当前位置:首页 >> 机械/仪表 >>

数控车床XY轴工作台和自动控制系统设计


目录
第一章 前言 ·················································································
3

课程设计的目的、 第二章 课程设计的目的、意义及要求 ················································

4
第一节 第二节 课程设计的目的、意义 ············································································· 4 课程设计的要求 ························································································· 4

第三章 课程设计的内容 ······································································· 5
第一节 第二节 课程设计题目 ····························································································· 5 课程设计的内容 ·········································································· 5

第四章 数控系统总体方案的确定 ························································ 6 第五章 机械部分设计 ··········································································· 8
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 第七节 确定系统脉冲当量 ··················································································· 8 工作台外形尺寸及重量初步估算 ··························································· 8 滚动导轨副的计算、选择 ········································································· 9 滚珠丝杠计算、选择 ················································································· 10 齿轮计算、设计 ····················································································· 13

步进电机惯性负载的计算 ········································································· 14 步进电机的计算选择 ················································································· 15

第六章 机床数控系统硬件电路设计 ···················································· 18
第一节 第二节 第三节 设计内容 ····································································································· 18 设计步骤 ····································································································· 18 机床数控系统硬件电路设计 ····································································· 23

第七章 系统控制软件设计···································································· 24 第八章 致谢 ··························································································· 27 第九章 参考文献 ··················································································· 28

1

第一章 前言
现代科学技术的不断发展,极大地推动了不同学科的交叉与渗透。在机械工程领域, 由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工程工业的渗透,从而使机械工业的 技术结构、产品、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大的变化,工业生产已由“机 械电气化”迈出了“机电一体化”时代的发展阶段。 机电一体化是指从系统的观点出发,综合运用机械技术、微电子技术、自动控制技术、 计算机技术、信息技术、传感测控技术、电力电子技术、信息变换技术以及软件编程技术 等群体技术,根据系统功能目标和优化组织目标,合理配置与布局各功能单元,在多功能、 高质量、高可靠性、低能耗的意义上实现特定功能的价值,并使整个系统最优化的系统工 程技术。由此而产生的功能系统则成为一个机电一体化系统或机电一体化产品。 一个较完整的机电一体化系统应该包括以下几个要素: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。新一代的数控系统这类典型的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

2

课程设计的目的、 第二章 课程设计的目的、意义及要求
课程设计的目的, 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。主要目的是: 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. 学习机电一体化系统设计方案的拟定、分析与比较的方法。 3. 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; 4. 通过对进给伺服系统的设计,掌握常用伺服电动机的工作原理、计算选择方法与控制 驱动方式; 5. 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; 6. 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; ,明确题目及具体要求; 2. 认真阅读《课程设计指导书》 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. 课程设计说明书一份,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。

3

第三章 课程设计的内容
第一节 课程设计题目:两维数控平台及控制系统设计。
已知条件:脉冲当量:±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=300mm,Ly=200; 快 速 进 给 速 度

Vxmax=800mm/minVymax=800mm/min 和工作载荷 2000N

第二节 课程设计的内容
1.数控装置总体方案的确定 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 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 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 编写课程设计说明书 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,尽量用计算机完成;

4

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 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:

5

X

光 电 隔 率 离 大 放 功

计 算 机



光 电 隔 离 大 放 率 功



Y

6

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 脉冲当量的确定
脉冲当量:±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=320*310*50 重量:按重量=体积*材料比重估算为:

W

X

= 320 × 310 × 50 ×10 ?3 × 7.8 × 10 ?2 = 386.88 N

Y 向拖板(下拖板)尺寸为: 长*宽*高=320*200*50 WY = 320 × 200 × 50 × 10 ?3 × 7.8 × 10 ?2 = 249.60 N 上导轨(含电机)重量为
7

(900 × 480 × 8 + 2 × 800 × 35 × 50) × 7.8 × 10 ?2 × 10 ?3 = 487.97 N 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 + 386.88 + 249.60 + 150 ≈ 1280

第三节 滚动导轨副的计算、 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 f SL = C O / P ,式中:
C O 为导轨的基本静额定载荷(Kn); 工作载荷 P=0.5(Fz+W);f SL =1.0~3.0(一般运行状况),

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 f sL = 4.0

C O = f SL PX ,Y PX ,Y = 0.5( FZ + W X ,Y )
PX = 0.5( FZ + W X ) = 0.5(2000 + 386.88) = 1193.44 N PY = 0.5( FZ + WY ) = 0.5(2000 + 249.60) = 1124.80 N C OX = f SL PX = 4773.76 C OY = f SL PY = 4499.20

根据计算额定静载荷初选导轨:选择德国 INA 公司滚动直线导轨,其型号为:KUE15 基本参数如下 装配型号 滑块牌号 KUE15 质量(kg) 导轨牌号 TKD15 安装尺寸/mm H 24
a3

单位质量 (kg/m) 1.5

导轨长度 1200

插头 (附件) KA08TN

KUE15

0.17

A 47 H2 4.5

C 54.5 H5 7 基本额定载荷

h 15 K2 M4

H1 4.8 K3 -

C1 38.6 H4 8 滑座个数

A1 16 C2 30

a 15 C3 1.5 单向行程长 度

C4 60 H6 4

A1 16 K1 M4

4.5

每分钟往复 次数 n 4

C a /KN

C oa /KN

To /KN

M 4
8

lS

6.5

9.2

7.3

0.6

导轨的额定动载荷 C a =6500N 依据使用速度 v(m/min)和初选导轨的基本动额定载荷 C a (kN)验算导轨的工作寿命 Ln : 额定行程长度寿命: Ts=K(

f H fT f C Ca fW F

)3

F=

FZ 2000 = = 500 M 4

工作温度小于 100℃, fT = 1 ; 中等冲击,低速场合, f W = 1.5 ; 每根导轨的滑块数为 2, f C = 0.81 ; 轨道硬度≥58, f H = 1 ;
K= R = 50 ; d0

Ts=K(

f H fT fC Ca fW F

) 3 =50(

1 × 1 × 0.81 6500 3 ) =17297.42Km 导轨的额定工作时间寿命: 1 .5 500

TH =

TS * 10 3 2l 0 n

TS * 10 3 17297.42 × 10 3 TH = = = 60060.48h > T = 15000h 2l 0 n 2 × 0.6 × 4 × 60

导轨的工作寿命足够.

第四节 滚珠丝杠计算、 第四节 滚珠丝杠计算、选择
初选丝杠材质:CrWMn 钢,HRC≥58,导程:l0=5mm (1) 强度计算 丝杠轴向力: Fmax = KFx , y + f ( Fz + W x , y ) (N) 其 中 : 综 合 导 轨 , 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:
9

FX = 0.5FZ = 0.5 × 2000 = 1000 N FY = 0.6 FZ = 0.6 × 2000 = 1200 N
FX max = 1.15 × 1000 + 0.004(2000 + 386.88) = 1159.55 N FY max = 1.15 × 1200 + 0.004(2000 + 249.60) = 1388.99 N 寿命值: L =

v 60nT ,其中丝杠转速 n = max (r/min) 6 l0 10

T=15000h
n= L= V max 800 = = 160r / min l0 5 60 × 160 × 15000 = 144 10 6

最大动载荷: Q = 3 L f H f W F 式中:fW 为载荷系数,中等冲击时为 1.2~1.5;fH 为硬度系数,HRC≥58 时为 1.0。 查表得中等冲击时 f W = 1.4, f H = 1 则:
Q X = 3 144 × 1.4 × 1 × 1159.55 = 8508.87 QY = 3 144 × 1.4 × 1 × 1388.99 = 10192.51

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: D 系列滚珠丝杆副,其型号为:D2005-4。 其基本参数如下: 代号 公称直 导程 径 2505-4
d0 Ph

滚珠直 丝杠底 丝杠外 循环列 径
DW

螺母安装尺寸







d2
21.2

d1
24.2

G

D1
40

D

D4
53 刚度
KC

25

5

3.175

4 油杯

66

螺母安装尺寸
G
B h

额定载荷
Ca C oa

?1
5.8

?2
10

M M6

50

11

6

11921

28759

615

其额定动载荷为 11921N> QY 足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双
10

螺母螺纹预紧形式. 名称 公称直径 d 0 螺距 t 接触角 β 钢球直径 db 螺纹滚道法向半径 R 偏心距 e 螺纹升角 γ 螺杆外径 d 螺杆内径 d1 螺杆接触直径 d 2 螺母螺纹外径 D 螺母内径(外循环) D1 (2) 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为: η =
tgγ tg (γ + ? )

计算公式 ―― ―― ―― ――
R = 0.52d b e = ( R ? d b ÷ 2) sin β

结果 20mm 5mm
450 3.175mm 1.651mm 0.04489mm 4033' 19.365mm 16.788mm 17.755mm 23.212mm 20.7mm

γ = arctg

t π d0

d = d 0 ? (0.2 ~ 0.25)db d1 = d 0 + 2e ? 2 R d 2 = d 0 ? d b cos β D = d 0 ? 2e + 2 R D1 = d 0 + (0.2 ~ 0.255)db

式中:φ=10’,为摩擦角;γ 为丝杠螺旋升角。

η =

tg γ tg (γ +? )

=

t g 4 0 33 ' t g ( 4 0 33 ' + 10 ' )

= 0.96

(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。

11

FY = 1388.99 N l 0 = 0.5cm E = 20.6 × 10 6 ( N / CM 2 ) 1.651 2 ) = 2.14CM 2 S = Π R 2 = 3.14( 2 1388.99 × 0.5 ?L1 = ± = 15.75?m < 16 ?m 20.6 × 10 6 × 2.14 4 级精度在任意 300mm 内轴向行程内的变动允许量 16 ?m ,而对于跨度为 1497mm 的滚珠丝 杠,总的变形量只有 15.75 ?m ,可见丝杠刚度足够。

第五节 齿轮计算、 第五节 齿轮计算、设计
因步进电机步距角 θ b = 1.5o 滚珠丝杠螺距 t=5mm,要实现脉冲当量 δ p = 0.01mm / step ,在传动 系统中应加一对齿轮降速传动. 齿轮传动比: i = 360 δ p ,初选步进电机步距角:α= 1.5?/step。
α l0

i= i=

360δ p ?lo
Z1 Z2

=

360 × 0.01 0.48 1.5 × 5

取小齿轮齿数 Z1 = 24

则大齿轮齿数 Z 2 = 50

( 1 )主动轮最高转速 n1 最快移动速度为 v max = 800mm / min ,可以算出主动轮最高转速
n1 = (v max / δ ) × α / 360 = 333r / min

确定带的设计功率 Pd 。 预选的步进电动机在转速为 333r/min 时,对应的步进脉冲频率为
f max = 333 × 360 /(60 × 1.5) = 1332 Hz

查表得当脉冲频率为 1332Hz 时,电动机的输出转矩约为 18N·m,对应的输出功率为
POUT = n × T / 9.55 = 333 × 18 / 9.55 = 627.6W . 同 步 带 传 递 的 负 载 应 该 小 于 627.6W 。 今 取

P=0.42kw。查表得工作情况系数 K A = 1.2 ,求得带的设计功率 Pd = K A P = 1.2 × 0.32 = 0.504kw 选择带型 根据带的设计功率 Pd = 0.504 和主动轮最高转速 n1 = 333r / min , 选择同步带的型

号为 XHL 型。 (2)因传递的扭距较小,取模数 m=1mm 则:
12

分度圆直径: d1 = mz1 = 1× 24 = 24mm

d 2 = mz2 = 1× 50 = 50mm

齿顶圆直径: d a1 = ( z1 + 2)m = (24 + 2) ×1 = 26mm d a 2 = ( z2 + 2)m = (50 + 2) ×1 = 52mm 齿根圆直径: d f 1 = ( z1 ? 2.5)m = (24 ? 2.5) × 1 = 21.5mm
d f 2 = ( z1 ? 2.5)m = (50 ? 2.5) ×1 = 47.5mm

齿宽: b = φd d1 = 1× 24 = 24mm

取 b1 = 25 b2 = 30

中心距: a = 0.5(d1 + d 2 ) = 0.5(24 + 50) = 37 mm 分度圆压力角: α = 200 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:

1、2--薄齿轮, 3—弹簧, 4、8—凸耳, 5—调节螺钉, 6、7—螺母 双片齿轮错齿消隙结构图

第六节 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:

13

δp 2 z1 2 J q = J 0 + J1 + ( ) ( J 2 + J 3 ) + M ( ) π z2 θb 180
式中: J q 为折算到电机轴上的惯性负载; J 0 为步进电机轴的转动惯量; J1 为齿轮1的转动 惯量; J 2 为齿轮2的转动惯量; J 3 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:

J = 0.78 × 10 ?3 × D 4 × L
式中 D 为圆柱零件直径, L 为圆柱零件的长度。 所以有:
J 1 = 0.78 × 10 ?3 × 2.4 4 × 2.5 = 6.47 × 10 ?2 kg ? cm 2 J 2 = 0.78 × 10 ?3 × 5.0 4 × 3.0 = 146.25 × 10 ? 2 kg ? cm 2 J 1 = 0.78 × 10 ?3 × 2.0 4 × 30 = 37.44 × 10 ? 2 kg ? cm 2

电机轴的转动惯量很小,可以忽略,所以有:

J d = 6.47 × 10?2 + (

24 2 0.01 2 ) (146.25 + 37.44) × 10?2 + 200( ) = 0.7793kg .cm 2 3.14 50 × 1.5 180

步进电机的选用 第七节 步进电机的选用
(1)常见步距角有 0.36°、0.45°、0.6°、0.72°、0.75°、0.9°、1.2°、1.5°、1.8°等。

这里取 1.5°,方便计算。
(2)步进电机启动力矩的计算

设步进电机的等效负载力矩为 Teq ,其公式为:

Teq =

( F f + ?G ) Ph 2πηi

纵向进给切削力 F f 设工件材料为碳素结构钢, σ b = 650 Mpa ;选用刀具材料为硬质合金钢 YT15;刀具的几
14

何参数为主偏角 60°,前角 10°,刃倾角-5°;切削用量为:背吃刀量为 3mm,进给量为 0.6mm/r,切削速度为 105m/min。 查表得 G FC = 2795, X FC = 1.0, YFC = 0.75, n FC = ?0.15 查表得主偏角的修正系数 K KrFC = 0.94; 刃倾角,前角和刀尖圆弧半径的修正系数值均为 1.0; 有经验公式算得主切削力 FC = 2673.4 N ,由经验公式 FCc = F f = FP = 1 : 0.35 : 0.4 ,算得

FP =1069.36N, F f =1712;
i= nm v × θb 800 × 1.5 = max = = 2.31 n n(360 × δ ) 144(360 × 0.01)

θ b ——步距角;
δ ——脉冲当量值;
取 ? =0.3(淬火钢滚珠导轨的摩擦系数) , 求得: Teq =

η =0.8。所以有:

( F f + ?G ) Ph 2πηi

= 56.74 N ? CM

考虑到启动时运动部件惯性的影响,则启动转矩:
TQ = Teq 0 .4 Teq 0 .3 ? 0 .5

取系数为0.4,则: TQ =

= 141.84 N ? CM

对于工作方式为三相6拍的步进电机:
T J max = TQ 0.866 = 163.78 N ? CM

(3) 步进电机的最高工作频率
f max = v max 800 = = 1333 60δ p 60 × 0.01

为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率 f max ,同时电机最大静转矩要足够大, 查表选择两个 90BF003 型三相反应式步进电机.

15

电机有关参数如下: 主要技术参数 最大静 相电 转 矩 空载启 流 T jmax 动频率 (A) (n.m) 5 1.96 1500

型号

相数

步距 角

电压 (V)

空载 运行 频率

分配 方式 3相 六拍

重量

90BF003

3

1.5

60

15000

4.5

16

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
确定硬件电路的总体方案。 1.确定硬件电路的总体方案。 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 CPU 2.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: 数控系统的硬件框图如下所示:

17

主控制器CPU 2.主控制器CPU的选择 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 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2764EPROM 芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示:

扩展 2764 电路框图 18

(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:

译码电路
P2.4 ↓ P2.0

CE1
A12 ↓ A8

ALE P0.7 ↓ P0.0

G 74LS372

A7 ↓ A0 6264

D7

EA

↓ D0

WR
RD
扩展 6264 电路框图

WE OE OE

(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。 (4)存储器扩展电路设计
19

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。 (5)I/O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I/O接口,但供用户使用的只有P1 口及部分P3 口线。因此要进行I/O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。 (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I/O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4X8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8155C口担任,显示器的字形控制由 8155 的 PB 口担任。
4.步进电机驱动电路设计 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。 (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。 (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。 这里采用的功率放大电路如下图所示:

20

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, XTAL1,XTAL2 引脚上外接定时元件, 在 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。

8031 XTAL1

XTAL2 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 ? F,R取200 ? , RK 取
21

1000 ? 。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P1.0。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。

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 和一片 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,CPU 从 0000H 开始执行监控程序。6264 的片选端 CE 由译码器(74LS138)的 Y2 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 Y4 的输出端,故 8155 控制命令寄存器及 PA,PB,PC 口 的地址号分别为 8000H 及 8001H,8002H,8003H。8155RAM 区的地址为 8000H—80FFH。 8155 的 A 口为控制工作抬 X,Y 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。
22

第七章 系统控制软件的设计
(一).系统控制软件的主要内容 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 接受操作者的命令,执行命令,从命令处理程序到管理程序接收命令的环节,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 I/O 设备输入零件加工源程序 的任务。 3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补,分配进给脉冲。 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,转角以 及方向。 诊断程序。包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控制程序。 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 作命令等信息。

(二).软件设计 二 软件设计
1.系统控制功能分析 系统控制功能分析

数控 X-Y 工作台的控制功能包括: (1) 、系统初始化。如对 I/O 接口 8155,8255A 进行必要的初始化工作,预置接口工作方 式控制字。 (2) 、工作台复位。开机后工作台应该自动复位,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该立即停止工作台的运动,并 显示相应的指示字符。 (6) 、工作台的自动控制。 (7) 、工作台的手动控制。
23

(8) 、工作台的联动控制。
2.系统管理程序控制 系统管理程序控制

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 命令。在设计管理程序时,应确定接收命令的形式,系统的各种操作功能等。数控 X-Y 工 作台的基本操作功能有:输入加工程序,自动加工,刀位控制,工作台位置控制,手动操 作,紧急停机等。
3.自动加工程序设计 自动加工程序设计

(1)机床在自动加工时的动作顺序:工作台移动到位→刀具快速进给→加工→退刀→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,控制机床完成加工;
4.步进电机控制子程序设计 步进电机控制子程序设计 步进电机控制子程

步进电机的控制包括速度,转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时,由于负 载和惯性,会使电机失步,所以电机运行时有一个加,减速过程。 通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔,即可实现步进电机转角与速度的控制。 (1)时间常数的确定 在步进电机控制程序中,利用单片机的定时器中断,延时产生进给脉冲的时间间隔。此 间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算:

T ×10?3 Te = te ×10?6
式中:T 为脉冲时间间隔(ms) te 为单片机机器周期( ? s) ; ,在时钟为 6MHz 时, te =2 ? s。 (2)步进电机加,减速进给脉冲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。 要使步进电机不失步,应满足:

Tm ≥ Tg + TI
式中: Tm 为步进电机启动力矩; Tg 为负载力矩; TI 为惯性力矩。 由步进电机 T j max =1.64N.m,取步进电机的加速启动力矩
TM = T j max × 0.866 × 0.4 = 56.81N ? m
24

则使步进电机不失不的惯性力矩
TI ≤ Tm ? T g = 56.81 ? 52.17 = 4.64

步进电机角加速度

ε=

TI 4.64 × 10 ?2 ≤ ≤ 595.41(rad / s 2 ) J eq 0.7793 × 10 ? 4

ε= 又

f dω df = θb = θ b max dt dt tm
2π 360 = 58.68(ms )

式中: tm 为上升到步进电机最高频率所需时间,所以有:
tm = θb f max ≥ 1.5 × 1333 ×

594.41 1 1 加速脉冲个数: n m = f max t = × 1333 × 58.68 × 10 ?3 = 39.11 2 2

ε

确定加减脉冲个数都为 40 个 又因为: n = 0.5 ft n = 0.5( 所以脉冲时刻 tn =

f max tn )tn tm

2tm nm f max
可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。

T ×10?3 结合 Te = te ×10?6

EPROM 存储器中,时间常数依次安排在首地址为 1000H 的存储单元中,每个时间常数占 据两个字节,低位地址存放时间常数低 8 位,高位地址存放时间常数高 8 位。 在程序中,设置加速,恒速,减速脉冲计数器 N0,N1,N2。以计数器的值是否为 0 作 为相应过程是否结束的标志。

25

第八章 致谢
本设计完成了题目要求的基本部分的全部要求。通过这次设计使我学会如何去收集资 料和对机电一体化更深的认识,同时培养我们的创新精神。使我们学会将理论很好地联系 实际,并不断地去开动自己的大脑,为将来的工作打好基础。创新,使我们不断地战胜别 人,不断地战胜自己,超越前人。同时,本次设计加深了同学间地交流,加深了团队合作。 通过这次的设计,增强了我对知识的渴望,为今后的学习增添了动力。同时,更重要的是, 我在这一设计过程中,学会了坚持不懈,不轻言放弃,设计过程,也好比是我们人类成长 的历程,常有一些不如意,也许这就是在对我们提出了挑战,勇敢过,也战胜了,胜利的 钟声也就一定会为我们而敲响。总之,此次的课程设计收获良多。 在这次的课程设计过程中,衷心感谢老师在课题的选题、设计、论文的撰写等各方面 的悉心指导以及给予我实验设备上的帮助;最后还要感谢各位同学们的热情相助。 。

26

第九章 参考资料
1、 张建民 《机电一体化》 高等教育出版社 2000. 2、 曾亿山 刘征宇 《光机电一体化工程专业课程实践课程》合肥工业大学出版社 2007. 3、 赵丁选 《光机电一体化使用手册》 化学工业出版社 2003.

4、 成大先 《机械设计手册》化学工业出版社 2007. 5、 肖金球 《单片机原理与接口技术》2004. 6、 陈蔚芳 王宏涛 《机床数控技术及应用》 2008.

27


相关文章:
数控车床XY轴工作台和自动控制系统设计
数控车床XY轴工作台和自动控制系统设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。数控车床...课程设计说明书一份,包括:目录,题目及要求,总体方案的确定,机械系统设计, 控制...
数控车床系统XY工作台与控制系统设计
数控车床系统XY工作台与控制系统设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。数控车床系统...数控车床XY轴工作台和控... 暂无评价 25页 ¥10.00 机械毕业设计1311数控...
数控车床系统XY工作台与控制系统设计
数控车床系统XY工作台与控制系统设计_机械/仪表_工程...9 2.4 X—Y 工作台的传动方式 ......27 5.4 自动加工程序设计 ... 27 结束语 ......
经济型数控机床工作台控制系统设计
经济型数控机床工作台控制系统设计_机械/仪表_工程科技_专业资料。摘要 摘 要 ...控制系统来控制 X 轴和 Y 轴的步进电机, 从而实现对经济型数控机 床工作台...
普通数控铣床XY工作台与控制系统设计-毕业设计
普通数控铣床 X-Y 工作台与控制系统设计 作者姓名 ...以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化 和提高...1.2.2 多轴联动加工和复合加工机床快速发展 ......
数控车床XY工作台与控制系统设计论文
数控车床XY工作台与控制系统设计论文_电子/电路_工程...自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械 ...4. X—Y 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度...
数控XY工作台与控制系统设计
UNIVERSITY 本科毕业论文(设计) 题目: 数控机床 XY 工作台与控制系统设计 学姓学专年 院: 名: 号: 业:机械设计制造及其自动化 级: 职称: 指导教师: 二○...
X-Y数控工作台及其控制系统设计
X-Y 数控工作台机电系统设计 学生姓名 学专班号业级 械设计制造及其自动化 指导...它充分的利用了 危机的软件硬件功能以实现对机床控制;使机床的加工范围扩大 ...
Y数控工作台及其控制系统设计
学士学位毕业论文(设计) X - Y 数控工作台机电系统设计 学生姓名 学专班号业级 械设计制造及其自动化 指导教师 学部 机电工程学部 答辩日期 黑龙江东方学院学士...
更多相关标签:
广数系统数控车床 | 数控车床系统有哪些 | 数控车床控制系统 | 数控车床传动系统 | 数控车床仿真系统下载 | 数控车床法兰克系统 | 数控车床进给系统 | 数控车床系统哪个好用 |