基单片机数控车床XY工作台控制系统设计
摘
解数控机床概念谓数字控制含机床(刀具)运动信息程序指定序动执行操作程计算机数控机床数控机床计算机监控进行工作优点机床次装 夹完成操作生产率显著提高等优点价格昂贵国现机床数普通车床动化程度低更新现机床需资金解决问题适应品种中批量零件加工选择机床济型数控改造进机构改造：拆原机床溜板箱光 杠丝杠安装座配滚珠丝杠相应安装装置驱动步进电机减速箱安装车床床尾占丝杠空间横进机构改造：拆横丝杠换滚珠丝杠步进电机带动
关键词：运动信息滚珠丝杠步进电机
Single Chip Microcomputerbased 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 movementconventional machinesStepper motor
第章 绪
11数控机床生产发展
装备工业技术水现代化程度决定着整国民济水现代化程度数控技术装备发展新兴高新技术产业尖端工业技术基装备先进制造技术装备核心技术数控技术数字信息机械运动工作程进行控制技术数控装备数控技术代表新技术传统制造产业新兴制造业渗透形成机电体化产品技术范围覆盖领域
科学技术社会生产断发展机械产品质量生产率提出越越高求机械加工工艺程动化实现述求重措施仅够提高产品质量生产效率降低生产成够改善工劳动条件许生产企业已采动机床组合机床专动生产线采种高度动化高效率设备需初始投资较长生产准备时间批量生产条件分摊工件费少济效益然非常显著
机械制造工业中产品零件具批量单件批量生产零件占机械加工总量80尤造船航空航天机床重型机械国防部门生产特点加工批量改型频繁零件形状复杂精度求高采专化程度高动化机床加工类零件显合适生产程中需常改装调整设备专生产线说种改装调整甚实现
解决问题满足品种批量动化生产迫切需种灵活通够适应产品频繁变化柔性动化机床数控机床样背景产生发展起极效解决述系列矛盾单件批量生产精密复杂零件提供动化加工手段
12数控机床发展趋势
着计算机微电子信息动控制精密检测机械制造技术高速发
展机床数控技术长足进步年相关技术发展刀具新材料发展轴伺服进伺服超高速切削等技术发展机械产品质量求越越高等加速数控机床发展目前数控机床正着高速度高精度高工序集中度高复合化高性等方发展世界数控技术装备发展趋势体现方面：
（1）．高速高效高精度
（2）．柔性化
（3）．工艺复合化轴化
（4）．实时智化
（5）．结构新型化
（6）．编程技术动化
（7）．集成化
（8）．开放式闭环控制模式
13数控机床先进制造技术中作
20世纪中期计算机技术引控制机床加工飞机机翼样板复杂曲线中数控技术机床控制方面取广泛深入发展种数控机床成现代制造业关键设备保证现代制造业高精度高速度高效率高柔性化方发展
数控机床出现带动CADCAM技术实化工程化发展特计算机技术迅速发展推动CADCAM技术更高层次更高水发展进步发展计算机辅助工艺设计(CAPP)数库集成制造生产系统相关信息动生成动处理动传输说数控技术联系CADCAM纽带进步通集成化CADCAM桥梁
14国数控技术产业发展基估计
国数控技术起步 1958 年 50 年发展历程致分三阶段：第阶段 1958 年 1979 年 封闭式发展阶段阶段 国外技术封锁国基础条件制 数控技术发展较缓慢第二阶段国家六五七五期间八五前期 引进技术 消化吸收 初步建立
起国产化体系阶段阶段 改革开放国家重视 研究开发环境国际环境改善 国数控技术研究开发产品国产化方面取长足进步第三阶段国家八五期九五期间 实施产业化研究 进入市场竞争阶段观国数控技术 50 年发展历程 特 4 5 年计划攻关 总体取成绩
15毕业设计目意义
机电体化系统设计毕业设计培养学生设计力重实践性教学环节综合运学机械电子动控制计算机等知识进行基设计训练目：
够正确运机电体化系统设计课程基理相关知识掌握机电体化系统（产品）功构成特点设计思想设计方法解设计方案拟定较分析计算培养学生分析问题解决问题力学生具机电体化系统设计初步力
通机械部分设计掌握机电体化系统典型机械零部件执行元件计算选型结构设计方法步骤
通测试控制系统方案设计掌握机电体化系统控制系统硬件组成工作原理软件编程思想
通毕业设计提高学生应手册标准编写技术说明书力促进学生科学态度创新精神专业技等方面综合素质提高
16毕业设计容
毕业设计题目：基单片机数控车床XY工作台控制系统设计
已知条件：定位精度：±001mm滚珠丝杠导轨寿命T16000h中等击工作台效行程快速进速度工作载荷
第二章 数控系统总体方案确定
数控系统总体方案设计容包括：系统运动方式确定执行机构传动方案确定伺服电机类型调速方案确定计算机控制系统选择进行方案分析较证
11系统运动方式确定
该系统求工作台坐标轴运动精确运动关系采连续控制方式
12伺服系统选择
开环伺服系统负载时采功率步进电机作伺服电机开环控制系统没检测反馈部件纠正系统传动误差开环系统结构简单调整维修容易速度精度求太高场合广泛应
考虑运动精度求高简化结构降低成宜采步进电机作开环伺服系统驱动
13计算机系统选择
采MCS51系列中8031单片机扩展控制系统MCS51单片机特点集成度高性功强速度快性价高控制系统微机部分键盘显示器IO接口光电隔离电路步进功率放电路等组成系统工作程序控制命令通键盘操作实现显示器采数码显示加工数工作状态等信息
14 X—Y工作台传动方式
保证定传动精度稳性结构紧凑采滚珠丝杠螺母传动副提高传动刚度消间隙采预加载荷结构
工作台运动部件重量工作载荷选滚动直线导轨副减工作台摩擦系数提高运动稳性
考虑电机步距角丝杠导程标准选取达分辨率求考虑步进电机负载匹配采齿轮减速传动系统总体框图：
计
算
机
光电隔离
功率放
步进
电机
X工作台
光电隔离
功率放
步进
电机
Y工作台
图21
第三章 机械部分设计
机械部分设计容包括：确定系统脉量运动部件惯性计算选择步进电机传动导元件设计计算选择绘制机械部分装配图等
11确定系统脉量
脉量δp进指令时工作台位移量应等工作台位置精度定位精度±001mm选择脉量001mm
12工作台外形尺寸重量初步估算
根定效行程画出工作台简图估算XY工作台承载重量WXWY
取X导轨支撑钢球中心距410mmY导轨支撑钢球中心距400mm设计工作台简图：
图31
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解数控机床概念谓数字控制含机床(刀具)运动信息程序指定序动执行操作程计算机数控机床数控机床计算机监控进行工作优点机床次装 夹完成操作生产率显著提高等优点价格昂贵国现机床数普通车床动化程度低更新现机床需资金解决问题适应品种中批量零件加工选择机床济型数控改造进机构改造：拆原机床溜板箱光 杠丝杠安装座配滚珠丝杠相应安装装置驱动步进电机减速箱安装车床床尾占丝杠空间横进机构改造：拆横丝杠换滚珠丝杠步进电机带动
关键词：运动信息滚珠丝杠步进电机
Single Chip Microcomputerbased 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 movementconventional machinesStepper motor
第章 绪
11数控机床生产发展
装备工业技术水现代化程度决定着整国民济水现代化程度数控技术装备发展新兴高新技术产业尖端工业技术基装备先进制造技术装备核心技术数控技术数字信息机械运动工作程进行控制技术数控装备数控技术代表新技术传统制造产业新兴制造业渗透形成机电体化产品技术范围覆盖领域
科学技术社会生产断发展机械产品质量生产率提出越越高求机械加工工艺程动化实现述求重措施仅够提高产品质量生产效率降低生产成够改善工劳动条件许生产企业已采动机床组合机床专动生产线采种高度动化高效率设备需初始投资较长生产准备时间批量生产条件分摊工件费少济效益然非常显著
机械制造工业中产品零件具批量单件批量生产零件占机械加工总量80尤造船航空航天机床重型机械国防部门生产特点加工批量改型频繁零件形状复杂精度求高采专化程度高动化机床加工类零件显合适生产程中需常改装调整设备专生产线说种改装调整甚实现
解决问题满足品种批量动化生产迫切需种灵活通够适应产品频繁变化柔性动化机床数控机床样背景产生发展起极效解决述系列矛盾单件批量生产精密复杂零件提供动化加工手段
12数控机床发展趋势
着计算机微电子信息动控制精密检测机械制造技术高速发
展机床数控技术长足进步年相关技术发展刀具新材料发展轴伺服进伺服超高速切削等技术发展机械产品质量求越越高等加速数控机床发展目前数控机床正着高速度高精度高工序集中度高复合化高性等方发展世界数控技术装备发展趋势体现方面：
（1）．高速高效高精度
（2）．柔性化
（3）．工艺复合化轴化
（4）．实时智化
（5）．结构新型化
（6）．编程技术动化
（7）．集成化
（8）．开放式闭环控制模式
13数控机床先进制造技术中作
20世纪中期计算机技术引控制机床加工飞机机翼样板复杂曲线中数控技术机床控制方面取广泛深入发展种数控机床成现代制造业关键设备保证现代制造业高精度高速度高效率高柔性化方发展
数控机床出现带动CADCAM技术实化工程化发展特计算机技术迅速发展推动CADCAM技术更高层次更高水发展进步发展计算机辅助工艺设计(CAPP)数库集成制造生产系统相关信息动生成动处理动传输说数控技术联系CADCAM纽带进步通集成化CADCAM桥梁
14国数控技术产业发展基估计
国数控技术起步 1958 年 50 年发展历程致分三阶段：第阶段 1958 年 1979 年 封闭式发展阶段阶段 国外技术封锁国基础条件制 数控技术发展较缓慢第二阶段国家六五七五期间八五前期 引进技术 消化吸收 初步建立
起国产化体系阶段阶段 改革开放国家重视 研究开发环境国际环境改善 国数控技术研究开发产品国产化方面取长足进步第三阶段国家八五期九五期间 实施产业化研究 进入市场竞争阶段观国数控技术 50 年发展历程 特 4 5 年计划攻关 总体取成绩
15毕业设计目意义
机电体化系统设计毕业设计培养学生设计力重实践性教学环节综合运学机械电子动控制计算机等知识进行基设计训练目：
够正确运机电体化系统设计课程基理相关知识掌握机电体化系统（产品）功构成特点设计思想设计方法解设计方案拟定较分析计算培养学生分析问题解决问题力学生具机电体化系统设计初步力
通机械部分设计掌握机电体化系统典型机械零部件执行元件计算选型结构设计方法步骤
通测试控制系统方案设计掌握机电体化系统控制系统硬件组成工作原理软件编程思想
通毕业设计提高学生应手册标准编写技术说明书力促进学生科学态度创新精神专业技等方面综合素质提高
16毕业设计容
毕业设计题目：基单片机数控车床XY工作台控制系统设计
已知条件：定位精度：±001mm滚珠丝杠导轨寿命T16000h中等击工作台效行程快速进速度工作载荷
第二章 数控系统总体方案确定
数控系统总体方案设计容包括：系统运动方式确定执行机构传动方案确定伺服电机类型调速方案确定计算机控制系统选择进行方案分析较证
11系统运动方式确定
该系统求工作台坐标轴运动精确运动关系采连续控制方式
12伺服系统选择
开环伺服系统负载时采功率步进电机作伺服电机开环控制系统没检测反馈部件纠正系统传动误差开环系统结构简单调整维修容易速度精度求太高场合广泛应
考虑运动精度求高简化结构降低成宜采步进电机作开环伺服系统驱动
13计算机系统选择
采MCS51系列中8031单片机扩展控制系统MCS51单片机特点集成度高性功强速度快性价高控制系统微机部分键盘显示器IO接口光电隔离电路步进功率放电路等组成系统工作程序控制命令通键盘操作实现显示器采数码显示加工数工作状态等信息
14 X—Y工作台传动方式
保证定传动精度稳性结构紧凑采滚珠丝杠螺母传动副提高传动刚度消间隙采预加载荷结构
工作台运动部件重量工作载荷选滚动直线导轨副减工作台摩擦系数提高运动稳性
考虑电机步距角丝杠导程标准选取达分辨率求考虑步进电机负载匹配采齿轮减速传动系统总体框图：
计
算
机
光电隔离
功率放
步进
电机
X工作台
光电隔离
功率放
步进
电机
Y工作台
图21
第三章 机械部分设计
机械部分设计容包括：确定系统脉量运动部件惯性计算选择步进电机传动导元件设计计算选择绘制机械部分装配图等
11确定系统脉量
脉量δp进指令时工作台位移量应等工作台位置精度定位精度±001mm选择脉量001mm
12工作台外形尺寸重量初步估算
根定效行程画出工作台简图估算XY工作台承载重量WXWY
取X导轨支撑钢球中心距410mmY导轨支撑钢球中心距400mm设计工作台简图：
图31
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