XY数控工作台设计说明书1.docx
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XY数控工作台设计说明书1
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
最大长度
L
负载重量
N
XY最大移动速度
重复定位
定位精度
X
Y
C
B
H
C1
B1
H1
HXY-4025
400
250
240
254
15
650
500
184
778
500
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：
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、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Fmax的计算方法及导轨型号的选取
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。
单滑块所承受的最大垂直方向载荷为；
Fmax=
=225N
查表，根据工作载荷Fmax=0.225kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JAS-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。
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fH=1.0、温度系数fT=1.00、接触系数fC=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fW=1.5，代入式子
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Fm的计算
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：
Fm=μG=0.004×900=3.6N
（2）最大动载荷FQ的计算
该工作台的最快进给速度v=1000mm/min，初选丝杆导程Ph=5mm，则此时丝杆转数n=v/Ph=200r/min，取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h，代入
得Lo=180（单位为：
106r）。
查表，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度60HRC时，取硬度系数fH
=1.0.，代入得滚动丝杠最大动载荷
≈24.4N
（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圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N,大于FQ，满足要求。
（4）传动效率η的计算
将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，传动效率
（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DW=3.175mm；丝杆底径D2=16.2mm；丝杆截面积S=206.12mm²。
滚珠丝杆满载时拉压变形量：
；
2）根据Z=（πd0/DW）-3，得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杆为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，FYJ=FM/3=1.2N。
得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量
3）
总=+
2=0
1.3um
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FK，
FK=9343N远大于工作载荷Fm，因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。
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Jeq
已知：
滚珠丝杆直径do=20mm,总长l=600mm，导程Ph=5mm，材料密度p=7.85×
；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Js=miD2/8=0.69kg×cm²
拖板折算到丝杆上的转动惯量JW=（Ph/2π）=0.57kg·cm²
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Jm=4kg·cm²。
则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：
=
+（
+
）/i²=5.26kg·cm²
（2）计算加在步进电机转轴上的等效负载转矩Teq
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Teq1=Tamax+Tf
Tamax为快速空载起动时折算到电机转轴上的最大转矩；Tf是移动部分折算到电机转轴上的摩擦转矩。
=
；其中nm=
。
=
N·m；
N·m。
2）最大负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2=Tt+Tf
Tt为折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩;
Tf是移动部件运动时折算到电机转轴上的摩擦转矩;
=
，（Ff不计）；Tf=
N·m；
Teq2=Tf=0.036N·m；
N·m。
（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Teq来选择步进电机的最大静转矩时，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：
N·m。
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Tjmax=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Vmaxf=1M/分，求得电动机对应的运行频率
fmaxf=
=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Tmaxf=5.5N·m，远远大于最大工作负载转矩Teq2=0.0036N·m，满足要求。
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Vmaxf=1M/分，求得电动机对应的运行频率
fmaxf=
=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Tmaxf=5.5N·m，远远大于快速空载启动时的负载转矩Teq1=0.0803N·m，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vmax=3000mm/min对应的电动机运行频率为fmax=10000Hz。
查表可知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000Hz，没超出上限。
4）启动频率的计算
已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=5.26kg×cm2，电动机转子的转动惯量Jm=4kg×cm2，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率fq=1800Hz。
可求出步进电机克服惯性负载的起动频率：
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）
3、控制系统硬件设计
处理芯片
DB9接头电路原理图
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。
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
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
ucharnum,temp;
voiddelay（uintz）;//延时程序的声明;
voidmain（）
{
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）;
}
voiddelay（uintz）//延时程序；
{
uintx,y;
for（x=z;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
voidzd（）interrupt0//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：
voidzd（）interrupt0//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）;
}
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
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