xy 数控工作台设计

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1、 .课程设计说明书题 目： x-y数控工作台机电系统设计 系部名称： 机械电子工程系 专业班级： 机电1班 学生姓名： 学号： 指导教师： 2014年12月 Word 资料摘 要X-Y数控工作台机电系统是一个开环控制系统,其结构简单,实用方便而且能够保证一定的精度。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。因此，选择X-Y数控工作台作为课程设计的内容，对机械电子专业的学生具有普遍意义。 本文结合普通数控铣床的基本结构，设计了一台X-Y数控工作台，为铣床的数控化奠定了基础。首先，确

2、定了X-Y数控工作台的总体设计方案，包括机械传动部件的选择和数控系统的设计，机械传动部件的选择如导轨副选用，丝杆螺母副的选用，减速装置的选用，伺服电动机的选择等。其次，对X-Y数控工作台进行机械部分设计，包括直线导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型等。最后，对X-Y数控工作台系统设计。通过设计能够满足设计要求，达到数控工作台的基本要求，因本人水平有限，错误和不足之处，敬请老师批评指正。关键字：X-Y数控工作台，机电一体化系统，滚珠丝杠螺母副，伺服电动机目 录第1章 概述。1.1 设计任务。第2章 总体方案的确定2.1 机械传动部件的选择2.1.1 导轨副的选用2.1.2 丝杠螺母副的

3、选用2.1.3 减速装置的选用2.1.4 伺服电动机的选用2.1.5 检测装置的选用2.2 控制系统的设计 第3章 绘制总体方案图第4章 机械传动部分的计算与选型 4.1 导轨上移动部件的重量估算4.2 铣削力的计算4.3 直线滚动导轨副的计算与选型4.3.1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取4.3.2 距离额定寿命的计算4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型4.4.1 最大工作载荷Fm的计算4.4.2 最大动载荷FQ的计算4.4.3 初选型号4.4.4 传动效率的计算4.4.5 刚度的验算4.4.6 压杆稳定性校核4.5 步进电动机减速箱的选用4.6 步进电机的计算与选型4.7 增量式旋转

4、编码器的选用第5章 工作台控制系统的设计第6章 步进电机驱动电源的使用参考文献 一、设计任务题目：X-Y数控工作台机电系统设计任务：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）立铣刀最大直径d=15mm； 2）立铣刀齿数Z=3； 3）最大铣削宽度ae=15 mm； 4）最大背吃刀量ap=8 mm； 5）加工材料为碳素钢； 6）X、Y方向的脉冲当量x =y=0.005mm/脉冲； 7）X、Y方向的定位精度均为0.01 mm； 8）工作台导轨长度为1260mm； 9）工作台空载最快移动速度； 10）工作台进给最快移动速度vxmax =vymax =3000 mm/min； 1

5、1）工作台尺寸为230 mm230 mm 12）加工范围伟250 mm250 mm 二、总体方案的确定2.1机械传动部件的选择 2.1.1导轨副的选用 要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床的，需要承受的载荷不大，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。 2.1.2丝杆螺母副的选用 伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量0.01 mm和的定位精度，滑动滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效

6、率高，预紧后可消除反向间隙。 轴向间隙的调整和预紧方式 选用垫片调隙式，这种方法结构简单、刚性好、装卸方便，适用于一般精度的机构 滚珠丝杠的安装 采用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳定性和临界转速较高。2.1.3减速装置的选用 选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，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，可能需要减速装置，且应有消间隙结构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速器。2.1.4伺服电动机的选用 任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快速度也只有3000mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交

7、流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。 2.1.5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。任务书所给的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，拟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力应与步进电动机的步距角相匹配。考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杆螺母副、减速装置、伺服电动机，以及检测装置拟

8、采用相同的型号与规格。2.2控制系统的设计 1)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。 2)对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。 3)要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序储存器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。4) 选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。 三、绘制总体方案图 总体方案图如图所示 四、机械传动部件的计算与选型 4.1导轨

9、上移动部件的重量估算 按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。 4.2铣削力的计算设零件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢。则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为： (1) 今选择铣刀直径d=15mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削的情况下，取得最大铣削宽度，背吃刀量，每齿进给量，铣刀转速n=300r/min。则由(1)式求得最大铣削力： Fc=118150.850.10.7515-0.7381.03000.133 N1463 N 采用立铣刀进行圆柱

10、铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为 Ff =1.1Fc1609N， Fe =0.38Fc556N，Ffn =0.25Fc366N， 工作台受到垂直方向的铣削力Fz= Fe =556N，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力Fx= Ff=1609N，径向铣削力Fy =Ffn= 366N4.3直线滚动导轨副的计算与选型4.3.1滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式

11、。考虑最不利的情况，即垂直于台面的工作载荷全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=800N，外加载荷F= Fz= 556N，得最大工作载荷PC=756N=0.756kN。查表3-41，根据工作载荷PC=0.756kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94 kN，额定静载荷C0a=9.5 kN。4.3.2距离额定寿命L的计算 上述选取的KL系列JSALG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，工作温度不超过100摄氏度，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表3-36表3-40，分别取硬度系数

12、=1.0、温度系数、接触系数=0.81、精度系数=0.9、载荷系数=1.5，得距离寿命：远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。4.4滚珠丝杠螺母副的计算与选型4.4.1最大工作载荷的计算 如前页所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy = 366N，受到垂直方向的载荷（与工作台垂直）Fz= 556N。已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数=0.005 。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： 4.4.2最大动载荷FQ的计算 设工作台在承受最大铣削

13、力时的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程=5 mm，则此时丝杠转速n=v/Ph = 80 r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=72（单位为：106 r）查表3-30，取载荷系数fW =1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，求得最大载荷： 4.4.3初选型号 根据计算出的最大载荷和初选的丝杠导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2505-4型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm。循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N。大

14、于FQ，满足要求。 4.4.4传动效率的计算 将公称直径，导程，代入= arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角=4 33将摩擦角=10代入=tan / tan(+)，得传动效率=96.4%。 4.4.5刚度的验算 1)X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推单推”的方式，见书后插页图6-23。丝杠的两端各采用一对推理角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm ；钢的弹性模量E2.1 Mpa；查表3-31，得滚珠直径D=3.175mm，丝杠底径，丝杠截面面积。忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量. 根据公式Z( ) -3，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为，代入公式 Z圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取。将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）0.0218 mm=21.8m。丝杠的有效行程为330mm，由表