数控铣床XY工作台毕业设计

毕 业 设 计茂名职业技术学院1茂名职业技术学院2011 年 12 月 21 日数控铣床 X-Y工作台设计【 摘 要 】本 设 计 是 在 数 控 机 床 工 作 原 理 之 上 设 计 一 台 简 单 的 、 经 济 型 的 x-y 数控 铣 床 工 作 台 。 X-Y 数 控 工 作 台 的 机 电 系 统 设 计 是 一 个 开 环 控 制 系 统 ,其结 构 简 单 ， 实 现 方 便 而 且 能 够 保 证 一 定 的 精 度 。 降 低 成 本 ,是 微 机 控 制 技术 的 最 简 单 的 应 用 。 它 充 分 的 利 用 了 微 机 的 软 件 与 硬 件 功 能 以 实 现 对 机 床的 控 制 ,使 机 床 的 加 工 范 围 扩 大 ,精 度 和 可 靠 性 进 一 步 得 到 提 高 。 设 计 任 务 是完 全 围 绕 数 控 机 床 工 作 原 理 而 展 开 的 ， 本 设 计 充 分 体 现 了 数 控 机 床 机 械 设 备 部分 与 电 气 设 备 部 分 的 紧 密 结 合 。 X-Y 数 控 工 作 台 设 计 包 括 总 体 方 案 的 设 计 、步 进 电 机 的 选 用 、 传 动 装 置 的 设 计 、 电 气 控 制 部 分 的 设 计 和 相 关 软 件 的 设 计 。本 设 计 的 经 济 型 数 控 工 作 台 精 度 并 不 高 ， 采 用 开 环 系 统 ； 机 械 传 动 部 分 采 用 步进 电 机 直 接 连 接 滚 珠 丝 杠 ， 从 而 驱 动 工 作 台 进 给 。 步 进 电 机 是 一 个 将 脉 冲 信 号转 移 成 角 位 移 的 机 电 式 数 模 转 换 器 装 置 。 其 工 作 原 理 是 ： 每 给 一 个 脉 冲 便 在 定子 电 路 中 产 生 一 定 的 空 间 旋 转 磁 场 ； 由 于 步 进 电 机 通 的 是 三 相 交 流 电 ，所 以 输 入 的 脉 冲 数 目 及 时 间 间 隔 不 同 ， 转 子 的 旋 转 快 慢 及 旋 转 时 间 的 长 短也 是 不 同 的 。 由 于 旋 转 磁 场 对 放 入 其 中 的 通 电 导 体 即 转 子 切 割 磁 力 线 时 具有 力 的 作 用 ， 从 实 现 了 旋 转 磁 场 的 转 动 迫 使 转 子 作 相 应 的 转 动 ， 所 以 转 子 才 可以 实 现 转 子 带 动 丝 杠 作 相 应 的 运 动 。关 键 词 ： X-Y 数 控 工 作 台 ； 设 计 任 务 ； 机 械 传 动 部 件 ； 控 制 系 统茂名职业技术学院2CNC XY table designAbstractThe design is in the NC machine tool works on top of design a simple, economical CNC xy table. XY table CNC electromechanical system design is an open-loop control system, its structure is simple, convenient and can guarantee to achieve a certain degree of accuracy. Reduce costs, is a computer-controlled technology, the simplest applications. It is full advantage of the crisis in software and hardware capabilities in order to achieve the control of machine tools; to expand the scope of processing machines, precision and reliability, and further enhanced. Design task is completely around theNC machine tool works and carried out,this design fully reflects the CNC machine tools and electrical equipment, machinery and equipment part of the close combination of parts. CNC XY table design includes the overall program design, selection of stepper motors, gear design, electrical control part of the design and related software design. The design of the economy is not high-precision CNC table, using open-loop system; mechanical transmission part is directly connected to ball screw stepping motor, which drives table feed. Stepper motor is a pulse signal will be transferred into the angular displacement of the electromechanical DAC device. Its working principle is: each to a pulse will be generated in the stator circuit in a certain space rotating magnetic field; due to pass the three-phase stepper motors AC Therefore, the number of input pulses and the time interval is different from the rotation of the rotor rotation speed and the length of time are different. As the rotating magnetic field into which the power of both the rotor conductor cutting magnetic field lines when the role of a force, from the realization of the rotating magnetic field corresponding rotational force of rotor rotation, so the rotor can be achieved only lead screw rotor 茂名职业技术学院3corresponding movement.Keywords: X-Y CNC table; design tasks; mechanical transmission components; control system目 录摘要 .1Abstract.21绪论 .51.1 课题研究发展现状.51.2 引言 .52.设计任务.6题目：X-Y 数控工作台系统设计.63.总体方案的确定.73.1 机械传动部件的选择 .73.1.1伺服电动机的选用 .73.1.2导轨副的选用 .73.1.3丝杠螺母副的选用 .73.1.4减速装置的选用 .73.1.5检测装置的选用 .73.2 控制系统的设计 .73.3 绘制总体方案图 .84.机械传动部件的计算与选型 .84.1 导轨上移动部件的重量估算 .84.2 铣削力的计算 .84.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） .94.3.1 块承受工作载荷 maxF的计算及导轨型号的选取 .94.3.2 距离额定寿命 L的计算 .94.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 .104.4.1 最大工作载荷 Fm的计算 .104.4.2 最大动工作载荷 FQ的计算 .104.4.3 初选型号 .104.4.4 传动效率 的计算 .10茂名职业技术学院44.4.5 刚度的验算 .104.4.6 压杆稳定性校核 .114.5 步进电动机减速箱的选用 .114.6 步进电动机的计算与选型 .124.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq.124.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq .124.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 .144.6.4 步进电动机的性能校核 .144.7 增量式旋转编码器的选用.155. 绘制进给传动系统示意图 .16谢辞 .19参考文献 .20茂名职业技术学院5绪论1.1课题研究发展现状随着科学技术的发展以及世界先进制造技术的兴起和不断成熟，对数控加工技术提出了更高的要求；超高速切削、超精密加工技术的应用，对数控机床的数控系统、伺服性能、主轴驱动、机床结构等提出了更高的性能指标；FMS 的迅速发展和 CIMS 的不断成熟，又将对数控机床的可靠性、通信功能、人工智能和自适应控制等技术提出更高的要求。随着微电子和计算机技术的发展，数控系统的性能日益完善，数控技术的应用领域日益扩大。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。总方案的拟订数控技术是用数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它广泛应用于机械制造和自动化领域，数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用。随着科学技术不断发展，数控机床的发展也正朝着高性能、高精度、高速度、高柔性化、模块化和网络化方向发展。目前代表数控机床最前沿的坐标机床在世界某些发达国家已经发展到 6-7 轴联动，已经实现了比较完善的闭环伺服控制。工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。数控工作台设计在生产实践中还有很多现实意义和经济效益。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和茂名职业技术学院6劳动生产率，而且能有效的适应多品种、小批量的市场经济的需要，使之更有效的发挥经济效益和社会效益。1.2引言数控机床集计算机技术、电子技术、自动控制、传感测量、机械制造、网络通信技术于一体，是典型的机电一体化产品。 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，计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。2.设计任务题目：X-Y 数控工作台系统设计任务：设计一种供应式数控铣床使用的 X-Y 数控工作台，主要参数如下：1. 立铣刀最大直径的 d=15mm；2. 立铣刀齿数 Z=3;3. 最大铣削宽度 =15mm;ea4. 最大背吃刀量 =8mm;p5. 加工材料为碳素钢活有色金属。6. X、Y 方向的脉冲当量 =0.004mm;xy7. X、Z 方向的定位精度均为 mm;02.8. 工作台面尺寸为 ，加工范围为 ;23m250m9. 工作台空载进给最快移动速度： ;maxa3/inzV10. 工作台进给最快移动速度: ,加减速 0.4s.4xfzf茂名职业技术学院73.总体方案的确定3.1 机械传动部件的选择3.1.1伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到 0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此 3000mm/min，故本设计不必采用高档次的私服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。3.1.2导轨副的选用要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。3.1.3丝杠螺母副的选用伺服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 0.004mm脉冲当量和 mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能02.达到要求，滚珠丝杠螺母副的传动精度高、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。3.1.4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，选用无间隙齿轮传动减速箱。3.1.5检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高，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，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到 X、Y 两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计茂名职业技术学院8工作量，X、Y 两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号与规格。3.2 控制系统的设计1）设计的 X-Z 工作台准备用在数控铣床，其控制系统应该具有单坐标定位，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。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用 MCS-51 系列的 8 位单片机 AT89S52 作为控制系统的 CPU，能够满足任务书给定的相关指标。3）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，键盘与显示电路，I/O 接口电路，D/A 转换电路，串行接口电路等。4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。3.3 绘制总体方案图总体方案图如图 3.1 所示。微型机 接口电路 功放电路 执行元件 机 械传 动机 构 机 械执 行机 构图 3.1 总体方案图4.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按照导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为 800N.4.2 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：0.8570.31.cezp1afdanZF今选择铣刀的直径为 d=15mm，齿数 Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大