数控车床XY工作台与控制系统设计

机电一体化课程设计

任务书

一、课程设计的目的

把在机电一体化课程及其它有关先修课程中所学到的知识在实际设计中综合地加以应用,使这些知识得到巩固、加深和扩展。

二、课程设计题目

CA6140车床经济型数控改装设计

三、设计要求

1、能用键盘输入命令控制工作台的运动方向

2、能实时显示当前运动位置

3、具有越程指示报警及停止功能

四、设计内容

1、总体方案确定

（1）总体方案设计

（2）绘制总体方案图

2、机械系统设计

（1）执行元件参数及规格的确定；

（2）传动机构的具体结构及参数设计；

（3）执行机构的具体结构及参数设计。

（4）绘制进给传动系统示意图。

3、控制系统硬件电路设计

（1）微机的选用、存储器的选用与扩展、译码电路设计、接口电路设计等

（2）绘制控制系统原理框图

4、传感器的选择（适用于半闭环控制方式和全闭环控制方式）

五、设计参数

（1）系统分辨率纵向为0.01mm，横向为0.005mm

（2）最大加工直径：在床面上为400mm，在床鞍上为210mm

（3）最大加工长度为1000mm

（4）快进速度：纵向为2.4m/min，横行为1.2m/min

（5）最大切削进给速度：纵向为0.5m/min，横行为0.25m/min

课程设计正文

1.系统总体方案设计

对于普通车床的经济型数控改造，在考虑总体方案时应遵行的基本原则是：在满足设计要求的前提下，对机床的改造应尽可能的少，以降低成本。

数控系统总体方案设计内容包括：系统运动方式的确定；伺服系统的选择；执行机构传动方式的确定；计算机系统的选择等内容。应根据设计任务和要求提出系统的总体方案，对方案进行分析、比较、论证，最后确定总体方案并绘制系统总体方案框图。1.1数控系统运动方式的确定

数控系统按运动方式可分为点位控制系统、点位/直线系统和连续控制系统。由于要求CA6140车床加工复杂轮廓零件，所以本微机控制（MNC）系统采用连续控制系统。

1.2伺服进给系统的选择

数控机床的进给系统有开环、半闭环、闭环之分。

采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但他的结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价高。本设计的精度要求不是很高，采用闭环控制系统的必要性不大。

采用直流或交流伺服电机驱动的半闭环控制，其性能介于开环和闭环之间。由于调速范围宽过载能力强，有具有反馈控制，因此性能远优于以步进电机驱动的开环控制。由于反馈环节不包括大部分机械传动元件，调试比闭环简单，系统的稳定性容易保证，所以比闭环容易实现。但是采用半闭环控制调试比开环控制要复杂，设计上有其自身的特点，技术难度较大。本设计任务的要求不高，是经济型数控改造，通常情况下均采用以步进电机驱动的开环控制。因为开环控制具有结构简单，设计制作容易，控制精度较好，容易调试，价格便宜，使用维修方便等优点；缺点是步进电机没有过载能力，启动频率低，工作频率也不高等。开环控制多用于负载变化不大或要求不高的经济型数控设备中。

经过上述比较，决定采用开环控制系统。

1.3执行机构传动方式的确定

为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，通常提出低摩

擦、低惯量、高强度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。在设计中应考虑以下几点：

（1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨、铁塑导轨等。

（2）尽量消除传动间隙,提高传动精度。如对滚珠丝杠和滚动导轨进行预紧，而传动齿轮通常采用消除间隙结构。

（3）尽量提高传动刚度。传动刚度是传动元件之间的接触刚度，接触面越多刚度越低，传动误差越大，故应尽量缩短传动链。通常，在简易数控系统中，只要能够保证步进电机的步距角与运动末端执行件脉冲当量的正确匹配，只采用一对齿轮传动副即可。给传动元件施加预负载，不但可以提高系统传动精度也可以提高系统的传动刚度。故滚动导轨、滚珠丝杠以及丝杠轴向固定轴成都带有预紧装置，以便随时调整预紧力。

1.4计算机系统的选择

计算机数控系统一般由主机CPU、存储器扩展电路、I/O接口、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。

微机是数控系统的核心。数控系统的功能直接与所选微机相关。数控系统对微机的要求是多方面的，但主要是字长和速度。字长不但影响系统的最大加工尺寸，而且影响加工精度和运算精度。而字长短的计算机在进行多字节数据处理时又会影响加工速度。目前，高档数控系统普遍采用32位机，主频已达20-30MHz；标准CNC系统通常采用16位机；经济型数控系统通常采用8位机，如采用Z80CPU或MCS-51单片机组成的微机应用系统。

在51系列机型中，因为RAM容量都很小，所以必须扩展外RAM；又由于常用零件加工程序需要固化在EPROM中，而它们不宜和系统控制程序存放在同一存储区内，为方便同一考虑外ROM和外RAM的扩展，故通常都是采用8031单片机作主机。

本经济型数控车床采用MCS-51系列单片微机组成的微机应用系统。主机是8031，接口选8155，采用步进电机开环控制，传动丝杠为滚珠丝杠。

1.5总体设计方案的确定

经以上论证后，确定的CA6140车床经济型数控改造的总体方案图如附图一所示。CA6140车床的主轴转速部分保留原机床的功能，即手动变速。车床的纵向（Z轴）和横向（X轴）进给运动采用步进电动机驱动。由MCS-51系列单片机组成微机作为控制装置的核心，由I/O接口、软环分配器与放大器控制功率步进电动机转动，经齿轮减速器后