基于单片机的数控车床XY工作台与控制系统设计说明书dkfd.docx

湘潭大学兴湘学院基于单片片机的数数控车床床XY工工作台与与控制系系统设计计摘 要了解数控控机床的的概念，所所谓数字字控制是是按照含含有机床床(刀具具)运动动信息程程序所指指定的顺顺序自动动执行操操作的过过程。而而计算机机数控机机床就是是数控机机床在计计算机监监控下进进行工作作。它的的优点很很多,可可以在同同一机床床上一次次装夹可可完成多多个操作作，生产产率显著著提高等等优点，但但它的价价格昂贵贵。由于于我国现现在使用用的机床床大多数数为普通通车床，自自动化程程度低,要更新新现有机机床需要要很多资资金。为为了解决决这个问问题,也也为了适适应多品品种中、小小批量零零件加工工我们选选择机床床经济型型数控改改造。纵纵向进给给机构的的改造：拆去原原机床的的溜板箱箱、光杠杠与丝杠杠以及安安装座,配上滚滚珠丝杠杠及相应应的安装装装置，纵纵向驱动动的步进进电机及及减速箱箱安装在在车床的的床尾,不占据据丝杠空空间。横横向进给给机构的的改造：拆除横横向丝杠杠换上滚滚珠丝杠杠,由步步进电机机带动。关键词：运动信信息，滚珠丝丝杠，步进电电机Singgle Chiip MMicrrocoompuuterr-baasedd XYY taablee CNNC llathhe aand Conntrool SSysttem DessignnABSTTRACCTNumeericcal Conntrool (NC) iss anny mmachhiniing proocesss iin wwhicch tthe opeerattionns aare exeecutted auttomaaticcallly inn seequeencees aas sspeccifiied by thee prrogrram thaat cconttainns tthe infformmatiion forr thhe ttooll moovemmentt .WWhenn Nuumerricaal CConttroll iss peerfoormeed uundeer ccompputeer ssupeerviisioon, it is callledd Coompuuterr Nuumerricaal CConttroll (CCNC).CNNC mmachhinees hhavee maany advvanttagees ooverr coonveentiionaal mmachhinees. Forr exxampple, thheree iss a posssibbiliity lf perrforrminng ooperratiionss onn thhe ssamee maachiine in onee seetupp annd pprodducttionn iss siigniificcanttly inccreaasedd. OOne of itss diisaddvanntagges is thaat ttheyy arre qquitte eexpeensiive. Inn ouur ccounntryy coonveentiionaal mmachhinee iss ussed widdelyy. SSo iif tthe macchinnes aree reeplaacedd, ttherre iis ggoinng tto nneedd a larrge monney. Inn orrderr too aggreee wiith thee deevellopmmentt off ouur eeconnomyy, wwe ccan refformm thhe cconvventtionnal macchinnes. Thhe rrefoormaatioon oof tthe toool mmoveemennt: we demmoliish thee cuurreent smooothh leeadiing, leeadiing scrrew andd innstaalliing staand. Thhen repplacce tthe balll lleakkingg too thhe rreleevannt pposiitioon. Thee reeforrmattionn off thhe hhoriizonntall meechaanissm: we makke tthe horrizoontaal bballl leead scrrew inssteaad oof tthe connvenntioonall sccreww. AAnd Steeppeer mmotoor ddrivves thee sccreww. KEYWWORDDS:toool mmoveemennt，connvenntioonall maachiiness，Steeppeer mmotoor第一章 绪论1.1数数控机床床的生产产与发展展装备工业业的技术术水平和和现代化化程度决决定着整整个国民民经济的的水平和和现代化化程度，数数控技术术及装备备是发展展新兴高高新技术术产业和和尖端工工业的使使能技术术和最基基本的装装备，又又是当今今先进制制造技术术和装备备最核心心的技术术。数控控技术是是用数字字信息对对机械运运动和工工作过程程进行控控制的技技术，而而数控装装备是以以数控技技术为代代表的新新技术对对传统制制造产业业和新兴兴制造业业的渗透透形成的的机电一一体化产产品，其其技术范范围覆盖盖很多领领域。科学技术术和社会会生产的的不断发发展，对对机械产产品的质质量和生生产率提提出了越越来越高高的要求求。机械械加工工工艺过程程的自动动化是实实现上述述要求的的最重要要措施之之一。他他不仅能能够提高高产品的的质量和和生产效效率、降降低生产产成本，还还能够大大大改善善工人的的劳动条条件。许许多生产产企业已已经采用用了自动动机床、组组合机床床和专用用自动生生产线。采采用这种种高度自自动化和和高效率率的设备备，尽管管需要很很大的初初始投资资以及较较长的生生产准备备时间，但但是在大大批量的的生产条条件下，由由于分摊摊在每一一个工件件上的费费用很少少，经济济效益仍仍然是非非常显著著的。但是，在在机械制制造工业业中并不不是所有有的产品品零件都都具有很很大的批批量，单单件和小小批量生生产的零零件占机机械加工工总量的的80%以上。尤尤其是在在造船、航航空航天天、机床床、重型型机械以以及国防防部门，其其生产特特点是加加工批量量小、改改型频繁繁、零件件的形状状复杂而而且精度度要求很很高，采采用专用用化程度度很高的的自动化化机床加加工这类类零件就就显得很很不合适适，因为为生产过过程中需需要经常常改装与与调整设设备，对对于专用用生产线线来说，这这种改装装与调整整甚至是是不可能能实现的的。为了解决决这些问问题，满满足多品品种、小小批量的的自动化化生产，迫迫切需要要一种灵灵活的、通通用的能能够适应应产品频频繁变化化的柔性性自动化化机床。数数控机床床就是在在这样的的背景下下产生与与发展起起来的。它它极其有有效地解解决了上上述一系系列矛盾盾，为单单件、小小批量生生产的精精密复杂杂零件提提供了自自动化加加工手段段。1.2数数控机床床的发展展趋势随着计算算机、微微电子、信信息、自自动控制制、精密密检测及及机械制制造技术术的高速速发展，机床床数控技技术有了了长足的的进步。近近几年一一些相关关技术的的发展，如如刀具及及新材料料的发展展，主轴轴伺服和和进给伺伺服、超超高速切切削等技技术的发发展，以以及对机机械产品品质量的的要求越越来越高高等，加加速了数数控机床床的发展展。目前前数控机机床正朝朝着高速速度、高高精度、高高工序集集中度、高高复合化化和高可可靠性等等方向发发展。世世界数控控技术及及其装备备发展趋趋势主要要体现在在以下几几个方面面：（1）高速高高效高精精度（2）柔性化化（3）工艺复复合化和和多轴化化（4）实时智智能化（5）结构新新型化（6）编程技技术自动动化（7）集成化化（8）开放式式闭环控控制模式式1.3数数控机床床在先进进制造技技术中的的作用自从200世纪中中期，人人们将计计算机技技术引用用到控制制机床加加工飞机机机翼样样板的复复杂曲线线中以来来，数控控技术在在机床控控制方面面取得了了广泛、深深入的发发展，各各种数控控机床成成为了现现代制造造业的关关键设备备，是它它们保证证了现代代制造业业向高精精度、高高速度、高高效率、高高柔性化化的方向向发展。由于数控控机床的的出现，带带动了CCAD/CAMM技术向向实用化化、工程程化发展展，特别别是计算算机技术术的迅速速发展，推推动CAAD/CCAM技技术向更更高层次次和更高高水平发发展，而而且进一一步发展展了计算算机辅助助工艺设设计(CCAPPP)数据据库、集集成制造造生产系系统相关关信息的的自动生生成、自自动处理理、自动动传输。可可以说数数控技术术既是联联系CAAD/CCAM的的纽带，也也是进一一步通向向集成化化CADD/CAAM的桥桥梁。1.4对对我国数数控技术术及其产产业发展展的基本本估计我国数控控技术起起步于 19558 年年 ,近 500 年的的发展历历程大致致可分为为三个阶阶段：第第一阶段段从 119588 年到到 19979 年,即封闭闭式发展展阶段。在在此阶段段 ,由于于国外的的技术封封锁和我我国的基基础条件件的制 ,数控控技术的的发展较较为缓慢慢。第二二阶段是是在国家家的“六五”、“七五”期间以以及“八五”的前期期 ,即引引进技术术 ,消化化吸收 ,初步步建立起国产化化体系阶阶段。在在此阶段段 ,由于于改革开开放和国国家的重重视 ,以及研研究开发发环境和和国际环环境的改改善 ,我国数数控技术术的研究究、开发发以及在在产品的的国产化化方面都都取得了了长足的的进步。第第三阶段段是在国国家的“八五”的后期期和“九五”期间 ,即实施施产业化化的研究究 ,进入入市场竞竞争阶段段。纵观观我国数数控技术术近 550 年年的发展展历程 ,特别别是经过过 4 个 5 年计划划的攻关关 ,总体体来看取取得的成成绩还是是不小。1.5毕毕业设计计的目的的、意义义机电一一体化系系统设计计毕业业设计是是培养学学生设计计能力的的重要实实践性教教学环节节之一，是是综合运运用所学学过的机机械、电电子、自自动控制制、计算算机等知知识进行行的基本本设计训训练。其其目的是是：能够正确确运用机机电一体体化系统统设计课课程的基基本理论论和相关关知识，掌掌握机电电一体化化系统（产产品）的的功能构构成、特特点和设设计思想想、设计计方法，了了解设计计方案的的拟定、比比较、分分析和计计算，培培养学生生分析问问题和解解决问题题的能力力，使学学生具有有机电一一体化系系统设计计的初步步能力；通过机械械部分设设计，掌掌握机电电一体化化系统典典型机械械零部件件和执行行元件的的计算、选选型和结结构设计计方法和和步骤；通过测试试及控制制系统方方案设计计，掌握握机电一一体化系系统控制制系统的的硬件组组成、工工作原理理，和软软件编程程思想；通过毕业业设计提提高学生生应用手手册、标标准及编编写技术术说明书书的能力力，促进进学生在在科学态态度、创创新精神神、专业业技能等等方面综综合素质质的提高高。1.6毕毕业设计计的内容容毕业设计计题目：基于单单片机的的数控车车床XYY工作台台与控制制系统设设计已知条件件：定位位精度：±0.001mmm，滚珠珠丝杠及及导轨使使用寿命命为T=160000hh，中等等冲击，工工作台的的有效行行程为,，快速速进给速速度，和工工作载荷荷。第二章 数控系系统总体体方案的的确定数控系统统总体方方案设计计的内容容包括：系统运运动方式式的确定定，执行行机构及及传动方方案的确确定，伺伺服电机机类型及及调速方方案确定定，计算算机控制制系统的的选择。进进行方案案的分析析、比较较和论证证。1.1系系统运动动方式的的确定该系统要要求工作作台沿各各坐标轴轴的运动动有精确确的运动动关系因因此采用用连续控控制方式式。1.2伺伺服系统统的选择择开环伺服服系统在在负载不不大时多多采用功功率步进进电机作作为伺服服电机。开环控控制系统统由于没没有检测测反馈部部件，因因而不能能纠正系系统的传传动误差差。但开开环系统统结构简简单，调调整维修修容易，在在速度和和精度要要求不太太高的场场合得到到广泛应应用。考虑到运运动精度度要求不不高，为为简化结结构，降降低成本本，宜采采用步进进电机作作为开环环伺服系系统驱动动。1.3计计算机系系统的选选择采用MCCS-551系列列中的880311单片机机扩展控控制系统统。MCCS-551单片片机的主主要特点点是集成成度高，可可靠性好好，功能能强，速速度快，性性价比高高。控制制系统由由微机部部分、键键盘及显显示器、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。1.4 XY工作台台的传动动方式为保证一一定的传传动精度度和平稳稳性以及及结构的的紧凑，采采用滚珠珠丝杠螺螺母传动动副。为为提高传传动刚度度和消除除间隙，采采用有预预加载荷荷的结构构。由于工作作台的运运动部件件重量和和工作载载荷不大大，故选选用滚动动直线导导轨副，从从而减小小工作台台的摩擦擦系数，提提高运动动平稳性性。考虑电机机步距角角和丝杠杠导程只只能按标标准选取取，为达达到分辨辨率的要要求，以以及考虑虑步进电电机负载载匹配，采采用齿轮轮减速传传动。系系统总体体框图如如下：计算机光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Y向工作台图2-11第三章 机械部部分设计计机械部分分设计内内容包括括：确定定系统脉脉冲当量量，运动动部件惯惯性的计计算，选选择步进进电机，传传动及导导向元件件的设计计、计算算与选择择，绘制制机械部部分装配配图等。1.1确确定系统统脉冲当当量脉冲当量量p是一个个进给指指令时工工作台的的位移量量，应小小于等于于工作台台的位置置精度，由由于定位位精度为为±0.001mmm因此选选择脉冲冲当量为为0.001mmm。1.2工工作台外外形尺寸寸及重量量初步估估算根据给定定的有效效行程，画画出工作作台简图图，估算算X向和Y向工作作台承载载重量WWX和WY。取X向导导轨支撑撑钢球的的中心距距为4110mmm,Y向导导轨支撑撑钢球的的中心距距为4000mmm,设计工工作台简简图如下下：图3-1- 10 -