经济型数控台钻X-Y工作台进给伺服系统设计及控制

PAGEPAGEI毕业设计（论文）毕业设计题目：经济型数控台钻XY工作台进给伺服系统设计及控制毕业生姓名：专业：学号：指导教师：所属系（部）：经济型数控台钻X-Y工作台进给伺服系统设计及控制摘要数控钻床按其布局形式及功能特点可划分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床、数控深孔钻床及其它大型数控钻床等。可完成钻、扩、绞、攻丝等多道工序，适用于孔间距离有一定精度要求的零件的生产。工作台可进行两座标移动，主轴可以是数控的也可以是非数控的。也就是说，可采用3轴数控系统或2轴数控系统。数控立式钻床的数控系统一般是点位控制系统。本文介绍了一种采用微机控制、步进电机驱动的数控工作台，实现了平面两坐标数控联动。结合机电一体化课程设计教学环节需要,设计用单片机作为控制系统的X-Y工作台。X-Y工作台就是能分别沿着X向和Y向移动的工作台。通过论述X-Y工作台机械结构设计和控制电路接口设计,阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。关键词:X-Y工作台；机电一体化；单片机；数控机床；数控技术TheDesignandControloftheEconomicNCDrillX-YTableFeedServoSystemAbstractNCDrillaccordingtotheformandlayoutfeaturescanbedividedintoCNCverticaldrilling,drilling,PCBCNCdrilling,deepholedrillingNCandotherlargeNCdrilleretc..NCDrillcanbeusedtothedrilling,theexpansion,Cutter,tappingandothermulti-channelprocesses.Itisappliedtoprocesstheholewithacertainprecisiondistance.2workstationscanbesubscriptMobile,NCspindlecanbealsobeanon-NC.Inotherwords,wecanusethethree-axisCNCsystemortwo-axisCNCsystem.NCverticaldrillingsystemisgenerallypoint-controlsystem.ThispaperpresentsaNCworkingtablecontrolledbymicrocomputeranddrivenbysteppingmotor.TheNCcombinedmovementofplanetwocoordinatesisachieved.ThecurriculumdesigningteachinglinksofthemechanicalandelectricalintegrationneedstheNCX-Yworkingtable,whichismovablealongAxisXandAyisY.Throughexpoundingthedesignofthemechanicalstructureandcentralcontrolinit,thethesisillustratethekeytechniqueinthegeneralityofthedesignofthemechanicalandelectricalintegration.Keywords:X-Yworkingtable;mechanicalandelectricalintegration;single-chipelectricalmachinery;NumericalControl;NCMachineTool目录摘要 iAbstract ii绪论 1第一章毕业设计的目的和内容 2第一节毕业设计的目的 2第二节毕业设计的内容 2一、微机数控系统总体设方案的拟定 2二、进给伺服系统机械部分设计计算 2三、微机控制系统的设计 2四、数控加工程序的编制 2第二章微型数控系统总体设计方案的拟定 3第一节毕业设计的任务 3一、题目 3二、设计任务 3三、给定条件 3四、设计要求 3第二节总体方案的确定说明 3一、系统的运动方式与伺服系统的选择 3二、计算机系统 4三、机床传动方式的论证和确定 4第三章机床进给伺服系统机械部分设计计算 5第一节系统脉冲当量的确定 5第二节切削力的计算 5第三节滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 5一、计算进给牵引力 6二、计算最大动负载 6三、滚珠丝杠螺母副的选型 7四、传动效率计算 7五、刚度验算 7六、稳定性校核 10七、W1L2005型滚珠丝杠副几何参数表 11第四节进给伺服系统传动计算 12一、齿轮传动比计算 12二、齿轮齿数及技术参数 13三、步进电机的计算和选用 13第四章微机数控系统硬件电路设计 16第一节单片机数控系统硬件电路设计内容 16一、XY工作台基本工作原理 16二、XY工作台控制要求 16三、绘制系统总体框图 16四、选择中央处理器CPU的类型 17五、存储器扩展电路设计 17六、I/O口接口电路设计 17第二节MCS—51系列单片机的选用 18一、8031单片机的基本特性 18二、8031芯片引脚及其功能 18三、8031芯片内部的存储器结构及地址分配 20第三节存储器扩展电路设计 21一、程序存储器的扩展 22二、数据存储器的扩展 24三、译码电路设计 24第四节I/O接口电路及辅助电路设计 25一、8255可编程接口芯片 25二、键盘显示接口电路 26三、步进电机接口及驱动电路 27第五节微机控制系统电路原理图 27一、控制系统的功能 28二、CPU、存储器及I/O接口 28第六章数控机床的加工程序编制 31第一节经济型数控钻床数控系统的程序编制说明 31一、概述 31二、编码 31第二节、编程中字母的说明 31结束语 32致谢 33参考文献 34绪论２０世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从１９５２年美国第１台数控铣床问世至今已经历了５０个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界的产量有１０～２０万台，产值上百亿美元。世界制造业在２０世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。９０年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从９０年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从２０００年至今已接受３个月以后的订货合同，生产任务饱满。我国数控机床制造业在８０年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳，所以在９０年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到５０％，库存超过４个月。从１９９５年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在１９９９年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从２０００年８月份的上海数控机床展览会和２００１年４月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列问题：（１）低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销；（２）高技术水平、全功能产品主要靠进口；（３）配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口；（４）应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用；（５）自行开发能力较差，相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装。当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了国家的经济能力和国防实力。有关数控技术的研究,主要是研究出更好的具有高效率、高精度、高柔性、高自动化、高可靠性的设备－数控机床,能满足各种加工要求,提高生产率,改善产品质量,增加经济效益。数控机床的发展,技术的不断进步,二者关系极为密切,所以也常常以数控机床的发展代表数控技术的发展水平。机床的数控化已成为一种世界性的潮流。至今,各工业发达国家,经过四十多年的研究应用,已摸索出一条捷径,就是广泛地应用和开发先进的数控机床,并在此基础上发展成加工中心(MC)、柔性加工单元(FMC)、柔性加工系统(FMS)、无人化工厂(FA)、计算机集成制造系统(CIMS),最终实现产品生产过程的高度自动化,最大限度地提高劳动生产率,降低成本,保证产品的质量。美国、日本等工业发达国家都是通过采用先进的数控加工设备而使工业得到迅速发展的。机床工业对国民经济的发展具有重要作用,因此,世界各机床生产国家十分重视及研究发展机床工业的战略技术,以求在激烈竞争中取胜。目前,这一技术正向更高程度的自动化和高能化方向发,同时其产量也在与日俱增。数控机床无论在生产、使用、还是在国际贸易中所占的份额的多少,已经成为衡量一个国家工业综合实力的重要标志,社会的多样化需求和其相关技术的进步,数控机床将向更广泛的领域更深层次发展。第一章毕业设计的目的和内容第一节毕业设计的目的毕业设计是培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它使我们在步入社会之前简单的熟悉了做一份设计所经历的大体步骤和工作。它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计.计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们综合运用所学的机械.电子和微机的知识,进行一次机电结合的全面训练。从而培养了我们具有加工编程能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。第二节毕业设计的内容一、微机数控系统总体设方案的拟定（1）系统运动方式的确定（2）伺服系统的选择。（3）执行机构传动方式的确定。（4）计算机的选择。二、进给伺服系统机械部分设计计算（1）进给伺服系统机械部分设计方案的确定。（2）确定脉冲当量。（3）滚珠丝杠螺母副的选型。（4）滚动导轨的选型。（5）进给伺服系统传动计算。（6）步进电机的计算和选用。（7）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。（8）设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图。三、微机控制系统的设计（1）控制系统方案的确定及框图绘制。（2）MCS-51系列单片机及扩展芯片的选用。（3）I/O接口电路及译码电路的设计。（4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。四、数控加工程序的编制（1）零件工艺分析及确定工艺路线。（2）选择数控机床设备。（3）确定对刀点。（4）选择刀具。（5）确定切削用量第二章微型数控系统总体设计方案的拟定第一节毕业设计的任务一、题目《经济型数控台钻X-Y工作台进给伺服系统设计及控制》二、设计任务（1）确定总体方案，明确设计内容（2）确定主要参数（3）伺服系统设计，绘制装配图及主要零件图（4）控制系统设计，绘制电气原理图（5）结合本课程设计查阅并翻译1万印刷字符的英文资料（6）编写设计说明书三、给定条件设计一台简易数控X-Y工作台及控制系统设计参数：最大钻孔直径φ4mm工作台加工范围X向200，Y向160工作台最大移动速度X向1.6m/min,Y向1.6m/min工件材料青铜起动加速时间25ms定位精度±0.01mm四、设计要求（1）机械结构设计合理,控制系统功能完备,原理正确,制图符合国家标准,图面整洁;（2）设计说明书论述清楚,计算无误,数值单位明确,引用公式及资料有出处。第二节总体方案的确定说明一、系统的运动方式与伺服系统的选择微机用于机床改造一般以原机床为基础，原机床的主要结构基本不变。设计一套简易微机数控XY工作台，固定在钻床工作台上，可转动下手柄使工作台上下移动，位置调整好后将其锁定。XY工作台的位置控制采用步进电机数控系统。再将控制钻头上下运动的手柄和定位卡铁拆去，改用步进电机通过减速装置和联轴器控制钻头上下运动。钻头的旋转运动仍由原来的三相交流电机驱动，其转速可根据加工工件的材料，孔径大小，板厚等进行调整。由于改造后的经济型数控车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到经济型数控机床加工精度要求不高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。二、计算机系统根据机床要求，采用8位机。由于MCS—51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS—51系统的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用MCS—51的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以应选用8031单片机。其次，《设计任务书》也给出了选用8031。由此可见选用8031是符合经济数控机床电路设计的。三、机床传动方式的论证和确定图2.1经济型数控钻床总体方案框图XY工作台中，X，Y方向的移动，可采取螺旋机构或齿轮齿条传动机构。这两种均可把旋转运动变为直线运动。因为此机构以传递运动为主，要求有较高的传动精度又要求结构紧凑，所以选用螺旋机构。但常用的螺旋机构中丝杠和螺母之间的相对运动是滑动，磨损较严重，影响传动精度，寿命短，效率低，不能满足高速度，高效率和高精度等传动要求。为了使运动灵敏又能满足精度要求，选用滚珠螺旋机构，也就是采用了间隙可调的滚珠丝杠传动。要使传动稳定可靠，采用丝杠传动，螺母带着工作台作移动的传动方式。螺母带着工作台在底台的导轨上移动，因为运动部件重量不大，切削力不大，行程较小，所以采用有预加载荷矩型型滚珠导轨。Z方向控制钻头上下运动的机构中有一减速装置，传动比较大，为了使结构紧凑，传动可靠，采用一级螺杆传动和一级齿轮传动。为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。为了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。第三章机床进给伺服系统机械部分设计计算伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下：第一节系统脉冲当量的确定一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是0.01~0.005mm/脉冲,根据机床精度要求确定脉冲当量,纵向:0.01mm/step，横向0.005mm/步。第二节切削力的计算首先，要初步估算工作台的重量最大行程及钻削工件的最大切削力才能进行设计。1、初步确定尺寸及估算重量，根据钻床工作台的尺寸初步确定：Y轴方向移动的工作台尺寸长×宽×高为250×150×150,重量为350N，最大行程为160mm；X轴方向移动的工作台尺寸长×宽×高为200×120×80,重量为250N，最大行程为200mm；XY工作台总重量（包括卡具及工件）不超过650N。2、切削力与工件材料的硬度、进刀量和孔径有关，可按机械加工技术手册中的公式进行计算，Z方向的切削力为Fz=CFd0fKF,由任务书给定材料为青铜查手册得CF=304.11，XF=1，YF=0.8，进给量f查得0.05～0.1，取f=0.08，则Fz=304.11×4××1≈161(N)（1）第三节滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，计算和确定其他技术参数，包括：公称直径d0、导程L0、滚珠的工作圈数j、列数K、精度等级等滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。滚珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧、单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等几种。一、计算进给牵引力作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而数值大小和导轨的形式有关。对于综合导轨计算公式如下：F=KFX+f(Fz+G)(2)式中—K—考虑颠覆力矩影响的实验系数.f—滚动导轨摩擦系数，约f=0.0025~0.005，为安全设计考虑，此值取0.0035；G—工作台总重量，G=650N;由于在机床运动时不进行切削加工，所以Z方向的切削力为0。带入上式得：F=0.0035×650=2.275N二、计算最大动负载选用滚珠丝杠副的直径d时，必须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转100万转（10转）后，在它的轨道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载C，可用下式计算得：C=fF(3)L=(4)n=(5)式中L—滚珠丝杠导程，初选L=5mm;v—最大切削力条件下的进给速度（m/min），可取最高移动速度的（~），此处取v=0.8m/min;T—使用寿命，按15000h;f—运转系数，无冲击运转1.0~1.2，一般运转1.2~1.5，有冲击运转1.5~2.5，取f=1.2~1.5；L—寿命，以10转为1单位。带入上面三个公式中得:n===160r/min;L===144;C=fF=×1.3×2.275=15.502N。三、滚珠丝杠螺母副的选型查阅表A-1，可采用W1L2005外循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠副，1列2.5圈,其额定动负载为880N,精度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为3级(大致相当于老表准E级)四、传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率ηη=tanγ/tan(γ+φ)(6)式中γ—螺旋升角,W1L2005γ=4°22′φ—摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数0.003~0.004，其摩擦角取10′。所以η=tanγ/tan(γ+φ)=tan4°22′/tan(4°22′+10′)=0.96五、刚度验算滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此考虑以下引起轴向变形的因素：先画出此滚珠丝杠的支撑方式，结构简图如下图（2）所示：图（3.1）滚珠丝杠结构简图最大牵引力为2.275N，支撑间距为L=300mm，螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的。（1）丝杠的拉伸或压缩变形量丝杠的拉伸或压缩变形量：在总的变形量中占的比重较大。计算如下：根据进给率引力Fm=2.275N，丝杠直径D=20mm，从《数控机床课程设计指导用书》中查出=5*10，可算出：=*L=5×10×800（7）=4×10mm式中—在工作负载F作用下引起每一导程的变化量，（mm）；L—滚珠丝杠再支撑间的受力长度，（mm）。（2）滚珠与螺纹滚道间接触变形滚珠与螺纹滚道间接触变形：此项在总变形量中也占比较大的比重。当对丝杠加有预紧力，且预紧力为轴向最大负载的1/3时，之值可减少一半。此变形量可以直接从手册中查出查得=1.2，因进行了预紧所以==0.6式中—轴向弹性变形量（3）支撑滚珠丝杠的轴承的轴向接触变形计算如下：采用了推力球轴承d=15mm,滚动体直径d=4.763mm,滚动体数量为12得=0.0024（8）=0.0024=0.0094mm因施加了预紧力故==×0.0078=0.0047mm式中—轴承的接触变形量。（4）变形总量除上述三种变形量以外，还有滚珠丝杠的扭转变形引起导程的变化量，一般占的比重较小，常忽略不计。还有就是螺母座及轴承支座的变形，常为滚珠丝杠副系统刚度的薄弱环节，但变形量计算较为困难，一般根据其精度要求，在结构上尽量增强刚度而不作计算。因此，滚珠丝杠副刚度的验算，主要是验算，和之和应不大于精度要求允许变形量的一半，否则，考虑选用较大直径的滚珠丝杠副。所以根据以上计算得：=++=0.0004+0.0039+0.005（9）=0.0093mm定位精度（）刚度验算合格。此规格的滚珠丝杠可以使用。六、稳定性校核对已选定尺寸的丝杠在给定支撑条件下，承受最大轴向负载时，应验算其有没有产生纵向弯曲（失稳）的危险。此丝杠是细长轴，故要对其进行稳定性校核。校核如下：计算临界负载=（10）式中E—材料弹性模量，钢：E=20.6*10N/cm；I—截面惯性矩（cm），丝杠：I=，d为丝杠直径；I===4.2cmL—丝杠两支撑端距离300mm=30cm；f—丝杠支撑方式系数，查出，两端固定f=4带入上式得：===65918N临界负载与最大工作负载F之比称为稳定性安全系数n，如果n=[n]则丝杠不致产生失稳。[n]为许用稳定性安全系数，一般取[n]=2.5~4。则稳定性安全系数n计算如下：n==（11）=7324[n](2.5~4)所以此滚珠丝杠不会产生失稳。七、W1L2005型滚珠丝杠副几何参数表表1滚珠丝杠几何参数名称符号参数螺纹滚道公称直径D20导程L5接触角37钢球直径d3.175滚道法面半径R1.651偏心距e0.045螺纹升角433螺杆螺杆外径d19.4螺杆内径d16.788螺杆接触直径d17.76螺母螺母罗纹直径D23.21螺母内径D20.635结构简图如下：图3.2丝杠螺母副简图第四节进给伺服系统传动计算一、齿轮传动比计算由已确定脉冲当量δp=0.01,滚珠丝杠导程Lo=5ｍｍ,初选步进电机步距角1.5°,可计算出传动比ii=(360δp)/(θbLo)=(360×0.01)/(1.5×5)=0.48（12）可选定齿轮齿数为:i=Z1/Z2=24/50Z1=24,Z2=50由齿轮传动比i=0.48，可以选定齿轮齿数为24和50。又由于丝杠副的公称直径为20mm，则初选24和50的齿轮参数如表（2）表（2）齿轮形状几何参数齿数z2450分度圆d=mz2450齿顶圆da=d+2m2652齿根圆df=d-2.5m21．547．5齿宽(3—5)m55中心矩A=(d1+d2)/237二、齿轮齿数及技术参数计算出传动比i后,降速级数决定采用一对齿轮降速,因为进给伺服系统传递功率不大,一般取ｍ=1~2,数控车床,铣床取ｍ=2,数控X-Y工作台中一般取m=1。为了消除齿轮侧隙，此设计中采用调隙齿轮。三、步进电机的计算和选用1.初选步进电机（1）确定脉冲当量δp，步距角θbδp初选0.01mm/step，初步确定θb=1.5°/step（2）步进电机转轴上启动力矩Tm的计算Tm=36δp[Fs+μ(G+Fz)]/(2πθbη)（13）式中δp—脉冲当量(mm/step);Fs—运动方向的进给抗力(N);μ—摩擦系数Fz—垂直方向切削力(N);θb—步距角;η—总机械效率;G—工作台重量（包括工件夹具）(N);由于工作台运动过程中不进行切削，故Fs=0，Fz=0，G=650N，μ=0.03（取淬火钢滚珠导轨），η=0.85，则Tm=36×0.01×0.03×650/(2×3.14×1.5×0.85)N·mm≈0.878N·cm查表得Tq/Tjm=0.866所以步进电机最大静转矩Tjm=Tq/0.866≈1.01N·cm（3）确定步进电机最高工作频率fmax=1000V快/δp（14）其中V快=0.027m/sfmax=1000×0.027/0.01=2700Hz（4）初选步进电机型号根据估算出的最大静转矩Tjmax在国产BF反应式步进电机技术数据表中查出确定选用两个55BF004型步进电机考虑到此经济型数控车床有可能使用较大的切削用量,应该选稍大转矩的步进电机以留有一定的余量.另一方面,与国内同类型机床进行类比,决定采用55BF004步进电机.2.根据草图校核步进电机转矩前面所述初选步进电机的转矩计算,均为估算;初选之后应该进行校核计算.（1）等效转动惯量计算根据简图图3.1计算运动件的转动惯量J∑可由下式计算:J∑=J1+(Z1/Z2)2[(J2+Js)+G(Lo/2π)2/g]（15）式中J1,J2—齿轮Z1,Z2的转动惯量(kg·cm)Js—滚珠丝杠转动惯量(kg·cm)J1=0.78×10×d14·L1=(0.78×10×6.44×2)kg·cm=2.62kg·cmJ2=0.78×10×d24·L2=(0.78×10×84×2)kg·cm=6.39kg·cmJs=(0.78×10×44×170)kg·cm=33.95kg·cmG=650N齿轮惯量计算对于钢材:J=0.78D*4*L×10（16）式中D—圆柱体直径(cm);L—圆柱体长度(cm);钢材的密度为7.8×10-3kg/cm代入上式:J∑=J1+(Z1/Z2)*2[(J2+Js)+G(Lo/2π)2/g]={2.62+(24/50)*2[(6.39+33.95)+650×(0.5/2π)2/10]}kg·cm=19.6kg·cmJ电机=(1~4)J∑（17）N取2电机惯量:J电机=2×J∑=2×19.6=39.2kg·cm总惯量:J∑′=J电机+J∑=39.2+19.6=58.8kg·cm（2）电机转矩计算机床在不同的工况下,在,下面分别按各阶段计算:1)快速空载起动惯性矩T惯=J∑′ε=J∑′×(2πnmax×10)/(60×ta)（18）nmax=(υmax/δp))×(θb/360)（19）将前面数据代入,式中各符号意义同上nmax=(υmax/δp))×(θb/360)=(4000/0.01)×(1.5/360)=633.3r/min起动加速时间ta=25msT惯=J∑′×(2πnmax×10-2)/(60×ta)（20）=88.8×(2π×833.3×10-2)/(60×0.025)N·cm=87.31N·cm2)快速空载起动T负1=Tf+To+T惯（21）折算到电机轴上的摩擦转矩TfTf=FoLo/2πηi=[f′(FY+G)×Lo]/[2πη(Z1/Z2)]=[0.04×(5000+650)×0.6]/[2π×0.8×0.48]N·cm=26.75N·cm附加摩擦转矩ToTo=[FpoLo(1-ηo2)i]/(2πη)=[(1/3)Fm×Lo(1-ηo2)i]/(2πη)=[(1/3)×1775×0.6×(1-0.92)×0.8]/(2π×0.8)N·cm=10.74N·cmT负1=26.75+10.74+387.31=424.8N·cm3)快速移动时所需转矩T负2T负2=T摩=Tf+To=26.75+10.74N·cm=37.49N·cm4)最大(直线,匀速)切削负载时所需转矩T负3T切=(FZLoi)/(2πη)（22）=(1300×0.6×0.8)/(2π×0.8)=124.2N·cmT负3=T切+T摩=124.2+37.49N·cm=161.69N·cm5)加速切削T负4=T切+T摩+T惯=24.2+37.49+387.31N·cm=449N·cm从上面计算可以看出四种工况下,以快速空载启动所需转矩最大,即以此项作为校核步进电机转矩的依据.T电机静转矩=(2~5)T负4取2倍则:T电机静转矩=2×49N·cm=98N·cm从国产BF反应式步进电机技术数据表中查出55BF004型步进电机最大转矩为490N·cm,大于所需最大静转矩,以满足此项要求。当快速运动和切削进给时,按55BF004型步进电机运行矩频特性图，完全可以满足要求,所以初步选择55BF004型步进电机。第四章微机数控系统硬件电路设计第一节单片机数控系统硬件电路设计内容一、XY工作台基本工作原理能分别沿X、Y向运动的工作台称为XY工作台。图4.1为XY工作台示意图。图4.1XY工作台示意图由图可见，XY工作台主要由以下几部分组成。（1）X、Y工作平台（2）传动机构：主要为齿轮传动和滚珠丝杠传动；（3）驱动机构：X、Y向两个电机。XY工作台的工作原理比较简单，即：通过控制X、Y向步进电机驱动传动机构，从而带动XY工作台沿X、Y向运动。二、XY工作台控制要求本设计的XY工作台的控制要求作如下规定：（1）用步进电机作驱动机构。（2）能用键盘输入命令，控制工作台沿X、Y向自由运动，运动范围为X：0～200mm；Y：0～160mm。（3）能实时显示工作台的当前运动位置。（4）当工作台超越边界时，能以指示灯报警，并停止运动。三、绘制系统总体框图根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总体方案，绘制系统电气控制的结构框图。数控系统是由硬件和软件两部分组成。硬件是组成系统的基础，有了硬件，软件才能有效地运行。硬件电路可靠性直接影响到数控系统性能指标。机床硬件电路由以下五部分组成：（1）主控制器，即中央处理单元（CPU）；（2）总线，包括数据总线、地址总线和控制总线；（3）存储器，包括程序存储器和数据存储器；（4）接口，即I/O输入/输出接口电路；（5）外围设备，如键盘、显示器及光电输入机等，见下图。图4.2机床硬件电路组成四、选择中央处理器CPU的类型在微机应用系统中，CPU的选择应考虑以下因素：（1）时钟频率和字长，这个指标将控制数据处理的度；（2）可扩展存储器的容量；（3）指令系统功能，影响编程灵活性；（4）I/O口扩展的能力，即对外设控制的能力；（5）开发手段，包括支持开发的软件和硬件电路。此外还要考虑到系统应用场合、控制对象对各种参数的要求，以及经济价格比等经济的要求。目前在经济型数控机床中，一般选用MCS—51系列单片机作为主控制器。五、存储器扩展电路设计存储器扩展电路设计应该包括程序存储器和数据存储器的扩展。在选择程序存储器芯片时，要考虑CPU和EPROM时序的匹配，还应考虑最大读出速度、工作温度及存储器的容量等问题。在存储器扩展电路的设计中还应包括地址锁存器和译码电路的设计。六、I/O口接口电路设计应包括接口芯片的选用，步进电机控制电路、键盘显示电路以及其他辅助电路的设计。第二节MCS—51系列单片机的选用MCS—51系列单片机是美国Intel公司在MCS—48系列单片微机基础上推出的产品，于1980年问世，它的集成度很高，是集片内存储器、片内输出/输入部件和CPU于一体的优良的单片机系统，在我国已广泛的被应用于经济型数控机床。MCS—51系列单片机主要有三种型号的产品：8031、和8751。三种型号的引脚完全相同，仅在内部结构上有少数差异。8751具有片内EPROM，但价格是8051的10到15倍，所以适合于开发样机，小批量生产和需要在现场进一步完善的场合。8051的EPROM程序是Intel公司制作芯片时为用户制备的，因此在国内很难采用。8031片内无ROM，适用于需扩展ROM，可在现场修改和更新程序存储器的应用场合，其价格低，使用灵活，非常适合在我国使用。此次设计使用的是8031芯片。一、8031单片机的基本特性8031单片机具有以下几个特点：（1）具有功能很强的8位中央处理单元（CPU）；（2）片内有时钟发生电路（6MH或12MH）、每执行一条指令时间为或；（3）片内具有128字节的RAM；（4）具有21个特殊寄存器。（5）可扩展64K字节的外部数据存储器和64K字节的外部程序存储器；（6）具有4个I/O口，32根I/O线；（7）具有2个16位定时器/计数器；（8）具有5个中断源，配备2个中断优先级；（9）具有一个全双功串行接口；（10）具有位寻址能力，适用逻辑运算。从上述特性可以看出这种8031芯片集成度高、功能强，只需增加少量外围器件就可以构成一个完整的微机系统。二、8031芯片引脚及其功能8031芯片具有40根引脚，其引脚图如下图4.38031芯片引脚40根引脚按其功能可以分为四类：1.电源线2根Vcc：编程和正常操作时的电源电压，接+5V。Vss：地电平。2.晶体振荡器2根。XTAL1：振荡器的反向放大器输入。使用外部振荡器时必须接地。XTAL2：振荡器的反向放大器输出和内部时钟发生器的输入。当使用外部振荡器时用于输入外部震荡信号。3.I/O口共有P0、P1、P2、P3四个8位口，32根I/O线，其功能如下：（1）P0.0—P0.7（AD0—AD7）是I/O端口0的引脚。端口0是一个8位漏极开路的双向I/O端口。在存取外部存储器时，该端口分时地用作低8位的地址线和8位双向的数据端口（在此时内部上拉电阻有效）。（2）P1.0—P1.7端口1的引脚，是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O通道，专供用户使用。（3）P2.0—P2.7（A8—A15）端口2的引脚。端口2是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，在访问外部存储器时，它输出高8位地址A8—A15。（4）P3.0—P3.7端口3的引脚。端口3是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口，该口的每一位均可独立地定义第一I/O口功能或第二I/O口功能。作为第一功能使用时，口的结构与P1操作与口完全相同，第二功能如下所示：口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2INT0(外部中断)P3.3INT1(外部中断)P3.4T0(定时器0外部输入)P3.5T1(定时器1外部输入)P3.6WR(外部数据存储器写选通)P3.7RD(外部数据存储器读选通)由上看出，8031单片机不是将地址总线、数据总线和控制总线分开，而是地址线、数据线和部分控制均由I/O口完成。4.控制线（1）PSEN：程序存储器的使能引脚，是外部程序存储器的选通信号，低电平有效。从外部程序存储器取数时，在每个机器周期内二次有效。（2）EA/VPP：EA为高电平时，CPU执行内部程序存储器的指令。EA为低电平时，CPU仅执行外部程序存储器的指令。因为8031芯片没有内部程序存储器，所以EA必须接地。（3）ALE/PROG：ALE是地址锁存器使能信号。作为地址锁存允许时高电平有效。因为P1端口是分时传送数据和低8位地址。所以访问外部存储器时，ALE信号锁存低8位地址。即使在不访问外部存储器时，也以1/6振荡频率的固定频率产生ALE，因此可以用它作为外部的时钟信号。ALE主要是提供一个定时信号，在从外部程序存储器取指令时，把P0口的低位地址字节锁存到外接的地址锁存器中。（4）RST/VPD：是复位/备用电源端。在振荡器运行时，使RST引脚至少保持两个机器周期为高电平，可实现复位操作，复位后程序计数器清零，即程序从0000H单元开始执行。在VCC关断前加上VPD（掉电保护）RAM的内容将不变。三、8031芯片内部的存储器结构及地址分配8031芯片内部无程序存储器，只有256字节的数据存储器，地址从00H—7FH，其地址分配如下图：图4.48031芯片存储器结构8031芯片内部256字节的空间被分成两部分，其中内部数据存储器（RAM）地址为00H—7FH，特殊功能寄存器（SFR）的地址为80H—FFH。在内部数据存储器中的00H—1FH为四个工作寄存器区，其中：0区00H—07H1区08H—0FH2区10H—17H3区18H—1FH每个区都有8个8位寄存器R0—R7。可以用来暂存运算的中间结果，以提高运算速度。其中的R0和R1还可以用来存放8位地址。要确定采用哪个工作寄存器区，可通过标志寄存器PSW中的RS0、RS1两位来指定。从20H—2FH是“位寻址”空间。在此空间中，CPU既可对其执行按字节操作，又可对其中每个单元的8位二进制代码执行按位的操作。从30H—7FH是可以按字节寻址的数据缓冲区，在此区域中可以设置堆栈。由于8031复位后堆栈指针SP指向工作寄存器区（即SP=07H），所以用户必须在初始化程序中对SP设置30H以后的地址区间为初值。8031芯片内部没有程序存储器，且仅有128字节的数据存储器，因而再组成控制系统时可根据需要扩展外部程序存储器和外部数据存储器。由于地址线是16位的，故最多能扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，其地址均为0000H—FFFFH，即程序存储器和数据存储器为独立编址；因此EPROM和RAM的地址分配比较自由，编程时不必考虑地址冲突问题。第三节存储器扩展电路设计MCS—51系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合，MCS—51系列的最小系统用一片8031外扩一片EPROM就能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可利用MCS—51系列的扩展功能，构成功能强，规模大的系统。一、程序存储器的扩展MCS—51的程序存储器的寻址空间为64K字节，8031片内不带ROM，用作程序存储器的器件是EPROM。1、常用的ROM芯片及引脚例如：Intel2764（1）2764的特性及引脚信号Intel2764的容量为8KB，是28引脚双列直插式芯片，最大读出时间为250ns，单一＋5V电源供电，其引脚信号如图5.4所示。A12～A0（addressinputs）：地址线，可寻址8KB的存储空间，输入，与系统地址总线相连。D7～D0（databus）：数据线，8位，双向，编程时做数据输入线，读出时做数据输出线，与系统数据总线相连。（outputenable）：读出允许信号，输入，低电平有效，与系统读信号相连。（chipenable）：片选信号，输入，低电平有效，与地址译码器输出相连。图4.52764引脚信号示意图VPP（programmingvoltage）：编程电压输入端，＋12.5V。图4.52764引脚信号示意图（program）：编程脉冲输入，是宽度为45ms的低电平脉冲信号。VCC：＋5V电源。GND：信号地。（2）2764的操作方式2764有读出、保持、编程、编程校验和编程禁止五种操作方式，见表5.2。①读出：将芯片内指定单元的内容输出。此时和为低电平，VPP接＋5V，接高电平，数据线处于输出状态。表2.12764操作方式操作方式VPPD7～D0读出00＋5V1数据输出保持1×＋5V×高阻编程01＋12.5V0数据输入编程校验00＋12.5V1数据输出编程禁止1×＋12.5V×高阻②保持：为高电平，数据线呈现高阻状态，禁止数据传送。③编程：将信息写入芯片内。此时，VPP接＋12.5V的编程电压，为高电平，为低电平，输入宽度为45ms的低电平编程脉冲信号，将数据线上的数据写入指定的存储单元。④编程校验：在编程过程中，对写入的信息可以进行校验操作。即在一个字节编程完成后，为高电平，和为低电平，将同一单元的内容由数据线输出，可检验写入的内容是否正确。⑤编程禁止：当为高电平时，禁止编程，数据线呈现高阻状态2、地址锁存器由于单片机8031芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器。在此选用的地址锁存器芯片是74LS373。74LS373是带三态缓冲输出的8D触发器。表2.2EGDQLHHHLHLLLLXQ上表2.2是74LS373的真值表，表中：L——低电平；H——高电平；X——不定态；Q0——建立稳态前Q的电平；G——输入端，与8031ALE连高电平：畅通无阻低电平：关门锁存。OE——使能端，接地。当G=“1”时，74LS373输出端1Q—8Q与输入端1D—8D相同；当G为下降沿时，将输入数据锁存。3、8031与EPROM芯片的连接（1）地址线的连接EPROM低8位地址线A0—A7经地址锁存器与8031的P0口相连；EPROM高8位地址线A8—A15直接与8031的P2口相连。由于8031的P0口是分时输出低8位地址和数据，故要外接地址锁存器，并由CPU发出的地址允许锁存信号ALE的下降沿将地址信息锁存入地址锁存器中。如外接存储器芯片内有地址锁存器，则单片机CPU的P0口可与存储器低8位地址线直接相连，但仍要将CPU的ALE信号与存储器芯片ALE端相连。单片机的P2口用作高位地址线及片选地址线，由于P2口输出具有锁存的功能，故不必外加地址锁存器。（2）数据线的连接存储器的8位数据线D0—D7与8031芯片的P0口P0.0—P0.7直接相连，单片机规定指令码和数据都是由P0口读入，数位对应相连即可。（3）控制线的连接8031芯片的PSEN与EPROM芯片的OE端相连。8031芯片EA接地，CPU执行外部程序存储器的指令。8031芯片ALE接地址锁存器74LS373的G端。二、数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有128字节，远远不能满足系统的需要，需扩展片外的数据存储器（RAM）。1、数据存储器的选用根据综合设计的要求需扩展16KB的数据存储器，所以在此选取了两片6264芯片，它采用CMOS工艺，采用28脚双列直插式扁平封装。2、8031与外部数据存储器芯片的连接单片机CPU与外部数据存储器的连接方法和与程序存储器连接方法大致相同。唯控制线的连接不同：RAM读入信号OE与8031芯片的RD引脚相连；RAM的写输入信号WE与8031芯片WR相连。三、译码电路设计8031单片机允许扩展64KB程序存储器和64KB数据存储器，这样就需要扩展多个外围芯片，因而需要把外部地址空间分配给这些芯片，并且使程序存储器各芯片之间、数据存储器各芯片之间地址互相不重叠，以使单片机访问外部存储器时，避免发生冲突。所以需选用译码电路。对于容量较大的系统，扩展的外围芯片较多，芯片所需的片选信号多于可利用的地址线时，就需要用这种全地址译码的方法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。因为这种地址编码的方法，除了片内地址线以外，剩余的高位地址线全部参加译码，故称为全地址译码。在此选用了3—8译码器（74LS138），74LS138是目前常用的三线——八线译码器（变量译码器），它有三根输入线，可以输入三位二进制数码，共有八种状态组合，即可译出8个输出信号。管脚图如图4.6所示。该集成芯片共有16个引脚，其中8脚应接地线，16脚接+5V电源，脚0A、1A、2A为二进制编码输入端(2A为高位，0A为低位)；0Y～7Y为译码输出端(7Y为高位，0Y为低位)，1E、AE2、BE2为信号输入允许端，也称使能端。AE2、BE2为低电平有效（图中用管脚处的圆圈来表示低电平有效），1E为高电平有效。只有信号输入允许端有效时输入的信号才有效，才可能实现译码。输入占用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。图4.6图4.674LS138引脚信号第四节I/O接口电路及辅助电路设计8031单片机共有4个8位并行I/O口，但可供用户使用的只有P1口和部分P3口，因此，在大部分应用系统中都需要扩展I/O芯片。在此选用了8155芯片和8255芯片。一、8255可编程接口芯片1.8255是可编程输入/输出接口芯片，它具有3个8位的并行I/O口，分别为PA、PB、PC口，其中PC口又分为高4位和低4位，它们都可以通过软件编程来改变I/O口的工作方式。8255芯片可与8031直接接口。图4.78255A的引脚其引脚功能见下表：引脚含义D0—D7数据线PA0—PA7A口PB0—PB7B口PC0—PC7C口A0、A1地址线RD读WR写CE片选RESET复位GND地VCC电源2.8255的三种工作方式（1）方式0是一种基本输入或输出方式，它适用于无需握手信号的简单输入输出应用场合，端口A、B、C都可作为输入或输出数据使用，输出有锁存而输入无锁存。(2)方式1也称选通的输入/输出方式。在这种方式下，无论是输入还是输出都通过应答关系实现，这时端口A或B用作数据口，端口C的一部分引脚用作握手信号线与中断请求线。(3)方式2也称选通的双向I/O方式，仅适用于端口A，这时A口的PA7-PA0作为双向的数据总线，端口C有5条引脚用作A的握手信号线和中断请求线，而B口和C口余下的3位仍可工作于方式0或1。二、键盘显示接口电路1、显示器工作原理在此选用的是LED显示器，它是由8个发光二极管组成，当发光二极管导通时，相应的一个点或一个笔画发亮。控制不同组合的二极管导通，就能显示出各种字符。常见的七段显示器的结构如图所示。图4.8七段显示器的结构2、键盘接口电路原理键盘是由若干个按键组成的开关矩阵，它是最简单的单片微机输入设备。其工作原理如图所示。图4.9键盘工作原理三、步进电机接口及驱动电路通常在经济型数控机床中，大多数采用步进电机开环控制。步进电机是一种用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转变成相应的角位移的电动机。其角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲频率成正比，通过改变脉冲频率就可以调节电机的转速。驱动步进电机的脉冲需要按所要求的顺序供给电机各相。例如，三相六拍驱动方式，供给步进电机各相脉冲应按A-AB-B-BC-C-CA（正转）或AC-C-CB-B-BA-A-AC（反转）顺序供电脉冲。脉冲分配器是用来实现步进电机各相脉冲通电顺序的。为使步进电机正常运行并输出一定功率，需要有足够功率提供给电动机，因此需要有功率放大环节。本设计用的脉冲分配器是硬件环型分配器。第五节微机控制系统电路原理图见经济型数控系统电路原理图，经济型数控系统电路原理图是用MCS—51系列单片机组成的控制系统，该系统采用8031作CPU，扩展了两片2761芯片、一片6264芯片、一片8255芯片、一片8155芯片、两片YB015芯片、一片YB014芯片、一片74LS373芯片和一片74LS138芯片组成。X向和Y向步进电机均采用硬件环型分配器。此系统因为扩展的芯片不变，采用线选法地址译码。X和Y向步进电机硬件环形分配器的均采用YB015，步进电机是三相六拍。I/O接口芯片与外设的连接是这样的：8155芯片PA0~PA7作为显示器段选信号，是输出PB0~PB7是显示器的位选信号。输出PC0~PC4这5根线是键盘扫描输入。8255芯片PA0~PA6接X向Y向步进电机硬件环形分配器，为输出，PB0~PB7为两个方向的点动及回零输入，PC0~PC5为面板上的选择开关，设有编辑，单步运行，单段运行，自动，手动1，手动2等方式。一、控制系统的功能（1）X向和Y向进给伺服运动，采用步进电机硬件环形分配器。（2）键盘显示（3）面板管理（4）行程控制（5）其他功能光电隔离电路、越界报警指示电路、时钟电路、复位电路等。二、CPU、存储器及I/O接口CPU采用8031芯片，选用6MHZ晶体振荡器。它的P0口作为数据总线和地址线共用。16位地址线由P0经地址锁存器74LS373提供低8位A0—A7，高8位地址线A8—A15由8031的P2口直接提供。ALE为地址锁存允许。PSEN为低电平时选通外部存储器（EPROM），相应的指令字节出现在EPROM的数据线（D0—D7）上，输入到P0口，8031将指令读入。RESET为复位控制，当RESET输入端出现高电平时，8031被初始化复位，在复位有效期向ALE、PSEN也输出高电平。当RESET输入端返回低电平后，CPU从0地址开始执行程序。设计中采用上电复位和开关复位。另外，芯片8255和芯片8279的RESET也与8031的RESET管脚相连，它们可同时复位。8031的T0是片内的定时器/计数器溢出中断申请，由主轴后面的光电译码器输入。当车床车螺纹时，主轴光电编码器向8031T0发出进给脉冲，用以控制不同导程的螺纹加工。光电编码器还发出一个零位螺纹信号，输入到8255的PB6口。8155主要用于功能键的控制，刀架转位控制等。其中PA口为输出口，PA0—PA5作为功能键控制管理，分别控制编辑、空运行、自动、手动I、手动II和回零。PB口也是输入口，PB0—PB3由面板上的按键分别控制启动、暂停、单段、连续等功能。PB5是换刀回答，当自动转位刀架按指令转位、夹紧，刀架电机停转后，发出此信号，开始执行进给指令。