基于单片机的数控车床XY工作台与控制系统设计说明书

湘潭大学兴湘学院

基于单片机的数控车床XY工作台与控制系统设计

摘 要

了解数控机床的概念，所谓数字控制是按照含有机床(刀具)运动信息程序所指定的顺序自动执行操作的过程。而计算机数控机床就是数控机床在计算机监控下进行工作。它的优点很多,可以在同一机床上一次装 夹可完成多个操作，生产率显著提高等优点，但它的价格昂贵。由于我国现在使用的机床大多数为普通车床，自动化程度低,要更新现有机床需要很多资金。为了解决这个问题,也为了适应多品种中、小批量零件加工我们选择机床经济型数控改造。纵向进给机构的改造：拆去原机床的溜板箱、光 杠与丝杠以及安装座,配上滚珠丝杠及相应的安装装置，纵向驱动的步进电机及减速箱安装在车床的床尾,不占据丝杠空间。横

向进给机构的改造：拆除横向丝杠换上滚珠丝杠,由步进电机带动。

关键词：运动信息，滚珠丝杠，步进电机

Single Chip Microcomputer-based XY table CNC lathe and

Control System Design

ABSTRACT

Numerical Control (NC) is any machining process in which the operations are executed automatically in sequences as specified by the program that contains the information for the tool movement .When Numerical Control is performed under computer supervision, it is called Computer Numerical Control (CNC).CNC machines have many advantages over conventional machines. For example, there is a possibility lf performing operations on the same machine in one setup and production is significantly increased. One of its disadvantages is that they are quite expensive. In our country conventional machine is used widely. So if the machines are replaced, there is going to need a large money. In order to agree with the development of our economy, we can reform the conventional machines. The reformation of the tool movement: we demolish the current smooth leading, leading screw and installing stand. Then replace the ball leaking to the relevant position. The reformation of the horizontal mechanism: we make the horizontal ball lead screw instead of the conventional screw. And Stepper motor drives the screw.

KEY WORDS: tool movement，conventional machines，Stepper motor

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第一章 绪论

1.1数控机床的生产与发展

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。

科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。他不仅能够提高产品的质量和生产效率、降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。许多生产企业已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线。采用这种高度自动化和高效率的设备，尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间，但是在大批量的生产条件下，由于分摊在每一个工件上的费用很少，经济效益仍然是非常显著的。

但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件和小批量生产的零件占机械加工总量的80%以上。尤其是在造船、航空航天、机床、重型机械以及国防部门，其生产特点是加工批量小、改型频繁、零件的形状复杂而且精度要求很高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得很不合适，因为生产过程中需要经常改装与调整设备，对于专用生产线来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。

为了解决这些问题，满足多品种、小批量的自动化生产，迫切需要一种灵活的、通用的能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。数控机床就是在这样的背景下产生与发展起来的。它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。

1.2数控机床的发展趋势

随着计算机、微电子、信息、自动控制、精密检测及机械制造技术的高速发 展，机床数控技术有了长足的进步。近几年一些相关技术的发展，如刀具及新材料的发展，主轴伺服和进给伺服、超高速切削等技术的发展，以及对机械产品质量的要求越来越高等，加速了数控机床的发展。目前数控机床正朝着高速度、高精度、高工序集中度、高复合化和高可靠性等方向发展。世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：

（1）．高速高效高精度

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（2）．柔性化

（3）．工艺复合化和多轴化 （4）．实时智能化 （5）．结构新型化 （6）．编程技术自动化 （7）．集成化

（8）．开放式闭环控制模式

1.3数控机床在先进制造技术中的作用

自从20世纪中期，人们将计算机技术引用到控制机床加工飞机机翼样板的复杂曲线中以来，数控技术在机床控制方面取得了广泛、深入的发展，各种数控机床成为了现代制造业的关键设备，是它们保证了现代制造业向高精度、高速度、高效率、高柔性化的方向发展。

由于数控机床的出现，带动了CAD/CAM技术向实用化、工程化发展，特别是计算机技术的迅速发展，推动CAD/CAM技术向更高层次和更高水平发展，而且进一步发展了计算机辅助工艺设计(CAPP)数据库、集成制造生产系统相关信息的自动生成、自动处理、自动传输。可以说数控技术既是联系CAD/CAM的纽带，也是进一步通向集成化CAD/CAM的桥梁。

1.4对我国数控技术及其产业发展的基本估计

我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立 起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。

1.5毕业设计的目的、意义

《机电一体化系统设计》毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：

能够正确运用《机电一体化系统设计》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

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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；

通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；

通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；

通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。

1.6毕业设计的内容

毕业设计题目：基于单片机的数控车床XY工作台与控制系统设计 已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命为T=16000h，中等冲击，工作台的有效行程为Lx?400mm,Ly?400mm，快速进给速度

vxmax?2000mm/min，vymax?2000mm/min，和工作载荷Fz?1900N。

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第二章 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。

1.1系统运动方式的确定

该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。

1.2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，宜采用步进电机作为开环伺服系统驱动。

1.3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。

1.4 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：

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