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1、华 北 科 技 学 院 课 程 设 计第 1 页 共 24 页1、引言现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。其中X-Y数控工作台及其控制系统就是一个典型的机电一体化系统，而本文所设计的X-Y 数控工作台及其控制系统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 能够保证一定的精度。降低成本 ,是微机控
2、制技术的最简单的应用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制;使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。X-Y数控工作台机电系统设计是利用8031 单片机 ,及 2764,6264 存储器及8155 芯片等硬件组成,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。2、数控系统总体方案设计2.1 设计任务设计一个数控X-Y 工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为0.01mm，定位精度为0.025mm。设计参数如下：负载重量G=150N ；台面尺寸CBH145mm160mm12mm；底座外形尺寸C1B1H
3、1210mm220mm 140mm；最大长度L=388mm ；工作台加工范围X=55mm ，Y=50mm ；工作台最大快移速度为1.5m/min 。2.2 总体方案确定（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，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y 工作台。（2）计算机系统X-Y 数控工作台机电系统设计是利用8031 单片机 ,及 2764,6264 存储器及 8155 芯片等硬件组成 ,在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能.其基本思想是:通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工,
4、每进行一段加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转 ,同时通过8155(1)将相应的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀,电机和刀具的相对运动所以实现了刀具对工件的加工。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 显示数控工作台的华 北 科 技 学 院 课 程 设 计第 2 页 共 24 页状态。（3）X-Y 工作台的传动方式为保证一定的传动精度和
5、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且要求结构简单，因此采用有预加载荷的圆形滚珠导轨。采用滚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。图 2-1 系统总体框图3、机械系统设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，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。脉冲当量 p 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
6、.01mm 因此选择脉冲当量为0.01mm。3.1 、工作台外形尺寸及重量估算3-1 工作台简图华 北 科 技 学 院 课 程 设 计第 3 页 共 24 页取 X 向导轨支撑钢球的中心距为145mm,Y 向导轨支撑钢球的中心距为160mm,设计工作台简图如下: X 向拖板（上拖板）尺寸： 长宽高14516050 重量：按重量 =体积材料比重估算XW3214516050107.8 1090N Y 向拖板（下拖板）尺寸：1 4 51 6 05 0YW3214516050107.8 1090N 上导轨座（连电机）重量：223(220140382 1558 )7.8 10101.1 10107()N
7、夹具及工件重量：约150N 。X-Y 工作台运动部分的总重量：约437N。3.2 、滚动导轨副的计算与选择根据给定的工作台运动部件的总重量及负载和估算的XW和YW计算导轨的静安全系数SLf=C0/P，式中：C0 为导轨的基本静额定载荷KN；工作载荷P=0.5(ZF+W) ；SLf=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取4.0sLf，NFz437287150,0.5()OSLX YX YZX YCfPPFWNPfCNPfCNWFPNWFPYSLOYXslOXYZYXZX10545 .263410545.26345
8、.263904375. 05. 05.263904375.05. 0根据计算额定静载荷初选导轨: 、导轨型式：圆形截面滚珠导轨、导轨长度华 北 科 技 学 院 课 程 设 计第 4 页 共 24 页上导轨（ X 向）取动导轨长度100Bl动导轨行程55l支承导轨长度155BLll下导轨（ Y 向）50l100Bl150L选择导轨的型号：GTA16 、直线滚动轴承的选型上导轨240()XGN下导轨的NGY437由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为437N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4 个直线
9、滚动轴承来实现滑动平台的支撑。、滚动导轨刚度及预紧方法当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大， 受力小的滚动体变形小。当导轨在位置时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置或时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。3.3 、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。、最大动负载Q 的计算3 HQL ff P查表得系数1f，1Hf
10、，寿命值华 北 科 技 学 院 课 程 设 计第 5 页 共 24 页66010nTL查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速min37545.110001000maxr tVn所以5.337 101500375606LX向丝杠牵引力1.414xxPf G当()f当当量摩擦系数1.4140.012403.39()NY向丝杠牵引力YP=1.414当fYG=1.4140.01437=6.18 N所以最大动负荷X向6 .2039.3112253 xQNY向YQ=3 225 11 6.18=37.60N查 表 ， 取 滚 珠 丝 杠 公 称 直 径010dmm， 选 用
11、滚 珠 丝 杠 螺 母 副的型号为 SFK1004 ，其额定动载荷为390N，足够用。、滚珠丝杠螺母副几何参数计算表 3-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名称符号计算公式和结果螺纹滚道公称直径0d10 螺距t4接触角45钢球直径qd2螺纹滚道法面半径R0.521.04qRd偏心距e/ 2 sin0.03qeRd华 北 科 技 学 院 课 程 设 计第 6 页 共 24 页螺纹升角0arc7.26ttgd螺杆螺杆外径d00.2 0.259.5qddd螺杆内径ld0227.98lddeR螺杆接触直径zd0cos8.59zqddd螺母螺母螺纹外径D02212.02DdeR螺母内径（外循环）1D100.2
12、0.25510.5qDdd 见表 3-1。、传动效率计算7.260.973()(7.260.2 )tgtg tgtg式中：摩擦角；丝杠螺纹升角。、刚度验算滚珠丝杠受工作负载P引起的导程0L的变化量EFPLL0 1Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算NPQY76.3000.4()Lcm6220.6 10 (/)EN cm材料为钢2 220.7983.140.52FRcm所以cmL6 61108 .1 5.0106.205.060.37丝杠因受扭矩而引起的导程变化量1L很小，可以忽略。所以导程总误差umLL8.44 .0100108.1100601华 北 科 技 学 院 课 程 设 计第 7 页
13、共 24 页查表知 E级精度的丝杠允许误差15 m，故刚度足够。、稳定性验算由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。3.4 、步进电机的选用、步进电机的步距角b取系统脉冲当量0.01/pmm step，初选步进电机步距角1.5b。、步进电机启动力矩的计算设步进电机等效负载力矩为T，负载力为P，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系TPs式中：电机转角；s移动部件的相应位移；机械传动效率。若取b，则ps，且SPPG，所以NmuGPTbSS 236式中：SP移动部件负载（N） ；G 移动部件重量（N ） ；zP与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N） ；导轨摩擦系数；b步
14、进电机步距角， （rad ） ；T电机轴负载力矩（Nm ）本例中，取0.03（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96，SP为丝杠牵引力，NPPHs7 .24。考虑到重力影响，Y向电机负载较大，因此取GYG=437N，所以T=Nm102.030.961.5243703.07.2401.0362-若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩0.3 0.5qTT华 北 科 技 学 院 课 程 设 计第 8 页 共 24 页取安全系数为0.3 ，则NmTq63.63.01003.22对于工作方式为三相六拍的三相步进电机NmTTq j67.7866.0max、步进电机的最高工作频率HzVfF250001.
15、 0605.11000601000max max查表选用两个45BF005-型步进电机。电机的有关参数见表3-2 。表 3-2 步进电机参数型 号主要技术数据外形尺寸()mm重量()N步距角最大静转距N cm最高空载启动频率(/step s) 相数电压()V电流()A外径长度轴径45BF005-15 19.6 3000 3 27 2.5 45 58 4 11 3.5 、确定齿轮传动比因 步 进 电 机 步 距 角1.5b， 滚 珠 丝 杠 螺 距4tmm， 要 实 现 脉 冲 当 量0.01/pmm step，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比123600.01 3600.61.54
16、pbZiZt选117Z，228Z。3.6 、确定齿轮模数及有关尺寸华 北 科 技 学 院 课 程 设 计第 9 页 共 24 页因传递的扭距较小，取模数1mmm，齿轮有关尺寸见表3-3。表 3-3 齿轮尺寸3.7 、步进电机惯性负载的计算根据等效转动惯量的计算公式，得221 0123 2 180p dbZJJJJJMZ式中：dJ折算到电机轴上的惯性负载（2Kgcm） ；0J步进电机转轴的转动惯量 （2K g c m） ；1J齿轮的转动惯量（2Kgcm） ；2J齿轮的转动惯量（2Kgcm） ；3J滚珠丝杠的转动惯量（2Kgcm） ；M 移动部件质量（kg） 。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算2431078. 0KgcmLDJ式中： D圆柱零件直径（cm） ；L零件长度（cm） 。所以2343 11026. 35. 07.11078. 0kgcmJZ17 28 dmZ mm2addm m
