(整理)XY工作台说明书.

精品文档精品文档目录一、设计说明（一）设计任务（二）总体方案的确定（三）系统总体方案设计二、机械部分设计（一）脉冲当量的选定（二）步进电机的选用（三）计算铣削力（四）滚珠丝杠副的选用（五）工作台尺寸确定:（六）滚珠丝杠长度确定（七）丝杠传动效率计算（八）丝杠稳定性验算（九）丝杠刚度验算（十）计算减速器传动比（十一）齿轮机构设计（十二）传动系统是转动惯量计算（十三）步进电动机负载能力校验（十四）导轨的选型及计算三、控制系统电路设计（一）接口设计（二）伺服系统设计（三）步进电机驱动电路设计（四）运动控制器控制原理四、控制软件结构设计（一）直线插补程序（二）圆弧插补程序参考文献精品文档精品文档一、设计说明本设计是以PC平台为基础的数控X-Y工作台实验系统，它具有直线插补和圆弧插补等数控系统所使用的常用功能，结构简单，操作方便，控制精度相对较高,可靠性、稳定性和实用性都很好。X、Y两方向的运动各由一台步进电机控制。数控系统每发出一个信号，步进电机就走一步，并通过中间传动机构带动两方向的丝杠旋转，分别使得X、Y工作台进给。数控系统由单片机、键盘、变频检测系统构成，具有间隙补偿、直线插补、圆弧插补、断丝自动处理等主要功能。线切割的适用对象主要是难切割材料，如高强度、高韧性、高硬度、高脆性、磁性材料，以及精密细小和形状复杂的零件。线切割技术、线切割机床正在各行各业中得到广泛的应用。因此研究和设计数控线切割有很强的现实意义。微机控制技术正在发挥出巨大的优越性。（一）设计任务:设计一个数控X-Y工作台及其控制系统,该工作台可安装在铣床上,用于铣削加工.设计参数如下:最在铣削直径：20mm最在铣削宽度：8mm最大铣削深度：5mm加工材料：碳钢工作台加工范围：X=250,Y=180最大移动速度：3m/min（二）总体方案的确定数控X—Y工作台的总体方案设计应考虑以下几点：1．工作台应具有沿纵向和横向往复运动、暂停等功能，因此数控控制系统采用连续控制系统。2．在保证一定加工性能的前提下，结构应简单，以求降低成本。因此进给伺服统采用伺服电机开环控制系统。3．纵向和横向进给是两套独立的传动链，它们各自由各的伺服电动机、联轴器、丝杠螺母副组成。4．为了保证进给伺服系统的传动精度和平稳性，选用摩擦小、传动效率高的滚珠丝杠螺母副，并应有预紧装置，以提高传动刚度和消除间隙。5．为减少导轨的摩擦阻力，选用滚动直线导轨。（三）系统总体方案设计精品文档精品文档二、机械部分设计（一）脉冲当量的选定根据已知条件：X、Y方向的脉冲当量δx、δy分别为δx=δy=0.01mm（二）步进电机的选用即脉冲当量较小，因此这里选用反应式步进电动机。其特点是：步距角小，运行频率高，价格较低，但功耗较大。BF反应式步进电动机技术参数(指导书表2-18)电机型号相数步距角最大静转矩最高空载启动频率运行频率转子转动惯量分配方式90BF00140.93.92.Nm2000HZ8000HZ5217.6410.kgm四相八拍（1）步进电动机的脉冲频率计算典型工况下，步进电动机的脉冲频率fx和fy分别为33max310105000/8000/60600.01xxxxvfpsfps精品文档精品文档33max310105000/8000/60600.01yyyyvfpsfps（2）90BF001启动矩频特性（3）90BF001运行矩频特性（三）计算铣削力（1）切削力ZF的请算选用高速钢直柄立铣刀，其铣削力公式为：ZdaaaCFtpfeFZ86.072.086.081.9查机械制造技术基础课程式设计指导教程表5-11得FC＝68.2，td＝20mm，ea＝精品文档精品文档8mm，fa＝0.09mm，pa＝5mm,Z=5代入公式可知0.860.721.86zF9.8168.280.0952051345N（2）进给工作台工作载荷的计算进给工作载荷沿铣床工作台运动方向可分解为三个力:工作台纵向进给方向载荷LF，工作台垂直进给方向载荷VF，工作台横向进给方向载荷CF。（3）工作台载荷与铣削力的经验比算(指导书表2-4)考虑最不利影响LF/ZF=0.9VF/ZF=0.8CF/ZF=0.4所以LF=1211NVF=1076NCF=538N（四）滚珠丝杠副的选用（1）丝杠寿命的估算令两方向丝杠的工况均为：每天开机8小时；每年300个工作日；工作10年以上。丝杠材料：CrWMn钢；滚道硬度为58~62HRC；丝杠传动精度为±0.04mm丝杠寿命:'83001024000hLh初定丝杠的导程为P=5其平均转速为工作台最大移动速度一半时所对应的转速故平均转速10001.51000300/min5vnrp（2）计算丝杠工作载荷铣削条件比值不对称铣削逆铣顺铣圆柱铣,立铣,盘铣,和成型铣LF/ZF1.00~1.200.8~0.90VF/ZF0.20~0.300.75~0.80CF/ZF0.35~0.400.35~0.40精品文档精品文档计算载荷FC求解,其中取CFLF的较大值为Fm,故Fm,=1211NFC=KFKHKAFm=1.1×1.0×1.0×=1332N查《机电一体化设计基础》表2-6；2-7；2-8得KF=1.1;KH=1.0;KA=1.0查表2-4取C级精度。表2-6载荷系数载荷性质无冲击平稳运转一般运转有冲击和振动运转KF1~1.21.2~1.51.5~2.5表2-7硬度系数滚道实际硬度≥5855504540KH1.01.111.562.43.85表2-8精度系数精度等级C,DE,FGHKA1.01.11.251.43（3）额定动载荷计算Ca′计算'334430024000124794211.67101.6710hacnLCFNN（4）滚珠丝杠副初选假设选用C1型号，按滚珠丝杠副的额定动载荷Ca等于或稍大于Ca的原则，选初定选用汉江机床生产的2005-3Ca=10493N其参数如下:中径220dmm导程5p螺旋角'4.33滚珠直径3.175dmm滚道半径0.520.523.1751.651Rdmm偏心距23.1750.707()0.707(1.651)4.4891022deRmm丝杠内径122216.79ddeRmm（五）工作台尺寸确定:工作台的行程为X＝250mm，Y＝180mm。工作台尺寸一般为工作台行程的1.1倍。所以：X＝250×1.1＝275mm,Y＝180×1.1＝198mm。圆整，取X＝270mm,Y＝190mm。其厚度初定为精品文档精品文档30mm选择工作台的型槽为T型槽，查《袖珍机械设计师手册》表3-25可得所选T型槽的参数：A＝12mmB＝21mmC＝9mmH＝20mm间距取50mm一取工作台厚度为T型槽厚度的2倍，即2×20＝40mm。工作台质量：М0＝＝37.8102719416kg,即纵向丝杠所承受的质量。因工作台有T型槽，故取М0＝15kg。(减去3个t型槽的重量得到的大概数值)横向丝杠所要承受的质量М为工作台质量加上拖板质量，一般以工作台质量的3.5倍计。即М＝52.5kg（六）滚珠丝杠长度确定根据经验公式llLl行程余量其中L由2005-3丝杠副中取L=97mm.故xl=250+97+50=397mm圆整xl=400mmyl=180+97+50=327mm圆整yl=330mm（七）丝杠传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为)(tgtg＝见《机电综合设计指导》公式（2-15）P15式中：为丝杠螺旋升角，为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数f＝0.003～0.004,其摩擦角约等于01。所以，94.0)01'552('552)(tgtgtgtg＝＝（八）丝杠稳定性验算由于一端轴向固定的长丝杠在工作时可能会发生失稳，所以在设计时应验算其安全系数S，其值应大于丝杠副传动结构允许安全系数[S],[S]是许用稳定性安全系数一般取2.5~4AHBC精品文档精品文档丝杠不会发生失稳的最大载荷称为临界载荷Fcr（N）按下式计算：2()AcrEIFl式中，E为丝杠材料的弹性模量，对于钢，E=206GPa；l为丝杠工作长度（m）；Ia为丝杠危险截面的轴惯性矩（m4）；μ为长度系数.丝杠初定支承方式如下故0.7(一端固定.另一端铰支)X轴受到的临界力:995223.14206103100.2510()(0.70.40)AxcrEIFNlY轴受到的临界力:995223.14206103100.3610()(0.70.33)AycrEIFNl安全系数:50.2510211211xcrxmFsF[]s50.3610301211ycrymFsF[]s临界载荷与丝杠工作载荷之比称为稳定性安全系数s,如果大于许用稳定性安全系数[s],刚该滚珠丝杠不会失稳.一般取[]2.54s,考虑丝杠自重对水平滚珠丝杠的影响可取[]4s（九）丝杠刚度验算滚珠丝杠在工作负载F（N）和转矩T(N⋅m)共同作用下引起每个导程的变形量p22cpFpTpEAGJ式中，A为丝杠截面积1221A=()4dm，cJ为丝杠的极惯性矩44c1J=()32dmG为丝杠切变模量，对钢G=83.3GPa；T(N⋅m)为转矩。2tan()2mDTF精品文档精品文档式中，ρ为摩擦角，其正切函数值为摩擦系数；mF为平均工作负载由所选用选杠有433'10'320121110tan(433'10')0.99.2TNm按最不利的情况取（其中F=Fm）22224114162cpFpTpFpTpEAGJEdGd332922944510112116(510)0.993.14206100.016793.1483.3100.01679812.90710m则丝杠在工作长度上的弹性变形所引起的导程误差为:取xll进行校验.2312.907100.4010.32510pllmmp通常要求丝杠的导程误差Δl应小于其传动精度的1/2，11[]0.040.022022lmmm[]ll满足传动精度要求（十）计算减速器传动比减速器传动比：由所选电机型号和丝杠副参数可求得传动比如下:0.9413603600.01bppi（十一）齿轮机构设计系统传递的功率很高，在要求不高时，以后各步的计算可省略。并采用经验法来设计各元部件。（1）选择材料及确定许用应力齿轮材料选择45钢（表面淬火），硬度为45HRC齿轮的接触疲劳强度极限σlim1H=1130MPa（淬火处理）安全系数SH和SF精品文档精品文档安全系数软齿面硬齿面重要的传动、渗碳淬火齿轮或铸造齿轮SH1.0~1.11.1~1.21.3SF1.3~1.41.4~1.61.6~2.2取安全系数1.1HSlim1130[]1027.271.1HHHMPaMPaS齿轮的弯曲疲劳强度极限lim240FMPa取1.3FSlim240[]184.621.3FFFMPaS（2）齿结构参数确定为简化结构选1220zz,模数m取1.5,则121230DDmzmzmm齿宽20Bmm（十二）传动系统是转动惯量计算传动系统是转动惯量是一种惯性负载,在电机选用时必须加以考虑。由于传动系统的各传动部件并不都与电机轴同轴线，还存在各传动部件转动惯量向电机轴折算问题。最后，要计算整个传动系统折算到电机轴上的总转动惯量，即传动系统等效转动惯量。本设计需要对电机转子,联轴节,丝杠,工作台进行转动惯量的计算。两齿轮转动惯量:43432120.78100.7832100.126.JJDBkgcm滚珠丝杠转动惯量的折算:43220.78240100.4992.sSJJ