數(shù)控XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計

1、JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計） 題目：數(shù)控XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計摘要 數(shù)控機床是一種高精度、高效率的自動化機床。能夠適應(yīng)市場對產(chǎn)品多樣化、高精度和快速響應(yīng)的加工要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)控機床正朝著高性能、高智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。作為一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，數(shù)控車床應(yīng)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、控制系統(tǒng)及信息處理部分。 XY數(shù)控工作臺采用開環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、實行方便并且能夠保證一定的精度，設(shè)計主要對工作臺的機械部分進行設(shè)計，包括滾珠絲桿、滾動導(dǎo)軌、軸承等傳

2、動元件及步進電動機的計算及選用，最后對控制系統(tǒng)進行了分析和完成各電子元件的選用，并且利用CAD進行了裝配圖的繪制，各機械元件的設(shè)計及各零件的安裝也做了比較詳細的說明。關(guān)鍵詞： 數(shù)控車床 機械部分 傳動元件 控制系統(tǒng) AbstractXY table of the CNC machine tool and control system design.The CNC lathe is a high precision.high-efficiency automatic machine. Can able to adapt to the market what product diversifica

3、tion. the processing requirements of high accuracy and fast response. has been widely used. CNC lathe is moving high-performance. high intelligence. Organization. and lightweight. miniaturized direction. As a more complete mechatronic systems , CNC lathes should contain the following basic elements:

4、 mechanical body . part of the motivation and drive. executing agency . the sensor test section .the control system and information processing section .XY CNC table using open-loop control system.Has simple structure. convenient to implement. And be able to guarantee a certain accuracy. This design

5、is mainly designed for the mechanical part of the workbench. Including ball screw. rolling guide bearings . stepper motor and other transmission elements calculation and selection. Finally, the analysis to control system and complete selection of electronic components. In the same time. Use software

6、 CAD drawing of the assembly drawing. The design of mechanical components and parts installed a more detailed explanationKey words：CNC lathes. mechanical part. driving element. control system摘要- 2 -1. 緒論- 1 -1.1. 課題來源及意義- 1 -1.2. 發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢- 2 -1.3. 論文結(jié)構(gòu)及主要研究內(nèi)容- 4 -2. 數(shù)控系統(tǒng)方案確定- 5 -2.1. 總體方案步驟確定：- 5 -

7、2.2. 設(shè)計系統(tǒng)方案的確定- 6 -2.3. XY工作臺各項參數(shù)的初步確定- 7 -2.4. 控制系統(tǒng)的選擇- 7 -3. 機械部分設(shè)計- 9 -3.1. 設(shè)計主要思路- 9 -3.2. 工作臺外形尺寸及重量估算- 9 -3.3. 滾動導(dǎo)軌參數(shù)計算與選型- 11 -3.3.1. 導(dǎo)軌的選用和計算- 11 -3.3.2. 額定行程長度和工作時間壽命- 12 -3.4. 滾珠絲杠計算、選擇- 12 -3.4.1. 確定當量載荷- 13 -3.4.2. 絲杠載荷計算和選用- 13 -3.4.3. 傳動效率計算- 16 -3.4.4. 絲杠剛度驗算- 16 -3.5. 支承座的參數(shù)- 16 -3.6

8、. 齒輪計算、設(shè)計- 17 -3.6.1. 齒輪參數(shù)確定- 17 -3.6.2. 齒輪傳動消隙- 18 -3.7. 步進電機的選用- 18 -3.7.1. 步進電機啟動力矩的計算- 18 -3.7.2. 步進電機慣性負載的計算- 20 -4. 機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計- 21 -4.1. 硬件電路設(shè)計- 21 -4.1.1. 確定硬件電路的總體方案- 21 -4.1.2. 主控制器和存儲器擴展- 21 -4.1.3. 步進電機驅(qū)動電路設(shè)計- 23 -4.1.4. 硬件電路設(shè)計思路- 24 -4.2. 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計- 25 -4.2.1. 系統(tǒng)控制功能分析- 25 -4.2.2. 步進電機控制程序-

9、 25 -4.2.3. 系統(tǒng)加工程序- 28 -5. 結(jié)束語與致謝- 30 -6. 參考文獻- 31 -1. 緒論 我國現(xiàn)今工業(yè)發(fā)展的迅速程度和環(huán)境，發(fā)展我國機電數(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已非常重要。機電一體化這新興學(xué)科有其技術(shù)基礎(chǔ)、設(shè)計理論和研究方法，只有對其充分理解，才能正確的進行這方面的工作，機電一體化的目的重在多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源、不斷滿足人們生活和生產(chǎn)的多樣化需求。所以機電一體化的研究方法應(yīng)該是從系統(tǒng)的角度出發(fā)，采用現(xiàn)代化設(shè)計分析方法，充分發(fā)揮邊緣科學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢。1.1. 課題來源及意義1）數(shù)控機床XY工作臺設(shè)計依據(jù) 數(shù)控機床是用數(shù)控指

10、令來實現(xiàn)一臺或多臺機械設(shè)備動作控制的技 術(shù)。它廣泛應(yīng)用于機械制造和自動化領(lǐng)域，數(shù)控機床的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)的制造業(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)控機床的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴大，所以 X-Y 數(shù)控工作臺設(shè)計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。目前國內(nèi)中小企業(yè)多采用經(jīng)濟型 X-Y 數(shù)控沖床系統(tǒng)，其加工速度 慢、編程復(fù)雜、人機界面不友好，因此生產(chǎn)效率低、工人勞動強度大。因此研制 和開發(fā)一套基于雙單片機的 X-Y 數(shù)控沖床數(shù)控系統(tǒng)， 用于裝配新沖床或?qū)?jīng)濟型 數(shù)控沖床進行改造，能夠有效的改善人機界面、提高加工速度、方便操作人員編 寫

11、用戶加工程序， 對提高企業(yè)生產(chǎn)效率、 改善工人的工作環(huán)境有很大的實際意義, 工作臺是機床上必不可少的部件，工作臺的自動化能大大減輕勞動強度，提高勞 動生產(chǎn)率。隨著經(jīng)濟的發(fā)展，機械行業(yè)的許多普通機床和閑置設(shè)備，經(jīng)過數(shù)控改 造以后，不但可以提高加工精度和生產(chǎn)率，而且能有效的適應(yīng)多種品種，小批量 的市場需求，使之更有效的發(fā)揮經(jīng)濟效益和設(shè)計效益?？偠灾壳?，X-Y 數(shù)控機床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、 復(fù)合化、智能化、開放化、并聯(lián)驅(qū)動化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化、綠色化以成為數(shù)控機 床發(fā)展的趨勢和方向。中國作為一個制作大國，主要還是依靠勞動力、價格、資 源等方面的優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面

12、與國外同行的差距還很 大。中國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀，應(yīng)該抓住機會不斷發(fā)展，努力縮短與發(fā)達國 家之間的差距。力爭早日實現(xiàn) X-Y 數(shù)控機床產(chǎn)品從低端到高端、從初級產(chǎn)品到高精尖端產(chǎn)品制作的變更。2）課題的意義 通過對該課題的設(shè)計能夠正確運用機電系統(tǒng)的基本理論和相關(guān)知識，掌握機電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成，特點和設(shè)計思想、設(shè)計方法、了解設(shè)計方案的擬定、比較、分析和計算。掌握典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、工作原理和軟件編程思想。當今世界，工業(yè)發(fā)達國家對機床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機電一體化、高精、高效、高自動化先進機床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一

13、條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計算機技術(shù)的進步，數(shù)控機床在20世紀80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國際機床展上各國機床制造商競相展示先進技術(shù)、爭奪用戶、擴大市場的焦點。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強機床工業(yè)實力、加速數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實是緊迫而又艱巨的任務(wù)。1.2. 發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 從20世紀60年代以前稱為初期階段，這個時期研制和開發(fā)還處于自發(fā)狀態(tài)，電子技術(shù)還沒有發(fā)展到一定水平，信息技術(shù)還處于萌芽階段，因此機電技術(shù)還沒廣泛深入的發(fā)展。70年代至80年代為蓬勃發(fā)展階段，這一時期，計算機技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，微機電一體化的發(fā)展奠定了技

14、術(shù)基礎(chǔ)。到了20世紀90年代后期，機電一體化技術(shù)向智能化自動化邁進了新的階段，機電一體化進入了深入發(fā)展的階段。并出現(xiàn)了虛擬制造（VM）、敏捷制造（AM）快速成型制造（RPM）、并行工程（CE）等新技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機電一體化已從原來的以機械為主的領(lǐng)域拓展到目前的汽車、電站、儀表、化工、通信、冶金等多項領(lǐng)域。機電一體化產(chǎn)業(yè)覆蓋面非常廣，而我們的人力物力財力和技術(shù)都是有限的，因此我們在機電一體化產(chǎn)業(yè)發(fā)展時不能做到面面俱到，但應(yīng)分清主次大膽取舍，在機電產(chǎn)業(yè)做到可持續(xù)發(fā)展壯大。我國機械制造裝備中較多的采用了數(shù)控機床、機器人、柔性制造單元和系統(tǒng)高等技術(shù)的集成，來滿足產(chǎn)品個性化和多樣化的要求，以滿

15、足社會個消費群體的不同要求。目前機械技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到廣泛采用微型計算機的階段，今后也將不斷出現(xiàn)“具有神經(jīng)系統(tǒng)的機械”或“智能化的機械”。并且機電一體化技術(shù)貫穿于工程系統(tǒng)設(shè)計之中，從簡單的單參數(shù)顯示，到復(fù)雜的多參數(shù)、舵機控制，從簡單的零件自動加工生產(chǎn)線，到各種現(xiàn)代機械設(shè)備的自動化生產(chǎn)等，機電一體化技術(shù)已應(yīng)用到不同層次、覆蓋面很廣的應(yīng)用領(lǐng)域。 數(shù)控機床綜合運用了電子計算機、自動控制、伺服驅(qū)動、精密檢測與新型機械結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)成果具有高柔性、高精度與高自動化的特點，因此它提高了機械制造的制造水平，解決了制造中的常規(guī)加工技術(shù)難以解決甚至無法解決的浮渣幸免零件加工，為社會提供了高質(zhì)量、多品種及高可靠的機

16、械產(chǎn)品取得了巨大的經(jīng)濟效益，目前，數(shù)控技術(shù)已逐步晉級，數(shù)控車床在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，已成為機械自動化的一個重要發(fā)展方向。 機電一體化是集機械、電子、光學(xué)、控制理論、計算機技術(shù)和信息技術(shù)等多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，大力推進制造業(yè)信息化、網(wǎng)絡(luò)化和綠色環(huán)?；蠓忍岣弋a(chǎn)品檔次、技術(shù)含量和附加值，是機電一體化發(fā)展的重點方向。隨著制造業(yè)生產(chǎn)模式的演變，對機械制造裝備提出了不同的要求，使現(xiàn)代化數(shù)控系統(tǒng)裝備的發(fā)展呈如下趨勢：1）向高效、高速、高精度方向發(fā)展 效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體，高速和高精度加工時制造技術(shù)永無止境的追求。告訴。高精度加工技術(shù)可是數(shù)控系統(tǒng)能夠進行高速插補、高實時運算，在高速運行

17、中保持較高的定位精度，極大地提高效率提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高尺長競爭能力。2）多功能復(fù)合化、柔性自動化的產(chǎn)品成為發(fā)展的主流 從近幾屆國內(nèi)外舉辦的國際機床展覽上展出的裝備情況來看，新穎的高技術(shù)含量的展品逐年增加。國際上多功能復(fù)合加工機床的發(fā)展不再以簡單的零件加工為主，而是以結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀各異的箱體類零件加工或更為復(fù)雜的零件加工為發(fā)展趨勢。展出的機床類型很多、有最新的復(fù)合加工機床、五軸加工機床、納米加工機床、新型并聯(lián)加工機床等。展示出世界制造裝備的精華，展示了世界制造技術(shù)發(fā)展的最新動向。3）智能制造技術(shù)和智能化裝備方向發(fā)展 通過借助于現(xiàn)代的工具和方法，通過集成傳統(tǒng)制造技術(shù)。計算機與

18、自動化科學(xué)、信息技術(shù)和人工智能等發(fā)展了一種新型的制造技術(shù)與系統(tǒng)，他將人工智能應(yīng)用與機械制造裝備中，使機器智能化。及其職能化石智能之災(zāi)的主要研究內(nèi)容之一，他是智能制造系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，包括智能加工機床、工具和材料傳送、監(jiān)測和試驗裝備等，要求具有加工任務(wù)和加工環(huán)境的廣泛適應(yīng)性，能夠在環(huán)境和自身的不確定變化中自主實現(xiàn)最佳行為策略。數(shù)控系統(tǒng)智能化是面向世紀的先進制造模式，當前智能機床是在數(shù)控機床和加工中心的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，它與普通自動化機床的主要區(qū)別在于除了具有數(shù)控加工功能外，還具有感知、推理、決策、控制、通信、學(xué)習等智能功能。目前國外研究機構(gòu)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越發(fā)雜，產(chǎn)品精度要求越來越高等情況下，提高加工設(shè)

19、備的智能型、可靠性和加工精度是提高企業(yè)競爭力的主要途徑?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)今后的發(fā)展將是以創(chuàng)新、提升、優(yōu)化為主要模式，未來的中國制造業(yè)已不能僅僅滿足與“制造”，而是要進一步發(fā)展成為“智造”，即用知識、技術(shù)、頭腦去創(chuàng)新、去創(chuàng)造。1.3. 論文結(jié)構(gòu)及主要研究內(nèi)容本文以基于對數(shù)控XY工作臺為主要的研究對象，對數(shù)控車床的機械系統(tǒng)與部件、控制系統(tǒng)、車床數(shù)控系統(tǒng)軟硬件等設(shè)計問題進行研究，具體內(nèi)容如下：第1章 ：介紹項目的來源、目的和意義,數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。以及本論文的結(jié)構(gòu)和主要研究內(nèi)容。第2章 ：對數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定，針對所研究方案的功能提出大概方向。第3章 ：機械部分的設(shè)計：包括對XY工作臺的

20、尺寸，運動特點，傳動機構(gòu)的設(shè)計和選用，導(dǎo)向支撐機構(gòu)的設(shè)計和執(zhí)行機構(gòu)的設(shè)計等第4章 ：控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計和控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計第5章 ：論文總結(jié)第6章 ：參考文獻2. 數(shù)控系統(tǒng)方案確定 X-Y工作臺廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割、涂膠、插件、射線掃描、機械手、搬運、數(shù)控機床等領(lǐng)域。設(shè)計系統(tǒng)的內(nèi)容數(shù)控機床XY工作臺與控制系統(tǒng)是采用數(shù)字化信號，通過可編程的自動控制工作方式，實現(xiàn)對設(shè)備運行及其加工過程產(chǎn)生的位置、角度、速度、力等信號進行控制的新型自動化機床。數(shù)控機床的計算機信息處理及控制的內(nèi)容主要包括：基本的數(shù)控數(shù)據(jù)輸入輸出、直線和圓弧插補運算、刀具補償、間隙補償、螺距誤差補償和位置伺服控制等。2.

21、1. 總體方案步驟確定：由于該設(shè)計主要考慮XY工作臺和控制系統(tǒng)的設(shè)計，總體方案設(shè)計包括：1 運動功能設(shè)計 包括確定機床所需運動的個數(shù)、形式、功能及排列順序。2 基本參數(shù)設(shè)計 包括數(shù)控系統(tǒng)工作參數(shù)、尺寸參數(shù)、運動參數(shù)和動力參數(shù)設(shè)計等。3 傳動系統(tǒng)設(shè)計 包括傳動方式、傳動原理圖及傳動系統(tǒng)圖設(shè)計。4 控制系統(tǒng)設(shè)計 包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計。設(shè)計主要內(nèi)容：該設(shè)計旨在單片機控制步進電機驅(qū)動的多用XY工作臺確定，通過總體方案步驟的確定得出主要設(shè)計內(nèi)容如下：1機械部分的設(shè)計1 確定脈沖當量，工作臺有效行程，進給速度工作載荷等；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(dǎo)向元件的設(shè)計

22、，計算和選用；4 伺服電機計算、選用；5 繪制機械結(jié)構(gòu)裝配圖；2 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 1確定數(shù)控系統(tǒng)裝置方案（組成框圖、功能、主要的設(shè)計參數(shù)，及方案分析、比較、說明）。2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計（CPU、存儲器、I/O接口電路及伺服驅(qū)動電路）3 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計。2.2. 設(shè)計系統(tǒng)方案的確定 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。數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)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、比較和論證。 X軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)Y軸伺服驅(qū)動系統(tǒng)Y軸步進信號工作指令信號X軸步進信號指令輸出裝置插補裝

23、置軌跡指令工作指令 數(shù)控程序2.3. XY工作臺各項參數(shù)的初步確定1）工作臺主要參數(shù)：該工作臺可安裝在鉆、銑床上用于鉆孔或銑削加工，銑刀直徑，銑削最大深度=5mm，由公式，確定齒數(shù)為5，工作臺最大加工移動速度取1000mm/min，工作載荷FZ=1000N，預(yù)期工作壽命T=20000h，定位精度0.01mm，摩擦系數(shù)f=0.01，系統(tǒng)脈沖當量為0.01mm。 設(shè)計工作臺加工范圍為270180mm2,厚度為40mm，工作臺的材料為45號剛，其密度為7.8g/c m,取g=10N/kg，導(dǎo)軌的材料選15軸承鋼，密度是7.2g/c m。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

24、副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。2.4. 控制系統(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(yīng)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。開環(huán)伺服系統(tǒng)框圖如下：計算機光電隔離功率放大步進電機X向工作臺光電隔離功率放大步進電機Y向工作臺系統(tǒng)總體框圖如下:3. 機械部分設(shè)計機械部分設(shè)計內(nèi)容

25、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(dǎo)向元件的設(shè)計、計算與選用，繪制機械部分裝配圖等。3.1. 設(shè)計主要思路 X Y 工作臺中X 、Y 方向的移動, 可采用螺旋機械或齒輪齒條傳動機構(gòu), 這兩種均可把旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€運動。因為此機構(gòu)以傳遞運動為主, 要求有較高的傳動精度, 又要求結(jié)構(gòu)緊湊, 所以選用螺旋機構(gòu)。但常用的螺旋機構(gòu)中絲杠和螺母之間的相對運動是滑動, 磨損較嚴重, 影響傳動精度, 壽命短, 效率低,不能滿足高速度、高效率和高精度等傳動要求。為了使運動靈敏又能滿足精度要求, 選用滾珠螺旋機構(gòu)。滾珠螺旋傳動是在螺桿和螺母間放人適當數(shù)量的滾珠, 使螺桿和螺母之間的摩

26、擦由滑動摩擦變?yōu)闈L動摩擦的一種傳動裝置。現(xiàn)采用了間隙可調(diào)的滾珠絲杠傳動。為使傳動穩(wěn)定可靠, 采用絲杠轉(zhuǎn)動, 螺母帶著工作臺作移動的傳動形式。螺母帶著工作臺在底座的導(dǎo)軌上移動, 因為運動部件重量不大, 切削力也不大, 行程較小, 所以確定采用有預(yù)加載荷雙v形滾珠導(dǎo)軌。 數(shù)控X Y工作臺主要是對滾珠絲杠、滾珠導(dǎo)軌、步進電機的選擇, 使其滿足數(shù)控X Y 工作臺傳動系統(tǒng)高速度、高效率、高精度的要求。3.2. 工作臺外形尺寸及重量估算根據(jù)設(shè)計工作臺的有效行程，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?60mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?20mm,考慮夾具夾緊

27、弓箭的需要，設(shè)計工作臺簡圖如下:工作臺簡圖工作臺臺面尺寸為:長*寬*高 上拖板尺寸為: 長*寬*高 初設(shè)上導(dǎo)軌長度：動導(dǎo)軌長度240mm，動導(dǎo)軌行程270mm，支承導(dǎo)軌長度510mm下導(dǎo)軌：動導(dǎo)軌長度240mm，動導(dǎo)軌行程200mm，支承導(dǎo)軌長度 440mm重量估算：臺面重量：W1=187N托板重量：W2=283NX方向?qū)к壔瑝K重量：G1=45NY方向動導(dǎo)軌滑塊重量：G1=20N夾具及工件總重量：約160N 電機重量約為15N/個X工作臺運動部分重量：=187+20+160=367NX-Y工作臺運動部分總重量約為:=187+283+45+20+160+15=710N3.3. 滾動導(dǎo)軌參數(shù)計算與

28、選型 滾動直線導(dǎo)軌的主要設(shè)計參數(shù)有導(dǎo)軌的尺寸參數(shù)計算、額定載荷的計算、額定行程長度壽命和額定工作時間壽命。3.3.1. 導(dǎo)軌的選用和計算額定靜載荷：根據(jù)給定的工作載荷和估算的Wx和Wy計算導(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(dǎo)軌：系統(tǒng)受中等沖擊,可取=4.0=0.5（1000+187）=594N=0.5（1000+283）=642N=4594=2376N=4642=2568N根據(jù)計算額定動載荷確定滾動導(dǎo)軌的型號及結(jié)構(gòu)尺寸，選擇

29、導(dǎo)軌LG15KL，可知其載荷C遠小于所選導(dǎo)軌額定動載荷。額定載荷（KN）額定靜力矩（Nm)導(dǎo)軌長度L(mm）單向行程長度Ls（mm)每分鐘往復(fù)次數(shù)（次/分鐘）動載荷靜載荷MaMbMc31568.714.57070112 LG15KL型滾動直線導(dǎo)軌參數(shù) 各型號滾動直線導(dǎo)軌參數(shù)3.3.2. 額定行程長度和工作時間壽命 根據(jù)設(shè)計好的方案來驗證導(dǎo)軌的工作壽命（小時），要求壽命不低于20000h； 計算導(dǎo)軌行程長度壽命（Km)，當滑座運動速度低于15m/min時，若溫度在以下，導(dǎo)軌硬度為60HRC時，無明顯沖擊和振動由下式可得： F=1000/4=250N245650km852950hT=20000h由

30、于導(dǎo)軌和導(dǎo)軌副均為標準件，可在型號產(chǎn)品中得到具體參數(shù)，所以在設(shè)計中對導(dǎo)軌的描述用代號確定，后面的設(shè)計過程其他的傳動元件同理，在CAD畫圖中只表示其大致結(jié)構(gòu)。3.4. 滾珠絲杠計算、選擇3.4.1. 確定當量載荷 由于該設(shè)計只對絲杠的移動速度有要求，對轉(zhuǎn)速沒有要求。故初選絲杠導(dǎo)程為Ph= 5mm，則絲杠轉(zhuǎn)速=/Ph=200r/min。估測系統(tǒng)走刀抗力約為320N該系統(tǒng)速度沒有變化，其當量載荷即為其最大載荷，取其摩擦系數(shù)f=0.01。X方向載荷：=325NY方向載荷：=330N3.4.2. 絲杠載荷計算和選用絲杠軸向力：(N)其中：K=1.15，滾動導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.0030005；取f=0.0

31、04，F(xiàn)x=(0.10.6)Fz，F(xiàn)y=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。則:580N698N壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min) ，T=20000hn=200r/minL=240最大動載荷：式中：為載荷系數(shù)，取沖擊效果為中等，由表： 載荷性質(zhì) 無沖擊（很平穩(wěn)） 輕微沖擊 伴有沖擊或振動 11.2 1.21.5 1.52 載荷性質(zhì)系數(shù)可知中等沖擊時為1.21.5；為硬度系數(shù)，HRC58時為1.0。取沖擊時=1.5，=1則:5405N6480N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：CM

32、2005-5。其基本參數(shù)形狀如下:其額定動載荷為14498N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)的計算如下表名稱計算公式結(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螺母螺紋外徑23.212mm螺母內(nèi)徑（外循環(huán)）20.7mm3.4.3. 傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為：式中：=10，為摩擦角；為絲杠螺旋升角。=0.963.4.4. 絲杠剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導(dǎo)程變化量為：Y向滾

33、珠絲杠受力最大696.5N，=0.5cm，2.14cm因絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，忽略不計。選擇絲杠精度4級，此時則導(dǎo)程變形總誤差為：=193.5. 支承座的參數(shù) 軸承是和滾珠絲桿過盈配合的，滾珠絲桿的連接端的直徑為20mm，把絲桿磨小，使他們之間的配合是過盈配合。滾珠絲杠安裝方式為一端固定一端鉸接，固定端和支撐端裝均用深溝球軸承，滾動軸承型號為6302-2Z,該型號的參數(shù)如下 表2-11 滾動軸承103GB276-89參數(shù)外形尺寸（mm)安裝尺寸(mm)dDBD1D2154213213713.6. 齒輪計算、設(shè)計3.6.1. 齒輪參數(shù)確定因步進電機步距角= 1.5/step。滾珠絲杠螺

34、距t=5mm,要實現(xiàn)脈沖當量,在傳動系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動.齒輪傳動比： =0.48，選Z1=24，Z2=50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:mm齒寬：（取值為）中心距:齒輪參數(shù)計算尺寸見下表：Z 24 50d=mZ 24 50d0=d+2m 26 52d1=d-21.25m 21.5 47.5b=(0.21.4)mz 8 8a=(d1+d2)/2 37分度圓壓力角:3.6.2. 齒輪傳動消隙 數(shù)控設(shè)備進給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動變向狀態(tài)，反向時如果驅(qū)動鏈中的齒輪等傳動副存在間隙，就會使進給運動的反向滯后于指令信號，從而影響其驅(qū)動精度。因此必須采取措施消除

35、齒輪傳動中的間隙，以提高數(shù)控設(shè)備進給系統(tǒng)的驅(qū)動精度。由于該設(shè)計中齒輪尺寸較小，使用結(jié)構(gòu)簡單的偏心軸套消除側(cè)隙，其結(jié)構(gòu)如下：3.7. 步進電機的選用步進電機的步距角b 取系統(tǒng)脈沖當量=0.01mm/step，初選步進電機步距角 b=:3.7.1. 步進電機啟動力矩的計算設(shè)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：式中P為電機轉(zhuǎn)角，為移動部件的相應(yīng)位移，機械傳動效率。若取，則s，且。所以：式中： Ps為移動部件負載，G為移動部件質(zhì)量（N）， Pz為與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N）， u為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， 為步進電機的步距角（rad）

36、,T為電機軸負載力矩（N.cm）。本設(shè)計取=0.03（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），0.96，=320N。考慮到重力影響，向電機負載較大，因此G=698N，所以有：=考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩：33N.cm（取安全系數(shù)為0.4）對于工作方式為三相六拍的步進電機： =38N.cm步進電機的最高工作頻率=1667HZ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,同時電機最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個55BF004型三相反應(yīng)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)外形尺寸重量 步距角最大靜載荷 最高啟動頻率相數(shù)電 壓電流外徑長度軸徑55BF004 1.549.02200

37、327355626 6.5 55BF004單機參數(shù)3.7.2. 步進電機慣性負載的計算步進電機軸上的等效負載轉(zhuǎn)動慣量為：式中：為折算到電機軸上的慣性負載；為步進電機軸的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪的轉(zhuǎn)動慣量；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：式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。所以有：15.53292.537.44電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有：=0.925編程序時采用一定算法保證加速度不超過這個數(shù)值。4. 機床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計4.1. 硬件電路設(shè)計根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求選擇存儲器擴展電路、確定硬件電路方案；按照系統(tǒng)工作要求設(shè)計擴展接口

38、電路，檢測電路，轉(zhuǎn)換電機以及驅(qū)動電路等；4.1.1. 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）I/O輸入輸出接口：包括鍵盤、信號變換電路、顯示器等。4.1.2. 主控制器和存儲器擴展選用集成度高、可靠性好的系列單片機作為主控制器，該產(chǎn)品是集中了CPU、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。所以本設(shè)計選用芯片作為主控芯片。1）程

39、序存儲器的擴展單片機應(yīng)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，選擇芯片作為本次設(shè)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

40、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。2）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(yīng)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(shè)計選用芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展用芯片。3）譯碼電路在單片機應(yīng)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(shè)計中，數(shù)據(jù)存儲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。線選法是把單獨的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地

41、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(yīng)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(shè)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(shè)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，單片機外存儲器擴展電路如下：5）擴展電路設(shè)計通用可編程接口芯片，單片機共有個位并行接口，但供用戶使用的

42、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。8155Y與8031的連接方式如下圖所示鍵盤，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設(shè)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(shè)置在行列的交點上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有和。采用接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有鍵和位顯示器組成。鍵盤的列線及顯示器的字位控制共用一個口，即共用的PA口進行控制，鍵盤的行線由口擔任，顯示器的字形控制由8155的PB口擔任。4.1.3. 步進電機驅(qū)動電路設(shè)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)

43、，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(shè)計采用集成脈沖分配器YB013。采用YB013硬件環(huán)行分配器的步進電機接口線路圖如下： 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。光電耦合器接線圖如下： 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

44、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。 4）輔助電路設(shè)計 a.時鐘電路 b.復(fù)位電路 c.越界報警電路4.1.4. 硬件電路設(shè)計思路該系統(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。的片選控制端直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后，CPU從0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端由譯碼器（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的片選端接至譯碼器（74LS138）的Y

45、4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PA口為控制工作臺X，Y向電機的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，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(shè)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

46、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(shè)計上8155的PA口，PC口設(shè)置為輸出，PB口設(shè)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(yīng)立即停止X，Y向電機的驅(qū)動，并發(fā)出報警信號。4.2. 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計數(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，主要包括：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)。 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)。插補程序。根據(jù)零件加工源程序進

47、行插補，分配進給脈沖。 伺服控制程序。根據(jù)插補運算的結(jié)果控制伺服電機的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。機床的自動加工及手動加工控制程序等。管理程序是系統(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(shè)計管理程序時，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工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機等。4.2.1. 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。2）工作臺復(fù)位。開機后工作臺應(yīng)該自動復(fù)位，亦可手動復(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)視緊急停機鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。5）工

48、作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應(yīng)該立即停止工作臺的運動，并顯示相應(yīng)的指示字符。6）工作臺控制。4.2.2. 步進電機控制程序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。 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。并確定步進電機加，減速進給脈沖及脈沖時間間隔，即可使電機按照系統(tǒng)具體要求運行。 EPROM存儲器中，時間常數(shù)依次安排在首地址為1000H

49、的存儲單元中，每個時間常數(shù)占據(jù)兩個字節(jié)，低位地址存放時間常數(shù)低8位，高位地址存放時間常數(shù)高8位。在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計數(shù)器N0，N1，N2。以計數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標志。接口程序初始化及步進電機控制程序8255A初始化程序INTT: MOV DX, 8155A控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL中斷服務(wù)程序MOV DX, 8155AIN AL, DXIRET 電機的控制電路原理及控制字 節(jié)拍通電相控制字正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)二進制十六進制110A0000000000H29AB0000000101H38B000000110

50、3H47BC0000001002H55C0000011006H65CD0000011107H74D0000010105H83DE0000010004H92E000011000CH101EA0000011010DH設(shè)電機總的運行步數(shù)放在R4，轉(zhuǎn)向標志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標志位F1（D5）中，當F1為0時，電機正轉(zhuǎn)，為1時則反轉(zhuǎn)。正轉(zhuǎn)時P1端口的輸出控制字00H,01H,03H,02H,06H,07H,05H,04H,0CH,0DH存放在片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲單元20H29H中，2AH中存放結(jié)束標志00H，在2BH36H的存儲單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時P1端口的輸出控制字00H,0DH,0CH,04H,05H,07H,06H,02H,03H,01H,00H存放在37H單元內(nèi)存放結(jié)束標志00H。電機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序PUSH A ；