数控十字工作台设计

数控十字工作台设计目录第一章绪论……………………………………………………………………11.1数控十字工作台概述…………………………………………………………………11.2数控十字工作台的应用………………………………………………………11.3设计任务………………………………………………………………………11.4总体设计方案分析……………………………………………………………2第二章机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计…………………………42.1XY工作台的设计………………………………………………………………42.1.1主要设计参数及依据………………………………………………………42.1.2XY工作台部件进给系统受力分析………………………………………42.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量……………………………………42.2Z轴随动系统设计………………………………………………………………5第三章滚珠丝杠传动系统的设计计算…………………………………………73.1滚珠丝杠副导程的确定………………………………………………………73.2滚珠丝杠副的传动效率………………………………………………………7第四章直线滚动导轨的选型……………………………………………………9第五章步进电机及其传动机构的确定…………………………………………115.1步进电机的选用………………………………………………………………115.1.1脉冲当量和步距角………………………………………………………115.1.2步进电机上起动力矩的近似计算………………………………………115.1.3确定步进电机最高工作频率……………………………………………125.2齿轮传动机构的确定…………………………………………………………125.2.1传动比的确定……………………………………………………………125.2.2齿轮结构主要参数的确定………………………………………………125.3步进电机惯性负载的计算……………………………………………………13第六章传动系统刚度的确定……………………………………………………156.1根据工作台不出现爬行的条件来确定传动系统的刚度……………………156.2根据微量进给的灵敏度来确定传动系统刚度………………………………15第七章消隙方法与预紧…………………………………………………………177.1消隙方法………………………………………………………………………177.1.1偏心轴套调整法…………………………………………………………177.1.2锥度齿轮调整法…………………………………………………………187.1.3双片齿轮错齿调整法……………………………………………………187.2预紧……………………………………………………………………………19第八章控制系统设计……………………………………………………………208.1确定机床控制系统方案………………………………………………………208.2主要硬件配置…………………………………………………………………208.2.1主要芯片选择……………………………………………………………208.2.2主要管脚功能……………………………………………………………208.2.3EPROM的选用……………………………………………………………218.2.4RAM的选用………………………………………………………………228.2.589C51存储器及I/O的扩展………………………………………………228.2.68155工作方式查询………………………………………………………238.2.7状态查询…………………………………………………………………248.2.88155定时功能……………………………………………………………258.2.9芯片地址分配……………………………………………………………268.3总体程序控制…………………………………………………………………278.3.1流程图………………………………………………………………………278.3.2总程序………………………………………………………………………278.4键盘设计………………………………………………………………………288.4.1键盘定义及功能……………………………………………………………288.4.2键盘程序设计………………………………………………………………298.5显示器设计……………………………………………………………………338.5.1显示器显示方式的选用……………………………………………………338.5.2显示器接口…………………………………………………………………348.5.38155扩展I/O端口的初始化………………………………………………348.6插补原理………………………………………………………………………358.7光电隔离电路…………………………………………………………………358.8越界报警电路…………………………………………………………………36第九章步进电机接口电路及驱动………………………………………………39第十章总结……………………………………………………………………40致谢…………………………………………………………………………………41参考文献………………………………………………………………………………42第一章绪论1.1数控十字工作台概述数控十字工作台，“十五”的主要工作是促进加工产业的发展，保持年产值20％的平均增长率，实现年产值200亿元以上；在工业生产应用中普及和推广加工技术，重点完成电子、汽车、钢铁、石油、造船、航空等传统工业应用激光技术进行改造的示范工程；为信息、材料、生物、能源、空间、海洋等六大高科技领域提供崭新的激光设备和仪器。数控化与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的工件定位相结合，形成研制和生产加工中心，已成为发展的一个重要趋势。1.2数控十字工作台的应用数控十字工作台是光、机、电一体化高度集成设备，科技含量高，与传统机加工相比，数控十字工作台的加工精度更高、柔性化好，有利于提高材料的利用率，降低产品成本，减轻工人负担，对制造业来说，可以说是一场技术革命。1.3设计任务本次设计任务是设计一台单片机（89C51主控芯片）控制数控十字工作台床，主要设计对象是XY工作台部件及89C51单片机控制原理图。而对数控十字工作台其他部件如冷水机、激光器等不作为设计内容要求，只作一般了解。单片机对XY工作台的纵、横向进给脉冲当量0.001mm/pluse。工作台部件主要构件为滚珠丝杠副、滚动直线导轨副、步进电机、工作台等。设计时应兼顾两方向的安装尺寸和装配工艺。1.4总体设计方案分析参考数控数控十字工作台的有关技术资料，确定总体方案如下：采用89C51主控芯片对数据进行计算处理，由I/O接口输出控制信号给驱动器，来驱动步进电机，经齿轮机构减速后，带动滚珠丝杠转动，实现进给。其原理示意图1-1。图1-1系统总体原理图微机控制线路图参考MCS－51系列单片机控制XY工作台线路图。步进电机参照RORZE株式会社的产品样本选取，以保证质量和运行精度,同时驱动器也选用RORZE的配套驱动器产品。滚珠丝杠的生产厂家很多，本设计参照了汉江机床厂、南京工艺装备制造厂的样本资料，力求从技术性能、价格状况、通用互换性等各方面因素考虑，最后选用南京工艺装备厂的FFZD系列滚珠丝杠，即内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杠副。本设计弃用Z80，而选用单片机。单片机体积小、抗干扰能力强，对环境要求不高，可靠性高，灵活性好，性价比大大超过了Z80。比较后选用89C51为主芯片。在使用过程中89C51虽有4K的FLASH（E2PROM），但考虑实际情况需配备EPROM和RAM，并要求时序配备。选晶体频率为6MHz，89C51读取时间约为3t，则t＝480ns,常用EPROM读取时间约为200~450ns。89C51的读取时间应大于ROM要求的读取时间。89C51的读写时间约为4T，则TR＝660ns，TW=800ns，常用RAM读写时间为200ns左右，均满足要求。根据需要，扩展I/O接口8155，因显示数据主要为数字及部分功能字，为简化电路采用LED显示器。键盘采用非编码式矩阵电路。为防止强电干扰，采用光电隔离电路。控制器驱动器驱动器步进电机步进电机X向工作台Y向工作台5第二章机械部分XY工作台及Z轴的基本结构设计2.1XY工作台的设计2.1.1主要设计参数及依据1、设计可沿X向和Y向数控运动的工作台；2、数控运动驱动力源可以采用步进电机或交流伺服电机驱动，但是所选电机必须与该电机生产厂所列技术数据一致；3、工作台尺寸400×250mm（X/Y）；4、工作台工作行程为：300×150mm（X/Y）；5、脉冲当量：X向0.01mm/脉冲；Y向0.01mm/脉冲；6、X/Y向最高工作进给速度：300mm/min；7、X/Y向最高空载快进速度：700mm/min；8、X/Y/Z向切削负载为：2000/2000/1000N；9、工件最大重量（包括夹具）为：150KG；10、工作寿命每天8小时，连续工作5年，250天/年2.1.2XY工作台部件进给系统受力分析因机床工件之间不直接接触,因此可以认为在加工过程中没有外力负载作用。其切削力为零。XY工作台部件由工作台、中间滑台、底座等零部件组成,各自之间均以滚动直线导轨副相联,以保证相对运动精度。设下底座的传动系统为横向传动系统，即X向，上导轨为纵向传动系统，即Y向。一般来说,数控机床的滚动直线导轨的摩擦力可忽略不计,但滚珠丝杠副,以及齿轮之间的滑动摩擦不能忽略,这些摩擦力矩会影响电机的步距精度。另外由于采取了一系列的消隙、预紧措施,其产生的负载波动应控制在很小的范围。2.1.3初步确定XY工作台尺寸及估算重量初定工作台，材料为HT200，估重为625N(W1)。设中托座,材料为HT200，估重为250N（W2）。另外估计其他零件的重量约为250N(W3)。加上工件最大重量约为120Kg（1176N）(G)。6则下托座导轨副所承受的最大负载W为:W=W1+W2+W3+G＝665+250+250+1176＝2301N2.2Z轴随动系统设计数控十字工作台对Z轴随动机构要求非常高。在切割中需随时检测和控制切割表面的不平度，通过伺服电机和滚珠丝杆调整高度，要求Z轴的检测精度高于0.010mm：同时，随动速度应大于5m/min。随动速度太快会造成切割头上下震荡，太慢又造成切割头跟不上的现象。目前。对加工板材的检测主要有电容、电感、电阻、激光、红外等几种方式。电感式和电阻式属于传感器，激光、红外及电容式属于非接触式传感器。电容式传感器在运动检测过程中不发生摩擦阻力，最适于金属板材和高速切割加工，而激光和红外位移传感器对加工材料的反射率很敏感，仅适用于一些特殊场合的切割加工(如强磁场、强干扰环境)。所以在选择传感器时，应注意检测精度和对切割材料的适应性，同时安装时还需要注意采取抗干扰措施。一般来说，普通数控数控十字工作台Z轴拖动重量在5kg以上时，应采用重力平衡设施。而高性能数控数控十字工作台的Z轴拖动重量在2kg以上就必须施加重力平衡设施，特别是在高速飞行光路设计中,这一点尤为重要。目前Z轴上的重力平衡设施使用较多的是采用气缸托动方式(图2-1)。该方式重量轻、体积小、易安装，还可根据要求调整气缸的平衡力。无锡职业技术学院毕业设计说明书7第三章滚珠丝杠传动系统的设计计算（一）根据机床的受力情况及结构尺寸，参照南京工艺装备厂的产品系列，选用FFZD内循环垫片预紧螺母式滚珠丝杆，具体型号如下：X向：FFZD2504-3/490×500Y向：FFZD2504-3/500×1100（二）因X向的滚珠丝杆比Y向的滚珠丝杆所受的负载大，现只计算X向丝杆的相关数据，Y向根据X向的结果相同选用即可满足要求。（三）具体计算如下。3.1滚珠丝杠副导程的确定轴向负荷计算公式：aF=F+UW（3.1）式中F——切削力，F=0W——工件重量加工作台重