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1、28X-Y数控工作台机电系统设计 课程设计说明书课题名称 _X-Y工作平台机电系统设计_学 院 _专 业 机械电子工程 _班 级 _学 号 _姓 名 _指导教师 韩雄飞 _ 完成日期 _2014年1月10日 _ _摘 要本文主要对X-Y数控工作台机电系统及控制系统进行设计。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、工作平台、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
2、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。控制系统根据需要选用设计专用的微机控制系统。关键字：X-Y数控工作台，滚珠丝杠螺母副，伺服电动机，微机控制系统。目 录1设计任务32总体方案的确定321机械传动部件的选择3211导轨副的选用3212丝杠螺母副的选用4213减速装置的选用4214伺服电动机的选用4215检测装置的选用422控制系统的设计53机械传动部件的计算与选型631导轨上移动部件的重量估算632铣削力的计算633直线滑动导轨副的计算734滚珠丝杠螺母副的计算与选型8341最
3、大工作载荷Fm的计算8342最大动工作载荷的计算8343初选型号9344传动效率的计算9345刚度的验算9346压杆稳定性校核103. 5步进电动机减速箱的选用1136步进电动机的计算与选型11361计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量11362计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩12分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算：12363步进电动机最大静转矩的选定15364步进电动机的性能校核1637增量式旋转编码器的选用184步进电动机的驱动电源选用185控制系统硬件电路设计196控制系统的部分软件设计2061输入输出分配206.2人机界面设计206.3控制程序设计21参考文献21附录23计
4、算计算计算计算计算滚珠丝杠副的最大工作载荷计算最大动载荷计算传动效率计算拉/压变形量计算滚珠与螺纹滚道间的接触变形量计算丝杠总变形量计算临界载荷计算滚珠丝杠的转动惯量 计算拖板折算到丝杠上的转动惯量计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩计算折算到电动机转轴上的摩擦转矩计算快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩计算折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩计算移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩计算最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩计算步进电动机的最大静转矩校核最快工进速度时电动机的输出转矩 校核最快空载
5、移动时电动机输出转矩校核最快空载移动时电动机运行频率计算起动频率1设计任务题目：X-Y数控工作台机电系统设计任务：设计一种供应式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：1）立铣刀最大直径。2）立铣刀齿数。3）最大铣削宽度。4）最大背吃刀量。5）X、Y方向的脉冲当量。6）X、Y方向的定位精度均为。7）工作台面尺寸为，加工范围。8）工作台最快移动速度。9）工作台进给移动速度。导轨组合：滚动滚动支承方式：双推简支2总体方案的确定21机械传动部件的选择211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，决定选用直线滑动导轨副，
6、它具有刚度高、制造简单、传动效率高、结构简单、安装预紧方便等优点。212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，需要满足0.005mm的脉冲当量和的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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。213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，且应有消间隙机构。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。214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
7、度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有1800mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交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。215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动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
8、不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、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与规格。22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，所以控制系统设计成连续控制型。 2）对于步进电动机的半闭环控制，选用三菱FX3U系列的FX3U-48MT/ESS，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，在选择控制器之后，还要扩展输入输出设备 4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。3机械传动部件的计算与选型31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
9、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、直线滑动导轨副、导轨座等,估计重量约1800N。32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： 今选择铣刀的直径为d=15mm，齿数Z=2,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为，背吃刀量，每齿进给量，铣刀转速。则由上式求的最大铣削力： 采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得，结合图3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为： 图3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力,径向铣削力为。33直线滑动导轨副的计算 工作载荷是影响直线滑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。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： (3-1) 其中，移动部件重量1800N，外加载荷，代入式（3
