1、1.1 設計任務題目：X-Y數控工作臺機電系統設計任務：設計一種供立式數控銑床使用的X-Y數控工作臺，主要參數如下：1） 立銑刀最大直徑 d=36mm；2） 立銑刀齒數 Z=3；3） 最大銑削寬度 ae=36mm；4） 最大背吃刀量ap=8mm；5） 加工材料為碳素鋼或有色金屬；6） X、Y方向的脈沖當量x=y=0.0075mm脈沖；7） X、Y方向的定位精度均為±0.015mm；8） 工作臺面尺寸為230mm×230mm，加工范圍為600mm×230mm；9） 工作臺空載最快移動速度Vxmax=Vymax=2360mmmin；10） 工作臺進給最快移動速度Vxm

2、axf=Vymaxf=560mmmin。1.2 總體方案的確定1. 機械傳動部件的選擇（1） 導軌副的選用 要設計的X-Y工作臺是用來配套輕型的立式數控銑床的，需要承受的載荷不大，但脈沖當量小、定位精度高，因此，決定選用直線滾動導軌副，它具有摩擦系數小、不宜爬行、傳動效率高、結構緊湊、安裝預緊方便等優點。（2） 絲桿螺母副的選用 伺服電動機的旋轉運動需要通過絲桿螺母副轉換成直線運動，要滿足0.005mm的脈沖當量和±0.002mm的定位精度，滑動絲桿副無能為力，只有選用滾珠絲桿副才能達到。滾珠絲桿副的傳動精度高、動態響應快、運轉平穩、壽命長、效率高，預緊后可消除反向間隙。（3） 減速

3、裝置的選用 選擇了步進電動機和滾珠絲桿副以后，為了圓整脈沖當量，放大電動機的輸出轉矩，降低運動部件折算到電動機轉軸上的轉動慣量，可能需要減速裝置，且應有消間隙機構。為此，決定采用無間隙齒輪傳動減速箱。（4） 伺服電動機的選用 任務書規定的脈沖當量尚未達到0.001mm，定位精度也未達到微米級，空載最快移動速度也只有1540mmmin。因此，本設計不必采用高檔次的伺服電動機，如交流伺服電動機或直流伺服電動機等，可以選用性能好一些的步進電動機，如混合式步進電動機，以降低成本，提高性價比。（5） 檢測裝置的選用 選用步進電動機作為伺服電動機后，可選開環控制，也可選閉環控制。任務書所給的精度對于步進電

4、動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運轉過程中不受切削負載和電網的影響而失步，決定采用半閉環控制，擬在電動機的尾部轉軸上安裝增量式旋轉編碼器，用以檢測電動機的轉角與轉速。增量式旋轉編碼器的分辨力應與步進電動機的步距角相匹配?？紤]到X、Y兩個方向的加工范圍相同，承受的工作載荷相差不大，為了減少設計工作量，X、Y兩個坐標的導軌副、絲桿螺母副、減速裝置、伺服電動機，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規格。2. 控制系統的設計1） 設計的X-Y工作臺準備用在數控銑床上，其控制系統應該具有單坐標定位、兩坐標直線插補與圓弧插補的基本功能，所以控制系統應該設計成連續控制型。2） 對于步進電動機的半閉環控制，選用

5、MCS-51系列的8位單片機AT89C52作為控制系統的CPU，應該能夠滿足任務書給定的相關指標。3） 要設計一臺完整的控制系統，在選擇CPU之后，還需要擴展程序存儲器、數據存儲器、鍵盤與顯示電路、I/O接口電路、D/A轉換電路、串行接口電路等。4） 選擇合適的驅動電源，與步進電動機配套使用。3. 機械傳動部件的計算與選型1. 導軌上移動部件的重量估算按照下導軌上面移動部件的重量來進行估算。包括工件、夾具、工作平臺、上層電動機、減速箱、滾珠絲桿副、直線滾動導軌副、導軌座等，估計重量約為1000N。2. 銑削力的計算設零件的加工方式為立式銑削，采用硬質合金立銑刀，工件的材料為碳鋼。則有表3-7查

6、得立銑時的銑削力計算公式為：Fc=今選擇銑刀直徑d=50mm，齒數Z=3，為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度ae=50mm，背吃刀量ap=8mm，每齒進給量fz=0.1mm，銑刀轉速n=1500rmin。則由公式求得最大銑削力：Fc=采用立銑刀進行圓柱銑削時，各銑削力之間的比值可由表3-5查得3-4a，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：Ff=1.1Fc1771N，Fe=0.38Fc611.8N，Ffn=0.25Fc402.5N。圖3-4a為臥銑情況，現考慮立銑，則工作臺收到垂直方向的銑削力Fz=Fe=611.8N，受到水平方向的銑削力分別為Ff和Ffn。今將水

7、平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向（絲桿軸線方向），則縱向銑削力Fx=Ff=1771N，徑向銑削力Fy=Ffn=402.5N。3. 直線滾動導軌副的計算與選型（1） 滑塊承受工作載荷Fmax的計算及導軌型號的選取 工作載荷是影響直線滾動導軌副使用壽命的重要因素。設計中的X-Y工作臺為水平布置，采用雙導軌、四滑塊的支承形式?？紤]最不利的情況，即垂直于臺面的工作載荷全部由一個滑塊承擔，則單滑塊所受的最大垂直方向載荷為：Fmax=G4+F 其中，移動部件重量G=800N，外加載荷F=Fz=611.8N，代入上式，得最大工作載荷Fmax=811.8N。查表3-41，根據工作載荷Fmax=811.8N

8、，初選直線滾動導軌副的型號為KL系列的JSA-LG15型，其額定動載荷Ca=7.94kN，額定靜載荷C0a=9.5kN。任務書規定工作臺面尺寸為230mm×230mm，加工范圍為600mm×230mm，考慮工作行程應留有一定余量，查表3-35，按標準系列，選取導軌的長度為640mm。（2） 距離額定壽命L的計算 上述選取的KL系列的JSA-LG15型導軌副滾道硬度為60HRC，工作溫度不超過100，每根導軌上配有兩只滑塊，精度為4級，工作速度較低，載荷不大。查表3-36表3-40，分別取硬度系數fH=1.00、接觸系數fc=0.81、精度系數fR=0.9、載荷系數fW=1.

9、5，代入式子得距離壽命： L=遠大于期望值50Km，故距離額定壽命滿足要求。4. 滾珠絲桿螺母副的計算與選型（1） 最大工作載荷Fm的計算 如上所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲桿軸線平行）Fx=1771N，受到橫向的載荷（與絲桿軸線垂直）Fy=402.5N，受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）Fz=611.8N。已知移動部件總重量G=800N，按矩形導軌進行過計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數K=1.1，滾動導軌上的摩擦因數=0.005。求得滾珠絲桿副的最大工作載荷：Fm=KFx+（Fz+Fy+G）=1.1×1771+0.005×（611.8+402.5+

10、800）1957N(2) 最大動載荷FQ的計算 設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=560mmmin，初選絲桿導程Ph=5mm，則此時絲桿轉速n=vPh=120r/min。取滾珠絲桿的使用壽命T=15000h，代入L0=60nT/10 , 得絲桿壽命系數L0=108（單位為：10 r）。查表3-30，取載荷系數fW=1.2，滾道硬度為60HRC時，取硬度系數fH=1.0，代入式子求得最大動載荷： FQ=（3） 初選型號 根據計算出的最大動載荷和初選的絲桿導程，查表3-31，選擇濟寧博特精密絲桿制造有限公司生產的CM3205-4型滾珠絲桿副，為內循環固定反向器單螺母式，其公稱直徑為32m

11、m，導程為5mm，循環滾珠為4圈×1列，精度等級取5級，額定動載荷為13675N，大于FQ，滿足要求。（4） 傳動效率的計算 將公稱直徑d0=32mm，導程Ph=5mm，代入=arctanPh(d0)，得絲桿螺旋升角=2.85°。將摩擦角=10，代入=tantan（+），得傳動效率=94.4。（5） 剛度的演算 1）X-Y工作臺上下兩層滾珠絲桿副的支承均采用“單推-單推”的方式。絲桿的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距離約為a=500mm；鋼的彈性模量E=2.1×10 MPa；查表3-31，得滾珠直徑Dw=3.175mm，絲桿底徑d2=

12、28.2mm，絲桿截面積S=d24=624.26mm²。算得絲桿在工作載荷Fm作用下產生的拉/壓變形量1=Fma/（ES）=1957×5002.1×10 ×624.26=0.0075mm。 2）根據公式Z=（d0Dw）3，求得單圈滾珠數Z=30；該型號絲桿為單螺母，滾珠的圈數×列數為3×1，代入公式：Z=Z×圈數×列數，得滾珠總數量Z=90。絲桿預緊時，取軸向預緊力Fyj=Fm/3=652N。則由公式得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量 20.0021mm。因為絲桿加有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可減少一

13、半，取 2=0.0011mm。 3）將以上算出的1和2代入總=1+2，求得絲桿總變形量（對應跨度500mm） 總0.0086mm=8.6m。 設計中，絲桿的有效行程為230mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲桿有效行程在<=315mm時，行程偏差允許達到23m，可見絲桿剛度足夠。（6） 壓桿穩定性校核 根據公式計算失穩時的臨界載荷Fk。查表3-34，支承系數fK=1；由絲桿底徑d2=28.2mm，求得截面積慣性矩I=d26431027.45mm 壓桿穩定安全系數K取3（絲桿臥式水平安裝）；滾動螺母至軸向固定處的距離a取最大值500mm。代入公式得臨界載荷Fk85657.1N，遠大于工作載

14、荷Fm=1771N，故絲桿不會失穩。 綜上所述，初選的滾珠絲桿副滿足使用要求。5. 步進電動機減速箱的選用為了滿足脈沖當量的設計要求，增大步進電動機的輸出轉矩，同時也為了使滾珠絲桿和工作臺的轉動慣量折算到電動機轉軸上盡可能地小，今在步進電動機的輸出軸上安裝一套齒輪減速箱。采用一級減速，步進電動機的輸出軸與小齒輪聯接，滾珠絲桿的軸頭與大齒輪聯接。其中大齒輪設計成雙片結構，采用彈簧錯齒法消除側隙。已知工作臺的脈沖當量=0.0075mm脈沖，滾珠絲桿的導程Ph=5mm，初選步進電動機的步距角=0.75°。根據公式算得減速比：i=（·Ph）（360）=（0.75×5）（3

15、60×0.0075）=25/18本設計選用常州市新月電機有限公司生產的JBF-3型齒輪減速箱。大小齒輪模數均為1mm，齒數比為50:36，材料為45調質鋼，齒表面淬硬后達55HRC。減速箱中心距為（50+36）/2mm=43mm，小齒輪厚度為20mm，雙片大齒輪厚度均為10mm。6. 步進電動機的計算與選型（1） 計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq已知：滾珠絲桿的公稱直徑d0=32mm，總長l=500mm，導程Ph=5mm，材料密度=7.85×10 kgcm³；移動部件總重力G=800N；小齒輪寬度b1=20mm，直徑d1=36mm；大齒輪寬度b2=20m

16、m，直徑d2=50mm；傳動比i=25:18。如表4-1所示，算得各個零部件的轉動慣量如下：滾珠絲桿的轉動慣量Js=拖板折算到絲桿上的轉動慣量Jw=小齒輪的轉動慣量Jz1=大齒輪的轉動慣量Jz2=初選步進電動機型號為90BYG2602，為兩相混合式，由常州寶馬集團公司生產，二相八拍驅動時步距角為0.75°，從表4-5查得該型號電動機轉子的轉動慣量Jm=4kg·cm²。則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為： Jeq=Jm+Jz1+（Jz2+Jw+Js）i²=7.12kg·cm²（2） 計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq（分快速

17、空載起動和承受最大工作載荷兩種情況進行計算。）1） 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩Teq1由式子可知，Teq1包括三部分：一部分是快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩Tamax；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩Tf；還有一部分是滾珠絲桿預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩T0。因為滾珠絲桿副傳動效率很高，根據公式可知T0相對于Tamax和Tf很小，可以忽略不計。則有： Teq1=Tamax+Tf根據公式，考慮傳動鏈的總效率，計算快速空載起動時折算到電動機轉軸上的最大加速轉矩： Tamax=（2Jeq·nm）（60ta·）式中 nm對應

18、空載最快移動速度的步進電動機最高轉速，單位為rmin； Ta步進電動機由靜止到加速度至nm轉速所需的時間，單位為s。其中： nm=（Vmax·）（360）式中 Vmax空載最快移動速度，任務書指定為1540mm/min； 步進電動機步距角，預選電動機為0.75°； 脈沖當量，=0.005mm脈沖。將上式各值代入式子算得nm=641.67rmin。設步進電動機由靜止到加速至nm轉速所需時間ta=0.4s，傳動鏈總效率=0.7。則由式子求得：Tamax= 由式子可知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：Tf=（Fz+G）Ph（2i）式中 導軌的摩擦因數，滾動導軌取0

19、.005； Fz垂直方向的銑削力，空載時取0； 傳動鏈總效率，取0.7。則由式子得： Tf= 最后由式子求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：Teq1=Tamax+Tf=0.173N·m2） 最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩Teq2 由式子可知，Teq2包括三部分：一部分是折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩Tt；一部分是移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩Tf；還有一部分是滾珠絲桿預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩T0，T0相對于Tt和Tf很小，可以忽略不計。則有：Teq2=Tt+Tf 其中，折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩Tt由式子計算。本設計中

20、對滾珠絲桿進行計算的時候，已知沿著絲桿軸線方向的最大進給載荷Fx=2291.87N，則有： Tt=再由式子計算垂直方向承受最大工作負載（Fz=791.74N）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩： Tf=最后由式子求得最大工作負載狀態下電動機轉軸所承受的負載轉矩為： Teq2=Tt+Tf=1.456N·m經過上述計算后，得到加在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩應為： Teq=maxTeq1，Teq2= 1.456N·m（3） 步進電動機最大靜轉矩的選定 考慮到步進電動機的驅動電源受電網電壓影響較大，當輸入電壓降低時，其輸出轉矩會下降，可能造成丟步，甚至堵轉。因此，根據Teq來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。本設計中安全系數K=4，則步進電動機的最大靜轉矩應滿足： Tjmax4Teq=4×1.456N·m=5.824N·m上述初選的步進電動機型號為90BYG2602，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉矩Tjmax=6N·m?？梢姖M足要求。（4） 步進電動機的性能校核1） 最快工進速度時電動機輸出轉矩校核 任務書給定工作臺最快工進速度Vmaxf=560mmmin，脈沖當量=0.0075mm脈沖，由式子求出電動機對應的運行頻率f