数控X_Y工作台和控制系统设计方案

数控X-Y工作台及其控制系统设计方案

第二章课程设计的容和要求

2.1 课程设计的容

任务是：设计一个数控X-Y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。具体参数如下：

设计容包括：

2.1.1数控装置总体方案的确定

确定系统组成方案（组成框图、功能、机械传动系统简图、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。

2.1.2机械部分的设计

(1) 确定脉冲当量；

(2) 机械部件的总体尺寸及重量、转动惯量的初步估算；

(3) 传动元件及导向元件的设计，计算和选用；

(4) 伺服电机计算、选用；

(5) 绘制机械结构装配图；

2.1.3数控系统的设计

（1）确定数控系统装置方案（组成框图、功能、主要的设计参数，及方案分析、比较、说明）。

(2) 电气控制原理图设计（CPU、存储器、I/O接口电路及伺服驱动电路）

(3) 系统控制软件的结构设计（控制流程图）和部分功能控制软件设计（汇编程序及流程图）。

2.2 课程设计的要求

2.2.1图纸要求

（1）机械结构装配图，A0图纸一。要求视图基本完整、符合要求。其中至少有一个坐标轴的完整剖视图。

（2）数控系统框图（附在说明书上）。

（3）数控电器图，A1图纸一。

（4）软件框图（可附在说明书上）。

2.2.2编写设计说明书要求

说明书应当叙述整个设计的容，包括总体方案的确定、系统框图的分析、机械传动设计计算、电气部分的设计说明，选用元件及其具体参数的说明、软件设计及其说明等，说明书不少于8000字

第三章系统的总体方案确定

数控系统总体方案设计的容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。

3.1系统运动方式的确定

该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。

3.2伺服系统的选择

开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。

3.3计算机系统的选择

采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。

3.4 X—Y工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。

为了减少了零件的数目和中间环节的影响，精度高，效率高，电动机通过联轴器直接与滚珠丝杠相连。但此种连接对安装、加工的要求较高，选用挠性联轴器，如膜片联轴器，电动机的额定转矩较大，等效转动惯量亦大，对系统的稳定性和快速性将产生不利影响。

系统总体框图如下:

步进电机步进电机

X向工作台Y向工作台

微型机接

口

电

路

接

口

电

路

驱

动

电

路

驱

动

电

路

联轴器

联轴器

第四章机械部分的设计

4.1 直线滑动导轨副的选型

4.1.1估算重量

XY工作台如图所示，上位X方向导轨，下为Y方向导轨。

图 XY工作台

（1）尺寸参数（mm）

①坐标行程已知X方向行程为100mm，Y方向行程为80mm；

②工作台已知工作台尺寸长×宽=210×210，设计工作台厚度为15mm；

③估算X方向导轨（长，宽，高）=（X，Y，Z）=（400，210，50）

（2）X方向重力估算

X方向导轨在上方，需估算工件、工作台夹具、导轨副及电机的重量。已知台面

以上最大重量 m

1=30kg，工作台的质量m

2

估算时取钢的密度为ρ=7.8g/cm3=7.8

×10-6kg/mm3，则

kg

v

m.5

15

210

210

8.7=

?

?

?

=

=ρ

估计

电机总质量为 m

3=5kg；夹具质量为m

4

=1kg

则X 方向所受的总重力m x 为

kg

m m m m m x 41155304321=+++=+++=

则X 方向所受的总重力W x 为

N

g m W x x 4101041≈?==

（3）Y 方向重力估算

估算Y 方向导轨 （长，宽，高）=（X ，Y ，Z ）=（400，210，50） Y 方向导轨在下方，需估算工件、工作台、夹具、导轨副及电机的重量 X 方向导轨质量m 5

657.8104002105033m kg kg ρυ-==????≈

考虑导轨中间要开T 形槽，故实际质量估计需在计算质量上乘以40%，即

kg m m 13%4033%4056≈?=?=

则Y 方向所受的总重力m y 为

kg m m m m x y 594113563=++=++=

则Y 方向所受的总重力W y 为

N g m W y y 5901059=?==

4.1.2导轨选择及其摩擦系数

工作台采用滑动静压导轨，采用双矩形组合方式，并镶上聚四氟乙烯软带，可取动摩擦系数为0.15μ=。静摩擦系数00.03μ=。

4.2 切削力的计算

4.2.1最大铣削力的计算

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 =8mm ，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 118150.11583003N 1463N F -=??????≈

4.2.2进给工作台工作载荷计算

根据表2-1可得工作台纵向切削力F1,横向切削力F2,纵向切削力F3分别为：

10.40.41463585.2c F F N ==?= 20.950.9514631389.85c F F ==?= 30.550.551463804.65c F F N ==?=

4.2.3 导轨摩擦力的计算

（1）按式（2-8a ）计算在切削状态下的导轨摩擦力Fu 。此时导轨的动摩擦系数，查表2-3得镶条紧固力fg=1500N,则

F μ=μ(W+fg+F2+F3)

=0.15×(590+1500+1389.85+804.65)N=624.675N

(2)按式（2-9a ）计算在不切削状态下的 导轨摩擦力0F μ和导轨静摩擦力0F 。

0g (f )=0.15+F W μμ=+?（5901500）N=313.5N

00=F W μ=?0.03590N=18N

4.2.4计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力

（1）按式（2-10a ）计算最大轴向负载力a max F 。

max 1585.2624.6751209.9a F F F N μ=+=+=

（2）按式（2-11a ）计算最小轴向负载力min a F 。

min a F =0F μ313.5N =

4.3滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算

4.3.1确定滚珠丝杠的导程

初选丝杠导程04L mm =。

4.3.2计算滚珠丝杠螺母副的平均转速和平均载荷

（1）估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷。

将强力切削时的轴向载荷定位最大轴向载荷a max F ,快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷min a F 。一般切削（组加工）和精细切削（精加工）时，滚珠丝杠螺母副的轴向载荷2F 、3F 分别按下式计算：

2min max 20%a a F F F =+，3min max 5%a a F F F =+

并将结果填入下表：

数控铣床滚珠丝杠的计算

(2)计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速i n 。

1

10

300

75/min 4

n r L υ=

=

= 2

20

350

87.5/min 4

n r L υ=

=

= 3

30

400

100/min 4

n r L υ=

=

= 4

40

1000

250/min 4

n r L υ=

=

= （3）按式（2-17）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速m n 。

1

1100100

n m n q q n n n =

++L 110/min r ≈ （4）按式（2-18）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷m F 。

577.1m F N

=== 4.3.3确定滚珠丝杠预期的额定动载荷am C

（1） 按预定工作时间估算。查表2-28的载荷性质系数=1.3w f 。已知初步选择

的滚珠丝杠的等级为2级，查表2-29的精度系数1a f =，查表2-30得可靠性系数0.44c f =，则由式（2-19）

8681.6am C N ==

（2） 因为对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按式（2-21）估算最大轴向载

荷。查表2-31的欲加载荷系数 6.7c f =，则

max 8106.33am c a C f F N ==

（3） 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷am C 。

取以上两种结果的最大值，及8681.6am C N =

4.3.4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2m d

（1） 根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变

型。

已知工作台的定位精度为40um ，重复定位精度为20um ，根据是（2-23）、

（2-24）以及定位精度和重复定位精度的要求，得

max111

()20(6.6710)32

um m δμ=?=:

: max 211

()305

4

um m δμ=?=:

:（67.5） 取上述计算结果的较小值，即max 7um δ=。 （2） 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2m d

本机床工作台（X 轴）滚珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式。滚珠丝杠螺母副的两个固定 支承之间的距离为

++2++35L =?≈::行程安全行程余程支承长度（1.2 1.4）行程（25）L

取

01.225196L L mm =?+=行程

又018F N =，由式（2-26）得

227.7m d mm ≥= 4.3.5初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号

根据计算所得的0L 、am C 、2m d ，初步选择FF3204-5型滚珠丝杠螺母副，其公称直径0d 、基本导程0L 、额定动载荷a C 和丝杠底径2d 如下：

032d mm =，04L mm = 150008681.6a am C N C N =>=

2228.927m d mm d mm =>=

故满足式（2-27）要求。

4.3.6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 。查表3-34，取支承系数k f =1；

由丝杠底径d 2=28.9mm 求得截面惯性矩4

2/64I d π=≈332874mm ；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250s l mm =。代入式)/(22s k k Kl EI f F π=,求得F 358k m KN F =>> 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。

4.3.7由式（2-29）确定滚珠丝杠螺母副的预紧力p F

max 1

403.33

p a F F N ==

4.3.8按式（2-31）计算滚珠丝杠螺母副的预拉伸力t F

已知滚珠丝杠螺纹底径2d =28.9mm 滚珠丝杠的温升变化2o t C ?=,则

2221.81 1.81228.93023.5t F td N =?=??=

4.3.9确定滚珠丝杠支承用轴承的规格型号

（1） 按式（2-33）计算轴承所承受的最大轴向载荷max B F 。

max max 1

3628.42

B t a F F F N =+=

（2） 计算轴承的预紧力Bp F 。

max 1

1209.53

Bp B F F N ==

（3） 计算轴承的当量轴向载荷Bam F 。

1209.5577.11786.6Bam Bp m F F F N =+=+=

（4） 按式（2-15）计算轴承的基本额定动载荷C 。

已知轴承的工作转速174/min m n n r ==，轴承所承受的当量轴向载荷

max 3628.4B F N =，轴承的基本额定寿命20000L h =。轴承的径向载荷r F 和轴向载

荷a F 分别为：

cos 60893.3o r Bam F F N ==

sin 601547.2o a Bam F F N ==

因为

1.732

2.17a

r

F F =< 查表2-25得，径向系数X=1.9，轴向系数Y=0.54，故 1.9893.30.541547.22532.8r a P XF YF N =+=?+?=

12896C N =

= （5） 确定轴承的规格型号。

因为滚珠丝杠螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用060角接触球轴承组安装，以组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径2d 为28.9mm ，所以选择轴承的径d 为25mm ，以满足滚珠丝杠结构的需要。

在滚珠丝杠的两个固定端均选择国产60?角接触球轴承组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。轴承的型号为7205C ，尺寸（径*外径*宽度）为255215mm mm mm ??，

选用脂润滑。该轴承的预载荷能力'2500Bp F N =，大于计算所得的轴承预紧力

1212Bp F N =。并在脂润滑状态下的极限转速为2600/min r ，高于滚珠丝杠的最

高转速，故满足要求。改轴承的额定动载荷为22000a C N =，而改轴承在20000h 的工作寿命下的基本额定动载荷为12896C N =，也满足要求。

4.4 驱动电动机的选型与计算

4.4.1计算折算到电动机轴上的负载惯量

（1）计算滚珠丝杠的转动惯量r J 。

已知滚珠丝杠的密度337.810/kg cm ρ-=?，由式（2-63）得

43

41

1

342

0.7810

32

0.7810329=1.83n

n

r j

j

j

j

j j J D L D L

kg cm πρ

-==-=

=?=???∑∑g

(2)计算联轴器的转动惯量。

343422

00.78100.7810(3.5 2.2) 6.50.642J D L kg cm --=?=??-?=g

（3）计算折算到电机轴上的移动部件的转动惯量。

已知机床执行部件（即工作台，工件和夹具）的总质量59m kg =，电机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离0.24L cm =，则由式（2-65）得 22

220.24(

)590.08522 3.14

L L J m kg cm kg cm π==?=?g g （） （4）由式（2-66）计算加在电动机轴上总的负载转动惯量。

220()(1.830.6420.085) 2.557d r L J J J J kg cm kg cm =++=++=g g

4.4.2计算折算到电动机轴上的负载力矩

（1）计算切削负载力矩c T

已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力max 1209.9a a F F N ==，电动机转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 2.40.0024L mm m ==，进给传动系统的总效率

0.90η=，由式（2-54）得

1209.90.0024

0.51422 3.140.9

a c F L T N m N m πη?===??g g

（2）计算摩擦负载力矩T μ

已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即空载时的导轨摩擦力）

0313.5F N μ=，由式（2-55）得0313.50.0024

0.13322 3.140.9

F L T N m N m μμπη

?=

=

=??g g

（3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩f T

已知滚珠丝杠螺母副的预紧力403.3p F N =，滚珠丝杠螺母副的基本导程

040.004L mm m ==，滚珠丝杠螺母副的效率00.94η=，由式（2-56）得

0220403.30.004

(1)(10.94)0.033222 3.140.9

p f F L T N m N m ηπη

?=

-=

-=??g g

4.4.3折算到电动机轴上的各种所需的力矩

（1）计算线性加速力矩al T 。

已知机床的执行部件以最快速度运行时电动机的最高转速max 250/min n r =，电动机的转动惯量24.06.m J kg cm = ，坐标轴的负载惯量24.192.d J kg cm = ，进给伺服系统的位置环增益20s k Hz = ，加速时间3

0.15a s

t s k == ，由式（2-58）得

max

32()(1)

609802 3.14250

609800.15=1.03N.s a k t al m d a

n T J J e t m

π--=

+-???=

???（4.06+2.022）（1-2.7183）

（3） 计算阶跃加速力矩ap T 。 已知加速时间1

0.05a s

t s k =

=，由式（2-59）得 max

2()

609802 3.14250

609800.05=3.25N ap m d a

n T J J t m

π=

+???=

???g （4.06+2.022）

（3）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。 按式（2-61）计算线性加速时空载启动力矩q T

() 1.03(0.1330.0332) 1.196q al f T T T T N m μ=++=++=g

按式（2-61）计算阶跃加速时空载启动力矩'q T

'() 3.250.1330.0332 3.42q ap f T T T T N μ=++=++=

按式（2-57a ）计算快进力矩KJ T

0.1330.03320.1663KJ f T T T N m μ=+=+=g

按式（2-57b ）计算工进力矩GJ T

0.5140.03320.5472GJ c f T T T N m

=+=+=g

4.4.4选择驱动电机型号

（1）选择驱动电动机的型号

根据以上计算，选择驱动电机型号为90BYG3502主要技术参数如上图所示：额定功率 0.48kw 额定力矩5N.M,2.62N m g 转动惯量4.02kg cm g ，质量4.5kg 。

交流伺服电机的加速力矩一般为额定力矩的5-10倍，若按5倍计算，则该电机的加速力矩为2.62513.1N m ?=g ，均大于本机床工作台的线性加速时所需的空载启动力矩 1.197q T N m =g ，因此，不管采用何种加速方式，本电动机均满足加速力矩要求。

该电动机的额定力矩为2.62N m g ，均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩

0.1663KJ T N m =g 以及工进时所需的驱动力矩0.5472GJ T N m =g ，因此，不管是快

进还是工进，本电动机均满足驱动力矩要求。 （2）惯量匹配验算。

为了使机械传动系统的惯量达到较适合的的匹配，系统的负载惯量d J 与伺服电机的转动惯量m J 之比一般应满足式（2-67），即 0.251d

m

J J ≤

≤ 而在本例中，[]2.5570.630.25,14.06

d m J J ==∈，故满足惯量匹配要求。

第五章 电气部分设计 5.1步进电机电气总体设计方案

步进电动机的工作过程由微机控制，微机采用Intel 公司的MCS51系列8031单片机。8031单片机没有部ROM ，应用8031单片机必须利用20P P 和两个并行口扩充程序存储器和数据存储器。

单片机通过编程，由1.10.1P P 和口输出走步触发脉冲和方向电平，通过脉冲分配器的作用，可将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲，本设计中步进电机采用的是110BF003，分配方式为三相六拍，脉冲分配器采用专用芯片CH250。

经脉冲分配器转换成的三路电压分别经过功率放大器向步进电动机的三相绕组供电，步进电机就能一步一步的旋转起来。

5.2 单片机的扩展

5.2.1 程序存储器的扩展

本设计中采用的是开环控制，对程序存储器的容量要求不高，选用2764进行程序存储器的扩展。EPROM 是紫外线擦除的可编程只读存储器，掉电后不会丢失。并且价格低廉，性能可靠。

5.2.2 数据存储器的扩展

本设计中对数据存储器的扩展采用6264扩展芯片，

5.2.3 I/O口的扩展

对I/O口的扩展包括并行输出口的扩展和可编程多功能接口的扩展，并行输出口采用带三态门的8D锁存器74LS373。因为要接键盘、显示器等输出设备，所以要进行可编程多功能接口的扩展，采用8155可编程并行I/O口并行接口芯片能实现这一扩展功能。

5.3 脉冲分配器的电路设计

5.3.1脉冲分配器的选择

选用的步进电动机为，分配方式为三相六拍，采用CH250专用环形分配器。CH250可以实现三相步进电动机的各种环形分配，使用简单、接口方便。下图为CH250的接线图。

图中选用的电阻阻值为100K Ω，电容为1F μ,电压为12V 。由单片机发出的走步脉冲和方向控制脉冲分别接CH250ＣＬ、L 66J J 和r 接口，通过CH250的环分作用，分别通过A 、B 、C 三相与电动机的三相功率放大电路连接。当接通电源瞬间R6为1，对CH250复位。电容C 充电完毕R6变为0，脉冲分配器进入三相六拍正常工作状态。P=1时步进电机为正转，P=0时步进电机反转。

5.4 步进电机驱动电路设计

已知的90BYG3502步进电机；；电感4.45mH ；电阻1.6Ω；转子转动惯量24cm kg ?；驱动电压60V ；相电流3A ； HZ n f b

y 1000360

max ==

θ

5.4.1驱动回路的时间常数.

三相六拍工作方式的工作脉冲，每相工作两拍改变一次通电状态，为使每一拍都能正常工作，每拍脉冲宽度的2/3时间相电流上升至额定电流的60%，即