兰州工业学院
毕业设计（论文）题目数控激光切割机XY工作台部件及单片机控制设计
系别机械工程系
专业机电一体化技术
班级
姓名
学号
指导教师（职称）王永（副教授）
日期2013年03月01日
摘要
激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性材料以及精密细小和形状复杂的零件，因而数控激光切割在我国制造业中正发挥出巨大的优越性。
本文设计了一台单片机控制的数控激光切割机床，主要完成了：机床整体结构设计，Z轴、XY轴的结构设计计算、滚珠丝杠、直线滚动导轨的选择及其强度分析；以步进电机为进给驱动的驱动系统及其传动机构的分析设计计算；以89C51为主控芯片的数控系统硬件电路设计、系统初始化设计及系统软件方案设计和步进电机的控制程序设计。
关键词:CNC;激光切割机床;XY工作台;单片机
ABSTRACT
Laser cutting machine tool was usually used for the hard-cutting material, such as high-strength material, high precision ductile materials, and smart and complicated components. So, CNC laser cutting has been playing an important role in China's manufacturing industry.
This paper describes the design of a SCM-controlled CNC laser cutting machine tools. More attention was paid on the overall machine design, Z axis, XY axis in the design, ball-screw and the choice of linear motion guide and intensity analysis; the drive system into which stepper motor was put and the analysis of the drive system design; 89C51 chip was mainly used for the design of hardware circuit, the design of system initialization and th e design of stepper motor’s controlling program.
Key words: CNC;Laser cutting machine tools;XY table;Single chip microcomput
目录
摘要 ................................................................................................................................... I ABSTRACT ......................................................................................................................... I I 1 绪论 . (1)
1.1 激光技术概述 (1)
1.2 激光切割技术的应用 (1)
1.3 设计任务 (2)
1.4 总体设计方案分析 (2)
2 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计 (4)
2.1 XY工作台的设计 (4)
2.1.1 主要设计 (4)
2.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析 (4)
2.1.3 初步确定XY工作台尺寸及估算重量 (4)
2.2 Z轴随动系统设计 (5)
3 滚珠丝杠传动系统的设计计算 (7)
3.1 滚珠丝杠副导程的确定 (7)
3.2 滚珠丝杠副的传动效率 (7)
4 直线滚动导轨的选型 (9)
5 步进电机及其传动机构的确定 (11)
5.1 步进电机的选用 (11)
5.1.1 脉冲当量和步距角 (11)
5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算 (11)
5.1.3确定步进电机最高工作频率 (12)
5.2齿轮传动机构的确定 (12)
5.2.1传动比的确定 (12)
5.3步进电机惯性负载的计算 (13)
6 传动系统刚度的分析 (15)
6.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度 (15)
6.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度 (15)
7 消隙方法与预紧 (17)
7.1消隙方法 (17)
7.1.1偏心轴套调整法 (17)
7.1.2锥度齿轮调整法 (17)
7.1.3双片齿轮错齿调整法 (18)
7.2预紧 (19)
8.1 确定机床控制系统方案 (20)
8.2 主要硬件配置 (20)
8.2.1主要芯片选择 (20)
8.2.2 主要管脚功能 (20)
8.2.3 EPROM的选用 (21)
8.2.4 RAM的选用 (22)
8.2.5 89C51存储器及I/O的扩展 (23)
8.2.6 8155工作方式查询 (24)
8.2.7 状态查询 (24)
8.2.8 8155定时功能 (25)
8.2.9 芯片地址分配 (26)
8.3 总体程序控制 (27)
8.3.1流程图 (27)
8.3.2主程序 (27)
8.4 键盘设计 (29)
8.4.1键盘定义及功能 (29)
8.4.2 键盘程序设计 (29)
8.5 显示器设计 (34)
8.5.1显示器显示方式的选用 (34)
8.5.2显示器接口 (35)
8.5.3 8155扩展I/O端口的初始化 (35)
8.6 插补原理 (36)
8.7光电隔离电路 (36)
8.8越界报警电路 (37)
9 步进电机接口电路及驱动 (38)
总结 (41)
致谢 (42)
参考文献 (43)
1 绪论
1.1 激光技术概述
激光被誉为二十世纪最重大的科学发现之一，它刚一问世就引起了材料科学家的高度重视。1971年11月，美国通用汽车公司率先使用一台250W CO2激光器进行利用激光辐射提高材料耐磨性能的试验研究，并于1974年成功地完成了汽车转向器壳内表面（可锻铸铁材质）激光淬火工艺研究，淬硬部位的耐磨性能比未处理之前提高了10倍。这是激光表面改性技术的首次工业应用。多年以来，世界各国投入了大量资金和人力进行激光器、激光加工设备和激光加工对材料学的研究，促使激光加工得到了飞速发展，并获得了巨大的经济效益和社会效益。如今在中国，激光技术已在工业、农业、医学、军工以及人们的现代生活中得到广泛的应用，并且正逐步实现激光技术产业化，国家也将其列为“九五”攻关重点项目之一。“十五”的主要工作是促进激光加工产业的发展，保持激光器年产值20％的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。
数控化和综合化把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为激光加工发展的一个重要趋势。
1.2 激光切割技术的应用
激光切割是用聚焦镜将CO2激光束聚焦在材料表面使材料熔化,同时用与激光束同轴的压缩气体吹走被熔化的材料,并使激光束与材料沿一定轨迹作相对运动,从而形成一定形状的切缝。从二十世纪七十年代以来随着CO2激光器及数控技术的不断完善和发展,目前已成为工业上板材切割的一种先进的加工方法。在五、六十年代作为板材下料切割的主要方法中：对于中厚板采用氧乙炔火焰切割；对于薄板采用剪床下料,成形复杂零件大批量的采用冲压,单件的
采用振动剪。七十年代后,为了改善和提高火焰切割的切口质量,又推广了氧乙烷精密火焰切割和等离子切割。为了减少大型冲压模具的制造周期,又发展了数控步冲与电加工技术。各种切割下料方法都有其有缺点,在工业生产中有一定的适用范围。
激光切割机是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，激光切割机的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。
激光切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。激光切割技术、激光切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。因此研究和设计数控激光切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。
1.3 设计任务
本次设计任务是设计一台单片机（89C51主控芯片）控制激光切割机床，主要设计对象是XY工作台部件及89C51单片机控制原理图。而对激光切割机其他部件如冷水机、激光器等不作为设计内容要求，只作一般了解。单片机对XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.001mm/ pulse。工作台部件主要构件为滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺。
1.4 总体设计方案分析
参考数控激光切割机的有关技术资料，确定总体方案如下：
采用89C51主控芯片对数据进行计算处理，由I/O接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图1-1。
步进电机参照RORZE株式会社的产品样本选取，以保证质量和运行精度,同时驱动器也选用RORZE的配套驱动器产品。
滚珠丝杠的生产厂家很多，本设计参照了汉江机床厂、南京工艺装备制造厂的样本资料，采用内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副。
本设计选用单片，它机体积小、抗干扰能力强，对环境要求不高，可靠性高，灵活性好，性价比大大超过了Z80。比较后选用89C51为主芯片。在使用过程中89C51虽有4K的FLASH（E2PROM），但考虑实际情况需配备EPROM 和RAM，并要求时序配备。选晶体频率为6MHz，89C51读取时间约为3t，则t＝480ns ,常用EPROM读取时间约为200~450ns。89C51的读取时间应大于ROM要求的读取时间。89C51的读写时间约为4T，则TR＝660ns，TW=800ns，常用RAM读写时间为200ns左右，均满足要求。根据需要，扩展I/O接口8155，因显示数据主要为数字及部分功能字，为简化电路采用LED显示器。键盘采用非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采用光电隔离电路。
图1-1 系统总体原理图
2 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计
2.1 XY工作台的设计
2.1.1 主要设计
参数及依据
本设计的XY工作台的参数定为：
①工作台行程：横向320mm，纵向450mm
②工作台最大尺寸（长×宽×高）：1100×900×300mm
③工作台最大承载重量：120Kg
④脉冲当量：0.001mm/pulse
⑤进给速度：60平方毫米/min
⑥表面粗糙度：0.8～1.6
⑦设计寿命：15年
2.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析
因激光切割机床为激光加工,其激光器与工件之间不直接接触,因此可以认为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。
XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。
设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。
一般来说,数控切割机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。
2.1.3 初步确定XY工作台尺寸及估算重量
初定工作台尺寸(长×宽×高度)为:1200×950×70mm，材料为HT200，估重
为625N (W1)。
设中托座尺寸(长×宽×高度)为:1200×520×220mm，材料为HT200，估重为250N（W2）。
另外估计其他零件的重量约为250N (W3)。
加上工件最大重量约为120Kg（1176N）(G)。
则下托座导轨副所承受的最大负载W为:
W=W1+W2+W3+G＝665+250+250+1176＝2301N
2.2 Z轴随动系统设计
激光切割机对Z轴随动机构要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整切割头的高度，以保证激光聚焦后的焦点在切割板材的表面位置。由于激光焦点至板面的距离将影响割缝宽窄及质量，因此，要求Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，随动速度应大于5m/min。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用于一些特殊场合的切割加工(如强磁场、强干扰环境)。所以在选择传感器时，应注意检测精度和对切割材料的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。割头具有多种先进的智能和附加功能，如自动调整激光喷嘴距离、自动清洁喷嘴、同轴喷水机构、切割头转动、切割嘴摆动等。这些功能机构的增加,不可避免地增加了切割头的重量，成切割头的动态性能不好,随动机构反应不灵敏。一般来说，普通数控激光切割机Z轴拖动重量在5kg以上时，应采用重力平衡设施。而高性能数控激光切割机的Z轴拖动重量在2kg以上就必须施加重力平衡设施，特别是在高速飞行光路设计中,这一点尤为重要。目前Z轴上的重力平衡设施使用较多的是采用气缸托动方式(图2-1)。该方式重量轻、体积小、易安装，还可根据要求调整气缸的平衡力。
反光镜
平衡气缸
直线导轨
切割头
Z 轴丝杆
Z 轴电机
图2-1 Z 轴随动机构
兰州工业学院毕业设计（论文)
3 滚珠丝杠传动系统的设计计算
根据机床的受力情况及结构尺寸，参照南京工艺装备厂的产品系列，选用
FFZD 内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下：
X 向： FFZD 2504-3/490×500 Y 向： FFZD 2504-3/500×1100
因X 向的滚珠丝杆比Y 向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算X 向丝杆的相关数据，Y 向根据X 向的结果相同选用即可满足要求。
具体计算如下。
3.1 滚珠丝杠副导程的确定
轴向负荷计算公式：
F a =F +UW (3-1)
式中，F ——切削力，F=0；
W ——工件重量加工作台总重量W =2301N ；
U ——滚动导轨上的滚动摩擦系数（约为0.03-0.04），取U =0.04 则根据式（3-1）：
F a = 0.04×2301=92N 激光切割机滚珠丝杠是在低速条件下工作的。
故本处的 Go=（0.2-0.3），F a1 =18.4-27.6N 。对照样本参数,这里的Go 非常小，选定导程为4的滚珠丝杠副。
3.2 滚珠丝杠副的传动效率
滚珠丝杠副的传动效率为:
'
/()tg tg ηψψρ=+ （3-2） 式中，ψ——滚珠丝杠的螺纹升角 ρ＇——当量摩擦角
根据当量摩擦系数和当量摩擦角关系，前面已经定v =1m/s ，材料选择灰铸铁HRC≥45, 一般取ρ＇=10＇；
兰州工业学院毕业设计（论文)
)/(d p arctg h πψ= （3-3） 式中，h p ——导程，4mm ；
d ——丝杠公称直径，25mm 。 则根据式（3-3）得： ψ＝2.91° 则根据式（3-2）得： η＝0.944。
兰州工业学院毕业设计（论文）
4 直线滚动导轨的选型
导轨主要分为滚动导轨和滑动导轨两种，直线滚动导轨在数控机床中有广泛的应用。相对普通机床所用的滑动导轨而言，它有以下几方面的优点：
①定位精度高
直线滚动导轨可使摩擦系数减小到滑动导轨的1/50。由于动摩擦与静摩擦系数相差很小，运动灵活，可使驱动扭矩减少90%，因此，可将机床定位精度设定到超微米级。
②降低机床造价并大幅度节约电力
采用直线滚动导轨的机床由于摩擦阻力小，特别适用于反复进行起动、停止的往复运动，可使所需的动力源及动力传递机构小型化，减轻了重量，使机床所需电力降低90%，具有大幅度节能的效果。
③可提高机床的运动速度
直线滚动导轨由于摩擦阻力小，因此发热少，可实现机床的高速运动，提高机床的工作效率20～30%。
④可长期维持机床的高精度
对于滑动导轨面的流体润滑，由于油膜的浮动，产生的运动精度的误差是无法避免的。在绝大多数情况下，流体润滑只限于边界区域，由金属接触而产生的直接摩擦是无法避免的，在这种摩擦中，大量的能量以摩擦损耗被浪费掉了。与之相反，滚动接触由于摩擦耗能小．滚动面的摩擦损耗也相应减少，故能使直线滚动导轨系统长期处于高精度状态。同时，由于使用润滑油也很少，大多数情况下只需脂润滑就足够了，这使得在机床的润滑系统设计及使用维护方面都变的非常容易了。所以在结构上选用：开式直线滚动导轨。参照南京工艺装备厂的产品系列。
型号：选用GGB型四方向等载荷型滚动直线导轨副，如图4-1。
具体型号：X向选用GGB20BA2P，2 500-4
Y向选用GGB20AB2P，2 1100-4
图4-1 直线滚动导轨
5 步进电机及其传动机构的确定
5.1 步进电机的选用
5.1.1 脉冲当量和步距角
已知脉冲当量为1μm/STEP ，步距角越小，加工精度越高。初选0.36o /STEP （二倍细分）。
5.1.2步进电机上起动力矩的近似计算
电机起动力矩： 12
M M M =+ （5-1） 式中, M 为滚珠丝杠所受总扭矩
M l 为外部负载产生的摩擦扭矩，有: '1/2()
a M F d tg ψρ=??+ （5-2） =92×0.025/2×tg (2.91+0.14） =0.62N·m
M 2为内部预紧所产生的摩擦扭矩，有： 2/2ao h M K F P π=?? （5-3） 式中，K ——预紧时的摩擦系数，0.1—0.3； h p ——导程，4mm ； ∞F ——预紧力； 有 ∞F =1∞F +2∞F
取 1∞F =0.04×Ca=4×160=640N
2∞F 为轴承的预紧力，轴承型号为7002C 轻系列，预紧力为2∞F ＝130N 。故根据式（5-3）得：
M 2=0.98 N·m
齿轮传动比公式为：i=φ× Ph /(360×δp)，故步进电机输出轴上起动矩 近似地可估算为：
/q T M i η
= （5-4）
=360×M×δp /φ×η×Ph 式中，δp =lμm/STEP ； M= M 1+ M 2= 1.6N ； φ=0.36o/STEP ； h p ＝0.4cm ； η＝0.944。 则根据式（5-4）得：
q T =360×1.6×0.001/(0.36×0.944×4)=4.11 N·m 5.1.3确定步进电机最高工作频率
参考有关数控激光切割机床的资料,可以知道步进电机最高工作频率不超过1000Hz 。
根据以上讨论并参照样本,确定选取110BF003型步进电机，该电机的最大静止转矩为7.84 N·m ，转动惯量为5.5kg/cm 2
5.2齿轮传动机构的确定
5.2.1传动比的确定
要实现脉冲当量lμm/STEP 的设计要求，必须通过齿轮机构进行分度，其传动比为：
/(360)
h p i P φδ=?? （5-5）
式中，h p ——为滚珠丝杠导程； φ——为步距角； δp——为脉冲当量。
根据前面选定的几个参数，由式（5-4）得： i =0.36×4/360×0.001
=4:1=Z 2/Z 1
根据结构要求,选用Z 1为30，Z 2为120 5.2.2齿轮结构主要参数的确定
①齿轮类型：选择直齿加工方便。
②模数选择：本工作台负载相当轻,参考同类型的机床后,选择m ＝2齿轮传动侧隙的消除。
③中心距的计算：
A =m （Z 1+ Z 2）/ 2 （5-6） =2×(30+120)/2=150mm
齿顶高为2mm ，齿根高为2.5mm ，齿宽为20mm 。
④齿轮材料及热处理：
小齿轮Z 1采用40Cr ，齿面高频淬火; 大齿轮Z 2采用45号钢，调质处理。
5.3步进电机惯性负载的计算
由资料知，激光切割机的负载可以认为是惯性负载。机械机构的惯量对运动特性有直接的影响。不但对加速能力、加速时驱动力矩及动态的快速反应有关，在开环系统中对运动的平稳性也有很大的影响，因此要计算惯性负载。限于篇幅，在此仅对进给系统的负载进行计算。
惯性负载可由以下公式进行计算：
02
D 112234m n J =J +J +(Z /Z )(J +J )+ J (V /)m D ω? （5-7） 式中，JD 为整个传动系统折算到电机轴上的惯性负载。
J 0为步进电机转子轴的转动惯量e J 1为齿轮Z 1的转动惯量 J 2为齿轮Z 2的转动惯量 J 3为齿轮Z 3的转动惯量 m n 为系统工作台质量 Vm 为工作台的最大移动速率
ωD 为折算成单轴系统电动机轴角速度 各项计算如下：
已知：
J0＝0忽略不计，m n=112.5kg
齿轮惯性转矩计算公式：
22
ρρ（5-8）J=m=G/g
其中：
ρ为回转半径
G为转件的重量
滚珠丝杠的惯性矩计算公式：
π（5-9）J=RLD/32
最后计算可得：
J1=0.1×10-3Kg. m2
J2=1.32×10-3Kg. m2
J3=2.98×10-4Kg. m2
J4=1.14×10-5Kg. m2
V m=12 m/s
ωD=2πrad/s
故惯性负载根据式（5-7）得：
J D=J0+J1+(Z l/Z2)（J2＋J3）+ J4 (V m/ωD)2×m n=5.188 kg. cm2
此值小于所选电机的转动惯量,所以所选择的步进电动机满足使用要求。
6 传动系统刚度的分析
激光切割机XY 工作台其实为一进给传动系统，其传动系统的刚度可根据不出现摩擦自振或保证微量进给灵敏度的条件来确定。
6.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度
传动系统中的当量刚度K 或当扭转刚度C 主要由最后传动件的刚度K 0或C 0决定的，在估算时，取K=K 0，C=C 0
对滚珠丝杠传动,其变形主要包括： ①丝杠拉压变形 ②扭转变形
③丝杠和螺母的螺纹接触变形及螺母座的变形。 ④轴承和轴承座的变形。
在工程设计和近似计算时，一般将丝杠的拉压变形刚度的三分之一作为滚珠丝杠副的传动刚度K 0，根据支承形式可得：
)mm Kgf (1030-?=L EF K （6-1） 式中, E=2.06×10 -4(Kgf/ mm 2) F=754.8mm 2 L=Ls ＝250 mm 则根据式（6-1）得： 0K =203.2N/mm
传动系统刚度较大，可以满足要求。
6.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度
此时传动系统的刚度应满足：
K △≥F/△ （6-2） 式中, K △——传动系统当量刚度； F ——部件运动时的静摩擦力；
N ——正压力,N=W/g=230Kgf ；
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。
目录 一、机电专业课程设计目的 (3) 二、总体方案设计 (3) 三、机械系统设计 (4) 1、计工作台外形尺寸及重量估算 (5) 2、电动机滚动导轨的参数确定 (5) 3、滚珠丝杠的设计计算 (6) 4、步进电机的选用 (7) 四、绘制装配图 (9) 五、电气原理图设计 (10) 1、功率单片机的选择 (10) 2、外部程序存储器的扩展 (10) 3、外部数据存储器的扩展 (10) 4、I/O口扩展电路 (11) 5、显示器接口设计 (11) 6、键盘接口电路设计 (11) 7、步进电机的接口电路设计 (11) 8、其他 (11) 六、参考文献 (12)
一、机电专业课程设计目的 本课程设计是学生在完成专业课程学习后，所进行的机电一体化设备设计的 综合性训练。通过该环节达到下列目的：（1）巩固和加深专业课所学的理论知识； （2）培养理论联系实际，解决工程技术问题的动手能力；（3）进行机电一体化设备设计的基本功训练，包括以下10方面基本功：1）查阅文献资料；2)分析与选择设计方案；3）机械结构设计；4）电气控制原理设计；5）机电综合分析；6） 绘工程图；7）运动计算和精度计算；9）撰写设计说明书；10）贯彻设计标准。 二、总体方案设计 2.1 设计任务 （1）题目：二坐标数控工作台设计。 （2）设计内容及要求： 1）工作台总装图一张（0号图纸） 2）控制电气图一张（1号图纸） 3）设计说明书一份（10-20页） 4）具体设计参数如下： 台面尺寸：140180? 行程X ：140；Y:110 定位精度：mm X 300/013.0± mm Y 300/015.0± 典型工艺参数：台面速度 X: min /0.2m ，Y ：min /0.2m ； 进给抗力 X: 225N ； Y:150N ； 工作物重：8Kg 。 2.2 总体方案确定 （1）系统的运动方式与伺服系统 由于工件在移动的过程中受到负载力较小，为了简化结构，降低成本，采用
数控机床课程设计说明书 设计课题：X-Y数控工作台设计 院别： 专业班级： 学号： 姓名： 指导老师：
摘要...................................................................................................................................... I 一前言. (1) 二设计任务 (1) 三设计主要步骤 (2) （一）确定设计总体方案 (2) 1、初拟机械传动部件方案： (2) 2、方案对比分析： (2) 3、最终方案： (3) （二）机械传动部件的计算与选型 (3) 1 导轨上移动部件的重量估算。 (3) 2 计算切削力 (3) 3 滚珠丝杠传动设计计算及校验 (5) 4 步进电机的传动计算及电动机的选用 (10) 5 滑动导轨的设计计算 (16) 6 其余部件的选取 (17) 结论 (20) 致谢 (21) 参考文献 (21)
21世纪以来，人类经济高速发展，人们生活发生了日新月异的变化，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：十字工作台；滚珠丝杠；滚动导轨；步进电机
机电一体化系统综合课程设计课题名称：Ｘ－Ｙ数控工作台设计（电气部分）学院：信息工程学院 专业：机械设计制造及其自动化 班级：机械三班 姓名：胡忠钦 学号： 10901313 指导老师：季国顺金成柱聂欣
目录 一、总体方案设计 (1) 1.1设计任务 (1) 1.2总体方案确定 (1) 二、机械系统设计 (4) 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (4) 2.2 导轨参数确定 (4) 2.3 滚珠丝杆的设计计算 (4) 2.4步进电动机减速箱设计 (6) 2.5 步进电机的选型与计算 (6) 三、控制系统硬件设计 (8) 3.1 CPU (8) 3.2 驱动系统设计 (10) 3.2.1步进电机的驱动电路 (10) 3.2.2电磁铁驱动电路 (12) 3.2.3电源转换 (12) 四、控制系统软件 (13) 4.1控制系统软件总体方案设计 (13) 4.2主流程设计 (13) 4.3中断服务流程 (15) 4.3.1 INTO中断服务流程图 (15) 4.3.2 INTI 中断服务流程图 (16) 4.4软件调试 (17) 4.4.1 复位程序流程图 (17) 4.4.2 X轴电机点动正转程序流程图 (19) 4.4.3 绘制圆弧程序流程图 (20) 4.4.4 步进电机步进一步程序流程图 (21) 五、总结 (22) 六、参考文献 (23) 七、附录 (24)
一、总体方案设计 1.1机电专业课程设计的任务 主要技术指标： 一定的规格要求（负载重量G=500N；台面尺寸C×B×H=240×254×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1=550×550×184mm；最大长度L=678mm；工作台加工范围X=300mm；Y=300mm；工作台最快移动速度为1m/min；重复定位精度为± 0.02mm，定位精度为±0.04mm； 设计具体要求完成以下工作： （1）数控工作台装配图1张； （2）数控系统电气原理图1张； （3）设计说明书页1本； 所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。 1.2 总体方案确定 图1-1 系统总体框图
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 ==?=
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
课程设计 课程名称：数控技术课程设计 学院：机械学院专业：机械设计制造及其自动化姓名：学号： 年级：任课教师： 2012年 1 月 16 日
课程设计任务书
课程设计（论文）任务书 学生姓名：指导教师： 任务书发出时间2011年12月25日 设计时间2011年12月26日——2012年1月16日 设计（论文）题目数控技术课程设计 设计（论文）内容 ①结合设计任务的要求拟定总体机械和电气控制设计方案。 ②根据拟定的机械设计方案进行二坐标数控工作台的机械结构设计计算和元件的 选用。 ③根据拟定的电气设计方案进行数控系统控制电路的框图设计及驱动控制电路的 计算和元件选用。 ④根据指定要求进行有关软件的流程图设计。 ⑤对指定的软件程序进行编写。 ⑥进行机械结构的工程图和电气原理图的绘制。 ⑦编写设计说明书。 设计（论文）的要求（含说明书页数、图纸份量） ①方案拟定正确。 ②设计计算根据来源可靠，计算数据准确无误。 ③元气件选用正确规范符合国家颁布标准。 ④机械结构图纸绘制视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。 ⑤电气部份图纸要求符合国家标准，图面布局合理、整洁、质量高。 ⑥机械和电气部份图纸总量为 1.5 张“0”号图量，其中含机械装配图1～2张、 电气控制原理框图及计算机I/O接口和驱动控制电路等电气原理图1～2张。 ⑦课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案确定、 系统框图分析、电气执行元件的选用说明、机械传动和驱动电路的设计计算以 及机械和电气的其它部分。说明书要突出重点和特色，图文并茂、文字通畅、 计算正确、字迹清晰、内容完整。说明书页数不少于 20 页
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
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。
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
专业课课程设计设计说明书设计题目：数控X-Y工作台设计 学生：洪炎丰 学号：200611411208 班级：机制1062 指导教师：张健、李伟洪 广东海洋大学工程学院机械系 2010年2 月28 日
目录 序言 (3) 摘要 (4) 设计目的 (4) 设计要求 (4) 总体方案设计 (5) 机械系统设计计算 (6) 1、确定脉冲当量 (6) 2、确定传动比 (6) 3、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (7) 4、步进电动机的选型和计算 (11) 5、导轨的选型和计算 (13) 6、启动矩频特性校核 (14) 控制系统设计 (18) 第一节控制系统硬件的基本组成 (18) 第二节步进电机控制电路 (18) 步进电机控制程序设计 (20) 其它电路辅助设计 (24) 设计总结 (24) 参考文献 (25)
序言 据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。 在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。 由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。 据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。 在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。 从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；"柔性强；#易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。
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、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
XY数控工作台机电系统设计《数控机床》课程设计说明书 设计题目：X-Y数控工作台机电系统设计 班级： 姓名： 指导教师： 广西工学院 机电一体化教研室 2010年6 月
名目 一、《数控机床》课程设计目的 (3) 二、设计任务 (3) 三、设计要紧步骤 (3) 1、确定设计总体方案 (4) （1）、机械传动部件的选择 (4) （2）、操纵系统的设计 (4) 2、机械传动部件的运算与选型 (5) （1）、导轨上移动部件的重量估算 (5) （2）、运算切削力 (5) （3）、滚珠丝杠传动的设计运算及校验 (6) （4）、步进电机的传动运算及电动机的选用 (9) （5）、滚动导轨的设计运算 (15) 3、其余附件的选择 (16) 四、操纵系统的设计 (17) 五、机械部分装配图的绘制 (19) 六、参考文献 (20) 七、总结体会 (20)
一、设计的目的 《数控机床》课程设计是一个重要的时刻性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论 知识，独立进行的设计训练，要紧目的： 1、 通过设计，使学生全面地、系统地了解和把握数控机床的差不多组成及其想怪知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。 2、 通过对机械系统的设计，把握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计运算及选用的方式 3、 通过对机械系统的设计，把握常用伺服电机的工作原理、运算操纵方法与操纵驱动方式 4、 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想 5、 锤炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力 二、设计任务 设计一套供立式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，要紧参数如下： 1、立铣刀最大直径的d=15mm ，立铣刀齿数Z=3，最大铣削宽度c a =15mm 最大背吃刀量p a =8mm ，加工材料为碳素钢或有色金属。 2、X 、Z 方向的定位精度均为±0.02mm 。 3、工作台面尺寸为230mm 230mm ?，加工范畴为250mm 250mm ?; 4、工作台空载进给最快移动速度：max max 3000mm /min x y V V ==，工作台进给最快移动速度:max ymax 400mm /min x f f V V ==，加减速0.4s 。 三、设计要紧步骤 1、确定设计总方案 ⑴、机械传动部件的选择 ①、 丝杠螺母副的选择 步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm 脉冲当量，因为定位精度±0.02mm ，关于机械传动要有一定的精度缺失，大约是1/3-1/2的定位
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m ax 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鹅娅尽損鹌惨歷茏鴛賴。 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。