直径200 数控回转工作台毕业设计

1 前言前言 这次课程设计主要是培养学生综合应用所学专业的基础理论 基本技能和专业知 识的能力 培养学生建立正确的设计思想 掌握工程设计的一般程序 规范和方法 通过机电一体化课程设计设计 可树立正确的生产观点 经济观点和全局观点 实现 由学生向工程技术人员的过渡 使学生进一步巩固和加深对所学的知识 使之系统化 综合化 培养学生独立工作 独立思考和综合运用所学知识的技能 提高解决本专业范围内的 一般工程技术问题的能力 从而扩大 深化所学的专业知识和技能 培养学生的设计计算 工程绘图 实验研究 数据处理 查阅文献 外文资料的 阅读与翻译 计算机应用 文字表达等基本工作实践能力 使学生初步掌握科学研究 的基本方法和思路 使学生学会初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想 方法手段 树立做事严 谨 严肃认真 一丝不苟 实事求是 刻苦钻研 勇于探索 具有创新意识和团结协 作的工作作风 本次课程设计设计主要是解决数控回转工作台的工作原理和机械机构的设计与计 算部分 设计思路是先原理后结构 先整体后局部 目前数控回转工作台已广泛应用于数控机床和加工中心上 它的总的发展趋势是 1 在规格上将向两头延伸 即开发小型和大型转台 2 在性能上将研制以钢为材料的蜗轮 大幅度提高工作台转速和转台的承载能力 3 在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台 数控转台的市场分析 随着我国制造业的发展 加工中心将会越来越多地被要求配备 第四轴或第五轴 以扩大加工范围 估计近几年要求配备数控转台的加工中心将会达 到每年 600 台左右 预计未来 5 年 虽然某些行业由于产能过剩 受到宏观调控的影响而继续保持着 较低的行业景气度外 部分装备制造业将有望保持较高的增长率 特别是那些国家产 业政策鼓励振兴和发展的装备子行业 作为装备制造业的母机 普通加工机床将获得 年均 15 20 左右的稳定增长 2 目目 录录 前言 1 第一章 数控回转工作台的原理与应用 3 1 1 数控回转工作的原理 3 1 2 设计准则 4 1 3 主要技术参数 4 1 4 本章小结 4 第二章 数控回转工作台的结构设计 5 2 1 传动方案的确定 5 2 2 齿轮传动的设计 6 2 3 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 9 2 4 直流伺服电动机的选择及运动参数的计算 11 2 5 轴承的选用 12 2 6 加紧机构的计算 13 2 7 本章小结 14 第三章 控制系统硬件设计 16 3 1 CPU板 16 3 2 驱动系统 17 3 3 传感器和人机界面 17 3 4 本章小结 17 第四章 控制系统软件设计 18 4 1 总体方案 18 4 2 键盘扫描的程序 18 4 3 数码管显示程序 19 4 4 智能化新一代PCNC数控系统 19 第五章 数控技术发展趋势 20 5 1 性能发展方向 20 5 2 功能发展方向 20 5 3 体系结构的发展 21 5 4 智能化新一代PCNC数控系统 21 第六章 总结 22 参考文献 22 3 第一章第一章 数控回转工作台的原理与应用数控回转工作台的原理与应用 数控机床的圆周进给由回转工作台完成 称为数控机床的第四轴 回转工作台 可以与 X Y Z 三个坐标轴联动 从而加工出各种球 圆弧曲线等 回转工作台可 以实现精确的自动分度 扩大了数控机床加工范围 1 11 1 数控回转工作台数控回转工作台 数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床 其外形和通用工作台几乎一样 但它 的驱动是伺服系统的驱动方式 它可以与其他伺服进给轴联动 1 电机 2 小齿轮 3 偏心套 4 大齿轮 5 柱销 6 7 8 11 轴承盖 套筒 9 蜗杆 10 蜗轮 12 13 加紧瓦 14 油缸 15 活塞 16 弹簧 17 钢球 18 光栅 4 如图所示为闭环数控转台的结构图 该数控转台用直流伺服电机 1 通过减速齿轮 2 和 4 带动蜗杆 9 通过蜗轮 10 使工作台回转 为了尽量消除反向间隙和传动间隙 通 过调整偏心环 3 来消除齿轮 2 和 4 啮合侧隙 齿轮 4 与蜗杆 9 是靠楔形拉紧圆柱销 5 A 一 A 剖面 来连接 这种连接方式能消除轴与套的配合间隙 工作台的转角位置 用光栅 18 测量 测量结果发出反馈信号与数控装置发出的指令信号进行比较 若有偏 差经放大后控制伺服电机朝消除偏差的方向转动 使工作台精确定位 台面的锁紧 用均布的 8 个小油缸 14 来完成 需要加紧时油缸上腔进压力油 活塞 15 下移 通过 钢球 17 推开夹紧块 12 及 13 将蜗轮夹紧 当工作台需要回转时 数控系统发出指 令 夹紧液压缸 14 上腔的油流回油箱 钢球 17 在弹簧 16 的作用下向上抬起 夹紧块 12 和 13 松开蜗轮 这时蜗轮和回转工作台可按照控制系统的指令作回转运动 回转工作台的导轨面由大型滚柱轴承支承 并由圆锥滚子轴承及圆锥孔双列圆柱滚子 轴承保持准确的回转中心 工作台支撑在镶钢滚柱导轨上 运动平稳且耐磨 1 21 2 设计准则设计准则 我们的设计过程中 本着以下几条设计准则 1 创造性的利用所需要的物理性能 2 分析原理和性能 3 判别功能载荷及其意义 4 预测意外载荷 5 创造有利的载荷条件 6 提高合理的应力分布和刚度 7 重量要适宜 8 应用基本公式求相称尺寸和最佳尺寸 9 根据性能组合选择材料 10 零件与整体零件之间精度的进行选择 11 功能设计应适应制造工艺和降低成本的要求 1 31 3 主要技术参数主要技术参数 1 工作台直径 200 mm 2 分辨率 5分 step 3 承受最大载荷t max 800nm 1 41 4 本章小结本章小结 主要简单介绍课程设计题目 数控回转工作台 和其发展概况 设计背景 工作 原理 设计参数也作了进一步的说明 5 第二章 数控回转工作台的结构设计第二章 数控回转工作台的结构设计 2 12 1 传动方案的确定传动方案的确定 如图 采用电机带减速动齿轮传动 带动涡轮蜗杆转动 从而使工作台转动 2 1 12 1 1伺服电动机伺服电动机的原理的原理 伺服电动机 servomotor 用作自动控制装置中执行元件的微特电机 又称执行电动机 其功能是将电信号 转换成转轴的角位移或角速度 伺服电动机分交 直流两类 交流伺服电动机的工作原理与交流感应电动机相同 在定子上有两个相空间位移90 电角度的励磁绕组Wf和控制绕组WcoWf接一恒定交流电 压 利用施加到Wc上的交流电压或相位的变化 达到控制电动机运行的目的 交流伺 服电动机具有运行稳定 可控性好 响应快速 灵敏度高以及机械特性和调节特性的 非线性度指标严格 要求分别小于10 15 和小于15 25 等特点 直流伺服 电动机的工作原理与一般直流电动机相同 电动机转速n为 n E K1j Ua IaRa K1j 式中E为电枢反电动势 K为常数 j为每极磁通 Ua Ia为电枢电压和电枢电流 Ra为电枢电阻 改变Ua或改变 均可控制直流伺服电动机的转速 但一般采用控制 电枢电压的方法 在永磁式直流伺服电动机中 励磁绕组被永久磁铁所取代 磁通 恒定 直流伺服电动机具有良好的线性调节特性及快速的时间响应 2 1 2 2 1 2 传动方案传动时应满足的要求传动方案传动时应满足的要求 数控回转工作台一般由原动机 传动装置和工作台组成 传动装置在原动机 和工作台之间传递运动和动力 并可实现分度运动 在本课题中 原动机采用直 流伺服电机 工作台为T形槽工作台 传动装置由齿轮传动和涡轮蜗杆传动组成 合理的传动方案主要满足以下要求 6 1 机械的功能要求 应满足工作台的功率 转速和运动形式的要求 2 工作条件的要求 例如工作环境 场地 工作制度等 3 工作性能要求 保证工作可靠 传动效率高等 4 结构工艺性要求 如结构简单 尺寸紧凑 使用维护便利 工艺性和经 济合理等 2 1 3 2 1 3 传动方案及其分析传动方案及其分析 数控回转工作台传动方案为 直流伺服电机 齿轮传动 蜗杆传动 工作 该传动方案分析如下 齿轮传动承受载能力较高 传递运动准确 平稳 传递 功率和圆周速度范 围很大 传动效率高 结构紧凑 蜗杆传动有以下特点 1 传动比大 在分度机构中可达1000以上 与其他传动形式相比 传动比 相同时 机构尺寸小 因而结构紧凑 2 传动平稳 蜗杆齿是连续的螺旋齿 与蜗轮的啮合是连续的 因此 传 动平稳 噪声低 3 可以自锁 当蜗杆的导程角小于齿轮间的当量摩擦角时 若蜗杆为主动 件 机构将自锁 这种蜗杆传动常用于起重装置中 4 效率低 制造成本较高 蜗杆传动是 齿面上具有较大的滑动速度 摩 擦磨损大 故效率约为0 7 0 8 具有自锁的蜗杆传动效率仅为0 4左右 为了提 高减摩擦性和耐磨性 蜗轮通常采用价格较贵的有色金属制造 由以上分析可得 将齿轮传动放在传动系统的高速级 蜗杆传动放在传动系 统的低速级 传动方案较合理 同时 对于数控回转工作台 结构简单 它有两种型式 开环回转工作台 闭环回转工作台 两种型式各有特点 开环回转工作台 开环回转工作台和开环直线进给机构一样 都可以用步进 电机来驱动 闭环回转工作台 闭环回转工作台和开环回转工作台大致相同 其区别在于 闭环回转工作台有转动角度的测量元件 圆光栅 所测量的结果经反馈与指令 值进行比较 按闭环原理进行工作 使转台分度定位精度更高 2 22 2 齿轮的设计齿轮的设计 1 选用传动比 先选为 2 1 选用直齿圆柱齿轮传动 2 数控机床速度高 要求精度高 故选 6 级精度 3 材料选择 小齿轮材料选 35CRALA 调质后氮化 硬度为 65HRC 大齿轮材料 18CRMNTI 渗碳后淬火 硬度为 60HRC 4 选小齿轮齿数 Z1 20 大齿轮齿数为 40 2 按齿面接触强度设计 d1t2 32 3 2 2 1 1 HdU ZEUKT 1 确定公式内的各计算数值 7 1 试选载荷系数 Kt1 1 2 2 计算小齿轮传递的转矩 T1 3 37N m 21 max nin T 98 0 99 0 18 60000 3 选取齿宽系数 小齿轮做悬臂布置 0 4 d 4 材料的弹性影响系数 ZE 189 8Mpa 2 1 5 按齿面硬度查的小齿轮的接触疲劳强度极限Hlim1 1200Mpa 大齿轮的接触疲 劳强度极限Hlim1 800Mpa 6 接触疲劳寿命系数 KHN1 1 KHN2 1 7 计算接触疲劳许用应力 取失效概率为 1 安全系数为 S 1 H 1 1200Mpa H 2 800Mpa 2 计算 1 算小齿轮分度圆直径 d1t 代入 H 中较小的值 代入各数值的 d1t2 32 22mm 3 2 2 1 1 HdU ZEUKT 2 计算圆周速度 V V 1 382m s 100060 11 tnd 3 计算齿宽 b b d1t 0 4 22 8 8mmd 4 计算齿宽与齿高之比 h b 模数 mt 1 1mm 20 22 齿高 h 2 25mt 2 25 1 1 2 475mm 3 5 h b 475 2 8 8 5 计算载荷系数 根据 V 1 382m s 6 级精度 查的动载系数 Kv 1 02 直齿轮 KH KF 1 0 查表的使用系数 KA 1 用插值法查得 6 级精度 小齿轮相对支撑悬臂布置时 KH 1 139 8 由 3 556 KH 1 139 得 KF 1 09 故载荷系数 h b K KA KV KH KH 1 1 05 1 1 139 1 197 6 按实际的载荷系数校正所算得分度圆直径 d1 d1t 21 98mm 33 2 1 197 1 22 Kt K 7 计算模数 m m 1 099mm 1 1 z d 20 98 21 3 按齿根弯曲强度设计 弯曲强度的设计公式为 M 3 2 1 12 FdZ YFaYSaKT 1 确定公式内的各计算数值 1 查表得小齿轮的弯曲疲劳强度极限FE1 800Mpa 大齿轮的弯曲疲劳强度极 限FE2 700Mpa 2 查得弯曲疲劳寿命系数 KFN1 0 9 KFN2 0 95 3 计算弯曲疲劳许用应力 取弯曲疲劳安全系数 S 1 8 F 1 Mpa 400Mpa 8 1 8009 011 S FEKFN F 2 Mpa 369 44Mpa 8 1 70095 0 22 S FEKFN 4 计算载荷系数 K K KA KV KF KF 1 1 05 1 1 09 1 146 5 查取齿形系数 查表的 YFa1 2 80 YFa2 2 40 6 应力校正系数 Ysa1 1 55 Ysa2 1 67 7 计算大 小齿轮的并加以比较 F YFaYSa 0 01085 1 11 F YSaYFa 400 55 1 8 2 0 01085 2 22 F YSaYFa 44 369 67 1 40 2 2 设计计算 9 m mm 0 806mm 3 2 204 0 01085 0 100037 3146 12 对比计算结果 齿面接触疲劳强度计算模数 m 大于齿根弯曲疲劳强度计算模数 齿轮模数 m 大小主要取决于弯曲强度所决定的承载能力 可取弯曲强度算得的模 数 0 806 并就近圆整为标准值 m 1 按接触强度算得的分度圆直径 d1 22mm 算出 小齿轮齿数 Z1 22 m d1 大齿轮齿数 Z2 22 2 44 4 几何尺寸计算 1 计算分度圆直径 d1 Z1 m 22 1 22mm d2 Z2 m 44 1 44mm 2 计算中心距 a 33mm 2 4422 2 21 dd 2 计算齿轮宽度 3 b d1 0 4 22 8 8mmd 取 B1 15mm B2 10mm 2 2 3 3蜗杆传动蜗杆传动 1 选择蜗杆传动类型 采用渐开线蜗杆 2 选择材料 考虑到蜗杆传动速度中等 蜗杆用 45 钢 并淬火 硬度为 45 55HRC 蜗轮用铸 锡磷青铜 ZCUSn10P1 金属模铸造 为了节约贵重有色金属 仅齿圈用青铜制造 而轮芯用灰铸铁 HT100 制造 3 按齿面接触疲劳强度进行设计 根据闭式齿轮传动的设计准则 先按齿面接触疲劳强度进行设计 再校核齿根 弯曲疲劳强度 传动中心距 a 3 2 2 H ZEZP KT 1 确定在蜗轮上的转矩 T2 按 Z1 4 取消率为 0 9 T2 60000N mm 2 确定载荷系数 K 因工作载荷较稳定 故取载荷分布不均系数 K 1 由表选取使用系数 KA 1 15 由于转速不高 冲击不大 可取动载系数 Kv 1 05 则 K KA KF Kv 1 15 1 1 05 1 21 10 3 确定弹性影响系数 ZE 因选用的是铸锡磷青铜蜗轮与钢蜗杆相配 故 ZE 160 Mpa 2 1 4 确定接触系数 Zp 先假设蜗杆分度圆直径 d1 和传动中心距 a 的比值 0 4 可查图得 a d1 Zp 2 75 5 确定许用接触应力 H 根据蜗轮材料为铸锡磷青铜 ZCUSn10P1 金属模铸造 蜗杆螺旋齿面硬度 45HRC 可从表中查的蜗轮的基本许用应力 H 268Mpa N 60jn2Lh 60 1 100 15000 1 05 10 8 寿命系数 KHN 0 74538 8 7 10 05 1 10 则 H KHN H 0 7453 268Mpa 200Mpa 6 计算中心距 a 70 56mm 3 2 200 75 2 160 6000021 1 取其中心距 a 80mm 因 i 102 故从表中去模数 m 3 15mm 蜗杆分度圆直径 d1 35 5mm 这时 0 44 从图中可查的接触系数 Zp 2 65 因为 a d1 80 5 35 Zp Zp 因此以上计算可用 4 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 1 蜗杆 轴向齿距 Pa m 9 891mm 直径系数 q 11 27 齿顶圆直径 da1 d1 2ha1 35 5 2 1 3 15 41 8mm 齿根圆直径 df1 d1 2 ha m c 35 5 2 3 15 0 2 3 15 27 94mm 分度圆导程角 r 19 45 蜗杆轴向齿厚 Sa 0 5 m 0 5 3 14 3 15 4 9455mm 2 蜗轮 蜗轮齿数 Z2 39 变位系数 X2 0 2619 验算传动比 i 9 75 这时传动比误差为 2 5 是允许的 4 39 1 2 z z 10 1075 9 蜗轮分度圆直径 d2 mZ2 3 15 39 123mm 蜗轮喉圆直径 da2 d2 2ha2 123 2 3 15 1 0 2619 130 95mm 蜗轮齿根圆直径 df2 d2 2hf2 123 2 3 15 1 0 2619 0 2 117 09mm 蜗轮咽喉母圆半径 ra2 a 0 5da2 80 0 5 130 95 14 525mm 5 校核齿根弯曲疲劳强度 11 F 2 21 253 1 FYYFa mdd kT 当量齿数 Zv2 41 38 57 19cos 39 cos 2 33 r Z 根据 X2 0 2619 Zv2 41 38 查的齿形系数 YFa2 2 24 螺旋角系数 Y 1 1 0 8604 140 r 140 54 19 许用弯曲应力 F F KFN 查的 ZCUSn10P1 制造的蜗轮基本许用弯曲应力 F 56Mpa 寿命系数 KFN 0 596 9 8 6 1805 1 10 F 56 0 596 33 376 F 2 24 0 8604Mpa 15 56Mpa 15 3 123 5 35 6000021 1 53 1 6 验算效率 0 95 0 96 tan tan vr r 已知 r 19 45 arctanfv fv 与相对滑动速度 Vs 有关 v Vs 2 76m s 54 19cos100060 1400 5 35 cos100060 11 r nd 从表中用插值法查的 fv 0 0238 1 759 代入式中得v 0 89 0 90 间 不用重算 2 42 4 直流伺服电机的选择及运动参数的计算直流伺服电机的选择及运动参数的计算 许多机械加工需要微量进给 要实现微量进给 步进电机 直流伺服交流伺服 电机都可作为驱动元件 对于后两者 必须使用精密的传感器并构成闭环系统 才 能实现微量进给 在闭环系统中 广泛采用直流伺服电机作为执行单元 这是因为 它具有以下优点 响应特性高 响应速度快 转动惯量小 启动 停止方便 高功率密度 体积小 重量轻 可实现高精度数字控制 停电制动 调速范围较宽 采用直流伺服电机为驱动单元 其机构也比较简单 主要是变速齿轮副 涡轮 蜗杆 通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量 但由于其脉冲当量一般较大 如0 01mm 在数控系统中为了保证加工精度 广泛采用直流伺服电机的闭环反馈控 制 1 选择直流伺服电机的额定功率 电机的额定转矩应等于或稍大于工作要求的转矩 额定功率小于工作要求 则不 12 能保证工作机器正常工作 或使马达长期过载 发热大而过早损坏 额定功率过大 则马达价格高 并且由于效率和功率因素低而造成浪费 折算到电机轴上的转矩为 MN MN i T Td 4 75 0 20 60 max 则选择电机的额定转矩应该大于4MN 2 电机与工作台的惯量匹配计算 回转体的惯量 32 24 mkgLD g r J 则各回转部件的转动惯量为 271 4 1 1095 1 32 mkg g Bd JZ 26 2 1039 4 mkgJZ 25 mkg1018 9 蜗杆 J 24 1001 5 mkgJ 蜗轮 2 0150mkgJ 工作台 折算到电机轴上的转矩为 2 22 1 21 mkg00025 0 11 i JJ i JJJJ ZZL工作台蜗轮蜗杆 电机转子惯量为 2 0018 0 mkgJM 125 0 M L J J 满足惯量匹配要求 3 定位加速时的最大转矩计算 LLM a m MJJ t n M 60 2 取时间常数msta200 计算得到定位最大转矩为M 3 37NM 1 44 max MM 综上 选择电机为法纳克5L直流伺服电机 2 52 5 轴承的选用轴承的选用 13 滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一 它是依靠主要元件的滚动接 触来支撑转动零件的 与滑动轴承相比 滚动轴承摩擦力小 功率消耗少 启动 容易等优点 并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化 因此使用滚动轴承时 只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸 验算轴承的承载能力 以及 与轴承的安装 调整 润滑 密封等有关的 轴承装置设计 问题 2 2 5 5 1 1 轴承的类型轴承的类型 考虑到轴各个方面的误差会直接传递给加工工件时的加工误差 因此选用 调心性能比较好的圆锥滚子轴承 此类轴承可以同时承受径向载荷及轴向载荷 外圈可分离 安装时可调整轴承的游隙 其机构代码为3000 然后根据安装尺寸 和使用寿命选出轴承的型号为 30208 2 2 5 5 2 2 轴承的游隙及轴上零件的调配轴承的游隙及轴上零件的调配 轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的 这样比较方便 2 2 5 5 3 3 滚动轴承的配合滚动轴承的配合 滚动轴承是标准件 为使轴承便于互换和大量生产 轴承内孔于轴的配合采 用基孔制 即以轴承内孔的尺寸为基准 轴承外径与外壳的配合采用基轴制 即 以轴承的外径尺寸为基准 2 5 42 5 4 滚动轴承的润滑滚动轴承的润滑 考虑到电动刀架工作时转速很高 并且是不间断工作 温度也很高 故采用 油润滑 转速越高 应采用粘度越低的润滑油 载荷越大 应选用粘度越高的 2 2 5 5 5 5 滚动轴承的密封装置滚动轴承的密封装置 轴承的密封装置是为了阻止灰尘 水 酸气和其他杂物进入轴承 并阻止润 滑剂流失而设置的 密封装置可分为接触式及非接触式两大类 此处 采用接触 式密封 唇形密封圈 唇形密封圈靠弯折了的橡胶的弹性力和附加的环行螺旋弹簧的紧扣作用而套紧在 轴上 以便起密封作用 唇形密封圈封唇的方向要紧密封的部位 即如果是为了 油封 密封唇应朝内 如果主要是为了防止外物浸入 蜜蜂唇应朝外 2 62 6 加紧机构的计算加紧机构的计算 采用液压缸作为工作台的夹紧装置 液压缸又称为油缸 它是液压系统中的一种 执行元件 其功能就是将液压能转变成直线往复式 或摆动式机械运动 液压具 有很多优点 1 工作比较平稳 反应快 冲击小 能高速启动 2 液压缸的的 体积小 重量轻 惯性小 结构紧凑 能输出较大的力 3 控制调节方便 易 于实现自动化 4 由于功率损失所产生的热量可由流动的油带走 所以可避免 在系统某些局部位置所产生的过度温升 等等 单个油缸的主要尺寸设计计算 1 活塞 钢筒 活塞的材料为45钢 查 机械设计手册 得抗拉强度为600Mpa 取安全系 数为1 5 得许用应力为 600 1 5 400Mpa 活塞直径D为 28mm 2 缸筒直径 按 机械设计手册 选取液压缸钢筒内径D 28mm 3 活塞行程 确定活塞行程为 7mm 14 4 活塞及杆重计算 G 4 2 28 29 9 10 7 8 3 10 9 8 1 36N 5 弹簧选择计算 按 机械设计手册 选取弹簧截面直径0 8mm 弹簧中径D2 5mm 有效圈数为 4 单圈弹簧刚度为32 4n mm 则整根弹簧的刚度K 32 4 4 8 1n mm 6 夹紧力的计算 弹簧预压缩量为 S G K 1 36 8 1 0 17mm 确定活塞的行程L为5mm 则弹簧力为 t F K S L 8 1 5 0 17 42N 查表得液压缸的系统压力P 6MPa 效率系数 0 9 则液压缸的夹紧力为 F 4 2 D 2 d P t F 2 30cos F 4 2 28 6 0 9 42 2 30cos 2461N 其中 取夹紧块蜗轮的摩擦系数 为0 4 则摩擦力为 f F 0 4 2461 984 4N 此工作台采用八个液压缸进行加紧 八个液压缸的总夹紧力 总 F 984 4 8 7875 2N 7 制动力矩的演算 M FL 由初始条件确定回转工作台所承受的负载转矩为 145 89n m 由结构知 L 204mm 得M 7875 2 204 3 10 1606 54n m M 1606 54n m 145 89n m 2 72 7 本章小结本章小结 对数控回转工作台的主要零件及传动系统的零件进行设计 选型 零件校核 按照 机械设计一书进行设计 完成机械部分 15 第三章 控制系统硬件设计第三章 控制系统硬件设计 数控回转工作台控制系统硬件主要包括 CPU 传动驱动 传感器 人机交互界面 硬件系统设计时 应注意几点 电机运转平稳 响应性能好 造价低 可维护性 人机交互界面可操作性比较好 3 13 1 CPUCPU 板板 3 1 13 1 1 CPUCPU 的选择的选择 随着微电子技术水平的不断提高 单片微型计算机有了飞跃的发展 单片机的型 号很多 而目前市场上应用 MCS 51 芯片及其派生的兼容芯片比较多 如目前应用最广 的 8 位单片机 89C51 价格低廉 而性能优良 功能强大 在一些复杂的系统中就不得不考虑使用 16 位单片机 MCS 96 系列单片机广泛应用 于伺服系统 变频调速等各类要求实时处理的控制系统 它具有较强的运算和扩展能 力 但是定位合理的单片机可以节约资源 获得较高的性价比 从要设计的系统来看 选用较老的 8051 单片机需要拓展程序存储器和数据存储器 无疑提高了设计价格 而选用高性能的 16 位 MCS 96 又显得过于浪费 生产基于 51 为 内核的单片机的厂家有 Intel ATMEL Simens 其中在 CMOS 器件生产领域 ATMEL 公司 的工艺和封装技术一直处于领先地位 ATMEL 公司的 AT89 系列单片机内含 Flash 存储 器 在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改 同时掉电也不影响信息的保存 它和 80C51 插座兼容 并且采用静态时钟方式可以节省电能 因此硬件 CPU 选用 AT89C51 AT 表示 ATMEL 公司的产品 9 表示内含 Flash 存储器 C 表示支持 C 语言编程 AT89C51 的性能参数为 Flash 存储器容量为 4KB 16 位定时器 2 个 中断源 6 个 看门狗中断 接收发送中断 外部中断 0 外部中断 1 定时器 0 和定时器 1 中断 RAM 为 128B 14 位的计数器 WDT I O 口共有 32 个 3 1 23 1 2 CPUCPU 接口设计接口设计 CPU 接口部分包括传感器部分 传动驱动部分 人机交互界面三部分 示意图如下所示 16 行程开关 前向通道 传动驱动 电磁阀 伺服电机 人机界面 传感 器 AT89C51 键盘 LED 后向通道 AT89C51 要完成的任务 1 将行程开关的状态读入 CPU 通过中断进行处理 它的优先级别最高 2 通过程序实时控制电机和电磁阀的运行 3 接受键盘中断指令 并响应指令 将当前行程开关状态和键盘状态反应到 LED 上 实现人机交互作用 所以 AT89C51 的 I O 口线分配如下 1 P0 口通过锁存器 74ls373 控制七段数码管的段 2 P1 口通过扫描矩阵键盘获取外部指令 3 P2 口控制七段数码管的位的选通 4 P3 口用于反馈回路的信号输入 光栅 电磁阀驱动 急停信号等 3 23 2 驱动系统驱动系统 传动驱动部分包括直流伺服电机的驱动和电磁阀的驱动 直流伺服电机须满足快速急 停 定位和退刀时能快速运行 工作时能带动工作台并克服外力 如切削力 摩擦力 并 以指令的速度运行 在定位和退刀时夹紧机构放松 3 33 3 传感器和人机界面传感器和人机界面 由于步进电机不需要反馈电路 但是要注意工作台不能超过最大行程 因此 必须 加上行程开关 人机界面设计的准则就是要有良好的人机交互能力 一般要求操作简便 界面简洁 明了 此系统中共有八个数码管 其中前四个可以显示键盘输入的数据等指令 后四个 可以工作台下显示光栅反馈给单片机的位置信号 并将角度位移实时显示出来 有 4 4 的矩阵键盘 用于输入外部指令及数据信息 3 43 4 本章小节本章小节 本章着重介绍了数控工作台控制系统的硬件设计 CPU 板介绍了 CPU 的选择及其外围 的接口设计和控制流程 此外还叙述了人机界面各个按扭和 LED 的意义 17 18 第四章 控制系统软件设计第四章 控制系统软件设计 4 14 1 总体方案总体方案 对于 AT89C51 的程序设计 采用 C 语言的形式 编译器采用 Keil 7 02b 该编译 器是 51 系列单片机程序设计的常用工具 既可用汇编 也支持 C 语言编译 同时具有 完善的调试功能 4 24 2 键盘扫描的程序键盘扫描的程序 include define uchar unsigned char define uint unsigned int void dlms void uchar kbscan void void main void uchar key while 1 key kbscan dlms Void dlms void uchar i for i 200 i 0 i uchar kbscan void 键扫描函数 Uchar sccode recode P1 0 xf0 发全 0 行扫描码 列线输入 if P1 延时去抖动 if P1 逐行扫描初值 While sccode 输出行扫描码 If P1 Return sccode recode 返回特征字节码 Else Sccode sccode 1 0 x01 行扫描码左移一位 19 Return 0 无健按下 返回值为 0 4 34 3数码管显示程序数码管显示程序 include include define uchar unsigned char define COM XBYTE 0 xfff0 define PA XBYTE 0 xfff1 define PB XBYTE 0 xfff2 define PC XBYTE 0 xfff3 Uchar idata dis buf 6 2 4 6 8 10 12 Uchar code table 18 0 x3f 0 x06 0 x5b 0 x4f 0 x66 0 x6d 0 x7d 0 x7f 0 x6f 0 x77 0 x7c 0 x39 0 x5e 0 x79 0 x71 0 x40 0 x00 Void dl ms uchar d Void display uchar idata P Uchar sel i COM 0 x07 送命令字 Sel 0 x01 选最右边的 LED For i 0 i 6 i PB table P 送段码 PA sel 送位选码 dl ms 1 p 缓冲区下移 1 位 sel sel 1 左移一位 Void main void display dis buf 5 20 第五章第五章 数控技术发展趋势数控技术发展趋势 5 15 1性能发展方向性能发展方向 1 高速高精高效化 速度 精度和效率是机械制造技术的关键性能指标 由 于采用了高速CPU芯片 RISC芯片 多CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测 元件的 交流数字伺服系统 同时采取了改善机床动态 静态特性等有效措施 机床的高速高 精高效化已大大提高 2 柔性化 包含两方面 数控系统本身的柔性 数控系统采用模块化设计 功能 覆盖面大 可裁剪性强 便于满足不同用户的需求 群控系统的柔性 同一群控系统 能依据不同生产流程的要求 使物料流和信息流自动进行动态调整 从而最大限度地 发挥群控系统的效能 3 工艺复合性和多轴化 以减少工序 辅助时间为主要目的的复合加工 正朝着 多轴 多系列控制功能方向发展 数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次 装夹后 通过自动换刀 旋转主轴头或转台等各种措施 完成多工序 多表面的复合 加工 数控技术轴 西门子880系统控制轴数可达24轴 4 实时智能化 早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境 其作用是如何调 度任务 以确保任务在规定期限内完成 而人工智能则试图用计算模型实现人类的各 种智能行为 科学技术发展到今天 实时系统和人工智能相互结合 人工智能正向着 具有实时响应的 更现实的领域发展 而实时系统也朝着具有智能行为的 更加复杂 的应用发展 由此产生了实时智能控制这一新的领域 在数控技术领域 实时智能控 制的研究和应用正沿着几个主要分支发展 自适应控制 模糊控制 神经网络控制 专家控制 学习控制 前馈控制等 例如在数控系统中配备编程专家系统 故障诊断 专家系统 参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统 在高速加工时的 综合运动控制中引入提前预测和预算功能 动态前馈功能 在压力 温度 位置 速 度控制等方面采用模糊控制 使数控系统的控制性能大大提高 从而达到最佳控制的 目的 5 25 2功能发展方向功能发展方向 1 用户界面图形化 用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口 由于不同用 户对界面的要求不同 因而开发用户界面的工作量极大 用户界面成为计算机软件研 制中最困难的部分之一 当前 INTERNET 虚拟现实 科学计算可视化及多媒体等技术 也对用户界面提出了更高要求 图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用 人们 可以通过窗口和菜单进行操作 便于蓝图编程和快速编程 三维彩色立体动态图形显 示 图形模拟 图形动态跟踪和仿真 不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实 现 2 科学计算可视化 科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据 使信息交 流不再局限于用文字和语言表达 而可以直接使用图形 图像 动画等可视信息 可 视化技术与虚拟环境技术相结合 进一步拓宽了应用领域 如无图纸设计 虚拟样机 技术等 这对缩短产品设计周期 提高产品质量 降低产品成本具有重要意义 在数 控技术领域 可视化技术可用于 CAD CAM 如自动编程设计 参数自动设定 刀具补偿 和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等 21 3 插补和补偿方式多样化 多种插补方式如直线插补 圆弧插补 圆柱插补 空 间椭圆曲面插补 螺纹插补 极坐标插补 2D 2 螺旋插补 NANO 插补 NURBS 插补 非 均匀有理 B 样条插补 样条插补 A B C 样条 多项式插补等 多种补偿功能如间 隙补偿 垂直度补偿 象限误差补偿 螺距和测量系统误差补偿 与速度相关的前馈 补偿 温度补偿 带平滑接近和退出以及相反点计算的刀具半径补偿等 4 内装高性能 PLC 数控系统内装高性能 PLC 控制模块 可直接用梯形图或高级 语言编程 具有直观的在线调试和在线帮助功能 编程工具中包含用于车床铣床的标 准 PLC 用户程序实例 用户可在标准 PLC 用户程序基础上进行编辑修改 从而方便地 建立自己的应用程序 5 多媒体技术应用 多媒体技术集计算机 声像和通信技术于一体 使计算机具 有综合处理声音 文字 图像和视频信息的能力 在数控技术领域 应用多媒体技术 可以做到信息处理综合化 智能化 在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断 生 产过程参数监测等方面有着重大的应用价值 5 35 3体系结构的发展体系结构的发展 1 集成化 采用高度集成化 CPU RISC 芯片和大规模可编程集成电路 FPGA EPLD CPLD 以及专用集成电路 ASIC