数控车床Y轴工作台和控制系统设计.docx

《数控车床Y轴工作台和控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控车床Y轴工作台和控制系统设计.docx（26页珍藏版）》请在课桌文档上搜索。

1、摘要错误!未指定书签。前言错误!未指定书签。一、毕业设计的目的、意义4二、毕业设计的内容错误!未指定书签。（一）毕业设计题目：单片机限制步进电机驱动的多用工作台。错误!未指定书签。三、数控系统总体方案的确定错误!未指定书签。（一）系统运动方式的确定错误!未指定书签。（二）伺服系统的选择错误!未指定书签。（三）计算机系统的选择错误!未指定书签。（四）XY工作台的传动方式错误!未指定书签。四、机械部分设计5（一）确定系统脉冲当量5（二）工作台外形尺寸及重量初步估算错误!未指定书签。（三）滚动导轨副的计算、选择错误!未指定书签。（四）滚珠丝杠计算、选择错误!未指定书签。（五）齿轮计算、设计11（六）

2、步进电机惯性负载的计算12（七）步进电机的选用13五、数控系统硬件电路设计15（一）数控系统的硬件电路由以下几部分组成：15（二）主限制器CPU的选择15（三）存储器扩展电路设计15（四）步进电机驱动电路设计16（五）其它协助电路设计17六、系统限制软件的设计18（一）系统限制软件的主要内容18（二）系统限制功能分析18（三）系统管理程序限制19（四）自动加工程序设计19结束语20参考资料21数控车床轴工作台和限制系统设计摘要我设计的是车床轴工作台和限制系统，采纳单片机限制步进电动机驱动工作台。首先确定设计的总体方案，然后对车床的机械部分进行设计，其中包括工作台、滚动导轨、滚珠丝杠、步进电动机

3、的设计和选用，最终对数控系统硬件和软件设计。新一代的系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。关键词：数控车床工作台限制系统,Z,1刖S一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争实力的重要性，并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度确定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控

4、技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行限制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖许多领域。(一)、数控技术的发展趋势。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的改变，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要探讨热点有以下几个方面：(1)高速、高精加工技术及装备的新趋势(2)5轴联动加工和复合加工机床快速发展(3)智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势(

5、二)、对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制，数控技术的发展较为缓慢。其次阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化汲取，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及探讨开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的探讨、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的探讨，进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近50年的发展历程

6、，特殊是经过4个5年安排的攻关，总体来看取得的成果还是不小。(三)、对我国数控技术和产业化发展的战略思索(1)战略考虑。我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，所以，我们应站在国家平安战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会平安看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防平安看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事务”和“考克斯报告”就是最好的例证。(2)发展策略。从我国基本国情的角度动身，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以

7、提高我国制造装备业综合竞争实力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为探讨开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机如量大面广的数控车床、铳床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等的牢靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高牢靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。一、毕业设

8、计的目的、意义机电一体化系统设计毕业设计是培育学生设计实力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动限制、计算机等学问进行的基本设计训练。其目的是：能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关学问，驾驭机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培育学生分析问题和解决问题的实力，使学生具有机电一体化系统设计的初步实力；通过机械部分设计，驾驭机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；通过测试及限制系统方案设计，驾驭机电一体化系统限制系统的硬件组成、工作原理,和软件编程思想；通过毕业设计提高

9、学生应用手册、标准及编写技术说明书的实力，促进学生在科学看法、创新精神、专业技能等方面综合素养的提高。二、毕业设计的内容（一）毕业设计题目：单片机限制步进电机驱动的多用工作台。已知条件：定位精度：0.01,滚珠丝杠及导轨运用寿命：I5000h,中等冲击工作台的有效行程为LX=40022Ly=400,WW快速进给速度vAmax=2000，血min。侬=2000如min和工作载荷FZ=200ON三、数控系统总体方案的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，伺服电机类型及调速方案确定，计算机限制系统的选择。进行方窠的分析、比较和论证。（一）系统运动方式的确定

10、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纳连续限制方式。（二）伺服系统的选择开环伺服系统在负载不大时多采纳功率步进电机作为伺服电机开环限制系统由于没有检测反馈部件，因而不能订正系统的传动误差。但开环系统结构简洁，调整修理简洁，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，宜采纳步进电机开环伺服系统驱动。（三）计算机系统的选择采纳51系列中的8031单片机扩展限制系统。51单片机的主要特点是集成度高，牢靠性好，功能强，速度快，性价比高。限制系统由微机部分、键盘及显示器、接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和限制吩咐通过

11、键盘操作实现。显示器采纳数码管显示加工数据和工作状态等信息。（四）XY工作台的传动方式为保证肯定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采纳滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消退间隙，采纳有预加载荷的结构。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。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到辨别率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采纳齿轮减速传动。系统总体框图如下:X向工作台功率放大光电隔离3-图四、机械部分设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，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

12、图等。（一）确定系统脉冲当量脉冲当量3P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001因此选择脉冲当量为0.Olo（二）工作台外形尺寸及重量初步估算依据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量和。取X向导轨支撑钢球的中心距为410向导轨支撑钢球的中心距为400,设计工作台简图如下：工作台简图图4-1X向拖板（上拖板）尺寸为：长*宽*高=420*410*50重量:按重量二体积*材料比重估算为：忆420410501O37.8102=671.58Y向拖板（下拖板）尺寸为：420x400x50重量=420x400x50x10-37.8xl(2=65

13、5.2N上导轨(含电机)重量为(9004808+28003550)7.810-210-3=487.97/V夹具及工件重量:约155N工作台运动部分总重量为：W=487.97+655.2+671.58+155200ON(三)滚动导轨副的计算、选择依据给定的工作载荷和估算的和计算导轨的静平安系数0,式中：CO为导轨的基本静额定载荷，；工作载荷0.5()；1.03.0(一般运行状况)，3.05.0(运动时受冲击、振动)。依据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取几=4G=fsP.Pxy=0.5(Fy+Wx)Px=0.5(I+Wx)=0.5(2000+671.58)=1335.79NP=

14、0.5(Fz+Wy)=0.5(2000+655.2)=1327.6NCOX=fSLPx=41335.79=5343.16Nco=fsLp=4X1327.6=5310.4N依据计算额定静载荷初选导轨：选择汉机江机床厂系列滚动直线导轨,其型号为25基本参数如下：表4-1额定载荷静态力矩*M滑座重J=I.里导轨重量导轨长度-i.十IA-4-动载荷Q静载荷QTaTBTCKgKJmL017500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数MISn40.64导轨的额定动载荷Q=I750ON依据运用速度VO和初选导轨的基本动额定载荷C，()验算导轨的工作寿命:额定行程长

15、度寿命：(4-1)TS=K心产=%=翠=500=,=2,=o.8i,=,K=9=50Ts=MJw3 =50(1x1x0.81 17500)3 =14249 58m2导轨的额定工作时间寿命:(4-2)o3142409.58IO3人。人人m、TTf,=-=494477/1/=15OOO/?H20.6460导轨的工作寿命足够.(四)滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：钢，5860,导程：10=5强度计算丝杠轴向力：海=Sy+f(F二+Wy)(N)(4-3)其中：1.15,滚动导轨摩擦系数0.0030005;在车床车削外圆时：(0.6),(0.150.7),可取0.5,0.6计算。取0.004,匕=400

16、则：B=0.5B=O52000=10OoNFy=0.6%=0.6X2000=1200NFx=1.151000+0.004(2000+671.58)=1045.686NF=1.151200+0.004(2000+655.2)=1252.62INzma6011T_UmaX寿命值:(4-4)W6,其中丝杠转速T=15000/7n=三-=400rmin1。 5r6040015000“八1.=7=360IO6最大动载荷：Q=安HfWF式中：为载荷系数，中等冲击时为1.21.5;为硬度系数，258时为1.0。查表得中等冲击时九=12%=1则：Qx=3601.211045.686=7079.58Q=601.

17、211252.621=10686.54/V依据运用状况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并依据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为：系列滚珠丝杆副，其型号为：2005-5。7 of 18其基本参数如下：滚珠丝杠副详细参数说明（、1系列滚珠丝杠副（滚珠外循环媾管埋入式反向器单螺母）隹杠代号公栋直径基本身程丝杠外径隹江底径H环故定我背、刚度m母安装尺寸油杯孔doPhd4n(.KDLBD10102hMCM2OO4-2520419.517302.56017134393706639Il40535.8IO6M6CM24-520419.517.3059775268796996655Il40535.8IO6M6C

18、M20052.520519.516.762.5741715331J767040Il45565.8IO6M6CM2OO5-520519.516.765142053K447307062Il45$65.8IO6M6CM2OO6-2.520619.516.572.58007162573787044Il45565.8IO6M6CM2006-520619.516.57513007325157407064Il45565.8IO6M6CM2504-2.525424.522.302.56638168263807639Il50635.8106M6CM2504-525424.52230107X53365270076

19、56115063$,8IO6M6CM2505-2525524.521.572.59023207934107640Il50635.8IO6M6CM2505-525524.521.57514658415877737662Il50635.8IO6M6图4-2其额定动载荷为14205N乌足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采纳双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表表4-2名称计算公式结果公称直径”。20螺距，5接触角B45钢球直径43.175螺纹滚道法向半径RR=0.521.651偏心距ee=(R-db2)sin0.04489螺纹升角，t=arctg-叫)40331螺杆外径

20、dJ=-(0.2-0.25)19.365螺杆内径44=4+2e-2R16.788螺杆接触直径4J2=J0-dbcos17.755螺母螺纹外径。D=d0-2e+2R23.212螺母内径（外循环）DlA=4+(0.20.255)4,20.7传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：火&+(4-5)式中：=10,为摩擦角；Y为丝杠螺旋升角。tf,Y4小/+0)tf, 4033,O%(4033+l)= 0.96稳定性验算丝杠两端采纳止推轴承时不须要稳定性验算。刚度验算(4-6)滚珠丝杠受工作负载引起的导程改变量为：M=士鲁()Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算弓二1252.62IN0=0.5cmE=20.6

21、106(VCM2)S=11R2=34(噌)2=2.14CM2M=6.12x10m丝杠受扭矩引起的导程改变量很小，可忽视不计。导程变形总误差为A = L1 詈= 6.12xl(6 黑= 12.24lOT= 12.24wm4L(4.9)式中。为圆柱零件直径，L为圆柱零件的长度。所以有：JI=0.78103X2.442.5=6.47102kg.cm1J2=0.781035.043.0=146.25102m2J3=0.781032.0430=37.44X102kg.cm2电机轴的转动惯量很小，可以忽视，所以有:Jd=6.4710-2+()2(146.25+37.44)10-2+200(.01)2=0.

22、7193kg.cm2502xl.5180(七)步进电机的选用(1)步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为T,负载力为P,依据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：T=Ps式中为电机转角，S为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取=b,则S=且尸=C+(G+B)。所以：T=365JK+4（G+e）-2叫（4-10）式中：4为移动部件负载（N）,G为移动部件质量（N）,A为与重力方向一样的作用在移动部件上的负载力（N）,为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角（）为电机轴负载力矩（）。取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），=0.8,A%279.23N。考虑到重力影响,Y

23、向电机负载较大，因此G=1200N,所以有：T_360.011251.82+0.03（2000+1800）_AqOq/23.141,50,8Cm考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：(4-11)E65.253.八T=163.12n.cm取系数为0.3,贝ij：04对于工作方式为三相6拍的步进电机:TjJmaX_，_163.120.8660.866=188.36.cm（2）步进电机的最高工作频率Znax= 1667=%ax=1000-60%600.01为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率工必,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90001型三相反应式步进电机.电机有关参数如

24、下：表4-3型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流（八）最大静转矩TjM0空载启动频率空载运行频率安排方式9000140.98073.92200080004相8拍外形尺寸()重量转子转动惯量外直径长度轴直径9014594.51764五、数控系统硬件电路设计（一）数控系统的硬件电路由以下几部分组成：1、主限制器。即中心处理单元2、总线。包括数据总线，地址总线，限制总线。3、存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4、接口。即输入输出接口。数控系统的硬件框图如下所示：图5-1（二）主限制器CPU的选择MCS-51系列单片机是集中CPU,I/。端口及部分RAM等为一体的功能性很强的限

25、制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机限制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程敏捷，硬件资料丰富。本次设计选用8O31芯片作为主控芯片。（三）存储器扩展电路设计（1）程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采纳EPROM芯片。其型号有：2716,2732,2764,27128,27258,其容量分别为2k,4k,8k,16k32k.在选择芯片时要考虑CPU与EPRoM时序的匹配。8031所能读取的时间必需大于EPROM所要求的读取时间。此外，还须要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满意容量要求时，尽量选择大容量芯片，以削减芯片数量以简化系

26、统。综合以上因素，选择2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。于8031芯片的乙口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8031扩展系统中肯定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是742S373。(2)数据存储器的扩展由于8031芯片内部只有128字节供用户运用，远不能满意系统须要，因此须要扩展片外的数据存储器Oo常用的数据存储器有6116(28),6264(88)等，这里我选用6264(88)。(3)译码电路由于这里扩展的容量较大，扩展多个外围芯片。因此，这里运用译码法来进行编址。译码电路可运用现有的译码芯片，这里我们选用3-8译码器(74138)o这种芯片，输入端占用3根最高位地址线

27、，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，74138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。(4) I/O扩展电路设计(a).通用可编程接口芯片81558O31单片机共有4个8位并行I/。接口，但供用户运用的只有Pl口及部分P3口线。因此要进行I/O的扩展。8155与微机接口较简洁，是微机系统广泛运用的接口芯片。(四)步进电机驱动电路设计(1)脉冲安排器步进电机的限制方式由脉冲安排器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按肯定的安排方式和依次输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常运用集成脉冲安排器和软件脉冲安排器。本设计采纳集成脉冲安排器013o(2)光电隔离

28、电路在步进待年纪驱动电路中，一般在接口电路与功率放大器之间家上光电隔离电路，实现电气隔离，通常运用光电偶合器作为光电隔离电路。(3)功率放大器环型安排器的输出脉冲很小，还远不能满意步进电机的要求，不许将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，这里采纳的功率放大电路如下图所示:(1)8031的时钟电路单片机的时钟可由内部方式产生，内部方式利用芯片内部的振荡电路，在4，右引脚上外接定时元件。如下图所示单片机的复位电路都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在RESET引脚上出现IO以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从OOOOH单元起先执行程序十5vcRESET-1-IlRe/

29、8031Rx11图5-4复位电路六、系统限制软件的设计（一）系统限制软件的主要内容数控系统是依据事先编好的限制程序来实现各种限制功能。依据功能可将数控系统的限制软件分为以下几个部分：（1）系统管理程序：它是限制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的吩咐，执行吩咐，从吩咐处理程序到管理程序接收吩咐的环节，使系统处于新的等待操作状态。（2）零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部设备输入零件加工源程序的任务。（3）插补程序。依据零件加工源程序进行插补，安排进给脉冲。（4）伺服限制程序。依据插补运算的结果或操作者的吩咐限制伺服电机的速度，转角以及方向。（5）诊断程序。包

30、括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。（6）机床的自动加工及手动加工限制程序。（7）键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作吩咐等信息。（二）系统限制功能分析数控工作台的限制功能包括：（1）、系统初始化。如对接口8155,8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式限制字。（2）、工作台复位。开机后工作台应当自动复位，亦可手动复位。（3）、输入和显示加工程序。（4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。（5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应当马上停止工作台的运动，并显示相应的指示字符。

31、（6）、工作台的自动限制。（7）、工作台的手动限制。（8）、工作台的联动限制。（三）系统管理程序限制管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的吩咐。在设计管理程序时，应确定接收吩咐的形式，系统的各种操作功能等。数控工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位限制，工作台位置限制，手动操作,紧急停机等。（四）自动加工程序设计（1）机床在自动加工时的动作依次：工作台移动到位一刀具快速进给一加工一退刀f工作台运动到下一位置；（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，限制机床完成加工；结束语毕业设计是我在高校里的最终一门课程。通过这次毕业设计，我学会了如何

32、查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点，使之成为自己的东西。并且结合生产学问，培育理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使高校三年所学的学问得到进一步巩固、深化和扩展。在此，我对我的论文指导老师沈丁琦老师表示诚心的感谢，感谢他对我的严格要求，感谢他的监督和指导。其次我要感谢这三年里给我授课的全部老师。感谢你们传给我学问。最终还要感谢参考文献中所列书籍、文章及资料的作者。参考资料1、高钟毓机电限制工程M清华高校出版社2002.2、刘助柏学问创新思维方法论J机械工业出版社19993、宋云夺宋云夺光机电一体化产业的将来J光机电信息2003(12)4、丁连红机电一体化技术发展趋势和现状分析J中国科技信息2007(12)5、张鹏万孙剑峰李占平机电一体化中的接口技术J矿业工程2005(06)6、王宝敏谈机电一体化技术的发展趋势J大众科技2006(05)7、王维刚浅谈机电一体化技术的发展趋势J黑龙江科技信息2007(02)8、杨春光我国机电一体化技术的现状和发展趋势J科技促进发展2007(03)9、毅刚单片机原理与应用M高等教化出版社200310、张大明彭旭的尚静基.单片微机限制应用技术M机械工业出版社200611、付家才单片机限制工程实践技术M化学工业出版社200412、陈小忠黄宁赵小侠单片机接口技术好用子程序M人民邮电出版社2005