XY工作台设计说明书

目录

一、总体 (2)

二、机械结构设计 (3)

1、脉冲当量和传动比的确定 (3)

2、机械部件(工作台)总体尺寸 (3)

3、工作载荷分析及计算 (4)

4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核 (5)

5、导轨的选型和计算 (10)

6、联轴器的选择及计算 (11)

7、传动系统等效转动惯量计算 (12)

8、步进电机的选用 (13)

三、控制系统设计 (18)

1、控制系统硬件的基本组成 (18)

2、接口程序初始化及步进电机控制程序 (19)

3、直线圆弧插补程序设计………………………………………………………

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参考文献 (30)

一、 总体

1、总体参数

设计一个数控XY 工作台及其控制系统。该工作台可安装在铣床上，用于铣削加工。已知的设计参数如下：

2、开、半闭、闭环选择

开环伺服系统——步进电机驱动——没有检测装置

半闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——脉冲编码器——速度反馈 闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——位置检测装置——位置反馈 本设计采用开环步进电机驱动。

3、传动初步设计

电动机——联轴器——滚珠丝杠——工作台

4、系统组成框图

大致确定为：控制、接口、驱动、传动再到执行。

即为XY →→→→控制器接口电路驱动装置传动机构工作台

5、机械传动系统简图

X 轴与Y 轴的传动系统简图都如图所示

二、机械结构设计

1、脉冲当量和传动比的确定

1.1、脉冲当量的确定

根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械

传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量 为0.01mm 。

1.2、传动比的确定

传动比计算公式：P

b L

i δθ3600

=

专业课课程设计指导书（2－1） 其中：b θ为步进电机的步距角，0L 为滚珠丝杠导程，P δ为系统脉冲当量。根据传动设计，采用联轴器，初选电机步距角?=9.0b θ，丝杠导程mm L 40=，

mm P 01.0=δ。

则

其传动比

101

.03604

9.03600=??==

P b L i δθ 2、机械部件(工作台)总体尺寸

由于工作台的加工范围为X ＝200mm ，Y ＝150mm 。工作台尺寸一般为工作台加工范

p δ

围的1.1倍。所以：X＝200×1.1＝

220mm, Y ＝150×1.1＝165mm ，其厚度初定为30mm 。

选择工作台的型槽为T 型槽，查电子版《袖珍机械设计师手册》中的T 型槽和相应螺栓(摘自GB/T158-1996) 表3-25T 型槽和相应螺栓尺寸，可得所选T 型槽的参数：

A ＝10mm

B ＝18mm

C ＝8mm H ＝21mm 间距取50mm

一取工作台厚度为T 型槽厚度的2倍，即2×21＝42mm 。

工作台质量：333307.8102751022010421019.82M kg ρν---==???????=,即纵向丝杠所承受的质量。

在工作台上的工件和夹具的质量估计为160M kg =

所以总的移动部件的重量为0119.826079.8280M M M kg kg kg =+=+=≈

3、工作载荷分析及计算

3.1销削力的分析与计算

铣削运动的主运动为铣刀绕自身轴线高速回转，进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给（键槽铣刀可沿轴线进给）。

根据《机械制造技术基础课程设计指导教程》选铣刀。由表3－16，根据最大铣刀直径d ＝20mm ，最大铣削宽度10e a mm =，最大铣削深度5p a mm =选择莫氏锥柄立铣刀，立铣刀各参数如下：

由表5－11 高速钢立铣刀铣平面的铣削进给量中选取 ，由专业课课程设计指导书表2－2查得高速钢铣刀铣削力公式，选定铣刀转速

min /600r n =，由专业课课程设计指导书表2－3查得切削力公式中铣削力系数

)/(07.0z mm a f =

2.68=Fz C ，因此铣削力z F 为：

由表2－1和表2－2中f a 表示每齿进给量)/(齿mm ，即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，每齿进给量f a 、每转进给量)/(r mm f 和工作台进给速度v 三者之间的关系为 min)/(mm zn a v f = 式中z 为铣刀齿数，n 为铣刀转速min)/(r

可得工作台进给速度min)/(126min)/(600307.0mm mm zn a v f =??==

3.2进给工作台工作载荷计算

作用在工作台上的合力F '与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F 大小相同，方向相反，合力F '就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷L F ，工作台横向进给方向载荷C F 和工作台垂直进给方向载荷V F 。

工作台工作载荷L F 、C F 和V F 与铣刀的切向铣削力z F 之间有一定的经验比值。因此，根据专业课课程设计指导书表2－4，查工作台载荷与切向铣削力的经验比值：

求出z F 后，根据最大的经验比算，即可计算出工作台的计算载荷L F 、V F 和C F 。

11538.12977.21L z F F N

=?=?=Z

a d a a C F p f

e

Fz z ?????=-86

.00

72

.086

.081.90.860.720.869.8168.2100.072043

-=??????814.32N

=

0.20.2814.34325.74C z F F N ==?= 0.40.4813.34651.47V z F F N ==?=

4、滚珠丝杠螺母副的选型和校核

4.1滚珠丝杠螺母副类型选择

4.1.1主要类型

采用回珠器处在螺母之内的钢珠内循环方式，另外，为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的钢度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，初步选用垫片预紧式。 4.1.2主要参数及代号

4.1.2.1滚珠丝杠副的主要参数

①公称直径m d ，数控机床常用的进给丝杠的公称直径m d 为mm 30φ至mm 80φ，但这是X-Y 工作台，m d 不用太大，初选020d mm =。

②基本导程(螺距)0L ，由步距角?=9.0b θ、脉冲当量脉冲/01.0mm P =δ和传动比1=i 确定mm i L b p 4/3600==θδ。

③精度等级，一般选用4级~7级，数控机床及精密机械可选用2级~3级。它是滚珠丝杠副的重要指标，直接影响定位精度、承载能力和接触刚度。

4.1.2.2滚珠丝杠副的标注

查专业课课程设计指导书丝杠的特征代号见表2-6，初步选择滚珠丝杠副为FDM1604-3，导轨面的硬度为58~64HRC 。查《机械设计手册》第三版第3卷成大先主编 表12-1-17 其具体参数如下：

4.2滚珠丝杠螺母副的型号选择及校核步骤

4.2.1最大工作载荷

滚珠丝杠上的工作载荷)(N F m 是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫进给牵引力。

m F 采用实验公式计算，对于三角形或综合导轨

)('G F f KF F V L m ++= 专业课课程设计指导书（2-12）

式中：L F 为工作台纵向进给力方向载荷，V F 为工作台垂直进给方向载荷，G 为移动部件的重力（N ），K 和'f 分别为考虑颠覆力距影响的实验系数和导轨上的摩擦系数，对于三角形或综合导轨K ＝1.15，滚动导轨005.0~0025.0'=f ，取

004.0'=f 。所以：

'() 1.15814.340.004(651.478010)1356.02m L V F KF f F G N =++=?+?+?=

4.2.2最大动负载C 的计算及主要尺寸初选 滚动丝杠最大动载荷C 可用下式计算：

m m F f L C 3= 专业课课程设计指导书（2-14）

式中：L 为工作寿命，单位为r 610，610/60nt L =；n 为丝杠转速min)/(r ，

0/1000L v n =；v 为最大切削力条件下的进给速度min)/(m ，0L 为所预选的滚珠

丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t 为额定使用寿命（h ），可取t=15000h ；m f 为运转状态系数，无冲击取1~1.2，一般情况取1.2~1.5，有冲击振动取1.5~2.5；

m F 为滚珠丝杠工作载荷（N ）。

初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷a C 不得小于最大动载荷C ；

C C a >。

取1.1=m f ，而工作台进给速度min)/(126mm v =，则工作寿命L ：

)10(35.28410/150001266010/10006010/6066066r L vt nt L =???=?==

则 1.11356.024710.8m m C F N N

?=