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1、 .1 、设计任务22、总体方案的确定22.1机械传动部件的选择22.2控制系统的设计32.3绘制系统组成框图32.4绘制机械传动系统简图43、机械传动部件的计算与选型43.1脉冲当量的确定43.2导轨上移动部件的重量估算43.3传动部件、导向部件的设计、计算和选用43.3.1铣削力的计算43.3.2直线滚动导轨副的计算与选型53.3.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型63.4步进电动机减速箱的选用73.5步进电动机的计算与选型83.5.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量83.5.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩83.5.3步进电动机最大静转矩的选定103.5.4步进电动机的性能校核11
2、4、控制系统硬件设计124.1 根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：124.2数控系统的组成124.3 CPU的选择124.4 驱动系统134.4.1 步进电机驱动电路和工作原理134.4.2步进电机驱动电源选用144.5其它辅助电路设计155、控制系统的软件设计165.1 接口程序初始化165.2 步进电机驱动程序165.2.1 电机的控制电路原理及控制字165.2.2电机正反转及转速控制程序165.3圆弧插补程序的设计185.3.1 逐点比较法185.3.2 程序设计18参 考 文 献211 、设计任务设计一个数控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
3、工。设计参数如下：设计分组最大铣刀直径mm最大铣削宽度ae最大铣削深度ap加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度220 mm8 mm5 mm碳钢X=250，Y=1803m/min其它参数：根据设计要求，初令立铣刀齿数Z=3；X，Y方向的脉冲当量；X，Y方向的定位精度均为。2、总体方案的确定2.1机械传动部件的选择（1）导轨副的选用要设计的X-Y工作台是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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。（2）丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换
4、成直线运动，要满足0.01mm的脉冲当量和的定位精度，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。（3）减速装置的选用 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，且应有消间隙机构。为此，本设计决定采用无间隙齿轮传动减速箱。（4）伺服电动机的选用 本设计中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。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
5、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。（5）检测装置的选用 伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用
6、步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在普通立式铣床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。 考虑到X、Y两个方向的加工范围接近，承受的工作载荷相差不大，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
7、拟采用相同的型号与规格。2.2控制系统的设计（1）、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，所以控制系统设计成连续控制型。（2）、对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S51作为控制系统的CPU，能够满足本设计给定的相关指标。（3）、要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，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。（4）、选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。2.3绘制系统组成框图图2-12.4绘制机械传动系统简图-2图2-23、机械传动部件
8、的计算与选型3.1脉冲当量的确定根据机床精度要求确定脉冲当量，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。本设计确定的脉冲当量为X方向（纵向），Y方向（横向）的脉冲当量。3.2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、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为。3.3传动部件、导向部件的设计、计算和选用3.3.1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1表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：今选择铣刀直径d=20mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣
9、削情况下，取最大铣削宽度，背吃刀量，每齿进给量，铣刀转速。则由上式可求得最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由1表3-5查得，考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，所以为了安全，应考虑这种最危险的工况。可估算三个方向的铣削力分别为：，。上述情况为卧铣情况，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和。今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。3.3.2直线滚动导轨副的计算与选型直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚
10、动导轨副使用寿命的重要因素。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由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量，外加载荷，代入上式，得最大工作载荷。 查1表3-41，根据工作载荷，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷，额定静载荷。 本设计规定的工作台加工范围为250mm180mm，考虑工作行程应留有一定的余量，查1表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为580mm。（2）距离额定寿命L的计算 上述选取的KL系列的JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度
11、不超过100，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查1表3-36表3-40，分别取硬度系数、温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数，代1式（3-33），得距离寿命：远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。3.3.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷的计算 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）。滚珠丝杠螺母副的型号为济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列16043型 已知移动部件总重量，按矩形导轨进行计算，查1表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动
12、导轨上的摩擦因数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：（2）最大动载荷的计算 设工作台在承受最大铣削力是的最快进给速度，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1表3-30，取载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入1式（3-23），求得最大动载荷：（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查1表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列16043型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为16mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为4612N，大于，满足要求。
13、（4）传动效率的计算 将公称直径，导程，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入，得传动效率。（5）刚度的验算1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推单推”的方式，见附图“X-Y数控工作台装配图”。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为；钢的强性模量；查1表3-31，得滚珠直径，丝杠底径，丝杠截面积。 忽略1式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量。 2）根据公式，求得单圈滚珠数；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式：，得滚珠总数量。丝杠预紧时，取轴向预紧力。则由1式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变
14、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小一半，取。3）将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度560mm）。 本设计中，丝杠的有效行程为330mm，由1表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核 根据1公式（3-28）计算失稳时的临界载荷。查1表3-34，取支承系数；由丝杠底径，求得截面惯性矩；压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值560mm。代入1式（3-28），得临界载荷，远大于工作载荷，故丝杠不会失稳。 综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用
15、要求。3.4步进电动机减速箱的选用步进电动机减速箱的型号为常州市新月电机有限公司生产的JBF3型 为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大齿轮设计成双片结构，采用1图3-8所示的弹簧错齿法消除侧隙。 已知工作台的脉冲当量，滚珠丝杠的导程，初选步进电动机的步距角。根据1式（3-12），算得减速比： 本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为60:36，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达55HRC。减速箱中心
