X-Y数控工作台设计介绍书

1、 、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 CX BX H=【200+（班级序号）X 5】mm【200+（班级序号）X 5】 mm【15+ （班级序号）】mn; 2）底座外形尺寸 C1X B1X H1=【680+ （班级序号）X 5】mnX【680+ （班级序号） X 5】mnX 230+ （班级序号）X 5】mn; 3）工作台加工范围 X=【300+ （班级序号）X 5】mm 丫=【300+ （班级序号）X 5】mn; 4）X、丫方向的脉冲当量均为 0.005mm 脉冲

2、；X、丫方向的定位精度均为土 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ae 20mm ； 10） 最大被吃刀量ap 10mm。 1.2 总体方案确定 （1） 机械传动部件的选择 导轨副的选择 丝杠螺母副的选择 减速装置的选择 伺服电动机的选择 （2） 控制系统的设计 伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制 PLC 控制电机的梯形图编程 XY 数控工作台结构 系统总体方案结构框图 1.3 设计的基本要

3、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 A0 图纸。 JS控IS密工件台 驱 动 电 路 步进电 动机 X万向传动机构 人机接口 Y方向传动机构 0 滚珠丝杠 步进电 动机 减速器 减 速 器 工作台 （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。 、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）X密

4、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： Fc 118a0.85f；75d 073a1p.n0，13Z 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 n 500r / 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： Ff 1.1Fc =； Fe 0

5、.38 Fc = ； Ffn 0.25 Fc =。 现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力 Fz Fe =，受到水平方向的铣削力 分别为纵向铣削力Fx Ff （丝杠轴线方向）=，径向铣削力Fy Ffn = 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 其中，移动部件重量为 G，外加载荷F Fz = 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

6、及工作台整体尺寸的要求，选择导轨的长度 载何为Fmax F=。 所选直线滚动导轨副的几何参数（由厂家说明书确定） 型号 滑块尺寸 额定载荷 额定 静力 矩 导轨 长度 C2 L1 L2 L3 H2 Ca C0a M （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 （fHfTfcfR Ca ）3 50 = fW Fmax 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

7、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： Fm KFx （Fz Fy G）= （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 v 500mm/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

8、T=15000h,代入L。60nT/106，得丝杠寿命系数L0 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 ,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。 所选滚珠丝杠螺母副几何参数 型号 公称 直径 导程 滚珠 直径 丝杠 底径 丝杠 外径 循环 列数 螺母 安装 尺寸 额定载荷 刚度 d Ph Dw d2 d1 Ca C0a (4)传动效率的计算 将公称直径do，导程Ph，代入 arctanPh/( d。)，得

9、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 XY 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E 2.1 105MPa，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 d；/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) = 滚珠与螺纹滚道间的接触变形量 2 0.0013 - ,其中，丝杠预紧时， 10DWFYJZ2/10 取轴向预紧力FYJ Fm/3 =，Z为滚珠总数量。因为丝

10、杠有预紧力，且为轴向负载的 1/3， 所以实际变形量2可减小一半 将以上计算出的1和2代入总 2，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 d：/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。 f 2EI 根据公式Fk二厂, Ka 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 0.75 （可自选），滚珠丝杠的导程 R，要实现脉冲当量 p 0.005mm/step，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。

11、齿轮传动比 .Zi P 360 i 乙 Ph 选乙 12，Z2 因传递的扭距较小， 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*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 Z 小齿轮 大齿轮 d mZ mm 直径 b 3 6m mm 齿宽 a dJ - - mm 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 p 0.005mm/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 Jeq0.005 360 “（此计算假设导程为 5m

12、m） 0.75 5 25 25。 取模数 m 1mm。采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮 设步进电机由静止到加速至nm所需时间为ta 0.4s，传动链总效率为 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 （3）步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩 Teqi的计算 Tf 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。 2 J eq nm 1 max 60ta Jeq J0 J1 2 Zl J2 J3 M Z2 180 式中：Jeq 折算到电机轴上的惯性负载 （kggcm2）； Jo步进电机转轴的

13、转动惯 量（kggcm2）； J1 - 齿轮 1 的转动惯量（kg gpm2）； 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 3 4 2 J 0.78 10 D L kggcm 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d。，总长 I ,导程Ph ,材料密度 7.85 10 3kg/cm2 , 移动部件总重 G,小齿轮宽度b,，直径d1，大齿轮宽度b2，直径d2，传动比 i。计算出 J1 kggcm2 J2 kggcm2 J3 kgg

14、cm2 电机轴转动惯量很小，可以忽略。 Vmax 360 Tf (Fz G)Ph 2 i Ta max Teq2 T T f T是折算到电动机转轴上的最大工作负载转矩； T f是移动部件运动时折算到电动机 转轴上的摩擦转矩。 -FfPh Tt厂7 Teq maxTeq1, 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 (4) 步进电机的最咼工作频率 综上，选用*公司生产的*

15、系列*型步进电。电机的有关参数如下 所选步进电机参数 型号 主要技术数据 外形尺寸(mm) 重量 (N) 步距 角 o 最 大静 转距 N gcm 最咼空载 启动频率 (steps) 相数 电压 (V) 电流 (A) 外径 长度 轴径 Tf (Fz G)Ph 2 i Tjmax 4Teq = fmax lOOOVma 60 p 1000 3 60 0.005 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（ XY 轴电 机）的硬件电气控制图。 3.1 电动机控制电气原理图 QS 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

16、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）。 3.2 PLC 分项控制电动机的接线图 PLC 控制电机点动和长动外部接线图 3.3 PLC 总体控制接线图KK2 I PLC 控制电机正反转外部接线图 3.3 PLC 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www. pwO, 叭上扯制三10交漁貝MWMUl曲电砧违捋锂踏33 Ft OS1 *JMKM1 的舉