数控回转工作台的的设计.docx

1、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

2、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 0360o；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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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，

8、 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

9、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

10、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： 100 mm（2）工作台输出精度： 2 mrad

11、（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

12、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

13、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

14、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

15、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

16、，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

17、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

18、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

19、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 0000HFFFFH。片内 8kb 单元地址要求地址 线 13 根（ A0A12）。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

20、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

21、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（ O0O7）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

22、，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

23、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AB11100FCHABC11000F8HBC11001F9HBCD10001F1HCD10011F3HCDE00011E3HDE00011E7HDEA00111E6HEA01110EEHEAB01100ECH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

24、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TTq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，

25、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 a 为 a =L/RaL 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 b b =L/RbL 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=10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：LCALL KS2；检查有闭合键否JNZ MK1；A非 0，有键闭合则转LJMP MK7；无键闭合转返回MK1：L

26、CALL DELAY-12ms；有键闭合，则延时 12msLCALL DELAY-12ms；消抖LCALL KS2；再次检查有键闭合JNZ MK2；若有键闭合则转LJMP MK7；若无键闭合则转返回MK2：MOV P1，#0F0H；发行线全扫描信号，列线全 1MOVA，P1；读入列状态ANLA，#0F0H；保留高 4 位CJNEA，#0FOH ，MK3；有键按下则转LJMPMK7；无闭合键转返回MK3：MOVR2，A；保存列值ORLA，#0FH；列线信号保留，行线全MOVP1，A；从列先输出MOVA，P1；读入 P1 口状态ANLA，#0FH；保留行线值ADDA，R2；将行线值和列线值合并MO

27、VR2，A；暂存与 R2 中MOVR3，#00H；R3存键值MOVDPTR，#TABE；指向键值表首地址MOVR4，#10H；查找次数送 R4MK4：CLRAMOVCA， A+DPTR；表中值送入 AMOV70H,A；暂存与 70H 单元中MOVA,R2；键特征值送入 ACJNEA,70H,MK6 ；未查到则转MK5:LCALL DELAY-12ms；扫描 1 遍显示器LCALL KS2还有键闭合否JNZMK5；若键未释放，则等待LCALL DELAY-12ms ；若键已释放，则延时 12msLCALL DELAY-12ms ；消抖MOV A,R3；将键值存入 A 中RET；返主MK6:INC

28、 R3；键值加一INCDPTR；表地址加 1DJNER4,MK4；未查到，反复查找MK7:MOV A,#0FFH；无闭合键标志存入 A 中RET；返主KS2:MOV P1,#0FOH；闭合键判断子程序MOVA,P1；发全扫描信号，读入列线值ANLA,#0FOH；保留列线值CPLA；取反，无键按下全 0RET；返主TABE: DB 01H,02H,03H,04H,05H,06H,07H,08HDB 09H,00H,FFH,FFH,FFH,FFH,FFH,FFHABC:DB OFCH,OF8H,OF9H,OF1H,0F3HDB OE3H,0E7H,0E6H,0EEH,0ECH等待键盘再次输入：中断

29、就跳到在这里HERE CJNE A,#FFH K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

30、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