XY数控工作台机电系统设计.docx

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XY数控工作台机电系统设计

X-Y数控工作台机电系统设计

前言

题目9：

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=15mm；

（2）立铣刀齿数Z=3；

（3）最大铣削宽度ae=12mm；

（4）最大铣削深度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250mm×250mm，

加工范围为260mm×260mm；

（9）工作台空载最快移动速度vxmax=vymax=3000mm/min；

（10）工作台进给最快移动速度vxmaxf=vymaxf=400mm/min。

总体方案设计

1．机械传动部件的选择

（1）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。

为此本例决定采用无间隙齿轮传动减速箱

（2）导轨副的选用

要设计数控铣床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，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，安装预紧方便等优点。

（3）伺服电机的选用

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低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选的脉冲当量达到0.005mm，定位精度未达到微米级，空载最快移动速度3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比

（4）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。

（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。

2、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轮廓控制，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，还要扩展程序存储器，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和选择

（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。

则由表3-7查得立铣时的铣削力计算公式为：

ap1.0n0.13Z

且立铣刀最大直径d=15mm，齿数Z=3，最大铣削宽度ae=12mm，最大铣削深度ap=8mm，查表得知d=15mm的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：

每齿进给量fz=0.1mm，铣刀转速n=300r/min。

则由计算公式得出：

Fc=118ⅹ120.85ⅹ0.10.75ⅹ15-0.73ⅹ81.0ⅹ3000.13ⅹ3N≈1217N

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，结合图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=1.1Fc≈1338N，Fe=0.38Fc≈462N，Ffn=0.25Fc≈304N。

考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力Fz，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，则纵向铣削力Fx，径向铣削力为Fy。

则：

Fx=Ff=1338N，Fy=Ffn=304N，Fz=Fe=462N

4、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：

Pc=  F（6-12）

其中，移动部件重量G＝800N，外加载荷F=Fz=462N，代入（6-12）式得最大工作载荷PC=

662N=0.662KN，查表3-41，根据工作载荷PC=0.662kN，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=7.94kN，额定静载荷C0a=9.5kN。

任务书规定工作台面尺寸为250mmⅹ250mm，加工范围为260mmⅹ260mm,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580mm

（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3-36～表3-40，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，代入式（3-33），得距离寿命：

≈9902Km,远大于期望值50km，故距离额定寿命满足要求。

5、滚珠丝杠螺母副的计算与选型

（1）最大工作载荷Fm的计算

在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）Fx=1338N受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）Fy=304N，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）Fz=462N，已知移动部件总重量G=800N，按矩形导轨进行计算，查表3-29，取颠覆力矩影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦因数μ=0.005。

求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

Fm=KFx+μ（Fz+Fy+G）=1.1ⅹ1338+0.005（462+304+800）≈1480N

（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=400mm/min，初选丝杠导程PH=5mm，则此时丝杠转速n=v/Ph=80r/min。

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h，代入L0=60nT/106，得丝杠寿命系数L0=72（单位为：

106r）。

查表3-30，取载荷系数fW=1.2，滚道硬度为HRC60时，取硬度系数fH=1.0，代入式（3-23），求得最大动载荷：

FQ          ≈8881N

（3）初选型号

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查表3-32，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的G系列2005-3型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为20mm，导程为5mm，循环滚珠为3圈×1列，精度等级取4级，额定动载荷为9309N，大于FQ，满足要求。

（4）传动效率η的计算

将公称直径d0=20mm，导程Ph=5mm，代入λ=arctan[Ph/（πd0）]，得丝杠螺旋升角λ=433′。

将摩擦角φ=10′，代入η=tanλ/tan（λ+φ）,得传动效率η=96.4%。

（5）刚度的验算

①X-Y工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“单推-单推”的方式。

丝杠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＝2.1 Mpa；查表3-32，得滚珠直径=3.175mm，丝杠底径=16.2mm，丝杠截面积/4=206.12mm2。

算得丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量δ1=Fma/（ES）=1480ⅹ500/（2.1ⅹ206.12）≈0.0171mm

②根据公式（Z=πd0/Dw）-3求得单圈滚珠数Z=20,该型号丝杠为单螺母，滚珠的圈数×列数为3×1，代入公式：

ZΣ＝Z×圈数×列数，得滚珠总数量 ZΣ=60。

丝杠预紧时，取轴向预紧力Fyj=Fm/3=493N,则δ2≈0.018,因为丝杠加有预紧力，且为轴向负载的1/3，所以实际变形量可减小一半，取δ2=0.009

③将以上算出的δ1和δ2代入    求得丝杠总变形量（对应跨度500mm）δ总=0.0261mm=26.1μm。

由表3-27知,5级精度滚珠丝杠有效行程在315~400mm时，行程偏差允许达到25μm，可见丝杆刚度足够。

（6）压杆稳定性校核

滚珠丝杠是属于受轴向力的细长杆，如果轴向负载过大，则可能产生失稳现象。

失稳时的临界Fk应满足：

Fk=fkπ2EI/Ka2≥Fm          （3-28）

查表3-31

取支承系数fk=1；由丝杠底径d2=16.2mm，求得截面惯性矩

≈3380.88mm

压杆稳定安全系数K取3（丝杠卧式水平安装）；滚动螺母至轴向固定处的距离a取最大值500mm。

代入式（3-28），得临界载荷Fk≈9343N，远大于工作载荷Fm=1480N故丝杠不会失稳。

综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。

6、步进电动机减速箱的选用

为了满足脉冲当量的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机转轴上尽可能地小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮减速箱。

采用一级减速，步进电动机的输出轴与小齿轮联接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮联接。

其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消除侧隙。

已知工作台的脉冲当量δ=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的导程Ph=5mm，初选步进电动机的步距角α=0.75°算得减速比：

i=（αPh）/（360δ）=（0.75×5）/（360×0.005）=25:

12

本设计选用常州市新月电机有限公司生产的JBF-3型齿轮减速箱。

大小齿轮模数均为1mm，齿数比为75:

36，材料为45号调质钢，齿表面淬硬后达HRC55。

减速箱中心距为[（75+36）×1/2]mm＝55.5mm，小齿轮厚度为20mm，双片大齿轮厚度均为10mm。

7、步进电动机的计算与选型

（1）计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量Jeq

已知：

滚珠丝杠的公称直径d0=20mm，总长L=500mm，导程Ph＝5mm，

材料密度；移动部件总重量G=800N;小齿轮宽度b1＝20mm，直径d1=36mm;大齿轮宽度b2＝20mm，直径d2=75mm；传动比i=25/12。

参照表4-1，算得各个零部件的转动惯量如下：

滚珠丝杠的转动惯量Js=0.617kg*cm2拖板折算到丝杠上的转动惯量Jw=0.517kg*cm2小齿轮的转动惯量Jz1=0.259kg*cm2大齿轮的转动惯量Jz2=4.877kg*cm2。

初选步进电动机型号为90BYG2602，为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相四拍驱动时步距角为0.75o，从表4-5查得该型号电动机转子的转动惯量。

则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：

Jeq=Jm+Jz1+（Jz2+Jw+Js）/i2=30.35kg*cm2

（2）计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩Teq分快速空载起动和承受最大工作负载两种情况进行计算。

快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩Teq1

Teq1=Tamax+Tf+T0                                 （4-8）

又因为T0  相对于Tamax和Tf很小，可以忽略不计，所以

Teq1=Tamax+Tf

考虑传动链的总效率η，计算快速空载起动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩：

（4-9）

其中

将以上各值代入得nm=1250r/min。

步进电动机由静止到加速至nm转速所需时间ta=0.4s，传动链总效率η=0.7。

则由式（4-9）求得：

Tamax=（2πⅹ30.35ⅹ10-4ⅹ1250）/（60ⅹ0.4ⅹ0.7）≈1.42（N*m）

移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：

则：

Tf≈0.002（N*m）

所以求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：

Teq1=1.422N

最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩Teq2，其包括三部分：

一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt；一部分是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩Tf；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩T0，T0相对于Tt和Tf很小，可以忽略不计。

则有：

Teq2=Tt+Tf

其中，折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩Tt本例中在对滚珠丝杠进行计算的时候，已知沿着丝杠轴线方向的最大进给载荷Fx=1338N，则有：

Tt=FfPh/2πηi=（1338ⅹ0.005）/（2πⅹ0.7ⅹ25/12）≈0.73（N*m）

再计算垂直方向承受最大工作负载（Fz=462N）情况下，移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩：

=[0.005ⅹ（462+800）ⅹ0.005]/（2πⅹ0.7ⅹ25/12）≈0.003（N*m）

最后求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩为：

Teq2=Tt+Tf=0.733N*m

经过上述计算后，得到加在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩应为：

Teq=max{Teq1，Teq2}=1.422N*m

（3）步进电动机最大静转矩的选定

考虑到步进电动机的驱动电源受电网电压影响较大，当输入电压降低时，其输出转矩会下降，可能造成丢步，甚至堵转。

因此，根据来选择步进电动机的最大静转矩时，需要考虑安全系数。

本例中取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足

Tjmax≥4Teq=4ⅹ1.422=5.688N*m          

上述初选的步进电动机型号为90BYG2602，由表4-5查得该型号电动机的最大静转矩Tjmax=6N·m。

可见，满足要求。

（4）步进电动机的性能校核

①最快工进速度时电动机输出转矩校核

任务书给定工作台最快工进速度Vmax=400mm/min，脉冲当量δ=0.005mm/脉冲，由上式求出电动机对应的运行频率

fmaxf=[400/（60×0.005）]Hz≈1333Hz。

从90BYG2602电动机的运行矩频特性曲线图6-24可以看出，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf≈5.6N·m，远远大于最大工作负载转矩Teq2=0.733N·m，满足要求。

②最快空载移动时电动机输出转矩校核

任务书给定工作台最快空载移动速度Vmax=3000mm/min，求出电动机对应的运行频率fmax=[3000/（60×0.005）]Hz=10000Hz。

从图6-24查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmax=1.8N·m，大于快速空载起动时的负载转矩Teq1=1.422N·m，满足要求。

③最快空载移动时电动机运行频率校核

最快空载移动速度Vmax=3000mm/min对应的电动机运行频率   =10000Hz。

查表4-5可知90BYG2602电动机的极限运行频率为20000Hz，可见没有超出上限。

④起动频率的计算

已知电动机转轴上的总转动惯量Jeq=30.35kg*cm2电动机转子的转动惯量Jm=4kg*cm2，电动机转轴不带任何负载时的最高起动频率fq=1800Hz.

则可以求出步进电动机克服惯性负载的起动频率：

=614Hz

上式说明，要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于614Hz。

实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz（即100脉冲/s）。

综上所述，本例中工作台的进给传动选用90BYG2602步进电动机，完全满足设计要求。

6-2490BYG2602步进电动机的运行矩频特性曲线

8.增量式旋转编码器的选用

本设计所选步进电动机采用半闭环控制，可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。

由步进电动机的步距角α=0.75o，可知电动机转动一转时，需要控制系统发出360/α=480个步进脉冲。

考虑到增量式旋转编码器输出的A、B相信号，可以送到四倍频电路进行电子四细分，因此，编码器的分辨率可选120线。

这样控制系统每发一个步进脉冲，电动机转过一个步距角，编码器对应输出一个脉冲信号。

本例选择编码器的型号为：

ZLK-A-120-05VO-10-H：

盘状空心型，孔径10mm，与电动机尾部出轴相匹配，电源电压+5V，每转输出120个A/B脉冲，信号为电压输出，生产厂家为长春光机数显技术有限公司。

四．作台机械装配图的绘制

五．工作台控制系统的设计

（一）微处理器的选择

根据设计要求，系统控制的主要功能是对步进电机的脉冲频率及其分配的控制。

同时在实现这一主功能的基础上，附带若干协助功能，如显示、预置、时间、键盘等。

结论：

1、系统对内存要求不高。

2、系统处理的运算不是很复杂，对CPU的计算速度要求不高。

3、为扩展键盘、显示、掉电保护等功能，要求系统提供较多的口线和完善的中断系统。

考虑到上面的原因，这里可以采用市面供应充分，性能价格比较好的AT89C52作为系统的微处理器。

（二）系统扩展

系统中采用键盘实现输入，并采用LED显示器，它们均需要占用较多芯片口线，所以该系统是需要进行系统扩展的。

可编程并行接口8255A是一种应用广泛的并行接口扩展器件。

它具有三个8位并行口PA、PB、PC由此提供了24条口线。

（三）步进电机驱动电路设计

步进电机的驱动电路设计主要涉及脉冲分配器的选择问题和驱动电路的选则问题。

时下脉冲分配器主要有两种：

一种是硬件脉冲分配器（国内主要有YB系列），另一种是软件脉冲分配器。

软件脉冲分配器不需要额外的电路，相应的降低了系统的成本，虽然这种方法占用了一定的计算机运行时间，但是在该设备中计算机有足够的资源来担当脉冲分配任务。

该系统采用软件来进行脉冲分配更为合理。

单片机与步进电机的接口电路步进电机的驱动电路采用斩波限流驱动方式，这种电路采用单一高压电源供电，以加快电流的上升速度，并通过对绕组电流的检测，控制功放管的开和关，使电流在控制脉冲持续期间始终保持在规定值上下，这种电路出力大，功耗小，效率高，目前应用较广

六．步进电动机驱动电源的选用

本例中X、Y向步进电动机均为90BYG2602型，生产厂家为常州宝马集团公司。

查表4-14，选择与之配套的驱动电源为BD28Nb型，输入电压100VAC，相电流4A，分配方式为二相八拍。

该驱动电源与控制器的接线方式如图6-25所示。