數(shù)控銑床XY工作臺說明書

摘要當今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動作用。一個較完善的機電一體化系統(tǒng)，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、控制及信息處理部分。機電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計算機與信息處理技術(shù)、自動控制技術(shù)、檢測傳感技術(shù)、伺服傳動技術(shù)和機械技術(shù)等多學科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機電一體化產(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)鍵字：機電一體化的基礎(chǔ)基本組成要素特點發(fā)展趨勢AbstractNowtheworldelectronictechnologyrapidlyexpand,themicroprocessor,themicrocomputerobtainthewidespreadapplicationinvariouareaoftechnology,tovariousdomainstechnologydevelopmentenormouspromotioneffect.Aperfectintegrationofmachinerysystem,shouldcontainthefollowingseveralbaseelements:Basicmachine,powerandactuationpart,implementingagency,sensingmeasurementcomponent,controlandinformationprocessingpart.Theintegrationofmachineryisthesystemtechnology,thecomputerandtheinformationprocessingandmanagementtechnology,theautomaticcontroltechnology,theexaminationsensingtechnology,theservodrivetechnologyandthemechanicalskillandsoonmulti-disciplinaryareaoftechnologysynthesisoverlappingtechnology-intensivesystemsengineering.Newgeneration'sCNCsystemthiskindofmodelintegrationofmachineryproducttowardthehighperformance,theintellectualization,thesystematizationaswellasthefeatherweight,themicrominiaturizeddirectiondevelops.keywords:Integrationofmachineryfoundationbasiccomponentelementscharacteristictrendofdevelopment.目錄TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一章課程設(shè)計的內(nèi)容和要求3\o"CurrentDocument"第二章系統(tǒng)的總體方案設(shè)計4\o"CurrentDocument"第三章機械部分設(shè)計53.1脈沖當量和傳動比的確定53.2工作臺外形尺寸及重量初步估算53.3傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)矩慣量計算63.4工作載荷分析及計算63.5滾珠絲杠螺母副的選型和校核83.6導(dǎo)軌的選型和計算113.7驅(qū)動電機的選擇11\o"CurrentDocument"第四章數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計154.1控制系統(tǒng)硬件的基本組成154.2接口程序初始化及步進電機控制程序174.3直線圓弧插補程序設(shè)計19參考文獻25第一章課程設(shè)計的內(nèi)容和要求1.1課程設(shè)計的內(nèi)容任務(wù)是：設(shè)計一個數(shù)控X-Y工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工。具體參數(shù)如下：最大銑刀直徑mm最大銑削寬度匕最大銑削深度a乂p加工材料工作臺加工范圍（mm）最大移動速度24mm8mm5mm碳鋼X=300Y=2503m/min設(shè)計內(nèi)容包括：1.1.1數(shù)控裝置總體方案的確定（1）確定系統(tǒng)組成方案（組成框圖、功能、機械傳動系統(tǒng)簡圖、主要的設(shè)計參數(shù)，及方案分析、比較、說明）。1.1.2機械部分的設(shè)計（1）確定脈沖當量；（2）機械部件的總體尺寸及重量、轉(zhuǎn)動慣量的初步估算；（3）傳動元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計，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；1.1.3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）電氣控制原理圖設(shè)計（CPU、存儲器、I/O接口電路及伺服驅(qū)動電路）（3）系統(tǒng)控制軟件的結(jié)構(gòu)設(shè)計（控制流程圖）和部分功能控制軟件設(shè)計（匯編程序及流程圖）。1.2課程設(shè)計的要求1.2.1圖紙要求（1）機械結(jié)構(gòu)裝配圖，A0圖紙一張。要求視圖基本完整、符合要求。其中至少有一個坐標軸的完整剖視圖。（2）數(shù)控系統(tǒng)框圖（附在說明書上）。（3）數(shù)控電器圖，A1圖紙一張。（4）軟件框圖（可附在說明書上）。1.2.2編寫設(shè)計說明書要求說明書應(yīng)當敘述整個設(shè)計的內(nèi)容，包括總體方案的確定、系統(tǒng)框圖的分析、機械傳動設(shè)計計算、電氣部分的設(shè)計說明，選用元件及其具體參數(shù)的說明、軟件設(shè)計及其說明等，說明書不少于8000字第二章系統(tǒng)的總體方案確定數(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。2.1系統(tǒng)運動方式的確定該系統(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。2.2伺服系統(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。2.3計算機系統(tǒng)的選擇采用MCS-51系列中的8031單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機的主要特點是集成度高，可靠性好，功能強，速度快，性價比高?？刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進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。2.4X—Y工作臺的傳動方式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。為了減少了零件的數(shù)目和中間環(huán)節(jié)的影響，精度高，效率高，電動機通過聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠相連。但此種連接對安裝、加工的要求較高，選用撓性聯(lián)軸器，如膜片聯(lián)軸器，電動機的額定轉(zhuǎn)矩較大，等效轉(zhuǎn)動慣量亦大，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和快速性將產(chǎn)生不利影響。系統(tǒng)總體框圖如下：第三章機械部分設(shè)計機械部分設(shè)計內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當量，機械部件的總體尺寸、質(zhì)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、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。3.1脈沖當量和傳動比的確定脈沖當量＜5p＞一個進給指令時工作臺的位移量，應(yīng)小于等于工作臺的位置精度，由于定位精度為±0.01mm因此選擇脈沖當量為0.01mm。根據(jù)脈沖當量和系統(tǒng)總體方案，傳動比為1，直接用聯(lián)軸器將電機和絲杠直接連接，有利于簡化結(jié)構(gòu)，提高精度。初選導(dǎo)程L0=5mm滾珠絲杠，電動機步距角°)=0.75°。傳動比計算公式.一氣匕-0.75x5_13608-360x0.01-p暫選130BF001型的步進電動機。其具體參數(shù)如下：

型號相數(shù)步距免〔Deg,}電壓電凌〔A}保持轉(zhuǎn)炬hlrn(kg.cm)最高空載起動翁率(Hz}運行熟率皿}接疆圖Wdg備注130BF0010.75/1_5SW1210931(95)3000106003130BC3100380^300811.76(120)145013000130BC3100A380^3001019.6(200)110013000130BC3100B380^300101764<180)BOO13000150BC&480.75/1_580^1301315創(chuàng)。曲)260012000S160BC&480.75/1_580^30013222000120007160BC&4SA0.75/1_580^30013301800120007160BC3SO30.75/1_580^30013221000120006160BC380A30.75/1_580^3001330900120006

型號OD(hi2)-bELhih2EdODz<Pditt(key}AElE2M130BF0011301001343716310H。-0011IJj11平城4^3。130BC3100130100134581S101022KIjj11平城命3。123612,xl.2j130BC3100A130100134582401022KIjj11平城命3。123612,xl.2j130BC3100B130100134582101022KIjj11平城命3。123612,xl.2j150BC&481J01001J0471991018K17011平城中19103012,xl.2j1&0BC&481601301曲曲2101424K13011平城命3。143612,xl.2j160BC548A1601301曲曲16014241_25160BC3SO1601301曲曲21014241_25160BC3SOA1601301曲曲頌14241_2596847.2604.03.62.4tOW1WOOPUlSE-RAT￡(H2)13OfiFOOl型號步距角相數(shù)電壓(V)相電流(A)最大靜轉(zhuǎn)矩(N.M)空載啟動頻率(H)空載運行頻率(H)轉(zhuǎn)動慣量Kgcm2分配方式重量(Kg)130BF0010.75/1.5°580/12109.313000160004.7五相十拍9.23.2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。設(shè)計工作臺簡圖如下：X向拖板（上拖板）尺寸為：長*寬*高=320*270*40重量:按重量=體積*材料比重估算為：W=320x270x40x10-3x7.8x10-2n=270NY向拖板（下拖板）尺寸為：320x320x40重量W=320x320x40x10-3x7.8x10-2n=320Ny上導(dǎo)軌（含電機）估算重量為：260N夾具及工件重量：150NX-Y工作臺運動部分總重量為：270N+320N+260N+150N=1000N3.3傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)矩慣量計算傳動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量是一種慣性負載，選用電機時必須加以考慮。由于傳動系統(tǒng)的各傳動部件并不都是與電機軸同軸線，還存在各轉(zhuǎn)動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機軸的折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量對于軸、軸承、齒輪、聯(lián)軸器、絲桿等圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量計算公式為MD2J=—c83.3.1電機等效轉(zhuǎn)動慣量J=4.7kg-cm23.3.2初選聯(lián)軸器直徑D=3cm，長度L=3cm聯(lián)軸器等效轉(zhuǎn)動慣量Jl=0.78D4Lx10-3=0.78x34x3x10-3=0.1895（Kg-cm2）3.3.3初選絲杠直徑D=3cm，初步估計絲杠長度L=35cm。滾珠絲杠等效轉(zhuǎn)動慣量J=0.78D4Lx10-3=0.78x34x35x10-3=2.2113(Kg-cm2)3.3.4工作臺等效轉(zhuǎn)動慣量J=(匕)2M=^^-)2x'°°°—0.6333(kg-cm2)G2兀2兀9.83.3.5傳動系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量￡J—Jd+Jl+J、+JG—4.7+0.1895+2.2113+0.6333—7.64(kg.cm2)3.4工作載荷分析及計算3.4.1銑削力的分析與計算銑削運動的特征是主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給(鍵槽銑刀可沿軸線進給)。銑刀的類型很多，但以圓柱銑刀和端銑刀為基本形式。圓柱銑刀和端銑刀的且學部分都可看做車道到頭的演變，銑刀的每一刀齒相當于一把車刀。通常假定銑削時銑刀受到的銑削力是作用在刀尖的某點上。設(shè)刀齒上受到切削力的合理為F，將F沿銑刀軸線、徑向和切向經(jīng)行分解，則分別為軸向銑削力f，徑向銑削力尸和切向銑削力F。其中切向銑削力F是沿銑刀主運動方向的分離，它消耗銑床電機功率(即銑削功率)最多。'z根據(jù)《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)教程》選銑刀。根據(jù)最大銑刀直徊=24mm，最大銑削寬度氣=8mm，最大銑削深度ap—5mm選擇莫氏錐柄立銑刀，銑刀材料為硬質(zhì)合金，工件材料為碳鋼。選取工進的最大速度為V^=0.4mm/min，選定銑刀轉(zhuǎn)速n—400r/min，銑刀的齒數(shù)為Z=5，則每齒進給量a=v/(zn)=400/(5*400)mm=0.2mm。因此銑削力F為：F—9.18?12.5?a0.85?a0.75?a1.0?Z?d-0.73?n0.13?600.13=9.18x12.5x80%5x0.20.75x51.0x5x24-0.73x4000.13x600.13=1958N3.4.2進給工作臺工作載荷計算作用在工作臺上的合力F與銑刀刀齒上受到的銑削力的合力F大小相同，方向相反，合力F就是設(shè)計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力:工作臺縱向進給力方向載荷fl，工作臺橫向進給方向載荷七和工作臺垂直進給方向載荷F。工作臺工作載荷Fl、F和F，與銑刀的切向銑削力Fz之間有一定的經(jīng)驗比值。因此，求出「后，即可計算出工作臺的勺計算載荷Fl、七和Fo'F—(0.80—0.90)xF—1664NF—(0.35-0.40)F-695NF^—(0.75-0.80)F-1478N3.5滾珠絲杠螺母副的選型和校核3.5.1滾珠絲杠螺母副類型選擇G.GD系列滾珠絲杠副規(guī)格代號公稱直徑Do公稱導(dǎo)程Pho絲杠外徑滾珠直徑Dw螺旋升角0絲杠底徑dl循環(huán)列數(shù)螺母安裝連接尺寸注油孔額定動載荷Ca(KN)額定靜載荷Coa(KN)接觸剛度KcN/umGGDDDDLBDDhiTGGD2505-230528.233°39'26.722+24066534070115.5105.7553M67174502505-333+3468010.5223282505-444+450901434650選用內(nèi)循環(huán)，墊片式預(yù)緊方式的滾珠絲杠螺母副。預(yù)選G.GD系列的2005-3絲杠。3.5.2滾珠絲杠螺母副的校核3.5.2.1最大工作載荷滾珠絲杠上的工作載荷%(N)是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進給牽引力。它包括滾珠絲杠的走刀抗力及與移動體重力和作用在導(dǎo)軌上的其他切削分力相關(guān)的摩擦力。綜合導(dǎo)軌的工作載荷F=KF+f'(F+G)，式中：F，F(xiàn)，F(xiàn)分別為工作臺進給方mLVLVC向載荷、垂直載荷和橫向載荷(N)；G為移動部件的重力(N)；K和f'分別為考慮顛覆力矩影響的實驗系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，隨導(dǎo)軌形式的不同。對于綜合導(dǎo)軌K=1.15，如果是滾動導(dǎo)軌時，f=0.0025~0.005，現(xiàn)取f=0.004因此有，F(xiàn)=KF+f'(F+G)=1.15x1664+0.004x(1478+1000)=1923.51(N)3.5.2.2最大動負載C的計算及主要尺寸初選滾動絲杠最大動載荷C可用下式計算：C2fmFm，式中：L為工作壽命，單位為106r，L=60nt/106；n為絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)，n=1000V/L0；v為最大切削力條件下的進給速度(m/min)，L0為所預(yù)選的滾珠絲杠的導(dǎo)程，待剛度驗算后再確定；t為額定使用壽命(h)，可取t=15000h；fm為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1~1.2,一般情況取1.2?1.5,有沖擊振動取1.5~2.5；門為滾珠絲杠工作載荷(N)。初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的個定動載荷C.不得小于最大動載荷C；匕＞C。L=60nt/106=60x42x15000=37.8(106r)其中：n=1000V/L，t=15000h，v=0.4m/min那么，C=^LfmFm=380x1.1x1923.51=9117.245(N)其中’fm=L1因為。，=9.117KN>C，所以所選滾珠絲杠螺母副符合最大動載荷要求。3.5.2.3傳動效率計算滾珠絲杠螺母副的傳動效率門為門=—嘩—=—tg3039'—=95.62%

tg(X+p)tg(3o39'+10')3.5.2.4剛度驗算滾珠絲杠計算滿載時拉壓形量81—土呈=±1923.51x300=0.00471mm1EA20.6x104x593.6562其中L取300mm，E=20.6x104Mpa，A=兀(|)2=3.14x(2^)2=593.6562mm21923.51、3x65.43x6812=0.0055mm滾珠與螺紋滾道間的接觸變形828=0.0013^^^==0.0013x23氣七弓其中：F=1923.51N=196.28^gf，D1923.51、3x65.43x6812=0.0055mmF=1F=1x1923.51N=641.17N=65.43kgf，YJ3m3Z=(兀d/D)-3=(3.14x30/3)-3=28.4，知=Zx圈數(shù)x歹0數(shù)=28.4x4x(3+3)n681滾珠絲杠副剛度驗算：絲杠的總變形量8=8]+82應(yīng)小于允許的變形量。一般8不應(yīng)大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半?；蛘?，由絲杠精度等級查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長度上的變形量應(yīng)該比它曉。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠。機床的定位精度為0.04mm，8=8]+82=0.00471+0.0055=0.0102mmn0.01mm。因此所選的滾珠絲杠副剛度符合要求。3.5.2.5壓桿穩(wěn)定性驗算滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。失穩(wěn)時的載荷載荷Fk為f=f^EL

KL_2x3.14x20.6x104x28059.53

300^=403334N其中，七=2.0(絲杠承載方式系數(shù)，選用一端固定，一端簡支方式)，I為截面慣量距，L=nd4/64mm=nx27.54/64=28059.53mm1臨界載荷Fk與絲杠工作載荷Fm之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)七，如果nk大于需用穩(wěn)定安全系數(shù)n1則該滾珠絲杠就不會失穩(wěn)。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為：kn=Fk=403334=209.69>ln]

kF1923.51k因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。3.6導(dǎo)軌的選型和計算初選GDA20滾動導(dǎo)軌，額定動載荷C,=12.4KN。滾動導(dǎo)軌副的距離壽命L的計算：L=50fCUc}3〔ff)W5f12.4x1031x1x0.81)3=50xh1kx-r^)=97km>50km當導(dǎo)軌面的硬度為58?64HRC時，fH=1.0；當工作溫度不超過100°C時，f=1；f為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝兩個滑塊時fc=0.81；fw為載荷/速度系數(shù)，無沖擊振動，fw=1?1.5，取1.3；^為每個滑塊上的工作載荷，F(xiàn)彳=丁二619.5N因此選用的導(dǎo)軌滿足要求。3.7驅(qū)動電機的選擇3.7.1步距角的選擇查表初選步距角。=0.75°/步b3.7.2步進電機輸出轉(zhuǎn)矩的選擇(1)加速度力矩n=板￡=3000X0.75=625r/minmax83600.01X360J2=7.64(kg?cm2)運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間］=0.2sM=J2兀"maxX10-2ka260t…2X3.14X625=7.64xx10-260x0.2=24.99N?cm(2)空載摩擦力矩f=1000X瞞04X0.5=0.40(N?cm)i2x3.14x0.8x1式中，G為移動部件的總重量(N)；f'為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)；i為齒輪傳動降速比；門為傳動系數(shù)總效率；L0為滾珠絲杠的基本導(dǎo)程(cm)。附加摩擦力距M=烏匕(1—門2)=641.17X0.5(1—0.952)=6.22(N?cm)

02回i02x3.14x0.8x1式中，F(xiàn)yj為滾珠絲杠預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取的Fm的1/3；Fm為進給牽引力(N)；門0為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率?？蛰d啟動轉(zhuǎn)矩計算Mq=M*+M蚌+M0=24.99+0.40+6.22=31.61(N?cm)按照計算出的空載啟動轉(zhuǎn)矩，查表2-17得出最大靜轉(zhuǎn)矩M31.61M1=0707=0951=33.24(N?cm)3.7.2.2帶負載啟動時的總負載轉(zhuǎn)矩Mfq(1)加速度力矩n=V?ax^=400X0/75=83.3,/minmax83600.01x360J2=7.64(kg?cm2)運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間］=0.5s2兀nM=J—6§axX10-22x3.14x83.3“

=7.64xx10-260x0.5=1.34N?cm（2（2）空載摩擦力矩匕二°.40（N?頃）（3）（3）（4）作用在工作臺的合理折算到電機上的轉(zhuǎn)矩七附加摩擦力距M°=6.22(N?cm)M=^^=1923.51X0.5=191.43(N?cm)

f'2兀門i2x兀x0.8x1（5（5）帶負載啟動時的總負載轉(zhuǎn)矩Mq=M水+M蚌+M0+Mf,=1.34+0.40+6.22+191.43=199.39(N?cm)運動部件正常運行時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Mj運動部件正常運行時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩Mjmax2fq==398.78(N?cm)0.50.5并要求3.7.2.3按照Mjmax和Mjmax2中的較大者選取步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩Mj^^^，M>maxM.「M2^=M2=398.78(N?cm)=3.987(N?m)，，因此選用130BF001步進電機可以符合要求。jmax2M=9.31N?m>>M3.7.3距頻特性校核3.7.3.1啟動頻率的計算已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量2J=7.64kg?cm2，電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量J=4.7kg?cm2，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率f=3000Hz。由式（4-17），一“一3000—并要求，因此選用130BF001步進電機可以符合要求。jmax2，一“一3000—185185^乙—,1+2'J/J—v1+7.64/4.7—.z七m實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，3.7.3.2運行矩頻特性校核(1)快進運行距頻特性校核最高運行頻率fmax1000最高運行頻率fmax1000Vmax605p1000X360x0.01=5000Hz=M町+M0=0.40+6.22=6.62(N-cm)查130BF001的運行距頻特性，M心所對應(yīng)的運行距頻大于5000Hz(2)工進運行距頻特性校核工進時步進電機的運行頻率f=1000”=以?X040=666Hzgj60560x0.01p=0.986(N-cm)摩擦力矩M=f(J+G)L0

f2兀門i=0.986(N-cm)0.004x(1478+1000)x0.52x3.14x0.8x1工作負載力矩折算到電機上的力矩MtFL=t0=2兀門i1664x0.52x3.14x0.8=165.605(N-cm)工進時電機運行力矩M$=M0+M++M=6.22+0.986+165.605=172.81(N-cm)查130BF001的運行距頻特性，fGY=666Hz<fyGT(允許工進頻率)。3.7.4驗算慣量匹配電動機軸上的總當量負載轉(zhuǎn)矩慣量與電機軸自身轉(zhuǎn)動慣量的比值應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大，也不應(yīng)太少，即伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于負載特性，由于工作條件的變化而引起的負載質(zhì)量、剛度、阻尼等的變化，將導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)特性也隨之產(chǎn)生較大變化，使伺服系統(tǒng)綜合性能變差，或給控制系統(tǒng)設(shè)計造成困難。如果該比值太小，說明電動機選擇或傳動比設(shè)計不太合理，經(jīng)濟性較差。為使該系統(tǒng)慣量達到較合理的匹配，一般應(yīng)將比值控制在1~1之間。4J=4.7(Kg-cm2)J’=J+Jl+Jg=2.2113+0.1895+0.6333=3.034(Kg-cm2)=0.6455J3.034—d==0.6455J4.7由此可見，1VJdV1，符合慣量匹配要求。4Jm

經(jīng)過以上討論，選用130BF001步進電動機可以滿足要求。由于Y方向與X方向的要求相差不多，可以選用同樣的絲杠，導(dǎo)軌，電機經(jīng)過以上計算，選用的零件以下列表:滾珠絲杠滾動導(dǎo)軌混合式步進電機X方向G.GD系列2005-3GDA20滾動導(dǎo)軌130BF001Y方向G.GD系列2005-3GDA20滾動導(dǎo)軌130BF001第四章數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計4.1控制系統(tǒng)硬件的基本組成4.1.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：4.1.2微處理器選擇

在以單片機為核心的控制系統(tǒng)中，大多數(shù)米用MCS-51系列單片機的8031芯片，經(jīng)過擴展存儲器、接口和面板操作開關(guān)等，組成功能較完善、抗干擾性能較強的控制系統(tǒng)。8031內(nèi)部包含一個8位CPU，128字節(jié)的RAM，兩個16位的定時器，四個8位并行口，一個全雙工串行口，可擴展的程序和數(shù)據(jù)存儲器各64K，有5個中斷源。4.1.3系統(tǒng)擴展系統(tǒng)中采用鍵盤實現(xiàn)輸入，并采用LED顯示器，它們均需要占用較多芯片口線，所以該系統(tǒng)需要進行系統(tǒng)擴展。可編程并行接口8155A是一種應(yīng)用廣泛的并行接口擴展器件。它具有三個8位并行口PA、PB、PC，由此提供了24條口線。P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.61P0.70ALE1P2.8UP3.7RDP3.6WRADnAD0AD2ad3ad4AD5AD；ALEIO/MRDWR4.1.4顯示模塊與鍵盤連接如圖3-2,通過P1口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路。這里由P1口的準雙向口功能可以實現(xiàn)一口多用。首先，使P1口的低4位輸出字形代碼；P1口的高4位輸出一個位掃描字，經(jīng)3—8譯碼器后顯示某一位，并持續(xù)1ms。各位掃描一遍之后，關(guān)掉顯示。其次，使P1口的高4位轉(zhuǎn)為輸入方式，使P1口的低4位輸出鍵掃描信號，有鍵按下時，轉(zhuǎn)入鍵譯碼和處理程序。圖3—2通過P1口及譯碼器的鍵盤和顯示接口電路4.1.5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)，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)計的脈沖分配由軟件完成。（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。（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。本設(shè)計選用功率放大器。4.2接口程序初始化及步進電機控制程序8255A初始化程序INTT:MOVDX,8155A控制端口TOC\o"1-5"\h\zMOVAL,86HOUTDX,ALMOVAL,05HOUTDX,AL40H類型中斷服務(wù)程序MOVDX,8155AINAL,DXIRET4.2.3步進電機驅(qū)動程序4.2.4.1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110A0000000000H29AB0000000101H38B0000001103H47BC0000001002H55C0000011006H65CD0000011107H74D0000010105H83DE0000010004H92E000011000CH101EA0000011010DH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20H~29H中，2AH中存放結(jié)束標志00H，在2BH~36H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。4.2.4.2電機正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序PUSHA；保護現(xiàn)場MOVR4,#N；設(shè)步長計數(shù)器CLRC；ORLC,D5H；轉(zhuǎn)向標志為1轉(zhuǎn)移JCROTE；MOVR0,#20；正轉(zhuǎn)控制字首址指針AJMPLOOP；ROTE:MOVR0,#2BH；反轉(zhuǎn)控制字首地址LOOP:MOVA,@R0；MOVP1,A；輸出控制字ACALLDELAY；延時INCR0；指針加1MOVA,#00H；ORLA,@R0；JZTRL；LOOP1:DJNZR4,LOOP；步數(shù)步為0轉(zhuǎn)移POPA；恢復(fù)現(xiàn)場RET；；返回TPL:MOVA,R0；CLRA；SUBBA,#06H；MOVR0,A；恢復(fù)控制字首指針AJMPLOOP1；DELAY:MOVR2,#M；DELAY1:MOVA,#M1；LOOP:DECA；JNZLOOP；DJNZR2,DELAY1；RET；保護現(xiàn)場設(shè)步長計數(shù)器1轉(zhuǎn)向標志為1?4.3直線圓弧插補程序設(shè)計在機電設(shè)備中，執(zhí)行部件如要實現(xiàn)平面斜線和圓弧曲線的路徑運動，必須通過兩個方向運動的合成來完成。在數(shù)控機床中，這是由X、Y兩個方向運動的工作臺，按照插補控制原理實現(xiàn)的。4.3.1直線插補程序的設(shè)計4.3.1.1用逐點比較法進行直線插補計算，每走一步，都需要以下四個步驟：偏差判別：判別偏差Fm>0或Fm<0，從而決定哪個方向進給和采用哪個偏差計算公式。坐標進給：根據(jù)直線所在象限及偏差符號，決定沿+X、+Y、-X、-Y的哪個方向進給。偏差計算：進給一步后，計算新的加工偏差。終點判別：進給一步后，終點計算器減1.若為0，表示到達終點停止插補；不為0，則返回到第一步繼續(xù)插補。終點計算判別可用兩個方向坐標值來判斷，也可由一個方向的坐標值來判斷。當X〉七，可用X方向走的總步數(shù)Xe作為終點判別的依據(jù)，如動點X等于終點Xe則停止。當X<匕，則用Y方向走的總步數(shù)匕作為終點判別的依據(jù)。e'由此，第一象限直線插補程序的算法如圖：4.3.1.2程序設(shè)計設(shè)計程序時，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點坐標值Xe、匕，動點坐標值X,Y，偏差門。對8位機，一般可用2字節(jié)，而行程較大時則需用3字節(jié)或4字節(jié)才能滿足長度和精度要求。此外，所有的數(shù)據(jù)區(qū)必須進行初始化，如設(shè)置初始值、X、Y向步進電機初態(tài)（控制字）。插補程序所用的內(nèi)存單元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXYXYF電機正反轉(zhuǎn)控制字e電機』eE反轉(zhuǎn)控制與m稽為：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0為X向電機控制位。D0=1運行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。D2D3為Y向電機控制位。D2=1運行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。第一象限直線插補的程序如下：ORG2000HMIAN:MOVSP,#60H;LP4:MOV28H,#0C8H;XeMOV29H,#0C8H;YeMOV2AH,#00H;XMOV2BH,#00H;YMOV2EH,#00H;FMOV70H,#0AH;LP3:MOVA,2EH;JBACC.7,LP1MOVA,70HSETBACC.0CLRACC.2MOV70H,A;LCALLMOTR;

LP1:LP2:LCALLLP1:LP2:LCALLDELAY;MOVA,2EH;SUBBA,29;INC2AH;AJMPLP2;MOVA,70HSTEBACC.2CLRACC.0LCALLMOTRLCALLDELAYMOVA,2EHADDA,28HMOV2EH,AMOVA,28HCJMEA,2AH,LP3RET程序中MOTR為步進電機的控制子程序。4.3.2圓弧插補程