课程设计XY移动平台

摘要

本文主要对X-Y数控工作台机电系统及控制系统进行设计。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、工作平台、滚珠丝杠螺母副,以及伺服电动机等部件构成。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠的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已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要选用设计专用的微机控制系统。

关键字：X-Y数控工作台，滚珠丝杠螺母副，伺服电动机，微机控制系统。

目录

1设计任务 (3)

2总体方案的确定 (3)

2．1机械传动部件的选择 (3)

2．1．1导轨副的选用 (3)

2．1．2丝杠螺母副的选用 (4)

2．1．3减速装置的选用 (4)

2．1．4伺服电动机的选用 (4)

2．1．5检测装置的选用 (4)

2．2控制系统的设计 (5)

3机械传动部件的计算与选型 (6)

3．1导轨上移动部件的重量估算 (6)

3．2铣削力的计算 (6)

3．3直线滑动导轨副的计算 (7)

3．4滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (8)

3．4．1最大工作载荷Fm的计算 (8)

F的计算 (8)

3．4．2最大动工作载荷

Q

3．4．3初选型号 (9)

3．4．4传动效率η的计算 (9)

3．4．5刚度的验算 (9)

3．4．6压杆稳定性校核 (10)

3. 5步进电动机减速箱的选用 (11)

3．6步进电动机的计算与选型 (11)

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3．6．1计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量

eq

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3．6．2计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩

eq

分快速空载和承受最大负载两种情况进行计算： (12)

3．6．3步进电动机最大静转矩的选定 (15)

3．6．4步进电动机的性能校核 (16)

3．7增量式旋转编码器的选用 (18)

4步进电动机的驱动电源选用 (18)

5控制系统硬件电路设计 (19)

6控制系统的部分软件设计 (20)

6．1输入输出分配 (20)

6.2人机界面设计 (20)

6.3控制程序设计 (21)

参考文献 (21)

附录 (23)

1设计任务

题目：X-Y 数控工作台机电系统设计

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25d mm =。 2）立铣刀齿数2Z =。 3）最大铣削宽度20e mm α=。 4）最大背吃刀量5p mm α=。

5）X 、Y 方向的脉冲当量0.005/x y mm δδ==脉冲。 6）X 、Y 方向的定位精度均为0.02mm ±。

7）工作台面尺寸为450450mm mm ⨯，加工范围

300300mm mm ⨯。

8）工作台最快移动速度1800/min x y v v mm ==。 9）工作台进给移动速度400/min x y v v mm ==。

导轨组合：滚动——滚动

支承方式：双推——简支

2总体方案的确定

2．1机械传动部件的选择

2．1．1导轨副的选用

要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控

铣床的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小，定位精度高，因此，决定选用直线滑动导轨副，它具有刚

度高、制造简单、传动效率高、结构简单、安装预紧方便等优点。

2．1．2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0.005mm的脉冲当量和0.02mm

的定位精度，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。滚珠丝杠副的传动精度高、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。

2．1．3减速装置的选用

选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，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。为此，决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

2．1．4伺服电动机的选用

任务书规定的脉冲当量尚未达到0.001mm，定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有

1800mm/min。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。

2．1．5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的，为了确保电动机在运动过程中选用直线滑动导轨副

选用滚珠丝杠副

采用无间隙齿轮传动减速箱

选用步进电动机

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。

2．2控制系统的设计

1）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，选用三菱

FX3U系列的FX3U-48MT/ESS，应该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，在选择控制器之后，还要扩展输入输出设备

4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。选用增量式旋转编码器

控制系统设计成连续控制型

三菱FX3U系列的

FX3U-48MT/ESS