數(shù)控機(jī)床XY工作臺(tái)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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UNIVERSITY 本 科 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） 題目： 數(shù)控機(jī)床XY工作臺(tái)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 專 業(yè)：機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 年 級(jí)： 指導(dǎo)教師： 職 稱： 二○一一 年 五 月 摘要 數(shù)控機(jī)床是一種高精度、高效率的自動(dòng)化機(jī)床。能夠適應(yīng)市場對產(chǎn)品多樣化、高精度和快速響應(yīng)的加工要求，因此得到了廣泛的應(yīng)用。數(shù)控機(jī)床正朝著高性能、高智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。作為一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，數(shù)控車床應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測試部分、控制系統(tǒng)及信息處理部分。 XY數(shù)控工作臺(tái)采用開環(huán)控制系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)行方便并且能夠保證一定的精度，設(shè)計(jì)主要對工作臺(tái)的機(jī)械部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括滾珠絲桿、滾動(dòng)導(dǎo)軌、軸承等傳動(dòng)元件及步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的計(jì)算及選用，最后對控制系統(tǒng)進(jìn)行了分析和完成各電子元件的選用，并且利用CAD進(jìn)行了裝配圖的繪制，各機(jī)械元件的設(shè)計(jì)及各零件的安裝也做了比較詳細(xì)的說明。 關(guān)鍵詞： 數(shù)控車床 機(jī)械部分 傳動(dòng)元件 控制系統(tǒng) Abstract XY table of the CNC machine tool and control system design. The CNC lathe is a high precision.high-efficiency automatic machine. Can able to adapt to the market what product diversification. the processing requirements of high accuracy and fast response. has been widely used. CNC lathe is moving high-performance. high intelligence. Organization. and lightweight. miniaturized direction. As a more complete mechatronic systems , CNC lathes should contain the following basic elements: mechanical body . part of the motivation and drive. executing agency . the sensor test section .the control system and information processing section . XY CNC table using open-loop control system.Has simple structure. convenient to implement. And be able to guarantee a certain accuracy. This design is mainly designed for the mechanical part of the workbench. Including ball screw. rolling guide bearings . stepper motor and other transmission elements calculation and selection. Finally, the analysis to control system and complete selection of electronic components. In the same time. Use software CAD drawing of the assembly drawing. The design of mechanical components and parts installed a more detailed explanation Key words： CNC lathes. mechanical part. driving element. control system 摘要 - 2 - 1. 緒論 - 1 - 1.1. 課題來源及意義 - 1 - 1.2. 發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 - 2 - 1.3. 論文結(jié)構(gòu)及主要研究內(nèi)容 - 4 - 2. 數(shù)控系統(tǒng)方案確定 - 5 - 2.1. 總體方案步驟確定： - 5 - 2.2. 設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案的確定 - 6 - 2.3. XY工作臺(tái)各項(xiàng)參數(shù)的初步確定 - 7 - 2.4. 控制系統(tǒng)的選擇 - 7 - 3. 機(jī)械部分設(shè)計(jì) - 9 - 3.1. 設(shè)計(jì)主要思路 - 9 - 3.2. 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算 - 9 - 3.3. 滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)計(jì)算與選型 - 11 - 3.3.1. 導(dǎo)軌的選用和計(jì)算 - 11 - 3.3.2. 額定行程長度和工作時(shí)間壽命 - 12 - 3.4. 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 - 12 - 3.4.1. 確定當(dāng)量載荷 - 13 - 3.4.2. 絲杠載荷計(jì)算和選用 - 13 - 3.4.3. 傳動(dòng)效率計(jì)算 - 16 - 3.4.4. 絲杠剛度驗(yàn)算 - 16 - 3.5. 支承座的參數(shù) - 16 - 3.6. 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì) - 17 - 3.6.1. 齒輪參數(shù)確定 - 17 - 3.6.2. 齒輪傳動(dòng)消隙 - 18 - 3.7. 步進(jìn)電機(jī)的選用 - 18 - 3.7.1. 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算 - 18 - 3.7.2. 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 - 20 - 4. 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) - 21 - 4.1. 硬件電路設(shè)計(jì) - 21 - 4.1.1. 確定硬件電路的總體方案 - 21 - 4.1.2. 主控制器和存儲(chǔ)器擴(kuò)展 - 21 - 4.1.3. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) - 23 - 4.1.4. 硬件電路設(shè)計(jì)思路 - 24 - 4.2. 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) - 25 - 4.2.1. 系統(tǒng)控制功能分析 - 25 - 4.2.2. 步進(jìn)電機(jī)控制程序 - 25 - 4.2.3. 系統(tǒng)加工程序 - 28 - 5. 結(jié)束語與致謝 - 30 - 6. 參考文獻(xiàn) - 31 - IV 1. 緒論 我國現(xiàn)今工業(yè)發(fā)展的迅速程度和環(huán)境，發(fā)展我國機(jī)電數(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已非常重要。機(jī)電一體化這新興學(xué)科有其技術(shù)基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)理論和研究方法，只有對其充分理解，才能正確的進(jìn)行這方面的工作，機(jī)電一體化的目的重在多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源、不斷滿足人們生活和生產(chǎn)的多樣化需求。所以機(jī)電一體化的研究方法應(yīng)該是從系統(tǒng)的角度出發(fā)，采用現(xiàn)代化設(shè)計(jì)分析方法，充分發(fā)揮邊緣科學(xué)技術(shù)的優(yōu)勢。 1.1. 課題來源及意義 1）數(shù)控機(jī)床XY工作臺(tái)設(shè)計(jì)依據(jù) 數(shù)控機(jī)床是用數(shù)控指令來實(shí)現(xiàn)一臺(tái)或多臺(tái)機(jī)械設(shè)備動(dòng)作控制的技 術(shù)。它廣泛應(yīng)用于機(jī)械制造和自動(dòng)化領(lǐng)域，數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)的制造業(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)控機(jī)床的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，所以 X-Y 數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)對國計(jì)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。 目前國內(nèi)中小企業(yè)多采用經(jīng)濟(jì)型 X-Y 數(shù)控沖床系統(tǒng)，其加工速度 慢、編程復(fù)雜、人機(jī)界面不友好，因此生產(chǎn)效率低、工人勞動(dòng)強(qiáng)度大。因此研制 和開發(fā)一套基于雙單片機(jī)的 X-Y 數(shù)控沖床數(shù)控系統(tǒng)， 用于裝配新沖床或?qū)?jīng)濟(jì)型 數(shù)控沖床進(jìn)行改造，能夠有效的改善人機(jī)界面、提高加工速度、方便操作人員編 寫用戶加工程序， 對提高企業(yè)生產(chǎn)效率、 改善工人的工作環(huán)境有很大的實(shí)際意義, 工作臺(tái)是機(jī)床上必不可少的部件，工作臺(tái)的自動(dòng)化能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞 動(dòng)生產(chǎn)率。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，機(jī)械行業(yè)的許多普通機(jī)床和閑置設(shè)備，經(jīng)過數(shù)控改 造以后，不但可以提高加工精度和生產(chǎn)率，而且能有效的適應(yīng)多種品種，小批量 的市場需求，使之更有效的發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)計(jì)效益。 總而言之，目前，X-Y 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展日新月異，高速化、高精度化、 復(fù)合化、智能化、開放化、并聯(lián)驅(qū)動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)化、極端化、綠色化以成為數(shù)控機(jī) 床發(fā)展的趨勢和方向。中國作為一個(gè)制作大國，主要還是依靠勞動(dòng)力、價(jià)格、資 源等方面的優(yōu)勢，而在產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新與自主開發(fā)方面與國外同行的差距還很 大。中國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)不能安于現(xiàn)狀，應(yīng)該抓住機(jī)會(huì)不斷發(fā)展，努力縮短與發(fā)達(dá)國 家之間的差距。力爭早日實(shí)現(xiàn) X-Y 數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品從低端到高端、從初級(jí)產(chǎn)品到高精尖端產(chǎn)品制作的變更。 2）課題的意義 通過對該課題的設(shè)計(jì)能夠正確運(yùn)用機(jī)電系統(tǒng)的基本理論和相關(guān)知識(shí)，掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)的功能構(gòu)成，特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法、了解設(shè)計(jì)方案的擬定、比較、分析和計(jì)算。掌握典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算、工作原理和軟件編程思想。 當(dāng)今世界，工業(yè)發(fā)達(dá)國家對機(jī)床工業(yè)高度重視，競相發(fā)展機(jī)電一體化、高精、高效、高自動(dòng)化先進(jìn)機(jī)床，以加速工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。長期以來，歐、美、亞在國際市場上相互展開激烈競爭，已形成一條無形戰(zhàn)線，特別是隨微電子、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床在20世紀(jì)80年代以后加速發(fā)展，各方用戶提出更多需求，早已成為四大國際機(jī)床展上各國機(jī)床制造商競相展示先進(jìn)技術(shù)、爭奪用戶、擴(kuò)大市場的焦點(diǎn)。中國加入WTO后，正式參與世界市場激烈競爭，今后如何加強(qiáng)機(jī)床工業(yè)實(shí)力、加速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實(shí)是緊迫而又艱巨的任務(wù)。 1.2. 發(fā)展現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 從20世紀(jì)60年代以前稱為初期階段，這個(gè)時(shí)期研制和開發(fā)還處于自發(fā)狀態(tài)，電子技術(shù)還沒有發(fā)展到一定水平，信息技術(shù)還處于萌芽階段，因此機(jī)電技術(shù)還沒廣泛深入的發(fā)展。70年代至80年代為蓬勃發(fā)展階段，這一時(shí)期，計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、通訊技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)電一體化的發(fā)展奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。到了20世紀(jì)90年代后期，機(jī)電一體化技術(shù)向智能化自動(dòng)化邁進(jìn)了新的階段，機(jī)電一體化進(jìn)入了深入發(fā)展的階段。并出現(xiàn)了虛擬制造（VM）、敏捷制造（AM）快速成型制造（RPM）、并行工程（CE）等新技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)電一體化已從原來的以機(jī)械為主的領(lǐng)域拓展到目前的汽車、電站、儀表、化工、通信、冶金等多項(xiàng)領(lǐng)域。機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)覆蓋面非常廣，而我們的人力物力財(cái)力和技術(shù)都是有限的，因此我們在機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)發(fā)展時(shí)不能做到面面俱到，但應(yīng)分清主次大膽取舍，在機(jī)電產(chǎn)業(yè)做到可持續(xù)發(fā)展壯大。 我國機(jī)械制造裝備中較多的采用了數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、柔性制造單元和系統(tǒng)高等技術(shù)的集成，來滿足產(chǎn)品個(gè)性化和多樣化的要求，以滿足社會(huì)個(gè)消費(fèi)群體的不同要求。 目前機(jī)械技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到廣泛采用微型計(jì)算機(jī)的階段，今后也將不斷出現(xiàn)“具有神經(jīng)系統(tǒng)的機(jī)械”或“智能化的機(jī)械”。并且機(jī)電一體化技術(shù)貫穿于工程系統(tǒng)設(shè)計(jì)之中，從簡單的單參數(shù)顯示，到復(fù)雜的多參數(shù)、舵機(jī)控制，從簡單的零件自動(dòng)加工生產(chǎn)線，到各種現(xiàn)代機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化生產(chǎn)等，機(jī)電一體化技術(shù)已應(yīng)用到不同層次、覆蓋面很廣的應(yīng)用領(lǐng)域。 數(shù)控機(jī)床綜合運(yùn)用了電子計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、伺服驅(qū)動(dòng)、精密檢測與新型機(jī)械結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)成果具有高柔性、高精度與高自動(dòng)化的特點(diǎn)，因此它提高了機(jī)械制造的制造水平，解決了制造中的常規(guī)加工技術(shù)難以解決甚至無法解決的浮渣幸免零件加工，為社會(huì)提供了高質(zhì)量、多品種及高可靠的機(jī)械產(chǎn)品取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益，目前，數(shù)控技術(shù)已逐步晉級(jí)，數(shù)控車床在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用，已成為機(jī)械自動(dòng)化的一個(gè)重要發(fā)展方向。 機(jī)電一體化是集機(jī)械、電子、光學(xué)、控制理論、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)等多學(xué)科交叉融合的產(chǎn)物，大力推進(jìn)制造業(yè)信息化、網(wǎng)絡(luò)化和綠色環(huán)?；蠓忍岣弋a(chǎn)品檔次、技術(shù)含量和附加值，是機(jī)電一體化發(fā)展的重點(diǎn)方向。隨著制造業(yè)生產(chǎn)模式的演變，對機(jī)械制造裝備提出了不同的要求，使現(xiàn)代化數(shù)控系統(tǒng)裝備的發(fā)展呈如下趨勢： 1）向高效、高速、高精度方向發(fā)展 效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體，高速和高精度加工時(shí)制造技術(shù)永無止境的追求。告訴。高精度加工技術(shù)可是數(shù)控系統(tǒng)能夠進(jìn)行高速插補(bǔ)、高實(shí)時(shí)運(yùn)算，在高速運(yùn)行中保持較高的定位精度，極大地提高效率提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次，縮短生產(chǎn)周期和提高尺長競爭能力。 2）多功能復(fù)合化、柔性自動(dòng)化的產(chǎn)品成為發(fā)展的主流 從近幾屆國內(nèi)外舉辦的國際機(jī)床展覽上展出的裝備情況來看，新穎的高技術(shù)含量的展品逐年增加。國際上多功能復(fù)合加工機(jī)床的發(fā)展不再以簡單的零件加工為主，而是以結(jié)構(gòu)復(fù)雜、形狀各異的箱體類零件加工或更為復(fù)雜的零件加工為發(fā)展趨勢。展出的機(jī)床類型很多、有最新的復(fù)合加工機(jī)床、五軸加工機(jī)床、納米加工機(jī)床、新型并聯(lián)加工機(jī)床等。展示出世界制造裝備的精華，展示了世界制造技術(shù)發(fā)展的最新動(dòng)向。 3）智能制造技術(shù)和智能化裝備方向發(fā)展 通過借助于現(xiàn)代的工具和方法，通過集成傳統(tǒng)制造技術(shù)。計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化科學(xué)、信息技術(shù)和人工智能等發(fā)展了一種新型的制造技術(shù)與系統(tǒng)，他將人工智能應(yīng)用與機(jī)械制造裝備中，使機(jī)器智能化。及其職能化石智能之災(zāi)的主要研究內(nèi)容之一，他是智能制造系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，包括智能加工機(jī)床、工具和材料傳送、監(jiān)測和試驗(yàn)裝備等，要求具有加工任務(wù)和加工環(huán)境的廣泛適應(yīng)性，能夠在環(huán)境和自身的不確定變化中自主實(shí)現(xiàn)最佳行為策略。數(shù)控系統(tǒng)智能化是面向世紀(jì)的先進(jìn)制造模式，當(dāng)前智能機(jī)床是在數(shù)控機(jī)床和加工中心的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，它與普通自動(dòng)化機(jī)床的主要區(qū)別在于除了具有數(shù)控加工功能外，還具有感知、推理、決策、控制、通信、學(xué)習(xí)等智能功能。目前國外研究機(jī)構(gòu)在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)越來越發(fā)雜，產(chǎn)品精度要求越來越高等情況下，提高加工設(shè)備的智能型、可靠性和加工精度是提高企業(yè)競爭力的主要途徑?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)今后的發(fā)展將是以創(chuàng)新、提升、優(yōu)化為主要模式，未來的中國制造業(yè)已不能僅僅滿足與“制造”，而是要進(jìn)一步發(fā)展成為“智造”，即用知識(shí)、技術(shù)、頭腦去創(chuàng)新、去創(chuàng)造。 1.3. 論文結(jié)構(gòu)及主要研究內(nèi)容 本文以基于對數(shù)控XY工作臺(tái)為主要的研究對象，對數(shù)控車床的機(jī)械系統(tǒng)與部件、控制系統(tǒng)、車床數(shù)控系統(tǒng)軟硬件等設(shè)計(jì)問題進(jìn)行研究，具體內(nèi)容如下： 第1章 ：介紹項(xiàng)目的來源、目的和意義,數(shù)控車床的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。以及本論文的結(jié)構(gòu)和主要研究內(nèi)容。 第2章 ：對數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定，針對所研究方案的功能提出大概方向。 第3章 ：機(jī)械部分的設(shè)計(jì)：包括對XY工作臺(tái)的尺寸，運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和選用，導(dǎo)向支撐機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)等 第4章 ：控制系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì) 第5章 ：控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì) 第6章 ：論文總結(jié) 第7章 ：參考文獻(xiàn) 2. 數(shù)控系統(tǒng)方案確定 X-Y工作臺(tái)廣泛應(yīng)用于測量、激光焊接、激光切割、涂膠、插件、射線掃描、機(jī)械手、搬運(yùn)、數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域。 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的內(nèi)容 數(shù)控機(jī)床XY工作臺(tái)與控制系統(tǒng)是采用數(shù)字化信號(hào)，通過可編程的自動(dòng)控制工作方式，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備運(yùn)行及其加工過程產(chǎn)生的位置、角度、速度、力等信號(hào)進(jìn)行控制的新型自動(dòng)化機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的計(jì)算機(jī)信息處理及控制的內(nèi)容主要包括：基本的數(shù)控?cái)?shù)據(jù)輸入輸出、直線和圓弧插補(bǔ)運(yùn)算、刀具補(bǔ)償、間隙補(bǔ)償、螺距誤差補(bǔ)償和位置伺服控制等。 2.1. 總體方案步驟確定： 由于該設(shè)計(jì)主要考慮XY工作臺(tái)和控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，總體方案設(shè)計(jì)包括： 1 運(yùn)動(dòng)功能設(shè)計(jì) 包括確定機(jī)床所需運(yùn)動(dòng)的個(gè)數(shù)、形式、功能及排列順序。 2 基本參數(shù)設(shè)計(jì) 包括數(shù)控系統(tǒng)工作參數(shù)、尺寸參數(shù)、運(yùn)動(dòng)參數(shù)和動(dòng)力參數(shù)設(shè)計(jì)等。 3 傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 包括傳動(dòng)方式、傳動(dòng)原理圖及傳動(dòng)系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。 4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 包括控制方式及控制原理、控制系統(tǒng)圖設(shè)計(jì)。 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容：該設(shè)計(jì)旨在單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用XY工作臺(tái)確定，通過總體方案步驟的確定得出主要設(shè)計(jì)內(nèi)容如下： 1機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 1 確定脈沖當(dāng)量，工作臺(tái)有效行程，進(jìn)給速度工作載荷等； 2 機(jī)械部件的總體尺寸及重量的初步估算； 3 傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)，計(jì)算和選用； 4 伺服電機(jī)計(jì)算、選用； 5 繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖； 2 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 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(jì)參數(shù)，及方案分析、比較、說明）。 2 電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（CPU、存儲(chǔ)器、I/O接口電路及伺服驅(qū)動(dòng)電路） 3 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì)。 2.2. 設(shè)計(jì)系統(tǒng)方案的確定 該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式。數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括：系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定，執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的確定，伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇。進(jìn)行方案的分析、比較和論證。 X軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) Y軸伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) Y軸步進(jìn)信號(hào) 工作指令信號(hào) X軸步進(jìn)信號(hào) 指令輸出裝置 插補(bǔ)裝置 軌跡指令 工作指令 數(shù)控程序 2.3. XY工作臺(tái)各項(xiàng)參數(shù)的初步確定 1）工作臺(tái)主要參數(shù)：該工作臺(tái)可安裝在鉆、銑床上用于鉆孔或銑削加工，銑刀直徑，銑削最大深度=5mm，由公式，確定齒數(shù)為5，工作臺(tái)最大加工移動(dòng)速度取1000mm/min，工作載荷FZ=1000N，預(yù)期工作壽命T=20000h，定位精度0.01mm，摩擦系數(shù)f=0.01，系統(tǒng)脈沖當(dāng)量為0.01mm。 設(shè)計(jì)工作臺(tái)加工范圍為270×180 mm2,厚度為40mm，工作臺(tái)的材料為45號(hào)剛，其密度為7.8g/c m3,取g=10N/kg，導(dǎo)軌板的材料選HT150灰鑄鐵，密度是7.2g/c m3。 為保證一定的傳動(dòng)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(dòng)副。為提高傳動(dòng)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(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。 2.4. 控制系統(tǒng)的選擇 開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī).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(dòng)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(yùn)動(dòng)精度要求不高，為簡化結(jié)構(gòu)，降低成本，宜采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)。 開環(huán)伺服系統(tǒng)框圖如下： 計(jì) 算 機(jī) 光電隔離 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) X向工作臺(tái) 光電隔離 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) Y向工作臺(tái) 系統(tǒng)總體框圖如下:  3. 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量，運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算，選擇步進(jìn)電機(jī)，傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算與選用，繪制機(jī)械部分裝配圖等。 3.1. 設(shè)計(jì)主要思路 X Y 工作臺(tái)中X 、Y 方向的移動(dòng), 可采用螺旋機(jī)械或齒輪齒條傳動(dòng)機(jī)構(gòu), 這兩種均可把旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)。因?yàn)榇藱C(jī)構(gòu)以傳遞運(yùn)動(dòng)為主, 要求有較高的傳動(dòng)精度, 又要求結(jié)構(gòu)緊湊, 所以選用螺旋機(jī)構(gòu)。但常用的螺旋機(jī)構(gòu)中絲杠和螺母之間的相對運(yùn)動(dòng)是滑動(dòng), 磨損較嚴(yán)重, 影響傳動(dòng)精度, 壽命短, 效率低,不能滿足高速度、高效率和高精度等傳動(dòng)要求。為了使運(yùn)動(dòng)靈敏又能滿足精度要求, 選用滾珠螺旋機(jī)構(gòu)。滾珠螺旋傳動(dòng)是在螺桿和螺母間放人適當(dāng)數(shù)量的滾珠, 使螺桿和螺母之間的摩擦由滑動(dòng)摩擦變?yōu)闈L動(dòng)摩擦的一種傳動(dòng)裝置?，F(xiàn)采用了間隙可調(diào)的滾珠絲杠傳動(dòng)。為使傳動(dòng)穩(wěn)定可靠, 采用絲杠轉(zhuǎn)動(dòng), 螺母帶著工作臺(tái)作移動(dòng)的傳動(dòng)形式。螺母帶著工作臺(tái)在底座的導(dǎo)軌上移動(dòng), 因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)部件重量不大, 切削力也不大, 行程較小, 所以確定采用有預(yù)加載荷雙v形滾珠導(dǎo)軌。 數(shù)控X Y工作臺(tái)主要是對滾珠絲杠、滾珠導(dǎo)軌、步進(jìn)電機(jī)的選擇, 使其滿足數(shù)控X Y 工作臺(tái)傳動(dòng)系統(tǒng)高速度、高效率、高精度的要求。 3.2. 工作臺(tái)外形尺寸及重量估算 根據(jù)設(shè)計(jì)工作臺(tái)的有效行程，畫出工作臺(tái)簡圖，估算X向和Y向工作臺(tái)承載重量WX和WY。 取X向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?60mm,Y向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?20mm,考慮夾具夾緊弓箭的需要，設(shè)計(jì)工作臺(tái)簡圖如下: 工作臺(tái)簡圖 工作臺(tái)臺(tái)面尺寸為:長*寬*高 上拖板尺寸為: 長*寬*高 初設(shè)上導(dǎo)軌長度： 動(dòng)導(dǎo)軌長度240mm，動(dòng)導(dǎo)軌行程270mm，支承導(dǎo)軌長度510mm 下導(dǎo)軌： 動(dòng)導(dǎo)軌長度240mm，動(dòng)導(dǎo)軌行程200mm，支承導(dǎo)軌長度 440mm 重量估算： 臺(tái)面重量：W1==187N 托板重量：W2=≈283N X方向?qū)к壔瑝K重量：G1=≈45N Y方向動(dòng)導(dǎo)軌滑塊重量：G1=≈20N 夾具及工件總重量：約160N 電機(jī)重量約為15N/個(gè) X工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分重量：=187+20+160=367N X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量約為:=187+283+45+20+160+15=710N 3.3. 滾動(dòng)導(dǎo)軌參數(shù)計(jì)算與選型 滾動(dòng)直線導(dǎo)軌的主要設(shè)計(jì)參數(shù)有導(dǎo)軌的尺寸參數(shù)計(jì)算、額定載荷的計(jì)算、額定行程長度壽命和額定工作時(shí)間壽命。 3.3.1. 導(dǎo)軌的選用和計(jì)算 額定靜載荷：根據(jù)給定的工作載荷和估算的Wx和Wy計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù)fSL=C0/P，式中C0為導(dǎo)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(yùn)行狀況)，3.0~5.0（運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊、振動(dòng)）。根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌： 系統(tǒng)受中等沖擊,可取=4.0 =0.5（1000+187）=594N =0.5（1000+283）=642N =4594=2376N =4642=2568N 根據(jù)計(jì)算額定動(dòng)載荷確定滾動(dòng)導(dǎo)軌的型號(hào)及結(jié)構(gòu)尺寸，選擇導(dǎo)軌LG15KL，可知其載荷C遠(yuǎn)小于所選導(dǎo)軌額定動(dòng)載荷。 額定載荷（KN） 額定靜力矩（Nm) 導(dǎo)軌長度L(mm） 單向行程長度 Ls（mm) 每分鐘往復(fù)次數(shù)（次/分鐘） 動(dòng)載荷 靜載荷 Ma Mb Mc 315 6 8.7 14.5 70 70 112 LG15KL型滾動(dòng)直線導(dǎo)軌參數(shù) 各型號(hào)滾動(dòng)直線導(dǎo)軌參數(shù) 3.3.2. 額定行程長度和工作時(shí)間壽命 根據(jù)設(shè)計(jì)好的方案來驗(yàn)證導(dǎo)軌的工作壽命（小時(shí)），要求壽命不低于20000h； 計(jì)算導(dǎo)軌行程長度壽命（Km)，當(dāng)滑座運(yùn)動(dòng)速度低于15m/min時(shí)，若溫度在以下，導(dǎo)軌硬度為60HRC時(shí)，無明顯沖擊和振動(dòng)由下式可得： F=1000/4=250N 245650km 852950h>T=20000h 由于導(dǎo)軌和導(dǎo)軌副均為標(biāo)準(zhǔn)件，可在型號(hào)產(chǎn)品中得到具體參數(shù)，所以在設(shè)計(jì)中對導(dǎo)軌的描述用代號(hào)確定，后面的設(shè)計(jì)過程其他的傳動(dòng)元件同理，在CAD畫圖中只表示其大致結(jié)構(gòu)。 3.4. 滾珠絲杠計(jì)算、選擇 3.4.1. 確定當(dāng)量載荷 由于該設(shè)計(jì)只對絲杠的移動(dòng)速度有要求，對轉(zhuǎn)速?zèng)]有要求。故初選絲杠導(dǎo)程為Ph= 5mm，則絲杠轉(zhuǎn)速 =/Ph=200r/min。估測系統(tǒng)走刀抗力約為320N 該系統(tǒng)速度沒有變化，其當(dāng)量載荷即為其最大載荷，取其摩擦系數(shù)f=0.01。 X方向載荷：==325N Y方向載荷：==330N 3.4.2. 絲杠載荷計(jì)算和選用 絲杠軸向力：(N) 其中：K=1.15，滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù)f=0.003~0005；取f=0.004，F(xiàn)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(jì)算。則: 580N 698N 壽命值：，其中絲杠轉(zhuǎn)速(r/min) ，T=20000h n===200r/min L==240 最大動(dòng)載荷： 式中：為載荷系數(shù)，取沖擊效果為中等，由表： 載荷性質(zhì) 無沖擊（很平穩(wěn)） 輕微沖擊 伴有沖擊或振動(dòng) 1~1.2 1.2~1.5 1.5~2 載荷性質(zhì)系數(shù) 可知中等沖擊時(shí)為1.2~1.5；為硬度系數(shù)，HRC≥58時(shí)為1.0。 取沖擊時(shí)=1.5，=1則: ≈5405N ≈6480N 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(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲杠的型號(hào)為: CM系列滾珠絲桿副，其型號(hào)為：CM2005-5。 其基本參數(shù)形狀如下: 其額定動(dòng)載荷為14498N> 足夠用. 滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預(yù)緊方式采用雙螺母螺紋預(yù)緊形式. 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表 名稱 計(jì)算公式 結(jié)果 公稱直徑 ―― 20mm 螺距 ―― ５mm 接觸角α ―― 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 3.4.3. 傳動(dòng)效率計(jì)算 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為： 式中：φ=10’，為摩擦角；γ為絲杠螺旋升角。 ==0.96 3.4.4. 絲杠剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為： Y向滾珠絲杠受力最大696.5N，=0.5cm， 2.14 cm 因絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小，忽略不計(jì)。選擇絲杠精度4級(jí)，此時(shí)則導(dǎo)程變形總誤差為： <=19 3.5. 支承座的參數(shù) 軸承是和滾珠絲桿過盈配合的，滾珠絲桿的連接端的直徑為20mm，把絲桿磨小，使他們之間的配合是過盈配合。滾珠絲杠安裝方式為一端固定一端鉸接，固定端和支撐端裝均用深溝球軸承，滾動(dòng)軸承型號(hào)為6302-2Z,該型號(hào)的參數(shù)如下 表2-11 滾動(dòng)軸承103GB276-89參數(shù) 外形尺寸（mm) 安裝尺寸(mm) d D B D1 D2 15 42 13 21 37 1 3.6. 齒輪計(jì)算、設(shè)計(jì) 3.6.1. 齒輪參數(shù)確定 因步進(jìn)電機(jī)步距角α= 1.5?/step。滾珠絲杠螺距t=5mm,要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量,在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對齒輪降速傳動(dòng). 齒輪傳動(dòng)比： ==0.48，選Z1=24，Z2=50 因傳遞的扭距較小,取模數(shù)m=1mm則: 分度圓直徑: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: mm 齒寬：（取值為0.2-1.4） 中心距: 齒輪參數(shù)計(jì)算尺寸見下表： Z 24 50 d=mZ 24 50 d0=d+2m 26 52 d1=d-2×1.25m 21.5 47.5 b=(0.2~1.4)mz 8 8 a=(d1+d2)/2 37 分度圓壓力角: 3.6.2. 齒輪傳動(dòng)消隙 數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)經(jīng)常處于自動(dòng)變向狀態(tài)，反向時(shí)如果驅(qū)動(dòng)鏈中的齒輪等傳動(dòng)副存在間隙，就會(huì)使進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的反向滯后于指令信號(hào)，從而影響其驅(qū)動(dòng)精度。因此必須采取措施消除齒輪傳動(dòng)中的間隙，以提高數(shù)控設(shè)備進(jìn)給系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)精度。由于該設(shè)計(jì)中齒輪尺寸較小，使用結(jié)構(gòu)簡單的偏心軸套消除側(cè)隙，其結(jié)構(gòu)如下： 3.7. 步進(jìn)電機(jī)的選用 步進(jìn)電機(jī)的步距角θb 取系統(tǒng)脈沖當(dāng)量=0.01mm/step，初選步進(jìn)電機(jī)步距角 θb= : 3.7.1. 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算 設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為Ｔ，負(fù)載力為Ｐ，根據(jù)能量守恒原理，電機(jī)所做的功與負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系： 式中P為電機(jī)轉(zhuǎn)角，Ｓ為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移，機(jī)械傳動(dòng)效率。 若取，則s＝，且。所以： 式中： Ps為移動(dòng)部件負(fù)載，G為移動(dòng)部件質(zhì)量（N）， Pz為與重力方向一致的作用在移動(dòng)部件上的負(fù)載力（N）， u為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)， 為步進(jìn)電機(jī)的步距角（rad）,T為電機(jī)軸負(fù)載力矩（N.cm）。 本設(shè)計(jì)取=0.03（淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)），＝0.96，==320N。考慮到重力影響，Ｙ向電機(jī)負(fù)載較大，因此G＝=698N，所以有： =≈13.5N.cm 考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩： ≈33N.cm（取安全系數(shù)為0.4） 對于工作方式為三相六拍的步進(jìn)電機(jī)： ==38N.cm 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 ?=1667HZ 為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率,同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠大,查表選擇兩個(gè)55BF004型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī). 電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下: 型號(hào) 主要技術(shù)參數(shù) 外形尺寸 重量 步距角 最大靜載荷 最高啟動(dòng)頻率 相數(shù) 電 壓 電流 外徑 長度 軸徑 55BF004 1.5 49.0 2200 3 27 3 55 62 6 6.5 55BF004單機(jī)參數(shù) 3.7.2. 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 式中：為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載；為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪１的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為齒輪２的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；Ｍ為移動(dòng)部件的質(zhì)量。 對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算： 式中為圓柱零件直徑，為圓柱零件的長度。 所以有： 15.53 292.5 37.44 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小，可以忽略，所以有： =0.925 編程序時(shí)采用一定算法保證加速度不超過這個(gè)數(shù)值。 4. 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 4.1. 硬件電路設(shè)計(jì) 根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求選擇存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路、確定硬件電路方案；按照系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)擴(kuò)展Ｉ／Ｏ接口電路，檢測電路，轉(zhuǎn)換電機(jī)以及驅(qū)動(dòng)電路等； 4.1.1. 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(chǔ)器。包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 4）I/O輸入輸出接口：包括鍵盤、信號(hào)變換電路、顯示器等。 4.1.2. 主控制器和存儲(chǔ)器擴(kuò)展 選用集成度高、可靠性好的ＭＣＳ－５１系列單片機(jī)作為主控制器，該產(chǎn)品是集中了CPU、Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。所以本設(shè)計(jì)選用８０３１芯片作為主控芯片。 1）程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號(hào)有： 2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時(shí)要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時(shí)序的匹配。８０３１所能讀取的時(shí)間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，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(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。 單片機(jī)規(guī)定Ｐ0口提供８為位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息分離出來保存，以便為外接存儲(chǔ)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(hào)ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。 2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 由于８０３１內(nèi)部ＲＡＭ只有１２８字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用６２６４芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。 3）譯碼電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)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(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(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)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(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。 4）存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。 該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路， 單片機(jī)外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如下： 5）Ｉ／Ｏ擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 通用可編程接口芯片８１５５，８０３１單片機(jī)共有４個(gè)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(jìn)行Ｉ／Ｏ口的擴(kuò)展。８１５５與微機(jī)接口較簡單，是微機(jī)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 鍵盤，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)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(diǎn)上。 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有ＬＥＤ和ＬＣＤ。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。鍵盤的列線及ＬＥＤ顯示器的字位控制共用一個(gè)口，即共用８１５５的PA口進(jìn)行控制，鍵盤的行線由８１５５Ｃ口擔(dān)任，顯示器的字形控制由8155的PB口擔(dān)任。 4.1.3. 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 1）脈沖分配器 步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)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(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(jì)采用集成脈沖分配器YB013。采用YB013硬件環(huán)行分配器的步進(jìn)電機(jī)接口線路圖如下： 2）光電隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)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(shí)現(xiàn)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(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。 4）輔助電路設(shè)計(jì) a.８０３１時(shí)鐘電路 b.復(fù)位電路 c.越界報(bào)警電路 　　　 4.1.4. 硬件電路設(shè)計(jì)思路 該系統(tǒng)選用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為４Ｋ，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)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(fù)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(kuò)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(hào)分別為8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H—80FFH。8155的PA口為控制工作臺(tái)X，Y向電機(jī)的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，步進(jìn)電機(jī)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(jì)在一起，8155的PC口擔(dān)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(gè)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(jìn)行驅(qū)動(dòng)。PB口剩余的I/O線PB4—PB7分別作為工作臺(tái)+X，+Y，-X，-Y四個(gè)方向的行程限位控制信號(hào)。在軟件設(shè)計(jì)上8155的PA口，PC口設(shè)置為輸出，PB口設(shè)置為輸入。計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回檢測PB4—PB7的電平，當(dāng)某I/O線為0時(shí)，應(yīng)立即停止X，Y向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。 4.2. 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實(shí)現(xiàn)各種控制功能，主要包括：系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)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)。 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)。插補(bǔ)程序。根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ)，分配進(jìn)給脈沖。 伺服控制程序。根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果控制伺服電機(jī)的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序等。 管理程序是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)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(jì)管理程序時(shí)，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(tái)的基本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，工作臺(tái)位置控制，手 動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。 4.2.1. 系統(tǒng)控制功能分析 數(shù)控X-Y工作臺(tái)的控制功能包括： 1）系統(tǒng)初始化。 2）工作臺(tái)復(fù)位。開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)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(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。 5）工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。 6）工作臺(tái)控制。 4.2.2. 步進(jìn)電機(jī)控制程序 步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)有一個(gè)加，減速過程。通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。 時(shí)間常數(shù)的確定：在步進(jìn)電機(jī)控制程序中，利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷，延時(shí)產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時(shí)間間隔。此間隔由送入定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)決定。并確定步進(jìn)電機(jī)加，減速進(jìn)給脈沖及脈沖時(shí)間間隔，即可使電機(jī)按照系統(tǒng)具體要求運(yùn)行。 EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)間常數(shù)占據(jù)兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。 在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計(jì)數(shù)器N0，N1，N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標(biāo)志。 接口程序初始化及步進(jìn)電機(jī)控制程序 8255A初始化程序 INTT: MOV DX, 8155A控制端口 MOV AL, 86H OUT DX, AL MOV AL, 05H OUT DX, AL 中斷服務(wù)程序 MOV DX, 8155A IN AL, DX IRET 電機(jī)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(jìn)制 十六進(jìn)制 1 10 A 00000000 00H 2 9 AB 00000001 01H 3 8 B 00000011 03H 4 7 BC 00000010 02H 5 5 C 00000110 06H 6 5 CD 00000111 07H 7 4 D 00000101 05H 8 3 DE 00000100 04H 9 2 E 00001100 0CH 10 1 EA 000001101 0DH 設(shè)電機(jī)總的運(yùn)行步數(shù)放在R4，轉(zhuǎn)向標(biāo)志存放在程序狀態(tài)寄存器用戶標(biāo)志位F1（D5）中，當(dāng)F1為0時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為1時(shí)則反轉(zhuǎn)。 正轉(zhuǎn)時(shí)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(chǔ)單元20H~29H中，2AH中存放結(jié)束標(biāo)志00H，在2BH~36H的存儲(chǔ)單元內(nèi)反轉(zhuǎn)時(shí)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(biāo)志00H。 電機(jī)正反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速控制程序 PUSH A ；保護(hù)現(xiàn)場 MOV R4, #N ；設(shè)步長計(jì)數(shù)器 CLR C； ORL C, D5H ；轉(zhuǎn)向標(biāo)志為1轉(zhuǎn)移 JC ROTE； MOV R0, #20 ；正轉(zhuǎn)控制字首址指針 AJMP LOOP； ROTE: MOV R0, #2BH ；反轉(zhuǎn)控制字首地址 LOOP: MOV A, @R0 ； MOV P1, A ；輸出控制字 ACALL DELAY ； 延時(shí) INC R0 ；指針加1 MOV A, #00H ； ORL A, @R0 ； JZ TRL； LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步數(shù)步為0轉(zhuǎn)移 POP A ；恢復(fù)現(xiàn)場 RET； ；返回 TPL: MOV A, R0 ； CLR A； SUBB A, #06H； MOV R0, A ； 恢復(fù)控制字首指針 AJMP LOOP1； DELAY: MOV R2, #M ； DELAY1: MOV A, #M1 ； LOOP: DEC A； JNZ LOOP； DJNZ R2, DELAY1； RET； 4.2.3. 系統(tǒng)加工程序 1）直線插補(bǔ)：設(shè)計(jì)程序時(shí)，在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放終點(diǎn)坐標(biāo)值、，動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)值X,Y，偏差。對8位機(jī)，一般可用2字節(jié)，而行程較大時(shí)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(jìn)行初始化，如設(shè)置初始值、X、Y向步進(jìn)電機(jī)初態(tài) 插補(bǔ)程序所用的內(nèi)存單元如下： 28H 29H 2AH 2BH 2CH 70H X Y 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制字為： D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D1D0為X向電機(jī)控制位。D0=1運(yùn)行，D0=0停止；D1=1正轉(zhuǎn)，D1=0反轉(zhuǎn)。 D2D3為Y向電機(jī)控制位。D2=1運(yùn)行，D2=0停止；D3=1正轉(zhuǎn)，D3=0反轉(zhuǎn)。 2）圓弧插補(bǔ)程序的設(shè)計(jì) 逐點(diǎn)比較法的圓弧的插補(bǔ)計(jì)算過程和直線插補(bǔ)過程基本相同，也分為偏差判別、坐標(biāo)進(jìn)給、偏差計(jì)算和終點(diǎn)判別四個(gè)步驟。不同點(diǎn)在于：（1）偏差計(jì)算公式步進(jìn)與前一點(diǎn)偏差有關(guān)，還與前一點(diǎn)的坐標(biāo)有關(guān)，在計(jì)算偏差的同時(shí)要進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算。（2）終點(diǎn)的判別是以一個(gè)方向的坐標(biāo)值與終點(diǎn)坐標(biāo)值相比較判斷其是否相等為判據(jù)。若，則以X是否等于作為終點(diǎn)判據(jù)；若，則以Y是否等于作為終點(diǎn)判據(jù)。和直線插補(bǔ)程序設(shè)計(jì)一樣，也在內(nèi)存中開辟存儲(chǔ)單元用以存放有關(guān)數(shù)據(jù)。在RAM數(shù)據(jù)區(qū)分別存放動(dòng)點(diǎn)坐標(biāo)X和Y，其初始值為起點(diǎn)坐標(biāo)值，其后依據(jù)坐標(biāo)計(jì)算結(jié)果而變化，存放終點(diǎn)坐標(biāo)值，以及存放偏差飛存儲(chǔ)單元。 5. 結(jié)束語與致謝 結(jié)束語 該設(shè)計(jì)是對數(shù)控車床XY工作臺(tái)尺寸機(jī)械部分、控制系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)，以達(dá)到設(shè)計(jì)的目的，機(jī)械部分主要是對滾珠絲桿、滾動(dòng)直線導(dǎo)軌、軸承等傳動(dòng)元件、及步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算和選取，在系統(tǒng)控制方面，電路中加入了能夠有效控制伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速的要求，在軟件系統(tǒng)部分，雖然沒有給出系統(tǒng)編程程序，但對控制系統(tǒng)提出了大致思路和運(yùn)算方法，為了保證安全性，計(jì)算方面采用了比較保守的的算法，因此對于設(shè)計(jì)的工作臺(tái)的實(shí)用性有一定的保障。由于我還經(jīng)驗(yàn)不足，設(shè)計(jì)中會(huì)有很多需要改進(jìn)加強(qiáng)的地方，懇請老師點(diǎn)評指正。 致謝 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，學(xué)會(huì)了如何查閱現(xiàn)有的技術(shù)資料、如何舉一反三、改進(jìn)并加入自己的想法與觀點(diǎn)，并使大學(xué)四年所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固、深化和擴(kuò)展。通過這次設(shè)計(jì)，深深地體會(huì)到知識(shí)的重要，大學(xué)中很多的知識(shí)沒有掌握能力沒有擴(kuò)充，希望在以后能夠更多地學(xué)習(xí)并提高自己， 最后感謝我的指導(dǎo)老師 ，感謝她的監(jiān)督和指導(dǎo)，最后感謝參考文獻(xiàn)中所列書籍、文章及資料的作者。  6. 參考文獻(xiàn) [1]于金，趙樹國，李躍中編著. 機(jī)電一體