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摘 要 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展 微處理器 微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù) 領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用 對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用 一個(gè)較完善的機(jī)電一體化系統(tǒng) 應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素 機(jī)械本 體 動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分 執(zhí)行機(jī)構(gòu) 傳感測(cè)試部分 控制及信息處理 部分 機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù) 計(jì)算機(jī)與信息處理技術(shù) 自動(dòng)控制 技術(shù) 檢測(cè)傳感技術(shù) 伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域 綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程 新一代的 CNC 系統(tǒng)這類典型機(jī)電 一體化產(chǎn)品正朝著高性能 智能化 系統(tǒng)化以及輕量 微型化方向 發(fā)展 關(guān)鍵字 機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點(diǎn) 發(fā)展趨勢(shì) Abstract Now the world electronic technology rapidly expand the microprocessor the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology to various domains technology development enormous promotion effect A perfect integration of machinery system should contain the following several base elements Basic machine power and actuation part implementing agency sensing measurement component control and information processing part The integration of machinery is the system technology the computer and the information processing and management technology the automatic control technology the examination sensing technology the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi disciplinary area of technology synthesis overlapping technology intensive systems engineering New generation s CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance the intellectualization the systematization as well as the featherweight the microminiaturized direction develops key words Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development 目 錄 第一章 前言 4 第二章 課程設(shè)計(jì)的目的 意義及要求 6 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)的目的 意義 6 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的要求 6 第三章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7 第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 8 第五章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 9 第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 9 第二節(jié) 工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算 9 第三節(jié) 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算 選擇 9 第四節(jié) 滾珠絲杠計(jì)算 選擇 11 第五節(jié) 齒輪計(jì)算 設(shè)計(jì) 13 第六節(jié) 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 14 第七節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇 15 第六章 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 17 第一節(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容 17 第二節(jié) 設(shè)計(jì)步驟 17 第三節(jié) 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 21 第七章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 22 第八章 結(jié)束語與致謝 29 第九章 參考文獻(xiàn) 30 1 重慶交通大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 論文 內(nèi)容 數(shù)控車床系統(tǒng) XY 工 作臺(tái)與控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 院 系 部 繼續(xù)教育學(xué)院 學(xué)生姓名 學(xué) 號(hào) 專 業(yè) 機(jī) 電 一 體 化 班 級(jí) 05 機(jī)電班 指導(dǎo)教師 完成時(shí)間 2008 05 8 2 摘 要 當(dāng)今世界電子技術(shù)迅速發(fā)展 微處理器 微型計(jì)算機(jī)在各技術(shù)領(lǐng)域得到 了廣泛應(yīng)用 對(duì)各領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展起到了極大的推動(dòng)作用 一個(gè)較完善的機(jī) 電一體化系統(tǒng) 應(yīng)包含以下幾個(gè)基本要素 機(jī)械本體 動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)部分 執(zhí) 行機(jī)構(gòu) 傳感測(cè)試部分 控制及信息處理部分 機(jī)電一體化是系統(tǒng)技術(shù) 計(jì) 算機(jī)與信息處理技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù) 檢測(cè)傳感技術(shù) 伺服傳動(dòng)技術(shù)和機(jī)械 技術(shù)等多學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域綜合交叉的技術(shù)密集型系統(tǒng)工程 新一代的 CNC 系 統(tǒng)這類典型機(jī)電一體化產(chǎn)品正朝著高性能 智能化 系統(tǒng)化以及輕量 微型 化方向發(fā)展 關(guān)鍵字 機(jī)電一體化的基礎(chǔ) 基本組成要素 特點(diǎn) 發(fā)展趨勢(shì) Abstract Now the world electronic technology rapidly expand the microprocessor the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology to various domains technology development enormous promotion effect A perfect integration of machinery system should contain the following several base elements Basic machine power and actuation part implementing agency sensing measurement component control and information processing part The integration of machinery is the system technology the computer and the information processing and management technology the automatic control technology the examination sensing technology the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi disciplinary area of technology synthesis overlapping 3 technology intensive systems engineering New generation s CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance the intellectualization the systematization as well as the featherweight the microminiaturized direction develops key words Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development 4 目 錄 第一章 前言 4 第二章 課程設(shè)計(jì)的目的 意義及要求 6 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)的目的 意義 6 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的要求 6 第三章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 7 第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 8 第五章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 9 第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 9 第二節(jié) 工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算 9 第三節(jié) 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算 選擇 9 第四節(jié) 滾珠絲杠計(jì)算 選擇 11 第五節(jié) 齒輪計(jì)算 設(shè)計(jì) 13 第六節(jié) 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 14 第七節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的計(jì)算選擇 15 第六章 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 17 第一節(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容 17 第二節(jié) 設(shè)計(jì)步驟 17 第三節(jié) 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 21 第七章 系統(tǒng)控制軟件設(shè)計(jì) 22 第八章 結(jié)束語與致謝 29 第九章 參考文獻(xiàn) 30 5 第一章 前言 一 當(dāng)今世界數(shù)控技術(shù)及裝備發(fā)展的趨勢(shì)及我國數(shù)控裝備技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)業(yè)化的現(xiàn)狀 在我國對(duì)外開放進(jìn)一步深化的新環(huán)境下 發(fā)展我國數(shù)控技術(shù)及裝備 提高我國制造 業(yè)信息化水平和國際競(jìng)爭(zhēng)能力的重要性 并從戰(zhàn)略和策略兩個(gè)層面提出了發(fā)展我國數(shù)控 技術(shù)及裝備的幾點(diǎn)看法 裝備工業(yè)的技術(shù)水平和現(xiàn)代化程度決定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)的水平和現(xiàn)代化程度 數(shù)控 技術(shù)及裝備是發(fā)展新興高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術(shù)和最基本的裝備 又是當(dāng)今 先進(jìn)制造技術(shù)和裝備最核心的技術(shù) 數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行 控制的技術(shù) 而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的 滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品 其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域 一 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大 他對(duì)國計(jì)民生的一些重要行業(yè) IT 汽 車 輕工 醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用 從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展 的趨勢(shì)來看 其主要研究熱點(diǎn)有以下幾個(gè)方面 1 高速 高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢(shì) 效率 質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體 高速 高精加工技術(shù)可極大地提高效率 提高 產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次 縮短生產(chǎn)周期和提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力 從 EMO2001 展會(huì)情況來看 高 速加工中心進(jìn)給速度可達(dá) 80m min 甚至更高 空運(yùn)行速度可達(dá) 100m min 左右 目前 世界上許多汽車廠 包括我國的上海通用汽車公司 已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生 產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床 在加工精度方面 近 10 年來 普通級(jí)數(shù)控機(jī)床的加工精度已 由 10 m 提高到 5 m 精密級(jí)加工中心則從 3 5 m 提 高到 1 1 5 m 并且超精密 加工精度已開始進(jìn)入納米級(jí) 0 1 m 為了實(shí)現(xiàn)高速 高精加工 與這配套的功能部件 如電主軸 直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展 應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大 2 5 軸聯(lián)動(dòng)加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展 采用 5 軸聯(lián)動(dòng)對(duì)三維曲面零件的加工 可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削 不僅光潔 度高 而且效率也大幅度提高 但過去因 5 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng) 主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因 其 價(jià)格要比 3 軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍 加之編程技術(shù)難度較大 制約了 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床 的發(fā)展 當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn) 使得實(shí)現(xiàn) 5 軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化 其制造難度和成本大幅度降低 數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格差距縮小 因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型 5 軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床 含 5 面加工機(jī)床 的發(fā)展 3 智能化 開放式 網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(shì) 21 世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng) 智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的 各個(gè)方面 為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化 如加工過程的自適應(yīng)控制 工藝參 數(shù)自動(dòng)生成 為提高驅(qū)動(dòng)性能及使用連接方便的智能化 如前饋控制 電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng) 運(yùn)算 自動(dòng)識(shí)別負(fù)載自動(dòng)選定模型 自整定等 數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未 來之路 所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運(yùn)行平臺(tái)上 面向機(jī)床 廠家和最終用戶 通過改變 增加或剪裁結(jié)構(gòu)對(duì)象 數(shù)控功能 形成系列化 并可方便地 將用戶的特殊應(yīng)用和技訣竅集成到控制系統(tǒng)中 快速實(shí)現(xiàn)不同品種 不同檔次的開放式 數(shù)控系統(tǒng) 形成具有鮮明個(gè)性的名牌產(chǎn)品 目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范 通信規(guī) 范 配置規(guī)范 運(yùn)行平臺(tái) 數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研 究的核心 網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會(huì)的一個(gè)新亮點(diǎn) 數(shù)控裝備的網(wǎng) 絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線 制造系統(tǒng) 制造企業(yè)對(duì)信息集成的需求 也是實(shí)現(xiàn)新的制造 6 模式如敏捷制造 虛擬企業(yè) 全球制造的基礎(chǔ)單元 反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向 發(fā)展的趨勢(shì) 二 對(duì)我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計(jì) 我國數(shù)控技術(shù)起步于 1958 年 近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個(gè)階段 第一階 段從 1958 年到 1979 年 即封閉式發(fā)展階段 在此階段 由于國外的技術(shù)封鎖和我國 的基礎(chǔ)條件的制 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢 第二階段是在國家的 六五 七五 期 間以及 八五 的前期 即引進(jìn)技術(shù) 消化吸收 初步建立起國產(chǎn)化體系階段 在此階 段 由于改革開放和國家的重視 以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善 我國數(shù)控技術(shù) 的研究 開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進(jìn)步 第三階段是在國家的 八 五 的后期和 九五 期間 即實(shí)施產(chǎn)業(yè)化的研究 進(jìn)入市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)階段 縱觀我國數(shù)控 技術(shù)近 50 年的發(fā)展歷程 特別是經(jīng)過 4 個(gè) 5 年計(jì)劃的攻關(guān) 總體來看取得的成績還 是不小 三 對(duì)我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 1 戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國 在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn) 移 所以 我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題 首先從社會(huì)安 全看 因?yàn)橹圃鞓I(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) 制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 而 且還可緩解我國就業(yè)的壓力 保障社會(huì)的穩(wěn)定 其次從國防安全看 西方發(fā)達(dá)國家把高精 尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì) 對(duì)我國實(shí)現(xiàn)禁運(yùn)和限制 東芝事件 和 考克斯 報(bào)告 就是最好的例證 2 發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā) 以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場(chǎng)需求 為導(dǎo)向 以提高我國制造裝備業(yè)綜合競(jìng)爭(zhēng)能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo) 用系統(tǒng)的方法 選 擇能夠主導(dǎo) 21 世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支 撐技術(shù) 配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容 實(shí)現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展 強(qiáng)調(diào)市場(chǎng)需求 為導(dǎo)向 即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主 以整機(jī)如量大面廣的數(shù)控車床 銑床 高速高精高性 能數(shù)控機(jī)床 曲型數(shù)字化機(jī)械 重點(diǎn)行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等 帶動(dòng)數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展 重點(diǎn)解決數(shù) 控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī) 高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題 沒有規(guī)模就不會(huì)有高可靠性的產(chǎn)品 沒有規(guī)模就不會(huì)有價(jià)值低 廉而富有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品 當(dāng)然 沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日 7 第二章 課程設(shè)計(jì)的目的 意義及要求 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)的目的 意義 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程設(shè)計(jì)是培養(yǎng)學(xué)生設(shè)計(jì)能力的重要實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)之一 是 綜合運(yùn)用所學(xué)過的機(jī)械 電子 自動(dòng)控制 計(jì)算機(jī)等知識(shí)進(jìn)行的基本設(shè)計(jì)訓(xùn)練 其目的 是 1 能夠正確運(yùn)用 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 課程的基本理論和相關(guān)知識(shí) 掌握機(jī)電一體 化系統(tǒng) 產(chǎn)品 的功能構(gòu)成 特點(diǎn)和設(shè)計(jì)思想 設(shè)計(jì)方法 了解設(shè)計(jì)方案的擬定 比較 分析和計(jì)算 培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的能力 使學(xué)生具有機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的初 步能力 2 通過機(jī)械部分設(shè)計(jì) 掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)典型機(jī)械零部件和執(zhí)行元件的計(jì)算 選型 和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法和步驟 3 通過測(cè)試及控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 掌握機(jī)電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成 工作原 理 和軟件編程思想 4 通過課程設(shè)計(jì)提高學(xué)生應(yīng)用手冊(cè) 標(biāo)準(zhǔn)及編寫技術(shù)說明書的能力 促進(jìn)學(xué)生在科學(xué) 態(tài)度 創(chuàng)新精神 專業(yè)技能等方面綜合素質(zhì)的提高 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的要求 1 課程設(shè)計(jì)應(yīng)在教師的指導(dǎo)下由學(xué)生獨(dú)立完成 嚴(yán)格地要求自己 不允許相互抄襲 2 認(rèn)真閱讀 課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 明確題目及具體要求 3 認(rèn)真查閱題目涉及內(nèi)容的相關(guān)文獻(xiàn)資料 手冊(cè) 標(biāo)準(zhǔn) 4 大膽創(chuàng)新 確定合理 可行的總體設(shè)計(jì)方案 5 機(jī)械部分和驅(qū)動(dòng)部分設(shè)計(jì)思路清晰 計(jì)算結(jié)果正確 選型合理 6 微機(jī)控制系統(tǒng)方案可行 硬件選擇合理 軟件框圖正確 7 手工或電腦繪制機(jī)械系統(tǒng)裝配圖一張 A1 控制系統(tǒng)電氣原理一張 A1 圖紙 符合國家標(biāo)準(zhǔn) 布圖合理 內(nèi)容完整表達(dá)清晰 8 課程設(shè)計(jì)說明書一份 不少于 8000 字 包括 目錄 題目及要求 總體方案的確 定 機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì) 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 參考文獻(xiàn)等 設(shè)計(jì)說明書應(yīng)敘述清楚 表達(dá)正 確 內(nèi)容完整 技術(shù)術(shù)語符合標(biāo)準(zhǔn) 8 第三章 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 第一節(jié) 課程設(shè)計(jì)題目 單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多用 XY 工作臺(tái) 已知條件 定位精度 0 01mm 滾珠絲杠及導(dǎo)軌使用壽命 T 15000h 中等沖擊 工作臺(tái)的有效行程為 快速進(jìn)給速度40Lxm 40YLm 和工作載荷max20 inv a2 inyv 2ZFN 第二節(jié) 課程設(shè)計(jì)的內(nèi)容 1 數(shù)控裝置總體方案的確定 1 數(shù)控裝置設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 2 方案的分析 比較 論證 2 機(jī)械部分的設(shè)計(jì) 1 確定脈沖當(dāng)量 2 機(jī)械部件的總體尺寸及重量的初步估算 3 傳動(dòng)元件及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì) 計(jì)算和選用 4 確定伺服電機(jī) 5 繪制機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 6 系統(tǒng)等效慣量計(jì)算 7 系統(tǒng)精度分析 3 數(shù)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1 微機(jī)及擴(kuò)展芯片的選用及控制系統(tǒng)框圖的設(shè)計(jì) 2 I O 接口電路及伺服控制電路的設(shè)計(jì)和選用 3 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 4 編寫課程設(shè)計(jì)說明書 1 說明書是課程設(shè)計(jì)的總結(jié)性技術(shù)文件 應(yīng)敘述整個(gè)設(shè)計(jì)的內(nèi)容 包括總體方案的 確定 系統(tǒng)框圖的分析 機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算 電氣部分的設(shè)計(jì)說明 選用元器件 參數(shù)的說明 軟件設(shè)計(jì)及其說明 2 說明書不少于 84 字 盡量用計(jì)算機(jī)完成 5 圖紙 1 機(jī)械結(jié)構(gòu)裝配圖 A0 圖紙 1 張 要求視圖基本完整 符合標(biāo)準(zhǔn) 其中至少要有 一個(gè)坐標(biāo)軸的完整剖視圖 9 第四章 數(shù)控系統(tǒng)總體方案的確定 數(shù)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 執(zhí)行機(jī)構(gòu)及傳動(dòng)方案的 確定 伺服電機(jī)類型及調(diào)速方案確定 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的選擇 進(jìn)行方案的分析 比較 和論證 1 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方式的確定 該系統(tǒng)要求工作臺(tái)沿各坐標(biāo)軸的運(yùn)動(dòng)有精確的運(yùn)動(dòng)關(guān)系因此采用連續(xù)控制方式 2 伺服系統(tǒng)的選擇 開環(huán)伺服系統(tǒng)在負(fù)載不大時(shí)多采用功率步進(jìn)電機(jī)作為伺服電機(jī) 開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒 有檢測(cè)反饋部件 因而不能糾正系統(tǒng)的傳動(dòng)誤差 但開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單 調(diào)整維修容易 在速度和精度要求不太高的場(chǎng)合得到廣泛應(yīng)用 考慮到運(yùn)動(dòng)精度要求不高 為簡化結(jié)構(gòu) 降低成本 宜采用步進(jìn)電機(jī)開環(huán)伺服系統(tǒng)驅(qū)動(dòng) 3 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的選擇 采用 MCS 51 系列中的 8031 單片機(jī)擴(kuò)展控制系統(tǒng) MCS 51 單片機(jī)的主要特點(diǎn)是集 成度高 可靠性好 功能強(qiáng) 速度快 性價(jià)比高 控制系統(tǒng)由微機(jī)部分 鍵盤及顯示器 I O 接口及光電隔離電路 步進(jìn)功率放大電路等組成 系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵 盤操作實(shí)現(xiàn) 顯示器采用數(shù)碼管顯示加工數(shù)據(jù)和工作狀態(tài)等信息 4 X Y 工作臺(tái)的傳動(dòng)方式 為保證一定的傳動(dòng)精度和平穩(wěn)性以及結(jié)構(gòu)的緊湊 采用滾珠絲杠螺母?jìng)鲃?dòng)副 為提 高傳動(dòng)剛度和消除間隙 采用有預(yù)加載荷的結(jié)構(gòu) 由于工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)部件重量和工作載荷不大 故選用滾動(dòng)直線導(dǎo)軌副 從而減小工 作臺(tái)的摩擦系數(shù) 提高運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性 考慮電機(jī)步距角和絲杠導(dǎo)程只能按標(biāo)準(zhǔn)選取 為達(dá)到分辨率的要求 以及考慮步進(jìn)電 機(jī)負(fù)載匹配 采用齒輪減速傳動(dòng) 系統(tǒng)總體框圖如下 計(jì) 算 機(jī) 光電隔離 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) X 向工作臺(tái) 光電隔離 功率放大 步進(jìn) 電機(jī) Y 向工作臺(tái) 10 第五章 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 機(jī)械部分設(shè)計(jì)內(nèi)容包括 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 運(yùn)動(dòng)部件慣性的計(jì)算 選擇步進(jìn)電機(jī) 傳動(dòng)及導(dǎo)向元件的設(shè)計(jì) 計(jì)算與選擇 繪制機(jī)械部分裝配圖等 第一節(jié) 確定系統(tǒng)脈沖當(dāng)量 脈沖當(dāng)量 p 是一個(gè)進(jìn)給指令時(shí)工作臺(tái)的位移量 應(yīng)小于等于工作臺(tái)的位置精度 由 于定位精度為 0 01mm 因此選擇脈沖當(dāng)量為 0 01mm 第二節(jié) 工作臺(tái)外形尺寸及重量初步估算 根據(jù)給定的有效行程 畫出工作臺(tái)簡圖 估算 X 向和 Y 向工作臺(tái)承載重量 WX 和 WY 取 X 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?410mm Y 向?qū)к壷武撉虻闹行木酁?400mm 設(shè)計(jì) 工作臺(tái)簡圖如下 X 向拖板 上拖板 尺寸為 長 寬 高 420 410 50 重量 按重量 體積 材料比重估算為 xW324201507 816 58N Y 向拖板 下拖板 尺寸為 重量 Y32 0 上導(dǎo)軌 含電機(jī) 重量為 23 9048205 7 81487 9N 夾具及工件重量 約 155N X Y 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)部分總重量為 工作臺(tái)簡圖 11 487 965 271 8520WN 第三節(jié) 滾動(dòng)導(dǎo)軌副的計(jì)算 選擇 根據(jù)給定的工作載荷 Fz 和估算的 Wx 和 Wy 計(jì)算導(dǎo)軌的靜安全系數(shù) fSL C0 P 式中 C0 為導(dǎo)軌的基本靜額定載荷 kN 工作載荷 P 0 5 Fz W fSL 1 0 3 0 一般運(yùn)行狀況 3 0 5 0 運(yùn)動(dòng)時(shí)受沖擊 振動(dòng) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果查有關(guān)資料初選導(dǎo)軌 因系統(tǒng)受中等沖擊 因此取 4 0sLf 0 5 OSLXYZfPF xYYOXSL W 20 671 58 3 79N 26CfP413 94 根據(jù)計(jì)算額定靜載荷初選導(dǎo)軌 選擇漢機(jī)江機(jī)床廠 HJG D 系列滾動(dòng)直線導(dǎo)軌 其型號(hào)為 HJG D25 基本參數(shù)如下 額定載荷 N 靜態(tài)力矩 N M 滑座重 量 導(dǎo)軌重 量 導(dǎo)軌長度 動(dòng)載荷 aC靜載荷 oATBCTgK gmL mm 17500 26000 198 198 288 0 60 3 1 760 滑座個(gè)數(shù) 單向行程長度 每分鐘往復(fù)次數(shù) M Sl n 4 0 6 4 導(dǎo)軌的額定動(dòng)載荷 N1750aC 依據(jù)使用速度 v m min 和初選導(dǎo)軌的基本動(dòng)額定載荷 kN 驗(yàn)算導(dǎo)軌的工作壽命aC Ln 額定行程長度壽命 HTCaWffSFTK 2045MF1 81 oTWCHRdffffK 12 3 310 817502 5 4209 58HTCaWffSFTK km 導(dǎo)軌的額定工作時(shí)間壽命 3102SoTHln 3 310249 58104971506SoTln hTh 導(dǎo)軌的工作壽命足夠 第四節(jié) 滾珠絲杠計(jì)算 選擇 初選絲杠材質(zhì) CrWMn 鋼 HRC58 60 導(dǎo)程 l 0 5mm 1 強(qiáng)度計(jì)算 絲杠軸向力 N maxyxzyxWFfKF 其中 K 1 15 滾動(dòng)導(dǎo)軌摩擦系數(shù) f 0 003 0005 在車床車削外圓時(shí) F x 0 1 0 6 Fz F y 0 15 0 7 Fz 可取 Fx 0 5Fz F y 0 6Fz 計(jì)算 取 f 0 004 則 40ZmaxX 5 21061 67 58 104 642Y NNF 壽命值 其中絲杠轉(zhuǎn)速 r min 60nTL 0maxlvnmax061524 i031hvrlL 最大動(dòng)載荷 FfLQWH3 式中 f W 為載荷系數(shù) 中等沖擊時(shí)為 1 2 1 5 f H 為硬度系數(shù) HRC 58 時(shí)為 1 0 查表得中等沖擊時(shí) 則 2 1ff3601 4568709 5 4XY N 根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結(jié)構(gòu)形式 并根據(jù)最大動(dòng)載荷的數(shù)值可選擇滾珠絲 杠的型號(hào)為 CM 系列滾珠絲桿副 其型號(hào)為 CM2005 5 其基本參數(shù)如下 13 其額定動(dòng)載荷為 14205N 足夠用 滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式 預(yù)緊方式采用雙螺yQ 母螺紋預(yù)緊形式 滾珠絲杠螺母副的幾何參數(shù)的計(jì)算如下表 名稱 計(jì)算公式 結(jié)果 公稱直徑 0d 20mm 螺距 t mm 接觸角 045 鋼球直徑 bd 3 175mm 螺紋滾道法向半徑 R0 52bd 1 651mm 偏心距 e sine 0 04489mm 螺紋升角 0tarcgd 0 43 螺桿外徑 d0 2 5 bd 19 365mm 螺桿內(nèi)徑 11eR 16 788mm 14 螺桿接觸直徑 2d20cosbd 17 755mm 螺母螺紋外徑 DeR 23 212mm 螺母內(nèi)徑 外循環(huán) 10 5 bd20 7mm 2 傳動(dòng)效率計(jì)算 絲杠螺母副的傳動(dòng)效率為 tg 式中 10 為摩擦角 為絲杠螺旋升角 0 43 1 0 96ggt tt 3 穩(wěn)定性驗(yàn)算 絲杠兩端采用止推軸承時(shí)不需要穩(wěn)定性驗(yàn)算 4 剛度驗(yàn)算 滾珠絲杠受工作負(fù)載引起的導(dǎo)程變化量為 cm ESFll01 Y 向所受牽引力大 故用 Y 向參數(shù)計(jì)算60622 21 5615 80 241 5 3 40FNlcmECMSRL 絲杠受扭矩引起的導(dǎo)程變化量很小 可忽略不計(jì) 導(dǎo)程變形總誤差 為 E 級(jí)精度0 6 4110 5 2 102 l um 絲杠允許的螺距誤差 15 m m 第五節(jié) 齒輪計(jì)算 設(shè)計(jì) 因步進(jìn)電機(jī)步距角 滾珠絲杠螺距 t 5mm 要實(shí)現(xiàn)脈沖當(dāng)量 在傳1 5ob 0 1 pmstep 動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)加一對(duì)齒輪降速傳動(dòng) 齒輪傳動(dòng)比 初選步進(jìn)電機(jī)步距角 1 5 step 0 36lip 12360 1485poZil 15 取小齒輪齒數(shù) 則大齒輪齒數(shù)124Z 250Z 因傳遞的扭距較小 取模數(shù) m 1mm 則 分度圓直徑 1dmz 21dmz 齒頂圓直徑 2 4 16a 250z 齒根圓直徑 1 2 5fdmm 2 147fz 齒寬 取 14db b230 中心距 20 5 0 5 am 分度圓壓力角 大小齒輪均采用漸開線標(biāo)準(zhǔn)圓柱齒輪 小齒輪采用兩片薄齒輪錯(cuò)齒排列以消除間隙 雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖如下 1 2 薄齒輪 3 彈簧 4 8 凸耳 5 調(diào)節(jié)螺釘 6 7 螺母 雙片齒輪錯(cuò)齒消隙結(jié)構(gòu)圖 第六節(jié) 步進(jìn)電機(jī)慣性負(fù)載的計(jì)算 根據(jù)等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算公式 有 1 等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的計(jì)算 折算到步進(jìn)電機(jī)軸上的等效負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 16 2 21013 180pq bzJJJM 式中 為折算到電機(jī)軸上的慣性負(fù)載 為步進(jìn)電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為齒輪 的轉(zhuǎn)qJ 0J1J 動(dòng)慣量 為齒輪 的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 為移動(dòng)部件的質(zhì)量 2 3J 對(duì)鋼材料的圓柱零件可以按照下式進(jìn)行估算 340 781JDL 式中 為圓柱零件直徑 為圓柱零件的長度 D 所以有 34221234 223 2 56 710 0780 3 4 J kgcm 電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量很小 可以忽略 所以有 22 2224 0 16 4710 16 537 4 10 0 793 3458dJ kgcm 第七節(jié) 步進(jìn)電機(jī)的選用 步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩的計(jì)算 設(shè)步進(jìn)電機(jī)的等效負(fù)載力矩為 負(fù)載力為 根據(jù)能量守恒原理 電機(jī)所做的功與 負(fù)載力所做的功有如下的關(guān)系 TPs 式中 為電機(jī)轉(zhuǎn)角 為移動(dòng)部件的相應(yīng)位移 為機(jī)械傳動(dòng)的效率 若取 b 則 且 所以 p szPGP 36 2ps zbGPT 式中 為移動(dòng)部件負(fù)載 N G 為移動(dòng)部件質(zhì)量 N 為與重力方向一致的作用sP z 17 在移動(dòng)部件上的負(fù)載力 N 為導(dǎo)軌摩擦系數(shù) 為步進(jìn)電機(jī)的步距角 rad T 為 b 電機(jī)軸負(fù)載力矩 N cm 取 0 3 淬火鋼滾珠導(dǎo)軌的摩擦系數(shù) 8 279 23 考慮到 sPH 重力影響 向電機(jī)負(fù)載較大 因此 1200 所以有 360 1 25 80 3 20180 3 14 5 865 2 T ncm 考慮到啟動(dòng)時(shí)運(yùn)動(dòng)部件慣性的影響 則啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 0 3 5QT 取系數(shù)為 則 65 216 204qTncm 對(duì)于工作方式為三相 拍的步進(jìn)電機(jī) max 163 20 86088 36 qTj nc 步進(jìn)電機(jī)的最高工作頻率 axmax 167600 pvf 為使電機(jī)不產(chǎn)生失步空載啟動(dòng)頻率要大于最高運(yùn)行頻率 同時(shí)電機(jī)最大靜轉(zhuǎn)矩要足夠maxf 大 查表選擇兩個(gè) 90BF001 型三相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī) 電機(jī)有關(guān)參數(shù)如下 主要技術(shù)參數(shù) 型號(hào) 相數(shù) 步距 角 電壓 V 相電 流 A 最大靜 轉(zhuǎn)矩 maxjT n m 空載啟 動(dòng)頻率 空載 運(yùn)行 頻率 分配方式 90BF001 4 0 9 80 7 3 92 2000 8000 4 相 8 拍 外形尺寸 mm 外直徑 長度 軸直徑 重量 kg 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量 Kg m 90 145 9 4 5 1764 18 第六章 數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 第一節(jié) 設(shè)計(jì)內(nèi)容 按照總統(tǒng)方案以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的控制要求 確定硬件電路的方案 并繪制系統(tǒng)電氣 控制的結(jié)構(gòu)框圖 選擇計(jì)算機(jī)或中央處理單元的類型 根據(jù)控制系統(tǒng)的具體要求設(shè)計(jì)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 根據(jù)控制對(duì)象以及系統(tǒng)工作要求設(shè)計(jì)擴(kuò)展 接口電路 檢測(cè)電路 轉(zhuǎn)換電路 以及驅(qū)動(dòng)電路等 選擇控制電路中各器件及電氣元件的參數(shù)和型號(hào) 繪制出一張清晰完整的電氣原理圖 圖中要標(biāo)明各器件的型號(hào) 管腳號(hào)及參數(shù) 說明書中對(duì)電氣原理圖以及各有關(guān)電路進(jìn)行詳細(xì)的原理說明和方案論證 第二節(jié) 設(shè)計(jì)步驟 確定硬件電路的總體方案 數(shù)控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成 1 主控制器 即中央處理單元 CPU 2 總線 包括數(shù)據(jù)總線 地址總線 控制總線 3 存儲(chǔ)器 包括只讀可編程序存儲(chǔ)器和隨機(jī)讀寫數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 4 接口 即 I O 輸入輸出接口 數(shù)控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示 主控制器 的選擇 中央處理單 元 CPU 存儲(chǔ)器 RAM ROM 輸入 輸出 I O 接口 信號(hào)變換 控制對(duì)象 外設(shè) 鍵盤 顯示器 打印 機(jī) 磁盤機(jī) 通訊接 口等 19 系列單片機(jī)是集中 端口及部分 等為一體的功能性 很強(qiáng)的控制器 只需增加少量外圍元件就可以構(gòu)成一個(gè)完整的微機(jī)控制系統(tǒng) 并且開發(fā) 手段齊全 指令系統(tǒng)功能強(qiáng)大 編程靈活 硬件資料豐富 本次設(shè)計(jì)選用 芯片 作為主控芯片 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 程序存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中擴(kuò)展用的程序存儲(chǔ)器芯片大多采用 芯片 其型號(hào)有 2716 2732 2764 27128 27258 其容量分別為 k 4k 8k 16k32k 在選擇芯片時(shí) 要考慮 與 時(shí)序的匹配 所能讀取的時(shí)間必須大于 所要求的讀取時(shí)間 此外 還需要考慮最大讀出速度 工作溫度以及存儲(chǔ)器容量等因素 在滿足容量要求時(shí) 盡量選擇大容量芯片 以減少芯片數(shù)量以簡化系統(tǒng) 綜合以上因素 選擇 芯片作為本次設(shè)計(jì)的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片 單片機(jī)規(guī)定 0 口提供 為位地址線 同時(shí)又作為數(shù)據(jù)線使用 所以為分時(shí)用作低位 地址和數(shù)據(jù)的通道口 為了把地址信息分離出來保存 以便為外接存儲(chǔ)器提高低 位的 地址信息 一般采用 芯片作為地址鎖存器 并由 發(fā)出允許鎖存信 號(hào) ALE 的下降沿 將地址信息鎖存入地址鎖存器中 由以上分析 采用 EPROM 芯片的程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路框圖如下所示 擴(kuò)展 2764 電路框圖 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展 P1 7 P1 0 P2 4 P2 0 ALE P0 7 P0 0 PSEN A CE A12 A8 2764A7 A0 OE D7 D0 譯碼電路 G 74LS372 20 由于 內(nèi)部 只有 字節(jié) 遠(yuǎn)不能滿足系統(tǒng)的要求 需要擴(kuò)展片外的 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路一般采用 6116 6262 靜態(tài) RAM 數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器 本次設(shè)計(jì)選用 芯片作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展用芯片 其擴(kuò)展電路如下所示 擴(kuò)展 6264 電路框圖 譯碼電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中 所有外圍芯片都通過總線與單片機(jī)相連 單片機(jī)數(shù)據(jù)總線分時(shí) 的與各個(gè)外圍芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送 故要進(jìn)行片選控制 由于外圍芯片與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用 統(tǒng)一編址 因此單片機(jī)的硬件設(shè)計(jì)中 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器與外圍芯片的地址譯碼較為復(fù)雜 可 采用線選法和全地址譯碼法 線選法是把單獨(dú)的地址線接到外圍芯片的片選端上 只要 該地址線為低電平 就選中該芯片 線選法的硬件結(jié)構(gòu)簡單 但它所用片選線都是高位 地址線 它們的權(quán)值較大 地址空間沒有充分利用 芯片之間的地址不連續(xù) 對(duì)于 和 容量較大的應(yīng)用系統(tǒng) 當(dāng)芯片所需的片選信號(hào)多于可利用的地址線的時(shí) 候 多采用全地址譯碼法 它將低位地址作為片內(nèi)地址 而用譯碼器對(duì)高位地址線進(jìn)行 譯碼 譯碼器輸出的地址選擇線用作片選線 本設(shè)計(jì)采用全地址譯碼法的電路分別如下圖所示 4 存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) 8031 單片機(jī)所支持的存儲(chǔ)系統(tǒng)起程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器為獨(dú)立編址 該設(shè)計(jì)選用程序存儲(chǔ)器 2764 和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 6264 組成 8031 單片機(jī)的外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路 單片機(jī)外存儲(chǔ)器擴(kuò)展電路如下 5 擴(kuò)展電路設(shè)計(jì) a 通用可編程接口芯片 單片機(jī)共有 個(gè) 位并行 接口 但供用戶使用的只有 1 口及部分 3 口線 因此要進(jìn)行 口的擴(kuò)展 與微機(jī)接口較簡單 是微機(jī)系統(tǒng)廣泛 使用的接口芯片 8155Y 與 8031 的連接方式如下圖所示 P2 4 P2 0 ALE P0 7 P0 0 EA WRD 1CE A12 A8A7 6264A0D7 D0WEO D0 譯碼電路 G 74LS372 21 b 鍵盤 顯示器接口電路 鍵盤 顯示器是數(shù)控系統(tǒng)常用的人機(jī)交互的外部設(shè)備 可以完成數(shù)據(jù)的輸入和計(jì)算機(jī) 狀態(tài)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)顯示 通常 數(shù)控系統(tǒng)都采用行列式鍵盤 即用 口線組成行 列 結(jié)構(gòu) 按鍵設(shè)置在行列的交點(diǎn)上 數(shù)控系統(tǒng)中使用的顯示器主要有 和 下圖所示為采用 接口管理 的鍵盤 顯示器電路 它有 鍵和 位 顯示器組成 為了簡化秒電路 鍵盤 的列線及 顯示器的字位控制共用一個(gè)口 即共用 的 P 口進(jìn)行控制 鍵盤 的行線由 口擔(dān)任 顯示器的字形控制由 8155 的 PB 口擔(dān)任 鍵盤顯示器接口電路如下所示 4 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 1 脈沖分配器 步進(jìn)電機(jī)的控制方式由脈沖分配器實(shí)現(xiàn) 其作用是將數(shù)控裝置送來的一系列指令脈沖 按一定的分配方式和順序輸送給步進(jìn)電機(jī)的各相繞組 實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn) 數(shù)控系統(tǒng)中通 常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器 本設(shè)計(jì)采用集成脈沖分配器 YB013 采用 YB013 硬件環(huán)行分配器的步進(jìn)電機(jī)接口線路圖如下 2 光電隔離電路 在步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路中 脈沖分配器輸出的信號(hào)經(jīng)放大后控制步進(jìn)電機(jī)的勵(lì)磁繞組 如果將輸出信號(hào)直接與功率放大器相連 將會(huì)引起電氣干擾 因此在接口電路與功率放 大器間加上隔離電路實(shí)現(xiàn)電氣隔離 通常使用光電耦合器 光電耦合器接線圖如下 3 功率放大器 脈沖分配器的輸出功率很小 遠(yuǎn)不能滿足步進(jìn)電機(jī)的需要 必須將其輸出信號(hào)放大 產(chǎn)生足夠大的功率 才能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn) 因此必須選用功率放大器 需根據(jù)步 進(jìn)電機(jī)容量選擇功率放大器 本設(shè)計(jì)選用功率放大器 5 其它輔助電路設(shè)計(jì) 的時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘可以由兩種方式產(chǎn)生 內(nèi)部方式和外部方式 內(nèi)部方式利用芯片的內(nèi)部振蕩電路 在 XTAL1 XTAL2 引腳上外接定時(shí)元件 如 下圖所示 晶體可以在 之間任意選擇 耦合電容在 pF 之間 對(duì)時(shí)鐘 有微調(diào)作用 采用外部時(shí)鐘方式時(shí) 可將 XTAL1 直接接地 XTAL2 接外部時(shí)鐘源 時(shí)鐘電路 復(fù)位電路 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn) 在時(shí)鐘工作后 只要在 引腳上出 現(xiàn) ms 以上的高電平 單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位 之后 便從 單元開始執(zhí) 行程序 在實(shí)際運(yùn)用中 若系統(tǒng)中有芯片需要其復(fù)位電平與 復(fù)位要求一致時(shí) 8031 XTAL1 XTAL2 22 可以直接相連 當(dāng)晶振頻率選用 z 時(shí) 復(fù)位電路中 取 取 取 實(shí)用復(fù)位電路圖如下所示 KR 越界報(bào)警電路 為了防止工作臺(tái)越界 可分別在極限位置安裝限位開關(guān) 利用光電耦合電路 將 行程開關(guān)接至發(fā)光二極管的陰極 光敏三極管的輸出接至 的 口 1 0 當(dāng) 任何一個(gè)行程開關(guān)被壓下的時(shí)候 發(fā)光二極管就發(fā)光 使光敏三極管導(dǎo)通 由低電平變 成高電平 可利用軟件設(shè)計(jì)成查詢的方法隨時(shí)檢查有無越界信號(hào) 也可接成從 光敏三極管的集電極輸出接至 的外部中斷引腳 或 采用中 斷方式檢查越界信號(hào) 越界報(bào)警電路如下圖所示 第三節(jié) 機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) 該系統(tǒng)選用 系列的 作為主控制器 擴(kuò)展存儲(chǔ)電路為一片 2732EPROM 和一片 6264RAM 程序存儲(chǔ)器擴(kuò)展為 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器擴(kuò)展為 的片選控制端 直接接地 該電路始終處于選中狀態(tài) 系統(tǒng)復(fù)位以后 CE CPU 從 0000H 開始執(zhí)行監(jiān)控程序 6264 的片選端 由譯碼器 74LS138 的 Y2 輸出提CE 供 所以 6264 的空間地址為 4000 系統(tǒng)的擴(kuò)展 I O 接口電路選用通用可編程并行輸入 輸出接口芯片 8155 8155 的片選 端 接至譯碼器 74LS138 的 Y4 的輸出端 故 8155 控制命令寄存器及 PA PB PCCE 口的地址號(hào)分別為 8000H 及 8001H 8002H 8003H 8155RAM 區(qū)的地址為 8000H 80FFH 8155 的 A 口為控制工作抬 X Y 向電機(jī)的接口 為防止功率放大器高電壓的干擾 不步進(jìn)電機(jī)接口與功率放大器之間采用光電隔離 鍵盤與顯示器設(shè)計(jì)在一起 8155 的 PC 口擔(dān)任鍵盤的列線及顯示器的掃描控制 PB 口的 PB0 PB3 為鍵盤的行線 8031 的 P1 口為顯示器的字形輸出口 該系統(tǒng)采用 4X6 共 24 個(gè)行列式鍵盤和 6 位 8 段共陰極 LED 顯示器 為了增加數(shù)碼管顯示亮度 分別在字 形口和字位口加 74LS07 進(jìn)行驅(qū)動(dòng) PB 口剩余的 I O 線 PB4 PB7 分別作為工作臺(tái) X Y X Y 四個(gè)方向的行程限 位控制信號(hào) 在軟件設(shè)計(jì)上 8155 的 PA 口 PC 口設(shè)置為輸出 PB 口設(shè)置為輸入 計(jì)算 機(jī)隨時(shí)巡回檢測(cè) PB4 PB7 的電平 當(dāng)某 I O 線為 0 時(shí) 應(yīng)立即停止 X Y 向電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 并發(fā)出報(bào)警信號(hào) 另外 光電隔離器的輸出端必須采用隔離電源 隔離電源選用 7805 三端集成穩(wěn)壓器 設(shè)計(jì) 數(shù)控系統(tǒng)總的電氣原理圖以及圖中各元件的參數(shù)和型號(hào)見附 二 附 三 23 第七章 系統(tǒng)控制軟件的設(shè)計(jì) 一 系統(tǒng)控制軟件的主要內(nèi)容 數(shù)控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實(shí)現(xiàn)各種控制功能 按照功能可將數(shù)控系統(tǒng)的 控制軟件分為以下幾個(gè)部分 1 系統(tǒng)管理程序 它是控制系統(tǒng)軟件中實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的主體軟件 其功能主要 是接受操作者的命令 執(zhí)行命令 從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié) 使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài) 2 零件加工源程序的輸入處理程序 該程序完成從外部 I O 設(shè)備輸入零件加工源程 序的任務(wù) 3 插補(bǔ)程序 根據(jù)零件加工源程序進(jìn)行插補(bǔ) 分配進(jìn)給脈沖 4 伺服控制程序 根據(jù)插補(bǔ)運(yùn)算的結(jié)果或操作者的命令控制伺服電機(jī)的速度 轉(zhuǎn)角 以及方向 診斷程序 包括移動(dòng)不見移動(dòng)超界處理 緊急停機(jī)處理 系統(tǒng)故障診斷 查錯(cuò)等 功能 6 機(jī)床的自動(dòng)加工及手動(dòng)加工控制程序 7 鍵盤操作和顯示處理程序 包括監(jiān)視鍵盤操作 顯示加工程序 機(jī)床工作狀態(tài) 操作命令等信息 二 軟件設(shè)計(jì) 1 系統(tǒng)控制功能分析 數(shù)控 X Y 工作臺(tái)的控制功能包括 1 系統(tǒng)初始化 如對(duì) I O 接口 8155 8255A 進(jìn)行必要的初始化工作 預(yù)置接口工作方式控制字 2 工作臺(tái)復(fù)位 開機(jī)后工作臺(tái)應(yīng)該自動(dòng)復(fù)位 亦可手動(dòng)復(fù)位 3 輸入和顯示加工程序 4 監(jiān)視按鍵 鍵盤及開關(guān) 如監(jiān)視緊急停機(jī)鍵及行程開關(guān) 鍵盤掃描等功能 5 工作臺(tái)超程顯示與處理 工作臺(tái)位移超過規(guī)定值時(shí)應(yīng)該立即停止工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng) 并顯示相應(yīng)的 指示字符 6 工作臺(tái)的自動(dòng)控制 7 工作臺(tái)的手動(dòng)控制 8 工作臺(tái)的聯(lián)動(dòng)控制 2 系統(tǒng)管理程序控制 管理稱許是系統(tǒng)的主程序 開機(jī)后即進(jìn)入管理程序 其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令 在 設(shè)計(jì)管理程序時(shí) 應(yīng)確定接收命令的形式 系統(tǒng)的各種操作功能等 數(shù)控 X Y 工作臺(tái)的基本操作功能 有 輸入加工程序 自動(dòng)加工 刀位控制 工作臺(tái)位置控制 手動(dòng)操作 緊急停機(jī)等 根據(jù)以上分析 設(shè)計(jì)管理程序流程圖如下所示 開始 加工程序輸 入鍵按下 機(jī)床復(fù)位 系統(tǒng)初始化 24 N N Y N Y Y N 管理程序流程 3 自動(dòng)加工程序設(shè)計(jì) 1 機(jī)床在自動(dòng)加工時(shí)的動(dòng)作順序 工作臺(tái)移動(dòng)到位 刀具快速進(jìn)給 加工 退刀 工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)到下 一位置 2 計(jì)算機(jī)在加工過程中的操作 讀取刀具軌跡 控制機(jī)床完成加工 3 由以上分析 設(shè)計(jì)自動(dòng)加工程序框圖如下所示 入口 零件坐標(biāo)地址指針 自動(dòng)加工 鍵按下 手動(dòng)加工 鍵按下 加工數(shù)據(jù)輸入 自動(dòng)加工 手動(dòng)調(diào)整 讀零件坐標(biāo) 調(diào)步進(jìn)電機(jī)子程序 工作臺(tái)移動(dòng)到位 刀具快進(jìn) 加工 25 N Y 返回 4 步進(jìn)電機(jī)控制子程序設(shè)計(jì) 步進(jìn)電機(jī)的控制包括速度 轉(zhuǎn)角及方向的控制 步進(jìn)電機(jī)在突然啟動(dòng)或停止時(shí) 由于負(fù)載和慣性 會(huì)使電機(jī)失步 所以電機(jī)運(yùn)行時(shí)有一個(gè)加 減速過程 通過確定進(jìn)給脈沖數(shù)和脈沖時(shí)間間隔 即可實(shí)現(xiàn)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與速度的控制 1 時(shí)間常數(shù)的確定 在步進(jìn)電機(jī)控制程序中 利用單片機(jī)的定時(shí)器中斷 延時(shí)產(chǎn)生進(jìn)給脈沖的時(shí)間間隔 此間隔由送 入定時(shí)器的時(shí)間常數(shù)決定 時(shí)間常數(shù)由下式計(jì)算 3610eTt 式中 T 為脈沖時(shí)間間隔 ms 為單片機(jī)機(jī)器周期 s 在時(shí)鐘為 6MHz 時(shí) 2 s et et 2 步進(jìn)電機(jī)加 減速進(jìn)給脈沖及脈沖時(shí)間間隔的確定 設(shè)步進(jìn)電機(jī)加 減速方式為直線加 減速 要使步進(jìn)電機(jī)不失步 應(yīng)滿足 mgITT 式中 為步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)力矩 為負(fù)載力矩 為慣性力矩 mTgI 由步進(jìn)電機(jī) 3 92N m 取步進(jìn)電機(jī)的加速啟動(dòng)力矩axjmax0 86 3920 86 310 84Mj 則使步進(jìn)電機(jī)不失不的慣性力矩 1 4 57 2 IgT Ncm 步進(jìn)電機(jī)角加速度 快速退刀 零件坐標(biāo)地址 指針加 1 零件加 工完成 26 2 245 71067 25 93IdTradsJ 又 maxbbffttt 式中 為上升到步進(jìn)電機(jī)最高頻率所需時(shí)間 所以有 mtmax21 5673064 5 mbft ms 加速脈沖個(gè)數(shù) 3ax1674 51 72nft 確定加減脈沖個(gè)數(shù)都為 54 個(gè) 又因?yàn)?max0 5 nnfftt 所以脈沖時(shí)刻 max 2nttf 結(jié)合 可以算出對(duì)應(yīng)各脈沖時(shí)刻的計(jì)數(shù)器時(shí)間常數(shù) 3610eTt EPROM 存儲(chǔ)器中 時(shí)間常數(shù)依次安排在首地址為 1000H 的存儲(chǔ)單元中 每個(gè)時(shí)間常數(shù)占據(jù)兩個(gè)字 節(jié) 低位地址存放時(shí)間常數(shù)低 8 位 高位地址存放時(shí)間常數(shù)高 8 位 在程序中 設(shè)置加速 恒速 減速脈沖計(jì)數(shù)器 N0 N1 N2 以計(jì)數(shù)器的值是否為 0 作為相應(yīng)過 程是否結(jié)束的標(biāo)志 步進(jìn)電機(jī)控制程序框圖如下所示 步進(jìn)電機(jī)控制子程序 開始 中斷初始化 設(shè)時(shí)間常數(shù)地址指針 首地址指向 1000H 27 N Y 步進(jìn)電機(jī)控制中斷服務(wù)程序 中斷服務(wù)程序入口 加速 減速 脈沖計(jì)數(shù)器賦初值 恒速 送時(shí)間常數(shù)至計(jì)數(shù)器中 開中斷 啟動(dòng)定時(shí)器 關(guān)中斷 返回 送時(shí)間常數(shù) 步進(jìn)電機(jī)進(jìn) 一步 N0 0 N1 0 N2 0 關(guān)中斷時(shí)間常數(shù)地址指針加 1 N1 N1 1 N0 N0 1 時(shí)間常數(shù)地 址指針加 1 28 中斷返回 5 編語言程序設(shè)計(jì) 1 內(nèi)存地址分配 加速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器 N0 地址設(shè)為 20H 恒速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器 N1 低 8 位字節(jié)地址為 21H 高 8 位字節(jié)地址位 22H 減速脈沖數(shù)計(jì)數(shù)器 N2 地址位 23H 加速 減速 恒速脈沖總數(shù)寄存器 N 低位字節(jié)地址位 24H 高位字節(jié)地址位 25H 步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給控制子程序 FEED 首地址位 0E80H 每調(diào)用一次該程序 步進(jìn)電機(jī)按規(guī)定方向進(jìn) 給一步 2 程序清單 N0 EQU 20H 加速 N1L EQU 21H 恒速 N1H EQU 22H N2 EQU 23H 減速 NL EQU 24H 脈沖總數(shù)寄存器 NH EQU 25H DS EQU 26H 地址指針偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H 0E00 758160 START MOV P 60H 0E03 758901 MOV TMOD 01H 設(shè)計(jì)數(shù)器工作方式為 1 16 位定時(shí)器 0E06 75201B MOV N0 01A4H 設(shè) N0 為 320 0E09 75231B MOV N2 1A4H 0E0C E520 MOV A N0 計(jì)算 2XN0 0E0E 23 RL A 0E0F F8 MOV R0 A 0E10 C3 CLR C 計(jì)算 N1 N 2N0 0E11 E524 MOV A NL 0E13 98 SUBB A R0 0E14 F521 MOV N1L A 0E16 E525 MOV A NH 0E18 9400 SUBB A 00H 0E1A F522 MOV N1H A 0E1C 901000 MOV DPTR 1000H 設(shè)時(shí)間常數(shù)指針初值為 1000H 0E1F 752600 MOV DS 00H 設(shè)地址偏移量初值為 00H 0E22 93 MOVC A A DPTR 從 EPROM 中讀時(shí)間常數(shù) 0E23 F58A MOV TL0 A 送時(shí)間常數(shù)至定時(shí)器 0 中 0E25 0526 INC DS 0E27 E526 MOV A DS N2 N2 1 29 0E2 93 MOVC A A DPTR 0E2A F58C MOV TH0 A 0E2C 0526 INC DS 0E2E D2AF SETB EA 開中斷允許 0E30 D2A9 SETB ET0 允許定時(shí)器 0 中斷 0E32 D28C SETB TR0 啟動(dòng)定時(shí)器 0 開始計(jì)算 0E34 20AFFD WAIT JB EA WAIT 中斷允許返回 0E37 22 RET 中斷服務(wù)程序 ORG 000BH 000B 02F00 LJMP 0F00H 0F00 93 MOVC A A DPTR 0F03 F58A MOV TL0 A 0F05 0526 INC DS 0F07 E526 MOV A DS 0F09 93 MOVC A A DPTR 0F0A F58C MOV TH0 A 0F0C 0526 INC DS 修改地址偏移量指針 0F0E D180 ACALL FEED 調(diào) FEED 子程序 0F10 E520 MOV A N0 判斷 N0 是否為 0 0F12 B400 CJNE A 00H LOOP1 0F15 E52 MOV A N1H 判斷 N1 是否為 0 0F17 B40010 CJNE A 00H LOOP2 0F1A E522 MOV A N1H 0F1C B4000B CJNE A 00H LOOP2 0F1F E523 MOV A N2 判斷 N2 是否為 0 0F21 B40014 CJNE A 00H LOOP3 0F24 C2AF CLR EA N2 為 0 減速結(jié)束 關(guān)中斷 0F26 32 RETI 0F27 1520 LOOP1 DEC N0 N0 不為 0 則 N0 N0 1 0F29 32 RETI 0F2A E521 LOOP2 MOV A N1L N1 不為 0 則 N1 N1 1 0F2C C3 CLR C 0F2D 9401 SUBB A 01H 0F2F F521 MOV N1L A 0F31 E522 MOV A N1H 0F33 9400 SUBB A 00H 0F35 F522 MOV N1H A 0F37 32 RETI 0F38 1523 LOOP3 DEC N2 N2 不為 0 則 N2 N2 1 0F3A 32 RETI 30 第八章 結(jié)束語與致謝 結(jié)束語 整個(gè)系統(tǒng)采用半閉環(huán)控制系統(tǒng) 進(jìn)給系統(tǒng)采用了 CM 系列滾珠絲桿副 其型號(hào)為 CM2005 5 以提高整個(gè)系統(tǒng)的精神要求 伺服系統(tǒng)采用了直流伺服電機(jī)通過彈性聯(lián)軸器 直接與滾珠絲杠連接驅(qū)動(dòng)絲杠傳動(dòng) 而且其實(shí)軸承采用的是角接觸軸承保證其主軸不竄 動(dòng) 采用一個(gè)深溝來保證其徑向的圓跳動(dòng) 用 PWM 脈寬調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)電壓的 平均值 電路中采用了阻容滯后電路 來防止 H 型橋式功率放大器中兩對(duì) IGBT 功率管同 時(shí)導(dǎo)通造成短路現(xiàn)象 能夠有效的控制伺服電機(jī)的正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)及轉(zhuǎn)速 同時(shí)為了保證一 定的精度的要求 系統(tǒng)又采用了光電編碼器作為位置檢測(cè)器 來檢測(cè)伺服電機(jī)的位置 通過單片機(jī)對(duì)光電編碼器反饋信號(hào)處理來達(dá)到預(yù)期的精度要求 在設(shè)計(jì)中我們兼顧經(jīng)濟(jì) 性 考慮滿足精度的要求 因此對(duì)于設(shè)備及元件的選擇都要求具有高精度 因此設(shè)計(jì)的 成本較高 致 謝 畢業(yè)設(shè)計(jì) 是我在大學(xué)里的最后一門課程 通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì) 我學(xué)會(huì)了如何查 閱現(xiàn)有的技術(shù)資料 如何舉一反三 如何通過改進(jìn)并加入自己的想法與觀點(diǎn) 使之成為 自己的東西 并且結(jié)合生產(chǎn)知識(shí) 培養(yǎng)理論聯(lián)系實(shí)際以及分析和解決工程實(shí)際問題的才 能 并使大學(xué)三年所學(xué)的知識(shí)得到進(jìn)一步鞏固 深化和擴(kuò)展 在此 我對(duì)我的論文指導(dǎo) 老師彭中波老師表示衷心的感謝 感謝他對(duì)我的嚴(yán)格要求 感謝他的監(jiān)督和指導(dǎo) 其次 我要感謝這三年里給我授課的所有老師 感謝你們傳給我知識(shí) 最后還要感謝參考文獻(xiàn) 中所列書籍 文章及資料的作者 31 第八章 參考資料 1 高鐘毓 機(jī)電控制工程 北京 清華大學(xué)出版社 2002 2 劉助柏 知識(shí)創(chuàng)新思維方法論 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 1999 3 宋云奪 宋云奪 光機(jī)電一體化產(chǎn)業(yè)的未來 J 光機(jī)電信息 2003 12 4 丁連紅 機(jī)電一體化技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和現(xiàn)狀分析 J 中國科技信息 2007 12 5 張鵬萬 孫劍峰 李占平 機(jī)電一體化中的接口技術(shù) J 礦業(yè)工程 2005 06 6 王寶敏 談機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) J 大眾科技 2006 05 7 王維剛 淺談機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) J 黑龍江科技信息 2007 02 8 楊春光 我國機(jī)電一體化技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) J 科技促進(jìn)發(fā)展 2007 03 9 張毅剛 單片機(jī)原理與應(yīng)用 M 北京 高等教育出版社 2003 10 張大明 彭旭昀 尚靜基 單片微機(jī)控制應(yīng)用技術(shù) M 北京 機(jī)械工業(yè)出版社 2006 11 付家才 單片機(jī)控制工程實(shí)踐技術(shù) M 北京 化學(xué)工業(yè)出版社 2004 12 陳小忠 黃寧 趙小俠 單片機(jī)接口技術(shù)實(shí)用子程序 M 北京 人民郵電出版社 2005 13 MedWin 用戶手冊(cè) 萬利電子有限公司 14 徐正惠 胡海影 單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)訓(xùn)教程 M 北京 科學(xué)出版社 2004 15 汪道輝 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 M 北京 電子工業(yè)出版社 2006 16 戴佳 戴衛(wèi)恒 51 單片機(jī) C 語言應(yīng)用程序設(shè)計(jì)實(shí)例精講 M 北京 電子工業(yè)出版社 2006 17 彭為 黃科 雷道仲 單片機(jī)典型系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)例精講 M 北京 電子工業(yè)出版社 2006 18 楊將新 李華軍 劉東駿 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用從基礎(chǔ)到實(shí)踐 M 北京 電子工業(yè)出版社 2006 19 賴麒文 8051 單片機(jī) C 語言徹底應(yīng)用 M 北京 電子工業(yè)出版社 2004 20 傅曉林 機(jī)電一體化課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書 21 張建民 唐水源 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì) 高等教育出版社 2005 北京 22 鄭堤 唐可洪 機(jī)電一體化設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 機(jī)械工業(yè)出版社 1997 北京 23 趙丁選 機(jī)電一體化使用手冊(cè) 化學(xué)工業(yè)出版社社 2003 北京 24 唐介 電機(jī)與拖動(dòng) 高等教育出版社 2005 北京 25 張訓(xùn)文 機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用 北京理工大學(xué)出版社 2006 北京