机电一体化系统设计.doc

课程设计说明书Kechengshejishuomingshu地 市： 郑州市 准考证号： 010410103965 姓 名： 于蒙 河南省高等教育自学考试高等教育自学考试课程设计任务书一、 课程设计题目 机电一体化系统设计 二、 课程设计工作自2011年3月 10日起至2011年6月 25日止三、 课程设计进行地点 河南工业贸易职业学院 四、 课程设计内容要求 数控系统的总体设计方案的内容和应用举例。机床进给伺服系统的机械部分，设计计算。脉冲当量的确立，切削力的计算。滚珠丝杠螺母副的计算，校型。绘制相关结构原理图，一张A0，一张A1图纸。设计说明书一份。指导教师： 批准日期： 目 录第一章 微机数控系统总体设计方案拟定6第一节 总体方案的设计内容6一、系统运动方式的确定6二、伺服系统的选择7三、执行机构传动方式的确定7四、计算机的选择8第二节 总体方案设计的应用举例8一、设计任务8二、总体方案确定9三、 机械传动方式10第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算11第一节 确立伺服系统脉冲当量11第二节 计算切削力11一、总车外圆11第三节 滚珠丝杠螺母副的设计，计算及选型12（一） 纵向进丝杠13（二）横向进丝杠16（三）滚珠丝杠螺母副的几何计算16第三章 数控系统硬件电路设计17第一节 单片机数控系统硬件电路设计17一、绘制系统电气控制的结构框图17二、选择中央处理单元（CPU）的类型18三、存储器的扩展电路设计18四、I/O接口的电路设计18第二节 MCS-51系列单片机简介19一、8031单片机的基本特性19二、8031芯片引脚及其功能19三、8013芯片的储存器结构及地址分配21四、MCS-51系列指令系统的简介22五、中断系统23第三节 存储器扩展电路设计23一、程序存储器的扩展23二、数据存储器的扩展24第四章 数控机床控制软件简介24第一节控制软件的组成及功能25第二节 数控机床控制程序举例25第一章 微机数控系统总体设计方案拟定第一节 总体方案的设计内容机床数控系统通体方案的拟定应包括以下内容：系统的运动方式的确定，伺服系统的选择，执行机构的机构及传动方式的确定，计算机系统的选择等内容。一、系统运动方式的确定数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点倒直线系统和连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式，例如：数控钻床在工作台移动过程中钻头并不进行钻孔加工，因此数控系统可采用点位控制方式。对点位控制的要求是快速定位，保证定位精度。如果要求工作台或刀具沿各坐标轴的运动有确定的函数关系及连续控制系统，应具有控制刀具以给定速率沿加工路径运动的功能。具备这种控制能力的数控机床可以加工各种外形轮廓复杂的零件。所以李旭控制系统又称轮廓控制系统。例如：数控铣床、数控车床等均属于此种运动方式。在点位控制系统中不具有连续控制系统中所具有的轨迹计算装置，而连续控制系统中缺具有点位系统的功能。二、伺服系统的选择伺服系统科飞为开环控制系统、半闭环控制系统和闭环控制系统。开环控制系统中没有反馈电路，不带检测装置，指令信号时单方向传送的，指令放出后，不在反馈回来，古称开环控制。开环伺服系统主要有步进电机驱动。开环伺服系统机构简单，成本低廉、容易掌握、调试和维修都比简简单方便。闭环控制系统具有装在机床移动部件上的检测反馈元件。用来检测实际位移量，能补偿系统的误差，因而伺服控制精度高。闭环系统多采用直流伺服电机或交流伺服电机驱动。闭环系统造价高、架构和调试复杂、多用于精度要求高的场合。半闭环控制系统与闭环控制系统不同，不直接监测工作台的位移量，而是用检测元件测出驱动轴的转角，在间接推算出工作台实际的位移量，也有反馈回路，其性能介于开缓和闭环系统之间。三、执行机构传动方式的确定为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动时，通常提出低摩擦，低惯量、高刚度、无间隙、告谐振以及有诗意的阻尼比的要求。在设计过程中应考虑以下几点：（1） 尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副（2） 尽量消除传动间隙。例如采用消隙齿轮（3） 提高系统刚度。缩短传动链可以提高系统的传动刚度、减小传动链误差。可采用预紧的方法提高系统的刚度。四、计算机的选择微机数控系统是由CPU、存储器扩展电路、I10接口电路伺服电机驱动电路、检测电路等几部分组成。微机是数控系统的核心，其他装置均是在微机的指挥下进行工作的。系统功能和系统中所用微机直接相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要是字长和速度。目前，一些高档的CNC系统，已普遍使用32位微机，主机频率由5MHz提高到20-30 MHz，有的采用多CPU系统，进一步提高控制速度。经济型CNC系统则普遍采用8位微机。第二节 总体方案设计的应用举例一、设计任务将C6136A型普通车床改造成用MCS-51系列单片机控制的经济型数控车床。要求该车床有自动回转刀架，具有切削螺纹的功能。在纵向和横向具有直线和圆弧插补功能。系统分辨率纵向 0.01mm 横向 0.05mm设计参数如下：最大加工直径在床面上 500mm在床鞍上 300 mm最大加工长度 200 mm快进速度 纵向 2.6m/min横向 1.4m/min最大切削进给速度 纵向 0.7 m/min横向 0.5 m/min最小指令值 纵向 0.01mm/脉冲横向 0.005 mm/脉冲刀具补偿量 099.99mm代码值 ISO脉冲分配方式 逐点比较法输入方式 增量值，绝对值通用进给传动间隙补修量纵向 0.15mm横向 0.075mm自动开降速性能 有二、总体方案确定（1）系统的运动方式与伺服系统的选择由于改造后的经济型数控车床应具有定位，直线插补，顺圆和逆圆插补，暂停，循环加工，公英制螺纹加工等功能，故应选择连续控制系统。有雨经济型数控机床加工精度要求高，为了降低成本，故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系列单片机具有集成度高，可靠性好，功能强，速度快，抗干扰能力强，性能价格比高等特点，决定采用MCS-51系列的8031单片机扩展系统。控制系统由微机部分，键盘及显示器，I10接口及光隔离电路，步进电机功率放大电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现，显示器采用数码管显示加工数据及机床状态等信息。三、 机械传动方式为实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速而传动丝杠选用滚珠丝杠螺母副，同时，齿轮传动也要消除间隙的结构。1、 绘制总体方案框图（图1-1）图1-1 经济型守护空车床总体方案框图根据设计任务的要求。决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统。这样可使控制系统结构简单，成本低廉，调试和维修比较容易。计算机系统仍采用高性能价格比的MCS-51系列单片机扩展系统。第二章 机床进给伺服系统机械部分设计计算第一节 确立伺服系统脉冲当量一个进给脉冲使机床运动部件的位移量称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。根据机床精度要求确定脉冲当量，最小：0.01mm/脉冲，横向：0.005mm/脉冲。第二节 计算切削力一、 总车外圆： 主切削力F2（N）按经验公式估算：Fz=0.67 =0.67=5025mm按切削力各分力比例：Fz：Fx：Fy=1:0.25:0.4Fx=(20250.25)=1256.25NFy=(50250.4)=2010N主切削力Fz=1/2Fz=25.12.5N此时走刀抗力为Fy（N）吃刀抗力为Fy仍按上述比例粗略计算：Fz：Fx：Fy=1:0.25:0.4Fy：（2512.50.25）=627.13NFx：（2512.50.4）=1005N横切时的切削力可取纵切时的1/2。如图 纵切和横切时切削力的示意图a) 纵车外圆b) 横切外圆第三节 滚珠丝杠螺母副的设计，计算及选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择机构类型：确定滚珠循环方式，关注死港府的预案方式。结构类型确定之后，在计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0，导程L0，滚珠的工作圈数J，列数K，精度等级等。滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环分为螺旋槽式和插管式。滚珠丝杠副的预案方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧，单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。（一） 纵向进丝杠1,计算进给牵引力Fm（N）纵向进给为综合型导轨Fm=kFx+(Fz+G)=(1.151256.25+0.16(5025+1500)= 2638.6N式中 K考虑颠复力矩影响的实验系数，综合导轨取K=1.15； 滑动导轨的摩擦系数：0.150.18； G溜板及刀架重力取1500N。2.计算最大动负载C C= F L= N=式中 滚珠丝杠导程，初选6mm； 最大切削力下的进给速度，可取最高进给速度的，此处为0.5； T使用寿命，按1500h； 滑动导轨摩擦系数：0150.18 L寿命以转为1单位 n=41.67 L=37.5 C= F=1.22638.6N=10598.2N3. 滚珠丝杠螺母副的选型查阅附录A表A-3，采用WL4006外循环螺纹调整预紧的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5图，其额定动负载为16400N，精确等级按表3-17选3级（大致相当于老标准E级）。4.传动效率计算 = 式中 螺旋升角，WL4006 =244 摩擦角取10滚动摩擦系数0.0030.004 = = =0.945.刚度验算先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图3-17所示。最大牵引力为2638.6N。支承间距L=1500mm丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的 图3-17 车床纵向进给系统计算简图（1） 丝杠的拉伸或压缩变形量 查图3-4，根据F=2639N，D=40mm，查出=0.810，可算出：=1500=（0.8101500）mm=1.210mm 由于两端均采用向心推力球轴承，且丝杠又进行了预拉伸，故其拉压刚度可以提高4倍，其实实际变形量为：=0.310mm（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形 查图3-5，W系列1列2.5圈滚珠和螺纹滚道接触变形 =6.4m因进行了预紧，= 6.4m=3.2m（3）支承滚珠丝杠轴承的轴向接触变形采用8170型推力球轴承，d=35mm，滚动体直径d=6.35mm， 滚动体数量=18 =0.00052=0.00052mm=0.0078mm注意，此公式中F单位应为N。因施加预紧力，故 = 0.0078mm=0.0039mm根据以上计算： =+=（0.003+0.0032+0.0039）mm =0.0101mm定位精度显然此变形量已大于定位精度的要求，应该采取相应的措施修改设计。因横向溜板空间限制，不宜再加大滚珠丝杠直径，故采用贴塑导轨减少摩擦力，从而减小最大牵引力。横向进给定位精度应为纵向进给定位精度的1/2，如果变形量仍大于定位精度的要求，可将滚珠丝杠直径加大，也可将滚珠丝杠再经过预拉伸刚度还可提高四倍，则变形量可控制在要求的范围之内。6，稳定性校核对已选定尺寸的丝杠，在给定的支撑条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。缺少公式（二）横向进丝杠方式一端固定一段自由两端简支一端固定一端简支两端固定Fz0.251.002.004.00临界负载Fk与最大工作负载Fm之比称为稳定性安全系数nk，nk=Fk/Fm(nk) ,则丝杠不稳定.(nk)为稳定性安全系数,一般取(nk)=2.54.（三）滚珠丝杠螺母副的几何计算滚珠丝杠副在确定了公称直径d0和导程L0以后，可按表2-12计算各部分的几何参数表2-12滚珠丝杠螺母副的几何参数参数名称符号关系式WL4006螺纹滚道公称直径d导型L接触角钢球直径d滚道法面半径RR=0.52 d偏心距cc=(R-)sin螺纹升角=arctan 螺杆外径dD=d-(0.20.25) d内径dd=d+2r-2R接触直径= d- dcos螺母螺纹直径DD= d-2r-2R内径DD= d-(0.20.25) d第三章 数控系统硬件电路设计第一节 单片机数控系统硬件电路设计一、绘制系统电气控制的结构框图根据总体方案及机械机构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电器控制的机构框图。数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，硬件电路的可靠性直接影响到数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成：（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I10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，见图3-1二、选择中央处理单元（CPU）的类型在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：（1） 时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的速度（2） 可扩展存储器的容量（3） 指令系统功能，影响编程灵活性。（4） I10口扩展的能力，即对外设控制的能力。（5） 开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路三、存储器的扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码器电路的设计。四、I/O接口的电路设计应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路，键盘，显示电路以及其他辅助电路的设计。第二节 MCS-51系列单片机简介一、8031单片机的基本特性 8031单片机具有以下特点：（1） 具有功能很强的8位中央处理单元（2） 片内有时钟发生电路，每执行一条指令为2us或1us（3） 片内具有128字节RAM（4） 具有21个特殊寄存器（5） 可扩张64k字节的外部数据存储器和64k字节的外部程序存储器（6） 具有4个I10口，32根I10线（7） 具有2个16位定时器/计数器（8） 具有5个中断源，配备2个中断优先级（9） 具有一个全双功串行接口（10） 具有位寻址能力，适用逻辑运算。二、8031芯片引脚及其功能8031芯片具有40根管脚，其引脚如图3-2 40根引脚按其功能可以分为四类：1、 电源线 2根 Vu：编程和正常操作时的电源电压，接5v。Vss：低电平2、 晶体振荡器 2根 XTAL1：振荡器的反相放大器输入。适用外部振荡器时必须接地。 XTAL2：振荡器的反相放大器输出和内部时钟发生器的输入，当适用外部振荡器时用于输入外部振荡信号。3、 I10 共有P0 P1 P2 P3四个8位口，32根I10线其功能如下：（1） P0.0P0.7（AD0AD7）是I10端口O的引脚，端口O是一个8位漏极开路的双向I10端口，在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口。（2） P1.0P1.7端口1的引脚是一个带内部上位电阻的8位双向I10通道，专供用户使用。（3） P2.0P2.7端口2的引脚。端口2是一个带上位电阻的8位双向I10口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8A15（4） P3.0P3.7端口3的引脚，端口3是一个带内部上位电阻的8位双向I10口，该口得每一位均可独立地定义第一I10口功能或第二I10功能。座位第一功能适用时，口的结构与操作与P1kou完全相同，第二功能如下示： 口引脚 第二功能 P3.0 RAD（穿串行输入口） P3.1 TXD (串行输出口)P3.2 INT0 (外部中断)P3.3 INT1(外部中断) P3.4 T0(定时器0外部输入)三、8013芯片的储存器结构及地址分配8031芯片内部256字节的空间被分成两部分,其中内部数据存储器(RAM)地址是00H7FH,特殊功能寄存器的地址80HFFH。在内部存储器中的00H1FH为四个工作寄存器，其中：0区 00H07H1区 08H0FH2区 10H17H3区 18H1FH每个区都有8个8位寄存器R0R7，可以用来暂存运算的中间结构以提高运算速度，其中的R0和R7 还可以用来存放8位地址要确定采用哪个工作寄存器区，可通过标志寄存器PSW中的Rs0.RS1两位来指定。8031芯片内部没有程序存储器，且仅有128字节的数据存储器因而在组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器，由于地址线是16位的故最多能扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，其地址位OOOOHFFFFH，即程序存储器和数据存储器位独立编址。因此，RAM和ROM的地址分配比较自由，编程时，不必考虑地址冲突问题。四、 MCS-51系列指令系统的简介 系列指令系统共有11条基本指令，其中单字节指令49条，双字节指令45条，三字节指令17条1 MCS-51指令系统寻址方式简介（1） 立即寻址 跟在操作码后面的一个字节就是实际操作数。叫立即数。例如： MOV A,#40H （2） 直接寻址 在指令中没有给出立即数，而是直接给出参加运算或传送的数的地址，可以访问三种地址，特殊寄存器 内部 128个字节单元。221个位地址空间。例如： MOV A,70H （3） 寄存器寻址 指定某一寻址的寄存器的内容为操作数寻址空间，是 例如： MOV A,Rn（4） 寄存器间接寻址 由指令自定某一寄存器的内容作为操作数地址，选定 R0 R SP 来存放地址。使用时前面加.例如： MOV A,R0 （5） 变址寻址 有指令指定的偏移量寄存器或称变址寄存器和基址寄存器 DPTR或PC相加所得结构作为操作数地址。例如 MOVC A,A+DPTR （6） 相对寻址 把指令中给定的地址偏移量与本指令所在单元地址相加，即得列真正有效的操作数地址。（7） 位寻址 对内部 RAM中的128和SFR块内容的93位，共211位进行位操作。2 MCS-51系列指令系统主要指令简介 (1) 数据传送类 29条（2）算术操作类 24条（3）逻辑操作类 24条（4）控制程序转移类 17条（5）布尔变量操作类17条在这些指令中，使用的最多是数据传送类指令，这类指令又可以分为三类：1、 单片机内部数据传送 包括工作寄存器Rn，特殊功能寄存器SFR和片内RAM之间，以及其各部分与累加器A之间的数据传送，用助记符MOV表示2、 和外部RAM传送依据 累加器A和片外扩展的RAM或I10口进行数据传送用助记符MOVX表示。3、 程序存储器和累加器A之间数据传送用助记符MOVC表示。五、中断系统MCA-51系列单片机提供5个中断源，配备两个中断优先级。两个位INT0、INT1 输入外部中断请求，低电平有效，两个位片内定时/计数器T0和T1，溢出中断请求TF0 和TF1 一个为片内串行口中断请求T1和R1。这些中断请求源的引脚都为P3的第二功能，对于每个终端可编程为高优先级或低优先级中断，并能实现两级中断嵌套。个中断源所对应的终端服务程序的入口地址和优先级如下：中断源 入口地址 优先级INT0 0003H 0T0 0002H 1INT1 0013H 2T1 001BH 3串行口中断 0023H 4第三节 存储器扩展电路设计MCA-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MCA-51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求。一、程序存储器的扩展 MCA-51的程序存储器的寻址空间为64KB字节，8031片内不带ROM。用作程序存储器的器件是EPROM.1、 常用的ROM芯片 2716（2k8） 2732A(4K8)等2、 地址锁存器 由于单片机8031芯片的P0端口是分时传送低8位地址线和数据线，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74L373,74L373是带三态，缓冲输出的8D触发器，其引脚及与8031芯片连接见图3-4二、数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器（RAM）。1、常用的静态RAM芯片有 6116（2k8） 6260（8k8） 等。第四章 数控机床控制软件简介机床数控系统是由硬件和软件两部分组成，只有软件和硬件相结合才能在实现数控机床控制系统的功能。第一节控制软件的组成及功能控制软件的功能如图4-1模型：控制软件接受输入的数据，如零件加工程序，对这些输入数据进行处理