数控xy工作台与控制系统设计

JIANGXIAGRICULTURALUNIVERSITY本科毕业论文（设计）题目数控XY工作台与控制系统设计摘要数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床。能够适应市场对产品多样化、高精度和快速响应的加工要求，因此得到了广泛的应用。数控机床正朝着高性能、高智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。作为一个较完善的机电一体化系统，数控车床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、控制系统及信息处理部分。XY数控工作台采用开环控制系统，结构简单、实行方便并且能够保证一定的精度，设计主要对工作台的机械部分进行设计，包括滚珠丝杆、滚动导轨、轴承等传动元件及步进电动机的计算及选用，最后对控制系统进行了分析和完成各电子元件的选用，并且利用CAD进行了装配图的绘制，各机械元件的设计及各零件的安装也做了比较详细的说明。关键词数控车床机械部分传动元件控制系统ABSTRACTXYTABLEOFTHECNCMACHINETOOLANDCONTROLSYSTEMDESIGNTHECNCLATHEISAHIGHPRECISIONHIGHEFFICIENCYAUTOMATICMACHINECANABLETOADAPTTOTHEMARKETWHATPRODUCTDIVERSIFICATIONTHEPROCESSINGREQUIREMENTSOFHIGHACCURACYANDFASTRESPONSEHASBEENWIDELYUSEDCNCLATHEISMOVINGHIGHPERFORMANCEHIGHINTELLIGENCEORGANIZATIONANDLIGHTWEIGHTMINIATURIZEDDIRECTIONASAMORECOMPLETEMECHATRONICSYSTEMS,CNCLATHESSHOULDCONTAINTHEFOLLOWINGBASICELEMENTSMECHANICALBODYPARTOFTHEMOTIVATIONANDDRIVEEXECUTINGAGENCYTHESENSORTESTSECTIONTHECONTROLSYSTEMANDINFORMATIONPROCESSINGSECTIONXYCNCTABLEUSINGOPENLOOPCONTROLSYSTEMHASSIMPLESTRUCTURECONVENIENTTOIMPLEMENTANDBEABLETOGUARANTEEACERTAINACCURACYTHISDESIGNISMAINLYDESIGNEDFORTHEMECHANICALPARTOFTHEWORKBENCHINCLUDINGBALLSCREWROLLINGGUIDEBEARINGSSTEPPERMOTORANDOTHERTRANSMISSIONELEMENTSCALCULATIONANDSELECTIONFINALLY,THEANALYSISTOCONTROLSYSTEMANDCOMPLETESELECTIONOFELECTRONICCOMPONENTSINTHESAMETIMEUSESOFTWARECADDRAWINGOFTHEASSEMBLYDRAWINGTHEDESIGNOFMECHANICALCOMPONENTSANDPARTSINSTALLEDAMOREDETAILEDEXPLANATIONKEYWORDSCNCLATHESMECHANICALPARTDRIVINGELEMENTCONTROLSYSTEM摘要21绪论111课题来源及意义112发展现状与发展趋势213论文结构及主要研究内容42数控系统方案确定521总体方案步骤确定522设计系统方案的确定623XY工作台各项参数的初步确定724控制系统的选择73机械部分设计931设计主要思路932工作台外形尺寸及重量估算933滚动导轨参数计算与选型11331导轨的选用和计算11332额定行程长度和工作时间寿命1234滚珠丝杠计算、选择12341确定当量载荷13342丝杠载荷计算和选用13343传动效率计算16344丝杠刚度验算1635支承座的参数1636齿轮计算、设计17361齿轮参数确定17362齿轮传动消隙1837步进电机的选用18371步进电机启动力矩的计算18372步进电机惯性负载的计算204机床数控系统设计2141硬件电路设计21411确定硬件电路的总体方案21412主控制器和存储器扩展21413步进电机驱动电路设计23414硬件电路设计思路2442系统控制软件设计25421系统控制功能分析25422步进电机控制程序25423系统加工程序285结束语与致谢306参考文献311绪论我国现今工业发展的迅速程度和环境，发展我国机电数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力已非常重要。机电一体化这新兴学科有其技术基础、设计理论和研究方法，只有对其充分理解，才能正确的进行这方面的工作，机电一体化的目的重在多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源、不断满足人们生活和生产的多样化需求。所以机电一体化的研究方法应该是从系统的角度出发，采用现代化设计分析方法，充分发挥边缘科学技术的优势。11课题来源及意义1）数控机床XY工作台设计依据数控机床是用数控指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它广泛应用于机械制造和自动化领域，数控机床的应用不但给传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控机床的不断发展和应用领域的扩大，所以XY数控工作台设计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。目前国内中小企业多采用经济型XY数控冲床系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制和开发一套基于双单片机的XY数控冲床数控系统，用于装配新冲床或对经济型数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很大的实际意义,工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。总而言之，目前，XY数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、复合化、智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化以成为数控机床发展的趋势和方向。中国作为一个制作大国，主要还是依靠劳动力、价格、资源等方面的优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力缩短与发达国家之间的差距。力争早日实现XY数控机床产品从低端到高端、从初级产品到高精尖端产品制作的变更。2）课题的意义通过对该课题的设计能够正确运用机电系统的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统的功能构成，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。掌握典型机械零部件和执行元件的计算、工作原理和软件编程思想。当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在20世纪80年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入WTO后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。12发展现状与发展趋势从20世纪60年代以前称为初期阶段，这个时期研制和开发还处于自发状态，电子技术还没有发展到一定水平，信息技术还处于萌芽阶段，因此机电技术还没广泛深入的发展。70年代至80年代为蓬勃发展阶段，这一时期，计算机技术、控制技术、通讯技术的发展，微机电一体化的发展奠定了技术基础。到了20世纪90年代后期，机电一体化技术向智能化自动化迈进了新的阶段，机电一体化进入了深入发展的阶段。并出现了虚拟制造（VM）、敏捷制造（AM）快速成型制造（RPM）、并行工程（CE）等新技术。随着科学技术的发展，机电一体化已从原来的以机械为主的领域拓展到目前的汽车、电站、仪表、化工、通信、冶金等多项领域。机电一体化产业覆盖面非常广，而我们的人力物力财力和技术都是有限的，因此我们在机电一体化产业发展时不能做到面面俱到，但应分清主次大胆取舍，在机电产业做到可持续发展壮大。我国机械制造装备中较多的采用了数控机床、机器人、柔性制造单元和系统高等技术的集成，来满足产品个性化和多样化的要求，以满足社会个消费群体的不同要求。目前机械技术已经发展到广泛采用微型计算机的阶段，今后也将不断出现“具有神经系统的机械”或“智能化的机械”。并且机电一体化技术贯穿于工程系统设计之中，从简单的单参数显示，到复杂的多参数、舵机控制，从简单的零件自动加工生产线，到各种现代机械设备的自动化生产等，机电一体化技术已应用到不同层次、覆盖面很广的应用领域。数控机床综合运用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果具有高柔性、高精度与高自动化的特点，因此它提高了机械制造的制造水平，解决了制造中的常规加工技术难以解决甚至无法解决的浮渣幸免零件加工，为社会提供了高质量、多品种及高可靠的机械产品取得了巨大的经济效益，目前，数控技术已逐步晋级，数控车床在工业生产中得到了广泛的应用，已成为机械自动化的一个重要发展方向。机电一体化是集机械、电子、光学、控制理论、计算机技术和信息技术等多学科交叉融合的产物，大力推进制造业信息化、网络化和绿色环保化，大幅度提高产品档次、技术含量和附加值，是机电一体化发展的重点方向。随着制造业生产模式的演变，对机械制造装备提出了不同的要求，使现代化数控系统装备的发展呈如下趋势1）向高效、高速、高精度方向发展效率、质量是先进制造技术的主体，高速和高精度加工时制造技术永无止境的追求。告诉。高精度加工技术可是数控系统能够进行高速插补、高实时运算，在高速运行中保持较高的定位精度，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尺长竞争能力。2）多功能复合化、柔性自动化的产品成为发展的主流从近几届国内外举办的国际机床展览上展出的装备情况来看，新颖的高技术含量的展品逐年增加。国际上多功能复合加工机床的发展不再以简单的零件加工为主，而是以结构复杂、形状各异的箱体类零件加工或更为复杂的零件加工为发展趋势。展出的机床类型很多、有最新的复合加工机床、五轴加工机床、纳米加工机床、新型并联加工机床等。展示出世界制造装备的精华，展示了世界制造技术发展的最新动向。3）智能制造技术和智能化装备方向发展通过借助于现代的工具和方法，通过集成传统制造技术。计算机与自动化科学、信息技术和人工智能等发展了一种新型的制造技术与系统，他将人工智能应用与机械制造装备中，使机器智能化。及其职能化石智能之灾的主要研究内容之一，他是智能制造系统的物理基础，包括智能加工机床、工具和材料传送、监测和试验装备等，要求具有加工任务和加工环境的广泛适应性，能够在环境和自身的不确定变化中自主实现最佳行为策略。数控系统智能化是面向世纪的先进制造模式，当前智能机床是在数控机床和加工中心的基础上实现的，它与普通自动化机床的主要区别在于除了具有数控加工功能外，还具有感知、推理、决策、控制、通信、学习等智能功能。目前国外研究机构在产品结构越来越发杂，产品精度要求越来越高等情况下，提高加工设备的智能型、可靠性和加工精度是提高企业竞争力的主要途径。现代数控系统今后的发展将是以创新、提升、优化为主要模式，未来的中国制造业已不能仅仅满足与“制造”，而是要进一步发展成为“智造”，即用知识、技术、头脑去创新、去创造。13论文结构及主要研究内容本文以基于对数控XY工作台为主要的研究对象，对数控车床的机械系统与部件、控制系统、车床数控系统软硬件等设计问题进行研究，具体内容如下第1章介绍项目的来源、目的和意义,数控车床的研究现状和发展趋势。以及本论文的结构和主要研究内容。第2章对数控系统总体方案的确定，针对所研究方案的功能提出大概方向。第3章机械部分的设计包括对XY工作台的尺寸，运动特点，传动机构的设计和选用，导向支撑机构的设计和执行机构的设计等第4章控制系统硬件的设计和控制系统软件的设计第5章论文总结第6章参考文献2数控系统方案确定XY工作台广泛应用于测量、激光焊接、激光切割、涂胶、插件、射线扫描、机械手、搬运、数控机床等领域。设计系统的内容数控机床XY工作台与控制系统是采用数字化信号，通过可编程的自动控制工作方式，实现对设备运行及其加工过程产生的位置、角度、速度、力等信号进行控制的新型自动化机床。数控机床的计算机信息处理及控制的内容主要包括基本的数控数据输入输出、直线和圆弧插补运算、刀具补偿、间隙补偿、螺距误差补偿和位置伺服控制等。21总体方案步骤确定由于该设计主要考虑XY工作台和控制系统的设计，总体方案设计包括1运动功能设计包括确定机床所需运动的个数、形式、功能及排列顺序。2基本参数设计包括数控系统工作参数、尺寸参数、运动参数和动力参数设计等。3传动系统设计包括传动方式、传动原理图及传动系统图设计。4控制系统设计包括控制方式及控制原理、控制系统图设计。设计主要内容该设计旨在单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台确定，通过总体方案步骤的确定得出主要设计内容如下1机械部分的设计1确定脉冲当量，工作台有效行程，进给速度工作载荷等；2机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；3传动元件及导向元件的设计，计算和选用；4伺服电机计算、选用；5绘制机械结构装配图；2数控系统的设计1确定数控系统装置方案（组成框图、功能、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。2电气控制系统设计（CPU、存储器、I/O接口电路及伺服驱动电路）3系统控制软件的设计。22设计系统方案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。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。X轴伺服驱动系统数控程序轨迹指令工作指令插补装置指令输出装置Y轴伺服驱动系统X轴步进信号Y轴步进信号工作指令信号23XY工作台各项参数的初步确定1）工作台主要参数该工作台可安装在钻、铣床上用于钻孔或铣削加工，铣刀直径，铣削最大深度5MM，由公式，确定齿数为5，工M6PADDAT4COS612作台最大加工移动速度取1000MM/MIN，工作载荷FZ1000N，预期工作寿命T20000H，定位精度001MM，摩擦系数F001，系统脉冲当量为001MM。设计工作台加工范围为270180MM2,厚度为40MM，工作台的材料为45号刚，其密度为78G/CM,取G10N/KG，导轨的材料选15轴承钢，密度是72G/CM。GCR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。24控制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。开环伺服系统框图如下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3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、计算与选用，绘制机械部分装配图等。31设计主要思路XY工作台中X、Y方向的移动,可采用螺旋机械或齿轮齿条传动机构,这两种均可把旋转运动变为直线运动。因为此机构以传递运动为主,要求有较高的传动精度,又要求结构紧凑,所以选用螺旋机构。但常用的螺旋机构中丝杠和螺母之间的相对运动是滑动,磨损较严重,影响传动精度,寿命短,效率低,不能满足高速度、高效率和高精度等传动要求。为了使运动灵敏又能满足精度要求,选用滚珠螺旋机构。滚珠螺旋传动是在螺杆和螺母间放人适当数量的滚珠,使螺杆和螺母之间的摩擦由滑动摩擦变为滚动摩擦的一种传动装置。现采用了间隙可调的滚珠丝杠传动。为使传动稳定可靠,采用丝杠转动,螺母带着工作台作移动的传动形式。螺母带着工作台在底座的导轨上移动,因为运动部件重量不大,切削力也不大,行程较小,所以确定采用有预加载荷双V形滚珠导轨。数控XY工作台主要是对滚珠丝杠、滚珠导轨、步进电机的选择,使其满足数控XY工作台传动系统高速度、高效率、高精度的要求。32工作台外形尺寸及重量估算根据设计工作台的有效行程，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160MM,Y向导轨支撑钢球的中心距为220MM,考虑夹具夹紧弓箭的需要，设计工作台简图如下工作台台面尺寸为长宽高M40230上拖板尺寸为长宽高M35初设上导轨长度动导轨长度240MM，动导轨行程270MM，支承导轨长度510MM下导轨动导轨长度240MM，动导轨行程200MM，支承导轨长度440MM重量估算台面重量W1187N2310874023托板重量W2283N5X方向导轨滑块重量G145N3210725Y方向动导轨滑块重量G120N040夹具及工件总重量约160N电机重量约为15N/个X工作台运动部分重XGXY工作台运动部分总重量约为187283452016015710NXY工作台简图33滚动导轨参数计算与选型滚动直线导轨的主要设计参数有导轨的尺寸参数计算、额定载荷的计算、额定行程长度寿命和额定工作时间寿命。331导轨的选用和计算额定静载荷根据给定的工作载荷和估算的WX和WY计算导轨的静安全系数ZFFSLC0/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系统受中等冲击,可取40SLF,05OSLXYZCFPFW05（1000187）594NXZX05（1000283）642NYZYP45942376NXSLOXFC46422568NYY根据计算额定动载荷确定滚动导轨的型号及结构尺寸，选择导轨LG15KL，可知其C载荷C远小于所选导轨额定动载荷。A额定载荷（KN）额定静力矩（NM导轨长度LMM）单向行程长度LS（MM每分钟往复次数（次/分钟）动载荷静载荷MAMBMC4063156871457070112LG15KL型滚动直线导轨参数各型号滚动直线导轨参数332额定行程长度和工作时间寿命根据设计好的方案来验证导轨的工作寿命（小时），要求寿命不低于20000H；HT计算导轨行程长度寿命（KM，当滑座运动速度低于15M/MIN时，若温度在ST以下，导轨硬度为60HRC时，无明显冲击和振动由下式可得C10SF1000/4250N3256FCAS245650KM3087ST852950HT20000HNLSSH21由于导轨和导轨副均为标准件，可在型号产品中得到具体参数，所以在设计中对导轨的描述用代号确定，后面的设计过程其他的传动元件同理，在CAD画图中只表示其大致结构。34滚珠丝杠计算、选择341确定当量载荷由于该设计只对丝杠的移动速度有要求，对转速没有要求。故初选丝杠导程为PH5MM，则丝杠转速/PH200R/MIN。估测系统走刀抗力约为320NMAXNV该系统速度没有变化，其当量载荷即为其最大载荷，取其摩擦系数F001。X方向载荷325NXFMXFGP4136701432Y方向载荷330NYFYF342丝杠载荷计算和选用丝杠轴向力N,MAXYXZYXWFFKF其中K115，滚动导轨摩擦系数F00030005；取F0004，FX0106FZ，FY01507FZ，可取FX05FZ，FY06FZ计算。则NFZX50105ZY66580N374MAXX698N10015YF寿命值，其中丝杠转速R/MIN，T20000H6NTL0MAXLVNN200R/MIN0MAXLV51L240620最大动载荷FFLQWH3式中为载荷系数，取冲击效果为中等，由表WF载荷性质无冲击（很平稳）轻微冲击伴有冲击或振动WF1121215152载荷性质系数WF可知中等冲击时为1215；为硬度系数，HRC58时为10。HF取冲击时15，F1则WF5405N58012403XQ6480N69Y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。其基本参数形状如下其额定动载荷为14498N足够用YQ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ESINE004489MM螺纹升角0TARCGD043螺杆外径D025BDD19365MM螺杆内径11ER16788MM螺杆接触直径220COSB17755MM螺母螺纹外径DDE23212MM螺母内径（外循环）105BD207MM343传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为TG式中10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。096TG1034TG344丝杠刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为01CMESFLY向滚珠丝杠受力最大6965N，05CM，YF0L26/2N2142265143RS2CMCM6619709L因丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，忽略不计。选择丝杠精度4级，此时则导程变形总误差为UM19UMLL81509710635支承座的参数轴承是和滚珠丝杆过盈配合的，滚珠丝杆的连接端的直径为20MM，把丝杆磨小，使他们之间的配合是过盈配合。滚珠丝杠安装方式为一端固定一端铰接，固定端和支撑端装均用深沟球轴承，滚动轴承型号为63022Z,该型号的参数如下表211滚动轴承103GB27689参数外形尺寸（MM安装尺寸MMDDBD1D2AR1542132137136齿轮计算、设计361齿轮参数确定因步进电机步距角15/STEP。滚珠丝杠螺距T5MM,要实现脉冲当量,在传动系统中应加一对齿轮降速传动01/PMSTEP齿轮传动比048，选Z124，Z250TZIBP3602151360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52241MDFMM712ZF齿宽（取值为0214）BD中心距12050543ADM齿轮参数计算尺寸见下表Z2450DMZ2450D0D2M2652D1D2125M215475B0214MZ88AD1D2/237分度圆压力角0362齿轮传动消隙数控设备进给系统经常处于自动变向状态，反向时如果驱动链中的齿轮等传动副存在间隙，就会使进给运动的反向滞后于指令信号，从而影响其驱动精度。因此必须采取措施消除齿轮传动中的间隙，以提高数控设备进给系统的驱动精度。由于该设计中齿轮尺寸较小，使用结构简单的偏心轴套消除侧隙，其结构如下37步进电机的选用步进电机的步距角B取系统脉冲当量001MM/STEP，初选步进电机步距角PB51371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PST式中P为电机转角，为移动部件的相应位移，机械传动效率。若取，则S，且。所以BPSZGBZSPPUT236式中PS为移动部件负载，G为移动部件质量（N），PZ为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），U为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角（RAD）,BT为电机轴负载力矩（NCM）。本设计取003（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），096，320N。考虑到SPH重力影响，向电机负载较大，因此G698N，所以有YF135NCMBZSPPGUT2365196043232816考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩33NCM（取安全系数为04）50TQ对于工作方式为三相六拍的步进电机38NCM86MAXQT3步进电机的最高工作频率1667HZPVF601MAXAX为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率,同时电机最大静转矩要足MAXF够大,查表选择两个55BF004型三相反应式步进电机电机有关参数如下主要技术参数外形尺寸重量型号步距角最大静载荷最高启动频率相数电压电流外径长度轴径55BF0041549022003273556266555BF004单机参数372步进电机惯性负载的计算步进电机轴上的等效负载转动惯量为221013180PQBZJJJM式中为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮QJ0J1J的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的23质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算LDJ431078式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有1553642107831J2210CMKG292553744341J22CK电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有09255180436210437529041532DJ2CMKG编程序时采用一定算法保证加速度不超过这个数值。4机床数控系统设计41硬件电路设计根据控制系统的具体要求选择存储器扩展电路、确定硬件电路方案；按照系统工作要求设计扩展接口电路，检测电路，转换电机以及驱动电路等；411确定硬件电路的总体方案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）I/O输入输出接口包括键盘、信号变换电路、显示器等。412主控制器和存储器扩展选用集成度高、可靠性好的系列单片机作为主控制器，该产品是集中了CPU、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。所以本设计选用芯片作为主控芯片。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。单片机规定0口提供为位地址线，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位的地址信息，一般采用芯片作为地址锁存器，并由发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。2）数据存储器的扩展由于内部只有字节，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6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用芯片作为数据存储器扩展用芯片。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据传送。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。对于和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，而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。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单片机的外存储器扩展电路，单片机外存储器扩展电路如下5）扩展电路设计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。8155Y与8031的连接方式如下图所示键盘，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和。采用接口管理的键盘，显示器电路。它有键和位显示器组成。键盘的列线及显示器的字位控制共用一个口，即共用的PA口进行控制，键盘的行线由口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。413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。采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下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。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。4）辅助电路设计A时钟电路B复位电路C越界报警电路414硬件电路设计思路该系统选用系列的作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为，数据存储器扩展为。的片选控制端直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CECPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端由译码器（74LS138）的Y2输CE出提供。所以6264的空间地址为4000。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的片选端接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及CEPA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H80FFH。8155的PA口为控制工作台X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，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PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4PB7分别作为工作台X，Y，X，Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4PB7的电平，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。42系统控制软件设计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，主要包括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。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。插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。伺服控制程序。根据插补运算的结果控制伺服电机的速度，转角以及方向。机床的自动加工及手动加工控制程序等。管理程序是系统的主程序，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，应确定接收命令的形式，系统的各种操作功能等。数控XY工作台的基本操作功能有输入加工程序，自动加工，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。421系统控制功能分析数控XY工作台的控制功能包括1）系统初始化。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）工作台控制。422步进电机控制程序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。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。此间隔由送入定时器的时间常数决定。并确定步进电机加，减速进给脉冲及脉冲时间间隔，即可使电机按照系统具体要求运行。EPROM存储器中，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N0，N1，N2。以计数器的值是否为0作为相应过程是否结束的标志。接口程序初始化及步进电机控制程序8255A初始化程序INTTMOVDX,8155A控制端口MOVAL,86HOUTDX,ALMOVAL,05HOUTDX,AL中断服务程序MOVDX,8155AINAL,DXIRET电机的控制电路原理及控制字节拍控制字正转反转通电相二进制十六进制110A0000000000H29AB0000000101H38B0000001103H47BC0000001002H55C0000011006H65CD0000011107H74D0000010105H83DE0000010004H92E000011000CH101EA0000011010DH设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5）中，当F1为0时，电机正转，为1时则反转。正转时P1端口的输出控制字00H,01H,03H,02H,06H,07H,05H,04H,0CH,0DH存放在片内数据存储单元20H29H中，2AH中存放结束标志00H，在2BH36H的存储单元内反转时P1端口的输出控制字00H,0DH,0CH,04H,05H,07H