数控铣床XY工作台与控制系统设计
摘要
随着现代信息技术的发展，以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化和提高产品质量为主的精密化成为现代机械加工技术发展的两个主要方向。人们对数控机床、精密仪器和仪表以及各种精密机械设备提出了越来的精度要求，X-Y工作台是这些设备实现高精密加工的重要部件，对于提高产品的加工起着尤为重要的作用。
本论文针对铣床工作台机构及其控制系统进行设计，主要包括伺服电动机的选型，滚珠丝杠的选型、强度校核及生产设计中应注意的问题,连接伺服电机和滚珠丝杠副的联轴器的选型，导轨的设计。根据系统的功能要求，选择数控系统的CPU，同时还需要扩展程序存储器、数据存储器以及步进电机驱动电源的选择。通过对工作台机械传动链的系统设计以期满足机床进给系统的定位精度和静动态性能，从而确保机床的加工精度。
关键字：X-Y工作台，伺服系统，滚珠丝杠，步进电机
The design of CNC milling machine system XY
workbench and control system
Abstract
With the development of modern information techniques, the high automation with the main purpose of improving the production efficiency of product process and the accuracy with the accuracy with the main aim of improving the quality of product have been becoming the two major directions of the modern technique of mechanical process. People on the CNC machine tools, precision instruments and meters and all kinds of sophisticated machinery and equipment raised higher and higher precision, X-Y workbench is that important components of these high-precision machining equipment to achieve the core components, for improving the quality of processed products play the particularly important role.
The entire mechanical transmission chain for the system design,servo motor related to the selection, the selection of ball screws, checking strength and production design should pay attention to the problem of connecting the servo motor and the ball screw of the axis. The Telection and Verification, bearing pieces bearing the design, rail and rack design. According to the function requirement of system, the selection of the CNC system CPU. It would also need to expand the program memory、data memory and the choice of stepper motor drive power.Through the table mechanical transmission chain system design to meet the machine into the system to the positioning accuracy and static and dynamic performance, so as to ensure the accuracy of processing machine.
key words：The X-Y workbench ; Servo system; Ball screw;stepper motor
目录
摘要 (i)
Abstract (ii)
第一章引言............................................................ - 1 -
1.1 国内外数控系统的发展概况.......................................... - 1 -
1.2 数控技术的发展趋势................................................. - 1 -
1.2.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势............................. - 1 -
1.2.2 多轴联动加工和复合加工机床快速发展........................... - 1 -
1.2.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势......... - 2 -
1.3 数控铣床X-Y工作台概述............................................. - 2 -
1.3.1 国内外的研究现状分析......................................... - 3 -
1.3.2 工作台的应用................................................. - 3 -
1.3.3 发展趋势..................................................... - 3 -
1.4 数控铣床系统XY工作台设计的目的.................................... - 4 - 第二章总体方案的确定..................................................... - 5 -
2.1 数控铣床XY工作台设计的意义........................................ - 5 -
2.2 工作台设计任务..................................................... - 5 -
2.3 机械传动部件的选择................................................. - 5 -
2.4 控制系统的设计..................................................... - 6 - 第三章机械传动部件的计算与选型........................................... - 7 -
3.1 确定系统脉冲当量................................................... - 7 -
3.2 工作台外形尺寸及重量初步估算....................................... - 7 -
3.3 铣削力的计算....................................................... - 8 -
3.4 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）................................. - 8 -
3.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型........................................ - 10 -
3.6 减速齿轮计算设计.................................................. - 12 -
3.7 角接触球轴承的选用、校核.......................................... - 13 -
第四章步进电动机的计算与选型............................................ - 15 -
4.1 步进电机简介及原理................................................ - 15 -
4.2 步进电机的计算与选型.............................................. - 16 -
4.3 步进电动机驱动电源的选用.......................................... - 21 - 第五章工作台控制系统的设计............................................. - 22 -
5.1 控制系统硬件电路设计.............................................. - 22 -
5.1.1 单片机的简介与选用.......................................... - 22 -
5.1.2 光耦合器................................................... - 22 -
5.1.3 常用存储器及其扩展电路设计.................................. - 23 -
5.1.4 常用I/O接口芯片及其扩展电路设计............................ - 24 -
5.1.5 步进电动机的控制与驱动...................................... - 25 -
5.2 控制系统的部分软件设计........................................... - 26 -
5.2.1 存储器与I/O芯片地址分配.................................... - 26 -
5.2.2 步进电动机运行程序设计...................................... - 26 - 第六章总结与展望 ...................................................... - 28 - 参考文献................................................................. - 29 - 致谢..................................................................... - 30 -
第一章引言
1.1 国内外数控系统的发展概况
随着计算机技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研究开发，提出了全新的制造模式。在现代制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术正在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态全闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超薄型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加工过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理。
1.2 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，他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。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：
1.2.1 高速、高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面，近10年来，已由10um提高到5um，精密级加工中心则从3-5um，提高到1-1.5um并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1um。为了实现高速、高精加工，与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。
1.2.2 多轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何现状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要
比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。
1.2.3 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象数控功能，形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造产业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
1.3 数控铣床X-Y工作台概述
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。其外观形式如图1.1。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。
图1.1 X-Y数控工作台外形
1.3.1 国内外的研究现状分析
国家的繁荣是以其先进机器作为辅助，机床包括床身、立柱、工作台、进给机构等机械部件。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的XY工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，工作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液压驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。
1.3.2 工作台的应用
目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。
1.3.3 发展趋势
随着国际上各种技术的突飞猛进的发展，工作台的功能也向多功能复合化发展，工作台也会不断采用数控技术、控制理论等领域的最新技术成就，使其朝着运行高速化、加工高精化、功能复合化、控制智能化等方向发展。
1.4 数控铣床系统XY工作台设计的目的
①使工作台实现数控控制：让数控机床可以完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件的加工；提升机床的加工精度、柔性、生产率和操控，实现计算机控制，排除人为误差，使零件的加工一致性好，质量稳定可靠；提升机床自动化程度，降低操作人员劳动强度。
②能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论的有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设备的数控系统硬件和软件设计，掌握简单的数控系统硬件及软件设计的基本方法；通过毕业设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。
第二章 总体方案的确定
2.1 数控铣床XY 工作台设计的意义
工作台是机床上必不可少的部件，因此工作台的设计具有重要意义，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。XY 数控工作台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提高。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劳动生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场经济的需要，使之更有效的发挥经济效益和社会效益。
2.2 工作台设计任务
主要技术指标：
（1）设计数控铣床工作台机械系统； （2）设计参数：
定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h ，中等冲击
工作台的有效行程为400=X L mm ，400Y L mm =快速进给速度max 2000/min x v mm =
max 2000/min y v mm = 和工作载荷2000Z F N = （3）驱动系统类型：电机选型、单片机选型；
2.3 机械传动部件的选择
（1）导轨副的选用 要设计的XY 工作台需要承受的载荷不大，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，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。
（3）减速装置的选用 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。为此，本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱。
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、伺服电动机拟采用相同的型号和规格。2.4控制系统的设计
（1）设计的XY工作台准备用在数控铣床上，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，所以控制系统应该设计成连续控制型。
（2）根据技术指标中最高控制速度，以及数控系统的经济性要求，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，应该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，还需要扩展程序存储器、数据存储器、I/O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。
图2.1 步进电机控制XY轴系统总体框图
第三章 机械传动部件的计算与选型
机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。
3.1 确定系统脉冲当量
脉冲当量是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm ，因此选择脉冲当量为0.005mm 。
3.2 工作台外形尺寸及重量初步估算
根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X 向和Y 向工作台承载重量x W 和y W 。取X 向导轨支撑钢球的中心距为400mm ，Y 向导轨支撑钢球的中心距为400mm ，设计工作台简图如下：
图3.1 X-Y 工作台简图
X 向拖板（上拖板）尺寸： 长?宽?高 =4203400350
重量：按重量=体积3材料,比重估算为：
3242040050107.810655.2x W N --=?????=
Y 向拖板（下拖板）尺寸：4203400350
3242040050107.810655.2y W N --=?????= 上导轨（含电机）重量为：
（900348038＋23800335350）37.83210-3310-=487.97N 夹具及工件重量约155N
X-Y 工作台运动部分的总重量为W=487.97＋655.2＋655.2＋155≈2000N
3.3 铣削力的计算
根据任务书，切向铣削力Z F =2000N ，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：
2000f c F F N =≈,0375750e c F F N =?≈，025500fn c F F N =?≈。现考虑立铣，则工作
台受到垂直方向的铣削力750v e F F N ==，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(丝杠轴线方向)，则纵向铣削力2000x f F F N ==，径向铣削力为500y fn F F N ==。
3.4 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）
（1）滑块承受工作载荷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 4
W
F F =
+ （3-1）
其中，移动部件重量W ＝2000N ，外加载荷750V F F N ==，代入式得最大工作载荷
max F =(500+750)N=1.25kN 。
查表根据工作载荷max F =1.25kN ，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 =。 其结构形式如下：
图3.2 直线滚动导轨副
1、导轨
2、滑块
3、返向器
4、密封端盖
5、注油杯图
其主要参数如下：
表3.1 JSA-LG15型直线滚动导轨副参数
任务书规定工作台的有效行程为400x L mm =,400=Y L mm ,工作台面尺寸2803280mm ，考虑工作行程应留有一定余量，查表按标准系列，选取导轨的长度为640mm 。 （2）距离额定寿命L 的计算
上述所取的KL 系列JSA-LG15系列导轨副的滚道硬度为60HRC ，工作温度不超过100C ，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H f =1.0，温度系数T f =1.00，接触系数C f =0.81，精度系数R f =0.9，载荷系数W f =1.5，代入式，得距离寿命：
?????=?? ??
?3
max 50
H T C R a W f f f f C L f F
3
1.0 1.00.810.97.94514711.5 1.25O Km ??
???=??≈ ??
? （3-2）
工作寿命的计算36
101471104377971500026024760h L L H ns ??===????? （3-3）
故导轨工作寿命足够。
3.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型
（1） 最大工作载荷m F 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）x F =2000N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）=500y F N ，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）v F =750N 。
已知移动部件总重量W=2000N ，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：
()
m x v y F KF F F W μ=+++
()1.120000.00575050020002216.25N N ??=?+?++≈?? （3-4）
（2）最大动工作载荷Q F 的计算
设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=2000mm/min ，初选丝杠导程h P =6mm,则此时丝杠转速2000333min h n v P r ===。
任务书给定滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入606010L nT =,得丝杠寿命系数0L =300（单位为：106r ）。
查表，取载荷系数 1.2w f =,滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数 1.0H f =,代入式，求得最大动载荷：
1.2 1.02216.2517801Q w H m F f F N =
=
???= （3-5）
（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3206-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径0d =32mm ，导程
h P =6mm ，循环滚珠为4圈31系列，精度等级取5级，额定动载荷a C =18292N ，大于Q F ，满足
要求。
（4）传动效率η的计算
将
公
称
直
径
d =32mm ，导程
h
P =6mm ，代入
()()00
a
r c t a n
a r c t a n 632
3
2
h P
d λππ???
?'===???
?
，得丝杠螺旋升角λ=0325'。将摩擦角?=10′，代入()tan tan ηλλ?=+,得传动效率η=95.5%。
（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=600mm ；钢的弹性模量E=2.1х105Mpa;查表得滚珠直径w D =3.969mm ，丝杠底径2d =27.2mm,丝杠截面积
2224580.77S d mm π==。
丝杠的拉伸或压缩变形量1δ在总变形量中占的比重较大，按忽略式12m F a Ma
ES IE
δπ=±±中的第二项，算得丝杠在工作载荷m F 作用下产生的拉/压变形量
152216600
0.0112.110580m F a mm ES δ?==≈?? （3-6）
2）根据公式0(/)3W Z d D π=-，求得单圈滚珠数Z=23；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数?列数为4?1，代入公式Z ∑=Z ?圈数?列数，得滚珠总数量Z ∑=92。丝杠预紧时，取轴向预紧力YJ m F F =/3=739N
。则由式20.0013F δ=触变形量20.002δ≈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=0.001mm 。 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600mm ）
δ总=0.011+0.001=0.012mm=12m μ
本例中，丝杠的有效行程为400mm ，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。 （6） 压杆稳定性校核
根据公式22
k k
m f EI
F F ka
π=≥计算失稳时的临界载荷k F 。取支承系数k f =1；由丝杠底径2d =27.2mm 求得截面惯性矩4
2/64I d π=≈268554mm ；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600mm 。代入式，得临界载荷
k F =51485N ，远大于工作载荷m F =2216.25，故丝杠不会失稳。
表3.2 G 系列滚珠丝杠副尺寸参数
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
3.6 减速齿轮计算设计
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=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程P h =6mm ， 初选步进电动机的步距角α=0.75°。根据式，算得减速比：
()/(360)h i P αδ==（0.75?6）/（360?0.005）=2.5 （3-7）
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。因传递的扭矩较小，取大小齿轮模数均为1mm ，齿数比为80：32，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC 。减速箱中心距为[（80+32）?1/2]mm=56mm,小齿轮厚度为20mm ，双片大齿轮厚度均为10mm 。
如图3.3，薄片齿轮2与轴整体锻造而成，保证了机构的强度，薄片齿轮1套装在轴上，两片薄齿轮之间可作相对回转运动。
图3.3 双片薄齿轮错齿调整机构
1、2-薄齿轮 3-弹簧 4、8-凸耳 5-调节螺钉 6、7-螺母
小齿轮齿数1Z =32 大齿轮齿数2Z =80
分度圆直径：1113232d mz mm ==?= 2218080d mz mm ==?= 齿顶圆直径：11232234a a d d h mm =
+=+=
22280282a a d d h mm =+=+= 齿根圆直径：11232 2.529.5f f d d h mm =
-=-=
22280 2.577.5f f d d h mm =-=-=
3.7 角接触球轴承的选用、校核
初选角接触球轴承7205CJ ，其相关参数如下：
内径d=15mm ，外径D=35mm ，轴承宽度B=10mm ，a=11.6mm ，额定动载荷13.10r C KN =，
额定静载荷9.5or C KN =。 轴承校核，受力图如下：
图3.4 轴承部件受载示意图
径向外载荷750r F N =，轴向外载荷500a F N =，2000t F N =
12110002H H t R R F N ===，121
3752
v v r R R F N ===
121068R R N ==
=
轴向派生力120.68726.24S S R N ===，
12500726.241226.24a A F S N =+=+=, 22726.24A S N ==
0.68e =,
111226.241068A e R =>, 22726.240.681068
A e R === 查得，10.41X =，10.87Y = 21X =，20Y =
查得，p f =1.2-1.8，取p f =1.4
()111112106p P f X R Y A N =+=，()222221495.2p P f X R Y A N =+= （3-8） 因为12P P >，所以只验算轴承1，又轴承样本可知：7205CJ 轴承的额定动载荷
13100a C N =。
3
6110167331500060h
C L h h n P ??
==> ???
（3-9）
选用7205CJ 轴承合适。
第四章步进电动机的计算与选型
4.1 步进电机简介及原理
步进电机是开环伺服系统的驱动元件，其控制系统的结构简单、控制容易、维修方便，控制为全数字化，。步进电机用电脉冲信号进行控制，并将电脉冲信号转换成相应的机械角位移。每给步进电机输入一个电脉冲信号，其转子轴就转过一个角度，称为步距角，转子轴的角位移量与电脉冲数成正比，其转速与电脉冲信号输入的频率成正比，通过改变频率就可以调节电机的转速。
图4.1 步进电机
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，但步进电机并不能象普通的直流电机，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。
4.2 步进电机的计算与选型
（1） 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 eq J
已知：滚珠丝杠的公称直径0d =32mm ，总长L=600mm ，导程h P =6mm ，材料密度
337.8510kg cm ρ-=?；移动部件总重力W=2000N ；小齿轮齿宽1b =20mm.，直径1d =32mm ，
大小齿轮齿宽2b =20mm ，直径2d =80mm ；传动比i=2.5。 算得各个零部件的转动惯量如下： 滚珠丝杠的转动惯量：
343420.78100.7810 3.260 4.9.S J D L kg cm --=???=???= （4-1） 小齿轮的转动惯量：34210.7810 3.220.16.z J kg cm -=???= 大齿轮的转动惯量：34220.781082 6.39.z J kg cm -=???=
工作台折算到丝杠上的惯量：
22
2
0.62000 1.86.229.8h T i P J m kg cm ππ????=== ? ?
????
（4-2） 初选步进电动机的型号为90BYG2602,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m J =4 kg 2cm 2。
则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
()2
12eq m z z T S J J J J J J i =++++
()2240.16 6.39 1.86 4.9 2.5 6.264.kg cm =++++= （4-3）
（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eq T
分快速空载起动和承受最大工作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 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
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
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
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
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························
VNUM数控机床调试维修教学软件（Virtual Numeral Unit of Maintain）1.0技术方案书 一、总体介绍： “VNUM数控机床调试维修教学软件（Virtual Numeral Unit of Maintain）”是为配合教育部于2009年新开设的“数控设备应用与维护”专业及人力资源与社会保障部于2007年颁布的新工种“数控机床装调维修工”的教学培训而专门研发的以培养优秀的数控设备维护维修人才为目标的仿真教学软件，同时也是CITTIC数控机床维修培训认证推荐使用软件。软件采用目前最先进的三维可视化编程技术开发；主要服务于“数控设备应用与维护”专业中“数控机床电气控制系统安装与调试、数控机床机械部件装配与调整、数控机床PLC控制与调试、数控系统连接与调试、数控机床故障诊断与维修”等五门核心课程相关专业技能实训以及“数控机床装调维修工”各级别相关专业技能要求技能培训之用。软件最大特点是按照工作过程为导向的任务驱动式教学法的思路，最大限度模拟企业真实工作环境与流程，采用典型数控机床与数控系统，将上述教学内容逐一分解成单项技能实训，使学生从单一技能学习起步，逐渐深入，逐渐综合，最终经历一个完整的数控设备装配、调试及维修的生产性训练过程。软件生动直观，学生使用该软件反复练习后，即可将全部流程以及其中的所有技能细节强化记忆，在脑海中形成牢固图示，为其今后进入相关职业岗位奠定坚实的技能基础。 二、分类介绍： VNUM数控机床调试维修教学软件（Virtual Numeral Unit of Maintain）分为服务端与客户端。服务端主要作用是用于该软件的管理和通信。客户端主要应用于专业实训，分六大功能模块，如下图：
本科毕业设计（论文）通过答辩 目录 绪论 (4) 第一章：总体方案设计 (4) 1.1 设计任务 (4) 1.2 总体方案确定 (6) 第二章：机械系统设计 (6) 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (7) 2.2滚动导轨的参数确定 (8) 2.3 滚珠丝杠的设计计算 (11) 2.4 电机的选用 (14) 2.5 伺服电机惯性负载的计算 (15) 2.6 轴承的选用 (15) 2.7 轴承的类型 (15) 2.8 轴承调隙、配合及润滑 (15) 2.9 滚动轴承的密封装置 (16) 2.10 本章小结 (16) 第三章控制系统硬件设计 (16) 3.1 CPU板 (16) 3.2 驱动系统 (19) 3.3 传感器及软硬件设计 (20) 第四章控制系统软件设计 (25) 4.1 总体方案 (25) 4.2 主流程图 (25) 4.3 INT0中断服务流程图 (26) 4.4 INT1中断服务流程图 (27) 第五章参考文献 (20)
任务书 班级：学号：姓名： 题目：双坐标数控工作台设计（200×200） 时间：2009年11月6日至2009年12月25日共6周 要求：设计一台双坐标数控工作台并开发其控制、驱动系统，工作台行程200×200mm，台面尺寸160×320，俩坐标分辨率分别为δ=0.001mm/step,承受最大轴向载荷Fxmax=600N，Fymax=850N，最大移动速度Vxmax=Vmax=1m/min。（要求采用滚珠丝杠和滚动导轨，必要时增加减速机） 具体任务： 1、确定总体方案，绘制系统组成框图1张（A2）； 2、进行必要的匹配计算，选择适当的元器件； 3、机械部分装配图1张（A0）； 4、数控系统控制电路设计，绘制电气原理图1张（A1或A0）； 5、编写设计说明书1份（不少于8000字）。 班级： 学生： 指导教师：
目录 一、前言 (3) 二、总体方案的确定 (5) 1、设计参数 (5) 2、初选步进电动机和丝杠 (5) 3、选定工作台尺寸 (6) 4、系统组成框图 (7) 三、机械部分的设计 (8) 1、传动系统等效转动惯量的计算 (8) 2、工作载荷分析与计算 (8) 3、进给工作台工作载荷计算 (9) 4、滚珠丝杠螺母副的选型与校核 (9) 5、导轨的选型和计算 (13) 6、驱动电动机的选用 (13) 四、数控系统的设计 (17) 1、硬件设计 (17) 2、步进电动机开环伺服原理 (18) 3、步进电动机的控制框图 (19) 4、软件程序设计 (20) 五、心得体会 (23) 六、参考书目 (23)
课程设计III 任务书 要求：该工作台可安装在钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。设计参数如下：Y方向的脉冲当量为：0.005㎜/STEP；最大钻孔直径10㎜，铣刀直径的D=20; 齿数为4；加工材料为碳钢； 工作台行程范围是：500㎜X450㎜,；最大快速移动速度为：3M/MIN, 具体任务： 1、确定总方案，绘制系统组成图一张（A3） 2、机械部分设计计算，选择适当的元器件； 3、画出X-Y工作台外形图和Y向机械部分装配图一张(A0) 4、设计控制系统硬件电路,画出控制系统硬件电路图一张（A1） 5、编写设计说明书1分，（不少于8000）
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
自考毕业设计 数控十字工作台 1 一. 引言： 二. 设计任务 三. 总体方案确定 四、机械部分设计 1、导轨副的选择 （1）、额定寿命计算 （2）、滚动导轨预紧方式的确定： 2、丝杠螺母副的选用 （1）、计算进给引力m F （2）、计算最大动负载C 及主要尺寸初选 3、滚珠丝杠螺母副的选型： （1）、传动效率计算 （2）、刚度验算 （I ）、丝杠的拉伸或压缩变形量1δ （II ）、滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ （III ）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3δ （VI ）滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不做稳定性校核 4、确定齿轮传动比 5、步进电机的选用 （1）、步进电机力矩计算： （I ）空载启动转矩M 起 (II) 快速移动时间所需力矩M 快 (III) 最大切削负载时所需力矩M 切 五、心得体会 六、[参考书目]
自考毕业设计数控十字工作台一.引言： 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。 二.设计任务 设计一个数控X-Y工作台。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.02mm。 设计主要技术要求如下：台面尺寸长×宽＝400mm×250mm；工作台行程为：X=300mm，Y=150mm；脉冲当量：X 、Y都是0.01 mm；X /Y最高工作进给速度为300 mm /min；X /Y 最高空载进给速度为700 mm /min；X/Y/Z向切削负载为：2000/2000/1000N（力不用计算）；工件最大重量（包括夹头）为：150KG；工作寿命为每天8小时，连续工作5年，250天/年。进给机械系统均采用滚动（珠）丝杠副和滚动（珠）导轨副；所设计的工作台应结构合理、设计参数与上述要求符合；设计装配图应表达正确，完整，技术标注规范、全面； 三. 总体方案确定 X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统中不设置传感与检测设备;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴端设置传感与检测设备;闭环的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动,但检测与传感设备设置在工作台末端。本文所设计的X - Y 工作台开环伺服系统,通过控制器控制步进电机的驱动,经传动机构带动工作台运动,其总体框图如下: 带动工作台运动,其总体框图如下: 2
1 、设计任务 (2) 2、总体方案的确定 (2) 2.1 机械传动部件的选择 (2) 2.2 控制系统的设计 (3) 2.3 绘制系统组成框图 (3) 2.4 绘制机械传动系统简图 (3) 3、机械传动部件的计算与选型 (4) 3.1 脉冲当量的确定 (4) 3.2 导轨上移动部件的重量估算 (4) 3.3 传动部件、导向部件的设计、计算和选用 (4) 3.3.1 铣削力的计算 (4) 3.3.2 直线滚动导轨副的计算与选型 (4) 3.3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (5) 3.4 步进电动机减速箱的选用 (7) 3.5 步进电动机的计算与选型 (7) 3.5.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J eq (7) 3.5.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T (8) eq 3.5.3 步进电动机最大静转矩的选定 (10) 3.5.4 步进电动机的性能校核 (10) 4、控制系统硬件设计 (11) 4.1 根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能： (11) 4.2 数控系统的组成 (11) 4.3 CPU 的选择 (11) 4.4 驱动系统 (12) 4.4.1 步进电机驱动电路和工作原理 (12) 4.4.2 步进电机驱动电源选用 (13) 4.5 其它辅助电路设计 (14) 5、控制系统的软件设计 (15) 5.1 接口程序初始化 (15) 5.2 步进电机驱动程序 (15) 5.2.1 电机的控制电路原理及控制字 (15) 5.2.2 电机正反转及转速控制程序 (15) 5.3 圆弧插补程序的设计 (17) 5.3.1 逐点比较法 (17) 5.3.2 程序设计 (17) 参考文献 (20)
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 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
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II 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
Since the 21st century, the human economy has developed high speed, the people live have had the change which changes with each new day, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generation's CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops. key words: Cross table Ball screw Rolling guide Stepper motor
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 ②PLC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。 系统总体方案结构框图
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 '===
毕业设计 数控十字工作台 1 一. 引言： 二. 设计任务 三. 总体方案确定 四、机械部分设计 1、导轨副的选择 （1）、额定寿命计算 （2）、滚动导轨预紧方式的确定： 2、丝杠螺母副的选用 （1）、计算进给引力m F （2）、计算最大动负载C 及主要尺寸初选 3、滚珠丝杠螺母副的选型： （1）、传动效率计算 （2）、刚度验算 （I ）、丝杠的拉伸或压缩变形量1δ （II ）、滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ （III ）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3δ （VI ）滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不做稳定性校核 4、确定齿轮传动比 5、步进电机的选用 （1）、步进电机力矩计算： （I ）空载启动转矩M 起 (II) 快速移动时间所需力矩M 快 (III) 最大切削负载时所需力矩M 切 五、心得体会 六、[参考书目]
毕业设计数控十字工作台 一.引言： 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。 二.设计任务 设计一个数控X-Y工作台。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.02mm。 设计主要技术要求如下：台面尺寸长×宽＝400mm×250mm；工作台行程为：X=300mm，Y=150mm；脉冲当量：X 、Y都是0.01 mm；X /Y最高工作进给速度为300 mm /min；X /Y 最高空载进给速度为700 mm /min；X/Y/Z向切削负载为：2000/2000/1000N（力不用计算）；工件最大重量（包括夹头）为：150KG；工作寿命为每天8小时，连续工作5年，250天/年。进给机械系统均采用滚动（珠）丝杠副和滚动（珠）导轨副；所设计的工作台应结构合理、设计参数与上述要求符合；设计装配图应表达正确，完整，技术标注规范、全面； 三. 总体方案确定 X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统中不设置传感与检测设备;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴端设置传感与检测设备;闭环的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动,但检测与传感设备设置在工作台末端。本文所设计的X - Y 工作台开环伺服系统,通过控制器控制步进电机的驱动,经传动机构带动工作台运动,其总体框图如下: 2
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。