x-y工作臺機械結構設計【含15張CAD圖紙】
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……本科畢業(yè)設計說明書（論文）
摘 要
數(shù)控技術，簡稱“數(shù)控”，英文：Numerical Control（NC）。是指用數(shù)字、文字和符號組成的數(shù)字指令來實現(xiàn)一臺或多臺機械設備動作控制的技術。它所控制的通常是位置、角度、速度等機械量和與機械能量流向有關的開關量。數(shù)控的產生依賴于數(shù)據(jù)載體和二進制形式數(shù)據(jù)運算的出現(xiàn)。數(shù)控技術是現(xiàn)代工業(yè)實現(xiàn)自動化、柔性化、集成化生產的基礎，是知識密集、資金密集的現(xiàn)代制造技術，也是國家重點發(fā)展的前沿技術?！?
機電一體化技術是微電子技術、計算機技術、信息技術與機械技術相結合的綜合性高新技術，是機械技術與微電子技術的有機結合。隨著計算機技術的迅猛發(fā)展和廣泛應用，機電一體化技術獲得前所未有的發(fā)展，成為一門綜合計算機與信息技術、自動控制技術、傳感檢測技術、伺服傳動技術和機械技術等交叉的系統(tǒng)技術。
X-Y數(shù)控工作臺是數(shù)控技術一個重要組成部分，它充分利用了單片機的軟硬件功能以實現(xiàn)對機床的控制，使機床的加工范圍擴大,加工精度得到了提高。
數(shù)控技術運用于工作臺有以下優(yōu)勢：
1 保證了一定的精度，尺寸一致性好
2 可靠性進一步得到提高。
3 勞動強度低
4 適應能力強，經(jīng)濟效益明顯
5 工作環(huán)境好
本文設計的內容包括三方面：
總體方案確定，包括機械與數(shù)控設計兩個大方面：
機械部分的設計包括：傳動系統(tǒng)設計，減速器設計，運動系統(tǒng)設計等
控制部分的設計包括： PLC的選型與控制流程的設計。
本題目是步進電機，數(shù)控技術，單片機匯編語言的綜合應用。
關鍵詞： X-Y數(shù)控工作臺；機電系統(tǒng)；微型計算機；單片機
Abstract
Numerical control technology, referred to as "NC." English: Numerical Control (NC). Refers to numbers, words and symbols the number of instructions to implement one or more mechanical equipment motor control technology. Usually its control position, angle, speed and other machinery and mechanical energy flow volume and the volume switch. NC data generation depends on the binary form of data carriers and the emergence of computing. CNC technology is the modern industrial automation, flexibility, integrated production is based on a knowledge-intensive, capital-intensive modern manufacturing technology, is the national focus on the development of cutting-edge technology.
Mechatronics is the microelectronics, computer technology, information technology and mechanical technology combined with the integrated high technology, mechanical technology and combination of microelectronic technology. With the rapid development of computer technology and extensive application of mechatronics achieve great development and become an integrated computer and information technology, control technology, sensor detection, servo drive technology and mechanical technology, cross-system technology.
CNC XY table is an important part of numerical control technology, which make full use of the PLC hardware and software features to achieve the machine's control extended to the processing machine, machining accuracy is improved.
CNC technology used in table has the following advantages:
1.to ensure a certain accuracy, size and good consistency
2.to further improve reliability.
3. low labor intensity
4.adaptable, economic benefit is obvious
5.good working environment
This design includes three aspects:
Determine the overall program, including mechanical and digital control design of two major areas:
The design of mechanical parts, including: transmission system design, Reducer design, motion design, etc.
Control part of the design include: PLC controlled process of selection and design.
This topic is stepper motor, CNC technology, SCMcomprehensive application of assembly language.
Key words：CNC XY Table; mechanical and electrical systems; micro-computer; SCM
目 錄
摘 要 I
Abstract II
1 緒 論 1
1.1 X-Y數(shù)控工作臺研究背景 1
1.2 X-Y工作臺研究意義 1
1.3 X-Y 工作臺的現(xiàn)狀與發(fā)展 2
2 X-Y工作臺整體方案設計 5
2.1 設計方案分析 5
2.2 X-Y工作臺的整體結構設計 7
2.3 主要設計參數(shù)及其依據(jù) 7
3 X-Y工作臺機械結構設計 8
3.1 工作臺外形尺寸及重量估算 8
3.2 直線滾動導軌副的計算與選型 8
3.3 絲杠的計算 9
3.4 電機的確定 13
3.5 減速器的確定 16
4 數(shù)控系統(tǒng)硬件設計 22
4.1 單片機簡介 22
4.2 步進電機的簡介 24
4.3 編碼器簡介 24
4.4行程開關簡介 25
結 論 27
致 謝 28
參考文獻 29
附錄一 英語論文 30
附錄二 漢語翻譯 35
38
1 緒 論
1.1 X-Y數(shù)控工作臺研究背景
由于微電子技術、計算機技術的不斷發(fā)展，極大地推動了不同學科的交叉與滲透，從而導致了工程領域的技術革命與進步。尤其是在機械工程領域，機械工業(yè)的技術結構、產品機構、功能與構成、生產方式及管理體系都發(fā)生了巨大得變化，使工業(yè)生產由“機械電氣化”邁入了“機電一體化”為特征的發(fā)展階段。
數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新型高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和最基本的裝備，又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。
隨著科技領域日新月異的發(fā)展，特別是在航天航空、尖端軍事、精密儀器等方面，對機械產品制造精度和復雜程度的要求越來越高，傳統(tǒng)的加工技術已很難適應現(xiàn)代制造業(yè)的需求。譬如，用普通車床加工圓弧，普通銑床加工空間曲面，以及加工精度對產品質量的影響，加工效率對制造成本的影響等，這些都是一直困擾人們的難題。還有，當機械產品轉型時，機床和工藝裝備需要做大的調整，周期較長，成本高，也就是說傳統(tǒng)的加工技術已很難滿足市場對產品高精度、高效率的要求，因此，基于X-Y數(shù)控工作臺技術的機床應運而生。
對X-Y工作臺的設計屬于數(shù)控技術領域，數(shù)控技術的自動化水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術使用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，其技術范圍覆蓋很多領域。
1.2 X-Y工作臺研究意義
X-Y數(shù)控精密工作臺采用滾珠直線導軌副為導向支承，滾珠絲杠副為運動執(zhí)行元件的結構，具有精度高、效率高、壽命長、磨損小、節(jié)能低耗、磨擦系數(shù)小、結構緊湊、通用性強等特點。目前已廣泛應用于測量、激光焊接、激光切割，涂膠、打孔，插件、小型數(shù)控機床、射線掃描、雕銑機及實用教學等場合。
X-Y數(shù)控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數(shù)控車床的縱—橫向進刀機構、數(shù)控銑床和數(shù)控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。模塊化的X-Y數(shù)控工作臺，通常由導軌座、移動滑塊、工作、滾珠絲杠螺母副，以及伺服電動機等部件構成。其中伺服電動機做執(zhí)行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均已標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據(jù)工作載荷選取即可?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)需要，可以選取用標準的工作控制計算機，也可以設計專用的微機控制系統(tǒng)。
1.3 X-Y 工作臺的現(xiàn)狀與發(fā)展
在我國對外開放進一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展數(shù)控技術及裝備，提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力是新的重要要求，并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備的幾點看法。
裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經(jīng)濟的水品和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新型高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)的使能技術和最基本的裝備，又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。數(shù)控技術使用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，而數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品，其技術范圍覆蓋很多領域。
（一） 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢
數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，它對國計民生的一些重要行業(yè)，入IT、汽車、輕工、醫(yī)療等的發(fā)展起著越來越重要的作用。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面：
（1） 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢
效率、質量是先進制造技術的主體。高速、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次，縮短生產周期和提高市場競爭能力。從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合車床。在加工精度方面，近10年來，普通數(shù)控機床的加工精度已由10um，提高到5um，精密級加工中心則從3~5um，提高到1~1.5um并且超精密加工精度一開始進入納米級。為了實現(xiàn)高速、高精加工，與這配套的功能部件如電主軸、直線電機得到了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大。
（2）5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工，可用刀具最佳幾何形狀進行切割，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)主機結構復雜等原因，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展。當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小。因此促進了復合主軸頭類型 5軸聯(lián)動機床和復合加工機床 含5面加工機床的發(fā)展。
（3）智能化、開放式、網(wǎng)絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應運算、自動識別負載自動選定模型、自整定等。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上，面向機床廠家和最終用戶，通過改變、增加或剪裁結構對象數(shù)控功能，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技巧集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng)，形成具有鮮明個性的名牌產品。目前開放數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范、配置規(guī)范、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心。網(wǎng)絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡化將極大地滿足生產線、制造系統(tǒng)、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)、全球制造的基礎單元，反映了數(shù)控機床加工向網(wǎng)絡化發(fā)展的趨勢
（二）對我國數(shù)控技術機器廠業(yè)發(fā)展的基本估計
我國數(shù)控技術起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為三個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段。在此階段，由于國外的技術封鎖和我國基礎條件的制約，數(shù)控技術的發(fā)展較為緩慢。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術，消化吸收，初步建立起國產化體系階段。在此階段，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術的研究、開發(fā)以及在產品的國產化方面都取得了長足的進步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產業(yè)化的研究，進入市場競爭階段?？v觀我國數(shù)控技術近50年的發(fā)展歷程，特別是經(jīng)過4個5年計劃的攻關，總體來看取得的成績還是不小。
（三）對我國數(shù)控技術和產業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考
（1）戰(zhàn)略考慮。我國是制造大國，在世界產業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移，所以，我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產業(yè)問題。首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產品都列為國家的戰(zhàn)略物質，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”都是最好的例證。
（2）發(fā)展策略。從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術、配套技術作為研究開發(fā)的內容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨越式發(fā)展。強調市場需求為導向，即以數(shù)控終端產品為主，以整機如量大面廣的數(shù)控車床、銑床、高速高精高性能數(shù)控機床、曲型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等帶動數(shù)控產業(yè)的發(fā)展。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件 數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等 的可靠性和生產規(guī)模的問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產品；沒有規(guī)模就不會有價值低廉而富有競爭力的產品；當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難有出頭之日。
2 X-Y工作臺整體方案設計
2.1 設計方案分析
圖2.1 X-Y工作臺整體方案
2.1.1 機械方案設計
①伺服電動機的選用
任務書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有2000mm/min，故本設計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。
②導軌副的選用
要設計數(shù)控車床工作臺，需要承受的載荷不大，而且脈沖當量小，定位精度高，因此選用直線滑動導軌副，它具有摩擦系數(shù)小，不易爬行，傳動效率高，結構緊，安裝預緊方便等優(yōu)點。
③絲杠螺母副的選用
伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足0.01mm脈沖當量和mm的定位精度，滑動絲杠副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到要求，滾珠絲桿副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。
④減速裝置的選用
選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，選用無間隙齒輪傳動減速箱。
⑤檢測裝置的選用
選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高，為了確保電動機在運動過程中不受切削負載和電網(wǎng)的影響而失步，決定采用半閉環(huán)控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配。
考慮到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲杠螺母副、減速裝置、伺服電動機以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。
圖 2.2 X-Y工作臺
2.1.2 控制方案設計
設計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：
（1） 接收鍵盤數(shù)據(jù)，控制LED顯示
（2） 接受操作面板的開關與按鈕信息；
（3） 接受車床限位開關信號；
（4） 接受電動卡盤夾緊信號與電動刀架刀位信號；
（5） 控制X，Z向步進電動機的驅動器；
（6） 控制主軸的正轉，反轉與停止；
（7） 控制多速電動機，實現(xiàn)主軸有級變速；
（8） 控制交流變頻器，實現(xiàn)主軸無級變速；
（9） 控制切削液泵啟動/停止；
（10） 控制電動卡盤的夾緊與松開；
（11） 控制電動刀架的自動選刀；
（12） 與PC機的串行通信。
2.2 X-Y工作臺的整體結構設計
進給傳動系統(tǒng)示意圖如圖所示。
圖 2-3 進給傳動系統(tǒng)示意圖
2.3 主要設計參數(shù)及其依據(jù)
X、Y方向的脈沖當量=0.01mm;
X方向的定位精度均為mm;
加工范圍為460×420㎜;
工作荷載
工作壽命 15000h
時間常數(shù)T=30ms；
快速進給速度
3 X-Y工作臺機械結構設計
3.1 工作臺外形尺寸及重量估算
X向拖板（上拖板）尺寸：
長寬高 600×190×50
重量：按重量=體積×材料比重估算
Y向拖板（下拖板）尺寸：
重量：約670N。
上導軌座（連電機）重量：
夾具及工件重量：約155N 。
X-Y工作臺運動部分的總重量：約1828N。
3.2 直線滾動導軌副的計算與選型
根據(jù)給定的工作荷載和估算的和計算導軌的靜安全系數(shù)
（3-1）
式中， 為導軌的基本靜額定荷載 KN；
工作荷載：
（3-2）
(一般運行情況)（運動時受沖擊、振動）
根據(jù)計算結果查有關資料初選導軌：
因系統(tǒng)受到中等沖擊，所以??；
（3-3）
（3-4）
根據(jù)計算額定靜荷載初選導軌：
選擇SV2R系列滑動直線導軌，其型號為：SV2R28-460
圖 3-1 直線滑動導軌
表3-1 導軌規(guī)格
額定載荷/N
靜態(tài)力矩/N*M
滑座重量
導軌重量
導軌長度
動載荷
靜載荷
L(mm)
7200
12100
58
58
135
0.20
2.4
460
表 3-2 導軌規(guī)格
滑座個數(shù)
單向行程長度
每分鐘往復次數(shù)
2
0.6
4
導軌的額定動載荷
3.3 絲杠的計算
3.3.1 滾珠絲杠副導程的確定
初選絲杠HRC60,導程
3.3.2 強度計算
絲杠軸向力：
（3-5）
其中：,滾動導軌摩擦系數(shù)，是最大切削力下的進給速度，可取最高速度的()，在此我取1/3;
可取 計算：
取 ,則：
壽命值
， （3-6）
其中絲杠轉速
（3-7）
最大動載荷
（3-8）
式中：為載荷系數(shù)，中等沖擊時為1.2~1.5；為硬度系數(shù)，時為1.0。
查表得中等沖擊時，，則：
根據(jù)使用情況選擇滾珠絲杠螺母的結構形式，其根據(jù)最大動載荷的數(shù)值可選
圖 3-1 絲杠螺母副
擇滾珠絲杠的型號為：CM系列滾珠絲杠，其型號為：CM2005-5。
其基本參數(shù)如下：
表 3-3 滾珠絲杠副尺寸參數(shù)
絲杠代號
公稱直徑
基本導程
絲杠外徑
絲杠底徑
循環(huán)圈數(shù)
額定荷載N
剛度
動載荷
靜載荷
20
5
19.5
16.76
5
14205
38244
730
螺母安裝尺寸
油杯孔
60
48
12
40
53
68
10
6
其額定動載荷為足夠用，滾珠循環(huán)方式為外循環(huán)螺旋槽式，預緊方式采用單螺母螺紋預緊形式。
表3-4 滾珠絲杠副的幾何參數(shù)
名稱
結果
公稱直徑
20mm
螺距t
5mm
接觸角
45
鋼球直徑
3.175mm
螺紋滾道法向半徑
1.651mm
偏心距
0.4489mm
螺紋升角
4.6
螺桿外徑
19.365mm
螺桿內徑
16.788mm
螺桿接觸直徑
17.775mm
螺母螺紋外徑
23.212mm
螺母內徑（外循環(huán)）
20.7mm
3.3.3 傳動效率計算
（3-9）
式中：——摩擦角；——絲杠螺紋升角。
3.3.4 剛度驗算
滾珠絲杠受工作負載P引起的導程的變化量：
（3-10）
Y向所受牽引力大，故應用Y向參數(shù)計算：
(3-11)
所以
絲杠因受扭矩而引起的導程變化量很小，可以忽略。
所以導程總誤差
查表知E級精度的絲杠允許誤差，故剛度足夠。
3.3.5穩(wěn)定性驗算
由于絲杠兩端采用止推軸承，故不需要穩(wěn)定性驗算。
3.4 電機的確定
3.4.1 步進電機折算轉動慣量近似計算
(3-12)
式中 ——電機轉子轉動慣量（）；
、 —— 齒輪、的轉動慣量（）；
—— 滾珠絲杠轉動慣量
參考同類機床，初選反應式步進電機150BF，其轉子轉動慣量
代入上式：
考慮步進電機與傳動系統(tǒng)慣量匹配問題。
基本滿足慣量匹配的要求。
3.4.2 確定步進電機的選型
機床在不同的工況下，其所需轉矩不同，下面分別按各階段計算：
①快速空載啟動力矩
具體計算公式如下：
(3-13)
(3-13)
將前面數(shù)據(jù)代入式中：
啟動加速時間
折算到電機軸上的摩擦力矩：
附加摩擦力矩
(3-14)
上述三項合計：
=
②快速移動時所需力矩
(3-15)
③最大切削負載時所需力矩
從上面計算可以看出，以快速空載起動所需力矩最大，以此項作為初選步進電機的依據(jù)。
當步進電機為五相十拍時
(3-16)
最大靜力矩
(3-17)
按此最大靜力矩，我們選擇150BF003型最大靜力矩為13.72。大于所需最大靜力矩，可作為初選型號，但還必須進一步考核步進電機起動矩頻特性和運行矩頻特性。
④計算步進電機空載起動頻率和切削時的工作頻率
為使電機不產生失步，空載啟動頻率要大于最高運行頻率，查表，選擇兩個150BF003型反應式步進電機：
圖3-2 150BF003反應式步進電機
表3-5 150BF003反應式步進電動機
型號
相數(shù)
步距角
電壓
電流
最大靜轉距
空載啟動頻率
空載運行頻率
分配方式
150BF003
5
0.5/1.5
110
13
18.5
2600
12000
五相十拍
重量
轉子轉動慣量
16.5
10
3.5 減速器的確定
3.5.1 傳動比的確定
因步進電機步距角，滾珠絲杠螺距 ，要實現(xiàn)脈沖當量，在傳動系統(tǒng)中應加一對齒輪降速傳動。齒輪傳動比
（3-18）
1) 選擇使用圓柱直齒輪
2) 一般機器,速度不高,選用7級精度(GB10095-88)
3) 材料選擇,由《機械設計》中知選擇:
小齒輪材料為40Cr(調質處理)硬度為280HBS.
大齒輪材料為45鋼(調質處理)硬度為240HBS,
硬度差為40HBS.
4）由傳動比可選擇一級減速器
3.5.2減速器整體方案的確定
圖3-3 減速箱整體設計
3.5.3 齒輪結構主要參數(shù)的確定
選 ，
因傳遞的扭矩較小，選擇模數(shù);
表 3-6 齒輪尺寸
分度圓壓力角大小齒輪均采用漸開線標準圓柱齒輪。
3.5.4減速器參數(shù)的確定
聯(lián)軸器1傳動效率：
聯(lián)軸器2傳動效率：
閉式齒輪傳動效率：
滾動軸承效率：
得
高速軸參數(shù)：
由公式
（3-19）
得高速軸轉速。
由傳動比及效率確定低速軸參數(shù)：
3.5.5軸的設計計算
齒輪軸的尺寸
圖 3-4 齒輪軸尺寸
高速軸的尺寸
圖 3-5 高速軸尺寸
3.5.6聯(lián)軸器的選擇
聯(lián)軸器是將主動軸與從動軸連接起來并在傳遞轉矩中一起旋轉又不脫開的裝置，用于連接同在一個軸線的兩軸端部。由于兩軸在制造、安裝、機座的結構剛性、定位安裝面存在誤差等原因，兩軸的旋轉中心線可能出現(xiàn)徑向、軸向和角度偏移，為了不使軸與軸實現(xiàn)連接的聯(lián)軸器造成安裝困難、并引起額外的荷載和震動，聯(lián)軸器必須有補償軸線偏移的功能，還應有消除或減少周線偏移引起的附加載荷和震動的功能。為適應聯(lián)軸器不同功能的需要，我國已有不同品種、規(guī)格的標準系列聯(lián)軸器。
剛性聯(lián)軸器分為凸緣聯(lián)軸器和套筒聯(lián)軸器兩種，前者結構簡單，制造容易，成本較低，工作可靠，剛性好，傳遞轉矩大。但無補償所聯(lián)兩軸相對偏移的功能，不能緩沖減震。當兩軸對中精度較低時，將在軸和軸承中引起較大的附加荷載。適用于所聯(lián)兩軸對中精確、載荷平穩(wěn)、高速或要求傳動精度高的傳動軸承。后者結構簡單、制造容易，徑向尺寸小，成本低。裝拆時需沿軸向移動較大距離，且只能連接兩軸直徑相同的圓柱形軸身。無補償所聯(lián)兩軸相對偏移的能力，要求兩軸精確對中。一般用于中小功率傳動，其中花鍵連接套筒聯(lián)軸器可以傳遞很大轉矩。
非金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器結構簡單，更換易損件方便，具有一定的緩沖減震和補償所聯(lián)兩軸相對偏移的能力。徑向尺寸較大，不宜用于高速和低速重載場所。
金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器分為金屬膜片連軸器和十字軸式萬向聯(lián)軸器，前者具有機械強度高、承載能力大、重量和結構尺寸小、傳動效率高、傳動精度高、不需潤滑、平衡精度高、裝拆方便、無噪聲等優(yōu)點，但緩沖減震性能不及其他金屬元件撓性聯(lián)軸器。具有一定的補償所聯(lián)兩軸相對偏移的能力?？刹糠秩〈男锡X式聯(lián)軸器。還有耐高、低溫，耐酸堿等，腐蝕介質的優(yōu)點。高精度金屬膜片連軸器可用于很高轉速。
聯(lián)軸器的計算轉矩，查表14-1，考慮為輸送機，轉矩變化很小，故取1.7，所以
在此，我選擇金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器中的高剛性模片式 兩側鍵槽型聯(lián)軸器CPSHWK65-15-15。
圖3-4 金屬彈性元件撓性聯(lián)軸器
3.5.7 軸承的選擇
①載荷是選擇軸承最主要的依據(jù)，通常應根據(jù)載荷的大小、方向和性質選擇軸承。
⑴載荷大小?一般情況下，滾子軸承由于是線接觸，承載能力大，適于承受較大載荷；球軸承由于是點接觸，承載能力小，適用于輕、中等載荷。各種軸承載荷能力一般以額定載荷比表示。
⑵載荷方向?純徑向力作用，宜選用深溝球軸承、圓柱滾子軸承或滾針軸承，也可考慮選用調心軸承。純軸向載荷作用，選用推力球軸承或推力滾子軸承。徑向載荷和軸向載荷聯(lián)合作用時，一般選用角接觸球軸承或圓錐滾子軸承，這兩種軸承隨接觸角。增大承受軸向載荷能力提高。若徑向載荷較大而軸向載荷較小時，也可選用深溝球軸承和內、外圈都有擋邊的圓柱滾子軸承。若軸向載荷較大而徑向載荷較小時，可選用推力角接觸球軸承、推力圓錐滾子軸承。
⑶載荷性質?有沖擊載荷時，宜選用滾子軸承。
②高速性能 一般摩擦力矩小、發(fā)熱量小的軸承高速性能好。球軸承比滾子軸承有較高的極限轉速，故高速時應優(yōu)先考慮選用球軸承。徑向載荷小時，選用深溝球軸承:徑向載荷大時，選用圓柱滾子軸承。對聯(lián)合載荷，載荷小時，選用角接觸球軸承；載荷大時，選用圓錐滾子軸承或圓柱滾子軸承與角接觸球軸承組合。在相同內徑時，外徑越小，滾動體越輕越小，運轉時滾動體作用在外圈上的離心力也越小，因此更適于較高轉速下工作。在一定條件下，工作轉速較高時，宜選用直徑系列為8，9，0，1的軸承。保持架的材料與結構對軸承轉速影響很大。實體保持架比沖壓保持架允許的轉速高。高速重載的軸承需驗算其極限轉速。
③軸向游動性能 一般機械工作時，因機械摩擦或工作介質的關系而使軸發(fā)熱，從而有熱脹冷縮產生。在選擇軸承結構類型時，應使其軸有鈾向游動的可能性。因此，常在軸的某一端選用一內圈或一外圈無擋邊的圓柱滾子軸承或滾針軸承，以適應由于熱脹冷縮而引起軸的伸長或縮短。
④調心性能 當軸兩端軸承孔同軸性差（制造誤差或安裝誤差所致）或軸的剛度小，變形較大，以及多支點軸，均要求軸承調心性好，這時應選用調心球軸承或調心滾子軸承。
⑤允許的空間 在機械設計中，一般都是先確定軸的尺寸，然后根據(jù)軸的尺寸來確定軸承的尺寸。小軸選用球軸承，大軸選用滾子軸承；在內徑尺寸（即軸尺寸）已確定，若徑向尺寸受限，可選用滾針軸承或直徑系列為8，9，0，回的軸承；若寬度尺寸受限，可選用寬度系列為8，0的軸承。
⑥安裝與拆卸方便 對于軸承使用壽命一般都難以等同主機使用壽命，在實際使用中軸承作為易損件要經(jīng)常裝拆。因此，在選用軸承結構類型時應要求裝拆方便?？煞蛛x型的接觸球軸承、圓柱滾子軸承。圓錐滾子軸承、推力軸承和內圈為錐孔、帶緊定套或退卸套的調心滾子軸承、調心球軸承等均具有裝拆方便性能。
圖 3-5 61903深溝球軸承
在此我選擇內徑17，外徑30，厚度7的深溝球軸承，型號61903
4 數(shù)控系統(tǒng)硬件設計
4.1 單片機簡介
4.1.1 單片機的發(fā)展趨勢
為適應嵌入式應用的需求，單片微控制器應運而生，發(fā)展極其迅速。從70年代至今，單片機發(fā)展成為一個品種齊全，功能豐富的龐大家庭。單片機是微型計算機的一個分支，是在一塊芯片上集成了CPU、RAM、ROM存儲器、I/O接口等而構成的微型計算機。因為它主要應用于工業(yè)測控領域，因此單片機在出現(xiàn)時，intel公司就給單片機取名為嵌入式微控制器。
4.1.2 單片機的優(yōu)點
單片機是以工業(yè)測控對象、環(huán)境、接口特點出發(fā)向著增強控制功能，提高工業(yè)環(huán)境下的可靠性方向發(fā)展。主要特點如下：
1.種類多，型號全。很多單片機廠家逐年擴大適應各種需要，有針對性地推出一系列型號產品，使系統(tǒng)開發(fā)工程師有很大的選擇余地。大部分產品有較好的兼容性，保證了已開發(fā)產品能順利移植，較容易地使產品進行升級換代。
2. 提高性能，擴大容量，性能價格比高。集成度已經(jīng)達到300萬個晶體管以上，總線速度達到數(shù)十微妙到幾百納秒，指令執(zhí)行周期已經(jīng)達到幾微妙到數(shù)十納秒，以往片外XRAM現(xiàn)已在物理上存入片內，ROM容量已經(jīng)擴充達32K，64K，128K以致更大的空間。價格從幾百到幾元不等。
3. 增加控制功能，向真正意義上的“單片”機發(fā)展。把原本是外圍接口芯片的功能集成到一塊芯片內，在一片芯片中構造了一個完整的功能強大的微處理應用系統(tǒng)。
4.低功耗?，F(xiàn)在新型單片機的功耗越來越小，供電電壓從5V降低到了3.2V，甚至1V，工作電流從mA降到μA級，gz2頻率從十幾兆可編程到幾十千赫茲。特別是很多單片機都設置了多種工作方式，這些工作方式包括等待，暫停，睡眠，空閑，節(jié)電等。
5. C語言開發(fā)環(huán)境，友好的人機互交環(huán)境。大多數(shù)單片機都提供基于C語言開發(fā)平臺，并提供大量的函數(shù)供使用，這使產品的開發(fā)周期、代碼可讀性、可移植性都大為提高。
4.1.3 單片機的應用發(fā)展方向
1.使用壽命長。這里所說的長壽命，一方面指用單片機開發(fā)的產品可以穩(wěn)定可靠地工作十年、二十年，另一方面是指與微處理器相比的長壽命。隨著半導體技術的飛速發(fā)展，MPU更新?lián)Q代的速度約來約快?？梢灶A見，一些成功上市的相對年輕的CPU核心，也會隨著I/O功能模塊的不斷豐富，有著相當長的生存周期。新的CPU類型的加盟，使單片機隊伍不斷壯大，給用戶帶來了更多的選擇余地。8位、16位、32位單片機共同發(fā)展是當前單片機發(fā)展的另一個動向之一。長期以來，單片機技術的發(fā)展是以8位機為主的。隨著移動通訊、網(wǎng)絡技術、多媒體技術等高科技產品進入家庭，32位單片機應用得到了長足的發(fā)展。以Mororola68K為CPU的32位單片機97年的銷售量達到了8千萬枚。過去認為由于8位單片機功能越來越強，32位機越來越便宜，使16位機單片機生存空間有限，而16位單片機的發(fā)展無論從品種和產量方面，近年來都有較大幅度的增長。
2.速度越來越快。MUP發(fā)展中表現(xiàn)出來的速度越來越快是以時鐘頻率越來越高為標志的。而單片機則有所不同，為提高單片機抗干擾能力，降低噪音，降低時鐘頻率而不犧牲運算速度是單片機技術發(fā)展之追求。改善單片機的內部時序，在不提高時鐘頻率的條件下，使運算速度提高了很多。
3. 低噪聲和高可靠性技術。在單片機應用中，可靠性是首要因素，位了擴大單片機的應用范圍和領域，提高單片機自身的可靠性是一種有效的方法。今年來，單片機的生產廠家愛在單片機設計上采用了各種提高可靠性的新技術，這些新技術表現(xiàn)在如下幾點：首先，EFT技術。EFT技術是一種抗干擾技術，它是指在振蕩電路的正弦信號受到外界干擾時，其波形上會迭加各種毛刺信號，人使用施密特電路對其整形，則毛刺會成為觸發(fā)信號干擾正常的時鐘，在交替使用施密特電路和RC濾波電路時，就可以消除這些毛刺另其作用失效，從而保證系統(tǒng)的時鐘信號正常工作。這樣，就提高了單片機工作的可靠性。其次，低噪聲布線技術及驅動技術。在傳統(tǒng)的單片機中，電源及地線是在集成電路外殼的對稱引腳上，一般是在左上、右下或右上左下的兩塊對稱稱點上。這樣，就使電源噪聲穿過整塊芯片，對單片機的內部電路造成干擾?，F(xiàn)在，很多單片機都把地線和電源引腳安排在兩條相鄰的引腳上。這樣，不僅降低了穿過整個芯片的電流，另外還在印制電路板上容易布置去耦電容，從而降低系統(tǒng)的噪聲。
4. OTP與掩膜。OTP是一次性寫入的單片機。過去認為一個單片機產品的成熟是以投產掩膜型單片機為標志的。由于掩膜需要一定的生產周期，而OTP型單片機價格不斷下降，使得近年來直接使用OTP完成最終產品制造更為流行。它較之掩膜具有生產周期短、風險小的特點。近年來，OTP型單片機需量大幅度上揚，為適應這種需求許多單片機都采用了在編程技術（In Sytem Programming）。為編程的OTP芯片可以采用裸片Bonding技術或表面貼技術，先焊在印刷版上，然后通過單片機上引出的編程線、串行數(shù)據(jù)、時鐘線等對單片機編程。解決了批量寫OTP芯片時容易出現(xiàn)的芯片寫入器接觸不好的問題，使得OTP的裸片得以廣泛使用，降低了產品的成本。編程線與I/O線共用，不增加單片機的額外引腳。
4.2 步進電機的簡介
圖4-1 步進電機
步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，從而達到調速的目的。由于脈沖信號數(shù)與步距角的線性關系，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。
步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器
雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。
步進電機作為執(zhí)行元件，是機電一體化的關鍵產品之一, 廣泛應用在各種自動化控制系統(tǒng)中。隨著微電子和計算機技術的發(fā)展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經(jīng)濟領域都有應用。
4.3 編碼器簡介
編碼器（encoder）是將信號（如比特流）或數(shù)據(jù)進行編制、轉換為可用以通訊、傳輸和存儲的信號形式的設備。
編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，前者成為碼盤，后者稱碼尺．按照讀出方式編碼器可以分為接觸式和非接觸式兩種．接觸式采用電刷輸出，一電刷接觸導電區(qū)或絕緣區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”；非接觸式的接受敏感元件是光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件時以透光區(qū)和不透光區(qū)來表示代碼的狀態(tài)是“１”還是“０”，通過“１”和“０”的二進制編碼來將采集來的物理信號轉換為機器碼可讀取的電信號用以通訊、傳輸和儲存。
按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器是將位移轉換成周期性的電信號，再把這個電信號轉變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器的每一個位置對應一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關，而與測量的中間過程無關。
圖 4-2 編碼器
4.4行程開關簡介
圖 4-3 行程開關
行程開關就是一種由物體的位移來決定電路通斷的開關。
行程開關又稱限位開關,可以安裝在相對靜止的物體(如固定架、門框等，簡稱靜物)上或者運動的物體（如行車、門等，簡稱動物）上。當動物接近靜物時，開關的連桿驅動開關的接點引起閉合的接點分斷或者斷開的接點閉合，由開關接點開、合狀態(tài)的改變去控制電路和機構的動作。
行程開關的應用方面很多，很多電器里面都有它的身影，它主要是起連鎖保護的作用。
結 論
通過兩個月對X-Y數(shù)控工作臺的學習研究，盡管花費了許多的時間，走了許多的彎路，但是我認為這都是值得的。
剛拿到這個題目時，我非常迷惘，因為以前從來沒有接觸過數(shù)控工作臺的這個高深的領域，數(shù)控工作臺是數(shù)控技術的一個縮影，作為我們機械設計制造及其自動化專業(yè)的學生，做好這門設計是非常重要的，于是我毅然決定臥薪嘗膽，努力攻破這一頑石。
X-Y數(shù)控工作臺分為機械和電氣控制兩個部分，首先，機械部分的難點是系統(tǒng)的傳動及連接，在我查閱了一些資料還有老師的熱心指導之后，我漸漸對其有了清晰的認識：通過步進電機的轉動及滾珠絲杠的作用，把機械轉動變?yōu)榱薠或者Y進給運動，在兩軸的聯(lián)動作用下完成了工作臺在一定范圍的全方位運動。
其間，我完成的工作有：
1）整體結構的設計與選擇，這是我認為最困難的一步，是0向1邁進的重大轉折。
2）原動件選擇與設計，在電動機的選擇上我走了不少彎路，就像前面說的那樣，任務書規(guī)定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有2000mm/min，故本設計不必采用高檔次的伺服電動機，因此可以選用混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。
3）導軌的設計與選擇，在滾動和滑動導軌的選擇上，我選擇了滑動導軌，主要由于其預緊方便，價格便宜，對這個要求不是非常高的工作臺來說比較適用。
4）絲杠螺母副的設計是整個工作臺設計的核心，幾經(jīng)周折之后，我選擇了滾珠絲杠副，由于其預緊方便，精度較高。
5）連接部分的設計，如何連接兩個工作臺也是設計內容之一，最后我選擇了燕尾槽滑臺，因為它能承受多向力，一般多有帶塞鐵，可調間隙，完全能打到我這個系統(tǒng)的要求。
6）減速箱的設計，由于大三曾經(jīng)設計過減速箱，所以這個對我們來說比較簡單，但是對于這種熟悉簡單的系統(tǒng)我們更不應該掉以輕心。
7）電氣系統(tǒng)設計，這個對我們不算陌生但是又比較遙遠，這方面主要是我同組的孫在富同學完成的，我參與了電氣系統(tǒng)硬件的選型
總的來說，通過X-Y數(shù)控工作臺的設計，使我大學四年所學的知識得到了洗禮與深化，也讓我們明白了自己的不足，幾年所學的知識是很渺小的，需要我們以后更不懈的努力。
致 謝
《畢業(yè)設計》是我在大學里的最后一門課程。通過這次畢業(yè)設計，我學會了如何查閱現(xiàn)有的技術資料、如何舉一反三、如何通過改進并加入自己的想法與觀點，使之成為自己的東西。并且結合生產知識，培養(yǎng)理論聯(lián)系實際以及分析和解決工程實際問題的才能， 并使大學四年所學的知識得到進一步鞏固、深化和擴展。在此，我對我的論文指導老師……老師表示衷心的感謝，感謝他對我的嚴格要求，感謝他的監(jiān)督和指導。其次我要感謝這四年里給我授課的所有老師。感謝你們傳給我知識。最后還要感謝參考文獻中所列書籍、文章及資料的作者。
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附錄一 英語論文
High Precision Finish Cutting by Dry WEDM
Abstract
This paper describes the development of a new dry wire electrical discharge machining (dry-WEDM) method, which is conducted in a gas atmosphere without using dielectric liquid to improve the accuracy of finish cutting. In dry-WEDM, the vibration of the wire electrode is minute due to the negligibly small process reaction force. In addition, as the gap distance is narrower than that in conventional WEDM using dielectric liquid, and there is no corrosion of the workpiece, high accuracy in finish cutting can be realized in dry-WEDM. However, some drawbacks of dry-WEDM include lower material removal rate compared to conventional WEDM and streaks are more likely to be generated over the finished surface. Increasing the wire winding speed and decreasing the actual depth of cut are effective to resolve these drawbacks.
Keywords: WEDM, dielectric, Finish cutting, Dry process
1 INTRODUCTION
Dry-electrical di
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