X-Y数控工作台机电系统设计综述综述

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。X-Y数控工作台机电系统设计完整的机电一体化系统组成：

机械本体

动力与驱动部分

执行机构

传感测试部分

控制及信息处理部分X-Y数控工作台机电系统设计X-Y数控工作台机电系统设计模块化的X-Y数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副以及伺服电动机等部件构成。X-Y数控工作台外形X-Y数控工作台机电系统设计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、Y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。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数控工作台一、设计任务主要参数如下：

（1）立铣刀最大直径d=15mm；

（2）立铣刀齿数Z=3；

（3）最大铣削宽度ae=15mm；

（4）最大铣削深度ap=8mm；

（5）加工材料为碳素钢或有色金属；（6）X、Y方向的脉冲当量δx=δy=0.005mm/脉冲；

（7）X、Y方向的定位精度均为

±0.01mm；

（8）工作台面尺寸为230mm×230mm，

加工范围为250mm×250mm；

（9）工作台空载最快移动速度vxmax=vymax=3000mm/min；

（10）工作台进给最快移动速度vxmaxf=vymaxf=400mm/min。一、设计任务（1）导轨副的选用二、总体方案的确定1．机械传动部件的选择应用环境：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。

二、总体方案的确定这样，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）丝杠螺母副的选用应用环境：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。二、总体方案的确定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。二、总体方案的确定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。为此本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱。（3）减速装置的选用二、总体方案的确定（4）伺服电动机的选用应用环境：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3000mm/min。二、总体方案的确定因此，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。

二、总体方案的确定（5）检测装置的选用应用环境：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，需要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。二、总体方案的确定本设计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率应与步进电动机的步距角相匹配。二、总体方案的确定

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。二、总体方案的确定2．控制系统的设计二、总体方案的确定（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作为控制系统的CPU，应该能够满足任务书给定的相关指标。二、总体方案的确定（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。二、总体方案的确定（4）选择合适的驱动电源（功率放大器），与步进电动机配套使用。二、总体方案的确定1.导轨上移动部件的重量估算三、机械传动部件的计算与选型按照下导轨之上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。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。则由表查得立铣时的铣削力Fc计算公式为：2.铣削力的计算三、机械传动部件的计算与选型ae——最大铣削宽度fz——每齿进给量d——铣刀直径ap——铣削深度n——铣刀转速Z——齿数选择如下参数：

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=8mm，

每齿进给量：fz=0.1mm，

铣刀转速：n=300r/min

。三、机械传动部件的计算与选型Fc=118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×3N

≈1463N三、机械传动部件的计算与选型求得最大铣削力：采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：三、机械传动部件的计算与选型进给力：

Ff=1.1Fc≈1609N，横向进给力：Fe=0.38Fc≈556N，垂直进给力：Ffn=0.25Fc≈366N考虑立铣，则工作台受力如下：

垂直方向的铣削力Fz=Fe=556N，

水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。

三、机械传动部件的计算与选型现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。3.直线滚动导轨副的计算与选型三、机械传动部件的计算与选型（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向载荷为：其中，

移动部件重量：G＝800N，

外加载荷：F=Fz=

556N，

代入得：

最大工作载荷：Fmax=756N=0.756kN。三、机械传动部件的计算与选型三、机械传动部件的计算与选型查表，据工作载荷Fmax=0.756kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型。其参数如下：额定动载荷Ca=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。三、机械传动部件的计算与选型

任务书规定：工作台面尺寸为：230mm×230mm，加工范围为：250mm×250mm。考虑工作行程应留有一定余量，查表，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。（2）距离额定寿命

L的计算三、机械传动部件的计算与选型

选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的相关参数：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。三、机械传动部件的计算与选型查表3-36~3-40，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，代入，得距离寿命：远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。（1）最大工作载荷Fm的计算4.滚珠丝杠螺母副的计算与选型三、机械传动部件的计算与选型承受最大铣削力时，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3-29，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三、机械传动部件的计算与选型Fm=KFx+μ（Fz+Fy+G）

=[1.1×1609+0.005×(556+366+800)]N

≈1779N三、机械传动部件的计算与选型（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，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）。三、机械传动部件的计算与选型查表3-30，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，代入，求得最大动载荷：（3）初选型号

三、机械传动部件的计算与选型

类型：内循环固定反向器单螺母式，

参数：其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N，大于FQ，满足要求。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.（4）传动效率η的计算

三、机械传动部件的计算与选型公称直径：d0=20mm，

导程：Ph=5mm，

代入λ=arctan[Ph/(πd0)]，

得丝杠螺旋升角：

λ=433′。

将摩擦角φ=10′，

代入η=tanλ/tan(λ+φ),

得传动效率：

η=96.4%。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=2.1Mpa；三、机械传动部件的计算与选型（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采用“单推-单推”的方式。查表3-31，得滚珠直径

Dw=3.175mm，丝杠底径

d2=16.2mm，丝杠截面积S=

=206.12mm2。三、机械传动部件的计算与选型算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量:δ1=Fma/(ES)

=[1779×500/（2.1×206.12）]mm

≈0.0205mm。2）根据公式

＝()-3,

求得:单圈滚珠数

=20；

该型号丝杠为单螺母，滚珠的“圈数×列数”为3×1，代入公式：

＝

×圈数×列数，

得滚珠总数量

=60。三、机械传动部件的计算与选型丝杠预紧时，取轴向预紧力：

=/3=593N。

则由（3-27）式，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量

：

≈0.0026mm。

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=0.0013mm。

三、机械传动部件的计算与选型3）将以上算出的

和

代入

三、机械传动部件的计算与选型查表3-27,可知5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到25μm，可见丝杆刚度足够。求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）

0.0218mm=21.8μm。三、机械传动部件的计算与选型（6）压杆稳定性校核根据公式(3-28)计算失稳时的临界载荷Fk。查表3-34，取支承系数

=1；由丝杠底径

=16.2mm，求得截面惯性矩：≈3380.88mm；压杆稳定安全系数取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离

取最大值500mm。代入，得临界载荷≈9343N，

远大于工作载荷

=1779N，故丝杠不会失稳。三、机械传动部件的计算与选型综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。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。三、机械传动部件的计算与选型5.步进电动机减速箱的选用三、机械传动部件的计算与选型采用一级减速，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，采用弹簧错齿法消除侧隙。已知工作台的脉冲当量δ=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=5mm，初选步进电动机的步距角α=0.75°。算得减速比：三、机械传动部件的计算与选型i=(αPh)/(360δ)=(0.75×5)/(360×0.005)=25/12本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。三、机械传动部件的计算与选型减速箱中心距为

[(75+36)×1/2]mm＝55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。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。滚珠丝杠的公称直径

=20mm，

总长l=500mm，

导程

＝5mm，

材料密度

；

移动部件总重量G=800N;

小齿轮宽度

＝20mm，直径

=36mm;

大齿轮宽度

＝20mm，直径=75mm；

传动比i=25/12。三、机械传动部件的计算与选型

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已知：大齿轮的转动惯量

=4.877三、机械传动部件的计算与选型查表4-1，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

=0.617拖板折算到丝杠上的转动惯量

=0.517小齿轮的转动惯量

=0.259

=++(++)/

=30.35三、机械传动部件的计算与选型初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相四拍驱动时步距角为0.75º，查表4-5得该型号电动机转子的转动惯量为：

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。三、机械传动部件的计算与选型2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩

1）快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：三、机械传动部件的计算与选型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

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三、机械传动部件的计算与选型因为滚珠丝杠副传动效率很高，

相对于

和

很小，可以忽略不计。则有：

=+考虑传动链的总效率η，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：三、机械传动部件的计算与选型nm——对应空载最快移动速度的步进电动机最高转速，

单位为r/min；

——步进电动机由静止到加速至nm转速所需的时间，单位为s。

式中——空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；

α——步进电动机步距角，预选电动机为0.75º；

δ——脉冲当量，本例δ=0.005mm/脉冲。

将以上各值代入，算得：三、机械传动部件的计算与选型式中nm=1250r/min

1.42（N·m）三、机械传动部件的计算与选型设步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间

=0.4s，传动链总效率η=0.7。则求得：移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

=+=1.422N

三、机械传动部件的计算与选型代入已知参数，得：0.002（N·m）最后求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：三、机械传动部件的计算与选型2）最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分：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；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；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

，则有：三、机械传动部件的计算与选型T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。则有：=Tt+Tf0.88（N·m）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：

=

0.004（N·m）

三、机械传动部件的计算与选型

最后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：

=Tt

+Tf=0.884N·m

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：

=max{，

}=1.422N·m

三、机械传动部件的计算与选型三、机械传动部件的计算与选型（3）步进电动机最大静转矩的选定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，根据

来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。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=6N·m。，满足要求。三、机械传动部件的计算与选型本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：Tjmax≥4×=4×1.422N·m=5.688N·m三、机械传动部件的计算与选型（4）步进电动机的性能校核1）最快工进速度时电动机输出转矩校核给定工作台最快工进速度

=400mm/min；脉冲当量δ=0.005mm/脉冲；三、机械传动部件的计算与选型求出电动机对应的运行频率：=[400/(60×0.005)]Hz≈1333Hz。从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩

≈5.6N·m，远远大于最大工作负载转矩

=0.884N·m，满足要求。90BYG2602步进电动机的运行矩频特性曲线在此频率下，电动机的输出转矩

=1.8N·m，大于快速空载起动时的负载转矩

=1.422N·m，满足要求。三、机械传动部件的计算与选型2）最快空载移动时电动机输出转矩校核给定工作台最快空载移动速度

=3000mm/min求出电动机对应的运行频率

=[3000/（60×0.005）]Hz=10000Hz。查表4-5可知90BYG2602电动机的极限运行频率为20000Hz，没有超出上限。三、机械传动部件的计算与选型3）最快空载移动时电动机运行频率校核最快空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率=10000Hz。=614Hz三、机械传动部件的计算与选型4）起动频率的计算已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=30.35；电动机转子的转动惯量