数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计

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1、数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计1引言数控机床作为机屯一体化的典型产品，在机械制造业中发挥着巨大的作用，很好地解决了现代机械制造屮结构复杂、精密、批量小、多变零件的加工问题，且能稳定产品的加工质量，大幅度提高生产效率。X-Y数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵一横向进刀机构、数控铳床和数控钻床的X-Y工作台、激光加工设备的工作台、电了元件表面贴装设备等。模块化的X-Y数控工作台，通常出导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其屮伺服电动机做执行元件用来

2、驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在X、Y方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需耍，可以选取用标准的工作控制计算机,也口J以设计专用的微机控制系统。2设计任务题戸：数控车床工作台二维运动伺服进给系统设计任务：设计一种供应式数控铳床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下:1.立铳刀最大直径的d二15mm；2•立铳刀齿数2>3;3.最大铳削宽度^=15mm;4.最大背吃刀量ap=8mm;5

3、.加工材料为碳索钢活冇色金属。6.X、Y方向的脉冲当量4=4二0.01mm;7.X、Z方向的定位精度均为0.04mm;3.重复定位精度为0.02mm;4.工作台尺寸250X250mm；5.X坐标行程300mm;6.Y坐标行程120mm;7.工作台空载进给最快移动速度：Vxoaxt=Vznaxt=1500mni/min;8.工作台进给最快移动速度：匕maxr=Kmax/=400mm/min;3总体方案确定3.1机械传动部件的选择3.1.1导轨副的选用要设计数控车床X-Z工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲

4、当量小，定位精度不是很高，因此选用直线滑动导轨副，它具冇摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。3.1.2丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足0.004mm冲当量和±0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、动态响应快、运传平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。3.1.3伺服电动机的选用任务书规定的脉冲当量尚未达到O.Olmni,定位精度也未达到微米级，空载最快移动速度也只有

5、因此1500mm/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，捉高性价比。3.1.4减速装置的选用为了圆整脉冲当量，放人电动机的输出转矩，降低运动部件折算到屯动机转轴上的转动惯量，需要设置减速装置，H应有消间隙机构。因此决定釆用无间隙齿轮传动减速箱。3.1.5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屯动机來说还是偏高，为了确保屯动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定米用半闭环控制，拟在电动

6、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、Z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、Z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相同的型号与规格。3.2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）对丁•步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位

7、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）选择合适的张动电源，与步进电动机配套使用。3.3绘制总体方案图总体方案图如图所示：微型机械行构机执机系统结构原理框图4机械传动部件的计算与选型4.1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、导轨座等,估计重量约为500N4

8、.2铳削力的计算设零件的加工方式为立式铳削，采用硬质合金立铳刀，工件的材料为碳钢。则由表3-7杳得立铳时的铳削力计算公式为：^=118a^5e75d-°-73a*°n0J3Z(6-11)今选择铳刀的直径为d=15mm,齿数Z二3,为了计算最大铳削力，在不对称铳削情况下，取最大铳削宽度为ae=15mm,背吃刀量°厂8mm,每齿进给量f7=O.lmm,铳刀转速n=300r/mino则由式(6-11)求的最大铳削力:Fc=118x15°'85x0