数控XY工作台设计X向进给系统设计指导书

1、陕西理工学院课程设计论文第 1 页 共 21 页1设计题目：x-y 工作台 x 向进给系统设计作者：卢助威（陕理工机械工程学院机自 083 班，陕西 汉中 723003）指导老师：黄崇莉摘要：各技术领域得到了广泛应用，对各领域技术的发展起到了极大的推动作用。一个较完善的机电一体化系统，应包含以下几个基本要素：机械本体、动力与驱动部分、执行机构、传感测试部分、控制及信息处理部分。机电一体化是系统技术、计算机与信息处理技术、自动控制技术、检测传感技术、伺服传动技术和机械技术等多学科技术领域综合交叉的技术密集型系统工程。新一代的 cnc 系统这类典型机电一体化产品正朝着高性能、智能化、系统化以及轻量

2、、微型化方向发展。关键词：x-y 工作台，8031，驱动器，步进电动机，程序存储器，数据存储器，丝杠，导轨陕西理工学院课程设计论文第 2 页 共 21 页2目录1.1.引言：引言：.32.2.设计任务设计任务.43.3. 总体方案的确定总体方案的确定 .53.1 机械传动部件的选择.53.1.1 导轨副的选用.53.1.2 丝杠螺母副的选用.53.1.3 减速装置的选用.53.1.4 伺服电动机的选用.53.1.5 检测装置的选用.53.3 系统组成框图.64.4.机械传动部件的计算与选型机械传动部件的计算与选型.74.1 导轨上移动部件的重量估算.74.2 铣削力的计算.74.3 直线滚动导

3、轨副的计算与选型.74.3.1 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取 .74.3.2 距离额定寿命 l 的计算.84.4 滚珠丝杠螺母副的计算与选型.84.4.1 最大工作载荷 fm 的计算.84.4.2 最大动工作载荷 fq 的计算.94.4.3 初选型号.94.4.4 传动效率 的计算.94.4.5 刚度的验算.94.4.6 压杆稳定性校核.104.5 步进电动机减速箱的选用.104.6 步进电动机的计算与选型.104.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 jeq.104.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 teq.114.6.3 步进电动机最大静转矩的选定.134.6

4、.4 步进电动机的性能校核.135 5 机电一体化系统进给伺服系统设计机电一体化系统进给伺服系统设计 .156.6.步进电动机的驱动电源选用步进电动机的驱动电源选用.167 7工作台控制系统的设计工作台控制系统的设计 .18致谢致谢.19参考文献参考文献 .20陕西理工学院课程设计论文第 3 页 共 21 页31.引言：现代科学技术的不断发展，极大地推动了不同学科的交叉与渗透，导致了工程领域的技术革命与改造。在机械工程领域，由于微电子技术和计算机技术的迅速发展及其向机械工业的渗透所形成的机电一体化，使机械工业的技术结构、产品机构、功能与构成、生产方式及管理体系发生了巨大变化，使工业生产由“机械

5、电气化”迈入了“机电一体化”为特征的发展阶段。x-y 数控工作台是许多机电一体化设备的基本部件，如数控车床的纵横向进刀机构、数控铣床和数控钻床的 x-y 工作台、激光加工设备的工作台、电子元件表面贴装设备等。模块化的 x-y 数控工作台，通常由导轨座、移动滑块、工作、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其中伺服电动机做执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杠螺母带动滑块和工作平台在导轨上运动，完成工作台在 x、y 方向的直线移动。导轨副、滚珠丝杠螺母副和伺服电动机等均以标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选取用标准的工作控制计算机，也可以设计专用的微机

6、控制系统。图 1.1 x-y 工作台实物图陕西理工学院课程设计论文第 4 页 共 21 页42.设计任务题目：数控 x-y 工作台 x 向进给系统设计任务：设计一种供应式数控铣床使用的 x-y 数控工作台 x 向进给系统，主要参数如下：1. 铣刀最大直径的 d=20mm；2. 齿数 z=4;3. 最大铣削宽度=20mm;ea4. 最大背吃刀量=8mm;pa5. 加工材料为钢。6. x 方向的脉冲当量 =0.005mm/step;y 方向的脉冲当量 =0.01mm/step7. 加工范围为 400320;8. 最大快速移动速度为 1m/min;陕西理工学院课程设计论文第 5 页 共 21 页53

7、. 总体方案的确定3.1 机械传动部件的选择3.1.1 导轨副的选用要设计数控车床工作台，需要承受的载荷不大，而且脉冲当量小，定位精度高，因此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，安装预紧方便等优点。3.1.2 丝杠螺母副的选用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，需要满足 0.005mm冲当量，滑动丝杠副为能为力，只有选用滚珠丝杆副才能达到要求，滚珠丝杆副的传动精度高、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。3.1.3 减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杆副以后，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

8、动机转轴上的转动惯量，可能需要减速装置，且应有消间隙机构，选用无间隙齿轮传动减速箱。3.1.4 伺服电动机的选用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，空载最快移动速度也只有因此 1000mm/min，故本设计不必采用高档次的伺服电动机，因此可以选用混合式步进电动机。以降低成本，提高性价比。3.1.5 检测装置的选用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。本设计所选步进电动机采用开环控制，系统工作时，驱动元件将数字脉冲成角度位移，转过的角度正比于指令脉冲的个数，转动的速度取决于指令脉冲的频率。系统中无位置反馈，陕西理工学院课程设计论文第 6

9、页 共 21 页6也没有位置检测元件。3.2 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 8031 作为控制系统的 cpu，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，还要扩展程序存储器，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。3.3 系统组成框图图 3.1x-y 工作台系统组成框图陕西理工学院课程设

10、计论文第 7 页 共 21 页74.机械传动部件的计算与选型4.1 导轨上移动部件的重量估算按照下导轨上面移动部件的重量来进行估算。包括工件、夹具、工作台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、导轨座等,估计重量约为 800n4.2 铣削力的计算 设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。立铣时的铣削力计算公式为： (4-11)0.850.750.731.00.13cezp118afda nzf今选择铣刀的直径为 d=20mm，齿数 z=4,为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度为，背吃刀量=7mm ，每齿进给量，铣刀ea15mmpazf0.1mm转速。则由式

11、（6-11）求的最大铣削力：n 300r/min=nfc176.202041183008201 . 02013. 00 . 173. 075. 085. 0采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表查得，考虑逆铣时的情况，可估算三个方向的铣削力分别为：nffcf22221 . 1, ，。现考虑立铣，则工作台受到垂nffce76838. 0nffcfn50525. 0直方向的铣削力，受到水平方向的铣削力分别为和。今将水平nffez768fffnf方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力，径向铣削nfffx2222力为。nfffny5054.3 直线滚动导轨副的计算与选型4.3.1

12、 块承受工作载荷的计算及导轨型号的选取maxf陕西理工学院课程设计论文第 8 页 共 21 页8工作载荷是影响直线滚动导轨副使用寿命的重要因素。该课程设计中的 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： (4-12)maxgff4其中，移动部件重量800n，外加载荷，代入式（4-12） ，得最nffz556大工作载荷=968n=0.968kn。maxf查表根据工作载荷=0.968kn，初选直线滚动导轨副的型号为 kl 系列的 jsa-maxflg15 型，其额定动载荷，额定静载荷。ac7

13、.94kn0ac9.5kn任务书规定加工范围为 400320，考虑工作行程应留有一定余量，查资料选取导轨的长度为 820mm。4.3.2 距离额定寿命 l 的计算上述所取的 kl 系列 jsa-lg15 系列导轨副的滚道硬度为 60hrc，工作温度不超过c，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。分别取硬100度系数 f=1.0，温度系数 f =1.00，接触系数 f =0.81，精度系数 f =0.9，载荷系htcr数 f=1.5，得距离寿命：wl=kmfcfffffawrcth664950)(3max远大于期望值 50km，故距离额定寿命满足要求。4.4 滚珠丝杠螺

14、母副的计算与选型4.4.1 最大工作载荷 fm 的计算如前所述，在立铣时，工作台受到进给方向的载荷（与丝杠轴线平行）fx=2222n,受到横向载荷（与丝杠轴线垂直）fy=505n，受到垂直方向的载荷（与工作台面垂直）fz=768n.已知移动部件总重量 g=800n，按矩形导轨进行计算，取颠覆力矩影响系数k=1.1，滚动导轨上的摩擦系数=0.005。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：陕西理工学院课程设计论文第 9 页 共 21 页9fm=kfx+(fz+fy+g)=1.12222+0.005(768+505+800)n2455n4.4.2 最大动工作载荷 fq 的计算设工作台在承受最大铣削力时的最快

15、进给速度 v=1000mm/min，初选丝杠导程ph=6mm,则此时丝杠转速 n=v/ph=200r/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=180（单位为：106r） 。查表，取载荷系数 fw=1.2,滚道硬度为 60hrc 时，取硬度系数 fh=1.0,求得最大动载荷：fq=nffflmhw16634304.4.3 初选型号根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的 g 系列 3206-4 型滚珠丝杠副，为内循环固定反向器单螺母式，其公称直径为32mm，导程为 6mm，循环滚珠为 4 圈*2 系

16、列，精度等级取 4 级，额定动载荷为18292n，大于 fq，满足要求。4.4.4 传动效率 的计算将公称直径 d0=32mm,导程 ph=6mm,代入 =arctanph/(d0)，得丝杠螺旋升角=。将摩擦角 =10，代入 =tan/tan(+),得传动效率 =96.4%。85. 24.4.5 刚度的验算(1) x-y 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-对推力角接触球轴承，面对面组配，左、右支承的中心距约为 a=800mm；钢的弹性模量 e=2.1105mpa;查表得滚珠直径 dw=3.969mm，丝杠底径 d2=27.2mm,丝杠截面积 s=/4=

17、508.77m。算得丝杠在工作载荷 fm 作用下产生的拉/压变形量22d2mmmmmesafm016. 0)77.580101 . 2/(8002455)/(51(2) 根据公式，求得单圈滚珠数 z=22；该型号丝杠为单螺母，滚珠的0(/)3wzdd圈数 列数为 4 2，代入公式z 圈数 列数，得滚珠总数量=176。丝杠预紧时，zz陕西理工学院课程设计论文第 10 页 共 21 页10取轴向预紧力/3=818n。求得滚珠与螺纹滚道间的接触变形量。yjmffmm0016. 02因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的 1/3，所以实际变形量可以减少一半，取=0.0008mm。2(3) 将以上算出的和代入

18、，求得丝杠总变形量=0.0192mm=16.81212总总m该课设中，丝杠的有效行程为 600mm，由表知，4 级精度滚珠丝杠有效行程在500630mm 时，行程偏差允许达到 22，可见丝杠刚度足够。m4.4.6 压杆稳定性校核计算失稳时的临界载荷 fk。取支承系数=1；由丝杠底径 d2=27.2mm 求得截面惯kf性矩26855；压杆稳定安全系数 k 取 3（丝杠卧式水平安装） ；滚动螺42/64id4mm母至轴向固定处的距离 a 取最大值 800mm，得临界载荷 fk=28960.3n，远大于工作载荷=2455n,故丝杠不会失稳。mf综上所述，初选的滚珠丝杠副满足使用要求。4.5 步进电动

19、机减速箱的选用为了满足脉冲当量的的设计要求，增大步进电动机的输出转矩，同时也为了使滚珠丝杠和工作台的转动惯量折算到电动机轴上尽可能的小，今在步进电动机的输出轴上安装一套齿轮机减速，采用一级减速，步进电动机的输出轴与齿轮相连，滚珠丝杠的轴头与大齿轮相连。其中大齿轮设计成双片结构。已知工作台的脉冲当量=0.005mm/脉冲，滚珠丝杠的的导程 ph=6mm， 初选步进电动机的步距角=0.75，算得减速比：=（0.755）/（3600.004）=25/12()/(360 )hip本设计选用常州市新月电机有限公司生产的 jbf-3 型齿轮减速箱。大小齿轮模数均为 1mm，齿数比为 75：30，材料为 4

20、5 调质钢，齿表面淬硬后达到 55hrc。减速箱中心距为（75+36） 1/2mm=55.5mm,小齿轮厚度为 20mm，双片大齿轮厚度均为 10mm。4.6 步进电动机的计算与选型陕西理工学院课程设计论文第 11 页 共 21 页114.6.1 计算加在步进电动机转轴上的总转动惯量 jeq 已知：滚珠丝杠的公称直径 d0=32mm，总长 l=800mm，导程 ph=6mm，材料密度=7.85 10-5kg/;移动部件总重力 g=800n；小齿轮齿宽 b1=20mm.，直径 d1=36mm，2cm大小齿轮齿宽 b2=20mm，直径 d2=75mm；传动比 i=25/12。算得各个零部件的转动惯

21、量如下： 22sl rj 22zrj b滚珠丝杠的转动惯量 js=6.462kgcm2;拖板折算到丝杠上的转动惯量jw=0.517kgcm2;小齿轮的转动惯量 jz1=0.259 kgcm2；大齿轮的转动惯量 jz2=4.877 kgcm2。初选步进电动机的型号为 90ybg2602,为两相混合式，由常州宝马集团公司生产，二相八拍驱动时的步距角为 0.75，从表查得该型号的电动机转子的转动惯量 jm=4 kgcm2。则加在步进电动机转轴上的总转动惯量为：=5.072 kgcm2212()/eqmzzwsjjjjjji4.6.2 计算加在步进电动机转轴上的等效负载转矩 teq 分快速空载和承受最

22、大负载两种情况进行计算。1) 快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩包括三部分;一部分是快速空载起1eqt动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；一部分是移动部件运动时折算到电动maxat机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩ft擦转矩。因为滚珠丝杠副传动效率很高， 相对于和很小，可以忽略不计。0t0tmaxatft则有：=+ （4-13）1eqtmaxatft考虑传动链的总效率，计算空载起动时折算到电动机转轴上最大加速转矩：= (4-14)maxat2160eqmaj nt陕西理工学院课程设计论文第 12 页 共 21 页12其中： =416.7r/min

23、(4-15)max360mvn式中空载最快移动速度，任务maxv书指定为 1000mm/min；步进电动机步距角，预选电动机为 0.75 ；脉冲当量，本例=0.005mm/脉冲。设步进电机由静止加速至所需时间，传动链总效率。则由式mn0.4ats0.7（4-14）求得：=maxat425.087 101562.50.29760 0.4 0.7n m移动部件运动时，折算到电动机转轴上的摩擦转矩为：= (4-16)ft()0.005 (0800) 0.0050.0018220.7 25/10zhfg pn mi式中导轨的摩擦因素，滚动导轨取 0.005垂直方向的铣削力，空载时取 0zf传动链效率，

24、取 0.7最后由式（4-13）求得快速空载起动时电动机转轴所承受的负载转矩：=+=0.2988n m (4-17)1eqtmaxatft2) 最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩2eqt包括三部分：一部分是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩；一部分是2eqttt移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩；还有一部分是滚珠丝杠预紧后折ft算到电动机转轴上的附加摩擦转矩，相对于和很小，可以忽略不计。则有： 0t0tfttt 图 4.1 90byg2602 机的运行矩频特性曲陕西理工学院课程设计论文第 13 页 共 21 页13=+ （4-18）2eqtttft其中折算到电动机转轴上的最大

25、工作负载转矩由公式计算。有：tt1408 0.0050.64220.7 25/10fhtf ptn mi 计算在垂直方向承受最大工作负载情况下，移动部件运动时折算到电(556)zfn动机转轴上的摩擦转矩：()0.005 (486800) 0.0050.0029220.7 25/10zhffg ptn mi最后由式（4-18） ，求得最大工作负载状态下电动机转轴所承受的负载转矩：=+=0.643n/m （4-19）2eqtttft最后求得在步进电动机转轴上的最大等效负载转矩为：12max,0.643eqeqeqtttn m4.6.3 步进电动机最大静转矩的选定 考虑到步进电动机的驱动电源受电网电

26、压影响较大，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，根据来选择步进电动机的最大静转eqt矩时，需要考虑安全系数。取 k=4, 则步进电动机的最大静转矩应满足： （4-20）max44 0.6432.572jeqttn m初选步进电动机的型号为 90byg2602，查得该型号电动机的最大静转矩=6n m。可见，满足要求。maxjt4.6.4 步进电动机的性能校核1）最快空载移动时电动机输出转矩校核 任务书给定工作台最快空载移动速度=1000mm/min，求出其对应运行频率。在此频率maxvzhf12500)005. 060/(1000max下，电动机的输出转矩=1.7n

27、 m，大于快速空载起动时的负载转矩maxt=0.2988n m，满足要求。1eqt陕西理工学院课程设计论文第 14 页 共 21 页142）最快空载移动时电动机运行频率校核 与快速空载移动速度=1000mm/min 对应maxv的电动机运行频率为。查表知 90byg2602 电动机的空载运行频率可达max12500fhz20000，可见没有超出上限。zh3）起动频率的计算 已知电动机转轴上的总转动惯量，电动机转子25.087eqjkg cm的转动惯量，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率。24mjkg cm1800qzfh步进电动机克服惯性负载的起动频率为：1194.241/qlzeqmff

28、hjj说明：要想保证步进电动机起动时不失步，任何时候的起动频率都必须小于。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有 100。1194.24zhzh综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用 90byg2602 步进电动机，完全满足设计要求。4.6.5 90byg2602 步进电动机的详细信息表 4.1 技术参数型号相数 步相距电压 电流静转矩空载启动频率转动惯量电感接线图90byg2501 2/40.9/1.85043.50152.43.5190byg2502 2/40.9/1.810046.02046190byg2601 2/40.75/1.55043.50152.43.51

29、90byg2602 2/40.75/1.510046.020461表 4.2 外形安装尺寸型号dd1h1h2debl键 ad2d2备陕西理工学院课程设计论文第 15 页 共 21 页15注90byg260190070-0.01738-0.0114-0.0222592100半圆键4161076.690byg260290070-0.01738-0.0114-0.0222592134半圆键4161076.65 机电一体化系统进给伺服系统设计本设计所选步进电动机采用开环控制，系统工作时，驱动元件将数字脉冲成角度位移，转过的角度正比于指令脉冲的个数，转动的速度取决于指令脉冲的频率。系统中无位置反馈，也没

30、有位置检测元件。开环伺服系统的结构简单，控制容易，稳定性好，但精度较低，低速有振动，高速转矩小。一般用于轻载或负载变化不大的场合。图 5-1 开环伺服系统结构图陕西理工学院课程设计论文第 16 页 共 21 页166.步进电动机的驱动电源选用设计中 x、y 向步进电动机均为 90byg2602 型，生产厂家为常州宝马集团公司。选择与之匹配的驱动电源为 bd28nb 型，输入电压为 100vac，相电流为 4a，分配方式为二相八拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图所示陕西理工学院课程设计论文第 17 页 共 21 页17图 6.1 bd28nb 驱动器实物图产品特点 bd28nbfb 型驱动器用

31、于驱动 86/90 型二相混合式步进电机。由于采用了先进的控制技术并实现了电流的精密传感和控制，从而达到了低速运行平稳、高速力矩大、角度细分均匀的效果，是一种高性能、小体积、低价格的驱动器。适用于精密测量、加工等领域，如：雕刻机、打粉机、绕线机等。其中 bd28fb 带细分控制，bd28nb 不带细分控制。 主要特点： 1. 双极恒流加细分控制（bd28fb） 2. 最大 40 细分的 8 种运行模式 3. 四种电流设定 4. 节能的半电流锁定模式 5. 输入信号 ttl 兼容 6. 光电隔离信号输入陕西理工学院课程设计论文第 18 页 共 21 页18 7. 过流、过压保护 表 6.1 电气特性 ti=25 7工作台控制系统的设计根据任务书的要求，设计控制系统的硬件电路时主要考虑以下功能：（1） 接收键盘数据，控制 led 显示（2） 接受操作面板的开关与按钮信息；（3） 接受铣床限位开关信号；（4） 控制 x，y 向步进电动机的驱动器；（5） 控制主轴的正转，反转与停止；（6） 控制多速电动机，实现主轴有级变速；（7） 控制交流变频器，实现主轴无级变速；（8） 控制报警