经济型数控台钻X-Y工作台进给伺服系统设计及控制
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毕业设计（论文）任务书 毕业设计（论文）题目： 经济型数控台钻 作台进给伺服系统设计及控制 毕业设计（论文）要求及原始数据（资料）： 作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控机床的纵、横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的 作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成，其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和工作台在导轨上运动，完成在 X,Y 方向的直线运动 。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，设计时根据工作载荷选取即可。 设计一台简易数控 作台及控制系统 设计参数： 最大钻孔直径 4作台加工范围 X 向 200Y 向 160工作台最大移动速度 X 向 向 动加速时间 25位精度 毕业设计（论文）主要内容： 1. 确定总体方案，明确设计内容 2. 确定主要参数 3. 伺服系统设计，绘制装配图及主要零件图 4. 控制系统设计，绘制电气原理图 5. 结合本课程设计查阅并翻 译 1 万印刷字符的英文资料 6. 编写设计说明书 学生应交出的设计文件（论文）： 1. 设计说明书一份，（按太原 学院 学生毕业设计撰写规范写） 2. 配图及 零件图三张 （ 3. 电气原理图（ 4 英文翻译（ 1000 字符） 5开题报告 1 份 主要参考文献（资料）： 1. 张建民 北京 ： 高等教育出版社 ， 1985 2. 傅晓林 . 机电一体化设计指导 北京 ： 机械工业出版社， 1999 3. 江思敏 胡荣 . 路设计教程 北京： 高等教育出版社 ， 2000 4. 华南工学院 . 数控机床 上海交通大学 上海： 上海科学技术出版社 1984 5. 刘甘娜 马瑞芳 冯刚 . 微机原理及接口技术 西安： 西安交通大学出版社 1998 6. 王明珠 . 工程制图学及计算机绘图 北京：国防工业出版社 1998 7. 李广第 . 单片机基础 北京 ：北京 航空航天大学出版社 2001 8. 文怀兴 夏田 . 数控机床系统设计 北京： 化学工业出版社 2005 9. 北京航空学院机械加工教研室 数控机床的结构和传动 国防工业 出版 1979 10. 数控机床课程设计指导书 太原理工大学机械工程学院 2006 专业班级 机械工程 学生 要求设计（论文）工作起止日期 指 导 教 师 签 字 日期 教研室主任审查签 字 日期 系主任批准签 字 日期 毕业设计（论文）开题报告 毕业设计（论文）题目 ： 经济型数控台钻 作台进给伺服系统设计及控制 学 生 ： 指 导 教 师 ： 专 业 班 级： 2007 年 月 日 1 1. 课题名称： 经济型数控台钻 作台进给伺服系统设计及控制 数控技术是国防现代化的重要战略物质 ,是关系到国家战略地位和体现国家综合国力水平的重要基础性产业。大力发展以数控技术为核心的先进制造业已成为多数国加快经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。但是 ,我国在数控技术方面还有很多急需解决的问题。打破国外技术封锁 ,掌握数控关键技术 ,制造具有完全自主产权的高档数控设备 ,增加国产数控装备市场占有份额己成为我国先进制造业的发展方向。 高速高精度 ,同步控制以及多轴协调控制是目前数控技术的重要研究方向。在数控机床 ,的加工过程 中 ,要求沿预定的参考轨迹完成预先设定的任务 ,这种运动形式称为轮廓循迹运动。目前 ,在这种日益注重高速高精度的轮廓循迹控制系统中 ,平台是有代表性的数控设备。 国外一些研究机构和科研人员对轮廓精度问题进行了深入研究。例如 ,和先后提出了任务坐标转换法和轨迹目标法。本质上 ,任务坐标转换法是线性坐标转换 ,不能被使用到非线性系统中 ,而且其只能用于三轴以下的运动系统。轨迹目标法可以应用到三轴以上的运动系统中 ,但是由于控制量过多 ,造成控制算法十分复杂美国的和进行了直接驱动平台的自适应鲁棒跟踪控制的研究 ,轮廓误差达到 。美国的 和进行了迭代交叉祸合控制策略的研究 ,来提高平台的轮廓精度川澳大利亚墨尔本大学的和进行了神经网络自学习同零相位误差跟踪器相结合的控制策略的研究 ,来提高多轴运动系统的轮廓精度，国内对平台等多轴运动系统相关问题的研究包括清华大学针对精密直线电动机在机床进给系统中的应用 ,对零相位误差跟踪控制等方法进行了研究中国科学技术大学对多轴协调运动中的交叉祸合控制和工作坐标系等问题进行研究燕山大学对数控平台运动摩擦补偿及边缘跟踪力控制的问题进行了深入研究。此外 ,浙江大学现代制造研究所、合肥工业大学、北京机电研究院、沈阳工业大学 等研究机构都对多轴运动的相关问题开展了深入的研究工作。 我国台湾省中正大学、逢甲大学、交通大学以及其它一些研究院所对数控平台和其它多轴运动控制系统的轮廓循迹控制进行了深入研究。台湾学者提出了切线轮廓坐标法、极坐标法和等效误差法等先进轮廓循迹控制方法。切线轮廓坐标无法应用到非线性系统极坐标法虽可应用于非线性系统 ,但受限于极坐标变换 ,只能用于双轴运动系统等效误差法适用于多轴、 2 非线性运动系统的轮廓控制 3. 课题研究意义： 20 世纪 90 年代以后 ,直接驱动的定位工作平台开始出现在精密系统中。相对于传统的“旋转伺服电 机驱动精密滚珠丝杠”的传动方式 ,直接驱动方式具有明显的优势 推力大、惯性低、响应快、发热少、精度高。然而 ,直接驱动伺服系统对负载扰动和参数摄动等不确定性更为敏感 ,这增加了电气控制上的难度。但由于生产实际对高精度、高速度加工的需求 ,直接驱动伺服系统的研究与设计显得更为重要。 在实际生产加工中 ,轮廓精度已经成为加工的重要指标参数。的轮廓轨迹是多轴联动的合成结果。因此 ,轮廓精度的提高牵涉到每个单轴的动态特性和参数匹配。由于加工效率的原因 ,有必要提高直线电动机的运行速度。但是直接驱动平台在进行高速加工时 ,若轮廓轨迹变化程度较大或者轮廓轨迹曲率较大 ,那么单轴跟踪误差将增大 ,严重影响轮廓加工精度。对于高速精密加工 ,负载扰动、工作台质量变化、端部效应等是造成跟踪误差的主要因素进给系统各轴间的动态特性不匹配是造成轮廓误差的主要来源。随着制造业对高速度、高精度加工要求的提高 ,解决高速度和高精度之间的矛盾、提高轮廓加工精度、改善轮廓控制器鲁棒性能的研究显得尤为重要 1） 作台设计的整个过程中，培养了综合分析和提高解决实际问题的能力，从而达到巩固、扩大、深化所学知识的目的。 2）在设计中我们需要大量的阅读文献、查找资料的过程， 培养了调查研究，熟悉有关技术政策，运用国家标准、规范、手册、图册等工具书，进行设计计算、数据处理、编写技术文件的独立工作能力。 3）在老师的指导下，建立正确的设计思想；初步掌握解决本专业工程技术问题的方法和手段，从而受到一次工程师的基本训练。 阅 概况 1周鸿斌 ,张建民 ,付红伟 ,李少玲 . 混联数控机床工作台误差补偿技术 J. 北京理工大学学报 ,2007,(02):120摘要：为提高北京理工大学自行研制的 混联数控机床的运动精度 ,以球杆仪为工具 ,对工作台的运 动性能进行了测试 采用球杆斜置的测试方法 ,对工作台的圆周运动轨迹进行测量 ,确定了影响工作台运动精度的最主要因素为垂直度误差和比例不匹配误差 ,建立了相应的误差补偿模型 实现了 3 工作台误差补偿 ,将运动精度提高了一个数量级 ,改善了工作台的运动性能 . 2 孙湘成 Y 平台控制系统设计与实现 J. 2014 (04) 146 摘要：随着 业的快速发展， 片的面积越来越小，凸点的密度越来越高，对 装设备提出了更高 的运动速度和定位精度的要求，给高精密定位平台及其伺服控制方法的设计带来了极大的挑战。本文针对高密度芯片封装中倒装键合设备，以开发面向 装的高精度定位系统为目标，在定位平台的控制系统方案设计、数学建模和控制策略等方面开展了理论和实际运用研究。本文的主要研究内容与成果主要有几下几点： 1)针对设备工况提出定位平台的指标要求并完成控制系统的设计。根据倒装键合封装的对象和工艺流程，明确了高密度倒装键合封装设备的技术指标，并由此提出定位平台的指标要求，进行了以“ 动控制卡”为控制框架的控制系统方案的详细设计。 2)建立了 位平台的数学模型和仿真模型，完成了控制器参数的调整。为了分析定位平台的控制特性，完成了 位平台数学模型和三环控制仿真模型的创建，在 件中通过阶跃信号完成控制器参数的调整。仿真结果显示： X 轴与 Y 轴响应性较好，但存在较大的超调，特别是 X 轴驱动负载大，超调达到 8%。 3)设计了模糊自适应控制器并完成仿真和分析。针对 位平台存在模型摄动、端部效应和强非线性干扰，传统 制难以满足高精度定位控制要求的问题，设计了模糊自适应控制器，并进行仿真分析。仿真结果显示：模糊自适应制器提 高了系统的响应性，降低了系统的超调量，具备较强的抗干扰能力。 4)以最后成功实现的高密度倒装键合封装设备的 位平台模块为实验平台，对所设计的控制系统和控制方法进行了实验验证，测试了定位平台的行程范围、静态特性和定位精度。测试结果如下：平台的行程范围是 950跃信号下 1定时间为 19调量为 1%； 4定时间为 11右，超调为 0；连续信号输入下， X 轴定位误差为 m， Y 轴定位误差为 m。测试结果表明：通过采用本文设计的模糊自适 应控制方法，定位平台实现了较高的定位精度，定位平台的综合性能达到了最初的设计指标。本文的研究成果已经运用在高密度倒装键合封装设备的 位平台模块上，取得了良好的控制效果。所提出的定位控制策略也可推广到 造中芯片的高精定位，以及其他需要实现精密定位的场合，具有广泛的应用前景。 3 陈全磊 Y 精密运动平台的结构优化设计 J. 广东工业大学 . 2014 (10) 摘要：高性能电子封装装备如焊线机是电子制造业发展的关键支撑设备之一 ,直接影响了电子产业的发展和电子产品的质量。焊线机设备是一种 由光、机械、电气、控制部分构成的自 4 动化半导体封装设备 ,涉及精密机械、图像识别、智能运动控制、计算机应用技术、光学、超声波焊接等多个领域。本论文针对高性能电子封装装备研发要求 ,重点开展焊线机设备的关键部件 密运动平台的研究 ,其主要研究内容阐述如下： (1)了解本课题的研究背景与意义 ,调研 密运动平台的国内外研究现状 ,发现研究中存在的问题 ,确定本课题的主要研究内容及方案。 (2)分析全自动平面 线机的工作原理及工作过程 ,运用 Y 精密运动平台零部件进行建模 ,并对零部件进行装配 建模；确定所设计的 密运动平台各零部件的材料及型号。 (3)运用有限元分析软件 ,对 密运动平台关键部件进行静力学分析和模态分析 ,获得平台关键部件在相应载荷下的总体变形、应力、应变 ,以及运动平台的振型变化规律；并根据分析结果 ,改进 密运动平台机械结构 ,提高该 台的动、静态性能。 (4)研究焊线机 密运动平台的控制系统 ,搭建精密运动实验平台 ,开展平台的运动性能测试。 4 赵希梅 ,赵久威 ,李洪谊 J. 2015 (06) 78 摘要：针对直线永磁同步电机驱动 台存在的系统滞后、摩擦及各种不确定性因素等的影响 ,提出了一种基于广义预测控制器 (扰动观测器 (结合的控制方法。首先通过 系统参数进行辨识 ,建立受控自回归积分滑动平均模型 (之后对模型进行滚动优化 ,寻求系统局部最优 ;最后进行反馈校正 ,以持续地对系统进行在线校正 ,解决 台系统控制滞后问题 ,提高了系统跟踪能力。对系统参数不确定性及各种非线性扰动 ,利用以消除或削弱 ,提高了系统的鲁棒性。仿真与实验结果表明方案可行 ,提高了系统的跟踪性能和鲁棒性能 ,进而提高了 台系统的加工精度。 5 王丽梅 ,金抚颖 ,孙宜标 . 基于等效误差法的直线电机 台二阶滑模控制 J. 2010 (06) 摘要：对于直线电机驱动 台 ,系统动态的非线性、系统不确定性因素以及曲线轨迹的轮廓误差模型相对复杂等问题影响其轮廓加工精度。采用适用于多轴非线性运动系统轮廓控制的等效误差法 ,建立可用于一般曲线跟踪且容易计算的 台等效误差非线性模型。运用二阶滑模控制方法进行轮廓控制器的设计 ,通过连续控制量使滑模面及其时间导数在有限时间内趋 近于零 ,削弱抖振的同时抑制不确定性因素对系统性能的影响 ,使直线电机 台达到高加工精度要求。理论推导与仿真结果表明 ,所设计控制系统能有效提高 台的轮廓加工精度。 5 6 王丽梅 ,孙璐 Y 平台交叉耦合迭代学习控制 J. 中国电机工程学报 . 2016(17) 摘要：在直驱 台系统的交叉耦合迭代学习控制 (程中 ,由于每次运行时轮廓误差的累积 ,会导致系统出现收敛速度降低甚至发散的 现 象 。 针 对 这 一 问 题 , 提出一种与经验模态分解 (法相结合的 制方法。首先设计 制器 ,直接降低轮廓误差。然后 ,利用 法分解 程中的轮廓误差 ,筛选并剔除其中的发散分量 ,提高收敛速度和轮廓精度。仿真和实验结果表明 ,与传统 比 ,所提出的控制方法能够使直驱 台系统的轮廓跟踪效果更好 ,并且使输出轨迹在较少的迭代次数下快速且精确地收敛到期望轨迹。 7 王丽梅 ,孙伟 合控制 J. 2015 (02) 45 摘要：针对永磁直线同步电机 (动的 台系统的负载扰动、任意加工曲线轮廓误差模型复杂及双轴参数不匹配等会影响加工精度的问题 ,台单轴采用了能反映人脑认知模糊性和连续性的模糊小脑模型关节控制器 (计速度控制器 ,在两轴之间采用实时轮廓误差估计模型和交叉耦合控制 (行轮廓控制器的设计 ,可同时减小跟踪误差和轮廓误差 准确及时地抑制负载扰动 ,交叉耦合控制削弱了双轴参数不匹配的影响 所设计的 台控制系统具有较高的轮廓精度和较强的鲁棒性 . 8 李培荣 向运动的单层工作台 J. 1987 (03) 61 摘要：一般机械结构中 ,对于有 x、 y 两个方向运动要求的 ,通常都采用双层工作台。一层实现 x 方向运动 ,另一层实现 y 方向运动。采用双层工作台往往是结构复杂、体积大、 9 王丽梅 ,左莹莹 Y 平台的模糊滑模轮廓控制 J. 2014 (04) 54 摘要：双直线电机 台在加工中负载扰动以及系统参数的变化会使其产生轮廓误差 ,而 且任意轨迹轮廓误差为非线性函数不易进行建模。采用适用于任意轨迹建模的轮廓误差计算法建立双直线电机 台的轮廓误差模型并以此误差量作为具有逼近能力模糊滑模轮廓控制器的输入 ,使误差量在有限时间内趋近于零 ,以满足 台的高精度加工要求 所设计的双直线电机 台系统具有强鲁棒性和较高的轮廓精度。 10 李振国 ,于靖军 . 一种新型的大行程 性并联微定位平台 J自然 6 科学版 ) . 2013 (04) 87 摘要：大行程高精度柔性并联微定位平台的需求与日俱增。提出了一种新颖的 大行程 性并联微定位平台 ,它具有镜面对称的结构和冗余约束特性 ,镜像对称结构能够很好地约束了面内寄生转角和交叉轴耦合 ,冗余约束在提高系统刚度的同时还降低了运动平台的质量。建立了柔性微定位平台的柔度矩阵模型 ,用于确定尺寸参数。最后 ,通过有限元模型分析 ,并与理论模型对比。结果显示本文所设计的柔性并联微定位平台具有如下特点 :2020大运动行程 ,两运动轴之间具有较高的解耦度 ,很好地约束了面内寄生转角 ,其值小于 11 陈吉超 Y 平台的全局快速 模轮廓 控制 J. 2011 (08) 摘要：本文针对永磁同步直线电动机 (接驱动 台伺服系统的非线性、不确定性及轮廓误差模型复杂等问题 ,利用重复控制和二阶滑模控制设计单轴 置伺服系统；利用全局快速 以提高直接驱动 先 ,本文介绍了 直接驱动 台的数学模型 ,并对其工作原理进行阐述。根据 接驱动 台系统的特点 ,论述了产生轮廓 误差的原因和影响因素。同时 ,在对国内外关于 台研究资料的广泛阅读和分析的基础上 ,介绍了 接控制方法是以提高单轴跟踪精度的方法间接提高轮廓精度 ,不能解决动态不匹配问题。直接控制方法是以轮廓误差为控制目标 ,通过向 X 轴和Y 轴提供轮廓误差补偿量的方式直接提高轮廓精度 ,解决了 台动态不匹配的问题 ,能够有效提高轮廓精度。其次 ,考虑到 运行过程中会受到由端部效应引起的周期性推力波动 ,为提高跟踪精度 ,设计了重复控制和二阶滑模控制相结合的 置伺服系统。采用二阶 滑模控制方法设计速度控制器 ,主要用于抑制突加负载扰动。滑模控制率采用超螺旋算法 ,该算法简单易实现 ,并且能够有效抑制抖动现象。采用 重复位置控制方法相集成的方法设计位置控制器 ,用于抑制跟踪过程中的周期性扰动。仿真结果表明该策略具有较高跟踪精度和鲁棒性 ,能够有效消除由端部效应引起的周期性推力波动。最后 ,运用等效误差法建立容易计算的直接驱动 台非线性等效误差模型 ,并采用全局快速 模控制方法设计直接驱动 台轮廓控制器。该控制策略有效解决了一般轮廓轨迹的轮廓误差模型复杂、双轴动态不匹配及系 统不确定性等问题 ,同时可以促使系统状态在有限时间迅速收敛到平衡状态 ,以提高轮廓控制器响应速度和轮廓精度。本文以横河 列 动的 7 台做为被控对象 ,运用 所设计的轮廓控制系统进行仿真和分析。仿真结果表明 ,基于等效误差法的直接驱动 台全局快速 模轮廓控制实现了对轮廓误差的直接控制 ,有效提高了直接驱动 台伺服系统的轮廓精度和鲁棒性 12 孙显 . 直接驱动 台伺服系统的鲁棒跟踪控制研究 J. 2013 (07) 315 摘要：本课题是基于国家自然科学基金项目 (51175349)及沈阳市科学技术计划资助项目(出的。随着现代工业对加工效率和加工精度的要求越来越高，数控加工技术向着高速度、高精度方向发展。本文针对永磁直线同步电机 (动的 台系统的跟踪特性、鲁棒性以及轮廓误差特性中存在的问题，设计了零相位鲁棒控制系统和预测鲁棒控制系统，在单轴方面分别采用零相位误差跟踪控制器 (预测控制器 (为前馈控制器，提高电机的跟踪性能，间接地减小系统的轮廓误差，并用 干扰观测器 (提高单轴电机的鲁棒性，在双轴方面，用交叉耦合控制器 (减小系统的轮廓误差。首先，本文根据广泛阅读的国内外的相关文献，介绍了目前国内外关于直驱 台控制系统的发展现状以及一些目前主要的控制方法。介绍了 工作原理以及数学模型，并且介绍了台的轮廓误差模型，分析了产生轮廓误差的原因。同时根据轮廓误差产生的原因，提出了将前馈、鲁棒和解耦相结合的控制方法。其次，设计了零相位鲁棒控制系统， 用的是结合零极点和相位对消的逆系统的方法，零极点对消时它能够在一个较大的带 宽范围内对闭环动态系统进行逆处理，这样就消除了闭环系统的相位误差和静态增益，提高了系统的跟踪性能。 设计原则是将模型参数变化及外部力矩干扰造成的实际被控对象与名义模型输出差异等效到控制的输入端，即观测出等效干扰，这样就在控制中引入了等效的补偿，干扰被完全抑制。 过对跟踪误差的估计，计算出轮廓误差，并对轮廓误差进行补偿，解决由于双轴电机不匹配而引起的轮廓误差。之后，考虑到 受模型参数变化影响的特点，而目前一些直线电机存在易受温度、环境的影响，以及零极点漂移问题。采用不易受模型参数变化影响 的 换 为前馈控制器， 过去和未来的输入输出状态，根据内部模型，预测系统未来的输出状态。用模型输出的误差进行反馈校正后，再与系统的参考轨迹进行比较，并应用二次型性能指标进行滚动和优化，然后计算出当前时刻加于系统的控制，完成整个动作循环。而 能同时保证跟踪性能和鲁棒性的兼容，因此采用 为前馈控制器，在双轴方面，采用预测估计值进行轮廓误差估计，使 有更好的控制效果，减小系统轮廓误差。最后，将零相位鲁棒控制系统和预测鲁棒 8 控制系统在 进行仿 真，并与 制进行对比分析，结果证明零相位鲁棒控制系统和预测鲁棒控制系统都能够提高系统跟踪性能并减小系统的轮廓误差，零相位鲁棒控制系统与预测鲁棒控制系统相比效果略差，但是并不明显。零相位鲁棒控制系统设计更为简单，而预测鲁棒控制系统则有不易受模型参数变化影响的特点 13 赵希梅 ,赵久威 ,李洪谊 . 直驱 台伺服系统预测鲁棒轮廓跟踪控制 J. 2014 (08) 117 摘要：针对直驱 台中存在的系统延迟、系统参数变化、负载扰动等不确定性以及双轴之间的耦合问题 ,依据模型预测控制 、扰动观测及解耦控制理论 ,设计了一种模型预测控制器(扰动观测器 (交叉耦合控制器 (结合的预测鲁棒跟踪控制系统。利用 通过模型预测、滚动优化和反馈校正提高系统的跟踪性能。 够抑制系统参数变化及外部负载扰动等不确定性因素对系统伺服性能的影响 ,提高系统的鲁棒性能。 补偿两轴间的轮廓误差 ,解决双轴间的耦合问题。仿真实验结果表明 ,所设计的系统具有快速准确的跟踪性能和较强的鲁棒性能。所提出的控制方案能够有效地减小系统的轮廓误差 ,进而提高了 台的轮廓加工精确 度。 14 u. by of 88 - , 2011 Y is of a to of in EA in M, Y is a Y is of be to to of 15 L. Z. J. I. , Y 26 ( 2015 ) 212 216 in in of in in of or to of is to 9 , at 000 2000 000 of is of of in is on in FT It is （论文）的 主要内容 1. 确定总体方案，明确设计内容 2. 确定主要参数 3. 伺服系统设计，绘制装配图及主要零件图 4. 控制系统设计，绘制电气原理图 5. 结合本课程设计查阅并翻译 1万印刷字符的英文资料 6. 编写设计说明书 论文）提交 形式 1. 设计说明书一份，（按太原学院学生毕业设 计撰写规范写） 2. 配图及零件图 3 张（ 3. 电气原理图（ 4英文翻译（ 1000 字符） 5开题报告 1 份 7. 进度 安排 第四周 收集资料，阅读文献； 第五周 编制开题报告； 第六周 外文翻译； 第七周 总体方案设计； 10 第八周 进行各零部件计算，并进行强度校核 第九周 根据设计方案，绘制零件草图； 第十周 绘制关键零部件零件图； 第十一周 绘制 作台总装配图案 ； 第十二周 修改装配图和零件图； 第十三周 进行详细标注； 第十四周 整理说明书； 第十五周 撰写设计说明书，形成毕业设计全部文件； 第十六周 进行答辩； 8. 指导教师意见 签名： 20 年 月 日 i 毕业设计（论文） 毕业设计题目： 经济型数控台钻 作台进给伺服系统设计及控制 毕业生姓名 ： 专业 ： 学号 ： 指导教师 ： 所属系（部） ： i 经济型数控台钻 系统设计及控制 摘 要 数控钻床按其布局形式及功能特点可划分为数控立式钻床、钻削中心、印刷线路板数控钻床、数控深孔钻床及其它大型数控钻床等。可完成钻、扩、绞、攻丝等多道工序，适用于孔间距离有一定精度要求的零件的生产。工作台可进 行两座标移动，主轴可以是数控的也可以是非数控的。也就是说， 可 采用 3轴数控系统或 2轴数控系统 。 数控立式钻床的数控系统一般是点位控制系统。 本文介绍了一种采用微机控制、步进电机驱动的数控工作台，实现了平面两坐标数控联动。结合机电一体化课程设计教学环节需要 , 设计用单片机作为控制系统的 作台就是能分别沿着 向移动的工作台。通过论述 阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。 关键词 : 机电一体化； 单片机； 数控机床； 数控技术 of C C to be NC NC C C be to It is to a 2 be NC be be a In we NC or NC NC is a NC by by C of is s of C is x y . of in in of of I 目 录 摘 要 . i . 论 . 1 第一章 毕业设计的目的和内容 . 2 第一节 毕业设计的目的 . 2 第二节 毕业设计的内容 . 2 一、 微机数控系统总体设方案的拟定 . 2 二、进给伺服系统机械部分设计计算 . 2 三、微机控制系统的设计 . 2 四、数控加工程序的编制 . 2 第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定 . 3 第一节 毕业设计的任务 . 3 一、题目 . 3 二、设计任务 . 3 三、给定条件 . 3 四、设计要求 . 3 第二节 总体方案的确定说明 . 3 一 、 系统的运动方式与伺服系统的选择 . 3 二 、 计算机系统 . 4 三 、 机床传动方式的论证和确定 . 4 第三章 机床进给伺服系统机械部分设计计算 . 5 第一节 系统脉冲当量的确定 . 5 第 二节 切削力的计算 . 5 第三节 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 . 5 一 、 计算进给牵引力 . 6 二、 计算最大动负载 . 6 三 、 滚珠丝杠螺母副的选型 . 7 四 、 传动效率计算 . 7 五 、 刚度验算 . 7 六 、 稳定性校核 . 10 七 、 滚珠丝杠副几何参数表 . 11 第四节 进给伺服系统传动计算 . 12 一 、 齿轮传动比计算 . 12 二 、 齿轮齿数及技术参数 . 13 三 、 步进电机的计算和选用 . 13 第四章 微机数控系统硬件电路设计 . 16 第一节 单片机数控系统硬件电路设计内容 . 16 一 、 作台基本工作原理 . 16 二 、 作台控制要求 . 16 三、绘制系统总体框 图 . 16 、选择中央处理器 类型 . 17 五、存储器扩展电路设计 . 17 六、 I/O 口接口电路设计 . 17 第二节 51 系列单片机的选用 . 18 一、 8031 单片机的基本特性 . 18 二、 8031 芯片引脚及其功能 . 18 三、 8031 芯片内部的存储器结构及地址分配 . 20 第三节 存储器扩展电路设计 . 21 一、程序存储器的扩展 . 22 二、数据存储器的扩展 . 24 三、译码电路设计 . 24 第四节 I/O 接口电路及辅助电路设计 . 25 一 、 8255 可编程接口芯片 . 25 二、键盘显示接口电路 . 26 三 、步进电机接口及驱动电路 . 27 第五节 微机控制系统电路原理图 . 27 一、控制系统的功能 . 28 二、 储器及 I/O 接口 . 28 第六章 数控机床的加工程序编制 . 29 第一节 经济型数控钻床数控系统的程序编制说明 . 29 一、概述 . 29 二、编码 . 29 第二节、编程中字母的说明 . 29 结 束 语 . 30 致 谢 . 31 参考文献 . 32 附录 翻译 . 33 1 绪 论 世纪人类社会最伟大的科技成果是计算机的发明与应用，计算机及控制技术在机械制造设备中的应用是世纪内制造业发展的最重大的技术进步。自从年美国第台数控铣床问世至今已经历了个年头。数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，每年全世界 的产量有万台，产值上百亿美元。世界制造业在世纪末的十几年中经历了几次反复，曾一度几乎快成为夕阳工业，所以美国人首先提出了要振兴现代制造业。年代的全世界数控机床制造业都经过重大改组。如美国、德国等几大制造商都经过较大变动，从年代初开始已出现明显的回升，在全世界制造业形成新的技术更新浪潮。如德国机床行业从年至今已接受个月以后的订货合同，生产任务饱满。 我国数控机床制造业在年代曾有过高速发展的阶段，许多机床厂从传统产品实现向数控化产品的转型。但总的来说，技术水平不高，质量不佳， 所以在年代初期面临国家经济由计划性经济向市场经济转移调整，经历了几年最困难的萧条时期，那时生产能力降到，库存超过个月。从年“九五”以后国家从扩大内需启动机床市场，加强限制进口数控设备的审批，投资重点支持关键数控系统、设备、技术攻关，对数控设备生产起到了很大的促进作用，尤其是在年以后，国家向国防工业及关键民用工业部门投入大量技改资金，使数控设备制造市场一派繁荣。从年月份的上海数控机床展览会和年月北京国际机床展览会上，也可以看到多品种产品的繁荣景象。但也反映了下列 问题： （） 低技术水平的产品竞争激烈，互相靠压价促销； （） 高技术水平、全功能产品主要靠进口； （） 配套的高质量功能部件、数控系统附件主要靠进口； （） 应用技术水平较低，联网技术没有完全推广使用； （） 自行开发能力较差，相对有较高技术水平产品主要靠引进图纸、合资生产或进口件组装 。 当今世界工业国家数控机床的拥有量反映了国家的经济能力和国防实力。 有关数控技术的研究 ,主要是研究出更好的具有高效率、高精度、高柔性、高自动化、高可靠性的设备 数控机床 ,能满 足各种加工要求 ,提高生产率 ,改善产品质量 ,增加经济效益。数控机床的发展 ,技术的不断进步 ,二者关系极为密切 ,所以也常常以数控机床的发展代表数控技术的发展水平。机床的数控化已成为一种世界性的潮流。至今 ,各工业发达国家 ,经过四十多年的研究应用 ,已摸索出一条捷径 ,就是广泛地应用和开发先进的数控机床 ,并在此基础上发展成加工中心 (、柔性加工单元 ( 、柔性加工系统 ( 、无人化工厂 ( 、计算机集成制造系统 (,最终实现产品生产过程的高度自动化 ,最大限度地提高劳动生产率 ,降低成本 ,保证产品的质量。美国、日本等工业发达国家都是通过采用先进的数控加工设备而使工业得到迅速发展的。 机床工业对国民经济的发展具有重要作用 ,因此 ,世界各机床生产国家十分重视及研究发展机床工业的战略技术 ,以求在激烈竞争中取胜。目前 ,这一技术正向更高程度的自动化和高能化方向发 ,同时其产量也在与日俱增。数控机床无论在生产、使用、还是在国际贸易中所占的份额的多少 ,已经成为衡量一个国家工业综合实力的重要标志 ,社会的多样化需求和其相关技术的进步 ,数控机床将向更广泛的领域更深层次发展。 2 第一章 毕业设计的目的和内容 第一 节 毕业设计的目的 毕业设计是培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它使我们在步入社会之前简单的熟悉了做一份设计所经历的大体步骤和工作。 它通过对机床数控系统设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计 我们综合运用所学的机械 进行一次机电结合的全面训练。从而培养了我们具有加工编程能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。 第二节 毕业设计的内容 一、微机数控系统总体设方案的拟定 （ 1）系统运动方式的确定 （ 2）伺服系统的选择。 （ 3）执行机构传动方式的确定。 （ 4）计算机的选择。 二、进给伺服系统机械部分设计计算 （ 1）进给伺服系统机械部分设计方案的确定。 （ 2）确定脉冲当量。 （ 3）滚珠丝杠螺母副的选型。 （ 4）滚动导轨的选型。 （ 5）进给伺服系统传动计算。 （ 6）步进电机的计算和选用。 （ 7）设计绘制进给伺服系统一个坐标轴的机械装配图。 （ 8）设计绘制进给伺服系统的一张或两张零件图。 三、微机控制系统的设计 （ 1）控制系统方案的确定及框图绘制。 （ 2） 列单片机及扩 展芯片的选用。 （ 3） I/O 接口电路及译码电路的设计。 （ 4）设计绘制一台数控机床微机控制系统电路原理图。 四、数控加工程序的编制 （ 1）零件工艺分析及确定工艺路线。 （ 2）选择数控机床设备。 （ 3）确定对刀点。 （ 4）选择刀具。 （ 5）确定切削用量 3 第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定 第一节 毕业设计的任务 一、题目 经济型数控台钻 二、设计任务 （ 1）确定总体方案，明确设计内容 （ 2）确定主要参数 （ 3）伺服系统设计，绘制装配图及主要零件图 （ 4）控 制系统设计，绘制电气原理图 （ 5）结合本课程设计查阅并翻译 1万印刷字符的英文资料 （ 6）编写设计说明书 三、给定条件 设计一台简易数控 设计参数： 最大钻孔直径 4作台加工范围 X 向 200， Y 向 160 工作台最大移动速度 X 向 向 件材料 青铜 起动加速时间 25位精度 、设计要求 （ 1）机械结构设计合理 ,控制系统功能完备 ,原理正确 ,制图符合国家标准 ,图面整洁 ; （ 2）设计说明书论述清楚 ,计算无误 ,数值单位明确 ,引用公 式及资料有出处。 第二节 总体方案的确定说明 一 、 系统的运动方式与伺服系统的选择 微机用于机床改造一般以原机床为基础，原机床的主要结构基本不变。设计一套简易微机数控 作台，固定在钻床工作台上，可转动下手柄使工作台上下移动，位置调整好后将其锁定。 作台的位置控制采用步进电机数控系统。再将控制钻头上下运动的手柄和定位卡铁拆去，改用步进电机通过减速装置和联轴器控制钻头上下运动。钻头的旋转运动仍由原来的三相交流电机驱动，其转速可根据加工工件的材料，孔径大小，板厚等进行调整。 由于改造后的经济型数控 车床具有定位、直线插补、圆弧插补、暂停、循环加工、螺纹加工等功能，所以应该选用连续控制系统。考虑到经济型数控机床加工精度要求不 4 高，为了简化结构、降低成本，采用步进电机开环控制系统。 二 、 计算机系统 根据机床要求，采用 8 位机。由于 51 系列单片机的特点之一是硬件设计简单，系统结构紧凑。对于简单的应用场合， 51 系统的最小系统用一片 8031 外扩一片 能满足功能的要求，对于复杂的应用场合，可以利用 51 的扩展功能，构成功能强、规模较大的系统。所以应选用 8031 单片机。其次，设计任务书 也给出了选用 8031。由此可见选用 8031 是符合经济数控机床电路设计的。 三 、 机床传动方式的论证和确定 步进电机步进电机功率放大功率放大光电隔离环形分配光电隔离环形分配微机工作台纵向部分工作台横向部分图 经济型数控钻床总体方案框图 作台中， X， Y 方向的移动，可采取螺旋机构或齿轮齿条传动机构。这两种均可把旋转运动变为直线运动。因为此机构以传递运动为主，要求有较高的传动精度又要求结构紧凑，所以选用螺旋机构。但常用的螺旋机构中丝杠和螺母之间的相对运动是滑动，磨损较严重，影响传动精度，寿 命短，效率低，不能满足高速度，高效率和高精度等传动要求。为了使运动灵敏又能满足精度要求，选用滚珠螺旋机构，也就是采用了间隙可调的滚珠丝杠传动。 要使传动稳定可靠，采用丝杠传动，螺母带着工作台作移动的传动方式。 螺母带着工作台在底台的导轨上移动，因为运动部件重量不大，切削力不大，行程较小，所以采用有预加载荷矩型型滚珠导轨。 Z 方向控制钻头上下运动的机构中有一减速装置，传动比较大，为了使结构紧凑，传动可靠，采用一级螺杆传动和一级齿轮传动。 为了实现机床所要求的分辨率，采用步进电机经齿轮减速再传动丝杠。为 了保证一定的传动精度和平稳性，尽量减小摩擦力，选用滚珠丝杠螺母副。同时，为了提高传动刚度和消除间隙，采用有预加负载荷的结构。传动齿轮也要采用消除齿侧间隙的结构。 5 第三章 机床进给伺服系统机械部分设计计算 伺服系统机械部分设计计算内容包括：确定系统的负载，确定系统脉冲当量，运动部件惯量计算，空载起动及切削力矩机计算，确定伺服电机，绘制机械部分装配图及零件工作图等。现分述如下： 第一节 系统脉冲当量的确定 一个进给脉冲，使机床运动部件产生的位移量，称为脉冲当量，也称为机床的最小设定单位。脉冲 当量是衡量数控机床加工精度的一个基本技术参数。经济型数控车床、铣床常采用的脉冲当量是 冲 ,根据机床精度要求确定脉冲当量 ,纵向 :向 步 。 第 二节 切削力的计算 首先，要初步估算工作台的重量最大行程及钻削工件的最大切削力才能进行设计。 1、 初步确定尺寸及估算重量，根据钻床工作台的尺寸初步确定： Y 轴方向移动的工作台尺寸长 宽高为 250 150 150 3重量为 350N，最大行程为 160 X 轴方向移动的工作台尺寸长 宽高为 200 120 80 3重量为 250N，最大行程为 200 作台总重量（包括卡具及工件）不超过 650N。 2、 切削力与工件材料的硬度 、 进刀量和孔径有关，可按机械加工技术手册中的公式进行计算， Z 方向的切削力为 任务书给定材料为青铜查手册得 F=1， 给量 f 查得 f= 4 1 161(N) （ 1） 第三节 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 滚珠丝杠螺母副的设计首先要选择结构类型：确定滚珠循环方式，滚珠丝杠副的预紧方式。结构类型确定之后，计算和确定其他技术参数，包括：公称直径 导程 珠的工作圈数 j、 列数 K、 精度等级等 滚珠循环方式可分为外循环和内循环两大类，外循环又分为螺旋槽式和插管式。 滚珠丝杠滚副的预紧方法有：双螺母垫片式预紧，双螺母螺纹式预紧，双螺母齿差式预紧 、 单螺母变导程预紧以及过盈滚珠预紧等 几种 。 6 一 、 计算进给牵引力 作用在滚珠丝杠上的进给率引力主要包括切削时的走刀抗力以及移动件的重量和切削分力作用在导轨上的摩擦力。因而数值大小和导轨的形式有关。对于综合导轨计算公式如下： f (G) (2) 式中 K 考虑颠覆力矩影响的 实验系数 . f 滚动导轨摩擦系数，约 f =安全设计考虑，此值取 G 工作台总重量， G=650N; 由于在机床运动时不进行切削加工，所以 Z 方向的切削力为 0。带入上式得： 650=、 计算最大动负载 选用滚珠丝杠副的直径 须保证在一定的轴向负载作用下，丝杠在回转 100 万转（ 106 转）后，在它的轨道上不产生点蚀现象。这个轴向负载的最大值即称为滚珠丝杠能承受的最大动负载 C，可用下式计算得： C=3L ) L=610*60 (4) n=0*1000 (5) 式中 滚珠丝杠导程，初选 最大切削力条件下的进给速度（ m/可取最高移动速度的（2131），此处取 T 使用寿命，按 15000h; 运转系数，无冲击运转 一般运转 7 有冲击运转 取 L 寿命，以 106 转为 1 单位。 带入上面三个公式中得 : n=0*1000 5 000 =160 r/ L=610*60 61015000*160*60 =144; C=3L 144 三 、 滚珠丝杠螺母副的选型 查阅表 采用 循环螺纹调整预紧的不带衬套的双螺母滚珠丝杠副， 1列 ,其额定动负载为 880N,精 度等级按滚珠丝杠行程公差表，选为 3 级 (大致相当于老表准 E 级 ) 四 、 传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率 =
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