数控十字工作台培训资料

课程设计设计题目：课程名称：学院：专业：姓名：*******学号：**********年级：任课教师：2013年12月30日贵州大学本科课程设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。

课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。

特此声明。

论文（设计）作者签名：日期：贵州大学本科课程设计任务书目录摘要第一章前言11.1数控技术与数控机床概述11.2数控十字工作台概述及应用1第二章总体技术方案的确定22.1总体技术方案的确定22.1.1机械系统传动部件的选择22.1.2电气控制系统的设计3第三章机械部分各部件的设计43.1滚珠丝杠副的选择43.2支承方式的选择53.3导轨副的选择63.4 步进电机的选择73.5 联轴器的设计93.6 滚珠丝杠副的预紧103.7 进给传动系统的误差分析113.8 机械机构部分总体装配图11第四章控制系统部分的设计134.1控制系统硬件的基本组成134.2控制卡的选择134.3 驱动器的选择164.3.1驱动器的功能及使用174.3.2驱动器的输入输出信号184.4 电气接线图19第五章零件加工程序21第六章归纳总结23 参考文献23致谢24数控十字工作台机电系统设计摘要数控十字工作台是一种加工用途广泛的机床工作台，本次设计的数控十字工作台，主要用于经济型数控铣床，其精度要求不高，工作量要求不大。

该设计包括机械系统部分的设计和电气控制部分的设计。

其中机械传动部分的设计又包括机械本体、动力与驱动部分、执行机构的设计，主要涉及导轨副的选择、滚珠丝杠的设计以及步进电动机的选型。

而电气控制部分的设计包括控制系统的硬件和软件两部分的设计，硬件部分主要有环分电路、功率驱动电路和电流控制电路的设计，以及控制卡的选用，软件部分主要是控制卡控制程序的编写。

这是一个典型的机电一体化系统的设计。

关键词：精度、工作台、滚珠丝杠、步进电机、控制系统。

第一章前言1.1数控技术与数控机床概述随着计算机技术、微电子技术、现代控制技术、传感与检测技术、制造技术等多学科领域的发展，数控技术已经成为现代制造系统中不可或缺的基础技术，数控技术和数控机床的应用在制造业中日益普及，已成为机电一体化高新制造技术的基础和重要组成部分。

数控机床是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床，它具有加工柔性好、加工精度高、生产率高、自动化程度高、劳动力要求低等多种优点，有利于生产经管的现代化以及经济效益的提高。

数控机床是一种高度机电一体化的产品，适用于加工多品种小批量零件、结构较复杂、精度要求较高的零件。

一个国家工业化发展的程度，很大程度在于数控机床的应用上。

1.2数控十字工作台概述及应用数控十字工作台是数控机床上的一个重要组成部分，它的发展与机床一样有着重要的意义，它是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的横向和纵向机构，数控钻铣床的XY工作台，激光加工设备的工作台等等，随着数控十字工作台的多样化、自动化已经灵活化等，它能加工出许多复杂多样的零件，能够满足更高的精度要求，对数控十字工作台的研究能够进一步增强我们对机床的认识，巩固所学专业知识，为机床的研究打下坚实的基础，数控十字工作台是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，数控十字工作台的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是不可缺少的一部分，因此，对数控十字工作台机电一体化系统进行研究，能够推动现代制造技术的进步，本次设计就数控十字工作台的机电一体系统进行设计与分析，为以后在实践中可能遇到的相关问题打下坚实的基础。

第二章总体技术方案的确定2.1总体技术方案的确定根据课程设计的要求，参考数控十字工作台的有关资料，确定总体技术方案如下图2.2-1所示：其原理为通过控制器对数据进行运算处理，将数据发送给驱动器，经过功率放大后驱动电机，电机通过联轴器与丝杠相连，从而驱动工作台的运动。

图2.2-1：系统总体原理图2.1.1机械系统传动部件的选择1.丝杠螺母副的选择步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足相应的脉冲当量，因为定位精度要求相对较高，而丝杠螺母副主要有滑动丝杠螺母机构和滚珠丝杠螺母机构两种，相比之下，滑动丝杠螺母机构传动效率低，仅仅为30%-40%，而滚动丝杠螺母机构具有传动效率高，约92%—98%，灵敏度高，无颤动、无爬行，同步性好，定位精度高，使用寿命长等优点。

虽然相对于滑动丝杠价位偏高，制造复杂，但是性价比较高，也更加符合设计所需满足条件，因此选用滚珠丝杠螺母机构。

同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。

由于定位精度较高，而且选用单螺母滚珠丝杠副，故选择变滚道预紧调整式，这种调隙方式结构简单，刚性好，预紧可靠，使用中调整方便。

由于工作台最快的移动速度不是太大，故所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即两端固定的轴承配置形式。

2.导轨副的选用本次设计的十字工作台所配合的是数控钻铣床，脉冲当量较小，要求定位精度较高而负载较小，考虑滚动导轨点接触或者是线接触，所以其抗震性叫差，接触应力大，对导轨的表面硬度和表面形状精度及尺寸精度要求高。

而且其结构复杂，制造困难，成本较高，所以考虑还是选用滑动导轨，滑动导轨制造简单，性价比好，承受负载能力强。

且使用矩形导轨，因其有制造、检验和维修方便，刚度高等特点。

3.联轴器的选用考虑到丝杠的转速不高，可以选用刚性凸缘联轴器，它结构简单，容易制造，而且能保证严格对中。

4.步进电机的选用选用步进电动机，可选开环控制，也可选闭环控制。

该设计的精度对于步进电动机来说不是太高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，该设计的脉冲当量和定位精度要求不高，空载最快移动速度也不高,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。

2.1.2电气控制系统的设计设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。

对于步进电动机的开环控制系统，选用ADT-860控制卡作为控制系统的CPU，能够满足该设计给定的相关指标。

要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。

选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

第三章机械部分各部件的设计3.1滚珠丝杠副的选择根据工作台的具体情况，结合总体技术方案的，选用的滚珠丝杠副为内循环滚珠丝杠螺母副，其结构图如下图3.1-1所示：图3.1-1：滚珠丝杠螺母副结构由上图知，滚珠丝杠螺母副的组成主要由反相器、螺母、丝杠、滚珠组成，此设计中选择FFZD3205-5型内循环浮动式螺纹预紧滚珠丝杠副滚珠丝杠副，其公称直径为mm，导程为Ph=5mm，循环滚珠为5圈，精度等级取5级，额定动载荷18.1kN，d32额定静载荷为31.4kN，其各尺寸和性能参数如下图3.1-2和表3.1-1所示：图3.1-2：FFZD3205-5滚珠丝杠螺母副安装及外形尺寸表3.1-1：FFZL3205-3型滚珠丝杠螺母副几何参数（单位mm）3.2支承方式的选择根据丝杆尺寸和有关数据，经过查阅轴承选取的相关资料，并结合本设计具体情况选择“单推－单推”的支承方式。

选用的轴承为角接触球轴承，通过查相关手册，轴承选择如下表3.2-1所示：表3.2-1所示：所选轴承型号其中图3.2-1和表3.2-2分别是轴承的尺寸结构图和参数表：图3.2-1：角接触球轴承尺寸结构表3.2-2：7204角接触球轴承参数3.3导轨副的选择本次设计的十字工作台所配合的是数控钻铣床，脉冲当量较小，要求定位精度较高而负载较小，考虑滚动导轨点接触或者是线接触，所以其抗震性较差，接触应力大，对导轨的表面硬度和表面形状精度及尺寸精度要求高。

而且其结构复杂，制造困难，成本较高，所以考虑选用滑动导轨，滑动导轨制造简单，性价比好，承受负载能力强。

且使用矩形导轨，因其有制造、检验和维修方便，刚度高等特点。

本导轨选用的截面形状选择矩形导轨，因为矩形导轨容易加工制造，刚度和承载能力大，便于安装调整。

其组合形式选用双矩形导轨四滑块支承形式，该导轨具有一个缺点是磨损后不能自动补偿间隙，因此需要间隙调整装置。

3.4 步进电机的选择该设计的脉冲当量和定位精度要求不高，空载最快移动速度也不高,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。

本次设计折算到电机轴上的负载转矩的有关计算如下： 1.计算切削负载力矩t T ，其计算公式如下：πη2max LF T t =上式中L 为丝杠导程L =0.005m ，η为进给系统的总效率，当丝杠与电机直连时取η=0.90，max F =1967.77N 。

计算得：74.19.014.32005.077.19672max =⨯⨯⨯==πηL F T t N ﹒m 2.计算摩擦负载力矩f T ，其计算公式如下：πη20LF T f =上式中0F 为空载时导轨摩擦力，0F =36N ，其它数据与上面相同。

则计算得：0318.09.014.32005.03620=⨯⨯⨯==πηL F T f N ﹒m 3.计算由滚珠丝杠副的预紧而产生的附加负载力矩l T ，其计算公式如下：)1(2200ηπη-=L F T P l 上式中P F 为滚珠丝杠副的预紧力,为最大工作载荷的1/3，所以P F =656N ；0L 为丝杠基本导程0L =0.005m ；0η为滚珠丝杠副效率0η=0.98，则计算得：023.0)98.01(9.014.32005.0656)1(22200=-⨯⨯⨯⨯=-=ηπηL F T P l N ﹒m 4.各坐标轴折算到电机轴上的负载力矩的计算空载时：0548.0023.00318.0=+=+=l f Kj T T T N ﹒m 切削时：763.1023.074.1=+=+=l t Gj T T T N ﹒m根据上面的计算结果，本次设计中工作台的进给传动系统选用选用的电机为北京和利时机电技术有限公司90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机，其步距角为0.72。

空载启动频率为2200步/s ，最大静转矩为8N.m 。

具体参数如表3.4a 所示：表3.4-1：:90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机参数该电动机的额定力矩为8Nm ，足以满足该设计的驱动要求。

如图3.4a 为90BYG550C 混合式步进电机的结构尺寸，表3.4b 为90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机结构尺寸参数表图3.4-1：90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机结构尺寸表3.4-2：90BYG550C-SAKRML-0301混合式步进电机结构尺寸参数表L1 L2 L3 L4 L5 电机轴直径9.5 4 137 26 15 12 3.5 联轴器的设计刚性联轴器常被用于丝杆与电机联接，以提高两轴头连接的固定精度，其结构比较简单，制造容易，免维护，其特点有：可用于小型，瞬间惯量小的高速转动的场合；安装后无无反作用力，而且维护简单；提滚珠丝杆的强度时，跳动不会受到影响；依靠锁紧螺栓旋加的磨擦紧固，无需键；在高速转动时可保持平衡。