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数控工作台设计说明书

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2020年4月19日
文档仅供参考
一、总体方案设计
1.1 设计任务
题目：X—Y数控工作台的机电系统设计
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）工作台面尺寸C×B×H＝【200+（班级序号）×5】mm×【200+（班级序号）×5】mm×【15+（班级序号）】mm；
2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝【680+（班级序号）×5】mm×【680+（班级序号）×5】mm×【230+（班级序号）×5】mm；
3）工作台加工范围X=【300+（班级序号）×5】mm，Y=【300+班级序号）×5】mm；
4） X、Y方向的脉冲当量均为0.005mm/脉冲；X、Y方向的定位精度均为±0.01mm；
5）夹具与工件质量M=【15+（班级序号）】kg；
6）工作台空载最快移动速度为3m/min；工作台进给最快移动速度为0.5m/min。
7）立铣刀的最大直径d=20mm；
8）立铣刀齿数Z=3；
9）最大铣削宽度；
10）最大被吃刀量。
1.2 总体方案确定
（1）机械传动部件的选择
① 导轨副的选择
② 丝杠螺母副的选择
③ 减速装置的选择
④ 伺服电动机的选择
（2）控制系统的设计
① 伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制
② PLC控制电机的梯形图编程

步进电动机
减速器

滚珠丝杠
步进电动机
减速器
工作台
滚珠丝杠
X方向传动机构
Y方向传动机构
微型机
机电接口

驱动电路
人机接口
系统总体方案结构框图
XY数控工作台结构
1.3 设计的基本要求
（1）按照机械系统设计的步骤进行相关计算，完成手写设计说明书。
（2）计算结果作为装配图的尺寸和零部件选型的依据，经过AutoCAD软件绘制XY数控工作台的总装配图，并绘制AO图纸。
（3）按照电气控制系统的步骤进行设计，完成电机启动、停止、正反转、电动等基本工作状态控制的硬件连线图，并经过PLC协调控制XY电机运动绘制相关梯形图。
二、机械系统设计
2.1 导轨上移动部件的重量估算
质量：按质量=体积（由尺寸求得）×密度进行估算 （45钢密度7.85g/立方厘米）
工作台面质量=
上导轨座（连电机）质量=
夹具及工件质量=
X-Y工作台运动部分的总重量G=Mg=
2.2 铣削力的计算
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。查表得立铣刀的铣削力计算公式为：

其中，取最大铣削宽度，最大背吃刀量，每齿进给量，铣刀转速，可直接带入计算。采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可查表得出，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：=；=；=
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纵向铣削力（丝杠轴线方向）=，径向铣削力=
2.3 直线滚动导轨的参数确定
（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取
本设计中的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直方向载荷为=。
其中，移动部件重量为G，外加载荷=
根据计算出的工作载荷，初选符合要求的****公司生产的*系列*型直线滚动导轨副。

根据任务规定工作台面尺寸，加工范围及工作台整体尺寸的要求，选择导轨的长度。
所选直线滚动导轨副的几何参数由厂家说明书确定）
型号
滑块尺寸
额定载荷
额定静力矩
导轨长度

C2
L1
L2
L3
H2

M

（2）额定寿命的L的校核计算
根据上述所选导轨副，查表，分别取硬度系数=1.0、温度系数=1.0、接触系数=0.81、精度系数=0.9、载荷系数=1.5，代入以下公式，得距离寿命（期望值为50KM）。
=
2.4 滚珠丝杠的设计计算
滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。应按铣削时的情况计算。
（1）最大工作载荷的计算 在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）为，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）为，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）为。
根据移动部件的总重量G，按矩形导轨进行计算，查表，取倾覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为：
=
（2）最大动载荷的计算
工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度，初选丝杠导程（自己选择如4、5、6mm等），则此时丝杠转速
取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入，得丝杠寿命系数
查表，取载荷系数，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数，代入式，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，查表，选择*公司生产的*系列*型，其额定动载荷为，大于，满足要求。
所选滚珠丝杠螺母副几何参数
型号
公称直径
导程
滚珠直径
丝杠底径
丝杠外径
循环列数
螺母安装尺寸

额定载荷
刚度

（4）传动效率的计算
将公称直径，导程，代入，得丝杠螺旋升角。将摩擦角，代入，得到传动效率。
（5）刚度的验算
① XY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个或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，钢的弹性模量，由所选滚珠丝杠螺母副可得，滚珠直径，丝杠底径，丝杠截面积=
算的丝杠在工作载荷作用下产生的拉/压变形量=
②滚珠与螺纹滚道间的接触变形量,其中，丝杠预紧时，取轴向预紧力=，为滚珠总数量。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，因此实际变形量可减小一半。
③将以上计算出的和代入，求得丝杠总变形量。经过查表，得出是否在行程的偏差允许值内。
（6）压杆稳定性校核
查表，取支承系数，由丝杠底径，求得截面惯性矩=；压杆稳定性安全系数K取3，a为滚动螺母至轴向固定处的距离最大值。根据公式,计算失稳时的临界载荷,远大于工作载荷即不会失稳。
2.5 确定齿轮传动比
初选步进电机步距角（可自选），滚珠丝杠的导程，要实现脉冲当量，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比
（此计算假设导程为5mm）
选 ， 。
因传递的扭距较小，取模数。 采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮连接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮连接，其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消除齿侧间隙。本设计选用****公司生产的*系列*型齿轮减速箱。
所选齿轮箱中齿轮尺寸参数

小齿轮
大齿轮
直径

齿宽

中心距

2.6 步进电机的选用
（1）步进电机的步距角
根据系统脉冲当量脉冲，根据所选滚珠丝杠的导程，初选步进电机步距角（可自选）。
（2）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量
（3）步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩的计算

其中是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。

式中： ——折算到电机轴上的惯性负载（）； ——步进电机转轴的转动惯量（）；——齿轮1的转动惯量（）；——齿轮2的转动惯量（）；——滚珠丝杠的转动惯量（）；M——移动部件质量（）。
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算

式中：D——圆柱零件直径（cm）；L——零件长度（cm）。
因此根据滚珠丝杠的公称直径，总长，导程，材料密度，移动部件总重G，小齿轮宽度，直径，大齿轮宽度，直径，传动比i。计算出

电机轴转动惯量很小，能够忽略。

设步进电机由静止到加速至所需时间为，传动链总效率为

步进电机最大工作负载状态下转轴所承受的负载转矩的计算

是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。

（3）步进电机最大静转距的选定
考虑到步进电机的驱动电源受电网影响较大，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，根据来选择步进电机的最大静转距时，需要考虑安全系数。本设计取安全系数K=4，则步进电机的最大静转距应满足
=
（4）步进电机的最高工作频率

综上，选用****公司生产的*系列*型步进电。电机的有关参数如下
所选步进电机参数

型 号
主要技术数据
外形尺寸
重量

步距角
最 大静转距
最高空载启动频率()
相数
电压

电流

外径
长度
轴径

三、控制系统设计
以下内容仅提供单电机的主电路及控制电路图，请必须自行完成双电机（XY轴电机）的硬件电气控制图。
3.1 电动机控制电气原理图

电动机控制主电路

电动机长动和点动控制电气原理图
以上所用低压电器为：停止按钮SB1（常闭），长动按钮SB2（常开点动按钮SB3（常开）；一个热继电器KH；一个继电器KA（至少含两对常开辅助触点）；一个接触器KM（对辅助触点数量无要求）。

电动机正反转控制电气原理图
以上所用低压电器为：停止按钮SB1（常闭），正传按钮SB2（组合按钮），反转按钮SB3（组合按钮）；一个热继电器KH；两个接触器KM（分别至少含一对辅助触点）。

3.2 PLC分项控制电动机的接线图

PLC控制电机正反转外部接线图

PLC控制电机点动和长动外部接线图
3.3 PLC总体控制接线图

3.3 PLC梯形图的绘制
根据自己设计的需要，经过查阅相关文献进行梯形图的编程设计，（至少包括实现电机的启动、停止、正反转、电动四项基本功能），以下仅为各单项工作的参考。

PLC控制电机正反转的控制程序梯形图

PLC控制电机点动和长动的控制程序梯形图