裝配圖車床-數控車床系統(tǒng)XY工作臺與控制系統(tǒng)設計
裝配圖車床-數控車床系統(tǒng)XY工作臺與控制系統(tǒng)設計,裝配,車床,數控車床,系統(tǒng),xy,工作臺,控制系統(tǒng),設計
專業(yè)訂作機械畢業(yè)設計,機械設計課程設計,減速器設計,工藝及工裝夾具設計 聯(lián)系 QQ 834308595數控車床XY軸工作臺和控制系統(tǒng)設計摘 要我設計的是車床XY軸工作臺和控制系統(tǒng),采用單片機控制步進電動機驅動工作臺。首先確定設計的總體方案,然后對車床的機械部分進行設計,其中包括工作臺、滾動導軌、滾珠絲杠、步進電動機的設計和選用,最后對數控系統(tǒng)硬件和軟件設計。新一代的CNC系統(tǒng)這類典型機電一體化產品正朝著高性能、智能化、系統(tǒng)化以及輕量、微型化方向發(fā)展。關鍵詞:數控車床 XY工作臺 控制系統(tǒng)前 言一、當今世界數控技術及裝備發(fā)展的趨勢及我國數控裝備技術發(fā)展和產業(yè)化的現狀在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下 ,發(fā)展我國數控技術及裝備、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性 ,并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數控技術及裝備的幾點看法。裝備工業(yè)的技術水平和現代化程度決定著整個國民經濟的水平和現代化程度 ,數控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和最基本的裝備 ,又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。數控技術是用數字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術 ,而數控裝備是以數控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品 ,其技術范圍覆蓋很多領域。(一)、數控技術的發(fā)展趨勢。數控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化 ,使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征 ,而且隨著數控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大 ,他對國計民生的一些重要行業(yè) IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看 ,其主要研究熱點有以下幾個方面: (1) 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢 (2) 5 軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 (3) 智能化、開放式、網絡化成為當代數控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢(二)、對我國數控技術及其產業(yè)發(fā)展的基本估計我國數控技術起步于 1958 年 ,近 50 年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段:第一階段從 1958 年到 1979 年 ,即封閉式發(fā)展階段。在此階段 ,由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的制 ,數控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期 ,即引進技術 ,消化吸收 ,初步建立起國產化體系階段。在此階段 ,由于改革開放和國家的重視 ,以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善 ,我國數控技術的研究、開發(fā)以及在產品的國產化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間 ,即實施產業(yè)化的研究 ,進入市場競爭階段??v觀我國數控技術近 50 年的發(fā)展歷程 ,特別是經過 4 個 5 年計劃的攻關 ,總體來看取得的成績還是不小。(三)、對我國數控技術和產業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考(1) 戰(zhàn)略考慮。我國是制造大國 ,在世界產業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移 ,所以 ,我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數控技術和產業(yè)問題。首先從社會安全看 ,因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè) ,制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平 ,而且還可緩解我國就業(yè)的壓力 ,保障社會的穩(wěn)定;其次從國防安全看 ,西方發(fā)達國家把高精尖數控產品都列為國家的戰(zhàn)略物質 ,對我國實現禁運和限制 ,“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證。(2)發(fā)展策略。從我國基本國情的角度出發(fā) ,以國家的戰(zhàn)略需求和國民經濟的市場需求為導向 ,以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產業(yè)化水平為目標 ,用系統(tǒng)的方法 ,選擇能夠主導 21 世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內容 ,實現制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。強調市場需求為導向 ,即以數控終端產品為主 ,以整機如量大面廣的數控車床、銑床、高速高精高性能數控機床、曲型數字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等 帶動數控產業(yè)的發(fā)展。重點解決數控系統(tǒng)和相關功能部件 數字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產品;沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產品;當然 ,沒有規(guī)模中國的數控裝備最終難有出頭之日。一、畢業(yè)設計的目的、意義機電一體化系統(tǒng)設計畢業(yè)設計是培養(yǎng)學生設計能力的重要實踐性教學環(huán)節(jié)之一,是綜合運用所學過的機械、電子、自動控制、計算機等知識進行的基本設計訓練。其目的是:能夠正確運用機電一體化系統(tǒng)設計課程的基本理論和相關知識,掌握機電一體化系統(tǒng)(產品)的功能構成、特點和設計思想、設計方法,了解設計方案的擬定、比較、分析和計算,培養(yǎng)學生分析問題和解決問題的能力,使學生具有機電一體化系統(tǒng)設計的初步能力;通過機械部分設計,掌握機電一體化系統(tǒng)典型機械零部件和執(zhí)行元件的計算、選型和結構設計方法和步驟;通過測試及控制系統(tǒng)方案設計,掌握機電一體化系統(tǒng)控制系統(tǒng)的硬件組成、工作原理,和軟件編程思想;通過畢業(yè)設計提高學生應用手冊、標準及編寫技術說明書的能力,促進學生在科學態(tài)度、創(chuàng)新精神、專業(yè)技能等方面綜合素質的提高。二、畢業(yè)設計的內容(一)畢業(yè)設計題目:單片機控制步進電機驅動的多用XY工作臺。已知條件:定位精度:0.01mm,滾珠絲杠及導軌使用壽命:T=15000h,中等沖擊工作臺的有效行程為 快速進給速度 和工作載荷三、數控系統(tǒng)總體方案的確定數控系統(tǒng)總體方案設計的內容包括:系統(tǒng)運動方式的確定,執(zhí)行機構及傳動方案的確定,伺服電機類型及調速方案確定,計算機控制系統(tǒng)的選擇。進行方案的分析、比較和論證。(一)系統(tǒng)運動方式的確定該系統(tǒng)要求工作臺沿各坐標軸的運動有精確的運動關系因此采用連續(xù)控制方式。(二)伺服系統(tǒng)的選擇開環(huán)伺服系統(tǒng)在負載不大時多采用功率步進電機作為伺服電機.開環(huán)控制系統(tǒng)由于沒有檢測反饋部件,因而不能糾正系統(tǒng)的傳動誤差。但開環(huán)系統(tǒng)結構簡單,調整維修容易,在速度和精度要求不太高的場合得到廣泛應用??紤]到運動精度要求不高,為簡化結構,降低成本,宜采用步進電機開環(huán)伺服系統(tǒng)驅動。(三)計算機系統(tǒng)的選擇采用MCS-51系列中的8031單片機擴展控制系統(tǒng)。MCS-51單片機的主要特點是集成度高,可靠性好,功能強,速度快,性價比高??刂葡到y(tǒng)由微機部分、鍵盤及顯示器、I/O接口及光電隔離電路、步進功率放大電路等組成。系統(tǒng)的工作程序和控制命令通過鍵盤操作實現。顯示器采用數碼管顯示加工數據和工作狀態(tài)等信息。(四) XY工作臺的傳動方式為保證一定的傳動精度和平穩(wěn)性以及結構的緊湊,采用滾珠絲杠螺母傳動副。為提高傳動剛度和消除間隙,采用有預加載荷的結構。由于工作臺的運動部件重量和工作載荷不大,故選用滾動直線導軌副,從而減小工作臺的摩擦系數,提高運動平穩(wěn)性??紤]電機步距角和絲杠導程只能按標準選取,為達到分辨率的要求,以及考慮步進電機負載匹配,采用齒輪減速傳動。系統(tǒng)總體框圖如下:計算機光電隔離功率放大步進電機X向工作臺光電隔離功率放大步進電機Y向工作臺圖3-1四、機械部分設計機械部分設計內容包括:確定系統(tǒng)脈沖當量,運動部件慣性的計算,選擇步進電機,傳動及導向元件的設計、計算與選擇,繪制機械部分裝配圖等。(一 )確定系統(tǒng)脈沖當量脈沖當量p是一個進給指令時工作臺的位移量,應小于等于工作臺的位置精度,由于定位精度為0.01mm因此選擇脈沖當量為0.01mm。(二)工作臺外形尺寸及重量初步估算根據給定的有效行程,畫出工作臺簡圖,估算X向和Y向工作臺承載重量WX和WY。取X向導軌支撐鋼球的中心距為410mm,Y向導軌支撐鋼球的中心距為400mm,設計工作臺簡圖如下:工作臺簡圖圖4-1X向拖板(上拖板)尺寸為: 長*寬*高=420*410*50重量:按重量=體積*材料比重估算為: = Y向拖板(下拖板)尺寸為: 重量=上導軌(含電機)重量為夾具及工件重量:約155NX-Y工作臺運動部分總重量為:(三)滾動導軌副的計算、選擇根據給定的工作載荷Fz和估算的Wx和Wy計算導軌的靜安全系數fSL=C0/P,式中:C0為導軌的基本靜額定載荷,kN;工作載荷P=0.5(Fz+W); fSL=1.03.0(一般運行狀況),3.05.0(運動時受沖擊、振動)。根據計算結果查有關資料初選導軌:因系統(tǒng)受中等沖擊,因此取根據計算額定靜載荷初選導軌:選擇漢機江機床廠HJG-D系列滾動直線導軌,其型號為:HJG-D25基本參數如下: 表4-1額定載荷/N靜態(tài)力矩/N*M滑座重量導軌重量導軌長度動載荷靜載荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座個數單向行程長度每分鐘往復次數M40.64導軌的額定動載荷N依據使用速度v(m/min)和初選導軌的基本動額定載荷 (kN)驗算導軌的工作壽命Ln:額定行程長度壽命: (4-1)導軌的額定工作時間壽命: (4-2)導軌的工作壽命足夠.(四)滾珠絲杠計算、選擇初選絲杠材質:CrWMn鋼,HRC5860,導程:l0=5mm強度計算絲杠軸向力:(N) (4-3)其中:K=1.15,滾動導軌摩擦系數f=0.0030005;在車床車削外圓時:Fx=(0.10.6)Fz,Fy=(0.150.7)Fz,可取Fx=0.5Fz,Fy=0.6Fz計算。取f=0.004,則:壽命值:,其中絲杠轉速(r/min) (4-4)最大動載荷:式中:fW為載荷系數,中等沖擊時為1.21.5;fH為硬度系數,HRC58時為1.0。查表得中等沖擊時則:根據使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式,并根據最大動載荷的數值可選擇滾珠絲杠的型號為: CM系列滾珠絲桿副,其型號為:CM2005-5。其基本參數如下:圖4-2其額定動載荷為14205N 足夠用.滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式,預緊方式采用雙螺母螺紋預緊形式.滾珠絲杠螺母副的幾何參數的計算如下表表4-2名稱計算公式結果公稱直徑20mm螺距mm接觸角鋼球直徑3.175mm螺紋滾道法向半徑1.651mm偏心距0.04489mm螺紋升角螺桿外徑19.365mm螺桿內徑16.788mm螺桿接觸直徑17.755mm螺母螺紋外徑23.212mm螺母內徑(外循環(huán))20.7mm傳動效率計算絲杠螺母副的傳動效率為: (4-5)式中:=10,為摩擦角;為絲杠螺旋升角。穩(wěn)定性驗算絲杠兩端采用止推軸承時不需要穩(wěn)定性驗算。剛度驗算滾珠絲杠受工作負載引起的導程變化量為:(cm) (4-6)Y向所受牽引力大,故用Y向參數計算絲杠受扭矩引起的導程變化量很小,可忽略不計。導程變形總誤差為E級精度絲杠允許的螺距誤差 =15m/m。(五)齒輪計算、設計 因步進電機步距角滾珠絲杠螺距t=5mm,要實現脈沖當量,在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動.齒輪傳動比: ,步進電機步距角:= 1.5/step。 (4-7) 取小齒輪齒數 則大齒輪齒數大小齒輪材料均為45鋼由于軟齒面齒輪工藝簡單、生產率高,故選擇軟齒面齒輪。因傳遞的扭距較小,取模數m=1mm則:分度圓直徑: 齒頂圓直徑: 齒根圓直徑: 齒寬: 取 中心距: 分度圓壓力角: 大小齒輪均采用漸開線標準圓柱齒輪小齒輪采用兩片薄齒輪錯齒排列以消除間隙.雙片齒輪錯齒消隙結構圖如下:1、2-薄齒輪, 3彈簧, 4、8凸耳, 5調節(jié)螺釘, 6、7螺母雙片齒輪錯齒消隙結構圖圖4-3(六)步進電機慣性負載的計算根據等效轉動慣量的計算公式,有: (1)等效轉動慣量的計算折算到步進電機軸上的等效負載轉動慣量為: (4-8)式中:為折算到電機軸上的慣性負載;為步進電機軸的轉動慣量;為齒輪的轉動慣量;為齒輪的轉動慣量;為滾珠絲杠的轉動慣量;為移動部件的質量。對鋼材料的圓柱零件可以按照下式進行估算: (4-9)式中為圓柱零件直徑,為圓柱零件的長度。所以有:電機軸的轉動慣量很小,可以忽略,所以有:(七)步進電機的選用()步進電機啟動力矩的計算設步進電機的等效負載力矩為,負載力為,根據能量守恒原理,電機所做的功與負載力所做的功有如下的關系:式中為電機轉角,為移動部件的相應位移,為機械傳動的效率。若取,則,且。所以: (4-10)式中:為移動部件負載(N),G為移動部件質量(N),為與重力方向一致的作用在移動部件上的負載力(N),為導軌摩擦系數,為步進電機的步距角(rad),T為電機軸負載力矩(N.cm)。取=0.3(淬火鋼滾珠導軌的摩擦系數),.8,=279.23??紤]到重力影響,向電機負載較大,因此1200,所以有:考慮到啟動時運動部件慣性的影響,則啟動轉矩: (4-11)取系數為.,則: 對于工作方式為三相拍的步進電機: () 步進電機的最高工作頻率為使電機不產生失步空載啟動頻率要大于最高運行頻率,同時電機最大靜轉矩要足夠大,查表選擇兩個90BF001型三相反應式步進電機.電機有關參數如下: 表4-3型號主要技術參數相數步距角電壓(V)相電流(A)最大靜轉矩(n.m)空載啟動頻率空載運行頻率分配方式90BF00140.98073.92200080004相8拍外形尺寸(mm)重量kg轉子轉動慣量Kg.m外直徑長度軸直徑9014594.51764五、數控系統(tǒng)硬件電路設計(一)數控系統(tǒng)的硬件電路由以下幾部分組成:1、主控制器。即中央處理單元CPU2、總線。包括數據總線,地址總線,控制總線。3、存儲器。包括只讀可編程序存儲器和隨機讀寫數據存儲器。4、接口。即I/O輸入輸出接口。數控系統(tǒng)的硬件框圖如下所示:圖5-1(二)主控制器的選擇系列單片機是集中,端口及部分等為一體的功能性很強的控制器。只需增加少量外圍元件就可以構成一個完整的微機控制系統(tǒng),并且開發(fā)手段齊全,指令系統(tǒng)功能強大,編程靈活,硬件資料豐富。本次設計選用芯片作為主控芯片。(三)存儲器擴展電路設計(1)程序存儲器的擴展單片機應用系統(tǒng)中擴展用的程序存儲器芯片大多采用芯片。其型號有:2716,2732,2764,27128,27258,其容量分別為k,4k,8k,16k32k。在選擇芯片時要考慮與時序的匹配。所能讀取的時間必須大于所要求的讀取時間。此外,還需要考慮最大讀出速度,工作溫度以及存儲器容量等因素。在滿足容量要求時,盡量選擇大容量芯片,以減少芯片數量以簡化系統(tǒng)。綜合以上因素,選擇芯片作為本次設計的程序存儲器擴展用芯片。于8031芯片的口是分時傳送低8位地址線和數據線的,故8031擴展系統(tǒng)中一定要有地址鎖存器,常用的地址鎖存器芯片是742S373。(2)數據存儲器的擴展由于8031芯片內部RAM只有128字節(jié)供用戶使用,遠不能滿足系統(tǒng)需要,因此需要擴展片外的數據存儲器(RAM)。常用的數據存儲器有6116(2Kx8),6264(8Kx8)等,這里我選用6264(8Kx8)。(3)譯碼電路由于這里擴展的容量較大,擴展多個外圍芯片。因此,這里使用譯碼法來進行編址。譯碼電路可使用現有的譯碼芯片,這里我們選用3-8譯碼器(74LS138)。這種芯片,輸入端占用3根最高位地址線,剩余的13根低位地址線可作為片內地址線,74LS138譯碼器的8根輸出線分別對應8個8K字節(jié)的地址空間。(4)擴展電路設計(a).通用可編程接口芯片單片機共有個位并行接口,但供用戶使用的只有1口及部分3 口線。因此要進行口的擴展。與微機接口較簡單,是微機系統(tǒng)廣泛使用的接口芯片。(四)步進電機驅動電路設計(1)脈沖分配器步進電機的控制方式由脈沖分配器實現,其作用是將數控裝置送來的一系列指令脈沖按一定的分配方式和順序輸送給步進電機的各相繞組,實現電機正反轉。數控系統(tǒng)中通常使用集成脈沖分配器和軟件脈沖分配器。本設計采用集成脈沖分配器YB013。(2)光電隔離電路在步進待年紀驅動電路中,一般在接口電路與功率放大器之間家上光電隔離電路,實現電氣隔離,通常使用光電偶合器作為光電隔離電路。(3)功率放大器環(huán)型分配器的輸出脈沖很小,還遠不能滿足步進電機的要求,不許將它放大,以產生足夠大的功率驅動步進電機正常運轉,這里采用的功率放大電路如下圖所示:圖5-2功率放大器(五)其它輔助電路設計()的時鐘電路單片機的時鐘可由內部方式產生,內部方式利用芯片內部的振蕩電路,在XTA,XTA引腳上外接定時元件。如下圖所示圖5-3時鐘電路()復位電路單片機的復位電路都是靠外部電路實現,在時鐘電路工作后,只要在引腳上出現10ms 以上高電平,單片機便實現狀態(tài)復位,以后單片機便從0000單元開始執(zhí)行程序圖5-4復位電路六、系統(tǒng)控制軟件的設計(一)系統(tǒng)控制軟件的主要內容數控系統(tǒng)是按照事先編好的控制程序來實現各種控制功能。按照功能可將數控系統(tǒng)的控制軟件分為以下幾個部分:(1)系統(tǒng)管理程序:它是控制系統(tǒng)軟件中實現系統(tǒng)協(xié)調工作的主體軟件。其功能主要是接受操作者的命令,執(zhí)行命令,從命令處理程序到管理程序接收命令的環(huán)節(jié),使系統(tǒng)處于新的等待操作狀態(tài)。(2)零件加工源程序的輸入處理程序。該程序完成從外部I/O設備輸入零件加工源程序的任務。(3)插補程序。根據零件加工源程序進行插補,分配進給脈沖。(4)伺服控制程序。根據插補運算的結果或操作者的命令控制伺服電機的速度,轉角以及方向。(5)診斷程序。包括移動不見移動超界處理,緊急停機處理,系統(tǒng)故障診斷,查錯等功能。(6)機床的自動加工及手動加工控制程序。(7)鍵盤操作和顯示處理程序。包括監(jiān)視鍵盤操作,顯示加工程序、機床工作狀態(tài)、操作命令等信息。(二)系統(tǒng)控制功能分析數控X-Y工作臺的控制功能包括:(1)、系統(tǒng)初始化。如對I/O接口8155,8255A進行必要的初始化工作,預置接口工作方式控制字。(2)、工作臺復位。開機后工作臺應該自動復位,亦可手動復位。(3)、輸入和顯示加工程序。(4)、監(jiān)視按鍵,鍵盤及開關。如監(jiān)視緊急停機鍵及行程開關,鍵盤掃描等功能。(5)、工作臺超程顯示與處理。工作臺位移超過規(guī)定值時應該立即停止工作臺的運動,并顯示相應的指示字符。(6)、工作臺的自動控制。(7)、工作臺的手動控制。(8)、工作臺的聯(lián)動控制。(三)系統(tǒng)管理程序控制管理稱許是系統(tǒng)的主程序,開機后即進入管理程序。其主要功能是接受和執(zhí)行操作者的命令。在設計管理程序時,應確定接收命令的形式,系統(tǒng)的各種操作功能等。數控X-Y工作臺的基本操作功能有:輸入加工程序,自動加工,刀位控制,工作臺位置控制,手動操作,緊急停機等。(四)自動加工程序設計(1)機床在自動加工時的動作順序:工作臺移動到位刀具快速進給加工退刀工作臺運動到下一位置;(2)計算機在加工過程中的操作:讀取刀具軌跡,控制機床完成加工;結束語畢業(yè)設計是我在大學里的最后一門課程。通過這次畢業(yè)設計,我學會了如何查閱現有的技術資料、如何舉一反三、如何通過改進并加入自己的想法與觀點,使之成為自己的東西。并且結合生產知識,培養(yǎng)理論聯(lián)系實際以及分析和解決工程實際問題的才能,并使大學三年所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展。在此,我對我的論文指導老師沈丁琦老師表示衷心的感謝,感謝他對我的嚴格要求,感謝他的監(jiān)督和指導。其次我要感謝這三年里給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識。最后還要感謝參考文獻中所列書籍、文章及資料的作者。參考資料1、 高鐘毓 機電控制工程M 清華大學出版社 20022、 劉助柏 知識創(chuàng)新思維方法論J機械工業(yè)出版社 19993、 宋云奪 宋云奪 光機電一體化產業(yè)的未來J 光機電信息 2003 (12)4、 丁連紅 機電一體化技術發(fā)展趨勢和現狀分析J 中國科技信息 2007 (12)5、 張鵬萬 孫劍峰 李占平 機電一體化中的接口技術J礦業(yè)工程 2005 (06)6、 王寶敏 談機電一體化技術的發(fā)展趨勢J 大眾科技 2006 (05)7、 王維剛 淺談機電一體化技術的發(fā)展趨勢J黑龍江科技信息 2007 (02)8、 楊春光 我國機電一體化技術的現狀和發(fā)展趨勢J 科技促進發(fā)展 2007 (03)9、 毅剛 單片機原理與應用M高等教育出版社 200310、 張大明 彭旭昀 尚靜基.單片微機控制應用技術M機械工業(yè)出版社 200611、 付家才 單片機控制工程實踐技術M化學工業(yè)出版社 200412、 陳小忠 黃寧 趙小俠 單片機接口技術實用子程序M 人民郵電出版社 200525
收藏