(600×600)方台面数控回转工作台设计

X-Y数控工作台设计

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(600×600)方台面数控回转工作台设计

一、设计的目的

《数控机床》课程设计是一个重要的实践性教学环节，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、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X-Y数控工作台，主要参数如下：

设计一台数控回转工作台并开发其控制、驱动系统，工作台台面600×600mm，分辨率为δ=5分/step，承受最大载荷Tmax=1800Nm。

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0.005mm脉冲当量，因为定位精度±0.01mm，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，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。

同时选用内循环的形式，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2300mm/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3700N。

（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：

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： 1639330010251.02511810.00.173.075.085.0≈??????=-F C

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范围如下：

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： N F F C f 18031.1≈= N F F e 62338.0C ≈=

N F F C fn 41025.0≈=

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 。 Fx=Ff=1803N Fy=Ffn=410N

Fz=Fe=623N

（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=3700N ，按滚动导轨计算，由【3】中，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 =+++

=1.1×1803+0.005×(410+623+3700)

=2007N

②、最大计算动载荷的确定 设工作

1、

2、

XXXXXXXXXX......此处删除无数+N 个字，完整设计请加扣扣:二二壹五八玖一壹五一

台在承受最大铣削力时的最快进给速度v=950mm/min ，初选丝杠导程P=5mm,则此时丝杠转速eq n =v/P=190r/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 =

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 190r/min

求得：6

'10

1440019060??=

T ≈164 （6

10r ） 查【1】中P110，表5-1、5-2得，受中等冲击载荷取值范围 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， 3c d h eq C f F =

代入数据得：20070.13.11643???=Cc ≈14281N

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，选择济宁博特精密丝杠制造有限公司生产的GDM 系列2005-3型滚珠丝杠副，为内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。

滚珠丝杠螺母副几何参数 （单位mm ）

3.175

0.52

=

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/(πd 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=669N 。查【3】中相关公式，得， 滚珠与螺纹滚道间接触变形 310.0013/Pa δ=310.0013/Pa δ=33120669175.3/149513.00???=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=22

d /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 =2007N

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=0.026mm

c 、则um .72626.00007.0021=+=+=δδδ总，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30um ，可见丝杠刚度足够。

⑥、稳定性的验算

根据【3】 2

2EI

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4

2/64I 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 =14481kg,f=14481N 大于c C =14281N ，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=16.2mm

c L 为临界转速计算长度c 2L 16.2

d ==

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：min /9434r n c =

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）、步进电机的选用

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=kg g G 6.3778

.93700

≈=

S 为丝杠螺距S=5mm

代入数据，得：2462104.2106.377)25

(m kg J ??=??=--π

ⅲ、初选常州宝马前杨电机电器有限公司的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-+2.4×104-+4×104-=7.09×104- N ·m

验算惯量匹配，电动机轴向惯量比值应控制在一定的范围内，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，56.010

09.7104443=??=--J J

d

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 =7.09×104-

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：m N M at ??=???=

--241054.54

.06.9300

1009.7

30102f F S

M i

η-=

?π 其中： 0F 为导轨摩擦力

()N u G F F z 6.21005.0)3700623(0=?+=+= 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：m N M f ??=-21015.2

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

ηη-=

-?π 其中： max a F 为最大轴向载荷，N F

F eq

a 6693

max ==

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：m N M ?=065.00

3102t t F S

M i

η-=

?π其中：t F 进给方向的最大切削力N F F x t 1803== 其余参数同上。

代入数据得：9.71M t = N ·m

由此都得到等效负载转矩

93.101≈+++=M

M M M M f at t

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：min /460max max r P V n h

==

其余参数同上

入数据得：m N M a ?=02.0m ax 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：021.0M f =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： m N M ?=065.00N ·m

所以可知快速空载时点击所需力矩：2max 0a f M M M M =++ =0.02+0.021+0.065

=0.106 N ·m

比较1M 和2M ，取其较大者，就是最大等效负载，即：M =1M =1.93N.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=2，则步进电机的最大静转矩应满足：

86.393.122max =?=≥M T j 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、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

图4 （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 =623N 代入上式，得：1548max =F 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，由加工范围为600mm ×300mm 取900mm

代入数据 得：km L h 7776= 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7776km F 为滑块的工作载荷，由上式可知为1548N 代入数据得：N C a 16649= 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，选用南京工艺装备制造有限公司的GGB25BA 型，相关尺寸如下图4所示，

图5

可知其额定动载荷C=17.7KN，大于16.649KN，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5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，刚性联轴器还能刚性传递扭矩。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，选用沈阳光宇科技有限公司的LK13-C32-1012型刚性联轴器。

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0.005mm，步进电机每走一步，工作台直线行进给0.005mm。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。

图7 步进电机驱动电路图

该电路中的功放电路是一个单电压功率放大电路，当A相得电时，电动机转动一步。电路中与绕组并联的二极管D起到续流作用，即在功放管截止是，使储存在绕组中的能量通过二极管形成续流回路泄放，从而保护功放管。与绕组W串联的电阻为限流电阻，限制通过绕组的电流不至超过额定值，以免电动机发热厉害被烧坏。

由于步进电机采用的是五相十拍的工作方式（五个线圈A、B、C、D、E），其正转时通电顺序为：A-AB-B-BC-C-CD-D-DE-E-EA-A……….其反转的通电顺序为：A-AE-E-ED-D-DC-C-CB-B-BA-A………。

3、驱动电源的选用，及驱动电源与控制器的接线方式

设计中X、Y向步进电动机均为90BYG5502型，生产厂家为常州宝马前杨电机电器有限公司。查步进电动机的资料，选择与之匹配的驱动电源为BD28Nb型，输入电压为50V AC，相电流为3A，分配方式为五相十拍。该驱动电源与控制器的接线方式如图8所示：

图8

五、总结体会

我觉得本次课程设计是对过去所学专业知识的一个全面的综合的运用。在设计的过程中我全面地温习了以前所学过的知识，包括机械设计基础和机械制图方面的基础知识，还有刚学过的数控机床和机电一体化系统设计，经过复习整理所学得专业知识使得设计思路清晰系统。通过设计使我更加接近生产实际，锻炼了将理论运用于实际的分析和解决实际问题的能力，巩固、加深了有关机械设计方面的知识。

在此过程中我不仅运用了以前所学的各个学科方面的知识，而且学到了课本以外的知识。在此次设计过程中遇到了不少问题，也走了不少弯路，通过此次设计实践让我学会虚心求教，细心体察，大胆实践。任何能力都是在实践中积累起来的，都会有一个从不会到会，从不熟练到熟练的过程，人常说“生活是最好的老师”就是说只有在生活实践中不断磨练，才能提高独立思考和解决问题的能力；同时也培养了自己优良的学风、高尚的人生、团结和合作的精神；学会了勤奋、求实的学习态度。

还有很重要的一点是让我体会到了一个设计者的精神。在设计过程中既要自己不断思考、创造，又要注意借用现有的资料，掌握了查阅和使用标准、规范、手册、图册、及相关技术资料的基本技能以及计算、绘图、数据处理等方面的能力。

通过对通用机械零件、常用机械传动或简单机械的设计，掌握了一般机械设计的程序和方法，有助于树立正确的工程设计思想，培养独立、全面、科学的机械设计能力。

最后对在整个设计过程中对老师认真、耐心辅导表示衷心的感谢！

六、参考文献

【1】、文怀兴、夏田 .《数控机床系统设计》北京：北京化工出版社，2008.

【2】、韩荣第 .《金属切削原理与刀具》哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2007.

【3】、李洪 .《机床设计手册》北京：辽宁科学技术出版社，1999.

【4】、陈家芳.《金属切削工艺手册》上海：上海科学技术出版社, 2005.

【5】、杨建明. 《数控加工工艺与编程》北京：北京理工大学出版社，2009.

【6】、张新义.《经济型数控机床系统设计》北京：机械工业出版社，2000

【7】张建民.机电一体化系统设计[M].北京：高等教育出版社.2001

【8】张训文.机电一体化系统设计与应用[M].北京：北京理工大学出版社.2006

【9】张立勋等.机电一体化系统设计[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社.