《数控车床XY工作台与控制系统设计》.docx
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《数控车床XY工作台与控制系统设计》
第一章前言
第二章课程设计的目的、意义及要求
第一节课程设计的目的、意义第二节课程设计的要求
第三章课程设计的内容
第一节课程设计的内容
第二节课程设计的内容
第四章数控系统总体方案的确定
第五章机械部分设计
第一节确定系统脉冲当量第二节工作台外形尺寸及重量初步估算第三节滚动导轨副的计算、选择第四节滚珠丝杠计算、选择第五节齿轮计算、设计
第六节步进电机惯性负载的计算
第七节步进电机的计算选择
第六章机床数控系统硬件电路设计
第一节设计内容
第二节设计步骤第三节机床数控系统硬件电路设计
第七章系统控制软件设计
第八章结束语与致谢
第九章参考文献
第二章课程设计的目的、意义及要求
第一节课程设计的目的,意义
《机电一体化系统设计》课程设计是培养学生设计能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、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。
其目的是:
1.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知识,掌握机电一体化系统(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,培养学生分析问题和解决问题的能力,使学生具有机电一体化系统设计的初步能力;
2.通过机械部分设计,掌握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;
3.通过测试及控制系统方案设计,掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理,和
软件编程思想;
4.通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力,促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。
第二节课程设计的要求:
1.课程设计应在教师的指导下由学生独立完成,严格地要求自己,不允许相互抄袭;
2.认真阅读《课程设计指导书》,明确题目及具体要求;
3.认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准;
4.大胆创新,确定合理、可行的总体设计方案;
5.机械部分和驱动部分设计思路清晰,计算结果正确,选型合理;
6.微机控制系统方案可行,硬件选择合理,软件框图正确;
7.手工或电脑绘制机械系统装配图一张(A1),控制系统电气原理一张(A1),图纸符合国
家标准,布图合理,内容完整表达清晰;
8.课程设计说明书一份(不少于8000字),包括:
目录,题目及要求,总体方案的确定,
机械系统设计,控制系统设计,参考文献等。
设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准.
第三章课程设计的内容
第一节课程设计题目:
单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。
已知条件:
定位精度:
土0.01mm滚珠丝杠及导轨使用寿命:
T=15000h,:
--
中等冲击工作台的有效行程为Lx=400mmLy=400mm快速进给速度
和工作载荷Fz=2000N
第二节课程设计的内容
1.数控装置总体方案的确定
(1).数控装置设计参数的确定;
(2).方案的分析,比较,论证。
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的初步估算;
(3).传动元件及导向元件的设计,计算和选用;
(4).确定伺服电机;
(5).绘制机械结构装配图;
(6).系统等效惯量计算;
(7).系统精度分析。
3.数控系统的设计
(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计;
(2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用;
(3).系统控制软件的设计
4.编写课程设计说明书
(1).说明书是课程设计的总结性技术文件,应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,选用元器件参数的说明,软件设计及其说明;
(2).说明书不少于84字,尽量用计算机完成。
5.图纸
(1).机械结构装配图,A0图纸1张。
要求视图基本完整,符合标准。
其中至少要有一个坐标轴的完整剖视图;
第四章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,计算机控制系统的选择。
进行方案的分析、比较和论证。
1.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。
2.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。
3.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。
4.X—Y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。
考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取,为达到分辨率的要求,以及考虑步进电机负载匹配,采用齿轮减速传动。
系统总体框图如下:
第五章机械部分设计
机械部分设计内容包括:
确定系统脉冲当量,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。
第一节确定系统脉冲当量
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±0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。
第二节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取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm设计工作台简图如下:
工作台简图
X向拖板(上拖板)尺寸为:
长*宽*高=420*410*50重量:
按重量=体积*材料比重估算为:
丫向拖板(下拖板)尺寸为:
420X400X50
上导轨(含电机)重量为
夹具及工件重量:
约155N
X-Y工作台运动部分总重量为:
W=487.97+655.2+671.58+155〜2000N
第三节滚动导轨副的计算、选择
根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P,式中:
CC为导轨的基本静额定载荷,kN;工作载荷P=0.5(Fz+W);fSL=1.0~3.0(—般运行状况),3.0~5.0(运动时受冲击、振动)。
根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fSL=4.0
根据计算额定静载荷初选导轨:
选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:
HJG-D25基本参数如下:
导轨的额定动载荷Ca=17500N;依据使用速度v(m/min)和初选导轨的基本动额定载荷Ca(kN)验算导轨的工作寿命Ln:
额定行程长度寿命:
导轨的额定工作时间寿命
导轨的工作寿命足够
第四节滚珠丝杠计算、选择
初选丝杠材质:
CrWMri冈,HRC58~60导程:
I0=5mm
(1)强度计算
丝杠轴向力:
其中:
K=1.15,滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005;在车床车削外圆时:
Fx=(0.1~0.6)Fz,Fy=(0.15~0.7)Fz,可取Fx=0.5Fz,Fy=0.6Fz计算。
取f=0.004,Fz=400则:
式中:
fW为载荷系数,中等冲击时为1.2~1.5;fH为硬度系数,HRO58时为
1.0。
查表得中等冲击时,fW=1.2fH=1则:
根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式,并根据最大动载荷的数值可选择滚
珠丝杠的型号为:
CM系列滚珠丝杆副,其型号为:
CM2005-5其基本参数如下:
滚珠丝杠副详细参数说购18
〔口墓列第珠薛杠副建外循环插管埋入式丘向尋单押舞)
岂杠怅号
■定tut*
MEt
Ml•同
1■呼蛮乾尺寸
油环孔
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Ph
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其额定动载荷为14205N>yQ足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用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
2)传动效率计算
丝杠螺母副的传动效率为:
式中:
©=10'为摩擦角;丫为丝杠螺旋升角
(3)稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。
导程变化量为:
(4)刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的
Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算
丝杠受扭矩引起的导程变化量很小,可忽略不计。
导程变形总误差△为
丝杠允许的螺距误差[△]=15卩m/m
第五节齿轮计算、设计
因步进电机步距角
滚珠丝杠螺距t=5mm,
在传动系统中应加
要实现脉冲当量一对齿轮降速传动
,初选步进电机步距角:
齿轮传动比:
a=1.5?
step。
取小齿轮齿数Z1=24则大齿轮齿数2Z=50
因传递的扭距较小,取模数m=1mn则:
分度圆直径:
d1=mz1=1x24=24mmd2=mz2=1x50=50mm齿顶圆直径:
齿根圆直径:
分度圆压力角:
大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙双片齿轮错齿消隙结构图如下:
第六节步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式,有:
(1)等效转动惯量的计算折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为:
式中:
Jq为折算到电机轴上的惯性负载;J0为步进电机轴的转动惯量;J1为齿轮1的转动惯量;J2为齿轮2的转动惯量;J3为滚珠丝杠的转动惯量;M为移动部件的质量。
对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算:
式中D为圆柱零件直径,L为圆柱零件的长度所以有:
电机轴的转动惯量很小,可以忽略,所以有:
第七节步进电机的选用
(1)步进电机启动力矩的计算
电机所做的
设步进电机的等效负载力矩为T,负载力为P,根据能量守恒原理,功与负载力所做的功有如下的关系:
式中?
为电机转角,S为移动部件的相应位移,
n为机械传动的效率。
若取?
b
=0,贝US=SP,且
所以:
式中:
Ps为移动部件负载(N),G为移动部件质量(N),Pz为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力(N),卩为导轨摩擦系数,0b为步进电机的步距角(rad),T为电机轴负载力矩(N.cm)。
取卩=0.3(淬火钢滚珠导轨的摩擦系数),n=0.8,Ps=PH=279.23N。
考
虑到重力影响,Y向电机负载较大,因此G=1200N,所以有:
考虑到启动时运动部件惯性的影响,则启动转矩:
取系数为0.3,贝
对于工作方式为三相6拍的步进电机:
(2)步进电机的最高工作频率
为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率fmax,同时电机最大静
转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.电机有关参数如下:
第六章数控系统硬件电路设计
第一节设计内容
1.按照总统方案以及机械结构的控制要求,确定硬件电路的方案,并绘制系统电气控制的结构框图;
2.选择计算机或中央处理单元的类型;
3.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路;
4.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展I/O接口电路,检测电路,转换电路以及驱动电路等;
5.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号;
6.绘制出一张清晰完整的电气原理图,图中要标明各器件的型号,管脚号及参数;
7.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。
第二节设计步骤
1.确定硬件电路的总体方案。
数控系统的硬件电路由以下几部分组成:
1.主控制器。
即中央处理单元CPU2.总线。
包括数据总线,地址总线,控制总线。
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I/O输入输出接口。
数控系统的硬件框图如下所示:
2.主控制器CPU的选择
MCS-51系列单片机是集中CPU,I/O端口及部分RAM等为一体的功
能性很强的控制器。
只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统,并且开发手段齐全,指令系统功能强大,编程灵活,硬件资料丰富。
本次设计选用8031芯片作为主控芯片。
3.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用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
须大于EPROM所要求的读取时间。
此外,还需要考虑最大读出速度,工作温
度以及存储器容量等因素。
在满足容量要求时,尽量选择大容量芯片,以减少芯片数量以简化系统。
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。
单片机规定P0口提供8为位地址线,同时又作为数据线使用,所以为分时用作低位地址和数据的通道口,为了把地址信息分离出来保存,以便为外接存储器提高低8位的地址信息,一般采用74LS373芯片作为地址锁存器,并由CPU发出允许锁存信号ALE的下降沿,将地址信息锁存入地址锁存器中。
由以上分析,采用2764EPROMS片的程序存储器扩展电路框图如下所示:
扩展2764电路框图
(2)数据存储器的扩展
由于8031内部RAM只有128字节,远不能满足系统的要求。
需要扩展片外的数据存储器。
单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态
RAM数据存储器。
本次设计选用6264芯片作为数据存储器扩展用芯片。
其扩
展电路如下所示:
扩展6264电路框图
(3)译码电路
在单片机应用系统中,所有外围芯片都通过总线与单片机相连。
单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。
故要进行片选控制。
由于外围芯片与数据存储器采用统一编址,因此单片机的硬件设计中,数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。
可采用线选法和全地址译码法。
线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上,只要该地址线为低电平,就选中该芯片。
线选法的硬件结构简单,但它所用片选线都是高位地址线,它们的权值较大,地址空间没有充分利用,芯片之间的地址不连续。
对于RAM和I/O容量较大的应用系统,当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候,多采用全地址译码法。
它将低位地
址作为片内地址,而用译码器对高位地址线进行译码,译码器输出的地址选择线用作片选线。
本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示:
(4)存储器扩展电路设计
8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。
该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路,单片机外存储器扩展电路如下:
(5)1/0扩展电路设计
(a).通用可编程接口芯片8155
8031单片机共有4个8位并行1/0接口,但供用户使用的只有P1口及部分P3口线。
因此要进行1/0口的扩展。
8155与微机接口较简单,是微机系统广泛使用的接口芯片。
8155Y与8031的连接方式如下图所示
(b).键盘,显示器接口电路
键盘,显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备,可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。
通常,数控系统都采用行列式键盘,即用1/0口线组成行,列结构,按键设置在行列的交点上。
数控系统中使用的显示器主要有LED和LCD。
下图所示为采用8155接口管理的键盘,显示器电路。
它有4
X8键和6位LED显示器组成。
为了简化秒电路,键盘的列线及LED显示器的字位控制共用一个口,即共用8155的PA口进行控制,键盘的行线由81
55C口担任,显示器的字形控制由8155的PB口担任。
键盘显示器接口电路如下所示:
4.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。
本设计采用集成脉冲分配器YB013采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下:
(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。
光电耦合器接线图如下:
(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。
5.其它辅助电路设计
(1)8031的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生:
内部方式和外部方式。
内部方式利用芯片的内部振荡电路,在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件,如下图所示。
晶体可以在1.2〜12之间任意选择,耦合电容在5〜30pF之间,对时钟有微调作用。
采用外部时钟方式时,可将XTAL1直接接地,XTAL2接外部时钟源。
时钟电路
(2)复位电路
单片机的复位都是靠外部电路实现。
在时钟工作后,只要在RESET引脚上出现10ms以上的高电平,单片机就实现状态复位,之后CPU便从0000H单元开始执行程序。
在实际运用中,若系统中有芯片需要其复位电平与8031复位要求一致时,可以直接相连。
当晶振频率选用6MHz时,复位电路中C取
22卩F,R取200Q,RK取1000Q。
实用复位电路图如下所示:
(3)越界报警电路
为了防止工作台越界,可分别在极限位置安装限位开关。
利用光电耦合电路,将行
程开关接至发光二极管的阴极,光敏三极管的输出接至8031的I/O口P
1.0。
当任何
一个行程开关被压下的时候,发光二极管就发光,使光敏三极管导通,由低电平变成高电
平。
8031可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。
也可接成从光敏三极
管的集电极输出接至8031的外部中断引脚(INT0或INT1),采用中
断方式检
查越界信号。
越界报警电路如下图所示第三节机床数控系统硬件电路设计
该系统选用MCS—51系列的8031作为主控制器。
扩展存储电路为一片2732EPROM口一片6264RAM程序存储器扩展为4K,数据存储器扩展为8K。
2732的片选控制端CE直接接地,该电路始终处于选中状态。
系统复位以后,CP从OOOOH开始执行监控程序。
6264的片选端CE由译码器(74LS138的Y输出提供。
所以6264的空间地址为4000〜5FFFH。
系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。
8155的片选端CE接至译码器
(74LS138的丫4的输出端,故8155控制命令寄存器及PA,PBPC口的地址号分别为8000H及8001H,8002H,8003H8155RAM区的地址为8000H—80FFH8155的A口为控制工作抬X,丫向电机的接口。
为防止功率放大器高电压的干扰,不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。
键盘与显示器设计在一起,8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制;PB口的PB0-PB3为键盘的行线。
8031的P1口为显示器的字形输出口。
该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。
为了增加数码管显示亮度,分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。
PB口剩余的I/O线PB4—PB7分别作为工作台+X,+Y,-X,-Y四个方向的行程限位控制信号。
在软件设计上8155的PA口,PC口设置为输出,PB口设置为输入。
计算机随时巡回检测PB4—PB7的电平,当某I/O线为0时,应立即停止X,Y向电机的驱动,并发出报警信号。
另外,光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。
隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。
数控系统总的电气原理图以及图中各元件的参数和型号见附
(二),附(三)。
第七章系统控制软件的设计
(一).系统控制软件的主要内容数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。
按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分:
1、系统管理程序:
它是控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
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- 数控车床XY工作台与控制系统设计 数控车床 XY 工作台 控制系统 设计