數(shù)控車床系統(tǒng)XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計畢業(yè)設(shè)計論文

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1、- 32 - 河北科技大學自學考試 畢業(yè)設(shè)計說明書(論文) 學生姓名： 準考證號 專 業(yè)： 機電一體化工程 題 目： 數(shù)控車床系統(tǒng)XY工作臺與控制系統(tǒng)設(shè)計 指導教師： 評閱教師：

2、 成 績： 年 月 目 錄 1 引言 1 1.1 發(fā)展現(xiàn)狀 1 1.2 我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 2 1.3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 2 2 課程設(shè)計的內(nèi)容 3 2.1 課程設(shè)計的題目 3 2.2 課程設(shè)計的內(nèi)容 4 3 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 5 3.1 系統(tǒng)運動方式的確定 5 3.2 伺服系統(tǒng)的選擇 5 3.3

3、 計算機系統(tǒng)的選擇 5 3.4 X—Y工作臺的傳動方式 5 4 機械部分設(shè)計 6 4.1 確定系統(tǒng)脈沖當量 6 4.2 工作臺外形尺寸及重量初步估算 6 4.3 滾動導軌副的計算、選擇 7 4.4 滾珠絲杠計算、選擇 9 4.5 齒輪計算、設(shè)計 12 4.6 步進電機慣性負載的計算 13 4.7 步進電機的計算選擇 14 5 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 16 5.1 設(shè)計內(nèi)容 16 5.2 設(shè)計步驟 16 5.3 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 21 6 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計 22 6.1 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 22 6.2 軟件設(shè)計 2

4、2 7 結(jié)論 29 8 致謝 30 9 參考文獻 31 1 引言 1.1 發(fā)展現(xiàn)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(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以日益迫切。 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)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(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)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(shù)控技術(shù)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(shù)及裝備的新趨勢 效率、質(zhì)量是先進制造技術(shù)的主體。高速、高精加

5、工技術(shù)可極大地提高效率 ,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(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機床。在加工精度方面 ,近 10 年來 ,普通級數(shù)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(xiàn)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)

6、展 ,應(yīng)用領(lǐng)域進一步擴大。 (2) 5 軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)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(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結(jié)構(gòu)復雜等原因 ,其價格要比 3 軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍 ,加之編程技術(shù)難度較大 ,制約了 5 軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現(xiàn) ,使得實現(xiàn) 5 軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化 ,其制造難度和成本大幅度降低 ,數(shù)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(lián)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(wǎng)絡(luò)化成為當代數(shù)控系統(tǒng)

7、發(fā)展的主要趨勢 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) ,智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面:為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 ,如加工過程的自適應(yīng)控制 ,工藝參數(shù)自動生成;為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化 ,如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)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(jié)構(gòu)對象 數(shù)控功能 ,形成系列化 ,并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 ,快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng) ,形成具有鮮明個性

8、的名牌產(chǎn)品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求 ,也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎(chǔ)單元 ,反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢。 1.2 我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計 我國數(shù)控技術(shù)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(shù)封鎖和我國的

9、基礎(chǔ)條件的制 ,數(shù)控技術(shù)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(shù) ,消化吸收 ,初步建立起國產(chǎn)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(shù)控技術(shù)的研究、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)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(chǎn)業(yè)化的研究 ,進入市場競爭階段?？v觀我國數(shù)控技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別是經(jīng)過 4 個 5 年計劃的攻關(guān) ,總體來看取得的成績還是不小。 1.3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)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(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要

10、盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移 ,所以 ,我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)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(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) ,對我國實現(xiàn)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(jīng)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(chǎn)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(guān)鍵技術(shù)以

11、及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù)、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容 ,實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強調(diào)市場需求為導向 ,即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 ,以整機如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、曲型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)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(chǎn)規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品;沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產(chǎn)品;當然 ,沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。 2 課程設(shè)計的內(nèi)容 2.1 課程設(shè)計的題目 已知條件：單片機控制步進電機驅(qū)動的多用XY工作臺。定位精度：

12、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LX =400mm 快速進給速度 和工作載荷 2.2 課程設(shè)計的內(nèi)容 2.2.1 數(shù)控裝置總體方案的確定 (1).數(shù)控裝置設(shè)計參數(shù)的確定； (2).方案的分析，比較，論證。 2.2.2 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的初步估算； (3).傳動元件及導向元件的設(shè)計，計算和選用； (4).確定伺服電機； (5).繪制機械結(jié)構(gòu)裝配圖； (6).系統(tǒng)等效慣量計算； (7).系統(tǒng)精度分析。 2.2.3 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計 (1).

13、微機及擴展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計； (2).I/O接口電路及伺服控制電路的設(shè)計和選用； (3).系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計 2.2.4 編寫課程設(shè)計說明書 (1).說明書是課程設(shè)計的總結(jié)性技術(shù)文件，應(yīng)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，選用元器件參數(shù)的說明，軟件設(shè)計及其說明； (2).說明書不少于84字，盡量用計算機完成。 2.2.5 圖紙 (1).機械結(jié)構(gòu)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； 3 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運

14、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。 3.1 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。 3.2 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?？紤]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。 3.3 計算機系統(tǒng)的選擇 采用MCS-51系列中的8031單片機擴展

15、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。 3.4 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(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，故選用滾動直線導軌副，從而減小工作臺的摩擦系數(shù)，提高運動平穩(wěn)性。 考慮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

16、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 圖3.1 系統(tǒng)總體框圖 4 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，運動部件慣性的計算，選擇步進電機，傳動及導向元件的設(shè)計、計算與選擇，繪制機械部分裝配圖等。 4.1 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(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

17、當量為0.01mm。 4.2 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。 取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?10mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?00mm,設(shè)計工作臺簡圖如下: 圖4.1 工作臺簡圖 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: = Y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量= 上導軌(含電機)重量為 夾具及工件重量:約155N X-Y工作臺運動部分總重量為: 4.3 滾動導

18、軌副的計算、選擇 根據(jù)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(shù)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(jù)計算結(jié)果查有關(guān)資料初選導軌： 因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取 根據(jù)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(shù)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 靜載荷 L (mm) 17500 26

19、000 198 198 288 0.60 3.1 760 滑座個數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復次數(shù) M 4 0.6 4 導軌的額定動載荷N 依據(jù)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Ln： 額定行程長度壽命: 導軌的額定工作時間壽命: 導軌的工作壽命足夠. 4.4 滾珠絲杠計算、選擇 初選絲杠材質(zhì)：CrWMn鋼，HRC58~60，導程：l0=5mm （1） 強度計算 絲杠軸向力：(N) 其中：K=1.15，滾動導軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；在車床車削外圓時：F

20、x=(0.1~0.6)Fz，F(xiàn)y=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，F(xiàn)y=0.6Fz計算。 取f=0.004,則: 壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min) 最大動載荷： 式中：fW為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；fH為硬度系數(shù)，HRC≥58時為1.0。 查表得中等沖擊時則: 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：CM2005-5。 其基本參數(shù)如下: 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,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式. 滾珠絲杠螺母

21、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 ―― ５mm 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)） 20.7mm （2） 傳動效率計算 絲杠螺母副的傳動效率為： 式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。 （3） 穩(wěn)定性驗算

22、 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) Y向所受牽引力大,故用Y向參數(shù)計算 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級精度絲杠允許的螺距誤差[ Δ]=15μm/m。 4.5 齒輪計算、設(shè)計 因步進電機步距角滾珠絲杠螺距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： ，初選步進電機步距角：α= 1.5?/step。 取小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù) 因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm則: 分度圓直徑:

23、齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒寬: 取 中心距: 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(jié)構(gòu)圖如下： 1、2--薄齒輪, 3—彈簧, 4、8—凸耳, 5—調(diào)節(jié)螺釘, 6、7—螺母 雙片齒輪錯齒消隙結(jié)構(gòu)圖 4.6 步進電機慣性負載的計算 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動慣量的計算公式，有： （1）等效轉(zhuǎn)動慣量的計算 折算到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１的轉(zhuǎn)動慣量；為齒輪２的轉(zhuǎn)動慣量

24、；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量；Ｍ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： 　 電機軸的轉(zhuǎn)動慣量很小，可以忽略，所以有： 4.7 步進電機的計算選擇 (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Ｔ，負載力為Ｐ，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： 式中為電機轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動部件的相應(yīng)位移，為機械傳動的效率。若取，則Ｓ＝，且。所以： 式中：為移動部件負載（N），G為移動部件質(zhì)量（N），為與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力（N），為導軌摩

25、擦系數(shù)，為步進電機的步距角（rad）,T為電機軸負載力矩（N.cm）。 取=0.3（淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數(shù)），＝０.8，==279.23Ｎ。考慮到重力影響，Ｙ向電機負載較大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有： 考慮到啟動時運動部件慣性的影響，則啟動轉(zhuǎn)矩： 取系數(shù)為０.３，則： 對于工作方式為三相６拍的步進電機： (２） 步進電機的最高工作頻率 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90BF001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) 相數(shù) 步距角 電壓 (V) 相電流 (A

26、) 最大靜轉(zhuǎn)矩 (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) 重量 kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量 Kg.m 外直徑 長度 軸直徑 90 145 9 4.5 1764 5 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 5.1 設(shè)計內(nèi)容 １.按照總統(tǒng)方案以及機械結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)框圖； ２.選擇計算機或中央處理單元的類型； ３.根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計存儲器擴展電路； ４.根據(jù)控制對象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計

27、擴展Ｉ／Ｏ接口電路，檢測電路，轉(zhuǎn)換電路以及驅(qū)動電路等； ５.選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)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(shù)； ７.說明書中對電氣原理圖以及各有關(guān)電路進行詳細的原理說明和方案論證。 5.2 設(shè)計步驟 5.2.1 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CPU 2． 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． 接口。即I/O輸入輸出接口。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示：

28、 中央處理單元CPU 存儲器RAM ROM 外設(shè)： 鍵盤，顯示器，打印機，磁盤機，通訊接口等 輸入/輸出 I/O接口 信號變換 控制對象 圖5.1數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖 5.2.2 主控制器ＣＰＵ的選擇 ＭＣＳ－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(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。本次設(shè)計選用８０３１芯片作為主控芯片。 5.2.3 存儲器擴展電路設(shè)計

29、 (１）程序存儲器的擴展 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(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４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Ｐ0口提供８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

30、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： A12 ↓ A8 2764 A7 ↓ A0 D7 ↓ D0 P1.7 ↓ P1.0 P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.

31、0 譯碼電路 G 74LS372 圖5.2 擴展2764電路框圖 (２）數(shù)據(jù)存儲器的擴展 由于８０３１內(nèi)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(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６２６４芯片作為數(shù)據(jù)存儲器擴展用芯片。其擴展電路如下所示： P2.4 ↓ P2.0 ALE P0.7 ↓ P0.0

32、 A12 ↓ A8 A7 ↓ 6264 A0 D7 ↓ D0 ↓ D0 譯碼電路 G 74LS372 圖5.3 擴展6264電路框圖 (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

33、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ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ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， （5）Ｉ／Ｏ擴展電路設(shè)計 (a).通用可編程接口芯片８１５５ ８０３１單片

34、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。 (b).鍵盤，顯示器接口電路 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Ｉ／Ｏ口線組成行，列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點上。 5.2.4 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

35、和軟件脈沖分配器。本設(shè)計采用集成脈沖分配器YB013。 （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。 5.2.5 其它輔助電路設(shè)計 （1）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(guān)。利用

36、光電耦合電路，將行程開關(guān)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(guān)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(shè)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。 5.3 機床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)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

37、片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲器擴展為４Ｋ，數(shù)據(jù)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，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 ～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，PC口的地址號分別為8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H—80FFH。 81

38、55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(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(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(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PB4—P

39、B7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。 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(shè)計。 6 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計 6.1 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 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。按照功能可將數(shù)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(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)。 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(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)

40、。 3、插補程序。根據(jù)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(jù)插補運算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機的速度，轉(zhuǎn)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。 6.2 軟件設(shè)計 6.2.1 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。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(yīng)

41、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(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）、工作臺的自動控制。 （7）、工作臺的手動控制。 （8）、工作臺的聯(lián)動控制。 6.2.2 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(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，刀位控制，工作臺位置控

42、制，手動操作，緊急停機等。 6.2.3 自動加工程序設(shè)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； 6.2.4 步進電機控制子程序設(shè)計 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。 （1）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

43、時間常數(shù)決定。時間常數(shù)由下式計算： 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，=2s。 （2）步進電機加，減速進給脈沖及脈沖時間間隔的確定 設(shè)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(yīng)滿足： 式中：為步進電機啟動力矩；為負載力矩；為慣性力矩。 由步進電機=3.92N.m，取步進電機的加速啟動力矩 則使步進電機不失不的慣性力矩 步進電機角加速度 又 式中：為上升到步進電機最高頻率所需時間，所以有： 加速脈沖個數(shù)： 確定加減脈沖個數(shù)都為54個 又因為： 所以脈沖時刻 結(jié)合可以算出對應(yīng)各脈沖時刻

44、的計數(shù)器時間常數(shù)。 EPROM存儲器中，時間常數(shù)依次安排在首地址為1000H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。 6.2.5 編語言程序設(shè)計 （1）內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計數(shù)器N0地址設(shè)為20H； 恒速脈沖數(shù)計數(shù)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(shù)計數(shù)器N2地址位23H。 加速，減速，恒速脈沖總數(shù)寄存器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址

45、位25H； 步進電機進給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調(diào)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(shù)寄存器 NH EQU 25H DS EQU 26H ；地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H 0E00 758160 START： MOV P，#60H 0E03 7

46、58901 MOV TMOD，#01H ；設(shè)計數(shù)器工作方式為1，16位定時器 0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；設(shè)N0為320 0E09 75231B MOV N2， #1A4H 0E0C E520 MOV A ， N0 ；計算2XN0 0E0E 23 RL A 0E0F F8 MOV R0， A 0E10 C3

47、 CLR C ；計算N1=N-2N0 0E11 E524 MOV A， NL 0E13 98 SUBB A， R0 0E14 F521 MOV N1L， A 0E16 E525 MOV A， NH 0E18 9400 SUBB A，#00H 0E1A F522 MOV N1H，A 0E1C 901000

48、 MOV DPTR， #1000H ；設(shè)時間常數(shù)指針初值為1000H 0E1F 752600 MOV DS， #00H ；設(shè)地址偏移量初值為00H 0E22 93 MOVC A, @A+DPTR ；從EPROM中讀時間常數(shù) 0E23 F58A MOV TL0， A ；送時間常數(shù)至定時器0中 0E25 0526 INC DS 0E27 E526 MOV A，

49、DS 0E2 93 MOVC A，@A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A 0E2C 0526 INC DS 0E2E 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

50、算 0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中斷允許返回 0E37 22 RET 中斷服務(wù)程序： ORG 000BH 000B 02F00 LJMP 0F00H 0F00 93 MOVC A，@A+DPTR 0F03 F58A MOV TL0， A 0F05 0526 INC DS 0F07 E526

51、 MOV A，DS 0F09 93 MOVC A，@A+DPTR 0F0A F58C MOV TH0， A 0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指針 0F0E D180 ACALL FEED ；調(diào)FEED子程序 0F10 E520 MOV A， N0 ；判斷N0是否為0 0F12 B400 CJNE A，

52、#00H， LOOP1 0F15 E52 MOV A， N1H ；判斷N1是否為0 0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP2 0F1A E522 MOV A，N1H 0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2 0F1F E523 MOV A，N2 判斷N2是否為0 0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3 0F24

53、 C2AF CLR EA ；N2為0 ，減速結(jié)束，關(guān)中斷 0F26 32 RETI 0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不為0，則N0←N0-1 0F29 32 RETI 0F2A E521 LOOP2：MOV A，N1L ；N1不為0，則N1←N1-1 0F2C C3 CLR C 0F2D 9401 SUBB A， #

54、01H 0F2F F521 MOV N1L， A 0F31 E522 MOV A， N1H 0F33 9400 SUBB A，#00H 0F35 F522 MOV N1H，A 0F37 32 RETI 0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不為0，則N2←N2-1 0F3A 32 RETI

55、 7 結(jié)論 整個系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng)，進給系統(tǒng)采用了CM系列滾珠絲桿副，其型號為：CM2005-5。以提高整個系統(tǒng)的精神要求。伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機通過彈性聯(lián)軸器直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動絲杠傳動，而且其實軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄動，采用一個深溝來保證其徑向的圓跳動。用PWM脈寬調(diào)制電路來實現(xiàn)伺服電機電壓的平均值，電路中采用了阻容滯后電路，來防止H型橋式功率放大器中兩對IGBT功率管同時導通造成短路現(xiàn)象，能夠有效的控制伺服電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速，同時為了保證一定的精度的要求，系統(tǒng)又采用了光電編碼器作為位置檢測器，來檢測伺服電機的位置，通過單片機對光

56、電編碼器反饋信號處理來達到預期的精度要求。在設(shè)計中我們兼顧經(jīng)濟性，考慮滿足精度的要求，因此對于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度，因此設(shè)計的成本較高。 8 致 謝 通過這次畢業(yè)設(shè)計，我學會了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、如何通過改進并加入自己的想法與觀點，使之成為自己的東西。并且結(jié)合生產(chǎn)知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際以及分析和解決工程實際問題的才能，并使大學三年所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展。在此，我對我的論文指導老師表示衷心的感謝，感謝他對我的嚴格要求，感謝他的監(jiān)督和指導。其次我要感謝這三年里給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識。最后還要感謝參考文獻中所列書籍

57、、文章及資料的作者。 9 參考文獻 1、高鐘毓．機電控制工程．北京：清華大學出版社，2002． 2、劉助柏．知識創(chuàng)新思維方法論．北京：機械工業(yè)出版社，1999 3、宋云奪. 宋云奪. 光機電一體化產(chǎn)業(yè)的未來[J]. 光機電信息, 2003,(12). 4、丁連紅. 機電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢和現(xiàn)狀分析[J]. 中國科技信息, 2007,(12) 5、張鵬萬,孫劍峰,李占平. 機電一體化中的接口技術(shù)[J]礦業(yè)工程, 2005,(06) 6、王寶敏. 談機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢[J]. 大眾科技, 2006,(05) 7、王維剛. 淺談機電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢[J].

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