开环控制的数控XY工作台 课程设计说明书

1、目 录目 录第一章 设计内容及计算11.1 设计的目的11.2 设计要求11.3 完成内容11.4 技术参数21.5 总体方案的确定;2第二章 机械部分设计32.1 工作台部分的形状及材料选择32.2 工作台外形尺寸及重量估算：32.3 铣削力PZ1的计算32.4 铣削力PZ2的计算42.5 滑动导轨的参数确定42.6 滚珠丝杠的负荷计算42.6.1 滚动体尺寸与数目的确定42.6.2 传动功率计算52.6.3 步进电机的选择52.7 齿轮传动设计计算6第三章 机床数控系统硬件电路设计73.1 键盘、显示器73.2 步进电机驱动电路73.2.1 其它辅助电路设计83.2.2 硬件电路设计说明8

2、3.3 系统控制的软件设计93.3.1 系统控制软件的主要内容93.3.2 程序设计要求93.4 系统软件设计说明103.4.1 系统功能控制分析103.4.2 系统管理程序设计：113.4.3自动加工程序设计12参考文献175第一章 设计内容及计算第一章 设计内容及计算1.1 设计的目的 1） 正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论与有关知识，学会设备比较分析及进行必要计算。2） 通过对设备改造部分的机械设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确结构设计方法。3） 通过数控系统硬件和软件设计，掌握简单的设计方法。4） 通过课程设计，树立设计思想，培养分析、解决问题的能力。5） 提高

3、学生应用手册、标准与编写文件资料的能力。1.2 设计要求设计一台步进电机驱动的开环控制的X-Y工作台，该工作台可安装在立式铣床上，用于钻孔和铣削加工。所用刀具均为高速刚刀具，加工材料为青铜、铝、有机玻璃等其它易加工材料。最大钻孔直径d=5.0;mm，最大铣削刀具直径为15mm，最大铣削余量=3mm，最大铣削深度=10mm.要求采用MCS-51单片机作为数控系统的控制主机。数控系统有下述功能：a. 可通过键盘输入数控加工程序，并加以存储。b. 可显示输入程序，并实时显示工作台当前位置。c. 具有报警、急停等功能。1.3 完成内容a. 数控工作台机械部分设计图纸0号1张；b. 数控工作台电器控制部

4、分设计图纸0号1张；c. 完成设计说明书1份，包括以下内容：目录总体方案确定，目的、技能参数。机械部分电路部分设计 软件设计1.4 技术参数步进电机：三项六拍，工作台最大行程速度.脉冲当量：ap=0.01mm/脉冲;Xmax=130mm；Ymzx=135mm;系统分辨率为0.005mm.1.5 总体方案的确定;1)总体方案设计内容：系统运动方式的确定，同服系统的选择，执行机构的结构及运动方式的确定，计算机系统的选择，数控系统硬件电路设计，辅助电路（复位电路、中断报警电路等）的设计，系统控制软件设计。2）系统的总体框图如下： 第二章 机械部分设计第二章 机械部分设计2.1 工作台部分的形状及材料

5、选择铣床的矩形工作台高度与安度之比纸为0.10.8.工作台由型 钢和钢板焊接，常用3号或5号钢。这里采用合金钢作为材料， =7.9g/cm3。（由机电液查得=7.9g/cm3）。2.2 工作台外形尺寸及重量估算：工作台的长取；375mm 宽取：150mm 高取：40mm(工作台长：375mm，宽150mm，高：40mm)G=vg=375150407.91010-6=177.8N（1）X向托板尺寸：长：440 宽190 高28G=vg =197.2 N(托板采用灰铸铁作为材料，=7.0g/cm3)（2） Y向底座尺寸：长440 宽215 高47G=vg= 166.611 N（3）步进电机重量：1

6、5N2.3 铣削力PZ1的计算 其中：CF=304.11，XF=1，yF=0.8，KF=1，取f=0.05mm/r则2.4 铣削力PZ2的计算其中：d0=15mm，=3mm，=10mm，Z=5, =0.1则=317N.查得：,则走刀拢刀：2.5 滑动导轨的参数确定（1）导轨形式：燕尾型导轨在导轨摩擦副中，为了提高耐磨性，动导轨和支承舅应具有不同的硬度。故车导轨材料的搭配上采用塑料铸铁。（2）导轨长度：L上=440 L下=300其中：b为斜镶条小端厚度，滑座及镶条斜度K为1：50，1:100，B1=A1+1.4H12.6 滚珠丝杠的负荷计算包括铣削力及运动部件重力引起的进给抗力，应按铣削时的情况

7、计算。 2.6.1 滚动体尺寸与数目的确定滚珠直径取d=8mm，数目由确定。 上导轨下导轨均采用燕尾导轨，特点是其高度较小，间隙调整方便，可承受颠覆力矩。（2） 查表取滚珠丝杠公称直径d0=32mm，选用PF型内循环浮动返向器 单螺母无预紧滚珠丝杠副为FF2505.（由机电液得左向各参数）(3) 查机电液得各参数如下：公称直径d0=25mm，螺距t=5，接触角 =45钢球直径DW=3.5，基本导程Ph=5,螺纹滚边法面直径R=0.52。偏心距e=0.0449,螺纹升角 =339，丝杠大径d=24,防尘圈直径D2,D=40,D3=66,B=11.D5=5.8,D6=10,h=6,M=M6,D4=

8、53,轴端直径 。2.6.2 传动功率计算为摩擦角。刚度经验算合运。2.6.3 步进电机的选择（1）步进电机的步距角系统的脉冲当量 0.01脉冲，由于采用四相八拍。故 （2）步进电机的启动力矩计算设步进电机等效负载力矩T、负载力P，根据能量守恒定律，电机所做的功与负载所做功有如下关系：Tn=Ps 电机转角，n机械传动效率，s移动部件相应位移.取 ，则 且又因为其中Ps移动部件负载，G移动部件重量.Pz与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力。导轨摩擦系数（取0.03） 步进电机步距角 T电机轴负载力矩所以若不考虑启动时运动部件惯性影响则启动力矩 取安全系数为0.3.则 （3）步进电机的最高工作

9、频率查机电液选用两个55BF009型步进电动机，参数如下：额定电压为27V，静态电流为3A，步距角为3.3751.8=1.875，保持转距为0.784Nm 外型尺寸：总长70，外径 55， 轴径 6. 2.7 齿轮传动设计计算 因为小齿轮数要运中，所以取Z1=16，Z2=80.6第三章 机床数控系统硬件电路设计第三章 机床数控系统硬件电路设计此硬件系统采用MCS-51系列单片机作为主控器。因为该系列产品是集中CPU、I/O端口及RAM等为一体的功能性很强的控制器，只需增加少量外围设备就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段完全，指令系统功能强、编程灵活方便、硬件资料也很丰富。 因为此系列

10、单片机中RAM字节数仅为128字节，不能满足系统需要有效应扩展RAM外部存贮器，同时还应考虑到外部程序存储器。本电器采用工业控制中应用最多的8031单片机。其功能相当于一块Z80CPU、一块RAM一块Z80CTC、二块Z80PIO和一块Z80S20所组成的微型计算机系统。3.1 键盘、显示器该部分完成电路数据的输入和计算机状态的动态显示，败控系统均采用行列键盘在行列的文本上。显示器有一个同LED发光二极管显示器。采用8155芯片，管理键盘电路。键盘与显示器采用扫描工作方式。（具体参看1）3.2 步进电机驱动电路步进电机是一种采用脉冲信号控制的电动机。全负载能力和动态特性范围内电动机的角位移仅与

11、控制脉冲数成比例。转速仅与控制脉冲频率成比例。用步进电机作为执行元件的数控系统中不需要A/D或D/A转换，可采用较为简单的开环控制。（1） 计算机接口：采用8155设计扩展接口电路来控制步进电机与其它外设。（2） 脉冲分配器：实现步进电机的工作方式，作用是将数控装置送业的系列指令脉冲按一定的分配方式顺序输出给电机的正反转。 3.2.1 其它辅助电路设计（1）复位电路：靠外部电路实现，在时钟电路工作台只需在RDESET引脚上出现QM8以上的交电平，便可实现状态复位。之后CPU便以0000H单元开始执行程序。如下：RESET100PF图3-1 复位电路(2)越界报警电路.8031图3-2 8031

12、扩展存储器电路3.2.2 硬件电路设计说明X-Y工作台坐标联动数控电气原理图采用MCS-51系列、8031控制器、扩展存储器电路为2732EPROM.因8031无内部RAM，故用2732的引脚与电线相接。6264的Vcc接 +5V电平。程序存储器扩展为4K、数据存储器扩展为8K.复位后，CPU从0001H开始执行监控程序。6264的片远端CE由Y4-LS/38译码器提供，故使用地址为8000H-8FFFH.系统扩展I/O接口电路选用通用编程，并输入/输出接口芯片8155。其片选CE接至138译码器的Y4输出端，故8155控制命令寄存器及PA、PB、PC口的地址分别为4000H、4001H、40

13、02H、4003H,8155的RAM地址为4000H40FFH.（具体参见图23.3 系统控制的软件设计3.3.1 系统控制软件的主要内容（1）、系统管理程序：控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。从操作计算机数控系统的角度管理功能为：接收操作命令。执行命令从倒序处理程序返回到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等级操作状态。（2）零件加工源程序的输入处理程序:完成从外部I/O设备输入零件加工源。（3）插补程序：分配X、Y向进给脉冲。（4）伺服控制程序：根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度转角、方向。（5）诊断程序：含移动越界处理、紧急诊断处理、系统故障诊断、查错误功能。（

14、6）机床的自动加工及手动控制程序。（7）键盘操作和显示处理程序：功能包括监视键盘操作显示加工程序、机床的工作状态、操作命令等信息。3.3.2 程序设计要求（1）模块化程序设计是把一个完整程序分成若干个小的程序模块。在分别进行独立设计编程，测试和查错之后，装配在一起，连结成一个大的完整的程序，按功能划分模块化程序设计的特点是便于调试、移植和修定。（2）自顶向下设计程序：在程序设计时，以系统的一级管理程序开始设计，从属的程序模块潮湿一些程序模块标志代替。当系统的一级程序编好后，再将程序标志从属或子程序，最后完成整个程序设计。采用自顶向下程序设计是在程序设计时合理规划和分配系统的资源整个模块结构清晰

15、、流程合理。3.4 系统软件设计说明3.4.1 系统功能控制分析（1）系统初始化（2）工作台复核，开始工作台应自动复位，再确定原点位置（3）输入和键盘显示加工数据(4)监视按键、键盘及开关（5）工作超值显示与处理（6）钻铣床工作台的自动控制（7）钻铣床工作台的手动控制（8）钻头工作台的联动控制入 口设孔X、Y坐标地址指针程序工作台移动到位读孔X、Y坐标调步进电机控制系统钻头、快进钻头、快退钻头、工进孔坐标地址指针孔加工完NY返回图3-3 自动钻削加工程序框图3.4.2 系统管理程序设计：管理程序是系统的主程序，开机后立即进入管理程序，管理程序的主要功能是接受和执行管理者的命令。在设计管理程序时

16、，应确定接收命令的形式系统的各种操作功能等数控钻铣床的基本操作功能有输入加工数据。自动钻削加工，钻头及工作台位置的手动控制，紧急停止等。根据上述分析，设计管理流程图如下图所示。开始系统初始化机床复位加工程序输入键按下自动钻削加工键按下自动削洗键按下手动调查键按下加工数据输入手动调整自动削洗加工自动钻削加工YYYY图3-4 系统设计管理流程图3.4.3自动加工程序设计1） 机床在钻削加工程序为例动作顺序;X-Y工作台移动到下一个钻孔的位置进行新的加工循环，直至所有的孔都加工完毕，机床复位。2） 计算在钻孔加工过程中的操作：在孔加工时，计算机制主要操作过程为：依次读取需加工孔的坐标，并控制机床完成

17、孔的加工。3） 自动钻削加工程序：自动加工钻削程序框图如下图所示（翻左图）。4) 自动电机子程序设计，步进电机 的控制包括速度、转角、方向的控制，步进电机在突然启动或停止时，由于负载和慢性会使用电机失步，所以运转时，应有一个加减速过程。通过确定进给脉冲时间间隔即可实现步进电机转角与速度。i) 时间常数的确定：在步进电机控制的程序中利用单片机的定时中断，这时进给脉冲时时间间隔，此间隔由送入定时器的时间常数由下式计算。ii) 步进电机加减脉冲数及脉冲时间间隔的确定，设步进电机加减速方式为直线加减速要使电机不失步，应满足TMTS+TZ，其中：TM-步进电机永启动力矩，TS-负载力矩，TZ-惯性力矩。

18、步进电机控制程序框图如下：开始中断初始化设时钟常数地址指针指向1000H加速、减速脉冲计数器，恒速赋初值逆时间常数计数器中开中断、启动定时器关中断返回图3-5 步进电机控制程序框图步进电机控制子程序框图：中断服务程序入口送时间常数步进电机失步关中断中断返回时间常数地址指令+1 +1+1+令+1时间常数地址指针+1NYNN图3-6步进电机控制子程序框图5）汇编语言程序设计键盘输入子程序清单如下：KEYI:ACall KS1；调用判有只键闭合子程序 INE KK1NI:ACall DIR AJMP KEYELK1:ACall DIRACall DIRACall KS1 JNZ LR2AJMP KEYELK2:MOV R2, OFEH MOV R4， OOHLK4：MOV DPTR， 8101H MOV A， R2 MOVX DPTR， A INC DPTR MOVX A， DPTR JB A， LONE MOV A， O0H AJMP LRPLONE：JB A0 MOV A， O8HAJMP LKPLTW0：JB A2， LTHR MOV A1， 10H AJMP LRDLTHR：JB A3， NEXT MOV A， 18H LK1：ADDA， R4 PUSH ALK3：ACall DIR ACall KS1 JNE LKS POP A RET