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課程設計說明書
題 目: X-Y工作平臺機電系統(tǒng)設計
姓 名：
專 業(yè) ：
班 級：
學 號：
指導教師：
年12月8日
摘 要
本文主要對X-Y數控工作臺機電系統(tǒng)及控制系統(tǒng)進行設計。X-Y數控工作臺是許多機電一體化設備的基本部件，如數控車床的縱-橫向進刀機構、數控銑床和數控鉆床的X-Y工作臺、激光加工設備的工作臺、電子元件表面貼裝設備等。模塊化的X-Y數控工作臺通常由導軌座、移動滑塊、工作平臺、滾珠絲杠螺母副,以及伺服電動機等部件構成。其中，伺服電動機作為執(zhí)行元件用來驅動滾珠絲杠，滾珠絲杠的螺母帶動滑塊和工作平臺在導軌上運動，完成工作臺在X、Y方向的直線移動。導軌副、滾珠絲杠螺母副和伺服電動機等均已標準化，由專門廠家生產，設計時只需根據工作載荷選取即可。控制系統(tǒng)根據需要選用設計專用的微機控制系統(tǒng)。
關鍵字：X-Y數控工作臺，滾珠絲杠螺母副，伺服電動機，微機控制系統(tǒng)。
目 錄
1設計任務 4
2總體方案設計 4
2．1機械傳動部件的選擇 4
2．1．1導軌副的選用 4
2．1．2絲杠螺母副的選用 4
2．1．3減速裝置的選用 4
2．1．4伺服電動機的選用 4
2．1．5檢測裝置的選用 5
2．2控制系統(tǒng)的設計 6
3機械傳動部件的計算與選型 6
3．1導軌上移動部件的重量估算 6
3．2銑削力的計算 6
3．3直線滑動導軌副的計算與選型 7
3．4滾珠絲杠螺母副的計算與選型 7
3．4．1最大工作載荷Fm的計算 8
3．4．2最大動工作載荷FQ的計算 8
3．4．3初選型號 8
3．4．4傳動效率η的計算 9
3．4．5剛度的驗算 9
3．4．6壓桿穩(wěn)定性校核 10
3．5步進電動機的計算與選型 11
3．5．1計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量Jeq 11
3．5．2計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩Teq 12
3．5．3步進電動機最大靜轉矩的選定 15
3．5．4步進電動機的性能校核 15
3．6聯軸器和軸承的選擇 17
3．6．1聯軸器的選擇 17
3．6．2滾動軸承的選擇 17
3．7增量式旋轉編碼器的選用 17
4控制系統(tǒng)硬件電路設計 18
5步進電動機的驅動電源選用 18
6控制系統(tǒng)的部分軟件設計 19
6．1存儲器與I/O芯片地址分配 19
參考文獻 20
計算 Fc
計算Ff、Fe、Ffn
計算Fz、Fx、Fy
計算
選取導軌長度
計算滾珠絲杠副的最大工作載荷
計算最大動載荷
初選滾珠絲桿螺母副型號
計算傳動效率
計算拉/壓變形量
計算滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量
計算絲杠總變形量
計算臨界載荷
計算滾珠絲杠的轉動慣量
計算拖板折算到絲杠上的轉動慣量
計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量
計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩
計算折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩
計算快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩
計算折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩
計算移動部件運動時折算到電動機轉軸上摩擦轉矩
計算最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩
計算等效負載轉矩
計算步進電動機的最大靜轉矩
校核最快工進速度時電動機的輸出轉矩
校核最快空載移動時電動機輸出轉矩
校核最快空載移動時電動機運行頻率
計算起動頻率
聯軸器選擇
滾動軸承選擇
1設計任務
題目：X-Y數控工作臺機電系統(tǒng)設計
任務：設計一種供應式數控銑床使用的X-Y數控工作臺，主要參數如下：
1）立銑刀最大直徑。
2）立銑刀齒數。
3）最大銑削寬度。
4）最大背吃刀量。
5）X、Y方向的脈沖當量。
6）X、Y方向的定位精度均為。
7）工作臺面尺寸為，加工范圍。
8）工作臺最快移動速度。
9）工作臺進給移動速度。
2總體方案的確定
2．1機械傳動部件的選擇
2．1．1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，決定選用直線滑動導軌副，它具有剛度高、制造簡單、傳動效率高、結構簡單、安裝預緊方便等優(yōu)點。導軌材料選用40Cr（支承導軌）-鑄鐵（動導軌），滑塊材料為鑄鐵。
2．1．2絲杠螺母副的選用
伺服電動機的旋轉運動需要通過絲杠螺母副轉換成直線運動，需要滿足0.01mm的脈沖當量和的定位精度，滑動絲杠副為能為力，只有選用滾珠絲杠副才能達到。滾珠絲杠副的傳動精度高、動態(tài)響應快、運轉平穩(wěn)、壽命長、效率高、預緊后可消除反向間隙。
2．1．3減速裝置的選用
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。但本設計中要求系統(tǒng)結構緊湊，且依靠步進電動機和滾珠絲杠副已經可以達到所需的脈沖當量，因此不使用減速箱。
2．1．4伺服電動機的選用
任務書規(guī)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1500mm/min。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。
2．1．5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(huán)控制，也可選閉環(huán)控制。任務書所給的精度對于步進電動機來說還是偏高的，為了確保電動機在運動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(huán)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。
另，考慮到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、絲杠螺母副、減速裝置、電動機，以及檢測裝置擬采用相同的型號與規(guī)格。
2．2控制系統(tǒng)的設計
1）設計的X-Z工作臺準備用在數控銑床上，其控制系統(tǒng)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(tǒng)設計成連續(xù)控制型。
2）對于步進電動機的半閉環(huán)控制，選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52作為控制系統(tǒng)的CPU，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(tǒng)，在選擇CPU之后，還要擴展程序存儲器、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
3．1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、滾珠絲杠副、直線滑動導軌副、導軌座等,估計重量約為1000N。
3．2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。則由表3-7查得立銑時的銑削力計算公式為：
今選擇銑刀的直徑為d=18mm，齒數Z=2,為了計算最大銑削力，在不對稱銑削情況下，取最大銑削寬度為，背吃刀量，每齒進給量，銑刀轉速。則由上式求的最大銑削力：
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，結合圖3-4a，考慮逆銑時的情況，可估算三個方向的銑削力分別為：
圖3-4a為臥銑情況，現考慮立銑，則工作臺受到垂直方向的銑削力，受到水平方向的銑削力分別為和。今將水平方向較大的銑削力分配給工作臺的縱向，則縱向銑削力，徑向銑削力為。
3．3直線滑動導軌副的計算
工作載荷是影響直線滑動導軌副使用壽命的重要因素。本設計中的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：
(3-1)
其中，移動部件重量Ｇ＝1000N，外加載荷，代入式（3-1），得最大工作載荷=371.67N=0.372kN。
任務書規(guī)定工作臺面尺寸為，加工范圍，考慮工作行程應留有一定余量，選取導軌的長度為510mm。
3．4滾珠絲杠螺母副的計算與選型
3．4．1最大工作載荷Fm的計算
如前面所述，在立銑時，工作臺受到進給方向的載荷（與絲杠軸線平行）,受到橫向載荷（與絲杠軸線垂直），受到垂直方向的載荷（與工作臺面垂直）。
已知移動部件總重量G=1000N，按三角-矩形導軌進行計算，查表3-29，取顛覆力矩影響系數K=1.15，滑動導軌上的摩擦系數=0.15。求得滾珠絲杠副的最大工作載荷：
3．4．2最大動工作載荷的計算
設工作臺在承受最大銑削力時的最快進給速度v=350mm/min，初選絲杠導程=5mm,則此時絲杠轉速n=v/=70r/min。
取滾珠絲杠的使用壽命T=15000h,代入L0=60nT/106,得絲杠壽命系數L0=63（單位為：106r）。
查表3-30，取載荷系數=1.2,滾道硬度為60HRC時，取硬度系數=1.0,代入式（3-23），求得最大動載荷：
3．4．3初選型號
根據計算出的最大動載荷和初選的絲杠導程，查表3-31，選擇濟寧博特精密絲杠制造有限公司生產的GD系列2005-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式，其公稱直徑為20mm，導程為5mm，循環(huán)滾珠為3圈2系列，精度等級取5級，額定動載荷為9309N，大于，滿足要求。
3．4．4傳動效率的計算
將公稱直徑=20mm,導程=5mm,代入，得絲杠螺旋升角=4°33′。將摩擦角=10′，代入,得傳動效率=96.4%。
3．4．5剛度的驗算
(1) X-Y工作臺上下兩層滾珠絲杠副的支承均采用“單推—單推”的方式。絲杠的兩端各采用一對推力角接觸球軸承，面對面組配，左、右支承的中心距約為a=360mm；鋼的彈性模量E=2.1х105MPa;查表3-31，得滾珠直徑=3.175mm，絲杠底徑=16.2mm,絲杠截面積S=/4=206.12。
忽略式（3-25）中的第二項，算得絲杠在工作載荷作用下產生的拉/壓變形量：
(2) 根據公式，求得單圈滾珠數Z=17 ；該型號絲杠為單螺母，滾珠的圈數列數為32，代入公式Z圈數列數，得滾珠總數量=102。絲杠預緊時，取軸向預緊力/3=191.09N。則由式（3-27），求得滾珠與螺紋滾道間的接觸變形量：
因為絲杠有預緊力，且為軸向負載的1/3，所以實際變形量可以減少一半，取=0.0004mm。
(3) 將以上算出的和代入，求得絲杠總變形量（對應跨度360mm）=0.0054mm=5.4
絲杠的有效行程為300mm，由表3-27知，5級精度滾珠絲杠有效行程在≤315mm時，行程偏差允許達到23，可見絲杠剛度足夠。
3．4．6壓桿穩(wěn)定性校核
根據公式（3-28）計算失穩(wěn)時的臨界載荷。查表3-34，取支承系數=1；由絲杠底徑=16.2mm求得截面慣性矩3380.88；壓桿穩(wěn)定安全系數K取3（絲杠臥式水平安裝）；滾動絲杠兩端支撐間的距離a=360mm。則由式（3-28）求得臨界載荷：
=
遠大于工作載荷，故絲杠不會失穩(wěn)。
3．5步進電動機的計算與選型
3．5．1計算加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量
已知：滾珠絲杠的公稱直徑=20mm，總長l=430mm，導程=5mm，材料密度=kg/；移動部件總重力G=1000N。
如表4-1所示，算得各個零部件的轉動慣量如下：
滾珠絲杠的轉動慣量
拖板折算到絲杠上的轉動慣量
初選步進電動機的型號為90BYG2602,為二相混合式，由常州寶馬集團公司生產，二相八拍驅動時的步距角為1.5°，從表4-5查得該型號的電動機轉子的轉動慣。
則加在步進電動機轉軸上的總轉動慣量為：
3．5．2計算加在步進電動機轉軸上的等效負載轉矩
分快速空載和承受最大負載兩種情況進行計算：
1) 快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩
由式（4-8）可知，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；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；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩。因為滾珠絲杠副傳動效率很高，根據式（4-12）可知，相對于和很小，可以忽略不計。則有：
=+ （6-13）
根據式（4-9），考慮傳動鏈的總效率，計算空載起動時折算到電動機轉軸上最大加速轉矩：
= （6-14）
式中
—對應空載最快移動速度的步進電動機最高轉速， 單位為r/min;
—步進電動機由靜止到加速至轉速所需的時間，單位為s。
其中：
式中
—空載最快移動速度，任務書指定為1500mm/min；
—步進電動機步距角，預選電動機為1.5；
—脈沖當量，本例=0.01mm/脈沖。
設步進電機由靜止加速至所需時間，傳動鏈總效率=0.88。則由式（6-14）求得：
=
由式（4-10）知，移動部件運動時，折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩為：
式中
—導軌的摩擦因素，三角-矩形滑動導軌取0.15；
—垂直方向的銑削力，空載時取0；
—傳動鏈總效率，取0.88。
最后由式（6-13）求得快速空載起動時電動機轉軸所承受的負載轉矩：
=+
2) 最大工作負載狀態(tài)下電動機轉軸所承受的負載轉矩
由式（4-13）可知，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；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；還有一部分是滾珠絲杠預緊后折算到電動機轉軸上的附加摩擦轉矩，相對于和很小，可以忽略不計。則有：
=+ （6-18）
其中，折算到電動機轉軸上的最大工作負載轉矩由公式（4-14）計算。已知沿著絲桿軸線方向的最大進給載荷，則有：
再由式（4-10）計算垂直方向承受最大工作負載（）情況下，移動部件運動時折算到電動機轉軸上的摩擦轉矩：
最后由式（6-18），求得最大工作負載狀態(tài)下電動
機轉軸所承受的負載轉矩：
=+
經過上述計算后，得到加在在步進電動機轉軸上的最大等效負載轉矩為：
3．5．3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，根據來選擇步進電動機的最大靜轉矩時，需要考慮安全系數。取安全系數K=4, 則步進電動機的最大靜轉矩應滿足：
初選步進電動機的型號為90BYG2602，由表4-5查得該型號電動機的最大靜轉矩?？梢?，滿足要求。
3．5．4步進電動機的性能校核
1)最快工進速度時電動機的輸出轉矩校核
任務書給定工作臺最快工進速度 ，脈沖當量 /脈沖，由式（4-16）求出電動機對應的運行頻率 。從90BYG2602電動機的運行矩頻特性曲線圖1-1可以看出在此頻率下，電動機的輸出轉矩 ，遠遠大于最大工作負載轉矩，滿足要求。
圖1-1 90BYG2602步進電動機的運行矩頻特性曲線
2）最快空載移動時電動機輸出轉矩校核
任務書給定工作臺最快空載移動速度=1500mm/min，仿照式（4-16）求出其對應運行頻率。由圖1-1查得，在此頻率下，電動機的輸出轉矩，大于快速空載起動時的負載轉矩，滿足要求。
3）最快空載移動時電動機運行頻率校核
與最快速空載移動速度=1500mm/min對應的電動機運行頻率為 。查表4-5可知90BYG2602電動機的空載運行頻率可達20000，可見沒有超出上限。
4）起動頻率的計算
已知電動機轉軸上的總轉動慣量，電動機轉子的轉動慣量，電動機轉軸不帶任何負載時的空載起動頻率（查表4-5）。由式（4-17）可以求出步進電動機克服慣性負載的起動頻率為：
上式說明，要想保證步進電動機起動時不失步，任何時候的起動頻率都必須小于。實際上，在采用軟件升降頻時，起動頻率選得更低，通常只有（即100脈沖/s）。
綜上所述，本次設計中工作臺的進給傳動系統(tǒng)選用90BYG2602步進電動機，完全滿足設計要求。
3．6聯軸器和軸承的選擇
3．6．1聯軸器的選擇
最大工作負載轉矩，所以有：；
步進電機最高轉速：
又由于電機輸出軸軸徑d=14，故選用LT型彈性套柱銷聯軸器：
3．6．2滾動軸承的選擇
根據支承方式單推-單推，絲桿底徑為16.2mm選用角接觸球軸承，軸承代號為：7001C GB/T 292-1994。
3．7增量式旋轉編碼器的選用
本設計所選步進電動機采用半閉環(huán)控制，可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，可知電動機轉動一轉時，需要控制系統(tǒng)發(fā)出個步進脈沖?？紤]到增量式旋轉編碼器輸出的A、B相信號，可以送到四倍頻電路進行電子四細分，因此，編碼器的分辨力可選60線。這樣控制系統(tǒng)每發(fā)一個步進脈沖，電動機轉過一個步距角，編碼器對應輸出一個脈沖信號。
此次選用的編碼器型號為：ZLK-A-60-05VO-10-H盤狀空心型，孔徑10mm，與電動機尾部出軸相匹配，電源電壓+5V，每秒輸出60個A/B脈沖，信號為電壓輸出，生產廠家為長春光機數顯技術有限公司。
4控制系統(tǒng)硬件電路設計
根據任務書的要求，設計控制系統(tǒng)的硬件電路時主要考慮以下功能：
（1） 接收鍵盤數據，控制LED顯示
（2） 接受限位開關信號；
（3） 控制X，Z向步進電動機的驅動器；
CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲器擴展芯片。W27C512用做程序存儲器，存放監(jiān)控程序；6264用來擴展AT89S52的RAM存儲器存放調試和運行的加工程序；8279用做鍵盤和LED顯示器借口，鍵盤主要是輸入工作臺方向，LED顯示器顯示當前工作臺坐標值；系統(tǒng)具有超程報警功能，并有越位開關和報警燈；其他輔助電路有復位電路，時鐘電路，越位報警指示電路。
5步進電動機的驅動電源選用
設計中X、Y向步進電動機均為90BYG2602型，生產廠家為常州寶馬集團公司。查表4-14，選擇與之匹配的驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓為100VAC，相電流為4A，分配方式為二相八拍。該驅動電源與控制器的接線方式如圖1-3所示。
圖1-3 BD28Nc驅動電源的接線圖
6控制系統(tǒng)的部分軟件設計
6．1存儲器與I/O芯片地址分配
根據電氣圖1中地址譯碼器U4（74LS138）的連接情況，可以算出主機板中存儲器與I/O芯片的地址分配如表 1-1所示。
器件名稱
地址選擇線（A15～A0）
片內地址單元數
地址編碼
6264
000X，XXXX
8K
0000H～1FFFH
8255
0011,1111,
1111,11XX
4
3FFCH～3FFFH
8279
0101,1111
1111,111X
2
5FFEH～5FFFH
表1-1 主機板中存儲器與I/O芯片的地址分配
參考文獻
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選用直線滑動導軌副
選用滾珠絲杠副
選用步進電動機
選用增量式旋轉編碼器
控制系統(tǒng)設計成連續(xù)控制型
8位單片機AT89S52
重量約為1000N
選取導軌的長度為510mm
選用GD系列2005-3型滾珠絲杠副，為內循環(huán)固定反向器單螺母式
η=96.4%
=0.0004mm
=5.4
絲杠剛度足夠
絲杠不會失穩(wěn)
初選步進電動機的型號滿足要求
遠大于最大工作負載轉矩，滿足要求
大于快速空載起動時的負載轉矩，滿足要求
空載運行頻率沒有超出上限
起動頻率滿足要求
90BYG2602步進電動機完全滿足設計要求
編碼器型號為：ZLK-A-60-05VO-10-H 盤狀空心型
CPU選用MCS-51系列的8位單片機AT89S52，采用8279，和W27C512，6264芯片做為I/O和存儲器擴展芯片
驅動電源為BD28Nb型，輸入電壓為100VAC，相電流為4A，分配方式為二相八拍