数控技术毕业设计(论文)-X-Y工作台控制设计(数控铣床) .doc
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1、 I 论论文文 题目: X-Y 工作台控制设计(数控铣床) 院 系 专 业 班 级 学 号 姓 名 导 师 II 毕业设计毕业设计 论文论文 任务书任务书 姓名: 班号: 院系: 学号: 同组姓名:无 指导教师: 一、设计题目:一、设计题目: X-Y 工作台控制设计(数控铣床) 二、课题简介二、课题简介 当今世界电子技术迅速发展,微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广 泛应用,对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化 系统,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、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技 术、自动控
2、制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域 综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品正 朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 三、课题的任务和要求三、课题的任务和要求 (1)系统的运动方式与伺服系统 由于工件在移动的过程中没有进行切削,故应用点位控制系统。定位方式采用 增量坐标控制。考虑到定位精度要求不高,为了简化结构,降低成本,采用步进电 机开环伺服系统驱动 X-Y 工作台。 (2)计算机系统 本设计采用了与 MCS-51 系列兼容的 AT89S51 单片机控制系统。它的主要特 点是集成度高,可靠性好,功能强,速度快,有较高
3、的性价比。 控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电 磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED 显示数控工作台的状态。 (3)X-Y 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性,又要求结构紧凑,所以选用丝杠螺母传动副。 为提高传动刚度和消除间隙,采用预加负荷的结构。 由于工作台的运动载荷不大,因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。采用滚珠 导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差,从而提高运动平稳性,减小 III 振 摘摘 要要 当今世界电子技术迅速发展,微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广 泛应用,对各领域技术
4、的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化 系统,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、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技 术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域 综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品 正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字关键字:数控技术 机电一体化的基础 基本组成要素 特点 发展趋势 IV Abstract Now the world electronic technology rapidly expand,
5、the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuatio
6、n part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the
7、 servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the sy
8、stematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. Key words: Numerical control Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development. V 目目 录录 摘 要 I ABSTRACT.IV 第 1 章 前言1 第 2 章 总体方案设计4 2.1 设计任务4 2.2 总体方案确定4 第 3 章 机械系统设计6 3
9、.1 工作台外形尺寸及重量估算6 3.2 滚动导轨的参数确定6 3.3 滚珠丝杠的设计计算7 3.4 步进电机的选用9 3.5 确定齿轮传动比10 3.6 确定齿轮模数及有关尺寸11 3.7 步进电机惯性负载的计算11 第 4 章 控制系统硬件设计13 4.1 CPU 板.13 4.2 驱动系统15 4.3 传感器和人机界面17 第 5 章 控制系统软件设计19 5.1 总体方案19 5.2 主流程图19 5.3 INT0 中断服务流程图20 5.4 INT1 中断服务流程图21 致 谢26 参考文献27 1 第第 1 章章 前言前言 当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产
10、业化的现 状。 在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我 国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了 发展我国数控技术及装备的几点看法。 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。 (一)数控技术的发展趋势。 数控技术的
11、应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业 化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一 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。从目前世 界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面: (1)高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提 高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情 况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ min ,甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ min 左右。目前世界上许多
12、汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经 采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床的加工精度已由 10m 提高到 5m ,精密级加工中心则 从 35m ,提 高到 11.5m 并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m 。为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机 得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。 (2)5 轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 , 不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结 构复杂等原因
13、,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较 大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动 加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价 2 格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展。 (3)智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21 世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系 统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适 应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,
14、如前馈 控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系 统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开 发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁 结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成 到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明 个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运 行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。 网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化 将极
15、大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制 造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网 络化方向发展的趋势。 (二)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
16、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。 (三)对我国数控技术和产业化发展的战略思考 (1)战略考虑 我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所 以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安 全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生 活水平 ,而
17、且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 , 西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 3 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。 (2)发展策略 从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导 向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 , 选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化 发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。 强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、 铣床、高速高精高
18、性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动 数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、 高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不 会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没 有规模中国的数控装备最终难有出头之日。 4 第第 2 章章 总体方案设计总体方案设计 2.1 设计任务设计任务 设计一个数控 X-Y 工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加 工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工,重复定位精度为0.01mm,定位 精度为 0.025mm。 设计参数如下:负载重量 G=150N
19、;台面尺寸 CBH145mm160mm12mm;底座外形尺寸 C1B1H1210mm220mm140mm;最大长度 L=388mm;工作台加工范围 X=55mm,Y=50mm;工作台最大快移速度为 1m/min。 2.2 总体方案确定总体方案确定 (1)系统的运动方式与伺服系统 由于工件在移动的过程中没有进行切削,故应用点位控制系统。定位方式采用 增量坐标控制。考虑到定位精度要求不高,为了简化结构,降低成本,采用步进电 机开环伺服系统驱动 X-Y 工作台。 (2)计算机系统 本设计采用了与 MCS-51 系列兼容的 AT89S51 单片机控制系统。它的主要特 点是集成度高,可靠性好,功能强,速
20、度快,有较高的性价比。 控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电 磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED 显示数控工作台的状态。 (3)X-Y 工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性,又要求结构紧凑,所以选用丝杠螺母传动副。 为提高传动刚度和消除间隙,采用预加负荷的结构。 由于工作台的运动载荷不大,因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。采用滚 珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差,从而提高运动平稳性,减小 振动。 考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取,为达到分辨率的要求,需采用齿 5 轮降速传动。 图
21、2-1 系统总体框图 6 第第 3 章章 机械系统设计机械系统设计 3.1 工作台外形尺寸及重量估算工作台外形尺寸及重量估算 X 向拖板(上拖板)尺寸: 长 宽 高 14516050 重量:按重量=体积材料比重估算 N 32 145 16050 107.8 1090 Y 向拖板(下拖板)尺寸: 145 16050 重量:约 90N。 上导轨座(连电机)重量: 223 (220 140382 1558 )7.8 10101.1 10107 ()N 夹具及工件重量:约 150N 。 X-Y 工作台运动部分的总重量:约 287N。 3.2 滚动导轨的参数确定滚动导轨的参数确定 、导轨型式:圆形截面滚
22、珠导轨 、导轨长度 上导轨(X 向) 取动导轨长度 100 B l 动导轨行程 55l 支承导轨长度 155 B Lll 下导轨(Y 向) 50l 100 B l 150L 选择导轨的型号:GTA16 、直线滚动轴承的选型 上导轨 240() X GN 下导轨 7 287() Y GN 由于本系统负载相对较小,查表后得出 LM10UUOP 型直线滚动轴承的额定动载 荷为 370N,大于实际动负载;但考虑到经济性等因素最后选择 LM16UUOP 型直线 滚动轴承。并采用双排两列 4 个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。 、滚动导轨刚度及预紧方法 当工作台往复移动时,工作台压在两端滚动体上的压力会
23、发生变化,受力大 的滚动体变形大,受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时,两端滚动体受力 相等,工作台保持水平;当导轨移动到位置或时,两端滚动体受力不相等, 变形不一致,使工作台倾斜 角,由此造成误差。此外,滚动体支承工作台,若 工作台刚度差,则在自重和载荷作用下产生弹性变形,会使工作台下凹(有时还 可能出现波浪形) ,影响导轨的精度。 3.3 滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的设计计算 滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削 时的情况计算。 、最大动负载 Q 的计算 3 H QL f f P 查表得系数,寿命值1f1 H f 6 60 10 nT L 查表得使用寿命时间
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