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1、1毕业设计说明书题 目： X-Y 数控工作台机电系统设计 -Y 向工作台三维绘图学 院： 电气信息系 专 业： 机电一体化 学 号： 0903216219 姓 名： 王振 指导教师： 张山 完成日期： 2012 年 6 月 10 日 2摘 要目前国内中小企业多采用经济型 X-Y 数控铣床系统，其工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。本课题设计了 X-Y 数控工作台，该平台由两个
2、一维平台叠加实现，其中一维平台由电机带动滚珠丝杠旋转，从而带动螺母副和工作平台完成直线运动，具体实现时先要确定工作平台的各个参数让其能满足题目的要求，再通过精密计算导轨上移动部件的重量估算、铣削力、直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副等来确定要制作的数控工作平台，最后通过 SolidWorks 画出设计的工作平台。本论文的主要设计内容重点是 SolidWorks 三维建模，根据设计的机械零部件尺寸完成 Y 方向工作台零件的三维造型，SolidWorks 绘图过程中，先画出单个的零部件，其主要通过一些简单的绘图、拉伸、剪切、扫描、阵列等工具进行建模，然后对这些零件进行一系列的装配，主要通过一些面、线的
3、重合、平行、同心等过程进行装配，从而直观清晰的显示出 Y 方向工作台的内部结构。3关键词 X-Y 数控工作台 直线滚动导轨副 SolidWorks目 录第一章 绪论51.1、目的和意义51.2、国内外现状51.3、本设计的主要内容和任务6第二章 总体方案的确定72.1 总体方案72.2 机械传动部件的选择7第三章 机械传动部件的计算与选型93.1 导轨上移动部件的重量估算93.2 铣削力的计算93.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）93.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 10第四章 SolidWorks 制图 154.1 SolidWorks 介绍154.2 SolidWorks 制图 16
4、第五章 总结与展望19参考文4献21致谢215第一章 绪 论1.1 目的和意义本设计所设计的 X-Y 工作台采用了低摩擦的直线滚动导轨和精密的丝杠，它的工作原理是通过 MCS-51 单片机来控制步进电机，使 X-Y 工作台实现了数控控制。工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产效率。本设计的 X-Y 数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单，实现方便而且能保证一定的精度。通过微机控制技术的简单的应用，实现对机床的控制，使机床的加工范围扩大，精度和可靠性进一步提高。本设计所设计的 X-Y 工作台不仅可用于铣床上进行数控铣削加工，而且还能够用于钻床上数控钻削加工，所以其功能远高于
5、传统的普通工作台是新一代机电一体化的典型产品。通过对 X-Y 工作台的设计，能够正确运用机床数控系统等课程的基本理论个有关知识，学会设备数控化改造方案的拟定、比较、分析及进行必要的计算；通过对设备改造的机械部分设计，掌握数控设备典型零件的计算方法和步骤以及正确的结构设计方法；通过设计，初步树立正确的设计思想，培养自己分析问题和解决问题的能力；提高自己应用手册、标准以及编写文件等资料的能力。在本设计中着重介绍了如何对 X-Y 工作台进行设计，对导轨、丝杠、电机、选用和数控控制电路的设计和其控制程序的编制等方面进行了深入的分析。1.2 X-Y 国内外现状当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算
6、机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统6技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 CNC 系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的 XY 工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工
7、作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如：可倾回转工作台，它可以实现用于数控机床和加工
8、中心机床上，可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可直接利用本转台配套的数控装置与机床联接完成所需的工作循环。它可以完成任意角度的孔、槽、平面类机械加工，以及曲线、凸轮等的加工，并可达到较高的精度。另外也可用于非数控钻、铣、镗类机床上，独立完成等分和不等分的角度分度工作。国外工作台的功能与我国所生产的工作台功能基本相似，但是在其精度方面，国外的一些公司所生产的工作台要略高于我国所生产的工作台。因此我国与国外相比，还是有一定的差距，因此工作台的设计具有重要意义，我们要借助时代的步伐，与时俱进，开拓创新，使我国成为具有领先技术的综合性强国。71.3 本设计的任务和主要内容1.3.1 设
9、计的任务任务：设计一种供立式数控铣床使用的 X-Y 数控工作台，主要参数如下：（1）立铣刀最大直径 d =15 mm；（2）立铣刀齿数 Z=3；（3）最大铣削宽度 ae=15 mm；（4）最大铣削深度 ap=8 mm； （5）加工材料为碳素钢或有色金属；（6）X、Y 方向的脉冲当量 x = y = 0.005mm/脉冲；（7）X、Y 方向的定位精度均为 0.01 mm；（8）工作台面尺寸为 230 mm230 mm，加工范围为 250 mm250 mm；（9）工作台空载最快移动速度 vxmax = vymax = 3000 mm/min；（10）工作台进给最快移动速度 vxmaxf = vym
10、axf = 400 mm/min。1.3.2 设计的内容本课题拟设计一个 X-Y 数控工作台，该平台由两个一维平台叠加实现，其中一维平台由电机带动滚珠丝杠旋转，从而带动螺母副和工作平台完成直线运动，具体实现时先要确定工作平台的各个参数让其能满足题目的要求，再通过精密计算导轨上移动部件的重量估算、铣削力、直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副等来确定要制作的数控工作平台，最后通过SolidWorks 画出设计的工作平台。8第二章 总体方案的确定2.1 总体方案2.1.1、系统的运动方式与伺服系统由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用
11、步进电机开环伺服系统驱动 X-Y 工作台。2.1.2、计算机系统本设计采用了与 MCS-51 系列兼容的 AT89S51 单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED 显示数控工作台的状态。2.1.3、X-Y 工作台的传动方式为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。采用滚
12、珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。2.2 机械传动部件的选择2.2.1 导轨副的选用所设计的数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小，不易爬行，9传动效率高，结构紧，安装预紧方便等优点。2.2.2 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成直线运动，需要满足 0.005mm 冲当量和 mm 的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选01.用滚珠丝杠副才能达到要求，滚珠丝杠副的传动精度高、动态响应
13、快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。2.2.3 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，选用无间隙齿轮传动减速箱。2.2.4 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因此 3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。2.2.5 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
14、于步进电动机来说还是偏高，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟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力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。10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、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为 80
15、0N。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。则由表 3-7 查得立铣时的铣削力计算公式为：(3-1)0.8570.31.cezp1afdanZF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 ，背吃刀量 =8mm ，每齿e5mpa进给量 ，铣刀转速 。则由式（3-1）求的最大铣削力：zf0.1mn30r/i=0.850.750.731.0.13c1N280F采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： ,fcF1.408， 。图 3-4a 为卧
