课程设计XY工作台说明书.docx

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1、课程设计XY工作台说明书 目录 第一章课程设计的内容和要求 (3) 第二章系统的总体方案设计 (4) 第三章机械部分设计 (5) 3.1 脉冲当量和传动比的确定 (5) 3.2工作台外形尺寸及重量初步估算 (5) 3.3 传动系统等效转矩惯量计算 (6) 3.4 工作载荷分析及计算 (6) 3.5 滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (8) 3.6 导轨的选型和计算 (11) 3.7 驱动电机的选择 (11) 第四章数控系统设计 (15) 4.1 控制系统硬件的基本组成 (15) 4.2 接口程序初始化及步进电机控制程序 (17) 4.3 直线圆弧插补程序设计 (19) 参考文献 (25) 第一章课程

2、设计的内容和要求 1.1 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。 设计内容包括： 1.1.1数控装置总体方案的确定 (1) 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）。 1.1.2机械部分的设计 (1) 确定脉冲当量； (2) 机械部件的总体尺寸及重量、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； 1.1.3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、

3、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）。 1.2 课程设计的要求 1.2.1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）数控电器图，A1图纸一张。 （4）软件框图（可附在说明书上）。 1.2.2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

4、其说明等，说明书不少于8000字 第二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。 2.1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。 2.2伺服系统的选择 开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

5、系统驱动。 2.3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态等信息。 2.4XY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

6、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: 微型机光 电 隔 离 光 电 隔 离 功 率 放 大 功 率 放 大 步进 电机 步进 电机 联轴器 联轴器 X向工作台 Y向工作台 第三章 机械部分设计 机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，机械部件的总体尺寸、质量、运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。 3.1脉冲当量和传动比的确定 脉冲当量p

7、是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为0.01mm 因此选择脉冲当量为0.01mm 。 根据脉冲当量和系统总体方案，传动比为1，直接用联轴器将电机和丝杠直接连接，有利于简化结构，提高精度。初选导程 0L =5mm 滚珠丝杠，电动机步距角 b =0.75。 传动比计算公式 101 .03605 75.03600=?= p b L i 暂选130BF001型的步进电动机。其具体参数如下： 3.2工作台外形尺寸及重量初步估算 根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X 向和Y 向工作台承载重量W X 和W Y 。 设计工作台简图如下 : X 向拖板(上拖板)尺寸为

8、: 长*宽*高=320*270*40 重量:按重量=体积*材料比重估算为: x W = 2 3 108.71040270320-?N=270N Y 向拖板(下拖板)尺寸为: 40320320? 重量Y W =2 3 108.71040320320-?N=320N 上导轨(含电机)估算重量为：260N 夹具及工件重量:150N X-Y 工作台运动部分总重量为: 270N+320N+260N+150N=1000N 3.3传动系统等效转矩惯量计算 传动系统的转动惯量是一种惯性负载，选用电机时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都是与电机轴同轴线，还存在各转动部件转动惯量向电机轴的折算问题。最后

9、，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 对于轴、轴承、齿轮、联轴器、丝杆等圆柱体的转动惯量计算公式为 8 2 D M J C = 3.3.1电机等效转动惯量 27.4cm kg J D ?= 3.3.2初选联轴器直径 cm D 3=，长度cm L 3= 联轴器等效转动惯量 )(1895.0103378.01078.023434cm Kg L D J L ?=?=?=- 3.3.3初选丝杠直径cm D 3=，初步估计丝杠长度cm L 35=。 滚珠丝杠等效转动惯量 )(2113.21035378.01078.023434cm Kg L D J s ?=?=?=-

10、3.3.4工作台等效转动惯量 )(6333.08 .91000 )25.0()2( 2220cm kg M L J G ?=?= 3.3.5传动系统总的转动惯量 G S L D J J J J J += 6333.02113.21895.07.4+= ).(64.72 cm kg = 3.4工作载荷分析及计算 3. 4.1铣削力的分析与计算 铣削运动的特征是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）。铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式。圆柱铣刀和端铣刀的且学部分都可看做车道到头的演变，铣刀的每一刀齿相当于一把车刀。

11、通常假定铣削时铣刀受到的铣削力是作用在刀尖的某点上。设刀齿上受到切削力的合理为F ，将F 沿铣刀轴线、径向和切向经行分解，则分别为轴向铣削力 ，径向铣削力 和切向铣削力 。 其中切向铣削力 是沿铣刀主运动方向的分离，它消耗铣床电机功率（即铣削功率）最多。 根据机械制造技术基础课程设计指导教程选铣刀。根据最大铣刀直径24mm ，最大铣削宽度mm a e 8=，最大铣削深度mm a p 5=选择莫氏锥柄立铣刀,铣刀材料为硬质合金，工件材料 为碳钢。 选取工进的最大速度为f V max =0.4mm/min ，选定铣刀转速min /400r n =，铣刀的齿数为 Z=5，则每齿进给量 f a =v/

12、(zn)=400/(5*400)mm=0.2mm 。 因此铣削力z F 为： 13 .013.073.00 0.175.085.0605.1218.9?=-n d Z a a a F p f e =13.013.073.00.175.085 .06040024552.08 5.1218.9?- =1958N 3.4.2进给工作台工作载荷计算 作用在工作台上的合力F 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F 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：工作台纵向进给力方向载荷L F ，工作台横向进给方向载荷C F 和工作台垂直进给

13、方向载荷V F 。 工作台工作载荷L F 、C F 和V F 与铣刀的切向铣削力z F 之间有一定的经验比值。因此，求出z F 后，即可计算出工作台的计算载荷L F 、C F 和V F 。 N F F z L 1664)90.080.0(=?-= N F F z C 695)40.035.0(=-= N F F z V 1478)80.075.0(=-= z F z F x F y F 3.5滚珠丝杠螺母副的选型和校核 3.5.1滚珠丝杠螺母副类型选择 G.GD 系列滚珠丝杠副 选用内循环，垫片式预紧方式的滚珠丝杠螺母副。预选G .GD 系列的2022-3丝杠。 3.5.2滚珠丝杠螺母副的校核

14、 3.5.2.1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。它包括滚珠丝杠的走刀抗力及与移动体重力和作用在导轨上的其他切削分力相关的摩擦力。综合导轨的工作载荷)(G F f KF F V L m +=，式中：L F ，V F ，C F 分别为工作台进给方向载荷、垂直载荷和横向载荷（N ）；G 为移动部件的重力（N ）；K 和 f 分别为考虑颠覆力矩影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，随导轨形式的不同。 对于综合导轨15.1=K ，如果是滚动导轨时，005.00025.0=f ，现取004.0=f 因此有， )(N F m ) (51.1

15、923)10001478(004.0166415.1) (N G F f KF F V L m =+?+?=+= 3.5.2.2 最大动负载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：m m F f L C 3=，式中：L 为工作寿命，单位为r 6 10， 610/60nt L =；n 为丝杠转速min)/(r ，0/1000L v n =；v 为最大切削力条件下的进给速度 min)/(m ，0L 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 ；m f 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.

16、52.5；m F 为滚珠丝杠工作载荷（N ）。 初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的个定动载荷a C 不得小于最大动载荷C ；C C a 。 其中： 0/1000L v n =，h t 15000=，min /4.0m v = 那么， 其中，1.1=m f 因为C KN C a =117.9，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。 3.5.2.3传动效率计算 滚珠丝杠螺母副的传动效率为 %62.95) 01393(393)(0 0=+=+=tg tg tg tg ? 3.5.2.4刚度验算 滚珠丝杠计算满载时拉压形量1 ) 10(8.376r =15000 4260?=6 10/60nt L

17、=) (245.9117N =51 .19231.1803?=m m F f L C 3= mm EA L F m 00471.06562 .593106.20300 51.19234 1=?= = 其中L 取300mm ，Mpa E 4106.20?=，22 2 6562.593)2 5.27( 14.3)2 (mm d A =?= 滚珠与螺纹滚道间的接触变形2 mm Z F D F YJ w m 0055.0681 43.65351 .19230013.00013 .02 3 3 22=? = 其中：kgf N F m 28.19651.1923=，5.2=w D ， kgf N N F

18、F m YJ 43.6517.64151.19233 1 31=?= ，4.283)3/3014.3(3)/(=-?=-=w m D d Z ，681)33(44.28+?=?=列数圈数Z Z 滚珠丝杠副刚度验算： 丝杠的总变形量21+=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晓。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。 机床的定位精度为0.04mm ，mm mm 01.00102.00055.000471.021=+=+=。因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。 3.5.2.5压杆稳定性验算

19、 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。失稳时的载荷载荷K F 为 其中，0.2=z f （丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端简支方式），I 为截面惯量距， mm mm d I 53.2805964/5.2764/44 1=?= 临界载荷K F 与丝杠工作载荷m F 之比称为稳定性安全系数k n ，如果k n 大于需用稳定安全系数 k n ，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： N 403334=2 430053.28059106.2022.32?= 2 L EI f F z K = k m K k n F F

20、n = 69.20951 .1923403334 因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。 3.6导轨的选型和计算 初选GDA20滚动导轨，额定动载荷KN C a 4.12=。 滚动导轨副的距离寿命L 的计算： 当导轨面的硬度为5864HRC 时，0.1=H f ；当工作温度不超过100C 时，1=T f ；c f 为接触系数，每根导轨条上装两个滑块时81.0=c f ；w f 为载荷/速度系数，无冲击振动，5.11=w f ，取1.3；F 为每个滑块上的工作载荷，N G F F v 5.6194 1000 14784=+=+= 因此选用的导轨满足要求。 3.7驱动电机的选择 3.7.1步距角的选择

21、 查表初选步距角步/75.0?=b 3.7.2步进电机输出转矩的选择 3.7.2.1空载启动力矩 （1） 加速度力矩 min /625360 01.075 .03000360max max r v n p b =?= )(64.72cm kg J ?= 运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间s t 2.0= 2max 10602- ?=t n J M ka 2102 .060625 14.3264.7-? = cm N ?=99.24 km km 5097=3 33.181.0115.619104.1250? ?=3 50? ? ?=W C T H a f f f f F C L (2

22、) 空载摩擦力矩 )(40.01 8.014.325 .0004.0100020cm N i L f G M Kf ?=?= 式中，G 为移动部件的总重量（N ）；f 为导轨摩擦系数；i 为齿轮传动降速比；为传动系数总效率；0L 为滚珠丝杠的基本导程（cm ）。 （3） 附加摩擦力距 )N (22.6)95.01(1 8.014.325.017.641)1(222 000cm i L F M YJ ?=-?=-= 式中，YJ F 为滚珠丝杠预加载荷，即预紧力，一般取的m F 的31；m F 为进给牵引力（N ）；0为滚珠丝杠未预紧时的传动效率。 （4） 空载启动转矩计算 )(61.3122.6

23、40.099.240cm N M M M M kf ka kq ?=+=+= 按照计算出的空载启动转矩，查表2-17得出最大静转矩 )(24.33951 .061 .31707 .01max cm N M M kq j ?= = 3.7.2.2 带负载启动时的总负载转矩fq M （1） 加速度力矩 min /3.83360 01.075 .0400360max max r v n p b =?= )(64.72cm kg J ?= 运动部件从静止启动加速到最大快进速度所需的时间s t 5.0= 2max 10602- ?=t n J M ka 2105 .0603 .8314.3264.7-? = cm N ?=34.1 （2） 空载摩擦力矩 )(40.0cm N M Kf ?= （3） 附加摩擦力距 )N (22.60cm M ?=