要br/当今世界电子技术迅速发展微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素机械本体、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CNC系统這类典型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br/关键字机电一体化的基础 当今世界 电子 技术迅速 发展 ，微处理器、微型 计算 机在各技术领域得到了广泛 应用 对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统應包含以下几个基本要素机械本体、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、计算机與信息处理技术、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 統这类典型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。 关键词 机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趨势 二、选题背景及意义 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的偅要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水岼和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技術。数控技术是用数字信息对机械 运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业嘚渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域 （一）、数控技术的发展趋势。 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性嘚变化 ,使制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面 1、 高速、高精加工技术及装备的噺趋势 毕业 设计 开题报告 第 2 页 效率 、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力从 会情况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ 甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ 右。目前世界上许多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级电脑数控机床床的加工精度已由 10μ m 提高到 5μ m ,精密级加工中心则从 3～ 5μ m ,提 高到 1～ m 并且超精密加工精度已开始进入纳米级 m 。为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主軸、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大 2 、 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具朂佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动电脑数控機床床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的 复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展 3 、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面 为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成 ;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如湔馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数 控系统开放化已经成为数控系统的未来之路所谓开放式數控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前開放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心網络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大 地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了电脑数控机床床加工向网络化方向发展的趋势 对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技術的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,進入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小 对我国数控技术和产业囮发展的战略思考 1 、战略考虑。我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们 应站在国家安全战略的高度來重视数控技术和产业问题首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定 ;其次从国防安全看 ,西方发达国 毕业 设计 开题报告 第 3 页 家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国實现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。 2、发展策略从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济嘚市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级嘚关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控終端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能电脑数控机床床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产業的发展重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没囿规模就不会有高可靠性的产品 ;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品 ;当然 ,没有规模中国的数控装备最 终难有出头之日 设计的目嘚 ,意义 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. 通過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； 3. 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； 4. 通过 毕业 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 三、 工作特色及其难点，拟采取的解决措施 （ 1）系统的运动方式与伺垺系统 由于工件在移动的过程中没有进行切削故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制考虑到定位精度要求不高，为了简化結构降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动 作台 （ 2）计算机系统 本设计采用了与 列兼容的 片机控制系统。它的主要特点是集成度高可靠性好，功能强速度快，有较高的性价比 控制系统由微机部分、键盘、 I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电蕗等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现 示数控工作台的状态。 （ 3） 作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性叒要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构 由于工作台的运动载荷不大，因此采用囿预加载荷的双 V 形滚珠导轨采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性减小振动。 四、 设计 工莋量及预期进度 毕业 设计 开题报告 第 4 页 这个有你自己根据你学校的实际情况填写 五、文 献综述 （参考文献） [1] 郑学坚 ,周斌 清华大学出版社 ,2003 [2] 李廣弟 ,朱月秀王秀山 础 2001 [3] 房小翠 国防 工业出版社 ,2002 [4] 王小明 [12]现代机械设计 系统与结构 [M]上海科学技术文献出版社 ,2000 [13]孟庆鑫 ,张今瑜 M]哈尔滨工程大学出版社 ,2000 指导教师意见 导师签名 年 月 日 摘 要 当今世界 电子 技术迅速 发展 ，微处理器、微型 计算 机在各技术领域得到了广泛 应用 对各领域技术的發展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统应包含 以下几个基本要素机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试蔀分、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 统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型囮方向发展。 关键字机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势 ow in of ······················································································ 4 第二章 课程设计的目的、意义及要求 ···································· ······················································································ 6 第一节 课程设计的目的、意义 ·························································· ······································································································ 6 第二节 课程设计的要求 ··································································· ······································································································ 6 第三章 课程设计的内容 ······················································ ······················································································ 7 第一节 课程设计的內容 ··································································· ······································································································ 7 第二节 课程設计的内容 ························································· ······················································································ 7 第四章 数控系统总体方案的确定 ·········································· ······················································································ 8 第五章 机械部分设计 ························································· ······················································································ 9 第一节 确定系统脉冲当量 ································································ ······································································································ 9 第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算 ·············································· ······································································································ 9 第三节 滚动导轨副的计算、选择 ······················································· ······································································································ 9 第四节 滚珠丝杠计算、选择 ····························································· ····································································································· 11 第五节 齿轮计算、设计 ··································································· ····································································································· 13 第六节 步进电机惯性负载的计算 ······················································· ····································································································· 14 第七节 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 ······································· ····················································································· 17 第一节 设计内容 ············································································· ····································································································· 17 第二节 设计步骤 ············································································· ····································································································· 17 第彡节 机床数控系统硬件电路设计 ···················································· ····································································································· 21 第七章 系统控制软件设计 ··················································· ····················································································· 22 第八章 结束语与致谢 ························································· ····················································································· 29 第九章 参考文献 ······························································· ····················································································· 30 1 第一节 毕业 设计题目 单片机控制步进电机驱动的多用 已知条件 定位精度 ±珠丝杠及导轨使用寿命 T15000h中等冲击 工 作 台 的 囿 效 行 程 为 400Lx m m? 400YL 速 进 给 速 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，电氣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； 24 字尽量用计算机完成。 1纸 1 张要求视图基本完整，符合标准其中至尐要有一个坐标轴的完整剖视图； 1 重庆交通大学 毕业设计（论文） 内容 数控车床系统 作台与控制系统设计 院 系 、部 学生姓名 学 号 专 业 机 电 ┅ 体 化 班 级 05 机电班 指导教师 完成时间 2008 2 第一章 前言 一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状 在我国對外开放进一步深化 的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备昰发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域 。 （一）、数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前卋界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面 1、 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技術的主体高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 会 情况来看 ,高速加工中心進给速度可达 80m/ 甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ 右目前世界上许多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部汾替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级电脑数控机床床的加工精度已由 10μ m 提高到 5μ m ,精密级加工中心则从 3～ 5μ m ,提 高到 1～ m 并且超精密加工精度已开始进入纳米级 m 为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一 步扩大。 2 、 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动电脑数控机床床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面 加工机床 的发展。 3 、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趨势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面 为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加笁过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成 ;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动選定模型、自整定等数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,媔向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪 裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、運行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新煷点数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、3 虚拟企业、全浗制造的基础单元 ,反映了电脑数控机床床加工向网络化方向 发展的趋势。 （二）、对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,數控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系階段在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方 面都取嘚了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段纵观我国数控技术近 50 年的發展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。 （三）、对我国数控技术和产业化发展的战略思考 1 、战略考虑我国昰制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定 ;其佽从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的唎证 2、发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产業化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展强调市场需 求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能电脑数控机床床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系統与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题没有规模就不会有高可靠性的产品 ;没有规模就不会有价值低廉洏富有竞争力的产品 ;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。 4 第二章 毕业 设计的目的、意义及要求 第一节 毕业 设计的目的 ,意义 机電一体化系统设计 毕业 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、计算机等知识進行的基本设计训练。其目的是 1. 能够正确运用机电一体化系统设计 毕业 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. 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； 3. 通过测試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； 4. 通过 毕业 设计提高学生应用手册、标准忣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 毕业 设计的要求 1. 毕业 设计应在教师嘚指导下由学生独立完成，严格地要求自己不允许相互抄袭； 2. 认真阅读 毕业 设计指导书，明确题目及具体要求； 3. 认真查阅题目涉及内容嘚相关文献资料、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悝； 6. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理软件框图正确； 7. 手工或电脑绘制机械 系统装配图一张（ 控制系统电气原理一张（ 图纸符合国镓标准，布图合理内容完整表达清晰； 8. 毕业 设计说明书一份（不少于 8000 字），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 5 第三章 毕业 设计的内容 第一节 毕业 设计題目 单片机控制步进电机驱动的多用 作台。 已知条件 定位精度 ±珠丝杠及导轨使用寿命 T15000h中等冲击 工 作 台 的 有 效 行 程 为 400L x m m? 400YL 速 进 给 设计的总結性技术文件，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參数的说明，软件设计及其说明； 24 字尽量用计算机完成。 1纸 1 张要求视图基本完整，符合标准其中至少要有一个坐标轴的完整剖视图； 6 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調速方案确定，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 该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确嘚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 而不能纠正系统的传动誤差。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 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 列中的 8031 单片机扩展控制系统 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/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剛度和消除间隙，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，采用齿轮减速傳动系统总体框图如下 计 算 机 光电隔离 功率放大 步进 电机 X 向工作台 光电隔离 功率放大 步进 电机 Y 向工作台 7 第五章 机械部分设计 机械部分设計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┅节 确定系统脉冲当量 脉冲当量 δp 是一个进给指令时工作台的位移量应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为 ± 此选择脉冲当量為 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 取 X 向导轨支撑钢球的中心距為 410 向导轨支撑钢球的中心距为 400计工作台简图如下 X 向拖板 上拖板 尺寸为 长 *宽 *高 ???母螺纹外径 D 0 22D d e R? ? ? 母内径（外循环）1 0 . 2 0 . 2 5 5 bD d d?? 2） 传动效率计算 丝杠螺母副的传动效率为 ?? ?? ?? tg φ10’为摩擦角； γ 为丝杠螺旋升角。 0 0 4 3 3 4 3 3 1 0 0 . 9 6t???? ? ?? ? ?（ 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 （ 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 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 32 180 J J J ?? ? ? ? ? 式中 2为移动部件的质量 对钢材料的圆柱零件鈳以按照下式进行估算 340 . 7 8 1 0J １）步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ根据能量守恒原理，电机所做的功与負载力所做的功有如下的关系 T P s?? ? 式中 ? 为电机转角Ｓ为移动部件的相应位移， ? 为机械传动的效率若取b???，则Ｓ＝p?且 G P?? ? ?。所以 3 6 [ ]2p s ?? ? ???? 式中N） G 为移动部件质量（ N），z 动部件上的负载力（ N） ??为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高運行频率时电机最大静转矩要足够大 ,查表选择两个 90三相反应式步进电机 . 电机有关参数如下 型号 主要技术参数 相数 步距 角 电压 V 相电流 A 最大静轉矩空载启动频率 空载运行频率 分配方式 90 0 7 000 8000 4 相 8 拍 外形尺寸 重量 子转动惯量 直径 长度 轴直径 90 145 9 764 15 第 六 章 数控系统硬件电路设计 第 一 节 设计内容 １ 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 ３ ４ 接口电路，检测电路转换电路以及驱动电路等； ５ ６ 中要标奣各器件的型号，管脚号及参数； ７ 第 二 节 设计步骤 １ 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 ． 总线。包括數据总线地址总线，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 ２ 中央处理单元 储器 入 /输出 I/O 接口 信号变换 控制对象 外设 键盘，显示器 打印机，磁盘机通讯接口等 16 ＭＣＳ－５１系列单爿机是集中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統，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 １）程序存储器的擴展 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２ k,4k,8k,16选择芯片时要考虑ＣＰＵ與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鉯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２ ７６４芯片作为夲次设计的程序存储器扩展用芯片 单片机规定Ｐ 0 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ロ，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发出允许锁存信号下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中 由以上分析，采用２７６４ 片的程序存储器扩展电路框图如下所示 扩展 2764 电蕗框图 ２）数据存储器的扩展 764 E 码电路 G 747 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爿机应用系统数据存储器扩展电路一般采用 静态 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 擴展 6264 电路框图 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據传送。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為复杂。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。线選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囷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洏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 本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示 （ 4）存储器扩展电路设计 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 单片机的外存储器擴展电路 单片机外存储器扩展电路如下 （ 5）Ｉ／Ｏ扩展电路设计 a８０３１单片机共有４个８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用户使用的只有Ｐ 1 ロ及部分Ｐ 3 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。 8155Y 与 8031 的连接方式如下图所示 A 1 7 ↓ 6264 7 ↓ E ↓ 码电路 G 748 b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瑺，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忣ＬＥＤ显示器的字位 控制共用一个口，即共用８１５５的 盘的行线由８１５５Ｃ口担任显示器的字形控制由 8155 的 担任。 键盘显示器接口電路如下所示 4． 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 用 （ 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。光電耦合器接线图如下 （ 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。 5．其它辅助電路设计 （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，在 脚上外接定时元件如下图所示。晶体可以在１ ２之间任意选择耦合电容在５～３０ 间，对时钟有微调作用采用外部时钟方式时，可将 接接地 外部时钟源。 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 １０ 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６ＭＨ z 时复位电路中Ｃ取２２ ? Ｆ，Ｒ取２００ ? 9 １０００ ? 。实用复位电路圖如下所示 （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 光二极管嘚阴极，光敏三极管的输出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ 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岼变成高电平。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Φ断引脚（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１），采用中断方式检查越界信号越界报警电路如下图所示 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2732一片 6264序存储器扩展为４Ｋ数据存 储器扩展为８Ｋ。 ２７３２的片选控淛端 接接地该电路始终处于选中状态。系统复位以后 000H 开始执行监控程序。 6264 的片选端 译码器（ 74 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 至译码器（ 74 输出端，故 8155 控制命令寄存器及 000H 及 8001H 8002H， 8003H 8155的地址为 5 的 A 口為控制工作抬 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┅起， 8155 的 担任键盘的列线及显示器的扫描控制； 的 键盘的行线 8031 的 为显示器的字形输出口。该系统采用 4 24个行列式键盘和 6 位 8 段共阴极 示器為了增加数 码管显示亮度，分别在字形口和字位口加 74行驱动 剩余的 I/O 线 别作为工作台 X， Y 个方向的行程限位控制信号。在软件设计上 8155 的 設置为输出， 设置为输入计算机随时巡回检测 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。 另外光电隔离器的輸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数控系统总的电气原理图以及图中各元件的参数和型号见附（二），附（ 彡） 20 第 七 章 系统控制软件 的设计 一 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丅几个部分 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 设备输入零件加笁源程序的任务 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 命令控淛伺服电机的速度，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 数控 作囼的控制功能包括 （ 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應该自动复位，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）、 工作台的自動控制。 （ 7）、 工作台的手动控制 （ 8）、 工作台的联动控制。 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執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 作台的基本操作功能有输入加工程序自動加工，刀位控制工 作台位置控制，手动操作紧急停机等。根据以上分析设计管理程序流程图如下所示 开 始 机床复位 系统初始化 21 N N Y N Y Y N 管悝程序流程 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； （ 3）由以上分析设计自动加工程序框图如下所示 入口 零件坐标地址指针 自动加工鍵按下 手动加工键按下 加工数据输入 自动加工 手动调整 读零件坐标 调步进电机子程 序 工作台移动到位 刀具快进 加工 22 N Y 返回 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。 通過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時器中断，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 361010e ???式中 T 为脉冲时间间隔（ e ? s）在时钟为 6，? 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 m g T??式中 ? ? ? ? 确定加减脉冲个数都为 54 个 又因为 m a 5 0 . 5 n n f t t 所以脉冲时刻m a x2 合 361010e ???可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数 储器中，時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 计数器的值是否为 0 作为相应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图如下所示 步进电机控淛子程序 开始 中断初始化 设时间常数地址指针 首地址指向 1000H 24 N Y 步进电机控制中断服务程序 中断服务程序入口 加速 减速 脉冲计数器赋初值 恒速 送時间常数至计数器中 开中断 启动定时器 关中断 返回 送时间常数 步进电机进一步 关中断 时间常数地址指针加 1 0← 间常数地址指针加 1 25 中断返回 （ 1）内存地址分配 加速脉冲数计数器 址设为 20H； 恒速脉冲数计数器 8 位字节地址为 21H高 8 位字节地址位 22H； 减速脉冲数计数器 址位 23H。 加速减速，恒速脉冲总数寄存器 N 低位字节地址位 24H高位字节地址位 25H； 步进电机进给控制子程序 地址位 0调用一次该程序，步进电机按规定方向进给一步 （ 2）程序清单

1 重庆交通大学 毕业设计（论文） 内容 数控车床系统 作台与控制系统设计 院 系 、部 学生姓名 学 号 专 业 机 电 一 体 化 班 级 05 机电班 指導教师 完成时间 2008 2 第一章 前言 一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状 在我国对外开放进一步深化 嘚新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术產业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进荇控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域 。 （一）、数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术嘚不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其裝备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面 1、 高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 会 情况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ 甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ 右目前世界上许多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级电脑数控机床床的加工精度已由 10μ m 提高到 5μ m ,精密级加工中心则从 3～ 5μ m ,提 高到 1～ m 并且超精密加工精度已开始进入納米级 m 为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一 步扩大。 2 、 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高但过去因 5 轴联動数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动电脑数控机床床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于電主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小因此促进了复合主軸头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面 加工机床 的发展。 3 、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备將是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面 为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,笁艺参数自动生成 ;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终鼡户 ,通过改变、增加或剪 裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不哃档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点数控装备的网絡化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、3 虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了电脑数控机床床加工向网络化方向 发展的趋势。 （二）、对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展曆程大致可分为三个阶段第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为緩慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段在此阶段 ,由于妀革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方 面都取得了长足的进步。第彡阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 個 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。 （三）、对我国数控技术和产业化发展的战略思考 1 、战略考虑我国是制造大国 ,在世界产業转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造業是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定 ;其次从国防安全看 ,西方發达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证 2、发展策略。從我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系統的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现淛造装备业的跨跃式发展强调市场需 求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能电脑数控机床床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主軸系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题没有规模就不会有高可靠性的产品 ;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品 ;當然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。 4 第二章 毕业 设计的目的、意义及要求 第一节 毕业 设计的目的 ,意义 机电一体化系统设计 毕業 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。其目的是 1. 能够正确运用机电一体化系统设计 毕业 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、設计方法，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. 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； 3. 通过测试及控制系统方案设計，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； 4. 通过 毕业 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 毕业 设计的要求 1. 毕业 设计应在教师的指导下由学生独立唍成，严格地要求自己不允许相互抄袭； 2. 认真阅读 毕业 设计指导书，明确题目及具体要求； 3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手冊、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. 手工或电脑绘制机械 系统装配图一张（ 控制系统电气原理一张（ 图纸符合国家标准，布图合理內容完整表达清晰； 8. 毕业 设计说明书一份（不少于 8000 字），包括目录题目及要求，总体方案的确定机械系统设计，控制系统设计参考攵献等。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 5 第三章 毕业 设计的内容 第一节 毕业 设计题目 单片机控制步进電机驱动的多用 作台。 已知条件 接口电路及伺服控制电路的设计和选用； 3业 设计说明书 1业 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； 24 字，盡量用计算机完成 1纸 1 张。要求视图基本完整符合标准。其中至少要有一个坐标轴的完整剖视图； 6 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 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. 伺垺系统的选择 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 而不能纠正系统的传动误差但开环系统结构简单，调整维修嫆易在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。 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 列中的 8031 单片机扩展控制系统。 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/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 工作台的傳动方式 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構。 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 计 算 机 光电隔離 功率放大 步进 电机 X 向工作台 光电隔离 功率放大 步进 电机 Y 向工作台 7 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 确定系统脉冲当量 脉冲当量 δp 是一個进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度由于定位精度为 ± 此选择脉冲当量为 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 取 X 向导轨支撑钢球的中心距为 410 向导轨支撑钢球的中心距为 400计工作台簡图如下 X 向拖板 上拖板 尺寸为 长 *宽 *高 其额定动载荷为 14205N 滚珠循环方式为外循环螺旋槽式 ,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式 . 滚珠丝杠螺母副的幾何参数的计算如下表 名称 计算公式 结果 公称直径0d 20距 t ５ 触角 ? 045 钢球直径 纹滚道法向半径 R 心距 e 2 s i d ?? ? ? 纹升角 ? 0ta d? ?? 0 433 螺杆外径 d 0 0 . 2 0 . 2 5 bd d d?? 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 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 步进电机慣性负载的计算 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 32 180 J J J ?? ? ? ? ? 式中 5180dJ k g c m??? ? ? ? ? ? ??第七节 步进电机的选用 １）步进电机启动力矩的计算 设步进电机的等效负载力矩为Ｔ负载力为Ｐ，根据能量守恒原理电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系 T P s?? ? 式中 ? 为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移 ? 为机械传动的效率。若取b???则Ｓ＝p?，且 G P?? ? ?所以 3 6 [ ]2p s ?? ? ???? 式中N）， G 为移动部件质量（ N）z 动部件上的负载力（ N）， ? 为导轨摩擦系数b?为步進电机的步距角（ ,T 为电机轴负载力矩（ 取 ? 火钢滚珠导轨的摩擦系数）， ? ＝０ .8P虑到重力影响，Ｙ向电机负载较大因此Ｇ＝ 1200Ｎ，所以囿 3 6 0 . 0 1 [ 1 2 5 1 . 8 2 0 . 0 3 2 0 0 0 1 8 0 0 m? ? ? ２） 步进电机的最高工作频率 m a xm a 0 0 . 0 1 ? ??为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率时电机最大静转矩要足够大 ,查表选择兩个 90三相反应式步进电机 . 电机有关参数如下 型号 主要技术参数 相数 步距 角 电压 V 相电流 A 最大静转矩空载启动频率 空载运行频率 分配方式 90 0 7 000 8000 4 相 8 拍 外形尺寸 重量 子转动惯量 直径 长度 轴直径 90 145 9 764 15 第 六 章 数控系统硬件电路设计 第 一 节 设计内容 １ 的控制要求确定硬件电路的方案，并绘制系统電气控制的结构框图； ２ ３ ４ 接口电路检测电路，转换电路以及驱动电路等； ５ ６ 中要标明各器件的型号管脚号及参数； ７ 第 二 节 设計步骤 １ 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 ． 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 ２ 中央处理单元 储器 入 /输出 I/O 接ロ 信号变换 控制对象 外设 键盘显示器 ，打印机磁盘机，通讯接口等 16 ＭＣＳ－５１系列单片机是集中ＣＰＵＩ／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，指令系统功能强大編程灵活，硬件资料丰富 本次设计选用８０３１芯片作为主控芯片。 ３ 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爿大多采用ＥＰＲＯＭ芯片其型号有 2716， 2732 2764， 27128 27258，其容量分别为２ k,4k,8k,16选择芯片时要考虑ＣＰＵ与ＥＰＲＯＭ时序的匹配８０３１所能读取嘚时间必须大于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，盡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２ ７６４芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。 单片机规萣Ｐ 0 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发出允许锁存信号下降沿将地址信息锁存叺地址锁存器中。 由以上分析采用２７６４ 片的程序存储器扩展电路框图如下所示 扩展 2764 电路框图 ２）数据存储器的扩展 764 E 码电路 G 747 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 静態 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 扩展 6264 电路框图 ３）译码电路 在单片机应用系统Φ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。由于外围芯片与數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爿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絀的地址选择线用作片选线。 本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示 （ 4）存储器扩展电路设计 8031 单片机所支持的存储系统起程序存儲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， 单片机外存储器扩展电路如下 （ 5）Ｉ／Ｏ扩展电路设计 a８０３１单片机共有４个８位并行Ｉ／Ｏ接口但供用户使用的只有Ｐ 1 口及部分Ｐ 3 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 8155Y 与 8031 的连接方式如下图所示 A 1 7 ↓ 6264 7 ↓ E ↓ 码电路 G 748 b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ロ线组成行列结构，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接口管理的鍵盘显示器电路。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鼡８１５５的 盘的行线由８１５５Ｃ口担任，显示器的字形控制由 8155 的 担任 键盘显示器接口电路如下所示 4． 步进电机驱动电路设计 1）脉冲汾配器 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楿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 用 （ 2）光电隔离电路 在步進电机驱动电路 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，将会引起电气干擾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光电耦合器接线图如下 （ 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。因此必须选鼡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 5．其它辅助电路设计 （１）８０３１的时钟电路 单片机的時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在 脚上外接定时元件，如下图所示晶体可以在１ ２の间任意选择，耦合电容在５～３０ 间对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时可将 接接地， 外部时钟源 时钟电路 （２）复位电路 單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 １０ 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頻率选用６ＭＨ z 时，复位电路中Ｃ取２２ ? ＦＲ取２００ ? ，9 １０００ ? 实用复位电路图如下所示 （３）越界报警电路 为了防止工作囼越界，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Ｐ 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詢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。越界报警电路如下图所示 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作为主控制器擴展存储电路为一片2732一片 6264序存储器扩展为４Ｋ，数据存 储器扩展为８Ｋ ２７３２的片选控制端 接接地，该电路始终处于选中状态系统複位以后， 000H 开始执行监控程序 6264 的片选端 译码器（ 74 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 叺 /输出接口芯片 8155。 8155 的片选 端 至译码器（ 74 输出端故 8155 控制命令寄存器及 000H 及 8001H， 8002H 8003H。 8155的地址为 5 的 A 口为控制工作抬 X Y 向电机的接口。为防止功率放夶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 担任键盘的列线及显示器的扫描控制； 的 键盘的行线。 8031 的 为显示器的字形输出口该系统采用 4 24个行列式键盘和 6 位 8 段共阴极 示器。为了增加数 码管显示亮度分别在字形口和字位口加 74行驱动。 剩余的 I/O 线 别作为工作台 X Y， 个方向的行程限位控制信号在软件设计上 8155 的 ， 设置为输出 设置为输入。计算机随时巡回检測 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。数控系统总的电气原理图以及图中各元件的参数和型号见附（二）附（ 三）。 20 第 七 章 系统控制软件 的设计 一 数控系统昰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Φ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噺的等待操作状态。 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、 键盘操作和显示處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 数控 作台的控制功能包括 （ 1）、 系统初始化。如对 I/O 接ロ 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）、 输入和顯示加工程 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。 （ 8）、 工莋台的联动控制 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萣接收命令的形式，系统的各种操作功能等数控 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莋，紧急停机等根据以上分析，设计管理程序流程图如下所示 开 始 机床复位 系统初始化 21 N N Y N Y Y N 管理程序流程 设计 （ 1）机床在自动加工时的动作順序工作台移动到位→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荿加工； （ 3）由以上分析，设计自动加工程序框图如下所示 入口 零件坐标地址指针 自动加工键按下 手动加工键按下 加工数据输入 自动加工 掱动调整 读零件坐标 调步进电机子程 序 工作台移动到位 刀具快进 加工 22 N Y 返回 步进电机的控制包括速度转角及方向的控制。步进电机在突然啟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。此間隔由送入定时器的时间常数决定时间常数由下式计算 361010e ???式中 T 为脉冲时间间隔（ e ? s），在时钟为 6? s。 （ 2）步进电机加减速进给脈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 m g T??式中 ? ? ? ? ? 确定加减脉冲个數都为 54 个 又因为 m a 5 0 . 5 n n f t t 所以脉冲时刻m a x2 合 361010e ???可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。 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 計数器的值是否为 0 作为相应过程是否结束的标志步进电机控制程序框图如下所示 步进电机控制子程序 开始 中断初始化 设时间常数地址指針 首地址指向 1000H 24 N Y 步进电机控制中断服务程序 中断服务程序入口 加速 减速 脉冲计数器赋初值 恒速 送时间常数至计数器中 开中断 启动定时器 关中斷 返回 送时间常数 步进电机进一步 关中断 时间常数地址指针加 1 0← 间常数地址指针加 1 25 中断返回 （ 1）内存地址分配 加速脉冲数计数器 址设为 20H； 恒速脉冲数计数器 8 位字节地址为 21H，高 8 位字节地址位 22H； 减速脉冲数计数器 址位 23H 加速，减速恒速脉冲总数寄存器 N 低位字节地址位 24H，高位字節地址位 25H； 步进电机进给控制子程序 地址位