基于PC的二维数控实验台的设计与实现【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 优秀设计 基于 二维数控实验台的设计与实现 摘要 本论文课题是基于 的二维数控实验台的设计与实现，目的是为了了解二维数控实验台的设计方法和特点，以及如何用 控制数控实验台的动作，将所学到的理论知识运用到实际设计之中，理论和实践相结合。 本文首先通过对怎样用 后对实验台进行分析，最终确定 在对实验台机械结构进行设计的过程中，主要对滚珠丝杠螺母副和电机进行了计算、选型、校核，确保了机 械传动部件的精度和刚度，使之满足系统的要求：通过计算，选择了步进电机驱动。 本设计结合机电一体化课程教学环节需要，设计用微型计算机作为控制系统的 通过论述 作台机械结构设计和控制电路接口设计 ,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术 操作更简便。 关键词： X 型计算机；机电一体化设计 。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 In is on C of In to of PC as as to C, to to of In C to C to s LC an of C to In of of to of So as to to -Y as of of -Y s of in of B -Y 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 目 录 1 前言 . 1 计课题的意义 . 1 计任务的介绍 . 1 于 . 1 2 总体方案的确定 . 3 计参数 . 3 械传动部件的选择 . 3 制系统的设计 . 4 3 机械传动部分的设计计算与选型 . 5 轨上移动部件的重量估算 . 5 线滚动导轨副的计算与选型 . 5 块承受工作载荷. 5 定寿命的计算 . 5 珠丝杠螺母副的计算与选型 . 6 大工作载荷. 6 大动载荷. 6 选型号 . 6 动效率的计算 . 7 度的校验 . 7 杆稳定性校验 . 7 进电动机的计算与选型 . 7 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 电机转轴上的总转动惯量. 8 . 9 4 作台与 接口设计 . 13 口设计 . 13 255A 与步进电机的连接 . 13 微机的连接 和传感器的选用 . 13 写接口的初始化程序 . 14 255A 初始化程序 . 14 259A 初始化程序 . 14 端口 位数据并启动 . 14 0H 类型中断服务程序 . 14 进电机驱动程序 . 15 进电机的控制电路原理及控制字 . 15 进电机正反转及转速控制程序 . 15 5 插补程序设计 . 17 点比较法的插补原理 . 17 差判别 . 17 标进给 . 17 新计算偏差 . 17 点判别 . 17 线的逐点比较法插补 . 17 差计算公式 . 17 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 点判断方法 . 18 线插补程序 . 20 弧的逐点 比较法插补 . 21 差计算公式 . 21 点判断方法 . 22 弧插补程序 . 23 6 实验系统的控制程式和界面 . .结 .谢 . 41 参考文献 . 42 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第一章 前言 计课题的 意义 机电一体化毕业设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。因此设计内容选择很重要。基于微型计算机控制的 此为设计内容有较强的教学研究意义。 数控技术和数控装备是制造工业现代化的重要基础。这个基础是否牢固直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。因此，世界上各工业发达国家均采取重大措施来发展的数控技术及其产业。在我国，数控技术与装备的发展亦得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。 特别是在通用微机数控领域，以 台为基础的国产数控系统，已经走在了世界前列。但是，我国在数控技术研究和产业发展方面亦存在不少问题，特别是在技术创新能力等方面情况尤为突出。在新世纪到来时，如何有效解决这些问题，使我国数控领域沿着可持续发展的道路，从整体上全面迈入世界先进行列，使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门所面临的重要任务。 计任务的介绍 本次毕业设计的题目是设计一个基于 控制的二维数控实验台的实验装置，开发有关 制数控实验台的实验，并能有相关装置完成控制动作 ，可以检查实验设计的正确性，又因为具有仿真效果使其更贴近工程实际。绘制总体布局图和机械部分的装配图，并完成相关的 I/0接线图。 由于本次是设计一个二维数控工作台，既是一个仿真设计实验，不能按实际的大小尺寸来设计，只要能符合设计要求，完成所要求的基本动作就能达到目的，也必能对以后 选择设计基于 中要完成的动作是要 、 Y 工作台电动机的停止及启动，即 移， 移，实现两工作台的点动和连续控制。 于 二维数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件。基于 制的数控 验买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 台系统，是为具有两轴联动功能的数控工作台设计，它结构简单，操作方便，控制精度相对较高 , 可靠性、稳定性和实用性都很好。如数控车床的纵 控铣床的 光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备，特别适合在钻床上，可实现坐标孔系的加工。在小铣床上，可实现二维曲面的加工等。 本设计是基于 控制的数控 验台系统，模块化得 控工作台，通常由导轨座、移动滑台、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以 及伺服电动机等部件构成。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的落幕带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 X、 Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等以标准化，由专门厂家生产，设计时只需要根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，用 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第二章 总体方案的确定 计参数 1. 系统分辨率为 脉冲/01.0 2. 工作台加工范围： 230 . 最大移动速度： 000 械传动部 件的选择 1. 导轨副的选用 要设计的二维工作台式用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不已爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 2. 丝杠螺母副的选用 伺服电机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足 脉冲当量和 动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可 消除反向间隙。 3. 减速装置的选用 选择了步进电机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有小间隙机构。为此，本设计决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 4. 伺服电动机的选用 因本设计的脉冲当量尚未达到 位精度也未达到微米级。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，可 以 选用性能好一些的步进电机，如混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。 考虑到 X、 受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量， X、 杠螺母副、减速装置，以及伺服电机拟采用相同的型号与规格。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 制系统的设计 1设计的二位数控工作台，其控制系统应该有单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。 2因本设计所选的精度对于步进电机来说不算高，电机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用 闭环 环控制，选用 微型计算机 作为控制器，应该能够满足相关指标。 3要设计一台完整的控制系统，在选择控制器后，还需要扩展存储器，键盘与显示电路、 I/O 接口电路等，并选择合适的 驱动电源，与步进电动机配套使用。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 第三章 机械传动部分的设计计算与选型 轨上移动部件的重量估算 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为 800N。 线滚动导轨副的计算与选型 块承受工作载荷工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计的 实验 台 为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形势。 考虑最不利的情况，即垂直 于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 4其中，移动部件重量 G=800N，因本设计是数控实验台，所以设外加载荷 00代入上式，得最大工作载荷 a x 。 查表 3电一体化系统设计课程设计指导书），根据工作载荷 ，初选直线滚动导轨副的型号为 列的 ，其额定动载荷 额定静载荷 。 本设计选定实验台面尺寸为 60160 ，加工范围为 00200 ，考虑到工作行程应留有一定余量，查表 3电一体化系统设计课程设计指导书），按标准系列，选取导轨的长度为 定寿命的计算 上述选取的 列 导轨副的滚道硬度为 60作温度不超过 每根导轨上只配有两只滑块，精度 4级，工作速度较低，载荷不大。查表 3 3别取硬度系数 f 、温度系数 f 、接触系数 f、精度系数 f 、买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 载荷系数 f,代入下式，的距离寿命： 6 4 9503m a x 远大于期望值 50故距离额定寿命满足要求。 珠丝杠螺母副的计算与选型 大工作载荷如上所述，因本设计是数控实验台，所以设外加载荷（与实验台面垂直）00 ，实验台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行） 00 ，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直） 00。 已知移动部件总重量 00 ,按矩形导轨进行计算，查表 3电一体化系统设计课程设计指导书），取颠覆力矩影响系数 , 。求的滚珠丝杠副的最大工作载荷 ： 大动载荷设实验台在承受最大工作载荷时的最快进给速度 00 ， 初选丝杠导程 ， 则此时丝杠转速 m 00/ h 。 取滚珠丝杠的使用寿命 5000 ， 得丝杠寿命系数 9010/60 60 单位： 查表 3电一体化系统设计课程设计指导书） ，取载荷系数 滚道硬度为60，取硬度系数 得最大动载荷： 8103 0 选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表 3电一体化系统设计课程设计指导书），选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 004 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为 20程为 4度等级取 5级，额定动载荷为 4900N，远大于足要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 动效率的 计算 将公称直径 ,200 导程 ，得丝杠螺旋升角 a 。 将摩擦角 10 ，代入 %a n/t a n 。 度的校验 丝杠的拉压变形量的计算 满载时拉压变形量： F m 00335 251 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 由（机电一体化系统设计课程设计指导书）式 32 10/0 0 1 中 233)3 8 )( 0 Z 为滚珠总数量 个列数圈数 691323 13/3 3 53/ 为预紧力 0 8 350 0 1 2 因为丝杠加有预警力，且为轴向负载的 1/3，所以实际变形量可减少一半， 丝杠总变形量 0 9 0 4 0 5 本设计中，丝杠的有效行程为 330表 3电一体化系统设计课程设计指导书）知， 5 级精度滚珠丝杠有效行程在 315，行程偏差允许达到 25 m ，可见丝杠刚度足够。 杆稳定性校验 由（机电一体化系统设计课程设计指导书）式 3稳时的临界载荷 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 22 / 丝杠截面惯量矩 44 0 查（机电一体化系统设计课程设计指导书）表 2.2 4 8 9 2 93003/52 稳得临界载荷 8929 ，远大于工作载荷 35， 故丝杠符合要求 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求 。 已知实验台的脉冲当量 脉冲/01.0 ，滚珠丝杠的导程 ，初选步进电机的步距角 则可得减速比： 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的 小齿轮模数均为 1数比为 21： 17，材料为 45 调制钢，齿表面淬硬度达 55速箱中心距为 1721 ，小齿轮厚度为 20片大齿轮厚度均为 10 进电动机的计算与选型 步进电动机又称脉冲电动机或为阶跃电动机，目前，随着电子技术，控制技术以及电动机本体 的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越模糊；步进电动机的传动定义为：根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角落，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止；广义的定义为，步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机。 步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其原始模型起源于 1830 年至 1860年间。在 20世纪 60年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型的步进电动机应运而生，半导体的发展使得步进电动机得到了广泛的应用。我国的步进电动机 开始于 21 世纪 50 年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：第一阶段从 50 年代后期到 60 年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机，以多段结构三相反应式步进电动机为主；第二阶段， 70年代初期反映在步进电机的生产和研究发展到了一个水平；第三阶段， 70 年代中期至 80 年代后期新产品种高性能电动机层出不穷，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用。 步进电动机的特点 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 步进电机有三大部分组成：步进电动机本体，步进电动机控制器及步进电动机驱动器。其特点如下： 1） 用数字信号直接进行开环控制，整个系统 简单廉价。 2） 位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高组成闭环控制系统。 3） 无刷，电动机本体部件少，可靠性高。 4） 抑郁启动正反转和变速停止，影响性好。 5）平滑性好，步距角选择范围大，停止时可有自锁能力 珠丝杠的公称直径 00 ，总长 00 ，导程 ，材料密度33 /1085.7 ；移动部件总重量 G=800N；小齿轮宽度 01 ，直径 71 ；大齿轮宽度 02 ，直径 12 ；传动比 83.0i 。 滚珠丝杠的转动惯量： 243324 0/ 实验台折算到丝杠 上的转动惯量： 222 小齿轮的转动惯量： 2433241 大齿轮的转动惯量： 2433242 初选步进电机型号 90两相混合式，由常州宝马集团 公司生产， 查表得该型号电动机转子的转动惯量 24 m 则加在步进电机转轴的总转动惯量为： 2221 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1. 快速空载启动时电动机转轴所受的负载转矩1 1部分是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩部分是移动部件运动时折算到 电机转轴上的摩擦转矩有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电机转轴上的附加摩擦转矩0T。因为滚珠丝杠副传动效率很高，所以由 200 12 出的 0T 值很小， 0T 相对于 小，可以忽略不计。则有： m ，计算快速空载启动时折算到电机转轴上的最大加速转矩： 1602m a x n 其中360 空载最快移动速度，本设计指定为 3000mm/ 步进电机的步距角，预选电机为 脉冲当量， 1.0 算得 25 设步进电机由静止到加速至传动链总效率 。 则可算得： 2 m a x 移动部件时，折算到电机转轴上的摩擦转矩为： 由以上可求的快速空载起动时电机转轴所承受的负载转矩： 1 7 a 2. 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2部分是折算到电机转轴上的最大工作负载转矩部分是移动部买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电机转轴上的附加摩擦 转矩0T，0以忽略不计。则有： 2本设计在对滚珠丝杠进行计算时，规定沿着丝杠轴向方向的最大进给载荷 00，所以： 垂直方向承受最大工作载荷 00 情况下，移动部件运动时折算到 电机转轴上的摩擦转矩： 0 4 0 01 0 于是： 到加在步进电机转轴上的最大等效负载转矩应为： 3 7 ,1 3. 步进电机最大静转矩的选定 考虑到步进电机的驱动电源受电网电压影响 较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据要考虑安全系数。本设计取安全系数 4K ,则步进电机的最大静转矩应满足： 5 1 a 0表 4得该型号电动机的最大静转矩j 6m 可见满足要求。 4. 步进电机的性能校核 1） 最快工进速度时电动机输出转矩校核 本设计给定工作台最快工进速度 m 00m a x ，脉冲当量 脉冲/01.0 ，电动机对应的运行频率 00m a x 。从 90动机的运行矩频特性曲线可以看出， 在此频率下，电动机的输出转矩 a x，远远大于最大工作负载转矩 足要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 图 )最快空载移动时电动机输出转矩校核 本设计 给定工作台最快空载移动速度 000m a x ，可得电动机对应的运行频率 0 0 0 0 0m a x ，从上图查的，在此频率下，电动机的输出转矩 大于快速空载起动时的负载转矩 1 ，满足要求。 3） 最快空载移动时电动机运行频率校核 与最快空载移动速度 m 000m a x 对应的电动机运行频率 000m 。 查表40动机的空载运行频率可达 20000见没有超出上限。 4） 起动频率的计算 已知电动机转轴 上 的转动惯量 257.5 ，电动 机转子的转动惯量24 m ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 q 1800 （查表 4则可得步进电机克服惯性负载的起动频率： 54/1 由上式可知，要想保证步进电机起动时不丢步，任何时候的起动频率都必须小于实际上，在采用软件升降频时，起动频率选的更低，通常只有 100 100 脉冲 /s)。 综上所述，实验台的进给传动选用 90进电动机，完全满足设计要求。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 作台与 接口设计 口设计 255A 与步进电机的连接 因为本系统传输距离较短，数据传输率高，所以采用并行通讯方式。 8255可以为 8086/8088 与外设之间提供并行输入 /输出的通道，由于它是可编程的，可以通过软件来 设置芯片的工作方式，所以，用 8255常不用附加外部电路。 本设计中采用的可编程并行接口 8255A 可为微处理器提供三个独立的并行输入 /输出端口，利用输出端口与运算放大器相连，可控制步进电机的运转及速度。利用模数转换器又可将工作台的位置及速度参数变换成数字量，通过并行输入端口送回微机系统中，从尔构成半闭环系统。 8255A 中端口 A 工作在方式 0，完成输出功能，用来向 x,y 向步进电机输出 8 位脉冲信号。端口 B 工作在方式 1，完成输入功能，用来接受由模数转换器输入的 8 位脉冲信号。端口 数转换器 启动信号， 作中断请求信号， 过中断控制器 8259A 可向 中断请求，这些都要由初始化程序来定义。 由 8255输出的 8位数字信息，经运算放大器放大后便将模拟电流放大并转换为模拟电压，经过调整可达到，当 0算放大器输出0 电压经传感器可调节控制不进电机的转动与速度。 通过 8255样就可以用计算机的软件取代常规大的环形分配器。 八个端口后接步进电机的各项绕组，光电隔离器动电路由复合功率放大，驱动步进电机的三个绕组 微机的连接 和传感器的选用 而反馈电路则由转角传感器，运算放大器及模数转换器 前，在半闭环伺服系统中，也常采用光电脉冲编码器，既测量电动机的角位移，又通过计时而获得速度。先由转角传感器测出步进电机的转角及转速，得到的模拟量再经过运算放大器放大，然后经模数转换器 送到计算机进行比较。控制现场的模拟信息经传感器和运算放大器可变换为一定范围的电压值，这模拟电压经模数转换器变换为 8 位数字信息送回 8255A 的端口 B，其转换速度取决于从 引入的标准时钟，端口 系。若采用中断方式，中断请求信号经 8255采用中断方式，并定义中断类型码为 40H，那么首先将相应的中断服务程序定位到存储器中，并将其入口地址的段基址和偏移地址置入中断入口地址表中从 100 传感器的选择：为了方便 测量电动机的转角与转速所以采用磁电式的转角传感器。 初选型号： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 写接口的初始化程序 255A 初始化程序 8255A 控制端口 86H 05H 8259A 初始化程序 8259A 偶地址端口 13H 8259A 奇地址端口 40H 03H 从端口 A 输出 8 位数据并启动 8255A 端口 A 8255A 端口 C 80H 0 40H 类型中断服务程序 8255A 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 进电机驱动程序 进电机的控制电路原理及控制字 节拍 通电相 控制字 正转 反转 二进制 十六进制 1 8 A 00000001 01H 2 7 0000011 03H 3 6 B 00000010 02H 4 5 0000110 06H 5 4 C 00000100 04H 6 3 0000101 05H 7 2 D 00000110 06H 8 1 0000111 07H 设步进电机总的运行步数放在 向标志存放在程序状态寄存器用户标志位 ，当 时，电机正转，为 1时则反转。正转时 3H,02H,06H,04H,05H 存放在片内数据存储单元 20H2728 29H21端口的输出控制字 01H,05H,04H,06H,