二维精密工作台

精密机械与仪器设计

课程设计说明书

二维数控精密工作台

摘要

数控机床是一种高度自动化的机床，随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量不断提高，改型频繁。机械加工中，多品种、小批量加工约占80%。这样，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床。精密数控工作台可广泛应用于激光焊接、层射线扫描、械手检测装置及实用教学领域。随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术的发展，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要，而X-Y作台是这些设备实现高精密加工的核心部件，对于提高产品的加工质量起着尤为重要作用。

关键字：数控工作台步进电机控制滚珠导轨丝杠

目录

1. 绪论 (4)

1.1. 课程设计的设计要求 (4)

1.2. 本课题设计的背景 (5)

1.3. 本课题设计内容 (5)

1.4. 本课题设计的目的和意义 (6)

1.5. 总体方案设计 (6)

1.5.1.设计任务 (6)

1.5.2.总体方案确定 (7)

2. 机械系统设计 (9)

2.1. 工作台外形尺寸及重量估算 (9)

2.2. 滚动导轨的参数确定 (10)

2.3. 滚珠丝杠的设计计算 (11)

2.4. 步进电机的选用 (15)

2.5. 联轴器的选用 (17)

2.6. 步进电机惯性负载的计算 (18)

2.7. 二维数控精密工作台的误差来源与分析 (21)

3. 结论 (22)

致谢 (24)

参考文献： (25)

1.绪论

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。

本文步进电机，通过滚珠杠带动工作台，组成运动控制系统，实现二维平台的精密定位控制。

1.1. 课程设计的设计要求

精密机械课程设计是一次比较完整的精密机械设计，它是理论联系实际、培养初步设计能力的重要教学环节，因此在设计过程中必须做到：

（1）综合地考虑使用、经济、工艺、安全性等方面的设计要求，确定合理的设计方案。

（2）仔细阅读本课程指导书和随时查阅有关教材，在认真思考的基础上提出自己的见解与指导教师讨论，避免单纯地向指导老师索取答案；

（3）通过分析比较吸取现有结构中的优点，并在此基础上发挥自己的创造性，而不是简单抄袭或没有根据在臆造；

（4）认真计算和制图，有错误要认真修改，力求设计图纸和计算说明书的质量达到或接近实际生产水平。

1.2. 本课题设计的背景

随着科学技术的不断进步和社会生存的不断发展，人们对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求，而机械加工过程的自动化是实现上述要求的有效途径。从工业化革命以来，人们实现机械加工自动化的主要手段有自动机床、组合机床、专用自动生产线。

这些设备的使用大大提高了机械加工自动化的程度，提高了劳动生产率，促进了制造业的发展。但他也存在固有的缺点，如才初始投资大、准备周期长、柔性差。

因此，上述方法仅适用于批量的零件生产。然而，随着市场竞争的日趋激烈，产品更新换代周期缩短，小批量产品的生产所占的比重越来越大，越战总加工量的80％以上。在航空、航天、重型机床以及国防工业部门尤为突出。因此，迫切需要一种精度高，柔性好的加工设备来满足上述要求，这是机床数控技术产生和发展的内在动力。另一方面，电子技术和计算机技术的飞速反战则为NC机床的发展提供了坚实的技术基础。NC技术正是在这种背景下诞生和发展起来的，它极其有效地满足了上述要求，为小批量、京都复杂的零件生产提供了自动化加工手段。

1.3. 本课题设计内容

本设计奖在以下几个方面对数控工作台进行研究和论证。

1.数控工作台的选择。综合数控工作台的类别和各类的特点和要求，在本课题

中主要研究两轴数控工作台的控制。

2.系统硬件设计。本课题设计的数控工作台要求运行迅速准确度高，主要有步

进电机、滚珠丝杠、滚动导轨、底座、工作台等。

1.4. 本课题设计的目的和意义

数控机床是一种高度自动化的机床。随着社会生产和科学技术的迅速发展，机械产品的性能和质量的不断提高，改型频繁。机械加工中，多品种、小批量加工约占80％.这样，对机床不仅要求具有高的精度和生产效率，而且还要具备“柔性”，即灵活通用，能迅速适应加工零件的变更。数控机床较好地解决了形状复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，具有适应性强、加工精度高、加工质量稳定和生产效率高等优点，是一种灵活而高效的自动化机床。精密数控工作台可广泛应用与激光焊接、断层射线扫描、机械手、检测装置及使用教学领域。随着电子、自动化、计算机和精密测试等技术发展，数控机床在机械制造业中的地位将更加重要。

本课题的基本要求是在了解运动控制卡的基础上，掌握利用VB软件编写程序，能够进行直线或圆弧插补运动所设计的一台两轴的数控工作台，并真正掌握此项技术。由于两轴数控工作台的复杂性和广泛的应用性，它能满足各行各业不同场合的要求，如应用高校研究，机密机械，智能机械，数控设备等等，具有良好的适用性特点。

1.5. 总体方案设计

1.5.1.设计任务

设计一个数控X-Y工作台。该工作台可用于铣床上坐标孔的加工和塑料、铝合金零件的二维曲线加工，重复定位精度为±0.01mm，定位精度为0.025mm。数控精密工作台采用步进电机驱动。本次课程设计精密工作台的结构。

1.5.

2.总体方案确定

（1）系统的运动方式与伺服系统

由于工件在移动的过程中没有进行切削，故应用点位控制系统。定位方式采用增量坐标控制。为了简化结构，降低成本，采用步进电机开环伺服系统驱动X-Y 工作台。

X-Y工作台的传动方式

为保证一定的传动精度和平稳性，又要求结构紧凑，所以选用丝杠螺母传动副。为提高传动刚度和消除间隙，采用预加负荷的结构。

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

电机步距角和丝杆导程只能按标准选取，系统总体框图(1-1)

1-1

由于工作台的运动载荷不大，因此采用有预加载荷的双V形滚珠导轨。采用滚珠导轨可减少两个相对运动面的动、静摩擦系数之差，从而提高运动平稳性，减小振动。

2. 机械系统设计

2.1. 工作台外形尺寸及重量估算

X 向拖板（上拖板）尺寸：

长?宽?高 145×160×50 重量：按重量=体积×材料比重估算

3214516050107.81090--?????≈N

Y 向拖板（下拖板）尺寸：14516050?? 重量：约90N 。

上导轨座（连电机）重量：

223(2201403821558)7.81010 1.110107π--??+??????+?≈()N

夹具及工件重量：约150N 。

X-Y 工作台运动部分的总重量：约287N 。

2.2. 滚动导轨的参数确定

⑴、导轨型式：圆形截面滚珠导轨如图2-2所示 ⑵、导轨长度 ①上导轨（X 向）

取动导轨长度 100B l = 动导轨行程 50l =

支承导轨长度 Ｌ=l+l B =150 式2-2-1 ②下导轨（Y 向）

50l = 100B l = 150L =

选择导轨的型号：GTA16 ⑶、直线滚动轴承的选型

①上导轨： 240()X G N = ②下导轨： 287()Y G N =

由于本系统负载相对较小，查表后得出LM10UUOP 型直线滚动轴承的额定动

载荷为370N，大于实际动负载；但考虑到经济性等因素最后选择LM16UUOP型直线滚动轴承。并采用双排两列4个直线滚动轴承来实现滑动平台的支撑。

⑷、滚动导轨刚度及预紧方法

当工作台往复移动时，工作台压在两端滚动体上的压力会发生变化，受力大的滚动体变形大，受力小的滚动体变形小。当导轨在位置Ⅰ时，两端滚动体受力相等，工作台保持水平；当导轨移动到位置Ⅱ或Ⅲ时，两端滚动体受力不相等，变形不一致，使工作台倾斜α角，由此造成误差。此外，滚动体支承工作台，若工作台刚度差，则在自重和载荷作用下产生弹性变形，会使工作台下凹（有时还可能出现波浪形），影响导轨的精度。（零件图）

2.3. 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。

⑴ 、 最大动负载Q 的计算

H Q f P ω= 式2-3-1

查表得系数1f ω=，1H f =，寿命值

6

6010nT

L =

式2-3-2 查表得使用寿命时间T=15000h ，初选丝杠螺距t=4mm ，得丝杠转速

max 100010001

250(/min)4

V n r t ?=

== 式2-3-3 所以 6

6025015000

22510L ??=

= 式2-3-4

X 向丝杠牵引力

1.414x x P f G =当 ()f 当——当量摩擦系数 式2-3-5

1.4140.01240 3.39()N =??=

Y 向丝杠牵引力

1.4141.4140.01287 4.06()

y y

P f G N ==??=当 式2-3-6

所以最大动负荷

X 向 11 3.3920.6()x Q N =??= 式2-3-7

Y 向 11 4.0624.7()y Q N =??=

查表，取滚珠丝杠公称直径 010d mm =，选用滚珠丝杠螺母副 的型号为 SFK1004，其额定动载荷为390N ，足够用。 ⑵、滚珠丝杠螺母副几何参数计算

表2-1 滚珠丝杠螺母副几何参数

见表2-1。 ⑶、传动效率计算

7.26

0.973()(7.260.2)

tg tg tg tg γηγ?=

==++ 式2-3-8

式中：?——摩擦角；γ——丝杠螺纹升角。

⑷、刚度验算

滚珠丝杠受工作负载P 引起的导程0L 的变化量

1PL L EF

=±

Y 向所受牵引力大，故应用Y 向参数计算

24.7()P N = 00.4()L cm = 6220.610(/)E N cm =? ()材料为钢

()2

22

0.7983.140.52F R cm π??=== ???

式2-3-9

所以 6

16

24.70.5 1.210()20.6100.5

L cm -?=±

=±??? 丝杠因受扭矩而引起的导程变化量2L 很小，可以忽略。 所以导程总误差

()60100100

1.2103/0.4

L

m m L μ-==?

= 式2-3-10 查表知E 级精度的丝杠允许误差15m μ，故刚度足够。 ⑸、稳定性验算

由于丝杠两端采用止推轴承，故不需要稳定性验算。

（零件图）

2.4. 步进电机的选用

⑴、步进电机的步距角b θ

取系统脉冲当量0.01/p mm step δ=，初选步进电机步距角 1.5b θ=。 ⑵、步进电机启动力矩的计算

设步进电机等效负载力矩为T ，负载力为P ，根据能量守恒原理，电机所做的功与负载力做功有如下关系

T Ps ?η＝

式中：? ——电机转角；s ——移动部件的相应位移；η ——机械传动效率。

若取 b ?θ=，则p s δ=，且S P P G μ=+，所以

[]36()2p S b P G T N cm δμπθη

+=

式2-4-1

式中：S P ——移动部件负载（N ）；G ——移动部件重量（N ）； z P ——与重量方向一致的作用在移动部件上的负载力（N ）；μ ——导轨摩擦系数；b θ——步进电机步距角，（rad ）；T ——电机轴负载力矩（N cm ）

本例中，取0.03μ=（淬火钢滚珠导轨的摩擦系数），0.96η=，S P 为丝杠牵

引力，24.7s H P P N ==。考虑到重力影响，Y 向电机负载较大，因此取

287y G G N ==，所以

[]

360.0124.70.03287 1.33()2 1.50.96

T N cm π?+?=

=?? 式2-4-2

若不考虑启动时运动部件惯性的影响，则启动力矩

0.3~0.5

q T

T =

取安全系数为0.3，则 ()1.33

4.420.3

q T N cm ==

对于工作方式为三相六拍的三相步进电机 max 5.10.866

q j T T =

= ()N cm 式2-4-3

⑶、步进电机的最高工作频率

max max 100010001

1667()60600.01

p V f Hz δ?=

==? 式2-4-4

查表选用两个45BF005-Ⅱ型步进电机。电机的有关参数见表2-2。

表2-2 步进电机参数

)cm (step 19.6

3000

2.5. 联轴器的选用

联轴器的选择计算

联轴器的计算转矩T

C 有下式求得，在由联轴器标准按其公称转矩T

n

选定联轴

器型号。

T C =KT=K×9550×P/N≦T

n

式中 T---理论转矩（N.m）；

K----载荷系数见表（11-2）

P联轴器传递功率(KW)

n——联轴器转速（r/m）

传递功率=工作台进给抗力×工作台移动速度/传动链效率P=500×1/60×0.8=10.4w所以选择凸缘联轴器

2.6. 步进电机惯性负载的计算

根据等效转动惯量的计算公式，得

()2

2

101232180p d b Z J J J J J M Z δπθ?? ???

=++++ ? ??? ?

??

式2-6-1- 式中： d 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 的转动惯量（2kg cm ）；3J ——滚珠丝杠的转动惯量（2kg cm ）；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

()3420.7810J D L kg cm -=?

式中：D ——圆柱零件直径（cm ）；L ——零件长度（cm ）。 所以

()343210.7810 1.70.5 3.2610J kg cm --=???=? ()343220.7810 2.80.523.910J kg cm --=???=? ()343230.781015 3.910J kg cm --=???=?

电机轴转动惯量很小，可以忽略，则

()2

3

3173.261023.9 3.91028d J --??

=?++? ???

式2-6-2

()2

520.001250.4103.14 1.5180kg m -?? ?+=? ? ?? ???

因为

10.4

0.31914 1.274

d M J J <==<，所以惯性匹配比较符合要求

（装配图）