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数控钻床X—Y数控工作台设计

一：设计任务及基本参数

1：设计任务
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、数控铣床的和数控钻床的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。因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍意义。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。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、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。
本次设计是针对用于数控钻床的X-Y两自由度运动平台结构及其控制系统的设计。

图1
2：基本参数
数控钻床的X-Y两自由度运动平台主要参数如下：
1. 钻头最大直径d=12 mm；
2. 钻头转速n=300r/min；
3. 每转进给量f=0.1mm/r；
4. 刀具材料为高速钢；
5. 工件材料为钢σb=650 MPa；
6. X、Y方向的脉冲当量δx=δy=0.01 mm/脉冲；
7. X、Y方向的定位精度均为±0.01 mm；
8. 工作台面尺寸为300×500 mm，加工范围为350×550 mm；
9. 工作台最快移动速度vxmax=vymax=1500 mm/min。
3：最后提交的材料
课程设计说明书一份；装配图.

弹簧的刚度为40.9N/mm
X-Y数控工作台机电系统设计说明书
目录
1. 课程设计任务： ................................................................................................................5
2. 总体方案设计 ........................................................................................................................5
1)机械传动部件的选择 5
(1)导轨副的选用 5
(2)丝杠螺母副的选用 5
(3)减速装置的选用 5
(4)伺服电动机的选用 5
(5)检测装置的选用 6
2) 控制系统的设计 6
(1)采用半闭环位置负反馈控制 6
(2）步进电动机的半闭环控制 6
(3）选择驱动电源 6
3.机械传动部件的计算与选型 ................................................................................................6
1)导轨上移动部件的重量估算 6
2)直线导轨副的计算与选型 6
(1)滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 6
(2)距离额定寿命L的计算 7
3)滚珠丝杠螺母副的计算与选型 7
(1)最大工作载荷的计算 7
(2)最大动载荷的计算 7
(3)初选型号 8
(4)传动效率的计算 8
(5)刚度的验算 8
(6)压杆稳定性校核 9
4)步进电动机减速箱的选用 9
5)步进电动机的计算与选型 9
(1)计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量J 9
(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T 10
(3)步进电动机最大静转矩的选定 10
(4 )步进电动机的性能校核 10
(5)步进电动机的驱动电源选用 11
6）增量式旋转编码器的选用 12
4.工作台机械示意图的绘制（见附录） ..............................................................................12
5.工作台控制系统的设计 ......................................................................................................12
6.感想总结 ..............................................................................................................................14
参考文献 ..............................................................................................................................14

1. 课程设计任务：
设计一个X-Y两自由度运动平台，主要参数如下：
额定负载20kg；
工作台面积尺寸为

XY的定位精度均为
XY方向的脉冲当量
工作台最快移动速度
额定负载时XY向的最大运行加速度
2. 总体方案设计
1)机械传动部件的选择
(1)导轨副的选用
选用直线滚动导轨副。
(2)丝杠螺母副的选用
选用滚珠丝杆副，其传动精度高、运转平稳，可满足设计所要求的定位精度。
(3)减速装置的选用
为了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，选用无间隙齿轮传动减速箱。
(4)伺服电动机的选用
选用混合式步进电动机。
(5)检测装置的选用
采用半闭环控制，将增量式旋转编码器安装在电动机的尾部转轴上，用以检测电动机的转角与转速。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。
2) 控制系统的设计
(1)采用半闭环位置负反馈控制
(2）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，能够满足任务书给定的相关指标。
(3）选择驱动电源
与步进电动机配套使用。
3.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。包括工作平台、上层电动机、减速箱、滚动丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量G=780N。
2)直线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
采用双导轨、四滑块的支承形式。则单滑块所受的最大垂直方向载荷为：
其中，移动部件重量G=780N，额定负载20kg,估算为F=20N,得最大工作载荷根据最大工作载荷，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=7.94KN，额定静载荷:9.5kN。
任务书规定工作台面积尺寸为X向和Y向最大位移为，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
上述选取的KL系列JSA—LG15型导轨副的滑道硬度为60HRC，工作温度不超过100摄氏度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。分别取硬度系数，温度系数、接触系数、精度系数、载荷系数，得距离寿命，远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。
3)滚珠丝杠螺母副的计算与选型
(1)最大工作载荷的计算
由于只考虑工作台的移动，不考虑加工时刀具对工件的载荷，因而Fx=0,Fy=0,Fz=20N(工件的重量)
已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，导轨上的摩擦因数u=0.15.求得滚珠丝杠副在匀速转动时的工作载荷：，由额定负载时X、Y向的最大运行加速度，得：Fm-F=m, Fm=202N
(2)最大动载荷的计算
工作台最快移动速度，初选丝杠导程Ph=4mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=750r/min。取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入,得丝杠寿命系数L0=675（单位为）。取载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，求得最大动载荷：
(3)初选型号
根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列1064-3型滚珠丝杠副，为内循环固定器单螺母式，其公称直径为16mm，导程为4mm，循环滚珠为3圈1列，精度等级取5级，额定动载荷为4612N，大于Fq，满足要求。
(4)传动效率的计算
将公称直径d0=16mm，导程Ph=4mm，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角
(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。丝杠的两端各采用一对推力接触球轴承，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=2.1х105Mpa;查得滚珠直径Dw=2.381mm，丝杠底径d2=13.1mm,丝杠截面积S=/4=134.78m.丝杠在工作台加速运行时的拉/压变形量
根据公式求得单圈滚珠数Z=19，该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数列数为31，代入公式：丝杠预紧时，取轴向预紧力=68N。由，求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。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，取将以上算出的，丝杠的有效行程为300mm，查表得，5级精度滚珠丝杠有效行程小于315mm时，行程偏差允许达到23um，可见丝杠刚度足够。
(6)压杆稳定性校核
查表得支承系数压杆稳定性安全系数K取3，滚珠螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。代入式
，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。
4)步进电动机减速箱的选用
采用一级减速器，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。
已知工作台的脉冲当量算得减速比：
选用常州新月电机有限公司生产的JBF—3型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75：45，材料为45调制钢，齿表面淬硬后达55HRC。减速箱中心距为[(75+45)/2]=60mm,小齿轮厚度为20mm，大齿轮厚度为20mm。
5)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J
滚珠丝杠的转动惯量，已知滚珠丝杠的公称直径d0=16mm，总长l=500mm，导程Ph=4mm，材料密度托板折算到丝杠上的转动惯量，移动部件总重力F+G=800N，得大小齿轮转动惯量，小齿轮宽度b1=20mm，直径d1=45mm，大齿轮宽度b2=20mm，直径d2=75mm，传动比i=5/3,于是得小齿轮转动惯量
初选步进电动机型号为90BYG2602，二项八拍驱动时步距角为0.75°，查表得该型号电动机转子的转动惯量，则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为

(2)计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩T
快速启动时电动机转轴所承受的负载转矩T，包括三部分：一部分是快速空载启动时折算到电动机轴上的最大加速转矩Tamax；一部分是移动部分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，因滚珠丝杠副传动效率很高，T0可忽略。则有：T=Tamax+Tf
Tamax=,,设步进电动机由静止到加速至，于是Tamax=0.5Nm.
移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：求得快速启动时电动机转轴所承受的负载转矩：T=Tamax+Tf=0.582Nm
(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。取K=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足：
初选步进电动机的型号为90BYG2602，查得该型号电动机的最大静转矩=6Nm
(4 )步进电动机的性能校核
a）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=3000mm/min，求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩=1.8Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.582Nm，满足要求。
b）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=3000mm/min对应的电动机运行频率为。查表知90BYG2602电动机的空载运行频率可达20000，可见没有超出上限。
c）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。可知步进电动机克服惯性负载的起动频率为：
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1106Hz。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。
(5)步进电动机的驱动电源选用
设计中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为1000VAC，相电流为4A，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示。

6）增量式旋转编码器的选用
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力应与步进电动机的步距角相匹配,为，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出个步进脉冲。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，编码器的分辨力可选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。
此次设计选用的编码器型号为：ZLK-A-120-05VO-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，每秒输出120个A/B脉冲，信号为电压输出。
4.工作台机械示意图的绘制（见附录）
5.工作台控制系统的设计
根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：
(1) 接收键盘数据，控制LED显示
(2) 接受操作面板的开关与按钮信息；
(3) 接受车床限位开关信号；
(4) 接受电动卡盘夹紧信号与电动刀架刀位信号；
(5) 控制X，Z向步进电动机的驱动器；
(6) 控制主轴的正转，反转与停止；
(7) 控制多速电动机，实现主轴有级变速；
(8) 控制交流变频器，实现主轴无级变速；
(9) 控制切削液泵启动/停止；
(10) 控制电动卡盘的夹紧与松开；
(11) 控制电动刀架的自动选刀；
(12) 与PC机的串行通信。
CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512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，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。
控制系统原理框图如图7.1所示。

图7.1 控制系统原理框图
控制电动机的运动管理程序
采用硬件环分。步进电动机的通电节拍由硬件电路来决定，编制软件时可以不考虑。控制器与硬件环分电路的链接只需两根信号线：一根方向线，一根脉冲线。如下图：

步进电动机
功率驱动电路
硬件环分电路
步进电动机驱动器

步进脉冲
P1.1
P1.0

AT89C52

方向电平

6.感想总结
首先感谢帮助我的同学和老师，这次课程设计的完成，离不开老师和同学的指导、帮助和鼓励。通过这次的课程设计，我对学习了机电一体化系统设计方案的拟定有了一定的认识，对传动元件和导向元件如滚珠丝杠螺母副等的工作原理，设计计算方案的工作原理，设计计算的选用原则，电动机的工作原则，选择控制驱动方式都有了一定的认识。在今后的学习生活中，这次课程设计的经历将起到重要帮助作用,对数控机床的机械结构及控制原理有了更加深入的理解。通过对机械结构的设计，掌握了直线滚动导轨副、滚珠丝杠螺母副、减速装置、步进电动机等结构的计算方法及选用原则；通过对控制系统的设计，掌握了一些典型软硬件的设计思路及方法。不过，在这次课程设计过程中，我们也遇到了许多困难。到图书馆、去网上查了很多资料，但都很有限，丝杠、导轨等很多零部件的产品型号在网上都查不到，加之个人能力有限，因而此次课程设计有很多不足之处，望老师谅解。
参考文献
[1] 文怀兴等编著.《数控机床系统设计》.化工工业出版社.
[2]《机电一体化技术设计》.机械工业出版社
[3] 毛昕等主编，《画法几何及机械制图》.高等教育出版社
[4]《机械设计手册（2）》.机械工业出版社
[5] 艾兴 肖诗纲编.《切削用量简明手册》机械工业出版社
[6]《互换性与技术测量》 中国计量出版社
[7] 韩荣第 编 《金属切削原理与刀具》 哈尔滨工业大学出版社
[8]<现代实用机床设计手册>PDF版

附录：

主视图：

俯视图：