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数控X-Y工作台设计

目录
1.引言： 3
2.设计任务 3
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
3.1.4伺服电动机的选用
3.1.5检测装置的选用
3.2 控制系统的设计 4
3.3 绘制总体方案图 5
4.机械传动部件的计算与选型 5
4.1 导轨上移动部件的重量估算 5
4.2 铣削力的计算 5
4.3 直线滚动导轨副的计算与选型（纵向） 6
4.3.1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取
4.3.2 距离额定寿命L的计算
4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型 7
4.4.1 最大工作载荷Fm的计算
4.4.2 最大动工作载荷FQ的计算
4.4.3 初选型号
4.4.4 传动效率η的计算
4.4.5 刚度的验算
4.4.6 压杆稳定性校核
4.5 步进电动机减速箱的选用 8
4.6 步进电动机的计算与选型 8
4.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq
4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq
4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定
4.6.4 步进电动机的性能校核
5.增量式旋转编码器的选用 12
6. 绘制进给传动系统示意图 12
7．工作台控制系统的设计 12
8．步进电动机的驱动电源选用 14
9.致谢 15
参考文献 15

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，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服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、滚珠丝杠螺母副和伺服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。

2.设计任务

题目：数控X-Y工作台设计
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=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=0.01mm;
7. X、Z方向的定位精度均为0.04mm;
8. 重复定位精度为0.02mm;
9. 工作台尺寸 250×250㎜;
10. X坐标行程 300mm;
11. Y坐标行程 120mm;
12. 工作台空载进给最快移动速度：Vxmaxf =Vzmaxf =1500mm/min;
13. 工作台进给最快移动速度:;

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
腰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，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，它具有结构简单，制造、检验和维修方便，导轨面较宽，承载能力大，刚度高。
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0.004mm冲当量和mm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伺服电动机的选用
任务书规定的脉冲当量尚未达到0.01mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此1500mm/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。
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

总体方案图如图所示。

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500N

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：
(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，背吃刀量=8mm ，每齿进给量，铣刀转速。则由式（6-11）求的最大铣削力：
FC=118 x150.85x 0.10.75x 15-0.73x 81.0x 3000.13x 3N=1463N
采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：,，。图3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削力为。

4.3 导轨的计算
由于使用的是双矩形滑动导轨，故不要求进行相应的计算。
4.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型

4.4.1 最大工作载荷Fm的计算
如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1607N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=366N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=556N.
已知移动部件总重量G=500N，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.04。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
Fm=KFx+(Fz+Fy+G)=[1.11408+0.04(556+366+500)]N1827N
4.4.2 最大动工作载荷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）。
查表，取载荷系数fw=1.2,滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=1.0,代入式（3-23），求得最大动载荷：

4.4.3 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2005-4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20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈*1系列，精度等级取5级，额定动载荷为11082N，大于FQ，满足要求。表3.1滚珠丝杠螺母副几何参数

名 称
符号
计算公式及结果
螺
纹
滚
道
名义直径（中径）
D
20mm
螺 距
S
5mm
接触角

45°
钢球直径

3.175mm
螺纹滚道法面半径
R
1.651mm
偏心距
E
0.0449mm
螺纹升角

4°33’

螺
杆
螺杆外径

名 称
符号
计算公式及结果
螺杆内径

螺
母
螺杆接触直径

螺母螺纹外径

螺母内径

20.14mm
螺母凸缘外径

60mm
螺母配合外径
D
36mm
螺母装配总长度
L
51mm

4.4.4 选择滚珠丝杠直径时，还应综合考虑下列问题
丝杠工作长度L，应满足控制中的行程要求。L应为丝杠工作长度：

式中，为控制系统中需要的行程（mm），H为螺母的安装高度（mm），为满足行程以外的余量，一般，为由丝杠防护结构确定的长度（mm），于是：
横向丝杠：
纵向丝杠：
(1) 根据结构设计，螺杆的总长度应为螺杆的工作长度L加上结构长度。
横向：
纵向：
(2) 丝杠的长度还应满足刚度的要求，根据刚度要求确定丝杠的直径d
横向：
纵向：
即满足
(3) 因此，滚珠丝杠直径可以都选为d=25mm

4.4.5 传动效率η的计算
将公称直径d0=20mm,导程Ph=5mm,代入λ=arctan[Ph/(d0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。
4.4.6 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。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=500mm；钢的弹性模量E=2.1х105Mpa;查表得滚珠直径Dw=3.175mm，丝杠底径d2=16.2mm,丝杠截面积S=/4=206.12m。
忽略式（3-25）中的第二项，算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量105mm=0.0211mm.。
(2) 根据公式，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圈数列数，得滚珠总数量=60。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=609N。则由式（3-27），求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量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=0.0012mm。
(3) 将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）=0.0212mm=21.2
本例中，丝杠的有效行程为330mm，由表知，5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到25，可见丝杠刚度足够。
4.4.7 压杆稳定性校核
根据公式（3-28）计算失稳时的临界载荷FK。取支承系数=1；由丝杠底径d2=16.2mm求得截面惯性矩3380.88；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。代入式（3-28），得临界载荷FK=1557N，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。
4.4.8 支承方式及轴承的选择
经过查阅相关资料，并结合本设计具体情况选择“单推－单推”支承方式
通过查相关手册，轴承选择如下：

轴承参数
轴承
名称
轴承
型号
公称
直径
结构尺寸
标记
额定动载荷
数
量
推力球轴承
51203
17mm
d=17mm,T=12mm,
D=35mm
滚动轴承51203GB/T 301—1995
17KN
4
深沟球轴承
6203
17mm
d=17mm,B=12mm,
D=40mm
滚动轴承6203GB/T 276—94
9.58.KN
4
由上表可看出，轴承的额定动载荷Ca>C，所以所选轴承在给定的工作条件下的预期的寿命内安全。
4.5 步进电动机传动比
已知工作台的脉冲当量=0.01mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程Ph=5mm， 初选步进电动机的步距角=0.72°。根据式（3-12），算得减速比：
=（0.725）/（3600.01）=1
由此可见本机构不必要选减速箱
4.6 步进电动机的计算与选型

4.6.1 计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=20mm，总长l=500mm，导程Ph=5mm，材料密度=7.8510-5kg/;移动部件总重力G=500N传动比i=1算得各个零部件的转动惯量如下：

滚珠丝杠的转动惯量Js=0.617kg·cm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517kg·cm2;初选步进电动机的型号为110BYG007-Ⅱ,为五相混合式，五相驱动时的步距角为0.72°，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量Jm=11.5 kg·cm2。
则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

4.6.2 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，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。因为滚珠丝杠副传动效率很高，根据式（4-12）可知，相对于和很小，可以忽略不计。则有：
=+ （6-13）
根据式（4-9），考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：
= (6-14)
其中： =300r/min (6-15)

式中—空载最快移动速度，任务书指定为3000mm/min；
—步进电动机步距角，预选电动机为0.72；
—脉冲当量，本例=0.01mm/脉冲。
设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率=0.75。则由式（6-14）求得：

由式（4-10）知，移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：
(6-16)

式中——导轨的摩擦因素，滚动导轨取0.04
——垂直方向的铣削力，空载时取0
——传动链效率，取0.75
最后由式（6-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：
=+=0.197Nm (6-17)
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；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，相对于和很小，可以忽略不计。则有：
=+ （6-18）
其中折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩由公式（4-14）计算。有：

再由式（4-10）计算垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

最后由式（6-18），求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：
=+=1.77N/m （6-19）
最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：

4.6.3 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：
（6-20）
初选步进电动机的型号为110B007-Ⅱ，查得该型号电动机的最大静转矩=9.45Nm。可见，满足要求。
4.6.4 步进电动机的性能校核
1)最快工进速度时电动机的输出转矩校核 任务书给定工作台最快工进速度=400mm/min，脉冲当量/脉冲，由式（4-16）求出电动机对应的运行频率。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6Nm，大于最大工作负载转矩=1.775Nm，满足要求。
2）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=1500mm/min，求出其对应运行频率。在此频率下，电动机的输出转矩=5.8Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.197Nm，满足要求。
3）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=1500mm/min对应的电动机运行频率为。查表知110BYG007-Ⅱ电动机的空载运行频率可达30000，可见没有超出上限。
4）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。由式（4-17）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1244 Hz。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100。
综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用110BYG007-Ⅱ步进电动机，完全满足设计要求。

5.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，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。

6. 绘制进给传动系统示意图

进给传动系统示意图如图所示。

进给传动系统示意图

7．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。
X-Y数控工作台的控制系统设计，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。本设计CPU选用ATMEL公司的8位单片机AT89S52，由于AT89S52本身资源有限，所以扩展了一片EPROM芯片W27C512用做程序存储器，存放系统底层程序；扩展了一片SRAM芯片6264用做数据存储器，存放用户程序；由于数控工作台还需要加入铣刀运动控制和程序输入等指令，所以除设置了X﹑Y方向的控制指令键，操作开停键，急停键和复位键等外还采用8279来管理扩展多种按键。8279是一种通用的可编程键盘显示器接口芯片，它能完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘部分提供扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘进行连接，能对键盘实行不间断的自动扫描，自动消除抖动，自动识别按键并给出键值。显示部分包括一组数码显示管和七只发光二极管。与PC机的串行通信经过MAX233，可以采用PC机将编好的程序送入本系统。控制步进电动机的转动需要三个要素：方向﹑转角和转速。对于含有硬件环形分配器的驱动电源，方向取决于控制器送出的方向电频的高低，转角取决于控制送出的步进脉冲个数，而转速则取决于控制器发出的步进脉冲的频率。在步进电动的控制中，方向和转角控制简单，而转速控制则比较复杂。由于步进电动的转速正比于控制脉冲的频率，所以对步进电动机脉冲频率的调节，实质上就是对步进电动机的速度的调节。步进电动机的调频的软件延时和硬件定时。采用软件延时法实现速度的调节，程序简单，不占用其他硬件资源；缺点是控制电动机转动的过程中，CPU不能做其他事。硬件定时要占用一个定时器。本设计没有从硬件上布置，由于单片机功能强大，采用软件延时。当步进电动机的运行频率低于它本身的起动频率时，步进电动机可以用运行频率直接起动，并以该频率连续运行；需要停止的时候，可以从运行频率直接降到零，无需升降频控制。当步进电动机的运行频率 （为步进电动机有载起动时的起动频率）时，若直接用 起动，由于频率太高，步进电动机会失步，甚至会丢步，甚至停转；同样在 频率下突然停止，步进电动机会超程。因此，当步进电动机在运行频率 下工作时，就需要采用升降频控制，以使步进电动机从起动频率开始，逐渐加速升到运行频率 ，然后进入匀速运行，停止前的降频可以看作是升频的逆过程。虽然本设计采用了半闭环控制，加入了增量式编码器作为反馈信号，但是在编程过程中仍需设计升降频的部分，以使步进电动机运行平稳、精确。根据需要，可编写出驱动步进电动机的程序。AT89S52指令与80C51指令完全兼容。
控制系统原理框图如图所示。

控制系统原理框图

8.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。

BD28Nb型驱动电源接线图

9.致谢

在此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。
近两年的学习就要告一段落，感谢那些爱我的人真诚的陪伴……

参考文献

（1）机电一体化系统课程设计指导书 尹志强等编著 北京:机械工业出版社

（2）机电一体化系统设计 曾励主编 北京:高等教育出版社