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(xué)院學(xué)生課程設(shè)計（論文）題 目: x52k 銑床數(shù)控改造 學(xué)生姓名： 卿 波 學(xué) 號： 200610601319 所在院(系 )： 機 電 工 程 學(xué) 院 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 2006 級 3 班 指 導(dǎo) 教 師： 周 汝 忠 2009 年 12 月 日攀枝花學(xué)院教務(wù)處制攀枝花學(xué)院課程設(shè)計（論文） 2攀枝花學(xué)院本科學(xué)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(xùn)練目的是本使學(xué)生通過對所學(xué)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(xué)的基礎(chǔ)知識和技能，進(jìn)一步提高學(xué)生的設(shè)計能力，培養(yǎng)學(xué)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(jìn)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(xiàn)[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(jìn)度計劃內(nèi)容 學(xué)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(dǎo)教師（簽字） 日期 2009 年 12 月 1 日教研室意見：年 月 日學(xué)生（簽字）： 接受任務(wù)時間： 年 月 日注：任務(wù)書由指導(dǎo)教師填寫。攀枝花學(xué)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)電動機減速箱的選用 .....................................104.6 步進(jìn)電動機的計算與選型 .....................................104.6.1 計算加在步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)軸上的總轉(zhuǎn)動慣量 Jeq4.6.2 計算加在步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq4.6.3 步進(jìn)電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定4.6.4 步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(xué)院課程設(shè)計（論文） 410.控制軟件設(shè)計……………………… …………………………………..…….1911.致謝……………………………………………………………………….…… 21參考文獻(xiàn)…………………………………………………………………………..21 攀枝花學(xué)院課程設(shè)計（論文） 51.引言：現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學(xué)科的交叉與滲透，導(dǎo)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(jìn)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(dǎo)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(dǎo)軌上運動，完成工作臺在 X、Y 方向的直線移動。導(dǎo)軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均以標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dāng)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(jìn)給最快移動速度： ;maxa30/minzV?11.工作臺進(jìn)給最快移動速度: ;4xff攀枝花學(xué)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(dǎo)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(dāng)量小，定位精度高，因此選用直線滾動導(dǎo)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(yù)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(dāng)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(dá)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(yù)緊后可消除反向間隙。3.1.3 減速裝置的選用選擇了步進(jìn)電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當(dāng)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(dāng)量尚未達(dá)到 0.001mm，定位精度也未達(dá)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(fù)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(jìn)電動機的步距角相匹配?？紤]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(biāo)的導(dǎo)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(xué)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(zhǔn)備用在數(shù)控車床上，其控制系統(tǒng)應(yīng)該具有單坐標(biāo)定位，兩坐標(biāo)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(jìn)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(biāo)。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(jìn)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(jìn) 電 機步 進(jìn) 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(dǎo)軌上移動部件的重量估算按照下導(dǎo)軌上面移動部件的重量來進(jìn)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(dǎo)軌座等,估計重量約為 800N4.2 銑削力的計算攀枝花學(xué)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(jìn)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(jìn)給力 ,總切削力 在縱向進(jìn)給方向上的分力???? ??’（3）橫向進(jìn)給力 ,總切削力 在橫向進(jìn)給方向上的分力???? ??’（4）垂直進(jìn)給力 ，總切削力 在垂直進(jìn)給方向上的分力?????? ??’采用立銑刀進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)軌型號的選取maxF工作載荷是影響直線滾動導(dǎo)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(dǎo)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(dān)，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(dǎo)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(xué)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(dǎo)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(dǎo)軌副的滾道硬度為 60HRC，工作溫度不超過 C，10?每根導(dǎo)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(yuǎn)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(jìn)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(dǎo)軌進(jìn)行計算，取顛覆力矩影響系數(shù) K=1.1，滾動導(dǎo)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(jìn)給速度 v=400mm/min，初選絲杠導(dǎo)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(dǎo)程，選擇濟(jì)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)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(yù)緊時，取軸???Z?向預(yù)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(yù)緊力，且為軸向負(fù)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(dá)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(jìn)電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當(dāng)量的的設(shè)計要求，增大步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(dāng)量 =0.004mm/脈沖，滾珠絲杠的的導(dǎo)程 Ph=5mm， 初選步進(jìn)電?攀枝花學(xué)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(dá)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(jìn)電動機的計算與選型4.6.1 計算加在步進(jìn)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(dǎo)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(jìn)電動機的型號為 90YBG2602,為兩相混合式，由常州寶馬集團(tuán)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(jìn)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(jìn)電動機轉(zhuǎn)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩 Teq 分快速空載和承受最大負(fù)載兩種情況進(jìn)行計算。1) 快速空載起動時電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)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(yù)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(xué)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(jìn)電動機步距角，預(yù)選電動機為 0.75 ；??—脈沖當(dāng)量，本例 =0.004mm/脈沖。??設(shè)步進(jìn)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(dǎo)軌的摩擦因素，滾動導(dǎo)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(fù)載轉(zhuǎn)矩：= + =0.2988N m (6-17) 1eqTmaxf?2) 最大工作負(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)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(fù)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(xué)院課程設(shè)計（論文） 13珠絲杠預(yù)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(fù)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(fù)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(fù)載狀態(tài)下電動機轉(zhuǎn)軸所承受的負(fù)載轉(zhuǎn)矩：= + =1.2986N/m （6-19）2eqtf最后求得在步進(jìn)電動機轉(zhuǎn)軸上的最大等效負(fù)載轉(zhuǎn)矩為： 12max{,}.986eqeqTTNm???4.6.3 步進(jìn)電動機最大靜轉(zhuǎn)矩的選定 考慮到步進(jìn)電動機的驅(qū)動電源受電網(wǎng)電壓影響較大，當(dāng)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(jìn)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(jìn)電動機的最大靜轉(zhuǎn)矩應(yīng)滿足：（6-20）max41.29865.4jeqTNm????初選步進(jìn)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(jìn)電動機的性能校核1)最快工進(jìn)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(jìn)速度=400mm/min，脈沖當(dāng)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(yuǎn)遠(yuǎn)大于最大工作負(fù)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(fù)載轉(zhuǎn)矩 =0.2988N m，滿足要axT? eqT?求。攀枝花學(xué)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(dá) 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(fù)載時的空載起動頻率 。由式24mJkgc?? 10qzfH（4-17）可知步進(jìn)電動機克服慣性負(fù)載的起動頻率為： 194.21/qL zemff HJ???說明：要想保證步進(jìn)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(jìn)給傳動系統(tǒng)選用 90BYG2602 步進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)行電子四細(xì)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(jìn)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(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖進(jìn)給傳動系統(tǒng)示意圖如圖所示。攀枝花學(xué)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(jìn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)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(jìn)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(xué)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)。控制步進(jìn)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(jìn)脈沖個數(shù)，而轉(zhuǎn)速則取決于控制器發(fā)出的步進(jìn)脈沖的頻率。在步進(jìn)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(fù)雜。由于步進(jìn)電動的轉(zhuǎn)速正比于控制脈沖的頻率，所以對步進(jìn)電動機脈沖頻率的調(diào)節(jié)，實質(zhì)上就是對步進(jìn)電動機的速度的調(diào)節(jié)。步進(jìn)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(dāng)步進(jìn)電動機的運行頻率低于它本身的起動頻率時，步進(jìn)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(dāng)步進(jìn)電動機的運行頻率 （為步進(jìn)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(jìn)電動機會失步，甚至?xí)G步，甚至停轉(zhuǎn)；同樣在 頻率下突然停止，步進(jìn)電動機會超程。因此，當(dāng)步進(jìn)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(jìn)電動機從起動頻率開始，逐漸加速升到運行頻率 ，然后進(jìn)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(jìn)電動機運行平穩(wěn)、精確。根據(jù)需要，可編寫出驅(qū)動步進(jìn)電動機的程序。AT89S52 指令與 80C51 指令完全兼容。控制系統(tǒng)原理框圖如圖所示。復(fù) 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(jìn) 電 動 機向 步 進(jìn) 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(xué)院課程設(shè)計（論文） 17控制系統(tǒng)原理框圖8.步進(jìn)電動機的驅(qū)動電源選用設(shè)計中 X、Y 向步進(jìn)電動機均為 90BYG2602 型，生產(chǎn)廠家為常州寶馬集團(tuán)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(jìn)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(jìn)電機選用四相八拍，其脈沖當(dāng)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(dāng)前位置;(4)具有越程指示報警及停止功能(5)采用硬件進(jìn)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(xué)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(jìn)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(fù)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(xué)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(xué)院課程設(shè)計（論文） 2010.控制軟件設(shè)計（一）步進(jìn)電機控制程序ORG 8100HROUTN2: MOV R2, COUNT ;步進(jìn)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(xué)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(xué)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(dǎo)老師，不但細(xì)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(xiàn)[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(dǎo)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