xy工作台设计大学毕设论文.docx
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xy工作台设计大学毕设论文
本科毕业论文
题目X-Y工作台
院系：
机械系
专业：
机械设计制造及其自动化
班级：
学生姓名：
指导教师：
论文提交日期:
论文辩论日期:
摘要
当今世界电子技术迅速开展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的开展起到了极大的推动作用。
新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向开展。
立式铣床与卧式铣床相比拟，主要区别是主轴垂直布置，除了主轴布置不同以外，工作台可以上下升降，立式铣床用的铣刀相对灵活一些，适用范围较广。
可使用立铣刀、机夹刀盘、钻头等。
机床设计符合人体工程学原理，操作方便；
操作面板均使用形象化符号设计，简单直观。
装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化程度，数控技术及装备是开展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最根本的装备，又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。
X—Y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。
关键词：
X—Y工作台，伺服电机，机床系统设计。
Abstract
Therapiddevelopmentofelectronictechnologyintoday'sworld,amicroprocessor,microcomputertechnologyinvariousfieldshasbeenwidelyusedinvariousfieldsforthedevelopmentoftechnologyhasplayedagreatroleinpromoting.AnewgenerationofCNCsystemssuchtypicalmechatronicsproductsaremovingtowardsahigh-performanee,intelligent,systematicandlightweight,miniaturizationdirection.Verticalmillingandhorizontalmillingmachinecomparedtothemajordifferenceisthattheverticalspindlearrangement,exceptforthedifferentarrangementofthespindle,thetablecanbeupanddown,verticalmillingcutterwithrelativelyflexible,widerscope.Youcanusemills,floatingcutter,drillandsoon.Ergonomicmachinedesign,easytooperate;usetheoperatorpanelSymbolsdesign,simpleandintuitive.
Technologyandmodernizationoftheequipmentindustrydeterminesthelevelanddegreeofmodernizationoftheentirenationaleconomy,numericalcontroltechnologyandequipmentisthedevelopmentofnewhigh-techindustryandcutting-edgetechnologyandindustryenablingthemostbasicequipment,isnowadaysadvaneedmanufacturingtechnologyandequipmentcoretechnology.CNCtechnologyisamechanicalmovementwithdigitalinformationandworkprocesscontroltechnology,CNCnumericalcontrolequipmentisnewtechnology,mechatronicstechnologyrepresentsfortraditionalmanufacturingindustriesandemergingmanufacturingPenetrationofitstechnologycoveragemanyareas.X-Ytabledrivewaytoguaranteeacertaintransmissionaccuracyandstabilityandacompactstructure,theuseoftheballscrewnuttransmissionpair.Toimprovethetransmissionstiffnessandeliminatethegap,thereistheuseofpre-loadstructure.Due
totheweightofthemovingpartsofthetableandtheworkloadisnotbig,sotheselectionoflinearguides,therebyreducingthecoefficientoffrictionofthetabletoimprovethemovementsmooth.
Keywords:
X-Ytable,servomotors,machinetooldesignsystems.
前言1.
第一章总体方案设计2
1.1总体方案确定2.
第二章机电系统设计3
2.1设计任务3.
2.2机电系统总体方案确实定3
第三章绘制装配图13
第四章电气原理图设计13
4.1典型数控工作台电气原理图13
4.2单片机的选择14
4.3外部程序存储器的扩展1.4
4.4外部数据存储器的扩展1.5
4.5I/O口扩展电路15
4.6显示器接口设计15
4.7键盘接口电路设计1.5
5.8步进电机的接口电路设计15
第五章控制系统设计1.6
5.1控制系统硬件设计1.6
5.2CPU接口设计17
5.3驱动系统18
第六章控制系统软件设计20
6.1总体方案20
6.2主流程图21
6.3X轴电机点动正转程序流程图22
第七章结论25
参考文献26
致谢27
、八,、■
刖言
随着现代信息技术的开展，机械加工技术发生了深刻的变化，一方面是向着提高产品加工的生产效率为主的高度自动化方向开展，另一方面那么是向着以提高
产品质量为主的精密化方向开展。
现代机电设备的结构越来越复杂，融机、电、
光、液等技术于一体功能也越来越复杂和完善。
在这种情况下如何提高产品的加工质量成为机械制造行业迫切需要解决的问题之一。
而工作台是实现高精密加工的核心部件，它的传动部件的定位精度直接影响系统的加工精度。
如何有效地
提高机床的定位精度是现在当前研究的一项重要课题。
X-丫工作台是实现平面X、丫坐标运动的典型关键部件，能分别沿X向和丫向移动的工作台称为X-丫工作台。
其工作原理是X、丫向均采用伺服电机通过齿轮减速和丝杆传动后，带开工作台做X-丫向的运动。
如图右图1所示，工作台由两个互相独立的、互为垂直的导向导轨、传动系统及工作台面等组成。
其中X向工作台固定在丫向工作台的工作台面上，由丫向工作台带动其作丫向运动，X向工作台通过定位销定位于丫向工作台上，两者在水平面上保持正交。
工作台上，动导轨沿着静导轨做定向直线运动。
为保持高刚度和无间隙连接，一个适宜的预载荷被施加在滚珠丝杠和滚珠导轨上。
伺服电机与滚珠丝杠之间采用刚性联轴器直接连接。
与伺服图1X-丫工作台示意图电动机直接连接的增量式码盘被用于速度的反应。
位置测量信号那么来自于安装在工作台上的直线光栅，
位置测量值同时被计算机上的数据采集卡所记录，用来分析X-丫工作台的运动精度。
位置控制是利用DSP制造的基于PC机的运动控制卡来实现。
第一章总体方案设计
数控技术的开展趋势。
数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断开展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业IT、汽车、轻工、医疗等的开展起着越来越
重要的作用。
从目前世界上数控技术及其装备开展的趋势来看，其主要研究热点
有以下几个方面：
（1）高速、高精加工技术及装备的新趋势效率、质量是先进制造技术的主体。
高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，
缩短生产周期和提高市场竞争能力。
从EM02001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。
目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的
生产线局部替代组合机床。
在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10卩m提高到5卩m，精密级加工中心那么从3〜5卩m，提高到1〜1.5卩m并且超精密加工精度已开始进入纳米级0.1卩m。
为了实现高速、高精
加工，与这配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的开展，应用领域进
一步扩大。
（2）5轴联动加工和复合加工机床快速开展采用5轴联动对三维曲面
零件的加工，可用刀具最正确几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。
（3）智能化、开放式、网络化成为当代数控系统开展的主要趋势21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的
各个方面：
为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。
1.1总体方案确定
（1）系统的运动方式与伺服系统
由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。
定位方式采用增量坐标控制。
为了简化结构，降低本钱，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y
工作台。
（2）计算机系统
本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。
它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。
控制系统由微机局部、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。
系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。
LED显示数控工作台的状态。
（3）X-Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。
为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。
由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。
采用
滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。
考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为到达分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。
图1-1系统总体框图
第二章机电系统设计
2.1设计任务
设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：
（1）立铣刀最大直径d=10mm；
（2）立铣刀齿数Z=3;
（3）最大铣削宽度ae=10mm；
（4）最大铣削深度ap=5mm；
（5）加工材料为碳素钢或有色金属；
（6）X、丫方向的脉冲当量&=&=0.001mm/脉冲；
（7）X、丫方向的定位精度均为±0.015mm；
（8）工作台面尺寸为230mnX230mm,加工范围为180mnX300mm；
（9）工作台空载最快移动速度vxmax=vymax=6000mm/min；
（10）工作台进给最快移动速度vxmaxf=vymaxf=800mm/min。
2.2机电系统总体方案确实定
机电系统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，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0.005mm的脉冲当量和±〕.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到达。
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，所以采用无间隙齿轮传动减速箱。
〔4〕伺服电动机的选用
任务书规定的脉冲量尚未到达0.001mm，定位精度也未到达微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/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，以降低本钱，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。
考虑到X、丫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、丫两个坐标的导轨副、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。
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根本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。
〔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〕选择适宜的驱动电源，与步进电动机配套使用。
一、机械传动部件的计算与选型
1.导轨上移动部件的重量估算
由台面尺寸为180300，查课程设计指导书表3-23，估计取工作台厚度
30mm那么重量：
按重量二体积x材料比重估算
1803003010二7.810匸:
.210N
X向拖板〔上拖板〕：
估计上丝杆长度，由l^lvle，余程le查表5-4取20mn，那么丝杆长度约为320。
电动机约2kg，托板和导轨合估计为
3201803010；7.810,210：
210N
工作物重为G
那么X-Y工作台运动局部的总重量=〔420+G〕。
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800N。
2.铣削力的计算
设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。
那么查表得立铣时的铣削力计算公式为：
Fc
0.85
=118ae
0.75._0.731.00.13
d一apnZ
（1）
今选择铣刀直径d=10mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度ae=10mm，铣削深度ap=5mm，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=300r/min。
那么由式〔1〕求得最大铣削力：
Fc=118X100.85X〕.10.75X10_0.73X51.0X3000.13x3N871N
采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由查表，并考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：
Ff=1.1Fc胡58N,Fe=0.38FcP31N，
Ffn=0.25FcP18N,工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=331N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。
今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向〔丝杠轴线方向〕，那么纵向铣削力Fx=Ff=958N，径向铣削力Fy=Ffn=218N。
223直线滚动导轨副的计算与选型
〔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工作台
为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。
考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承当，那么单滑块所受的最大垂向载荷为：
G
Pc=GF〔2〕
4
其中，移动部件重量G=800N，外加载荷F=Fz=331N，代入〔2〕式得最大工作载荷Pc=531N=0.531kN。
查表，根据工作载荷Pc=0.531kN,初选直线滚动导轨副的型号为：
HJG-DA15C额定动载荷为6.8KN,满足要求。
任务书规定加工范围180mnX300mm，考虑工作行程应留有一定余量，按标
准系列，选取导轨的长度为340mm。
（2）距离额定寿命的计算
上述选取的：
HJG-DA15C型导轨副的滚道硬度为HRC60,工作温度不超过100C，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，分别取硬度系数fH=1.0,温度系数存=1.00,接触系数fc=0.81，精度系数
fR=0.9，载荷系数fw=1.5，得距离寿命：
fHfTfCfRCa\3
L=（）50-6649km
fWPc
远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求
224滚珠丝杠的设计计算
（1）最大工作载荷Fm的计算
当承受最大铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=958N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=218N，受到垂向的载荷（与
工作台面垂直）Fz=331N。
移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数厅0.005。
求得滚珠
丝杠副的最大工作载荷：
Fm=KFx+（Fz+Fy+G）=[1.1958+0.005（331+218+800）]N邛061N
（2）最大动载荷Fq的计算
设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=800mm/min，由课本表5-3，
初选丝杠导程Ph=5mm，那么此时丝杠转速n=v/Ph=160r/min。
取滚珠丝杠的使用
寿命T=15000h,代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L°=144（单位为：
106r）<
查表，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，求得最大动载荷：
3I
Fq=.L。
fWfHFm-7746N
（3）初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的取HJG-S2005-3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20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈X1列，精度等级取3级，其额定动载荷为9022N,足够用。
故HJG-S2005-3型滚珠丝杠根本导程为5mm1v为丝杠有效行程300，取余程le=20mm那么lu为丝杠螺纹全长320，公称直径
do=20mm。
表1滚珠丝杠螺母副几何参数
名称
符号
计算公式和结果
螺纹滚道
公称直径
d。
20
螺距
t
4
接触角
P
45°
钢球直径
dq
2
螺纹滚道法面半径
R
R=0.52dq=1.04
偏心距
e
e=（R-dq/2）sinB=0.03
螺纹升角
1
耐to
Y=arctg=3.63
兀d°
螺杆
螺杆外径
d
d=d0-（0.2~0.25）dq=19.5
螺杆内径
di
d]=d0+2e-2R=17.98
螺杆接触直径
dz
dz=d0-dqcosP=18.59
螺母
螺母螺纹外径
D
D=d0-2e+2R=22.02
螺母内径（外循环）
D1
D1=d0+（0.2~0.255）dq=20.5
（4）传动效率n的计算
将公称直径do=2Omm,导程Ph=5mm,代入启arctan[Ph/（n0）]，得丝杠螺旋升角入=.63。
将摩擦角护10',代入n=tan入tan（入+©）得传动效率n=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。
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=2.1Mpa;查表，得滚珠直径=3.175mm,丝杠底径=16.2mm,丝杠截面积/4=206.12mm2。
得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量a=Fma/（ES）=[1779€00/（2.1206.12）]mm~0.0205mm
2）根据公式Z=（二d°/Dw）-3，求得单圈滚珠数Z=20;该型号丝杠为单螺
母，滚珠的圈数M列数为3X1,代入公：
=ZX圈数於列数，得滚珠总数量Z^=60<
丝杠预紧时，取轴向预紧力Fyj=Fm/3=593N,求得滚珠与螺纹滚道间的接触
变形量：
•2〜0.0026mm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2=0.0013mmo
3）将以上算出的r和代入：
总二「*2，求得丝杠总变形量（对应跨度
500mm）「•总二0.0218mm=21.8即。
由表知,5级精度滚珠丝杠有效行程在
315~400mm时，行程偏差允许到达25，可见丝杆刚度足够。
（6）压杆稳定性校核
根据公式计算失稳时的临界载荷Fk。
查表，取支承系数fk=1;由丝杠底径d2=16.2mm,求得截面惯性矩I=n：
d；/64〜3380.88mrp压杆稳定平安系数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500
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