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1、1目 录一、设计目的 .3二、设计任务 .4三总体方案的确定 .41、机械传动部件的选择 .4(1)丝杠螺母副的选用 .5(2)导轨副的选用 .5(3)伺服电动机的选用 .52、控制系统的设计 .53、绘制总体方案图 .6四、机械传动部件的计算与选型 .61、 导轨上移动部件的重量估算 .62、铣削力的计算 .6五、步进电动机的计算与选型 .101、传动计算 .102、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 Jeq.103、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 Teq.114、步进电动机最大静转矩的选定 .13六、直线滚动导轨副的计算与选型 .151、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 .1
2、52、距离额定寿命 L 的计算 .152七、 绘制进给传动系统示意图 .16八、控制系统硬件电路设计 .16九、步进电动机的驱动电源选用 .19结 束 语 .19参考文献.203一、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.立铣刀最大直径的 d=15mm；2.立铣刀齿数 Z=3；3.最大铣削宽度 =15mm；ea4.最大背吃刀量 =8mm；p5.加工材料为碳素钢活有色金属；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0.01mm；8.工作台尺寸 230mm230，加工范围
3、为 250mm250mm；9.工作台空载进给最快移动速度：V xmax =Vymax =3000mm/min；10. 工作台进给最快移动速度: V xmax =Vymax =400mm/min；二总体方案的确定1、机械传动部件的选择(1)导轨副的选用要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，因此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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于 200kg 的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。(2)丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满4足0.
4、001mm 的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求，因此选用滚珠丝杆副，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运转平稳、寿命长、效率高、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(3)伺服电动机的选用任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。2、控制系统的设计1）设计的 X-Z 工作台准备用在数控车床上，其控制系统应该具
5、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 AT89S52 作为控制系统的 CPU，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，还要扩展程序存储器，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、机械传动部件的计算与选型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5轨座等,估计重量
6、约为 800N。2、铣削力的计算采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢，根据金属切屑原理与刀具200 页表 15-5 得硬质合金立铣刀铣削力经验公式FC=118e0.85fz0.75d-0.73 ap1.0 n0.1其中铣刀的直径 d=15mm，齿数 Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度 ae=15mm，背吃刀量 ap=8mm，查切削用量简明手册可得，每齿进给量 fz=0.1mm，铣刀转速 n=300/min。则由上公式求得最大铣削力：FC=118x0.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.1 x1=1233 N考虑逆铣时的情况，可估算三个方
7、向的铣削力分别为：F f=1Fc=1356N，F e=0.38 Fc=308 N，F fm=469 N 则工作台受到垂直方向的铣削力 Fz=Fe=308N，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=1356N，径向铣削力 Fy=Ffn=469N。3 直线滚动导轨副的计算与选型1） 、滑块承受工作载荷 的计算及导轨型号的选取maxF工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本例中的 X-Y 工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。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
8、单滑块所受的最大垂直方向载荷为：maxGF4其中，移动部件重量800N，外加载荷 F=Fz=469，代入上式，得最大工作载荷 =669N=0.669kN。maxF6根据工作载荷 =0.669kN，初选直线滚动导轨副的型号为 KL 系列的 LG15maxF型，其额定动载荷为 7.94KN，额定静载荷 9.5 KN。任务书规定工作台面尺寸为 ，加工范围为 ，230m250m考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为 520mm。2、距离额定寿命 L 的计算上述所取的 KL 系列 LG15 系列导轨副的滚道硬度为 60HRC，工作温度不超过C，每根导轨上配有两只滑块，精度为 4 级，工
9、作速度较低，载荷不大。查10机电一体化系统设计手册表 2.9-132.9-16，分别取硬度系数 f =1.0，温H度系数 f =1.00，接触系数 f =0.81，精度系数 fa=0.9，载荷系数 f =1.5，Tc w代入式（3-33） ，得距离寿命：L= Km1720450.69813远大于期望值 50Km，故距离额定寿命满足要求。4滚珠丝杠杠螺母副的计算与选型（1）最大工作载荷 Fm 的计算 在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）F x=1356N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）F y =308N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）F z =469N。已知移动部件总质量
10、 G=800N，按矩形导轨进行计算，由金属切屑机床126 页公式 17-5 得：Fm=KFx+ (Fz+Fy+G)=1.1 1356+0.005 (469+308+500)N 1498N取摩擦系数 =0.005。取颠覆力矩影响系数 K=1.1,求得滚珠丝杠副的最大工作载荷： （2）最大动载荷 FQ 的计算 7设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=400mm/min，初选丝杠导程 Ph=5mm，则此时丝杠转速 n=v/Ph=80r/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：10 6r)。查课本 110 页表 5-1,
11、5-2，取载荷系数 fW=1.2，滚道硬度为 60HRC 时，取硬度系数 fH=1.0，求得最大动载荷：FQ7478 N（3）初选型号 根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查现代实用机床设计手册 （上册）967 页，选择南京工艺装备制造有限公司生产的FF2005-3 型滚珠丝杠副，为内循环浮动式反向器螺母无预紧滚珠丝杠副，其公称直径为 20mm，导程为 5mm，循环滚珠总圈数为 3 圈，精度等级取 5 级，额定动载荷为 9100N，大于 FQ 满足要求。（4）传动效率 的计算 将公称直径 d0=20mm，导程 Ph=5mm，代入=arctanPh/(d0)，得丝杠螺旋升角 =433。将摩擦角 =10，代入=tan/tan(+)，得传动效率 =96.4%。（5）刚度的验算1）X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支撑均采用“单推- 单推”的方式。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支撑的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量 E=2.1105MPa；查现代实用
