數(shù)控車床XY軸工作臺和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、目 錄摘 要1前 言2一、畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的、意義4二、畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容4（一）畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用XY工作臺。4三、數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定4（一）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定4（二）伺服系統(tǒng)的選擇4（三）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇5（四） XY工作臺的傳動(dòng)方式5四、機(jī)械部分設(shè)計(jì)5（一）確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量5（二）工作臺外形尺寸及重量初步估算6（三）滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算、選擇7（四）滾珠絲杠計(jì)算、選擇8（五）齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì)11（六）步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算12（七）步進(jìn)電機(jī)的選用13五、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)15（一）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成：15（二）主控制器的選擇15（三）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)15

2、（四）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)16（五）其它輔助電路設(shè)計(jì)17六、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)18（一）系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容18（二）系統(tǒng)控制功能分析18（三）系統(tǒng)管理程序控制19（四）自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì)19結(jié)束語20參考資料21數(shù)控車床XY軸工作臺和控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要我設(shè)計(jì)的是車床XY軸工作臺和控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)工作臺。首先確定設(shè)計(jì)的總體方案，然后對車床的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，其中包括工作臺、滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和選用，最后對數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機(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。關(guān)鍵詞：數(shù)控車床 XY工作臺 控制

3、系統(tǒng)前 言一、當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀在我國對外開放進(jìn)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的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法。裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 ,數(shù)控技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 ,又是當(dāng)今先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù) ,而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 ,其技術(shù)范圍

4、覆蓋很多領(lǐng)域。（一）、數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 ,他對國計(jì)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(diǎn)有以下幾個(gè)方面: (1) 高速、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢 (2) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 (3) 智能化、開放式、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢（二）、對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì)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(gè)階段：第一

5、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(chǔ)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(jìn)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(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究 ,進(jìn)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(gè) 5 年計(jì)劃的攻關(guān) ,總體來看取得的成績還是不小。（三）、

6、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(yīng)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(huì)安全看 ,因?yàn)橹圃鞓I(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(huì)的穩(wěn)定;其次從國防安全看 ,西方發(fā)達(dá)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(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報(bào)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(jì)的市場需求為導(dǎo)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

7、為目標(biāo) ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)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(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床、曲型數(shù)字化機(jī)械、重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點(diǎn)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(jī)、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(huì)有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)值低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當(dāng)然 ,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。一、畢業(yè)設(shè)計(jì)的目的、意義機(jī)電一

8、體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)畢業(yè)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)用所學(xué)過的機(jī)械、電子、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等知識進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練。其目的是：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，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)生分析問題和解決問題的能力，使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初步能力；通過機(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；通過測試及控制系統(tǒng)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；通過畢業(yè)設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊、標(biāo)準(zhǔn)及

9、編寫技術(shù)說明書的能力，促進(jìn)學(xué)生在科學(xué)態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高。二、畢業(yè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容（一）畢業(yè)設(shè)計(jì)題目：單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用XY工作臺。已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊工作臺的有效行程為 快速進(jìn)給速度 和工作載荷三、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。（一）系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標(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。（二）伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)

10、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(dòng)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(yīng)用?？紤]到運(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。（三）計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇采用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，性價(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)部分、鍵盤及顯示器、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鍵盤操作實(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。（四） X

11、Y工作臺的傳動(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，采用滾珠絲杠螺母傳動(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，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:計(jì)算機(jī)光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)X向工作臺光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)Y向工作臺圖3-1四、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。（一 ）確定

12、系統(tǒng)脈沖當(dāng)量脈沖當(dāng)量p是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺的位移量，應(yīng)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(dāng)量為0.01mm。（二）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(shè)計(jì)工作臺簡圖如下:工作臺簡圖圖4-1X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: = Y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量=上導(dǎo)軌(含電機(jī))重量為夾具及工件重量:約155NX-Y工作臺運(yùn)動(dòng)部分總重量為:（三）滾

13、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=C0/P，式中：C0為導(dǎo)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(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：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌:選擇漢機(jī)江機(jī)床廠HJG-D系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌,其型號為:HJG-D25基本參數(shù)如下: 表4-1額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑座重量導(dǎo)軌重量導(dǎo)軌長度動(dòng)載荷靜載荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座個(gè)數(shù)單向行程長度每分鐘往復(fù)次數(shù)M40.64

14、導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷N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 (kN)驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命Ln：額定行程長度壽命: （4-1）導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命: (4-2)導(dǎo)軌的工作壽命足夠.（四）滾珠絲杠計(jì)算、選擇初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC5860，導(dǎo)程：l0=5mm強(qiáng)度計(jì)算絲杠軸向力：(N) (4-3)其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.0030005；在車床車削外圓時(shí)：Fx=(0.10.6)Fz，F(xiàn)y=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計(jì)算。取f=0.004,則:壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min) (4-4)最大動(dòng)載荷：式中：fW為載荷系數(shù)，

15、中等沖擊時(shí)為1.21.5；fH為硬度系數(shù)，HRC58時(shí)為1.0。查表得中等沖擊時(shí)則: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為: CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。其基本參數(shù)如下:圖4-2其額定動(dòng)載荷為14205N> 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.滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表表4-2名稱計(jì)算公式結(jié)果公稱直徑20mm螺距mm接觸角鋼球直徑3.175mm螺紋滾道法向半徑1.651mm偏心距0.04489mm螺紋升角螺桿外徑19.365mm螺桿內(nèi)徑16.788mm螺桿接觸直徑17.755mm

16、螺母螺紋外徑23.212mm螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）20.7mm傳動(dòng)效率計(jì)算絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： (4-5)式中：=10，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。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。剛度驗(yàn)算滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為：(cm) (4-6)Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計(jì)算絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，可忽略不計(jì)。導(dǎo)程變形總誤差為E級精度絲杠允許的螺距誤差 =15m/m。（五）齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì) 因步進(jìn)電機(jī)步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量,在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動(dòng).齒輪傳動(dòng)比： ，步進(jìn)電機(jī)步距角：= 1.5/step。 (4-7) 取小齒輪齒數(shù) 則大齒輪

17、齒數(shù)大小齒輪材料均為45鋼由于軟齒面齒輪工藝簡單、生產(chǎn)率高，故選擇軟齒面齒輪。因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm則:分度圓直徑: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒寬: 取 中心距: 分度圓壓力角: 大小齒輪均采用漸開線標(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)圖圖4-3（六）步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)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： (4-8)式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)

18、慣量；為齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為移動(dòng)部件的質(zhì)量。對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算： (4-9)式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。所以有：電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有：（七）步進(jìn)電機(jī)的選用(）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，負(fù)載力為，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系：式中為電機(jī)轉(zhuǎn)角，為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，為機(jī)械傳動(dòng)的效率。若取，則，且。所以： (4-10)式中：為移動(dòng)部件負(fù)載（N），G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N），為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力

19、矩（N.cm）。取=0.3（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），.8，=279.23?？紤]到重力影響，向電機(jī)負(fù)載較大，因此1200，所以有：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： (4-11)取系數(shù)為.，則： 對于工作方式為三相拍的步進(jìn)電機(jī)： (） 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)90BF001型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī).電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下: 表4-3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(n.m)空載啟動(dòng)頻率空載運(yùn)行頻率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)

20、重量kg轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Kg.m外直徑長度軸直徑9014594.51764五、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（一）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：圖5-1（二）主控制器的選擇系列單片機(jī)是集中，端口及部分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)選用芯片作為主控芯片。（三）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)（1）程序存儲(chǔ)器

21、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(shí)要考慮與時(shí)序的匹配。所能讀取的時(shí)間必須大于所要求的讀取時(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)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。于8031芯片的口是分時(shí)傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的，故8031擴(kuò)展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是742S373。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于8031芯片內(nèi)部RAM只有

22、128字節(jié)供用戶使用，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）。常用的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器有6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，這里我選用6264(8Kx8)。（3）譯碼電路由于這里擴(kuò)展的容量較大，擴(kuò)展多個(gè)外圍芯片。因此，這里使用譯碼法來進(jìn)行編址。譯碼電路可使用現(xiàn)有的譯碼芯片，這里我們選用3-8譯碼器（74LS138）。這種芯片，輸入端占用3根最高位地址線，剩余的13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線，74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應(yīng)8個(gè)8K字節(jié)的地址空間。（4）擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(a).通用可編程接口芯片單片機(jī)共有個(gè)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(jìn)行口

23、的擴(kuò)展。與微機(jī)接口較簡單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。（四）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)待年紀(jì)驅(qū)動(dòng)電路中，一般在接口電路與功率放大器之間家上光電隔離電路，實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電偶合器作為光電隔離電路。（3）功率放大器環(huán)型分配器的輸出脈沖很小，還遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的要求，不許將它放大，以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，這里采用的功率

24、放大電路如下圖所示：圖5-2功率放大器（五）其它輔助電路設(shè)計(jì)（）的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTA，XTA引腳上外接定時(shí)元件。如下圖所示圖5-3時(shí)鐘電路（）復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位電路都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)，在時(shí)鐘電路工作后，只要在引腳上出現(xiàn)10ms 以上高電平，單片機(jī)便實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機(jī)便從0000單元開始執(zhí)行程序圖5-4復(fù)位電路六、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

25、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(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。（5）診斷程序。包括移動(dòng)不見移動(dòng)超界處理，緊急停機(jī)處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯(cuò)等功能。（6）機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)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(jī)床工作狀態(tài)、操作命令等信息。（二）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(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。（2）、工作臺復(fù)位。開機(jī)后工作臺應(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，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)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(shí)應(yīng)該立即停止工作臺的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。（6）、工作臺的自動(dòng)控制。（7）、工作臺的手動(dòng)控制。（8）、工作臺的聯(lián)動(dòng)控制。（三）系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接