2001(200X200)方台面数控回转工作台设计(含全套毕业说明书和机械CAD图纸)概论
专业课课程设计设计说明书设计题目：数控X-Y工作台设计
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(200X200)方台面数控回转工作台设计
目录
序言 (3)
摘要 (4)
设计目的 (4)
设计要求 (4)
总体方案设计 (5)
机械系统设计计算 (6)
1、确定脉冲当量 (6)
2、确定传动比 (6)
3、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (7)
4、步进电动机的选型和计算 (11)
5、导轨的选型和计算 (13)
6、启动矩频特性校核 (14)
控制系统设计 (18)
第一节控制系统硬件的基本组成 (18)
第二节步进电机控制电路 (18)
步进电机控制程序设计 (20)
其它电路辅助设计 (24)
设计总结 (24)
参考文献 (25)
序言
据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。
在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。
由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。
据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。
在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。
从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；"柔性强；#易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。
摘要
本课程设计是对铣床进行改造，目的在于培养对机电一体化产品的设计能力，重点是对所学知识的巩固和加强，为毕业设计及将来的工作打下坚实的基础。
本课程设计由序言、设计要求、总体方案、进给系统设计、控制系统设计，以及相应元件的选择与确定和主程序框图、数控化电路原理组成。由于本人经验不足，以及对知识掌握程度的限制，设计过程还存在某方面的错漏，敬请老师提出宝贵意见。
设计目的
数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题---数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。
设计要求
课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。
课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。
说明书的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形分配器等）的说明。
该课程设计的内容及方法，可以归纳如下：
1.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。
2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。
3.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。
4.学会使用手册及图表资料。
总体方案设计
一般来讲，普通铣床的数控改造主要有两部分，一是设计一套简易微机数控X-Y工作台，固定在铣床的工作台上。二是将控制铣刀上、下运动的手柄拆去，改用微机控制步进电机通过一级减速装置使铣头上下运动。本设计只对X-Y工作台进行设计。取铣床步进电机的脉冲当量可选为0.01mm/脉冲，步进电机的步距角0.9°。
方案
1．系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控铣床在工作台移动过程中铣头并不进行铣孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。
2．伺服系统的选择
伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在普通立式铣床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。
3．执行机构传动方式的确定
为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点：1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。
2）尽量消除传动间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消隙结构。
3）缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。X-Y工作台传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。
4．计算机系统的选择
计算机数控系统一般由微机部分、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。在简易数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。如何采用Z80CPU或MCS-51单片机组成的微机应用系统。
Z80CPU有芯片价廉，通用性强，维修方便等特点。MCS-51单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快和很高的性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。
5．实施
保留原机床主传动链，保留铣床工作台和控制工作台移动手柄，在原工作台上安装一套
微机数控的X-Y 工作台。由于X-Y 工作台的运动部件重量和切削力不大，因此选用有预加载荷的滚珠导轨。采用滚动导轨可减小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。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm 要求，需采用齿轮降速传动。
综上所述，本文改造的总体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O 接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等，
机械系统设计
设计参数
系统分辩率为0.01mm,其它设计参数见下表：
要求：设计一台数控回转工作台并开发其控制、驱动系统，工作台面200X200mm ，分辨率为δ=5分/step ，承受最大轴向载荷Tmax=800Nm 。
机械系统设计计算
1.脉冲当量的确定
根据机床精度要求确定脉冲当量，考虑到机械传动系统的误差存在。脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计确定脉冲当量为0.01mm/步.
二.铣削力分析与计算
铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.根据工件材料为碳钢可确定铣削力的计算公式：
F Z =9.81C Fz ·a e 0.86·a f 0.72·d 0-0.86·a p ·Z
式中各参数如下:
C Fz ———铣削力系数，C Fz =68.2（表2-3）
a e ———最大铣削宽度，本设计为8mm
a p ———背吃刀量，本设计为3mm
Z ———铣刀齿数，齿数取3
d 0 ———圆柱铣刀直径，查得d 0= 20mm(技术指导)
a f ———每齿进给量（mm/齿），即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对
移动量，查得a f =0.10mm/齿（技术指导）
故 ：
F Z =9.81×68.2×80.86×0.100.72×20-0.86×3×3=547 N
2.齿轮传动比计算
进给齿轮箱传动比计算
已确定进给脉冲当量p δ=0.01mm 滚珠丝杠导程L =4mm ，初选步进电机步距
角0.9 。
可计算出传动比i ： i=p
b L δθ360 =0.9×4/360×0.01=1 因传动比为1，这时可以使步进电机直接与丝杆联接，有利于简化结构，提高精度。
3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型
（1） 计算进给牵引力F m （N ）
滚珠丝杠上的工作载荷F m (N)是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承
受的轴向力，也叫做进给牵引力。直线滚动导轨的计算公式：
F m =KF L ＋f ，(F v ＋F c ＋G)
式中K ———考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨K=1.1
f '———滚动导轨摩擦系数:0.0025～0.005；这里取0.005
G ———移动部件的重力（N ）：G=600N
F L ———工作台纵向进给方向载荷
F c ———工作台横向进给方向载荷
F v ———工作台垂直进给方向载荷
由表2-4查得，F L / F Z =0.90， F L = 0.9F Z =493 N
F c /F Z =0.80， F c =0.8F Z =438N
F v /F Z =0.40， F v =0.4F Z =219 N
故：
F m =1.1×493＋0.005×（438＋219＋600）=548N
（2）计算最大动负载C
滚珠丝杠最大动载荷可用下式计算 C=3L f m F m
L=610
60nt n=01000L v
v=a f Zn ，
式中：L —工作寿命、以106转为单位。
fm －运转系数,按一般运转取fm =1.2～1.5;这里取fm =1.5。
F m----滚珠丝杠工作载荷（N ）
t —使用寿命，按15000h ；
n----丝杠的转速
L 0— 滚珠丝杠导程，初选L 0=4mm ；
v －最大切削力下的进给速度
a---每齿进给量（mm/齿）a f =0.06mm/齿
Z----铣刀齿数，Z=5
n ，---铣刀转速，区别与以上丝杠转速n ，n ，，取为1000r/min
v=0.06×5×1000=0.3 m/min n=0
1000L v =(1000×0.3)/4=75m in r L=10
606t
n ??=(60×75×15000)/106=67.5 r C=3L f m F m
=4.1×1.2×858.17=3.35kN (3)螺母副的选型
根据最大动载荷和公称直径选外循环滚动螺母副，选用中国·南京工艺装备制造有限公司生产的FFZL 型 内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杠副,规格代号为FFZL2004-3，公称直径=20mm,滚珠直径为Dw=3mm,圈数×列数=3×1,螺距为4mm,螺旋升角为λ=3°38′。
(4)传动效率计算
η=)
(?λλ+tg tg 式中λ——丝杠螺旋升角, λ=3°38′
?——摩擦角，取10′
η=)
(?λλ+tg tg =0.064/0.0664=0.9638=96.4% (5)刚度验算
先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图4-20所示，最大牵引力为548N ，支承间距L=500mm 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。
[1]丝杠的拉伸或压缩变形量1δ
1δ=±EA
L F m F m —丝杠的工作载荷（N ）；
L —滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm ）；L=500mm
E —材料的弹性模量，对钢E=20.6×410Mpa;
A —滚珠丝杠按内径确定的截面积（mm 2）。
A=3.14×d 2/4=3.14×16.92/4=224.3 mm 2
故： 1δ=±(548×500/20.6×410×224.3)= ±0.0059(mm ）
[2]滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ
有预紧：
2δ′=0.0013×32∑Z F D YJ w m F (mm) =0.0014mm
D w －为滚珠直径（mm ）,D=3mm ；
z ∑－为滚珠总数量：z ∑＝Z ×圈数×列数
Z －为一圈的滚珠数，外循环Z=
w
m D d π=3.14×20/3=21； 故：z ∑＝21×3×1=63； m d --为滚珠丝杠的公称直径（mm ）,m d =20mm
YJ F —为预紧力，此处单位为kgf ，为轴向工作载荷的1/3时，
YJ F = F L /3=493/3=164N=16.8kgf
m F —为滚珠丝杠工作载荷，单位为kgf 。m F =548/9.8=55.9kgf
有预紧：
2δ′=0.0013×32∑Z F D YJ w m F (mm)
2δ=1/22δ′=0.0014mm
[3]滚珠丝杠副刚度的验算
丝杠的总变形量21δδδ+=应小于允许的变形量。一般δ不应大于机床进给系统的定位精度的一半：
21δδδ+==0.0059+0.0014=0.0073≤0.025/2mm=0.0125mm(定位精度的一半)。
(6)压杆稳定性验算
验算滚珠丝杠尺寸和支承方式后，应验算丝杠在承受最大轴向载荷时是否会产生纵向弯曲。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，即失稳。失稳时的临界载荷F K (N) 为
E —为材料的弹性模量，对钢E=20.6×104Mpa; 2
2L EI f F Z k π=
I －为截面惯性矩，对丝杠圆截面：
I=∏d 14/64=3.14×16.94
/64=4002.2mm 4
L －丝杠最大工作长度（mm ）；L=500 mm f Z －为丝杠支承方式系数，这里滚珠丝杠的支承方式采用一端固定一端简支的方式，所以f Z ＝2
22/K z F f EI L π==2×3.142
×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104N n k =F k /F m =2.0731×104/548=37.8﹥［n k ］=4
所以，该滚珠丝杠不会失稳。
［n k ］－许用稳定性安全系数，［n k ］=2.5～4
4. 纵向步进电机的计算和选型
一、初选步进电机57BYG4504,步距角θb =0.9°
360b p Q L i δ≤,满足要求.
二、矩频特性:
等效转动惯量计算
1.滚珠丝杠转动惯量
J S =0.78D 4L ×10-3
(kf ·cm 2)
L---丝杠长度,设定为500mm=50cm
D---丝杠公称直径,D=20mm=2cm
J S =0.78×24×50×10-3=0.624㎏·cm 2
2.工作台转动惯量
J G =(L 0/2∏)2M
L 0----丝杠导程,L 0=4mm=0.4cm
M----工作台质量,M=62kg
J G =(0.4/2×3.04)2
×62=0.248㎏·cm 2
3.联轴器转动惯量
根据钢的直径为(20,22)选用定位螺丝固定平行式联轴器，型号为
SLK2-100-0608 (广州菱科自动化设备有限公司)，查得：
J L =0.068㎏·cm 2
4. 步进电机转子转动惯量
根据初选电机型号,查得转子转动惯量为:
J Z =0.46㎏·cm 2
故：J ∑=J S ＋J G ＋J L ＋J Z =0.634＋0.248＋0.068＋0.46=1.462㎏·cm 2
三、步进电机所需空载启动的计算kq M
0kq ka kf M M M M =++
ka M ——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩（N ·cm ）；
M kf ——为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N ·cm ）；
M o ——电丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。
(1)加速度力矩ka M
M ka = J ∑×2×∏×n max ×10-2/60t(N ·cm)
n max =v max θb /360δp
t-----运动部件从静止启动加速到最大快速所需的时间,t=0.3s
v max ---运动部件最大快进速度（mm/min ）, v max =3m/min=3000mm/min
θb--------初选步距角，θb =0.9°
n max ---与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速(r/min)
故：n max =3000×0.9/（360×0.01） =750 r/min
M ka =1.462×2×3.14×750×10-2/60×0.3=3.83N ·cm
(2)空载摩擦力矩kf M
M kf =G f '’L 0/2∏ηi (N ·cm)
G----运动部件的总重量（N ），G=600N
f '－导轨上的摩擦系数，f '=0.005;
η---传动系统总效率，一般取η=0.7—0.85,这里取η=0.85
L o －滚珠丝杠基本导程，L o =0.4 cm.
空载摩擦力矩：
M kf =G f '’L 0/2∏ηi=600×0.005×0.4／（2×3.14×0.85×1）=0.225 N ·cm
(3)附加摩擦力矩M o
M 0=F YJ L 0（1-η2）/2 ∏ηi
η--丝杠未预紧时的传动效率，一般取o η≥0.9，这里取o η=0.96；
F YJ －预加载荷，一般为最大轴向载荷的31,即F YJ =3
1F L =183N M 0=183×0.4×(1-0.962)/(2×3.14×0.96×1)=0.950N ·cm
上述三项合计：
步进电机空载启动力矩：M o kf ka kq M M M ++=
= 3.83＋0.225＋0.950
= 5.005（N ·cm ）
步进电机名义启动力矩：
从产品系列及性能参数根据电机型号查出步进电机为四相八拍；
从表2-17根据电机拍数查出启动转矩最大静转矩M kq 与最大静转矩的关系为
M kq /M jmax1=0.707
故：M jmax1=M kq /0.707=4.58/0.707=6.471N ·cm
运动部件正常工作（数控机床为工作台开始工进）时，电动机的启动为带负载启动，其总负载转矩M fq 可按下式计算
M fq =M k a ＋M kf ＋M 0＋M f ’
M f ’=F ’L/2∏ηi(N ·cm)
F ’---作用在工作台的合力，
F ＇=（F L 2＋F V 2＋F C 2）1/2=694.4N
M f ’--- 合力F ’折算到电机上的转矩
故:M f ’=694.4×0.4/（2×3.14×0.85×1）=52.01 N ·cm
M fq =5.005＋52.01=57.015 N ·cm
运动部件正常运行时所需的最大静转矩
M jmax2=M fq /0.5=57/0.5=114 N ·cm
根据电机型号查得步进电机最大静转矩:M jmax =1.4N ·m=140N ·cm
所以M jma x ﹥M jmax 2﹥M jma x1
初选电机型号时应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动力矩，即M jma x ≥max ｛M jma x1，M jma x2｝所以初选电机57BYG4504能满足要求。
5．导轨的选用与校核
初选滚动导轨
选取中国·南京工艺装备制造有限公司的GGB AA-AAL 四方向等载荷型滚动直线导轨副, 其额定载荷
C oa 为 6.8KN ，C a 为 6.07KN ，参数如下：单位㎜