机电一体化系统综合课程设计_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

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

3214516050107.81090--⨯⨯⨯⨯⨯≈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：

223(2201403821558)7.81010 1.110107π--⨯⨯+⨯⨯⨯⨯⨯⨯+⨯≈()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 100B l = 动导轨行程 55l =

支承导轨长度 155B L l l =+= ②下导轨（Y 向）

50l = 100B l = 150L =

选择导轨的型号：GTA16 ⑶、直线滚动轴承的选型 ①上导轨

240()X G N =

②下导轨

287()Y G 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

H Q f P ω=

查表得系数1f ω=，1H f =，寿命值

6

6010nT

L =

查表得使用寿命时间T=15000h ，初选丝杠螺距t=4mm ，得丝杠转速

max 100010001

250(/min)4V n r t ⨯=

== 所以 6

6025015000

22510L ⨯⨯=

=

X 向丝杠牵引力

1.414x x P f G =当 ()f 当——当量摩擦系数

1.4140.01240 3.39()N =⨯⨯=

Y 向丝杠牵引力

1.4141.4140.01287 4.06()

y y

P f G N ==⨯⨯=当

所以最大动负荷

X 向 11 3.3920.6()x Q N =⨯⨯=

Y 向 11 4.0624.7()y Q N =

⨯⨯=

查表，取滚珠丝杠公称直径 010d mm =，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

见表2-1。

⑶、传动效率计算

7.260.973()(7.260.2)

tg tg tg tg γηγϕ===++

式中：ϕ——摩擦角；γ——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0L 的变化量

1PL L EF

=±

Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算

24.7()P N = 00.4()L cm =

6220.610(/)E N cm =⨯ ()材料为钢

()2

22

0.7983.140.52F R cm π⎛⎫=== ⎪⎝⎭

所以 616

24.70.5

1.210()20.6100.5

L cm -⨯=±

=±⨯⨯⨯ 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L 很小，可以忽略。 所以导程总误差