数控技术课程设计-xy数控工作台设计（全套图纸）.doc

目 录摘 要第一章 课题的来源及现实意义1第二章总体方案的确定22.1研究问题22.2拟定方案3第三章机械传动系统的计算和设计43.1导轨以上重量的估算43.2切削力的计算43.3导轨的计算43.4 滚珠丝杠副型号与直径的选择43.5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73.7丝杠刚度的验算73.8稳定性验算83.9 支承方式及轴承的选择83.10 确定滚珠丝杠副的预紧力93.11确定滚珠丝杠轴的预拉伸力93.12 传动刚度的计算和校核9第四章计算电机轴上的惯量和转矩 选取步进电机并校核124.1 计算降速比及初选电动机型号124.2 转动惯量的计算134.3传动时转矩的计算134.4 频率的计算144.5 步进电机的选择及校核15第五章驱动电路的设计165.1电器总体设计方案165.2 时间常数165.3 元器件的确定165.4 系统相关控制程序流程设计20第六章总结21第七章参考文献22贵州大学本科课程设计论文 X-Y数控工作台3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153893706贵州大学本科课程设计论文 第 3 页第一章 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。第二章 总体方案的拟订2.1 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315mm315mm8mm碳钢或有色金属X=300mm,Y=120mm1500mm/min400mm/min图2.1 工作台草图2.1.1 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： 图2.2 总体方案图贵州大学本科课程设计论文 第 21 页第三章 机械传动系统的设计及计算3.1 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 铣削力的计算计算公式 ：其中，ae = 15mm，n = 300r/min, d = 15mm, fz = 0.1 mm/z, ap = 8mm, z = 3 。故有：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计算最大动负载在设计滚珠丝杠副，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，只要选用的滚珠丝杠副的额定动载荷，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。 其中 P为工作负载，G为导轨以上移动部件重量，K为考虑颠覆力矩影响的实验系数，L为寿命查表4-17，取 所以 =1.11609 + 0.15(556 + 336 + 800) = 2028 N寿命： 查表4-181取运转系数1.2；查表4-191取硬度系数1.0；查表4-151，机器使用寿命T=15000（h）；滚珠丝杠的转速： ；则寿命： 因此： ，查表5.7-371，丝杠选用型内循环垫片调整预紧的双螺母滚珠丝杠。表3.1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）D25mm螺 距S5mm接触角 45钢球直径3.175mm螺纹滚道法面半径R1.651mm偏心距E0.0449mm螺纹升角 339螺杆螺杆外径mm名 称符号计算公式及结果螺杆内径mm螺母螺杆接触直径mm螺母螺纹外径mm螺母内径25.14mm螺母凸缘外径66mm螺母配合外径D40mm螺母装配总长度L46mm3.5 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： 式中，为控制系统中需要的行程（mm），H为螺母的安装高度（mm），为满足行程以外的余量，一般，为由丝杠防护结构确定的长度（mm），于是：横向丝杠： 纵向丝杠： 3.5.1 根据结构设计，螺杆的总长度应为螺杆的工作长度L加上结构长度。横向： 纵向： 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： 纵向： 即满足3. 5. 3 因此，滚珠丝杠直径可以都选为d=25mm3.6 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为 代入数据得：式中：为螺纹的螺旋升角，为摩擦角，滚珠丝杠副的摩擦系数，其 。3.7 丝杠刚度的验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的变化量其值可按下式计算: 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；F为滚珠丝杠截面积（按内径计算）（），“+”用于拉伸时，“”用于压缩时。因此： 滚珠丝杠因受扭矩作用而引起的导程变化量，可按下式计算: 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。式中:M为扭矩（Ncm），即： 式中:P为工作负载（N），为丝杠接触直径，为螺纹升角（），G为扭转弹性模量，对钢滚珠丝杠截面积的惯性矩： 式中：为丝杠内径（cm）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：螺距变形总误差为：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 支承方式及轴承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：表 3.2 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5130420mmd=20mm,T=18mm,D=47mm滚动轴承51304GB/T 301199535KN4深沟球轴承630420mmd=20mm,B=15mm,D=52mm滚动轴承6304GB/T 2769415.8KN4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 确定滚珠丝杠副的预紧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。过大的值将引起滚珠丝杠寿命下降及磨擦力矩增大，而偏小，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。 （N） 所以： 3.11 确定滚珠丝杠轴的预紧拉伸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 (N) 所以： 3.12 传动刚度的计算和校核3.12.1 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、代表。则机械传动的综合拉伸刚度为： 丝杠轴的支承刚度： 式中，d为丝杠名义直径（mm）， 为丝杠作用长度（mm）， 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时，则最大的拉伸出刚度： 当拖板处于中间位置时，（在时），则有最小的拉伸刚度： 3.12.2 滚珠丝杠与螺母副间的接触刚度 （N/um） 式中：为预紧力（N），为滚珠直径（mm），为滚珠数量， 一圈的滚珠数： （内循环） 式中： d为丝杠中径 因此： 3.12.3 轴承的轴向刚度推力球轴承轴向变形： （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， 为轴承的滚动体直径（mm）则： 对于轴承拖加了预力，其变形量减少为1/2计算，则轴承变形量为轴承的轴向刚度值： 3.12.4 计算机械传动的综合拉伸刚度与值。3.12.5 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：所以 式中：为导轨以上质量引起的静摩擦力（N），为机床要求的定位精度3.12.6 伺服系统刚度引起的死区误差：所以刚度足够。第四章 计算电机轴上的惯量和转矩，选取步进电机并校核4.1 计算降速比及初选电动机型号已知脉冲当量mm/pluse, 丝杠导程S = 5 mm，初选步距角为则：传动比为 由此可知，可以用联轴器将电机与丝杠直接连接起来。 联轴器的型号为： GB/T5843-2003 GY型。电机的型号初选为如下图所示：注：步距角取0.72度，而最大静转矩补充为1.75(Nm)！ 图4.1 电机参数4.2 转动惯量的计算丝杠的转动惯量：工作台上的负载折算到电机轴上的转动惯量：联轴器的转动惯量： 所以，丝杠传动系统折算到电机轴上的总转动惯量为：4.3 传动时转矩的计算4.3.1 加速转矩：当时，当时， 4.3.2 摩擦转矩： 4.3.3 切削转矩： 4. 3. 4 附加摩擦转矩： 所以，快速空载启动时负载转矩：最大切削负载时所需的转矩：4.4 频率的计算最高启动频率：最高运行频率：式中，为快速进给速度（mm/min），工作台进给速度最大值，为脉冲当量要求步进电机启动转矩，确定步进电机需要最大静转矩，由表310知 ，由于： 则： 4.5 步进电机的选择与校核按最大静转矩、步距角、最高工作频率、最高启动频率等查相关手册知选择90BYG550A型混合式步进电动机。步进电机的空载最高启动频率为3000HZ 大于 = 2500 HZ步进电机的空载最高运行频率为30000HZ 大于= 666.67 HZ最大静转矩为1.75（Nm） = 0.503034 N.m，由以上条件可知，所选的步进电机满足条件。第五章 驱动电路的设计5.1 电气总体设计方案电机经校核满足使用要求，所以电路部分采用单电源电路。电机选用90BYG550A,查手册知电压24V, 相电流3A，电阻0.25欧姆，频率3000HZ，电感3 .0Mh。图5.1 电器总体设计方案图其中微机选取MCS-51，并且要有必要的存储器和I/O扩展，脉冲分配器采用YB015环形分配器。5.2 驱动回路的时间常数五相十拍的工作方式的控制脉冲负载回路的时间常数为： 若选用线路简单的串电阻法改善电流上升沿，则电阻为 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。5.3 高压电源的确定：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： 5. 4 元器件的确定5.4.1 选用复合管由以上计算的时间常数，并为使电路简单、紧凑、功率放大级的选用复合管YZ21C，其性能参数如下：表5.1 YZ21C性能表（V）（V）（V）（mA）（V）（V）(倍)（A）（W）（C）（V）808031.522.5300050005201505.4.2 确定，由性能数据可知： 故: 而负载电流：的基极的电流：式中，电流放大倍数 因此 等效输入电阻为：光耦合器光敏三极管的输出等效电路见电路图图5.2 光耦合器光敏三极管的输出等效电路图从等效电路可得 选用耦合器输入电流：，（最大电流为50mA），电流传输比，所以有：解以上方程组 5. 4. 3 确定R1或前面己经选定光耦合器输入电流，根据光耦合器输入正向压降为1.3V所以： R1=R4=3705. 4. 4 确定和等效图与图3-28类似，可得电流上升延徒，希望工作于饱和状态（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.负载的平均阻抗 的饱和电流 T1基级电流应为 光电耦合器输入电流,所以光电耦合器输入电流因此 求在期间，U0是变化的，变化范围近似为，计算时取平均值的输入电阻为 K分别为 5. 4. 5 确定为提供给单稳驱动门足够的输入电流，所以5. 4. 6 选择选用2CZ56B硅整流二极管，其性能参数见下表表5.2 2CZ56B 性 能 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）503150.835.5 系统相关控制程序流程设计圆弧插补控制流程图：图5.3 圆弧差补控制流程图贵州大学本科课程设计论文 第 22 页第六章 总结经济型数控X-Y工作台，大小250mm X 250mm，行程300mm X 120mm，主要用于小型数控钻床和数控铣床。该种工作台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。本工作台有一下几个特点：1)本X-Y数控工作台的切削力较小，重复定位精度不高，属于经济型机床设备，主要用于加工尺寸比较，精度要求不是很高的零件的