数控X_Y工作台和控制系统设计方案

1、数控 X-Y 工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2.1课程设计的内容任务是：设计一个数控 X-Y 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。具体参数如下：最大铣刀直径最大铣削宽最大背吃加 工 材工作台加工最大移动D( mm)度尺ae (mm)刀量范围（ mm）速度a p ( mm) 料碳 素 钢X=10015158或 有 色400mm/minY=80金属设计内容包括：2.1.1数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） 。2.1.2机械部分的设计(1) 确定脉冲当量；(2) 机械部件的总体

2、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；2.1.3数控系统的设计（ 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（ CPU、存储器、 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）。2.2课程设计的要求2.2.1图纸要求（ 1）机械结构装配图， A0 图纸一张。要求视图基本完整、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、。（ 3）数控电器图， A1 图纸一张。（ 4）软件框图（可附在说明书上） 。2.2.2编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。3.1 系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。3.2 伺服系统的选择开

4、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. 开环控制系统由于没有检测反馈部件，因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。3.3 计算机系统的选择采用 MCS-51系列中的 8031 单片机扩展控制系统。MCS-51单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/O 接口及光电隔离电路、步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

5、态等信息。3.4 X 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。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 :微型机接驱口动电电路路接驱口动电电路路步进电机联轴器步进联轴器电机X向工作台

6、Y向工作台第四章机械部分的设计4.1直线滑动导轨副的选型4.1.1估算重量XY工作台如图所示，上位X 方向导轨，下为Y 方向导轨。图XY工作台（ 1）尺寸参数（ mm） 坐标行程已知 X 方向行程为 100mm，Y 方向行程为 80mm； 工作台已知工作台尺寸长宽 =210210，设计工作台厚度为15mm； 估算 X 方向导轨（长，宽，高） =（X，Y，Z）=（ 400，210，50）（ 2） X 方向重力估算X 方向导轨在上方，需估算工件、工作台夹具、导轨副及电机的重量。已知台面以上最大重量m1=30kg，工作台的质量m2 估算时取钢的密度为=7.8g/cm 3=7.8-63 10 kg/m

7、m，则mv7.8210210155.kg估计电机总质量为m 3=5kg；夹具质量为 m4=1kg则 X 方向所受的总重力mx 为mxm1m2m3m43055141kg则 X 方向所受的总重力Wx 为Wxmx g41 10410N（ 3） Y 方向重力估算估算 Y 方向导轨（长，宽，高） =（X，Y，Z）=（400，210，50）Y 方向导轨在下方，需估算工件、工作台、夹具、导轨副及电机的重量X 方向导轨质量m5m57.810 640021050kg33kg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m6 m5 40% 3340% 13kg则 Y 方向所受的总重力my

8、为mym3m6mx5134159kg则 Y 方向所受的总重力Wy为Wymy g5910590N4.1.2导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0.15 。静摩擦系数00.03 。4.2切削力的计算4.2.1最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 3-7 查得立铣时的铣削力计算公式为：Fc118ae0.85f z0.75d 0.73a1p.0 n0.13 Z(6-11)今选择铣刀的直径为d=15mm，齿数 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ae

9、15mm ，背吃刀量 ap =8mm，每齿进给量 f z0.1mm ，铣 刀 转 速 n=300r/min。 则 由 式 （ 6-11 ） 求 的 最 大 铣 削 力 ：0.850.750.731.00.13Fc118150.11583003N1463N4.2.2进给工作台工作载荷计算根据表 2-1 可得工作台纵向切削力F1, 横向切削力 F2, 纵向切削力 F3 分别为：F10.4 Fc0.41463585.2 NF20.95 Fc0.9514631389.85F30.55Fc0.551463804.65 N4.2.3导轨摩擦力的计算（ 1）按式（2-8a ）计算在切削状态下的导轨摩擦力 F

10、u。此时导轨的动摩擦系数，查表 2-3 得镶条紧固力 fg=1500N, 则F=(W+fg+F2+F3)=0.15 (590+1500+1389.85+804.65)N=624.675N(2) 按式（ 2-9a ）计算在不切削状态下的导轨摩擦力 F 0 和导轨静摩擦力 F0 。F 0(Wf g )=0.15 （590+1500）N=313.5NF00W =0.03590N=18N4.2.4计算滚珠丝杠螺母副的轴向负载力（ 1）按式（ 2-10a ）计算最大轴向负载力Famax 。Fa maxF1F585.2624.6751209.9 N（ 2）按式（ 2-11a ）计算最小轴向负载力Fa mi

11、n 。Fa min = F 0313.5N4.3 滚珠丝杠的动载荷计算与直径估算4.3.1确定滚珠丝杠的导程初选丝杠导程 L04mm 。4.3.2计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Famax , 快速移动和钻镗定位时的轴向载荷定为最小轴向载荷Fa min 。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F2 、 F3 分别按下式计算：F2Fa min 20% Fa max ， F3 Fa min 5% Fa max并将结果填入下表：数控铣床滚珠丝杠的计算切削方式轴向载进给速度时间比例备

12、注荷/N/(mm/min)q /(%)强力切削1209.9130010F1Famax一般切削555.48235030F2Fa min20% Fa max精细切削374.00340050F3Famin5% Fa max快移和钻镗定位313.54100010F4Fa min(2) 计算滚珠丝杠螺母副在各种切削方式下的转速ni 。1300n175r / minL042350n287.5r / minL043400n3100r / minL0441000n4250r / minL04（ 3）按式（ 2-17 ）计算滚珠丝杠螺母副的平均转速nm 。nmq1 n1 Lqn nn 110r / min100

13、100（ 4）按式（ 2-18 ）计算滚珠丝杠螺母副的平均载荷Fm 。33n1 q1L3nnqnFmF1nm 100Fnnm 100N3 120937510555.48387.530374310050313.5325010N110100110100110100110100577.1N4.3.3确定滚珠丝杠预期的额定动载荷Cam（ 1） 按预定工作时间估算。查表2-28 的载荷性质系数fw =1.3 。已知初步选择的滚珠丝杠的等级为2 级，查表 2-29 的精度系数 fa1 ，查表 2-30 得可靠性系数 fc0.44 ，则由式（ 2-19 ）Cam3 60nmLhFm f w8681.6 N1

14、00 fa f c（ 2） 因为对滚珠丝杠螺母副将实施预紧，所以可按式（ 2-21 ）估算最大轴向载荷。查表 2-31 的欲加载荷系数fc6.7 ，则CamfcFa max8106.33 N（ 3） 确定滚珠丝杠预期的额定动载荷 Cam 。取以上两种结果的最大值，及 Cam 8681.6 N4.3.4按精度要求确定允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2m（ 1） 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40um ，重复定位精度为20um ，根据是（ 2-23 ）、（ 2-24 ）以及定位精度和重复定位精度的要求，得max1max 21120um (6.

15、67 : 10) m( :)32(1 :1 )30um （6 : 7.5 ） m54取上述计算结果的较小值，即max7um 。（ 2） 估算允许的滚珠丝杠的最小螺纹底径d2 m本机床工作台（ X 轴）滚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L 行程 +安全行程 +2 余程 +支承长度（ 1.2 : 1.4 ）行程 +（ 25 : 35） L0取L 1.2 行程 25 L0 196mm又 F0 18 N ，由式（ 2-26 ）得d2 m 0.039F0 L18 1960.039mm 27.7mmmax0.0074.3.5初步确定滚珠丝杠螺母副的规格型号

16、根据计算所得的L0 、 Cam 、 d2 m ，初步选择 FF3204-5 型滚珠丝杠螺母副，其公称直径 d0 、基本导程 L0 、额定动载荷 Ca 和丝杠底径 d2 如下：d032mm ， L04mmCa15000 NCam8681.6 Nd228.9 mmd2m27mm故满足式（ 2-27 ）要求。4.3.6压杆稳定性校核根据公式（ 3-28 ）计算失稳时的临界载荷F 。查表 3-34 ，取支承系数；Kfk =1由丝杠底径 d2=28.9mm 求得截面惯性矩 Id24 / 64 33287 mm4 ；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ls250mm

17、 。代入式 Fkf k2 EI /( Kl s2 ) , 求得 Fk358KNFm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。4.3.7由式（ 2-29 ）确定滚珠丝杠螺母副的预紧力Fp1Fp3 Famax 403.3N4.3.8按式（ 2-31 ）计算滚珠丝杠螺母副的预拉伸力Ft已知滚珠丝杠螺纹底径d228.9mm滚珠丝杠的温升变化t2oC , 则Ft 1.81 td 221.81 2 28.9 23023.5 N4.3.9确定滚珠丝杠支承用轴承的规格型号（ 1） 按式（ 2-33 ）计算轴承所承受的最大轴向载荷FB max 。FBmaxFt1 Fa max 3628.4N2（

18、2） 计算轴承的预紧力FBp 。FBp1 FB max1209.5N3（ 3） 计算轴承的当量轴向载荷FBam 。FBamFBpFm1209.5577.11786.6 N（ 4） 按式（ 2-15 ）计算轴承的基本额定动载荷C 。已 知 轴 承 的 工 作 转 速 nnm 174r / min ， 轴 承 所 承受 的 当 量 轴 向 载荷FB max 3628.4 N ，轴承的基本额定寿命 L20000h 。轴承的径向载荷 Fr 和轴向载荷 Fa 分别为：FrFBam cos60o893.3NFa FBam sin 60o1547.2 N因为 Fa 1.732 2.17查表 2-25 得，径

19、向系数 X=1.9，轴向系数 Y=0.54，故FrPXFrYFa1.9893.30.541547.22532.8 NC P 3 60nmLh 12896N 100（ 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600 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d2 为 28.9mm，所以选择轴承的内径d 为 25mm，以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 25mm 52mm 15mm，选用脂润滑。该轴承的

20、预载荷能力FBp2500N，大于计算所得的轴承预紧力FBp 1212 N 。并在脂润滑状态下的极限转速为2600r / min ，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Ca22000 N ，而改轴承在 20000h的工作寿命下的基本额定动载荷为C12896N ，也满足要求。4.4驱动电动机的选型与计算4.4.1计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Jr 。已知滚珠丝杠的密度7.810 3 kg / cm3 ，由式（ 2-63 ）得nnJ rD 4j L j0.78 10 3D 4j L j32 j 1j10.78 10 33429=1.83kggcm2

21、(2) 计算联轴器的转动惯量。J00.7810 3 D 4L0.7810 3(3.542.22 )6.50.642kg gcm2（ 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 m59kg ，电机每转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L0.24cm ，则由式（ 2-65 ）得JLm( L)259 （0.24 2kg cm20.085kg cm222）gg3.14（ 4）由式（ 2-66 ）计算加在电动机轴上总的负载转动惯量。Jd( JrJ0J L )(1.830.6420.085) kg gcm22.557kggcm24.4.2计算折算到电动机

22、轴上的负载力矩（ 1）计算切削负载力矩 Tc已知在切削状态下坐标轴的轴向负载力 FaFa max 1209.9 N ，电动机转一圈，机床执行部件在轴向移动的距离L2.4mm0.0024m ，进给传动系统的总效率0.90，由式（ 2-54 ）得TcFa L1209.90.0024gg223.140.9N m0.514N 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）F 0 L313.5 0.0024F 0 313.5N ，由式（ 2-55 ）得 TN gm 0.133N gm2 2 3.14 0.9（ 3）计算由滚珠丝杠的预紧而产生的附加负载力矩 Tf

23、已知滚珠丝杠螺母副 的预紧力 Fp403.3N，滚珠丝杠螺母副的基本导程L0 4mm 0.004m ，滚珠丝杠螺母副的效率00.94 ，由式（ 2-56 ）得TfFp L02403.30.0040.942gg2(1 0)3.14(1) N m0.0332 N m20.94.4.3折算到电动机轴上的各种所需的力矩（ 1）计算线性加速力矩 Tal 。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nmax250r / min ，电动机的转动惯量 Jm 4.06 kg.cm2，坐标轴的负载惯量 J d4.192kg.cm2 ，进给伺服系统的位置环增益 ks 20Hz30.15s，由式（ 2-58

24、），加速时间 taks得Tal2nmax ( Jm Jd )(1 e ksta )60980ta2 3.14 250（ 4.06+2.022 ）（1-2.7183 3） 60 980 0.15=1.03N.m（ 3） 计算阶跃加速力矩 Tap 。已知加速时间 ta10.05s ，由式（ 2-59 ）得ksTap2nmax ( Jm Jd )60980ta2 3.14 250 （4.06+2.022 ）60 980 0.05=3.25Ngm（ 3）计算坐标轴所需的折算到电动机轴上的各种力矩。按式（ 2-61 ）计算线性加速时空载启动力矩 TqTqTal(TTf )1.03(0.1330.0332

25、)1.196N gm按式（ 2-61 ）计算阶跃加速时空载启动力矩TqTq Tap(TTf )3.250.1330.03323.42N按式（ 2-57a ）计算快进力矩 TKJTKJTTf0.1330.03320.1663 N gm按式（ 2-57b ）计算工进力矩 TGJTGJTcTf0.5140.03320.5472 N gm4.4.4选择驱动电机型号（ 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90BYG3502主要技术参数如上图所示： 额定功率0.48kw额定力矩 5N.M, 2.62 N gm 转动惯量 4.0 kg gcm2 ，质量 4.5 kg 。交流伺服电机的加

26、速力矩一般为额定力矩的5-10 倍，若按 5 倍计算，则该电机的加速力矩为 2.62513.1N gm ，均大于本机床工作台的线性加速时所需的空载启动力矩 Tq1.197 N gm ，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2.62N gm ，均大于本机床工作台快进时所需的驱动力矩TKJ 0.1663 N gm 以及工进时所需的驱动力矩 TGJ0.5472 N gm ，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Jd 与伺服电机的转动惯量 J m 之比一般应满足式（ 2-

27、67 ），即0.25Jd1J m而在本例中， Jd2.5570.63 0.25,1 ，故满足惯量匹配要求。Jm4.06第五章电气部分设计5.1 步进电机电气总体设计方案计算机接口电路脉冲分配隔离电路功率放大电源电路步进电机步进电动机的工作过程由微机控制，微机采用Intel公司的 MCS51系列 8031 单片机。 8031单片机没有内部ROM，应用 8031 单片机必须利用 P0 和 P2 两个并行口扩充程序存储器和数据存储器。单片机通过编程，由P1.0和 P1.1 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110BF00

28、3，分配方式为三相六拍，脉冲分配器采用专用芯片CH250。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。5.2单片机的扩展5.2.1程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。 EPROM是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。5.2.2数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，5.2.3 I/O口的扩展对 I/O 口的扩展包括并行输出口的扩展和可编程多功能接口的扩展， 并行输出口采用带三态门的 8D锁存器 74LS

29、373。因为要接键盘、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/O 口并行接口芯片能实现这一扩展功能。5.3脉冲分配器的电路设计5.3.1脉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 CH250专用环形分配器。 CH250可以实现三相步进电动机的各种环形分配，使用简单、接口方便。下图为CH250的接线图。图中选用的电阻阻值为100K，电容为 1F , 电压为 12V。由单片机发出的走步脉冲和方向控制脉冲分别接CH250、 J6 r 和 J6L 接口，通过 CH250的环分作用，分别通过 A、B、 C 三相与电动机的三相功率放大电路连接。当接通电源瞬间R6为 1，对 CH250复位。电容 C充电完毕 R6变为 0，脉冲分配器进入三相六拍正常工作状态。 P=1时步进电机为正转， P=0时步进电机反转。5.4步进电机驱动电路设计已知的90BYG3502步进电机；电感4.45mH；电阻1.6；转子转动惯量4kg ? cm2 ；驱动电压60V；相电流3A；f y360 nmax1000HZb5.4.1驱动回路