xy数控工作台课程设计

1、数控精密工作台X-Y数控工作台课程设计一、总体方案设计1.1设计任务题目：XY数控工作台的机电系统设计任务：设计一种供立式数控铳床使用的XY数控工作台，主要参数如下：（1）工作台面尺寸 CXBXH=I85mmX195mmX27mm;（2）底座外形尺寸 CIXBIXHI = 385mmX385mmX235mm;（3）工作台加工范围X二115mm Y二115mm：（4）X、Y方向的脉冲当量均为0.005mm、脉冲：X、Y方向的定位精度均为±0. 01mm：（5）负载重量G二235N；（6）工作台空载最快移动速度为3mmin:工作台进给最快移动速度为lmIIinO（7）立铳刀的最大直径d=

2、20mm;（8）立铳刀齿数Z二3；（9 ）最大铳削宽度ac = 20/?W ；(IO)最大被吃刀量dp =10w°1 2总体方案的确定I动力源I8155h-亍AT89S511»|LEDI-HaH步进电机卜驱动电路1I驱动电路2I执行元件IT电磁铁卜I机械部分IT导向支承部件轴承I-I齿竽畐U滚珠丝杠副滚动导轨副X-Y工作台传感检测誰冏1行程开关图1-1系统总体框图(1)机械传动部件的选择 导轨副的选择要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铳床，需要承载的载荷不 大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定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

3、凑、安装预紧方便等优点。 丝杠螺母副的选择伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足 0. 005un的脉冲当量和土0.0Imm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚 珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有 利于提高开发效率。 减速装置的选择选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，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 应有消除间隙机构。为此，系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 伺服电动机的选择任务书规定的

4、脉冲当量尚未达到O. OOlmm,定位精度也未达到微米级。因此, 本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等， 可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性 价比。 检测装置的选择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 书所给精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受 切削负载和电网的影响而失步，决定釆用半闭环控制，并在电动机的尾部转轴上 安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式旋转编码器的分 辨率应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷

5、相差不大，为了减 少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机, 以及检测装置拟采用相同的型号与规格。（2）控制系统的设讣 设计的X-Y工作台准备用在数控铳床上，其控制系统应该具有单坐标定位、两 坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设讣成连续控制型。 对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S51作为 控制系统的CPU,应该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，还需要扩展程序存贮器、数据 存贮器、键盘与显示电路、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

6、动机配套使用，我们将自行设计。Y方向传动机构二、机械系统设计2.1、导轨上移动部件的重量估算重量：按重量二体积X材料比重估算（45钢密度7. 85/立方厘米）工作台面尺寸：185mm X 195mm X 27mm重量：76No上导轨座（连电机）重量：600N夹具及工件重量：235NX-Y工作台运动部分的总重量G： 900N2.2、铳削力的计算零件的加工方式为立式铳削，采用硬质合金立铳刀，工件的材料为碳钢。查 表得立铳刀的铳削力讣算公式为：巧=118严严5严 4。严Z其中，每齿进给量fz =OAmm .铳刀转速n = 300min，可直接带入计算得1893NO采用立铳刀进行圆柱铳削时，各铳削力之

7、间的比值可查表得出，考虑逆铳时 的情况，可估算三个方向的铳削力分别为：Fr=I1侏二2082.3* ； Fe = 0.38Fe 二719. 34N： Ffn = 0.25&.二473. 25N<>现考虑立铳，则工作台受到垂直方向的铳削力FZ=Fe,受到水平方向的铳 削力分别为纵向铳削力FX = Ff （丝杠轴线方向），径向铳削力Fy = Ffn2.3、直线滚动导轨的参数确定（1）、滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取本设计中的X-Y工作台为水平布置，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山一个滑块承担，则单滑块所受 的最大垂直方向载荷

8、为AnaX = ¥ + F二944. 3N0其中，移动部件重量为G,外加载荷F = FZ根据计算出的工作载荷，初选符合要求的直线滚动导轨副的型号。根据任务规定工作台面尺寸，加工范圉及工作台整体尺寸的要求，选择导轨 的长度为2.4、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铳削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铳削 时的情况计算。（1）、最大工作载荷行的汁算在立铳时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）为巴，受到 横向的载荷（与丝杠轴线垂直）为代，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂 直）为耳。已知移动部件的总重量G,按矩形导轨进行讣算，查表，取倾覆力矩影响系 数K二1.1,滚动导轨

9、上的摩擦因数/ = O.5。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为:Fm = KFX + Fz + Fv + G）=l. 1 × 2082. 3× （719. 34+473. 3+900）=2301. ON（2）、最大动载荷的计算工作台在承受最大铳削力时的最快进给速度V = IooOW/?/min ,初选丝杠导程Ph = 5mm ,则此时丝杠转速M = VlPh =200rmin取滚珠丝杠的使用寿命T=IoOOOh,代入厶=60nT106,得丝杠寿命系数厶) 查表，取载荷系数v=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数/"=l0, 代入式=fWfHFn求得最大动载荷F=

10、15590.3No(2)、初选型号规格型号公称直径de基本导程PHO丝杠外径d滚珠直径DW螺旋升角B循环圈数螺母安装尺寸额定开荷接触刚度(Num)DDID2Bd2d3HdmL动载Ca静载CaO1604-316415.32. 3814° 33,3325542101105.8 O.M6375744121743751605-5515.33. 1755° 43325512111105.86M6428640139604102004-320419.52. 3813° 39,3366048111105.86M64608111105.86M6446766152988652505-

11、4519.53. 1754Q 22,3366048111105.86M64698111105.86M651112504-325424.52. 3812。55'3486M66803111105.86M64477472167310202505-3524.53. 1753° 39,3186M6469807228508703114105.86M651125533049911452506-3624.53. 1754° 22,3486M65212945290289003111105.86M66根据讣算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表，选择亿诚部件有限公司 生产的G系列250

12、5-4型，其额定动载荷为，大于，满足要求。表2-1滚珠丝杠螺母副儿何参数名称符号计算公式和结果公称直径20螺距t5接触角45：'螺纹滚道钢球直径必3. 175螺纹滚道法面半径RR=L 651偏心距ee二(R-dq2) SinB 二0.045螺纹升角Y =arctg (t d0) =4. 34*螺杆螺杆外径CId=d0- (0. 20. 25) dq=19. 206螺杆内径+2e-2R=16. 788螺杆接触直径一二心-心COS 0 二 17. 755螺母螺母螺纹外径DD 二 d°-2e+2R二23. 212螺母内径(外循环)DIDl=Cl0 +( 0. 20. 255 )听=

13、20. 810、传动效率计算tgtg( + )=O. 956式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。2.5、步进电机的选用(1)、步进电机的步距角Q根据系统脉冲当量p= 0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Pll = Smm ,初选步进电机步距角Q = O.75。X 2=1. 5°(2)、步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩7；迦的讣算G= 2ax+7二 4255N 其中Enm是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；刁是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。7Lmax =2兀 JQfInm1-""× =3. 875N60Jl(I =Ji)+ J

14、+ A (J2+J3) + M=41.3×103cm2z)a1180 )式中：Jeq 折算到电机轴上的惯性负载(kg. cm2)； JQ步进电机转轴的 转动惯量(kg. cm2)； Jl齿轮1的转动惯量(kg. cm2)； J2齿轮2的转动 惯量(kg. cm2)； J.滚珠丝杠的转动惯量(kg. cm2)； M移动部件质量(血)。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算J=O. 78 × 1O3D5式中：D圆柱零件直径(cm)； L零件长度(CnI)O所以JI = 0.78× IO"3 ×1.74 ×0.5 = 3.26 X 103

15、 (kgcm2)J2 = 0.78 ×103× 2.84 × 0.5 = 23.9×10'3 kgcm2)J3 = 0.78 ×10-3×l4×5 = 3.9×l 03 (kgcm2)电机轴转动惯量很小，可以忽略。V Of心=FF =2500设步进电机由静止到加速至匚所需时间为J=O.4$,传动链总效率为Z7 = 0.7T=P(F广 G)Phn) 38Ni 2i步进电机最大工作负载状态下转轴所承受的负载转矩丁心的计算Teql=TTf- 24N. M刀是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；7；是移动部件运动

16、时折算到 电动机转轴上的摩擦转矩。FlPh町=亠二9. 86N.M2iT ="g+G)Ph 二O 38N. M2i=max71g2=10. 24N. M、步进电机的最高工作频率f _10°°人瘁JmaX60JpZ.005 7/7 =IOOoOHZ査表选用两个55BF004-H型步进电机。电机的有关参数见下表。型号主要技术参数外形尺寸步距角鼓大静转矩(N.M)电压(V)电流(A)外径长度轴颈55BF004-1IO1. 549300.5455842.5、确定齿轮传动比因步进电机步距角 = 0.75 X2二1.5°,滚珠丝杠的导程Pll = 5mm ,要实现脉

17、冲'1I量p = 0.005" / SteP ,在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比i=ZlZ2= 12/50选 Zl=12, Z2=50 。2.6、确定齿轮模数及有关尺寸因传递的扭距较小，取模数Hl = Xmm ,齿轮有关尺寸见表Z1250d = mZ (mm)12501452da =d + 2m(mm)9.549.5d f = t/ 2 × 1.25m(rnm-3-3b = (3-6)a =； % (nzn)31三、控制部分设计3.1人机界面设计此人机界而是有上方的显示屏幕以及旁边的指令按键组成,处于黑框部分的就是显示区 域，操作人员可根据屏幕上的提示进

18、行指令操作，另外，进给速度、坐标参数、加工模拟图 也会在屏幕上显示，处于下方和右侧的是操作而板。下图是刚进入数控系统时的界而：益当前加T程序仃：1指令坐标实际坐标X-560. 000X-560. 000Y0. 000Y0. 000Z-390. 000Z-390. 000Il剩余进给X0. 000Y0. 000Z110. 000言径分进给VWW1CDSV %1CDZX%IOD% -17工件坐栋疼点1华中数拴加工方式：急傅运行正弟21:12:16-560 OC0.000-390. OCO1300. OCO自动加工程字離哉陂诊断IMDl IrIr 1 fewgjg Fl ： IFZ3 - I I F

19、q : I F5 I I 1 F6 I; J I ； F7 ; FQ I I F9 注菜单MlIITO程序开妊主釉舷调呂 进给侈调I 快速修调£臺BCT OI扩展功能I；. FlO INCoCo:机琮指令位置;0.(XK)0.0000.000Vlgo«100.0VloO.0W运行握序索引我 Irrl r3 IrTl+UTHQ÷Y+ZX+×Z-Y4TH主操作面板上第一排为自动加工、程序编辑、故障诊断、MDI.坐标相对值、显示方式、和扩展功能。(I)程序编辑界面：按F2选择界而编借所需要加工工件程序選序编辑I程序开始IIIT 0|CT 0文件管Sl：Fl ：

20、|： F2 ：|I编辑当保存文件:FT ：文件删除一制：FG ： |查钱II： F7 ：|I继续釦替换I|： F釦：|返回|： Flel ：在编辑而板中编辑UVWLOJKPN4 I2>*3才%弁 56rzB1SPf O广BSPgUPPgOnAltUM>rV DelEnter(2)自动加工：当我们按Fl时选择程序自动加工当前力辽程序行：指令坐标-560. 000实际坐标-560.000 Z «：Z;F复WVrt%100evMiim X)%100直径 至米 分述给誥自动加工程序开妬計程序选择11运行状劃程序校脸I重新运行:F3 : F4 ：:F2 ：点.恢复断点停止运行 f*

21、 乙 r厂 j机床指令位置-56C . OCO0.000-39C. OCo180C'. OCO0.0000.(XX)1主轴修调秽1进绐修调E：快速修调花:FT ：t.yQ:M IIIT 0ICT 0从指定:W:至示方式:叮可：%100.0%100.0%100.0自功O单段手幼OC空运行tLX10tLXlOOtLXloOoQ°机床 锁住卞刀°刀只主轴开停允许修御I快速定向制动进恰正转Itifl4THQ+丫Q+Z-XQ+X-ZY-4THIOa+（3）选择好程序后，对工件进行对刀。自动坐标系G54X0.000Y0.000Z0.000直径 戛米分进给IVWVV% 100rv

22、v¾i00 llO（4）在加工过程中可以控制机床的刀具的转速，和进给速度。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 交互界而可操作性比较好。3.2 CPU 板3. 2. 1 CPU的选择随着微电子技术水平的不断提高,单片微型讣算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多, 而目前市场上应用MCS-51芯片及英派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机 89C51,价格低廉，而性能优良，功能强大。MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，

23、 它具有较强的运算和扩展能力。但是左位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。生产基于51为内核的单片机的厂家有InteL ATMELO ATMEL公司的AT89系列单片 机内含FIaSh存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响 信息的保存：它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。因此硬件CPU选用AT89S52, AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含FlaSh存储器, S表示含有串行下载FlaSh存储器。AT89S51的性能参数为：FlaSh存储器容量为4KB、16位左时器2个、中断源6个（看 门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断

24、1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、 14位的计数器WDT、I/O 口共有32个。3. 2.2 CPU接口设计CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界而三部分°示意图如下所示:CPU外部接口示意图晶振电諂CPUEPRDM片W27C512串行芯片 MAX233AT89S52单片机操作面枚开关按钮信号S52 I/O 口分配3. 3.1步进电机驱动电路和工作原理步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当疑为0.0Imm, 步进电机每走一步，工作台直线行进0.0ImmO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CP

25、U的作用，当功 放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。27VCC电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量 通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制 通过绕组的电流不至超过额泄值，以免电动机发热厉害被烧坏。由于步进电机采用的是三相六拍的工作方式（三个线圈A、B、C）,其正转的通电顺序 为：A-AB-B-BC-C-CA-A,其反转的通电顺序为：A-AC-C-CB-B-BA-Ao步进时钟 JLLLLLLLLLLLLA相波形IIIllIB相波形LC 相波形II II II三相六拍工作方式时相电压波形（正转）4.

26、1主流程设计#include:reg32 h>#define Uint UnSigned int#define UChar UnSigned CharUChar num, temp;VOid delay (Uint Z);VOid main ()EA=I;EXO=I;Pl=Oxcf; delay (IOOO);PI=OX9f; delay (IOOO);PI=OX3f; delay (IOOO);PI=OX6f; delay (IOOO);VOid delay(Uint Z)Uint x, y;for (x=z;x>0;X-) for(y=U0;y>0;y);VOid ZdO

27、 InterrUPt 0Pl=Oxfc;delay (1000);PI=OXf9;delay (1000);PI=OXf3;delay (1000);PI二Oxf6; delay (1000);4.2中断服务流程设ih延时程序的声明；/ CPU开总中断；/外部中断开；/电机1的二个引脚交替通电;/延时程序；中断程序；/电机2两个引脚相继通电;键盘按钮产生电平变化，CPU外部中断开启，调用中断程序，使电机1停 止转动，并保持当前状态，中断程序使得电机2转动。以下是中断子程序：VOid Zdo interrupt 0/中断程序；Pl=Oxfc;/电机2两个引脚相继通电；delay(1000);PI

28、=OXf9;delay(1000);PI二Oxf3;delay(1000);PI=OXf6;delay(1000);4. 3步进电机控制程序VOid motor ()define UChar UnSigned CharItdefine Uint UnSigned intbit Qianjinbit houtuiUChar jzaj(VOid);zheng = 0x01, 0x08, 0x04, 0x02 ;/正转fan = 0x01, 0x02, 0x04, 0x08; 反转VOid ajcl(UChar jz);VOid delay(UChar del) ;/延时子程序VOid timer

29、() interrupt 1UChar jz;THO=OXfe;TLO=OX18;jz二jzaj ();if (jz);VOid mian();UChar c;TMOD=OXOI;THO=OXfC;TLO=OX18;TRO=I;ETO=I;EA=I;WhiIe (1)If(qianjin)P2=zhengc;delay(100);c+；if (c=8)c=0;If(houtui)P2=fanc;delay ()；c+；if (c=8)C=OUChar jajz(VOid)UChar hz,IZ;PI=OXf0;/设置Pl 口为低电平扫描 if (pl&OxfO!二OXfo);扫描是否有键按下 delay (10): 延时去抖if (pl&OxfO!=OXfO) ;/再次判断hz 二 Oxfe;/扫描pl=hz;return(hz);elsereturn; /没有按键按下VOid ajcl(UChar