X-Y工作台说明书详解(20210511170342)

1、1. 目录 1. 摘要2 2. 技术要求 3. 2.1 设计题目 3. 2.2 技术数据 3. 2.3 设计要求 3. 3. 总体结构设计 4. 3. 1滚 珠 丝 杠 选 取 4. 3. 1. 1计算载荷 4. 3. 1. 2计算额定动载荷计算值Ca5. 3.2滚珠丝杠副 5. 3. 2.1根据Ca选择滚珠丝杠副 5. 3. 2.2滚珠丝杠副校核 6. 3. 3稳定性运算，空载运行时工作台的速度 6. 3. 3.1计算临界转速 6. 3. 3. 2压杆稳定性计算 7. 3.4滚 动 导 轨 7. 3. 4.1计算行程长度寿命Ts 7. 3. 4. 2计算动载荷cj 7. 3.5选 取 电 机

2、 9. 3. 5.1电机的初选 .9. 3. 5.2步进电机转矩校核 .9. 4.结语 1.2 5.参考文献 1 1. 摘要 X-Y数控工作台机电系统设计是一个开环控制系统，其结构简单。实现 方便而且能够保证一定的精度。降低成本，是微机控制技术的最简单的应 用。它充分的利用了危机的软件硬件功能以实现对机床的控制；使机床的加 工范围扩大，精度和可靠性进一步得到提高。X-Y数控工作台机电系统设 计是利用8031单片机，及2764, 6264存储器及8155芯片等硬件组成, 在控制系统的硬件上编写一定的程序以实现一定的加工功能。其基本思想 是：通过圆弧或者直线插补程序以实现对零件进行几何加工，每进行

3、一段 加工都要产生一定的脉冲以驱动电机正反转，同时通过8155(1)将相应 的加工进刀信息送至刀架库中以实现以之相应的走刀，电机和刀具的相对 运动所以实现了刀具对工件的加工。该控制系统采用软件中断控制系统结 构及子程序结构简单，条件明确在经济型数控中应用较多。中断结构采用 模块化结构设计因为这种结构便于修改和扩充，编制较为方便，便于向多 处理方向发展。X-Y数控工作台机电系统设计采用步进电机作为驱动装 置。步进电机是一个将脉冲信号转移成角位移的机电式数模转换器装置。 其工作原理是：每给一个脉冲便在定子电路中产生一定的空间旋转磁场； 由于步进电机通的是三相交 流电所以输入的脉冲数目及时间间隔不同

4、，转 子的旋转快慢及旋转时间的长短也是不同的。由于旋转磁场对放入其中的通 电导体既转子切割磁力线时具有力的作用，从实现了旋转磁场的转动迫使转 子作相应的转动，所以转子才可以实现转子带动丝杠作相应的运动。本题 目是步进电机，微型计算机，插补原理，汇编语言的综合应用，本题目设 计得到了老师的帮助和支持，最后由关英俊老师审定，在此表示感谢。因 本人水平有限，错误和不足之处在所难免，处理问题也有不妥之处，敬请 相关老师批评指正。 2. 技术要求 21设计题目 X-Y双坐标联动数控工作台设计 22技术数据 工作台长 宽（mm） :440 300工作台重量（N） : 3000工作台行程: X=60100m

5、mY=50 80mm 脉冲当量：0. 05 0. 08mm/p 23设计要求 1）工作台进给运动采用滚珠丝杠螺结构 2）滚珠丝杠支撑方式：双推一简支型 3）驱动电机为反应式步进电机 4）步进电机与滚珠丝杠间采用齿轮降速要求消除齿轮间隙 3. 总体结构设计 数控工作台采用由步进电机驱动的开环控制结构 其单向驱动系统结构简图 如图所示： 图3. 1 实际设计的工作台为X、Y双坐标联动工作台，工作台是由上拖板、中拖 板、下拖板及导轨、滚珠丝杠等组成.其中下拖板与床身固联，它上面固定X 向导轨，中拖板在下拖板的导轨上横向运动，其上固定Y向导轨，上拖板与工 作台固联，在Y向导轨上移动X、Y导轨方向互相垂

6、直。 3. 1滚珠丝杠选取 滚珠螺旋传动按滚动体循环方式分为外循环和内循环两类，其中应用较 广的 是插管式和螺旋槽式，它们各有特点，其轴向间隙的调整方法主要有垫片调隙 式和螺纹调隙式，具体的实现方法可参考教材有关章节。 滚珠丝杠传动副多为专业厂家生产，一般用户设计时只负责选用，在选用 时主要验算其额定动载荷和临界转速 丝杠较长时还应进行压杆稳定性验 3. 1.1计算载荷 Fc=Kf Kh Ka FaCj查VV机电一体化设计基础表26取，KF=1. 3查表 27取 Km=1. 1 查表2-4 取D级精度 查表28 取KA=1. 0则 Fc=l. 3 1. 1 1. 0 280二4004N 3.

7、L 2计算额定动载荷计算值Ca n=100 L=60n T 6 60 100 15000 =90h 1 10 10 JL Ca= L3 Fc或 Ca二Fc3 n% lo4 Fc二4 48 4004=17939. 92N 表表 载荷性质 K F 实际硬度 HRC K H 平稳或轻度冲击 1 1.2 255 1. 1 轻度冲击 1. 2 1.5 250 1. 56 较大冲击、振动 1. 5 2.5 245 24 $40 3. 85 表3.3 类别 普通机械 普通机床 数控、精密机械 T(h) 500010000 10000 15000 32滚珠丝杠副 3. 2.1根据Ca选择滚珠丝杠副 根据机电一

8、体化设计基础表2-9汉江机床TC1型滚珠丝杠，选取 FC1型无密封圈滚珠丝杠，滚珠丝杠副额定动载荷Ca等于或者大于Ca的 原则，选用Fcl-2505-3,Ca二1794公斤得丝杠副数据: 公称直径：（中径d2） Do=25mm 导程：P=5mm 螺旋角：=3. 38 滚珠直径：do=3. 175mm根据机电一体化设计基础表 2-1中公式得：螺纹滚道半径：R=0. 52* d o=O. 52 3. 175二 1. 651mm 偏心距:e=0. 07 (R- d o/2)=O. 07 (1.651- 3. 175/2)=0. 5286则 电机空载启动时，工作速度: V0二0. 75 1500 1

9、P 360 2则j为传动系统 传动比 P二导程所以 V0-0. 75 1500 1 P =7. 813mm/s 360 2 3. 2. 2滚珠丝杠副校核 滚珠丝杠副还要受D*n的值的限制，通常要求Do n7 104mmr/min Do n=25 100 75=1.8 105mmr/minn喰所以丝杠工作时不会发生共振 3 . 93 248 . 8 3. 3. 2压杆稳定性计算 2EIa (D2 N) 式中F k临界载荷 E材料弹性模量 对于钢，E二2. 06 X 1011 Pa la 丝杠危险截面惯性矩 48.8412 =q q 1 n12 2 2 06 1CT Fk=2 64 (0. 67

10、832) S=甦 Fm 12 3. 8 1012 1- 4 3. 4滚动导轨 导轨是工作台系统的重要组成部分，由于滚动导轨具有定位精度高、 低速无 爬行、移动轻便等显著优点，故本工作台系统设计选用滚动导轨 滚动导轨应用最广的是滚珠导轨，按滚珠的循环方式分类，滚珠导轨又可 分为滚珠不循环式和可循环式.在专业厂家生产的标准化滚动导轨中，都 为滚动体可循环式，本次导轨设 计的主要任务是根据负载情况选用标准化 滚动导轨，在选用过程中，主要进行额定载荷验算 3. 4.1计算行程长度寿命Ts Ts=2Lsn60Th/100 (km)式中Ls 一工作单行程长度 (m) n 一往复次数(次/min) Th 一

11、工作时间寿命(h) 3. 4. 2计算动载荷G Ffw (7) C j 二 mfTfcfH 式中 F 作用在滑座上的载荷(N) M滑座个数 K寿命系数 fT 温度系数 fC接触系数 H硬度系数 wfw 负载系 数 般取K=50km 见表5见 表6见表 7 见表8 表3.4 工作温度 (C) fT 100 1 100150 0.9 150200 0. 7 200250 0. 6 表3.5 每根导轨上滑块数 fc 1 1 2 0.81 3 0. 72 4 0. 66 表3.6 滚道表面硬度HRC 60 58 55 53 50 45 Fh 1 0. 98 0.9 0. 71 0. 54 0. 38

12、工作条件 3. 7 fw 无冲击、振动V15m/min 1 1. 5 较小冲击、振动 1. 52 U/UCe 1E 二 5 较大冲击、振动 23. 5 表 fT fc fn f T=1.O, ff别牡爵耒 00 yi J o II H 4 o II 另取滑座个数m=4 寿命系数一般取k=501 (km) 作用在滑座上载荷Fy=24000N Fx=18000N 1 Ff . (Ts/k)3 = 111 =19689.9N 1 =Fyf w(Ts/k)3t jy = =26275.IN 由机电一体化设计基础表2-13查得故选取滚 动导轨型号为HJG D35 3. 5选取电机 3. 5. 1电机的初

13、选 初选型号为110BF003 查表可得：步距角0.75 最大静转矩：7. 84N. m分配方式：3相6拍 空载启动频率：1500stcp/s 空载运动频率：700 stcp/s 外形尺寸：23 75 3. 5.2步进电机转矩校核 空载起动时电机轴总的负载转矩 Tq二Tj+Tu+To 式中Tj 惯性转矩 Tj=J J 电机轴总惯量(包括当量)取18 10-3 选传动齿轮齿数分别为Z1二26 Z2=52模数为2 齿宽：Bl=15mm B2=15mm 则 dl=Zl m=52mm d2=Z2 m=104mm jzl 二 7.8 103 W 0. 035 3.47 10 4kgm2 7.8 103

14、0 12 0.016 2. 54 10 3kgm2 Jz2= 32 1 P 2 3 0.0457642 Jz3= 7.8 10 0. 162 5. 43 10kgm 32 Td=Jzl+ ?2(JZ1 JS)(21P )2 Td=3. 14 4 1 10 (2. 57 10 3 +5. 43 10 4) + ( 0 006 )=1. 02 10 3 4 2 2 0. 25 Jd 1. 18 10 3 Jm 30. 66 1 1.8 10 3 J二Jd+Jm二 1. 18 103 1.8 10 3 2. 98 10 3kgm2 空载启动时，电机轴上的惯性转矩 Jj=J 二 JN max/ t J

15、 2iVm =5. 17Nm Pt 空载启动时间为 50s 电 动机轴上的当量摩擦转矩 Jw=Fu 2 4000 0. 2 0. 47Nm 2i2 0. 8 2 附加摩擦转矩 t 2 To= F o(l 2) 0. llNm 2i 工作台上的最大轴向载荷折算到电机轴上的负载 Jw= p Fu -006 3000 1. 79N m 2 yi 2 0.8 2则空载启动时电动机轴上的总负载转矩为： Tq二Tj+Tu+To二5 17 0. 48+0. 11=5. 79Nm 在最大外载荷下工作 时，电动机轴上的总负载转矩为：T1二Tw+Tu+To二238Nm 5空载启动时所需电机最大静转矩为： Tsl=

16、Td/c=5. 79/0. 866=6. 7Nm最大外载工作时，所需要最大静转矩： Ts2二T1/0. 3 0. 5二2 38/0. 3 0. 5=7. 8 4. 8Nm 查表 Ts=7. 847Ts2 所以电机能正常运动 11 4. 结语 通过本次课程设计，我更加了解了关于机电一体化方面的知识，将理 论与实践进行了很好的实践。通过从图书馆查阅资料和对书上知识的掌 握，使我受益匪浅，获益良多。本次课程设计利用机电控制系统，采用 步进电机控制滚珠丝杠实 现XY方向的进给，Z方向手动，采用主轴电 机带动主轴使工件旋转，最终实现模拟加工工件，具有快速、灵活、精确 的特点，该课题对机电一体化控制实验具有很好的使用价值。 本篇论文是在指导老师的指导下完成的。在研究分析的过程中，老师 给予了指