十字滑台系统设计

重庆理工大学机电一体化课程设计X-Y水平十字滑台说明书班级：学号：专业：机械设计制造及其自动化姓名：教师：时间：2015年6月22日-7月10日目录一、设计目的 (2)二、设计任务 (2)三、总体方案的确定 (3)1、机械传动部件的选择 (3)2、控制系统的设计 (4)四、机械传动部件的计算与选型 (4)1、导轨上移动部件的重量估算 (4)2、铣削力的计算 (4)3、直线滚动导轨副的计算与选型 (7)4、滚珠丝杠螺母副的计算与选型 (9)5、步进电动机减速箱的选用 (13)6、步进电动机的计算与选型 (13)7、增量式旋转编码器的选用 (19)8、步进电机驱动器的选择 (19)9、联轴器的选择 (21)五、工作台机械装配图的绘制 (22)六、工作台控制系统的设计 (22)七、十字滑台运动控制程序的编制 (22)八、结语 (25)参考文献 (26)一、设计目的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思想知识，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、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4、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1、设计题目X-Y数控工作台机电系统设计2、任务设计一种供立式数控铣床使用的X-Y数控工作台。

要求可以设定工作台的运动速度，实现正向/反向点动、正向/反向连续运动、启动、停止、急停、软硬限位等功能。

3、主要设计参数1.立铣刀最大直径d=16mm2.立铣刀齿数Z=33.最大铣削宽度a c=10mm4.最大铣削深度a p=8mm5.加工材料为碳素钢6.X，Y方向的脉冲当量都为0.01mm/脉冲7.X，Y方向的定位精度都为±0.02mm8.工作台面尺寸为350mm×350mm,加工范围为450mm×450mm9.X,Y方向工作台空载最快移动速度都为2500mm/min10. X，Y方向工作台进给速度都为400mm/min三、总体方案的确定 1、机械传动部件的选择（1）导轨副的选用要设计的X-Y 工作台是用来配套轻型的立式数控铣床，需要承载的载荷不大，但脉冲当量小(pmm y x /01.0==δδ)，定位精度高（max max 400/minx f y f v v mm ==），因此，决定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、结构紧凑、安装预紧方便等优点。

选直线滚动导轨副（2）丝杠螺母副的选用伺服电动机的旋转运动需要通过丝杠螺母副转换成直线运动，要满足0.01mm 的脉冲当量和±0.01mm 的定位精度，滑动丝杠副无能为力，只有选用滚珠丝杠副才能达到。

滚珠丝杠副的传动精度高、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，而且滚珠丝杠已经系列化，选用非常方便，有利于提高开发效率。

选滚动丝杠螺母副（3）减速装置的选用选择了步进电动机和滚珠丝杠副以后，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，且应有消除间隙机构。

拟采用减速器（4）伺服电动机的选用任务书规定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2500mm/min 。

因此，本设计不必采用高档次的伺服电动机，如交流伺服电动机或直流伺服电动机等，可以选用性能好一些的步进电动机，如混合式步进电动机，以降低成本，提高性价比。

伺服电机选步进电机（5）检测装置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。

任务书所给精度对于步进电动机来说还是偏高的，为了确保电动机在运转过程中不受切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，并在电动机的尾部转轴上安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。

增量式旋转编码器的分辨率应与步进电动机的步距角相匹配。

检测装置的选用：增量式旋转编码器考虑到X、Y两个方向的加工范围相同，承受的工作载荷相差不大，为了减少设计工作量，X、Y两个坐标的导轨副、丝杠螺母副、减速装置、伺服电动机，以及检测装置拟采用相同的型号与规格。

2、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单坐标定位、两坐标直线插补与圆弧插补的基本功能，所以控制系统应该设计成连续控制型。

连续控制型（2）对于步进电动机的半闭环控制，选用MPC2810运动控制卡，应该能够满足任务书给定的相关指标。

控制器选：MPC2810运动控制卡（3）要设计一台完整的控制系统，在选择运动控制卡之后，还需要转接板作为与其他电器元件连接的枢纽。

需要转接板（4）选择合适的驱动电源，与步进电动机配套使用，我们将自行设计。

自行设计步进电机驱动电源整体方案设计系统总体方案图四、机械传动部件的计算与选型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900N。

G=900N 2、铣削力的计算设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。

则由表2-1查得立铣时的铣削力计算公式为：硬质合金铣刀铣削力的计算公式（单位N）[3]16铣刀类型工件材料铣削力公式面铣刀碳钢ZnadfaFpzec18.090.03.188.006.111278--=灰铸铁ZadfaFpzec90.00.174.00.1539-=可锻铸铁ZnadfaFpzec20.00.13.175.01.14825--=圆柱铣刀碳钢ZadfaFpzec0.187.075.088.01000-=灰铸铁ZadfaFpzec0.190.080.09.0596-=三面刃铣刀碳钢ZnadfaFpzec1.01.11.180.09.02560--=两面刃铣刀ZadfaFpzec85.01.170.08.02746-=立铣刀ZnadfaFpzec13.00.173.075.085.0118--=期中：a p为背吃刀量mm；a e为侧吃刀量mm；f z为每齿进给量mm/Z；v f进给速度mm/min；Z铣刀齿数；d铣刀直径mm；n铣刀转速r/min，见图2-1。

ZnadfaFpzec13.00.173.075.085.0118--=（2-1）图2-1 铣削用量说明若铣刀直径d=16mm，齿数Z=3，为了计算最大铣削力，在不对称铣削情况下，取最大铣削宽度a e=10mm，背吃刀量a p=8，每齿进给量f z=0.1mm/Z；铣刀转速n=300r/min。

则由公式2-1求得最大铣削力：0.850.750.73 1.00.13118100.11683003989cF N-=⨯⨯⨯⨯⨯⨯≈采用立铣刀进行圆柱铣削时，各铣削力之间的比值可由表2-2。

表2-2 各铣削力之间比值铣削条件比值对称铣削不对称铣削逆铣顺铣端铣削a e=(0.4~0.8)d/mmf z=(0.1~0.2)/(mm.z-1))F f / F c0.3～0.4 0.6～0.9 0.15～0.3F e / F c0.85～0.95 0.45～0.70 0.9～1.0F fn / F c0.50～0.55 0.50～0.55 0.5～0.55圆柱铣削a e=0.05 d/mmf z=(0.1~0.2)/(mm.z-1))F f / F c 1.0～1.2 0.8～0.9F fn / F c0.2～0.3 0.75～0.8F e / F c0.35～0.4 0.325～0.4图2-2 铣削力分析图2-3 顺铣与逆铣由表2-2，图2-2和图2-3，考虑逆铣情况，可估算出三个方向的铣削力分别为：1.110880.383760.25247f ce cfn cF F NF F NF F N=≈=≈=≈图2-3a为卧铣情况，现考虑立铣，则工作台受到垂直方向的铣削力F z=F e=376N，受到水平F z=376NF x=1088Nμ——导轨摩擦因数（滑动导轨取0.15~0.18）,滚动导轨取0.003～0.005）；这里取0.005 Fz ——垂直方向的工作载荷，空载时Fz=0()G F F c +=μw （2-12） 式中： μ——导轨摩擦因数（滑动导轨取0.15~0.18）,滚动导轨取0.003～0.005）；Fc ——垂直方向的工作载荷，车削时为Fc ，立铣时为Fz 单位为N ，空载时Fc=0； G ——运动部件的总总量，单位为N()20012ηπη-=i P F T h YJ （2-13） 式中 FYJ ——滚珠丝杠的预紧力，一般取滚珠丝杠工作载荷Fm 的1/3，单位为N ；η0——滚珠丝杠未预紧时的传动效率，一般取η0≥0.9 由于滚珠丝杠副的传动效率很高，所以T0值一般很小，与Tamax 和Tf 比起来，通常可以忽略不计。

由式2-9得快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩： 1max 0max 0.25990.00580.266m eq a f a f T T T T T T N =++≈+=+=•考虑到不用减速箱，取减速比i=1算步距角 3603600.910.014h i P δα⨯⨯===︒所以初选步进电机型号为110BYG250A 型，为两相混合式，由杭州日升电气设备有限公司生产，两相八拍的步距角为0.9°。

其参数如下表所示：=0.2599Nm移动部件运动时折算到电动机转轴上的摩擦转矩=0.0058Nm滚珠丝杠预紧后折算到电动机转轴上的附加摩擦转矩=0(即忽略)快速空载启动时电动机转轴所承受的负载转矩=0.266Nm查表得该型号电机转子的转动惯量Jm=28.4kg cm •4342s 7.8510 2.5782.353232d lJ kg cm πρπ-⨯⨯⨯⨯===•（式中长度单位均为cm ） 托板折算到转轴上的总转动惯量系数。

这里取安全系数K=4，则步进电动机的最大静转矩应满足：max 440.997 3.988j eq T T N m≥=⨯=g上述初选的步进电动机型号为110BYG250A ，由附件4表4-5查得该型号电动机的最大静转矩max 12.5j T N m=g 。

可见，满足要求。

步进电机最大静转矩满足要求。

（4）步进电机性能校核1）最快工作速度时电动机输出转矩校核任务书给定工作台最快加工进给速度max 400/minf v mm =，脉冲当量p mm /01.0=δ，则电动机对应的运行频率为：max max 400666.6760600.01f f v f Hzδ==≈⨯图2-2 110BYG2502步进电机运行距频特性曲线从图2-2查得，在此频率下，电动机的输出转矩Tmaxf=17Nm ，大于最大工作负载转矩Teq2=0.997Nm ，满足要求。