双坐标数控滑台毕业设计说明书VIP

两坐标数控滑台（A）- I -摘 要随着制造业的发展，人们深刻的感受到数控机床在生产中的地位是越来越重要。本文结合机电一体化的需要，设计以单片机作为控制系统的 X-Y 型工作台（XY 工作台是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台） 。通过对 X-Y 型工作台机械结构设计和控制电路接口的设计，阐述了机电一体化设计中的共性和关键技术。这种工作台通常与整机设计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有着共同点。关键字：X-Y 数控滑台；机电一体化；单片机；大学毕业设计说明书- II -ABSTRACTAlong with manufacturing industry development， peoples profound feeling numerical control engine bed in production status is more and more important. Combine mechanical-electrical integrations need, design a Model X-Y working bench with one-chip computer as the of the control system(X-Y working bench is separately along X and Y motion work table.). Though describing the working bench mechanicals design of structure and interface of the control circuit to Model X-Y, have explained generality in the design of mechanical-electrical integration and its key technology. This kind of working bench is usually designed with the complete machine into a whole , its form , size, there is a greater difference because types of the machine are different in the structure, but its operation principle has common point.Key words: X-Y numerical control cross slippery platform; The mechanical-electrical 两坐标数控滑台（A）- III -目 录1 绪论 .11.1 数字控制技术的产生和发展 .11.2 我国数控机床的发展情况 .11.3 我国普通机床数控化改造的必然性 .21.4 数控机床中十字滑台的设计 .22 总体设计 .33 机械系统设计 .43.1 动力源 步进电机的设计与选择 .43.1.1 步进电机的概述 .43.1.2 步进电机的设计计算 .43.2 滚珠丝杠的选择和校核 .53.2.1 工作原理及结构 .53.2.2 滚珠丝杠螺母副的特点 .53.2.3 滚珠丝杠螺母副的设计与核算 .63.3 传动系统刚度 K 计算 .83.3.1 滚珠丝杠副的抗压刚度 s.83.3.2 支承组合刚度 b.83.4 导轨副 直线滚动导轨的设计与选择 .93.4.1 2.4.1 直线滚动导轨的形式 .93.4.2 2.4.2 直线滚动导轨的有关计算 .93.5 联轴节的选择 .11参考文献 .13两坐标数控滑台（A）- 1 -1 绪论1.1 数字控制技术的产生和发展最早采用数字控制技术进行机械加工的思想，是在 20 世纪 40 年代提出的。当时美国北密执安的一个小型飞机叶片轮廓样板时，利用全数字电子计算机对叶片轮廓的加工路径进行了处理，并考虑了刀具对加工路径的影响，使加工精度达到0.0381mm。以当时的水平来看，是相当高的。1952 年，美国麻省理工学院研制出一套实验性数字控制系统，并把它装在一台数字立式铣床上，成功地实现了同时控制三轴的运动。这台数控机床被大家称为世界上的第一台数控机床，是数控机床的第一代。但是这台机床毕竟是一台实验性机床，到了 1954年 11 月，在帕尔森专利的基础上，第一台工业用的数控机床由美国本迪克公司生产出来的。1959 年，电子行业研制出晶体管元器件，因而数控系统中广泛采用晶体管和印刷电路版，从而使数控机床跨入了第二代。同年 3 月，由美国克耐杜列克公司发明了带有自动换刀装置的数控机床，称为“加工中心” 。现在加工中心已成为数控机床中一种非常重要的品种，在工业发达的国家中占数控机床总量的 1/4 左右。1960 年，研制出了小规模集成电路。由于它的体积小，功耗低，使数控系统的可靠性得以进一步提高，数控系统发展到第三代。以上三代，都是采用专用控制的硬件数控系统（NC） 。1967 年，英国首先把几台数控机床联成具有柔性的加工系统，这就是最初的FMS Flexible Manufacturing System 柔性制造系统。之后，美、欧、日等国也相继进行了开发和应用。随着计算机技术的发展，小型计算机的价格和使用了微处理器。1974 年，美、日等国首先先研制出以微处理器为核心的数控机床。30 多年来，微处理机数控系统的数控机床得到飞速发展和应用，这是第五代数控。后来，人们将 MNC 也统称为 CNC。20 世纪 80 年代初，国际上又出现了柔性制造单元 FMC。这种单元投资少、见效快，既可单独长时间少人看管运行，也可集成制造系统中使用。所以近几十年来，得到快速发展和应用。FMC 和 FMS 被认为是实现 CIMSComputer Integrated Manufacturing System 计算机集成制造系统的必经阶段和基础。1.2 我国数控机床的发展情况我国从 1958 年开始研究数控技术，一直到 20 世纪 60 年代中期处于研制、开发时期。1965 年，国内开始研制晶体管数控系统。20 世纪 60 年代末 70 年代初研制成功X53K1G 立式数控铣床、CJK-18 数控系统和数控非圆齿轮插齿机。从 20 世纪 70 年代开始，数控技术在车、铣、钻、镗、磨、齿轮加工、电加工等领域全面开展，数控加工中心在上海、北京研制成功。但数控系统的可靠性、稳定性未得到解决。在这一时期，数控机床结构简单，使用方便。20 世纪 80 年代，我国从国外引进部分系列的数控系统和直流主轴电机技术和一些新的技术，使我国的数控机床在性能上有了质的飞跃。大学毕业设计说明书- 2 -1995 年以后，我国数控机床的品种有了新的发展。数控机床品种不断增多，规格齐全。许多技术复杂的大型数控机床、重型数控机床都相继研制出来。现在我国已经建立了以中，低档数控机床为主的产业体系，未来几十年，我国将成为数控机床的生产，使用大国。1.3 我国普通机床数控化改造的必然性从宏观上看机床数控化改造的必要性由于社会对产品多样化的需求更加强烈，多品种、中小批量产品的比重明显增加，采用传统的普通加工设备难于适应高效率、高质量、多样化产品的加工要求。机床数控技术的应用，一方面促使机械加工的大量前期准备工作与机械加工过程连为一体，另一方面，提高了制造系统适应各种生产条件变化的能力。工业发达国家，在 20 世纪 70 年代末、80 年代初已开始大规模应用数控机床。除在制造过程中采用数控机床、FMC （柔性制造单元） 、FMS （柔性制造系统）外，还包括在产品开发中推行 CAD（计算机辅助设计） 、CAE（计算机辅助工程） 、CAM（计算机辅助制造）、虚拟制造以及在生产管理中推行 MIS（管理信息系统） 、CIMS（计算机集成制造系统）等等。在国外，由于采用信息技术对机械工业进行深入改造，因而他们的产品在国际市场上竞争力大为增强。而我国在利用信息技术改造传统产业方面比发达国家约落后 20 多年，这也就从宏观上说明了机床数控化改造的必要性。从微观上看机床数控化改造的必要性。据统计，2010 年我国机床总量 380 余万台，而其中数控机床总数只有 11.34 万台，即我国机床数控化率不到 3。近 10 年来，我国数控机床年产量约为 0.60.8 万台，年产值约为 18 亿元，机床的年产量数控化率为6。我国机床役龄 10 年以上的占 60以上；10 年以下的机床中，自动/半自动机床不到20，FMC/FMS 等自动化生产线更屈指可数（美国和日本自动和半自动机床占 60以上）。可见我们的大多数制造行业和企业的生产、加工装备以传统机床为主，而且半数以上是役龄在 10 年以上的旧机床。用这种装备加工出来的产品普遍存在质量差、品种少、档次低、成本高、供货期长的缺陷，从而在国际、国内市场上缺乏竞争力，直接影响企业的效益，影响企业的生存和发展。所以必须大力提高机床的数控化率。对机床数控化改造的主要内容包括：一是对机床、生产线存在的故障部分进行诊断并恢复其原有功能；二是要对机床 NC 化，在普通机床上加数显装置，或加数控系统；三是对机床、机械、电气部分进行翻新，以提高精度、效率和自动化程度；四是对机械部分重新装配加工，恢复原精度；五是对传统机床中不满足生产要求的 CNC 系统进行更新； 六是为了使用新工艺、新技术，在原有基础上对传统机床进行较大规模的技术更新或技术创新，较大幅度地提高其技术水平和档次。1.4 数控机床中十字滑台的设计随着制造业的发展，人们深刻的感受到数控机床在生产中的地位是越来越重要，虽然近几年我国组合机床的技术在不断的发展，然而组合机床通用部件中的大型滑台，至今仍主要是单坐标的滑台。而有些国家的组合机床早在 70 年代（或更早些）就有了双坐标的十字滑台。 机电一体化技术的数控机械如数控机床、绘图机、火焰切割机、电加工机床以及衣料开片机等都有一个在 X-Y 平面内作配合运动的工作台。这种工作台通常与整机设计成一个整体，其形状，尺寸，结构因机器类型不同而有较大差异，但其工作原理有着共同点。该设计的数控 X-Y 工作台是一个既能用于生产实际又可用于数控教学的典型机电一两坐标数控滑台（A）- 3 -体化产品。考虑到 8031 单片微机具有较高的性能价格比，具有强有力的指令系统，决定选用 INTER 公司生产的 8 位 8031 单片机芯片作为本系统的微处理器。 XY 工作台是指能分别沿着 X 向和 Y 向移动的工作台。本文通过对 XY 工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计，阐述了机电一体化系统设计中的共性和关键的技术。 在超精密机床和超精密加工中，为使机床微位移的分辨率进一步提高；为进行机床和加工误差的在线补偿，以提高加工精度；为进行某些特殊的非轴对称表面的加工，都需要使用微量进给装置。高精度微量进给装置现在已成为超精度机床的一个重要的关键装置。现在高精度微量进给装置已可达到 0.0010.01m 的分辨率。这对实现超薄切削，实现高精度尺寸加工和实现在线误差补偿是十分有用的。 3数控 X-Y 工作台、数控钻床等设备实际上是两轴半的系统，即工作台的两个方向联动、垂直于工作台的刀具不必与工作台联动。在对一些 XY 工作台的研究调查中发现目前的简易数控控制系统基本上是基于普通单片机，显示为 LED 数码管的系统，操作很不方便而且通用性不强。为此，在此基础上设计了通用的两轴半数控控制器。其基本思想是采用最新的微处理技术和集成电路技术，提高系统集成度，从而提高可靠性，降低成本，减小体积。它具有良好的人机交互界面，满足一般两轴半数控系统的需要。2 总体设计对两坐标数控滑台而言，主要是纵横方向两个坐标的传动，根据设计任务要求，决定采用点位控制，用步进电机驱动的开环控制系统，这样可以使控制系统简单，成本低，调试维修容易，为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，此工作台采用滚珠丝杠螺母副和直线滚动导轨，为尽量消除齿侧间隙，计算机系统仍采用 MCS-51 系列单片机扩展系统。两坐标数控滑台的总体框图如下： 微机 环 形 分 配 器 光电隔离 功率放大 步 进 电 机步 进 电 机 工作 台 执行 元 件环 形 分 配 器 光电隔离 功率放大两坐标数控滑台总体设计图大学毕业设计说明书- 4 -3 机械系统设计3.1 动力源步进电机的设计与选择3.1.1 步进电机的概述步进电机是一种将电脉冲信号变换成相应的角位移或直线位移的机电执行元件，每当输入一个电脉冲时，它便转过一个固定的角度，这个角度成为步距角 ，简称为步距。，脉冲一个一个地输入，电动机便一步一步地转动，步进电动机便因之而命名。步进电动机的位移量与输入脉冲数严格成比例，这就不会引起误差的积累，其转速与脉冲频率和步距角有关。控制输入脉冲数量、频率及电动机各相绕组的接通次序，可以得到各种需要的运行特性。尤其是当与其他数字系统配套时，它将体现出更大的优越性，因而，广泛地用于数字控制系统中，例如，在数控机床中，将零件加工的要求编制成一定符号的加工指令，或变成程序软件存放在磁带上，然后送入数控机床的控制箱，其中的数字计算机会根据纸带上的智力功能，或磁带上的程序，发出一定数量的脉冲信号，步进电动机就会作相应的转动，通过传动机构，带动刀架作出符合要求的动作，自动加工零件。3.1.2 步进电机的设计计算首先确定系统的脉冲当量与滚珠丝杠的导程，由 可确定导程 ，360hiPhP由设计参数可知，其定位精度为0.02mm，故可取 =0.01mm；步进电机输出轴与丝杠直接相连， ；导程越大丝杠的承载能力越强，根据数控滑台的相关设计经验，选择1i滚珠丝杆副的导程 =6mm。 ，由上述公式得出步进电机步距角 。hP 6.0根据毕业设计说明书上给出的主要参数：X 轴、Y 轴步进电机额定扭矩均为0.2Nm，初步选定电机型号为 57BYG350BL0601 的步进电机。具体参数如下表：规格型号 相数 步距角 相电流 保持转矩 转动惯量 重量 外形尺寸57BYG350BL0601 3 0.6/1.2 6.0 0.45 100 0.5 575741该型号步进电机的矩频特性曲线如下图两坐标数控滑台（A）- 5 -3.2 滚珠丝杠的选择和校核3.2.1 工作原理及结构丝杠和螺母的螺纹滚道间置有滚珠，当丝杠或螺母转动时，滚珠沿螺纹滚道滚动，则丝杠与螺母之间相对运动时产生的滚动摩擦，为防止滚珠从滚道中滚出，在螺母的旋转槽两端设有回程引导装置。3.2.2 滚珠丝杠螺母副的特点（1）刚度好 通过给螺母组件内施加预压来获得较高的系统刚度，可满足各种机械传动要求，无爬行现象，始终保持传动高效率，效率高达 90%95%，耗费的能量仅为滑动丝杠的 1/3。 （2）传动具有可逆性 既可将回转运动变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传递可保持运动的平稳性和灵敏性。 （3）传动精度高 经过淬硬并精磨螺纹滚道后的滚珠丝杠副本身就具有很高的制造精度，又由于摩擦小，丝杠副工作时温升和热变形小，容易获得较高的传动精度。 （4）使用寿命长 滚珠是在淬硬的滚道上作滚动运动，磨损极小，长期使用后仍能保持其精度，因而受命长，具有很高的可靠性。其寿命一般比滑动丝杠要高 56 倍。 （5）不能自锁 特别是垂直安装的丝杠，当运动停止后，螺母将在重力作用下下滑，故常需设置制动装置。 （6）制造工艺复杂 滚珠丝杠和螺母等零件加工精度、表面粗糙度要求高，制造成本高。大学毕业设计说明书- 6 -3.2.3 滚珠丝杠螺母副的设计与核算1、确定滚珠丝杠导程 Ph在前面步进电机的相关计算中已确定滚珠丝杠导程为 Ph6