XY数控工作台机电系统设计.docx
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XY数控工作台机电系统设计
一种经济型数控机床的控制系统,包括机床伺服系统和对该伺服系统进行控制的PLC；其特征在于，还包括通过通信接口与PLC通信的触摸屏，所述触摸屏包括：
数据输入模块，用于输入、修改被控参数的参数值和操作指令,读取触摸屏的操作界面；数据存储模块，用于存储输入、输出数据;数据处理计算模块，用于对输入、输出参数数据进行处理、计算；包括输入信号的编码运算；输出信号的解码运算:
数据存储单元，川丁存储移位单元传递来的数抑:
:
数据检测单元，用于实时检测坐标轴的、"I前运动状态参数值，包括距离、速度值，以及控制方式参数值;数据比较单元，用于将检测单元检测到的坐标轴X前运动状态参数值、控制方式参数值与触摸屏存储模块的设定值进行比较；
X-Y数控工作台机电系统设汁采用步进电机作为驱动装置。
步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模传换沪刖仁其工作原理是:
每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；山于步进电机通的是三相交流电所以输入的脉冲数I」及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同>III于旋转磁场对放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。
模块化的X-Y数控工作台，通常山导轨座、移动滑块、I】作平台、滚珠丝杠螺母制以及伺服电动机等部件构成。
其外观形式如图1所示。
其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的螺母带动滑块和匸作平台在导轨上运动,完成丄作台在X、Y方向的直线移动。
导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化,山专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。
控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制讣算机，也可以设计专用的微机控制系统。
题LI：
X-Y数控工作台机电系统设计
任务：
设计一种供立式数控铳床使用的X-Y数控工作台，
主要参数如下：
（1）立铳刀最大直径〃二15mm；
（2）立铳刀齿数方3；
（3）最大铳削宽度么二13mm：
（4）最大铳削深度禺二8mm：
（5）加工材料为碳素钢
（6）X、Y方向的脉冲当量久二&•二0.005mm/脉冲;
（7）X、Y方向的定位精度均为±0.01mm；
（8）工作台面尺寸为230mmX230mm,
加工范围为300mmX200mm；
（9）作台空载最快移动速度=v.^.=3000mm/min；
（10）E作台进给最快移动速度吟心二&心二1200mm/mino
总体方案的确定
1.机械传动部件的选择
（1）导轨副的选用要设讣的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铳床，需要承受的载荷不大，但脉冲'"山t小、定位粘度烏,因此，决定选用宜线滚动导轨副。
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幺幺杠螺母制转换成直线运动,要满足0,005mm的脉冲当量和±0.01mm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。
为此决定采用无间隙齿轮传动减速箱
（4）伺服电动机的选用任务书规定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3000mm/mino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）检测装置的选用选用步进电动机作为伺服电动机后，可选开环控制也可选闭环控制。
任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步,决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部转轴r安装增暈式旋转编码器,用以检测电动机的转角与转速。
增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，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.控制系统的设计
（1）设计的X-Y工作台准备用在数控铳床上，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，所以控制系统应该设讣成连续控制型。
（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU,应该能够满足任务书给定的相关指标。
（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器、
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。
第四章机械部分设计
4.1确定系统脉冲当量
任务书中所给定的脉冲当量是0.005mm
4.2.导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨之上移动部件的重量来进行估算。
包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800No
4.3滚动导轨副的计算与选择
设零件的加工方式为立式铳削,采用硬质合金立铳刀,工件的材料为碳钢。
查得立铳时的铳削力计算公式为：
7;=118a^5ff75d^73a»ono,oZ
（6-11）
今选择铳刀直径由15mm,齿数戶3,为了计算最大铳削力，在不对称铳削情况下,取最大铳削宽度企二15mm,铳削深度禺二8mm,每齿进给量fz二0.1mm,铳刀转速300r/min。
则由式（6-11）求得最大铳削力：
/^=118X15°85X0.l075X15_0^XS10X300°13X3N~1463N
采用立铳刀进行圆柱铳削时，各铳削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a,考虑逆铳时的情况，可估算三个方向的铳削力分别为：
人二1.1犬~1609皿E二0.38E~556N,凡二0.25E~366N图3-4a为卧铳情况，现考虑立铳，则工作台受到垂直方向的铳削力尺二E二556N,受到水平方向的铳削力分别为人和凡。
今将水平方向较大的铳削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铳削力Ff人二1609X,径向铳削力A-二凡二366No
a）
b）
图3-4铳削力的分析a）圆柱形铳刀铳削力b）面铳刀铳削力
（1）、滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取
工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。
本例中的X-Y丄作台为水平布置，釆用双导轨、四滑块的支承形式。
考虑最不利的悄况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂向载荷为：
Fmax二G/4+尸
（6-12）
其中，移动部件重量G=800N,外加载荷FE二556N,代入（6-12）式得最大工作载荷尺二736N二0.756kNo
査表3-41,根据工作载荷尺二0.736kN,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G=7.94kN,额定静载荷久二9.5k\。
任务书规定工作台面尺寸为230mmX230mm,加工范圉为300mmX200mm,考虑工作行程应留有一定余量，查表3-35,按标准系列，选取导轨的长度为520mm。
（2）、距离额定寿命的计算
上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60,L作温度不超过100°C,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。
查表3-36〜表3-40,分别取硬度系数启二1.0,温度系数名二1.00,接触系数£二0.81,精度系数点二0.9,载荷系数"毎1.5,代入式（3-33），得距离寿命:
L=ZhZt/c/r-x5O
AvPcJ
a6649km
远大于期望值50km,故距离额定寿命满足要求。
4.滚珠丝杠螺母副的计算与选型
（1）最大工作载荷展的计算承受最大铳削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）E=1609N,受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）E=366N,受到垂向的载荷（与工作台面垂直）E=556No
已知移动部件总重量G800N,按矩形导轨进行计算，查表3-29,取颠覆力矩影响系数用1.1,滚动导轨上的摩擦因数"二0.005。
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷
尺二处+“（E+E+G）二［1.1X1609+0.005X（556+366+800）］N~1779N
（2）最大动载荷尺的计算
设工作台在承受最大铳削力时的最快进给速度v二1200mm,min,初选丝杠导程只二5mm,则此时丝杠转速rrv/P,.^240r/min。
取滚珠丝杠的使用寿命7^15000h,代入Z^60n77106,得丝杠寿命系数仃216（单位为:
106r）o
查表3-30,取载荷系数塔二1.2,滚道硬度为HRC60时，取硕度系数忑二1.0,代入式（3-23）,求得最大动载荷：
Fq^九•九耳Q12808.8N
（3）初选型号
根据il•算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-31,选择济亍博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2506-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为25mm,导程为6mm,循环滚珠为3圈XI列，精度等级取4级，额定动载荷为15493X,大于鸟，满足要求。
（4）传动效率n的计算
将公称直径也二25mm,导程R■二6mm,代入=arctan\_Pb/（<^）L得丝杠螺
旋升角4=1.38°o将摩擦角/二10',代入〃二tan久/tanC+G力得传动效率4=96.3%。
（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，见书后图6-23o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
a=500mm；钢的弹性模量=2.1X10‘Mpd；查表3-32,得滚珠直径d二3.969mm,丝杠底径二20.2mm,丝杠截面积S二刃能/4二320.47mm'。
忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷底作用下产生的拉/压变形量&二Ea/（ES）=[1779X500/（2.1X105X320.47）]mm^0.0067mm。
2）根据公式Z=（n^/^）-3,求得单圈滚珠数Z二20；该型号丝杠为单螺母,滚珠的圈数X列数为3X1,代入公式：
Z=ZX圈数X列数，得滚珠总数量Z=60。
丝杠预紧时，取轴向预紧力尽二忙/3二593N。
则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量0.0024mm.=
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，取几二0.0012mm。
3）将以上算出的&和&代入5总二&+&,求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）§©二0.0079mm=7.9〃m。
山表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在31H400mm时，行程偏差允许达到25“m,可见丝杆刚度足够。
（6）压杆稳定性校核
根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷另。
查表3-31,取支承系数坨二1；由丝杠底径4=20.2mm,求得截面惯性矩1=nd?
/64~8172.88mm；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500mm。
代入式（3-28）,得临界载荷珂~22580N,远大于工作载荷Ff1779N,故丝杠不会失稳。
综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。
5.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上安装一套齿轮减速箱。
釆用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。
其中大齿轮设计成双片结构，采用图3-8所示的弹簧错齿法消除侧隙。
Ml
1
A—A
图3-8双片薄齿轮错齿调整机构
1、2、6—齿轮3—螺母4、5—螺钉7—拉簧
已知工作台的脉冲.'勺量/二0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程人二6mm,初选步进电动机的步距角。
二0.75°。
根据（3-12）式，算得减速比：
；=（6?
/?
）/（3605）二（0.75X6）/（360X0.005）二5:
2
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75:
30,材料为45号调质钢，齿表面淬硬后达HRC55。
减速箱中心距为[（75+36）X1/2]mm=55.5mm,小齿轮厚度为20mm,双片大齿轮厚度均为10mm
6.步进电动机的计算与选型
步进电动机的计算与选型参见笫四章笫三节相关内容。
（1）计算加在步进电动机转轴上的总转地惯量已知：
滚珠丝杠的公称直径do=25mm，总长片500mm,导程Ph=6mm,材料密度P=7.85X10'3kg/cm3；移动部件总重量乍800$;小齿轮宽度b】=20mm,直径d产36mm;大齿轮宽度b：
=20mm,直径b:
=75mm；传动比i=5/2a
参照表4-1,算得各个零部件的转动惯量如下（具体汁算过程从略）：
滚珠丝杠的转动惯量Js=0.617kg・cm'拖板折算到丝杠上的转动惯量人二0.517
kg・cm2；小齿轮的转动惯量J：
i二0.259kg・cm'大齿轮的转动惯量Jz：
=4.877kg•cm：
o
初选步进电动机型号为90BYG2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相四拍驱动时步距角为0.75°,从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量Jn=4kg・cm：
o则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：
Jeq=Ja+Jzt+（L+J5）/i2=30.35kg/cm2
2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩J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TqIII式（4-8）可知，Teql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转矩T_；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A；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩Too因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据（4-12）式可知，To相对于Ts和A很小，可以忽略不计。
则有：
（6-13）
根据式（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：
27tJeqrim1
Tamax=X—
601ar/
（6-14）
式中na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几转速所需的时间，单位为s。
Vmax
360x5
其中:
（6-15）
式中dr空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；
a——步进电动机步距角，预选电动机为0.75°；
6——脉冲当量，本例^^0.005mm/脉冲。
将以上各值代入式（6-15）,算得n^l250r/mino
设步进电动机由静止到加速至仏转速所需时间九二0・4s,传动链总效率
7。
则由式（6-14）求得：
7；皿^='“x'OfxlO:
142（N・m）60x0.4x0.7
（6-16）
山式（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—心+G）坨
f2创
2^x0.7x25/12
则由式（6-16）,得：
「=（（）—"）（））>（（）.（）（）5^o.002（N・m）
最后山式（6-13）,求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩:
（6-17）
TefT』T：
=1.422N
2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩久2由式（4-13）可知,
Tg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7；;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7；;还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩h%相对于7；和7；很小，可以忽略不计。
则有:
（6-18）
其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩7；山（4-14）式计算。
本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷尺二1609*,则有：
_FfPh_1609x0.005
2^7；/-2^x0.7x25/12%0-88（X*m）
再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载（疋二556N）情况下,移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：
VW』005x（556+800）x（）.005q°。
。
彳（N・m）
2qi2^x0.7x25/12
最后山式（6-18）,求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩
为:
Tg=L+Tf=0.884N•m
（6-19）
经过上述讣算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为:
Tg-max'Tea,Te}=1.422N•m
（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，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。
因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。
本例中取安全系数用4,则步进电动机的最大静转矩应满足：
—4X=4X1.422N・m二5.688N・m（6-20）
上述初选的步进电动机型号为90BYG2602,山表4-5查得该型号电动机的最大静转矩二6N・m。
可见，满足（6-20）式的要求。
（4）步进电动机的性能校核
1）最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度v^400mm./min,脉冲当量=0.005mm/脉冲山（4-16）式求出电动机对应的运行频率
fz=[400/（60X0.005）]HzQ1333Hz。
从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图6-24可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩7L/5.6N・m,远远大于最大工作负载转矩T4.884N・m,满足要求。
2）最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快空载移
动速度^=3000mm/min,仿照（4-16）式求出电动机对应的运行频率心二[3000/
（60X0.003）]Hz二10000Hz。
从图6-24查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tg=1.8X*m,大于快速空载起动时的负载转矩入二1.422X・m,满足要求。
3）最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速r_=3000mm/min对应的电动机运行频率直■二10000Hz。
查表4-5可知90BYG2602电动机的极限运行频率为20000Hz,可见没有超出上限。
4）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量二30.35kg-cm2电动机转子的转动惯量乂二4kg・cm2,电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率巧二1800Hz.
则山式（4-17）可以求岀步进电动机克服惯性负载的起动频率：
fi=一为二614Hz
上式说明，要想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614Hzo实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。
综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。
0111—
10102103104
//Hz
7.增量式旋转编码器的选用
本设讣所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。
增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。
由步进电动机的步距角04）.75°,可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/0-180个步进脉冲。
考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分（见第四章第五节相关内容），因此，编码器的分辨率可选120线。
这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。
本例选择编码器的型号为：
ZLK-A-120-05V0-10-H：
盘状空心型，孔径
10mm,与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V,每转输出120个A/B脉冲,
信号为电压输出，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。
第五章系统控制软件设计
X-Y数控工作台的控制系统设计，可以参考本章第一节的车床数控系统，但在硬件电路上需要考虑步进电动机（编码器）反馈信号的处理，在软件上要实现半闭环的控制算法。
根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：
（1）接受操作面板的开关与按钮信息；
（2）接受限位开关信号；
（3）控制X,Y向步进电动机的驱动器；
（4）与PC机的串行通信。
CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52,采用8279,和W27C512,6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片oW27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路,时钟电路，越位报警指示电路。
进给控制系统原理框图
图6
驱动电路流程设讣
步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。
设讣时的脉冲当量为0.01mm,步进电机每走一步，工作台直线行进给0.Olmmo步进电机驱动电路中釆用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路岀现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。
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图7步进电机驱动电路图
该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。
电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。
与绕组W吊联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。
3、步进电动机驱动电源的选用
本例中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。
查表4-14,选择与之配套的驱动电源为BD28Nb型，输入电压100VAC,相电流4A,分配方式为二相八拍。
（注：
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