邵阳学院毕业设计（论文）目 录1 绪论11.1数字控制技术的产生和发展41.2我国数控机床的发展情况51.3数控机床中十字滑台的设计62 机床改造总体方案设计73 确定机械传动改造方案83.1 设计原始参数83.2 确定切削用量93.3 进给运动的切削负载分析及计算方法93.3.1、各个方向的分力93.3.2、摩擦阻力93.3.3、等效转动惯量计算93.3.4、丝杠摩擦阻力矩的计算103.3.5、等效负载转矩Tm的计算103.3.6、起动惯性阻力矩的计算103.3.7、步进电机输出轴总的负载转矩的计算103.4 步进电机的匹配选择103.5 滚珠丝杠的选择与校核113.5.1、工作原理及结构113.5.2、滚珠丝杠副的特点113.5.3、承载能力的校核113.5.4、压杆稳定性验算123.5.5、刚度验算123.6 齿轮的校核计算133.7 轴承的选择与校核163.8 导轨的选择164 控制系统的硬件及软件设计174.1 确定控制系统方案174.2 单片机控制系统硬件设计174.2.1、单片机控制系统的硬件构成174.2.2、单片机引脚及其功能184.2.3、控制线194.3 单片机的选择204.4 存储器的选用与扩展204.5 存储器的选用及连接204.6 地址锁存器214.7 键盘与显示电路及其程序214.7.1、8155工作方式设定234.7.2、状态查询244.7.3、8155定时功能244.7.4、键盘显示电路工作原理264.8 步进电机接口电路345 总结37参考文献38致谢39摘 要随着制造业的发展，人们深刻的感受到数控机床在生产中的地位是越来越重要。本文结合机电一体化的需要，设计以单片机作为控制系统的X-Y型工作台（XY工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台）。通过对X-Y型工作台机械结构设计和控制电路接口的设计，阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。这种工作台通常与整机设计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有着共同点。关键词：X-Y数控十字滑台；机电一体化；单片机 Abstract Along with manufacturing industry development，peoples profound feeling numerical control engine bed in production status is more and more important. Combine mechanical-electrical integrations need, design a Model X-Y working bench with one-chip computer as the of the control system(X-Y working bench is separately along X and Y motion work table.). Though describing the working bench mechanicals design of structure and interface of the control circuit to Model X-Y, have explained generality in the design of mechanical-electrical integration and its key technology. This kind of working bench is usually designed with the complete machine into a whole , its form , size, there is a greater difference because types of the machine are different in the structure, but its operation principle has common point. Keywords: X-Y numerical control cross slippery platform; The mechanical-electrical integration; One-chip computer1 绪论1.1数字控制技术的产生和发展最早采用数字控制技术进行机械加工的思想，是在20世纪40年代提出的。当时美国北密执安的一个小型飞机叶片轮廓样板时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了处理，并考虑了刀具对加工路径的影响，使加工精度达到0.0381mm。以当时的水平来看，是相当高的。1952年，美国麻省理工学院研制出一套实验性数字控制系统，并把它装在一台数字立式铣床上，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上的第一台数控机床，是数控机床的第一代。但是这台机床毕竟是一台实验性机床，到了1954年11月，在帕尔森专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克公司生产出来的。1959年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路版，从而使数控机床跨入了第二代。同年3月，由美国克耐杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心”。现在加工中心已成为数控机床中一种非常重要的品种，在工业发达的国家中占数控机床总量的1/4左右。1960年，研制出了小规模集成电路。由于它的体积小，功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。以上三代，都是采用专用控制的硬件数控系统（NC）。1967年，英国首先把几台数控机床联成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMSFlexible Manufacturing System 柔性制造系统。之后，美、欧、日等国也相继进行了开发和应用。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格和使用了微处理器。1974年，美、日等国首先先研制出以微处理器为核心的数控机床。30多年来，微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和应用，这是第五代数控。后来，人们将MNC也统称为CNC。20世纪80年代初，国际上又出现了柔性制造单元FMC。这种单元投资少、见效快，既可单独长时间少人看管运行，也可集成制造系统中使用。所以近几十年来，得到快速发展和应用。FMC和FMS被认为是实现CIMSComputer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造系统的必经阶段和基础。1.2我国数控机床的发展情况我国从1958年开始研究数控技术，一直到20世纪60年代中期处于研制、开发时期。1965年，国内开始研制晶体管数控系统。20世纪60年代末70年代初研制成功X53K1G立式数控铣床、CJK-18数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从20世纪70年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面开展，数控加工中心在上海、北京研制成功。但数控系统的可靠性、稳定性未得到解决。在这一时期，数控机床结构简单，使用方便。20世纪80年代，我国从国外引进部分系列的数控系统和直流主轴电机技术和一些新的技术，使我国的数控机床在性能上有了质的飞跃。1995年以后，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。现在我国已经建立了以中，低档数控机床为主的产业体系，未来几十年，我国将成为数控机床的生产，使用大国。1.3数控机床中十字滑台的设计随着制造业的发展，人们深刻的感受到数控机床在生产中的地位是越来越重要，虽然近几年我国组合机床的技术在不断的发展，然而组合机床通用部件中的大型滑台，至今仍主要是单坐标的滑台。而有些国家的组合机床早在70年代（或更早些）就有了双坐标的十字滑台。 机电一体化技术的数控机械如数控机床、绘图机、火焰切割机、电加工机床以及衣料开片机等都有一个在X-Y平面内作配合运动的工作台。这种工作台通常与整机设计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有着共同点。该设计的数控X-Y工作台是一个既能用于生产实际又可用于数控教学的典型机电一体化产品。考虑到8031单片微机具有较高的性能价格比，具有强有力的指令系统，决定选用INTER公司生产的8位8031单片机芯片作为本系统的微处理器。 XY工作台是指能分别沿着X向和Y向移动的工作台。本文通过对XY工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计，阐述了机电一体化系统设计中的共性和关键的技术。 在超精密机床和超精密加工中，为使机床微位移的分辨率进一步提高；为进行机床和加工误差的在线补偿，以提高加工精度；为进行某些特殊的非轴对称表面的加工，都需要使用微量进给装置。高精度微量进给装置现在已成为超精度机床的一个重要的关键装置。现在高精度微量进给装置已可达到0.0010.01m的分辨率。这对实现超薄切削，实现高精度尺寸加工和实现在线误差补偿是十分有用的。 数控X-Y工作台、数控钻床等设备实际上是2轴半的系统，即工作台的两个方向联动、垂直于工作台的刀具不必与工作台联动。在对一些XY工作台的研究调查中发现目前的简易数控控制系统基本上是基于普通单片机，显示为LED数码管的系统，操作很不方便而且通用性不强。为此，在此基础上设计了通用的2轴半数控控制器。其基本思想是采用最新的微处理技术和集成电路技术，提高系统集成度，从而提高可靠性，降低成本，减小体积。它具有良好的人机交互界面，满足一般2轴半数控系统的需要。 2 机床改造总体方案设计对数控十字滑台而言，主要是纵横方向两个坐标的传动，根据设计任务要求，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统，这样可以使控制系统简单，成本低，调试维修容易，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和滚珠滚动导轨，为尽量消除齿侧间隙，计算机系统仍采用MCS-51系列单片机扩展系统。 X-Y数控十字滑台的总体框图如下： 图 21（结构总体框图）3 确定机械传动改造方案3.1 设计原始参数(1)、工作滑台面长X宽（mm） 250mmX250mm (2)、铣刀 20mm (3)、铣削深度 p=5mm (4)、铣刀齿数 Z=3 (5)、齿进给量 (6)、被加工材料 HB=250 (7)、工作台移动速度 x=2 、y=2m/min3.2 确定切削用量根据加工方式不同，切削用量选择方式也不同。对铣削而言，主要是切削速度V，切削深度,切削宽度,每齿进给量,铣刀齿数z,铣刀直径D。切削用量主要根据刀具的类型，刀具的材料，被加工工件的材料等参数和有关手册及教科书确定。除了工作进给速度而外，还有一个快进速度问题，一般情况下，推荐快进速度为V0.2/min。