XY数控铣床课程设计Word文件下载.docx
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6.4X-Y工作台运行程序
7.设计总结...................................................................................12
8.参考文献...................................................................................12
一.引言
数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两者的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别. 如图所示,数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成:
1、主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统,用于装夹刀具并带动刀具旋转,主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。
2、进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成,按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动,包括直线进给运动和旋转运动。
3、控制系统数控铣床运动控制的中心,执行数控加工程序控制机床进行加工。
4、辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。
5、机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等,它是整个机床的基础和框架
其中,XY数控工作台是数控铣床的重要组成部分,它是许多机电一体化设备的基本部件,如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。
模块化的X-Y数控工作台,通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副,以及伺服电动机等部件构成。
其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠,滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动,完成工作台在X、Y方向的直线移动。
导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化,由专门厂家生产,设计时只需根据工作载荷选取即可。
控制系统根据需要,可以选取用标准的工作控制计算机,也可以设计专用的微机控制系统。
本次课程设计也将从机械选择以及程序设计等几个方面对XY数控铣床进行大致的研究。
二、设计任务:
1、设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台的控制器,执行电机为步进电机。
工作台主要参数如下:
(1)立铣刀最大直径d=15mm
(2)立铣刀齿数z=3
(3)最大铣削宽度为ae=15mm
(4)最大背吃刀量ap=8m
(5)加工材料为碳素钢或有色金属
(6)X、Y方向的脉冲当量为δx=δy=0.005mm/脉冲
(7)X、Y方向的定位精度均为±
0.01mm
(8)工作台面尺寸为230mm×
230mm,加工范围为250mm×
250mm;
(9)工作台空载最快移动速度Vxmax=Vymax=3000mm/min
(10)工作台进给最快移动速度Vxmaxf=Vymaxf=400mm/min
2、根据工作台的参数和机械传动部件,最后计算得到所选步进电机为110BF003,电机参数为:
相数:
3
步距角:
0.75/1.5o
输入电压:
80V
电流:
6A
最大静转矩7.84N.m
空载起动频率:
1800Hz
空载运行频率:
20000Hz
转动惯量:
5.5kg.cm2
步进电机工作方式为三相六拍
3、画出控制系统的电路图,用汇编或KeilC写出控制程序
三、总体方案的确定
3.1机械传动部件的选择:
腰设计数控车床工作台,需要承受的载荷不大,而且脉冲当量小,定位精度高,因此选用直线滚动导轨副,它具有摩擦系数小,不易爬行,传动效率高,结构紧,安装预紧方便等优点。
伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动,需要满足0.004mm冲当量和
mm的定位精度,滑动丝杠副为能为力,只有选用滚珠丝杆副才能达到要求,滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。
选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后,为了圆整脉冲当量,放大电动机的输出转矩,降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量,可能需要减速装置,且应有消间隙机构,选用无间隙齿轮传动减速箱。
任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm,定位精度也未达到微米级,空载最快移动速度也只有因此3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电动机,因此可以选用混合式步进电动机。
以降低成本,提高性价比。
选用步进电动机作为伺服电动机后,可选开环控制,也可选闭环控制。
任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高,为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步,决定采用半闭环控制,拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器,用以检测电动机的转角与转速。
增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X、Y两个方向的加工范围相同,承受的工作载荷相差不大,为了减少设计工作量,X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。
3.2控制系统的设计
1)设计的X-Y工作台准备用在数控车床上,其控制系统应该具有单坐标定位,所以控制系统设计成连续控制型。
2)对于步进电动机的半闭环控制,选用MCS-51系列的8位单片机80C51作为控制系统的CPU,能够满足任务书给定的相关指标。
3)选择合适的驱动电源,与步进电动机配套使用。
3.4绘制总体方案图
总体方案图如图所示。
总体方案图
四、步进电机的工作原理及工作方式
如图所示,U1、V1、W1接电源,分别有三个开关控制,U2、V2、W2分别接地。
步进电机是一种感应电机,它的工作原理是利用电子电路,将直流电变成分时供电的,多相时序控制电流,用这种电流为步进电机供电,步进电机才能正常工作,驱动器就是为步进电机分时供电的,多相时序控制器
。
以反应式步进电机为例:
如A相通电,B,C相不通电时,由于磁场作用,齿1与A对齐,(转子不受任何力以下均同)。
如B相通电,A,C相不通电时,齿2应与B对齐,此时转子向右移过1/3π,此时齿3与C偏移为1/3π,齿4与A偏移(π-1/3π)=2/3π。
如C相通电,A,B相不通电,齿3应与C对齐,此时转子又向右移过1/3π,此时齿4与A偏移为1/3π对齐。
如A相通电,B,C相不通电,齿4与A对齐,转子又向右移过1/3π这样经过A、B、C、A分别通电状态,齿4(即齿1前一齿)移到A相,电机转子向右转过一个齿距,如果不断地按A,B,C,A……通电,电机就每步(每脉冲)1/3π,向右旋转。
如按A,C,B,A……通电,电机就反转。
由此可见:
电机的位置和速度由导电次数(脉冲数)和频率成一一对应关系。
而方向由导电顺序决定。
不过,出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。
往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态,这样将原来每步1/3π改变为1/6π。
甚至于通过三相电流不同的组合,使其1/3π变为1/12π,1/24π,这就是电机细分驱动的基本理论依据。
不难推出:
电机定子上有m相励磁绕阻,其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。
并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。
只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机,出于成本等多方面考虑,市场上一般以二、三、四、五相为多。
4.1、步进电机的工作方式
1.单三拍:
通电顺序为A—B—C;
2.双三拍:
通电顺序为AB——BC——CA;
3.三相六拍:
通电顺序为A—AB—B—BC—C—CA
该设计所需的步进电机为三相六拍式,为上面3所示
五、参数计算
5.1.负载时,脉冲量的计算
采用定时器方式输出脉冲,单片机晶振频率为12MHZ,使用定时器1以方式0产生等宽正方形连续脉冲。
f负=400/0.005/60=4000/3(HZ)
T=1/f=3/4000=750(us)
计数初值为:
(213-X)*1*106=375*106
解得X=7817TH1=F4HTL1=09H
5.2空载时,脉冲量的计算。
f空=3000/0.005/60=10000(HZ)
T=1/10000=1000(us)
(213-X)*1*106=500*106
解得X=7692TH1=F0HTL1=0CH
5.3步进电机走的步数为
N=250/0.005=50000
5.4定时器TMOD计算
因为选用定时器1,采用工作方式0且采用定时方式。
故TMOD=00000000,TMOD=00H
六、编程及相关图表
P1.0X正转开关
P1.1X反转开关
P1.2Y正转开关
P1.3Y反转开关
P1.4空载控制开关
P1.5停止开关
P2.0X电机脉冲输出口
P2.1方向脉冲
P2.2Y电机脉冲输出口
该工作台一共分为八个工作状态,即
(1)X加负载正转(P1.0开关按下)
(2)X空载正转(P1.0、P1.4同时按下)
(3)X加负载反转(P1.1开关按下)
(4)X空载反转(P1.1、P1.4同时按下)
(5)Y加负载正转(P1.2按下)
(6)Y空载正转(P1.2、P1.4同时按下)
(7)Y加负载反转(P1.3按下)
(8)Y空载反转(P1.3、P1.4同时按下)
(P1.0、P1.1、P1.2、P1.3一次只能按下一个)
每个工作状态数控机床控制台都行进250mm后停止或者在行进中按下P1.5开关后停止
由于每个状态的流程图类似,所以只画出X正转时候的流程图,如下图所示:
6.3X-Y工作台运转流程图(X正转)
6.4.X-Y工作台运行程序
ORG00H;
初始化
SJMPSTART
ORG30#
START:
MOVSP,#30H
CHAXUN:
JBP1.0,XZHENG;
X正转开关
JBP1.1,XFAN;
X反转开关
JBP1.2,YZHENG;
Y正转开关
JBP1.3,YFAN;
Y反转开关
JBP1.5,STOP;
停止开关
SJMPCHAXUN
XZHENG:
SETBP2.1;
方向控制置一,X正转
LCALLTRISRV;
调用TR1SRV子程序,开始输出X电机脉冲
XFAN:
CLRP2.1;
方向控制清零,X反转
LCALLTRISRV
YZHENG:
Y正转
LCALLTROSRV;
调用TR0SRV子程序,开始输出Y电机脉冲
YFAN:
Y反转
LCALLTROSRV
STOP:
CLRP2.0;
P1.0清零,X电机停止
CLRP2.2;
P1.2清零Y电机停止
END
TRISRV:
JBP1.4,KONG;
判定P0.5开关是否按下
MOVTMOD,#00H;
设置T1为工作方式0(X电机)
MOVTH1,#0F4H;
设置有负载时计数初值
MOVTL1,#09H;
MOVIE,#00H;
禁止中断
MOVR7,#50000;
设置步进电机步数
SETBTR1
JBP1.5,STOP;
启动定时
LOOP:
JBCTF1,LOOP1;
查询计数溢出
AJMPLOOP
LOOP1:
重新设置计数初值
MOVTL1,#09H
CPLP2.0;
输出取反,控制X电机转动
DJNZR7,LOOP;
判定步数是否走完
SJMPSTOP;
步数走完,停止
KONG:
MOVTH1,#0F0H;
设置空载时的T1计数初值
MOVTL1,#0CH
MOVIE,#00H
MOVR7,#50000
SETBTR1
LOOP2:
JBCTF1,LOOP3
AJMPNEXT
LOOP3:
MOVTH1,#0F0H
CPLP2.0
DJNZR7,LOOP2
SJMPSTOP
RET
TROSRV:
JBP1.4,KONG1;
设置T1工作方式为0(Y电机)
设置加负载时的计数初值
JBP1.5,STOP
NEXT:
JBCTF1,NEXT1
NEXT1:
MOVTH1,#0F4H
CPLP2.2;
P1.2取反,控制Y电机转动
DJNZR7,NEXT;
KONG1:
设置空载时的T1工作方式
设置空载时TI的计数初值
NEXT2:
JBCTF1,NEXT3
NEXT3:
DJNZR7,NEXT2;
七、设计总结
通过本次设计,我们进一步加强了对单片机和自动控制原理知识的了解和运用,还了解了步进电机的原理和使用方法,更重要的,通过了解和运用各个学科以及他们之间的联系,我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识。
同时使我学会了如何查阅现有的技术资料、如何举一反三、如何通过改进并加入自己的想法与观点,使之成为自己的东西。
进一步加强了我综合分析解决实际问题和独立思考的能力。
在这次设计中我们同组的同学共同的研究,讨论问题,查阅资料,相互帮助,从实际应用出发将设计完成的比较合理且具有实际的意义。
同时,我们也发现了一些问题。
比如对知识的运用的熟练程度还不够,知识范围比较的狭隘,导致在设计中的一些问题无法及时发现和解决。
这对以后进一步的学习和工作有着重要的意义,在此感谢老师和同学的指导、帮助和鼓励。
使得我能够顺利完成此次课程设计
八、参考文献
《单片机控制工程实践技术》付家才主编化学工业出版社
《例说8051》张义和陈敌北编著人民邮电出版社
《特种电机及其控制》孙建忠白凤仙编著中国水利水电出版社
《数控技术》张建国胡大泽华中科技大学出版社机电工程系《数控机床课程设计》五邑大学