xy数控工作台课程设计.docx
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xy数控工作台课程设计
本科生专业课程设计
学生姓名：
学号：
专业名称：
班级：
指导教师：
2014年5月
目
录
任务
书
错误!
不决义书签。
二、整体方案的确定
错误!
不决义书签。
三、机械传动部件的计算与选型
错误!
不决义书签。
四、工作台机械装置图的绘制
错误!
不决义书签。
五、工作台控制系统的设计
错误!
不决义书签。
参照文件错误!
不决义书签。
附件1
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附件2
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附件3
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附件4
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不决义书签。
任务书
设计题目：
X-Y数控工作台机电系统设计
设计任务：
设计一台微机控制XY两坐标工作台，供立式数控铣床使用。
详细内容以下：
机械系统设计：
经过计算,正确选择传动机构、导向机构、执行机构、驱动电机等，依照计算说
明，绘制机械系统装置图。
控制系统设计：
依照系统要求，选择正确的控制策略，设计合理的控制系统，并绘制控制系统电
路图。
主要程序设计：
在机械系统设计与控制系统设计的
基础上，进行控制系统的主程序设计，列出程序清
单。
设计说明书撰写。
系统主要参数：
立铣刀最大直径d=20mm
立铣刀齿数Z=3
最大铣削宽度
ae
20mm
最大背吃刀量ap10mm
加薪资料为碳素钢或有色金属
X,Y方向的脉冲当量
xy
mm
p
0.01/
X,Y方向的定位精度均为±
工作台面尺寸为400mm×500mm（我们这个长度400以下），加工范围为200mm×200mm
工作台空载最快搬动速度
vxmax
vymax
5000
mm/min
工作台进给最快搬动速度
vxmaxf
vymaxf
350
mm/min
时间安排及任务：
一、系统功能介绍、整体方案设计（
1天）
1.机电一体化产品设计的基本过程介绍；2.XY工作台功能介绍；3.整体方案的确定
二、单元功能模块介绍和设计任务的落实（
1天）
三、详细设计（8天）
1．机械系统装置图设计；2．控制各部分原理图的设计；3．主功能程序的编制
二、整体方案的确定
1、机械传动部件的选择
（1）导轨副的采用
要设计的X-Y工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载
的载荷不大，但脉冲当量小
（
x
y0.01mm/p），定位精度
选直线转动导轨
高（vxmaxfvymaxf
350
mm/min），因此，决定采用直线
副
转动导轨副，它拥有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点。
（2）丝杠螺母副的采用
伺服电动机的旋转运动需要经过丝杠螺母副变换成直线运动，
要满
足的脉冲当量和±的定位精度，
滑动丝杠副力所不及，只有采用滚
选转动丝杠螺母
珠丝杠副才能达到。
滚珠丝杠副的传动精度高、动向响应快、运转
副
平稳、寿命长、效率高、预紧后可除掉反向缝隙，而且滚珠丝杠已
经系列化，采用特别方便，有利于提高开发效率。
（3）减速装置的采用
选择了步进电动机和滚珠丝杠副今后，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，且应有除掉缝隙机构。
为此，系统
拟采用减速器
中决定采用无缝隙齿轮传动减速箱。
（4）伺服电动机的采用
任务书规定的脉冲当量还没有达到，定位精度也未达到微米级，空载
最快搬动速度也只有2000mm/min
。
因此，本设计不用采用高品位的伺
伺服电机选步进
服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以采用性能好一
电机
些的步进电动机，如混杂式步进电动机，以降低成本，提高性价比。
（5）检测装置的采用
采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。
任务书所给精度对于步进
电动机来说还是偏高的，为了保证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，并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
检测装置的选
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般配。
用：
增量式旋转
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
编码器
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，其控制系统应该拥有单坐标定位、
两坐标直线插补
连续控制型
与圆弧插补的基本功能，因此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，采用
MCS-51
系列的
8位单片机
AT89S52作为控制系统的
单片机选：
CPU，应该可以满足任务书给定的相关指标。
AT89S52
（3）要设计一台完满的控制系统，在选择CPU此后，还需要扩展程序存贮器、数据存贮器、键
需要电路扩展
盘与显示电路、I/O接口电路、D/A变换电路、串行接口电路等。
自行设计步进电
（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用，我们将自行设计。
机驱动电源
Y方向传动机构
微
机
工作台
电
型
步进电
接
动机
减速器
滚珠丝杠
机
驱
口
动
电
系统整体方案图
路
人机接口
减
速
滚
步进电
珠
器
动机
X方向传动机构
丝
杠
图2-1
系统整体方案结构框图
三、机械传动部件的计算与选型
1、导轨上搬动部件的重量估计
依照下导轨上面搬动部件的重量来进行估计。
包括工件、夹具、工作平台、上层电动机、减
G=900N
速箱、滚珠丝杠副、直线转动导轨副、导轨座等，估计重量约为900N。
2、铣削力的计算
设部件的加工方式为立式铣削，采用硬质合金立铣刀，工件的资料为碳钢。
则由表
2-1查得立铣
时的铣削力计算公式为：
表2-1硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位
N）[3]16
铣刀种类
工件资料
铣削力公式
碳钢
Fc
11278ae1.06fz0.88d1.3a0p
.90n0.18Z
面铣刀
灰铸铁
Fc
539ae1.0fz0.74d1.0a0p.90Z
F
a
1.1
f
0.75
d
1.3
1.0
n
0.20
Z
c
e
z
a
可锻铸铁
圆柱铣刀
碳钢
Fc
1000ae0.88fz0.75d0.87a1p.0Z
灰铸铁
Fc
596ae0.9
fz0.80d0.90a1p.0Z
三面刃铣刀
Fc
2560ae0.
9fz0.80d1.1a1p.1n0.1Z
F
a
0.
8
f
0.70
d
1.1
a
0.85
Z
c
z
p
两面刃铣刀
碳钢
立铣刀
Fc
118ae0.85fz0.75d0.73a1p.0n0.13Z
期中：
ap为背吃刀量
mm；ae为侧吃刀量
mm；fz为每齿进给量
mm/Z；vf进给速度
mm/min；Z
铣刀齿数；d铣刀直径mm；n铣刀转速
r/min，见图2-1。
Fc118ae0.85fz0.75d0.73a1p.0n0.13Z
（2-1）
图2-1铣削用量说明
若铣刀直径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，背吃刀量
ap=8，每齿进给量
fz=Z；铣刀转速
n=300r/min
。
则由公式
2-1
求得最大铣削
力：
Fc
118200.85
0.10.75
20
0.73
81.0
300
0.13
31893N
采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表2-2。
表2-2各铣削力之间比值
铣削条件
比值
对称铣削
不对称铣削
逆铣
顺铣
端铣削
Ff
/
Fc
～
～
～
ae=~d/mm
Fe
/
Fc
～
～
～
fz=~/）
Ffn
/
Fc
～
～
～
圆柱铣削
Ff
/
Fc
～
～
a=d/mm
F
/
F
～
～
e
fn
c
fz=~/）
Fe
/
Fc
～
～
图2-2铣削力解析
图2-3顺铣与逆铣
由表2-2，图2-2和图2-3，考虑逆铣情况，可估计出三个方向的铣削力分别为：
Ff1.1Fc2082N
Fe0.38Fc719N
Ffn0.25Fc473N
图2-3a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台碰到垂直方向的铣削力Fz=Fe=719N，碰到水平方向的
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=2082N，径向铣削力Fy=Ffn=473N。
3、直线转动导轨副的计算与选型
（1）滑块承受工作载荷F
的计算及导轨型号的采用
max
工作载荷是影响直线转动导轨副使用寿命的重要因素。
X-Y工作台采用水平部署，利用双导轨、
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肩负，则单滑
块所受的最大垂直方向载荷为：
Fmax
G
（2-2）
F
4
Fz=719N
Fx=2082N
Fy=473N
导轨副的型号:
ZL
系列的
JSA-LG45型
导轨长度为
其中，搬动部件重量G=900N，外加载荷F=FZ=719N，代入式2-2得最大工作载荷750mm
Fmax
G
900
F
7191169N1.169kN
4
4
查表3-41【3】48，依照工作载荷
Fmax=，初选直线转动导轨副的型号为
ZL系列的JSA-LG45型，其额
定动载荷Ca=，额定静载荷C0a=。
任务书规定工作台面尺寸为
400mm×500mm，加工范围为
200mm×200mm，考虑工作行程应留
有必然余量，查表
3-35[3]45，按标准系列，采用导轨长度为
750mm.
表3-35JSA型导轨长度系列
导轨型号导轨长度系
JSA-LG15
280
340
400
460
520
580
640
700
760
820
940
JSA-LG20
340
400
520
580
640
760
820
940
1000
1120
1240
JSA-LG25
460
640
800
1000
1240
1360
1480
1600
1840
1960
3000
JSA-LG35
520
600
840
1000
1080
1240
1480
1720
2200
2440
3000
JSA-LG45
550
65
750
850
950
1250
1450
1850
2050
2550
3000
JSA-LG55
660
780
900
1020
1260
1380
1500
1980
2220
2700
3000
JSA-LG65
820
970
1120
1270
1420
1570
1720
2020
2320
2770
3000
（2）距离额定寿命L的计算
上述采用的ZL系列JSA-LG45型导轨副的滚道硬度为
60HRC，工作温度不高出
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
表2-4
硬度系数
滚道硬度（HRC）
50
55
58~64
fH
表2-5
温度系数
工作温度/℃
<100
100~150
150~200
200~250
fT
表2-6
接触系数
每根导轨上滑块数
1
2
3
4
5
fC
表2-7
精度系数
精度等级
2
3
4
5
fR
1.
表2-8
载荷系数
工
无外面冲击或震动的低速
无明显冲击或振动的中速
有外面冲击或振动的高速
况
场合，速度小于
15m/min
场合，速度为
15～60m/min
场合，速度大于60m/min
fW
1~
~2
2~
分别取硬度系数f
=、温度系数
f=、接触系数f
=、精度系数f
R
=、载荷系数
f
W
=，代入式
2-3
【3】
H
T
C
46，得所选丝杠的距离寿命为
180km。
fHfTfCfR
Ca
3
L
50
（2-3）
fW
Fmax
1.01.000.81
0.9
42.5
3
即L
50
2.76105km
1.5
1.169
距离寿命为
180km远大于希望值50km，故距
离额定寿命满足要求
结论：
所选导轨的距离寿命远大于希望值50km，故距离额定寿命满足要求。
4、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，工作台碰到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）
F=2082N，碰到横向的载荷（与丝杠
x
轴线垂直）Fy=473N，碰到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）
Fz=719N。
已知搬动部件总重量
G=900N，按矩形导轨进行计算，查表
【3】38
2-9
，
表2-9最大工作载荷
Fm实验计算公式及参照系数
导轨种类
实验公式
K
μ
矩形导轨
Fm
KFx
（Fz
Fy
G）
燕尾导轨
Fm
KFx
（Fz
2Fy
G）
三角形或综合导轨
Fm
KFx
（Fz
G）
~0.8
注：
表中摩擦因数μ均为滑动导轨。
对于贴塑导轨μ=～，转动导轨μ=～。
表中，Fx为进给方向载荷，Fy为横向载荷，Fz为垂直载荷，单位均为N；G为搬动部件总重力，
单位为N；K为颠覆力矩影响系数；μ为导轨的摩擦系数。
取搬动部件总重量G=900N，按矩形导轨进行计算，查表2-9，取颠覆力矩影响系数K=，转动导轨
上的摩擦因素μ=。
求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：
、
FmKFx（FzFyG）1.120820.0057194739002301N
（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=350mm/min，初选丝杠导程
Ph=5mm，则此时丝
杠转速n=v/Ph=70r/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=63（单位为：
106r）。
【3】
39
f
=，滚道硬度为
60HRC时，取硬度系数
【
3】38
查表2-10
，取载荷系数
f=，代入式2-4
W
H
FQ
3L0fWfHFm
（2-4）
即：
FQ
3
631.2
1.0
23019698N
式中：
L——滚珠丝杠副的寿命，单位（
10
6
r
）。
L0=60nT/10
6
，（其中T为使用寿命，一般机械取
0
T=5000~10000h，数控机床及一般机电设备取
T=15000h；n为丝杠每分钟转速）；
fW——载荷系数，由表
2-10查得。
fH——硬度系数（≥58HRC时，取；等于
55HRC时，取；等于时，取；等于
50HRC时，取；等于
45HRC时，取）；
F——滚珠丝杠副的最大工作载荷，单位为
N。
m
表2-10
滚珠丝杠载荷系数
运转状态
载荷系数fW
平稳或轻度冲击
～
中等冲击
～
较大冲击或振动
～
最大工作载荷：
Fm2301N
最大动载荷
FQ=9698N
（3）初选型号
依照计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，
查附件3表3-31
【3】39，选择济宁博特精美丝杠
GD系列2505-4
制造有限公司生产的
GD系列2505-4
型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径
型滚珠丝杠副
为25mm，导程为5mm，循环滚珠为
4圈×2列，精度等级取
5级，额定动载荷为
11921N，
升级会员 