数控十字工作台

课程设计

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2013年12月30日

贵州大学本科课程设计

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贵州大学本科课程设计任务书

目录

摘要 .................................................................................................... I 第一章前言 . (2)

1.1数控技术与数控机床概述 (2)

1.2数控十字工作台概述及应用 (2)

第二章总体方案的确定 (3)

2.1总体方案的确定 (3)

2.1.1 机械系统传动部件的选择 (3)

2.1.2 电气控制系统的设计 (4)

第三章机械部分各部件的设计 (5)

3.1滚珠丝杠副的选择 (5)

3.2支承方式的选择 (6)

3.3导轨副的选择 (7)

3.4 步进电机的选择 (8)

3.5 联轴器的设计 (10)

3.6 滚珠丝杠副的预紧 (11)

3.7 进给传动系统的误差分析 (12)

3.8 机械机构部分总体装配图 (12)

第四章控制系统部分的设计 (14)

4.1控制系统硬件的基本组成 (14)

4.2控制卡的选择 (14)

4.3 驱动器的选择 (17)

4.3.1驱动器的功能及使用 (18)

4.3.2驱动器的输入输出信号 (19)

4.4 电气接线图 (20)

第五章零件加工程序 (22)

第六章总结 (24)

参考文献 (24)

致谢 (25)

贵州大学本科课程设计论文第I页

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。

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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，有利于生产管理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。

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第二章总体方案的确定

2.1总体方案的确定

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

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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。

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