X-Y数控工作台方案设计介绍说明

1、总体方案设计

1.1 设计任务

课程设计任务：设计两轴联动的数控X-Y运动平台，完成机械系统设计、控制系统设计与相应软件编程，根据实验条件进行调试，完成整个开发系统。

1.2 总体方案确定

1.2.1 方案确定思想

方案一：

机械部分

传动：滚珠丝杠螺母副

支撑：双推-双推式滑动导轨

控制部分

控制器件：单片机

控制方式：开环控制

伺服电机：步进电动机

优点：

采用滚珠丝杠螺母副，可实现旋转运动与直线运动相互转换，在具有螺旋槽的丝杠螺母中装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。优点是摩擦系数小，传动效率高，灵敏度高，传动平稳，不易产生滑行，传动精度和定位精度高；磨损小，使用寿命长，精度保持性好。双推式支撑实现高精度传动，采用单片机控制步进电动机，响应快速而准确。

缺点：

滚珠丝杠螺母副的不足在于制造工艺复杂，成本高，不能自锁，故需附加制动装置。开环控制精度比较低。

方案二：

机械部分

传动：同步带传动

支撑：滑动导轨

控制部分

控制器件：单片机

控制方式：开环控制

伺服电机：直流无刷电机

优点：

同步带传动无相对滑动，传动比准确，传动精度高，齿形带的强度高，厚度小、重量轻，故可用于高速传动；传动比恒定，同步带无需特别涨紧，因而作用于轴和轴承等上的载荷小，传动效率高。单片机控制直流无刷电机，空载电流小，效率高。

缺点：

同步带工作时候有温度要求，安装精度要求较高，中心间距要求较高，有时候需要张紧，安装麻烦。无刷直流电机启动时有震动，控制器要求高，价格高。采用开环精度较低。

方案三：

机械部分

传动：齿轮齿条

支撑：直线导轨

控制部分

控制器件：单片机

控制方式：闭环控制

伺服电机：直流无刷电机

优点：

齿轮齿条传动功率大，精度高，稳定性好，响应速度快。单片机控制直流无刷电机，无刷直流电机启动时有震动，控制器要求高，价格高。采用开环精度较低。采用闭环控制，精度高。双线导轨稳定。

缺点：

齿轮齿条无自锁，需要外加自锁机构。噪音大，磨损较快。

1.2.2 方案对比分析与确定

综合课程设计要求，精度为0.04mm，最大载荷是500N，相比同步带和齿轮齿条传动，滚珠丝杠传动更符合精度要求，因为丝杠传的动的精度可以达到±0.01mm，而同步带传动时会产生弹性变形，具有一定的蠕变性。齿轮齿条传动精度和滚轴丝杠精度相当，但是安装较麻烦，安装精度要求高。

步进电动机和直流无刷电机相比，步进电动机控制简单，启动稳定，而直流无刷电机控制要求高，成本高，课程设计要求精度未达到微米级别，空载转速要求为1m/min,因此采用低档的步进电动机就能满足要求。

开环控制结构简单控制容易，稳定性好，一般用于轻载变化不大的场合，根据最大载荷500N的要求，可以满足。

综合以上分析，决定选择第一种方案。采用单片机控制步进电动机提供动力，滚轴丝杠传递动力，总体采用开环控制。

1.2.3 总体方案系统组成

机械系统由滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、单列角接触球轴承等组成。控制系统由单片机和计算机等组成。

2、机械系统设计

2.1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、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为900N 。

2.2 直线滚动导轨副的计算与选型

（1）滑块承受工作载荷F max 的计算方法及导轨型号的选取 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。单滑块所承受的最大垂直方向载荷为；

Fmax=G

4

=225N

查表，根据工作载荷F max =0.225kN ，初选直线滚动导轨副的型号为KL 系列的JAS-LG15型，其额定动载荷C a =7.94kN ，额定静载荷C 0a =9.5kN 。

任务书规定工作台面尺寸为240mm ×254mm ，加工范围为400mm ×250mm ，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

所选导轨副的滚道硬度为60HRC ，工作温度不超过100℃，精度为4级。查表取硬度系数f H =1.0、温度系数f T =1.00、接触系数f C =0.81、精度系数f R =0.9、载荷系数f W =1.5，代入式子

L =

H T C R a

W max

f f f f

C f F ×503（）182619km ≈

远远大于50km ，故距离额定寿命满足要求。

2.3 滚珠丝杠螺母副的选型与校核

（1） 最大工作载荷F m 的计算 已知移动部件总重量G=900N ，滚动导轨上的摩擦因素u=0.004。求得滚珠丝杆副的最大工作载荷：F m =μG=0.004×900=3.6N

（2） 最大动载荷F Q 的计算

该工作台的最快进给速度v=1000mm/min ，初选丝杆导程P h =5mm ，则此时丝杆转数n=v/P h =200r/min ，取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h ，代入

610/60o nt L =

得Lo=180(单位为：106r) 。查表，取载荷系数f W =1.2，滚道硬度60HRC 时，取硬度系数f H

=1.0.，代入得滚动丝杠最大动载荷

m m F f L 3Q F =≈24.4N

（3） 初选型号

根据计算出的动载荷和丝杆导程，查表选择G 系列2005—3型滚珠丝杆副，为内循环固定反向器螺母式，其公称直径为20mm ，导程为5mm ，循环滚珠为3

圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N,大于F Q ，满足要求。

（4） 传动效率η的计算

将公称直径d 0=20mm ，导程P h =5mm ，传动效率

%4.96)

(=+=

?λλ

ηtg tg

（5） 刚度的验算

1) 丝杠左右支承德中心距约为a=600mm ；滚珠直径D W =3.175mm ；丝杆底径D 2=16.2mm ；丝杆截面积S=206.12mm 2。滚珠丝杆满载时拉压变形量：

mm E F m 0003.012

.206101.2560

6.3S a 5

1=???==

δ；Mpa E 5101.2?= 2) 根据Z=（πd 0/D W ）-3，得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杆为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，F YJ =F M /3=1.2N 。得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量

m m 00008.02=δ 3) δ总=+δ2=0δ1.3um

丝杆行程为315—400mm ，允许到25um ，故丝杆刚度足够。 （6） 压杆稳定性校核

滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷载荷为F K ，

mm mm d I 88.338064/4

1==π

F K =9343N 远大于工作载荷F m ，因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。

2.4步进电动机的计算与选型

(1)计算加在步进电机转轴上的总转动惯量J eq

已知：滚珠丝杆直径d o =20mm,总长l=600mm ，导程P h =5mm ，材料密度p=7.85×310-；移动部件总重力G=900N ，传动比为1。

算得各个零部件的转动惯量如下：滚珠丝杆的转动惯量J s =m i D 2/8=0.69kg ×cm 2

拖板折算到丝杆上的转动惯量J W =（P h /2π）=0.57kg ·cm 2

初选步进电机型号为90BYG2602，为两相混合式，步距角为0.75°，从表查得该电机转子的转动惯量J m =4kg ·cm 2。

则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：

eq J =m J +（w J +S J ）/i 2=5.26kg ·cm 2

（2）计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩T eq

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) 快速空载起动时电机转轴所承受的负载转矩T eq1=T amax +T f

T amax 为快速空载起动时折算到电机转轴上的最大转矩；T f 是移动部分折算到电机

转轴上的摩擦转矩。

a max T =

eq m a

2n 160t x 0.07634J πη=；其中n m =max *360*208V α

δ

=。f T =2()20.004h F G P i μπη+=N ·m ； 1max 0.0803eq a f T T T =+=N ·m 。

2) 最大负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq 2=T t +T f

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

t T = 20

f h

F P

i πη=，（F f 不计）；T f =()20.0036z h

F G P i

μπη+=N ·m ；

T eq2=T f =0.036 N ·m ；

12max{,}0.0803eq eq eq T T T ==N ·m 。

（3）步进电机最大静转矩的选定

考虑到步进电机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据T eq 来选择步进电机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取安全系数K=4.，则步进电动机的最大静转矩应满足：

max 441.422 5.688j eq T T x ≥==N ·m 。

上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，由表得该型号电动机的最大静转矩T jmax =6N ·m 。可见，满足要求。

（4）步进电动机的性能校核

1）最快工进速度时电动机输出转矩校核

给定工作台最快工进速度V maxf =1M/分，求得电动机对应的运行频率

f maxf =1000

600.01x =1667Hz ，

从90BYG2602电动机的运行频率特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机

的输出转矩T maxf =5.5N ·m ，远远大于最大工作负载转矩T eq2=0.0036 N ·m ，满足要求。

2）最快空载移动时电动机输出转矩校核

给定工作台最快工进速度V maxf =1M/分，求得电动机对应的运行频率

f maxf =1000

600.01x =1667Hz

从90BYG2602电动机的运行频率特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机

的输出转矩T maxf =5.5N ·m ，远远大于快速空载启动时的负载转矩T eq1=0.0803 N ·m ，满足要求。

3) 最快空载移动时电动机运行频率校核

与最快空载移动速度v max =3000mm/min 对应的电动机运行频率为f max =10000Hz 。查表可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz ，没超出

上限。

4) 启动频率的计算

已知电动机转轴上的总转动惯量J eq =5.26kg ×cm 2，电动机转子的转动惯量J m =4kg ×cm 2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率f q =1800Hz 。可求出步进电机克服惯性负载的起动频率：

eq m

L 1f 1200z J

J

H +=

=

上式说明，要想保证步进电机启动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1200Hz 。实际上，采用软件升降频时，起动频率选的更低，通常只有100Hz 。综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。

2.5 机械系统结构设计 设计结构如图所示:

x-y 数控工作台结构

此数控工作台主要由步进电机、丝杠螺母副、滚动导轨副、工作台、轴承座、端盖、轴承、联轴套、键、垫圈等组成。（具体见装配图附录）

3、控制系统硬件设计

处理芯片

DB9接头电路原理图

步进电机驱动电路图

电路原理图

硬件电路采用AT89C51单片机处理程序，采用ULN2003芯片驱动电机，整个电路采用光电耦合，实现带暖气隔离，保护电路不受强点伤害。采用DB9接头和电脑相连。

4、控制系统软件设计

4.1 控制系统软件总体方案设计

硬件电路采用AT89C52单片机作为处理器，ULN2003驱动板作为电机驱动电路，单片机和上位机采用DB9接头连接。程序设计为点动控制，从原点开始到特定点的运动。

通过控制单片机的相应引脚输出高低电平，利用单片机的中断，通过键盘控制点动，实现功能。

4.2 主流程设计

#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);

}

4.3 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);

}

5.总结

我们这次设计的是不考虑铣削力情况下的工作台结构，大大降低了设计难度。我做的是计算部分，主要是计算导轨、丝杆等。通过本次课程设计，我大致了解了铣床的构造和工作原理。零部件的设计，要综合考虑安全、使用、经济等方面因素。不过最重要的还是团队合作，这将是一次重要的实践经验。

参考文献

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