机电一体化毕业设计论
文
Hessen was revised in January 2021
滨州职业学院毕业论文设计
题目：数控机床工作台与控制系统设计
学号：
姓名：
专业班级:
教学单位：电气工程学院
指导教师：
滨州职业学院毕业论文（设计）任务书
电气自动化技术专业级
1、毕业论文（设计）题目数控机床工作台与控制系统设计
2、学生完成全部任务期限：2016年 6月10日
3、任务要求：
1）进程要求
1）提出选题的初步设想。
2）搜集、整理与毕业设计或论文有关的、充分的、准确的信息资料，扩充查阅范围。
3）分析、筛选已有的信息资料，提出研究设想与计划。
4）向指导教师提出开题报告（见附页）。
5）构思论文框架，编写论文提纲，撰写论文初稿。
6）提请指导老师审阅，并根据老师的指导意见做进一步修订，装订成册。
（2）成果要求
1）毕业设计应提交设计图纸和相应的说明书。图纸须规范、完整、清晰、正确，格式符合国家标准的要求；说明书须规范、详实，应包括：任务书、开题报告、正文（摘要、正文内容，结语，参考文献）、附录等。书写认真、清楚，字数不少于8000字。主要包括：前言、摘要、正文内容
2）毕业论文应包括：任务书、开题报告、正文（前言、摘要、关键词，正文内容、结语、参考文献）、附录等；书写认真、清楚，字数以15000字左右为宜。
4、实验（调研）部分内容要求：
（1）实验内容与论文题目一致，数据真实。
（2）调研内容详实，调研结论应具备普遍性。
5、文献查阅及翻译要求：
（1）参考文献应与论文内容相一致。
（2）参考文献不少于8篇。
（3）参考文献的格式参考滨州职业学院毕业论文格式要求。
（4）翻译文献应与原文内容一致。
指导教师：（签名）
学生：（签名）
摘要
当今世界技术迅速，微处理器、微型机在各技术领域得到了广泛，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
目录
第一章前言 (4)
第二章课程设计的目的、意义及要求 (6)
第一节课程设计的目的、意义 (6)
第二节课程设计的要求 (6)
第三章课程设计的内容 (7)
第一节课程设计的内容 (7)
第二节课程设计的内容 (7)
第四章数控系统总体方案的确定 (8)
第五章机械部分设计 (9)
第一节确定系统脉冲当量 (9)
第二节工作台外形尺寸及重量初步估算 (9)
第三节滚动导轨副的计算 (9)
第四节齿轮计算、设计 (13)
第五节步进电机惯性负载的计算 (14)
第六节步进电机的计算选择 (15)
第六章机床数控系统硬件电路设计 (17)
第一节设计内容 (17)
第二节设计步骤 (17)
第三节机床数控系统硬件电路设计 (21)
第七章系统控制软件设计 (22)
第八章结束语与致谢 (29)
第九章参考文献 (30)
第一章绪论
一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状
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。
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 ,他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。从目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。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) 、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 ,数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。网络化数控装备是近两年国际着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。
第二章课程设计的目的、意义及要求
第一节课程设计的目的,意义
1.能够正确运用《机电一体化技术》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力。
2.本设计所设计的X-Y工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过MCS-51单片机来控制步进电机，使X-Y工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的X-Y工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。通过对X-Y工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过课程设计，
第二节课程设计的要求：
1.课程设计应在教师的指导下由学生独立完成，严格地要求自己，不允许相互抄袭；
2.认真阅读《课程设计指导书》，明确题目及具体要求；
3.认真查阅题目涉及内容的相关文献资料、手册、
第三章课程设计的内容
第一节课程设计题目：单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。已知条件：设计一个数控X-Y工作台及其控制系统，该工作台可安装在普通钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。系统分辨率X：，Y：。系统分辨率X：，Y：。设计参数如下：快速进给速度纵向X：2m/分；快速进给速度横向Y：2m/分；切削进给速度：分；时间常数： t≤200ms ；最大钻孔直径d=5mm；铣刀直径φ15mm，齿数Z=3；铣削最大余量αe=2mm；铣削最大深度αp=2mm；工作台加工范围X=320mm，Y=260mm。加工材料为铸铁；最大工件重量 80Kg。
第二节课程设计的内容
1.数控装置总体方案的确定
(1).数控装置设计参数的确定；
(2).方案的分析，比较，论证。
2.机械部分的设计
(1).确定脉冲当量；
(2).机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；
(3).传动元件及导向元件的设计，计算和选用；
(4).确定伺服电机；
(5).绘制机械结构装配图；
(6).系统等效惯量计算；
(7).系统精度分析。
3.数控系统的设计
(1).微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；
(2).I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；
(3).系统控制软件的设计
4.编写课程设计说明书
(1).说明书是课程设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的
确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件
参数的说明，软件设计及其说明；
(2).说明书不少于84字，尽量用计算机完成。
5.图纸
(1).机械结构装配图，A0图纸1张。要求视图基本完整，符合标准。其中至少要有
一个坐标轴的完整剖视图；
第四章数控系统总体方案的确定
数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。
1.系统运动方式的确定
由于机床既能钻削又能铣削加工，故应采用连续控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。钻头上下运动也由步进电机通过减速装置控制。
2.伺服系统的选择
开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。
.考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。
3.计算机系统的选择
采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、
I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。
4.X—Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。
考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下:
机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。
第一节 确定系统脉冲当量
脉冲当量δp 是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由
于定位精度为±因此选择脉冲当量为。
第二节 工作台外形尺寸及重量初步估算
根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X 向和Y 向工作台承载重量W X 和W Y 。 取X 向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y 向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:
X 向拖板(上拖板)尺寸为:
长*宽*高=420*410*50
重量:按重量=体积*材料比重估算为:
x W = 3242041050107.810671.58N --?????=
Y 向拖板(下拖板)尺寸为: 42040050??
重量Y W =3242040050107.810655.2N --?????=
上导轨(含电机)重量为
夹具及工件重量:约155N
X-Y 工作台运动部分总重量为:
第三节 滚动导轨副的计算、选择
根据给定的工作载荷F z 和估算的W x 和W y 计算导轨的静安全系数f SL =C 0/P ，式中：C 0为导轨的基本静额定载荷，kN ；工作载荷P=(F z +W)； f SL =~(一般运行状况)，~（运动时受冲
击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：
因系统受中等冲击,因此取 4.0sL f =
第四节 齿轮计算、设计
因步进电机步距角 1.5o b θ=滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量0.01/p mm step δ=,在传动系统中应加一对齿轮降速传动.
齿轮传动比： 0
360l i p αδ=，初选步进电机步距角：α= /step 。 取小齿轮齿数 124Z = 则大齿轮齿数250Z =
因传递的扭距较小,取模数m=1mm 则:
分度圆直径:1112424d mz mm ==?= 2215050d mz mm ==?=
齿顶圆直径: 11(2)(242)126a d z m mm =+=+?=
齿根圆直径: 11( 2.5)(24 2.5)121.5f d z m mm =-=-?=
齿宽: 112424d b d mm φ==?= 取125b =230b =
中心距: 120.5()0.5(2450)37a d d mm =+=+=
分度圆压力角: 020α=
大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮
小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙.
第六节 步进电机惯性负载的计算
根据等效转动惯量的计算公式，有：
（1）等效转动惯量的计算
折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：
式中：q J 为折算到电机轴上的惯性负载；0J 为步进电机轴的转动惯量；1J 为齿轮１的转
动惯量；
2J 为齿轮２的转动惯量；3J 为滚珠丝杠的转动惯量；Ｍ为移动部件的质量。
对钢材料的圆柱零件可以按照下式进行估算：
式中D 为圆柱零件直径，L 为圆柱零件的长度。
所以有：
电机轴的转动惯量很小，可以忽略，所以有：
22222240.016.4710()(146.2537.44)10200()0.7793.3.1450 1.5180
d J kg cm --=?++?+=?第七节 步进电机的选用
(１）步进电机启动力矩的计算
设步进电机的等效负载力矩为Ｔ，负载力为Ｐ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力所做的功有如下的关系：
式中?为电机转角，Ｓ为移动部件的相应位移，
η为机械传动的效率。若取b ?θ=，则Ｓ＝p δ，且()s z P P G P μ=++。所以：
式中：s P 为移动部件负载（N ），G 为移动部件质量（N ），z P 为与重力方向一致的作用在移动部件上的负载力（N ），μ为导轨摩擦系数，b θ为步进电机的步距角（rad ）,T 为电机轴负载力矩（）。
取μ=（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），η＝０.8，s P =H P =Ｎ。考虑到重力影响，Ｙ向电机负载较大，因此Ｇ＝1200Ｎ，所以有：
考虑到启动时运动部件惯性的影响，则启动转矩：
取系数为０.３，则： 65.25163.12.0.4
q T n cm == 对于工作方式为三相６拍的步进电机：
(２） 步进电机的最高工作频率
为使电机不产生失步空载启动频率要大于最高运行频率max f ,同时电机最大静转矩要足够大,查表选择两个90BF001型三相反应式步进电机.
电机有关参数如下:
第六章数控系统硬件电路设计
第一节设计内容
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。
第二节设计步骤
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。
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可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，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。此外，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，所以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。
由以上分析，采用２７６４EPROM
(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。
(３）译码电路
在单片机应用系统中，所有外围芯片都通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。
（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，
（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。
(b).键盘，显示器接口电路
键盘，显示器是数控系统常用的人机交互的外部设备，可以完成数据的输入和计算机状态数据的动态显示。通常，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。
(1）脉冲分配器采用集成脉冲分配器YB013。
（2）光电隔离电路光电耦合器。
（3）功率放大器
（１）８０３１的时钟电路
单片机的时钟可以由两种方式产生：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。晶体可以在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。
（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，可
以直接相连。当晶振频率选用６ＭＨz时，复位电路中Ｃ取２２μＦ，Ｒ取２００Ω，R取１０００Ω。
K
第三节机床数控系统硬件电路设计
该系统选用ＭＣＳ－５１系列的８０３１作为主控制器。扩展存储电路为一片
2732EPROM和一片6264RAM。程序存储器扩展为４Ｋ，数据存储器扩展为８Ｋ。
系统的扩展I/O接口电路选用通用可编程并行输入/输出接口芯片8155。8155的片选端CE接至译码器（74LS138）的Y4的输出端，故8155控制命令寄存器及PA，PB，PC口的地址号分别为8000H及8001H，8002H，8003H。8155RAM区的地址为8000H—80FFH。
PB口剩余的I/O线PB4—PB7分别作为工作台+X，+Y，-X，-Y四个方向的行程限位控制信号。在软件设计上8155的PA口，PC口设置为输出，PB口设置为输入。计算机随时巡回检测PB4—PB7的电平，当某I/O线为0时，应立即停止X，Y向电机的驱动，并发出报警信号。另外，光电隔离器的输出端必须采用隔离电源。隔离电源选用7805三端集成稳压器设计。
第七章系统控制软件的设计
(一).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。
2、零件加工源程序的输入处理程序。
3、插补程序。
4、伺服控制
程序。5、诊断程序。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。
(二).软件设计
1.系统控制功能分析