X—Y数控工作台的机电系统设计.doc

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＝185mm×195mm×27mm； （2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝385mm×385mm×235mm； （3）工作台加工范围X=115mm Y=115mm； （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）负载重量G=235N； （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1m/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； （10）最大被吃刀量。 1．2总体方案的确定 图1-1 系统总体框图 （1）机械传动部件的选择 ① 导轨副的选择 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，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 丝杠螺母副的选择 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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。 ③ 减速装置的选择 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，且应有消除间隙机构。为此，系统中决定采用无间隙齿轮传动减速箱。 ④ 伺服电动机的选择 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。因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。 ⑤ 检测装置的选择 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，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。 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。 （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AT89S51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，还需要扩展程序存贮器、数据存贮器、键盘与显示电路、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，我们将自行设计。 二、机械系统设计 2.1、导轨上移动部件的重量估算 重量：按重量=体积×材料比重估算 （45钢密度7.85g/立方厘米） 工作台面尺寸：185mm×195mm×27mm 重量：76N。 上导轨座（连电机）重量：600N 夹具及工件重量：235N X-Y工作台运动部分的总重量G：900N 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： 其中，每齿进给量，铣刀转速，可直接带入计算得1893N。 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：=2082.3N；=719.34N；=473.25N。 现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为纵向铣削力（丝杠轴线方向），径向铣削力 2.3、直线滚动导轨的参数确定 ⑴、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=944.3N。 其中，移动部件重量为G，外加载荷 根据计算出的工作载荷，初选符合要求的直线滚动导轨副的型号。 根据任务规定工作台面尺寸，加工范围及工作台整体尺寸