第三章 课程设计的内容
第一节 课程设计题目：单片机控制步进电机驱动的多用XY工作台。
已知条件：定位精度：±0.01mm，滚珠丝杠及导轨使用寿命：T=15000h，中等冲击 工作台的有效行程为Lx?400mm LY?400mm快速进给速度vxmax?2000mm/min vymax?2000mm/min 和工作载荷FZ?2000N
第二节 课程设计的内容
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.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。
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
4.编写课程设计说明书
(1).说明书是课程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).说明书不少于84字，尽量用计算机完成。
5.图纸
(1).机械结构装配图，A0图纸1张。要求视图基本完整，符合标准。其中至少要有一
个坐标轴的完整剖视图；
6
第四章 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。
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。 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. 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。 4. X—Y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:
X向工作台 计 算 机 光电隔离 功率放大 步进 电机 光电隔离 功率放大 7
步进 电机 Y向工作台
第五章 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。
第一节 确定系统脉冲当量
脉冲当量δp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。
第二节 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向导轨支撑钢球的中心距为410mm,Y向导轨支撑钢球的中心距为400mm,设计工作台简图如下:
工作台简图 X向拖板(上拖板)尺寸为:
长*宽*高=420*410*50 重量:按重量=体积*材料比重估算为:
Wx= 420?410?50?10?3?7.8?10?2?671.58N Y向拖板(下拖板)尺寸为: 420?400?50
重量WY=420?400?50?10?3?7.8?10?2?655.2N
上导轨(含电机)重量为
(900?480?8?2?800?35?50)?7.8?10?2?10?3?487.97N
夹具及工件重量:约155N
X-Y工作台运动部分总重量为:
W?487.97?655.2?671.58?155?2000N
8
第三节 滚动导轨副的计算、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=1.0~3.0(一般运行状况)，3.0~5.0（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fsL?4.0
CO?fSLPX,YPX,Y?0.5(FZ?WX,Y)
Px=0.5(FZ+WX)=0.5(2000+671.58)=1335.79NPY=0.5(FZ+WY)=0.5(2000+655.2)=1327.6NCOX=fSLPX=4?1335.79=5343.16NCOY=fSLPY=4?1327.6=5310.4N
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 基本参数如下: 额定载荷/N 静态力矩/N*M 滑座重导轨重导轨长度 量 量 动载荷 静载荷 L Kg Kg/m TA TB TC (mm) Ca Co 17500 26000 滑座个数 M 4 导轨的额定动载荷Ca?17500N
依据使用速度v（m/min）和初选导轨的基本动额定载荷Ca (kN)验算导轨的工作寿命Ln：
额定行程长度寿命:
198 198 288 单向行程长度 lS 0.60 3.1 760 每分钟往复次数 n 4 0.6 TS?K(F?K?FMMfHfTfCCafWF20004)
??500
fT?1,fW?2,fC?0.81,fH?1,Rdo?509
TS?K(fHfTfCCa3fWF3)?50(1?1?20.8117500)?142409.58km500导轨的额定工作时间寿命:
TH?TH?TS?1032lonTS?1032lon
142409.58?103??494477h?T?15000h
2?0.6?4?60导轨的工作寿命足够.
第四节 滚珠丝杠计算、选择
初选丝杠材质：CrWMn钢，HRC58~60，导程：l0=5mm （1） 强度计算
丝杠轴向力：Fmax?KFx,y?f(Fz?Wx,y)(N)
其中：K=1.15，滚动导轨摩擦系数f=0.003~0005；在车床车削外圆时：Fx=(0.1~0.6)Fz，Fy=(0.15~0.7)Fz，可取Fx=0.5Fz，Fy=0.6Fz计算。 取f=0.004,FZ?400则:
FX?0.5FZ?0.5?2000?1000NFY?0.6FZ?0.6?2000?1200NFXmax?1.15?1000?0.004(2000?671.58)?1045.686NFYmax?1.15?1200?0.004(2000?655.2)?1252.621Nvmax60nTn?，其中丝杠转速(r/min)
l0106T?15000h
寿命值：L?n?L?vmax2000??400r/min l0560?400?15000?360610最大动载荷：Q?3LfHfWF
式中：fW为载荷系数，中等冲击时为1.2~1.5；fH为硬度系数，HRC≥58时为1.0。 查表得中等冲击时fW?1.2,fH?1则:
QX?3360?1.2?1?1045.686?7079.58NQY?360?1.2?1?1252.621?10686.54N3
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。 其基本参数如下:
10