1重慶交通大學畢業(yè)設計（論文）內容：數控車床系統(tǒng) XY 工作臺與控制系統(tǒng)設計院(系)、部： 繼續(xù)教育學院 學生姓名： 學 號: 專 業(yè)： 機 電 一 體 化班 級： 05 機電班 2指導教師： 完成時間： 2008-05-8 3摘 要當今世界電子技術迅速發(fā)展，微處理器、微型計算機在各技術領域得到了廣泛應用，對各領域技術的發(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)，應包含以下幾個基本要素：機械本體、動力與驅動部分、執(zhí)行機構、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、計算機與信息處理技術、自動控制技術、檢測傳感技術、伺服傳動技術和機械技術等多學科技術領域綜合交叉的技術密集型系統(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。關鍵字：機電一體化的基礎 基本組成要素 特點 發(fā)展趨勢4AbstractNow the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generation's CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.5目 錄第一章 前言 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4第二章 課程設計的目的、意義及要求 ?????????????????????????????????????????????????? 6第一節(jié) 課程設計的目的、意義?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6第二節(jié) 課程設計的要求?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 6第三章 課程設計的內容 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7第一節(jié) 課程設計的內容?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7第二節(jié) 課程設計的內容 ????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 7第四章 數控系統(tǒng)總體方案的確定 ?????????????????????????????????????????????????????????? 8第五章 機械部分設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當量?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9第二節(jié) 工作臺外形尺寸及重量初步估算?????????????????????????????????????????????????????????????? 9第三節(jié) 滾動導軌副的計算、選擇?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 9第四節(jié) 滾珠絲杠計算、選擇?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 11第五節(jié) 齒輪計算、設計?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 13第六節(jié) 步進電機慣性負載的計算?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 14第七節(jié) 步進電機的計算選擇?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 15第六章 機床數控系統(tǒng)硬件電路設計 ?????????????????????????????????????????????????????? 17第一節(jié) 設計內容?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17第二節(jié) 設計步驟?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 17第三節(jié) 機床數控系統(tǒng)硬件電路設計?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 21第七章 系統(tǒng)控制軟件設計 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????? 22第八章 結束語與致謝 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 29第九章 參考文獻 ?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 306第一章 前言一、當今世界數控技術及裝備發(fā)展的趨勢及我國數控裝備技術發(fā)展和產業(yè)化的現狀在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數控技術及裝備、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)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數控技術及裝備的幾點看法。裝備工業(yè)的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度 ,數控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和最基本的裝備 ,又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術 ,而數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品 ,其技術范圍覆蓋很多領域。（一） 、數控技術的發(fā)展趨勢。數控技術的應用不但給傳統(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 ,而且隨著數控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大 ,他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。從目前世界上數控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面:(1)、 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率 ,提高產品的質量和檔次 ,縮短生產周期和提高市場競爭能力。從 EMO2001 展會情況來看 ,高速加工中心進給速度可達 80m/ min ,甚至更高 ,空運行速度可達 100m/ min 左右。目前世界上許多汽車廠 ,包括我國的上海通用汽車公司 ,已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。在加工精度方面 ,近 10 年來 ,普通級數控機床的加工精度已由 10μm 提高到 5μm ,精密級加工中心則從 3～ 5μm ,提 高到 1～1.5μm 并且超精密加工精度已開始進入納米級 0.1μm 。為了實現高速、高精加工 ,與這配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展 ,應用領域進一步擴大。(2) 、5 軸聯動加工和復合加工機床快速發(fā)展采用 5 軸聯動對三維曲面零件的加工 ,可用刀具最佳幾何形狀進行切削 ,不僅光潔度高 ,而且效率也大幅度提高。但過去因 5 軸聯動數控系統(tǒng)、主機結構復雜等原因 ,其價格要比 3 軸聯動數控機床高出數倍 ,加之編程技術難度較大 ,制約了 5 軸聯動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現 ,使得實現 5 軸聯動加工的復合主軸頭結構大為簡化 ,其制造難度和成本大幅度降低 ,數控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型 5 軸聯動機床和復合加工機床 含 5 面加工機床 的發(fā)展。(3) 、智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢21 世紀的數控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內容包括在數控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質量方面的智能化 ,如加工過程的自適應控制 ,工藝參數自動生成;為提高驅動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機參數的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數控系統(tǒng)開放化已經成為數控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數控系統(tǒng)就是數控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上 ,面向機床廠家和最終用戶 ,通過改變、增加或剪裁結構對象 數控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現不同品種、不同檔次的開放式數控系統(tǒng) ,形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放數控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數控系統(tǒng)功能庫以及數控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。網絡化數控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求 ,也是實現新的制造7模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元 ,反映了數控機床加工向網絡化方向發(fā)展的趨勢。（二） 、對我國數控技術及其產業(yè)發(fā)展的基本估計我國數控技術起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的制 ,數控技術的發(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 ,即引進技術 ,消化吸收 ,初步建立起國產化體系階段。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 ,我國數控技術的研究、開發(fā)以及在產品的國產化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實施產業(yè)化的研究 ,進入市場競爭階段。縱觀我國數控技術近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別是經過 4 個 5 年計劃的攻關 ,總體來看取得的成績還是不小。（三） 、對我國數控技術和產業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考(1) 、戰(zhàn)略考慮。我國是制造大國 ,在世界產業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移 ,所以 ,我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數控技術和產業(yè)問題。首先從社會安全看 ,因為制造業(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 ,保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看 ,西方發(fā)達國家把高精尖數控產品都列為國家的戰(zhàn)略物質 ,對我國實現禁運和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報告”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)略需求和國民經濟的市場需求為導向 ,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產業(yè)化水平為目標 ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導 21 世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內容 ,實現制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強調市場需求為導向 ,即以數控終端產品為主 ,以整機如量大面廣的數控車床、銑床、高速高精高性能數控機床、曲型數字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等 帶動數控產業(yè)的發(fā)展。重點解決數控系統(tǒng)和相關功能部件 數字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產品;沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產品;當然 ,沒有規(guī)模中國的數控裝備最終難有出頭之日。8第二章 課程設計的目的、意義及要求第一節(jié) 課程設計的目的,意義《機電一體化系統(tǒng)設計》課程設計是培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐性教學環(huán)節(jié)之一，是綜合運用所學過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設計訓練。其目的是：1.能夠正確運用《機電一體化系統(tǒng)設計》課程的基本理論和相關知識，掌握機電一體化系統(tǒng)（產品）的功能構成、特點和設計思想、設計方法，了解設計方案的擬定、比較、分析和計算，培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力，使學生具有機電一體化系統(tǒng)設計的初步能力；2.通過機械部分設計，掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結構設計方法和步驟；3.通過測試及控制系統(tǒng)方案設計，掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理，和軟件編程思想；4.通過課程設計提高學生應用手冊、標準及編寫技術說明書的能力，促進學生在科學態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質的提高。第二節(jié) 課程設計的要求：1. 課程設計應在教師的指導下由學生獨立完成，嚴格地要求自己，不允許相互抄襲；2. 認真閱讀《課程設計指導書》 ，明確題目及具體要求；3. 認真查閱題目涉及內容的相關文獻資料、手冊、標準；4. 大膽創(chuàng)新，確定合理、可行的總體設計方案；5. 機械部分和驅動部分設計思路清晰，計算結果正確，選型合理；6. 微機控制系統(tǒng)方案可行，硬件選擇合理，軟件框圖正確；7. 手工或電腦繪制機械系統(tǒng)裝配圖一張（A1） ，控制系統(tǒng)電氣原理一張（ A1） ，圖紙符合國家標準，布圖合理，內容完整表達清晰； 8. 課程設計說明書一份（不少于 8000 字） ，包括：目錄，題目及要求，總體方案的確定，機械系統(tǒng)設計，控制系統(tǒng)設計，參考文獻等。設計說明書應敘述清楚、表達正確、內容完整、技術術語符合標準。9第三章 課程設計的內容第一節(jié) 課程設計題目：單片機控制步進電機驅動的多用 XY 工作臺。已知條件：定位精度：±0.01mm，滾珠絲杠及導軌使用壽命：T=15000h，中等沖擊工作臺的有效行程為 快速進給速度40Lxm? 40YLm?和工作載荷max20/inv?a2/inyv 2ZFN第二節(jié) 課程設計的內容1.數控裝置總體方案的確定(1).數控裝置設計參數的確定；(2).方案的分析，比較，論證。2.機械部分的設計(1).確定脈沖當量；(2).機械部件的總體尺寸及重量的初步估算；(3).傳動元件及導向元件的設計，計算和選用；(4).確定伺服電機；(5).繪制機械結構裝配圖；(6).系統(tǒng)等效慣量計算；(7).系統(tǒng)精度分析。3.數控系統(tǒng)的設計(1).微機及擴展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設計；(2).I/O 接口電路及伺服控制電路的設計和選用；(3).系統(tǒng)控制軟件的設計4.編寫課程設計說明書(1).說明書是課程設計的總結性技術文件，應敘述整個設計的內容，包括總體方案的確定，系統(tǒng)框圖的分析，機械傳動設計計算，電氣部分的設計說明，選用元器件參數的說明，軟件設計及其說明；(2).說明書不少于 84 字，盡量用計算機完成。5.圖紙(1).機械結構裝配圖， A0 圖紙 1 張。要求視圖基本完整，符合標準。其中至少要有一個坐標軸的完整剖視圖；10第四章 數控系統(tǒng)總體方案的確定數控系統(tǒng)總體方案設計的內容包括：系統(tǒng)運動方式的確定，執(zhí)行機構及傳動方案的確定，伺服電機類型及調速方案確定，計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較和論證。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系因此采用連續(xù)控制方式。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)結構簡單，調整維修容易，在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應用。.考慮到運動精度要求不高，為簡化結構，降低成本，宜采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動。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。顯示器采用數碼管顯示加工數據和工作狀態(tài)等信息。4. X—Y 工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊，采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙，采用有預加載荷的結構。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大，故選用滾動直線導軌副，從而減小工作臺的摩擦系數，提高運動平穩(wěn)性?？紤]電機步距角和絲杠導程只能按標準選取，為達到分辨率的要求，以及考慮步進電機負載匹配，采用齒輪減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下: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11第五章 機械部分設計機械部分設計內容包括：確定系統(tǒng)脈沖當量，運動部件慣性的計算，選擇步進電機，傳動及導向元件的設計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當量脈沖當量 δp 是一個進給指令時工作臺的位移量，應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。第二節(jié) 工作臺外形尺寸及重量初步估算根據給定的有效行程，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 向導軌支撐鋼球的中心距為 410mm,Y 向導軌支撐鋼球的中心距為 400mm,設計工作臺簡圖如下:X 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 := xW324201507.816.58N?????Y 向拖板(下拖板) 尺寸為: 重量 =Y32.0.??上導軌(含電機) 重量為 23(9048205)7.81487.9N??????夾具及工件重量:約 155NX-Y 工作臺運動部分總重量為:工作臺簡圖12487.965.271.8520WN????第三節(jié) 滾動導軌副的計算、選擇根據給定的工作載荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 計算導軌的靜安全系數 fSL=C0/P，式中：C0 為導軌的基本靜額定載荷，kN；工作載荷 P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般運行狀況)，3.0~5.0（運動時受沖擊、振動） 。根據計算結果查有關資料初選導軌：因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 4.0sLf?,, ,0.5()OSLXYZfPF??xYYOXSL=+W.(20+671.58)=3.79N.()26CfP413.94.?根據計算額定靜載荷初選導軌:選擇漢機江機床廠 HJG-D 系列滾動直線導軌,其型號為:HJG-D25基本參數如下:額定載荷/N 靜態(tài)力矩/N*M 滑座重量導軌重量導軌長度動載荷 aC靜載荷 oATBCTgK/gmL(mm)17500 26000 198 198 288 0.60 3.1 760滑座個數 單向行程長度 每分鐘往復次數M Sl n4 0.6 4導軌的額定動載荷 N1750aC?依據使用速度 v（m/min ）和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽命aCLn：額定行程長度壽命:()HTCaWffSFTK?2045MF1,,.81,,oTWCHRdffffK??133 310.817502()5()4209.58HTCaWffSFTK km????導軌的額定工作時間壽命: 3102SoTHln?3 310249.58104971506SoTln hTh?????導軌的工作壽命足夠.第四節(jié) 滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質：CrWMn 鋼，HRC58~60，導程：l 0=5mm（1） 強度計算絲杠軸向力： (N))(,,maxyxzyxWFfKF??其中：K =1.15，滾動導軌摩擦系數 f=0.003~0005；在車床車削外圓時：F x=(0.1~0.6)Fz，F y=(0.15~0.7)Fz，可取 Fx=0.5Fz，F y=0.6Fz 計算。取 f=0.004, 則:40ZmaxX.5.21061(67.58)104.642Y NNF?????壽命值： ，其中絲杠轉速 (r/min)60nTL?0maxlvnmax061524/i031hvrlL???最大動載荷： FfLQWH3式中：f W 為載荷系數，中等沖擊時為 1.2~1.5；f H 為硬度系數，HRC≥58 時為 1.0。查表得中等沖擊時 則:.2,1ff3601.4568709.5.4XY N???根據使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，并根據最大動載荷的數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 。其基本參數如下:14其額定動載荷為 14205N 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預緊方式采用雙螺yQ母螺紋預緊形式.滾珠絲杠螺母副的幾何參數的計算如下表名稱 計算公式 結果公稱直徑 0d―― 20mm螺距 t ―― ５mm接觸角 ?―― 045鋼球直徑 bd―― 3.175mm螺紋滾道法向半徑 R0.52bd?1.651mm偏心距 e()sine???0.04489mm螺紋升角 ?0tarcgd???0'43螺桿外徑 d0(.2~5)bd?19.365mm螺桿內徑 11eR??16.788mm15螺桿接觸直徑 2d20cosbd???17.755mm螺母螺紋外徑 DeR?23.212mm螺母內徑（外循環(huán)） 10(.~5)bd20.7mm（2） 傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為： )(?????tg式中：φ=10’，為摩擦角；γ 為絲杠螺旋升角。 0'''43()(1)0.96ggt tt???????（3） 穩(wěn)定性驗算絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。（4） 剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為： (cm)ESFll01???Y 向所受牽引力大,故用 Y 向參數計算60622 21.5615.80.241.5.(/)3.40FNlcmECMSRL????????絲杠受扭矩引起的導程變化量很小，可忽略不計。導程變形總誤差 Δ 為E 級精度06 4110.5. 2.102.[]l um????????絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。第五節(jié) 齒輪計算、設計因步進電機步距角 滾珠絲杠螺距 t=5mm,要實現脈沖當量 ,在傳1.5ob?? 0.1/pmstep??動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動.齒輪傳動比： ，初選步進電機步距角： α= 1.5?/step。0 36lip??12360.1485poZil????16取小齒輪齒數 則大齒輪齒數124Z?250Z?因傳遞的扭距較小,取模數 m=1mm 則:分度圓直徑: 1dmz?21dmz?齒頂圓直徑: (2)(4)16a???250z齒根圓直徑: 1(.)(2.).5fdmm??2 147fz??齒寬: 取 14db??b230中心距: 20.5()0.5()am?分度圓壓力角: ??大小齒輪均采用漸開線標準圓柱齒輪小齒輪采用兩片薄齒輪錯齒排列以消除間隙.雙片齒輪錯齒消隙結構圖如下:1、2-- 薄齒輪 , 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調節(jié)螺釘, 6、7—螺母雙片齒輪錯齒消隙結構圖第六節(jié) 步進電機慣性負載的計算根據等效轉動慣量的計算公式，有：（1）等效轉動慣量的計算折算到步進電機軸上的等效負載轉動慣量為：172 21013())()180pq bzJJJM??????式中： 為折算到電機軸上的慣性負載； 為步進電機軸的轉動慣量； 為齒輪１的轉qJ 0J1J動慣量；為齒輪２的轉動慣量； 為滾珠絲杠的轉動慣量；Ｍ為移動部件的質量。2 3J對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算： 340.781JDL????式中 為圓柱零件直徑， 為圓柱零件的長度。D所以有： 34221234 223.256.710.07803.4.J kgcm? ?? ??????電機軸的轉動慣量很小，可以忽略，所以有： 22 2224 0.16.4710()16.537.4)10()0.793.3458dJ kgcm? ?????????第七節(jié) 步進電機的選用(１）步進電機啟動力矩的計算設步進電機的等效負載力矩為Ｔ，負載力為Ｐ，根據能量守恒原理，電機所做的功與負載力所做的功有如下的關系： TPs???式中 為電機轉角，Ｓ為移動部件的相應位移， 為機械傳動的效率。若取 ，? b???則Ｓ＝ ，且 。所以：p?()szPGP???36[()]2ps zbGPT??????式中： 為移動部件負載（N） ，G 為移動部件質量（N） ， 為與重力方向一致的作用sP z18在移動部件上的負載力（N） ， 為導軌摩擦系數， 為步進電機的步距角（rad）,T 為?b?電機軸負載力矩（N.cm ） 。取 =0.3（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數） ， ＝０.8， = =279.23Ｎ?？紤]到??sPH重力影響，Ｙ向電機負載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有： 360.1[25.80.3(20180)]3.14.5.865.2.T ncm?????? ?考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉矩： 0.3~.5QT?取系數為０.３，則： 65.216.204qTncm?對于工作方式為三相６拍的步進電機：max163.20.86088.36.qTj nc?(２） 步進電機的最高工作頻率 axmax 167600.pvf???為使電機不產生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率 ,同時電機最大靜轉矩要足夠maxf大,查表選擇兩個 90BF001 型三相反應式步進電機 .電機有關參數如下:主要技術參數型號 相數 步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉矩 maxjT(n.m)空載啟動頻率空載運行頻率分配方式90BF001 4 0.9 80 7 3.92 2000 8000 4 相 8 拍外形尺寸(mm)外直徑 長度 軸直徑重量kg轉子轉動慣量Kg.m90 145 9 4.5 176419第六章 數控系統(tǒng)硬件電路設計第一節(jié) 設計內容１.按照總統(tǒng)方案以及機械結構的控制要求，確定硬件電路的方案，并繪制系統(tǒng)電氣控制的結構框圖；２.選擇計算機或中央處理單元的類型；３.根據控制系統(tǒng)的具體要求設計存儲器擴展電路；４.根據控制對象以及系統(tǒng)工作要求設計擴展Ｉ／Ｏ接口電路，檢測電路，轉換電路以及驅動電路等；５.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數和型號；６.繪制出一張清晰完整的電氣原理圖，圖中要標明各器件的型號，管腳號及參數；７.說明書中對電氣原理圖以及各有關電路進行詳細的原理說明和方案論證。第二節(jié) 設計步驟１.確定硬件電路的總體方案。數控系統(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。包括數據總線，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據存儲器。4．接口。即 I/O 輸入輸出接口。數控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：２.主控制器ＣＰＵ的選擇中央處理單元 CPU存儲器RAMROM輸入/輸出I/O 接口信號變換控制對象外設：鍵盤，顯示器，打印機，磁盤機，通訊接口等20ＭＣＳ－５１系列單片機是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ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。本次設計選用８０３１芯片作為主控芯片。３.存儲器擴展電路設計(１）程序存儲器的擴展單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時序的匹配。８０３１所能讀取的時間必須大于ＥＰＲＯＭ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，以減少芯片數量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設計的程序存儲器擴展用芯片。單片機規(guī)定Ｐ0 口提供８為位地址線，同時又作為數據線使用，所以為分時用作低位地址和數據的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作為地址鎖存器，并由ＣＰＵ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。由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存儲器擴展電路框圖如下所示：擴展 2764 電路框圖(２）數據存儲器的擴展P1.7↓P1.0P2.4↓P2.0ALE P0.7↓P0.0PSENA CE A12↓ A8 2764A7↓A0 OE D7↓D0譯碼電路G74LS37221由于８０３１內部ＲＡＭ只有１２８字節(jié)，遠不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴展片外的數據存儲器。單片機應用系統(tǒng)數據存儲器擴展電路一般采用 6116,6262 靜態(tài) RAM 數據存儲器。本次設計選用６２６４芯片作為數據存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示：擴展 6264 電路框圖(３）譯碼電路在單片機應用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機相連。單片機數據總線分時的與各個外圍芯片進行數據傳送。故要進行片選控制。由于外圍芯片與數據存儲器采用統(tǒng)一編址，因此單片機的硬件設計中，數據存儲器與外圍芯片的地址譯碼較為復雜?？刹捎镁€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，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結構簡單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量較大的應用系統(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。本設計采用全地址譯碼法的電路分別如下圖所示：（4）存儲器擴展電路設計8031 單片機所支持的存儲系統(tǒng)起程序存儲器和數據存儲器為獨立編址。該設計選用程序存儲器 2764 和數據存儲器 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）Ｉ／Ｏ擴展電路設計(a).通用可編程接口芯片８１５５８０３１單片機共有４個８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用戶使用的只有Ｐ1 口及部分Ｐ3 口線。因此要進行Ｉ／Ｏ口的擴展。８１５５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P2.4↓P2.0ALEP0.7↓P0.0EAWRD 1CE A12↓ A8A7↓ 6264A0D7↓D0WEO↓D0譯碼電路G74LS37222(b).鍵盤，顯示器接口電路鍵盤，顯示器是數控系統(tǒng)常用的人機交互的外部設備，可以完成數據的輸入和計算機狀態(tài)數據的動態(tài)顯示。通常，數控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用Ｉ／Ｏ口線組成行，列結構，按鍵設置在行列的交點上。數控系統(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，顯示器電路。它有４Ｘ８鍵和６位ＬＥＤ顯示器組成。為了簡化秒電路，鍵盤的列線及ＬＥＤ顯示器的字位控制共用一個口，即共用８１５５的 PＡ口進行控制，鍵盤的行線由８１５５Ｃ口擔任，顯示器的字形控制由 8155 的 PB 口擔任。鍵盤顯示器接口電路如下所示：4．步進電機驅動電路設計(1）脈沖分配器步進電機的控制方式由脈沖分配器實現，其作用是將數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，實現電機正反轉。數控系統(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動電路中，脈沖分配器輸出的信號經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生足夠大的功率，才能驅動步進電機正常運轉。因此必須選用功率放大器，需根據步進電機容量選擇功率放大器。本設計選用功率放大器。5．其它輔助電路設計（１）８０３１的時鐘電路單片機的時鐘可以由兩種方式產生：內部方式和外部方式。內部方式利用芯片的內部振蕩電路，在 XTAL1,XTAL2 引腳上外接定時元件，如下圖所示。晶體可以在１.２～１２之間任意選擇，耦合電容在５～３０pF 之間，對時鐘有微調作用。采用外部時鐘方式時，可將 XTAL1 直接接地，XTAL2 接外部時鐘源。時鐘電路（２）復位電路單片機的復位都是靠外部電路實現。在時鐘工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現１０ms 以上的高電平，單片機就實現狀態(tài)復位，之后ＣＰＵ便從００００Ｈ單元開始執(zhí)行程序。在實際運用中，若系統(tǒng)中有芯片需要其復位電平與８０３１復位要求一致時，8031XTAL1XTAL223可以直接相連。當晶振頻率選用６ＭＨz 時，復位電路中Ｃ?。玻?Ｆ，Ｒ?。玻埃?，??取１０００ 。實用復位電路圖如下所示：KR?（３）越界報警電路為了防止工作臺越界，可分別在極限位置安裝限位開關。利用光電耦合電路，將行程開關接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。當任何一個行程開關被壓下的時候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導通，由低電平變成高電平。８０３１可利用軟件設計成查詢的方法隨時檢查有無越界信號。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至８０３１的外部中斷引腳（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１） ，采用中斷方式檢查越界信號。越界報警電路如下圖所示第三節(jié) 機床數控系統(tǒng)硬件電路設計該系統(tǒng)選用ＭＣＳ－５１系列的８０３１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４Ｋ，數據存儲器擴展為８Ｋ。２７３２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)復位以后，CECPU 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CE供。所以 6264 的空間地址為 4000 ～５ＦＦＦＨ。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 Y4 的輸出端，故 8155 控制命令寄存器及 PA，PB ，PCCE口的地址號分別為 8000H 及 8001H，8002H，8003H。8155RAM 區(qū)的地址為 8000H—80FFH。8155 的 A 口為控制工作抬 X，Y 向電機的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不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 PB0—PB3 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。為了增加數碼管顯示亮度，分別在字形口和字位口加 74LS07 進行驅動。PB 口剩余的 I/O 線 PB4—PB7 分別作為工作臺+X，+Y ，-X，-Y 四個方向的行程限位控制信號。在軟件設計上 8155 的 PA 口，PC 口設置為輸出，PB 口設置為輸入。計算機隨時巡回檢測 PB4—PB7 的電平，當某 I/O 線為 0 時，應立即停止 X，Y 向電機的驅動，并發(fā)出報警信號。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)壓器設計。數控系統(tǒng)總的電氣原理圖以及圖中各元件的參數和型號見附（二） ，附（三） 。24第七章 系統(tǒng)控制軟件的設計(一 ).系統(tǒng)控制軟件的主要內容數控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現各種控制功能。按照功能可將數控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個部分：1、系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實現系統(tǒng)協調工作的主體軟件。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、零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部 I/O 設備輸入零件加工源程序的任務。3、插補程序。根據零件加工源程序進行插補，分配進給脈沖。4、伺服控制程序。根據插補運算的結果或操作者的命令控制伺服電機的速度，轉角以及方向。診斷程序。包括移動不見移動超界處理，緊急停機處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯等功能。6、機床的自動加工及手動加工控制程序。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、機床工作狀態(tài)、操作命令等信息。(二 ).軟件設計1.系統(tǒng)控制功能分析數控 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 進行必要的初始化工作，預置接口工作方式控制字。（2） 、工作臺復位。開機后工作臺應該自動復位，亦可手動復位。（3） 、輸入和顯示加工程序。（4） 、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關，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)定值時應該立即停止工作臺的運動，并顯示相應的指示字符。（6） 、工作臺的自動控制。（7） 、工作臺的手動控制。（8） 、工作臺的聯動控制。2.系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(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。在設計管理程序時，應確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數控 X-Y 工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機等。根據以上分析，設計管理程序流程圖如下所示：開始加工程序輸入鍵按下？機床復位 系統(tǒng)初始化25NN Y NYYN管理程序流程3.自動加工程序設計（1）機床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位→刀具快速進給→加工→退刀→工作臺運動到下一位置；（2）計算機在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機床完成加工；（3）由以上分析，設計自動加工程序框圖如下所示：入口零件坐標地址指針自動加工鍵按下？手動加工鍵按下？加工數據輸入自動加工手動調整讀零件坐標調步進電機子程序工作臺移動到位刀具快進加工26NY返回4.步進電機控制子程序設計步進電機的控制包括速度，轉角及方向的控制。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和脈沖時間間隔，即可實現步進電機轉角與速度的控制。（1）時間常數的確定在步進電機控制程序中，利用單片機的定時器中斷，延時產生進給脈沖的時間間隔。此間隔由送入定時器的時間常數決定。時間常數由下式計算： 3610eTt???式中：T 為脈沖時間間隔（ms） ； 為單片機機器周期（ s） ，在時鐘為 6MHz 時， =2 s。et?et?（2）步進電機加，減速進給脈沖及脈沖時間間隔的確定設步進電機加，減速方式為直線加，減速。要使步進電機不失步，應滿足： mgITT??式中： 為步進電機啟動力矩； 為負載力矩； 為慣性力矩。mTgI由步進電機 =3.92N.m，取步進電機的加速啟動力矩axjmax0.86.3920.86.310.84Mj?????則使步進電機不失不的慣性力矩 1.4.57.2.IgT Ncm???步進電機角加速度快速退刀零件坐標地址指針加 1零件加工完成272 245.71067.25(/)93IdTradsJ??????又maxbbffttt????式中： 為上升到步進電機最高頻率所需時間，所以有：mtmax21.5673064.5().mbft ms???????加速脈沖個數：3ax1674.51.72nft ???確定加減脈沖個數都為 54 個又因為：max0.5.()nnfftt?所以脈沖時刻 max2nttf結合 可以算出對應各脈沖時刻的計數器時間常數。3610eTt???EPROM 存儲器中，時間常數依次安排在首地址為 1000H 的存儲單元中，每個時間常數占據兩個字節(jié)，低位地址存放時間常數低 8 位，高位地址存放時間常數高 8 位。在程序中，設置加速，恒速，減速脈沖計數器 N0，N1 ， N2。以計數器的值是否為 0 作為相應過程是否結束的標志。步進電機控制程序框圖如下所示：步進電機控制子程序：開始中斷初始化設時間常數地址指針首地址指向 1000H28NY步進電機控制中斷服務程序：中斷服務程序入口加速減速 脈沖計數器賦初值恒速送時間常數至計數器中開中斷啟動定時器 關中斷？返回送時間常數步進電機進一步N0=0？N1=0？N2=0？關中斷時間常數地址指針加 1N1←N1-1N0←N0-1時間常數地址指針加 129中斷返回5.編語言程序設計（1）內存地址分配加速脈沖數計數器 N0 地址設為 20H；恒速脈沖數計數器 N1 低 8 位字節(jié)地址為 21H，高 8 位字節(jié)地址位 22H；減速脈沖數計數器 N2 地址位 23H。加速，減速，恒速脈沖總數寄存器 N 低位字節(jié)地址位 24H，高位字節(jié)地址位 25H；步進電機進給控制子程序 FEED 首地址位 0E80H。每調用一次該程序，步進電機按規(guī)定方向進給一步。（2）程序清單N0 EQU 20H ;加速N1L EQU 21H ;恒速N1H EQU 22H N2 EQU 23H ;減速NL EQU 24H ;脈沖總數寄存器NH EQU 25HDS EQU 26H ；地址指針偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 758160 START： MOV P，#60H0E03 758901 MOV TMOD，#01H ； 設計數器工作方式為 1，16 位定時器0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；設 N0 為 3200E09 75231B MOV N2， #1A4H0E0C E520 MOV A ， N0 ；計算 2XN00E0E 23 RL A0E0F F8 MOV R0， A0E10 C3 CLR C ；計算 N1=N-2N00E11 E524 MOV A， NL0E13 98 SUBB A， R00E14 F521 MOV N1L， A0E16 E525 MOV A， NH0E18 9400 SUBB A，#00H0E1A F522 MOV N1H，A0E1C 901000 MOV DPTR， #1000H ；設時間常數指針初值為 1000H0E1F 752600 MOV DS， #00H ；設地址偏移量初值為 00H0E22 93 MOVC A, @A+DPTR ；從 EPROM 中讀時間常數0E23 F58A MOV TL0， A ；送時間常數至定時器 0 中0E25 0526 INC DS0E27 E526 MOV A，DSN2←N2-1300E2 93 MOVC A，@A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A0E2C 0526 INC DS0E2E D2AF SETB EA ；開中斷允許0E30 D2A9 SETB ET0 ；允許定時器 0 中斷0E32 D28C SETB TR0 ；啟動定時器 0 開始計算0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回0E37 22 RET中斷服務程序： ORG 000BH000B 02F00 LJMP 0F00H0F00 93 MOVC A，@A+DPTR0F03 F58A MOV TL0， A0F05 0526 INC DS0F07 E526 MOV A，DS0F09 93 MOVC A，@A+DPTR0F0A F58C MOV TH0， A0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指針0F0E D180 ACALL FEED ；調 FEED 子程序0F10 E520 MOV A， N0 ；判斷 N0 是否為 00F12 B400 CJNE A， #00H， LOOP10F15 E52 MOV A， N1H ；判斷 N1 是否為 0 0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP20F1A E522 MOV A，N1H0F1C B4000B C