经济型数控车床进给伺服系统设计【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 目 录 设 计 总 说 明 . I . 目 录 . 第一章 引 言 . 1 控机床的发展 . 1 控机床的改造的必要性 . 2 课题的研究对象及其相关参数 . 3 第二章 纵向进给系统总体方案的拟订和论 证 . 4 计任务 . 4 体方案的论证 . 4 体方案的确定 . 5 第三章 进给 伺服 系统机械部分 设计 . 6 削力的计算 . 6 珠丝杆螺母副的计算和选型 . 7 轮传动比的计算 . 10 进进电机的计算和选型 . 11 第四章 数控系统硬件控制设计 . 16 制系统方案确定 . 16 控系统基本硬件组成 . 16 体组成 . 16 体组成及软硬件的分配 . 16 控部分的设计 . 17 控芯片选择 . 17 1 系列单片机介绍 . 17 总线结构 . 19 储器结构 . 19 序 . 19 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 断功能 . 20 片机常用系统扩展芯片 . 21 储器扩展设计 . 22 片选择 . 22 址分配及译码 . 23 口电路及辅助电路具体设计 . 26 路 . 26 示接口 . 27 他辅助电路 29 第五章 经济型数控系 统软件设计 . 30 件的组成 . 30 补原理及其程序设计 . 30 补方法概述 . 30 点比较法的直线插补及其程序设计 . 31 点比较法的圆弧插补及其程序设计 . 34 进电机运行程序控制设计 . 36 济性数控系统的软件模型 . 37 块组成 . 37 冲区设置 . 37 段处理器 . 38 模块说明及流程图 . 38 结论 . 42 参考文献 . 43 致谢 及声明 . 44 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 引 言 机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床数控机床的诞生和发展。计算机的出现和应用，为人类提供了实现机械加 工工艺过程自动化的理想手段。随着计算机的发展，数控机床也得到迅速的发展和广泛的应用，同时使人们对传统的机床传动及结构的概念发生了根本的转变。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创机械产品向机电一体化发展的先河。 数控机床是以数字化的信息实现机床控制的机电一体化产品，它把刀具和工件之间的相对位置，机床电机的启动和停止，主轴变速，工件松开和夹紧，刀具的选择，冷却泵的起停等各种操作和顺序动作等信息用代码化的数字记录在控制介质上，然后将数字信息送入数控装置或计算机，经过译 码，运算，发出各种指令控制机床伺服系统或其它的执行元件，加工出所需的工件。 数控机床与普通机床相比，其主要有以下的优点： 1. 适应性强，适合加工单件或小批量的复杂工件；在数控机床上改变加工工件时，只需重新编制新工件的加工程序，就能实现新工件加工。 2. 加工精度高； 3. 生产效率高； 4. 减轻劳动强度，改善劳动条件； 5. 良好的经济效益； 6. 有利于生产管理的现代化。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - X - 数控机床已成为我国市场需求的主流产品，需求量逐年激增。我国数控 机床近几年在产业化和产品开发 上取得了明显的进步，特别是在机床的高速化、多轴化、复合化、精密化方面进步很大。但是，国产数控机床与先进国家的同类产品相比，还存在差距，还不能满足国家建设的需要。 控机床改造的必要性 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的 1/10 左右，差距太大，急待 需要新的制造方法及技术。 科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一，它不仅能够提高生产效率， 降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。 我国是一个机床大国，有三百多万台普通机床。但机床的素质差，性能落后，单台机床的平均产值只有先进工业国家的 1/10 左右，差距太大， 全功能的数控系统虽然功能丰富，但成本高，我国一般的中小型企业购置困难，但是中小型企业为了发展生产， 急待 对原有机床进行改造 。 随着数控机床越来越多的普及应用，数控机床的技术经济效益为大家所理解。在国内工厂的技术改造中，机床的微机数控化改造已成为重要方面。许多工厂一面购置数控机床一面利用数控、数显、 术改造普通机床，并取得了良好的经济 效益。我国经济资源有限，国家大，机床需要量大，因此不可能拿出相当大的资金去购买新型的数控机床，而我国的旧机床很多，用经济型数控系统改造普通机床，在投资少的情况下，使其既能满足加工的需要，又能提高机床的自动化程度，比较符合我国的国情。 1984 年，我国开始生产经济型数控系统，并用于改造旧机床。到目前为止，已有很多厂家生产经济型数控系统。 可以预料，今后，机床的经济型数控化改造将迅速发展和普及。所以说，本毕业设计买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 实例具有典型性和实用性 。 根据以上分析，本设计选择对 通车床 地纵向进给系统 进行数控改造。 横向进给系统的改造与纵向类同。 相关参数： 加工最大直径：在床面上 400床鞍上 : 210大加工长度： 1000板及刀架重力： 纵向 800N 刀架快速速度： 纵向 2.4 mm/ 最大进给速度： 纵向 主电机功率 动加速时间 30床定位精度 机床进给伺服系统脉冲当量选择： 根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向： 横向： mm/半径）。 第二章 纵向进给系统总体方案的 设计 计任务 本设计任务是对 通车床进行数控改造。利用微机对纵向进给系统进行开环控制，纵向（ Z 向）脉冲当量为 冲，驱动元件采用步进电机，传动系统采用滚珠丝买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 杠副。 体方案的论证 对于普通机床的经济型数控改造，在确定总体设计方案时，应考虑在满足设计要求的前提下，对机床的改动应尽可能少，以降低成本。 （ 1）伺服进给系统的改造设计 数控机床的伺服进给系统有开环、半闭环和闭环之分 。因为开环控制具有结构简单、设计制造容易、控制精度较好、容易调试、价格便宜、使用维修方便等优点。所以，本设计决定采用开环控制系统。 （ 2）数控系统的硬件电路设计 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成。硬件是数控系统的基础，性能的好坏直接影响整体数控系统的工作性能。有了硬件，软件才能有效 地运行。在设计的数控装置中， 选择是关键，选择 考虑以下要素： 1. 时钟频率和字长与被控对象的运动速度和精度密切相关； 2. 可扩展存储器的容量与数控功能的强弱相关； 3. I/O 口扩展的能力与对外设控制的能力相关。 除此之外，还应根据数控系统的应用场合、控制对象以及各种性能、参数要求等，综合起来考虑以确定 我国，普通机床数控改造方面应用较普遍的是 列单片机，主要是因为它们的配套芯片便宜，普及性、通用性强，制造和维修方便，完 全能满足经济型数控机床的改造需要。本设计中是以 列单片机， 51 系列相对 48 系列指令更丰富，相对 96 系列价格更便宜， 51 系列中，是无 8051， 8751是用 替 8051。目前，工控机中应用最多的是 8031 单片机。本设计以 8031芯片为核心，增加存储器扩展电路、接口和面板操作开关组成的控制系统。 总体方案的确定 经总体设计方案的论证后，确定的 床经济型数控改造示意图如图所示。车床的纵向（ Z 轴）进给运动采用步进电机驱动。由 8031 单片机组 成微机作为数控装置的核心，买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 由 I/O 接口、环形分配器与功率放大器一起控制步进电机转动，经齿轮减速后带动滚珠丝杠转动，从而实现车床的纵向进给运动。 车床或变速箱 步进电机功率放大器控制计算机磁带计算机手工输入数控程序编制加工工件图纸第三章 机 械 部 分 设 计 纵向进给系统的设计与计算 1、纵向进给系统的设计 经济型数控车床的改造一般是步进电机经减速驱动丝杠，螺母固定在溜板箱上，带动刀架左右移动。步进电机的布置，可放在丝杠的任一端。对车床改造来说外观不必项产品设计要求的那么高，而从改造方便，使用方面来考虑。一般都把步进电机放 在纵向丝杠的右端。 2、纵向进给系统的设计计算，已知条件： 加工最大直径：在床面上 400床鞍上 : 210大加工长度： 1000板及刀架重力： 纵向 800N 刀架快速速度： 纵向 2.4 mm/ 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 最大进给速度： 纵向 主电机功率 动加速时间 30床定位精度 机床进给伺服系统脉冲当量选择： 根据机床精度要求确定脉冲当量，纵向： 横向： mm/半径） 纵车外圆 主切削力 N）按经验公式估算： 5360 车 窗创身上加工最大直径，单位为 切削力各分力比例： 1： X=5360 340 5360 144 走刀方向的切削分力（ N）； 垂直走刀方向的切削分力（ N）。 滚珠丝杠副传动低效率高，摩擦损失小；启动力矩小，运动平稳，无爬行现象，传动精度高，同步性好，磨损小，使用寿命长，精度保持型好等优点。在经济型数控机床的进买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 给系统中，广泛采用滚珠丝杠副传动机构来实现精密进给运动。 纵向进给丝杠设计如下： m(N) 纵向进给为综合性导轨 +f ( G) =1340+360+800)=2530（ N） 式中 合导轨为 f ： 800N c c=3L 1060 n=01000 0选为 6 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的 3121 ，此处为 T 使用寿命，按 15000h; 运转系数，按一般运转取 = L 寿命，以 610 转为 1单位。 n=01000= 6 =50r/=61060 =61015005060 =45 c=3L =、滚珠丝杠螺母副的选型 查阅系列外循环滚珠丝杠副系列尺寸，可选用 4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠， 1列 额定动负载为 16400N。等级精度选为 3级。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 4、传动效率计算 0442( 442)( 0 0 tg 式中 螺旋升角 摩擦角取 10 滚动摩擦系数 、刚度验算 （ 1）先画出此纵向进给滚珠丝杠支撑方式草图。最大牵引力为 2530N。支撑间距L=1500紧力为最大轴向负荷的 1/3。 查滚珠丝杠轴向拉伸压缩变形图，根据 530N,0出 =105 1 = L=105 1500=102 (由于两端采用推力球轴承，且丝杠又进行了与拉伸，故其拉压刚度可以提高 4 倍，其实际变形量 1 （ 1 =41 1=41 102 =102 (2)滚珠丝杠与螺纹滚道之间接触变形 查 列滚珠丝杠副滚珠和螺纹滚道接触变形图，得变形量 Q ，因进行了预紧 2 =21 Q =21 m (3)支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形 3 采用 51106型推力球轴承， 30动体直径 8动体数量 z=8 c=式中 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 因施加预紧力，故3=21 c=据以上计算： = 1 + 2 +3=，表示加工点 了缩小偏差，应控制拖板沿 + 若i0 P 0 或 F 0，由上分析，应向 向走一步，移到新加工点 ),( 11 ii 那么有 11 ii 此新点的偏差计算为： 22222211 )1( 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 当任一时刻的加工点在圆内， 坐标为 ),(21 ii F 0，应向 +Z 方向进给一步，移到新点 ),(12 ii ，那么有 11 ii 时新点的偏差计算为： 12)1( 22222121 上面二式中，ii 进给前那点的坐标值。 同样的分析方法，可获得顺圆加工情况下的递推公式，如下表。 弧形 F 0 F 0 进给 偏差 计算 进给 偏差计算 逆圆弧 - x 112+ y 112顺圆弧 - y 112+ x 112（ 4）终点判断 圆弧插补的判别终点的方法，与直线插补的判别终点的方法一样，一是利用 X、 是利用二方向的总步数较大者作为判终点的依据。所不同的是总步数计算要取终始两点坐标值之差的绝对值。 根据 逐点比较法的特点和圆弧插补的规律，可概括出圆弧插补程序的流程图，如图纸 6所示。 只要给步进电机各项绕组按规定的控制模型输出时序脉冲，步进电机就能按一定的方向转动。在数控技术中，经常要求步进电机工作时随时改变运动方向，才能满足机械加工的需要。步进电机运行控制程序设计的主要任务是：判断运动方向，按顺序送出控制脉冲，判断所要的脉冲是否送完。下面以三相六步步进电机为例，用单片机两种汇编语言说明步进电机运行控制程序的设计方法。 2单片机汇编程序设计 根据图纸 6上的步进电机控制程 序框图程序图，编制单片机汇编语言程序如下： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 2000 ; ; # ; #00H ; # ; 00H, ; A, ; A, A+ ; ; A ; ; ; ; ; ; ; A, ; A, #7H ; A ; ; 01H ; 03H ; 02H ; 06H ; 04H ; 05H ; 00H ; 01H ; 05H ; 04H ; 06H ; 02H ; 03H ; 00H ; 150H ; (略 ) 经济型数控车床控制部分的软件设计采用模块化。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 块组成 同一硬件控制系统，可以采用不同的软件结构和编程方法。本控制软件决定采用模块化设计方法，本程序主要有如下模块组成： 主模块，用于系统初始化和监控。 子程序模块。 实时修改显示缓冲区数据模块。 键盘、显示定时扫描管理模块。 其中除了主模块和子程序模块外，其余均为中断执行方式模块。 冲区设置 应设置两个缓冲区：键盘缓冲区和显示缓冲区。 主要用于存放由键盘输入的命令，长度为 4 字节，地址为 8031 内部 0H 23H。第一字可用于缓冲区空、满等标志，定义如下：（ 20H） =00H，缓冲区为空，（ 20H） =01H03H，缓冲区未处理完的命令个数，显然（ 20H）=03H 时即为满。其余 3 个字节内存放具体的命令码。为防止误操作，可以进一步规定：命令码若为 00H，为无效命令。 从本系统的实际情况及后面的软件框图可以看出，键盘缓冲区很少出现两个或两以上未处理命令码 ，一般情况只要出现一个命令码，马上会得到处理。 主要用于存放欲显示的具体数据，每一字节对应一显示位，共 5 个字节，地址为 8031 内部 9H，分别对应百位、十位、个位（包括小数点）、 10和 10 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 除上述缓冲区外，根据需要，可以设立一些标志位，在具体碰到实在说明。 段处理器 所处理时间最为紧急的则其中段级别应为最高。根据本题实际情况，中段模块的优先级如下： 模块名 级别 越界报警、急停处理模块 0 高 实时修改显示缓冲期数据模块 1 键盘、显示定时扫描管理模块 2 低 模块说明及流程图 （ 1）主模块 主模块功能为：初始化、监控。其中初始化包括 8155 初始化、缓冲区清零、定时 /技术常数的设置、开中断等处理；监控主要是否有命令按下，并根据命令调用相应的子程序模块。 主模块流程简图见图 5 （ 2） “ ”、“”、“”、“” 子程序模块 根据键盘功能的设定，相应的字程序模块包括： “” 命令处理模块、 “ ”、“”、“” 命令及暂停命令处理模块。这里设定一标志，其作用是反映工作台的当前运动方向。标志位为 的 2定义如下： 2元 当前运定方向 （ 2B） =01H “” +Z （ 2B） =02H “” 2B） =03H “ ” +X 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - （ 2B） =04H “” 2B） =00H 初始时为 00H 现以 “” 命令为例，其余几个只需略作修改即可。不再一一给出。 “” 方向命令子模块流程见图 5 启 动 8 1 5 5 定 时 工 作选 通 X 向 通 道 包 括 脉 冲 方向及脉冲信号重 设 8 1 5 5 定 时 常 数停 止 8 1 5 5 定 时 工 作返回(2B)=01该键码，清相应键盘缓冲区查询键盘缓冲区有 建按下否？初始化图 5模块 流程图 图 5” 功能字模块流程图 （ 3）暂停键“ 模块 暂停键功能是暂时使 作台停止工作，因此只需停止步进脉冲即可。 （ 4）中段模块 现在主要介绍一下键盘、显示定时扫描管理模块。 根据键盘的接口电路，可以用编程扫描方式和定时扫描方式。这里选择后一种，用定时中段模块同时完成键盘和现实的扫描。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 对于键盘扫描，应该解决去抖问题，一般调用延时 10右来实现。而对于显示扫描，为保证多位同时显示而无闪烁，应使扫描频率（扫描 n 位，本题设置 5 位为扫描一次）高于 50里是这样实现的。 设定定时时间为 3每隔 3断一次，修改一次显示位，每位显示的点亮时间是 3描一遍共需 5 3=15描频率约 64于50 键盘采用每隔 3 3=9描一次，其目的是消除键盘抖动。设置一标志位，其地址为内部 元，用于计数中段次数，当其等于 3 时，正好隔 9上查询键盘。另外还应设一标志位，用以标志连续两次查询到键盘值是否一样，其地址为 31H，定义如下：（ 30H） =1，表明上次查询有键按下；（ 31H） =0,则为无键按下。只有当上次有键按下 ，且隔 9再次查询时有同一键按下时，才能确定有键按下，否则均视为误动作，不予理睬。根据上述想法，可以画出定时中断模块的框图，见图 5 （ 5）实时修改显示缓冲区数据模块 本模块采用中段方式，其作用是通过对 8155 定时 /计数的输出信号，也即对步进电机计数，来修改显示缓冲区中工作台当前工作位置。根据步进电机的实际脉冲当量，一个步进脉冲相当于工作台移增量 以设定中段计数常数为 10 ，每中段一次，工作台运动 里用 部 2 实时修改显示缓冲区数据模块的流 程框图见图 5 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - L - 图 5示定时扫描子模块 图 5时修改显示缓冲取数据模块 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 - 结 论 毕业设计是本科学习阶段一次非常难得的理论与实际相结合的机会，通过这次比较完整的 经济型数控车床伺服系统 设计，我摆脱了单纯的理论知识学习状态，和实际设计的结合锻炼了我的综合运用所学的专业基础知识，解决实际工程问题的能力，同时也提高我查阅文献资料、设计手册、设计规范以及电脑制图等其他专业能力水平，而且通过对整体的掌控，对局部的取舍，以及对细节的斟酌处理，都 使我的能力得到了锻炼，经验得到了丰富，并且意志品质力，抗压能力及耐力也都得到了不同程度的提升。这是我们都希望看到的也正是我们进行毕业设计的目的所在。 虽然毕业设计内容繁多，过程繁琐但我的收获却更加丰富。各 个部分方案的确定 ，各种 部分 的选用标准，我都是