课程设计二维数控工作台Word文档格式.docx
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2、方案的分析，比较，论证。
2.2.2机械部分的设计
1、确定脉冲当量；
2、机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；
3、传动元件及导向元件的设计，计算和选用；
4、确定伺服电机；
5、绘制机械结构装配图；
6、系统等效惯量计算；
7、系统精度分析。
2.2.3数控系统的设计
1、微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；
2、I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；
3、系统控制软件的设计
2.2.4编写毕业设计说明书
1、说明书是毕业设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明；
2、说明书尽量用计算机完成。
2.2.5图纸
1、机械结构装配图，A1图纸不少于3张。
要求视图基本完整，符合标准。
3数控系统总体方案的确定
数控系统总体方案设计的内容包括：
系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。
进行方案的分析、比较和论证。
3.1系统运动方式的确定
该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。
3.2伺服系统的选择
开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。
但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。
.考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。
3.3计算机系统的选择
采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。
MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。
控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。
系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。
显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。
3.4二维数控工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性以及结构的紧凑，采用滚珠丝杠螺母传动副。
为提高传动刚度和消除间隙，采用有预加载荷的结构。
由于工作台的运动部件重量和工作载荷不大，故选用滚动直线导轨副，从而减小工作台的摩擦系数，提高运动平稳性。
考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。
系统总体框图如下图3.1所示。
图3.1系统总体框图
4机械部分设计
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。
4.1确定系统脉冲当量
脉冲当量δp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±
0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。
4.2工作台外形尺寸及重量初步估算
根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。
取X向导轨长度为420mm,Y向导轨长度为420mm,设计工作台简图如下图4.1所示。
图4.1工作台简图
X向拖板（上拖板）尺寸为:
长*宽*高=420*420*50
重量:
按重量=体积*材料比重估算为:
=420×
420×
50*×
7.8×
10-2=687.96N
Y向拖板（下拖板）尺寸为:
420*420*50
重量=420×
50×
上导轨（含电机）重量为
（900×
480×
8+820×
2×
35×
50）×
10-2×
10-3=493.43N
夹具及工件重量:
约155N
X-Y工作台运动部分总重量为:
W=687.96+687.96+493.43+155≈2024N
4.3滚动导轨副的计算和选择
根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：
C0为导轨的基本静额定载荷，kN；
工作载荷P=0.5（Fz+W）；
fSL=1.0~3.0（一般运行状况），3.0~5.0（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
PX=0.5（FZ+WX）=0.5（2024+687.96）=1355.98N
PY=0.5（FZ+WY）=0.5（2024+687.96）=1355.98N
COX=fSLPX=4×
1355.98=5423.92N
根据计算额定静载荷初选导轨:
选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:
HJG-D25
表4.1HJG-D25基本参数
额定载荷/N
静态力矩/N*M
滑座重量
导轨重量
导轨长度
动载荷
静载荷
L
（mm）
17500
26000
198
288
0.60
3.1
760
滑座个数
单向行程长度
每分钟往复次数
M
4
0.6
导轨的额定动载荷N
依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷（kN）验算导轨工作寿命Ln：
额定行程长度寿命:
F=FM/M=2024/4=506N
TS=K（fNfTfCa/fWF）3=50×
[1×
1×
0.81×
17500/（2×
506）]3=137403.46km
导轨的额定工作时间寿命:
TH=TS×
103/2l0n=137403.46×
103/（2×
0.6×
60×
4）=477095.35h>
T=15000h
导轨的工作寿命足够.
4.4滚珠丝杠计算和选择
初选丝杠材质：
CrWMn钢，HRC58~60，导程：
l0=5mm
4.4.1强度计算
丝杠轴向力：
（N）（4.1）
其中：
K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；
在车床车削外圆时：
Fx=（0.1~0.6）Fz，Fy=（0.15~0.7）Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。
取f=0.004,则:
FX=0.5FZ=0.5×
2024=1012N
FY=0.6FZ=0.6×
2024=1214.4N
FXmax=1.15×
1012+0.004（2024+687.96）=1174.65N
FYmax=1.15×
1214.4+0.004（2024+687.96）=1407.41N
寿命值：
，其中丝杠转速（r/min）
T=15000h
=2024/5=404.8r/min
L=60×
404.8×
15000/106=364.32
最大动载荷：
式中：
fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；
fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。
查表得中等冲击时则:
QX==1.2×
×
1045.686=8959.48N
QY==1.2×
1252.62=10732.50N
根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为:
CM系列滚珠丝杆副，其型号为：
CM2005-5。
其基本参数如表4.2所示。
表4.2滚珠丝杠副参数说明
其额定动载荷为14205N>
足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.
表4.3滚珠丝杠螺母副的几何参数表
名称
计算公式
结果
公称直径
――
20mm
螺距
５mm
接触角
钢球直径
3.175mm
螺纹滚道法向半径
1.651mm
偏心距
0.04489mm
螺纹升角
螺杆外径
19.365mm
螺杆内径
16.788mm
螺杆接触直径
17.755mm
螺母螺纹外径
23.212mm
螺母内径（外循环）
20.7mm
4.4.2传动效率计算
丝杠螺母副的传动效率为：
φ=10’，为摩擦角；
γ为丝杠螺旋升角。
（4.2）
1、稳定性验算
丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。
2、刚度验算
滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：
（cm）
Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算
FY=1407.41N
Lo=0.5cm
E=20.6×
106（N/cm）
S=∏R2=3.14×
（1.651/2）2=2.14cm2
△L1=±
1407.41*0.5/（20.6×
106×
2.142）=7.36×
10-6CM
丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。
导程变形总误差Δ为
Δ=ΔL1×
100/l0=7.36×
10-6×
100/0.5=14.7μm/m<
[Δ]（4.3）
E级精度丝杠允许的螺距误差[Δ]=15μm/m。
4.5齿轮的设计与计算
因步进电机步距角滚珠丝杠螺距t=5mm,要实现脉冲当量,在传动系统中应加一对齿轮降速传动.
齿轮传动比：
，初选步进电机步距角：
α=1.5˚/step。
取小齿轮齿数则大齿轮齿数
因传递的扭距较小,取模数m=1mm则:
分度圆直径:
齿顶圆直径:
齿根圆直径:
齿宽:
取
中心距:
分度圆压力角:
大小齿轮均采用渐开线标准圆柱齿轮
小齿轮采用两片薄齿轮错齿排列以消除间隙.
双片齿轮错齿消隙结构图如下:
1、2--薄齿轮,3—弹簧,4、8—凸耳,5—调节螺钉,6、7—螺母
图4.2双片齿轮错齿消隙结构图
4.6步进电机惯性负载的计算
根据等效转动惯量的计算公式，有：
4.6.1等效转动惯量的计算
折算到步进电机轴上的等效负载转动惯量为：
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