X_Y数控工作台机电系统设计说明

广西工学院机械工程系《数控机床》课程设计说明书

设计题目：X-Y数控工作台机电系统设计

班级：

：

指导教师：

广西工学院

机电一体化教研室

2010年6 月

目录

一、《数控机床》课程设计目的 (3)

二、设计任务 (3)

三、设计主要步骤 (3)

1、确定设计总体方案 (4)

（1）、机械传动部件的选择 (4)

（2）、控制系统的设计 (4)

2、机械传动部件的计算与选型 (5)

（1）、导轨上移动部件的重量估算 (5)

（2）、计算切削力 (5)

（3）、滚珠丝杠传动的设计计算及校验 (6)

（4）、步进电机的传动计算及电动机的选用 (9)

（5）、滚动导轨的设计计算 (15)

3、其余附件的选择 (16)

四、控制系统的设计 (17)

五、机械部分装配图的绘制 (19)

六、参考文献 (20)

七、总结体会 (20)

一、设计的目的

《数控机床》课程设计是一个重要的时间性教学环节，要求学生综合的运用所学的理论知识，独立进行的设计训练，主要目的：

1、通过设计，使学生全面地、系统地了解和掌握数控机床的基本组成及其想怪

知识，学习总体的方案拟定、分析与比较的方法。

2、通过对机械系统的设计，掌握几种典型传动元件与导向元件的工作原理、设

计计算及选用的方式

3、通过对机械系统的设计，掌握常用伺服电机的工作原理、计算控制方法与控

制驱动方式

4、培养学生独立分析问题和解决问题的能力，学习并树立“系统设计”的思想

5、锻炼提高学生应用手册和标准、查阅文献资料及撰写科技论文的能力

二、设计任务

设计一套供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台，主要参数如下：

1、立铣刀最大直径的d=15mm，立铣刀齿数Z=3，最大铣削宽度

a=15mm

c 最大背吃刀量

a=8mm，加工材料为碳素钢或有色金属。

p

2、X、Z方向的定位精度均为±0.02mm。

3、工作台面尺寸为230mm230mm

?;

?，加工围为250mm250mm

4、工作台空载进给最快移动速度：max max 3000mm /min x y V V ==，工作台进给最快移动速度:max ymax 400mm /min x f f V V ==，加减速0.4s 。

三、设计主要步骤

1、确定设计总方案 ⑴、机械传动部件的选择

①、 丝杠螺母副的选择

步进电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，需要满足初选0.01mm 脉冲当量，因为定位精度±0.02mm ，对于机械传动要有一定的精度损失，大约是1/3-1/2的定位精度，现取为1/2，即是±0.01mm 和±0.02mm 的定位精度，滑动丝杠副无法做到，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。

同时选用循环的形式，因为这样摩擦损失小，传动效率高，且径向尺寸结构紧凑，轴向刚度高。

由于定位精度不高，故选择的调隙方式是垫片调隙式，这种调隙方式结构简单，刚性好，装卸方便。

由于工作台最快的移动速度max ymax 3000mm /min x V V ==，所需的转速不高，故可以采用一般的安装方

法，即一端固定，一端游动的轴承配置形式。

②、导轨副的选用

要设计数控铣床工作台，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、伺服电机的选用

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。任务书所给的精度对于步进电动机来说还是偏低，为了确保电动机在运动过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用开环控制，任务书初选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3000mm/min,故本设计不必采用高档次的伺服电机，因此可以选用混合式步进电机，以降低成本，提高性价比。

④、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，如果要选用减速装置，则应选用无间隙齿轮传动减速箱。

⑵、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轮廓控制，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、对于步进电动机的开环控制系统，选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52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，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。

2、机械传动部件的计算和选择

（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、工作平台、上层电动机、减速箱、滚珠丝杠副、直线滚动导轨副、导轨座等，估计重量约为800N。

（2）、计算切削力

根据设计任务，加工材料为碳素钢或有色金属及如下参数： 立铣刀 最大直径的d=15mm ，

立铣刀齿数Z=3， 最大切削宽度e a =15mm 最大背吃刀量p a =8mm ，

设零件的加工方式为立式加工，采用硬质合金铣刀，工件材料为碳素钢。由【5】中P13页的表中，可知d=15mm 的硬质合金立铣刀最大的切削参数如下：

每齿进给量fz=0.1mm 铣刀转速n=300r/min

由【2】中P200,查得立铣时切削力计算公式为：

0.850.750.73 1.00.10

c e z p 118a f

d a n Z F -=

代如上式得： 0.850.750.73 1.00.10c 118150.11583003N 1229N F -=??????≈

采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由【2】中查得，各铣削力之间的比值围如下：

f F /c F =(1.0~1.2) 取1.1 fn F /c F =(0.2~0.3) 取0.25 e F /c F =（0.35~0.4） 取0.38

考虑逆铣时的情况，因为逆铣的情况的受力最大的情况，为了安全考虑这种最危险的工况。由此可估算三个方向的铣削力分别为： f c F 1.1F 1356N =≈ e c F 0.38F 468N =≈

fn c F 0.25F 308N =≈

考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力z F ，受到水平方向的铣削力分别为f F 和fn F 今将水平方向较大的铣削力分配给工作台的纵向，则纵向铣削力x F ，径向铣削力为y F 。 x f F F 1352N == y fn F F 307N ==

z e F F 467N ==

（3）、滚珠丝杠传动设计计算及校验

①、最大工作载荷的计算

已知移动部件总重量G=800N ，按滚动导轨计算，由【3】中P389，取颠覆力影响系数K=1.1，滚动导轨上的摩擦系数查【1】中P194可知u=0.0025—0.005,现取u=0.005，求得滚珠丝杠副的最大工作载荷：

x F F (F F )eq y Z k u G =+++

=1.1×1352+0.005×(307+467+800)

=1500N

②、最大计算动载荷的确定

设工作台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=400mm/min ，初选丝杠导程P=5mm,则此时丝杠转速eq n =v/P=80r/min 。

预计滚珠丝杠的工作五年,每天工作八小时，由此得使用寿命为T=5×360 ×8=14400h ，根据【1】中P110，公式5—4得：'6

6010eq n T T ==610N -

其中 T ——使用寿命 14400 h N ——循环次数

eq n ——滚珠丝杠的当量转速 80r/min

求得：'6

60801440010

T ??=

≈72 （6

10r ） 查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等冲击载荷取值围 1.2~1.5d f =，现取 1.3d f =，滚

道硬度为60HRC 时，硬度影响系数取值 1.0h f =，由【1】中P109，式

5-3 3c d h eq C f F =

代入数据得：3 1.3 1.01495c C =??≈8112N

②、规格型号的初选

根据计算出的最大动载荷和初选的丝杠导程，查网上生产该型号的生产厂家的资料，选择博特精密丝杠制造生产的GDM 系列2005-3型滚珠丝杠副，为循环固定反向器双螺母垫片预紧式滚珠丝杠副，其公称直径为20mm ，导程为5mm ，循环滚珠为3圈×2系列，精度等级取5级，额定动载荷为9309N ，大于最大计算动载荷c C =7971，满足要求。 参考网址 ： https://www.360docs.net/doc/7316404224.html,/3ji.asp?id=37

滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm ）

表一

④、传动效率的计算

将公称直径d 0=20mm,导程P=5mm,代入λ=arctan[P/(∏d 0)]，得丝杠螺旋升角λ=4°33′。将摩擦角ψ=10′，代入η=tan λ/tan(λ+ψ),得传动效率η=96.4%。

⑤、刚度的验算

X-Y 工作台上下两层滚珠丝杠副的支承均采用“一端固定，一端游动”的轴承配置形式。由【1】中P109，可知这种安装适用于较高精度、中等载荷的丝杠，一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承,这样能承受集中力偶。

丝杠螺母的刚度的验算可以用接触量来校核。

a 、滚珠丝杠滚道间的接触变δ，查【3】中相关公式，根据公式0/W Z d d π=，求得单圈滚珠数Z=20；该型号丝杠为双螺母，滚珠的圈数?列数为3?2，代入公式Z ∑=Z ?圈数?列数，得滚珠总数量Z ∑=120。丝杠预紧时，取轴向预紧力eq Fy F =/3=498N 。查【3】中相关公式，

得， 滚珠与螺纹滚道间接触变形 310.0013/Pa δ=式中 Pa=

310.0013/Pa δ==30.00131495/0.0014?=。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1δ=0.0007mm 。

b 、 丝杠在工作载荷max F 作用下的抗拉压变形2δ

丝杠采用的是一端采用深沟球轴承，一端采用一对背对背角接触球轴承的配置形式，轴承的中心距a=560mm,钢的弹性模量E=2.1?105MPa,由表一中可知，滚珠直径w d =3.175mm,

丝杠底径2d =16.2mm ，则丝杠的截面积S=22d /4π=206.122

mm ,由【7】中，式

3-35

2F /eq a ES δ=

其中， 最大工作载荷F eq =1495N

中心距a=560mm 弹性模量E=2.1?105MPa

截面积S=22d /4π=206.122

mm

代入以上数据，得 2δ=0.019mm

d 、则120.00070.0190.019719.7mm um δδδ=+=+==总本例中，丝杠的有效行程为

500mm ，由【3】中知，5级精度滚珠丝杠有效行程在400~500mm 时，行程偏差允许达到30m μ，可见丝杠刚度足够。

⑥、稳定性的验算

根据【3】中 式5.7-17 22EI

L K

k a f P =π。

取支承系数k f =2；

由丝杠底径d 2=16.2mm 求得截面惯性矩42/64I d π=≈3380.884mm ； 压杆稳定安全系数K 取3（丝杠卧式水平安装）； 滚动螺母至轴向固定处的距离L=a 取最大值560mm 。

代入公式，得P a =14896kg.f=14896N 大于c C =7533N ，故不会失稳，满足使用要求。 ⑦、临界转速的验算

对于丝杠有可能发生共振，需验算其临界转速，不会发生共振的最高转速为临界转速c n ，

由【1】中P111式5-10得：222

c 2f

d n 9910Lc

=

其中 20w d d 1.2D =-=20-1.2×3.175=1mm c L 为临界转速计算长度c 2L 16.2d ==

2f 为丝杠支承方式系数2f =3.927（一端固定，一端游动）

代入数据得：c n 6100/min r =

临界转速远大于丝杠所需转速，故不会发生共振。 ⑧、滚珠丝杠的选型及安装连接尺寸的确定

由以上验算可知，选用GDM2005型的丝杠，完全符合满足所需要求，故确定选用该型

号，

由表一可知丝杠所需的安装连接尺寸

（4）、步进电机的传动计算及电动机的选用

①传动计算

因为该铣床的加工精度为±0.02mm ，考虑到机械传动部分造成的精度损失，故选用铣床的脉冲当量为0.01mm/Hz ，

初选步进电动机的步距角α=0.72°。由【1】中P121式5-18得：传动比i=360360

×0.011t 0.725

i δα=

==? 由于传动比为1，则不需要选用减速箱，采用电动机轴与丝杠通过联轴器联接的方式。 ② 步进电动机的计算和选型

a 、步进电动机转轴上的总转动惯量的计算。

总转动惯量J 主要包括电动机转子的转动惯量、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量。

ⅰ、滚珠丝杠的转动惯量J

由【1】中P134式5-28得：4120.7710J D L -=? 式中 D 为丝杠公称直径D=20mm

L 为丝杠长度L=560mm

代入数据，得：J=0.77×204×560×1012-=6.9×105-kg.㎡

ⅱ、滚珠丝杠上一级移动部件等折算到电动机轴上的转动惯量

由【1】中式5-29得：2

62()102s J M -=?π

其中 M 为工作台的（包括工件）的质量M=800

9.8

G g ==81.6kg

S 为丝杠螺距S=5mm

代入数据，得：2

65225()81.610 5.210.2J kg m --=??=?π

ⅲ、初选宝马前电机电器的90YG5502型混合式步进电动机，可知其转子的转动惯量43410kg.J -=?㎡

所以123d J J J J =++=6.9×105-+5.2×105-+4×104-=5.16×104- N ·m

验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的围，既不应太大也不应太小，

即伺服系统的动态特性取决于负载特性。为使该系统惯量达到较合理的配合，一般比值

控制在1/4——1之间，4

34

4100.785.1610d J J --?==? 由此可见:

3114d

J J <<,符合惯量匹配要求。

②、步进电机轴上的等效负载转矩M 的计算

a 、承受的负载转矩在不同工况下是不同的，考虑最大切削负载时电动机所需力矩，

由【1】中P132式5-25得：10at f t M M M M M =+++

其中9.6r at J n

M T

=

其中: r J 为折算到电动机轴上的总惯量r J =d J =5.16×104-

T 系统时间常数，由任务书知为T=0.4S

t n 切削时的转速为300r/min

得：425.1610300

4.03109.60.4at M --??=

=?? N ·m

30102f F S

M i

η-=

?π 其中： 0F 为导轨摩擦力

0()(469800)0.005 6.3Z F F G u N =+=+?= S 为丝杠螺距S=5mm i 为齿轮降速比，已计算出为1

η为传动链总效率，η=0.7—0.8，取0.8

代入数据 得：36.2710f M -=? N ·m

23max 00(1)102a F S M i

ηη-=

-?π

其中： max a F 为最大轴向载荷，max 5033

eq a F F N =

=

0η为滚珠丝杠未预紧时的效率，0η=0.95≥0.9

其余数据同上

代入数据 得：00.048M = N ·m 3102t t F S

M i

η-=

?π其中：t F 进给方向的最大切削力1356t x F F N == 其余参数同上。

代入数据得： 1.34t M = N ·m

由此都得到等效负载转矩10 1.46at f t M M M M M =+++= N ·m b 、快速空载时电动机所需力矩M

由【1】中P132式5-24得：max 0a f M M M M =++ 加速力矩max max 9.6r a J n M T =其中：max max 3000

600/min 5h

V n r P ==

=

其余参数同上

入数据得：max 0.06a M = N ·m 力矩摩擦30102f F S

M i

η-=

?π其中：u 为导轨副的摩擦因数，滚动导轨取 u=0.005

其余参数同上。

代入数据得：0.0004f M =N ·m

附加摩擦力矩：2

3max 00(1)102a F S M i

ηη-=

-?π 其余参数同上

代入数据得：00.048M = N ·m

所以可知快速空载时点击所需力矩：2max 0a f M M M M =++

=0.06+0.0004+0.048

=0.1084 N ·m

比较1M 和2M ，取其较大者，就是最大等效负载，即：M =1M =1.46N.M ③、步进电机的初选

考虑到步进电机的驱动电源受电网的影响较大，当输入电压降低时，其输入转矩也会下降，可能会造成丢步，甚至堵转，因此按最大等效负载M 考虑一定的安全系数λ，取λ=3，则步进电机的最大静转矩应满足： max 33 1.46 4.38j T M ≥=?= N ·m

由所选的电机型号参数可知，最大转矩max 5j T = N ·m ，可知满足要求。 ④、步进电机性能校核

a 、最快工进速度时电动机时输出转矩校核

任务书给定工作台最快工进速度max f V =400mm/min ，脉冲当量0.01mm δ=/脉冲，

求出电动机对应的运行频率max [400/(600.01)]667f f Hz =?≈。从90BYG5502电动机的运行矩频特性曲线图可以看出在此频率下，电动机的输出转矩max f T ≈4N ·m ，远远大于最大工作负载转矩2eq T =1.46N ·m ，满足要求。

b 、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max v =3000mm/min ，求出其对应运行频

max [3000/(600.01)]5000f Hz =?=。由图查得，在此频率下，电动机的输出转矩max T =3.5N ·m ，

大于快速空载起动时的负载转矩1eq T =0.1084N ·m ，满足要求。

c 、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max v =3000mm/min 对应的电动机运行频率为max 12500z f H =。查图3中相应表格，可知90BYG5502电动机的空载运行频率可达20000Hz ，可见没有超出上限。

④ 、起动频率的计算

已知电动机转轴上的总转动惯量23.57eq J kg cm =?，电动机转子的转动惯量

22.4m J kg cm =?，电动机转轴不带任何负载时的空载起动频率1800q z f H =。由式可知步进电

动机克服惯性负载的起动频率为：

1141.28

1/L eq m

f f Hz J J =

=+

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1141.28Hz 。实际上，在采用软件升降频时，起动频率选得更低，通常只有100Hz 。

综上所述，本次设计中工作台的进给传动系统选用90BYG5502步进电动机，完全满足设计要求。

⑤、确定选型的步进电机的参数 所选电动机参数如下图所示：

图2

外形尺寸安装接线图和和矩频特性如图3所示

图3

参考网址.cz-baoma./product.asp?Action=Detail&ID=28

图3

（5）、、滚动导轨的设计计算

①、工作载荷的计算

工作载荷是影响导轨副寿命的重要因素，对于水平布置的十字工作台多采用双导轨、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，则单滑块所承受的最大垂直方向载荷为： max 4

G

F F =

+ 其中，移动部件重量G=800N,外加载荷F=Z F =503N 代入上式，得：max 669F N = ② 、小时额定工作寿命的计算

预期工作台的工作寿命为5年，一年365天，取工作时间为360天，每天工作8小时，因此得到小时额定工作寿命14400h L h = ③、距离额定寿命计算

由公式310260h L L nS -?=?，从而得到3260

10

h L nS L ?=

式中，h L 为小时额定工作寿命。 n 为移动件每分钟往复次数（4—6）取5

S 为移动件行程长度，由加工围为250mm ×250mm 取520mm

代入数据 得：4493h L km = ④、额定动载荷计算

由公式36.25(/)a L C F =

从而得到：a C F =式中：a C 为额定动载荷

L 为距离工作寿命，由上式可知为4493km F 为滑块的工作载荷，由上式可知为669N

代入数据得：5593a C N ⑤、产品选型

根据额定动载荷，选择滚动导轨，查滚动导轨生产厂家，选用工艺装备制造的GGB20BA 型，相关尺寸如下图4所示，

参考网址： .njyigong./html/gund/g2/c/ggb/ba.htm

图4

可知其额定动载荷C=11.6KN ，大于5.593KN ，故可知满足要求。 ⑥、安装连接尺寸。

对于导轨的安装按照如图4所示相关尺寸安装。

3、其余附件的选择

1、联轴器的选择

刚性联轴器结构比较简单，制造容易， 免维护，超强抗油以及耐腐蚀，即使承受负载时也无任何回转间隙，即便是有偏差产生负荷时，刚性联轴器还是刚性传递扭矩。适用于安装底座刚性好、对中精度较高、冲击载荷不大、对减振要求不高的中小功率轴系传动。根据选出的电机和丝杠的参数，选用光宇科技的LK13-C32-1012型刚性联轴器。

参考网址.31992640./asp/cpzx-show.asp?productid=1753

图5

四、控制系统的设计

根据任务书的要求，设计控制系统的时主要考虑以下功能：

（1）接受操作面板的开关与按钮信息；

（2）接受限位开关信号；

（3）控制X，Y向步进电动机的驱动器；

（4）与PC机的串行通信。

CPU选用MCS-51系列的8位单片机AT89S52，采用8279，和W27C512，6264

芯片做为I/O和存储器扩展芯片。W27C512用做程序存储器，存放监控程序；6264用来

扩展AT89S52的RAM存储器存放调试和运行的加工程序；8279用做键盘和LED显示器

借口，键盘主要是输入工作台方向，LED显示器显示当前工作台坐标值；系统具有超程报警

功能，并有越位开关和报警灯；其他辅助电路有复位电路，时钟电路，越位报警指示电路。

1、进给控制系统原理框图

图6

2、驱动电路流程设计

步进电机的速度控制比较容易实现，而且不需要反馈电路。设计时的脉冲当量为0.01mm，步进电机每走一步，工作台直线行进给0.01mm。步进电机驱动电路中采用了光电偶合器，它具有较强的抗干扰性，而且具有保护CPU的作用，当功放电路出现故障时，不会将大的电压加在CPU上使其烧坏。