XY工作台设计说明书

广东海洋大学工程学院机电1103陈庆添201011411404第1页共31页目录一、总体…………………………………………………………………………2二、机械结构设计………………………………………………………………31、脉冲当量和传动比的确定……………………………………………………32、机械部件(工作台)总体尺寸…………………………………………………33、工作载荷分析及计算…………………………………………………………44、滚珠丝杠螺母副的选型和校核………………………………………………55、导轨的选型和计算……………………………………………………………106、联轴器的选择及计算…………………………………………………………117、传动系统等效转动惯量计算…………………………………………………128、步进电机的选用………………………………………………………………13三、控制系统设计………………………………………………………………181、控制系统硬件的基本组成……………………………………………………182、接口程序初始化及步进电机控制程序………………………………………193、直线圆弧插补程序设计………………………………………………………22四、设计总结………………………………………………………………………30参考文献……………………………………………………………………31广东海洋大学工程学院机电1103陈庆添201011411404第2页共31页一、总体1、总体参数设计一个数控XY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。已知的设计参数如下：最大铣刀直径mm最大铣削宽度最大铣削深度加工材料工作台加工范围（mm）最大移动速度20mm10mm5mm碳钢X=250，Y=2003m/min2、开、半闭、闭环选择开环伺服系统——步进电机驱动——没有检测装置半闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——脉冲编码器——速度反馈闭环伺服系统——交流或直流伺服电机驱动——位置检测装置——位置反馈本设计采用开环步进电机驱动。3、传动初步设计电动机——联轴器——滚珠丝杠——工作台4、系统组成框图大致确定为：控制、接口、驱动、传动再到执行。即为XY控制器接口电路驱动装置传动机构工作台5、机械传动系统简图X轴与Y轴的传动系统简图都如图所示eapa广东海洋大学工程学院机电1103陈庆添201011411404第3页共31页二、机械结构设计1、脉冲当量和传动比的确定1.1、脉冲当量的确定根据机床或工作台进给系统所需要的定位精度来选定脉冲当量。考虑到机械传动系统的误差存在，脉冲当量值必须小于定位精度值。本次设计给定脉冲当量为0.01mm。1.2、传动比的确定传动比计算公式：PbLi3600（参考文献【1】式2－1）其中：b为步进电机的步距角，0L为滚珠丝杠导程，P为系统脉冲当量。根据传动设计，采用联轴器，初选电机步距角9.0b，丝杠导程mmL40，mmP01.0。则其传动比101.036049.03600PbLi2、机械部件(工作台)总体尺寸由于工作台的加工范围为X＝250mm，Y＝200mm。工作台尺寸一般为工作台加工范围的1.1倍。所以：X＝250×1.1＝275mm,Y＝200×1.1＝220mm，其厚度初定为30mm。选择工作台的型槽为T型槽，查电子版《袖珍机械设计师手册》中的T型槽和相应螺栓(摘自GB/T158-1996)表3-25T型槽和相应螺栓尺寸，可得所选T型槽的参数：A＝10mmB＝18mmC＝8mmH＝21mm间距取50mmp广东海洋大学工程学院机电1103陈庆添201011411404第4页共31页一取工作台厚度为T型槽厚度的2倍，即2×21＝42mm。工作台质量：333307.8102751022010421019.82Mkg,即纵向丝杠所承受的质量。在工作台上的工件和夹具的质量估计为160Mkg所以总的移动部件的重量为0119.826079.8280MMMkgkgkg3、工作载荷分析及计算3.1销削力的分析与计算铣削运动的特征是主运动为铣刀绕自身轴线高速回转,进给运动为工作台带动工件在垂直于铣刀轴线方向缓慢进给(键槽铣刀可沿轴线进给).铣刀的类型很多，但以圆柱铣刀和端铣刀为基本形式,此选用莫氏锥柄立铣刀,铣刀材料选择高速钢.根据工件材料为碳钢可确定铣削力的计算公式：FZ=9.81CFz·ae0.86·af0.72·d0-0.86·ap·Z（参考文献【1】表2-1）式中各参数如下:CFz———铣削力系数，CFz=68.2（参考文献【1】表2-3）ae———最大铣削宽度，本设计为10mmap———背吃刀量，本设计为5mmZ———铣刀齿数，选择粗齿，齿数取3（参考文献【2】表3-23）d0———铣刀直径，查得d0=20mm(已知)af———每齿进给量（mm/齿），即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，查得af=0.04mm/齿（参考文献【2】表5-6）故：FZ=9.81×68.2×100.86×0.040.72×20-0.86×5×3=545N由表2－1和表2－2中fa表示每齿进给量)/(齿mm，即铣刀每转一个齿间角时，工件与铣刀的相对移动量，每齿进给量fa、每转进给量)/(rmmf和工作台进给速度v三者之间的关系为min)/(mmznavf式中z为铣刀齿数，n为铣刀转速min)/(r可得工作台进给速度min)/(72min)/(600304.0mmmmznavf3.2进给工作台工作载荷计算广东海洋大学工程学院机电1103陈庆添201011411404第5页共31页作用在工作台上的合力F与铣刀刀齿上受到的铣削力的合力F大小相同，方向相反，合力F就是设计和校核工作台进给系统时要考虑的工作载荷，它可以沿着铣床工作台运动方向分解为三个力：工作台纵向进给力方向载荷LF，工作台横向进给方向载荷CF和工作台垂直进给方向载荷VF。工作台工作载荷LF、CF和VF与铣刀的切向铣削力zF之间有一定的经验比值。因此，根据参考文献【1】表2-4，查工作台载荷与切向铣削力的经验比值：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／zF1.00～1.200.80～0.90VF／zF0.20～0.300.75～0.80CF／zF0.35～0.400.35～0.40求出zF后，根据最大的经验比算，即可计算出工作台的计算载荷LF、VF和CF。NFFZL54554511NFFZC1095452.02.0NFFZV2185454.04.04、滚珠丝杠螺母副的选型和校核4.1滚珠丝杠螺母副类型选择4.1.1主要类型采用回珠器处在螺母之内的钢珠内循环方式，另外，为了消除间隙和提高滚珠丝杠副的钢度，可以预加载荷，使它在过盈的条件下工作，初步选用垫片预紧式。4.1.2主要参数及代号4.1.2.1滚珠丝杠副的主要参数①公称直径md，数控机床常用的进给丝杠的公称直径md为mm30至mm80，但这是X-Y工作台，md不用太大，初选020dmm。广东海洋大学工程学院机电1103陈庆添201011411404第6页共31页②基本导程(螺距)0L，由步距角9.0b、脉冲当量脉冲/01.0mmP和传动比1i确定mmiLbp4/3600。③精度等级，一般选用4级~7级，数控机床及精密机械可选用2级~3级。它是滚珠丝杠副的重要指标，直接影响定位精度、承载能力和接触刚度。4.1.2.2滚珠丝杠副的标注参考【2】表2-6，初步选择滚珠丝杠副为FDM1604-3，导轨面的硬度为58~64HRC。参考【3】表12-1-17查出其具体参数如下：规格代号公称直径0D公称导程0hD滚珠直径wD螺旋升角循环列数额定动载荷)(KNCa额定静载荷)(KNCoa接触刚度)/(mNKc1604-31642.381334035.19.74424.2滚珠丝杠螺母副的型号选择及校核步骤4.2.1最大工作载荷（计算进给牵引力Fm（N））滚珠丝杠上的工作载荷Fm(N)是指滚珠丝杠副在驱动工作台时滚珠丝杠所承受的轴向力，也叫做进给牵引力。选用矩形导轨，计算公式（参考文献【1】式2-10）：Fm=KFL＋f，(Fv＋Fc＋G)式中K———考虑颠覆力矩影响的实验系数，矩形导轨K=1.1f———滚动导轨摩擦系数:0.0025～0.005；这里取0.005G———移动部件的重力（N）：G=800NFL———工作台纵向进给方向载荷NFL545Fc———工作台横向进给方向载荷NFC109Fv———工作台垂直进给方向载荷NFV218故：广东海洋大学工程学院机电1103陈庆添201011411404第7页共31页Fm=1.1×545＋0.005×（109＋218＋800）=605N4.2.2最大动负载C的计算及主要尺寸初选滚动丝杠最大动载荷C可用下式计算：mmFfLC3参考【1】（2-14）式中：L为工作寿命，单位为r610，610/60ntL；n为丝杠转速min)/(r，0/1000Lvn；v为最大切削力条件下的进给速度min)/(m，0L为所预选的滚珠丝杠的导程，待刚度验算后再确定；t为额定使用寿命（h），可取t=15000h；mf为运转状态系数，无冲击取1~1.2，一般情况取1.2~1.5，有冲击振动取1.5~2.5；mF为滚珠丝杠工作载荷（N）。初选滚珠丝杠副的尺寸规格，相应的额定动载荷aC不得小于最大动载荷C；CCa。取1.1mf，而工作台进给速度min)/(72mmv，则工作寿命L：)10(2.16410/15000726010/10006010/6066066rLvtntL）（则NFfLCm16846051.12.163m3因为8.2aCkNC，所以所选滚珠丝杠螺母副符合最大动载荷要求。4.2.3传动效率计算滚珠丝杠螺母副的传动效率为：)tan(tan参考【1】（2-15）其中，为丝杠螺旋升角，可由000209.1204arctantanadLrc，为摩擦角，滚珠丝杠副的滚动摩擦系数004.0~003.0f，其摩擦角约等于'10。%88.87%100)'10209.1tan(209.1tan%100)tan(tan00滚珠丝杠副的传动效率较高，一般取0.8~0.9之间，可知，上式传动效率计算有广东海洋大学工程学院机电1103陈庆添201011411404第8页共31页效。4.2.4刚度验算4.2.4.1丝杠的拉压变形量1滚珠丝杠计算满载时拉压变形量：EALFm1参考【1】（2-15）其中：1为在工作载荷mF作用下丝杠总长度上拉伸或压缩变形量)(mm，mF为丝杠的工作载荷)(N，L为滚珠丝杠在支承件的受力长度)(mm，取mmL400，E为材料弹性模量，对钢MpaE4106.20，A为滚珠丝杠按内径确定的截面积)(2mm，mmA14.143)25.13(2d22）（，“+”号用于拉伸，“-”号用于压缩。则mmEALF00821.014.143106.204006054m14.2.4.2滚珠与螺纹滚道间的接触变形量2该变形量与滚珠列、圈数有关，即与滚珠总数量有关，与滚珠丝杠长度无关。有预紧时，可以使用下式计算：)(0013.0322mmZFDFYJwm参考【1】（2-17）其中：wD为滚珠直径)(mm，Z为滚珠总数量列数圈数ZZ，Z为一圈的滚珠数，，)(3)/(0内循环＝wDdZ，0d为滚珠丝杠的公称直径)(mm，YJF为预紧力)8.91(Nkgfkgf，，mF为滚珠丝杠的工作载荷)8.91(Nkgfkgf，查表可得381.2wD111.183381.2/16)(3/dw0内循环）（DZ666.10823111.18列数圈数Z