《X－Y数控工作台设计 毕业论文说明书.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《X－Y数控工作台设计 毕业论文说明书.doc（45页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、河南科技大学毕业设计说明书（机电一体化工程）题 目： XY数控工作台设计 指导老师： 姓 名： 专 业： 机械设计与制造 班 级： 机制0804 河南省高等教育自学考试XY数控工作台设计摘 要数控机床是机、电等多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套，缺一不可。当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理
2、技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。本文的设计主要分为两部分即电气控制和机械传动部分，电气控制部分采用89C51系列单片即作为CPU，机械部分的传动元件主要有齿轮副、滚珠丝杠副和滚动导轨副，其中滚珠丝杠较螺纹传动效率更高，且精度也大大的提高了，滚动导轨是直线移动部件中最优的，也是效率最高的，主要是因为是摩擦系数小，且维护简单，并且能精确地定位。系统整体的精度、效率、可靠性都得到了很大的提高，能保证加工的顺利进行。关键词：单片机 滚珠丝杠 步进电动机 滚动导轨ABSTRACTCNC machine tools is the mec
3、hanical, electrical and other multi-disciplinary comprehensive combination of various high-tech, especially on electronics, computers and other advanced technology as the cornerstone of modern, must have a solid technological foundation, supporting each other, are indispensable. If not available, th
4、en the smooth development of CNC machine tools is difficult. This paper is divided into two parts, the design of electrical control and mechanical drive that is part of the electric control part adopts the 89C51 family as a single CPU, using the direct control of stepper motor P1 port, eliminating t
5、he hardware unit ring distributor, making the system more simple of a large number of optical isolators, the strength and weaknesses of the system separate electrical system, so that it can be their own work independently, without causing strong electricity system weak system interference. Other com
6、ponents using the 8255 expansion of the system to meet the needs of users, but also not enough to solve the contradiction between the port and improve the efficiency of the system, using software instead of hardware to implement the circular distribution, so that the compilation process easier. Mech
7、anical transmission components mainly gears, ball screw and rolling guide vice, which threaded ball screw drive more efficient, and also greatly improved the precision, linear motion guide is the best moving parts in is also the most efficient, mainly because of friction coefficient is small, and si
8、mple maintenance, and can accurately locate. Overall system accuracy, efficiency, reliability have been greatly improved, to ensure the process goes smoothly.KEY WORDS： microcontroller ball screws stepping motor Rolling guide目 录1.前言.51.1设计目的.51.2现实意义.52.总体方案的确定.72.1设计参数.82.2初选步进电动机和丝杠.82.3初定工作台尺寸.82
9、.4系统组成框图.93.机械部分的设计.103.1传动系统等效转动惯量计算.10 3.1.1机转子转动惯量.11 3.1.2丝杠的转动惯量.113.1.3工作台转动惯量.113.1.4总转动惯量计算.113.2工作载荷分析及计算.113.3进给工作台工作载荷计算.12 3.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核.123.4.1最大工作载荷的计算.12 3.4.2最大动负载C的计算及主要尺寸.133.4.3传动效率计算.133.4.4刚度验算.133.4.5压杆稳定性验算.143.5导轨的选型和计算.143.6驱动电机的选用.153.6.1步距角的选择.153.6.2步进电机输出转矩的选择.153.6.2
10、.1加速度力矩 .153.6.2.2空载摩擦力矩.153.6.3启动矩频特性校核.163.6.4工进运行矩频特性校核.174.数控系统的设计.184.1硬件设计.184.2步进电机开环伺服原理.194.3步进电动机的控制框图.194.4软件程序设计.205.控制系统硬件设计.235.1 CPU板设计.235.1.1 CPU接口设计.255.2驱动系统设计.265.2.1步进电动机驱动电路和工作原理.265.2.2电磁铁的驱动.275.2.3 LED显示电路.285.3传感器和人机界面设计.296.控制系统软件设计.316.1总体设计.316.2主流程图设计.316.3 INTO中断服务流程设持
11、续.326.3.1步进电动机启动程序.336.3.2步进电动环形分配程序.346.4 INT1中断服务流程设计.356.4.1复位程序.356.4.2正转程序.366.4.3电机进一步程序.376.4.4延时程序.386.4.5 LED显示程序.387.结论.418.参考书目.421.前 言1.1设计目的通过设计，使学生全面的，系统的了解和掌握数控机床的基本组成及其思想知识，学习总体的方案拟定，分析和比较方法通过对机械系统的设计掌握几种典型传动元件与导向原件的工作原理，设计计算及选用的方式通过对电气系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理，计算控制方法与控制驱动方式培养学生独立分析问题和解决问题
12、的能力，学习并树立“系统设计”的思想锻炼提高学生应用手册和标准，查阅文献资料及撰写科技论文的能力1.2现实意义制造技术是各国经济竞争的重要支柱之一，经济的成功在很大程度上得益于先进的制造技术，而机床是机械制造技术重要的载体，它标志着一个国家的生产能力和技术水平。机床工业是国民经济的一个重要先行部门，担负这为国民经济各部门提供现代化技术装备的任务，以1994年为例，全世界基础的消费额达261.7亿美元。其中美国的消费额56亿美元、中国33.6亿美元。所以，在我国国民经济建设中，机床工业起着重要的作用。然而在机械制造业中，大批大量生产时采用专用机床、组合机床、专用自动线等并配以相应的工装，这些设备
13、的初期投资费用大、生产准备时间长，并且不适应产品的更新换代。单件小批生产时，由于产品多变而不宜采用专用机床，特别是在国防、航空、航天和深潜的部门，其零件的精度要求非常高，几何形状也日趋复杂，且改型频繁，生产周期短，这就要求迅速适应不同零件的加工。书空机床就是在这样的背景下产生和发展起来的一种新型自动化机床，它较好的解决了小批量、品种多变化、形状复杂和精度高的零件的自动化加工问题。随着计算机技术，特别是微型计算机技术的发展及其在数控机床上的应用，机床数控技术正从普通数控向计算机数控发展。一个国家数控机床的拥有量（相对值），标志着这个国家机械制造业的现代化程度。数控铣床因其特有的加工方式及其加工范
14、围广在数控机床中占有重大的比例，因此研究数控铣床具有重大意义。当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高质量、高精、高效、自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以後加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今後如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。 数控机床出现至今的50年，随科技、特别是微电子
15、、计算机技术的进步而不断发展。美、德、日三国是当今世上在数控机床科研、设计、制造和使用上，技术最先进、经验最多的国家。数控机床是机、电、液、气、光多学科各种高科技的综合性组合，特别是以电子、计算机等现代先进技术为基石，必须具有巩固的技术基础，互相配套，缺一不可。如不齐备，则数控机床难以顺利发展。数控机床是由主机、各种元部件(功能部件)和数控系统三大部分组成，还需先进的自动化刀具配合，才能实现加工，各个环节在技术上、质量上必须切实过关，确保工作可靠、稳定，才能保证数控机床加工的精度、效率和自动化，否则，难以在实际生产中使用。我国数控机床行业总体的技术开发能力和技术基础薄弱，信息化技术应用程度不高
16、。行业现有的信息化技术来源主要依靠引进国外技术，且外方在许多高新产品的核心技术上具有掌控地位，我们对国外技术的依存度较高，对引进技术的消化仍停留在掌握已有技术和提高国产化率上，没有上升到形成产品自主开发能力和技术创新能力的高度。具有高精度、高速、高效、复合功能、多轴联动等特点的高性能实用数控机床基本上还得依赖进口。与国外产品相比，我国的差距主要是机床的高速高效化和精密化上。对高速加工技术，国外已进行了多年的研究，对高速加工的机理、机床结构、机床刚度和精度的影响等都有了系统的研究，并开发生产了各种高速铣削中心、高速加工中心，广泛应用于航空器铝合金零件和模具加工上。2. 总体方案的确定一般来讲，普
17、通铣床的数控改造主要有两部分，一是设计一套简易微机数控X-Y工作台，固定在铣床的工作台上。二是将控制铣刀上、下运动的手柄拆去，改用微机控制步进电机通过一级减速装置使铣头上下运动。本设计只对X-Y工作台进行设计。取铣床步进电机的脉冲当量可选为0.01mm/脉冲，步进电机的步距角0.9。方案1系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控铣床在工作台移动过程中铣头并不进行铣孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。2伺服系统的选择伺服系统实现位置伺服控制有开
18、环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控
19、制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在普通立式铣床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。3执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点：1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。2）尽量消除传动
20、间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消隙结构。3）缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。X-Y工作台传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。4计算机系统的选择计算机数控系统一般由微机部分、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。在简易数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。如何采用Z80CPU或MCS-51单片机组成的微机应用系统。Z80CPU有芯片价廉，通用性强，维修方便等特点。MCS-51单片
21、机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快和很高的性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。5实施保留原机床主传动链，保留铣床工作台和控制工作台移动手柄，在原工作台上安装一套微机数控的X-Y工作台。由于X-Y工作台的运动部件重量和切削力不大，因此选用有预加载荷的滚珠导轨。采用滚动导轨可减小两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm要求，需采用齿轮降速传动。综上所述，本文改造的总体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O接口输出步进脉冲步进电
22、机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等，2.1设计参数系统分辨率为0.01mm，其它设计参数如下表。最大铣刀直径最大铣削宽度ae最大铣削深度ap加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度16mm5mm2mm碳钢X=200,y=1503m/min工作台草图2.2初选步进电动机和丝杠当传动比i=1时，可用联轴器直接将电机与丝杠连接，这种结构有利于简化结构，提高精度。由 i=，b为步进电机步距角Lo为滚珠丝杠导程、为系统脉冲当量。选电动机型号为55BF009，其步矩角= 选丝杠规格为2004-3(FYND)其导
23、程为4mm,由传动比公式得 故可用联轴器将电机与丝杠直接连接。2.3初定工作台尺寸 查机电一体化设计手册，根据(GB/T 158-1996)选工作台T型槽尺寸如下：深度H=15mm槽低宽度B12mm槽宽A6mmC6mm槽数5，间隔40mm由工作台加工范围200*150选工作台尺寸 240 20 20 20200 20初定滚珠丝杠长度L340mm B B 5060 Lx+B+102035452.4系统组成框图3.机械部分的设计3.1传动系统等效转动惯量计算3.1.1机转子转动惯量查指导书表面2-18得3.1.2丝杠的转动惯量由指导书公式2-3有得3.1.3工作台转动惯量由于工作台材料为碳钢，故其
24、质量为由于联轴器的转动惯量小故可忽略不计3.1.4总转动惯量计算3.2工作载荷分析及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(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,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.查金属切削手册P398常用铣刀介绍表，选择细齿锥柄立铣刀， 其尺寸参数如下：D=16mm,齿数Z=4。3.2.1查金属切削手册P417细齿锥柄立铣刀切削用量表得铣削速度查铣工表24，初选0.03mm因此可得 查机械制造基础课程设计指导书表4-15立式铣床主轴转速表，选铣床型号X51，查其转速表并将转速
25、圆整为实际切削速度为 故实际3.2.2根据指导书表2-2得高速钢铣刀铣削公式为 查指导书表2-3得铣削力系数有3.3进给工作台工作载荷计算查指导书表2-4，有如下表格参数比值不对称铣削逆铣顺铣120903080404故有纵向进给方向工作台垂直进给方向工作台横向进给方向3.4滚珠丝杠螺母副的选型和校核3.4.1最大工作载荷的计算滚珠丝杠上的工作载荷 为走刀抗力，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。由于选择的导轨要求结构紧凑，间隙调整方便，摩损小，有良好的精度保持性且运动平稳，故选择直线滚动导轨，在此设计中还要求导轨能承受一定的颠覆力矩，所以选择燕尾导轨的实验公式进行计算，由式2-
26、11 将所得数据代入公式有：3.4.2最大动负载C的计算及主要尺寸滚珠丝杠最大运载荷由指导书中可知 3.4.3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为 查得（或可由算出）3.4.4刚度验算丝杠的拉压变形量的计算满载时拉压变形量： 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量由指导书式2-17得式中为滚珠直径，为滚珠总数量滚珠丝杠副刚度的验算丝杠总变形量变形量要少于定位精度得一半，即0.01/2=0.005=0.00369YE，可用X方向走的总步数XE作为终点判别的依据，如动点X等于终点XE则停止。当XE=0？Y方向进给XYY1YXX1X？Y？返 回X方向进给4.4.2程序设计设计程序时，在RAM数据区分别存放终
27、点坐标值XE，YE，动点坐标值X，Y，偏差FM。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：28H29H2AH2BH2CH70HXEYEXYFM电机正反转控制字电机正反转控制字为：D7D6D5D4D3D2D1D0D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D3D2为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。第一象限直线插补的程序： ORG 2000HMAIN：MOV SP, #60HLP4: MO
28、V 28H, #0C8H; MOV 29H, #0C8H; MOV 2AH, #00H; MOV 2BH, #00H; MOV 2EH, #00H; MOV 70H, #0AHLP3: MOV A, 2EH JB ACC.7, LP1 MOV A, 70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H, A LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH SUBB A, 29H INC 2AH AJMP LP2LP1: MOV A, 70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A, 2EH ADD A,
29、 28HLP2: MOV 2EH, A MOV A, 28H CJMP A, 2AH, LP3; RET5. 控制系统硬件设计X-Y数控工作台硬件控制系统包括CPU，控制电路，传感器，人机交互界面。硬件系统设计是应注意几点，电动机运行平稳，响应性能好，造价低，可维护性，人机交互界面可操作性比较好。5.1 CPU板设计AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪烁可编程可擦除只读存储器的单
30、片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图89C51单片机其主要特性：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八
31、位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的