XY數(shù)控工作臺機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目 錄一、設(shè)計(jì)目的3二、設(shè)計(jì)任務(wù)4三總體方案的確定41、機(jī)械傳動部件的選擇.4(1)絲杠螺母副的選用5(2)導(dǎo)軌副的選用5(3)伺服電動機(jī)的選用52、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)53、繪制總體方案圖6四、機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型61、 導(dǎo)軌上移動部件的重量估算62、銑削力的計(jì)算6五、步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型101、傳動計(jì)算102、計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq103、計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq114、步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定13六、直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型151、塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取152、距離額定壽命L的計(jì)算15七、 繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖16八、控制系統(tǒng)硬

2、件電路設(shè)計(jì)16九、步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源選用19結(jié) 束 語19參考文獻(xiàn).20一、設(shè)計(jì)目的數(shù)控機(jī)床課程設(shè)計(jì)是一個很重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，要求學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)的理論知識，獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)訓(xùn)練，主要目的：1） 通過本設(shè)計(jì)，使學(xué)生全面地，系統(tǒng)地了解和掌握數(shù)控機(jī)床得基本組成及其相關(guān)基本知識，學(xué)習(xí)總體方案擬定、分析與比較的方法。2） 通過對機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，掌握幾種典型傳動元件與導(dǎo)向元件得工作原理、設(shè)計(jì)計(jì)算方法及選用原則。3） 通過伺服系統(tǒng)得設(shè)計(jì)，掌握常用伺服電機(jī)得工作原理、計(jì)算選擇方法與控制驅(qū)動方式。4） 培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立分析問題和解決問題的能力，學(xué)習(xí)并初步樹立“系統(tǒng)設(shè)計(jì)”的思想。5） 鍛煉提高學(xué)生應(yīng)用手冊和標(biāo)準(zhǔn)、

3、查閱文獻(xiàn)資料以及撰寫科技論文的能力。二、設(shè)計(jì)任務(wù)任務(wù)：設(shè)計(jì)一種立式數(shù)控銑床使用的X-Y數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：1. 立銑刀最大直徑的d=15mm；2. 立銑刀齒數(shù)Z=3；3. 最大銑削寬度=15mm；4. 最大背吃刀量=8mm；5. 加工材料為碳素鋼活有色金屬；6. X、Y方向的脈沖當(dāng)量x =y =0.005mm/脈沖；7. X、Y方向的定位精度均為±0.01mm；8. 工作臺尺寸 230mm×230，加工范圍為250mm×250mm；9. 工作臺空載進(jìn)給最快移動速度：Vxmax =Vymax =3000mm/min；10. 工作臺進(jìn)給最快移動速度: Vxmax

4、 =Vymax =400mm/min；三總體方案的確定1、機(jī)械傳動部件的選擇(1)絲杠螺母副的選用伺服電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動，需要滿足±0.001mm的定位精度，滑動絲杠副不能達(dá)到要求，因此選用滾珠絲桿副，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預(yù)緊后可消除反向間隙。軸向間隙的調(diào)整和預(yù)緊方式：選用墊片調(diào)隙式，這種方法結(jié)構(gòu)簡單、剛性好、裝卸方便，適用于一般精度的機(jī)構(gòu)滾珠絲杠的安裝：采用一端固定，一端游動的方式，因其壓桿穩(wěn)定性和臨界轉(zhuǎn)速較高(2)導(dǎo)軌副的選用要設(shè)計(jì)數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)軌副，它

5、具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預(yù)緊方便好且精度保持性等優(yōu)點(diǎn)。選滾珠導(dǎo)軌，適合用于導(dǎo)軌上運(yùn)動部件重量小于200kg的機(jī)床，摩擦阻力小，制造容易，成本較低。(3)伺服電動機(jī)的選用任務(wù)書規(guī)定的定位精度也未達(dá)到微米級，空載最快移動速度也只有因此3000mm/min，故本設(shè)計(jì)不必采用高檔次的伺服電動機(jī)，因此可以選用混合式步進(jìn)電動機(jī)。以降低成本，提高性價比。2、控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1）設(shè)計(jì)的X-Z工作臺準(zhǔn)備用在數(shù)控車床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)成連續(xù)控制型。2）對于步進(jìn)電動機(jī)的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機(jī)AT89S5

6、2作為控制系統(tǒng)的CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標(biāo)。3）要設(shè)計(jì)一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴(kuò)展程序存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O接口電路，D/A轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進(jìn)電動機(jī)配套使用。3、繪制總體方案圖總體方案圖如圖3.1所示。圖3.1 總體方案圖四、機(jī)械傳動部件的計(jì)算與選型1、導(dǎo)軌上移動部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機(jī)、減速箱、滾珠絲杠副、直線滾動導(dǎo)軌副、導(dǎo)軌座等,估計(jì)重量約為800N。2、銑削力的計(jì)算采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼，根據(jù)金屬切屑原理與刀具200頁表15-5得硬質(zhì)合

7、金立銑刀銑削力經(jīng)驗(yàn)公式 FC=118e0.85fz0.75d-0.73 ap1.0 n0.1其中銑刀的直徑d=15mm，齒數(shù)Z=3，為了計(jì)算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=15mm，背吃刀量ap=8mm，查切削用量簡明手冊可得，每齒進(jìn)給量fz=0.1mm，銑刀轉(zhuǎn)速n=300/min。則由上公式求得最大銑削力：FC=118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.1 x1 =1233 N考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：Ff=1Fc=1356N，F(xiàn)e=0.38 Fc=308 N，F(xiàn)fm=469 N則工作臺受到垂直方向的銑削力Fz=F

8、e=308N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲杠軸線方向），則縱向銑削力Fx=Ff=1356N，徑向銑削力Fy=Ffn=469N。3杠螺母副的計(jì)算與選型（1）最大工作載荷Fm的計(jì)算 在立銑時，工作臺受到進(jìn)給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=1356N，受到橫向的載荷（與絲杠軸線垂直）Fy =308N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz =469N。已知移動部件總質(zhì)量G=800N，按矩形導(dǎo)軌進(jìn)行計(jì)算，由金屬切屑機(jī)床126頁公式17-5得：Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=1.11356+0.005(469+308+500)N1498N取

9、摩擦系數(shù)=0.005。取顛覆力矩影響系數(shù)K=1.1,求得滾珠絲杠副的最大工作載荷： （2）最大動載荷FQ的計(jì)算 設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進(jìn)給速度v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)程Ph=5mm，則此時絲杠轉(zhuǎn)速n=v/Ph=80r/min。取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/106，得絲杠壽命系數(shù)L0=72 (單位為：106r)。查課本110頁表5-1,5-2，取載荷系數(shù)fW=1.2，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數(shù)fH=1.0，求得最大動載荷： FQ7478 N（3）初選型號 根據(jù)計(jì)算出的最大動載荷和初選的絲杠導(dǎo)程，查現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊（上冊）967頁，選擇南

10、京工藝裝備制造有限公司生產(chǎn)的FF2005-3型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)浮動式反向器螺母無預(yù)緊滾珠絲杠副，其公稱直徑為20mm，導(dǎo)程為5mm，循環(huán)滾珠總?cè)?shù)為3圈，精度等級取5級，額定動載荷為9100N，大于FQ滿足要求。（4）傳動效率的計(jì)算 將公稱直徑d0=20mm，導(dǎo)程Ph=5mm，代入=arctanPh/(d0)，得絲杠螺旋升角=4°33。將摩擦角=10，代入=tan/tan(+)，得傳動效率=96.4%。（5）剛度的驗(yàn)算1）X-Y 工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支撐均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支撐的中心距離約為a=500mm；鋼的

11、彈性模量E=2.1×105MPa；查現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊（上冊）967頁，得滾珠直徑DW=3.5mm，絲杠底徑d2=16.9mm，絲杠截面積S= d22/4=224.2mm2。則絲杠在工作載荷Fm作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量：1=Fma/(ES)= 1498×500/(2.1×105×224.2)0.0159mm。2）根據(jù)公式Z=(d0/DW)-3，求得單圈滾珠數(shù)Z=20；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數(shù)×列數(shù)為3×1，代入公式：Z= Z×圈數(shù)×列數(shù)，得滾珠總數(shù)量Z=60。絲杠預(yù)緊時，取軸向預(yù)緊力FYJ =Fm/3=63

12、1。則求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形20.0027。因?yàn)榻z杠加有預(yù)緊力,且為軸向負(fù)載的1/3，所以實(shí)際變形量可減少一半，取2=0.0013mm。17.23)將以上算出的1和2代入總=1+2，求得絲杠總變形量(對應(yīng)跨度500mm)總=0.0172mm=17.2m。本例中，絲杠的有效行程為350mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在315400mm時，行程偏差允許達(dá)到25m，可見絲杠剛度足夠。（6）壓桿穩(wěn)定性校核 根據(jù)公式計(jì)算失穩(wěn)時的臨界載荷。查現(xiàn)代實(shí)用機(jī)床設(shè)計(jì)手冊（上冊）944、953頁，知當(dāng)滾珠絲杠的安裝方式為一端固定，一端游動時，取壓桿穩(wěn)定安全系數(shù)f1=0.25（絲杠臥式水平安裝）

13、；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入式：得臨界載荷=4.324× KN >Fm，故絲杠不會失穩(wěn)。（7）臨界轉(zhuǎn)速的驗(yàn)算：查表得臨界轉(zhuǎn)速公式為：式中f2絲杠支撐方式系數(shù)，一端固定一端游動時f2=1.875 Lc=500mm=0.5m d2=d0-1.2Dw=15.8查機(jī)床設(shè)計(jì)手冊圖5.7-93，當(dāng)支撐方式為GT時長度L=500mm時交點(diǎn)在D=20的左側(cè)，所以臨界轉(zhuǎn)速驗(yàn)算合格.（8）滾珠絲杠的選型以及安裝尺寸的確定絲杠工作長度L，應(yīng)滿足控制中的行程要求。L應(yīng)為絲杠工作長度：L=（1.051.1）行程+（1014）Ph 所以絲杠： L=1.1×250+14+

14、5=350 mm安裝方式為一端固定，一端游動。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。故滾珠絲杠的型號為FF2005-3型滾珠絲杠副內(nèi)循環(huán)浮動式反向器螺母無預(yù)緊滾珠絲杠副。五、步進(jìn)電動機(jī)的計(jì)算與選型1、傳動計(jì)算為了滿足加工精度在0.01-0.02范圍內(nèi)時，數(shù)控銑床、鉆床車床的脈沖當(dāng)量可取0.005-0.01mm/Hz,因此取脈沖當(dāng)量=0.01mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程Ph=5mm， 初選步進(jìn)電動機(jī)的步距角=0.72°越高。因?yàn)椴骄嘟窃叫?，?shù)控機(jī)床的控制精度。根據(jù)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)式（5-18），算得減速比：=（0.725）/（3600.005）=2由此可見本機(jī)構(gòu)不必要選減速箱。2、計(jì)

15、算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量Jeq 由數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)設(shè)計(jì)134頁得：由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩情況不同，負(fù)載慣量只能由已計(jì)算精確地得到。由電動機(jī)驅(qū)動的所有運(yùn)動部件，無論是旋轉(zhuǎn)運(yùn)動還是直線運(yùn)動部件，都成為電動機(jī)的負(fù)載慣量，總的慣量以通過計(jì)算各個被驅(qū)動部件的慣量，并以一定規(guī)律將其加起來即可。滾珠絲杠的公稱直徑d0=20mm，總長l=500mm，導(dǎo)程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移動部件總重力G=800N； 圓柱體慣量，當(dāng)圓柱體圍繞其中心軸線旋轉(zhuǎn)時，其慣量可由下述公式計(jì)算： 對于鋼材： 代入數(shù)據(jù)得： J1=0.4312 沿直線軸移動物體的慣量： 初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為90BYG5502,由常

16、州市德利來電器有限公司生產(chǎn)，五相混合式步進(jìn)電動機(jī)，驅(qū)動時的步距角為0.72°，從表查得該型號的電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量Jm=4kg·cm2。 總的轉(zhuǎn)動慣量為： J = J1 + J2 + J0 。其中J0為初選電動機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量，為4 kg·cm2。 代入數(shù)據(jù)得： J=9.48 kg·cm23、計(jì)算加在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩Teq 分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計(jì)算。1) 快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（4-8）可知，包括三部分;一部分是快速空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩

17、擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩。因?yàn)闈L珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式（4-12）可知，則有：=+T0 （6-13）根據(jù)式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計(jì)算空載起動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上最大加速轉(zhuǎn)矩：= (6-14)其中： =1200r/min (6-15)式中空載最快移動速度，任務(wù)書指定為3000mm/min；步進(jìn)電動機(jī)步距角，預(yù)選電動機(jī)為0.72；脈沖當(dāng)量，本例=0.005mm/脈沖。設(shè)步進(jìn)電機(jī)由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率。則由式求得：=由式知，移動部件運(yùn)動時，折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為： 式中導(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)軌取0.005垂直方向的銑削力，

18、空載時取0傳動鏈效率，取0.7由式知，由于絲杠預(yù)緊引起的折算到電動機(jī)軸上的附加摩擦力矩為：最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩： =+=0.01535Nm (6-17) 2) 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩；一部分是移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩；還有一部分是滾珠絲杠預(yù)緊后折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩，相對于和很小，可以忽略不計(jì)。則有： =+ （6-18）其中折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩由公式（4-14）計(jì)算。有： 再由式（4-10）計(jì)算垂直方向承受最

19、大工作負(fù)載情況下，移動部件運(yùn)動時折算到電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩：最后由式（6-18），求得最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機(jī)轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：=+=0.9435N·m （6-19）最后求得在步進(jìn)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為：=0.9435 N·m4、步進(jìn)電動機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)來選擇步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩時，需要考慮安全系數(shù)。取K=3, 則步進(jìn)電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：=3×0.9435=2.831 N.m初選步進(jìn)電動機(jī)的型號為90BYG550B，由表查

20、得該型號電動機(jī)的最大靜轉(zhuǎn)矩=3Nm?？梢?，滿足要求。5、步進(jìn)電動機(jī)的性能校核1)最快工進(jìn)速度時電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩校核任務(wù)書給定工作臺最快工進(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)量=0.005mm/脈沖，電動機(jī)對應(yīng)的運(yùn)行頻率為 從90BYG550B電動機(jī)的運(yùn)行矩頻特性曲線圖可以看出在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩4.5Nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.9435Nm，滿足要求。2）最快空載移動時電動機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應(yīng)運(yùn)行頻率 。由矩頻特性曲線圖查得，在此頻率下，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩=6.0Nm，大于快速空載起動時的負(fù)載轉(zhuǎn)矩=0.01535Nm，滿

21、足要求。3）最快空載移動時電動機(jī)運(yùn)行頻率校核 與快速空載移動速度=3000mm/min對應(yīng)的電動機(jī)運(yùn)行頻率為 。由矩頻特性曲線圖查得90BYG550B電動機(jī)的空載運(yùn)行頻率可達(dá)10000，可見沒有超出上限。4）啟動頻率的計(jì)算 已知電動機(jī)轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量J=9.48 kg·cm2，電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量=4Nm，電動機(jī)轉(zhuǎn)軸不帶任何負(fù)載時的空載起動頻率（查表4-5）。由式（4-17）可知步進(jìn)電動機(jī)克服慣性負(fù)載的起動頻率為：說明：要想保證步進(jìn)電動機(jī)起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于2000Hz。實(shí)際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有100。綜上所述，本次設(shè)計(jì)中工作臺的

22、進(jìn)給傳動系統(tǒng)選用90BYG550B步進(jìn)電動機(jī)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。六、直線滾動導(dǎo)軌副的計(jì)算與選型1、塊承受工作載荷的計(jì)算及導(dǎo)軌型號的選取工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)軌副使用壽命的重要因素。本例中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導(dǎo)軌、四滑塊的支承形式。考慮最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔(dān)，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為： 其中，移動部件重量800N，外加載荷F=Fz=469，代入上式，得最大工作載荷=669N=0.669kN。根據(jù)工作載荷=0.669kN，初選直線滾動導(dǎo)軌副的型號為KL系列的LG15型，其額定動載荷為7.94KN，額定靜載荷9.5 KN。任務(wù)書規(guī)定工作臺面尺寸為

23、，加工范圍為，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，按標(biāo)準(zhǔn)系列，選取導(dǎo)軌的長度為520mm。2、距離額定壽命L的計(jì)算上述所取的KL系列LG15系列導(dǎo)軌副的滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過C，每根導(dǎo)軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)手冊表2.9-132.9-16，分別取硬度系數(shù)f=1.0，溫度系數(shù)f=1.00，接觸系數(shù)f=0.81，精度系數(shù)fa=0.9，載荷系數(shù)f=1.5，代入式（3-33），得距離壽命：L=遠(yuǎn)大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。七、 繪制進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖如圖5.1所示。伺服電動機(jī)工作臺滾珠絲杠圖5.1 進(jìn)給傳動系統(tǒng)示

24、意圖八、控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：（1） 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示；（2） 接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（3） 接受車床限位開關(guān)信號；（4） 接受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；（5） 控制X，Z向步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動器；（6） 控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；（7） 控制多速電動機(jī)，實(shí)現(xiàn)主軸有級變速；（8） 控制交流變頻器，實(shí)現(xiàn)主軸無級變速；（9） 控制切削液泵啟動/停止；（10）控制電動卡盤的夾緊與松開；（11）控制電動刀架的自動選刀；（12）與PC機(jī)的串行通信。X-Y數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標(biāo)準(zhǔn)的工作控

25、制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)計(jì)專用的微機(jī)控制系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)CPU選用ATMEL公司的8位單片機(jī)AT89S52，由于AT89S52本身資源有限，所以擴(kuò)展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴(kuò)展了一片SRAM芯片6264用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺還需要加入銑刀運(yùn)動控制和程序輸入等指令，所以除設(shè)置了XY方向的控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復(fù)位鍵等外還采用8279來管理擴(kuò)展多種按鍵。8279是一種通用的可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與64個按鍵的矩陣鍵盤進(jìn)行連接，能對鍵盤實(shí)行不間斷的自動掃描，自動消除抖

26、動，自動識別按鍵并給出鍵值。顯示部分包括一組數(shù)碼顯示管和七只發(fā)光二極管。與PC機(jī)的串行通信經(jīng)過MAX233，可以采用PC機(jī)將編好的程序送入本系統(tǒng)?？刂撇竭M(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)動需要三個要素：方向轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。對于含有硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉(zhuǎn)角取決于控制送出的步進(jìn)脈沖個數(shù)，而轉(zhuǎn)速則取決于控制器發(fā)出的步進(jìn)脈沖的頻率。在步進(jìn)電動的控制中，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，而轉(zhuǎn)速控制則比較復(fù)雜。由于步進(jìn)電動的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以對步進(jìn)電動機(jī)脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實(shí)質(zhì)上就是對步進(jìn)電動機(jī)的速度的調(diào)節(jié)。步進(jìn)電動機(jī)的調(diào)頻的軟件延時和硬件定時。采用軟件延時法實(shí)現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡單，不占用其他硬件資源；缺點(diǎn)是控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動的過程中，CPU不能做其他事。硬件定時要占用一個定時器。本設(shè)計(jì)沒有從硬件上布置，由于單片機(jī)功能強(qiáng)大，采用軟件延時。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行頻率低于它本身的起動頻率時，步進(jìn)電動機(jī)可以用運(yùn)行頻率直接起動，并以該頻率連續(xù)運(yùn)行；需要停止的時候，可以從運(yùn)行頻率直接降到零，無需升降頻控制。當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行頻率 （為步進(jìn)電動機(jī)有載起動時的起動頻率）時，若直接用 起動，由于頻率太高，步進(jìn)電動機(jī)會失步，甚至?xí)G步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在 頻率下突然停止，步進(jìn)電動機(jī)會超程。因此，當(dāng)步進(jìn)電動機(jī)在運(yùn)行頻率 下工作時，就需要采用升降頻控制，以使步進(jìn)電動機(jī)從起動頻率開始，