1 绪 论1.1设计的意义二维数控工作台课程设计是一次比较完整的机械设计，它是理论联系实际、培养初步设计能力的重要教学环节。对于学生能力的培养具有重大意义。1.2数控技术发展概况随着生产和科学技术的发展，特别是随着航天、航空、造船、电子和兵器等工业部门的发展，机械产品日益精密、复杂，而且改型频繁，普通机床已不能完全适应这些部门的加工要求，如对一些复杂的曲线、曲面所构成的零件，手工操作甚至根本无法进行加工。因此，数控机床已成为现代工业生产必不可少的设备。以数控机床为代表的数控设备的生产与应用水平，反映出一个国家的机械与电子工业水平，它的研制和推广应用，对于提高劳动生产率和产品质量，改变我国制造技术落后的状况，使我国机电产品走向世界，起着极为重要的作用。输入输出设备计算机数控装置伺 服系 统受控设备数控设备是指通过数字化操作指令进行控制的一种设备，其基本结构如图 图1-1所示： 1-1数控设备基本框图 目前世界上在数控技术方面比较先进的国家主要有：德国、日本和美国，它们的设计制造技术代表着当今世界的最先进水平，比如德国的德马赫，日本的横河。而作为世界上新兴的制造业大国，我国在数控技术方面任重而道远，这需要我们这一代人更加的努力，才能赶上和超过世界上其它先进国家，使我国成为真正的制造业强国。数控设备的发展方向：随着微电子技术和计算机技术的发展，数控设备性能日趋完善，数控设备应用领域日趋扩大。科学技术的发展，推动了数控设备的发展，各生产部门加工要求的不断提高又从另一方面促进了数控设备的发展。当今数控设备正不断的采用新的技术成就，朝着高速度化，高精度化，多功能化，智能化、小型化、系统化与高可靠性发展。 2 二维数控工作台设计的内容2.1 设计题目：二维数控工作台的设计。已知条件：工作台的有效行程在150mm-200mm 之间，工作载荷10kg，工作平稳。2.2 设计的内容 2.2.1 数控装置总体方案的确定 1、数控装置设计参数的确定； 2、方案的分析，比较，论证。2.2.2 机械部分的设计1、确定脉冲当量；2、机械部件的总体尺寸及重量的初步估算；3、传动元件及导向元件的设计，计算和选用；4、确定伺服电机；5、绘制机械结构装配图；6、系统等效惯量计算；7、系统精度分析。2.2.3 数控系统的设计1、微机及扩展芯片的选用及控制系统框图的设计；2、I/O接口电路及伺服控制电路的设计和选用；3、系统控制软件的设计2.2.4 编写毕业设计说明书1、说明书是毕业设计的总结性技术文件，应叙述整个设计的内容，包括总体方案的确定，系统框图的分析，机械传动设计计算，电气部分的设计说明，选用元器件参数的说明，软件设计及其说明；2、说明书尽量用计算机完成。2.2.5 图纸1、机械结构装配图，A1图纸不少于3张。要求视图基本完整，符合标准。3 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。3.1 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。3.2 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。3.3 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。3.4 二维数控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。系统总体框图如下图3.1所示。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向工作台图3.1 系统总体框图4 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。4.1 确定系统脉冲当量脉冲当量p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。4.2 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向导轨长度为420mm,Y向导轨长度为420mm,设计工作台简图如下图4.1所示。图4.1 工作台简图X向拖板(上拖板)尺寸为: 长*宽*高=420*420*50重量:按重量=体积*材料比重估算为: = 42042050*7.810-2=687.96NY向拖板(下拖板)尺寸为: 420*420*50重量=420420507.810-2=687.96N上导轨(含电机)重量为(9004808+82023550) 7.810-210-3=493.43N夹具及工件重量:约155NX-Y工作台运动部分总重量为:W=687.96+687.96+493.43+1552024N4.3 滚动导轨副的计算和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=1.03.0(一般运行状况)，3.05.0（运动时受冲击、振动）。根据计算结果查有关资料初选导轨：因系统受中等冲击,因此取PX=0.5(FZ+WX)=0.5(2024+687.96)=1355.98NPY=0.5(FZ+WY)=0.5(2024+687.96)=1355.98NCOX=fSLPX=41355.98=5423.92NCOX=fSLPX=41355.98=5423.92N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表4.1 HJG-D25基本参数额定载荷/N静态力矩/N*M滑座重量导轨重量导轨长度动载荷静载荷L(mm)17500260001981982880.603.1760滑座个数单向行程长度每分钟往复次数M40.64导轨的额定动载荷N依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷 (kN)验算导轨工作寿命Ln：额定行程长度寿命: F=FM/M=2024/4=506N TS=K(fNfTfCa/fWF)3=50110.8117500/(2506)3=137403.46km 导轨的额定工作时间寿命: TH=TS103/2l0n=137403.46103/(20.6604)=477095.35hT=15000h 导轨的工作寿命足够.4.4 滚珠丝杠计算和选择初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC5860，导程：l0=5mm4.4.1 强度计算丝杠轴向力：(N) (4.1)其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.0030005；在车床车削外圆时：Fx=(0.10.6)Fz，Fy=(0.150.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。取f=0.004,则:FX=0.5FZ=0.52024=1012NFY=0.6FZ=0.62024=1214.4NFXmax=1.151012+0.004(2024+687.96)=1174.65NFYmax=1.151214.4+0.004(2024+687.96)=1407.41N寿命值：，其中丝杠转速(r/min)T=15000h=2024/5=404.8r/minL=60404.815000/106=364.32最大动载荷：式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.21.5；fH为硬度系数，HRC58时为1.0。查表得中等冲击时则:QX=1.211045.686=8959.48NQY=1.211252.62=10732.50N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。其基本参数如表4.2所示。表4.2 滚珠丝杠副参数说明其额定动载荷为14205N 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.表4.3 滚珠丝杠螺母副的几何参数表名称计算公式结果公称直径20mm螺距mm接触角钢球直径3.175mm螺纹滚道法向半径1.651mm偏心距0.04489mm螺纹升角螺杆外径19.365mm螺杆内径16.788mm螺杆接触直径17.755mm螺母螺纹外径23.212mm螺母内径（外循环）20.7mm4.4.2 传动效率计算丝杠螺母副的传动效率为：式中：=10，为摩擦角；为丝杠螺旋升角。 （4.2）1、 稳定性验算丝杠两端采用止推轴承时不需要稳定性验算。2、 刚度验算滚珠丝杠受工作负载引起的导程变化量为：(cm)Y向所受牵引力大,故用Y向参数计算FY=1407.41NLo=0.5cmE=20.6106(N/cm)S=R2=3.14(1.651/2)2=2.14cm2L1=1407.41*0.5/(20.61062.142)=7.3610-6CM丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计。导程变形总误差为=L1100/l0=7.3610-6100/0.5=14.7m/m（4.3）E级精度丝杠允许的螺距误差 =15m/m。4.5 齿轮的设计与计算因步进电机步距角滚珠丝杠螺距t=5mm,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： ，初选步进电机步距角：= 1.5/step。取小齿轮齿数 则大齿轮齿数因传递的