数控工作台说明书

1、数控台铣X-Y工作台进给伺服系统设计指导老师:张健班 别:机制1052姓 名:陈石育学 号:200511411202目录第一章 系统的总体方案设计 2第二章 机械系统设计32.1 脉冲当量和传动比的确定 32.2 传动系统等效转矩惯量计算 32.3 工作载荷分析及计算 42.4 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 52.5导轨的选型和计算 82.6 驱动电机的选择 9第三章 控制系统设计 123.1 控制系统硬件的基本组成 123.2 接口程序初始化及步进电机控制程序 153.3 直线圆弧插补程序设计 16参考文献 23原始数据设计一个数控XY工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。

2、设计参数如下：最大铣刀直径最大铣削宽度最大铣削深度加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度32 mm16mm6mm碳钢X=500，Y=4503 m/min第一章 系统的总体方案设计图1-1 系统总体方案由设计任务书可知，本次设计可以采取以下方案：1.1 机械系统传动系统采用滚珠丝杠和联轴器传动导向系统采用滚珠直线导轨执行电机采用步进电动机1.2 传感系统本次设计的系统精度不高，载荷不大，因此采用开环控制。1.3 控制系统采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精确度要求不是很高时

3、，采用步进电机是合理的。当然，由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。图1-2开环控制流程图第二章 机械系统设计2.1 脉冲当量和传动比的确定根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量为0.01mm。根据脉冲当量和系统总体方案，还有混合式步进电动机的优点，在网上（）暂选57BYG4504型的步进电动机。其具体参数如下：型号步距角相数驱动电压(V)相电流(A)保持转矩(N.M)空载启动频率(步/秒)空载运行频率(千步/秒)转动惯量相电感(mH)重量(Kg)57BYG45030.6/1.82/43

4、61.51.41200 200.461.671.1步距角=0.6，相数选择4相。滚珠丝杠初选导程的滚珠丝杠，型号为1604-2。根据传动比计算公式：传动比为1时，直接用联轴器将电机和丝杠直接连接，有利于简化结构，提高精度。2.2传动系统等效转矩惯量计算传动系统的转动惯量食一种惯性负载，选用电机时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都是与电机轴同轴线，还存在各转动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。各部件的等效转动惯量如下：2.2.1 电机等效转动惯量根据初选电机型号,查得转子转动惯量为:2.2.2 联轴器等效转动惯量

5、3 联轴器转动惯量选用深圳威远精密技术有限公司的沟槽式夹持型连轴器： L为短型：转动惯量为其中联轴器直径 ，长度3.2.1 滚珠丝杠等效转动惯量其中丝杠直径，初步估计丝杠长度。3.2.2 工作台等效转动惯量工作台估计体积，则其质量由于除工作台以外还有其他，例如导轨，电机等因数，故取3.2.3 传动系统总的转动惯量J=JSJDJ联JG=0.7491.40.024960.081=2.25496 kfcm2 3.3 工作载荷分析及计算3.3.1 铣削力的分析与计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很

6、多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可看做车道到头的演变，铣刀的每一刀齿相当于一把车刀。通常假定铣削时铣刀受到的铣削力是作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合理为F，将F沿铣刀轴线、径向和切向经行分解，则分别为轴向铣削力，径向铣削力和切向铣削力。其中切向铣削力是沿铣刀主运动方向的分离，它消耗铣床电机功率（即铣削功率）最多。根据机械制造技术基础课程设计指导教程选铣刀。由表316，根据最大铣刀直径d32mm，最大铣削宽度，最大铣削深度选择莫氏锥柄立铣刀，立铣刀各参数如下：直径范围推荐直径齿数标准系列标准系列粗齿中齿细齿3037.5323653155468178根据工

7、件材料为碳钢可确定铣削力的计算公式：FZ=9.81CFzae0.86af0.72d0-0.86apZ式中各参数如下:CFz铣削力系数，CFz=68.2（表2-3）；ae 最大铣削宽度，本设计为16mm；ap 最大铣削深度，本设计为6mm；Z铣刀齿数，齿数取5；d0 圆柱铣刀直径，查得d0=32mm(机械制造技术基础课程设计指导教程)；af 每齿进给量（mm/齿），即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，查得af=0.1mm/齿（机械制造技术基础课程设计指导教程）；故 FZ=9.8168.2160.860.10.72132-0.8664=1113.39 N3.3.2 进给工作台工作载荷计

8、算作用在工作台上的合力与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷，工作台横向进给方向载荷和工作台垂直进给方向载荷。工作台工作载荷、和与铣刀的切向铣削力之间有一定的经验比值。因此，求出后，即可计算出工作台的计算载荷、和。3.4 滚珠丝杠螺母副的选型和校核3.4.1 滚珠丝杠螺母副类型选择选用内循环，垫片式预紧方式的滚珠丝杠螺母副。预选G.GD系列的3206-2.5丝杠，表面硬度5864HRC。其参数具体如下：规格代号公称直径公称导程滚珠直径螺旋升角循环列数额定动载荷额定

9、静载荷接触刚度3206-2.532642.510.68929.9119153.4.2 滚珠丝杠螺母副的校核3.4.2.1 最大工作载荷滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠四缸富在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。综合导轨的工作载荷，式中：，分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N）；G为移动部件的重力（N）；K和分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，随导轨形式的不同。工作载荷的计算公式：Fm=KFLf，(FvG)式中K考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨K=1.15;滚动导轨摩擦系数

10、:0.00250.005；这里取0.004G移动部件的重力（N）：FL工作台纵向进给方向载荷;Fc工作台横向进给方向载荷; Fv工作台垂直进给方向载荷;Fm=1.151113.390.004（445.35620X9.8） =1282.96N.2 最大动负载C的计算及主要尺寸初选滚动丝杠最大动载荷C可用下式计算：，式中：L为工作寿命，单位为，；n为丝杠转速，；v为最大切削力条件下的进给速度，为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t为额定使用寿命（h），可取t=15000h；为运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况取1.21.5，有冲击振动取1.52.5；为滚珠丝杠工作载荷（N）。初选滚

11、珠丝杠副的尺寸规格，相应的个定动载荷不得小于最大动载荷C；。滚珠丝杠最大动载荷可用下式计算C=fmFmL=n=v=afZn，式中：L工作寿命、以106转为单位。fm运转系数,按一般运转取fm =1.21.5;这里取fm =1.1。Fm-滚珠丝杠工作载荷（N）t使用寿命，按15000h；n丝杠的转速L0滚珠丝杠导程，初选L0=6mm；v最大切削力下的进给速度af每齿进给量（mm/齿）af=0.07mm/齿Z铣刀齿数，Z=4n铣刀转速，区别与以上丝杠转速n，n，取为600r/minv=0.074600=0.168 r/minn=(10000.168)/6=28L=(602815000)/106=2

12、5.2(106r)C=fmFm=1.11282.96=4137.51 kN因为，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。3.4.2.2 传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为3.4.2.3 刚度验算滚珠丝杠计算满载时拉压形量其中L取400mm，滚珠与螺纹滚道间的接触变形其中：，滚珠丝杠副刚度验算：丝杠的总变形量应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它晓。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。机床的定位精度为0.04mm，。因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。3.4.2.4 压杆稳定性验算

13、 滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷载荷为其中，（丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端简支方式），I为截面惯量距，临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于需用稳定安全系数，则该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为：=2.54因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。3.5 导轨的选型和计算初选GDA20滚动导轨，额定动载荷。滚动导轨副的距离寿命的计算：当导轨面的硬度为5864HRC时，；当工作温度不超过100C时，；为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时；为载荷/速度系数，无冲击振动，取1.3；F为每

14、个滑块上的工作载荷，因此选用的导轨满足要求。3.6 驱动电机的选择3.6.1 步距角的选择查表初选步距角3.6.2 步进电机输出转矩的选择3.6.2.1 空载启动力矩（1） 加速度力矩运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间(2) 空载摩擦力矩式中，G为移动部件的总重量（N）；为导轨摩擦系数；为齿轮传动降速比；为传动系数总效率；为滚珠丝杠的基本导程（cm）。（3） 附加摩擦力距式中，为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取的的；为进给牵引力（N）；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率。（4） 空载启动转矩计算按照计算出的空载启动转矩，查表2-17得出最大静转矩3.6.2.2 带负载启动时的总负载转矩

15、（1） 加速度力矩运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间（2） 空载摩擦力矩（3） 附加摩擦力距（4） 作用在工作台的合理折算到电机上的转矩（5） 带负载启动时的总负载转矩运动部件正常运行时所需的最大静转矩.3 按照和中的较大者选取步进电机的最大静转矩，并要求，因此选用57BYG4504步进电机可以符合要求。3.6.3 启动距频特性校核(1) 快进运行距频特性校核最高运行频率快进力矩查57BYG4504的运行距频特性，所对应的运行距频大于5000Hz(2) 工进运行距频特性校核工进时步进电机的运行频率摩擦力矩工作负载力矩折算到电机上的力矩工进时电机运行力矩查57BYG4504的运行频率

16、，当时，；所以3.6.4 验算惯量匹配电动机轴上的总当量负载转矩惯量与电机轴自身转动惯量的比值应该控制在一定的范围内，既不应太大，也不应太少，即伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选择或传动比设计不太合理，经济性较差。为使该系统惯量达到较合理的匹配，一般应将比值控制在之间。由此可见，符合惯量匹配要求。经过以上讨论，选用57BYG4503混合式步进电动机可以满足要求。由于Y方向与X方向的要求相差不多，可以选用同样的丝杠，导轨，

17、电机经过以上计算，选用的零件以下列表：滚珠丝杠滚动导轨混合式步进电机X方向G.GD系列1604-2GDA20滚动导轨57BYG4503Y方向G.GD系列1604-2GDA20滚动导轨57BYG4503第三章控制系统设计3.1 控制系统硬件的基本组成3.1.1微处理器选择在以单片机为核心的控制系统中，大多数采用MCS-51系列单片机的8031芯片，经过扩展存储器、接口和面板操作开关等，组成功能较完善、抗干扰性能较强的控制系统。8031内部包含一个8位CPU，128字节的RAM，两个16位的定时器，四个8位并行口，一个全双工串行口，可扩展的程序和数据存储器各64K，有5个中断源。3.1.2系统扩展

18、系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统需要进行系统扩展。可编程并行接口8255A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。它具有三个8位并行口PA、PB、PC，由此提供了24条口线。图3-1 扩展连线3.1.3显示模块与键盘连接如图3-2，通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路。这里由P1口的准双向口功能可以实现一口多用。首先，使P1口的低4位输出字形代码；P1口的高4位输出一个位扫描字，经38译码器后显示某一位，并持续1ms。各位扫描一遍之后，关掉显示。其次，使P1口的高4位转为输入方式，使P1口的低4位输出键扫描信号，有键按下时，转入键译码和处理程序。图

19、32 通过P1口及译码器的键盘和显示接口电路3.1.4步进电机驱动电路设计步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分配器的选择问题和驱动电路的选择问题。时下脉冲分配器主要有两种：一种是硬件脉冲分配器（国内主要有YB系列），另外一种是软件脉冲分配器。软件脉冲分配器不需要额外的电路，相应的降低了系统的成本，虽然这种方法占用了一定的计算机运行时间，但是在该设备中计算机有足够的资源来担当买中分配任务。该系统采用软件来经行脉冲分配更为合理。单片机与步进电机的接口电路如图33。图33 单片机与步进电机的接口电路3.2接口程序初始化及步进电机控制程序3.2.1 8255A初始化程序INTT: MOV DX, 82

20、55A控制端口MOV AL, 86HOUT DX, ALMOV AL, 05HOUT DX, AL3.2.2 40H类型中断服务程序MOV DX, 8255AIN AL, DXIRET3.2.3 步进电机驱动程序3.2.3.1 电机的控制电路原理及控制字节拍通电相控制字正转反转二进制十六进制18A0000000101H27AB0000001103H36B0000001002H45BC0000011006H54C0000010004H63CD0000010105H72D0000011006H81DA0000011107H设电机总的运行步数放在R4，转向标志存放在程序状态寄存器用户标志位F1（D5

21、）中，当F1为0时，电机正转，为1时则反转。正转时P1端口的输出控制字01H,03H,02H,06H,04H,05H存放在片内数据存储单元20H27H中，28H中存放结束标志00H，在29H2EH的存储单元内反转时P1端口的输出控制字01H,05H,04H,06H,02H,03H,在2DH单元内存放结束标志00H。3.2.3.2 电机正反转及转速控制程序PUSH A ；保护现场MOV R4, #N ；设步长计数器CLR C；ORL C, D5H ；转向标志为1转移JC ROTE；MOV R0, #20 ；正转控制字首址指针AJMP LOOP；ROTE: MOV R0, #27H ；反转控制字首

22、地址LOOP: MOV A, R0；MOV P1, A ；输出控制字ACALL DELAY ；延时INC R0 ；指针加1MOV A, #00H；ORL A, R0；JZ TRL；LOOP1: DJNZ R4, LOOP ；步数步为0转移POP A ；恢复现场RET； ;返回TPL: MOV A, R0；CLR A；SUBB A, #06H；MOV R0, A；恢复控制字首指针AJMP LOOP1；DELAY: MOV R2, #M；DELAY1: MOV A, #M1；LOOP: DEC A；JNZ LOOP；DJNZ R2, DELAY1；RET；3.3 直线圆弧插补程序设计在机电设备中，

23、执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由X、Y两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。3.3.1 直线插补程序的设计3.3.1.1 用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步，都需要以下四个步骤：偏差判别：判别偏差或，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算公式。坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X、+Y、-X、-Y的哪个方向进给。偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。终点判别：进给一步后，终点计算器减1.若为0，表示到达终点停止插补；不为0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的

24、坐标值来判断。当，可用X方向走的总步数作为终点判别的依据，如动点X等于终点则停止。当，则用Y方向走的总步数作为终点判别的依据。由此，第一象限直线插补程序的算法如图：3.3.1.2 程序设计设计程序时，在RAM数据区分别存放终点坐标值、，动点坐标值X,Y，偏差。对8位机，一般可用2字节，而行程较大时则需用3字节或4字节才能满足长度和精度要求。此外，所有的数据区必须进行初始化，如设置初始值、X、Y向步进电机初态（控制字）。插补程序所用的内存单元如下：28H29H2AH2BH2CH70HXY电机正反转控制字电机正反转控制字为：D0D1D2D3D4D5D6D7D1D0为X向电机控制位。D0=1运行，D

25、0=0停止；D1=1正转，D1=0反转。D2D3为Y向电机控制位。D2=1运行，D2=0停止；D3=1正转，D3=0反转。第一象限直线插补的程序如下：ORG 2000HMIAN: MOV SP, #60H;LP4: MOV 28H,#0C8H; MOV 29H,#0C8H; MOV 2AH,#00H; X MOV 2BH,#00H; Y MOV 2EH,#00H; F MOV 70H,#0AH; LP3: MOV A,2EH; JB ACC.7,LP1 MOV A,70H SETB ACC.0 CLR ACC.2 MOV 70H,A; LCALL MOTR; LCALL DELAY; MOV

26、A,2EH;SUBB A,29;INC 2AH;AJMP LP2;LP1: MOV A,70H STEB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR LCALL DELAY MOV A,2EH ADD A,28HLP2: MOV 2EH,A MOV A,28H CJME A,2AH,LP3 RET程序中MOTR为步进电机的控制子程序。3.3.2 圆弧插补程序的设计3.3.2.1 逐点比较法逐点比较法的圆弧的插补计算过程和直线插补过程基本相同，也分为偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个步骤。不同点在于：（1）偏差计算公式步进与前一点偏差有关，还与前一点的坐标有关，在计算偏差的同时

27、要进行坐标计算。（2）终点的判别是以一个方向的坐标值与终点坐标值相比较判断其是否相等为判据。若，则以X是否等于作为终点判据；若，则以Y是否等于作为终点判据。第一象限逆圆弧插补程序算法如图：3.3.2.2 程序设计和直线插补程序设计一样，也在内存中开辟存储单元用以存放有关数据。在RAM数据区分别存放懂点坐标X和Y，其初始值为起点坐标值，其后依据坐标计算结果而变化，存放终点坐标值，以及存放偏差飞存储单元。第一象限逆圆弧插补程序如下： XL EQU 18H XH EQU 19H YL EQU 28H YH EQU 29HL EQU 1AHH EQU 1BHL EQU 2AHH EQU 2BH FL

28、EQU 2CH FH EQU 2DHORG 2400HMAIN: MOV SP,#60H; MOV 70H,#08H; MOV XL,#80H;XL MOV XH,#0CH;XH MOV L,#80H;L MOV H,#0CH;H MOV L,#00H;L MOV H,#00H;H MOV YL,#00H;YL MOV YH,#00H;YH MOV FL,#00H;FL MOV FH,#00H;FHLP3: MOV A,FH JNB ACC.7,LP1 MOV A,70H SETB ACC.2 CLR ACC.0 LCALL MOTR MOV R1,#28H MOV R0,#1CH MOV R7,#02H LCALL MULT2ADD: CLR C MOV A,FL ADDC A,1CH MOV FL,A MO