X-Y数控工作台设计说明书

一、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C ×B ×H ＝【200+（班级序号）×5】mm ×【200+（班级序号）×5】mm ×【15+（班级序号）】mm ；

2）底座外形尺寸C1×B1×H1＝【680+（班级序号）×5】mm ×【680+（班级序号）×5】mm ×【230+（班级序号）×5】mm ；

3）工作台加工围X=【300+（班级序号）×5】mm ，Y=【300+（班级序号）×5】mm ；

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）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20e a mm =； 10）最大被吃刀量10p a mm =。 1.2 总体方案确定 （1）机械传动部件的选择 ① 导轨副的选择 ② 丝杠螺母副的选择

③减速装置的选择

④伺服电动机的选择

（2）控制系统的设计

①伺服电机启动、停止、调速、正反转的控制

②PLC控制电机的梯形图编程

XY 数控工作台结构

1.3 设计的基本要求

（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AO 图纸。

（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。

系统总体方案结构框图

二、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）×密度进行估算 （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：

0.850.750.73 1.00.13118c e z p F a f d a n Z -=

其中，取最大铣削宽度，最大背吃刀量，每齿进给量0.1z f mm =，铣刀转速

500/min n r =，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： 1.1f c F F ==；

0.38e c F F ==；0.25fn c F F ==。

现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力z

e F F ==，受到水平方向的铣削力

分别为纵向铣削力x f F F =（丝杠轴线方向）=，径向铣削力y fn F F ==

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

向载荷为max

4

G

F F =+=。 其中，移动部件重量为

G ，外加载荷z F

F ==

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，加工围及工作台整体尺寸的要求，选择导轨的长度。

所选直线滚动导轨副的几何参数（由厂家说明书确定）

（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H f =1.0、温度系数T f =1.0、接触系数C f =0.81、精度系数R f =0.9、载荷系数W f =1.5，代入以下公式，得距离寿命（期望值为50KM ）。

3

max

(

)50H T C R a W f f f f C L f F =?=

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。应按铣削时的情况计算。

（1）最大工作载荷m F 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x F ，受到横向的载荷（与丝杠轴线垂直）为y F ，受到垂直方向的载荷（与

工作台面垂直）为z F 。

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0.005μ=。求得滚珠丝杠副的最大工作载荷为：

()m x z y F KF F F G μ=+++=

（2）最大动载荷Q F 的计算

工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度500/min v mm =，初选丝杠导程h P （自己选择如4、5、6mm 等），则此时丝杠转速/h n v P =

取滚珠丝杠的使用寿命T=15000h ，代入6060/10L nT =，得丝杠寿命系数0L 查表，取载荷系数 1.2W f =，滚道硬度为60HRC 时，取硬度系数 1.0H f =

，代入式

Q W H m F f F =，求得最大动载荷Q F 。

（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Q F ，满足要求。

所选滚珠丝杠螺母副几何参数

（4）传动效率η的计算

将公称直径0d ，导程h P ，代入0arctan[P /(d )]h λπ=，得丝杠螺旋升角λ。将摩擦角

'10?=，代入tan /tan()ηλλ?=+，得到传动效率。

（5）刚度的验算

① 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52.110E MPa =?，由所选滚珠丝杠螺母副可得，滚珠直径w D ，丝杠底径2d ，

丝杠截面积2

2

/4S d π== 算的丝杠在工作载荷m F 作用下产生的拉/压变形量1/(ES)m F a δ==

②滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2δ=其中，丝杠预紧时，

取轴向预紧力/3YJ m F F ==，Z ∑为滚珠总数量。因为丝杠有预紧力，且为轴向负载的1/3，

所以实际变形量2δ可减小一半。

③将以上计算出的1δ和2δ代入12δδδ=+总，求得丝杠总变形量δ总。通过查表，得出

δ总是否在行程的偏差允许值。 （6）压杆稳定性校核

查表，取支承系数1k f =，由丝杠底径2d ，求得截面惯性矩42/64I d π==；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。根据公式2k 2

=k f EI

F Ka π,

计算失稳时的临界载荷k F ,远大于工作载荷m F 即不会失稳。

2.5 确定齿轮传动比

初选步进电机步距角0.75α=（可自选），滚珠丝杠的导程h P ，要实现脉冲当量

0.005/p mm step δ=，在传动系统中应加一对齿轮降速传动。齿轮传动比

123600.00536012

0.75525

p h Z i Z P δα??=

===?（此计算假设导程为5mm ） 选 112Z =，225Z = 。

因传递的扭距较小，取模数1m mm =。 采用一级减速，步进电机的输出轴与小齿轮

连接，滚珠丝杠的轴头与大齿轮连接，其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

2.6 步进电机的选用 （1）步进电机的步距角α

根据系统脉冲当量0.005/p mm δ=脉冲，根据所选滚珠丝杠的导程h P ，初选步进电机步距角α（可自选）。

（2）计算加在步进电机转轴上的总转动惯量eq J

（3）步进电机快速空载启动时转轴所承受的负载转矩1eq T 的计算

1max eq a f T T T =+

其中max a T 是快速空载启动时折算到电动机转轴上的最大加速转矩；f T 是移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩。

max 21

60eq m a a

J n T t πη

=

?

()2

2

101232180p eq Z J J J J J M Z δπα?? ???

=++++ ? ??? ???

式中：eq J ——折算到电机轴上的惯性负载（2kg cm ）； 0J ——步进电机转轴的转动惯量（2kg cm ）；1J ——齿轮1的转动惯量（2kg cm ）；2J ——齿轮2的转动惯量（2kg cm ）；