数控技术课程设计-xy数控工作台设计（全套图纸）.pdf

目目 录录 摘摘 要要 第一章第一章 课题的来源及现实意义课题的来源及现实意义 .1 第二章第二章 总体方案的确定总体方案的确定 .2 2.1 研究问题 . 2 2.2 拟定方案 . 3 第三章第三章 机械传动系统的计算和设计机械传动系统的计算和设计 . 4 3.1 导轨以上重量的估算 . 4 3.2 切削力的计算 .4 3.3 导轨的计算 . 4 3.4 滚珠丝杠副型号与直径的选择 . 4 3.5 选择滚珠丝杠直径时，还应考虑一下问题 . 6 3.6 传动效率的计算 . 7 3.7 丝杠刚度的验算 . 7 3.8 稳定性验算 . 8 3.9 支承方式及轴承的选择 . 8 3.10 确定滚珠丝杠副的预紧力. 9 3.11 确定滚珠丝杠轴的预拉伸力 . 9 3.12 传动刚度的计算和校核 . 9 第四章第四章 计算电机轴上的惯量和转矩计算电机轴上的惯量和转矩 选取步进电机并校核选取步进电机并校核 . 12 4.1 计算降速比及初选电动机型号 . 12 4.2 转动惯量的计算 . 13 4.3 传动时转矩的计算 . 13 4.4 频率的计算 . 14 4.5 步进电机的选择及校核 . 15 第五章第五章 驱动电路的设计驱动电路的设计. 16 5.1 电器总体设计方案 . 16 5.2 时间常数 . 16 5.3 元器件的确定 . 16 5.4 系统相关控制程序流程设计 . 20 第六章第六章 总结总结 . 21 第七章第七章 参考文献参考文献 . 22 贵州大学本科课程设计论文 X- Y 数控工作台数控工作台 3 设计设计 摘摘 要要 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 数控工作台。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、 机械传动装置的设计、 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；机械传动部分采用联轴器将步进电机直接与滚珠丝杠连接，从而驱动工作台 进给。另外，选用 MCS51-8031 单片机和相应的驱动电路对 X 和 Y 两个方向的步进电机 进行开环控制。 总之，本设计所设计的数控 X-Y 工作台是简单、经济型的，且是专用于数控铣床 上的。 关键词：精度，开环，驱动 全套图纸，加全套图纸，加 153893706 贵州大学本科课程设计论文 第 1 页 第一章第一章 课题的来源及现实意义课题的来源及现实意义 数控机床课程设计是机电一体化专业的学生必须要经历的一个重要的实践环节。 通 过本环节的锻炼力争能把以前所学的知识融会贯通，从而达到温故而知新的目的，提高 解决实际工程课题的能力。 根据教学要求， 并结合我们的资料掌握状况， 老师选择数控铣床机床 X- Y 工作台的 设计作为课程设计课题。加工工件固定在 X- Y 工作台上，并且 X、Y 两方向的运动各由 一台步进电机控制，数控系统每发出一个信号，步进电机就走一步，并通过中间传动机 构带动两方向的丝杠旋转，分别使得 X、Y 工作台进给。数控系统由单片机、键盘、变 频检测系统构成，具有间隙补偿、直线插补、圆弧插补、断丝自动处理等主要功能。 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。本课题设计的工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的 二维曲线加工，重复定位精度为0.04mm，定位精度为 0.02mm。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。 贵州大学本科课程设计论文 第 2 页 第二章第二章 总体方案的拟订总体方案的拟订 2.1 研究问题研究问题 本次课程设计所要求设计的是简单、 经济型 X- Y 数控工作台， 用于数控铣床上以提 高工作效率和减轻劳动强度。设计参数：系统分辨率为 0.01mm，其它设计参数如下表。 表 2.1 设计 分组 最 大 铣 刀 直 径 立 铣 刀 齿 数 Z 最 大 铣 削 宽 度 ae 最大背 吃刀量 ap 加工材 料 工作台加工 范围（mm） 工作台空载最 大 移 动 速 度 Vk 工作台进给 最大移动速 度 3 15mm 3 15mm 8mm 碳钢或 有色金 属 X=300mm, Y=120mm 1500mm/min 400mm/min 图图 2.1 工作台草图工作台草图 2.1.1 系统的运动方式与伺服系统系统的运动方式与伺服系统 由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量 坐标控制。考虑到定位精度要求不高，为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺 服系统驱动 X- Y 工作台。 2.1.2 计算机系统计算机系统 本设计采用了与 MCS- 51 系列兼容的 AT89S51 单片机控制系统。 它的主要特点是集 成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。 控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁 功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED 显示数控 工作台的状态。 2.1.3 X- Y 工作台的传动方式工作台的传动方式 为保证一定的传动精度和平稳性， 又要求结构紧凑， 所以选用滚珠丝杠螺母传动副。 为提高传动刚度和消除间隙，采用适当的预紧和间隙调整装置。本设计中，我采用的是 贵州大学本科课程设计论文 第 3 页 是双螺母垫片预紧式结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用双矩形滑动导轨，并 设置相应的间隙调整机构（如修刮压板和镶条） 。由于考虑到可以直接满足传动要求， 故不选用减速装置进行减速，而直接选用对应的电动机即可。 2.2. 拟订方案拟订方案 考虑到定位精度要求不高和经济性的原因，以及目前国内外很多机床厂生产的此类 机床均采了开环控并制取得了很好的效果，因此本次设计采用开环控制系统，机械传动 部件采用滚珠丝杠传动, 结构简单工作可靠稳定性好，选用 MCS51- 8031 单片机和相应 的驱动电路对两个反应式步进电机进行开环控制。初步拟定总体方案如下图： 脉 冲 分 配 器 光 电 隔 离 功 率 放 大 步进电机 步进电机 滚珠丝杠 滚珠丝杠 工作台 工作台 图图 2.2 总体方案图总体方案图 贵州大学本科课程设计论文 第 4 页 第三章第三章 机械传动系统的设计及计算机械传动系统的设计及计算 3.1 导轨以上的重量的估算导轨以上的重量的估算 主要包括工件、夹具、工作台、上层电动机、联轴 器、滚珠丝杠副及导轨等。通过分析，估算重量为G = 800 N。 3.2 铣削力的计算铣削力的计算 计算公式 ： zafdnaF pzec = 75. 0 73. 0 13. 0 85. 0 118 其中，ae = 15mm， n = 300r/min, d = 15mm, fz = 0.1 mm/z, ap = 8mm, z = 3 。 故有： NFc1463381.01530015118 75.073.013.085.0 = 于是，Fx = 1.1Fc =1.11463 = 1609 N Fy = 0.25Fc = 0.251463 =366N Fz = 0.38Fc = 0.38 1463 =556 N 由此可知，Fx为最大进给载荷。 3.3 导轨的计算导轨的计算 由于使用的是双矩形滑动导轨，故不要求进行相应的计算。 3.4 珠丝杠副型号与直径选择珠丝杠副型号与直径选择 计算最大动负载 a C 在设计滚珠丝杠副，保证它在一定的轴向负载的作用下，经过回转 6 10 后，在滚道 上不应有点蚀现象发生， 负载的最大值即为滚珠丝杠能承受的最大负荷 a C ， 只要选用的 滚珠丝杠副的额定动载荷 a CC ，值，这些滚珠丝杠就可在给定的工作条件下和预期的 寿命内安全地工作。 3 awH CL ffp= 其中 )( GFFfkFP yzx += P 为工作负载，G 为导轨以上移动部件重量，f 为导轨上的当量摩擦系数， K 为考虑颠覆力矩影响的实验系数，L 为寿命 贵州大学本科课程设计论文 第 5 页 查表 4-17，取 1.1k = 0.15f = 所以 p =1.11609 + 0.15(556 + 336 + 800) = 2028 N 寿命： 6 60 L 10 t n T 查表 4-18 1取运转系数 w f 1.2； 查表 4-19 1取硬度系数 H f 1.0； 查表 4-15 1，机器使用寿命 T=15000（h） ； 滚珠丝杠的转速： min/80 5 400 r S n v =； 则寿命： )10(72 10 150008060 6 6 rL= = 因此： N ca 1012420280 . 12 . 172 3 = a CC由 ，查表 5.7-37 1，丝杠选用 32505型内循环垫片调整预紧的双螺母滚 珠丝杠。 表表 3.1 滚珠丝杠螺母副几何参数滚珠丝杠螺母副几何参数 名 称 符号 计算公式及结果 螺 纹 滚 道 名义直径（中径） D 25mm 螺 距 S 5mm 接触角 45 钢球直径 b d 3.175mm 螺纹滚道法面半径 R 1.651mm 偏心距 E 0.0449mm 螺纹升角 v 339 螺 杆 螺杆外径 2 d 365.24)25 . 0 2 . 0( 2 = dd b dmm 名 称 符号 计算公式及结果 贵州大学本科课程设计论文 第 6 页 螺杆内径 1 d 79.2122 1 =+=red d mm 螺 母 螺杆接触直径 z d 75.22cos= dd bZ dmm 螺母螺纹外径 2 D 212.2822 2 =+=red D mm 螺母内径 1 D 25.14mm 螺母凸缘外径 3 D 66mm 螺母配合外径 D 40mm 螺母装配总长度 L 46mm 3.5 选择滚珠丝杠直径时，还应综合考虑下列问题选择滚珠丝杠直径时，还应综合考虑下列问题 丝杠工作长度 L，应满足控制中的行程要求。L 应为丝杠工作长度： 134 llHll+ 式中， 1 l 为控制系统中需要的行程（mm） ，H 为螺母的安装高度（mm） ， 3 l为满足 行程以外的余量，一般105=l， 4 l 为由丝杠防护结构确定的长度（mm） ，于是： 横向丝杠： mm lx 40109246300=+= 纵向丝杠： mm ly 22109246120=+= 3.5.1 根据结构设计，螺杆的总长度 l总 应为螺杆的工作长度 L 加上结构长度。 横向： mm l 579178401=+= 总 纵向： mm l 399178221=+= 总 3.5.2 丝杠的长度还应满足刚度的要求，根据刚度要求确定丝杠的直径 d 横向： 403416.2325/579= d l总 纵向： 403496.1525/399= d l总 即满足 4034 d l总 贵州大学本科课程设计论文 第 7 页 3. 5. 3 因此，滚珠丝杠直径可以都选为 d=25mm 3.6 传动效率的计算：传动效率的计算： 根据机械原理的公式，丝杠螺母副的传动效率 0 为 )( 0 + = tg tg 代入数据得：9564 . 0 ) 10( 393 393 0 = + = o o tg tg 式中：为螺纹的螺旋升角，为摩擦角， 滚珠丝杠副的摩擦系数004. 0003. 0=f，其 10。 3.7 丝杠丝杠刚度刚度的的验验算算 数控机床的滚珠丝杠是精密传动元件，它在轴向力的作用下将产生伸长或缩短，在 扭矩的作用下产生扭矩，这将引起丝杠的螺距发生变化，从而影响其传动精度及定位精 度，因此滚珠丝杠应验算满载时的变形量。 滚珠丝杠受工作负载 P 的作用而引起螺距 S 的变化量 s1 其值可按下式计算: 1 PS EF S= 式中：P 为工作负载（N） ，S 为滚珠丝杠的螺距（cm） ， E 为弹性模量，对钢 62 20.6 10/EN cm= ； F 为滚珠丝杠截面积（按内径计算） （ 2 cm ） ， “+”用于拉伸时， “”用于压 缩时。 因此： cmS 10 5 26 1 32. 1 4/179. 214. 3106 .20 5 . 02028 = = 滚珠丝杠因受扭矩作用而引起的导程变化量 2 S ，可按下式计算: 222 SS S = 式中： 为在扭矩 M 的作用下，滚珠丝杠每一个螺距长度两截面上相对扭矩转角。 贵州大学本科课程设计论文 第 8 页 10 10 6 5 95.3 21.22 .84 5 .016.147 = = Jc G MS 式中:M 为扭矩（Ncm） ，即： ()/ 2 z MPdtgv= 式中:P 为工作负载（N） ， z d 为丝杠接触直径， 为螺纹升角（） ，G 为扭转弹性 模量，对钢 52 82.4 10 (/)GN cm= 滚珠丝杠截面积的惯性矩： 44 132 () c Jdcm = 式中： 1 d 为丝杠内径（cm） cmS 10 10 7 6 2 14.3 14.32 95.35.0 = = 综合上述， 滚珠丝杠在工作负载 P 和扭矩 M 共同作用下， 所引起每一螺距的变形量： cmS 101010 775 14.13514. 332. 1 = 螺距变形总误差为： m/mm27m/7 . 214.135 5 . 0 100100 1010 37 = cmS S 经查课程设计指导书表 4- 21 可知丝杠精度等级为 C 级，刚度足够。 3.8 稳定性验稳定性验算算 丝杠选用单推单推预拉伸安装支承方式，即两端安装止推轴承及深沟球轴承的组 合，丝杠不会出现失稳现象，故不必进行压杆的稳定性计算。 3.9 支承支承方式及轴方式及轴承承的选择的选择 经过查阅相关资料，并结合本设计具体情况选择“单推单推”支承方式 通过查相关手册，轴承选择如下： 贵州大学本科课程设计论文 第 9 页 表表 3.2 轴承参数轴承参数 轴承 名称 轴承 型号 公称 直径 结构尺寸 标记 额定动 载荷 数 量 推 力 球 轴 承 51304 20mm d=20mm,T=18mm, D=47mm 滚动轴承 51304GB/T 3011995 35KN 4 深沟 球轴 承 6304 20mm d=20mm,B=15mm, D=52mm 滚动轴承 6304GB/T 27694 15.8KN 4 由上表可看出，轴承的额定动载荷 CaC，所以所选轴承在给定的工作条件下的预 期的寿命内安全。 3.10 确定确定滚珠丝杠副的滚珠丝杠副的预紧预紧力力 为了消除轴向间隙，增加丝杠副的刚性和定位精度，在丝杠螺母间加以预紧力 p F 。 过大的 p F 值将引起滚珠丝杠寿命下降及磨擦力矩增大， 而 p F 偏小， 会产生轴向载荷作 用下出现间隙影响定位精度。因此，一般情况下取。 109 ca p F = （N） 所以： NFp4 .1012 10 10124 = 3.11 确定确定滚珠丝杠轴的滚珠丝杠轴的预紧拉伸预紧拉伸力力 为减小或消除丝杠自重而产生的弯曲变形，补偿因工作温度和六螺角母温度升高而 引起的丝杠伸长，保证滋珠丝杠在正常使用时的定位精度和提高滚珠丝杠的系统刚性， 对有快速驱动并有定位精度要求的滚珠丝杠副其丝杠副轴、需要进行预拉伸力，决定拉 伸力时还应考虑到丝杠两端支承轴承允许的预紧力的大小。 一般情况下取 3 p FM= (N) 所以： NFM676 3 2028 = 3.12 传动传动刚度刚度的计算和校核的计算和校核 贵州大学本科课程设计论文 第 10 页 3.12.1 丝杠轴的支承刚度丝杠轴的支承刚度 在忽略支承座和螺母座刚度的情况下机械传动部的刚度主要为：丝杠轴的支承刚 度、滚珠丝杠螺母副的接触刚度和轴承载的轴向接触刚度。分别以 K K 、 N K 、 B K 代 表。则机械传动的综合拉伸刚度为： 111 1 KKK kNB K + = 丝杠轴的支承刚度 k K ： 2 3 11 4 () 10(/) kk d E kLLL KNum =+ 式中，d 为丝杠名义直径（mm） ， K L 为丝杠作用长度（mm） ， 52 2.110 (/)ENm m=材 料 弹 性 模 量 由于选用的两根丝杠为同一类型，且直径大小一样，故此处只计算最长一根丝杠。 丝杠作用长度有两种情况：当拖板处于最左端为 min L 时，则最大的拉伸出刚度： mN E L d Kk /1 .3436 304 1 . 214. 3 4 101025 352 min 2 max = = 当拖板处于中间位置时， （在 2 L k L = 时） ，则有最小的拉伸刚度： mN E L d Kk /31.1030 400 1 . 214. 3 101025 3522 min = = 3.12.2 滚珠丝杠与滚珠丝杠与螺母螺母副副间间的的接触刚度接触刚度 N K 2 3 0.77() Npb KFdZ = （N/um） 式中： p F 为预紧力（N） ， b d 为滚珠直径（mm） ， Z 为滚珠数量， ZZ =圈数列数 一圈的滚珠数： 贵州大学本科课程设计论文 第 11 页 2272.213 175.3 2514.3 3= = db d Z （内循环） 式中： d 为丝杠中径 1322322= Z 因此： mN KN /60.294175. 34 .101277. 0 3 2 132 = 3.12.3 轴轴承承的轴的轴向刚度向刚度 B K 推力球轴承轴向变形 c ： 2 2 32 .4 Q P c dZ = （um） 式中：P 为轴承承受的的轴向工作负载，P =2028（Kgf） ， Z 为轴承的滚动体数， Q d 为轴承的滚动体直径（mm） 则： m c 29 9 4.23 2 2 16 2028 = = 对于轴承拖加了预力， 其变形量减少为 1/2 计算， 则轴承变形量为 m c B 5 .14 2 = 轴承的轴向刚度值： mN P B BK /86.139 5 .14 2028 = 3.12.4 计算机械传动的综合计算机械传动的综合拉伸刚度拉伸刚度 max K 与与 min K 值。值。 mN KKK K Bnk /29.92 86.139 1 60.294 1 10.3436 1 1 111 1 max max = + = + = mN KKK K Bnk /79.86 86.139 1 60.294 1 31.1030 1 1 111 1 min min = + = + = 贵州大学本科课程设计论文 第 12 页 3.12.5 校验机械传动刚度变化引起的定位误差校验机械传动刚度变化引起的定位误差 由于进给执行部件在不同的位置时，机械传动刚度的不同而引起的定位误差： mmm KK Fk10 5 maxmin 0 2 . 8082 . 0 29.92 1 79.86 1 80015 . 0 11 = = = mm 1010 33 567. 602. 0 5 1 02. 0 3 1 5 1 3 1 = 所以 若选用线路简单的串电阻法改善电流上升沿，则电阻为 = = =75.14 0002 . 0 25 . 0 0002 . 0 003 . 0 0 i miR R L 此时，在电阻上消耗的电阻就会很大，显然不合理。因此，采用高低压电路法。 贵州大学本科课程设计论文 第 17 页 5.3 高压电源的确定：高压电源的确定： 在在控制脉冲 2/3 宽度时间内相电流达到额定电流的 60%，即 I=0.6In=1.8A ,在这个时间内也就是高压电源工作时间，即单稳翻转时间，其值为 tb=2/3fy 因此 tb=0.13ms,于是： v t I e e R E i b m H 42 1 25.08.1 1 12 13.0 = = 5. 4 元器件元器件的的确定确定 5.4.1 选用复合管选用复合管 由以上计算的时间常数 i ，并为使电路简单、紧凑、功率放大级的 1 T 选用复 合管 YZ21C，其性能参数如下： 表表 5.1 YZ21C 性能表性能表 CBO BU （V） CEO BU （V） BEO FU （V） CBO I （mA） CES U （V） BE U （V） FE h (倍) CM I （A） CM P （W） i T （C） hBG （V） 80 80 3 1.5 2 2.5 3000 5000 5 20 150 5 . 2 5.4.2 确定确定 2 R ， 3 R 由 1 T 性能数据可知： 2.5 BE UV 故: 3 2.5 R UV 而负载电流： 3 L IA= 1 T 的基极的电流： 3 3 0 0 0 1() L F E I Bh Im A= 贵州大学本科课程设计论文 第 18 页 式中， FE h 电流放大倍数 因此 1 T 等效输入电阻为： 1 2.5 1 2.5 BE B U TI RK= 光耦合器光敏三极管的输出等效电路见电路图 图图 5.2 光耦合器光光耦合器光敏敏三三极极管的管的输出等输出等效电路图效电路图 从等效电路可得 13 33 12 2.5 242.521.5 cB BE cNBE III I RUV I REUV =+ = = 选用耦合器输入电流： 10 i ImA= ， （最大电流为 50mA） ，电流传输比 30% TR C = ， 所以有： 1 10 30%3() ciTR II CmA= 解以上方程组 21.5 23 7.17()RK= 2.5 32 1.25() 1.3()RKK= 贵州大学本科课程设计论文 第 19 页 5. 4. 3 确定确定 R1或或 4 R 前面己经选定光耦合器输入电流 10 i ImA= ，根据光耦合器输入正向压降为 1.3V 所以： (5 1.3) 410 370R = R1=R4=370 5. 4. 4 确定确定 5 R和和 6 R 等效图与图 3- 28 类似，可得电流上升延徒，希望 2 T 工作于饱和状态（实际还没达 到饱和电流，单稳已翻转成低电平） 。首先确定其基级电流 2 B I. 负载的平均阻抗z /24/38 Nn zEImA= 2 T 的饱和电流 ( ) () 2 2/0.25 HCESNCS IEUUZA= T1基级电流应为 ( ) 2 2 /0.07 BCSFE IIhmA= 光电耦合器输入电流10 i ImA=,所以 2, 33% CiTRTR II CC=取 光电耦合器输入电流 2 100.333.3, C IXmA=因此 22 2.6 SCB IIImA= 求 0(0 U点电位） 在0 b tt期间，U0是变化的，变化范围近似为2 HHn EEE至，计算时取 平均值 () 0 2(/217 HHn UEEEV=+=） 2 T 的输入电阻为 2 2 /1.6/0.0722 BESB r RUIVmA= 、K 65 ,R R 分别为 贵州大学本科课程设计论文 第 20 页 66 /1.6/ 2.6620 BES RUIVmA= 502 ()/3460 HCESC REUUI= 5. 4. 5 确定确定 9 R 为提供给单稳驱动门足够的输入电流，所以 9 500R = 5. 4. 6 选择选择 DD21、 DD21、 选用 2CZ56B 硅整流二极管，其性能参数见下表 表表 5.2 2CZ56B 性性 能能 表表 最高反向电压 （V） 正向整流电流 （A） 不重复正向浪涌 电流（A） 正向压降 （V） 频率 （KHz） 50 3 15 0.8 3 5.5 系统系统相关相关控控制程序流程制程序流程设计设计