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GXY系列 XY平台实验指导书Version 2.22008.05版权声明固高科技（深圳）有限公司保留所有版权固高科技有限公司（以下简称固高科技）具有本产品及其软件的专利权、版权和其它知识产权。
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安全注意事项XY平台主要用于教学和科研。
在安装，使用和维护之前，请仔细阅读XY平台使用手册的相关文档。
并将XY平台使用手册备在身边，以备需要时随时查阅。
使用注意事项使用（安装、运转、保养、检修）前，请务必熟悉并全部掌握本手册和其它相关资料，在熟知全部机器知识、安全知识、以及注意事项后再使用设备。
本手册将安全注意事项分为“危险”“注意”“强制”“禁止”分别记载。
表 1-1警告标志不正确的操作将会导致重大人身事故。
不正确的操作会导致设备损坏。
必须要做的操作。
被禁止的操作。
另外，即使“注意”所记载的内容，也可能因为不同的情况产生严重后果，因此任何一条注意事项都很重要，在设备使用过程中请严格遵守。
虽然不符合“危险”“注意”的内容，但是用户在使用过程中必须严格遵守的事项，在相关地方以记载。
前言XY平台是许多数控加工设备和电子加工设备（如：数控车床的纵横向进刀装置、数控铣床和数控钻床的XY工作台、激光加工设备工作台，表面贴装设备等）的基本部件，也是进行相关科学研究和设备开发的理想模型。
本实验系统选用的XY平台采用了模块化设计思想和工业化制造标准，具有现实工业意义和广泛的应用背景。
本实验指导书以运动控制技术为主要实验内容，以XY运动平台为实验对象。
适用于机械制造及自动化、机电工程、运动控制技术、数控技术等相关专业的实验教学。
实际使用时，用户可根据不同课程的教学实验需要选择相关内容。
目录版权声明 (II)声明 (II)安全注意事项 (III)使用注意事项 (III)前言 (IV)第1章概述 (1)1.1 运动控制技术基础 (1)1.1.1 运动控制系统简介 (1)1.1.2 运动控制器 (2)1.1.3 运动控制器与伺服系统的匹配 (2)1.1.4 运动控制系统典型应用 (3)1.2 XY平台系统组成 (4)第2章电机与驱动（执行）装置实验 (5)2.1 实验目的 (5)2.2 知识回顾 (5)2.3 实验设备 (6)2.4 实验步骤 (6)2.5 实验总结 (8)第3章直流伺服电机速度环阶跃法辨识实验 (10)3.1 实验目的 (10)3.2 基础知识 (10)3.2.1 直流伺服电机概述 (10)3.2.2 直流伺服电机模型 (10)3.2.3 一阶系统的阶跃辨识（飞升法）原理 (12)3.3 实验设备 (13)3.4 实验步骤 (13)3.5 实验要求及总结 (14)第4章直流伺服电机位置环PID调整实验 (15)4.1 实验目的 (15)4.2 实验原理 (15)4.2.1 数字式PID控制器 (15)4.3 实验设备 (16)4.4 实验步骤 (16)4.5 实验总结 (17)第5章运动控制器的调整－PID控制器的基本控制作用 (18)5.1 实验目的 (18)5.2 基础知识 (18)5.3 实验设备 (18)5.4 实验步骤 (19)5.5 实验总结 (22)第6章单轴电机运动控制实验 (23)6.1 实验目的 (23)6.2 基础知识 (23)6.2.1 加减速控制 (23)6.2.2 电子齿轮 (24)6.3 实验设备 (25)6.4 实验步骤 (25)6.4.1 T曲线、S曲线运动模式实验 (25)6.4.2 单轴速度控制模式运行实验 (27)6.4.3 电子齿轮模式运行实验 (28)6.5 实验总结 (30)第7章二维插补原理及实现实验 (31)7.1 实验目的 (31)7.2 实验原理 (31)7.2.1 逐点比较法直线插补 (31)7.2.2 逐点比较法圆弧插补 (32)7.2.3 数字积分法直线插补 (34)7.2.4 数字积分法圆弧插补 (35)7.2.5 数据采样法插补 (37)7.2.6 合成速度与加速度 (39)7.3 实验设备 (40)7.4 实验内容 (40)7.4.1 二维直线插补实验 (40)7.4.2 圆弧插补（圆心/角度型）实验 (42)7.4.3 圆弧插补（终点/半径型）实验 (42)7.4.4 逐点比较法直线插补实验 (43)7.4.5 逐点比较法圆弧插补实验 (44)7.4.6 数字积分法直线插补实验 (45)7.4.7 数字积分法圆弧插补实验 (45)7.4.8 数据采样法直线插补实验 (46)7.4.9 数据采样法圆弧插补实验 (47)7.4.10 插补算法的高级语言编程实验 (47)7.5 实验总结与思考 (48)第8章丝杠反向间隙实验 (49)8.1 实验目的 (49)8.2 实验原理 (49)8.2.1 光栅尺与旋转编码器 (49)8.2.2 反向间隙测试原理 (49)8.3 实验设备 (50)8.4 实验步骤 (50)8.5 实验总结 (51)第9章数控代码编程实验 (52)9.1 实验目的 (52)9.2 基础知识 (52)9.3 实验设备 (54)9.4 实验步骤 (54)9.4.1 数控代码运行认识实验 (54)9.4.2 编写数控代码（G00/G01/G02/G03/G04指令）实验 (55)9.4.3 G17/G18/G19指令编程实验 (58)9.4.4 G90/G91/G92指令编程实验 (61)9.5 实验报告及总结 (63)第1章 概述1.1运动控制技术基础1.1.1运动控制系统简介运动控制起源于早期的伺服控制，简单地说，运动控制就是对机械运动部件的位置、速度等进行实时的控制管理，使其按照预期的轨迹和规定的运动参数（如速度、加速度参数等）完成相应的动作。
毕业设计（论文）题目: XY轴双向移动工作平台学院机电工程与自动化学院专业(层次) 机械工程及自动化（专升本、本）年级班级学生姓名学号指导教师目录目录 (I)摘要......................................................................................................................................................... I I ABSTRACT .. (III)绪论 (IV)第一章(第一层次) ................................................................................................. 错误！未定义书签。
第二章(第一层次) ................................................................................................. 错误！未定义书签。
第三章(第一层次) ................................................................................................. 错误！未定义书签。
致谢.. (7)参考文献 (8)附录：.................................................................................................................... 错误！未定义书签。
XY轴双向移动工作平台摘要本次设计从研究移动工作平台着手，借鉴实际生产经验，设计了适合一种XY轴双向移动的工作平台。
数控xy工作台课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解数控xy工作台的基本结构及其功能，掌握相关术语和概念。
2. 学生能描述数控xy工作台的运动原理和控制系统的工作方式。
3. 学生能解释数控编程中的基本指令，并运用这些指令进行简单图形的编程。
技能目标：1. 学生能够操作数控xy工作台，进行基本的定位和移动。
2. 学生能够运用数控编程软件，编写简单的数控加工程序。
3. 学生能够根据设计要求，制定简单的数控加工工艺。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对数控技术的兴趣，激发其探索精神和创新意识。
2. 培养学生团队合作意识，提高沟通协调能力。
3. 增强学生的安全意识，使其养成良好的操作习惯。
课程性质：本课程为实践性较强的课程，旨在通过理论教学与实践操作相结合，帮助学生掌握数控xy工作台的基本知识和操作技能。
学生特点：学生具备一定的机械基础知识，但对数控技术了解有限，动手能力有待提高。
教学要求：结合学生特点，注重理论与实践相结合，强调实践操作，培养学生的实际操作能力和解决问题的能力。
通过分解课程目标为具体的学习成果，使学生在学习过程中能够明确任务，有针对性地提高自身能力。
二、教学内容1. 数控xy工作台结构原理- 介绍数控xy工作台的基本组成，包括硬件和软件部分。
- 深入解析工作台的运动结构，如导轨、丝杠、电机等。
- 指导学生了解并区分不同类型的数控系统。
2. 数控编程基础- 概述数控编程的基本概念，如程序段、指令、坐标系等。
- 教授常用编程指令，如G代码、M代码及其功能。
- 结合实例，指导学生进行简单图形的编程。
3. 数控加工工艺- 介绍数控加工工艺的基本原则和流程。
- 分析不同材料、刀具对加工工艺的影响。
- 指导学生根据设计要求制定加工工艺。
4. 数控xy工作台操作- 详解数控xy工作台的操作步骤和安全注意事项。
- 演示基本操作，如手动、自动运行，程序输入等。
- 安排学生进行实操练习，提高操作熟练度。
x-y平台总结报告姓名:学号:日期:x-y平台总结报告1.设计任务1)任务：设计一种X-Y运动平台设计参数如下：Y向平台；运动范围：160—200mm运动速度:50-60mm/min平台尺寸:220—350mmX向平台；运动范围：100—150mm运动速度:20-30mm/min平台尺寸:200—300mm设计要求：平台设计丝杆设计电机选择轴承选择2.设计内容1)上平台长取300mm,宽取200mm.下平台长取320mm,宽取220mm.2)上平台运动范围为100mm,下平台运动范围200mm.3)上平台丝杆长度取440mm,下平台丝杆长度取660mm.4)上丝杆运动速度取20mm/min,下丝杆运动速度取50mm/min.5)平台厚度均取20mm.2.设计参数1)X方向上的电机速度为:n1=20/5=4r/min;y方向上的速度为n2=50/5=10r/min.2)每分钟x方向上电机所转的角度为a=4×360°=1440°;每分钟y方向上电机所转的角度为b=10×360°=3600°.3)脉冲数:x方向上为c=a÷0.72=2000次/min;y方向上为d=b÷0.72=5000次/min.4)以上符合脉冲控制器所控制的范围.3.电机的选择根据以上参数可选用的步进电机型号为75BC5100 24V: 步角为0.36-0.72度,保持转矩1.5N.mm，相数5,选用的滚珠丝杆类型为JWB005:外径为16mm,底径为13.5mm,导程为5mm.工作框图如下：4.工作原理X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装置。
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。
二维插补原理及实现实验实验报告1.实验目的掌握逐点比较法、数字积分法、数据采样法等常见直线插补、圆弧插补原理和实现方法；通过利用运动控制器的基本控制指令实现直线插补和圆弧插补，掌握基本数控插补算法的软件实现原理。
2.实验原理直线插补和圆弧插补的计算原理。
数控系统加工的零件轮廓或运动轨迹一般由直线、圆弧组成，对于一些非圆曲线轮廓则用直线或圆弧去逼近。
插补计算就是数控系统根据输入的基本数据，通过计算，将工件的轮廓或运动轨迹描述出来，边计算边根据计算结果向各坐标发出进给指令。
数控系统常用的插补计算方法有：逐点比较法，数字积分法，时间分割法，样条插补法等。
3.实验内容在进行以下实验时，应注意XY 平台行程范围。
实验前，先将X 轴、Y 轴回零或手动调整至合适位置，以避免运动中触发限位信号。
XY 平台X 轴、Y轴回零操作以及位置手动调整的具体方法请参阅运动控制平台软件使用说明书。
当采用步进平台进行下列实验时，应注意合成加速度和速度值不宜设置过大，否则有可能由于步进电机启动频率过高，导致失步。
3.1直线插补1. 检查实验平台是否正常，打开电控箱面板上的电源开关，使系统上电；2.双击桌面“MotorControlBench.exe”图标，打开运动控制平台实验软件，点击界面下方按钮，进入如下图所示二维插补实验界面；3. 输入合成速度和合成加速度；参考设置合成速度＝1m/min，合成加速度＝15m/min2。
4. 在“插补方式”的下拉列表中选择“XY 平面直线插补”，输入X 终点和Y 终点的值；参考示例如下图所示,设置终点（X）＝30mm，终点(Y)＝40mm；5. 点击使伺服上电；6. 将平台 X 轴和Y 轴回零；回零方法如下：点击“X 轴回零”按钮,X 轴将开始回零动作,待X 轴回零完成,点击“Y 轴回零”按钮,使Y 轴回零。
7. 在 XY 平台的工作台面上,固定实验用绘图纸张,点击“笔架落下”按钮, 使笔架上的绘图笔尖下降至纸面；8. 确认参数设置无误且 XY 平台各轴回零后，点击“运行”按钮；9. 观察 XY 平台上对应电机的运动过程及界面中图形显示区域实时显示的插补运动轨迹。
摘要本文主要对X-Y数控工作台机电系统及控制系统进行设计。
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、工作平台、滚珠丝杠螺母副,以及伺服电动机等部件构成。
其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的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已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。
控制系统根据需要选用设计专用的微机控制系统。
关键字：X-Y数控工作台，滚珠丝杠螺母副，伺服电动机，微机控制系统。
目录1设计任务 (3)2总体方案的确定 (3)2．1机械传动部件的选择 (3)2．1．1导轨副的选用 (3)2．1．2丝杠螺母副的选用 (4)2．1．3减速装置的选用 (4)2．1．4伺服电动机的选用 (4)2．1．5检测装置的选用 (4)2．2控制系统的设计 (5)3机械传动部件的计算与选型 (6)3．1导轨上移动部件的重量估算 (6)3．2铣削力的计算 (6)3．3直线滑动导轨副的计算 (7)3．4滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (8)3．4．1最大工作载荷Fm的计算 (8)F的计算 (8)3．4．2最大动工作载荷Q3．4．3初选型号 (9)3．4．4传动效率η的计算 (9)3．4．5刚度的验算 (9)3．4．6压杆稳定性校核 (10)3. 5步进电动机减速箱的选用 (11)3．6步进电动机的计算与选型 (11)J............ 错误！未定义书签。
3．6．1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eqT........ 错误！未定义书签。
3．6．2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eq分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算： (12)3．6．3步进电动机最大静转矩的选定 (15)3．6．4步进电动机的性能校核 (16)3．7增量式旋转编码器的选用 (18)4步进电动机的驱动电源选用 (18)5控制系统硬件电路设计 (19)6控制系统的部分软件设计 (20)6．1输入输出分配 (20)6.2人机界面设计 (20)6.3控制程序设计 (21)参考文献 (21)附录 (23)1设计任务题目：X-Y 数控工作台机电系统设计任务：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25d mm =。
2）立铣刀齿数2Z =。
3）最大铣削宽度20e mm α=。
4）最大背吃刀量5p mm α=。
5）X 、Y 方向的脉冲当量0.005/x y mm δδ==脉冲。
6）X 、Y 方向的定位精度均为0.02mm ±。
7）工作台面尺寸为450450mm mm ⨯，加工范围300300mm mm ⨯。
8）工作台最快移动速度1800/min x y v v mm ==。
9）工作台进给移动速度400/min x y v v mm ==。
导轨组合：滚动——滚动支承方式：双推——简支2总体方案的确定2．1机械传动部件的选择2．1．1导轨副的选用要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滑动导轨副，它具有刚度高、制造简单、传动效率高、结构简单、安装预紧方便等优点。
2．1．2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0.005mm的脉冲当量和0.02mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，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。
2．1．3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。
为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。
2．1．4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1800mm/min。
因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。
2．1．5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的，为了确保电动机在运动过程中选用直线滑动导轨副选用滚珠丝杠副采用无间隙齿轮传动减速箱选用步进电动机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。
2．2控制系统的设计1）设计的X-Y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，所以控制系统设计成连续控制型。
2）对于步进电动机的半闭环控制，选用三菱FX3U系列的FX3U-48MT/ESS，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，在选择控制器之后，还要扩展输入输出设备4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
选用增量式旋转编码器控制系统设计成连续控制型三菱FX3U系列的FX3U-48MT/ESS计算CF计算fF eF fnF计算z F xF yF3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、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滑动导轨副、导轨座等,估计重量约1800N 。
3．2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 1.00.13c e z p 118a fd a n Z F -= 今选择铣刀的直径为d=15mm ，齿数Z=2,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20e mm α=，背吃刀量5p mm α=，每齿进给量zf 0.1mm =，铣刀转速n 300r/min =。
则由上式求的最大铣削力：0.850.750.73 1.00.13118200.12553003804C F N N-=⨯⨯⨯⨯⨯⨯≈ 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a ，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：1.1 1.1804884f c F F N ==⨯≈0.380.38804306e c F F N ==⨯≈ 0.250.25804201fn c F F N ==⨯≈图3-4a 为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到重量约为1800N804c F N ≈884f F N≈306e F N ≈ 201fn F N ≈306z F N =计算max F计算滚珠丝杠副的最大工作垂直方向的铣削力306z eF F N==，受到水平方向的铣削力分别为fF和fnF。
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884x fF F N==,径向铣削力为201y fnF F N==。
3．3直线滑动导轨副的计算工作载荷是影响直线滑动导轨副使用寿命的重要因素。
本设计中的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：maxGF F4=+ (3-1)其中，移动部件重量Ｇ＝1800N，外加载荷306zF F N==，代入式（3-1），得最大工作载荷maxF=756N=0.756kN。
查表3-41，根据工作载荷max0.756F KN=，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Ca=7.94KN，额定静载荷C0a=9.5KN。
任务书规定工作台面尺寸为450450mm mm⨯，加工范围300300mm mm⨯，考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为820mm。
上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100℃，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。
查表3-36~3-40，分别取硬度系数H f=1.0，温度系数884xF N=201yF N=max931F N=选取导轨的长度为820mm载荷m F计算最大动载荷Q FT f =1.00，接触系数c f =0.81，精度系数Rf =0.9， 载荷系数w f =1.5，代入式（3-33）得距离寿命：22176L ≈ km远大于期望值50km ，故距离额定寿命满足要求。
3．4滚珠丝杠螺母副的计算与选型3．4．1最大工作载荷Fm 的计算如前面所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）884x F N =,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）201y F N =，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）306z F N =。
已知移动部件总重量G=1800N ，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滑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 z y F KF F F G μ=+++1.18840.005(3062011800)=⨯+⨯++984N ≈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=400mm/min ，初选丝杠导程h P =5mm,则此时丝杠转速n=v/h P =80r/min 。
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h,代入66010/150********/60⨯⨯==nT L ,得丝杠寿命系数L 0=81（单位为：106r ）。
984m F N ≈计算传动效率η计算拉/压变形量1δ计算滚珠与螺查表3-30，取载荷系数2.1=wf,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数0.1=Hf,代入下式，求得最大动载荷：1.2 1.09845109Q w H mF f F N==⨯⨯=3．4．3初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GD系列2505-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母式，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QF，满足要求。
