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1、X-Y数控工作台课程设计 一、总体方案设计1.1 设计任务题目：XY数控工作台的机电系统设计任务：设计一种供立式数控铣床使用的XY数控工作台，主要参数如下：（1）工作台面尺寸CBH185mm195mm27mm；（2）底座外形尺寸C1B1H1385mm385mm235mm；（3）工作台加工范围X=115mm Y=115mm；（4） X、Y方向的脉冲当量均为0.005mm、脉冲；X、Y方向的定位精度均为0.01mm；（5）负载重量G=235N；（6）工作台空载最快移动速度为3m/min；工作台进给最快移动速度为1m/min。（7）立铣刀的最大直径d=20mm；（8）立铣刀齿数Z=3；（9）最大铣削
2、宽度；（10）最大被吃刀量。12总体方案的确定 图1-1 系统总体框图（1）机械传动部件的选择 导轨副的选择要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，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。 丝杠螺母副的选择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，要满足0.005mm的脉冲当量和0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便
3、，有利于提高开发效率。 减速装置的选择选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，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，且应有消除间隙机构。为此，系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 伺服电动机的选择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。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。 检测装置的选择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。任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确
4、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。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。（2）控制系统的设计设计的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。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AT89S
5、51作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。要设计一台完整的控制系统，在选择CPU之后，还需要扩展程序存贮器、数据存贮器、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。选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用，我们将自行设计。步进电动机减速器滚珠丝杠步进电动机减速器工作台滚珠丝杠X方向传动机构Y方向传动机构微型机机电接口驱动电路人机接口系统总体方案结构框图 二、机械系统设计2.1、导轨上移动部件的重量估算重量：按重量=体积材料比重估算 （45钢密度7.85g/立方厘米）工作台面尺寸：185mm195mm27mm 重量：76N。上导轨座（连电机）重量：600N夹
6、具及工件重量：235N X-Y工作台运动部分的总重量G：900N2.2、铣削力的计算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。查表得立铣刀的铣削力计算公式为： 其中，每齿进给量，铣刀转速，可直接带入计算得1893N。采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可查表得出，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：=2082.3N；=719.34N；=473.25N。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纵向铣削力（丝杠轴线方向），径向铣削力2.3、直线滚动导轨的参数确定、滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取本设计中的XY工作台为水平布
7、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=944.3N。其中，移动部件重量为G，外加载荷根据计算出的工作载荷，初选符合要求的直线滚动导轨副的型号。根据任务规定工作台面尺寸，加工范围及工作台整体尺寸的要求，选择导轨的长度为2.4、滚珠丝杠的设计计算滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。1、 最大工作载荷的计算 在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）为，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）为，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）为。已知移动部件的总重量G，按矩形
8、导轨进行计算，查表，取倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为：=1.12082.3(719.34+473.3+900)=2301.0N、最大动载荷的计算工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度，初选丝杠导程，则此时丝杠转速=200r/min取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入，得丝杠寿命系数查表，取载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入式，求得最大动载荷=15590.3N。2、 初选型号规格型号 公称直径de基本导程 PH0丝杠外径 d滚珠直径 DW螺旋升角 B循环圈数 螺母安装尺寸 额定开荷 接触刚度 (N/um)DD1D2BMd2d
9、3HdmL动载Ca静载Cao1604-316415.32.381433 3325542104105.86.M6375744121743751605-5515.33.175541 3325542114105.86M6428640139604102004-320419.52.381339 3366048114105.86M6405295114746602004-44366048114105.86M6446766152988652505-4519.53.175422 3366048114105.86M6469022184567202005-44366048114105.86M651110822334
10、09552504-325424.52.381255 3406653114105.86M6606080162797802504-44406653114105.86M64477472167310202505-3524.53.175339 3406653114105.86M6469807228508702505-44406653114105.86M651125533049911452506-3624.53.175422 3406653114105.86M65212945290289002506-44406653114105.86M6601657338639根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表
11、，选择亿诚部件有限公司生产的G系列2505-4型，其额定动载荷为，大于，满足要求。表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数名 称符 号计算公式和结果螺纹滚道公称直径20螺距5接触角钢球直径3.175螺纹滚道法面半径R=1.651偏心距e=（R-dq/2）sin=0.045螺纹升角=arctg（t/d0）=4.34。螺杆螺杆外径d=-（0.20.25）dq=19.206螺杆内径=+2e-2R=16.788螺杆接触直径=-cos=17.755螺母螺母螺纹外径=-2e+2R=23.212螺母内径（外循环）=+（0.20.255）=20.810、传动效率计算tg/tg(+)=0.956式中：摩擦角；丝杠螺纹升
12、角。2.5、步进电机的选用、步进电机的步距角根据系统脉冲当量脉冲，滚珠丝杠的导程，初选步进电机步距角2=1.5。、步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩的计算=4.255N其中是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。=3.875N=41.310-3cm2式中： 折算到电机轴上的惯性负载（kg.cm2）； 步进电机转轴的转动惯量（kg.cm2）；齿轮1的转动惯量（kg.cm2）；齿轮2的转动惯量（kg.cm2）；滚珠丝杠的转动惯量（kg.cm2）；M移动部件质量（kg）。对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算J=0.7810-3D4式
13、中：D圆柱零件直径（cm）；L零件长度（cm）。所以电机轴转动惯量很小，可以忽略。=2500设步进电机由静止到加速至所需时间为，传动链总效率为=0.38N步进电机最大工作负载状态下转轴所承受的负载转矩的计算=10.24N.M是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。=9.86N.M=0.38N.M=10.24N.M、步进电机的最高工作频率=10000HZ查表选用两个55BF004-型步进电机。电机的有关参数见下表。型号主要技术参数外形尺寸步距角最大静转矩（N.M）电压（V）电流（A）外径长度轴颈55BF004-1.5。49 300.54558 4 2.5、确定齿轮传动比因步
