数控车床系统XY工作台与控制系统设计

1数控车床XY轴工作台和控制系统设计目录摘要1前言2一、毕业设计的目的、意义4二、毕业设计的内容4（一）毕业设计题目单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。4三、数控系统总体方案的确定4（一）系统运动方式的确定4（二）伺服系统的选择4（三）计算机系统的选择5（四）XY工作台的传动方式5四、机械部分设计5（一）确定系统脉冲当量5（二）工作台外形尺寸及重量初步估算6（三）滚动导轨副的计算、选择7（四）滚珠丝杠计算、选择8（五）齿轮计算、设计11（六）步进电机惯性负载的计算12（七）步进电机的选用13五、数控系统硬件电路设计15（一）数控系统的硬件电路由以下几部分组成15（二）主控制器的选择15（三）存储器扩展电路设计15（四）步进电机驱动电路设计16（五）其它辅助电路设计17六、系统控制软件的设计18（一）系统控制软件的主要内容18（二）系统控制功能分析18（三）系统管理程序控制19（四）自动加工程序设计19结束语20参考资料21摘要我设计的是车床XY轴工作台和控制系统，采用单片机控制步进电动机驱动工作台。首先确定设计的总体方案，然后对车床的机械部分进行设计，其中包括工作台、滚动导轨、滚珠丝杠、步进电动机的设计和选用，最后对数控系统硬件和软件设计。新一代的CNC系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、微型化方向发展。2关键词数控车床XY工作台控制系统前言一、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3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IT、汽车、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新趋势25轴联动加工和复合加工机床快速发展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（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,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。（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,保障社会的稳定其次从国防安全看,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”就是最好的例证。42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、高速高精高性能数控机床、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。5一、毕业设计的目的、意义机电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、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是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；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；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；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。6二、毕业设计的内容（一）毕业设计题目单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。已知条件定位精度001MM，滚珠丝杠及导轨使用寿命T15000H，中等冲击工作台的有效行程为40LXM40YLM快速进给速度MAX20/INVMAX20/INYV和工作载荷2ZFN7三、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。（一）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。（二）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开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。（三）计算机系统的选择采用MCS51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS51单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/O接口及光电隔离电路、步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。（四）XY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。为提高传动刚度和消除间隙，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。8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。系统总体框图如下图31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9四、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。（一）确定系统脉冲当量脉冲当量P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001MM因此选择脉冲当量为001MM。（二）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WX和WY。取X向导轨支撑钢球的中心距为410MM,Y向导轨支撑钢球的中心距为400MM,设计工作台简图如下图41工作台简图10X向拖板上拖板尺寸为长宽高42041050重量按重量体积材料比重估算为XW32420150781658NY向拖板下拖板尺寸为4重量32上导轨含电机重量为23904820578104879N夹具及工件重量约155NXY工作台运动部分总重量为4879652718520W（三）滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷FZ和估算的WX和WY计算导轨的静安全系数FSLC0/P，式中C0为导轨的基本静额定载荷，KN；工作载荷P05FZW；FSL1030一般运行状况，3050（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨因系统受中等冲击,因此取40SLF,05OSLXYZCFPFWXYYOXSL2067158379N26FP41394C根据计算额定静载荷初选导轨选择汉机江机床厂HJGD系列滚动直线导轨,其型号为HJGD25基本参数如下表41额定载荷/N静态力矩/NM滑座重量导轨重量导轨长度动载荷AC静载荷OATBCTGK/GMLMM11175002600019819828806031760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数MSLN4064导轨的额定动载荷1750ACN依据使用速度V（M/MIN）和初选导轨的基本动额定载荷ACKN验算导轨的工作寿命LN额定行程长度寿命HTCAWFFSFTK（41）2045MF1,81,OTWCHRDFFFFK33108175025420958HTCAWFFSFKM导轨的额定工作时间寿命3102SOTHLN42331024958104971506SOTLNHTH导轨的工作寿命足够（四）滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质CRWMN钢，HRC5860，导程L05MM强度计算丝杠轴向力,MAXYXZYXWFFKFN43其中K115，滚动导轨摩擦系数F00030005；在车床车削外圆时FX0106FZ，FY01507FZ，可取FX05FZ，FY06FZ计算。取F0004,40ZF则12MAXXF05201614675810462ZYNN寿命值610NTL，其中丝杠转速0MAXLVNR/MIN44MAX06524/I103THVNRLL最大动载荷FFLQWH式中FW为载荷系数，中等冲击时为1215；FH为硬度系数，HRC58时为10。查表得中等冲击时12,HFF则360456870954XYNQ根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为CM系列滚珠丝杆副，其型号为CM20055。其基本参数如下13图42其额定动载荷为14205NYQ足够用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几何参数的计算如下表表42名称计算公式结果公称直径0D20MM螺距TMM接触角045钢球直径BD3175MM螺纹滚道法向半径R052BD1651MM偏心距ESINE004489MM14螺纹升角0TARCGD043螺杆外径D25B19365MM螺杆内径110ER16788MM螺杆接触直径2D2COSBD17755MM螺母螺纹外径D0E23212MM螺母内径（外循环）125BD207MM传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为TG45式中10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。0431096GGTTT稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为ESFLL01CM46Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算60622215615802415/340FNLCMECMSRL丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为0641105622102LLUME级精度丝杠允15许的螺距误差15M/M。（五）齿轮计算、设计因步进电机步距角15OB滚珠丝杠螺距T5MM,要实现脉冲当量01/PMSTEP,在传动系统中应加一对齿轮降速传动齿轮传动比PLI360，步进电机步距角15/STEP。47128215360ZILP取小齿轮齿数14则大齿轮齿数250Z大小齿轮材料均为45钢由于软齿面齿轮工艺简单、生产率高，故选择软齿面齿轮。因传递的扭距较小,取模数M1MM则分度圆直径124DMZ2150DMZ齿顶圆直径16A250Z齿根圆直径12425FDMM217FZ齿宽14DB取B230中心距20505AM分度圆压力角大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮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161、2薄齿轮,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图43（六）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221013180PQBZJJJM48式中QJ为折算到电机轴上的惯性负载；J为步进电机轴的转动惯量；1J为齿轮的转动惯量；2为齿轮的转动惯量；3J为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算340781JDL49式中D为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有1734221234223078256710034JKGCM电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有22222401647101653741007933458DJKGCM（七）步进电机的选用）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，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TPS式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取B，则P，且SZGP。所以362PSZBT410式中SP为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），ZP为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，B为步进电机的步距角（RAD）,T为电机轴负载力矩（NCM）。取03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），8，SPH27923。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此1200，所以有3601258032018031458652TNCM考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩18035QT411取系数为，则652163204QNCM对于工作方式为三相拍的步进电机MAX163208608836QTJNC）步进电机的最高工作频率AXMAX1167600PVF为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率MAXF,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机电机有关参数如下表43主要技术参数型号相数步距角电压V相电流A最大静转矩MAXJTNM空载启动频率空载运行频率分配方式90BF001409807392200080004相8拍外形尺寸MM外直径长度轴直径重量KG转子转动惯量KGM90145945176419五、数控系统硬件电路设计（一）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CPU2、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详细DWG图纸三二1爸爸五四0六20全套资料低价拾元起图51（二）主控制器的选择系列单片机是集中，端口及部分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，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用芯片作为主控芯片。（三）存储器扩展电路设计（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片大多采用芯片。其型号有2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为K,4K,8K,16K32K。在选择芯片时要考虑与时序的匹配。所能读取的时间必须大于所要求的读取时间。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，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，选择芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。21于8031芯片的OP口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是742S373。（2）数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有61162KX8，62648KX8等，这里我选用62648KX8。（3）译码电路由于这里扩展的容量较大，扩展多个外围芯片。因此，这里使用译码法来进行编址。译码电路可使用现有的译码芯片，这里我们选用38译码器（74LS138）。这种芯片，输入端占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。（4）扩展电路设计A通用可编程接口芯片单片机共有个位并行接口，但供用户使用的只有1口及部分3口线。因此要进行口的扩展。与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。（四）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YB013。（2）光电隔离电路在步进待年纪驱动电路中，一般在接口电路与功率放大器之间家上光电隔离电路，实现电气隔离，通常使用光电偶合器作为光电隔离电路。（3）功率放大器环型分配器的输出脉冲很小，还远不能满足步进电机的要求，不许将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，这里采用的功率放大电路如下图所示22图52功率放大器（五）其它辅助电路设计（）的时钟电路单片机的时钟可由内部方式产生，内部方式利用芯片内部的振荡电路，在XTA1L，XTA2L引脚上外接定时元件。如下图所示图53时钟电路（）复位电路单片机的复位电路都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在引脚上出现10MS以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000单元开始执行程序23图54复位电路24六、系统控制软件的设计（一）系统控制软件的主要内容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下几个部分（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。（5）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