课程设计----XY数控工作台1设计.doc

数控技术课程设计课程名称： XY数控工作台1设计 学 院： 机械工程学院 专 业： 机械电子工程 姓 名： 杜璇 学 号： 060803110116 年 级： 06 任课教师： 2010年1月14日 共26页 2010年1月15日贵州大学本科课程设计诚信责任书本人郑重声明：本人所呈交的课程论文（设计），是在导师的指导下独立进行研究所完成。课程论文（设计）中凡引用他人已经发表或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。特此声明。论文（设计）作者签名： 杜璇 日 期：2010年1月15日贵州大学本科课程设计任务书学生信息学号060803110116学院机械学院班级姓名杜璇专业机械设计制造及其自动化机自064教师信息姓名职称学历任务书发出时间2009年12月28日论文（设计）题目XY数控工作台1设计论文（设计）起止时间2009年12月28日2010年1月15日共需周数3主要内容:1、 结合设计任务的要求拟定总体机械和电气控制设计方案。2、 根据拟定的机械设计方案进行二坐标数控工作台的机械结构设计计算和元件的选用。3、 根据拟定的电气设计方案进行数控系统控制电路的框图设计及驱动控制电路的计算和元件选用。4、 根据指定要求进行有关软件的流程图设计。5、 对指定的软件程序进行编写。6、 进行机械结构的工程图和电气原理图的绘制。主要要求:1、 方案拟定正确。2、 设计计算根据来源可靠，计算数据准确无误。3、 元气件选用正确规范符合国家颁布标准。4、 机械结构图纸绘制视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。5、 电气部份图纸要求符合国家标准，图面布局合理、整洁、质量高。6、 机械和电气部份图纸总量为 1.5 张“0”号图量，其中含机械装配图12张、电气控制原理框图及计算机I/O接口和驱动控制电路等电气原理图12张。7、 课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案确定、系统框图分析、电气执行元件的选用说明、机械传动和驱动电路的设计计算以及机械和电气的其它部分。说明书要突出重点和特色，图文并茂、文字通畅、计算正确、字迹清晰、内容完整。说明书页数不少于 20 页预期目标:设计出合理的XY机床工作台部分、电气控制原理框图、驱动控制电路及指定软件设计，撰写不低于3000字左右设计论文，并附录相关资料及设计图纸。计划进程:序号计划时间进程112.2812.30课题调研及资料收集，研究问题及提出初步总体方案212.311.1总体方案论证及确定31.21.6机械部分方案论证确定及计算41.71.12电气部分方案论证确定及设计51.131.14撰写论文及绘制相关图纸61.15答辩主要参考文献:1 成大先. 机械设计手册(单行本 机械传动)M. 北京：化学工业出版社，2004.12 沈爱琴. 数控技术课程设计指导书Z. 贵阳：贵州工业大学机电教研室，1998.93 张毅刚. 单片机原理及应用M. 北京：高等教育出版社，2004.14 机电一体化技术手册编委会. 机电一体化技术手册M. 北京：机械工业出版社，1999.95 陆昆，奚大顺，李之权等. 电子设计技术M. 北京：电子科技大学出版社，1998.10贵州大学本科课程设计论文 第 26 页目 录摘 要第一章 前言7第二章总体方案的确定102.1机械传动部件的选择102.2控制系统的设计10第三章机械传动部件的计算和设计123.1导轨以上重量的估算123.2铣削力的计算123.3导轨的计算123.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型123.5步进电动机减速箱的选用14 3.6步进电动机的计算与选型14第四章驱动电路的设计194.1电气部分总体设计方案194.2主控系统的选择194.3脉冲分配器的选择194.4元器件的选择194.5系统相关控制程序流程设计22第五章总结23第六章参考文献24XY数控工作台1设计摘 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数控工作台。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、机械传动装置的设计、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；机械传动部分采用联轴器将步进电机直接与滚珠丝杠连接，从而驱动工作台进给。另外，选用MCS-51系列的8031单片机和相应的驱动电路对X和Y两个方向的步进电机进行开环控制。总之，本设计所设计的数控X-Y工作台是简单、经济型的，且是专用于数控铣床上的。关键词：精度，开环，驱动第一章 前言在我国对外开放进一步深化的新环境下 ,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性 ,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度 ,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备 ,又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 ,而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品 ,其技术范围覆盖很多领域。（一）数控技术的发展趋势。数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化 ,使制造业成为工业化的象征 ,而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大 ,他对国计民生的一些重要行业 IT、汽车、轻工、医疗等的发展起着越来越重要的作用。从目前世界上数控技术及其装备发展的趋势来看 ,其主要研究热点有以下几个方面:(1) 高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效率 ,提高产品的质量和档次 ,缩短生产周期和提高市场竞争能力。从 EMO2001 展会情况来看 ,高速加工中心进给速度可达 80m/ min ,甚至更高 ,空运行速度可达 100m/ min左右。目前世界上许多汽车厂 ,包括我国的上海通用汽车公司 ,已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。在加工精度方面 ,近 10 年来 ,普通级数控机床的加工精度已由 10m提高到 5m ,精密级加工中心则从 35m ,提 高到 11.5m并且超精密加工精度已开始进入纳米级 0.1m 。为了实现高速、高精加工 ,与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展 ,应用领域进一步扩大。(2) 5 轴联动加工和复合加工机床快速发展采用 5 轴联动对三维曲面零件的加工 ,可用刀具最佳几何形状进行切削 ,不仅光洁度高 ,而且效率也大幅度提高。但过去因 5 轴联动数控系统、主机结构复杂等原因 ,其价格要比 3 轴联动数控机床高出数倍 ,加之编程技术难度较大 ,制约了 5 轴联动机床的发展。当前由于电主轴的出现 ,使得实现 5 轴联动加工的复合主轴头结构大为简化 ,其制造难度和成本大幅度降低 ,数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合主轴头类型 5 轴联动机床和复合加工机床 含 5 面加工机床 的发展。(3) 智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统 ,智能化的内容包括在数控系统中的各个方面:为追求加工效率和加工质量方面的智能化 ,如加工过程的自适应控制 ,工艺参数自动生成;为提高驱动性能及使用连接方便的智能化 ,如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上 ,面向机床厂家和最终用户 ,通过改变、增加或剪裁结构对象 数控功能 ,形成系列化 ,并可方便地将用户的特殊应用和技诀窍集成到控制系统中 ,快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统 ,形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求 ,也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元 ,反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。（二）对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于 1958 年 ,近 50 年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从 1958 年到 1979 年 ,即封闭式发展阶段。在此阶段 ,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制 ,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期 ,即引进技术 ,消化吸收 ,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段 ,由于改革开放和国家的重视 ,以及研究开发环境和国际环境的改善 ,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间 ,即实施产业化的研究 ,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近 50 年的发展历程 ,特别是经过 4 个 5 年计划的攻关 ,总体来看取得的成绩还是不小。（三）对我国数控技术和产业化发展的战略思考(1)战略考虑。我国是制造大国 ,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移 ,所以 ,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全看 ,因为制造业是我国就业人口最多的行业 ,制造业发展不仅可提高人民的生活水平 ,而且还可缓解我国就业的压力 ,保障社会的稳定;其次从国防安全看 ,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质 ,对我国实现禁运和限制 ,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。(2)发展策略。从我国基本国情的角度出发 ,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向 ,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标 ,用系统的方法 ,选择能够主导 21 世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容 ,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向 ,即以数控终端产品为主 ,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等 带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件 数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等 的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然 ,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。第二章 总体方案的确定2.1 机械传动部件的选择 导轨副的选用 要设计的X-Y工作台用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，因此，决定选用双矩形滑动导轨，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。 丝杠螺母的选用 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0.01mm的脉冲当量和0.04mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠才能达到。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。 减速装置的选用 不需要减速装置 伺服电动机的选用 任务书规定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1000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的私服电动机，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高，所以只需要选用开环控制就可以了。 考虑到X.、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y连个坐标的导轨副、丝杠螺母副、伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。2.2 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计成连续控制型。 对于步进电动机的开环控制，选用。 设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、数据存储器、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，与步进电动机配套使用。第三章 机械传动部件的计算与选型3.1 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、滚珠丝杠副、矩形导轨副、导轨坐等，估计重量约为800N。3.2 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。查得立铣时的铣削力计算公式为： （6-1）今选择铣刀直径，齿数，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，去最大铣削宽度，被吃刀量，每齿进给量，铣刀转速。则由式（6-1）最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可有表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：，。现考虑立铣，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Ff和Ffn。将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力,径向铣削力。3.3 导轨的计算 直接选用直线双矩形导轨就符合要求，可以不用计算。3.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 最大工作载荷Fm的计算 如前面所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行），受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直），受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）。已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表，去颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为： 最大动载荷FQ的计算 设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度，初选丝杠导程，则此时丝杠转速。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入，得丝杠寿命系数(单位为：)。查表，取载荷系数，轨道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入式，求得最大动载荷： 初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表，选FYND系列2005-4型滚珠丝杠副，其公称直径为20mm，外径为19.3mm,底径为16.2mm,导程为5mm，循环滚珠为4圈1列，滚珠直径为3.175mm,螺母的安装尺寸L=80mm精度等级取5级，额定动载荷为11082N，大于FQ，满足要求。 钢度的验算1) X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推-单推”的方式，滚珠丝杠受工作 载的作用而引起螺距的变化量.其中丝杠截面积钢的弹性模量2） 根据公式-3，求得滚珠书Z=20；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数列数为（4+4）1，带入公式：=Z圈数列数，得滚珠总数量=160。丝杠预紧时，去轴向预紧力。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减少一半，取=0.0007mm。 本设计中，丝杠的有效行程为190cm,由表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在时，行程偏差允许达到23，可见丝杠刚度足够。 压杆稳定性校核 计算失稳是的临界载荷。查表3-34，取支撑系数;由丝杠底径，求得截面惯性矩；压杆稳定安全系数K取3(丝杠卧室水平安装)；滚珠丝杠螺母至轴向固定处的距离取最大值350mm.则临界载荷 远大于工作载荷,所以丝杠不会失稳3.5 步进电机减速齿轮的选用已知工作台的脉冲当量，滚珠丝杠的导程，初选步进电机的步距角，根据公式，算得减速比：所以，直接采用联轴器连接电动机与丝杠。3.6 步进电机的计算与选型 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 已知：滚珠丝杠的公称直径，总长，导程，材料密度；移动部件总重量G=1000N，传动比。滚珠丝杠的转动惯量拖板折算到丝杠上的转动惯量初选步进电动机型号为110BYG007,为五相混合式，从表3-5查得该型号电动机转子的转动惯量，则加在步进电动机转轴上的转动惯量为 计算加在步进电动机转轴上的转动惯量 1）快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩由公式可知，包括三部分:一部分是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速度转矩；一部分是移动部件运动使折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高，所以相对于和很小，可以忽略。则有 =+ 考虑传动链的总效率为1，计算快速空载启动时折算到电动机轴上的最大加速转矩：式中 对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为 步进电动机由静止到加速到转速所需的时间，单位为s. 其中式中 空载最快移动速度，任务书指定为1000mm/min; 步进电动机步距角，预选电动机为 脉冲当量为0.01mm/plus将以上各值代入上式，步进电动机由静止加速到转速所需的时间，传动总效率，则求得 移动部件运动时，折算到电动机轴上的摩擦转矩为: 式中 导轨的摩擦因数，滑动导轨取0.04 垂直方向的铣销力，空载时取0 传动链总效率，取0.92将数据代入上式，得 最后求得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩： 2）最大工作状态下电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩，另一部分是折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有 其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩。已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷，则有计算垂直方向承受最大工作负载情况下 ，移动部件运动折算到电动机转轴上摩擦转矩： 最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为： 经上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为： 步进电动机的性能校核 1）最快工进速度时电动机输出转矩校核 任务书给定的工作台的最大工进速度，脉冲当量，可求出电动机对应的运行频率。从图3-2查得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于最大工作负载转矩，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，求出电动机对应的运行频率。查图3-2得，在此频率下，电动机的输出转矩，大于快速空载移动时的负载转矩，满足要求。3）最快空载移动时电动机运行频率校核与最快空载移动速度对应的电动机运行频率为。查表3-5可知110BYG007电动机的空载运行频率可达30000HZ，可见没有超出上限。4）启动频率的计算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空载启动频率。则可求出步进电动机克服惯性负载的启动频率： 上式说明，要想保证步进电动机启动时不失步，任何时候的启动频率都必须小于1232HZ。实际上，在采用软件升降频率时，启动频率选得更低，通常只有100HZ.第四章 驱动电路的设计4.1 电气部分总体方案的设计电机经校核满足使用要求，所以电路部分采用单电源电路。电机选用110BYG007,查手册知电压130V, 相电流5A，电阻0.3欧姆，频率18000HZ，电感1.9Mh。4.2 主控系统的选择 MCS-51系列单片机系统结构紧凑，硬件设计简单灵活，特别是8031单片机其构成系统的成本低且不需要特殊的开发手段等优点，在机电一体化系统中得到广泛应用。在此设计中，数控系统的控制也较简单，从成本及满足功能要求上考虑选用8031单片机。驱动电路设计。4.3脉冲分配器的选择 脉冲分配器可用门电路及其逻辑电路构成，功能是为步进电动机提供符合控制指令要求的脉冲序列。目前已经大量采用可靠性高、外形尺寸小、使用方便的集成脉冲分配器。在此设计中我们选用TTL集成脉冲分配器，又因为所选用的步进电动机是五相的，所以选用型号为YB015的TTL集成脉冲分配器。4.4 元器件的确定 （1）为了使电路简单、紧凑，功率放大级的T选用复合管2G730E。其性能为:（V）（V）（V）（mA）（V）（V）(倍)（A）（W）（C）15015455230310550150(2) 确定 从T性能数据知,而负载电流T基极电流为 式中：电流放大倍数因此等效输入电阻为光电耦合器光敏三极管的输入等效电路见上图，从等效电路可得 选光电耦合器输入电流(最大电流为50mA),电流传输比,所以有 解上述方程组得 (3) 确定 前面已选定光电耦合器输入电流，据表3-19得到光电耦合器输入正向压降为1.3V，所以。(4) 确定 为提供给驱动门足够的输入电流(各5mA)，所以(5) 选择D D选用2CZ56B硅整流二极管，其性能参数见下表 最高反向电压 正向整流电流不重复正向浪涌电流正向压降 频率 50V 3A 15A 0.8V 3KHZ4.5 系统