數(shù)控銑床XY工作臺及其控制系統(tǒng)臺設(shè)計,數(shù)控,銑床,XY,工作臺,及其,控制系統(tǒng),設(shè)計 目錄 一、總體 2 二、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 3 1、脈沖當(dāng)量和傳動比的確定 3 2、機械部件(工作臺)總體尺寸 4 3、工作載荷分析及計算 4 4、滾珠絲杠螺母副的選型和校核 6 5、導(dǎo)軌的選型和計算 11 6、聯(lián)軸器的選擇及計算 12 7、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 13 8、步進電機的選用 14 三、控制系統(tǒng)設(shè)計 19 1、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 19 2、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計 22 參考文獻 25 一、總體 1、總體參數(shù) 設(shè)計一個數(shù)控XY工作臺及其控制系統(tǒng)。該工作臺可安裝在銑床上，用于銑削加工。已知的設(shè)計參數(shù)如下： 最大銑刀直徑 最大銑削寬度 最大銑削深度 加工材料 工作臺加工范圍（mm） 最大移動速度 20 mm 8 mm 4 mm 碳鋼 X=200，Y=150 3 m/min 2、開、半閉、閉環(huán)選擇 開環(huán)伺服系統(tǒng)——步進電機驅(qū)動——沒有檢測裝置 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)——交流或直流伺服電機驅(qū)動——脈沖編碼器——速度反饋 閉環(huán)伺服系統(tǒng)——交流或直流伺服電機驅(qū)動——位置檢測裝置——位置反饋 本設(shè)計采用開環(huán)步進電機驅(qū)動。 3、傳動初步設(shè)計 電動機——聯(lián)軸器——滾珠絲杠——工作臺 4、系統(tǒng)組成框圖 5、機械傳動系統(tǒng)簡圖 X軸與Y軸的傳動系統(tǒng)簡圖都如圖所示 二、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 1、脈沖當(dāng)量和傳動比的確定 1.1、脈沖當(dāng)量的確定 根據(jù)機床或工作臺進給系統(tǒng)所需要的定位精度來選定脈沖當(dāng)量?？紤]到機械傳動系統(tǒng)的誤差存在，脈沖當(dāng)量值必須小于定位精度值。本次設(shè)計給定脈沖當(dāng)量 為 =0.01mm。 1.2、傳動比的確定 傳動比計算公式：　　　專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書（2－1） 其中：為步進電機的步距角，為滾珠絲杠導(dǎo)程，為系統(tǒng)脈沖當(dāng)量。根據(jù)傳動設(shè)計，采用聯(lián)軸器， 選電動機型號為55BF009，其步矩角=，選絲杠規(guī)格為2004-3(FYND)　其導(dǎo)程為4mm，。 則其傳動比 2、機械部件(工作臺)總體尺寸 2、1初定工作臺的尺寸 由于工作臺的加工范圍為X＝200mm，Y＝150mm。工作臺尺寸一般為工作臺加工范圍的1.1倍。所以：X＝200×1.1＝220mm, Y＝150×1.1＝165mm，其厚度初定為30mm。 選擇工作臺的型槽為T型槽，查電子版《袖珍機械設(shè)計師手冊》中的T型槽和相應(yīng)螺栓(摘自GB/T158-1996) 表3-25T型槽和相應(yīng)螺栓尺寸，可得所選T型槽的參數(shù)： A＝10mm　　　B＝18mm C＝8mm　　 　H＝21mm 間距取50mm 一取工作臺厚度為T型槽厚度的2倍，即2×21＝42mm。 工作臺質(zhì)量：,即縱向絲杠所承受的質(zhì)量。 在工作臺上的工件和夾具的質(zhì)量估計為 所以總的移動部件的重量為 3、工作載荷分析及計算 3.1銷削力的分析與計算 銑削運動的主運動為銑刀繞自身軸線高速回轉(zhuǎn)，進給運動為工作臺帶動工件在垂直于銑刀軸線方向緩慢進給（鍵槽銑刀可沿軸線進給）。 根據(jù)《機械制造技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計指導(dǎo)教程》選銑刀。由表3－23，根據(jù)最大銑刀直徑d＝20mm，最大銑削寬度，最大銑削深度選擇莫氏錐柄立銑刀，立銑刀各參數(shù)如下： 直徑范圍 推薦直徑 齒數(shù) > 標準系列 標準系列 粗齒 中齒 細齒 19 23.6 20 22 38 123 3 4 6 140 由表5－11 高速鋼立銑刀銑平面的銑削進給量中選取 ，由專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書表2－2查得高速鋼銑刀銑削力公式，選定銑刀轉(zhuǎn)速，由專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書表2－3查得切削力公式中銑削力系數(shù)，因此銑削力為： 由表2－1和表2－2中表示每齒進給量，即銑刀每轉(zhuǎn)一個齒間角時，工件與銑刀的相對移動量，每齒進給量、每轉(zhuǎn)進給量和工作臺進給速度三者之間的關(guān)系為： 式中z為銑刀齒數(shù)，n為銑刀轉(zhuǎn)速 可得工作臺進給速度 3.2進給工作臺工作載荷計算 作用在工作臺上的合力與銑刀刀齒上受到的銑削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是設(shè)計和校核工作臺進給系統(tǒng)時要考慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運動方向分解為三個力：工作臺縱向進給方向載荷，工作臺橫向進給方向載荷和工作臺垂直進給方向載荷。 工作臺工作載荷、和與銑刀的切向銑削力之間有一定的經(jīng)驗比值。因此，根據(jù)專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書表2－4，查工作臺載荷與切向銑削力的經(jīng)驗比值： 銑削條件 比值 不對稱銑削 逆銑 順銑 圓柱銑、立銑盤銑和成型銑 ／ 1.00～1.20 0.80～0.90 ／ 0.20～0.30 0.75～0.80 ／ 0.35～0.40 0.35～0.40 求出后，根據(jù)最大的經(jīng)驗比算，即可計算出工作臺的計算載荷、和。 4、滾珠絲杠螺母副的選型和校核 4.1滾珠絲杠螺母副類型選擇 4.1.1主要類型 采用回珠器處在螺母之內(nèi)的鋼珠內(nèi)循環(huán)方式，另外，為了消除間隙和提高滾珠絲杠副的鋼度，可以預(yù)加載荷，使它在過盈的條件下工作，初步選用墊片預(yù)緊式。 4.1.2主要參數(shù)及代號 4.1.2.1滾珠絲杠副的主要參數(shù) ①公稱直徑，數(shù)控機床常用的進給絲杠的公稱直徑為至，但這是X-Y工作臺，不用太大，初選。 ②基本導(dǎo)程(螺距)，由步距角、脈沖當(dāng)量和傳動比確定。 ③精度等級，一般選用4級~7級，數(shù)控機床及精密機械可選用2級~3級。它是滾珠絲杠副的重要指標，直接影響定位精度、承載能力和接觸剛度。 4.1.2.2滾珠絲杠副的標注 查專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書絲杠的特征代號見表2-6，初步選擇滾珠絲杠副為FDM1604-3，導(dǎo)軌面的硬度為58~64HRC。查《機械設(shè)計手冊》第三版第3卷成大先主編 表12-1-17 其具體參數(shù)如下： 規(guī)格代號 公稱直徑 公稱導(dǎo)程 滾珠直徑 螺旋升角 循環(huán)列數(shù) 額定動載荷 額定靜載荷 接觸剛度 2504-3 25 4 3 3 8.2 23 654 4.2滾珠絲杠螺母副的型號選擇及校核步驟 4.2.1最大工作載荷 滾珠絲杠上的工作載荷是指滾珠絲杠副在驅(qū)動工作臺時滾珠絲杠所承受的軸向力，也叫進給牽引力。 采用實驗公式計算，對于三角形或綜合導(dǎo)軌 　　 專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書（2-12） 式中：為工作臺縱向進給方向載荷，為工作臺垂直進給方向載荷，G為移動部件的重力（N），K和分別為考慮顛覆力距影響的實驗系數(shù)和導(dǎo)軌上的摩擦系數(shù)，對于三角形或綜合導(dǎo)軌K＝1.15，滾動導(dǎo)軌，取。所以： 4.2.2最大動載C的計算及主要尺寸初選 滾動絲杠最大動載荷C可用下式計算： 　　　　　　專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書（2-14） 式中：L為工作壽命，單位為，；n為絲杠轉(zhuǎn)速，；v為最大切削力條件下的進給速度，為所預(yù)選的滾珠絲杠的導(dǎo)程，待剛度驗算后再確定；t為額定使用壽命（h），可取t=15000h；為運轉(zhuǎn)狀態(tài)系數(shù)，無沖擊取1~1.2，一般情況取1.2~1.5，有沖擊振動取1.5~2.5；為滾珠絲杠工作載荷（N）。 初選滾珠絲杠副的尺寸規(guī)格，相應(yīng)的額定動載荷不得小于最大動載荷C；。 取，而工作臺進給速度，則工作壽命： 則 因為，所以所選滾珠絲杠螺母副符合最大動載荷要求。 4.2.3傳動效率計算 滾珠絲杠螺母副的傳動效率為： 專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書（2-15） 其中，為絲杠螺旋升角，可由，為摩擦角，滾珠絲杠副的滾動摩擦系數(shù)，其摩擦角約等于。 滾珠絲杠副的傳動效率較高，一般取0.8~0.9之間，可知，上式傳動效率計算有效。 4.2.4剛度驗算 4.2.4.1絲杠的拉壓變形量 滾珠絲杠計算滿載時拉壓變形量： 專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書（2-15） 其中：為在工作載荷作用下絲杠總長度上拉伸或壓縮變形量，為絲杠的工作載荷，L為滾珠絲杠在支承件的受力長度，取，E為材料彈性模量，對鋼，A為滾珠絲杠按內(nèi)徑確定的截面積，，“+”號用于拉伸，“-”號用于壓縮。 則 4.2.4.2滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 該變形量與滾珠列、圈數(shù)有關(guān)，即與滾珠總數(shù)量有關(guān)，與滾珠絲杠長度無關(guān)。有預(yù)緊時，可以使用下式計算： 專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書（2-17） 其中：為滾珠直徑，為滾珠總數(shù)量，Z為一圈的滾珠數(shù)，，為滾珠絲杠的公稱直徑，為預(yù)緊力，為滾珠絲杠的工作載荷 查表可得 ， 由于當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時，值可減少一半左右。 4.2.4.3滾珠絲杠副剛度的驗算 絲杠的總變形量應(yīng)小于允許的變形量。一般不應(yīng)大于機床進給系統(tǒng)規(guī)定的定位精度值的一半?；蛘撸山z杠精度等級查出規(guī)定長度上允許的螺距誤差，則相應(yīng)長度上的變形量應(yīng)該比它小。否則，應(yīng)考慮選用較大公稱直徑的滾珠絲杠。 查機械設(shè)計手冊，滾珠絲杠副行程精度，表12-1-19，在有效行程L內(nèi)平均行程變動量，根據(jù)機床的定位精度可得為0.023mm，。因此所選的滾珠絲杠副剛度符合要求。 4.2.5壓桿穩(wěn)定性驗算 滾珠絲杠長度確定 根據(jù)經(jīng)驗公式 其中L由1604-3絲杠副中取L=65mm. 故 =250+65+50=365mm 圓整=365mm =200+65+50=320mm 圓整=320mm 滾珠絲杠通常屬于受軸向力的細長桿，若軸向工作負載過大，將使絲杠失去穩(wěn)定而產(chǎn)生縱向屈曲，即失去穩(wěn)定。失穩(wěn)時的載荷為： 專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書（2-18）　 其中：E為絲杠材料彈性模量，對鋼，I為截面慣性矩，對絲杠圓截面，（絲杠承載方式系數(shù)，選用一端固定，一端簡支方式） 則較驗較長的絲杠： 臨界載荷與絲杠工作載荷之比稱為穩(wěn)定性安全系數(shù)，如果大于需用穩(wěn)定安全系數(shù)，則該滾珠絲杠就不會失穩(wěn)。因此，滾珠絲杠的壓桿穩(wěn)定條件為： 因此，所選滾珠絲杠符合穩(wěn)定性要求。 4.2.6滾珠絲杠螺母副安裝連接尺寸 在確定絲杠副類型及型號及進行了傳動效率、剛度和穩(wěn)定性校核后，還需要考慮其他一些設(shè)計事項。比如：避免絲杠外露；螺母在有效行程內(nèi)配置限位裝置，以免越程滾珠流失；滾珠絲杠必須潤滑，常用鋰樹脂；絲杠副螺母安裝連接尺寸等。 根據(jù)表2-12和圖2-12內(nèi)循環(huán)滾珠絲杠副（包括浮動反向器及固定反向器）滾珠螺母安裝、連接尺寸： 規(guī)格代號 公稱直徑 公稱導(dǎo)程 滾珠螺母安裝、連接尺寸 2504 25 4 40 66 53 11 5.5 10 5.7 5、導(dǎo)軌的選型和計算 5.1滾動導(dǎo)軌 本設(shè)計采用整體型直線滾動導(dǎo)軌，因為它是根據(jù)預(yù)緊訂貨，不需要自己調(diào)整。 5.2、直線滾動導(dǎo)軌副的計算 專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書表2-16列出了上海組合夾具廠兩種型號（SGDA和SGDB）直線滾動導(dǎo)軌副的主要參數(shù)，其中為額定動載荷，為額定靜載荷。 初選GDA20滾動導(dǎo)軌，根據(jù)指導(dǎo)書表2-16可得其導(dǎo)軌參數(shù)，其額定動載荷。 這個行走距離稱為滾動導(dǎo)軌的距離額定壽命，它可根據(jù)滾動導(dǎo)軌的額定動載荷用下列公式進行計算： 專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書（2-20） 其中：L為滾動導(dǎo)軌副的距離壽命，F(xiàn)為每個滑塊上的工作載荷，，為硬度系數(shù)，導(dǎo)軌面的硬度為58~64HRC時，＝1.0，為溫度系數(shù)，當(dāng)工作溫度不超過時，，為接觸系數(shù)，每根導(dǎo)軌條上裝兩個滑塊時，為載荷/速度系數(shù)，無沖出振動或時，取。 則滾動導(dǎo)軌副的距離壽命L： 從產(chǎn)品樣本中選定了滾動導(dǎo)軌副的型號，計算距離壽命L或小時額定壽命，若L或大于滾動導(dǎo)軌的期望壽命時，則滿足設(shè)計要求，初選的滾動導(dǎo)軌副即可采用。 由于，所以初選的滾動導(dǎo)軌副滿足要求。 6、聯(lián)軸器的選擇及計算 初步選用GH1系列螺紋線聯(lián)軸器，其特點：重量輕，體積?。桓邚姸蠕X合金材料，陽極氧化處理；具有抗油污耐腐蝕功能；可吸收振動，補償徑向，角度偏差和零回轉(zhuǎn)間隙；適用于馬達，編碼器，絲桿傳動，機床平臺；微電機等精密產(chǎn)業(yè)機械。 初選：GH1-19-□□□□ ，其中：GH1表示系列號，19表示外徑為19mm。注:系列號后面不帶C為頂緊固定方式 外型尺寸:(單位為mm) 規(guī)格型號 D L L1 M 可做最大內(nèi)徑 GH2-32-□□□□ 32 41 6.0 M4 14 技術(shù)參數(shù) 規(guī)格型號 扭矩（N/M） 糾纏能力 最高轉(zhuǎn)速(rpm) 擰緊力矩(N.m) 額定 最大 徑向(mm) 軸向(mm) 角度(0) GH1-19-□□□□ 4.5 9 0.15 ±0.1 1.0 10000 1.7 GH1-19-□□□□，□□□□由計算得出，其中一個為絲杠跟聯(lián)軸器連接尺寸，另一個為電機軸跟聯(lián)軸器的配合尺寸。已知可做最大內(nèi)徑為10，則選絲杠端與聯(lián)軸器配合尺寸為10mm。 7、傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量計算 由于傳動部件并不都與電機軸同軸線，還存在各傳動部件轉(zhuǎn)動慣量向電機軸的折算問題。最后，要計算整個傳動系統(tǒng)折算到電機軸上的總轉(zhuǎn)動慣量，即傳動系統(tǒng)等效轉(zhuǎn)動慣量。 7.1轉(zhuǎn)動慣量的計算基本公式 對于軸、軸承、聯(lián)軸器、絲杠等圓柱體的轉(zhuǎn)動慣量計算公式，當(dāng)鋼材材料密度為時，有 指導(dǎo)書（2-3）P7 其中：D為圓柱體直徑，L為圓柱體長度。 7.2、轉(zhuǎn)動慣量折算 7.2.1滾珠絲杠轉(zhuǎn)動慣量折算 根據(jù)滾珠絲杠慣量折算到電機軸上為：，為絲杠與電機軸之間的總傳動比。 根據(jù)滾珠絲杠的公稱直徑，其長度 則 7.2.2工作臺等效轉(zhuǎn)動慣量折算 工作臺是移動部件，其移動質(zhì)量折算到滾珠絲杠軸（圖2-2）上的轉(zhuǎn)動慣量可按下式進行： 指導(dǎo)書（2-6）P8 其中：為絲杠導(dǎo)程，為工作臺質(zhì)量。則其等效工作臺轉(zhuǎn)動慣量： 7.2.3聯(lián)軸器等效轉(zhuǎn)動慣量折算 對于聯(lián)軸器按其外徑計算，長度為，則其等效轉(zhuǎn)動慣量： 7.2.4傳動系統(tǒng)各部件折算到電機上的總等效轉(zhuǎn)動慣量： 則 8、步進電機的選用 根據(jù)步進電機的優(yōu)點，輸出轉(zhuǎn)角（步距角）無長期積累誤差，每轉(zhuǎn)一圈積累誤差會自動消失。啟動、停止、反轉(zhuǎn)及其他運行方式的改變，都可以在少量的脈沖周期內(nèi)完成并且具有定位轉(zhuǎn)矩。 8.1步距角的選擇 定位精度要求較高，運行范圍較廣的控制系統(tǒng)，應(yīng)選用步距角較小，運行頻率較高的步進電機。已知脈沖當(dāng)量，絲杠的導(dǎo)程=4mm 由公式2-23 即步進電機的步距角 8.2步進電機輸出轉(zhuǎn)矩的選擇 步進電機最大靜轉(zhuǎn)矩是指步進電機的定位轉(zhuǎn)矩（靜止狀態(tài)），是選擇步進電機的最基本的參數(shù)。步進電機空載啟動轉(zhuǎn)矩可按下式計算　 (2-24) 其中為空載啟動力矩；為空載啟動時運動部件由靜止上升到最大快進速度時，折算到電機上的力矩；為空載時折算到電機軸上的摩擦力矩；為由于絲杠預(yù)緊，折算到電機軸上的附加摩擦力矩。 ①加速度力矩　　　　　由 初設(shè)運動部件從靜止啟動加速到最大快進速度所需的時間。 則 加速度力矩 ②空載摩擦力矩　　　 空載摩擦力矩： 專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書(2-27) 式中：G為運動部件的總重量（N），；為導(dǎo)軌摩擦系數(shù)，；為傳動系統(tǒng)總效率，一般取=0.7~0.85。 則 ③附加摩擦力矩　 附加摩擦力距： 專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書(2-28) 其中：為滾珠絲杠預(yù)加載荷，即預(yù)緊力，一般取的1/3；為滾珠絲杠未預(yù)緊時的傳動效率，一般取。則： 步進電機空載啟動轉(zhuǎn)矩為： 根據(jù)表2-17步進電機啟動轉(zhuǎn)矩與最大靜轉(zhuǎn)矩關(guān)系 步進電機 相數(shù) 三相 四相 五相 六相 拍數(shù) 3 6 4 8 5 10 6 12 0.5 0.866 0.707 0.707 0.809 0.951 0.866 0.866 選取步進電機為三相六拍式，算出步進電機空載啟動時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩 則 8.3總負載轉(zhuǎn)矩的計算 運動部件正常工作，電動機的啟動為帶負載啟動，其總負載轉(zhuǎn)矩可按下式計算： 專業(yè)課課程設(shè)計指導(dǎo)書(2-20) 其中：為作用在工作臺的合力F折算到電機上的轉(zhuǎn)矩。 根據(jù)下式算出運動部件正常運行時所需的最大靜轉(zhuǎn)矩： 按和中的較大者選取步進電機的最大靜轉(zhuǎn)矩，并要求 根據(jù)最大靜轉(zhuǎn)矩和步距角在表2-18 BF反應(yīng)式步進電動機技術(shù)參數(shù)表中初選電動機型號： 電機 型號 步距角 最大靜 轉(zhuǎn)矩 最高空載啟動頻率 運行 頻率 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn) 動慣量 分配方式 質(zhì)量 外形尺寸 外徑 長度 軸徑 90BF001 0.9 3.92 2000 8000 17.64 四相八拍 4.5 90 145 9 8.4啟動矩頻特性校核 步進電機有三種工況：啟動，快速進給運行，工進運行。 8.4.1啟動矩頻特性進行校核 前面進行是對初選電機后檢查電機最大靜轉(zhuǎn)矩是否滿足要求，但是不能保證電機在快速啟動時不丟步。因此，還要對啟動矩頻特性進行校核。 如右圖所以為90BF001步進電機的啟動矩頻特性曲線。 已知空載啟動力矩 找得對應(yīng)的允許啟動頻率，。 由于90BF001步進電機的最高空載啟動頻率為2000，所以，即電機不失步。 8.4.2運行矩頻特性校核 要對快速進給運行和工作進給運行兩種工況分別校核，確?？爝M和工進時均不丟步。如右圖所示為90BF001步進電機運行矩頻特性曲線。 1、快速進給運行矩頻特性校核 步進電機的最高快進運行頻率可按式(2-33) 快速進給時已經(jīng)不存在加速力矩項，并且一般快進時處于空載狀態(tài)，故快進力矩的計算公式只保留了，則快進時，折算到電機軸上的摩擦力矩 從90BF001步進電機運行矩頻特性曲線，根據(jù)可找得，而實際步進電機的最高快進運行頻率，所以，快進時電機不丟步。 8.4.3工進運行矩頻特性校核 工進時步進電機的運行頻率 摩擦力矩 工作負載力矩折算到電機上的力矩 工進時電機運行力矩 根據(jù)工進頻率，查90BF001步進電機運行矩頻特性曲線，得，而電機，所以步進電機在驅(qū)動工作臺時不會失步。 8.4.4驗算慣量匹配 電動機軸上的總當(dāng)量負載轉(zhuǎn)矩慣量與電機軸自身轉(zhuǎn)動慣量的比值應(yīng)該控制在一定的范圍內(nèi)，既不應(yīng)太大，也不應(yīng)太少，即伺服系統(tǒng)的動態(tài)特性主要取決于負載特性，由于工作條件的變化而引起的負載質(zhì)量、剛度、阻尼等的變化，將導(dǎo)致系統(tǒng)動態(tài)特性也隨之產(chǎn)生較大變化，使伺服系統(tǒng)綜合性能變差，或給控制系統(tǒng)設(shè)計造成困難。如果該比值太小，說明電動機選擇或傳動比設(shè)計不太合理，經(jīng)濟性較差。為使該系統(tǒng)慣量達到較合理的匹配，一般應(yīng)將比值控制在之間。 ，由此可見，，符合慣量匹配要求。 8.5步進電機的安裝尺寸 步進電機的安裝比較簡單，不帶機座，用定位止扣進行安裝定位，以保證步進電機安裝的同軸度。小尺寸電機的安裝面上有螺孔供安裝，大尺寸電機的安裝面上有通孔供安裝。 三、控制系統(tǒng)設(shè)計 1、數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 （一）數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成： 1、主控制器。即中央處理單元CPU 2、總線。包括數(shù)據(jù)總線，地址總線，控制總線。 3、存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數(shù)據(jù)存儲器。 4、接口。即I/O輸入輸出接口。 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示： 圖5-1 （二）主控制器ＣＰＵ的選擇 ＭＣＳ－５１系列單片機是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個完整的微機控制系統(tǒng)，并且開發(fā)手段齊全，指令系統(tǒng)功能強大，編程靈活，硬件資料豐富。本次設(shè)計選用８０３１芯片作為主控芯片。 （三）存儲器擴展電路設(shè)計 （1）程序存儲器的擴展 單片機應(yīng)用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型號有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分別為２k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時要考慮ＣＰＵ與ＥＰＲＯＭ時序的匹配。８０３１所能讀取的時間必須大于ＥＰＲＯＭ所要求的讀取時間。此外，還需要考慮最大讀出速度，工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時，盡量選擇大容量芯片，以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素，選擇２７６４芯片作為本次設(shè)計的程序存儲器擴展用芯片。 于8031芯片的口是分時傳送低8位地址線和數(shù)據(jù)線的，故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器，常用的地址鎖存器芯片是742S373。 （2）數(shù)據(jù)存儲器的擴展 由于8031芯片內(nèi)部RAM只有128字節(jié)供用戶使用，遠不能滿足系統(tǒng)需要，因此需要擴展片外的數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。常用的數(shù)據(jù)存儲器有6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，這里我選用6264(8Kx8)。 （3）譯碼電路 由于這里擴展的容量較大，擴展多個外圍芯片。因此，這里使用譯碼法來進行編址。譯碼電路可使用現(xiàn)有的譯碼芯片，這里我們選用3-8譯碼器（74LS138）。這種芯片，輸入端占用3根最高位地址線，剩余的13根低位地址線可作為片內(nèi)地址線，74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應(yīng)8個8K字節(jié)的地址空間。 （4）Ｉ／Ｏ擴展電路設(shè)計 (a).通用可編程接口芯片８１５５ ８０３１單片機共有４個８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用戶使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口線。因此要進行Ｉ／Ｏ口的擴展。８１５５與微機接口較簡單，是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。 （四）步進電機驅(qū)動電路設(shè)計 （1）脈沖分配器 步進電機的控制方式由脈沖分配器實現(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電機的各相繞組，實現(xiàn)電機正反轉(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)計采用集成脈沖分配器YB013。 （2）光電隔離電路 在步進待年紀驅(qū)動電路中，一般在接口電路與功率放大器之間家上光電隔離電路，實現(xiàn)電氣隔離，通常使用光電偶合器作為光電隔離電路。 （3）功率放大器 環(huán)型分配器的輸出脈沖很小，還遠不能滿足步進電機的要求，不許將它放大，以產(chǎn)生足夠大的功率驅(qū)動步進電機正常運轉(zhuǎn)，這里采用的功率放大電路如下圖所示： 圖5-2功率放大器 （五）其它輔助電路設(shè)計 （１）８０３１的時鐘電路 單片機的時鐘可由內(nèi)部方式產(chǎn)生，內(nèi)部方式利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTA，XTA引腳上外接定時元件。如下圖所示 圖5-3時鐘電路 （２）復(fù)位電路 單片機的復(fù)位電路都是靠外部電路實現(xiàn)，在時鐘電路工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引腳上出現(xiàn)10ms 以上高電平，單片機便實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位，以后單片機便從0000Ｈ單元開始執(zhí)行程序 圖5-4復(fù)位電路 2、系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計 進給控制系統(tǒng)原理框圖 （一）系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現(xiàn)各種控制功能。按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個部分： （1）系統(tǒng)管理程序：它是控制系統(tǒng)軟件中實現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令，執(zhí)行命令，從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。 （2）零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設(shè)備輸入零件加工源程序的任務(wù)。 （3）插補程序。根據(jù)零件加工源程序進行插補，分配進給脈沖。 （4）伺服控制程序。根據(jù)插補運算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機的速度，轉(zhuǎn)角以及方向。 （5）診斷程序。包括移動不見移動超界處理，緊急停機處理，系統(tǒng)故障診斷，查錯等功能。 （6）機床的自動加工及手動加工控制程序。 （7）鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作，顯示加工程序、機床工作狀態(tài)、操作命令等信息。 （二）系統(tǒng)控制功能分析 數(shù)控X-Y工作臺的控制功能包括： （1）、系統(tǒng)初始化。如對I/O接口8155，8255A進行必要的初始化工作，預(yù)置接口工作方式控制字。 （2）、工作臺復(fù)位。開機后工作臺應(yīng)該自動復(fù)位，亦可手動復(fù)位。 （3）、輸入和顯示加工程序。 （4）、監(jiān)視按鍵，鍵盤及開關(guān)。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關(guān)，鍵盤掃描等功能。 （5）、工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應(yīng)該立即停止工作臺的運動，并顯示相應(yīng)的指示字符。 （6）、工作臺的自動控制。 （7）、工作臺的手動控制。 （8）、工作臺的聯(lián)動控制。 （三）系統(tǒng)管理程序控制 管理稱許是系統(tǒng)的主程序，開機后即進入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設(shè)計管理程序時，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工作臺的基本操作功能有：輸入加工程序，自動加工，刀位控制，工作臺位置控制，手動操作，緊急停機等。 （四）自動加工程序設(shè)計 （1）機床在自動加工時的動作順序：工作臺移動到位→刀具快速進給→加工→退刀→工作臺運動到下一位置； （2）計算機在加工過程中的操作：讀取刀具軌跡，控制機床完成加工； 附圖一、程序框圖 附圖二、數(shù)控系統(tǒng)框圖 參考文獻 [1]　機械設(shè)計課程設(shè)計　 　李育錫　主編　　　　　　　高等教育出版社　 [2]　畫法幾何與機械制圖（第二版）機械類　近機類　　馮開平　左宗義　主編　　　　　　　　　華南理工大學(xué)出版社 [3] 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