数控车床XY轴工作台和控制系统设计说明书

1数控车床XY轴工作台和控制系统设计摘要我设计的是车床XY轴工作台和控制系统，采用单片机控制步进电动机驱动工作台。首先确定设计的总体方案，然后对车床的机械部分进行设计，其中包括工作台、滚动导轨、滚珠丝杠、步进电动机的设计和选用，最后对数控系统硬件和软件设计。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、微型化方向发展。关键词：数控车床XY工作台控制系统2前言一、当今世界数控技术及装备发展的趋势及我国数控装备技术发展和产业化的现状在我国对外开放进一步深化的新环境下,发展我国数控技术及装备、提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性,并从战略和策略两个层面提出了发展我国数控技术及装备的几点看法。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,数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备,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。（一）、数控技术的发展趋势。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发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、医疗等的发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发展的趋势来看,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(2)5轴联动加工和复合加工机床快速发展(3)智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势（二）、对我国数控技术及其产业发展的基本估计我国数控技术起步于1958年,近50年的发展历程大致可分为三个阶段：第一阶段从1958年到1979年,即封闭式发展阶段。在此阶段,由于国外的技术封锁和我国的基础条件的制,数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期,即引进技术,消化吸收,初步建立起国产化体系阶段。在此阶段,由于改革开放和国家的重视,以及研究开发环境和国际环境的改善,我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间,即实施产业化的研究,进入市场竞争阶段。纵观我国数控技术近50年的发展历程,特别是经过4个5年计划的攻关,总体来看取得的成绩还是不小。（三）、对我国数控技术和产业化发展的战略思考(1)战略考虑。我国是制造大国,在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移,所以,我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题。首先从社会安全3看,因为制造业是我国就业人口最多的行业,制造业发展不仅可提高人民的生活水平,而且还可缓解我国就业的压力,保障社会的稳定;其次从国防安全看,西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质,对我国实现禁运和限制,“东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。(2)发展策略。从我国基本国情的角度出发,以国家的战略需求和国民经济的市场需求为导向,以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标,用系统的方法,选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容,实现制造装备业的跨跃式发展。强调市场需求为导向,即以数控终端产品为主,以整机如量大面广的数控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、曲型数字化机械、重点行业关键设备等带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件数字化伺服系统与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等的可靠性和生产规模问题。没有规模就不会有高可靠性的产品;没有规模就不会有价值低廉而富有竞争力的产品;当然,没有规模中国的数控装备最终难有出头之日。4一、毕业设计的目的、意义《机电一体化系统设计》毕业设计是培养学生设计能力的重要实践性教学环节之一，是综合运用所学过的机械、电子、自动控制、计算机等知识进行的基本设计训练。其目的是：能够正确运用《机电一体化系统设计》课程的基本理论和相关知识，掌握机电一体化系统（产品）的功能构成、特点和设计思想、设计方法，了解设计方案的拟定、比较、分析和计算，培养学生分析问题和解决问题的能力，使学生具有机电一体化系统设计的初步能力；通过机械部分设计，掌握机电一体化系统典型机械零部件和执行元件的计算、选型和结构设计方法和步骤；通过测试及控制系统方案设计，掌握机电一体化系统控制系统的硬件组成、工作原理，和软件编程思想；通过毕业设计提高学生应用手册、标准及编写技术说明书的能力，促进学生在科学态度、创新精神、专业技能等方面综合素质的提高。5二、毕业设计的内容（一）毕业设计题目：单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击工作台的有效行程为400Lxmm400YLmm快速进给速度max2000/minxvmmmax2000/minyvmm和工作载荷2000ZFN6三、数控系统总体方案的确定数控系统总体方案设计的内容包括：系统运动方式的确定，执行机构及传动方案的确定，伺服电机类型及调速方案确定，计算机控制系统的选择。进行方案的分析、比较和论证。（一）系统运动方式的确定该系统要求工作台沿各坐标轴的运动有精确的运动关系因此采用连续控制方式。（二）伺服系统的选择开环伺服系统在负载不大时多采用功率步进电机作为伺服电机.开环控制系统由于没有检测反馈部件，因而不能纠正系统的传动误差。但开环系统结构简单，调整维修容易，在速度和精度要求不太高的场合得到广泛应用。考虑到运动精度要求不高，为简化结构，降低成本，宜采用步进电机开环伺服系统驱动。（三）计算机系统的选择采用MCS-51系列中的8031单片机扩展控制系统。MCS-51单片机的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，性价比高。控制系统由微机部分、键盘及显示器、I/O接口及光电隔离电路、步进功率放大电路等组成。系统的工作程序和控制命令通过键盘操作实现。显示器采用数码管显示加工数据和工作状态等信息。（四）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。考虑电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，以及考虑步进电机负载匹配，采用齿轮减速传动。系统总体框图如下:7图3-1计算机光电隔离功率放大步进电机X向工作台光电隔离功率放大步进电机Y向工作台8四、机械部分设计机械部分设计内容包括：确定系统脉冲当量，运动部件惯性的计算，选择步进电机，传动及导向元件的设计、计算与选择，绘制机械部分装配图等。（一）确定系统脉冲当量脉冲当量δp是一个进给指令时工作台的位移量，应小于等于工作台的位置精度，由于定位精度为±0.01mm因此选择脉冲当量为0.01mm。（二）工作台外形尺寸及重量初步估算根据给定的有效行程，画出工作台简图，估算X向和Y向工作台承载重量WX和WY。取X向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:图4-1X向拖板(上拖板)尺寸为:长*宽*高=420*410*50重量:按重量=体积*材料比重估算为:xW=3242041050107.810671.58NY向拖板(下拖板)尺寸为:42040050重量YW=3242040050107.810655.2N上导轨(含电机)重量为23(900480828003550)7.81010487.97N夹具及工件重量:约155NX-Y工作台运动部分总重量为:487.97655.2671.581552000WN（三）滚动导轨副的计算、选择根据给定的工作载荷Fz和估算的Wx和Wy计算导轨的静安全系数fSL=C0/P，式中：C0为导轨的基本静额定载荷，kN；工作载荷P=0.5(Fz+W)；fSL=1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：工作台简图9因系统受中等冲击,因此取4.0sLf,,,0.5()OSLXYXYZXYCfPPFWxZXYZYOXSLXOYSLYP=0.5(F+W)=0.5(2000+671.58)=1335.79NP=0.5(F+W)=0.5(2000+655.2)=1327.6NC=fP=41335.79=5343.16NC=fP=41327.6=5310.4N根据计算额定静载荷初选导轨:选择汉机江机床厂HJG-D系列滚动直线导轨,其型号为:HJG-D25基本参数如下:表4-1额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷aC静载荷oCATBTCTgK/gKmL(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数MSln40.64导轨的额定动载荷17500aCN依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷aC(kN)验算导轨的工作寿命Ln：额定行程长度寿命:()HTCaWfffCSfFTK（4-1）20004500MFMF1,2,0.81,1,50oTWCHRdffffK33110.81175002500()50()142409.58HTCaWfffCSfFTKkm导轨的额定工10作时间寿命:3102SoTHlnT(4-2)33102142409.58104944771500020.6460SoTHlnThTh导轨的工作寿命足够.（四）滚珠丝杠计算、选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm强度计算丝杠轴向力：)(,,maxyxzyxWFfKFF(N)(4-3)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,400ZF则:maxmaxXF0.50.5200010000.60.6200012001.1510000.004(2000671.58)1045.6861.1512000.004(2000655.2)1252.621ZYZXYFNFFNFNFN寿命值：61060nTL，其中丝杠转速0maxlvn(r/min)(4-4)max06150002000400/min5604001500036010ThvnrlL最大动载荷：FffLQWH3式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。查表得中等冲击时1.2,1WHff则:333601.211045.6867079.583601.211252.62110686.54XYQNQN根据使用情况选择滚珠丝杠螺母的结构形式，并根据最大动载荷的数值可选择滚珠丝杠的型号为:CM系列滚珠丝杆副，其型号为：CM2005-5。11其基本参数如下:图4-2其额定动载荷为14205NyQ足够用.滚珠循环方式为外循环螺旋槽式,预紧方式采用双螺母螺纹预紧形式.滚珠丝杠螺母副的几何参数的计算如下表表4-2名称计算公式结果公称直径0d――20mm螺距t――５mm接触角――045钢球直径bd――3.175mm螺纹滚道法向半径R0.52bRd1.651mm偏心距e(2)sinbeRd0.04489mm螺纹升角0tarctgd0'433螺杆外径d0(0.2~0.25)bddd19.365mm螺杆内径1d1022ddeR16.788mm螺杆接触直径2d2