XY数控工作台机电系统设计
目录
前言................................................................. -2
第一章课程设计的目的、意义及要求..................................... -3第二章课程设计的内容................................................. -4第三章数控系统总体方案的确定........................................ -5
第四章机械部分设计................................................... -6 4」确定系统脉冲当量 ........................................... -6
4.2.导轨上移动部件的重量估算 ................................... -6
4.3铳削力的计算 ............................................... -6
4.4滚动导轨副的计算与选型...................................... -7
4.5滚珠丝杠螺母副的计算与选型.................................. -8
4.6步进电动机减速箱的选用..................................... -10
4.7步进电动机的计算与选型..................................... -11
4.8增量式旋转编码器的选用..................................... -15第五章工作台控制软件设计............................................ -15第六章步进电动机驱动电源的选用..................................... -18第七章结束语........................................................ -18参考文献............................................................ -19
前言
课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设讣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。
一种经济型数控机床的控制系统，包括机床伺服系统和对该伺服系统进行控制的PLC；其特征在于，还包括通过通信接口与PLC通信的触摸屏，所述触摸屏包括：数据输入模块，用于输入、修改被控参数的参数值和操作指令，读取触摸屏的操作界面；数据存储模块，用于存储输入、输出数据；数据处理计算模块，用于对输入、输出参数数据进行处理、计算；包括输入信号的编码运算；输出信号的解码运算；数据存储单元，用于存储移位单元传递来的数据；数据检测单元，用于实时检测坐标轴的当前运动状态参数值，包括距离、速度值，以及控制方式参数值；数据比较单元，用于将检测单元检测到的坐标轴当前运动状态参数值、控制方式参数值与触摸屏存储模块的设定值进行比较；
X-Y数控工作台机电系统设计釆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；III于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数LI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。山于旋转磁场对放入其中的通电导体既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。本题口是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用，本题目设计得到了老师的帮助和支持，最后在此表示感谢。本题U由共分六章，第一章课程设计的目的、意义及要求；第二章课程设计的内容，第三章课程设讣总体方案的确定；第四章主要涉及了机械系统设计；笫五章主要涉及工作台机械装配图的绘制；第六章主要涉及控制系统软件设计；最后是结束语和参考文献。因本人水平有限，错误和不足之处在所难免，敬请相关老师批评指正。
第一章课程设计的目的、意义及要求
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、数控铳床和数控钻床的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。因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。
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。其外观形式如图1所示。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，山专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的匸业控制计算机，也可以设讣专用的微机控制系统。
图1 X-Y数控工作台外形
《机电一体化》课程设汁是一个重要的时间性教学环节，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，主要L1的与要求：
1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知
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，掌握儿种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计
计算及选用的方式
3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制
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、锻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
第二章课程设计的内容
设计任务
题目：X-Y数控工作台机电系统设计
任务：设计一种供立式数控铳床使用的X-Y数控工作台, 主要参数如下：
（1）立铳刀最大直径d二15 mm：
（2）立铳刀齿数方3；
（3）最大铳削宽度比=15 mm：
（4）最大铳削深度色二8 mm：
（5）加工材料为碳素钢或有色金属；
（6）X、Y方向的脉冲当量S x = =0. 005mm/脉冲；（7）X、Y方向的定位精度均为±0.01 mm：
（8）工作台面尺寸为230 mmX230 mm,
加工范围为250 mmX250 mm；
（9）工作台空载最快移动速度丿“二二4000 mm/min；
（10）工作台进给最快移动速度v^-v.^ =350 mm/mino
第三章数控系统总体方案的确定
总体方案的确定
1.机械传动部件的选择
（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铳床，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（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3000mm/min因此，本设讣不必釆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。
（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转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率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釆用相同的型号与规格。
2.控制系统的设计
（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铳床上，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）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AT89C52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、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、吊行接口电路等。（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
第四章机械部分设计
4.1确定系统脉冲当量
任务书中所给定的脉冲当量是0. 005 mm/脉冲
4.2.导轨上移动部件的重■估算
按照下导轨之上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、直线滚动导轨副、导轨座等，佔计重量约为
800No
4.3铳削力的计算
设零件的加工方式为立式铳削，采用硬质合金立铳刀，工件的材料为碳钢。
(6-12)
其中，移动部件重量G=800N,外加载荷斥疋二556N,代入（6-12）式得最大工作载荷尺二756N二0. 756kNo
查表3-41,根据工作载荷A二0.756kN,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C=7. 94 kN,额定静载荷C z=9. 5 kN。
任务书规定工作台面尺寸为300mmX300mm,加工范用为330mmX330mm,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520mm。
（2）、距离额定寿命的计算
上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60,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。查表3-36?表3-40,分别取硬度系数鸟二1.0,温度系数E二1.00,接触系数阮二0.81,精度系数人二0.9,载荷系数迟二1.5, 代入式（3-33）,得距离寿命:
r 、3
L= Zh7t/c/r x5O ?6649 km
远大于期望值50km,故距分额定寿爲满足要求。
4.5滚珠丝杠螺母副的计算与选型
（1）最大工作载荷斤的计算承受最大铳削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）&1609N,受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）E=366N, 受到垂向的载荷（与工作台面垂直）人二556N。
已知移动部件总重量C800X,按矩形导轨进行计算，查表3-29,取颠覆力矩影响系数A=l.l,滚动导轨上的摩擦因数"二0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷
忙二心+ 〃（恵+E+Q 二［1.1X1609+0. 005X（556+366+800）1779 X
（2）最大动载荷尺的计算
设工作台在承受最大铳削力时的最快进给速度v=400mm/min,初选丝杠导程代二5mm,则此时丝杠转速^=v/P,= 80r/mino
取滚珠丝杠的使用寿命7^15000 h,代入Z^60n7Z106,得丝杠寿命系数￡尸72
（单位为：106 r）o
查表3-30,取载荷系数塔二1?2,滚道硬度为HRC60时，取硬度系数无二1?0,
（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,选择济宇博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2506-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，