xy数控工作台机电系统设计尹志强合肥工业大学

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1、目录一、设计目的3二、设计任务4三．总体方案的确定41、机械传动部件的选择…….4(1)丝杠螺母副的选用5(2)导轨副的选用5(3)伺服电动机的选用52、控制系统的设计53、绘制总体方案图6四、机械传动部件的计算与选型61、导轨上移动部件的重量估算62、铣削力的计算6五、步进电动机的计算与选型101、传动计算102、计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq103、计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq114、步进电动机最大静转矩的选定13六、直线滚动导轨副的计算与选型151、块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取152、距离额定寿命L的计算1516七、绘制进给传动系统

2、示意图16八、控制系统硬件电路设计16九、步进电动机的驱动电源选用19结束语19参考文献...................................................................2016一、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.立铣刀最大直径的d=15mm；2.立铣刀齿数Z=3；3.最大铣削宽度=15mm；4.最大背吃刀量=8mm；5.加工材料为碳素钢活有色金属；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±0.01m

3、m；8.工作台尺寸230mm×230㎜，加工范围为250mm×250mm；9.工作台空载进给最快移动速度：Vxmax=Vymax=3000mm/min；10.工作台进给最快移动速度:Vxmax=Vymax=400mm/min；二．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数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且定位精度高，因此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，安装预紧方便好且精度保持性等优点。选滚珠导轨，适合用于导轨上运动部件重量小于200kg的机床，摩擦阻力小，制造容易，成本较低。(2)丝杠螺母副的选用①伺服电动机的旋转

4、运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足±0.001mm16的定位精度，滑动丝杠副不能达到要求，因此选用滚珠丝杆副，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。②轴向间隙的调整和预紧方式：选用垫片调隙式，这种方法结构简单、刚性好、装卸方便，适用于一般精度的机构③滚珠丝杠的安装：采用一端固定，一端游动的方式，因其压杆稳定性和临界转速较高(3)伺服电动机的选用任务书规定的定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有因此3000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。2

5、、控制系统的设计1）设计的X-Z工作台准备用在数控车床上，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MCS-51系列的8位单片机AT89S52作为控制系统的CPU，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，还要扩展程序存储器，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。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、工作平

6、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,估计重量约为800N。162、铣削力的计算采用硬质合金立铣刀，工件的材料为碳钢，根据《金属切屑原理与刀具》200页表15-5得硬质合金立铣刀铣削力经验公式FC=118e0.85fz0.75d-0.73ap1.0n0.1其中铣刀的直径d=15mm，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=8mm，查《切削用量简明手册》可得，每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=300/min。则由上公式求得最大铣削力：FC=118x0.85x0.10.75x15-0.73x8

7、1.0x3000.1x1=1233N考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff=1Fc=1356N，Fe=0.38Fc=308N，Ffm=469N则工作台受到垂直方向的铣削力Fz=Fe=308N，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（丝杠轴线方向），则纵向铣削力Fx=Ff=1356N，径向铣削力Fy=Ffn=469N。3直线滚动导轨副的计算与选型1）、滑块承受工作载荷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。本例中的X-Y工作台为水