XY工作台与控制系统设计【说明书+CAD】
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大 学 毕业设计(论文)XY工作台与控制系统设计院(系)、部: 学生姓名: 学 号: 专 业: 班 级: 指导教师: 完成时间: 摘 要一个较完善的机电一体化系统,应包含以下几个基本要素:机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。关键字:机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势Abstract 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 generations 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 录第一章 滚珠丝杠副的选择 3 1.1 滚珠丝杠副的支撑形式 31.2 滚珠丝杠副的特点 31.3 滚珠丝杠副的设计计算 41.4 选择滚珠丝杠副 51.5 稳定性验算 71.6 刚度验算 81.7 效率验算 9第二章 导向机构的设计10 2.1导轨的功用10 2.2、 滚动直线导轨的选择程序10 2.2、 直线运动滚动支承系统负荷的计算 10第三章 步进电动机的选择 12 3.1 步进电动机的工作原理12 3.2 选择电动机 13第四章 滚动轴承的计算 14 4.1 支撑方案的确定 14 4.2 轴承的校核 15第五章 机床数控系统硬件电路设17第一节 设计内容17第二节 设计步骤17第三节 机床数控系统硬件电路设计21第六章 系统控制软件设计22第七章 结束语与致谢29总 结 16参考文献 17 第一章 滚珠丝杠副的选择1.1 滚珠丝杠副的支承形式支承应限制丝杠的轴向窜动.较短的丝杠或垂直安装的丝杠,可以一端固定,一端无支承.水平安装丝杠较长时, 可以一端固定,一端游动;对于精密和高精度机床的滚珠丝杠副,为了提高丝杠的拉压刚度,可以两端固定.为了补偿热膨胀和减少丝杠下垂,两端固定丝杠时还可以进行预拉伸。一般情况下,应以固定端作为轴向定位基准,从固定端起计算丝杆杠副的长度误差.此外,应尽可能固定端作为驱动端。考虑到本设计的结构与要求,我们决定采用一端固定一端游动(F-S)的支承形式, 如图1.1所示。一端固定一端游动(FS)。固定端采用深沟球轴承2和双向推力球轴承4,可分别承受径向和轴向负载,螺母1、挡圈3、轴肩、支撑座5台肩、端盖7提供轴向限位,垫圈6可调节推力轴承4的轴向预紧力。游动端需径向约束,轴向无约束。采用深沟球轴承8,其内圈由挡圈9限位,外圈不限位,以保证丝杠在受热变形后可在游动端自由伸缩。图1.1 一端固定一端游动支承这种支承形势有以下一些特点: 1.需保持螺母与两端支撑同轴,故结构较复杂,工艺较困难。2.丝杠的轴向刚度较高。3.压杆稳定性和临界转速较高。4.丝杠有热膨胀的余地。5.适用于较长的卧式安装丝杠。1.2 滚珠丝杠副的特点1.传动效率高 效率高达90%95%,耗费的能量仅为滑动丝杠的1/3。2.运动具有可逆性 即可将回转运动变为直线运动,又可将直线运动变为回转运动,且逆传动效率几乎与正传动效率相同。3.系统刚度好 通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度,可满足各种机械传动要求,无爬行现象,始终保持运动的平稳性和灵敏性。4.传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有和高的制造精度,又由于摩擦小,丝杆副工作时温升和热变形小,容易获得较高的传动精度。5.使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动,磨损极小,长期使用后仍能保持其精度,因而寿命长,且具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠高56倍。6.不能自锁 特别是垂直安装的丝杠,当运动停止后,螺母将在重力作用下下滑,故常需设置制动装置。7.制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高,制造成本高。由于滚珠丝杠副独特的性能而受到极高的评价,因而已成为数控机床,精密机械,各种省力机械设备及各种机电一体化产品中不可缺少的传动机构。 1.3 滚珠丝杠副的设计计算有效行程100*100,实际工作时工件及夹具重最大120公斤,最大空运行速度,最大加工速度定位精度,重复定位精度,脉冲当量,寿命40000小时(1)步距角 , , ,。先假设p=。表1.1切削力速度时间比正常铣削5002.570%快速点定位0530%(2) 丝杠转速 快速点定位30%,加工70%。(3) 当量转速加工 点定位 (4) 丝杠负荷 当量载荷导轨摩擦力,。 精密加工=500N,加工时总载荷=507.2N 快速点定位= =7.2N(5) 当量负荷1.4 选择滚珠丝杠副(1) 小时,由机电一体化系统设计手册表2.8-63,2.8-64,查得:-寿命系数,。-转速系数,。- 综合系数, 其中为温度系数,查表1-2得1; 为硬度系数,查表1-3得 1.0; 为精度系数,查表1-4得1.0(丝杠精度为13级); 为负荷性质系数,查表1-5得1.3; 为可靠性系数,查表1-6得0.53(可靠性为90%)。可得: 。表1-2温度系数工作温度175表1-3 硬度系数硬度(HRC)5552.55047.54540动负荷硬度影响系数1.01.111.351.561.922.43.85静负荷硬度影响系数1.01.111.401.672.12.654.5表1-4精度系数精度等级1、2、34、57101.00.90.80.7表1-5 负荷性质系数负荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运动11.21.21.51.52.5表1-6 可靠性系数可靠度(%)9095969798991.000.620.53.44.330.21(2)根据选择滚珠丝杠副1)假设选用FC1型号,按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于的原查教材表2-9选以下型号规格:FC1-2505-2.5 ,Ca=9610N由教材表2-9得丝杠副数据:公称直径 导程 螺旋角 =滚珠直径 2)按教材表2-1中尺寸公式计算:滚道半径 偏心距丝杠直径1.5 稳定性验算1)由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳,所以在设计时应验算其安全系数S,其值应大于丝杠副传动机构允许安全系数(见表1.2)。表1.7支撑方式有关系数 一端固定一端自由(F-O)一端固定一端游动(F-S)两端固定(F-F)342.53.322/31.8753.9274.730 丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷按下式计算:式中,E为丝杠材料的弹性模量,对于刚,E=206GPa;为丝杠工作长度(m); 为丝杠危险截面的轴惯性矩;为长度系数,见表1.2。依题意, 取,则安全系数 。查表1.2,=2.53.3 。 , 丝杠是安全的,不会失稳。 2)高速丝杠工作时可能发生共振,因此需要验算其不会发生共振的最高转速临界转速。要求丝杠的最大转速。临界转速可按下式计算式中,为临界转速系数,见表1.2。取 ,则=834r/min。 所以丝杠工作时不会发生共振。3)此外滚珠丝杠副还会受值的限制,通常要求。所以该丝杠副工作稳定。1.6 刚度验算 滚珠丝杠在工作负载和转矩共同作用下引起每个导程的变形量为式中,A-为丝杠面积,;-为丝杠的极惯性距,;G-为丝杠的切变模量,对钢;-为转矩。式中,-为摩擦角,其正切函数值为摩擦系数;-为平均工作负载。取摩擦系数 按最不利的情况取(其中)则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为通常要求丝杠的导程误差应小于其传动精度的1/2,即该丝杠的满足上式,所以其刚度可满足要求。1.7 效率验算滚珠丝杠副的传动效率为要求在90%98%之间,所以该丝杠副合格。 经上述验证,FC1-2505-2.5各项性能均符合要求,可选用。第二章 导向机构的设计2.1 导轨的功用机电一体化产品要求其机械系统的各运动机构必须得到安全的支承,并能准确的完成其特定方向的运动。这个任务就由导向机构来完成。机电一体化产品的导向机构是导轨,其作用是支承和导向。2.2 滚动直线导轨的选择程序在设计选用滚动直线导轨时,除应对其使用条件,包括工作载荷、精度要求、速度、工作行程、预期工作寿命进行研究外,还须对其刚度、摩擦特性及误差平均、阻尼特性等综合考虑,从而达到正确合理的选用,以满足主机技术性能的要求。2.3 直线运动滚动支承系统负荷的计算直线运动支承系统的负荷与导轨配置形式(水平、竖直、倾斜等),移动件的重心和力作用点的位置,导轨上移动件牵引力作用点的位置,启动及停止时的惯性力以及切削力等有关。本设计的直线运动导轨安装形式为水平,采用卧式导轨、滑块座移动。 图2.1 导轨2.4 导轨的选择 由机床设计要求可知对该导轨设计的基本要求为:作用在滑座上的载荷,滑座个数,单向行程长度,每分钟往复次数为4,用于轻型机床的工作台。 导轨的额定工作时间寿命=40000小时表2-1 硬度系数滚道表面硬度HRC6058555350451.00.980.900.710.540.38表2-2 温度系数工作温度/1001.001001500.901502000.732002500.61表2-3 接触系数每根导轨上的滑块数11.0020.8130.7240.6650.61表2-4负荷系数工作条件无外部冲击或震动的低速运动场合。速度小于15m/min11.5无明显冲击或震动的中速运动场合。速度小于60m/min1.52无外部冲击或震动的高速运动场合。速度大于60m/min22.5(1) 计算额定动载荷滑座的运动速度最大为5m/min15mmin,工作温度在100以下,导轨滚道硬度为60HRC,无明显冲击和振动,每根导轨上滑块配置数为2。由 得:因滑块座M=4,所以每根导轨上2个,由表2-12-4确定, , , 则由式得 其中 选用的是汉江机床厂的HJG-D系列滚动直线导轨,查其产品手册知, HJG-D型号的导轨的Ca值为17500N,能满足五年的使用要求,所以可选用.第三章 步进电机的选择步进电机在自动控制系统中作执行元件。是位与电气控制装置和机械执行装置接点部位的一种能量转换装置,它能在控制装置的控制下,将输入的各种形式的能量转换成机械能。3.1步进电机的工作原理三相反应式步进电机的工作原理如图5.3所示,其中步进电机的定子上有6个齿,其上分别缠有、三相绕组,构成三对磁极,转子上则均匀分布着4个齿。步进电动机采用直流供电。当、三相绕组轮流通电时,通过电磁力吸引步进电动机转子一步一步地旋转。图3.13.1.1 步进电动机的通电方式和步距角如果步进电动机绕组的每一次通断电操作称为一拍,每拍中只有一相绕组通电,其余断电,这种通电方式称为单相通电方式。如果步进电动机通电循环的每拍中都有两相绕组通电,这种通电方式称为双相通电方式。步距角是指步进电动机每一拍转过的角度。一个m相步进电动机,如其转子上有z个齿,则其步距角可通过下式计算,式中是通电方式系数,当采用单相或双相通电方式时,当采用单双向轮流通电方式是,。3.2 选电动机3.2.1电动机转动惯量的计算滚珠丝杠的转动惯量,已知名义直径,螺距p=10mm.长度L=2741mm.则查表6.6-28(机床设计手册)可得1m长的丝杠转动惯量为35.76kg.cm。那么次滚珠丝杠的转动惯量J=35.762.741=98.01kg.cm。 丝杠折算到电动机轴上的转动惯量J=(2030)98.01=43.56kg.cm。 工作台折算到丝杠的惯量,已知导程10mm,工作台以上负载1000kg。,查表6.6-29得:重10000N的转动惯量JG=25.80kg.cm。丝杠传动是传动系统折算到电动机轴上的总的转动惯量 式中J船工系统折算到电动机轴上的转动惯量(kg.cm) J1齿轮Z1的转动惯量(kg.cm) J2-齿轮Z2转动惯量(kg.cm) JS丝杠的转动惯量(kg.cm) m工作台及共建等移动部件的质量(N) L0丝杠得导程(cm) J1=0.78D1L110=0.78(5.988)310=3kg.cmJ2=0.78D2L210=0.78(9.02)310=15.5kg.cmJZ=JM+9.34+=81.06kg.cm3.2.2 电机力矩的计算由于此纵向进给系统不做切削运动,故只计算快速空载和快速进给力矩。 快速空载启动时所需力矩Mq=MA+Mf+M0Mq快速空载时的启动力矩(N.m)Mf折算到电动机上的摩擦力矩(N.m)M0由于丝杠的预紧折算到电动机轴上的附加摩擦力矩(N.m) 快速进给时所需力矩MJMJ=Mf+MO 因为MJMq,故不用计算这个力矩。Mq= JZ=81.06=424.214N.cm摩擦力矩Mf(N.) Mf=,式中F0导轨的摩擦力(N)i-齿轮降速比-传动链效率,一般可取=0.70.85Mf=6.6N.cm附加力矩M0=式中F滚轴丝杠预加负荷,这里取FM=5000N.L0滚珠丝杠导程()-滚珠丝杠未预紧时传动效率,一般取大于0.9,这里取0.95M0= =60.8N.cmMq=MA+Mf+M0=424.214+6.6+60.8=491.65N.=4.92N.m3.2.3 电机的选型查表得,选择电动机120MB100A,它的启动转矩9.31N.m。120MB100A属于CB/MB系列交流伺服电机采用了高性能磁性材料和优化的正弦波磁路设计,具有小型化、全密封、高精度、高相应、低噪音、地震动的特点,特别适合于对动态和稳态定性要求高的场合。技术特点A、高性能铷铁硼永磁材料,纯正弦波磁路设计。B、铝合金精美外观,体积紧凑。C、小惯量CB系列和中惯量MB系列。D、动态性能好。E、过载能力强。以上数据机电一体化系统设计手册 第四章 滚动轴承的计算4.1 支撑方案的确定考虑滚珠丝杠在轴向的伸缩变形,故考虑在支撑方面采用一端固定,一端游动。在综合考虑后,决定用角接触球轴承完成支承。固定端用一对背靠背接触球轴承,而用单个角接触球轴承支于游动端。 在选择了滚珠丝杠的型号后,由于我们采用的是现存的丝杠。所以尺寸都已经确定,初选固定端7307B/DB背对背型号内径d=35,D=80,B=42。 游动端采用7307B型号B=21轴承座连接孔14442、 M12-44.2 轴承型号选型及校核轴向力Fa=383.3N 径向力Fr=10000/2=5000N 因为Fa/Fr=5000/383.31.14(查机械设计第七版表13-5) 则X=0.35,Y=0.57。 fp取1.5(中等冲击或中等惯性力.查表13-6同上)动载荷P=fp(XFr+YFa)=1.5(0.355000+0.57883.3) =3380.25N 预计寿命Lh=5000h,转速n=1000r/min1.5=666.7计算基本额定动载荷C= 滚动轴承受理分析图 因为C=19768.15Ca=65600,所以符合要求。第五章 数控系统硬件电路设计第一节 设计内容.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;.选择计算机或中央处理单元的类型;.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路;.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;.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号;.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;.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。第二节 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:1 主控制器。即中央处理单元CPU2 总线。包括数据总线,地址总线,控制总线。3 存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4 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外设:键盘,显示器,打印机,磁盘机,通讯接口等输入/输出I/O接口信号变换控制对象.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()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:2716,2732,2764,27128,27258,其容量分别为k,4k,8k,16k32k。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路框图如下所示: A12 A8 2764A7A0 D7 D0 P1.7 P1.0 P2.4 P2.0 ALE P0.7 P0.0 译码电路G74LS372扩展2764电路框图()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: P2.4 P2.0ALE P0.7 P0.0 A12 A8A7 6264A0D7D0 D0译码电路G74LS372扩展6264电路框图()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:(4)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:(5)扩展电路设计(a).通用可编程接口芯片单片机共有个位并行接口,但供用户使用的只有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(b).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:4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。5其它辅助电路设计()的时钟电路单片机的时钟可以由两种方式产生:内部方式和外部方式。内部方式利用芯片的内部振荡电路,在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件,如下图所示。晶体可以在.之间任意选择,耦合电容在pF之间,对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时,可将XTAL1直接接地,XTAL2接外部时钟源。8031XTAL1XTAL2时钟电路()复位电路单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后,只要在引脚上出现ms以上的高电平,单片机就实现状态复位,之后便从单元开始执行程序。在实际运用中,若系统中有芯片需要其复位电平与复位要求一致时,可以直接相连。当晶振频率选用z时,复位电路中取,取,取。实用复位电路图如下所示:()越界报警电路为了防止工作台越界,可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路,将行程开关接至发光二极管的阴极,光敏三极管的输出接至的口1.0。当任何一个行程开关被压下的时候,发光二极管就发光,使光敏三极管导通,由低电平变成高电平。可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至的外部中断引脚(或),采用中断方式检查越界信号。越界报警电路如下图所示第三节 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。另外,光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。数控系统总的电气原理图以及图中各元件的参数和型号见附(二),附(三)。第六章 系统控制软件的设计(一).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。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。(二).软件设计1.系统控制功能分析数控X-Y工作台的控制功能包括:(1)、系统初始化。如对I/O接口8155,8255A进行必要的初始化工作,预置接口工作方式控制字。(2)、工作台复位。开机后工作台应该自动复位,亦可手动复位。(3)、输入和显示加工程序。(4)、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。(5)、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。(6)、工作台的自动控制。(7)、工作台的手动控制。(8)、工作台的联动控制。2.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:开始系统初始化加工程序输入键按下?机床复位 N加工数据输入自动加工手动加工键按下?自动加工键按下?N Y N手动调整Y Y N管理程序流程3.自动加工程序设计(1)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;(2)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;(3)由以上分析,设计自动加工程序框图如下所示: 入口零件坐标地址指针读零件坐标调步进电机子程序工作台移动到位刀具快进加工快速退刀 零件坐标地址指针加1零件加工完成 N Y 返回4.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)时间常数的确定在步进电机控制程序中,利用单片机的定时器中断,延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算:式中:T为脉冲时间间隔(ms);为单片机机器周期(s),在时钟为6MHz时,=2s。(2)步进电机加,减速进给脉冲及脉冲时间间隔的确定设步进电机加,减速方式为直线加,减速。要使步进电机不失步,应满足:式中:为步进电机启动力矩;为负载力矩;为惯性力矩。由步进电机=3.92N.m,取步进电机的加速启动力矩则使步进电机不失不的惯性力矩步进电机角加速度又式中:为上升到步进电机最高频率所需时间,所以有:加速脉冲个数:确定加减脉冲个数都为54个又因为:所以脉冲时刻结合可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。 EPROM存储器中,时间常数依次安排在首地址为1000H的存储单元中,每个时间常数占据两个字节,低位地址存放时间常数低8位,高位地址存放时间常数高8位。在程序中,设置加速,恒速,减速脉冲计数器N0,N1,N2。以计数器的值是否为0作为相应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图如下所示:步进电机控制子程序:开始中断初始化设时间常数地址指针首地址指向1000H加速减速 脉冲计数器赋初值恒速送时间常数至计数器中 N返回关中断?开中断启动定时器 Y 步进电机控制中断服务程序:中断服务程序入口送时间常数 步进电机进一步N0=0?N1=0?时间常数地址指针加1N1N1-1N2=0?N0N0-1时间常数地址指针加1关中断N2N2-1 中断返回5.编语言程序设计(1)内存地址分配 加速脉冲数计数器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 758160 START: MOV P,#60H0E03 758901 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 901000 MOV DPTR, #1000H ;设时间常数指针初值为1000H0E1F 752600 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 B400 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,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第七章 结束语在查阅相关的数控机床资料,类比同类机床的进给系统结构,以及汉江机床厂提供的相关零部件资料的基础上,用AutoCAD进行总装图的优化设计和绘制。零件的绘制。通过要求完成了毕业论文书写内容。对机床设计过程有了深刻的了解和认识。通过此次毕业设计,使我们的综合运用能力进一步加强,把大学四年来所学的专业理论知识与实践很好的结合起来,从方案确定到选型、校核、画图等一系列都在很大程度上开发了我们的设计思维和应用能力。当然这次毕业设计中我们也认识到自身的不足之处。虽然在设计中能够认真独立地思考、分析问题。但知识面不够广泛以及实际经验欠缺等诸多因素,造成设计中很多疏漏的地方以及大多方案都停留在已有基础上,创新很少。而且在优化设计方面做得很少,可以说整个设计很粗糙,当然我会在以后的工作学习生产不断积累经验,争取做得更好,敬请原谅本次设计中的不足之处。参考文献1 徐颖.机械设计手册(第2版) (第三卷),机械工业出版社 2 齐占庆.燕山大学.机床电气控制技术(第三版),机械工业出版社3 清华大学.华中工学院.郑州工学院.铸造设备,机械工业出版社4 大连理工大学工程画教研室.机械制图,高等教育出版社5 龚桂义.机械设计课程设计指导书,高等教育出版社6 濮良贵.纪名刚.机械设计(第六版),西北工业大学,高等教育出版社, 19967 廖念钊主编.互换性与技术测量(第四版
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