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西南科技大学本科生毕业论文 I

铣床的数控X-Y工作台设计

摘要：随着现代信息技术的发展，以提高产品加工的生产效率为主的高度自动化和提高产品质量为主的精密化成为现代机械加工技术发展的两个主要方向。人们对数控机床、精密仪器和仪表以及各种精密机械设备提出了越来 的精度要求，X-Y工作台是这些设备实现高精密加工的重要部件，对于提高产品的加工起着尤为重要的作用。本论文针对铣床工作台机构及其控制系统进行设计，主要包括伺服电动机的选型，滚珠丝杠的选型、强度校核及生产设计中应注意的问题,连接电机和滚珠丝杠副的联轴器的选型，导轨的设计。根据系统的功能要求，选择数控系统的CPU，同时还需要扩展程序存储器、数据存储器以及步进电机驱动器的选择。

关键词：X-Y工作台； 滚珠丝杠； 步进电机

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The design of CNC milling machine system XY

workbench and control system

Abstract：With the development of modern information techniques, the high automation with the main purpose of improving the production efficiency of product process and the accuracy with the accuracy with the main aim of improving the quality of product have been becoming the two major directions of the modern technique of mechanical process. People on the CNC machine tools, precision instruments and meters and all kinds of sophisticated machinery and equipment raised higher and higher precision, X-Y workbench is that important components of these high-precision machining equipment to achieve the core components, for improving the quality of processed products play the particularly important role.The entire mechanical transmission chain for the system design,servo motor related to the selection, the selection of ball screws, checking strength and production design should pay attention to the problem of connecting the servo motor and the ball screw of the axis. The Telection and Verification, bearing pieces bearing the design, rail and rack design. According to the function requirement of system, the selection of the CNC system CPU. It would also need to expand the program memory、data memory and the choice of stepper motor drive power.Through the table mechanical transmission chain system design to meet the machine into the system to the positioning accuracy and static and dynamic performance, so as to ensure the accuracy of processing machine.

Key words: The X-Y workbench , Ball screw,stepper motor .

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II

目 录

第1章 绪 论 ................................................................................................................... 1

1.1 X-Y工作台的研究背景 .......................................................................................... 1 1.2 X-Y工作台的研究意义 .......................................................................................... 1 1.3国内外研究现状 ...................................................................................................... 2 第2章 设计任务及方案 ................................................................................................... 3

2.1工作台设计任务 ...................................................................................................... 3 2.2机械传动部件的选择 .............................................................................................. 3

2.2.1导轨的选用 .................................................................................................... 3 2.2.2丝杠螺母的选择 ............................................................................................ 3 2.2.3电机的选用 .................................................................................................... 3 2.3控制部分部件的设计 .............................................................................................. 4 第3章 机械传动部分的设计计算 ................................................................................... 5

3.1 确定系统的脉冲当量 ............................................................................................. 5 3.2 工作台外形尺寸及重量初步估算 ......................................................................... 5 3.3 铣削力和工作载荷的计算 ..................................................................................... 6 3.4滚动直线导轨的计算选择 ...................................................................................... 7

3.4.1导轨副的载荷计算 ........................................................................................ 7 3.4.2导轨副的选型和安装 .................................................................................... 9 3.5滚珠丝杠副的计算选型 ........................................................................................ 11

3.5.1最大工作载荷的计算 .................................................................................. 11 3.5.3滚珠丝杠副的选型 ...................................................................................... 12 3.5.4传动效率的计算 .......................................................................................... 13 3.5.5稳定性的计算 .............................................................................................. 14 3.5.6滚珠丝杠副刚度的计算 .............................................................................. 14 3.5.7滚珠丝杠副临界转速的验算 ...................................................................... 16 3.6轴承和联轴器的选用 ............................................................................................ 16

3.6.1轴承的选用 .................................................................................................. 16 3.6.2联轴器的选用 .............................................................................................. 17

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第4章 电机的计算和选型 ............................................................................................. 19

4.1 步进电机的选择和计算 ....................................................................................... 19

4.1.1计算转动惯量 .............................................................................................. 19 4.1.2计算空载时在步进电机上的负载转矩 ...................................................... 20 4.1.3计算最大负载时在步进电机上的负载转矩 .............................................. 21 4.1.4步进电机的校核 .......................................................................................... 23 4.1.5步进电机的安装 .......................................................................................... 24 4.2 步进电机驱动器的选择 ....................................................................................... 24 第5章 控制电路设计 ....................................................................................................... 26

5.1控制部分总体方案 ................................................................................................ 26

5.1.1 绘制系统电气控制的结构框图 ................................................................. 26 5.1.2选择中央处理单元CPU的类型 ................................................................ 27 5.1.3存储器扩展电路设计 .................................................................................. 27 5.1.4 I/O即输入/输出接口电路设计 ................................................................... 27 5.2 MCS-51系列单片机简介 ..................................................................................... 27

5.2.1 8031单片机的简介 ..................................................................................... 27 5.2.2 8031单片机的基本特征 .......................................................................... 28 5.2.3 8031芯片引脚及其功能 ............................................................................. 28 5.3 程序存储器扩展电路的设计 ............................................................................... 30

5.3.1 2764芯片介绍 ............................................................................................. 30 5.3.2 2764芯片和引脚 ......................................................................................... 31 5.3.3地址锁存器 .................................................................................................. 31 5.4 数据存储器的扩展 ............................................................................................... 33

5.4.1常用的数据存储器6264及其引脚 ............................................................ 33 5.4.2 6264数据存储器扩展图 ............................................................................. 34 5.5 I/O口的扩展 .......................................................................................................... 35 5.6 键盘显示器的电路设计 ....................................................................................... 37

5.6.1显示接口电路设计 ...................................................................................... 37 5.6.2键盘接口电路设计 ...................................................................................... 38 5.7 其他辅助电路 ....................................................................................................... 39

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5.7.1 8031的时钟电路 ......................................................................................... 39 5.7.2 复位电路 ..................................................................................................... 39 5.7.3行程限位电路 .............................................................................................. 40

第6章 控制软件设计 ....................................................................................................... 41

6.1.系统控制功能分析 ................................................................................................ 41 6.2.步进电机自动进给程序 ........................................................................................ 41 总 结 ................................................................................................................................. 43 致 谢 ................................................................................................................................. 44 参考文献 ............................................................................................................................. 45 附录1 .................................................................................................................................. 46

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估计工作台的重量：

长?宽?高?350?300?20

由质量=体积*材料密度，可得为:

Wx= 350?300?20?10?3?7.8?10?2?163.8N X向拖板尺寸为: 720?250?15 X向上拖板重量

WY=720?250?15?10?3?7.8?10?2=210.6N

上导轨(含电机)重量为夹具及工件重量约为Wa= 200N X-Y工作台上半部分运动部分总重量为：

W总=WY+Wx+Wa=163.8+210.6+200≈600N

3.3 铣削力和工作载荷的计算

以加工材料为碳素钢或其他有色金属及加工材料的具体参数，选用立铣刀，铣刀参数如表3-1所示：

表3-1 加工铣刀的主要参数

最大铣刀直径 最大切削宽度 最大背吃刀量 aP?8mm 铣刀齿数 Z?3 d?15mm ae?15mm 设零件采用硬质合金铣刀，并以立式的方式加工，工件的材料是碳素钢，由《数控加工工艺与编程》杨建明版，可得d?15mm的硬质合金立铣刀的切削参数如下：

每齿进给量fz?0.1mm，铣刀转速n?300r/min，由《数控加工工艺与编程》可得铣削力的计算公式：

Fc?118?ae0.85?fz0.75?d?0.73?ap1.0?n0.10?Z

将数据代入上式，可得：

?3?1?Fc?118?150.85?0.10.75?15?0.73?81.0?3000.10?3?1229N

立铣刀进行圆柱铣削，各铣削力之间的比值查《金属切削原理与刀具》韩荣第版可得，铣削力之间的比值范围如表3-2所示：

考虑到逆铣，受力最大的情况取为最大，分别取于

FfFc

=1.2

FFm=0.3 e=0.4

FcFc 6

西南科技大学本科生毕业论文 表3-2 逆铣时铣削力之间的比值范围 FfFc FmFc 1.0~1.2 0.2~0.3 FeFc 0.35~0.4 则这三个方向所受的铣削力分别为：

Ff?1.2Fc?1.2?1229?1474.8NFm?0.3Fc?1.2?1229?368.7N Fe?0.4Fc?1.2?1229?491.6N采用立铣加工，工作台受到的铣削力垂直方向为FZ，受到水平方向铣削力分别为Ff和Fm，将较大的水平方向的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力Fx等于

Ff，径向铣削力Fy

Fx?Ff?1474.8NFy?Fm?368.7N Fz?Fe?491.6N3.4滚动直线导轨的计算选择

3.4.1导轨副的载荷计算

影响寿命的重要因素是工作载荷，故对最大垂直方向所受最大载荷进行计算，本工作台用双导轨，四滑块支承，当一个滑块承担全部垂直台面的工作载荷时，此时对导轨副垂直方向有最大承载能力的要求：

Fmax?W?F4?3?2?工作台上半部分移动部重量 ―― W=600N 外加载荷为垂直方向载荷 ―― F=491.6N 则最大工作载荷：

Fmax?600?491.6?641.6N4 7

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预计工作作台满足寿命6年，一年300天，每天8小时工作情况下，则工作台的小时的额定寿命为

Lh?6?300?8?14400h

考虑到特殊情况，取工作台的额定寿命为15000个小时。 计算距离的额定寿命 由公式

L?103Lh?2ns?60

可得：

?3?3?2ns?60?LhL?10?3

其中：Lh ——导轨按小时的额定工作寿命；

n ——工作间每分钟移动往返次数（4~6），取5；

?3?4? s ——为移动件行程长度，工作台X向行程为320mm，Y向行程为220mm，考虑行程较大的方向进行计算，取为320mm；

代入上式，得：

2ns?60?Lh2?1.5?104?60?320?60L???2880KM?3?31010

额定动载荷的计算，由滚珠型滚动直线导轨副计算寿命公式可得：

L?50(式中：

fh?ft?fc?faC3?)(km)

fwFmax?3?5?ft ——温度系数；

fa ——精度系数； fw ——载荷系数；

fc ——接触系数； fh ——硬度系数；

C ——导轨副的额定动载荷；

L ——为额定动作寿命，之前计算得2880KM；

Fmax——为滑块的工作载荷，由之前计算可得Fmax?641.6N；

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表3-3温度系数ft 工作温度（C） ft ??100 100~150 0.90 表3-4接触系数fc 150~200 0.73 200~250 0.60 1.00 每根导轨的上的滑块数 1 1.00 2 0.81 3 0.72 4 0.66 5 0.61 fc 表3-5精度系数fa 精度等级 1 1.0 2 1.0 表3-6载荷系数fw 工作条件 无外部冲击或振动的低速运动场合，V?15m/min 无明显冲或振动的中速运动场合，15?V?60m/min 有外部冲击或振动的高速运动场合，V?60m/min 3 1.0 4 0.9 5 0.9 fa fw 1~1.5 1.5~2 2~3.5 上面导轨硬度为60HRC，工作温度不超过100?C，每跟导轨只有两个滑块，故精度与为4级根据上表得数据

取温度系数ft?1；接触系数fc?0.81；精度系数fa?1；载荷系数fw?2；硬度系数fh可由下式算得:

fh?（滚道实际硬度的HRC3.6)58

?3?6?一般按产品技术规定，滚道硬度一般不能低于5HRC； 故一般取fh=1 带入上式，可得：

1?1?0.81?1C32880?50(?)(km)2641.6

经过计算可得:C?6130.39N。 3.4.2导轨副的选型和安装

初选陕西汉江机床厂生产的导轨HJG-DA20C

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图3-3 直线滚动导轨

导轨的安装的具体尺寸如下：

图3-4 导轨的安装尺寸图及承载力矩

表3-7 导轨的安装尺寸

组件尺寸 H 30 W 12 W1 20 滑块尺寸

A 44 B 32 B1 6 K 25 C 36 L1 50 L 76 N 5 E 12 H1 18 导轨尺寸 d?D?h F 60 6?9.5?8.5 M?1 M5?6 导轨的具体参数如表3-18：

可得导轨的额定动载荷为12600N，大于6595N，故满足设计要求，且有充裕余量。

装配与安装，由安装尺寸进行安装。

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西南科技大学本科生毕业论文 表3-8 工作台所需导轨长度尺寸

滑座 额定载荷/N 动载荷 静载荷 静态力矩/N*M 重量 重量 长度 L(mm) 横向580mm 12600 21800 滑座个数 M（个） 4 143 143 213 0.25 2.3 纵向480mm 每分钟往复次数 导轨 导轨 Ca Co TA TB TC Kg Kg/m 单向行程长度 lS（m） 0.32 n 4 3.5滚珠丝杠副的计算选型

3.5.1最大工作载荷的计算

立铣时，工作台的最大工作载荷由式：

进行计算。其中：

W ——工作台总重量，为600N； K ——取颠覆力矩影响系数，取为1.1，

Fm?KFx??(FZ?Fy?W)?3?7?? ——滚动导轨上的摩擦系数，由一般取为0.005。 FX —— 进给方向工作载荷，为1474.8N；

FY —— 横向方向工作载荷，为368.7N； FZ —— 垂直方向工作载荷，为491.6N， 求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

Fm?KFx??(FZ?Fy?W)?1629.58N工作台的在最大负载时（及承受最大切削力时）快进速度为V?1000mm/min，

3.5.2最大动载荷的计算

丝杠导X成l0?5mm，此时丝杠转速

n?v1000??200r/min。 l05给定丝杠使用寿命为15000h，丝杠寿命系数由式计算得出

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L?式中：

60nLh 610?3?8?Lh ——导轨按小时的额定工作寿命； n ——工进时的转速； 代入上式，可得

L?60nLh60?200?15000??180(106r) 610000010

?3?9?最大动载荷的计算： 由式

QX?3LfwfhFm

式中：

?3?10?QX ——滚珠丝杠副的动载荷；

L ——丝杠寿命系数；

fw ——滚珠丝杠副的载荷系数；

fh ——滚珠丝杠副的硬度系数； Fm ——滚珠丝杠副的最大工作载荷；

取载荷系数为1.2，硬度系数fh?1.0（滚道硬度大于60HRC）。 代入上式可得：

QX?3LfwfhFm?3180?1.2?1.0?1629.58?11041.1N

3.5.3滚珠丝杠副的选型

丝杠选取陕西汉江机床厂HJG-S2005-5型号尺寸如下

图3-5 丝杠螺母副的安装尺寸

根据计算出的最大动载荷和丝杠导程，选择汉江机床厂生产的HJG-S2005-5的滚珠丝杠副，为外循环单螺母突出式。其公称直径为20mm，导程为5mm。

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西南科技大学本科生毕业论文 表3-9 丝杠的基本尺寸

公称直径d0 20 基本导程L0 5 丝杠外径d 19.5 滚珠直径db 3.175 螺旋升角? 4?33' 表3-10 丝杠螺母安装尺寸

循环圈数 Dg6 D1 60 D2 48 B 11 螺母安装尺寸 M 4 d2 10 d3 5.8 dM M6 h 6 2?2.536 表3-11 丝杠螺母计算尺寸

名称 接触角? 钢球直径db 螺纹滚道法向半径R 偏心距e 计算公式 ―― ―― R?0.52db e?(R?db?2)sin?结果 450 3.175mm 1.651 0.0449mm 螺纹升角? ??arctgt ?d0 4?33，丝杠外径d d?d0?(0.2~0.25)db d1?d0?2e?2R19.5mm 丝杠内径d1 循环圈数 额定载荷 动载荷 静载荷 16.79mm 2?2.5?2?2.5 15789N 36580N 1185(N/?m) 接触刚度 3.5.4传动效率的计算

丝杠螺母副的传动效率为：

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tg?tg4?33，0.079 58 ?3 ?11??????0.965

?，，tg(???)tg(433?10)0.082 5其中

? ——为丝杠螺旋升角，为2?44，；

? ——为摩擦角，为10，； 3.5.5稳定性的计算

丝杆直径d =16.79计算得截面惯性矩

3.14?16.794I???3898.99mm

6464fk?2EI1?3.142?2.1?105?3898.99Fk???29107.3N

ka23?4302?d4?3?12??3?13?式中

fk——为支承系数，取为1； E——为钢的弹性模量E=2.1?105Mpa； K——为压杆稳定安全系数，取为3；

a ——滚动螺母至轴向固定处的距离，最大值为430mm； 临界载荷Fk?29107.3N。 丝杆的稳定性nk?Fk29107.3??17.86，由于17.68远大于安全系数[nk]?4，Fm1629.58故丝杆的稳定性达到要求，不会失稳。 3.5.6滚珠丝杠副刚度的计算

（1）X-Y工作台采用单推的形式，左右支承的中心距约为430mm，刚的弹性模量E=2.1?105Mpa，滚珠直径db?3.175mm，丝杠的最小直径为d=16.79mm。

丝杠的横截面积

S=

??d243.14?16.792??221.29mm2

4滚珠丝杠在工作负载F下和扭矩T的共同作用下，所引起的变形量为：

?1??FaTa ?ES2?IE?3?14? 14

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而丝杠受扭矩引起的导程变化量很小，可忽略不计，使用故?1??即可。

Fa进行计算ES?1??式中

Fa1629.58?430??0.015mm ES2.1?105?221.29F ——丝杆所受的最大载荷，为1629.58N；

S ——丝杆最小的横截面积，为221.29mm2； E ——刚的弹性模量，为2.1?105Mpa；

a ——中心距，为221.29mm2； （2）根据公式：

??d0Z???D?W????3 ??3?15?得单圈滚珠数为Z=17，改型号为丝杠为单螺母，滚珠圈数为2.5?2，代入公式

Z总?17?2?2.5?85颗 。丝杆有预紧力F预?Fm?568.1N，则有32?2?0.0013?式中

Fm3DWF预Z总?0.0013?1629.58103.175?568.1?853?0.0090mm

?3?16?DW ——为滚珠丝杠副内滚珠直径，为3.175mm； F预 ——为滚珠丝杠副丝杆预紧力珠，算得568.1N； Z总 ——为滚珠总数，为85颗；

Fm ——为丝杆承受最大载荷；

求得滚珠与螺纹道间的接触变形量为0.0090mm，实际丝杆有部分预紧力，且为轴向负载的三分之一，故实际形变量为二分之一，取为0.045mm

(3) ?总??1??2?0.015?0.0045?0.0195mm?19.5?m 设计的X-Y工作台的X方向程为430mm，由图知3-6知

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