毕业设计（论文）-基于单片机的数控车床XY工作台与控制系统设计（全套图纸）(18页).doc

-毕业设计（论文）-基于单片机的数控车床XY工作台与控制系统设计（全套图纸）-第 17 页基于单片机的数控车床XY工作台与控制系统设计摘 要了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,可以在同一机床上一次装 夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光 杠与丝杠以及安装座,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,不占据丝杠空间。横向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动。 关键词：运动信息，滚珠丝杠，步进电机全套图纸加153893706Single Chip Microcomputer-based XY table CNC lathe and Control System DesignABSTRACTNumerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automatically in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the tool movement: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw. KEY WORDS: tool movement，conventional machines，Stepper motor第一章 绪论1.1数控机床的生产与发展装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。他不仅能够提高产品的质量和生产效率、降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。许多生产企业已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线。采用这种高度自动化和高效率的设备，尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间，但是在大批量的生产条件下，由于分摊在每一个工件上的费用很少，经济效益仍然是非常显著的。但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件和小批量生产的零件占机械加工总量的80%以上。尤其是在造船、航空航天、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是加工批量小、改型频繁、零件的形状复杂而且精度要求很高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得很不合适，因为生产过程中需要经常改装与调整设备，对于专用生产线来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。为了解决这些问题，满足多品种、小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数控机床就是在这样的背景下产生与发展起来的。它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。1.2数控机床的发展趋势随着计算机、微电子、信息、自动控制、精密检测及机械制造技术的高速发展，机床数控技术有了长足的进步。近几年一些相关技术的发展，如刀具及新材料的发展，主轴伺服和进给伺服、超高速切削等技术的发展，以及对机械产品质量的要求越来越高等，加速了数控机床的发展。目前数控机床正朝着高速度、高精度、高工序集中度、高复合化和高可靠性等方向发展。世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：（1）高速高效高精度（2）柔性化（3）工艺复合化和多轴化（4）实时智能化（5）结构新型化（6）编程技术自动化（7）集成化（8）开放式闭环控制模式1.3数控机床在先进制造技术中的作用自从20世纪中期，人们将计算机技术引用到控制机床加工飞机机翼样板的复杂曲线中以来，数控技术在机床控制方面取得了广泛、深入的发展，各种数控机床成为了现代制造业的关键设备，是它们保证了现代制造业向高精度、高速度、高效率、高柔性化的方向发展。由于数控机床的出现，带动了CAD/CAM技术向实用化、工程化发展，特别是计算机技术的迅速发展，推动CAD/CAM技术向更高层次和更高水平发展，而且进一步发展了计算机辅助工艺设计(CAPP)数据库、集成制造生产系统相关信息的自动生成、自动处理、自动传输。可以说数控技术既是联系CAD/CAM的纽带，也是进一步通向集成化CAD/CAM的桥梁。1.4对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。1.5毕业设计的目的、意义机电一体化系统设计毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：能够正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。1.6毕业设计的内容毕业设计题目：基于单片机的数控车床XY工作台与控制系统设计已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命为T=16000h，中等冲击，工作台的有效行程为,，快速进给速度，和工作载荷。第二章 数控系统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。1.1系统运动方式的确定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。1.2伺服系统的选择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，宜采用步进电机作为开环伺服系统驱动。1.3计算机系统的选择采用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。1.4 XY工作台的传动方式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。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。系统总体框图如下：计算机光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Y向工作台图2-1第三章 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，选择步进电机，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。1.1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。1.2工作台外形尺寸及重量初步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：图3-1X向拖板(上拖板)尺寸为: 重量: Y向拖板(下拖板)尺寸为: 重量: 上导轨(含电机)重量:夹具及工件重量:约155NX-Y工作台运动部分总重量为:1.3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）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取根据计算额定静载荷初选导轨,其型号为：HJG-D25。基本参数如下：表3-1额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷验算导轨的工作寿命T：额定行程长度寿命:导轨的额定工作时间寿命: 导轨的工作寿命足够。1.4滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：强度计算：丝杠轴向力：其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:寿命值：，其中丝杠转速最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时,则：根据使用情况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。其基本参数如下：表3-2丝杠代号公称直径基本导程丝杠外径丝杠底径循环圈数 D0PhD1D3nCM2005-520519.516.765额定载荷 刚度螺母安装尺寸 动载荷 静载荷KDLB1420538244730706211螺母安装尺寸 油杯孔D1D4hM45565.8106M6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,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式。滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表表3-3名称计算公式结果公称直径20mm螺距5mm接触角钢球直径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传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：为摩擦角；为丝杠螺旋升角。稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为： Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为E级精度丝杠允许的螺距误差。1.5齿轮计算、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：，步进电机步距角：取小齿轮齿数 ,则大齿轮齿数大小齿轮材料均为45钢由于软齿面齿轮工艺简单、生产率高，故选择软齿面齿轮。因传递的扭距较小,取模数m=1mm则:分度圆直径: 齿顶圆直径:齿根圆直径:齿宽: 取 中心距: 分度圆压力角: 大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮1.6步进电机惯性负载的计算以及步进电机的选用根据等效转动惯量的计算公式，有：(1)等效转动惯量的计算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1的转动惯量；为齿轮2的转动惯量；为滚珠丝杠的转动惯量；M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：式中为圆柱零件直径，为圆柱零件的长度。所以有：电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：(2)步进电机启动力矩的计算设步进电机的等效负载力矩为T，负载力为P，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，S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（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，所以有：考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：取系数为0.4，则：对于工作方式为三相6拍的步进电机：(3)步进电机的最高工作频率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,查表选择两个90BF001型步进电机。电机有关参数如下：表3-4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9014594.51764第四章 数控系统硬件电路设计1.1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图4-11.2主控制器CPU的选择MCS-51系列单片机是集中CPU，它有如下特点：1、可靠性高。因为芯片是按工业测控环境要求设计的，故抗干扰的能力优于PC机。系统软件(如：程序指令，常数，表格)固化在ROM中，不易受病毒破坏。许多信号的通道均在一个芯片内，故运作时系统稳定可靠。2、便于扩展。片内具有计算机正常运行所必需的部件，片外有很多供扩展用的(总线，并行和串行的输入/输出)管脚，很容易组成一定规模的计算机应用系统。3、控制功能强。具有丰富的控制指令，如：条件分支转移指令，I/O口的逻辑操作指令，位处理指令。4、实用性好。体积小，功耗低，价格便宜，易于产品化。由于上述原因，选用8031作为主控芯片。1.3存储器扩展电路设计1、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EPROM芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为2k，4k，8k，16k，32k。在选择芯片时要考虑CPU与EPROM时序的匹配。8031所能读取的时间必须大于EPROM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2764芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。于8031芯片的P0口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是74LS373。2、数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有6116、6264、62128等，这里选用6264。3、I/O扩展电路设计8031单片机共有4个8位并行I/O接口，但供用户使用的只有P1口及部分P3口线。因此要进行I/O口的扩展。8155为多功能的可编程接口芯片，内部包含有256字节RAM，两个可编程8位并行口、一个6位并行口和一个14位的计数器。8155是8051单片机应用系统中最适用的外围器件。数据存贮器是256x8位静态RAM。I/O由三个通用口组成，其中的6位口可编程为状态控制信号。可编程的14位计数器/定时器用于给单片机系统提供方波或计数脉冲。8155与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。第五章 系统控制软件的设计1.1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。1.2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：加工程序输入键按下机床复位开始系统初始化自动加工键按下手动加工键按下加工数据输入自动加工手动调整NNNYYY图5-11.3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一零件加工完成NY返回图5-21.4汇编语言程序设计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 25H DS EQU 26H ；地址指针偏移量FEED EQU 0E80HORG 0E00H0E00 START： MOV P，#60H0E03 MOV TMOD，#01H ；设计数器工作方式为1，16位定时器0E06 MOV N0，#01A4H ；设N0为3200E09 MOV N2， #1A4H0E0C MOV A ， N0 ；计算2XN00E0E RL A0E0F MOV R0， A0E10 CLR C ；计算N1=N-2N00E11 MOV A， NL0E13 SUBB A， R00E14 MOV N1L， A0E16 MOV A， NH0E18 SUBB A，#00H0E1A MOV N1H，A0E1C 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 MOVC A, A+DPTR ；从EPROM中读时间常数0E23 MOV TL0， A ；送时间常数至定时器0中0E25 INC DS0E27 MOV A，DS0E2 MOVC A，A+DPTR 0E2A MOV TH0，A0E2C INC DS0E2E SETB EA ；开中断允许0E30 SETB ET0 ；允许定时器0中断0E32 SETB TR0 ；启动定时器0开始计算0E34 WAIT：JB EA，WAIT ；中断允许返回0E37 RET中断服务程序： ORG 000BH000B LJMP 0F00H0F00 MOVC A，A+DPTR0F03 MOV TL0， A0F05 INC DS0F07 MOV A，DS0F09 MOVC A，A+DPTR0F0A MOV TH0， A0F0C INC DS ；修改地址偏移量指针0F0E ACALL FEED ；调FEED子程序0F10 MOV A， N0 ；判断N0是否为00F12 CJNE A， #00H， LOOP10F15 MOV A， N1H ；判断N1是否为0 0F17 CJNE A，#00H， LOOP20F1A MOV A，N1H0F1C CJNE A，#00H，LOOP20F1F MOV A，N2 ；判断N2是否为0 0F21 CJNE A，#00H，LOOP30F24 CLR EA ；N2为0 ，减速结束，关中断0F26 RETI0F27 LOOP1：DEC N0 ；N0不为0，则N0N0-10F29 RETI0F2A LOOP2：MOV A，N1L ；N1不为0，则N1N1-10F2C CLR C0F2D SUBB A， #01H0F2F MOV N1L， A0F31 MOV A， N1H