《X-Y数控机床设计》说明书1.doc

广西工学院机械工程系 数控机床课程设计说明书 题目： X-Y数控工作台 班级： 机自Y084 设计者： 陆权丰 200800104065 指导教师： 罗海萍 李冰 设计要求： 设计要求包括以下几个部分：1. 数控XY工作台机械部分装配图设计（A0）；2. 任选一零件绘制零件图（A4）；3. 驱动电源与控制器的接线方式（A4)；4. 编写设计说明书 （不少于20页） 2011年 6月28日摘 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数控铣床工作台。X-Y数控工作台的机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了微机的软件与硬件功能以实现对机床的控制,使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。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、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；机械传动部分采用步进电机直接连接滚珠丝杠，从而驱动工作台进给。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电，所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体即转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。 关键词：X-Y数控工作台；设计任务；机械传动部件；控制系统 Abstract The design is CNC machine works on the design of a simple, economical x-y CNC milling machine table. CNC X-Y table electromechanical system design is an open-loop control system, its structure is simple, convenient and guaranteed to achieve a certain degree of accuracy. Reduce costs, computer-controlled technology is the most simple applications. It fully utilizes the computer software and hardware features to achieve the machines control, so that the processing machine to expand the scope to further improve accuracy and reliability. Design task is completely around the CNC machine works carried out, the design fully reflects part of CNC machine tools and electrical equipment, machinery and equipment portion of the close combination. CNC X-Y table design, including overall program design, selection of the stepper motor, gear design, electrical control design and software design. The design of the CNC table economy is not high precision, using open-loop system; mechanical transmission part is directly connected to ball screw stepping motor to drive the feed table. Stepper motor is a pulse signal transferred into the DAC angular displacement of electromechanical devices. Its working principle is: each will give a pulse circuit in the stator rotating magnetic field produces a certain space; As the stepper motor through a three-phase alternating current, so the number of input pulses and at different time intervals, the rotor rotation speed and rotation time of length is different. As the rotating magnetic field into which the power conductors of the rotor when the magnetic field lines with a cutting edge role to achieve a rotating magnetic field from the rotating force for the corresponding rotor rotation, the rotor was driven by the screw rotor can be achieved for the corresponding movement. Keywords: X-Y CNC table; design tasks; mechanical transmission components; control system 目录 一、数控机床课程设计目的5 二、设计任务5 三、设计主要步骤61、确定设计总体方案6（1）、机械传动部件的选择6（2）、控制系统的设计72、机械传动部件的计算与选型8 1）、导轨上移动部件的重量估算8 2）、计算切削力8 3）、滚珠丝杠传动的设计计算及校验9 4）、步进电机的传动计算及电动机的选用13 5）、滚动导轨的设计计算18 四、控制系统的设计21五、机械部分装配图的绘制26六、参考文献26七、总结体会27一、设计的目的1. 数控机床课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：2. 通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。3. 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式4. 通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式5. 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想6. 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力二、设计任务设计一套供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：1、 立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大铣削宽度=15mm最大背吃刀量=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属。2、X、Z方向的定位精度均为0.02mm。3、工作台面尺寸为，加工范围为;4、工作台空载进给最快移动速度：，工作台进给最快移动速度:，加减速0.4s。三、设计主要步骤1、确定设计总方案、机械传动部件的选择、丝杠螺母副的选择步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度0.02mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是0.01mm和0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无法做到，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。同时选用内循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。由于工作台最快的移动速度，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。、导轨副的选用要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。、伺服电机的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制，也可选闭环控制。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，又因为设计要求的定位精度为0.02mm，选择开环控制方式即可达到要求，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。、减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。、控制系统的设计 、设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有轮廓控制，两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。、对于步进电动机的开环控制系统，选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，能够满足任务书给定的相关指标。、要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。、选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。2、机械传动部件的计算和选型 1）、导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。 2）、计算切削力根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数：立铣刀 最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大切削宽度=15mm最大背吃刀量=8mm，设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢。由设计手册表3-15中，可知d=15mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：每齿进给量fz=0.1mm铣刀转速n=600r/min由设计手册中P200,查得立铣时切削力计算公式为：代如上式得： 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由设计手册中查得，各铣削力之间的比值范围如下：=(1.01.2) 取1.1/=(0.20.3) 取0.25/=（0.350.4） 取0.38考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险的工况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： 考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为。 3）、滚珠丝杠传动设计计算及校验 、最大工作载荷的计算 已知移动部件总重量G=800N，按滚动导轨计算，取颠覆力影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数查课本P110可知=0.00250.005,现取=0.004，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： =1.11801+0.004(622+410+800)N =1989N 、最大计算动载荷的确定设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程P=5mm,则此时丝杠转速=v/P=80r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=20000h,根据课本中P110，公式54得：=其中 T使用寿命 h N循环次数 滚珠丝杠的当量转速 r/min 求得丝杠寿命系数:96（单位为:）查课本P110，受中等冲击载荷取值范围，现取，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值，由课本中P109，式5-3 代入数据得： 、规格型号的初选及安装连接尺寸的确定根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的FF系列3205-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为32mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈，精度等级取5级，额定动载荷为11700N，大于最大计算动载荷=10929，满足要求。滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm）名 称符 号计算公式和结果 丝杠滚道公称直径32螺距5接触角钢球直径3.5螺纹滚道法面半径偏心距螺纹升角丝杆丝杠外径31.5 丝杠底径 d2 28.9丝杠螺母螺母螺纹外径D=82螺母内径（内循环）67表一由表一可知丝杠所需的安装连接尺寸可设计为： 支承距： 受力点到支承端得最小距离： 受力点到支承端得最长距离： 、传动效率的计算 将公称直径d0=32mm,导程P=5mm,代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=2.85，将摩擦角=10，代入=tan/tan(+),得传动效率=95%。 、刚度的验算X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定，一端游动”的轴承配置形式。丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=500mm；钢的弹性模量E=2.1105Mpa;查表得滚珠直径=3.5mm，丝杠底径d2=28.9mm,丝杠截面积A=/4=655.6mm2。最小刚度: 其中最大刚度: 其中按照近似估算，将丝杠本身的拉压刚度乘以1/3，作为传动的综合拉压刚度,即 可见小于所选丝杠FF3205-3的刚度，可见刚度合适。 、稳定性的验算根据旧课本P110中 式5-9 其中 取支承系数=2.0；由丝杠公称直径d0=32mm=0.032m，且所以，因为大于=10929N，故不会失稳，满足使用要求。 、临界转速的验算对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速，由课本中P111式5-10得：其中 0.0278m 为临界转速计算长度 为丝杠支承方式系数=3.927（一端固定，一端游动）代入数据得：临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。 、滚珠丝杠的选型由以上验算可知，选用FF系列3205-3型的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定选用该型号。 4）、步进电动机减速箱的选用、传动计算及电动机的选用 1）减速箱的选用及传动计算 因为该铣床的加工精度为0.02mm，考虑到机械传动部分造成的精度损失，故选用铣床的脉冲当量为0.01mm/脉冲，导程Ph=5mm初选步进电动机的步距角=0.75。由课本中P121式5-18得：传动比本设计选用JBF-3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为2mm，齿数比为25：24,取，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达到55HRC。减速箱中心距为（50+48）1/2mm=49mm,齿轮宽度为b=20mm. 2）步进电动机的计算及选型 、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、减速装置与滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量等。 1小齿轮的转动惯量 其中 -小齿轮分度圆直径，mm, 2大齿轮的转动惯量 其中 -大齿轮分度圆直径，mm, 3滚珠丝杠的转动惯量 式中 为丝杠公称直径=32mm L为丝杠长度L=500mm 代入数据，得：=0.773250010=410-4 4工作台等移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量 其中 W为工作台的（包括工件）的质量M=81.6kg Ph为丝杠螺距Ph=5mm 代入数据，得： 5负载折算到电动机轴上的转动惯量 、步进电机轴上的等效负载转矩M的计算 1快速空载时电动机所需力矩M加速力矩其中：; 为折算到电动机轴上的总惯量=5.1610 T系统时间常数，由任务书知为T=0.4S 入数据得：力矩摩擦其中:为导轨摩擦力 为滚动导轨摩擦系数，取 Ph为丝杠螺距Ph=5mm i为齿轮降速比，已计算出为25/24 为传动链总效率，=0.70.8，取0.8代入数据得： 附加摩擦力矩：其中：,为滚珠丝杠为预紧时的效率，=0.950.9取，其余参数同上代入数据得： 所以可知快速空载时电动机所需力矩： =0.5+0.005+0.34 = 2承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩，其中, 切削时的转速为400r/min，其余参数同上得： 其中：进给方向的最大切削力，其余参数同上代入数据得： 由此都得到等效负载转矩 比较和，取其较大者，就是最大等效负载，即：=2.4Nm 、步进电动机的初选 考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数，取=3，则步进电机的最大静转矩应满足： 由查表初选的110BF003型步进电动机型号参数可知，最大转矩，可知满足要求。其运行矩频特性图示： 、步进电机性能校核 1）最快工进速度时电动机时输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量/脉冲，求出电动机对应的运行频率。从110BF003型步进电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩8.8Nm，远远大于最大工作负载转矩=2.4Nm，满足要求。 2）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=3000mm/min，求出其对应运行频。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=4Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.85Nm，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为。查图3中相应表格，可知110BF003型电动机的空载运行频率可达7000，可见没有超出上限。 4）起动频率的校核 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。由式可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为： 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。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BF003型步进电动机，完全满足设计要求。 5）确定选型的步进电机的参数：型号反应式步进电机的技术参数110BF003相数步距角电压电流最大静转矩空载起动频率空载运行频率转动惯量参数30.75/1.580300V6A7.84N.m1500Hz7000Hz 5）、滚动导轨的设计计算 、工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、四滑块的支承形式。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=800N,外加载荷F=622N代入上式，得：、小时额定工作寿命的计算可取工作台的工作寿命与丝杠的寿命一样为20000h. 、距离额定寿命计算由公式，从而得到式中，为小时额定工作寿命。 n为移动件每分钟往复次数（46）取5 S为移动件行程长度，由加工范围为250mm250mm取450mm代入数据 得：、额定动载荷计算由公式从而得到：式中：为额定动载荷 L为距离工作寿命，由上式可知为5400km F为滑块的工作载荷，由上式可知为822N代入数据得：、产品选型，根据额定动载荷，确定滚动导轨的机构尺寸根据额定动载荷，选择直线滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用南京工艺装备制造有限公司的GGB20BA型，相关尺寸如下图所示：可知其额定动载荷C=11.6KN，大于5.593KN，故可知满足要求。、安装连接尺寸。 上导轨（X向）：滚动导轨长度 动导轨行程 支撑导轨长度 下导轨（Y向）： 四、控制系统的设计 、进给控制系统原理框图设计 进给传动系统示意图如图所示： 为了确保数控机床进给传动系统的传动精度和工作平稳性，在设计机械传动装置时，应注意以下要求。 (1) 提高传动精度和刚度。(2) 减少各运动零件的惯量。(3) 减少运动件的摩擦阻力。 (4) 响应速度快。 (5) 较强的过载能力。 (6) 稳定性好，寿命长。 (7) 使用维护方便。 根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能： （1）接收键盘数据，控制LED显示 （2）接受操作面板的开关与按钮信息； （3）接受车床限位开关信号； （4）接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号； （5）控制X，Z向步进电动机的驱动器； （6）控制主轴的正转，反转与停止； （7）控制多速电动机，实现主轴有级变速； （8）控制交流变频器，实现主轴无级变速； （9）控制切削液泵启动/停止； （10）控制电动卡盘的夹紧与松开； （11）控制电动刀架的自动选刀； （12）与PC机的串行通信。X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。X-Y数控工作台的控制系统设计，控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。本设计CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52，由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了XY方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC机的串行通信经过MAX233，可以采用PC机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率 （为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用 起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在 频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率 下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率 ，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看作是升频的逆过程。本设计采用了开环环控制，在编程过程中仍需设计升降频的部分，以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要，可编写出驱动步进电动机的程序。AT89S52指令与80C51指令完全兼容。 进给控制系统原理框图示： 图6、驱动电路流程设计 脉冲分配器:步进电机的控制方式由脉冲分配器实现，其作用是将数控装置送来的一系列指令脉冲按一定的分配方式和顺序输送给步进电机的各相绕组，实现电机正反转。数控系统中通常使用集成脉冲分配器和软件脉冲分配器。本设计采用集成脉冲分配器YB013。 AT89S52芯片匹配的输入输出光电隔离接口电路: (1）可将输入/输出两部分的供电电源和电路的地线分离。光电耦合输入、输出端之间绝缘电阻很大（10111013），寄生的电容很小（0.52pF），因而干扰信号很难从输入端反馈到输出端。 (2）可进行电平转换，实现要求的电平输出，从而具有初级功率放大作用。 (3）提高对负载的驱动能力。可直接驱动光控晶闸管工作。 如果光电隔离电路与滤波电路、屏蔽电路有效的结合起来，将会进一步提高微机控制系统的抗干扰能力。光电隔离接口电路图示： 图4 特点：P3口作为准双向接口，当P3输入口被拉成低电平时，可直接由TTL或MOS电路驱动。（4） 步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作