内容发布更新时间 : 2024/7/1 5:31:25星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

X-Y数控工作台机电系统设计

一、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 =15 mm； （2）立铣刀齿数Z=3； （3）最大铣削宽度ae=15 mm； （4）最大铣削深度ap=8 mm； （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 ± 0.01 mm；

（8）工作台面尺寸为230 mm×230 mm，加工范围为250 mm×250 mm； （9）工作台空载最快移动速度vxmax = vymax = 3000 mm/min； （10）工作台进给最快移动速度vxmaxf = vymaxf = 400 mm/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

要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，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，要满足0.005mm的脉冲当量和 ±0.01mm的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。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

选择了步进电动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，且应有消间隙机构，所以采用无间隙齿轮传动减速箱。

（4）伺服电动机的选用

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任务书规定的脉冲量尚未达到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，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率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。 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

按照下导轨之上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、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。 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。则查表得立铣时的铣削力计算公式为：

0.850.75?0.731.00.13Fc?118aefzdapnZ （1）

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今选择铣刀直径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，铣削深度ap=8mm，每齿进给量fz?0.1mm，铣刀转速

n?300r/min。则由式（1）求得最大铣削力：

Fc=118×150.85×0.10.75×15-0.73×81.0×3000.13×3 N≈1463 N

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由查表，并考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：Ff =1.1Fc≈1609N，Fe =0.38Fc≈556N，

Ffn =0.25Fc≈366N，工作台受到垂直方向的铣削力Fz= Fe =556N，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=1609N，径向铣削力Fy =Ffn= 366N。 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向载荷为：

G PC??F （2）

4其中，移动部件重量G＝800N，外加载荷F= Fz= 556N，代入（2）式得最大工作载荷PC=756N=0.756kN。查表，根据工作载荷PC=0.756kN，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=7.94 kN，额定静载荷C0a=9.5 kN。任务书规定工作台面尺寸为230mm×230mm，加工范围250mm×250mm，考虑工作行程应留有一定余量，按标准系列，选取导轨的长度为520mm。

（2）距离额定寿命的计算

上述选取的KL系列JSA-LG15型导轨副的滚道硬度为HRC60，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fH=1.0，温度系数fT=1.00，接触系数fC=0.81，精度系数fR=0.9， 载荷系数fW=1.5，得距离寿命：

ffffCL?(HTCR?a)3?50?6649kmfWpc 远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。

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