课程设计-XY工作台数控系统设计

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1.设计任务
1.要求： 可以实现启动、停止、急停、正向/反向点动、正向/反向连续运动、软硬限 位等功能。 2.已知技术参数如下: 1)立铣刀最大直径 d=20mm； 2)立铣刀齿数 z=3 3）最大铣削宽度αe=15mm 4）最大背吃刀量αp=12mm 5）加工材料为碳素钢或有色金属； 6）XY 方向的脉冲当量δx=δy=0.005mm/脉冲； 7）XY 方向的定位精度为±0.01mm； 8）工作台台面尺寸 230mm×230mm，加工范围为 250mm×250mm； 9）工作台空载最快移动速度 Vxmax=Vymax=3500mm/min； 10）工作台进给最快移动速度 Vxmax=Vymax=500mm/min； 11）移动部件总重量为 800N；
图 2.1
XY 工作台系统设计结构示意图
由图 1 可知，XY 工作台系统设计结构为：通过步进电机经减速器减速后带 动滚珠丝杠副旋转， 在分别由 XY 向滚珠丝杠副旋转带动 XY 向工作台的直线运 动。工作台安装在滑动导轨副上，并在两端安装限位开关，起硬件限位作用。 6）XY 工作台系统设计总体框图：
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工作台。 3）X-Y 工作台的传动方案： 考虑电机步距角和丝杠副导程只能按标准选取， 为达到分辨率的要求，需采用减速器降速传动。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。为有一定的预紧力和消除间隙，采 用双螺母齿差预紧调整式。并确定滚珠循环方式，丝杠副支承方式。 4）控制方案：采用与 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。正反向的 点/连续运动可以利用电机通电信号来控制。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。利用软件和限位开关实现限位控制。 5）XY 工作台系统设计结构示意图：
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所以，Y 方向滚珠丝杆螺母副型号可与 X 方向滚珠丝杆螺母副型号一致，G 系 列 2505-4 型滚珠丝杠副。 （2）最大动工作载荷 FQ 的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=500 ㎜ /min,初选丝杆导程 ph=5 ㎜则此时丝杆转速 n=v/ph=500/5=100r/min 60nT 滚 珠 丝 杠 的 使 用 寿 命 T=15000h ， 代 入 L ，得丝杠寿命系数 106 La=120×106r 查表，取载荷系数 fa=1.2,滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 fH=1.0，代入 式子，求得最大动载荷：
表 3.3 滚珠丝杆螺母副型号
图 3.2
G 系列 2505-4 型滚珠丝杠副
（4）传动效率η的计算
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将公称直径 da=25 ㎜,导程 ph=5 ㎜,代入λ=arctan[Ph/(πdo]，得丝杠螺旋升 角λ=3º39´,摩擦角Φ=10´， 代入传动效率公式计算η=tanλ/tan(λ+φ)，得传 动效率η=95.5%。 （5）刚度的验算 1)X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推-单推”的方式。丝 杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左右支承的中心距约为 a=400 ㎜，刚的弹性模量 E=2.1×105Mpa，查表得滚珠直径 Dw=3.175 ㎜，丝杠 底径 d=24.5 ㎜,丝杠截面积 S=πd22/4=471.1 ㎜ 2 丝杠的拉伸或压缩变形量δ在总变形量中占得比重较大， 算得丝杠在工作载 荷 Fm 作用下产生的拉/压变形量 δ1=Fma/ES=1966.24×600/（2.1×105×471.4）≈0.012 ㎜ 根据公式 z ( πd/Dw) 3 ,得 Z=22 该型号丝杠为单螺母， 滚珠的圈数列数为 4×1,代入公式， 滚珠总数量 Z∑=Z× 圈数×列数=22×4×1=88。丝杠预紧时，取轴向预紧力 FY=Fm/3=655.4N 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2= 0.0013
5.工作台控制系统的设计 ……………………………………………………14
5.1 控制系统硬件选用……………………………………………………………14 5.2 控制系统程序设计……………………………………………………………14 5.3 控制系统硬件电路设计………………………………………………………17
体会与总结 ………………………………………………………………………17 参考文献 …………………………………………………………………………18
0.13 Fe 118ae0.85 f z0.75 d 0.73 a1.0 Z p n
铣削力：Fe=118×150.85×0.10.75×20-0.73×121.0×3000.13×3
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各铣削力之间的比值可由表表 3.1 查得，假如是逆铣时的情况，可估算三个 方向的铣削力分别为： 垂直方向的铣削力：Fv=Fc=0.35Fe≈623N 纵向方向的铣削力：Fx=Ff=1.0Fe≈1779N 径向方向的铣削力：Fy=Ffn=0.25Fe≈445N 3.3 直线滚动导轨副的计算与选型（Y 方向） （1）滑块承受工作载荷 Fmax 的计算及导轨型号的选取 由于 XY 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。若考虑最 不利的情况，全部载荷有一块滑块承担，则一块滑块的最大垂直方向载荷为： Fmax=(W+G)/4+F 其中，移动部件重量 W=800N ，上导轨及电机重量 G=421.2N, 外加载荷 F=Fy=445N，带入式中得 Fmax=（1221.2/4+445）=750.3N。 所以根据工作载荷 Fmax=750.3N，小于 X 方向工作载荷。所以 Y 方向直线滚 动导轨副与 X 方向直线滚动导轨副相同， 可初选直线滚动导轨副的型号 LG15KL 型，生产厂家为昆山春本自动化设备有限公司。其额定动载荷 Ca=8.7kN,额定静 载荷 C0a=14.5kN 。
4.步进电动机的计算与选型……………………………………………………9
4.1 步进电动机简介及原理 …………………………………………………… 9 4.2 步进电机的计算与选型 …………………………………………………… 9 4.3 步进电动机驱动电源的选用 ………………………………………………12 4.4 联轴器的选用 ………………………………………………………………13
2.1 设计目的意义 …………………………………………………………………1 2.2 总体方案 ………………………………………………………………………1 2.2.1 任务分析 …………………………………………………………………1 2.2.2 总方案的确定………………………………………………………………1
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图 2.2
XY 工作台系统设计总体框图
3.机械传动部件的计算与选型
机械部分设计内容包括：选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选 择，绘制机械部分装配图等。 3.1 工作台外形尺寸及重量初步估算 上拖板（X 向拖板）尺寸：长×宽×高=500×200×30 下拖板（Y 向拖板）尺寸：长×宽×高=500×200×30 上导轨及电机重量 G 为： （500×200×30+2×500×30×50）×7.8×10-2×10-3=421.2N 移动部件总重量 W 为：800N 3.2 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。立 铣刀的铣削力计算公式为：
2.总体方案设计
2.1 设计目的及意义 本次设计研制的是基于单片机的 XY 工作台数控系统， 能够有效的改善人机 界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对改善工人的工作环境 有很大的意义。而且能有效的适应多种品种，更有效的发挥经济效益。 2.2 总体方案 2.2.1 任务分析： 1）设计对象：数控铣床 XY 工作台机电系统（典型的机电一体化产品） 2）根据设计任务，确定总体方案。 3）机械传动部件的计算与选型，包括工作台、减速器、滚珠丝杠副、直线 滚动导轨副等。 4）步进电机及驱动器的选型。 5）最后绘制进给传动机构的装配图以及各部件间的接线图。 2.2.2 总体方案的确定： 1）系统的运动形式：应用点位控制系统，因为工件在移动的过程中没有进 行切削定位。 2）驱动方案：由于要满足工作台的快速、急停、定位，需要较小步距角和 较大的转矩，以及 0.005mm 脉冲当量和±0.01mm 定位精度,故要选择混合型步 进电机驱动。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
3.机械传动部件的计算与选型…………………………………………………3
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 工作台外形尺寸及重量初步估计……………………………………………3 铣削力的计算…………………………………………………………………3 直线滚动导轨副的计算与选型………………………………………………4 滚珠丝杆螺母副的计算与选型………………………………………………5 传动比计算……………………………………………………………………7 角接触球轴承的选用及校核…………………………………………………8
表 3.2LG15KL 型直线滚动导轨副参数
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图 3.1 直线滚动导轨副的型号 LG15KL 型
任务书规定有效行程为 Lx=250 ㎜，Ly=250 ㎜，工作台面尺寸 230×230 ㎜， 考虑工作行程应留有一定余量， 查表按标准系列， 选取导轨的长度为 500 ㎜。 （2）距离额定寿命 L 的计算 上述所选的 KL 系列 JSA-LG51 系列导轨副的滚到硬度为 60HRC，工作温 度不超过 100℃，每根导轨上配有两只滑块，精度为 5 级，工作速度较低，载荷 不大。分别取硬度系数 fH=1.0，温度系数 ft=1.00,接触系数 fC=0.18，精度系数 fg=0.9，载荷系数 fa=1.5,代入式，得距离寿命： L=｛(fH ×ft×fC×fg) ÷fg)×(Ca/Fmax)｝3 ×44.5 ≈｛(1.0×1.0×0.89×0.9÷1.5)×(8.7÷0.823｝3×44.5 ≈4587km 工作寿命的计算 Lh=（L×103)/Insin60=4587×106/(2×4×7×60) ≈1365178H 设数控机床滚珠丝杠及导轨使用寿命为 15000H。工作寿命远远大于使用寿 命。 故导轨工作寿命足够。 3.4 滚珠丝杆螺母副的计算与选型 （1）最大工作载荷 Fa 的计算 如前所述，在立铣时，工作台收、受到进给方向的载荷（与丝杆轴线平行） Fy=445N，受到横向载荷（与丝杆轴线垂直）Fx=1779N。 已知移动部件总重量 W=800N，上导轨及电机重量 G=421.2N,按矩形导轨进 行计算，取颠覆力矩影响系数 K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数μ=0.005，求得滚 珠丝杆副的最大工作载荷： Fm=KFy+μ(FV+Fx+W) =[1.1×445+0.005×(623+1779+800+421.2] =507.6N<1966.24N