潍坊科技学院专科学生毕业设计
数控步进X ─Y 工作台设计
\
目 录
摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ 1绪 论…………………………………………………………………………………………1
1.1我国数控车床的发展和产业化的现状及当今世界数控车床的发展的趋势……………1
1.2 C616数控步进改造设计的目的及意义……………………………………………………2 2总体方案设计……………………………………………………………………………5
2.1设计任务……………………………………………………………………………………5 3机械部分设计……………………………………………………………………………7
3.1进给系统的设计计算………………………………………………………………………7
3.2钻削力的计算………………………………………………………………………………9
3.3铣削力的计算………………………………………………………………………………11
3.4滚动导轨的选用……………………………………………………………………………13
3.5滚珠丝杆的计算和选用……………………………………………………………………14
3.6滚珠丝杠支座设计与计算…………………………………………………………………16
3.7确定齿轮传动比……………………………………………………………………………18
3.8确定齿轮模数及有关尺寸…………………………………………………………………22
3.9步进电机惯性负载的计算…………………………………………………………………25 4 系统硬件设计……………………………………………………………………………26
4.1确定硬件电路的总体方案………………………………………………………………27
4.2机床数控系统硬件电路设计……………………………………………………………29 4系统软件设计……………………………………………………………………………31
5.1系统控制功能分析…………………………………………………………………………31
5.2系统管理程序控制…………………………………………………………………………32
5.3自动加工程序设计…………………………………………………………………………29
5.4步进电机控制子程序设计…………………………………………………………………30
5.5编语言程序设计……………………………………………………………………………30
5.6直线插补程序设计…………………………………………………………………………32
5.7圆弧插补程序………………………………………………………………………………32
结束语…………………………………………………………………………………………33 致 谢……………………………………………………………………………………………34 参 考 文 献…………………………………………………………………………………35
摘 要
X-Y 数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制; 使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。X-Y 数控工作台机电系统设计是利用8031单片机，及2764, 6264存储器及8155芯片等硬件组成，在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。
其基本思想是通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工，每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转，同时通8155将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀，电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。X-Y 数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。
其工作原理是每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场; 由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用。
关键词：步进电机，数控系统
1 绪论
1.1 X-Y工作台的发展趋势及产业化的现状
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。
工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的X —Y 工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如：可倾回转工作台，它可以实现用于数控机床和加工中心机床上，可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度。另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。
1.2数控X-Y 工作台设计的意义和目的
本设计所设计的X-Y 工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过MCS-51单片机来控制步进电机，使X-Y 工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的X-Y 数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的X-Y 工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。
通过对X-Y 工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过课程设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准
以及编写文件等资料的能力。
在本设计中着重介绍了如何对X-Y 工作台进行设计，对导轨、丝杠、电机、选用和数控控制电路的设计和其控制程序的编制等方面进行了深入的分析。
第二章 总体方案设计
2.1设计任务
设计一个数控X-Y 工作台及其控制系统，该工作台可安装在普通钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。系统分辨率X ：0.01mm ，Y ：0.01mm 。系统分辨率X ：0.01mm ，Y ：0.01mm 。 设计参数如下：快速进给速度纵向X ：2m/分；快速进给速度横向Y ：2m/分；切削进给速度：0.3m/分；时间常数： t≤200ms ； 最大钻孔直径d=5mm；铣刀直径φ15mm ，齿数Z=3；铣削最大余量αe =2mm；铣削最大深度αp =2mm；工作台加工范围X=320mm，Y=260mm。加工材料为铸铁；最大工件重量 80Kg。
2.2总体方案确定
2.2.1系统的运动方式与伺服系统
由于机床既能钻削又能铣削加工，故应采用连续控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y 工作台。钻头上下运动也由步进电机通过减速装置控制。
2.2.2计算机系统
本设计采用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。
潍坊科技学院专科学生毕业设计
数控步进X ─Y 工作台设计
\
目 录
摘要……………………………………………………………………………………………Ⅰ 1绪 论…………………………………………………………………………………………1
1.1我国数控车床的发展和产业化的现状及当今世界数控车床的发展的趋势……………1
1.2 C616数控步进改造设计的目的及意义……………………………………………………2 2总体方案设计……………………………………………………………………………5
2.1设计任务……………………………………………………………………………………5 3机械部分设计……………………………………………………………………………7
3.1进给系统的设计计算………………………………………………………………………7
3.2钻削力的计算………………………………………………………………………………9
3.3铣削力的计算………………………………………………………………………………11
3.4滚动导轨的选用……………………………………………………………………………13
3.5滚珠丝杆的计算和选用……………………………………………………………………14
3.6滚珠丝杠支座设计与计算…………………………………………………………………16
3.7确定齿轮传动比……………………………………………………………………………18
3.8确定齿轮模数及有关尺寸…………………………………………………………………22
3.9步进电机惯性负载的计算…………………………………………………………………25 4 系统硬件设计……………………………………………………………………………26
4.1确定硬件电路的总体方案………………………………………………………………27
4.2机床数控系统硬件电路设计……………………………………………………………29 4系统软件设计……………………………………………………………………………31
5.1系统控制功能分析…………………………………………………………………………31
5.2系统管理程序控制…………………………………………………………………………32
5.3自动加工程序设计…………………………………………………………………………29
5.4步进电机控制子程序设计…………………………………………………………………30
5.5编语言程序设计……………………………………………………………………………30
5.6直线插补程序设计…………………………………………………………………………32
5.7圆弧插补程序………………………………………………………………………………32
结束语…………………………………………………………………………………………33 致 谢……………………………………………………………………………………………34 参 考 文 献…………………………………………………………………………………35
摘 要
X-Y 数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制; 使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。X-Y 数控工作台机电系统设计是利用8031单片机，及2764, 6264存储器及8155芯片等硬件组成，在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。
其基本思想是通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工，每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转，同时通8155将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀，电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多处理方向发展。X-Y 数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。
其工作原理是每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场; 由于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。本题目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用。
关键词：步进电机，数控系统
1 绪论
1.1 X-Y工作台的发展趋势及产业化的现状
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。
工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的X —Y 工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如：可倾回转工作台，它可以实现用于数控机床和加工中心机床上，可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度。另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。
1.2数控X-Y 工作台设计的意义和目的
本设计所设计的X-Y 工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过MCS-51单片机来控制步进电机，使X-Y 工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的X-Y 数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的X-Y 工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。
通过对X-Y 工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过课程设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准
以及编写文件等资料的能力。
在本设计中着重介绍了如何对X-Y 工作台进行设计，对导轨、丝杠、电机、选用和数控控制电路的设计和其控制程序的编制等方面进行了深入的分析。
第二章 总体方案设计
2.1设计任务
设计一个数控X-Y 工作台及其控制系统，该工作台可安装在普通钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。系统分辨率X ：0.01mm ，Y ：0.01mm 。系统分辨率X ：0.01mm ，Y ：0.01mm 。 设计参数如下：快速进给速度纵向X ：2m/分；快速进给速度横向Y ：2m/分；切削进给速度：0.3m/分；时间常数： t≤200ms ； 最大钻孔直径d=5mm；铣刀直径φ15mm ，齿数Z=3；铣削最大余量αe =2mm；铣削最大深度αp =2mm；工作台加工范围X=320mm，Y=260mm。加工材料为铸铁；最大工件重量 80Kg。
2.2总体方案确定
2.2.1系统的运动方式与伺服系统
由于机床既能钻削又能铣削加工，故应采用连续控制系统。定位方式采用增量坐标控制。考虑到机床加工精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y 工作台。钻头上下运动也由步进电机通过减速装置控制。
2.2.2计算机系统
本设计采用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。