(jī)的運(yùn)行速度。圖4.10步進(jìn)電機(jī)工作框圖（1）步進(jìn)電機(jī)開環(huán)驅(qū)動原理每輸入一個脈沖，步進(jìn)電機(jī)就每前進(jìn)一步，因此，它也稱作脈沖電動機(jī)。其種類很多，但主要分三大類：反應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，永磁式步進(jìn)電動機(jī)，以及永磁感應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)，反應(yīng)式電動機(jī)結(jié)構(gòu)最簡單，是應(yīng)用最廣泛的一種，按控制繞組的相數(shù)分有三相，四相，五相，六相等等。無論哪種步進(jìn)電動機(jī)，他們的工作原理都有相同之處：數(shù)字式脈沖信號控制定子磁極上控制繞組，按一定順序依次通電，在定子和轉(zhuǎn)子的氣隙間形成步進(jìn)式的磁極軸旋轉(zhuǎn)。步進(jìn)電動機(jī)主要用于開環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)然也可以閉環(huán)系統(tǒng)。下圖是步進(jìn)電動機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)的原理圖，它由以下幾部分組成：圖3.11步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)脈沖信號源——是一個脈沖發(fā)生器，通常脈沖頻率連續(xù)可調(diào)，送到脈沖分配器的脈沖個數(shù)和脈沖頻率由控制信號控制。因脈沖頻率可調(diào)，也稱為變頻信號源。脈沖分配器——脈沖按一定的順序送到功率放大器中進(jìn)行放大，驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)工作，用硬件進(jìn)行脈沖順序的分配，有時稱為環(huán)行分配器，也簡稱環(huán)分。功率放大器——將脈沖分配器送來的脈沖放大，使步進(jìn)電動機(jī)獲得必要的功率。步進(jìn)電動機(jī)——伺服系統(tǒng)的執(zhí)行元件，它帶動工作機(jī)構(gòu)，如減速裝置，絲桿，工作臺。（2）脈沖分配對每一個五相步進(jìn)電動機(jī)而言，其脈沖分配方式是五相十拍的，其五相分別用A、B、C、D、E表示。五相十拍的運(yùn)行方式是A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA順序輪流通電，則轉(zhuǎn)子便順時針方向一步一步轉(zhuǎn)動。要改變步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向，只需改變通電的順序即可。脈沖分配器是將脈沖電源按規(guī)定的通電方式分配到各相，該分配可由硬件來實(shí)現(xiàn)。在微機(jī)控制中，脈沖的分配也可由軟件來完成，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4五位分別輸出時序脈沖，經(jīng)光電隔離、驅(qū)動放大使步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行一拍的時間，也就決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。（3）驅(qū)動電路由微機(jī)根據(jù)控制要求發(fā)出的脈沖，并依次將脈沖分配到各相繞組，因其功率很小，電壓不足5V，電流為mA級，必須經(jīng)過驅(qū)動器將信號電流放大到若干安培，才能驅(qū)動步進(jìn)電動機(jī)。因此，步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動器實(shí)際上是一個功率放大器，驅(qū)動器的質(zhì)量直接影響步進(jìn)電動機(jī)的性能，驅(qū)動器的負(fù)載是電機(jī)的繞組，是強(qiáng)電感應(yīng)負(fù)載。對驅(qū)動器的主要要求是：失真要小，要有較好的前后沿和足夠的幅度；效率要高；工作可靠；安裝調(diào)試和維修方便。下圖是一個La繞組的高低壓驅(qū)動電路，脈沖變壓器Tp組成高壓控制電路。圖3.12步進(jìn)電機(jī)高低壓驅(qū)動電路無脈沖輸入時，T1、T2、T3、T4均截止，電機(jī)繞組La中無電流通過，電機(jī)不轉(zhuǎn)。有脈沖輸入時，T1、T2、T3、T4飽和導(dǎo)通，在T2由截止到飽和期間，其集電極電流也就是脈沖變壓器的初級電流急速增加，在變壓器次級感應(yīng)一個電壓，使T3導(dǎo)通，80V高壓經(jīng)高壓管T3加到繞組La上，使電流迅速上升，約經(jīng)數(shù)百微妙，當(dāng)T2進(jìn)入穩(wěn)壓狀態(tài)后，Tp初級電流暫時恒定，次級的感應(yīng)電壓降到0，T3截止，這時12V低壓電流經(jīng)D2加到繞組La上，維持La中的電流為恒定值。輸入脈沖結(jié)束后，T1、T2、T3、T4又均截止，儲存在La中的能量通過18Ω的電阻和二極管泄放，18Ω的電阻的作用是減小放電回路的時間常數(shù)，改善電流波形后沿。由于采用高低壓驅(qū)動，電流增長快，電機(jī)的力矩和運(yùn)行頻率都得到改善，但由于電機(jī)轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的反電勢，使電流波形頂部下凹，使平均電流下降，轉(zhuǎn)矩下降。4.3.4光電隔離電路設(shè)計為了避免外部設(shè)備的電源干擾，防止被控對象電路的強(qiáng)電反竄，通常采取將微機(jī)的前后向通道與被連模塊在電氣上的隔離的方法。過去通常隔離變壓器或中間繼電器來實(shí)現(xiàn)，而目前已廣泛被性能高、價格低的光電耦合器來代替。光電耦合器是把發(fā)光元件與受光元件封裝在一起，以光作為媒體來傳輸信息的。其封裝形式有管形，雙列直插式，光導(dǎo)纖維連接等。發(fā)光器件一般為砷化鎵紅外發(fā)光二極管。光電耦合器具有以下特點(diǎn)：（1）信號采取光電形式耦合，發(fā)光部分與受光部分無電氣回路，絕緣電阻高達(dá)1010-1012Ω，絕緣電壓為1000-5000V，因而具有極高的電氣隔離性能，避免輸出端和輸入端之間可能產(chǎn)生的反饋和干擾。（2）由于發(fā)光二極管是電流驅(qū)動器件，動態(tài)電阻很小，對系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲干擾信號形成低阻抗旁路，因此抗干擾能力強(qiáng)，共模抑制比高，不受磁場的影響，特別是用于長線傳輸時作為終端負(fù)載，可以大大地提高信噪比。（3）光電耦合器可以耦合零到數(shù)千赫的信號，且響應(yīng)速度快（一般為幾毫秒，甚至少于10ns），可以用于高速信號的傳輸。下圖的光電耦合器是采用硅光電二極管作受光元件。其CTR為10%-100%，脈沖上升和下降時間下于5μs，輸出電路飽和壓降小（02V-0.3V），電路構(gòu)件簡單，是目前應(yīng)用較多的一種，主要用于驅(qū)動TTL電路、傳輸線隔離、脈沖放大等。圖4.13光電隔離電路晶體管輸出型的光電耦合器用于開關(guān)信號耦合時，發(fā)光二極管和光電晶體管平常都處于關(guān)斷狀態(tài)。在發(fā)光二極管通過電流脈沖時，光電晶體管在電流脈沖持續(xù)的時間內(nèi)導(dǎo)通。下圖是使用4N25光電耦合器的接口電路，這里4N25起到耦合脈沖信號和隔離單片機(jī)8031系統(tǒng)與輸出設(shè)備電氣回路的作用，使兩部分的電流相互獨(dú)立。輸出部分的地線Vss接地殼和大地，而單片機(jī)的電源地線（GND）浮空，這樣可以避免輸出部分電源變化對單片機(jī)電源的影響。4.4部分程序設(shè)計（1）直線圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計在機(jī)電設(shè)備中，執(zhí)行部件要實(shí)現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運(yùn)動，必須通過兩個方向的合成來完成，在數(shù)控機(jī)床中，這是由X，Y兩個方向運(yùn)動的工作臺，按照插補(bǔ)控制原理實(shí)現(xiàn)的。插補(bǔ)原理在有關(guān)課程中學(xué)過。（2）直線插補(bǔ)程序ORG2000HMAIN：MOVSP，#60HLP4：MOV28H，#0C8H；XeMOV29H，#0C8H；YeMOV2AH，#00H；XMOV2BH，#00H；YMOV2EH，#00H；FMOV70H，#0AH；LP3：MOVA，2EH；JBACC.Y，LP1；MOVA，70H；SETBACC.0；CLRACC.2MOV70H，A；LCALLMOTR；調(diào)步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+X方向進(jìn)一步SUBBA，29H；F-YeINC2AH；X+1AJMPLP2LP1：MOVA，70H；SETBACC.2；CLRACC.0；LCALLMOTOR；調(diào)步進(jìn)電機(jī)的控制子程序，+X方向進(jìn)一步LCALLDELAY；MOVA，2EH；ADDA，28H；F+YeLP2：MOV2EH，A；MOVA，28H；CJNEA，2AH，LP3；Xe=X？RET程序中MOTR為步進(jìn)電機(jī)的控制子程序（用硬件實(shí)現(xiàn)環(huán)分）。如不采用環(huán)形分配器，則需要由軟件程序完成硬件環(huán)分的功能，見步進(jìn)電機(jī)控制程序設(shè)計。（3）圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計XLEQU18HXHEQU18HYLEQU18HYHEQU18HXeLEQU18HXeHEQU18HYeLEQU18HYeHEQU18HFLEQU18HFHEQU18HORG2400HMAIN：MOVSP，#60H；MOV70H，#80H；MOVXL，#80H；XLMOVXH，#0CH；XHMOVYeL，#80H；YeLMOVXeL，#00H；XeLMOVXeH，#00H；XeHMOVYL，#00H；YLMOVYH，#00H；YHMOVFL，#00H；FLMOVFH，#00H；FHLP3：MOVA，F(xiàn)H；、JNBACC.7，LP1；MOVA，70H；SETBACC.2；CLRACC.0；LCALLMOTOR；MOVR1，#28H；MOVR0，#1CH；MOVR7，#02H；LCALLMULT2；2*YADDCLRC；MOVA，F(xiàn)L；ADDCA，1CH；MOVFL，A；MOVA，F(xiàn)H；ADDCA，1DH；F+2YMOVFH，A；CLRC；MOVA，YL；ADDA，#00H；MOV28H，A；MOVA，YH；ADDCA，#00H；MOVYH，A；CLRC；MOVA，F(xiàn)L；ADDA，#01H；MOVFL，A；MOVA，F(xiàn)