数控移动工作台的设计.docx
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数控移动工作台的设计
摘要
数控车床又称数字控制（Numbercalcontrol，简称NC）机床。
它是基于数字控制的，采用了数控技术，是一个装有程序控制系统的机床。
它是由主机，CNC，驱动装置，数控移动工作台的辅助装置，编程机及其他一些附属设备所组成。
此次设计包括移动工作台的进给设计。
控制系统部分包括步进电机的选用及硬件电路设计和工作台系统设计，说明了的扩展，键盘显示接口的设计等等。
该控制系统采用工作台中断控制系统结构及子程序结构，因为子程序结构简单、条件明确在数控系统中应用比较多。
中断结构采用模块化结构设计，因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理机方向发展。
本文以普通数控移动工作台为研究对象，介绍数控移动工作台主-从式控制系统的设计过程。
本设计采用PC机为上位机，8051为核心的单片机系统作下位机，以打印口作为两者间的通讯接口，构成主—从式控制系统。
该类型机床可以利用微型计算机丰富的软硬件资源，可以编制出具有友好的人机界面的系统控制工作台；可以利用单片机系统结构相对简单、工作可靠、价格便宜的特点，并借助C语言、汇编语言等编制出执行机构的位置控制软，可以使原数控移动工作台的扩充性及开放性更强，使数控编程更加方便、高效，也为将来数控移动工作台的网络控制打下基础。
本文着重阐述数控移动工作台及及主-从式系统的概述；上位机与下位机间通讯接口及通讯模式的选择；下位机硬件设计；步进电动机控制程序。
关键词：
数控移动工作台；开放式数控系统；电动机
Abstract
Thenumericalcontrollathecalledthenumericalcontrol（NumbercalControl,iscalledNC）theenginebed.Itisbasedonthenumericalcontrol,hasusedthenumericalcontroltechnology,isloadedwiththeprocedurecontrolsystemtheenginebed.Itisbythemainengine,CNC,thedrive,thenumericalcontrolenginebedauxiliaryunit,theprogrammingmachineandothersomeappurtenancesiscomposed.
Thisdesignincludingtheenginebedoveralllayoutdesign,longitudinalentersforthedesign,alsoincludesthegearmoduluscomputationandtheexamination,themainaxlerigidityexaminationandsoon.Thecontrolsystempartiallyincludingstep-by-stepstheelectricalmachinerytoselectandthehardwarecircuitdesignandthesoftwaresystemdesign,explainedthechipexpansion,keyboarddemonstrationconnectiondesignandsoon.
Thisarticletakestheordinarynumericalcontrolmachinetoolastheresearchobject,andintroducesthedesignprocessofamaster-slavesystem.InordertousetheabundantsoftwareandhardwareresourcesofIPCandtocompilesoftwareofsystemwhichisfriendlytousers,andinordertocompilethecontrolsoftwareofexecutionmachinerybyCandAssemblylanguageatthesametime,thisCNCsystemadoptsthemaster-slavestructureandparallelcommunicationmethod.ThemastercomputersendscontrolinstructionsandparameterstotheslavecomputerunderWindows98,forthesakeofmakingtheslavecomputerworkwell.ThissystemenhancestheexpanseandopenabilityoftheoriginalCNCmachinetools,makestheNCprogrammingbecomeeasyandefficient,andItalsosetafoundationforthenumericalcontrolmachinetoolinthefieldofthenetworkcontrol.Therearethreeprincipalpartsinthefulltext:
thesummaryofCNCandthemaster-slavesystem;thecommunicationportandmodebetweenthemasterandslavecomputer;thecontrolprocedureofthestepmotor.
Keywords：
Numericalcontrol;Machinetool;Open-loop；Stepmotor
第1章绪论
1.1两坐标数控移动工作台的课题研究意义
数控移动工作台具有经济实用，结构简单，操作方便，价格低廉的特点，它的特控制系统通常采用单片机（8位、16位、32位）作控制器，驱动电机采用步进电动机，多数采用开环控制，由于数控系统具有较高的性能价格比，因而广泛地应用于机床产品的升级换代和普通普通机床的技术改造上。
近年来，我国在经济系统的研究开发和生产上投入了大量人力和物力，在数控移动工作台领域里经历了几个五年计划之后已经取得了可喜成果，数控移动工作台在我国机床市场上占有较大比重，成为我国制造业不可或缺的一部分。
1.2两坐标数控移动工作台的课题研究主要内容
数控移动工作台控制系统采用MCS-51系列单片机8031作为控制系统CPU,需要扩展程序存储器，数据存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。
数控移动工作台驱动电机采用步进电机，多数采用开环控制，需要选择和计算主要机械传动部件，如滚珠丝杠，螺母副和步进电机等，绘制机床进给传动机构装配图，绘制单片机控制系统的硬件线路图。
第2章数控移动工作台机械结构
2.1进给系统组成
数控移动工作台是一种利用数控技术，准确地按照事先安排的工艺流程，实现规定加工动作的金属切削机床，它主要由控制介质、数控装置、伺服机构、机床、测量装置。
各部分的工作原理简述如下：
1、控制介质
进行数控移动工作台加工时，需在任何机床之间建立某种联系，以便机床正确的执行认的意图，这种进行联系的中间介质机控制介质又称为信息载体。
信息以代码的形式存储在介质上，常用的控制节有：
穿孔带、穿孔卡、磁盘和磁带；最常用的十八单位标准黑色穿孔纸带。
每行共9个孔，大孔为信息孔，其中1。
33毫米；小孔为同步孔，其中1。
17毫米。
国际上通用的代码为EIA代码和IS0代码。
2、计算机数控装置
计算机数控装置是数控装置的核心，其绝大部分采用微型计算机控制；它有输入设备、输出设备、运算器、控制器和存储器组成。
输入设备即把控制介质上的信息翻译成计算机能够识别的信息代码并送到指定的存储器中以便进行运算处理。
输出设备即将经计算机处理过的信息代码经过翻译之后转变成机床能够执行的指令和人能够识别的信息符号。
运算器是对计算机中的信息进行算术或逻辑运算的器件。
存储器是用来存储计算机所需的各种信息代码的器件。
控制器是用来控制计算机内部的运算并按照一定的顺序使各个部件协调工作的部件。
3、伺服机构
伺服构的作用是把数控装蛊的运动指令转变成机床移动部件的运动，使工作台按照预先规定的轨迹运动，以便使加工出符合图纸要求的工件。
伺服机构由伺服控制电路、功率放大电路和伺服电机组成。
常用的伺服电机有步进电机、直流伺服电机和交流伺服电机。
4、机床
数控移动工作台是高精度和高生产率的自动化加工机床，它具有更好的抗震性和刚度，相对运动面的摩擦系数小，进给传动部份的间隙小的特点。
5、测量装置
测量装置江机床移动的实际位置、速度检测出来转变成电信号，并反馈至计算机中使计算机能随时判断机床的实际位置、速度与指令要求是否一致，并发出相应指令纠正所产生的误差。
2.2齿形带传动设计
带传动是利用张紧在带论上的带传递运动和动力；通常是靠带和带轮之间的摩擦力来传递动力的，也有靠带和带轮上的齿的啮合来传递动力的例如：
同步齿形带。
带的形式有：
三角形带、平带、同步齿形带等。
带的传动形式有：
开口传动、交叉传动、半交叉传动、张锦纶传动。
2.2.1带和带传动
一、带的种类
1）V带。
v带有普通v带、窄v带和宽V带等类型。
一般多使用普通的v带。
v带的结构为：
顶胶、承载层、底胶、包布组成。
窄v带采用合成纤维绳或者钢丝绳作为承载层，它传递的功率比普通的v带大，允许速度和曲挠次数高，传动的中心距较小。
普通v带有Y、Z、A、B、C、D、E七种型号。
普通的V带的承载层由胶帘布或者胶绳芯承担；适合高速传动。
2）平带。
胶帆布平带强度高、价廉，在平带中应用最多。
此外，也有用麻、丝或者棉轮等材料贬值而成的编织带，承载层为涤纶绳，表面服役耐磨油胶布或者聚氨脂的高速胶带，也有以棉轮片作为承载层的。
带轮通常由三部分组成：
轮缘、轮毂、轮辐。
在结构上代轮应易于制造，能避免由于铸造而产生的内应力，重量应轻。
高速带还要进行动平衡。
带轮通常按照此公式计算：
轮宽的计算公式：
B=（z-1）×e+2×f；z--为轮槽数，e--为槽间距，f--为第一个槽的中点至端面的距离。
Do=D+2×h。
：
D--带轮计算直径，h。
--轮缘的齿顶高。
二、带传动
带传动的主要几何参数有：
中心距a：
带长L；带轮直径Dt，D。
；包角dt。
带传动的力分析：
带传动中呈环形，并以一定的拉力套在一对带轮上，使带和带轮互相压紧。
当带轮不工作时两边的拉力相等。
工作时，由于带和带轮之间的摩擦力使得带轮一边的拉力加大，而另外一边的拉力减小，两者之差为带轮的有效拉力，它等于沿着带轮上的接触户的摩擦力之和。
，在一定条件下，若阻力大于极限值，带就会出现打滑现象。
有效力的计算如下：
F=F1-F2=1000p／v
带的应力计算：
1）紧变得应力计算：
б1=F1／A
2）松边的应力的计算：
б2=F2／A
式中：
F1为紧边拉力；F2为松边拉力；A为带的横截面。
松边与紧边的应力差б：
б=б1—б2=F／A
由于带轮是弹性体受力不同时，带的伸长量是不等的，从而使带发生打滑现象。
打滑时，带的速度落后与带轮的速度。
有如下措施可以提高带传动的工作能力：
增大摩擦系数；2）增大包角；3）尽量使传动在最佳速度下工作；4）采用新型带传动；5）采用高强度带材料。
2.2.2齿形带的选择
下表2-1是齿形带的计算校核方法公式表
表2-1
计算项目
符号
设计公式
计算功率
Pc
P=KA×PKW（K为同步齿形带的工作系数）
选择带型和节距
p
查相关的图标进行选取
传动比
i
I=n1/n2≤10
齿数
Z1、Z2
Z1≥Zmin;Z2=I×Z2（Zmin为小带轮的最小齿数，I为传动比）
齿轮节园直径
D1D2
D1=Z1×P/πmm,D2=Z×P/πmm
带速
v
V=πD1×n1/60×1000≤vmaxm/s
初定中心距
a
0.7（D1-D2）≤a≤2×（D1+D2）
带长及其齿数
L
A
a1
Dm
L=π×（D+D）/2+r
（D2-D1）/2+2acos（r/2）≈π
Dm+2a+Δ2/a
A=（L-πDM）/4+（（l-πDM）2-8Δ2）1/2/4
a1=1800-（（D2-D1）/a）×600
上式中：
Dm=（D2+D1）/2,Δ=（D2-D1/2
R（D2-D1）/a
Cos（r/2）1-（r/2）2/2
实际中心距
A
A=（L-πdm）/4×（（L-Πd）32-82）1/2/4
小带轮啮合齿数
Zm
Zm=Z1／2一PZ1（Z2-Z1）／20a（圆整成整数）
基本额定功率
Po
Po=（Fa-qv2）×v／1000kW
Po---同步带基准宽度b。
所能传递的功率
Fa---基准宽度b。
同步带的许用拉力
q----基准宽度为b。
的同步带质
量
带宽
b
B=b。
×（PC／（KZP。
））1.14mm
K。
---啮合齿数系数
剪切应力计算
τ
τ
τ=PC/（1.44m×b×zM
u）×103≤[τ]
比压验算p
p
P=PC/（0.6mbSZ1Mu）×103≤[P]
[P]---许用比压
轴上载荷
Fα
Fα=1000Pυ／υN
2.3步进电机的选择
一、步进电动机及其发展
步进电动机又称脉冲电动机或者称为阶跃电动机，目前，随着电子技术、控制技术以及电动机本体的发展和变化，传统的电机分类的间界面越来越糊：
步进电动机的传统定义为，根据输入的脉冲信号，每改变一次励磁状态就前进一定角度，若不改变励磁状态则保持一定的状态而静止：
广义的定义为步进电动机是一种受电脉冲信号控制的无刷式直流电动机，也可看作是在一定频率范围内转速与控制脉冲频率同步的电动机。
步进电动机的机理是基于最基本的电磁铁作用，其源始模型起源于1830年至l860年间。
在20世纪60年代后期，随着永磁材料的发展，各种实用型的步进电动机应运而生，半导体的发展使得步进电机得_至rJT广泛的应用。
我国的步进电机开始于21世纪50年代后期，其发展过程大致经历了四个阶段：
第一阶段，从50年代后期到60年代后期主要是高等院校和科研机构开发并使用少量的步进电机，以多段结构三相反应式步进电动机为主：
第二阶段，70年代初期反映在步进电机的生产和研究发展到了一个较水平：
第三阶段，70年代中期至80年代中后期新品种高性能电动机层出不穷，各种混合式步进电动机及驱动器作为产品得到广泛应用。
二、步进电动机的特点
步进电机有三大部分组成：
步进电动机本体、步进电动机控制器及步进电动机驱动器。
其特点如下：
1）用数字信号直接进行开环控制，整个系统简单廉价。
2）位移与输入脉冲数相对应，步距误差不长期积累，可以组成结构简单又具有一定精度的开环控制系统，也可在要求更高时组成闭环控制系统。
3）无刷，电动机本体部件少，可靠性高。
4）抑郁起动正反传和变速停止，响应性好。
5）平滑性好，步距角选择范围大，停止时可有自锁能力
三、步进电动机的类型
从广义上讲步进电机的类型可分为：
机械式、电磁式和组合式三大类型。
从结构特点可分为：
旋转电动机包括反应式步进电动机（VR型）、永磁式步进电动机（PM型）、混合式步进电动机（HB型）：
直线电动机包括VR型、PM型及HB型：
下面分别介绍几种典型性的步进电机的结构：
1．HB型步进电动机的结构
HB型步进电机有四部分组成：
定子部件、转子部件、机壳和端盖。
定子部件由铁心、绕组和绝缘体组成，一般的铁心由无方向性的硅钢片叠加而成定子铁心上开了许多大齿，大齿上开许多小齿以增加电磁力和控制的准确性．转子部件由转子铁心、永磁材料和轴组成。
转子铁心通常也由硅钢片组成，采用冷冲压后叠压成型。
转子铁心必须选用耐磨材料而且磁损耗较小：
机盖的作用有三个：
l）加强电机刚度2）保护电机3）构成定子铁心的部分电路，机盖一般为圆筒形，表面一般作防秀处理。
端盖起支撑转子保证气隙和通风散热的作用，对机械加工的同轴度、圆柱度要求较高。
2．vR型步进电机的结构
vR型步进电机的结构与HB型的结构相似，其不同之处在于转子铁心为一个铁心，同时转子上不使用永磁材料。
3．PM型步进电动机
其转子由永磁材料和轴组成，转子上没有齿：
永磁材料圆周方向充磁，材料一般使用氧化铁和铝镍钴居多。
4．PM型直线步进电动机
PM型直线步进电动机由固定定子和可动转子两部分组成。
其定子铁心形成主磁路，相当于旋转型的电动机的定子铁心在一维空间展开。
．
2.3.1步进电机概述
一、步进电机的工作原理，
步进电动机是一种将电的脉冲信号转换成交位移活现位移的机电元件。
通俗的讲，就是外加一个脉冲信号于这种电动机时，它就运行这一步。
步进电动机大致可以分为：
反应式、永磁式、混合式和直线式四大类a下面以三相反应式步进电机为例，简要说明步进电机的基本工作原理a
三相反应式步进电机由定子和转子组成。
它的定子上有三对磁极，每一对磁极上绕有一相绕组，绕组通电时这两个磁极的极性相反：
三相绕组接成星形。
转子铁心和定子极靴上有小齿，定子和转子的齿距相等。
当某一向绕组通电时电动机内部建立以该绕组为轴线的磁场。
由于定子和转子上有齿和槽，所以当定子和转子齿的相对位置不同时，磁路的磁导也不同，定转子齿对齿处的极磁导为最大，定转子齿对槽处的每个极磁导为最小。
转子的稳定平衡位置是使通电相磁路的磁导为最大的位置，所以通电时，齿对齿的位置为平衡位置。
三相反应式步进电动机有A，B，C三相绕组，各相绕组的轴线夹角为120。
：
当A相极下定转子齿对齿时：
B相磁极上定子齿的轴线，沿ABC方向超前转子齿的轴线l／3齿距：
C相极下定子齿的轴线，沿ABC方向超前转子齿的轴线2／3齿距。
在A相断电的同时，给B相通电，则磁场空间转过了l20。
，转子齿的轴线将力求与B相上的定子齿的轴线对齐以达到稳定平衡位置。
由于B相轴线还没有与转子齿的轴线对齐所以将对转子产生一个逆时针方向的电磁力迫使转子转动以达到平衡位置：
从而使电动机开始转动起来。
如果对A、B、C三相绕组按照一定的规律分时的通电则转子可以连续的转动起来，从而实现电信号转化为机械信号即旋转运动。
改变通电的顺序可以改变转子的转向，三相反应式步进电动机可以按照三相单三拍方式运行（A—B—C—A—），每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过l20。
，转子转过l／3齿距；也可以以三相双三拍方式（AB—Bc—cA—AB—）运行，每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过l20。
，转子转过l／6齿距：
也可采用三相六拍方式（A～AB—B—BC—C—CA—A—）运行，每改变一次通电状态电动机内磁场轴线转过60。
，转子转过l／6齿距。
从上面的分析可知：
同一台电机可以有不同的通电方式和不同的运行拍数。
若用m表示运行拍数，z表示转子齿数，则每改变一次通电状态时转子转
过角度的平均值称为步距角，用Ф表示，则：
Ф=360°／m×z×K
通电方式，相同时为1，不同时为2
从上是可以看出：
转子齿数，运行拍数不同时其步距角也是不同的。
设步进电机的转速为n（r／rain），f表示控制脉冲的频率，0表示步距角则步进电机转速计算公式为
n=Ф×f／6
由上式可以看出：
当转子的步距角一定时，步进电动机的转速与输入脉冲频率成正比。
二、步进电机的常用术语
1．步距角Ф
指每给一个电脉冲信号电动机转子所应转过的角度的理论值。
步距角
0b=360°／m×z×k
2．齿距角Фs
相邻两齿中心线的夹角，通常转子和定子具有相同的齿距角。
齿距角
0s=360°／Zr
3．距角特性
指不改变各相绕组通电状态，即一相或者几相绕组同时直流电时电磁转
距与失调角的关系：
即：
T=f（Ф）
5．失调角
指转子偏离零位时的角度。
6．零位或初始稳定平衡位置
指不改变绕组的通电状态，转子在理想空载下的平衡位置
7．最大静转距
距角特性上转距最大值
2.3.2步进电机的选择
一、步进电机的主要特性参数
1）步距角Ф每输入一个电脉冲信号，转子所转过的角度称为步距角。
步进电动机的步距角可按下式计算：
Ф=360°／m×k×z
式中m--步进电机的相数：
k--与通电方式有关的系数。
当通电方式为单拍时，k=1：
双拍时，k=2。
z--步进电动机转子的齿数：
2）静态步距角误差△Ф空载时，以单脉冲输入，步进电动机的实际步距角与理论步距角的差值称为静态步距角误差。
它与步进电动机的制造精度有关，精度越高，误差值越小。
3）最大静转距Tmax当步进电动机不改变通电状态，转子不动时，在轴上加一负载转距定子与转子就有一个角位移，该角位移称为失调角。
转子刚刚离开平衡位置的极限转距值称为最大静转距。
静转距越大，步进电机承受的外加转距也越大，一般产品中给出的最大静转距是指在额定电流即规定的通电方式下的静转距。
4）空载起动频率fq电动机在空载情况下，不失步所能允许的最高频率称为空载起动频率。
在有负载的情况下，不失步所允许的最高频率将大大降低。
为了缩短起动时间，可使加到电动机的电脉冲频率按一定频率逐渐增加。
5）连续运行的最高频率（即距频特性）步进电动机起动后，电动机速度能跟随控制脉冲频率连续上升而不失步运行的频率称为连续运行频率：
其值也随所形成的负载转距的转距的增加而逐渐下降。
在不同频率下产生的转距称为动态转距。
在产品样本中也标有连续运行频率值，作为选择电动机的依据之一。
二、步进电动机的选择
1）必须保证步进电动机的输出转距大于负载转距，使电动机的距——频特性有一定裕量，以保证可靠运行，即在实际工作时，各种频率下的负载转距必须在距——频特性曲线范围之内：
2）要求计算的机械系统负载转动惯量与步进电动机转子的转动惯量相匹配，并有一定的裕量：
3）是最高频率能满足产品快速移动的要求：
4）使步进电动机的步距角与机械系统相匹配，区得到击穿的脉冲当量
2.4丝杠螺母设计
滚珠丝杠螺母副由专门的工厂制造，当类别、型号选定和校核后，可以外购。
滚珠丝杠螺母副按其工作方式可以分为：
钢球循环方式、循环列数与圈数、预紧方式；钢球循环方式又可以分为：
内循环反向器式和外循环插管式；预紧方式也可以分为：
单螺母和双螺母滚珠丝杠。
按丝杠的旋向也可以分为右旋和左旋丝杠；按其螺母副的类型可以分为：
定位滚珠丝杠螺母副和传动滚珠丝杠螺母副。
滚珠丝杠的精度等级有：
1，2，3，4，5，7，l0七个精度等级
钢珠在丝杠和螺母之间的滚动是一个循环闭路。
钢珠的每一个循环闭路称为列，每个钢珠循环闭路内所含导程数称为圈数。
内循环滚珠丝杠副的每个螺母有2列、3列、4列、5列等几种，每列只有一圈。
为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的刚度，可以加预紧力，使它在过盈的条件下工作，这种工作方式称为预紧。
常用的预紧方式有：
双螺母垫片
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