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数控铣床X-Y工作台及其控制系统台设计,数控,铣床,工作台,及其,控制系统,设计
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目录一、总体2二、机械结构设计31、脉冲当量和传动比的确定32、机械部件(工作台)总体尺寸43、工作载荷分析及计算44、滚珠丝杠螺母副的选型和校核65、导轨的选型和计算116、联轴器的选择及计算127、传动系统等效转动惯量计算138、步进电机的选用14三、控制系统设计191、数控系统硬件电路设计192、系统控制软件的设计22参考文献25一、总体1、总体参数设计一个数控XY工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。已知的设计参数如下：最大铣刀直径最大铣削宽度最大铣削深度加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度20 mm8 mm4 mm碳钢X=200，Y=1503 m/min2、开、半闭、闭环选择开环伺服系统步进电机驱动没有检测装置半闭环伺服系统交流或直流伺服电机驱动脉冲编码器速度反馈闭环伺服系统交流或直流伺服电机驱动位置检测装置位置反馈本设计采用开环步进电机驱动。3、传动初步设计电动机联轴器滚珠丝杠工作台4、系统组成框图5、机械传动系统简图X轴与Y轴的传动系统简图都如图所示二、机械结构设计1、脉冲当量和传动比的确定1.1、脉冲当量的确定根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量 为 =0.01mm。1.2、传动比的确定 传动比计算公式：专业课课程设计指导书（21）其中：为步进电机的步距角，为滚珠丝杠导程，为系统脉冲当量。根据传动设计，采用联轴器， 选电动机型号为55BF009，其步矩角=，选丝杠规格为2004-3(FYND)其导程为4mm，。 则其传动比2、机械部件(工作台)总体尺寸2、1初定工作台的尺寸由于工作台的加工范围为X200mm，Y150mm。工作台尺寸一般为工作台加工范围的1.1倍。所以：X2001.1220mm, Y1501.1165mm，其厚度初定为30mm。选择工作台的型槽为T型槽，查电子版袖珍机械设计师手册中的T型槽和相应螺栓(摘自GB/T158-1996) 表3-25T型槽和相应螺栓尺寸，可得所选T型槽的参数：A10mmB18mmC8mm H21mm间距取50mm一取工作台厚度为T型槽厚度的2倍，即22142mm。工作台质量：,即纵向丝杠所承受的质量。在工作台上的工件和夹具的质量估计为所以总的移动部件的重量为3、工作载荷分析及计算3.1销削力的分析与计算铣削运动的主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。根据机械制造技术基础课程设计指导教程选铣刀。由表323，根据最大铣刀直径d20mm，最大铣削宽度，最大铣削深度选择莫氏锥柄立铣刀，立铣刀各参数如下：直径范围推荐直径齿数标准系列标准系列粗齿中齿细齿1923.6202238123346140由表511 高速钢立铣刀铣平面的铣削进给量中选取 ，由专业课课程设计指导书表22查得高速钢铣刀铣削力公式，选定铣刀转速，由专业课课程设计指导书表23查得切削力公式中铣削力系数，因此铣削力为：由表21和表22中表示每齿进给量，即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，每齿进给量、每转进给量和工作台进给速度三者之间的关系为：式中z为铣刀齿数，n为铣刀转速可得工作台进给速度3.2进给工作台工作载荷计算作用在工作台上的合力与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给方向载荷，工作台横向进给方向载荷和工作台垂直进给方向载荷。工作台工作载荷、和与铣刀的切向铣削力之间有一定的经验比值。因此，根据专业课课程设计指导书表24，查工作台载荷与切向铣削力的经验比值：铣削条件比值不对称铣削逆铣顺铣圆柱铣、立铣盘铣和成型铣1.001.200.800.900.200.300.750.800.350.400.350.40求出后，根据最大的经验比算，即可计算出工作台的计算载荷、和。4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 4.1滚珠丝杠螺母副类型选择4.1.1主要类型采用回珠器处在螺母之内的钢珠内循环方式，另外，为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的钢度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，初步选用垫片预紧式。4.1.2主要参数及代号4.1.2.1滚珠丝杠副的主要参数公称直径，数控机床常用的进给丝杠的公称直径为至，但这是X-Y工作台，不用太大，初选。基本导程(螺距)，由步距角、脉冲当量和传动比确定。精度等级，一般选用4级7级，数控机床及精密机械可选用2级3级。它是滚珠丝杠副的重要指标，直接影响定位精度、承载能力和接触刚度。4.1.2.2滚珠丝杠副的标注查专业课课程设计指导书丝杠的特征代号见表2-6，初步选择滚珠丝杠副为FDM1604-3，导轨面的硬度为5864HRC。查机械设计手册第三版第3卷成大先主编 表12-1-17 其具体参数如下：规格代号公称直径公称导程滚珠直径螺旋升角循环列数额定动载荷额定静载荷接触刚度2504-3254338.2236544.2滚珠丝杠螺母副的型号选择及校核步骤4.2.1最大工作载荷滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。采用实验公式计算，对于三角形或综合导轨 专业课课程设计指导书（2-12）式中：为工作台纵向进给方向载荷，为工作台垂直进给方向载荷，G为移动部件的重力（N），K和分别为考虑颠覆力距影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，对于三角形或综合导轨K1.15，滚动导轨，取。所以：4.2.2最大动载C的计算及主要尺寸初选滚动丝杠最大动载荷C可用下式计算：专业课课程设计指导书（2-14）式中：L为工作寿命，单位为，；n为丝杠转速，；v为最大切削力条件下的进给速度，为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t为额定使用寿命（h），可取t=15000h；为运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况取1.21.5，有冲击振动取1.52.5；为滚珠丝杠工作载荷（N）。初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷不得小于最大动载荷C；。取，而工作台进给速度，则工作寿命：则因为，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。4.2.3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为： 专业课课程设计指导书（2-15）其中，为丝杠螺旋升角，可由，为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。滚珠丝杠副的传动效率较高，一般取0.80.9之间，可知，上式传动效率计算有效。4.2.4刚度验算4.2.4.1丝杠的拉压变形量滚珠丝杠计算满载时拉压变形量： 专业课课程设计指导书（2-15）其中：为在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量，为丝杠的工作载荷，L为滚珠丝杠在支承件的受力长度，取，E为材料弹性模量，对钢，A为滚珠丝杠按内径确定的截面积，“+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。则 4.2.4.2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。有预紧时，可以使用下式计算： 专业课课程设计指导书（2-17）其中：为滚珠直径，为滚珠总数量，Z为一圈的滚珠数，为滚珠丝杠的公称直径，为预紧力，为滚珠丝杠的工作载荷查表可得，由于当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半左右。4.2.4.3滚珠丝杠副刚度的验算丝杠的总变形量应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它小。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。查机械设计手册，滚珠丝杠副行程精度，表12-1-19，在有效行程L内平均行程变动量，根据机床的定位精度可得为0.023mm，。因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。4.2.5压杆稳定性验算滚珠丝杠长度确定根据经验公式 其中L由1604-3丝杠副中取L=65mm. 故 =250+65+50=365mm 圆整=365mm =200+65+50=320mm 圆整=320mm滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷为： 专业课课程设计指导书（2-18）其中：E为丝杠材料弹性模量，对钢，I为截面惯性矩，对丝杠圆截面，（丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端简支方式）则较验较长的丝杠：临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于需用稳定安全系数，则该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为：因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。4.2.6滚珠丝杠螺母副安装连接尺寸在确定丝杠副类型及型号及进行了传动效率、刚度和稳定性校核后，还需要考虑其他一些设计事项。比如：避免丝杠外露；螺母在有效行程内配置限位装置，以免越程滚珠流失；滚珠丝杠必须润滑，常用锂树脂；丝杠副螺母安装连接尺寸等。根据表2-12和图2-12内循环滚珠丝杠副（包括浮动反向器及固定反向器）滚珠螺母安装、连接尺寸：规格代号公称直径公称导程滚珠螺母安装、连接尺寸2504254406653115.5105.75、导轨的选型和计算5.1滚动导轨本设计采用整体型直线滚动导轨，因为它是根据预紧订货，不需要自己调整。5.2、直线滚动导轨副的计算专业课课程设计指导书表2-16列出了上海组合夹具厂两种型号（SGDA和SGDB）直线滚动导轨副的主要参数，其中为额定动载荷，为额定静载荷。初选GDA20滚动导轨，根据指导书表2-16可得其导轨参数，其额定动载荷。这个行走距离称为滚动导轨的距离额定寿命，它可根据滚动导轨的额定动载荷用下列公式进行计算： 专业课课程设计指导书（2-20）其中：L为滚动导轨副的距离寿命，F为每个滑块上的工作载荷，为硬度系数，导轨面的硬度为5864HRC时，1.0，为温度系数，当工作温度不超过时，为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时，为载荷/速度系数，无冲出振动或时，取。 则滚动导轨副的距离寿命L：从产品样本中选定了滚动导轨副的型号，计算距离寿命L或小时额定寿命，若L或大于滚动导轨的期望寿命时，则满足设计要求，初选的滚动导轨副即可采用。由于，所以初选的滚动导轨副满足要求。6、联轴器的选择及计算初步选用GH1系列螺纹线联轴器，其特点：重量轻，体积小；高强度铝合金材料，阳极氧化处理；具有抗油污耐腐蚀功能；可吸收振动，补偿径向，角度偏差和零回转间隙；适用于马达，编码器，丝杆传动，机床平台；微电机等精密产业机械。初选：GH1-19- ，其中：GH1表示系列号，19表示外径为19mm。注:系列号后面不带C为顶紧固定方式外型尺寸:(单位为mm)规格型号DLL1M可做最大内径GH2-32-32416.0M414技术参数 规格型号扭矩（N/M）纠缠能力最高转速(rpm)拧紧力矩(N.m)额定最大径向(mm)轴向(mm)角度(0)GH1-19-4.590.150.11.0100001.7GH1-19-，由计算得出，其中一个为丝杠跟联轴器连接尺寸，另一个为电机轴跟联轴器的配合尺寸。已知可做最大内径为10，则选丝杠端与联轴器配合尺寸为10mm。7、传动系统等效转动惯量计算由于传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。7.1转动惯量的计算基本公式对于轴、轴承、联轴器、丝杠等圆柱体的转动惯量计算公式，当钢材材料密度为时，有 指导书（2-3）P7其中：D为圆柱体直径，L为圆柱体长度。7.2、转动惯量折算7.2.1滚珠丝杠转动惯量折算根据滚珠丝杠惯量折算到电机轴上为：，为丝杠与电机轴之间的总传动比。根据滚珠丝杠的公称直径，其长度则7.2.2工作台等效转动惯量折算工作台是移动部件，其移动质量折算到滚珠丝杠轴（图2-2）上的转动惯量可按下式进行： 指导书（2-6）P8其中：为丝杠导程，为工作台质量。则其等效工作台转动惯量：7.2.3联轴器等效转动惯量折算对于联轴器按其外径计算，长度为，则其等效转动惯量：7.2.4传动系统各部件折算到电机上的总等效转动惯量：则8、步进电机的选用根据步进电机的优点，输出转角（步距角）无长期积累误差，每转一圈积累误差会自动消失。启动、停止、反转及其他运行方式的改变，都可以在少量的脉冲周期内完成并且具有定位转矩。8.1步距角的选择定位精度要求较高，运行范围较广的控制系统，应选用步距角较小，运行频率较高的步进电机。已知脉冲当量，丝杠的导程=4mm由公式2-23 即步进电机的步距角8.2步进电机输出转矩的选择步进电机最大静转矩是指步进电机的定位转矩（静止状态），是选择步进电机的最基本的参数。步进电机空载启动转矩可按下式计算 (2-24)其中为空载启动力矩；为空载启动时运动部件由静止上升到最大快进速度时，折算到电机上的力矩；为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩；为由于丝杠预紧，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。加速度力矩由 初设运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间。则 加速度力矩空载摩擦力矩空载摩擦力矩： 专业课课程设计指导书(2-27)式中：G为运动部件的总重量（N），；为导轨摩擦系数，；为传动系统总效率，一般取=0.70.85。则附加摩擦力矩附加摩擦力距： 专业课课程设计指导书(2-28)其中：为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取的1/3；为滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取。则：步进电机空载启动转矩为：根据表2-17步进电机启动转矩与最大静转矩关系步进电机相数三相四相五相六相拍数36485106120.50.8660.7070.7070.8090.9510.8660.866选取步进电机为三相六拍式，算出步进电机空载启动时所需的最大静转矩则 8.3总负载转矩的计算运动部件正常工作，电动机的启动为带负载启动，其总负载转矩可按下式计算： 专业课课程设计指导书(2-20)其中：为作用在工作台的合力F折算到电机上的转矩。根据下式算出运动部件正常运行时所需的最大静转矩：按和中的较大者选取步进电机的最大静转矩，并要求根据最大静转矩和步距角在表2-18 BF反应式步进电动机技术参数表中初选电动机型号：电机型号步距角最大静转矩最高空载启动频率运行频率转子转动惯量分配方式质量外形尺寸外径长度轴径90BF0010.93.922000800017.64四相八拍4.59014598.4启动矩频特性校核步进电机有三种工况：启动，快速进给运行，工进运行。8.4.1启动矩频特性进行校核前面进行是对初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要求，但是不能保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。如右图所以为90BF001步进电机的启动矩频特性曲线。已知空载启动力矩找得对应的允许启动频率，。由于90BF001步进电机的最高空载启动频率为2000，所以，即电机不失步。8.4.2运行矩频特性校核要对快速进给运行和工作进给运行两种工况分别校核，确保快进和工进时均不丢步。如右图所示为90BF001步进电机运行矩频特性曲线。1、快速进给运行矩频特性校核步进电机的最高快进运行频率可按式(2-33)快速进给时已经不存在加速力矩项，并且一般快进时处于空载状态，故快进力矩的计算公式只保留了，则快进时，折算到电机轴上的摩擦力矩从90BF001步进电机运行矩频特性曲线，根据可找得，而实际步进电机的最高快进运行频率，所以，快进时电机不丢步。8.4.3工进运行矩频特性校核工进时步进电机的运行频率摩擦力矩工作负载力矩折算到电机上的力矩工进时电机运行力矩根据工进频率，查90BF001步进电机运行矩频特性曲线，得，而电机，所以步进电机在驱动工作台时不会失步。 8.4.4验算惯量匹配电动机轴上的总当量负载转矩惯量与电机轴自身转动惯量的比值应该控制在一定的范围内，既不应太大，也不应太少，即伺服系统的动态特性主要取决于负载特性，由于工作条件的变化而引起的负载质量、刚度、阻尼等的变化，将导致系统动态特性也随之产生较大变化，使伺服系统综合性能变差，或给控制系统设计造成困难。如果该比值太小，说明电动机选择或传动比设计不太合理，经济性较差。为使该系统惯量达到较合理的匹配，一般应将比值控制在之间。，由此可见，符合惯量匹配要求。8.5步进电机的安装尺寸步进电机的安装比较简单，不带机座，用定位止扣进行安装定位，以保证步进电机安装的同轴度。小尺寸电机的安装面上有螺孔供安装，大尺寸电机的安装面上有通孔供安装。三、控制系统设计1、数控系统硬件电路设计（一）数控系统的硬件电路由以下几部分组成：1、主控制器。即中央处理单元CPU2、总线。包括数据总线，地址总线，控制总线。3、存储器。包括只读可编程序存储器和随机读写数据存储器。4、接口。即I/O输入输出接口。数控系统的硬件框图如下所示：图5-1（二）主控制器的选择系列单片机是集中，端口及部分等为一体的功能性很强的控制器。只需增加少量外围元件就可以构成一个完整的微机控制系统，并且开发手段齐全，指令系统功能强大，编程灵活，硬件资料丰富。本次设计选用芯片作为主控芯片。（三）存储器扩展电路设计（1）程序存储器的扩展单片机应用系统中扩展用的程序存储器芯片大多采用芯片。其型号有：2716，2732，2764，27128，27258，其容量分别为k,4k,8k,16k32k。在选择芯片时要考虑与时序的匹配。所能读取的时间必须大于所要求的读取时间。此外，还需要考虑最大读出速度，工作温度以及存储器容量等因素。在满足容量要求时，尽量选择大容量芯片，以减少芯片数量以简化系统。综合以上因素，选择芯片作为本次设计的程序存储器扩展用芯片。于8031芯片的口是分时传送低8位地址线和数据线的，故8031扩展系统中一定要有地址锁存器，常用的地址锁存器芯片是742S373。（2）数据存储器的扩展由于8031芯片内部RAM只有128字节供用户使用，远不能满足系统需要，因此需要扩展片外的数据存储器（RAM）。常用的数据存储器有6116(2Kx8)，6264(8Kx8)等，这里我选用6264(8Kx8)。（3）译码电路由于这里扩展的容量较大，扩展多个外围芯片。因此，这里使用译码法来进行编址。译码电路可使用现有的译码芯片，这里我们选用3-8译码器（74LS138）。这种芯片，输入端占用3根最高位地址线，剩余的13根低位地址线可作为片内地址线，74LS138译码器的8根输出线分别对应8个8K字节的地址空间。（4）扩展电路设计(a).通用可编程接口芯片单片机共有个位并行接口，但供用户使用的只有1口及部分3 口线。因此要进行口的扩展。与微机接口较简单，是微机系统广泛使用的接口芯片。（四）步进电机驱动电路设计（1）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。（2）光电隔离电路在步进待年纪驱动电路中，一般在接口电路与功率放大器之间家上光电隔离电路，实现电气隔离，通常使用光电偶合器作为光电隔离电路。（3）功率放大器环型分配器的输出脉冲很小，还远不能满足步进电机的要求，不许将它放大，以产生足够大的功率驱动步进电机正常运转，这里采用的功率放大电路如下图所示：图5-2功率放大器（五）其它辅助电路设计（）的时钟电路单片机的时钟可由内部方式产生，内部方式利用芯片内部的振荡电路，在XTA，XTA引脚上外接定时元件。如下图所示图5-3时钟电路（）复位电路单片机的复位电路都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在引脚上出现10ms 以上高电平，单片机便实现状态复位，以后单片机便从0000单元开始执行程序图5-4复位电路2、系统控制软件的设计进给控制系统原理框图 （一）系统控制软件的主要内容数控系统是按照事先编好的控制程序来实现各种控制功能。按照功能可将数控系统的控制软件分为以下几个部分：（1）系统管理程序：它是控制系统软件中实现系统协调工作的主体软件。其功能主要是接受操作者的命令，执行命令，从命令处理程序到管理程序接收命令的环节，使系统处于新的等待操作状态。（2）零件加工源程序的输入处理程序。该程序完成从外部I/O设备输入零件加工源程序的任务。（3）插补程序。根据零件加工源程序进行插补，分配进给脉冲。（4）伺服控
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