数控工作台课程设计说明书电子教案Word文档下载推荐.docx

数控工作台课程设计说明书电子教案Word文档下载推荐.docx

《数控工作台课程设计说明书电子教案Word文档下载推荐.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《数控工作台课程设计说明书电子教案Word文档下载推荐.docx（28页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

254×

15mm；

底座外形尺寸C1×

B1×

H1=500×

500×

184mm；

最大长度L=628mm；

工作台加工范围X=250mm；

Y=250mm；

工作台最快移动速度为1m/min；

重复定位精度为±

0.02mm，定位精度为±

0.04mm；

设计具体要求完成以下工作：

（1）数控工作台装配图（1：

1比例或0＃图幅）1张；

（2）数控系统电气原理图（2＃图幅）1张；

（3）设计说明书（10～20）页1本；

所有图样均采用CAD绘制打印，设计说明书按规定撰写。

1.2总体方案确定

1.方案拟定

根据设计任务，参照参考资料结合实际，初步设定如下三个总体方案：

方案一：

机械部分

电机

交流伺服电机

减速器

一级齿轮减速器

丝杠

螺纹丝杠

导轨

直线滑动导轨

控制部分

控制器

PLC可编程控制器

反馈

闭环驱动电路

方案二：

同步带轮

滚珠丝杠

直线滚动导轨

半闭环驱动电路

方案三：

步进电机

单片机

开环驱动电路

2.方案比较

XY工作台系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。

开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统没有检测装置;

半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴安装脉冲编码器,将速度反馈信号传给控制单元;

闭环的伺服系统也是采用交流或直流伺服电机驱动,位置检测装置安装在工作台末端,将位置反馈信号传给控制单元。

闭环和半闭环伺服系统价格昂贵，结构复杂，同时其可控分辨率也很高，但在本次设计中，其位置精度（±

0.02mm）要求不高，考虑到成本低，维修方便，工作稳定等条件。

选用步进电机伺服系统就可以满足要求。

其通过单片机控制步进电机的驱动,经传动机构带动工作台运动。

对比以上三种方案：

●PLC价格比较贵考虑成本不选。

●直线滚动导轨副具有摩擦系数小，不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等特点。

●滚珠丝杠副有如下特点：

①传动效率高②系统刚性好③传动精度高④使用寿命长⑤运动具有可逆性（既可将回转运动转变为直线运动，又可将直线运动变为回转运动，且逆传动效率几乎与正传动效率相同）⑥不会自锁⑦可进行预紧和调隙。

●步进电机：

结构简单、价格低、转动惯量小、动态响应快、易起停，可满足快速移动和精度要求。

●同步带减速：

圆整脉冲当量，放大输出转矩，安装中心距精度要求较低。

●无隙齿轮箱减速：

可消除间隙，但设计和安装精度高。

●无减速装置：

结构简单，但输出转矩小，易受切削力影响。

●开环控制：

简单实用，但精度较半闭环和闭环低，不能检测误差，也不能校正误差。

●闭环控制：

控制精度和抑制干扰的性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。

所以方案三最合适为最佳方案

3.系统组成

1.机械系统组成

机械系统由两个步进电机；

两个无隙齿轮箱减速器；

两个滚珠丝杠以及两个直线滚动导轨副作为主要的动力输出、传动以及机械控制部分，系统的组成还有其他一些机构。

2.控制系统组成

控制系统由AT89S52型单片机、一个2764存储器作为外部程序存储器、一个6264存储器作为外部数据存储器、并行I/O接口8255，8155、7407驱动显示器、以及键盘接口电路、步进电机接口电路和其他电源、限位开关等构成。

2、机械系统设计

2.1工作台外形尺寸及重量估算

工作台面尺寸：

长宽高（mm）240×

15

重量：

按重量=体积×

材料比重估算

240×

15×

10-3×

7.8×

10-2≈71.323N

上导轨座（连电机）重量：

（184-15）≈1674.114N

夹具及工件重量：

约150N

累计重量：

1895N

2.2直线导轨副的计算与选型

1.滑块承受工作载荷Fmax（单个滑块所受最大垂直方向）

Fmax=F+G/4=973.75N

查表3-41,初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15,其额定载荷Ca=7.94KN,额定静载荷Coa=9.5KN

任务书规定台面尺寸240mm×

254mm，加工范围250mm×

250mm,由表3-35选取导轨长度为520mm.

2.3滚珠丝杆的设计计算

1.最大工作载荷Fm的计算

移动部件总重量1895N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数k1.1,滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005

2.最大动载荷FQ

设工作台最快进给速度为1000mm/min,初选丝杠导程Ph=5mm

此时丝杠转速n=v/Ph=200r/min

求滚球丝杠的使用寿命T=15000h，代入LO=60nT/106,得丝杠寿命系数LO=180（106r）

查表3-30，取载荷系数fW=1.2,滚道硬度为60HRC，取硬度系数fH=1.0，代入

3.初选型号

根据计算出最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2505-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径25mm，导程5mm，循环滚珠为4圈×

2列，精度等级取5级，额定动载荷大于FQ。

4.传动效率η的计算

将公称直径do=25mm,导程Ph=5mm,代入

，得丝杠螺旋升角λ=3°

38‵，得传动效率η=95.6%.

5.刚度的验算

⑴X-Y工作台上两层滚珠丝杠副的支承切采用一对推力角接触球轴承，左右支承的中心距离为a=500mm，钢的弹性模量E=2.1×

105MPa,查表3-31，得滚珠直径Dw=3.175mm,丝杠底径d2=21.2mm，丝杠截面积

，根据

，得在Fm作用下产生的拉/压变形量δ1=1.08×

10-2mm

⑵根据公式

得单圈滚球数Z=20，该系列丝杠为单螺母，滚珠的圈数×

列数为4×

2.代入公式

，得滚球总量Z∑=160，丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ=Fm/3=535N,滚珠与螺纹滚道间的接触变形量δ2=0.0013×

Fm/（10×

）=1.278×

10-3mm，因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，实际变形量可减少一半，取=6.388×

10-4mm.

⑶丝杠的总变形量

，计算得丝杠的有效行程为250mm，由表3-27得，5级精度滚珠丝杠有效行程在≦315mm，行程偏差允许打到23μm,可见丝杠刚度足够。

⑷压杠稳定性校核：

根据公式

计算失稳时的临界载荷Fk。

查表，取支承系数=1，由丝杠底径d2=21.2mm，求得截面惯性矩

=9910.44mm4；

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取最大值500mm。

代入

=27359.6N，远大于工作载荷Fm，故丝杠不会失稳。

2.4步进电动机减速箱设计

减速箱采用一级减速，大齿轮设计成双片结构，工作台脉冲当量δ=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠导程Ph=5mm，初选步进电动机的步距角=0.75°

，减速比i=（Ph）/（360×

δ）=25：

12，大小齿轮模数都为1mm，齿数比75：

36，材料为45号调制钢，齿表面淬硬后达55HRC。

减速箱中心距为（75+36）/2=55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。

2.5步进电机的选型与计算

（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq

滚珠公称直径d=25mm，总长L=500mm，导程Ph=5mm，材料密度ρ=7.8×

10-3kg/cm3,移动部件总重量G=1895N，小齿轮齿宽b1=20mm，直径d1=36mm，大齿轮齿宽b2=10mm，直径d2=75mm，滚珠丝杠的转动惯量

Js=πLρd4/32=1.946kg·

cm2，

托板折算到丝杠的转动惯量

Jw=（Ph/2π）m=1.223kg·

小齿轮的转动惯量JZ1=0.259kg·

cm2，大齿轮的转动惯量JZ2=4.877kg·

cm2，初选步进电动机型号90BYG2602,二相四拍，步距角0.75°

，该型号的转子的转动惯量Jm=4kg·

cm2。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量

Jeq=Jm+JZ1+（JZ2+Jw+Js）/i=6.113kg·

cm2

（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq

a、快速空载启动，电动机转轴承受的负载转矩Teq1=Tmax+Tf

Tmax=2πJeq/（60taη）=0.952N·

m

为对应空载最快移动速度的步进电动机的最高转速

=

α/360δ=416.7r/min

摩擦转矩=μ（G+）=Ph/2πηi=5.173×

10N·

快速空载启动时的电动机转轴所承受的负载转矩Teq1=Tmax+Tf=0.957N·

b、最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2

Teq2=Tt+Tf

Tt=FfPh/2πηi=0.79N·

m，Tf=5.173×

则Teq2=Tf+Tt=0.795N·

得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为

Teq=max{Teq1，Teq2}=0.957N·

（3）步进电动机最大静转矩的选定

考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压低时，其输出转矩会下降，可能会造成丢步，甚至堵转。

因此根据Teq来选择步进电动机的最大静转矩时，要考虑安全系数。

此处安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：

Tjmax≥4Teq=3.828N·

m，而初选的步进电动机型号90BYG2602，Tjmax=6N·

m，满足要求。

（4）步进电动机性能校核

a、电动机运行频率fmaxf=666.7HZ，从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可得，电动机的输出转矩Tmaxf=5.7N·

m，远大于最大工作负载转矩

Teq2=0.795N·

b、最快空载移动时电动机输出转矩校核

工作台最快空载移动速度vmax=1000mm/min，对应的运行频fmax=3333.3HZ。

此频率下，电动机输出转矩Tmax=4.6N·

m,大于快速空载Teq1=0.957N·

m。

c、最快空载移动时电动机运行频率校核

与vmax=1000mm/min对应的电动机fmax=3333.3HZ,而90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000HZ，可见没超出上限。

d、起动频率的计算

步进电动机克服惯性负载的起动频率：

/

=1132HZ。

要保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于1132HZ。

综上所述，采用90BYG2602步进电动机时符合的。

2.6机械系统结构设计

我们采用一级齿轮减速箱实现电机到丝杠的速度传递，

用套筒联轴器连接减速箱齿轮轴和丝杠轴。

用滚珠丝杠将电机的回转运动转换成工作台的直线运动。

3、控制系统硬件设计

3.1控制系统硬件组成

根据总体方案及机械结构的控制要求，确定硬件电路的总方案，绘制系统电气控制的结构框图。

其中数控系统是由硬件和软件两部分组成。

此次电路系统所设定方案包括以下几个硬件部分：

（1）主控制器，即中央处理单元CPU。

方案采用MCS-