XY工作台设计说明书

目录

一、总体 (2)

二、机械结构设计 (3)

1、脉冲当量和传动比的确定 (3)

2、机械部件(工作台)总体尺寸 (3)

3、工作载荷分析及计算 (4)

4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (5)

5、导轨的选型和计算 (10)

6、联轴器的选择及计算 (11)

7、传动系统等效转动惯量计算 (12)

8、步进电机的选用 (13)

三、控制系统设计 (18)

1、控制系统硬件的基本组成 (18)

2、接口程序初始化及步进电机控制程序 (19)

3、直线圆弧插补程序设计 (22)

四、设计总结 (30)

参考文献 (31)

一、 总体

1、总体参数

设计一个数控XY 工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。已知的设计参数如下：

最大铣刀直径mm Φ 最大铣削宽度 最大铣削深

度 加工材料 工作台加工范围（mm ） 最大移动速度 20 mm 10 mm

5 mm

碳钢

X=250，Y=200

3 m/min

2、开、半闭、闭环选择

开环伺服系统——步进电机驱动——没有检测装置

半闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——脉冲编码器——速度反馈 闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——位置检测装置——位置反馈 本设计采用开环步进电机驱动。

3、传动初步设计

电动机——联轴器——滚珠丝杠——工作台

4、系统组成框图

大致确定为：控制、接口、驱动、传动再到执行。

即为XY →→→→控制器接口电路驱动装置传动机构工作台

5、机械传动系统简图

X 轴与Y 轴的传动系统简图都如图所示

e a p

a

二、机械结构设计

1、脉冲当量和传动比的确定

1.1、脉冲当量的确定

根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量 为0.01mm 。

1.2、传动比的确定

传动比计算公式：P

b L i δθ3600

=

（参考文献【1】式2－1） 其中：b θ为步进电机的步距角，0L 为滚珠丝杠导程，P δ为系统脉冲当量。根据传动设计，采用联轴器，初选电机步距角︒=9.0b θ，丝杠导程mm L 40=，

mm P 01.0=δ。

则其传动比101

.03604

9.03600=⨯⨯==

P b L i δθ 2、机械部件(工作台)总体尺寸

由于工作台的加工范围为X ＝250mm ，Y ＝200mm 。工作台尺寸一般为工作台加工范围的1.1倍。所以：X ＝250×1.1＝275mm, Y ＝200×1.1＝220mm ，其厚度初定为30mm 。

选择工作台的型槽为T 型槽，查电子版《袖珍机械设计师手册》中的T 型槽和相应螺栓(摘自GB/T158-1996) 表3-25T 型槽和相应螺栓尺寸，可得所选T 型槽的参数：

A ＝10mm

B ＝18mm

C ＝8mm H ＝21mm 间距取50mm

p δ

一取工作台厚度为T 型槽厚度的2倍，即2×21＝42mm 。

工作台质量：333307.8102751022010421019.82M kg ρν---==⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯=,即纵向丝杠所承受的质量。

在工作台上的工件和夹具的质量估计为160M kg =

所以总的移动部件的重量为0119.826079.8280M M M kg kg kg =+=+=≈

3、工作载荷分析及计算

3.1销削力的分析与计算

铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用莫氏锥柄立铣刀,铣刀材料选择高速钢.根据工件材料为碳钢可确定铣削力的计算公式：

F Z =9.81C Fz ·a e 0.86·a f 0.72·d 0-0.86·a p ·Z （参考文献【1】表2-1）

式中各参数如下:

C Fz ———铣削力系数，C Fz =68.2（参考文献【1】表2-3） a e ———最大铣削宽度，本设计为10mm a p ———背吃刀量，本设计为5mm

Z ———铣刀齿数，选择粗齿，齿数取3（参考文献【2】表3-23） d 0 ———铣刀直径，查得d 0= 20mm(已知) a f ———每齿进给量（mm/齿），即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对

移动量，查得a f =0.04mm/齿（参考文献【2】表5-6）

故 ：

F Z =9.81×68.2×100.86×0.040.72×20-0.86×5×3=545 N 由表2－1和表2－2中f a 表示每齿进给量)/(齿mm ，即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，每齿进给量f a 、每转进给量)/(r mm f 和工作台进给速度v 三者之间的关系为 min)/(mm zn a v f = 式中z 为铣刀齿数，n 为铣刀转速min)/(r

可得工作台进给速度m in)/(72m in)/(600304.0mm mm zn a v f =⨯⨯==

3.2进给工作台工作载荷计算

作用在工作台上的合力F '与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F 大小相同，方向相反，合力F '就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷L F ，工作台横向进给方向载荷C F 和工作台垂直进给方向载荷V F 。

工作台工作载荷L F 、C F 和V F 与铣刀的切向铣削力z F 之间有一定的经验比值。因此，根据参考文献【1】表2-4，查工作台载荷与切向铣削力的经验比值：

求出z F 后，根据最大的经验比算，即可计算出工作台的计算载荷L F 、V F 和C F 。

N F F Z L 54554511=⨯=⨯= N F F Z C 1095452.02.0=⨯=⨯= N F F Z V 2185454.04.0=⨯=⨯=

4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核

4.1滚珠丝杠螺母副类型选择

4.1.1主要类型

采用回珠器处在螺母之内的钢珠内循环方式，另外，为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的钢度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，初步选用垫片预紧式。 4.1.2主要参数及代号 4.1.2.1滚珠丝杠副的主要参数

①公称直径m d ，数控机床常用的进给丝杠的公称直径m d 为mm 30φ至mm 80φ，但这是X-Y 工作台，m d 不用太大，初选020d mm =。