X502型立式銑床數(shù)控改裝(縱向)

1、第一章和最后的設(shè)計總結(jié)自己寫吧，還有我總結(jié)的這些內(nèi)容 可能不完全正確，大家仔細(xì)看下，順便加上自己的部分文字。 第二章機(jī)床進(jìn)給伺服系統(tǒng) 機(jī)械部分(縱向)的設(shè)計計算 第一節(jié)工作載荷分析及計算 根據(jù)指導(dǎo)書的分析，對于數(shù)控銑床來說，可采取按切削用量計算 切削力法和按主電機(jī)功率法計算切削力計算切削力法兩種。一般來說， 對于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控銑床，可采用按主電機(jī)功率計算切削力法。 一、銑削抗力分析 通常都假定銑削時銑刀受到的銑削抗力是作用在刀齒的某一點 上。設(shè)刀齒受到的切削抗力的合力為 F,將F沿銑刀軸線、徑向和切 向進(jìn)行分解，則分別為軸向銑削力 Fx，徑向銑削力Fy和切向銑削力 Fz。切向銑削力Fz是沿銑刀主運(yùn)

2、動方向的分力，它消耗銑床主電機(jī) 功率(即銑削功率)最多，因此，切向銑削力Fz可按銑削功率P(kw) 或主電機(jī)功率Pe( kw)算出。 對于現(xiàn)有的機(jī)床的改裝設(shè)計，可以從已知機(jī)床的電機(jī)的功率和主 軸上的功率反推出工作臺進(jìn)給時的銑削力。若該機(jī)床的主傳動和進(jìn)給 傳動均用一個電機(jī)，進(jìn)給傳動的功率較小，可在主傳動功率上乘以一 個系數(shù)。由機(jī)床設(shè)計手冊查得銑床傳動系數(shù) k=0.85。 主傳動功率N包括切削功率Nc、空載功率Nmo、附加功率Nmc 三部分，即：N=Nc + Nmo + Nmc。空載功率Nmo是當(dāng)機(jī)床無切削負(fù) 載時主傳動系統(tǒng)空載所消耗的功率， 對于一般輕載高速的中、小型機(jī) 床，可達(dá)總功率的50%,

3、現(xiàn)取Nmo = 0.5N，附加功率Nmc是指有了 切削載荷后所增加的傳動件的摩擦功率， 它直接與載荷大小有關(guān)?？?以用下式計算，Nmc = (1 -n )NC，所以總功率為：N=Nc + 0.5N + (1 - n )Nc ( KW) 則：Nc二(KW) 2 n 在進(jìn)給傳動中切削功率 Nct = kNc 二(KW) 2 n 上式中k-銑床的傳動系數(shù)，查機(jī)床設(shè)計手冊得 k=0.85 n為傳動效率，可由下式計算 主軸上的傳動功率 n= 主電機(jī)的功率 由題設(shè)給定的已知條件可知，主軸上的傳動功率N=1.45 KW, 主電機(jī)的功率 N電機(jī)= 2.2 KW。貝卩 1 45 b五=。6591 Net = 0

4、.8505 2 0.6591 切削時在主軸上的扭矩為： Mn 二 955000-Net = 955000 n =0.6973 (KW) 所以: 0.6973 =14019.4(N cm) 47.5 上式中n-主軸的最小轉(zhuǎn)速，由題設(shè)條件知n二47.5 (r/min) 切向切削力 M n 14019 4 Fz二凹4381.0625 (N) d 3.2 上式中d-銑刀的最大直徑(cm),由題設(shè)條件知d = 3.2 cm 二、計算進(jìn)給工作臺工作載荷Fl、F、FC 作用在進(jìn)給工作臺上的合力F與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合力F 大小相同，方向相反。合力F就是設(shè)計和校核工作臺進(jìn)給系統(tǒng)時要考 慮的工作載荷，它可

5、以沿著銑床工作臺縱向載荷Fl，橫向載荷Fc和 工作臺垂直進(jìn)給方向載荷Fv。 計算與說明 作用在進(jìn)給工作臺上的合力F與銑刀刀齒受到的銑削抗力的合 力F大小相同，方向相反。合力 F就是設(shè)計和校核工作臺進(jìn)給系統(tǒng) 時要考 慮的工作載荷，它可以沿著銑床工作臺運(yùn)動方向分解為三 個力：工作臺 縱向進(jìn)給方向載荷， 工作臺橫向進(jìn)給方向載荷 Fc 和 工作臺垂直進(jìn)給方向載荷 Fv。 根據(jù)專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書第三章表 3 1 “銑削加工主切 削力 與其它切削分力的比值”列表可計算出三組 FL、FV、 FC (取范 圍的值計算最大值 )。 (1) 組：端銑對稱銑削 FL=0.4 FZ=0.4x2890.1=1156.0

6、4N FC =0.95 FZ=0.95 X 2890.1=2745.595N FV=0.55 FZ=0.55x 2890.1=1589.555N (2) 組：端銑逆銑 FL=0.9F=0.9X 2890.1=2601.09N FC =0.7 F=0.7X2890.1=2023.07N FV =0.55 F=0.55x 2890.1=1589.56N (3) 組：端銑順銑 FL =0.3FZ=0.3X2890.1=867.03N FC=1.0FZ=1.0 x2890.1=2887.62N FV=0.55FZ=0.55x2890.1=1589.56N 由于銑床是兩軸聯(lián)動，所以只考慮端銑，無需考慮周

7、銑，則考慮 采用第三組數(shù)據(jù)。 第二節(jié)滾珠絲杠螺母副的選型和校核 一、滾珠絲杠螺母副結(jié)構(gòu)類型的選擇 因為所要改裝的銑床為普通銑床， 精度要求并不是很高， 在使用 過 程中不需要調(diào)整，并且加工過程中有輕微沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)上述實 際條件， 并考慮到經(jīng)濟(jì)成本問題， 通過查第三章表 3 2 和表 3 3，可以初步選用“外循環(huán)插管埋入式法蘭直筒組合雙螺母墊片預(yù)緊 (CMD) ”這種結(jié)構(gòu) 類型的滾珠絲杠螺母副。 它具有結(jié)構(gòu)簡單， 工藝 性優(yōu)良，承載能力較高 ; 剛度高，預(yù)緊可靠，不易松弛等優(yōu)點。它主 要適用于重載荷、高剛度、 高速驅(qū)動及較精密的定位系統(tǒng)，是目前 應(yīng)用得較廣泛的結(jié)構(gòu)。 二、滾珠絲杠螺母副型號的選

8、擇及校核步驟 1、計算最大工作載荷 2、由題設(shè)已知條件，銑床導(dǎo)軌的類型為綜合導(dǎo)軌。再查指導(dǎo)書P38 表 3-29 得最大工作載荷 Fm Fm=KFL+f，(FV+G) 該式中： K=1.15; 取f，= 0.18 (f，=0.15? 0.18)(摩擦系數(shù))；G為工作臺及夾具總重量 的 1/2。由題設(shè)已知條件可得 G = 400 N。 將以上數(shù)值及先前計算得到的三組FL.FV 數(shù)據(jù)代入上式，可得到 三組相應(yīng)的 Fm 的最大值 (1) 組：Fm=1.15x1156.64+0.18x(1589.56+400)= 1687.57N (2) 組：Fm=1.15x2601.09+0.18x(1589.56

9、+400)=3349.37N (3) 組： Fm=1.15x867.03+0.18x (1589.56+400)=1355.2N 由以上計算數(shù)據(jù)可知，第(2)組算得的Fm值較大。故最大工作載 荷為 Fm=3349.37N 2、計算最大動負(fù)載C 最大動載荷C可由下式計算 C=fwfHFm(1) (1) 式中：各參數(shù)見專業(yè)課程設(shè)計指導(dǎo)書 fH為硬度系數(shù)，選fH = 1.0(HRC二60) fw為運(yùn)轉(zhuǎn)系數(shù)，選fw=2.0(有沖擊運(yùn)轉(zhuǎn)) L為壽命，由下式計算 L=60 nT/106(2) (2) 式中：T為使用壽命(h),對于數(shù)控機(jī)床T=15000(h) n為絲杠轉(zhuǎn)速(r/min)， 可由下式計算：n

10、=1000Vs/L o (3) 式中：Vs為最大切削力條件下的縱向進(jìn)給速度(m/min),查指導(dǎo)書為 540(mm/mi n) 可取最高切削進(jìn)給速度的1/2? 1/3，現(xiàn)取1/3，即 Vs=0.54/3=0.18m/mi n Lo為所選用絲杠的基本導(dǎo)程，考慮到傳動精度的要求，可選基本 導(dǎo)程為4、6、8(mm)的絲杠?；緦?dǎo)程為4mm時： L=60 nT/106=60T1000Vs/(106Lo) =60 x15000 x1000 x0.18心000000 x4)=40.5 滾珠直徑dq為4mm，接觸角（45）0 C1=#柿涇 x1.0 x2.0 x3349.37=23004.43 基本導(dǎo)程為6

11、mm時： L=60 nT/106=60T1000Vs心06L0) =60 x15000 x1000 x0.18心000000 x8)=20.25 C 3 20.25 1.0 2.0 3349.3718258.63(N) 查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計表 3-11 當(dāng)公稱直徑do 32mm時 Ca=15KN8258.63N合格 Ca=21.85C3合格 當(dāng)公稱直徑do 40mm時 當(dāng) L。8 時Ca=30.9KNC2合格 當(dāng) L。6 時Ca=24.11KNC3合格 所以絲杠L0為6mm或8mm d032mm或者40mm 通過查金屬切削機(jī)床設(shè)計簡明手冊表 4-143可知 當(dāng)公稱直徑do 32mm時、基本導(dǎo)程

12、為6mm的絲杠，查得他們的承載能力 Ca為21.85KN，螺旋升角 為3.41，圈數(shù) 列數(shù)分別為3.5 1,滾珠直徑dq為4mm, -接觸角（45 ）。 公稱直徑d 40mm、基本導(dǎo)程為8mm的絲杠，查得它們的承載能力 Ca 為30.9KN，螺旋升角 為3.65，圈數(shù) 列數(shù)分別為2.5 1,滾珠直徑dq為5mm， -接觸角（45 ）。 公稱直徑do 40mm、基本導(dǎo)程為6mm的絲杠，查得它們 的承載能力Ca為24.11KN，螺旋升角 為2.73，圈數(shù) 列數(shù)分別為3.5 1, 3、計算傳動效率n 傳動效率可由下式計算 tg tg 上式中：-絲杠螺旋升角 -摩擦角。滾珠絲杠副的摩擦角約10 0.1

13、67 o （1）當(dāng)公稱直徑d0=32mm、基本導(dǎo)程為6mm： tgta n3.41 0.9530.9 tg( )tan( 3.41 0.167) 故滿足設(shè)計要求。 (2)選公稱直徑d0 =40mm tan 2.73 1）基本導(dǎo)程為8mm： tan()tan( 2.73 0.167) 0.9423 0.9 故滿足設(shè)計要求。 4、剛度驗算 （1）絲杠的拉伸或壓縮變形量1 當(dāng)絲杠進(jìn)行了預(yù)緊，且預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3時，其實際 變形量為（由指導(dǎo)書P39,公式324可知）： （拉伸為+，壓縮為一） 上式中：E材料的彈性模數(shù) 2 對于鋼： E 20.6 10 4 (N/mm) L滾珠絲杠在支承間的受

14、力長度（mm） L=工作長度+螺紋長度+軸承寬度+端蓋寬度700mm F滾珠絲杠的截面積（mm2）,可由下列幾式計算 di F 、 di二Do 2e - 2R 4 dq e (R )sin 、R 0.52dq dq滾阻直徑(mm),接觸角(45 ), R滾道法面半徑(mm), e偏心距(mm), Do絲杠公稱直徑(mm) (1) 當(dāng)公稱直徑Do =32mm，基本導(dǎo)程為6mm時， R 0.52 42.08(mm) e= ( 2.08- ) sin45o=0.057 2 d21 4 d1=32+20.057 2 2.08=27.954( mm) 27 9542 =613.7306( mm2) 4

15、1 = 總=3349.37700 20.6 10000 613.7306 =0.018545( mm) (2) 當(dāng)公稱直徑d0=40mm、基本導(dǎo)程為8mm時: R 0.52 52.6(mm) 5 e=(2.6- -) sin45o=0.071 2 d1=40+2 0.0712 2.6=34.942(mm) d21 4 34.9422 4 =958.9267(mm2) =0.002967( mm) 3349.37 700 4 20.6 10000 958.9267 (3) 當(dāng)公稱直徑do=40mm、基本導(dǎo)程為6mm時: R=0.524=2.08 ( mm) e= ( 2.08- 4) sin 4

16、5 =0.057 2 di=40+20.057 2 2.08=35.954 ( mm) d2i 4- 2 35.954 4 = 1015.276( mm2) 3349.37 700 4 20.6 10000 1015.276 =0.002802( mm) (2) 滾珠與螺紋滾道間的接觸變形 當(dāng)絲杠進(jìn)行了預(yù)緊，且預(yù)緊力為最大工作載荷的1/3 時，其實際變變 2 2 形量為 Fm 0.0013 gdoFyZ2/10 上式中: Fm最大工作載荷(kgf) Fm=341.77(kgf) Fy-預(yù)緊力(kgf)，F(xiàn)y = 1 3Fm=113.9(kgf) d 0滾珠直徑(mm), Z 滾珠數(shù)量，Z =

17、Zx圈數(shù)X列數(shù) Z -一圈的滾珠數(shù)， Do do (內(nèi)循環(huán)) (1)當(dāng)公稱直徑* 32mm基本導(dǎo)程為6mm時： 32 Z25.13 4 Z 25.13 3.5 187.955 20.0013 334.937 | 2 、4 113.9 87.955 0.00286 2的值可減少一半 即: =0.00143 ( mm) 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時, (2)當(dāng)公稱直徑 d。 40mm 基本導(dǎo)程為8mm時: 40 25.13 Z = 25.13 忽.5 1=62.825 0.0013 334.937 32 5 113.9 62.825 0.00332mm 4、當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊

18、力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時, 2的值可減少 半。指導(dǎo)書P42 即: 2 =0.00166( mm) 2 (3)當(dāng)公稱直徑d。 40mm基本導(dǎo)程為6mm時: 40 Z31.4159 4 Z = 31.4159 .5 =109.96 20.0013=0.00247 丁4 113.9 109.962 2的值可減少 當(dāng)滾珠絲杠有預(yù)緊力，且預(yù)緊力為軸向工作載荷的1/3時, 半。即: 2 =000123 (mm) 2 滾珠絲杠軸承的軸向接觸變形3 (1)當(dāng)公稱直徑d。32mm基本導(dǎo)程為6mm時: 選用型號為深溝球206的軸承，其參數(shù)如下： 型號 內(nèi)徑d (mm) 外徑D (mm) 厚度T (mm

19、) 額定動載 荷 Ca(kN) 51206 30 52 16 28.0 3可由下式計算: 2 30.0024 3 m 2 上式中： Fm-最大工作載荷(kgf)，F(xiàn)m=341.77(kgf) dQ -軸承滾動體直徑(mm), do t28 Z-兩邊軸承總的滾動體數(shù)目由公式 Z (d D) T 可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為 32 將以上數(shù)據(jù)代入可得： 0.00582 基本導(dǎo)程為6mm時: 123 =0.004636+0.00286+0.00582 =0.01332mm0.01(mm) 可見，當(dāng)公稱直徑do 32mm基本導(dǎo)程為5mm時不符合要求; (2)當(dāng)公稱直徑do 40mm基本導(dǎo)程為8mm時:

20、 選用型號為51207的軸承，其參數(shù)如下： 型號 內(nèi)徑d (mm) 外徑D (mm) 厚度T (mm) 額定動載 荷 Ca(kN) 51207 35 62 18 39.2 40 Z31.4159 4 可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為 34 將以上數(shù)據(jù)代入可得： 30.0024 基本導(dǎo)程為 0.005374 8mm 時： =0.002967+0.00332+0.005374 =0.011661mm0.01(mm) 可見，當(dāng)公稱直徑do 40mm基本導(dǎo)程為8mm時不符合要求 (3)當(dāng)公稱直徑do 40mm基本導(dǎo)程為6mm時: 選用型號為深溝球206的軸承，其參數(shù)如下: 型號 內(nèi)徑d (mm) 外徑D

21、(mm) 厚度T (mm) 額定動載 荷 Ca(kN) 51207 35 62 18 39.2 (d D) T 可估算兩邊總得滾動體的數(shù)目為 32。 將以上數(shù)據(jù)代入可得： 30.0024 J334.9370.005374 9 342 基本導(dǎo)程為6mm時: 2 3 =0.002802+0.00123+0.005374 =0.009406mm1) Ji-各轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)動慣量(kg cvm ) m -各轉(zhuǎn)動體的轉(zhuǎn)速(r/min) nk -電機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min) Jm-電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量(kg cm2) 4、電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量的確定 查表310機(jī)電一體化指導(dǎo)書，因為選用電機(jī)工作方式的是 三相六拍，步距角為 b

22、 0.75 ,故符合的是：110BF003和110BF004 電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量分別為： 110BF003:Jm146.1 10 5 kgm24.61(kgcm2) 110BF004:Jm234.3 10 5kgm23.43(kgcm2) 5、系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量 2 J 1JlJm117.846 4.6122.456(kgcm ) J 2JLJm217.846 3.4321.276(kgcm2) 二、步進(jìn)電機(jī)的計算和選用 1、電機(jī)力矩的計算 速空載起動時所需力矩： M 起 Mamax M f M。( N cm) 最大切削負(fù)載時所需力矩： M 切 Mt M f M 0 (N cm) 電機(jī)的力矩主要是用

23、來產(chǎn)生加速度，而負(fù)載力矩往往小于加速力 矩，故常常用快速空載起動力矩作為選擇步進(jìn)電機(jī)的依據(jù)。 (1)空載起動時折算到電機(jī)軸上的加速力矩M M a max = J 2 n max 60ta 10-2 =22.456 2 31416 500 60 0.03 391.92(N?cm) 式中：J -系統(tǒng)總的轉(zhuǎn)動慣量 ta -運(yùn)動部件從停止起動加速到最大進(jìn)給速度所需的時間 (s)約為30毫秒 nmax電機(jī)最大轉(zhuǎn)速(r/min) n n max o.75 2400 =500(/min) 360 片 360 0.01 bv max vmax-運(yùn)動部件最大快進(jìn)速度1600(mm/mi n) 摩擦力矩Mf f

24、GL0 M f2 i 800 165 O612.6(N?cm) 20.8 1.25 上式中：G-運(yùn)動部件的總重量(N) f-導(dǎo)軌摩擦系數(shù)0.165 i -齒輪總減速比 n -傳動鏈總效率，一般取葉=0.70.85,在此取0.8 (3) 附加摩擦力矩Mo F p0 L0 2 i 1702.14 0.6 20.8 1.25 2 0.95 )15.86(N ?cm) 上式中：Fp0-滾珠絲杠預(yù)加負(fù)載(N)，般取最大工作載荷的1/3, Fp。 =5106.42/3=1702.14 (N) L0-滾珠絲杠基本導(dǎo)程0.6(cm) 0-滾珠絲杠未加預(yù)緊時的傳動效率，一般取 0 0.9 , 今取0.95。 (

25、4) 折算到電機(jī)軸上的切削負(fù)載力 Mt Mt = FtLo 2 i 2601.09 0.6 2 3.1416 0.95 1.25 =209.166 (Ngcm) 上式中：Ft -進(jìn)給方向最大切削力(N),即前面計算進(jìn)給工作臺 工作載荷Fl、F、E時所得到的數(shù)據(jù)FC , 所以 Ft = FF = 2601.09 (N) 綜合以上，可得： M 起 1=391.92+6.11115+11.7964=409.8276N ?cm) M 起2 =373.07+6.11115+11.7694=390.9776N ?cm) M 切1 =209.166+6.11115+11.7964=227.0739N ?cm

26、) M 切2 =209.166+6.11115+11.7964=227.0739N ?cm) 2、步進(jìn)電機(jī)的選擇與校核 (1)根據(jù)最大靜態(tài)轉(zhuǎn)矩M jmax初選電機(jī)型號 步進(jìn)電機(jī)的起動： Mq1=max (M 1, M切 1)= M=409.8276(N gcm) Mq2二max (M2，M切2) = M2=390.9776(N gcm) 對于三相六拍步進(jìn)電機(jī), Mq1 Mj max 409.8276 784 =0.5227 0.5 Mq2 Mj max 390.9776 490 =0.7979 0.866 型號 相 步跖 角 () 最大靜 轉(zhuǎn)矩 (N cm ) 空載起 動頻率 (步 空載運(yùn) 行

27、頻率 (步 分配 方式 轉(zhuǎn)f轉(zhuǎn) 動慣口“ kg em 110BF003 3 0J5 7S4 1500 7000 相柏 3 6 4.61 110BF004 3 0+75 490 1500 3相 6#1 3+43 前面計算時已初選型號為 110BF003的步進(jìn)電機(jī)其相關(guān)參數(shù)為: (2)計算電機(jī)工作頻率 1)最大空載起動頻率：Mjmax Mq/ z 1000v max fk=4000( Hz/s) 60 p 60 0.01 f k f max =7000(Hz/s)，滿足要求。 2)切削時最大工作頻率 f = 100匹=1000 0.54 =900( Hz/s) 60 p 600.01 f e f

28、max =1500(Hz/S)，滿足要求。 上式中：vmax -運(yùn)動部件橫向最大快速進(jìn)給速度 2.4(m/min) Vs -橫向最大切削進(jìn)給速度 0.54(m/mi n) p-脈沖當(dāng)量 0.01(mm/step) 由上述計算可知：系統(tǒng)要求的空載起動轉(zhuǎn)矩頻率要大于電機(jī)的 空載起動頻率1500Hz,且空載起動頻率滿足要求的電機(jī)型號較少， 以采用調(diào)壓起動等方式起動電機(jī)使電機(jī)的空載起動頻率滿足要求； 電機(jī)運(yùn)行頻率7000Hz可以滿足系統(tǒng)要求。 校核步進(jìn)電機(jī) (2)根據(jù)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)矩和慣量的匹配條件校核 為了使步進(jìn)電機(jī)具有良好的起動能力及較快的響應(yīng)速度，通 常推薦：Ml =321.355 (N.cm) 且

29、衛(wèi)0.5 及 4 M jmaxJ m 則：對于電機(jī)110BF003 Ml 321.355 M j max784 0.409890.5 JL Jm 17.846 4.61 3.8714 滿足要求; 對于電機(jī)110BF004 Ml 321.355 Mj max490 0.0.65580.5 Jl17.846 Jm3.43 5.204 不滿足要求，故選擇110BF003的步進(jìn)電機(jī) 第三章 微機(jī)控制部分的設(shè)計 主要內(nèi)容： 以MCS-5系列單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。 一、硬件系統(tǒng) （1）基本組成（最小系統(tǒng)） （2）系統(tǒng)擴(kuò)展1 ）程序存儲器擴(kuò)展 2 ）數(shù)據(jù)存儲器擴(kuò)展 3 ）輸入輸出端口擴(kuò)展 4 ）綜合功能擴(kuò)

30、展 （ 3 ）接口技術(shù) 1 ）鍵盤接口技術(shù) 2）顯示器接口技術(shù) （ 4）步進(jìn)電機(jī)控制硬件電路 二、軟件系統(tǒng) （1）軟件結(jié)構(gòu)與基本組成 （ 2）插補(bǔ)原理及軟件程序 （ 3）步進(jìn)電機(jī)控制軟件 第一節(jié) 微機(jī)控制系統(tǒng)概述 一、微機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計思路 1. 確定系統(tǒng)狀態(tài)控制方案 1 ）從系統(tǒng)構(gòu)成上考慮是否采用開環(huán)控制或閉環(huán)控制； 2 ）執(zhí)行元件采用何種方式； 3 ）考慮系統(tǒng)是否有特殊控制要求對于具有高可靠性、高精度和快速性要求 的系統(tǒng)應(yīng)采取的措施是什么？ 4 ）考慮微機(jī)在整個控制系統(tǒng)中的作用，是設(shè)定計算、直接控制還是數(shù)據(jù)處 理，微機(jī)承擔(dān)哪些任務(wù)，為完成這些任務(wù)微機(jī)應(yīng)具備哪些輸入 / 輸出通道、配備 哪些

31、外圍設(shè)備。 5 ）初步估算其成本，通過整體方案考慮，最后畫出系統(tǒng)組成的初步框圖， 附加說明，以此作為設(shè)計的基礎(chǔ)和依據(jù)。 2. 確定控制算法 1 ）建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型， 確定其控制算法， 按照規(guī)定的控制算法進(jìn)行控制。 2）控制算法的正確與否直接影響控制系統(tǒng)的品質(zhì)，甚至決定整個系統(tǒng)的成敗。 3 ）在選擇控制算法時，應(yīng)考慮所選的算法是否能滿足控制速度、控制精度 和系統(tǒng)穩(wěn)定性的要求。 3. 選擇微型計算機(jī) 對于給定的任務(wù)，選擇微機(jī)的方案不是唯一的，從控制角度出發(fā)，微機(jī)應(yīng)能 滿足具有較完善的中斷系統(tǒng)、足夠的存儲容量、完善的輸入 /輸出通道和實時時 鐘等要求。 1）較完善的中斷系統(tǒng) 2 ）足夠的存儲容量

32、3）完備的出入/輸出通道和實時時鐘。 、微機(jī)控制系統(tǒng)基本硬件組成 任何一個微機(jī)控制系統(tǒng)都由硬件和軟件兩部分組成， 硬件是軟件的基礎(chǔ)，而 配置了軟件的硬件才有控制功能，數(shù)控系統(tǒng)通過與硬件軟件的密切配合實現(xiàn)各種 功能。 控制系統(tǒng)硬件基本組成框圖 第二節(jié)系統(tǒng)介紹 該微機(jī)控制系統(tǒng)由單片機(jī)、存儲器、鍵盤和顯示器等接口電路、步進(jìn)電機(jī)驅(qū) 動電路、AT標(biāo)準(zhǔn)下載接口電路、急停和限位報警等輔助控制電路組成。其電路 原理圖如下圖3-1所示。 一、單片機(jī)的選擇 由于本設(shè)計只是對傳統(tǒng)機(jī)床的改造， 各方面的要求不是很高，所以本設(shè)計采 用以AT89S51-24PU單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)目前，數(shù)控機(jī)床中應(yīng)用最多的是 AT89

33、S51-24PU單片機(jī)，他價格低，功能強(qiáng)，使用靈活等特點。由于AT89S51-24PU 內(nèi)部沒有程序存儲器，必須擴(kuò)展程序存儲器，用以存放控制程序。由于單片機(jī)內(nèi) 部存儲器容量較小，不能滿足實際需要，所以還需要擴(kuò)展COM口數(shù)據(jù)存儲器RAM。 另外，雖然AT89S51-24PU本身有4個I/O接口電路，但尚不能滿足改造的需要， 因此，還需要擴(kuò)展輸入輸出接口芯片，以滿足使用要求。 圖4-1系統(tǒng)電路原理圖 圖4-2存儲器擴(kuò)展電路 二、存儲器的擴(kuò)展 如圖3-2所示，為存儲器擴(kuò)展電路，由鎖存器、譯碼器、靜態(tài)存儲器和E2PR0M等芯 片連接而成。 1. 地址鎖存 由于MCS-51系列單片機(jī)的P0 口試分時復(fù)用

34、的地址/數(shù)據(jù)總線，因此，在進(jìn)行程序存儲 器擴(kuò)展時，必須用地址鎖存器鎖住低8位的地址信號。 采用的地址鎖存器為74HC573 D0到D7為數(shù)據(jù)輸入，Q0到Q7為輸出，11管腳為鎖存使能，1管腳0E為 輸出使能。10管腳GND接地，20管腳接高電平。 圖4-3鎖存器74HC573芯片連接電路 2. 程序存儲器的擴(kuò)展 MCS-51系列單片機(jī)的程序存儲器空間和數(shù)據(jù)存儲器空間的相互獨立的。 AT89S51-24PU芯片片內(nèi)ROM不夠用時，需擴(kuò)展外部程序存儲器。用作程序存儲 器的器件有EPRO和E2PROM在本設(shè)計中程序存儲器選用一片 E2PROMI型號為 AT28C256-15PI。 AT28C256-

35、15PI主要參數(shù)：32KX 8位，為雙列直插式28腳封裝。采用單一 正5V電源，可以與MCS-51系列單片機(jī)直接接口。 ROM勺地址范圍為0000H- 7FFFH A0 -A14為地址線，CE為芯片使能，OE輸出使能，WE寫入使能，I/OO - I/O7為數(shù)據(jù) 輸入/輸出，NC、DC為預(yù)留端口，不用連接。GND接地，Vcc接高電平。 圖4-4程序存儲器 AT89S51-24PU芯片連接電路 3. 數(shù)據(jù)存儲器的擴(kuò)展 AT89S51-24PU 單片機(jī)內(nèi)部有256字節(jié)的RAM存儲器。CPUS供對內(nèi)部的RAM 具有豐富的操作指令。單在用于實時數(shù)據(jù)采集和處理時，僅靠片內(nèi)提供的256 字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲器是遠(yuǎn)

36、遠(yuǎn)不夠的，在這種情況下，可利用MCS-51的擴(kuò)展功能， 擴(kuò)展外部數(shù)據(jù)存儲器。外部數(shù)據(jù)存儲器選用一片靜態(tài)RAM其型號為 IDT7164S35P。 數(shù)據(jù)存儲器IDT7164S35P參數(shù)：容量為選用8KX 8位，選用一片SRAM,單 一電源供電，雙列直插式28管角封裝，可以與MCS-51系列單片機(jī)直接接口。其 地址范圍OOOOH1FFFH A0 A12為地址線，OE輸出使能，WE寫入使能，I/O0 I/O7為數(shù)據(jù)輸入/輸出，CS1、 CS2 為片選端口， GND接地，Vcc接高電平。 圖4-5數(shù)據(jù)存儲器IDT7164S35P芯片連接電路 4、74HC138譯碼器接口電路 查機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計可知下表

37、： 表3-174HC38功能表 C B A 丫7 ,丫6 ,Y ,Y :,丫3, 丫2, 丫1, 丫0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 在74HC138中引腳C、B、A分別接地、P1.4和P2.7, 確定丫。丫7中的選擇。從原理圖可知： 1、 當(dāng)BA為00時，即P2.7=0，P.

38、4=0時，選擇丫。腳輸出0,此時選通芯片 IDT7164S35P該芯片有13條地址線，基本地址范圍 0000H仆FFH。 2、當(dāng)BA為01時，即P2.7 =0，R.4=1時，丫1腳為0，而丫1腳接芯片 AT28C256-15PI，.此時選通該芯片，其有 15條地址線，基本地址范圍 0000H 7FFFH。 3、當(dāng)BA為10,即P2.7 =1，R.4=0時，丫2腳為0,而丫2腳接8155的片選 腳，此時選中8155芯片。 4、 當(dāng)BA為11, 即卩F2.7=1，P2.6=1時，丫3腳為0,而丫3腳接8255的片選 腳，因此此時選中8255芯片。 圖4-6譯碼器74HC138芯片連接電路 三、I/

39、O 口的擴(kuò)展 在MCS-51應(yīng)用系統(tǒng)中，單片機(jī)本身提供給用戶使用的輸出口線并不多，只有P1 口和部分P3 口線。應(yīng)此，在大部分單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中都不可避免的要在單 片機(jī)外部擴(kuò)展I/O端口。單片機(jī)可以像訪問外部 RAM存儲器一樣訪問外部接口芯 片，對其進(jìn)行讀/寫操作。 由于接口較多，需采用一個8155芯片和一個8255芯片，才可以滿足要求。 復(fù)合接口擴(kuò)展芯片 8155共有三個端口 PA PB PC 即PA0-PA7 PB0-PB7 PC0-PC4共為21位輸入輸出。ADO -AD7為數(shù)據(jù)總線，RD讀入接口，WR寫入 接口，RESETS復(fù)位接口，Vss接地，Vcc接高電平，ALE芯片使能、10/

40、 M、TMRIN TMROUT片選C呂 圖4-78155芯片連接電路 專用接口擴(kuò)展芯片 8255有三個端口 PA、PB、PC，均為8位，即PA0 PA7、PB0-PB7、 PC0-PC7共24位輸入輸出口。 A0-A1為地址線接口， D0-D7為數(shù)據(jù)線接口， RD讀入接 口，WR寫入接口， RESET為復(fù)位接口， CS為片選端口， GND接地，Vcc接高電平。 圖4-88255A芯片連接電路 通過8155復(fù)合接口芯片實現(xiàn)對鍵盤和數(shù)碼管顯示接口的擴(kuò)展，通過8255 專用接口芯片實現(xiàn)對手動操作等按鍵功能和步進(jìn)電機(jī)的控制脈沖輸出接口的擴(kuò) 展。 1、數(shù)碼顯示管位數(shù)確定 如下圖3-9所示所設(shè)計數(shù)碼顯示電

41、路原理圖，根據(jù)設(shè)計任務(wù)書要求及數(shù)據(jù)計 算，數(shù)控機(jī)床的脈沖當(dāng)量0.01mm/step，需要兩位數(shù)碼管顯示小數(shù)部分（右 邊兩個），銑床行程小于1000mm需要三位數(shù)碼管顯示整數(shù)部分（右起 35個）， 需要一位顯示x、y的方向（左起第3個），一位顯示行程的正負(fù)（左起第2個）。 還有一位（左起第1個）根據(jù)具體情況由用戶設(shè)定（比如狀態(tài)信息）。 圖4-9數(shù)碼管顯示電路 2、鍵盤電路設(shè)計及鍵數(shù)確定 如下圖3-10所示，為所設(shè)計矩陣鍵盤電路原理圖。根據(jù)數(shù)控銑床加工特點及各 方面性能要求，擬定如下按鍵： 圖4-10鍵盤電路設(shè)計 返回鍵、垂直菜單鍵、回車/輸入鍵、上檔鍵、光標(biāo)向上鍵、光標(biāo)向下鍵、 光標(biāo)向左鍵、光標(biāo)

42、向右鍵、刪除鍵、10個數(shù)字鍵、17字母鍵等共36個按鍵，其 連接電路如圖所示。 3、8255芯片接口擴(kuò)展電路設(shè)計 如圖3-11所示，為8255芯片接口擴(kuò)展電路原理圖，Manual Operation (手 動操作)的各個功能信號由8255芯片的PC端口引腳輸入，包括X軸點動、丫軸 點動、快進(jìn)、自動、單段、手動、單步、暫停。 圖4-118255芯片接口擴(kuò)展電路原理圖 Status Setting(狀態(tài)設(shè)置)由8255芯片的PB端口及PA端口 PA4PA7引 腳輸入，包括增量選擇、主軸正轉(zhuǎn)、主軸反轉(zhuǎn)、主軸停、超程解除、手動換刀、 循環(huán)、機(jī)床鎖住、Z軸鎖住，剩余三個接口預(yù)留給用戶進(jìn)行其它功能的定義。

43、 8255芯片的PA0PA引腳用于輸出步進(jìn)電機(jī)對X、丫向運(yùn)動的控制脈沖。 第三節(jié)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動控制電路 根據(jù)已知條件和上述計算結(jié)果，步進(jìn)電機(jī)型號為110BF003其參數(shù)如下表 所示。齒輪1的齒數(shù)乙=35,齒輪2的齒數(shù)Z2 =44,模數(shù)m=2絲杠基本導(dǎo)程Lo=6mm 工作臺的最大切削速度為0.54m/min。 型號 相 數(shù) 步 距 角 (C) 電 壓 (V) 電 流 (A) 保持 轉(zhuǎn)矩 N.cm 空載 起動 頻率 (Hz) 運(yùn)行 頻率 (Hz) 電 感 (mH) 內(nèi)阻 (R) 110BF003 3 0.75 80 6 7.84 1500 7000 35.5 0.37 一、確定步進(jìn)電機(jī)運(yùn)行頻率 1、

44、確定步進(jìn)電機(jī)最大轉(zhuǎn)速 n max Z2 90 49 113.07 r min 絲桿的轉(zhuǎn)速為： n =_ = 540=Q0(r/mi 門) L。6 步進(jìn)電機(jī)的最大轉(zhuǎn)速為: 39 2、確定其運(yùn)行頻率y 步進(jìn)電機(jī)米用三相六拍式的控制脈沖 6n max y b 0.75 904.56 Hz 二、驅(qū)動回路的時間常數(shù) 每相工作三拍 改變依次 通電狀態(tài)，但為了每一拍都能正常工作，每拍脈 沖寬度的23時間電流上升至額定電流的60%，即I 0.6J 0.6 6 3.6 A， 則負(fù)載回路的時間常數(shù)為： 1 L Rm 0.0355 0.3795.9 ms 因此，i 1 fy 1.106ms 式中：L-步進(jìn)電機(jī)一相繞

45、阻的平均電感量 Rm-通電回路的電阻 三、選用線路簡單的串聯(lián)電阻法 若選用線路簡單的串聯(lián)電阻法改善靜電流上升沿，其時間常數(shù)為： / LKmf貝U：R0L/ Rm.i， 其中：,1.106ms 所以 R00.0355 1.106 10 3 0.37 1.106 10 3 31.73 需要串聯(lián)如此大的電阻，在該電阻上損失的功率為： 2 2 I R0631.73 1142.17W 顯然很不合理，所以采用雙電源法。 四、高電源電壓的確定 電機(jī)每相工作三拍改變一次通電狀態(tài)，設(shè)要求在控制脈沖%2, 3寬度時間 內(nèi)相電流達(dá)到額定電流的60%，即I 0.6ln 3.6 A ,這個時間也就是高 壓電 源工作時間

46、，即單穩(wěn)翻轉(zhuǎn)時間，其值為： tb 2 3fy2. 3 904.560.737 ms 圖4-12高低電壓驅(qū)動電路 高電壓電源電壓： 0.737 爲(wèi)二四/1 嚴(yán)和=3.6X 0 .37/( 1-e59 ) =173.99 (V) 五、元器件型號的確定 1、確定 T1、T2 2SC594 11 = l i Ctr=16 100%=16mA 解上述方程組得：R6 13.48 R5 448.86 查電阻標(biāo)準(zhǔn)值表對理論阻值進(jìn)行圓整，取 R6=15，甩=470 3、確定R和R2 前面已選定耦合器輸入電流h=16mA，可得到光耦合器輸入正向壓降為 1.3V，所以R=R2=（5 1.3）/Ii =231 ，查電

47、阻標(biāo)準(zhǔn)值表對理論阻值進(jìn)行圓整, 取 Ri=R2 =220 4、確定 R3,R4 （1）若使電流上升沿陡，希望 T2工作于飽和狀態(tài)（實際還沒有達(dá)到飽和電流， 單穩(wěn)已翻轉(zhuǎn)成低電平）。首先確定基極電流lc2。 負(fù)載的平均阻抗： ZEn/In =80/6=13.3 （2）T2的飽和電流： 1 cs（ 2） = （ E H -2U CES-U n）/ Z =（173.99-2 5-80）/13.3 6.32A T2基極電流應(yīng)為： l B2 = l cs（2）/h Fg =6.32/70=90.3mA 光耦合器輸入電流為16mA，所以：J hCTR,取CTr 100% 光耦合器輸出電流： 1 2 =16m

48、A，且 鳥二+咕，1 C2 =10 1 2 因此：13 = l c2- l B2=160-90.3 =69.7mA （3）求U。（0點電位） 在期間0 t tb， U 0是變化的，變化范圍近似為Eh 2至Eh En，計算 時取平均值： Uc= （ Eh 2）+（ Eh En）/2 =（173.99-2）+（ 173.99-80）/2 =133V T2的等效輸入電阻為： RT2=Ubes/Ib2 =5/（ 90.3）K =55.4 U5 R3、R4 分別為：R3 亠電=K =71.7 1369.7 I4 I C2 I 2 176 mA R4 =( U H -U CES -U 0 )/ I4 =(

49、173.99-5-133)/176 10 =204.5 查電阻標(biāo)準(zhǔn)值表對理論阻值進(jìn)行圓整，取 R4=74 ， R3=200 選擇 D1，D2 選用 2CZ13A 硅整流二極管。 5、單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器74HC123翻轉(zhuǎn)時間的確定 當(dāng)單穩(wěn)74HC123的“清除端”加高電平A端加低電平時，B端正躍變可使 單穩(wěn)的 Q 端從低電平變成高電平，經(jīng)過一段時間自動翻轉(zhuǎn)成低電平，恢復(fù)到穩(wěn) 定狀態(tài)，Q端輸入一個脈沖，脈沖寬度由外電阻 Rt和CX決定，如圖所示，即： tb= Rt Cx Ln2,取 Rt=1K。 則： CX=tb/(Ln2RT) 33 =0.166 10 3 /(Ln21 10 3 )= 0.239

50、 F 圖 4-13 單穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器 74HC123 芯片連接電路 第四節(jié) 其他輔助電路的設(shè)計 一、急停、超程報警電路 為防止X, 丫工作臺越出邊界，可設(shè)置限位開關(guān)，分別為 +X, -X , +Y和-Y 向4個限位開關(guān)，一旦越界，立即停止工作臺移動?？衫肁T89S51-24PU勺外 部中斷引腳INTO,只要有一個開關(guān)閉合，即工作臺越界，立即停止工作臺移動。 考慮實際加工的需要，增加急停按鈕。將超程限位和急停通過軟件設(shè)置為最高級 別的中斷。 當(dāng)工作臺行駛超出行程時，行程開關(guān)被觸發(fā)，由74HC08產(chǎn)生中斷信號，并通過 INTO申請中斷。此時中央處理器通過掃描 P3.0、P3.1、P3.3、P3.

51、4引腳的電平 查出中斷源（+X、-X、+Y、-丫或急停），進(jìn)而執(zhí)行中斷服務(wù)。同時經(jīng)P1.1、P1.2、 P1.3輸出相應(yīng)電平點亮LED等和蜂鳴器報警，提醒工作人員處理故障。急停和 超程保護(hù)電路如圖4-14所示。 圖4-14急停和超程保護(hù)電路原理圖 二、ISP在線編程接口 中央處理器AT89S51-24PU外接一塊在線編程接口芯片ISP，主要用于在線 編程輸入。標(biāo)準(zhǔn)SPI接口是以主從方式工作的，這種模式通常有一個主器件和一 個或多個從器件，其接口包括以下四種信號：MOSI -主器件數(shù)據(jù)輸出，從器件數(shù) 據(jù)輸入、MISO -主器件數(shù)據(jù)輸入，從器件數(shù)據(jù)輸出、SCLK -時鐘信號，由主器 件產(chǎn)生、ss

52、-從器件使能信號，由主器件控制。ISP在線編程接口的其他引腳 有：VCC GN併口 RST如圖3-15所示，為ISP下載接口電路電路原理圖。 圖4-15 AT標(biāo)準(zhǔn)下載接口電路 三、復(fù)位電路 如圖3-16所示，單片機(jī)AT89S51-24PU勺復(fù)位的復(fù)位都是靠外部電路實現(xiàn)。 在時鐘電路工作后，主要在 RESET引腳上出現(xiàn)10ms以上的高電平時，單片機(jī)便 實現(xiàn)狀態(tài)復(fù)位。復(fù)位后PC值為0000H,程序的入口地址為0000H,單片機(jī)通常采 用上電復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種。 圖3-16單片機(jī)AT89S51-24PU的復(fù) 位電路 復(fù)位電路中的R、C的參數(shù)與CPC所采用的時鐘頻率有關(guān)，要保證 RESET引腳上 出現(xiàn)10ms以上的高電平，最好由實驗調(diào)整。 四、時鐘電路 單片機(jī)雖有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時鐘，必須外部附加電路產(chǎn)生時鐘的方 法有兩種：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。一般情況當(dāng)外接晶體電容C1、C2值 通常選擇為30pF左右；外接陶瓷諧振器時Ci和C2的典型值約為47pF。 為了 一個溫度的穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。 外部時鐘方式：利用外部振蕩信號源直接接入XTAL1或XTAL2如信號接 XTAL2內(nèi)部的反相放大器的輸入端XTAL1應(yīng)接地。 圖 3