【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。對本研究提供過幫助和做出過貢獻的個人或集體，均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。1）PDC鉆頭直徑２５０－４００mm、高度５００－７００mm；2）測量精度±０.1mm；3）張君安、機電一體化系統(tǒng)設(shè)計、兵器工業(yè)出版社；5）李洪、實用機床設(shè)計手冊、遼寧科學(xué)技術(shù)出版社；1）在分析PDC鉆頭檢測要求和現(xiàn)場操作，確定工作臺進給驅(qū)動方案；主要技術(shù)參數(shù)的確定；滾珠絲杠的校核；設(shè)計；步進電機與單片機接口電路設(shè)計。3）主要零件圖；4）步進電機型號的確定與產(chǎn)品的選擇。1）圖書館資源、網(wǎng)上資源；2）機械設(shè)計手冊、機電傳動手冊；3）計算機，50學(xué)時。

　　

【正文】 3）六拍，通電方 式為 ????? UVWUVWUV 伺服驅(qū)動系統(tǒng)的選擇 伺服驅(qū)動系統(tǒng)在數(shù)控機床的作用：接受控制機發(fā)出的進給脈沖信號，并把它變換成模擬角，徑功率放大后去驅(qū)動工作臺，使工作臺進行精確定位或按規(guī)定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出符合精度并要求的零件。因此，伺服機構(gòu)的性能變是決定數(shù)控機床的加工表面質(zhì)量，生產(chǎn)率和機床的可靠性的關(guān)鍵之一。 目前在數(shù)控機床改造中常用的驅(qū)動器件是步進電機、電脈沖馬達、直流伺服電機，交流伺服電機。這些驅(qū)動器件，配以適當?shù)墓Ψ叛b置組成伺服驅(qū)動系統(tǒng)。對本設(shè)計電火花成形機 床的設(shè)計來說，機床的縱橫向均采用步進電機驅(qū)動。 步進電機將計算機輸出的每一個脈沖信號變成一定量的機械角位移，實際上它就是利用電磁鐵的作用原理。定子的三相繞組依次通電，轉(zhuǎn)子被吸引著一步步前進，轉(zhuǎn)子便旋轉(zhuǎn)起來。 步進電機的特點如下： 1．步進電機的功率小，輸出力矩小，使用于中小機電一體化系統(tǒng)。 2．無論從電機還是驅(qū)動電源，體積都比較小，伺服系統(tǒng)可以不需反饋元件，因而驅(qū)動裝置整體體積小。 PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設(shè)計 （共 44頁） 36 3． 進電機的控制性能好，可以精確地控制轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速，有良好的緩沖定位能力。步進電機本身是一種脈沖或數(shù)字控制的裝置，極易與計算機 和微處理器聯(lián)接，構(gòu)成智能化系統(tǒng)。 4． 制系統(tǒng)比較簡單，特別是在微機控制的情況下，硬件電路更加簡單。步進電機既是驅(qū)動元件又是脈沖 —— 角位移變換元件。不需反饋元件，因而控制方法比較簡單。 5. 脈沖當量很小，或細分數(shù)較大時，很難獲得很高的速度 由于步進電機的調(diào)速性、靈活性和準確性好，體積又小，也不需要反饋傳感器，因而是一種較好的驅(qū)動系統(tǒng)，使用于運動軌跡較復(fù)雜的、動作要求高的中小型設(shè)備。體積小、自定位、價格低是步進電機驅(qū)動的三大優(yōu)勢。 由于它性能好，價格便宜，所以步進電機廣泛用于經(jīng)濟型數(shù)控的開環(huán)系統(tǒng)中。 電液脈沖 馬達是利用小功率的步進電機帶動一個隨動滑閥，通過隨動滑閥來控制油馬達工作。油馬達容易獲得較大的輸出扭矩，故可用于大功率數(shù)控機床，但該系統(tǒng)必須有液壓站，占地面積大，且易產(chǎn)生漏油。 直流伺服電機在閉環(huán)控制系統(tǒng)中具有較好的轉(zhuǎn)矩 —— 連速特性。國內(nèi)的直流或交流伺服系統(tǒng)，價格較高，技術(shù)難度大，正努力改進。 相比之下，步進電機是適合開環(huán)系統(tǒng)中的電機。 [18] 步進電動機控制系統(tǒng)的選擇 舊式的步進電動機控制系統(tǒng)由步進控制器、功率放大器和步進電動機組成，如圖 52所示。步進控制器包括緩沖寄存器、環(huán)形分配器、控制邏輯 及正反控制門等。其作用是把輸入脈沖變?yōu)榄h(huán)形脈沖，以便實現(xiàn)對步進電動機的轉(zhuǎn)動和正反向控制。功率放大器的作用是將步進控制器輸出的環(huán)形脈沖加以放大，以驅(qū)動步進電動機轉(zhuǎn)動。在這種控制方式中，由于步進控制器線路復(fù)雜，成本高，限制它的應(yīng)用。 PDC 鉆頭檢測裝 置機械部分機構(gòu)的結(jié)構(gòu) （ 共 43頁 ） 37 圖 52 步進電動機控制系統(tǒng)的組成 采用計算機控制系統(tǒng)，用軟件實現(xiàn)上述步進控制器的功能，使用權(quán)控制系統(tǒng)在為簡化。這不僅簡化了線路，降低了成本，而且控制方便，提高可靠性。圖53所示為微機控制步進電動機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。 圖 53 微機控制步進電動機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 因此本設(shè)計采用計算機控制系統(tǒng)。在步進電動機的微機控制系統(tǒng)中，脈沖的產(chǎn)生以及步數(shù)、方向和速度的控制都由微機來實現(xiàn)；通過接口進行信號傳遞，并作必要的隔離；驅(qū)動器的作用是將脈沖信號進行放大。 步進電動機與 8253的接口電路 圖 54 所示為三相步進電動機與 8253 的接口電路。我們采用可編程計數(shù)器8253 為核心構(gòu)成步進電機接口電路，具有精度高、不受阻容元件參數(shù)的限制、工作穩(wěn)定、控制靈活的特點。在步進電機工作期間，不用 CPU 的直接干預(yù)，大大提高了 CPU 實時處理能力。 它由三部分組成，第一部分，以 8253 和或 門 U1構(gòu)成實時脈沖產(chǎn)生電路，該電路的觸發(fā)受 CPU的控制，它能產(chǎn)生一定數(shù)量的、一定頻率的脈沖，其脈沖的頻微型計算機 接口 驅(qū)動器 步進 電動機 負載 脈沖 方向 控制 步進控制器 功率放大器 步進電動機 負載 PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設(shè)計 （共 44頁） 38 率和數(shù)量由 8253 計數(shù)器的計數(shù)值設(shè)定，精度極高。第二部分，由移位寄存器和或門 U2構(gòu)成分相電路，它能產(chǎn)生符合步進電機需要的多項脈沖源。第三部分，換相和驅(qū)動電路，由模擬開關(guān) 4066 控制步進電機的運行方向，然后經(jīng)光電耦合、達林頓管驅(qū)動使步進電機工作。 時鐘輸入CP觸發(fā)控制方向選擇接單片機選通 圖 54 三相步進電機與 8253的接口電路 步進電動機控制系統(tǒng) 在步進電動機啟動和停止的過 程中，往往需要改變速度。對于大多數(shù)工作任務(wù)來說，總是希望步進電動機盡快地走完規(guī)定的步數(shù)，即以盡可能高的速度運行。然而為了做主步進電動機的轉(zhuǎn)子運動能跟上步進脈沖的頻率，即不失步，對于脈沖頻率是有限制的。在步進電動機的性能指標中，有一項“最高空載啟動頻率”，就是對該電動機在空載情況下最高啟動頻率的限制。如果帶負載啟動，其允許頻率還要低些。當步進電動機進入穩(wěn)態(tài)運行時，其允許工作頻率則比最高空載啟動頻率高得多。因此，為了使步進電動機盡量加快工作過程而又不致辭發(fā)生失步現(xiàn)象，應(yīng)以較低的工作頻率開始啟動，在啟動過程中逐漸 加速，然后穩(wěn)定在較高的工作頻率。一般情況下，升速的過程約在（ ~1） s 之間。反之，步進電動機從高速運行到停止也應(yīng)進行減速。減速過程的加速度絕對值常比加速過程的大。 現(xiàn)有以下三種變速控制的方法： 1．步進電動機的工作方式 利用改變步進電動機的工作方式可以實現(xiàn)變速控制。 PDC 鉆頭檢測裝 置機械部分機構(gòu)的結(jié)構(gòu) （ 共 43頁 ） 39 2．均勻地改變步進脈沖的間隔 步進電動機的加速或減速控制，可以通過均勻地減少或增加脈沖間隔來實現(xiàn)。具體來說就是均勻改變延時子程序中的時間常數(shù)。這種方法的變速范圍比較寬。 3．定時器的變速控制 步進脈沖的時間間隔也可以由單片機內(nèi)部的定時 器來提供。定時器初始化的時間常數(shù)為步進電動機啟動時所需值。每隔一定時間定時器向 CPU 申請中斷。 CPU 響應(yīng)中斷后，送出一次控制脈沖，同時修改時間常數(shù)，減小定時。采用這種方法也能方便地實現(xiàn)步進電動機的均勻加速或減速。 選用第二種方法，也就是如果要求電機從零升到某個頻率 fZ運行 N步，則可先輸出兩個脈沖，其間隔Δ t1≤max1f ,并且從第三個脈沖開始，脈沖間隔越來越小，直到達到所需的速度運行。在步進數(shù)將達到 N時，使之自動降速，間隔越來越大，直到Δ t2≤max1f 時，步進電機停止轉(zhuǎn)動。 以上都是由軟件控制其脈沖。 根據(jù)以上分析，只要控制步進電機的輸入節(jié)拍就可以控制步進電機的工作方式、速度等。 以 P10P11P12 三個輸出口輸出步進電機的工作節(jié)拍，假設(shè)通電方式是 A—— B—— C—— A，微機依次把高電平送到三個端口上，采用延時程序控制工作速度。 在這個控制系統(tǒng)中，由于是由弱電控制強電，不可避免地會產(chǎn)生干擾，為防止強電干擾，采用光電隔離。 光電隔離電路的作用有以下幾個方面： ，各自使用一套電源供電。這樣信息通過光電轉(zhuǎn)換，單 向傳遞，又由于光電耦合器輸出輸入端之間絕緣電阻非常大，寄生電容很小，干擾信號難以從輸出端反饋到輸入端，從而起到隔離作用。 ， P1 口僅能驅(qū)動三個 TTL 門電路，光電隔離電路很容易使它的驅(qū)動能力提高很多。 步 進電動機步數(shù)和轉(zhuǎn)速的確定 步進電動機步數(shù)的確定 PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設(shè)計 （共 44頁） 40 步進電動機常用來控制角位移或直線位移，在步進電動機帶動滾珠絲杠實現(xiàn)直線位移時，步進電動機直接帶動絲杠，絲杠每轉(zhuǎn)一周產(chǎn)生直線位移５ mm，現(xiàn)要求位移 1０ μ m，則步進電動機需要轉(zhuǎn)過的角度為： 6 0/4 10 0 ??? Omm m?? 又因為步進電機工作方式為三相六拍，步距角０ .75，則步數(shù)為 ?OO 轉(zhuǎn)速的確定 在實際應(yīng)用中，往往不僅要求精確地控制位移量，還要求在規(guī)定的時間內(nèi)完成位移。這就要求步進電動機以某個適當?shù)乃俣绒D(zhuǎn)動，而轉(zhuǎn)速的數(shù)值是由脈沖的延時長短來確定的。在此設(shè)計中要求用２ s 時間完成 10mm 的位移，則每一步進脈沖的延時為： sssT 102 66 ????? ?? 設(shè)其基本延時時間為１０ 181。s，則時間常數(shù)（即循環(huán)次數(shù)）可確定為 208。本設(shè)計最大 進給速度為 5mm/min,正常進給速度為 1~5mm/min。所以電機轉(zhuǎn)速的計算如下： m in/ 10510001000 3m a xm a x rP vn o ????? ? m in/ 1010001000 3m i nm i n rP vn o ???? ? 六、 工作臺設(shè)計要求 由于采用的設(shè)計方案無須移動工作臺，因此只用考慮工作臺的承重和平穩(wěn)性能。為能更好的使檢測裝置具備實用性，工作臺采用落地結(jié)構(gòu)。如圖： PDC 鉆頭檢測裝 置機械部分機構(gòu)的結(jié)構(gòu) （ 共 43頁 ） 41 檢測裝置探頭工作臺、支撐底座 一般的 PDC 鉆頭重量在 10KG50KG,因此工作臺及支座的設(shè)計承重為 500KN。材料選用硬制合金鋼。 七、結(jié)束 語 至此，本次畢業(yè)設(shè)計結(jié)束 ,在這其間我學(xué)習(xí)了新的知識 ,溫習(xí)學(xué)過的知識，并查閱了大量的與設(shè)計題目相關(guān)的書籍，經(jīng)過整理完成了設(shè)計題目。 縱觀此次畢業(yè)設(shè)計，我的收獲不小。有兩方面的：知識方面和能力方面。在知識方面，首先了解了在數(shù)控機床中的一種線切割機床的性能和加工原理；其次就是學(xué)習(xí)了單片機的有關(guān)內(nèi)容；再就是溫習(xí)了許多學(xué)過的知識如《機電一體化設(shè)計》、《機械設(shè)計》等。在能力方面，我對工程設(shè)計的方法和一般步驟有了一定的認識，且在分析問題和解決問題的能力也有所提高。 畢業(yè)設(shè)計時間雖然短，但它是對我們大學(xué)四年來所學(xué)知識的總 檢閱，也是我們大學(xué)四年的最后一堂豐富多彩的課，它留給我們的將是美好的回憶，我們要以它為新的起點去迎接新生活的挑戰(zhàn)。 PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設(shè)計 （共 44頁） 42 參考文獻： 張君安《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》兵器工業(yè)出版社； 張建民《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》北京理工大學(xué)出版社； 李洪《實用機床設(shè)計手冊》遼寧科學(xué)技術(shù)出版社； 吳宗澤《機械設(shè)計手冊》機械工業(yè)出版社 《 鉆頭與鉆具設(shè)計制造新工藝新技術(shù)與質(zhì)量驗收標準規(guī)范實務(wù)全書 》 北方工業(yè)出版社 張松林 《軸承手冊》 機械工業(yè)出版社 楊興俊《互換性與技術(shù)測量》中國計量出版社 李云 《機械制造工藝及設(shè)計指導(dǎo)手冊》 機械工業(yè)出版 社 張遼遠 《現(xiàn)代加工技術(shù)》 機械工業(yè)出版社 黃長藝 《機械工程測試技術(shù)基礎(chǔ)》 機械工業(yè)出版社 《力平衡復(fù)合片鉆頭》 外文資料中文譯文 《 Force Balanced PDC Drill Bit》 外文資料 《機電一體化原理與應(yīng)用》 PDC 鉆頭檢測裝 置機械部分機構(gòu)的結(jié)構(gòu) （ 共 43頁 ） 43 致謝 歷時十周的畢業(yè)設(shè)計結(jié)束了， 在這期間我的指導(dǎo)老師楊雄老師給了我很多幫助和指導(dǎo)；周圍的同學(xué)也給了我很大的幫助，他們幫我克服了種種困難，使得畢業(yè)設(shè)計順利完成，在此我對楊老師以及我的同學(xué)表示衷心的謝意！ PDC 鉆頭檢測裝置機械部分設(shè)計 （共 44頁） 44 附錄：