数控X_Y工作台和控制系统设计方案

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数控X-Y工作台及其控制系统设计方案

第二章课程设计的容和要求

2.1 课程设计的容

任务是: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。具体参数如下:

设计容包括:

2.1.1数控装置总体方案的确定

确定系统组成方案(组成框图、功能、机械传动系统简图、主要的设计参数,及方案分析、比较、说明)。

2.1.2机械部分的设计

(1) 确定脉冲当量;

(2) 机械部件的总体尺寸及重量、转动惯量的初步估算;

(3) 传动元件及导向元件的设计,计算和选用;

(4) 伺服电机计算、选用;

(5) 绘制机械结构装配图;

2.1.3数控系统的设计

(1)确定数控系统装置方案(组成框图、功能、主要的设计参数,及方案分析、比较、说明)。

(2) 电气控制原理图设计(CPU、存储器、I/O接口电路及伺服驱动电路)

(3) 系统控制软件的结构设计(控制流程图)和部分功能控制软件设计(汇编程序及流程图)。

2.2 课程设计的要求

2.2.1图纸要求

(1)机械结构装配图,A0图纸一。要求视图基本完整、符合要求。其中至少有一个坐标轴的完整剖视图。

(2)数控系统框图(附在说明书上)。

(3)数控电器图,A1图纸一。

(4)软件框图(可附在说明书上)。

2.2.2编写设计说明书要求

说明书应当叙述整个设计的容,包括总体方案的确定、系统框图的分析、机械传动设计计算、电气部分的设计说明,选用元件及其具体参数的说明、软件设计及其说明等,说明书不少于8000字

第三章系统的总体方案确定

数控系统总体方案设计的容包括:系统运动方式的确定,执行机构及传动方案的确定,伺服电机类型及调速方案确定,计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。

3.1系统运动方式的确定

该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。

3.2伺服系统的选择

开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件,因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单,调整维修容易,在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度要求不高,为简化结构,降低成本,宜采用步进电机开环伺服系统驱动。

3.3计算机系统的选择

采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高,可靠性好,功能强,速度快,性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。

3.4 X—Y工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑,采用滚珠丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙,采用有预加载荷的结构。

由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大,故选用滚动直线导轨副,从而减小工作台的摩擦系数,提高运动平稳性。

为了减少了零件的数目和中间环节的影响,精度高,效率高,电动机通过联轴器直接与滚珠丝杠相连。但此种连接对安装、加工的要求较高,选用挠性联轴器,如膜片联轴器,电动机的额定转矩较大,等效转动惯量亦大,对系统的稳定性和快速性将产生不利影响。

系统总体框图如下:

步进电机步进电机

X向工作台Y向工作台

微型机接

联轴器

联轴器

第四章机械部分的设计

4.1 直线滑动导轨副的选型

4.1.1估算重量

XY工作台如图所示,上位X方向导轨,下为Y方向导轨。

图 XY工作台

(1)尺寸参数(mm)

①坐标行程已知X方向行程为100mm,Y方向行程为80mm;

②工作台已知工作台尺寸长×宽=210×210,设计工作台厚度为15mm;

③估算X方向导轨(长,宽,高)=(X,Y,Z)=(400,210,50)

(2)X方向重力估算

X方向导轨在上方,需估算工件、工作台夹具、导轨副及电机的重量。已知台面

以上最大重量 m

1=30kg,工作台的质量m

2

估算时取钢的密度为ρ=7.8g/cm3=7.8

×10-6kg/mm3,则

kg

v

m.5

15

210

210

8.7=

=

估计

电机总质量为 m

3=5kg;夹具质量为m

4

=1kg

则X 方向所受的总重力m x 为

kg

m m m m m x 41155304321=+++=+++=

则X 方向所受的总重力W x 为

N

g m W x x 4101041≈⨯==

(3)Y 方向重力估算

估算Y 方向导轨 (长,宽,高)=(X ,Y ,Z )=(400,210,50) Y 方向导轨在下方,需估算工件、工作台、夹具、导轨副及电机的重量 X 方向导轨质量m 5

657.8104002105033m kg kg ρυ-==⨯⨯⨯⨯≈

考虑导轨中间要开T 形槽,故实际质量估计需在计算质量上乘以40%,即

kg m m 13%4033%4056≈⨯=⨯=

则Y 方向所受的总重力m y 为

kg m m m m x y 594113563=++=++=

则Y 方向所受的总重力W y 为

N g m W y y 5901059=⨯==

4.1.2导轨选择及其摩擦系数

工作台采用滑动静压导轨,采用双矩形组合方式,并镶上聚四氟乙烯软带,可取动摩擦系数为0.15μ=。静摩擦系数00.03μ=。

4.2 切削力的计算

4.2.1最大铣削力的计算

设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。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为:

0.850.750.73 1.00.13

c e z p 118a f

d a n Z F -= (6-11)

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