数控铣床X-Y工作台设计
目录
1.引言： (3)
2.设计任务 (4)
3.总体方案的确定 (4)
3.1 机械传动部件的选择 (4)
3.1.1导轨副的选用
3.1.2丝杠螺母副的选用
3.1.3减速装置的选用
3.1.4伺服电动机的选用
3.1.5检测装置的选用
3.2 控制系统的设计 (4)
3.3 绘制总体方案图 (6)
4.机械传动部件的计算与选型 (6)
4.1 导轨上移动部件的重量估算 (6)
4.2 铣削力的计算 (6)
4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） (7)
F的计算及导轨型号的选取
4.3.1 块承受工作载荷max
4.3.2 距离额定寿命L的计算
4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (7)
4.4.1 最大工作载荷Fm的计算
4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算
4.4.3 初选型号
4.4.4 传动效率η的计算
4.4.5 刚度的验算
4.4.6 压杆稳定性校核
4.5 步进电动机减速箱的选用 (9)
4.6 步进电动机的计算与选型 (8)
4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J
eq
4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定
4.6.4 步进电动机的性能校核
5.增量式旋转编码器的选用 (12)
6. 绘制进给传动系统示意图 (14)
7．工作台控制系统的设计 (15)
8．步进电动机的驱动电源选用 (16)
9.致谢 (17)
参考文献 (18)
1.引言：
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所形成的机电一体化，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“机电一体化”为特征的发展阶段。
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、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。
2.设计任务
题目：数控X-Y 工作台设计
任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下：
1. 立铣刀最大直径的d=15mm ；
2. 立铣刀齿数Z=3;
3. 最大铣削宽度e a =15mm;
4. 最大背吃刀量p a =7mm;
5. 加工材料为碳素钢活有色金属。
6. X 、Y 方向的脉冲当量x y δδ==0.004mm;
7. X 、Z 方向的定位精度均为01.0±mm;
8. 加工范围为200×150㎜;
9. 工作台空载进给最快移动速度：max max 3000mm/min x z V V ==; 10.工作台进给最快移动速度:max max 400mm/min x f z f V V ==;
3.总体方案的确定
3.1 机械传动部件的选择
3.1.1导轨副的选用
腰设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。
3.1.2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0.004mm冲当量和01
mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚.0
珠丝杆副的传动精度高、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。
3.1.3减速装置的选用
选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。
3.1.4伺服电动机的选用
任务书规定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因此3000mm/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。
3.1.5检测装置的选用
选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，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 控制系统的设计
1）设计的X-Z 工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。
2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU ，能够满足任务书给定的相关指标。
3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU 之后，还要扩展程序存储器，键盘与显示电路，I/O 接口电路，D/A 转换电路，串行接口电路等。 4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
3.3 绘制总体方案图
总体方案图如图所示。
总体方案图
4.机械传动部件的计算与选型
4.1 导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为800N
4.2 铣削力的计算
设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：
0.850.750.73 1.00.13
c e z p 118a f
d a n Z F -= (6-11)
今选择铣刀的直径为d=15mm ，齿数Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为e a 15mm =，背吃刀量p a =7mm ，每齿进给量z f 0.1mm =，铣刀转速
n 300r/min =。则由式（6-11）求的最大铣削力：
0.850.750.73 1.00.13c 118150.11573003N 1280N F -=??????≈
采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：f c F 1.1F 1408N =≈,e c F 0.38F 486N =≈，
fn c F 0.25F 320N =≈。图3-4a 为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力z e F F 486N ==，受到水平方向的铣削力分别为f F 和fn F 。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力x f F F 1408N ==，径向铣削力为y fn F F 320N ==。
4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）
4.3.1 块承受工作载荷max F 的计算及导轨型号的选取
工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：
max G
F F 4
=
+ (6-12)
其中，移动部件重量Ｇ＝800N ，外加载荷z F=F 486N =，代入式（6-12），得最大工作载荷max F =686N=0.686kN 。
查表根据工作载荷max F =0.686kN ，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JSA-LG15型，其额定动载荷a C 7.94kN =，额定静载荷0a C 9.5kN =。
任务书规定加工范围为200×150㎜，考虑工作行程应留有一定余量，查表选取导轨的长度为520mm 。
4.3.2 距离额定寿命L 的计算
上述所取的KL 系列JSA-LG25系列导轨副的滚道硬度为60HRC ，工作温度不超过100 C ，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。分别取硬度系数f H =1.0，温度系数f T =1.00，接触系数f c =0.81，精度系数f R =0.9，载荷系数f w =1.5，代入式（3-33），得距离寿命：
L=Km F C f f f f f a w r c t h 562550)(
3
max
≈?????
远大于期望值50Km ，故距离额定寿命满足要求。
4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型
4.4.1 最大工作载荷Fm 的计算
如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1408N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=320N ，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=486N.
已知移动部件总重量G=800N ，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
Fm=KFx+μ(Fz+Fy+G)=[1.1?1408+0.005?(486+320+800)]N ≈1557N
4.4.2 最大动工作载荷FQ 的计算
设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min ，初选丝杠导程Ph=5mm,
则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min 。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入L0=60Nt/106,得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106r ）。
查表，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数fH=1.0,代入式（3-23），求得最大动载荷：
F Q =N F f f L m H w 777330≈
4.4.3 初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G 系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm ，导程为5mm ，循环滚珠为3圈*1系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N ，大于F Q ，满足要求。
4.4.4 传动效率η的计算
将公称直径d 0=20mm,导程P h =5mm,代入λ=arctan[P h /(∏d 0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tan λ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。 4.4.5 刚度的验算
(1) X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=500mm ；钢的弹性模量E=2.1х105Mpa;查表得滚珠直径D w =3.175mm ，丝杠底径d 2=16.2mm,丝杠截面积
S=22d π/4=206.12m 2m 。
忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm 作用下产生的拉/压变形量
51/()[1557500/(2.110206.12)]m F a ES δ==???mm=0.0180mm.。
(2) 根据公式0(/)3W Z d D π=-，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数?列数为3?1，代入公式Z ∑=Z ?圈数?列数，得滚珠总数量Z ∑=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力Y J m F F =/3=519N 。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量
20.0024δ≈mm 。
因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取2δ=0.0012mm 。 (3) 将以上算出的1δ和2δ代入12δδδ=+总，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm ）
δ总=0.0192mm=19.2m μ
本例中，丝杠的有效行程为330mm ，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm 时，行程偏差允许达到25m μ，可见丝杠刚度足够。 4.4.6 压杆稳定性校核
根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷F K 。取支承系数k f =1；由丝杠底径d 2=16.2mm 求
得截面惯性矩42/64I d π=≈3380.884mm ；压杆稳定安全系数K 取3（丝杠卧式水平安装）
；滚动螺母至轴向固定处的距离a 取最大值500mm 。代入式（3-28），得临界载荷F K =1557N ，故丝杠不会失稳。
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
4.5 步进电动机减速箱的选用
为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。
已知工作台的脉冲当量δ=0.004mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程P h =5mm ， 初选步进电动机的步距角α=0.75°。根据式（3-12），算得减速比：
()/(360)h i P αδ==（0.75?5）/（360?0.004）=25/10
本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm ，齿数比为75：30，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC 。减速箱中心距为[（75+30）?1/2]mm=57mm,小齿轮厚度为20mm ，双片大齿轮厚度均为10mm 。
4.6 步进电动机的计算与选型
4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J eq
已知：滚珠丝杠的公称直径d 0=20mm ，总长l=500mm ，导程Ph=5mm ，材料密度
ρ=7.85?10-5kg/2cm ;移动部件总重力G=800N ；小齿轮齿宽b 1=20mm.，直径d 1=30mm ，大小
齿轮齿宽b 2=20mm ，直径d 2=75mm ；传动比i=25/10。
如表4-1所示，算得各个零部件的转动惯量如下：
2
2
S L R J πρ=
2
2
Z R J πρ=
b
滚珠丝杠的转动惯量J s =0.617kg ·cm 2;拖板折算到丝杠上的转动惯量J w =0.517kg ·cm 2;小齿轮的转动惯量J z1=0.125 kg ·cm 2；大齿轮的转动惯量J z2=4.877 kg ·cm 2。
初选步进电动机的型号为90YBG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为0.75°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量J m =4 kg ·cm 2。
则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
212()/eq m Z Z W S J J J J J J i =++++=5.087 kg ·cm 2
4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。
1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩1eq T 由式（4-8）可知，1eq T 包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩max a T ；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T 。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，0T 相对于max a T 和f T 很小，可以忽略不计。则有：
1eq T =max a T +f T （6-13）
根据式（4-9），考虑传动链的总效率η，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：
max a T =
21
60eq m a
J n t πη
? (6-14)
其中： max 360m v n α
δ
==1562.5r/min (6-15)
式中max V —空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min ；
α—步进电动机步距角，预选电动机为0.75 ；
δ—脉冲当量，本例δ=0.004mm/脉冲。
设步进电机由静止加速至m n 所需时间0.4a t s =，传动链总效率0.7η=。则由式（6-14）求得：
max a T =
42 5.087101562.5
0.297600.40.7
N m π-???≈???
由式（4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
f T =
()0.005(0800)0.005
0.0018220.725/10
z h F G P N m
i μπηπ+?+?=≈??? (6-16)
式中η——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.005
z F ——垂直方向的铣削力，空载时取0
η——传动链效率，取0.7
最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：
1eq T =max a T +f T =0.2988N ?m (6-17)
2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eq T
由式（4-13）可知，2eq T 包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T ；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩f T ；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩0T ，0T 相对于f T 和t T 很小，可以忽略不计。则有：
2eq T =t T +f T （6-18）
其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩t T 由公式（4-14）计算。有：
14080.005
0.64220.725/10
f h
t F P T N m i πηπ?=
=
≈????
再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载(556)z F N =情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
()0.005(486800)0.005
0.0029220.725/10
z h f F G P T N m i μπηπ+?+?=
=≈???
最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：
2eq T =t T +f T =0.643N/m （6-19）
90BYG2602电动机的运行矩
频特性曲线
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：
12max{,}0.643eq eq eq T T T N m ==?
4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定
考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据eq T 来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：
max 440.643 2.572j eq T T N m ≥=?=? （6-20）
初选步进电动机的型号为90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩max j T =6N ?m 。可见，满足要求。
4.6.4 步进电动机的性能校核
1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度
max f V =400mm/min ，脉冲当量0.004mm δ=/脉冲，由式（4-16）求出电动机对应的运行频率max [400/(600.004)]1667f z f H =?≈。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩max f T ≈5.6N ?m ，远远大于最大工作负载转矩2eq T =0.643N ?m ，满足要求。
2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度max v =3000mm/min ，
求出其对应运行频率max [3000/(600.004)]12500f HZ =?=。在此频率下，电动机的输出转矩max T =1.7N ?m ，大于快速空载起动时的负载转矩1eq T =0.2988N ?m ，满足要求。
3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度max v =3000mm/min 对应的电动机运行频率为max 12500f HZ =。查表知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000z H ，可见没有超出上限。
4）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量25.087eq J kg cm =?，电动机转子的转
动惯量2
4m J kg cm =?，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率1800q z f H =。由式
（4-17）可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：
1194.24L z f f H ==
说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于
1194.24z H 。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100z H 。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。
5.增量式旋转编码器的选用
本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角00.75α=，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/480α=个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A 、B 相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨力可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。
此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-10-H 盘状空心型，孔径10mm ，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V ，每秒输出120个A/B 脉冲，信号为电压输出。
6. 绘制进给传动系统示意图
进给传动系统示意图如图所示。
进给传动系统示意图
7．工作台控制系统的设计
根据任务书的要求，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） 接受操作面板的开关与按钮信息； （3） 接受车床限位开关信号；
（4） 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；
（5）控制X，Z向步进电动机的驱动器；
（6）控制主轴的正转，反转与停止；
（7）控制多速电动机，实现主轴有级变速；
（8）控制交流变频器，实现主轴无级变速；
（9）控制切削液泵启动/停止；
（10）控制电动卡盘的夹紧与松开；
（11）控制电动刀架的自动选刀；
（12）与PC机的串行通信。
X-Y数控工作台的控制系统设计，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。本设计CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52，由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了X﹑Y方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC机的串行通信经过MAX233，可以采用PC机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向﹑转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率（为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制，加入了增量式编码器作为反馈信号，但是在编程过程中仍需设计升降频的部分，以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要，可编写出驱动步进电动
机的程序。AT89S52指令与80C51指令完全兼容。控制系统原理框图如图所示。
控制系统原理框图
8.步进电动机的驱动电源选用
设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为1000VAC，相电流为4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。
BD28Nb型驱动电源接线图
9.致谢
在此感谢帮助我的同学和老师，这次课程设计的完成，离不开老师和同学的指导、帮助和鼓励。通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用。
近两年的学习就要告一段落，感谢那些爱我的人真诚的陪伴……
参考文献
（1）机电一体化系统课程设计指导书尹志强等编著北京:机械工业出版社（2）机电一体化系统设计曾励主编北京:高等教育出版社
机电课程设计XY数控进给工作台设计
大学 课程设计（论文） 内容：X-Y数控进给工 作台设计 院(系)部：机械工程学院 学生姓名： 学号: 专业：机械电子工程 班级： 指导教师： 完成时间：2010-10-08
摘要 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字：机电一体化的基础基本组成要素特点发展趋势
目录 第一章课程设计的目的、意义及要求 (4) 第一节课程设计的目的、意义 (4) 第二节课程设计的要求 (4) 第二章课程设计的内容 (5) 第一节课程设计的内容 (5) 第二节课程设计的内容 (5) 第四章数控系统总体方案的确定 (6) 第五章机械部分设计 (7) 第一节工作台外形尺寸及重量初步估算 (7) 第二节滚动导轨副的计算、选择 (8) 第三节滚珠丝杠计算、选择 (10) 第四节直流伺服电机的计算选择 (12) 第五节联轴器计算、设计 (14) 第六节限位开关的选择 (15) 第七节光电编码器的选择 (15) 第六章机床数控系统硬件电路设计 (15) 第一节设计内容 (17) 第二节设计步骤························
毕业设计
茂名职业技术学院 2011年12月21日 数控铣床X-Y工作台设计 【摘要】 本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的、经济型的x-y 数控铣床工作台。X-Y数控工作台的机电系统设计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。它充分的利用了微机的软件与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。设计任务是完全围绕数控机床工作原理而展开的，本设计充分体现了数控机床机械设备部分与电气设备部分的紧密结合。X-Y数控工作台设计包括总体方案的设计、步进电机的选用、传动装置的设计、电气控制部分的设计和相关软件的设计。本设计的经济型数控工作台精度并不高，采用开环系统；机械传动部分采用步进电机直接连接滚珠丝杠，从而驱动工作台进给。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电，所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体即转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。 关键词：X-Y数控工作台；设计任务；机械传动部件；控制系统
CNC XY table design Abstract The design is in the NC machine tool works on top of design a simple, economical CNC xy table. XY table CNC electromech anical system design is an open-loop control system, its structure is simple, convenient and can guarantee to achieve a certain degree of accuracy. Reduce costs, is a computer-controlled technology, the simplest applications. It is full advantage of the crisis in software and hardware capabilities in order to achieve the control of machine tools; to expand the scope of processing machines, precision and reliability, and further enhanced. Design task is completely around the NC machine tool works and carried out,this design fully reflects the CNC machine tools and electrical equipment, machinery and equipment part of the close combination of parts. CNC XY table design includes the overall program design, selection of stepper motors, gear design, electrical control part of the design and related software design. The design of the economy is not high-precision CNC table, using open-loop system; mechanical transmission part is directly connected to ball screw stepping motor, which drives table feed . Stepper motor is a pulse signal will be transferred into the angular displacement of the electromechanical DAC device. Its working principle is: each to a pulse will be generated in the stator circuit in a certain space rotating magnetic field; due to pass the three-phase stepper motors AC Therefore, the number of input pulses and the time interval is different from the rotation of the rotor rotation speed and the length of time are different. As the rotating magnetic field into which the power of both the rotor conductor cutting magnetic field lines when the role of a force, from the realization of the rotating magnetic field corresponding rotational force of rotor rotation, so the rotor can be achieved only lead screw rotor
X-Y 数控工作台课程设计 一、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：X —Y 数控工作台的机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X —Y 数控工作台，主要参数如下： （1）工作台面尺寸C ×B ×H ＝185mm ×195mm ×27mm ； （2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝385mm ×385mm ×235mm ； （3）工作台加工范围X=115mm Y=115mm ； （4） X 、Y 方向的脉冲当量均为0.005mm 、脉冲；X 、Y 方向的定位精度均为±0.01mm ； （5）负载重量G=235N ； （6）工作台空载最快移动速度为3m/min ； 工作台进给最快移动速度为1m/min 。 （7）立铣刀的最大直径d=20mm ； （8）立铣刀齿数Z=3； （9）最大铣削宽度20e a mm ；
（10）最大被吃刀量10p a mm 。 1．2总体方案的确定 图1-1 系统总体框图 （1）机械传动部件的选择 ① 导轨副的选择 要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 ② 丝杠螺母副的选择 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，要满足0.005mm 的脉冲当量和±0.01mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。 ③ 减速装置的选择 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输
机械学院 毕业设计（论文）开题报告 题目X-Y数控工作台设计 学生姓名 学号 院 (系) 专业机械设计制造及自动化 指导教师王振 报告日期2010年11月20日
毕业设计（论文）题目X-Y数控工作台设计 题目来源（请在有关项目下作√记号）科研实践教学学生自拟 √ 题目类别（请在有关项目下作√记号）设计论文其它√ 毕业设计（论文）起止时间2009年10月22日——2009年4月30日 X-Y数控工作台设计 一、设计依据及设计意义： 1，依据：数控机床是用数控指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它广泛应用于机械制造和自动化领域，数控机床的应用不但给传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控机床的不断发展和应用领域的扩大，所以X-Y数控工作台设计对国计民生的一些重要行业（IT 汽车轻工医疗等）的发展起着越来越重要的作用。 2，意义：目前国内中小企业多采用经济型X-Y数控冲床系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制和开发一套基于双单片机的X-Y数控冲床数控系统，用于装配新冲床或对经济型数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很大的实际意义,工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。 3，国际机床市场的消费主流是数控机床。1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控机床、数控铣床为主转数向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。世界X-Y数控工作台发展动向纳为下述几点：工序复合化、精密化的高速化、低价格化。
机械部分改装设计计算示例1 1、初步确定工作台的尺寸及其重量 根据设计要求，所取的能够加工的最大面积为2190210mm ?，最大工件的重量为150kg 。因此我初定工作台的320230230mm ??。工作台的材料为45号钢，其密度为337.810/kg m ?。（取kg N g /10=）因此： 1.1、工作台（X 向托板） 重量=体积×密度 93123023020107.8101090G N -=??????≈ 1.2、取Y 向托板=X 向托板 N G 902= 1.3、上导轨座（连电机）重量 初步取导轨座的长mm 400，宽为mm 200，高为mm 30。因此 93340020030107.81010190G N -=??????≈ 所以根据上面所求，得XY 工作台运动部分的总重量 为： N G G G G 370190290321=+?=++=动 根据要求所知，其最大加工工件为150kg ，因此： 150103701870G N =?+=总 2、传动系统设计 2.1、脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应该小于等于工作台的位置精度的1/2，由于定位精度在mm 02.0±内，因此： 1 0.020.012 mm δ=?=， 2.2、取联轴器传动，因此它的传动比为1=i ,取丝杠的导程为4P mm =。
取步距角β为0.9度，所以 脉冲当量0.01360 Pi mm β δ== 3、滚珠丝杠的设计计算及选择 3.1求丝杠的静载荷c F 已知其计算公式c d H M F f f F = 《数控机床系统设计》110P 公式5-2 式中的, H f -硬度系数，取1.0 《数控机床系统设计》110P 表5-2 d f -载荷系数，取1.5 《数控机床系统设计》110P 表5-2 M F ：丝杠工作时的轴向阻力 根据： 0.0031870 5.6M Z F F N μ==?= 其中μ为0.003-0.004 因此： 1.51 5.68.4c F N =??= 3.2、确定动载荷及其使用寿命 根据丝杠动载荷公式：H d eq C f F = 式中：C ：额定动载荷 d f ：动载荷系数，轻微冲击取1 H f ：硬度系数，HRC 58≥取1 eq F ：当量动载荷，N 'L ：寿命 根据：使用寿命使用寿命6300814400L h =??= 所以'6660/106050014400/10432L nT h ==??= 式中的n 丝杠的最高转速，因题目中所给其工作台快进的速度为 2/min m ，因此其计算为： max 1000/10002/4500/min n V P r ==?=
目录 设计任务 (3) 一.系统总体方案设计 (3) (一)机械系统 (3) (二)接口设计 (3) (三)伺服系统设计 (4) (四)控制系统设计 (4) 二.机械系统的设计计算 (4) (一) 滚珠丝杠的选型与计算 (4) (二) 滚动直线导轨的选型与计算 (7) (三) 电机的选择 (8) (四)光电开关的选择 (10) (五)限位开关的选择 (10) 三控制系统设计 (12) 1.操作面板的布置图 (12) 2.操作面板功能介绍 (12) 3.控制系统原理框图 (15) 5、光电开关和限位开关信号采集原理 (15) 6、键盘、显示器接口电路分析 (15) 四程序 (16) 五参考文献 (19) 设计任务: X方向行程:300mm Y方向行程:200mm 工作台面的参考尺寸:500X300mm
平均切削力:1500N 平均切削进给速度:600mm/min 最高运动速度:6m/min 定位精度:0.02mm 工作寿命:每天8小时,工作8年,250天/年一.系统总体方案设计 由设计任务书知,本次设计可采用如下方案 (一)机械系统 1.传动机构采用滚珠丝杠副 2.导向机构采用滚动直线导轨 3.执行机构采用步进电机 (二)接口设计 1.人机接口 (1)采用键盘作为输入 (2)采用LED作为指示标志 (3)采用数码管作为显示器
2.机电接口 采用光电耦合器作为微型机与步进电动机驱动电路的接口,实现电气隔离. (三)伺服系统设计 采用开环控制 (四)控制系统设计 二.机械系统的设计计算 (一)滚珠丝杠的选型与计算 由技术要求,平均载荷F=1500N,丝杠工作长度L=300mm, 工作寿命8250816000h L h =??=,传动精度要求0.02mm σ=± 设导程P=5 mm ,则 max 600 120/min 5 60001200/min 5 m n r n r ==== (1) 求计算载荷 1.21.01.016001 C F H A M F K K K K N ==???= 由条件,查《机电一体化系统设计》表2-6取F K =1.2, 查表2-6取H K =1.2, 表2-4取 D 精度, 查表2-6取A K =1.0, (2)计算额定动载荷计算值Ca`由式 (2-4) 19209336Ca F N '===
本科生专业课程设计( 201１届） 学生姓名： 学号: 专业名称： 班级: 指导教师： 201０年11月20日
目录 任务书....................................................................................................... 错误!未定义书签。 二、总体方案的确定....................................................................................... 错误!未定义书签。 三、机械传动部件的计算与选型................................................................... 错误!未定义书签。 四、工作台机械装配图的绘制?错误!未定义书签。 五、工作台控制系统的设计........................................................................... 错误!未定义书签。参考文献........................................................................................................... 错误!未定义书签。附件1 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。附件2?错误!未定义书签。 附件3?错误!未定义书签。 附件4 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。
目录 一、总体 (2) 二、机械结构设计 (3) 1、脉冲当量和传动比的确定 (3) 2、机械部件(工作台)总体尺寸 (3) 3、工作载荷分析及计算 (4) 4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (5) 5、导轨的选型和计算 (10) 6、联轴器的选择及计算 (11) 7、传动系统等效转动惯量计算 (12) 8、步进电机的选用 (13) 三、控制系统设计 (18) 1、控制系统硬件的基本组成 (18) 2、接口程序初始化及步进电机控制程序 (19) 3、直线圆弧插补程序设计 (22) 四、设计总结 (30) 参考文献 (31)
一、 总体 1、总体参数 设计一个数控XY 工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。已知的设计参数如下： 2、开、半闭、闭环选择 开环伺服系统——步进电机驱动——没有检测装置 半闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——脉冲编码器——速度反馈 闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——位置检测装置——位置反馈 本设计采用开环步进电机驱动。 3、传动初步设计 电动机——联轴器——滚珠丝杠——工作台 4、系统组成框图 大致确定为：控制、接口、驱动、传动再到执行。 即为XY →→→→控制器接口电路驱动装置传动机构工作台 5、机械传动系统简图 X 轴与Y 轴的传动系统简图都如图所示
二、机械结构设计 1、脉冲当量和传动比的确定 1.1、脉冲当量的确定 根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量 为0.01mm 。 1.2、传动比的确定 传动比计算公式：P b L i δθ3600 = （参考文献【1】式2－1） 其中：b θ为步进电机的步距角，0L 为滚珠丝杠导程，P δ为系统脉冲当量。根据传动设计，采用联轴器，初选电机步距角?=9.0b θ，丝杠导程mm L 40=， mm P 01.0=δ。 则其传动比101 .03604 9.03600=??== P b L i δθ 2、机械部件(工作台)总体尺寸 由于工作台的加工范围为X ＝250mm ，Y ＝200mm 。工作台尺寸一般为工作台加工范围的1.1倍。所以：X ＝250×1.1＝275mm, Y ＝200×1.1＝220mm ，其厚度初定为30mm 。 选择工作台的型槽为T 型槽，查电子版《袖珍机械设计师手册》中的T 型槽和相应螺栓(摘自GB/T158-1996) 表3-25T 型槽和相应螺栓尺寸，可得所选T 型槽的参数： A ＝10mm B ＝18mm C ＝8mm H ＝21mm 间距取50mm p δ
机电一体化课程设计立式数控铣床X-Y数控工作台机电系统设计 姓名：车焕生 学号： 1000107229 班级：10机电<2>班 学院：中国计量学院机电工程学院 指导老师：张远辉、徐立军
目录 前言.............................................................................................. 错误！未定义书签。 一、设计任务 (2) 1.1课程设计时间 (2) 1.2课程设计题目 (2) 1.3课程设计任务 (2) 1.4课程设计内容 (2) 1.5课程设计要求 (2) 二、总体方案的确定 (3) 2.1机械传动部件的选择 (3) 2.2控制系统的设计 (4) 三、机械传动部件的计算与选型 (4) 3.1导轨上移动部件的重量估计 (4) 3.2铣削力的计算 (5) 3.3导轨副计算和选型 (6) 3.4滚珠丝杠螺母副的计算和选型 (7) 3.5步进电机减速箱的选用 (9) 3.6步进电机的计算与选型 (9) 3.7编码器（反馈电路）选型 (13) 四、工作台机械装配图的绘制 (14) 4.1可参考课本图6-23 XY数控工作台装配图 (14) 五、工作台控制系统的设计 (14) 5.1电源电路 (14) 5.2存储器扩展电路 (15) 5.3键盘电路 (17) 5.4显示电路 (18) 5.5传感器电路 (19) 六、步进电机驱动电路设计 (20) 6.1驱动电路 (20) 6.2光电隔离 (20) 七、程序设计 (21) 7.1功能 (21) 7.2框图 (22) 7.3代码 (23) 八、总结 (24) 参考文献 (24) 答辩记录 (25)
一、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：X—Y 数控工作台的机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X—Y 数控工作台，主要参数如下：1）工作台面尺寸C×B×H＝【200+（班级序号）×5】mm×【200+（班级序号）×5】mm×【15+（班级序号）】mm； 2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝【680+（班级序号）×5】mm×【680+（班级序号）×5】mm×【230+（班级序号）×5】mm； 3）工作台加工范围X=【300+（班级序号）×5】mm，Y=【300+（班级序号）×5】mm； 4）X、Y 方向的脉冲当量均为0.005mm/脉冲；X、Y 方向的定位精度均为±0.01mm； 5）夹具与工件质量M=【15+（班级序号）】kg； 6）工作台空载最快移动速度为3m/min；工作台进给最快移动速度为0.5m/min 。 7）立铣刀的最大直径d=20mm； 8）立铣刀齿数Z=3； 9）最大铣削宽度a e 20mm ； 10）最大被吃刀量a p 10mm 。 1.2 总体方案确定 （1））机械传动部件的选择 ①导轨副的选择 ②丝杠螺母副的选择 ③减速装置的选择 ④伺服电动机的选择 （2））控制系统的设计 ①伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制 ②PLC控制电机的梯形图编程
1.3 设计的基本要求 系统总体方案结构框图 （1） ）按照机械系统设计的步骤进行相关计算，完成手写设计说明书。 （2） ）计算结果作为装配图的尺寸和零部件选型的依据，通过 AutoCAD 软件绘制 XY 数控 工作台的总装配图，并绘制 AO 图纸。 （3） ）按照电气控制系统的步骤进行设计，完成电机启动、停止、正反转、电动等基本 工作状态控制的硬件连线图，并通过 PLC 协调控制 XY 电机运动，绘制相关梯形图。 XY 数控工作台结构 Y 方向传动机构 微 型机 机 电 接口 工作台 步 进 电 动机 减速器 人机接口 驱 动电 路 滚珠丝杠 减 速 器 滚 步 进 电 珠 动机 丝 杠 X 方向传动机构
第1期(总第152期) 2009年2月机械工程与自动化 M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G & AU T O M A T IO N N o.1F eb. 文章编号:1672-6413(2009)01-0173-03 铣床工作台纵向伺服进给单元设计 徐忠四,朱学裕 (中北大学机电工程学院,山西 太原 030051) 摘要:根据某种型号铣床工作台的工作要求,确定了铣床工作台纵向进给单元的总体方案,设计了3个关键的机械传动部件:膜片弹性联轴器、滚珠丝杠副、伺服电机,进而确定了装配箱体的尺寸和技术要求,并用So lidW or ks 软件绘制了铣床工作台纵向进给机构装配立体图,为进一步对铣床工作台进行优化设计奠定了基础。关键词:铣床工作台;进给单元;膜片弹性联轴器;滚珠丝杠副;伺服电机中图分类号:T G 547 文献标识码:B 收稿日期:2008-05-08;修回稿日期:2008-09-27 作者简介:徐忠四(1977-),男,湖北咸宁人,助教,硕士,主要从事数控机床总体设计、精密测试等方面的研究工作。 0 引言 数控铣床的伺服进给单元是铣床的重要组成部分,它的进给传动是由伺服电机经过进给传动系统将动力传递给工作台等运动部件,机械传动部件的设计好坏对进给伺服单元的伺服性能影响很大。在设计过程中,常常由于在设计阶段机械传动部件没有得到足够的重视,结果使位置调节难度增加,所以对数控铣床的纵向伺服进给机构进行理论设计具有重要意义。1 铣床工作台的工作要求 某型号经济型数控铣床的纵向步进脉冲当量为0.01mm /脉冲;垂直切削力F z =370N ,进给切削力 F x =320N ;步进电机的步距角1.5o ;铣床工作台的总 重量G =2400N ,最大切削力下的进给速度V s =0.7m /min,机床的使用寿命按照15000h 计算。2 铣床工作台纵向进给单元的总体方案 现代数控机床常见的两种伺服进给系统传动的结构形式是静压蜗杆蜗母条副传动和滚珠丝杠螺母副传动。 静压蜗杆蜗母条副传动能满足加工中心进给元件没有间隙、磨损小、刚度高、阻尼性好、传动效率高的要求,它是丝杠螺母机构的一种特殊形式,适用于龙门镗铣床、数控落地铣镗床。其优点表现在摩擦阻力小、使用寿命长、抗振性能好,且有足够的轴向刚度,蜗母条能无限接长。 滚珠丝杠螺母副是直线运动与回转运动相互转换 的新型传动装置,一般应用于机械加工的高速加工中心和经济型高速数控机床,它具有以下特点:1传动效率高,摩擦损失小;o给予适当的预紧,可消除丝杠和螺母螺纹间隙;?运动平稳,无爬行现象,传动精度高;?有可逆性;?磨损小,使用寿命长。 根据铣床工作台纵向伺服进给单元的工作要求,并且为了保证经济型铣床具有一定的传动精度和平稳性,尽量减小摩擦,故选用滚珠丝杠螺母副。铣床工作台的两种传动结构形式见图1。由于滚珠丝杠、伺服电机及其控制单元性能的提高,因此很多加工中心的进给系统中已去掉减速机构,而采用伺服电机直接与滚珠丝杠连接,因而使整个系统结构简单,减少了产生误差的环节;同时,由于转动惯量减小,使伺服特性也有所改善,能保证运动的精度和动作的灵敏度,所以,经济铣床工作台伺服进给单元采用如图1(b)所示的结构形式,相对于图1(a)所示的结构形式,不但可简化结构,保证运动精度,而且还大大减少了生产成本。3 几个关键元件的结构与型号选择3.1 膜片弹性联轴器 膜片弹性联轴器用于把伺服电机所产生的转矩直接传递到滚珠丝杠上。数控机床上常用无键弹性环联轴节和套筒式联轴节,其中弹性环联轴节具有定心好、承载能力强、没有集中源、装拆方便、密封和保护性好等优点,因此得到了广泛应用。用得最普遍的是如
本科生专业课程设计 学生姓名: 学号: 专业名称: 班级: 指导教师: 5 月
目录 任务书....................................................................... 错误!未定义书签。 二、总体方案的确定.................................................... 错误!未定义书签。 三、机械传动部件的计算与选型................................ 错误!未定义书签。 四、工作台机械装配图的绘制.................................... 错误!未定义书签。 五、工作台控制系统的设计........................................ 错误!未定义书签。参考文献 ......................................................................... 错误!未定义书签。附件1 .............................................................................. 错误!未定义书签。附件2 .............................................................................. 错误!未定义书签。附件3 .............................................................................. 错误!未定义书签。附件4 .............................................................................. 错误!未定义书签。
数控铣床进给传动系统机械结构与工作原理 数控铣床进给传动系统机械结构 数控机床的进给传动是由伺服电机经过由进给传动系统将动力传递给工作台等运动部件，通常进给传动系统是由一至两级齿轮副或带轮副和滚珠丝杠螺母副或齿轮齿条副或蜗杆蜗条副所组成。传动系统的齿轮副或带轮副的主要作用是通过降速来匹配进给系统的惯量和获得要求的输出机械特性，对开环系统，还匹配所需的脉冲当量作用。近年来由于伺服电机及其控制单元性能的提高，许多数控机床的进给系统去掉了降速齿轮副，直接将伺服电机与滚珠丝杠连接来驱动工作台，直线运动采用滚动导轨，从而保证运动的精度和动作的灵敏度[8]。 由于数控机床的进给运动是数字控制的直接对象，被加工工件的最终位置精度和轮廓精度都与进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性有关。因此，在设计传动结构，选用传动零件时，必须考虑以下几方面问题： ①减少运动件的摩擦阻力。机械传动结构的摩擦阻力，主要来自丝杠螺母副和导轨。在数控机床进给系统中，为了减小摩擦阻力，消除低速进给爬行现象，提高整个进给系统稳定性，广泛采用滚珠丝杠和滚动导轨以及滑动导轨和液体静压导轨等。 ②提高传动精度和刚度。进给传动系统的传动精度和刚度，与丝杠螺母副及其支承结构的刚度有密切的关系。因此，首先要保证各个零件的加工精度，特别是提高滚珠丝杠螺母副的传动精度然后对滚珠丝杠和轴承进行预紧等措施来提高进给精度和刚度。 ③减少各运动零件的惯量。传动元件的惯量对进给系统的启动和制动特性都有影响，尤其是高速运转的零件，其惯量的影响更大。 ④系统要有适度阻尼。阻尼会降低进给伺服系统的快速响应特性，但又可增加系统的稳定性，当刚度不足时，运动件之间的运动阻尼对降低工作台爬行，提高系统稳定性起了重要作用。
论文（设计）任务书 注：本表按自然班填写。于动员时发给学生。不够纸请另附页。
前言 设计目的 数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题---数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。 设计要求 课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。 课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。 说明书的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。 该课程设计的内容及方法，可以归纳如下： 1.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。 2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。 3.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。 4.学会使用手册及图表资料。 1.总体方案的确定 1.1设计参数 系统分辨率为0.01mm，其它设计参数如下表。
一.控制系统硬件设计 X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。 硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机 交互界面可操作性比较好。 1. CPU板 1.1 CPU的选择 随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。 在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于 伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是 定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。 从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无 疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的 单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺 和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程 序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51 插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。 因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。 AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗 中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。 1.2 CPU接口设计 CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示： （行程开关）前向通道 传动驱动 （电磁铁） （步进电机） 人机界面 传感器 AT89S51 （键盘、LED） 后向通道
目录 1 前言 (1) 2 设计技术要求及参数 (1) 3 确定执行元件 (1) 4 系统工况分析 (1) 4.1动力分析 (1) 4.2运动分析 (3) 5 计算液压系统主要参数并编制工况图 (3) 5.1预选系统设计压力 (3) 5.2计算液压缸主要结构尺寸 (3) 5.3编制液压缸的工况图 (4) 6 制定液压回路的方案，拟定液压系统原理图 (7) 6.1制订液压回路方案 (7) 6.2拟定液压系统图 (8) 7 计算并选择液压元件 (9) 7.1液压泵的计算与选定 (9) 7.2电机的选定 (10) 7.3液压控制阀和液压辅助原件的选定 (11) 8 验算 (11) 8.1液压系统的效率 (11) 8.2液压系统的温升 (11) 设计总结 (13) 参考文献 (14)
专用铣床工作台液压系统设计 1 前言 作为一种高效率的专用铣床，在日常生活中，广泛在大批量机械加工生产中应用。本次课程设计是以专用铣床工作台液压系统为例，介绍该组合机床液压系统的设计方法及设计步骤，其中包括工作台液压系统的工况分析、主要参数确定、液压系统原理图的拟定、液压元件的选择以及系统性能验算等。 ?液压传动?课程设计是整个教学过程中最后一个综合性教学环节，通过课程设计可以让我们了解液压传动系统设计的基本方法和设计要求，提高我们运用所学理论知识解决具体工程技术问题的能力。能根据设计任务要求，按照正确的设计步骤，拟定出液压系统。 2 设计技术要求及参数 一台专用铣床的工作台拟采用单杆液压缸驱动。已知条件如下：铣刀驱动电机功率为P=7.5KW，铣刀直径为De=120mm，转速n=350r/min。工作台质量m1=400kg，工件及夹具最大质量为m2=150kg。工作总行程为Lz=400mm，其中工进行程为Lg=100mm。快进和快退速度均为vk=4.5m/min，工进速度范围为vg=60~1000mm/min，往复运动时加、减速时间均为Δt=0.05s。工作台水平放置，导轨静摩擦系数为μs=0.2，动摩擦系数为μd=0.1,以下为该铣床工作台进给运动的半自动液压系统设计。 3 确定执行元件 液压系统的动力原件是定量叶片泵，执行元件确定为液压缸（主要运动是往复直线运动）。 4 系统工况分析 4.1动力分析 铣床工作台液压缸在快进阶段，启动时的外负载是导轨静摩擦阻力；加速的外负载是导轨动摩擦阻力和惯性力；恒速时是动摩擦阻力；在快退阶段的外负载是动摩擦阻力，由图3-4可知：
优秀设 计 图书分类号： 密级： 毕业设计(论文) 数控铣床X-Y工作台的设计 THE DESIGN OF X-Y TABLE IN MILLING 学生姓名 学院名称 专业名称 指导教师
20**年05月19日 摘要 X-Y数控工作台是是指能分别沿着X 向和Y向移动的工作台，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、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。 关键词X-Y数控工作台；伺服电动机；数控车床
Abstract CNC XY table are mean to each along X and Y to move to the table, electromechanical integration equipment, many basic components, such as vertical CNC lathe - lateral feed body,CNC milling and CNC drilling machine XY work Taiwan, laser processing equipment, workstations, electronic components surface mount equipment. Modular CNC XY table, usually by rail seat, move the slider, work, ball screw pair, and the servo motor and other component parts. One servo motor to drive the ball screw actuator to do, the ball screw drive and work platform slide rail movement, complete table in the X, Y direction of the straight line movement. Guideways, ball screw pair and servo motors etc., shall be standardized by the specialized manufacturers, design can be selected only according to work load. Control system as needed, you can select a computer using a standard job control, you can design a dedicated computer control system. Keywords XY table servo system CNC machine tools
一、总体方案设计 1、1 设计任务 题目:X —Y 数控工作台的机电系统设计 任务:设计一种供立式数控铣床使用的X —Y 数控工作台,主要参数如下: 1)工作台面尺寸C ×B ×H ＝【200+(班级序号)×5】mm ×【200+(班级序号)×5】mm × 【15+(班级序号)】mm; 2)底座外形尺寸C1×B1×H1＝【680+(班级序号)×5】mm ×【680+(班级序号)×5】mm ×【230+(班级序号)×5】mm; 3)工作台加工范围X=【300+(班级序号)×5】mm,Y=【300+(班级序号)×5】mm; 4) X 、Y 方向的脉冲当量均为0、005mm/脉冲;X 、Y 方向的定位精度均为±0.01mm; 5)夹具与工件质量M=【15+(班级序号)】kg; 6)工作台空载最快移动速度为3m/min;工作台进给最快移动速度为0.5m/min 。 7)立铣刀的最大直径d=20mm; 8)立铣刀齿数Z=3; 9)最大铣削宽度20e a mm =; 10)最大被吃刀量10p a mm =。 1、2 总体方案确定 (1)机械传动部件的选择 ① 导轨副的选择 ② 丝杠螺母副的选择 ③ 减速装置的选择 ④ 伺服电动机的选择 (2)控制系统的设计 ① 伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制 ② PLC 控制电机的梯形图编程
XY 数控工作台结构 1、3 设计的基本要求 (1)按照机械系统设计的步骤进行相关计算,完成手写设计说明书。 (2)计算结果作为装配图的尺寸与零部件选型的依据,通过AutoCAD 软件绘制XY 数控工作台的总装配图,并绘制AO 图纸。 (3)按照电气控制系统的步骤进行设计,完成电机启动、停止、正反转、电动等基本工作状态控制的硬件连线图,并通过PLC 协调控制XY 电机运动,绘制相关梯形图。 步进电 动机 减 速 器 滚珠丝 杠 步进电动机 减速器 工作台 滚珠丝杠 X 方向传动机构 Y 方向传动机构 微 型 机 机电接 口 驱 动 电 路 人机接口 系统总体方案结构框图