完整版XY数控工作台设计说明书docx.docx
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一、总体方案设计
1.1设计任务
题目：
X—Y数控工作台的机电系统设计
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）工作台面尺寸C×B×H＝【200+（班级序号）×5】mm×【200+（班级序号）×5】
mm×【15+（班级序号）】mm；
2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝【680+（班级序号）×5】mm×【680+（班级序号）
×5】mm×【230+（班级序号）×5】mm；
3）工作台加工范围X=【300+（班级序号）×5】mm，Y=【300+（班级序号）×5】mm；
4）X、Y方向的脉冲当量均为0.005mm/脉冲；X、Y方向的定位精度均为±0.01mm；
5）夹具与工件质量M=【15+（班级序号）】kg；
6）工作台空载最快移动速度为3m/min；工作台进给最快移动速度为0.5m/min。
7）立铣刀的最大直径d=20mm；
8）立铣刀齿数Z=3；
9）最大铣削宽度ae20mm；
10）最大被吃刀量ap10mm。
1.2总体方案确定
（1）机械传动部件的选择
①导轨副的选择
②丝杠螺母副的选择
③减速装置的选择
④伺服电动机的选择
（2）控制系统的设计
①伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制
②PLC控制电机的梯形图编程
XY数控工作台结构
Y方向传动机构
微
机
工作台
电
型
步进电
接
动机
减速器
机
驱
滚珠丝杠
口
动
电
人机接口
路
减
步进电
速
滚
器
珠
动机
X方向传动机构
丝
杠
系统总体方案结构框图
1.3设计的基本要求
（1）按照机械系统设计的步骤进行相关计算，完成手写设计说明书。
（2）计算结果作为装配图的尺寸和零部件选型的依据，通过AutoCAD软件绘制XY数控工作台的总装配图，并绘制AO图纸。
（3）按照电气控制系统的步骤进行设计，完成电机启动、停止、正反转、电动等基本工作状态控制的硬件连线图，并通过PLC协调控制XY电机运动，绘制相关梯形图。
二、机械系统设计
2.1导轨上移动部件的重量估算
质量：
按质量=体积（由尺寸求得）×密度进行估算（45钢密度7.85g/立方厘米）
工作台面质量=
上导轨座（连电机）质量=
夹具及工件质量=
X-Y工作台运动部分的总重量G=Mg=
2.2铣削力的计算
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。
查表得立
铣刀的铣削力计算公式为：
F
118a0.85
f
0.75d
0.73a1.0n0.13Z
c
e
z
p
其中，取最大铣削宽度，最大背吃刀量，
每齿进给量fz
0.1mm，铣刀转速
n500r/min，可直接带入计算。
采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可
查表得出，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：
Ff1.1Fc=；
Fe0.38Fc=；Ffn0.25Fc=。
现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力FzFe=，受到水平方向的铣削力分别为纵向铣削力FxFf（丝杠轴线方向）=，径向铣削力FyFfn=
2.3直线滚动导轨的参数确定
（1）滑块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取
本设计中的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直方向
载荷为Fmax
G
F=。
4
其中，移动部件重量为
G，外加载荷FFz=
根据计算出的工作载荷，初选符合要求的****公司生产的*系列*型直线滚动导轨副。
根据任务规定工作台面尺寸，加工范围及工作台整体尺寸的要求，选择导轨的长度。
所选直线滚动导轨副的几何参数（由厂家说明书确定）
额定导轨
型号滑块尺寸额定载荷静力长度
矩
C2L1L2L3H2CaC0aM
（2）额定寿命的L的校核计算
根据上述所选导轨副，查表，分别取硬度系数
fH=1.0、温度系数
fT=1.0、接触系数
fC=0.81、精度系数fR=0.9、载荷系数fW=1.5，代入以下公式，得距离寿命（期望值
为50KM）。
L（fHfTfCfRCa）350=
fWFmax
2.4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。
（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）为Fx，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）为Fy，受到垂直方向的载荷（与
工作台面垂直）为Fz。
根据移动部件的总重量G，按矩形导轨进行计算，查表，取倾覆力矩影响系数K=1.1，
滚动导轨上的摩擦因数0.005。
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为：
FmKFx（FzFyG）=
（2）最大动载荷FQ的计算
工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度
v500mm/min，初选丝杠导程Ph（自
己选择如4、5、6mm等），则此时丝杠转速n
v/Ph
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
查表，取载荷系数fW1.2，滚道硬度为60HRC时，取硬度系数fH
1.0，代入式
FQ
3L0fWfHFm，求得最大动载荷FQ。
（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，选择****公司生产的*系列*型，其额定动载荷为，大于FQ，满足要求。
型号
公称
直径
导程
滚珠
直径
所选滚珠丝杠螺母副几何参数
丝杠丝杠循环螺母
底径外径列数安装
额定载荷
刚度
尺寸
d0
Ph
Dw
d2
d1
Ca
C0a
（4）传动效率的计算
将公称直径d0，导程Ph，代入
arctan[Ph/（
d0）]，得丝杠螺旋升角
。
将摩擦角
10'，代入
tan
/tan（
），得到传动效率。
（5）刚度的验算
①XY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
各采用一个或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，钢的弹性模量E2.1105MPa，由所选滚珠丝杠螺母副可得，滚珠直径Dw，丝杠底径d2，
丝杠截面积S
d22/4
=
算的丝杠在工作载荷Fm作用下产生的拉/压变形量1
Fma/（ES）=
②滚珠与螺纹滚道间的接触变形量20.0013
Fm
其中，丝杠预紧时，
103DWFYJZ2/10
取轴向预紧力
/3
Z为滚珠总数量。
因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，
FYJ
Fm
=，
所以实际变形量2可减小一半。
③将以上计算出的1和2代入总12，求得丝杠总变形量总。
通过查表，得出
总是否在行程的偏差允许值内。
（6）压杆稳定性校核
查表，取支承系数
fk
1，由丝杠底径
d2，求得截面惯性矩
I
d24
/64
=；压杆稳
定性安全系数
K取
3，a为滚动螺母至轴向固定处的距离最大值。
根据公式
Fk=
fk2EI
Ka2
计算失稳时的临界载荷
Fk,远大于工作载荷
Fm即不会失稳。
2.5确定齿轮传动比
初选步进电机步距角
0.75o（可自选），滚珠丝杠的导程
Ph，要实现脉冲当量
p0.005mm/step，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。
齿轮传动比
i
Z1
p
360o
0.005
360
12（此计算假设导程为5mm）
Ph
Z2
0.75
5
25
选Z112，Z225。
因传递的扭距较小，取模数m1mm。
采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮
连接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮连接，其中大齿轮设计成双片结构，采用弹簧错齿法消
除齿侧间隙。
本设计选用
Z
****公司生产的*系列*型齿轮减速箱。
所选齿轮箱中齿轮尺寸参数
小齿轮
大齿轮
dmZmm
直径
b36mmm齿宽
ad1d2mm中心距2
2.6步进电机的选用
（1）步进电机的步距角
根据系统脉冲当量p0.005mm/脉冲，根据所选滚珠丝杠的导程Ph，初选步进电
机步距角（可自选）。
（2）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量Jeq
（3）步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩Teq1的计算
Teq1TamaxTf
其中Tamax是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；
Tf是移动部件运
动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。
Tamax
2
Jeqnm
1
60ta
2
Z1
2
JeqJ0
J1
J2
J3
M
p
Z2
180
式中：
Jeq——折算到电机轴上的惯性负载（kggcm2）；J0——步进电机转轴的转动惯量（kggcm2）；J1——齿轮1的转动惯量（kggcm2）；J2——齿轮2的转动惯量（kggcm2）；J3——滚珠丝杠的转动惯量（kggcm2）；M——移动部件质量（kg）。
对材料为钢的圆柱零件转动惯量可按下式估算
J0.78103D4Lkggcm2
式中：
D——圆柱零件直径（
cm）；L——零件长度（
cm）。
所以根据滚珠丝杠的公称直径
d0，总长l
，导程
Ph，材料密度
7.8510
3
kg/
cm2，
移动部件总重G，小齿轮宽度
b1，直径d1，大齿轮宽度b2，直径d2，传动比i。
计算出
J1
kggcm2J2kggcm2
J3kggcm2
电机轴转动惯量很小，可以忽略。
nm
vmax
360
p
设步进电机由静止到加速至
nm所需时间为ta0.4s，传动链总效率为
Tf
（Fz
G）Ph
2
i
步进电机最大工作负载状态下转轴所承受的负载转矩
Teq2的计算
Teq2
TtTf
Tt是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；Tf是移动部件运动时折算到电动机
转轴上的摩擦转矩。
FfPh
Tt
2i
（Fz
G）Ph
Tf
i
2
Teqmax{Teq1,Teq2}
（3）步进电机最大静转距的选定
考虑到步进电机的驱动电源受电网影响较大，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Teq来选择步进电机的最大静转距时，需要
考虑安全系数。
本设计取安全系数K=4，则步进电机的最大静转距应满足
Tjmax4Teq=
（4）步进电机的最高工作频率
fmax
1000Vmax
10003HZ
60p
600.005
综上，选用****公司生产的*系列*型步进电。
电机的有关参数如下
所选步进电机参数
主要技术数据
外形尺寸（mm）
重量
步距
最
最高空载相数
电压
电流
外径长度
轴径
型号
大静
启动频率
（V）
（A）
（N）
角
o
转距
（step/s）
Ngcm
三、控制系统设计
以下内容仅提供单电机的主电路及控制电路图，请必须自行完成双电机（
机）的硬件电气控制图。
3.1电动机控制电气原理图
XY
轴电
电动机控制主电路
电动机长动和点动控制电气原理图
以上所用低压电器为：
停止按钮SB1（常闭），长动按钮SB2（常开），点动按钮SB3（常开）；一个热继电器KH；一个继电器KA（至少含两对常开辅助触点）；一个接触器KM（对辅助触点数量无要求）。
电动机正反转控制电气原理图
以上所用低压电器为：
停止按钮SB1（常闭），正传按钮SB2（组合按钮），反转按钮SB3（组合按钮）；一个热继电器KH；两个接触器KM（分别至少含一对辅助触点）。
3.2PLC分项控制电动机的接线图
PLC控制电机正反转外部接线图
PLC控制电机点动和长动外部接线图
3.3PLC总体控制接线图
3.3PLC梯形图的绘制
根据自己设计的需要，通过查阅相关文献进行梯形图的编程设计，（至少包括实现
电机的启动、停止、正反转、电动四项基本功能），以下仅为各单项工作的参考。
PLC控制电机正反转的控制程序梯形图
PLC控制电机点动和长动的控制程序梯形图
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