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1、（数控加工）数控钻床Y数控工作台设计数控钻床XY数控工作台设计壹：设计任务及基本参数1：设计任务X-Y数控工作台是许多机电壹体化设备的基本部件，如数控车床的纵-横向进刀机构、数控铣床的和数控钻床的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数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电壹体化专业的教学具有普遍意义。模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图1所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的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
2、轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均已标准化，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，能够选用标准的工业控制计算机，也能够设计专用的微机控制系统。本次设计是针对用于数控钻床的X-Y俩自由度运动平台结构及其控制系统的设计。图12：基本参数数控钻床的X-Y俩自由度运动平台主要参数如下：1. 钻头最大直径d=12mm；2. 钻头转速n=300r/min；3. 每转进给量f=0.1mm/r；4. 刀具材料为高速钢；5. 工件材料为钢b=650MPa；6. X、Y方向的脉冲当量x=y=0.01mm/脉冲；7. X、Y方向的定位精度均为0.01mm；8. 工作台面尺寸为30050
3、0mm，加工范围为350550mm；9. 工作台最快移动速度vxmax=vymax=1500mm/min。3：最后提交的材料课程设计说明书壹份；装配图.X-Y数控工作台机电系统设计说明书目录1. 课程设计任务：.52. 总体方案设计.51)机械传动部件的选择5(1)导轨副的选用5(2)丝杠螺母副的选用5(3)减速装置的选用5(4)伺服电动机的选用5(5)检测装置的选用62) 控制系统的设计6(1)采用半闭环位置负反馈控制6(2）步进电动机的半闭环控制6(3）选择驱动电源63.机械传动部件的计算和选型.61)导轨上移动部件的重量估算62)直线导轨副的计算和选型6(1)滑块承受工作载荷的计算及导轨
4、型号的选取6(2)距离额定寿命L的计算73)滚珠丝杠螺母副的计算和选型7(1)最大工作载荷的计算7(2)最大动载荷的计算7(3)初选型号8(4)传动效率的计算8(5)刚度的验算8(6)压杆稳定性校核94)步进电动机减速箱的选用95)步进电动机的计算和选型9(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J9(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T10(3)步进电动机最大静转矩的选定10(4 )步进电动机的性能校核10(5)步进电动机的驱动电源选用116）增量式旋转编码器的选用124.工作台机械示意图的绘制（见附录）.125.工作台控制系统的设计.126.感想总结.14参考文献.141.课程设计
5、任务：设计壹个X-Y俩自由度运动平台，主要参数如下：额定负载20kg；工作台面积尺寸为XY的定位精度均为XY方向的脉冲当量工作台最快移动速度额定负载时XY向的最大运行加速度2.总体方案设计1)机械传动部件的选择(1)导轨副的选用选用直线滚动导轨副。(2)丝杠螺母副的选用选用滚珠丝杆副，其传动精度高、运转平稳，可满足设计所要求的定位精度。(3)减速装置的选用为了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，选用无间隙齿轮传动减速箱。(4)伺服电动机的选用选用混合式步进电动机。(5)检测装置的选用采用半闭环控制，将增量式旋转编码器安装在电动机的尾部转轴上，用以检测电动机的转角和转
6、速。考虑到X、Y俩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俩个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机以及检测装置拟采用相同的型号和规格。2)控制系统的设计(1)采用半闭环位置负反馈控制(2）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，能够满足任务书给定的相关指标。(3）选择驱动电源和步进电动机配套使用。3.机械传动部件的计算和选型1)导轨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。包括工作平台、上层电动机、减速箱、滚动丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量G=780N。2)直线导轨副的计算
7、和选型(1)滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取采用双导轨、四滑块的支承形式。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=780N，额定负载20kg,估算为F=20N,得最大工作载荷根据最大工作载荷，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSALG15型，其额定动载荷Ca=7.94KN，额定静载荷:9.5kN。任务书规定工作台面积尺寸为X向和Y向最大位移为，考虑工作行程应留有壹定余量，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。(2)距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSALG15型导轨副的滑道硬度为60HRC，工作温度不超过100摄氏度每根导轨上配有俩只滑块，精度为4级，工作速度
8、较低，载荷不大。分别取硬度系数，温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数，得距离寿命，远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。3)滚珠丝杠螺母副的计算和选型(1)最大工作载荷的计算由于只考虑工作台的移动，不考虑加工时刀具对工件的载荷，因而Fx=0,Fy=0,Fz=20N(工件的重量)已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，导轨上的摩擦因数u=0.15.求得滚珠丝杠副在匀速转动时的工作载荷：，由额定负载时X、Y向的最大运行加速度，得：Fm-F=m,Fm=202N(2)最大动载荷的计算工作台最快移动速度，初选丝杠导程Ph=4mm，则此时丝杠转速n=v/
9、Ph=750r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入,得丝杠寿命系数L0=675（单位为）。取载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，求得最大动载荷：(3)初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限X公司生产的G系列1064-3型滚珠丝杠副，为内循环固定器单螺母式，其公称直径为16mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为4612N，大于Fq，满足要求。(4)传动效率的计算将公称直径d0=16mm，导程Ph=4mm，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角(5)刚度的验算X-Y工作台上下俩层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推
10、”的方式。丝杠的俩端各采用壹对推力接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm，钢的弹性模量E=2.1105Mpa;查得滚珠直径Dw=2.381mm，丝杠底径d2=13.1mm,丝杠截面积S=/4=134.78m.丝杠在工作台加速运行时的拉/压变形量根据公式求得单圈滚珠数Z=19，该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式：丝杠预紧时，取轴向预紧力=68N。由，求得滚珠和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壹半，取将之上算出的，丝杠的有效行程为300mm，查表得，5级精度滚珠丝杠有效行程小于315mm时，行程偏差允许达
11、到23um，可见丝杠刚度足够。(6)压杆稳定性校核查表得支承系数压杆稳定性安全系数K取3，滚珠螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式，故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4)步进电动机减速箱的选用采用壹级减速器，步进电动机的输出轴和小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头和大齿轮联接。已知工作台的脉冲当量算得减速比：选用常州新月电机有限X公司生产的JBF3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：45，材料为45调制钢，齿表面淬硬后达55HRC。减速箱中心距为(75+45)/2=60mm,小齿轮厚度为20mm，大齿轮厚度为20mm。5)步进电动机的计算和选型(1)计
12、算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J滚珠丝杠的转动惯量，已知滚珠丝杠的公称直径d0=16mm，总长l=500mm，导程Ph=4mm，材料密度托板折算到丝杠上的转动惯量，移动部件总重力F+G=800N，得大小齿轮转动惯量，小齿轮宽度b1=20mm，直径d1=45mm，大齿轮宽度b2=20mm，直径d2=75mm，传动比i=5/3,于是得小齿轮转动惯量初选步进电动机型号为90BYG2602，二项八拍驱动时步距角为0.75，查表得该型号电动机转子的转动惯量，则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T快速启动时电动机转轴所承受的负载转矩T，包括三部分：壹部分是快
13、速空载启动时折算到电动机轴上的最大加速转矩Tamax；壹部分是移动部分运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；仍有壹部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，因滚珠丝杠副传动效率很高，T0可忽略。则有：T=Tamax+TfTamax=,设步进电动机由静止到加速至，于是Tamax=0.5Nm.移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：求得快速启动时电动机转轴所承受的负载转矩：T=Tamax+Tf=0.582Nm(3)步进电动机最大静转矩的选定考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。取K=4,则步进电
