X、Y工作台设计说明书

目录

一、课程设计目的2

二、课程设计任务及内容3

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、步进电机减速箱的选用12

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17

五、工作台机械装配图的绘制18

六、工作台控制系统电路图绘制18

七、步进电动机驱动电源的选择18

总结 (18)

参考文献 (19)

附录：20

1、操作控制面板20

2、控制程序21

X-Y数控工作台机电系统设计

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。因此，选择X-Y数控工作台作为机电综合课程设计的内容，对于机电一体化专业的教学具有普遍的意义。

模块化的X-Y数控工作台，通常有导轨座、移动滑块、工作平台、滚珠丝杠螺母副，以及伺服电动机等部件构成。其外观形式如图1所示。其中，伺服电动机作为执行元件用来驱动滚珠丝杠，滚珠丝杆的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、滚珠丝杆的螺母副和伺服电动机等均已标准化，由专门厂家生产，设计时只需根据工作载荷选取即可。控制系统根据需要，可以选用标准的工业控制计算机，也可以设计专用的微机控制系统。

图1 X-Y数控工作台外形

一、课程设计目的

机电一体化技术又称为机械电子技术，它不是一门独立的工程学科，是机械技术、电子技术、信息技术、自动控制技术等相关技术综合。机电一体化课程设计是针对机电一体化系列课程的要求，继机电一体化课程后的一门设计实践性课程。它是理论与实践的结合，是培养学生机电一体化产品综合设计能力必不可少的教学环节。

机电一体化课程设计的目的主要包括以下几个方面：

（1）培养学生综合运用所学的理论知识与实践技能，解决实际问题的能力；树立正确的设计思想，掌握机电一体化产品设计的一般方法和规律，提高机电一体化产品设计的能力。

（2）通过设计实践，熟悉设计过程，学会设计资料的正确使用；掌握机械传动系统的设计计算方法，掌握系统的设计，检查模块和动力驱动模块的计算和选用及工程图纸的绘制等，从而在机电一体化产品设计基本技能的运用上得到训练。

（3）为学生提供一个较为充分的设计空间，使其在巩固所学知识的同时，强化创新意识，在设计实践中深刻领会机电一体化课程设计的内涵，培养学生的专业技术能力和综合素质。

二、课程设计任务及内容

机电一体化产品覆盖面很广，机关在系统的构成上有着不同的层次，但在系统设计方面有着相同的规律。机电一体化系统设计是根据机电融合的设计思想，运用现代设计方法和设计手段构造产品的结构、赋予产品的性能、完成产品设计的全过程。机电一体化课程设计的任务是以几种典型的机电一体化产品，如数控机床、机器人等为设计方案，讨论其机械传动系统的设计步骤、设计方法，电机的选用和相关参数的设计计算，控制器的选择及控制方案的制定，工程图的绘制以及编写设计说明书等。使学生通过机电一体化课程设计，掌握机电一体化产品设计的全过程。

主要设计参数：

1、立铣刀最大直径d=10mm ；

2、立铣刀齿数Z=3；

3、最大铣削宽度a c =10mm ；

4、最大铣削深度a p =6mm ；

5、加工材料为碳素钢；

6、X ，Y 方向的脉冲当量都为0.005mm/脉冲；

7、X ，Y 方向的定位精度都为±0.01mm ；

8、工作台面尺寸为400mm ×400mm,加工范围为500mm×500mm ； 9、X,Y 方向工作台空载最快移动速度都为2000mm/min ；

10、X ，Y 方向工作台进给速度都为250mm/min ； 设计内容：

1、机械传动部件的计算、选型与设计： a 、导轨上移动部件的重量估算； b 、铣削力的计算；

c 、直线滚动导轨副的计算与选型；

d 、滚珠丝杆螺母副的计算与选型；

e 、步进电动机减速箱的选用；

f 、步进电动机的计算与选型；

g 、步进驱动器与驱动电源选择；

2、绘制工作台X 或Y 方向进给传动机构装配图一张；

3、工作台的进给控制系统设计（控制器选用运动控制卡）；

4、进给控制系统硬件配置图一张；

5、设计说明书一份。

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的，需要承受的载荷不大，但脉冲当量小、定位精度高，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。 （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0.005mm 的脉冲当量和01.0 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、动态响应块、运转平稳、寿命长、效率高、预紧后可消除反向间隙。 （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，且应有消间隙机构。为此，本人决定采用无间隙齿轮传动减速箱。

（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，定位精度也未到微米级，空载最快移动速度也只有2000mm/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。

（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。任务书所给的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收切削负载和电网的影响而失步，决定采用半闭环控制，拟在电动机的尾部安装增量式旋转编码器，用以检测电动机的转角与转速。增量式的旋转编码器的分辨力应与步进电动机的步距角相匹配。

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。

（2）、对于步进电动机的半闭环控制，选用MCS-51系列的8位单片机AT89C52作为控制系统的CPU，应该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，还需要扩展程序存储器、数据存储器、键盘与显示电路、I/O接口电路、D/A转换电路、串行接口电路等。

（4）、选用合适的驱动电源，与步进电动机配套使用。

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

按照小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，估算重量约为800N。

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，工件材料为碳素钢。则由《机电一体化工程专业课程》实践教程表10-7查得立铣时的铣削力计算公式为：