设计（论文）题目：CNC二维绘图仪改进设计
系部名称：机电工程系
学生姓名：
专业：机电一体化
班级：
学号：
指导教师：
答辩组负责人：
填表时间：2011 年 5 月
摘要
随着科学技术的飞速发展，制造行业对机电一体化生产系统的需求越来越趋向于自动化、智能化、小型化（甚至微型化）、柔性化、高速化和精密化。本设计就是典型的机电一体化产品。
本设计主要是针对CNC二维绘图仪的改进设计，绘图仪已经是一种很成熟的产品，而我只是在原有的基础上做了一部分改进，加进了一些自己的想法，比如做了flash模拟动画、电气部分的设计等。设计对象应用新的原理或新的概念开发新的产品，也可以在已有的机器的基础上，重新设计或做局部的改革，提高机器的工作能力。合成或简化机器结构，增多或减少机器的功能。提高机器效率，减低机器能耗。变更机器零件，使用新材料等。
本论文共九章，第一章主要介绍CNC工作台的组成、结构、特点；第二章主要是螺旋传动结构及其零件设计；第三章和第四章是在已有的基础上完成装配图的设计；第五章主要讲解flash的制作步骤；第六章主要是电气原理图。
关键词：机械，绘图仪，机电一体化
Abstract
Along with the rapid development of science and technology, manufacturing industry of mechatronics production system needs more and more incline to at automation, intelligent, miniaturization (or even miniaturised), flexibility, high speed and precision. This design is the typical electromechanical products.
This design is mainly aimed at CNC design improvement, the two-dimensional plotters plotter has is a very mature products, and I'm just in the original foundation made part of the improvement, added some ideas of his own, such as do the flash animated simulations, electrical parts of the design, etc. Design object application new principles or new concept to develop new products, also can be in the basis of existing machine, redesigned or do local reform, improve the machine's ability to work. Synthetic or simplified machine structure, increase or decrease the function of the machine. Enhance machine efficiency, reduce machine energy consumption. Change machinery parts, use new materials, etc.
This paper first chapter nine chapters, were mainly introduced the composition, structure CNC workbench, characteristics; The second chapter basically is screw transmission structure and component design; Chapter 3 and the fourth chapter are the basis of the existing finished the design of assembly drawings; The fifth chapter covers flash production steps; The sixth chapter basically is the electrical diagram.
Keywords: machinery, plotters, electromechanical integration
目录
第一章 CNC工作台的组成、结构、特点 (1)
1.1 CNC工作台的组成、结构、特点 (1)
1.2合理拟定并选择传动方案 (2)
1.3确定CNC工作台的结构和零部件的类型 (3)
1.4确定导轨类型 (4)
1.5 选择轴承类型及支撑方式 (5)
1.6 初选联轴器 (7)
1.7 初步确定机体结构 (7)
1.8 伺服系统 (7)
1.9 选择控制电机 (8)
第二章螺旋传动结构及其零件设计 (12)
2.1 螺旋传动结构概述 (12)
2.2滚动丝杠及螺母设计 (12)
第三章装配图设计第一阶段 (24)
3.1导轨的设计 (24)
3.2 确定丝杠轴承的型号、尺寸、润滑方式并校核 (25)
3.3 丝杠、螺母与工作台滑板的联接设计 (30)
3.4联轴器的选择与设计 (31)
第四章装配图设计第二阶段 (32)
第五章flash的制作 (33)
5.1.逐帧动画 (33)
5.2.形状补间动画 (33)
5.3.运动补间动画 (34)
第六章电气部分设计 (36)
第七章参考文献 (37)
第八章谢辞 (38)
第九章结束语 (39)
第一章 CNC工作台的组成、结构、特点
总体设计非常重要，是对一部机器的总体布局和全局的安排。总体设计是否合理将对后面几步的设计产生重大影响，也将影响机器的尺寸大小、性能、功能和设计质量。所以，在总体设计时应多花时间、考虑清楚，以减少返工现象。
1.1 CNC工作台的组成、结构、特点
1.1.1 CNC工作平台的主要组成
CNC二维工作台主要是由工作台滑板（滑块）、直线移动导轨、螺旋传动（丝杠）机构、驱动电机、控制装置、位移检测器、和机体（机座）组成。
1.1.2 CNC工作平台的结构
CNC工作平台的结构有两种分类方法
（一）、按电机与机座、工作台滑板的相对位置分为三种
1.驱动电机与X方向（或Y方向）工作台滑板连成一体。这种形式简单，但造成低层驱动重量大，电机振动会影响工作台的精度，它适用于低速传动。
2.下层电机不与工作台连成一体，而是装在机座上，上层电动机则与工作台滑板连在一起。这种形式结构复杂，但是减少了下层电机的驱动重量，适用于中、高速传动，应用较广。
3.将全部电机放在机座上，电机通过一套较长的传动装置驱动工作台移动，这样的结构虽然减轻了下层工作台的承载重量和电机振动的影响，但却影响了传动系统的刚度和运动速度的提高。
（二）、按执行器（工作台）在空间的位移方向分为两种
可分为卧式工作台和立式工作台。
卧式工作台：执行器在XOY平面内运动，即Ｘ，Ｙ方向的丝杠均布置在水平面内。这种结构能承受大的载荷，而且结构紧凑、工作可靠、稳定，定位精度高。
立式工作台：执行器在XOZ平面内运动，即一个方向的丝杠布置在水平面内，
而另一个丝杠布置在铅垂面内。这种结构的缺点是Z方向的丝杠及导轨的支承德刚度低，所以承载能力小，精度不高。所以不采用。
1.1.3 CNC工作台的特性
１、静态性能
——工作台的几何精度：它包括X-Y工作台导轨在水平面的直线性、垂直平面直线性、X方向与Y（Z）方向的垂直度、Ｘ-Ｙ（Ｚ）方向的反向间隙和反向精度以及工作台与运动平面间的不平行性。
——系统的静刚度：工作台传动系统受重力、摩擦力和其他外力的作用而产生的相应变形，其比值成为静刚度。
——工作台的定位精度和重复定位精度：指步进电机每走一步（发一个脉冲）工作台沿丝杠轴向方向所能产生的位移大小，一般为几微米至几十微米。
2、动态性能
包括工作台系统的振动特性和固有频率，速度和加速度特性，负载特性，系统的稳定性等。
1.2合理拟定并选择传动方案
CNC二维工作平台传动方案的选择很重要，其传动方案有两大类分类方法。
1.2.1 按丝杠与螺母的相对运动分
按丝杠与螺母的相对运动来分，传动方案可分为四种。
⑴丝杠转动，螺母移动；
⑵螺母转动，丝杠移动；
⑶螺母固定，丝杠转动、移动；
⑷丝杠固定，螺母转动、移动；
对于卧式工作台我们选择第一种方案，即丝杠转动，螺母移动。
1.2.2 按摩擦性质不同分类
按摩擦性质不同，传动方案可分为滑动螺旋传动和滚动螺旋传动两种。
滑动丝杠螺母机构（滑动螺旋传动）
滑动丝杠螺母机构具有结构简单，运动平稳，传动精度高，螺纹导程小，降速比大，牵引力大等优点。其缺点是摩擦阻力大，传动效率低，螺纹中有侧向间隙，故反向有空行程。由于动静摩擦差别大，低速时可能出现爬行现象。
滚珠丝杠就具有螺旋滚道的丝杠和螺母间充满滚珠。这些滚珠作为中间传动件，在螺母闭合的回路中循环滚动，使丝杠螺母副的运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。滚珠丝杠的传动效率很高，当双螺母预紧后，轴向刚度好，传动副爬行小，具有较高的定位精度，启动转矩小，传动灵敏，同步性好。其缺点是结构复杂，制造较困难，价格昂贵，以及不能自锁。
根据CNC二维工作平台的要求，参看两种传动的特点，对卧式CNC我们设计选择滚珠丝杠螺母传动。由于滚珠丝杠螺母机构不具有自锁性，故应增加电磁制动装置，以达到精确定位的目的。
1.3确定CNC工作台的结构和零部件的类型
1.3.1确定CNC二维工作平台的结构类型
根据前面拟定的几个传动方案，选择一个最佳方案。
电机与滑动工作台连成一体
下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板上
全部电机放在机座上
根据前面CNC的工作结构三种形式的介绍，对于卧式工作台我们初步选择下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板上的结构（即选择第二种类型）。此结构适合低速运动。当速度较高时，也可以选择下层电机固定在机座上，上层电机固定在工作台滑板上。第三种一般用于特殊场合。
1.4确定导轨类型
常用导轨按其接触面的摩擦性质，可分为滑动导轨、滚动导轨、静压导轨三大类。
若按其结构特点分为力封式和自封式。力封式又称为开式，必须借助外力（如重力或弹力）才能保证运动件和承导面间的接触，从而保证运动件按给定的方向作直线运动；自封式又称闭式，无需借助外力，而靠导轨本身的结构形状便能保证运动件和承导面间的接触。
由于滚动摩擦导轨接触应力大、对精度要求高，结构较为复杂，所以，我们选择滑动摩擦导轨。
1.4.1普通滑动导轨
普通滑动导轨是指动、静两导轨面直接接触的导轨，它具有结构简单、制造容易、承载能力大、接触刚度高、抗振性好，对几何的形状误差不敏感等优点。缺点是摩擦阻力大，磨损快，动静摩擦系数差别大，重载或低速时容易产生爬行现象。
1.4.1.1滑动摩擦导轨的类型
1.V形截面：导向精度高，导轨磨损后会自动下降补偿，不会产生间隙，但是该导轨在水平、垂直两方向上的误差相互影响，故给制造、检验和维修带来一定的困难，一般顶角取90度，也可根据载荷和导向精度来定。
2.矩形截面：结构简单、制造和检修方便、精度高、承载能力大优点，但是，该导轨不可避免的存在侧向间隙，因而，导向精度差，磨损后用镶条来补偿间隙。
3.燕尾形截面：具有尺寸紧凑、能承受颠覆力矩的优点，但是刚度差，制造维修不方面，摩擦力也较大，适用于精度要求不高及移动速度较慢的场合。
4.圆形截面：制造简单，可以做到精密配合，但是，它是封闭结构，对温度变化比较敏感，磨损后很难进行调整和补偿，故这种导轨多用于承受垂直载荷很小的场合。
根据本结构和设计的要求，我们选用圆形截面导轨。
1.4.
2.2 滑块导轨间隙调整
为保证导轨正常工作，导轨滑动表面之间应保持适当的间隙。间隙过小，会增加摩擦阻力；间隙过大，会降低导向精度。导轨的间隙如依靠刮研来保证，要费很大的劳动量，而且导轨经长期使用后，会因磨损而增大间隙，需要及时调整，故导轨应有间隙调整装置。
矩形导轨需要在垂直和水平两个方向上调整间隙。
在垂直方向上，一般采用下压板调整它的底面间隙，其方法有：
1）刮研或配磨下压板的结合面1或2.。这种方法调整比较麻烦，适用于不常调整、导轨耐磨性能好或间隙对加工精度影响不大的场合；
2）用螺钉调节镶条位置，这种方法调整方便，但刚度稍差；
3）改变垫片3的片数或厚度。这种方法省去修刮工序，但增加了结合面的层数，刚度较差。
在水平方向上，常用平镶条或斜镶条调整它的侧面间隙。
1）采用平镶条调整导轨侧面间隙。平镶条横截面积为矩形或平行四边形（用于燕尾导轨），以镶条的横向位移来调整间隙。平镶条一般放在受力小的一侧，用螺钉拧紧，螺母锁紧。因各螺钉单独拧紧，收紧力不易一致，使镶条在螺钉的着力点有挠度，是接触不均匀、刚性差、易变性、调整较麻烦，故用于受力较小、或短的导轨。
2）采用斜镶条调整导轨侧面间隙。调整时拧动螺钉，是斜镶条纵向（平行运动方向）移动来调整间隙。为了缩短斜镶条的长度，一般将斜镶条放在移动件上。斜镶条是在全长上支承，其斜度为1:40～1:100，镶条长度L越长，斜度应
越小，以免两端厚度相差过大。一般L
10
H
≤时（H为导轨高度），取1:40；
L
10
H
>
时，取1:100.
1.5 选择轴承类型及支撑方式1.5.1 轴承类型选择
滑动轴承和滚动轴承各有其优缺点
滑动轴承具有承载能力高、工作平稳可靠、抗震性好、噪音低、寿命长、具有剖分式、安装方便、运转精度较高等优点；缺点是摩擦力大、起动力矩大、成本高。
滚动轴承是标件，具有以下几个优点：
——滚动轴承起动转矩比滑动轴承小得多（80%～90%），有利于负载起动。
——径向游隙小，向心角接触轴承可用预紧的方法消除游隙，运转精度高。
——对于同尺寸的轴颈，滚动轴承的宽度比滑动轴承小，可使机器的轴向结构紧凑。
——大多数滚动轴承可同时承受径向和轴向载荷。故轴承组合结构简单。
——互换性好，标准化程度高，成批生产，成本较低。
滚动轴承的缺点是接触应力高、抗冲击能力差，高速重载时寿命低、噪音大，减震能力低。
由于CNC工作台载荷不大，速度低，步进电机启动频繁，根据上述各自的优缺点，这里设计选择滚动轴承。
1.5.2 支承方式
丝杠支承是丝杠结构中重要的组成部分。它的结构形式和安排布置对传动精度影响很大。因此，支撑结构必需保证丝杠在其旋转时不会产生过大的轴向和径向跳动，否则，即使丝杠的精度再高，工作台仍不能得到准确的位移。在丝杠的支承中，丝杠的转速较低，可装在两个轴承或径向滚珠轴承或滚针轴承中，为了使丝杠承受轴向力并防止丝杠轴向移动，需采取高精度的滚珠止推轴承或滑动止推轴承。
常见的丝杠支承方式有三种：
A、将止推轴承装于丝杠两端支撑外侧，属于两端固定。当丝杠受热伸长时，能作轴向移动，故对稳定性无影响。但由于止推轴承的间隙较大，会使丝杠轴向跳动，影响传动精度和正常工作。
B、它是将止推轴承装于丝杠两端支撑内侧，以属于两端固定。当丝杠受热时将产生弯曲，并使轴承负载加重，它只适用于恒温或很短的丝杠。
C、采用一端双向固定，而另一端为游动的支承方式。它是将两个止推轴承
装在丝杠一端的支承中，作为固定的支承，而另一端为游动的支承，当丝杠受热膨胀时，可以自由伸长，不会引起丝杠的挠曲。这种支承方式较好。
比较三种支承方式，这里选择第三种，这样滚动轴承的类型也能方便的确定下来。固定端的轴承可以是角接触或是圆锥滚子轴承，具体的选择将在后面进行。第三种丝杆支承方式是将两个接触球轴承装在丝杠一端的支承中，作为固定支承，而另一端用深沟球轴承作为游动支承。它属于一端双向固定，一端游动的支撑结构。
1.6 初选联轴器
联轴器有刚性和挠性两种，刚性联轴器适用于两轴严格对中不发生相对位移的地方。挠性联轴器适用于两轴有偏斜（可分为同轴线、相交轴线）或在工作中有相对位移（可分为轴向位移、径向位移、角位移、综合位移）的地方。挠性联轴器又有无弹性元件的、金属弹性元件的和非金属弹性元件的之分。后两种称为弹性联轴器。
CNC二维工作平台是高精度机电系统，要求定位精度高，启动灵活、频繁。这就要求联轴器输出地角位移、转矩与电机输出地角位移、转矩同步性好，因此选择刚性联轴器。
1.7 初步确定机体结构
CNC二维工作平台的机体主要由静机座和动机座组成。静机座包括X方向的方形底座、导轨及丝杠的支承座；动机座包括Y（或Z）方向的移动方形底座、导轨及丝杠支承座（随丝杠螺母及工作台滑板一起运动，结构与静机座相同）。
1.8 伺服系统
1.8.1 开环伺服系统
这种系统主要是采用步进电机作为驱动元件，步进电机每接受一个脉冲指令，电机轴就转相应的角度，驱动工作台移动。精度完全取决于电机、齿轮副、
丝杠螺母副和工作台导轨等部件的精度，因此适用于精度要求不高的场合。1.8.2 闭环伺服系统
这种系统的主要特点是工作台上装有位置检测装置，如旋转编码器、光栅传感器，可以随时测量工作台的实际位移，进而将测定值反馈到数字控制装置中的比较器中与指令信息进行比较，并且根据比较后的差值进行控制。因此，有可能校正传动链内由于电器、刚度、间隙、惯性、摩擦及制造精度所形成的各种误差，从而提高伺服的精度。
这里我们采用闭环伺服系统。这要求应用伺服电机，伺服电机一般是交流电机或步进电机。关于电机的选择问题，下面再介绍。
1.9 选择控制电机
控制电机应根据转矩、位移速度、理论定位精度、工作行程和载荷大小来确定，
常用的控制电机有步进电机、直流伺服电机、交流伺服电机（又分为同步交流和异步交流）。步进电机好控制，也可以做伺服电机。
步进电机是一种离散运动的装置，在目前国内的数字控制系统中，步进电机的应用十分广泛。随着全数字式交流伺服系统的出现，交流伺服电机也越来越多地应用于数字控制系统中。为了适应数字控制的发展趋势，运动控制系统中大多采用步进电机或全数字式交流伺服电机作为执行电动机。虽然两者在控制方式上相似（脉冲串和方向信号），但在使用性能和应用场合上存在着较大的差异。现就二者的使用性能做一比较。
1、控制方式不同
步进电机是利用电磁铁的作用原理将电脉冲信号转换为线位移或角位移的电机，发一个脉冲电机就转过一个步距角（走一步）；而伺服电机是一种内部有位置或速度反馈的电机，是将控制电压信号转换为相对应的角位移，或线位移的一种电机。控制信号电压的大小与电机转过的角位移或线位移的大小存在一一对应的关系。
2、控制精度不同
两相混合式步进电机步距角一般为 3.6°、1.8°，五相混合式步进电机步距角一般为0.72°、0.36°。也有一些高性能的步进电机步距角更小。
3、低频特性不同
步进电机在低速时易出现低频振动现象。振动频率与
负载情况和驱动器性能有关，一般认为振动频率为电机空载起跳频率的一半，这种由步进电机的工作原理所决定的低频振动现象对于机器的正常运转非常不利。当步进电机在低速时，一般采用阻尼技术来克服低频震动现象，比如在电机上加阻尼器，或驱动器上采用细分技术等。交流伺服电机运转非常平稳，即使在低数时也不会出现振动现象。交流伺服系统具有共振抑制功能，可涵盖机械的刚性不足，并且系统内部具有频率解析机能（FFT），可检测出机械的共振点，便于系统调整。
4、矩频特性不同
步进电机的输出力矩虽转速升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，所以其最高工作转速一般在300～600ＲＰＭ。交流伺服电机为恒力矩输出，即在于其额定转速（一般为2000RPM或3000RPM）以内，都能输出额定转矩，在额定转速以上为恒功率输出。
5、过载能力不同
步进电机一般不具有过载能力。交流伺服电机具有较强的过载能力。以松下交流伺服系统为例，它具有速度过载和转矩过载能力。其最大转矩为额定转矩的三倍，可用于克服惯性负载在启动瞬间的惯性力矩。步进电机因为没有这种过载能力，在选型时为了克服这种惯性力矩，往往需要选取交大转矩的电机，而机器在正常工作期间又不需要那么大的转矩，便出现了力矩浪费的现象。
6、运动性能不同
步进电机的控制一般为开环控制（也可用于闭环控制），启动频率过高或负载过大易出现丢步或堵转的现象，停止时过高易出现过冲的现象，所以为保证其控制精度，应处理好升、降速问题。交流伺服系统为闭环控制，驱动器可直接对电机编码器反馈信号进行采样，内部构成位置环或速度环，一般不会出现步进电机的丢步或过冲的现象，控制性能更为可靠。
7、速度响应性能不同
步进电机从静止加速到工作转速（一般为每分钟几百转）需要200～400毫秒。交流伺服系统的加速性能较好，以松下MSMA 400W交流伺服电机为例，从静止加速到其额定转速3000RPM仅需几毫秒，可用于要求快速停止的控制场合。
综上所述交流伺服系统在许多性能方面都优于步进电机。但在一些要求不高的场合也经常用步进电机来做执行电动机。所以，在控制系统的设计过程中要综合考虑控制要求、成本等多方面的因素，选用适当的控制电机。
由于我们设计的CNC二维工作平台速度低，要求也不高，所以，这里我们选择步进电机作为驱动电机（也可以选择伺服电机）。
下面着重介绍步进电机。
步进电机又称脉冲电动机，且是数字控制系统中一种执行原件，其功用是将脉冲信号转换为相应的角位移或直线位移。步进电机是关系到数控机床加工精度和加工速度等性能的关键性元件。步进电机分为三种：永磁式（ＰＭ），反应式（VR）和混合式（HB）。
永磁式步进一般为两相，转矩和体积较小，步距角一般为7.5°或15°。
反应式步进一般为三相，可实现大转矩输出，步距角一般为1.5°，但噪声和振动都很大。在欧美等发达国家80年代已被淘汰。
混合式步进是指混合了永磁式和反应式的优点。它又分为两相和五相，两相步进角一般为1.8°而五相步进角一般为0.72°。这种步进电机应用最广泛。
控制系统对步进电机的基本要求：
——在一定的速度范围内，步进电机能稳定的运行，输出轴转过的步数必须等于输入的脉冲数，不能“失步”。
——每输入一个脉冲信号，输出轴所转过的角度或前进的距离称为步距角，该值小而高，能保证控制系统的精度。
——允许脉冲频率高，这样才能动作迅速，减少辅助工时，提高生产效率，但脉冲频率不宜过高，否则转矩将变小。
步进电机的基本特点：
——步进电机不是恒定通电，而是按一定的方式轮流通电，是通过“环形分配器”来实现的。
——反应式步进电机可以按指令进行角度控制，也可以进行速度控制，这对本设计很重要，可以实现程序定位。
——反应式步进电机无自锁能力，为保证步进电机转子能停在最后一个脉冲信号的角位移终点位置上采用带电定位方法（电磁制动装置）。
——步距角越小，运动稳定性越好，Ts（最大负载转矩）越接近Tmax（最大静转矩）。
——可选择不同的步距角（改变通电方式即可）。
CNC工作台的步进电机（包括X向和Ｙ向）我们选择混合式步进电机，采用带电定位（电磁制动装置），步距角的选择要结合理论定位精度δ和丝杠来确定，脉冲频率可查电机的有关参数，再根据转速确定。由于电机的选择与要结合丝杠，所以具体的参数设计将在丝杠设计时一起进行。
第二章螺旋传动结构及其零件设计
2.1 螺旋传动结构概述
丝杠螺母机构又叫螺旋机构，它主要用来把旋转运动变为直线运动，或把直线运动变为旋转运动（如滚动丝杠螺母和静压丝杠螺母），同时传递运动及动力。
若按螺旋传动的用途分，可分为三种。
有以能量为主的传力螺旋（如螺旋压力机、千斤顶螺旋）；有以传递运动为主，并要求有较高传动精度的传导螺旋（如压力台的进给螺旋）；还有调整零件互相位置的调整螺旋。电子精密机械设备的载荷一般较轻，螺旋传动主要用来实现精密进给运动（传导螺旋）。
若按螺旋副的摩擦性质不同，亦可分为三种。包括滑动螺旋、滚动螺旋、和静压螺旋。
2.2滚动丝杠及螺母设计
滚动丝杠，就是在具有螺旋滚道的丝杠和螺母间充满滚珠，这些滚珠作为中间传动件，在螺母上闭合的回路中循环滚动，使丝杠螺母副的运动由滑动变成滚动，以减小摩擦。滚珠丝杠具有很高的传动效率（η=0.92～0.96）；当双螺母预紧后，轴向刚度高；传动副的爬行小，具有较高的定位精度和随动精度；起动力矩小，传动灵敏，同步性好。但结构复杂，制造困难，价格较为昂贵以及没有自锁作用。国内在数控机床进给系统中，广泛的采用了滚珠丝杠副，在高精度自动控制的电子工业专用机械设备工作台的精密进给传动中，也开始采用。
滚珠丝杠副有多种结构形式，其主要的差异是：螺纹滚道型面的形状；滚珠的循环方式；消除轴向间隙和预紧的方法等三方面。
2.2.1螺纹滚道型面
螺纹滚道型面（或称法向截型）是指通过滚珠中心的螺旋线的法向平面，与
丝杠或螺母滚道的交线形状。目前较常用的滚道型面有单圆弧和双圆弧两种。
1、单圆弧滚道型面的特点：结构简单，制造容易，特别是磨滚道型面时砂轮修正较方便，容易得到较高的精度。但是在单螺母传动中，接触角β随初始间隙和轴向载荷的变化而变化，故传动效率、承载能力、轴向刚度不稳定。在双螺母传动中，为使预紧后接触角β保持45°，必须严格控制径向间隙△d 。在无载荷时，△d 和β之间的关系为
b d 4()(1cos )2
d R β=?-?- 2、双圆弧轨道型面的特点：接触刚性好，摩擦小，有较大的承载能力，预紧或承载后的接触角β=45°基本不变，故传动效率、承载能力、轴向刚度都比较稳定，可以实现无间隙传动，传动精度较高，但其制造工艺较复杂。
螺纹滚道型面的主要结构参数有：
A 、接触角β 在螺纹滚道法相剖面内，滚珠球心与滚道接触点的连线（公法线）和螺纹轴线的垂线间的夹角β，称为接触角。接触角的大小与滚道的受载情况和传动精度有密切关系。β角大，滚珠丝杠的承载能力大、刚度大、传动效率高。但β角又不能太大，否则会使滚珠和螺纹滚道接触部位变陡。螺纹槽深度增加，磨削是不易达到叫较高的精度和较低的表面粗糙度。目前采用的标准接触角为β=45°。
B 、螺纹滚道半径R 和滚珠直径db 之比（亦称rs 系数）
此比值对滚珠丝杠工作性能有很大影响。
如果R/db 值太大，则滚珠截面的形状近似直线，接触刚性差，承载能力小，传动精度低；反之，b
R d 太小时，则滚珠与滚道机会完全接触，滚珠滚动时摩擦很大，但减小滚道半径R 有利于提高承载能力。一般取 b
R 0.520.555d rs == C 、偏心距 b d ()sin 2
e R β=-?
2.2.2滚珠返回的循环方式
按螺母上滚珠返回装置的不同，滚珠丝杠副分为内循环和外循环两大类。滚珠在循环过程中始终与丝杠接触的叫内循环，脱离丝杠的叫外循环。这两种循环形式，国内均已形成系列化生产。
（1）内循环
内循环采用单圈，即在一个循环回路中只有一圈滚珠，在螺母的侧孔中，装入接触相邻两圈螺纹滚道的反向器，借助反向器上的回珠槽，迫使滚珠越过丝杠螺纹牙顶，进入相邻滚道，以实现循环。反向器上回珠槽的引进和引出两部分，与螺母上相邻两圈螺纹滚道重合，期中央部分与螺母轴线成一倾角（等于或接近45°），而深度比螺纹滚道深度大一倍，即等于滚珠直径。一般在同一螺母上采用三只反向器，沿轴向间隔（4/3～7/3）Lo（Lo为基本导程），在圆周上互相错开120°。反向器有两种形式，一种是圆珠凸键形，另一种是偏圆嵌块形。单圈内循环滚珠螺母结构由于滚珠的循环回路短、个数少，故流畅性好、摩擦损失小、效率高、径向尺寸紧凑、刚性好，承载能力大。缺点是反向器上回珠槽计算和加工较困难，轴向尺寸交大。此外，在工作时滚珠将不断越过螺纹牙顶，所以对丝杠外圈及圆角r3的要求较高，而加工平滑过渡圆角r3较困难。
（2）外循环
外循环采用多圈，其结构有以下几种：
螺旋槽式：在螺母体的外圆柱面上直接铣出螺旋槽作为滚珠的回程道。其两端与螺纹滚道用孔相连，利用挡珠器切断内滚道，挡住滚珠的去路，迫使滚珠流入通向螺旋槽的孔中构成的循环，挡珠器用一段钢丝焊在螺钉上制成。这种结构的特点是工艺简单，易于制造，故使用较广。
插管式：它是用弯曲成型的管子插入螺母工作圈始、末端孔内。导管稍突出于螺母内孔，外面用螺钉和压板紧固。管子本身是滚珠的回程通道，突出的部分又起挡珠器的作用。为了保证滚住在管子中流动通畅，A、Ｂ两侧的内孔面必须和内滚道相切，以免产生冲击，管子与滚珠间还需留0.2～0.3mm的间隙。这种螺母的结构简单，流畅性好，便于大量生产。缺点是径向外形尺寸大，挡住用的端部耐磨性差。
端盖式：在螺母上钻出纵向孔作为滚珠的回程通道，螺母两端装有两块扇形
端盖或套筒，滚珠的回程道口就在盖板上。滚道半径R为滚珠直径d0的1.4～1.6倍。这种结构简单、工艺性好，但滚道吻接和弯曲处圆角不易做准而影响其性能，故应用较少。通常以单螺母形式用于升降传动机构。
2.2.3轴向间隙和预紧的调整方法
滚珠丝杠副的轴向间隙，是指在无载荷情况下的原始轴向间隙，和在负载作用下，由于滚助于滚道型面的接触点的弹性变形，而引起螺母位移量的总和。采用双螺母机构，对其施加一定的预紧力，可消除轴向间隙，以提高滚珠丝杠的轴向刚度和传动精度。
双螺母预紧原理
在一根丝杠上装有两个螺母，通过垫片对其施加一定的预紧力F0，以调整两个螺母的相对位置，使每个螺母中的滚珠在承受轴向力F以前，预先分别于丝杠滚道两侧中的一侧接触（两个螺母的接触方向相反），同时有一定的接触力p0，这就不仅消除了轴向间隙，而且在力F0的作用下，还使滚珠与滚道接触处产生一定的预变性，这样，滚珠丝杠副无论在哪个方向承受轴向力F，只要在一定范围内，丝杠副都不会出现轴向间隙。采用双螺母预紧的滚珠丝杠副，安装两个螺母的目的只能起到调整轴向间隙和施加预紧力的作用，而不能达到提高承载能力的目的。这是因为在丝杠副受载时，其中只有一个螺母受轴向工作载荷，即所谓的工资螺母，而另一只螺母只受预紧力，故称预紧螺母。因此，在计算双螺母滚珠丝杠副最大承载能力时，只能按一个螺母计算。
调隙与预紧的方法
采用双螺母结构来消除轴向间隙和施加预紧力，其方法是改变双螺母的相对位置。有两种基本的方法。
其一、只调整双螺母的轴向的相对位置，而不改变它们的相对角度；
其二、只调整双螺母的相对角度，而不改变他们的相对位置
垫片式：一般采用螺钉固定两个螺母的凸缘，而在一只或两只螺母的凸缘中间加垫片，调整垫片的高度，使螺母产生轴向位移，以达到消除间隙和预紧。其特点是结构简单紧凑，接触刚度好，预紧可靠，但配磨垫片较麻烦，精确调整较困难，且在工作中不能随便调整。
螺纹式：又叫拼帽式，双螺母中一只螺母有凸肩，另一只螺母无凸肩而有另一段外螺纹，用两个螺母预紧。旋转所预紧螺母使其产生轴向位移，以达到消除间隙和预紧。其特点是结构简单紧凑，调整方便，故广泛应用，但是不够精确。
弹簧式自动调隙：双螺母中，一只固定，一只活动，利用弹簧获得轴向位移，其特点是能够消除工作中由于磨损产生的间隙，但结构复杂，并存在一个固定的弹簧作用力2
1Z ，轴向刚度低。 齿差式：在两个螺母的凸肩上加工出相差一个齿的齿轮，装入相应齿数的内齿轮中，如果其中一个螺母单独转过一齿则螺母的相对位移量为
01L Z 或是02L Z 。如果两个螺母同转过一齿，则调整的位移量为02111(
)Z L Z - L0——基本导程
Z1、Z2——螺母上齿轮的齿数
预紧力的确定
在滚珠丝杠副上施加预紧力后可以提高轴向刚度和传动精度，但是如果施加的预紧力过大，滚珠丝杠副的寿命就会缩短，因此，应在满足所需的寿命和保证精度的条件下来确定预紧力F ’的大小。推导过程从略。
Fmax ' 2.83
F = 近似地取为：Fmax '3F ≈
式中 max F ——最大轴向力（N ）
2.2.4滚珠丝杠副主要尺寸的确定
1．滚珠丝杠副结构的选择
滚珠丝杠副结构的选择，主要是指选择螺纹滚道型面、滚珠循环方式和预紧调隙方法。
根据防尘保护条件，对预紧和调隙的要求，以及加工的可能性等因素，参照以上所述原则，进行结构形式的选择。例如，当容许有间隙存在时（垂直运动件的进给传动等），应采用单圆弧滚道型面，且只用一个螺母；当必须有预紧和在
机电课程设计XY数控进给工作台设计
大学 课程设计（论文） 内容：X-Y数控进给工 作台设计 院(系)部：机械工程学院 学生姓名： 学号: 专业：机械电子工程 班级： 指导教师： 完成时间：2010-10-08
摘要 当今世界电子技术迅速发展，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字：机电一体化的基础基本组成要素特点发展趋势
目录 第一章课程设计的目的、意义及要求 (4) 第一节课程设计的目的、意义 (4) 第二节课程设计的要求 (4) 第二章课程设计的内容 (5) 第一节课程设计的内容 (5) 第二节课程设计的内容 (5) 第四章数控系统总体方案的确定 (6) 第五章机械部分设计 (7) 第一节工作台外形尺寸及重量初步估算 (7) 第二节滚动导轨副的计算、选择 (8) 第三节滚珠丝杠计算、选择 (10) 第四节直流伺服电机的计算选择 (12) 第五节联轴器计算、设计 (14) 第六节限位开关的选择 (15) 第七节光电编码器的选择 (15) 第六章机床数控系统硬件电路设计 (15) 第一节设计内容 (17) 第二节设计步骤························
毕业设计
茂名职业技术学院 2011年12月21日 数控铣床X-Y工作台设计 【摘要】 本设计是在数控机床工作原理之上设计一台简单的、经济型的x-y 数控铣床工作台。X-Y数控工作台的机电系统设计是一个开环控制系统,其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度。降低成本,是微机控制技术的最简单的应用。它充分的利用了微机的软件与硬件功能以实现对机床的控制,使机床的加工范围扩大,精度和可靠性进一步得到提高。设计任务是完全围绕数控机床工作原理而展开的，本设计充分体现了数控机床机械设备部分与电气设备部分的紧密结合。X-Y数控工作台设计包括总体方案的设计、步进电机的选用、传动装置的设计、电气控制部分的设计和相关软件的设计。本设计的经济型数控工作台精度并不高，采用开环系统；机械传动部分采用步进电机直接连接滚珠丝杠，从而驱动工作台进给。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是三相交流电，所以输入的脉冲数目及时间间隔不同，转子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通电导体即转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。 关键词：X-Y数控工作台；设计任务；机械传动部件；控制系统
CNC XY table design Abstract The design is in the NC machine tool works on top of design a simple, economical CNC xy table. XY table CNC electromech anical system design is an open-loop control system, its structure is simple, convenient and can guarantee to achieve a certain degree of accuracy. Reduce costs, is a computer-controlled technology, the simplest applications. It is full advantage of the crisis in software and hardware capabilities in order to achieve the control of machine tools; to expand the scope of processing machines, precision and reliability, and further enhanced. Design task is completely around the NC machine tool works and carried out,this design fully reflects the CNC machine tools and electrical equipment, machinery and equipment part of the close combination of parts. CNC XY table design includes the overall program design, selection of stepper motors, gear design, electrical control part of the design and related software design. The design of the economy is not high-precision CNC table, using open-loop system; mechanical transmission part is directly connected to ball screw stepping motor, which drives table feed . Stepper motor is a pulse signal will be transferred into the angular displacement of the electromechanical DAC device. Its working principle is: each to a pulse will be generated in the stator circuit in a certain space rotating magnetic field; due to pass the three-phase stepper motors AC Therefore, the number of input pulses and the time interval is different from the rotation of the rotor rotation speed and the length of time are different. As the rotating magnetic field into which the power of both the rotor conductor cutting magnetic field lines when the role of a force, from the realization of the rotating magnetic field corresponding rotational force of rotor rotation, so the rotor can be achieved only lead screw rotor
X-Y 数控工作台课程设计 一、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：X —Y 数控工作台的机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X —Y 数控工作台，主要参数如下： （1）工作台面尺寸C ×B ×H ＝185mm ×195mm ×27mm ； （2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝385mm ×385mm ×235mm ； （3）工作台加工范围X=115mm Y=115mm ； （4） X 、Y 方向的脉冲当量均为0.005mm 、脉冲；X 、Y 方向的定位精度均为±0.01mm ； （5）负载重量G=235N ； （6）工作台空载最快移动速度为3m/min ； 工作台进给最快移动速度为1m/min 。 （7）立铣刀的最大直径d=20mm ； （8）立铣刀齿数Z=3； （9）最大铣削宽度20e a mm ；
（10）最大被吃刀量10p a mm 。 1．2总体方案的确定 图1-1 系统总体框图 （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，需要承载的载荷不大，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 丝杠螺母副的选择 伺服电动机的旋转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、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。 ③ 减速装置的选择 选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，为了圆整脉冲当量，放大电动机的输
通用二维运动平台设计 通用二维平台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y工作台、激光设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。根据设计要求的工作载荷，通过计算和校核，进行导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等的选型，在满足性能的要求下，以成本最低为原则，满足工作要求的需要，能稳定完成生产任务。 本次机械装配图采用国产软件CAXA进行绘制，通过提取图符操作调用标准零件，因而能够较快的绘制机械装配图。电气原理图采用Protel99Se绘制。 关键词：运动平台；滚珠丝杠；计算；绘图
目录 第一章二维运动平台总体方案设计 (1) 第二章二维运动平台进给伺服系统机械部分设计计算 (2) 2.1 确定系统脉冲当量 (2) 2.2 确定系统切削力 (2) 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和选型 (3) 2.5 计算减速比i (6) 2.6步进电动机的计算和选型 (7) 第三章微机数控硬件电路设计 (11) 3.1 MCS—51系列单片机简介 (12) 3.1.1 MCS—51系列指令系统简介 (12) 3.1.2 定时器/计数器 (12) 3.1.3 中断系统 (14) 3.2 存储器扩展电路设计 (13) 3.2.1 程序存储器的扩展 (13) 3.2.2 数据存储器的扩展 (14) 3.2.3 译码电路设计 (16) 3.3 I/O接口电路及辅助电路设计 (18) 3.3.1 8255 通用可编程接口芯片 (18) 3.3.2 键盘显示接口电路 (20) 3.3.3 电机接口及驱动电路 (21) 3.3.4 辅助电路 (23) 参考文献 (24)
目录 1.序论 (1) 1.1设计的目的 (1) 1.2设计的意义 (1) 1.3设计的任务 (1) 2.总体方案设计 (2) 2.1二维数控精密工作台的原理 (2) 2.2设计的整体方案 (3) 2.2.1工作台总体结构的确定 (3) 2.2.2传动方案的确定 (3) 2.2.2.1丝杆螺母副的选用 (3) 2.2.2.2导轨副的选用 (4) 2.2.2.3联轴器的选用 (4) 2.2.2.4伺服电动机的选用 (4) 2.3绘制总体方案图 (4) 3.机械系统的设计计算 (5) 3.1滚珠丝杆选择 (5) 3.1.1滚珠丝杆工作长度计算 (5) 3.1.2计算载荷 (6) 3.2.3额定动载荷计算 (7) 3.1.4稳定性校核 (8) 3.1.5滚珠丝杆副的刚度计算 (9) 3.2滚动直线导轨选择 (9) 3.2.1导轨额定寿命计算 (10) 3.2.2导轨工作载荷计算 (11) 3.3联轴器的选择 (11) 3.3.1联轴器传递功率确定 (12) 3.3.2联轴器的选定 (12) 3.4轴承选择 (13) 3.5步进电机的计算与选型 (14) 3.6系统整体性能计算 (15) 3.6.1步进电机轴上总当量负载转动惯量计算 (15) 3.6.2系统刚度计算 (16) 3.6.3系统固有频率计算 (16) 3.6.4系统死区误差计算 (17) 3.6.5由系统刚度变化引起的定位误差计算 (17) 4工作台整体装配图及零件图 (20) 5总结 (20) 6参考文献
1.序论 1.1设计的目的 “精密机械设计基础”课程设计作为实践环节对于整个课程具有非常重要的意义。在这次课程设计中不仅仅是完成一项指定的任务，更重要的是实际走过一个完整的设计过程。学生在课程设计中定位为设计者，对方案进行筛选论证，考虑结构工艺性和选材。整个设计采用AutoCAD和Solidworks完成，从3D建模到2D 图纸。要求学生至少做出一张可用于加工的图纸，图纸的尺寸标注要合理，要有尺寸公差和行为公差，要正确选择材料，要有技术要求。总之，通过本次课程设计使学生知道，设计过程包括哪些步骤，能够投放生产的加工图纸是什么样子的。其目的是: （1）具体应用、巩固加深和扩大课程及有关先修课程的理论知识、生产知识，了解精密机械设计的一般设计方法和步骤，培养学生的实际设计能力，为以后进行毕业设计打下基础。 （2）掌握正确的设计思想，并通过本次课程设计使同学们掌握仪表的设计思想。 1.2设计的意义 精密机械课程设计是一次比较完整的精密机械设计，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。 1.3设计的任务 设计一个数控X-Y工作台，该工作台可用于铣床上坐标的加工和塑料、铝合金零件的二维曲线加工。其实际结构如下图1.3所示：
本科毕业设计（论文）通过答辩 目录 绪论 (4) 第一章：总体方案设计 (4) 1.1 设计任务 (4) 1.2 总体方案确定 (6) 第二章：机械系统设计 (6) 2.1 工作台外形尺寸及重量估算 (7) 2.2滚动导轨的参数确定 (8) 2.3 滚珠丝杠的设计计算 (11) 2.4 电机的选用 (14) 2.5 伺服电机惯性负载的计算 (15) 2.6 轴承的选用 (15) 2.7 轴承的类型 (15) 2.8 轴承调隙、配合及润滑 (15) 2.9 滚动轴承的密封装置 (16) 2.10 本章小结 (16) 第三章控制系统硬件设计 (16) 3.1 CPU板 (16) 3.2 驱动系统 (19) 3.3 传感器及软硬件设计 (20) 第四章控制系统软件设计 (25) 4.1 总体方案 (25) 4.2 主流程图 (25) 4.3 INT0中断服务流程图 (26) 4.4 INT1中断服务流程图 (27) 第五章参考文献 (20)
任务书 班级：学号：姓名： 题目：双坐标数控工作台设计（200×200） 时间：2009年11月6日至2009年12月25日共6周 要求：设计一台双坐标数控工作台并开发其控制、驱动系统，工作台行程200×200mm，台面尺寸160×320，俩坐标分辨率分别为δ=0.001mm/step,承受最大轴向载荷Fxmax=600N，Fymax=850N，最大移动速度Vxmax=Vmax=1m/min。（要求采用滚珠丝杠和滚动导轨，必要时增加减速机） 具体任务： 1、确定总体方案，绘制系统组成框图1张（A2）； 2、进行必要的匹配计算，选择适当的元器件； 3、机械部分装配图1张（A0）； 4、数控系统控制电路设计，绘制电气原理图1张（A1或A0）； 5、编写设计说明书1份（不少于8000字）。 班级： 学生： 指导教师：
三维运动模拟平台总体设计 为实现对某型光电跟踪器的动态跟踪性能的测试，设计了一种可以实现方位、俯仰和垂直直线运动的模拟运动平台，角位置精度达到15″，线位置精度达到0.01mm。 标签：运动模拟；结构设计；机构设计 1 引言 动态角跟踪精度检测装置由被试系统、多波段点源目标发生器系统（以下简称“目标发生器”）、运动模拟平台及总控制系统四个部分组成，图1为动态角跟踪精度检测装置系统组成原理框图。其中的运动模拟平台可以完成方位、俯仰和垂直直线运动。 2 目标运动平台 目标运动平台包含圆弧导轨副（含驱动传动机构）、目标固定支撑台面（俯仰U型框）、俯仰/升降二维运动机构、平台三维（俯仰、升降及滑动）伺服驱动系统、平台运动控制系统等5部分组成，图2为运动平台组成框图。 导轨为目标平台的方位运动轨迹，围绕着圆弧导轨的圆心转动，形成方位视线角速度变化；目标固定支撑台面负载目标发生器在进行沿圆弧导轨水平运动的同时，通过俯仰和高低二维运动机构带动目标发生器进行自身的位置运动，形成复合俯仰方位视线角速度变化，进而模拟目标在空域范围内的位置信息，以便对被测系统进行测试及仿真。 2.1 运动平台功能 平台本身具备三个运动自由度，目标发生器安放于运动平台的俯仰框上，平台依据操作者规划的运动路径，带动目标模拟系统形成相对被测试系统的方位、俯仰两个自由运动并保证目标光轴实时指向被测系统成像面中心，模拟真实环境下目标的运动特性，以便被测系统进行跟踪，分述如下。 2.1.1 模拟目标的方位运动 整套设备在以GDX塔的转轴中心为圆心的圆弧导轨上运动，实现方位角度变化的模拟，由于被测系统及圆弧导轨都以GDX塔的转轴中心为圆心，可以实现旋转中心重合，所以可以保证目标在导轨上运动时，被测系统光轴可以始终跟随着目标发生器的光轴，且在某一视场可观测到多波段点源目标； 2.1.2 模拟目标的俯仰运动
机械学院 毕业设计（论文）开题报告 题目X-Y数控工作台设计 学生姓名 学号 院 (系) 专业机械设计制造及自动化 指导教师王振 报告日期2010年11月20日
毕业设计（论文）题目X-Y数控工作台设计 题目来源（请在有关项目下作√记号）科研实践教学学生自拟 √ 题目类别（请在有关项目下作√记号）设计论文其它√ 毕业设计（论文）起止时间2009年10月22日——2009年4月30日 X-Y数控工作台设计 一、设计依据及设计意义： 1，依据：数控机床是用数控指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。它广泛应用于机械制造和自动化领域，数控机床的应用不但给传统的制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控机床的不断发展和应用领域的扩大，所以X-Y数控工作台设计对国计民生的一些重要行业（IT 汽车轻工医疗等）的发展起着越来越重要的作用。 2，意义：目前国内中小企业多采用经济型X-Y数控冲床系统，其加工速度慢、编程复杂、人机界面不友好，因此生产效率低、工人劳动强度大。因此研制和开发一套基于双单片机的X-Y数控冲床数控系统，用于装配新冲床或对经济型数控冲床进行改造，能够有效的改善人机界面、提高加工速度、方便操作人员编写用户加工程序，对提高企业生产效率、改善工人的工作环境有很大的实际意义,工作台是机床上必不可少的部件，工作台的自动化能大大减轻劳动强度，提高劳动生产率。随着经济的发展，机械行业的许多普通机床和闲置设备，经过数控改造以后，不但可以提高加工精度和生产率，而且能有效的适应多种品种，小批量的市场需求，使之更有效的发挥经济效益和设计效益。 3，国际机床市场的消费主流是数控机床。1998年世界机床进口额中大部分是数控机床，美国进口机床的数控率达70%，我国为60%。目前世界数控机床消费趋势已从初期以数控电加工机床、数控机床、数控铣床为主转数向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主。世界X-Y数控工作台发展动向纳为下述几点：工序复合化、精密化的高速化、低价格化。
目录 一、前言 (3) 二、总体方案的确定 (5) 1、设计参数 (5) 2、初选步进电动机和丝杠 (5) 3、选定工作台尺寸 (6) 4、系统组成框图 (7) 三、机械部分的设计 (8) 1、传动系统等效转动惯量的计算 (8) 2、工作载荷分析与计算 (8) 3、进给工作台工作载荷计算 (9) 4、滚珠丝杠螺母副的选型与校核 (9) 5、导轨的选型和计算 (13) 6、驱动电动机的选用 (13) 四、数控系统的设计 (17) 1、硬件设计 (17) 2、步进电动机开环伺服原理 (18) 3、步进电动机的控制框图 (19) 4、软件程序设计 (20) 五、心得体会 (23) 六、参考书目 (23)
课程设计III 任务书 要求：该工作台可安装在钻、铣床上用于钻孔或铣削加工。设计参数如下：Y方向的脉冲当量为：0.005㎜/STEP；最大钻孔直径10㎜，铣刀直径的D=20; 齿数为4；加工材料为碳钢； 工作台行程范围是：500㎜X450㎜,；最大快速移动速度为：3M/MIN, 具体任务： 1、确定总方案，绘制系统组成图一张（A3） 2、机械部分设计计算，选择适当的元器件； 3、画出X-Y工作台外形图和Y向机械部分装配图一张(A0) 4、设计控制系统硬件电路,画出控制系统硬件电路图一张（A1） 5、编写设计说明书1分，（不少于8000）
前言 设计目的 数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题---数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。 设计要求 课程设计是机床数控系统课程的十分重要实践环节之一。通过课程设计可以初步树立正确的设计思想，了解有关的工业政策，学会运用手册、标准、规范等资料；培养学生分析问题解决问题的实际能力，并在教师的指导下，系统地运用课程和选修课程的知识，独立完成规定的设计任务。 课程设计的内容是改造设备，实现以下几部分内容的设计训练。如精密执行机构（或装置）的设计、计算机I/O接口设计和驱动电路以及数控化电气原理设计等。 说明书的内容应包括：课程设计题目总体方案的确定、系统框图的分析、电气执行元件的选用说明、机械传动设计计算以及机械和电气及其他部分（如环形
数控机床课程设计说明书 设计课题：X-Y数控工作台设计 院别： 专业班级： 学号： 姓名： 指导老师：
摘要...................................................................................................................................... I 一前言. (1) 二设计任务 (1) 三设计主要步骤 (2) （一）确定设计总体方案 (2) 1、初拟机械传动部件方案： (2) 2、方案对比分析： (2) 3、最终方案： (3) （二）机械传动部件的计算与选型 (3) 1 导轨上移动部件的重量估算。 (3) 2 计算切削力 (3) 3 滚珠丝杠传动设计计算及校验 (5) 4 步进电机的传动计算及电动机的选用 (10) 5 滑动导轨的设计计算 (16) 6 其余部件的选取 (17) 结论 (20) 致谢 (21) 参考文献 (21)
21世纪以来，人类经济高速发展，人们生活发生了日新月异的变化，微处理器、微型计算机在各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的CNC系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量、微型化方向发展。 关键字：十字工作台；滚珠丝杠；滚动导轨；步进电机
数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 1 引言 数控机床作为机电一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造中结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。 X-Y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵—横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的X-Y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的X-Y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X 、Y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。 2 设计任务 题目：数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计 任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y 数控工作台，主要参数如下： 1. 立铣刀最大直径的d=15mm ； 2. 立铣刀齿数Z=3; 3. 最大铣削宽度e a =15mm; 4. 最大背吃刀量p a =8mm; 5. 加工材料为碳素钢活有色金属。 6. X 、Y 方向的脉冲当量x y δδ==0.01mm;
7. X 、Z 方向的定位精度均为0.04mm; 8. 重复定位精度为0.02mm; 9. 工作台尺寸 250×250㎜; 10.X 坐标行程 300mm; 11.Y 坐标行程 120mm; 12.工作台空载进给最快移动速度：V xmaxf =V zmaxf =1500mm/min; 13.工作台进给最快移动速度:max max 400mm /min x f z f V V ==; 3 总体方案确定 3.1机械传动部件的选择 3.1.1导轨副的选用 要设计数控车床X-Z 工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，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。 3.1.2丝杠螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.004mm 冲当量和01.0±mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 3.1.3伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.01mm ，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此1500mm/min ，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。 3.1.4减速装置的选用 为了圆整脉冲当量，放大电动机的输出转矩，降低运动部件折算到电动机转轴上的转动惯量，需要设置减速装置，且应有消间隙机构。因此决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 3.1.5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
1 、设计任务 (2) 2、总体方案的确定 (2) 2.1 机械传动部件的选择 (2) 2.2 控制系统的设计 (3) 2.3 绘制系统组成框图 (3) 2.4 绘制机械传动系统简图 (3) 3、机械传动部件的计算与选型 (4) 3.1 脉冲当量的确定 (4) 3.2 导轨上移动部件的重量估算 (4) 3.3 传动部件、导向部件的设计、计算和选用 (4) 3.3.1 铣削力的计算 (4) 3.3.2 直线滚动导轨副的计算与选型 (4) 3.3.3 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (5) 3.4 步进电动机减速箱的选用 (7) 3.5 步进电动机的计算与选型 (7) 3.5.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J eq (7) 3.5.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T (8) eq 3.5.3 步进电动机最大静转矩的选定 (10) 3.5.4 步进电动机的性能校核 (10) 4、控制系统硬件设计 (11) 4.1 根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能： (11) 4.2 数控系统的组成 (11) 4.3 CPU 的选择 (11) 4.4 驱动系统 (12) 4.4.1 步进电机驱动电路和工作原理 (12) 4.4.2 步进电机驱动电源选用 (13) 4.5 其它辅助电路设计 (14) 5、控制系统的软件设计 (15) 5.1 接口程序初始化 (15) 5.2 步进电机驱动程序 (15) 5.2.1 电机的控制电路原理及控制字 (15) 5.2.2 电机正反转及转速控制程序 (15) 5.3 圆弧插补程序的设计 (17) 5.3.1 逐点比较法 (17) 5.3.2 程序设计 (17) 参考文献 (20)
本科生专业课程设计( 201１届） 学生姓名： 学号: 专业名称： 班级: 指导教师： 201０年11月20日
目录 任务书....................................................................................................... 错误!未定义书签。 二、总体方案的确定....................................................................................... 错误!未定义书签。 三、机械传动部件的计算与选型................................................................... 错误!未定义书签。 四、工作台机械装配图的绘制?错误!未定义书签。 五、工作台控制系统的设计........................................................................... 错误!未定义书签。参考文献........................................................................................................... 错误!未定义书签。附件1 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。附件2?错误!未定义书签。 附件3?错误!未定义书签。 附件4 ............................................................................................................... 错误!未定义书签。
自考毕业设计 数控十字工作台 1 一. 引言： 二. 设计任务 三. 总体方案确定 四、机械部分设计 1、导轨副的选择 （1）、额定寿命计算 （2）、滚动导轨预紧方式的确定： 2、丝杠螺母副的选用 （1）、计算进给引力m F （2）、计算最大动负载C 及主要尺寸初选 3、滚珠丝杠螺母副的选型： （1）、传动效率计算 （2）、刚度验算 （I ）、丝杠的拉伸或压缩变形量1δ （II ）、滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ （III ）支撑滚珠丝杠轴承的轴向接触变形3δ （VI ）滚珠丝杠两端推力轴承，不会产生失稳现象不做稳定性校核 4、确定齿轮传动比 5、步进电机的选用 （1）、步进电机力矩计算： （I ）空载启动转矩M 起 (II) 快速移动时间所需力矩M 快 (III) 最大切削负载时所需力矩M 切 五、心得体会 六、[参考书目]
自考毕业设计数控十字工作台一.引言： 数控机床课程设计是机电一体化专业教学中的一个重要的实践环节，学生学完技术基础课和专业课，特别是“数控技术及应用”课程后应用的，它是培养学生理论联系实际、解决实际问题能力的重要步骤。本课程设计是以机电一体化的典型课题---数控系统设计方案的拟定为主线，通过对数控系统设计总体方案的拟定、进给伺服系统机械部分设计，计算以及控制系统硬件电路的设计，使学生能够综合应用所学过的机械、电子和微机方面的知识，进行一次机电结合的全方面训练，从而培养学生具有初步设计计算的能力以及分析和处理生产过程中所遇到的问题的能力。 二.设计任务 设计一个数控X-Y工作台。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0.02mm。 设计主要技术要求如下：台面尺寸长×宽＝400mm×250mm；工作台行程为：X=300mm，Y=150mm；脉冲当量：X 、Y都是0.01 mm；X /Y最高工作进给速度为300 mm /min；X /Y 最高空载进给速度为700 mm /min；X/Y/Z向切削负载为：2000/2000/1000N（力不用计算）；工件最大重量（包括夹头）为：150KG；工作寿命为每天8小时，连续工作5年，250天/年。进给机械系统均采用滚动（珠）丝杠副和滚动（珠）导轨副；所设计的工作台应结构合理、设计参数与上述要求符合；设计装配图应表达正确，完整，技术标注规范、全面； 三. 总体方案确定 X - Y工作台的机电一体化系统可以设计为开环、半闭环和闭环伺服系统三种。开环的伺服系统采用步进电机驱动,系统中不设置传感与检测设备;半闭环的伺服系统中一般采用交流或直流伺服电机驱动,并在电机输出轴端设置传感与检测设备;闭环的伺服系统中也是采用交流或直流伺服电机驱动,但检测与传感设备设置在工作台末端。本文所设计的X - Y 工作台开环伺服系统,通过控制器控制步进电机的驱动,经传动机构带动工作台运动,其总体框图如下: 带动工作台运动,其总体框图如下: 2
题目：通用二维运动平台设计学生姓名：X X X 学院：机械学院 班级：机制08-5班 指导教师：XXXX 201X 年 1 月 4 日
摘要 X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控机床的加工系统、纵横向进给、立体仓库中堆垛机的平面移动系统、平面绘图仪的绘图系统等,尽管结构和功能各不相同,但基本原理相同。机电一体化系统是将机械系统与微电子系统结合而形成的一个有机整体。本文通过对X-Y工作台即能沿着X向、Y向移动的工作台的机械系统、控制系统及接口电路的设计,阐述了机电一体化系统设计对专业教学的意义及技术关键。 本次大四的课程设计，主要设计和研究Ｘ－Ｙ工作台及其电气原理图。确定Ｘ－Ｙ工作台的传动系统，并且选择了螺旋传动，验算了螺旋传动的刚度、稳定性及寿命等参数；并设计了导轨，据其用途和使用要求，选择了直线滚动导轨副，确定了其类型、转动力矩、转动惯量。控制系统包括了系统电源配置、CPU电路、RAM、ROM扩展，键盘与显示、I/O通道接口、通信接口等。我们利用了8031主控器、6264片外数据存储器、2764片外程序存储器、74LS373地址锁存器、74LS138片选地址译码器及8155、8255可编程I/O扩展等MCS-51单片机设计其硬件电路图。 关键词：滚珠丝杠螺母副；直线滚动导轨副；步进电机；工作台；MCS—51单片机
Abstract： X-Y NC worktable is the integration of mechanical and electrical equipment parts,such as CNC machining system, vertical feed,three-dimensional warehouse stacker plane moving system,graphic plotter plotting system, although the structure and function of each are not identical,but the basic principles are the same.Mechanical and electrical integration system is the mechanical systems and microelectronics systems combine to form an organic whole.This article through to the X-Y table along with X,Y to move to the workbench mechanical system,control system and the design of the interface circuit,elaborated the mechanical and electrical integration system design on specialized teaching significance and key technology. The big four of the curriculum design,the main design and research XY table and electrica schematic diagram . Determination of XY table drive system,and chose the screw drive,check of the spiral transmission rigidity,stability and lifetime parameters;and the design of the guide,according to its purpose and use requirements, select the linear rolling guideway, determine its types,torque,moment of inertia.The control system includes the system power allocation,CPU circuit,RAM,ROM, keyboard and display,I/O channel interface, communication interface etc..We use the 8031 main controller,6264 pieces of data memory,2764 pieces of external program memory,an address latch,74LS373 74LS138 chip select address decoder and a 8155,8255 programmable I/O extension MCS-51 microcontroller design the hardware circuit diagram. Keywords: ball screws; linear rolling guideway; stepping motor; table; MCS-51 single chip microcomputer
课程设计 课程名称：数控技术课程设计 学院：机械学院专业：机械设计制造及其自动化姓名：学号： 年级：任课教师： 2012年 1 月 16 日
课程设计任务书
课程设计（论文）任务书 学生姓名：指导教师： 任务书发出时间2011年12月25日 设计时间2011年12月26日——2012年1月16日 设计（论文）题目数控技术课程设计 设计（论文）内容 ①结合设计任务的要求拟定总体机械和电气控制设计方案。 ②根据拟定的机械设计方案进行二坐标数控工作台的机械结构设计计算和元件的 选用。 ③根据拟定的电气设计方案进行数控系统控制电路的框图设计及驱动控制电路的 计算和元件选用。 ④根据指定要求进行有关软件的流程图设计。 ⑤对指定的软件程序进行编写。 ⑥进行机械结构的工程图和电气原理图的绘制。 ⑦编写设计说明书。 设计（论文）的要求（含说明书页数、图纸份量） ①方案拟定正确。 ②设计计算根据来源可靠，计算数据准确无误。 ③元气件选用正确规范符合国家颁布标准。 ④机械结构图纸绘制视图完整、符合最新国家标准，图面整洁、质量高。 ⑤电气部份图纸要求符合国家标准，图面布局合理、整洁、质量高。 ⑥机械和电气部份图纸总量为 1.5 张“0”号图量，其中含机械装配图1～2张、 电气控制原理框图及计算机I/O接口和驱动控制电路等电气原理图1～2张。 ⑦课程设计说明书应阐述整个设计内容：如课题来源现实意义、总体方案确定、 系统框图分析、电气执行元件的选用说明、机械传动和驱动电路的设计计算以 及机械和电气的其它部分。说明书要突出重点和特色，图文并茂、文字通畅、 计算正确、字迹清晰、内容完整。说明书页数不少于 20 页
一、总体方案设计 1.1 设计任务 题目：X—Y 数控工作台的机电系统设计 任务：设计一种供立式数控铣床使用的X—Y 数控工作台，主要参数如下：1）工作台面尺寸C×B×H＝【200+（班级序号）×5】mm×【200+（班级序号）×5】mm×【15+（班级序号）】mm； 2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝【680+（班级序号）×5】mm×【680+（班级序号）×5】mm×【230+（班级序号）×5】mm； 3）工作台加工范围X=【300+（班级序号）×5】mm，Y=【300+（班级序号）×5】mm； 4）X、Y 方向的脉冲当量均为0.005mm/脉冲；X、Y 方向的定位精度均为±0.01mm； 5）夹具与工件质量M=【15+（班级序号）】kg； 6）工作台空载最快移动速度为3m/min；工作台进给最快移动速度为0.5m/min 。 7）立铣刀的最大直径d=20mm； 8）立铣刀齿数Z=3； 9）最大铣削宽度a e 20mm ； 10）最大被吃刀量a p 10mm 。 1.2 总体方案确定 （1））机械传动部件的选择 ①导轨副的选择 ②丝杠螺母副的选择 ③减速装置的选择 ④伺服电动机的选择 （2））控制系统的设计 ①伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制 ②PLC控制电机的梯形图编程
1.3 设计的基本要求 系统总体方案结构框图 （1） ）按照机械系统设计的步骤进行相关计算，完成手写设计说明书。 （2） ）计算结果作为装配图的尺寸和零部件选型的依据，通过 AutoCAD 软件绘制 XY 数控 工作台的总装配图，并绘制 AO 图纸。 （3） ）按照电气控制系统的步骤进行设计，完成电机启动、停止、正反转、电动等基本 工作状态控制的硬件连线图，并通过 PLC 协调控制 XY 电机运动，绘制相关梯形图。 XY 数控工作台结构 Y 方向传动机构 微 型机 机 电 接口 工作台 步 进 电 动机 减速器 人机接口 驱 动电 路 滚珠丝杠 减 速 器 滚 步 进 电 珠 动机 丝 杠 X 方向传动机构