1、本科毕业论文（20 届）X-Y 数控工作台及其控制系统设计所在学院专业班级 机械电子工程学生姓名指导教师完成日期诚信声明本人郑重声明：本论文及其研究工作是本人在指导教师的指导下独立完成的，在完成论文时所利用的一切资料均已在参考文献中列出。本人签名： 年 月 日毕业设计任务书设计题目： X-Y 数控工作台及其控制系统设计 1课题意义及目标了解 X-Y 数控工作台的原理及应用；进行系统总体方案设计，根据相关参数完成机械部分设计；完成控制系统设计。2主要任务(1)、认真阅读任务书，通过查阅相关文献资料，在了解课题研究目的意义及现状等基 础上，构建设计方案并进行充分论证，并撰写开题报告；(2)、进行系
2、统总体设计，熟悉开发环境；(3)、典型零件图若干张；装配图 1 张、系统原理图 1 张；(4)、毕业设计说明书；3主要参考资料1 张建民等.机电一体化系统设计M.第三版.北京：北京高等教育出版社.2013.82 王文深.X-Y 数控精密工作台进给伺服系统摩擦误差的分析J.新技术新工艺.2008.(5):47-493 余江，李伟洪，沈晓云.基于 PLC 的数控工作台控制系统设计J.煤矿机械.2010(1):158-1604进度安排设计各阶段名称 起 止 日 期1 阅读任务书，撰写开题报告并进行开题答辩 3 月 3 日3 月 23 日2 系统总体方案设计，硬件选型及原理图绘制 3 月 24 日4
3、月 13 日3 绘制零件图、装配图，中期答辩 4 月 14 日5 月 4 日4 控制系统原理图 5 月 5 日6 月 1 日5 撰写设计说明书，准备毕业答辩 6 月 2 日6 月 22 日审核人： 年 月 日IX-Y 数控工作台及其控制系统设计摘 要：本文设计的是基于单片机系统控制的教学用 X-Y 数控工作台。主要涉及数控工作台机械结构的装配、选型和控制系统软硬件设计。设计中的控制系统采用点位直线式连续控制方式。并且利用开环控制和单片机系统构成整个控制系统的框架。X-Y 数控工作台的机械结构包括滚珠丝杠、导轨、工作台面和电机。其机械部分设计有各种计算校验（包括载荷计算、传动效率计算和电机转速及
4、工作频率计算）和机构部件选型（包括滚珠丝杠选型、导轨选型、电机选型）等。控制系统设计分为硬件选型、电路设计（包括 CPU 扩展电路设计、I/O 外设电路设计和步进电机驱动电路设计）和系统流程设计等。关键词：数控，X-Y 数控工作台，单片机X-Y CNC Table and Control System DesignAbstract：This design is based on the teaching SCM system control with XY CNC table. Mainly related to the assembly, selection and control syst
5、em hardware and software design CNC table mechanical structure. Design control system uses point linear continuous control. And the use of open-loop control and SCM systems constitute the entire control system framework.Mechanical structure includes a ball screw XY CNC table, rails, countertops and
6、motors. The mechanical part of the design has a variety of computing the checksum (including load calculation, calculation of transmission efficiency ,motor speed and operating frequency calculations) and the mechanical components selection (including selection of a ball screw, guide selection, moto
7、r selection) and the like. Control system design is divided into hardware selection, circuit design (including the expansion of the circuit design of CPU, I / O peripheral circuit design and stepper motor drive circuit design) and system design process.Keywords: CNC, X-Y CNC table, SCMII目 录1 前言 .11.
8、1 机电一体化及数控技术发展 .11.2 X-Y 数控工作台原理应用 .32 系统总体方案设计 .52.1 设计总体要求 .52.2 系统控制方式 .62.3 伺服系统的选择 .72.4 计算机系统的选择 .73 机械部分设计 .83.1 工作台总重量计算 .83.2 滚珠丝杠传动设计 .83.2.1 确定最大计算动载荷 .93.2.2 选择型号规格 .103.2.3 计算传动效率 .113.2.5 校验临界转速 .123.3 电机的选用 .123.3.1 计算启动力矩 .133.3.2 确定最高工作频率 .133.3.3 确定电机型号 .134 控制部分设计 .154.1 主控制器 CPU
9、的选择 .154.2 存储器扩展电路设计 .164.2.1 程序存储器的选择 .164.2.2 数据存储器的选择 .174.2.3 地址锁存器的选择 .184.2.4 地址译码器的选择 .194.2.5 存储器扩展电路设计 .194.3 I/O 扩展电路设计 .20III4.3.1 通用可编程接口芯片 8255A .204.3.2 人机界面 .234.4 步进电机驱动电路设计 .244.4.1 环形脉冲分配器 CH250 .254.4.2 功率放大电路 .264.4.3 限位电路 .284.5 其他电路 .284.5.1 时钟电路 .284.5.2 复位电路 .295 系统程序调试 .305.
10、1 系统流程图 .305.1.1 步进电机位控流程 .305.1.2 键盘输入流程 .325.1.3 直线圆弧插补流程 .335.2 插补程序示例 .34参考文献 .36致 谢 .37附 录 .38控制系统总电路图 .3811 前言1.1 机电一体化及数控技术发展机电一体化又称机械电子工程，是随着科学技术发展而产生的复合型学科，包含电子、信息、机械等技术。但这不仅仅是简单的组合，它是学科的综合与渗透 1。如图1.1所示图1.1 机电一体化技术领域Mechatronics 是一个合成名词，是 Mechanics(机械学)与 Electronics(电子学)组合而成的 1。可以说，机电一体化是机械
11、技术、电子技术及信息技术相互交叉、融合的新产品。随着现代工业的飞速发展，机电一体化已不再是一个抽象名词或者概念化产品。这就衍生出来具体的机电一体化工程。说白了就是科研人员利用机电一体化理论进行具体的设计和制造，生产出新型机电一体化产品的工程。而作为数学方法和工程方法的基本体的系统工程，则是传统意义上的完整生产过程。对于现今工业，机电一体化工程是系统工程在机电一体化系统设计中的一种开信息技术（系统软件、应用软件）机械技术（机械学、精密机械、机构学）电子技术微电子学（IC、LSI、VLSI）机电一体化技术领域（机械、电子、信息技术融合）2发。但同时，在社会发展中，两者也不是包含被包含的关系。如表1
12、.1所示表1.1 系统工程与机电一体化工程系统工程 机电一体化工程产生年代 20世纪50年代 20世纪70年代对象 大系统 小系统基本思想 系统概念 机电一体化概念技术方法 利用软件进行优化、仿真、鉴定、检查硬件的超精密定位、超精密加工、优化设计、微机控制及仿真信息处理系统 大型计算机 微型计算机实例阿波罗计划银行在线系统日本新干线航天飞机、人造卫星CNC 机床ROBOTVTR、DVD照相机、摄像机共同点 应用计算机，具有实用性、综合性、复合型数字控制简称数控，是利用数字化信息实行控制，也就是利用数字控制技术实现的自动控制技术，其被控对象可以是各种生产过程 2。通俗的讲，是利用了数字化信息对机
13、床的轨迹和状态进行实时控制，例如车削、铣削、钻孔、镗孔、刨磨等加工中用的数控机床。数控系统的组成包括：输入/输出装置、数控装置、伺服系统、机床电器控制装置，如图1.2所示图1.2 数控机床的组成框图输入输出装置数控装置机床电器控制装置机床本体伺服系统3现代数控技术是新一代制造技术，我国同很多发达国家一样，将发展数控技术作为国家制造业发展的重要内容，其发展也越来越趋于多样化。如表1.2所示表1.2 数控技术发展趋势表硬件 PC 集成技术、系统模块化系统软件 标准操作系统、实时数据库核心功能 三维刀具补偿、样条插补、自适应控制监控诊断 自适应技术、智能故障诊断、远程诊断编程功能 三维图形模拟、面向
14、车间的 WOP、宏程序设计、会话式蓝图编程伺服系统 交流驱动、数字调节器、开放式软伺服系统、SERCOS用户界面 用户可设计和可重构的开放式友好界面通信方面 MAP/Ethernet、TCP/IP、现场总线1.2 X-Y 数控工作台原理应用作为生产中应用最为广泛的机电一体化产品，X-Y 数控工作台控制系统简单，容易操作改装，检修方便，是激光加工、车床、钻床、铣床等数控设备的基本组成部分，X、Y 两轴的控制精度决定了数控设备的加工精度，如图1.3所示。4图1.3 X-Y 数控工作台实物图一般的机电一体化类数控机械都有一个可以在 X Y 平面内作相对运动的工作台。这种工作台一般与整个机器设计成一个
15、整体 ,但是因为机器类型不同，X-Y 数控工作台的外形、尺寸、结构会有区别 ,但其工作原理有着共同的特点.本次设计的 X-Y 数控工作台是一个用于数控教学的典型机电一体化产品 3。日常教学中，X-Y 数控工作台也扮演了重要角色。它能直观的展示数控机床在实际操作过程中刀具及轴类的运动方式，便于学生理解掌握。除此之外，在插补教学方面，X-Y 数控工作台能够精确方便的展示基本插补过程，如直线插补、圆弧插补。因此，它是数控教学中必不可少的教学用具。X-Y 数控工作台的工作原理比较简单，包含两大部分：机械部分和控制部分。其中，硬件部分产品相对成熟，零部件已趋于标准化部件。市场上产品的控制系统大致分为 CNC 系统、PLC 系统和单片机系统。CNC 系统一般适用于大中型设备，是现代主流数字控制系统。具有高强度、高精度、自动化的特点。PLC 系统可靠性高，功能齐全，方便修改调整，有内装型和独立型两种，但市面上的 PLC 系统缺乏规范标准，各个公司之间不兼容，一般也不对用户公开。目前市场很多产品的控制核心部分都应用单片机系统。并且采用简单方便又能保证精度的开环控制系统控制。单片机系统兼容性好，成本低，存储空间易于扩展，功能全面，适合小型数控系统。值得一提的是，现代化加工过程中，穿插融合各种系统的数控设备屡见不鲜，这也将是未来数控技术的发展趋势。
