X-Y数控工作台设计说明书

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20e a mm =； 10）最大被吃刀量10p a mm =。

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②PLC控制电机的梯形图编程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，通过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，并通过PLC 协调控制XY 电机运动，绘制相关梯形图。

系统总体方案结构框图二、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：0.850.750.73 1.00.13118c e z p F a f d a n Z -=其中，取最大铣削宽度，最大背吃刀量，每齿进给量0.1z f mm =，铣刀转速500/min n r =，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： 1.1f c F F ==；0.38e c F F ==；0.25fn c F F ==。

现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力ze F F ==，受到水平方向的铣削力分别为纵向铣削力x f F F =（丝杠轴线方向）=，径向铣削力y fn F F ==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max4GF F =+=。

其中，移动部件重量为G ，外加载荷z FF ==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）（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H f =1.0、温度系数T f =1.0、接触系数C f =0.81、精度系数R f =0.9、载荷系数W f =1.5，代入以下公式，得距离寿命（期望值为50KM ）。

3max()50H T C R a W f f f f C L f F =⨯=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m F 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x F ，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）为y F ，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）为z F 。

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0.005μ=。

求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为：()m x z y F KF F F G μ=+++=（2）最大动载荷Q F 的计算工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度500/min v mm =，初选丝杠导程h P （自己选择如4、5、6mm 等），则此时丝杠转速/h n v P =取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h ，代入6060/10L nT =，得丝杠寿命系数0L 查表，取载荷系数 1.2W f =，滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数 1.0H f =，代入式Q W H m F f F =，求得最大动载荷Q F 。

（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Q F ，满足要求。

所选滚珠丝杠螺母副几何参数（4）传动效率η的计算将公称直径0d ，导程h P ，代入0arctan[P /(d )]h λπ=，得丝杠螺旋升角λ。

将摩擦角'10ϕ=，代入tan /tan()ηλλϕ=+，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52.110E MPa =⨯，由所选滚珠丝杠螺母副可得，滚珠直径w D ，丝杠底径2d ，丝杠截面积22/4S d π== 算的丝杠在工作载荷m F 作用下产生的拉/压变形量1/(ES)m F a δ==②滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2δ=其中，丝杠预紧时，取轴向预紧力/3YJ m F F ==，Z ∑为滚珠总数量。

因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量2δ可减小一半。

③将以上计算出的1δ和2δ代入12δδδ=+总，求得丝杠总变形量δ总。

通过查表，得出δ总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1k f =，由丝杠底径2d ，求得截面惯性矩42/64I d π==；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2k 2=k f EI F Ka π,计算失稳时的临界载荷k F ,远大于工作载荷m F 即不会失稳。

2.5 确定齿轮传动比初选步进电机步距角0.75α=（可自选），滚珠丝杠的导程h P ，要实现脉冲当量0.005/p mm step δ=，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。

齿轮传动比123600.005360120.75525p h Z i Z P δα⨯⨯====⨯（此计算假设导程为5mm ） 选 112Z =，225Z = 。

因传递的扭距较小，取模数1m mm =。

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2.6 步进电机的选用 （1）步进电机的步距角α根据系统脉冲当量0.005/p mm δ=脉冲，根据所选滚珠丝杠的导程h P ，初选步进电机步距角α（可自选）。

（2）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量eq J（3）步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩1eq T 的计算1max eq a f T T T =+其中max a T 是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；f T 是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。

max 2160eq m a aJ n T t πη=⨯()22101232180p eq Z J J J J J M Z δπα⎛⎫ ⎪⎛⎫=++++ ⎪ ⎪⎝⎭ ⎪⎝⎭式中：eq J ——折算到电机轴上的惯性负载（2kg cm ）； 0J ——步进电机转轴的转动惯量（2kg c m ）；1J ——齿轮1的转动惯量（2kg cm ）；2J ——齿轮2的转动惯量（2kg cm ）；3J ——滚珠丝杠的转动惯量（2kg cm ）；M ——移动部件质量（kg ）。

对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算()3420.7810J D L kg cm -=⨯式中：D ——圆柱零件直径（cm ）；L ——零件长度（cm ）。

所以根据滚珠丝杠的公称直径0d ，总长l ，导程h P ，材料密度327.8510/kg cm ρ-=⨯，移动部件总重G ，小齿轮宽度1b ，直径1d ，大齿轮宽度2b ，直径2d ，传动比i 。

计算出()21J kg cm =()22J kg cm =()23J kg cm = 电机轴转动惯量很小，可以忽略。

max 360m pv n αδ=设步进电机由静止到加速至m n 所需时间为0.4a t s =，传动链总效率为η()2z hf F G P T iμπη+=步进电机最大工作负载状态下转轴所承受的负载转矩2eq T 的计算2eq t f T T T =+t T 是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；f T 是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。

2f h t F P T iπη=()2z hf F G P T iμπη+=12max{,}eq eq eq T T T =（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eq T 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max T 4j eq T ≥=（4）步进电机的最高工作频率max max 10001000360600.005p V f HZ δ⨯==⨯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)cm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）。