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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Jeq103、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq114、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152、距离额定寿命L的计算15七、 绘制进给传动系统示意图16八、控制系统硬
2、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.20一、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；4. 最大背吃刀量=8mm；5. 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，加工范围为250mm250mm；9. 工作台空载进给最快移动速度：Vxmax =Vymax =3000mm/min；10.
3、工作台进给最快移动速度: Vxmax =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，需要满足0.001mm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
4、、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
5、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、导轨座等,估计重量约为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=118e
6、0.85fz0.75d-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，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff=1Fc=1356N，Fe=0.38 Fc=308 N，Ffm=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
7、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，则单滑块所受的最大垂直方向载荷为： 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。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LG
8、15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，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，工作速度较低，载荷不大。查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，代入式（3-33），得距离寿命：L=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
9、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）Fx=1356N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy =308N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz =469N。已知移动部件总质量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)=1.11356+0.005(469+308+500)N1498N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 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，
10、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：106r)。查课本110页表5-1,5-2，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
11、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；查现代实用机床设计手册（上册）967页，得滚珠直径DW=3.5mm，丝杠底径d2=16.9mm，丝杠截面积S= d22/4=224.2mm2。则丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变
12、形量：1=Fma/(ES)= 1498500/(2.1105224.2)0.0159mm。2）根据公式Z=(d0/DW)-3，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式：Z= Z圈数列数，得滚珠总数量Z=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJ =Fm/3=631。则求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形20.0027。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少一半，取2=0.0013mm。17.23)将以上算出的1和2代入总=1+2，求得丝杠总变形量(对应跨度500mm)总=0.0172mm=17.2m。本例中，丝杠的有效行程为350mm，由表3-27
13、知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315400mm时，行程偏差允许达到25m，可见丝杠刚度足够。（6）压杆稳定性校核 根据公式计算失稳时的临界载荷。查现代实用机床设计手册（上册）944、953页，知当滚珠丝杠的安装方式为一端固定，一端游动时，取压杆稳定安全系数f1=0.25（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式：得临界载荷=4.324 KN Fm，故丝杠不会失稳。6、步进电动机的计算与选型（1）、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq 由数控机床系统设计134页得：由于负载转矩情况不同，负载惯量只能由已计算精确地得到。由电动机驱动的所有运动部件，无论是旋转
14、运动还是直线运动部件，都成为电动机的负载惯量，总的惯量以通过计算各个被驱动部件的惯量，并以一定规律将其加起来即可。滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长l=500mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移动部件总重力G=800N； 圆柱体惯量，当圆柱体围绕其中心轴线旋转时，其惯量可由下述公式计算： 对于钢材： 代入数据得： J1=0.4312 沿直线轴移动物体的惯量： 初选步进电动机的型号为90BYG5502,由常州市德利来电器有限公司生产，五相混合式步进电动机，驱动时的步距角为0.72，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=4kgcm2。 总的转动惯量为： J = J1 + J2 + J0 。其中J0为初选电动机的转子转动惯量，为4 kgcm2。 代入数据得： J=9.48 kgcm2（2）、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq 分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩由式（4-8）可知，包括三部分;一部分是快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一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。因为滚珠
