X-Y数控工作台及其控制系统设计
摘要
本文旨在设计一台简单、经济型的X-Y数控工作台。一般来说，X-Y数控工作台的机电系统设计都是通过开环控制系统实现的，所以其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度，降低了设计制造过程中的成本，因此可以说X-Y数控工作台是微机控制技术中最常见的应用。
本文设计的X-Y数控工作台充分地利用了可编程序控制技术来实现对机床的控制，在扩大了其加工范围的同时，精度和可靠性也得到了进一步的提高。该设计完全围绕数控机床工作原理而展开，充分体现了数控机床机械设备与电气设备部分的紧密结合。主要设计内容包括总体方案的设计；步进电机的选用；传动装置的设计；丝杠螺母副的设计；滚动导轨的选用和电气控制部分的设计。本设计的经济型数控工作台采用开环系统，机械传动部分采用步进电机通过同步带一级减速传动，减速器输出轴连接到滚珠丝杠上，丝杠上的丝杠螺母副带动工作台实现X-Y方向进给。
关键词：X-Y数控工作台，可编程序控制技术，机械传动部件，控制系统
Abstract
This design is the design with a simple and economical CNC of x-y tables. X-y tables CNC machinery system design is an open-loop control system. Its simple structure, convenient and can ensure the precision of certain, reduced cost, is the most simple of microcomputer control technology of application.
It fully utilize the PLC to realize the control of machine tools, expanding the scope of machining accuracy and reliability, and further improved. Design task is complete on nc machine tools and working principle of the design, fully embodies the CNC machinery and electrical equipment parts. X-Y tables include overall scheme design of CNC design, selection of stepping motor driving device, the design, the design of ball screw nut pair, the selection and design of electric controlling part. The design of the economical nc workbench precision request is not high, the open loop system. Mechanical transmission through adopting step-motor synchronous belt transmission, connect to slow level on the ball screw, thus the driver.
Keywords: X-Y tables, PLC, transmission machinery parts and control system
目录
摘要..............................................I Abstract ............................................. II 1绪论 . (1)
1.1 X-Y数控工作台研究背景 (1)
1.2 X-Y数控工作台研究意义 (1)
1.3 X-Y数控工作台的现状与发展 (2)
2 X-Y数控工作台总体方案确定 (4)
2.1 传动系统方案的确定 (4)
2.2 控制电机的确定 (5)
2.3 控制系统方案的确定 (7)
2.4 其他零部件的选择 (8)
3 X-Y数控工作台机械系统设计 (10)
3.1 X-Y数控工作台的整体结构设计 (10)
3.2 主要设计参数及其依据 (11)
3.3 工作载荷分析及计算 ..................... 错误！未定义书签。
3.4 直线滚动导轨副的计算与选型 (12)
3.5 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (14)
3.6 同步带轮传动的设计和计算 (17)
3.7 驱动电机的选择 (19)
3.8 其它零部件的确定 (23)
4 控制系统的设计 (27)
4.1 PLC的组成与工作原理 (27)
4.2 PLC的选型 (29)
4.3 PLC 控制步进电机的梯形图程序设计 (30)
4.4 程序的分析与比较 (36)
总结 (38)
致谢 (39)
参考文献 (40)
附录一英语论文 (41)
附录二汉语翻译 (46)
1绪论
1.1 X-Y数控工作台研究背景
现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展,及其向机械工业的渗透,而形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。
随着科学技术的不断进步和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。
从工业化革命以来，人们实现机械加工自动化的主要手段有：1.自动机床；2.组合机床；3.专用自动生产线。
这些设备的使用大大提高了机械加工自动化的程度，提高了劳动生产率，促进了制造业的发展。但它也存在固有的缺点，如：1.初始投资大；2.准备周期长；3.柔性差。
因此，上述方法仅适用于批量较大的零件生产。然而，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代周期缩短，小批量产品的生产所占的比重越来越大，约占总加工量的80％以上。在航空、航天、重型机床以及国防工业部门尤为突出。因此，迫切需要一种精度高，柔性好的加工设备来满足上述需求，这是机床数控技术产生和发展的内在动力。另一方面，电子技术和计算机技术的飞速发展则为NC 机床的发展提供了坚实的技术基础。数控工作台正是在这种背景下诞生和发展起来的，它极其有效地满足了上述要求，为小批量、精密复杂的零件生产提供了自动化加工手段。
1.2 X-Y数控工作台研究意义
数控技术可以说是先进制造技术的基本，体现着数控技术的数控机床成为制造业关注的焦点。微机控制的数控机床、数控加工中心的高精度、高度柔性化及适合加工复杂零件的性能，正好满足当今市场竞争和工艺发展的需要。可以说，微机数字控制技术的应用是机械制造行业现代化的标志，在很大程度上决定了企业在市场竞争中的成败。
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水品和现代化程度，数控技术及装备是发展新型高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是使用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。
X-Y数控工作台是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便，而且能够保证一定
的精度、降低成本，是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。数控精密工作台采用滚珠直线导轨副为导向支承，滚珠丝杠副为运动执行元件的结构，具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、磨擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。目前已广泛应用于测量、激光焊接、激光切割，涂胶、打孔，插件、小型数控机床、射线扫描、雕铣机及实用教学等场合。
X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。
1.3 X-Y数控工作台的现状与发展
我国数控机床产量持续高速增长，根据市场需求和技术发展趋势，应重点推进高效、精密为核心的数控机床“μm”级工程，加强发展高性能、高可靠性数控功能部件，积极开展复合加工机床、超精密数控机床和可重构制造系统的工程化研究等相应的关键技术。
数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。通过持续的开发研究以及对信息技术的深化应用，促进了数控机床性能和质量的进一步提升，使数控机床成为国民经济和国防建设发展的重要制造装备。在我国对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备，提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力尤为重要。
数控技术的发展趋势：
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业，例如IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：（1）高速、高精加工技术及装备的新趋势；（2）5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切割，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高；（3）智能化、开放式、网络化成为当代数控系
统发展的主要趋势；
对我国数控技术和产业化发展的战略思考：（1）战略考虑。我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移，所以，我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；其次从国防安全看，西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制，“东芝事件”和“考克斯报告”都是最好的例证；（2）发展策略。从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法，选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨越式发展。强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等的可靠性和生产规模的问题。没有规模就不会有高可靠性的产品；没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品；当然，没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。
2 X-Y数控工作台总体方案确定
2.1 传动系统方案的确定
主要的机械传动装置：链传动、齿轮传动、蜗杆传动、带传动。
1 链传动
链传动的优点：（1）平均传动比准确，压轴力小；
( 2) 效率较高；
( 3) 安装精度要求较低，成本低；
（4）适用于中心距较大的传动。
链传动的缺点：（1）瞬时传动比不恒定，瞬时链速不恒定；
（2）传动的平稳性差，有噪音。
链传动的应用场合：用在转速不高，两轴中心距较大，要求平均传动比准确的场合。
2 齿轮传动
齿轮传动的优点：（1）工作可靠，寿命长；
（2）传动比恒定；
（3）效率高；
（4）结构紧凑；
（5）适用性广。
齿轮传动的缺点：（1）制造及安装精度要求高；
（2）价格较贵，不宜用于传动距离过大的场合；
( 3 ) 易产生低频振荡。
3 蜗杆传动
蜗杆传动的优点：（1）能实现大的传动比；
（2）冲击载荷小，传动平稳，噪声低；
（3）具有自锁性。
蜗杆传动的缺点：摩擦损失较大，效率低，工作时发热量大。
4 带传动
带传动的优点：（1）适用于中心距较大的传动；
（2）结构简单，成本低；
（3）带有弹性，能缓冲减震，运转平稳，噪音小；
（4）传动过载时，带与带轮打滑，保护其他零件。
综上所述，本设计要实现精确的传动，那么选择带中的同步齿形带。同步齿形带传
动是一种新型的带传动。它利用齿形带的齿形与带轮的轮齿依次啮合传递运动和动力，因而兼有带传动、齿轮传动及链传动的优点，且无相对滑动，平均传动比较准确，传动精度高，而且齿形带的强度高、厚度小、重量轻，故可用于该设计的传动。齿形带无需特别张紧，故作用在轴和轴承上的载荷小，传动效率也高。
2.2 控制电机的确定
主要的伺服电动机有：直流伺服电动机、交流伺服电动机、步进电动机
2.2.1 直流伺服电动机
直流伺服电动机是用直流的电信号控制的执行元件，是将输入的电压控制信号转换为电动机轴上的角位移或角速度进行输出。它具有线性调速范围宽、信号响应迅速、堵转转矩大、无控制电压时立即停转等特点，作为驱动元件被广泛的应用于闭环控制系统中。
直流伺服电机特性原则上与一般直流电机相同，但有很大的改进和变化，已不能简单的用电压、电流、转矩等参数来描述，需用数据表和特性曲线来描述，使用时要查阅这些表和特性曲线。
直流伺服电机的缺点：它的电刷盒换向器易磨损；电机最高转速受限制，应用环境受限制；
结构复杂，制造困难，成本高。
2.2.2 交流伺服电动机
交流伺服电动机特点：1.控制精度高； 2.矩频特性好； 3.具有过载能力； 4.加速性能好；5.动态响应好； 6 .输出功率大。
交流伺服电机形式：1.同步型交流伺服电机：可方便的获得与频率成正比的可变速度，可以得到非常硬的机械特性和很宽的调速范围，在电源电压和频度固定时，它的转速是稳定不变的。主要用在进给驱动系统中。2.异步型交流感应伺服电机：结构简单，制造容量大，主要用在主轴驱动系统中。缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流，因而令电网功率因数变坏。
2.2.3 步进电动机
步进电机是一种离散运动的装置，它和现代数字控制技术有着本质的联系。在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机作为执行电动机。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况
下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。由于脉冲信号数与步距角的线性关系，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的、多相时序控制器。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能像普通的直流电机、交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一, 广泛应用在各种自动化控制系统中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
步进电机的优点：
1．电机旋转的角度正比于脉冲数；
2．电机停转的时候具有最大的转矩（当绕组激磁时）；
3．由于每步的精度在3%-5%，而且不会将一步的误差积累到下一步因而有较好的位置精度和运动的重复性；
4．优秀的起停和反转响应；
5．由于没有电刷，可靠性较高，因此电机的寿命仅仅取决于轴承的寿命；
6．电机的响应仅由数字输入脉冲确定，因而可以采用开环控制，这使得电机的结构可以比较简单，而且控制成本较低；
7．仅仅将负载直接连接到电机的转轴上，也可以极低速的同步旋转。
8．由于速度正比于脉冲频率，因而有比较宽的转速范围。
步进电机的缺点：
1．如果控制不当容易产生共振；
2．难以运转到较高的转速。
开环控制系统如图2-1所示：
图2-1 开环控制流程图
步进电机最有意义的一个优点就是在开环系统里可以实现精确的控制。开环控制意味着不需要关于（转子）位置方面的反馈信息。这种控制避免了使用昂贵的传感器以及象光学编码器这样的反馈设备，因为只需要跟踪输入的步进脉冲就可以知道你（转子）的位置。
综上所述，本设计中，原始参数中的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有2000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。因此通常在精确度要求不是很高时，采用步进电机是合理的。当然，步进电机也具有高频易失步，负载能力不强的缺点。
2.3 控制系统方案的确定
主要的控制器有：计算机、单片机和PLC。
2.3.1 计算机控制系统
计算机控制系统的应用类型有数据采集系统、直接数字控制系统、监督计算机控制系统、分级控制系统、现场总线控制系统。
计算机控制系统通常具有精度高、速度快、存储容量大和有逻辑判断功能等特点，因此可以实现高级复杂的控制方法，获得快速精密的控制效果。计算机技术的发展已使整个人类社会发生了可观的变化，自然也应用到工业生产和企业管理中。但价格较贵，对环境要求高，抗干扰能力低。
2.3.2 单片机控制系统
单片机的特点：（1）高集成度、高可靠性。（2）控制功能强。（3）低电压、低功耗。（4）优异的性能价格比。
单片机主要的应用领域如下：（1）在测控系统中的应用。（2）在智能化仪器
仪表中的应用。（3）在机电一体化中的应用（4）在人类生活中的应用。（5）在智能接口中的应用。
单片机在大容量高性能化、小容量低价格化、外围电路的内装化方面还待发展。
单片机抗干扰能力中等，对环境要求高，性价比一般。
2.3.3 PLC控制系统
PLC的特点：a.高可靠性；b.采用模块化结构；c.编程简单易学；d.安装简单，维修方便。
PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。
为了增强PLC的抗干扰能力，提高其可靠性，PLC的每个开关量输入端都采用光电隔离等技术；
为了能实现继电器控制线路的硬逻辑并行控制，PLC采用了不同于一般微型计算机的运行方式（扫描技术）。
PLC的功能：逻辑控制、定时控制、计数控制、步进(顺序)控制、PID控制、数据控制（PLC具有数据处理能力）、通信和联网。
PLC体积小、抗干扰能力强，对环境要求不高，可靠性高，灵活性好，性价比较好。
设计要求：a.本设计对系统内存要求不高；b.系统处理的运算不需很复杂，CPU的计算速度要求不高；c.控制系统能适应恶劣的工作环境；d.控制系统需有完善的监视和诊断功能；e.操作方便、体积小、性价比高。
设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1）接收键盘数据，控制LED显示；（2）接收操作面板的开关与按钮信息；（3）接受铣床限位开关信号；（4）控制X，Y向步进电动机的驱动；（5）控制切削液泵启动/停止；（6）与PC机的串行通信。
根据设计要求，通过对以上控制系统的比较，选择PLC控制系统。PLC控制系统有以下优点：（1）应用灵活、扩展性好。（2）操作方便。（3）标准化的硬件和软件设计、通用性强。（4）完善的监视和诊断功能。（5）控制功能强。（6）可适应恶劣的工业应用环境。（7）体积小、重量轻、性价比高、省电。
2.4 其他零部件的选择
2.4.1 导轨副的选用
按导轨结合面的摩檫性，导轨可分为滑动导轨、滚动导轨和静压导轨。
a.滑动导轨具有结构简单、制造方便、刚度好、抗震性高等优点。滑动导轨分为普通滑动导轨和塑料滑动导轨。
普通滑动导轨是金属与金属的摩察，这类导轨的缺点是静摩檫系数大，而且动摩檫
系数随速度变化而变化，摩檫损失大，低速时易出现爬行，从而会降低运动部件的定位精度，所以一般使用在普通机床上。
塑料滑动导轨是塑料与金属的摩檫，其动、静摩檫系数基本相同，具有良好的摩檫
特性、耐磨性及吸振性，且无爬行，同时又具有生产成本低、应用工艺简单、经济效益显著等特点。
b.静压导轨的滑动面之间开有油腔，一定压力的油通过节流输入油腔，形成压力油
膜，浮起运动部件，使导轨工作表面处于纯液体摩檫，不产生磨损，精度保持性好；同时摩檫系数也极低，使驱动功率大大降低；低速无爬行，承载能力大，刚度好。此外，油液有吸振作用，抗振性好。其缺点是结构复杂，要有供油系统，油的清洁度要求高。静压导轨较多的应用在大型、重型数控机床上。
c.滚动导轨是在导轨面之间放置滚珠、滚柱、滚针等滚动体，使导轨面之间的滑动
摩檫变成为滚动摩檫，其优点有 1）灵敏度高，且其动摩檫系数与静摩檫系数相差甚微，因而运动平稳，低速移动时不易出现爬行现象。 2）定位精度高，重复定位精度可达0.2um 。 3）摩檫阻力小，移动轻便，磨损小，精度保持性好，寿命长。滚动导轨特别适用于机床的工作部件要求移动均匀、运动灵敏及定位精度高的场合。
综上所述，要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，脉冲当量小，定位精度
高，因此选用滚动导轨装置中的直线滚动导轨副。它可做成独立的标准部件，其特点有
1） 刚度高，承载能力大，便于拆装，可直接装在任意行程长度的运动部件上； 2） 具有自调整能力，安装基面许用误差大； 3） 制造精度高； 4） 可高速运行；5） 高精度保持性好； 6） 可预加负载，提高刚度。
2.4.2 丝杠螺母副的选用
伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.01mm 脉
冲当量和01.0 mm 的定位精度，滑动丝杠副不能满足要求，只有选用滚珠丝杠副才能达到要求。滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。
3 X-Y数控工作台机械系统设计
3.1 X-Y数控工作台的整体结构设计
进给传动系统示意图如图3-1所示:
图3-1 传动系统示意图
如图3-2所示为典型X-Y工作台。
图3-2 X-Y工作台
考虑到X、Y两个方向的加工范围接近，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置
拟采用相同的型号与规格，
3.2 主要设计参数及其依据
X 、Y 方向的脉冲当量为0.01mm ；
X 、Y 方向的定位精度均为01.0±mm ；
加工范围为X500.Y450㎜；
工作荷载 2000N ；
工作寿命 15000h ；
时间常数T=30ms ；
快速进给速度max 2000/min V mm =
3.3 工作载荷分析及计算
3.3.1 铣削力的分析与计算
铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的切削部分都可看做车刀刀头的演变，铣刀的每一刀齿相当于一把车刀。
通常假定铣削时铣刀受到的铣削力是作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合力为F ，将F 沿铣刀轴线、径向和切向进行分解，则分别为轴向铣削力 ，径向铣削力 和切向铣削力 。其中切向铣削力 是沿铣刀主运动方向的分力，它消耗铣床电机功率（即铣削功率）最多。
参考[1]《数控机床与编程》选铣刀。根据最大铣刀直径d ＝φ32mm ，最大铣削宽度
mm a e 16=，最大铣削深度mm a p 6=选择莫氏锥柄立铣刀，立铣刀各参数如表3.1所示：
表3.1 立铣刀各参数
根据工件材料为碳钢可确定铣削力的计算公式3-1：
z
F x F y F y F