X-Y数控工作台的机电系统设计

理工大学理工大学 课程设计课程设计 X YX Y 数控工作台的机电系统设计数控工作台的机电系统设计 学院 学院 机机 械械 工工 程程 学学 院院 专业 专业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 班级 班级 机机 电电 班班 教师 教师 学号 学号 学生 学生 精品文档 1欢迎下载 摘要摘要 本文主要是进行 X Y 数控工作台的机电系统设计 根据设计任务给定的工作尺寸 设计一种供应式数控铣床的 X Y 数控工作台 首先 确定总体设计方案 其中主要对导轨副 丝杠螺母副 减速装置 检测装 置的选用及控制系统的设计进行初步分析 再绘制总体方案图 其次 进行机械传动部件的计算与选择 主要进行导轨上移动部件的重量估算 铣削力的计算 直线滚动导轨副的计算与选型 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 步进 电机减速箱的选用 步进电动机的计算与选型 本部分作为此设计重点 进行了大量 的分析 计算及验算 最后得到了满足任务规定尺寸的工作要求 再次 选用检测装置 本设计中选用了增量式旋转编码器 确定电路为观电隔离 电路 以此来对工作台的运动状态进行检测 从而在反馈后对工作台进行实时调整 最后 控制系统的设计 此处主要通过进给传动系统来对硬件电路进行设计 并 绘制控制系统原理框图 然后分析选用了步进电动机的驱动电源 关键字关键字 X Y 数控工作台 机电系统 导轨 滚珠丝杠螺母副 控制系统 精品文档 2欢迎下载 目录目录 1 引言 3 2 设计任务 3 3 总体方案的确定 3 3 1 机械传动部件的选择 3 3 1 1 导轨副的选用 3 3 1 2 丝杠螺母副的选用 4 3 1 3 减速装置的选用 4 3 1 4 伺服电动机的选用 4 3 1 5 检测装置的选用 4 3 2 控制系统的设计 4 3 3 绘制总体方案图 4 4 机械传动部件的计算与选型 5 4 1 导轨上移动部件的重量估算 5 4 2 铣削力的计算 5 4 3 直线滚动导轨副的计算与选型 纵向 6 4 3 1 块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取 6 4 3 2 距离额定寿命 L 的计算 6 4 4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 7 4 4 1 最大工作载荷 Fm 的计 算 7 4 4 2 最大动工作载荷 FQ 的计 算 7 4 4 3 初选型号 7 4 4 4 传动效率 的计 算 7 4 4 5 刚度的验算 7 4 4 6 压杆稳定性校核 8 4 5 步进电动机减速箱的选用 8 4 6 步进电动机的计算与选型 8 4 6 1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq 8 4 6 2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq 9 4 6 3 步进电动机最大静转矩的选定 10 4 6 4 步进电动机的性能校核 11 5 增量式旋转编码器的选用 11 6 绘制进给传动系统示意图 12 7 工作台控制系统的设计 12 7 1 数控系统硬件控制电路设计 12 7 2 辅助电路设计 14 精品文档 3欢迎下载 7 3 系统控制软件设计 15 8 步进电动机的驱动电源选用 16 8 1 电动机特性分析及细分驱动控制 16 8 2 步进电机电源驱动选用 17 总结 18 参考文献 18 1 引言 现代科学技术的不断发展 极大地推动了不同学科的交叉与渗透 导致了工程领 域的技术革命与改造 在机械工程领域 由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及 其向机械工业的渗透所形成的机电一体化 使机械工业的技术结构 产品机构 功能 与构成 生产方式及管理体系发生了巨大变化 使工业生产由 机械电气化 迈入了 机电一体化 为特征的发展阶段 X Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件 如数控车床的纵 横向进刀机 构 数控铣床和数控钻床的 X Y 工作台 激光加工设备的工作台 电子元件表面贴装 设备等 模块化的 X Y 数控工作台 通常由导轨座 移动滑块 工作 滚珠丝杠螺母副 以及伺服电动机等部件构成 其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠 滚珠丝 杠螺母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均以标准化 由专门厂家生产 设计时只需根据 工作载荷选取即可 控制系统根据需要 可以选取用标准的工作控制计算机 也可以 设计专用的微机控制系统 2 设计任务 题目 X Y 数控工作台的机电系统设计 任务 设计 X Y 数控工作台的机电系统设计 其主要参数如下 1 立铣刀最大直径的 mmd20 2 立铣刀齿数 3 Z 3 最大铣削宽度 mmae20 4 最大背吃刀量mmap10 5 加工材料为碳素钢活有色金属 6 X Y 方向的脉冲当量 mm yx 005 0 7 X Z 方向的定位精度均为 mm01 0 8 工作台面尺寸为 加工范围为 mmmm3201320 mmmm330680 9 工作台空载进给最快移动速度 min 2300 maxmax mmvv yx 10 工作台进给最快移动速度 min 770 maxmax mmvv fyfx 3 总体方案的确定 精品文档 4欢迎下载 3 1 机械传动部件的选择 3 1 1 导轨副的选用 要设计 X Y 数控车床工作台用来配套立式数控铣床 需要承受的载荷不大 而且 脉冲当量小 定位精度高 因此选用直线滚动导轨副 它具有摩擦系数小 不易爬行 传动效率高 结构紧 安装预紧方便等优点 3 1 2 丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动 需要满足 0 005mm 冲当量和mm 的定位精度 滑动丝杠副为能为力 只有选用滚珠丝杆副才能达到01 0 要求 滚珠丝杆副的传动精度高 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 1 3 减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后 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 且应有消间 隙机构 选用无间隙齿轮传动减速箱 3 1 4 伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到 0 001mm 定位精度也未达到微米级 空载最快移 动速度也只有因此 2300mm min 故本设计不必采用高档次的伺服电动机 因此可以选 用混合式步进电动机 以降低成本 提高性价比 3 1 5 检测装置的选用 选用步进电动机作为伺服电动机后 可选开环控制 也可选闭环控制 任务书所 给的精度对于步进电动机来说还是偏高 为了确保电动机在运动过程中不受切削负载 和电网的影响而失步 决定采用半闭环控制 拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋 转编码器 用以检测电动机的转角与转速 增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动 机的步距角相匹配 考虑到 X Y 两个方向的加工范围相同 承受的工作载荷相差不大 为了减少设计 工作量 X Y 两个坐标的导轨副 丝杠螺母副 减速装置 伺服电动机以及检测装置 拟采用相同的型号与规格 3 2 控制系统的设计 1 设计的 X Z 工作台准备用在数控车床上 其控制系统应该具有单坐标定位 两 坐标直线插补与圆弧插补的基本功能 所以控制系统设计成连续控制型 2 对于步进电动机的半闭环控制 选用 MCS 51 系列的 8 位单片机 AT89S52 作为 控制系统的 CPU 能够满足任务书给定的相关指标 3 要设计一台完整的控制系统 在选择 CPU 之后 还要扩展程序存储器 键盘与 显示电路 I O 接口电路 D A 转换电路 串行接口电路等 4 选择合适的驱动电源 与步进电动机配套使用 3 3 绘制总体方案图 精品文档 5欢迎下载 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 图一 总体方案图 4 机械传动部件的计算与选型 4 1 导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 工作台 上层电 动机 减速箱 滚珠丝杠副 导轨座等 来进行重量估算 根据给定的有效行程 画出工作台简图 估算 X 向和 Y 向工作台承载重量和 x W y W 设计工作台示意图如下 图二 工作台示意图 重量估算按 重量 体积 材料比重 X 向拖板 上拖板 重量估算为 NNWx2400108 710403502200 23 Y 向拖板 下拖板 重量估算为 NNWy850108 71040350800 23 精品文档 6欢迎下载 工作台面重量估算 NNW1000108 710303201320 23 电机重量估算为 120N 夹具及工件等重量 130N X Y 工作台运动部分总重量为 NNW4500130120100008502400 总 4 2 铣削力的计算 设零件的加工方式为立式铣削 采用硬质合金立铣刀 工件的材料为碳钢 则由 表 3 7 查得立铣时的铣削力计算公式为 1 ZnadfaF pzec 13 0 0 173 0 75 0 85 0 118 由设计任务知铣刀的直径为d 齿数 为了计算最大铣削力 在不mmd20 3 Z 对称铣削情况下 取最大铣削宽度为 背吃刀量 每齿进给量mmae20 mmap10 铣刀转速 则由 1 式求的最大铣削力 mmfz1 0 min 300rn NFc1893330010201 020118 13 00 173 0 75 085 0 采用立铣刀进行圆柱铣削时 各铣削力之间的比值可由表查得 考虑逆铣时的情 况 可估算三个方向的铣削力分别为 NFF cf 20821 1 NFF ce 71938 0 考虑立铣 工作台受到垂直方向的铣削力 受到NFF cfn 47325 0 NFF ez 719 水平方向的铣削力分别为和 今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向 f F fn F 则纵向铣削力 径向铣削力为 NFF fx 2082 NFF fny 473 4 3 直线滚动导轨副的计算与选型 4 3 1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 max F 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素 本例中的 X Y 工作台为水 平布置 采用双导轨 四滑块的支承形式 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 2F G F 4 max 其中 移动部件重量 外加载荷 代入式NG4500 NFF z 719 z F F486N 2 得最大工作载荷 kNF844 1 max 根据工作载荷 0 686kN 工作台面尺寸为 加工范围为 max Fmmmm3201320 精品文档 7欢迎下载 等数值 并考虑一定的余量 查表初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系mmmm330680 列 其中 X 向导轨为 JSA LG35 型 长度为 2200m m 其额定动载荷 额定kNCa 1 35 静载荷 Y 向导轨为 JSA LG20 型 长度为 760m m 其额定动载荷kNC a 2 47 0 额定静载荷 kNCa 6 13 kNC a 3 20 0 4 3 2 距离额定寿命 L 的计算 上述所取的 KL 系列导轨副的滚道硬度为 60HRC 工作温度不超过C 每根导轨100 上配有两只滑块 精度为 4 级 工作速度较低 载荷不大 由上可知 JSA LG20 系列 所允许的静载荷值更小 所以此处只需对它进行验算即可 分别取硬度系数 0 1 H f 温度系数 接触系数 精度系数 载荷系数 代入00 1 T f81 0 C f9 0 R f5 1 W f 下式 得距离寿命 km F C f ffff L a W RCTH 230250 3 max 远大于期望值 50km 故距离额定寿命满足要求 4 4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4 4 1 最大工作载荷 Fm 的计算 如前所述 在立铣时 工作台受到进给方向的载荷 与丝杠轴线平行 Fx 2082N 受到横向载荷 与丝杠轴线垂直 Fy 473N 受到垂直方向的载荷 与工作台面垂直 Fz 719N 已知移动部件总重量 G 4500N 按矩形导轨进行计算 取颠覆力矩影响系数 K 1 1 滚动导轨上的摩擦系数 0 005 求得滚珠丝杠副的最大工作载荷 NGFFKFF yzxm 2318 4 4 2 最大动工作载荷的计算 Q F 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 初选丝杠导程min 700mmv 则此时丝杠转速 mmPh5 min 140 rPvn h 取滚珠丝杠的使用寿命 代入 得丝杠寿命系数hT15000 6 0 10 60nTL 单位为 106r 126 0 L 查表 取载荷系数 滚道硬度为 60HRC 时 取硬度系数 代入下式 2 1 W f0 1 H f 求得最大动载荷 NFffLF mHWQ 13945 3 0 4 4 3 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程 选择 CDM 系列 3205 5 型滚珠丝杠副 为外循环插管埋入式反向器双螺母预紧式 其公称直径为 32mm 导程为 5mm 循环滚 珠为系列 精度等级取 5 级 额定动载荷为 17998N 大于 满足要求 25 22 Q F 4 4 4 传动效率 的计算 将公称直径 导程 代入 得丝杠螺旋升mmd32 0 mmPh5 arctan 0 dPh 精品文档 8欢迎下载 角 将摩擦角 代入 得传动效率 512o 10 tan tan 95 4 4 5 刚度的验算 1 X Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用 单推 单推 的方式 丝杠的 两端各采用 对推力角接触球轴承 面对面组配 左 右支承的中心距约为 钢的弹性模量 查表得滚珠直径 Dw 3 175mm 丝杠底mma2000 MPaE 5 101 2 径 d2 28 2mm 丝杠截面积 22 2 58 6244 mmdS 忽略式下中的第二项 算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉 压变形量 m F mmESaFm0353 0 1 2 根据公式 求得单圈滚珠数 Z 28 该型号丝杠为单螺母 0 3 W ZdD 滚珠的圈数 列数为 代入公式Z 圈数 列数 得滚珠总数量 280 25 22 Z Z 丝杠预紧时 取轴向预紧力 3 773N 由下式求得滚珠与螺纹滚道间的接触变 YJm FF 形量 mm ZFD F YJw m 0011 0 10 10 0013 0 3 2 因为丝杠有预紧力 且为轴向负载的 1 3 所以实际变形量可以减少一半 取 0 0005mm 2 3 将以上算出的和代入 求得丝杠总变形量 对应跨度 1 2 12 总 500mm 0 0358mm 35 8 总m 本例中丝杠的有效行程为 850mm 查表知 5 级精度滚珠丝杠有效行程在 800 1000mm 时 行程偏差允许达到 40 可见丝杠刚度足够 m 4 4 6 压杆稳定性校核 取支承系数 1 由丝杠底径 d2 28 2mm 求得截面惯性矩31043 压 k f 4 2 64Id 4 mm 杆稳定安全系数 K 取 3 丝杠卧式水平安装 滚动螺母至轴向固定处的距离 a 取最大 值 2000mm 代入下式 m k K F Ka EIf F 2 2 得临界载荷 故丝杠不会失稳 NFK5362 mK FF 综上所述 初选的滚珠丝杠副满足使用要求 4 5 步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的的设计要求 增大步进电动机的输出转矩 同时也为了使滚 珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小 今在步进电动机的输出轴 上安装一套齿轮机减速 采用一级减速 步进电动机的输出轴与齿轮相连 滚珠丝杠 的轴头与大齿轮相连 其中大齿轮设计成双片结构 精品文档 9欢迎下载 已知工作台的脉冲当量 0 005mm 脉冲 滚珠丝杠的的导程 Ph 5mm 初选步进 电动机的步距角 0 75 根据式 3 12 算得减速比 0 75 5 360 0 005 25 12 360 h iP 本设计选用 JBF 3 型齿轮减速箱 大小齿轮模数均为 1mm 齿数比为 75 36 材 料为 45 调质钢 齿表面淬硬后达到 55HRC 减速箱中心距为 75 36 1 2 mm 55 5mm 小齿轮厚度为 20mm 双片大齿轮厚度均为 10mm 4 6 步进电动机的计算与选型 4 6 1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 eq J 已知 滚珠丝杠的公称直径 d0 32mm 总长 l 2000mm 导程 材料密度mmPh5 移动部件总重力 G 800N 小齿轮齿宽 b1 20mm 直径 33 1085 7 cmkg d1 30mm 大小齿轮齿宽 b2 20mm 直径 d2 75mm 传动比 i 25 12 计算得各个零部件的转动惯量如下 2 4 RLJS 2 4 RbJZ 2 2 4 365 gn GV JW 滚珠丝杠的转动惯量 拖板折算到丝杠上的转动惯量 2 162 16cmkgJS 小齿轮的转动惯量 大齿轮的转动惯量 2 910 2 cmkgJW 2 1 125 0cmkgJZ 2 2 877 4 cmkgJZ 初选步进电动机的型号为 110BC380F 为三相混合式 三相六拍驱动时的步距角为 0 75 从表查得该型号的电动机转子的转动惯量 2 9cmkgJm 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为 14 643 kg cm2 2 12 eqmZZWS JJJJJJi 4 6 2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 eq T 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算 1 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 其中包括三部分 一部分是 1eq T 1eq T 快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩 一部分是移动部件运动时 maxa T 折算到电动机转轴上的摩擦转矩 还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴 f T 上的附加摩擦转矩 因为滚珠丝杠副传动效率很高 其中 相对于和很小 0 T 0 T maxa T f T 可以忽略不计 则有 精品文档 10欢迎下载 1eq T maxa T f T 考虑传动链的总效率 计 算空载起动时折算到电动机转轴 上最大加速转矩 maxa T 2 1 60 eqm a J n t 其中 958 3r min max 360 m v n 式中 空载最快移动速度 max V 任务书指定为 2300mm min 步进电动机步距角 预 选电动机为 0 75 脉冲当量 本例 0 005mm 脉冲 设步进电机由静止加速至所需时间 传动链总效率 则由上式 m n0 4 a ts 0 7 mNTa 5248 0 7 0 1 4 060 3 95810643 142 4 max 由式 4 10 知 移动部件运动时 折算到电动机转轴上的摩擦转矩为 mN i PGF T hZ f 0115 0 12 257 02 005 0 42000 005 0 2 式中 导轨的摩擦因素 滚动导轨取 0 005 垂直方向的铣削力 空载时取 0 z F 传动链效率 取 0 7 最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩 0 5363N m 1eq T maxa T f T 2 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eq T 同样包括三部分 一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩 一部 2eq T t T 分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩 还有一部分是滚珠丝杠预紧 f T 后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩 相对于和很小 可以忽略不计 则 0 T 0 T f T t T 有 精品文档 11欢迎下载 2eq T t T f T 其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式 4 14 计算 有 t T mN i PF T hf t 136 1 12 257 02 005 0 2082 2 再计算垂直方向承受最大工作负载 情况下 移动部件运动时折算NFZ719 到电动机转轴上的摩擦转矩 mN i PGF T hZ f 0134 0 12 257 02 005 0 4200719 005 0 2 最后求最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 2eq T t T f TmN 149 1 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为 mNTTT eqeqeq 149 1 max 21 4 6 3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动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 根据来选择步进电动机的最大静 eq T 转矩时 需要考虑安全系数 取 K 4 则步进电动机的最大静转矩应满足 mNTT eqJ 598 4 4 max 初选步进电动机的型号为 110BC380F 查得该型号电动机的最大静转矩 11 76N m 可见 满足要求 maxj T 4 6 4 步进电动机的性能校核 1 最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度 700mm min 脉冲当量脉冲 求出电动机对应的运行频率 max f Vmm005 0 从 110BC380F 电动机的运行矩频特性曲线图可以看Hzf f 2333 005 0 60 700 max 出在此频率下 电动机的输出转矩6 6N m 远远大于最大工作负载转矩 max f T 1 149N m 满足要求 2eq T 2 最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度 2300mm min 求出其对应运行频率 在此频率 max vHzf f 7667 005 0 60 2300 max 下 电动机的输出转矩 4 4N m 大于快速空载起动时的负载转矩 max T 0 5363N m 满足要求 1eq T 3 最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度 2300mm min 对应 max v 的电动机运行频率为 查表知 110BC380F 电动机的空载运行频率可达Hzf f 7667 max 精品文档 12欢迎下载 12000 可见没有超出上限 z H 4 起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量 电动机转 2 643 14cmkgJeq 子的转动惯量 电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 2 9cmkgJm Hzfq1200 步进电动机克服惯性负载的起动频率为 Hz JJ f f meq q L 4 740 1 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 通常只有 100 Hz 4 740 z H 综上所述 本次设计中工作台的进给传动系统选用 110BC380F 步进电动机 完全 满足设计要求 其具体参数如下 型号反应式步进电机的技术参数 相数步距角电压电流最大静转 矩 空载起 动频率 空载运行 频率 转动惯 量 110BC380F 30 75 1 580 300V6A11 76N m1200Hz12000Hz9 2 cmkg 5 增量式旋转编码器的选用 本设计所选步进电动机采用半闭环控制 可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋 转编码器 用以检测电动机的转角与转速 增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动 机的步距角 可知电动机转动一转时 需要控制系统发出个步进 0 0 75 360 480 脉冲 考虑增量式旋转编码器输出的 A B C 三相信号 可以送到四倍频电路进行电 子四细分 因此 编码器的分辨力可选 120 线 这样控制系统每发一个步进脉冲 电 动机转过一个步距角 编码器对应输出一个脉冲信号 此次设计选用的编码器型号为 ZLK 120Z 05VO 10 H 通用型 孔径 10mm 与电 动机尾部出轴相匹配 电源电压 5V 每秒输出 120 个 A B C 信号为电压输出 图三 光电编码器原理图 精品文档 13欢迎下载 6 绘制进给传动系统示意图 进给传动系统示意图如图所示 图四 进给传动系统示意图 7 工作台控制系统的设计 7 1 数控系统硬件控制电路设计 根据任务书的要求 设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能 1 接收键盘数据 控制 LED 显示 2 接受操作面板的开关与按钮信息 3 接受车床限位开关信号 4 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号 5 控制 X Z 向步进电动机的驱动器 6 控制主轴的正转 反转与停止 7 控制多速电动机 实现主轴有级变速 8 控制交流变频器 实现主轴无级变速 9 控制切削液泵启动 停止 10 控制电动卡盘的夹紧与松开 11 控制电动刀架的自动选刀 12 与 PC 机的串行通信 一 数控系统的硬件电路由以下几部分组成 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 控制总线 3 存储器 包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器 4 接口 即 I O 输入输出接口 二 主控制器 CPU 的选择 MCS 15 系列单片机是集中 CPU I O 端口及部分 RAM 等为一体的功能性很强的控制器 只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统 并且开发手段齐全 指 令系统功能强大 编程灵活 硬件资料丰富 本次设计选用 8031 芯片作为主控芯片 8031 内部包括 1 个 8 位的 CPU 128B RAM 21 个特殊功能寄存器 SFR 4 个 8 位并行 I O 口 1 个全双工串行口 2 个 16 位定时器 计时器 单片内无程序储存器 精品文档 14欢迎下载 需外扩 EPROM 芯片 三 存储器扩展电路设计 1 程序存储器的扩展 单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用 EPROM 芯片 其型号有 2716 2732 2764 27128 27258 其容量分别为 2k 4k 8k 16k32k 在选择芯片时要 考虑 CPU 与 EPROM 时序的匹配 8031 所能读取的时间必须大于 EPROM 所要求的读取时 间 此外 还需要考虑最大读出速度 工作温度以及存储器容量等因素 在满足容量 要求时 尽量选择大容量芯片 以减少芯片数量以简化系统 综合以上因素 选择 2764 芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片 于 8031 芯片的 P0 口是分时传送低 8 位地址线和数据线的 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 742S373 2 数据存储器的扩展 由于 8031 芯片内部 RAM 只有 128 字节供用户使用 远不能满足系统需要 因此需 要扩展片外的数据存储器 RAM 常用的数据存储器有 6116 2Kx8 6264 8Kx8 等 这里选用 6264 8Kx8 3 译码电路 由于这里扩展的容量较大 扩展多个外围芯片 因此 这里使用译码法来进行编 址 译码电路可使用现有的译码芯片 这里我们选用 3 8 译码器 74LS138 这种芯 片 输入端占用 3 根最高位地址线 剩余的 13 根低位地址线可作为片内地址线 74LS138 译码器的 8 根输出线分别对应 8 个 8K 字节的地址空间 4 扩展电路设计 a 通用可编程接口芯片 8155 8031 单片机共有 个 位并行 I O 接口 但供用户使用的只有 P1 口及部分 P3 口线 因此要进行 I O 口的扩展 8155 与微机接口较简单 是微机系统广泛使用的接口芯片 精品文档 15欢迎下载 晶振电路 EPROM 芯片 2764 SRAM 芯片 626 键盘与显示接 口芯片 8279 串行口芯片 MAX233 CPU 8031 单片机 并行 接口 芯片 8155 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 隔离放大 操作面板开关 按钮信号 螺纹光栅信号 D A 转换芯片 DAC0832 交流变频器主轴电动机 X 向步进电动机 Y 向步进电动机 方刀架位信号 刀架电动机 主轴电动机 复位电路 限位开关信号隔离放大 图五 控制系统原理框图 7 2 其它辅助电路设计 1 8031 的时钟电路 单片机的时钟可由内部方式产生 内部方式利用芯片内部的振荡电路 在 XTAL1 XTAL2 引脚上外接定时元件 MCS 51 内部有一个用于构成振荡器的高增益反向放大器 该高增益反向放大器得 输入端为芯片引脚 XTAL1 输出端为引脚 XTAL1 这两个引脚跨接石英晶体振荡器和微 调电路 就构成一个稳定的自激振荡器 如下图所示 图六 时钟电路 2 复位电路 单片机的复位电路都是靠外部电路实现 在时钟电路工作后 只要在 RESET 引脚 上出现 10ms 以上高电平 单片机便实现状态复位 以后单片机便从 0000H 单元开始执 精品文档 16欢迎下载 行程序 复位引脚 RST 通过一个施密特触发器与复位电路相连 施密特触发器用来抑制噪 声 在每个机器周期的 S5P2 施密特触发器输出电平由复位电路采样一次 然后才能 得到内部复位操作所需要的信号 图七 复位电路 7 3 系统控制软件的设计 一 系统控制软件的主要内容 数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能 按照功能可将数控系统的 控制软件分为以下几个部分 1 系统管理程序 它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件 其功能主要 是接受操作者的命令 执行命令 从命令处理程序到管理程序接收命令的环节 使系 统处于新的等待操作状态 2 零件加工源程序的输入处理程序 该程序完成从外部 I O 设备输入零件加工源程 序的任务 3 插补程序 根据零件加工源程序进行插补 分配进给脉冲 4 伺服控制程序 根据插补运算的结果或操作者的命令控制伺服电机的速度 转角 以及方向 5 诊断程序 包括移动不见移动超界处理 紧急停机处理 系统故障诊断 查错等 功能 6 机床的自动加工及手动加工控制程序 7 键盘操作和显示处理程序 包括监视键盘操作 显示加工程序 机床工作状态 操作命令等信息 二 系统控制功能分析 数控 X Y 工作台的控制功能包括 1 系统初始化 如对 I O 接口 8155 8255A 进行必要的初始化工作 预置接口工 作方式控制字 2 工作台复位 开机后工作台应该自动复位 亦可手动复位 精品文档 17欢迎下载 3 输入和显示加工程序 4 监视按键 键盘及开关 如监视紧急停机键及行程开关 键盘扫描等功能 5 工作台超程显示与处理 工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动 并显示相应的指示字符 6 工作台的自动控制 7 工作台的手动控制 8 工作台的联动控制 三 系统管理程序控制 管理称许是系统的主程序 开机后即进入管理程序 其主要功能是接受和执行操作者 的命令 在设计管理程序时 应确定接收命令的形式 系统的各种操作功能等 数控 X Y 工作台的基本操作功能有 输入加工程序 自动加工 刀位控制 工作台位置控制 手动操作 紧急停机等 四 自动加工程序设计 1 机床在自动加工时的动作顺序 工作台移动到位 刀具快速进给 加工 退刀 工作台运动到下一位置 2 计算机在加工过程中的操作 读取刀具轨迹 控制机床完成加工 8 步进电动机的控制及驱动电源选用 8 1 电动机特性分析及细分驱动控制 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 本设计采用集成脉冲分配器 YB013 A 相波形 B 相波形 C 相波形 图八 三相六拍工作方式时相电压波形 正转 由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式 三个线圈 A B C 其正转的通电 顺序为 A AB B BC C CA A 其反转的通电顺序为 A AC C CB B BA A 步进电动机和步进电动机驱动器构成了步进电机驱动系统 步进电动机驱动系统 的性能 不但取决于步进电动机自身的性能 也取决于步进电动机驱动器的优劣 步 进电动机是一种将电脉冲转化为角位移的执行元件 当步进电动机驱动器接收到一个