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1、目录一、总体 2二、机械结构设计31、脉冲当量和传动比的确定32、机械部件(工作台)总体尺寸33、工作载荷分析及计算44、滚珠丝杠螺母副的选型和校核55、导轨的选型和计算106、联轴器的选择及计算117、传动系统等效转动惯量计算128、步进电机的选用13三、控制系统设计181、控制系统硬件的基本组成182、接口程序初始化及步进电机控制程序193、直线圆弧插补程序设计22参考文献 30一、 总体1、总体参数设计一个数控XY工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。已知的设计参数如下：最大铣刀直径最大铣削宽度最大铣削深度加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度20 mm8 mm4
2、 mm碳钢X=200，Y=1503 m/min2、开、半闭、闭环选择开环伺服系统步进电机驱动没有检测装置半闭环伺服系统交流或直流伺服电机驱动脉冲编码器速度反馈闭环伺服系统交流或直流伺服电机驱动位置检测装置位置反馈本设计采用开环步进电机驱动。3、传动初步设计电动机联轴器滚珠丝杠工作台4、系统组成框图大致确定为：控制、接口、驱动、传动再到执行。即为5、机械传动系统简图X轴与Y轴的传动系统简图都如图所示二、机械结构设计1、脉冲当量和传动比的确定1.1、脉冲当量的确定根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量
3、 为0.01mm。1.2、传动比的确定传动比计算公式：专业课课程设计指导书（21）其中：为步进电机的步距角，为滚珠丝杠导程，为系统脉冲当量。根据传动设计，采用联轴器，初选电机步距角，丝杠导程，。则其传动比2、机械部件(工作台)总体尺寸由于工作台的加工范围为X200mm，Y150mm。工作台尺寸一般为工作台加工范围的1.1倍。所以：X2001.1220mm, Y1501.1165mm，其厚度初定为30mm。选择工作台的型槽为T型槽，查电子版袖珍机械设计师手册中的T型槽和相应螺栓(摘自GB/T158-1996) 表3-25T型槽和相应螺栓尺寸，可得所选T型槽的参数：A10mmB18mmC8mm H
4、21mm间距取50mm一取工作台厚度为T型槽厚度的2倍，即22142mm。工作台质量：,即纵向丝杠所承受的质量。在工作台上的工件和夹具的质量估计为所以总的移动部件的重量为3、工作载荷分析及计算3.1销削力的分析与计算铣削运动的主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。根据机械制造技术基础课程设计指导教程选铣刀。由表316，根据最大铣刀直径d20mm，最大铣削宽度，最大铣削深度选择莫氏锥柄立铣刀，立铣刀各参数如下：直径范围推荐直径齿数标准系列标准系列粗齿中齿细齿1923.6202238123346140由表511 高速钢立铣刀铣
5、平面的铣削进给量中选取 ，由专业课课程设计指导书表22查得高速钢铣刀铣削力公式，选定铣刀转速，由专业课课程设计指导书表23查得切削力公式中铣削力系数，因此铣削力为：由表21和表22中表示每齿进给量，即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，每齿进给量、每转进给量和工作台进给速度三者之间的关系为式中z为铣刀齿数，n为铣刀转速可得工作台进给速度3.2进给工作台工作载荷计算作用在工作台上的合力与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F大小相同，方向相反，合力就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷，工作台横向进给方向载荷和工作台垂
6、直进给方向载荷。工作台工作载荷、和与铣刀的切向铣削力之间有一定的经验比值。因此，根据专业课课程设计指导书表24，查工作台载荷与切向铣削力的经验比值：铣削条件比值不对称铣削逆铣顺铣圆柱铣、立铣盘铣和成型铣1.001.200.800.900.200.300.750.800.350.400.350.40求出后，根据最大的经验比算，即可计算出工作台的计算载荷、和。4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核4.1滚珠丝杠螺母副类型选择4.1.1主要类型采用回珠器处在螺母之内的钢珠内循环方式，另外，为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的钢度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，初步选用垫片预紧式。4.1.2主要参数及代号4
7、.1.2.1滚珠丝杠副的主要参数公称直径，数控机床常用的进给丝杠的公称直径为至，但这是X-Y工作台，不用太大，初选。基本导程(螺距)，由步距角、脉冲当量和传动比确定。精度等级，一般选用4级7级，数控机床及精密机械可选用2级3级。它是滚珠丝杠副的重要指标，直接影响定位精度、承载能力和接触刚度。4.1.2.2滚珠丝杠副的标注查专业课课程设计指导书丝杠的特征代号见表2-6，初步选择滚珠丝杠副为FDM1604-3，导轨面的硬度为5864HRC。查机械设计手册第三版第3卷成大先主编 表12-1-17 其具体参数如下：规格代号公称直径公称导程滚珠直径螺旋升角循环列数额定动载荷额定静载荷接触刚度2504-3
8、254338.2236544.2滚珠丝杠螺母副的型号选择及校核步骤4.2.1最大工作载荷滚珠丝杠上的工作载荷是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。采用实验公式计算，对于三角形或综合导轨 专业课课程设计指导书（2-12）式中：为工作台纵向进给力方向载荷，为工作台垂直进给方向载荷，G为移动部件的重力（N），K和分别为考虑颠覆力距影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，对于三角形或综合导轨K1.15，滚动导轨，取。所以：4.2.2最大动负载C的计算及主要尺寸初选滚动丝杠最大动载荷C可用下式计算：专业课课程设计指导书（2-14）式中：L为工作寿命，单位为，；n为丝杠转速，；v为
9、最大切削力条件下的进给速度，为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t为额定使用寿命（h），可取t=15000h；为运转状态系数，无冲击取11.2，一般情况取1.21.5，有冲击振动取1.52.5；为滚珠丝杠工作载荷（N）。初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷不得小于最大动载荷C；。取，而工作台进给速度，则工作寿命：则因为，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。4.2.3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为： 专业课课程设计指导书（2-15）其中，为丝杠螺旋升角，可由，为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数，其摩擦角约等于。滚珠丝杠副的传动效率较高，一般取0.80.9之间，可知，
10、上式传动效率计算有效。4.2.4刚度验算4.2.4.1丝杠的拉压变形量滚珠丝杠计算满载时拉压变形量： 专业课课程设计指导书（2-15）其中：为在工作载荷作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量，为丝杠的工作载荷，L为滚珠丝杠在支承件的受力长度，取，E为材料弹性模量，对钢，A为滚珠丝杠按内径确定的截面积，“+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。则 4.2.4.2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。有预紧时，可以使用下式计算： 专业课课程设计指导书（2-17）其中：为滚珠直径，为滚珠总数量，Z为一圈的滚珠数，为滚珠丝杠的公称直径，为预紧力，为滚珠丝
11、杠的工作载荷查表可得，由于当滚珠丝杠有预紧力，且预紧力为轴向工作载荷的1/3时，值可减少一半左右。4.2.4.3滚珠丝杠副刚度的验算丝杠的总变形量应小于允许的变形量。一般不应大于机床进给系统规定的定位精度值的一半。或者，由丝杠精度等级查出规定长度上允许的螺距误差，则相应长度上的变形量应该比它小。否则，应考虑选用较大公称直径的滚珠丝杠。查机械设计手册，滚珠丝杠副行程精度，表12-1-19，在效行程L内平均行程变动量，根据机床的定位精度为可得为0.023mm，。因此所选的滚珠丝杠副刚度符合要求。4.2.5压杆稳定性验算滚珠丝杠长度确定根据经验公式 其中L由1604-3丝杠副中取L=65mm. 故
12、=250+65+50=365mm 圆整=365mm =200+65+50=320mm 圆整=320mm滚珠丝杠通常属于受轴向力的细长杆，若轴向工作负载过大，将使丝杠失去稳定而产生纵向屈曲，即失去稳定。失稳时的载荷为： 专业课课程设计指导书（2-18）其中：E为丝杠材料弹性模量，对钢，I为截面惯性矩，对丝杠圆截面，（丝杠承载方式系数，选用一端固定，一端简支方式）则较验较长的丝杠：临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数，如果大于需用稳定安全系数，则该滚珠丝杠就不会失稳。因此，滚珠丝杠的压杆稳定条件为：因此，所选滚珠丝杠符合稳定性要求。4.2.6滚珠丝杠螺母副安装连接尺寸在确定丝杠副类型及型号
13、及进行了传动效率、刚度和稳定性校核后，还需要考虑其他一些设计事项。比如：避免丝杠外露；螺母在有效行程内配置限位装置，以免越程滚珠流失；滚珠丝杠必须润滑，常用锂树脂；丝杠副螺母安装连接尺寸等。根据表2-12和图2-12内循环滚珠丝杠副（包括浮动反向器及固定反向器）滚珠螺母安装、连接尺寸：规格代号公称直径公称导程滚珠螺母安装、连接尺寸2504254406653115.5105.75、导轨的选型和计算5.1滚动导轨本设计采用整体型直线滚动导轨，因为它是根据预紧订货，不需要自己调整。5.2、直线滚动导轨副的计算专业课课程设计指导书表2-16列出了上海组合夹具厂两种型号（SGDA和SGDB）直线滚动导轨副的主要参数，其中为额定动载荷，为额定静载荷。初选GDA20滚动导轨，根据指导书表2-16可得其导轨参数，其额定动载荷。这个行走距离称为滚动导轨的距离额定寿命，它可根据滚动导轨的额定动载荷用下列公式进行
