数控铣床XY工作台说明书资料

1、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 基本组成要素 特点 发展趋势AbstractNow the world elec

2、tronic 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:

3、 Basic machine, power and actuation part, implementing agency, sensing measurement component, controlandinformation processing part. The integration of machinery is the system technology, the computer and the information processing and management technology, the automatic control technology, the exa

4、mination sensing technology, the servo drive technologyand themechanical skill and so on multi-disciplinary area of technology synthesis overlapping technology-intensive systems engineering. New generations CNC system this kind of model integration of machinery product toward the high performance, t

5、he intellectualization, the systematization as well as the featherweight, the microminiaturized direction develops.key words: Integration of machinery foundation basic component elementscharacteristic trend of development.目录第一章课程设计的内容和要求 3第二章系统的总体方案设计 4第三章机械部分设计 53.1 脉冲当量和传动比的确定 53.2工作台外形尺寸及重量初步估算 5

6、3.3传动系统等效转矩惯量计算 63.4工作载荷分析及计算 63.5滚珠丝杠螺母副的选型和校核 83.6导轨的选型和计算 113.7驱动电机的选择 11第四章 数控系统设计 154.1 控制系统硬件的基本组成 154.2接口程序初始化及步进电机控制程序 174.3直线圆弧插补程序设计 19参考文献 25第一章课程设计的内容和要求1.1课程设计的内容任务是：设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可安装在铳床上，用于铳削加工。 具体参数如下：最大铳刀直径mm最大铳削宽度ae最大铳削深度ap加工材料工作台加工范围（mr）最大移动速度24 mm8mm5mm碳钢X=300Y=2503 m/min

7、设计内容包括：1.1.1数控装置总体方案的确定（1）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）。1.1.2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；1.1.3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

8、程图）。1.2课程设计的要求1.2.1图纸要求（1） 机械结构装配图，A0图纸一张。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图纸一张。（4） 软件框图（可附在说明书上）。1.2.2编写设计说明书要求说明书应当叙述整个设计的内容，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字第二章 系统的总体方案确定数控系统总体方案设计的内容包括：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

9、统的选择。进行方案的分析、比较和论证。2.1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。2.2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。2.3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

10、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。2.4 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

11、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：第三章机械部分设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，机械部件的总体尺寸、质量、运动部件惯性的计 算，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脉冲当量和传动比的确定脉冲当量S p是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为土 0.01mm因此选择脉冲当量为 0.01mm。根据脉冲当量和系统总体方案，传动比为1,直接用联轴器将电机和丝杠直接连接，有利于简化结构，提高精度。初选导程L0=5mm滚珠丝杠，电动机步距角b=0.75传动比计算公式日bL。0.75汉5 彳i13

12、60、p360 0.01暂选130BF001型的步进电动机。其具体参数如下：3/*D10 E9(wdg. g)A B V2 4 6 1A -&-CA 8 c D E1 2 5 7 qm阳(wdg.7)3 B X7 K(wdg. 5)4 技PC)嬰号相載(D&g.)电压M(A)保持转矩Nrri(kg,cm)量高空爺 起动類車(Hz)运齐頻率 (H4接域国 Wdg备衽130BF0015O.75/1JS01210931(95)3000106003130BC31003WUZOOg11.76(120)H5015W05130BC3100A1WIN3001015.6(200)1300150003130BC3

13、100B1ZOO1017.64(180)1300150005150BC54850J5/1J80-1301313.63(160)260012000S160BC54B5CL75nJSO-30013222000120007160BC&48A5O.75/1J80-30013301300120007160BC3S0O.75/1J80-30013221000120006160BC380A30.75/1.580-3001330900120006型号O(Xhi2ODi(h7)rbELhih20ditt(key)AfciE2M130BF00113010013437L63510014-0.01115511平賀4*

14、30130BC3100130100134531S1051022K15511平無心和123612425130BC3100A1301001345S24051022K：?11平密230123612x125130BC3100B13010013458210510225150BC5431501001504719951018K17011平 4x19103012xL25160BC548160BO1606021051424監ISO11平锲IMO143612x125160BC548A160130160601W51424K18fl11平林&30工3612*12515QBC380160130

15、1606021051424KISO11平加如143612425160BC380A1601301606026051424監ISO11平 6x301436I306F001型号步距角相 数电压(V)相电流(A)最大静转 矩(N.M)空载启动频率(Hz)空载运行频率(Hz)转动惯量Kg cm分配方式重量(Kg)130BF0010.75/1.5580/12109.313000160004.7五相十拍9.23.2工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算 X向和Y向工作台承载重量WX和W。设计工作台简图如下：X向拖板（上拖板）尺寸为：长 * 宽 * 高=320*270*40重量:

16、按重量=体积*材料比重估算为：WX= 320 270 40 10”7.8 10 N=270NY向拖板（下拖板）尺寸为：320 32040重量 WY =320 320 40 10 7.8 10，N=320N上导轨（含电机）估算重量为：260N夹具及工件重量：150NX-Y工作台运动部分总重量为：270N+320N+260N+150N=1000N3.3传动系统等效转矩惯量计算传动系统的转动惯量是一种惯性负载，选用电机时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件 并不都是与电机轴同轴线，还存在各转动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后，要计算整个传 动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯

17、量对于轴、轴承、齿轮、联轴器、丝杆等圆柱体的转动惯量计算公式为,McD2J 二83.3.1电机等效转动惯量JD = 4.7kg cm23.3.2初选联轴器直径D =3cm，长度L =3cm联轴器等效转动惯量JL =0.78D4L 10=0.78 34 3 10= 0.1895（Kg cm2）3.3.3初选丝杠直径 D = 3cm，初步估计丝杠长度 L -35cm。滚珠丝杠等效转动惯量43432Js =0.78D L 10一 =0.78 335 10一 =2.2113(Kg cm )3.3.4工作台等效转动惯量JG10009.82=0.6333(kg cm )3.3.5传动系统总的转动惯量JlJ

18、S J= 4.70.18952.2113 0.63332=7.64(kg.cm )3.4工作载荷分析及计算3.4.1铳削力的分析与计算铳削运动的特征是主运动为铳刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铳 刀轴线方向缓慢进给(键槽铳刀可沿轴线进给)。铳刀的类型很多，但以圆柱铳刀和端铳刀为基本形式。圆柱铳刀和端铳刀的且学部分都可看做车道到头的演变，铳刀的每一刀齿相当于一把车刀。通常假定铳削时铳刀受到的铳削力是作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合理为F,将F沿铳刀轴线、径向和切向经行分解，则分别为轴向铳削力 f ，径向铳削力F和切向铳削力F xyz其中切向铳削力Fz是沿铳刀主运动

19、方向的分离，它消耗铳床电机功率(即铳削功率)最多。根据机械制造技术基础课程设计指导教程选铳刀。根据最大铳刀直径=24mm最大铳削宽度ae =8mm，最大铳削深度5mm选择莫氏锥柄立铳刀，铳刀材料为硬质合金，工件材料为碳钢。选取工进的最大速度为Vmaxf =0.4mm/min ，选定铳刀转速 n =400r/min，铳刀的齿数为 Z=5 ,则每齿进给量 a f =v/(z n)=400/(5*400)mm=0.2mm 因此铳削力Fz为：l 小-0.850.751.0 一 , -0.730.13 一 0.13F=9.1812.5ae a f a p Z*d n 600.850.751 .00.73

20、0.130.13=9.1812 .580.2552440060=1958N3.4.2进给工作台工作载荷计算作用在工作台上的合力 F与铳刀刀齿上受到的铳削力的合力F大小相同，方向相反，合力F就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铳床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷Fl，工作台横向进给方向载荷Fc和工作台垂直进给方向载荷Fv 工作台工作载荷Fl、Fc和Fv与铳刀的切向铳削力 Fz之间有一定的经验比值。因此，求出Fz后，即可计算出工作台的计算载荷Fl、Fc和Fv Fl =(0.80-0.90) Fz =1664NFC = (0.35-0.40) Fz =695

21、NFV = (0.75-0.80) Fz =1478N3.5滚珠丝杠螺母副的选型和校核3.5.1滚珠丝杠螺母副类型选择G.GD系列滚珠丝杠副规格代号公称直径Do公称导程Pho302505-4螺旋升角Dw28.2循环列数GGD22+233+344+4丝杠底径Ddi26.740663 39螺母安装连接尺寸LGGD407046805090DBD53115.5105.7注油孔额定 动载 荷Ca(KN)额定 静载 荷Coa(KN)接触刚度KcN/umM671745010.5223281434650T53选用内循环，垫片式预紧方式的滚珠丝杠螺母副。预选G.GD系列的2005-3丝杠。3.5.2滚珠丝杠螺母

22、副的校核3.5.2.1最大工作载荷滚珠丝杠上的工作载荷 Fm(N)是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。综合导轨的工作载荷 Fm = KFL f (FV G)，式中：Fl，FV，FC分别为工作台进给方 向载荷、垂直载荷和横向载荷( N)； G为移动部件的重力(N)； K和f 分别为考虑颠覆力矩影响 的实验系数和导轨上的摩擦系数，随导轨形式的不同。对于综合导轨 K -1.15，如果是滚动导轨时，厂=0.0025 0.005，现取0.004因此有，Fm 二 KFlf(Fv G)= 1.15

23、 1664 0.004 (1478 1000)= 1923.51(N)3.5.2.2最大动负载C的计算及主要尺寸初选滚动丝杠最大动载荷 C可用下式计算：C =3 LfmFm，式中：L为工作寿命，单位为106r，L =60nt/106 ； n为丝杠转速(r/min)，n =1000v/L ； v为最大切削力条件下的进给速度(m/min)，L。为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t为额定使用寿命(h)，可取t=15000h ； fm为运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况取1.21.5，有冲击振动取1.52.5 ； Fm为 滚珠丝杠工作载荷(N)。初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的个定动

24、载荷Ca不得小于最大动载荷 C ； Ca C。L =60 nt/106=60 42 15000= 37.8(106r)其中:n =1000v/L0， t=15000h， v = 0.4m/min那么,C =3 LfmFm= 3 80 1.1 1923.51= 9117.245(N)其中，f m =1.1因为Ca =9.117KN C ,所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。3.523传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为十tg九tg3039c厂厂“/0；95.62%tgC)tg(3039 10)3.524刚度验算滚珠丝杠计算满载时拉压形量 J”I =FmLEA1923.51 30020.6

25、 104 593.6562=0.00471mm其中 L 取 300mm，E =20.6 104Mpa，A=M（d）2=3.14 （更）2 = 593.6562mm2 2 2滚珠与螺纹滚道间的接触变形;.22Fm= 0.00130.00133 DwFyjZ21923.513,3 65.43 6812=0.0055mm其中：Fm =1923.51N =196.28kgf，D 2.5，11FyjFm 1923.51N =641.17N =65.43kgf，33Z =(：dm/Dw)-3 =(3.14 30/3)-3=28.4，Z,“ = Z 圈数 列数=28.4 4 (3 3) : 681滚珠丝杠副

26、刚度验算：丝杠的总变形量：二* 应小于允许的变形量。 一般不应大于机床进给系统规定的定位精 度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它晓。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。机床的定位精度为0.04mm,、二 0.00471 0.0055 = 0.0102mm ： 0.01mm。因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。3.5.2.5压杆稳定性验算滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷载荷Fk为fz 二 EI42 3.14 20.6 1028059.533002二 403334N

27、其中，fz =2.0 （丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端简支方式），1为截面惯量距，44I -a /64mm 二二 27.5 / 64 = 28059.53mm临界载荷Fk与丝杠工作载荷Fm之比称为稳定性安全系数nk，如果nk大于需用稳定安全系数hk，则该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为：nk =Fk403334Fm1923.51-209.69因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。3.6导轨的选型和计算初选GDA20滚动导轨,额定动载荷Ca =12.4KN。滚动导轨副的距离寿命的计算：-Caf=50=50fH fT fCfwJ3312.4汉103 JX0.81619.51.3

28、=97 km 50 km当导轨面的硬度为 5864HRC时，fH =1.0 ;当工作温度不超过 100 C时，fT =1 ； fc为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时fc =0.81 ； fw为载荷/速度系数，无冲击振动,fw = 1 1.5，取Fv +G1478 +10001.3； F为每个滑块上的工作载荷，F v619.5N44因此选用的导轨满足要求。3.7驱动电机的选择3.7.1步距角的选择查表初选步距角 入=0.75 /步 3.7.2步进电机输出转矩的选择3.7.2.1空载启动力矩（1）加速度力矩v max 日 bnmax3 .7j625r/min0.01 360J = 7.64(kg

29、 cm2)运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间t = 0.2s= 7.642 314 625 10,60 0.2=24.99 N cm（2）空载摩擦力矩Gf L。2二 i=0.40(N cm)1000 0.004 0.52 3.14 0.8 1式中，G为移动部件的总重量（N）； f 为导轨摩擦系数；i为齿轮传动降速比；为传动系数总效 率；L0为滚珠丝杠的基本导程（cm）。（3）附加摩擦力距M。fyj L02二 i(1n641.17 0.52 3.14 0.8 12(1 -0.95 ) = 6.22(N cm)式中，Fyj为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取的Fm的13 ； Fm为进给

30、牵引力（N）；0为滚珠丝杠未预紧时的传动效率。（4）空载启动转矩计算Mkq 二 Mka Mkf M 0 二 24.99 0.40 6.22 二 31.61（N cm）按照计算出的空载启动转矩，查表2-17得出最大静转矩Mkq31.61“ 小、M j max 133.24( N cm)0.7070.9513.7.2.2带负载启动时的总负载转矩M fq（1）加速度力矩nmaxVmax 二 b、p360400 0.750.01 360二 83.3r / min2J、- 7.64(kg cm )运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间t = 0.5sM kamax60t10,=7.642 314

31、 83 10,60 0.5=1.34 N cm(2) 空载摩擦力矩(3) 附加摩擦力距M Kf 二 0.40(N cm)M 0 =6.22(N cm)(4)作用在工作台的合理折算到电机上的转矩M-FL。2二 i1923.51 0.52 ： ： ： 0.8 1-191.43(N cm)(5)带负载启动时的总负载转矩Mfq = M ka M kf M 0 Mf =1.34 0.40 6.22 191.43 = 199.39( N cm)M fq 199 39运动部件正常运行时所需的最大静转矩Mjmax2二 q = 99=398.78( N cm)0.50.53.7.2.3按照Mjmax和M jma

32、x2中的较大者选取步进电机的最大静转矩Mjmax，并要求M jmax -maxMI jmax1,Mjmax2 JMjmax2 = 398.78(N cm) = 3.9 8 7(8J m)，M j max - 9.31N m M j max2，因此选用130BF001步进电机可以符合要求。3.7.3距频特性校核3.7.3.1启动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量7 J = 7.64kg cm2 ，电动机转子的转动惯量Jm = 4.7kg cm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率f3000H z。由式(4-17)可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为:fq1 八 J/Jm30001 7.

33、64/4.7=1851.85Hz说明：要想保证步进电动机起动时不失步， 任何时候的起动频率都必须小于1851.85H z实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低,3.732运行矩频特性校核(1)快进运行距频特性校核最高运行频率fmax1000Vmax60、p1000 360 0.01二 5000Hz快进力矩 MKj -MKf Mo =0.40 6.22 =6.62(N cm)查130BF001的运行距频特性，Mkj所对应的运行距频大于 5000Hz(2)工进运行距频特性校核工进时步进电机的运行频率fG1000 J000 0.40 =666Hz606 p607.01f (Fv G)L0.00

34、4 (1478 1000) 0.5摩擦力矩 Mfv 00.986(N cm)2 兀叫2x3.14x0.8x1工作负载力矩折算到电机上的力矩Mt=良 1664 0.5165.605( N cm)2 兀i 2x3.14x0.8工进时电机运行力矩 Mgj 二 M0 M f Mt =6.22 0.986 165.605 = 172.81(N cm)查130BF001的运行距频特性，f 3 = 666Hz -0?r1-X向进给 步卜Y向进给i步1F1F=F-2X+1F二F+2Y+1X=X+1Y=Y+1RAM 数据区分别存放终点坐标值 X e ，4.3.2.2 程序设计 和直线插补程序设计一样，也在内存中开辟存储单元用以存放有关数据。在 存放懂点坐标 X 和 Y ，其初始值为起点坐标值， 其后依据坐标计算结果而变化，Ye以及存放偏差Fm飞存储单元。第一象限逆圆弧插补程序如下：XLEQU 18HXHEQU 19HYLEQU 28HYHEQU 29HXeLEQU 1AHXeHEQU 1BHYeLEQU 2AHYe HEQU 2BHFLEQU 2CHFHEQU 2DHOR