实验型数控铣床设计

内蒙古工业大学机电装备课程设计目 录摘 要3第一章 微机数控系统总体设计方案拟定31.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择31.2机械传动方式41.3计算机系统选择41.4总体方案的确定4第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算42.1 设计参数42.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型72.2.1 进给丝杠82.2.2 横向进给丝杠92.2.3 滚珠丝杠副的几何参数92.3 滚动导轨的计算与选择102.3.1 滚动导轨副的额定寿命112.3.2 直线导轨副的参数122.4 交流伺服电机的计算与选择132.4.1 转动惯量的计算142.4.2 电机的力矩的计算15第三章 微机数控系统硬件电路设计173-1 MCS51系列单片机简介183.1.1 MCS51系列指令系统简介183.1.2 定时器/计数器193.1.3 中断系统203.2 存储器扩展电路设计203.2.1 程序存储器的扩展203.2.2 数据存储器的扩展213.2.3 译码电路设计223.3 I/O接口电路及辅助电路设计243.3.1 8155 通用可编程接口芯片 243.3.2 8255 通用可编程接口芯片253.3.3 键盘显示接口电路273.3.4 电机接口及驱动电路283.3.5 辅助电路29 摘 要摘要：小型数控立式铣床工作台升降和制动装置设计。数控机床的加工系统、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对小型立式铣床工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计中共性和关键的技术。本次课程设计，主要设计和研究小型立式铣床工作台及其电气原理图。确定小型立式铣床工作台的传动系统，选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性，寿命等参数；还设计了导轨，根据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。关键词：小型立式铣床工作台；滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨；交流伺服电机；半闭环控制系统。第一章 总体设计方案拟定1.1系统运动方式的确定与伺服系统的选择数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/点线系统和连续控制系统。为了满足小型立式铣床工作台运动定位,暂停,急停等功能,故选择连续控制系统。伺服系统有开环、闭环和半闭环。考虑到工作台实际位移的检测，补偿系统的误差，故采用半闭环控制系统，利用交流伺服电机进行驱动。1.2机械传动方式 为了实现设计要求的分辨率，采用交流伺服电机转动丝杠。为了保证一定的传动精度和传动平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除传动间隙，采用有预加负荷的结构。1.3计算机系统选择 采用三菱PLC伺服系统1.4总体方案的确定微机伺服驱动器光码盘交流伺服电机G ML图11总体方案设计第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算2.1 设计参数1、工作台尺寸：长*宽=400*2002、工作台升降行程：200 3、工作台总重：600N4、 最高运行速度：步进电机运行方式：空载：0.6m/mim：切削：0.1m/min；交流伺服电动机运行方式：空载：9m/mim：切削：2m/min；5、系统分辨率：开环模式0.01mm/step；半闭环模式 0.005mm/step；6、系统定位精度：开环模式0.10mm；半闭环模式 0.01mm；7、切削负载：X向400N；Y向600N；Z向1000N； 2.2 滚珠丝杠螺母副的计算与选型图2-1 丝杠螺母副设计框图2.2.1 计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力在导轨上的摩擦力。因而其数值的大小与导轨的型式有关，由于在设计中采用的是加有导轨块的滚动导轨，所以选择的计算公式为综合导轨的计算公式。计算公式为：式中 -Z向切削分力（N）； -移动工作台总重（N） -导轨上的摩擦系数，随导轨型式而不同； -考虑颠复力矩影响的实验系数；综合导轨的 , ，取，式中， ，代入计算得 2.2.2 计算最大动载荷C选用滚珠丝杠副的直径时，必须保证在一定轴向载荷作用下，丝杠在回转100万转（106转）后，在它的滚道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为该滚珠丝杠能承受的最大动负载，用下式计算选择： 式中 -额定寿命，查表3-28可得其寿命为15000h； -丝杠转速，； -负载性质系数，查表326， =1.0；初选导程=6，由任务书可知最大切削力下的速度，则,代入公式可计算得 =333.3 2.2.3 滚珠丝杠螺母副的选型据所算得的最大动负载在设计指导书中的附录A表1中选用型号为WD2506的滚珠丝杠，其名义直径为,滚珠的排列为2.5圈1列，额定动载荷为，满足前面进给方向的要求。精度等级按机电装备设计课程设计指导书表4-15选为4级。2.2.4 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率： 式中 -丝杠螺旋升角； -摩擦角，滚珠丝杠的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。由选用的WD2506的滚珠丝杠的相关数据可知丝杠螺旋升角代入公式计算得 2.2.5 刚度的验算先画出此进给滚珠丝杠支承方式草图,如图所示.最大牵引力为 = 464.8N, 滚珠丝杠的导程=200mm，滚珠丝杠的余程=24mm,丝杠螺纹长度取= 200+242+113=361mm,支撑跨度= 560mm,丝杠的全长L=660mm。丝杠螺母及轴承均进行预紧,预紧力为最大轴向负载的1/3. 图2-2 Z向进给系统计算简图 G ML滚珠丝杠副的轴向变行会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此应考虑以下引起轴向变形的因素：1)、丝杠的拉伸或压缩变形量在总的变形量中占的比重较大,可以用计算方法或查图表的方法决定，查图4-6，根据 =464.8N，25mm查出： 式中 -滚珠丝杠在支撑间的受力长度，.计算得 = （2)、滚珠与螺纹滚道间接触变形查表4-8，W系列1列3.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形量因进行了预紧，根据以上计算，小于要求的定位精度0.01mm，合乎设计的要求。2.2.6 稳定性验算 对已选定尺寸的丝杠在给定的支承条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险，产生失稳的临界负载用下式计算： 式中 -丝杠材料弹性模量，对钢; -截面惯性矩,丝杠截面惯性矩 (为丝杠螺纹的底径)；-丝杠两支承端距离；-丝杠的支承方式系数。根据前面的相关数据可知上式中的截面惯性矩：丝杠两支承端距离，我所选用滚珠丝杠的支承方式是一端固定一端简支,则查指导书中的表4-13可知则代入数据算得 =临界负载与最大工作负载之比称为稳定性安全系数， 式中 -为许用稳定性安全系数; ，如果则丝杠不致失稳,在我所设计的方案中最大的，则所以满足设计要求。2.2.8 滚珠丝杠副的几何参数表2-1滚珠丝杠的几何参数名称符号公式WD2506螺纹滚道公称直径25导程6接触角钢球直径3.969滚道法面半径2.064偏心距0.056螺纹升角螺杆螺杆外径24.326螺杆内径20.984螺杆接触直径21.634螺母螺纹直径29.016螺母内径25.6742.3 滚动导轨的计算与选择目前，滚动导轨在数控机床上应用非常广泛，因为其摩擦系数=；动、静摩擦系数很接近，几乎不受运动速度的变化的影响，运动轻便、灵活，所需驱动功率小，摩擦发热小，磨损小，精度保持性好；低度运动时不易出现爬行现象，因而定位精度高，所以选用滚动导轨。2.3.1 滚动导轨副的额定寿命(1)、滚动导轨的额定动载荷的计算：由于要计算额定动载荷首先需要计算出作用在滚动导轨副上的载荷,由资料文献可知作用在滚动导轨副上的载荷计算公式如下：图2-3 工作台及导轨块的放置 式中的为作用于同一平面内的若干套导轨副的总载荷在这里我的设计任务中指出了，。则式中、分别取，,，将上面的数据代入相应的公式中可得到对于全行程还应该计算除载荷(2)、滚动导轨副的额定寿命1、额定寿命计算其计算公式如下： 式中 -额定寿命； -额定动载荷； -计算载荷；-温度系数；运行时的温度小于100查相关资料可的；-接触系数；导轨上的滑块数为2查相关资料-精度系数；精度等级为4级查相关资料-载荷系数；-硬度系数；滚道硬度不得低于HRC58故通常取使用寿命 -单向行程=200n-每分钟往返次数初选直线导轨副型参为SBG15FL 额定动载C=8500N代入公式计算得： = 2、寿命时间的计算 故初选型号满足设计要求。2.3.2 直线导轨副的参数2.4 交流伺服电机的计算与选择选用交流伺服时，必须首先根据机械设计结构草图计算机械传动装置及负载折算到电机轴上的等效惯量，分别计算各种工况条件下所需的等效力矩，再根据交流伺服电机最大转矩选择合适的交流伺服电机。2.4.1 转动惯量的计算(1）、丝杠的转动惯量计算 由于用交流伺服电机则省去了齿轮的传动比，以及齿轮的转动惯量的计算所以只要计算丝杠本身的转动惯量即可，虽然丝杠上有阶梯但为了计算方便按一个圆柱体来计算它的转动惯量，而且丝杠与交流伺服电机直接相连则传动比可近似为一，下面首先计算丝杠的转动惯量，公式如下： 式中 -圆柱体直径； -圆柱体长度或原度； -钢材的密度在我以上所设计的零件中可知丝杠的公称直径为2.5cm，把丝杠近似的看成一个圆柱体则，考虑到我的任务书中的尺寸比较大，对与丝杠支撑端以外的丝杠对总体的影响较小所以忽略不记，则取。根据以上的数据代入公式算得=(2)、工作台折算到丝杠上的转动惯量其公式为：式中 -工作台重量；， -重力加速度（9.8m/s2）； -丝杠导程 ;cm代入公式 (3)、丝杠传动时传动系折算到电机上的总的转动惯量其求解公式： 式中 -丝杠的转动惯量； -工作台折算到丝杠上的转动惯量代入公式 考虑到电机传动系统匹配问题：即选型号为ECMAC21020的交流伺服电动机，额定转矩6.37N*m，转动惯量，额定转速3000，最大转速5000r/min。2.4.2 电机的力矩的计算 电机的负载力矩在各种工况下是不同的，下面分别对快速空载起时所需要的力矩、快速进给时所需要的力矩、最大切削负载时所需要的力矩等几部分进行计算。(1)、快速空载起动时所需力矩 式中 -快速空载起动力矩； -空载起动时折算到电机上的加速力矩； -折算到电机轴上的摩擦力矩； -由于丝杠欲紧时折算到电机轴上的附加摩擦力矩其中 式中 -传动系统折算到电机轴上的总的等校转动惯量； -电机的最大转速； -运动部件动停止起动加速到最快进给速度所需时间;代入上式 折算到电机轴上的摩擦力矩： 式中 -导轨的摩擦力；-y方向的切削力；-运动部件的总重量；-导轨的摩擦系数；-齿轮降速比，这里无齿轮既； -传动链总效率，0.7-0.85,这里取0.80；代入求解： 附加摩擦力：式中 -滚珠丝杠预加负荷，一般取，为进给牵引力；-滚珠丝杠导程；-滚珠丝杠未预紧时的传动效率；代入算得 根据上面的计算结果可得 ,比初选的电机的转矩小符合设计要求。(2)、快速进给时所需力矩： 比初选电机的转矩小，符合要求。 (3)、最大切削时所需力矩： 式中 -折算到电机轴上的切削负载力矩；的求解公式如下： 式中 -进给方向上的最大切削力；代入数据计算得 综合以上数据可算得其与电机的额定转矩比较，小于额定转矩637N*cm，故合乎设计要求。通过以上的演算可知，初选的电机合乎设计要求。第三章 微机数控硬件电路设计根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。1、数控系统由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，机床硬件电路由以下五部分组成：、主控制器，即中央控制单元CPU；、总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；、存储器，包括程序存储器和数据存储器；、接口，即I/O输入/输出接口电路；、外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等。见图31。交流伺服电机2、选择中央处理单元CPU的类型考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，及经济价格比等经济性的要求。因此，在经济数控铣床中，推荐使用MCS51系列单片机作主控制器。3、存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。 在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU与EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。 在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。4 、I/O口即输入/输出接口电路设计 包括接口芯片的选用，交流伺服电机控制电路，键盘显示电路及其他辅助电路的设计。3.1 MCS51系列单片机简介3.1.1 MCS51系列指令系统简介MCS51系列指令系统共有111条基本指令，其中单字节指令有49条，双字节指令有45条，单字节指令有17条。1、MCS51系列指令系统的七种寻址方式简介：（1）、立即寻址 跟在操作码后的一个字节就是实际操作数。（2）、直接寻址 指令中直接给出参加运算或传送的数的地址。可以访问三种地址：特殊功能寄存器SFR、内部RAM128字节个单元、221个地址空间。 （3）、寄存器寻址 指定某一可寻址的寄存器的内容为操作数。寻址空间是R0R7、A、B、DPTR。（4）、寄存器间接寻址 由指令指定某一寄存器的内容作为操作数地址，选定R0、R1、SP、DPTR（16位）来存放地址，使用时前加。（5）、变址寻址 由争论指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和基址寄存器DPTR或PC相加所得结果作为操作数地址。（6）、相对寻址 在指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元地址（即PC内容）相加，即得到真正有效的单元地址。（7）、位寻址 对内部RAM的128位和SFR块内的93位进行位操作。2、MCS51系列指令系统主要指令简介：MCS51系列指令系统111条指令可分为五类：（1）、数据传送类 29条 （2）、算术操作类 24条（3）、逻辑操作类 24条 （4）、控制程序转移类 17条（5）、布尔变量操作类 17条3.1.2 定时器/计数器MCS51系列单片机提供两个十六位可编程的定时器/计数器，即T0和T1。他们具有两种工作方式和四种模式。其工作原理如图3-2所示。定时器/计数器的核心是加一计数器，加一计数器脉冲有两个来源，一个是外部脉冲源，另一个是系统的时钟振荡器。有两个模拟开关，前一个开关就是特殊寄存器TMOD的相应位，后一个模拟开关就是特殊寄存器TCON的相应位。 TMOD和TCON是专门用于定时器/计数器的控制寄存器。用户可以用图3-2 定时器/计数器的结构框图 指令对其各位进行写入或更改操作，从而选择不同的工作状态或启动时间，并可设置相应的控制条件。这两个控制寄存器各位的功能：1、TMOD控制寄存器GATE门控位或叫选通位。C/T计数器方式或定时器方式的选择位。M1和M0工作模式控制位。00 模式0：TLX中的低5位和THX的高8位构成13位计数器。01 模式1：TLX与THX构成16位计数器。10 模式2：可自动再装入的8位计数器。11 模式3：把定时器0分成两个8位计数器，关闭定时器1。2、TCON控制寄存器TF0、TF1定时器T0、T1溢出标志位，为1时申请中断。TR0、TR1定时器T0、T1运行控制位，有软件设定，来控制定时器/计数器开启或关闭。IE0、IE1外部中断源的标志，为1时表示外部中断源向CPU申请中断。IT0、IT1外部中断源触发控制位。3.1.3 中断系统MCS51系列单片机提供五个中断源，配备两个中断优先级，INT0、INT1输入外部中断请求，两个片内定时器/计数器T0和T1溢出中断请求TF0和TF1，一个片内串行口中断请求TI和RI。各中断源所对应的中断服务程序的入口地址和优先级如下：中断源 人口地址 优先级INT0 0003H 0T0 000BH 1INT1 0013H 2T1 001BH 3串行口中断 0023H 43.2 存储器扩展电路设计3.2.1 程序存储器的扩展1、常用的ROM芯片及引脚：（1）常用的半导体ROM芯片有：2716（2K*8）、2732A（4K*8）、2764、（8K*8）、27128（16K*8）、27256（32K*8）、27512（64K*8）。2764、27128、27256、27512芯片均有28脚双列直插式平封装芯片。引脚向下兼容。图3-3是2764引脚排列。（2）地址锁存器常用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器。其真值表见表3-1。图3-3 2764引脚排列表3-1 真值表74LS373EGDQLHHHLHLLLLXQ03.2.2 数据存储器的扩展常用数据存储器及引脚常用的静态RAM芯片有6116（2K*8）、6264（8K*8）、62256（32K*8）等，6264、62256均采用CMOS工艺、28脚双列直插式平封装。6264引脚及逻辑符号见图3-4。图3-4 6264引脚图3.2.3 译码电路设计1、MCS51系列单片机应用系统中的地址译码规则（1）程序存储器和数据存储器独立编址。程序存储器地址和数据存储器地址可以重叠使用。都是从0000HFFFFH。（2）外围I/O芯片与扩展数据存储器统一编址外围I/O芯片占用数据存储器地址单元，且使用数据存储器的读/写控制信号与读/写指令。（3）CPU在访问外部存储器时地址编码CPU的P2口提供高8位地址，P0口经外部地址锁存器后提供低8位地址。2、地址译码方法（1）线选法利用单片机地址总线高位中的一根线作为选择某一片存储器芯片的片选信号。此法用于规模较小的系统。其优点是不需要地址译码器，可节省硬件，降低成本。缺点是可寻址的芯片数目受到很大的限制，且地址空间不连续，不能充分利用。（2）全地址译码法对容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码法。常采用的译码器是74LS138。图3-5是其引脚图。表13是其逻辑功能表。图18是全地址译码图。表3-2是其地址译码表。 表3-2 74LS138逻辑功能表G1 G2A G2BC B AY7 Y6 Y5 Y4 Y3 Y2 Y1 Y01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 01 0 0其 他 状 态0 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 1X X X1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 11 1 1 1 1 0 1 11 1 1 1 0 1 1 11 1 1 0 1 1 1 11 1 0 1 1 1 1 11 0 1 1 1 1 1 10 1 1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1图3-5 74LS138引脚图 图3-5 74LS138引脚图 表3-3 74LS138地址译码表器 件地 址 选 择 线片内地址单元（字节）地 址 编 码2764000X XXXX XXXX XXXX8K0000H1FFFH6264001X XXXX XXXX XXXX8K2000H3FFFH8155RAM0101 1110 XXXX XXXX2565E00H5EFFHI/O0101 1111 1111 1XXX65FF8H5FFFH82550111 1111 1111 11XX46FFCH6FFFH图3-6 数控铣床全地址译码图87C513.3 I/O接口电路及辅助电路设计常用外围接口芯片有：8155：可编程的RAM/IO扩展接口电路（256个RAM、两个8位口、一个6位口、一个14位的定时器/计数器）8255：可编程的通用并行接口电路（3个8位口）8279：可编程的键盘、显示接口电路3.3.1 8155 通用可编程接口芯片1、8155引脚及其功能8155 的结构框图及引脚排列见图3-7。8155 具有40条引脚，采用双列直插式风装，各引脚功能见表3-4。 表3-4 8155引脚功能引脚含义引脚含义引脚含义AD0AD7PA0PA7PB0PB7PC0PC5TIMER IN地址、数据线A口B口C口定时输入TIMER OUTIO/MALERDWR定时输出IO/RAM口选择地址锁存读写CERESETVSSVCC片选复位地电源图3-7 可编程的RAM/IO扩展接口电路定义A口输入/输出方式定义B口输入/输出方式00：ALT1 01：ALT2 10：ALT3 11ALT400：空操作01：停止定时器操作10：定时器减为一时停止计数11：置定时器方式后，开始计数0：禁止A口中断1：允许A口中断0：禁止B口中断1：允许B口中断图3-8命令寄存器格式及工作方式2、8155 的工作方式设定8155 命令寄存器格式及工作方式见图3-83、8155 初始化程序格式如下：MOV DPTR ， 控制口地址MOV A ， 命令字MOVX DPTR ，AMOV DPTR ， 计数初值入口地址MOV A， 计数初值 INC DPTR MOV A ， 计数初值高位MOVX DPTR ，A 3.3.2 8255 通用可编程接口芯片1、8255 引脚及其功能 8255 引脚及内部结构见图3-9，其引脚功能见3-5：2、8255 工作方式的设定 8255 有三种工作方式：方式0、方式1、方式2。方式0基本的输入输出方式方式1应答式输入输出方式方式2应答式双向输入输出方式表3-5 8255引脚功能引 脚含 义D0D7PA0PA7PB0PB7PC0PC7A0、A1RDWRCERESETGNDVCC数据线A口B口C口地址线读写片选复位地电源引 脚含 义D0D7PA0PA7PB0PB7PC0PC7A0、A1RDWRCERESETGNDVCC数据线A口B口C口地址线读写片选复位地电源图3-9 8255 引脚及内部结构8255 IO的工作方式选择通过对其内部命令寄存器设定方式选择控制字来实现。其格式及工作方式见图3-10。C口置/复位控制字格式如图3-11所示。3、8255 初始化程序格式如下：MOV AL ， 控制字；定义工作方式OUT 控制口地址，ALIN AL ， 初值OUT 输出口地址，AL B组下C口：0输出 1输入B口： 0输出 1输入模式选择：0模式0 1模式1 A组上C口：0输出 1输入A口： 0输出 1输入模式选择：00模式0 01模式1 X1模式2 控制选择 1=模式选择图3-10 命令寄存器方式选择控制字格式及工作方式置位0=复位 1=置位 位选择D3 D2 D1 C口0 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT00 0 0 BIT0控制选择0=位操作图3-11 C口置/复位控制字格式3.3.3 键盘显示接口电路1、显示器工作原理数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD接口显示方式。LED显示器有8个发光二极管组成，控制不同组合的二极管导