XY数控铣床课程设计

X-Y数控铣床课程设计

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1.引言............................................................... 错误！未定义书签。

2.设计任务 ....................................................... 错误！未定义书签。

3.总体方案的确定 (4)

3.1 机械传动部件的选择 (4)

3.1.1导轨副的选用

3.1.2丝杠螺母副的选用

3.1.3减速装置的选用

3.1.4伺服电动机的选用

3.1.5检测装置的选用

3.2 控制系统的设计 (4)

3.3 工作台系统的设计 (5)

3.4绘制总体方案图 (5)

4．步进电机的工作原理 (6)

及工作方式 (6)

5.参数计算 (7)

6. 编程及相关图表 (8)

6.1 X-Y工作台电路连接图

6.2工作状态及工作方式

6.3 X-Y工作台运转流程图

6.4 X-Y工作台运行程序

7. 设计总结 (12)

8. 参考文献 (12)

一．引言

数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两者的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别.

如图所示，数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成：

1、主轴箱包括主轴箱体和主轴传动系统，用于装夹刀具并带动刀具旋转，主轴转速范围和输出扭矩对加工有直接的影响。

2、进给伺服系统由进给电机和进给执行机构组成，按照程序设定的进给速度实现刀具和工件之间的相对运动，包括直线进给运动和旋转运动。

3、控制系统数控铣床运动控制的中心，执行数控加工程序控制机床进行加工。

4、辅助装置如液压、气动、润滑、冷却系统和排屑、防护等装置。

5、机床基础件通常是指底座、立柱、横梁等，它是整个机床的基础和框架

其中，XY数控工作台是数控铣床的重要组成部分，它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。

本次课程设计也将从机械选择以及程序设计等几个方面对XY数控铣床进行大致的研究。

二、设计任务:

1、设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台的控制器，执行电机为步进电机。工作台主要参数如下：

（1）立铣刀最大直径d=15mm

（2）立铣刀齿数z=3

（3）最大铣削宽度为ae=15mm

（4）最大背吃刀量ap=8m

（5）加工材料为碳素钢或有色金属

（6）X、Y方向的脉冲当量为δx=δy=0.005mm/脉冲

（7） X、Y方向的定位精度均为±0.01mm

（8）工作台面尺寸为230mm×230mm，加工范围为250mm×250mm;

（9）工作台空载最快移动速度Vxmax=Vymax=3000mm/min

（10）工作台进给最快移动速度Vxmaxf=Vymaxf=400mm/min

2、根据工作台的参数和机械传动部件，最后计算得到所选步进电机为 110BF003，电机参数为:

相数：3

步距角：0.75/1.5o

输入电压：80V

电流：6A

最大静转矩7.84N.m

空载起动频率：1800Hz

空载运行频率：20000Hz

转动惯量：5.5kg.cm2

步进电机工作方式为三相六拍

3、画出控制系统的电路图，用汇编或Keil C写出控制程序

三、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01

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.0

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。

3.1.4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-Y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，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80C51作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。

3）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

3.4 绘制总体方案图

总体方案图如图所示。

总体方案图

四、步进电机的工作原理及工作方式

如图所示，U1、V1、W1接电源，分别有三个开关控制，U2、V2、W2分别接地。

步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。以反应式步进电机为例：如A相通电，B，C相不通电时，由于磁场作用，齿1与A对齐，（转子不受任何力以下均同）。如B相通电，A，C相不通电时，齿2应与B对齐，此时转子向右移过1/3π，此时齿3与C偏移为1/3π，齿4与A偏移（π-1/3π）=2/3π。如C相通电，A，B相不通电，齿3应与C对齐，此时转子又向右移过1/3π，此时齿4与A偏移为1/3π对齐。如A相通电，B，C相不通电，齿4与A对齐，转子又向右移过1/3π 这样经过A、B、C、A分别通电状态，齿4（即齿1前一齿）移到A相，电机转子向右转过一个齿距，如果不断地按A，B，C，A……通电，电机就每步（每脉冲）1/3π,向右旋转。如按A，C，B，A……通电，电机就反转。由此可见：电机的位置和速度由导电次数（脉冲数）和频率成一一对应关系。而方向由导电顺序决定。不过，出于对力矩、平稳、噪音及减少角度等方面考虑。往往采用A-AB-B-BC-C-CA-A这种导电状态，这样将原来每步1/3π改变为1/6π。甚至于通过三相电流不同的组合，使其1/3π变为1/12π，1/24π，这就是电机细分驱动的基本理论依据。不难推出：电机定子上有m相励磁绕阻，其轴线分别与转子齿轴线偏移1/m,2/m……(m-1)/m,1。并且导电按一定的相序电机就能正反转被控制——这是旋转的物理条件。只要符合这一条件我们理论上可以制造任何相的步进电机，出于成本等多方面考虑，市场上一般以二、三、四、五相为多。

4.1、步进电机的工作方式

1. 单三拍：通电顺序为A—B—C ；

2. 双三拍：通电顺序为AB——BC——CA ；

3. 三相六拍：通电顺序为A—AB—B—BC—C—CA

该设计所需的步进电机为三相六拍式，为上面3所示

五、参数计算

5.1.负载时，脉冲量的计算

采用定时器方式输出脉冲，单片机晶振频率为12MHZ，使用定时器1以方式0产生等宽正方形连续脉冲。

f负=400/0.005/60=4000/3 (HZ)

T=1/f=3/4000=750(us)

计数初值为：（213-X）*1*106=375*106

解得X=7817 TH1=F4H TL1=09H

5.2空载时，脉冲量的计算。

采用定时器方式输出脉冲，单片机晶振频率为12MHZ，使用定时器1以方式0产生等宽正方形连续脉冲。

f空=3000/0.005/60=10000(HZ)

T=1/10000=1000(us)

计数初值为：(213-X)*1*106=500*106

解得X=7692 TH1=F0H TL1=0CH

5.3步进电机走的步数为

N=250/0.005=50000

5.4定时器TMOD计算

因为选用定时器1，采用工作方式0且采用定时方式。故TMOD=00000000，

TMOD=00H

六、编程及相关图表

6.1 X-Y工作台电路连接图

P1.0 X正转开关

P1.1 X反转开关

P1.2 Y正转开关

P1.3 Y反转开关

P1.4 空载控制开关

P1.5 停止开关

P2.0 X电机脉冲输出口

P2.1 方向脉冲

P2.2 Y电机脉冲输出口

6.2工作状态及工作方式

该工作台一共分为八个工作状态，即

（1）X加负载正转（P1.0开关按下）

（2）X空载正转（P1.0、P1.4同时按下）

（3）X加负载反转（P1.1开关按下）

（4）X空载反转（P1.1、P1.4同时按下）

（5）Y加负载正转（P1.2按下）

（6）Y空载正转（P1.2、P1.4同时按下）

（7）Y加负载反转（P1.3按下）

（8）Y空载反转（P1.3、P1.4同时按下）

（P1.0、P1.1、P1.2、P1.3一次只能按下一个）

每个工作状态数控机床控制台都行进250mm后停止或者在行进中按下P1.5开关后停止

由于每个状态的流程图类似，所以只画出X正转时候的流程图，如下图所示：

6.3 X-Y工作台运转流程图(X正转)

6.4.X-Y工作台运行程序

ORG 00H ；初始化

SJMP START

ORG 30#

START:MOV SP,#30H

CHAXUN:JB P1.0，XZHENG ；X正转开关

JB P1.1，XFAN ；X反转开关

JB P1.2，YZHENG ；Y正转开关

JB P1.3，YFAN ；Y反转开关

JB P1.5，STOP ；停止开关

SJMP CHAXUN

XZHENG: SETB P2.1 ；方向控制置一，X正转

LCALL TRISRV ；调用TR1SRV子程序，开始输出X电机脉冲XFAN: CLR P2.1 ；方向控制清零，X反转

LCALL TRISRV

YZHENG: SETB P2.1 ；Y正转

LCALL TROSRV ；调用TR0SRV子程序，开始输出Y电机脉冲YFAN: CLR P2.1 ；Y反转

LCALL TROSRV

STOP: CLR P2.0 ；P1.0清零，X电机停止

CLR P2.2 ；P1.2清零 Y电机停止

END

TRISRV: JB P1.4,KONG ；判定P0.5开关是否按下

MOV TMOD,#00H ；设置T1为工作方式0（X电机）

MOV TH1,#0F4H ；设置有负载时计数初值

MOV TL1,#09H ；

MOV IE,#00H ；禁止中断

MOV R7,#50000 ；设置步进电机步数

SETB TR1

JB P1.5，STOP ；启动定时

LOOP: JBC TF1,LOOP1 ；查询计数溢出

AJMP LOOP

LOOP1: MOV TH1,#0F4H ；重新设置计数初值

MOV TL1,#09H

CPL P2.0 ；输出取反，控制X电机转动

DJNZ R7,LOOP ；判定步数是否走完

SJMP STOP ；步数走完，停止

KONG: MOV TMOD,#00H ；

MOV TH1,#0F0H ；设置空载时的T1计数初值

MOV TL1,#0CH

MOV IE,#00H

MOV R7,#50000

SETB TR1

LOOP2: JBC TF1,LOOP3

AJMP NEXT

LOOP3: MOV TH1,#0F0H

MOV TL1,#0CH

CPL P2.0

DJNZ R7,LOOP2

SJMP STOP

RET

TROSRV: JB P1.4,KONG1 ；判定P0.5开关是否按下

MOV TMOD,#00H ；设置T1工作方式为0（Y电机） MOV TH1,#0F4H ；设置加负载时的计数初值

MOV TL1,#09H

MOV IE,#00H

MOV R7,#50000

SETB TR1

JB P1.5,STOP

NEXT: JBC TF1,NEXT1

AJMP NEXT

NEXT1: MOV TH1,#0F4H

MOV TL1,#09H

CPL P2.2 ；P1.2取反，控制Y电机转动

DJNZ R7,NEXT ；

SJMP STOP ；

KONG1: MOV TMOD,#00H ；设置空载时的T1工作方式

MOV TH1,#0F0H ；设置空载时TI的计数初值

MOV TL1,#0CH

MOV IE,#00H

MOV R7,#50000

SETB TR1

NEXT2: JBC TF1,NEXT3

AJMP NEXT

NEXT3: MOV TH1,#0F0H ；

MOV TL1,#0CH

CPL P2.2 ；

DJNZ R7,NEXT2 ；

SJMP STOP

RET

七、设计总结

通过本次设计，我们进一步加强了对单片机和自动控制原理知识的了解和运用，还了解了步进电机的原理和使用方法，更重要的，通过了解和运用各个学科以及他们之间的联系，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识。

同时使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。进一步加强了我综合分析解决实际问题和独立思考的能力。在这次设计中我们同组的同学共同的研究，讨论问题，查阅资料，相互帮助，从实际应用出发将设计完成的比较合理且具有实际的意义。同时，我们也发现了一些问题。比如对知识的运用的熟练程度还不够，知识范围比较的狭隘，导致在设计中的一些问题无法及时发现和解决。这对以后进一步的学习和工作有着重要的意义，在此感谢老师和同学的指导、帮助和鼓励。使得我能够顺利完成此次课程设计

八、参考文献

《单片机控制工程实践技术》付家才主编化学工业出版社

《例说8051》张义和陈敌北编著人民邮电出版社

《特种电机及其控制》孙建忠白凤仙编著中国水利水电出版社

《数控技术》张建国胡大泽华中科技大学出版社机电工程系《数控机床课程设计》五邑大学