机械设计课程设计_数控X_Y工作台及其控制系统设计

1、目录 课程设计的内容和要求 3 系统的总体方案设计 4 机械部分设计 53.1 脉冲当量和传动比的确定 5 5 传动系统等效转矩惯量计算 6 工作载荷分析及计算 6 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 8 导轨的选型和计算 113.7 驱动电机的选择 11第四章 数控系统设计 15 控制系统硬件的基本组成 154.2 接口程序初始化及步进电机控制程序 174.3 直线圆弧插补程序设计 19参考文献 25 第一章 课程设计的内容和要求 课程设计的内容任务是： 设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。具体参数如下：最大铣刀直径最大铣削宽度最大铣削深度加工材料工作台加工范

2、围（mm）最大移动速度24 mm8mm5mm碳钢X=300 Y=2503 m/min设计内容包括：1.数控装置总体方案的确定(1) 确定系统组成方案（组成框图、功能、机械传动系统简图、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。1.1.2机械部分的设计(1) 确定脉冲当量；(2) 机械部件的总体尺寸及重量、转动惯量的初步估算；(3) 传动元件及导向元件的设计，计算和选用；(4) 伺服电机计算、选用；(5) 绘制机械结构装配图；1.1.3数控系统的设计（1）确定数控系统装置方案（组成框图、功能、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。(2) 电气控制原理图设计（CPU、存储器、I/O接口电路及伺

3、服驱动电路）(3) 系统控制软件的结构设计（控制流程图）和部分功能控制软件设计（汇编程序及流程图）。 课程设计的要求 （1）机械结构装配图，A0图纸一张。要求视图基本完整、符合要求。其中至少有一个坐标轴的完整剖视图。 （2）数控系统框图（附在说明书上）。 （3）数控电器图，A1图纸一张。 （4）软件框图（可附在说明书上）。说明书应当叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定、系统框图的分析、机械传动设计计算、电气部分的设计说明，选用元件及其具体参数的说明、软件设计及其说明等，说明书不少于8000字第二章 系统的总体方案确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定

4、，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。伺服系统的选择开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。计算机系统的选择采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控

5、制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。XY工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。 为了减少了零件的数目和中间环节的影响，精度高，效率高，电动机通过联轴器直接与滚珠丝杠相连。但此种连接对安装、加工的要求较高，选用挠性联轴器，如膜片联轴器，电动机的额定转矩较大，等效转动惯量

6、亦大，对系统的稳定性和快速性将产生不利影响。系统总体框图如下:第三章 机械部分设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，机械部件的总体尺寸、质量、运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。脉冲当量和传动比的确定脉冲当量p是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为因此选择脉冲当量为。根据脉冲当量和系统总体方案，传动比为1，直接用联轴器将电机和丝杠直接连接，有利于简化结构，提高精度。初选导程 =5mm 滚珠丝杠，电动机步距角 。传动比计算公式 暂选130BF001型的步进电动机。其具体参数如下：型号步距角相数电压(V

7、)相电流(A)最大静转矩(N.M)空载启动频率()空载运行频率()转动惯量分配方式重量(Kg)130BF0010.75/1.5580/1210300016000五相十拍工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。设计工作台简图如下:X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=320*270*40重量:按重量=体积*材料比重估算为: = N=270NY向拖板(下拖板)尺寸为: 重量=N=320N上导轨(含电机)估算重量为：260N夹具及工件重量:150NX-Y工作台运动部分总重量为:270N+320N+260N+150N=1000N传动系统

8、等效转矩惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载，选用电机时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都是与电机轴同轴线，还存在各转动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量对于轴、轴承、齿轮、联轴器、丝杆等圆柱体的转动惯量计算公式为 .1电机等效转动惯量.2初选联轴器直径 ，长度联轴器等效转动惯量.3初选丝杠直径，初步估计丝杠长度。滚珠丝杠等效转动惯量工作台等效转动惯量传动系统总的转动惯量 工作载荷分析及计算铣削力的分析与计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（

9、键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的且学部分都可看做车道到头的演变，铣刀的每一刀齿相当于一把车刀。通常假定铣削时铣刀受到的铣削力是作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合理为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向经行分解，则分别为轴向铣削力 ，径向铣削力 和切向铣削力 。其中切向铣削力 是沿铣刀主运动方向的分离，它消耗铣床电机功率（即铣削功率）最多。根据机械制造技术基础课程设计指导教程选铣刀。根据最大铣刀直径24mm，最大铣削宽度，最大铣削深度选择莫氏锥柄立铣刀,铣刀材料为硬质合金，工件材料为碳钢。选取工进的最大速度为，选定铣刀转速，铣刀的齿数为

10、 Z=5，则每齿进给量 =v/(zn)=400/(5*400)mm=0.2mm。因此铣削力为： = =1958N进给工作台工作载荷计算作用在工作台上的合力与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷，工作台横向进给方向载荷和工作台垂直进给方向载荷。工作台工作载荷、和与铣刀的切向铣削力之间有一定的经验比值。因此，求出后，即可计算出工作台的计算载荷、和。滚珠丝杠螺母副的选型和校核滚珠丝杠螺母副类型选择G.GD系列滚珠丝杠副 规格代号公称直径Do公称导程Pho丝杠外径d滚珠直

11、径Dw螺旋升角丝杠底径d1循环列数螺母安装连接尺寸 注油孔额定动载荷Ca(KN)额定静载荷Coa(KN)接触刚度KcN/umGGDDDDLBDDhiTGGD2505-230528.2333926.722+24066534070115.5105.7553M67174502505-333+34680223282505-444+4509014346502005-3丝杠。滚珠丝杠螺母副的校核最大工作载荷滚珠丝杠上的工作载荷 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。综合导轨的工作载荷，式中：，分别

12、为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）；G为移动部件的重力（N）；K和分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，随导轨形式的不同。对于综合导轨，如果是滚动导轨时，现取因此有， 最大动负载C的计算及主要尺寸初选滚动丝杠最大动载荷C可用下式计算：，式中：L为工作寿命，单位为，；n为丝杠转速，；v为最大切削力条件下的进给速度，为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t为额定使用寿命（h），可取t=15000h；为运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况取1.21.5，有冲击振动取1.52.5；为滚珠丝杠工作载荷（N）。初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的个定动载荷不得小于最大动载

13、荷C；。其中：，那么，其中，因为，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。.3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为3.5.2.4刚度验算滚珠丝杠计算满载时拉压形量其中L取300mm，滚珠与螺纹滚道间的接触变形其中：，滚珠丝杠副刚度验算：丝杠的总变形量应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它晓。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。机床的定位精度为，。因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。3.5.2.5压杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而

14、产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷载荷为其中，（丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端简支方式），I为截面惯量距，临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于需用稳定安全系数，则该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为：因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。导轨的选型和计算初选GDA20滚动导轨，额定动载荷。滚动导轨副的距离寿命的计算：当导轨面的硬度为5864HRC时，；当工作温度不超过100C时，；为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时；为载荷/速度系数，无冲击振动，取1.3；F为每个滑块上的工作载荷，因此选用的导轨满足要求。步距角的选择查表初选步距角步进电机输出转矩的选择

15、空载启动力矩加速度力矩运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间 空载摩擦力矩式中，G为移动部件的总重量（N）；为导轨摩擦系数；为齿轮传动降速比；为传动系数总效率；为滚珠丝杠的基本导程（cm）。（3） 附加摩擦力距式中，为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取的的；为进给牵引力（N）；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率。空载启动转矩计算按照计算出的空载启动转矩，查表2-17得出最大静转矩 带负载启动时的总负载转矩（1） 加速度力矩运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间 （2） 空载摩擦力矩 （3） 附加摩擦力距 （4） 作用在工作台的合理折算到电机上的转矩带负载启动时的总负载转矩运动部件正常

16、运行时所需的最大静转矩按照和中的较大者选取步进电机的最大静转矩，并要求，因此选用130BF001步进电机可以符合要求。距频特性校核启动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低， 运行矩频特性校核(1) 快进运行距频特性校核最高运行频率快进力矩查130BF001的运行距频特性，所对应的运行距频大于5000Hz工进运行距频特性校核工进时步进电机的运行频率摩擦力矩工作负载

17、力矩折算到电机上的力矩工进时电机运行力矩查130BF001的运行距频特性， (允许工进频率)。 验算惯量匹配电动机轴上的总当量负载转矩惯量与电机轴自身转动惯量的比值应该控制在一定的范围内，既不应太大，也不应太少，即伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选择或传动比设计不太合理，经济性较差。为使该系统惯量达到较合理的匹配，一般应将比值控制在之间。由此可见，符合惯量匹配要求。经过以上讨论，选用130BF001步进电动机可以满足要求

18、。由于Y方向与X方向的要求相差不多，可以选用同样的丝杠，导轨，电机经过以上计算，选用的零件以下列表：滚珠丝杠滚动导轨混合式步进电机X方向2005-3GDA20滚动导轨130BF001Y方向2005-3GDA20滚动导轨130BF001第四章 数控系统设计4.1.1数控系统的硬件框图如下所示：中央处理单元CPU存储器RAMROM外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等输入/输出I/O接口信号变换控制对象4.1.2微处理器选择在以单片机为核心的控制系统中，大多数采用MCS-51系列单片机的8031芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。8031内

19、部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位的定时器，四个8位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器各64K，有5个中断源。4.1.3系统扩展系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统需要进行系统扩展。可编程并行接口8155A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个8位并行口PA、PB、PC，由此提供了24条口线。图4-1 扩展连线4.1.4显示模块与键盘连接如图3-2，通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路。这里由P1口的准双向口功能可以实现一口多用。首先，使P1口的低4位输出字形代码；P1口的高4位输出一个位扫描字，经38译码

20、器后显示某一位，并持续1ms。各位扫描一遍之后，关掉显示。其次，使P1口的高4位转为输入方式，使P1口的低4位输出键扫描信号，有键按下时，转入键译码和处理程序。图32 通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路4.1.5步进电机驱动电路设计(1）脉冲分配器步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计的脉冲分配由软件完成。（2）光电隔离电路在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会

21、引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。（3）功率放大器脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。接口程序初始化及步进电机控制程序 8255A初始化程序INTT: MOV DX, 8155A控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL4.2.2 40H类型中断服务程序MOV DX, 8155AIN AL, DXIRET4.2.3 步进电机驱动程序

22、电机的控制电路原理及控制字 节拍通电相控制字正转反转二进制十六进制110A0000000000H29AB0000000101H38B0000001103H47BC0000001002H55C0000011006H65CD0000011107H74D0000010105H83DE0000010004H92E000011000CH101EA0000011010DH设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中，当F1为0时，电机正转，为1时则反转。正转时P1端口的输出控制字00H,01H,03H,02H,06H,07H,05H,04H,0CH,0DH存放在片内数据

23、存储单元20H29H中，2AH中存放结束标志00H，在2BH36H的存储单元内反转时P1端口的输出控制字00H,0DH,0CH,04H,05H,07H,06H,02H,03H,01H,00H存放在37H单元内存放结束标志00H。电机正反转及转速控制程序PUSH A ；保护现场MOV R4, #N ；设步长计数器CLR C；ORL C, D5H ；转向标志为1转移JC ROTE；MOV R0, #20 ；正转控制字首址指针AJMP LOOP；ROTE: MOV R0, #2BH ；反转控制字首地址LOOP: MOV A, R0 ；MOV P1, A ；输出控制字ACALL DELAY ； 延时I

24、NC R0 ；指针加1MOV A, #00H ；ORL A, R0 ；JZ TRL；LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步数步为0转移POP A ；恢复现场RET； ；返回TPL: MOV A, R0 ；CLR A；SUBB A, #06H；MOV R0, A ； 恢复控制字首指针AJMP LOOP1；DELAY: MOV R2, #M ；DELAY1: MOV A, #M1 ；LOOP: DEC A；JNZ LOOP；DJNZ R2, DELAY1；RET；直线圆弧插补程序设计在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，

25、这是由X、Y两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。直线插补程序的设计用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步，都需要以下四个步骤：偏差判别：判别偏差或，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式。坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、-X、-Y的哪个方向进给。偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。终点判别：进给一步后，终点计算器减1.若为0，表示到达终点停止插补；不为0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断。当，可用X方向走的总步数作为终点判别的依据，如动点X等于终点则停止。当，则用Y方向走的总步数作为终点判别的依

26、据。由此，第一象限直线插补程序的算法如图：程序设计设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值、，动点坐标值X,Y，偏差。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始化，如设置初始值、X、Y向步进电机初态（控制字）。插补程序所用的内存单元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXY电机正反转控制字电机正反转控制字为：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D2D3为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。第一象限直线插补

27、的程序如下：ORG 2000HMIAN: MOV SP, #60H;LP4: MOV 28H,#0C8H; MOV 29H,#0C8H; MOV 2AH,#00H; X MOV 2BH,#00H; Y MOV 2EH,#00H; F MOV 70H,#0AH; LP3: MOV A,2EH; JB ACC.7,LP1 MOV A,70H MOV 70H,A; LCALL MOTR; LCALL DELAY; MOV A,2EH;SUBB A,29;INC 2AH;AJMP LP2;LP1: MOV A,70H LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A,2EH ADD A,28H

28、LP2: MOV 2EH,A MOV A,28H CJME A,2AH,LP3 RET程序中MOTR为步进电机的控制子程序。4.3.2 圆弧插补程序的设计逐点比较法逐点比较法的圆弧的插补计算过程和直线插补过程基本相同，也分为偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个步骤。不同点在于：（1）偏差计算公式步进与前一点偏差有关，还与前一点的坐标有关，在计算偏差的同时要进行坐标计算。（2）终点的判别是以一个方向的坐标值与终点坐标值相比较判断其是否相等为判据。若，则以X是否等于作为终点判据；若，则以Y是否等于作为终点判据。第一象限逆圆弧插补程序算法如图：程序设计和直线插补程序设计一样，也在内存中开辟存储

29、单元用以存放有关数据。在RAM数据区分别存放懂点坐标X和Y，其初始值为起点坐标值，其后依据坐标计算结果而变化，存放终点坐标值，以及存放偏差飞存储单元。第一象限逆圆弧插补程序如下： XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29H L EQU 1AH H EQU 1BH L EQU 2AH H EQU 2BH FL EQU 2CH FH EQU 2DHORG 2400HMAIN: MOV SP,#60H; MOV 70H,#08H; MOV XL,#80H;XL MOV XH,#0CH;XH MOV L,#80H; L MOV H,#0CH; H MOV L,#00H; L MOV H,#00H; H MOV YL,#00H; YL MOV YH,#00H; YH MOV FL,#00H; FL MOV FH,#00H; FHLP3: MOV A,FH JNB ACC.7,LP1 MOV A,70H LCALL MOTR MOV R1,#28H MOV R0,#1CH MOV R7,#0