天津职业技术师范大学

X-Y数控机运动控制系统设计

专 业：机械维修及检测技术教育 班级学号：机检 学生姓名：

指导教师：

目录

一、总体方案设计 .....................................................................................................................................................1

1.1 设计任务 ......................................................................................................................................................1 1.2 总体方案确定 ..............................................................................................................................................1

1.2.1系统的运动方式与伺服系统 ............................................................................................................1 1.2.2 导轨副的选择 ...................................................................................................................................2 1.2.3 丝杠螺母副的选择 ...........................................................................................................................2 1.2.4减速装置的选择 ...............................................................................................................................2 1.2.5电气控制原理图 ................................................................................................................................3

二、机械系统设计 .....................................................................................................................................................3

2.1、工作台外形尺寸及重量估算 ....................................................................................................................3 2.2、滚动导轨的参数确定 ................................................................................................................................4 2.3、滚珠丝杠的设计计算 ................................................................................................................................5

2.3.1 最大动负载Q的计算.......................................................................................................................5 2.3.2滚珠丝杠螺母副几何参数计算.........................................................................................................7 2.3.3传动效率计算 ....................................................................................................................................8 2.3.4刚度验算 ............................................................................................................................................8 2.3.5稳定性验算 ........................................................................................................................................9 2.4步进电机的选用 ...........................................................................................................................................9

2.4.1步进电机的步距角?b .......................................................................................................................9

2.4.2步进电机启动力矩的计算 ................................................................................................................9 2.4.3步进电机的转速n ...........................................................................................................................10 2.5确定齿轮传动比 ......................................................................................................................................... 11 2.6、确定齿轮模数及有关尺寸 ......................................................................................................................12 2.7步进电机惯性负载的计算 .........................................................................................................................12 三 驱动器和控制器的选择 .....................................................................................................................................13 四 参考资料 .............................................................................................................................................................19

一、总体方案设计

1.1 设计任务

设计一个数控X-Y工作台及其控制系统。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0.025mm。

设计参数如下：负载重量G=150N；台面尺寸C×B×H＝445mm×460mm×32mm；底座外形尺寸C1×B1×H1＝610mm×620mm×540mm；最大长度L=688mm；工作台加工范围X=95mm，Y=80mm；工作台最大快移速度为6m/min。

设计要求：

根据数控机床课程设计的示例要求，根据每个组的设计参数，计算出相应运动部分的质量及惯量，根据计算结果选择电机及驱动器型号，并选择相应数控系统（可选用其他课程中学过的数控系统），画出电气控制原理框图、设计驱动控制强、弱控制电路，撰写不低于3000字左右设计论文，并附录相关资料及设计图纸

1.2 总体方案确定

1.2.1系统的运动方式与伺服系统

设计的X-Y工作台准备用在数控铣床上，其控制系统应该具有单坐标定位、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。

伺服进给系统的选择数控机床的进给系统有开环、半闭环、闭环之分。

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。采用直流或交流伺服电机驱动的闭环控制方案的优点是可以达到很好的机床精度，能补偿机械传动系统中的各种误差、传动间隙及干扰等对加工精度的影响。但他的结构复杂，技术难度大，调试和维修困难，造价高。本设计的精度要求不是很高，采用闭环控制系统的必要性不大。由于任务书所给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，并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与转速。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。XY工作台系统总体框图如下图所示

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