数控机床工作台与控制系统设计
数控机床工作台与控制系统设计
摘要
当今世界电子技术迅速发展,微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用,对各领域技术得发展起到了极大得推动作用。一个较完善得机电一体化系统,应包含以下几个基本要素:机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分、机电一体化就是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术与机械技术等多学科技术领域综合交叉得技术密集型系统工程。新一代得CNC 系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。
关键字:机电一体化得基础基本组成要素特点发展趋势
目录
第一章前言·································································?4
第二章课程设计得目得、意义及要求? (6)
第一节课程设计得目得、意义? (6)
第二节课程设计得要求 (6)
第三章课程设计得内容················································?7第一节课程设计得内容?························································７
第二节课程设计得内容? ···············································７
第四章数控系统总体方案得确定 (8)
第五章机械部分设计? (9)
第一节确定系统脉冲当量??9
第二节工作台外形尺寸及重量初步估算?·································９
第三节滚动导轨副得计算??9
第四节齿轮计算、设计 ························································?１3
第五节步进电机惯性负载得计算? (14)
第六节步进电机得计算选择 (15)
第六章机床数控系统硬件电路设计??
17
第一节设计内容? ································································１7
第二节设计步骤 ··································································?17
第三节机床数控系统硬件电路设计?····································２1
第七章系统控制软件设计 (22)
第八章结束语与致谢??
29
第九章参考文献 ·······················································?30
第一章绪论
一、当今世界数控技术及装备发展得趋势及我国数控装备技术发展与产业化得现状
装备工业得技术水平与现代化程度决定着整个国民经济得水平与现代化程度 ,数控技术及装备就是发展新兴高新技术产业与尖端工业得使能技术与最基本得装备 ,又就是当今先进制造技术与装备最核心得技术。数控技术就是用数字信息对机械运动与工作过程进行控制得技术 ,而数控装备就是以数控技术为代表得新技术对传统制造产业与新兴制造业得渗透形成得机电一体化产品,其技术范围覆盖很多领域。
数控技术得应用不但给传统制造业带来了革命性得变化 ,使制造业成为工业化得象征,而且随着数控技术得不断发展与应用领域得扩大,她对国计民生得一些重要行业ＩＴ、汽车、轻工、医疗等得发展起着越来越重要得作用、从目前世界上数控技术及其装备发展得趋势来瞧 ,其主要研究热点有以下几个方面:
(１)、高速、高精加工技术及装备得新趋势
效率、质量就是先进制造技术得主体、高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品得质量与档次 ,缩短生产周期与提高市场竞争能力。为了实现高速、高精加工 ,与这配套得功能部件如电主轴、直线电机得到了快速得发展,应用领域进一步扩大。
(2) 、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展得主要趋势
21世纪得数控装备将就是具有一定智能化得系统 ,数控系统开放化已经成为数控系统得未来之路。网络化数控装备就是近两年国际著名机床博览会得一个新亮点。数控装备得网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成得需求 ,也就是实现新得制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造得基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展得趋势、
第二章课程设计得目得、意义及要求
第一节课程设计得目得,意义
1.能够正确运用《机电一体化技术》课程得基本理论与相关知识,掌握机电一体化系统(产品)得功能构成、特点与设计思想、设计方法,了解设计方案得拟定、比较、分析与计算,培养学生分析问题与解决问题得能力,使学生具有机电一体化系统设计得初步能力。
2.本设计所设计得X－Y工作台采用了低摩擦得直线滚动导轨与精密得丝杠,它得工作原理就是通过MＣＳ—51单片机来控制步进电机,使Ｘ—Y工作台实现了数控控制。工作台得自动化能大大减轻劳动强度,提高劳动生产效率。本设计X-Ｙ数控工作台机电系统设计就是一个开环控制系统,其结构简单,实现方便而且能保证一定得精度。通过微机控制技术得简单得应用,实现对机床得控制,使机床得加工范围扩大,精度与可靠性进一步提高。本设计所设计得Ｘ—Y工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工,而且还能够用于钻床上数控钻削加工,所以其功能远高于传统得普通工作台就是新一代机电一体化得典型产品。通过对X—Ｙ工作台得设计,能够正确运用机床数控系统等课程得基本理论个有关知识,学会设备数控化改造方案得拟定、比较、分析及进行必要得计算;通过对设备改造得机械部分设计,掌握数控设备典型零件得计算方法与步骤以及正确得结构设计方法;通过设备得数控系统硬件与软件设计,掌握简单得数控系统硬件及软件设计得基本方法;通过课程设计,
第二节课程设计得要求:
1.课程设计应在教师得指导下由学生独立完成,严格地要求自己,不允许相互抄袭;
2.认真阅读《课程设计指导书》,明确题目及具体要求;
3.认真查阅题目涉及内容得相关文献资料、手册、
第三章课程设计得内容
第一节课程设计题目:单片机控制步进电机驱动得多用XY工作台。已知条件:设计一个数控Ｘ－Y工作台及其控制系统,该工作台可安装在普通钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。系统分辨率X:0。01mm,Ｙ:０。01mm。系统分辨率X:0、01mm,Y:0。０1ｍm。设计参数如下:快速进给速度纵向X:2m/分;快速进给速度横向Ｙ:２m/分;切削进给速度:０.３m/分;时间常数: ｔ≤200mｓ;最大钻孔直径d=5mm;铣刀直径φ１5mm,齿数Z=3;铣削最大余量αe=2ｍm;铣削最大深度αp＝2mｍ;工作台加工范围Ｘ=320mm,Y=２6０ｍm。加工材料为铸铁;最大工件重量 8０Ｋg。
第二节课程设计得内容
1。数控装置总体方案得确定
(1).数控装置设计参数得确定;
(2)、方案得分析,比较,论证。
2、机械部分得设计
(１)、确定脉冲当量;
(2)、机械部件得总体尺寸及重量得初步估算;
(3)。传动元件及导向元件得设计,计算与选用;
(4).确定伺服电机;
(5).绘制机械结构装配图;
(6)、系统等效惯量计算;
(7)。系统精度分析。
3。数控系统得设计
(１)、微机及扩展芯片得选用及控制系统框图得设计;
(2)、I/Ｏ接口电路及伺服控制电路得设计与选用;
(3).系统控制软件得设计
4。编写课程设计说明书
(1).说明书就是课程设计得总结性技术文件,应叙述整个设计得内容,包括总体方案
得确定,系统框图得分析,机械传动设计计算,电气部分得设计说明,选用元器件参数得说明,软件设计及其说明;
(2)。说明书不少于８4字,尽量用计算机完成。
5.图纸
(1)、机械结构装配图,A0图纸１张。要求视图基本完整,符合标准。其中至少要有
一个坐标轴得完整剖视图;
第四章数控系统总体方案得确定数控系统总体方案设计得内容包括:系统运动方式得确定,执行机构及传动方案得
确定,伺服电机类型及调速方案确定,计算机控制系统得选择。进行方案得分析、比较与论证。
1.系统运动方式得确定
由于机床既能钻削又能铣削加工,故应采用连续控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高,为了简化结构,降低成本,采用步进电机开环伺服系统驱动X-Ｙ工作台。钻头上下运动也由步进电机通过减速装置控制。
2.伺服系统得选择
?开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机。开环控制系统由于没有检测反馈部件,因而不能纠正系统得传动误差。但开环系统结构简单,调整维修容易,在速度与精度要求不太高得场合得到广泛应用。
。考虑到运动精度要求不高,为简化结构,降低成本,宜采用步进电机开环伺服系统驱动。
3.计算机系统得选择
采用MCS－5１系列中得８031单片机扩展控制系统、MCS－51单片机得主要特点就是集成度高,可靠性好,功能强,速度快,性价比高、控制系统由微机部分、键盘及显示器、I／O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统得工作程序与控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据与工作状态等信息。
4.X-Y工作台得传动方式
为保证一定得传动精度与平稳性以及结构得紧凑,采用滚珠丝杠螺母传动副、为提高传动刚度与消除间隙,采用有预加载荷得结构。
由于工作台得运动部件重量与工作载荷不大,故选用滚动直线导轨副,从而减小工作台得摩擦系数,提高运动平稳性。
考虑电机步距角与丝杠导程只能按标准选取,为达到分辨率得要求,以及考虑步进
电机负载匹配,采用齿轮减速传动。系统总体框图如下:
,第一节
,第二节工作台外形尺寸及重量初步估算
根据给定得有效行程,画出工作台简图,估算X向与Y向工作台承载重量W
X
与W
Ｙ
、取X向导轨支撑钢球得中心距为410ｍm,Ｙ向导轨支撑钢球得中心距为4００ｍm,设计工作台简图如下:
X向拖板(上拖板)尺寸为:
长*宽*高=4２０*41０*50
重量:按重量=体积*材料比重估算为: = Y 向拖板(下拖板)尺寸为:
重量=
上导轨(含电机)重量为
23(900480828003550)7.81010487.97N --??+??????=
夹具及工件重量:约１５5Ｎ X —Y 工作台运动部分总重量为:
第三节 滚动导轨副得计算、选择
根据给定得工作载荷F z 与估算得Ｗx 与W y 计算导轨得静安全系数f S Ｌ＝C ０/P,式中:Ｃ０为导轨得基本静额定载荷,kN;工作载荷P=0。5(F z +Ｗ); f SL =1.0~3、0(一般运行状况),3。0～5、0(运动时受冲击、振动)。根据计算结果查有关资料初选导轨:
因系统受中等冲击,因此取
第四节 齿轮计算、设计
因步进电机步距角滚珠丝杠螺距t ＝5ｍm,要实现脉冲当量,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。
齿轮传动比: ,初选步进电机步距角:α= 1。5?/step。
取小齿轮齿数则大齿轮齿数
因传递得扭距较小,取模数ｍ=1mｍ则:
分度圆直径:
齿顶圆直径:
齿根圆直径:
齿宽: 取
中心距:
分度圆压力角:
大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮
小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙、
第六节步进电机惯性负载得计算
根据等效转动惯量得计算公式,有:
(1)等效转动惯量得计算
折算到步进电机轴上得等效负载转动惯量为:
式中:为折算到电机轴上得惯性负载;为步进电机轴得转动惯量;为齿轮1得转动惯量;
为齿轮2得转动惯量;为滚珠丝杠得转动惯量;Ｍ为移动部件得质量。 对钢材料得圆柱零件可以按照下式进行估算:
式中为圆柱零件直径,为圆柱零件得长度、 所以有:
电机轴得转动惯量很小,可以忽略,所以有:
2222
2
240.016.4710(
)(146.2537.44)10200()0.7793.3.1450 1.5180
d J kg cm --=?++?+=?第七节 步进电机得选用
(1)步进电机启动力矩得计算
设步进电机得等效负载力矩为T,负载力为Ｐ,根据能量守恒原理,电机所做得功与负载力所做得功有如下得关系:
式中为电机转角,S 为移动部件得相应位移,为机械传动得效率。若取,则Ｓ＝,且、所以:
式中:为移动部件负载(N),Ｇ为移动部件质量(N),为与重力方向一致得作用在移动部件上得负载力(N),为导轨摩擦系数,为步进电机得步距角(r ａd),T 为电机轴负载力矩(N 、cm)。
取=０、３(淬火钢滚珠导轨得摩擦系数),=0。8,==279、23Ｎ。考虑到重力影响,Ｙ向电机负载较大,因此Ｇ＝１200Ｎ,所以有:
考虑到启动时运动部件惯性得影响,则启动转矩:
取系数为０、３,则:
对于工作方式为三相６拍得步进电机:
(2) 步进电机得最高工作频率
为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机。
第六章数控系统硬件电路设计
第一节设计内容
１.按照总统方案以及机械结构得控制要求,确定硬件电路得方案,并绘制系统电气控制得结构框图;
2.选择计算机或中央处理单元得类型;
3.根据控制系统得具体要求设计存储器扩展电路;
４。根据控制对象以及系统工作要求设计扩展I／O接口电路,检测电路,转换电路以及驱动电路等;
5、选择控制电路中各器件及电气元件得参数与型号;
6。绘制出一张清晰完整得电气原理图,图中要标明各器件得型号,管脚号及参数;
７.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细得原理说明与方案论证。
第二节设计步骤
1。确定硬件电路得总体方案、
数控系统得硬件电路由以下几部分组成:
1．主控制器。即中央处理单元CＰU
2．总线。包括数据总线,地址总线,控制总线。
3．存储器、包括只读可编程序存储器与随机读写数据存储器、
4．接口、即I／Ｏ输入输出接口。
２.主控制器CPU得选择
MＣS—５１系列单片机就是集中CPＵ,Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等为一体得功能性很强得控制器、只需增加少量外围元件就可以构成一个完整得微机控制系统,并且开发
手段齐全,指令系统功能强大,编程灵活,硬件资料丰富。本次设计选用８０3１芯片作为主控芯片。
３、存储器扩展电路设计
(1)程序存储器得扩展
单片机应用系统中扩展用得程序存储器芯片大多采用EPROM芯片。其型号有:
2716,2７32,２７６４,２７１28,27258,其容量分别为2k,4k,８k,1６ｋ32k。在选择芯片时要考虑CPＵ与ＥPROＭ时序得匹配。８０31所能读取得时间必须大于ＥPROM 所要求得读取时间、此外,还需要考虑最大读出速度,工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时,尽量选择大容量芯片,以减少芯片数量以简化系统、综合以上因素,选择27６４芯片作为本次设计得程序存储器扩展用芯片、
单片机规定P0口提供８为位地址线,同时又作为数据线使用,所以为分时用作低位地址与数据得通道口,为了把地址信息分离出来保存,以便为外接存储器提高低８位得地址信息,一般采用７４LＳ３73芯片作为地址锁存器,并由ＣＰＵ发出允许锁存信号A ＬE得下降沿,将地址信息锁存入地址锁存器中。
由以上分析,采用2７６４EPROM?
(２)数据存储器得扩展
由于8０３1内部ＲAM只有128字节,远不能满足系统得要求。需要扩展片外得数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用611６,6２62静态RAＭ数据存储器。本次设计选用６２6４芯片作为数据存储器扩展用芯片。
(3)译码电路
在单片机应用系统中,所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时得与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制、由于外围芯片与数据存储器采用统一编址,因此单片机得硬件设计中,数据存储器与外围芯片得地址译码较为复杂、可采
用线选法与全地址译码法、线选法就是把单独得地址线接到外围芯片得片选端上,只要该地址线为低电平,就选中该芯片。线选法得硬件结构简单,但它所用片选线都就是高位地址线,它们得权值较大,地址空间没有充分利用,芯片之间得地址不连续、对于RAM与I/O容量较大得应用系统,当芯片所需得片选信号多于可利用得地址线得时候,多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址,而用译码器对高位地址线进行译码,译码器输出得地址选择线用作片选线、
(4)存储器扩展电路设计
８03１单片机所支持得存储系统起程序存储器与数据存储器为独立编址、
该设计选用程序存储器２7６4与数据存储器６2６4组成80３1单片机得外存储器扩展电路,
(5)Ｉ/O扩展电路设计
(a)。通用可编程接口芯片8１5５
8０３１单片机共有４个8位并行Ｉ／Ｏ接口,但供用户使用得只有P１口及部分P3 口线。因此要进行I/O口得扩展。８１5５与微机接口较简单,就是微机系统广泛使用得接口芯片。
(b)。键盘,显示器接口电路
键盘,显示器就是数控系统常用得人机交互得外部设备,可以完成数据得输入与计算机状态数据得动态显示、通常,数控系统都采用行列式键盘,即用I／Ｏ口线组成行,列结构,按键设置在行列得交点上。
(1)脉冲分配器采用集成脉冲分配器ＹB０13。
(2)光电隔离电路光电耦合器。
(3)功率放大器
(１)8０3１得时钟电路
单片机得时钟可以由两种方式产生:内部方式与外部方式。
内部方式利用芯片得内部振荡电路,在XTＡL１,XTAL2引脚上外接定时元件,如下图所示。晶体可以在１。２～１2之间任意选择,耦合电容在５～３0pF之间,对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时,可将XTAL1直接接地,ＸＴAL２接外部时钟源。(２)复位电路
单片机得复位都就是靠外部电路实现。在时钟工作后,只要在RＥＳET引脚上出现１0ms以上得高电平,单片机就实现状态复位,之后CＰＵ便从0000Ｈ单元开始执行程序、在实际运用中,若系统中有芯片需要其复位电平与8０３1复位要求一致时,可以直接相连、当晶振频率选用６ＭHz时,复位电路中Ｃ取２2F,R取200,取１０００。
第三节机床数控系统硬件电路设计
该系统选用MCS－５１系列得8031作为主控制器、扩展存储电路为一片273２EPROM 与一片6264RAM。程序存储器扩展为4K,数据存储器扩展为８Ｋ。
系统得扩展I／Ｏ接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片815５。8155得片选端接至译码器(74LS138)得Y4得输出端,故815５控制命令寄存器及PA,PB,ＰC 口得地址号分别为８000H及80０１Ｈ,８002H,8003H、8１55RAM区得地址为8０00Ｈ—8０FFＨ。
ＰB口剩余得I/Ｏ线PＢ4。-PB７分别作为工作台+X,+Ｙ,—X,-Y四个方向得行程限位控制信号。在软件设计上81５5得ＰA口,PC口设置为输出,PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB４。—ＰB７得电平,当某I／Ｏ线为０时,应立即停止X,Ｙ向电机得驱动,并发出报警信号。另外,光电隔离器得输出端必须采用隔离电源、隔离电源选用78０5三端集成稳压器设计。
第七章系统控制软件得设计
(一).系统控制软件得主要内容
数控系统就是按照事先编好得控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统得控制软件分为以下几个部分:
1、系统管理程序、
2、零件加工源程序得输入处理程序、
3、插补程序。
4、伺服控
制程序。5、诊断程序。6、机床得自动加工及手动加工控制程序7、键盘操作与显示处理程序。
(二)、软件设计
１、系统控制功能分析
数控X-Y工作台得控制功能包括:
(１)、系统初始化。如对I/O接口81５5,８2５５A进行必要得初始化工作,预置接口工作方式控制字。
(２)、工作台复位。开机后工作台应该自动复位,亦可手动复位。
(3)、输入与显示加工程序。
(４)、监视按键,键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关,键盘扫描等功能。(5)、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台得运动,并
显示相应得指示字符。
(6)、工作台得自动控制。
(7)、工作台得手动控制。
(8)、工作台得联动控制。
2、系统管理程序控制
管理称许就是系统得主程序,开机后即进入管理程序、其主要功能就是接受与执行
操作者得命令。在设计管理程序时,应确定接收命令得形式,系统得各种操作功能等。数控Ｘ—Ｙ工作台得基本操作功能有:输入加工程序,自动加工,刀位控制,工作台位置控
制,手动操作,紧急停机等。
3、自动加工程序设计
(1)机床在自动加工时得动作顺序:工作台移动到位→刀具快速进给→加工→退刀→工
作台运动到下一位置;
(2)计算机在加工过程中得操作:读取刀具轨迹,控制机床完成加工;
4.步进电机控制子程序设计
步进电机得控制包括速度,转角及方向得控制。步进电机在突然启动或停止时,由于负载与惯性,会使电机失步,所以电机运行时有一个加,减速过程。
步进电机控制子程序:
步进电机控制中断服务程序:
中断服务程序入口
5.编语言程序设计
（1）内存地址分配、
（2）加速脉冲数计数器N0地址设为２0H;
恒速脉冲数计数器N1低8位字节地址为2１H,高8位字节地址位22H;
减速脉冲数计数器N2地址位23H。
加速,减速,恒速脉冲总数寄存器N低位字节地址位24Ｈ,高位字节地址位25H;
步进电机进给控制子程序FEＥD首地址位0E80Ｈ。每调用一次该程序,步进电机按规定方向进给一步、
第八章结束语与致谢
结束语
整个系统采用半闭环控制系统,进给系统采用了CM系列滚珠丝杆副,其型号为:CM２005—5。以提高整个系统得精神要求。伺服系统采用了直流伺服电机通过弹性联轴器直接与滚珠丝杠连接驱动丝杠传动,而且其实轴承采用得就是角接触轴承保证其主轴不窜动,采用一个深沟来保证其径向得圆跳动。用PWM脉宽调制电路来实现伺服电机电压得平均值,电路中采用了阻容滞后电路,来防止H型桥式功率放大器中两对IＧBT功率管同时导通造成短路现象,能够有效得控制伺服电机得正转、反转及转速,同时为了保证一定得精度得要求,系统又采用了光电编码器作为位置检测器,来检测伺服电机得位置,通过单片机对光电编码器反馈信号处理来达到预期得精度要求。在设计中我们兼顾经济性,考虑满足精度得要求,因此对于设备及元件得选择都要求具有高精度,因此设计得成本较高。
致谢
《毕业设计》就是我在大学里得最后一门课程、通过这次毕业设计,我学会了如何查阅现有得技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己得想法与观点,使之成为自己得东西。并且结合生产知识,培养理论联系实际以及分析与解决工程实际问题得才能,并使大学三年所学得知识得到进一步巩固、深化与扩展。在此,我对我得论文指导老师范兴隆老师表示衷心得感谢,感谢她对我得严格要求,感谢她得监督与指导。其次我