XY数控工作台设计说明书25页.docx

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XY数控工作台设计说明书25页

机电一体系统综合课程设计

X-Y数控工作台设计说明书

一、总体设计方案

1.导轨副的选用

导轨副的种类：

1）滚柱交叉导轨副是由两根具有V型滚道的导轨、滚子保持架、圆柱滚子等组成，相互交叉排列的圆柱滚子在经过精密磨削的V型滚道面上作往复运动，可承受各个方向的载荷，实现高精度、平稳的直线运动。

特 点：

1.滚柱导轨块是一种精密的直线滚动导轨，具有较高的承载能力和较高的刚性，对反复动作、起动、停止往复运动频率较高情况下可减少整机重量和传动机构及动力费用。

2.滚柱导轨块可获得较高的灵敏度和高性能的平面直线运动。

在重载或变载的情况下，弹性变形较小且能获得平稳的直线运动，没有爬行。

3.滚柱导轨块由于其滚动体--滚柱在滚动时导向好，能自动定心，故可提高机械的定位精度。

4.滚柱导轨块中的滚柱在基体中循环运动，故采用滚动导轨块，不受机床床身长度的限制，可根据承载大小及选用规格确定导

轨块数量。

5.滚柱导轨块的应用面较广，小规格的可用在模具、仪器等的直线运动部件上，大规格的则可用于重型机床、精密仪器的平面直线运动，尤其适用于NC、CNC数控机床。

6.滚动摩擦力阻力低，稳定性能好； 

7.起动摩擦力小，随动性能好； 

8.接触面积大，弹性变形量小，有效运动体多，易实现高刚性、高负荷运动；结构设计灵活，安装使用方便。

2）直线滚动导轨副

特点：

具有摩擦因数小，不易爬行，便于安装和预紧，结构紧凑等优点，其缺点是抗振性较差，成本较高。

直线滚动导轨副有导轨和滑块两部分组成，一般滑块中装有两组滚珠，当滚珠从工作轨道滚到滑块短部时，会经端面挡板和滑块中的返回导轨返回在导轨和滑块之间的滚道内循环滚动。

3）静压导轨副

特点：

将具有一定压力的油或气体介质通入导轨的运动件与导向支承件之间，运动件浮在压力油或气体薄膜之上，与导向支承件脱离接触至使摩擦阻力大大降低。

运动件受外载荷作用后，介质压力会反馈升高，以支撑外载荷。

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

丝杠螺母副的种类：

滑动丝杠副：

特点：

1）结构简单、制造容易。

由于滑动丝杠副为一般的丝杠制造容易、螺母所组成，故其结构简单。

2）减速传动比大，由于当丝杠转过一周时，做得很小，因此，采用滑动丝杠副。

3）摩擦力大、螺母只移动一个导程，而导程可以杠副可以得到很大的减速比。

f-D动效率低滑动丝杠副的工作面为滑动摩擦，故其摩擦阻力大，传动效率低。

4）具有自锁性。

当使其螺旋升角小于摩擦角时，具有自锁性。

5）运转平稳则可以使滑动丝杠副具有自由于丝杠与螺母的啮合是连续的，而且同时呛金多。

所以其运转平稳、无噪声。

但低速或微调时可能出现爬行。

滚珠丝杠副：

滚珠丝杠副是在丝杠和螺母的滚道之间放入适量的滚珠，使螺纹间产生滚动摩擦。

其作用是将旋转运动转变为直线运动或将直线运动转变为旋转运动。

丝杠或螺母转动时，带动滚球沿螺纹滚道滚动，螺母的螺旋槽两端设有滚球回程引导装置，滚球通过此装置自动返回其入口，形成循环回路。

特点：

传动效率高，运动平稳，使用寿命长等特征，广泛应用于各种工业设备，精密仪器和数控机床等。

选用滚珠丝杠副的理由：

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0.04mm的脉冲当量和±0.02mm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.伺服电动机的选择

1）直流伺服电动机：

直流无刷伺服电机特点：

转动惯量小、启动电压低、空载电流小；弃接触式换向系统，大大提高电机转速，最高转速高达100000rpm；无刷伺服电机在执行伺服控制时，无须编码器也可实现速度、位置、扭矩等的控制；不存在电刷磨损情况，除转速高之外，还具有寿命长、噪音低、无电磁干扰等特点。

直流有刷伺服电机特点：

体积小、动作快反应快、过载能力大、调速范围宽。

低速力矩大,波动小，运行平稳。

低噪音,高效率。

后端编码器反馈（选配）构成直流伺服等优点。

2）交流伺服电动机：

异步型交流伺服电动机特点：

异步型交流伺服电动机指的是交流感应电动机。

它有三相和单相之分，也有鼠笼式和线绕式，通常多用鼠笼式三相感应电动机。

其结构简单，与同容量的直流电动机相比，质量轻1/2，价格仅为直流电动机的1/3。

缺点是不能经济地实现范围很广的平滑调速，必须从电网吸收滞后的励磁电流。

因而令电网功率因数变坏。

同步型交流伺服电动机：

同步型交流伺服电动机虽较感应电动机复杂，但比直流电动机简单。

它的定子与感应电动机一样，都在定子上装有对称三相绕组。

而转子却不同，按不同的转子结构又分电磁式及非电磁式两大类。

非电磁式又分为磁滞式、永磁式和反应式多种。

其中磁滞式和反应式同步电动机存在效率低、功率因数较差、制造容量不大等缺点。

数控机床中多用永磁式同步电动机。

与电磁式相比，永磁式优点是结构简单、运行可靠、效率较高；缺点是体积大、启动特性欠佳。

但永磁式同步电动机采用高剩磁感应，高矫顽力的稀土类磁铁后，可比直流电动外形尺寸约小1/2，质量减轻60﹪，转子惯量减到直流电动机的1/5。

它与异步电动机相比，由于采用了永磁铁励磁，消除了励磁损耗及有关的杂散损耗，所以效率高。

又因为没有电磁式同步电动机所需的集电环和电刷等，其机械可靠性与感应（异步）电动机相同，而功率因数却大大高于异步电动机，从而使永磁同步电动机的体积比异步电动机小些。

这是因为在低速时，感应（异步）电动机由于功率因数低，输出同样的有功功率时，它的视在功率却要大得多，而电动机主要尺寸是据视在功率而定的。

3）步进电动机：

反应时步进电机：

反应式步进电动机的定子和转子不含永久磁铁，定子上绕有一定数量的绕组线圈，线圈轮流通电时，便产生一个旋转的磁场，吸引转子一步一步地转动。

绕组线圈一旦断电，磁场即消失，所以反应式步进电动机掉电后不自锁。

此类电动机结构简单，材料成本低，驱动容易，定子和转子加工方便，步矩角可以做得很小，但动态性能差一点，容易出现低频振荡现象，电动机温升较高。

永磁式步进电动机：

永磁式步进电动机的转子由永久磁钢制成，定子上的绕组线圈在换相通电时，不需要太大的电流，绕组断电时具有自锁能力，这种电动机的特点是动态性能好，输出转矩大，驱动电流小，电动机不易发热，但制造成本较高。

由于转子受磁钢加工的限制，因而步矩角较大，与之配套的驱动电源一般要求具有细分功能。

混合式步进电动机：

混合式步进电动机的转子上嵌有永久磁钢，可以说是永磁型，但是从定子和转子的导磁体来看，又和反应式相似，所以是永磁式和反应式相结合的一种形式，故称为混合式。

该类电动机的特点是输出转矩大，动态性能好，步矩角小，驱动电流小，功耗低，但结构稍复杂，成本相对较高。

因为混合式电动机的性能/价格比较高，所以目前得到了广泛的应用。

选择的理由：

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3000r/min，只能选用混合式步进电动机，以减低成本，提高性价比。

4.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，决定采用无间隙齿轮传动减速器。

5.检测装置的选用

选用步进电动机作为伺服电动机后，可选用开环控制，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力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矩角相匹配。

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。

6.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。

4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

图1-1系统总体框图

二、机械系统设计

2.1、工作台外形尺寸及重量估算

X向拖板（上拖板）尺寸：

长宽高145×160×50

重量：

按重量=体积×材料比重估算

N

Y向拖板（下拖板）尺寸：

重量：

约90N。

上导轨座（连电机）重量：

夹具及工件重量：

约150N。

X-Y工作台运动部分的总重量：

约287N。

2.2、滚动导轨的参数确定

⑴、导轨型式：

圆形截面滚珠导轨

⑵、导轨长度

上导轨（X向）

取动导轨长度

动导轨行程

支承导轨长度

下导轨（Y向）

选择导轨的型号：

GTA16

⑶、直线滚动轴承的选型

上导轨

下导轨

由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP型直线滚动轴承的额定动载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。

并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。

、滚动导轨刚度及预紧方法

当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。

当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。

此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。

2.3、滚珠丝杠的设计计算

滚珠丝杠的负荷包括铣削力及运动部件的重量所引起的进给抗力。

应按铣削时的情况计算。

⑴、最大动负载Q的计算

查表得系数，，寿命值

查表得使用寿命时间T=15000h，初选丝杠螺距t=4mm，得丝杠转速

所以

X向丝杠牵引力

Y向丝杠牵引力

所以最大动负荷

X向

Y向

查表，取滚珠丝杠公称直径，选用滚珠丝杠螺母副的型号为SFK1004，其额定动载荷为390N，足够用。

⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算

表2-1滚珠丝杠螺母副几何参数

名称

符号

计算公式和结果

螺纹滚道

公称直径

10

螺距

接触角

钢球直径

螺纹滚道法面半径

偏心距

螺纹升角

螺杆

螺杆外径

螺杆内径

螺杆接触直径

螺母

螺母螺纹外径

螺母内径（外循环）

见表2-1。

⑶、传动效率计算

式中：

——摩擦角；——丝杠螺纹升角。

⑷、刚度验算

滚珠丝杠受工作负载P引起的导程的变化量

Y向所受牵引力大，故应用Y向参数计算

所以

丝杠因受扭矩而引起的导程变化量很小，可以忽略。

所以导程总误差

查表知E级精度的丝杠允许误差，故刚度足够。

⑸、稳定性验算

由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。

2.4、步进电机的选用

⑴、步进电机的步距角

取系统脉冲当量，初选步进电机步距角。

⑵、步进电机启动力矩的计算

设步进电机等效