数控回转工作台的的设计.docx
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数控回转工作台的的设计
机电一体化系统设计》
课程设计说明书
题目数控回转工作台的设计
机械工程学院
机械电子工程专业机电1302班0225号
学生姓名肖鹏飞
指导教师刘军安陈小异
完成日期2016年12月09日
湖南工程学院机械工程系
湖南工程学院
课程设计（论文）任务书
设计题目：
数控回转工作台机电系统设计
姓名：
肖鹏飞系别：
机械工程专业：
机械电子工程班级：
1302学号25指导老师:
刘军安陈小异教研室主任谭季秋一、设计要求及任务
1．设计任务
（1）总体设计
（2）机械系统的设计与计算；
（3）控制系统设计：
采用51单片机或FX2NPLC控制，步进电机驱动，转角输入与显示；
（4）编写设计说明书。
2．设计要求
（1）正反旋转，回转角度0~360o；最大回转半径100mm,最大承载重量20kg;工作台输出精度2mrad,具备自锁功能；
（2）机械部分：
A1装配图1张；
（3）控制部分：
硬件设计，程序设计。
二、进度安排及完成时间
1．设计时间：
三周，2015年12月14日至2016年01月1日
2．进度安排
第一周：
布置设计任务，查阅资料，熟悉设计要求及任务，提出设计方案，进行设计
第二、三周：
整理资料，撰写设计说明书，上交设计图纸、说明书（要求手写稿）。
组员
任务
胡增伟
说明书排版、总结、查阅资料、任务分工
曾宪
机械部分计算、零件图、装配图
庞雨楠
机械部分计算以及部分零件图
肖鹏飞
控制部分系统设计
黄道福
控制部分编程
绪论7
第一章数控回转工作台的原理与应用8
数控回转工作台8
设计准则8
主要技术参数9
本章小结9
第二章数控回转工作台的部分原理及结构设计9
步进电机的原理9传动方案传动时应满足的要求10电液脉冲马达的选择及运动参数的计算10轴承的选用11
轴承的游隙及轴上零件的调配11
滚动轴承的配合11
滚动轴承的润滑11
第三章控制系统设计12
系统方案设计构成12
单片机12
光电耦合14
环形分配器15
功率放大器17
程序18
总结23
绪论
课程设计主要是培养学生综合应用所学专业的基础理论、基本技能和专业知识的能力，培养学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。
而本科类学生更应侧重于从生产的第一线获得产品的工艺需求和设计思路，获得工程技术经用性岗位的基本训练，通过课程设计，可树立正确的经济观点和全局观点，实现由学生向工程技术人员的过渡。
使学生进一步巩固和加深对所学的知识，使之系统化、综合化。
培养学生独立工作、独立思考和综合运用所学知识的技能，提高解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的专业知识和技能。
培养学生的设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力，使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路。
使学生学会初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想、方法手段，树立做事严谨、严肃认真、一丝不苟、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识和团结协作的工作作风。
本次课程设计主要是解决数控回转工作台的工作原理和控制系统的设计。
设计思路是先功能需求后系统结构。
目前数控回转工作台已广泛应用于数控机床和加工中心上，它的总的发展趋势是：
在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型转台；在性能上将研制以钢为材料的蜗轮，大幅度提高工作台转速和转台的承载能力；在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。
数控转台的市场分析：
随着我国制造业的发展，加工中心将会越来越多地被要求配备第四轴或第五轴，以扩大加工范围。
估计近几年要求配备数控转台的加工中心将会达到每年600台左右。
预计未来5年，虽然某些行业由于产能过剩、受到宏观调控的影响而继续保持着较低的行业景气度外，部分装备制造业将有望保持较高的增长率，特别是那些国家产业政策鼓励振兴和发展的装备子行业。
作为装备制造业的母机，普通加工机床将获得年均15％－20％左右的稳定增长
第一章数控回转工作台的原理与应用
数控机床的圆周进给由回转工作台完成，称为数控机床的第四轴：
回转工作台可以与X、Y、Z三个坐标轴联动，从而加工出各种球、圆弧曲线等。
回转工作台可以实现精确的自动分度，扩大了数控机床加工范围。
数控回转工作台
数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床，其外形和通用工作台几乎一样，但它的驱动是伺服系统的驱动方式。
它可以与其他伺服进给轴联动。
自动换刀数控镗床的回转工作台的进给、分度转位和定位锁紧都是由给定的指令进行控制的。
工作台的运动是由伺服电动机，经齿轮减速后由蜗杆传给蜗轮。
为了消除蜗杆副的传动间隙，采用了双螺距渐厚蜗杆，通过移动蜗杆的轴向位置宋调整间隙。
这种蜗杆的左右两侧面具有不同的螺距，因此蜗杆齿厚从头到尾逐渐增厚。
但由于同一侧的螺距是相同的，所以仍然可以保持正常的啮合。
当工作台静止时，必须处于锁紧状态。
为此，在蜗轮底部的辐射方向装有8对夹紧瓦，并在底座上均布同样数量的小液压缸。
当小液压缸的上腔接通压力油时，活塞便压向钢球，撑开夹紧瓦，并夹紧蜗轮。
在工作台需要回转时，先使小液压缸的上腔接通回油路，在弹簧的作用下，钢球抬起，夹紧瓦将蜗轮松开。
回转工作台的导轨面由大型滚动轴承支承，并由圆锥滚柱轴承及双列向心圆柱滚子轴承保持准确的回转中心。
数控回转工作台的定位精度主要取决于蜗杆副的传动精度，因而必须采用高精度蜗杆副。
在半闭环控制系统中，可以在实际测量工作台静态定位误差之后，确定需要补偿角度的位置和补偿的值，记忆在补偿回路中，由数控装置进行误差补偿。
在全闭环控制系统中，由高精度的圆光栅发出工作台精确到位信号，反馈给数控装置进行控制。
回转工作台设有零点，当它作回零运动时，先用挡铁压下限位开关，使工作台降速，然后由圆光栅或编码器发出零位信号，使工作台准确地停在零位。
数控回转工作台可以作任意角度的回转和分度，也可以作连续回转进给运动。
设计准则
我们的设计过程中，本着以下几条设计准则
1.在确定设备整体方案时，除了考虑技术性、经济性、体积、重量、耗电等外，可靠性是首先要考虑的重要因素。
在满足体积、重量及耗电等于数条件下，必须确立以可靠性、技术先进性及经济性为准则的最佳构成整体方案。
2.在方案论证时，一定要进行可靠性论证。
3.在确定产品技术指标的同时，应根据需要和实现可能确定可靠性指标与维修性指标。
4.对己投入使用的相同（或相似）的产品，考察其现场可靠性指标，维修性指标及对这两种备标的影响因素，以确定提高当前研制产可靠性的有效措施。
5.应对可靠性指标和维修性指标进行合理分配，明确分系统（或分机）、不见、以至元器件的的可靠性指标。
6.提出整机的元器件限用要求及选用准则，拟订元器件优选手册（或清单）
8.在满足技术性要求的情况下，尽量简化方案及电路设计和结构设计，减少整机元器件数量及机械结构零件。
9.尽量实施系列化设计。
在原有的成熟产品上逐步扩展，抅成系列，在一个型号上不能采用过多的新技术。
采用新技术要考虑继承性。
主要技术参数
（1）最大回转半径：
100mm
（2）工作台输出精度：
2mrad
（3）最大承载重量20㎏
（4）具备自锁功能
本章小结
主要简单介绍毕业设计题目（数控回转工作台）和其发展概况，设计背景、工作原理、设计参数也作了进一步的说明。
第二章数控回转工作台的部分原理及结构设计
步进电机的原理
步进电机是一种能将数字输入脉冲转换成旋转或直线增量运动的电磁执行元件。
每输入一个脉冲电机转轴步进一个步距角增量。
电机总的回转角与输入脉冲数成正比例，相应的转速取决于输入脉冲频率。
步进电机是机电一体化产品中关键部件之一，通常被用作定位控制和定速控制。
步进电机惯量低、定位精度高、无累积误差、控制简单等特点。
广泛应用于机电一体化产品中，如：
数控机床、包装机械、计算机外围设备、复印机、传真机等。
选择步进电机时，首先要保证步进电机的输出功率大于负载所需的功率。
而在选用功率步进电机时，首先要计算机械系统的负载转矩，电机的矩频特性能满足机械负载并有一定的余量保证其运行可靠。
在实际工作过程中，各种频率下的负载力矩必须在矩频特性曲线的范围内。
一般地说最大静力矩Mjmax大的电机，负载力矩大。
选择步进电机时，应使步距角和机械系统匹配，这样可以得到机床所需的脉冲当量。
在机械传动过程中为了使得有更小的脉冲当量，一是可以改变丝杆的导程，二是可以通过步进电机的细分驱动来完成。
但细分只能改变其分辨率，不改变其精度。
精度是由电机的固有特性所决定。
选择功率步进电机时，应当估算机械负载的负载惯量和机床要求的启动频率，使之与步进电机的惯性频率特性相匹配还有一定的余量，使之最高速连续工作频率能满足机床快速移动的需要。
传动方案传动时应满足的要求
数控回转工作台一般由原动机、传动装置和工作台组成，传动装置在原动机和工作台之间传递运动和动力，并可实现分度运动。
在本课题中，原动机采用电液脉冲马达，工作台为T形槽工作台，传动装置由齿轮传动和蜗杆传动组成。
合理的传动方案主要满足以下要求：
（1）机械的功能要求：
应满足工作台的功率、转速和运动形式的要求。
（2）工作条件的要求：
例如工作环境、场地、工作制度等。
（3）工作性能要求：
保证工作可靠、传动效率高等。
（4）结构工艺性要求；如结构简单、尺寸紧凑、使用维护便利、工艺性和经济合理等。
电液脉冲马达的选择及运动参数的计算
许多机械加工需要微量进给。
要实现微量进给，步进电机、直流伺服交流伺服电机都可
作为驱动元件。
对于后两者，必须使用精密的传感器并构成闭环系统，才能实现微量进给。
在闭环系统中，广泛采用电液脉冲马达作为执行单元。
这是因为电液脉冲马达具有以下优点：
1）直接采用数字量进行控制
（2）转动惯量小，启动、停止方便；
（3）成本低；
（4）无误差积累；
（5）定位准确；
（6）低频率特性比较好；
（7）调速范围较宽；
采用电液脉冲马达为驱动单元，其机构也比较简单，主要是变速齿轮副、滚珠丝杠副，以克服爬行和间隙等不足。
通常步进电机每加一个脉冲转过一个脉冲当量；但由于其脉冲当量一般较大，如，在数控系统中为了保证加工精度，广泛采用电液脉冲马达的细分驱动技术。
1）电液脉冲马达电机的选择
按照工作要求和条件选Y系列一般用途的全封闭自扇冷鼠笼型三相异步电机。
2）选择电液脉冲马达的额定功率
马达的额定功率应等于或稍大于工作要求的功率。
额定功率小于工作要求，则不能保证工作机器正常工作，或使马达长期过载、发热大而过早损坏；额定功率过大，则马达价格高，并且由于效率和功率因素低而造成浪费。
轴承的选用
滚动轴承是现代机器中广泛应用的部件之一。
它是依靠主要元件的滚动接触来支撑转动零件的。
与滑动轴承相比，滚动轴承摩擦力小，功率消耗少，启动容易等优点。
并且常用的滚动轴承绝大多数已经标准化，因此使用滚动轴承时，只要根据具体工作条件正确选择轴承的类型和尺寸。
验算轴承的承载能力。
以及与轴承的安装、调整、润滑、密封等有关的“轴承装置设计”问题。
轴承的游隙及轴上零件的调配
轴承的游隙和欲紧时靠端盖下的垫片来调整的，这样比较方便。
滚动轴承的配合
滚动轴承是标准件，为使轴承便于互换和大量生产，轴承内孔于轴的配合采用基孔制，即以轴承内孔的尺寸为基准；轴承外径与外壳的配合采用基轴制，即以轴承的外径尺寸为基准。
滚动轴承的润滑考虑到电动刀架工作时转速很高，并且是不间断工作，温度也很高。
故采用油润滑，转
速越高，应采用粘度越低的润滑油；载荷越大，应选用粘度越高的。
第三章控制系统设计
系统方案设计构成
本系统包括机械部分和伺服电机控制两部分。
根据所给的要求，拟用开环控制结构设计方案，其开环系统结构原理如图。
单片机
光电
环形
功率
驱动
执行
耦
合
分配器
放大
器
机构
机构
具体原理：
编写单片机指令，通过扫描键盘输入的数字记录需要转动的角度，然后计算需要输出的脉冲，用软件的方法实现脉冲的输出，然后由光电耦合电路减小外部的干扰，接着用环行分配器使各相绕组按一定的顺序通电，由功率放大电路实现功率的放大，然后接步进电动机，通过连轴器把力矩传到蜗杆、蜗轮减速器。
由于蜗轮与回转工作台以传动轴相连接，具有相同的角速度，使得蜗轮的转动带动回转工作台的转动。
理论上，回转工作台的转动角位移精度由微机发出的电平信号来控制。
单片机
本设计选用8031芯片，片内无ROM或者EPROM，使用时必须配置外部的程序存储
器EPROM。
本设计选用了2764扩展其空间，8031的引脚分3大功能：
（1）I/O口线
P0,P1,P2,P3共4个八位口。
（2）控制口线
PSEN片（外取指控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存储器选择）、RESE（T复位控制）。
（3）电源和时钟。
8031最小应用系统。
8031内部不带ROM，需要外接EPROM作为外部程序存储器。
又因为8031在外接程序存储器或数据存储器时地址的低8位信息和数据信息分时送出，故还需要采用一片74LS373来锁存低8为地址信息。
这样，一片2764EPROM和一片74LS373组成了一个最小的计算机应用系统。
如图
MCS-51的程序存储器空间与数据存储器空间是相互独立的。
用户可最多扩展到64kb的程序存储器几64kb的数据存储器，编址为0000H~FFFFH。
片内8kb单元地址要求地址线13根（A0~A12）。
它由P0和~组成。
地址锁存器的锁存信号为ALE。
程序存储器的取地址消耗为PSEN。
由于程序存储器芯片只有一片，所以其片选端（31）直接接地。
8031芯片本身的连接31必须接地来表明选择外部存储器外，还必须有复位和时钟电路。
在此系统中有P1、P3口作为用户I/O口使用；74LS373为地址锁存器，他是一片三态输出8D触发器，当OE=1时三态门导通，输出线上为8为锁存器的状态。
当OE=1时输出为高住抗转台。
G为锁存信号输入线，G=1时锁存器输出等于D端输入，G输入短跳变将输入信息锁存到8为锁存器中。
当8031在访问外部程序存储器时，P2口输入高8为地址：
P6口分时传送底8为地址和指令字节。
在ALE为高电平时，P0口输出的地址有效，并由ALE的下降沿锁存到地址锁存器中，此时外部程序存储器宣统信号线PSEN出现低电平，选通相应的外部。
EPROM存储器；相应的指令字节出现在EPROM的数据线（O0~O7）上，输入到P0口，CPU将指令字节读入指令寄存器。
光电耦合为了防止强电干扰及其干扰信号通过I/O控制电路进入计算机，影响其工作，通常的办法是实现采用滤波吸收，控制干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办法，使微机与强电部件不共地，中断干扰信号的传导，光电隔离电路主要有光电耦合器的光电转换元件组成。
如图
控制输出时，危机输出的控制信号经74LS04非门反相后，加到光电耦合器G的发光二极管正端。
当控制信号为高电平时，经过反相加到发光二极管正端的电平为低电平，因此，发光二极管不导通，没有光发出。
这时光敏三极管截止，输出信号几乎等于加在光敏三极管集电极上的电源电压。
当控制信号为低电平时，发光二极管导通并发光，光敏三极管接收发光二极管发出的光而导通，于是输出端的电平几乎等于零。
环形分配器
步进电动机的各相绕组必须按一定的顺序通电才能正常工作。
这种使电动机按一定规律变化的部分称为脉冲分配器。
实现环形脉冲分配器功能有两种：
一种是纯软件方法，即完全用软件来实现相序的分配，直接输出各相导通或截止的信号；其电路图如图
8031
本设计以五相十拍电机为控制对象，它的通电方式为
AB-ABC-BC-BCD-CD-CDE-DE-DEA-EA，-E共AB有10个通电状态。
如果P1口输出的控制信号中，0代表绕组通电，1代表使绕组断电，则可用10个控制字来对应这10个通电状态。
这10个控制字如下表
通电状
态
（E）
（D）
（C）
（B）
（A）
控控制
字
AB
1
1
1
0
0
FCH
ABC
1
1
0
0
0
F8H
BC
1
1
0
0
1
F9H
BCD
1
0
0
0
1
F1H
CD
1
0
0
1
1
F3H
CDE
0
0
0
1
1
E3H
DE
0
0
0
1
1
E7H
DEA
0
0
1
1
1
E6H
EA
0
1
1
1
0
EEH
EAB
0
1
1
0
0
ECH
在程序中，只要依次将这10个控制字送到P1口，步进电动机就会转动一个齿距角。
每送一个空子就完成一拍，步进电动机转过一个步距角。
程序就是根据这个原理进行设计的。
功率放大器
从计算机输出口或从环形分配器输出的信号脉冲电流一般只有几个毫安，不能直接驱动步进电动机，必须采用功率放大器将脉冲电流进行放大，使其增大到几至十几安培，从而驱动电动机运转。
由于电动机各相绕组都是绕在铁心上的铁圈。
所以电感较大，绕组通电时，电流上升受到限制，因而影响电动机各相绕组电流的大小。
绕组断电时，电感中磁场的储能元件将维持绕组中已经有的电流不能突变。
在绕组断电时会产生反电动势。
为使电流尽快衰减并释放反电动势必须增加适当的续流回路。
本设计采用单电压功率放大电路，如图
T
Tq
步进电动机的距频特性
步进电动机的输出转距随频率升高而下降的原因可以这样接受：
由于有绕组电感的一向，绕组中电流的波形如上所示，电流上升需要一定的时间，电流上升的驱动电流的时间常数τa为
τa=L/Ra
L绕组的电感；
Ra——通电回路的总电阻，包括绕组线圈电阻，限流电阻R1和晶体管结电阻。
电流下降时放电回路的时间常数τb
τb=L/Rb
L绕组的电感
Rb——通电回路的总电阻，包括绕组线圈电阻，耗能电阻R2晶体管结电阻。
本设计考虑的精度原因，选取R1=R2=10Ω
程序
主流程图：
键盘扫描
记录输入的数据
计算程序，算出
步进电机的步数等待键盘输入
循环产生脉冲
中断时间到响应中
断，停止脉冲输出
键盘子程序：
KEY：
LCALLKS2
；检查有闭合键否
JNZMK1
；A非0，有键闭合则转
LJMPMK7
；无键闭合转返回
MK1：
LCALLDELAY-12ms
；有键闭合，则延时12ms
LCALLDELAY-12ms
；消抖
LCALLKS2
；再次检查有键闭合
JNZMK2
；若有键闭合则转
LJMPMK7
；若无键闭合则转返回
MK2：
MOVP1，#0F0H
；发行线全扫描信号，列线全1
MOV
A，P1
；读入列状态
ANL
A，#0F0H
；保留高4位
CJNE
A，#0FOH，MK3
；有键按下则转
LJMP
MK7
；无闭合键转返回
MK3：
MOV
R2，A
；保存列值
ORL
A，#0FH
；列线信号保留，行线全
MOV
P1，A
；从列先输出
MOV
A，P1
；读入P1口状态
ANL
A，#0FH
；保留行线值
ADD
A，R2
；将行线值和列线值合并
MOV
R2，A
；暂存与R2中
MOV
R3，#00H
；R3存键值
MOV
DPTR，#TABE
；指向键值表首地址
MOV
R4，#10H
；查找次数送R4
MK4：
CLR
A
MOVC
A，@A+DPTR
；表中值送入A
MOV
70H,A
；暂存与70H单元中
MOV
A,R2
；键特征值送入A
CJNE
A,70H,MK6；
未查到则转
MK5:
LCALLDELAY-12ms
；扫描1遍显示器
LCALLKS2
还有键闭合否
JNZ
MK5
；若键未释放，则等待
LCALLDELAY-12ms；若键已释放，则延时12ms
LCALLDELAY-12ms；消抖
MOVA,R3
；将键值存入A中
RET
；返主
MK6:
INCR3
；键值加一
INC
DPTR
；表地址加1
DJNE
R4,MK4
；未查到，反复查找
MK7:
MOVA,#0FFH
；无闭合键标志存入A中
RET
；返主
KS2:
MOVP1,#0FOH
；闭合键判断子程序
MOV
A,P1
；发全扫描信号，读入列线值
ANL
A,#0FOH
；保留列线值
CPL
A
；取反，无键按下全0
RET
；返主
TABE:
DB01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08H
DB09H,00H,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH
ABC:
DBOFCH,OF8H,OF9H,OF1H,0F3H
DBOE3H,0E7H,0E6H,0EEH,0ECH
等待键盘再次输入：
中断就跳到在这里
HERECJNEA,#FFHK
总结
为期三周的机电一体化课程设计在这里终于改一段落了，由于自己的知识有限，这次的课程设计遇到了不少问题，很多地方也有欠缺，不过这个过程还是使我受益匪浅。
通过这次的课程设计使我加深了对理论知识的理解，并且对于之前的实习及课程设计有了更深刻的认识
课程设计是我们在完成之前的教学计划所规定的全部课之后，综合运用所学过的全部理论知识与实践相结合的实践性数学环节。
它培养我们进行综合分析和提高解决实际问题的能力，从而达到巩固，扩大，深化所学知识的目的，它培养我们调查研究熟悉有关技术政策，运用国家标准，规范，手册，图册等工具书，进行设计计算，数据处理，编写技术文件的独立工作能力。
通过我学到了很多，初步的让我认识到理论和实践相结合的重要。
除了巩固了所学的理论知识外，还学到不少的新知识和新方法。
通过本次的设计使我对CAXA操作更熟练，
能够完整的画出单片机接线图图纸。
刚开始做这个设计的时候，我几乎是无从下手的.在同学的指导和自己不断的错误和摸索下找到了一定的方法.不过在做这个设计的时候还是遇到了很多问题，如在控制设计的时候对接线图的设计处理不当，遗漏了很多解口问题等等。
设计控制程序时,遗漏了延时程序,这些错误我用了很长的时长的时间才做好,幸好还是完成了这次设计,使自己对数控机床的工作台有了一定的认识,但我对它里面的很多机械部
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