专业课课程设计设计说明书设计题目：数控X-Y工作台设计
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(200X200)方台面数控回转工作台设计
目录
序言 (3)
摘要 (4)
设计目的 (4)
设计要求 (4)
总体方案设计 (5)
机械系统设计计算 (6)
1、确定脉冲当量 (6)
2、确定传动比 (6)
3、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (7)
4、步进电动机的选型和计算 (11)
5、导轨的选型和计算 (13)
6、启动矩频特性校核 (14)
控制系统设计 (18)
第一节控制系统硬件的基本组成 (18)
第二节步进电机控制电路 (18)
步进电机控制程序设计 (20)
其它电路辅助设计 (24)
设计总结 (24)
参考文献 (25)
2
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序言
据资料介绍，我国拥有400多万台机床，绝大部分都是多年累积生产的普通机床。这些机床自动化程度不高，加工精度低，要想在短时期内用自动化程度高的设备大量更新，替代现有的机床，无论从资金还是从我国机床制造厂的生产能力都是不可行的。但尽快将我国现有的部分普通机床实现自动化和精密化改造又势在必行。为此，如何改造就成了我国现有设备技术改造迫切要求解决的重要课题。亲，由于某些原因，没有上传完整的毕业设计（完整的应包括毕业设计说明书、相关图纸CAD/PROE、中英文文献及翻译等），此文档也稍微删除了一部分内容（目录及某些关键内容）如需要的朋友，请联系我的叩扣:，数万篇现成设计及另有的高端团队绝对可满足您的需要
在过去的几十年里，金属切削机床的基本动作原理变化不大，但社会生产力特别是微电子技术、计算机技术的应用发展很快。反映到机床控制系统上，它既能提高机床的自动化程度，又能提高加工的精度，现已有一些企业在这方面做了有益的尝试。实践证明，改造后的机床既满足了技术进步和较高生产率的要求，又由于产品精度提高，型面加工范围增多也使改造后的设备适应能力加大了许多。这更加突出了在旧机床上进行数控技术改造的必要性和迫切性。
由于新型机床价格昂贵，一次性投资巨大，如果把旧机床设备全部以新型机床替换，国家要花费大量的资金，而替换下的机床又会闲置起来造成浪费，若采用改造技术加以现代化，则可以节省50%以上的资金。从我国的具体情况来讲，一套经济型数控装置的价格仅为全功能数控装置的1/3到1/5，一般用户都承担得起。这为资金紧张的中小型企业的技术发展开创了新路，也对实力雄厚的大型企业产生了极大的经济吸引力，起到了事半功倍的积极作用。
据国内资料统计订购新的数控机床的交货周期一般较长，往往不能满足生产需要。因此机床的数控改造就成为满足市场需求的主要补充手段。
在机械工业生产中，多品种、中小批量甚至单件生产是现代机械制造的基本特征，占有相当大的比重。要完成这些生产任务，不外乎选择通用机床、专用机床或数控机床，其中数控机床是最能适应这种生产需要的。
从上述分析中不难看出数控技术用于机床改造是建立在微电子现代技术与传统技术相结合的基础之上。通过理论上的推导和实践使用的证明，把微机数控系统引入机床的改造有以下几方面的优点：1）可靠性高；"柔性强；#易于实现机电一体化；2）经济性可观。为此在旧的机床上进行数控改造可以提高机床的使用性能，降低生产成本，用较少的资金投入而得到较高的机床性能和较大的经济效益。
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摘要
本课程设计是对铣床进行改造，目的在于培养对机电一体化产品的设计能力，重点是对所学知识的巩固和加强，为毕业设计及将来的工作打下坚实的基础。
本课程设计由序言、设计要求、总体方案、进给系统设计、控制系统设计，以及相应元件的选择与确定和主程序框图、数控化电路原理组成。由于本人经验不足，以及对知识掌握程度的限制，设计过程还存在某方面的错漏，敬请老师提出宝贵意见。
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（如环形分配器等）的说明。
该课程设计的内容及方法，可以归纳如下：
1.采用微型计算机（包括单片机）进行数据处理、采集和控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用、接口电路、软件编制等。
2.选用驱动控制电路，对执行机构进行控制。主要考虑计算机的选择或单片机构成电路的选用，考虑电机选择及驱动力矩的计算，控制电机电路的设计。
4
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3.精密执行机构的设计。主要是考虑数控机床工作台传动装置的设计问题：要弄清机构或机械执行元件的主要功能（传动运动、动力、位置装置、微调、精密定位或高速运转等），进行力矩、负载功率、惯性（转动惯量）、加（减）速控制和误差计算。
4.学会使用手册及图表资料。
总体方案设计
一般来讲，普通铣床的数控改造主要有两部分，一是设计一套简易微机数控X-Y工作台，固定在铣床的工作台上。二是将控制铣刀上、下运动的手柄拆去，改用微机控制步进电机通过一级减速装置使铣头上下运动。本设计只对X-Y工作台进行设计。取铣床步进电机的脉冲当量可选为0.01mm/脉冲，步进电机的步距角0.9°。
方案
1．系统运动方式的确定
数控系统按运动方式可分为点位控制系统，点位直线系统，连续控制系统。如果工件相对于刀具移动过程中不进行切削，可选用点位控制方式。数控铣床在工作台移动过程中铣头并不进行铣孔加工，因此数控装置可采用点位控制方式。对点位系统的要求是快速定位，保证定位精度。
2．伺服系统的选择
伺服系统实现位置伺服控制有开环、闭环、半闭环3种控制方式。开环控制的伺服系统存在着控制精度不能达到较高水平的基本问题，但是步进电机具有角位移与输入脉冲的严格对应关系，使步距误差不会积累；转速和输入脉冲频率严格的对应关系，而且在负载能力范围内不受电流、电压、负载大小、环境条件的波动而变化的特点。并且步进电机控制的开环系统由于不存在位置检测与反馈控制的问题，结构比较简单，易于控制系统的实现与调试。并且随着电子技术和计算机控制技术的发展，在改善步进电机控制性能方面也取得了可喜的发展。因此，在一定范围内，这种采用步进电机作为驱动执行元件的开环伺服系统可以满足加工要求，适宜于在精度要求不很高的一般数控系统中应用。虽然闭环、半闭环控制为实现高精度的位置伺服控制提供了可能，然而由于在具体的系统中，增加了位置检测、反馈比较及伺服放大等环节，除了在安装调试增加工作量和复杂性外，从控制理论的角度看，要实现闭环系统的良好稳态和动态性能，其难度也将大为提高。为此，考虑到在普通立式铣床上进行改造，精度要求不是很高，为了简化结构，降低成本，本设计采用步进电机开环伺服系统。
3．执行机构传动方式的确定
为确保数控系统的传动精度和工作平稳性，在设计机构传动装配时，通常提出低摩擦、低惯量、高刚度、无间隙、高谐振以及有适宜阻尼比的要求。故在设计中应考虑以下几点：1）尽量采用低摩擦的传动和导向元件。如采用滚珠丝杠螺母传动副、滚动导轨等。
2）尽量消除传动间隙。如步进电机上的传动齿轮采用偏心轴套式消隙结构。
3）缩短传动链。缩短传动链可以提高系统的传动刚度，减小传动链误差。可采用预紧以提高系统的传动刚度。如应用预加负载的滚动导轨和滚珠丝杠传动副，丝杠支承设计成两端轴向固定，并加预拉伸的结构等提高传动刚度。X-Y工作台传动采用滚珠丝杠螺母传动副和滚动导轨。
4．计算机系统的选择
计算机数控系统一般由微机部分、I/O接口电路、光电隔离电路、伺服电机驱动电路、检测电路等几部分所组成。在简易数控系统中，大多采用8位微处理器的微型计算机。如何
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6
采用Z80CPU 或MCS-51单片机组成的微机应用系统。
Z80CPU 有芯片价廉，通用性强，维修方便等特点。MCS-51单片机具有集成度高、可靠性好、功能强、速度快和很高的性能价格比等特点。通过比较，对于简易数控机床推荐采用MCS-51系列单片机作为主控制器。
5．实施
保留原机床主传动链，保留铣床工作台和控制工作台移动手柄，在原工作台上安装一套微机数控的X-Y 工作台。由于X-Y 工作台的运动部件重量和切削力不大，因此选用有预加载荷的滚珠导轨。采用滚动导轨可减小两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。考虑到电机步距角和丝杠导程只能按标准选取，为达到分辨率0.01mm 要求，需采用齿轮降速传动。
综上所述，本文改造的总体方案确定为：采用MCS-51单片机对数据进行计算处理，由I/O 接口输出步进脉冲步进电机经一级齿轮减速后，带动丝杠转动，从而实现工件的纵向、横向运动，同时为了防止意外事故，保护微机及其它设备，还设置报警，急停电路等，
机械系统设计
设计参数
系统分辩率为0.01mm,其它设计参数见下表：
要求：设计一台数控回转工作台并开发其控制、驱动系统，工作台面200X200mm ，分辨率为 =5分/step ，承受最大轴向载荷Tmax=800Nm 。
机械系统设计计算
1.脉冲当量的确定
根据机床精度要求确定脉冲当量，考虑到机械传动系统的误差存在。脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计确定脉冲当量为0.01mm/步. 二.铣削力分析与计算
铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用圆柱铣刀,铣刀材料选择高速钢.根据工件材料为碳钢可确定铣削力的计算公式：
F Z =9.81C Fz ·a e 0.86·a f 0.72·d 0-0.86·a p ·Z
式中各参数如下:
C Fz ———铣削力系数，C Fz =68.2（表2-3） a e ———最大铣削宽度，本设计为8mm a p ———背吃刀量，本设计为3mm Z ———铣刀齿数，齿数取3
d 0 ———圆柱铣刀直径，查得d 0= 20mm(技术指导) a f ———每齿进给量（mm/齿），即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对
移动量，查得a f =0.10mm/齿（技术指导）
故 ：
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F Z =9.81×68.2×80.86×0.100.72×20-0.86×3×3=547 N
2.齿轮传动比计算
进给齿轮箱传动比计算
已确定进给脉冲当量p δ=0.01mm 滚珠丝杠导程L =4mm ，初选步进电机步距角0.9 。
可计算出传动比i ： i=
p
b L δθ360
=0.9×4/360×0.01=1 因传动比为1，这时可以使步进电机直接与丝杆联接，有利于简化结构，提高精度。
3.滚珠丝杆螺母副的计算和选型
（1） 计算进给牵引力F m （N ）
滚珠丝杠上的工作载荷F m (N)是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。直线滚动导轨的计算公式：
F m =KF L ＋f ，(F v ＋F c ＋G)
式中K ———考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨K=1.1
f '———滚动导轨摩擦系数:0.0025～0.005；这里取0.005
G ———移动部件的重力（N ）：G=600N
F L ———工作台纵向进给方向载荷
F c ———工作台横向进给方向载荷 F v ———工作台垂直进给方向载荷
由表2-4查得，F L / F Z =0.90， F L = 0.9F Z =493 N
F c /F Z =0.80， F c =0.8F Z =438N F v /F Z =0.40， F v =0.4F Z =219 N
故：
F m =1.1×493＋0.005×（438＋219＋600）=548N
8
（2）计算最大动负载C 滚珠丝杠最大动载荷可用下式计算 C=
3
L f m F m
L=
6
1060nt
n=
01000L v
v=a f Zn ，
式中：L —工作寿命、以106转为单位。
fm －运转系数,按一般运转取fm =1.2～1.5;这里取fm =1.5。
F m----滚珠丝杠工作载荷（N ） t —使用寿命，按15000h ； n----丝杠的转速
L 0— 滚珠丝杠导程，初选L 0=4mm ； v －最大切削力下的进给速度
a---每齿进给量（mm/齿）a f =0.06mm/齿 Z----铣刀齿数，Z=5
n ，---铣刀转速，区别与以上丝杠转速n ，n ，，
取为1000r/min
v=0.06×5×1000=0.3 m/min n=
01000L v
=(1000×0.3)/4=75min r L=10
606
t n ??=(60×75×15000)/106=67.5 r
C=
3
L f m F m
=4.1×1.2×858.17=3.35kN
(3)螺母副的选型
根据最大动载荷和公称直径选外循环滚动螺母副，选用中国·南京工艺装备制造有限公司生产的FFZL 型 内循环螺纹预紧螺母式滚珠丝杠副,规格代号为
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FFZL2004-3，公称直径=20mm,滚珠直径为Dw=3mm,圈数×列数=3×1,螺距为4mm,螺旋升角为λ=3°38′。
(4)传动效率计算
η=
)
(?λλ
+tg tg
式中λ——丝杠螺旋升角, λ=3°38′
?——摩擦角，取10′ η=
)
(?λλ
+tg tg =0.064/0.0664=0.9638=96.4%
(5)刚度验算
先画出此纵向进给滚珠丝杠支承方式草图如图4-20所示，最大牵引力为548N ，支承间距L=500mm 丝杠螺母及轴承均进行预紧，预紧力为最大轴向负荷的1/3。
[1]丝杠的拉伸或压缩变形量1δ
1δ=±
EA
L
F m F m —丝杠的工作载荷（N ）；
L —滚珠丝杠在支承间的受力长度（mm ）；L=500mm E —材料的弹性模量，对钢E=20.6×410Mpa; A —滚珠丝杠按内径确定的截面积（mm 2）。
A=3.14×d 2/4=3.14×16.92
/4=224.3 mm 2
10
故： 1δ=±(548×500/20.6×410×224.3)= ±0.0059(mm ） [2]滚珠与螺纹滚道间接触变形2δ
有预紧：
2δ′=0.0013×
3
2∑
Z
F D YJ w m
F
(mm) =0.0014mm
D w －为滚珠直径（mm ）,D=3mm ；
z
∑－为滚珠总数量：
z
∑
＝Z ×圈数×列数
Z －为一圈的滚珠数，外循环Z=w
m
D d π=3.14×20/3=21；
故：z ∑＝21×3×1=63；
m d --为滚珠丝杠的公称直径（mm ）,m d =20mm
YJ F —为预紧力，此处单位为kgf ，为轴向工作载荷的1/3时，
YJ F = F L /3=493/3=164N=16.8kgf
m F —为滚珠丝杠工作载荷，单位为kgf 。m F =548/9.8=55.9kgf
有预紧：
2δ′=0.0013×
3
2
∑
Z F D YJ w m
F
(mm)
2δ=1/22δ′=0.0014mm
[3]滚珠丝杠副刚度的验算
丝杠的总变形量21δδδ+=应小于允许的变形量。一般δ不应大于机床进给系统的定位精度的一半：
21δδδ+==0.0059+0.0014=0.0073≤0.025/2mm=0.0125mm(定位精度的一
半)。
(6)压杆稳定性验算
验算滚珠丝杠尺寸和支承方式后，应验算丝杠在承受最大轴向载荷时是否会产生纵向弯曲。滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失稳。失稳时的临界载荷F K (N) 为
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E —为材料的弹性模量，对钢E=20.6×104
Mpa; I －为截面惯性矩，对丝杠圆截面： I=∏d 14
/64=3.14×16.94
/64=4002.2mm 4 L －丝杠最大工作长度（mm ）；L=500 mm
f Z －为丝杠支承方式系数，这里滚珠丝杠的支承方式采用一端固定一端简支
的方式，所以f Z ＝2
22/K z F f EI L π==2×3.142
×20.6×104×4002.2/5002=2.0731×104N
n k =F k /F m =2.0731×104/548=37.8﹥［n k ］=4
所以，该滚珠丝杠不会失稳。
［n k ］－许用稳定性安全系数，［n k ］=2.5～4
4. 纵向步进电机的计算和选型
一、初选步进电机57BYG4504,步距角θb =0.9° 0
360
b p Q L i δ≤,满足要求. 二、矩频特性: 等效转动惯量计算 1.滚珠丝杠转动惯量 J S =0.78D 4
L ×10-3(kf ·cm 2) L---丝杠长度,设定为500mm=50cm D---丝杠公称直径,D=20mm=2cm J S =0.78×24×50×10-3
=0.624㎏·cm 2 2.工作台转动惯量 J G =(L 0/2∏)2M
L 0----丝杠导程,L 0=4mm=0.4cm M----工作台质量,M=62kg
J G =(0.4/2×3.04)2×62=0.248㎏·cm 2
3.联轴器转动惯量
根据钢的直径为(20,22)选用定位螺丝固定平行式联轴器，型号为SLK2-100-0608 (广州菱科自动化设备有限公司)，查得：
J L =0.068㎏·cm 2
2
2L EI f F Z k π=
12
4. 步进电机转子转动惯量
根据初选电机型号,查得转子转动惯量为:
J Z =0.46㎏·cm 2
故：J ∑=J S ＋J G ＋J L ＋J Z =0.634＋0.248＋0.068＋0.46=1.462㎏·cm 2
三、步进电机所需空载启动的计算kq M
0kq ka kf M M M M =++
ka M ——空载启动时折算到电机轴上的加速度力矩（N ·cm ）； M kf ——为空载时折算到电机轴上的摩擦力矩（N ·cm ）； M o ——电丝杠预紧所引起，折算到电机轴上的附加摩擦力矩。 (1)加速度力矩
ka M
M ka = J ∑×2×∏×n max ×10-2/60t(N ·cm)
n max =v max θb /360δp
t-----运动部件从静止启动加速到最大快速所需的时间,t=0.3s
v max ---运动部件最大快进速度（mm/min ）, v max =3m/min=3000mm/min
θb--------初选步距角，θb =0.9°
n max ---与运动部件最大快进速度对应的电机最大转速(r/min)
故：n max =3000×0.9/（360×0.01） =750 r/min
M ka =1.462×2×3.14×750×10-2/60×0.3=3.83N ·cm
(2)空载摩擦力矩kf M
M kf =G f '’L 0/2∏ηi (N ·cm)
G----运动部件的总重量（N ），G=600N
f '－导轨上的摩擦系数，f '=0.005;
η---传动系统总效率，一般取η=0.7—0.85,这里取η=0.85 L o －滚珠丝杠基本导程，L o =0.4 cm. 空载摩擦力矩：
M kf =G f '’L 0/2∏ηi=600×0.005×0.4／（2×3.14×0.85×1）=0.225 N ·cm
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(3)附加摩擦力矩M o
M 0=F YJ L 0（1-η2）/2 ∏ηi
η--丝杠未预紧时的传动效率，一般取o η≥0.9，这里取o η=0.96； F YJ －预加载荷，一般为最大轴向载荷的31,即F YJ =3
1F L =183N
M 0=183×0.4×(1-0.962)/(2×3.14×0.96×1)=0.950N ·cm
上述三项合计：
步进电机空载启动力矩：M o kf ka kq M M M ++=
= 3.83＋0.225＋0.950
= 5.005（N ·cm ）
步进电机名义启动力矩：
从产品系列及性能参数根据电机型号查出步进电机为四相八拍；
从表2-17根据电机拍数查出启动转矩最大静转矩M kq 与最大静转矩的关系为
M kq /M jmax1=0.707
故：M jmax1=M kq /0.707=4.58/0.707=6.471N ·cm
运动部件正常工作（数控机床为工作台开始工进）时，电动机的启动为带负载启动，其总负载转矩M fq 可按下式计算
M fq =M k a ＋M kf ＋M 0＋M f ’
M f ’=F ’L/2∏ηi(N ·cm)
F ’---作用在工作台的合力， F ＇=（F L 2＋F V 2＋F C 2）1/2=694.4N M f ’--- 合力F ’折算到电机上的转矩
故:M f ’=694.4×0.4/（2×3.14×0.85×1）=52.01 N ·cm
M fq =5.005＋52.01=57.015 N ·cm
运动部件正常运行时所需的最大静转矩 M jmax2=M fq /0.5=57/0.5=114 N ·cm
根据电机型号查得步进电机最大静转矩:M jmax =1.4N ·m=140N ·cm 所以M jma x ﹥M jmax 2﹥M jma x1
初选电机型号时应满足步进电机所需空载启动力矩小于步进电机名义启动力矩，即M jma x ≥max ｛M jma x1，M jma x2｝所以初选电机57BYG4504能满足要求。
5．导轨的选用与校核
14
初选滚动导轨
选取中国·南京工艺装备制造有限公司的GGB AA-AAL 四方向等载荷型滚动直线导轨副, 其额定载荷
C oa
为 6.8KN ，
C a
为 6.07KN ，参数如下：单位
㎜
2)对导轨进行按下式进行校核：
3
50???
?
??=W C T H a Ff f f f C L 式中:L 为滚动导轨副的距离额定寿命（km ）本设计L 定为50km ；
a C 为额定载荷，查表a C =6.07kN ；
F 为每个滑块上的工作载荷（N ）F 本设计设定为588N ；
H f 为硬度系数，导轨面的硬度为58-64HRC 时H f =1.0； T f 为温度系数，当工作温度不超过100°C 时，T f =1；
C f 为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时C f =0.81；
W f 为载荷/速度系数，无明显冲击振动或v ≤60m/min 时，W f =1.5-2这里选择W f =2。
??÷??=C T H w a f f f f L F C 350/
=588×35050÷×2÷（1×0.81×1）
=1361N<[a C ]=6.07kN
因此所选导轨满足要求。
1） 滚动导轨的润滑与防护
滚动导轨采用润滑脂润滑。常用牌号为ZL-2锂基润滑脂（GB/7324—87，2号）。它的优点是不会泄漏，不需经常加油；缺点是尘屑进入后容易磨损导轨，因此防护要求较
高。易被污染又难防护的地方，可用润滑油润滑。 本设计的防护装置采用伸缩式。
6、启动矩频特性校核
部件电机有三种工况：启动、快速进给运行、工进运行。
前面提出的max ka mq j M M M λ≤=，仅仅是指初选电机后检查电机最大静转矩是否满足要
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求，但是不能保证电机在快速启动时不丢步。因此，还要对启动矩频特性进行校核。以后还要对快进、工进时的运行矩频特性作校核。
图1 步进电机启动
步进电机启动有突跳启动和升速启动，一般突跳启动很少使用。在升速启动中，步进电机从静止状态开始逐渐升速，（如图1所示）在零时刻（t1=0），启动频率f q =0。在一段时间Δt1内，按一定的升速规律升速。启动结束时，步进电机达到了最高运行速度，即f q =f max 。在整个升速、均匀运行、降速过程中，步进电机所走的步数与应该完成的输入指令脉冲总数相等。升速时间Δt1足够长，启动过程缓慢，空载启动力矩M kq 中的加速力矩项M ka 不会很大，一般不会出现丢步现象，但是降低了工作效率。升速时间Δt1过短，则步进电机启动力矩中的加速力矩项M 就会很大，所以需要校核启动矩频特性。
图
2
16
由图2初选步进电机的启动矩频特性曲线中，可知空载启动力矩M=0.05N ·M 值所对应 的允许启动频率f yq =11000H z >f q =1200 H z ,步进电机会不丢步。
（2）电机快速进给矩频特性较核 最高运行频率f max
max
max 100060p
V f δ=
式中：V max ——运动部件最大快进速度
Hz V f p 500001
.0603
1000601000max max =??==
δ
快进时已经不存在加速力矩项M a ,并且一般处于空载状态，故快速进给力矩
M JK = o kf M M +
其中：M 0为附加摩檫力矩（N ·cm ），M KF 为快进时的折算到电机的摩檫力矩（N ·cm ）。 所以 ：M JK = o kf M M +=1.175（N ·cm ）
由图2可知道快进力矩对应允许快进频率F YK 近似为20000Hz ，F mzx 〈F YK ，
所以电机不会丢步。 （3）、工进运行距频特性校核
工进步进电机的运行频率GJ f ：
100060G GJ p
V f δ=
式中： G V ——最大工作进给速度
Hz V f p G GJ 50001
.0603
.010********=??==
δ
工进时，步进电机运行所需力矩M kj 可按下式计算：
t Mf G J M M M M ++=0 （式2-39）
式中：
0M ——附加摩擦力矩，
需说明书、图纸等完整设计请加叩叩
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f M ——摩擦力矩
t M ——折算到电机轴上的工作负载力矩
()()
2V f f F G L M N cm i
πη+=
? (式2-40) 0
()2i i F L M N cm i
πη=
? (式2-41) 式中：
Fv ——垂直方向作用于工作台的工作载荷 Ft ——沿进给方向的切削负载，Ft=F L
cm N M Mf M M cm
N i L F M cm
N i L G F f M t GJ t t V f ?=++=++=?=????==?=????+?=+=
232.38893.36389.0950.0893.361
85.024
.04932389.0185.024
.0)600438(005.02)(000ππηππη 在图2初选步进电机的运行矩频率特性曲线中，对应工进频率f GJ 查到的允许工进运行力矩M YJ =1.08N ·m >M GJ =0.382N ·m ，满足工进时运行距频特性的要求。
（4）步进电机的安装尺寸
步进电机安装尺寸/㎜
控制系统设计
第一节控制系统硬件的基本组成
MCS-51系列 8031芯片
第二节步进电机控制电路
一、开环伺服系统的原理图
二．脉冲分配
由表（2-18）①查得脉冲分配方式为四相八拍
三．驱动电路
18
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④控制系统软件的组成和结构
监控系统的作用是进行人和机对话和检测系统运行状态一般包括系统初始化，命令处理循环，零件加工程序和作业程序输入，编辑，指令分析机构，以及系统自测等。
1系统初始化：系统上电式复位后，系统软件进行初始化处理。包括设置CPU 的状态，可编程I/O 芯片的工作状态，中断方式
2命令处理：系统初始化后系统即进入命令处理程序，对于一般单片机构成的系统通常采用循环处理程序作为系统的主程序
3：零件加工程序或作业程序的输入和编程：零件加工程序可以键盘输入，也可通过串行口通信输入。输入程序的功能就是读入源程序，并经数据处理，按规定的格式将其存入规定的数据区内。 4 指令分析执行：微机控制系统对输入的指令进行分析，并根据分析的结果执行相应的操作。 5诊断程序：诊断程序用于检测系统硬软件功能的正确性，找出系统故障的位置，并指出故障类型。
机电系统控制软件的机构
一般机电控制系统中常用的软件结构有：子程序，主程序加中断程序结构
逐点比较法④
用逐点比较法进行直线插补计算，每走一步都需要以下四个步骤：
1判别偏差：F m ≥0或F M ＜O ，从而决定哪个方向进给和采用哪个偏差计算方向进给。
2偏差计算：进给一步后计算新的加工偏差。
3终点判别：进给一步后，终点计数器，若为零，表示到达终点停止插补，不为
零则返回第一步继续插补。终点计数判别可用方向坐标值判断，也可由一个方向
的坐标值判断。当X
e＞Y E
步进电机控制程序设计
20
引言 对数控回转工作台的设计主要是培养学生综合应用所学专业的基础理论、基本技能和专业知识的能力，培养学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。而工科类学生更应侧重于从生产的第一线获得生产实际知识和技能，获得工程技术经用性岗位的基本训练，通过毕业设计，可树立正确的生产观点、经济观点和全局观点，实现由学生向工程技术人员的过渡。 使学生进一步巩固和加深对所学的知识，使之系统化、综合化。 培养学生独立工作、独立思考和综合运用所学知识的能力，提高解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的专业知识和技能。 培养学生的设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力，使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路。 使学生学会初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想、方法手段，树立做事严谨、严肃认真、一丝不苟、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、具有创新意识和团结协作的工作作风。 本次毕业设计主要是解决数控回转工作台的工作原理和机械机构的设计与计算部分，设计思路是先原理后结构，先整体后局部。 目前数控回转工作台已广泛应用于数控机床和加工中心上，它的总的发展趋势是： 1．在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型转台； 2．在性能上将研制以钢为材料的蜗轮，大幅度提高工作台转速和转台的承载能力； 3．在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。 数控转台的市场分析：随着我国制造业的发展，加工中心将会越来越多地被要求配备第四轴或第五轴，以扩大加工范围。估计近几年要求配备数控转台的加工中心将会达到每年600台左右。
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
三江学院 本科生毕业设计（论文） 题目双轴数控回转工作台设计 高职院（系）机械制造及自动化专业 学生姓名陶轶晟学号 G085152013 指导教师王志斌职称 起讫日期
目录 摘要 (3) 绪论 (4) 第一章数控回转工作台 1.1 数控回转的介绍 1．1 数控回转工作台的原理 (6) 1．2设计准则 (10) 第二章双轴工作台的总体的方案 2．1 样本的选择 (11) 2．2 双轴的工作台方案拟定 (12) 第三章双轴工作台的主要零件的设计 3．1 底板 (14) 3．2 定心轴 (14) 3．3 轴承的选用 (15) 3．4 为何回转台要用蜗轮副传动 (17) 注意事项 (22) 结论 (23) 参考材料 (24) 致谢 (25)
数控车床今后将向中高档发展，中档采用普及型数控刀架配套，高档采用动力型刀架。兼有液压刀架、伺服刀架、立式刀架等品种，预计近年来对数控刀架需求量奖大大增加。但是数控回转工作台更有发展前途，它是一种可以实现圆周进给和分度运动的工作台，它常被使用于卧式的镗床和加工中心上，可提高加工效率，完成更多的工艺，它主要由原动力、齿轮传动、蜗杆传动、工作台等部分组成，并可进行间隙消除和蜗轮加紧，是一种很实用的加工工具。本课题主要介绍了它的原理和机械结构的设计，不对以上部分运用AUTOCAD作图，最后是对数控工作台提出的一点建议。 关键词：数控回转工作台齿轮传动蜗杆传动间隙消除蜗轮加紧
毕业设计主要是培养学生综合应用所学专业的基础理论、基本技能和专业知识的能力，培养学生建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。从生产的第一线获得生产实际知识和技能，获得工程技术经用性岗位的基本训练，通过毕业设计，可树立正确的生产观点、经济观点和全局观点，实现由学生向工程技术人员的过渡。 使学生进一步巩固和加深对所学的知识，使之系统化，综合化。培养学生独立工作、独立思考和综合所学知识的技能，提高解决本专业范围内的一般工程技术问题的能力，从而扩大、深化所学的专业知识和技能。 培养学生的设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、参阅文献、外文资料的阅读和翻译、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力，使学生初步掌握科学研究的基本方法和思路。 使学生学会初步掌握解决工程技术问题的正确指导思想、方法手段，树立做事严谨、严肃认真、一丝不苟、实事求是、刻苦专研、勇于探索、具有创新意识和团队协作的工作作风。 本次毕业设计主要是解决数控回转工作台的工作原理和机械机构的设计与计算部分，设计思路是先原理后结构，先整体后局部。
毕 业 论 文（设 计） 论文（设计）题目： 系 别：机电系 专 业: 机电一体化 完成时间: 目 录 一．毕业设计的目的 (3) 二．加工零件的分析……………………………………………… 三．加工工艺的编排与分析………………………………………
四．结构设计……………………………………………………… 五．各部件的计算与校核………………………………………… 六．整体的液压设计……………………………………………… 七．整体的电气控制设计………………………………………… 八．毕业设计总结………………………………………………… 九．主要参考资料………………………………………………… 一．毕业设计的目的 毕业设计是学生综合运用所学过的基本理论，基本知识与基本技 能去解决专业范围内的工程技术问题而进行的一次基本训练， 其主目 的： （1） 培养学生综合分析的解决本专业的一般工程技术问题的独立 工作能力，拓宽和深化学过的知识 （2）培养学生树立正确的设计思想，设计构思和创新思维，掌握 工程设计的一般程序规范和方法。 （3）培养学生正确使用技术资料，国家标准，有关手册图册等工 具书，进行设计计算，数据处理，编写技术文件等方面的工作能力。 （4）培养学生进行调查研究，面向实际，面向生产，面向工作和 工程技术人员学习的基本工作态度，工作作风和工作方法。
二．法兰盘加工的回转工作台设计 （一）加工零件的分析 如此法兰盘为一个式厂常用件，加工精度要求不太高，但年需求量较大。 因此，加工此法兰盘时，首先，需要考虑的问题就是加工的生产效率。 1、采用通用机床夹加工此法兰盘时，加工的范围可以进行扩大，可以加工 出一系列的法兰盘，但通用机床的调整时间较长，装央与拆卸工件的时间较工， 使得法兰盘的加工效率无法进行提高。 2、专门化机床的工艺范围较窄，只能加工一尺寸范围内的某一类零件，完 成某一种特定工序，但生产效率较通用的机床高。 3、专用机床的工艺范围最窄，通常只能完成某一特定零件的特定工序，但 专用机床的加工效率是这三类机床中最高的。 因此专用机床较为适用了加工此类 法兰盘。 4、组合机床作为专用机床中的一种与通用机床的专门化机床相比较。 （1）组合机床由 70-90％的通用零部件组成，可以缩短设计和制造周期， 而且在需要的时候，还可以部分或全部改装。以组成适应新加工要求的设备就是 说组合机床有重新改装的优越性，其通用零部件可以多次重复利用。 （2）组合机床是按具体加工对象专门设计的，中以按最佳工艺方案进行加 工。 （3）在加工零件时，组合机床可以同时从几个方向采用多把刀具对几个工 件进行加工，是实现集中工序，提高生产效率的最好途径，这也正是加工法兰盘 所需要的。 （4）组合机床是在工件一次装夹下用的轴实现多孔同时加工，有利保证各 孔相互之间的精度要求，提高产品质量，减少了工件工序间的搬运，改善了劳动
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：
陕西国防工业职业技术学院 SHAANXI INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕业设计论文 题目水平回转工作台 专业机电一体化 班级机电3111班 姓名罗小亮 学号23311131 指导教师王刚
目录 摘要 (3) 第一章绪论 (4) 1.1概述 (4) 1.2数控回转工作台的发展及展望 (4) 1.3数控回转工作台的原理 (5) 1.4 设计要求及主要参数 (6) 1.4.1设计准则 (6) 第二章数控回转工作台的结构设计 (6) 2.1设计工作台的基本要求 (8) 2.2数控回转工作台传动方案的选择 (9) 2.3电机的选择 (11) 2.3.1选择步进电机的注意事项 (11) 2.3.2电机的参数计算 (11) 2.4齿轮的设计 (12) 2.4.1齿轮材料确定 (12) 2.4.2齿轮强度计算 (12) 2.4.3尺寸计算 (12) 2.4.4齿轮结构设计 (14) 2.5蜗轮蜗杆设计 (15) 2.6蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 (16) 2.7轴的校核与计算 (18)
2.8联轴器的选择 (19) 2.9输入轴的设计 (20) 2.10蜗杆轴的设计 (25) 2.11轴强度的校核 (28) 总结 (30) 参考文献 (32) 致谢 (33)
摘要 数控机床在机械行业中扮演的角色越来越重要。特别是数控机床朝着大功率、高速度、高精度、高稳定性的方向发展，其可靠性已成为衡量其性能的重要指标。而数控回转工作台作为数控机床中不可或缺的部件，其精度已直接影响到机床的整体性能。为了提高效率，扩大机床制造范围，数控机床除了做三轴直线进给运动之外，通常还需要用数控回转工作台来做加工的圆周运动。由此来满足自动改变工件相对主轴的位置，让机床更好的对工件各个面的加工。配合数控系统的控制，数控回转工作台可以有效提高生产率，消除人为误差，提高加工精度。数控回转工作台主要是应用于数控铣床与数控镗床或加工中心，它主要是用于对板类、箱体等类似工件的不间断回转加工和多面加工。
《机电一体化系统设计》课程设计说明书题目数控回转工作台的设计 机械工程学院机械电子工程专业机电1302班201302170225号学生姓名肖鹏飞. 指导教师刘军安陈小异. 完成日期2016年12月09日.
湖南工程学院机械工程系
湖南工程学院 课程设计（论文）任务书 设计题目：数控回转工作台机电系统设计 姓名：肖鹏飞系别：机械工程专业：机械电子工程班级：1302 学号25 指导老师: 刘军安陈小异教研室主任谭季秋 一、设计要求及任务 1．设计任务 （1）总体设计 （2）机械系统的设计与计算； （3）控制系统设计：采用51单片机或FX2N PLC控制，步进电机驱动，转角输入与显示； （4）编写设计说明书。 2．设计要求 （1）正反旋转，回转角度0~360o；最大回转半径100mm, 最大承载重量20kg;工作台输出精度2mrad,具备自锁功能； （2）机械部分：A1装配图1张； （3）控制部分：硬件设计，程序设计。 二、进度安排及完成时间 1．设计时间：三周，2015年12月14日至2016年01月1日。 2．进度安排 第一周：布置设计任务，查阅资料，熟悉设计要求及任务，提出设计方案，进行设计。第二、三周：整理资料，撰写设计说明书，上交设计图纸、说明书（要求手写稿）。
目录 绪论 (6) 第一章数控回转工作台的原理与应用 (7) 1.1 数控回转工作台 (7) 1.2 设计准则 (8) 1.3 主要技术参数 (8) 1.4 本章小结 (8) 第二章数控回转工作台的部分原理及结构设计 (9) 2.1 步进电机的原理 (9) 2.2 传动方案传动时应满足的要求 (9) 2.3 电液脉冲马达的选择及运动参数的计算 (10) 2.4 轴承的选用 (10) 2.5 轴承的游隙及轴上零件的调配 (11) 2.6滚动轴承的配合 (11) 2.7 滚动轴承的润滑 (11) 第三章控制系统设计 (12) 3.1 系统方案设计构成 (12) 3.2 单片机 (13) 3.3 光电耦合 (15) 3.4 环形分配器 (15) 3.5 功率放大器 (18) 3.6 程序 (20) 总结 (23)
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
双轴回转工作台 摘要 在现有的三坐标联动数控机床的工作台上再增加一个具有两个旋转自由度的数控回转工作台，将其安装在原有的工作台上，与原有的工作台成为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，即双轴回转工作台。再通过对数控系统的升级（不属于此题范畴），使该机床成为五坐标联动的数控机床。这样的双回转数控工作台不仅可以沿X、Y、Z 方向作平行移动，在A、B两轴能同时运动，且能随时停止，在A轴上能够在一定角度内连续旋转，在B轴上可以做360度的连续旋转。不仅可以加工简单的直线、斜线弧，还可适应更复杂的曲面和球形零件的加工。 关键词：双轴，回转工作台，五坐标联动，设计，机床
The double turns round rotary worktable ABSTRACT At current three sit the mark connect the number that move the work on the stage controls the machine bed increases a number for having two revolve free degree controls the turn-over work set, will its gearing is in the original work on the stage, with originally possessed of the work set becomes a the whole, becoming the turn-over work set of a many free degrees, namely the double turns round the number controls the work set. Pass again the grade creep( do not belong to this category) that logarithms control system, make the machine's bed become five sit the mark connect the dynamic number controls the machine bed. Such a turn-over number controls the work set can not only make the parallel ambulation along the X, Y, the direction of Z, continuing to revolve in A, B two stalks can at the same time exercise, and can at any time stop, on the A stalk can in the certain angle, canning the 360 degrees of revolving continuously on the B stalk. Can not only process the simple straight line, oblique line, arc, can but also adapt to the more complicated curved face to processes with the spheroid spare parts. Key words：The double turns round, rotary worktable, Five sit the mark; Connect to move, design, Machine bed
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)
安徽工程大学机电学院 本科毕业设计(论文)开题报告 题目:数控回转工作台的结构设计 课题类型：设计□实验研究□论文□ 学生姓名：吴明忠 学号：3080101118 专业班级：机械2074班 教学单位：机械与汽车工程学院 指导教师：王海 开题时间：2011年3月12日
2011 年3月12日 一、毕业设计内容及研究意义 本次设计任务是设计出数控回转工作台：1.数控工作台的总体设计，2. 数控工作台的机械结构设计，3.三维工作台的理论分析，4.数控工作台的有限元分析。首先应该了解所加工零件的基本情况，数控回转工作台主要用于数控镗床和铣床，其外形和通用工作台几乎一样，但它的驱动是伺服系统的驱动方式。它可以与其他伺服进给轴联动。数控机床的圆周进给由回转工作台完成，称为数控机床的第四轴：回转工作台可以与X、Y、Z三个坐标轴联动，从而加工出各种球、圆弧曲线等。回转工作台可以实现精确的自动分度，扩大了数控机床加工范围。 本课题属于导师科研课题的部分内容，对于培养学生电路设计、机械计， 三维CAD等工程实践能力具有重要意义。在实际中工作台在机床上是必不可的 部件，工作台的自动化能大大减少劳动强度，提高劳动生产率。数控回转工作台是落地铣镗床，端面铣床等工作母机不可缺少的主要辅机。可用于支撑工件并使其作直线或回转等调整或进给运动，以扩大工作母机的使用性能，缩短辅助时间，广泛应用于能源，冶金，矿山，机械，发电设备，国防等行业的机械加工。 二、毕业设计的研究现状和发展趋势 1、研究现状 一个国家的繁荣与其先进制造业密切相关，然而制造是离不开先进机器作为辅助，机床包括床身、立柱、工作台、进给机构等机械部件。工作台作为数控机床的重要组成部分，也是影响加工精度的重要组成环节。从一开始为了满足加工简单的零件而设计的直线运动的X—Y工作台，到现在为了实现多工位加工而制造的分度工作台和回转工作台等。为了满足现代制造业的发展，也为了环境的要求，一作台的驱动装置从原来的机械驱动变为液旅驱动，现在更多的采用了气动装置，更好的保护了环境，节约了资源。由于工作台是一台机床的关键配套部件，因此世界各国都有对其进行研究，我国在工作台的研究开发方面也取得了长足的进步。 目前工作台的种类繁多，传统的工作台只能安装在某一指定机床上，伴随着科技的与时俱进，它们的功能也由传统单一性向现代的多功能性方向发展，现在一些工作台，它不仅可以安装在钻床上，还可以安装在铣床和镗床等机床上。并且目前部分工作台还可以作为机床的第四回转轴，大大提高了机床的性能。例如：我国生产机床工作台的公司之一的烟台恒力数控机床附件有限公司生产的HLTK14系列数控可倾回转工作台（见下图），它可以实现用于数控机床和加工中心机床上，可利用原机床的两个控制坐标控制转台的回转和倾斜，也可
机电一体化-回转工作台的设计 二、设计任务及要求 设计题目：数控回转工作台的设计 1. 设计内容包括：总体设计，机械系统的设计与计算，计算机控制系统设计，编写设计计算说明书； 2. 设计要求包括：回转角度0～360°；最大回转半径400㎜；最大承载重量50㎏； 3. 机械部分的设计：装配工作图1张（ 1号）； 4. 计算机控制的设计：控制系统接口图一张； 5. 控制装置采用步进电机驱动，MCS-51或单片机FX2N-PLC控制系统，软件环分，由键盘输入实现开环控制。 三、机械系统设计 在数字回转工作台机械传动部分选用蜗轮蜗杆传动,因为蜗杆传动平稳,振动,冲击和噪声均较小;能以单级传动获得教大的传动比,结构紧凑,有利于实现回转工作台所要求的分度的实现.故选用蜗轮蜗杆传动. （一）、蜗杆类型的选择: 蜗杆选择为渐开线圆柱蜗杆.因为此种蜗杆不仅可车削还可以像圆柱齿轮那样用齿轮滚刀滚削,并可用但面或单锥面砂磨削.制造精度高.是普通圆柱蜗杆传动中较理想的传动.传动效率也高,在动力传动和机床精密传动中应用较为广泛. （二）、蜗杆蜗轮材料的选择: 由于蜗杆传动啮合摩擦较大,且由于蜗轮滚刀的形状尺寸不可能做得和蜗杆绝对相同,被加工出的蜗轮齿形难以和蜗杆精确共轭,必须依靠运转跑合才渐趋理想,因此材料副的组合必须具有良好的减摩和跑合性能以及抗胶合性能。所以蜗轮通常青铜或铸铁做齿圈，并尽可能与淬硬并经磨削的钢制蜗杆相匹配。故选择:蜗杆材料为：渗碳钢，表面淬硬56-62HRC 牌号为20GrMnTi.蜗轮材料为：铸造锡青铜，牌号为ZcuSn10Pb1
（三）、蜗杆蜗轮参数计算： 1. 蜗杆传动尺寸的确定： 由设计题目中要求可知：工作台回转直径最大为400mm/50千克. 由《齿轮手册》（上）表6.2-3取蜗杆蜗轮中心距标准a=225mm; 估取蜗杆分度圆直径: 为能获得较大的传动比,取蜗杆头数为: z =1;z =90 估取模数m: m=(1.4~1.7)a/ z =3.6 取m=4 q=d /m=80/4=20 6 tanγ= z /q 则γ=2.86° 2. 确定蜗轮蜗杆各参数值 蜗杆尺寸“ 1) 蜗杆轴向齿距:p =πm=3.14×4=12.56 2) 螺旋线导程:p =p ×z =15.4×4=12.56 3) 法向齿形角:对于ZI蜗杆αn=20°在分度传动中允许减小齿形角α =15° 4) 直径系数:q= d /m=80/4=20 5) 蜗杆分度圆(中圆)直径: d (d )= d =qm=80 6) 蜗杆分度圆(中圆柱)导程角: γ=2.86° 渐开线蜗杆: 基圆柱导程角: γcosγ =cosαncosγγ =15.264° 7) 基圆直径:d d = z m/tanγ =14.16 8) 法向基节:p =πm cosγ =12.12 9) 蜗杆齿轮顶高:h =h m=1×4=4 10 蜗杆齿根高:h =1.2m=4.8 11) 蜗杆全齿高:h = h + h =4+4.8=8.8 12) 顶隙:c =0.2m=0.8 13) 齿根圆半径:ρ =0.3m=1.2 14) 蜗杆齿顶圆直径:d =d +2 h =88 15) 蜗杆齿根圆直径:d = d -2 h =70.4 16) 蜗杆齿宽:b =95
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
目录 1 绪论 (2) 1.1 前言 (2) 1.2 课题来源 (2) 1.3 研究目的与意义 (2) 1.4 研究项目的现状及发展趋势 (2) 2 数控回转工作台原理 (3) 2.1 数控回转工作台 (3) 2.2 设计准则 (4) 2.3 主要技术参数 (4) 2.4 本章小结 (4) 3 数控回转工作台结构设计 (4) 3.1 传动方案的确定 (4) 3.2 齿轮传动的设计 (6) 3.3 伺服电机的选择及运动参数的计算 (8) 3.4 蜗轮及蜗杆的选用与校核 (9) 3.5 蜗杆与蜗轮的主要参数与几何尺寸 (11) 3.6 轴的校核与计算 (12) 3.7 弯矩组合图 (13) 3.8 根据最大危险截面处的扭矩确定最小轴径 (14) 3.9 齿轮上键的选取与校核 (14) 3.10 轴承的选用 (14) 3.11 本章小结 (15) 4 数控技术发展趋势 (15) 4.1 性能发展方向 (15) 4.2 功能发展方向 (16) 4.3 体系结构的发展 (17) 4.4 智能化新一代PCNC数控系统 (18) 5 设计总结 (18) 6 参考文献 (19)
1 绪论 1.1 前言 加工中心最初是从数控铣床发展而来的。第一台加工中心是1958年由美国卡尼-特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。 二十世纪70年代以来，加工中心得到迅速发展，出现了可换主轴箱加工中心，它备有多个可以自动更换的装有刀具的多轴主轴箱，能对工件同时进行多孔加工。 一台加工中心是由机床（机械部分）和控制系统（电气部分）两部分组成，机床是加工中星的主体，控制系统是加工中心的核心。 加工中心的主机通常是由三大基础部件组（床身、立柱和工作台）和主轴部件、刀具存储自动交换系统（ATC）及其它辅助功能部件组成。有的加工中心还具有托盘（工作台）自动交换系统（APC）。 1.2 课题来源 这次毕业设计的课题来源于自选课题——面向壳体零件的卧式加工中心工作台设计，目的是通过本次的设计工作，能够在对面向壳体零件加工的卧式加工中心的了解的基础上，实现对加工中心工作台的设计，并与同组人的对主轴部件、刀库、夹具的设计相应，最终设计出整个机床主要结构部件。此课题让我们有机会对机械设计方面的知识有一个系统的回顾，进一步加深学习。 1.3 研究目的与意义 毕业设计主要是培养我们综合应用所学专业的基础理论、基本技能和专业知识的能力，培养我们建立正确的设计思想，掌握工程设计的一般程序、规范和方法。培养我们的设计计算、工程绘图、实验研究、数据处理、查阅文献、外文资料的阅读与翻译、计算机应用、文字表达等基本工作实践能力，使我们初步掌握科学研究的基本方法和思路。 本次毕业设计主要是解决卧式加工中心数控回转工作台的工作原理和机械机构的设计与计算部分，设计思路是先原理后结构，先整体后局部。 1.4 研究项目的现状及发展趋势 目前数控回转工作台已广泛应用于数控机床和加工中心上，它的总的发展趋势是： 1．在规格上将向两头延伸，即开发小型和大型转台； 2．在性能上将研制以钢为材料的蜗轮，大幅度提高工作台转速和转台的承载能力； 3．在形式上继续研制两轴联动和多轴并联回转的数控转台。 数控转台的市场分析：随着我国制造业的发展，加工中心将会越来越多地被要求配备第四轴或第五轴，以扩大加工范围。估计近几年要求配备数控转台的加工中心将会达到每年600台左右。 预计未来几年，虽然某些行业由于产能过剩、受到宏观调控的影响而继续保持着较低的行业景气度外，部分装备制造业将有望保持较高的增长率，特别是那些国家产业政策鼓
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20e a mm =； 10）最大被吃刀量10p a mm =。 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
XY 数控工作台结构 1.3 设计的基本要求 （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。 系统总体方案结构框图
毕业设计（论文） 题目双轴回转工作台 专业机械设计制造及其自动化 班级 学号 学生 指导教师副教授 二○○九年
双轴回转工作台 摘要 在现有的三坐标联动数控机床的工作台上再增加一个具有两个旋转自由度的数控回转工作台，将其安装在原有的工作台上，与原有的工作台成为一个整体，成为一个多自由度的回转工作台，即双轴回转工作台。再通过对数控系统的升级（不属于此题范畴），使该机床成为五坐标联动的数控机床。这样的双回转数控工作台不仅可以沿X、Y、Z 方向作平行移动，在A、B两轴能同时运动，且能随时停止，在A轴上能够在一定角度内连续旋转，在B轴上可以做360度的连续旋转。不仅可以加工简单的直线、斜线弧，还可适应更复杂的曲面和球形零件的加工。 关键词：双轴，回转工作台，五坐标联动，设计，机床
The double turns round rotary worktable ABSTRACT At current three sit the mark connect the number that move the work on the stage controls the machine bed increases a number for having two revolve free degree controls the turn-over work set, will its gearing is in the original work on the stage, with originally possessed of the work set becomes a the whole, becoming the turn-over work set of a many free degrees, namely the double turns round the number controls the work set. Pass again the grade creep( do not belong to this category) that logarithms control system, make the machine's bed become five sit the mark connect the dynamic number controls the machine bed. Such a turn-over number controls the work set can not only make the parallel ambulation along the X, Y, the direction of Z, continuing to revolve in A, B two stalks can at the same time exercise, and can at any time stop, on the A stalk can in the certain angle, canning the 360 degrees of revolving continuously on the B stalk. Can not only process the simple straight line, oblique line, arc, can but also adapt to the more complicated curved face to processes with the spheroid spare parts. Key words：The double turns round, rotary worktable, Five sit the mark; Connect to move, design, Machine bed 目录 第1章绪论 1 1.1 本课题的研究范围及应解决的主要问题 1 1.2 本课题的研究目的和现实意义. 1
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。