機(jī)電一體化CNC數(shù)控工作臺(tái)設(shè)計(jì)說明書

摘要X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。實(shí)現(xiàn)方便而且能夠保證一定的精度。降低本錢，是微機(jī)控制技術(shù)的最簡(jiǎn)單的應(yīng)用。它充分的利用了危機(jī)的軟件硬件功能以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制;使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大，精度和可靠性進(jìn)一步得到提高。X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是利用8031單片機(jī)，及2764,6264存儲(chǔ)器及8155芯片等硬件組成，在控制系統(tǒng)的硬件上編寫一定的程序以實(shí)現(xiàn)一定的加工功能。其根本思想是通過圓弧或者直線插補(bǔ)程序以實(shí)現(xiàn)對(duì)零件進(jìn)行幾何加工，每進(jìn)行一段加工都要產(chǎn)生一定的脈沖以驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)，同時(shí)通8155將相應(yīng)的加工進(jìn)刀信息送至刀架庫中以實(shí)現(xiàn)以之相應(yīng)的走刀，電機(jī)和刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)所以實(shí)現(xiàn)了刀具對(duì)工件的加工。該控制系統(tǒng)采用軟件中斷控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及子程序結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，條件明確在經(jīng)濟(jì)型數(shù)控中應(yīng)用較多。中斷結(jié)構(gòu)采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)因?yàn)檫@種結(jié)構(gòu)便于修改和擴(kuò)充，編制較為方便，便于向多處理方向開展。X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)裝置。步進(jìn)電機(jī)是一個(gè)將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)移成角位移的機(jī)電式數(shù)模轉(zhuǎn)換器裝置。其工作原理是每給一個(gè)脈沖便在定子電路中產(chǎn)生一定的空間旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng);由于步進(jìn)電機(jī)通的是三相交流電所以輸入的脈沖數(shù)目及時(shí)間間隔不同，轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)快慢及旋轉(zhuǎn)時(shí)間的長(zhǎng)短也是不同的。由于旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)對(duì)放入其中的通電導(dǎo)體既轉(zhuǎn)子切割磁力線時(shí)具有力的作用，從實(shí)現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的轉(zhuǎn)動(dòng)迫使轉(zhuǎn)子作相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以轉(zhuǎn)子才可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子帶動(dòng)絲杠作相應(yīng)的運(yùn)動(dòng)。此題目是步進(jìn)電機(jī)，微型計(jì)算機(jī)，插補(bǔ)原理，匯編語言的綜合應(yīng)用。關(guān)鍵詞：步進(jìn)電機(jī)，數(shù)控系統(tǒng)1緒論X-Y工作臺(tái)的開展趨勢(shì)及產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速開展，微處理器、微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的開展起到了極大的推動(dòng)作用。一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng)，應(yīng)包含以下幾個(gè)根本要素：機(jī)械本體、動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)局部、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感測(cè)試局部、控制及信息處理局部。機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù)、計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、檢測(cè)傳感技術(shù)、伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向開展。工作臺(tái)作為數(shù)控機(jī)床的重要組成局部，也是影響加工精度的重要組成環(huán)節(jié)。從一開始為了滿足加工簡(jiǎn)單的零件而設(shè)計(jì)的直線運(yùn)動(dòng)的X—Y工作臺(tái)，到現(xiàn)在為了實(shí)現(xiàn)多工位加工而制造的分度工作臺(tái)和回轉(zhuǎn)工作臺(tái)等。為了滿足現(xiàn)代制造業(yè)的開展，也為了環(huán)境的要求，一作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)裝置從原來的機(jī)械驅(qū)動(dòng)變?yōu)橐郝抿?qū)動(dòng)，現(xiàn)在更多的采用了氣動(dòng)裝置，更好的保護(hù)了環(huán)境，節(jié)約了資源。由于工作臺(tái)是一臺(tái)機(jī)床的關(guān)鍵配套部件，因此世界各國(guó)都有對(duì)其進(jìn)行研究，我國(guó)在工作臺(tái)的研究開發(fā)方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。目前工作臺(tái)的種類繁多，傳統(tǒng)的工作臺(tái)只能安裝在某一指定機(jī)床上，伴隨著科技的與時(shí)俱進(jìn)，它們的功能也由傳統(tǒng)單一性向現(xiàn)代的多功能性方向開展，現(xiàn)在一些工作臺(tái)，它不僅可以安裝在鉆床上，還可以安裝在銑床和鏜床等機(jī)床上。并且目前局部工作臺(tái)還可以作為機(jī)床的第四回轉(zhuǎn)軸，大大提高了機(jī)床的性能。例如：可傾回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，它可以實(shí)現(xiàn)用于數(shù)控機(jī)床和加工中心機(jī)床上，可利用原機(jī)床的兩個(gè)控制坐標(biāo)控制轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)和傾斜，也可直接利用本轉(zhuǎn)臺(tái)配套的數(shù)控裝置與機(jī)床聯(lián)接完成所需的工作循環(huán)。它可以完成任意角度的孔、槽、平面類機(jī)械加工，以及曲線、凸輪等的加工，并可到達(dá)較高的精度。另外也可用于非數(shù)控鉆、銑、鏜類機(jī)床上，獨(dú)立完成等分和不等分的角度分度工作。國(guó)外工作臺(tái)的功能與我國(guó)所生產(chǎn)的工作臺(tái)功能根本相似，但是在其精度方面，國(guó)外的一些公司所生產(chǎn)的工作臺(tái)要略高于我國(guó)所生產(chǎn)的工作臺(tái)。因此我國(guó)與國(guó)外相比，還是有一定的差距，因此工作臺(tái)的設(shè)計(jì)具有重要意義，我們要借助時(shí)代的步伐，與時(shí)俱進(jìn)，開拓創(chuàng)新，使我國(guó)成為具有領(lǐng)先技術(shù)的綜合性強(qiáng)國(guó)。數(shù)控X-Y工作臺(tái)設(shè)計(jì)的意義和目的本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)采用了低摩擦的直線滾動(dòng)導(dǎo)軌和精密的絲杠，它的工作原理是通過MCS-51單片機(jī)來控制步進(jìn)電機(jī)，使X-Y工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控控制。工作臺(tái)的自動(dòng)化能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)效率。本設(shè)計(jì)的X-Y數(shù)控工作臺(tái)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是一個(gè)開環(huán)控制系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便而且能保證一定的精度。通過微機(jī)控制技術(shù)的簡(jiǎn)單的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床的控制，使機(jī)床的加工范圍擴(kuò)大，精度和可靠性進(jìn)一步提高。本設(shè)計(jì)所設(shè)計(jì)的X-Y工作臺(tái)不僅可用于銑床上進(jìn)行數(shù)控銑削加工，而且還能夠用于鉆床上數(shù)控鉆削加工，所以其功能遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的普通工作臺(tái)是新一代機(jī)電一體化的典型產(chǎn)品。通過對(duì)X-Y工作臺(tái)的設(shè)計(jì)，能夠正確運(yùn)用機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)等課程的根本理論個(gè)有關(guān)知識(shí)，學(xué)會(huì)設(shè)備數(shù)控化改造方案的擬定、比擬、分析及進(jìn)行必要的計(jì)算；通過對(duì)設(shè)備改造的機(jī)械局部設(shè)計(jì)，掌握數(shù)控設(shè)備典型零件的計(jì)算方法和步驟以及正確的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法；通過設(shè)備的數(shù)控系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)，掌握簡(jiǎn)單的數(shù)控系統(tǒng)硬件及軟件設(shè)計(jì)的根本方法；通過課程設(shè)計(jì)，初步樹立正確的設(shè)計(jì)思想，培養(yǎng)自己分析問題和解決問題的能力；提高自己應(yīng)用手冊(cè)、標(biāo)準(zhǔn)以及編寫文件等資料的能力。在本設(shè)計(jì)中著重介紹了如何對(duì)X-Y工作臺(tái)進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)導(dǎo)軌、絲杠、電機(jī)、選用和數(shù)控控制電路的設(shè)計(jì)和其控制程序的編制等方面進(jìn)行了深入的分析。①設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控X-Y工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)，該工作臺(tái)可安裝在鉆床和銑床上用于鉆削和銑削加工；②收集相關(guān)資料及圖紙：外觀圖；b.機(jī)械裝配圖；控系統(tǒng)組成框圖；控系統(tǒng)電氣原理圖；c.局部軟件設(shè)計(jì)。=3\*GB3③確定改造目標(biāo)、X-Y工作臺(tái)參數(shù)；=4\*GB3④編寫開題報(bào)告；=5\*GB3⑤確定改造總體方案；=6\*GB3⑥確定機(jī)械改造方案〔包括絲桿、導(dǎo)軌、傳動(dòng)裝置的選型確定〕；a.確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量；b.運(yùn)動(dòng)部件慣性計(jì)算；c.計(jì)算伺服電機(jī)參數(shù)；d.傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì)、計(jì)算、校核；e.其它相關(guān)零件的選型及計(jì)算。=7\*GB3⑦確定驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)改造方案；=8\*GB3⑧確定數(shù)控系統(tǒng)改造方案。第二章總體方案設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)控X-Y工作臺(tái)及其控制系統(tǒng)，該工作臺(tái)可安裝在普通鉆、銑床上用于鉆孔或銑削加工。系統(tǒng)分辨率X：，Y：1mm。系統(tǒng)分辨率X：，Y：1mm。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：快速進(jìn)給速度縱向X：2m/分；快速進(jìn)給速度橫向Y：2m/m/分；時(shí)間常數(shù)：t≤200ms；最大鉆孔直徑d=5mm；銑刀直徑φ15mm，齒數(shù)Z=3；銑削最大余量αe=2mm；銑削最大深度αp=2mm；工作臺(tái)加工范圍X=320mm，Y=260mm。加工材料為鑄鐵；最大工件重量80Kg。由于機(jī)床既能鉆削又能銑削加工，故應(yīng)采用連續(xù)控制系統(tǒng)。定位方式采用增量坐標(biāo)控制。考慮到機(jī)床加工精度要求不高，為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，降低本錢，采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)X-Y工作臺(tái)。鉆頭上下運(yùn)動(dòng)也由步進(jìn)電機(jī)通過減速裝置控制。本設(shè)計(jì)采用MCS-51系列中的8031單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集成度高，可靠性好，功能強(qiáng)，速度快，性價(jià)比高?？刂葡到y(tǒng)由微機(jī)局部、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進(jìn)功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實(shí)現(xiàn)。顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息?！猋工作臺(tái)的傳動(dòng)方式為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊，采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副。為提高傳動(dòng)剛度和消除間隙，采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu)。由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大，應(yīng)選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副，從而減小工作臺(tái)的摩擦系數(shù)，提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性。考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取，為到達(dá)分辨率0.01mm的要求，以及考慮步進(jìn)電機(jī)負(fù)載匹配，采用齒輪減速傳動(dòng)。第三章機(jī)械設(shè)計(jì)局部工作臺(tái)的外形尺寸及重量初步估算：根據(jù)給定的工作臺(tái)加工范圍，設(shè)計(jì)出工作臺(tái)的尺寸和托板尺寸等，并估算其重量。X-Y工作臺(tái)簡(jiǎn)圖如下：X向托板〔上托板〕的尺寸：長(zhǎng)×寬×高320×320×50X向托板〔上托板〕的重量：重量=體積×材料比重Y向托板〔下托板〕的尺寸：長(zhǎng)×寬×高400×320×50重量=體積×材料比重上導(dǎo)軌座的重量：夾具及工件重量：X-Y工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)局部重量：鉆削力〔軸向〕的計(jì)算：經(jīng)查機(jī)械加工手冊(cè)，得，，，，進(jìn)給量取，那么銑削力〔硬質(zhì)合金圓柱銑刀〕的計(jì)算：其中式，，，，z=3，那么滾動(dòng)導(dǎo)軌的選用：導(dǎo)軌型式：法蘭型直線導(dǎo)軌導(dǎo)軌長(zhǎng)度：=1\*GB3①上導(dǎo)軌〔X向〕取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度動(dòng)導(dǎo)軌行程支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度=2\*GB3②下導(dǎo)軌〔Y向〕取動(dòng)導(dǎo)軌長(zhǎng)度動(dòng)導(dǎo)軌行程支承導(dǎo)軌長(zhǎng)度導(dǎo)軌工作負(fù)載計(jì)算：=1\*GB3①導(dǎo)軌根本額定動(dòng)負(fù)載的計(jì)算：=2\*GB3②導(dǎo)軌根本額定靜負(fù)載的計(jì)算：根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選擇MISUMI公司的SV2RL型導(dǎo)軌，上導(dǎo)軌型號(hào)為SV2R24-640，下導(dǎo)軌型號(hào)為SV2R24-700，其參數(shù)如下：型式HW1滑塊尺寸導(dǎo)軌尺寸BL1L2WP1S1ETBET1H1CNP2滑塊SV2RL24344125426M4772065152060H根本定負(fù)載靜態(tài)容許力矩重量C(動(dòng))KN(靜)KNM3滑塊kg滑塊標(biāo)準(zhǔn)型Kg/m243357滾珠絲杠的負(fù)荷包括銑削力及運(yùn)動(dòng)部件的重量所引起的進(jìn)給抗力。應(yīng)按銑削時(shí)的情況計(jì)算。式中L為壽命經(jīng)查詢機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)得當(dāng)有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，本設(shè)計(jì)取；精度等級(jí)為3級(jí)，其精度系數(shù)。式中，其中又因?yàn)槭褂脡勖?，絲杠螺距，X向和Y向的最大進(jìn)給。X向絲杠的牽引力：式中—當(dāng)量摩擦系數(shù),Y向絲杠的牽引力：式中X向最大動(dòng)負(fù)載：Y向最大動(dòng)負(fù)載：根據(jù)給定的有效行程和經(jīng)濟(jì)本錢的考慮，X向和Y向的絲杠分別選取MISUMI公司的BSX1205-460和BSX1205-400，然后再使用聯(lián)軸器。其參數(shù)和連接方式如下：精度等級(jí)型式指定單位mmY螺旋方向循環(huán)數(shù)根本額定負(fù)載Type絲杠軸外徑螺距右1列〔KN〕〔KN〕C3BSX125460400PABTdd1hFD滾珠直徑〔cm〕滾珠絲杠預(yù)緊力〔〕8443410815301.5~5滾珠絲杠螺母副幾何參數(shù)的計(jì)算：名稱符號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果螺紋滾道公稱直徑12螺距5接觸角名稱符號(hào)計(jì)算公式和結(jié)果鋼球直徑螺紋滾道法面半徑偏心距螺紋升角螺桿螺桿外徑螺桿內(nèi)徑螺桿接觸直徑螺母螺母螺紋外徑螺母內(nèi)徑〔外循環(huán)〕傳動(dòng)效率計(jì)算式中：滾珠絲杠受工作負(fù)載P引起的導(dǎo)程的變化量：由于Y向所受牽引力最大，所以應(yīng)采用Y向參數(shù)計(jì)算：，，，所以絲杠因受扭矩而引起的導(dǎo)程變化量很小，可以忽略。所以導(dǎo)程總誤差：查表得該3級(jí)精度的絲杠允許誤差為，所以剛度足夠。滾珠絲杠支座設(shè)計(jì)與計(jì)算在本設(shè)計(jì)里，采用一端固定，另一端簡(jiǎn)易支承的方案。那么產(chǎn)生失穩(wěn)的臨界負(fù)載式中;;絲杠支持方式系數(shù)表如下：方式一端固定一端自由兩端簡(jiǎn)易一端固定一端簡(jiǎn)支兩端固定所以：臨界負(fù)載與最大工作負(fù)載Q之比稱為穩(wěn)定平安系數(shù)，如果穩(wěn)定平安系數(shù)大于或等于許用平安系數(shù)，那么絲杠不至失穩(wěn)。許用平安系數(shù)一般取2.5~4。由于Y向的工作負(fù)載最大，所以所以穩(wěn)定性良好。在簡(jiǎn)易支承座中采用一個(gè)6300的深溝球軸承，在固定支座中采用一個(gè)51200推力軸承和一個(gè)6300深溝球軸承。它預(yù)緊時(shí)只需調(diào)節(jié)螺母，方案見圖紙A1確定齒輪傳動(dòng)比步進(jìn)電機(jī)的步進(jìn)角初選為，由于滾珠絲杠的螺距，經(jīng)濟(jì)銑床的系統(tǒng)脈沖當(dāng)量所以要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量，在傳動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)該加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng)，其齒輪比為通過翻閱《機(jī)械設(shè)計(jì)根底》和計(jì)算選取。因?yàn)閭鬟f的扭矩較小，取模數(shù)，齒輪有關(guān)尺寸見下表：Z2450〔mm〕2450〔mm〕2652〔mm〕〔mm〕55〔mm〕37步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式，式中：——折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載〔〕；——齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〔〕；——齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〔〕；——滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〔〕；M——移動(dòng)部件與工件的質(zhì)量〔kg〕。對(duì)材料為鋼的圓柱零件轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可按下式估算()式中：D——圓柱零件直徑〔cm〕；L——零件長(zhǎng)度〔cm〕。所以〔〕()()那么電機(jī)軸總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：摩擦力矩〔〕式中——導(dǎo)軌的摩擦力——絲杠導(dǎo)程〔cm〕；——齒輪降速比，按計(jì)算；——傳動(dòng)鏈總效率，一般可取——導(dǎo)軌摩擦系數(shù)滾動(dòng)導(dǎo)軌的摩擦系數(shù)一般為；——銑削力；——運(yùn)動(dòng)部件的重量；——工件及夾具重量；所以附加摩擦力矩〔〕式中——滾珠絲杠預(yù)加負(fù)荷，一般取，為進(jìn)給牽引力；——絲杠導(dǎo)程〔cm〕；——滾珠絲杠未預(yù)緊時(shí)的傳動(dòng)效率，。所以空載起動(dòng)時(shí)折算到電機(jī)軸上的力矩〔〕式中——傳動(dòng)系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的總等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量〔〕；——電機(jī)最大角加速度〔〕；——電機(jī)最大轉(zhuǎn)速〔r/min〕,；——運(yùn)動(dòng)部件從停止起動(dòng)加速到最大進(jìn)給速度所需要的時(shí)間〔s〕，因?yàn)?200ms；——運(yùn)動(dòng)部件的最大進(jìn)給速度〔mm/min〕；——脈沖當(dāng)量〔mm/步〕；——步進(jìn)電機(jī)的步距角〔〕；折算到電機(jī)軸上的銑削負(fù)載力矩式中——絲杠導(dǎo)程〔cm〕；——齒輪降速比，按計(jì)算；——傳動(dòng)鏈總效率，一般可取=1\*GB3①快速起動(dòng)時(shí)所需力矩即=2\*GB3②快速進(jìn)給時(shí)所需力矩即=3\*GB3③最大銑削負(fù)載時(shí)所需力矩即經(jīng)過上述計(jì)算后，在、兩種力矩中取其大者作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。對(duì)于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床來說，因?yàn)橐ＷC一定的動(dòng)態(tài)性能，系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)較小，而等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又較大，故電機(jī)力矩主要是用來產(chǎn)生加速度的，而負(fù)載力矩往往小于加速力矩，故常常用快速空載起動(dòng)力矩作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。步進(jìn)電機(jī)的選擇目前經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床中大多采用反響式步進(jìn)電機(jī)，因此在本設(shè)計(jì)中采用反響式步進(jìn)電機(jī)。=1\*GB3①首先根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩初選電機(jī)型號(hào)，由于步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩有如下關(guān)系：式中的取值又有如下關(guān)系：步進(jìn)電機(jī)相數(shù)三相四相五相六相拍數(shù)3648510612在本設(shè)計(jì)中采用三相六拍的反響式步進(jìn)電機(jī)，那么假設(shè)不考慮啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響，那么啟動(dòng)力矩為取平安系數(shù)為0.3，那么=2\*GB3②步進(jìn)電機(jī)最高工作頻率最大空載頻率：——最快進(jìn)給速度，。為了保證不失步，采取降速措施。最大銑削頻率：——最大銑削速度，。所以根據(jù)以上數(shù)據(jù)，選取兩個(gè)55BF004型步進(jìn)電機(jī)，電機(jī)的的相關(guān)參數(shù)如下：型號(hào)主要技術(shù)參數(shù)外形尺寸(mm)重量(N)步距角最大靜轉(zhuǎn)矩〔〕最高空載啟動(dòng)頻率〔Hz〕相數(shù)電壓(V)電流(A)外徑長(zhǎng)度軸徑55BF0042200327355606由于只靠最大靜轉(zhuǎn)矩來選擇步進(jìn)電機(jī)不一定能滿足實(shí)際工作時(shí)的要求，也就是說，盡管最大靜轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)值能滿足要求，但是并不能保證在快速空載起動(dòng)和運(yùn)行時(shí)不失步。所以還必須用起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性兩條重要的性能曲線來檢查所選步進(jìn)電機(jī)的型號(hào)是否能滿足要求。通過對(duì)兩個(gè)電機(jī)的起動(dòng)矩頻特性和運(yùn)行矩頻特性的分析，電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大于總轉(zhuǎn)矩，并且，所以選擇的這兩個(gè)電機(jī)符合本設(shè)計(jì)要求。XY工作臺(tái)〔縱向〕裝配圖見圖紙〔一〕第四章控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)確定硬件電路的總體方案X-Y數(shù)控工作臺(tái)控制系統(tǒng)硬件框圖如下：中央處理單元(CPU)中央處理單元(CPU)存儲(chǔ)器RAM/ROM輸入/輸出I/O接口信號(hào)變換控制對(duì)象外設(shè)〔鍵盤、顯示器、打印機(jī)、磁盤機(jī)等〕隨著微電子技術(shù)水平的不斷提高，單片微型計(jì)算機(jī)有了飛躍的開展。單片機(jī)的型號(hào)很多，而目前市場(chǎng)上應(yīng)用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比擬多，MCS-51系列單片機(jī)是集中CPU，I/O端口及局部RAM等為一體的功能性很強(qiáng)的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大，編程靈活，硬件資料豐富。如目前應(yīng)用最廣的8位單片機(jī)8031，價(jià)格低廉，而性能優(yōu)良，功能強(qiáng)大。從本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)來看，選用8031單片可以獲得較高的性價(jià)比。=1\*GB3①程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用EPROM芯片。其型號(hào)有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為2K,4K,8K,16K,32K。在選擇芯片時(shí)要考慮CPU與EPROM時(shí)序的匹配。8031所能讀取的時(shí)間必須大于EPROM所要求的讀取時(shí)間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素。在滿足容量要求時(shí)，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡(jiǎn)化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇2764芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。單片機(jī)規(guī)定P0口提供8為位地址線，同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用，所以為分時(shí)用作低位地址和數(shù)據(jù)的通道口，為了把地址信息別離出來保存，以便為外接存儲(chǔ)器提上下８位的地址信息，一般采用74LS373芯片作為地址鎖存器，并由CPU發(fā)出允許鎖存信號(hào)ALE的下降沿，將地址信息鎖存入地址鎖存器中。由以上分析，采用2732EPROM 芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖如下所示：A12A12↓A82732A7↓A0D7↓D0↓↓ALE↓譯碼電路譯碼電路GG74LS372擴(kuò)展2732電路框圖=2\*GB3②數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展由于8031內(nèi)部RAM只有128字節(jié)，遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求。需要擴(kuò)展片外的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用6116,6262靜態(tài)RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。本次設(shè)計(jì)選用6264芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片。其擴(kuò)展電路如下所示：擴(kuò)展6264電路框圖=3\*GB3③譯碼電路在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，所有外圍芯片都通過總線與單片機(jī)相連。單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí)的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。故要進(jìn)行片選控制。由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用統(tǒng)一編址，因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜?？刹捎镁€選法和全地址譯碼法。線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上，只要該地址線為低電平，就選中該芯片。線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但它所用片選線都是高位地址線，它們的權(quán)值較大，地址空間沒有充分利用，芯片之間的地址不連續(xù)。對(duì)于RAM和I/O容量較大的應(yīng)用系統(tǒng)，當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí)候，多采用全地址譯碼法。它將低位地址作為片內(nèi)地址，而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行譯碼，譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線。=4\*GB3④存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)8031單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址。該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器2764和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器6264組成8031單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路，單片機(jī)外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如下：=5\*GB3⑤I/O擴(kuò)展電路設(shè)計(jì)(a).通用可編程接口芯片81558031單片機(jī)共有4個(gè)8位并行I/O接口，但供用戶使用的只有P1口及局部P3口線。因此要進(jìn)行I/O口的擴(kuò)展。8155與微機(jī)接口較簡(jiǎn)單，是微機(jī)系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。8155與8031的連接方式如下列圖所示(b).鍵盤，顯示器接口電路鍵盤，顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備，可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示。通常，數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤，即用I/O口線組成行，列結(jié)構(gòu)，按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上。數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有LED和LCD。下列圖所示為采用8155接口管理的鍵盤，顯示器電路。它有4X8鍵和6位LED顯示器組成。為了簡(jiǎn)化秒電路，鍵盤的列線及ＬＥＤ顯示器的字位控制共用一個(gè)口，即共用8155的PA口進(jìn)行控制，鍵盤的行線由8155C口擔(dān)任，顯示器的字形控制由8155的PB口擔(dān)任。鍵盤顯示器接口電路如下所示：=1\*GB3①脈沖分配器步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn)，其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。數(shù)控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器YB015。采用YB015硬件環(huán)行分配器的步進(jìn)電機(jī)接口線路圖如下：=2\*GB3②光電隔離電路在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中，脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組。如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連，將會(huì)引起電氣干擾。因此在接口電路與功率放大器間加上隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電耦合器。光電耦合器接線圖如下：=3\*GB3③功率放大器脈沖分配器的輸出功率很小，遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要，，必須將其輸出信號(hào)放大產(chǎn)生足夠大的功率，才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。因此必須選用功率放大器，需根據(jù)步進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器。本設(shè)計(jì)選用功率放大器。=1\*GB3①8031的時(shí)鐘電路單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生：內(nèi)部方式和外部方式。內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路，在XTAL1,XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，如下列圖所示。晶體可以在1.2~12之間任意選擇，耦合電容在5~30pF之間，對(duì)時(shí)鐘有微調(diào)作用。采用外部時(shí)鐘方式時(shí)，可將XTAL1直接接地，XTAL2接外部時(shí)鐘源。時(shí)鐘電路=2\*GB3②復(fù)位電路單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)。在時(shí)鐘工作后，只要在RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平，單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，之后CPU便從0000H單元開始執(zhí)行程序。在實(shí)際運(yùn)用中，假設(shè)系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與8031復(fù)位要求一致時(shí)，可以直接相連。當(dāng)晶振頻率選用6MHz時(shí)，復(fù)位電路中C取10μF,R取10KΩ。實(shí)用復(fù)位電路圖如下所示：=3\*GB3③越界報(bào)警電路為了防止工作臺(tái)越界，可分別在極限位置安裝限位開關(guān)。利用光電耦合電路，將行程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極，光敏三極管的輸出接至8031的I/O口Ｐ1.0。當(dāng)任何一個(gè)行程開關(guān)被壓下的時(shí)候，發(fā)光二極管就發(fā)光，使光敏三極管導(dǎo)通，由低電平變成高電平。8031可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無越界信號(hào)。也可接成從光敏三極管的集電極輸出接至8031的外部中斷引腳〔INT0或INT1〕，采用中斷方式檢查越界信號(hào)。越界報(bào)警電路如下列圖所示機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)該系統(tǒng)選用MCS-51系列的8031作為主控制器。擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為4K，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為8K。2732的片選控制端直接接地，該電路始終處于選中狀態(tài)。系統(tǒng)復(fù)位以后，CPU從0000H開始執(zhí)行監(jiān)控程序。6264的片選端由譯碼器〔74LS138〕的Y2輸出提供。所以6264的空間地址為4000 ～5FFFH。系統(tǒng)的擴(kuò)展I/O接口電路選用通用可編程并行輸入/輸出接口芯片8155。8155的片選端接至譯碼器〔74LS138〕的Y4的輸出端，故8155控制命令存放器及PA，PB，PC口的地址號(hào)分別為8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM區(qū)的地址為8000H—80FFH。8155的A口為控制工作抬X，Y向電機(jī)的接口。為防止功率放大器高電壓的干擾，不步進(jìn)電機(jī)接口與功率放大器之間采用光電隔離。鍵盤與顯示器設(shè)計(jì)在一起，8155的PC口擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制；PB口的PB0—PB3為鍵盤的行線。8031的P1口為顯示器的字形輸出口。該系統(tǒng)采用4X6共24個(gè)行列式鍵盤和6位8段共陰極LED顯示器。為了增加數(shù)碼管顯示亮度，分別在字形口和字位口加74LS07進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。PB口剩余的I/O線PB4—PB7分別作為工作臺(tái)+X，+Y，-X，-Y四個(gè)方向的行程限位控制信號(hào)。在軟件設(shè)計(jì)上8155的PA口，PC口設(shè)置為輸出，PB口設(shè)置為輸入。計(jì)算機(jī)隨時(shí)巡回檢測(cè)PB4—PB7的電平，當(dāng)某I/O線為0時(shí)，應(yīng)立即停止X，Y向電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。另外，光電隔離器的輸出端必須采用隔離電源。隔離電源選用7805三端集成穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)。數(shù)控系統(tǒng)總的電氣原理圖見圖紙〔二〕。第五章控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，數(shù)控X—Y工作臺(tái)鉆床和銑床上，經(jīng)過改裝的鉆床和銑床配以數(shù)控系統(tǒng)，成為數(shù)控鉆床和數(shù)控銑床。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的控制功能包括：=1\*GB3①系統(tǒng)初始化。如對(duì)I/O接口8155，8255A進(jìn)行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。=2\*GB3②工作臺(tái)復(fù)位。開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位，亦可手動(dòng)復(fù)位。=3\*GB3③輸入和顯示加工程序。=4\*GB3④監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。=5\*GB3⑤工作臺(tái)超程顯示與處理。工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，并顯示相應(yīng)的指示字符。=6\*GB3⑥、工作臺(tái)的自動(dòng)控制。=7\*GB3⑦、工作臺(tái)的手動(dòng)控制。=8\*GB3⑧、工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制。管理贊許是系統(tǒng)的主程序，開機(jī)后即進(jìn)入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計(jì)管理程序時(shí)，應(yīng)確定接收命令的形式，系統(tǒng)的各種操作功能等。數(shù)控X-Y工作臺(tái)的根本操作功能有：輸入加工程序，自動(dòng)加工，刀位控制，工作臺(tái)位置控制，手動(dòng)操作，緊急停機(jī)等。根據(jù)以上分析，設(shè)計(jì)管理程序流程圖如下所示：管理程序流程=1\*GB3①機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序：工作臺(tái)移動(dòng)到位→刀具快速進(jìn)給→加工→退刀→工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下一位置；=2\*GB3②計(jì)算機(jī)在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機(jī)床完成加工；=3\*GB3③由以上分析，設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如下所示：自動(dòng)加工程序框圖步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度，轉(zhuǎn)角及方向的控制。步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí)，由于負(fù)載和慣性，會(huì)使電機(jī)失步，所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)有一個(gè)加，減速過程。通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔，即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制。=1\*GB3①時(shí)間常數(shù)確實(shí)定在步進(jìn)電機(jī)控制程序中，利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷，延時(shí)產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時(shí)間間隔。此間隔由送入定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)決定。時(shí)間常數(shù)由下式計(jì)算：式中：T為脈沖時(shí)間間隔〔ms〕；為單片機(jī)機(jī)器周期〔s〕，在時(shí)鐘為6MHz時(shí)，=2s。=2\*GB3②步進(jìn)電機(jī)加，減速進(jìn)給脈沖及脈沖時(shí)間間隔確實(shí)定設(shè)步進(jìn)電機(jī)加，減速方式為直線加，減速。要使步進(jìn)電機(jī)不失步，應(yīng)滿足：式中：為步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩；為負(fù)載力矩；為慣性力矩。由步進(jìn)電機(jī)=49N，取步進(jìn)電機(jī)的加速啟動(dòng)力矩那么使步進(jìn)電機(jī)不失不的慣性力矩步進(jìn)電機(jī)角加速度又式中：為上升到步進(jìn)電機(jī)最高頻率所需時(shí)間，所以有：加速脈沖個(gè)數(shù)：確定加減脈沖個(gè)數(shù)都為173個(gè)又因?yàn)椋核悦}沖時(shí)刻結(jié)合可以算出對(duì)應(yīng)各脈沖時(shí)刻的計(jì)數(shù)器時(shí)間常數(shù)。EPROM存儲(chǔ)器中，時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為1000H的存儲(chǔ)單元中，每個(gè)時(shí)間常數(shù)占據(jù)兩個(gè)字節(jié)，低位地址存放時(shí)間常數(shù)低8位，高位地址存放時(shí)間常數(shù)高8位。在程序中，設(shè)置加速，恒速，減速脈沖計(jì)數(shù)器N0，N1，N2。以計(jì)數(shù)器的值是否為0作為相應(yīng)過程是否結(jié)束的標(biāo)志。步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖如下所示：步進(jìn)電機(jī)控制子程序步進(jìn)電機(jī)控制中斷效勞程序=1\*GB3①內(nèi)存地址分配加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N0地址設(shè)為20H；恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N1低8位字節(jié)地址為21H，高8位字節(jié)地址位22H；減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器N2地址位23H。加速，減速，恒速脈沖總數(shù)存放器N低位字節(jié)地址位24H，高位字節(jié)地址位25H；步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序FEED首地址位0E80H。每調(diào)用一次該程序，步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn)給一步。=2\*GB3②程序清單N0EQU20H；加速N1LEQU21H；恒速N1HEQU22HN2EQU23H；減速NLEQU24H；脈沖總數(shù)存放器NHEQU25HDSEQU26H；地址指針偏移量FEEDEQU0E80HORG0E00H0E00758160START：MOVP，#60H0E03758901MOVTMOD，#01H；設(shè)計(jì)數(shù)器工作方式為1，16位定時(shí)器0E0675201BMOVN0，#01A4H；設(shè)N0為3200E0975231BMOVN2，#1A4H0E0CE520MOVA，N0；計(jì)算2XN00E0E23RLA0E0FF8MOVR0，A0E10C3CLRC；計(jì)算N1=N-2N00E11E524MOVA，NL0E1398SUBBA，R00E14F521MOVN1L，A0E16E525MOVA，NH0E189400SUBBA，#00H0E1AF522MOVN1H，A0E1C901000MOVDPTR，#1000H；設(shè)時(shí)間常數(shù)指針初值1000H0E1F752600MOVDS，#00H；設(shè)地址偏移量初值為00H0E2293MOVCA,@A+DPTR；從EPROM中讀時(shí)間常數(shù)0E23F58AMOVTL0，A；送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器0中0E250526INCDS0E27E526MOVA，DS0E293MOVCA，@A+DPTR0E2AF58CMOVTH0，A0E2C0526INCDS0E2ED2AFSETBEA；開中斷允許0E30D2A9SETBET0；允許定時(shí)器0中斷0E32D28CSETBTR0；啟動(dòng)定時(shí)器0開始計(jì)算0E3420AFFDWAIT：JBEA，WAIT；中斷允許返回0E3722RET中斷效勞程序：ORG000BH000B02F00LJMP0F00HORG0F00H0F00E526INT：MOVA，DS；送時(shí)間參數(shù)到定時(shí)器0中0F0293MOVCA，@A+DPTR0F03F58AMOVTL0，A0F050526INCDS0F07E526MOVA，DS0F0993MOVCA，@A+DPTR0F0AF58CMOVTH0，A0F0C0526INCDS；修改地址偏移量指針0F0ED180ACALLFEED；調(diào)FEED子程序，使電機(jī)進(jìn)給1步0F10E520MOVA，N0；判斷N0是否為0，為0那么轉(zhuǎn)入恒速0F12B400CJNEA，#00H，LOOP10F15E52MOVA，N1H；判斷N1是否為0，為0那么轉(zhuǎn)入減速0F17B40010CJNEA，#00H，LOOP20F1AE522MOVA，N1H0F1CB4000BCJNEA，#00H，LOOP20F1FE523MOVA，N2；判斷N2是否為00F21B40014CJNEA，#00H，LOOP30F24C2AFCLREA；N2為0，減速結(jié)束，關(guān)中斷0F26