XY数控工作台设计说明书最终版.docx
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XY数控工作台设计说明书最终版
1、设计任务......................................................................................................................................................2
2、总体方案的确定.....................................................................2
2.1机械传动部件的选择.............................................................2
2.2控制系统的设计.................................................................3
2.3绘制系统组成框图...............................................................3
2.4绘制机械传动系统简图...........................................................3
3、机械传动部件的计算与选型...........................................................4
3.1脉冲当量的确定.................................................................4
3.2导轨上移动部件的重量估算.......................................................4
3.3传动部件、导向部件的设计、计算和选用...........................................4
3.3.1铣削力的计算.............................................................4
3.3.2直线滚动导轨副的计算与选型...............................................4
3.3.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型...............................................5
3.4步进电动机减速箱的选用.........................................................7
3.5步进电动机的计算与选型.........................................................7
3.5.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq..................................7
3.5.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩
T................................8
eq
3.5.3步进电动机最大静转矩的选定..............................................10
3.5.4步进电动机的性能校核....................................................10
4、控制系统硬件设计..................................................................11
4.1根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：
.........................11
4.2数控系统的组成................................................................11
4.3CPU的选择....................................................................11
4.4驱动系统....................................................................12
4.4.1步进电机驱动电路和工作原理............................................12
4.4.2步进电机驱动电源选用....................................................13
4.5其它辅助电路设计..............................................................14
5、控制系统的软件设计................................................................15
5.1接口程序初始化..............................................................15
5.2步进电机驱动程序............................................................15
5.2.1电机的控制电路原理及控制字............................................15
5.2.2电机正反转及转速控制程序................................................15
5.3圆弧插补程序的设计............................................................17
5.3.1逐点比较法............................................................17
5.3.2程序设计...............................................................17
参考文献..........................................................................20
1、设计任务
设计一个数控X-Y工作台及其控制系统，该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。
设计参数如下：
设计最大铣刀直最大铣削最大铣削加工工作台加工最大移动
分组材料速度
径Φmm宽度ae深度ap范围（mm）
220mm8mm5mm碳钢X=250，Y=1803m/min
其它参数：
根据设计要求，初令立铣刀齿数Z=3；X，Y方向的脉冲当量0.01/
xymm脉冲；
X，Y方向的定位精度均为0.02mm。
2、总体方案的确定
2.1机械传动部件的选择
（1）导轨副的选用
要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定
位精度高，因此，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、
安装预紧方便等优点。
（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，要满足0.01mm的脉冲当量和
0.02mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。
滚珠丝杠副的传动精度
高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高，预紧后可消除反向间隙。
（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。
为此，本设计决定采用无间
隙齿轮传动减速箱。
（4）伺服电动机的选用
本设计中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
3m/min。
因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可
以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。
（5）检测装置的选用
伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。
开环控制的伺服系统存在着控制
精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差
不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、
环境条件的波动而变化的特点。
并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，
结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。
并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进
电机控制性能方面也取得了可喜的发展。
因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的
开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。
虽然闭环、半闭环
控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较
及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的
良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。
为此，考虑到在普通立式铣床上进行改造，精度要求不是
很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。
考虑到X、Y两个方向的加工范围接近，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。
2.2控制系统的设计
（1）、设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位，两坐标直线插补与圆
弧插补的基本功能，所以控制系统设计成连续控制型。
（2）、对于步进电动机的开环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S51作为控制系统的CPU，能
够满足本设计给定的相关指标。
（3）、要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还要扩展程序存储器，数据存储器、键盘与显示
电路，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。
（4）、选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
2.3绘制系统组成框图
图2-1
2.4绘制机械传动系统简图
-2
图2-2
工作载荷
Fmax365N0.365kN。
查[1]表3-41，根据工作载荷Fmax0.365kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15
型，其额定动载荷7.94
CkN，额定静载荷C0a9.5kN。
a
本设计规定的工作台加工范围为250mm×180mm，考虑工作行程应留有一定的余量，查[1]表3-35，
按标准系列，选取导轨的长度为580mm。
（2）距离额定寿命L的计算
上述选取的KL系列的JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100℃，每根导轨
上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。
查[1]表3-36~表3-40，分别取硬度系数
f1.0、温度系数fT1.00、接触系数fC0.81、精度系数fR0.9、载荷系数fW1.5，代[1]
H
式（3-33），得距离寿命：
ffffC
HTCRa3
L（）5059083km
fF
Wmax
远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。
3.3.3滚珠丝杠螺母副的计算与选型
（1）最大工作载荷
F的计算
m
如前面所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）
F477N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）F109N，受到垂直方向的载
x
y
荷（与工作台面垂直）Fz165N。
已知移动部件总重量G800N，按矩形导轨进行计算，查[1]表3-29，取颠覆
力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数0.005。
求得滚珠丝杠副的最大工
滚珠丝杠
螺母副的
作载荷：
FKFFFG1.14770.005165109800N530N
mxzy
型号为济
宁博特精
（2）最大动载荷
F的计算
Q
密丝杠制
造有限公
设工作台在承受最大铣削力是的最快进给速度v400mm/min，初选丝杠导程
司生产的
G系列
P4mm，则此时丝杠转速nv/Ph100r/min。
h
1604—3
型
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入
6
L060nT/10，得丝杠寿命系数
L090（单位为：
6
10r）
查[1]表3-30，取载荷系数f1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH1.0，代入[1]式（3-23），
W
求得最大动载荷：
F3LffFN
02850QWHm
（3）初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查[1]表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司
生产的G系列1604—3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为16mm，导程为4mm，
循环滚珠为3圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为4612N，大于
F，满足要求。
Q
（4）传动效率η的计算
将公称直径d016mm，导程Ph4mm，代入arctanPh/d0，得丝杠螺旋升角
'
433。
将摩擦角
'
=10，代入tan/tan（），得传动效率96.4%。
（5）刚度的验算
1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推—单推”的方式，见附图“X-Y数控工作台
装配图”。
丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为
a560mm；钢的强性模量
5
E2.110MPa；查[1]表3-31，得滚珠直径Dw2.381mm，丝杠底
径d213.1mm，丝杠截面积
22
Sd2/4134.78mm。
忽略[1]式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷
F作用下产生的拉/压变形量
m
5
1Fma/（ES）530560/（2.110134.78）mm0.0105mm。
2）根据公式Z（d0/Dw）3，求得单圈滚珠数Z21；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×
列数为3×1，代入公式：
ZZ圈数列数，得滚珠总数量Z63。
丝杠预紧时，取轴向预紧力
FF/3177N。
则由[1]式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量20.0013mm。
YJm
因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取20.00065mm。
3）将以上算出的1和2代入总12，求得丝杠总变形量（对应跨度560mm）
总0.01115mm11.15m。
本设计中，丝杠的有效行程为330mm，由[1]表3-27知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm
时，行程偏差允许达到25m，可见丝杠刚度足够。
（6）压杆稳定性校核
根据[1]公式（3-28）计算失稳时的临界载荷
F。
查[1]表3-34，取支承系数fk1；由丝杠底径
k
d213.1mm，求得截面惯性矩
44
Id2/641445.62mm；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a取最大值560mm。
代入[1]式（3-28），得临界载荷3185
FN，
k
远大于工作载荷530
FN，故丝杠不会失稳。
m
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
3.4步进电动机减速箱的选用
为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠
步进电动
丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴
机减速箱
上安装一套齿轮减速箱。
采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝
的型号为
杠的轴头与大齿轮联接。
其中大齿轮设计成双片结构，采用[1]图3-8所示的弹簧错
常州市新
月电机有
齿法消除侧隙。
限公司生
已知工作台的脉冲当量xy0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph4mm，
产的JBF
初选步进电动机的步距角1.5。
根据[1]式（3-12），算得减速比：
—3型
i（Ph）/（360）（1.54）/（3600.01）5/3
本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF—3型齿轮减速箱。
大小齿轮模数均为1mm，齿数
比为60:
36，材料为45调质钢，齿表面淬硬后达55HRC。
减速箱中心距为60361/2mm48mm
小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。
3.5步进电动机的计算与选型
3.5.1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量
J
eq
已知：
滚珠丝杠的公称直径d016mm，总长l560mm，导程Ph4mm，材
料密度
33
7.8510kg/cm；移动部件总重力G800N；小齿轮宽度
步进电动机
的型号为常
b120mm，直径d136mm；大齿轮宽度b220mm，直径d260mm；传动比
州宝马集团
i5/3。
公司生产的
90BYG2602，
如[1]表4-1所示，算得各个零部件的转动惯量如下：
四相八拍驱
滚珠丝杠的转动惯量
434
LR567.85100.8
2
J0.283kgcm；
s
22
动时步距角
为1.5
托板折算到丝杠上的转动惯量
P20.422
h
J（）m（）800.324kgcm；
wi
22
小齿轮的转动惯量
434
LR27.85101.8
2
J0.259kgcm；
z
1
22
大齿轮的转动惯量
434
LR27.85103
2
J1.998kgcm。
z
2
22
初选步进电动机型号90BYG2602，为四相混合式，由常州宝马集团公司生产，四相八拍驱动时步距
角为1.5，从[1]表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量
2
J4kgcm。
m
则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
zP5
1h
2222
JJJ（）JJm（）40.259（）（1.9980.2830.324）11.50kgcm
eqmzzsi
12
z23
2
3.5.2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩
T
eq
分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。
（1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩
T
eq1
由[1]式（4-8）可知，
T包括三部分：
一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速
eq1
转矩Tamax；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩
T；还有一部分是滚珠丝杠预紧
f
后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩
T。
因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据[1]式（4-12）可知，
0
T相对于Tamax和Tf很小-，可以忽略不计。
则有：
0
TTT
eq1amaxf
根据[1]式（4-9），考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速
转矩：
T
amax
2Jn1
eqm
60t
a
式中nm——对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；
t——步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。
a
其中：
n
m
v
max
360
式中
v——空载最快移动速度，本设计指定为3000mm/min；
max
——步进电动机步距角，预选电动机为1.5；
——脉冲当量，本设计中xy0.01mm/脉冲。
将以上各值代入[1]式（6-15），算得nm1250r/min。
设步进电动机由静止到加速至
n转速所需时间ta0.4s，传动链总效率0.7。
则由[1]式
m
（6-14）求得：
4
211.50101250
TNm0.54Nm
amax
600.40.7
由[1]式（4-10）可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
T
f
（FG）P
zh
2i
式中——导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005；
F——垂直方向的铣削力，空载时取0；
z
——传动链总效率，取0.7。
则由[1]式（6-16），得：
0.005（0800）0.004
TNm0.002Nm
f
20.75/3
最后由[1]式（6-13），求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：
T1TmaxT0.542Nm
eqaf
（2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩
T
eq2
由[1]式（4-13）可知，
T包括三部分：
一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩
eq
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