(300X300)方台面数控回转工作台设计 毕业论文

(300台面数控回转工作台设计 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 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。 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 to a of of is so on of s of of as as of of 目录 第一章 课程设计的内容和要求 3 第二章 系统的总体方案设计 4 第三章 机械部分 设计 5 脉冲当量和传动比的确定 5 5 动系统等效转矩惯量计算 6 工作载荷分析及计算 6 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 8 导轨的选型和计算 11 驱动电机的选择 11 第四 章 数控系统 设计 15 控制系统硬件的基本组成 15 接口程序初始化及步进电机控制程序 17 直线圆弧插补程序设计 19 参考文献 25 第一章 课程设计的内容和要求 程设计的 内容 任务是： 设计一个数控 工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。具体参数如下： 要求：设计一台数控回转工作台并开发其控制、驱动系统，工作台 面 300辨率为 =5分 /受最大轴向载荷 00设计内容包括 ： (1) 确定系统组成方案（组成框图、功能、机械传动系统简图、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。 (1) 确定脉冲当量； (2) 机械部件的总体尺寸及重量 、转动惯量 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； （ 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) 电气控制原理图设计（ 储器、 i/ (3) 系统控制软件的 结构 设计 （控制流程图）和部分功能控制软件设计（汇编程序及流程图）。 程设计的要求 （ 1） 机械结构装配图， 纸一张。要求视图基本完整、符合要求。其中至少有一个坐标轴的完整剖视图。 （ 2）数控系统框图（附在说明书上）。 （ 3）数控电器图， （ 4）软件框图（可附在说明书上）。 说明书应当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，选用元件及其具体参数的说明、软件设计及其说明等，说明书不少于 8000字 第二 章 系统的总体方案 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。 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。 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。 采用 列中的 8031 单片机扩展控制系统。 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。 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。 为了减少了零件的数目和中间环节的影响，精度高，效率高，电动机通过联轴器直接与滚珠丝杠相连。但此种连接对安装、加工的要求 较高，选用挠性联轴器，如膜片联轴器，电动机的额定转矩较大，等效转动惯量亦大，对系统的稳定性和快速性将产生不利影响。 系统总体框图如下 : 微型机光电隔离光电隔离功率放大功率放大步进电机步进电机联轴器联轴器x 向 工 作 台y 向 工 作 台 第三 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， 机械部件的总体尺寸、质量、 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 。 脉冲当量 小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为 根据脉冲当量和系统总体方案，传动比为 1，直接用联轴器将电机和丝杠直接连接，有利于简化结构，提高精度。初选导程 0l=5珠丝杠，电动机 步距角 b=。 传动比计算公式 i 暂选 130的步进电动机。其具体参数如下： 型号 步距角 相数 电压 (v) 相电流 (a) 最大静转矩(空载启动频率( 空载运行频率( 转动惯量 分配方式 重量(1305 80/12 10 000 16000 相十拍 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 向工作台承载重量 y。 设计工作台简图如下 : 上拖板 )尺寸为 : 长 *宽 *高 =300*300*40 重量 :按重量 =体积 *材料比重估算为 : 23 30 0 n=270n 2 下拖板 )尺寸为 : 40300300 重量23 30 0 n=320n 上导轨 (含电机 )估算 重量为 ： 260n 夹具及工件重量 :150n 作台运动部分总重量为 : 270n+320n+260n+150n=1000n 动系统等效转矩惯量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载，选用电机时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都是与电机轴同轴线，还存在各转动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量 对于轴、轴承、齿轮、联轴器、丝杆等圆柱体的转动惯量计算公式为 82 机等效转动惯量 27.4 选联轴器直径 ，长度 联轴器等效转动惯量 )(1 8 9 3434 选丝杠直径 ，初步估计丝杠长度 5 。 滚珠丝杠等效转动惯量 )(2 1 1 3434 s 作台等效转动惯量 )( 2( 2220 动系统总的转动惯量 ).( 铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的且学部分都可看做车道到头的演变，铣刀的每一刀 齿相当于一把车刀。 通常假定铣削时铣刀受到的铣削力是作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合理为 f，将 f 沿铣刀轴线、径向和切向经行分解，则分别为轴向铣削力 ，径向铣削力 和切向铣削力 。其中切向铣削力 是沿铣刀主运动方向的分离，它消耗铣床电机功率（即铣削功率）最多。 根据机械制造技术基础课程设计指导教程选铣刀。根据最大铣刀直径 24大铣削宽度 ，最大铣削深度 选择莫氏锥柄立铣刀 ,铣刀材料为硬质合金 ，工件材料为碳钢。 选取 工进的最大速度为选定铣刀转速 00 ， 铣刀的齿数为 z=5，则每齿进给量 fa=v/(400/(5*400) 因此铣削力 ： =1958n 作用在工作台上的合力 f 与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力 向相反，合力 f 就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷 工作台横向进给方向载荷 工作台工作载荷 间有一定的经验比值。因此，求出 可计算出工作台的计算载荷 6 6 4) 9 5) 4 7 8) 珠丝杠螺母副的选型和校核 珠丝杠螺母副类型选择 列滚珠丝杠副 规格 代号 公称直径 称导程 杠外径 d 滚珠直径 旋升角 丝杠底径 环 列数 螺母安装连接尺寸 注油孔 额定动载荷 额定静载荷 接 触 刚 度 d d l b d d h i t g 5050 5 339 2 2+2 40 66 53 40 70 11 0 53 17 450 2505 3+3 46 80 2 328 2505 4+4 50 90 14 34 650 选用内循环，垫片式预紧方式的滚珠丝杠螺母副。预选 列的 2005杠 。 珠丝杠螺母副的校核 大工作载荷 滚珠丝杠上的工作载荷 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力 。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。综合导轨的工作载荷 )( ，式中： 直载荷和横向载荷（ n）； g 为移动部件的重力（ n）； k 和 f 分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，随导轨形式的不同。 对于综合导轨 ，如果是滚动导轨时， 0 02 f ，现取 f 因此有， )()(0001478( 大动负载 c 的计算及主要尺寸初选 滚动丝杠最大动载荷 c 可用下式计算：，式中： l 为工作寿命，单位为 610/60 ； n 为丝杠转速 (r ， 0/1000 ； v 为最大切削力条件下的进给速度(m ， 0l 为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定； t 为额定使用寿命（ h），可取t=15000h；冲击取 1般情况取 冲击振动取 .5；n）。 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的个定动载荷； 。 其中： 0/1000 ， 5000 ， .0 那么， 其中， 1.1 以所选滚珠丝杠螺母 副符合最大动载荷要求。 动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 为 %1393( 393)( 0 0 tg 度验算 滚珠丝杠计算满载时拉压形量 1 )10( r150004260 610/60 )( f m 1 其中 l 取 300 ， 222 ( 滚珠与螺纹滚道间的接触变形 2 2其中： k g 2 3 ， 5.2wd，k ，(3)/( ， 6 8 1)33( 列数圈数滚珠丝杠副刚度验算： 丝杠的总变形量 21 应小于允许的变形量。一般 不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出 规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它晓。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。 机床的定位精度为 4 7 。因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。 杆稳定性验算 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷载荷 其中， 0.2丝杠承载方式系数，选用一端固定， 一端简支方式）， i 为截面惯量距， 0 5 964/441 临界载荷 丝杠工作载荷果则该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为： 43 0 0 0 5 2 2 34 0 3 3 3 4因此，所选滚珠丝杠符合稳 定性要求。 轨的选型和计算 初选 动导轨，额定动载荷 滚动导轨副的距离寿命 l 的计算： 当导轨面的硬度为 5864， f ；当工作温度不超过 100 c 时， 1根导轨条上装两个滑块时 81.0cf；速度系数，无冲击振动， f 为每个滑块上的工作载荷， v 00014784 因此选用的导轨满足要求。 动电机的选择 距角的选择 查表初选步距角 步/b进电机输出转矩的选择 载启动力矩 （ 1） 加速度力矩 mi n/a xm a x )( 运动部件从静止 启动加速到最大快进速度所需的时间 2m a x 10602 097 350 f (2) 空载摩擦力矩 )(1 0 0 02 0 f 式中， g 为移动部件的总重量（ n）； f 为导轨摩擦系数； i 为齿轮传动降速比； 为传 动系数总效率；0 （ 3） 附加摩擦力距 )n( 4 1)1(2 22000 j 式中，预紧力，一般取的1 ；n）；0 为滚珠丝杠未预紧时的传动效率。 （ 4） 空载启动转矩计算 )( 按照计算出的空载启动转矩，查表 2出最大静转矩)( a x 负载启动时的总负载转矩1） 加速度力矩 m a xm a x )( 运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间 2m a x 10602 （ 2） 空载摩擦力矩 )(40.0 （ 3） 附加摩擦力距 )n( （ 4） 作用在工作台的合理折算到电机上的转矩 )( 9 2 32 0 （ 5） 带负载启动时的总负载转矩 )( 运动部件正常运行时所需的最大静转矩 )(a x 照1要求 )(9 8 7 8,m m a a a xm a x ， 2m a xm a x 31.9 ，因此选用 130进电机可以符合要求。 频特性校核 动 频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 264.7 电动机转子的转动惯量27.4 m ，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 f 3000 。由式（ 4知步进电动机克服惯性负载的起动频率为： 说明：要想保证步进电动机起动时不失步，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，起动频率选得更低， 行矩频特性校核 (1) 快进运行距频特性校核 最高运行频率 1000601000 m a xm a x 快进力矩 )(查 130运行距频特性，0002) 工进运行距频特性校核 工进时步进电机的运行频率 摩擦力矩 )(9 8 0 0 01 4 7 8(0 0 0 工作负载力矩折算到电机上的力矩 )( 6 42 0 工进时电机运行力矩 )( 26 0 59 8 查 130运行 距频特性 ， 66许工进频率 )。 算惯量匹配 电动机轴上的总当量负载转矩惯量与电机轴自身转动惯量的比值应该控制在一定的范围内，既不应太大，也不应太少，即伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选择或传动比设计不太合理，经 济性较差。为使该系统惯量达到较合理的匹配，一般应将比值控制在 141之间。 )(m )(0 3 3 9 1 141 合惯量匹配要求。 经过以上讨论，选用 130进电动机可以满足要求。 由于 y 方向与 x 方向的要求相差不多，可以选用同样的丝杠，导轨，电机 经过以上计算，选用的零件以下列表： 滚珠丝杠 滚动导轨 混合式步进电机 x 方向 列 2005动导轨 130 方向 列 2005动导轨 130 第四章 数控系统设计 在以单片机为核心的控制系统中，大多数采用 列单片机的 8031 芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较 完善、抗干扰性能较强的控制系统。 8031 内部包含一个 8位 128 字节的 个 16 位的定时器，四个 8 位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器各 64k，有 5个中断源。 系统中采用键盘实现输入，并采用 们均需要占用较多芯片口线，所以该系统需要进行系统扩展。可编程并行接口 8155a 是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个 8 位并行口 此提供了 24 条口线。 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 . 4p 0 . 5p 0 . 7p 0 . 6p 0 . 2p 0 . 3p 0 . 1p 0 . 0a l . 7 r . 6 w / . 8图 4扩 展连线 如图 3过 及译码器的键盘和显示接口电路。这里由 的准双向口功能可以实现一口多用。 首先，使 的低 4位输出字形代码； 位输出一个位扫描字，经 3 8译码器后显示某一位，并持续 1位扫描一遍之后，关掉显示。 其次，使 的高 4 位转为输入方式，使 的低 4 位输出键扫描信号，有键按下时，转入键译码和处理程序。 图 3 2 通过 及译码器的键盘和显示接口电路 (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。本设计的脉冲分配由软件完成。 （ 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。 （ 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。 255 8155 86h 05h 40 8155a 步进电机驱动程序 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 10 a 00000000 00h 2 9 0000001 01h 3 8 b 00000011 03h 4 7 0000010 02h 5 5 c 00000110 06h 6 5 0000111 07h 7 4 d 00000101 05h 8 3 0000100 04h 9 2 e 00001100 00 1 00001101 0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 0h,01h,03h,02h,06h,07h,05h,04h,00h2920h，在 261端口的输出控制字00h,04h,05h,07h,06h,02h,03h,01h,00 370h。 a ；保护现场 #n ；设步长计数器 c； c, ；转向标志为 1转移 #20 ；正转控制字首址指针 #2；反转控制字首地址 a, ； a ；输出控制字 ； 延时 ；指针加 1 a, #00h ； a, ； ； 步数步为 0转移 a ；恢复现场 ； 返回 a, a； a, #06h； a ； 恢复控制字首指针 #m ； a, #； a； 在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由 x、 y 两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。 线插补程序的设计 逐点比较法进行直线插补 计算，每走一步，都需要以下四个步骤： 偏差判别：判别偏差 0而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式。 坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿 +x、 +y、 哪个方向进给。 偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。 终点判别：进给一步后，终点计算器减 ，表示到达终点停止插补；不为 0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断。当x ，可用 x 方向走的总步数动点 x 等于终点x ，则用 y 方向走的总步数 由此，第一象限直线插补程序的算法如图： 序设计 设计程序时，在 据区分别存放终点坐标值ex、点坐标值 x,y，偏差 8位机，一般可用 2 字节，而行程较大时则需用 3 字节或 4 字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始化，如设置初始值、 x、 y 向步进电机初态（控制字）。 插补程序所用的内存单元如下： 28h 29h 20h 电机正反转控制字为： 1 3 5 7 x 向电机控制位。 运行， 停止； 正转， 反转。 y 向电机控制位。 运行， 停止； 正转， 反转。 第一象限直线插补的程序如下： 2000h #60h; 28h,#0 29h,#0 200h; x 200h; y 200h; f 70h,#0 a,2 a,70h 70h,a; a,2 a,29; 2 a,70h a,2 a,28h 2 a,2