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数控工作台部件
课程设计

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目录

1. 序言…………………………………………………………1
2. 总体设计方案 ………………………………………………3
2.1 设计任务…………………………………………………3
2.2 方案确定…………………………………………………3
3. 机械系统设计………………………………………………5
3.1 工作台外形尺寸及重量估算……………………………5
3.2 滚动导轨的参数确定……………………………………5
3.3 滚珠丝杠的设计计算……………………………………6
3.4 确定齿轮传动比…………………………………………10
3.5 步进电机惯性负载的计算………………………………10
4. 控制系统硬件设计…………………………………………12
4.1 CPU板……………………………………………………12
4.2 驱动系统…………………………………………………14
5. 参考文献……………………………………………………15

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。

2.总体方案设计
2.1 设计任务
设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。
设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝145mm×160mm×12mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝210mm×220mm×140mm；最大长度L=388mm；工作台加工范围X=55mm，Y=50mm；工作台最大快移速度为1m/min。
2.2 总体方案确定
2.2.1 系统的运动方式与伺服系统
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。由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。定位方式采用增量坐标控制。
为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y工作台。
2.2.2 计算机系统的选择
本设计采用了与MCS-51系列兼容的AT89S51单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。控制系统由微机部分、键盘、LED、I/O接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED显示数控工作台的状态。
2.2.3 X-Y工作台的传动方式
为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少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。
考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。

图2-1 系统总体框图
综上所述，本设计的总体方案确定为：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，还设置报警等。

3.机械系统设计
3.1工作台外形尺寸及重量估算
X向拖板（上拖板）尺寸：长宽高=145×160×50
重量：按重量=体积×材料比重估算
N
Y向拖板（下拖板）尺寸：
重量：约90N。
上导轨座（连电机）重量：

夹具及工件重量：约150N 。
X-Y工作台运动部分的总重量：约287N。
3.2滚动导轨的参数确定
3.2.1导轨型式：圆形截面滚珠导轨
3.2.2导轨长度
上导轨（X向）
取动导轨长度： ；动导轨行程：
支承导轨长度：
下导轨（Y向）：
选择导轨的型号：GTA16
3.2.3直线滚动轴承的选型
上导轨：
下导轨：
由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。
3.2.4滚动导轨刚度及预紧方法
当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。
3.2.5对导轨进行按下式进行校核：

式中:L为滚动导轨副的距离额定寿命（km）本设计L定为50km；
为额定载荷，查表=6.07kN；
F为每个滑块上的工作载荷（N）F本设计设定为588N；
为硬度系数，导轨面的硬度为58-64HRC时=1.0；
为温度系数，当工作温度不超过100°C时，=1；
为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时=0.81；
为载荷/速度系数，无明显冲击振动或v≤60m/min时，=1.5-2这里选择=2。

=588××2÷（1×0.81×1）
=1361N<[]=6.07kN
因此所选导轨满足要求。
3.2.6滚动导轨的润滑与防护
滚动导轨采用润滑脂润滑。常用牌号为ZL-2锂基润滑脂（GB/7324—87，2号）。它的优点是不会泄漏，不需经常加油；缺点是尘屑进入后容易磨损导轨，因此防护要求较高。易被污染又难防护的地方，可用润滑油润滑。本设计的防护装置采用伸缩式。
3.3滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。
3.3.1最大动负载Q的计算

查表得系数，，寿命值

查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速

所以
X向丝杠牵引力

Y向丝杠牵引力

所以最大动负荷
X向
Y向
查表，取滚珠丝杠公称直径 ，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额定动载荷为390N，足够用。
3.3.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算

表3-1 滚珠丝杠螺母副几何参数

名 称
符 号
计算公式和结果

螺纹滚道
公称直径

10
螺距

接触角

钢球直径

螺纹滚道法面半径

偏心距

螺纹升角

螺杆
螺杆外径

螺杆内径

螺杆接触直径

螺母
螺母螺纹外径

螺母内径（外循环）

3.3.3传动效率计算

式中：——摩擦角；——丝杠螺纹升角。
3.3.4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=400mm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。
滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量

Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算

所以
丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。
所以导程总误差

查表知E级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。
3.3.5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FK(N) 为

E—为材料的弹性模量，对钢E=20.6×104Mpa;
I－为截面惯性矩，对丝杠圆截面：
I=∏d14/64=3.14×16.94/64=4002.2mm
L－丝杠最大工作长度（mm）；L=500 mm
fZ－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fZ＝2
2×3.142×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104N
nk=Fk/Fm=2.0731×104/548=37.8﹥［nk］=4
所以，该滚珠丝杠不会失稳。
［nk］－许用稳定性安全系数，［nk］=2.5～4
3.4确定齿轮传动比
因步进电机步距角，滚珠丝杠螺距 ，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比

选 ，
3.5步进电机惯性负载的计算
表3-3 齿轮尺寸

17
28

17

19

14.5

5
28

30

25.5

5

17.5

根据等效转动惯量的计算公式，得

式中： ——折算到电机轴上的惯性负载（）； ——步进电机转轴的转动惯量（）；——齿轮 的转动惯量（）；——齿轮 的转动惯量（）；——滚珠丝杠的转动惯量（）；M——移动部件质量（）。
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算

式中：D——圆柱零件直径（cm）；L——零件长度（cm）。
所以

电机轴转动惯量很小，可以忽略，则

因为，所以惯性匹配比较符合要求。

4.控制系统硬件设计
X-Y数控工作台控制系统硬件主要包括CPU、传动驱动、传感器、人机交互界面。

硬件系统设计时，应注意几点：电机运转平稳、响应性能好、造价低、可维护性、人机交互界面可操作性比较好。

4.1CPU板
4.1.1CPU的选择
随着微电子技术水平的不断提高，单片微型计算机有了飞跃的发展。单片机的型号很多，而目前市场上应用MCS-51芯片及其派生的兼容芯片比较多，如目前应用最广的8位单片机89C51，价格低廉，而性能优良，功能强大。
在一些复杂的系统中就不得不考虑使用16位单片机，MCS-96系列单片机广泛应用于伺服系统，变频调速等各类要求实时处理的控制系统，它具有较强的运算和扩展能力。但是定位合理的单片机可以节约资源，获得较高的性价比。
从要设计的系统来看，选用较老的8051单片机需要拓展程序存储器和数据存储器，无疑提高了设计价格，而选用高性能的16位MCS-96又显得过于浪费。生产基于51为内核的单片机的厂家有Intel、ATMEL、Simens，其中在CMOS器件生产领域ATMEL公司的工艺和封装技术一直处于领先地位。ATMEL公司的AT89系列单片机内含Flash存储器，在程序开发过程中可以十分容易的进行程序修改，同时掉电也不影响信息的保存；它和80C51插座兼容，并且采用静态时钟方式可以节省电能。
因此硬件CPU选用AT89S51，AT表示ATMEL公司的产品，9表示内含Flash存储器，S表示含有串行下载Flash存储器。
AT89S51的性能参数为：Flash存储器容量为4KB、16位定时器2个、中断源6个（看门狗中断、接收发送中断、外部中断0、外部中断1、定时器0和定时器1中断）、RAM为128B、14位的计数器WDT、I/O口共有32个。

4.1.2CPU接口设计
CPU接口部分包括传感器部分、传动驱动部分、人机交互界面三部分。示意图如下所示：（行程开关）
前向通道
传动驱动
（电磁铁）
（步进电机）
人机界面
传感器
AT89S51
（键盘、LED）
后向通道

图4-1 CPU外部接口示意图
AT89S51要完成的任务：
（1）将行程开关的状态读入CPU，通过中断进行处理，它的优先级别最高。
（2）通过程序实时控制电机和电磁铁的运行。
（3）接受键盘中断指令，并响应指令，将当前行程开关状态和键盘状态反应到LED上，实现人机交互作用。
由于AT89S51只有P1口和P3口是准双向口，但P3口主要以第二功能为主，并且在系统中要用到第二功能的中断口，因此要进行I/O扩展。考虑到电路的简便性和可实现性，实际中采用内部自带锁存器的8155，所以AT89S51的I/O口线分配如下：
（1）P1.0-P1.5控制X-Y两个方向步进电机的A、B、C线圈通电，形成A-AB-B-BC-C-CA-A三相六拍正转模式和A-AC-C-CB-B-BA-A的反转模式。
（2）P1.6口输出控制电磁铁的吸合。
（3）P3.2和P3.3两个中断源中INT0优先级最高，它读入行程开关的状态并触发中断；INT1读入点动、复位、圆弧插补开关的状态而触发中断。
（4）P0.0-P0.7外部I/O扩展的数据读取。
（5）P2.7和P2.6决定8155的PA、PB、PC口的地址。
4.2驱动系统
传动驱动部分包括步进电机的驱动和电磁铁的驱动，步进电机须满足快速急停、定位和退刀时能快速运行、工作时能带动工作台并克服外力（如切削力、摩擦力）并以指令的速度运行。在定位和退刀时电磁铁吸合使绘笔抬起，绘图时能及时释放磁力使笔尖压下。

参考文献
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