数控车床XY轴工作台和自动控制系统设计.docx
《数控车床XY轴工作台和自动控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控车床XY轴工作台和自动控制系统设计.docx（27页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
数控车床XY轴工作台和自动控制系统设计
（此文档为word格式，下载后您可任意编辑修改！
）
目录
第一章前言3
第二章课程设计的目的、意义及要求4
第一节课程设计的目的、意义4
第二节课程设计的要求4
第三章课程设计的内容5
第一节课程设计题目5
第二节课程设计的内容5
第四章数控系统总体方案的确定6
第五章机械部分设计8
第一节确定系统脉冲当量8
第二节工作台外形尺寸及重量初步估算8
第三节滚动导轨副的计算、选择9
第四节滚珠丝杠计算、选择10
第五节齿轮计算、设计13
第六节步进电机惯性负载的计算14
第七节步进电机的计算选择15
第六章机床数控系统硬件电路设计18
第一节设计内容18
第二节设计步骤18
第三节机床数控系统硬件电路设计23
第七章系统控制软件设计24
第八章致谢27
第九章参考文献28
第一章前言
现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透。
在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工程工业的渗透，从而使机械工业的技术结构、产品、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大的变化，工业生产已由“机械电气化”迈出了“机电一体化”时代的发展阶段。
机电一体化是指从系统的观点出发，综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、信息变换技术以及软件编程技术等群体技术，根据系统功能目标和优化组织目标，合理配置与布局各功能单元，在多功能、高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能的价值，并使整个系统最优化的系统工程技术。
由此而产生的功能系统则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。
一个较完整的机电一体化系统应该包括以下几个要素：
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、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。
新一代的数控系统这类典型的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
第二章课程设计的目的、意义及要求
第一节课程设计的目的,意义
《机电一体化系统设计》课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。
主要目的是：
1.能够正确运用《机电一体化系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；
2.学习机电一体化系统设计方案的拟定、分析与比较的方法。
3.通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；
4.通过对进给伺服系统的设计，掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制驱动方式；
5.通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；
6.通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。
第二节课程设计的要求：
1.课程设计应在教师的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的相关文献资料、手册、标准；
4.大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；
5.机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理；
6.微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确；
7.课程设计说明书一份，包括：
目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。
设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。
第三章课程设计的内容
第一节课程设计题目：
两维数控平台及控制系统设计。
已知条件：
脉冲当量：
±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：
T=15000h（中等冲击），
工作台的有效行程为LX=300mm,Ly=200;快速进给速度Vxmax=800mm/minVymax=800mm/min和工作载荷2000N
第二节课程设计的内容
1.数控装置总体方案的确定
（1）.数控装置设计参数的确定；
（2）.方案的分析，比较，论证。
2.机械部分的设计
（1）.确定脉冲当量；
（2）.机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；
（3）.传动元件及导向元件的设计，计算和选用；
（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.数控系统的设计
（1）.微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；
（2）.I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；
（3）.系统控制软件的设计
4.编写课程设计说明书
说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明,尽量用计算机完成；
第四章数控系统总体方案的确定
数控系统总体方案设计的内容包括：
系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。
进行方案的分析、比较和论证。
1.系统运动方式的确定
该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。
2.伺服系统的选择
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，因而不能纠正系统的传动误差。
但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。
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.计算机系统的选择
采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。
MCS-51单片机的主要特点是集成度高，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。
系统的工作程序和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和工作状态等信息。
4.X—Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。
为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。
考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，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:
第五章机械部分设计
机械部分设计内容包括：
确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。
第一节脉冲当量的确定
脉冲当量：
±0.01mm
第二节工作台外形尺寸及重量初步估算
根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。
取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:
X向拖板（上拖板）尺寸为:
长*宽*高=320*310*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:
长*宽*高=320*200*50
上导轨（含电机）重量为
夹具及工件重量:
约155N
X-Y工作台运动部分总重量为:
第三节滚动导轨副的计算、选择
根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数，式中：
为导轨的基本静额定载荷（Kn）；工作载荷P=0.5（Fz+W）；=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
根据计算额定静载荷初选导轨:
选择德国INA公司滚动直线导轨,其型号为:
KUE15
基本参数如下
装配型号
滑块牌号
质量（kg）
导轨牌号
单位质量
（kg/m）
导轨长度
插头（附件）
KUE15
KUE15
0.17
TKD15
1.5
1200
KA08TN
安装尺寸/mm
H
A
C
h
H1
C1
A1
a
C4
A1
24
47
54.5
15
4.8
38.6
16
15
60
16
H2
H5
K2
K3
H4
C2
C3
H6
K1
4.5
4.5
7
M4
-
8
30
1.5
4
M4
基本额定载荷
滑座个数
单向行程长度
每分钟往复次数
/KN
/KN
/KN
M
n
6.5
9.2
7.3
4
0.6
4
导轨的额定动载荷=6500N
依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷（kN）验算导轨的工作寿命：
额定行程长度寿命:
Ts=K（）
F=
工作温度小于100℃，；
中等冲击，低速场合，；
每根导轨的滑块数为2，；
轨道硬度≥58，；
；
Ts=K（）=50（）=17297.42Km导轨的额定工作时间寿命：
T
T=
导轨的工作寿命足够.
第四节滚珠丝杠计算、选择
初选丝杠材质：
CrWMn钢，HRC≥58，导程：
l0=5mm
（1）强度计算
丝杠轴向力：
（N）
其中：
综合导轨，K=1.15；滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：
Fx=（0.1~0.6）Fz，Fy=（0.15~0.7）Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。
取f=0.004,则:
寿命值：
，其中丝杠转速（r/min）
T=15000h
最大动载荷：
式中：
fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。
查表得中等冲击时则:
根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为:
D系列滚珠丝杆副，其型号为：
D2005-4。
其基本参数如下:
代号
公称直径
导程
滚珠直径
丝杠底径
丝杠外径
循环列数
螺母安装尺寸
2505-4
25
5
3.175
21.2
24.2
4
40
66
53
螺母安装尺寸
油杯
额定载荷
刚度
50
11
6
5.8
10
11921
28759
615
其额定动载荷为11921N>足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.
名称
计算公式
结果
公称直径
――
20mm
螺距
――
５mm
接触角
――
钢球直径
――
3.175mm
螺纹滚道法向半径
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺纹升角
螺杆外径
19.365mm
螺杆内径
16.788mm
螺杆接触直径
17.755mm
螺母螺纹外径
23.212mm
螺母内径（外循环）
20.7mm
（2）传动效率计算
丝杠螺母副的传动效率为：
式中：
φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。
（3）稳定性验算
丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。
4级精度在任意300mm内轴向行程内的变动允许量16，而对于跨度为1497mm的滚珠丝杠，总的变形量只有15.75，可见丝杠刚度足够。
第五节齿轮计算、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
（1）主动轮最高转速最快移动速度为，可以算出主动轮最高转速
确定带的设计功率。
预选的步进电动机在转速为333r/min时，对应的步进脉冲频率为
查表得当脉冲频率为1332Hz时，电动机的输出转矩约为18N·m，对应的输出功率为
.同步带传递的负载应该小于627.6W。
今取P=0.42kw。
查表得工作情况系数,求得带的设计功率
选择带型根据带的设计功率和主动轮最高转速，选择同步带的型号为XHL型。
（2）因传递的扭距较小,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.
双片齿轮错齿消隙结构图如下:
1、2--薄齿轮,3—弹簧,4、8—凸耳,5—调节螺钉,6、7—螺母
双片齿轮错齿消隙结构图
第六节步进电机惯性负载的计算
根据等效转动惯量的计算公式，有：
（1）等效转动惯量的计算
折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：
式中：
为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮１的转动惯量；
为齿轮２的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；Ｍ为移动部件的质量。
对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：
式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。
所以有：
电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：
第七节步进电机的选用
（1）常见步距角有0.36°、0.45°、0.6°、0.72°、0.75°、0.9°、1.2°、1.5°、1.8°等。
这里取1.5°，方便计算。
（2）步进电机启动力矩的计算
设步进电机的等效负载力矩为，其公式为：
纵向进给切削力
设工件材料为碳素结构钢，；选用刀具材料为硬质合金钢YT15;刀具的几何参数为主偏角60°，前角10°，刃倾角-5°；切削用量为：
背吃刀量为3mm，进给量为0.6mm/r,切削速度为105m/min。
查表得
查表得主偏角的修正系数刃倾角，前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为1.0；
有经验公式算得主切削力,由经验公式,算得=1069.36N,=1712;
——步距角；
——脉冲当量值；
取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），＝０.8。
所以有：
求得：
考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：
取系数为０.4，则：
对于工作方式为三相６拍的步进电机：
（3）步进电机的最高工作频率
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90BF003型三相反应式步进电机.
电机有关参数如下:
型号
主要技术参数
相数
步距角
电压
（V）
相电流
（A）
最大静转矩
（n.m）
空载启动频率
空载运行频率
分配方式
重量
90BF003
3
1.5
60
5
1.96
1500
15000
3相六拍
4.5
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的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；
２.选择计算机或中央处理单元的类型；
３.根据控制系统的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的参数和型号；
６.绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，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的原理说明和方案论证。
第二节设计步骤
１.确定硬件电路的总体方案。
数控系统的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和随机读写数据存储器。
4．接口。
即I/O输入输出接口。
数控系统的硬件框图如下所示：
２.主控制器ＣＰＵ的选择
ＭＣＳ－５１系列单片机是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等为一体的功能性很强的控制器。
只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，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）程序存储器的扩展
单片机应用系统中扩展用的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时序的匹配。
８０３１所能读取的时间必须大于ＥＰＲＯＭ所要求的读取时间。
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芯片作为本次设计的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和数据的通道口，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位的地址信息，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ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。
由以上分析，采用２７６４EPROM芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示：
扩展2764电路框图
（２）数据存储器的扩展
由于８０３１内部ＲＡＭ只有１２８字节，远不能满足系统的要求。
需要扩展片外的数本次设计选用６２６４芯片作为数据存储器扩展用芯片。
其扩展电路如下所示：
扩展6264电路框图
（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的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，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。
可采用线选法和全地址译码法。
线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。
线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。
对于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，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，译码器输出的地址选择线用作片选线。
（4）存储器扩展电路设计
8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。
该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路。
（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，但供用户使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3口线。
因此要进行Ｉ／Ｏ口的扩展。
８１５５与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。
（b）.键盘，显示器接口电路
键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。
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，按键设置在行列的交点上。
数控系统中使用的显示器主要有ＬＥＤ和ＬＣＤ。
下图所示为采用８１５５接口管理的键盘，显示器电路。
它有４Ｘ８键和６位ＬＥＤ显示器组成。
为了简化秒电路，键盘的列线及ＬＥＤ显示器的字位控制共用一个口，即共用８１５５的PＡ口进行控制，键盘的行线由８１５５Ｃ口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。
4．步进电机驱动电路设计
（1）脉冲分配器
步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。
数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。
本设计采用集成脉冲分配器YB013。
（2）光电隔离电路
在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。
如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。
因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。
（3）功率放大器
脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。
因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。
本设计选用功率放大器。
这里采用的功率放大电路如下图所示：
5．其它辅助电路设计
（１）８０３１的时钟电路
单片机的时钟可以由两种方式产生：
内部方式和外部方式。
内部方式利用芯片的内部振荡电路，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。
时钟电路
（２）复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现。
在时钟工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引脚上出现
１０ms以上的高电平，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。
实用复位电路图如下所示：
（３）越界报警电路
为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。
利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。
当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。
８０３１可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。
也可接成从光敏三极管的集电极输出接至８０３１的外部中断引脚（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１），采用中断方式检查越界信号。
第三节机床数控系统硬件电路设计
该系统选用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作为主控制器。
扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。
程序存储器扩展为４Ｋ，数据存储器扩展为８Ｋ。
２７３２的片选控制端直接接地，该电路始终处于选中状态。
系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。
6264的片选端由译码器（74LS138）的Y2输出提供。
所以6264的空间地址为4000～５ＦＦＦＨ。
系统的扩展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的片选
端接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。
8155RAM区的地址为8000H—80FFH。
8155的A口为控制工作抬X，Y向电机的接口。
为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。
键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0—PB3为键盘的行线。
8031的P1口为显示器的字形输出口。
该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。
为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。
升级会员 