数控工作台课程设计

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

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，且应有消除间隙机构。为此，系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

④伺服电动机的选择

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。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。

⑤检测装置的选择

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，并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，以及检测装置拟采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AT89S51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，还需要扩展程序存贮器、数据存贮器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。

④选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用，我们将自行设计。

二、机械系统设计

2.1、导轨上移动部件的重量估算

重量：按重量=体积×材料比重估算 （45钢密度7.85g/立方厘米） 工作台面尺寸：185mm ×195mm ×27mm 重量：76N 。

上导轨座（连电机）重量：600N 夹具及工件重量：235N

X-Y 工作台运动部分的总重量G ：900N 2.2、铣削力的计算

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。查表得立铣刀的铣削力计算公式为：

0.850.750.73 1.00.13

118e e z p F a f d a n Z -=

其中，每齿进给量0.1z f mm =，铣刀转速300/min n r =，可直接带入计算得1893N 。

系统总体方案结构框图

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可查表得出，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： 1.1f c F F ==2082.3N ；

0.38e c F F ==719.34N ；0.25fn c F F ==473.25N 。

现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力z

e F F =，受到水平方向的铣

削力分别为纵向铣削力x f F F =（丝杠轴线方向），径向铣削力y fn F F =

2.3、直线滚动导轨的参数确定

⑴、滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取

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max

4

G

F F =+=944.3N 。 其中，移动部件重量为

G ，外加载荷z F

F =

根据计算出的工作载荷，初选符合要求的直线滚动导轨副的型号。 根据任务规定工作台面尺寸，加工范围及工作台整体尺寸的要求，选择导轨的长度为

2.4、滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。

⑴、最大工作载荷m F 的计算

在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）为x F ，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）为y F ，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）为z F 。

已知移动部件的总重量G ，按矩形导轨进行计算，查表，取倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数0.005μ=。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为：

()m x z y F KF F F G μ=+++=1.1×2082.3×(719.34+473.3+900)=2301.0N

⑵、最大动载荷Q F 的计算

工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度1000/min v mm =，初选丝杠导程

5h P mm =，则此时丝杠转速/h n v P ==200r/min

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h ，代入6060/10L nT =，得丝杠寿命系数0L 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Q W H m F f F =，求得最大动载荷Q F =15590.3N 。

⑵、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，选择亿诚部件有限公司生产的G 系列2505-4型，其额定动载荷为，大于Q F ，满足要求。

表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数

⑶、传动效率计算 tg γ/tg(γ+?)=0.956

式中：?——摩擦角；γ——丝杠螺纹升角。

2.5、步进电机的选用 ⑴、步进电机的步距角α

根据系统脉冲当量0.005/p mm δ=脉冲，滚珠丝杠的导程5h P mm =，初选步进电机步距角0.75α=o

×2=1.5。

⑵、步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩1eq T 的计算

1max eq a f T T T =+=4.255N

其中max a T 是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；

f T 是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。

max 21

60eq m a a

J n T t πη

=

?

=3.875N

()2

2

101232180p eq Z J J J J J M Z δπα?? ???=++++ ? ??? ?

??

=41.3×10-3cm 2

式中：eq J ——折算到电机轴上的惯性负载（kg.cm 2

）； 0J ——步进电机转轴的转动惯量（kg.cm 2

）；1J ——齿轮1的转动惯量（kg.cm 2

）；2J ——齿轮2的转动惯量（kg.cm 2

）；3J ——滚珠丝杠的转动惯量（kg.cm 2

）；M ——移动部件质量（kg ）。

对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算

J=0.78×10-3D 4

式中：D ——圆柱零件直径（cm ）；L ——零件长度（cm ）。 所以

()343210.7810 1.70.5 3.2610J kg cm --=???=?g ()343220.7810 2.80.523.910J kg cm --=???=?g ()343230.781015 3.910J kg cm --=???=?g 电机轴转动惯量很小，可以忽略。

max 360m p

v n α

δ=

=2500

设步进电机由静止到加速至m n 所需时间为0.4a t s =，传动链总效率为0.7η=

()2z h

f F G P T i

μπη+=

=0.38N

步进电机最大工作负载状态下转轴所承受的负载转矩2eq T 的计算

2eq t f T T T =+=10.24N.M

t T 是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；f T 是移动部件运动时折算到

电动机转轴上的摩擦转矩。

2f h t F P T i

πη=

=9.86N.M

()2z h

f F G P T i

μπη+=

=0.38N.M

12max{,}eq eq eq T T T ==10.24N.M

⑶、步进电机的最高工作频率

max max 100010003

60600.005

p V f HZ δ?=

=?=10000HZ

查表选用两个55BF004-Ⅱ型步进电机。电机的有关参数见下表。

2.5、确定齿轮传动比

因步进电机步距角0.75α=o

×2=1.5。

，滚珠丝杠的导程5h P mm =，要实现脉冲当量0.005/p mm step δ=，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比 i=Z1/Z2=12/50

选 Z1=12，Z2=50 。

2.6、确定齿轮模数及有关尺寸

因传递的扭距较小，取模数1m mm =，齿轮有关尺寸见表

三、控制部分设计

3.1 人机界面设计

此人机界面是有上方的显示屏幕以及旁边的指令按键组成，处于黑框部分的就是显示区域，操作人员可根据屏幕上的提示进行指令操作，另外，进给速度、坐标参数、加工模拟图也会在屏幕上显示，处于下方和右侧的是操作面板。

下图是刚进入数控系统时的界面：

主操作面板上第一排为自动加工、程序编辑、故障诊断、MDI、坐标相对值、显

示方式、和扩展功能。

（1）程序编辑界面：按F2选择界面编辑所需要加工工件程序

在编辑面板中编辑

（2）自动加工：当我们按F1时选择程序自动加工

（3）选择好程序后，对工件进行对刀。

（4）在加工过程中可以控制机床的刀具的转速，和进给速度。

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。

3.2 CPU板

3.2.1 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。

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。

生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL。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AT89S52，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。

3.2.2 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：

CPU 外部接口示意图

S52 I/O 口分配

3.3.1 步进电机驱动电路和工作原理

步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm ，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm 。

步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU 的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU 上使其烧坏。

（行程开关）

传动驱动

（步进电机）

人机界面

传感器

AT89S52

（键盘、LED ）

步进电机驱动电路图

该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A 相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D 起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W 串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。

由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A 、B 、C ），其正转的通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CA-A ，其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-A 。

4.1 主流程设计

步进时钟 A 相波形 B 相波形 C 相波形

三相六拍工作方式时相电压波形（正转）

总中断开

给P1口赋值

循环

中断信号

外部中断

开

#include

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

uchar num,temp;

void delay(uint z); //延时程序的声明;

void main()

{

EA=1; // CPU开总中断；

EX0=1; //外部中断开；

P1=0xcf; //电机1的二个引脚交替通电;

delay(1000);

P1=0x9f;

delay(1000);

P1=0x3f;

delay(1000);

P1=0x6f;

delay(1000);

}

void delay(uint z) //延时程序；

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

void zd()interrupt 0 //中断程序；

{

P1=0xfc; //电机2两个引脚相继通电；

delay(1000);

P1=0xf9;

delay(1000);

P1=0xf3;

delay(1000);

P1=0xf6;

delay(1000);

}

4.2 中断服务流程设计：

键盘按钮产生电平变化，CPU外部中断开启，调用中断程序，使电机1停止转动，并保持当前状态，中断程序使得电机2转动。

以下是中断子程序：

void zd()interrupt 0 //中断程序；

{

P1=0xfc; //电机2两个引脚相继通电；

delay(1000);

P1=0xf9;

delay(1000);

P1=0xf3;

delay(1000);

P1=0xf6;

delay(1000);

}

4.3步进电机控制程序

void motor()

{

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

bit qianjin

bit houtui

uchar jzaj(void);

zheng[]={0x01,0x08,0x04,0x02};//正转

fan[]={0x01,0x02,0x04,0x08};//反转

void ajcl(uchar jz);

void delay(uchar del);//延时子程序

void timer() interrupt 1

{

uchar jz;

TH0=0xfe;

TL0=0x18;

jz=jzaj();

if(jz);

{

Void mian();

}

uchar c;

TMOD=0x01;

TH0=0xfc;

TL0=0x18;

TR0=1;

ET0=1;

EA=1;

while(1)

{

If(qianjin)

{

P2=zheng[c];

delay(100);

c++;

if(c==8)

c=0;

}

If(houtui)

{

P2=fan[c];

delay();

c++;

if(c==8)

c=0

}

}

}

uchar jajz(void)

{

uchar hz,lz;

P1=0xf0;//设置p1口为低电平扫描

if(p1&0xf0!=0xf0);//扫描是否有键按下delay（10）；//延时去抖

if(p1&0xf0!=0xf0);//再次判断

{

hz=0xfe;//扫描

p1=hz;

return(hz);

}

else

return0;//没有按键按下

}

void ajcl(uchar jz)

{

if(jz==0x11)

{

houtui=0;

qianjin=1;

}

If(jz==0x21)

{

houtui=0;

qianjin=1;

}

If(jz==0x1)

{

P2=0x00;

houtui=0;

qianjin=0;

}

}

}

void delay(uchar del )

(

uchar i;

for(;del>0;del--)

for(i=0;i<125;i++)

{;}

)

4.4回零点控制程序

Void huiling()

{

if(p1==1&p2==1)//判断电源总开关和机床开关是否按下{

if(X1==0&X2==0)//判断是否碰到限位开关

{

motor1();//X相电机转动

motor2();//Y 相电机转动

} else stop();

} }

5 直线插补及圆弧插补

在机电设备中，执行部件如要实现平面斜线和圆弧曲线的路径运动，必须通过两个方向运动的合成来完成。在数控机床中，这是由X 、Y 两个方向运动的工作台，按照插补控制原理实现的。

5.1直线插补程序的设计

5.1.1用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步，都需要以下四个步骤：

偏差判别：判别偏差0≥m F 或0

坐标进给：根据直线所在象限及偏差符号，决定沿+X 、+Y 、-X 、-Y 的哪个方向进给。 偏差计算：进给一步后，计算新的加工偏差。

终点判别：进给一步后，终点计算器减1.若为0，表示到达终点停止插补；不为0，则返回到第一步继续插补。终点计算判别可用两个方向坐标值来判断，也可由一个方向的坐标值来判断。当e e Y X >，可用X 方向走的总步数e X 作为终点判别的依据，如动点X 等于终点e X 则停止。当e e Y X <，则用Y 方向走的总步数e Y 作为终点判别的依据。

由此，直线插补程序的算法如图：

5.2 圆弧插补程序的设计 5.2.1逐点比较法

逐点比较法的圆弧的插补计算过程和直线插补过程基本相同，也分为偏差判别、坐标进给、偏差计算和终点判别四个步骤。不同点在于：（1）偏差计算公式步进与前一点偏差有关，还与前一点的坐标有关，在计算偏差的同时要进行坐标计算。（2）终点的判别是以一个方向的坐标值与终点坐标值相比较判断其是否相等为判据。若e e Y X <，则以X 是否等于

e X 作为终点判据；若e e Y X ≥，则以Y 是否等于e Y 作为终点判据。

逆圆弧插补程序算法如图：