数控机床工作台及控制系统的设计(附件)
普通机床的生产效率低，精度低，已不能满足零件的加工要求，为了更好的适应发展，对数控机床进行研究。数控机床已经成为先进工业的核心，是制造业发展的重要基础。本文研究的是XY轴的数控机床工作台。为了保证工作台能够沿各坐标轴精确运动，因此选择连续控制。工作台的设计分为机械和控制两部分，主要是对机械结构部分进行设计。首先先确定工作台的尺寸，X、Y轴方向拖板的尺寸，对其进行受力分析，并选择合适的导轨、滚珠丝杠、轴承等传动元件及步进电机，并添加一对齿轮实现减速传动。最后应用CAD完成装配图。数控机床工作台采用的是开环控制系统，结构简单。因为MCS-51系列单片机的功能强，性价比高，选择8031为控制系统的主控芯片，扩展存储器和I/O接口，设计复位电路和时钟电路。关键词 数控机床，XY轴，控制系统，单片机
目 录
1 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 数控机床发展趋势 2
1.4 本设计完成的工作内容 3
2 确定设计总体方案 4
3 数控机床工作台机械部分设计 5
3.1 确定设计参数 5
3.2 确定系统脉冲当量 5
3.3 估算工作台外形尺寸 5
3.4 计算并选择滚动导轨副 6
3.5 计算并选择滚珠丝杠 8
3.6 齿轮的选择、计算 12
3.7 选择步进电机 13
4 数控机床工作台控制设计 16
4.1 设计内容 16
4.2 数控系统的硬件电路的组成部分 16
4.3 选择单片机型号 16
4.4 译码电路 17
4.5 程序存储器的扩展 18
4.6 数据存储器的扩展 20
4.7 I/O扩展电路的设计 20
4.8 步进电机驱动电路设计 21
4.9 复位电路 22
4.10 时钟电路 22
4.11 数控系统电气原理图 23
4.12 控制系统功能分析 23
结 论 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
5
致 谢 26
参 考 文 献 27
1 绪论
1.1 选题背景及意义
随着科技的创新与发展，对技术和设备的要求也越来越高，特别是在国防安全和国民经济发展等方面。比如说军事领域、航空航天领域、精密仪器领域等[1]。为了跟上科技发展的脚步，各种技术和设备不断的更新升级。
经过长时间的发展，数字控制技术已成为综合性的学科。它建立在控制学、机械学、计算机科学、电学的基础上[2]。数控技术通过数字信息，来控制机械运动和其工作过程。它是先进技术的核心，也是发展高新技术和先进工业的必备条件，是制造业现代化的重要基础[3]。
数控机床的性能和质量是衡量国家科学技术和工业水平的重要标准。在工业发达的国家更加注重研发高端数控机床。在中国，基础制造装备与高档数控机床是目前需要着重研究推发展的。这表现出国家对数控机床发展的重视程度，对国家工业和制造业的发展具有全球性和战略意义[45]。
将普通机床的工作台改装成由数控系统控制，这样既能够确保工作台的稳定性，也达到了工作台数控加工的精度要求。机床伺服进给系统与机床的加工精度、加工速度、行程范围等参数直接相关。电液伺服系统有较高的控制精度、在工作中响应速度快、输出功率大，被广泛应用于机械制造中[6]。数控机床XY工作台是实现数控机床平面定位和进给的最基本的机构之一。广泛应用于NC镗床、铣床、钻床及各种加工中心。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
近年来，中国数控机床取得了较大的发展，主要表现在产品的类型、技术、品质和产量等方面。有资料显示，中国市场上当前约有1500种数控机床，几乎所有类型的金属切削机床和锻压机械都包含在内。由此可见，我国的数控机床步入了快速发展的时期[8]。
近几年，国家重点工程和国防建设的较高级的数控研究任务都交给了机床工业。例如，国产XNZD2415数控龙门混合机床，它有普通机床的灵活、通用和广范围加工的性能。该机床的基础龙门由两自由度平行四边形并联机构组成。随着桌子的垂直运动，它可以完成五个自由度的运动。主轴转速最高为10000 r/min，重复定位精度为0.01mm。涡轮叶片和导叶等三维曲面在高速加工中可达到[7]。
因为中国的机械制造业发展比较晚，起步比较慢，还面临着许多问题。其中一个比较严峻的就是我国的高端数控机床都主要从其他国家引进。由此可见，我国的数控机床在加工精度和稳定性方面，还是与国外工业大国的数控机床有一定的差距。
1.2.2 国外研究现状
世界上数控技术的发展依旧是美国位居第一。据统计，美国数控机床的数量已多达两万多台，占据全球数量的二分之一。1966~1968年，美国数控机床的年产量已接近3000台，占世界机床总产量的1.3到1.5%[9]。
数控机床在美国的航空工业发展中起到了关键性的作用。约百分之六十的数控机床被应用在航空、电子、金属加工上。在美国，铣床和镗床是最先应用数控技术的，随后慢慢应用到钻床上，近年来车床已经是数控技术的重点发展对象。1964年，点控制系统占整个控制系统的87%左右。在1967年，数控车床的增长速度达到了最高值。
相比较其他国家，英国开始数控机床的研究已经有很长一段时间了。1954年第一台数控机床样机诞生。1955—1957年类型众多的数控机床相继面世。普莱赛集团的数字控制公司是英国数控系统生产的领导者。该公司共生产五个系列的数控装置，其中包括结构简单廉价的两坐标点位控制系统和复杂的多坐标连续控制系统，年产量为360台。
美国在发展数控技术上位居世界第一，日本仅次于后。在1954年日本就开始研发数控机床，经过两年的时间，第一台数控车床问世。1956年点位控制系统研制成功。在1960年时，市面上陆陆续续出现了带有自动换刀功能的数控机床。1966年数控装置已集成电路化。1968年出现了多机数字控制系统并且成为在界上首个正式运行的国家。近几年来，数控机床的普及也极为迅速。其产量增长速度也是世界上最快的，大约有五千台数控机床在日本投入使用。
目 录
1 绪论 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 数控机床发展趋势 2
1.4 本设计完成的工作内容 3
2 确定设计总体方案 4
3 数控机床工作台机械部分设计 5
3.1 确定设计参数 5
3.2 确定系统脉冲当量 5
3.3 估算工作台外形尺寸 5
3.4 计算并选择滚动导轨副 6
3.5 计算并选择滚珠丝杠 8
3.6 齿轮的选择、计算 12
3.7 选择步进电机 13
4 数控机床工作台控制设计 16
4.1 设计内容 16
4.2 数控系统的硬件电路的组成部分 16
4.3 选择单片机型号 16
4.4 译码电路 17
4.5 程序存储器的扩展 18
4.6 数据存储器的扩展 20
4.7 I/O扩展电路的设计 20
4.8 步进电机驱动电路设计 21
4.9 复位电路 22
4.10 时钟电路 22
4.11 数控系统电气原理图 23
4.12 控制系统功能分析 23
结 论 2 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
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致 谢 26
参 考 文 献 27
1 绪论
1.1 选题背景及意义
随着科技的创新与发展，对技术和设备的要求也越来越高，特别是在国防安全和国民经济发展等方面。比如说军事领域、航空航天领域、精密仪器领域等[1]。为了跟上科技发展的脚步，各种技术和设备不断的更新升级。
经过长时间的发展，数字控制技术已成为综合性的学科。它建立在控制学、机械学、计算机科学、电学的基础上[2]。数控技术通过数字信息，来控制机械运动和其工作过程。它是先进技术的核心，也是发展高新技术和先进工业的必备条件，是制造业现代化的重要基础[3]。
数控机床的性能和质量是衡量国家科学技术和工业水平的重要标准。在工业发达的国家更加注重研发高端数控机床。在中国，基础制造装备与高档数控机床是目前需要着重研究推发展的。这表现出国家对数控机床发展的重视程度，对国家工业和制造业的发展具有全球性和战略意义[45]。
将普通机床的工作台改装成由数控系统控制，这样既能够确保工作台的稳定性，也达到了工作台数控加工的精度要求。机床伺服进给系统与机床的加工精度、加工速度、行程范围等参数直接相关。电液伺服系统有较高的控制精度、在工作中响应速度快、输出功率大，被广泛应用于机械制造中[6]。数控机床XY工作台是实现数控机床平面定位和进给的最基本的机构之一。广泛应用于NC镗床、铣床、钻床及各种加工中心。
1.2 国内外研究现状
1.2.1 国内研究现状
近年来，中国数控机床取得了较大的发展，主要表现在产品的类型、技术、品质和产量等方面。有资料显示，中国市场上当前约有1500种数控机床，几乎所有类型的金属切削机床和锻压机械都包含在内。由此可见，我国的数控机床步入了快速发展的时期[8]。
近几年，国家重点工程和国防建设的较高级的数控研究任务都交给了机床工业。例如，国产XNZD2415数控龙门混合机床，它有普通机床的灵活、通用和广范围加工的性能。该机床的基础龙门由两自由度平行四边形并联机构组成。随着桌子的垂直运动，它可以完成五个自由度的运动。主轴转速最高为10000 r/min，重复定位精度为0.01mm。涡轮叶片和导叶等三维曲面在高速加工中可达到[7]。
因为中国的机械制造业发展比较晚，起步比较慢，还面临着许多问题。其中一个比较严峻的就是我国的高端数控机床都主要从其他国家引进。由此可见，我国的数控机床在加工精度和稳定性方面，还是与国外工业大国的数控机床有一定的差距。
1.2.2 国外研究现状
世界上数控技术的发展依旧是美国位居第一。据统计，美国数控机床的数量已多达两万多台，占据全球数量的二分之一。1966~1968年，美国数控机床的年产量已接近3000台，占世界机床总产量的1.3到1.5%[9]。
数控机床在美国的航空工业发展中起到了关键性的作用。约百分之六十的数控机床被应用在航空、电子、金属加工上。在美国，铣床和镗床是最先应用数控技术的，随后慢慢应用到钻床上，近年来车床已经是数控技术的重点发展对象。1964年，点控制系统占整个控制系统的87%左右。在1967年，数控车床的增长速度达到了最高值。
相比较其他国家，英国开始数控机床的研究已经有很长一段时间了。1954年第一台数控机床样机诞生。1955—1957年类型众多的数控机床相继面世。普莱赛集团的数字控制公司是英国数控系统生产的领导者。该公司共生产五个系列的数控装置，其中包括结构简单廉价的两坐标点位控制系统和复杂的多坐标连续控制系统，年产量为360台。
美国在发展数控技术上位居世界第一，日本仅次于后。在1954年日本就开始研发数控机床，经过两年的时间，第一台数控车床问世。1956年点位控制系统研制成功。在1960年时，市面上陆陆续续出现了带有自动换刀功能的数控机床。1966年数控装置已集成电路化。1968年出现了多机数字控制系统并且成为在界上首个正式运行的国家。近几年来，数控机床的普及也极为迅速。其产量增长速度也是世界上最快的，大约有五千台数控机床在日本投入使用。
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