数控XY工作台与控制系统设计

UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文（设 计）题目： 数控机床 XY 工作台与控制系统设计 学 院： 姓 名： 学 号： 专 业：机械设计制造及其自动化 年 级： 指导教师： 职 称： 二一一 年 五 月II摘要 数控机床是一种高精度、高效率的自动化机床。能够适应市场对产品多样化、高精度和快速响应的加工要求，因此得到了广泛的应用。数控机床正朝着高性能、高智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。作为一个较完善的机电一体化系统，数控车床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、控制系统及信息处理部分。XY 数控工作台采用开环控制系统，结构简单、实行方便并且能够保证一定的精度，设计主要对工作台的机械部分进行设计，包括滚珠丝杆、滚动导轨、轴承等传动元件及步进电动机的计算及选用，最后对控制系统进行了分析和完成各电子元件的选用，并且利用 CAD 进行了装配图的绘制，各机械元件的设计及各零件的安装也做了比较详细的说明。关键词： 数控车床 机械部分 传动元件 控制系统 IIIAbstract XY table of the CNC machine tool and control system design.The CNC lathe is a high precision.high-efficiency automatic machine. Can able to adapt to the market what product diversification. the processing requirements of high accuracy and fast response. has been widely used. CNC lathe is moving high-performance. high intelligence. Organization. and lightweight. miniaturized direction. As a more complete mechatronic systems , CNC lathes should contain the following basic elements: mechanical body . part of the motivation and drive. executing agency . the sensor test section .the control system and information processing section .XY CNC table using open-loop control system.Has simple structure. convenient to implement. And be able to guarantee a certain accuracy. This design is mainly designed for the mechanical part of the workbench. Including ball screw. rolling guide bearings . stepper motor and other transmission elements calculation and selection. Finally, the analysis to control system and complete selection of electronic components. In the same time. Use software CAD drawing of the assembly drawing. The design of mechanical components and parts installed a more detailed explanationKey words： CNC lathes. mechanical part. driving element. control systemIV摘要 .- 2 -1. 绪论 .- 1 -1.1. 课题来源及意义 .- 1 -1.2. 发展现状与发展趋势 .- 2 -1.3. 论文结构及主要研究内容 .- 4 -2. 数控系统方案确定 .- 5 -2.1. 总体方案步骤确定： .- 5 -2.2. 设计系统方案的确定 .- 6 -2.3. XY 工作台各项参数的初步确定 .- 7 -2.4. 控制系统的选择 .- 7 -3. 机械部分设计 .- 9 -3.1. 设计主要思路 .- 9 -3.2. 工作台外形尺寸及重量估算 .- 9 -3.3. 滚动导轨参数计算与选型 .- 11 -3.3.1. 导轨的选用和计算 .- 11 -3.3.2. 额定行程长度和工作时间寿命 .- 12 -3.4. 滚珠丝杠计算、选择 .- 12 -3.4.1. 确定当量载荷 .- 13 -3.4.2. 丝杠载荷计算和选用 .- 13 -3.4.3. 传动效率计算 .- 16 -3.4.4. 丝杠刚度验算 .- 16 -3.5. 支承座的参数 .- 16 -3.6. 齿轮计算、设计 .- 17 -3.6.1. 齿轮参数确定 .- 17 -3.6.2. 齿轮传动消隙 .- 18 -3.7. 步进电机的选用 .- 18 -3.7.1. 步进电机启动力矩的计算 .- 18 -3.7.2. 步进电机惯性负载的计算 .- 20 -4. 机床数控系统设计 .- 21 -4.1. 硬件电路设计 .- 21 -4.1.1. 确定硬件电路的总体方案 .- 21 -4.1.2. 主控制器和存储器扩展 .- 21 -4.1.3. 步进电机驱动电路设计 .- 23 -4.1.4. 硬件电路设计思路 .- 24 -4.2. 系统控制软件设计 .- 25 -4.2.1. 系统控制功能分析 .- 25 -4.2.2. 步进电机控制程序 .- 25 -4.2.3. 系统加工程序 .- 28 -5. 结束语与致谢 .- 30 -6. 参考文献 .- 31 -11. 绪论我国现今工业发展的迅速程度和环境，发展我国机电数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力已非常重要。机电一体化这新兴学科有其技术基础、设计理论和研究方法，只有对其充分理解，才能正确的进行这方面的工作，机电一体化的目的重在多功能、高效率、高可靠性、省材料、省能源、不断满足人们生活和生产的多样化需求。所以机电一体化的研究方法应该是从系统的角度出发，采用现代化设计分析方法，充分发挥边缘科学技术的优势。1.1.课题来源及意义1）数控机床 XY 工作台设计依据数控机床是用数控指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技 术。它广泛应用于机械制造和自动化领域，数控机床的应用不但给传统的制造业 带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控机床的不断发展和应用领域的扩大，所以 X-Y 数控工作台设计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。目前国内中小企业多采用经济型 X-Y 数控冲床系统，其加工速度 慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制 和开发一套基于双单片机的 X-Y 数控冲床数控系统， 用于装配新冲床或对经济型 数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编 写用户加工程序， 对提高企业生产效率、 改善工人的工作环境有很大的实际意义, 工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳 动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改 造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量 的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。总而言之，目前，X-Y 数控机床的发展日新月异，高速化、高精度化、 复合化、2智能化、开放化、并联驱动化、网络化、极端化、绿色化以成为数控机 床发展的趋势和方向。中国作为一个制作大国，主要还是依靠劳动力、价格、资 源等方面的优势，而在产品的技术创新与自主开发方面与国外同行的差距还很 大。中国的数控产业不能安于现状，应该抓住机会不断发展，努力缩短与发达国 家之间的差距。力争早日实现 X-Y 数控机床产品从低端到高端、从初级产品到高精尖端产品制作的变更。2）课题的意义通过对该课题的设计能够正确运用机电系统的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统的功能构成，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。掌握典型机械零部件和执行元件的计算、工作原理和软件编程思想。当今世界，工业发达国家对机床工业高度重视，竞相发展机电一体化、高精、高效、高自动化先进机床，以加速工业和国民经济的发展。长期以来，欧、美、亚在国际市场上相互展开激烈竞争，已形成一条无形战线，特别是随微电子、计算机技术的进步，数控机床在 20 世纪 80 年代以后加速发展，各方用户提出更多需求，早已成为四大国际机床展上各国机床制造商竞相展示先进技术、争夺用户、扩大市场的焦点。中国加入 WTO 后，正式参与世界市场激烈竞争，今后如何加强机床工业实力、加速数控机床产业发展，实是紧迫而又艰巨的任务。1.2.发展现状与发展趋势从 20 世纪 60 年代以前称为初期阶段，这个时期研制和开发还处于自发状态，电子技术还没有发展到一定水平，信息技术还处于萌芽阶段，因此机电技术还没广泛深入的发展。70 年代至 80 年代为蓬勃发展阶段，这一时期，计算机技术、控制技术、通讯技术的发展，微机电一体化的发展奠定了技术基础。到了 20 世纪 90 年代后期，机电一体化技术向智能化自动化迈进了新的阶段，机电一体化进入了深入发展的阶段。并出现了虚拟制造（VM） 、敏捷制造（AM）快速成型制造（RPM） 、并行工程（CE）等新技术。随着科学技术的发展，机电一体化已从原来的以机械为主的领域拓展到目前的汽车、电站、仪表、化工、通信、冶金等多项领域。机电一体化产业覆盖面非常广，而我们的人力物力财力和技术都是有限的，因此我们在机电一体化产业3发展时不能做到面面俱到，但应分清主次大胆取舍，在机电产业做到可持续发展壮大。我国机械制造装备中较多的采用了数控机床、机器人、柔性制造单元和系统高等技术的集成，来满足产品个性化和多样化的要求，以满足社会个消费群体的不同要求。目前机械技术已经发展到广泛采用微型计算机的阶段，今后也将不断出现“具有神经系统的机械”或“智能化的机械” 。并且机电一体化技术贯穿于工程系统设计之中，从简单的单参数显示，到复杂的多参数、舵机控制，从简单的零件自动加工生产线，到各种现代机械设备的自动化生产等，机电一体化技术已应用到不同层次、覆盖面很广的应用领域。数控机床综合运用了电子计算机、自动控制、伺服驱动、精密检测与新型机械结构等方面的技术成果具有高柔性、高精度与高自动化的特点，因此它提高了机械制造的制造水平，解决了制造中的常规加工技术难以解决甚至无法解决的浮渣幸免零件加工，为社会提供了高质量、多品种及高可靠的机械产品取得了巨大的经济效益，目前，数控技术已逐步晋级，数控车床在工业生产中得到了广泛的应用，已成为机械自动化的一个重要发展方向。机电一体化是集机械、电子、光学、控制理论、计算机技术和信息技术等多学科交叉融合的产物，大力推进制造业信息化、网络化和绿色环保化，大幅度提高产品档次、技术含量和附加值，是机电一体化发展的重点方向。随着制造业生产模式的演变，对机械制造装备提出了不同的要求，使现代化数控系统装备的发展呈如下趋势：1）向高效、高速、高精度方向发展效率、质量是先进制造技术的主体，高速和高精度加工时制造技术永无止境的追求。告诉。高精度加工技术可是数控系统能够进行高速插补、高实时运算，在高速运行中保持较高的定位精度，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尺长竞争能力。2）多功能复合化、柔性自动化的产品成为发展的主流从近几届国内外举办的国际机床展览上展出的装备情况来看，新颖的高技术含量的展品逐年增加。国际上多功能复合加工机床的发展不再以简单的零件加工为主，而是以结构复杂、形状各异的箱体类零件加工或更为复杂的零件加工为发展趋势。展出的机床类型很多、有最新的复合加工机床、4五轴加工机床、纳米加工机床、新型并联加工机床等。展示出世界制造装备的精华，展示了世界制造技术发展的最新动向。3）智能制造技术和智能化装备方向发展通过借助于现代的工具和方法，通过集成传统制造技术。计算机与自动化科学、信息技术和人工智能等发展了一种新型的制造技术与系统，他将人工智能应用与机械制造装备中，使机器智能化。及其职能化石智能之灾的主要研究内容之一，他是智能制造系统的物理基础，包括智能加工机床、工具和材料传送、监测和试验装备等，要求具有加工任务和加工环境的广泛适应性，能够在环境和自身的不确定变化中自主实现最佳行为策略。数控系统智能化是面向世纪的先进制造模式，当前智能机床是在数控机床和加工中心的基础上实现的，它与普通自动化机床的主要区别在于除了具有数控加工功能外，还具有感知、推理、决策、控制、通信、学习等智能功能。目前国外研究机构在产品结构越来越发杂，产品精度要求越来越高等情况下，提高加工设备的智能型、可靠性和加工精度是提高企业竞争力的主要途径。现代数控系统今后的发展将是以创新、提升、优化为主要模式，未来的中国制造业已不能仅仅满足与“制造” ，而是要进一步发展成为“智造” ，即用知识、技术、头脑去创新、去创造。1.3.论文结构及主要研究内容本文以基于对数控 XY 工作台为主要的研究对象，对数控车床的机械系统与部件、控制系统、车床数控系统软硬件等设计问题进行研究，具体内容如下：第 1 章：介绍项目的来源、目的和意义,数控车床的研究现状和发展趋势。以及本论文的结构和主要研究内容。第 2 章：对数控系统总体方案的确定，针对所研究方案的功能提出大概方向。第 3 章：机械部分的设计：包括对 XY 工作台的尺寸，运动特点，传动机构的设计和选用，导向支撑机构的设计和执行机构的设计等第 4 章：控制系统硬件的设计第 5 章：控制系统软件的设计第 6 章：论文总结第 7 章：参考文献52. 数控系统方案确定X-Y 工作台广泛应用于测量、激光焊接、激光切割、涂胶、插件、射线扫描、机械手、搬运、数控机床等领域。设计系统的内容数控机床 XY 工作台与控制系统是采用数字化信号，通过可编程的自动控制工作方式，实现对设备运行及其加工过程产生的位置、角度、速度、力等信号进行控制的新型自动化机床。数控机床的计算机信息处理及控