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1、数控十字工作台设计目 录第一章 绪论 11.1数控十字工作台概述 11.2数控十字工作台的应用 11.3设计任务 11.4总体设计方案分析 2第二章 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计42.1 XY工作台的设计42.1.1主要设计参数及依据42.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析 42.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量42.2 Z轴随动系统设计5第三章 滚珠丝杠传动系统的设计计算 73.1 滚珠丝杠副导程的确定 73.2 滚珠丝杠副的传动效率 7第四章 直线滚动导轨的选型 9第五章 步进电机及其传动机构的确定 115.1 步进电机的选用 115.1.1 脉冲当量和步距角 115.
2、1.2步进电机上起动力矩的近似计算 115.1.3确定步进电机最高工作频率 125.2齿轮传动机构的确定125.2.1传动比的确定 125.2.2齿轮结构主要参数的确定 125.3步进电机惯性负载的计算13第六章 传动系统刚度的确定156.1 根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度156.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度15第七章 消隙方法与预紧177.1消隙方法177.1.1偏心轴套调整法 177.1.2锥度齿轮调整法 187.1.3双片齿轮错齿调整法 187.2预紧19第八章 控制系统设计208.1 确定机床控制系统方案208.2 主要硬件配置208.2.1主要芯片选择 2
3、08.2.2 主要管脚功能 208.2.3 EPROM的选用 218.2.4 RAM的选用 228.2.5 89C51存储器及I/O的扩展 228.2.6 8155工作方式查询 238.2.7状态查询 248.2.8 8155定时功能 258.2.9 芯片地址分配 268.3总体程序控制 278.3.1流程图 278.3.2总程序 278.4 键盘设计 288.4.1键盘定义及功能 288.4.2 键盘程序设计 298.5 显示器设计 338.5.1显示器显示方式的选用 338.5.2显示器接口 348.5.3 8155扩展I/O端口的初始化 348.6 插补原理 358.7光电隔离电路 35
4、8.8越界报警电路 36第九章 步进电机接口电路及驱动 39第十章 总 结 40致 谢 41参考文献42第一章 绪论1.1数控十字工作台概述数控十字工作台， “十五”的主要工作是促进加工产业的发展，保持年产值20的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。数控化与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为发展的一个重要趋势。1.2数控十字工作台的应用
5、 数控十字工作台是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，数控十字工作台的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。1.3设计任务本次设计任务是设计一台单片机（89C51主控芯片）控制数控十字工作台床，主要设计对象是XY工作台部件及89C51单片机控制原理图。而对数控十字工作台其他部件如冷水机、激光器等不作为设计内容要求，只作一般了解。单片机对XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.001mm/ pluse。工作台部件主要构件为滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配
6、工艺。1.4总体设计方案分析参考数控数控十字工作台的有关技术资料，确定总体方案如下：采用89C51主控芯片对数据进行计算处理，由I/O接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图1-1。X向工作台控制器驱动器步进电机步进电机驱动器Y向工作台图1-1 系统总体原理图微机控制线路图参考MCS51系列单片机控制XY工作台线路图。步进电机参照RORZE株式会社的产品样本选取，以保证质量和运行精度,同时驱动器也选用RORZE的配套驱动器产品。滚珠丝杠的生产厂家很多，本设计参照了汉江机床厂、南京工艺装备制造厂的样本资料，力求从技术性能、价格状况、通用
7、互换性等各方面因素考虑，最后选用南京工艺装备厂的FFZD系列滚珠丝杠，即内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副。本设计弃用Z80，而选用单片机。单片机体积小、抗干扰能力强，对环境要求不高，可靠性高，灵活性好，性价比大大超过了Z80。比较后选用89C51为主芯片。在使用过程中89C51虽有4K的FLASH（E2PROM），但考虑实际情况需配备EPROM和RAM，并要求时序配备。选晶体频率为6MHz，89C51读取时间约为3t，则t480ns ,常用EPROM读取时间约为200450ns。89C51的读取时间应大于ROM要求的读取时间。89C51的读写时间约为4T，则TR660ns，TW=800ns，常用
8、RAM读写时间为200ns左右，均满足要求。根据需要，扩展I/O接口8155，因显示数据主要为数字及部分功能字，为简化电路采用LED显示器。键盘采用非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采用光电隔离电路。各工作组要指定一名人员承担信息报送工作，负责搜集和整理本组及相关成员单位的各类信息，经组长审核把关后及时报综合组，每周至少报送一条工程进展信息，每季度报送工作总结。第二章 机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计2.1 XY工作台的设计2.1.1主要设计参数及依据1、设计可沿X向和Y向数控运动的工作台；2、 数控运动驱动力源可以采用步进电机或交流伺服电机驱动，但是所选电机必须与该电机生产厂所列技术数
9、据一致；3、工作台尺寸400250mm（X / Y）；4、工作台工作行程为：300150mm（X /Y）；5、脉冲当量：X向0.01mm/脉冲；Y向0.01mm/脉冲；6、X/Y向最高工作进给速度：300mm/min；7、X/Y向最高空载快进速度：700mm/min；8、X/Y/Z向切削负载为：2000/2000/1000N；9、工件最大重量（包括夹具）为：150KG；10、工作寿命每天8小时，连续工作5年，250天/年2.1.2 XY工作台部件进给系统受力分析因机床工件之间不直接接触,因此可以认为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,
10、各自之间均以滚动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。一般来说,数控机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量初定工作台，材料为HT200，估重为625N (W1)。设中托座,材料为HT200，估重为250N（W2）。另外估计其他零件的重量约为250N (W3)。加上工件最大重量约为120Kg（1176N）(G)。则下托座导轨副所承受的最大负载W为:W=W1+W2+W3+G665+250+250+11762301N2.2 Z轴随动系统设计数控十字工作台对Z轴随动机构要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整高度，要求Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，随动速度应大于5m/min。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发
