机电一体化系统综合课程设计_X-Y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，
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。
(完整版)XY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，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。
XY数控机床设计说明书
《数控机床》课程设计说明书设计题目：X-Y数控机床工作台设计学院：机械工程学院专业：机械自动化班级：机自Y126学号： 8003姓名：王舒恒指导老师：李冰摘?要当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。
一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。
机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。
新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。
关键字：机电一体化组成要素滚珠丝杠滚动导轨步进电机AbstractNow the world electronic technology rapidly expand, the microprocessor, the microcomputer obtain the widespread application in various area of technology, to various domains technology development enormous promotion effect. A perfect integration of machinery system, should contain the following several base elements: Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, control and information processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the examination sensing technology, the servo drive technology and the mechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generation's CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, the intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.key words: Integration of machinery foundation basic component elements characteristic trend of development.目录第一章前言 (1)第二章设计主要步骤 (2)第一节确定设计总体方案 (2)一、机械传动部件的选择 (2)二、方案的比较及确定 (2)第二节机械传动部件的计算与选型 (3)一、导轨上移动部件的重量估算 (3)二、计算切削力 (4)三、滚珠丝杆传动的设计计算及效验 (5)四、步进电动机的传动计算及电机选用 (10)五、滚动导轨的设计计算 (17)六、其余附件的选择 (18)第三章致谢 (21)参考文献 (21)第一章前言当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。
数控机床课程设计-- X-Y数控工作台设计
《数控机床》课程设计说明书课题名称X-Y数控工作台设计学院机械工程学院专业机械工程及自动化班级学号姓名指导教师2015年 6 月 25 日数控技术及数控机床在当今机械制造业中的重要地位和巨大效益，显示了其在国家基础工业现代化中的战略性作用，并已成为传统机械制造工业提升改造和实现自动化、柔性化、集成化生产的重要手段和标志。
数控技术及数控机床的广泛应用，给机械制造业的产业结构、产品种类和档次以及生产方式带来了革命性的变化。
X-Y数控工作台是数控机床的重要组成部分，其制造精度对数控机床的精度有着重要的影响。
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。
本次课程设计内容主要是对数控铣床的X-Y数控工作台的滚珠丝杠螺母副、步进电机、导轨副的计算和选用。
关键词：数控机床开环控制滚珠丝杠步进电动机滚动导轨一、设计的目的 (1)二、设计任务 (1)三、设计主要步骤 (1)（一）确定设计总体方案 (1)1. 机械传动部件的选择。
(1)2. 控制系统的设计，完成进给控制系统原理框图及步进电机的控制驱动。
.. 2（二）机械传动部件的计算与选型 (2)1.导轨上移动部件的重量估算。
(2)2. 计算切削力。
(3)（三）滚珠丝杠传动的设计计算及效验。
(4)1. 最大工作载荷的计算。
(4)2. 最大计算动载荷的确定。
(4)3. 规格型号的初选。
(5)4. 传动效率的计算。
(6)5. 刚度的验算。
(7)6. 稳定性的验算。
(7)7. 临界转速的验算。
(8)8. 滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定。
(9)（四）步进电动机的传动计算及电动机选用。
(12)1.传动计算 (12)2.步进电动机的计算及选型。
(12)3. 步进电动机转轴上的等效负载转矩M的计算。
(15)（五）滚动导轨的设计计算 (18)1.工作载荷的计算。
(18)2. 小时额定工作寿命的计算。
(19)3. 距离额定寿命的计算。
X-Y数控工作台机电系统设计说明书
X-Y数控工作台机电系统设计xxxxxxxxxxxxxxxxxxxx摘要当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。
一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。
机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。
新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。
关键字：机电一体化的基础控制自动化系统化1引言机电一体化是多学科领域综合交叉的技术密集型系统工程，它是融合检测传感技术，信息处理技术、自动控制技术、伺服驱动技术、精密机械技术、计算机技术和系统总体技术等多种技术于一体的新兴综合性学科。
随着机电一体化技术的产生和发展，在世界范围内掀起的机电一体化热潮，使机电一体化越来越显示出强大的威力，它使机械产品向着高技术密集——机电一体化的方向发展。
机电一体化课程设计在机电一体化专业教学中占有重要位置，它关系到学生知识的综合运用和学生动手能力的培养及机电产品开发的能力。
因此设计内容选择很重要。
基于微型计算机控制的X-Y工作台是典型的机电一体化系统，以此为设计内容有较强的教学研究意义。
培养我们理论联系实际，解决生产实际问题能力的重要步骤，它起到了设计的作用。
通过对X-Y工作台的设计总体方案的拟定，进给伺服系统机械部分结构设计.计算控制系统硬件电路的设计以及数控机床加工程序的编制，使我们综合运用所学的机械.电子和微机的知识,进行一次机电结合的全面训练。
从而培养了我们具有加工编程能力，初步设计计算的能力以及分析和处理生产中所遇到的机电方面技术问题的能力。
本设计是以PC平台为基础的数控X-Y工作台实验系统，它具有直线插补和圆弧插补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制精度相对较高, 可靠性、稳定性和实用性都很好。
X-Y工作台课程设计说明书
目录一、设计任务P1二、脉冲当量和传动比的确定P1三、工作载荷分析及计算P2四、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 P3五、导轨的选型和计算 P5六、电动机的选型和校核 P7七、步进电机控制电路设计P15八、参考文献P19附加一张数控系统框图和一张软件框图专业课程设计说明书一、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。
1）设计要求1. 了解机电一体化化概念及机电一体化技术、机电一体化产品的含义。
2. 领会机电综合设计训练的意义。
3. 了解机电综合设计的几大步骤。
2）设计参数的确定设计参数：系统分辨率为0.01mm ，最大铣刀直径Φ=16mm ，最大铣削宽度ae=5mm,最大铣削深度ap=2mm,加工材料为碳钢，工作台加工范围X=200mm,Y=150mm ，最大移动速度Vmax=3m/min.3）方案的分析、比较、论证本设计是一种经济型数控工作台，采用开环控制，主控装置为单片机，软件环形脉冲输出，驱动电路为高低压驱动电路，驱动电机为步进电动机，传动变换机构采用滚珠丝杠副。
二、脉冲当量和传动比的确定1）脉冲当量的确定：本设计采用步进电动机，等每脉冲代表电机一定的转角，这个转角经滚珠丝杠使工作台移动一定的距离。
每个脉冲所对应的工作台的移距，称为脉冲当量或分辨率，记为δp ，单位为mm/脉冲。
根据工作台进给系统所要求的精度来选定脉冲当量。
考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。
本次设计给定脉冲当量为0.01mm 。
2）传动比的计算：传动比的计算公式 pb L o i δθ360= 其中，θb 为步进电动机的步距角，Lo 为滚珠丝杠导程，δp 为系统脉冲当量，由公式可知，系统的传动比与θb,δp,Lo 有关。
因此，要计算系统传动比，必须先确定θb,δp 和Lo ，步进电动机步距角的选用原则为：定位精度要求不高的控制系统选用步距角大、运行频率低的步进电动机；定位精度要求较高、运行速度范围较广的控制系统，则应选用步距角较小，运行频率较高的步进电动机。
X-Y数控工作台机电系统设计课程设计
沈阳理工大学机电一体化课程设计计算说明书题目：X-Y数控工作台机电系统设计所属系部：机械运载学院专业：机械设计制造及其自动化学生姓名：***指导教师：刘长吉2011年 6 月 12 日目录摘要............................................... 错误!未定义书签。
1.设计任务 (3)2.总体方案的确定 (4)2.1机械传动部件的选择 (4)2.1.1导轨副的选用 (4)2.1.2丝杠螺母副的选用 (4)2.1.3减速装置的选用 (4)2.1.4伺服电动机的选用 (5)2.1.5检测装置的选用 (5)2.2 控制系统的设计 (5)2.3 绘制总体方案图 (5)3.机械传动部件的计算与选型 (6)3.1导轨上移动部件的重量估算 (6)3.2 铣削力的计算 (6)3.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） (6)F的计算及导轨型号的选取 (6)3.3.1 块承受工作载荷m ax3.3.2 距离额定寿命L的计算 (7)3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (7)3.4.1 最大工作载荷Fm的计算 (7)3.4.2 最大动工作载荷FQ的计算 (7)3.4.3 初选型号 (8)3.4.4 传动效率η的计算 (8)3.4.5 刚度的验算 (8)3.4.6 压杆稳定性校核 (9)3.5 步进电动机减速箱的选用 (9)3.6 步进电动机的计算与选型 (10)3.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J (10)eq3.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq (11)3.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 (12)3.6.4 步进电动机的性能校核 (12)4. 增量式旋转编码器的选用 (13)5. 绘制进给传动系统示意图 (14)6．控制系统硬件电路设计 (14)7. 步进电动机的驱动电源选用 (18)心得体会 (16)致谢 (18)参考文献 (18)附录 (18)X-Y 数控工作台机电系统设计摘要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。
X-Y数控工作台机电系统设计说明书
目录1. 引言： (3)2. 设计任务 (3) (4)图6-22 X-Y 数控工作台外形 (4)3. 总体方案的确定 (4)3.1 机械传动部件的选择 (4)3.1.1导轨副的选用 (4)3.1.2丝杠螺母副的选用 (4)3.1.3减速装置的选用 (4)3.1.4伺服电动机的选用 (5)3.1.5检测装置的选用 (5)3.2 控制系统的设计 (5)3.3 绘制总体方案图 (5)4.机械传动部件的计算与选型 (5)4.1 导轨上移动部件的重量估算 (6)4.2 铣削力的计算 (6)4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） (6)4.3.1 块承受工作载荷m ax F 的计算及导轨型号的选取 (6)4.3.2 距离额定寿命L 的计算 (7)4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (7)4.4.1 最大工作载荷Fm 的计算 (7)4.4.2 最大动工作载荷FQ 的计算 (7)4.4.3 初选型号 (8)4.4.4 传动效率η的计算 (8)4.4.5 刚度的验算 (8)4.4.6 压杆稳定性校核 (9)4.5 步进电动机减速箱的选用 (9)4.6 步进电动机的计算与选型 (9)4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq (9)4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq (10)4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 (11)4.6.4 步进电动机的性能校核 (12)5. 增量式旋转编码器的选用 (13)6. 绘制进给传动系统示意图 (13)7．控制系统硬件电路设计 (13)8. 步进电动机的驱动电源选用 (15)9. 设计感想 (16)10. 参考文献 (17)X-Y 数控工作台机电系统设计1. 引言：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数控工作台设计说明书06
滨州学院自动化系《数控机床》课程设计说明书设计题目：X-Y数控工作台机电系统设计班级：08机械三班姓名：指导教师：孙鲁青滨州学院自动化系机械设计制造及其自动化三班2011年 5 月一、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 ＝156mm ×166mm ×26mm ； 2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝356mm ×356mm ×256mm ； 3）工作台加工范围X=106mm ，Y=106mm ；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）负载重量G=230N ；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1m/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）最大背吃刀量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 ⑤ 检测装置的选择 （2）控制系统的设计 ① ② ③ ④图1-1 系统总体框图二、机械系统设计2.1、导轨上移动部件的重量估算重量：按重量=体积×材料比重估算 （45钢密度7.85g/立方厘米） 工作台面尺寸： 156mm ×166mm ×26mm 重量：53N上导轨座（连电机）重量300N ： 夹具及工件重量147N ：X-Y 工作台运动部分的总重量G=500N ： 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 1.00.10c e z p 118a fd a n Z F -=代入上式得：F C =118×200.85×0.10.75×20-0.73×101×3000.10×3N ≈1595N其中，每齿进给量0.1z f mm =，铣刀转速300/min n r =，可直接带入计算。
x-y数控工作台说明书
数控台铣X-Y工作台进给伺服系统设计指导老师:班别:姓名:学号:目录第一章系统的总体方案设计 (2)第二章机械系统设计 (3)2.1 脉冲当量和传动比的确定 (3)2.2 传动系统等效转矩惯量计算 (3)2.3 工作载荷分析及计算 (4)2.4 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (5)2.5 导轨的选型和计算 (8)2.6 驱动电机的选择 (9)第三章控制系统设计 (12)3.1 控制系统硬件的基本组成 (12)3.2 接口程序初始化及步进电机控制程序 (15)3.3 直线圆弧插补程序设计 (16)参考文献 (23)原始数据设计一个数控XY 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： 最大铣刀直径mm 最大铣削宽度 最大铣削深度 加工材料 工作台加工范围（mm ） 最大移动速度 32 mm16mm6mm碳钢X=500，Y=4503 m/min第一章 系统的总体方案设计图1-1 系统总体方案由设计任务书可知，本次设计可以采取一下方案：1.1 机械系统1.1.1 传动系统采用滚珠丝杠和联轴器传动 1.1.2 导向系统采用滚珠直线导轨 1.1.3 执行电机采用步进电动机1.2 传感系统本次设计的系统精度不高，载荷不大，因此采用开环控制。
1.3 控制系统采用步进电机来实现驱动，一般情况下多采用开环控制。
因为步进电机的输出转角与控制器提供的脉冲数有着正比关系，电机转速与控制器提供的脉冲频率成正比。
因此通常在精确度要求不是很高时，采用步进电机是合理的。
当然，由于步进电机具有高频易失步，负载能力不强的缺点。
ea pa图1-2开环控制流程图第二章 机械系统设计2.1 脉冲当量和传动比的确定根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。
考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。
本次设计给定脉冲当量 为0.01mm 。
根据脉冲当量和系统总体方案，还有混合式步进电动机的优点，在网上（/docc/product.htm ）暂选57BYG4504型的步进电动机。
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一、总体方案设计1.1 设计任务设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。
该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、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。
设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；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（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。
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 。
上导轨座（连电机）重量：223(2201403821558)7.81010 1.110107π--⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯≈()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⑴、导轨型式：圆形截面滚珠导轨 ⑵、导轨长度 ①上导轨（X 向）取动导轨长度 100B l = 动导轨行程 55l =支承导轨长度 155B L l l =+= ②下导轨（Y 向）50l = 100B l = 150L =选择导轨的型号：GTA16 ⑶、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。
⑷、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。
当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。
此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。
2.3、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。
⑴、最大动负载Q 的计算H Q f P ω=查表得系数1f ω=，1H f =，寿命值66010nTL =查表得使用寿命时间T=15000h ，初选丝杠螺距t=4mm ，得丝杠转速max 100010001250(/min)4V n r t ⨯=== 所以 6602501500022510L ⨯⨯==X 向丝杠牵引力1.414x x P f G =当 ()f 当——当量摩擦系数1.4140.01240 3.39()N =⨯⨯=Y 向丝杠牵引力1.4141.4140.01287 4.06()y yP f G N ==⨯⨯=当所以最大动负荷X 向 11 3.3920.6()x Q N =⨯⨯=Y 向 11 4.0624.7()y Q N =⨯⨯=查表，取滚珠丝杠公称直径 010d mm =，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额定动载荷为390N ，足够用。
⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算见表2-1。
⑶、传动效率计算7.260.973()(7.260.2)tg tg tg tg γηγϕ===++式中：ϕ——摩擦角；γ——丝杠螺纹升角。
⑷、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程0L 的变化量1PL L EF=±Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算24.7()P N = 00.4()L cm =6220.610(/)E N cm =⨯ ()材料为钢()2220.7983.140.52F R cm π⎛⎫=== ⎪⎝⎭所以 61624.70.51.210()20.6100.5L cm -⨯=±=±⨯⨯⨯ 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L 很小，可以忽略。
所以导程总误差()601001001.2103/0.4Lm m L μ-==⨯= 查表知E 级精度的丝杠允许误差15m μ，故刚度足够。
⑸、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。
2.4、步进电机的选用⑴、步进电机的步距角b θ取系统脉冲当量0.01/p mm step δ=，初选步进电机步距角 1.5b θ=。
⑵、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T ，负载力为P ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系T Ps ϕη＝式中：ϕ ——电机转角；s ——移动部件的相应位移；η ——机械传动效率。
若取 b ϕθ=，则p s δ=，且S P P G μ=+，所以[]36()2p S b P G T N cm δμπθη+=式中：S P ——移动部件负载（N ）；G ——移动部件重量（N ）； z P ——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N ）；μ ——导轨摩擦系数；b θ——步进电机步距角，（rad ）；T ——电机轴负载力矩（N cm ）本例中，取0.03μ=（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96η=，S P 为丝杠牵引力，24.7s H P P N ==。
考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取287y G G N ==，所以[]360.0124.70.03287 1.33()2 1.50.96T N cm π⨯+⨯==⨯⨯若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩0.3~0.5q TT =取安全系数为0.3，则 ()1.334.420.3q T N cm == 对于工作方式为三相六拍的三相步进电机max 5.10.866q j T T == ()N cm⑶、步进电机的最高工作频率max max 1000100011667()60600.01p V f Hz δ⨯===⨯查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。
电机的有关参数见表2-2。
表2-2 步进电机参数)cm step2.5、确定齿轮传动比因步进电机步距角1.5b θ=，滚珠丝杠螺距 4t mm =，要实现脉冲当量0.01/p mm step δ=，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。
齿轮传动比123600.013600.61.54p b Z i Z t δθ⨯⨯====⨯ 选 117Z = ，228Z = 。
2.6、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数1m mm =，齿轮有关尺寸见表3-3。
2.7、步进电机惯性负载的计算表2-3 齿轮尺寸根据等效转动惯量的计算公式，得()22101232180p d bZ J J J J J M Z δπθ⎛⎫ ⎪⎛⎫=++++⎪ ⎪⎝⎭ ⎪⎝⎭式中： d J ——折算到电机轴上的惯性负载（2kg cm ）； 0J ——步进电机转轴的转动惯量（2kg cm ）；1J ——齿轮 的转动惯量（2kg cm ）；2J ——齿轮 的转动惯量（2kg cm ）；3J ——滚珠丝杠的转动惯量（2kg cm ）；M ——移动部件质量（kg ）。
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算()3420.7810J D L kg cm -=⨯式中：D ——圆柱零件直径（cm ）；L ——零件长度（cm ）。
所以()343210.7810 1.70.5 3.2610J kg cm --=⨯⨯⨯=⨯ ()343220.7810 2.80.523.910J kg cm --=⨯⨯⨯=⨯ ()343230.781015 3.910J kg cm --=⨯⨯⨯=⨯电机轴转动惯量很小，可以忽略，则()233173.261023.9 3.91028d J --⎛⎫=⨯++⨯ ⎪⎝⎭()2520.001250.4103.14 1.5180kg m -⎛⎫ ⎪+=⨯ ⎪ ⎪⨯ ⎪⎝⎭因为10.40.31914 1.274d M J J <==<，所以惯性匹配比较符合要求。
三、控制系统硬件设计X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。
硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。
3.1 CPU板3.1.1 CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。
单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。
在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。
但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。
从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。
生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。
ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。