2882-X-Y数控工作台及其控制系统设计

摘要本文旨在设计一台简单、经济型的 X‐Y 数控工作台。一般来说，X‐Y 数控工作台的机电系统设计都是通过开环控制系统实现的，所以其结构简单，实现方便而且能够保证一定的精度，降低了设计制造过程中的成本，因此可以说X‐Y数控工作台是微机控制技术中最常见的应用。本文设计的X‐Y数控工作台充分地利用了可编程序控制技术来实现对机床的控制，在扩大了其加工范围的同时，精度和可靠性也得到了进一步的提高。该设计完全围绕数控机床工作原理而展开，充分体现了数控机床机械设备与电气设备部分的紧密结合。主要设计内容包括总体方案的设计；步进电机的选用；传动装置的设计；丝杠螺母副的设计；滚动导轨的选用和电气控制部分的设计。本设计的经济型数控工作台采用开环系统，机械传动部分采用步进电机通过同步带一级减速传动，减速器输出轴连接到滚珠丝杠上，丝杠上的丝杠螺母副带动工作台实现X‐Y方向进给。关键词：X‐Y数控工作台，可编程序控制技术，机械传动部件，控制系统Abstract This design is the design with a simple and economical CNC of x‐y tables. X‐y tables CNC machinery system design is an open‐loop control system. Its simple structure, convenient and can ensure the precision of certain, reduced cost, is the most simple of microcomputer control technology of application. It fully utilize the PLC to realize the control of machine tools, expanding the scope of machining accuracy and reliability, and further improved. Design task is complete on nc machine tools and working principle of the design, fully embodies the CNC machinery and electrical equipment parts. X‐Y tables include overall scheme design of CNC design, selection of stepping motor driving device, the design, the design of ball screw nut pair, the selection and design of electric controlling part. The design of the economical nc workbench precision request is not high, the open loop system. Mechanical transmission through adopting step‐motor synchronous belt transmission, connect to slow level on the ball screw, thus the driver. Keywords:X‐Y tables, PLC, transmission machinery parts and control system目录摘要.............................................I Abstract............................................ II 1绪论..............................................11.1X-Y数控工作台研究背景....................................11.2X-Y数控工作台研究意义..............................11.3X-Y数控工作台的现状与发展................................22X-Y数控工作台总体方案确定..................................42.1传动系统方案的确定......................................42.2控制电机的确定..........................................52.3控制系统方案的确定......................................72.4其他零部件的选择........................................83X-Y数控工作台机械系统设计............................103.1X-Y数控工作台的整体结构设计..................................103.2主要设计参数及其依据....................................113.3工作载荷分析及计算.....................................113.4直线滚动导轨副的计算与选型...............................123.5滚珠丝杠螺母副的选型和校核...............................143.6同步带轮传动的设计和计算................................173.7驱动电机的选择.........................................193.8其它零部件的确定.......................................234控制系统的设计......................................274.1PLC的组成与工作原理....................................274.2PLC的选型.............................................294.3PLC控制步进电机的梯形图程序设计..........................304.4程序的分析与比较.......................................36总结.............................................38致谢.............................................39参考文献.............................................40附录一英语论文.......................................41附录二汉语翻译.......................................461 绪论1.1X-Y数控工作台研究背景现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展,及其向机械工业的渗透,而形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了以“机电一体化”为特征的发展阶段。随着科学技术的不断进步和社会生产的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。从工业化革命以来，人们实现机械加工自动化的主要手段有：1.自动机床；2.组合机床；3.专用自动生产线。这些设备的使用大大提高了机械加工自动化的程度，提高了劳动生产率，促进了制造业的发展。但它也存在固有的缺点，如：1.初始投资大；2.准备周期长；3.柔性差。因此，上述方法仅适用于批量较大的零件生产。然而，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代周期缩短，小批量产品的生产所占的比重越来越大，约占总加工量的80％以上。在航空、航天、重型机床以及国防工业部门尤为突出。因此，迫切需要一种精度高，柔性好的加工设备来满足上述需求，这是机床数控技术产生和发展的内在动力。另一方面，电子技术和计算机技术的飞速发展则为 NC 机床的发展提供了坚实的技术基础。数控工作台正是在这种背景下诞生和发展起来的，它极其有效地满足了上述要求，为小批量、精密复杂的零件生产提供了自动化加工手段。 1.2X-Y数控工作台研究意义数控技术可以说是先进制造技术的基本，体现着数控技术的数控机床成为制造业关注的焦点。微机控制的数控机床、数控加工中心的高精度、高度柔性化及适合加工复杂零件的性能，正好满足当今市场竞争和工艺发展的需要。可以说，微机数字控制技术的应用是机械制造行业现代化的标志，在很大程度上决定了企业在市场竞争中的成败。装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水品和现代化程度，数控技术及装备是发展新型高新技术产业和尖端工业的使能技术和最基本的装备，又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。数控技术是使用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，而数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电一体化产品，其技术范围覆盖很多领域。 X‐Y 数控工作台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。它充分的利用了危机的软件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。数控精密工作台采用滚珠直线导轨副为导向支承，滚珠丝杠副为运动执行元件的结构，具有精度高、效率高、寿命长、磨损小、节能低耗、磨擦系数小、结构紧凑、通用性强等特点。目前已广泛应用于测量、激光焊接、激光切割，涂胶、打孔，插件、小型数控机床、射线扫描、雕铣机及实用教学等场合。 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、工作台、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。1.3X-Y数控工作台的现状与发展我国数控机床产量持续高速增长，根据市场需求和技术发展趋势，应重点推进高效、精密为核心的数控机床“μm”级工程，加强发展高性能、高可靠性数控功能部件，积极开展复合加工机床、超精密数控机床和可重构制造系统的工程化研究等相应的关键技术。数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。通过持续的开发研究以及对信息技术的深化应用，促进了数控机床性能和质量的进一步提升，使数控机床成为国民经济和国防建设发展的重要制造装备。在我国对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备，提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力尤为重要。数控技术的发展趋势：数控技术的应用不但给传统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