X-Y十字滑台之Y轴设计

一、设计任务

题目：X-Y数控工作台机电系统设计

任务：设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台、

主要参数如下：

1）、立铣刀最大直径d=10mm

2）、立铣刀齿数Z=3

3）、最大铣削宽度a e=15mm

4）、最大背吃刀量a p=6mm

5）、加工材料为碳素钢或有色金属

6）、X、Y方向的脉冲当量δx=δy=0.005mm/脉冲

7）、X、Y方向的定位精度均为±0.01mm

8）、工作台面尺寸为230mm³230mm，加工范围为250mm³250mm

9）、工作台空载最快移动速度Vxmax=Vymax=2000mm/min

10）、工作台进给最快移动速度Vxmax=Vymax=300mm/min

11）、每齿进给量F=0.1mm

12）、铣刀转速n=300r/min

13）、下导轨移动重量G=800N，上导轨移动重量G=600N

二、总体方案的确定

1、机械传动部件的选择

（1）、导轨副的选择要设计的XY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，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

（2）、丝杠螺母副的选择伺服电机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线

运动，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.01mm的定位精度，华东丝杠副无能为力，只有选择滚珠丝杠才能达到。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。

（3）、减速装置的选用选择了步进电机和滚珠丝杠副以后，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，且有消间隙机构。为此，本次设计采用无间隙齿轮传动减速箱。

（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3000mm/min。因此，奔设计不必采用

高档次电动机，如交流伺服电动机或者直流伺服电动机等，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。

（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

机在运转过程中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

检测装置拟采用的型号与规格。

2、控制系统的设计

1）、设计的XY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

坐标直线插补和圆弧查补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。

2）、对于步进电机的半闭环控制，选用MPC07型运动控制卡作为控制系统的CPU，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CPU之后还需要扩展程序内存储器、数据

存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。

4）、选择合适的驱动电源，与步进电机配套使用。

三、机械传动部件的计算与选型

1、导轨上移动部件的重量估算

按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，重量约为600N。

2、铣削力的计算

设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。由表查的立铣时的铣削力计算公式为：

F e=118a e0.85f z0.75d-0.73a p1.0n0.13Z （3-1）

今选择铣刀直径d=10mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情

况下，取最大铣削宽度ae=15mm，背吃刀量ap=6mm，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=300r/min。则由（3-1）求得最大铣削力：

F e=118³150.85³0.10.75³10-0.73³61.0³3000.13³3 N≈1475N

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得。考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：F f=1.1F e=1622N，F e=0.38F e=560N，

F fn=0.25F e=369N。现考虑从立铣，则工作台垂直方向的铣削力F z=F fn=560N，受到水

平方向的铣削力分别为F f和F fn。今将水平方向交大的铣削力分配给工作台纵向（丝杠轴线方向），则纵向铣削力F x=F f=1622N，径向铣削力F y=F fn=369N。

3、直线滚动导轨副的计算与选型

（1）、滑块承受工作载荷F max的计算及导轨型号的选取工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。本设计中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支撑形式。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：

F max=G/4+F (3-2)

其中，移动部件重量G=600N，外加载荷F=Fz=560N，代入式（3-2），最大工作载荷F max=710N=0.71kN。

查表，根据工作载荷F max=0.71kN，初选直线滚动导轨副的型号为KL系列的JSA-LG15型，其额定动载荷C a=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。

任务书规定工作台面尺寸为230mm³230mm，加工范围为250mm³250mm，考虑工作行程应留有一定余量，查表，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。

（2）、距离额定寿命L的计算上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副

的滚道硬度为60HRC，工作温度不超过100℃，每根导轨上配有两只滑块，精度为4级，工作速度较低，载荷不大。查表，分别取硬度系数f H=1.0、温度系数f T=1.00、接触系数f C=0.81、精度系数f R=0.9、载荷系数f W=1.5，代入式：

L=（f H f T f C f R C a/f W F max）3³50≈8027km

远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。

4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型

（1）最大工作载荷F m的计算如前面所述，在立铣时，工作台收到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）F x=1622N，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）F y=369N，