整理XY工作台说明书.docx
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整理XY工作台说明书
一、设计说明
（一）设计任务
（二）总体方案的确定
（三）系统总体方案设计
二、机械部分设计
（一）脉冲当量的选定
（二）步进电机的选用
（三）计算铣削力
（四）滚珠丝杠副的选用
（五）工作台尺寸确定:
（六）滚珠丝杠长度确定
（七）丝杠传动效率计算
（八）丝杠稳定性验算
（九）丝杠刚度验算
（十）计算减速器传动比
（十一）齿轮机构设计
（十二）传动系统是转动惯量计算
（十三）步进电动机负载能力校验
（十四）导轨的选型及计算
三、控制系统电路设计
（一）接口设计
（二）伺服系统设计
（三）步进电机驱动电路设计
（四）运动控制器控制原理
四、控制软件结构设计
（一）直线插补程序
（二）圆弧插补程序
参考文献
一、设计说明
本设计是以PC平台为基础的数控X-Y工作台实验系统，它具有直线插补和圆弧插补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制精度相对较高,可靠性、稳定性和实用性都很好。
X、Y两方向的运动各由一台步进电机控制。
数控系统每发出一个信号，步进电机就走一步，并通过中间传动机构带动两方向的丝杠旋转，分别使得X、Y工作台进给。
数控系统由单片机、键盘、变频检测系统构成，具有间隙补偿、直线插补、圆弧插补、断丝自动处理等主要功能。
线切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。
线切割技术、线切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。
因此研究和设计数控线切割有很强的现实意义。
微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。
（一）设计任务:
设计一个数控X-Y工作台及其控制系统,该工作台可安装在铣床上,用于铣削加工.设计参数如下:
最在铣削直径：
20mm
最在铣削宽度：
8mm
最大铣削深度：
5mm
加工材料：
碳钢
工作台加工范围：
X=250,Y=180
最大移动速度：
3m/min
（二）总体方案的确定
数控X—Y工作台的总体方案设计应考虑以下几点：
1．工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连
续控制系统。
2．在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，以求降低成本。
因此进给伺服
统采用伺服电机开环控制系统。
3．纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的伺服电动机、联轴器、
丝杠螺母副组成。
4．为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠
丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。
5．为减少导轨的摩擦阻力，选用滚动直线导轨。
（三）系统总体方案设计
二、机械部分设计
（一）脉冲当量的选定
根据已知条件：
X、Y方向的脉冲当量δx、δy分别为
δx=δy=0.01mm
（二）步进电机的选用
即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。
其特点是：
步距角小，运行频率高，价
格较低，但功耗较大。
BF反应式步进电动机技术参数（指导书表2-18）
电机型号
相数
步距角
最大静转矩
最高空载启动频率
运行频率
转子转动惯量
分配方式
90BF001
4
2000HZ
8000HZ
四相八拍
（1）步进电动机的脉冲频率计算
典型工况下，步进电动机的脉冲频率fx和fy分别为
（2）90BF001启动矩频特性
（3）90BF001运行矩频特性
（三）计算铣削力
（1）切削力的请算
选用高速钢直柄立铣刀，其铣削力公式为：
查<<机械制造技术基础课程式设计指导教程>>表5-11得＝68.2，＝20mm，＝8mm，＝0.09mm，＝5mm,=5
代入公式可知
（2）进给工作台工作载荷的计算
进给工作载荷沿铣床工作台运动方向可分解为三个力:
工作台纵向进给方向载荷，工作台垂直进给方向载荷，工作台横向进给方向载荷。
（3）工作台载荷与铣削力的经验比算（指导书表2-4）
铣削条件
比值
不对称铣削
逆铣
顺铣
圆柱铣,立铣,盘铣,和成型铣
/
1.00~1.20
0.8~0.90
/
0.20~0.30
0.75~0.80
/
0.35~0.40
0.35~0.40
考虑最不利影响
/=0.9
/=0.8
/=0.4
所以=1211N=1076N=538N
（四）滚珠丝杠副的选用
（1）丝杠寿命的估算
令两方向丝杠的工况均为：
每天开机8小时；每年300个工作日；工作10年以上。
丝杠材料：
CrWMn钢；滚道硬度为58~62HRC；丝杠传动精度为±0.04mm
丝杠寿命:
初定丝杠的导程为P=5其平均转速为工作台最大移动速度一半时所对应的转速
故平均转速
（2）计算丝杠工作载荷
计算载荷FC求解,其中取的较大值为Fm,故Fm,=1211N
FC=KFKHKAFm=1.1×1.0×1.0×=1332N
查《机电一体化设计基础》表2-6；2-7；2-8得KF=1.1;KH=1.0;KA=1.0查表
2-4取C级精度。
表2-6载荷系数
载荷性质
无冲击平稳运转
一般运转
有冲击和振动运转
KF
1~1.2
1.2~1.5
1.5~2.5
表2-7硬度系数
滚道实际硬度
≥58
55
50
45
40
KH
1.0
1.11
1.56
2.4
3.85
表2-8精度系数
精度等级
C,D
E,F
G
H
KA
1.0
1.1
1.25
1.43
（3）额定动载荷计算Ca′计算
（4）滚珠丝杠副初选
假设选用C1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于Ca的原则，选初定选用汉江机床生产的2005-3Ca=10493N
其参数如下:
中径
导程
螺旋角
滚珠直径
滚道半径
偏心距
丝杠内径
（五）工作台尺寸确定:
工作台的行程为X＝250mm，Y＝180mm。
工作台尺寸一般为工作台行程的1.1倍。
所以：
X＝250×1.1＝275mm,Y＝180×1.1＝198mm。
圆整，取X＝270mm,Y＝190mm。
其厚度初定为30mm
选择工作台的型槽为T型槽，查《袖珍机械设计师手册》表3-25可得所选T型槽的参数：
A＝12mm
B＝21mm
C＝9mm
H＝20mm
间距取50mm
一取工作台厚度为T型槽厚度的2倍，
即2×20＝40mm。
工作台质量：
М0＝＝,即纵向丝杠所承受的质量。
因工作台有T型槽，故取М0＝15kg。
（减去3个t型槽的重量得到的大概数值）
横向丝杠所要承受的质量М为工作台质量加上拖板质量，一般以工作台质量的3.5倍计。
即М＝52.5kg
（六）滚珠丝杠长度确定
根据经验公式
其中L由2005-3丝杠副中取L=97mm.
故=250+97+50=397mm圆整=400mm
=180+97+50=327mm圆整=330mm
（七）丝杠传动效率计算
滚珠丝杠螺母副的传动效率为
见《机电综合设计指导》公式（2-15）P15
式中：
为丝杠螺旋升角，为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数＝0.003～0.004,
其摩擦角约等于。
所以，
（八）丝杠稳定性验算
由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数
S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S],[S]是许用稳定性安全系数一般取2.5~4
丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr（N）按下式计算：
式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GPa；l为丝杠工作长度（m）；Ia为丝
杠危险截面的轴惯性矩（m4）；μ为长度系数.丝杠初定支承方式如下
故（一端固定.另一端铰支）
X轴受到的临界力:
Y轴受到的临界力:
安全系数:
>
>
临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数s,如果大于许用稳定性安全系数[s],刚该滚珠丝杠不会失稳.一般取,考虑丝杠自重对水平滚珠丝杠的影响可取
（九）丝杠刚度验算
滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T（N⋅m）共同作用下引起每个导程的变形量
式中，A为丝杠截面积，为丝杠的极惯性矩
G为丝杠切变模量，对钢G=83.3GPa；T（N⋅m）为转矩。
式中，ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；为平均工作负载
由所选用选杠有
按最不利的情况取（其中F=Fm）
则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为:
取进行校验.
通常要求丝杠的导程误差Δl应小于其传动精度的1/2，
满足传动精度要求
（十）计算减速器传动比
减速器传动比：
由所选电机型号和丝杠副参数可求得传动比如下:
（十一）齿轮机构设计
系统传递的功率很高，在要求不高时，以后各步的计算可省略。
并采用经验法来
设计各元部件。
（1）选择材料及确定许用应力
齿轮材料选择45钢（表面淬火），硬度为45HRC
齿轮的接触疲劳强度极限σlim1H=1130MPa（淬火处理）
安全系数SH和SF
安全系数
软齿面
硬齿面
重要的传动、渗碳淬
火齿轮或铸造齿轮
SH
1.0~1.1
1.1~1.2
1.3
SF
1.3~1.4
1.4~1.6
1.6~2.2
取安全系数
齿轮的弯曲疲劳强度极限
取
（2）齿结构参数确定
为简化结构选,模数m取1.5,则
齿宽
（十二）传动系统是转动惯量计算
传动系统是转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。
由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题。
最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。
本设计需要对电机转子,联轴节,丝杠,工作台进行转动惯量的计算。
两齿轮转动惯量:
滚珠丝杠转动惯量的折算:
工作台转动惯量折算到丝杠上:
由电机参数可知:
传动系统等效转动惯量计算:
惯量匹配验算:
满足的要求,惯量匹配合理.
（十三）步进电动机负载能力校验
电机加速力矩:
参考类似设计取t=0.04s
电机最大转速:
故
参考指导书表2-17如下:
步进
电机
相数
三相
四相
五相
六相
拍数
3
6
4
8
5
10
6
12
0.5
0.866
0.707
0.707
0.809
0.951
0.866
0.866
由表可求得电机空载启动时
所选电机90BF001最大静转矩3.92N.m远大于所需的启动转矩.因此选择的步进电机的功能不能充分发挥,为提高经济效益可考虑重选.
（十四）导轨的选型及计算
导轨为直线滚动矩形导轨，本设计中共用4条导轨，每条导轨用2个滑块.考虑到切削工件时工作台受力不均产生起颠覆力矩初步确定选用燕尾形直线滚动导轨.
滚动导轨副的距离额定寿命可用下列公式计算：
滚动体为球时一般滚子导轨的距离寿命定为100km.
为硬度系数导轨面的硬度为58～64HRC时，＝1.0；为温度系数，当工作温度不超过1000C时，＝1；为接触系数，每根导轨条上装二个滑块时＝0.81；为
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