XY数控铣床课程设计.docx

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XY数控铣床课程设计

X-Y数控铣床课程设计

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目录

1.引言3

2.设计任务3

3.总体方案的确定4

3.1机械传动部件的选择4

3.1.1导轨副的选用

3.1.2丝杠螺母副的选用

3.1.3减速装置的选用

3.1.4伺服电动机的选用

3.1.5检测装置的选用

3.2控制系统的设计4

3.3工作台系统的设计5

3.4绘制总体方案图......................................................................5

4．步进电机的工作原理..................................................................6

及工作方式.....................................................................................6

5.参数计算………………………………………………………………..7

6.编程及相关图表..........................................................................8

6.1X-Y工作台电路连接图

6.2工作状态及工作方式

6.3X-Y工作台运转流程图

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：

3.1.1导轨副的选用

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。

3.1.2丝杠螺母副的选用

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。

3.1.3减速装置的选用

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。

3.1.4伺服电动机的选用

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。

3.1.5检测装置的选用

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。

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空=3000/0.005/60=10000（HZ）

T=1/10000=1000（us）

计数初值为：

（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

6.1X-Y工作台电路连接图

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

6.2工作状态及工作方式

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:

SETBP2.1；Y正转

LCALLTROSRV；调用TR0SRV子程序，开始输出Y电机脉冲

YFAN:

CLRP2.1；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:

MOVTH1,#0F4H；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:

MOVTMOD,#00H；

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

MOVTL1,#0CH

CPLP2.0

DJNZR7,LOOP2

SJMPSTOP

RET

TROSRV:

JBP1.4,KONG1；判定P0.5开关是否按下

MOVTMOD,#00H；设置T1工作方式为0（Y电机）

MOVTH1,#0F4H；设置加负载时的计数初值

MOVTL1,#09H

MOVIE,#00H

MOVR7,#50000

SETBTR1

JBP1.5,STOP

NEXT:

JBCTF1,NEXT1

AJMPNEXT

NEXT1:

MOVTH1,#0F4H

MOVTL1,#09H

CPLP2.2；P1.2取反，控制Y电机转动

DJNZR7,NEXT；

SJMPSTOP；

KONG1:

MOVTMOD,#00H；设置空载时的T1工作方式

MOVTH1,#0F0H；设置空载时TI的计数初值

MOVTL1,#0CH

MOVIE,#00H

MOVR7,#50000

SETBTR1

NEXT2:

JBCTF1,NEXT3

AJMPNEXT

NEXT3:

MOVTH1,#0F0H；

MOVTL1,#0CH

CPLP2.2；

DJNZR7,NEXT2；

SJMPSTOP

RET

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