CNC数控平面绘图仪

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1、CNC 数控平面绘图仪一、设计题目数控平面绘图仪一、设计要求1、 输入参数由24 位键盘录入（ LED显示）；2、 绘制给定300mm 直线和 =200mm 圆弧；3、 根据系统的功能要求设计直线插补和园弧插补软件；4、 根据系统的功能要求设计单片机硬件及接口电路；5、 绘制机械装配图以及电气图三、设计目的1、通过设计，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相关知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法；2、 通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、 通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式；4

2、、 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；四.设计原理1 系统工作原理 X-Y 绘图仪的机械特性主要包括平台、X Y 坐标尺 h 和 Ly、XY 传动丝杠驱动坐标步进电动机MxMy、绘图笔、控制器和微型计算机接口等，如图3.1 所示：图 3.1 X Y 绘图仪机械原理图平台是用于固定绘图纸的台面。两个坐标尺可在绘图区域内双向运动，绘图笔位于两坐标尺的交点 (PEN)处， XY坐标尺的位置确定了绘图笔的位置，可用(X， Y)坐标对来表示其位置。绘图笔的抬起和落下用继电器控制。传动丝杠实现步进电动机到

3、坐标尺之间的传动，将步进电动机的旋转角度转换为坐标尺的直线运动。步进电动机的特点是每当给定一个脉冲，电动机的转子将转动一个固定角度，或者说步进电动机转子的旋转角度与励磁电脉冲数成比例。本系统采用了三相六拍双向步进电机。微型计算机的作图命令通过通信接口发送给控制器( 单片机最小系统) ，控制器将命令进行分析， 并调用相应的绘图子程序。该程序的功能是驱动x和 Y方向上的步进电动机，使两个坐标尺按规律地移动，将画笔移至要求的位置。同时控制器通过笔头继电器控制绘图笔的起落，从而完成各种绘图命令所给定的操作。2插补原理组成零件基本线型的是直线和圆弧，一些复杂的曲线、曲面经过适当加工后，也可以用直线和圆弧

4、去逼近、拟合。数控加工中，数控系统实时地计算出轮廓起点和终点之间的一系列中间点的坐标值。所谓插补就是根据零件轮廓尺寸，结合精度和工艺等方面的要求，在已知的这些特征点之间插入一些中间点的过程。（1）直线插补逐点比较法直线插补工作流程图，见图3-8. 基本方法是加工诡计与理想直线相比较，以便确定下一步加工方向，使得误差最小.如下图所示，以直线的起点为坐标原点，己知当前坐标为，终点坐标为, X, Y 为直线上任一点的A 的坐标，则直线方程为: X /Y=. （2）圆弧插补圆弧插补与直线插补类似，只是多一个过象限的问题。它同样根据F, C(顺 /逆)，动点坐标 F i (Xi, Yi) 的符号确定加工

5、方向。图 3-11 是逆时针工作，图3-12 是顺时针工作。圆外的箭头表示F=0 时的运动方向，圆内的箭头表示F 0 是时的运动方向。五. 系统设计（1）机械系统设计系统由 X,Y 两个方向的步进电机驱动，带动笔架，画出图形。笔架可在导轨上滑动，导轨与托架连在一起，步进电机1 控制托架在工作台上沿X 方向移动，步进电机2 控制笔架在导轨上沿Y 方向移动，从而控制笔架的运动，画出相应的图形。直线滚动导轨副的设计工作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。滚珠丝杠副传动设计步进电动机的旋转运动需

6、要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度0.02mm ，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2 ，即是 0.01mm和 0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，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。同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高， 且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。 由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。步进电机的选用步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降

7、低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转， 因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数，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低， 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，决定采用开环控制，任务书初选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3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。其他附件的选择1，机械处形机架设计根据其CNC绘图装置的动态和静态力学分析和工作原理得出合理的设计方案，主要包括支架，底板

8、和动动体。2。螺钉和选用根据受力分析选用不同的螺钉，以满足设计要求，从经济方面看，全选择用标准螺钉3联轴器的选用从动态力学分析计算出在机械工作时产生的力锯和转速，选择合适的轴套和销，因为考虑到机械转动时需要的转矩很小，所以选用销连接的联轴器。（2）硬件电路设计根据要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：（1）接受操作面板的开关与按钮信息；（2）接受限位开关信号；（3）控制 X， Y向步进电动机的驱动器；硬件电路设计主要包括：8051单片机系统、步进电动机驱动电路、键盘输入以及显示电路、此图自己注意修改！8051单片机系统80c是一个高度集成化的控制芯片，能进行逻辑自动控制，它是本设计的控制中心

9、，其包括最重要的cpu，存储器（ rom,ram ）,I/O 接口，定时器和计数器。以下为 80c51的外部电路：1 复位电路采用外部复位电路，处部复位电路中，当按下按钮时，电源对外接电容充电，使用RST 端为高电平时，复位按钮松开后，电容通过内部下拉电阻放电，逐渐使RST 端恢复低电平。2 ，晶振电路3，I/O 口连接通过 P0口接收来自键盘的信号，再通过单片机的控制和处理形成的脉冲，经P1口输出来到外部处理电路中。2 芯片 74LS138 74LS138 为三线 -8 线译码器，其工作原理为当一个选通端午节（G1）为高电平，另两个端（ / （G2A ）和 / （G2B ）为低电平是，可将地

10、址端（A，B，C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。3 芯片 8279 373 为三态输出的八 D 透明锁存 器。当三态允 许控制端 OE 为低电平时，O0O7 为正常逻 辑状态，可用来驱动负载或总线。当 OE 为高电平时，O0O7 呈高阻态， 即不驱动总线，也不为总线的负载，但锁存器内部的逻辑操作不受影响。 步进电动机驱动电路步进电动机的控制信号由8051的P1口提供，其中 P10P12分别控制步进电动机Mx的顺时针和逆时针旋转，P13P15分别控制步进电动机My 的顺时针和逆时针旋转。斩波恒流驱动是性能较好，目前使用较多的一种驱动方式。起基本思想： 无论电机式锁定状态还是低频或高

11、频运行时，均使导通相的电流保持额定值。图 326 斩波恒流驱动电路的原理图。相绕组的通断有开关vt1 和 vt2 共同控制， vt2 的发射极的接一只小电阻r ，电动机绕组的电流经这个电阻到底，电阻的压降与电动机绕组电流成正比，所以这个电阻是采样电阻。当输入电压为高电压时，vt1 和 vt22个开关均导通，电源向绕组供电。由于绕组电感的作用， r 上的电压逐渐升高，当超过给定电压的值式，比较器输出低电平，使与门输出低电平， vt1 截止电源被切断，绕组电流经vt2 、r 、 vt2 续流，采样电阻r 的电压随之下降。当采样电阻r 上的小于给定电压时，比较器输出高电平，郁闷也输出高电平，vt1

12、重新导通，电源有开始向绕组供电。如此反复，绕组的电流就稳定在给定电压所决定的数值。当控制脉冲变为电平，vt1 和 vt2 两开关均截止，绕组中的电流经二极管vd1、电源和vd2 放电，电流迅速下降。这种驱动电路的有优点能够有效抑制共振，因为电机共振的基本原因是能量过剩，而斩波恒流驱动的能量式随绕组电流变化调节，可以有效抑制能量聚集。但是由于电流波形为锯齿波，这种驱动方式会长生较大的电磁噪声。 键盘输入以及显示电路（单片机书P232页最后一段 +图 8-38、 39 后面自己看到加哈）通过对键盘 /显示方式命令字的设置，可置为双键互锁方式和N 键巡回方式。双键锁定是为两键同时按下提供的保护方法。

13、若有两键或多个键同时按下，则无论这些键是以什么次序按下的，它只识别最后一个释放的键，把该键值送入FIFO/传感器 RAM 中。N 键巡回是为N 个键同时按下时提供的保护方法。若有多个键同时按下时，键盘扫描能按按键先后顺序依次将键值送入FIFO/ 传感器 RAM 中。利用键盘、显示专用芯片8279 能够以较简单的硬件电路和较少的软件开销实现单片机与键盘、 LED 显示器的接口。采用 8279 与 8051 接口， 在 CPU 对 8279 进行初始化后，只需向8279 传输待显示数据（送数），再就是在8279 键盘中断申请发出后，取键盘数据识别按键（取数），即可实现按键识别和动态显示。至于要花费

14、CPU 大量时间的键盘扫描程序和动态显示程序，全由8279硬件自动完成。 ，CPU 再也不必像实训7 那样不断调用动态显示子程序，不断查询是否有按键按下，大大提高了CPU 的工作效率。六心得体会通过课程设计， 使我了解 CNC 控制的基本工作原理和仪器结构, 学习了直线插补和园弧插补有关算法原理, 掌握了计算机控制系统的软硬件设计与调试方法。同时也提高了自己的编程水平， 包括软件项目的管理、代码编写的规范，数据结构和算法的优化，比如文件的划分，目录的管理，代码的对齐，注释的准确性，变量的命名等。通过这次实践，我了解了不少芯片的用途及工作原理，熟悉了数控系统的设计步骤，锻炼了工程设计实践能力，培养了自己独立设计能力。