课程设计(论文)-小型数控铣床X-Y工作台的设计.docx

辽 宁 工 业 大 学 课 程 设 计 说 明 书 （ 论 文 ）第一章 绪论1.1研究内容的现状据资料介绍，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，它技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代，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%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，其中数控机床最能适应这种生产需要的。1.2 选题的意义数控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上。通过理论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。X-Y数控工作台机电系统是一个开环控制系统,其结构简单,实用方便而且能够保证一定的精度。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。因此，选择X-Y数控工作台作为课程设计是对我们机械电子专业的学生具有普遍意义.1.3 设计内容本文结合普通数控铣床的基本结构，设计了一台X-Y数控工作台，为铣床的数控化奠定了基础。首先，确定了X-Y数控工作台的总体设计方案，包括机械传动部件的选择和数控系统的设计，机械传动部件的选择如导轨副选用，丝杆螺母副的选用，减速装置的选用，步进电动机的选择等。其次，对X-Y数控工作台进行机械部分设计，包括直线导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型等。最后，对X-Y数控工作台系统控制的设计。第二章 总体方案的设计2.1 设计任务题目：小型数控铣床X-Y工作台的设计任务：设计一种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=15mm2）立铣刀齿数Z=33）最大铣削宽度ae=15mm4）最大背吃刀量ap=8mm5）加工材料为碳素钢6）X、Y方向的脉冲当量x=y=0.005mm/脉冲7）X、Y方向的定位精度均为0.01 mm8）工作台空载最快移动速度vx=vy=3000mm/min9）工作台进给最快移动速度vxmax=vymax=400mm/min10）工作台尺寸为300 mm300 mm11）加工范围伟350 mm350 mm2.2 方案的确定 本设计采用如图2-1所示的总体方案图2-1 系统结构总体框图2.2.1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的，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，广泛应用于精密机床，数控机床和测量仪器等。直线滚动导轨副由滑块和导轨组成，一般滑块装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块端部时，会经过端面挡板和滑块中的返回轨道返回，在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。（2）丝杆螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量0.01 mm和的定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、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杆副以后，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，且应有消间隙结构。为此，决定采用谐波齿轮减速器，其特点是传动精度与传动效率高，传动平稳，体积小，重量轻等。（4）伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快速度也只有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，以降低成本，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，考虑到X、Y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、Y两个坐标的导轨副、丝杆螺母副、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。2.2.2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基本功能，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s7-200系列的plc单片机s7-226作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。第三章 机械传动部件的计算与选型3.1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、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1300N。3.2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。则查表得立铣时的铣削力计算公式为：Fc=118ae0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.13Z(1)今选择铣刀直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削的情况下，取得最大铣削宽度ae=15mm，背吃刀量ap=8mm，每齿进给fz=0.1mm，铣刀转速n=300r/min。则由(1)式求得最大铣削力：Fc=118150.850.10.7515-0.7381.03000.133N1463N采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为Ff=1.1Fc1609N, Fe=0.38Fc556N, Ffn=0.25Fc366N,工作台受到垂直方向的铣削力Fz= Fe =556N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ff。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），则纵向铣削力Fx=Ff=1609N，径向铣削力Fy=Ffn= 366N。3.3直线滚动导轨副的计算与选型3.3.1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。本设计中的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担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：Pc=G4+F 其中，移动部件重量G=1300N，外加载荷F= Fz= 556N，得最大工作载荷Pc=881N=0.881kN。根据工作载荷Pc=0.881kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.6 kN，额定静载荷C0a=12.3 kN。；图3-2所示为直线滚动导轨副；各项尺寸参数如下表3-1。图3-2 JSA-KL型直线导轨副表3-1 直线滚动导轨副尺寸参数型号滑块尺寸额定载荷/KN额定静力矩/（Nm）JSA-LG15C1C2L1L2L3M1CaC0aMAMBMC4.5386540.5306M57.612.3616198型号装配后组合尺寸导轨尺寸滑块尺寸JSA-LG15HWBH1IFL0maxdDh1B1KTT12415.5161520615004.57.55.34719.4711任务书规定工作台台面尺寸为300mm300mm，加工范围为350mm350mm，考虑工作行程留有一定余量，查表，按标准系列，选取导轨长度是640mm。3.3.2距离额定寿命L的计算 上述选取的KL系列JSALG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，工作温度不超过100摄氏度，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3-2 表3-5，分别取硬度系数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，得距离寿命：L=fHfTfCfRfWCapc3506649km远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。表3-2 硬度系数滚到硬度505558-64fH0.530.81.0表3-3 温度系数工作温度100-150150-200200-250fT1.000.900.730.60表3-4 接触系数每根导轨滑块数12345fC1.000.810.720.660.61表3-5 精度系数精度等级2345fH1.01.00.90.9表3-5 载荷系数工况无外部冲击或振动的低速场合速度小于15m/min无明显冲击或振动的中速场合，速度为1560m/min有外部冲击或振动的高速场合速度大于60m/minfW1-1.51.5-22-3.53.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.4.1最大工作载荷的计算 如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy= 366N，受到垂直方向的载荷（与工作台垂直）Fz= 556N。已知移动部件总重量G=1300N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数=0.005 。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm=KFX+Fz+Fy+G=1779N3.4.2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=400mm/min，初选丝杠导程Ph=5 mm，则此时丝杠转速n=v/Ph = 80 r/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L0=72（单位为：106 r）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，求得最大载荷：FQ=3L0fWfHFm8881N3.4.3初选型号根据计算出的最大载荷和初选的丝杠导程，查表，选择G系列2006-3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，滚珠直径是3.5mm，丝杠底径是15.8mm，丝杠外径是19.3mm。循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为9366N。大于FQ，满足要求。3.4.4传动效率的计算将公称直径D0=20mm，导程pH=5mm，代入= arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=4 33将摩擦角=10代入=tan / tan(+)，得传动效率=96.4%。3.4.5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E2.1 Mpa；查表，得滚珠直径D=3.5mm，丝杠底径d2=15.8，丝杠截面面积S=d224=195.96mm2。忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形1=Fma/ES=0.0205mm根据公式Z(D0/Dw) -3，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为，代入公式 Z圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量20.0026。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20.0013。将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）总=0.0218 mm=21.8m。丝杠的有效行程为350mm，由表3-5知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25m，可见丝杠刚度足够。3.4.6丝杠稳定性校核 根据公式Fk=fk2EIKa2Fm，计算失稳时的临界载荷。查表3-6，取支承系数=1；由丝杠底径=16.2 mm求得截面惯性矩I=d24/643380.88mm4；丝杠稳定安全系数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500mm。代入上式，得临界载荷FK=fk2EIKa2=9343N，远大于工作载荷Fm=1779N，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。表3-6 丝杠支承系数方式双推-自由双推-简支双推-双推单推-单推fk0.252413.5步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也是为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套谐波齿轮减速箱。其特点是结构简单，传动比大，传动精度高，回程误差小，噪声低，传动平稳，承载力强，效率高，等一系列优点。本设计采用XB1型谐波减速器（卧式/电机直连），系列产品如下表3-7。由于本设计的减速器是柔轮固定，即r=0，设Zr=200，Zg=202irgH=Hg=101所以选用XB1系列谐波齿轮减速器的XB1-50，其结构图如图3-3图3-3 谐波减速器结构图表3-7 XB1型通用减速器产品类型系列型号减速比额定输入转速/（rmin-1）额定输出转矩/（Nm）XB1-256330002XB1-3264，8030006XB1-4080，100300015XB1-5083，100，125300030XB1-60100，120，150300050XB1-8080，100，1353000120XB1-10083，100，125，1653000240XB1-120100，120，20030004503.6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：滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=500mm，导程Ph5mm，材料密度=7.8510-3kg/cm3；移动部件总重力G=1300N；查表，算得各个零件部件的转动惯量如下（具体计算过程从略）：滚珠丝杠的转动惯量Js=0.617 kgcm2；拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517 kgcm2；钢轮的转动惯量J1=0.259kgcm2；柔轮的转动惯量Jz2=4.877 kgcm2 初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，二相八拍驱动时步距角0.75，从表查得该型号电动机转子的转动惯量Jm=4kgcm2。则加在步进电机转轴上的总转动惯量为：Jeq= Jm+Jz1+(Jz2+Jw+Js)/i2=30.35 kgcm2(2)计算加子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） 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1，Teq1包括三部分：一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩Tamax；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0。因为滚珠丝杠副传动效率很高，T0相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计。则有：Teq1 =Tamax+ Tf（1）考虑传动链的总效率，计算快速空载起动时折算到电动机转轴的最大加速矩：Tamax=2Teqnm60ta1（2）式中nm对空载最快移动速度的步进电动机最高转速，单位为r/min；ta步进电动机由静止到加速到n转速所需的时间，单位为s。其中： nm=vmax360式中vmax空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min； 步进电动机步距角，预选电动机为； 脉冲当量，=0.005mm/脉冲。将以上各值代入，算得nm=1250r/min设步进电动机由静止到加速至n转速所需时间ta=0.4s，传动链总效=0.7。则由式（2）求得：Tamax=230.3510-41250600.40.71.42（Nm）移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：Tf=（Fz+G）Ph2i（3）式中导轨的摩擦因数，滚动导轨取0.005;Fz垂直方向的铣销力，空载时取0;传动链总效率，取0.7。则由式(3)，得：Tf=0.005（0+800）0.00520.725/12Nm0.002（Nm）最后由式(1)求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：Teq1=Tamax+Tf=1.422N2)最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩T由式可知，T包括三部：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T;一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩T;还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T，T相对于T和T很小，可以忽略不计。则有：Teq2=Tt+Tf其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩T由式计算。本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=1609N，则有：Tt=FfPh2i=16090.00520.725/120.88（Nm）再由式可知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：Tf=（Fz+G）Ph2i0.004（Nm）最后由式，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：Teq2=Tt+Tf=0.884（Nm）经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：Teq=maxTeq1，Teq2=1.422（Nm）（3） 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动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T来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：Tjmax4Teq=41.422Nm=5.688Nm上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，查该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6Nm。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 任务书给定工作台最快工进速度v=400mm/min，脉冲当量 =0.005mm/脉冲，由式(4-16)求出电动机对应的运行频率f=400/(600.005)Hz =1333Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图3-4可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf5.6Nm，远远大于最大工作负载转矩Teq2=0.884Nm，满足要求。图3-4 距频特性曲线2)最快空载移动时电动机运行频率校核任务书给定工作台最快空载速度v=3000mm/min，对应的电动机运行频率为10000Hz，查表可知电动机的运行频率可达20000Hz,可见没有超出上限。3)起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=30.35kgcm2，电动机转子的转动惯量Jm=4kgcm2，电动机转轴不带任务负载时的空载起动频率fq=1800Hz。则由公式可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：fL=fq1+Jeq/Jm=614Hz上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于614Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz(即100脉冲/s)。综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，满足设计要求。参数见下表3-6。表3-6 永磁感应式步进电动机的技术参数型号相数步距角/（）电压/V电流/A最大静转矩/（N m）空载启动频率/Hz空载运行频率/Hz转动惯量/（kg cm2）90BYG26022/40.75/15100461800200004第四章 工作台控制系统的设计4.1 PLC的定义及其特点4.1.1 PLC的定义PLC是一种数字式运算操作的电子系统，专为工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入输出，控制各个类型的机械或生产过程，PLC及其有关设备，都应该按易于工业控制系统形成一个统一的整体、易于扩充其功能的原则设计。4.1.2 PLC的特点1.可靠性高，抗干扰能力强2.通用性强，使用方便。3.功能强，适用性广。4.编程方法简单，容易掌握。5.PLC控制系统的设计、安装、调试维护方便。6.体积小、重量轻、功耗低。4.2 PLC的基本结构PLC实质是一种专用于工业控制的计算机，其硬件结构基本上与微型计算机相同，基本构成为：a、电源 PLC的电源在整个系统中起着十分重要的作用，因此PLC的制造商对电源的设计和制造也十分重视。一般交流电压波动在+10%(+15%)范围内，可以不采取其它措施而将PLC直接连接到交流电网上去。b、中央处理单元(CPU)中央处理单元(CPU)是PLC的控制中枢。它按照PLC系统程序赋予的功能接收并存储从编程器键入的用户程序和数据；检查电源、存储器、I/O以及警戒定时器的状态，并能诊断用户程序中的语法错误。当PLC投入运行时，首先它以扫描的方式接收现场各输入装置的状态和数据，并分别存入I/O映象区，然后从用户程序存储器中逐条读取用户程序，经过命令解释后按指令的规定执行逻辑或算数运算的结果送入I/O映象区或数据寄存器内。等所有的用户程序执行完毕之后，最后将I/O映象区的各输出状态或输出寄存器内的数据传送到相应的输出装置，如此循环运行，直到停止运行。c、存储器存放系统软件的存储器称为系统程序存储器，存放应用软件的存储器称为用户程序存储器。d、输入输出接口电路1、现场输入接口电路由光耦合电路和微机的输入接口电路，作用是PLC与现场控制的接口界面的输入通道。2、现场输出接口电路由输出数据寄存器、选通电路和中断请求电路集成，作用PLC通过现场输出接口电路向现场的执行部件输出相应的控制信号。e、功能模块如计数、定位等功能模块。 f、通信模块如以太网、RS485、Profibus-DP通讯模块等。4.3 PLC型号选择目前，国内外众多生产厂家提供了多种系列功能各异的PLC产品，使用户眼花缭乱、无所适从。所以权衡利弊、合理地选择机型才能达到经济实用的目的。一般选择机型要满足系统功能需要为宗旨，不要盲目地贪大求全，以免造成投资和设备的浪费。机型的选择可以从一下几个方面考虑。1.对输入/输出点的选择盲目选择点数多的机型会造成一定的浪费。要先弄清楚控制系统的I/O总数，再按照实际需要的总点数的1520%留出备用量（为系统的改造留有余地）后确定所需PLC的总点数。另外要注意，一些高密度输入点的模块对同时连接的输入点数有限制，一般同时接通的输入点不得超过总输入点数的60%；PLC每个输出点的驱动能力（A/点）也是有限制的，有的PLC其每点输出的电流的大小还随所加负载电压的不同而异；一般PLC允许输出电流随环境温度的升高而有所降低等。在选型时候要注意这些问题。PLC的输出点可以分为供点式、分组式和隔离式几种接法。隔离式的各组输出点之间可以采用不同的电压种类和电压等级，但这种PLC平均每点的价格较高。如果输出信号之间不需要隔离，则应该选择前两种输出方式的PLC。2.对存储容量的选择对用户存储容量只能作粗略的估算。在仅对开关量进行控制的系统中，可以用输入总点数乘10字/点+输出的总点数乘5字/点估算；计数器/定时器按（35）字/个估算；有运算处理时按（510）字/量估算；在有模拟量输入/输出的系统中，可以按每输入/（或输出）一路模拟量约需（80100）字左右的存储容量来估算；有通信处理时按每个接口200字以上的数量粗略估算。最后一般按估算容量的50100%留有余量。对缺乏经验的设计者，选择容量时留有的余量要大些。3.对I/O响应时间的选择PLC的I/O响应时间包括输入电路延迟、输出电路延迟和扫面工作方式引起的时间延迟（一般在23个扫面周期）等。对开关量控制的系统，PLC和I/O响应时间一般都能满足实际工程的要求，可不必考虑I/O响应问题。但对模拟量控制系统、特别是闭环控制系统就要考虑这个问题。4.根据输出负载的特点选型不同负载对PLC的输出方式有相应的要求。例如，频繁通断的感性负载，应选择晶体管或晶闸管输出型，而不应该选用继电器输出型的。但继电器输出型的PLC有许多优点，如导通压降小，有隔离作用，价格相对平便宜，承受瞬时过电压和过电流的能力较强，其负载电压灵活（可交流、可直流）且电压等级范围大等。所以动作不频繁的交、直流负载可以选择继电器输出型的PLC。5.对在线和离线编程的选择离线编程是指主机和编程器功用一个CPU,通过编程器的方式选择开关来选择PLC的编程、监控和运行工作状态。编程状态时，CPU只为编程器服务，而不对现场进行控制。专用编程器编程属于这种情况。在线编程是指主机与编程器各有一个CPU，主机CPU完成对现场的控制，在每个扫描周期末尾与编程器通信，编程器把修改的程序发给主机，在下一个扫描周期主机将按照新的程序对现场进行控制。计算机辅助编程既能实现离线编程，也能实现在线编程。在线编程需要购置计算机，并配置编程软件。采用哪种编程方法应根据需要决定。6.根据是否联网通信选型若PLC控制系统需要连入工厂自动化网络，则PLC需要有通信连网功能，即要求PLC应具有连接其他PLC、上位计算机及CRT等的接口。大中型机都有通信功能，目前部分小型机也具有通信功能。7.对PLC结构形式的选择在相同功能和相同I/O点数的情况下，整体式比模块式价格低。但模块式具有功能扩展灵活，维修方便，容易判断故障等优点，要按照实际情况选择PLC的结构形式。S7-200系列在集散自动化系统中充分发挥其强大功能。使用范围可覆盖从替代继电器的简单控制到更复杂的自动化控制。应用领域极为广泛，覆盖所有与自动检测，自动化控制有关的工业及民用领域，包括各种机床、机械、电力设施、民用设施、环境保护设备等等。如：冲压机床，磨床，印刷机械，橡胶化工机械，中央空调，电梯控制，运动系统。S7-200 是一种小型的可编程序控制器，适用于各行各业，各种场合中的检测、监测及控制的自动化。S7-200系列的强大功能使其无论在独立运行中，或相连成网络皆能实现复杂控制功能。因此S7-200系列具有极高的性价格比。S7-200集成的24V负载电源：可直接连接到传感器和变送器（执行器），CPU 226分别输出400mA,可用作负载电源。根据以上选用原则，选用西门子公司的S7-200型PLC，CPU选用226型,CPU 226集成24输入/16输出共40个数字量I/O 点。可连接7个扩展模块，最大扩展至248路数字量I/O 点或35路模拟量I/O 点。13K字节程序和数据存储空间。6个独立的30kHz高速计数器，2路独立的20kHz高速脉冲输出，具有PID控制器。2个RS485通讯/编程口，具有PPI通讯协议、MPI通讯协议和自由方式通讯能力。I/O端子排可很容易地整体拆卸。用于较高要求的控制系统，具有更多的输入/输出点，更强的模块扩展能力，更快的运行速度和功能更强的内部集成特殊功能。可完全适应于一些复杂的中小型控制系统。X-Y数控工作台的控制系统设计，在硬件电路上需要考虑步进电机反馈信号的处理，在软件上实现半闭环的控制算法。4.4控制系统程序的设计本设计采用PLC控制，通过判断X向或Y向工作台是否需要正向移动，来控制电机的正反转，然后在判断工作台是否到达指定的位置来确定是否停止电机。控制流程图如下4-1所示。图4-1 程序流程图4.5 控制系统硬件电路图电气原理图如下图4-2所示图4-2 电气原理图I/O口 地址分配表，如下表5-1所示。表5-1 I/O地址分配表序号代号地址功能说明序号代号地址功能说明1SB1I0.0启动9Y1Q0.0X向步进电机驱动器脉冲信号2SB1I0.0停止10Y1Q0.0X向步进电机驱动器方向信号3SB1I0.0X向电机正转11Y1Q0.0X向步进电机驱动器脱机信号4SB1I0.0X向电机反转12Y1Q0.0X向步进电机驱动器报警输出5SB1I0.0X向电机停止13Y1Q0.0Y向步进电机驱动器脉冲信号6SB1I0.0Y向电机正转14Y1Q0.0Y向步进电机驱动器方向信号7SB1I0.0Y向电机反转15Y1Q0.0Y向步进电机驱动器脱机信号8SB1I0.0Y向电机停止16Y1Q0.0Y向步进电机驱动器报警输出第五章 结论本设计完成了数控小型数控铣床的X-Y工作台的系统化设计，该数控机床可以对工件在加工时提供较准确的加工位置。具体的设计内容包括数控机床的机械结构设计和控制系统设计。机械部分设计包括对丝杠螺母的设计与选型和滑块的设计与选型，然后根据传动部分所计算的总转矩来选择电动机。本设计选用了90BYG2602型电机，由于电机的输出转速较大，在电机的输出部分加了一个谐波齿轮减速器，通过计算选用了XB1-50型号的减速器。在机械系统的设计计算之后，开始确定控制系统的总体方案，在经过老师指导和查阅资料之后，选择了以西门子S7-200PLC为主控制器，利用BD28nb驱动器实现对两相八拍电机的控制方案，然后确定了电路原理图，最后根据总体设计绘制小型数控X-Y工作台流程图。参考文献1 赵则祥.公差配合与质量控制M.开封：河南大学出版社，19992 牛永生.李力.机械制造技术M.西安：陕西科技大学，20023 王只行.邓宗全.机械原理M.北京:高等教育出版社，20064 黄大宇.梅英.机械设计课程设计M.长春:吉林大学出版社,20065 濮良贵.纪名刚.机械设计M.北京：高等教育出版社，20066 尹志强. 系统设计课程设计指导书M.北京:机械工业出版社，20077 大连理工大学工程图学教研室.机械制图M.北京：高等教育出版社，20078 巫付专.王晓雷.控制电机及其应用M.北京：电子工业出版社，20089 倪小军.单片机原理与接口技术教程M.北京：清华大学出版社，200910 陈兴云、姜庆华.数控机床编程与加工M.北京:机械工业出版社 200911 王兵.数控车床加工工艺与编程操作M.北京:机械工业出版社,200912 田林红.数控技术.郑州大学出版社M.郑州：郑州大学出版社，200813 刘淑华. 数控机床与编程M. 北京：机械工业出版社，200114 张春良.数控加工技术M.北京：科学出版社，201115 张建民.机电一体化系统设计M.北京：高等教育出版社，201416 张春良.数控加工技术M.北京：科学出版社，201117 廖常初.S7-300/400应用教程M.北京：机械工业出版社，201118 刘美俊.可编程控制器应用技术M.福州：福建科学技术出版社，200619 于梦生.机械零部件手册M.北京：机械工业出版社，199620 吴宗泽、罗圣国.机械设计课程设计手册M.北京：高等教育出版社，200624目 录第一章 绪论11.1 研究内容的现状11.2 选题的意义21.3 设计内容2第二章 总体方案的设计32.2.1机械传动部件的选择42.2.2控制系统的设计5第三章 机械传动部件的计算与选型63.3直线滚动导轨副的计算与选型63.3.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取63.3.2距离额定寿命L的计算83.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型93.4.1最大工作载荷的计算93.4.2最大动载荷FQ的计算93.4.3初选型号93.4.4传动效率的计算103.4.5刚度的验算103.4.6丝杠稳定性校核103.5步进电动机减速箱的选用113.6步进电动机的计算与选型12第四