数控XY工作台设计.doc

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1、 目录 摘要: ………………………………………………..1 1.前言： 2 2.设计任务 2 2.1设计说明．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 2.2设计要求．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3.总体方案的确定 2 3.1 机械传动部件的选择 2 3.1.1导轨副的选用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3.1.2丝杠螺母副的选用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．

2、．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．2 3.1.3减速装置的选用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 3.1.4伺服电动机的选用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 3.1.5检测装置的选用．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 3.2 控制系统的设计 3 3.3 绘制总体方案图 3 4.机械传动部件的计算与选型 4 4.1 导轨上移动部件的重量估算 4 4.2 钻削力的计算 4 4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（

3、纵向） 4 4.3.1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取．．．．．．．．．．．．．．．．．4 4.3.2 距离额定寿命L的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 5 4.4.1 最大工作载荷Fm的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4.4.3 初选型号．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5

4、 4.4.4 传动效率η的计算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．5 4.4.5 刚度的验算．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 4.4.6 压杆稳定性校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．6 4.5 步进电动机减速箱的选用 6 4.6 步进电动机的计算与选型 7 4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq．．．．．．．．．．．．．．．．．．．7 4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq．．．．．

5、．．．．．．．．．．．7 4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 4.6.4 步进电动机的性能校核．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9 5.增量式旋转编码器的选用 10 6. 绘制进给传动系统示意图 10 7．工作台控制系统的设计 11 7.1系统控制软件的主要内容．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 7.2软件设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11

6、7.2.1系统控制功能分析．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 7.2.2系统管理程序控制．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．11 7.2.3自动加工程序设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．12 7.2.4步进电机控制子程序设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．13 7.2.5编语言程序设计．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．.1

7、6 8．步进电动机的驱动电源选用 17 9．总结与体会…………………………………………18 10.致谢词…………………………………………….19 参考文献………………………………………………20 附录一…………………………………………………21 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

8、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 1.前言 现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化

9、”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。 X-Y数控工作台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。

10、 2.设计任务 题目：X-Y数控工作台设计 2.1、设计说明： 设计一套简易的微机控制X-Y工作台，总体设计，机械系统的设计与计算，计算机系统设计，编写设计计算说明书。 2.2、设计要求： （1）固定在Z4012型12mm台式钻床的工作台上； （2）能批量加工最大面积为150x100平方毫米的印制电路板上许多孔； （3）最大孔径可达6mm； （4）定位精度0.01mm； （5）由串口输入位置坐标； （6）孔号显示； （7）最大速度5米每分钟。 3.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

11、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

12、.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

13、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-Z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，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，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AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。 3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。 4）选

14、择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 3.3 绘制总体方案图 总体方案图如图所示。 图3.31总体方案图 4.机械传动部件的计算与选型 4.1 导轨上移动部件的重量估算 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为800N 4.2钻削力的计算 设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立麻花钻，工件的材料为碳钢。则由表3-7查得的钻削力计算公式为： (6-11) 今选择麻花钻的直径为d=15mm，齿数Z=3,为了计算最大钻削力，在不对称钻削情况下，取最大钻

15、削宽度为，背吃刀量=7mm ，每齿进给量，麻花钻转速。则由式（6-11）求的最大钻削力： 采用钻削时，各钻削力之间的比值可由表查得，估算三个方向的钻削力分别为：,，。图3-4a为卧铣情况，现考虑钻削，则工作台受到垂直方向的钻削力，受到水平方向的钻削力分别为和。今将水平方向较大的钻削力分配给工作台的纵向，则纵向钻削力，径向钻削力为。 4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） 4.3.1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个

16、滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： (6-12) 其中，移动部件重量Ｇ＝800N，外加载荷，代入式（6-12），得最大工作载荷=686N=0.686kN。 查表根据工作载荷=0.686kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷，额定静载荷。 任务书规定加工范围为200×150㎜，考虑工作行程应留有一定余量，查表选取导轨的长度为520mm。 4.3.2 距离额定寿命L的计算 上述所取的KL系列JSA-LG25系列导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过C，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级

17、，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数f=1.0，温度系数f=1.00，接触系数f=0.81，精度系数f=0.9，载荷系数f=1.5，代入式（3-33），得距离寿命： L= 远大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。 4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 4.4.1 最大工作载荷Fm的计算 如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1408N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=320N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=486N. 已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0

18、.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.005(486+320+800)]N1557N 4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程Ph=5mm,则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min。 取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106r）。 查表，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入式（3-23），求得最大动载荷： FQ= 4.4.3 初选型号

19、 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈*1系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于FQ，满足要求。 4.4.4 传动效率η的计算 将公称直径d0=20mm,导程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。 4.4.5 刚度的验算 (1) X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单

20、推”的方式。丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=500mm；钢的弹性模量E=2.1х105Mpa;查表得滚珠直径Dw=3.175mm，丝杠底径d2=16.2mm,丝杠截面积S=/4=206.12m。 忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量mm=0.0180mm.。 (2) 根据公式，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式Z圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=519N。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量mm。 因为丝杠有预紧力，且为轴向

21、负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0012mm。 (3) 将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）=0.0192mm=19.2 本例中，丝杠的有效行程为330mm，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到25，可见丝杠刚度足够。 4.4.6 压杆稳定性校核 根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷FK。取支承系数=1；由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩3380.88；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式（3-28），得临界载荷FK=1557N，故丝

22、杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 4.5 步进电动机减速箱的选用 为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。 已知工作台的脉冲当量=0.004mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角=0.75°。根据式（3-12），算得减速比： =（0.755）/（3600.004）=25/10 本设计选用常州市新月电机有

23、限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：30，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为[（75+30）1/2]mm=57mm,小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。 4.6 步进电动机的计算与选型 4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=500mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移动部件总重力G=800N；小齿轮齿宽b1=20mm.，直径d1=30mm，大小齿轮齿宽b2=20mm，直径d2=75mm；传动比i=25/10。 如表4-

24、1所示，算得各个零部件的转动惯量如下： 滚珠丝杠的转动惯量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517kg·cm2;小齿轮的转动惯量Jz1=0.125 kg·cm2；大齿轮的转动惯量Jz2=4.877 kg·cm2。 初选步进电动机的型号为90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=4 kg·cm2。 则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为： =5.087 kg·cm2

25、 4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。 1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-8）可知，包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （6-13） 根据式（4-9），考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩： =

26、 (6-14) 其中： =1562.5r/min (6-15) 式中—空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min； —步进电动机步距角，预选电动机为0.75； —脉冲当量，本例=0.004mm/脉冲。 设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。则由式（6-14）求得： = 由式（4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为： = (6-16) 90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线 式中——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005 ——垂直方向的铣削力，空载时取0 —

27、—传动链效率，取0.7 最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩： =+=0.2988Nm (6-17) 2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 由式（4-13）可知，包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有： =+ （6-18） 其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式（4-14）计算。有：

28、 再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩： 最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩： =+=0.643N/m （6-19） 最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为： 4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足： （6-20） 初

29、选步进电动机的型号为90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩=6Nm。可见，满足要求。 4.6.4 步进电动机的性能校核 1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量/脉冲，由式（4-16）求出电动机对应的运行频率。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩=0.643Nm，满足要求。 2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩=1.7Nm，大于快速

30、空载起动时的负载转矩=0.2988Nm，满足要求。 3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为。查表知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。 4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由式（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为： 说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100。 综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90

31、BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。 5.增量式旋转编码器的选用 本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可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，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。 此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H 盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源

32、电压+5V，每秒输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。 6. 绘制进给传动系统示意图 进给传动系统示意图如图所示。 图6.1进给传动系统示意图 7 系统控制软件的设计 7.1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

33、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。 7.2软件设计 7.2.1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

34、。 （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。 7.2.2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

35、析，设计管理程序流程图如下所示 开始 系统初始化 加工程序输入键按下？ 机床复位 N 加工数据输入 自动加工 手动加工键按下？ 自动加工键按下？ N Y N 手动调整 Y Y N 图7.1管理程序流程 7.2.3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

36、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 零件坐标地址指针 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 快速退刀 零件坐标地址指针加1 零件加工完成 N Y 返回 图7.2 7.2.4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

37、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： 式中：T为脉冲时间间隔（ms）；为单片机机器周期（s），在时钟为6MHz时，=2s。 （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： 式中：为步进电机启动力矩；为负载力矩；为惯性力矩。 由步进电机=3.92N.m，取步进电机的加速启动力矩 则使步进电机

38、不失不的惯性力矩 步进电机角加速度 又 式中：为上升到步进电机最高频率所需时间，所以有： 加速脉冲个数： 确定加减脉冲个数都为54个 又因为： 所以脉冲时刻 结合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

39、 设时间常数地址指针 首地址指向1000H 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 返回 关中断？ 开中断 启动定时器 Y

40、 图7.3 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 步进电机进一步 N0=0？ 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 N2←N2-1 中断返回

41、 图7.4 7.2.5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 见附录一 8.步进电动机的驱动电源选用 设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为

42、1000VAC，相电流为4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。 图8.1 BD28Nb型驱动电源接线图 9. 总结与体会 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

43、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 10．致谢词 通过这次设计，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

44、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。 参考文献 （1） 任玉田.机床计算机数控技术.北京：北京理工大学出版社，1996 （2） 黄尚先.现代机床数控技术.北京：机械工业出版社，1996 （3） 白恩远.现代数控机床伺服及检测技术.北京：国防工业出版社，2008

45、 （4） 姜培刚编 机电一体化系统设计 机械工业出版社（2004年9月版） （5） 黄筱调等编 机电一体化技术基础及应用 机械工业出版社（第一版） （6） 赵松年、张奇鹏主编《机电一体化系统设计》 北京：机械工业出版社 附录一 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

46、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

47、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

48、 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

49、 MOV TL0， A ；送时间常数至定时器0中 0E25 0526 INC DS 0E27 E526 MOV A，DS 0E2 93 MOVC A，@A+DPTR 0E2A F58C MOV TH0，A 0E2C 0526 INC DS 0E2E D2AF SETB EA ；开中断允许 0E3

50、0 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

51、 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

52、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，#

53、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

54、 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 25