符朋機電一體化畢業(yè)論文.pdf

周周 口口 職職 業(yè)業(yè) 技技 術(shù)術(shù) 學學 院院 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文 20092009 級級機電工程機電工程系系 機電一體化（機電一體化（6 6）班班 論文題目：論文題目：數(shù)控車床系統(tǒng)數(shù)控車床系統(tǒng) XYXY 工作臺與控制系統(tǒng)設工作臺與控制系統(tǒng)設計 姓姓名：名：符朋符朋學號：學號：_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 指導教師：指導教師：田偉華田偉華職稱：職稱：講師講師 I 摘摘要要 當今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術(shù)領(lǐng)域得到 了廣泛應用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機 電一體化系統(tǒng)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅(qū)動部分、執(zhí) 行機構(gòu)、傳感測試部分、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計 算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械 技術(shù)等多學科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的 CNC 系統(tǒng) 這類典型機電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化 方向發(fā)展。 關(guān)鍵字：關(guān)鍵字：機電一體化的基礎；基本組成要素； 特點； 發(fā)展趨勢 II Abstract Now the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization,thesystematizationaswellasthefeatherweight,the microminiaturized direction develops. keykeywords:words:Integration of machinery； foundation basic component elements ；characteristic； trend of development. III 目目錄錄 第一章第一章前言前言 4 1.1發(fā)展現(xiàn)狀5 1.2我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計6 1.3對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考6 第二章第二章課程設計的內(nèi)容課程設計的內(nèi)容5 第一節(jié)課程設計的題目5 第二節(jié)課程設計的內(nèi)容6 第三章第三章數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定7 第四章第四章機械部分設計機械部分設計8 第一節(jié)確定系統(tǒng)脈沖當量8 第二節(jié)工作臺外形尺寸及重量初步估算8 第三節(jié)滾動導軌副的計算、選擇9 第四節(jié)滾珠絲杠計算、選擇10 第五節(jié)齒輪計算、設計12 第六節(jié)步進電機慣性負載的計算13 第七節(jié)步進電機的計算選擇14 第五章第五章機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計16 第一節(jié)設計內(nèi)容16 第二節(jié)設計步驟16 第三節(jié)機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計19 第六章第六章系統(tǒng)控制軟件設計系統(tǒng)控制軟件設計20 第七章第七章結(jié)論結(jié)論27 第八章第八章致謝致謝27 IV 第九章第九章參考文獻參考文獻28 1 第一章第一章前言前言 1.11.1 發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀 在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備、提高我國制造業(yè) 信息化水平和國際競爭能力以日益迫切。 數(shù)控技術(shù)的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象 征 ,而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應用領(lǐng)域的擴大 ,他對國計民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備 發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面: (1) 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加工技術(shù)可極大地提高效率 ,提高產(chǎn) 品的質(zhì)量和檔次 ,縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看 ,高速 加工中心進給速度可達 80m/ min ,甚至更高 ,空運行速度可達 100m/ min 左右。目前世 界上許多汽車廠 ,包括我國的上海通用汽車公司 ,已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn) 線部分替代組合機床。在加工精度方面 ,近 10 年來 ,普通級數(shù)控機床的加工精度已由 10m 提高到 5m ,精密級加工中心則從 35m ,提 高到 11.5m 并且超精密加工 精度已開始進入納米級0.1m 。為了實現(xiàn)高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電 主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展 ,應用領(lǐng)域進一步擴大。 (2) 5 軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工 ,可用刀具最佳幾何形狀進行切削 ,不僅光潔 度高 ,而且效率也大幅度提高。但過去因 5 軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復雜等原因 ,其 價格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍 ,加之編程技術(shù)難度較大 ,制約了 5 軸聯(lián)動機床 的發(fā)展。當前由于電主軸的出現(xiàn) ,使得實現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化 , 其制造難度和成本大幅度降低 ,數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動機床和復合加工機床 含 5 面加工機床 的發(fā)展。 (3) 、智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21 世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的 各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過程的自適應控制 ,工藝參 數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應 運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來 2 之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上 ,面向機床廠家 和最終用戶 ,通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用 戶的特殊應用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系 統(tǒng) ,形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置 規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。 網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地 滿足生產(chǎn)線、 制造系統(tǒng)、 制造企業(yè)對信息集成的需求 ,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、 虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元 ,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化方向發(fā)展的趨勢。 1.21.2我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段 從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基 礎條件的制 ,數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五” 、 “七五”期間以及 “八五”的前期 ,即引進技術(shù) ,消化吸收 ,初步建立起國產(chǎn)化體系階段。在此階段 ,由于 改革開放和國家的重視 ,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善 ,我國數(shù)控技術(shù)的研究、開 發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和 “九五”期間 ,即實施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進入市場競爭階段。縱觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的 發(fā)展歷程 ,特別是經(jīng)過 4 個 5 年計劃的攻關(guān) ,總體來看取得的成績還是不小。 1.31.3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 1 戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國 ,在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 ,所以 ,我 們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題。首先從社會安全看 ,因為制造 業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 ,而且還可緩解 我國就業(yè)的壓力 ,保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看 ,西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品 都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對我國實現(xiàn)禁運和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報告”就是最 好的例證。 2 發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā) ,以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向 ,以 提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標 ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導 21 世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套 技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容 ,實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強調(diào)市場需求為導向 ,即以數(shù) 3 控終端產(chǎn)品為主 ,以整機如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、曲型 數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設備等 帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能 部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模 問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產(chǎn) 品;當然 ,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。 4 第二章第二章課程設計的內(nèi)容課程設計的內(nèi)容 2.12.1 課程設計題目課程設計題目 已知條件：單片機控制步進電機驅(qū)動的多用 XY 工作臺。定位精度：0.01mm，滾珠 絲杠及導軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊工作臺的有效行程為LX =400mm400 Y Lmm 快速進給速度 max 2000/min x vmm max 2000/min y vmm和工作載荷2000 Z FN 2.22.2 課程設計的內(nèi)容課程設計的內(nèi)容 2.2.1數(shù)控裝置總體方案的確定數(shù)控裝置總體方案的確定 (1).數(shù)控裝置設計參數(shù)的確定； (2).方案的分析，比較，論證。 22.2 機械部分的設計機械部分的設計 (1).確定脈沖當量； (2).機械部件的總體尺寸及重量的初步估算； (3).傳動元件及導向元件的設計，計算和選用； (4).確定伺服電機； (5).繪制機械結(jié)構(gòu)裝配圖； (6).系統(tǒng)等效慣量計算； (7).系統(tǒng)精度分析。 2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的設計數(shù)控系統(tǒng)的設計 (1).微機及擴展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設計； (2).I/O 接口電路及伺服控制電路的設計和選用； (3).系統(tǒng)控制軟件的設計 2.2.42.2.4 編寫課程設計說明書編寫課程設計說明書 (1).說明書是課程設計的總結(jié)性技術(shù)文件，應敘述整個設計的內(nèi)容，包括總體方案的確 定，系統(tǒng)框圖的分析，機械傳動設計計算，電氣部分的設計說明，選用元器件參數(shù) 的說明，軟件設計及其說明； (2).說明書不少于 84 字，盡量用計算機完成。 2.2.52.2.5 圖紙圖紙 (1).機械結(jié)構(gòu)裝配圖，A0 圖紙 1 張。要求視圖基本完整，符合標準。其中至少要有一 個坐標軸的完整剖視圖； 5 第三章第三章數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構(gòu)及傳動方案的確 定，伺服電機類型及調(diào)速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較。 3.1 系統(tǒng)運動方式的確定系統(tǒng)運動方式的確定 該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標軸的運動有精確的運動關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。 3.2 伺服系統(tǒng)的選擇伺服系統(tǒng)的選擇 開環(huán)伺服系統(tǒng)在負載不大時多采用功率步進電機作為伺服電機.開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒 有檢測反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)整維修容易， 在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應用。 .考慮到運動精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動。 3.3 計算機系統(tǒng)的選擇計算機系統(tǒng)的選擇 采用 MCS-51 系列中的 8031 單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51 單片機的主要特點是集成 度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高。控制系統(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O 接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操 作實現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息。 3.4 XY 工作臺的傳動方式工作臺的傳動方式 為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高 傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結(jié)構(gòu)。 由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導軌副，從而減小工作 臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。 考慮電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，以及考慮步進電 機負載匹配，采用齒輪減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下: 圖 3.1系統(tǒng)總體框圖 計 算 光電 步 進 X 向 光電 步 進 Y 向 6 第四章第四章機械部分設計機械部分設計 機械部分設計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機， 傳動及導向元件的設計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。 4.14.1 確定系統(tǒng)脈沖當量確定系統(tǒng)脈沖當量 脈沖當量p是一個進給指令時工作臺的位移量，應小于等于工作臺的位置精度，由于 定位精度為0.01mm 因此選擇脈沖當量為 0.01mm。 4.24.2 工作臺外形尺寸及重量初步估算工作臺外形尺寸及重量初步估算 根據(jù)給定的有效行程， 畫出工作臺簡圖， 估算 X 向和 Y 向工作臺承載重量 WX和 WY。 取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?10mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設計工 作臺簡圖如下: X 向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=420*410*50 重量:按重量=體積*材料比重估算為: x W= 32 420 410 50 107.8 10671.58N Y 向拖板(下拖板)尺寸為:420 400 50 重量 Y W= 32 420 400 50 107.8 10655.2N 上導軌(含電機)重量為 圖 4.1 工作臺簡圖 7 23 (900 480 82 800 35 50) 7.8 1010487.97 N 夾具及工件重量:約 155N X-Y 工作臺運動部分總重量為: 487.97655.2671.58 1552000WN 4.34.3 滾動導軌副的計算、選擇滾動導軌副的計算、選擇 根據(jù)給定的工作載荷 Fz和估算的 Wx和 Wy計算導軌的靜安全系數(shù) fSL=C0/P，式中：C0 為導軌的基本靜額定載荷， kN； 工作載荷 P=0.5(Fz+W)；fSL=1.03.0(一般運行狀況)， 3.05.0 （運動時受沖擊、振動） 。根據(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取4.0 sL f , , 0.5() OSLX Y X YZX Y Cf P PFW xZX YZY OXSLX OYSLY P =0.5(F +W )=0.5(2000+671.58)=1335.79N P =0.5(F +W )=0.5(2000+655.2)=1327.6N C=f P =4 1335.79=5343.16N C=f P =4 1327.6=5310.4N 根據(jù)計算額定靜載荷初選導軌: 選擇漢機江機床廠 HJG-D 系列滾動直線導軌,其型號為:HJG-D25 基本參數(shù)如下: 額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑 座 重 量 導 軌 重 量 導軌長度 動載荷 a C 靜載荷 o C A T B T C T g K/ g KmL (mm) 17500260001981982880.603.1760 滑座個數(shù)單向行程長度每分鐘往復次數(shù) M S ln 40.64 導軌的額定動載荷17500 a C N 依據(jù)使用速度 v（m/min）和初選導軌的基本動額定載荷 a C(kN)驗算導軌的工作壽命 Ln： 額定行程長度壽命: 8 () HTCa W ff fC SfF TK 2000 4 500 M F M F 1,2,0.81,1, 50 o TWCH R d ffff K 33 1 1 0.81 17500 2500 ()50()142409.58 HTCa W ff fC SfF TKkm 導軌的額定工作時間壽命: 3 10 2 S o T Hl n T 3 3 10 2 142409.58 10 49447715000 2 0.6 4 60 S o T Hl n ThTh 導軌的工作壽命足夠. 4.44.4滾珠絲杠計算、選擇滾珠絲杠計算、選擇 初選絲杠材質(zhì)：CrWMn 鋼，HRC5860，導程：l0=5mm （1） 強度計算 絲杠軸向力：)( ,maxyxzyx WFfKFF(N) 其中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數(shù) f=0.0030005；在車床車削外圓時：Fx=(0.10.6)Fz， Fy=(0.150.7)Fz，可取 Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。 取 f=0.004,400 Z F 則: max max X F0.50.5 20001000 0.60.6 20001200 1.15 10000.004(2000671.58)1045.686 1.15 12000.004(2000655.2)1252.621 Z YZ X Y FN FFN FN FN 壽命值： 6 10 60nT L ，其中絲杠轉(zhuǎn)速 0 max l v n (r/min) max 0 6 15000 2000 400 /min 5 60 400 15000 360 10 Th v nr l L 9 最大動載荷：FffLQ WH 3 式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為 1.21.5；fH為硬度系數(shù)，HRC58 時為 1.0。 查表得中等沖擊時1.2,1 WH ff則: 3 3 360 1.2 1 1045.6867079.58 360 1.2 1 1252.62110686.54 X Y QN QN 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式，并根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲 杠的型號為: CM 系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。 其基本參數(shù)如下: 其額定動載荷為 14205N y Q足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預緊方式采用雙螺 母螺紋預緊形式. 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計算如下表 名稱計算公式結(jié)果 公稱直徑 0 d 20mm 螺距tmm 10 接觸角 0 45 鋼球直徑 b d 3.175mm 螺紋滾道法向半徑R0.52 b Rd 1.651mm 偏心距e(2)sin b eRd 0.04489mm 螺紋升角 0 t arctg d 0 4 33 螺桿外徑d 0 (0.2 0.25) b ddd 19.365mm 螺桿內(nèi)徑 1 d 10 22ddeR16.788mm 螺桿接觸直徑 2 d 20 cos b ddd17.755mm 螺母螺紋外徑D 0 22DdeR 23.212mm 螺母內(nèi)徑（外循環(huán)） 1 D 10 (0.2 0.255) b Ddd 20.7mm （2） 傳動效率計算 絲杠螺母副的傳動效率為： )( tg tg 式中：=10，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。 0 0 4 33 () (4 3310 ) 0.96 gg g g tt t t （3） 穩(wěn)定性驗算 絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。 （4） 剛度驗算 滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為： ES Fl l 0 1 (cm) Y 向所受牽引力大,故用 Y 向參數(shù)計算 6 0 62 222 1.651 2 6 1251.82 0.5 1 20.6 102.14 1252.621 0.5 20.6 10 (/) 3.14()2.14 6.12 10 Y FN lcm EN CM SRCM LCM 11 絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差為 0 64 100100 10.5 6.12 1012.24 1012.24 l Lum E 級精度 絲杠允許的螺距誤差=15m/m。 4.54.5齒輪計算、設計齒輪計算、設計 因步進電機步距角1.5o b 滾珠絲杠螺距 t=5mm,要實現(xiàn)脈沖當量0.01/ p mm step,在傳動 系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動. 齒輪傳動比： 0 360 l i p ，初選步進電機步距角：= 1.5/step。 1 2 360 360 0.01 0.48 1.5 5 p o Z Z i l i 取小齒輪齒數(shù) 1 24Z 則大齒輪齒數(shù) 2 50Z 因傳遞的扭距較小,取模數(shù) m=1mm 則: 分度圓直徑: 11 1 2424dmzmm 22 1 5050dmzmm 齒頂圓直徑: 11 (2)(242) 126 a dzmmm 22 (2)(502) 152 a dzmmm 齒根圓直徑: 11 (2.5)(242.5) 121.5 f dzmmm 21 (2.5)(502.5) 147.5 f dzmmm 齒寬: 1 1 2424 d bdmm 取 1 25b 2 30b 中心距: 12 0.5()0.5(2450)37addmm 分度圓壓力角: 0 20 大小齒輪均采用漸開線標準圓柱齒輪 小齒輪采用兩片薄齒輪錯齒排列以消除間隙. 雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下: 12 1、2-薄齒輪, 3彈簧, 4、8凸耳, 5調(diào)節(jié)螺釘, 6、7螺母 雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)圖 4.64.6步進電機慣性負載的計算步進電機慣性負載的計算 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有： （1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 折算到步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為： 22 1 0123 2 () ()() 180 p q b z JJJJJM z 式中： q J為折算到電機軸上的慣性負載； 0 J為步進電機軸的轉(zhuǎn)動慣量； 1 J為齒輪的轉(zhuǎn)動 慣量； 2 J為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量； 3 J為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；為移動部件的質(zhì)量。 對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算： 34 0.78 10JDL 式中D為圓柱零件直徑，L為圓柱零件的長度。 所以有： 3422 1 3422 2 3422 3 0.78 102.42.56.47 10. 0.78 105.03.0146.25 10. 0.78 102.03037.44 10. Jkg cm Jkg cm Jkg cm 13 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有： 22222 240.01 6.47 10() (146.2537.44) 10200()0.7793. 3.14 50 1.5 180 d Jkg cm 4.74.7 步進電機的選用步進電機的選用 (）步進電機啟動力矩的計算 設步進電機的等效負載力矩為，負載力為，根據(jù)能量守恒原理，電機所做的功與 負載力所做的功有如下的關(guān)系： TPs 式中為電機轉(zhuǎn)角，為移動部件的相應位移，為機械傳動的效率。若取 b ，則 p ，且() sz PPGP。所以： 36() 2 psz b PGP T 式中： s P為移動部件負載（N） ，G 為移動部件質(zhì)量（N） ， z P為與重力方向一致的作用在 移動部件上的負載力（N） ，為導軌摩擦系數(shù)， b 為步進電機的步距角（rad）,T 為電機 軸負載力矩（N.cm） 。 取=0.3（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)） ，.8， s P= H P =279.23。考慮到重 力影響，向電機負載較大，因此1200，所以有： 36 0.011251.82 0.03 (2000 1800) 2 3.14 1.5 0.8 65.25 .Tncm 考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩： 0.3 0.5 Q T T 取系數(shù)為.，則： 65.25 163.12. 0.4 q Tn cm 14 對于工作方式為三相拍的步進電機： max 163.12 0.8660.866 188.36 . q T j Tncm (） 步進電機的最高工作頻率 max max 1000 1667 6060 0.01 p v f 為使電機不產(chǎn)生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率 max f,同時電機最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠 大,查表選擇兩個 90BF001 型三相反應式步進電機. 電機有關(guān)參數(shù)如下: 型號 主要技術(shù)參數(shù) 相數(shù) 步距 角 電壓 (V) 相電 流 (A) 最 大 靜 轉(zhuǎn)矩 max j T (n.m) 空載啟 動頻率 空載 運行 頻率 分配方式 90BF00140.98073.92200080004 相 8 拍 外形尺寸(mm) 重量 kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 Kg.m外直徑長度軸直徑 9014594.51764 15 第五章第五章數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 5.15.1 設計內(nèi)容設計內(nèi)容 .按照總統(tǒng)方案以及機械結(jié)構(gòu)的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控 制的結(jié)構(gòu)框圖； .選擇計算機或中央處理單元的類型； .根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設計存儲器擴展電路； .根據(jù)控制對象以及系統(tǒng)工作要求設計擴展接口電路，檢測電路，轉(zhuǎn)換電路以 及驅(qū)動電路等； .選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號； .繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標明各器件的型號，管腳號及參數(shù)； .說明書中對電氣原理圖以及各有關(guān)電路進行詳細的原理說明和方案論證。 5.25.2設計步驟設計步驟 5.2.1.5.2.1.確定硬件電路的總體方案。確定硬件電路的總體方案。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成： 1主控制器。即中央處理單元 CPU 2總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。 3存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。 4接口。即 I/O 輸入輸出接口。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示： 16 圖圖 5.1 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖 5.2.25.2.2 主控制器的選擇主控制器的選擇 系列單片機是集中，端口及部分等為一體的功能性 很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手 段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設計選用芯片作為 主控芯片。 5.2.3. 存儲器擴展電路設計存儲器擴展電路設計 (）程序存儲器的擴展 單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用芯片。其型號有： 2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時要 考慮與時序的匹配。所能讀取的時間必須大于所要 求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿 足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇 中央處理單 元 CPU 存儲器RAM ROM 輸入/輸出 I/O 接口 信號變換 控制對象 外設： 鍵盤， 顯示器， 打印機， 磁盤機，通訊接口等 17 芯片作為本次設計的程序存儲器擴展用芯片。 單片機規(guī)定0 口提供為位地址線，同時又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時用作低位 地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提高低位的地 址信息，一般采用芯片作為地址鎖存器，并由發(fā)出允許鎖存信號 ALE 的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 由以上分析，采用EPROM芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下所示： 圖 5.2 擴展 2764 電路框圖 (）數(shù)據(jù)存儲器的擴展 由于內(nèi)部只有字節(jié)，遠不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴展片外的 數(shù)據(jù)存儲器。單片機應用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲器擴展電路一般采用 6116,6262 靜態(tài) RAM 數(shù)據(jù)存 儲器。本次設計選用芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示： P1.7 P1.0 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 PSEN EA CE A12 A8 2764 A7 A0 OE D7 D0 譯碼電路 G 74LS372 18 圖 5.3 擴展 6264 電路框圖 (）譯碼電路 在單片機應用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機相連。單片機數(shù)據(jù)總線分時 的與各個外圍芯片進行數(shù)據(jù)傳送。故要進行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲器采用統(tǒng) 一編址，因此單片機的硬件設計中，數(shù)據(jù)存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜?？刹捎?線選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址 線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡單，但它所用片選線都是高位地址線， 它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于和 容量較大的應用系統(tǒng)，當芯片所需的片選信號多于可利用的地址線的時候，多采用全地址 譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對高位地址線進行譯碼，譯碼器輸出的 地址選擇線用作片選線。 （4）存儲器擴展電路設計 8031 單片機所支持的存儲系統(tǒng)起程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器為獨立編址。 該設計選用程序存儲器 2764 和數(shù)據(jù)存儲器 6264 組成 8031 單片機的外存儲器擴展電路， （5）擴展電路設計 (a).通用可編程接口芯片 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 EA WR RD 1CE A12 A8 A7 6264 A0 D7 D0 WE OE OE 譯碼電路 G 74LS372 19 單片機共有個位并行接口，但供用戶使用的只有1 口及部分3 口線。因此要進行口的擴展。與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的 接口芯片。 (b).鍵盤，顯示器接口電路 鍵盤，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計算機 狀態(tài)數(shù)據(jù)的動態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用口線組成行，列結(jié) 構(gòu)，按鍵設置在行列的交點上。 5.2.45.2.4步進電機驅(qū)動電路設計步進電機驅(qū)動電路設計 (1）脈沖分配器 步進電機的控制方式由脈沖分配器實現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖 按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各相繞組， 實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)。 數(shù)控系統(tǒng)中通常 使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設計采用集成脈沖分配器 YB013。 （2）光電隔離電路 在步進電機驅(qū)動電路中，脈沖分配器輸出的信號經(jīng)放大后控制步進電機的勵磁繞組。 如果將輸出信號直接與功率放大器相連，將會引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大 器間加上隔離電路實現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。 （3）功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小，遠不能滿足步進電機的需要， ，必須將其輸出信號放大 產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進 電機容量選擇功率放大器。 5.2.55.2.5 其它輔助電路設計其它輔助電路設計 （1）越界報警電路 為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。利用光電耦合電路，將行 程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至的口1.0。當任何 一個行程開關(guān)被壓下的時候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導通，由低電平變成高電 平?？衫密浖O計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。也可接成從光敏三極 管的集電極輸出接至的外部中斷引腳（或） ，采用中斷方式。 5.35.3機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設計 該系統(tǒng)選用系列的作為主控制器。擴展存儲電路為一片 2732EPROM 和一片 6264RAM。程序存儲器擴展為，數(shù)據(jù)存儲器擴展為。 20 的片選控制端CE直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復位以后，CPU 從 0000H 開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264 的片選端CE由譯碼器（74LS138）的 Y2 輸出提供。所 以 6264 的空間地址為 4000 。 系統(tǒng)的擴展 I/O 接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片 8155。8155 的片選 端CE接至譯碼器（74LS138）的 Y4 的輸出端，故 8155 控制命令寄存器及 PA，PB，PC 口的地址號分別為 8000H 及 8001H， 8002H， 8003H。 8155RAM 區(qū)的地址為 8000H80FFH。 8155 的 A 口為控制工作抬 X，Y 向電機的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不 步進電機接口與功率放大器之間采用光電隔離。 鍵盤與顯示器設計在一起，8155 的 PC 口擔任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB 口 的 PB0PB3 為鍵盤的行線。8031 的 P1 口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用 4X6 共 24 個行列式鍵盤和 6 位 8 段共陰極 LED 顯示器。 為了增加數(shù)碼管顯示亮度， 分別在字形口和 字位口加 74LS07 進行驅(qū)動。 PB 口剩余的 I/O 線 PB4PB7 分別作為工作臺+X，+Y，-X，-Y 四個方向的行程限位 控制信號。在軟件設計上 8155 的 PA 口，PC 口設置為輸出，PB 口設置為輸入。計算機隨 時巡回檢測 PB4PB7 的電平，當某 I/O 線為 0 時，應立即停止 X，Y 向電機的驅(qū)動，并 發(fā)出報警信號。 另外， 光電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。 隔離電源選用 7805 三端集成穩(wěn)壓器設 計。 21 第六章第六章系統(tǒng)控制軟件的設計系統(tǒng)控制軟件的設計 6.1 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的 控制軟件分為以下幾個部分： 1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要 是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)， 使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。 2、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部 I/O 設備輸入零件加工源程 序的任務。 3、插補程序。根據(jù)零件加工源程序進行插補，分配進給脈沖。 4、伺服控制程序。根據(jù)插補運算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機的速度，轉(zhuǎn)角 以及方向。 診斷程序。包括移動不見移動超界處理，緊急停機處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯等 功能。 6、機床的自動加工及手動加工控制程序。 7、鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機床工作狀態(tài)、 操作命令等信息。 6.2 軟件設計軟件設計 6.2.1 系統(tǒng)控制功能分析系統(tǒng)控制功能分析 數(shù)控 X-Y 工作臺的控制功能包括： （1） 、系統(tǒng)初始化。如對 I/O 接口 8155，8255A 進行必要的初始化工作，預置接口工作方 式控制字。 （2） 、工作臺復位。開機后工作臺應該自動復位，亦可手動復位。 （3） 、輸入和顯示加工程序。 （4） 、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。 （5） 、工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應該立即停止工作臺的運動，并 顯示相應的指示字符。 （6） 、工作臺的自動控制。 （7） 、工作臺的手動控制。 22 （8） 、工作臺的聯(lián)動控制。 6.2.2 系統(tǒng)管理程序控制系統(tǒng)管理程序控制 管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機后即進入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者 的命令。在設計管理程序時，應確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控 X-Y 工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動 操作，緊急停機等。 6.2.36.2.3 自動加工程序設計自動加工程序設計 （1）機床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位刀具快速進給加工退刀工 作臺運動到下一位置； （2）計算機在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機床完成加工； 6.2.4 步進電機控制子程序設計步進電機控制子程序設計 步進電機的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進電機在突然啟動或停止時，由于 負載和慣性，會使電機失步，所以電機運行時有一個加，減速過程。 通過確定進給脈沖數(shù)和脈沖時間間隔，即可實現(xiàn)步進電機轉(zhuǎn)角與速度的控制。 （1）時間常數(shù)的確定 在步進電機控制程序中，利用單片機的定時器中斷，延時產(chǎn)生進給脈沖的時間間隔。 此間隔由送入定時器的時間常數(shù)決定。時間常數(shù)由下式計算： 3 6 10 10 e e T T t 式中： T 為脈沖時間間隔 （ms） ；e t 為單片機機器周期 （s） ， 在時鐘為 6MHz 時，e t =2s。 （2）步進電機加，減速進給脈沖及脈沖時間間隔的確定 設步進電機加，減速方式為直線加，減速。 要使步進電機不失步，應滿足： mgI TTT 式中： m T 為步進電機啟動力矩； g T 為負載力矩； I T 為慣性力矩。 由步進電機 maxj T=3.92N.m，取步進電機的加速啟動力矩 max 0.866 0.3392 0.866 0.3101.84 Mj TT 則使步進電機不失不的慣性力矩 23 101.8496.575.27. Img TTTN cm 步進電機角加速度 2 2 4 5.27 10 676.25(/) 0.7793 10 I d T rad s J 又又 max bb m fddf dtdtt 式中： m t 為上升到步進電機最高頻率所需時間，所以有： max 2 1.5 1667 360 64.5() 676.25 mb f tms 加速脈沖個數(shù)： 3 max 11 166764.5 1053.76 22 m nft 確定加減脈沖個數(shù)都為 54 個 又因為： max 0.50.5() nnn m f nftt t t 所以脈沖時刻 max 2 mm n t n t f 結(jié)