二维数控精密工作台测控专业

精密机械与仪器设计课程设计说明书二坐标精密工作台姓名：夏圆杰学号：310804040323专业班级：测控08-3 班指导教师：闫勇刚河南理工大学测控技术与仪器系2011.7.3摘要数控机床是一种高度自动化的机床，随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。

机械加工中，多品种、小批量加工约占80%。

这样，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。

数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床。

精密数控工作台可广泛应用于激光焊接、层射线扫描、械手检测装置及实用教学领域。

随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要，而X-Y作台是这些设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要作用。

关键字：数控工作台步进电机控制滚珠导轨丝杠目录1. 绪论 (4)1.1. 数控技术发展概况 (5)1.2. 二维数控精密工作台原理 (7)1.3. 课程设计的设计要求 (8)1.4. 本课题设计的背景 (9)1.5. 本课题设计内容 (10)1.6. 本课题设计的目的和意义 (11)1.7. 总体方案设计 (12)1.7.1.设计任务 (12)1.7.2.总体方案确定 (13)2. 机械系统设计 (15)2.1. 工作台外形尺寸及重量估算 (15)2.2. 滚动导轨的参数确定 (16)2.3. 滚珠丝杠的设计计算 (18)2.4. 步进电机的选用 (22)2.5. 联轴器的选用 (24)2.6. 步进电机惯性负载的计算 (25)2.7. 二维数控精密工作台的误差来源与分析 (28)3. 结论 (29)致谢 (31)参考文献： (32)绪论现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。

在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

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、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。

其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠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以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。

本文步进电机，通过滚珠杠带动工作台，组成运动控制系统，实现二维平台的精密定位控制。

1.1数控技术发展概况随着生产和科学技术的发展，特别是随着航天、航空、造船、电子和兵器等工业部门的发展，机械产品日益精密、复杂，而且改型频繁，普通机床已不能完全适应这些部门的加工要求，如对一些复杂的曲线、曲面所构成的零件，手工操作甚至根本无法进行加工。

因此，数控机床已成为现代工业生产必不可少的设备。

以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平，反映出一个国家的机械与电子工业水平，它的研制和推广应用，对于提高劳动生产率和产品质量，改变我国制造技术落后的状况，使我国机电产品走向世界，起着极为重要的作用。

数控设备是指通过数字化操作指令进行控制的一种设备，其基本结构如图1-1所示：图1-1数控设备基本框图目前世界上在数控技术方面比较先进的国家主要有：德国、日本和美国，它们的设计制造技术代表着当今世界的最先进水 平，比如德国的德马赫， 日本的横河。

而作为世界上新兴的制造业大国，我国在数控技术方面任重而道远，这需要我们这一代人更加的努力，才能赶上和超过世界上其它先进国家，使我国成为真正的制造业强国。

数控设备的发展方向：随着微电子技术和计算机技术的发展，数控设备性能日趋完善，数控设备应用领域日趋扩大。

科学技术的发展，推动了数控设备的发展，各生产部门加工要求的不断提高又从另一方面促进了数控设备的发展。

当 今数控设备正不断的采用新的技术成就，朝着高速度化，高精度化，多功能化，智能化、小型化、系统化与高可靠性发展。

图1-2德国生产的数控设备1.2二维数控精密工作台的原理二维数控平台如图1-3所示为二维数控平台实验原理样机原理图，图1-4为二维数控平台实物照片。

二维数控平台可以实现X、Y两个方向的运动，通过两个方向运动的合成，可以实现任意平面轨迹。

图1-3 二维数控平台实验机原理图此试验机装有一支笔，固定不动，在工作台上放上纸，工作台在运动时，就可以在纸上画出预先给定的图形。

二维数控工作台的主要结构件有：底座、滚珠导轨、滚珠丝杆、四杆支架、托盘、工作台、步进电机支架等等。

图1-4 二维数控平台实物照片精密机械课程设计是一次比较完整的精密机械设计，它是理论联系实际、培养初步设计能力的重要教学环节，因此在设计过程中必须做到：（1）综合地考虑使用、经济、工艺、安全性等方面的设计要求，确定合理的设计方案。

（2）仔细阅读本课程指导书和随时查阅有关教材，在认真思考的基础上提出自己的见解与指导教师讨论，避免单纯地向指导老师索取答案；（3）通过分析比较吸取现有结构中的优点，并在此基础上发挥自己的创造性，而不是简单抄袭或没有根据在臆造；（4）认真计算和制图，有错误要认真修改，力求设计图纸和计算说明书的质量达到或接近实际生产水平。

随着科学技术的不断进步和社会生存的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。

从工业化革命以来，人们实现机械加工自动化的主要手段有自动机床、组合机床、专用自动生产线。

这些设备的使用大大提高了机械加工自动化的程度，提高了劳动生产率，促进了制造业的发展。

但他也存在固有的缺点，如才初始投资大、准备周期长、柔性差。

因此，上述方法仅适用于批量的零件生产。

然而，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代周期缩短，小批量产品的生产所占的比重越来越大，越战总加工量的80％以上。

在航空、航天、重型机床以及国防工业部门尤为突出。

因此，迫切需要一种精度高，柔性好的加工设备来满足上述要求，这是机床数控技术产生和发展的内在动力。

另一方面，电子技术和计算机技术的飞速反战则为NC机床的发展提供了坚实的技术基础。

NC技术正是在这种背景下诞生和发展起来的，它极其有效地满足了上述要求，为小批量、京都复杂的零件生产提供了自动化加工手段。

本设计奖在以下几个方面对数控工作台进行研究和论证。

1.数控工作台的选择。

综合数控工作台的类别和各类的特点和要求，在本课题中主要研究两轴数控工作台的控制。

2.系统硬件设计。

本课题设计的数控工作台要求运行迅速准确度高，主要有步进电机、滚珠丝杠、滚动导轨、底座、工作台等。

1.6本课题设计的目的和意义数控机床是一种高度自动化的机床。

随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量的不断提高，改型频繁。

机械加工中，多品种、小批量加工约占80％.这样，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。

数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床。

精密数控工作台可广泛应用与激光焊接、断层射线扫描、机械手、检测装置及使用教学领域。

随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术发展，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要。

本课题的基本要求是在了解运动控制卡的基础上，掌握利用VB软件编写程序，能够进行直线或圆弧插补运动所设计的一台两轴的数控工作台，并真正掌握此项技术。

由于两轴数控工作台的复杂性和广泛的应用性，它能满足各行各业不同场合的要求，如应用高校研究，机密机械，智能机械，数控设备等等，具有良好的适用性特点。

1.7.1设计任务设计一个数控X-Y工作台。

该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。

数控精密工作台采用步进电机驱动。

本次课程设计精密工作台的结构。

表1-1设计主要参数（1）系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。

定位方式采用增量坐标控制。

为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y 工作台。

为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。

为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。

采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，系统总体框图(1-5)图1-5由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。

采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

2机械系统设计2.1工作台外形尺寸及重量估算X 向拖板（上拖板）尺寸：长⨯宽⨯高 145×160×50 重量：按重量=体积×材料比重估算3214516050107.81090--⨯⨯⨯⨯⨯≈NY 向拖板（下拖板）尺寸：长⨯宽⨯高 14516050⨯⨯ 重量：约90 N上导轨座（连电机）重量：223(2201403821558)7.810101.110107π--⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯≈()N夹具及工件重量：约150N 。

X-Y 工作台运动部分的总重量：约287N 。

2.2滚动导轨的参数确定(1)导轨型式：圆形截面滚珠导轨如图2-2所示 (2)导轨长度 ①上导轨（X 向）取动导轨长度 162.5B l = 动导轨行程 77.5l =支承导轨长度 Ｌ=240B l l += 式2-2-1 ②下导轨（Y 向）77.5l = 162.5B l = 240L =选择导轨的型号：GTA16 (3)直线滚动轴承的选型①上导轨： 240()X G N = ②下导轨： 287()Y G N =由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP 型直线滚动轴承的额定动载荷为370N ，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP 型直线滚动轴承。

并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。

(4)滚动导轨刚度及预紧方法当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。