3269 普通銑床x52k的數(shù)字控制改造,普通,銑床,x52k,數(shù)字控制,改造 攀枝花學院學生課程設(shè)計（論文）題 目: x52k 銑床數(shù)控改造 學生姓名： 卿 波 學 號： 200610601319 所在院(系 )： 機 電 工 程 學 院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 2006 級 3 班 指 導 教 師： 周 汝 忠 2009 年 12 月 日攀枝花學院教務(wù)處制攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 2攀枝花學院本科學生課程設(shè)計任務(wù)書題　目 普通銑床 x52k 的數(shù)字控制改造1、課程設(shè)計的目的專業(yè)課程綜合訓練目的是本使學生通過對所學主要專業(yè)課的綜合應(yīng)用，基本掌握一般機電控制系統(tǒng)的設(shè)計方法及步驟。綜合運用所學的基礎(chǔ)知識和技能，進一步提高學生的設(shè)計能力，培養(yǎng)學生創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力，提高控制系統(tǒng)分析設(shè)計的總體意識和工程實踐能力。2、課程設(shè)計的內(nèi)容和要求（包括原始數(shù)據(jù)、技術(shù)要求、工作要求等）設(shè)計內(nèi)容要求：對普通銑床進行數(shù)控改造，使之成為半自動化加工車床。設(shè)計內(nèi)容包括：（1）總體方案設(shè)計；（2）機械傳動改造方案設(shè)計；（3）控制系統(tǒng)硬件設(shè)計；（4）控制系統(tǒng)軟件設(shè)計。最后將上述內(nèi)容整理成設(shè)計說明書及圖紙。設(shè)計結(jié)束后提交:1．4000 字左右的課程設(shè)計論文;2.有機械設(shè)計的完成設(shè)計分析計算 3.CNC 系統(tǒng)硬件原理圖及說明。4.CNC 軟件框圖及其說明。3、主要參考文獻[1]、張建民等 ， 《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》 ，北京：高等教育出版社，2002 年[2]、趙先仲， 《機電系統(tǒng)設(shè)計》 ，北京：機械工業(yè)出版社，2004 年[3]、吳圣莊， 《金屬切削機床概論》 ，北京：機械工業(yè)出版社，1993[4]、楊有君， 《數(shù)控技術(shù)》 ，北京：機械工業(yè)出版社，20054、課程設(shè)計工作進度計劃內(nèi)容 學時總體方案設(shè)計 8機械傳動方案的分析與計算 48CNC 系統(tǒng)硬件設(shè)計 16CNC 系統(tǒng)軟件設(shè)計 8系統(tǒng)性能驗算 4繪制所需的各類圖及編制技術(shù)文件 20合計 3 周指導教師（簽字） 日期 2009 年 12 月 1 日教研室意見：年 月 日學生（簽字）： 接受任務(wù)時間： 年 月 日注：任務(wù)書由指導教師填寫。攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 3目錄1.引言： ............................................................52.設(shè)計任務(wù) ..........................................................53.總體方案的確定 ....................................................63.1.1 導軌副的選用3.1.2 絲杠螺母副的選用3.1.3 減速裝置的選用3.1.4 伺服電動機的選用3.1.5 檢測裝置的選用3.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計 ..............................................63.3 繪制總體方案圖 ..............................................74.機械傳動部件的計算與選型 ..........................................74.1 導軌上移動部件的重量估算 ....................................74.2 銑削力的計算 ................................................74.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向） ..........................84.3.1 塊承受工作載荷 的計算及導軌型號的選取maxF4.3.2 距離額定壽命 L 的計算4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型 .................................94.4.1 最大工作載荷 Fm 的計算4.4.2 最大動工作載荷 FQ 的計算4.4.3 初選型號4.4.4 傳動效率 η 的計算4.4.5 剛度的驗算4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核4.5 步進電動機減速箱的選用 .....................................104.6 步進電動機的計算與選型 .....................................104.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jeq4.6.2 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 Teq4.6.3 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定4.6.4 步進電動機的性能校核5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用 ...........................................146. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖 ..........................................147．工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計 ............................................148．步進電動機的驅(qū)動電源選用 ........................................169.選擇 AT89S52 單片機的控制系統(tǒng)計…………………………………………….17攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 410.控制軟件設(shè)計……………………… …………………………………..…….1911.致謝……………………………………………………………………….…… 21參考文獻…………………………………………………………………………..21 攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 51.引言：現(xiàn)代科學技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，導致了工程領(lǐng)域的技術(shù)革命與改造。在機械工程領(lǐng)域，由于微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展及其向機械工業(yè)的滲透所形成的機電一體化，使機械工業(yè)的技術(shù)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品機構(gòu)、功能與構(gòu)成、生產(chǎn)方式及管理體系發(fā)生了巨大變化，使工業(yè)生產(chǎn)由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。X-Y 數(shù)控工作臺是許多機電一體化設(shè)備的基本部件，如數(shù)控車床的縱—橫向進刀機構(gòu)、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的 X-Y 工作臺、激光加工設(shè)備的工作臺、電子元件表面貼裝設(shè)備等。模塊化的 X-Y 數(shù)控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構(gòu)成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅(qū)動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在 X、Y 方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標準化，由專門廠家生產(chǎn)，設(shè)計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。2.設(shè)計任務(wù)題目：數(shù)控 X-Y 工作臺設(shè)計任務(wù)：設(shè)計一種供應(yīng)式數(shù)控銑床使用的 X-Y 數(shù)控工作臺，主要參數(shù)如下：1. 立銑刀最大直徑的 d=15mm；2. 立銑刀齒數(shù) Z=3;3. 最大銑削寬度 =15mm;ea4. 最大背吃刀量 =5mm;p5. 每齒進給量 fz=0.4mm6. 加工材料為碳素鋼活有色金屬。7. X、Y 方向的脈沖當量 =0.004mm;xy??8. X、Z 方向的定位精度均為 mm;01.?9. 加工范圍為 200×150㎜;10.工作臺空載進給最快移動速度： ;maxa30/minzV?11.工作臺進給最快移動速度: ;4xff攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 63.總體方案的確定3.1 機械傳動部件的選擇3.1.1 導軌副的選用腰設(shè)計數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結(jié)構(gòu)緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。3.1.2 絲杠螺母副的選用伺服電動機的旋轉(zhuǎn)運動需要通過絲杠螺母副轉(zhuǎn)換成直線運動，需要滿足 0.004mm 沖當量和 mm 的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，01.?滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應(yīng)快、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。3.1.3 減速裝置的選用選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，降低運動部件折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)動慣量，可能需要減速裝置，且應(yīng)有消間隙機構(gòu)，選用無間隙齒輪傳動減速箱。3.1.4 伺服電動機的選用任務(wù)書規(guī)定的脈沖當量尚未達到 0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有因此 3000mm/min，故本設(shè)計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機。以降低成本，提高性價比。3.1.5 檢測裝置的選用選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務(wù)書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進電動機的步距角相匹配。考慮到 X、Y 兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設(shè)計工作量，X、Y 兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 73.2 控制系統(tǒng)的設(shè)計1）設(shè)計的 X-Z 工作臺準備用在數(shù)控車床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標定位，兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統(tǒng)設(shè)計成連續(xù)控制型。2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用 MCS-51 系列的 8 位單片機 AT89S52 作為控制系統(tǒng)的 CPU，能夠滿足任務(wù)書給定的相關(guān)指標。3）要設(shè)計一臺完整的控制系統(tǒng)，在選擇 CPU 之后，還要擴展程序存儲器，鍵盤與顯示電路，I/O 接口電路，D/A 轉(zhuǎn)換電路，串行接口電路等。4）選擇合適的驅(qū)動電源，與步進電動機配套使用。3.3 繪制總體方案圖總體方案圖如圖所示。人 機 接 口 機 電 接 口 步 進 電 機步 進 電 機 Y方 向 傳 動 機 構(gòu)X方 向 傳 動 機 構(gòu)型機 驅(qū)動電路微總體方案圖4.機械傳動部件的計算與選型4.1 導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲杠副、導軌座等,估計重量約為 800N4.2 銑削力的計算攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 8設(shè)零件的加工方式為立式銑削，采用硬質(zhì)合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則由表3-7 查得立銑時的銑削力計算公式為：(6-11)0.8570.31.cezp1afdanZF??今選擇銑刀的直徑為 d=15mm，齒數(shù) Z=3,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為 ，背吃刀量 =5mm ，每齒進給量 ，銑刀轉(zhuǎn)速emp zf0.4m?。則由式（6-11）求的最大銑削力：n30r/i=0.850.750.731.0.13c14N2586F??????（1）主切削力 ，總切削力 F 在銑刀主運動方向上的分力，即沿銑刀外圓切線方向????上的分力，是主要消耗功率的力（2）進給力 ,總切削力 在縱向進給方向上的分力???? ??’（3）橫向進給力 ,總切削力 在橫向進給方向上的分力???? ??’（4）垂直進給力 ，總切削力 在垂直進給方向上的分力?????? ??’采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表查得，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為： , ，fcF1.2845N??ecF0.389N??。圖 3-4a 為臥銑情況，現(xiàn)考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力fncF0.2567N??，受到水平方向的銑削力分別為 和 。今將水平方向較大的銑削力分配ze983ffn給工作臺的縱向，則縱向銑削力 ，徑向銑削力為xf yfnF647?4.3 直線滾動導軌副的計算與選型（縱向）4.3.1 塊承受工作載荷 的計算及導軌型號的選取maxF工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。本例中的 X-Y 工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：(6-12)maxGF4??其中，移動部件重量Ｇ＝800N，外加載荷 ，代入式（6-12） ，得最大工zF=983N?作載荷 =1183N=1.183kN。maxF查表根據(jù)工作載荷 =1.183kN，初選直線滾動導軌副的型號為 KL 系列的 JSA-LG15maxF型，其額定動載荷 ，額定靜載荷 。C7.94kN?0aC.5k攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 9任務(wù)書規(guī)定加工范圍為 200×150㎜，考慮工作行程應(yīng)留有一定余量，查表選取導軌的長度為 520mm。4.3.2 距離額定壽命 L 的計算上述所取的 KL 系列 JSA-LG15 系列導軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過 C，10?每根導軌上配有兩只滑塊，精度為 4 級，工作速度較低，載荷不大。分別取硬度系數(shù)f =1.0，溫度系數(shù) f =1.00，接觸系數(shù) f =0.81，精度系數(shù) f =0.9，載荷系數(shù)HTcRf =1.5，代入式（3-33） ，得距離壽命：wL= KmFCfawrcth 5620)(3mx???遠大于期望值 50Km，故距離額定壽命滿足要求。4.4 滾珠絲杠螺母副的計算與選型4.4.1 最大工作載荷 Fm 的計算如前所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）Fx=2845N,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直）Fy=647N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=983N.已知移動部件總重量 G=800N，按矩形導軌進行計算，取顛覆力矩影響系數(shù) K=1.1，滾動導軌上的摩擦系數(shù) =0.005。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：?Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=[1.1 2845+0.005 (983+647+800)]N 3142N??4.4.2 最大動工作載荷 FQ 的計算設(shè)工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度 v=400mm/min，初選絲杠導程 Ph=5mm,則此時絲杠轉(zhuǎn)速 n=v/Ph=80r/min。取滾珠絲杠的使用壽命 T=15000h,代入 L0=60Nt/106,得絲杠壽命系數(shù) L0=72（單位為：106r） 。查表，取載荷系數(shù) fw=1.2,滾道硬度為 60HRC 時，取硬度系數(shù) fH=1.0,代入式（3-23） ，求得最大動載荷：FQ= NfLmHw156830?4.4.3 初選型號根據(jù)計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產(chǎn)的 G 系列 4006-3 型滾珠絲杠副，為內(nèi)循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為40mm，導程為 5mm，循環(huán)滾珠為 3 圈*1 系列，精度等級取 5 級，額定動載荷為 15960N，攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 10大于 FQ，滿足要求。4.4.4 傳動效率 η 的計算將公稱直徑 d0=40mm,導程 Ph=5mm,代入 λ=arctan[P h/(∏d 0)]，得絲杠螺旋升角λ=2°53′。將摩擦角 ψ=10′，代入 η=tanλ/tan(λ+ψ),得傳動效率 η=97%。4.4.5 剛度的驗算(1)X-Y 工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲杠的兩端各采用-對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為 a=500mm；鋼的彈性模量 E=2.1х10 5Mpa;查表得滾珠直徑 Dw=3.969mm，絲杠底徑 d2=35.2mm,絲杠截面積 S=/4=972.65m 。2d?2m忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷 Fm 作用下產(chǎn)生的拉/壓變形量mm=0.00769mm.。51/()[3140/(.1972.6)]mFaES????(2) 根據(jù)公式 ，求得單圈滾珠數(shù) Z=30；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈)WZd??數(shù) 列數(shù)為 3 1，代入公式 Z 圈數(shù) 列數(shù)，得滾珠總數(shù)量 =90。絲杠預緊時，取軸???Z?向預緊力 /3=1047N。則由式（3-27） ，求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量YJmmm。20.7??因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的 1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.00136mm。2(3) 將以上算出的 和 代入 ，求得絲杠總變形量（對應(yīng)跨度 500mm）1?212???總=0.00905mm=9.05?總 m?本例中，絲杠的有效行程為 330mm，由表知，5 級精度滾珠絲杠有效行程在315~400mm 時，行程偏差允許達到 25 ，可見絲杠剛度足夠。?4.4.6 壓桿穩(wěn)定性校核根據(jù)公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷 FK。取支承系數(shù) =1；由絲杠底徑 d2=35.2mmkf求得截面慣性矩 75321.73 ；壓桿穩(wěn)定安全系數(shù) K 取 3（絲杠臥式水平安42/6Id???4m裝） ；滾動螺母至軸向固定處的距離 a 取最大值 500mm。代入式（3-28） ，得臨界載荷FK=10397N，故絲杠不會失穩(wěn)。綜上所述，初選的滾珠絲杠副滿足使用要求。4.5 步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的的設(shè)計要求，增大步進電動機的輸出轉(zhuǎn)矩，同時也為了使?jié)L珠絲杠和工作臺的轉(zhuǎn)動慣量折算到電動機軸上盡可能的小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪機減速，采用一級減速，步進電動機的輸出軸與齒輪相連，滾珠絲杠的軸頭與大齒輪相連。其中大齒輪設(shè)計成雙片結(jié)構(gòu)。已知工作臺的脈沖當量 =0.004mm/脈沖，滾珠絲杠的的導程 Ph=5mm， 初選步進電?攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 11動機的步距角 =0.75°。根據(jù)式（3-12） ，算得減速比：?=（0.75 5）/（360 0.004）=25/10()/360hiP???本設(shè)計選用常州市新月電機有限公司生產(chǎn)的 JBF-3 型齒輪減速箱。大小齒輪模數(shù)均為 1mm，齒數(shù)比為 50：20，材料為 45 調(diào)質(zhì)鋼，齒表面淬硬后達到 55HRC。減速箱中心距為[（50+20） 1/2]mm=35mm,小齒輪厚度為 20mm，雙片大齒輪厚度均為 10mm。?4.6 步進電動機的計算與選型4.6.1 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jeq 已知：滾珠絲杠的公稱直徑 d0=40mm，總長 l=500mm，導程 Ph=5mm，材料密度=7.85 10-5kg/ ;移動部件總重力 G=800N；小齒輪齒寬 b1=20mm.，直徑 d1=30mm，大??2cm小齒輪齒寬 b2=20mm，直徑 d2=75mm；傳動比 i=25/10。如表 4-1 所示，算得各個零部件的轉(zhuǎn)動慣量如下：2SLRJ???2ZRJ???b滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動慣量 Js=0.617kg·cm2;拖板折算到絲杠上的轉(zhuǎn)動慣量Jw=0.517kg·cm2;小齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 Jz1=0.125 kg·cm2；大齒輪的轉(zhuǎn)動慣量 Jz2=4.877 kg·cm2。初選步進電動機的型號為 90YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產(chǎn)，二相八拍驅(qū)動時的步距角為 0.75°，從表查得該型號的電動機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量 Jm=4 kg·cm2。則加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量為：=5.087 kg·cm2212()/eqmZWSJJi???4.6.2 計算加在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負載轉(zhuǎn)矩 Teq 分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算。1) 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 由式（4-8）可知， 包括三部分;1eqT1eqT一部分是快速空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大加速轉(zhuǎn)矩 ；一部分是移動部件max運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機f轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據(jù)式（4-12）可知， 相0T 0對于 和 很小，可以忽略不計。則有：maxTf= + （6-13）1eqmaxfT根據(jù)式（4-9） ，考慮傳動鏈的總效率 ，計算空載起動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上最大加?速轉(zhuǎn)矩：攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 12=maxT(6-14)2160eqmaJnt???其中： =1562.5r/min max360vn???(6-15)式中 —空載最快移動速度，任務(wù)書指定為 3000mm/min；maxV—步進電動機步距角，預選電動機為 0.75 ；??—脈沖當量，本例 =0.004mm/脈沖。??設(shè)步進電機由靜止加速至 所需時間 ，傳動鏈總效率 。則由式（6-mn0.4ats?0.7??14）求得：=maxT425.871562.09760Nm?????由式（4-10）知，移動部件運動時，折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩為：= (6-16)fT().5(8)0.5.1822.7/zhFGPi??????????式中 ——導軌的摩擦因素，滾動導軌取 0.005?——垂直方向的銑削力，空載時取 0zF——傳動鏈效率，取 0.7最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩：= + =0.2988N m (6-17) 1eqTmaxf?2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩 2eqT由式（4-13）可知， 包括三部分：一部分是折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載2eq轉(zhuǎn)矩 ；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩 ；還有一部分是滾tT f 90BYG2602 電動機的運行矩頻特性曲線攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 13珠絲杠預緊后折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的附加摩擦轉(zhuǎn)矩 ， 相對于 和 很小，可以忽略0TfTt不計。則有： = + （6-18）2eqTtf其中折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的最大工作負載轉(zhuǎn)矩 由公式（4-14）計算。有：t28450.1.2947/fhtFPTNmi??????再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載 情況下，移動部件運動(983)zF?時折算到電動機轉(zhuǎn)軸上的摩擦轉(zhuǎn)矩： ()0.5(9830).50.4622.7/1zhfFGPT Nmi???????????最后由式（6-18） ，求得最大工作負載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負載轉(zhuǎn)矩：= + =1.2986N/m （6-19）2eqtf最后求得在步進電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負載轉(zhuǎn)矩為： 12max{,}.986eqeqTTNm???4.6.3 步進電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉(zhuǎn)矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉(zhuǎn)。因此，根據(jù) 來選擇步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩eq時，需要考慮安全系數(shù)。取 K=4, 則步進電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：（6-20）max41.29865.4jeqTNm????初選步進電動機的型號為 90BYG2602，查得該型號電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩 =6N m。axjT?可見，滿足要求。4.6.4 步進電動機的性能校核1)最快工進速度時電動機的輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快工進速度=400mm/min，脈沖當量 /脈沖，由式（4-16）求出電動機對應(yīng)的運行頻maxfV0.4m??率 。從 90BYG2602 電動機的運行矩頻特性曲線圖可以看[40/(6.)]167zH???出在此頻率下，電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 5.6N m，遠遠大于最大工作負載轉(zhuǎn)矩axfT?=1.2986N m，滿足要求。2eqT?2）最快空載移動時電動機輸出轉(zhuǎn)矩校核 任務(wù)書給定工作臺最快空載移動速度=3000mm/min，求出其對應(yīng)運行頻率 。在此頻率下，maxv max[30/(6.04)]125f HZ???電動機的輸出轉(zhuǎn)矩 =1.7N m，大于快速空載起動時的負載轉(zhuǎn)矩 =0.2988N m，滿足要axT? eqT?求。攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 143）最快空載移動時電動機運行頻率校核 與快速空載移動速度 =3000mm/min 對應(yīng)的maxv電動機運行頻率為 。查表知 90BYG2602 電動機的空載運行頻率可達 20000max1250fHZ?，可見沒有超出上限。zH4）起動頻率的計算 已知電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 ，電動機轉(zhuǎn)子的25.087eqJkgc??轉(zhuǎn)動慣量 ，電動機轉(zhuǎn)軸不帶任何負載時的空載起動頻率 。由式24mJkgc?? 10qzfH（4-17）可知步進電動機克服慣性負載的起動頻率為： 194.21/qL zemff HJ???說明：要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有 100 。194.2zH zH綜上所述，本次設(shè)計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用 90BYG2602 步進電動機，完全滿足設(shè)計要求。5.增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的選用本設(shè)計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可在電動機的尾部轉(zhuǎn)軸上安裝增量式旋轉(zhuǎn)編碼器，用以檢測電動機的轉(zhuǎn)角與轉(zhuǎn)速。增量式旋轉(zhuǎn)編碼器的分辨力應(yīng)與步進電動機的步距角 ，可知電動機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出 個步進脈沖。0.75?? 360/48??考慮到增量式旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的 A、B 相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨力可選 120 線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉(zhuǎn)過一個步距角，編碼器對應(yīng)輸出一個脈沖信號。此次設(shè)計選用的編碼器型號為：ZLK-A-120-05VO-10-H 盤狀空心型，孔徑 10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出 120 個 A/B 脈沖，信號為電壓輸出。6. 繪制進給傳動系統(tǒng)示意圖進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖所示。攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 15伺 服 電 動 機 主 動齒 輪從 動齒 輪 滾 珠 絲 杠工 作 臺進給傳動系統(tǒng)示意圖7．工作臺控制系統(tǒng)的設(shè)計根據(jù)任務(wù)書的要求，設(shè)計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：（1） 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制 LED 顯示（2） 接受操作面板的開關(guān)與按鈕信息；（3） 接受車床限位開關(guān)信號；（4） 接受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；（5） 控制 X，Z 向步進電動機的驅(qū)動器；（6） 控制主軸的正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)與停止；（7） 控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速；（8） 控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速；（9） 控制切削液泵啟動/停止；（10）控制電動卡盤的夾緊與松開；（11）控制電動刀架的自動選刀；（12）與 PC 機的串行通信。X-Y 數(shù)控工作臺的控制系統(tǒng)設(shè)計，控制系統(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設(shè)計專用的微機控制系統(tǒng)。本設(shè)計 CPU 選用 ATMEL 公司的 8 位單片機AT89S52，由于 AT89S52 本身資源有限，所以擴展了一片 EPROM 芯片 W27C512 用做程序存儲器，存放系統(tǒng)底層程序；擴展了一片 SRAM 芯片 6264 用做數(shù)據(jù)存儲器，存放用戶程序；由于數(shù)控工作臺還需要加入銑刀運動控制和程序輸入等指令，所以除設(shè)置了 X﹑Y 方向的控制指令鍵，操作開停鍵，急停鍵和復位鍵等外還采用 8279 來管理擴展多種按鍵。8279是一種通用的可編程鍵盤顯示器接口芯片，它能完成鍵盤輸入和顯示控制兩種功能。鍵盤部分提供掃描工作方式，可與 64 個按鍵的矩陣鍵盤進行連接，能對鍵盤實行不間斷的自動掃描，自動消除抖動，自動識別按鍵并給出鍵值。顯示部分包括一組數(shù)碼顯示管和攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 16七只發(fā)光二極管。與 PC 機的串行通信經(jīng)過 MAX233，可以采用 PC 機將編好的程序送入本系統(tǒng)?？刂撇竭M電動機的轉(zhuǎn)動需要三個要素：方向﹑轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)速。對于含有硬件環(huán)形分配器的驅(qū)動電源，方向取決于控制器送出的方向電頻的高低，轉(zhuǎn)角取決于控制送出的步進脈沖個數(shù)，而轉(zhuǎn)速則取決于控制器發(fā)出的步進脈沖的頻率。在步進電動的控制中，方向和轉(zhuǎn)角控制簡單，而轉(zhuǎn)速控制則比較復雜。由于步進電動的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以對步進電動機脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實質(zhì)上就是對步進電動機的速度的調(diào)節(jié)。步進電動機的調(diào)頻的軟件延時和硬件定時。采用軟件延時法實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)，程序簡單，不占用其他硬件資源；缺點是控制電動機轉(zhuǎn)動的過程中，CPU 不能做其他事。硬件定時要占用一個定時器。本設(shè)計沒有從硬件上布置，由于單片機功能強大，采用軟件延時。當步進電動機的運行頻率低于它本身的起動頻率時，步進電動機可以用運行頻率直接起動，并以該頻率連續(xù)運行；需要停止的時候，可以從運行頻率直接降到零，無需升降頻控制。當步進電動機的運行頻率 （為步進電動機有載起動時的起動頻率）時，若直接用 起動，由于頻率太高，步進電動機會失步，甚至會丟步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在 頻率下突然停止，步進電動機會超程。因此，當步進電動機在運行頻率 下工作時，就需要采用升降頻控制，以使步進電動機從起動頻率開始，逐漸加速升到運行頻率 ，然后進入勻速運行，停止前的降頻可以看作是升頻的逆過程。雖然本設(shè)計采用了半閉環(huán)控制，加入了增量式編碼器作為反饋信號，但是在編程過程中仍需設(shè)計升降頻的部分，以使步進電動機運行平穩(wěn)、精確。根據(jù)需要，可編寫出驅(qū)動步進電動機的程序。AT89S52 指令與 80C51 指令完全兼容?？刂葡到y(tǒng)原理框圖如圖所示。復 位 電 路晶 振 電 路 螺 紋 光 柵 信 號操 作 面 板 開 關(guān) /按 鈕 信 號隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大隔 離 放 大 向 步 進 電 動 機向 步 進 電 動 機刀 架 電 動 機卡 盤 電 動 機主 軸 電 動 機切 削 電 動 機方 刀 架 位 信 號限 位 開 關(guān) 信 號交 流 變 頻 器 主 軸 電 動 機 單 片 機 并 行接 口芯 片825轉(zhuǎn) 換芯 片 03芯 片芯 片 624鍵 盤 與 顯 示 接 口芯 片 879串 行 口 芯片 3攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 17控制系統(tǒng)原理框圖8.步進電動機的驅(qū)動電源選用設(shè)計中 X、Y 向步進電動機均為 90BYG2602 型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團公司。選擇與之匹配的驅(qū)動電源為 BD28Nb 型，輸入電壓為 1000VAC，相電流為 4A，分配方式為二相八拍。該驅(qū)動電源與控制器的接線方式如圖所示。9 選擇 AT89S52 單片機的控制系統(tǒng)設(shè)計x-y 工作臺的工作原理比較簡單，x,y 向均采用步進電機并通過齒輪減速器和絲杠傳動副帶動工作臺沿 x 和 y 向運動，與車床 x 軸，z 軸和銑床的 x軸，y 軸與 z 軸的傳動原理相同。如對 x-y 工作臺的控制要求先作如下規(guī)定：（1）步進電機選用四相八拍，其脈沖當量為 0.004mm/step;(2)能用鍵盤輸入命令，控制工作臺的 x 向，y向運動及實現(xiàn)其他功能，其運動范圍均為 0-200mm（3）能實時顯示工作臺的當前位置;(4)具有越程指示報警及停止功能(5)采用硬件進行環(huán)形分配，字符發(fā)生及鍵盤掃描均由軟件實現(xiàn)。單片機控制系統(tǒng)的硬件構(gòu)成：現(xiàn)選用 AT89S521 單片機芯作為主芯片。它有， ， ， 四個 8 位口， 口可以驅(qū)動 8 個 TTL 門電路，16 根地址總??0 ??1 ??2 ??3 ??0線由它地址鎖存器（74LS373）提供低 8 位 ～ ，而高 8 位 ～ 由 口??0 ??7 ??8 ??15??2直接提供。數(shù)據(jù)總線由 口直接提供?？刂瓶偩€由 口的第二功能狀態(tài)和 4??0 ??3根獨立的控制線 RESET，EA，ALE，PSEN 組成。僅剩 口可供控制外設(shè)。因??1BD28Nb 型驅(qū)動電源接線圖攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 18此不能滿足上述要求，又由于 AT89S52 芯片無 ROM，且只有 128 字節(jié)的 RAM，是不夠用的，故也需要進行擴展?，F(xiàn)采用 8155 和 2764，6264 芯片作為 I/O口和存儲器擴展芯片。顯示器采用 LED 數(shù)碼顯示，從控制要求不看，需要 5位數(shù)碼顯示，其中整數(shù)部分 3 位，小數(shù)部分 2 位。其他輔助電路有復位電路，時鐘電路，越位報警指示電路。延時可利用 8155 的定時器/計數(shù)器的引腳TMRIN 和 TMROUT綜上所述繪制單片機（AT89S52）控制系統(tǒng)工作原理圖如下所示：攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 19單片機控制系統(tǒng)工作原理圖攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 2010.控制軟件設(shè)計（一）步進電機控制程序ORG 8100HROUTN2: MOV R2, COUNT ;步進電機步數(shù)LOOP0: MOV R3, #00H MOV DPTR , #POINT ;送控制模型指針JNB 00H,LOOP2 ；反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn) LOOP2LOOP1： MOV A,R3 ;取控制模型MOVC A ,@A+DPTR JZ LOOP0MOV P1,AACALL DELAY ;延時INC R3DJNZ R2,LOOP1 ;步數(shù)未走完，繼續(xù)RETLOOP2: MOV A, R3 ;ADD A,#07H MOV R3,AAJMP LOOP1（二）鍵盤程序 MOV DPTR,#7FFFH ;指向 8279 控制口MOV A ,#00H ;鍵盤設(shè)置為編碼掃描，雙鍵鎖定方式MOVX @DPTR, A ;輸出控制字MOV A ,#2FH ;置分頻數(shù)為 15MOVX @DPTR , A ;輸出控制字KO: MOV 30H,#1LCALL LSLJMP KEYK1: MOV 30H,#6LCALL LSLJMP KEYK2: MOV A , #0EHMOV DPTR , ##17FFH ;指向 8355 C 口，輸出 X 向電機正轉(zhuǎn)代碼MOVX @DPTR ,ALJMP KEYK3: MOV 30H,#2LCALL LSLJMP KEYK4: MOV 30H,#7攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 21LCALL LSLJMP KEYK5: MOV A , #0DHMOV DPTR , ##17FFH ;指向 8355 C 口，輸出 X 向電機反轉(zhuǎn)代碼MOVX @DPTR ,ALJMP KEYK6: MOV 30H,#3LCALL LSLJMP KEYK7: MOV 30H,#8LCALL LSLJMP KEYK8: 回零位K9: MOV 30H,#4LCALL LSLJMP KEYK10: MOV 30H,#9LCALL LSLJMP KEYK11: MOV A , #0BHMOV DPTR , ##17FFH ;指向 8255 C 口，輸出 Y 向電機正轉(zhuǎn)代碼MOVX @DPTR ,ALJMP KEYK12: MOV 30H,#5LCALL LSLJMP KEYK13: MOV 30H,#0LCALL LSLJMP KEYK14: MOV A , #07HMOV DPTR , ##17FFH ;指向 8355 C 口，輸出 Y 向電機反轉(zhuǎn)代碼MOVX @DPTR ,ALJMP KEY（三）顯示程序LS ：MOV DPTR,#7FFFH ;指向 8279 控制口MOV A ,#08H ;16 位顯示，左入口MOVX @DPTR, A ;輸出控制字MOV A ,#2FH ;置分頻數(shù)為 15MOV A ,#90H MOVX @DPTR , A ;輸出控制字MOV R0 ,#30H MOV R2 ,#10HMOV DPTR,#6FFFH ;指向 8279 數(shù)據(jù)口AGAIN：MOV A ，@R0 ;從片內(nèi) RAM 中取出段選碼攀枝花學院課程設(shè)計（論文） 22MOVX @ DPTR,AINC R0 DJNZ R2 ,AGAIN ;16 位未完，繼續(xù)11.致謝經(jīng)過三周的課程設(shè)計，我不但加深了對課本知識的了解，更加強了對手能力，本次課程設(shè)計題目是對銑床的數(shù)控改造，這是一項非常有意義的課題，實現(xiàn)對銑床的數(shù)控改造可以大大提高生產(chǎn)效率，降低成本。非常感謝本次課程設(shè)計的指導老師，不但細仔地講解各種改造方案，而且給我們提供了很大的幫助和很好的建議。參考文獻[1]、張建民等 ， 《機電一體化系統(tǒng)設(shè)計》 ，北京：高等教育出版社，2002 年[2]、趙先仲， 《機電系統(tǒng)設(shè)計》 ，北京：機械工業(yè)出版社，2004 年[3]、吳圣莊， 《金屬切削機床概論》 ，北京：機械工業(yè)出版社，1993[4]、楊有君， 《數(shù)控技術(shù)》 ，北京：機械工業(yè)出版社，2005[5]. 機電一體化系統(tǒng)課程設(shè)計指導書 尹志強等編著 北京:機械工業(yè)出版社[6]. 機電一體化系統(tǒng)設(shè)計 曾勵主編 北京:高等教育出版社