數(shù)控車(chē)床XY軸工作臺(tái)和自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目錄第一章 前言3 第二章課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求 4第一節(jié)課程設(shè)計(jì)的目的、意義4第二節(jié)課程設(shè)計(jì)的要求4 -第三章課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容5-第一節(jié)課程設(shè)計(jì)題目5 -第二節(jié)課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容5-第四章數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 6第五章機(jī)械部分設(shè)計(jì)8第一節(jié)確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量8-第二節(jié)工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算 8-第三節(jié)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇9第四節(jié)滾珠絲杠計(jì)算、選擇10第五節(jié)齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)13第六節(jié)步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算14第七節(jié)步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇15第六章機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)18第一節(jié)設(shè)計(jì)內(nèi)容18第二節(jié)設(shè)計(jì)步驟18第三節(jié)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)23第七章系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì)2427第八章 致謝第九章 參考

2、文獻(xiàn)第一章 前言現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動(dòng)了不同學(xué)科的交叉與滲透。在機(jī)械工程領(lǐng)域， 由于微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機(jī)械工程工業(yè)的滲透，從而使機(jī)械工業(yè)的 技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大的變化，工業(yè)生產(chǎn)已由“機(jī) 械電氣化”邁出了“機(jī)電一體化”時(shí)代的發(fā)展階段。機(jī)電一體化是指從系統(tǒng)的觀點(diǎn)出發(fā)，綜合運(yùn)用機(jī)械技術(shù)、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)、傳感測(cè)控技術(shù)、電力電子技術(shù)、信息變換技術(shù)以及軟件編程技術(shù) 等群體技術(shù)，根據(jù)系統(tǒng)功能目標(biāo)和優(yōu)化組織目標(biāo)，合理配置與布局各功能單元，在多功能、 高質(zhì)量、高可靠性、低能耗的意義上實(shí)現(xiàn)特定功能的價(jià)值，并使整個(gè)

3、系統(tǒng)最優(yōu)化的系統(tǒng)工 程技術(shù)。由此而產(chǎn)生的功能系統(tǒng)則成為一個(gè)機(jī)電一體化系統(tǒng)或機(jī)電一體化產(chǎn)品。一個(gè)較完整的機(jī)電一體化系統(tǒng)應(yīng)該包括以下幾個(gè)要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、 執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試部分、控制及信息處理部分。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息 處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜 合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的數(shù)控系統(tǒng)這類(lèi)典型的機(jī)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)展第二章 課程設(shè)計(jì)的目的、意義及要求第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)的目的 , 意義 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一，是綜 合運(yùn)用所

4、學(xué)過(guò)的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。主要目的是：1. 能夠正確運(yùn)用機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)課程的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電 一體化系統(tǒng) （產(chǎn)品）的功能構(gòu)成、 特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、 設(shè)計(jì)方法，了解設(shè)計(jì)方案的擬定、 比較、 分析和計(jì)算， 培養(yǎng)學(xué)生分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力， 使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步 能力；2. 學(xué)習(xí)機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的擬定、分析與比較的方法。3. 通過(guò)機(jī)械部分設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、 選型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟；4.通過(guò)對(duì)進(jìn)給伺服系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電動(dòng)機(jī)的工作原理、計(jì)算選擇方法 與控制驅(qū)動(dòng)方式；5.通過(guò)測(cè)試及控制系統(tǒng)

5、方案設(shè)計(jì)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；6.通過(guò)課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)及編寫(xiě)技術(shù)說(shuō)明書(shū)的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專(zhuān)業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的要求 ：1. 課程設(shè)計(jì)應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成，嚴(yán)格地要求自己，不允許相互抄襲；2. 認(rèn)真閱讀課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書(shū) ，明確題目及具體要求；3. 認(rèn) 真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料、手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)；4. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設(shè)計(jì)方案；5. 機(jī)械部分和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)思路清晰，計(jì)算結(jié)果正確，選型合理；6. 微機(jī)控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；7. 課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份，包

6、括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，參考文獻(xiàn)等。設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)應(yīng)敘述清楚、表達(dá)正確、內(nèi)容完整、技術(shù)術(shù) 語(yǔ)符合標(biāo)準(zhǔn)第三章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)題目 ：兩維數(shù)控平臺(tái)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 。已知條件：脈沖當(dāng)量：土 0.01mm滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h(中等沖擊)，工作臺(tái)的有效行程為L(zhǎng)X=300mm,Ly=200快速進(jìn)給速度Vxmax=800mm/minVymax=800mm/和n工作載荷2000N第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容1. 數(shù)控裝置總體方案的確定(1) . 數(shù)控裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定；(2) . 方案的分析，比較，論證。2. 機(jī)械部分的設(shè)計(jì)(1) . 確定

7、脈沖當(dāng)量；(2) . 機(jī)械部件的總體尺寸及重量的初步估算；(3) . 傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算和選用；(4) . 確定伺服電機(jī)；(5) . 繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖；(6) . 系統(tǒng)等效慣量計(jì)算；(7) . 系統(tǒng)精度分析。3. 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(1) . 微機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì)；(2) .I/O 接口電路及伺服控制電路的設(shè)計(jì)和選用；(3) . 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)4. 編寫(xiě)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)說(shuō)明書(shū)是課程設(shè)計(jì)的總結(jié)性技術(shù)文件，應(yīng)敘述整個(gè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容，包括總體方案的確定， 系統(tǒng)框圖的分析，機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算，電氣部分的設(shè)計(jì)說(shuō)明，選用元器件參數(shù)的說(shuō)明，軟 件設(shè)計(jì)及其說(shuō)明 , 盡量用計(jì)算機(jī)完成；

8、第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確 定，伺服電機(jī)類(lèi)型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論 證。1. 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。2. 伺服系統(tǒng)的選擇開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī) . 開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)由于沒(méi)有 檢測(cè)反饋部件，因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差。但開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)整維修容易，在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開(kāi)環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū) 動(dòng)。3. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的

9、選擇采用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度 高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性?xún)r(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤(pán)及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過(guò)鍵盤(pán)操作 實(shí)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。4. X 丫工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高 傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作 臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性?？紤]電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，

10、為達(dá)到分辨率的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。系統(tǒng)總體框圖如下 ：X向工作臺(tái)第五章機(jī)械部分設(shè)計(jì)機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī), 傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選擇，繪制機(jī)械部分裝配圖等。第一節(jié) 脈沖當(dāng)量的確定脈沖當(dāng)量：土 0.01mm第二節(jié)工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算根據(jù)給定的有效行程，畫(huà)出工作臺(tái)簡(jiǎn)圖，估算X向和丫向工作臺(tái)承載重量 W和Wo取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?410mm,丫向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?400mm設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如下：X向拖板（上拖板）尺寸為：長(zhǎng) * 寬 * 高=320*310*50重量:按重量=體積*材料比重估算為

11、：Wx 320 310 50 10 3 7.8 10 2386.88N丫向拖板（下拖板）尺寸為:長(zhǎng) * 寬 * 高=320*200*5032Wy 320 20050 107.8 10249.60 N上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為(900 480 82 800 35 50) 7.8 10 210 3487.97N夾具及工件重量：約155NX-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為：W 487.97 386.88 249.60 150 1280第三節(jié)滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇根據(jù)給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fsL C°/P，式中：Co為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷（Kn）;工作載荷P=0.5（

12、Fz+W）; fsL =1.03.0（ 一般運(yùn)行狀況），3.05.0 （運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌:CofSL PX ,YPX,Y0.5(FZWx,y)Px0.5(FzWX ) 0.5(2000386.88)1193.44NPy0.5(FzWY)0.5(2000249.60)1124.80NCOXf SLPX4773.76因系統(tǒng)受中等沖擊，因此取sL4.0CmfSLPY4499.20根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:選擇德國(guó)INA公司滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號(hào)為:KUE15基本參數(shù)如下裝配型號(hào)滑塊牌號(hào)質(zhì)量（kg）導(dǎo)軌牌號(hào)單位質(zhì)量（kg/m）導(dǎo)軌長(zhǎng)度插頭（附件）KUE15KUE15

13、0.17TKD151.51200KA08TN安裝尺寸/mmHAChHbGA1aC4A244754.5154.838.616156016a3H2片K2K3C2C3H6冷4.54.57M4-8301.54M4基本額定載荷滑座個(gè)數(shù)單向行程長(zhǎng)每分鐘往復(fù)度次數(shù)Ca/KNCoa/KNTo/KNM1 Sn6.59.27.340.64導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷Ca =6500N依據(jù)使用速度v (m/min)和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 Ca (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln :額定行程長(zhǎng)度壽命：f H fT fC CaF=FzM2000500Ts=K工作溫度小于100 C, fT 1 ； 中等沖擊，低速場(chǎng)合，fw 1.5;

14、每根導(dǎo)軌的滑塊數(shù)為2, fC 0.81 ;軌道硬度58, fH 1 ;RK50 ;d°Ts=K( fH fT fC 5 ) 3 =50(1 1 0.816500) 3 =17297.42Km#軌的額定工作時(shí)間壽命: fW F1.5500T Ts*1032l°nI H33Ts *10 =17297.42 102l0n2 0.6 4 6060060.48h15000h導(dǎo)軌的工作壽命足夠第四節(jié) 滾珠絲杠計(jì)算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMi!岡，HRO58,導(dǎo)程：I o=5mm(1) 強(qiáng)度計(jì)算絲杠軸向力：FmaxKFx,yf(Fz Wx,y)(N)其中：綜合導(dǎo)軌，K=1.15 ;滾動(dòng)

15、導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.0030005;在車(chē)床車(chē)削外圓時(shí)：Fx=(0.10.6)F z, Fy=(0.150.7)F z,可取 Fx=0.5Fz, Fy=0.6Fz計(jì)算。取 f=0.004, Fz 400 則：FX 0.5FZ 0.5 20001000NFy 0.6Fz 0.6 20001200N386.88)1159.55N249.60)1388.99NFXmax 1.15 10000.004(20008005L160r / min60 160命值：L 67，其中絲杠轉(zhuǎn)速n 丫嘰FYmax 1.15 12000.004(2000T=15000h最大動(dòng)載荷：Q 3 LfH

16、fWF式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時(shí)為1.21.5fH為硬度系數(shù)，HRO58時(shí)為1.0查表得中等沖擊時(shí)fW1.4, fH 1則:Qx 3 144 1.4 1 1159.55 8508.87Qy 3 144 1.4 1 1388.99 10192.51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(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠 的型號(hào)為：D系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：D2005-4。其基本參數(shù)如下：代號(hào)公稱(chēng)直徑導(dǎo)程滾珠直徑絲杠底徑絲杠外徑循環(huán)列數(shù)螺母安裝尺寸2505-4d°PhDWd2d1GD1DD42553.17521.224.24406653螺母安裝尺寸油杯額定載荷剛度GBh12M

17、CaCoaKc501165.810M 61192128759615其額定動(dòng)載荷為11921N>Qy足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式名稱(chēng)計(jì)算公式結(jié)果公稱(chēng)直徑d°20mm螺距t5 mm接觸角450鋼球直徑db3.175mm螺紋滾道法向半徑RR 0.52db1.651mm偏心距ee (R db 2)sin0.04489mm螺紋升角arctg td。4033'螺桿外徑ddd0 (0.2 0.25)db19.365mm螺桿內(nèi)徑d1d1 d0 2e 2R16.788mm螺桿接觸直徑d2d2 d0 db cos17.755mm螺母螺紋外徑DD d0

18、 2e 2R23.212mm螺母內(nèi)徑(外循環(huán))D1D1 d0(0.2 0.255)db20.7mm(2) 傳動(dòng)效率計(jì)算絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為：tgtg()式中：© =10',為摩擦角；丫為絲杠螺旋升角tgtg 4033'0tg () tg(4°33'10') U(3) 穩(wěn)定性驗(yàn)算絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算Fy 1388.99 Nl00.5cmE 20.6 106(N /CM 2)L1R21.6513.14(二)22.14CM1388.99 0.520.6 1062.1415.75 m 16 m4級(jí)精度在任意300mm內(nèi)軸向行程內(nèi)的

19、變動(dòng)允許量 16 m，而對(duì)于跨度為1497mn!勺滾珠絲杠，總的變形量只有15.75 m，可見(jiàn)絲杠剛度足夠第五節(jié) 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)因步進(jìn)電機(jī)步距角1.5o滾珠絲杠螺距t=5mm要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量 p 0.01 mm/step,在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)比：i 360 p，初選步進(jìn)電機(jī)步距角：a = 1.5?/step 。Ioi 沁 360 °.010彳8I。1.5 5i 2取小齒輪齒數(shù)乙 24則大齒輪齒數(shù)Z250(1 )主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1最快移動(dòng)速度為Vmax 800mm/min，可以算出主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1 (Vmax / )/360333r / min確定帶的設(shè)計(jì)功率Pd

20、。預(yù)選的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速為 333r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)的步進(jìn)脈沖頻率為max 333 360 /(60 1.5)1332 Hz查表得當(dāng)脈沖頻率為1332Hz時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩約為18Nm,對(duì)應(yīng)的輸出功率為Pout n T/9.55333 18/9.55 627.6W .同步帶傳遞的負(fù)載應(yīng)該小 于627.6W。今取P=0.42kw。查表得工作情況系數(shù)Ka 1.2,求得帶的設(shè)計(jì)功率PdKaP 1.2 0.32 0.504kw選擇帶型 根據(jù)帶的設(shè)計(jì)功率Pd0.504和主動(dòng)輪最高轉(zhuǎn)速n1 333r/min，選擇同步帶的型號(hào)為XHL型。分度圓直徑:d1 rnz-i1 24 24mmd2 mz2齒頂圓直徑

21、:da1(Z12)m(24 2) 126mmda2(Z22)m(502) 152mm齒根圓直徑d f1(Z12.5)m(24 2.5)121.5mmd f 2(Z12.5)m(50 2.5)147.5mm齒寬：bdd112424mm取b125 b230(2)因傳遞的扭距較小，取模數(shù)m=1mi則:1 50 50mm中心距：a 0.5(d1 d2)0.5(2450) 37mm分度圓壓力角：200大小齒輪均采用漸開(kāi)線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪 小齒輪采用兩片薄齒輪錯(cuò)齒排列以消除間隙雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下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(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖第六節(jié) 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)

22、載的計(jì)算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，有：(1)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：M()2Jq J。 Ji f )2J2 J3)Z2b180式中：Jq為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；Jo為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ji為齒輪1的轉(zhuǎn)動(dòng) 慣量；J2為齒輪2的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；J3為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；M為移動(dòng)部件的質(zhì)量。對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算：J 0.78 10 3 D4 L式中D為圓柱零件直徑，L為圓柱零件的長(zhǎng)度所以有:Ji0.7810 32.442.56.472 210 kg ?cmJ 20.78i035.043.02 2146.25 10 2kg?cm2Ji0.78i0

23、32.043037.4410 2 kg ? cm2電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有:224 220 0122Jd 6.47 10 2 ( )2(146.25 37.44) 10 2 200()2 250空 1.5180第七節(jié)步進(jìn)電機(jī)的選用(1 )常見(jiàn)步距角有 0.36?、0.45?、0.6?、0.72?、0.75?、0.9?、1.2?、1.5?、1.8?等。這 里取1.5?，方便計(jì)算。(2 )步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為T(mén)eq，其公式為：Teq(FfG)Ph2 i縱向進(jìn)給切削力Ff設(shè)工件材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，b 650Mpa ;選用刀具材料為硬質(zhì)合金鋼 YT15;刀具的幾

24、何參數(shù)為主偏角60?,前角10?,刃傾角-5?；切削用量為：背吃刀量為3mm進(jìn)給量為0.6mm/r, 切削速度為105m/mi n。查表得 Gfc 2795, X FC 1.0,Yfc 0.75, Dfc 0.15查表得主偏角的修正系數(shù)Kkpfc0.94;刃傾角，前角和刀尖圓弧半徑的修正系數(shù)值均為1.0 ;有經(jīng)驗(yàn)公式算得主切削力Fc 2673.4N ,由經(jīng)驗(yàn)公式Ff Fp 1:0.35:0.4,算得FP=1069.36N, Ff =1712;nmv maxb800 1.52 31i2.31n n (360)144(360 0.01)b步距角;脈沖當(dāng)量值;取 =0.3 (淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)

25、)，=0 .8。所以有:求得：Teq (Ff 昕 56.74N?CMq 2 i考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩:Teq0.3 0.5取系數(shù)為0 .4，則：°體1484N?CM對(duì)于工作方式為三相6拍的步進(jìn)電機(jī):Tj maxTq0.866163.78 N ?CM(3 )步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率f maxVmax6080060 0.011333為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最咼運(yùn)行頻率fmax,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大查表選擇兩個(gè)90BF003型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下型號(hào)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TjJmax(n.m)空載啟動(dòng)頻率

26、空載運(yùn)行頻率分配方式重量90BF00331.56051.961500150003相六拍4.5第六章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)第一節(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容1. 按照總統(tǒng)方案以及機(jī)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；2. 選擇計(jì)算機(jī)或中央處理單元的類(lèi)型；3. 根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路；4 .根據(jù)控制對(duì)象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)擴(kuò)展I/O接口電路，檢測(cè)電路，轉(zhuǎn)換電路以 及驅(qū)動(dòng)電路等；5. 選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號(hào)；6. 繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標(biāo)明各器件的型號(hào)，管腳號(hào)及參數(shù)；7 .說(shuō)明書(shū)中對(duì)電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說(shuō)明和方案

27、論證 。 第二節(jié) 設(shè)計(jì)步驟1. 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 CPU2總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。3存儲(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫(xiě)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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：2 .主控制器CPU的選擇MCS-51系列單片機(jī)是集中CPU, I/O端口及部分RAM等為一體的功能性很 強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開(kāi)發(fā)手段 齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計(jì)選用8 0 3 1芯片作為主 控芯片。3 . 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)( 1)程

28、序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用EPROM芯片。其型號(hào)有：2716， 2732， 2764， 27128， 27258，其容量分別為2 k,4k,8k,16k32k 。在選擇芯片時(shí)要 考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要 求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿(mǎn) 足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇 2764芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。單片機(jī)規(guī)定P 0 口提供8為位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時(shí)用作低位地 址和數(shù)據(jù)的通道口，

29、為了把地址信息分離出來(lái)保存，以便為外接存儲(chǔ)器提高低8位的地址 信息，一般采用7 4LS 3 7 3芯片作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出允許鎖存信號(hào)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2 7 6 4 EPROM芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖如下所示:擴(kuò)展2764電路框圖(2) 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足系統(tǒng)的要求。需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RA贓據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其擴(kuò)展電路如下所示：擴(kuò)展6264電路框圖(3) 譯碼電路在單片機(jī)應(yīng)用系

30、統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過(guò)總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一 編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜。可采用線 選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)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(jiǎn)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(méi)有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對(duì)于RAM和I/O容 量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)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(duì)高位地址線進(jìn)行

31、譯碼，譯碼器輸出的地 址選擇線用作片選線。(4) 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路。(5) I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(a).通用可編程接口芯片8 15 58 0 3 1單片機(jī)共有4個(gè)8位并行I/O接口，但供用戶(hù)使用的只有P1 口及部分P 3口線。因此要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。8155與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的 接口芯片。(b).鍵盤(pán)，顯示器接口電路鍵盤(pán)，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備， 可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀 態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)

32、都采用行列式鍵盤(pán)，即用I/O口線組成行，列結(jié)構(gòu)， 按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD。 下圖所示為采用8155接口管理的 鍵盤(pán)，顯示器電路。它有4X8鍵和6位LED顯示器組成。為了簡(jiǎn)化秒電路，鍵盤(pán)的列 線及LED顯示器的字位控制共用一個(gè)口， 即共用8155的PA口進(jìn)行控制，鍵盤(pán)的行線 由8 15 5C 口擔(dān)任，顯示器的字形控制由 8155的PB 口擔(dān)任。4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)（1 ）脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)， 其作用是將數(shù)控裝置送來(lái)的一系列指令脈沖按 一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使 用集成脈沖

33、分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB013。（2）光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。 如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)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(shí)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(yuǎn)不能滿(mǎn)足步進(jìn)電機(jī)的需要， ，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn) 生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電 機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。這里采用的功率放大電路如下圖所示：5其它輔助電路設(shè)計(jì)( 1 ) 8 0 3 1的時(shí)鐘電路單片機(jī)的

34、時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在 XTAL1,XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如下圖 所示。晶體可以在1 212之間任意選擇，耦合電容在53 0 pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào) 作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將 XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。8031XTAL1丄丄TXTAL2時(shí)鐘電路(2)復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10 ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0 0 0 0 H單元開(kāi)始執(zhí)行 程序。在實(shí)際運(yùn)用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與8 0 3 1復(fù)位要求一致時(shí)，可以直接相

35、連。當(dāng)晶振頻率選用6MH z時(shí)，復(fù)位電路中C取2 2 F,R取2 0 0, Rk取1000。實(shí)用復(fù)位電路圖如下所示：（3）越界報(bào)警電路為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開(kāi)關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開(kāi)關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8 0 3 1的I/O口P1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開(kāi)關(guān)被壓下的時(shí)候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電 平。8 0 3 1可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢(xún)的方法隨時(shí)檢查有無(wú)越界信號(hào)。也可接成從光敏三極 管的集電極輸出接至8 0 3 1的外部中斷引腳（INT0或INT1），采用中斷方式檢查越界信號(hào)。第三節(jié)機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)選用MC

36、S 51系列的8 0 3 1作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片2732EPRO和一片6264RAM程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為4K,數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K。2 7 3 2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(fù)位以后，CPU從OOOOH開(kāi)始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端CE由譯碼器（74LS138）的丫2輸出提供。所以 6264的空間地址為40005FFFH。系統(tǒng)的擴(kuò)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(hào)分別為 8000H及 8001H, 8002H,

37、 8003H 8155RAk區(qū)的地址為 8000H 80FFH8155的A 口為控制工作抬X，丫向電機(jī)的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步 進(jìn)電機(jī)接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤(pán)與顯示器設(shè)計(jì)在一起，8155的PC口擔(dān)任鍵盤(pán)的列線及顯示器的掃描控制；PB口的PB0-PB3為鍵盤(pán)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(gè)行 列式鍵盤(pán)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)。PB口剩余的I/O線PB4-PB7分別作為工作臺(tái)+X, +Y, -X，-Y四個(gè)方向的行程限位控制 信號(hào)。在軟件設(shè)計(jì)上8155的

38、PAD, PC 口設(shè)置為輸出，PB 口設(shè)置為輸入。計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回 檢測(cè)PB4-PB7的電平，當(dāng)某I/O線為0時(shí)，應(yīng)立即停止X, 丫向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警 信號(hào)。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(shè) 計(jì)。第七章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)（ 一 ）. 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(lái)實(shí)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(gè)部分：1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)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

39、加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部 I/O 設(shè)備輸入零件加工源程序 的任務(wù)。3、插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。4、伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以 及方向。診斷程序。包括移動(dòng)不見(jiàn)移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功6、機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序7、鍵盤(pán)操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤(pán)操作，顯示加工程序、機(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。（ 二 ）. 軟件設(shè)計(jì)1. 系統(tǒng)控制功能分析數(shù)控 X-Y 工作臺(tái)的控制功能包括：（1）、系統(tǒng)初始化。如對(duì) I/O 接口 8155，8255A 進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作

40、方 式控制字。（2）、工作臺(tái)復(fù)位。開(kāi)機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。（3）、輸入和顯示加工程序。（4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤(pán)及開(kāi)關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開(kāi)關(guān)，鍵盤(pán)掃描等功能。（5）、工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過(guò)規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并 顯示相應(yīng)的指示字符。（6）、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。（7）、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。（8）、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。2. 系統(tǒng)管理程序控制管理稱(chēng)許是系統(tǒng)的主程序， 開(kāi)機(jī)后即進(jìn)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(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)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(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操 作，緊急停機(jī)等。3. 自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)（1）機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位T刀具快速進(jìn)給一加工一退刀一工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；（2）計(jì)算機(jī)在加工過(guò)程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工;4. 步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì)步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控