数控车床系统XY工作台与控制系统的设计

数控车床系统XY工作台与控制系统的设计

学 院：自动化与电力学院 专 业：机电一体化 班 级： 姓 名： 学 号： 指导教师： 日 期： 至

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数控车床系统XY工作台与控制系统的设计

摘 要

当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到

了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。

关键字：机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势

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目 录

第一章 前言 ·························································································· 第二章 课程设计的目的、意义及要求 ···············································

第一节 课程设计的目的、意义 ············································································· 第二节 课程设计的要求 ·························································································

第三章 课程设计的内容 ·······································································

第一节 课程设计的内容 ························································································· 第二节 课程设计的内容 ··········································································

第四章 数控系统总体方案的确定 ······················································· 第五章 机械部分设计 ···········································································

第一节 确定系统脉冲当量 ····················································································· 第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算 ····························································· 第三节 滚动导轨副的计算、选择 ········································································· 第四节 滚珠丝杠计算、选择 ················································································· 第五节 齿轮计算、设计 ························································································· 第六节 步进电机惯性负载的计算 ········································································· 第七节 步进电机的计算选择 ·················································································

第六章 机床数控系统硬件电路设计 ···················································

第一节 设计内容 ····································································································· 第二节 设计步骤 ····································································································· 第三节 机床数控系统硬件电路设计 ·····································································

第七章 系统控制软件设计 ··································································· 第八章 结束语与致谢 ··········································································· 第九章 参考文献 ···················································································

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第一章 前言

一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状

在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。

装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。 （一）、数控技术的发展趋势。

数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面: (1)、 高速、高精加工技术及装备的新趋势

效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ min ,甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ min左右。目前世界上许多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床的加工精度已由 10μm提高到 5μm ,精密级加工中心则从 3～5μm ,提 高到 1～1.5μm并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1μm 。为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。 (2) 、5 轴联动加工和复合加工机床快速发展

采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展。

(3) 、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势

21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、

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虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。 （二）、对我国数控技术及其产业发展的基本估计

我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。 （三）、对我国数控技术和产业化发展的战略思考 (1) 、战略考虑。我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。

(2)、发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。

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第二章 课程设计的目的、意义及要求

第一节 课程设计的目的,意义

《机电一体化系统设计》课程设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：

1. 能够正确运用《机电一体化系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；

2. 通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；

3. 通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；

4. 通过课程设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。

第二节 课程设计的要求：

1. 课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭； 2. 认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求； 3. 认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、标准； 4. 大胆创新，确定合理、可行的总体设计方案；

5. 机械部分和驱动部分设计思路清晰，计算结果正确，选型合理； 6. 微机控制系统方案可行，硬件选择合理，软件框图正确； 7. 手工或电脑绘制机械系统装配图一张（A1），控制系统电气原理一张（A1），图纸符合国家标准，布图合理，内容完整表达清晰； 8. 课程设计说明书一份（不少于8000字），包括：目录，题目及要求，总体方案的确定，机械系统设计，控制系统设计，参考文献等。设计说明书应叙述清楚、表达正确、内容完整、技术术语符合标准。

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第三章 课程设计的内容

第一节 课程设计题目：单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。

已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击 工作台的有效行程为Lx?400mm LY?400mm快速进给速度vxmax?2000mm/min vymax?2000mm/min 和工作载荷FZ?2000N

第二节 课程设计的内容

1.数控装置总体方案的确定

(1).数控装置设计参数的确定； (2).方案的分析，比较，论证。 2.机械部分的设计

(1).确定脉冲当量；

(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算； (3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用； (4).确定伺服电机；

(5).绘制机械结构装配图； (6).系统等效惯量计算； (7).系统精度分析。

3.数控系统的设计

(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计； (2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用； (3).系统控制软件的设计

4.编写课程设计说明书

(1).说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确

定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明；

(2).说明书不少于84字，尽量用计算机完成。

5.图纸

(1).机械结构装配图，A0图纸1张。要求视图基本完整，符合标准。其中至少要有一

个坐标轴的完整剖视图；

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第四章 数控系统总体方案的确定

数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。

1. 系统运动方式的确定

该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。 2. 伺服系统的选择 开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。

.考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。 3. 计算机系统的选择

采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。 4. X—Y工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。

考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下:

X向工作台 计 算 机 光电隔离 功率放大 步进 电机 光电隔离 功率放大 8

步进 电机 Y向工作台

第五章 机械部分设计

机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。

第一节 确定系统脉冲当量

脉冲当量δp是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。

第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算

根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。 取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:

工作台简图

X向拖板(上拖板)尺寸为:

长*宽*高=420*410*50 重量:按重量=体积*材料比重估算为:

Wx= 420?410?50?10?3?7.8?10?2?671.58N Y向拖板(下拖板)尺寸为: 420?400?50

重量WY=420?400?50?10?3?7.8?10?2?655.2N

上导轨(含电机)重量为

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(900?480?8?2?800?35?50)?7.8?10?2?10?3?487.97N

夹具及工件重量:约155N

X-Y工作台运动部分总重量为:

W?487.97?655.2?671.58?155?2000N

第三节 滚动导轨副的计算、选择

根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)； fSL=1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨： 因系统受中等冲击,因此取fsL?4.0

CO?fSLPX,YPX,Y?0.5(FZ?WX,Y)

Px=0.5(FZ+WX)=0.5(2000+671.58)=1335.79NPY=0.5(FZ+WY)=0.5(2000+655.2)=1327.6NCOX=fSLPX=4?1335.79=5343.16NCOY=fSLPY=4?1327.6=5310.4N根据计算额定静载荷初选导轨:

选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25 基本参数如下: 额定载荷/N 静态力矩/N*M 滑座重导轨重导轨长度 量 量 动载荷 静载荷 L Kg Kg/m TA TB TC (mm) Ca Co 17500 26000 滑座个数 M 4 导轨的额定动载荷Ca?17500N

依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷Ca (kN)验算导轨的工作寿命Ln：

额定行程长度寿命:

TfCTS?K(fHffW

198 198 288 单向行程长度 0.60 3.1 760 每分钟往复次数 lS 0.6 n 4 CaF)

F?FMM?20004?500

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fT?1,fW?2,fC?0.81,fH?1,K?Rdo?50Ca3F

TfCTS?K(fHffW3)?50(1?1?20.8117500)?142409.58km500导轨的额定工作时间寿命:

TH?10TH?TS2?lon3TS?1032lon

142409.58?103??494477h?T?15000h

2?0.6?4?60导轨的工作寿命足够.

第四节 滚珠丝杠计算、选择

初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm （1） 强度计算

丝杠轴向力：Fmax?KFx,y?f(Fz?Wx,y)(N)

其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。 取f=0.004,FZ?400则:

FX?0.5FZ?0.5?2000?1000NFY?0.6FZ?0.6?2000?1200NFXmax?1.15?1000?0.004(2000?671.58)?1045.686NFYmax?1.15?1200?0.004(2000?655.2)?1252.621N

寿命值：L?vmax60nT，其中丝杠转速(r/min) n?610l0T?15000hn?L?vmax2000??400r/min l0560?400?15000?360106最大动载荷：Q?3LfHfWF

式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。 查表得中等冲击时fW?1.2,fH?1则:

QX?3360?1.2?1?1045.686?7079.58NQY?360?1.2?1?1252.621?10686.54N3

根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝

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杠的型号为: CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。 其基本参数如下:

其额定动载荷为14205N> Qy足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.

滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表

名称 计算公式 公称直径d0 螺距t 接触角? 钢球直径db 螺纹滚道法向半径R 偏心距e 螺纹升角? 螺杆外径d ―― ―― ―― ――

结果 20mm ５mm 450 3.175mm 1.651mm 0.04489mm 4033' R?0.52db e?(R?db?2)sin? ??arctgt ?d0d?d0?(0.2~0.25)db 12

19.365mm

螺杆内径d1 螺杆接触直径d2 螺母螺纹外径D 螺母内径（外循环）D1

（2） 传动效率计算

d1?d0?2e?2R d2?d0?dbcos? D?d0?2e?2R D1?d0?(0.2~0.255)db 16.788mm 17.755mm 23.212mm 20.7mm tg?

tg(???)式中：φ=10’，为摩擦角；γ为丝杠螺旋升角。

丝杠螺母副的传动效率为：??tg4033'??tg?tg(???)?tg(4033'?10')?0.96

（3） 稳定性验算

丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。

（4） 刚度验算

滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：?l1??Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算

Fl0(cm) ESFY?1252.621Nl0?0.5cmE?20.6?106(N/CM2)S??R?3.14(21.65122)?2.14CM2

?61251.82?0.5?L1??20.6?6.12?10CM?106?2.14丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差Δ为

?6100?4???L1100?6.12?10?12.24?10?12.24um?[?]El00.5级精度

丝杠允许的螺距误差[ Δ]=15μm/m。

第五节 齿轮计算、设计

因步进电机步距角?b?1.5o滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量?p?0.01mm/step,在传动系统中应加一对齿轮降速传动.

齿轮传动比： i?360?p，初选步进电机步距角：α= 1.5?/step。

? l013

i?i?360?p?loZ1Z2?360?0.010.481.5?5

取小齿轮齿数 Z1?24 则大齿轮齿数Z2?50 因传递的扭距较小,取模数m=1mm则:

分度圆直径:d1?mz1?1?24?24mm d2?mz2?1?50?50mm 齿顶圆直径: da1?(z1?2)m?(24?2)?1?26mm

da2?(z2?2)m?(50?2)?1?52mm 齿根圆直径: df1?(z1?2.5)m?(24?2.5)?1?21.5mm

df2?(z1?2.5)m?(50?2.5)?1?47.5mm 齿宽: b??dd1?1?24?24mm 取b1?25b2?30 中心距: a?0.5(d1?d2)?0.5(24?50)?37mm 分度圆压力角: ??200

大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮

小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙.

双片齿轮错齿消隙结构图如下:

1、2--薄齿轮, 3—弹簧, 4、8—凸耳, 5—调节螺钉, 6、7—螺母

双片齿轮错齿消隙结构图

第六节 步进电机惯性负载的计算

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根据等效转动惯量的计算公式，有： （1）等效转动惯量的计算

折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：

?p2z12Jq?J0?J1?()(J2?J3)?M()? z2?b180式中：Jq为折算到电机轴上的惯性负载；J0为步进电机轴的转动惯量；J1为齿轮１的转动惯量；

J2为齿轮２的转动惯量；J3为滚珠丝杠的转动惯量；Ｍ为移动部件的质量。 对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：

J?0.78?10?3?D4?L

式中D为圆柱零件直径，L为圆柱零件的长度。 所以有：

J1?0.78?10?3?2.44?2.5?6.47?10?2kg.cm2J2?0.78?10?3?5.04?3.0?146.25?10?2kg.cm2J3?0.78?10?3?2.04?30?37.44?10?2kg.cm2

电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：

2420.012?2Jd?6.47?10?()(146.25?37.44)?10?200()?0.7793kg.cm23.1450?1.5180?2第七节 步进电机的选用

(１）步进电机启动力矩的计算

设步进电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：

T???Ps

式中?为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移，Ｓ＝?p，且P?Ps??(G?Pz)。所以：

?为机械传动的效率。若取???b，则

T?36?p[Ps??(G?Pz)]2???b15

式中：P，G为移动部件质量（N），Ps为移动部件负载（N）z为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N），?为导轨摩擦系数，?b为步进电机的步距角（rad）,T为电机轴负载力矩（N.cm）。

取?=0.3（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），

?＝０.8，Ps=PH=279.23Ｎ。考虑到重

力影响，Ｙ向电机负载较大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：

T?36?0.01[1251.82?0.03?(2000?1800)]2?3.14?1.5?0.8?65.25n.cm

考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：

TTQ?0.3~0.5

取系数为０.３，则： Tq?65.25?163.12n.cm

0.4Tq对于工作方式为三相６拍的步进电机：

Tjmax?fmax0.866?163.120.866?188.36n.cm

(２） 步进电机的最高工作频率

vmax1000???1667 60?p60?0.01为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率fmax,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机. 电机有关参数如下: 主要技术参数 最大静相电转矩型号 步距电压 空载启相数 流 Tjmax 角 (V) 动频率 (A) (n.m) 90BF001 外直径 90 16

空载运行频率 8000 分配方式 4 0.9 80 7 3.92 2000 重量 kg 4.5 4相8拍 外形尺寸(mm) 长度 145 轴直径 9 转子转动惯量 Kg.m 1764

第六章 数控系统硬件电路设计

第一节 设计内容

１.按照总统方案以及机械结构的控制要求，确定硬件电路的方案，并绘制系统电气控制的结构框图；

２.选择计算机或中央处理单元的类型；

３.根据控制系统的具体要求设计存储器扩展电路；

４.根据控制对象以及系统工作要求设计扩展Ｉ／Ｏ接口电路，检测电路，转换电路以及驱动电路等；

５.选择控制电路中各器件及电气元件的参数和型号；

６.绘制出一张清晰完整的电气原理图，图中要标明各器件的型号，管脚号及参数； ７.说明书中对电气原理图以及各有关电路进行详细的原理说明和方案论证。

第二节 设计步骤

１.确定硬件电路的总体方案。

数控系统的硬件电路由以下几部分组成： 1．主控制器。即中央处理单元CPU

2．总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。

3．存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。 4．接口。即I/O输入输出接口。

数控系统的硬件框图如下所示：

中央处理单

元CPU

存储器RAM

ROM

输入/输出 I/O接口 信号变换

控制对象

２.主控制器ＣＰＵ的选择 17

外设： 键盘，显示器，打印机，磁盘机，通讯接口等

ＭＣＳ－５１系列单片机是集中ＣＰＵ，Ｉ／Ｏ端口及部分ＲＡＭ等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用８０３１芯片作为主控芯片。

３.存储器扩展电路设计

(１）程序存储器的扩展

单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用ＥＰＲＯＭ芯片。其型号有： 2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为２k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考虑ＣＰＵ与ＥＰＲＯＭ时序的匹配。８０３１所能读取的时间必须大于ＥＰＲＯＭ所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择２７６４芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。

单片机规定Ｐ0口提供８为位地址线，同时又作为数据线使用，所以为分时用作低位地址和数据的通道口，为了把地址信息分离出来保存，以便为外接存储器提高低８位的地址信息，一般采用７４ＬＳ３７３芯片作为地址锁存器，并由ＣＰＵ发出允许锁存信号ALE的下降沿，将地址信息锁存入地址锁存器中。

由以上分析，采用２７６４EPROM 芯片的程序存储器扩展电路框图如下所示：

P1.7 ↓ P1.0 P2.4 ↓ P2.0 译码电路 CE A12 ↓ A8 2764 A7 ↓ A0

ALE P0.7 ↓ P0.0 G 74LS372 PSEN OE D7 ↓ D0 EA 扩展2764电路框图

(２）数据存储器的扩展

18

由于８０３１内部ＲＡＭ只有１２８字节，远不能满足系统的要求。需要扩展片外的数据存储器。单片机应用系统数据存储器扩展电路一般采用6116,6262静态RAM数据存储器。本次设计选用６２６４芯片作为数据存储器扩展用芯片。其扩展电路如下所示：

P2.4 ↓ P2.0 译码电路 CE1 A12 ↓ A8 A7 ↓ 6264 A0 D7 ↓ D0 ALE P0.7 ↓ P0.0 G 74LS372 EA WR WEOE OE

扩展6264电路框图

RD (３）译码电路

在单片机应用系统中，所有外围芯片都通过总线与单片机相连。单片机数据总线分时的与各个外围芯片进行数据传送。故要进行片选控制。由于外围芯片与数据存储器采用统一编址，因此单片机的硬件设计中，数据存储器与外围芯片的地址译码较为复杂。可采用线选法和全地址译码法。线选法是把单独的地址线接到外围芯片的片选端上，只要该地址线为低电平，就选中该芯片。线选法的硬件结构简单，但它所用片选线都是高位地址线，它们的权值较大，地址空间没有充分利用，芯片之间的地址不连续。对于ＲＡＭ和Ｉ／Ｏ容量较大的应用系统，当芯片所需的片选信号多于可利用的地址线的时候，多采用全地址译码法。它将低位地址作为片内地址，而用译码器对高位地址线进行译码，译码器输出的地址选择线用作片选线。

本设计采用全地址译码法的电路分别如下图所示： （4）存储器扩展电路设计

8031单片机所支持的存储系统起程序存储器和数据存储器为独立编址。

该设计选用程序存储器2764和数据存储器6264组成8031单片机的外存储器扩展电路， 单片机外存储器扩展电路如下： （5）Ｉ／Ｏ扩展电路设计

(a).通用可编程接口芯片８１５５

８０３１单片机共有４个８位并行Ｉ／Ｏ接口，但供用户使用的只有Ｐ1口及部分Ｐ3 口线。因此要进行Ｉ／Ｏ口的扩展。８１５５与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。8155Y与8031的连接方式如下图所示

19

(b).键盘，显示器接口电路

键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，数控系统都采用行列式键盘，即用Ｉ／Ｏ口线组成行，列结构，按键设置在行列的交点上。

数控系统中使用的显示器主要有ＬＥＤ和ＬＣＤ。下图所示为采用８１５５接口管理的键盘，显示器电路。它有４Ｘ８键和６位ＬＥＤ显示器组成。为了简化秒电路，键盘的列线及ＬＥＤ显示器的字位控制共用一个口，即共用８１５５的PＡ口进行控制，键盘的行线由８１５５Ｃ口担任，显示器的字形控制由8155的PB口担任。

键盘显示器接口电路如下所示：

4．步进电机驱动电路设计

(1）脉冲分配器

步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。采用YB013硬件环行分配器的步进电机接口线路图如下：

（2）光电隔离电路

在步进电机驱动电路中，脉冲分配器输出的信号经放大后控制步进电机的励磁绕组。如果将输出信号直接与功率放大器相连，将会引起电气干扰。因此在接口电路与功率放大器间加上隔离电路实现电气隔离，通常使用光电耦合器。光电耦合器接线图如下：

（3）功率放大器

脉冲分配器的输出功率很小，远不能满足步进电机的需要，，必须将其输出信号放大产生足够大的功率，才能驱动步进电机正常运转。因此必须选用功率放大器，需根据步进电机容量选择功率放大器。本设计选用功率放大器。

5．其它辅助电路设计

（１）８０３１的时钟电路

单片机的时钟可以由两种方式产生：内部方式和外部方式。

内部方式利用芯片的内部振荡电路，在XTAL1,XTAL2引脚上外接定时元件，如下图所示。晶体可以在１.２～１２之间任意选择，耦合电容在５～３０pF之间，对时钟有微调作用。采用外部时钟方式时，可将XTAL1直接接地，XTAL2接外部时钟源。

8031 XTAL1 XTAL2 时钟电路

（２）复位电路

单片机的复位都是靠外部电路实现。在时钟工作后，只要在ＲＥＳＥＴ引脚上出现 １０ms以上的高电平，单片机就实现状态复位，之后ＣＰＵ便从００００Ｈ单元开始执行程序。在实际运用中，若系统中有芯片需要其复位电平与８０３１复位要求一致时，可以直接相连。当晶振频率选用６ＭＨz时，复位电路中Ｃ取２２?Ｆ，Ｒ取２００?，RK取

20

１０００?。实用复位电路图如下所示： （３）越界报警电路

为了防止工作台越界，可分别在极限位置安装限位开关。利用光电耦合电路，将行程开关接至发光二极管的阴极，光敏三极管的输出接至８０３１的Ｉ／Ｏ口Ｐ1.0。当任何一个行程开关被压下的时候，发光二极管就发光，使光敏三极管导通，由低电平变成高电平。８０３１可利用软件设计成查询的方法随时检查有无越界信号。也可接成从光敏三极管的集电极输出接至８０３１的外部中断引脚（ＩＮＴ０或ＩＮＴ１），采用中断方式检查越界信号。越界报警电路如下图所示

第三节 机床数控系统硬件电路设计

该系统选用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作为主控制器。扩展存储电路为一片2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为４Ｋ，数据存储器扩展为８Ｋ。

２７３２的片选控制端CE直接接地，该电路始终处于选中状态。系统复位以后，CPU从0000H开始执行监控程序。6264的片选端CE由译码器（74LS138）的Y2输出提供。所以6264的空间地址为4000 ～５ＦＦＦＨ。

系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选 端CE接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H—80FFH。

8155的A口为控制工作抬X，Y向电机的接口。为防止功率放大器高电压的干扰，不步进电机接口与功率放大器之间采用光电隔离。

键盘与显示器设计在一起，8155的PC口担任键盘的列线及显示器的扫描控制；PB口的PB0—PB3为键盘的行线。8031的P1口为显示器的字形输出口。该系统采用4X6共24个行列式键盘和6位8段共阴极LED显示器。为了增加数码管显示亮度，分别在字形口和字位口加74LS07进行驱动。

PB口剩余的I/O线PB4—PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4—PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。

另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。数控系统总的电气原理图以及图中各元件的参数和型号见附（二），附（三）。

21

第七章 系统控制软件的设计

(一).系统控制软件的主要内容

数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分： 1、系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要

是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。

2、零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序

的任务。

3、插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。

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，转角以及方向。

诊断程序。包括移动不见移动超界处理，紧急停机处理，系统故障诊断，查错等功能。

6、机床的自动加工及手动加工控制程序。

7、键盘操作和显示处理程序。包括监视键盘操作，显示加工程序、机床工作状态、操作命令等信息。

(二).软件设计

1.系统控制功能分析

数控X-Y工作台的控制功能包括： （1）、系统初始化。如对I/O接口8155，8255A进行必要的初始化工作，预置接口工作方式控制字。 （2）、工作台复位。开机后工作台应该自动复位，亦可手动复位。 （3）、输入和显示加工程序。 （4）、监视按键，键盘及开关。如监视紧急停机键及行程开关，键盘扫描等功能。 （5）、工作台超程显示与处理。工作台位移超过规定值时应该立即停止工作台的运动，并显示相应的指

示字符。 （6）、工作台的自动控制。 （7）、工作台的手动控制。 （8）、工作台的联动控制。 2.系统管理程序控制

管理称许是系统的主程序，开机后即进入管理程序。其主要功能是接受和执行操作者的命令。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X-Y工作台的基本操作功能有：输入加工程序，自动加工，刀位控制，工作台位置控制，手动操作，紧急停机等。根据以上分析，设计管理程序流程图如下所示：

开始

系统初始化

机床复位

22

N 加工数据输入 N Y 自动加工键按下？ 自动加工

N 手动调整 手动加工 Y 键按下？ Y N 管理程序流程

3.自动加工程序设计

（1）机床在自动加工时的动作顺序：工作台移动到位→刀具快速进给→加工→退刀→工作台运动到下

一位置；

（2）计算机在加工过程中的操作：读取刀具轨迹，控制机床完成加工； （3）由以上分析，设计自动加工程序框图如下所示： 入口 零件坐标地址指 读零件坐标 调步进电机子程序 工作台移动到位 刀具快进 加工 23

快速退刀 零件坐标地址 指针加1 零 件 加 N 工完成 Y 返回

4.步进电机控制子程序设计

步进电机的控制包括速度，转角及方向的控制。步进电机在突然启动或停止时，由于负载和惯性，会使电机失步，所以电机运行时有一个加，减速过程。

通过确定进给脉冲数和脉冲时间间隔，即可实现步进电机转角与速度的控制。 （1）时间常数的确定

在步进电机控制程序中，利用单片机的定时器中断，延时产生进给脉冲的时间间隔。此间隔由送入定时器的时间常数决定。时间常数由下式计算：

T?10?3Te?te?10?6

式中：T为脉冲时间间隔（ms）；te为单片机机器周期（?s），在时钟为6MHz时，te=2?s。 （2）步进电机加，减速进给脉冲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。 要使步进电机不失步，应满足：

Tm?Tg?TI

式中：Tm为步进电机启动力矩；Tg为负载力矩；TI为惯性力矩。 由步进电机Tjmax=3.92N.m，取步进电机的加速启动力矩

TM?Tjmax?0.866?0.3?392?0.866?0.3?101.84

则使步进电机不失不的惯性力矩

TI?Tm?Tg?101.84?96.57?5.27N.cm

步进电机角加速度

24

TI5.27?10?22????676.25(rad/s)

?4Jd0.7793?10fmaxd?df????b??b又

dtdttm

式中：tm为上升到步进电机最高频率所需时间，所以有：

2?1.5?1667?fmax360?64.5(ms)tm??b? ?676.2511?3n?ft??1667?64.5?10?53.76 max加速脉冲个数：m22确定加减脉冲个数都为54个 又因为：n?0.5ftn?0.5(fmaxtn)tn tm所以脉冲时刻tn?2tmnmfmax T?10?3结合Te?te?10?6可以算出对应各脉冲时刻的计数器时间常数。

EPROM存储器中，时间常数依次安排在首地址为1000H的存储单元中，每个时间常数占据两个字节，低位地址存放时间常数低8位，高位地址存放时间常数高8位。

在程序中，设置加速，恒速，减速脉冲计数器N0，N1，N2。以计数器的值是否为0作为相应过程是否结束的标志。步进电机控制程序框图如下所示： 步进电机控制子程序：

开始 中断初始化 设时间常数地址指针 首地址指向1000H 25

加速 减速 脉冲计数器赋初值 恒速

送时间常数至计数器中

N Y 开中断 关中断？ 启动定时器

步进电机控制中断服务程序：

中断服务程序入口

送时间常数

步进电机进

N0=0？

返回 N1=0？ 时间常数地址指针加1 N1←N1-1 N2=0？ N0←N0-1 时间常数地址指针加1 关中断 26

N2←N2-1

中断返回 5.编语言程序设计 （1）内存地址分配

加速脉冲数计数器N0地址设为20H；

恒速脉冲数计数器N1低8位字节地址为21H，高8位字节地址位22H； 减速脉冲数计数器N2地址位23H。

加速，减速，恒速脉冲总数寄存器N低位字节地址位24H，高位字节地址位25H；

步进电机进给控制子程序FEED首地址位0E80H。每调用一次该程序，步进电机按规定方向进给一步。 （2）程序清单

N0 EQU 20H ;加速 N1L EQU 21H ;恒速 N1H EQU 22H

N2 EQU 23H ;减速

NL EQU 24H ;脉冲总数寄存器 NH EQU 25H

DS EQU 26H ；地址指针偏移量 FEED EQU 0E80H ORG 0E00H

0E00 758160 START： MOV P，#60H

0E03 758901 MOV TMOD，#01H ；设计数器工作方式为1，16位定时器 0E06 75201B MOV N0，#01A4H ；设N0为320 0E09 75231B MOV N2， #1A4H

0E0C E520 MOV A ， N0 ；计算2XN0 0E0E 23 RL A

0E0F F8 MOV R0， A

0E10 C3 CLR C ；计算N1=N-2N0 0E11 E524 MOV A， NL 0E13 98 SUBB A， R0 0E14 F521 MOV N1L， A 0E16 E525 MOV A， NH 0E18 9400 SUBB A，#00H 0E1A F522 MOV N1H，A

0E1C 901000 MOV DPTR， #1000H ；设时间常数指针初值为1000H 0E1F 752600 MOV DS， #00H ；设地址偏移量初值为00H 0E22 93 MOVC A, @A+DPTR ；从EPROM中读时间常数 0E23 F58A MOV TL0， A ；送时间常数至定时器0中 0E25 0526 INC DS 0E27 E526 MOV A，DS

27

0E2 93 MOVC A，@A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A 0E2C 0526 INC DS

0E2E D2AF SETB EA ；开中断允许

0E30 D2A9 SETB ET0 ；允许定时器0中断 0E32 D28C SETB TR0 ；启动定时器0开始计算 0E34 20AFFD WAIT：JB EA，WAIT ；中断允许返回 0E37 22 RET

中断服务程序： ORG 000BH 000B 02F00 LJMP 0F00H

0F00 93 MOVC A，@A+DPTR 0F03 F58A MOV TL0， A 0F05 0526 INC DS 0F07 E526 MOV A，DS

0F09 93 MOVC A，@A+DPTR 0F0A F58C MOV TH0， A

0F0C 0526 INC DS ；修改地址偏移量指针 0F0E D180 ACALL FEED ；调FEED子程序 0F10 E520 MOV A， N0 ；判断N0是否为0 0F12 B400 CJNE A， #00H， LOOP1

0F15 E52 MOV A， N1H ；判断N1是否为0 0F17 B40010 CJNE A，#00H， LOOP2 0F1A E522 MOV A，N1H

0F1C B4000B CJNE A，#00H，LOOP2

0F1F E523 MOV A，N2 判断N2是否为0 0F21 B40014 CJNE A，#00H，LOOP3

0F24 C2AF CLR EA ；N2为0 ，减速结束，关中断 0F26 32 RETI

0F27 1520 LOOP1：DEC N0 ；N0不为0，则N0←N0-1 0F29 32 RETI

0F2A E521 LOOP2：MOV A，N1L ；N1不为0，则N1←N1-1 0F2C C3 CLR C

0F2D 9401 SUBB A， #01H 0F2F F521 MOV N1L， A 0F31 E522 MOV A， N1H 0F33 9400 SUBB A，#00H 0F35 F522 MOV N1H，A 0F37 32 RETI

0F38 1523 LOOP3：DEC N2 ；N2不为0，则N2←N2-1 0F3A 32 RETI

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第八章 结束语与致谢

结束语

整个系统采用半闭环控制系统，进给系统采用了CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。以提高整个系统的精神要求。伺服系统采用了直流伺服电机通过弹性联轴器直接与滚珠丝杠连接驱动丝杠传动，而且其实轴承采用的是角接触轴承保证其主轴不窜动，采用一个深沟来保证其径向的圆跳动。用PWM脉宽调制电路来实现伺服电机电压的平均值，电路中采用了阻容滞后电路，来防止H型桥式功率放大器中两对IGBT功率管同时导通造成短路现象，能够有效的控制伺服电机的正转、反转及转速，同时为了保证一定的精度的要求，系统又采用了光电编码器作为位置检测器，来检测伺服电机的位置，通过单片机对光电编码器反馈信号处理来达到预期的精度要求。在设计中我们兼顾经济性，考虑满足精度的要求，因此对于设备及元件的选择都要求具有高精度，因此设计的成本较高。

致 谢

《毕业设计》是我在大学里的最后一门课程。通过这次毕业设计，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。并且结合生产知识，培养理论联系实际以及分析和解决工程实际问题的才能，并使大学三年所学的知识得到进一步巩固、深化和扩展。在此，我对我的论文指导老师徐勇光老师表示衷心的感谢，感谢他对我的严格要求，感谢他的监督和指导。其次我要感谢这三年里给我授课的所有老师。感谢你们传给我知识。最后还要感谢参考文献中所列书籍、文章及资料的作者。

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第八章 参考资料

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