数控X-Y工作台及其控制系统设计方案

1 数控 作台及其控制系统设计方案 第二章 课程设计的内容和要求 程设计的内容 任务是： 设计一个数控 工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。具体参数如下： 最大铣刀直径)(最大铣削宽度尺 最大背吃刀量 加工材料 工作台加工范围（ 最大移动速度 15 15 8 碳素钢或有色金属 X=100 Y=80 400mm/计内容包括： 控装置总体方案的确定 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）。 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； )( 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（ 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（汇编程序及流程图）。 程设计的要求 纸要求 （ 1）机械结构装配图， 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， 纸一张。 （ 4）软件框图（可附在说明书上）。 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 3 第三章 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，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。 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。 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 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。 算机系统的选择 采用 列中的 8031 单片机扩展控制系统。 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、键盘及显示器、 I/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。 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。 4 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 : 步进电机步进电机X 向 工 作 台Y 向 工 作 台微型机接口电路接口电路驱动电路驱动电路联轴器联轴器 5 第 四章 机械部分的设计 线滑动导轨副的选型 算重量 位 为 Y 方向导轨。 图 （ 1）尺寸参数（ 坐标行程 已知 000 工作台 已知工作台尺寸 长宽 =210 210，设计工作台厚度为 15 估算 （长，宽，高） =（ X， Y， Z） =（ 400， 210， 50） （ 2） 估算工件、工作台夹具、导轨副及电机的重量。已知台面以上最大重量 0作台的质量 算时取钢的密度为 =10 估计 电机总质量为 具质量为 6 则 x 41155304321 则 1 01041 （ 3） 估算 （长 ，宽，高） =（ X， Y， Z） =（ 400， 210， 50） 估算工件、工作台、夹具、导轨副及电机的重量 5 7 . 8 1 0 4 0 0 2 1 0 5 0 3 3m k g k g 考虑导轨中间要开 T 形槽，故实际质量估计需在计算质量上乘以 40%，即 3%4033%4056 则 94113563 则 901059 轨选择及其摩擦系数 工作台采用滑动静压导轨，采用双矩形组合方式，并镶上聚四氟乙烯软带，可取动摩擦系数为 。静摩擦系数0 。 削力的计算 大铣削力的计算 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 0 . 8 5 0 . 7 5 0 . 7 3 1 . 0 0 . 1 3c e z 8 a f d a n (6 7 今选择铣刀的直径为 d=15数 Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为5背吃刀量每齿进给量 铣刀转速 n 300r/。则由式（ 6 求 的 最 大 铣 削 力 ： 0 . 8 5 0 . 7 5 0 . 7 3 1 . 0 0 . 1 3c 1 1 8 1 5 0 . 1 1 5 8 3 0 0 3 N 1 4 6 3 给工作台工作载荷计算 根据表 21,横向切削力 向切削力 1 0 . 4 0 . 4 1 4 6 3 5 8 5 . 2 N 2 0 . 9 5 0 . 9 5 1 4 6 3 1 3 8 9 . 8 5 3 0 . 5 5 0 . 5 5 1 4 6 3 8 0 4 . 6 5 N 轨摩擦力的计算 （ 1）按式（ 2算在切削状态下的导轨摩擦力 时导轨的动摩擦系数错误 !未找到引用源。 ，查表 2500N,则 (W+2+=(590+1500+=2)按式（ 2算在不切削状态下的 导轨摩擦力0F和导轨静摩擦力0F。 0 g( f ) = 0 . 1 5 + （ 5 9 0 1 5 0 0 ） N=0 . 0 3 5 9 0 N = 1 8 N 8 算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力 （ 1）按式（ 2算最大轴向负载力 m a x 1 5 8 5 . 2 6 2 4 . 6 7 5 1 2 0 9 . 9 F N （ 2）按式（ 2计算最小轴向负载力 F 珠丝杠的动载荷计算与直径估算 定滚珠丝杠的导程 初选丝杠导程0 4L 算滚珠丝杠螺母副 的平均转速和平均载荷 （ 1）估算在各种切削方式下滚珠丝杠的轴向载荷。 将强力切削时的轴向载荷定位最大轴向载荷速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷一般切削（组加工）和精细切削（精加工）时，滚珠丝杠螺母副的轴向载荷2F、3 2 m i n m a F，3 m i n m a x5%并将结果填入下表： 9 数控铣床滚珠丝杠的计算 切削方式 轴向载荷 /N 进给速度/(mm/时间比例q /(%) 备注 强力切削 300 10 1 般切削 350 30 2 m i n m a F精细切削 400 50 3 m i n m a x5% F快移和钻镗定位 1000 10 4F )计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速 110300 7 5 / m i 220350 8 7 . 5 / m i 330400 1 0 0 / m i 4401000 2 5 0 / m i （ 3）按式（ 2算滚珠丝杠螺母副的平均转速 10 1 11 0 0 1 0 0n n 110 / （ 4） 按式（ 2算滚珠丝杠螺母副的平均载荷 33113 13 3 3 331 0 0 1 0 07 5 1 0 8 7 . 5 3 0 1 0 0 5 0 2 5 0 1 01 2 0 9 5 5 5 . 4 8 3 7 4 3 1 3 . 51 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 0 05 7 7 . 1 F 定滚珠丝杠预期的额定动载荷1） 按预定工作时间估算。查表 2载荷性质系数 =知初步选择的滚珠丝杠的等级为 2 级，查表 2，查表 2，则由式（ 2 3 6 0 8 6 8 1 . 6100 m m n L （ 2） 因为对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按式（ 2算最大轴向载荷。查表 2欲加载荷系数 ，则 m a x 8 1 0 6 . 3 3a m c aC f F N（ 3） 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 取以上两种结果的最大值，及 8 6 8 1 按精度要 求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径21） 根据定位精度和重复定位精度的要求估算允许的滚珠丝杠的最大轴向变型。 已知工作台的定位精度为 40重复定位精度为 20根据是（ 2 11 （ 2及定位精度和重复定位精度的要求，得 m a x 1 11( ) 2 0 ( 6 . 6 7 1 0 )32 u m m m a x 2 11( ) 3 054 u m m （ 6 7 . 5 ）取上述计算结果的较小值，即。 （ 2） 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径2珠丝杠螺母副的安装方式拟采用两端固定方式。滚珠丝杠螺母副的两个固定 支承之间的距离为 0+ + 2 + 3 5L 行 程 安 全 行 程 余 程 支 承 长 度（ 1 . 2 1 . 4 ） 行 程 （ 25 ） 01 . 2 2 5 1 9 6L L m m 行 程又0 18由式（ 2 02m a 1 9 60 . 0 3 9 0 . 0 3 9 2 7 . 70 . 0 0 7m m m m 步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号 根据计算所得的0L、步选择 公称直径0d、基本导程0L、额定动载荷 0 32d 0 4L 5 0 0 0 8 6 8 1 . 6a a C N 12 222 8 . 9 2 7md m m d m m 故满足式（ 2求。 杆稳定性校核 根据公式（ 3算失稳时的临界载荷 表 3支承系数； 由丝杠底径 得截面惯性矩 42 / 6433287 4 压杆稳定安全 系数 K 取 3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离 250sl 代入式 )/( 22,求得 F 3 5 8 F 故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。 式（ 2定滚珠丝杠螺母副的预紧力a 0 3 . 33 N式（ 2算滚珠丝杠螺母副的预拉伸力 ,则 2221 . 8 1 1 . 8 1 2 2 8 . 9 3 0 2 3 . 5tF t d N 定滚珠丝杠支承用轴承的规格型号 （ 1） 按式（ 2算轴承所承受的最大轴向载荷 m a x m a 6 2 8 . 42B t F N 13 （ 2） 计算轴承的预紧力 m a 2 0 9 . 53B p N（ 3） 计算轴承的当量轴向载荷 1 2 0 9 . 5 5 7 7 . 1 1 7 8 6 . 6B a m B p F N （ 4） 按式（ 2算轴承的基本额定动载荷 C 。 已知轴承的工作转速 1 7 4 / m i n r，轴承所承受的当量轴向载荷m a x 3 6 2 8 轴承的基本额定寿命 20000。轴承的径向载荷 c o s 6 0 8 9 3 . 3 a N s i n 6 0 1 5 4 7 . 2 a N 因为 1 . 7 3 2 2 . 1 7 查表 2向系数 X=向系数 Y= 1 . 9 8 9 3 . 3 0 . 5 4 1 5 4 7 . 2 2 5 3 2 . 8 F Y F N 3 6 0 1 2 8 9 6100 n L N（ 5） 确定轴承的规格型号。 因为滚珠丝杠螺母副拟采取预拉伸措施，所以选用 060 角接触球轴承组安装，以组成滚 珠丝杠两端固定的支承形式。由于滚珠丝杠的螺纹底径2以选择轴承的内径 d 为 25满足滚珠丝杠结构的需要。 在滚珠丝杠的两个固定端均选择国产 60 角接触球轴承组成滚珠丝杠两端固定的支承形式。轴承的型号为 7205C，尺寸（内径 *外径 *宽度）为 2 5 5 2 1 5m m m m m m， 14 选用脂润滑。该轴承的预载荷能力 2500大于计算所得的轴承预 紧力1212。并在脂润滑状态下的极限转速为 2600 / 高于滚珠丝杠的最高转速，故满足要求。改轴承的额定动载荷为 22000而改轴承在 200002896，也满足要求。 动电动机的选型与计算 算折算到电动机轴上的负载惯量 （ 1）计算滚珠丝杠的转动惯量 已知滚珠丝杠的密度 337 . 8 1 0 /k g c m ，由式（ 2 4 3 4113 4 20 . 7 8 1 0320 . 7 8 1 0 3 2 9 = 1 . 8 3j j j L D Lk g c m (2)计算联轴器的转动惯量。 3 4 3 4 2 20 0 . 7 8 1 0 0 . 7 8 1 0 ( 3 . 5 2 . 2 ) 6 . 5 0 . 6 4 2J D L k g c m （ 3）计算折算到电机轴上的移动部件的转动惯量。已知机床执行部件（即工作台，工件和夹具）的总质量 59m ，电机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 ，则由式（ 2 2 2 2 20 . 2 4( ) 5 9 0 . 0 8 52 2 3 . 1 4L LJ m k g c m k g c m （ ） （ 4）由式（ 2算加在电动机轴上总的负载转动惯量。 220( ) (1 . 8 3 0 . 6 4 2 0 . 0 8 5 ) 2 . 5 5 7d r J J k g c m k g c m 算折算到电动机轴上的负载力矩 （ 1）计算切削负载力矩5 已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力m a x 1 2 0 9 . 9 N，电动机转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离 2 . 4 0 . 0 0 2 4L m m m， ，由式（ 2 1 2 0 9 . 9 0 . 0 0 2 4 0 . 5 1 42 2 3 . 1 4 0 . 9 m N m （ 2）计算摩擦负载力矩 T已知在不切削状态下坐标轴的轴向负载力（即空载时的导轨摩擦力）0 3 1 3 ，由式（ 2 0 3 1 3 . 5 0 . 0 0 2 4 0 . 1 3 32 2 3 . 1 4 0 . 9 m N m （ 3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩母副的预紧力 滚珠丝杠螺母副的基本导程0 4 0 . 0 0 4L m m m，滚珠丝杠螺母副的效率0 ，由式（ 2 0 220 4 0 3 . 3 0 . 0 0 4(1 ) (1 0 . 9 4 ) 0 . 0 3 3 22 2 3 . 1 4 0 . 9 m N m 算到电动机轴上的各种所需的力矩 （ 1）计算线性加速力矩 已知机床的执行部件以最快速度运行时电动机的最高转速m a x 2 5 0 / m i 电动机的转动惯量 24 kg 坐标轴的负载惯量 24 . 1 9 2 k g c m，进给伺服系统的位置环增益 20z，加速时间 3 0 a ，由式（ 2 16 m a ) ( 1 )6 0 9 8 02 3 . 1 4 2 5 06 0 9 8 0 0 . 1 5= 1 . 0 3 N l m J （ （ （ 3） 计算阶跃加速力矩 已知加速时间 1 0 a ，由式（ 2 m a )6 0 9 8 02 3 . 1 4 2 5 06 0 9 8 0 0 . 0 5= 3 . 2 5 Na p m （ （ 3）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。 按式（ 2算线性加速时空载启动力矩) 1 . 0 3 ( 0 . 1 3 3 0 . 0 3 3 2 ) 1 . 1 9 6q a l T T N m 按式（ 2算阶跃加速时空载启动力矩 ( ) 3 . 2 5 0 . 1 3 3 0 . 0 3 3 2 3 . 4 2q a p T T N 按式（ 2算快进力矩 1 3 3 0 . 0 3 3 2 0 . 1 6 6 3K J T N m 按式（ 2算工进力矩 5 1 4 0 . 0 3 3 2 0 . 5 4 7 2G J c T N m 择驱动电机型号 （ 1）选择驱动电动机的型号 根据以上计算，选择驱动电机型号为 90要技术参数如上图所示：额定功率 动惯量 kg 质量 17 交流伺服电机的加速力矩一般为额定力矩的 5，若按 5 倍计算，则该电机的加速力矩为 2 5 1 3 m ，均大于本机床工作台的线性加速时所需的空载启动力矩 1 7 m，因此，不管采用何种加速方式，本电动机均满足加速力矩要求。 该电动机的额定力矩为 均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩0 6 3 m 以及工进时所需的驱动力矩 0 . 5 4 7 2 m ，因此，不管是快进还是工进，本电动机均满足驱动力矩要求。 （ 2）惯量匹配验算。 为了使机械传动系统的惯量达到较适合的的匹配，系统的负载惯量2即 0 1 而在本例中， 2 . 5 5 7 0 . 6 3 0 . 2 5 , 14 . 0 6 ，故满足惯量匹配要求。 18 第五章 电气部分设计 进电机电气总体设计方案 步进电动机的工作过程由微机控制，微机采用 司的 列 8031 单片机。 8031单片机没有内部 用 8031 单片机必须利用20 单片机通过编程，P 和口输出走步触发脉冲和方向电平，通过脉冲分配器的作用，可将单路脉冲转换成多相循环变化的脉冲，本设计中步进电机采用的是 110配方式为三相六拍，脉冲分配器采用专用芯片 经脉冲分配器转换成的三路电压分别经过功率放大器向步进电动机的三相绕组供电，步进电机就能一步一步的旋转起来。 片机的扩展 序存储器的扩展 本设计中采用的是开环控制，对程序存储器的容量要求不高，选用 2764 进行程序存储器的扩展。 紫外线擦除的可编程只读存储器，掉电后不会丢失。并且价格低廉，性能可靠。 据存储器的扩展 本设计中对数据存储器的扩展采用 6264扩展芯片， 计算机接口电路 脉冲分配 功率放大 步进电机 电源电路 隔离电路 19 I/O 口的扩展 对 I/行输出口采用带三态门的 84为要接键盘、显示器等输出设备，所以要进行可编程多功能接口的扩展，采用 8155可编程并行 I/ 冲分配器的电路设计 冲分配器的选择 选用的步进电动机为 ，分配方式为三相六拍，采用 用简单、接口方便。下图为 20 图中选用的电阻阻值为 100K ，电容为 1 F ,电压为 12V。由单片机发出的走步脉冲和方向控