数控机床控制系统设计.doc

数控机床控制系统设计

题目:

学 院:＿＿＿＿＿＿＿＿
专 业:＿＿＿＿＿＿＿＿
班 级:＿＿＿＿＿＿＿＿
学 号:＿＿＿＿＿＿＿＿
学生姓名:＿＿＿＿＿＿＿＿
指导教师:＿＿＿＿＿＿＿＿

年 月 日

目 录
摘 要 2
第1章 前言 2
第2章 数控车床设计概述 3
第3章课程设计的目的 5
第4章 横向进给系统的设计计算 8
4.1主切削力及其切削分力计算 8
4.2导轨摩擦力的计算 9
4.3计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 9
4.4确定进给传动链的传动比i和传动级数 9
4.5滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算 10
4.6滚珠丝杠螺母副承载能力校核 11
4.7计算机械传动的刚度 12
4.8驱动电机的选型与计算 13
4.9机械传动系统的动态分析 16
4.10机械传动系统的误差计算与分析 17
4.11确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号 18
第5章 数控机床控制系统设计 18
5.1硬件电路设计内容 18
5.2设计步骤 20
5.3软件电路设计主要内容 21
5.4软件设计 22
5.5进给伺服系统概述 25
第6章 数控系统硬件电路设计 18
总结与体会 28
致谢词 29
参考文献 30

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
第一章 前言
一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及中国数控装备技术发展和产业化的现状
在中国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展中国数控技术及装备、提高中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中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 ,她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。从当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 EMO 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。当前世界上许多汽车厂 ,包括中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而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 ,不但光洁度高 ,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能够在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,经过改变、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。当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、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)、对中国数控技术及其产业发展的基本估计
中国数控技术起步于 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中国的基础条件的制 ,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进 ,中国数控技术的研究、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。纵观中国数控技术近 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)、对中国数控技术和产业化发展的战略思考
(1) 、战略考虑。中国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,因此 ,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 ,因为制造业是中国就业人口最多的行业 ,制造业发展不但可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解中国就业的压力 ,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 ,对中国实现禁运和限制 ,”东芝事件”和”考克斯报告”就是最好的例证。
(2)、发展策略。从中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 ,以提高中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 世纪初期中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。
第二章 数控车床设计概述
用数控机床加工零件时,首先应加工零件的几何信息和工艺信息变成加工
程序,由输入部分送入数控装置,经过数控装置的处理和运算,按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路,经过转换和放大进行伺服电动机的驱动,带动各轴运动,并进行反馈控制,使刀具和工件及其它辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序和参数有条不紊地运作,从而加工出零件的全部轮廓。
数控机床具有很好的柔性,当加工对象变换时,只需重新编制加工程序即可,原来的程序可存储备用,不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计加床,致使生产准备时间过长。
经济型数控车床,对于保证和提高被加工零件的精度,主要依靠两方面来实现:一是系统的控制精度;二是机床本身的机械传动精度。数控车床的进给传动系统,由于必须对进给位移的位置和速度同时实现自动控制。因此,数控车床与普通卧式车床相比应具有有更好的精度．以确保机械传动系统的传动精度和工作平稳性。数控改造对机械传动系统的要求为:
(1)尽量采用低摩擦的传动副。如滚动导轨和滚珠丝杠螺母副,以减小摩擦力。
(2)选用最佳的降速比,为达到数控机床所要求的脉冲当量,使运动位移尽可能加速达到跟踪指今。
(3)尽量缩短传动链以及用预紧的办法提高传动系统的刚度。
(4)尽量消除传动间隙,以减小反向行程误差。如采用消除间隙的联轴节和消除传动齿轮间隙的机构等。
(5)尽景满足低振动和高可靠性方面的要求。为此应选择间隙小、传动精度高高、运动平稳、效率高以及传递扭矩大的传动元件。
从应用的方面考虑,结合当前国内大多数的情况,可采用更换滚珠丝杠来代替原机床上的T型丝杠。也可对原车床上T型丝杠加以修复,但此时必须相应修配与与此相配合的螺母,尽量减小其间隙,提高配合精度。
—般说来．如原车床的工作性能良好．精度尚未降低,则应尽量保留机床的传动系统。使改造后的数控车床同时具有微机控制和原机床操作的双重功能。如原车床使用时间较长．运动部件磨损严重．除了对导轨精度进行修复外．还应将传动部件拆除或更换,以确保改造后车床的传动精度。
数控机床一般由控制介质 数控装置 伺服系统和机床组成如图2.1
图2.1数控机床的组成

电动机的选择
(1)根据机械的负载特性和生产工艺对电动机的启动、制动、反转、调速等要求,选择电动机类型。
(2)根据负载转矩、转速变化范围和启动频繁程度等要求,考虑电动机的温升限制、过载能力额启动转矩,选择电动机功率,并确定冷却通风方式。所选电动机功率应留有余量,负荷率一般取0.8～0.9。
(3)根据使用场所的环境条件,如温度、湿度、灰尘、雨水、瓦斯以及腐蚀和易燃易爆气体等考虑必要的保护措施,选择电动机的结构型式。
(4)根据企业的电网电压标准和对功率因素的要求,确定电动机的电压等级和类型。
(5)根据生产机械的最高转速和对电力传动调速系统的过渡过程的要求,以及机械减速机构的复杂程度,选择电动机额定转速。
另外,还要考虑节能、可靠性、供货情况、价格、维护等等因素。
电动机类型和结构型式的选择
由于不同的机床要求不同的主轴输出性能(旋转速度,输出功率,动态刚度,振动抑制等),因此,主轴选用标准与实际使用需要是紧密相关的。总的来说,选择主轴驱动系统将在价格与性能之间找出一种理想的折衷。表1简要给出了用户所期望的主轴驱动系统的性能。下面将对各种交流主轴系统进行对比、分析。
表1.1 理想主轴驱动系统性能
项目
内容

高性能
低速区要有足够的转矩
宽恒功率范围,并在高速范围内保持一定转矩
高旋转精度
高动态响应
高加减速,起制动能力
具有强鲁棒性,能适应环境条件和参数变化
高效率,低噪声
低价格
低购买价格,低维护价格,低服务价格
通用要求
耐用性,可维护性,安全可靠性
感应电机交流主轴驱动系统是当前商用主轴驱动系统的主流,其功率范围从零几个kW到上百kW,广泛地应用于各种数控机床上。
第三章 课程设计的目的
<数控机床>课程设计是一个重要的时间性教学环节,要求学生综合的运用所学的理论知识,独立进行的设计训练,主要目的:
1、 经过设计,使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知识,学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。
2、 经过对机械系统的设计,掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式
3、 经过对机械系统的设计,掌握常见伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式
4、 培养学生独立分析问题和解决问题的能力,学习并树立”系统设计”的思想
5、 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力
第四章 进给传动系统设计计算
设计参数如下:
纵向:工作台重量:W=800N
行程:S=650mm
脉冲当量:=0.006mm/P
最大进给速度:=2m/min
横向:工作台重量:W=300N
行程:S=200mm
脉冲当量:=0.004mm/P
最大进给速度:=1m/min
4.1主切削力及其切削分力计算
已知机床主电动机的额定功率为7.5kw,最大工件直径D=400mm,主轴计算转速n=85r/m。在此转速下,主轴具有最大扭矩和功率,道具的切削速度为

取机床的机械效率,则有

走刀方向的切削分力和垂直走刀方向的切削分力为

4.2床身及导轨
对于数控机床来说,作为主要支承件的床身至关重要,其结构性能的好坏直接影响着机床的各项性能指标。它支承着数控车床的床头箱,床鞍,刀架,尾座等部件,承受着切削力、重力、摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着数控车床的制造成本;影响着车床各部件之间的相对位置精度和车床在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性,从而影响着工件的加工质量;还影响着车床所用刀具的耐用度,同时也影响着机床的工作效率和寿命等。因此,床身特别是数控车床的床身具有足够的静态刚度和较高的刚度/质量比;良好的动态性能;较小的热变形和内应力;并易于加工制造,装配等,才能满足数控车床对床身的要求。
数控车床工作时,受切削力的作用,床身发生弯曲,其中,影响最大的是床身水平面内的弯曲。因此,在床身不太长的情况下,主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。因此,在设计床身时,采用与水平面倾斜45°的斜面床身。这种结构的特点是:(1)在加工工件时,切屑和切削液能够从斜面的前方(即床身的一侧)落下,就无需在床身上开排屑孔,这样,床身斜面就能够做成一个完整的斜面。(2)切屑从工件上落到位于床身前面的排屑器中,再由排屑器将切屑排出。这样,机床在工作中,排屑性能和散热性能要好,能够减少床身在工作中吸收由于切削产生的热量,从而减少床身的热变形,使机床更好地保持加工精度。(3)由于在床身上无需开排屑孔,就能够增加与底座连接的床身底面的整体性,从而可增加床身底面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和垂直面内的分力所产生的弯曲变形能力,以及它们的合力产生的扭转变形能力显著增强。从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。床身在弯曲、扭转载荷作用下,床身的变形与床身的截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料、截面相同,但形状不同的床身,截面的惯性矩相差很大。截面积相同时,采用空形截面,加大外轮廓尺寸,在工艺允许的情况下,尽可能减小壁厚,能够大大提高截面的抗弯和抗扭刚度;矩形截面的抗弯刚度高于圆形截面,但圆形截面的抗扭刚度较高;封闭截面的刚度显著高于不封闭截面的刚度。为此,在设计床身截面时,综合考虑以上因素,在满足使用、工艺情况下,采用空心截面,加大轮廓,减小壁厚,采用全封闭的类似矩形的床身截面形式,同时,为了提高床身的抗扭刚度和床身的刚度／重量比,在大截面内设计一个较小的类似圆形截面。
床身与导轨为一体,床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良好的减震性和耐磨性,易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的HT250,其硬度、强度较高,耐磨性较好,具有很好的减震性。
车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦阻力大且磨损快,动、静摩擦系数差别大,低速时易产生爬行现象。当前,数控车床已不采用传统滑动导轨,而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点,在各类机床上都有应用,特别是用在精密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸造铁支承导轨和镶钢支承导轨组成对偶摩擦副。
机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命。导轨的功用是导向和承载。车床的床身导轨属于进给导轨,进给运动导轨的动导轨与支承的静导轨之间的相对运动速度较低。
直线运动滑动导轨截面形状主要有三角形、矩形、燕尾形和圆形,并可互相组合。由于矩形导轨制造简单,刚度高,承载能力大,具有两个相垂直的导轨面。且两个导轨面的误差不会相互影响,便于安装。再将矩形整体倾斜45°后,侧面磨损能自动补偿,克服了矩形导轨侧面磨损不能自动补偿的缺陷,使其导向性更好。本次设计我采用的是燕尾槽导轨。
镶条是用来调整矩形导轨和燕尾导轨的侧隙,以保证导轨面的正常接触。镶条应放在导轨受力较小的一侧。压板用于调整辅助导轨面的间隙和承受颠覆力矩。如图5.5,是用磨或刮压板3的e面和d面来调整间隙。压板的d面和e面用空刀槽分开,间隙大磨刮d面,太紧时则修e面。这种方式构造简单,应用较多,但调整时比较麻烦。

图5.5镶条

床身及导轨结构见图5.6。

图5.6床身及导轨

4.3导轨摩擦力的计算
导轨受到垂向切削分力,纵向切削分力,移动部件的全部质量(包括机床夹具和工件的质量)m=30.61kg(所受重力W=300N),查表得镶条紧固力,取导轨动摩擦系数,则

计算在不切削状态下的导轨摩擦力和

4.4计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力
计算最大轴向负载力

计算最小轴向负载力

4.5确定进给传动链的传动比i和传动级数
取步进电动机的步距角,滚珠丝杠的基本导程,进给传动链的脉冲当量,则有

按最小惯量条件,查得应该采用2级传动,传动比能够分别取、。根据结构需要,确定各传动齿轮的齿数分别为、、、,模数m=2,齿宽b=20mm。
4.6滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算
(1)按预期工作时间估算滚珠丝杠预期的额定动载荷
已知数控机床的预期工作时间,滚珠丝杠的当量载荷
,查表得载荷系数;初步选择滚珠丝杠的精度等级为3级精度,取精度系数;查表得可靠性系数。取滚珠丝杠的当量转速,已知,滚珠丝杠的基本导程,则

(2)根据定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变形。
已知本车床横向进给系统的定位精度为40 ,重复定位精度为16 ,则有

取上述计算结果的较小值,即。
(3)估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径
滚珠丝杠螺母的安装方式拟采用一端固定、一端游动支承方式,滚珠丝杠螺母副的两个固定支承之间的距离为
L=行程+安全行程+2×余程+螺母长度+支承
≈(1.2～1.4)行程+(25～30)
取L=(1.4×200+30×6)mm=460mm

(4)初步确定滚珠丝杠螺母副的型号
根据以上计算所得的、、和结构的需要,初步选择南京工艺装备公司生产的FF型内循环螺母,型号为FF3206-5,其公称直径、基本导程、额定动载荷和螺纹底径如下:

4.7滚珠丝杠螺母副承载能力校核
已知滚珠丝杠螺母副的螺纹底径,已知滚珠丝杠螺母副的最大受压长度,丝杠水平安装时,取,查表得,则有

本车床横向进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为,远小于其临界压缩载荷的值,故满足要求。
滚珠丝杠螺母副临界转速的计算长度,其弹性模量
,密度,重力加速度
滚珠丝杠的最小惯性矩为

滚珠丝杠的最小截面积为

取,查表得,则有

本横向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为166.67r/m,远小于其临界转速,故满足要求。
滚珠丝杠螺母副额定寿命的校核,滚珠丝杠的额定动载荷,已知其轴向载荷,滚珠丝杠的转速,运转条件系数,则有

本车床数控化改造后,滚珠丝杠螺母副的总工作寿命,故满足要求。
4.8计算机械传动的刚度
已知滚珠丝杠的弹性模量,滚珠丝杠的底径。当滚珠丝杠的螺母中心至固定端支承中心的距离时,滚珠丝杠螺母副具有最小拉压刚度

当时,滚珠丝杠螺母副具有最大拉压刚度

已知滚动体直径mm,滚动体个数Z=15.轴承接触角。轴承最大轴向工作载荷。则滚珠丝杠螺母副支承轴承的刚度为:

查表得滚珠与滚道的接触刚度,滚珠丝杠的额定动载
。已知滚珠丝杠上所承受的最大轴向载荷则

进给传动系统的综合拉压刚度的最大值为

故。
进给传动系统的综合拉压刚度最小值为

故
已知扭矩作用点之间的距离,滚珠丝杠的剪切模量
,滚珠丝杠的底径,则有

4.9驱动电机的选型与计算
(1)计算滚珠丝杠的转动惯量
已知滚珠丝杠的密度,则有

(2)计算折算到丝杠轴上的移动部件的转动惯量
已知横向进给系统执行部件的总质量为m=30.61kg;丝杠轴每转一圈,机床执行部件在轴向移动的距离L=0.6cm则

(3)计算各齿轮的转动惯量

(4)计算加在电动机轴上总负载转动惯量

(5)计算折算到电动机轴上的切削负载力矩
已知在切削状态下的轴向负载力,丝杠每转一圈,机床执行部件轴向移动的距离L=6mm=0.006m,进给传动系统的传动比i=6.25总效率η=0.85,则有

(6)计算折算到电动机上的摩擦负载力矩
已知在不切削状态下的轴向负载力矩,则有

(7)计算由滚珠丝杠预紧力产生的并折算到电动机轴上的附加负载力矩
已知滚珠丝杠螺母副的效率,滚珠丝杠螺母副的预紧力为

折算到电动机轴上的负载力矩T的计算。
空载时(快进力矩),为

切削时(工进力矩),为

根据以上计算结果和查表初选130BF001型反应式步进电动机,其转动惯量;而进给传动系统的负载惯量;对于开环系统,一般取加速时间。当机床以最快进给速度运动时电动机的最高转速为:

(8)计算横向进给系统所需的折算到电动机轴上的各种力矩
计算空载启动力矩

计算快进力矩

计算工进力矩

(9)选择驱动电动机的型号
根据以上计算和查表选择国产150BF002型电动机,其主要参数如下:相数,5;步距角,;最大静转矩,;转动惯量,;最高空载启动频率,2800Hz;运行频率,8000Hz;分配方式,五相十拍。
确定最大静转矩:
机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为:

机械传动系统空载启动力矩与所需的步进电动机的最大静转矩的关系为:

取和中的较大者为所需的步进电动机的最大静转矩。本电动机的最大静转矩为,大于,能够在规定的时间内正常启动,故满足要求。
验算惯量匹配,为了使机械传动的惯量达到较合理的匹配,系统的负载惯量与伺服电动机的转动惯量之比一般应满足下式:

因为,故满足惯量匹配要求。
4.10机械传动系统的动态分析
滚珠丝杠螺母副的综合拉压刚度,机床执行部件的质量和滚珠丝杠螺母副的质量分别为、,滚珠丝杠螺母副和机床执行部件的等效质量为,已知m=30.61kg,则:

折算到滚珠丝杠轴上的系统总当量转动惯量为

已知滚珠丝杠的扭转刚度,则

由以上计算可知,丝杠—工作台纵向振动系统的最低固有频率、扭转振动系统的最低固有频率都比较高。一般按的要求来设计机械传动系统的刚度,故满足要求。
4.11机械传动系统的误差计算与分析
(1)计算机械传动系统的反向死区
已知进给传动系统的综合拉压刚度的最小值,导轨的静摩擦力为,则

即,故满足要求。
(2)计算机械传动系统由综合拉压刚度变化引起的定位误差

即,故满足要求。
(3)计算滚珠丝杠因扭转变形产生的误差
已知负载力矩,扭矩作用点之间的距离,丝杠底径,则有

由该扭转变形引起的轴向移动滞后量将影响工作台的定位精度,有

4.12确定滚珠丝杠螺母副的精度等级和规格型号
确定滚珠丝杠螺母副的精度等级,本进给传动系统采用开环控制系统,应满足如下要求:

取滚珠丝杠螺母副的精度等级为3级,查表得,当螺纹长度约为350mm时,,;;
故满足设计要求。
第五章 数控机床控制系统设计
数控系统硬件电路设计
5.1 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。
5.2 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

外设:
键盘,显示器,打印机,磁盘机,通讯接口等

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
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能够构成一个完整的微机控制系统,而且开发手段齐全,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。另外,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,因此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。
P1.7
↓
P1.0
P2.4
↓
P2.0

ALE
P0.7
↓
P0.0

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

A12
↓
A8

2764
A7
↓
A0

D7
↓
D0

译码电路

G

74LS372

扩展2764电路框图

(２)数据存储器的扩展
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

ALE
P0.7
↓
P0.0

A12
↓
A8

A7
↓ 6264
A0

D7
↓
D0

↓
D0

译码电路

G

74LS372

扩展6264电路框图

(３)译码电路
在单片机应用系统中,所有外围芯片都经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
(b).键盘,显示器接口电路
键盘,显示器是数控系统常见的人机交互的外部设备,能够完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。一般,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。数控系统中一般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,一般使用光电耦合器。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
　　　单片机的时钟能够由两种方式产生: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。晶体能够在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,能够直接相连。当晶振频率选用６ＭＨz时,复位电路中Ｃ取２２Ｆ,Ｒ取２００,取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。

数控系统软件电路设计
5.3 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。
5、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