机电一体化课程设计

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=36mm；

2）立铣刀齿数 Z=3；

3）最大铣削宽度 ae=36mm；

4）最大背吃刀量ap=8mm；

5）加工材料为碳素钢或有色金属；

6）X、Y方向的脉冲当量ζx=ζy=0.0075mm／脉冲；

7）X、Y方向的定位精度均为±0.015mm；

8）工作台面尺寸为230mm×230mm，加工范围为600mm×230mm；

9）工作台空载最快移动速度Vxmax=Vymax=2360mm／min；

10）工作台进给最快移动速度Vxmaxf=Vymaxf=560mm／min。

总体方案的确定

1.机械传动部件的选择

（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，决定选用直线滚动导轨副，它具有摩擦系数小、不宜爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

（2）丝杆螺母副的选用

伺服电动机的旋转运动需要通过丝杆螺母副转换成直线运动，要满足0.005mm的脉冲当量和±0.002mm的定位精度，滑动丝杆副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到。滚珠丝杆副的传动精度高、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。

（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1540mm／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。

（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、丝杆螺母副、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.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，所以控制系统应该设计成连续控制型。2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52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，与步进电动机配套使用。

3.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、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杆副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为1000N。

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。则有表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：

Fc=

今选择铣刀直径d=50mm，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=50mm，背吃刀量ap=8mm，每齿进给量fz=，铣刀转速n=1500r／min。则由公式求得最大铣削力：

Fc=

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表3-5查得3-4a，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff=≈1771N，Fe=≈611..8N，Ffn=≈。图3-4a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台收到垂直方向的铣削力Fz=Fe=，受到水平方向的铣削力分别为Ff和Ffn。今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向（丝杆轴线方向），则纵向铣削力Fx=Ff=1771N，径向铣削力Fy=Ffn=。

3.直线滚动导轨副的计算与选型

（1）滑块承受工作载荷Fmax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。设计中的X-Y工作台为水平布置，采用双导轨、四滑块的支承形式。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：

Fmax=G／4+F

其中，移动部件重量G=800N，外加载荷F=Fz=，代入上式，得最大工作载荷Fmax=。

查表3-41，根据工作载荷Fmax=，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Ca=，额定静载荷C0a=。

任务书规定工作台面尺寸为230mm×230mm，加工范围为600mm×230mm，考虑工作行程

应留有一定余量，查表3-35，按标准系列，选取导轨的长度为640mm。

（2）距离额定寿命L的计算

上述选取的KL系列的JSA-LG15型导轨副滚道硬度为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3-36~表3-40，分别取硬度系数fH=、接触系数fc=、精度系数fR=、载荷系数fW=，代入式子得距离寿命：

L=

远大于期望值50Km，故距离额定寿命满足要求。

4.滚珠丝杆螺母副的计算与选型

（1）最大工作载荷Fm的计算

如上所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杆轴线平行）Fx=1771N，受到横向的载荷（与丝杆轴线垂直）Fy=，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=。

已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行过计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=，滚动导轨上的摩擦因数μ=。求得滚珠丝杆副的最大工作载荷：

Fm=KFx+μ（Fz+Fy+G）=[×1771+×（++800）]≈1957N

(2)最大动载荷FQ的计算

设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=560mm／min，初选丝杆导程Ph=5mm，则此时丝杆转速n=v／Ph=120r/min。

取滚珠丝杆的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/10 ,得丝杆寿命系数L0=108（单位为：10 r）。

查表3-30，取载荷系数fW=，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH=，代入式子求得最大动载荷：

FQ=

（3）初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杆导程，查表3-31，选择济宁博特精密丝杆制造有限公司生产的CM3205-4型滚珠丝杆副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为32mm，导程为5mm，循环滚珠为4圈×1列，精度等级取5级，额定动载荷为13675N，大于FQ，满足要求。

（4）传动效率η的计算

将公称直径d0=32mm，导程Ph=5mm，代入λ=arctan[Ph／(πd0)]，得丝杆螺旋升角λ=°。将摩擦角ψ=10′，代入η=tanλ／tan（λ+ψ），得传动效率η=％。

（5）刚度的演算

1）X-Y工作台上下两层滚珠丝杆副的支承均采用“单推-单推”的方式。丝杆的两端各采用一对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距离约为a=500mm；钢的弹性模量E=×10 MPa；查表3-31，得滚珠直径Dw=3.175mm，丝杆底径d2=28.2mm，丝杆截面积S=πd2／4=624.26mm2。

算得丝杆在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量

δ1=Fma/（ES）=[1957×500／﹙×10 ×﹚]=。

2）根据公式Z=（πd0／Dw）－3，求得单圈滚珠数Z=30；该型号丝杆为单螺母，滚珠