X_Y工作台课程设计报告书

1、课程设计题目X-Y 数控工作台机电系统设计专业：机械电子工程班级：11 机电1班学号:指导教师：2014年12月5日目录第一章概述 31.1 数控工作台简介 31.2 设计任务 31.3 设计思路及意义 41.3.1 设计思路 41.3.2 设计意义 4第2章总体方案的确定 42.1 机械传动部件的选择 42.1.1 导轨副的选用 42.1.2 丝杠螺母副的选用 42.1.3 减速装置的选用 52.1.4 伺服电动机的选用 52.1.5 检测装置的选用 52.2控制系统的设计 6第3章X-Y 机械部分设计 63.1 确定系统脉冲当量 63.2 导轨上移动部件的重量估算 73.3 铳削力的计算

2、73.4 直线滚动导轨副的计算与选型 83.4.1 滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 83.4.2 距离额定寿命的计算 83.5 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 93.5.1 最大工作载荷 Fm的计算 93.5.2 最大动载荷 Fq的计算 93.5.3 初选型号 93.5.4 传动效率n的计算 103.5.5 刚度的验算 103.5.6 压杆稳定性校核 113.6 步进电动机减速箱的选用 113.7步进电机的计算与选型 123.8增量式旋转编码器的选用 17第四章X-Y数控系统设计 错误!未定义书签。4.1 绘制进给传动示意图 错误!未定义书签。4.2 控制系统设计 184.3 步进电动机驱

3、动电源的选用 19结论 20参考文献 21第一章概述1.1 数控工作台简介X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱 动装置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电 式数模转换器装置。其工作原理是：每给一个脉冲便在定 子电路中产生一定的空间旋转磁场；由于步进电机通的是 三相交流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同， 转子的 旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对 放入其中的通电导体既转子切割磁力线时具有力的作用， 从实现了旋转磁场的转动迫使转子作相应的转动，所以转 子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。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

4、副以及伺服电动机等部件构成。 其外观形式如图1所示。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和工作平台 在导轨上运动，完成工作台在 X、丫方向的直线移动。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，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设 计专用的微机控制系统。1.2 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d =15 mm（2）立铣刀齿数Z=3;（3）最大铣削宽度ae=15 mm（4）最大铣削深度

5、ap=6 mm(5) 加工材料为碳素钢或有色金属；(6) X、Y方向的脉冲当量 S x=S y=0.005mm脉冲；(7) X、丫方向的定位精度均为土 0.01 mm；(8) 工作台面尺寸为 170 mM 170 mm,加工围为 200 mm< 200mm(9) 工作台空载最快移动速度 Vxmax =Vymax=3000 mm/m"(10) 工作台进给最快移动速度 Vxmaxf =Vymaxf =300 mm/min1.3设计思路及意义1.3.1 设计思路1) .根据设计任务，确疋总体设计方案；2) .机械传动部件的计算与选型，包括工作平台、减 速箱、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副

6、、导轨座等。3) .步进电机驱动电源的选型。4) 完成上述计算后，绘制寄给传动机构的装备图。5).工作台控制系统的设计。第2章总体方案的确定2.1 机械传动部件的选择2.1.1 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，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。2.1.2 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，要满足0.005mm的脉冲当量和 土 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

7、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。2.1.3 减速装置的选用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，且应有消间隙 机构，所以采用无间隙齿轮传动减速箱。2.1.4 伺服电动机的选用任务书规疋的脉冲量尚未达到 0.001mm疋位精度也 未达到微米级，空载最快移动速度也只有3000mm/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，提咼性价比。2.1.5 检

8、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转过程中不受切削负载和 电网的影响而失步，决定米用半闭环控制，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率应与步进电动机的 步距角相匹配。考虑到X、丫两个方向的加工围相同，承受的工作载 荷相差不大，为了减少设计工作量，X、丫两个坐标的导轨副、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。2.2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

9、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。(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AT89C52乍为控制系统的CPU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CPU之后， 还需要扩展程序存储器、数据存储器、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第3章X-Y机械部分设计3.1 确定系统脉冲当量3 y=0.005mm/脉冲任务书中所给定的脉冲当量是 0.005mm3.2 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨之上移动部件的重量来进行

10、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。3.3 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。则查表得立铣时的铣削力计算公 式为：-八 c 0.85 0.75 0.73 1.0 0.13“Fc 118ae fz d ap n Z（1）今选择铣刀直径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 铣削深度 ap=6mm每齿进给量 fz 0.1 mm铣刀转速 n BOOr/min。则由式（1）求得最大铣削力：Fc=1 18X 150.85

11、 X 0.1 0.75 X 15-0.73 X 61.0 X 300013 X 3N 1124N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，结合图2,考虑逆铣时的情况，可估算三个方向 的铣削力分别为：Ff =1.1 Fa 1236.4N，Fe =0.38 Fc427.12N，Ffn =0.25 Fc 281N,工作台受到垂直方向的铣削力 Fz= Fe=427N,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= 1236N,径向铣削力 Fy =Ffn = 281MFc=1124N Ff 1236.4NFe4

12、27.12NFfn 281N3.4直线滚动导轨副的计算与选型3.4.1 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 载何全部由一个滑块承担，则单滑块所受的最大垂向载何 为：Pc G F(2)4其中，移动部件重量800N,外加载荷F=Fz=427N, 代入(2)式得最大工作载荷FC=627N=0.627kN查表，根据工作载荷Pc=0.627kN，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C0

13、a=9.5 kN。任务书规疋工作台面尺寸为 170mm< 170mm加工围 200mm<2 00mm考虑工作仃程应留有一疋余量， 按标准系 列，选取导轨的长度为520mm3.4.2 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100C，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：R=627NLCa)3Pc508626kmL=8626km远大于期望值50km,故距离额定

14、寿命满足要求。3.5滚珠丝杠螺母副的计算与选型3.5.1 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=1236N受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy =281N受到垂向的载荷（与工作台面垂直）Fz= 427N。已知移动部件总重量G=800N,按矩形导轨进行计算，g=8oo 查表，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因 数卩=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：Fm= KF< + 卩（Fz + Fy + G） = 1.1 X 1236 + 0.005 X （ 427 Fm 1 367 N + 281 + 800 ） N 1 36

15、7 N3.5.2 最大动载荷Fq的计算v=300mm/mnPh =5 mmn=v/ Ph = 60 r/min 。Fq 6200 N设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度 v=300mm/min初选丝杠导程 Ph =5 mm,则此时丝杠转速 n=v/ Ph = 60 r/min 。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L°=60nT/106, 得丝杠寿命系数Lo=54 （单位为：106 r ）。查表，取载荷系数fw=1.2，滚道硬度为60HRC时， 取硬度系数5=1.0，求得最大动载荷：FqLo fw f H Fm 6200 N3.5.3 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的

16、丝杠导程，查表，选择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，为循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20 mn,导程为5 mm循环滚珠为3圈XI列，精度等 级取4级，额定动载荷为9309 N,大于Fq,3.5.4 传动效率n的计算将公称直径d°=20mm 导程Ph=5mm 代入 入= arctan Ph/( ndo)，得丝杠螺旋升角X-4o33。将摩擦 角© =10'，代入n =tan入/ tan (入+© )，得传动效率 n =96.4%。3.5.5 刚度的验算1) X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均米用 “单推-单推”的方式

17、。丝杠的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为 a=500mm钢的弹性模量E= 2.1 Mpa查表，得滚珠直径 D=3.175mm丝杠底径d?=16.2 mm,丝杠截面积 S= n d?2 /4=206.12mm。得丝杠在工作载何 Fm作用下产生的拉/压 变形量S i=Fma/ (ES) =1779 X 500/ (2.1 X 206.12) mm 0.0158mm2) 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X列数为3X 1, 代入公：Z -ZX圈数X列数，得滚珠总数量 Z =60。丝 杠预紧时，取轴向预紧

18、力 Fyj = Fm /3=456N，求得滚珠 与螺纹滚道间的接触变形量 20.002 4 mm因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实 际变形量可减小一半，取2=0.0012mm3) 将以上算出的1和2代入总12，求得丝杠S 仟 0.0 158 mm2 0.002 4 mm总18.2 卩 m总变形量（对应跨度500mm 总0.0182 mm=18.2卩m丝杆的有效行程为330mm由表知,5级精度滚珠丝杠 有效行程在315400mm寸，行程偏差允许达到25卩m可 见丝杆刚度足够。3.5.6 压杆稳定性校核根据公式计算失稳时的临界载荷 Fko查表，取支承系数fk =1 ;由丝杠底径 d2

19、 =16.2 mm，求得截面惯性矩Id；/64 3380.88 mm压杆稳定安全系数K取3 （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得临界载荷Fk9343N,远大于工作载荷Fm =1367N,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。3.6 步进电动机减速箱的选用为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输 出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算 到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上 安装一套齿轮减速箱。采用一级减速，步进电动机的输出 轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。其中大 齿轮设计成双片结构，采用图3弹簧错

20、齿法消除侧隙。图5双片薄齿轮错齿调整机构1、2、6 齿轮 3 螺母 4、5螺钉 7 拉簧已知工作台的脉冲当量 S =0.005 mm/脉冲，滚珠丝 杠的导程R=5 mm初选步进电动机的步距角 a =0.75 ° , 算得减速比：i =( aP h)/(360 S')=(0.75 X 5)/(360 X 0.005)=25:12本设计选用大小齿轮模数均为1mm齿数比为75:36 , 材料为45号调质钢，齿表面淬硬后达 HRC55减速箱中 心距为(75+36) X 1/2 mm = 55.5 mm，小齿轮厚度为 20mm双片大齿轮厚度均为10mm3.7步进电机的计算与选型1) 计

21、算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq已知：滚珠丝杠的公称直径d0 =20 mm总长1 =500mm 导程Ph = 5mm材料密度7.85 10 3kg/cm3 ;移动部件总重量 G=800N;小齿轮宽度d = 20mm直径d1 =36 mm; 大齿轮宽度b2 = 20mm直径d2=75 mm传动比i =25/12。 参照表，算得各个零部件的转动惯量如下(具体计算过程 从略):滚珠丝杠的转动惯量JS=0.617 kg cm2，拖板折 算到丝杠上的转动惯JW =0.517 kg cm2，小齿轮的转动惯 量Jz1 =0.259 kg cm2，大齿 轮的转 动惯量Jz2 =4.877 kg cm2

22、。初选步进电动机型号为 90BYG2602为两相混 合式，二相四拍驱动时步距角为0.75O，则加在步进电动 机转轴上的总转动惯量为.2 2Jeq = Jm + J z1 +( J z2 + Jw + Js )/ i =5.64 kg cm2) 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩°q分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1包括二部分：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Tamax ； 部分是移动部件运动时 折算到电动机转轴上的摩擦转矩 Tf ；还有一部分是滚珠i =25:12Jeq=5.642kg cm丝

23、杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩To。因为滚珠丝杠副传动效率很高，To相对于Tf和Ta max很小， 可以忽略不计。则有：Teq1 = Tamax+ Tf（3）考虑传动链的总效率 n，计算快速空载起动时折算 到电动机转轴上的最大加速转矩：2 Jeqnm1/ 八60ta式中 nm对应空载最快移动速度的步进电动机最咼转速，单位为r/min ;ta步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为S。其中：nm Vmax360（5 ）式中Vmax空载最快移动速度，任务书指疋为3000mm/mina步进电动机步距角，预选电动机为 0.75 ;S脉冲当量，本例 S =0.005mm脉冲。将以上各

24、值代入式（5），算得nm=1250r/min。设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间ta=0.4s，传动链总效率n=0.7。则由式（4）求得：4T230.35 101250 彳 ”“、Ta max1.42 （ N -60 0.4 0.7当移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：T（Fz G）PhTf2 i（6）则由式（6），得：0.005 （0 800） 0.005。恥（20.7 25/12最后由式（3）,求得快速空载起动时电动机转轴所承受的 负载转矩：Teq1 = Tam ax +Tf =1-422N（7）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩 Teq2Teq2包括二部分：

25、一部分是折算到电动机转轴上的最 大工作负载转矩Tt ; 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Tf ;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T0, T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：Teq2 = Tt + Tf（8）本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠 轴线方向的最大进给载荷Fx=1609N，则折算到电动机转 轴上的最大工作负载转矩T有：丁 FfPh1609 0.005“ 、Tt 0.88 （N - m2 i 20.7 25/12再计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=556N情况 下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：（Fz

26、G）Ph0.005 （556 800） 0.0051 f2 i20.7 25/120.004 （N- m最后由式（8），求得最大工作负载状态下电动机转 轴所承受的负载转矩为：Teq2 = Tt+ Tf= 0.884 N - m（9）经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：Teq = maX Teq1，Teq2 = 1.422 N 53）步进电动机最大静转矩的选疋Teq1 = 1.422N考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大， 当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步， 甚至堵转。因此，选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。本例中取安全系数K=4

27、，则步进电动机的 最大静转矩应满足：T jmax > 4 X 1.422 N m =5.688 N m(10)上述初选的步进电动机型号为 90BYG2602查表得 该型号电动机的最大静转矩 Tjmax = 6 N m。可见，满足(10)式的要求。4)步进电动机的性能校核 最快工进速度时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快工进速度vmax=400mm/min脉 冲当量S=0.005mm/脉冲，可求出电动机对应的运行频率 fmaxf =400/(60 X 0.005)Hz 1333Hz 从 90BYG260血 动机的运行矩频特性曲线图5可以看出，在此频率下，电 动机的输出转矩Tmaxf5.

28、6N m，远远大于最大工作负载 转矩Teq2=0.884N m满足要求。 最快空载移动时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快空载移动速度vmax =3000mm/min可求出电动机对应的运行频率 fmax =3000/(60X 0.005) Hz =10000Hz。在此频率下，电动机的输 出转矩Tmax=1.8 N m,大于快速空载起动时的负载转矩 Teq1= 1.422N m 满足要求。图6 90BYG2602步进电动机的运行矩频特性曲线 最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度vmax=3000mm/min对应的电动机运 行频率fmax=10000Hz查表知90BYG260血动机

29、的极限运 行频率为20000Hz可见没有超出上限。 起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=30.35 kg cm2电动机转子的转动惯量Jm 4 kg cm2，电动机转轴不带 任何负载时的最高起动频率fq=1800Hz,可求出步进电动 机克服惯性负载的起动频率：fL | fa=614HzV / Jm上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何 时候的起动频率都必须小于614Hn实际上，在采用软件 升降频时，起动频率选得更低，通常只有 100Hz （即卩100 脉冲/s）。综上所述，本例中工作台的进给传动选用 90BYG2602 步进电动机，完全满足设计要求。3.8增量式旋转编码器的

30、选用本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可在电动机 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。由步进电动机的步距角a = 0.75，可知电动机转动一转 时，需要控制系统发出360/ a=480个步进脉冲。考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号,可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨率可选120线。这样控制系统每发一个步进脉冲， 电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。选择编码器型号为：ZLK-A-120-05V0-10-H:盘状空 心型，孔径10mm与电动机尾部出轴相匹配，电源电压 +5V,

31、每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。第四章X-Y数控系统设计4.1 绘制进给传动系统示意图进给传动系统示意图如图所示。4.2 控制系统的设计X-Y数控工作台的控制系统设计，在硬件电路上需要 考虑步进电动机（编码器）反馈信号的处理，在软件上要实现半闭环的控制算法。根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功 能：（1）接受操作面板的开关与按钮信息；（2）接受限位开关信号；（3）控制X，丫向步进电动机的驱动器；（4）与PC机的串行通信。CPU选用MCS-5係列的8位单片机AT89S52采用 8279,和 W27C5126264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。 W27C51用做程序存储器，存放监控程序；6264用来扩展 AT89S52的 RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279 用做键盘和LED显示器借口，键盘主要是输入工作台方 向，