十字滑台设计

重庆理工大学 课程设计

X-Y数控工作台的机电系统设计

学院： 重庆机械工程学院 专业： 机械设计制造及其自动化 班级： 机 电 2班 教师： *** 学号： 学生：

目录

1、引言： ................................................ 3 2、设计任务 .............................................. 4 3、总体方案的确定 ........................................ 4

3.1 机械传动部件的选择 .......................................... 4

3.1.1导轨副的选用 3.1.2丝杠螺母副的选用 3.1.3减速装置的选用

3.2 控制系统的设计 .............................................. 5 3.3 绘制总体方案图 .............................................. 5 4、机械传动部件的计算与选型 ............................... 6 4.1 导轨上移动部件的重量估算 .................................... 6 4.2 铣削力的计算 ................................................ 6

5、直线滚动导轨副的计算与选型（纵向）......................6

5.1 块承受工作载荷Fmax的计算及导轨型号的选取 5.2 距离额定寿命L的计算

6、 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 ............................... 7

6.1 最大工作载荷Fm的计算 6.2 最大动工作载荷FQ的计算 6.3 初选型号

6.4 传动效率η的计算 6.5 刚度的验算 6.6 压杆稳定性校核

7、 步进电动机减速箱的选用 ..................................... 9 8、步进电动机的计算与选型 ...................................... 9

8.1 转矩的计算

8.2.等效转动惯量的计算 8.3速度的验算

9、进给传动系统示图.............................................12 参考文献 ................................................ 12

X-Y数控工作台机电系统设计

1.引言：

现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。

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、滚珠丝杠螺母副，以及步进电动机等部件构成。其中步进电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块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、滚珠丝杠螺母副和步进电动机等均以标准化，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，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。

图1 X-Y数控工作台外形

2.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. 立铣刀最大直径的d=15mm； 2. 立铣刀齿数Z=3; 3. 最大铣削宽度ae=15mm; 4. 最大背吃刀量ap=8mm; 5. 加工材料为碳素钢。

6. X、Y方向的脉冲当量xy=0.002mm; 7. X、Z方向的定位精度均为0.01mm;

8. 工作台面尺寸为350mm×350，加工范围为450×450; 9. 工作台空载进给最快移动速度都为2500mm/min; 10. 工作台进给最快移动速度都为400mm/min;

3.总体方案的确定 3.1 机械传动部件的选择 3.1.1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，而且脉冲当量小，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，安装预紧方便等优点。

3.1.2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0.002mm脉冲当量和0.01mm的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，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。

3.1.3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，选用无间隙齿轮传动减速箱。

3.1.4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私服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。

3.1.5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，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。

3.2 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。

3.3 绘制总体方案图

总体方案图如图3.1所示。

微型机接口电路功放电路执行元件机械传动机构机械执行机构

图3.1 总体方案图

4.机械传动部件的计算与选型 4.1 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、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为800N.

4.2 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：

0.850.750.731.00.13Fc118aefzdapnZ (6-11)

今选择铣刀的直径为d=15mm，齿数Z=3,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为ae15mm，背吃刀量ap=8mm ，每齿进给量

fz0.1mm，铣刀转速n=300r/min。则由式（6-11）求的最大铣削力：

Fc=118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×3 N≈1463 N

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由查表，并考虑逆铣时的情

况，可估算三个方向的铣削力分别为： Ff =1.1Fc≈1609N，（1.0~1.2，取1.1） Fe =0.38Fc≈556N，（0.35~0.40，取0.38） Ffn =0.25Fc≈366N，（0.2~0.3，取0.25）

工作台受到垂直方向的铣削力Fz= Fe =556N，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=1609N，径向铣削力Fy =Ffn= 366N。

5. 直线滚动导轨副的计算与选型

5.1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向载荷为：

G PCF （2）

4其中，移动部件重量G＝800N，外加载荷F= Fz= 556N，代入（2）式得最大工作载荷PC=756N=0.756kN。查表，根据工作载荷PC=0.756kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷Ca=7.94 kN，额定静载荷C0a=9.5 kN。任务书规定工作台面尺寸为350mm×350，加工范围为450×450，考虑工作行程应留有一定余量，选取导轨长度1150。

5.2距离额定寿命的计算

上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，工作温度不超过100℃，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。查表，分别取硬度系数fH=1.0，温度系数fT=1.00，接触系数fC=0.81，精度系数fR=0.9， 载荷系数fW=1.5，得距离寿命：

L(

远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。

fHfTfCfRCa3)506649kmfWpc

6、滚珠丝杠螺母副的计算与选型

6.1最大工作载荷Fm的计算

当承受最大铣削力时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）

Fx=1609N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy = 366N，受到垂向的载荷（与工作台面垂直）Fz= 556N。已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

Fm = KFx + μ（Fz + Fy + G） = [ 1.1×1609 + 0.005 × ( 556 + 366 + 800 ) ] N ≈ 1779 N

6.2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，初选丝杠导程则此时丝杠转速n=v/Ph = 80 r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000 h，Ph=5 mm，

fW =1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，求得最大动

载荷： FQ3L0fWfHFm ≈8881 N

6.3初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为32 mm，导程为5 mm，循环滚珠为3圈×1列，精度等级取4级，额定动载荷为9309 N，大于FQ，满足要求。 6.4传动效率η的计算

将公称直径d0=40mm，导程Ph=5mm，代入λ= arctan[Ph/(πd0)]，得丝杠螺旋升角λ=2o50′。将摩擦角φ=10′，代入η=tanλ / tan(λ+φ)，得传动效率 η=94.90%。 6.5刚度的验算

X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杠的两端各采用-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为a=950mm；钢的弹性模量E=2.1х105Mpa;查表得滚珠直径Dw=3.175mm，丝杠底径

2d2=28.2mm,丝杠截面积S=d2/4=624.6mm2。

算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量: δ1 = Fm*a/(ES)

= [1779×950/（2.1*105 *624.6）] mm ≈ 0.0129mm。

根据公式Z(d0/DW)3，求得单圈滚珠数Z=28；该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式ZZ圈数列数，得滚珠总数量Z=84。丝杠预紧时，取轴向预紧力FYJFm/3=593N。求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 ：

2≈ 0.0026 mm。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可以减少一半，取2=0.0013mm。

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950mm）

总=0.0142mm=14.2m。

查姜培刚版《机电一体化系统课程设计指导书》表3-7可知5级精度滚珠丝杠有效行程在400~500mm时，行程偏差允许达到27μm，大于14.2μm可见丝杆刚度足够。

6.6压杆稳定性校核

根据尹志强版《机电一体化系统课程设计指导书》公式（3-28）计算失稳时的临界载荷FK。取支承系数fk=1；由丝杠底径d2=28.2mm求得截面惯性矩

4Id2/6431043.19mm4；压杆稳定安全系数K=3（丝杠卧式水平安装）；滚

2fkπEI动螺母至轴向固定处的距离L取最大值950mm。代入式（3-28）Pa2，得

LK临界载荷Pa=23763.86N，远大于工作载荷 Fm =1779N，故丝杠不会失稳。故丝杠不会失稳。综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

7、步进电动机减速箱的选用

已知工作台的脉冲当量=0.002mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角=0.144°，由传动比公式算得：

i(Ph)/(360)=(0.1445）/（3600.002）=1

由于传动比为1，故不需要减速机构，可以用电机直接驱动丝杆转动。

8、步进电动机的计算与选型 8.1 转矩的计算

8.1.1空载时的摩擦转矩TLF

TLF=

WL0.058000.005=＝0.033N.m 2πsi2π0.94918.1.2铣削加工时的负载转矩TL

由于铣削加工时阻力很大，所以滚珠丝杆传动副必须先预紧，其预紧力为最大轴向载荷的1/3时，其刚度增加两倍，变形量减小1/2.

故预紧力

1Fy=122N F3取螺母内部的摩擦系数m=0.3，滚珠丝杆预紧后的摩擦转矩

T1=mFL/2π=0.029N.m

换算到电机上所需转矩，导轨上的摩擦系数=0.05，

T2=[FZ+(G+FY)]L/(2πηSi)=0.518N.m 所以TLT1T2=0.547N.m

8.2.等效转动惯量的计算 8.2.1 滚动丝杠的转动惯量Js

πd04lp8.89x10-4N.m2 Js=

328.2.2 拖板运动惯量换算到电动机轴上的转动惯量Jw

Jw=

WL21()25.17x10-5N.m2 g2πi因此，换算到电动机轴上的总惯性负载 ，

JL=JW+Js=9.407x10-4N.m2

初选步进电机型号，

已知TL=0.547N.m,JL= 9.407X10-4N.m2，初选步进电动机为广州数控设备有限公司的DY3F系列三相混合式步进电机,其型号为90BYG350B，它的参数表如下表，其最大静扭矩Tmax=4N.m，转子惯量Jm=3x10-4N.m2.

TL0.5470.137＜0.5， Tmax4JL9.4073.14＜4 JW3

8.3速度的验算 8.3.1快进速度的验算

由上表可得， fmax=12000Hz时，电动机转矩Tm=1.4N.m>Tf=0.033N.m,故可按此频率计算最大的快进速度，

v2Lfmax60000mm/min2500mm/min8.3.2 工进速度的验算

当TL=0.547N.m,对应的频率f6000 Hz 故有

1Lv1f720mm/min400mm/min

6i9、进给传动系统示意图如图所示

参考文献：

[1] 张建民.机电一体化系统设计.—北京:机械工业出版社.2001

[2] 姜培刚、盖玉先. 机电一体化系统设计.—北京：机械工业出版社.2003 [3] 尹志强. 机电一体化系统设计课程设计指导书. —北京:机械工业出版社.2007

[4] 张立勋等.机电一体化系统设计[M].—哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社. [5] 文怀兴、夏田.数控机床系统设计[M].—北京：化学工业出版社.2008

[6] 李发海、王岩.电机与拖动基础（第三版）.—北京：清华大学出版社.2005 [7] 张毅刚.单片机原理及应用.—北京：高等教育出版社.2010