X-Y軸工作臺(tái)(設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū))

1、機(jī)械工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院 1010 創(chuàng)新班創(chuàng)新班宜昌“長(zhǎng)機(jī)科技”實(shí)習(xí)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū) 題目：題目： X-YX-Y 軸工作臺(tái)軸工作臺(tái) 。項(xiàng)目成員：項(xiàng)目成員： 趙軒、張揚(yáng)、陳斌 學(xué)學(xué)院：院： 機(jī)械工程學(xué)院 班班級(jí)：級(jí)： 10 創(chuàng)新班 指導(dǎo)老師：指導(dǎo)老師： 游達(dá)章、楊奇彪20132013 年年 6 6 月月1摘要本設(shè)計(jì)是以 PC 平臺(tái)為基礎(chǔ)的數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，它具有直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)等數(shù)控系統(tǒng)所使用的常用功能，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，控制精度相對(duì)較高, 可靠性、穩(wěn)定性和實(shí)用性都很好。X、Y 兩方向的運(yùn)動(dòng)各由一臺(tái)步進(jìn)電機(jī)控制。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個(gè)信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)就走一步，并通過(guò)中間傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)兩方向

2、的絲杠旋轉(zhuǎn)，分別使得 X、Y 工作臺(tái)進(jìn)給。數(shù)控系統(tǒng)由單片機(jī)、鍵盤(pán)、變頻檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，具有間隙補(bǔ)償、直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、斷絲自動(dòng)處理等主要功能。線切割的適用對(duì)象主要是難切割材料，如高強(qiáng)度、高韌性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密細(xì)小和形狀復(fù)雜的零件。線切割技術(shù)、線切割機(jī)床正在各行各業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。因此研究和設(shè)計(jì)數(shù)控線切割有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。微機(jī)控制技術(shù)正在發(fā)揮出巨大的優(yōu)越性。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞：X-Y 工作臺(tái)，控制精度，數(shù)控系統(tǒng)，微機(jī)控制2目錄摘要摘要 .1 1目錄目錄 .2 2第第 1 1 章章設(shè)計(jì)概述設(shè)計(jì)概述 .4 41.11.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)任務(wù) .4 41.21.2 總體方案擬定總體方案擬

3、定 .4 41.31.3 實(shí)施方案成型實(shí)施方案成型 .4 4第第 2 2 章章機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī)械部分設(shè)計(jì) .6 62.12.1脈沖當(dāng)量的選定脈沖當(dāng)量的選定 .6 62.22.2步進(jìn)電機(jī)的選用步進(jìn)電機(jī)的選用 .6 62.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率計(jì)算 .62.2.290BF001 啟動(dòng)矩頻特性.62.2.390BF001 運(yùn)行矩頻特性.72.32.3計(jì)算銑削力計(jì)算銑削力 .7 72.3.1切削力的計(jì)算 .72.3.2進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷的計(jì)算 .82.42.4滾珠絲杠副的選用滾珠絲杠副的選用 .8 82.4.1絲杠壽命的估算 .82.4.2計(jì)算絲杠工作載荷 .92.4.3額定動(dòng)載荷計(jì)算 .92.4.

4、4滾珠絲杠副初選 .92.52.5工作臺(tái)尺寸確定工作臺(tái)尺寸確定 .10102.62.6滾珠絲杠長(zhǎng)度確定滾珠絲杠長(zhǎng)度確定 .11112.72.7絲杠傳動(dòng)效率計(jì)算絲杠傳動(dòng)效率計(jì)算 .11112.82.8絲杠穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠穩(wěn)定性驗(yàn)算 .11112.92.9絲杠剛度驗(yàn)算絲杠剛度驗(yàn)算 .12122.102.10計(jì)算減速器傳動(dòng)比計(jì)算減速器傳動(dòng)比 .13132.112.11齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) .13132.11.1選擇材料及確定許用應(yīng)力 .132.11.2 齒結(jié)構(gòu)參數(shù)確定.142.122.12 傳動(dòng)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算傳動(dòng)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 .14142.132.13步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力校驗(yàn)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載

5、能力校驗(yàn) .15152.142.14導(dǎo)軌的選型及計(jì)算導(dǎo)軌的選型及計(jì)算 .16163第第 3 3 章章控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) .17173.13.1接口設(shè)計(jì)接口設(shè)計(jì) .17173.1.1人機(jī)接口 .183.1.2機(jī)電接口 .183.23.2伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì) .18183.2.1控制部分方案選擇 .183.2.2系統(tǒng)擴(kuò)展 .193.33.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) .20203.3.1步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主要涉及脈沖分 .203.3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 .213.3.3電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序 .213.43.4運(yùn)動(dòng)控制器控制原理運(yùn)動(dòng)控制器控制原理 .2222第第

6、4 4 章章控制軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)控制軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .24244.14.1直線插補(bǔ)程序直線插補(bǔ)程序 .24244.24.2圓弧插補(bǔ)程序圓弧插補(bǔ)程序 .2727參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn) .30304第 1 章設(shè)計(jì)概述1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)，該工作臺(tái)可安裝在數(shù)控銑床上，用于銑削加工。設(shè)計(jì)參數(shù)如下:承載加工材料： 碳鋼最大銑削直徑： 400mm臺(tái)面加工范圍： X=800mm Y=400mm最大移動(dòng)速度： 4m/min1.2 總體方案擬定數(shù)控 XY 工作臺(tái)的總體方案設(shè)計(jì)應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：1工作臺(tái)應(yīng)具有沿縱向和橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)、暫停等功能，因此數(shù)控控制系統(tǒng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。2在保證一定加工

7、性能的前提下，結(jié)構(gòu)應(yīng)簡(jiǎn)單，以求降低成本。因此進(jìn)給伺服統(tǒng)采用伺服電機(jī)開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。3縱向和橫向進(jìn)給是兩套獨(dú)立的傳動(dòng)鏈，它們各自由各的伺服電動(dòng)機(jī)、聯(lián)軸器、絲杠螺母副組成。4為了保證進(jìn)給伺服系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性，選用摩擦小、傳動(dòng)效率高的滾珠絲杠螺母副，并應(yīng)有預(yù)緊裝置，以提高傳動(dòng)剛度和消除間隙。5為了保證精度，選用劃動(dòng)直線導(dǎo)軌。1.3 實(shí)施方案成型為了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)中給出的相關(guān)要求,從整體設(shè)計(jì)方案出發(fā),制定了一下實(shí)施方案,如圖1-1。5圖 1-1 實(shí)施方案6第 2 章機(jī)械部分設(shè)計(jì)2.1脈沖當(dāng)量的選定根據(jù)已知條件：X、Y 方向的脈沖當(dāng)量 x 、y 分別為x =y = 0.01mm2.2步進(jìn)電機(jī)的選用即脈

8、沖當(dāng)量較小，因此這里選用反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。其特點(diǎn)是：步距角小，運(yùn)行頻率高，價(jià)格較低，但功耗較大。BF 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表 2-1。表 2-1 BF 反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)技術(shù)參數(shù)電機(jī)型號(hào)相數(shù)步距角最大靜轉(zhuǎn)矩最高空載啟動(dòng)頻率運(yùn)行頻率轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分配方式90BF00140.93.92Nm2000Hz8000Hz5217.64 10.kg m四相八拍2.2.1步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率計(jì)算典型工況下，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖頻率 f x 和 fy 分別為：33max310105000/8000/6060 0.01xxxxvfp sfp s33max310105000/8000/6060 0.01yyyyvfp

9、 sfp s2.2.290BF001 啟動(dòng)矩頻特性7圖 2-1 90BF001 啟動(dòng)矩頻特性2.2.390BF001 運(yùn)行矩頻特性圖 2-2 運(yùn)行矩頻特性2.3計(jì)算銑削力2.3.1切削力的計(jì)算選用高速鋼直柄立銑刀，其銑削力公式為： ZdaaaCFtpfeFZ 86. 072. 086. 081. 9查表得68.2，20mm，8mm，0.09mm ，5mm , =5FCtdeafapaZ8代入公式可知 0.860.721.86zF9.81 68.2 80.095 2051345N 2.3.2進(jìn)給工作臺(tái)工作載荷的計(jì)算進(jìn)給工作載荷沿銑床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向可分解為三個(gè)力:工作臺(tái)縱向進(jìn)給方向載荷，工LF作臺(tái)

10、垂直進(jìn)給方向載荷，工作臺(tái)橫向進(jìn)給方向載荷。VFCF工作臺(tái)載荷與銑削力的經(jīng)驗(yàn)比算見(jiàn)表 2-2 表 2-2 工作臺(tái)載荷與銑削力的經(jīng)驗(yàn)比算不對(duì)稱銑削銑削條件比值逆銑順銑/LFZF1.000/VFZF0.200.300.750.80圓柱銑、立銑盤(pán)銑、成型銑/CFZF0.350.400.350.40取最不利影響參數(shù)：/=0.9，/=0.8，/=0.4LFZFVFZFCFZF所以可算得= 1211 N，=1076 N，=538 NLFVFCF2.4滾珠絲杠副的選用2.4.1絲杠壽命的估算令兩方向絲杠的工況均為：每天開(kāi)機(jī)8小時(shí)；每年300 個(gè)工作日；工作10 年以上。絲杠材料：CrWMn

11、 鋼；滾道硬度為 5862HRC；絲杠傳動(dòng)精度為 0.04mm絲杠壽命 :8 300 1024000hLh 初定絲杠的導(dǎo)程為 P=5 其平均轉(zhuǎn)速為工作臺(tái)最大移動(dòng)速度一半時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速故平均轉(zhuǎn)速 10001.5 1000300 /min5vnrp92.4.2計(jì)算絲杠工作載荷計(jì)算載荷FC 求解,其中取 的較大值為F m, 故F m, =1211 NCFLFF C =K F K H K A F m = 1.11.01.0=1332 N查表2-3；2-4；2-5 得 K F =1.1; K H =1.0; K A =1.0 查表2-5 取C 級(jí)精度。表2-3 載荷系數(shù)載荷性質(zhì)無(wú)沖擊平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn)一般運(yùn)轉(zhuǎn)有沖

12、擊和振動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)K F1.52.5表2-4 硬度系數(shù)滾道實(shí)際硬度5855504540K H1.01.111.562.43.85表2-5 精度系數(shù)精度等級(jí)C,DE,FGHK A1.032.4.3額定動(dòng)載荷計(jì)算計(jì)算3344300 24000124794211.67 101.67 10hacnLCFNN2.4.4滾珠絲杠副初選假設(shè)選用C1 型號(hào)，按滾珠絲杠副的額定動(dòng)載荷Ca 等于或稍大于Ca 的原則，選初定選用漢江機(jī)床生產(chǎn)的 2005-3 C a=10493 N其參數(shù)見(jiàn)表2-610表2-6 產(chǎn)品參數(shù)中徑220dmm導(dǎo)程5p 螺旋角4 .33滾柱直徑3.175dmm

13、滾道半徑 0.520.52 3.1751.651Rdmm偏心距 23.1750.707()0.707 (1.651)4.489 1022deRmm絲桿內(nèi)徑122216.79ddeRmm2.52.5工作臺(tái)尺寸確定工作臺(tái)尺寸確定工作臺(tái)的行程為 X250mm，Y180mm。工作臺(tái)尺寸一般為工作臺(tái)行程的 1.1 倍。所以：X2501.1275mm, Y1801.1198mm。圓整，取 X270mm,Y190mm。其厚度初定為30mm選擇工作臺(tái)的型槽為 T 型槽，查表可得所選 T 型槽的參數(shù)：A20mm, B40mm,C20mm,H40mm,間距取 100mm圖 2-3 T 形槽取工作臺(tái)厚度為 T 型槽

14、厚度的 2.5 倍，即 24080mm。工作臺(tái)質(zhì)量：0即縱向絲杠所承受的質(zhì)量。因工作臺(tái)有 T 型槽，故取 0500kg。(減去 7 個(gè) t 型槽的重量得到的大概數(shù)值)橫向絲杠所要承受的質(zhì)量 為工作臺(tái)質(zhì)量加上拖板質(zhì)量，一般以工作臺(tái)質(zhì)量的 3.5 倍計(jì)。即 1750kg。112.6滾珠絲杠長(zhǎng)度確定根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式 llLl行程余量其中 L 由 2005-3 絲杠副中取 L=97mm. 故 =250+97+50=397mm 圓整 =400mmxlxl =180+97+50=327mm 圓整 =330mmylyl2.7絲杠傳動(dòng)效率計(jì)算滾珠絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 )(tgtg式中：為絲杠螺旋升角，為摩擦角，

15、滾珠絲杠副的滾動(dòng)摩擦系數(shù)0.0030.004,f其摩擦角約等于。01 所以， 94. 0)01552(552)(tgtgtgtg2.8絲杠穩(wěn)定性驗(yàn)算由于一端軸向固定的長(zhǎng)絲杠在工作時(shí)可能會(huì)發(fā)生失穩(wěn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)驗(yàn)算其安全系數(shù)S，其值應(yīng)大于絲杠副傳動(dòng)結(jié)構(gòu)允許安全系數(shù)S, S 是許用穩(wěn)定性安全系數(shù)一般取 2.54絲杠不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)的最大載荷稱為臨界載荷 Fcr （N）按下式計(jì)算：2()AcrEIFl式中，E 為絲杠材料的彈性模量，對(duì)于鋼，E=206GPa；l 為絲杠工作長(zhǎng)度（m） ；Ia 為絲杠危險(xiǎn)截面的軸慣性矩（m4） ； 為長(zhǎng)度系數(shù).絲杠初定支承方式如圖 2-4。12圖 2-4 絲杠初定支承方式

16、故 (一端固定.另一端鉸支)0.7X 軸受到的臨界力: 995223.14206 103 100.25 10()(0.7 0.40)AxcrEIFNl Y 軸受到的臨界力: 995223.14206 103 100.36 10()(0.7 0.33)AycrEIFNl 安全系數(shù): 50.25 10211211xcrxmFsF s 50.36 10301211ycrymFsF s臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù) s,如果大于許用穩(wěn)定性安全系數(shù)s ,剛該滾珠絲杠不會(huì)失穩(wěn). 一般取,考慮絲杠自重對(duì)水平滾珠絲杠的影響可取 2.54s 4s 2.9絲杠剛度驗(yàn)算滾珠絲杠在工作負(fù)載 F（N）和轉(zhuǎn)

17、矩T(N m)共同作用下引起每個(gè)導(dǎo)程的變形量p22cpFp TpEAGJ 式中，A 為絲杠截面積 ，為絲杠的極慣性矩 1221A=()4dmcJ44c1J =()32dmG 為絲杠切變模量，對(duì)鋼G = 83.3GPa；T(N m)為轉(zhuǎn)矩。2tan()2mDTF式中， 為摩擦角，其正切函數(shù)值為摩擦系數(shù)； 為平均工作負(fù)載mF由所選用選杠有 4 331013320121110tan(4 33 10)0.99 .2TN m按最不利的情況?。ㄆ渲蠪 = Fm ）22224114162cpFp TpFp TpEAGJEdGd 33 2922944 5 10112116 (5 10 )0.993.14 20

18、6 100.016793.1483.3 100.01679 812.907 10 m則絲杠在工作長(zhǎng)度上的彈性變形所引起的導(dǎo)程誤差為:取進(jìn)行校驗(yàn).xll 2312.907 100.4010.325 10pllmmp 通常要求絲杠的導(dǎo)程誤差l 應(yīng)小于其傳動(dòng)精度的 1/2， 滿足傳動(dòng)精度要求110.040.022022lmmmll 2.10計(jì)算減速器傳動(dòng)比減速器傳動(dòng)比：由所選電機(jī)型號(hào)和絲杠副參數(shù)可求得傳動(dòng)比如下:0.9 413603600.01bppi2.11齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)傳遞的功率很高，在要求不高時(shí)，以后各步的計(jì)算可省略。并采用經(jīng)驗(yàn)法來(lái)設(shè)計(jì)各元部件。2.11.1選擇材料及確定許用應(yīng)力齒輪材料選擇

19、 45 鋼（表面淬火） ，硬度為 45HRC14齒輪的接觸疲勞強(qiáng)度極限 lim1 H =1130MP a （淬火處理）表 2-7 安全系數(shù)SH 和S F安全系數(shù)軟齒面硬齒面其他重要齒輪SH1.01.3S F取安全系數(shù)1.1HSlim11301027.271.1HHHMPaMPaS齒輪的彎曲疲勞強(qiáng)度極限 lim240FMPa取1.3FS lim240184.621.3FFFMPaS2.11.2 齒結(jié)構(gòu)參數(shù)確定為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)選 , 模數(shù) m 取 1.5, 則1220zz121230DDmzmzmm齒寬 20Bmm2.12 傳動(dòng)系統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算傳動(dòng)系

20、統(tǒng)是轉(zhuǎn)動(dòng)慣量是一種慣性負(fù)載,在電機(jī)選用時(shí)必須加以考慮。由于傳動(dòng)系統(tǒng)的各傳動(dòng)部件并不都與電機(jī)軸同軸線，還存在各傳動(dòng)部件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量向電機(jī)軸折算問(wèn)題。最后，要計(jì)算整個(gè)傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，即傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量。本設(shè)計(jì)需要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子,聯(lián)軸節(jié),絲杠,工作臺(tái)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算。兩齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量:43432120.78100.78 32 100.126.JJD Bkg cm 15滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的折算:43220.78 240 100.4992.sSJJkg cmi工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量折算到絲杠上:2220.5()()2GpJMkg cm由電機(jī)參數(shù)可知:52217.64 10.1.

21、764.Jkg mkg cm轉(zhuǎn)子傳動(dòng)系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算:2120.126 20.49920.331.0812SGJJJJJJkg cm 轉(zhuǎn)子慣量匹配驗(yàn)算: 滿足 的要求,慣量匹配合理.1.08120.611.764JJ轉(zhuǎn)子114JJ轉(zhuǎn)子2.13步進(jìn)電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力校驗(yàn)電機(jī)加速力矩: 參考類似設(shè)計(jì)取 t=0.04s2max210 (.)60KAnMJJN cmt電機(jī)最大轉(zhuǎn)速:maxmax3000 0.9/min750 /min3600.01 360bpvnrr故 227501.08121021.08 .0.2108 .60 0.04kaMN cmN m參考指導(dǎo)表 2-8 如下:表 2-8 電機(jī)參

22、數(shù)相數(shù)三相四相五相六相步進(jìn)電機(jī)拍數(shù)3648510612max/kajMM0.50.86607070.7070.8090.9510.8660.866由表可求得電機(jī)空載啟動(dòng)時(shí) max0.21080.298 .0.707jMN m所選電機(jī) 90BF001 最大靜轉(zhuǎn)矩 3.92N.m 遠(yuǎn)大于所需的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩.因此選擇的步進(jìn)電機(jī)的功能16不能充分發(fā)揮,為提高經(jīng)濟(jì)效益可考慮重選。2.14導(dǎo)軌的選型及計(jì)算導(dǎo)軌為直線滾動(dòng)矩形導(dǎo)軌，本設(shè)計(jì)中共用 4 條導(dǎo)軌，每條導(dǎo)軌用 2 個(gè)滑塊.考慮到切削工件時(shí)工作臺(tái)受力不均產(chǎn)生起顛覆力矩初步確定選用燕尾形直線滾動(dòng)導(dǎo)軌.滾動(dòng)導(dǎo)軌副的距離額定壽命可用下列公式計(jì)算：滾動(dòng)體為球時(shí) 一

23、般滾子導(dǎo)軌的距離壽命定為 100km.350WCTHaffffFCL為硬度系數(shù)導(dǎo)軌面的硬度為 5864HRC 時(shí)，1.0；為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度HfHfTf不超過(guò) 1000C 時(shí)，1；為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝二個(gè)滑塊時(shí)0.81；為載TfCfCfWf荷/速度系數(shù)，無(wú)沖擊振動(dòng)或時(shí)，1-1.5 取=1.5。min/60mv WfWf求aC,其中 F 為絲杠工作臺(tái)的重力:F=Mg=52.5*9.8N=514N310100()100waHTCfFCf f f=1.5 1.0 1 0.81WfHfTfCf計(jì)算得: 根據(jù)查設(shè)計(jì)手冊(cè)，選擇型號(hào)的燕尾形導(dǎo)軌副。951.8aCNaC20S VGDAT W 17第

24、 3 章控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)機(jī)電一體化控制系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大組成。在機(jī)床行業(yè)，控制系統(tǒng)的控制對(duì)象主要包括各種機(jī)床。在使用中各種控制對(duì)象各不相同，但其控制系統(tǒng)硬件組成的基本原理是一致的?？刂葡到y(tǒng)的硬件基本組成見(jiàn)圖 3-1圖 3-1 控制系統(tǒng)的硬件基本組成如果是開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，則沒(méi)有反饋電路，不帶檢測(cè)裝置。硬件設(shè)計(jì)主要包括微楊控帛系統(tǒng)的擴(kuò)展、接口及控制電路。3.1接口設(shè)計(jì)因?yàn)楸鞠到y(tǒng)傳輸距離較短，數(shù)據(jù)傳輸率高，所以采用并行通訊方式。8255A 是 Intel180 系列微處理機(jī)的配套并行接口芯片，它可以為 8086/8088 與外設(shè)之間提供并行輸入/輸出的通道，由于它是可編程的，可以通過(guò)軟件來(lái)設(shè)

25、置芯片的工作方式，所以，用 8255A 連接外設(shè)時(shí)，通常不用附加外部電路。本設(shè)計(jì)中采用的可編程并行接口 8255A 可為微處理器提供三個(gè)獨(dú)立的并行輸入/輸出端口，利用輸出端口與運(yùn)算放大器相連，可控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)及速度。利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器又可將工作臺(tái)的位置及速度參數(shù)變換成數(shù)字量，通過(guò)并行輸入端口送回微機(jī)系統(tǒng)中，從爾構(gòu)成半閉環(huán)系統(tǒng)。8255A 中端口 A 工作在方式 0，完成輸出功能，用來(lái)向 x,y 向步進(jìn)電機(jī)輸出 8 位脈沖信號(hào)。端口 B 工作在方式 1，完成輸入功能，用來(lái)接受由模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入的 8 位脈沖信號(hào)。端18口 C 作控制用，PC7 用作模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC0809 的啟動(dòng)信號(hào)，PC2 用

26、作輸入的 STB 信號(hào)，PC0 用作中斷請(qǐng)求信號(hào)，INTR，通過(guò)中斷控制器 8259A 可向 CPU 發(fā)中斷請(qǐng)求，這些都要由初始化程序來(lái)定義。由 8255A 端口 A 輸出的 8 位數(shù)字信息，經(jīng)運(yùn)算放大器放大后便將模擬電流放大并轉(zhuǎn)換為模擬電壓，經(jīng)過(guò)調(diào)整可達(dá)到，當(dāng) CPU 輸出的數(shù)字量從 00H-FFH 時(shí)，運(yùn)算放大器輸出04.98V 的模擬電壓，該電壓經(jīng)傳感器可調(diào)節(jié)控制不進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與速度。通過(guò) 8255A 并行接口和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器電路連接，這樣就可以用計(jì)算機(jī)的軟件取代常規(guī)大的環(huán)形分配器。PA0-PA7 的八個(gè)端口后接步進(jìn)電機(jī)的各項(xiàng)繞組，光電隔離器 TIL117 是用作電平轉(zhuǎn)換并防止電機(jī)電路

27、對(duì)微處理器的干擾，驅(qū)動(dòng)電路由復(fù)合功率放大，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的三個(gè)繞組 A 相，B 相，C 相,D 相。 3.1.1人機(jī)接口A、采用鍵盤(pán)或BCD 碼盤(pán)作為輸入。B、采用LED 作為電源等指示標(biāo)志。C、采用蜂鳴器或揚(yáng)聲器作為警報(bào)裝置。D、采用數(shù)碼管作為顯示器。3.1.2機(jī)電接口采用光電偶合器作為微型機(jī)與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的接口，實(shí)現(xiàn)電氣隔離。3.2伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.2.1控制部分方案選擇控制方案不外乎三種：開(kāi)環(huán)控制、半閉環(huán)控制、閉環(huán)控制。若在“機(jī)械傳動(dòng)”機(jī)構(gòu)中引出反饋給控制部分，再經(jīng)過(guò)比較放大的則為“半閉環(huán)控制”。如若是在“機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)中引出反饋則為閉環(huán)控制。采用步進(jìn)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)，一般情況下多采用開(kāi)環(huán)

28、控制。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與控制器提供的脈沖數(shù)有著正比關(guān)系，電機(jī)轉(zhuǎn)速與控制器提供的脈沖頻率成正比。因此通常在精確度要求不是很高時(shí)，采用步進(jìn)電機(jī)是合理的。19當(dāng)然，由于步進(jìn)電機(jī)具有高頻易失步，負(fù)載能力不強(qiáng)的缺點(diǎn)。本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)精度要求不高，載荷不大，因此采用開(kāi)環(huán)控制，見(jiàn)圖 3-2、圖 3-3。圖 3-2 開(kāi)環(huán)控制流程圖圖 3-3 開(kāi)環(huán)控制原理圖3.2.2系統(tǒng)擴(kuò)展系統(tǒng)中采用鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)輸入，并采用LED顯示器，它們均需要占用占用較多芯片口線，所以該系統(tǒng)是需要進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)展的?？删幊滩⑿薪涌?255A 是一種應(yīng)用廣泛的并行接口擴(kuò)展器件。它具有三個(gè)8位并行口PA、PB、PC 由此提供了24條口線，見(jiàn)圖3-

29、4。20圖3-4 擴(kuò)展連線3.3步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.3.1步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)主要涉及脈沖分配器的選擇問(wèn)題和驅(qū)動(dòng)電路的選則問(wèn)題。時(shí)下脈沖分配器主要有兩種：一種是硬件脈沖分配器（國(guó)內(nèi)主要有YB 系列） ，另一種是軟件脈沖分配器。軟件脈沖分配器不需要額外的電路，相應(yīng)的降低了系統(tǒng)的成本，雖然這種方法占用了一定的計(jì)算機(jī)運(yùn)行時(shí)間，但是在該設(shè)備中計(jì)算機(jī)有足夠的資源來(lái)?yè)?dān)當(dāng)脈沖分配任務(wù)。該系統(tǒng)采用軟件來(lái)進(jìn)行脈沖分配更為合理。單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口電路見(jiàn)圖3-5。圖3-5 單片機(jī)與步進(jìn)電機(jī)的接口電路步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用斬波限流驅(qū)動(dòng)方式，這種電路采用單一高壓電源供電，以加快電流的上升速度，并通過(guò)對(duì)繞組電流

30、的檢測(cè)，控制功放管的開(kāi)和關(guān)，使電流在控制脈沖持續(xù)21期間始終保持在規(guī)定值上下，這種電路出力大，功耗小，效率高，目前應(yīng)用較廣。3.3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)電機(jī)總的運(yùn)行步數(shù)放在 R4，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位 F1（D5）中，當(dāng) F1 為 0 時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為 1 時(shí)則反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時(shí) P1 端口的輸出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05H 存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元 20H27H 中，28H 中存放結(jié)束標(biāo)志 00H，在 29H2EH 的存儲(chǔ)單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時(shí) P1 端口的輸出控制字 01H,05H,04H,06H,02H,03H,在 2DH 單元內(nèi)存放結(jié)束標(biāo)志 00H，見(jiàn)表 3-1。表

31、 3-1 電機(jī)的控制電路原理及控制字節(jié)拍控制字正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)通電相二進(jìn)制十六進(jìn)制18A0000000101H27AB0000001103H36B0000001002H45BC0000011006H54C0000010004H63CD0000010105H72D0000011006H81DA0000011107H3.3.3電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序PUSH A； 保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)MOV R4, #N； 設(shè)步長(zhǎng)計(jì)數(shù)器CLR C；ORL C, D5H； 轉(zhuǎn)向標(biāo)志為 1 轉(zhuǎn)移JC ROTE；MOV R0, #20； 正轉(zhuǎn)控制字首址指針AJMP LOOP；ROTE: MOV R0, #27H； 反轉(zhuǎn)控制字首地址LOOP

32、: MOV A, R0；22MOV P1, A ； 輸出控制字ACALL DELAY； 延時(shí)INC R0； 指針加 1MOV A, #00H；ORL A, R0；JZ TRL；LOOP1: DJNZ R4, LOOP； 步數(shù)步為 0 轉(zhuǎn)移POP A； 恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)RET； 返回TPL: MOV A, R0；CLR A；SUBB A, #06H；MOV R0, A； 恢復(fù)控制字首指針AJMP LOOP1；DELAY: MOV R2, #M；DELAY1: MOV A, #M1；LOOP: DEC A；JNZ LOOP；DJNZ R2, DELAY1；RET；3.4運(yùn)動(dòng)控制器控制原理運(yùn)動(dòng)控制器由基卡和

33、接口卡組成，如圖 3-6 所示。圖 3-6 控制器原理框單卡可以同時(shí)控制 1-4 軸伺服電機(jī)的運(yùn)動(dòng)?；闪?PC 機(jī)與 DSP 通信電路，DSP 輔助電路，存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，CPLD 譯碼、中斷、正交編碼處理電路，控制電壓轉(zhuǎn)換電路等。接口卡通過(guò) 62 針接頭與基卡相連。伺服使能、報(bào)警清除等輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)光電隔離后通過(guò) 25 針接頭對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制或者連到 I/O 端子排進(jìn)行輸出；伺服電機(jī)編碼器反饋信號(hào)經(jīng)過(guò)差分處理和光電隔離后輸入基卡，伺服使能、伺服報(bào)警信號(hào)，回零信號(hào)、限位信號(hào)和通用 I/O 信號(hào)等也23通過(guò)光隔進(jìn)行輸入輸出。運(yùn)行過(guò)程中，PC 機(jī)把粗插補(bǔ)的數(shù)據(jù)通過(guò) PC 機(jī)與 DSP 通訊電路傳遞

34、給 DSP 進(jìn)行時(shí)間分割精插補(bǔ)。在每一個(gè)伺服周期中，CPLD 器件 EPM7128 和 DSP 各處理兩路反饋的正交編碼信號(hào)進(jìn)以獲取實(shí)時(shí)位置和速度，DSP 進(jìn)行參數(shù)曲線的自適應(yīng)插補(bǔ)計(jì)算出理論插補(bǔ)位置，并與實(shí)際位置進(jìn)行比較獲取偏差值，以此作為輸入基于速度和加速度前饋進(jìn)行 PID 調(diào)節(jié)，計(jì)算獲得速度控制量，產(chǎn)生的輸出信號(hào)經(jīng) DAC7625 進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換及放大電路放大后將模擬電壓量送伺服驅(qū)動(dòng)器以控制電機(jī)。外部的伺服報(bào)警信號(hào)、通用輸入信號(hào)、回零信號(hào)、限位輸入信號(hào)在 CPLD中進(jìn)行邏輯運(yùn)算后輸入 DSP 的 XINT1，只要有一個(gè)信號(hào)輸入就引起中斷，由中斷處理程序進(jìn)一步判斷后做出相應(yīng)處理。與單片機(jī)、PL

35、C 相比，采用運(yùn)動(dòng)控制卡有以下優(yōu)勢(shì)：1友好界面：PC 平臺(tái)控制系統(tǒng)受到機(jī)器操作員的普遍歡迎。與單片機(jī)和 PLC 方案的界面相比，PC 機(jī)（顯示器、鍵盤(pán)、鼠標(biāo)、通訊端口、硬盤(pán)、軟驅(qū)等）具有無(wú)可比擬的輸入輸出能力。2強(qiáng)大功能：由于 PC 機(jī)的強(qiáng)大功能以及雷賽控制卡的先進(jìn)技術(shù)，基于 PC 機(jī)的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)單片機(jī)系統(tǒng)和 PLC 系統(tǒng)所無(wú)法應(yīng)付的無(wú)數(shù)高級(jí)功能。3開(kāi)發(fā)便利：用戶可使用 VB、VC、C+Buider 等高級(jí)編程語(yǔ)言，快速開(kāi)發(fā)人機(jī)界面、調(diào)用成熟可靠的運(yùn)動(dòng)函數(shù)，在幾天或幾周時(shí)間內(nèi)完成強(qiáng)大控制軟件的開(kāi)發(fā)。修改和添加功能十分便利，而且開(kāi)發(fā)好的軟件極易移植到類似的機(jī)器中。4成本優(yōu)勢(shì)：由于 PC

36、 機(jī)成本持續(xù)下跌且雷賽控制卡具有很高的性價(jià)比，使得由此構(gòu)成的基于 PC 機(jī)和雷賽卡的控制系統(tǒng)在大多數(shù)運(yùn)動(dòng)控制場(chǎng)合中具有良好的綜合成本優(yōu)勢(shì)。 24第 4 章控制軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一般機(jī)電控制系統(tǒng)中常用的軟件結(jié)構(gòu)有：子程序結(jié)構(gòu)、主程序加中斷程序結(jié)構(gòu)及中斷程序結(jié)構(gòu)。本設(shè)計(jì)中由銑床的工作原理要進(jìn)行直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)和圓弧插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)。4.1直線插補(bǔ)程序在機(jī)電設(shè)備中，執(zhí)行部件如要實(shí)現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運(yùn)動(dòng)，必須通過(guò)兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的合成來(lái)完成。在數(shù)控機(jī)床中，這是由 X、Y 兩個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)，按照插補(bǔ)控制原理實(shí)現(xiàn)的，見(jiàn)圖 4-1。圖 4-1 第一象限直線插補(bǔ)計(jì)算子程序框圖直線插補(bǔ)程序第一象限直線插補(bǔ)： LP： ,定義堆棧指針 ,偏差單元清零 , ,初始化電動(dòng)機(jī) , ,計(jì)算終點(diǎn)判別，Xe+Ye 之低位 , , ,Xe+Ye 之高位25 , 低位相加，可能產(chǎn)生進(jìn)位 , ,電動(dòng)機(jī)上電 , ,2： 延時(shí)子程序 , 取偏差的高位 , 偏差 0，去 ，調(diào)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)子程序 計(jì)算新偏差值，e , , 可向高位字節(jié)借位 , , , ,3： 終判值減 , , 可向高位字節(jié)借位 , , , 考慮低位字節(jié)借位 , 終判值判零 , 終判值不為零，去，否則插補(bǔ)結(jié)束 4： 調(diào)電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)子程序 ,計(jì)算新偏差值，e , , , , ， 3： ， 取 X 電動(dòng)機(jī)當(dāng)前狀態(tài)字