【正文】 ..................................39 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 致謝 ..................................................................................................................................40 摘 要 隨著制造業(yè)的發(fā)展，人們深刻的感受到數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中的地位是越來越重要。本文 結(jié)合機(jī)電一體化的需要，設(shè)計(jì)以單片機(jī)作為控制系統(tǒng)的 XY 型工作臺(tái)（ X－ Y 工作臺(tái)是指能分別沿著 X 向和 Y 向移動(dòng)的工作臺(tái)）。 通過對(duì) XY 型工作臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制電路接口的設(shè)計(jì)，闡述了機(jī)電一體化設(shè)計(jì)中的共性和關(guān)鍵技術(shù)。這種工作臺(tái)通常與整機(jī)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，其形狀，尺寸，結(jié)構(gòu)因機(jī)器類型不同而有較大差異，但其工作原理有著共同點(diǎn)。 關(guān)鍵詞 ： XY 數(shù)控十字滑臺(tái)；機(jī)電一體化；單片機(jī) 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 Abstract Along with manufacturing industry development， people39。s profound feeling numerical control engine bed in production status is more and more important. Combine mechanicalelectrical integration’s need, design a Model XY working bench with onechip puter as the of the control system(XY working bench is separately along X and Y motion work table.). Though describing the working bench mechanical’s design of structure and interface of the control circuit to Model XY, have explained generality in the design of mechanicalelectrical integration and its key technology. This kind of working bench is usually designed with the plete 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 mon point. Keywords: XY numerical control cross slippery platform。 The mechanicalelectrical integration。 Onechip puter 1 緒論 數(shù) 字控制技術(shù)的產(chǎn)生和發(fā)展 最早采用數(shù)字控制技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的思想，是在 20世紀(jì) 40年代提出的。當(dāng)時(shí)美國北密執(zhí)安的一個(gè)小型飛機(jī)葉片輪廓樣板時(shí)，利用全數(shù)字電子計(jì)算機(jī)對(duì)葉片輪廓的加工路徑進(jìn)行了處理，并考慮了刀具對(duì)加工路徑的影響，使加工精度達(dá)到177。 。以當(dāng)時(shí)的水平來看，是相當(dāng)高的。 1952年，美國麻省理工學(xué)院研制出一套實(shí)驗(yàn)性數(shù)字控制系統(tǒng)，并把它裝在一臺(tái)數(shù)字立式銑床上，成功地實(shí)現(xiàn)了同時(shí)控制三軸的運(yùn)動(dòng)。這臺(tái)數(shù)控機(jī)床被大家稱為世界上的第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，是數(shù)控機(jī)床的第一代。但是這臺(tái)機(jī)床畢竟是一臺(tái)實(shí)驗(yàn) 性機(jī)床，到邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 了 1954年 11月，在帕爾森專利的基礎(chǔ)上，第一臺(tái)工業(yè)用的數(shù)控機(jī)床由美國本迪克公司生產(chǎn)出來的。 1959年，電子行業(yè)研制出晶體管元器件，因而數(shù)控系統(tǒng)中廣泛采用晶體管和印刷電路版，從而使數(shù)控機(jī)床跨入了第二代。同年 3月，由美國克耐杜列克公司發(fā)明了帶有自動(dòng)換刀裝置的數(shù)控機(jī)床，稱為“加工中心”。現(xiàn)在加工中心已成為數(shù)控機(jī)床中一種非常重要的品種，在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家中占數(shù)控機(jī)床總量的 1/4左右。 1960年，研制出了小規(guī)模集成電路。由于它的體積小，功耗低，使數(shù)控系統(tǒng)的可靠性得以進(jìn)一步提高，數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展到第三代。 以上三代，都是采用專用控制的硬件數(shù)控系統(tǒng)（ NC）。 1967年，英國首先把幾臺(tái)數(shù)控機(jī)床聯(lián)成具有柔性的加工系統(tǒng)，這就是最初的 FMS－ Flexible Manufacturing System 柔性制造系統(tǒng)。之后，美 、 歐 、 日等國也相繼進(jìn)行了開發(fā)和應(yīng)用。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，小型計(jì)算機(jī)的價(jià)格和使用了微處理器。 1974年，美 、 日等國首先先研制出以微處理器為核心的數(shù)控機(jī)床。 30多年來，微處理機(jī)數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床得到飛速發(fā)展和應(yīng)用，這是第五代數(shù)控。后來，人們將 MNC也統(tǒng)稱為 CNC。 20世紀(jì) 80年代初，國際上又出現(xiàn)了 柔性制造單元 FMC。這種單元投資少 、 見效快，既可單獨(dú)長時(shí)間少人看管運(yùn)行，也可集成制造系統(tǒng)中使用。所以近幾十年來，得到快速發(fā)展和應(yīng)用。 FMC和 FMS被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn) CIMS－ Computer Integrated Manufacturing System 計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的必經(jīng)階段和基礎(chǔ)。 我 國數(shù)控機(jī)床的發(fā)展情況 我國從 1958年開始研究數(shù)控技術(shù)，一直到 20世紀(jì) 60年代中期處于研制 、 開發(fā)時(shí)期。 1965年，國內(nèi)開始研制晶體管數(shù)控系統(tǒng)。 20世紀(jì) 60年代末 70年代初研制成功 X53K－ 1G立式數(shù)控銑床 、 CJK18數(shù)控系統(tǒng)和數(shù)控非圓齒輪插齒機(jī)。 從 20世紀(jì) 70年代開始，數(shù)控技術(shù)在車 、 銑 、 鉆 、 鏜 、 磨 、 齒輪加工 、 電加工等領(lǐng)域全面開展，數(shù)控加工中心在上海 、 北京研制成功。但數(shù)控系統(tǒng)的可靠性 、穩(wěn)定性未得到解決。在這一時(shí)期，數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。 20世紀(jì) 80年代，我國從國外引進(jìn)部分系列的數(shù)控系統(tǒng)和直流主軸電機(jī)技術(shù)和一些新的技術(shù)，使我國的數(shù)控機(jī)床在性能上有了質(zhì)的飛躍。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 1995年以后，我國數(shù)控機(jī)床的品種有了新的發(fā)展。數(shù)控機(jī)床品種不斷增多，規(guī)格齊全。許多技術(shù)復(fù)雜的大型數(shù)控機(jī)床、重型數(shù)控機(jī)床都相繼研制出來。 現(xiàn)在我國已經(jīng) 建立了以中，低檔數(shù)控機(jī)床為主的產(chǎn)業(yè)體系，未來幾十年，我國將成為數(shù)控機(jī)床的生產(chǎn)，使用大國。 數(shù) 控機(jī)床中十字滑臺(tái)的設(shè)計(jì) 隨著制造業(yè)的發(fā)展，人們深刻的感受到數(shù)控機(jī)床在生產(chǎn)中的地位是越來越重要，雖然近幾年我國組合機(jī)床的技術(shù)在不斷的發(fā)展，然而組合機(jī)床通用部件中的大型滑臺(tái)，至今仍主要是單坐標(biāo)的滑臺(tái)。而有些國家的組合機(jī)床早在 70年代（或更早些）就有了雙坐標(biāo)的十字滑臺(tái)。 機(jī)電一體化技術(shù)的數(shù)控機(jī)械如數(shù)控機(jī)床、繪圖機(jī)、火焰切割機(jī)、電加工機(jī)床以及衣料開片機(jī)等都有一個(gè)在 XY平面內(nèi)作配合運(yùn)動(dòng)的工作臺(tái)。這種工作臺(tái)通常與整機(jī)設(shè)計(jì)成一個(gè)整體，其形狀，尺寸，結(jié)構(gòu)因機(jī)器類型不同而有較大差異，但其工作原理有著共同點(diǎn)。該設(shè)計(jì)的數(shù)控 XY工作臺(tái)是一個(gè)既能用于生產(chǎn)實(shí)際又可用于數(shù)控教學(xué)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品?？紤]到 8031單片微機(jī)具有較高的性能價(jià)格比，具有強(qiáng)有力的指令系統(tǒng)，決定選用 INTER公司生產(chǎn)的 8位 8031單片機(jī)芯片作為本系統(tǒng)的微處理器。 X－ Y工作臺(tái)是指能分別沿著 X向和 Y向移動(dòng)的工作臺(tái)。本文通過對(duì) X－ Y工作臺(tái)的機(jī)械系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及接口電路的設(shè)計(jì)，闡述了機(jī)電一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的共性和關(guān)鍵的技術(shù)。 在超精密機(jī)床和超精密加工中，為使機(jī)床微位移 的分辨率進(jìn)一步提高；為進(jìn)行機(jī)床和加工誤差的在線補(bǔ)償，以提高加工精度；為進(jìn)行某些特殊的非軸對(duì)稱表面的加工，都需要使用微量進(jìn)給裝置。高精度微量進(jìn)給裝置現(xiàn)在已成為超精度機(jī)床的一個(gè)重要的關(guān)鍵裝置?，F(xiàn)在高精度微量進(jìn)給裝置已可達(dá)到 ～ m的分辨率。這對(duì)實(shí)現(xiàn)超薄切削，實(shí)現(xiàn)高精度尺寸加工和實(shí)現(xiàn)在線誤差補(bǔ)償是十分有用的。 ??3 數(shù)控 XY工作臺(tái)、數(shù)控鉆床等設(shè)備實(shí)際上是 2軸半的系統(tǒng)，即工作臺(tái)的兩個(gè)方向聯(lián)動(dòng)、垂 直于工作臺(tái)的刀具不必與工作臺(tái)聯(lián)動(dòng)。在對(duì)一些 X－ Y工作臺(tái)的研究調(diào)查中發(fā)現(xiàn)目前的簡易數(shù)控控制系統(tǒng)基本上是基于普通單片機(jī)，顯示為 LED數(shù)碼管的系統(tǒng)，操作很不方便而且通用性不強(qiáng)。為此，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了通用的 2軸半數(shù)控控制器。其基本思想是采用最新的微處理技術(shù)和集成電路技術(shù)，提高系統(tǒng)集成度，從而提高可靠性，降低成本，減小體積。它具有良好的人－機(jī)交互界面，滿足一般 2軸半數(shù)控系統(tǒng)的需要。 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 2 機(jī)床改造總體方案設(shè)計(jì) 對(duì)數(shù)控十字滑臺(tái)而言，主要是縱橫方向兩個(gè)坐標(biāo)的傳動(dòng)，根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要 求，決定采用點(diǎn)位控制，用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán)控制系統(tǒng)，這樣可以使控制系統(tǒng)簡單，成本低，調(diào)試維修容易，為確保數(shù)控系統(tǒng)的傳動(dòng)精度和工作平穩(wěn)性，此工作臺(tái)采用滾珠絲杠螺母副和滾珠滾動(dòng)導(dǎo)軌，為盡量消除齒側(cè)間隙，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍采用 MCS51系列單片機(jī)擴(kuò)展系統(tǒng)。 XY數(shù)控十字滑臺(tái)的總體框圖如下 ??6 ??14 ： 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 微機(jī)環(huán)形分配器光電隔離功率放大步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作臺(tái)執(zhí)行元件環(huán)形分配器光電隔離功率放大圖 2－ 1（結(jié)構(gòu)總體框圖） 3 確定機(jī)械傳動(dòng)改造方案 設(shè) 計(jì) 原始參數(shù) (1)、工作滑臺(tái)面長 X寬（ mm） 250mmX250mm (2)、銑刀 Φ 20mm (3)、銑削深度 α p=5mm (4)、銑刀齒數(shù) Z=3 (5)、齒進(jìn)給量 mm? (6)、被加工材料 HB=250 (7)、工作臺(tái)移動(dòng)速度 x=2 、 y=2m/min 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 確 定 切削用量 根據(jù)加工方式不同，切削用量選擇方式也不同。對(duì)銑削而言，主要是切削速度 V，切削深度pa,切削寬度 ea ,每齒進(jìn)給 量 zf ,銑刀齒數(shù) z,銑刀直徑 D。切削用量主要根據(jù)刀具的類型，刀具的材料，被加工工件的材料等參數(shù)和有關(guān)手冊(cè)及教科書確定。除了工作進(jìn)給速度而外，還有一個(gè)快進(jìn)速度問題，一般情況下，推薦快進(jìn)速度為 V≤。??4 這里要注意把機(jī)床的主運(yùn)動(dòng)與進(jìn)給速度分開。 進(jìn) 給 運(yùn)動(dòng)的切削負(fù)載分析及計(jì)算方法 設(shè)計(jì)參數(shù)為：銑刀的直徑 D=20mm，齒數(shù) Z=3，切削深度 5pa mm?，每 齒進(jìn)給量 mm? ,被加工材料 HB=據(jù)實(shí)際工作情況可認(rèn)為同時(shí)工作的齒數(shù)為 2齒，每 齒 切 削 層 面 積 為 S= 5=, 兩 齒 為 2 1=2mm, 則 圓 周 力 Fc=2250=500kgf=5000N 、各個(gè)方向的分力 沿進(jìn)給方向的水平分力 Fh= Fc=2021N 沿進(jìn)給方向的垂直分力 Fv= Fc=4500N 沿銑刀軸向分力 Fa= Fc=2750N 、摩擦阻力 銑床工作臺(tái)與導(dǎo)軌間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)為滑動(dòng)摩擦， 取摩擦系數(shù) u=。摩擦力等于正壓力乘摩擦系數(shù)。正壓力應(yīng)包括主切削力 aFj及工作臺(tái)之動(dòng)力矩，設(shè)工作臺(tái)重量為100kg，故可算出其摩擦阻力為： F摩 =（ 100 10+2750） =375N 、等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量計(jì)算 00360 ti ? ??? ? ??5 其中： i—齒輪傳動(dòng)比， ? —步距角， 0t —螺距， δ—脈沖當(dāng)量 i= 6/360 = Z1=20。Z2=25。m=(模數(shù) )。b=20mm(齒寬 )；壓力角為 20 df1=mZ1=30mm。df2=mZ2=。de1=33mm。de2= 若將齒輪看作近似的圓柱體，齒輪材料為 45鋼，則齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量分別為： Jz1= 4 4 5 2 10 10 k gm? ? ? ? ? Jz2= 4 4 57. 8 4. 05 2 10 4. 2 10 k gm?? ? ? ? ? ? 邵陽學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 根據(jù)類比的方法，滾珠系直徑選擇為 d0=32mm。L= m。材料為 45鋼，則系杠的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量可近似算出為 Js= 4 4 3 27 . 8 3 . 2 5 5 1 0 0 . 4 5 1 0 k g m??? ? ? ? ? 查手冊(cè)預(yù)選電機(jī)為 110BF003 查得的電機(jī)轉(zhuǎn)子軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為 10mJ kgm??? ,拆算到電動(dòng)機(jī)軸上的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為： 2