开环控制的数控XY工作台 课程设计说明书资料.docx
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开环控制的数控XY工作台课程设计说明书资料
第一章设计内容及计算
1.1设计的目的
1）正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论与有关知识，学会设备比较分析及进行必要计算。
2）通过对设备改造部分的机械设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确结构设计方法。
3）通过数控系统硬件和软件设计，掌握简单的设计方法。
4）通过课程设计，树立设计思想，培养分析、解决问题的能力。
5）提高学生应用手册、标准与编写文件资料的能力。
1.2设计要求
设计一台步进电机驱动的开环控制的X-Y工作台，该工作台可安装在立式铣床上，用于钻孔和铣削加工。
所用刀具均为高速刚刀具，加工材料为青铜、铝、有机玻璃等其它易加工材料。
最大钻孔直径d=5.0;mm，最大铣削刀具直径为
15mm，最大铣削余量
=3mm，最大铣削深度
=10mm.要求采用MCS-51单片机作为数控系统的控制主机。
数控系统有下述功能：
a.可通过键盘输入数控加工程序，并加以存储。
b.可显示输入程序，并实时显示工作台当前位置。
c.具有报警、急停等功能。
1.3完成内容
a.数控工作台机械部分设计图纸0号1张；
b.数控工作台电器控制部分设计图纸0号1张；
c.完成设计说明书1份，包括以下内容：
①目录
②总体方案确定，目的、技能参数。
③机械部分
④电路部分设计
⑤软件设计
1.4技术参数
步进电机：
三项六拍，工作台最大行程速度
.脉冲当量：
ap=0.01mm/脉冲;Xmax=130mm；Ymzx=135mm;系统分辨率为0.005mm.
1.5总体方案的确定;
1）总体方案设计内容：
系统运动方式的确定，同服系统的选择，执行机构的结构及运动方式的确定，计算机系统的选择，数控系统硬件电路设计，辅助电路（复位电路、中断报警电路等）的设计，系统控制软件设计。
2）系统的总体框图如下：
第二章机械部分设计
2.1工作台部分的形状及材料选择
铣床的矩形工作台高度与安度之比纸为0.1~0.8.工作台由型钢和钢板焊接，常用3号或5号钢。
这里采用合金钢作为材料，
=7.9g/cm3。
（由《机电液》查得
=7.9g/cm3）。
2.2工作台外形尺寸及重量估算：
工作台的长取；375mm
宽取：
150mm高取：
40mm
（工作台长：
375mm，宽150mm，高：
40mm）
G=
vg=375
150
40
7.9
10
10-6=177.8N
（1）X向托板尺寸：
长：
440宽190高28
G=
vg=197.2N
（托板采用灰铸铁作为材料，€=7.0g/cm3）
（2）Y向底座尺寸：
长440宽215高47
G=
vg=166.611N
（3）步进电机重量：
15N
2.3铣削力PZ1的计算
其中：
CF=304.11，XF=1，yF=0.8，KF=1，取f=0.05mm/r则
2.4铣削力PZ2的计算
其中：
d0=15mm，
=3mm，
=10mm，Z=5,
=0.1
则
=317N.
查得：
则走刀拢刀：
2.5滑动导轨的参数确定
（1）导轨形式：
燕尾型导轨
在导轨摩擦副中，为了提高耐磨性，动导轨和支承舅应具有不同的硬度。
故车导轨材料的搭配上采用塑料—铸铁。
（2）导轨长度：
L上=440L下=300
其中：
b为斜镶条小端厚度，滑座及镶条斜度K为1：
50，1:
100，B1=A1+1.4H1
2.6滚珠丝杠的负荷计算
包括铣削力及运动部件重力引起的进给抗力，应按铣削时的情况计算。
2.6.1滚动体尺寸与数目的确定
滚珠直径取d=8mm，数目由
确定。
1上导轨②下导轨均采用燕尾导轨，特点是其高度较小，间隙调整方便，可承受颠覆力矩。
（2）查表取滚珠丝杠公称直径d0=32mm，选用PF型内循环浮动返向器
单螺母无预紧滚珠丝杠副为FF2505.
（由《机电液》得左向各参数）
（3）查《机电液》得各参数如下：
公称直径d0=25mm，螺距t=5°，接触角
=45°
钢球直径DW=3.5㎜，基本导程Ph=5㎜,螺纹滚边法面直径R=0.52㎜。
偏心距e=0.0449㎜,螺纹升角
=3°39′，
丝杠大径d=24㎜,防尘圈直径D2,D=40,D3=66,B=11㎜.
D5=5.8㎜,D6=10㎜,h=6㎜,M=M6,D4=53㎜,
轴端直径
。
2.6.2传动功率计算
为摩擦角。
刚度经验算合运。
2.6.3步进电机的选择
（1）步进电机的步距角
系统的脉冲当量0.01㎜∕脉冲，由于采用四相八拍。
故
（2）步进电机的启动力矩计算
设步进电机等效负载力矩T、负载力P，根据能量守恒定律，
电机所做的功与负载所做功有如下关系：
T
n=Ps
—电机转角，n—机械传动效率，s—移动部件相应位移.
取
，则
且
又因为
其中Ps—移动部件负载，G—移动部件重量.
Pz—与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力。
—导轨摩擦系数（取0.03）
—步进电机步距角
T—电机轴负载力矩
所以
若不考虑启动时运动部件惯性影响则启动力矩
取安全系数为0.3.
则
（3）步进电机的最高工作频率
查《机电液》选用两个55BF009型步进电动机，参数如下：
额定电压为27V，静态电流为3A，步距角为3.375∕1.8=1.875°，
保持转距为0.784N·m
外型尺寸：
总长70㎜，外径
55，轴径
6.
2.7齿轮传动设计计算
因为小齿轮数要运中，
所以取Z1=16，Z2=80.
第三章机床数控系统硬件电路设计
此硬件系统采用MCS-51系列单片机作为主控器。
因为该系列产品是集中CPU、I/O端口及RAM等为一体的功能性很强的控制器，只需增加少量外围设备就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段完全，指令系统功能强、编程灵活方便、硬件资料也很丰富。
因为此系列单片机中RAM字节数仅为128字节，不能满足系统需要有效应扩展RAM外部存贮器，同时还应考虑到外部程序存储器。
本电器采用工业控制中应用最多的8031单片机。
其功能相当于一块Z80CPU、一块RAM\一块Z80CTC、二块Z80PIO和一块Z80S20所组成的微型计算机系统。
3.1键盘、显示器
该部分完成电路数据的输入和计算机状态的动态显示，败控系统均采用行列键盘在行列的文本上。
显示器有一个同LED发光二极管显示器。
采用8155芯片，管理键盘电路。
键盘与显示器采用扫描工作方式。
（具体参看1＃）
3.2步进电机驱动电路
步进电机是一种采用脉冲信号控制的电动机。
全负载能力和动态特性范围内电动机的角位移仅与控制脉冲数成比例。
转速仅与控制脉冲频率成比例。
用步进电机作为执行元件的数控系统中不需要A/D或D/A转换，可采用较为简单的开环控制。
（1）计算机接口：
采用8155设计扩展接口电路来控制步进电机与其它外设。
（2）脉冲分配器：
实现步进电机的工作方式，作用是将数控装置送业的系列指令脉冲按一定的分配方式顺序输出给电机的正反转。
3.2.1其它辅助电路设计
（1）复位电路：
靠外部电路实现，在时钟电路工作台只需在RDESET引脚上出现QM8以上的交电平，便可实现状态复位。
之后CPU便以0000H单元开始执行程序。
如下：
RESET
·
100PF
○
○
○
图3-1复位电路
（2）越界报警电路.
图3-28031扩展存储器电路
3.2.2硬件电路设计说明
X-Y工作台坐标联动数控电气原理图采用MCS-51系列、8031控制器、扩展存储器电路为2732EPROM.因8031无内部RAM，故用2732的引脚与电
线相接。
6264的Vcc接+5V电平。
程序存储器扩展为4K、数据存储器扩展为8K.复位后，CPU从0001H开始执行监控程序。
6264的片远端CE由Y4-LS/38译码器提供，故使用地址为8000H-8FFFH.系统扩展I/O接口电路选用通用编程，并输入/输出接口芯片8155。
其片选CE接至138译码器的Y4输出端，故8155控制命令寄存器及PA、PB、PC口的地址分别为4000H、4001H、4002H、4003H,8155的RAM地址为4000H—40FFH.（具体参见图2
3.3系统控制的软件设计
3.3.1系统控制软件的主要内容
（1）、系统管理程序：
控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。
从操作计算机数控系统的角度管理功能为：
①接收操作命令。
②执行命令③从倒序处理程序返回到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等级操作状态。
（2）零件加工源程序的输入处理程序:
完成从外部I/O设备输入零件加工源。
（3）插补程序：
分配X、Y向进给脉冲。
（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、方向。
（5）诊断程序：
含移动越界处理、紧急诊断处理、系统故障诊断、查错误功能。
（6）机床的自动加工及手动控制程序。
（7）键盘操作和显示处理程序：
功能包括监视键盘操作显示加工程序、机床的工作状态、操作命令等信息。
3.3.2程序设计要求
（1）模块化程序设计是把一个完整程序分成若干个小的程序模块。
在分别进行独立设计编程，测试和查错之后，装配在一起，连结成一个大的完整的程序，按功能划分模块化程序设计的特点是便于调试、移植和修定。
（2）自顶向下设计程序：
在程序设计时，以系统的一级管理程序开始设计，从属的程序模块潮湿一些程序模块标志代替。
当系统的一级程序编好后，再将程序标志从属或子程序，最后完成整个程序设计。
采用自顶向下程序设计是在程序设计时合理规划和分配系统的资源整个模块结构清晰、流程合理。
3.4系统软件设计说明
3.4.1系统功能控制分析
（1）系统初始化
（2）工作台复核，开始工作台应自动复位，再确定原点位置
（3）输入和键盘显示加工数据
（4）监视按键、键盘及开关
（5）工作超值显示与处理
（6）钻铣床工作台的自动控制
（7）钻铣床工作台的手动控制
（8）钻头工作台的联动控制
入口
设孔X、Y坐标地址指针
程序工作台移动到位
读孔X、Y坐标
调步进电机控制系统
钻头、快进
钻头、快退
钻头、工进
孔坐标地址指针
孔加工完
N
Y
返回
图3-3自动钻削加工程序框图
3.4.2系统管理程序设计：
管理程序是系统的主程序，开机后立即进入管理程序，管理程序的主要功能是接受和执行管理者的命令。
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钻铣床的基本操作功能有输入加工数据。
自动钻削加工，钻头及工作台位置的手动控制，紧急停止等。
根据上述分析，设计管理流程图如下图所示。
图3-4系统设计管理流程图
3.4.3自动加工程序设计
1）机床在钻削加工程序为例动作顺序;X-Y工作台移动到下一个钻孔的位置进行新的加工循环，直至所有的孔都加工完毕，机床复位。
2）计算在钻孔加工过程中的操作：
在孔加工时，计算机制主要操作过程为：
依次读取需加工孔的坐标，并控制机床完成孔的加工。
3）自动钻削加工程序：
自动加工钻削程序框图如下图所示（翻左图）。
4）自动电机子程序设计，步进电机的控制包括速度、转角、方向的控制，步进电机在突然启动或停止时，由于负载和慢性会使用电机失步，所以运转时，应有一个加减速过程。
通过确定进给脉冲时间间隔即可实现步进电机转角与速度。
i）时间常数的确定：
在步进电机控制的程序中利用单片机的定时中断，这时进给脉冲时时间间隔，此间隔由送入定时器的时间常数由下式计算。
ii）步进电机加减脉冲数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电机不失步，应满足TM≥TS+TZ，其中：
TM-步进电机永启动力矩，TS-负载力矩，TZ-惯性力矩。
步进电机控制程序框图如下：
图3-5步进电机控制程序框图
步进电机控制子程序框图：
图3-6步进电机控制子程序框图
5）汇编语言程序设计
键盘输入子程序清单如下：
KEYI:
ACallKS1；调用判有只键闭合子程序
INEKK1
NI:
ACallDIR
AJMPKEYE
LK1:
ACallDIR
ACallDIR
ACallKS1
JNZLR2
AJMPKEYE
LK2:
MOVR2,＃OFEH
MOVR4，＃OOH
LK4：
MOVDPTR，＃8101H
MOVA，R2
MOVX
DPTR，A
INCDPTR
MOVXA，DPTR
JBA，LONE
MOVA，＃O0H
AJMPLRP
LONE：
JBA0
MOVA，＃O8H
AJMPLKP
LTW0：
JBA2，LTHR
MOVA1，＃10H
AJMPLRD
LTHR：
JBA3，NEXT
MOVA，＃18H
LK1：
ADDA，R4
PUSHA
LK3：
ACallDIR
ACallKS1
JNELKS
POPA
RET
NEXT：
INCR4
MOVA，R2
JNBA5，KND
RLA
MOVR2，A
参考文献
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