数控立式钻铣床主运动及控制系统设计

摘 要
数控机床即数字程序控制机床，是一种自动化机床，数控技术是数控机床研究的核心，是制造业实现自动化、网络化、柔性化、集成化的基础。随着制造技术的发展，现代数控机床借助现代设计技术、工序集约化和新的功能部件使机床的加工范围、动态性能、加工精度和可靠性有了极大的提高。
本次设计通过对现有数控钻铣床的分析研究，提出一种新的设计方案,其自动化程度更高，结构也相对比较简单。本方案中，着重于主运动及控制系统设计研究。详细的阐述主轴箱的利用磁离合器实现有级变速工作原理，及其采用单片机进行数字控制。这一点在论文会得以体现。
控制系统采用MCS-51系列单片机，通过扩展程序存储器、数据存储器和I/O接口实现硬件电路的设计。论文中也对软件系统的设计做出了相关说明。

关键词：数控技术  步进电机  单片机系统扩展

Abstract
CNC machine tools that the digital process control machine tools, is an automated machine tools, CNC numerical control machine tool technology is the core of the study, manufacturing automation, networking, flexible, integrated basis. With the development of manufacturing technology, modern CNC machine tools with modern design techniques, process intensification and new features to make machine tools, machining range, dynamic performance, machining accuracy and reliability has improved greatly.

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The design of CNC drilling and milling machine through the analysis of existing research, presents a new design of its higher degree of automation, the structure is relatively simple. This scenario, the focus on the main motion and control system design studies. Detailed description of the use of spindle box to achieve a variable speed magnetic clutch working principle, and its use of microcontroller for digital controlled. This will be reflected in the paper.
Control system uses MCS-51 series of microcontrollers, through the expansion of program memory, data memory and I / O interface hardware circuit design. The paper also made a software system designed to instructions.

Key Words: numerical control technology  stepper motor microcontroller system expansio

机床总体说明
2.1  机床总体的尺寸参数
根据设计要求并参考实际情况，初步选定机床主要参数如下：
工作台宽度×长度               400×1600mm [资料来源：http://Doc163.com]
主轴锥孔                       7∶24
工作台最大纵向行程             300mm
工作台最大横向行程             375mm
主轴箱最大垂直行程             400mm
主轴转速级数                   12级
主轴转速范围                   30~1500r/min
X、Y轴步进电机                130BF001（反应式步进电动机）
Z轴步进电动机                 130BF001（反应式步进电动机） [资料来源：Doc163.com]
主电动机的功率                 4.0KW
主轴电动机转速                 1440r/min
机床外形尺寸（长×宽×高）     150×1200×2300mm
机床净重                       500Kg
2.2  机床主要部件及其运动方式的说明
2.2.1 主运动的实现
因所设计的机床要求能进行立式的钻和铣，垂直方向的行程比较大,因而采用工作台不动,而主轴箱各轴向摆放为立式的结构布局；为了使主轴箱在数控的计算机控制上齿轮的传动更准确、更平稳，工作更可靠，主轴箱主要采用液压系统控制滑移齿轮和离合器变换齿轮的有级变速。
2.2.2 进给运动的实现
本次所设计的机床进给运动均由单片机进行数字控制，因此在X、Y、Z三个方向上，进给运动均采用滚珠丝杠螺母副，其动力由步进电机通过调隙齿轮传递。
2.2.3 数字控制的实现

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采用单片机控制，各个控制按扭均安装在控制台上，而控制台摆放在易操作的位置，这一点须根据实际情况而定。
2.2.4 机床其它零部件的选择
考虑到生产效率以及生产的经济性，机床附件如油管、行程开关等，以及标准件如滚珠丝杠、轴承等均选择外购形式。
2.3  本次设计的重点
本次设计着重主运动及控制系统设计研究。详细的阐述了主轴箱利用磁离合器实现有级变速工作原理，及其采用单片机进行数字控制。

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目 录      20000字
第一章 概述    1
1.1数控机床知识    1
1.1.1数控机床组成    1
1.1.2数控机床特点    1
1.2我国数控的发展    1
第二章 机床总体说明    3
2.1  机床总体的尺寸参数    3
2.2  机床主要部件及其运动方式的说明    3
2.2.1 主运动的实现    3
2.2.2 进给运动的实现    3
2.2.3 数字控制的实现    3
2.2.4 机床其它零部件的选择    3
2.3  本次设计的重点    4
第三章  主传动的设计    5
3.1  议定转速图    5
3.1.1 确定结构式和结构网式    5
3.1.2 拟定转速图    6
3.1.3 确定各齿轮的齿数    7
3.1.4 传动系统图的拟定    9
3.2主传动主要零件的强度计算    10
3.2.1电动机的选择    10
3.2.2齿轮传动的设计计算    11
3.3 轴的设计计算    14
3.3.1各传动轴轴径的估算    14
3.3.2 各轴段长度值的确定    16
3.3.3 轴的刚度与强度校核    16
3.4离合器的选用    29
第四章  控制系统的设计    31
4.1控制系统总体方案的拟定    31
4.2总控制系统硬件电路设计    31
4.2.1单片机的设计    31
4.2.2 系统的扩展    34
4.2.3 键盘、显示器接口设计    39
4.2.4 步进电机控制电路设计    41
4.2.5 光电隔离电路设计    43
4.2.6 其它接口电路设计    45
4.3部分控制程序    45
4.3.1 直线圆弧插补程序设计    45
4.4控制系统的软件设计    50
4.4.1步进电机控制程序设计    50
4.4.2 LED动态显示接口程序设计    53 [资料来源：https://www.doc163.com]
结  论    55
致  谢    57
参考文献    59