数控工作台设计说明书
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，
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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。
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毕业设计工作台设计说明书学校名称：山东科技大学设计队员：指导老师：二〇一四年三月一、总体方案设计（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。
（2）计算机系统本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。
它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。
控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。
系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。
LED显示数控工作台的状态。
（3）X-Y工作台的传动方式○1导轨方案一:滚珠导轨方案二:滑动导轨○2传动副方案一:滚珠丝杠方案二:同步带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。
考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。
1.1 设计任务设计一个SMT贴装机机械手系统运动平台。
该平台可用于实现SMT贴装机的定位.自定设计参数如下：重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。
负载重量G=150N；平台尺寸C×B×H＝mm×mm×mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝mm×mm×mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。
1.2 总体方案确定图1-1 系统总体框图二、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--⨯⨯⨯⨯⨯≈N Y 向拖板（下拖板）尺寸： 14516050⨯⨯ 重量：约90N 。
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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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设计组号：A8 课题号： 08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：日期： 2011年3月7日目录一、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。
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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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数控工作台设计说
明书
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，经过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，并经过PLC 协调控制XY 电机运动，绘制相关梯形图。
系统总体方案结构
二、机械系统设计
2.1 导轨上移动部件的重量估算
质量：按质量=体积（由尺寸求得）×密度进行估算 （45钢密度7.85g/立方厘米）
工作台面质量=
上导轨座（连电机）质量= 夹具及工件质量=
X-Y 工作台运动部分的总重量G=Mg= 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
118c e z p F a f d a n Z -=
其中，取最大铣削宽度，最大背吃刀量，每齿进给量0.1z f mm =，铣刀转速500/min n r =，可直接带入计算。
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 ==；0.38e c F F ==；0.25fn c F F ==。
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
（1）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 =
+=。
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****公司生产的*系列*型直线滚动导轨副。
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。
所选直线滚动导轨副的几何参数（由厂家说明书确定）
（2）额定寿命的L 的校核计算
根据上述所选导轨副，查表，分别取硬度系数H f =1.0、温度系数
T f =1.0、接触系数C f =0.81、精度系数R f =0.9、载荷系数W f =1.5，代入以
下公式，得距离寿命（期望值为50KM ）。
3
max
(
)50H T C R a W f f f f C L f F =⨯=
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。