XY工作台课程设计.doc

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1、目录一、设计的目的3二、设计任务3三、设计主要步骤41、确定设计总方案4、机械传动部件的选择4、丝杠螺母副的选择4、导轨副的选用4、伺服电机的选用4、减速装置的选用5、控制系统的设计52、机械传动部件的计算和选择5、导轨上移动部件的重量估算5、计算切削力5、滚珠丝杠传动设计计算及校验7、最大工作载荷的计算7、最大计算动载荷的确定7、规格型号的初选8、传动效率的计算9、刚度的验算9、稳定性的验算10、临界转速的验算11、滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定12、步进电机的传动计算及电动机的选用12、传动计算12、步进电动机的计算和选型12、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。12、步进电机轴上的等

2、效负载转矩M的计算13、步进电机的初选15、步进电机性能校核173、滚动导轨的设计计算18、工作载荷的计算18、小时额定工作寿命的计算18、距离额定寿命计算19、额定动载荷计算19、产品选型194、其余附件的选择20、联轴器的选择20四、控制系统的设计211、进给控制系统原理框图212、驱动电路流程设计213、驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式22五、参考文献24六、总结体会25一、设计的目的数控机床课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：1、 通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪知识，学习总体

3、的方案拟定、分析与比较的方法。2、 通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设计计算及选用的方式3、 通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控制驱动方式4、 培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想5、 锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力二、设计任务设计一套供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：1、 立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大铣削宽度=15mm最大背吃刀量=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属。2、X、Z方向的定位精度均为0.02mm。3、工作台面尺寸为，

4、加工范围为;4、工作台空载进给最快移动速度：，工作台进给最快移动速度:，加减速0.4s三、设计主要步骤1、确定设计总方案、机械传动部件的选择、丝杠螺母副的选择根据设计任务要求,此立式数控铣床工作台为小型工作台,要求X、Y方向的定位精度均为，电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm脉冲当量，因为定位精度0.02mm，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是0.01mm和0.02mm的定位精度，精度要求较高，现选用滚珠丝杆副。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。滚珠丝杠螺母副

5、的结构：根据条件要求,选用内循环的形式，内循环的回路短,滚珠数目少,流畅性好,摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高,适用于各种高灵敏、高刚度的精密进给定位系统。滚珠丝杠螺母副的预紧：由于次立式工作台有一定的定位精度要求，载荷不大，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，尺寸紧凑，但调整不方便。滚珠丝杠螺母副的支撑及轴端形式：由于丝杠为卧式安装，工作台行程不长，其最快的移动速度为，所需的转速不高，且有一定的精度要求，故可以采用一端固定，一端游动的支承形式。、导轨副的选用要设计X-Y数控车床工作台用来配套立式数控铣床，需要承受的载荷不大，行程短，而且脉冲当量小，定位精

6、度适中，因此选用直线滚动导轨副，它具有运动灵敏度高，牵引力小，移动轻便；定位精度高，磨损小，无爬行现象，精度保持性好，润滑系统简单，维修方便，。、伺服电机的选用设计要求工作台的X、Y方向的定位精度均为，精度要求较高，现初选混合式步进电机作为伺服驱动电机。步进电机结构简单，维修方便，成本低，性价比高，可以满足设计任务书的传动要求。选用步进电机以后，可以选开环控制，也可选半闭环和闭环控制。由于开环控制系统可以达到的精度，且结构简单、工作稳定、使用维修方便及成本低等优点，可以满足任务书精度要求，且开环控制能够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。、减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠

7、丝杆副以后，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，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。、控制系统的设计 、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轮廓控制，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。、对于步进电动机的开环控制系统，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。、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，I/O接口电路，D/A转换电路，串行接口电路等。、选择合适的驱动电源，与

8、步进电动机配套使用。2、机械传动部件的计算和选择、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。、计算切削力根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数：立铣刀 ： 最大直径d立铣刀齿数Z最大切削宽度最大背吃刀量15mm315mm8mm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。则由由中P166页查得立铣切削力计算公式为： （1）由【5】中P13页的表中，可知d=15mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：每齿进给量fz=0.12mm则铣刀转速n

9、=则由（1）式求的最大铣削力： 铣削功率采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由金属切削原理与刀具表10-1查得，各铣削力之间的比值范围如下：=(1.01.2)/=(0.20.3)/=（0.350.4）1.10.250.38考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：进给力：；背向力：；垂直进给力：。考虑立铣，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。、滚珠丝杠传动设计计算及校验滚珠丝杠的选择包括其精度选择、尺寸规格、支承方式等几个方面的内容。滚珠丝杠副的承载能力用额定动载荷和额定静载荷来表示，

10、在设计中一般按额定动载荷来确定它的尺寸规格。、最大工作载荷的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1736N,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=395N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=584N。已知移动部件总重量G=800N，丝杠承受按滚动导轨计算，由数控机床设计实践指南中P114页，取动载荷系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数查毕业设计宝典中P34可知u=0.00250.005,现取u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：=1.11736+0.005(395+584+800) =1918.5N、最大计算动载荷的确定工作台在承受最大铣削力时

11、的最快进给速度v=400mm/min，初选丝杠导程P=5mm,则此时丝杠转速=v/P=80r/min。预计滚珠丝杠的工作五年,每天工作八小时，由此得使用寿命为T=53608=14400h，根据数控机床设计实践指南中P114，公式413得：=其中： T使用寿命14400 h ；N循环次数；滚珠丝杠的当量转速 80r/min 求得：（）查数控机床设计实践指南中P114，表4-14、4-15得，受中等冲击载荷取值范围，现取，滚道硬度为60HRC时，硬度影响系数取值，由数控机床设计实践指南中P114，式4-12 代入数据得：、规格型号的初选根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查数控机床设计实践指南

12、P150页的表F-8，初选丝杠为内循环、浮动反相器、螺母垫片预紧。型号为SFI2505-4的滚珠丝杠。其具体参数如下：型号dlDaDABLWHXYZQnCa(kgf)Coa(kgf)KSFI2505-42553.1754063115151465.59.55.5M841280311035额定动载荷为1280kgf=12.8KN，大于最大计算动载荷=9.5KN，小于额定动载荷，满足要求。丝杠长度:丝杠螺纹部分长度 等于工作台最大行程（250mm）加螺母长度（43mm）加两端余程（28.5mm），即精度等级的选择：根据开环系统中使用的滚珠丝杠，任意300mm行程变动量V300p应小于目标设计定位精度

13、的1/3-1/2，由于设计要求定位精度为0.02mm，查手册数控机床课程设计P40页表选择精度等级为4级的精度。、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,得传动效率。、刚度的验算丝杠拉压刚度：它与丝杠螺母机构的安装形式有关。由于X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定，一端游动”的轴承配置形式。由数控机床设计指南P116找到： 式中：E弹性模量（MPa），一般取E=2.1105MPa d2滚珠丝杠的底径（mm） a滚珠丝杠的螺母中心到固定端支撑中心的距离（mm）滚珠丝杠螺母副的轴向接触刚度KN：由滚珠丝杠螺母副接触变形可以计算出轴向接触刚度。由于选用了

14、标准的滚珠丝杠，其值为 轴承的接触刚度：角接触球轴承的轴向刚度按下式计算式中：z滚动体个数，这里Z=15；a接触角，这里为60度 Db 滚动体直径，这里为9.25mm；FB 轴向预紧力，这里为584N故 系统总刚度K： ， 得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；钢的弹性模量；查表得滚珠直径Dw=3mm，丝杠底径d2=21.9mm,丝杠截面积。查机床实用设计手册算得丝杠在工作载荷作用下产生的拉/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，代入公式Z圈数列数，得

15、滚珠总数量=114。丝杠预紧时，取轴向预紧力/3=639.5N。由下式求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 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=0.00425mm。将以上算出的和代入，求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）=0.01395mm=13.95。本例中丝杠的有效行程为400mm，查表知4级精度滚珠丝杠有效行程在400800mm时，行程偏差允许达到40，可见丝杠刚度足够。、稳定性的验算根据数控机床设计指南中式4-18 ： 。式中： ； 丝杠公称直径；滚珠直径； 丝杠最大受压长度 丝杠支承方式系数，在此由于为一端固定，一端游动，取=2.0故 此计算值远远大

16、于设计载荷，故可用。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L=a取最大值400mm。代入公式，得P=14896kg.f=14896N大于=7533N，故不会失稳，满足使用要求。、临界转速的验算对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速，由数控机床设计实践指南中P115式4-19得：其中 24-1.23.175=20.8mm 为临界转速计算长度 为丝杠支承方式系数=3.927（一端固定，一端游动）代入数据得：临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。、滚珠丝杠的选型及安装连

17、接尺寸的确定丝杠长度:丝杠螺纹部分长度 等于工作台最大行程（250mm）加螺母长度（43mm）加两端余程（28.5mm），即支撑跨距L1：略大于，取L1=400、步进电机的传动计算及电动机的选用、传动计算因为该铣床的加工精度为0.02mm，考虑到机械传动部分造成的精度损失，故选用铣床的脉冲当量为0.01mm/Hz，初选步进电动机的步距角=0.72。由【1】中P121式5-18得：、步进电动机的计算和选型、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。总转动惯量J主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。、滚珠丝杠的转动惯量J由数控机床设计实践指南中P119式5-2

18、得：式中： D为丝杠公称直径D=25mm ；L为丝杠长度L=350mm ； 代入数据，得：J=0.772056010=1.0510-4kg.ii、工作台拆算到丝杠上的转动惯量 由【数控机床设计实践指南中P119式5-3得：其中： M为工作台的（包括工件）的质量M=81.6kg：P为丝杠螺距P=5mm 代入数据，得：iii、丝杠拆算到电机轴上的转动惯量：根据数控机床设计实践指南P120表5-2，根据丝杠的选择类型，可知其转子的转动惯量 所以待添加的隐藏文字内容3 验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，既不应太大也不应太小，即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合

19、理的配合，一般比值控制在1/41之间，由此可见:,符合惯量匹配要求。、步进电机轴上的等效负载转矩M的计算a、承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩，由数控机床设计指南中P121式5-10得：加速力矩 其中: 为折算到电动机轴上的总惯量T系统时间常数，由任务书知为T=0.4S ；切削时的转速为300r/min 得： Nm摩擦力矩 其中： 为导轨摩擦力 ； S为丝杠螺距S=5mm ；i为齿轮降速比，已计算出为1； 为传动链总效率，=0.70.85，取0.8代入数据 得： Nm附加摩擦力矩 其中 ：为最大轴向载荷，； 为滚珠丝杠未预紧时的效率，=0.9580.9 ； 其

20、余数据同上代入数据 得： Nm切削力矩 其中：进给方向的最大切削力，其余参数同上。代入数据得： Nm由此都得到等效负载转矩 Nm b、快速空载时电动机所需力矩M 由数控机床设计指南中P121式5-9得：加速力矩其中： 其余参数同上 带入数据得：力矩摩擦其中：u为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取 u=0.005， 代入数据得：Nm附加摩擦力矩：；参数同上代入数据得： 所以可知快速空载时点击所需力矩：=0.0588+0.0668+0.044=0.1696 Nm比较和，取其较大者，就是最大等效负载，即：=1.584N.M、步进电机的初选 考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入

21、转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载M考虑一定的安全系数，取=3，则步进电机的最大静转矩应满足： 由网上http:/www.syn- 规格型号相数步距角(O)静态相电流(A)相电阻（）保持转矩（Nm）定位转矩（Nm）空载启动频率（KHz）重量（Kg）转动惯量（gcm2）90BYG550C50.7231.66.01.02.44.68000最大转矩 可知满足要求。实体图如下：、步进电机性能校核a 、最快工进速度时电动机时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，求出电动机对应的运行频率。从90BYG550C电动机的运行矩频特性曲线图可以看出

22、在此频率下，电动机的输出转矩4Nm，远远大于最大工作负载转矩=1.584Nm，满足要求。b、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。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩=3.5Nm，大于快速空载起动时的负载转矩=0.1696Nm，满足要求。c、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。查图3中相应表格，可知90BYG550C电动机的空载运行频率可达50000，可见没有超出上限。d、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

23、时的空载起动频率。由式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。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有。综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG550C步进电动机，完全满足设计要求。它的结构尺寸如下图：3、滚动导轨的设计计算、工作载荷的计算 工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、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，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： 其中，移动部件重量G=800N,外加载荷F=584N代入上式，得：、小时

24、额定工作寿命的计算预期工作台的工作寿命为5年，一年365天，取工作时间为360天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命、距离额定寿命计算由公式，从而得到式中：为小时额定工作寿命；n为移动件每分钟往复次数（46）取5S为移动件行程长度，由加工范围为250mm250mm取520mm代入数据 得：、额定动载荷计算由公式 ，从而得到：式中：为额定动载荷；L为距离工作寿命，由上式可知为4493kmF为滑块的工作载荷，由上式可知为784N代入数据得：、产品选型根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用南京工艺装备制造有限公司的GGB B A四方向等载荷窄型滚动直线导轨副型号为GGB16BA

25、，相关尺寸如下图4所示，（参考网址：可知其额定动载荷C=8.51KN，大于7.023KN，故可知满足要求。4、其余附件的选择、联轴器的选择 刚性联轴器结构比较简单，制造容易， 免维护，超强抗油以及耐腐蚀，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便是有偏差产生负荷时，刚性联轴器还是刚性传递扭矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减振要求不高的中小功率轴系传动。根据选出的电机和丝杠的参数，选用沈阳光宇科技有限公司的韩国YHB刚性联轴器,型号为P-58-20-20。（参考网址 型号d1d2DLL1PCD螺纹螺栓最大扭距kgfm最大推力kgf最高转速rpm螺栓锁紧扭矩kgfmP-58-20

26、-20202053566141M650698.19.811450017.7四、控制系统的设计根据任务书的要求，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，Y向步进电动机的驱动器；（4） 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

27、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。1、进给控制系统原理框图2、驱动电路流程设计步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进给0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。步进电机驱动电路图该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通

28、过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。由于步进电机采用的是五相十拍的工作方式（五个线圈A、B、C、D、E），其正转时通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A.其反转的通电顺序为：A-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A。 3、驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式 设计中X、Y向步进电动机均为90BYG550C型。查步进电动机的资料，选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为80V AC，相电流为6A，分配方式为五相十拍。该驱动电机接线图如下：五、参考

29、文献 【1】、文怀兴、夏田 .数控机床系统设计 北京：北京化工出版社，2005. 【2】、韩荣第 .金属切削原理与刀具 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007. 【3】、李洪 .机床设计手册北京：辽宁科学技术出版社，1999. 【4】、陈家芳.金属切削工艺手册 上海：上海科学技术出版社, 2005. 【5】、杨建明. 数控加工工艺与编程北京：北京理工大学出版社，2009.【6】、张新义.经济型数控机床系统设计北京：机械工业出版社，2000【7】、尹志强.机电一体化系统课程设计指导书北京:机械工业出版社，2007.【8】.孙波.毕业设计宝典.西安电子科技大学出版社 【9】.文怀兴.数控机床设计实

30、践指南.化学工业出版社.第一版【10】.王爱玲.现代数控机床伺服及检测技术.国防工业出版社第三版六、总结体会通过本次对X-Y数控工作台的机电系统设计，由设计任务给定的工作尺寸，设计一种供应式数控铣床的X-Y数控工作台。这是一个比较具有实际意义的设计演练，不光是针对毕业设计前的一次预演，更是进入社会前的一次实际生产设计。在本次设计中让我进一步的理解到机械与电子联系的紧密性，初步掌握了机电一体化产品的设计过程。就本次机电一体化产品设计来谈谈设计思路：首先，确定总体设计方案：其中主要对导轨副、丝杠螺母副、检测装置的选用及控制系统的设计进行初步分析，再绘制总体方案图。其次，进行机械传动部件的计算与选择

31、：主要进行导轨上移动部件的重量估算，铣削力的计算，直线滚动导轨副的计算与选型，滚珠丝杠螺母副的计算与选型，步进电机减速箱的选用，步进电动机的计算与选型。本部分作为此设计重点，进行了大量的分析、计算及验算，最后得到了满足任务规定尺寸的工作要求。再次，选用检测装置。本设计中选用了增量式旋转编码器，确定电路为观电隔离电路，以此来对工作台的运动状态进行检测，从而在反馈后对工作台进行实时调整。最后，控制系统的设计。此处主要通过进给传动系统来对硬件电路进行设计，并绘制控制系统原理框图；然后分析选用了步进电动机的驱动电源。在老师的指导下和与同学的讨论中，最后通过自己的努力终于完成了本次设计任务，尽管在本次设计中间遇到了不少问题，如滚珠丝杠螺母副的选择与电动机的选择过程中，在开始的设计中选择的型号总是在验算过程中被推翻，此时又不得不一次次重新开始，后来通过一次次的调整，最后终于得到了满意的结果。通过这样的一个过程，让我们不仅锻炼了自己的能力，检验了自己所学的知识，还让我们认识到了自己的不足。有了这个经验对以后我们完善自己的不足是很具有指导意义的；另外，也会让我们更快的适应以后的工作。