XY数控工作台设计说明书.docx
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XY数控工作台设计说明书
何贤照07011095
1、总体方案设计
1.1 设计任务
课程设计任务：
设计两轴联动的数控 X-Y 运动平台，完成机械系统设计、控
制系统设计与相应软件编程，根据实验条件进行调试，完成整个开发系统。
主要参数见下表：
系列型号行程
台面尺寸
底座外形尺寸
最大
负载
XY 最大
重复定
定位
XY
C B H
C1 B1 H1
长度 重量 移动速
位
精度
L
HXY-402540025024025415650500184778
N
500
度
1M/分 ±0.02 0.04
1.2 总体方案确定
1.2.1 方案确定思想
方案一：
机械部分
传动：
滚珠丝杠螺母副
支撑：
双推-双推式 滑动导轨
控制部分
控制器件：
单片机
控制方式：
开环控制
伺服电机：
步进电动机
优点：
采用滚珠丝杠螺母副，可实现旋转运动与直线运动相互转换，在具有螺旋槽
的丝杠螺母中装有滚珠作为中间传动元件，以减少摩擦。
优点是摩擦系数小，传
动效率高，灵敏度高，传动平稳，不易产生滑行，传动精度和定位精度高；磨损
小，使用寿命长，精度保持性好。
双推式支撑实现高精度传动，采用单片机控制
步进电动机，响应快速而准确。
缺点：
滚珠丝杠螺母副的不足在于制造工艺复杂，成本高，不能自锁，故需附加制
动装置。
开环控制精度比较低。
方案二：
机械部分
传动：
同步带传动
支撑：
滑动导轨
控制部分
控制器件：
单片机
控制方式：
开环控制
伺服电机：
直流无刷电机
优点：
1
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同步带传动无相对滑动，传动比准确，传动精度高，齿形带的强度高，厚度
小、重量轻，故可用于高速传动；传动比恒定，同步带无需特别涨紧，因而作用
于轴和轴承等上的载荷小，传动效率高。
单片机控制直流无刷电机，空载电流小，
效率高。
缺点：
同步带工作时候有温度要求，安装精度要求较高，中心间距要求较高，有时
候需要张紧，安装麻烦。
无刷直流电机启动时有震动，控制器要求高，价格高。
采用开环精度较低。
方案三：
机械部分
传动：
齿轮齿条
支撑：
直线导轨
控制部分
控制器件：
单片机
控制方式：
闭环控制
伺服电机：
直流无刷电机
优点：
齿轮齿条传动功率大，精度高，稳定性好，响应速度快。
单片机控制直流无
刷电机，无刷直流电机启动时有震动，控制器要求高，价格高。
采用开环精度较
低。
采用闭环控制，精度高。
双线导轨稳定。
缺点：
齿轮齿条无自锁，需要外加自锁机构。
噪音大，磨损较快。
1.2.2 方案对比分析与确定
综合课程设计要求，精度为 0.04mm，最大载荷是 500N，相比同步带和齿轮
齿条传动，滚珠丝杠传动更符合精度要求，因为丝杠传的动的精度可以达到±
0.01mm，而同步带传动时会产生弹性变形，具有一定的蠕变性。
齿轮齿条传动精
度和滚轴丝杠精度相当，但是安装较麻烦，安装精度要求高。
步进电动机和直流无刷电机相比，步进电动机控制简单，启动稳定，而直流
无刷电机控制要求高，成本高，课程设计要求精度未达到微米级别，空载转速要
求为 1m/min,因此采用低档的步进电动机就能满足要求。
开环控制结构简单控制容易，稳定性好，一般用于轻载变化不大的场合，根
据最大载荷 500N 的要求，可以满足。
综合以上分析，决定选择第一种方案。
采用单片机控制步进电动机提供动力，
滚轴丝杠传递动力，总体采用开环控制。
1.2.3 总体方案系统组成
机械系统由滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副、步进电机、单列角接触球轴承等
组成。
控制系统由单片机和计算机等组成。
2
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2、机械系统设计
2.1 导轨上移动部件的重量估算
按照下导轨上面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、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为 900N。
2.2 直线滚动导轨副的计算与选型
（1）滑块承受工作载荷 F 的计算方法及导轨型号的选取
max
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 工作台
为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。
单滑块所承受的最大垂直方向载
荷为；
Fmax==225N
4
查表，根据工作载荷 F =0.225kN，初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的
max
JAS-LG15 型，其额定动载荷 C =7.94kN，额定静载荷 C =9.5kN。
a0a
任务书规定工作台面尺寸为 240mm×254mm，加工范围为 400mm×250mm，查
表，按标准系列选取导轨的长度为 640mm。
（2）距离额定寿命 L 的计算
所选导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过 100℃，精度为 4 级。
查
表取硬度系数 f =1.0、温度系数 f =1.00、接触系数 f =0.81、精度系数 f =0.9、
HTCR
载荷系数 f =1.5，代入式子
W
L =（ fHfTfCfR
fW
Ca
Fmax
3
）×50 ≈ 182619km
远远大于 50km，故距离额定寿命满足要求。
2.3 滚珠丝杠螺母副的选型与校核
（1） 最大工作载荷 F 的计算
m
已知移动部件总重量 G=900N，滚动导轨上的摩擦因素 u=0.004。
求得滚珠丝
杆副的最大工作载荷：
F =μG=0.004×900=3.6N
m
（2） 最大动载荷 F 的计算
Q
该工作台的最快进给速度 v=1000mm/min，初选丝杆导程 P =5mm，则此时丝
h
杆转数 n=v/P =200r/min，取滚珠丝杆的使用寿命 T=15000h，代入
h
Lo = 60nt /10 6
得 Lo=180（单位为：
106r） 。
查表，取载荷系数f =1.2，滚道硬度 60HRC 时，
W
取硬度系数 f
H
=1.0.，代入得滚动丝杠最大动载荷
F = 3 L f F ≈24.4N
Qmm
（3） 初选型号
根据计算出的动载荷和丝杆导程，查表选择 G 系列 2005—3 型滚珠丝杆副，
为内循环固定反向器螺母式，其公称直径为 20mm，导程为 5mm，循环滚珠为 3
3
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圈×1 列，精度等级取 5 级，额定动载荷为 9309N,大于 F ，满足要求。
Q
（4） 传动效率η的计算
将公称直径 d =20mm，导程 P =5mm，传动效率
0h
η =
tgλ
tg （λ + ϕ ）
= 96.4%
（5） 刚度的验算
1） 丝杠左右支承德中心距约为 a=600mm；滚珠直径 D =3.175mm；丝杆底径
W
D =16.2mm；丝杆截面积 S=206.12mm²。
滚珠丝杆满载时拉压变形量：
2
δ
3.6 ⨯ 560
m
ES 2.1⨯ 10 5 ⨯ 206.12
2） 根据 Z=（πd /D ）-3，得单圈滚珠数 Z=20；该型号丝杆为单螺母，滚珠
0W
的圈数×列数为 3×1，F =F /3=1.2N。
得滚珠与螺纹滚道间的接触变形
YJM
量
3） δ =+ δ =0 δ .3um
总21
δ
2 = 0.00008mm
丝杆行程为 315—400mm，允许到 25um，故丝杆刚度足够。
（6） 压杆稳定性校核
滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去
稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。
失稳时的载荷载荷为 F ，
K
I = π d 4 / 64mm = 3380.88mm
1
F =9343N 远大于工作载荷 F ，因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。
Km
2.4 步进电动机的计算与选型
（1）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量 J
eq
已知：
滚珠丝杆直径 d =20mm,总长 l=600mm，导程 P =5mm，材料密度 p=7.85
oh
×10 -3 ；移动部件总重力 G=900N，传动比为 1。
算得各个零部件的转动惯量如下：
滚珠丝杆的转动惯量 J =m D2/8=0.69kg×
si
cm²
拖板折算到丝杆上的转动惯量 J =（P /2π）=0.57kg·cm²
Wh
初选步进电机型号为 90BYG2602，为两相混合式，步距角为 0.75°，从表查
得该电机转子的转动惯量 J =4kg·cm²。
m
则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：
J = J +（ J + J ）/i²=5.26kg·cm²
eqmwS
（2）计算加在步进电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） 快速空载起动时电机转轴所承受的负载转矩 T =T
eq1
amax
+T
f
T
amax
为快速空载起动时折算到电机转轴上的最大转矩；T 是移动部分折算到电机
f
4
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转轴上的摩擦转矩。
T
a max
m
T
eq1
= T
a max
+ T = 0.0803 N·m。
f
2） 最大负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 Teq =T +T
2tf
T 为折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩;
t
T 是移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩;
f
T =
t
Ff Ph
f f
T =T =0.036 N·m；
eq2f
T = max{T , T } = 0.0803 N·m。
eqeq1eq 2
（3）步进电机最大静转矩的选定
考虑到步进电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 T 来选择步进电机的最
eq
大静转矩时，需要考虑安全系数。
取安全系数 K=4.，则步进电动机的最大静转
矩应满足：
T
j max
≥ 4T = 4 x1.422 = 5.688 N·m。
eq
上述初选的步进电动机型号为 90BYG2602，由表得该型号电动机的最大静转
矩T
jmax
=6N·m。
可见，满足要求。
（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
给定工作台最快工进速度 V
maxf
=1M/分，求得电动机对应的运行频率
f
maxf
=
1000
60 x0.01
=1667Hz，
从 90BYG2602 电动机的运行频率特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机
的输出转矩 T
=5.5N·m，远远大于最大工作负载转矩 T =0.0036 N·m，满足
maxf eq2
要求。
2）最快空载移动时电动机输出转矩校核
给定工作台最快工进速度 V
maxf
=1M/分，求得电动机对应的运行频率
f
maxf
=
1000
60 x0.01
=1667Hz
从 90BYG2602 电动机的运行频率特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机
的输出转矩 T=5.5N·m，远远大于快速空载启动时的负载转矩 T =0.0803 N·m，
maxfeq1
满足要求。
3） 最快空载移动时电动机运行频率校核
与 最 快 空 载 移 动 速 度 v =3000mm/min 对 应 的 电 动 机 运 行 频 率 为
max
f =10000Hz。
查表可知 90BYG2602 电动机的空载运行频率可达 20000Hz，没超出
max
5
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上限。
4） 启动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量 J =5.26kg×cm2，电动机转子的转动惯量
eq
J =4kg×cm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率 f =1800Hz。
可求出步
mq
进电机克服惯性负载的起动频率：
f =fq
L
Jm
= 1200Hz
上式说明，要想保证步进电机启动时不失步，任何时候的起动频率都必须小
于 1200Hz。
实际上，采用软件升降频时，起动频率选的更低，通常只有 100Hz。
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。
2.5 机械系统结构设计
设计结构如图所示:
x-y 数控工作台结构
此数控工作台主要由步进电机、丝杠螺母副、滚动导轨副、工作台、轴承座、
端盖、轴承、联轴套、键、垫圈等组成。
（具体见装配图附录）
6
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3、控制系统硬件设计
处理芯片
DB9接头电路原理图
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步进电机驱动电路图
电路原理图
硬件电路采用 AT89C51 单片机处理程序，采用 ULN2003 芯片驱动电机，整个
电路采用光电耦合，实现带暖气隔离，保护电路不受强点伤害。
采用 DB9 接头和
电脑相连。
8
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4、控制系统软件设计
4.1 控制系统软件总体方案设计
硬件电路采用 AT89C52 单片机作为处理器，ULN2003 驱动板作为电机驱动电
路，单片机和上位机采用 DB9 接头连接。
程序设计为点动控制，从原点开始到特
定点的运动。
通过控制单片机的相应引脚输出高低电平，利用单片机的中断，通过键盘控
制点动，实现功能。
4.2 主流程设计
总中断开
外部中断
开
给 P1 口赋值
循环
中断信号
#include
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
uchar num,temp;
void delay（uint z）;//延时程序的声明;
void main（）
{
EA=1;// CPU 开总中断；
EX0=1;//外部中断开；
P1=0xcf;//电机 1 的二个引脚交替通电;
delay（1000）;
P1=0x9f;
delay（1000）;
P1=0x3f;
delay（1000）;
P1=0x6f;
delay（1000）;
}
9
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void delay（uint z）//延时程序；
{
uint x,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
void zd（）interrupt 0//中断程序；
{
P1=0xfc;//电机 2 两个引脚相继通电；
delay（1000）;
P1=0xf9;
delay（1000）;
P1=0xf3;
delay（1000）;
P1=0xf6;
delay（1000）;
}
4.3 中断服务流程设计：
键盘按钮产生电平变化，CPU 外部中断开启，调用中断程序，使电机 1 停
止转动，并保持当前状态，中断程序使得电机 2 转动。
以下是中断子程序：
void zd（）interrupt 0//中断程序；
{
P1=0xfc;//电机 2 两个引脚相继通电；
delay（1000）;
P1=0xf9;
delay（1000）;
P1=0xf3;
delay（1000）;
P1=0xf6;
delay（1000）;
}
10
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5.总结
我们这次设计的是不考虑铣削力情况下的工作台结构，大大降低了设计难
度。
我做的是计算部分，主要是计算导轨、丝杆等。
通过本次课程设计，我大致
了解了铣床的构造和工作原理。
零部件的设计，要综合考虑安全、使用、经济等
方面因素。
不过最重要的还是团队合作，这将是一次重要的实践经验。
参考文献
[1].尹志强.机电一体化课程设计指导书[M].北京：
机械工业出版社，2007.7.
[2].赵松年.机电一体化机械设计系统[M].北京：
机械工业出版社，1997.6..
[3].张建民等.机电一体化系统设计[M].北京：
北京理工大学出版社，1996.8.
[4].陈强，解云龙.机械系统的微机控制[M].北京：
清华大学出版社，1999.8.
[5].周佩玲.微机原理与接口技术[M].北京：
电子工业出版社，2004.
[6].吴秀清.微型计算机原理与接口技术[M].北京：
清华大学出版社，2003.
[7].沈美明.IBM-PC 汇编语言程序设计[M].北京：
清华大学出版社，2002.
[8].张伟.Protel DXP 入门与提高[M].北京：
人民邮电出版社，2003.2.
[9].钱培怡.电子电路实验与课程设计[M].北京：
地震出版社，2002.6.
[10].各类机电产品设计手册.
11
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