数控铣床进给系统设计.doc

毕业论文毕业论文 论文题目 论文题目 数控铣床进给系统设计数控铣床进给系统设计 学学 院 院 年年 级 级 专专 业 业 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师 指导教师 2011 年年 5 月月 25 日日 I 摘要 本设计主要完成 XK50225 数控铣床的是铣床的进给系统设计 它主要是由 X 方 向和 Y 方向的进给系统设计 在经过认真的分析后 确定了该方案 然后依据有关 参数设计了 X Y 向的进给 控制系统的 CPU 采用凌阳单片机 显示器采用了液晶显 示器 使用丝杠副实现 XY 向的进给 通过进行经济分析后 产品设计合理 关键词 数控铣床 丝杠 工作台 II Abstract The design of NC milling machine XK5025 mainly concerns the design of feed system The movement system is composed of movement of directions marked X and Y After careful analysis this program was fixed Then the movement of the X and Y directions is designed according to related parameter As to the CPU of control system it uses the ling yang one chip computer Display uses LCD Vice to achieve the use of screw feed to the XY through economic analysis this design is reasonable Keywords NC milling machine leading screw working stag III 目录 摘要 I ABSTRACT II 第一章 绪 论 1 1 1 数控铣床的发展前景 1 1 2 课题提出的意义 2 第二章 总体设计方案 3 2 1 设计参数 3 2 2 总方案的确定 3 第三章 步进电机的选择 5 3 1 纵向 横向进给方向的步进电机的选择 5 3 1 1 步进电机步距角的确定 5 3 1 2 电机最大静态扭矩的确定 5 3 2 安装尺寸 6 第四章 联轴器设计 7 4 1 联轴器的种类和特性 7 4 2 联轴器的选择 7 4 3 键的校核 8 第五章 滚珠丝杠的设计 9 5 1 滚珠丝杠的工作原理 9 5 2 滚珠丝杠的结构类型 10 5 2 1 滚珠循环方式 10 5 2 2 轴向间隙的调整和预紧方法 10 5 2 3 滚珠丝杠的安装 10 5 2 4 材料的选择 11 5 3 滚珠丝杠副的承载能力及其选用 11 5 3 1 纵向进给滚珠丝杠副的承载能力及其选用 11 5 3 2 横向水平进给滚珠丝杠副的承载能力及其选用 14 5 4 滚珠丝杠的防护 16 第六章 数控系统的硬件设计 17 6 1 数控系统的基本硬件组成 17 6 2 步进电机的控制 17 6 2 1 步进电机的工作原理 17 6 2 2 步进电机的控制 18 6 3 译码法寻址 18 IV 6 4 键盘显示器接口 18 6 5 程序存储器 EEPROM 芯片 18 6 6 数据存储器 RAM 芯片 19 6 7 程序流程图 19 总结 21 参考文献 22 附录一 23 附录二 30 致谢 33 数控立式铣床进给系统设计 1 第一章 绪 论 1 1 数控铣床的发展前景 市场的开放性和全球化 促使机床产品的竞争日趋激烈 而决定机床产品竞争力 的指标是产品的开发时间 Time 产品质量 Quality 成本 Cost 创新能力 Creation 和服务 Service 用户在追求高质量产品的同时 会更多地追求低的价 格和短的交货期 这就要求企业改变过去传统的设计 生产和管理模式 最大限度地 利用虚拟设计手段 以提高产品的质量和性能 降低成本 并努力缩短交货期 同时 还需要快速响应市场和用户的变化 利用有利时机快速抢占市场 美国制造业在 50 至 60 年代主要以扩大生产规模作为企业竞争力的第一要素 而在 70 年代竞争力的第 一要素为降低生产成本 80 年代为提高产品质量 90 年代为市场响应速度 所以现代 每个企业都期望通过提高自身的科技含量 采用先进的设计技术和手段 以加快设计 速度 提高设计质量 增强竞争力 机床总体方案虚拟设计技术就是为适应这种形势 的变化而提出来的 我国世界上机床产量最多的国家 但在国际市场竞争中仍处于较低水平 即使国 内市场也面临着严峻的形势 一方面国内市场对各类机床产品特别是数控机床有大量 的需求 而另一方面却有不少国产机床滞销积压 国外机床产品充斥市场 90 年国外 数控机床在我国市场的占有率仅达 15 左右 而 95 年已达 77 严重影响我国数控机 床自主发展的势头 这种现象的出现 除了有经营上 产品制造质量上和促销手段上等原因外 一个 主要的原因是我国生产的数控机床品种 性能和结构不够先进 新产品 包括基型 变 型和专用机床 的开发周期长 从而不能及时针对用户的需求提供满意的产品 为解决这样的问题 必须对产品开发的整个过程综合应用计算机技术 发展优化 和仿真技术 提高产品结构性能 并建立起基于并行工程 Concurrent Engineering 的使设计 工艺和制造人员协同工作和知识共享的产品虚拟开发环境 使用相应的产 品虚拟开发软件 这样才能有效地解决产品开发的落后局面 使企业取得良好的经济 效益 同时还有 设计人员操作的和开放的 CAD 应用软件 这样的软件系统应采用特 数控立式铣床进给系统设计 2 征建模技术 具有完备的图库结构 面向产品对象的数据管理系统并与企业的管理 工艺 制造等建立交换信息的接口 同时软件系统是一种开放环境 使设计人员可以 根据自身产品设计的需要 对软件系统方便地进行修改和补充开发 建立起本企业的 应用软件系统 对于机床的整体才用虚拟设计软件 整机的总体方案设计是保证产品 布局合理 性能全局最优和成本合理的主要环节 但机床整机总体方案设计在传统上 往往依赖于人的 智慧 随意性很大 成为影响产品质量的关键因素 随着 CAD 技 术 计算技术和设计方法学的发展 以及市场竞争的需要 必须发展既基于知识 又 具有科学分析和预测功能的总体方案虚拟设计软件 在设计完成后对与整体的优化设 计 主要从保证整机性能的角度来研究机床总体结构的优化 这里既有建模的算法问 题 也有确定载荷和边界条件的问题 更有设计人员直接参与应用和分析的问题 发 展仿真技术在该领域的应用 使性能评价更直观和全面 可以使设计人员的经验和科 学计算分析完美地结合在一起 以推进结构设计的创新发展 要解决长期困扰机械产品设计人员的方案设计完全依靠个别有经验人员和整机结 构性能优化无从下手的问题 又要为广大设计人员提供一个经过二次开发的 CAD 应用 软件的设计系统 还需做大量的研究开发工作 还需加大对并行工程 造型 可靠性 优化设计 报价体系 评价体系和软件一体化等方面的研究工作 1 2 课题提出的意义 当今机床行业的计算机数控化已成为技术进步的大趋势 数控机床是电子信息技 术和传统机械加工技术结合的产物 它集现代精密机械 计算机 通讯 液压气动 光电等多学科技术为一体 具有高效率 高精度 高自动化和高柔性的特点 是当代 机械制造业的主流装备 数控机床大大提高了机械加工的性能 可以精确加工传统机 床无法处理的复杂零件 有效提高了加工质量和效率 实现了柔性自动化 相对于传 统技术基础上的大批量生产的刚性自动化 并向智能化 集成化方向发展 在数控机床发展过程中 值得一提的是数控加工中心的出现 这是一种具有自动 换刀装置的数控机床 它能实现一次装夹并进行多工序加工 这种机床在刀库中装有 钻头 丝锥 铰刀 镗刀等刀具 通过程序指令自动选择刀具 并利用机械手将刀具 装在主轴上 这样可大大缩短零件装缷时间和换刀时间 数控加工中心现在已经成为 数控机床中一个非常重要的品种 不仅有立式 卧式等镗铣类加工中心用于箱体类零 件的加工 还有车削加工中心用于回转体零件加工以及磨削加工中心等 这些高性能 数控立式铣床进给系统设计 3 高精度 高自动化的数控机床就组成了完整的数控机床家族 第二章 总体设计方案 方案设计主要是确定铣床工作台的纵向和横向进给的结构 传动原理以及基本的 运动动力参数 2 1 设计参数 设计任务给出各项指标如下 1 加工对象 45 号钢传动 2 工作台行程 X 400 Y 350 3 脉冲当量 0 001 0 002mm 2 2 总方案的确定 由以上数据可以看出 该钻铣床为小型机床 且为立式 主要加工对象为普通 45 号钢 加工并不困难 精度要求也不是非常高 所需要的功率也不大 因此 工作台 的纵向和横向的移动通过丝杠来实现 按滚珠的循环方式可分为 弯管式 回球器 式 端盖式 如图 2 1 图 2 1 弯管式丝杠副 弯管式丝杠副与丝母之间设有滚珠转动沟道 滚珠对沟道产生轴向负载 滚珠在丝 杠轴周围做滚动运动之后 进入镶在丝母内部的弯管口内 并沿弯管再次向负载区循环 数控立式铣床进给系统设计 4 从而进行无限滚动运动 这种产品 如图 2 2 是滚珠丝杠副中品种最丰富的普及型 产品 可广泛用于各种用途 图 2 2 螺母丝杠副 根据题目给出的要求 在工作台控制滑动的是才用的是 WL1 型有衬套的丝杠结构 数控立式铣床进给系统设计 5 第三章 步进电机的选择 3 1 纵向 横向进给方向的步进电机的选择 3 1 1 步进电机步距角的确定 根据 360 360 h h 式中 步进电机步距角 度 脉冲当量 mm 滚珠丝杠螺距 mm h 因为 8 mm mm h002 0 所以 09 0 8 002 0 360360 h 由于要满足步进电机和工作台的步距要求 因此采用联轴器结构 来传递转动 3 1 2 电机最大静态扭矩的确定 负载的最大扭矩 3 9 810 2 Z FG h M 式中 F 进给方向的切削力 N G 工件和工作台的质量 kg 导轨摩擦系数 丝杠的传动效率 丝杠螺距 mm h 由以上计算可知高速钢立铣的铣削圆周力最大 并且由 专用机床NPZ28 2191 设计与制造 8 表 7 可知 当逆铣时 取 1 2 所以2 1 1 Z H P P G 取 200 kg 取 0 8 取 0 95 取 8 NPP ZH 28 21912 12 1 H PF h mm 所以 数控立式铣床进给系统设计 6 3 3 9 810 2 2629 5369 8 0 8 2008 10 2 3 14 0 95 5 629 Z FG h M N m 产品规格及性能 所以步进电机转矩取 11Nm 选择 110BYG 系列步进电机 型号 110BYG5200C 相数 5 相 保持转矩 11 N m 3 2 安装尺寸 步进电机的安装尺寸如图 3 1 图 3 1 步进电动机安装尺寸 数控立式铣床进给系统设计 7 第四章 联轴器设计 4 1 联轴器的种类和特性 联轴器的所连接的两轴 由于制造及安装误差 承载后的变形以及温度变化的影 响等 往往不能保证严格的对中 而是存在某种程度的相对位移 如图 4 1 所示两种 相对位移等 这就要求设计联轴器时 要从结构上采取各种不同的措施 使之具有适 应一定范围的相对位移能力 轴向位移 径向位移 图 4 1 轴的相对位移 根据联轴器对各种相对位移有无补偿能力 即能否在发生相对位移的条件下保持 连接的功能 联轴器可分为刚性联轴器 无补偿能力 和挠性联轴器 有补偿能力 两大类 4 2 联轴器的选择 由于这里步进电机和丝杠的轴在同一直线上具有很好的对中 有轴向位移 所以 选用刚性联轴器 刚性联轴器里套筒联轴器能很好的满足结构要求且结构相对简单便 于安装 所以选用套筒联轴器 自行设计联轴器如图 4 2 所示 图 4 2 套筒联轴器 数控立式铣床进给系统设计 8 4 3 键的校核 套筒与丝杠连接是用普通圆头平键 轴径为 30mm 传动转矩为 44 8N m 载荷稳 定 选择键的类型 选 A 型普通平键 确定键的尺寸 查表可选键的尺寸为 b h l 10 8 55 mm 挤压强度 按式 10 32 并取 则工作4 2 h KmmbLl451055 表面的挤压应力为 3 2244 8 10 16 59 8 45 30 2 p T MPa kld 故联结能满足挤压强度要求 MPaMPa pp 60 50 92 22 数控立式铣床进给系统设计 9 第五章 滚珠丝杠的设计 5 1 滚珠丝杠的工作原理 滚珠丝杠螺母机构是回转运动与直线运动相互转换的传动装置 其工作原理如图 5 1 所示在丝杠和螺母上分别加工出圆弧形螺旋槽 这两个圆弧槽合起来便形成了螺 旋滚道 在滚道内装入滚珠 迫使二者发生轴向相对位移 为了防止滚珠从螺母中滚 出来在螺母的螺旋槽两端设有回程引导装置 使滚珠能返回丝杠螺母之间构成一个闭 合回路 由于滚珠的存在 丝杠和螺母之间是滚动摩擦 仅在滚珠之间存在滑动摩擦 由于滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动 所以能得到较高的运 动效率 与过去的滑动丝杠副相比驱动力矩达到 1 3 以下 即达到同样运动结果所需 的动力为使用滚动丝杠副的 1 3 在省电方面很有帮助 滚珠丝杠副是用制造机械设备 连贯生产出来的 特别是在研削 组装 检查各工序的工厂环境方面 对温度和湿度 进行了严格的控制 由于完善的品质管理体制使精度得以充分保证 滚珠丝杠副由于是 利用滚珠运动 所以启动力矩极小 不会出现滑动运动那样的爬行现象 能保证实现精 确的微进给 滚珠丝杠副可以加压 由于压力可使轴向间隙达到负值 进而得到较高的 刚性 滚珠丝杠内通过给滚珠加予压力 在实际用于机械装置等时 由于滚珠的斥力可 使丝母部的刚性增强 滚珠丝杠副由于运动效率高 发热小 所以可实现高速进给 运动 图 5 1 滚珠丝杠螺母工作原理图 数控立式铣床进给系统设计 10 5 2 滚珠丝杠的结构类型 5 2 1 滚珠循环方式 滚珠在循环回路中与丝杠脱离接触称谓为外循环 本方案采用外循环方式的螺旋 槽式 在螺母外圆上铣有回珠槽 两个挡珠器分别位于回珠槽与螺母的螺旋滚道的联 接处 利用挡珠器一端修磨的圆弧引导滚珠离开螺旋滚道进入回珠槽 以及引导滚珠 由回珠槽返回螺旋滚道 形成外循环回路 螺旋槽式滚珠循环回路转折平缓 便于滚珠循环 同时结构简单 加工方便 因 此在数控机床中应用较为广泛 5 2 2 轴向间隙的调整和预紧方法 滚珠丝杠螺母的轴向间隙调整和预紧方法的原理与普通丝杠螺母相同 即通过调 整滚珠螺母的轴向相对位置 使两个螺母的滚珠分别压向螺旋滚道的两侧面 本设计的间隙调整采用螺纹调隙式 一个滚珠螺母的外端有凸缘 而另一个外端 没有凸缘而设有螺纹 用双螺母对双滚珠螺母进行轴向位置的调整和固定 旋转前螺 母可使双螺母产生轴向相对位移 达到调整轴向间隙的目的 而用后螺母进行锁紧 这种方法结构简单 调整方便 因此应用广泛 缺点是调整量难以精确控制 5 2 3 滚珠丝杠的安装 1 支承方式 按照怎样安排承受推力的轴承来分 有四种支承方式 a 双推 双推 b 双 推 支承 c 单推 单推 d 双推 自由 本仿案采用 c 单推 单推支 承方式 数控机床的进给系统要求获得较高的传动刚度 除了加强滚珠丝杠螺母机构的正 确安装及其支承 结构刚度也是不可忽视的因素 滚珠丝杠螺母机构安装不正确以及 支承刚度不足 会使滚珠丝杠的使用寿命大大下降 丝杠的支承轴承采用滚珠丝杠专用轴承 这是一种特殊的向心推力球轴承 其接 触角增大到 60 度 增加了滚珠的数目并相对减少了滚珠直径 使轴向刚度增大到普通 向心推力球轴承的两倍 该轴一般是成套出售 出厂时已调好预紧力 使用极为方便 数控立式铣床进给系统设计 11 丝杠两端的轴承座孔与滚珠螺母座孔应保证严格的同轴度 同时要保证滚珠螺母 与座孔的配合良好以及孔对端面的垂直度 保证轴承支座和螺母支座的整体刚度 局 部刚度和接触刚度等 本方案选用 T 类螺纹调整滚珠丝杠副 5 2 4 材料的选择 滚珠丝杠 GCr15 整体淬火 硬度 58 60HRC 滚珠螺母 GCr15 整体淬火 硬度 60 62HRC 外循环挡珠器 65Mn 整体淬火 硬度 56HRC 5 3 滚珠丝杠副的承载能力及其选用 5 3 1 纵向进给滚珠丝杠副的承载能力及其选用 滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷 C 和额定静载荷 来表示 它的定 o C 义 计算和选用方法和滚动轴承基本相同 一般额定动载荷或额定静载荷选用滚珠丝 杠副的尺寸规格 只有细厂而又承受压缩载荷的滚珠丝杠副 才需要压杆稳定性的核 算 对转速高 支撑距离大的滚珠丝杠副 才做临界转速的核算 对精度要求高的滚 珠丝杠副 才做刚度的核算 按额定动载荷选用 额定动载荷 C 是指一批相同规格的滚珠丝杠副 经过运转一百万转 相当于在转 速 n 的条件下 运转 500 小时 后 90 的滚珠丝杠副不产生疲劳剥伤min 33 1 33r 或称为点蚀 是滚珠丝杠副的主要失效形式 时的轴向载荷 不同规格的的滚珠丝杠副的额定载荷植见表 5 7 35 42 实际应用中 由于预期的 总运转时间 寿命 转速 载荷性质等与得到额定动载荷值的条件不同 必须根据已 知条件 按式 5 1 折算成与之相当额定动载荷值 只要选用的滚珠丝杠副的额定动 载荷值等于或大于由式 5 1 计算所得的 C 值 这些滚珠丝杠副就可以在给定的条件 下和预期的寿命内安全地工作 hdH d n f f f CPkgf f 5 1 数控立式铣床进给系统设计 12 式中 根据预期的寿命 查寿命系数 h f 3 1 500 h h L f hLh选取按表15 h L 图 5 7 89 取 15000h h L1 3 h f 表 5 1 滚珠丝杠的预期工作寿命 h L 机床类别工作寿命 一般机床 组合机床 数控机床 精密机床 机床的移动机构和辅助机构 10000 15000 5000 8000 521 2 dd ff 载荷性质系数 按表选取 取 表 5 2 载荷系数 d f 载荷性质 d f 平稳 轻微冲击 中等冲击 较大冲击 振动 1 1 2 1 2 1 5 1 5 2 5 表 5 3 硬度影响系数及 H F H f 硬度 HRC58 5552 55047 54540 动载荷硬度影响系数 静载荷硬度影响系 1 0 1 0 1 11 1 11 1 33 1 40 1 56 1 67 1 92 2 1 2 4 2 65 3 85 4 5 531 0 HH ff 动载荷影响系数 按表选取 取 n f 转速系数 根据已知的 n 可查图 5 7 90 n 取 100r min 所以 3 1 3 33 n fn 0 69 n f 当量轴向载荷 kgf 取 500kgf d P d P 所以可得 3 1 1 2 1 0 500 0 69 2695 7 hdH d n f f f CP f kgf 按额定静载荷选用 额定静载荷 O C 是指滚珠丝杠副在静止状态下 承载最大接触应力的滚珠和滚道接 数控立式铣床进给系统设计 13 触面的塑性变形量之和滚珠直径万分之一时的轴向载荷 如果滚珠丝杠副的载荷是静载荷 或其转速小于 10r min 这时应按额定静载荷选用 使其值符合下式的要求 o C maxodH Cf fPkgf 5 2 式中 521 4 dd ff 载荷性质系数 按表选取 取 53 HH ff 静载荷影响系数 按表选取 取1 0 max P 最大轴向载荷 kgf max P 取 1500 kgf 所以可得 max 1 4 1 0 1500 2100 odH Cf fP kgf 临界转速 c n r min 7 2 10 L d fn sp c 式中 丝杠底径 mm 38 5 sp d sp d 支撑方法有关的临界转速系数 见表 5 4 取 15 1 ff 支承方式 Fm 双推 双推 双推 支承 单推 单推 双推 自由 21 9 15 1 9 7 3 4 20 3 10 2 5 1 1 3 表 5 4 系数 f 和 m 丝杠支撑间距 mm 取 1000mm LL 所以可得 7 2 7 2 10 15 1 38 5 10 1000 5813 5 min sp c d nf L r 转速远远大于电机的最大转速 所以合适 查 8 型外循环螺纹调整预紧的带套的双螺母滚珠丝LW1 数控立式铣床进给系统设计 14 杠副 表 5 7 37 得 6008 额定动载荷 3120kgf 额定动载荷 14600kgfLW1 额定动载荷和额定静载荷都符合要求 5 3 2 横向水平进给滚珠丝杠副的承载能力及其选用 滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷 C 和额定静载荷 来表示 它的定 o C 义 计算和选用方法和滚动轴承基本相同 一般额定动载荷或额定静载荷选用滚珠丝 杠副的尺寸规格 只有细厂而又承受压缩载荷的滚珠丝杠副 才需要压杆稳定性的核 算 对转速高 支撑距离大的滚珠丝杠副 才做临界转速的核算 对精度要求高的滚 珠丝杠副 才做刚度的核算 按额定动载荷选用 5 3 kgfP f fff C d n hdh 1 3 500 5515000 h hh hh L ffh Lh f h h 寿命系数 根据预期的寿命L 其中L 按表选取 查图5 7 89 取 3 1 表 5 5 滚珠丝杠的预期工作寿命 h l 机床类别工作寿命 一般机床 组合机床 数控机床 精密机床 机床的移动机构和辅助机构 10000 15000 5000 8000 561 2 dd ff 载荷性质系数 按表选取 取 表 5 6 d f 载荷性质 d f 平稳 轻微冲击 中等冲击 较大冲击 振动 1 1 2 1 2 1 5 1 5 2 5 571 0 HH ff 动载荷影响系数 按表选取 取 转速系数 根据已知的 n 可查图 5 7 90 n 取 100r min n f 3 1 3 33 n fn 所以 0 69 n f 数控立式铣床进给系统设计 15 当量轴向载荷 kgf 取 200kgf d p d p 所以可得 3 1 1 2 1 0200 0 69 1078 26 hdH d n f f f CP f kgf 表 5 7 硬度影响系数及 H fHf 按额定静载荷选用 额定静载荷是指滚珠丝杠副在静止状态下 承载最大接触应力的滚珠和滚道接 o C 触面的塑性变形量之和滚珠直径万分之一时的轴向载荷 如果滚珠丝杠副的载荷是静载荷 或其转速小于 10r min 这时应按额定静载荷选用 使其值符合下式的要求 o C maxodH Cf fPkgf 5 4 式中 561 2 dd ff 载荷性质系数 按表选取 取 57 HH ff 静载荷影响系数 按表选取 取1 0 最大轴向载荷 kgf 取 250 kgf max P max P 所以可得 max 1 2 1 0250 300 odH Cf fP kgf 临界转速 c n r min 7 2 10 L d fn sp c 式中 丝杠底径 mm 49mm sp d sp d 硬度 HRC 58 5552 55047 54540 动载荷硬度影响系数 静载荷硬度影响系 1 0 1 0 1 11 1 11 1 33 1 40 1 56 1 67 1 92 2 1 2 4 2 65 3 85 4 5 数控立式铣床进给系统设计 16 f 支撑方法有关的临界转速系数 见表 5 8 f 取 15 1 表 5 8 系数 f 和 m 支承方式 Fm 双推 双推 双推 支承 单推 单推 双推 自由 21 9 15 1 9 7 3 4 20 3 10 2 5 1 1 3 丝杠支撑间距 mm 取1000mm 所以可得LL 7 2 7 2 10 15 1 49 10 1000 7399 min sp c d nf L r 转速远远大于电机的最大转速 所以合适 查 机床设计手册 8 零件设计 型外循环螺纹调整预紧的带套的双螺母滚珠LW1 丝杠副 表 5 7 37 得 4000 额定动载荷 2480kgf 额定动载荷 9800 kgf 额定动载LW1 荷和额定静载荷都符合要求 5 4 滚珠丝杠的防护 如果滚珠丝杠副在机床上外露 应采用封闭的防护罩 根据本机床的机构和经济 性要求 所以采用折叠套管防护罩 本丝杠副采用润滑脂 如锂基脂 充填在螺母内 部及涂在丝杠螺纹滚道上 数控立式铣床进给系统设计 17 第六章 数控系统的硬件设计 6 1 数控系统的基本硬件组成 任何一个数控系统都由硬件和软件两部分组成 硬件是数控系统的基础 其性能 的好坏直接影响到整个系统的工作性能 有了硬件 软件才能有效的运行 机床数控 系统的硬件电路概括起来有以下几个部分组成 1 中央处理单元 CPU 2 总线 包括数据总线 DB 地址总线 AB 和控制总线 CB 3 存贮器 包括可擦除存贮器 EEPROM 和随机存贮器 RAM 4 I O 输入 输出接口电路 其中 CPU 是数控系统的核心 作用是进行数据运算处理和控制各部分电路的协调 工作 存贮器用于存放系统软件 应用中所需的各种数据 I O 接口是系统与外界进 行信息交换的桥梁 总线则是 CPU 与存贮器 接口以及其它转换电路联接的纽带 是 CPU 与部分电路进行信息交换和通讯的必由之路 由于 MCS 51 系列单片机在我国数控车床控制方面应用较普遍 其配套芯片价廉 普及性通用性强 制造和维修也较方便 因此市场数据系统应用 MCS 51 较多 但 是随着电子信息技术的飞跃发展 新型号的芯片的不断问世 各种各样的单片机也应 声而生 u n sp 单片机是由凌阳公司推出的 16 位单片机 它的数据处理较强 集成 度较高 而且有较大的存贮器空间 较快的处理速度 片内较多的 RAM 和 FLASHROM 存贮器 有 D A A D 接口和支持 DSP 数字信号处理 的指令 因此 在这里不过多地扩展存贮器监控程序和功能子程序的可擦除存贮器和调试程序用的随 机存贮器 数控系统也可以直接购买国内外较好的数控系统系列产品做为数控装置 如 德国的西门子系列 6 2 步进电机的控制 6 2 1 步进电机的工作原理 步进电机是将电能转化为机械能电磁 数控立式铣床进给系统设计 18 元件 定子上安排了六个磁极 相对两个磁极上放置着同一相励磁绕组 而转子上没 有 只有四个凸极 a b c d 组成 当 s1 接通 s2 s3 断开 A 相建立磁场 转子 力求以磁路最大来取向 转子齿与定子 A 相磁极对齐 即转子 a c 齿的轴线与定子 A 相磁极轴线重合 当 s1 s3 断开 s2 接通 转子 b d 齿的轴线与定子 B 相磁极轴 线重合 依次类推 s1 s2 s3 s1 循环接通 转子以一定的布距角旋转 改变输入电 流方向 实现反转即 s1 s3 s2 s 6 2 2 步进电机的控制 步进电机是受脉冲信号控制的 脉冲信号的产生和分配由软件编程来完成 而信 号的放大由放大电路来完成 由于强弱信号的原因 我们在放大电路前加上光电耦合 电路 已防止电源串路 6 3 译码法寻址 由于扩展的存贮器和其它外围芯片的数量较多 常常采用译码法寻址 由译码器 组成译码电路对系统的高位地址进行译码 译码电路将地址空间划分若干块 其输出 作为存贮器芯片的片选信号 分别选通各芯片 这样既充分利用了存贮器空间 又避 免了空间分散的缺点 还可以减少 I O 口线 6 4 键盘显示器接口 键盘和显示器是数控系统常用的人机对话的外围设备 键盘可以完成程序数据的 输入 显示器显示计算机运行时的状态数据 键盘接口电路 用 8279 作为并行接口使 用 8279 的地址 数据线和凌阳单片机的接口直接连接 由片选信号控制实现分时信 息传递 6 5 程序存储器 EEPROM 芯片 由于数控机床在加工的时候要进行加工程序的监控 所以数控系统需要有程序存 储器 放置监控程序 本数控机床选用 EEPROM 容量为 8K 其外形图如图 7 1 数控立式铣床进给系统设计 19 图 7 1 程序存储器 EEPROM 芯片 6 6 数据存储器 RAM 芯片 由于数控机床在加工的时候要进行加工程序的调试 所以数控系统需要有随机存 储器 放置调试程序 本数控机床选用静态 RAM6264 容量为 8K 其外形图如图 7 2 图 7 2 数据存储器 RAM 芯片 6 7 程序流程图 驱动横向和纵向步进电机运转的程序流程图如图 7 3 数控立式铣床进给系统设计 20 图 7 3 步进电机流程图 返回 延时 延时 延时 延时 延时延时 06 05 06 03 03 03 向电机启动 向电机启动 数控立式铣床进给系统设计 21 总结 本学期的毕业设计就要结束 在过去的 3 个多月的学习中 在老师的带领下 我 系统的设计了 XK5025 数控铣床的进给系统的设计 对与丝杠副有了很深的了解 对 于步进电机的选择应用 有了一定的认识 在电路设计方面 水品有了很大的提高 自己 的机械设计水品有了很大的提高 对自己的大学生活做了一个很好的结局 数控立式铣床进给系统设计 22 参考文献 1 濮良贵 纪名刚 机械设计 M 北京 高等教育出版社 2001 100 374 2 张新义 经济型数控机床 M 北京 机械工业出版社 1993 1021 58 3 吴祖育 数控机床 M 上海 上海科学技术出版社 1989 78 96 4 王爱玲 现代数控机床使用操作技术 M 北京 国防工业出版社 20021 46 254 5 李忠文 实用电机控制电路 M 北京 化学工业出版社 2003 1321 76 6 李佳 数控机床及应用 M 北京 清华大学出版社 2001 337 8 7 吉林工学院 金属切削机床设计 上册 M 上海 上海科学技术出版社 1979 1021 34 8 机床设计手册编写组 机床设计手册 2 零件设计 上册 M 北京 机械工业出版社 198020 46 23 9 维邦 金属切削机床设计 上册 M 北京 机械工业出版社 1984 341 03 10 承恩 现代数控机床 上册 M 北京 机械工业出版社 19913 7 88 11 蔡春源 机械零件设计手册 上册 M 北京 冶金出版社 19964 51 04 12 蔡春源 机械零件设计手册 下册 M 北京 冶金出版社 19965 067 02 数控立式铣床进给系统设计 23 附录一 输入数据处理程序 defineP IOA Data 0 x7000 defineP IOA Dir 0 x7002 defineP IOA Attrib0 x7003 defineP IOB Data 0 x7005 defineP IOB Dir 0 x7007 defineP IOB Attrib0 x7008 ram var KEY BUF K IN P K IN C K IN D var KD00 KD01 KD02 KD03 var KDA0 KDA1 KDA2 KDA3 var KDB0 KDB1 KDB2 KDB3 var KDC0 KDC1 KDC2 KDC3 var KDD0 KDD1 KDD2 KDD3 disp buf dw 0 x00 0 x00 0 x00 0 x00 0 x00 0 x00 CODE DISP TABLE DW 0 x003F 0 x0006 0 x005B 0 x004F 0 x0066 0 x006D 0 x007D 0 x0007 0 x007F 0 x006F DW 0 x0077 0 x007C 0 x0039 0 x005E 0 x0079 0 x0071 0 x0073 public main main R1 0XFFFF P IOA Dir R1 Set port IOA output P IOA Attrib R1 R1 0 xF0F0 设置 PORTB D15 D12 为键盘扫描 OUT P IOB Dir R1 设置 PORTB D11 D8 为键盘扫描 IN P IOB Attrib R1 R1 0 x00FF P IOB Data R1 数控立式铣床进给系统设计 24 R1 0X0000 R3 24 R4 KEY BUF CLRR0 R4 R1 R4 1 R3 1 CMP R3 0 JNE CLRR0 mainloop call F disp PIOA call F ksc PIOB call F ksc CLP jmp mainloop 键值处理 F ksc CLP R1 KEY BUF CMP R1 0 JE KDAE CMP R1 11 JB K DATA R2 0 K IN C R2 CMP R1 11 JNE K GN2 R2 KDA0 K IN P R2 R2 1 K IN D R2 R2 0 KEY BUF R2 RETF K DATA 数控立式铣床进给系统设计 25 R3 K IN D CMP R3 0 JE KDAE R2 K IN P R1 1 R2 R1 R2 1 K IN P R2 R2 K IN C R2 1 K IN C R2 CMP R2 4 JNE KDAE R2 0 K IN C R2 R2 K IN P R2 4 K IN P R2 KDAE R2 0 KEY BUF R2 RETF K GN2 CMP R1 12 JNE K GN3 R2 KDB0 K IN P R2 R2 2 K IN D R2 R2 0 KEY BUF R2 RETF K GN3 数控立式铣床进给系统设计 26 CMP R1 13 JNE K GN4 R2 KDC0 K IN P R2 R2 3 K IN D R2 R2 0 KEY BUF R2 RETF K GN4 CMP R1 14 JNE K GNAK R2 KDD0 K IN P R2 R2 4 K IN D R2 R2 0 KEY BUF R2 RETF K GNAK CMP R1 15 JNE K GNNK R2 KDD0 K IN P R2 R2 0 K IN D R2 R2 0 KEY BUF R2 RETF K GNNK R2 0 K IN P R2 数控立式铣床进给系统设计 27 K IN C R2 K IN D R2 KEY BUF R2 RETF 显示子程序 F disp PIOA R2 K IN D R2 R2 LSL 2 R2 4 R1 0 x0800 AA0 R5 DISP TABLE R5 R2 R1 R5 P IOA Data R1 R1 R5 R2 1 R1 R1 LSL 1 CALL DELAY CMP R1 0 x8000 JB AA0 R1 0 x0800 RETF DELAY R4 0 x0000 DL1 R4 1 CMP R4 0 x01 JBE DL1 RETF 按键