X-Y双坐标联动数控工作台课程设计说明书
X-Y数控工作台设计说明书(最终版)
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，本设计决定采用无间
2.2控制系统的设计.................................................................3
2.3绘制系统组成框图...............................................................3
2.4绘制机械传动系统简图...........................................................3
3、机械传动部件的计算与选型...........................................................4
3.1脉冲当量的确定.................................................................4
伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制
精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差
不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、
环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，
(完整版)XY数控工作台设计说明书.docx
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＝【 200+（班级序号）× 5】 mm×【 200+（班级序号）× 5】mm×【 15+（班级序号）】mm；2）底座外形尺寸C1×B1× H1＝【 680+（班级序号）× 5】mm×【 680+（班级序号）×5】mm×【 230+（班级序号）× 5】 mm；3）工作台加工范围X=【 300+（班级序号）× 5】mm，Y=【300+（班级序号）× 5】mm；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）夹具与工件质量M=【15+（班级序号）】kg；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0.5m/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a e20mm ；10）最大被吃刀量a p10mm 。
1.2总体方案确定（1）机械传动部件的选择① 导轨副的选择② 丝杠螺母副的选择③ 减速装置的选择④ 伺服电动机的选择（2）控制系统的设计① 伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制② PLC 控制电机的梯形图编程XY数控工作台结构Y 方向传动机构微机工作台电型步进电接动机减速器机驱滚珠丝杠口动电人机接口路减步进电速滚器珠动机X 方向传动机构丝杠系统总体方案结构框图1.3设计的基本要求（1）按照机械系统设计的步骤进行相关计算，完成手写设计说明书。
（2）计算结果作为装配图的尺寸和零部件选型的依据，通过 AutoCAD软件绘制 XY数控工作台的总装配图，并绘制 AO图纸。
开环控制的数控XY工作台 课程设计说明书
目录第一章设计内容及计算 (2)1.1 设计的目的 (2)1.2 设计要求 (2)1.3 完成内容 (2)1.4 技术参数 (2)1.5 总体方案的确定; (2)第二章机械部分设计 (3)2.1 工作台部分的形状及材料选择 (3)2.2 工作台外形尺寸及重量估算： (3)2.3 铣削力P Z1的计算 (4)2.4 铣削力PZ2的计算 (4)2.5 滑动导轨的参数确定 (4)2.6 滚珠丝杠的负荷计算 (4)2.6.1 滚动体尺寸与数目的确定 (5)2.6.2 传动功率计算 (5)2.6.3 步进电机的选择 (5)2.7 齿轮传动设计计算 (6)第三章机床数控系统硬件电路设计 (7)3.1 键盘、显示器 (7)3.2 步进电机驱动电路 (7)3.2.1 其它辅助电路设计 (8)3.2.2 硬件电路设计说明 (8)3.3 系统控制的软件设计 (9)3.3.1 系统控制软件的主要内容 (9)3.3.2 程序设计要求 (9)3.4 系统软件设计说明 (10)3.4.1 系统功能控制分析 (10)3.4.2 系统管理程序设计： (11)53.4.3自动加工程序设计 (12)参考文献 (17)第一章设计内容及计算1.1 设计的目的1）正确运用机电一体化系统设计课程的基本理论与有关知识，学会设备比较分析及进行必要计算。
2）通过对设备改造部分的机械设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确结构设计方法。
3）通过数控系统硬件和软件设计，掌握简单的设计方法。
4）通过课程设计，树立设计思想，培养分析、解决问题的能力。
5）提高学生应用手册、标准与编写文件资料的能力。
1.2 设计要求设计一台步进电机驱动的开环控制的X-Y工作台，该工作台可安装在立式铣床上，用于钻孔和铣削加工。
所用刀具均为高速刚刀具，加工材料为青铜、铝、有机玻璃等其它易加工材料。
最大钻孔直径d=5.0;mm，最大铣削刀具直a=3mm，最大铣削深度a p=10mm.要求采用径为 15mm，最大铣削余量eMCS-51单片机作为数控系统的控制主机。
X-Y数控工作台课程设计说明书
机电一体化系统综合课程设计课题名称：Ｘ－Ｙ数控工作台设计学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化设计成员：指导老师：目录一、总体方案设计 (1)1.1设计任务 (1)1.2总体方案确定 (1)1.2.1方案确定思想 (1)1.2.2 方案对比分析与确定 (2)1.2.3 总体方案系统组成 (3)二、机械系统设计 (3)2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (3)2.2 导轨参数确定 (4)2.3 滚珠丝杆的设计计算 (4)2.4步进电动机减速箱设计 (5)2.5 步进电机的选型与计算 (5)2.6 机械系统结构设计 (7)三、控制系统硬件设计 (8)3.1 控制系统硬件组成 (8)3.2 控制系统硬件选型 (8)3.3 控制系统硬件接口电路设计 (10)3.4 驱动系统设计........................................................... 错误!未定义书签。
3.4.1步进电机的驱动电路........................................ 错误!未定义书签。
3.4.2电磁铁驱动电路............................................... 错误!未定义书签。
3.4.3电源转换.......................................................... 错误!未定义书签。
四、控制系统软件................................................................. 错误!未定义书签。
4.1控制系统软件总体方案设计 ...................................... 错误!未定义书签。
4.2主流程设计 ............................................................... 错误!未定义书签。
X、Y工作台设计说明书
目录一、课程设计目的 (2)二、课程设计任务及内容 (2)三、总体方案的确定 (3)1、机械传动部件的选择 (3)2、控制系统设计 (4)四、机械传动部件的计算与选型 (4)1、导轨上移动部件的重量估算 (4)2、铣削力的计算 (4)3、直线滚动导轨副的计算与选型 (6)4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (8)5、步进电机减速箱的选用 (11)6、步进电动机的计算与选型 (12)7、增量式旋转编码器的选用 (16)五、工作台机械装配图的绘制 (16)六、工作台控制系统电路图绘制 (16)七、步进电动机驱动电源的选择 (16)总结 (17)参考文献 (18)附录： (19)1、操作控制面板 (19)2、控制程序 (19)X-Y数控工作台机电系统设计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。
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的意义。
模块化的X-Y数控工作台，通常有导轨座、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，滚珠丝杆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、滚珠丝杆的螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。
控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。
图1 X-Y数控工作台外形一、课程设计目的机电一体化技术又称为机械电子技术，它不是一门独立的工程学科，是机械技术、电子技术、信息技术、自动控制技术等相关技术综合。
机电一体化课程设计是针对机电一体化系列课程的要求，继机电一体化课程后的一门设计实践性课程。
它是理论与实践的结合，是培养学生机电一体化产品综合设计能力必不可少的教学环节。
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1 、设计任务 (2)2、总体方案的确定 (2)2.1机械传动部件的选择 (2)2.2控制系统的设计 (3)2.3绘制系统组成框图 (3)2.4绘制机械传动系统简图 (3)3、机械传动部件的计算与选型 (4)3.1脉冲当量的确定 (4)3.2导轨上移动部件的重量估算 (4)3.3传动部件、导向部件的设计、计算和选用 (4)3.3.1铣削力的计算 (4)3.3.2直线滚动导轨副的计算与选型 (4)3.3.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (5)3.4步进电动机减速箱的选用 (7)3.5步进电动机的计算与选型 (7)J (7)3.5.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量eqT (8)3.5.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩eq3.5.3步进电动机最大静转矩的选定 (10)3.5.4步进电动机的性能校核 (10)4、控制系统硬件设计 (11)4.1 根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能： (11)4.2数控系统的组成 (11)4.3 CPU的选择 (11)4.4 驱动系统 (12)4.4.1 步进电机驱动电路和工作原理 (12)4.4.2步进电机驱动电源选用 (13)4.5其它辅助电路设计 (14)5、控制系统的软件设计 (15)5.1 接口程序初始化 (15)5.2 步进电机驱动程序 (15)5.2.1 电机的控制电路原理及控制字 (15)5.2.2电机正反转及转速控制程序 (15)5.3圆弧插补程序的设计 (17)5.3.1 逐点比较法 (17)5.3.2 程序设计 (17)参考文献 (20)1 、设计任务设计一个数控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。
设计参数如下： 设计分组最大铣刀直径Φmm 最大铣削宽度a e 最大铣削深度a p 加工材料 工作台加工范围（mm ） 最大移动速度 2 20 mm 8 mm 5 mm 碳钢 X=250，Y=1803m/min 其它参数：根据设计要求，初令立铣刀齿数Z=3；X ，Y 方向的脉冲当量0.01/x y mm δδ==脉冲；X ，Y 方向的定位精度均为mm ±0.02。
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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 ＝【200+（班级序号）×5】mm ×【200+（班级序号）×5】mm ×【15+（班级序号）】mm ；2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝【680+（班级序号）×5】mm ×【680+（班级序号）×5】mm ×【230+（班级序号）×5】mm ；3）工作台加工范围X=【300+（班级序号）×5】mm ，Y=【300+（班级序号）×5】mm ； 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）夹具与工件质量M=【15+（班级序号）】kg ；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0.5m/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 总体方案确定 （1）机械传动部件的选择 ① 导轨副的选择 ② 丝杠螺母副的选择 ③ 减速装置的选择 ④ 伺服电动机的选择 （2）控制系统的设计① 伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制 ② PLC 控制电机的梯形图编程XY 数控工作台结构1.3 设计的基本要求（1）按照机械系统设计的步骤进行相关计算，完成手写设计说明书。
（2）计算结果作为装配图的尺寸和零部件选型的依据，通过AutoCAD 软件绘制XY 数控工作台的总装配图，并绘制AO 图纸。
（3）按照电气控制系统的步骤进行设计，完成电机启动、停止、正反转、电动等基本工作状态控制的硬件连线图，并通过PLC 协调控制XY 电机运动，绘制相关梯形图。
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机电一体化系统综合课程设计课题名称：Ｘ－Ｙ数控工作台设计学院：机械工程学院专业：机械设计制造及其自动化设计成员：指导老师：目录一、总体方案设计 (1)1.1设计任务 (1)1.2总体方案确定 (1)1.2.1方案确定思想 (1)1.2.2 方案对比分析与确定 (2)1.2.3 总体方案系统组成 (3)二、机械系统设计 (3)2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (3)2.2 导轨参数确定 (4)2.3 滚珠丝杆的设计计算 (4)2.4步进电动机减速箱设计 (5)2.5 步进电机的选型与计算 (5)2.6 机械系统结构设计 (7)三、控制系统硬件设计 (8)3.1 控制系统硬件组成 (8)3.2 控制系统硬件选型 (8)3.3 控制系统硬件接口电路设计 (10)3.4 驱动系统设计 (11)3.4.1步进电机的驱动电路 (11)3.4.2电磁铁驱动电路 (12)3.4.3电源转换 (12)四、控制系统软件 (13)4.1控制系统软件总体方案设计 (13)4.2主流程设计 (13)4.3 INT0中断服务流程 (14)4.4 INT1中断服务流程图 (16)4.4.3 绘制图弧程序流程图 (20)4.4.4 步进电机步进一步程序流程图 (26)五、总结 (27)六、参考文献 (28)1、总体方案设计1.1机电专业课程设计的任务主要技术指标：一定的规格要求（负载重量G=500N；台面尺寸C×B×H=240×254×15mm；底座外形尺寸C1×B1×H1=500×500×184mm；最大长度L=628mm；工作台加工范围X=250mm；Y=250mm；工作台最快移动速度为1m/min；重复定位精度为±0.02mm，定位精度为±0.04mm；设计具体要求完成以下工作：（1）数控工作台装配图（1：1比例或0＃图幅）1张；（2）数控系统电气原理图（2＃图幅）1张；（3）设计说明书（10～20）页1本；所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。
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目录1。
课程设计目的 (1)2。
课程设计任务 (1)2.1设计题目： (1)2。
2技术数据 (1)2。
3技术要求 (1)3。
总体结构设计 (1)3.1滚珠丝杠设计 (2)3.2滚珠丝杠副的选取 (3)3。
3稳定性运算 (4)3。
4压杆稳定性计算 (5)4.滚动导轨 (6)4。
1计算行程长度寿命 Ts (6)4。
2计算动载荷 (6)5。
步进电机的选择 (8)5.1步距角的确定 (9)5.2步进电机转矩校核 (10)5.3频率校核 (12)6.总结 (12)7。
参考文献 (13)1。
课程设计目的本课程设计的目的在于培养学生对典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力,在学习有关专业课程设计的基础上，进行机电系统设计的初等训练，掌握手册、标准、规范等资料的使用方法，培养分析问题和解决问题的能力,为以后的毕业设计打下良好的基础.2.课程设计任务2。
1设计题目：X—Y双坐标联动数控工作台设计2。
2技术数据工作台长×宽（mm)：450×310工作台重量(N)：3300行程（mm）：ΔX=60－100；ΔY=50－100脉冲当量:0。
05-0。
08mm/p2。
3技术要求(1）工作台进给运动采用滚珠丝杠螺旋结构（2)滚珠丝杠支撑方式：双锥-简支型（3）驱动电机为反应式步进电机（4）步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速要求消除齿轮间隙3.总体结构设计数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构,其单向驱动系统结构简图如图所示:实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台，工作台是由上拖板、中拖板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联，它上面固定X向导轨，中拖板在下拖板的导轨上横向运动，其上固定Y向导轨,上拖板与工作台固联,在Y向导轨上移动。
X、Y导轨方向互相垂直。
3。
1滚珠丝杠设计滚珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类，其中应用较广的是插管式和螺旋槽式,它们各有特点,其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙式和螺纹调隙式。
3.1.1计算动载荷=4.481X1。
4X1。
1X4950=34161.75N式中：载荷系数-=1。
4 （见表1)硬度系数—=1.1 （见表2)轴向工作载荷——=1。
53300=4950 N额定寿命L=(60·n·T)/ =90h丝杠转速—n=100r/min (r/min)使用寿命—T=15000h 见表3表23。
2。
1计算载荷查《机电一体化设计基础》表2—6取，查表2—7 取查表2—4 取D级精度查表2—8 取取平均工作载荷Fm=4950NFc=1。
3x1x1x4950=6435N3.2。
2 计算额定动载荷计算值Can=100r/min使用寿命=15000h=6435X898。
2=5779940。
12N3.2.3根据Ca选择滚珠丝杠副根据《机电一体化设计基础》表2-9汉江机床TC1型滚珠丝杠，若选取FC1型无密封圈滚珠丝杠，滚珠丝杠副额定动载荷C’a等于或者大于Ca 的原则，选用FC1-4006—2。
5,Ca=16083N的丝杠副数据：公称直径:导程：P=6mm螺旋角：滚珠直径：根据《机电一体化设计基础》表2—1公式得螺纹滚道半径：偏心距：丝杠内径：mm3。
2.4滚珠丝杠副校核滚珠丝杠副还要受的值的限制，通常要求所以丝杠副工作稳定3.3稳定性运算3。
3.1.计算临界转速（r/min）式中临界转速系数—fc=3。
93 见表4长度系数- u=0.67 见表4d1-丝杠内径(mm）L—丝杠工作长度(mm）取丝杠工作长度：Lx=450mmLy=310mm可知Y向临界速度最大nk=9910x3.92x3。
92x0.03599÷(0。
67x0.31）²nk=127044.1413r/min因为所以丝杠工作时不会发生共振表43.4压杆稳定性计算（N)式中—临界载荷E—材料弹性模量对于钢，E=2.06×—丝杠危险截面惯性矩(）临界载荷：Fk=3.14x2.06x8200÷（0。
67x0。
31）²=1229526。
03N安全系数：S=Fk÷Fa=1229526.03÷3500=351.29丝杠绝对安全，不会失稳丝杠选取无误，即选用Fc1-4006-2。
5型滚珠丝杠.4。
滚动导轨导轨是工作台系统的重要组成部分，由于滚动导轨具有定位精度高、低速无爬行、移动轻便等显著优点，故本工作台系统设计选用滚动导轨.滚动导轨应用最广的是滚珠导轨,按滚珠的循环方式分类,滚珠导轨又可分为滚珠不循环式和可循环式。
在专业厂家生产的标准化滚动导轨中,都为滚动体可循环式。
4。
1计算行程长度寿命TsTs=2Ls·n·60·/100 （km)式中：Ls—工作单行程长度(m) ：Lsx=0。
42m；Lsy=0。
33m n-往复次数（次/min)Ny=1。
21—工作时间寿命(h）:Th=15000行程长度寿命：Tsy=718。
74km4。
2计算动载荷=式中F—作用在滑座上的载荷（N) F=3300*—滑座个数-寿命系数一般取K=50km—温度系数见表5—接触系数见表6—硬度系数见表7-负载系数见表8分别由指导书表5、6.7。
8查得、、、另取滑座个数m=4；寿命系数一般取k=50km; 另取滑座个数寿命系数一般取作用在滑座上的载荷Fx=33000;Fy=44000=38936。
7N=51876N由机电一体化设计基础表2-13查得,故选取滚动导轨型号为HJG—D25 5. 步进电机的选择在选择步进电机时应主要考虑以下几个方面：步距角是否适合系统脉冲当量的要求.步进电机转矩是否满足要求.步进电机起动频率及运行频率是否满足要求.5.1步距角的确定(度)式中—工作台脉冲当量（mm/P)=0.06mm/Pi—传动系统传动比 i=2。
2t-滚珠丝杠导程（mm) t=6mmα=360°x0.06x2.2÷6=7.92°根据《机械设计手册》初选型号55BYG005;由《机电一体化设计基础》图5—33、5-34查的：减速器采用2级传动传动比分别为:各传动齿轮齿数为：;；；模数m=2齿轮宽b=20mm5。
2步进电机转矩校核空载起动时电机轴总的负载转矩TqTq=Tj+Tu+To式中1) Tj—惯性转矩Tj=J·εJ—电机轴总惯量（包括当量)ε—起动时角加速度由《机电一体化设计基础》书中式5—36分别计算各传动件的转动惯量，其中齿轮交叉直径取分度圆直径：丝杠内径分度圆：丝杠长度取L=410mm电动机总惯量：其中，是所用材料密度;d是分度圆直径;L是长度（齿宽）；P是导程;m是工作台质量。
其中工作台小刀架质量为m1,取m1=80kg取电动机轴自身转动惯量：则步进电机轴的总转动惯量：设步进电机空载启动时间50s，最大进给速度：导轨摩擦系数空载启动时，电动机轴的惯性转矩:=0。
19P=0。
0036 t=50电动机轴上的当量摩擦转矩：=1.54n。
m i=5 μ=0。
2其中伺服进给链的总效率设滚珠丝杠螺母副的预紧力为最大轴向载荷的1/3，则因预紧力而引起，而折算到电动机轴上的附加摩擦转矩为：=0.32n.m Fo=2145N其中工作台的最大轴向负载折算到电动机轴上的负载转矩:=5。
03 n.m则电动机空载启动时电动机轴总的负载转矩:=0.19+1.54+0.32=2。
05n。
m则电动机正常工作时电动机轴总负载转矩：=5。
03 +0。
19+0.32=5.54 n.m电动机最大静转矩Ts空载启动时所需电动机最大静转矩：=2.05÷0。
707=2.90n。
m按正常工作计算：在最大外载荷下工作时所需要电动机最大静转矩：=5。
63÷0。
707=7。
83n。
m由下表可查取二者最大的，故步进电机的最大静转矩满足要求。
5。
3频率校核参考电机的矩—频特性曲线进行选取。
原则:选用步进电机应使实际应用的启动频率、运行频率与负载转矩所对应的启动，运行工作点位于该曲线之下，才能保证步进电机不失频的正常工作。
经校核满足要求.所以选用55BYG005型步进电机。
6.总结通过本次课程设计，在设计过程中遇到许多问题，但经过思考与讨论,一遍又一遍地检查找到了原因所在，我们欠缺知识与经验，实践出真知，我们不断发现错误，不断改进,不断领悟，不断获取.我们掌握了典型机电一体化产品机械结构的设计能力和对机电伺服系统的设计能力,,培养分析问题和解决问题的能力,为以后的毕业设计打下良好的基础。
也锻炼了动手能力和团队合作的能力.X—Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度,降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。
7.参考文献1。
《机电一体化设计基础》机械工业出版社郑堤、唐可洪主编2.《机床设计手册》机械工业出版社3.《机械零件设计手册》机械工业出版社4.《金属切削机床设计》机械工业出版社5。
《经济型数控机床系统设计》上海科学技术出版社6。
《机电一体化实用技术》上海科学技术文献出版社。