毕业论文--普通机床的数控改造.pdf

用微机数控技术改造用微机数控技术改造 最大加工直径为最大加工直径为 400400 毫米普通车床的横向进给传动系统毫米普通车床的横向进给传动系统 摘摘要要 数控机床作为机电一体化的典型产品 在机械制造业中发挥着巨大的作用 很好地解 决了现代机械制造中结构复杂 精密 批量小 多变零件的加工问题 且能稳定产品的加 工质量 大幅度地提高生产效率 但从目前企业面临的情况看 因数控机床价格较贵 一 次性投资较大使企业心有余而力不足 我国作为机床大国 对普通机床数控化改造不失为 一种较好的良策 对普通机车进行数控化改造可大大提高原有机车的自动化程度与生产率 成本仅为全功能数控机场的 1 3 1 4 本文主要介绍了采用单片机系统加上步进电机驱动系统组成简易的机床计算机数控柜 以取代原有的硬件数控柜或用于改造普通机床 首先阐明了数控系统总体方案设计同时给 出了总体装配图 随后着重介绍了机床进给系统的机械部分设计和计算和相应的图纸 控 制系统利用微机对纵 横向系统开环控制 驱动元件采用直流步进电机 传动系统采用 滚 珠丝杆 用单片机 8031 控机床进给系统的硬件组成及 MGLS240128T 驱动 LCD 的显示和整个 的硬件设计进行分析 并对相应电路设计进行相关的阐述 接下来介绍下数控机床零件加 工程序 关键词关键词 微机 数控 步进电机 单片机 滚珠丝杆 Enters with the microcomputer numerical control technological transformations biggest processing diameter 500 millimeter horizontal lathe feeding system AbstractAbstractAbstractAbstract The numerical control engine bed took the integration of machinery the typical product is playing the huge role in the mechanical manufacturing industry solved in well the modern machine manufacture the structure complex precise the batch has been small the changeable components processing question also could stabilize the product processing quality large scale enhanced the production efficiency But the situation which faces from the present enterprise looked because the numerical control engine bed price is expensive the disposable investment compares ambassador the enterprise to have more desire than energy Our country took the engine bed great nation does not lose to the ordinary engine bed numerical control transformation is one good brilliant plan carries on the numerical control transformation to the ordinary locomotive to be possible to enhance the original locomotive the automaticity and the productivity cost only is greatly the entire function numerical control airport 1 3 1 4 This article mainly introduced uses the monolithic integrated circuit system to add on step by steps the motor driven system composition simple engine bed computer numerical control cabinet by to substitute for the original hardware numerical control cabinet or to use in transforming the ordinary engine bed First had expounded at the same time the numerical control system overall plan design has produced the overall assembly drawing afterwards introduced emphatically the engine bed enters for the system machine part design and the computation and the corresponding blueprint the control system use microcomputer to vertical the crosswise system open loop control actuates the part to use direct current to step by step the electrical machinery the transmission system uses the ball bearing lead screw 8 031 controls the engine bed with the monolithic integrated circuit to enter actuates LCD for the system hardware composition and MGLS240128T the demonstration and the entire hardware design carries on the analysis and carries on the correlation to the corresponding circuit design the elaboration meets down under the introduction the numerical control engine bed components processing procedure KeyKeyKeyKey wordswordswordswords Microcomputer Numericalcontrol Step by stepstheelectrical machinery Monolithic integrated circuit Ball bearing lead screw 目目录录 摘要摘要 AbstractAbstractAbstractAbstract 前言前言 第一章第一章 绪论绪论 1 1 毕业设计的目的 1 2 毕业设计的内容 第二章第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定微型数控系统总体设计方案的拟定 2 1 毕业论文的要求和内容 2 2 总体方案的确定 第三章第三章 机床进给系统机械部分设计计算机床进给系统机械部分设计计算 3 1系统脉冲当量及切削力的确定 3 2切削力的计算 3 3滚珠丝杠螺母副的设计 计算 和选型 3 4进给伺服系统传动计算 3 5步进电机的计算和选用 第四章第四章 微机数控系统的设计微机数控系统的设计 4 1微机数控系统设计的内容 4 280C51 单片机及其扩展 第五章第五章 数控机床的零件加工程序数控机床的零件加工程序 心得与体会心得与体会 参考文献参考文献 附表附表 混合式步进电机的相关资料混合式步进电机的相关资料 1 2 4 5 5 5 6 6 7 8 8 8 8 14 15 22 22 23 31 33 34 35 前前言言 数控机床经济型改造 实质是机械工程技术与微电子技术的结合 经改造后的机床加工的 精度 效率 速度都有了很明显的提高 适合我国现在经济水平的发展要求 本次毕业设计主要是对机床机械部分进行改造 以步进电机驱动横向进给运动 纵向进给 运动以及刀架的快速换刀 使传动系统变得十分简单 传动链大大缩短 传动件数减少 从而提 高机床的精度 设计中 我们对有关数控机床及数控改造的相关书籍 刊物进行大量阅读 收集了很多资 料 了解了数控机床的基本概念 数控机床的发展概况 数控机床的组成及其工作原理 扩 大了我们的知识面 随着科学技术的发展 现代机械制造要求产品的形状和结构不断改进 对零件的加工质量 的要求也越来越高 随着社会对产品多样化要求的增强 产品品种增多 产品更新换代加速 数控机床代替普通机床被广泛应用是一个必然的趋势 同时 数控机床将向着更高的速度 精度 可靠性及完善性的功能发展 第一章 绪第一章 绪论论 1 1 1 1毕业设计的目的 毕业设计的目的 毕业设计是培养我们理论联系实际 解决生产实际问题能力的重要步骤 它系统的检验 了我们是否是合格的毕业生 它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定 进给伺服系统 机械部分结构设计 计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制 使我们 综合运用所学的机械 电子和微机的知识 进行一次机电结合的全面训练 从而培养了我们 具有加工编程能力 初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问 题的能力 2 2 2 2毕业设计的内容 毕业设计的内容 1 微机数控系统总体设方案的拟定 1 系统运动方式的确定 2 伺服系统的选择 3 执行机构传动方式的确定 4 计算机的选择 2 进给伺服系统机械部分设计计算 1 进给伺服系统机械部分设计方案的确定 2 确定脉冲当量 3 滚珠丝杠螺母副的选型 4 滚动导轨的选型 5 进给伺服系统传动计算 6 步进电机的计算和选用 7 设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图 8 设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图 3 微机控制系统的设计 1 控制系统方案的确定及框图绘制 2 MCS 51 系列单片机及扩展芯片的选用 3 I O 接口电路及译码电路的设计 4 设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图 4 数控加工程序的编制 1 零件工艺分析及确定工艺路线 2 选择数控机床设备 3 确定对刀点 4 选择刀具 5 确定切削用量 6 编制加工程序 5 直线的逐点比较法插补软件程序流程框图的绘制 第二章第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定微型数控系统总体设计方案的拟定 1 1 1 1 毕业论文的要求和内容 包括原始数据 技术要求 工作要求 毕业论文的要求和内容 包括原始数据 技术要求 工作要求 1 课题名称 用微机数控技术改造最大加工直径为 400 毫米普通车床的进给系统 2 设计任务与要求 主要技术参数 最大加工直径 mm 在床身上 400在床鞍上 210 最大加工长度 mm 750 1000 溜板及刀架重量 N 纵向 1000横向 500 刀架快移速度 m min 纵向 1 6横向 1 最大进给速度 m min 纵向 0 6横向 0 3 最小分辨率 mm 纵向 0 01横向 0 005 定位精度 mm 0 02 主电机功率 KW 4 0 起动加速时间 ms 30 设计的要求 1 CNC 系统的主 CPU 既可采用 8031 单片机也可用系统机 2 两个坐标的进给伺服系统既查采用步进电机驱动也可用直流或交流伺服电机驱动 3 所编的零件加工程序应符合 ISO 标准的有关规定 既可用手工也可用 UG 等软件编程 4 所绘制的机械装配图和硬件电路原理图要求正确 合理 图面整洁 符合标准 5 所编写的软件应在计算机上进行汇编和通讯等 6 说明书应简明扼要 计算准确 条理清楚 图文并茂并全部用计算机打印后装订成册 2 2 2 2 总体方案的确定 总体方案的确定 1 系统的运动方试与伺服系统的选择 由于改造后的经济型数控车床具有定位 直线插补 圆弧插补 暂停 循环加工 螺 纹加工等功能 所以应该选用连续控制系统 考虑到经济型数控机床加工精度要求不高 为了简化结构 降低成本 采用步进电机开环控制系统 2 计算机系统 根据机床要求 采用 8 位微机 由于 MCS 51 系列单片机的特点之一是硬件设计简单 系统结构紧凑 对于简单的应用场合 MCS 51 系统的最小系统用一片 80C51 外扩一片 EPROM 就能满足功能的要求 对于复杂的应用场合 可以利用 MCS 51 的扩展功能 构 成功能强 规模较大的系统 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 步进电机功率放大 电路组成 系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现 显示器采用 LCD 液晶显示器 显示加工数据及机床状态等信息 3 为了实现机床所要求的分辨率 采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠 为了保证一定 的传动精度和平稳性 尽量减小摩擦力 选用滚珠丝杠螺母副 同时 为了提高传动刚度 和消除间隙 采用有预加负载荷的结构 传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构 系统总体方案框图见图 1 图 1 第三章 机床进给系统机械部分设计计算 第三章 机床进给系统机械部分设计计算 伺服系统机械部分设计计算内容包括 确定系统的负载 确定系统脉冲当量 运动部 件惯量计算 空载起动及切削力矩机计算 确定伺服电机 绘制机械部分装配图及零件工 作图等 现分述如下 1 1 1 1系统脉冲当量及切削力的确定系统脉冲当量及切削力的确定 脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数 经济型数控车床 铣床常采 用的脉冲当量是 0 01 0 005mm 脉冲 根据机床精度要求确定脉冲当量 纵向 0 01mm step 横向 0 005mm step 2 2 2 2切削力的计算切削力的计算 1 纵车外圆 主切削力 FZ N 由经验公式 1 估算 60000 Z FVV 切线线 V 90100m min 式 1 而N N 切额 0 7 0 85 式 2 取0 8 则N N0 8 5 5 4 4KW 切额 取90 minVmm 线 则进给抗力60000 4 4 902933 Z FN X 向和 Y 向根据经验公式 3 4 确定 0 5 XZ FF 式 3 0 6 YZ FF 式 4 则得 0 51467 XZ FFN 0 61760 YZ FFN 2 横切端面 主切削力 Z F 可取纵切的一半 即 1 1467 2 ZZ FFN 此时走刀抗力 Y F N 吃刀抗力 X F N 依然按上述经验公式粗略计算 1 0 5 0 6 ZXY F F F 则得 X F 734N Y F 880N 3 3 3 3 滚珠丝杠螺母副的设计 计算 和选型 滚珠丝杠螺母副的设计 计算 和选型 一 纵向进给丝杠 一 纵向进给丝杠 1 计算进给牵引力 Fm N 作用在滚珠丝杠上的进给牵引力主要包括切屑时的走刀抗力以及移动件的重量和切 屑分力作用在导轨上的摩擦力 因而其数值大小和导轨的形式有关 本次设计纵向进给为 综合型导轨 则按以下公式确定 XZ Fm KFf F G 式 5 式中 K 考虑颠覆力矩影响的实验系数 综合型导轨取 K 1 15 f 滑动导轨摩擦系数 0 15 0 18 取 f 0 16 G 溜板及刀架重力 由已知 G 1000N 代入得 1 15 1467 0 16 2933 1000 2316FmN 2 计算最大动负载 Q 选用滚珠丝杠副的直径时 必须保证在一定轴向负载作用下 丝杠在回转 100 万 6 10 转后 在它的滚道上不产生点蚀现象 这个轴向负载的最大值即称为该滚 珠丝杠能承受的最大动负载 C 计算如下 3 w m QLf F 式 6 6 60 10 n T L 式 7 0 1000 S V n L 式 8 式中 0 L 为滚珠丝杠导程 初选丝杠导程 Lo 6mm Vs 最大切削力下的进给速度 可取最高进给速度的 1 2 1 3 此处为 0 3m min T 使用寿命 按 15000h fw 运转系数 按一般运转取 fw 1 2 1 5 此处取 fw 1 2 L 寿命以转 6 10为 1 单位 则 6 1000 0 3 6015000 6 45 10 L 3 45 1 2 23169885QN 3 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅 数控机床系统设计 中附表 1 可采用 W1L2506 外循环螺纹调整预紧的双螺母 滚珠丝杠副 1 列 2 5 圈 其额定动负载为 1310N 精度等级按滚珠丝杠行程公差表 选为 3 级 大致相当于老表准 E 级 3 300 12 10 P Vmm 4 传动效率计算 tan tan 式中 螺旋升角 W1L2506 的螺旋升角 4 22 摩擦角取 10 滚动摩擦系数 0 003 0 004 则 tan tan tan4 22 tan 4 22 10 0 96 5 刚度校核 先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图 如下图 2 所示 G Jm Z1J1 Z2J2 L1 L2 图 2 纵向进给滚珠丝杠支承方式草图 则 1000 95 3 15 20 1160LLLLm m 支承行程螺 母 总长间隙轴 承 宽度 式 9 支承间距 L 1160mm 最大轴向力为 2316N 丝杠螺母及轴承均进行预紧 预紧力为 最大轴向负载的 1 3 1 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 2316 m FN 0 25Dmm 0 6Lmm 100 22402 2 sin236 954ddeRRdRmm 式 10 对刚 42 20 610 ENmm 22 1 36 95 1071 8 22 d Amm 式 11 丝杠导程 0 L的变化量 5 0 4 23166 6 2910 20 6101071 8 m F l l E A 式 12 总长度 L 1160mm 丝杠上的变形量 1 由于两端均采用推力球轴承 则值 5 3 1 0 116 2910 11603 0410 446 l Lmm L 2 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 由3 969 231 6 p dmm FmKgf 承载滚珠数量 40 2 5 179 15 3 969 Z 式 13 由于对滚珠丝杠副施加预紧力 且预紧力 P F为轴向载荷的 1 3 则变形 2 2 3 2 3 3 231 6 0 00130 0013 231 6 3 96979 15 3 2 4210 m qq F dFZ m m 3 滚珠丝杠总的弹性变形量 根据以下经验公式 12 0 9 式 14 则可得 33 3 12 3 04102 4210 6 0710 0 90 9 mm 4 定位误差 3 300 6 0712 100 018070 02 p Vmmmm 显然 变形量已大于定位精度 0 02mm 要求 应该采取相应的措施修改 因横向溜板限 制 不宜加大滚珠丝杠直径 故采用贴塑导轨 0 04f 减小摩擦力 从而减小轴 向力 根据式 16 重新计算如下 1 4 2 1 48800 041369 mYZX FFfFFG N 此时的变形量为 2 1 1 5910mm 3 2 2 25 10mm 3 12 20 210 0 9 mm 则定位误差为 33 300 20 21012100 032 p Vmm 仍不能满足精度要求 0 02mm 如果将顾主丝杠再进行预拉伸 则丝杠刚度可提高四倍 则 定位误差为 12 33 300 1 4 6 92101210 0 9 0 018920 02 p V mmmm 满足要求 三 纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数 三 纵向和横向滚珠给丝杠副几何参数 其几何参数见表 1 名称符号W1L2506W1L2005 螺 纹 滚 道 公 称 直 径 0 d 2520 导程 0 l 65 接触角 4 22 4 30 钢 球 直 径 b d 3 9693 175 滚道法面半径R 0 52 b Rd 2 0641 651 偏心距e 2 sin b eRd 0 0560 045 螺 纹 升 角r 00 rarctgLd 4 22 4 30 螺 杆 螺 杆 外 径 d 0 0 20 25 b ddd 24 219 4 螺 杆 内 径 1 d 10 22ddeR 20 98416 788 螺杆接触直径 Z d 1 cos Zb ddd 17 02713 835 螺 母 螺母螺纹直径D 0 22DdeR 32 82623 212 螺 母 内 径 1 D 10 0 20 52 b Ddd 25 820 635 4 4 4 4进给伺服系统传动计算进给伺服系统传动计算 1 齿轮传动比计算 纵向进给齿轮箱传动比计算 1 已确定纵向进给脉冲当量0 01 p mm 滚珠丝杠导程 0 6Lmm 初选步进电机步距 角 0 9 可计算出传动比 i 0 360 360 0 01 0 9 6 2 3 pb iL 式 17 可选定齿轮齿数为 12 2 324 3620 30iZZ 或 由齿轮传动比 i 2 3 可以选定齿轮齿数为 1 Z 24 和 2 Z 36 或 1 Z 28 和 2 Z 42 初 选 1 Z 28 和 2 Z 42 的齿轮 有关参数如表 2 齿数284224402030 分度圆d mz568448804060 齿顶圆da d 2m608852844464 齿根圆df d 2 1 25m517943753555 齿宽 6 10 m202020202020 中心矩A d1 d2 2706450 2 齿轮齿数及技术参数 计算出传动比 i 后 降速级数决定采用一对齿轮降速 因为进给伺服系统传递功率不大 一 般取 1 2 数控车床 铣床取 2 此设计中取 2 为了消除齿轮侧隙 此作业中采用双片齿轮 5 5 5 5步进电机的计算和选用步进电机的计算和选用 一 纵向机构步进电机选型 一 纵向机构步进电机选型 1 计算步进电机负载转矩 Tm 180 m mmm F TFT 式 18 23160 01 1 475 0 9 180 3 14 m TN m 式中 脉冲当量 mm step m F 进给牵引力 N b 步距角 初选双拍制为 0 9 2 初选步进电机型号 根据 m T 1 475N m 在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为 56BYG250E SASSBL 0601 其中 2 0 75 m JKg cm 保持转矩为 2 5N m 3 等效转动惯量计算 根据简图 即图 1 传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J 运动件的转动惯量J 可由下式计算 2 2 01 121 2 2 M LZW JJJJJ Zg 式中 1 J 2 J 齿轮 1 Z 2 Z的转动惯量 2 kg cm S J 滚珠丝杠转动惯量 2 kg cm 3434 110 0 78100 78105 621 53Jd L 2 kg cm 2 J 3434 2 0 78100 78108 427 77d L 2 kg cm S J 34 0 78 102 51163 53 2 kg cm 0 75 M J 2 kg cm 式中 D 圆柱体直径 cm L 圆柱体长度 cm 代入上式 2 2 01 121 2 2 2 2 0 7 51 5 3 2 8 4 2 7 7 73 5 3 1 0 0 0 9 80 6 2 7 2 2 M LZW JJJJJ Zg 4 电机转矩计算 机床在不同的工况下 在 下面分别按各阶段计算 1 快速空载起动惯性矩 Q M 在快速空载起动阶段 加速力矩所占的比例较大 具体计算公式如下 max0Qaf MMMM 式 19 max max 2 60 a a n MJJ t i ii 式 20 又 0003 maxmax 3602 0 010 9 36010 pb nV 500 minr 式 21 350 035 a tmss 代入得 2 max max 225000 7 7210115 4 60600 035 a a n MJN cm t i ii 折算到电机轴上的摩擦力矩 f M 000 21 0 16 29331000 50 22 20 8 1 5 Z f F LfFW L MN cm iZZ i 式 22 式中 传动链总效率 一般可取 0 7 0 85 此处取 0 8 i 传动比 附加摩擦力矩 0 M 02 00 1 2 p F L M i 式 22 22 0 21 1 3 1919 0 61 3 1919 0 6 1 1 0 9 9 70 2 20 8 1 5 N cm ZZ 式中 传动链总效率 一般可取 0 7 0 85 此处取 0 8 i 传动比 Fpo 滚珠丝杠预加负荷 一般取 1 3Fm Fm 为进给牵引力 N o 滚珠丝杠未预紧时的传动效率 一般取 0 9 此处取 o 0 9 所以 max0 115 4509 7175 1 Qaf MMMMN cm 2 快速移动所需力矩 K M 0Kf MMM 式 23 50 9 7 59 7N cm 3 最大切削载时所需力矩M切 0 0 2 X f F L MMM i 切 式 24 1467 0 6 509 7175 5 20 8 1 5 N cm 从上面计算可以看出 Q M K M M切三种工况下 以最大切削载时所需转矩最大 即 以此项作为校核步进电机转矩的依据 查得 当步进电机为两相四拍时 MM jmax切 0 707 故最大静力矩 Mjmax 175 5 0 707 2 48 N m 而电机保持转矩为 2 5N m 最大静力矩 Mjmax 大于所以满足要求 但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 max 10001000 2 3333 6060 0 01 k v fHZ p 10001000 0 6 1000 6060 0 01 t t v fHZ p 图 4 56BYG250E SASSBL 0601 混合式步进电机矩频特性图 当快速运动和切削进给时 56BYG250E SASSBL 0601 型混合式步进电机运行矩频完全 可以满足要求 5 绘制进给伺服系统机械装配图 在完成运动及动力计算后 以后确定了滚珠丝杠螺母副 步进电机型号 以及齿轮齿 数 模数 轴承型号之后 就可以画机械装配图 见附图 一 例如 双片齿轮采用周向弹簧调整消隙法 如图 5 所示 采用了 可调拉力弹簧调整间隙 在两 个薄片齿轮1和2上分别装上 耳座3和8 弹簧4的一端钩在 耳座3上 另一端钩在耳座8的 螺钉7上 用螺母5调节螺钉7 的伸出长度即可调整弹簧的 弹力 调整好后再用螺母6锁 紧 弹簧的弹力使薄齿轮1和2 的左 右齿面分别与宽齿轮的 齿槽左 右齿侧面贴紧 消除 了齿侧间隙 图5 双薄片齿轮周向弹簧调整法 1 2 薄片齿轮 3 8 耳座 4 弹簧 5 调节螺母 6 锁紧螺 母 7 螺钉 二 二 横向机构初选步进电机 横向机构初选步进电机 1 计算步进电机负载转矩 Tm 180 m mmm F TFT 式 18 19190 005 0 611 0 9 180 3 14 m TN m 式中 脉冲当量 mm step m F 进给牵引力 N b 步距角 初选双拍制为 0 9 2 初选步进电机型号 根据 m T 0 611N m 在网上查混合式步进电机技术数据表初选步进电机型号为 56BYG250D SASSBL 0241 其中 2 0 46 m JKg cm 保持转矩为 1 72N m 3 等效转动惯量计算 根据简图 即图 2 计算传动系统折算到电机轴上的总的转动惯量J 运动件的转动惯量J 可由下式计算 4 22 301 1234 24 2 Ms ZLZw JJJJJJJ ZZg 式 25 式中 1 J 2 J 3 J 4 J 齿轮 1 Z 2 Z 3 Z 4 Z的转动惯量 2 kg cm S J 滚珠丝杠转动惯量 2 kg cm 3434 110 0 78100 7810420 2Jd L 2 kg cm 2 J 3434 2 0 78100 7810621 01d L 2 kg cm 3434 33 0 78100 78104 820 41Jd L 2 kg cm 3434 44 0 78100 7810826 39Jd L 2 kg cm S J 34 0 78 102530 66 2 kg cm 0 46 M J 2 kg cm 式中 D 圆柱体直径 cm L 圆柱体长度 cm 代入上式 4 22 301 1234 24 2 2 3 5 1 Ms ZLZw JJJJJJJ ZZg kg cm 4 电机转矩计算 机床在不同的工况下 在 下面分别按各阶段计算 1 快速空载起动惯性矩 Q M 在快速空载起动阶段 加速力矩所占的比例较大 具体计算公式如下 max0Qaf MMMM 式 19 max max 2 60 a a n MJJ t i ii 式 20 又 000 maxmax 3601000 0 0050 9 360 pb nV 500 minr 式 21 350 035 a tmss 代入得 2 max max 225000 3 511052 5 60600 035 a a n MJN cm t i ii 折算到电机轴上的摩擦力矩 f M 000 21 0 04 734500 1 96 22 20 8 1 5 Z f F LfFW L MN cm iZZ i 式 22 式中 传动链总效率 一般可取 0 7 0 85 此处取 0 8 i 传动比 f 贴塑导轨摩擦系数 取 f 0 04 附加摩擦力矩 0 M 02 00 1 2 p F L M i 式 22 22 0 21 1 3 1919 0 51 3 1919 0 5 1 1 0 9 4 84 2 20 8 2 5 N cm ZZ 式中 传动链总效率 一般可取 0 7 0 85 此处取 0 8 i 传动比 Fpo 滚珠丝杠预加负荷 一般取 1 3Fm Fm 为进给牵引力 N o 滚珠丝杠未预紧时的传动效率 一般取 0 9 此处取 o 0 9 所以 max0 52 5 1 964 8459 3 Qaf MMMMN cm 2 快速移动所需力矩 K M 0Kf MMM 式 23 1 96 4 84 6 8N cm 3 最大切削载时所需力矩M切 0 0 2 X f F L MMM i 切 式 24 734 0 5 1 964 8436 02 20 8 2 5 N cm 从上面计算可以看出 Q M K M M切三种工况下 以快速空载起动惯性矩 Q M最大 即以此项作为校核步进电机转矩的依据 查得 当步进电机为两相四拍时 M M Qjmax 0 707 故最大静力矩 Mjmax 59 3 0 707N m 0 839N cm 而电机保持转矩为 1 72N m 大于最 大静力矩 Mjmax 所以满足要求 但还必须进一步考核步进电机起动矩频特性和运转矩频特性 计算步进电机空载起动频率和切削时的工作频率 max 10001000 1 3333 6060 0 005 k v fHZ p 10001000 0 3 1000 6060 0 005 t t v fHZ p 图 5 56BYG250E ASSBL 0241 型混合式步进电机矩频特性图 当快速运动和切削进给时 56BYG250E ASSBL 0241 型混合式步进电机运行矩频完 全可以满足要求 5 绘制进给伺服系统机械装配图 在完成运动及动力计算后 以后确定了滚珠丝杠螺母副 步进电机型号 以及齿轮齿 数 模数 轴承型号之后 就可以画横向机械装配图 见附图 二 第四章 微机数控系统的设计第四章 微机数控系统的设计 1 1 1 1微机数控系统设计的内容微机数控系统设计的内容 一一 硬件电路设计内容硬件电路设计内容 硬件是组成系统的基础 也是软件编制的前提 数控系统硬件的设计包括以下几部分内 容 1 绘制系统电气控制结构框图 据总体方案及机械结构的控制要求 确定硬件电路的总体方案 绘制电气控制结构图 机床硬件电路由五部分组成 1 主控制器 即中央处理单元 CPU 2 总线 包括数据总线 地址总线和控制总线 3 存储器 包括程序存储器和数据存储器 4 接口 即输入 输出接口电路 5 外围设备 如键盘 显示器及光电输入机等 2 选择中央处理单元 CPU 的类型 CPU 的种类很多 在此处选择 MCS 51 系列单片机中的 80C51 因为其集成度高 稳定性 可靠性好 体积小 而且有很强的外部扩展功能 外围扩展电路芯片大多是一些 常规芯片 用户很容易通过标准扩展电路来构成较大规模的应用系统 3 存储器扩展电路设计 存储器扩展包括数据存储器和程序存储器扩展两部分 分别选择两片 2764 和一片 6264 来扩展 16K 的内存 4 I O 接口电路设计 设计内容包括 据外部要求选用 I O 接口芯片 步进电机伺服控制电路 键盘 显示 部分以及其他辅助电路设计 如复位 掉电保护等 经考虑 选择 8255 为 I O 接口芯片 液晶显示控制器 LR 104VRAM 来控制 LCD 图中的急停开关应采用那种按下去之后不会 弹起 直到再次启动后操作者用手动拔出的按钮 此处由于表达方式的限制 仅以普通按 钮表示 二 二 机床数控系统软件设计 机床数控系统软件设计 软件是硬件的补充 确定硬件电路后 根据系统功能要求设计软件 1 软件设计步骤分为以下几步 1 据软件要实现的功能 能制定出软件技术要求 2 将整个软件模块化 确定各模块的编制要求 包括各模块功能 入口参数 出 口参数 3 据硬件资源 合理分配好存储单元 4 分别对各模块编程 并调试 5 连接各模块 进行统一调试及优化 6 固化到各程序存储器中 2 数控系统中常用软件模块 1 软件实现环行分配器 2 插补运算模块 3 自动升降速控制模块 2 2 2 280C5180C5180C5180C51 单片机及其扩展单片机及其扩展 一一 80C51 80C51 80C51 80C51 单片机的简介单片机的简介 1 芯片引脚及片外总线结构 80C51 单片机采用 40 脚双直插封装 DIP 形式 如图 6 所示 80C51 单片机是高性能单片机 因为受到引脚数目的 限制 所以有不少引脚具有第二功能 下面说明这些引脚的 名称和功能 1 电源引脚 Vss 和 Vcc Vss 20 脚 接地 Vcc 40 脚 主电源 5V 2 时钟电路引脚 XTAL1 和 XTAL2 XTAL1 19 脚 接外部晶体的一端 在片内它是振荡 电路反向放大器的输入端 在采用外部时钟时 对于 HMOS 单片机 该端引脚必须接地 对于 CHMOS 单片机 此引 脚作为驱动端 XTAL2 18 脚 接外部晶体的另一端 在片内它是一 个振荡电路反向放大电路的输出端 振荡电路的频率是晶体 振荡频率 若需采用外部时钟电路 对于 HMOS 单片机 该引脚输入外部时钟脉冲 对于 CHMOS 单片机 此引脚 应悬浮 图 6 80C51 引脚图 3 控制信号引脚 RST ALE PROG PSEN EA Vpp RST 9 脚 单片机刚接上电源时 其内部各寄存器处于随机状态 在该引脚输入 24 个时钟周期宽度以上的高电平将使单片机复位 RESET ALE PROG 访问片外存储器时 ALE 作锁存扩展地址低位字节的控制信号 称允许 锁存地址 平时不访问片外存储器时 该端也以 1 6 的时钟振荡频率固定输出正脉冲 供 定时或者其他需要使用 在访问片外数据存储器时会失去一个脉冲 ALE 端的负载驱动能 力为 8 个 LSTTL 低功耗高速 TTL PSEN 29 脚 在访问片外程序存储器时 此端输出负脉冲作为存储器读选通信 号 CPU 在向片外存储器取指令期间 PSEN 信号在 12 个时钟周期中两次生效 不过 在 访问片外数据存储器时 这两个有效的 PSEN 信号不出现 PSEN 端同样可驱动 8 个 LSTTL 负载 我们根据 PSEN ALE 和 XTAL2 输出是否有信号输出 可以判别 80C51 是否在工作 EA Vpp 31 脚 当 EA 端输入高电平时 CPU 从片内程序存储器地址 0000H 单元 开始执行程序 当地址超过 4KB 时 将执行片外程序存储器的程序 当 EA 输入低电平时 CPU 仅访问片外程序存储器 输入 输出引脚 P0 P1 P2 和 P3 端口引脚 P0 P3 是 4 个寄存器 也称为 4 个端口 是 80C51 单片机与外界联系的 4 个 8 位双向 并行 I O 口 由于在数据的传输过程中 CPU 需要对接口电路输入输出数据的寄存器进行 读写操作 所以在单片机中对这些寄存器象对存储单元一样进行编址 通常把接口电路中 这些已编址并能进行读写操作的寄存器称为端口 PORT 或简称口 P0 0 P0 7 39 32 脚 P0 是一个 8 位漏极开路型双向 I O 端口 在访问片外存储器时 它分时提供低 8 位地址和 8 位双向数据 故这些 I O 线有地址线 数据线之称 简写为 AD0 AD7 在 EPROM 编程时 从 P0 输入指令字节 在验证程序时 则输出指令字节 验 P2 5 P2 0 P2 1 P2 3 P2 2 P2 4 22 21 24 23 25 P0 0P1 1 39 PSEN P2 6 P2 7 EA Vpp ALE PROG P0 7 P0 3P1 4 P1 6 P1 7 P1 5 P0 5 P0 6 P0 4 P1 3 P1 2 P0 2 P0 1 32 29 27 26 28 30 31 34 33 35 37 36 38 P1 0Vcc 40 1 2 3 4 6 8 7 5 10 15 16 14 12 13 11 9 17 18 19 20 P3 1 P3 4 P3 6 P3 7 P3 5 P3 3 P3 2 P3 0 RST XTAL1 Vss XTAL2 74HC373 13 18 17 14 GGNDOE 11 10 1 D7 D6 D5 D4 Q7 Q6 Q5 Q4 8 7 4 3Vcc D0 D3 D2 D1 Q3 Q2 Q1 Q0 20 2 5 6 9 16 19 12 15 80C51 GND1G 8 1 Vcc 1A 1B 74HC139 1Y0 1Y2 1Y1 5 4 6 3 2 16 PB3 22 24 25 23 PB6 PB7 PB4 PB5 19 20 21 18 PB1 PB2 PB0 RESET 9 A0 A1 8 7 GND 35 26 Vcc 3 PA1D1 33 8255 PC0 14 PC5 12 10 11 PC7 PC6 17 13 15 16 PC2 PC3 PC4 PC1 D6 28 27 D7 30 29 31 32 D3 D5 D4 D2 38 PA6 37 PA7 39 40 1 2 PA5 PA4 PA3 PA2 34 6 D0CSPA0 4 536 WRRD 证时 要外接上拉电阻 P1 0 P1 7 1 8 脚 P1 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 在 EPROM 编程 和验证程序时 它输入低 8 位地址 P2 0 P2 7 21 28 脚 P2 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 在访问片外存 储器时 它输出高 8 位地址 即 A8 A15 在对 EPROM 编程和验证程序时 它输入高 8 位 地址 P3 0 P3 7 10 17 脚 P3 是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 端口 在整个系统中 这 8 个引脚还具有专门的第二功能 如表 3 所示 表 P3 口各位的第二功能 P3 口的各位第二功能 P3 0 P3 1 P3 2 P3 3 P3 4 P3 5 P3 6 P3 7 RXD 串行口输入 TXD 串行口输出 INT0 外部中断 0 输入 INT1 外部中断 1 输入 T0 定时器 计数器 0 的外部输入 T1 定时器 计数器 1 的外部输入 WR 片外数据存储器写选通控制输出 RD 片外数据存储器读选通控制输出 二 二 单片机的系统扩展概述单片机的系统扩展概述 80C51 片内只有 4KB 程序存储器地址空间 256B 的片内数据存储器的地址空间 用 8 位地址 其中 128B 的专用寄存器地址空间仅有 21 个字节有实际意义 所以需扩展 1 扩展概述 80C51 的片外总线结构 所有的外部芯片都通过三组总线进行扩展 1 数据总线 DB 由 P0 口提供 数据总线要连到连接的所有外围芯片上 但在同一时间只能够有一 个是有效的数据传送通道 2 地址总线 AB 16 位 可寻址范围为 64K 字节 AB 由 P0 口提供低 8 位地址 与数据分时传送 传送数据时将低 8 位地址锁存 高 8 位地址由 P2 口提供 3 控制总线 CB 系统扩展用控制总线有 WR RD PSEN ALE EA 2 系统扩展能力 片外数据存储器与程序存储器的操作使用不同的指令和控制信号 允许两者的地址重 复 故据地址的宽度 片外可扩展的存储器与程序存储器分别为 64KB 此处扩展了 16K 的 程序存储器和 16K 的地址存储器 且没有使用片内存储器 扩展的 I O 口与片外数据存储器统一编址 不再另外提供地址 线 3 地址锁存器 因为 P0 口是分时提供低 8 位地址和数据信息的 所以必须用 锁存器把地址锁存住 本次设计使用带三态缓冲输出的 8D 锁存器 74HC373 其引脚见图 7 101 GNDOE G 11 18 17 14 13 8 7 4 3 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 Q7 Vcc 20 2 5 6 9 12 15 16 19 74LS373 图 7 74HC373 引脚图 D0 D7 信号输入端 Q0 Q7 信号输出端 G 下降沿时 将 D1 D8 锁存于内部 E 使能端 E 0 时 三态门处于导通状态 输出端 Q0 Q7 与输入端 D0 D7 连通 当 E 1 时 输出三态门断开 输入数据锁存 4 地址译码器 80C51 扩展电路中 都牵涉到外部地址空间的分配问题 即当 80C51 数据总线分时与 多个外围芯片进行数据传送时 首选要进行片选 然后再进行片内地址选择 地址译码实现片选的方法目前常用的有两种 线选法和译码法 此处采用 74HC139 译 码器组成的译码电路对系统的高位地址进行译码 74HC139 是双 2 4 译码器 每个译码 器仅有 1 个使能端 G 0 电平选通 有 2 个选择输入端 4 个译码输出端 输出 0 电平有效 2 个输入信号 A B 译码后有 4 个输出状态 其引脚与真值表如下