课程设计设指导要点

1、总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。1. 系统运动方式的确定点位方式？直线方式？轮廓方式？该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。2. 伺服系统的选择开环？闭环？半闭环？开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机。开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统

2、驱动。3. 计算机系统的选择单片机？微机？专用控制器？采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。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、步进功率放大电路等组成。系统的工作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和工作状态等信息。选用微机系统，应该如何配置硬件和软件。4. XY工作台的传动方式滚珠丝杠螺母副？还是其它的传动方式？中间传动：齿轮？同步带轮？为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。由于

3、工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。电机如何选择：步进电机？直流司服电机？交流司服电机？考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。画出系统传动原理示意图。机械部分设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量；运动部件惯性的计算；选择电机；传动及导向元件的设计、计算与选择；绘制机械部分装配图；等。1. 确定系统脉冲当量脉冲当量p是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。2. 工作台外形尺寸及重量初步

4、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WX和WY。取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm，Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm，设计工作台简图如下：X向拖板尺寸为：长宽高=；重量：Wx=Y向拖板尺寸为：长宽高=；重量：Wy=上导轨(含电机)重量为：夹具等辅助装置及工件重量：X-Y工作台运动部分总重量为：3. 滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果

5、查有关资料初选导轨：根据计算额定静载荷初选导轨：选择.系列滚动直线导轨，其型号为：基本参数列表：图片或简图，说明安装连接关系载荷、强度、行程、寿命等参数校核4. 滚珠丝杠计算、选择根据资料查阅情况，结合某具体的商业型号进行选择和校核验算。初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm强度计算：寿命值计算： 最大动载荷计算： 示例：根据使用情况要求以及计算结果，选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。（a）其基本参数如下：其额定动载荷为14205N Qy足够用。滚珠循环方式为外循环螺旋槽式，预紧方

6、式采用双螺母螺纹预紧形式。（b）滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算名称计算公式结果公称直径20mm螺距mm接触角45钢球直径3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20.7mm（c）传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：，式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。（d）稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。（e）刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)，Y向所受牵引力大，故用Y向参数计算。导程变形总误差为5. 齿轮计算、

7、设计因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距t=5mm，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比： ，初选步进电机步距角：= 1.5/step。齿轮设计计算：选用双片齿轮错齿消隙结构：1、2-薄齿轮, 3弹簧, 4、8凸耳, 5调节螺钉, 6、7螺母双片齿轮错齿消隙结构图6. 步进电机惯性负载的计算（a）如何选择电机；（b）等效转动惯量的计算，查电机手册和相关的商业资料。折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：式中：为折算到电机轴上的惯性负载；为步进电机轴的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为齿轮的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；为移动部件的质量。对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：，

8、式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。7. 步进电机的选用（a）步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为，负载力为，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：，式中为电机转角，为移动部件的相应位移，为机械传动的效率。若取，则，且。所以：式中：为移动部件负载（N），G为移动部件质量（N），为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），为导轨摩擦系数，为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。取=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），.8，=279.23。考虑到重力影响，向电机负载较大，因此1200，所以有：（b）步进电机的最高工作频率为使电机不产生

9、失步空载启动频率要大于最高运行频率，同时电机最大静转矩要足够大，【示例】查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机。电机有关参数如下：型号主要技术参数相数步距角电压(V)相电流(A)最大静转矩(n.m)空载启动频率空载运行频率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg转子转动惯量Kg.m外直径长度轴直径9014594.517648. 其它（a）如果电机选择的不是步进电机，而是直流伺服、交流伺服电机，应该如何计算，查相关设计手册；（b）中间传动如果不是齿轮，而是同步带轮等其它机构，应该如何计算，查相关设计手册；数控系统硬件电路设计1. 设计内

10、容1. 按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；2. 选择计算机或中央处理单元的类型；3. 根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；4. 根据控制对象以及系统工作要求设计扩展/接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；5. 选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；6. 绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数；7. 说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。2. 设计步骤确定硬件电路的总体方案数控系统的硬件电路由以下几部分组成：主控制器，即中央处理单元CPU；总线，包括数据总线，地址总线，控

11、制总线；存储器，包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器；接口，即I/O输入输出接口。数控系统的硬件框图如下所示：中央处理单元CPU存储器RAMROM输入/输出I/O接口信号变换外设：键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等控制对象主控制器的选择系列单片机是集中，端口及部分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。本次设计选用芯片作为主控芯片。存储器扩展电路设计（a）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芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，272

12、58，其容量分别为k，4k，8k，16k，32k。在选择芯片时要考虑与时序的匹配。所能读取的时间必须大于所要求的读取时间。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，选择芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。单片机规定0口提供为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低位的地址信息，一般采用芯片作为地址锁存器，并由发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。由以上分析，采用EPROM芯片的程序存储器扩展电

13、路框图如下：（b）数据存储器的扩展由于内部只有字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示：（c）译码电路在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬

14、件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于和容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示：（d）存储器扩展电路设计8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路，单片机外存储器扩展电路如下：（e）/扩展电路设计通用可编程接口芯片 单片机共有个位并行接口，但

15、供用户使用的只有1口及部分3 口线。因此要进行口的扩展。与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。8155Y与8031的连接方式如下图所示键盘，显示器接口电路 键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。数控系统中使用的显示器主要有和。下图所示为采用接口管理的键盘，显示器电路。它有键和位显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及显示器的字位控制共用一个口，即共用的P口进行控制，键盘的行线由口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。键盘显示器接口电路如下所示

16、：步进电机驱动电路设计(1）脉冲分配器 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。采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：（2）光电隔离电路 在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：（3）功率放大器 脉冲分配器的输出功率

17、很小，远不能满足步进电机的需要，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。其它辅助电路设计（a）的时钟电路（b）复位电路机床数控系统硬件电路设计该系统选用系列的作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为，数据存储器扩展为。的片选控制端直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000。系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行

18、输入/输出接口芯片8155。8155的片选端接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H80FFH。8155的A口为控制工作抬X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在

19、字形口和字位口加74LS07进行驱动。PB口剩余的I/O线PB4PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。系统控制软件的设计1. 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

20、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。2. 软件设计系统控制功能分析数控X-Y工作台的控制功能包括：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

21、式控制字。工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。输入和显示加工程序。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。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。工作台的自动控制。工作台的手动控制。工作台的联动控制。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。根据以上分析，设计管理程序流程图如下所示

22、：管理程序流程自动加工程序设计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；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；由以上分析，设计自动加工程序框图如下所示：步进电机控制子程序设计步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。（1）时间常数的确定（2）步进电机加、减速进给脉冲及脉冲时间间隔的确定步进电机控制子程序步进电机控制中断服务程序编语言程序设计（1）内存地址分配 加速脉冲数计数器

23、N0地址设为20H；恒速脉冲数计数器N1低8位字节地址为21H，高8位字节地址位22H；减速脉冲数计数器N2地址位23H。加速，减速，恒速脉冲总数寄存器N低位字节地址位24H，高位字节地址位25H；步进电机进给控制子程序FEED首地址位0E80H。每调用一次该程序，步进电机按规定方向进给一步。（2）程序清单N0 EQU 20H ;加速N1L EQU 21H ;恒速N1H EQU 22H N2 EQU 23H ;减速NL EQU 24H ;脉冲总数寄存器NH EQU 25HDS EQU 26H ；地址指针偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 START： MOV P，#6

24、0H0E03 MOV TMOD，#01H ；设计数器工作方式为1，16位定时器0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；设N0为3200E09 75231B MOV N2， #1A4H0E0C E520 MOV A ， N0 ；计算2XN00E0E 23 RL A0E0F F8 MOV R0， A0E10 C3 CLR C ；计算N1=N-2N00E11 E524 MOV A， NL0E13 98 SUBB A， R00E14 F521 MOV N1L， A0E16 E525 MOV A， NH0E18 9400 SUBB A，#00H0E1A F522 MOV N1H，A0E1C

25、 MOV DPTR， #1000H ；设时间常数指针初值为1000H0E1F MOV DS， #00H ；设地址偏移量初值为00H0E22 93 MOVC A, A+DPTR ；从EPROM中读时间常数0E23 F58A MOV TL0， A ；送时间常数至定时器0中0E25 0526 INC DS0E27 E526 MOV A，DS0E2 93 MOVC A，A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A0E2C 0526 INC DS0E2E D2AF SETB EA ；开中断允许0E30 D2A9 SETB ET0 ；允许定时器0中断0E32 D28C SETB TR0 ；启动定时

26、器0开始计算0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中断允许返回0E37 22 RET中断服务程序： ORG 000BH000B 02F00 LJMP 0F00H0F00 93 MOVC A，A+DPTR0F03 F58A MOV TL0， A0F05 0526 INC DS0F07 E526 MOV A，DS0F09 93 MOVC A，A+DPTR0F0A F58C MOV TH0， A0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指针0F0E D180 ACALL FEED ；调FEED子程序0F10 E520 MOV A， N0 ；判断N0是否为00F12 B40

27、0 CJNE A， #00H， LOOP10F15 E52 MOV A， N1H ；判断N1是否为0 0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP20F1A E522 MOV A，N1H0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP20F1F E523 MOV A，N2 判断N2是否为0 0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP30F24 C2AF CLR EA ；N2为0 ，减速结束，关中断0F26 32 RETI0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不为0，则N0N0-10F29 32 RETI0F2A E521 LOOP2：MOV A

28、，N1L ；N1不为0，则N1N1-10F2C C3 CLR C0F2D 9401 SUBB A， #01H0F2F F521 MOV N1L， A0F31 E522 MOV A， N1H0F33 9400 SUBB A，#00H0F35 F522 MOV N1H，A0F37 32 RETI0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不为0，则N2N2-10F3A 32 RETI检测与反馈装置1. 位置检测元件的选择2. 安装与定位3. 工作原理3. 信号制式与反馈电机控制方式1. 控制原理2. 主电路3. 控制电路课程设计小结1. 技术方案总结你设计的系统有哪些特点：优点，缺点；是否满足设计任务的要求；还有哪些可以改进的地方，初步