学校代码： 10128 学 号：
课程设计说明书
题 目： 通用二维工作平台设计 学生姓名：
学 院： 机械学院 班 级： 指导教师：
2014年1月10 日
内蒙古工业大学课程设计
摘 要
数控机床是一种高度自动化的机床，随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。机械加工中，多品种、小批量加工约占80%。这样，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床。二维数控精密工作台采用滚珠丝杠和直线导轨副传动,具有 精度高,效率高,寿命长,磨损小,节能降耗,结构紧凑,通用性较强.工作台材料一般为HT400,也可以根据用户要求,设计加工,铝合金,钢板,大理石均可以加工；数控工作台系列产品可以配置步进电机或伺服电机.数控精密工作台可广泛应用于激光焊接机,激光切割机,插线机,打孔机,涂胶机,机械手,搬运或运输生产线上,检测装置,射线探伤分析,应力分析等数控机床和实验设备上。随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展 ，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要，二维数控工作台是设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要作用。
本次课程设计采用CAXA绘制工作平台的机械装配图，然后使用Protel99se对工作平台的电路图进行设计。
关键词： 滚珠丝杠副；直线滚动导轨；步进电机；CAXA；Protel99
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目 录
摘 要 ...................................................................................................................................... I 第1章 二维工作平台总体设计方案 ............................................................................... 1
1.1 机械传动部件的选择 ............................................................................................................ 1 1.2 控制系统的设计 ..................................................................................................................... 1
第2章 机械传动部件的计算与选型 ............................................................................... 3
2.1 导轨上移动部件的重量估算 ............................................................................................... 3 2.2 切削力的确定 .................................................................................................................... 3 2.3 直线滚动导轨副的计算与选型 ........................................................................................... 3 2.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 ........................................................................................... 5 2.5 计算减速比i ........................................................................................................................... 8 2.6步进电动机的计算和选型 ...................................................................................................... 9
第3章 微机数控硬件电路设计 ....................................................................................... 14
3.1 数控系统由硬件和软件两部分组成 ................................................................................... 14 3.2 选择中央处理单元CPU的类型 .......................................................................................... 14 3.3 存储器扩展电路设计 ........................................................................................................... 15 3.4 I/O接口电路设计.................................................................................................................. 15 3.5 显示器接口电路设计 ........................................................................................................... 15 3.6 键盘接口电路设计 ............................................................................................................... 15 3.7 步进电动机的接口电路设计 ............................................................................................... 16 3.8 其它组成 ............................................................................................................................. 17
设计总结 ............................................................................................................................. 22 参考文献 ............................................................................................................................. 23
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第1章 二维工作平台总体设计方案
1.1 机械传动部件的选择
（1） 导轨副的选择 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。 （2） 丝杠螺母副的选用 伺服电机运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高，动态响应快，运动平稳，寿命长，效率高，预紧后可消除反向间隙。
（3） 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，空载最快移动的速度也只有2m/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者直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。
（4） 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，拟在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角和转速。增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。
考虑到X,Y两个方向的加工范围相差不大，只有200mm而且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，丝杠螺母副，伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号和规格。
1.2 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MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控
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制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。
（3）要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存储器，数据存储器，键盘与显示电路，I/O接口电路，D/A转换电路、串行接口电路等。
（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。
微 机 环形 分配器 环形 分配器 光电耦合 功率放大 X交流伺服电机 X工作台执行元件 光电耦合 功率放大 Y交流伺服电机 Y工作台执行元件 图1.1 X-Y数控工作台总体方案设计
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