X-Y数控工作台毕业论文(机电一体化系统综合课程设计).docx

一、总体方案设计

1.1 设计任务

设计一个数控X-Y 工作台及其控制系统。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和腊摸、塑

料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm ，定位精度为0.025mm。

设计参数如下：负载重量 G=150N ；台面尺寸 C×B × H＝ 145mm × 160mm× 12mm ；底座外形尺寸 C1 × B1 × H1 ＝ 210mm × 220mm × 140mm ；最大长度 L=388mm ；工作台加工范围

X=55mm ， Y=50mm ；工作台最大快移速度为 1m/min 。

1.2 总体方案确定

（1）系统的运动方式与伺服系统

由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控

制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y 工作台。

（ 2）计算机系统

本设计采用了与MCS-51 系列兼容的AT89S51 单片机控制系统。它的主要特点是集成度高，可靠性好，功能强，速度快，有较高的性价比。

控制系统由微机部分、键盘、LED 、I/O 接口、光电偶合电路、步进电机、电磁铁功率放大

器电路等组成。系统的加工程序和控制命令通过键盘操作实现。LED 显示数控工作台的状态。

（3）X-Y 工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传

动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双 V 形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个

相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

考虑电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，为达到分辨率的要求，需采用齿轮降速传动。

图 1-1系统总体框图

二、机械系统设计

2.1 、工作台外形尺寸及重量估算

X向拖板（上拖板）尺寸：

长宽高145×160× 50

重量：按重量 =体积×材料比重估算

1451605010 37.810 290 N

Y 向拖板（下拖板）尺寸：145 16050

重量：约 90N。

上导轨座（连电机）重量：

(22014038215582 )7.810 210 31.1 10 107 (N )

夹具及工件重量：约150N。

X-Y 工作台运动部分的总重量：约287N 。

2.2 、滚动导轨的参数确定

⑴、导轨型式：圆形截面滚珠导轨

⑵、导轨长度

①上导轨（ X 向）

取动导轨长度l B100

动导轨行程l 55

支承导轨长度L l B l 155

②下导轨（ Y 向）

l50l B 100

L 150

选择导轨的型号：GTA16

⑶、直线滚动轴承的选型

①上导轨

G X240(N )

②下导轨

G Y287( N )

由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两

列 4 个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。

⑷、滚动导轨刚度及预紧方法

当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变

形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；

当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性

变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。

2.3 、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。

⑴、最大动负载Q的计算

Q3L f f H P

查表得系数f 1 ， f H1，寿命值

60nT

L

106

查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速

1000V max1000 1

n250( r / min)

t4

所以L 6025015000

106225

X向丝杠牵引力

P x 1.414 f当G x( f当——当量摩擦系数 )

1.4140.01240 3.39( N )

Y向丝杠牵引力

P y 1.414 f当G y

1.4140.01287 4.06(N)

所以最大动负荷

X向Q x3 22511 3.3920.6(N )

Y向Q y3 22511 4.0624.7(N )

查表，取滚珠丝杠公称直径d010mm ，选用滚珠丝杠螺母副

的型号为SFK1004 ，其额定动载荷为390N，足够用。

⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算

表 2-1滚珠丝杠螺母副几何参数

名称符号计算公式和结果

公称直径d010

螺距t4

接触角45o

钢球直径d q2

螺纹滚道螺纹滚道法面半径R R0.52d q 1.04

偏心距e e R d q / 2 sin0.03

螺纹升角

arc tg t7.26o

d0

螺杆外径d d d00.2 ~ 0.25 d q9.5螺杆螺杆内径d l d l d02e2R7.98

螺杆接触直径 d z d z d0d q cos8.59

螺母螺纹外径D D d02e 2R 12.02螺母螺母内径（外循环）D1D1d00.2 ~ 0.255 d q10.5见表 2-1 。

⑶、传动效率计算

tg tg 7.26 o

0.973

tg ()tg (7.26 o0.2o )

式中：——摩擦角；——丝杠螺纹升角。

⑷、刚度验算

滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程L0的变化量

VL1PL0

EF

Y向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算

P24.7( N )L00.4(cm)

E20.6106 ( N / cm2 )材料为钢

0.7982

F R2 3.140.5 cm2

2

所以VL124.7 0.5 1.210 6 (cm)

20.61060.5