经济型数控台钻X-Y工作台进给伺服系统设计及控制【毕业论文+CAD图纸全套】

买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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） ： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 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 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 1 目 录 摘 要 . i . 论 . 5 第一章 毕业设计的目的和内容 . 6 第一节 毕业设计的目的 . 6 第二节 毕业设计的内 容 . 6 一、微机数控系统总体设方案的拟定 . 6 二、进给伺服系统机械部分设计计算 . 6 三、微机控制系统的设计 . 6 四、数控加工程序的编制 . 6 第二章 微型数控系统总体设计方案的拟定 . 7 第一节 毕业设计的任务 . 7 一、题目 . 7 二、设计任务 . 7 三、给定条件 . 7 四、设计要求 . 7 第二节 总体方案的确定说明 . 7 一 、 系统的运动方式与伺服系统的选择 . 7 二 、 计算机系统 . 8 三 、 机床传动方式的论证和确定 . 8 第三章 机床进给伺服系统机械部分设计计算 . 9 第一节 系统脉冲当量的确定 . 9 第 二节 切削力的计算 . 9 第三节 滚珠丝杠螺母副的设计、计算和选型 . 9 一 、 计算进给牵引力 . 10 二、 计算最 大动负载 . 10 三 、 滚珠丝杠螺母副的选型 . 11 四 、 传动效率计算 . 11 五 、 刚度验算 . 11 六 、 稳定性校核 . 14 七 、 滚珠丝杠副几何参数表 . 15 第四节 进给伺服系统传动计算 . 16 一 、 齿轮传动比计算 . 16 二 、 齿轮齿数及技术参数 . 17 三 、 步进电机的计算和选用 . 17 第四章 微机数控 系统硬件电路设计 . 20 第一节 单片机数控系统硬件电路设计内容 . 20 一 、 作台基本工作原理 . 20 二 、 作台控制要求 . 20 三、绘制系统总体框图 . 20 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 2 四、选择中央处理器 类型 . 21 五、存储器扩展电路设计 . 21 六、 I/O 口接口电路设计 . 22 第二节 51 系列单片机的选用 . 22 一、 8031 单片机的基本特性 . 22 二、 8031 芯片引脚及其功能 . 22 三、 8031 芯片内部的存储器结构及地址分配 . 24 第三节 存储器扩展电路设计 . 25 一、程序存储器的扩展 . 26 二、数据存储器的扩展 . 28 三、译码电路设计 . 28 第四节 I/O 接口电路及辅助电路设 计 . 29 一、 8255 可编程接口芯片 . 29 二、键盘显示接口电路 . 30 三 、步进电机接口及驱动电路 . 31 第五节 微机控制系统电路原理图 . 31 一、控制系统的功能 . 32 二、 储器及 I/O 接口 . 32 第六章 数控机床的加工程序编制 . 33 第一节 经济型数控钻床数控系统的程序编制说明 . 33 一、概述 . 33 二、编码 . 33 第二节、编程中字母的说明 . 33 结 束 语 . 34 致 谢 . 35 参考文献 . 36 附录 翻译 . 37 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 3 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 4 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 5 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买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 6 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。 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 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 7 （ 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 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 制 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。设计一套简买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 8 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。 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 9 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。 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 文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 10 滚珠的工作圈数 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 。 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 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 11 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 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 =+) (6) 式中 螺旋升角 , =4 22 摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数 摩擦角取 10。 所以 =+) =22 / 22 +10 )= 、 刚度验算 滚珠丝杠副的轴向变形会影响进给系统的定位精度及运动的平稳性，因此考虑以下引起轴向变形的因素： 买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 11970985 12 先 画 出 此 滚 珠 丝 杠 的 支 撑 方 式 ， 结 构 简 图 如 下 图 （ 2 ）所示：图（ 珠丝杠结构简图 最大牵引力为 撑间距为 L=300母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负载的 31 。 （ 1）丝杠的拉伸或压缩变形量 1 丝杠的拉伸或压缩变形量 1 ：在总的变形量中占的比重较大。计算如下： 根据进给率引力 丝杠直径 0 从数控机床课程设计指导用书中查出 =5*10 6 ，可算出： 1 = *L=5 10 6 800 （ 7） =4 10 4 中 l 在工作负载 L 滚珠丝杠再支撑间的受力长度，（ （ 2） 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 滚珠与螺纹滚道间接触变形 2 ：此项在总变形量中也占比较大的比重。当对丝杠买文档就送您 纸全套， Q 号交流 401339828 或 1